МИКРОВОЛНОВАЯ ПЕЧЬ ДЛЯ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ Российский патент 1997 года по МПК H05B6/64 F24C7/02 F26B3/32 

Изобретение относится к устройствам для нагрева материалов с помощью микроволновой энергии.

Известны микроволновые печи для приготовления подогрева, варки, жарения и т. д. пищи и установки для промышленного нагрева материалов, использующие эффект объемного разогрева диэлектрических материалов в сверхвысокочастотных (СВЧ) электрических полях.

Микроволновая печь (МП) [1] состоит из нагревательной камеры, в которую помещается приготавливаемая пища, СВЧ- генератора и соединительного СВЧ- устройства для ввода СВЧ-энергии в камеру. Известные МП работают на частоте 2450 МГц (длина волны в воздухе λ = 12,2 см) и имеют объем нагревательной камеры 25.30 л. Для обеспечения равномерности нагрева в некоторых МП используют вращающиеся поддоны, на которых устанавливается посуда с пищей. Обычно это кастрюли или судки из керамики или жаропрочного стекла.

Большой объем нагревательной камеры существующих МП необходим для того, чтобы в ней можно было создать достаточно плотный спектр видов колебаний вокруг рабочей частоты 2450 МГц [1, с. 189-197] При загрузке камеры пищевыми продуктами происходят уменьшение добротности видов колебаний и смещение их по частоте, но в силу их большого количества находится такой вид, который попадает на рабочую частоту СВЧ- генератора печи, и происходит разогрев пищи.

Большие размеры нагревательной камеры МП и, следовательно, всей МП являются недостатком, поскольку ведут к увеличению массы, перерасходу материалов (сталь, покрытия и т.д.) и затрудняют использование МП в полевых условиях (например, водителями большегрузных автомобилей). Между тем, водители в дальних рейсах испытывают большие неудобства, прибегая при разогреве и приготовлении пищи к разного рода бензиновым нагревателям (примус, паяльная лампа) или подручным средствам (костер). То же можно сказать о владельцах небольших катеров.

Существующие МП кроме больших габаритов требуют для своей работы сети переменного тока 220 В, которая отсутствует на автомобилях и катерах. Применение преобразователей напряжения с 24 В (бортовая сеть большегрузных автомобилей) на 220 В приводит к дополнительному увеличению массы и габаритов МП.

Принципиально низковольтными являются СВЧ-генераторы на полупроводниковых приборах СВЧ- транзисторах. Однако мощность таких генераторов достигает нескольких сотен ватт, необходимых для МП, на частотах, гораздо более низких, чем 2450 МГц. Разрешенная для применения в быту частота 915 МГц (длина волны в воздухе λ = 33 см) является более приемлемой с этой точки зрения. Однако габариты нагревательной камеры существующих конструкций при переходе на частоту 915 МГц будут примерно в 2,5 раза больше габаритов камеры на частоту 2450 МГц, что совершенно исключает применение такой камеры на автомобиле.

Наиболее близким по конструктивному исполнению (прототипом) является установка для сушки тканей [2] в которой применена нерезонансная нагревательная камера, образованная открытой с торцов экранированной полосковой линией, в которой внутренний ленточный проводник многократно изогнут "змейкой" (меандр) в направлении движения ткани и заканчивается согласованной нагрузкой, поглощающей остаточную мощность СВЧ генератора [2, фиг. 1] Через открытые торцы камеры вводится и выводится ткань, подлежащая сушке. Равномерность нагрева обеспечивается лишь за счет непрерывного движения высушиваемой ткани. Подобная установка напрямую не может быть использована для разогрева пищи в автомобиле вследствие своей громоздкости (так, только длина входного и выходного концов установки составляет несколько длин волн).

Все отмеченное делает актуальной задачу создания малогабаритной микроволновой печи с частотой 915 МГц.

Предлагаемая МП отвечает этим требованиям. С этой целью в качестве нагревательной камеры, как и в [2] используется экранированная полосковая линия передачи [3] работающая в режиме бегущей волны, т.е. при отсутствии множества видов колебаний, что снимает необходимость больших размеров камеры.

На фиг. 1 изображен вариант исполнения предлагаемой МП; фиг. 2 -распределение квадрата напряженности поля внутри нагревательной камеры предлагаемой МП вдоль направления распространения микроволновой энергии в ней; на фиг. 3 вариант исполнения пластины нагревательной камеры.

На фиг. 1 представлена предлагаемая МП. СВЧ-генератор 1 с длиной волны λ через отрезок коаксиального кабеля 2 подает СВЧ-энергию в нагревательную камеру, внутренняя полость 3 которой образована экранированной полосковой линией передачи с поперечными размерами a, b (вид А-А на фиг. 1) и длиной l. Внешний проводник 4 этой экранированной полосковой линии передачи выполнен из листового металла и электрически закорочен по концам металлическими торцовыми стенками 5, а внутренний ее проводник в виде металлической пластины 6 прямоугольной формы шириной w и толщиной t образует зазоры D с торцовыми стенками и располагается в плоскости, делящей размер b нагревательной камеры пополам.

Внутренний проводник отрезка коаксиального кабеля 2 (вид Б-Б на фиг. 1) имеет электрический контакт с пластиной 6 нагревательной камеры с внутренней полостью 3. У торца нагревательной камеры, противоположного вводу в нее отрезка коаксиального кабеля 2, размещен поглотитель 7 СВЧ-энергии, выполненный объемным с жидкостным агентом, в виде двух тонкостенных диэлектрических сосудов. Каждый сосуд имеет сливное устройство с пробкой.

В пространстве между поглотителем 7 CBЧ-энергии и вводом в нагревательную камеру отрезка коаксиального кабеля 2 на пластине 6 и под ней в нагревательной камере размещены контейнеры с разогреваемой пищей. Они выполнены в виде тонкостенных прямоугольных кассет 8 из диэлектрического материала. Размеры кассет 8 обеспечивают сохранение хорошего согласования внутренней полости 3 нагревательной камеры с СВЧ-генератором 1 при самых различных видах пищи (супы, мясо, каши и т.д.) и в то же время позволяют за один сеанс нагрева приготовить либо две полных (по 0,5 л) порции первого, либо по одной порции первого и второго блюд. Одна из боковых стенок b•l 9 нагревательной камеры образует дверцу, через которую внутрь нагревательной камеры помещают поглотитель 7 СВЧ-энергии и кассеты 8.

Конструктивной особенностью предлагаемой МП является необходимость соблюдения следующих соотношений между размерами ее элементов:
а) для нагревательной камеры с внутренней полостью 3

величина t определяется лишь механической жесткостью пластины 6 и составляет 0,5-2,0 мм;
б) для каждого из сосудов поглотителя 7 СВЧ-энергии
a•b/2•0,8W;
в) для каждой из кассет 8
a•b/2•1,5W
При этом конкретные величины допусков на размеры a, b, W выбираются такими, чтобы обеспечить, с одной стороны, максимальное использование внутренней полости 3 нагревательной камеры и, с другой стороны, возможность свободной установки в нагревательную камеру и извлечения из нее как поглотителя 7 СВЧ-энергии, так и кассет 8. Поглотитель 7 СВЧ-энергии располагается у торцовой стенки 5 нагревательной камеры, а кассеты 8 в оставшемся ее объеме располагаются симметрично, т.е. одна под другой, и эквидистантно, т. е. примерно на равных расстояниях от всех боковых стенок. Элементы МП (СВЧ-генератор 1 и нагревательная камера) либо помещаются в один общий корпус, либо являются отдельными блоками, размещаемыми в удобных местах кабины автомобиля. В последнем случае внешний проводник 4 экранированной полосковой линии передачи одновременно является корпусом нагревательной камеры.

Равномерность нагрева пищи в предлагаемой МП обеспечивается следующим образом:
вдоль размера W за счет выбора приведенных выше соотношений размеров элементов нагревательной камеры с внутренней полостью 3 и вышеуказанного расположения кассет 8 в ней; как можно видеть [3] пластина 6 и внешний роводник 4 образуют при W/b≈1 плоский электрический конденсатор с достаточно однородным полем, что и обеспечивает равномерность нагрева вдоль W; это подтверждается и формулами [4, с. 49]
вдоль размера l за счет выбора длины кассет 8, равной 1,5W, и их расположения вышеуказанным образом и рекомендуемой методики нагрева, а именно разбиения процесса нагрева на 2 стадии примерно равной длительности; после окончания первой стадии нагрева печь выключают, поворачивают кассеты 8 на 180^o так, чтобы начало и конец кассет по ходу распространения СВЧ-энергии в камере, т. е. от отрезка коаксиального кабеля 2 к поглотителю 7 СВЧ-энергии, поменялись местами, и включают печь на вторую стадию нагрева; эти операции по времени и механическому перемещению могут быть автоматизированы.

На фиг. 2 представлено качественно распределение СВЧ-электрического поля E² вдоль направления распространения СВЧ- энергии. Видно, что поле уменьшается по мере проникновения в пищу и продвижения в ней и окончательно уменьшается до нуля в поглотителе b 7 CBЧ-энергии. Передний край кассеты с пищей будет при этом нагреваться сильнее, чем задний. После поворота кассет 8 на 180^o нагрев пищи в них выравнивается.

Часть CBЧ-энергии, поглощаемая поглотителем 7 CBЧ-энергии не пропадает бесполезно в отличие от [2] а используется следующим образом. Во-первых, после приготовления и приема пищи необходимо иметь теплую воду для мытья посуды и столовых приборов, во-вторых, в один из сосудов поглотителя 7 СВЧ-энергии можно залить чай или кофе, подлежащие нагреву. Таким образом, поглотитель 7 СВЧ-энергии выполняет две функции, обеспечивая в нагревательной камере режим бегущей волны и являясь источником тепла для разогрева жидкостей (вода, кофе, чай, соки и т.д.).

Для удобства пользования кассеты 8 и сосуды поглотителя 7 СВЧ-энергии снабжаются небольшими ручками 10 (фиг. 2), а плоские крышки 11 (фиг. 2) кассет 8 имеют нависающие края.

Для обеспечения гигиенической уборки печи пластина 6 выполняется съемной, т. е. электрический контакт ее с внутренним проводником отрезка коаксиального кабеля 2 делается скользящим; сама пластина 6 либо опирается на небольшие диэлектрические выступы внутри нагревательной камеры, задающие размер D, либо заходит в их прорези. Способы крепления могут быть самые различные, и, поскольку это не имеет существенного значения, на фиг. 1 элементы крепления пластины 6 внутри нагревательной камеры не показаны. То же относится и к способам фиксации кассет 8 и поглотителя 7 СВЧ-энергии внутри нагревательной камеры.

Бытовая печь не должна давать вредных СВЧ-излучений, могущих повредить здоровью обслуживающего персонала или помешать работе других внешних электронных устройств (например, связные спутниковые системы и т.д.). В предлагаемой МП обеспечен более низкий уровень побочных вредных СВЧ-излучений, что объясняется свойствами распространения СВЧ-колебаний в полосковой линии с большим отношением a/W. Сильное уменьшение СВЧ-поля вблизи стенок b•l обеспечивает низкий уровень излучений, так что при необходимости даже обе эти стенки могут быть сделаны съемными.

Был изготовлен и испытан образец предлагаемой МП. Выходная мощность СВЧ-генератора 1 составляла 200 Вт на частоте 915 МГц. С помощью МП приготовлен обед по следующей технологии:
верхняя кассета 8 загружалась 100 г сырой говядины (кусочками) с солью, луком, специями и двумя чайными ложками воды;
нижняя кассета 8 содержала четыре сырые картофелины в кожуре (диаметр 50-55 мм).

Первая стадия нагрева- 10 мин. После этого кассеты 8 были повернуты на 180^o. Вторая стадия 15 мин, т.е. общее время приготовления составляло 25 мин.

Результат дегустации оказался положительным. При увеличении мощности генератора до 350-400 Вт время приготовления может быть сокращено примерно в 2 раза.

С целью упрощения изготовления МП, уменьшения ее массы и экономии металла пластина 6 может быть выполнена из фольгированного с двух сторон диэлектрического листа (фиг. 3). Металлизация 12 имеет ширину W, свободные от металлизации поля п a W придают пластине жесткость. Для пропуска пара, образующего при приготовлении пищи, свободные поля (П) снабжаются несколькими рядами произвольных отверстий; такие же отверстия имеются в проводнике 4 МП вблизи верхней стенки нагревательной камеры (на фиг. 1 не показано).

Конструкция МП обеспечивает возможность работы без выхода из строя как с одной кассетой 8, так и без кассет, т.е. только при наличии поглотителя 7 СВЧ-энергии. Без большой потери качества нагрева пищи можно использовать вместо кассет 8 диэлектрические открытые или закрытые чашки диаметром 1-1,2W и высотой примерно b/2.

Разогрев сформованных продуктов (булочки, сырники, пирожки, котлеты) можно производить в МП просто на листе чистой бумаги.

Таким образом, предлагаемая МП обеспечивает практически те же возможности, что и известные бытовые МП, имея уменьшенные габариты и массу, что позволяет разместить ее в транспортных средствах.

Источники информации
1. Пюшнер Г. Нагрев энергией сверхвысоких частот. М. Энергия, 1968.

2. Патент Великобритании N 1128006, кл. H 05 B 9/06, 1968.

3. Фельдштейн А.Л. Явич Р. Смирнов В.П. Справочник по элементам волноводной техники. М. Сов. радио, 1967.

4. Справочник по расчету и конструированию СВЧ полосковых устройств /Под ред. В.И.Вольмана. М. Радио и связь, 1982.

Использование: для нагрева изделий с помощью СВЧ-энергии. Микроволновая печь для транспортных средств содержит нагревательную камеру, образованную экранированной полосковой линией передачи, внутренний проводник которой выполнен в виде пластины прямоугольной формы, расположен в плоскости, делящей камеру пополам, установлен с зазором относительно торцовых стенок камеры и имеет скользящий электрический контакт с выступающим внутрь нагревательной камеры внутренним проводником коаксиального кабеля, установленным в центр одной из торцовых стенок нагревательной камеры и соединенным с СВЧ-генератором; боковые стенки нагревательной камеры выполнены в виде открывающейся дверцы, поглотитель СВЧ-энергии выполнен объемным с жидкостным агентом в виде двух снабженных сливными устройствами диэлектрических сосудов, размещенных на и под пластиной, возле другой торцовой стенки; кассеты для нагреваемого материала выполнены из диэлектрика и расположены на и под пластиной, эквидистантно относительно стенок нагревательной камеры. При выборе размеров нагревательной камеры, поглотителей и кассет выполняются определенные соотношения, зависящие от длины волны СВЧ-генератора. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Микроволновая печь для транспортных средств, содержащая СВЧ-генератор с длиной волны λ, нагревательную камеру, образованную экранированной полосковой линией передачи, поглотитель СВЧ-энергии и отрезок коаксиального кабеля, причем СВЧ-генератор с длиной волны λ и нагревательная камера соединены отрезком коаксиального кабеля, внешний проводник которого соединен с внешним проводником экранированной полосковой линии передачи, а внутренний проводник с внутренним проводником экранированной плосковой линии передачи, отличающаяся тем, что экранированная полосковая линия передачи длиной l и поперечными размерами a и b электрически закорочена с обоих концов торцевыми стенками, а внутренний проводник экранированной полосковой линии передачи выполнен в виде пластины прямоугольной формы шириной W, толщиной t, расположенной внутри нагревательной камеры в плоскости, делящей размер b нагревательной камеры пополам и образующей с торцевыми стенками нагревательной камеры зазоры D и имеющей скользящий электрический контакт с выступающим на глубину D внутрь нагревательной камеры внутренним проводником отрезка коаксиального кабеля, установленного в центр одной из торцевых стенок нагревательной камеры перпендикулярно к ней, а у второй торцевой стенки нагревательной камеры размещен поглотитель СВЧ-энергии, выполненный объемным, с жидкостным агентом, в виде двух снабженных сливными устройствами тонкостенных диэлектрических сосудов с размерами a • b/2 • 0,8W каждый, обращенных к торцевой стенке нагревательной камеры плоскостью a • b/2 и расположенных на и под пластиной, а в оставшемся пространстве внутри нагревательной камеры на и под пластиной размещены две диэлектрические тонкостенные прямоугольные кассеты с размерами W • b/2 • 1,5W, обращенные плоскостью W • b/2 к торцевой стенке нагревательной камеры и расположенные эквидистантно относительно стенок нагревательной камеры, причем одна из боковых стенок b • l экранированной плосковой линии передачи выполнена в виде открывающейся дверцы, а размеры основных конструктивных элементов нагревательной камеры подчиняются соотношениям


l/W 2,5 3,0;
Δ/W = 0,05 - 0,06;
W/λ = 0,3 - 0,35;
t 0,5 2,0 мм. 2. Печь по п.1, отличающаяся тем, что пластина выполнена из фольгированного с двух сторон диэлектрического листа толщиной t, шириной a и длиной (l- 2Δ) с металлизацией на ширине W, а свободные от металлизации поля снабжены несколькими рядами произвольных отверстий. 3. Печь по п.1, отличающаяся тем, что другая боковая стенка b • l экранированной полосковой линии передачи выполнена открывающейся. 4. Печь по п.1, отличающаяся тем, что жидкостной агент объемного поглотителя СВЧ-энергии может быть употребляемым и/или не употребляемым в пищу.