СВЧ-ПЕЧЬ Российский патент 1998 года по МПК H05B6/64 

Изобретение относится к СВЧ-печам для нагрева диэлектрических материалов, в том числе и пищевых продуктов, за счет поглощаемой материалами и продуктами СВЧ-энергии. Более конкретно, изобретение относится к СВЧ-печам в камерах нагрева которых рабочее СВЧ-поле в разогреваемом материале создается с помощью гребенчатых замедляющих структур радиального типа.

Известно несколько конструкций СВЧ-печей с камерами нагрева такого типа [1-3] . Радиальная гребенчатая замедляющая структура в камерах нагрева этих печей выполнена в виде металлического диска с концентрически расположенными на нем круговыми металлическими выступами. Радиальная структура по своему внешнему диаметру соединена с соосным с ней металлическим цилиндром с крышкой (обычно куполообразной формы). Поверхность выступов замедляющей структуры и цилиндр с крышкой образуют рабочий замкнутый объем с высотой и площадью, достаточной для установки нагреваемых изделий на тонком плоском диэлектрическом поддоне, размещенном на выступах замедляющей структуры. Доступ в рабочий объем камеры нагрева для установки изделий осуществляется путем подъема металлического цилиндра с крышкой над поверхностью замедляющей структуры или через специальные отверстия в цилиндре [1]. СВЧ-печь содержит также СВЧ-генератор, устройство передачи СВЧ-энергии и ввода ее в замедляющую структуру и устройство для вывода и поглощения части СВЧ-энергии, не использованной для нагрева изделий.

Наиболее близкой к предлагаемому изобретению является СВЧ-печь, описанная в [3]. В камере нагрева этой СВЧ-печи радиальная гребенчатая замедляющая структура возбуждается через коаксиал, диаметр внутреннего проводника которого равен внешнему диаметру радиальной замедляющей структуры (внешнему диаметру первого выступа), а внутренняя поверхность внешнего проводника через прикрепленное к нему соосно плоское металлическое кольцо емкостным образом связана со следующим выступом, вводя таким образом энергию в замедляющую структуру. Введение энергии в радиальную замедляющую структуру по всей ее периферии обеспечивает азимутальную равномерность поля в камере и, кроме того, радиальную равномерность, так как, несмотря на потери мощности на нагрев, при распространении энергии к центру одновременно происходит концентрация ее потока. Выведение не использованной для нагрева мощности и поглощение ее в балластной нагрузке осуществляется из центра замедляющей структуры; роль емкостного элемента связи в данном случае выполняет внутренний проводник коаксиальной линии с прикрепленным к нему диском. Балластная нагрузка поглощающего СВЧ-энергию материала соединена с элементом связи и находится за пределами рабочего объема камеры нагрева.

Предложенная в [3] и описанная здесь конструкция СВЧ-печи обладает следующими недостатками. Для разогрева объемных изделий необходимо, чтобы поток энергии над замедляющей структурой занимал слой, достаточный для поглощения всей мощности генератора в изделии на толщине скин-слоя материала этого изделия и обеспечения таким образом объемного прогрева. Для пищевых продуктов толщина скин-слоя лежит в пределах 10-30 мм. Однако при необходимом для объемного прогрева отрыве поля от поверхности гребенчатой замедляющей структуры (конструктивно отрыв легко достигается путем подбора высоты гребня) ввод и вывод энергии описанной выше конструкции будут иметь высокий КСВ, что приведет к нарушению нормальной работы магнетронного генератора, обычно используемого в таких печах. Со стороны ввода энергии трудность может быть преодолена за счет использования плавного перехода либо в самой замедляющей структуре, либо за ее пределами (как это сделано в [2]). Вывести же энергию без значительных отражений из центра замедляющей структуры выводом энергии предложенной конструкции, даже при сильно прижатом к поверхности системы поле, удается лишь при равномерной загрузке камеры поглощающим материалом. В случае малого замедления и отрыва поля от поверхности, достаточного для нормальной работы СВЧ-печи, согласовать такой вывод энергии не удается, так как замедляющая структура в этом случае работает как антенна поверхностной волны и поле при движении энергии к центру практически отрывается от замедляющей системы. Поэтому не использованная для нагрева энергия, которая возрастает по мере готовности продукта или при неполной загрузке камеры нагрева, будет отражаться от стенок камеры и попадать на вход генератора, что может привести к срыву генерации и даже выходу магнетрона из строя. Еще один недостаток СВЧ-печи [3], обусловленный применением вывода энергии, описанного в [2,3], связан с тем, что при неравномерной загрузке камеры (например, при разогреве нескольких порционных блюд, к тому же различных размеров) помимо того, что возрастают отражения от вывода энергии, может возникнуть связь поля замедляющей структуры с собственными резонансными колебаниями резонатора, образованного замкнутым объемом камеры сгорания. Эти колебания имеют сложную структуру поля, высокую интенсивность из-за отсутствия связи с выводом энергии, и могут вызывать локальный перегрев разогреваемых продуктов.

Целью изобретения является повышение равномерности нагрева объемных материалов в СВЧ-печах с камерой нагрева, выполненной на основе радиальной гребенчатой замедляющей структуры, без нарушения режима работы магнетронного генератора, возбуждающего замедляющую структуру на ее периферии.

Для достижения этой цели в известную конструкцию прототипа [3] вводится следующий новый конструктивный признак, составляющий сущность изобретения. Вместо вывода энергии с подключенной к нему за пределами камеры нагрева балластной нагрузкой внутрь камеры нагрева вводится объемный поглотитель СВЧ-энергии, имеющий осесимметричную форму, например форму усеченного конуса, цилиндра или их соосной комбинации. Поглотитель одним из своих торцов закреплен концентрично в центре замедляющей структуры и поднимается перпендикулярно своей осью над поверхностью структуры на высоту h, определяемую степенью отрыва поля в центре замедляющей структуры.

Осуществление изобретения дает следующие технические результаты:
при подборе необходимого для максимальной равномерности нагрева отрыва поля от поверхности замедляющей структуры исключается попадание на вход генератора мощности, не поглощенной разогреваемым материалом. Соответствующий выбор высоты объемного поглотителя h, его конфигурации и свойств поглощающего материала обеспечит рассеивание не использованной для нагрева мощности объемным поглотителем в центре замедляющей структуры;
наличие поглотителя внутри объема камеры нагрева приведет к резкому падению добротности ряда собственных колебаний резонатора, которым является камера нагрева, и, следовательно, к резкому снижению связи этих колебаний с рабочим в случае искажения его поля при неравномерной загрузке камеры. В результате частично или полностью будут устранены локальные перегревы материала за счет полей собственных колебаний камеры нагрева со сложными структурами полей.

Таким образом, эффективность изобретения реализуется при условии, что объемный поглотитель на оси камеры нагрева обеспечивает поглощение мощности, вводимой в замедляющую структуру. Конструктивные требования к объемному поглотителю оценочно можно сформулировать, рассматривая предельный режим работы СВЧ-печи, когда в ней отсутствует разогреваемый материал. Так как нежелательна эксплуатация магнетронов при КСВ на входе больше 2 (10% отраженной мощности), очевидно, что в рассматриваемом предельном случае объемный поглотитель должен поглощать не менее 90% мощности, вводимой в замедляющую структуру. Предполагая, что СВЧ-энергия, падающая на поверхность поглотителя, поглощается без отражения, получаем, что отраженная мощность на входе магнетрона определяется потоком энергии над поглотителем. При известной диаграмме направленности антенны поверхностной волны, образованной радиальной гребенчатой структурой, можно определить высоту в области поглотителя, выше которой поток излучения мощности составляет 10%, и принять эту высоту за минимальную высоту поглотителя h, при которой обеспечивается работоспособность печи.

Будем считать, что направление распространения энергии в конце замедляющей структуры (в области поглотителя) совпадает с направлением распространения в дальней зоне излучения, т.е. описывается формулой для диаграммы направленности антенны поверхностной волны, которая имеет вид [4]
,
где
γ - коэффициент замедления замедляющей структуры;
θ - направление излучения по отношению к поверхности замедляющей структуры;
, где λ - длина волны;
L - длина излучающей части замедляющей структуры.

Расчеты по (1) диаграмм направленности для реальных величин замедления и длин замедляющей структуры показали, что с учетом оценочного характера проводимого анализа за направление, выше которого излучаются 10% потока мощности, можно принять направление, соответствующее уровню половинной мощности диаграммы направленности. Обозначив это направление θ_0,5 и учитывая, что длина излучающей части замедляющей структуры равна , где D - внешний (периферийный) диаметр замедляющей системы, d - внешний диаметр поглотителя СВЧ-энергии на поверхности замедляющей структуры, получим следующее уравнение для расчета величины θ_0,5
.

На фиг.1 показана схема для расчета минимальной высоты поглотителя h; на фиг. 2 - пример конструкции СВЧ печи, выполненной в соответствии с изобретением.

На фиг.1 схематично изображена радиальная часть замедляющей структуры 1 с поглотителем на оси 2, который в данном случае имеет форму цилиндра. Заштрихованная область 3 - основной лепесток диаграммы направленности точечного излучения 4, расположенного в центре между периферийным краем замедляющей структуры и поглотителем и эквивалентного антенне поверхностей волны, образованной радиальной излучающей частью замедляющей структуры. На диаграмме направленности выделено направление под углом θ_0,5 к поверхности замедляющей структуры, соответствующее уровню половинной (от максимума) мощности излучения. Высота поглотителя h, обеспечивающая перехват 90% излучаемого потока мощности, очевидно, будет равна
.

В экспериментальном образце печи излучающая часть замедляющей структуры имела длину 245 мм при замедлении γ = 1,15. Для рабочей частоты 2450 МГц из уравнений (2), (3) можно получить, что θ_0,5 = 33^o и соответственно h = 79,6 мм. Интересно сравнить полученную величину h с высотой, на которой поле над поверхностью замедляющей структуры, убывает в e раз. Эта высота при γ = 1,15 равна 34,5 мм.

На фиг. 2 показана СВЧ печь, которая содержит камеру нагрева, образованную поверхностью выступов замедляющей структуры 1 и закрывающей ее куполообразной крышкой 2. На поверхности структуры 1 размещена тонкая плоская диэлектрическая подставка 3 для установки нагреваемых изделий. Объемный поглотитель 4 выполнен в данном случае в виде стеклянной колбы, которая своей нижней цилиндрической частью герметично закреплена по центру замедляющей структуры и наполнена водой. Колба с водой 4, соосная с осью симметрии замедляющей структуры, поднимается перпендикулярно над ее поверхностью на высоту h. Верхняя часть колбы открыта. Возбуждение камеры нагрева осуществляется от магнетронного генератора 5 через системы линий передачи, подводящих мощность от магнетрона к периферии замедляющей структуры. Подводящая система включает в себя коаксиально-волноводный переход 6, радиальную линию 7, коаксиальную линию 8 с емкостным возбудителем замедляющей структуры 9. Для улучшения согласования замедляющей системы с магнетронным генератором высота последних нескольких ребер на периферии системы плавно нарастает по направлению к возбудителю 9.

Предложенная СВЧ-печь работает следующим образом. Мощность СВЧ от магнетронного генератора 5 через коаксиально-волноводный переход 6, радиальную 7 и коаксиальную 8 линии подводится к возбудителю замедляющей системы 9. Энергия СВЧ распространяется от периферии замедляющей системы к ее центру в виде поверхностной волны. При этом распределение поля в направлении, перпендикулярном поверхности замедляющей структуры, обеспечивает максимальное поглощение мощности в толщине скин-слоя материала, расположенного на диэлектрической подставке 3. Не поглощенная материалами часть СВЧ энергии поглощается в центральной части замедляющей системы водяной нагрузкой 4. Для замедления испарения воды из нагрузки она может охлаждаться потоком воздуха от специальной помпы, которая одновременно будет осуществлять продув камеры нагрева для удаления влаги. Подача воздуха может осуществляться через канал во внутреннем проводнике коаксиально-волноводного перехода и отверстия в центре замедляющей системы, а вывод - через отверстия в куполообразной крышке.

Источники информации
1. Патент США N 3478187, кл. 219-10.55, 1970.

2. А.с. СССР N 786072, кл. H 05 B 9/06, 1978.

2. А.с. СССР N 1107351, кл. H 05 B 6/64, 1982 (прототип).

4. Антенны и устройства СВЧ/ Под ред. Д.И.Воскресенского.- М.: Сов. радио, 1972.

Изобретение относится к СВЧ-печам для нагрева диэлектрических материалов, в том числе и пищевых продуктов. В изобретении рассматривается СВЧ-печь, в камере нагрева которой СВЧ-поле в материале создается с помощью гребенчатой замедляющей структуры радиального типа, причем энергия СВЧ вводится с периферии структуры и, распространяясь к центру, поглощается разогреваемым материалом. Изобретение решает техническую задачу повышения эффективности и равномерности нагрева по толщине материала. Для этого в центре структуры размещен выступающий над ее поверхностью объемный поглотитель СВЧ-энергии, имеющий осесимметричную форму, например, форму усеченного конуса. Ось симметрии поглотителя перпендикулярна поверхности структуры. Поглотитель СВЧ позволяет использовать замедляющую структуру с меньшим замедлением, и, следовательно, меньшей скоростью убывания поля над ее поверхностью, сохраняя при этом необходимую нагрузку источника СВЧ-энергии при изменении объема и поглощающих свойств разогреваемого материала. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. СВЧ-печь, содержащая камеру нагрева, в которой установлена радиальная гребенчатая замедляющая структура, устройство ввода СВЧ- энергии в замедляющую структуру со стороны ее периферийной части, отличающаяся тем, что в центре радиальной замедляющей структуры размещен выступающий над поверхностью структуры объемный поглотитель СВЧ-энергии осесимметричной формы, причем ось симметрии совпадает с осью замедляющей структуры. 2. СВЧ-печь по п.1, отличающаяся тем, что высота объемного поглотителя над поверхностью замедляющей структуры

где D внешний, периферийный, диаметр замедляющей структуры;
d внешний диаметр поглотителя СВЧ- энергии на поверхности замедляющей структуры;
Q_0 , 5 первый положительный корень уравнения

γ - коэффициент замедления замедляющей структуры;
λ - длина волны.