СВЧ-КОНФОРКА Российский патент 1998 года по МПК H05B6/64 F24C7/02 

Изобретение относится к СВЧ-нагревательным устройствам для домашней кухни, но, как и обычная бытовая СВЧ-печь, предполагаемое устройство может быть использовано для нагревания различных диэлектрических материалов. Более конкретно изобретение относится к СВЧ-нагревательным устройствам, в которых рабочая камера, где осуществляется взаимодействие СВЧ-поля и нагревательного продукта, имеет объем обычной кухонной посуды. В этом случае нагреваемые продукты размещаются либо в самой камере, герметично отделенной от устройств ввода в нее СВЧ-энергии, либо в проницаемой для СВЧ-энергии посуде, для которой камера является охватывающим ее кожухом.

Выделенный тип СВЧ-нагревательных устройств выгодно отличается от обычных бытовых СВЧ-печей прежде всего существенно меньшими габаритами. Действительно, энергетические возможности двухфазной кухонной электросети с обычными розетками позволяют реализовать преимущества СВЧ-нагрева при приготовлении блюд для одного-двух человек и, следовательно, максимальный объем рабочей камеры, используемый как контейнер для размещения в нем приготавливаемых продуктов или посуды с этими продуктами, будет составлять 2-3 л при диаметре 200-250 мм. Для обычной бытовой СВЧ-печи объем рабочей камеры по технической необходимости составляет 20-30 л, т.е. на порядок больше.

Еще одно преимущество рассматриваемых СВЧ-нагревательных устройств состоит в следующем. Использование рабочей камеры в качестве контейнера для нагревательных продуктов предполагает как наиболее удобную установку его сверху вниз на устройство ввода СВЧ-энергии в рабочую камеру. В случае использования рабочей камеры как кожуха для проницаемой для СВЧ-энергии посуды последняя также должна устанавливаться в кожух сверху вниз. Таким образом, в обоих случаях наиболее естественным и легко реализуемым является подвод СВЧ-энергии снизу и нагрев продуктов со стороны их нижних слоев. Это обстоятельство позволяет при приготовлении объемных блюд с большим содержанием воды (каши, супы) получить их привычные вкусовые качества, т.к. благодаря нагреву снизу вверх будет происходить характерное для традиционной кулинарии перемешивание внутри объема приготавливаемого блюда при закипании его снизу. Для вторых блюд, которые обычно имеют толщину, приблизительно совпадающую с глубиной проникновения СВЧ-энергии, процесс приготовления при нагреве снизу не будет отличаться от приготовления в обычной СВЧ-печи, где разогрев осуществляется преимущественно сверху. Характерное для выделенного типа СВЧ-нагревательных устройств расположение контейнера с продуктами над источником энергии для их разогрева позволяет назвать такие устройства СВЧ-конфорками по аналогии с газовыми и электроконфорками.

Известны конструкции СВЧ-печей, работающих по принципу СВЧ-конфорки, например [1] - [4] . Во всех случаях устройство ввода СВЧ-энергии внутрь рабочей камеры с продуктами или с посудой с этими продуктами выполнено в виде рупорного (конического) волновода. К узкой части рупора подсоединен волновод с источником СВЧ-энергии и эта часть имеет размеры, обеспечивающие распространение только одного низшего типа волны. Для общепринятой частоты источника СВЧ-энергии в бытовых СВЧ-печах (2,45 ГГц) прямоугольный волновод, подсоединенный к узкой части рупора, будет иметь размер широкой стенки в пределах 90-110 мм, а круглый волновод должен иметь диаметр 85-90 мм, т.е. увеличение апертуры рупора до оговоренного выше диаметра контейнера будет равно 2-3. При таких параметрах рупора большая часть отраженной от нагревательного продукта мощности будет переноситься на волне H₀ и будет попадать на вход источника СВЧ-энергии. Для влагосодержащих продуктов отраженная часть мощности соответствует K_cmU = 7-8, что делает невозможным использование в качестве источника СВЧ-энергии обычно применяемых в бытовых печах магнетронов с f = 2,45ГГц. Эти магнетроны становятся неработоспособными и выходят из строя, начиная с K_cmU = 4-5.

Проблема защиты источника СВЧ-энергии от отражений в [1], [2], [3] разрешается путем размещения нагреваемых продуктов в рабочей камере большого объема. За счет переотражений и поглощений мощности непосредственно в камере часть мощности, поступающая обратно на вход источника, резко снижается. Дополнительный эффект дает использование подсогласующих устройств [1]. В [4] рабочая камера имеет размер обычной кухонной посуды и согласование источника СВЧ-энергии с нагрузкой достигается за счет перехода к рабочей частоте F_раб > 20ГГц. Для этого диапазона отражения от влагосодержащих продуктов даже больше, чем на f = 2,45 ГГц (K_стU > 9). Однако рупор будет иметь перепад площадей апертур на входе и выходе не менее, чем 20-25 раз (рупор начинается прямоугольным волноводом с широкой стенкой не более 10-13 мм, а на выходе стыкуется с дном рабочей камеры, имеющей оговоренный выше диаметр 200-250 мм). Благодаря этому отраженный поток мощности в значительной степени состоит из волн высших типов, которые не попадают на вход источника СВЧ-энергии, находящегося в одноволновом волноводе, а, переотражаясь от стенок рупора, поглощаются в материале, заполняющем рабочую камеру. Надежность нагревательного устройства [4] обеспечивается также использованием в качестве источника СВЧ-энергии лампы бегущей волны (ЛБВ), которая менее чувствительна к отражениям с точки зрения потери работоспособности и выхода из строя.

Нагревательное устройство [4], названное авторами "СВЧ лоток для приготовления пищи", по своему функциональному назначению и конструкции является наиболее близким к предлагаемому изобретению и выбрано в качестве прототипа. СВЧ-лоток образован горизонтальной плитой с отверстием, на которую сверху установлен металлический контейнер с размещенными в нем продуктами. Контейнер имеет прозрачное для СВЧ-энергии дно, которое совмещено с отверстием в плите. Устройство ввода СВЧ-энергии внутрь контейнера выполнено в виде рупора, широкая (излучающая) часть которого также совмещена с отверстием в плите, но со стороны ее нижней плоскости. Узкая часть рупора возбуждается с помощью ЛБВ. Соединение контейнера, плиты и рупора выполнено непроницаемым для СВЧ-энергии и искажает ее излучение во внешнее пространство.

Рассматриваемое нагревательное устройство [4] обладает следующими недостатками. Необходимость использования источника энергии с частотой выше 20 ГГц сводит на нет основное преимущество СВЧ-нагрева - выделение тепла в объеме приготавливаемого продукта и обусловленное этим сокращение времени приготовления. Глубина проникновения СВЧ-поля во влагосодержащий продукт на частоте 20 ГГц составляет единицы миллиметра и разогрев продуктов за счет СВЧ со стороны дна контейнера фактически эквивалентен их разогреву в обычной кухонной посуде, нагреваемой от электрической или газовой конфорки. Таким образом, одновременно со скоростью приготовления теряются и кулинарные особенности блюд, приготовленных за счет разогрева в объеме.

Еще один недостаток устройства [4] - неравномерность распределения поля в плоскости раскрыва рупора, стыкующегося через отверстие в плите с прозрачным для СВЧ-энергии дном контейнера. Эта неравномерность задается прежде всего структурой поля падающей волны (H₁₀ при прямоугольной форме раскрыва или H₁₁ при круговой форме раскрыва). Многоволновой характер переотраженных волн улучшает равномерность распределения. Однако переотражение высших типов при размерах раскрыва рупора, существенно превышающих рабочую длину волны, может привести к их фокусировке и соответственно к локальному перерыву и даже к выгоранию продукта. По этой причине в одном из вариантов выполнения устройства [4] предусмотрено использование поглощающей СВЧ-энергию пластины, которая перекрывает выход рупора и, нагреваясь снизу за счет СВЧ-энергии, обеспечивает на верхней плоскости при достаточной толщине и теплопроводности равномерное распределение температуры. Нагрев продуктов в этом случае осуществляется на верхней плоскости и не имеет никаких особенностей по сравнению с обычной кухонной плитой.

Целью изобретения является обеспечение эффективной работоспособности источника СВЧ-энергии (преимущественно магнетрона) с частотами, обычно используемыми для нагрева пищевых продуктов (в основном 2,45 ГГц), на рабочую камеру (контейнер) с продуктами, имеющую оговоренные выше размеры, т.е. размеры, а также форму и объем, характерные для домашней кухонной кастрюли. Еще одной целью изобретения является повышение равномерности нагрева продуктов, размещенных в контейнере.

Цель достигается путем замены в прототипе согласованной передающей линии с рупором для введения энергии в контейнер устройством ввода энергии, выполненным в виде цепочки связанных между собой резонаторов, при этом первый резонатор цепочки возбуждается от источника СВЧ-энергии, а в контейнер энергия СВЧ поступает из связанного с ним последнего резонатора цепочки. Для повышения равномерности нагрева последний резонатор цепочки имеет форму цилиндра с диаметром, который обеспечивает возбуждение в нем осесимметричных колебаний вида E_ono, при этом связь этих колебаний с контейнером осуществляется через торец цилиндра.

Введение в известную конструкцию прототипа [4] цепочки связанных резонаторов между источником СВЧ-энергии и контейнером является основным конструктивным признаком, составляющим сущность изобретения. Дополнительный признак изобретения - цилиндрическая форма и определенный диаметр связанного с контейнером последнего резонатора цепочки.

Осуществление предлагаемого изобретения дает следующие технические результаты.

1. Благодаря тому, что количество резонаторов между источником СВЧ-энергии и контейнером n≥2, резонатор, связанный с магнетроном, можно сконструировать таким образом, чтобы обеспечить оптимальное нагружение магнетрона, а резонатор, возбуждающий контейнер, сконструировать, исходя из условия обеспечения необходимой связи с этим контейнером. Из-за резкого различия электрических параметров среды в контейнере и возбуждающем его резонаторе последний для обеспечения необходимой связи через отверстие в металлической стенке приходится выполнять с высокой интенсивностью магнитного поля, т.е. низким характеристическим сопротивлением. Поэтому нагружение магнетрона непосредственно резонатором, связанным с контейнером, практически невозможно, так как при низком характеристическом сопротивлении и заданной, тоже невысокой, добротности (она определяется разрешенной для работы полосой и должна быть 20-30) резонансное сопротивление возбуждающего резонатора, как правило, соответствует режиму сильной перегрузки магнетрона. В результате магнетрон либо вообще не возбудится, либо будет работать при очень ограниченном изменении параметров нагрузки.

2. Структура поля, возбуждающего контейнер, практически не зависит от характера загрузки контейнера, так как определяется структурой поля резонансного вида колебаний в последнем резонаторе цепочки. Выбор в качестве резонансного вида колебаний вида E_ono в цилиндрическом резонаторе с отверстием связи с контейнером, расположенным в торце цилиндра, в сочетании с многоконтурностью устройства ввода энергии определяет стабильность характеристик ввода энергии при изменении характера загрузки контейнера. Эта стабильность обусловлена меньшей зависимостью частот собственных колебаний многоконтурной системы от характера нагрузки по сравнению с одноконтурной системой, а также меньшей чувствительностью резонансных частот критических видов колебаний E_ono к граничным условиям из торца цилиндрического резонатора по сравнению с видами колебаний на распространяющихся волнах.

На чертеже изображен возможный вариант конструктивной схемы предлагаемой СВЧ-конфорки. При этом показаны лишь те элементы конструктивной схемы, которые определяют сущность и работоспособность изобретения.

Рабочая камера (контейнер) 1 СВЧ-конфорки образована цилиндрическим колпаком 2 и металлической плитой 3 с отверстием 4 для ввода СВЧ-энергии в рабочую камеру. Место стыковки колпака 2 с плитой 3 с целью предотвращения утечки СВЧ-энергии через стык перекрыто четвертьволновым дросселем 5 и поглотителем 6. В рабочей камере 1 установлена, как в кожухе, кастрюля 7, в которой размещены разогреваемые продукты и которая выполнена из прозрачного для СВЧ-энергии материала. Устройство для ввода СВЧ-энергии в контейнер 1 с кастрюлей 7 образовано цепочкой из двух резонаторов 8 и 9, связанных между собой через щель 10. Резонатор 8 - цилиндрический с диаметром D = ν_oi•λ_раб/π, где ν_oi - i-ый корень функции Бесселя нулевого порядка (ν₀₁= 2,405; ν₀₂= 3,832; ν₀₃= 5,136 и т.д.), λ_раб > рабочая длина волны. Для связи резонатора 8 с контейнером 1 в резонаторе имеется еще одно отверстие связи, расположенное на торце и совмещенное с отверстием 4 контейнера 1. Резонатор 9 прямоугольной формы с дополнительным отверстием 11 для введения антенны 12 вывода энергии магнетрона 13.

Для работы СВЧ-конфорки необходимо, чтобы двухконтурное устройство ввода энергии имело характеристики, обеспечивающие устойчивую работу магнетронного генератора и передачу энергии СВЧ от этого генератора в контейнер с находящимися там продуктами. Применительно к используемым в обычных бытовых СВЧ-печах магнетронам, работающим в диапазоне 2,4-2,5 ГГц, необходимые характеристики можно получить, если прямоугольный резонатор имеет размеры поперечного сечения стандартного волновода для этого диапазона (45 х 90 или 55 х 110) и длину, соответствующую возбуждению в нем колебаний вида H₁₀₂, а цилиндрический резонатор работает на колебаниях E₀₁₀ (диаметр цилиндра ~94 мм) и имеет диаметр отверстия связи с контейнером, близкий к диаметру цилиндра. Так как оговоренный выше диаметр контейнера превышает примерно вдвое диаметр отверстия связи в его дне, в контейнере с продуктами помимо колебаний вида E₀₁ возбуждаются колебания видов E_on. Благодаря этому при работе СВЧ-конфорки имеет место как азимутальная, так и достаточно радиальная равномерность поля в контейнере.

Сущность изобретения: изобретение относится к СВЧ-нагревательным устройствам и по своему назначению аналогично обычной бытовой СВЧ-печи, но в отличие от последней имеет рабочую камеру (контейнер) с формой и размерами, характерными для домашней кухонной кастрюли. Между источником СВЧ-энергии и контейнером вводится цепочка связанных резонаторов с числом резонаторов n. При этом конечный резонатор цепочки, связанный с контейнером через отверстие в его дне, может быть выполнен цилиндрической формы с диаметром, обеспечивающим возбуждение в нем осесимметричных видов колебаний E_о п о. Применение цепочки связанных резонаторов позволяет выполнить конечные резонаторы с различающимися характеристическими сопротивлениями и тем самым обеспечить с одной стороны максимальное нагружение магнетрона. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. СВЧ-конфорка для варения, жарения или оттаивания пищевых продуктов или нагревания других диэлектрических материалов, содержащая металлический контейнер с формой и размерами, характерными для домашней кухонной кастрюли, предназначенный для размещения в нем продуктов и материалов или же размещения в нем, как в кожухе, проницаемой для СВЧ-энергии посуды с этими продуктами и материалами, имеющий открывающую часть (крышку) сверху для закладки и извлечении продуктов и материалов или установки и извлечения посуды с ними и отверстие снизу (со стороны дна посуды), которое предназначено для ввода СВЧ-энергии внутрь контейнера и герметично перекрыто пластиной из проницаемого для СВЧ-энергии материала или посудой, устройство ввода СВЧ-энергии внутрь контейнера через отверстие снизу и источник СВЧ-энергии, причем перечисленные контейнер с крышкой, устройство ввода СВЧ-энергии и источник СВЧ-энергии, будучи соединенными вместе, не проницаемы для СВЧ-энергии, отличающаяся тем, что устройство ввода СВЧ-энергии выполнено в виде цепочки из n ≥ 2 связанных между собой резонаторов, при этом первый резонатор имеет дополнительное отверстие связи для излучателя источника СВЧ-энергии, а последний n-ый резонатор цепочки имеет дополнительное отверстие связи, совпадающее с отверстием снизу контейнера, предназначенного для ввода в него СВЧ-энергии. 2. СВЧ-конфорка по п. 1, отличающаяся тем, что последний, n-резонатор устройства ввода СВЧ-энергии имеет форму цилиндра с диаметром

где ν_oi - i-й корень функции Бесселя нулевого порядка,
λ_раб - рабочая длина волны,
причем дополнительное отверстие связи для ввода СВЧ-энергии в контейнр выполнено на торце этого цилиндра.