УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТЕРМООБРАБОТКИ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ Российский патент 1998 года по МПК F26B3/347 

Изобретение относится к технической физике, в частности, к области СВЧ-нагрева диэлектрических материалов, и может найти применение в пищевой промышленности для термообработки продуктов питания (приготовления, разогрева, размораживания, сушки и др.).

Известно устройство для термообработки диэлектрических материалов [1], содержащее рабочую камеру в виде прямоугольного параллелепипеда и три СВЧ-генератора, выходы которых соединены с рабочей камерой через соответствующие отрезки линии передачи. При этом выходы всех отрезков линии передачи размещены на одной горизонтальной стенке, которая является нижней (донной) стенкой рабочей камеры. Причем для обеспечения доступа в рабочую камеру верхняя стенка выполнена в виде крышки, которая снабжена защитным устройством против излучения СВЧ-энергии, выполненным в виде водяного затвора, расположенного по периметру рабочей камеры в месте сочленения ее с крышкой. Для открывания и закрывания крышки предусмотрен пневмоподъемник. Диэлектрическое основание, на которое загружается обрабатываемый материал, выполнено подвижным и снабжено пневматическим устройством для вертикального перемещения. СВЧ-генераторы работают поочередно (с разносом во времени).

Основным недостатком этого устройства является сложность его конструкции, обусловленная наличием в ней пневмоподъемника, пневматического устройства и водяного затвора, следствием чего является сложность эксплуатации устройства. Кроме того, невозможность соблюдения в полной мере требований санитарии и гигиены, обусловленная затрудненностью регулярной санитарной влажной обработки рабочей камеры из-за возможности попадания воды в СВЧ-генераторы через отрезки линий передач, а также возможностью попадания воды из водяного затвора на уже обработанные продукты питания при их выгрузке из рабочей камеры (при открывании крышки), не позволяет обеспечить высокое качество продукции.

Ближайшим аналогом по совокупности сходных существенных признаков является устройство для обработки диэлектрических материалов [2], содержащее СВЧ-блок, включающий рабочую камеру в виде прямоугольного параллелепипеда с дверью и три СВЧ-генератора, выходы которых соединены с рабочей камерой через соответствующие отрезки линии передачи. Каждый из СВЧ-генераторов размещен на внешней стороне соответствующей вертикальной стенки рабочей камеры, а апертура каждого из отрезков линии передачи размещена в той стенке рабочей камеры, на внешней стороне которой размещен соответствующий СВЧ-генератор. Устройство для обработки диэлектрических материалов содержит также устройство подачи теплоносителя, которое соединено с рабочей камерой через подводящий канал, соединенный с первым набором запредельных волноводов, и устройство удаления теплоносителя, соединенное с рабочей камерой через второй набор запредельных волноводов. Выходная апертура первого набора запредельных волноводов размещена в одной из вертикальных стенок рабочей камеры, а входная апертура второго набора запредельных волноводов размещена в верхней стенке рабочей камеры СВЧ-блока.

Недостатком этого устройства, так же как и других известных, является недостаточная производительность. Это связано с тем, что количество одновременно обрабатываемой устройством продукции зависит от объема рабочей камеры, а ее объем определяется количеством и мощностью СВЧ-генераторов. Так как резкое увеличение мощности СВЧ-генераторов приводит к значительным трудностям в определении требуемого (для обеспечения равномерного нагрева обрабатываемого материала) размещения в стенках рабочей камеры апертур линии передачи, то увеличение производительности устройства является практически неразрешимой задачей. Кроме того, расположение СВЧ-генераторов и апертур отрезков линии передачи с трех сторон устройства обуславливает неудовлетворительные эксплуатационные характеристики устройства из-за сложности упаковки, транспортирования и размещения в рабочем помещении.

Таким образом задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка устройства для термообработки диэлектрических материалов с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

Сущность изобретения заключается в том, что устройство для термообработки диэлектрических материалов так же, как и устройство, которое является ближайшим аналогом, содержит первый СВЧ-блок, включающий рабочую камеру в виде прямоугольного параллелепипеда с дверью, и три СВЧ-генератора, выходы которых соединены с рабочей камерой через соответствующие отрезки линии передачи. Каждый из СВЧ-генераторов размещен на внешней стороне вертикальной стенки рабочей камеры, а апертура каждого из отрезков линии передачи размещена в той стенке рабочей камеры, на внешней стороне которой размещен соответствующий СВЧ-генератор. Устройство для термообработки диэлектрических материалов содержит также устройство подачи теплоносителя, соединенное с рабочей камерой первого СВЧ-блока через подводящий канал, соединенный с первым набором запредельных волноводов. Выходная апертура первого набора запредельных волноводов размещена в одной из вертикальных стенок рабочей камеры первого СВЧ-блока. Устройство для термообработки диэлектрических материалов содержит, кроме того, устройство удаления теплоносителя, соединенное с рабочей камерой первого СВЧ-блока через второй набор запредельных волноводов. Входная апертура второго набора запредельных волноводов размещена в верхней стенке рабочей камеры первого СВЧ-блока.

Новым в разработанном устройстве является то, что оно снабжено N (N - натуральное число) дополнительными СВЧ-блоками, аналогичными первому. Рабочая камера i+1-го, где i=1,2,3,... N, СВЧ-блока соединена с рабочей камерой i-го СВЧ - блока через соответствующий второй набор запредельных волноводов. Выходная апертура второго набора запредельных волноводов i+1-го СВЧ-блока размещена в нижней стенке рабочей камеры i-го СВЧ-блока. Устройство подачи теплоносителя соединено с первым набором запредельных волноводов каждого из N дополнительных СВЧ-блоков соответствующим дополнительным каналом.

В частном случае вертикальная стенка рабочей камеры i+1-го СВЧ-блока, в которой размещена выходная апертура первого набора запредельных волноводов этого СВЧ-блока, ориентирована относительно других стенок рабочей камеры так же, как соответствующая вертикальная стенка рабочей камеры i-го СВЧ-блока. При этом по меньшей мере в одном СВЧ-блоке все СВЧ-генераторы могут быть размещены на одной вертикальной стенке рабочей камеры.

В частном случае в каждом СВЧ-блоке все СВЧ-генераторы размещены на одной вертикальной стенке рабочей камеры.

В конкретной реализации при размещении СВЧ-генераторов на одной вертикальной стенке рабочей камеры апертура одного из отрезков линии передачи размещена вблизи одной из сторон упомянутой вертикальной стенки, а апертуры двух других отрезков линий передачи размещены каждая вблизи противолежащих указанной стороне соответствующих вершин углов упомянутой вертикальной стенки.

При этом расстояние между одной из сторон упомянутой вертикальной стенки и апертурой одного из отрезков линии передачи может составлять приблизительно 1/8 периода поля рабочего типа колебаний.

В одном частном случае этой конкретной реализации расстояние между стороной, противолежащей упомянутой, и апертурами двух других отрезков линии передачи составляет приблизительно 1/4 периода поля рабочего типа колебаний.

В другом частном случае этой конкретной реализации расстояние между сторонами, смежными с упомянутой, и апертурами двух других отрезков линии передачи составляет приблизительно 1/8 периода поля рабочего типа колебаний.

Разработанное устройство выполнено в виде нескольких помещенных один над другим аналогичных СВЧ-блоков, при этом рабочие камеры соседних СВЧ-блоков соединены между собой набором запредельных волноводов. Это позволяет использовать для всех СВЧ-блоков одно и то же устройство подачи теплоносителя и одно и то же устройство удаления теплоносителя, а также существенно увеличить количество одновременно обрабатываемой продукции без увеличения площади рабочего помещения, занимаемой устройством для термообработки диэлектрических материалов, т.е. обеспечить более высокую производительность работы устройства. Кроме того, размещение СВЧ-генераторов и апертур соединенных с ними соответствующих отрезков линии передачи на одной вертикальной стенке рабочей камеры существенно облегчает упаковку, транспортировку и размещение устройства в рабочем помещении. При этом за счет равномерного распределения СВЧ-поля в рабочей камере обеспечивается равномерный нагрев обрабатываемой продукции, что достигается рациональным взаимным расположением апертур отрезков линии передачи, а также их соответствующим размещением относительно сторон вертикальной стенки рабочей камеры. Это обуславливает высокое качество обрабатываемой продукции. Таким образом, достижение указанных технических результатов позволяет решить задачу, на решение которой направлено настоящее изобретение,- разработать устройство для термообработки диэлектрических материалов с улучшенными эксплуатационными характеристиками.

На фиг. 1 приведена одна из возможных реализаций устройства для термообработки диэлектрических материалов.

Устройство для термообработки диэлектрических материалов содержит первый СВЧ-блок 1, включающий рабочую камеру 2 в виде прямоугольного параллелепипеда с дверью 3 и три СВЧ-генератора 4, 5, 6, выходы которых соединены с рабочей камерой 2 через соответствующие апертуры 7, 8, 9 отрезков 10, 11, 12 линии передачи. СВЧ-генераторы 4, 5, 6 размещены на внешней стороне вертикальной стенки 13 рабочей камеры 2, а апертуры 7, 8, 9 размещены в той же стенке 13. Устройство для термообработки диэлектрических материалов содержит также устройство 14 подачи теплоносителя, соединенное с рабочей камерой 2 первого СВЧ-блока 1 через подводящий канал 15, соединенный с первым набором 16 запредельных волноводов. Выходная апертура 17 первого набора 16 запредельных волноводов размещена в одной из вертикальных стенок рабочей камеры 2. В конкретной реализации, представленной на фиг. 1, 2 выходная апертура 17 первого набора 16 размещена в вертикальной стенке 18. Устройство для термообработки диэлектрических материалов содержит, кроме того, устройство 19 удаления теплоносителя, соединенное с рабочей камерой 2 через второй набор 20 запредельных волноводов. Входная апертура 21 второго набора 20 запредельных волноводов размещена в верхней стенке 22 рабочей камеры 2.

Устройство для термообработки диэлектрических материалов снабжено N (N - натуральное число) дополнительными СВЧ-блоками 23, аналогичными первому СВЧ-блоку 1. На фиг. 1, 2 изображено устройство, имеющее один (N=1) дополнительный СВЧ-блок 23. Рабочая камера 24 i+1-го, где i=1, т.е. второго СВЧ-блока 23, соединена с рабочей камерой 2 i-го (первого) СВЧ-блока 1 через соответствующий второй набор 25 запредельных волноводов. Входная апертура 26 второго набора 25 запредельных волноводов размещена в верхней стенке 27 рабочей камеры 24, а выходная апертура 28 второго набора 25 размещена в нижней стенке 29 рабочей камеры 2 СВЧ-блока 1. Устройство 14 подачи теплоносителя соединено с первым набором 30 запредельных волноводов каждого из N дополнительных СВЧ-блоков 23 соответствующим дополнительным подводящим каналом 31.

В реализации устройства, изображенного на фиг. 1, 2, вертикальная стенка 32 рабочей камеры 24 i+1-го (второго) СВЧ-блока 23, в которой размещена выходная апертура 33 первого набора 30 запредельных волноводов, ориентирована относительно других стенок рабочей камеры 24 так же, как соответствующая вертикальная стенка 18 рабочей камеры 2 i-го (первого) СВЧ-блока 1 относительно других стенок рабочей камеры 2. СВЧ-генераторы 34, 35, 36 в СВЧ-блоке 23 размещены на внешней стороне одной вертикальной стенки 37 рабочей камеры 24. Апертура 38, 39, 40 каждого из отрезков 41, 42, 43 соответственно линии передачи размещена в той же стенке 37 рабочей камеры 24.

Взаимное расположение апертур 7, 8, 9 и 38, 39, 40, а также их размещение относительно сторон стенок 13, 37, соответственно определяется условием формирования равномерного СВЧ-поля в рабочих камерах 1, 24 соответственно. Так в конкретной реализации, представленной на фиг. 1, 2 апертура 7 размещена вблизи стороны 44 вертикальной стенки 13, а апертуры 8, 9 размещены соответственно вблизи противолежащих стороне 44 вершин 45,46 углов вертикальной стенки 13. Апертура 38 размещена вблизи стороны 47 вертикальной стенки 37, а апертуры 39, 40 размещены соответственно вблизи противолежащих стороне 47 вершин 48, 49 углов вертикальной стенки 37.

В частном случае расстояние между стороной 44 вертикальной стенки 13 рабочей камеры 2 и апертурой 7 составляет приблизительно 1/8 периода поля рабочего типа колебаний. При этом в одном случае расстояние между стороной 50, противолежащей стороне 44, и апертурами 8,9 двух других отрезков II, 12 линии передачи составляет приблизительно 1/4 периода поля рабочего типа колебаний. В другом случае расстояние между сторонами 51,52, смежными со стороной 44, и апертурами 8,9 двух других отрезков II, 12 составляет приблизительно 1/8 периода поля рабочего типа колебаний.

Аналогично для рабочей камеры 24 в частном случае расстояние между стороной 47 вертикальной стенки 37 и апертурой 38 отрезка 41 линии передачи составляет приблизительно 1/8 периода поля рабочего типа колебаний. При этом в одном случае расстояние между стороной 53, противолежащей стороне 47, и апертурами 39, 40 двух других отрезков 42, 43 линии передачи составляет приблизительно 1/4 периода поля рабочего типа колебаний. В другом случае расстояние между сторонами 54, 55, смежными со стороной 47, и апертурами 39, 40 двух других отрезков 42, 43 составляет приблизительно 1/8 периода поля рабочего типа колебаний.

Каждый из СВЧ-блоков 1, 23 снабжен устройством 56, 57, соответственно блокировки, выполненным в виде кожуха с вентиляционными отверстиями и с блокирующими выключателями, полностью закрывающим СВЧ-генераторы 4, 5, 6 и 34, 35, 36 соответственно. Доступ к СВЧ-генераторам 4, 5, 6 и 34, 35, 36 возможен только при снятии кожуха, при этом срабатывают блокировочные выключатели, отключающие высоковольтное напряжение.

В рабочих камерах 2,24 имеются диэлектрические контейнеры 58 для размещения продукции, подлежащей обработке.

Каждый из СВЧ-генераторов 4, 5, 6 и 34, 35, 36 содержит магнетрон с вентилятором и однофазный накальный высоковольтный трансформатор.

Двери 3, 59 соответственно рабочих камер 2, 24 снабжены ручками для их закрывания и открывания, а также снабжены защитным устройством для предотвращения утечки СВЧ-энергии из рабочей камеры 2, 24 соответственно, которое, в частности, может быть выполнено в виде электропроводящего уплотнителя, расположенного по периметру дверей 3, 59.

В качестве отрезков 10, 11, 12 и 41, 42, 43 линии передачи могут быть использованы отрезки волноводов.

Устройство 14 подачи теплоносителя включает в себя вентиляторы, калорифер с электронагревом.

Устройство 19 удаления теплоносителя содержит блок вентиляторов.

Первый и второй наборы 16, 20 и 30, 25 соответственно запредельных волноводов обеспечивают беспрепятственное прохождение через них теплоносителя (нагретого воздуха) и ослабление электромагнитного излучения из рабочих камер 2, 24 соответственно до безопасного уровня. Геометрические размеры запредельных волноводов и их число в наборах 16, 20 и 30, 25 могут быть определены, например, по кн. Лебедев И.В. "Техника и приборы сверхвысоких частот", том 1, М.-Л., 1961, с. 160-165.

Подводящий канал 15 и дополнительный подводящий канал 31 выполнены в виде воздуховодов.

Устройство для термообработки диэлектрических материалов, изображенное на фиг. 1, 2 работает следующим образом.

Устройство для термообработки диэлектрических материалов подключают к трехфазной сети переменного тока таким образом, что каждый из трех СВЧ-генераторов 4, 5, 6 подключен к соответствующей фазе трехфазной сети. Располагают обрабатываемый материал на диэлектрических контейнерах 58, которые загружают в рабочие камеры 2, 24 и закрывают двери 3, 59 соответственно. СВЧ-энергия от СВЧ-генераторов 4, 5, 6 и 34, 35, 36 через соответствующие апертуры 7, 8, 9 отрезков 10, 11, 12 линии передачи и через соответствующие апертуры 38, 39, 40 отрезков 41, 42, 43 линии передачи поступает в рабочие камеры 2, 24 СВЧ-блоков 1, 23, соответственно, поочередно. Указанное выше взаимное расположение апертур 7, 8, 9 и 38, 39, 40, а также указанное их размещение относительно соответствующих сторон вертикальной стенки 13, 37 соответственно обеспечивают равномерное распределение СВЧ-поля в рабочих камерах 2, 24.

Приводят в действие устройства 14, 19 подачи и удаления теплоносителя. При этом в рабочие камеры 2, 24 СВЧ-блоков 1, 23 соответственно, теплоноситель (нагретый воздух) поступает соответственно, через подводящий канал 15 и через дополнительный подводящий канал 31. Отработанный теплоноситель из рабочей камеры 24 СВЧ-блока 23 через второй набор 25 запредельных волноводов удаляется в рабочую камеру 2 СВЧ-блока 1, а из нее вместе с отработанным теплоносителем, поступившим в эту камеру 2, удаляется наружу через второй набор 20 запредельных волноводов СВЧ-блока 1 с помощью устройства 19 удаления теплоносителя.

Термообработка материала, размещенного в рабочих камерах 2,24 СВЧ-блоков 1, 23 осуществляется одновременно, при этом нагрев в рабочих камерах 2, 24 происходит как за счет СВЧ-поля (внутренний нагрев), так и за счет теплоносителя (поверхностный нагрев). Устройство 19 удаления теплоносителя вместе с отработанным теплоносителем удаляет из рабочих камер влагу, выделяющуюся из обрабатываемого материала, в частности, при его сушке. Поскольку дополнительные СВЧ-блоки 23 (в конкретной реализации второй) выполнены аналогичными СВЧ-блоку 1, время, требующееся для термообработки одного и того же материала в рабочих камерах 2,24 будет практически одинаковым.

По истечении заданного времени обработки отключают СВЧ-генераторы 4, 5, 6 и 34, 35, 36 СВЧ-блоков 1, 23. Затем отключают устройства 14, 19 подачи и удаления теплоносителя. Открывают двери 3, 59 рабочих камер 2, 24 соответственно и вынимают из них готовую продукцию.

Устройство для термообработки диэлектрических материалов с улучшенными эксплуатационными характеристиками характеризуется повышенной производительностью при заданной площади рабочего помещения, простотой упаковки, транспортировки и размещения в рабочем помещении, а также высоким качеством обрабатываемой продукции. Устройство выполнено в виде нескольких, помещенных один над другим аналогичных СВЧ блоков, рабочие камеры которых соединены между собой набором запредельных волноводов, позволяющих использовать для всех СВЧ блоков одно и то же устройство подачи теплоносителя и одно и то же устройство удаления теплоносителя, размещением СВЧ генераторов и апертур, соединенных с ними соответствующих отрезков линии передачи на одной вертикальной стенке рабочей камеры устройства, рациональным взаимным расположением апертур отрезков линии передачи, а также их соответствующим размещением относительно сторон вертикальной стенки. 7 з.п.ф-лы, 2 ил.

1. Устройство для термообработки диэлектрических материалов, содержащее первый СВЧ-блок, включающий рабочую камеру в виде прямоугольного параллелепипеда с дверью и три СВЧ-генератора, выходы которых соединены с рабочей камерой через соответствующие отрезки линии передачи, при этом каждый из СВЧ-генераторов размещен на внешней стороне вертикальной стенки рабочей камеры, а апертура каждого из отрезков линии передачи размещена в той стенке рабочей камеры, на внешней стороне которой размещен соответствующий СВЧ-генератор, а также устройство подачи теплоносителя, соединенное с рабочей камерой через подводящий канал, соединенный с первым набором запредельных волноводов, выходная апертура которого размещена в одной из вертикальных стенок рабочей камеры, и устройство удаления теплоносителя, соединенное с рабочей камерой через второй набор запредельных волноводов, входная апертура которого размещена в верхней стенке рабочей камеры, отличающееся тем, что оно снабжено N, N-натуральное число, дополнительными СВЧ-блоками, аналогичными первому, при этом рабочая камера (i + 1)-го СВЧ-блока, где i = 1, 2, 3, ..., N, СВЧ-блока соединена с рабочей камерой i-го СВЧ-блока через соответствующий второй набор запредельных волноводов, выходная апертура которого размещена в нижней стенке рабочей камеры i-го СВЧ-блока, а устройство подачи теплоносителя соединено с первым набором запредельных волноводов каждого из N дополнительных СВЧ-блоков соответствующим дополнительным каналом. 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что вертикальная стенка рабочей камеры (i + 1)-го СВЧ-блока, в которой размещена апертура первого набора запредельных волноводов этого СВЧ-блока, ориентирована относительно других стенок рабочей камеры так же, как соответствующая вертикальная стенка рабочей камеры i-го СВЧ-блока. 3. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что по меньшей мере в одном СВЧ-блоке все СВЧ-генераторы размещены на одной вертикальной стенке рабочей камеры. 4. Устройство по п.2 или 3, отличающееся тем, что в каждом СВЧ-блоке все СВЧ-генераторы размещены на одной вертикальной стенке рабочей камеры. 5. Устройство по п.3 или 4, отличающееся тем, что при размещении СВЧ-генераторов на одной вертикальной стенке рабочей камеры апертура одного из отрезков линии передачи размещена вблизи одной из сторон упомянутой вертикальной стенки, а апертуры двух других отрезков линии передачи размещены каждая вблизи противолежащих указанной стороне соответствующих вершин углов упомянутой вертикальной стенки. 6. Устройство по п.5, отличающееся тем, что расстояние между одной из сторон упомянутой вертикальной стенки и апертурой одного из отрезков линии передачи составляет приблизительно 1/8 периода поля рабочего типа колебаний. 7. Устройство по п.6, отличающееся тем, что расстояние между стороной, противолежащей упомянутой, и апертурами двух других отрезков линии передачи составляет приблизительно 1/4 периода поля рабочего типа колебаний. 8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что расстояние между сторонами, смежными с упомянутой, и апертурами двух других отрезков линии передачи составляет приблизительно 1/8 периода поля рабочего типа колебаний.