СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНАЯ ПЕЧЬ Российский патент 2000 года по МПК H05B6/64 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к нагревательным аппаратам, использующим СВЧ-энергию, и может быть использовано для тепловой обработки пищевых продуктов.

Одной из основных проблем при конструировании сверхвысокочастотных печей является получение внутри камеры нагрева равномерного распределения электромагнитного поля, что обеспечивает качественный нагрев продуктов.

Известна сверхвысокочастотная печь, содержащая камеру нагрева, в одной из боковых стенок которой выполнено отверстие связи для ввода СВЧ-энергии, СВЧ-генератор, выход которого подсоединен к камере нагрева через отрезок волновода, а также вращающуюся подставку для размещения продуктов, выполненную из диэлектрического материала. В качестве излучателя использован открытый конец отрезка волновода /1/.

К существенным недостаткам известного устройства относится четко проявляемая неравномерность распределения электромагнитной энергии внутри камеры нагрева, а следовательно, и неравномерность нагрева обрабатываемых продуктов. Как показатели экспериментальные исследования, в известной конструкции равномерность распределения поля внутри камеры нагрева не превышает 70% (Измерения выполнены согласно методике, описанной в работе Microwave Ovens Inside Samsung Electronics/ Hоme Applicance. Page 1, 1988/.

Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является сверхвысокочастотная печь, содержащая камеру нагрева, в верхней стенке которой выполнено отверстие связи для ввода СВЧ-энергии, СВЧ-генератор, выход которого подсоединен к камере нагрева через отрезок волновода и связанный с ним посредством устройства связи излучатель, соединенный с помощью короткозамыкателя с расположенным над ним экраном, выполненным в виде прямоугольной пластины, и диэлектрическую подставку для размещения продуктов, при этом излучатель и экран выполнены из проводящего электромагнитные волны материала. Следует отметить, что излучатель выполнен в виде квадратной пластины, а в качестве устройства связи использован металлический штырь, проходящий через отверстие в экране, закрепленном на внутренней поверхности верхней стенки камеры нагрева. Подставка закреплена на полочке, выполненной в виде замкнутого по периметру дна камеры нагрева контура из металлических полос. В верхних частях боковых стенок камеры нагрева выполнены пазы /2/.

Основным недостатком известного устройства является то, что конструкция сверхвысокочастотной печи не обеспечивает равномерного распределения электромагнитного поля в камере нагрева и, следовательно, качественного нагрева обрабатываемых продуктов. Этот факт убедительно подтвердил термографический метод исследования распределения поля внутри камеры нагрева. Он показал, что в известном устройстве равномерность распределения поля составляет ~ 55%.

Основная задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении равномерности распределения электромагнитного поля внутри камеры нагрева и как следствие улучшение качества обработки продуктов.

Решение поставленной задачи достигается тем, что в сверхвысокочастотной печи, содержащей камеру нагрева, в верхней стенке которой выполнено отверстие связи для ввода СВЧ-энергии, СВЧ-генератор, выход которого подсоединен к камере нагрева через отрезок волновода и связанный с ним посредством устройства связи излучатель, соединенный с помощью короткозамыкателя с расположенным над ним экраном, выполненным в виде прямоугольной пластины, и диэлектрическую подставку для размещения продуктов, при этом излучатель и экран выполнены из проводящего электромагнитные волны материала, согласно изобретению, в нее введен регулятор наклона отрезка волновода, установленный на внешней поверхности верхней стенки камеры нагрева и жестко связанный с отрезком волновода, устройство связи выполнено в виде отрезка коаксиальной линии, неподвижно установленного в отверстие связи, поверхность верхней стенки камеры нагрева вокруг которого выполнена гофрированной, с нижним концом внутреннего проводника отрезка коаксиальной линии подвижно с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости соединен излучатель, выполненный в форме диска, а верхний конец внутреннего проводника, выполненный в виде полусферы, размещен внутри отрезка волновода, расположенного с зазором относительно верхней стенки камеры нагрева, с нижним концом внешнего проводника отрезка коаксиальной линии подвижно соединен экран, а своим верхним концом внешний проводник подсоединен к отрезку волновода, подставка для размещения продуктов выполнена вращающейся.

Благодаря тому, что устройство связи выполнено в виде отрезка коаксиальной линии, а связанный с ним излучатель - в форме диска, в камере нагрева сверхвысокочастотной печи возбуждается кругополяризованное поле. Преобразование волны H₁₀ прямоугольного волновода в T-волну в отрезке коаксиальной линии, а также использование внутреннего его проводника с полусферическим верхним концом, выходящим в отрезок прямоугольного волновода, как показали экспериментальные исследования, способствует обеспечению более равномерного распределения электромагнитной энергии внутри камеры нагрева по сравнению с известной конструкцией, в которой излучатель выполнен в виде квадратной пластины, а устройством связи служит металлический штырь. При этом потери на преобразование волн в рабочей полосе частот СВЧ-генератора минимальны (~ 0,1 дБ).

Так как излучатель подвижно соединен с нижним концом внутреннего проводника отрезка коаксиальной линии и может вращаться в горизонтальной плоскости относительно точки возбуждения, то это позволяет производить регулировку распределения электромагнитной энергии внутри камеры нагрева, добиваясь более равномерного ее распределения по всему объему камеры. Для контроля за равномерностью распределения электромагнитной энергии используют известную методику, основанную на измерении нагрева жидкости СВЧ-энергией в каждом из нескольких стаканчиков, равномерно расположенных на подставке для размещения продуктов, с последующим вычислением вышеуказанного параметра, либо термочувствительную бумагу. Иными словами, поворотом дискового излучателя в горизонтальной плоскости добиваются перераспределения мощности внутри камеры нагрева таким образом, чтобы распределение электромагнитной энергии было равномерным. Кроме того, сочетание форм экрана (прямоугольная пластина) и излучателя (диск) создает дифракционный эффект на краях указанных элементов, способствующий возбуждению дополнительных собственных колебаний волн внутри камеры нагрева. При проведении экспериментов зафиксирована 21 пространственная гармоника, что является убедительным подтверждением тому, что электромагнитное поле внутри камеры нагрева распределено равномерно.

Введение в устройство регулятора наклона отрезка волновода, установленного на внешней поверхности верхней стенки камеры нагрева и жестко связанного с отрезком волновода, расположение отрезка волновода с зазором относительно верхней стенки камеры нагрева, а также подсоединение к отрезку волновода верхнего конца внешнего проводника отрезка коаксиальной линии, неподвижно установленного в отверстие связи, поверхность верхней стенки вокруг которого выполнена гофрированной, позволяет изменять наклон отрезка волновода относительно верхней камеры нагрева, т.е. в вертикальной плоскости, а вместе с тем и излучателя, связанного через короткозамыкатель с экраном, соединенным с нижним концом внешнего проводника отрезка коаксиальной линии. Регулируя угол наклона излучателя относительно его горизонтального положения, производят тонкую регулировку распределения энергии внутри камеры нагрева. Этот процесс также контролируют с помощью вышеуказанных методов.

Таким образом, процесс перераспределения электромагнитной энергии внутри камеры производят в два этапа, что позволяет добиться равномерности ее распределения порядка 95%, что значительно превышает данный показатель, характеризующий устройство-прототип. При таком высоком показателе равномерности распределения электромагнитной энергии предложенная сверхвысокочастотная печь обеспечивает качественную обработку пищевых продуктов. Этот же цели служит и вращающаяся подставка для размещения продуктов.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где на фиг. показан общий вид сверхвысокочастотной печи
Сверхвысокочастотная печь содержит камеру 1 нагрева, изготовленную из металла. В верхней стенке 2 камеру 1 выполнено отверстие 3 связи для ввода СВЧ-энергии. СВЧ-генератор 4, обычно магнетрон, своим выходом подсоединен к отрезку 5 волновода, короткозамкнутого с другого конца и снабженного отверстием в середине широкой стенки для введения в него элемента устройства связи. Отрезок 5 волновода закреплен на одной из боковых стенок камеры 1 с помощью фиксатора 6. Устройство связи выполнено в виде отрезка коаксиальной линии с внутренним проводником 7 и внешним проводником, состоящим из втулки 8 и элемента 9, соединенными между собой резьбовым соединением. При этом внутренний проводник 7 изолирован от внешнего проводника с помощью опорной шайбы 10, выполненной из радиопрозрачного материала, например фторопласта-4. Металлическая втулка 8 припаяна к отрезку 5 волновода. Часть поверхности 11 верхней стенки 2 вокруг отверстия 3 связи выполнена гофрированной и по периметру указанного отверстия соединена с втулкой 8 пайкой таким образом, что отрезок 5 волновода размещен с зазором относительно верхней стенки 2 камеры 1 нагрева. Верхний конец внутреннего проводника 7 выполнен в виде полусферы 12 и размещен внутри отрезка 5 волновода. Нижний конец указанного проводника 7 посредством потайного винта 13 подвижно соединен с излучателем 14, выполненным в виде диска и связанным посредством короткозамыкателя 15 с экраном 16, выполненным в виде прямоугольной пластины, например квадратной формы, и расположенным над излучателем 14. Излучатель 14 и экран 16 выполнены из проводящего электромагнитные волны материала. Экран 16 подвижно соединен с нижним концом втулки 8, благодаря чему он может вращаться в горизонтальной плоскости. На внешней поверхности верхней стенки 2 установлен регулятор 17 наклона отрезка 5 волновода, представляющий собой, например, несколько подпружиненных винтов, закрепленных на продолжении нижней широкой стенки отрезка 5 волновода и опирающихся на внешнюю поверхность стенки 2. Кроме того, сверхвысокочастотная печь содержит вращающуюся подставку 18 для размещения продуктов, которая подсоединена к двигателю (на фиг. не показан).

Устройство работает следующим образом.

Вначале в отсутствии продуктов производят регулировку распределения электромагнитной энергии внутри камеры 1 нагрева с целью получения равномерного ее распределения по всему объему камеры 1. Процесс регулировки включает в себя два этапа. На первом этапе с помощью фиксатора 6 и подпружиненных винтов устанавливают отрезок 5 волновода в горизонтальное положение, и регулировку распределения энергии осуществляют путем поворота в горизонтальной плоскости излучателя 14 вокруг незатянутого винта 13. Благодаря тому, что экран 16 соединен с нижним концом втулки 8 подвижно и жестко с излучателем 14 посредством короткозамыкателя 15, экран 16 меняет свое положение в зависимости от поворота излучателя 14. Для каждого фиксированного положения излучателя 14 при включенном СВЧ-генераторе 4 снимают картину распределения электромагнитной энергии внутри камеры 1, например, с помощью термочувствительной бумаги. Следует заметить, что сочетание форм экрана 16 (прямоугольная пластина) и излучателя 14 (диск) способствует созданию дифракционного эффекта на краях указанных элементов, приводящему к возбуждению дополнительных собственных колебаний волн внутри камеры 1 нагрева, а следовательно, к более равномерному распределению электромагнитной энергии по всему объему камеры 1. Итак, сравнивая картины распределения электромагнитной энергии, выбирают то положение излучателя 14, при котором распределение наилучшее. Измерения показали, что равномерность распределения достигает величины 90%. С помощью винта 13 жестко фиксируют положение излучателя 14 таким образом, что он уже не может вращаться в горизонтальной плоскости. После этого приступают ко второму этапу регулировки распределения электромагнитной энергии внутри камеры 1. Фиксатор 6 отпускают и отрезок 5 волновода перемещается в вертикальной плоскости, а подпружиненные винты регулятора 17 позволяют удерживать отрезок 5 волновода в строго фиксированном положении. Благодаря жесткому подсоединению втулки 8 к отрезку 5 волновода, расположенного с зазором относительно внешней поверхности верхней стенки 2, а также использованию гофрированной поверхности 11 вокруг отверстия 3 связи, при перемещении отрезка 5 волновода в вертикальной плоскости будут менять свое положение в пространстве и втулка 8, и внутренний проводник 7, а также излучатель 14 экран 16, жестко связанные друг с другом посредством короткозамыкателя 15. Таким образом, при изменении наклона отрезка 5 волновода происходит изменение положения в вертикальной плоскости излучателя 14 внутри камеры 1 нагрева. Для каждого фиксированного положения отрезка 5 волновода при включенном СВЧ-генераторе 4 снимают картину распределения электромагнитной энергии внутри камеры 1 нагрева, например с помощью термочувствительной бумаги. Из нескольких положений отрезка 5 волновода выбирают то, которое соответствует более равномерному распределению энергии, и тогда это положение отрезка 5 волновода жестко фиксируют с помощью фиксатора 6. Таким образом, второй этап позволяет осуществить более тонкую регулировку распределения энергии внутри камеры 1 нагрева и достичь ее равномерности порядка 95%. После произведенной настройки сверхвысокочастотной печи осуществляют нагрев продуктов. Для этого их размещают на подставке 18, которая подсоединена к двигателю (на фиг. не показан), осуществляющему ее вращение вокруг оси для улучшения качества обработки продуктов. Плотно закрывают камеру 1 нагрева. Включают СВЧ-генератор 4 и двигатель. СВЧ-энергия от СВЧ-генератора 4 поступает в отрезок 5 волновода, внутрь которого помещен верхний конец внутреннего проводника 7 отрезка коаксиальной линии (устройства связи), выполненный в виде полусферы 12, а затем через излучатель 14, выполненный в форме диска и соединенный с нижним концом упомянутого проводника 7, в камеру 1 нагрева, в которой возбуждается кругополяризованное поле. Отметим, что преобразование волны H₁₀, распространяющейся по отрезку 5 волновода, в T-волну в отрезке коаксиальной линии осуществляется с минимальными потерями (порядка 0,1 дБ) благодаря выбору конструкции устройства связи и излучателя 14. Кругополяризованное поле воздействует на продукты, осуществляя их нагрев. Вращение подставки 18 с размещенными на ней продуктами также способствует повышению качества их обработки.

Таким образом, предложенная конструкция сверхвысокочастотной печи позволяет значительно повысить равномерность распределения сверхвысокочастотной энергии по всему объему камеры нагрева (с 70% у устройства прототипа до 95% у предложенного), что способствует повышению качества обработки продуктов. Кроме того, предложенное устройство позволяет снизить до минимума потери СВЧ-энергии при ее передаче от источника СВЧ-энергии в камеру нагрева, что, в свою очередь, повышает эффективность обработки продуктов.

Сверхвысокочастотная печь содержит камеру нагрева, в верхней стенке которой выполнено отверстие связи для ввода СВЧ-энергии, СВЧ-генератор, отрезок волновода, устройство связи, излучатель, короткозамыкатель, экран, выполненный в виде прямоугольной пластины, диэлектрическую подставку, регулятор наклона отрезка волновода, установленный на внешней поверхности верхней стенки камеры нагрева и жестко связанный с отрезком волновода, при этом излучатель и экран выполнены из проводящего электромагнитные волны материала, устройство связи выполнено в виде отрезка коаксиальной линии, поверхность верхней стенки камеры нагрева вокруг которого выполнена гофрированной, с нижним концом внутреннего отрезка коаксиальной линии подвижно с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости соединен излучатель в форме диска, а верхний конец внутреннего проводника в виде полусферы размещен внутри отрезка волновода, расположенного с зазором относительно верхней стенки камеры нагрева, с нижним концом внешнего проводника отрезка коаксиальной линии подвижно соединен экран, а своим верхним концом верхний проводник подсоединен к отрезку волновода, подставка для размещения продукта выполнена вращающейся. Технический результат заключается в повышении равномерности распределения электромагнитного поля в камере. 1 ил.

Сверхвысокочастотная печь, содержащая камеру нагрева, в верхней стенке которой выполнено отверстие связи для ввода СВЧ-энергии, СВЧ-генератор, выход которого подсоединен к камере нагрева через отрезок волновода и связанный с ним посредством устройства связи излучатель, соединенный с помощью короткозамыкателя с расположенным над ним экраном, выполненным в виде прямоугольной пластины, и диэлектрическую подставку для размещения продуктов, при этом излучатель и экран выполнены из проводящего электромагнитные волны материала, отличающаяся тем, что в нее введен регулятор наклона отрезка волновода, установленный на внешней поверхности верхней стенки камеры нагрева и жестко связанный с отрезком волновода, устройство связи выполнено в виде отрезка коаксиальной линии, неподвижно установленного в отверстие связи, поверхность верхней стенки камеры нагрева вокруг которого выполнена гофрированной, с нижним концом внутреннего отрезка коаксиальной линии подвижно с возможностью перемещения в горизонтальной плоскости соединен излучатель, выполненный в форме диска, а верхний конец внутреннего проводника, выполненный в виде полусферы, размещен внутри отрезка волновода, расположенного с зазором относительно верхней стенки камеры нагрева, с нижним концом внешнего проводника отрезка коаксиальной линии подвижно соединен экран, а своим верхним концом верхний проводник подсоединен к отрезку волновода, подставка для размещения продукта выполнена вращающейся.