КОМБИНИРОВАННАЯ ЭЛЕКТРО- И СВЧ ПЛИТА ДЛЯ ДОМАШНЕЙ КУХНИ Российский патент 2000 года по МПК H05B6/64 

Настоящее изобретение относится к бытовым электроплитам, которые для расширения кулинарных возможностей процесса приготовления пищи на них, содержат устройства для дополнительного СВЧ нагрева пищевых продуктов.

Стремление сохранить традиционную конструктивную схему кухонной электроплиты с нагревательными конфорками на верхней поверхности и духовым шкафом внутри обусловило осуществление СВЧ нагрева в духовом шкафу, который, таким образом, должен работать как в режиме обычной духовки, так и в режиме СВЧ нагрева, когда духовка представляет собой рабочую камеру СВЧ печи, а также в обоих режимах одновременно. При реализации такого подхода к построению комбинированной электро- и СВЧ плиты необходимо, в условиях высокой температуры и без заметного увеличения габаритов электроплиты, обеспечить надежную работоспособность с допустимым уровнем утечки СВЧ энергии наружу вводимых в электроплиту СВЧ устройств и систем вентиляции СВЧ камеры и охлаждения источника СВЧ энергии. В результате, конструкция электроплиты с дополнительным СВЧ нагревом в духовом шкафу значительно усложняется и соответственно возрастает ее стоимость. По сравнению со стоимостью современной многофункциональной электроплиты стоимость комбинированной по рассматриваемой схеме электро- и СВЧ плиты возрастает на величину, существенно превышающую стоимость отдельно выполненной СВЧ печи.

Необходимо также отметить, что использование духового шкафа для СВЧ разогрева не представляется полностью целесообразным, т.к. по месту своего расположения и своему объему духовой шкаф неудобен для постоянного приготовления в нем небольших порций и предполагает эпизодическую закладку в него заметного количества продукта. Но в связи с тем, что продолжительность разогрева СВЧ полем прямо пропорциональна объему продукта и при этом разогрев происходит лишь в слое, равном глубине проникновения СВЧ поля в него, СВЧ нагрев для приготовления объемного продукта не дает заметного преимущества во времени и менее качественен, чем разогрев продукта в духовом шкафу обычным электронагревателем.

Конструкция комбинированной электро- и СВЧ плиты может быть значительно упрощена, а стоимость уменьшена, если реализовать в плите лишь основное преимущество СВЧ нагрева - "экспресс"-разогрев небольших объемов (1 - 2 порции) заранее приготовленных блюд. Мощность магнетронов, обычно применяемых в бытовых СВЧ печах в качестве источника СВЧ энергии, составляет 600 - 900 Вт на частоте 2450 МГц, что обеспечивает продолжительность разогрева указанных объемов пищи - единицы минут. При этом практически полностью восстанавливаются вкус и питательная ценность свежеприготовленного блюда. Необходимая при столь малом времени разогрева оперативность использования СВЧ части комбинированной электро- и СВЧ плиты может быть обеспечена, если разогрев осуществляется на месте одной из конфорок в легко доступной камере с небольшими размерами и объемом, соизмеримыми с размерами и объемом посуды, в которой размещены разогреваемые продукты. Очевидно, что в этой же камере может производиться и ускоренное размораживание порционных объемов свежезамороженных продуктов. Удобство эксплуатации и функциональные возможности электроплиты с малогабаритной СВЧ камерой, доступной для размещения разогреваемых продуктов со стороны верхней горизонтальной панели с электроконфорками, и одновременно сравнительно низкая стоимость такой комбинированной электро- и СВЧ плиты делают ее привлекательной для покупателя.

Известна конструкция домашней электроплиты, в которой СВЧ нагрев осуществляется в вертикально ориентированной и закрепленной на верхней горизонтальной панели цилиндрической камере (1). Установка в камеру проницаемой для СВЧ энергии посуды с продуктами производится в направлении сверху - вниз через отверстие в торце цилиндра, которое затем закрывается металлической крышкой непроницаемо для СВЧ энергии. Ввод СВЧ энергии в камеру осуществляется через отверстие в нижнем торце цилиндра, образующего камеру. Конструкция отдельного СВЧ нагревательного устройства с камерой нагрева, имеющей размеры обычной кухонной посуды, более детально представлена в (2). Характерные для этого устройства доступ в камеру нагрева сверху вниз и ввод в нее СВЧ энергии снизу, со стороны дна камеры, позволяют использовать его в составе домашней электроплиты, размещая относительно верхней горизонтальной панели с электроконфорками, как в (1). Различные конструктивные схемы построения СВЧ нагревательного устройства с камерой нагрева небольшого, оговоренного выше размера и вводом в нее СВЧ энергии снизу предложены в (3). Вариант решения одной из основных задач разработки СВЧ нагревательных устройств рассматриваемого типа - задачи согласования в электрическом смысле источника СВЧ энергии (преимущественно магнетрона) с камерой нагрева представлен в (4), где согласование достигается за счет включения между магнетроном и камерой нагрева цепочки связанных резонаторов.

Электроплита, содержащая в своем составе СВЧ печь с небольшой камерой нагрева, доступ в которую осуществляется со стороны верхней горизонтальной панели с электроконфорками (1), по своему функциональному назначению и конструкции является наиболее близкой к предлагаемому изобретению и выбрана в качестве прототипа. Основной недостаток прототипа заключается в том, что эффективный разогрев в камере малого размера может быть осуществлен лишь при практически полном ее заполнении нагреваемым продуктом. Действительно, цилиндрическая камера нагрева при размещении ее на кухонной электроплите в комбинации с обычными электроконфорками может иметь диаметр до 200 - 250 мм и на частоте 2450 МГц, обычно применяемой в бытовых СВЧ нагревателях, представляет собой в электродинамическом отношении цилиндрический волновод, частично заполненный поглощающим материалом. Незаполненной частью этого волновода является конструктивно необходимый зазор между стенками волновода и стенками посуды с нагреваемым продуктом, а также сами стенки этой посуды, практически не имеющие потерь на СВЧ. Приемлимое по величине и нерезонансное согласование такого волновода с источником СВЧ мощности может быть достигнуто, если его затухание составляет единицы децибел. Например, для достижения коэффициента стоячей волны, равного 2, затухание в камере от плоскости ввода в нее энергии до закрывающей ее крышки должно быть 5 дБ, для коэффициента стоячей - 3, необходимое затухание составляет 3 дБ.

Практически, круглый волновод, частично заполненный влагосодержащим пищевым продуктом, имеет затухание 3 - 5 дБ на длину 100 - 150 мм, т.е. минимальный объем разогреваемого продукта будет не менее 3-х литров. При таких объемах СВЧ нагрев не дает существенного преимущества перед обычной электроконфоркой ни по времени, ни по затратам электроэнергии (учитывая коэффициент полезного действия источника СВЧ энергии). Эти преимущества СВЧ нагрева могут быть получены, как уже говорилось выше, лишь при разогреве порционных объемов пищи для одного-двух человек. Однако такие объемы заведомо недостаточны для получения необходимого затухания. Это очевидно на примере вторых блюд, протяженность которых в направлении распространения определяется толщиной этих блюд и составляет всего 20 - 40 мм. Камера с рассматриваемыми размерами и формой при размещении внутри нее таких блюд становится резонансной. При этом добротность резонансов вида Eo к, электрические поля которых наиболее предпочтительны для осуществления нагрева из-за их азимутальной однородности, составляет несколько десятков.

Можно осуществить согласование резонансной камеры с источником СВЧ энергии (магнетроном) на частоте резонанса путем подбора связи камеры с подводящим СВЧ энергию волноводом, но одновременно придется вводить элемент престройки камеры (например, в виде короткозамыкающего поршня, объединенного с верхней крышкой камеры). Это связано с тем, что при изменении вида разогреваемого блюда будет меняться его объем и его электрические свойства, что приводит к изменению частоты рабочего резонанса и соответственно нарушению согласования магнетрона с камерой нагрева.

Например, в экспериментах с камерой диаметром 200 мм при изменении объема находящегося в ней влагосодержащего продукта от 0,125 литра до 0,5 литра приходится изменять положение короткозамыкающего поршня на 30 мм, чтобы сохранить настройку рабочего резонанса на частоту магнетрона и обеспечить благодаря этому максимальное поглощение мощности в нагреваемом продукте при работе с малыми объемами нагреваемых продуктов. При работе с малыми объемами нагреваемых продуктов необходимо также вводить в камеру дополнительные (балластные) потери для снижения добротности рабочего резонанса до величины, обеспечивающей устойчивую работу магнетрона.

Настройка камеры нагрева на частоту магнетрона по максимуму поступающей в камеру мощности является совершенно неприемлимой для бытового СВЧ нагревательного устройства, прежде всего, из-за существенного усложнения процесса его использования. Кроме этого, заметно усложняется конструкция такого устройства и соответственно его стоимость из-за введения в него дополнительных элементов: короткозамыкающего поршня, балластной нагрузки, датчика настройки камеры и средств индикации настройки.

Целью изобретения является упрощение процесса эксплуатации СВЧ нагревателя, входящего в состав кухонной электроплиты и предназначенного для ускоренного разогрева небольших по объему (порционных) блюд. Цель достигается за счет использования для разогрева таких блюд, обычно имеющих протяженность преимущественно вдоль горизонтальной поверхности, электрического СВЧ поля плоской, горизонтально ориентированной замедляющей системы, вдоль которой распространяется СВЧ энергия.

Для реализации такого подхода в известную конструкцию прототипа (1) вводится следующий новый конструктивный признак, определяющий сущность изобретения. Вместо цилиндрической камеры нагрева на поверхности верхней горизонтальной панели электроплиты монтируется плоская гребенчатая замедляющая система радиального типа, которая связана линией передачи с источником СВЧ энергии, находящимся внутри корпуса электроплиты.

Гребенчатая радиальная система представляет собой металлический диск с концентрически расположенными на одной из его поверхностей круговыми металлическими выступами (гребнями). Свободные концы круговых выступов образуют импедансную поверхность и замедляющая система монтируется так, чтобы эта поверхность была обращена вверх - наружу по отношению к горизонтальной панели электроплиты. Диаметр замедляющей системы выбирается близким к диаметру окружающих ее электроконфорок и достаточным для размещения на ее импедансной поверхности прозрачной для СВЧ энергии посуды с нагреваемым продуктом.

При включении источника СВЧ энергии на импедансной поверхности возникает электрическое СВЧ поле, которое взаимодействует с находящимся на этой поверхности продуктом и разогревает его. Для предотвращения утечки СВЧ энергии в окружающее пространство посуда с нагреваемым продуктом накрывается металлическим колпаком, соединяющимся непроницаемо для СВЧ энергии с замедляющей системой по ее внешнему диаметру.

Применение плоских замедляющих систем и, в частности, гребенчатых замедляющих систем радиального типа в СВЧ нагревательных устройствах впервые рассмотрено в (5). Совмещение гребенчатой радиальной системы с бытовой электроплитой, конструктивно выполненное описанным выше образом, ранее не было известно и дает следующий технический результат: электромагнитные колебания СВЧ, возбужденные в замедляющей системе, распространяясь в ней в радиальном направлении, практически на всем пути своего распространения взаимодействуют с разогреваемым продуктом, расположенным на круговых выступах. При соответствующем выборе параметров замедляющей системы (волнового сопротивления, коэффициента замедления) протяженность обычно используемых порционных блюд обеспечивает без дополнительных подстроек СВЧ элементов поглощение СВЧ энергии, достаточное для нагружения магнетронного источника СВЧ энергии, которое эквивалентно работе магнетрона на выходной тракт с коэффициентом стоячей волны не более 2 - 3. Таким образом, изменение вида разогреваемого блюда не будет приводить к нарушению эффективной работы магнетрона и, следовательно, осуществление ускоренного разогрева порционных блюд с помощью СВЧ энергии не будет по своим операциям отличаться от разогрева на обычной электроконфорке, а в случае СВЧ разогрева непосредственно на обеденной посуде (что в принципе возможно) будет даже более простым.

На фигуре 1, 2 изображен возможный вариант конструктивной схемы комбинированной электро- и СВЧ плиты, выполненной в соответствии с настоящим предложением. На фигуре 1 дан вид сверху на плиту, имеющую горизонтальную панель 1 с расположенными на ней тремя нагревательными электроконфорками 2, 3, 4 и камерой СВЧ нагрева с отделяемым колпаком 5. На фиг. 2 в укрупненном масштабе изображен фрагмент плиты, представленный на фиг. 1 при виде на нее спереди. Дан частичный разрез в плоскости АА, выявляющий устройство камеры СВЧ нагрева 6 и компоновку ее и источника СВЧ энергии - магнетрона 7 - относительно горизонтальной панели 1 с электроконфорками 2, 3, 4, панели управления 8 и духового шкафа 9 с дверцей 10. Камера нагрева 6 образована отделяемым металлическим колпаком 5 и поверхностью диэлектрического поддона 11, который опирается на гребни радиальной замедляющей системы 12 и предохраняет ее от загрязнения. На фиг. 2 условно изображены разогреваемые продукты, которые размещаются в камере нагрева 6 либо непосредственно на поддоне 11, либо в прозрачной для СВЧ энергии посуде, установленной на этом поддоне.

Энергия СВЧ от магнетрона 7 через радиальную линию 13 и щель связи 14 вводится в замедляющую систему 12 на ее периферии и, распространяясь к центру системы, осуществляет разогрев находящихся на ее поверхности продуктов. Для устранения утечки СВЧ энергии из камеры нагрева служит фильтр 15, образованный комбинацией короткозамкнутого и разомкнутого четвертьволновых дросселей.

Данное выше описание конструкции и принципа действия СВЧ камеры нагрева делают очевидным и не требующим дополнительных пояснений процесс эксплуатации этой камеры в составе комбинированной электро- и СВЧ плиты.

Литература.

1. Патент США N 2919336, кл. 219-10-55, 1959 г.

2. Патент США N 5252797, кл. 219-10-55, 1993 г.

3. Патент ФРГ N 3743922, кл. H 05 B 6/64, 1989 г.

4. Патент РФ N 2106768, кл. H 05 B 6/64, 1998 г.

5. Патент США N 3478187, кл. 219-10-55, 1969 г.

Комбинированная электро- и СВЧ плита для домашней кухни, содержащая верхнюю горизонтальную панель с одной или большим количеством нагревательных электроконфорок, встроенный в объем электроплиты источник СВЧ энергии для осуществления СВЧ нагрева пищевых продуктов, отличающаяся тем, что на верхней горизонтальной панели, дополнительно к имеющимся на ней нагревательным электроконфоркам, смонтирована возбуждаемая от источника СВЧ энергии плоская радиальная замедляющая система, например, гребенчатого типа, которая ориентирована импедансной поверхностью вверх-наружу, имеет внешний диаметр, характерный по своей величине для обычной конфорки, и при этом совместно с отделяемым колпаком, накрывающим замедляющую систему сверху и непроницаемо для СВЧ энергии, образует камеру нагрева с формой и размерами, минимально достаточными для размещения внутри нее на поверхности замедляющей системы нагреваемых продуктов в посуде или на поддоне, которые имеют обычные для домашней кухни размеры и проницаемые для СВЧ энергии. Технический результат заключается в упрощении процесса эксплуатации СВЧ нагревателя. 2 ил.

Комбинированная электро- и СВЧ плита для домашней кухни, содержащая верхнюю горизонтальную панель с одной или большим количеством нагревательных электроконфорок, встроенный в объем электроплиты источник СВЧ энергии для осуществления СВЧ нагрева пищевых продуктов, отличающаяся тем, что на верхней горизонтальной панели, дополнительно к имеющимся на ней нагревательным электроконфоркам, смонтирована возбуждаемая от источника СВЧ энергии плоская радиальная замедляющая система, например, гребенчатого типа, которая ориентирована импедансной поверхностью вверх-наружу, имеет внешний диаметр, характерный по своей величине для обычной конфорки, и при этом совместно с отделяемым колпаком, накрывающим замедляющую систему сверху и непроницаемо для СВЧ энергии, образует камеру нагрева с формой и размерами минимально достаточными для размещения внутри нее на поверхности замедляющей системы нагреваемых продуктов в посуде или на поддоне, которые имеют обычные для домашней кухни размеры и проницаемы для СВЧ энергии.