ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩАЯ КРЫШКА К ПОСУДЕ ДЛЯ СВЧ-ПЕЧИ Российский патент 2004 года по МПК A47J36/06 H05B6/64 

Изобретение относится к приспособлениям для обычно используемой в СВЧ-печах посуде и предназначено для осуществления в этой посуде высокотемпературной тепловой обработки поверхности пищи с целью ее зарумянивания, создания хрустящей корочки и т.п., причем высокотемпературная обработка осуществляется за счет использования энергии СВЧ-колебаний в камере СВЧ-печи.

Известно, что приготовление пищи в СВЧ-печи происходит путем выделения тепла и нагрева продукта внутри его объема. В результате повышение температуры на поверхности происходит значительно медленнее, чем в объеме, и за время выдержки продукта в СВЧ-печи до его потребительской готовности не происходит зарумянивания или обжаривания поверхности продукта. Однако для некоторых блюд приятный вкус и внешняя привлекательность, т.е. их кулинарная готовность, достигаются именно при указанном виде поверхностного слоя. Учитывая широкое распространение в быту СВЧ-печей, усилия по созданию средств для приготовления полноценных блюд в этих печах являются важными и оправданными.

Одним из возможных способов решения этой задачи - использование посуды, которая, будучи помещенной в камеру СВЧ-печи, разогревается под действием СВЧ-полей. Поверхность пищи, контактирующая с поверхностью такой посуды, может быть разогрета, как и на обычной кухонной плите до температуры достаточной для обжаривания. Помимо контактного нагрева поверхности пищи может быть использован также нагрев за счет теплового излучения и конвекции от стенок посуды.

Общепризнанные конструкции элементов нагреваемой посуды для СВЧ-печей представлены, например, в [1]. Посуда в [1] состоит из металлического контейнера, в котором размещается приготовляемый продукт, и куполообразной крышки, также выполненной из металла. Крышка подогнана к контейнеру так, что осуществляется практически полная экранировка продукта от действия на него СВЧ-поля. Часть внешней поверхности контейнера и крышки покрыты слоем поглощающего СВЧ-энергию материала. Тепло, выделяемое в поглощающем слое под действием СВЧ-полей, приводит к разогреву внутренних поверхностей контейнера и крышки, тепловому излучению с них и конвекционным процессам внутри объема, образованного контейнером с крышкой.

Контейнер и крышка закреплены внешними краями каждые в своем отдельном кожухе. Кожуха изготовлены из хорошо пропускающего СВЧ-энергию материала, охватывают с зазором контейнер снизу и крышку сверху и вместе с соответствующим зазором термоизолируют контейнер и крышку от окружающего пространства. Одновременно кожуха являются опорой при установке на дно камеры СВЧ-печи и на определенном расстоянии от него контейнера с крышкой или без нее, или только крышки, обращенной в этом случае своим кожухом вниз.

При размещении контейнера с крышкой в камере СВЧ-печи осуществляется поверхностная тепловая обработка продукта без воздействия СВЧ. Использование по отдельности контейнера или перевернутой вниз кожухом крышки позволяет получить комбинированный разогрев находящегося в них продукта: объемный - за счет СВЧ и поверхностный - за счет разогрева контейнера или крышки. При этом из-за различной высоты боковых стенок контейнера и крышки соотношение интенсивностей объемного и поверхностного разогрева в них будет отличаться.

Использование для нагрева продукта металлического контейнера или, в зависимости от высоты боковых стенок поддона, сотейника с поглощающим покрытием на внешней стороне, экранирование продукта от взаимодействии СВЧ-поля металлической крышкой, которая в свою очередь также может иметь поглощающее покрытие на внешней стороне - все это входит в перечень существенных признаков для целого ряда конструктивных вариантов тепловыделяющей посуды [2-6].

В качестве поглотителя во всех выделенных конструкциях используются композиционные материалы, представляющие собой конгломерат из высокотемпературного диэлектрического связующего, основой которого обычно является кремнийорганические соединения, и частиц порошкообразного ферромагнетика (феррита, магнетита, железа), которые равномерно и электрически изолированно друг от друга распределены в диэлектрике. Поглощение энергии осуществляется за счет взаимодействия частиц ферромагнетика с СВЧ-магнитным полем, что и позволяет наносить ферромагнитный поглотитель тонким слоем на металлической поверхности. Для конструирования и применения важно также, что поглотители рассматриваемого типа имеют физический предел подъема температуры, обусловленный уменьшением поглощающих свойств с увеличением температуры вплоть до пренебрежимо незначительной величины при температуре, равной точке Кюри для используемого ферромагнетика.

Практическое применение того или иного варианта тепловыделяющей посуды приводит, прежде всего, к нежелательному увеличению количества используемых с СВЧ-печью комплектов посуды; причем добавляется комплект, в котором непосредственное воздействие СВЧ-поля на продукт либо отсутствует вовсе, либо осуществляется обязательно при одновременном разогреве самой посуды [1], т. е. с существенно меньшей эффективностью. Кроме снижения эффективности СВЧ-разогрева продукта, режим приготовления при одновременном поглощении СВЧ-энергии в продукте и в посуде для нагрева ее поверхности оказывается непривычно хлопотным. Дело в том, что процесс приготовления продукта за счет поглощения СВЧ-энергии требует меньше времени, чем процесс его обжаривания путем температурного воздействия на поверхность продукта. В результате, для каждого конкретного блюда приходится варьировать уровень мощности СВЧ-печи, чтобы совместить по времени моменты окончания этих процессов.

Таким образом, использование термовыделяющей посуды [1-6] не позволяет реализовать в полной мере основное достоинство СВЧ-печей - экономичное по времени и вниманию приготовление пищи. Для потребителя существенно также, что тепловыделяющая посуда конструктивно сложнее и соответственно дороже обычной температуростойкой стеклянной посуды, применяемой в СВЧ-печах. Перечисленные обстоятельства ограничивают применение тепловыделяющей посуды и спрос на нее.

В одном из комплектов тепловыделяющей посуды, предложенной в [7], продукт размещается в металлическом сотейнике с экранирующей крышкой, разогреваемой СВЧ-энергией. В результате происходит обжаривание стороны продукта, обращенной к крышке, за счет теплового излучения и конвекции от ее внутренней поверхности. Такой же эффект можно получить, используя обычную посуду для СВЧ-печей, заменив ее стеклянную крышку на металлическую экранирующую крышку с поглощающим покрытием. Как показывает эксперимент, такая крышка в зависимости от размера находящегося под ней продукта обеспечивает снижение поглощаемой в нем СВЧ-мощности на 70-90%, то есть энергия СВЧ будет тратиться преимущественно на разогрев крышки, приводя к обжариванию находящегося под ней продукта при сравнительно низкой интенсивности объемного СВЧ-нагрева. Возможность осуществления поверхностной тепловой обработки в обычной для СВЧ-печей посуде делает необходимую для этого разогреваемую крышку более привлекательной для потребителя, чем полный комплект тепловыделяющей посуды [1-6].

Описанная выше разогреваемая крышка в комплекте посуды [1] по своей конструкции наилучшим образом подходит для указанного применения, и в связи с этим выбрана в качестве прототипа предлагаемого изобретения.

Однако при эксплуатации такой крышки в бытовых условиях трудно обеспечить ее долговечность из-за недостаточной механической прочности и недостаточной адгезии поглощающего покрытия. Разъединение кожуха и крышки с покрытием, последующая очистка их от нагара могут привести к нарушению целостности поглощающего покрытия и отделению его от крышки.

Отмеченный недостаток прототипа обусловлен сравнительно большой толщиной поглощающего покрытия. Для обеспечения эффективного поглощения мощности СВЧ отдельно используемой крышкой в условиях перераспределения мощности между нею и разогреваемым продуктом круговой слой поглощающего компаунда в [1] при диаметре 9 дюймов должен содержать 220 грамм феррита, что приводит к толщине этого слоя приблизительно 0,07 дюйма (1,8 мм). В работе [3] указывается, что для различных, рассматриваемых здесь применений толщина слоя компаунда с ферромагнитным поглотителем может лежать в пределах 0,05-0,15 дюйма при оптимальной величине 0,08 дюйма (около 2 мм). При такой толщине поглощающего покрытия и характерной для его диэлектрического наполнителя низкой теплопроводности теплоотдача выделяющейся в поглотителе мощности приводит к большому температурному перепаду, прежде всего, по толщине поглощающего слоя. Для предохранения поглощающего слоя от термического разрушения в состав диэлектрического наполнителя вводится кремнийорганический каучук, герметики, что придает наполнителю упругость, но одновременно приводит к низким механическим и адгезионным свойствам поглощающего слоя.

Возможности подбора состава поглощающего покрытия с желаемыми эксплуатационными свойствами расширяются, если существенно снизить толщину поглощающего слоя, что при прочих равных условиях приводит к снижению в такой же степени температурного перепада по толщине покрытия. В результате в качестве связующей компоненты можно использовать менее упругие, но более прочные материалы, например кремнийорганические лаки и эмали, толщина покрытия для которых при многослойном нанесении может быть доведена до 0,2-0,3 мм. Известно поглощающее покрытие, для которого исходным поглощающем материалом является порошок из сплава альсифер, а в качестве связующей компоненты используется порошкообразное карбонильное железо [8]. Смесь этих порошков, нанесенная на металлическую поверхность, позволяет получить путем спекания в среде водорода при температуре около 1000^oС [8] прочный слой толщиной также до 0,2-0,3 мм. В этом слое частицы альсифера изолированы диэлектрической оксидной пленкой алюминия, которая образуется в процессе спекания, а карбонильное железо, прочно соединяя частицы альсифера между собой и с металлической поверхностью на границе поглощающего слоя, обеспечивает более эффективную (примерно в 3 раза) теплопередачу на эту поверхность по сравнению с компаундом с диэлектрической связующей компонентой.

Однако непосредственное использование тонкослойного (десятые доли миллиметра) поглощающего покрытия для разогрева крышки обычного для бытовой посуды размера невозможно. Объем нанесенного на крышку поглощающего материала оказывается недостаточным для нагрузки магнетрона, являющегося источником СВЧ-энергии в СВЧ-печи. Как показывает эксперимент, для эффективной и устойчивой работы магнетрона добротность резонансов рабочей камеры СВЧ-печи в диапазоне работы магнетрона должна быть снижена за счет потерь энергии в поглощающем покрытии по крайней мере до величины 20-25. Известно, что добротность резонатора с потерями Q_н определяется соотношением

где ω_p - резонансная частота,
W_з - запасенная в резонаторе на частоте ω_p энергия,
Р_n - мощность потерь.

Если учесть, что запасенная энергия пропорциональна объему резонатора V_р, а мощность потерь в слое поглотителя на крышке пропорциональна объему поглотителя V_n (при условии, что толщина слоя меньше глубины проникновения в него СВЧ-поля), то можно записать

где К_р, К_n, К - коэффициенты пропорциональности, зависящие от формы резонатора, структуры поля в нем, удельных электрохарактеристик поглотителя и его конфигурации;
δ_n - толщина слоя поглотителя;
S_n - площадь слоя поглотителя.

Величины К, V_р, S_n - для общепринятых конструкций печей и посуды изменяются незначительно и, как следует из приведенного выше соотношения, простое уменьшение толщины покрытия δ_n на порядок приведет к возрастанию добротности колебаний в рабочей камере также на порядок и, следовательно, к нарушению работы магнетрона на эту камеру.

Целью настоящего изобретения является обеспечение эффективной и устойчивой работы магнетрона в СВЧ-печи при размещении в ее камере посуды с тепловыделяющей экранирующей крышкой, разогреваемой за счет тонкослойного (десятые доли миллиметра) поглощающего покрытия. Покрытие с такой толщиной позволяет получить его термомеханические свойства более высокими, по сравнению с обычно применяемыми покрытиями толщиной 1,5-2,0 мм и, следовательно, обеспечивает большую долговечность крышки при ее эксплуатации.

Для получения указанных технических результатов (обеспечение работоспособности магнетрона и повышения долговечности крышки) в предлагаемой конструкции крышка формируется стенками объемного резонатора малого объема с поглощающем покрытием рабочей поверхности стенки резонатора, которая обращена внутрь закрываемой крышкой посуды. Этот резонатор-крышка связан электрически с резонатором, образованным рабочей камерой СВЧ-печи. В такой ситуации добротность связанных колебаний в рабочей камере будет определяться добротностью резонатора с поглотителем. Так как объем этого резонатора, образующего крышку, существенно меньше объема рабочей камеры печи, то в такой же степени снижается по сравнению с прототипом требуемый для эффективной и устойчивой работы магнетрона объем поглощающего покрытия, т.е. необходимая низкая добротность резонансных колебаний рабочей камеры СВЧ-печи может быть получена при существенно более тонкослойном поглощающем покрытии, чем у прототипа.

Таким образом, в тепловыделяющей крышке к посуде для СВЧ-печи, содержащей наружную стенку, по меньшей мере, часть которой имеет круговую колпакообразную форму, а конфигурация и размеры ее периферийной части позволяют стыковать крышку с посудой, используемой для размещения приготавливаемой пищи, металлическую внутреннюю стенку, по форме подобную круговой колпакообразной части наружной стенки, расположенную соосно снизу под этой частью, не превышающую ее по радиальным размерам и отделенную от нее зазором, при этом верхняя поверхность внутренней стенки, обращенная к наружной стенке, покрыта слоем поглощающего СВЧ-энергию материала, согласно изобретению наружная стенка крышки, по меньшей мере, частично по своей толщине выполнена из металла, имеет отверстие в этом металле, расположенное в центре круговой части, и фиксированно скреплена с внутренней стенкой таким образом, что своей металлической частью наружная стенка вместе с внутренней стенкой образуют в зазоре между собой разомкнутый на концах радиальный резонатор, который через отверстие в центре круговой части наружной стенки крышки подсоединен в качестве СВЧ-нагрузки к выходу приемной антенны, расположенной над верхней поверхностью наружной стенки.

Кроме того, приемная антенна может быть выполнена в виде несимметричного электрического вибратора, соосного с отверстием в центре круговой части наружной стенки и соединенного электрически одним из своих концов с центром верхней поверхности внутренней стенки крышки, при этом несимметричный электрический вибратор продолжен от своего конца над поверхностью наружной стенки крышки участком, параллельным этой поверхности.

На верхней поверхности наружной стенки смонтирована волноводно-рупорная антенна, а для присоединения к ее выходу в качестве СВЧ-нагрузки радиального резонатора используется, например, коаксиально-волноводный переход, причем несимметричный электрический вибратор и отверстие в центре наружной стенки крышки являются составными частями этого перехода.

Конструктивно, резонатор, стенки которого образуют крышку, должен иметь небольшую высоту и быть развитым в радиальном направлении, чтобы из него можно было сформировать крышку преимущественно плоской или куполообразной формы. Наилучшим образом перечисленным требованиям отвечает резонатор на основе радиальной линии, возбуждаемой в своей центральной части и имеющий резонансные радиальные размеры [9].

Тепловыделяющая крышка с радиальным резонатором, соответствующая настоящему предложению, содержит две разделенные зазором металлические стенки, поверхности которых, обращенные друг к другу, образуют рабочие поверхности резонансной радиальной линии (радиального резонатора). Одна из стенок - наружная - имеет круговую колпакообразную форму и является собственно крышкой, опираясь своим внешним краем на верхний край используемой посуды. Для увеличения теплоизоляции внутреннего объема посуды (под крышкой) от объема камеры СВЧ-печи наружная стенка крышки может быть выполнена из того же материала, из которого выполнена используемая посуда, т.е. из термостойкого, проницаемого для СВЧ-энергии стекла. Но при этом, для образования рабочей электрически проводящей поверхности радиальной линии на поверхность стеклянной стенки, обращенную в сторону зазора, наносится слой металла, по толщине не меньше, чем глубина проникновения в него электрического тока СВЧ. Таким образом, для соответствия сущности настоящего изобретения достаточным является выполнение наружной стенки крышки из металла, хотя бы частично по ее толщине. Вторая стенка крышки - внутренняя - по своей форме подобна внешней, соосна с ней и находится под наружной стенкой, внутри объема, образованного этой стенкой и посудой. На поверхность внутренней стенки крышки, обращенную к наружной стенке, наносится слой поглощающего СВЧ-энергию материала, и при возбуждении колебаний в радиальном резонаторе происходит разогрев внутренней стенки крышки и затем, благодаря конвекции и тепловому излучению, разогрев продуктов, находящихся в посуде, накрытой тепловыделяющей крышкой.

Возбуждение колебаний в радиальном резонаторе при размещении посуды с тепловыделяющей крышкой внутри рабочей камеры СВЧ-печи осуществляется от приемной антенны, расположенной над поверхностью наружной стенки крышки. Для этой цели в центре наружной стенки выполнено отверстие, по крайней мере в ее металлической части, и радиальный резонатор, ограниченный кромкой этого отверстия, подсоединен через него в качестве СВЧ-нагрузки к выходу антенны. Такая схема связи радиального резонатора с электромагнитными полями рабочей камеры СВЧ-печи, конструктивно реализуется, например, в виде несимметричного электрического вибратора [10], ось которого совпадает с осью отверстия в наружной стенке, один конец подсоединен к центру внутренней стенки, другой находится над поверхностью крышки. С помощью такого вибратора осуществляется связь резонансных колебаний камеры СВЧ-печи с азимутально-однородными колебаниями радиального резонатора, причем степень связи может меняться в широких пределах за счет изменения длины вибратора.

Возбуждение в радиальном резонаторе именно азимутально-однородных колебаний не относится к числу основных технических результатов, достигаемых в предлагаемой конструкции, однако такая возможность является желательной с точки зрения удобства использования тепловыделяющей крышки с равномерным по кругу разогревом.

Специфика применения каких-либо приемных антенн в камере СВЧ-печи состоит, в частности, в том, что необходимо учитывать пространственную неравномерность СВЧ-поля в объеме камеры. Степень этой неравномерности определяется конструкцией элемента связи камеры с магнетроном. Поэтому в современных печах для улучшения равномерности разогрева обязательно используется вращающийся поддон, на котором устанавливается посуда с приготавливаемым продуктом. Несимметричный электрический вибратор тепловыделяющей крышки возбуждается электрическим полем, перпендикулярным к ее поверхности. При обычных условиях эксплуатации посуды это вертикальная составляющая электрического поля в рабочей камере, и при вращении поддона вибратор может попеременно попадать в узлы и пучности этого поля. Очевидно, что в момент нахождения вибратора в узле возбуждающего его поля добротность резонансных колебаний камеры СВЧ-печи будет резко возрастать, и магнетрон будет работать неустойчиво. Периодический переход магнетрона в неустойчивый режим в конечном счете приведет к снижению его долговечности и даже выходу из строя.

Зависимость связи радиального резонатора с полем рабочей камеры печи от места положения в ней электрического вибратора можно существенно уменьшить, если он будет возбуждаться как вертикальной составляющей электрического поля, так и горизонтальной. Известно, что для видов колебаний прямоугольного резонатора координаты узлов и пучностей составляющих поля с взаимно-перпендикулярным направлением совпадают для какой-либо выбранной оси. Для конкретного случая, например плоской крышки, это означает, что если вибратор при движении параллельно самому себе попадает в узел вертикальной составляющей поля, то одновременно он оказывается в пучности горизонтальной составляющей. Естественно, что величина этой составляющей равна нулю непосредственно на поверхности крышки и становится максимальной на определенном расстоянии от поверхности крышки. Для видов колебаний высокого порядка это расстояние составляет примерно четверть рабочей длины волны. Поэтому, если на некотором расстоянии от крышки изменить направление оси вибратора с вертикального на горизонтальное, то мощность на выходе такого вибратора будет существенно меньше зависеть от изменения его положения в камере СВЧ-печи.

Использование над поверхностью крышки электрического несимметричного вибратора с оконечным участком, параллельным этой поверхности, или иначе говоря - вибратора Г-образной формы, является улучшенным вариантом реализации приемной антенны, наличие которой является одним из существенных признаков изобретения. При таком исполнении антенна вместе с подсоединенным к ней радиальным резонатором обеспечивает более устойчивую работу магнетрона - источника СВЧ-энергии в рабочей камере СВЧ-печи.

Однако при этом Г-образная форма несимметричного вибратора приведет к азимутальной неоднородности распределения заряда, наведенного на кромке отверстия в центре наружной стенки крышки и, следовательно, к азимутальной неоднородности тока, запитывающего радиальный резонатор. При ограниченной теплопроводности разогреваемой внутренней стенки это может быть причиной ее неравномерного по кругу разогрева, что нежелательно.

Азимутально-несимметричного возбуждения радиального резонатора можно избежать, если пространственно-развитая для демпфирования неоднородности поля в камере СВЧ-печи приемная часть антенны не будет воздействовать на структуру поля в области возбуждающего радиальный резонатор отверстия с проводником вибратора на его оси. Такой подход естественным образом реализуется, если в качестве приемной антенны использовать волноводно-рупорную антенну. Открытый конец волновода этой антенны с расширением или без него образует приемную аппертуру, от которой энергия поступает в волновод. Структура поля в волноводе на определенном расстоянии от приемной аппертуры будет определяться только размерами его поперечного сечения. Подключение радиального резонатора к антенне осуществляется именно в этой части волновода и выполняется, например, через коаксиально-волноводный переход, в который составными частями входят отверстие в центре наружной стенки крышки и вибратор. Подбирая диаметр отверстия, длину и диаметр вибратора, можно обеспечить круговую равномерность возбуждающего тока на кромке отверстия и необходимую величину связи. Таким образом, волноводно-рупорная антенна благодаря пространственно развитой приемной аппертуре позволяет получить стабильную нагрузку магнетрона при вращении радиального резонатора вместе с поддоном и одновременно обеспечивает азимутально-однородное возбуждение и разогрев этого резонатора.

Варианты конструкций тепловыделяющей крышки, содержащие существенные признаки настоящего изобретения, представлены на фиг.1-3.

На фиг. 1 тепловыделяющая крышка изображена в комплекте с посудой для СВЧ-печи и имеет приемную антенну в виде электрического несимметричного вибратора.

На фиг.2 изображен фрагмент тепловыделяющей крышки с приемной антенной, выполненной в виде несимметричного Г-образного электрического вибратора.

На фиг.3 изображен фрагмент тепловыделяющей крышки с волноводно-рупорной приемной антенной.

Тепловыделяющая крышка на фиг.1 образована двумя металлическими стенками: наружной 1 и внутренней 2. Стенка 1 имеет круговую колпакообразную форму с отверстием 3 в центре и является собственно крышкой, которая сочленяется своим краем с верхнем краем посуды 4, используемой для размещения приготавливаемой пищи. Стенка 2 подобна по форме стенке 1, соосна с ней и отделена от нее зазором 5, при этом поверхность внутренней стенки 2, обращенная к внешней стенке 1, покрыта слоем поглощающего СВЧ-энергию материала 6. Поверхности стенок 1 и 2 крышки образуют, таким образом, в зазоре 5 между собой разомкнутый на концах радиальный резонатор с потерями.

При размещении посуды 4 с тепловыделяющей крышкой в камере СВЧ-печи связь радиального резонатора с СВЧ-полями камеры, его возбуждение и соответственно разогрев стенки 2 с поглощающим покрытием 6 осуществляется посредством вертикального металлического стержня 7, выполняющего роль приемной антенны, для которой радиальный резонатор является СВЧ-нагрузкой. Для этого стержень 7 одним концом подсоединен к центру стенки 2, коаксиально проходит через отверстие 3 в наружной стенке крышки и образует над ее поверхностью вертикальный несимметричный электрический вибратор, возбуждаемый электромагнитными полями камеры СВЧ-печи с вертикальной поляризацией электрической составляющей в области вибратора.

Стенки 1, 2 тепловыделяющей крышки изготавливаются из тонколистового материала толщиной 0,5-0,7 мм. При этом, учитывая применение предлагаемого устройства, для приготовления пищи наиболее предпочтительным материалом является нержавеющая сталь. Выбор нержавеющей стали диктуется также тем, что в случае использования поглощающего покрытия на основе сплава альсифер [8] связь поглощающего слоя получается наиболее прочной с поверхностью именно этого материала. Для придания тонкостенной крышке достаточной для ее практического применения формоустойчивости наружная стенка 1 на своей периферии имеет металлическое утолщенное кольцо жесткости 8, форма и размеры которого позволяют надежно сочленять его с используемой посудой. Это же кольцо служит для крепления и фиксации положения стенок 1, 2 относительно друг друга. Для этой цели используются диэлектрические вкладыши 9 (в данном случае три вкладыша), равномерно распределеные по окружности в зазоре 5 между стенками 1, 2. Вкладыши 9 одной своей стороной жестко прикреплены (например, припаяны) к поверхности внутренней стенки 2. Противоположная сторона вкладышей 9 имеет выступ 10, который, используя упругие свойства внутренней стенки 2, вводится в кольцевую проточку 11 на кольце жесткости 8. Учитывая, что вкладыши 9 должны выполнять свою функцию в условиях воздействия СВЧ-полей и высокой температуры (до нескольких сотен градусов), подходящим материалом для них может служить, например, алюминоксидная керамика, предназначенная для применений при высоком уровне СВЧ-энергии. Для удобства пользования крышкой к кольцу жесткости 6 с внешней стороны прикреплены (например, приварены) две ручки 12 с теплоизолирующими накладками 13. Назначение колпака 14 - устранение дополнительной утечки тепла в камеру СВЧ-печи из зазора 5 через отверстие 3 и от разогретого от стенки 2 стержня 7. В связи с этим колпак 14 должен быть изготовлен из материала того же класса, что и вкладыши 9, т.е. материала, характеризующегося высокотемпературной стойкостью и способностью хорошо пропускать СВЧ-энергию.

Способ практического применения тепловыделяющей крышки, выполненной в соответствии с фиг. 1, и ее функционирование при этом вытекают непосредственно из описания ее конструкции и сущности настоящего изобретения. С точки зрения реализации основного достоинства СВЧ-печей - скорости приготовления - наиболее рационально тепловыделяющую крышку использовать после того, как продукт будет доведен до степени потребительской готовности путем воздействия на него СВЧ-энергией в обычной проницаемой для этой энергии посуде. Затем посуду с приготовляемым продуктом закрывают тепловыделяющей крышкой, заменяя ею обычную, проницаемую для СВЧ-энергии крышку, если она использовалась. В результате после включения СВЧ-печи примерно 80% ее мощности начнет выделяться в поглощающем покрытии 6 на стенке 2, и практически сразу после этого обе ее стороны будут эффективно работать в качестве тепловыделяющих поверхностей. Это обусловлено незначительной толщиной самого покрытия 6, стенки 2, на которую оно нанесено, а также выбором покрытия с хорошими теплопроводностью и теплопередачей на стенку 2 (например, на основе сплава альсифер).

Благодаря небольшому объему обычно используемой посуды (примерно 2 л), его теплоизолированности от объема камеры СВЧ-печи, температура внутри посуды в течение двух-трех минут достигает величин, необходимых для подсушивания, зарумянивания или обжаривания поверхности продукта, обращенной в сторону тепловыделяющей крышки. Выбор той или иной степени тепловой обработки поверхности продукта будет определяться пользователем, установкой им определенного уровня мощности работы СВЧ-печи.

На фрагменте тепловыделяющей крышки, показанном на фиг.2, наружная стенка 15 крышки выполнена из термостойкого, проницаемого для СВЧ-энергии стекла и покрыта со стороны нижней поверхности (обращенной к внутренней стенке) слоем металла 16 с толщиной не менее глубины проникновения в него СВЧ-энергии (для нержавеющей стали эта глубина примерно 8 мкм). Такой слой металла будет являться одной из поверхностей, образующий радиальный резонатор. Другая поверхность резонатора образуется внутренней стенкой 2 с поглощающим покрытием 6, и по своей конструкции и способу фиксации относительно наружной стенки 15 аналогична внутренней стенке 2 на фиг.1. Наружная стенка 15 и металлическое покрытие 16 на ее поверхности имеют отверстие 17, открывающееся внутрь полого конусообразного выступа 18 над верхней поверхностью стенки 15, который служит для размещения внутри него приемного вибратора Г-образной формы, состоящего из двух частей - вертикальной 19 и горизонтальной 20. Вертикальная часть 19 вибратора присоединена электрически своим концом к центру внутренней стенки 2, поднимается через отверстие 17, по его оси, над поверхностью металлического покрытия 16 и, оставаясь внутри полого конусообразного выступа 18, изгибается на 90^o, образуя, таким образом, горизонтальную часть 20, параллельную металлическому покрытию 16. При сборке тепловыделяющей крышки Г-образный вибратор, закрепленный в центре внутренней стенки и перпендикулярно его поверхности, вводится наклонно своей горизонтальной частью в отверстие 17. Затем внутренняя стенка 2 переводится в горизонтальное положение и фиксируется относительно наружной стенки 15 крышки с помощью выступов на вкладышах 9, вставляемых в паз 21 на стенке 15, аналогичный проточке 11 на кольце жесткости 8 (фиг.1).

Вибратор Г-образной формы на фиг.2 возбуждается электромагнитным полем как с вертикальной, так и с горизонтальной поляризацией электрической составляющей в области вибратора. Минимумы полей с взаимно перпендикулярной поляризацией не совпадают в пространстве внутри прямоугольной рабочей камеры СВЧ-печи. Поэтому при вращении поддона, на котором установлена посуда с тепловыделяющей крышкой, возбуждаемой Г-образным приемным вибратором, его перемещение внутри камеры не будет приводить к существенным колебаниям нагрузки магнетрона и, следовательно, гарантированно будет обеспечена устойчивая и эффективная работа магнетрона в любой момент времени работы СВЧ-печи. Это обстоятельство выгодно отличает Г-образный несимметричный вибратор на фиг. 2 от обычного симметричного вибратора на фиг.1. Перемещение последнего в камере печи и кратковременное попадание его при этом в области с минимальным значением электрического поля вертикальной поляризации может привести к недостаточной нагрузке магнетрона и появлению моментов неустойчивой и неэффективной работы магнетрона во время работы СВЧ-печи.

Однако при конструировании тепловыделяющей крышки в целом следует учитывать, что переход от обычного несимметричного вибратора (фиг.1) к Г-образному вибратору (фиг.2) приводит к дополнительной концентрации поля под его горизонтальной частью и, следовательно, к нарушению азимутальной однородности поля на кромке отверстия, ограничивающего радиальный резонатор на наружной стенке крышки. Если возникающая при этом азимутальная неоднородность тока, возбуждающего радиальный резонатор, и, соответственно, азимутальная неоднородность его разогрева будут существенны для того или иного применения тепловыделяющей крышки, то необходимо принять меры для устранения нежелательного эффекта (например, уменьшить толщину поглощающего покрытия в месте перегрева).

На фрагменте тепловыделяющей крышки, изображенном на фиг.3, задача поддержания нагрузки магнетрона в пределах, необходимых для его устойчивой и эффективной работы при перемещении посуды с тепловыделяющей крышкой внутри камеры СВЧ-печи, решается посредством волноводно-рупорной антенны. При достаточно больших размерах приемной аппертуры этой антенны и их некратности размерам камеры СВЧ-печи в раскрыве антенны не будет возникать взаимная компенсация полей различных видов колебаний камеры. Поэтому необходимая мощность в выходном волноводе рупорной антенны возбуждается при нахождении ее пространственно-развитой аппертуры в любом, практически достигаемом при вращении посуды, положении в пространстве внутри камеры СВЧ-печи.

Конструктивно волновод 22 рупорной антенны своей широкой стенкой совмещен с плоской частью наружной стенки 1 крышки и короткозамкнут со стороны, противоположной приемной аппертуре 23. Передача энергии из волновода антенны в радиальный резонатор и его возбуждение осуществляется через отверстие 3 в центре наружной стенки 1 и проходящий через него электрический несимметричный вибратор 25, которые образуют коаксиально-волноводный переход. В условиях одноволнового режима и большого числа геометрических параметров, определяющих структуру поля в области каоксиально-волнового перехода, сравнительно легко, варьируя эти параметры, получить не только необходимое согласование приемной антенны с радиальным резонатором, но и обеспечить при этом азимутально-равномерное распределение поля на кромке отверстия, ограничивающего радиальный резонатор на наружной стенки крышки и, следовательно, азимутально-равномерное распределение тока, запитывающего и разогревающего этот резонатор.

Литература
1 Патент США 4663506, Кл. 219-10.55, 1988г.

2. Патент США 4450334, Кл. 219-10.55, 1984г.

3. Патент США 4486640, Кл. 219-10.55, 1984г.

4. Патент США 4496815, Кл. 219-10.55, 1985г.

5. Патент США 4542271, Кл. 219-10.55, 1985г.

6. Патент США 4728762, Кл. 219-10.55, 1988г.

7. Патент США 4398077, Кл. 219-10.55, 1983г.

8. Ирюшкина Л.Ф., Воробьева Н.И. Материалы для внутривакуумных поглотителей СВЧ-энергии. Обзоры по электронной технике. Сер. 6, материалы. - Вып.9 (1415). - М.: ЦНИИ "Электроника", 1988.

9. Лебедев И.В. Техника и приборы сверхвысоких частот. Техника СВЧ, т.1. M.: Высшая школа, 1970.

10. Бова Н.Т., Резников Г.Б. Антенны и устройства СВЧ. Киев: Вища школа, 1982.

Крышка предназначена для высокотемпературной обработки поверхности пищи в СВЧ-печи с целью ее зарумянивания, обжаривания и т.п., причем указанный процесс производится в той же посуде, в которой пища приготавливается путем непосредственного воздействия на нее СВЧ-энергии. Высокотемпературная обработка в посуде закрытой тепловыделяющей крышкой осуществляется в результате разогрева СВЧ-энергией поверхности крышки, обращенной внутрь посуды, и создания на поверхности пищи необходимой температуры за счет конвекции и теплового излучения с разогретой поверхности крышки. Для разогрева тепловыделяющей крышки применен поглотитель СВЧ-энергии на основе порошкообразного ферромагнетика, нанесенного тонким слоем на металлическую поверхность крышки. Особенность предлагаемой крышки заключается в том, что она обеспечивает нагрузку магнетрона СВЧ-печи, необходимую для его устойчивой и эффективной работы, при существенно меньшем (на порядок) объеме поглотителя, чем известные тепловыделяющие элементы сопоставимых размеров. Соответственно уменьшается и толщина слоя нанесенного поглотителя. Например, для смеси порошков из карбонильного железа и сплава альсифер, толщина слоя не превышает 0,2÷0,3 мм, что позволяет после спекания этой смеси на металлической поверхности получить конгломерат с термомеханическими и адгезионными свойствами, приемлемыми для длительного бытового использования. Возможность применения малого объема поглотителя достигается за счет того, что крышка сформирована стенками радиального резонатора плоской или куполообразной формы. Одна из его стенок, обращенная внутрь посуды, покрыта внутри резонатора слоем поглощающего материала, а другая имеет отверстие в центре для подключения резонатора в качестве СВЧ-нагрузки к приемной антенне, находящейся над этой стенкой и возбуждаемой полями камеры СВЧ-печи. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Тепловыделяющая крышка к посуде для СВЧ-печи, содержащая наружную стенку, по меньшей мере, часть которой имеет круговую колпакообразную форму, а конфигурация и размеры ее периферийной части позволяют стыковать крышку с посудой, используемой для размещения приготавливаемой пищи, металлическую внутреннюю стенку, по форме подобную круговой колпакообразной части наружной стенки, расположенную соосно снизу под этой частью, не превышающую ее по радиальным размерам и отделенную от нее зазором, при этом верхняя поверхность внутренней стенки, обращенная к наружной стенке, покрыта слоем поглощающего СВЧ-энергию материала, отличающаяся тем, что наружная стенка крышки, по меньшей мере, частично по своей толщине выполнена из металла, имеет отверстие в этом металле, расположенное в центре круговой части, и фиксировано скреплена с внутренней стенкой таким образом, что своей металлической частью наружная стенка вместе с внутренней стенкой образуют в зазоре между собой разомкнутый на концах радиальный резонатор, который через отверстие в центре круговой части наружной стенки крышки подсоединен в качестве СВЧ-нагрузки к выходу приемной антенны, расположенной над верхней поверхностью наружной стенки.2. Тепловыделяющая крышка по п.1, отличающаяся тем, что приемная антенна выполнена в виде несимметричного электрического вибратора, соосного с отверстием в центре круговой части наружной стенки и соединенного электрически одним из своих концов с центром верхней поверхности внутренней стенки крышки.3. Тепловыделяющая крышка по п.2, отличающаяся тем, что несимметричный электрический вибратор продолжен от своего конца над поверхностью наружной стенки крышки участком, параллельным этой поверхности.4. Тепловыделяющая крышка по п.2, отличающаяся тем, что на верхней поверхности наружной стенки смонтирована волноводно-рупорная антенна, а для присоединения к ее выходу в качестве СВЧ-нагрузки радиального резонатора используется коаксиально-волноводный переход, причем несимметричный электрический вибратор и отверстие в центре наружной стенки крышки являются составными частями этого перехода.