МИКРОВОЛНОВАЯ ПЕЧЬ Российский патент 2004 года по МПК H05B6/64 

Область техники

Изобретение относится к микроволновой технике, в частности к электронагревательным аппаратам, использующим энергию микроволнового поля, и предназначено для тепловой обработки пищевых продуктов.

Предшествующий уровень техники

Известна микроволновая печь, представляющая собой устройство для нагрева продуктов питания энергией микроволнового поля, содержащее камеру нагрева, снабженную дверцей, микроволновый генератор, расположенный в имеющем рабочую поверхность съемном корпусе электронного блока, и модуль излучения, установленный в выполненном в рабочей стенке камеры нагрева отверстии связи для ввода микроволновой энергии, модуль излучения содержит отрезок коаксиальной линии, который подключен к излучателю из проводящего материала, и прилегающее к внутренней поверхности рабочей стенки камеры нагрева по периметру отверстия связи металлическое кольцо с электромагнитным уплотнением по его периметру (см., например, пат. РФ, М.кл⁸. Н 05 В 6/64, №2124278 от 1998). Отверстие связи выполнено в боковой стенке камеры и заполнено радиопрозрачным материалом. Излучатель установлен в углублении направляющего элемента, выполненного из проводящего электромагнитные волны материала, и связан с ним перемычкой. С направляющим элементом соединено с возможностью обеспечения гальванического контакта кольцо. Модуль излучения и направляющий элемент закреплены на стойке и расположены в корпусе электронного блока (вне камеры нагрева), выполненного в виде лотка, обращенного своим открытым концом к внешней поверхности стенки камеры нагрева, в которой выполнено отверстие связи. Открытый конец корпуса электронного блока соединен с металлической рамкой по ее внешнему периметру. Металлическая рамка разьемно присоединена с возможностью обеспечения гальванического контакта к внешней поверхности стенки камеры нагрева, в которой выполнено отверстие связи, и снабжена углублением, выполненным по периметру рамки, в котором размещено электромагнитное уплотнение.

Основным недостатком этого устройства является его низкая эффективность, обусловленная неравномерностью распределения электромагнитного поля внутри камеры нагрева. Как показали исследования, в камере нагрева невысокая (порядка 46-48%) равномерность распределения электромагнитной энергии, а коэффициент полезного действия (эффективность) не превышает 50%. Это приводит к неравномерному нагреву продуктов, низкому качеству их обработки.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является микроволновая печь, представляющая собой устройство для обработки пищевых продуктов энергией микроволнового поля, содержащее камеру нагрева, снабженную дверцей, микроволновый генератор, расположенный в боковом отсеке микроволновой печи вне камеры нагрева, короткозамкнутый на конце отрезок прямоугольного волновода, установленный на внешней стороне верхней стенки камеры нагрева, модуль возбуждения электромагнитного поля в камере нагрева, представляющий собой металлическую дипольную антенну, жестко механически и электрически соединенную в центре с полым металлическим тонкостенным цилиндром, верхний конец которого через общее отверстие связи в верхней стенке камеры нагрева и в широкой стенке короткозамкнутого на конце отрезка прямоугольного волновода погружен вовнутрь короткозамкнутого на конце отрезка прямоугольного волновода для передачи энергии от микроволнового генератора в камеру нагрева, и вентилятор, установленный в боковом отсеке микроволновой печи для создания воздушного потока, направляемого воздуховодом из радиопрозрачного диэлектрика и вызывающего принудительное вращение металлической дипольной антенны (см., например, Commercial Microwave Oven RCS10MPS, US, AMANA. Owner’s Manual Code №12668501 A, 2001). На противоположной широкой стенке короткозамкнутого на конце отрезка прямоугольного волновода установлен с гальваническим контактом согласующий металлический штырь. В отверстии связи тонкостенный металлический цилиндр опоясан диэлектрическим кольцом, обеспечивающим подвес металлической дипольной антенны и допускающим ее принудительное вращение.

Основным недостатком этого устройства является его низкая эффективность. Как показали результаты тестирования микроволновой печи RCS10MPS (US, AMANA) в зависимости от массы, объема и месторасположения обрабатываемого продукта внутри камеры нагрева коэффициент равномерности распределения электромагнитной энергии непостоянен и принимает значения от 40 до 64%, а коэффициент полезного действия - от 38 до 51%. Это приводит к низкому качеству обработки пищевых продуктов, дополнительным энергозатратам. В процессе эксплуатации микроволновая печь неустойчива к вибрациям и ударам.

Раскрытие изобретения

Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности работы устройства за счет повышения равномерности распределения микроволновой энергии внутри камеры нагрева, увеличения коэффициента полезного действия и стабилизации режима тепловой обработки пищевых продуктов. Это достигается за счет того, что микроволновая печь, представляющая собой устройство для обработки пищевых продуктов энергией микроволнового поля, содержащее камеру нагрева, снабженную дверцей, микроволновый генератор, расположенный в боковом отсеке микроволновой печи вне камеры нагрева, короткозамкнутый на конце отрезок прямоугольного волновода, установленный на внешней стороне верхней стенки камеры нагрева, модуль возбуждения электромагнитного поля в камере нагрева, представляющий собой металлическую дипольную антенну, жестко механически и электрически соединенную в центре с полым металлическим тонкостенным цилиндром, верхний конец которого через общее отверстие связи в верхней стенке камеры нагрева и в широкой стенке короткозамкнутого на конце отрезка прямоугольного волновода погружен вовнутрь короткозамкнутого на конце отрезка прямоугольного волновода для передачи энергии от микроволнового генератора в камеру нагрева, и вентилятор, установленный в боковом отсеке микроволновой печи для создания воздушного потока, вызывающего принудительное вращение металлической дипольной антенны, в отверстии связи тонкостенный металлический цилиндр опоясан диэлектрическим кольцом, обеспечивающим подвес металлической дипольной антенны и допускающим ее принудительное вращение, согласно изобретению устройство для обработки пищевых продуктов энергией микроволнового поля снабжено дополнительным модулем возбуждения, представляющим собой полосковую антенну, излучающую волны круговой поляризации, которая установлена внутри камеры нагрева на ее боковой стенке и через коаксиально-волноводный переход подключена к вертикально ориентированному участку короткозамкнутого на конце горизонтально ориентированного участка Г-образного отрезка прямоугольного волновода для передачи энергии от микроволнового генератора к полосковой антенне, излучающей волны круговой поляризации, и к металлической дополнительной антенне, причем полосковая антенна содержит металлический дисковый излучатель, который через металлические проводящие штыри подключен в центре к центральному проводнику коаксиального выхода коаксиально-волноводного перехода и на расстоянии 4/5 радиуса металлического диска излучателя к металлической пластине-экрану, установленной на внешнем проводнике коаксиального отрезка коаксиально-волноводного перехода через круглое отверстие в пластине с механическим и гальваническим контактом по всему диаметру внешнего проводника коаксиального отрезка коаксиально-волноводного перехода, не касающейся боковой стенки камеры нагрева и являющейся частью полосковой антенны.

Оба модуля возбуждения выполнены в виде двух синфазно запитанных антенн и расположены так, что оси симметрии антенн взаимно ортогональны, координаты точки подключения полосковой антенны, излучающей волны круговой поляризации, совпадают с координатами точки симметрии боковой стенки камеры нагрева, а координаты точки подключения металлической дипольной антенны совпадают с координатами точки симметрии верхней стенки камеры нагрева.

Металлический диск излучателя полосковой антенны, излучающей волны круговой поляризации, повернут относительно своей оси на угол α, лежащий в пределах от 3 до 10 градусов, который образован воображаемым лучом, соединяющим точки подключения металлического диска излучателя к коаксиальному выходу коаксиально-волноводного перехода, и осью, перпендикулярной верхней стенке камеры нагрева и проходящей через центр металлического диска излучателя.

Благодаря использованию двух принципиально отличных модулей возбуждения резонансного объема камеры нагрева, предложенному расположению их в камере нагрева, использованию системы возбуждения в виде двух связанных, синфазно запитанных антенн и превышению в два раза мощности излучения полосковой антенны по сравнению с мощностью излучения дипольной антенны удалось добиться более высокой равномерности распределения электромагнитного поля внутри камеры нагрева, существенно ослабить зависимость эффективности работы микроволновой печи от объема, массы и месторасположения обрабатываемого пищевого продукта, стабилизировать режим обработки пищевых продуктов.

В результате многочисленных экспериментальных исследований для камеры нагрева с размерами 241×343×400 мм микроволновой печи RCS10MPS (US, AMANA) были получены значения коэффициента равномерности распределения микроволновой энергии 86%, эффективности 62%, при этом изменения коэффициента полезного действия для различных объемов, масс и месторасположений обрабатываемого продукта не превышали 2-4%, а использование двух принципиально отличных модулей возбуждения обеспечило устойчивое возбуждение более 26 пространственных гармоник.

Грубая настройка двухантенной системы возбуждения резонансного объема камеры нагрева достигается подключением полосковой и дипольной антенн в соответствующих синфазной запитке точках короткозамкнутого Г-образного отрезка прямоугольного волновода.

Точная настройка осуществляется поворотом металлического диска излучателя полосковой антенны, излучающей волны круговой поляризации, на угол α, лежащий в пределах от 3 до 10 градусов, который образован воображаемым лучом, соединяющим точки подключения металлического диска излучателя к коаксиальному выходу коаксиально-волноводного перехода, и осью перпендикулярной верхней стенки камеры нагрева, проходящей через центр металлического диска излучателя.

На фиг.1 показан общий вид микроволновой печи; на фиг.2 - угловое положение точек подключения металлического дискового излучателя полосковой антенны, излучающей волны круговой поляризации, к коаксиальному выходу коаксиально-волноводного перехода.

Лучший вариант осуществления изобретения

Микроволновая печь, представляющая собой устройство для обработки пищевых продуктов энергией микроволнового поля, содержит камеру нагрева 15, снабженную дверцей (на фиг.1 не показана).

На внешней стороне верхней и боковой стенок камеры нагрева установлен Г-образный отрезок прямоугольного волновода 2, нижняя широкая стенка которого является частью верхней и боковой стенок камеры нагрева, горизонтально ориентированный участок Г-образного прямоугольного волновода и камера нагрева электрически соединены отверстием связи с введенным через него в короткозамкнутый на конце горизонтально ориентированного участка Г-образный отрезок прямоугольного волновода тонкостенным металлическим цилиндром, согласованным с помощью металлического штыря 4, с жестко закрепленной на конце металлической крыльчаткой 5. Тонкостенный металлический цилиндр с крыльчаткой образуют базовый модуль возбуждения - вращающуюся дипольную антенну, передающую часть микроволновой энергии из Г-образного отрезка прямоугольного волновода в камеру нагрева и рассеивающую ее по всему объему при принудительном вращении крыльчатки 5 воздушным потоком p_v создаваемым вентилятором (на фиг.1 не показан), который установлен в боковом отсеке 14 микроволновой печи, и направляемым воздуховодом 3 из радиопрозрачного диэлектрика.

Вертикально ориентированный участок короткозамкнутого на конце горизонтально ориентированного участка Г-образного отрезка прямоугольного волновода 2 электрически связан с камерой нагрева коаксиально-волноводным переходом, образованным металлическим грушевидным элементом связи 9, переходящим в центральный проводник коаксиальной линии, и внешним проводником 10 в виде металлической втулки, гальванически соединенной по всему периметру со стенкой Г-образного отрезка прямоугольного волновода 2. На внешнем проводнике 10 жестко закреплена с гальванической связью металлическая пластина-экран 6. Металлический диск 11, являющийся излучателем дополнительного модуля возбуждения резонансного объема камеры нагрева, соединен в центре механически и электрически металлическим штырем 8 с центральным проводником коаксиально-волноводного перехода и в точке на расстоянии 4/5 радиуса металлического диска излучателя 11 с экраном 6 с помощью металлического штыря 7, обеспечивающим жесткое механическое и электрическое соединение.

Открытый конец вертикально ориентированного участка Г-образного отрезка прямоугольного волновода 2 электрически подключен к волноводно-резонаторному переходу 12, связанному с микроволновым генератором 13, установленным в боковом отсеке 14 микроволновой печи. Для защиты и экранирования используется внешний кожух 1. Устройство работает следующим образом. Устанавливают дополнительный модуль возбуждения - полосковую антенну, излучающую волны круговой поляризации, соединив металлический диск излучателя 11 металлическим штырем 7 с металлической пластиной-экраном 6 и металлическим штырем 8 с центральным проводником коаксиально-волноводного перехода. Этим обеспечивается подключение полосковой антенны к линии передачи микроволновой энергии. В экране 6 выполнено сквозное отверстие, допускающее поворот диска излучателя 11 полосковой антенны относительно своей оси на угол α, лежащий в пределах от 3 до 10 градусов.

Металлический диск излучателя 11 поворачивают относительно своей оси на угол α, образованный воображаемым лучом, соединяющим точки подключения диска излучателя 11 к коаксиальному выходу коаксиально-волноводного перехода, и осью перпендикулярной верхней стенки камеры нагрева, проходящей через центр диска излучателя 11, добиваясь наибольших значений коэффициента равномерности распределения микроволновой энергии внутри камеры нагрева и эффективности работы микроволновой печи.

Промышленная применимость

Проведенные испытания опытного образца микроволновой печи с возбуждением резонансного объема камеры нагрева от двух принципиально отличных антенных систем, доказали реальность достижения значений коэффициента равномерности распределения микроволновой энергии внутри камеры нагрева 86% и эффективности 62% без использования поворотной платформы, а также стабильности этих параметров при изменениях объема, массы и расположения обрабатываемого пищевого продукта внутри камеры нагрева.

Источники информации

1. US, Commercial Microwave Oven RCS10MPS, Owner’s Manual Code №12668501 A, 2001.

2. RU, патент №2124278, H 05 B 6/64, 1998.

Микроволновая печь содержит камеру нагрева (КН), на внешней стороне верхней и боковой стенок которой установлен короткозамкнутый на конце горизонтально ориентированного участка Г-образный отрезок прямоугольного волновода (КГПВ) для передачи энергии от микроволнового генератора к полосковой антенне, излучающей волны круговой поляризации, подключенной через коаксиольно-волноводный переход к вертикально ориентированному участку КГПВ, и к металлической дипольной антенне, вращающейся под действием воздушного потока, создаваемого вентилятором. Антенны запитаны синфазно. Оси симметрии антенн взаимно ортогональны, координаты точки подключения полосковой антенны совпадают с координатами точки симметрии боковой стенки КН, координаты точки подключения дипольной антенны совпадают с координатами точки симметрии верхней стенки КН. Техническим результатом является обеспечение устойчивого возбуждения более 26 пространственных гармоник, а следовательно, высокоравномерное распределение энергии микроволнового поля в КН. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Микроволновая печь, представляющая собой устройство для обработки пищевых продуктов энергией микроволнового поля, содержащее камеру нагрева, снабженную дверцей, микроволновый генератор, расположенный в боковом отсеке микроволновой печи вне камеры нагрева, короткозамкнутый на конце отрезок прямоугольного волновода, установленный на внешней стороне верхней стенки камеры нагрева, модуль возбуждения электромагнитного поля в камере нагрева, представляющий собой металлическую дипольную антенну, жестко механически и электрически соединенную в центре с полым металлическим тонкостенным цилиндром, согласованным с помощью металлического штыря, верхний конец цилиндра через общее отверстие связи в верхней стенке камеры нагрева и в широкой стенке короткозамкнутого на конце отрезка прямоугольного волновода погружен вовнутрь короткозамкнутого на конце отрезка прямоугольного волновода для передачи энергии от микроволнового генератора в камеру нагрева, и вентилятор, установленный в боковом отсеке микроволновой печи для создания воздушного потока, направляемого воздуховодом из радиопрозрачного диэлектрика и вызывающего принудительное вращение металлической дипольной антенны, в отверстии связи тонкостенный металлический цилиндр опоясан диэлектрическим кольцом, обеспечивающим подвес металлической дипольной антенны и допускающим ее принудительное вращение, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительным модулем возбуждения, представляющим собой полосковую антенну, излучающую волны круговой поляризации, которая установлена внутри камеры нагрева на ее боковой стенке и через коаксиально-волноводный переход подключена к вертикально ориентированному участку короткозамкнутого на конце горизонтально ориентированного участка Г-образного прямоугольного волновода для передачи энергии от микроволнового генератора к полосковой антенне, излучающей волны круговой поляризации, и к металлической дипольной антенне, причем полосковая антенна, излучающая волны круговой поляризации, содержит металлический дисковый излучатель, который через металлические проводящие штыри подключен в центре к центральному проводнику коаксиального выхода коаксиально-волноводного перехода и в точке на расстоянии 4/5 радиуса металлического диска излучателя к металлической пластине-экрану, установленной на внешнем проводнике коаксиального отрезка коаксиально-волноводного перехода через круглое отверстие в пластине с механическим и гальваническим контактом по всему диаметру внешнего проводника коаксиального отрезка коаксиально-волноводного перехода, не касающейся боковой стенки камеры нагрева и являющейся частью полосковой антенны, излучающей волны круговой поляризации.2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оси симметрии антенн взаимно ортогональны, координаты точки подключения полосковой антенны, излучающей волны круговой поляризации, совпадают с координатами точки симметрии боковой стенки камеры нагрева, а координаты точки подключения металлической дипольной антенны совпадают с координатами точки симметрии верхней стенки камеры нагрева.3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что металлический диск излучателя полосковой антенны, излучающей волны круговой поляризации, повернут относительно своей оси на угол α, лежащий в пределах от 3 до 10°, который образован воображаемым лучом, соединяющим точки подключения металлического диска излучателя к коаксиальному выходу коаксиально-волноводного перехода, и осью, перпендикулярной верхней стенке камеры нагрева и проходящей через центр металлического диска излучателя.4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оба модуля возбуждения выполнены в виде двух синфазно запитанных антенн при превышении в два раза мощности полосковой антенны, излучающей поле с круговой поляризацией, по сравнению с мощностью металлической дипольной антенны.