МИКРОВОЛНОВАЯ ПЕЧЬ И СПОСОБ ОПТИМИЗАЦИИ ЕЕ КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ Российский патент 2005 года по МПК H05B6/64 

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот (СВЧ), повышает эффективность использования источника СВЧ энергии при его работе на нестандартную нагрузку, в частности магнетрона в микроволновой печи. Это позволяет сократить время обработки продуктов, увеличить срок службы печи, управлять процессом обработки.

Существует проблема, связанная с особенностями работы источника СВЧ энергии на нестандартную нагрузку. Для микроволновых печей такой нагрузкой является экранированная камера, куда загружаются продукты, подвергаемые обработке. По количеству и характеру взаимодействия с электромагнитным полем продукты могут быть самые разнообразные, поэтому нагрузка может изменяться в широких пределах, в том числе может отличаться от стандартной, создающей согласованный режим. Количественно нагрузка характеризуется импедансом - комплексным сопротивлением. При полном согласовании импеданс нагрузки равен волновому сопротивлению волновода. Режим магнетрона и характер движения электронов внутри его колебательной системы зависят от нагрузки. Связанные с изменением нагрузки явления начали изучать довольно давно. Наиболее полные сведения, отражающие эти явления для конкретного экземпляра магнетрона, дает так называемая диаграмма Рике, измеряемая обычно на предприятии-изготовителе магнетрона. Эта диаграмма представляет собой два семейства кривых на координатной плоскости. В качестве полярных координат часто выбирают фазу и модуль коэффициента отражения около вывода магнетрона, зависящих от импеданса нагрузки. Одно семейство кривых показывает систему кривых постоянной выходной мощности, другое - систему кривых постоянной частоты (изочастот). Параметром изочастоты служит отклонение частоты Δf от частоты в режиме полного согласования выхода магнетрона. Кривые постоянной мощности показаны на этом рисунке для некоторых трех значений мощности Р, причем P₁<Р₂<Р₃. Область фаз коэффициента отражения, где отдаваемая мощность достигает максимального значения, носит название фазы нагрузки. Аналогично, область фаз, где мощность достигает минимального значения, носит название фазы разгрузки. Для дальнейшего изложения существенно отметить, что при фазе нагрузки у многорезонаторных магнетронов наблюдается значительное ухудшение стабильности работы. При фазе разгрузки работа магнетрона более стабильна, но наблюдаются и исключения из этого правила. При изменении загрузки камеры продуктами изменяется нагрузка магнетрона и коэффициент отражения в тракте, подключенном к магнетрону, а рабочая точка на диаграмме Рике, отражающая режим работы, перемещается. Выбор оптимальной связи магнетрона с камерой микроволновой печи является одной из главных задач при разработке печей последнего поколения. Ниже при описании аналогов приведены примеры решения этой задачи. Под эффективным использованием магнетрона следует понимать не только получение достаточно большой мощности, но и создание режима, благоприятного для длительной эксплуатации прибора.

В микроволновой печи известно использование четвертьволнового трансформатора для согласования камеры с волной H₀₁ прямоугольного волновода. Трансформирующие свойства фильтра использованы для согласования импедансов - выходного импеданса магнетрона и импеданса камеры, подключенной к волноводу.

Для согласования магнетрона с нагруженной камерой может использоваться неотражающий фазовращатель в подводящем волноводном фидере. Геометрия фазовращателя выбирается так, чтобы подобрать импеданс камеры с учетом загрузки к требуемому для магнетрона, регулируя только электрические характеристики волновода без потребности в изменении физической конфигурации печи или волновода.

Приведены также сведения о микроволновой печи, обеспечивающей введение микроволновой энергии по двум волноводам к камере для приготовления пищи через каждую из двух противоположных стенок. Микроволновая энергия подается от одиночного микроволнового источника, один из волноводов удлиняют, чтобы обеспечить "эффект длинной линии", под которым понимается эффект взаимной компенсации отраженных волн в каждом из волноводов.

Улучшенная система питания для микроволновой печи может включать дополнительные элементы, выступающие в камеру печи и служащие для согласования лопастей мешалки, способствующей возбуждению в камере большего числа мод (собственных полей) для более равномерной обработки продуктов.

Одним из вариантов фазовращателя для микроволновой печи служит установленная в питающем волноводе диэлектрическая лопасть, вращаемая проходящим через него потоком воздуха. Кроме согласующего эффекта подобная лопасть оказывает эффект пространственного сканирования поля в объеме камеры, улучшая равномерность распределения энергии.

Описанные элементы выравнивания импедансов камеры и магнетрона объединены с элементом их связи по СВЧ-полю. Такая конструкция позволяет обеспечить увеличенное излучение в центральной части нагревающегося объема, куда помещаются продукты.

Известный вариант согласования камеры печи, Через апертуру (окно с подобранными размерами) в корпусе камеры поступает микроволновая энергия. Металлический лоток или вращающийся столик с обрабатываемым продуктом расположен определенным образом относительно апертуры. Это расположение выбрано так, чтобы при отсутствии продукта не происходило эффективной передачи мощности в рабочий объем. В результате продукт является нагрузкой для магнетрона и способствует увеличению поступающей в рабочий объем мощности, передача мощности автоматически увеличивается пропорционально загрузке продовольствия в камере. Аналогичная идея использована, но обращается внимание еще на предотвращение опасности типа аварийного облучения за счет поступления в пустую камеру уменьшенного потока СВЧ-энергии.

Целям лучшего согласования магнетрона с обрабатываемым продуктом служит и специальная пленка, из которой делается пакет для обрабатываемого продукта. Такой пакет способствует лучшему проникновению энергии в продукт без нагревания самой пленки. Подобный способ согласования продуктов нашел широкое распространение, что подтверждается серией патентов, в которых использован тот же принцип с вариациями его конкретной реализации (ЕР 0650905, JP 7231846, DE 69413492).

Известна микроволновая печь, которая включает датчик для считывания данных о загрузке продовольствия, микроЭВМ для управления печью, устройство согласования по импедансу, привод механизма согласования. В результате обеспечивается генерация микроволн максимальной выходной мощности под контролем микропроцессора для каждого режима, выбираемого пользователем. Датчик чувствует изменение нагрузки в процессе приготовления пищи и передает данные на микроЭВМ. Использование данных о загрузке продуктов предложено коллективом авторов (CHOI JOON S. (KR), KANG HYOUNG J. (KR); LEE YOUNG M (KR)) и получило распространение при проектировании микроволновых печей. Имеется серия эквивалентных патентов тех же авторов (JP 2627730B2, JP 7176378, CN 1063608B, CN 1108023).

Волноводный трансформатор, преобразующий линейно поляризованную волну H₀₁ прямоугольного волновода в волну круговой поляризации, одновременно может служить и для целей согласования импедансов.

Известно устройство для введения микроволновой энергии в камеру для нагрева материалов и продуктов, в котором согласующая часть имеет поперечное сечение, увеличивающееся в сторону нагревающейся камеры.

Известна система передачи и распределения энергии для микроволновой печи, для которой в пределах камеры рядом с апертурой установлена отражающая диафрагма, чтобы более эффективно шло предохранение от прямого засвечивания камеры микроволновой энергией. Это способствует более слабому проникновению энергии в камеру при слабой загрузке, не требующей максимальной мощности.

Согласующее устройство микроволновой печи известно и представляет собой прямоугольный волновод стандартного поперечного сечения со стороны магнетрона и расширяющийся в плоскости широкой стенки до размера, способствующего возбуждению волны Н₀₅. Два возбуждающих отверстия камеры для продуктов располагаются на расстоянии четверти длины волны в волноводе от стенок.

В устройстве для СВЧ-нагрева обрабатываемый СВЧ-энергией продукт является согласованной нагрузкой полуоткрытой коаксиальной линии, а коэффициент стоячей волны при отсутствии продукта равен бесконечности.

Для повышения напряженности СВЧ-поля в зоне расположения биологического объекта предложена конкретная конструкция камеры из радиопрозрачного материала.

Для улучшения равномерности распределения поля в зоне расположения продукта предложены различные распределители поля, например в виде вибраторов на радиопрозрачном предохранительном колпаке, отделяющем волновод от камеры по воздушной среде.

Режим бегущей волны для пустой камеры реализуется в микроволновой печи, снабженной металлическим отражателем и диэлектрической подложкой по форме отражателя с нанесенным резистивным слоем, в котором происходит поглощение энергии.

Этот слой используется как дополнительный источник инфракрасного излучения.

Излучающая известная система микроволновой печи снабжена набором доступных для пользователя сменных элементов, позволяющих изменять распределение энергии с учетом особенностей обрабатываемого продукта, в том числе продукта малого объема.

Расширение области равномерного нагрева за счет оптимизации поля в камере микроволновой печи, возбуждаемой двумя излучающими элементами, также известно.

Устройство для СВЧ-нагрева выполнено с использованием экранированных ленточных линий с переменным волновым сопротивлением, связанных с коаксиальным выходом генератора СВЧ. Геометрия линий выбрана таким образом, что для большого количества разнообразных продуктов КСВ в тракте генератора не превышает 2.

В микроволновой печи, имеющей функцию настройки импеданса, предусмотрено размещение датчика электрического поля камеры и поворотного металлического отражателя в волноводе. Устройство, чувствительное к выходному сигналу датчика, изменяет угол поворота отражателя в соответствии с изменением загрузки камеры. Начальный угол поворота соответствует выбранной за стандартную водяной загрузке в 300-500 мл. Датчик интенсивности поля в камере предложен коллективом авторов (KINOSHITA HIROSHI (JP); FUKUI MASATUGU (JP); UNO MASAYUKI (JP); MINAKAWA HIROSHI (JP)), они являются авторами ряда эквивалентных патентов (ЕР 0552807, AU 3198593, AU 657032, KR 9601673, DE 69306002).

Основной недостаток перечисленных выше известных устройств состоит в невозможности обеспечения эффективной работы магнетрона при изменении загрузки камеры микроволновой печи в широких пределах. Этот недостаток обусловлен особенностями магнетрона, которые пояснены ниже.

При оценке эффективности приведенных выше технических решений полезно обратиться к диаграмме Рике. Максимальная выходная мощность получается в фазе нагрузки и эта мощность возрастает при росте модуля коэффициента отражения, отсчитываемого по диаграмме. Однако такой режим характеризуется интенсивным отражением энергии СВЧ в колебательную систему магнетрона, возрастанием в ней электромагнитного поля и существенным изменением характера движения электронов. В сильном поле так называемые "правильнофазные электроны" с большей энергией ударяются об анод, возникающее дополнительное разогревание анода можно уменьшить введением более мощного радиатора, предусмотренного конструкцией магнетрона. Другая часть электронов (неправильнофазная) в сильном поле с большей энергией ударяется о катод и компенсация этого эффекта конструкцией магнетрона не предусмотрена. Эта первая особенность, которую надо учитывать при выборе рабочей точки на диаграмме Рике. Этой особенностью в значительной степени объясняется упомянутая выше нестабильная работа магнетрона в режиме фазы нагрузки.

Вторая особенность работы магнетрона на нагрузку, которая явно не отражается на диаграмме Рике, состоит в том, что вдоль кривых постоянной мощности изменяются модуль и фаза коэффициента отражения, но ряд параметров, характеризующих подводимую мощность от источника питания и КПД, остаются неизменными. В классическом варианте построения диаграммы Рике постоянным остается ток от источника питания. Если на последнее обратить внимание, то напрашивается вывод о том, что уменьшенная микроволновая мощность при фазе разгрузки совсем не должна сопровождаться уменьшением поля в колебательной системе магнетрона с вытекающими отсюда последствиями в отношении стабильности работы. Бомбардировка катода электронами уменьшает срок службы магнетрона.

Третья особенность, которую следует учесть при оценке эффективности приведенных выше технических решений, состоит в конструкции вывода энергии магнетрона. Вывод энергии обычно сопрягается с выбранным стандартным волноводным трактом, элементы настройки устройства связи магнетрона с трактом обычно не учитывают особенности подключения тракта к камере печи. Разумным ориентиром в выборе выходного сопротивления магнетрона, связанного с определенным трактом передачи энергии, является волновое сопротивление тракта.

На основании изложенного следует вывод, что оптимальной рабочей областью для магнетрона является область малого по модулю коэффициента отражения. С помощью устройства согласования, которое не имеет элементов настройки, доступных для пользователя микроволновой печи, как правило, невозможно обеспечить эффективную работу магнетрона на нагрузку при изменении нагрузки в широких пределах. Иначе говоря, такие устройства согласования не обеспечивают эффективной обработки продуктов при произвольной их загрузке в камеру печи. В этом заключается главный недостаток технических решений, использующих неперестраиваемые устройства согласования. Несогласованность импедансов пустой камеры и магнетрона полезна с точки зрения безопасности пользователя (защиты его от излучения вне печи), но не обеспечивает эффективной работы магнетрона в том понимании эффективности, которое было приведено выше. Сложность подбора согласующей пленки для произвольных продуктов является недостатком этого технического решения.

Недостатком устройств, в которых применено автоматическое согласование загруженной камеры, является использование довольно сложных и дорогих устройств, сам элемент согласования не приспособлен к широкой вариации загрузки, а индикация загрузки камеры по количеству и форме продукта или интенсивности суммарного поля в определенном месте очень приблизительно связана с реальной нагрузкой магнетрона. О реальной нагрузке магнетрона обычно судят по интенсивности отраженной волны.

Ряд усовершенствований, посвященных улучшению равномерности распределения поля в зоне расположения продукта, не гарантирует достаточно малую мощность, отраженную в магнетроне. В этом заключается недостаток. Следует отметить, что использование набора доступных для пользователя сменных элементов не рассчитано на улучшение режима согласования, хотя в принципе позволяет поставить задачу согласования магнетрона с широким набором загружаемых в камеру продуктов.

Предложенный вариант согласования магнетрона в значительной степени (особенно для стадии обработки, близкой к готовности продукта) заменяет СВЧ-обработку инфракрасной. Последнее более просто и дешевле достигается с использованием источника энергии постоянного тока или тока промышленной частоты. В этом недостаток предложенного варианта согласования.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению является устройство, описанное в US 4079221, выбранное в качестве прототипа. Микроволновая печь имеет магнетронный источник СВЧ-энергии, камеру для загрузки обрабатываемых продуктов, соединенную с источником волноводным фидером. Для согласования камеры используется неотражающий фазовращатель, помещенный в фидере. С помощью фазовращателя электрические характеристики фидера настраиваются так, чтобы магнетрон функционировал эффективно и безопасно. Геометрия фазовращателя выбрана из условия согласования импеданса камеры печи с учетом загрузки к требуемому для магнетрона. Такая корректировка по импедансу может быть выполнена без потребности в изменении физической конфигурации печи или волновода. Конструкция фазовращателя рассчитана для настройки к среднему импедансу загруженной камеры. С помощью фазовращателя удается также скорректировать режим согласования и для слабой загрузки (слабого поглощения СВЧ-энергии в камере), чтобы магнетрон функционировал в безопасном режиме. Фазовращатель, таким образом, не только помогает в достижении максимума мощности, но также служит для защиты магнетрона от отраженной энергии.

Недостатком известного устройства является ограниченная эффективность использования магнетрона при вариации загрузки камеры продуктами, обусловленная ограничениями диапазона согласуемых импедансов, налагаемыми возможностью регулировки только фазы, в то время как для выхода по диаграмме Рике в область желаемого рабочего режима требуется регулировка помимо фазы и модуля коэффициента отражения. Говоря иначе, имеются определенные ограничения на загрузку камеры печи, соответствующую эффективному использованию магнетрона. Для потребителя этот недостаток проявляется в менее эффективной обработке продукта, увеличении времени обработки, снижении ресурса и срока службы магнетрона, а также самой микроволновой печи по сравнению с работой магнетрона на согласованную нагрузку.

Известны способы оптимизации конструктивных элементов микроволновых печей. Соотношение между согласуемыми импедансами известны для четвертьволнового трансформатора, фильтра, различных моделей пленки. Согласующие свойства плавных переходов также использованы. Недостатком этих известных способов согласования является сложность их применения в условиях вариации согласуемой нагрузки, которые возникают при изменении загрузки камеры продуктами.

Способ, основанный на создании системы автоматического регулирования, также известен. Его недостатком является неоптимальный выбор параметров, от которых зависит сигнал управления для микрокомпьютера (микропроцессора). Размер и вес загруженных в камеру продуктов влияют на режим согласования камеры с магнетроном весьма опосредованно. Непосредственным показателем режима согласования и доли отраженной мощности в магнетрон являются коэффициенты отражения или стоячей волны в волноводе, к которому подключен магнетрон. Аналогичное утверждение относится и к интенсивности микроволнового поля в определенном месте камеры.

Способ согласования резонатора с подводящим волноводом использован для измерения поверхностного сопротивления высокопроводящих и сверхпроводящих материалов. Способ основан на достижении критической связи волновода и резонатора с помещенным в него образцом, последний по поглощающим свойствам мало отличается от металлических стенок. Применительно к микроволновой печи это означает принципиальную возможность согласования пустой (не загруженной продуктами) камеры с магнетроном.

Наиболее близким аналогом к предложенному способу оптимизации конструктивных параметров микроволновой печи является способ, использованный в прототипе.

В микроволновой печи, имеющей волновод для подачи энергии с фазовращателем, использованы известные соотношения между согласуемыми импедансами для неотражающего фазовращателя. Недостатком его является упомянутое ограничение на диапазон согласуемых импедансов. В качестве примера можно привести крайний случай, когда выход магнетрона согласован с волноводом, но не согласован с камерой. В этом случае изменение фазы, вносимое фазовращателем, эквивалентное изменению длины волновода, не оказывает согласующего эффекта. Как и при описании известных устройств, для потребителя указанный недостаток проявляется в менее эффективной обработке продукта, увеличении времени обработки, снижении ресурса и срока службы магнетрона по сравнению с согласованным режимом, а также срока службы самой микроволновой печи.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение эффективности обработка продукта, сокращение времени обработки, увеличение срока эксплуатации печи и ресурса магнетрона до значений, приближающихся к значениям в согласованном режиме.

Этот технический результат относится и к современным микроволновым печам, имеющим несколько (до 10) режимов обработки по напряжению, которые определяются напряжением, подаваемым на анод магнетрона. При большей величине и более постоянном во времени напряжении обработка продуктов производится более интенсивно даже при значительных отражениях от камеры, а при достижении порога нагрева магнетрона в некоторых вариантах печей предусмотрено срабатывание реле и отключение питания печи. Полученный технический результат относится к каждому из режимов по напряжению и позволяет избежать указанного перегрева.

Технический результат достигается тем, что в известной микроволновой печи, состоящей из камеры для загрузки продуктов, магнетрона, соединенного с камерой фидером в виде прямоугольного волновода, содержащего неотражающий фазовращатель, в соответствии с изобретением волновод со стороны камеры симметрично разделен на два парциальных волновода продольной перегородкой из высокопроводящего материала, установленной параллельно широкой стенке волновода, а фазовращатель размещен в одном из парциальных волноводов.

Технический результат достигается также тем, что перегородка и узкие стенки парциальных волноводов имеют выступы.

Технический результат достигается также тем, что изгибы волновода выполнены в плоскости широкой стенки.

Технический результат достигается также тем, что фазовращатель, размещенный в одном из парциальных волноводов, выполнен в виде неперестраиваемого фазовращателя и имеет параметры для создания оптимального сдвига фазы, обеспечивающего малые отражения в магнетрон при вариации загрузки камеры в широких пределах.

Технический результат достигается еще и тем, что параметры неперестраиваемого фазовращателя определяются по графику зависимости коэффициента отражения от частоты при излучении парциальных волноводов в открытое пространство из условия совпадения частоты минимума коэффициента отражения с частотой магнетрона.

Технический результат достигается еще и тем, что неперестраиваемый фазовращатель, размещенный в одном из парциальных волноводов, выполнен в виде двух оппозитных высокопроводящих вставок, имеющих форму трапеции в продольном сечении и закрепленных вдоль узких стенок парциального волновода, а определяемым по графику параметром является толщина вставок, отсчитываемая в направлении, ортогональном узким стенкам.

Технический результат достигается еще и тем, что в волновод со стороны магнетрона помещен индикатор отраженной волны, а фазовращатель, расположенный в одном из парциальных волноводов, выполнен в виде перестраиваемого фазовращателя.

Технический результат достигается кроме того тем, что камера для загрузки продуктов имеет оптимальные размеры, определяемые из условия близости к нулю коэффициента отражения от пустой камеры на частоте магнетрона.

Технический результат достигается, помимо этого, использованием способа оптимизации конструктивных параметров микроволновой печи, согласно которому обеспечение малых отражений в магнетрон при вариации загрузки камеры в широких пределах осуществляют выбором оптимальных параметров неперестраиваемого фазовращателя и размеров камеры, при этом измеряют частотную зависимость коэффициента отражения при излучении парциальных волноводов в открытое пространство, а параметры неперестраиваемого фазовращателя выбирают по их значению при совпадении частоты минимума коэффициента отражения с частотой магнетрона; измеряют коэффициент отражения от исходной незагруженной камеры, определяют частоту близкого к нулю минимума, находят отношение частоты магнетрона к этой частоте и по нему определяют оптимальные внутренние размеры камеры микроволновой печи по формулам a₂=a₁/g, b₂=b₁/g, с₂=c₁/g, где

a₁, b₁, c₁ - внутренние размеры исходной камеры;

a₂, b₂, c₂ - оптимальные внутренние размеры камеры;

g=f_m/f₀;

f_m - частота магнетрона;

f₀ - частота близкого к нулю минимума.

Общая схема предложенной микроволновой печи представлена на фиг.2 и 3. Печь содержит ряд известных элементов, перечисленных ниже. Прямоугольный корпус микроволновой камеры 1 имеет стенки 2, 3, 4, 5 - соответственно левая, правая, верхняя и нижняя стенки. На нижней стенке расположен поворотный столик 6 для более равномерной во времени обработки продуктов. Корпус 7 магнетронного блока закреплен около верхней и правой стенок, там же может располагаться вентилятор (воздуходувка) 8, поток воздуха от него проходит через радиатор 9 магнетрона и частично направляется в камеру. Коаксиальный возбудитель 10 микроволновой энергии расположен в прямоугольном волноводе 11, с которым образует коаксиально-волноводный переход. Волновод 11 располагается на верхней стенке 4 и имеет на одном конце упомянутый коаксиально-волноводный переход, а на другом конце - прямоугольный изгиб 14 в виде волноводного уголка, чтобы микроволновая энергия направлялась в камеру через отверстие 13 в верхней стенке. Через специальные отверстия в широкой стенке волновода 11 около радиатора 9 (не показанные на рисунке) поток воздуха может частично проникать в этот волновод и по нему через отверстие 13 направляться в камеру. Это способствует дополнительному нагреву продуктов и препятствует проникновению в волновод веществ, возникающих в процессе обработки продуктов. Возможно конструктивное выполнение, когда поток воздуха не направляется в камеру, тогда конец волновода, обращенный к камере, закрывается диэлектрической крышкой, прозрачной для СВЧ-энергии (на рисунках диэлектрическая крышка не показана). Вентилятор 8 может располагаться на основании (станине) 16 микроволновой печи, это показано в виде элемента 15, тогда воздух к радиатору магнетрона поступает по гибкому рукаву, не показанному на рисунке. Пространство правее правой стенки 3 и выше основания 16 предназначено для размещения элементов блока питания магнетрона (трансформатора, выпрямителя, конденсатора) и блоков электронного управления.

Технический результат в микроволновой печи достигается элементами, расположенными в волноводе 11, а также выбором размеров микроволновый камеры по методике, описанной ниже. Волновод 11 со стороны камеры разделен на два одинаковых парциальных волновода. В одном из парциальных волноводов помещен фазовращатель. Фазовращатель может быть неперестраиваемым, дающим постоянный фазовый сдвиг (фиг.2) или перестраиваемым (фиг.3). Решение ряда задач и результаты экспериментальных исследований, относящихся к предложенному устройству, пока не нашли отражения в литературе и изложены в приложениях.

Перестраиваемый фазовращатель 19 располагается в парциальном волноводе основного волновода 11, который продолжен вдоль правой стенки 3 камеры с помощью Н-уголка 14а (фиг.3). В продолженной части 11а волновода 11 имеется отверстие 20 в общей широкой стенке со вспомогательным волноводом 21, который на одном конце имеет согласованную нагрузку 22, а на другом - детекторную секцию 23. Элементы 11а, 20-22 образуют направленный ответвитель. Сигнал с детекторной секции с помощью коаксиального кабеля подается на индикаторный прибор, регистрирующий интенсивность отраженной волны, например на микроамперметр (на фиг.3 не показан). Этот же прибор полезно использовать в качестве очень простого регистратора интенсивности микроволнового поля около печи. Предельные уровни допустимого для человека потока СВЧ-энергии (10 мкВт/см² и несколько меньшие) достаточно просто регистрируются с помощью антенны-витка, СВЧ-детектора и микроамперметра. Виток 24 с детектором располагаются около дверцы и прикрыты декоративным колпачком. Регистрация по микроамперметру уровня отраженной волны либо уровня излучения около дверцы коммутируется переключателем (эти элементы на фиг.3 не показаны, так как связаны с чисто инженерными решениями).

Функционирование предложенного устройства основано на использовании выявленных при численном моделировании более широких согласующих возможностей фазовращателя, включенного в волноводный тракт, который в направлении распространения волны разделен на два парциальных волновода, на экспериментальном подтверждении этих возможностей на физической модели микроволновой печи, а также на использовании особенностей возбуждения камеры как электромагнитного резонатора вблизи критической связи с подводящим волноводным трактом.

Пример конкретной реализации микроволновой печи с неперестраиваемым фазовращателем показан на фиг.2 и 4-6. На фиг.4 изображен участок волновода 11 с дополнительными элементами. Со стороны, обращенной к камере, волновод разделен на два одинаковых парциальных волновода тонкой металлической перегородкой 12. Технологически такое разделение может быть выполнено без изготовления специального волновода путем пропиливания щелей в узких стенках стандартного волновода по толщине перегородки, размещением перегородки соответствующей формы так, чтобы ее края немного выступали снаружи волновода, и припаиванием этих краев к стенкам волновода снаружи.

Две оппозитные металлические вставки 17 образуют фазовращатель. Они прижаты к узким стенкам одного из парциальных волноводов винтами 18. Эти вставки имеют форму прямой четырехгранной призмы с основанием в виде равнобочной трапеции. Более детально форма вставки показана на фиг.5а. Грань, прижатая к стенке волновода, имеет внутреннюю область, чем обеспечивается более полное замыкание токов по контуру грани без заметного проникновения микроволнового поля между этой гранью и стенкой волновода. Такие вставки используются для точного подбора их толщины в режиме измерений.

Вставки для волноводного тракта от магнетрона к камере реальной микроволновой печи показаны на фиг.5b. Форма вставки в части, расположенной в волноводе, такая же, как описано выше, а небольшое изменение всей формы этой вставки позволяет расположить обе вставки в подготовленных для них отверстиях парциального волновода и припаять снаружи. Это дает возможность использовать вставки при мощности магнетрона.

На фиг.6 показано выполнение изгиба волновода в плоскости магнитного поля в виде Н-уголка и сопряжение волновода с камерой. Согласованный изгиб рассчитывается по известной методике. Конец волновода, расположенный в камере, имеет выступы 25 вдоль узких стенок и выступ 26 общей широкой стенки парциальных волноводов 12 (перегородки). Эти выступы отмечены серым цветом. Такая конструкция обеспечивает одинаковую форму парциальных волноводов на участке изгиба, делает эти волноводы идентичными и способствует лучшему согласованию по сравнению с Е-уголком, а также позволяет уменьшить взаимное проникновение возбуждающих волн в соседние парциальные волноводы. Эти волны имеют определенный сдвиг по фазе и их проникновение в соседние парциальные волноводы не способствует согласованию.

Способ оптимизации конструктивных параметров микроволновой печи предусматривает измерение коэффициента отражения при излучении парциальных волноводов в открытое пространство и подбор параметров неперестраиваемого фазовращателя до совпадения частоты минимума коэффициента отражения с частотой магнетрона. Способ предусматривает также измерение коэффициента отражения от некоторой исходной прямоугольной незагруженной камеры, в качестве которой целесообразно использовать камеру от уже разработанной микроволновой печи. Камера должна быть рассчитана на возбуждение от прямоугольного волновода выбранного поперечного сечения. В такой камере размеры оптимизированы с точки зрения состава собственных полей и зависящей от этого состава равномерности нагрева продуктов на вращающемся столике. Дополнительная оптимизация размеров камеры производится изменением на одну и ту же относительную величину трех основных размеров исходной камеры для получения критической связи с одним из собственных полей.

Пример установки для измерения коэффициента отражения приведен на схеме фиг.7. Основными блоками установки являются панорамный измеритель КСВ 27 и макет микроволновой камеры 35, в нашем случае был использован прибор типа Р2-57. Измеритель состоит из нескольких элементов, выполняющих определенные функции, эти элементы показаны на фиг.7. Выходной фланец направленного ответвителя 33 соединяется с макетом микроволновой камеры 35 либо с помощью описанного выше согласующего устройства с оппозитными вставками в парциальном волноводе, либо с помощью отрезка волновода, длину которого можно выбирать. Последнее реализует возможности согласования для прототипа. Вся совокупность элементов, показанных на фиг.7, образует физическую модель микроволновой печи. Параметром, относительно которого происходит моделирование, служит коэффициент отражения.

Предварительный выбор толщины и средней длины вставок проводится по известной формуле, отражающей зависимость волнового числа волны в волноводе от размеров его поперечного сечения. Формула приближенно учитывает изменение волнового числа на участке волновода со вставками. Берется несколько завышенное значение толщины. Это позволяет под контролем в режиме измерений уменьшить толщину до оптимальной величины, о чем сказано ниже. Измерения, относящиеся к подбору толщины вставок, заключаются в определении коэффициента отражения от излучающего конца волновода со вставками, когда вместо магнетрона к волноводу подключен прибор для измерения отражений, например панорамный измеритель КСВ, а излучающий конец располагается не в камере, а в свободном пространстве. Иначе говоря, измерения проводятся по схеме фиг.7, но при отсутствии камеры. В этом случае каждый парциальный волновод на излучающем конце в силу симметрии оказывается нагруженным на одинаковые импедансы с небольшим по модулю коэффициентом отражения. Расчеты свойств тройника, образованного областью разделения волновода на два парциальных волновода, показали, что в этом случае минимум коэффициента отражения как функции частоты получается для определенного сдвига фазы фазовращателя, который можно считать оптимальным для нагрузки, импеданс которой варьируется в широких пределах. Под контролем в режиме измерений следует уменьшить рассчитанную толщину вставок до оптимальной величины, дающей минимум коэффициента отражения на частоте магнетрона. Это иллюстрируется на фиг.8 применительно к волноводу для физической модели микроволновой печи. Для модели частота магнетрона считается равной 4,05 ГГц.

Для всей предложенной волноводной конструкции микроволновой печи, изображенной на фиг.2 и 3, должно быть выполнено стандартное условие независимой работы отдельных элементов СВЧ-тракта, а именно расстояние между элементами тракта должно быть не очень малым, например превышать половину длины волны в волноводе. Речь идет о таких элементах, как коаксиально-волноводный переход для магнетрона, область разделения волновода на два парциальных волновода, вставки, изгиб волновода, направленный ответвитель. Оценки показывают, что это условие можно выполнить для печи с неперестраиваемым фазовращателем (фиг.2) при расположении волновода 11 вдоль верхней стенки камеры.

Размеры камеры выбираются так, чтобы на частоте магнетрона возбуждался, по крайней мере, один тип колебаний вблизи критической связи с возбуждающим волноводом. Для этого проводят измерения и подбор размеров камеры по изложенному ниже алгоритму, основанному на свойстве пропорционального изменения собственной длины волны при изменении всех размеров резонатора в одно и то же число раз (на одну и ту же относительную величину). Это свойство часто называют принципом электродинамического моделирования. Ниже приводятся этапы этого алгоритма.

Этап 1. Для некоторой исходной незагруженной камеры проводятся измерения по схеме фиг.7 и определяются частоты, на которых наблюдается резкое падение коэффициента отражения с частотой. Назовем их критическими частотами. Пример получающейся частотной характеристики приведен на фиг.9 применительно к физической модели.

Этап 2. Если критических частот не наблюдается на частотах, не слишком далеких от частоты магнетрона, то конструктивно изменяют связь волновода с резонатором и переходят к этапу 1. Если критическая частота выбрана, переходят к этапу 3. Для изменения связи либо варьируют размер h части волновода, заходящей в камеру (показан на фиг.6, но при измерениях изгибы волновода могут отсутствовать), либо угол между стенками волновода и стенками камеры при сохранении ортогональности оси волновода стенке, через которую волновод заходит в камеру. Вариацию угла удобно проводить, если макет камеры возбуждается от измерительного прибора через волновод, не имеющий изгибов.

Изгибы волновода выполняются при заключительной компоновке всех элементов микроволновой печи.

Этап 3. Находят отношение g частоты магнетрона к критической частоте и изготовляют резонатор, все внутренние размеры которого равны внутренним размерам исходной камеры, поделенным на величину g, в соответствии с формулой

a₂=a₁/g, b₂=b₁/g, c₂=c₁/g, где

a₁, b₁, с₁ - внутренние размеры исходной камеры;

a₂, b₂, c₂ - оптимальные внутренние размеры камеры;

g=f_m/f₀;

f_m - частота магнетрона;

f₀ - частота близкого к нулю минимума.

Этап 4. Проверяют экспериментально совпадение критической частоты с частотой магнетрона.

Небольшая расстройка частот устраняется регулировкой степени введения волновода в резонатор либо введением в резонатор прикрепленного к стенке и подобранного металлического образца (это эквивалентно деформации стенки), либо небольшим изменением размера резонатора. Необходимость последнего хорошо ощущается при небольшом прогибе стенки. Если при прогибе стенки внутрь происходит выравнивание упомянутых выше частот и наступают явления, характерные для критической связи и передаваемые кривой 1 на фиг.10а, то размер между соответствующими стенками следует уменьшить. Подбор размеров резонатора полезно проводить на макете резонатора с тонкими стенками для легкого выполнения прогибов.

Ограничение интервала между частотой магнетрона и частотой минимума связано с необходимостью слабого изменения состава возбуждаемых собственных полей для загруженной камеры. Добротность возбуждаемых собственных полей даже для слабо загруженной камеры, как показали измерения, не превышает 10. Это видно из сопоставления экспериментальных результатов (фиг.11-14) с составом собственных полей для камеры физической модели на фиг.15. Интервал частот по отношению к частоте магнетрона оценивается поэтому величиной 5%.

Изменение угла между стенками волновода и стенками камеры, которое может потребоваться в п.2, является наиболее сложным, реально приводит к необходимости изготовления макета камеры с подвижной стенкой. Такого изменения желательно избегать. Простейшие оценки изменения состава возбуждаемых собственных полей для загруженной камеры дают ограничение на косинус изменения этого угла, который не должен сильно отличаться от 1. Вариация угла по этой причине возможна в пределах до 20°.

Специально говорить о дверце камеры при изменении размеров камеры нет необходимости, если критическая частота не сильно отличается от частоты магнетрона, а дверца рассчитывается на частоту магнетрона.

К настоящему времени эффективность действия фазовращателя в виде двух оппозитных вставок в парциальном волноводе проверена экспериментально на физической модели микроволновой печи, схема которой приведена на фиг.7.

Измерения проведены в лаборатории электроники СВЧ НИИ радиофизики Санкт-Петербургского государственного университета и проиллюстрированы на фиг.11-14. На этих рисунках приведены примеры сравнения коэффициентов отражения при наличии согласующего фазовращателя в парциальном волноводе и его отсутствии. Согласующий эффект наблюдается в некоторой области частот вблизи расчетной частоты магнетрона 4,05 ГГц.

Предложенная конструкция изгиба волновода в экспериментальной проверке не нуждается, так как хорошо известна возможность создания на одной частоте слабо отражающих изгибов прямоугольного волновода.

Экспериментально проверена также на физической модели микроволновой печи возможность достижения критической связи прямоугольного волновода со слабо загруженной (в том числе пустой) камерой. Камера для микроволновой печи является многомодовой и упомянутая возможность заранее не очевидна. Это позволяет использовать свойства возбуждаемого собственного поля, а именно, уменьшение коэффициента отражения при достижении критической связи, возрастание интенсивности поля при уменьшении поглощения энергии в камере. Последнее способствует выравниванию во времени интенсивности поля в месте расположения продукта при его перемещении вместе с поворотным столиком. Эти эффекты проиллюстрированы на фиг.10.

Результаты математического моделирования процессов в порциальных волноводах, позволили сделать вывод о возможности достижения еще более оптимальных условий согласования при наличии в парциальном волноводе не постоянного (неперестраиваемого), а переменного (перестраиваемого) фазовращателя и введении в волноводный тракт печи индикатора интенсивности отраженной от камеры и направленной к магнетрону волны. Это видно из примеров на фиг.16 и фиг.17. Если с помощью постоянного фазовращателя приходится ориентироваться на некоторый оптимальный сдвиг фазы при вариации загрузки, то переменный (перестраиваемый) фазовращатель позволяет выбрать сдвиг фазы, оптимальный для конкретной загрузки. В качестве переменного фазовращателя хорошо подходит известная конструкция в виде диэлектрической пластины, расположенной внутри волновода параллельно узкой стенке. Изменение фазового сдвига получают при перемещении пластины ортогонально узкой стенке с помощью двух диэлектрических штырьков, проходящих через эту стенку и разнесенных вдоль волновода на расстояние около четверти длины волноводной волны. Последнее обеспечивает минимальное отражение от штырьков и отверстий. Со штырьками связан механизм перемещения пластины и отсчета ее положения. Как элемент микроволновой печи шкала отсчета положения пластины может быть проградуирована в терминах, характеризующих загрузку камеры.

Основным элементом индикатора отраженной волны является направленный ответвитель (НО). С волноводной системой микроволновой печи хорошо сопрягается простейший по конструкции известный НО с одним круглым отверстием связи и дополнительным волноводом, параллельным основному волноводу. Такой НО использован в конструкции микроволновой печи на фиг.3. При выборе критической длины волны волноводов, в раз большей длины волны магнетрона в свободном пространстве, направленность НО теоретически обращается в бесконечность, а практически становится весьма высокой. Это существенно для практически полного устранения влияния более мощной падающей волны на работу индикатора. Для выбранной за стандартную частоты магнетрона 2,45 Ггц приведенное выше соотношение между длинами волн выполняется при размере широкой стенки волновода 8,66 см.

В конструктивном выполнении микроволновой печи, изображенной на фиг.3, по желанию потребителей возможны различия с точки зрения дизайна, доступности управления фазовращателем и наблюдения за показаниями индикаторного прибора. Показания индикаторного прибора для отраженной волны в процессе обработки продуктов изменяются со временем. Периодические изменения связаны с вращением столика, на котором располагается продукт. Кроме того, показания индикатора изменяются по мере готовности продукта. Снижение мощности по мере готовности продукта в печи возможно при минимальном уровне отражений за счет изменения режима по напряжению.

Волноводное устройство удовлетворяет требованиям по электрической прочности при использовании магнетронов, обычно применяемых в бытовых микроволновых печах с пиковой мощностью до 5 кВт.

Предложенное изобретение позволяет более эффективно проводить обработку продуктов, сократить время обработки, увеличить срок эксплуатации печи. Наличие индикатора отраженной волны дает возможность оптимизировать процесс обработки, своевременно устранять отклонения от нормального режима. Сигнал с индикатора является более информативным и оптимальным по сравнению с аналогами для создания в дальнейшем системы автоматического регулирования режима микроволновых печей с использованием микропроцессора. Возможности последнего, по мнению некоторых специалистов, пока реализуются для печи на 10%. Использование изобретения в фирмах, занятых усовершенствованием микроволновых печей и изготовлением печей нового поколения, будет способствовать прогрессу в применении СВЧ-электроники в бытовых, хозяйственных и производственных целях.

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот, повышает эффективность использования источника микроволновой энергии в микроволновой печи и аналогичных устройствах для обработки продуктов, материалов и изделий. Технический результат состоит в сокращении времени обработки продуктов, увеличении срока эксплуатации печи при вариации в широких пределах загружаемых продуктов. Показано, что фазовращатель, как один из элементов согласования магнетрона с камерой для продуктов, обладает гораздо большими функциональными возможностями, если используется в системе двух параллельных волноводов. Показана также возможность создания режима минимальных отражений от пустой камеры при подборе размеров камеры по изложенному алгоритму. Предложена конструкция микроволновой печи с оптимизированными параметрами для фазовращателя и камеры. Использование переменного фазовращателя, доступного для пользователя, позволяет следить за процессом кулинарной обработки. Изложен способ оптимизации конструктивных параметров, базирующийся на результатах моделирования. 2 н. и 6 з.п. ф-лы, 20 ил.

1. Микроволновая печь, состоящая из камеры для загрузки продуктов, магнетрона, соединенного с камерой фидером в виде прямоугольного волновода, содержащего неотражающий фазовращатель, отличающаяся тем, что волновод со стороны камеры симметрично разделен на два парциальных волновода продольной перегородкой из высокопроводящего материала, установленной параллельно широкой стенке волновода, а фазовращатель размещен в одном из парциальных волноводов.2. Микроволновая печь по п.1, отличающаяся тем, что перегородка и узкие стенки парциальных волноводов имеют выступы в камеру.3. Микроволновая печь по п.1, отличающаяся тем, что изгибы волновода выполнены в плоскости широкой стенки.4. Микроволновая печь по п.1, отличающаяся тем, что фазовращатель, размещенный в одном из парциальных волноводов, выполнен в виде неперестраиваемого фазовращателя с оптимальными параметрами.5. Микроволновая печь по п.4, отличающаяся тем, что неперестраиваемый фазовращатель, размещенный в одном из парциальных волноводов, выполнен в виде двух оппозитных высокопроводящих вставок, имеющих форму трапеции в продольном сечении и закрепленных вдоль узких стенок парциального волновода, а оптимальным параметром является толщина вставок, отсчитываемая в направлении, ортогональном узким стенкам.6. Микроволновая печь по п.1, отличающаяся тем, что в волновод со стороны магнетрона помещен индикатор отраженной волны, а фазовращатель, расположенный в одном из парциальных волноводов, выполнен в виде перестраиваемого фазовращателя.7. Микроволновая печь по п.1, отличающаяся тем, что камера для загрузки продуктов имеет оптимальные размеры.8. Способ оптимизации конструктивных параметров микроволновой печи, содержащей магнетрон, соединенный с камерой для загрузки продуктов прямоугольным волноводом, разделенным со стороны камеры на два парциальных волновода, один из которых содержит неперестраиваемый фазовращатель, и основанный на обеспечении малых отражений в магнетрон, отличающийся тем, что осуществляют выбор оптимальных размеров камеры и параметров фазовращателя, при этом предварительно измеряют коэффициент отражения от исходной незагруженной камеры, определяют частоту f₀ близкого к нулю минимума, находят отношение частоты магнетрона к этой частоте и по нему определяют оптимальные внутренние размеры камеры микроволновой печи по формулам

а₂=a₁/g, b₂=b₁/g, c₂=c₁/g,

где a₁, b₁, c₁ - внутренние размеры исходной камеры;

a₂, b₂, с₂ - оптимальные внутренние размеры камеры;

g=f_m/f₀;

f_m - частота магнетрона,

предварительно измеряют частотную зависимость коэффициента отражения при излучении парциальных волноводов в открытое пространство, а параметры неперестраиваемого фазовращателя выбирают по их значению при совпадении частоты минимума коэффициента отражения с частотой магнетрона.