МИКРОВОЛНОВАЯ КОММЕРЧЕСКАЯ ПЕЧЬ Российский патент 2005 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 на предприятиях общественного питания.

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 съемном корпусе электронного блока, имеющем общую рабочую стенку с камерой нагрева, 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 № 2124278, Н 05 В 6/64, 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 разъемно 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 измерения, равномерность распределения микроволновой энергии в камере нагрева составляет 46÷48%, 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 коммерческая 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 Г-образного прямоугольного волновода, установленный на внешней стороне верхней и боковой стенок 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 горизонтального 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 и охлаждение магнетрона (см., например, Commercial Microwave Oven RCS10MPS, US, AMANA. Owner's Manual Code № 12668501 A, 2001). На противоположной широкой стенке горизонтального участка короткозамкнутого на конце отрезка прямоугольного волновода соосно с вращающейся антенной 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 микроволновой печи за счет повышения равномерности распределения микроволновой энергии внутри камеры нагрева, увеличение коэффициента полезного действия и стабилизация режима тепловой обработки пищевых продуктов.

Поставленная техническая задача решается в микроволновой печи, содержащей модуль возбуждения микроволнового поля, расположенный внутри камеры нагрева, и микроволновый генератор, установленный вне камеры нагрева, а также установленный на внешней поверхности верхней и боковой стенок камеры нагрева Г-образный прямоугольный волновод, один конец которого короткозамкнут, а другой - соединен с выходом микроволнового генератора, при этом в верхней стенке камеры нагрева и в смежной с ней стенке горизонтального участка Г-образного прямоугольного волновода выполнены ответные отверстия связи. Согласно изобретению, модуль возбуждения микроволнового поля выполнен в виде неэквидистантной антенной решетки, образованной двумя парами идентичных полосковых антенн кругополяризованного поля, установлен на верхней стенке камеры нагрева и соединен с горизонтальным участком Г-образного прямоугольного волновода посредством коаксиально-волноводных переходников по числу полосковых антенн кругополяризованного поля. Причем коаксиально-волноводные переходники установлены в упомянутых отверстиях связи в смежных стенках камеры нагрева и горизонтального участка Г-образного прямоугольного волновода. Каждая из полосковых антенн кругополяризованного поля содержит дисковый излучатель, имеющий центральное отверстие для подключения к центральному проводнику соответствующего коаксиально-волноводного переходника, и периферийное отверстие для подключения к металлическому экрану. Металлический экран установлен между модулем возбуждения микроволнового поля и верхней стенкой камеры нагрева с зазором относительно последней и соединен с внешним проводником каждого из упомянутых коаксиально-волноводных переходников.

Кроме того, согласно изобретению, центральные отверстия дисковых излучателей расположены на условной прямой, параллельной продольной оси симметрии горизонтального участка Г-образного прямоугольного волновода, а периферийные отверстия дисковых излучателей смещены от упомянутой условной прямой.

Целесообразно, чтобы центральное и периферийное отверстия дискового излучателя были соединены с центральным проводником соответствующего коаксиально-волноводного переходника и с металлическим экраном соответственно посредством металлических штырей.

Изобретение позволяет получить высокоравномерное распределения энергии микроволнового поля внутри камеры нагрева, практически исключить зависимость эффективности работы микроволновой печи от объема, массы и местоположения обрабатываемого продукта в камере нагрева и обеспечить стабильность тепловой обработки продуктов при длительном режиме приготовления.

Были проведены многочисленные экспериментальные исследования опытного образца микроволновой печи, например, на базе RCS10MPS (US, AMANA) без вращающейся платформы, изготовленной по изобретению, имеющей камеру нагрева с размерами 241×343×400 мм. В результате исследований были получены значения коэффициента равномерности распределения микроволновой энергии 94%, эффективности 62%. При этом изменения равномерности распределения энергии и эффективности для различных объемов, масс и месторасположений обрабатываемого продукта не превышали 2-4%. Использование в микроволновой печи четырехэлементной неэквидистантной антенны обеспечило устойчивое возбуждение 29 пространственных гармоник.

Краткое описание фигур

На фиг.1 представлено схематическое изображение микроволновой печи; на фиг.2 - дисковый излучатель.

Лучший вариант осуществления изобретения

Микроволновая печь (см. фиг.1) содержит кожух 1 для защиты и экранирования, внутри которого размещены камера 2 нагрева, снабженная дверцей (на чертежах не представлена), в которой установлена неэквидистантная антенная решетка, образованная двумя парами идентичных полосковых антенн 3 кругополяризованного поля, и отсек 4, в котором установлен микроволновый генератор 5.

На внешней поверхности верхней и боковой стенок камеры 2 нагрева установлен Г-образный прямоугольный волновод 6, один конец которого короткозамкнут, а другой, открытый, электрически соединен с микроволновым генератором 5 через волноводно-резонаторный переходник 7. В верхней стенке камеры 2 нагрева и в смежной с ней стенке горизонтального участка Г-образного прямоугольного волновода 6 выполнены ответные отверстия связи для передачи энергии микроволнового генератора 5 к полосковым антеннам 3. В упомянутых отверстиях связи (на чертежах не представлены) установлены идентичные по конструкции и электрическим параметрам коаксиально-волноводные переходники по числу полосковых антенн 3, т.е. четыре коаксиально-волноводных переходника, каждый из которых образован металлическим грушевидным элементом 8 связи, закрепленным в тефлоновой втулке (на чертежах не показана), переходящим в центральный проводник 9 коаксиальной линии и согласованным с помощью металлического штыря 10, и внешним проводником 11 в виде металлической втулки, гальванически и механически неразъемно соединенной по всему периметру через отверстие связи со стенкой горизонтального участка Г-образного прямоугольного волновода 6. Внешний проводник 11 каждого из коаксиально-волноводных переходников гальванически связан с экраном 12, выполненным в виде металлической пластины, и жестко закреплен в соответствующем отверстии экрана 12. Экран 12 соединен разъемно с верхней стенкой камеры 2 нагрева через жестко механически и гальванически связанную с ней металлическую крепежную пластину 13. Доступ к полосковым антеннам 3 закрыт радиопрозрачным экраном 19.

Каждая из полосковых антенн 3 кругополяризованного поля содержит дисковый излучатель 14 (см. фиг.2), имеющий центральное отверстие 15 для подключения к центральному проводнику 9 соответствующего коаксиально-волноводного переходника, и периферийное отверстие 16 для подключения к металлическому экрану 12, который установлен между модулем возбуждения микроволнового поля и верхней стенкой камеры 2 нагрева с зазором относительно последней и соединен с внешним проводником 11 каждого из упомянутых коаксиально-волноводных переходников. Центральное отверстие 15 каждого дискового излучателя 14 соединено с центральным проводником 9 соответствующего коаксиально-волноводного переходника посредством металлического штыря 17. Периферийное отверстие 16 каждого дискового излучателя 14 соединено с экраном 12 с помощью металлического штыря 18. В экране 12 выполнены сквозные отверстия для установки штырей 18 (на чертежах не представлены), допускающие поворот дискового излучателя 14 вокруг своей оси. Полосковые антенны 3, т. е. модуль возбуждения микроволнового поля, с помощью штырей 17 и 19 жестко закреплены в камере 2 нагрева.

Центральные отверстия 15 всех дисковых излучателей 14 расположены на условной прямой, параллельной продольной оси симметрии горизонтального участка Г-образного прямоугольного волновода 6. Периферийные отверстия 16 всех дисковых излучателей 14 смещены относительно упомянутой условной прямой.

Собирают микроволновую печь следующим образом.

Сначала устанавливаются в отверстиях связи четыре коаксиально-волноводных переходника, механически фиксируются экраном 12, который жестко разъемно закрепляется при помощи двух монтажных пластин 13. Затем устанавливаются полосковые антенны 3, возбуждающие в камере 2 нагрева поле с круговой поляризацией, расстояния между осями симметрии первой и второй антенн 3, а также третьей и четвертой равны 45 мм, расстояние между осями симметрии второй и третьей антенн равно 39 мм. Для этого каждый дисковый излучатель 14 металлическим штырем 17 соединяется с центральным проводником 9 соответствующего переходника и металлическим штырем 18 - с экраном 12, в котором выполнено сквозное отверстие, допускающее поворот дискового излучателя 14 вокруг своей оси на угол от 3 до 10 градусов. Смещение упомянутых периферийных отверстий 16 относительно условной линии, на которой находятся центральные отверстия 15, определяется в процессе настройки антенной решетки для обеспечения передачи максимальной мощности от микроволнового генератора 5 к нагрузке. Настройка модуля возбуждения осуществляется в следующем порядке. Сначала настраивается первая полосковая антенна 3 при отключенных трех других антеннах 3 и короткозамкнутых переходниках 7. Нагрузкой в камере нагрева является сосуд с 1 дм³ воды. Наибольшей мощности соответствует наименьшее время закипания воды в сосуде. Затем аналогично настраиваются остальные полосковые антенны 3.

Работает микроволновая печь известным образом.

Проведенные испытания опытного образца коммерческой микроволновой печи без вращающейся платформы, изготовленной по изобретению, показали ее высокую эффективность по сравнению с известными объектами аналогичного назначения. В результате испытания установлено, что коэффициент равномерности распределения энергии внутри камеры достигает 94%, эффективность - 62%, при этом обеспечивается стабильность этих параметров при изменении объема, массы и месторасположения обрабатываемого продукта в камере нагрева.

Источники информации

1. US, Commercial Microvave Oven RCS10MPS, Owner's Manuel Code 12668501 A, 2002 (www.amana-commercial.com).

2. RU, патент №2124278, кл. Н 05 В 6/64, 1998.

3. Жилков B.C. Измерительные пондеромоторные СВЧ преобразователи. Теория и применение. Харьков, “Вища школа”, 1989, 135 с.

Микроволновая печь содержит камеру нагрева (КН), на внешней стороне верхней и боковой стенок которой установлен короткозамкнутый на конце Г-образный отрезок прямоугольного волновода для передачи энергии от микроволнового генератора к одномерной неэквидистантной антенне-возбудителю кругополяризованного поля в КН, представляющей собой четыре идентичных по характеристикам полосковые антенны круговой поляризации AB₁, АВ₂, АВ₃ и АВ₄ с несинфазной запиткой, расстояние между AB₁ и АВ₂, АВ₃ и АВ₄ равно 45 мм, а между АВ₂ и АВ₃ - 39 мм, антенны установлены внутри КН на ее верхней стенке и через коаксиально-волноводные переходы (КВП) подключены к отрезку прямоугольного волновода. Каждая полосковая антенна содержит дисковый излучатель (ДИ), который через металлические штыри подключен в центре к центральному проводнику коаксиального выхода КВП и на расстоянии 4/5 радиуса металлического диска к металлической пластине-экрану, которая установлена на внешних проводниках всех четырех КВП через круглые отверстия в пластине-экране с жестким неразъемным механическим соединением и хорошим гальваническим контактом по всему периметру внешнего проводника коаксиального выхода КВП. Пластина-экран не касается верхней стенки КН и является частью каждой полосковой антенны. ДИ полосковых антенн расположены в плоскости, параллельной верхней стенке КН. Техническим результатом является достижение более равномерного распределения микроволновой энергии в КН, самосогласованный режим работы отрезка прямоугольного волновода с элементами связи коаксиально-волноводных переходов, увеличение ресурса работы магнетрона в ~1,3 раза, существенное ослабление зависимости распределения микроволновой энергии в КН и эффективности от массы, объема и месторасположения обрабатываемого продукта в КН. 2 ил.

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 Г-образный отрезок прямоугольного волновода, установленный на внешней стороне верхней и боковой стенок камеры нагрева, вентилятор, расположенный в боковом отсеке микроволновой печи, для охлаждения магнетрона и удаления паров из рабочей камеры, отличающаяся тем, что она снабжена возбудителем микроволнового поля в рабочей камере, представляющем собой одномерную неэквидистантную решетку из 4 с идентичными характеристиками полосковых антенн, излучающую электромагнитное поле с круговой поляризацией, которая установлена внутри камеры нагрева на ее верхней стенке, каждая из 4 полосковых антенн через коаксиально-волноводный переход подключена к горизонтальному отрезку короткозамкнутого на конце Г-образного прямоугольного волновода для передачи энергии от микроволнового генератора в камеру, полосковая антенна, излучающая поле с круговой поляризацией, содержит металлический дисковый излучатель, подключенный через металлические проводящие штыри в центре к центральному проводнику коаксиального выхода коаксиально-волноводного перехода и в точке на расстоянии 4/5 радиуса металлического дискового излучателя к металлической пластине-экрану, установленной на внешнем проводнике коаксиального отрезка каждого из 4 коаксиально-волноводных переходов с механическим и гальваническим контактом по всему наружному диаметру внешнего проводника коаксиального отрезка коаксиально-волноводных переходов, не касающейся верхней стенки камеры нагрева и являющейся частью полосковых антенн.