СВЧ яйцеварка с тороидальным резонатором Российский патент 2023 года по МПК A47J29/06 

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано для варки пищевых яиц, а также непищевых отходов яиц с инкубационных шкафов при производстве корма для животных.

Известно, что, скорость нагрева желтка яиц в электромагнитном поле в 5-7 раз выше, чем белка [1]. Поэтому предложены способ и сверхвысокочастотные установки с магнетронами воздушного охлаждения для варки яиц без воды путем многократного воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты (ЭМПСВЧ) в режиме «нагрев-пауза» со скважностью менее 0,5 для выравнивания температуры в компонентах яйца и давления внутри скорлупы яиц.

Для реализации способа варки яиц в ЭМПСВЧ без воды существуют СВЧ яйцеварки [2, 3] с соблюдением скважности технологического процесса. Способ предусматривают варку белка за счет теплопередачи от нагретого желтка за счет дипольной поляризации. Поэтому при небольшом отклонении от необходимой скважности процесса желток переварится, а белок только частично коагулируется.

Известная микроволновая установка для варки яиц в непрерывном режиме с соблюдением скважности процесса менее 0,5, содержит в экранирующем корпусе диэлектрический ободок [4]. На ободок прикреплены нижние неферромагнитные полусферы. В верхние стационарно расположенные полусферы направлены излучатели от магнетронов.

Известна СВЧ установка с тороидальным резонатором для термообработки отходов яиц [5]. Она содержит два соосно расположенных усеченных неферромагнитных конуса, которые образуют тороидальный резонатор с наклонным прямоугольным сечением тора. Конденсаторная часть резонатора образована полусферой. Внутри тороидального резонатора установлена диэлектрическая коническая тарелка с терочным неферромагнитным диском.

Наиболее близкой по конструкционному исполнению некоторых узлов является СВЧ установка непрерывно-поточного действия с тороидальным резонатором и с ячеистым ротором для термообработки сырья [6]. Она содержит тороидальный резонатор с цилиндрическим основанием и щелью по внутреннему периметру. Над основанием установлен ротор, радиопрозрачная периферийная часть которого, содержащая ячейки, расположена внутри тора. На поверхности тора закреплены генераторы с излучателями, направленными внутрь тора.

Все перечисленные яйцеварки имеют общий недостаток - большие потери энергии излучений, а значит КПД установок недостаточно высокий.

Технической задачей изобретения является:

- обеспечение скважности технологического процесса воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты менее, чем 0,5 за счет вращения ячеистого колеса с яйцами через конденсаторную часть резонатора, где возбуждается высокая напряженность электрического поля, достаточная для стерилизации продукта;

- соблюдение электромагнитной безопасности путем использования гребенчатой замедляющей системы (гребенчатый желоб);

- концентрация энергии электромагнитных излучений в сырье с использованием перфорированного керамического желоба над ячейками колеса.

Для достижения заявленного технического результата СВЧ яйцеварка с тороидальным резонатором содержит в вертикальной плоскости неферромагнитный тороидальный резонатор эллиптического поперечного сечения, куда на всю его глубину соосно вертикально установлено электроприводное диэлектрическое ячеистое колесо прямоугольного сечения, причем на его наружной поверхности по всему периметру имеются равномерно расположенные ячейки для яиц,

а само диэлектрическое колесо установлено так, что менее его половины расположено в конденсаторной части резонатора в стационарно расположенном керамическом перфорированном дугообразном желобе, имеющим отверстие над диэлектрической задвижкой, расположенной над нижним основанием резонатора, куда прикреплен запредельный волновод, диаметром больше, чем размер яйца,

а остальная часть диэлектрического ячеистого колеса расположена внутри центрального цилиндра резонатора с закрытым неферромагнитным верхним основанием, имеющим загрузочное отверстие, в стационарном неферромагнитном дугообразном желобе, представленном как встречно установленные неферромагнитные гребенки с равномерным шагом и длиной гребенок, менее четверти длины волны.

при этом по периметру наружной боковой поверхности тороидального резонатора, со сдвигом на 120 градусов установлены волноводы с магнетронами, так, что излучатели направлены в конденсаторную часть.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых представлены пространственные изображения:

- СВЧ яйцеварки с тороидальным резонатором, общий вид, без верхнего основания (фиг. 1);

- СВЧ яйцеварки с тороидальным резонатором, общий вид, в разрезе (фиг. 2);

- пространственное изображение СВЧ яйцеварки с тороидальным резонатором, в разрезе с позициями (фиг. 3);

- диэлектрического ячеистого колеса (фиг. 4);

- перфорированного керамического желоба (фиг. 5);

тороидального резонатора (фиг. 6);

- пространственное изображение СВЧ яйцеварки с тороидальным резонатором, в разрезе (фиг. 7);

- неферромагнитного гребенчатого желоба (фиг. 8);

- запредельного волновода (выгрузного патрубка) (фиг. 9);

- диэлектрического вала (рис. 10).

СВЧ яйцеварка с тороидальным резонатором содержит (фиг. 1-10):

- неферромагнитный тороидальный резонатор 1 эллиптическим поперечным сечением;

- конденсаторную часть резонатора 2;

- тороидальную часть резонатора 3;

- электроприводное диэлектрическое ячеистое колесо 4;

- неферромагнитное верхнее основание 5 центрального цилиндра резонатора;

- неферромагнитный гребенчатый желоб 6;

- диэлектрический вал 8 для привода колеса 4;

- магнетроны воздушного охлаждения 9 с волноводами;

- дугообразную диэлектрическую задвижку 10;

- запредельный волновод (патрубок для выгрузки вареных яиц) 11;

- перфорированный дугообразный керамический желоб 12.

СВЧ яйцеварка с тороидальным резонатором (фиг. 1-10) содержит в вертикальной плоскости неферромагнитный тороидальный резонатор 1 эллиптического поперечного сечения, куда соосно вертикально установлено электроприводное диэлектрическое ячеистое колесо 4, на всю глубину резонатора. Центральный неферромагнитный цилиндр резонатора сверху закрыт неферромагнитным основанием 5, содержащим окно для загрузки яиц в ячейки диэлектрического колеса 4.

На наружной поверхности диэлектрического ячеистого колеса 4 прямоугольного сечения имеются равномерно расположенные ячейки для размещения яиц. Само диэлектрическое колесо 4 установлено так, что менее его половины расположено в конденсаторной части 2 резонатора 1. Колес вращается внутри стационарно установленного керамического перфорированного дугообразного желоба 11. Желоб 11 имеет отверстие на уровне диэлектрической дугообразной задвижки 9, расположенной над нижним основанием тороидального резонатора 1. На этом основании предусмотрено окно, куда пристыкован запредельный волновод 10 (патрубок для выгрузки яиц).

Остальная часть диэлектрического ячеистого колеса 4 расположена во внутреннем цилиндре тороидального резонатора в неферромагнитном гребенчатом желобе 6, установленном стационарно и представленном в виде встречно размещенных двух неферромагнитных гребенок с равномерным шагом и длиной гребенок менее четверти длины волны, а шаг гребенки над загрузочным окном, больше размера яйца.

По периметру наружной боковой поверхности тороидального резонатора 1, со сдвигом на 120 градусов установлены волноводы с магнетронами 8, так, что излучатели направлены в конденсаторную часть 2 резонатора.

Технологический процесс в СВЧ яйцеварке с тороидальным резонатором происходит следующим образом. Закрыть диэлектрическую задвижку 9. Включить мотор-редуктор для привода диэлектрического ячеистого колеса 4. Включить транспортер (не показан) для загрузки яиц в ячейки колеса 4 через окно на основании 5 центрального цилиндра и через отверстие, образованное между гребенками 6. После заполнения всех ячеек остановить транспортер. Включить вентиляторы для охлаждения магнетронов и сами магнетроны 8, после чего в неферромагнитном тороидальном резонаторе возбуждается бегущая волна, которая обеспечивает равномерное распределение электрического поля в конденсаторной части резонатора.

Форма профиля тороидального резонатора эллиптического поперечного сечения определяет структуру возбуждаемых электромагнитных полей. Электрическое поле в основном концентрируется в конденсаторной части резонатора, где расстояние между основаниями невелико, т.е. эта часть резонатора имеет преимущественно емкостной характер, а периферийная часть, где в основном расположено магнитное поле, эквивалентна индуктивности. Следовательно, тороидальный резонатор можно представить как цепь с сосредоточенными постоянными значениями индуктивности и емкости. Если конденсаторный промежуток уменьшить, емкость увеличится и собственная частота уменьшиться, а напряженность электрического поля увеличится [7], что обеспечит обеззараживание продукта. Яйца в ячейках при передвижении диэлектрического колеса 4 удерживаются от выпадения неферромагнитным гребенчатым желобом 6, а далее - перфорированным керамическим желобом 11. В процессе передвижения ячеистого диэлектрического колеса 4 через конденсаторную часть 2 тороидального резонатора 1 яйца подвергаются воздействию электрического поля сантиметрового диапазона, желтки эндогенно нагреваются за счет токов поляризации, а белки нагреваются за счет теплопередачи от желтка к белку. Это связано тем, что фактор диэлектрических потерь белка 5-7 раз меньше, чем у желтка. За пределами конденсаторной части резонатора яйца подвергаются воздействию потоком излучений малой мощности через отверстие, предназначенное для вращения ячеистого колеса 4. Ограничение мощности потока излучений происходит из-за наличия стационарного неферромагнитного желоба с гребенками 6 над поверхностью колеса и за счет неферромагнитного верхнего основания 5 центрального цилиндра. В центральном цилиндре происходит выравнивание температуры и давления по объему желтка и белка. При этом продолжительность нахождения яиц в конденсаторной части 2 резонатора должна быть меньше, чем за ее пределами, т.е. в центральном цилиндре резонатора 1. Тогда скважность процесса будет менее 0,5 (отношение продолжительностей воздействия ЭМПСВ к продолжительности цикла). В этом случае, за счет многократного воздействия ЭМПСВЧ на компоненты яиц, обеспечивается варка желтка и белка. Чем больше кратность воздействия ЭМПСВЧ на яйца, тем равномернее нагреваются компоненты яйца по объему. Яйца в ячейках при передвижении диэлектрического колеса удерживаются гребенчатым желобом 6, а далее - перфорированным керамическим желобом 11. Размеры ячеек на диэлектрическом колесе должны позволять свободно размещать яйцо, что обеспечивает колебание яйца в процессе вращения диэлектрического колеса 4, это важно для равномерного нагрева компонентов яйца. Многократный кратковременный режим воздействия ЭМПСВЧ обеспечивает сохранность скорлупы, так как поры скорлупы успевают пропустить пар, и происходит выравнивание давления внутри скорлупы. В тороидальном резонаторе образуется бегущая волна, что обеспечивает равномерное распределение электрического поля в конденсаторной части. Большой объем тороидального резонатора позволяет накапливать в нем достаточно большую энергию. А малые потери, обусловленные токами проводимости (поперечное сечение проводящей поверхности резонатора велико) определяют значительно меньшую энергию потерь [8, стр. 340].

Конструкция тороидального резонатора позволяет в конденсаторной части равномерно нагревать сырье. Его объем достаточно большой, чтобы в течение каждого цикла нагреть значительное количество яиц и полностью использовать мощность СВЧ генераторов. Линейные размеры тороидального резонатора в 5-7 раз превышают длину волны генератора. Размеры оптимизированы так, что в нем возбуждаются только определенные виды колебаний [9, стр. 50]. Расположение магнетронов воздушного охлаждения со сдвигом на 120 градусов обеспечивает равномерную бегущую волну. Для ограничения излучений через отверстие в конденсаторной части, предназначенное для транспортирования яиц с помощью ячеистого колеса через резонатор, использована гребенчатая замедляющая система [10, стр. 98] (неферромагнитный желоб с гребенками). Она выполнена в виде неферромагнитного стационарного желоба 6 с гребенками, расположенными навстречу друг к другу. Диэлектрическое колесо 4 вращается внутри желоба 6, а яйца не выпадают из ячеек. В конденсаторной части резонатора диэлектрическое ячеистое колесо перемещается внутри перфорированного керамического желоба 11. Это позволит удержать яйца в ячейках колеса, концентрировать энергию электромагнитных излучений на яйцах, и уменьшить потери на излучение, так как керамика обладает малыми диэлектрическими потерями [7, стр. 360]. Скорость нагрева компонентов сырья регулируется дозой воздействия, а производительность яйцеварки - регулированием скорости передвижения ячеистого колеса в соответствии с мощностью генераторов и объемом загрузки яиц.

Источники информации:

1. Рогов, И.А. Электрофизические, оптические и акустические характеристики пищевых продуктов / И.А. Рогова. - М.: Легкая и пищевая промышленность, 1981. - 288 с.

2. Патент №2361496 РФ, МПК A47J 29/00. Способ и механизированное устройство для варки яиц / Новикова Г.В., Кириллов Н.К., Егоров Г.И., Гуськов Ю.В - №2006139783/12, заявл. 13.11.2006. от 20.05.2008. - 11 с.

3. Патент №2336008 РФ, МПК A47J 29/06. Механизированная микроволновая яйцеварка / Новикова Г.В., Кириллов Н.К., Егоров Г.И., Гуськов Ю.В. - №2006139784; заявл. 13.11.2006. Бюл. №29 от 20.10.2008. - 11 с.

4. Патент №2701240 РФ, МПК A47J 29/06. Микроволновая установка для термообработки яиц в непрерывном режиме / Орлова О.И., Жданкин Г.В., Михайлова О.В., Белова М.В., Белов А.А.; заявитель и патентообладатель НГИЭУ (RU). №2018136713; заявл. 17.10.2018. Бюл. №27 от 25.09.2019.

5. Патент №2629159 РФ, МПК A23N 17/00. Сверхвысокочастотная установка с тороидальным резонатором и с ячеистым ротором для термообработки сырья / А.А. Белов, Г.В. Жданкин, Г.В. Новикова, О.В. Михайлова; заявитель и патентообладатель НГСХА (RU). №2016133524; заявл.15.08.2016. Бюл. №24 от 24.08.2017.

6. Патент №2629159 РФ, МПК A23N 17/00. СВЧ установка с тороидальным резонатором и с ячеистым ротором для термообработки сырья; /Новикова Г.В., Белов А.А., Жданкин Г.В., Михайлова О.В.; заявитель и патентообладатель НГСХА (RU). №2016133524; заявл.15.08.2016. Бюл. №24 от 24.08.2017.

7. Стрекалов, А.В. Электромагнитные поля и волны / А.В. Стрекалов, Ю.А. Стрекалов. М.: РИОР: ИНФРА. М, 2014. 375 с.

8. Белоцерковский Г.Б. Основы радиотехники и антенны. Ч. 1. Основы радиотехники. - М.: Советское радио, 1979. - 368 с.

9. Пчельников Ю.Н., Свиридов В.Т. Электроника сверхвысоких частот. - М.: Радио и связь, 1981. - 96 с.

Баскаков С.И. Электродинамика и распространения волн. - М.: URSS 1992, 208 с.

Изобретение относится к сельскому хозяйству и может быть использовано для варки пищевых яиц, а также непищевых отходов яиц с инкубационных шкафов при производстве корма для птиц. СВЧ яйцеварка с тороидальным резонатором содержит в вертикальной плоскости неферромагнитный тороидальный резонатор 1 эллиптического поперечного сечения, куда соосно вертикально установлено электроприводное диэлектрическое ячеистое колесо 4, на всю глубину резонатора. На наружной поверхности диэлектрического ячеистого колеса 4 прямоугольного сечения имеются равномерно расположенные ячейки для яиц. Само колесо 4 установлено так, что менее его половины расположено в конденсаторной части 2 резонатора. Над ячейками стационарно установлен керамический дугообразный перфорированный желоб 11 с отверстием на уровне диэлектрической задвижки 9, расположенной над нижним основанием тороидального резонатора 1, где предусмотрено окно с пристыкованным запредельным волноводом 10 диаметром больше, чем размер яйца. Остальная часть диэлектрического ячеистого колеса расположена внутри центрального цилиндра резонатора с закрытым неферромагнитным верхним основанием 5, имеющим загрузочное отверстие, в стационарном неферромагнитном дугообразном желобе 6, представленном как встречно установленные неферромагнитные гребенки с равномерным шагом и длиной гребенок менее четверти длины волны. Причем шаг между гребенками над загрузочным отверстием на верхнем неферромагнитном основании 5 центрального цилиндра больше размера яйца. По периметру наружной боковой поверхности тороидального резонатора 1 со сдвигом на 120 градусов установлены волноводы с магнетронами 8 так, что излучатели направлены в конденсаторную часть 2. Технической задачей изобретения является: обеспечение скважности технологического процесса воздействия электромагнитного поля сверхвысокой частоты менее чем 0,5 за счет вращения ячеистого колеса с яйцами через конденсаторную часть резонатора, где возбуждается высокая напряженность электрического поля, достаточная для стерилизации продукта; соблюдение электромагнитной безопасности путем использования гребенчатой замедляющей системы; концентрация энергии электромагнитных излучений в сырье с использованием перфорированного керамического желоба над ячейками колеса. 10 ил.

СВЧ яйцеварка с тороидальным резонатором, характеризующаяся тем, что содержит в вертикальной плоскости неферромагнитный тороидальный резонатор эллиптического поперечного сечения, куда на всю его глубину соосно вертикально установлено электроприводное диэлектрическое ячеистое колесо прямоугольного сечения, причем на его наружной поверхности по всему периметру имеются равномерно расположенные ячейки для яиц,

а само диэлектрическое колесо установлено так, что менее его половины расположено в конденсаторной части резонатора в стационарно расположенном керамическом перфорированном дугообразном желобе, имеющем отверстие над диэлектрической задвижкой, расположенной над нижним основанием резонатора, куда прикреплен запредельный волновод диаметром больше, чем размер яйца,

а остальная часть диэлектрического ячеистого колеса расположена внутри центрального цилиндра резонатора с закрытым неферромагнитным верхним основанием, имеющим загрузочное отверстие, в стационарном неферромагнитном дугообразном желобе, представленном как встречно установленные неферромагнитные гребенки с равномерным шагом и длиной гребенок менее четверти длины волны,

при этом по периметру наружной боковой поверхности тороидального резонатора со сдвигом на 120 градусов установлены волноводы с магнетронами так, что излучатели направлены в конденсаторную часть.