Устройство для микроволновой термообработки

 

Использование: в пищевой, в микробиологической и фармацевтической промышленности. Сущность изобретения: устройство для микроволновой термообработки (преимущественно сушки) материалов, содержащих термочувствительные компоненты, имеет корпус в виде резонаторной камеры со средствами ввода сырья, его удержания и вывода продукта, генератор микроволнового излучения и волноводно-щелевые излучатели (ВЩИ), подключенные к генератору и введенные в резонаторную камеру, которые жестко связаны с генератором и расположены попарно симметрично один другому на противоположных стенках резонаторной камеры. При этом в каждом ВЩИ щели выполнены в узких боковых стенках под последовательно уменьшающимися по длине излучателя углами. 6 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к конструкциям устройств для микроволновой обработки, преимущественно сушки влажных материалов, содержащих чувствительные к перегреву ингредиенты. Такие устройства могут быть использованы в пищевой промышленности, в частности в производстве сухофруктов, сушеных овощей, чая, яичного и молочного порошка с целью сохранения в высушенных продуктах витаминов и биологически активных веществ и сведения к минимуму термической денатурации пищевых белков, в микробиологической промышленности, в частности при приготовлении сухих биоцидов, репеллентов и аттрактантов или иных препаратов, содержащих микроорганизмы или продукты их жизнедеятельности, в фармацевтической промышленности для лиофильной сушки или заключительной термообработки многих лекарственных препаратов и лекарственных форм.

Приведенный перечень не исчерпывает всех возможных областей применения предлагаемых устройств. Однако устройства такого типа должны обеспечивать как можно более однородное температурное поле в объеме, в котором происходит термообработка, ибо при его неоднородности возможен локальный перегрев термообрабатываемого материала и ухудшение качества продукта; минимально возможный удельный расход энергии на термообработку, ибо наблюдаемый ныне в мире рост парка микроволновых печей, сушилок и т.п. устройств служит одним из факторов обострения дефицита электроэнергии; защиту обслуживающего персонала от повреждающего действия сверхвысокочастотного (СВЧ) электромагнитного излучения.

Наиболее просто выполняется последнее условие. Для этого, т.е. для защиты персонала от СВЧ-излучения используют экраны, которыми обычно служат металлические стенки камер для термообработки материалов, и схемы блокировки цепи питания генераторов СВЧ излучения (в частности, магнетронов) при нарушении целостности таких экранов, в частности при открытых дверях или дверцах в корпусах устройств для микроволновой обработки.

Первое же условие стремятся выполнить путем многократного переотражения СВЧ-излучения в полости (резонаторной) камеры для термообработки. Таково, например, устройство для СВЧ-термообработки ("СВЧ-печь"), описанное в третьем издании БСЭ (М. "Советская энциклопедия", 1976, -Т.23. -С.5, колонка 138, рис. 5).

Это устройство имеет коробчатый корпус, стенки которого, образующие резонаторную камеру, выполнены из отражающего микроволновое электромагнитное излучение материала и который имеет дверцу для подачи сырья на термообработку и извлечения термообработанного продукта, магнетрон (генератор-СВЧ), размещенный вне корпуса (в частности, за торцевой стенкой корпуса), волновод, переходящий в рупорную антенну, соединяющую выход магнетрона с полостью резонаторной камеры, в которой протекает процесс термообработки, вентилятор, подвешенный внутри резонаторной камеры к крышке ее корпуса на вертикальной оси таким образом, что его лопасти находятся на уровне выхода из рупорной антенны и потому служат отражателями микроволнового излучения, блок питания с элементами защиты, по меньшей мере один радиопрозрачный инвентарный поддон для размещения термообрабатываемого сырья.

Использование только одного магнетрона в качестве источника энергии для термообработки и волновода с рупорной антенной для вывода СВЧ-излучения в полость резонаторной камеры приводит к тому, что несмотря на рассеивание электромагнитных волн лопастями вентилятора и их многократное переотражение от стенок упомянутой камеры не удается добиться равномерного распределения температуры во всем объеме. Эта неоднородность температурного поля вполне допустима при обжаривании пищевых продуктов, но весьма нежелательна при сушке термочувствительных материалов. Кроме того, тепло, генерируемое магнетроном, безвозвратно теряется в окружающую среду.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности является устройство для микроволновой термообработки, имеющее корпус в виде резонаторной камеры, оборудованной средством в виде дверцы для ввода сырья на термообработку и вывода термообработанного продукта, а также инвентарными средствами для удержания сырья в процессе термообработки, генератор микроволнового излучения в виде одного магнетрона, установленного вне резонаторной камеры и соединенного с волноводным тройником, волноводно-щелевые излучатели (далее ВЩИ), выполненные на основе металлических прямоугольных волноводов, подключенные с одной стороны к тройнику, идущему от генератора микроволнового излучения, и введенные с другой стороны в полость резонаторной камеры через отверстия в средней части одной из ее стенок, поворотные узлы (на базе круглых манжет, установленных в упомянутых отверстиях одной из стенок резонаторной камеры), в которых закреплены хвостовые частицы ВЩИ.

При использовании описанных устройств требуемую однородность температурного поля в полости резонаторной камеры и в объеме термообрабатываемого сырья предполагалось обеспечивать поворотом ВЩИ. Однако при этом возникает проблема согласования различных участков прямоугольных волноводов на их стыках, которая может быть решена только при существенных аппаратурных затратах и при снижении КПД устройства в целом.

В основу изобретения положена задача путем изменения взаиморасположения ВЩИ и резонаторной камеры, изменения взаимосвязи генератора микроволнового излучения и ВЩИ, а также изменения формы выполнения ВЩИ создать такое устройство микроволновой термообработки, которое обеспечивало бы повышение однородности температурного поля внутри резонаторной камеры и снижение удельных затрат энергии на термообработку без дополнительных аппаратурных затрат.

Поставленная задача решена тем, что в устройстве для микроволновой термообработки, имеющем корпус в виде резонаторной камеры, оборудованной средствами для ввода сырья, его удержания при термообработке и вывода термообработанного продукта, генератор микроволнового излучения на основе по меньшей мере одного магнетрона, установленного вне резонаторной камеры, и волноводно-щелевые излучатели (ВЩИ), подключенные с одной стороны к указанному генератору и введенные в полость резонаторной камеры, ВЩИ жестко связаны с генератором и расположены попарно симметрично один другому на противоположных стенках резонаторной камеры, при этом в каждом отдельном ВЩИ щели выполнены в его узких боковых стенках, а пары щелей, выполненных в противоположных стенках ВЩИ, ориентированы к поверхности стенки, к которой прикреплен ВЩИ, под последовательно уменьшающимися по длине ВЩИ углами.

Описанная комбинация признаков предлагаемого устройства по имеющимся данным не известна из источников информации, а потому изобретение ново, и не выводится логическим путем из известного уровня техники, а потому соответствует критерию "изобретательский уровень". Указанное взаиморасположение ВЩИ и резонаторной камеры, взаимосвязь ВЩИ с генератором микроволнового излучения и форма выполнения щелей в каждом из ВЩИ обеспечивают увеличение переотражения СВЧ излучения внутри резонаторной камеры и тем самым способствуют повышению однородности температурного поля (со снижением опасности локального прегрева термообрабатываемого материала) и уменьшением удельных энергозатрат.

Первое дополнительное отличие состоит в том, что расположенные одна напротив другой щели в боковых стенках каждого из ВЩИ выполнены скрещивающимися. Тем самым уменьшается взаимное влияние щелей друг на друга и еще более возрастает количество возможных переотражений СВЧ-излучения от стенок резонаторной камеры и усиливается указанный положительный эффект.

Второе дополнительное отличие состоит в том, что щели имеют диэлектрическое заполнение, препятствующее проникновению летучих продуктов термообработки в полость ВЩИ, уменьшающее вероятность пробоя и улучшающее согласование в цепи передачи СВЧ-мощности, что еще более усиливает указанный положительный эффект.

Третье дополнительное отличие заключается в том, что генератор микроволнового излучения установлен в коробе, полость которого с одной стороны сообщается с атмосферой, а с другой с полостью резонаторной камеры и подключена к вентилятору, выхлопной тракт которого связан с атмосферой через полость резонаторной камеры. Тем самым обеспечивается утилизация тепла, выделяемого магнетроном, из резонаторной камеры удаляются продукты термообработки сырья и, как следствие, дополнительно усиливается отмеченный положительный эффект.

Четвертое дополнительное отличие состоит в том, что вентилятор расположен перед коробом для установки генератора микроволнового излучения и подключен нагнетательным патрубком к полости этого короба. При таком включении вентилятора в воздухопроводный тракт устройства упрощается компоновка его узлов и наиболее быстро выравнивается концентрация летучих продуктов термообработки в полости резонаторной камеры.

Пятое дополнительное отличие заключается в том, что вентилятор расположен на корпусе устройства на удалении от короба для установки генератора микроволнового излучения и всасывающим патрубком подключен к полости резонаторной камеры, При таком включении вентилятора в воздухопроводный тракт достигается наиболее эффективная эвакуация летучих продуктов термообработки сырья из полости резонаторной камеры.

Шестое дополнительное отличие состоит в том, что в воздухопроводном канале устройства между коробом для установки генератора микроволнового излучения и резонаторной камерой установлен резистивный нагреватель воздуха, последовательно включенный в цепь питания электродвигателя вентилятора. Тем самым включается дополнительный источник энергии для термообработки, снижается нагрузка на вентилятор, уменьшается его износ и повышается надежность устройства в целом, а также достигается интенсификация термообработки.

Седьмое дополнительное отличие состоит в том, что резистивный нагреватель выполнен регулируемым, что обеспечивает наиболее тонкое регулирование интенсивности термообработки (преимущественно сушки) сырья путем изменения концентрационной и тепловой составляющей движущей силы сушки.

На фиг. 1 показано предлагаемое устройство для микроволновой термообработки, вид сбоку с условно удаленной передней стенкой; на фиг. 2 схема пространственного взаиморасположения пары волноводов (к аксонометрической проекции); на фиг. 3 электрическая схема питания вентилятора и резистивного нагревателя воздуха.

Предлагаемое устройство (преимущественно сушки влажных) материалов имеет корпус 1, представляющий собой коробчатую конструкцию с металлическими или металлизированными внутри для отражения микроволнового излучения стенками и поэтому являющийся резонаторной камерой, средство для ввода сырья на термообработку (сушку) и вывода термообработанного продукта, выполненное преимущественно в виде торцевой, как показано на фиг. 1, или боковой (не показано) дверцы 2, средство для удержания термообрабатываемого (высушиваемого) сырья (не показано), которое очевидно должно быть изготовлено из радиопрозрачного материала, например стекла или стеклопластика и которое, как правило, может иметь вид поддона с ребрами жесткости произвольной конфигурации, генератор 3 микроволнового излучения в виде по меньшей мере одного установленного на корпусе 1 вне резонаторной камеры магнетрона (при этом желательно, но не обязательно, чтобы количество магнетронов было равно количеству упоминаемых далее средств введения микроволнового излучения в резонаторную камеру в корпусе 1), волноводно-щелевые излучатели (ВЩИ) 4, входы которых подключены к генератору 3 микроволнового излучения и жестко соединены с ним с использованием при необходимости не показанных промежуточных согласованных волноводов, и которые попарно и симметрично один другому в каждой паре одной из своих широких стенок присоединены к противоположным стенкам резонаторной камеры корпуса 1. Количество ВЩИ 4 должно быть кратно двум, а минимально равно двум. При этом желательно устанавливать их на крышке и донной части резонаторной камеры, но не исключается и их расположение на боковых стенках или и там (вверху-внизу), и здесь (по бокам). Каждый отдельно взятый ВЩИ 4 имеет щели в обеих узких боковых стенках, причем, пары щелей, выполненные в противоположных боковых стенках ВЩИ 4, ориентированы относительно стенки резонаторной камеры, к которой прилегает соответствующий ВЩИ, под последовательно уменьшающимися по длине излучателя углами. Целесообразно также по отмеченным выше причинам, чтобы расположенные одна напротив другой щели в каждой паре были выполнены скрещивающимися и имели диэлектрическое радиопрозрачное заполнение (см. фиг. 2). В конце каждого ВЩИ 4 может быть расположена согласованная нагрузка, минимизирующая коэффициент отражения. Наряду с указанными основными частями устройства для микроволновой термообработки в нем могут быть предусмотрены и дополнительные элементы.

Целесообразно, чтобы генератор 3 микроволнового излучения, т.е. магнетрон или блок магнетронов, был расположен в проточном коробе 5, сообщающемся с одной стороны с атмосферой, а с другой с резонаторной камерой и подключенном к вентилятору 6, выхлопной тракт которого связан с атмосферой через полость резонаторной камеры. При этом возможны два частных случая выполнения образующегося из указанных элементов воздухопроводного тракта: вентилятор 6 расположен перед коробом для установки генератора 3 микроволнового излучения и подключен нагнетательным патрубком к полости короба 5 (в этом случае обеспечивается продувка резонаторной камеры свежим воздухом, нагревающимся при обдувке магнетрона или магнетронов) или вентилятор 6 (а может быть два или более вентиляторов 6) расположены на корпусе 1 (например, на крышке) или на дверце 2 на удалении от короба 5 для установки генератора 3 микроволнового излучения и подключен(ы) всасывающим(и) патрубком (патрубками) к полости резонаторной камеры (в этом случае обеспечивается просасывание нагревающегося при обдувке магнетрона или магнетронов воздуха через резонаторную камеру), или комбинация обоих вариантов.

Целесообразно также (см. фиг. 3), чтобы в цепь питания электродвигателя вентилятора 6 последовательно был включен преимущественно регулируемый резистивный нагреватель 7 воздуха. Этот нагреватель должен быть размещен в воздухопроводном канале между коробом 5 и резонаторной камерой корпуса 1.

Устройство может быть оснащено стандартной системой автоматического управления температурным режимом и блокировки включения генератора 3 при открытой дверце 2.

Термообработку (в частности сушку влажных) материалов с помощью предлагаемого устройства проводят следующим образом.

Подлежащее термообработке сырье вводят через дверцу 2 в резонаторную камеру корпуса 1, закрывают дверцу 2 и включают генератор 3 (а при наличии вентилятора 6 и резистивного нагревателя 7 предварительно или по меньшей мере одновременно включают и их).

Микроволновое излучение, поступающее через щели в ВЩИ 4 в резонаторную камеру, многократно переотражается от ее стенок. Поскольку углы наклона щелей к стенкам этой камеры по длине ВЩИ 4 различны и уменьшаются в направлении от начала к концу, потоки СВЧ-энергии, излучаемые из щелей, остаются практически неизменным. Тем самым создаются условия для получения наиболее однородного температурного поля. Скрещивание же направлений щелей в каждой их паре развязывает противоположные щели по поляризации, что практически исключает паразитное просачивание СВЧ энергии в сторону магнетрона.

Обдув магнетронов воздухом, проходящим затем через полость резонаторной камеры, обеспечивает утилизацию тепла и способствует уменьшению удельных затрат энергии на термообработку, а регулирование температуры этого воздуха с помощью резистивного нагревателя 7 и-или регулирование расхода воздуха с помощью известных средств усиливает эффект выравнивания температурного поля и способствует повышению надежности вентилятора 6 и устройства в целом.

Перед выгрузкой термообработанного продукта сначала выключают магнетрон(ы), затем вентилятор 6 и только после этого выгружают продукт.

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ МИКРОВОЛНОВОЙ ТЕРМООБРАБОТКИ, содержащее корпус в виде резонаторной камеры со средствами для ввода сырья, его удержания в процессе термообработки и вывода термообработанного продукта, установленный вне камеры генератор микроволнового излучения на основе по меньшей мере одного магнетрона и подключенные с одной стороны к генератору волноводно-щелевые излучатели прямоугольного профиля, расположенные в полости резонаторной камеры, отличающееся тем, что волноводно-щелевые излучатели жестко связаны с генератором и расположены попарно симметрично на противоположных стенках резонаторной камеры, при этом в каждом излучателе щели расположены попарно на его противоположных боковых стенках под углом к стенке резонаторной камеры, уменьшающимся по длине излучателя в направлении от генератора к противоположному торцу камеры.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что расположенные напротив одна другой щели противоположных стенок излучателя ориентированы во взаимно противоположные стороны.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что щели излучателя имеют диэлектрическое заполнение.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно содержит дополнительный короб, полость которого с одной стороны сообщена с атмосферой, а с другой стороны с полостью резонаторной камеры и подключена к вентилятору, выхлопной тракт которого связан с атмосферой через полость резонаторной камеры, причем генератор размещен в упомянутом коробе.

5. Устройство по пп. 1 и 4, отличающееся тем, что вентилятор расположен перед коробом и подключен к его полости посредством нагнетательного патрубка.

6. Устройство по пп. 1 и 4, отличающееся тем, что вентилятор расположен на корпусе и подключен к полости резонаторной камеры посредством всасывающего патрубка.

7. Устройство по пп. 1 и 4, отличающееся тем, что в воздуховодном канале между коробом и резонаторной камерой установлен резистивный нагреватель воздуха, последовательно включенный в цепь питания электродвигателя вентилятора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3