Микроволновая печь
Изобретение предназначено для тепловой обработки пищевых продуктов. Технический результат заключается в повышении эффективности работы и равномерности распределения энергии микроволнового поля внутри камеры нагрева (КН). Сущность изобретения состоит в том, что возбуждение электромагнитного поля в КН осуществляется посредством линейки из двух идентичных полосковых антенн круговой поляризации с излучателями в виде круглого металлического диска, включенных неэквидистантно. Линейка этих антенн установлена внутри КН на ее боковой стенке, а ее продольная ось симметрии параллельна нижней стенке и находится на расстоянии 3/4 высоты КН от нее. На внешней стороне боковой стенки КН установлен коаксиальный двойной Т-мост, обеспечивающий подачу равных значений микроволновой мощности от генератора к полосковым антеннам. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.
Область техники
Изобретение относится к микроволновой технике, в частности к электронагревательным аппаратам, использующим энергию микроволнового поля, и предназначено для тепловой обработки пищевых продуктов.
Предшествующий уровень техники
Известна микроволновая печь, представляющая собой устройство для тепловой обработки пищевых продуктов энергией микроволнового поля, содержащее камеру нагрева, снабженную дверкой, микроволновый генератор, расположенный в боковом отсеке микроволновой печи вне камеры нагрева, короткозамкнутый на конце отрезок прямоугольного волновода, установленный на внешней стороне верхней стенки камеры нагрева, модуль возбуждения камеры нагрева, представляющий собой металлическую дипольную антенну кругополяризованного поля, жестко механически и электрически соединенную в центре с полым металлическим тонкостенным цилиндром, верхний конец которого через общее отверстие связи в верхней стенке камеры нагрева и в широкой стенке короткозамкнутого на конце отрезка прямоугольного волновода погружен вовнутрь короткозамкнутого на конце отрезка прямоугольного волновода для передачи энергии от микроволнового генератора в камеру нагрева, и вентилятор, установленный в боковом отсеке микроволновой печи, для создания воздушного потока, вызывающего принудительное вращение металлической дипольной антенны (см., например, проспект фирмы Amana США, form # ACR 0125, 2001, Коммерческая микроволновая печь RCS10MPS). 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, 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 эффективность работы печи - коэффициент полезного действия - от 38% до 51%. Это приводит к низкому качеству обработки пищевых продуктов, дополнительным энергозатратам.
Наиболее близким техническим решением к изобретению является микроволновая печь, представляющая собой устройство для тепловой обработки пищевых продуктов энергией микроволнового поля, содержащее камеру нагрева, снабженную дверкой, электронный блок, включающий в себя генератор микроволновой мощности и подключенный к нему модуль возбуждения камеры нагрева, представляющий собой полосковую антенну кругополяризованного поля с излучателем в виде круглого металлического диска, установленного в отверстии связи с внешней стороны в боковой стенке камеры, с которой состыкован с хорошим электрическим контактом открытый конец корпуса электронного блока, выполненного в виде лотка с неразъемно соединенной по всему периметру открытого конца металлической рамкой, содержащей дроссельную канавку и углубление с эластичным электромагнитным уплотнением для экранизации поля в камере (пат. РФ, М. Кл. Н 05 В 6/64, №2124278, 1998).
Основным недостатком этого устройства является его низкая эффективность и существенно неравномерное распределение энергии микроволнового поля внутри камеры нагрева. Как показали исследования, эффективность (КПД) печи не превышала 50%, а коэффициент равномерности распределения энергии микроволнового поля в камере составлял 47% (без вращающейся платформы). В эксплуатации печь не обеспечивает качественную обработку продуктов и характеризуется повышенным потреблением электроэнергии от сети.
Раскрытие изобретения
Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности работы устройства и равномерности распределения энергии микроволнового поля внутри камеры нагрева. Это достигается за счет того, что микроволновая печь, представляющая собой устройство для тепловой обработки пищевых продуктов энергией микроволнового поля, содержащее камеру нагрева, снабженную дверкой, электронный блок, включающий в себя генератор микроволновой мощности и подключенный к нему модуль возбуждения камеры нагрева, представляющий собой полосковую антенну кругополяризованного поля с излучателем в виде круглого металлического диска, корпус которого в виде лотка по всему периметру открытого конца неразъемно соединен с металлической рамкой и состыкован с хорошим электрическим контактом с боковой стенкой камеры, согласно изобретению в устройстве для тепловой обработки пищевых продуктов энергией микроволнового поля используется модуль возбуждения, представляющий собой линейку из 2-х идентичных полосковых антенн с излучателями в виде круглого металлического диска и коаксиальным входом, возбуждающих в камере электромагнитные волны с круговой поляризацией и включенных неэквидистантно, установленную внутри камеры нагрева на ее боковой стенке так, что продольная ось симметрии линейки из 2-х полосковых антенн совпадает с прямой линией на поверхности боковой стенки камеры, параллельной поверхности нижней стенки и лежащей на расстоянии, равном 3/4 высоты камеры, а поперечная ось симметрии линейки из 2-х полосковых антенн совпадает с поперечной осью симметрии боковой стенки; полосковые антенны подключены к плечам I и II коаксиального 2-Т моста, к плечу III которого подключен генератор микроволновой мощности, а к плечу IV - шлейфовый трансформатор; оси симметрии плечей I и II лежат на одной прямой, параллельной оси симметрии линейки из 2-х полосковых антенн, оси симметрии плечей III и IV лежат на одной прямой и перпендикулярны оси симметрии линейки из 2-х полосковых антенн; длины плеч I и II равны, их сумма составляет 5/4λср (λср - средняя длина волны микроволновых колебаний генератора), длина плеча IV - порядка λср/2, плеча III - 3/4 высоты боковой стенки камеры, в которой выполнены два отверстия с диаметрами, равными наружному диаметру внешнего проводника коаксиальных отрезков плеча I и плеча II, имеющих на выходе изгиб под углом 90° в направлении к поверхности боковой стенки камеры и стопорное кольцо на расстоянии порядка 8 мм от конца коаксиального отрезка плеча I и плеча II, опоясывающее внешний проводник коаксиального отрезка плеча I и плеча II и ограничивающее глубину погружения в полость камеры каждого из этих отрезков; коаксиальные отрезки на входе полосковых антенн снабжены накидными гайками, обеспечивающими электрическое соединение входов антенн с коаксиальными отрезками плечей I и II 2Т-моста, жесткое механическое крепление 2Т-моста на внешней поверхности боковой стенки камеры и полосковых антенн на внутренней поверхности боковой стенки камеры; камера микроволновой печи с электрическим контактом установлена на корпусе электронного блока, механическое соединение их в единую конструкцию производится с помощью замков, электрическое соединение цепей - с помощью разъемов; боковой отсек с коаксиальным 2Т-мостом закрыт съемным металлическим кожухом; дверка камеры выдвижная, металлическая, перемещающаяся по направляющим профильным планкам, жестко закрепленными на горизонтальных отрезках металлической рамки, в совокупности с дроссельной канавкой в металлической рамке она образует при закрытой дверке дроссельный фильтр, обеспечивающий экранизацию микроволнового поля внутри камеры, качество которой повышает углубление с электромагнитным уплотнением по всему периметру рамки.
Благодаря использованию модуля возбуждения в виде линейки из 2-х идентичных полосковых антенн с излучателями в виде металлического диска и коаксиальным входом, излучающих волны с круговой поляризацией, включенных неэквидистантно, применению коаксиального 2Т-моста для деления и подачи равной мощности к антеннам от микроволнового генератора, хорошему согласованию генератора с модулем возбуждения и >20 дБ развязкой между плечами I и II коаксиального 2Т-моста, достигнутым с помощью настройки шлейфового трансформатора, удалось добиться заметного увеличения эффективности (КПД) и равномерности распределения энергии микроволнового поля внутри камеры нагрева, существенно ослабить зависимость эффективности работы микроволновой печи от объема, массы и месторасположения обрабатываемого продукта в камере.
Благодаря использованию выдвижной дверки и встроенного в полость камеры дроссельного фильтра удалось обеспечить высококачественную стабильную экранизацию микроволнового поля в камере работающей печи, существенно уменьшить массу дверки, затраты на ее изготовление, в т.ч. и за счет исключения из конструкции петель подвеса.
Благодаря децентрализованной компоновке конструкции микроволновой печи, разбиению ее на блоки (камера, электронный блок, коаксиальный тракт передачи микроволновой мощности от генератора к полосковым антеннам) существенно (более чем на 25%) сокращаются производственные расходы на единицу продукции, на 15% - эксплуатационные.
Были проведены экспериментальные исследования камеры с размерами 241×343×400, аналогичной по размерам и конструкции с камерой печи RCS10MPS, производитель Amana, США.
2Т-мост с помощью шлейфового трансформатора обеспечил деление мощности на 2, при этом погрешность относительных измерений не превышала ±1,5%.
Подключение к плечам I и II 2Т-моста аналогичных по конструкции полосковых антенн с дисковыми излучателями, имеющих равные импедансы, не нарушило его настройки.
Реакция на генератор (измерялся сигнал, пропорциональный квадрату напряженности Е-поля в плече III 2Т-моста) камеры с установленной линейкой из 2-х идентичных полосковых антенн, включенных неэквидистантно, и нагрузкой в виде 1л стеклянной колбы с водой, расположенной в центре днища камеры, отсутствовала.
Многократные измерения и расчеты по методике МЭК для нагрузки камеры нагрева в виде 9-ти стеклянных стаканчиков с водой (объем 0,1 л) дали следующие результаты:
| - Коэффициент равномерности распределения микроволновой энергии в камере, α, % | 92 |
| - Эффективность (КПД), η, % | 61 |
Краткое описание чертежей
На фиг.1 показан общий вид микроволновой печи, на фиг.2 - схема подачи микроволновой энергии от генератора 14 к полосковым антеннам 7 и 8 с помощью коаксиального 2Т-моста 12, согласованного шлейфовым трансформатором 13.
Лучший вариант осуществления изобретения
Микроволновая печь представляет собой устройство для тепловой обработки пищевых продуктов, содержащее камеру нагрева 3, снабженную выдвижной дверкой 2 с ручкой для перемещения 1, микроволновый генератор 14, расположенный в имеющем общую стенку с камерой нагрева 3 съемном корпусе электронного блока 9, выполненного в виде лотка, открытый конец которого по всему периметру окантован металлической рамкой с углублением и эластичным электромагнитным уплотнением (не показано), и модуль возбуждения, представляющий собой линейку из 2-х идентичных полосковых антенн 7 и 8 с излучателями в виде круглого металлического диска и коаксиальным входом, возбуждающих в камере электромагнитное поле с круговой поляризацией и включенных неэквидистантно, установленную внутри камеры нагрева 3 на ее боковой стенке так, что продольная ось симметрии линейки из 2-х полосковых антенн 7 и 8 совпадает с прямой линией на поверхности боковой стенки камеры 3, параллельной поверхности нижней стенки и лежащей на расстоянии, равном 3/4 высоты камеры 3, а поперечная ось симметрии линейки из 2-х полосковых антенн 7 и 8 совпадает с поперечной осью симметрии боковой стенки камеры; полосковые антенны 7 и 8 с излучателями в виде круглого металлического диска и коаксиальным входом подключены к плечам I и II коаксиального 2Т-моста 12, плечо III которого с помощью накидной гайки 10 подключено к генератору микроволновой мощности 14, а плечо IV - к шлейфовому трансформатору 13 с ручкой настройки 5; длины плеч I и II равны, их сумма составляет порядка 5/4λср (λср - средняя длина волны микроволновых колебаний генератора), длина плеча IV - порядка λcp/2, длина плеча III составляет 3/4 высоты боковой стенки камеры 3, в которой выполнены два отверстия с диаметрами, равными наружному диаметру внешнего проводника отрезков коаксиальной линии, образующих плечи I и II коаксиального 2Т-моста, имеющих на выходе изгиб под углом 90° в направлении к поверхности боковой стенки камеры и стопорное кольцо, расположенное на расстоянии порядка 8 мм от конца отрезка коаксиальной линии плечей I и II и ограничивающее глубину погружения в полость камеры 3 каждого из этих отрезков (на фиг.1, 2 не показаны); коаксиальные отрезки на входе полосковых антенн 7 и 8 рязъемно соединяются с коаксиальными отрезками плечей I и II коаксиального 2Т-моста, они снабжены накидными гайками (на фиг.1, 2 не показано), обеспечивающими жесткое механическое и электрическое соединение коаксиальных входов полосковых антенн 7 и 8 с отрезками коаксиальных линий, соответственно, плечей I и II коаксиального 2Т-моста 12, жесткое крепление 2Т-моста 12 на внешней поверхности боковой стенки камеры 3 и полосковых антенн 7 и 8 на внутренней поверхности боковой стенки камеры 3; 2Т-мост закрыт съемным металлическим кожухом 11, обеспечивающим экранирование микроволнового поля.
Камера 3 микроволновой печи установлена на корпусе 9 электронного блока, жесткое механическое соединение камеры 3 и корпуса электронного блока 9 производится с помощью замков, электрическое соединение цепей - с помощью разъемов и хорошей гальванической связи днища камеры с корпусом 9 (на фиг.1 не показано). Дверка 2 камеры 3 выдвижная, перемещается по направляющим параллельным профильным планкам (на фиг.1 не показано), жестко закрепленным на горизонтальных отрезках металлической рамки 4, в совокупности с дроссельной канавкой в металлической рамке 4 дверка 2 в закрытом состоянии образует дроссельный фильтр, обеспечивающий экранизацию микроволнового поля внутри камеры 3, качество которой повышает углубление с электромагнитным уплотнением по всему периметру металлической рамки.
Специфика сборки и работы устройства следующая. Независимо производят изготовление деталей и сборку камеры 3 с дверкой 2; электронного блока 9, включающего в себя генератор микроволновой мощности 14; полосковых антенн 7 и 8 с излучателями в виде круглого металлического диска и коаксиальным входом; коаксиального 2Т-моста 12 со шлейфовым трансформатором 13. Затем камеру 3 с дверкой 2 устанавливают на корпусе электронного блока 9 и жестко механически соединяют камеру 3 и корпус электронного блока 9 замками, а электрические цепи - разъемами. После этого коаксиальный 2Т-мост 12 присоединяют к выходу 10 микроволнового генератора 14, предварительно введя через отверстие в боковой стенке камеры 3 коаксиальные отрезки плечей I и II внутрь камеры нагрева 3, подключают с помощью разъемов полосковые антенны 7 и 8 к коаксиальным отрезкам, соответственно, плечей I и II и накидными гайками разъемов коаксиальных входов антенн 7 и 8 и коаксиального выхода 10 генератора 14 жестко механически фиксируют положение 2Т-моста и антенн 7 и 8 на боковой стенке камеры 3.
Финишная настройка печи производится с помощью шлейфового трансформатора 13.
Промышленная применимость
Проведенные испытания опытного образца микроволновой печи с возбуждением в резонансном объеме камеры нагрева кругополяризованного поля линейкой из 2-х полосковых антенн, включенных неэквидистантно, микроволновая мощность к которым подается с помощью настраиваемого коаксиального 2Т-моста, доказали реальность достижения значений коэффициента равномерности распределения микроволновой энергии внутри камеры нагрева 92%, эффективности 61%.
Себестоимость при серийном производстве таких печей на 20-25% ниже по сравнению с себестоимостью микроволновых печей с централизованной компоновкой, металлоемкость, а следовательно, и масса уменьшены на 10-15%, увеличена надежность эксплуатации.
Источники информации
1. US, form #ACR 0125. Commercial microwave oven RCS10MPS, 2001.
2. патент RU №2124278, кл. Н 05 В 6/64, 1998.
3. А.Вайсфлох. Теория цепей и техника измерений в дециметровом и сантиметровом диапазонах. Москва, из-во "Советское радио", 1961 г., стр.433.
1. Микроволновая печь, представляющая собой устройство для тепловой обработки пищевых продуктов энергией микроволнового поля, содержащее камеру нагрева, снабженную дверкой, электронный блок, включающий в себя генератор микроволновой мощности и подключенный к нему модуль возбуждения камеры нагрева, представляющий собой полосковую антенну круговой поляризации с излучателем в виде круглого металлического диска, корпус которого в виде лотка по всему периметру открытого конца неразъемно соединен с металлической рамкой и состыкован с хорошим электрическим контактом с боковой стенкой камеры, отличающееся тем, что в устройстве для тепловой обработки пищевых продуктов энергией микроволнового поля используется модуль возбуждения электромагнитного поля в камере, представляющий собой линейку из двух идентичных полосковых антенн с излучателями в виде круглого металлического диска и коаксиальным входом, возбуждающих в камере электромагнитные волны с круговой поляризацией и включенных неэквидистантно, установленную внутри камеры нагрева на ее боковой стенке так, что продольная ось симметрии линейки из двух полосковых антенн совпадает с прямой линией на поверхности боковой стенки камеры, параллельной поверхности нижней стенки и лежащей на расстоянии 3/4 высоты камеры, а поперечная ось симметрии линейки из двух полосковых антенн совпадает с поперечной осью симметрии боковой стенки; полосковые антенны подключены к плечам I и II коаксиального двойного Т-моста, к плечу III которого подключен генератор микроволновой мощности, а к плечу IV - шлейфовый трансформатор; длины плеч I и II коаксиального двойного Т-моста равны, сумма длин составляет порядка 5/4λср., где λср. - средняя длина волны микроволновых колебаний генератора, длина плеча IV порядка λср/2, плеча III - 3/4 высоты боковой стенки камеры.
2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что его компоновка выполнена по децентрализованной схеме и является блочной конструкцией, состоящей из камеры нагрева с дверкой, установленной на корпусе электронного блока, включающего в себя микроволновый генератор, и коаксиального двойного Т-моста, установленного на внешней стороне боковой стенки камеры, для подачи микроволновой энергии к полосковым антеннам, расположенным на внутренней поверхности боковой стенки камеры.
