Микроволновая печь
Микроволновая печь содержит источник СВЧ энергии, СВЧ камеру, включающую дно, стенки, образующие совместно с дном замкнутую полость, и плату с нагреваемым продуктом, расположенную в нижней части СВЧ камеры, первый одномодовый фидер, пространственно разнесенные первый и второй излучатели, выполненные с возможностью излучения в СВЧ камеру СВЧ энергии, поляризованной взаимно ортогонально, верхняя часть СВЧ камеры включает первую область, смежную с первым одномодовым фидером, первый излучатель размещен в части стенки камеры, ограничивающей указанную первую область, второй излучатель размещен в верхней части СВЧ камеры, а плата с размещенным на ней нагреваемым продуктом расположена в области соприкосновения, либо в непосредственной близости границ сечений первичных парциальных потоков мощности по уровню 3 дБ от первого и второго излучателей. Печь содержит второй одномодовый фидер, соединяющий источник СВЧ энергии с СВЧ камерой, при этом первый и второй одномодовые фидеры соединены с источником СВЧ энергии через волноводный 3 дБ разветвитель, верхняя часть СВЧ камеры включает вторую область, смежную со вторым одномодовым фидером, а второй излучатель размещен в части стенки СВЧ камеры, ограничивающей указанную вторую область. Излучатели могут быть выполнены с возможностью излучения линейно-поляризованных волн, волн круговой поляризации. Каждый из излучателей может быть выполнен в виде одиночного щелевого излучателя, петлевого излучателя. Технический результат заключается в расширении области равномерного нагрева, улучшении технологичности конструкции и эксплуатационных характеристик. 12 з.п. ф-лы, 8 ил.
Изобретение относится к технической физике, в частности технике СВЧ нагрева, может быть использовано в устройствах для нагрева диэлектриков с помощью высокочастотного электромагнитного поля, например, в бытовых микроволновых печах для обеспечения равномерного пространственного распределения СВЧ энергии в области расположения нагреваемого продукта.
Широко известно, что микроволновая печь включает источник СВЧ энергии, СВЧ камеру, фидер, соединяющий источник СВЧ энергии с СВЧ камерой, один или несколько излучателей, размещенных в одной или нескольких стенках СВЧ камеры для возбуждения в ней СВЧ энергии, а также плату для размещения нагреваемого продукта, расположенную в СВЧ камере (см., например, пат. США N N 4458186, 1984 г., 4463239, 1984 г., 4580023, 1985 г, пат.США N 4318069, 1982 г., пат. ЕПВ N 0201947, 1990 г. и др.). Известно также, что без принятия специальных мер СВЧ энергия имеет неравномерное пространственное распределение в области размещения нагреваемого продукта. В результате этого в нагреваемом продукте возникают так называемые "горячие" и "холодные" точки, что приводит к неудовлетворительным результатам тепловой обработки многих типов продуктов, поскольку в таких условиях часть продукта может быть чрезмерно нагретой, в то время как другая часть окажется едва нагретой. Общепринято объяснять это обстоятельство установлением в СВЧ камере стоячих волн, возникающих в результате интерференции различных потоков СВЧ мощности, как первичных, от излучателей, так и переотраженных от стенок СВЧ камеры и от нагреваемого продукта. Нежелательное перераспределение СВЧ энергии происходит между узлами и пучностями возникающей интерференционной картины. Проблеме обеспечения равномерного нагрева продукта, находящегося в СВЧ камере традиционно уделялось большое внимание. Известно решение указанной проблемы путем реализации периодического изменения пространственного распределения СВЧ энергии в СВЧ камере, препятствующего возникновению в ней установившихся стоячих волн, или периодическим изменением положения нагреваемого продукта, что препятствует возникновению установившихся узлов и пучностей мощности на поверхности продукта. Эти изменения могут осуществляться как механическим, так и электронным путем. Изменение пространственного распределения СВЧ энергии путем механического его перемешивания реализуется с помощью специального перемешивающего устройства, установленного в СВЧ камере (например, пат. США N N 4458186, 1984 г., 4463239, 1984 г., 4580023, 1985 г.) или в фидере (например, пат.США N 4318069, 1982 г., пат.ЕПВ N0201947, 1990 г.). Периодическое изменение положения нагреваемого продукта реализуется путем перемещения или вращения платы, на которой размещен нагреваемый продукт (например, пат.США N 5317086, 1994 г., пат.ЕПВ N 0084272, 1987 г.). Примером изменения пространственного распределения СВЧ энергии в СВЧ камере электронным путем могут служить технические решения по пат. США N 4301347, 1981 г. пат.США N 4324968, 1982 г., пат. США N 4336434, 1982 г. Так в микроволновой печи по пат. США N 4301347, 1981 г. равномерность нагрева помещенного в СВЧ камеру продукта улучшена благодаря использованию вращающихся эллиптически-поляризованных электромагнитных волн. Формирование этих волн обеспечивается с помощью крестообразного излучателя (либо с помощью двух одиночных, взаимно ортогональных, ориентированных под углом 45o к оси фидера щелевых излучателей) совместно с перестраиваемым фазовращателем. Крестообразный излучатель излучает электромагнитные волны левой и правой круговой поляризации, а перестраиваемый фазовращатель изменяет фазу одной из поляризаций. В результате интерференции волн двух поляризаций в СВЧ камере формируются электромагнитные волны эллиптической поляризации, ось которой поворачивается в соответствии с законом изменения фазы одной из круговых поляризаций. А по пат. США N 4324968 предлагается осуществлять излучение электромагнитных волн с круговой поляризацией в СВЧ камеру посредством крестообразного щелевого излучателя, электрическое местоположение которого относительно оси фидера изменяется по заданному закону. В результате форма распределения СВЧ энергии в плоскости платы для расположения продукта изменяется от круговой к эллиптической в соответствии с перемещением электрического положения излучателя. Другой путь решения указанной проблемы реализован в техническом решении по пат. США N 4336434, где электромагнитные волны круговой поляризации излучают в СВЧ камеру через элементы связи, сфазированные определенным образом для формирования концентрированного луча. Фазовые соотношения между элементами связи изменяют во времени по заданному закону, в результате чего сформированный луч сканирует внутри полости СВЧ камеры. Микроволновая печь по пат. США N 4464554, 1984 г. содержит волновод, размещенный вдоль одной из стенок СВЧ камеры, в котором размещена решетка излучателей для возбуждения электромагнитной энергии в СВЧ камере. Конфигурация решетки излучателей такова, что в зависимости от заданных фазовых соотношений обеспечивается установление первого или второго стационарного пространственного распределения СВЧ энергии в СВЧ камере. Каждое из распределений включает области с высокой плотностью СВЧ энергии, которые перемежаются с областями с низкой плотностью СВЧ энергии, при этом области с высокой плотностью СВЧ энергии первого пространственного распределения электромагнитной энергии соответствуют областям с низкой плотностью СВЧ энергии второго пространственного распределения СВЧ энергии. Поэтому периодическое переключение фазы пространственного распределения обеспечивает равномерность усредненного во времени пространственного распределения плотности энергии в области размещения продукта. Предпринимаемые в известных технических решениях меры, действительно, обеспечивают приемлемую равномерность распределения СВЧ энергии в области расположения нагреваемого продукта. Однако общим недостатком этих технических решений, как тех, в которых выравнивание распределения СВЧ энергии осуществляется механическим путем, так и тех, в которых оно осуществляется электронным путем, является недостаточная технологичность конструкции. Это обусловлено необходимостью использования движущихся элементов и исполнительных механизмов, что в СВЧ конструкциях нежелательно, поскольку сопряжено либо с дополнительными потерями СВЧ энергии, либо с возникновением нежелательных искрений и плазмообразований, т.е. с потерей электропрочности. По патенту России N 2000677, 1992 г. предлагается выполнить внутренние поверхности боковых стенок в виде периодической гребневой структуры, направление гребней которой параллельно плоскостям торцевых стенок. При этом излучатели выполнены с возможностью возбуждения в СВЧ камере электромагнитного поля, имеющего только продольную по отношению к гребням составляющую напряженности электрического поля. Однако гребневая структура обеспечивает равномерное распределение СВЧ энергии лишь в отсутствии продукта в СВЧ камере. Поскольку нагреваемый продукт в общем случае не обладает необходимой симметрией, то помещение его в СВЧ камеру приводит к возникновению электромагнитных волн с другой поляризацией, что нарушает равномерность распределения СВЧ энергии, следствием чего является неравномерный нагрев продукта. Ближайшим аналогом настоящего изобретения по совокупности сходных существенных признаков является микроволновая печь, известная по пат. США N 3218518, 1963 г. Эта микроволновая печь содержит источник СВЧ энергии, СВЧ камеру, а также первый и второй излучатели, выполненные с возможностью излучения в СВЧ камеру энергии, поляризованной в двух взаимно ортогональных направлениях. СВЧ камера включает дно, стенки, образующие совместно с дном замкнутую полость, и две диэлектрические платы, ограничивающие область размещения нагреваемого продукта. Одна плата расположена выше горизонтальной плоскости симметрии СВЧ камеры, а другая - ниже нее. Нагреваемый продукт размещают приблизительно в горизонтальной плоскости симметрии СВЧ камеры. Источник СВЧ энергии соединен с СВЧ камерой с помощью двух одномодовых фидеров, выполненных в виде волноводов, при этом как верхняя, так и нижняя части СВЧ камеры, включают область, смежную с соответствующим волноводом. Излучатели размещены по разные стороны горизонтальной плоскости симметрии, один - в стенке, ограничивающей указанную область нижней части СВЧ камеры, а другой в стенке, ограничивающей указанную область верхней ее части. Конструкция этой микроволновой печи достаточно технологична, поскольку не содержит движущихся элементов. Недостатком этой конструкции является сравнительно небольшая область равномерного нагрева. Это обусловлено тем, что в вертикальной плоскости область равномерного нагрева сосредоточена в окрестности горизонтальной плоскости симметрии СВЧ камеры, поскольку нагрев продукта осуществляется с помощью излучателей, размещенных симметрично по разные стороны этой плоскости. При этом линейные размеры области равномерного нагрева в горизонтальной плоскости определяются линейными размерами сечения потока мощности от одного излучателя в горизонтальной плоскости симметрии СВЧ камеры и ограничены приемлемыми размерами СВЧ камеры. Это ограничивает класс продуктов, для которых можно реализовать равномерный нагрев. Таким образом, задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является разработка микроволновой печи с улучшенными эксплуатационными характеристиками, а именно микроволновой печи, характеризующейся расширенной областью равномерного нагрева, а также технологичностью конструкции. Сущность разработанной микроволновой печи заключается в том, что она так же, как и микроволновая печь, которая является ближайшим аналогом, содержит источник СВЧ энергии, СВЧ камеру, первый одномодовый фидер, соединяющий источник СВЧ энергии с СВЧ камерой, а также пространственно разнесенные первый и второй излучатели. Первый и второй излучатели выполнены с возможностью излучения в СВЧ камеру СВЧ энергии, поляризованной взаимно ортогонально. СВЧ камера включает дно, стенки, образующие совместно с дном замкнутую полость, и плату с размещенным на ней продуктом, расположенную в нижней части СВЧ камеры. Верхняя часть СВЧ камеры включает первую область, смежную с первым одномодовым фидером, а первый излучатель размещен в части стенки СВЧ камеры, ограничивающей указанную первую область. Новым в разработанной микроволновой печи является то, что второй излучатель размещен в верхней части СВЧ камеры, а плата с размещенным на ней нагреваемым продуктом расположена в области соприкосновения либо в непосредственной близости границ сечений первичных парциальных потоков мощности по уровню 3 дБ от первого и второго излучателей. В частном случае второй излучатель размещен в стенке СВЧ камеры, ограничивающей указанную первую область, между источником СВЧ энергии и первым излучателем, при этом первый излучатель выполнен практически полностью согласованным с первым одномодовым фидером, а второй излучатель выполнен с возможностью излучения приблизительно половины СВЧ энергии в СВЧ камеру и передачи оставшейся части к первому излучателю. В другом частном случае микроволновая печь содержит второй одномодовый фидер, соединяющий источник СВЧ энергии с СВЧ камерой, при этом первый и второй одномодовые фидеры соединены с источником СВЧ энергии через волноводный 3 дБ разветвитель, верхняя часть СВЧ камеры включает вторую область, смежную со вторым одномодовым фидером, а второй излучатель размещен в части стенки СВЧ камеры, ограничивающей указанную вторую область. В другом частном случае первый и второй излучатели выполнены с возможностью излучения линейно-поляризованных волн. В конкретной реализации этого частного случая каждый из излучателей выполнен в виде одиночного щелевого излучателя, при этом первый и второй излучатели имеют взаимно ортогональную ориентацию. В другой конкретной реализации этого частного случая каждый из излучателей выполнен в виде петлевого излучателя, при этом плоскости петли первого и второго излучателей имеют взаимно ортогональную ориентацию. В другой конкретной реализации этого частного случая один из излучателей выполнен в виде петлевого излучателя, а другой излучатель выполнен в виде одиночного щелевого излучателя, при этом плоскость петли петлевого излучателя и одиночный щелевой излучатель ориентированы параллельно друг другу. В другом частном случае первый и второй излучатели выполнены с возможностью излучения волн круговой поляризации. В конкретной реализации этого частного случая одномодовый фидер выполнен в виде полого волновода, а каждый из излучателей выполнен в виде крестообразной щели. В другом частном случае СВЧ камера выполнена в виде прямоугольного параллелепипеда. В конкретной реализации этого частного случая первый и второй излучатели размещены в противоположных боковых стенках СВЧ камеры. В другой конкретной реализации этого частного случая первый и второй излучатели размещены в верхней стенке СВЧ камеры. В другой конкретной реализации этого частного случая один из излучателей размещен в верхней стенке СВЧ камеры вблизи одной из боковых стенок, а другой излучатель размещен в противоположной боковой стенке СВЧ камеры. Сущность настоящего изобретения можно пояснить следующим образом. Большая часть тел, нагреваемых в микроволновой печи, является слабо отражающими, поэтому резонансные свойства СВЧ камеры с размещенным в ней продуктом проявляются достаточно слабо. В еще большей степени это имеет место при размещении в СВЧ камере продуктов, линейные размеры которых сравнимы с линейными размерами полости СВЧ камеры, т.е. именно тех продуктов, в отношении которых проблемы неравномерного нагрева особенно остры. Высокий коэффициент заполнения СВЧ камеры продуктами такого типа ослабляет в еще большей степени и без того слабые резонансные свойства СВЧ камеры. Это позволяет пренебречь влиянием переотраженных от поверхности нагреваемого продукта потоков мощности, и в качестве конструктивного критерия равномерного нагрева использовать степень равномерности пространственного распределения плотности первичных потоков мощности в нижней части СВЧ камеры, т.е. в области расположения продукта. Излучение в СВЧ камеру электромагнитной энергии двух взаимно ортогональных поляризаций, которые не могут интерферировать между собой, при размещении излучателей пространственно разнесенными в верхней части СВЧ камеры препятствует возникновению установившихся стоячих волн в СВЧ камере и обеспечивает соприкосновение либо непосредственную близость границ сечений первичных парциальных потоков мощности по уровню 3 дБ в нижней части СВЧ камеры. Размещение платы с нагреваемым продуктом в нижней части камеры в области соприкосновения либо в непосредственной близости границ сечений первичных парциальных потоков мощности обеспечивает необходимый технический результат - расширенную область равномерного распределения СВЧ энергии, а следовательно, расширенную область равномерного нагрева. Это достигается тем, что при указанном размещении платы с нагреваемым продуктом линейные размеры области равномерного распределения СВЧ энергии в горизонтальной плоскости, а следовательно, равномерного нагрева продукта определяются в одном направлении - диаметром сечения первичного парциального потока СВЧ мощности в плоскости платы для нагрева продукта, а в другом - суммой диаметров сечений первичных парциальных потоков СВЧ мощности в этой плоскости. Нетрудно видеть, что площадь области равномерного распределения потоков СВЧ мощности на поверхности платы для нагрева продукта в предложенном техническом решении превышает площадь аналогичной области в микроволновой печи, которая является ближайшим аналогом, по 3 дБ уровню мощности не менее, чем в 2 раза, а по уровню мощности 0,9 - более, чем в 4 раза. Кроме того, очевидно, что расположение в разработанной микроволновой печи излучателей по одну сторону от нагреваемого продукта увеличивает в несколько раз область равномерного нагрева в вертикальной плоскости, по сравнению с микроволновой печью, которая является ближайшим аналогом. Все это дает возможность реализовать равномерный нагрев продуктов, имеющих большие линейные размеры, как в горизонтальной плоскости, так и в вертикальной плоскости. Изобретение не требует для своей реализации сложных, громоздких конструктивных решений. Это позволяет решить задачу, на решение которой направлено настоящее изобретение, - разработать микроволновую печь с улучшенными эксплуатационными характеристиками, а именно микроволновую печь, которая характеризуется расширенной областью равномерного нагрева, а также технологичностью конструкции. Конкретные виды и формы выполнения излучателей, а также конкретная конфигурация СВЧ камеры характеризуют изобретение в частных конкретных случаях его выполнения. На фиг. 1 показан общий вид одного из вариантов разработанной микроволновой печи. На фиг. 2 изображен вид сверху микроволновой печи, изображенной на фиг. 1. На фиг. 3 изображен вид сверху другого варианта разработанной микроволновой печи. Фиг. 4 иллюстрирует первичные парциальные потоки мощности в СВЧ камере, микроволновой печи, выполненной по фиг. 3. На фиг. 5 показано распределение плотности потоков мощности в диаметральной плоскости СВЧ камеры. На фиг. 6 приведены линии 3 дБ уровня плотности потоков мощности в СВЧ камере разработанной микроволновой печи. На фиг. 7а,б показаны общий вид и вид сверху петлевых излучателей, размещенных в одномодовом волноводе. На фиг. 8а,б показаны общий вид и вид сверху излучателей, выполненных в виде крестообразной щели и размещенных в одномодовом волноводе. Микроволновая печь по фиг. 1, 2 содержит источник 1 СВЧ энергии, СВЧ камеру 2 и первый одномодовый фидер 3, соединяющий источник 1 с СВЧ камерой 2. Микроволновая печь включает также пространственно разнесенные первый и второй излучатели 4,5 соответственно, выполненные с возможностью излучения в СВЧ камеру СВЧ энергии, поляризованной взаимно ортогонально. СВЧ камера 2 включает дно 6, стенки 7, образующие совместно с дном 6 замкнутую полость 8, и плату 9 с размещенным на ней нагреваемым продуктом 10, расположенную в нижней части 11 СВЧ камеры 2. Верхняя часть 12 СВЧ камеры 2 включает первую область 13, смежную с первым одномодовым фидером 3. Первый и второй излучатели 4,5 размещены в части 14 стенки 7, ограничивающей первую область 13. Второй излучатель 5 размещен между источником 1 и первым излучателем 4, при этом первый излучатель 4 выполнен практически полностью согласованным с первым одномодовым фидером 3, а второй излучатель 5 выполнен с возможностью излучения приблизительно половины СВЧ энергии в СВЧ камеру 2 и передачи оставшейся части к первому излучателю 4. Для реализации этой функции излучатель 5 может быть снабжен согласующим элементом 15. Микроволновая печь по фиг. 3, 4 дополнительно содержит второй одномодовый фидер 16, соединяющий источник 1 с СВЧ камерой 2. Верхняя часть 12 СВЧ камеры 2 (см. фиг. 4) включает вторую область 17, смежную со вторым одномодовым фидером 16. В микроволновой печи по фиг. 3, 4 первый излучатель 4 размещен в части 14 стенки 7, ограничивающей первую область 13, как и в микроволновой печи по фиг. 1,2, а второй излучатель 5 размещен в части 18 стенки 7, ограничивающей вторую область 17. При выполнении микроволновой печи по фиг. 3, 4 первый и второй излучатели 4, 5 соответственно выполнены полностью согласованными с соответствующим первым и вторым одномодовым фидером 3, 16 соответственно. Первый и второй одномодовые фидеры 3, 16 соответственно соединены с источником 1 через волноводный 3 дБ разветвитель 19. На фиг. 1, 2, 3, 4 СВЧ камера 2 выполнена в виде прямоугольного параллелепипеда, а излучатели 4, 5 выполнены с возможностью излучения линейно-поляризованного излучения в виде одиночных щелевых излучателей, которые имеют взаимно ортогональную ориентацию. При выполнении СВЧ камеры 2 по фиг. 1, 2 для излучения в СВЧ камеру 2 волн круговой поляризации первый одномодовый фидер 3 выполнен в виде полого волновода, а каждый из излучателей 4,5 может быть выполнен в виде крестообразной щели (фиг. 8 а,б), при этом линия, соединяющая электрические центры излучателей, образует отличный от нуля угол
Формула изобретения
1. Микроволновая печь, содержащая источник СВЧ энергии, СВЧ камеру, первый одномодовый фидер, соединяющий источник СВЧ энергии с СВЧ камерой, а также пространственно разнесенные первый и второй излучатели, выполненные с возможностью излучения в СВЧ камеру СВЧ энергии, поляризованной взаимно ортогонально, при этом СВЧ камера включает дно, стенки, образующие совместно с дном замкнутую полость, и плату с размещенным на ней нагреваемым продуктом, расположенную в нижней части СВЧ камеры, верхняя часть СВЧ камеры включает первую область, смежную с первым одномодовым фидером, а первый излучатель размещен в части стенки СВЧ камеры, ограничивающей указанную первую область, отличающаяся тем, что второй излучатель размещен в верхней части СВЧ камеры, а плата с размещенным на ней нагреваемым продуктом расположена в области соприкосновения либо в непосредственной близости границ сечений первичных парциальных потоков мощности по уровню 3 дБ от первого и второго излучателей. 2. Микроволновая печь по п.1, отличающаяся тем, что второй излучатель размещен в части стенки СВЧ камеры, ограничивающей указанную первую область, между источником СВЧ энергии и первым излучателем, при этом первый излучатель выполнен практически полностью согласованным с первым одномодовым фидером, а второй излучатель выполнен с возможностью излучения приблизительно половины СВЧ энергии в СВЧ камеру и передачу оставшейся части к первому излучателю. 3. Микроволновая печь по п.1, отличающаяся тем, что она содержит второй одномодовый фидер, соединяющий источник СВЧ энергии с СВЧ камерой, при этом первый и второй одномодовые фидеры соединены с источником СВЧ энергии через волноводный 3 дБ разветвитель, верхняя часть СВЧ камеры включает вторую область, смежную со вторым одномодовым фидером, а второй излучатель размещен в части стенки СВЧ камеры, ограничивающей указанную вторую область. 4. Микроволновая печь по п.1, или 2, или 3, отличающаяся тем, что первый и второй излучатели выполнены с возможностью излучения линейно-поляризованных волн. 5. Микроволновая печь по п.4, отличающаяся тем, что каждый из излучателей выполнен в виде одиночного щелевого излучателя, при этом первый и второй излучатели имеют взаимно ортогональную ориентацию. 6. Микроволновая печь по п.4, отличающаяся тем, что каждый из излучателей выполнен в виде петлевого излучателя, при этом плоскости петли первого и второго излучателей имеют взаимно ортогональную ориентацию. 7. Микроволновая печь по п.4, отличающаяся тем, что один из излучателей выполнен в виде петлевого излучателя, а другой излучатель выполнен в виде одиночного щелевого излучателя, при этом плоскость петли петлевого излучателя и одиночный щелевой излучатель ориентированы параллельно друг другу. 8. Микроволновая печь по п.1, или 2, или 3, отличающаяся тем, что первый и второй излучатели выполнены с возможностью излучения волн круговой поляризации. 9. Микроволновая печь по п.8, отличающаяся тем, что одномодовый фидер выполнен в виде полого волновода, а каждый из излучателей выполнен в виде крестообразной щели. 10. Микроволновая печь по п.1, или 2, или 3, или 4, или 5, или 6, или 7, или 8, или 9, отличающаяся тем, что СВЧ камера выполнена в виде прямоугольного параллелепипеда. 11. Микроволновая печь по п.10, отличающаяся тем, что первый и второй излучатели размещены в противоположных боковых стенках СВЧ камеры. 12. Микроволновая печь по п.10, отличающаяся тем, что первый и второй излучатели размещены в верхней стенке СВЧ камеры. 13. Микроволновая печь по п.10, отличающаяся тем, что один из излучателей размещен в верхней стенке СВЧ камеры вблизи одной из боковых стенок, а другой излучатель размещен в противоположной боковой стенке СВЧ камеры.РИСУНКИ
Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8