МИКРОВОЛНОВАЯ ПЕЧЬ
MICROWAVE OVEN

Область техники
Изобретение относится к микроволновой технике, в частности, к электронагревательным аппаратам, использующим энергию микроволнового ноля, и предназначено для тепловой обработки продуктов питания.
Предшествующий уровень техники
Известна микроволновая печь, представляющая собой устройство для тепловой обработки продуктов питания, содержащая камеру нагрева в форме параллелепипеда, в одной из боковых стенок которой выполнено прямоугольное отверстие для подключения возбудителя электромагнитного поля (ЭМП) в полости камеры, представляющего из себя укороченную пирамидальную рупорную антенну, микроволновый генератор, выход которого соединен со входом возбудителя, а также вращающуюся платформу для размещения обрабатываемого продукта, выполненную из диэлектрического материала. Камера нагрева снабжена дверкой, закрепленной с помощью петель [1].
Основным недостатком известного устройства является его низкая эффективность. Причиной этому является использование ортогонального способа подключения пирамидального рупора к камере нагрева, не позволяющего обеспечить равномерное распределение источников нагрева в полости камеры, а следовательно, достичь высокого качества обработки продуктов. Коэффициент равномерности распределения источников нагрева α=38% при отсутствии вращения и α≈62% при вращении обрабатываемого продукта на платформе. (Измерения выполнены согласно [4]).
Вращение платформы вследствие анизотропии диэлектрического материала приводит к заметному изменению импеданса камеры и ее резонансной частоты, и как следствие, к уменьшению микроволновой мощности, поступающей в камеру, т.е. снижению эффективности МВП. Кроме того, подвес дверки печи на петлях ненадежен: со временем возникает перекос плоскости дверки со встроенным дроссельным фильтром относительно «фланцев» на входе камеры нагрева, приводящий к заметному увеличению (в два-пять раз) микроволновой энергии, излучаемой в свободное пространство.
Наиболее близким техническим решением к изобретению является МВП [2], представляющая собой устройство для нагрева энергией микроволнового поля, содержащее камеру нагрева, снабженную дверкой, микроволновый генератор, расположенный в имеющем общую стенку с камерой нагрева съемном корпусе электронного блока, и модуль возбуждения, установленный в выполненном в общей задней стенке камеры нагрева отверстии связи для ввода микроволновой энергии; модуль возбуждения содержит отрезок коаксиальной линии, к выходу которого подключена одноэлементная полосковая антенна, возбуждающая в полости рабочей камеры ЭМП с круговой поляризацией, при этом продольная ось симметрии полосковой антенны, совпадающая с направлением излучения, перпендикулярна дверке передней стенки камеры; камера нагрева и корпус электронного блока механически и электрически разъемно соединены с помощью замков, излучение микроволновой энергии из щелей в месте соединения экранировано дроссельным фильтром, установленным по всему периметру общей стенки рабочей камеры [2].
Основным недостатком этого устройства является его низкая эффективность. Одноэлементный полосковый возбудитель при ортогональном подключении к камере нагрева формирует в ее полости ЭМП с равномерностью распределения (40÷45)% без вращающейся платформы. Это приводит к неравномерному нагреву продуктов и низкому качеству приготовления блюд. КПД печи также не высокий.
Раскрытие изобретения
Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности устройства за счет улучшения характеристик системы возбуждения ЭМП в полости камеры нагрева, уменьшение затрат в производстве и на проектирование новых моделей за счет использования блочной компоновки конструкции МВП и исключения из конструкции вращающейся платформы, повышение качества тепловой обработки продуктов питания и уменьшение эксплуатационных расходов.
Это достигается за счет того, что МВП, представляющая собой устройство для нагрева продуктов питания энергией микроволнового поля, содержащая камеру нагрева, снабженную дверкой, микроволновый генератор, расположенный в имеющем общую стенку с камерой нагрева корпусе электронного блока, и модуль возбуждения, установленный в выполненном в общей задней стенке камеры отверстии связи для ввода микроволновой энергии, представляющий из себя отрезок коаксиальной линии, к выходу которого подключена одноэлементная полосковая антенна, возбуждающая в полости камеры ЭМП с круговой поляризацией; камера нагрева и корпус электронного блока механически и электрически разъемно соединены с помощью замков, излучение микроволновой энергии из щелей в месте соединения камеры и корпуса электронного блока экранировано дроссельным фильтром, установленым по всему периметру общей стенки, согласно изобретению в устройстве для тепловой обработки энергией микроволнового поля в качестве возбудителя ЭМП в камере нагрева используется 2-х элементная полосковая антенна, возбуждающая в полости камеры ЭМП с круговой поляризацией, подключенная через отверстие в задней стенке 13, 14, 15 камеры 3, фиг.1a, и сориентирована в полости камеры так, что продольная ось симметрии антенны, в направлении которой она излучает электромагнитную энергию , совпадает с «диагональю ребра» - прямой, соединяющей точку, делящую пополам линию изгиба 17, 19 задней стенки камеры, фиг.16, совпадающую с поперечной осью симметрии антенны, с точкой 21, делящей пополам ребро «двугранного угла», образованного криволинейной поверхностью дверки 1, фиг.1а и поверхностью нижней стенки камеры; 2-х элементная полосковая антенна, состоящая из излучателя 5, имеющего форму двух пересекающихся краями дисков ("сжатая восьмерка"), изготовленного как единое целое из листового металла с высокой электропроводностью, и экрана 7 эллипсообразной формы, также изготовленного из листового металла с высокой электропроводностью и закрепленного через отверстие в центре жестко механически с хорошим гальваническим контактом на внешнем проводнике коаксиального отрезка коаксиально-волноводного перехода (КВП) 6, фиг.1а, при этом каждая из ветвей излучателя-«восьмерки» для обеспечения синфазного питания соединена механически и гальванически в характерных точках с помощью втулок из металла с высокой электропроводностью с экраном 7, а центр симметрии «восьмерки» 0 соединен с центральным проводником коаксиального отрезка КВП 6, по прямоугольному волноводу 8, фиг.1б, которого с размерами сечения 90х20 мм микроволновая энергия передается от источника микроволновой мощности; дверка 1 камеры 3, кривизна поверхности которой описывается уравнением параболы с горизонтальной осью, изготовлена из тонкой, толщиной 0,3 мм, листовой нержавеющей стали, ~1/2 поверхности дверки перфорирована отверстиями с Ф 2 мм, краями (шириной ~15 мм) по всему периметру дверка плотно, с зазором ~0,1 мм, прилегает к дроссельному фильтру (на фиг.1 не показано), установленному внутри раскрыва камеры с целью экранирования ЭМП работающей МВП, при открытии-закрытии камеры 3 дверка 1 поворачивается вокруг оси 2; камера 3, имеющая в сечении 11, 12, 13, 14, 15 криволинейный профиль, изготовлена из листовой низкосортной стали толщиной 0,5 мм, на ее задней стенке 13, 14, 15 точечной сваркой закреплен П-образный металлический профиль с внутренними размерами 90×20 мм, образующий прямоугольный волновод 8 с этими же размерами, к выходному фланцу которого подключается источник микроволновой мощности, установленный вместе с системой управления, блокировки и охлаждения в корпусе 4 электронного блока (на фиг.1 не показано), на передней панели которого 10 закреплен пульт управления. Защитная крышка 9 обеспечивает экранирование излучения КВП.
Благодаря использованию диагонального (типа «диагональ ребра») способа подключения возбудителя ЭМП к камере нагрева - двухэлементной полосковой антенны с излучателем в виде «сжатой восьмерки», параболической формы дверки при возбуждении в полости камеры ЭМП с круговой поляризацией коэффициент равномерности распределения источников нагрева без вращения образцовой нагрузки составил ~92%, что соответствует практически идеальному режиму тепловой обработки продуктов питания в МВП.
Благодаря равномерному распределению микроволновой энергии в полости камеры, хорошему согласованию линии генератор-возбудитель-камера с нагрузкой, стабильности характеристик двухэлементной типа «сжатой восьмерки» полосковой антенны в полосе дрейфа частоты генератора достигнуто существенное повышение эффективности работы печи.
Использование блочной компоновки конструкции МВП, исключение дополнительного кожуха из металла, охватывающего рабочую камеру, петель подвеса дверки и вращающейся платформы существенно сокращает расходы в производстве и на проектирование новых моделей МВП.
Краткое описание чертежей
На фиг.1а показан общий вид МВП в разрезе вертикальной плоскостью, параллельной боковой стенке, а на фиг.1б - общий вид в разрезе вертикальной плоскостью, параллельной задней стенке камеры.
Лучший вариант осуществления изобретения
Микроволновая печь, представляющая собой устройство для тепловой обработки продуктов питания энергией микроволнового поля, содержит откидную дверку 1, камеру нагрева 3 и электронный блок 4.
Дверка 1 закреплена на оси 2, вокруг которой она поворачивается при открытии-закрытии камеры 3. Экранирование электромагнитного поля в камере при работающей МВП достигается за счет четвертьволнового фильтра (не показан), установленного по всему периметру в раскрыве камеры, к которому прилегает металлическая поверхность дверки. Внутри камеры 3 установлена двухэлементная полосковая антенна, возбуждающая ЭМП с круговой поляризацией и состоящая из излучателя 5 и экрана 7. Левый и правый элемент излучателя в характерных точках с помощью стоек из металла с высокой электропроводностью подключены к экрану 7, закрепленному через отверстие в центре на внешнем проводнике коаксиального выхода КВП 6 жестко с хорошим гальваническим контактом. Центр симметрии 0 двухэлементной полосковой антенны механически и электрически соединен с центральным проводником коаксиального выхода КВП 6. При таком подключении левой и правой частей полосковой антенны они питаются синфазно.
На внешней стороне криволинейной задней стенки 13, 14, 15 закреплен (пайкой или сваркой) П-образный металлический профиль, образующий прямоугольный волновод с размерами сечения 90×20 мм, по которому энергия микроволнового поля передается через КВП к двухэлементной полосковой антенне и далее в камеру нагрева. Все узлы микроволнового тракта тщательно отработаны, а сам тракт согласован до КСВН ≈ 1,3 (КСВН - коэффициент стоячей волны по напряжению).
Камера нагрева 3 установлена на корпусе 4 электронного блока. Между собой они соединены разъемно замками, конструкция МВП в сборке устойчива. Для экранирования поля излучения КВП 6 применена защитная металлическая крышка 9.
Экспериментальные исследования действующего образца МВП, изготовленного по изобретению, дали следующие результаты:
о коэффициент равномерности распределения источников нагрева в камере с эталонной нагрузкой в виде диэлектрической кассеты из 25 ячеек с водой объемом 0,04 л каждая α %=92
- эффективность работы МВП η %=58
2
- плотность потока мощности излучения в свободное пространство мкВт/см = 15
Тестирование МВП выполнено согласно [4].
Промышленная применимость
Проведенные испытания действующего образца микроволновой печи, изготовленного по изобретению, дали результаты, свидетельствующие о существенном повышении эффективности работы МВП. Основными из них являются коэффициент равномерности распределения источников нагрева α≈92% без вращения платформы и КПД η=58%. По этим параметрам созданная микроволновая печь заметно превосходит известные модели.
Эффектной может быть офисная МВП с дизайном, основанным на чертежах. Нетрадиционные форма камеры и дверки заметно расширяют возможности художественного конструирования по сравнению с традиционным параллелепипедом.
Источники информации
1. Microwave Oven M245/M945. Samsung Electronics. 2001 г.
2. Микроволновая печь. Патент РФ №2149520 от 20.05.2000 г. Автор Жилков B.C.
3. А.Ф.Харвей. Техника сверхвысоких частот. Перевод с английского под ред. В.И.Сушкевича. Изд-во "Соврадио", М., 1965 г., 783 стр.
4. Norma International CEI IEC. International Standard 60705, Edition 3.2.2006-03.