УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПЕРЕДАЧИ МИКРОВОЛНОВОЙ ЭНЕРГИИ ОТ ГЕНЕРАТОРА В КАМЕРУ МИКРОВОЛНОВОЙ ПЕЧИ
APPARATUS FOR TRANSMITTING MICROWAVE ENERGY FROM GENERATOR TO MICROWAVE OVEN CHAMBER

Область техники
Изобретение относится к микроволновой технике, в частности к электронагревательным аппаратам, использующим энергию микроволнового поля, и предназначено для передачи микроволновой энергии от генератора в камеру микроволновой печи.
Предшествующий уровень техники
Известно устройство для передачи микроволновой энергии от генератора в камеру микроволновой печи, представляющее собой пирамидальную укороченную рупорную антенну, подключенную через отверстие связи к прямоугольному волноводному резонатору, в полость которого погружен вывод микроволновой энергии из источника - магнетронного генератора [1]. (Такие устройства используются практически во всех моделях МВП Samsung Electronics, LG и ряда других компаний).
Основными недостатками этого устройства являются существенно неравномерное распределение энергии микроволнового поля в полости камеры, зависимость указанного распределения и эффективности работы печи от объема, массы и месторасположения в камере обрабатываемого продукта, что приводит к неравномерному нагреву и некачественному приготовлению блюд, а также к увеличению потребления электроэнергии от сети питания.
Коэффициент равномерности распределения источников нагрева α=(38÷40)% при отсутствии вращения и α=64% при вращении обрабатываемого продукта на диэлектрической платформе. (Измерения выполнены согласно [7]. Эффективность передачи энергии от магнетрона в камеру уменьшается на (18÷20)% в связи с активными и реактивными потерями в многозвенной линии передачи.
Наиболее близкими техническими решениями к изобретению являются микроволновая печь с диагональным возбудителем ЭМП с круговой поляризацией в рабочей камере [2] и устройство для передачи микроволновой энергии в замкнутый объемный резонатор [3].
В этих устройствах основным элементом является полосковая антенна, возбуждающая в рабочей камере ЭМП с круговой поляризацией и формирующая равномерное распределение источников микроволнового нагрева (α>90%) в эквивалентной нагрузке [2, 3].
В устройстве [2] двухэлементная полосковая антенна состоит из излучателя, которой имеет форму сжатой восьмерки и изготовлен как единое и целое из листового металла с высокой электропроводимостью, и экрана квазиэллипсоидальной 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), 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, а центр симметрии «восьмерки» соединен с центральным проводником коаксиального отрезка КВП, к волноводному входу которого поступает энергия от микроволнового генератора.
Основными недостатками этого устройства являются:
a) заметные активные и реактивные потери (10÷12%) микроволновой энергии в многозвенной линии передачи между генератором и камерой МВП;
b) сложность индивидуального согласования импеданса полосковой антенны с полным сопротивлением камеры нагрева (резонатор с нагрузкой), что приводит к увеличению объема работ в процессе создания МВП с различными размерами камер нагрева;
c) невысокий уровень технологичности конструкции полосковой антенны, что существенно в серийном производстве.
Устройство [3] представляет из себя сборочную единицу, включающую магнетрон, вывод энергии которого погружен в настраиваемый прямоугольный резонатор, а из его полости с помощью встроенного волноводно-коаксиального перехода микроволновая энергия подается на вход полосковой антенны. Последняя используется в качестве возбудителя ЭМП с круговой поляризацией в резонаторных камерах нагрева различного назначения.
Основные недостатки этого устройства те же, что и у [2], однако уровень потерь энергии меньший (~8%), в связи с чем данное устройство применяется в технологическом оборудовании с микроволновым нагревом мощностью более 3 кВт.
Существенные потери энергии при ее канализации от микроволнового генератора в камеру нагрева, недостаточный уровень технологичности конструкций возбудителей ЭМП в полости рабочих камер препятствуют широкому применению полосковых антенн в бытовых и промышленных приборах, использующих микроволновый нагрев.
Раскрытие изобретения.
Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности работы устройства для передачи микроволновой энергии от генератора в камеру микроволновой печи, реализация высокоравномерного распределения источников микроволнового нагрева в нагрузке камеры и достижение уровня технологичности конструкции, соответствующего Требованиям организации серийного производства.
Это достигается за счет того, что устройство для передачи микроволновой энергии от генератора в камеру МВП, представляющее из себя сборочную единицу, включающую магнетрон, вывод энергии которого погружен в настраиваемый прямоугольный резонатор, а из его полости с помощью встроенного волноводно-коаксиального перехода микроволновая энергия подается на вход полосковой антенны, установленной и закрепленной на одной из стенок внутри камеры нагрева МВП и возбуждающей в камере ЭМП с круговой поляризацией, согласноизобретению, устройство для передачи микроволновой энергии от генератора в камеру МВП формализуется в виде узловой сборочной единицы, включающей в себя, Рис.1: магнетронный генератор 1, фланец 2 крепления магнетрона на стенке 3 рабочей камеры МВП, вывод микроволновой энергии из резонатора магнетрона, сверху закрытый керамической оболочкой 8, а снизу - металлическим колпачком 9 из тонкого (толщиной 0,24 мм) высокотемпературного металла; двухэлементную полосковую антенну с синфазным питанием, деталями которой являются излучатель 6, Рис.1, выполненный в виде цельного вытянутого в направлении оси ОХ, Рис.2, квазиэллипсоидального диска длиной ~λ и шириной λ/2 (λ - длина волны в свободном пространстве) и изготовленного из листового с высокой электропроводностью металла толщиной 1 мм; экран 3 как часть поверхности стенки камеры нагрева МВП; три короткозамыкающие (КЗ) стойки 4 из хорошо проводящего металла сверху, Рис.1, разъемно механически с хорошим гальваническим контактом соединенные с поверхностью экрана (стенки 3), а снизу КЗ стойки соединены механически с хорошим гальваническим контактом винтами 7 через отверстия 10, 11, 12, Рис.2, с излучателем 6, в центральное отверстие которого 13 с D=15,2 мм установлен и соединен пайкой по всему периметру металлический колпачок 9 вывода энергии из магнетрона 1.
Благодаря тому что конструкция узловой сборки устройства для передачи микроволновой энергии от генератора в камеру нагрева МВП, Рис.1, обеспечивает прямую связь вывода энергии магнетрона с полосковой антенной и рабочей камерой МВП, а также благодаря хорошему согласованию антенны с нагруженной камерой, потери энергии в тракте магнетрон-антенна-камера нагрева существенно уменьшены и составляют ~4%.
Благодаря качественному согласованию двухэлементной полосковой антенны с нагрузкой (1 л воды в стеклянном сосуде) камеры нагрева МВП, достигнутому при расстоянии = 26 мм, Рис.1, между излучателем 6 и экраном 3 и оптимальном положении фазового центра антенны при ее подключении к камере нагрева через отверстие 5 в верхней стенке, реализовано высокоравномерное распределение источников микроволнового нагрева, которому соответствует α≈94%.
Так как конструкция узловой сборки, Рис.1, не содержит прямоугольного резонатора и КВП, ее уровень технологичности значительно повышен, а затраты на изготовление существенно снижены. Это делает преобразователь микроволновой энергии весьма перспективным устройством для применения в бытовых МВП и в промышленном оборудовании.
Краткое описание чертежей.
На Рис.1 представлен эскиз сборочной единицы устройства для передачи микроволновой энергии от генератора в камеру МВП, выполненный в масштабе 1:1. Это устройство изготовлено и исследовано, а полученные результаты стали базой для подготовки настоящей заявки.
Ниже приводится описание деталей и элементов устройства согласно Рис.1, а также сведения о магнетроне и МВП, которые использовались при изготовлении и исследовании макета этого устройства.
Магнетрон 1, модель M24FA-410A, производитель Galanz, выпуск 2011 г; фланец магнетрона 2; стенка рабочей камеры 3 МВП, производитель «Saturn», объем рабочей камеры 17 л, выпуск 2011 г; КЗ стойка 4, материал латунь ЛС-59, диаметр 10 мм, высота 26 мм; излучатель 6, материал сталь н/ж листовая, толщина 1 мм, на Рис.2 приведен эскиз излучателя 6 в масштабе 1:1, соответственно, отверстия 10, 11, 12 предназначены для соединения винтами 7 излучателя 6 с КЗ стойками 4, а отверстие 13, Рис.2, для соединения пайкой излучателя 6 с металлическим колпачком 9 вывода энергии из магнетрона 1; керамическая оболочка 8 обеспечивает защиту вывода энергии магнетрона 1. Следует отметить, что выбор типа магнетрона и модель МВП не является принципиальным.
Лучший вариант осуществления изобретения.
Устройство для передачи микроволновой энергии от генератора в камеру МВП, Рис.1, представляет собою узловую сборочную единицу, включающую в себя двухэлементную с синфазным питанием полосковую антенну, вывод энергии из магнетрона, являющийся неотъемлемой частью конструкции антенны, и часть поверхности стенки камеры нагрева МВП, выполняющей функции экрана полосковой антенны.
Сборка и монтаж устройства в полости камеры МВП выполняются в следующем порядке. Три КЗ стойки 4 механически с хорошим гальваническим контрактом устанавливаются на внутренней поверхности стенки 3 и фиксируются винтами (на Рис.1 не показаны).
Затем устанавливается магнетрон 1, вывод энергии которого погружается в полость камеры МВП через отверстие 5 в стенке 3.
После этого монтируется излучатель 6: через соответствующие отверстия 10, 11, 12 крепится к КЗ стойкам 4 винтами 7, а металлический колпачок 9 с цанговым разъемом (на Рис.1 не показан) соединяется с оболочкой из керамики 8 вывода энергии из магнетрона 1.
Как следует из описания устройства для передачи микроволновой энергии от генератора в камеру МВП, его узлы и элементы по конструкции простые, их изготовление не предоставляет трудностей и не нуждается в уникальном оборудовании. Исключением является металлический колпачок 9, тем не менее технология производства таких деталей давно освоена в точном приборостроении.
Промышленная применяемость.
В процессе создания устройства для передачи микроволновой энергии от генератора в камеру МВП был выполнен комплекс исследований и испытаний опытного образца. В результате этих работ установлены оптимальные размеры КЗ стоек 4 (диаметр 10 мм, длина 26 мм), а также координаты точек 10, 11, 12 их соединения с излучателем 6, соответственно, точка 10 (-30, 12), точка 11 (40, 15), точка 12 (36, -22), Рис.2. Двухэлементная полосковая антенна с излучателем квазиэллипсоидальной формы в виде тонкого диска с размерами длина ~λ, ширина λ/2, толщина 1 мм была согласована в режиме излучения в свободное пространство до КСВН входа 1, 2 в полосе частот (2,4÷2,5) ГГц и до КСВН входа 1,52 при установке в полости камеры МВП с эквивалентной кассетной нагрузкой согласно международному стандарту [7].
Координаты фазового центра антенны совпадают с координатами центра симметрии поверхности верхней стенки камеры МВП «Saturn». Оптимальному режиму работы устройства соответствует положение излучателя 6, при котором угол между его главной осью симметрии и горизонтальной осью симметрии поверхности верхней стенки 3 камеры МВП составляет ±6°.
Согласно [7] определено значение коэффициента равномерности распределения источников микроволнового нагрева α=94%, а также измерены потери энергии при ее передачи от генератора в камеру МВП, составившие 4%.
Экспериментально подтверждено, что без полосковой антенны устройство способно передавать от генератора в камеру МВП 100% выходной энергии магнетрона, однако при этом коэффициент α≈72%. Тем не менее, установленное свойство преобразователя расширяет возможности его применения.
Есть все основания утверждать, что по эксплуатационным и технологическим критериям устройство для передачи микроволновой энергии от генератора в камеру МВП имеет перспективы для промышленного применения.
Источники информации
1. Microwave Owen M245. (Owner's Instruction Code №6861707A (2007), Samsung Electronics. RK.
2. Микроволновая печь. Патент №2393650 РФ, 27.06.2010, Автор Патентообладатель Жилков В.С.
3. Device for transfer of microwave energy into a defined volume. US, Patent Application Publication. Zhylkov et al. Pub-No its 2010/0126987 A1, May 27, 2010.
4. Е.И. Нефедов и др. Микрополосковые излучающие и резонансные устройства. Из-во «Техника», 1990 г.
5. Ю.В.Шубарин. Антенны сверхвысоких частот. Изд-во ХГУ, 1960 г.
6. Антенны и устройство СВЧ. Под ред. проф. Д.И.Воскресенского. Изд-во «Соврадио», 1972 г.
7. Norme International CEI IEC. International Standard 60705. Edition 3.2.2006-03.