УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАГРЕВА МИКРОВОЛНАМИ РАЗНЫХ ЧАСТОТ

Полезная модель относится к системам генерирования электромагнитной (ЭМ) энергии микроволновых печей и может быть использована для получения равномерного распределения микроволновой энергии в рабочей камере (РК) мощной СВЧ-печи без использования механически подвижных соединений.
Одна из проблем диэлектрического нагрева - получение равномерного распределения электромагнитного поля (ЭМП) в объекте обработки, что должно обеспечить оптимальный температурный режим. В РК неизбежно возникает стоячая волна, чем больше коэффициент стоячей волны (КСВ), тем сильнее неравномерность нагрева.
Известны различные методы решения данной проблемы, которые можно разделить на механические и немеханические.
Устройства, в которых реализованы механические методы перемешивания ЭМП, предполагают обязательное наличие механически подвижного элемента. В большинстве изобретений применялись элементы, которые через различные механические передачи вращали или рабочий стол, или антенну (А), или какие-либо отражающие пластины.
Известно устройство, где применялось сложное трехмерное вращение рабочего стола 1, а также устройство с возвратно-поступательным движением одной из стенок РК, которое вызывало периодическое во времени перемещение в пространстве РК узлов и пучностей стоячей волны 2.
Известно использование вращающихся частей конвейера в качестве дисекторов, что было достигнуто использованием металлических роликов сложной формы, которые, двигая конвейер, одновременно перемешивали ЭМП 3.
Принципиально неустранимый недостаток механических методов - необходимость регулярной чистки механически подвижных соединений, неизбежно загрязняющихся выделениями из объекта обработки, которые под действием СВЧ-поля большой мощности образуют мешающий вращению нагар.
Известны устройства, реализующие немеханические методы, в которых или применены А специальной формы 4, или установлен вращающийся элемент в волноводном тракте совместно со специальными выступами в РК 5. Данные методы обеспечивают улучшение распределения ЭМП только при малом рассогласовании с нагрузкой, не решая проблему принципиально.
Известно устройство, использующее частотно-модулированный сигнал для генератора с внешним возбуждением 6. Однако уже в 80-е годы магнетроны вытеснили все иные виды генераторов для диэлектрического нагрева, а в магнетронах принципиально невозможно получение частотномодулированного сигнала, поскольку магнетрон является автогенераторным прибором.
Известны устройства, где используются два одинаковых импульсных генератора, которые возбуждаются в противофазе, что при независимом вводе энергии обеспечивает перестройку экстремумов стоячей волны в РК для каждого такта работы устройства, обеспечивая перемешивание ЭМП 7,8.
существенно большую стоимость и габариты, чем магнетроны непрерывного действия, использование противофазной работы магнетронов приводит к неэффективному сложению мощностей в рабочей камере.
Известны устройства, в которых также установлены два генератора, но примененные в них магнетроны работают в непрерывном режиме, а частоты генераторов существенно отличаются 9-12. В генераторах применены частоты 915 МГц и 2,45 ГГц. Кроме того, в 10 для оптимизации процесса размораживания предлагается еще и использование частоты 434 МГц, а в 11 для уменьшения взаимного влияния генераторов применена сложная система сложения волн. Генераторы во всех данных устройствах могут работать как совместно, так и независимо.
Известно устройство 12, в котором генераторы СВЧ-энгергии независимо через отрезки волноводов соединены с излучателями, которые имеют выход в РК, причем излучатели расположены на взаимно перпендикулярных стенках РК для улучшения развязки между генераторами за счет взаимно ортогональных поляризаций. В данном устройстве, как и в 9-11, применяется пространственное сложение волн с частотами 915 МГц и 2,45 ГГц, поскольку весьма затруднительно построить эффективное устройство сложения при таком большом различии частот.
Применение двух частот в рассмотренных изобретениях преследует цель независимого нагрева внутренних и поверхностных областей объекта обработки, а также оптимизации режима размораживания, для которого оптимальны частоты 400-950 МГц, но при этом не решает задачу устранения неравномерности распределения ЭМП в РК, возникающего из-за наличия стоячей волны.
Применение двух частот для нагрева разных областей (меньшая частота преимущественно разогревает внутренние слои, большая - поверхность) в данное время считается нецелесообразным, поскольку существенное удешевление устройства может быть достигнуто применением дополнительного теплового нагрева вместо еще одного генератора.
Уменьшение разности частот при сохранении сложения в пространстве может дать только небольшой эффект, поскольку на некоторых направлениях распространения произойдет синфазное сложение ЭМ волн, что приведет к обычной стоячей волне, и, кроме того, максимально допустимые размеры объекта придется сократить в два раза, что уменьшит возможности обработки.
Задача полезной модели - создание устройства диэлектрического нагрева с автоматически перемешивающимся ЭМП в РК и объекте обработки, что обеспечит равномерное распределение ЭМП при произвольном согласовании излучателя с нагрузкой без применения механически подвижных или вращающихся элементов.
Задача полезной модели решена за счет того, что устройство для диэлектрического нагрева микроволнами разных частот, включающее рабочую камеру, соединительные волноводы, как минимум, один излучатель, имеющий выход в рабочую камеру, и, как минимум, два генератора СВЧ-энергии с различающимися одна от другой частотами генерации, дополнительно снабжено мостом сложения, входы которого соединены с выходами генераторов, а выход моста сложения - с системой излучателей, причем генераторы выбраны с элементами вывода СВЧ-энергии в волновод с одинаковыми поляризациями электромагнитных волн, а разность частот генераторов соответствует неравенству:
Д fl + Л /2  /2 - /j  A fpa6, где /„, /2 - частоты генераторов 1 и 2 соответственно, причем /2  /,; А/,, А/2 - соответствующие абсолютные нестабильности частот, а А у - рабочий диапазон моста сложения и волноводного
тракта, в котором выполняется требование: КСВ в системе не превышает заданного значения.
Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором изображена структурная схема заявляемого устройства.
Полезная модель представляет собой два СВЧ-генератора 1 и 2, поляризации которых идентичны, а частоты различны, соединенные волноводами 3 с мостом сложения 4. Выход моста сложения 4 через волновод 5 соединен с излучателем 6, имеющим выход в рабочую камеру 7. Мощности генераторов желательно выбирать одинаковыми, хотя допустимо применение генераторов разных мощностей, но это уменьшит глубину перемешивания поля и существенно усложнит конструкцию моста сложения и блока питания устройства. В качестве моста сложения может быть использован //-тройник, двойной волноводный тройник с подвижным короткозамкнутым поршнем в Јнплече или иное устройство сложения мощностей. Отношение верхней частоты к нижней целесообразно выбирать в пределах диапазона 1,1... 1,4. Применение меньшей разности частот, соизмеримой с нестабильностью частот генераторов, может привести к захвату частоты и синфазному сложению, что вызовет возникновение обычной стоячей волны в объекте обработки. Применение большей разности частот затрудняет согласование в системе и вызывает потери энергии.
ных частот от генераторов 1и 2 после сложения на мосту 4 образуют электромагнитную волну, огибающая которой колеблется с разностной частотой. Данная волна поступает на излучатель 6, который возбуждает в РК 7 волну с таким же поведением огибающей, что приводит даже при плохом согласовании с объектом обработки к колебательному движению экстремумов стоячей волны. Этот эффект обеспечивает равномерное распределение электромагнитного поля в рабочей камере и объекте обработки, а следовательно, и равномерный по объему нагрев объекта обработки.
Данное устройство целесообразно применять в микроволновых печах с несколькими магнетронами для нагрева в поле стоячей волны при повышенных требованиях к надежности работы печи и равномерности нагрева объекта обработки.
Список использованных источников
1.Method and apparatus for uniform heating in a microwave field /Bolton C. E. Пат. 5064981, США. Заявл. 31.10.90, №606729, опубл. 12.11.91 (11П15П 1994)
2.Mikrowelleneinrichtung: Schuh Lothar, Harbach Friedrich. Заявка 0457948, ЕПВ. Заявл. 23.05.90, №90109863.2, опубл. 27.11.91 (Ш52П 1993)
3.СВЧ-печь туннельного типа: А. с. 1626463, СССР / Кияко В. И. и др. №4646438/09. Заявл. 26.12.88, опубл. 07.02.91, Бюл. №5 (10Н6Ш 1991)
4.СВЧ-печь. Девяткин И. И. и др. А. с. 1107351 СССР. Заявл. 23.11.81,№3547487/24-09. опубл. в Б.И., 1984, №29 (ЗП19П 1985) б
Naumann Gerd; Buderus Kuchentechnick. Заявл. 03.02.87, №P3703133.3, опубл. 11.08.88 (4П27П 1989)
6.Устройство для ВЧ нагрева. Сасаки Уитиро и др. Пат. №56-29355, Япония. Заявл. 30.08.73, №48-97732, опубл. 08.07.81 (1Н82П 1983)
7.Mikrowellen Verfahren. Fritz Karl. Заявка 3418843.6, ФРГ. Заявл. 21.05.84, №Р3418843.6, опубл. 28.11.85 (Ш49П 1987)
8.Установка для СВЧ-обработки диэлектрических материалов. Пат. 2055447, Россия / Барышников И. В. и др. - №5016898/09. Заявл. 13.12.91, опубл. 27.02.96, Бюл. №6 (1Н26П 1997)
9.Устройство для создания с помощью СВЧ-энергии равномерного нагрева. Пат. № 412504, Швеция / Berggrew В. Заявл. 07.04.77, № 7704137-4, опубл. 03.03.80. (10Н80П 1980)
10.Anordnung zur warmetechnischen Behandlung von Lebensmitteln durch Beaufschlagung mit Mikrowellenenergie. Заявка 37439/8, ФРГ. /Husslein Julius; Bosch-Siemens Hausgerate GmbH. Заявл. 23.12.87, № 3743918, опубл. 13.07.89 (ЗП28П 1990)
11.Устройство для обработки материалов СВЧ-энергией. Шестиперов В. А. и др. А. с. 1140272, СССР. Заявл. 23.06.82, №3459399 опубл. в Б. И. 1985, №6. (10Н5Ш1985)
12.Apparatus and method for heating simultaneously with microwaves of two widely different frequency /Kegecis James. E., Perry John Т., Kanyon Ernst M. Пат. №3806689, США. Заявл. 06.12.72, кл. 219-10.55, опубл. 23.04.74 (4П28П 1975)
9WW