СВЧ-ПЕЧЬ

Полезная модель относится к области электротехники, а именно, к устройствам, осуществляющим нагрев с использованием СВЧ, в частности, к системам ввода и распределения электромагнитной энергии, и может быть использована в СВЧ нагревательных установках для нагрева диэлектрических объектов, в частности, пищевых продуктов.
Основной задачей модернизации СВЧ печей является повышение уровня равномерности нагрева продукта в рабочих камерах (РК) резонаторного типа, которая достигается путем повышения однородности электромагнитного поля в объеме нагреваемого объекта.
Известно два пути решения данной задачи. Одним из них является механическое перемещение нагреваемого продукта (вращение поддона с продуктом при боковом способе возбуждения электромагнитного поля через прямоугольное отверстие связи, что позволяет практически исключить аксиальную неравномерность нагрева). Однако при этом не устраняется радиальная составляющая неоднородности напряженности электрического поля, что приводит к снижению качества термообработки различных диэлектрических материалов. Альтернативой механическому способу повышения равномерности нагрева является совершенствование системы возбуждения, а именно использование распределенной многощелевой системы возбуждения электромагнитного поля посредством введения излучающих щелей. Обеспечение требуемого уровня однородности удельной плотности тепловых источников в объеме нагреваемого объекта осуществляется за счет вариации числа щелей, их расположения, размеров, формы на стенках рабочей камеры [Автореферат диссертации по теме “СВЧ нагревательные устройства резонаторного типа с регулируемым подводом электромагнитной мощности”. Семенов А. Э. Саратов. 2008 г.].
Известна СВЧ печь (патент JP №2547661), содержащая источник СВЧ энергии, рабочую камеру и устройство распределения энергии. Последнее представляет собой прямоугольный волновод, имеющий щель для распространения СВЧ энергии в рабочую камеру.
Однако из-за единичной щели равномерность нагрева является недостаточной из-за большого числа когерентных волн в падающем луче, интерференция которых не обеспечивает однородного электромагнитного поля.
Известна СВЧ печь (патент RU №2078403), содержащая рабочую камеру в форме параллелепипеда, источник СВЧ энергии и устройство распределения энергии. Последнее выполнено в виде многомодового волновода прямоугольного сечения, часть нижней стенки которого, образующая верхнюю стенку рабочей камеры, снабжена равномерно распределенными щелевыми отверстиями. Один из концов многомодовой системы волновода непосредственно сопряжен с источником СВЧ энергии.
Однако в описанном выше многощелевом устройстве распределения энергии в направлении распространения доминантной волны мощность, излучаемая одиночной щелью, уменьшается. Это вызвано использованием регулярного прямоугольного волновода для подвода СВЧ мощности от источника СВЧ энергии в рабочую камеру и одинаковых по форме и размерам щелей. В данной системе возбуждения излучательная способность одиночной щели однозначно зависит от уровня подводимой СВЧ мощности, которая в регулярном волноводе затухает в направлении распространения волны. Кроме того, использование многомодового волновода накладывает дополнительные трудности на его проектирование. Многомодовость означает, что по волноводу распространяется много волн разной частоты, в результате чего в рабочей камере возникает большое количество типов колебаний. Они накладываются друг на друга и образуют суммарное электромагнитное поле. Однако колебания разных типов могут сложиться таким образом, что возникнут максимумы и минимумы, то есть возникнет неравномерность электрического, а, следовательно, и теплового полей. Поэтому устройство распределения энергии необходимо спроектировать таким образом, чтобы не возникало резкой неравномерности электрического поля.
Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является СВЧ печь (патентная заявка 118 №5825000), содержащая рабочую камеру, вертикальная стенка которой является смежной с устройством распределения энергии. Последнее представляет собой нерегулярный прямоугольный волновод, в котором размещен источник СВЧ энергии. Стенка волновода, смежная с рабочей камерой, выполнена с двумя щелями, а противоположная имеет сложную геометрию, составленную из двух вертикальных и двух наклонных участков в следующем порядке. Первый вертикальный участок, на котором расположен вывод источника СВЧ энергии, соединен с первым наклонным участком, начало которого расположено над первой щелью. За первым наклонным участком следует второй вертикальный участок, оканчивающийся над второй щелью и переходящий во второй наклонный участок. С помощью описанной выше конструкции решается задача повышения равномерности нагрева при минимальных потерях мощности в устройстве распределения энергии, которая достигается за счет интерференции волн с разными фазами, образующимися в результате падения волн на первый и второй наклонные участки. Благодаря тому, что первая и вторая щели размещены ниже источника СВЧ энергии, все волны, проходящие через них, попадают напрямую на нагреваемый объект в рабочей камере, что способствует повышению интенсивности СВЧ энергии.
Однако расположение устройства распределения энергии смежным вертикальной стенке рабочей камеры предполагает использование поворотной стойки, также не обеспечивающей требуемую равномерность нагрева.
Задачей заявляемой полезной модели является повышение уровня равномерности нагрева диэлектрического материала в рабочей камере печи.
Технический результат заключается в улучшении равномерности нагрева обрабатываемого материала за счет обеспечения двухстороннего распределенного возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере со стороны боковых стенок рабочей камеры.
В
Поставленная задача решается тем, что СВЧ печь содержит рабочую камеру, выполненную в форме прямоугольного параллелепипеда и снабженную дверцей, источник СВЧ энергии с выводом и устройство распределения электромагнитной энергии, выполненное в виде прямоугольного волновода, расположенного снаружи рабочей камеры вдоль ее задней и боковых стенок. При этом широкая стенка волновода является частью задней и боковых стенок рабочей камеры. Концевые участки волновода расположены симметрично вдоль боковых стенок рабочей камеры и выполнены нерегулярными с сужающейся узкой стенкой в направлении распространения волны. Широкая стенка нерегулярного участка волновода, являющаяся частью боковой стенки рабочей камеры, снабжена, по крайней мере, тремя излучающими щелями, расположенными на одинаковом расстоянии друг от друга перпендикулярно направлению распространения волны. Вывод источника СВЧ энергии размещен в участке прямоугольного волновода, расположенном вдоль задней стенки рабочей камеры, и смещен относительно центра данного участка волновода вдоль его оси на величину , где Λ - длина волны в волноводе основного типа волны.
0
В
Расстояние от дна рабочей камеры до центра излучающей щели составляет , где Λ - рабочая длина волны, а расстояние между излучающими щелями составляет , где Λ - длина волны в волноводе основного типа волны.
Расстояние от центра вывода источника СВЧ энергии до центра ближайших к нему излучающих щелей вдоль оси волновода пропорционально .
Поперечное сечение прямоугольного волновода в точке перехода от регулярного к нерегулярному участку проходит через край излучающей щели.
В
Таким образом, в предлагаемом техническом решении используется двухсторонний способ возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере со стороны боковых стенок посредством многощелевой системы возбуждения, в которой для выравнивания уровня излучаемой каждой щелью СВЧ мощности, размер узких стенок волновода плавно уменьшается в направлении распространения волны, при этом для соблюдения электромагнитной совместимости и предотвращения переизлучения между противолежащими щелями вывод источника СВЧ энергии смещен относительно центра устройства распределения электромагнитной энергии на , где Λ - длина волны в волноводе, что приводит к смещению процесса излучения на противоположных стенках рабочей камеры на , где T - период колебаний. При данном условии максимальное излучение на одной из боковых стенок сопровождается минимумом излучения на противоположной стенке, что позволяет минимизировать влияние щелей друг на друга.
0
0
Использование двухстороннего распределенного возбуждения электромагнитного поля в рабочей камере со стороны боковых стенок позволяет увеличить равномерность нагрева обрабатываемого материала по сравнению с односторонним сосредоточенным возбуждением электромагнитного поля, которое применяется практически во всех бытовых СВЧ печах. Это связано с тем, что при одностороннем сосредоточенном возбуждении электромагнитного поля через диэлектрическое окно связи возникает не только радиальная неравномерность теплового поля в образце, связанная с затуханием электромагнитного поля в ближней зоне возбуждения, вызванное рассеиванием электромагнитной энергии в обрабатываемом материале, но и азимутальная неравномерность нагрева, определяемая временем нахождения образца в зоне активного действия источника электромагнитного поля, которое напрямую связано со скоростью вращения поддона с продуктом. Максимально данный эффект проявляется при малой скорости вращения и малом времени термообработки τ≤120c (обычный режим разогрева продукта питания). Распределенная двухсторонняя система возбуждения электромагнитного поля позволяет увеличить зону активного действия источника поля, что требует исключения взаимного влияния противолежащих щелей в рабочем режиме. Противолежащие щели работают в противофазе, то есть, если одна щель излучает максимальную мощность, то противоположная щель излучает минимальную мощность. Для решения данной технической задачи вывод источника СВЧ энергии смещают на  от центра устройства распределения электромагнитного поля, при этом должно соблюдаться условие, требующее, чтобы расстояние от центра ввода источника электромагнитного поля до центра ближайшей к источнику щели было пропорционально величине. Максимальное влияние системы возбуждения на тепловое поле в образце наблюдается в ближней зоне возбуждения, в которой структура электромагнитного поля в основном определяется сторонними токами. Размер ближней зоны возбуждения определяется L=λ, где λ - рабочая длина волны. Это означает, что расстояние от дна рабочей камеры до центра излучающей щели должно быть равно .
Заявляемая полезная модель поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена СВЧ печь, общий вид; на фиг. 2 - горизонтальное сечение СВЧ печи.
Позициями на чертежах обозначены:
1 - рабочая камера;
2 - источник СВЧ энергии;
3 - устройство распределения электромагнитной энергии;
4 - элемент передачи СВЧ мощности;
5 - элемент излучения СВЧ мощности;
6 - вывод источника СВЧ энергии;
7 - излучающая щель.
СВЧ печь включает рабочую камеру 1, выполненную в форме прямоугольного параллелепипеда и снабженную дверцей (не показано), источник СВЧ энергии 2, выполненный, например, в виде магнетрона, с аксиально симметричным выводом 6 (например, излучающим штырем), и устройство распределения электромагнитной энергии 3, выполненное в виде П-образного волновода с прямоугольным поперечным сечением, состоящего из элемента передачи СВЧ мощности 4 и, смежных с ним, двух элементов излучения СВЧ мощности 5 (Фиг. 1, 2). При этом волновод расположен снаружи рабочей камеры 1 в ее центральной части таким образом, что широкая стенка волновода является частью задней и боковых стенок рабочей камеры, а узкие стенки волновода параллельны дну рабочей камеры. Элемент передачи СВЧ мощности 4 представляет собой отрезок регулярного прямоугольного волновода и расположен вдоль задней стенки рабочей камеры 1, а элементы излучения СВЧ мощности 5 представляют собой последовательно соединенные отрезок регулярного прямоугольного волновода и отрезок нерегулярного волновода (концевой участок волновода устройства распределения энергии) с плавно сужающейся по линейному закону узкой стенкой в направлении распространения волны, и расположены симметрично (относительно центра рабочей камеры) на противоположных боковых стенках рабочей камеры 1. При этом широкая стенка отрезка нерегулярного волновода выполнена длиной, определяемой из соотношения: , где n - количество излучающих щелей.
В
0
В широкой стенке отрезка нерегулярного волновода, являющейся общей с частью боковой стенки рабочей камеры 1, каждого элемента излучения СВЧ мощности 5 выполнено более двух прямоугольных излучающих щелей 7, расположенных эквидистантно (на одинаковом расстоянии друг от друга), перпендикулярно узким стенкам волновода, при этом поперечное сечение элемента излучения СВЧ мощности 5 в точке перехода от регулярного к нерегулярному участку проходит через край излучающей щели 7, ближайшей к выводу источника СВЧ энергии по направлению распространения волны. Расстояние между излучающими щелями 7 составляет , где Λ - длина волны в волноводе основного типа волны. Расстояние от дна рабочей камеры 1 до центра излучающей щели 7 составляет , где λ - рабочая длина волны. Вывод 6 источника СВЧ энергии 2 расположен в отрезке регулярного прямоугольного волновода элемента передачи СВЧ мощности 4 и смещен по оси волновода относительно центра данного отрезка (центра устройства распределения электромагнитной энергии 3) на величину , а расстояние от центра вывода 6 источника СВЧ энергии 2 до центра ближайших к нему щелей вдоль оси волновода устройства распределения электромагнитной энергии 3 пропорционально .
СВЧ печь работает следующим образом.
Нагреваемый диэлектрический материал помещают в рабочую камеру 1. Электромагнитная энергия, генерируемая источником СВЧ энергии 2, вводится в устройство распределения электромагнитной энергии 3 посредством вывода 6 источника СВЧ энергии 2 и распространяется по элементу передачи СВЧ мощности 4 и элементам излучения СВЧ мощности 5. Сквозь излучающие щели 7 электромагнитная энергия поступает в рабочую камеру 1, формируя в дальней зоне возбуждения - в объеме обрабатываемого диэлектрического материала, электрическое поле, что приводит к нагреву продукта. Благодаря использованию устройства распределения электромагнитной энергии 3 заявляемой формы происходит равномерное распределение СВЧ мощности между излучающими щелями 7, что позволяет формировать равномерное электрическое поле в дальней зоне возбуждения, обуславливая высокую равномерность нагрева. Формирование излучающих щелей 7 перпендикулярно направлению распространения волны, совпадающему в данном случае с направлением протекания токов используемого типа волны, обусловлено большей эффективностью излучения волны в рабочую камеру.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает улучшение важнейшего показателя процесса СВЧ нагрева - равномерности нагрева и претендует на обладание повышенными потребительскими свойствами.