УСТРОЙСТВО ВВОДА ЭНЕРГИИ ДЛЯ СВЧ-ПЕЧИ
DEVICE OF ENERGY INPUT FOR MICROWAVE OVEN

Изобретение относится к производству и использованию бытовых сверхвысокочастотных печей, применяемых для приготовления, переработки пищи и сушки сельскохозяйственной продукции.
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. (1. Microwave Oven M245/M945. Samsung Electronics. 2001 г.)
Основным недостатком известного устройства является его низкая эффективность. Причиной этому является использование способа подключения пирамидального рупора к предохранительному экрану камеры нагрева, не позволяющего обеспечить полного ввода энергии в полость камеры нагрева, а следовательно, достичь высокого качества обработки продуктов.
Наиболее близким техническим решением является СВЧ-печь, в которой ввод СВЧ-энергии в рабочую камеру осуществляется через волновод. Волновод представляет собой металлическую трубу прямоугольного сечения, размеры ее зависят от частоты передаваемого по волноводу электромагнитного поля и принятой компоновочной схемы. В начале волновода устанавливают магнетрон, противоположная открытая сторона волновода через флянец соединена с одной из стенок волновода. Выход излучателя обычно прикрывается радиопрозрачной перегородкой (предохранительным ограждающим экраном). Некрутман С.В. Сверхбыстрая кулинарная или СВЧ-печь в вашем доме. - М.: Агропромиздат, 1988, с.32-36.
ср
Недостатком данной конструкции является то, что при излучении магнетрона происходит отражение электромагнитного поля от предохранительного экрана. Так, при работе СВЧ-печи на средней частоте рабочего диапазона (2375-2450 МГц) магнетрона F=2400 МГц при диэлектрической проницаемости предохранительного экрана ε=7,0 для нормального угла падения электромагнитной волны полуволновая толщина стенки составит h=24 мм. Коэффициент прохождения (КП) такой стенки составит 95%, но даже при незначительном отклонении от оптимальной толщины стенки коэффициент прохождения значительно уменьшается, что приводит к увеличению отраженной мощности в свободное пространство. В случае применения в конструкции предохранительного экрана электрически тонкой относительно длины волны стенки также приводит к значительным потерям мощности на отражение электромагнитной волны в свободное пространство, что приводит к отрицательному влиянию СВЧ-поля на обслуживающий персонал.
Задачей изобретения является повышение коэффициента полезного действия и безопасности СВЧ-печи путем снижения отражаемой электромагнитной энергии от предохранительного экрана.
Достигается задача тем, что предложено устройство ввода энергии в СВЧ-печь, включающее волновод, подающий СВЧ-энергию от магнетрона к камере нагрева, излучатель, расположенный в конце волновода и выполненный в виде окна в стенке рабочей камеры, радиопрозрачный предохранительный экран, закрывающий окно излучателя со стороны рабочей камеры, отличающееся тем, что радиопрозрачный предохранительный экран выполнен в виде М двугранных клиньев с параллельными ребрами и углом при вершине, равным: Δ=180-2×arctg√ε, где ε - диэлектрическая проницаемость материала стенки, М-1,2…, установленных вплотную друг другу, а относительно излучателя так, что электрический вектор поля излучателя перпендикулярен ребрам клиньев. Устройство по предлагаемому техническому решению позволяет ввести энергию в СВЧ-печь без потерь на отражение за счет повышения КП повысить КПД и безопасность работы СВЧ-печи.
Авторы экспериментально установили, что новые отличительные признаки в совокупности обеспечивают положительный технический уровень при применении радиопрозрачного защитного экрана, выполненного по предлагаемому решению.
Из оптики известно, что при определенном угле падения и выполнении некоторых условий возможно полное прохождение волны (М. Борн, Э. Вольф. Основы оптики, М.: Издательство «Наука», 1973, 73-82. 2. И.Н.Мешков, Б.В.Чириков, Электромагнитное поле. Часть 1, Новосибирск, Издательство «Наука», Сибирское отделение, 1987, стр.198-200).
На фиг.1 представлен вид заявляемого устройства со стороны рабочей камеры, когда предохранительный экран выполнен для случая одного двугранного клина (М=1), в которой обозначены цифрами:
1 - стенка рабочей камеры,
2 - предохранительный экран, выполненный по настоящему решению.
На фиг.1 также обозначены лежащие в одной плоскости вектора n, E, k:
n - нормаль к поверхности предохранительного экрана,
Е - вектор электрической составляющей входящей электромагнитной волны,
k - волновой вектор электромагнитной волны,
α=tg(√ε) - угол Брюстера между векторами n и k,
Δ=180-2×arctg√ε - угол при вершине двугранных клиньев.
На фиг.2 представлен вид заявляемого устройства со стороны рабочей камеры, когда предохранительный экран выполнен для случая М=3, в которой обозначены цифрами:
1 - стенка рабочей камеры,
2 - предохранительный экран в виде трех двугранных клиньев.
На фиг.2 также обозначены лежащие в одной плоскости вектора n, E, k:
n - нормаль к поверхности предохранительного экрана,
Е - вектор электрической составляющей входящей электромагнитной волны,
k - волновой вектор электромагнитной волны,
α=tg(√ε) - угол Брюстера между векторами n и k,
Δ=180-2×arctg√ε - угол при вершине двугранных клиньев.
Вид заявляемого устройства представлен в виде сечения справа на фиг.3, сечения вверху на фиг.4, в которых обозначены цифрами:
1 - стенка рабочей камеры,
2 - предохранительный экран,
3 - магнетрон,
4 - прямоугольный волновод, разрезанный вдоль широкой стенки,
5 - излучатель, разрезанный вдоль широкой стенки.
На фиг.3, 4 также обозначены лежащие в одной плоскости вектора n, Е, k:
n - нормаль к поверхности предохранительного экрана,
Е - вектор электрической составляющей входящей электромагнитной волны,
k - волновой вектор электромагнитной волны,
α=tg(√ε) - угол Брюстера между векторами n и k,
Δ=180-2×arctg√ε - угол при вершине двугранных клиньев,
h - толщина стенки предохранительного экрана.
Возможна реализация устройства ввода энергии в рабочую камеру СВЧ-печи без потерь на отражение при расположении излучателя под углом Брюстера к плоскому предохранительному экрану, но при таком взаимном расположении появляется значительная неоднородность поля падающей волны, что затрудняет выполнение условий согласования полей на границе и, соответственно, увеличивает отраженную волну.
Устройство работает следующим образом. Магнеторон 3 через волновод 4 направляет электромагнитную волну к излучателю 5, который излучает линейно поляризованную плоскую волну, падающую на предохранительный экран 2, вставленный в стенку рабочей камеры 1.
Для доказательства преимущества предлагаемого технического решения проведены расчетные эксперименты, результаты которых представлены ниже.
На фиг.5 представлен результат расчета зависимости коэффициента прохождения (КП, %) через плоский слой в зависимости от толщины (h) предохранительного экрана, выполненного по традиционной технологии при ТР поляризации (вектор электрического поля Е лежит в плоскости падения). Расчет проведен для слоя с диэлектрической проницаемостью ε=7 на средней частоте диапазона работы СВЧ-печи F=2400 МГц.
Из фиг.5 видно, что изменения коэффициента прохождения составляют от 100 до 40% в зависимости от толщины стенки. Для толщины кратной половине длины волны КП достигает максимума при h=24 мм составляет 95%, что равносильно потери мощности на излучение при отражении в 5%, что при мощности магнетрона в 1000 Вт составляет 50 Вт. Учитывая погрешности в настройке по частоте и неточности в изготовлении пластин, а также неточность в установлении угла падения, эти потери на отражение могут достигать 10% полной энергии.
На фиг.6 представлен результат расчета зависимости коэффициента прохождения (КП,%) через предохранительный экран, выполненный по предлагаемому техническому решению, в зависимости от толщины (h) стенки, при ТР поляризации (вектор электрического поля Е лежит в плоскости падения). Расчет проведен для слоя с диэлектрической проницаемостью ε=7 на средней частоте диапазона работы СВЧ-печи F=2400 МГц.
Из фиг.6 видно, что изменения коэффициента прохождения в зависимости от толщины слоя, выполненного по предлагаемому решению, значительно меньше, чем для плоского слоя.
Анализ расчетов, приведенных на фиг.5 и 6, показывает, что применение предохранительного экрана по предлагаемому решению позволяет выполнить его значительно более тонким, чем в случае его выполнения в виде плоского слоя полуволновой толщины 24 мм. Причем, чем тоньше будет слой, тем выше будет коэффициент прохождения, а значительная неравномерность выполнения толщины стенки предохранительного экрана не повлияет на величину коэффициента прохождения.
Следует отметить, что для предохранительного экрана, выполненного по предлагаемому решению, отсутствует зависимость изменения коэффициента прохождения от частоты, поэтому частотные сдвиги, возможные в работе излучающих приборов, не скажутся на качестве согласования предохранительного экрана в СВЧ-тракте.
Устройство ввода энергии для СВЧ-печи, выполненное по предлагаемому техническому решению, по сравнению с прототипом и другими известными устройствами вносит минимальные искажения в поле падающей волны и за счет минимального отражения от радиопрозрачного предохранительного экрана обладает наилучшими КПД и безопасностью, обеспечивая высокие потребительские характеристики.
Источники информации
1. Microwave Oven M245/M945. Samsung Electronics. 2001 г.
2. Некрутман С.В. Сверхбыстрая кулинарная или СВЧ-печь в вашем доме. - М.: Агропромиздат, 1988, с.32-36.
3. М. Борн, Э. Вольф. Основы оптики. М.: Издательство «Наука», 1973, 73-82.
4. И.Н.Мешков, Б.В.Чириков Электромагнитное поле. Часть 1, Новосибирск, Издательство «Наука», Сибирское отделение, 1987, стр.198-200.