СВЧ-ПЕЧЬ
UHF FURNACE

Изобретение 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 использовано в СВЧ нагревательных установках для нагрева диэлектрических объектов, в частности пищевых продуктов.
Исторически со времен знаменитой заявки 1945 года приоритета на способ обработки пищевых продуктов с помощью электромагнитной энергии [патент US №2495429] микроволновые печи используются для нагрева диэлектрических материалов посредством СВЧ излучения. В качестве источника СВЧ используется, преимущественно, магнетрон. Для мирного использования СВЧ энергии отведено три диапазона частот: 433 МГц, 915 МГц и 2450 МГц ± 2,5%. Выбор того или иного диапазона обусловлен требованиями, предъявляемыми к СВЧ-печи. Для изготовления бытовых нагревательных установок резонаторного типа, как правило, используют диапазон 2450 МГц ± 2,5%, что обусловлено относительно невысокими массогабаритными параметрами рабочей камеры нагревательной установки в данном диапазоне и приемлемой глубиной проникновения СВЧ энергии в обрабатываемый материал. Традиционно СВЧ-печи состоят из трех ключевых компонентов: рабочей камеры, в которой размещают нагреваемый объект, источника СВЧ энергии и устройства распределения энергии, которое осуществляет передачу СВЧ излучения от источника в рабочую камеру. Когда электромагнитные волны воздействуют на нагреваемый объект, молекулы воды, содержащиеся в пищевых продуктах, начинают колебаться, и вследствие взаимного трения молекул происходит нагрев обрабатываемого материала.
Основной задачей модернизации СВЧ-печей является повышение равномерности нагрева продукта, которая достигается за счет повышения равномерности электромагнитного поля в объеме нагреваемого объекта.
Известно два пути решения данной задачи. Одним из них является механическое перемещение нагреваемого продукта посредством поворотных стоек в рабочей камере. Однако при этом возникает радиальная составляющая неоднородности напряженности электрического поля, что приводит к снижению качества термообработки различных диэлектрических материалов. Альтернативой механическому способу повышения равномерности нагрева является использование распределенной системы возбуждения электромагнитного поля посредством введения излучающих щелей. Обеспечение требуемого уровня однородности удельной плотности тепловых источников в объеме нагреваемого объекта осуществляется за счет вариации размеров, формы и расположения щелей на стенках рабочей камеры [Автореферат диссертации по теме "Повышение равномерности нагрева диэлектриков в СВЧ установках резонаторного типа с распределенными системами возбуждения". Рыбков В.С. Саратов. 2008 г.].
Известна СВЧ-печь, содержащая источник СВЧ энергии, рабочую камеру и устройство распределения энергии [патент JP №2547661]. 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 также СВЧ-печь [патентная заявка US №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 авторы решают задачу повышения равномерности нагрева при минимальных потерях мощности в устройстве распределения энергии. Первое 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.
Известна также СВЧ-печь [патент RU №78390], содержащая два волновода с щелью для прохождения обрабатываемого листового диэлектрического материала. Широкая сторона каждого волновода выполнена сужающейся в направлении распространения СВЧ энергии.
Однако известное устройство предназначено для обработки листового диэлектрического материала, вследствие чего к нему предъявляются другие требования по распределению СВЧ мощности и конструкции в целом.
Наиболее близким аналогом к заявляемому изобретению является СВЧ-печь согласно патенту на изобретение 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.
Задачей заявляемого изобретения является повышение равномерности нагрева диэлектрического материала в рабочей камере.
Поставленная задача решается тем, что в СВЧ-печи, содержащей рабочую камеру, выполненную в форме параллелепипеда и снабженную дверцей, источник СВЧ энергии с выводом и устройство распределения энергии, выполненное в виде прямоугольного волновода, при этом вывод источника СВЧ энергии расположен в устройстве распределения энергии, а часть широкой стенки волновода является частью верхней стенки рабочей камеры и снабжена, по крайней мере, двумя одинаковыми по форме и размерам щелевыми отверстиями, расположенными параллельно и на одинаковом расстоянии друг от друга, определяемом соотношением L=λ/2, где λ - длина волны основного типа прямоугольного волновода, перпендикулярно направлению распространения волны в волноводе, согласно предлагаемому техническому решению устройство распределения энергии выполнено в виде последовательно соединенных участка регулярного прямоугольного волновода и участка нерегулярного прямоугольного волновода с плавно сужающейся узкой стенкой, при этом вывод источника СВЧ энергии расположен в участке регулярного волновода на расстоянии от его торцевой стенки, определяемом соотношением nλ/8, где n - нечетное число, а щелевые отверстия выполнены в широкой стенке участка нерегулярного волновода, находящейся в одной плоскости с широкой стенкой участка регулярного волновода, при этом поперечное сечение волновода в точке перехода от регулярного к нерегулярному участку проходит через край щелевого отверстия, расстояние от центра вывода источника СВЧ энергии до центра ближайшей щели выполнено кратным λ/4, расстояние от центра ближней к окончанию участка нерегулярного волновода щели до данного окончания составляет λ/4.
Технический результат заявляемого изобретения заключается в получении одинакового и неизменного излучения СВЧ мощности каждой щели многощелевой системы, что и обеспечивает повышение равномерности нагрева диэлектрического материала в области дна рабочей камеры. Данный технический результат достигается за счет заявляемой формы устройства распределения энергии. Заявляемая форма образуется последовательным соединением двух участков прямоугольного волновода: регулярного и нерегулярного с плавно сужающейся узкой стенкой. В пределах регулярного волновода расположен вывод источника СВЧ энергии. На протяжении нерегулярного волновода размещена многощелевая система возбуждения. В случае наиболее близкого аналога по мере распространения электромагнитной волны по отрезку регулярного волновода происходит ее затухание, связанное с излучением электромагнитной энергии в предыдущие щели, и до каждой последующей щели доходит меньше СВЧ энергии. Для того чтобы выровнять напряженность электрического поля над каждой щелью, необходимо уменьшать один из размеров прямоугольного волновода в направлении распространения доминантной волны. Уменьшать размер широкой стенки нежелательно, так как он определяет диапазон существования только доминантного типа волны. Изменение этого размера может привести к режиму отсечки или возникновению высших типов волн, что вызовет снижение равномерности нагрева. Таким образом, компенсацию затухания электрического поля по мере распространения электромагнитной энергии от одной щели к другой обеспечивает уменьшение размера узкой стенки в направлении распространения волны, что не влияет на диапазонные свойства многощелевой системы возбуждения.
Заявляемое изобретение поясняется с помощью фиг. 1-3, на которых изображены:
на фиг. 1 - вертикальное сечение СВЧ-печи;
на фиг. 2 - вертикальное сечение устройства распределения энергии; на фиг. 3 - горизонтальный разрез устройства распределения энергии.
На фиг. 1-3 позициями 1-7 обозначены:
1 - рабочая камера;
2 - источник СВЧ энергии;
3 - вывод источника СВЧ энергии;
4 - устройство распределения энергии;
5 - участок регулярного волновода;
6 - участок нерегулярного волновода;
7 - щелевое отверстие.
СВЧ-печь состоит из рабочей камеры 1, выполненной в форме прямоугольного параллелепипеда и снабженной дверцей (не показано), источника СВЧ энергии 2, выполненным, например, в виде магнетрона, с аксиально симметричным выводом 3 (излучающим штырем) источника СВЧ энергии 2 и устройства распределения энергии 4. Устройство распределения СВЧ энергии 4 выполнено в виде последовательно соединенных отрезков регулярного волновода 5 и отрезка нерегулярного волновода 6 с плавно сужающейся по линейному закону узкой стенкой и расположено по центру рабочей камеры 1 параллельно дверце, таким образом, что часть нижней широкой стенки устройства распределения СВЧ энергии 4 является частью верхней стенки рабочей камеры 1. Аксиально симметричный вывод 3 источника СВЧ энергии 2 расположен в центре нижней широкой стенки отрезка регулярного волновода 5. Расстояние от центра вывода 3 источника СВЧ энергии 2 до ближайшего к нему края устройства распределения энергии 4 составляет nλ/8, где n - любое нечетное число, λ - длина волны основного типа в волноводе и определяет уровень поступающей в рабочую камеру 1 СВЧ мощности. В широкой стенке участка нерегулярного волновода 6, находящейся в одной плоскости с широкой стенкой участка регулярного волновода 5, расположена многощелевая система возбуждения, содержащая более двух щелей 7, например, прямоугольной формы, расположенных параллельно друг другу, при этом их центры расположены на оси симметрии волновода. Расстояние между центрами соседних прямоугольных щелей 7 составляет λ/2, где λ - длина волны основного типа прямоугольного волновода, которая одинакова как для участка регулярного 5, так и нерегулярного волновода 6, поскольку определяется размером широкой стенки волновода. Расстояние от центра ближней к окончанию участка нерегулярного волновода 6 с плавно сужающейся стенкой щели 7 к данному окончанию составляет λ/4. Место соединения участка регулярного волновода 5 и участка нерегулярного волновода 6 выполнено над ближним к выводу 3 источника СВЧ энергии 2 краем излучающей щели 7 устройства распределения энергии 4.
В частном варианте выполнения заявляемое устройство может иметь следующие относительные размеры. Расстояние от центра вывода 3 источника СВЧ энергии 2 до ближней стенки устройства распределения энергии 4 составляет λ/8, до центра ближайшей щели 7 - λ/4.
СВЧ-печь работает следующим образом.
Нагреваемый диэлектрический материал помещают в рабочую камеру 1. Электромагнитная энергия, генерируемая источником СВЧ энергии 2, вводится в устройство распределения энергии 4 посредством вывода 3 источника СВЧ энергии 2 и распространяется по участкам регулярного 5 и нерегулярного 6 волноводов. Сквозь 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 энергии 4 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 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.
Расстояния между щелями 7, а также расстояние между центром ближайшей к выводу 3 источника СВЧ энергии 2 щели 7 и центром вывода 3 позволяют получить режим стоячей волны на протяжении всего устройства распределения энергии 4. Расстояние от центра вывода 3 источника СВЧ энергии 2 до ближнего к нему края устройства распределения энергии 4 определяет уровень поступающей в рабочую камеру 1 СВЧ мощности.
Таким образом, предлагаемое устройство обеспечивает улучшение важнейшего показателя процесса СВЧ нагрева - равномерности нагрева и претендует на обладание повышенными потребительскими свойствами.