Устройство для возбуждения кругополяризованного поля в камере микроволновой печи

Изобретение относится к нагревательным аппаратам, использующим энергию микроволнового поля. Устройство для возбуждения кругополяризованного поля в камере микроволновой печи содержит прямоугольный волноводный резонатор (ПВР), в полости которого расположены металлический стержень вывода микроволновой энергии из магнетрона и грушевидный на конце металлический штырь - центральный проводник коаксиально-волноводного перехода (КВП). К коаксиальному выходу КВП подключена плоская, равноугольная логарифмическая спиральная антенна (СА) с двумя ветвями - левая и правая, запитанными синфазно и выполненными из листового с высокой проводимостью металла. В состав СА входит экран, установленный и закрепленный на внешнем проводнике коаксиального отрезка КВП и электрически соединенный с помощью металлических стоек с левой ветвью СА в точке и с правой ветвью СА в точке и с ПВР. Техническим результатом является обеспечение коэффициента равномерности распределения источников нагрева порядка 98%, эффективность около 65%, причем зависимость этих параметров от объема, массы и месторасположения обрабатываемого продукта в камере не наблюдалась. 2 ил.

 

Область техники

Изобретение относится к микроволновой технике, в частности к электронагревательным аппаратам, использующим энергию микроволнового поля, и предназначено для возбуждения кругополяризованного поля в камере микроволновой печи.

Предшествующий уровень техники

Известно устройство для возбуждения в камере нагрева микроволновой печи электромагнитного поля с линейной поляризацией, представляющее собой укороченную пирамидальную рупорную антенну, подключенную через отверстие связи к прямоугольному волноводному резонатору, в полость которого погружен металлический вывод микроволновой энергии из источника - магнетронного генератора [1]. (Практически без изменений эти устройства длительное время используются во всех моделях микроволновых печей Samsung Electronics, LG и ряда других компаний):

Основными недостатками этого устройства являются существенно неравномерное распределение поля, а следовательно, и энергии, формируемое в камере, зависимость указанного распределения и эффективности работы печи от объема, массы и месторасположения в камере обрабатываемого продукта. Это приводит к неравномерному нагреву продуктов, некачественному приготовлению блюд, излишнему потреблению электроэнергии от сети.

Наиболее близким техническим решением к изобретению является устройство для возбуждения в камере нагрева микроволновой печи электромагнитного поля с круговой поляризацией, представляющее собой одномерную неэквидистантную антенну - возбудитель кругополяризованного поля, четыре идентичных элемента которой (полосковые антенны с дисковым излучателем) установлены внутри камеры нагрева на ее верхней стенке и через коаксиально-волноводные переходы, подключенные к короткозамкнутому на конце отрезку Г-образного прямоугольного волновода, установленного на внешней стороне верхней и боковой стенках камеры нагрева. Входным фланцем Г-образный волновод через отверстие связи подключен к прямоугольному волноводному резонатору, в полость которого через отверстие в широкой стенке погружен металлический вывод микроволновой энергии из источника - магнетронного генератора [2].

Устройство [2] позволяет формировать более равномерное распределение микроволновой энергии в камере по сравнению с [1], уменьшить зависимость эффективности работы печи от объема, массы и месторасположения обрабатываемого продукта.

Основным недостатком указанного устройства является уменьшение его эффективности при изменении резонансной частоты камеры-резонатора относительно частоты генератора-магнетрона. Вызвано это нестабильностью частоты колебаний магнетрона, значительной электрической длиной Г-образного прямоугольного волновода, нарушением режима согласования выхода волноводного прямоугольного резонатора с входом Г-образного прямоугольного волновода, короткозамкнутого на конце, частотной зависимостью входного сопротивления полосковой антенны.

Раскрытие изобретения

Основной задачей, на решение которой направлено изобретение, является повышение эффективности работы устройства для возбуждения кругополяризованого поля в камере микроволновой печи за счет ослабления зависимости поступающей от устройства микроволновой энергии и ее распределения от частоты в рабочем диапазоне частот магнетронного генератора, увеличения коэффициента передачи микроволновой энергии из прямоугольного волноводного резонатора в камеру, обеспечения стабильного, равномерного нагрева обрабатываемого продукта.

Это достигается за счет того, что устройство для возбуждения кругополяризованного поля в камере микроволновой печи, содержащее прямоугольный волноводный резонатор, в полость которого через отверстие в широкой стенке погружен металлический стержень вывода микроволновой энергии из магнетрона, согласно изобретению в устройстве в качестве возбудителя кругополяризованного поля используется плоская равноугольная логарифмическая спиральная антенна с двумя ветвями - левая и правая [3, 4], выполненными из хорошо проводящего листового металла, питающимися синфазно и подключенными через коаксиально-волноводный переход к прямоугольному волноводному резонатору с погруженным в его полость металлическим стержнем вывода микроволновой энергии из магнетрона; начало левой ветви и начало правой ветви плоской спиральной антенны электрически соединены с центральным проводником коаксиального отрезка коаксиально-волноводного перехода с помощью прижимного винта; на внешнем проводнике коаксиального отрезка коаксиально-волноводного перехода установлен и закреплен прижимной гайкой с хорошим электрическим контактом общий для обеих ветвей плоской спиральной антенны экран, выполненный из хорошо проводящего металлического листа, электрически соединенный посредством металлических стоек с левой и правой ветвями плоской спиральной антенны; точка L соединения левой ветви плоской спиральной антенны с экраном и точка Р соединения правой ветви плоской спиральной антенны с экраном лежат на прямой, проходящей через центр симметрии обеих ветвей и образующей с горизонтальной осью угол порядка (16÷18)°; с прямоугольным волноводным резонатором экран также соединен посредством металлических стоек; центральный проводник зафиксирован внутри внешнего проводника коаксиального отрезка коаксиально-волноводного перехода с помощью диэлектрической шайбы, зажатой винтами через отверстия в стенках внешнего проводника коаксиального отрезка коаксиально-волноводного перехода. Корпус магнетрона и прямоугольный волноводный резонатор механически и электрически соединены с помощью металлического уголка.

Благодаря использованию плоской равноугольной логарифмической спиральной антенны с двумя ветвями, запитанными синфазно, и применению экрана реализуется ненаправленный режим излучения антенны с основными характеристиками - диаграммой направленности, коэффициентом полезного действия, входным сопротивлением и раскрывом, практически не зависящими от частоты в широком диапазоне, что обеспечивает равномерное распределение плотности потока микроволновой мощности в плоскости, перпендикулярной оси плоской равноугольной логарифмической спиральной антенны с двумя ветвями.

Компоновка устройства в виде моноблочной, компактной по размерам конструкции, объединяющей прямоугольный волноводный резонатор, вывод энергии магнетрона, коаксиально-волноводный переход и плоскую логарифмическую спиральную антенну с двумя ветвями, попарное и перекрестное согласование импедансов в плоскости соединения элементов позволило получить эффективность (коэффициент полезного действия) устройства для возбуждения кругополяризованного поля в камере микроволновой печи с (поворотной платформой) с размерами 241×343×400 мм более 65% при значении коэффициента равномерности распределения источников нагрева 98%. При этом не наблюдалась зависимость эффективности и равномерности распределения от месторасположения обрабатываемого продукта в камере.

Электрическое соединение с экраном левой ветви плоской спиральной антенны в точке L и электрическое соединение с экраном правой ветви плоской спиральной антенны в точке Р так, что эти точки лежат на прямой, проходящей через центр симметрии обеих ветвей и образующей с горизонтальной осью угол порядка (16-18)°, найденный экспериментально, обеспечило качественное согласование входа плоской равноугольной логарифмической спиральной антенны с двумя ветвями с выходом коаксиально-волноводного перехода, т.е. режим передачи в антенну максимальной микроволновой мощности.

Краткое описание чертежей

На фиг.1 показан в разрезе общий вид конструкции устройства для возбуждения кругополяризованого поля в камере, на фиг.2 - общий вид плоской равноугольной логарифмической спиральной антенны с двумя ветвями - левой и правой.

Лучший вариант осуществления изобретения

Устройство для возбуждения кругополяризованного поля в камере микроволновой печи, фиг.1, содержит прямоугольный волноводный резонатор 12, в полость которого через отверстие в широкой стенке погружен металлический стержень вывода 5 микроволновой энергии из магнетрона 14.

В качестве возбудителя кругополяризованного поля используется равноугольная логарифмическая спиральная антенна (СА) с двумя ветвями - левая 2 и правая 11, выполненными из хорошо проводящего листового металла и подключенными через коаксиально-волноводный переход (КВП), состоящий из центрального проводника 8, частично погруженного в полость резонатора 12, внешнего проводника 16 в виде втулки из металла с высокой проводимостью, неразъемно с хорошей гальванической связью, установленной на верхней широкой стенке прямоугольного волноводного резонатора 12, и диэлектрической шайбы 10, зажатой винтами (на фиг.1 не показаны) через сквозные отверстия в стенке внешнего проводника КВП.

Начало 17, фиг.2, левой ветви СА 2, фиг.1, и начало 18, фиг.2, правой ветви СА 11, фиг.1 электрически соединены с центральным проводником 8 коаксиального отрезка КВП с помощью прижимного винта 9; для электрической изоляции начала 17 левой ветви СА и начала 18 правой ветви СА используется диэлектрическая втулка 6.

На внешнем проводнике 16 КВП установлен и закреплен прижимной гайкой 7 с хорошим электрическим контактом общий для обеих ветвей СА экран 1, выполненный из листового металла с высокой электропроводностью, электрически соединенный посредством металлических стоек 3 и 15, соответственно, с левой ветвью 2 СА и с правой ветвью 11 СА; точка L, фиг.2, соединения левой ветви 2 СА с экраном 1 и точка Р, фиг.2, соединения правой ветви 11 СА с экраном 1 лежат на прямой, проходящей через центр симметрии СА и образующей с осью Х угол порядка (16÷18)°; с прямоугольным волноводным резонатором 12 экран 1 также соединен механически и электрически посредством металлических стоек 4; корпус магнетрона 14 и прямоугольный волноводный резонатор 12 механически и электрически соединены металлическим уголком 13.

Подготовка устройства к эксплуатации и его работа заключаются в следующем. На первом этапе производится жесткая установка экрана 1 и плоской равноугольной логарифмической СА - левой ветви 2 и правой ветви 11 со свободным, допускающим возможность поворота, закреплением левой 2 и правой 11 ветвей прижимным винтом 9. Затем прямоугольный волноводный резонатор 12 соединяется с магнетроном 14, вывод энергии 5 из которого оказывается погруженным в полость резонатора 12. Собранное устройство через технологическое отверстие в боковой стенке камеры нагрева механически и электрически соединяется с этой стенкой (на фиг. не показано). Путем дискретного изменения положения точки подключения 3 фиг.1, (L фиг.2) левой ветви 2 СА к экрану 1 и точки подключения 15 фиг.1, (Р фиг.2) правой ветви 11 СА к экрану 1, строго оставляя обе точки лежащими на прямой, проходящей через центр симметрии СА с двумя ветвями, выполняются измерения мощности в камере с нагрузкой в виде стеклянного сосуда с водой при включенном магнетронном генераторе 14, и определяется угол наклона этой прямой к оси X, соответствующий режиму передачи максимальной мощности от магнетрона в камеру. После этого положения левой 2 и правой 11 ветвей СА жестко фиксируются. Устройство готово к эксплуатации.

Промышленная применяемость

Проведенные испытания опытного образца устройства для возбуждения круглополяризованного поля в камере микроволновой печи с поворотной платформой, изготовленного по изобретению, показали его высокую эффективность по сравнению с другими аналогичными по назначению устройствами. Совершенно не жесткие технологические допуски к изготовлению деталей и сборки устройства практически не влияли на его характеристики: после ряда процедур сборки-разборки, установки в камере с размерами 241×343×400 мм и настройки устройство стабильно обеспечивало коэффициент равномерности распределения источников нагрева внутри камеры не менее (97÷98)%, эффективность порядка 65%. Зависимость вышеуказанных характеристик от объема, массы и месторасположения обрабатываемого продукта не наблюдалась.

Устройство для возбуждения кругополяризованного поля в камере микроволновой печи, содержащее прямоугольный волноводный резонатор, в полость которого через отверстие в широкой стенке погружен металлический стержень вывода микроволновой энергии из магнетрона, отличающееся тем, что в качестве возбудителя кругополяризованного поля используется плоская равноугольная логарифмическая спиральная антенна с двумя ветвями (левая и правая), выполненными из листового металла с высокой проводимостью и питающимися синфазно, подключенными через коаксиально-волноводный переход к прямоугольному волноводному резонатору с погруженным в его плоскость металлическим стержнем вывода микроволновой энергии из магнетрона; начало левой ветви и начало правой ветви плоской спиральной антенны электрически соединены с центральным проводником коаксиального отрезка коаксиально-волноводного перехода с помощью прижимного винта, на внешнем проводнике коаксиального отрезка коаксиально-волноводного перехода установлен и закреплен прижимной гайкой с хорошим электрическим контактом общий для обеих ветвей спиральной антенны экран, выполненный из листового металла с хорошей проводимостью, электрически соединенный посредством металлических стоек с левой и правой ветвями спиральной антенны и с прямоугольным волноводным резонатором; точка L соединения левой ветви спиральной антенны с экраном и точка Р соединения правой ветви спиральной антенны с экраном лежат на прямой, проходящей через центр симметрии обеих ветвей и образующей с осью Х угол порядка (16÷18)°; центральный проводник коаксиального отрезка коаксиально-волноводного перехода зафиксирован внутри внешнего проводника с помощью диэлектрической шайбы, зажатой винтами через отверстия в стенке внешнего проводника коаксиального отрезка коаксиально-волноводного перехода; корпус магнетрона и прямоугольный волноводный резонатор механически и электрически соединены металлическим уголком.