дисперсионное кольцо в микроволновке что это такое
Микроволновая печь
Владельцы патента RU 2472323:
Изобретение относится к бытовой электронагревательной технике и может быть использовано в производстве микроволновых печей. Микроволновая печь, включающая корпус, образующий камеру для приготовления пищи, магнетрон с ярмом, волновод и антенну, снабжена уплотнительной кольцевой прокладкой с дисперсионным кольцом. Уплотнительная кольцевая прокладка выполнена сетчатой и смонтирована между ярмом и антенной. Дисперсионное кольцо представляет собой шайбу с, по меньшей мере, одним дисперсионным элементом, выполненным в виде полосы, расположенной радиально по отношению к шайбе. Дисперсионное кольцо смонтировано на уплотнительной кольцевой прокладке таким образом, что шайба расположена соосно между уплотнительной кольцевой прокладкой и магнетроном, а каждый дисперсионный элемент загнут с возможностью охвата уплотнительной кольцевой прокладки со стороны камеры. Дисперсионные элементы расположены попарно и диаметрально по отношению друг к другу и выполнены выбранными из следующего ряда материалов: золото, серебро, медь, железо, алюминий, олово, цинк, или их сочетания, или их сочетания с другими металлами. Изобретение обеспечивает возможность изменения структуры и формы поля сверхвысокой частоты, что ускоряет разогрев. 3 з.п. ф-лы, 3 ил.
Изобретение относится к бытовой электронагревательной технике, а более конкретно к приборам для разогрева и приготовления преимущественно продуктов питания с использованием источника энергии сверхвысоких частот (СВЧ), и может быть использовано в производстве микроволновых печей.
Из уровня техники известна микроволновая печь, содержащая экранирующий корпус, состоящий из крышки и основания, образующих варочную камеру, магнетрон с излучающим волноводом, выполненным в виде двух поверхностей тел вращения с образующими в форме экспонент, обращенных выпуклостями друг к другу, при этом центр излучающего волновода совпадает с центром варочной камеры, см. заявку на изобретение RU, кл. Н05В 6/64, №94029963, опубликована 20.06.1996. Конструкция характеризуется улучшенными массогабаритными характеристиками. Недостатками известного устройства являются специфическая форма рабочей камеры печи, ограничивающая возможности ее использования.
Известна микроволновая печь, содержащая магнетрон для генерации энергии электромагнитной волны, волновод для управления и направления энергии электромагнитной волны в полый корпус, образующий камеру для приготовления пищи, и антенну для излучения энергии электромагнитной волны, генерируемой магнетроном в волновод, который имеет окна для рассеяния энергии электромагнитной волны в камеру для приготовления пищи, при этом окна выполнены с возможностью генерации круговой поляризации с требуемыми характеристиками, см. пат. RU, кл. Н05В 6/64, №2215380, опубликован 27.10.2003. Указанный известный объект принят в качестве прототипа как наиболее близкий по назначению, технической сущности и достигаемому результату аналог. Устройство согласно прототипу повышает равномерность нагрева в камере для приготовления пищи за счет создания волноводом вращающейся волны.
Недостатком прототипа является обязательное присутствие в конструкции печи волновода, который в силу своей протяженности обладает волновым сопротивлением и возвратным отражающим эффектом магнетрона, что снижает мощность микроволновой энергии, направленной в камеру для нагрева материалов и продуктов. Кроме того, наличие волновода увеличивает габариты корпуса микроволновой печи. Указанные недостатки прототипа существенно снижают его экономические показатели и ограничивают эффективность его применения.
Изобретение направлено на достижение технического результата, который выражается в упрощении конструкции микроволновой печи за счет оптимизации параметров электромагнитного поля сверхвысокой частоты, генерируемого магнетроном, и отказа от использования громоздких волноводов. Кроме того, улучшается защита магнетрона и панели управления микроволновой печи от обратного излучения. В конечном итоге указанный технический результат позволяет повысить КПД микроволновой печи, уменьшить ее габариты и улучшить экономические и потребительские свойства. В микроволновой печи максимально сохранены все положительные свойства прототипа, наиболее важными из которых являются повышение равномерности нагрева в камере.
Положительный результат достигается тем, что микроволновая печь, включающая магнетрон с ярмом для генерации энергии электромагнитной волны, волновод для направления энергии электромагнитной волны в полый корпус, образующий камеру для приготовления пищи, и антенну для излучения энергии электромагнитной волны, генерируемой магнетроном в волновод, отличается от прототипа тем, что она снабжена уплотнительной кольцевой прокладкой с дисперсионным кольцом. Уплотнительная кольцевая прокладка выполнена сетчатой и смонтирована между ярмом и антенной. Дисперсионное кольцо представляет собой шайбу с, по меньшей мере, одним дисперсионным элементом, выполненным в виде полосы, расположенной радиально по отношению к шайбе, при этом дисперсионное кольцо смонтировано на уплотнительной кольцевой прокладке таким образом, что шайба расположена соосно между уплотнительной кольцевой прокладкой и магнетроном, а каждый дисперсионный элемент загнут с возможностью охвата уплотнительной кольцевой прокладки со стороны камеры.
Исследования показывают, что основной проблемой, возникающей в камере микроволновых печей, является неравномерность нагревания продукта и несогласованность нагрузки магнетрона. Для обеспечения равномерного проникновения энергии поля сверхвысокой частоты в продукт необходимо волны, идущие по разным направлениям, разделить во времени и направлению. Эту функцию в микроволновой печи выполняют разнообразные технические средства, диссекторы, волноводы, вращающийся столик и т.п. В современных микроволновых печах, не оснащенных специальными волноводами, структура поля сверхвысокой частоты практически правильной сферичной формы. Происходит это благодаря симметричной форме уплотнительной кольцевой прокладки верхней части корпуса магнетрона. В результате силовые линии электромагнитного поля расположены равномерно вокруг антенны между антенной и корпусом.
В основу изобретения положено оригинальное техническое решение, заключающееся в изменении структуры и формы поля сверхвысокой частоты, создаваемого магнетроном путем конструктивного усовершенствования последнего посредством специального дисперсионного кольца, расположенного между антенной и ярмом магнетрона.
Поле сверхвысокой частоты, создаваемое магнетроном, благодаря наличию в конструкции микроволновой печи дисперсионного кольца деформируется по форме и напряжению. Поле сверхвысокой частоты изменяется от правильной сферичной формы на выпуклую, в зоне расположения токопроводящих дисперсионных элементов. Проникая в рабочую камеру для приготовления пищи, поле сверхвысокой частоты приобретает чередующуюся структуру, параметры которой зависят от длины волны, эффекта отражения от стенок рабочей камеры, а также от степени поглощения энергии приготавливаемым (разогреваемым) продуктом. Таким образом, рассматриваемая структура поля сверхвысокой частоты в объеме рабочей камеры в фиксированный момент времени характеризуется благодаря применению дисперсионного кольца и эффективному распределению мощности СВЧ наличием участков с повышенной дивергенцией напряженности. Приготовление или разогрев продуктов в таком поле происходит быстрее, чем в поле с плавными спадами плотности энергии СВЧ в микроволновых печах без дисперсионного кольца.
Конструкция магнетрона, оснащенного дисперсионным кольцом, обладает высокой надежностью и долговечностью, может быть рекомендована к бессрочному безопасному применению в любых климатических зонах без ограничения по температуре и влажности.
Таким образом, все отличительные от прототипа признаки микроволновой печи направлены на получение технического результата, а именно оптимизацию параметров электромагнитного поля сверхвысокой частоты, повышение КПД микроволновой печи и упрощение конструкции волновода.
Микроволновая печь, характеризующаяся описанной совокупностью существенных признаков, является новой, промышленно применимой и обладает изобретательским уровнем.
Техническое решение иллюстрировано чертежами.
Микроволновая печь состоит из корпуса 1, образующего камеру 2 для приготовления пищи. В боковой стенке камеры 2 посредством короткого волновода 3 смонтирован магнетрон 4, генерирующий энергию электромагнитной волны. Выходное окно волновода 3 перекрыто СВЧ прозрачной перегородкой 5. Магнетрон 4 содержит ярмо 6 и антенну 7 для излучения энергии электромагнитной волны. Между ярмом 6 и антенной 7 смонтирована уплотнительная кольцевая прокладка 8 с дисперсионным кольцом 9. Уплотнительная кольцевая прокладка 8 выполнена преимущественно из проволочной металлической медной сетки. Дисперсионное кольцо 9 представляет собой шайбу с дисперсионными элементами 10. Принципиально дисперсионное кольцо 9 может иметь различные размеры и быть изготовлено из различного материала, а его дисперсионные элементы 10 могут иметь различную форму и их количество может быть любым. На фигуре 3 шайба дисперсионного кольца 9 имеет внутренний диаметр, близкий к диаметру антенны 7, наружный диаметр, близкий к диаметру уплотнительной кольцевой прокладки 8, а два дисперсионных элемента 10 расположены диаметрально и выполнены в виде радиальных полос, которые загнуты к антенне 7 и охватывают уплотнительную кольцевую прокладку 8.
Дисперсионное кольцо 9 может быть изготовлено как из токопроводящего материала, так и частично проводящего или поглощающего энергию электромагнитной волны. В самых простых случаях это могут быть сплавы на основе металлов (золото, серебро, медь, железо, алюминий, олово, цинк), или их сочетания между собой, или сочетания с другими металлами. Возможно применение также материалов на основе ферромагнетиков и графита, или им подобных с подобными свойствами. Размеры дисперсионных элементов 10 определяются их количеством, а для поглощающих материалов еще и рассеиваемой мощностью. Длина участков дисперсионных элементов 10, расположенных со стороны камеры 2, зависит от конструкции и места монтажа магнетрона 4 и составляет преимущественно 3-8 мм. Ширина участков дисперсионных элементов 10 определяется их числом и рабочей частотой магнетрона 4.
Оптимум величины и распределения магнитного поля подбирается во время динамических испытаний магнетрона 4 путем вращения дисперсионного кольца 9, после чего положение дисперсионного кольца 9 фиксируется. Оптимальное положение дисперсионного кольца 9 определяется по результатам измерения электрических параметров и по максимальному КПД магнетрона 4.
Принципиально дисперсионное кольцо 9 описанной конструкции может быть использовано в любой бытовой микроволновой печи, с любым вариантом установки магнетрона 4 и с любой конструкцией волновода 3. Эксплуатация такой микроволновой печи экономически и технически не сопряжена с какими бы то ни было дополнительными затратами.
Возможность реализации микроволновой печи подтверждена примером.
Были проведены сравнительные исследования двух микроволновых печей. В первом случае испытанию подвергалась обычная бытовая СВЧ-печь с внутренним объемом 17 литров и с магнетроном без дисперсионного кольца. Для нагревания использовалась вода объемом 0,2 литра с начальной температурой 22°С. Во время работы СВЧ-печи потребляемая мощность составила 1134 Вт и за время 80 с температура воды достигла 58°С.
Описанные выше примеры осуществления микроволновой печи не являются исчерпывающими и приведены только с целью пояснения изобретения и подтверждения его промышленной применимости. Специалисты в данной области могут улучшить его и(или) осуществить альтернативные варианты в пределах сущности данного изобретения, отраженной в описании и чертежах.
1. Микроволновая печь, включающая магнетрон с ярмом для генерации энергии электромагнитной волны, волновод для направления энергии электромагнитной волны в полый корпус, образующий камеру для приготовления пищи, и антенну для излучения энергии электромагнитной волны, генерируемой магнетроном в волновод, отличающаяся тем, что она снабжена уплотнительной кольцевой прокладкой с дисперсионным кольцом, уплотнительная кольцевая прокладка выполнена сетчатой и смонтирована между ярмом и антенной, дисперсионное кольцо представляет собой шайбу с, по меньшей мере, одним дисперсионным элементом, выполненным в виде полосы, расположенной радиально по отношению к шайбе, при этом дисперсионное кольцо смонтировано на уплотнительной кольцевой прокладке таким образом, что шайба расположена соосно между уплотнительной кольцевой прокладкой и магнетроном, а каждый дисперсионный элемент загнут с возможностью охвата уплотнительной кольцевой прокладки со стороны камеры.
3. Микроволновая печь по п.2, отличающаяся тем, что дисперсионные элементы расположены попарно и диаметрально по отношению друг к другу и выполнены выбранными из следующего ряда материалов: золото, серебро, медь, железо, алюминий, олово, цинк или их сочетания или их сочетания с другими металлами.
4. Микроволновая печь по п.3, отличающаяся тем, что участки дисперсионных элементов, расположенные со стороны камеры имеют длину 3-8 мм.
Как работает микроволновка
Содержание
Содержание
Приготовление и разогрев пищи в микроволновой печи уже давно не вызывает вау-эффекта. Но вот как работает этот кухонный девайс, знает далеко не каждый. Это в свою очередь рождает множество мифов и кривотолков. В данном материале рассмотрим, как устроена микроволновка и как ее безопасно использовать.
Теория нагрева в СВЧ-печи
Как известно, полярные молекулы (иначе называемые диполями) ориентируются в пространстве вдоль силовых линий магнитного поля. Если такую молекулу поместить в переменное магнитное поле, она, обладая дипольным моментом, начнет поворачиваться, следуя за его магнитными линиями. Чем выше частота смены направления силовыми линиями поля, тем чаще молекула будет менять свое положение.
Ярким представителем диполя является молекула воды, самого распространенного на Земле вещества. Приложение переменного магнитного поля к молекулам воды заставляет их находиться в постоянном движении, обусловленным дипольным моментом. Из-за сил трения, возникающих между соседними молекулами, выделяется тепло и, соответственно, повышается температура материала, помещенного в электромагнитное поле. Причем чем быстрее и чаще меняется направление поля, тем быстрее происходит внутренний нагрев. Такое поведение молекулы воды является основополагающим принципом готовки в микроволновой печи.
Любой продукт содержит то или иное количество воды, поэтому если поместить его под действие электромагнитных волн, это гарантированно вызовет его нагрев. Причем продукт нагревается изнутри, а не снаружи, как это происходит при традиционных способах готовки. СВЧ-волны проникают вглубь продукта примерно на 2,5-3 см, а остальной нагрев происходит за счет теплового движения молекул.
Чтобы разогреть продукты, их подвергают воздействию электромагнитных волн, меняющих направление своих электромагнитных полей с высокой частотой.
Общепринятым стандартом частоты электромагнитного поля в СВЧ-печах является значение 2,45 ГГц.
Основной миф о микроволновках гласит, что молекула воды начинает менять свое положение лишь на частоте 2,45 ГГц. На самом деле это не так. Движение молекул воды возможно в более широком спектре частот. Причем чем ниже частота, тем глубже радиоволны проникают в толщу материала. Некоторые промышленные образцы микроволновок успешно работают на частоте 915 МГц.
Используемая частота радиоволн — определенный компромисс между эффективностью, стоимостью и повсеместной доступностью технологии. Во-первых, возможность использовать микроволновку должна быть везде, а значит, частота ее волн должна находиться в разрешенном радиочастотном диапазоне. Во-вторых, конечное изделие не должно иметь высокую стоимость, чтобы быть по карману большинству. В-третьих, прибор для приготовления должен быть достаточно компактным и иметь небольшой вес.
Устройство и принцип действия микроволновки
СВЧ-печь состоит из небольшого количества узлов и компонентов. В ее состав входят:
Главную скрипку в работе микроволновки играет магнетрон — узел, генерирующий радиоволны высокой частоты.
Пытаясь вникнуть в суть работы магнетрона, так и хочется воскликнуть словами известного интернет-мема: «Ничего не понятно, но очень интересно!» На самом деле это так, только если подходить к вопросу, что называется, академически. Упрощенно работу электромагнитного излучателя можно описать следующим образом.
Конструктивно, магнетрон — это вакуумная электролампа, известная еще со времен дедовских телевизоров и радиоприемников. Узел состоит из толстостенного анода, как правило, выполненного из медного сплава и имеющего в своей конструкции камеры резонаторов, а также катода с дополнительной обмоткой, изготовленной из сплава вольфрама и тория. Катод осуществляет эмиссию электронов в вакуумную среду устройства. Для ускорения процесса отделения электронов с поверхности катода, обмотка нагревается путем подачи на нее небольшого напряжения. Колба магнетрона с обоих торцов заключена в постоянные магниты, создающие внутри нее постоянное магнитное поле.
Возникновение волн сверхвысокой частоты происходит при взаимодействии перпендикулярных друг другу постоянного магнитного поля, сформированного постоянными магнитами, и переменного электромагнитного поля, возникающего при подаче высокого напряжения на выводы магнетрона. Для питания излучателя СВЧ-волн используется высокое напряжение, величина которого составляет порядка 4000 В.
В кольцевом промежутке между катодом и анодом, иначе называемым пространством взаимодействия, происходит формирование потока электронов и их круговое вращение внутри воздушного зазора. Во время прохождения потока электронов мимо полостей резонаторов скорость электронов несколько замедляется. В этот момент происходит отбор энергии из пучка электронов и формирование СВЧ-волн, которые в свою очередь усиливаются в резонаторах и выводятся через проволочную петлю на антенну магнетрона.
Дальнейший путь СВЧ-волн довольно прост. По волноводу они попадают в рабочую камеру печи и поглощаются помещенными в нее продуктами, в результате чего пища нагревается.
Магнетрон, волновод и рабочая камера — замкнутая среда распространения СВЧ-волн, в которой они должны поглощаться. Именно по этой причине в рабочей камере должны находиться продукты, поглощающие энергию волн. Если включить пустую микроволновую печь, волны, отражаясь от стенок камеры, рано или поздно попадут обратно в волновод и на антенну магнетрона, что вызовет искрение внутри печи и станет причиной возможного выхода излучателя из строя.
Работу магнетрона обеспечивает мощный трансформатор, повышающий сетевое напряжение до 2 кВ. Посредством проходного конденсатора, установленного во вторичной обмотке, форма напряжения преобразуется в пульсирующую, удвоенную по величине. Таким образом, на контакты магнетрона поступает напряжение порядка 4 кВ, необходимое для нормальной работы излучателя. Дополнительно на вторичной обмотке трансформатора имеются выводы для питания нити нагрева катода. Напряжение питания схемы подогрева находится в пределах 2,5-4,5 В.
В процессе работы магнетрон выделяет большое количество тепла, которое отводится потоком нагнетаемого вентилятором воздуха. Воздух проходит через пластины радиатора, а затем попадает в рабочую камеру. Его избыток выходит через специальные вентиляционные отверстия.
Для равномерного воздействия микроволн на всю поверхность продуктов, в рабочей камере устанавливается вращающаяся тарелка.
По типу управления работой магнетрона микроволновые печи могут быть трансформаторными (устройство которых рассмотрено выше) или инверторными. Различие конструкций обеих концепций заключается лишь в источнике питания СВЧ-излучателя, а вот логика работы отличается существенно.
Если в классической конструкции мощность СВЧ-излучения регулируется путем периодического включения магнетрона на полную мощность, то при инверторном управлении излучатель остается включенным постоянно, а мощность его излучения регулируется посредством инвертора.
Что это дает конечному потребителю? В первую очередь — большую рабочую камеру. Физические размеры инвертора значительно меньше размеров трансформатора, поэтому высвобождаемое внутреннее пространство печи можно использовать для увеличения полезного объема камеры. Во-вторых, снижение веса. Высоковольтный трансформатор микроволновки — довольно мощный аппарат, вес которого составляет от 3 до 5 кг, что не идет ни в какое сравнение с весом инвертора. В-третьих, улучшение вкусовых качеств готовых блюд. Поскольку излучатель включен постоянно, то исключаются «ударные» нагрузки на молекулы воды в моменты включения магнетрона на полную мощность. Как результат, исключается излишнее высушивание продуктов путем избыточного выпаривания влаги. Это положительно сказывается на конечном вкусе готовых блюд. В-четвертых, снижение мощности в процессе готовки приводит к снижению потребления электроэнергии.
Многие сайты и невежественные продавцы бытовой техники утверждают, что инверторные модели лишены механизма поворотной тарелки, а равномерное приготовление пищи происходит за счет регулировки длины и интенсивности волн инверторным управлением. Это не так! Просто есть модели, в которых магнетрон установлен над или под рабочей камерой. Такое конструктивное решение позволяет выиграть еще несколько десятков кубических сантиметров полезного объема печи.
Безопасное использование микроволновой печи
Чтобы кухонный аппарат долгие годы служил верой и правдой и не требовал вмешательства сервисных служб в свой «внутренний мир», следует соблюдать несколько простых правил:
1. Не включать печь с пустой камерой, без продуктов. Микроволны ничем не поглощаются, поэтому «хлопки» и искрение гарантированы. К тому же это не лучшим образом сказывается на ресурсе магнетрона.
2. Поверхность рабочей камеры следует содержать в чистоте. Остатки продуктов на стенках мало того, что неэстетичны, но и содержат воду, поэтому при работе печи будут поглощать микроволны. В конечном итоге это приведет к порче покрытия стенок камеры.
3. Перед приготовлением продуктов, заключенных в какую-либо оболочку с намеком на герметичность (сосиски, сардельки и т. д.), оболочку продукта нужно проколоть в нескольких местах. Это простое действие создаст каналы для выхода пара, который неизбежно будет образовываться внутри продукта во время приготовления. Это позволит продукту сохранить свой первоначальный вид и остаться в тарелке, а не «украшать» своими частями стенки камеры.
4. Нельзя пользоваться СВЧ-печью с неисправной блокировкой дверцы или умышленно ее отключать. Стенки камеры и экранированное стекло дверцы надежно защищают от проникновения микроволн за пределы рабочего пространства печи. Ведь мы помним, что воздействие микроволнового излучения вызывает нагрев тканей, поэтому можно получить глубокие ожоги. Как не стоит использовать магнетрон можно посмотреть в этом коротком видео.
Внимание! Такие эксперименты опасны для здоровья!
5. Не нужно помещать в рабочую камеру металлические предметы и посуду, имеющую металлизированную кайму. Дело в том, что микроволны хоть и не поглощаются металлом, но приводят к возникновению в нем вихревых токов больших величин. Не лучшая идея — создать внутри микроволновки подобие сварочного аппарата и испортить внутренние поверхности печи.
6. Нужно всегда помнить, что СВЧ-излучатель питается напряжением порядка 4 кВ. Не стоит проводить самостоятельный ремонт. Риск получения электротравмы очень высок!
Дополнительное оснащение микроволновки
В современных микроволновках еду готовят не только с использованием СВЧ-излучения. Практически все модели оснащают грилем, а более «продвинутые» модели — и режимом конвекции.
Гриль
Существует два типа нагревательных элементов, служащих для создания румяной корочки у готового блюда или полноценной готовки в этом режиме. Это может быть обычный ТЭН или кварцевый излучатель.
Приготовление еды происходит от воздействия теплового (либо инфракрасного) излучения, создаваемого нагревательным элементом. Нагреватели имеют небольшую мощность, поэтому приготовление блюд только ими довольно сомнительно и занимает много времени. А вот в качестве подспорья микроволнам — вполне рабочий вариант. Кулинарные шедевры, приготовленные в комбинированном режиме «СВЧ + Гриль», получаются с хорошо пропеченной корочкой снаружи и сочными внутри.
Конвекция
Для режима «Конвекция» в камеру СВЧ-печи дополнительно устанавливают вентилятор, обеспечивающий принудительную вентиляцию горячего воздуха. В этом режиме блюдо гарантированно пропекается со всех сторон.
В режиме конвекции отлично удается запекать продукты (рагу, запеканки, тушеное мясо и т. д.), особенно хорошо выходит выпечка (пироги, безе, кексы и многое другое).
Важно помнить! Комбинированные режимы самые энергозатратные. Потребление электроэнергии может составить до 2,5 кВт*ч, поэтому следует удостовериться, что проводка выдержит такую нагрузку.