Устройство микроволновой печи (СВЧ)

1.1. Устройство микроволновой (СВЧ) печи

В состав СВЧ-печи входят:

• высоковольтный источник питания;
• СВЧ-тракт;
• устройство управления (механическое или электронное);
• нагреватели;
• вентиляторы и т. д.

Подробно конструкция СВЧ-печи рассмотрена в разделе, посвященном печам фирмы Daewoo. 

1.1.1. СВЧ-тракт микроволновой печи

Этот тракт представляет собой совокупность трех элементов:

1. мощного генератора СВЧ-колебаний;
2. устройства согласования генератора с на­грузкой;
3. собственно нагрузки СВЧ-генератора.

Традиционно в бытовых микроволновых печах в качест­ве генератора СВЧ используется магнетрон, как достаточно дешевый и в то же время мощный СВЧ-прибор. Нагрузкой в бытовых печах являет­ся камера печи с размещенной в ней пищей. Од­нако проблема заключается в том, что размеще­ние различного количества и разного сорта пищи очень значительно изменяет параметры камеры печи как нагрузки магнетрона. Оказывается, что хорошо согласовать (в смысле — сохранить вы­сокий кпд СВЧ-тракта во всем диапазоне нагру­зок) магнетрон с такой изменяющейся в широких пределах нагрузкой практически невозможно. Поэтому между магнетроном и камерой печи ус­танавливают волновод - устройство, в котором происходит распространение электромагнитных волн определенного типа и определенного диа­пазона частот. Оказалось, что получить хорошее согласование (с минимальными потерями мощ­ности) магнетрона с волноводом и затем волно­вода с камерой печи гораздо проще, чем непо­средственно согласовывать магнетрон с камерой печи. Но все равно невозможно согласовать маг­нетрон с волноводом и камерой печи таким обра­зом, чтобы отражение СВЧ-энергии находилось в допустимых пределах (не более 30%) и при максимальной загрузке и при пустой камере. По­этому всегда оговаривается минимальная за­грузка печи, как правило, не менее 0,2...0,3 кг.

Используемый между магнетроном и камерой СВЧ-печи волновод представляет собой, как пра­вило, отрезок трубы прямоугольного либо кругло­го сечения. Стенки волновода (особенно длинно­го), для уменьшения потерь энергии, тщательно шлифуют или даже покрывают серебром. Как из­вестно, для передачи электромагнитной энергии может использоваться также коаксиальный ка­бель. Отличия в работе коаксиального кабеля и волновода приводят к тому, что если в коаксиаль­ном кабеле с ростом частоты происходит увели­чение потерь, то волновод, напротив, работает только на частотах выше определенной, назы­ваемой критической. Эта частота однозначно оп­ределяется геометрическими размерами волново­да. Для того чтобы волновод проводил СВЧ-энер-гию, один из размеров его сечения (в первом при­ближении) должен быть больше половины длины волны, которая подается в волновод.

Электромагнитные волны, проходящие через волновод, принято делить на два типа.

Тип Е — это волны, имеющие электрическую составляющую поля в направлении распростра­нения и не имеющие магнитной составляющей в этом же направлении.

Тип Н — это волны, имеющие магнитную со­ставляющую поля в направлении распростране­ния и не имеющие электрической составляющей в этом же направлении.

Смешение волн этих типов создает в волно­воде множество волн смешенных типов. При этом волны разного типа создают в волноводе различное расположение силовых линий элек­тромагнитного поля.

Возбуждение волновода

Чтобы возбудить в волноводе электромагнит­ные волны, надо поместить в него устройство, создающее магнитное или электрическое поле, совпадающее с полем волн требуемого вида.

В бытовых СВЧ-печах для этого используется электрический штырь, размещаемый в максиму­ме электрического поля вдоль силовых линий поля. Именно таким штырем и заключается вы­вод энергии из магнетрона (см. рис. 1.1).

Как показано на рис. 1.1, при согласовании магнетрона с волноводом важно соблюсти два размера:

• расстояние от штыря до стенки волновода' «а¹» должно составлять ровно четверть дли­ны волны;
• расстояние от штыря до противоположной стенки волновода должно составлять ровно четверть длины волны.

Расстояние от центра штыря магнетрона до противоположной стенки должно составлять 0,25 длины волны, поскольку при таком расстоянии будут суммироваться волны, излученные магне­троном и отраженные от стенки волновода. Та­ким образом, вся энергия, выработанная магне­троном, будет распространяться по волноводу, работающему в режиме бегущих волн. То есть в режиме передачи энергии от магнетрона к на­грузке.

При этом, для наиболее эффективного возбу­ждения электромагнитных колебаний в волново­де, оптимальная длина антенны, введенной в волновод, должна составлять четверть длины волны при предположении, что ее толщина пренебрежимо мала. Однако, поскольку обычно вывод магнетрона заканчивается медным кол­пачком диаметром около 15 мм, при этом обра­зуется емкость между колпачком магнетрона и противоположной стенкой волновода. Эта ем­кость играет некоторый укорачивающий эффект, в связи с чем вывод магнетрона внутри волново­да несколько меньше четверти длины волны, на которой работает магнетрон.

Рабочая камера печи

Именно в ней происходит приготовление пищи под действием СВЧ-излучения. Эта каме­ра представляет собой металлическую емкость прямоугольной формы, с одной стороны кото­рой в нее вводится СВЧ-излучение. Уже из этого факта достаточно очевидно, что основной про­блемой такой печи будет неравномерный нагрев помещенного в нее продукта. Дело в том, что камера печи представляет собой идеальное ме­сто для образования стоячих волн (можно про­вести аналогию с акустическим резонатором), а значит, в ней будет присутствовать ряд мини­мумов и максимумов электромагнитных колеба­ний, возникающих вследствие многократных от­ражений электромагнитных волн от металличе­ских стенок камеры. Спектр резонансных частот камеры СВЧ-печи с пищей и без нее приведен на рис. 1.2.

Кроме основного вида колебаний в камере образуется ряд высших колебаний. Для обеспе­чения лучшего приготовления следует стремить­ся к наибольшей плотности видов колебаний вблизи основной рабочей частоты генератора, возбуждающего камеру. Для достижения этого проще всего увеличить размеры камеры.

Равномерность нагрева пищи также увеличи­вается, как это следует из приведенного выше рисунка, при увеличении загрузки камеры. Дело в том, что увеличение загрузки камеры приготав­ливаемым продуктом приводит к усложнению распределения электромагнитных полей в каме­ре. В камере появляется, кроме основных, ряд комбинированных видов колебаний, это способ­ствует более равномерному распределению электромагнитной энергии в камере, и как след­ствие, улучшению равномерности прогрева про­дукта.

Поэтому с увеличением загрузки камеры ситуация улучшается, однако это недостаточно для нормального приготовления пищи. Равно­мерный нагрев можно достичь, только если включать имеющиеся виды электромагнитных колебаний по очереди. Можно также изменять амплитуду различных видов колебаний. Если это сделать, то каждый кусочек продукта в про­цессе приготовления будет подвергаться воз­действию полей, имеющих разное распределе­ние минимумов и максимумов. Из-за большого количества комбинаций этих полей можно полу­чить равномерный нагрев продукта в централь­ной части камеры.

Для решения этой задачи используется два подхода:

1. использование металлического диссек­тора;
2. использование вращающегося подноса. Диссектор, размещаемый вблизи ввода СВЧ-энергии в камеру печи, изображен на рис. 1.3.

 

 

Металлические лопасти диссектора вращают­ся в месте сочленения волновода магнетрона с камерой печи. Лопасти диссектора делают раз­личного размера, соответственно они, взаимо­действуя с полем в волноводе, постоянно видо­изменяют спектр электромагнитных олебаний, а следовательно, и структуру поля в камере печи. Разумеется, при этом постоянно изменяются и так неидеальные условия согласования магне­трона с камерой печи, что приводит к уменьше­нию кпд печи и дополнительному нагреву магне­трона.

При работе вращающегося подноса действу­ет иной механизм выравнивания температуры пищи. Как правило, приготавливаемая пища структурно неоднородна и на подносе располо­жена несимметрично. Поэтому при ее вращении будут в значительной степени изменяться ПОЛЯ различных видов колебаний, существующих в ка­мере печи. Таким образом, сама пища будет вы­полнять функции диссектора. Даже в центре вращения продукта напряжение электромагнит­ного поля будет постоянно изменяться. Таким образом, будет обеспечен более равномерный нагрев и больший кпд печи, чем при использова­нии диссектора.

Именно поэтому практически во всех микроволновках зарубежного производства используется не дис­сектор, а вращающийся поднос.