RU2585258C2

RU2585258C2 - Resonance heating chamber for devices with source of radiation of uhf range

Info

Publication number: RU2585258C2
Application number: RU2014140255/07A
Authority: RU
Inventors: Борис Абрамович Зон; Александр Николаевич Лихолет; Павел Аркадьевич Лукьянович; Василий Иванович Наскидашвили; Евгений Васильевич Невежин
Priority date: 2014-10-07
Filing date: 2014-10-07
Publication date: 2016-05-27
Also published as: RU2014140255A

Abstract

FIELD: home appliances.

SUBSTANCE: invention relates to microwave equipment and aims at increasing homogeneity of UHF field at heating, drying and other applications of thermal effect of electromagnetic radiation of UHF range. Resonance heating chamber for devices with source of radiation of UHF range, made in form of rectangular parallelepiped with profile of at least one wall comprises one or several bulges, wherein radii of curvature and their height are not less than λ/10, where λ is wavelength of microwave radiation.

EFFECT: technical result consists in reduction of heterogeneity of electric field in volume of chamber.

3 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к СВЧ технике и предназначено для повышения однородности СВЧ поля при нагреве, сушке и других применениях теплового воздействия электромагнитного излучения СВЧ диапазона.The invention relates to microwave technology and is intended to increase the uniformity of the microwave field during heating, drying and other applications of the thermal effects of electromagnetic radiation from the microwave range.

При использовании электромагнитного поля для нагрева предметов, содержащихся в некоторой полости, предполагается, что эта полость является замкнутым резонатором для источника электромагнитного излучения. Как правило, форма полости выбирается близкой к прямоугольному параллелепипеду. Это существенно упрощает теоретический анализ ее резонансных свойств. Однако при такой форме полости, а следовательно, и очень простой структуре собственных мод резонатора (стоячих волн) интенсивности поля в разных точках полости сильно различаются. Это приводит к неоднородности нагрева предметов, помещенных в полость.When using an electromagnetic field to heat objects contained in a cavity, it is assumed that this cavity is a closed resonator for a source of electromagnetic radiation. As a rule, the shape of the cavity is chosen close to the rectangular parallelepiped. This greatly simplifies the theoretical analysis of its resonance properties. However, with such a shape of the cavity, and, consequently, with a very simple structure of the eigenmodes of the resonator (standing waves), the field intensities at different points of the cavity differ greatly. This leads to heterogeneity in the heating of objects placed in the cavity.

Для устранения этого недостатка, а именно для повышения однородности электромагнитного поля в полости, используется перемешиватель (stirrer) стоячих волн. Он представляет собой металлическую вращающуюся пластину, размещенную в месте ввода электромагнитной энергии в полость. В пластине имеется несколько отверстий, через которые электромагнитное поле проходит в полость. Вращение пластины приводит к периодическому перемещению источника СВЧ поля в полости-резонаторе, приводя к изменению структуры электромагнитного поля, а в итоге - к повышению его однородности. Различные варианты конструкции перемешивателя, а также способов и схем его питания описаны, например, в патентах US 4144437, 5877479, 7030347.To eliminate this drawback, namely, to increase the uniformity of the electromagnetic field in the cavity, a stirrer of standing waves is used. It is a metal rotating plate located at the site of introduction of electromagnetic energy into the cavity. The plate has several holes through which the electromagnetic field passes into the cavity. The rotation of the plate leads to periodic displacement of the microwave field source in the cavity, leading to a change in the structure of the electromagnetic field, and ultimately to an increase in its uniformity. Various options for the design of the mixer, as well as methods and circuits for its power are described, for example, in patents US 4144437, 5877479, 7030347.

Несмотря на довольно широкое практическое применение перемешивателей, получаемое с их помощью поле не является вполне однородным.Despite the rather widespread practical use of stirrers, the field obtained with their help is not completely homogeneous.

Другим известным приемом, направленным на равномерность распределения электромагнитного поля внутри камеры нагрева, является придание внутренней поверхности стенок камеры особой формы.Another well-known technique aimed at uniform distribution of the electromagnetic field inside the heating chamber is to give the inner surface of the walls of the chamber a special shape.

Известна камера нагрева сверхвысокочастотной печи, в которой внутренняя поверхность двух стенок, одна из которых прилегает к стенке камеры с отверстием для ввода СВЧ энергии, а другая расположена напротив этого отверстия, выполнена ребристой (патент РФ 2085057, H05B 6/64, 1997). Ребра в поперечном сечении имеют форму треугольника высотой λ/8, расстояние между гребнями ребер, образованными вершинами треугольников, составляет λ/4, а гребни ребер параллельны плоскости стенки камеры нагрева, в которой выполнено отверстие.A known chamber for heating a microwave oven in which the inner surface of two walls, one of which is adjacent to the wall of the chamber with a hole for introducing microwave energy, and the other is located opposite this hole, is ribbed (RF patent 2085057, H05B 6/64, 1997). The ribs in the cross section have the shape of a triangle with a height of λ / 8, the distance between the ridges of the ribs formed by the vertices of the triangles is λ / 4, and the ridges of the ribs are parallel to the plane of the wall of the heating chamber in which the hole is made.

В другом варианте предлагается боковую поверхность резонансной камеры нагрева выполнить ребристой с расстоянием между соседними вершинами ребер, расположенных параллельно основанию, равным λ/2, и глубиной λ/8 (заявка РФ 96103495, H05B 6/64, 1998).In another embodiment, it is proposed that the lateral surface of the resonance heating chamber be ribbed with a distance between adjacent vertices of the ribs parallel to the base equal to λ / 2 and a depth of λ / 8 (RF application 96103495, H05B 6/64, 1998).

Известна камера нагрева в виде СВЧ резонатора в форме прямоугольного параллелепипеда (патент РФ 2000677, H05B 6/64, 1993), боковые стенки которого выполнены в виде гребневой структуры, направление гребней параллельно плоскостям торцевых стенок, при этом параметры периодической гребневой структуры выбраны из определенного соотношения. Промежутки между гребнями заполнены диэлектриком, например фторопластом.A known heating chamber in the form of a microwave cavity in the form of a rectangular parallelepiped (RF patent 2000677, H05B 6/64, 1993), the side walls of which are made in the form of a ridge structure, the direction of the ridges parallel to the planes of the end walls, while the parameters of the periodic ridge structure are selected from a certain ratio . The gaps between the ridges are filled with a dielectric, for example fluoroplastic.

Недостатком таких конструкций камеры нагрева является наличие резких выступающих углов в периодической гребневой структуре стенок камеры, у которых напряженность электромагнитного поля резко возрастает, что приводит к возможности возникновения электрического пробоя воздуха (искра).The disadvantage of such designs of the heating chamber is the presence of sharp protruding angles in the periodic ridge structure of the chamber walls, in which the electromagnetic field strength increases sharply, which leads to the possibility of electrical breakdown of air (spark).

Задачей изобретения является формирование профиля стенок камеры, повышающего однородность поля в ее объеме.The objective of the invention is the formation of the profile of the walls of the chamber, increasing the uniformity of the field in its volume.

Технический результат заключается в снижении неоднородности электрического поля в объеме камеры.The technical result is to reduce the heterogeneity of the electric field in the chamber volume.

Технический результат достигается тем, что в резонансной камере нагрева для устройств с источником излучения СВЧ диапазона, выполненной в форме прямоугольного параллелепипеда, согласно изобретению профиль хотя бы одной из стенок камеры нагрева содержит одну или несколько выпуклостей, у которых радиусы кривизны и высоты не менее λ/10, где λ - длина волны СВЧ излучения.The technical result is achieved by the fact that in the resonant heating chamber for devices with a microwave radiation source made in the form of a rectangular parallelepiped, according to the invention, the profile of at least one of the walls of the heating chamber contains one or more bumps with radii of curvature and height not less than λ / 10, where λ is the wavelength of the microwave radiation.

Если профиль камеры содержит одну выпуклость, то она занимает всю поверхность любой стенки или любую ее часть. Если выпуклостей несколько, то они имеют радиусы кривизны и высоты как одинаковой, так и различной величины и располагаются на поверхности любой из стенок как хаотично, так и регулярно.If the profile of the chamber contains one bulge, then it occupies the entire surface of any wall or any part thereof. If there are several bulges, then they have radii of curvature and height of the same or different sizes and are located on the surface of any wall both randomly and regularly.

Геометрия этих выпуклостей различна, но для каждой из них должны выполняться два условия: R>λ/10, h>λ/10, где R - радиус кривизны и h - высота выпуклости.The geometry of these bulges is different, but for each of them two conditions must be satisfied: R> λ / 10, h> λ / 10, where R is the radius of curvature and h is the height of the bulge.

На фиг 1 представлены примеры бильярдов Синая: а) простейший бильярд, б), бильярд типа «звезда», в), бильярд типа «гусеница»; на фиг. 2 представлена конструкция одной из стенок камеры: а) стенка камеры с несколькими выпуклостями, регулярно расположенными на ее поверхности; б) стенка камеры с одной выпуклостью, занимающей всю поверхность стенки; в) стенка камеры с одной выпуклостью, занимающей часть поверхности стенки; г) стенка камеры с несколькими выпуклостями, произвольно расположенными на ее поверхности.Figure 1 shows examples of Sinai billiards: a) simple billiards, b), star-type billiards, c) caterpillar-type billiards; in FIG. 2 shows the design of one of the chamber walls: a) a chamber wall with several bulges regularly located on its surface; b) the chamber wall with one bulge, occupying the entire surface of the wall; c) the wall of the chamber with one bulge, occupying part of the surface of the wall; d) the wall of the chamber with several bulges arbitrarily located on its surface.

Предлагаемое устройство основано на представлении об СВЧ бильярде (microwave billiard). СВЧ бильярд является волновым аналогом механического бильярда Я.Г. Синая, примеры которого приведены на фиг. 1: а) простейший бильярд, б) бильярд типа «звезда», в) бильярд типа «гусеница» (Г.М. Заславский, Р.З. Сагдеев. Введение в нелинейную физику: от маятника до турбулентности и хаоса. М., Наука, 1988.). При этом симметрия или периодичность повторения отдельных фрагментов, которые наблюдаются в этих фигурах, необязательны. Математически строго доказано, что траектория шарика, движущегося в таком бильярде по инерции, без трения о стол и без потери энергии при упругом отражении от стенок, заполнит равномерно всю площадь биллиардного стола, то есть вероятность обнаружить его в произвольной точке на столе не будет зависеть от координат этой точки.The proposed device is based on the concept of microwave billiards (microwave billiard). Microwave billiards is a wave analogue of mechanical billiards Ya.G. Sinai, examples of which are shown in FIG. 1: a) simple billiards, b) star-type billiards, c) caterpillar-like billiards (GM Zaslavsky, RZ Sagdeev. Introduction to nonlinear physics: from a pendulum to turbulence and chaos. M., Science, 1988.). In this case, the symmetry or periodicity of the repetition of individual fragments that are observed in these figures is optional. It is mathematically rigorously proved that the trajectory of a ball moving in such billiards by inertia, without friction against the table and without energy loss during elastic reflection from the walls, will uniformly fill the entire area of the billiard table, i.e. the probability of detecting it at an arbitrary point on the table will not depend on coordinates of this point.

Перенос этих представлений на движение волн в ограниченном объеме 3-мерного пространства, продемонстрировал, что структура поля в этом случае также приобретает хаотический характер. В частности, распределение собственных частот стоячих волн в бильярде, изображенном на фиг. 1а, является распределением Вигнера-Дайсона (S. Sridhar, W.T. Lu. Sinai billiard, Ruelle zeta-functions and Ruelle resonances: microwave experiments. J. Stat. Phys. 108, 755 (2002). При этом необходимо, чтобы для фотонов можно было использовать корпускулярное представление, в смысле квантово-механического дуализма волна-частица. При этом требуется выполнение условия: размеры полости-резонатора должны быть много больше длины волны СВЧ излучения λ.The transfer of these representations to the movement of waves in a limited volume of 3-dimensional space has demonstrated that the structure of the field in this case also becomes chaotic. In particular, the distribution of the natural frequencies of standing waves in billiards shown in FIG. 1a is the Wigner-Dyson distribution (S. Sridhar, WT Lu. Sinai billiard, Ruelle zeta-functions and Ruelle resonances: microwave experiments. J. Stat. Phys. 108, 755 (2002). It is necessary that for photons It was necessary to use the corpuscular representation, in the sense of quantum-mechanical dualism, wave-particle, and the following condition is required: the dimensions of the cavity-cavity should be much larger than the wavelength of microwave radiation λ.

В предлагаемом устройстве для повышения однородности поля хотя бы одна из стенок нагревательной камеры может иметь в разрезе вид фиг. 2а, являясь, тем самым, 3-мерным аналогом бильярда Синая типа «гусеница». Возможны и другие варианты выполнения стенок камеры. Хотя бы одна из них должна иметь одну (фиг. 2б, в), две, три (фиг. 2г) или более выпуклостей, произвольно расположенных на ее поверхности. Геометрия этих выпуклостей может быть различной, но для каждой из них должны выполняться два условия: R>λ/10, h>λ/10, где R - радиус кривизны и h - высота выпуклости.In the proposed device for increasing field uniformity, at least one of the walls of the heating chamber may have a sectional view of FIG. 2a, being, therefore, a 3-dimensional analogue of Sinai billiards of the “caterpillar” type. Other embodiments of the chamber walls are possible. At least one of them must have one (Fig. 2b, c), two, three (Fig. 2d) or more bulges arbitrarily located on its surface. The geometry of these bulges can be different, but for each of them two conditions must be satisfied: R> λ / 10, h> λ / 10, where R is the radius of curvature and h is the height of the bulge.

Claims

1. Resonant heating chamber for devices with a microwave radiation source in the form of a rectangular parallelepiped, characterized in that the profile of at least one of the walls of the heating chamber contains one or more convexities with radii of curvature and a height of at least λ / 10, where λ - microwave wavelength.

2. The camera according to claim 1, characterized in that if the profile of the camera contains one bulge, then it occupies the entire surface of any wall or any part thereof.

3. The chamber according to claim 1, characterized in that if the profile of the bulge chamber contains several bulges, then they have radii of curvature and height of the same or different sizes and are located on the surface of any wall both randomly and regularly.