CN100411494C - 微波物质加热装置 - Google Patents

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Abstract

本发明在于一种利用微波能量对物质加热的装置，其中包括有一个微波发生器(1)和在工作区(3)中散布微波能量的装置(2)，在工作区(3)中至少放置一个适于获取微波的平板型天线(10)，所述的天线与长度为L的电磁波传输线(11)连接，以将天线所获取的微波传输，这条传输线的端头(12)适于将至少部分电磁波向天线(10)反射，工作区用一个将微波密封的烹制室(26)界定，烹制室(26)的一个壁(20)接地，烹制室(26)中至少有一个顶(27)、一个底(28)和一个将食品放入的门，所述的烹制室(26)、微波发生器(1)以及发生器运行的编程装置(29)都在构成炉壳的机壳(30)内，其特征在于天线被装在底板(28)的中央区。

Description

微波物质加热装置
技术领域
本发明在于一个应用微波能量把物质加热的装置，其中有一个微波发生器和一些将微波能量在工作区域散布的装置。本发明特别在于，但并不限于，对食品烹制用的电磁微波炉。
背景技术
使用微波能量加热物质装置遇到的问题在于微波能量强度在工作区域的分布。事实上很难获得微波能量的均匀分布。而且，微波的反射导致了形成驻波；具有微波能量强度弱的区域并由此使这里加热变弱。用于微波炉的第一个解决方案是在微波场内放置一个称为“搅拌器”的混波器。传统的搅拌器中有一旋转的螺旋浆，其叶片用随机的方式搅拌并反射炉腔内的波。另一种解决方法就是现在常用的方法，是将食品放在一个旋转的台上，以使食品不断通过微波的高能区和低能区。
这两种方法都不能完全满足需要，特别是在微波腔的中心区不能得到足够的能量。这样在实际上就不能不用专门的辅助装置使微波得到更好的分布来制做一个比萨饼。这两种方法也不能够根据食品类型或在烹制进行过程中改变微波能量的分布。而且，带动旋转盘的电机和机械装置所导致的制造费用是不可忽视的。
发明内容
本发明的目的在于用控制微波能量在工作区域的分布和控制驻波的分布来补偿上述的缺陷。
根据本发明，提供一种利用微波能量对物质加热的装置，其中包括有一个微波发生器和在工作区中散布微波能量的装置，在工作区中至少放置一个适于获取微波的平板型天线，所述的天线与长度为L的电磁波传输线连接，以将天线所获取的微波传输，这条传输线的端头适于将至少部分电磁波向天线反射，工作区用一个将微波密封的烹制室界定，烹制室的一个壁接地，烹制室中至少有一个顶、一个底和一个将食品放入的门，所述的烹制室、微波发生器以及发生器运行的编程装置都在构成炉壳的机壳内，其特征在于天线被装在底板的中央区。
于是这个天线就以相对于入射微波有确定的相位差重新发射由传输线端头反射的微波。这个相位差是由传输线的长度L决定的，可以选择这个相位差，使得入射波和重新发射波有效叠加。借助于这种措施可以增强工作区中选定部分的微波能量，特别能得到更为均匀的整体能量分布。
根据本发明的一个特别有用的特征，可以借助于至少一个改变传输线端头位置的执行装置使传输线的长度在L到L+ΔL间变化。这种措施能够根据加热的需要改变在给定区域中的微波能量强度。例如在加热食品时，可以根据食品的性质、形状、在工作区的位置或烹制进展的状况来改变传输线的长度L。这种措施同样能够在加热过程中使驻波的位置改变。
附图说明
在后面参考附图的描述中将进一步看出本发明的特点和优越性。后面的描述是示例性的并非是限制性的。附图是：
——图1是一个微波炉的垂直剖面图，其中有根据本发明实施的应用微波能量的加热装置；
——图2a和2b是用来实施本发明的两种平板天线的顶视图；
——图3示出在根据现有技术的微波炉中分成的25个方块中的每块中温度高度图。
——图4示出在前述的微波炉中加入根据本发明的装置所实现的温度高度图。
——图5示出加热装置的另一种实施方式，其中示意性地示出具有平面型天线网的一个烹制室底板的视图。
具体实施方式
如图1所示，在使用微波能量加热物质的装置中有一个微波发生器1和在工作区3中的微波能量的散布装置2。微波发生器1是一个磁控管，其天线4将微波传播到波导管5中，波导管5通过开口6将微波能量散布到工作区3中。磁控制管1和已知型式的电流供电电路7相连。当然，可以使用别种类型的微波发生器，特别是固态发生器而不超出本发明的范围。对于用于食品烹制的电磁装置，所用的微波发生器的频率为2.45GHz，但是亦可将本发明用于工作在其它频率上的微波发生器，特别是用于915MHz的工业应用方面。
根据本明，至少将一个可以获取微波能量的平板天线10放在工作区3中，这个天线和长度为L的电磁波传输线11相连，以保证将天线所获取的能量进行传输，这个传输线的端头12能够向天线10反射至少一部分微波。
平板天线，英文为“patch antenna(补片天线)”，是人们所熟悉的，其中一般有一个或多个用导体材料制成的大体为平面的辐射板13，该辐射板13大体和与地相连的导体面相平行，这个导体面称为接地平面，在构成称为天线的辐射平板和接地平面之间可以用电介质或空气绝缘。最常用的辐射板是矩形，但后面将看到可以使用别的形状。辐射板的大小应该适合于在工作区中获取微波。最好板的纵向尺寸和横向尺寸都在λ/4到λ之间，此处λ是在工作区中散布的微波的波长。自然，这个适于获取微波的天线也能够发射同样波长的微波。
电磁波传输线11中通常有一个导体15，位于接地的平面16附近，二者之间的绝缘可以用介电材料或空气实现。
传输线的端头12适于使电磁波良好的反射。为此，端头12在空气中可以是自由端。然而最好是让这个端头和与传输线相垂直且和地相连的面17接触。这就能够使得有大部电磁波向天线反射。这种反射波和在烹制室的壁20上生成反射的电磁波不同。事实上，在烹制室壁没有导体的情况下意味着使得反射电磁场和入射电磁场的相位相反，导致能量损失。
天线10通过在辐射板13和传输线11的导体15间的触点21实现和传输线11的连接。选择触点21的位置使将天线10获取的能量很好地向传输线11传送。根据一种好的方法，触点21是处在辐射板13的下表面，在其中心到周边之间，如在图2a和2b中所示。
于是，处于工作区内的天线10获取到达其表面的入射微波，并将获取的微波能量传输给传输线11。在传输线的端头12将微波向天线反射，天线10就将微波向工作区3重新发射，重新发射的微波相对于入射波的相位差Δφ由式
ΔΦ＝(4π/λ)×L
给出。此处λ是在工作区中散布的微波的波长，L是传输线11的长度，即导体15从它和辐射板13的触点到传输线端头12之间的长度。
于是，对长度L的选择决定了入射波和重新发射波间的相位差。如果选择L使得入射波和重新发射波这间相位相反，则得到微波迭加相消，就使得在天线区域的微波能量减弱。相反，如果选择L，使得入射波和重新发射波的迭加是相互加强的，在天线区域微波的能量增强，就使有高的加热物质的能力。当然在这两种情况之间对长度L的各种选取都是可以的。
最好是平板天线10的形状适于发射圆极化场，有多种形状的平面天线得到这种场。一般说来这种天线的特征在于其纵向尺寸和横向尺寸大体相等。如在图2a和2b示出的两种圆偏天线10，10′。图2a示出天线的第一种形状10，为切去两个对角22、23的正方形。图2b示出天线的第二种形状10′，为在相反的两条半经上带有两个矩形沟槽22′、23′的圆。这种类型的天线所建立的场进行旋转移动，并能使微波能量在工作区中有良好的分布。
用这样的装置可以可靠地改变微波在工作区中的分布，或使能量增强，或使能量减弱。可将本发明用于多种微波加热装置，特别是烹制食品的家用电器，例如微波炉。
为了实现这样的微波炉，如图1所示，将工作区3和防止微波泄露的烹制室26分开，烹制室的壁20和地连接，所述的壁中至少有一个顶27和一个底28以及一个将食品引入的门(图中未画出)。述及的烹制室26、微波发生器1以及发生器1的功能编程装置29都位于构成炉箱的机壳30内。
对于编程装置29，可以将各种已知的装置用于这种家用电器。可以使用简单的定时器，也可以使用能根据烹制的食品的类型和情况来控制功率和运行过程的较为复杂的编程系统。在这种情况下，编程装置29将和多个图中未画出的触模键连接，用来选取适当的程序。
根据理想的方式，天线10是用对微波透明的保护板31和烹制的食品分开的，这就避免了所有向天线10上的溅射，这种溅射是会弄坏天线或改变天线的特性的。这里的保护板31是用和底板28平行放置的一块玻璃板来实现的。当然本发明并不排除在保护板31上层使用一个旋转台。
如图1所示，用烹制室26的壁的一部分14做为天线10的接地板，这样既可减少天线10在烹制室中的体积，亦可降低造价。
辐射板13和接地板14间的绝缘是用一个空气层来保证的，这既可以承载大的功率，亦可做介电材料有长的寿命。
天线的辐射板13可以使用绝缘支持物以保持和烹制室26的壁的部分14有一段距离d，而在理想的实施方式中，是仅使用一个从天线的电磁中性点33延伸到这个壁的部分14的导体支持物32，通常这个电磁中性点是对应于天线的几何中心，如图2a及2b中所示的标号为33和33′的点。这样就将天线的安装简化。
计算机传输线11的长度L，使得在烹制室散布的微波与天线再发射的微波的迭加实现微波在烹制室26内的均匀分布。
根据本发明的一个特别有利的特征，借助于至少一个执行装置35改变传输线11的端头12位置使传输线11的长度在L与L+ΔL之间变化。参见图1所示，传输线的端头12可以从位置36过渡到用虚线示出的位置37。借助于这种装置，可以获得微波能量在烹制室内的不同分布。
根据一种方便的方法，工作器35和编程装置29相连。编程装置29中有工作器的操控装置39和适于不同的烹制程序而展现的传输线的不同的长度的存储装置38。
例如，对于解冻，可以希望在食品中心的微波能量比较大，而对于烹制点心，则微波能量的分布最好要均匀。还可以根据食品形状和位置改变微波能量的分布。根据使用者所选用的程序，编程装置29在所存储的长度中选取适用于这个程序的长度L，这个值使用控制装置39作为参照值传输给工作器35。
编程装置29还可以在加热操作过程中用循环的方式改变传输线11的长度。这种配置可以移动烹制室内的驻波，于是可以不用旋转台。当然各种对于传输线长度变化的控制的算法都是可以使用的。
对于复盖各种希望的微波能量分布结构所需要的长度变化ΔL是小于或等于四分之一个波长λ，例如对于2.45GHz的在烹制室散布的微波来说，这个长度为3cm。
在一种理想的实施方式中，传输线11是一种圆形横截面的同轴线，在其导体15和至少由面16构成的环绕的管状屏蔽之间是用空气绝缘的。传输线的端头12是用处在中心导体15和传输线的屏蔽16之间的空间中的环状导电体活塞41来实现的。这个活塞41通过线状的工作器35能沿轴线11移动。这样安装在传输线11内的活塞41的前表面17构成了一个和地相连的面，构成了传输线的端头，一大部分电磁波在这里的反射。这种装置特别有好处，因为这使传输线的长度可以连续变化，而且实施也相当简单。当然也可以使用其它方法，例如使用望远镜筒式的同轴线，或使用长度为L的传输线和长度为ΔL的传输线段连接的装置。
可以将天线10安装在烹制室26的任何控制电磁场的地方，然而最好安装在底板28的中央部分。事实上，如在图3可以看到的那样，现有技术的微波炉在这个区域的A、B、C、D、E、F的上方微波能量通常要弱。将根据本发明的天线10安装在底板28的中心区，便在区域A、B、C、D、E、F得到较强的加热能量，如参见图4所示。
在图4中示出的根据本发明的另一种实施方式中，烹制室26中具有一个由n个平板天线A1、A2…An组成的天线网50，每个平板天线A1、A2…An分别和长度为L1、L2…Ln的传输线51、52、…65相连。在图中所示的情况下，这个天线网50是由25个天线依正方形排布而成的。可将这个网50排布成平行于烹制室26的一个壁20的各个边。可以计算各条传输线的长度L1、L2…Ln，使得再发射的微波在烹制室的一个称为聚焦点的一点49迭加增强，在那里得到的微波能量特别强。最好这个天线网可以构成微彼炉的底板且为例如一个对微波透明的屏所保护。
可将前述的天线A1、A2…An和前面描述的长度可变的传输线相连，最好是可以借助于执行装置71、72、…、85改变各传输线51、52、…65的长度L1、L2…Ln以在烹制操作过程中改变聚焦点49的位置，借助于这种配置对食品的体积内进行扫描并保证烹制均匀。

Claims (11)

1. 利用微波能量对物质加热的装置，其中包括有一个微波发生器(1)和在工作区(3)中散布微波能量的装置(2)，在工作区(3)中至少放置一个适于获取微波的平板型天线(10)，所述的天线与长度为L的电磁波传输线(11)连接，以将天线所获取的微波传输，这条传输线的端头(12)适于将至少部分电磁波向天线(10)反射，工作区用一个将微波密封的烹制室(26)界定，烹制室(26)的一个壁(20)接地，烹制室(26)中至少有一个顶(27)、一个底(28)和一个将食品放入的门，所述的烹制室(26)、微波发生器(1)以及发生器运行的编程装置(29)都在构成炉壳的机壳(30)内，其特征在于天线被装在底板(28)的中央区。
2. 根据权利要求1的利用微波能量的加热装置，其特征在于所述的平板型天线的形状适于发射圆极化电磁场。
3. 根据权利要求1或2的利用微波能量的加热装置，其特征在于传输线(11)的端头(12)接地。
4. 根据权利要求1的利用微波能量的加热装置，其特征在于其中的天线(10)通过一个对微波透明的保护板(31)与烹制室分开。
5. 根据权利要求3的利用微波能量的加热装置，其特征在于其中的天线(10)的接地板是用烹制室(26)的壁的一部分(14)构成的。
6. 根据权利要求1的利用微波能量的加热装置，其特征在于其中的天线(10)的辐射板(13)由一个从天线的一个电磁中性点(33)延伸到烹制室壁的一个导电体支持物(32)维持成和烹制室(26)的壁的距离为d。
7. 根据权利要求1的利用微波能量的加热装置，其特征在于计算传输线的长度L，使得在烹制室(26)内散布的微波和天线(10)再发射的微波叠加以实现在烹制室内的微波的均匀分布。
8. 根据权利要求1的利用微波的加热装置，其特征在于借助于一个改变传输线(11)的端头(12)的位置的执行装置(35)使传输线的长度在L到L+ΔL之间变化。
9. 根据权利要求8的利用微波能量的加热装置，其特征在于其中的执行装置(35)和一个编程装置(30)相连，在这个编程装置中有执行装置的控制装置(39)以及存储适于不同烹制程序运行的不同传输线长度的存储装置(38)。
10. 根据权利要求8的利用微波能量的加热装置，其特征在于其中的传输线长度的变化量ΔL小于或等于在工作区内散布的微波波长的四分之一。
11. 根据权利要求8的利用微波能量的加热装置，其特征在于其中的电磁波传输线(11)是一个同轴线，其端头(12)是由一个处在中央导体(15)和周围的屏蔽(16)之间的空间中的环状导电体活塞(41)实现的，该活塞可以通过线性执行装置(35)沿轴线方向移动。
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Granted publication date: 20080813

Termination date: 20091116