DE2650681B2

DE2650681B2 - Mikrowellenofen

Info

Publication number: DE2650681B2
Application number: DE2650681A
Authority: DE
Inventors: Jan Olov Appelquist; Kurt Haakan Norrkoeping Carlsson (Schweden); Bengt Uno Imberg; Frans Christiaan De Eindhoven Ronde (Niederlande)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1975-11-07
Filing date: 1976-11-05
Publication date: 1978-12-14
Also published as: JPS5276751A; CA1086831A; US4165454A; FR2331234A1; FR2331234B1; GB1573112A; DE2650681C3; DE2650681A1; IT1073769B

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Mikrowellenofen mit einem Ofenraum und einer Mikrowellenquclle zur Abgabe von elektromagnetischer Energie an einen zu erhitzenden Gegenstand, wobei eine sich nahe an dem Material des betreffenden Gegenstandes erstreckende Koppelvorrichiung zum Einkoppeln mindestens des größeren Teiles der elektromagnetischen Energie in das Innere des Gegenstandes vorgesehen ist.

Im Gegensatz zu den herkömmlichen Mikrowellenofen, die auf dem Hohlraumresonanz-Prinzip beruhen und wobei eine möglichst gleichmäßige Feldverteilung im ganzen Ofenraum angestrebt wird, beruhen die Mikrowellenofen der eingangs erwähnten Art auf dem sogenannten Nahfeld-Prinzip, wobei danacn gestrebt wird, nur in einem Teil des Ofenraumes ein Feld zu erzeugen, und zwar ausschließlich dort, wo die zu erhitzende Ware in den Ofenraum gestellt wird. Die bekannten Mikrowellenöfen dieser Art sind dazu mit einem Speisesystem versehen, das eine oder mehrere Antennen umfaßt. So ist in der deutschen Offenlegungsschrift 24 10 105 ein Mikrowellenofen beschrieben worden, wobei das Speisesystem einen Primärstrahler in Form einer Dipolantennenkombination umfaßt, die in einer unterhalb des eigentlichen Ofenraums befindlichen Antennenkammer untergebracht ist und eine /«ri^uiu oCnunuarstraiticr in t~crrn von oCmitzstranicrri, die in der Wand angeordnet sind, die die Antennenkammer von dem eigentlichen Ofenraurn trennt und auf die die zu erhitzende Ware hingestellt werden kann. Diese bekannte Konstruktion weist den Nachteil auf, daß im Ofenraum nicht nur das erwünschte Nahfeld, sondern auch durch Auft.itt unerwünschter Resonanzen bestimmte Stehwellenmuster auftreten, die bekanntlich Randverbrennungserscheinungen herbeiführen können. Damit die letztgenannten Erscheinungen vermieden werden, wird die Primärantenne, bei einer bevorzugten Ausführungsform dieser bekannten Konstruktion, während der Wärmebehandlung ständig gedreht, was die Konstruktion jedoch wesentlich verwickelter macht. Außerdem weist dieses bekannte Speisesystem den Nachteil auf, daß das von den Antennen abgegebene Strahlungsfeld eine bräunende Wirkung auf die zu erwärmende Nahrung ausübt, was bei der Bereitung von Fleisch meistens erwünscht isv iedoch bei vielen anderen Nahrungsarten als unerwünscht betrachtet wird. Ähnliche Nachteile treten bei einem aus der CH-PS 5 77 777 bekannten Mikrowellenofen auf, der zur Nahfelderhitzung dient und der mit einem Speisesystem mit einem oder mehreren Strahlern in Form von Spiralantennen ausgerüstet ist. Es soll hierbei vermieden werden, daß die von einer Koppelvorrichtung zur Erzeugung des erwünschten Nahfeldes abgegebene Strahlung elektromagnetischer Energie nicht auch durch unerwünschte Resonanzen im Ofenraum bestimmte Stchwellenmuster erzeugt, die bekanntlich Randverbrennungserscheinungen beim zu erhitzenden Gegenstand herbeiführen können.

Die Erfindung hat zur Aufgabe, einen Mikrowellenofen der eingangs erwähnten Art zu schaffen mit einem Speisesystem, das die obengenannten Nachteile weitgehend verringert und außerdem von einfacher Konstruktion ist.

Nach der Erfindung ist ein derartiger Mikrowellenofen dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelvorrichtung aus einem einzigen Strahlerorgan besteht, das von einer sich symmetrisch gegenüber einem zentralen Speisepunkt über nahezu die ganze Oberfläche der unteren Wand des Ofenraumes erstreckenden Drahtbzw. Streifenleiterkonfiguration mit einer Anzahl in oder an der aus dielektrischem Material bestehenden unteren Wand des Ofenraumes angeordneten Leiter, die je mil dem zentralen Speisepunkt gekoppelt sind und einer parallel zu und unterhalb der Draht- bzw.

Streifenleiierkonfiguration vorgesehenen geerdeten flachen Metallplatte gebildet wird, deren Abstand zu der genannten Draht- bzw. Streifenleiterkonfiguration zwischen A/25 und A/5 liegt und vorzugsweise A/8 beträgt.

An dieser Stelle sei auf die US-PS 29 37 259 hingewiesen, woraus ein Mikrowellenofen bekannt ist mit einem Speisesystem, das aus einer Übertragungsleitung besteht, die durch einen in einem bestimmten Abstand von der oberen Wand des Ofenraumes vorgesehenen Drahtleiter gebildet wird. Der betreffende Mikrowellenofen ist jedoch von einem Typ, der auf dem Hohlraumresonator-Prinzip beruht und mit dem Gebrauch der Übertragungsleitung als Speisesystem wird das Erhalten einer gleichmäßigeren Feldverteilung im Ofenraum beabsichtigt

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 eine schaubildliche Darstellung eines Mikroweiienofens nach der Erfindung,

Fig. 2a eine schaubildliche Darstellung des Ofenraumes in dem Ofen aus F i g. I und mit einem Speisesystem nach einer ersten möglichen Ausführungsform,

Fig. 2b und 2c einen horizontalen bzw. vertikalen Schnitt durch denselben Raum mit dem Speisesystem,

Fig. Ja und Jb einen horizontalen bzw. vertikalen Schnitt durch einen Ofenraum mit einer zweiten möglichen Ausführungsform des Speisesysterr.s,

Fig. 3c eine detaillierte Darstellung des Speisesyslems nach den F i g. Ja und Jb,

Fig. 4 einen horizontalen Schnitt durch einen Ofenraum mit einer dritten möglichen Ausführungsform des Speisesystems,

F i g. 5 und 6 schematische Darstellungen verschiedener Arten, wie eine unmittelbare Kopplung zwischen einer Magnetronantenne und der Draht- oder Streifenleiterkonfiguration ausgebildet werden kann.

Fig. 1 zeigt einen Mikrowellenofen, der aus einer Außenhülle 10 mit einem Bedienungspult 11 und einem Ofenraum 12 besteht, der durch leitende Wände begrenzt wird, von denen die untere Wand 53 als Träger für die zu erhitzende Nahrung 14 dient. Wie F i g. 2ü zeigt, befindet sich im Raum unmittelbar unterhalb des Platzes, wo die Nahrung hinbestellt wird, eine Übertragungsleitung 15. die bei der dargestellten Ausführungsform durch zwei spiralförmige Draht- oder Streifenleitcr 15', 15" gebildet wird. Diese Draht- bzw. Streifenleiter 15', 15" sind in der Mitte mit einem Metallstift 16 verbunden. Der Metallstift 16 ragt durch die Bodenplatte 20 des Ofens 12 in einen Wellenleiter 17 (siehe auch F i g. 2c), an dessen gegenüberliegendem Ende die Auskoppliingsantenne 18 eines Magnetrons 19 bis in den WeHenleitcr 17 ragt. Die spiralförmige Übertragungsleitung 15 befindet sich auf der Unterseite der als Träger wirksamen unteren Wand 13 in einem bestimmten Abstand von der leitenden Bodenplatte 20. Diese Bodenplatte 20 dient als Erdfläche und die spiralförmigen Draht- bzw. Streifenleser 15', 15" bilden zusammen mit der Erdfläche eine sogenannte Mikroslreifenleitung. Die Kopplung zwischen dem Metallstift und den Draht- bzw. Streifenleitern läßt sich mit Hilfe eines galvanischen Kontaktes, einer kapazitiven Kopplung oder eines linpcdan/truinformators (Drosselspule) herstellen.

Die vom Stift 16 abgewandten Enden der Leiter sind in dem obengenanntem Beispiel offen. Es ist auch möglich, die Leiter mit angepaßten energieabführenden Impedanzen, beispielsweise in Form von Ferritelementen, abzuschließen, damit immer eine Belastung im Ofen ist auch in dem Fall, wenn der Ofenraum leer ist.

Der Abstand zwischen den Draht- bzw. Streifenleitern 15', 15" und der als Erdfläche wirksamen Bodenplatte 20 soll derart sein, daß dieser zwischen dem

Wert |₍'_M), der zu einer optimalen Übertragungsleitung

(minimale Strahlung führt, und dem Wert , liegt, der zu

einer optimalen Antennenfunktion (maximale Strahlung) führt. Der Abstand zwischen den Draht- und Streifenleitern und der Erdfläche kann einen Wert

haben, der zwischen -,_s und ^ liegt. Für einen Ofen mit einer Arbeitsfrequenz von 2450 MHz stellte es sich heraus, daß ein Wert _χ = 15 mm eine richtige Wahl war. Außer dL-rch eine richtige Wahl des Abstandes zwischen den Leitern und der Erdfläche '·· ;in die gewünschte Strahiungsmeiigc durch cmc liciiiigc Wahl der Breite der Streifenleiter, falls streifenförmige Leiter verwendet werden, erhalten werden.

Energie des Magnetrons wird über den Wellenleiter 17 zum Metallstift 16 übertragen und von dort zur Mitte der Übertragungsleitung 15, die aus den zwei spiralförmigen Mikrostreifenleitern 15', 15" besteht. Von der Mitte pflanzt sich die Energie durch die zwei Leiter 15' und 15" zu den offenen Enden derselben fort. Zur selben Zeit, wo die Energie sich durch die Leiter fortpflanzt, wird im Ofenraum ein Nahfeld erzeugt, dessen Stärke von dem zentralen Speisepunkt in radialer Richtung schnell abnimmt. Dabei hat es sich herausgestellt, daß, wenn die zu erhitzende Nahrung an den dazu bestimmten Platz mitten in den Ofen gestellt wird, die gerichtete Strahlung, die auf den Mittelteil des Ofens konzentriert ist, von der Nahrung praktisch völlig absorbiert wird. Es stellte sich heraus, daß der ():cnraum an sich praktisch nicht angeregt wurde.

Wenn die untere Wand des Raumes nicht quadratisch, sciidern rechteckig ist. können die Spiralen eine ovale Form haben statt der dargestellten kreisrunden Form, so daß die Leiter zusammen den größten Teil der rechteckigen unteren Wand bedecken. Statt zweier Spiralen, wie in dem dargestellten Beispiel, kann jede beliebige Anzahl Spiralen gewählt werden, beispielsweise vier Spiralen, die verflochten sind oder sogar nur eine Spirale. Jede Spirale kann dabei den zentralen .Speisepunkt völlig oder teilweise umgeben, wie in dem dargestellten Beispiel. Die ausstrahlenden Mikrostreifenleiter können ar; der Unterseite der zugleich als Träger der zu erhitzenden Substanz wirksamen unteren W;r'd 13 angeordnet werden.

Die untere Wand 13 kann aus dielektrischem Material mit geringem Verlust bestehen, kann jedoch auch völlig oder teilweise aus dielektrischem Material mit vitl Verlust bestehen, damit außerdem eine Erhitzung durch direkten Kontr.kl zwischen der unteren Wand 13 und der darauf gestellten Nahrung erhalten wird. Die Drahtbzw. Streifenleiter können an der Unterseite der unteren Wand 13 des Ofenraumes mit Hilfe eines dazu geeigneten Zementes befestigt werden. Auch können die Draht- bzw. Slreifenleiter auf der Unterseite der unteren Wand 13 durch Metallisierung bzw. Metallabscheidung gebildet werden. Es ist auch möglich, die ausstrahlende Übertragungsleitung von der unteren Wand des Ofenraumes mittels Unterstützungen tragen /υ lassen, die an einigen geeigneten Stellen an den

(,eitern befestigt sind.

Die F i g. Ja und Jb zeigen noch ein Ausfiihrungsbeispiel des Speisesystems in einem Ofen nach der (-Erfindung. In Γ ig. Jb ist der Ofcnraum 12 mit der unteren Wand U oberhalb der Bodenplatte 20 und mit der zu erwärmenden Nahrung 14, die auf der unteren Wand 13 steht, ersichtlich. An der Unterseite der unteren Wand befindet sich eine Draht· bzw. Streifenlcitcrkonfiguralion 21, die jedoch nicht spiralförmig ist, sondern wie Pig. 3a zeigt, aus einer Anzahl konzcntrischer kreisförmiger Leiter 21'. 21", 2Γ", 21"" und 21'"" besteht, die in einer Ebene liegen und von einem zentral liegenden Speisepunkt 22 aus über einen Metallstift 23 gespeist werden, der unmittelbar mit einem Magnetron gekoppelt ist und der über vier radial verlaufende Leiter 24, 25, 26 und 27 mit dcⁿ. konzentrischen kreisförmigen Leitern verbunden ist. Die Leiter 24 — 27 befinden sich dicht an der Bodenplatte 20 und strahlen infolge der Tatsache, daß sie sich so nahe an der leitenden Bodenplatte befinden, nicht aus. Die Leiter 24 — 27 können beispielsweise, wie die Zeichnung zeigt, an jeder Kreuzung mit den konzentrischen ringförmigen Strah
lungsleitern 2Γ —21'"" verbunden werden. I·' i g. 3c zeigt die Form einer derartigen Kreuzverbindung. Das ganze Leitungssystem wird von der unteren Wand mittels λ/4-Träger 28, 29,30 und 31 getragen.

Die Aufgabe des Speisesystems aus Fig. 3 ist im Cirunde dieselbe wie die der obcnstchcnd beschriebenen Anordnung. So pflanzt sich eine laufende Welle aus dem zentralen Speisepunkt über die radialen Leitern 24 — 27 zu jedem der ringförmigen Leiter 2Γ —21'"" fort. Diese Leiter leiten die laufende Welle einander zu und geben gleichzeitig durch Strahlung Energie ab. Infolge dieser Ausstrahlung nimmt die Energie an den strahlenden Leitern in der Auswärtsrichtung gerechnet von dem zentralen Speisepunkt schnell ab, und der gröütc Teil der Strahlung erfolgt im zentralen Teil des Olens. Wenn zu erhitzende Nahrung in die Mitte des Ofens gestellt wird, nimmt diese Nahrung praktisch alle Energie auf und der Ofcnraum wird nicht angeregt.

In dem I alle, wo die untere Wand 13 des Ofenraumes nicht quadratisch, sondern rechteckig ist. können die dargestellten kreisrunden Leiter gewünschtenfalls durch ellipsenförmige Leiter ersetzt werden, so daß sie sich über die ganze Oberfläche der unteren Wand 13 erstrecken. Es ist auch nicht notwendig, daß die Leiter an jeder Kreuzung des jeweiligen radialen Leiters und der ringförmigen bzw. ellipsenförmigen Leiter an die radiale Leitung angeschlossen werden. Es ist ausreichend, daß jeder ringförmige bzw. ellipsenförmige Leiter an mindestens einem Punkt mit einem radialen Leiier verbunden wird, der mit dem zentralen Speisepunkt verbunden ist und die Anzahl radialer Leiter kann jeden geeigneten Wert haben.

F i g. 4 zeigt einen horizontalen Schnitt durch einen Ofen nach der Erfindung, der eine andere Draht- bzw. Streifenleiterkonfiguration aufweist. Wie im vorhergehenden Beispiel bildet ein Metallstift 23 einen zentralen Speisepunkt 2. Der Metallstift 23 ragt durch ein Loch in der unteren Wand des Ofenraumes und ist unmittelbar mit einer (in der Zeichnung nicht dargestellten) Magnetronantenne gekoppelt Aus diesem zentralen Speisepunkt erstrecken sich zwei Streifenleiter 32 und 33, die im dargestellten Ausführungsbeispiel die Form von »eckigen Spiralen« aufweisen. Weiter sind eine Anzahl Strahlungselemente, die alle durch A/2 !auge Streifen gebildet werden, mit diesen Leitern gekoppelt. Die Zeichnung zeigt einige Beispiele, wie diese

Strahlungselemente angeordnet und mil den spiialföt migcn Leitern gekoppelt werden können. Entspreche™ dem rechten Teil aus F i g. 4 ragen die Strahlungsele mcrile 34 praktisch senkrecht aus den Leitern und sine mit diesen Leitern galvanisch verbunden. Der linke Tci aus Fig. 4 zeigt eine andere Möglichkeit, nach der die .Strahlungselemente 35 sich parallel zu den jeweiliger Leitern erstrecken und in einem geringen Abstanc davon vorgesehen sind. In diesem Fall sind dit Strahlungselemente mit den Leitern induktiv gekoppelt Die spiralförmigen Leiter und die Strahlungselemente liegen in derselben Ebene und sind beispielsweise aul der Unterseite der linieren Wand des Ofenraumes ir einem geringen Absland von der Bodenplatte des Ofen« angeordnet.

Die Wirkungsweise ist wie folgt: eine laufende Welk pflanzt sich aus dem zentralen Speisepunkt über dit Leiter fort und versetzt die Strahlungselemente in« Srhwinppn In Ηίρςρπι ϊ';ιΙΙ irphpn Hip I.pilpr snwir rl ir Strahlungselemente Energie in Form von Strahlung ab Diese Ausführungsform bietet durch die Verwendung dqr zusätzlichen Strahlungselemente die Möglichkeit die ausgestrahlte Energie über die Bodenoberfläche de« Ofens zu verteilen. Parameter, die die örtliche Energiestrahlung an jeder beliebigen Stelle bestimmen sind der Abstand zwischen ncbcncinanderliegcndcr Strahlungselemcnten und die Breite der Elemente Wenn die Strahlungselemente sich parallel zu der Leitern erstrecken, ist der Abstand zwischen derr Strahlungselcmcnt und dem Leiter ein weiterer Parameter, der die örtliche Strahlung bestimmt. Fjr anderer Parameter, der die örtliche Strahlung bestimmt ist selbstverständlich das Muster, in dem die Strahlungs leiter angeordnet sind. Wenn diese Parameter aul geeignete Weise kombiniert werden, kann eine seht genaue Energieverteilung erhalten werden.

Fig. 5 zeigt ein Verfahren zum Herstellen einer unmittelbaren Kopplung zwischen dem Magnetron und den Draht- bzw. Streifenleitern, wodurch der Wellenleiter (17 in F i g. 2c) fortgelassen werden kann. Wie die F i g. 5 zeigt, ist eine Ausnehmung 42 in der unlerer Wand 43 des Ofenraumes vorgesehen und die Antenne 44 des Magnetrons ragt in diese Ausnehmung. Die Magnetronantenne 44 ist von einer leitenden Büchse 45 umgeben. Am abgeschlossenen Ende ist diese Büchse mit einem Draht- bzw. Streifenleiter 46 verbunden, der sich in einer dielektrischen Platte 47 befindet. Die Länge A der Büchse ist etwa λ/4, beispielsweise etwa 30 mm, wodurch die unendliche Impedanz am offenen Ende der Büchse in eine sehr niedrige Impedanz am abgeschlossenen Ende verwandelt wird, wo die Magnetron-itenne in die Draht- bzw. Streifenleiter übergeht. Der Abstand a zwischen der Magnetronantenne 44 und der umhüllenden Büchse 45 ist verhältnismäßig klein, beispielsweise etwa 1 mm, während der Abstand b zwischen der Büchse 45 und der Seitenwand der Ausnehmung 42 verhältnismäßig groß ist, beispielsweise über 10 mm.

Fig.6 zeigt noch ein Verfahren zur unmittelbaren Kopplung zwischen dem Magnetron und den Drahtbzw. Streifenleitern. In F i g. 6 ist die untere Wand 43 des Ofenraumes, die Magnetronantenne 44, die dielektrische Platte 47 und der Draht- bzw. Streifenleiter 46 ersichtlich. In diesem Fall ist jedoch die Antenne 44 von einer Büchse 48 umgeben, die auf beiden Enden offen ist and aus welcher Büchse der Draht- bzw. Streifer.leiter 46 an dem Ende, das an die untere Seite der unteren Wand des Ofenraumes grenzt, hinausragt Die Länge

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der Büchse isi auch in diesem Fall Ä/4, wodurch die wird.

unendliche Impedanz an dem offenen Ende, das nach In beiden Fällen können die Draht-bzw. Strcifenleiler

innen zeigt, auf eine sehr niedrige Impedanz am radial aus den leitenden Büchsen 45 bzw. 48 hinausragen

gegenüberliegenden Ende, wo die Magnetronantenne in und sie können spiralförmig sein, beispielsweise wie dies

den Draht- bzw. Streifenleiter übergeht, verwandelt ~> in F i g. 2b oder F i g. 4 dargestellt ist.

ΙΙκτ/ιι 4 HIaIi

Claims

Patentansprüche:

1. Mikrowellenofen mit einem Ofenraum und einer Mikrowellenquelle zur Abgabe von elektromagnetischer Energie an einen zu erhitzenden Gegenstand, wobei eine sich nahe an dem Material des betreffenden Gegenstandes erstreckende Koppelvorrichtung zum Einkoppeln mindestens des größeren Teiles der elektromagnetischen Energie in das Innere des Gegenstandes vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelvorrichtung aus einem einzigen Strahlerorgan besteht, das von einer sich symmetrisch gegenüber einem zentralen Speisepunkt über nahezu die ganze Oberfläche der unteren Wand des Ofenraumes erstreckenden Draht- bzw. Streifenleiterkonfiguration mit einer Anzahl in oder an der aus dielektrischem Material bestehenden unteren Wand des Ofenriumes angeordneten Leiter, die je mit dem zentralen Speisepunkt gekoppelt sind und einer parallel zu und unterhalb der Draht- bzw. Streifenleiterkonfiguration vorgesehenen geerdeten flachen Metallplatte gebildet wird, deren Abstand zu der genannten Draht- bzw. Streifenleiterkonfiguration zwischen λ/25 und λ/5 liegt und vorzugsweise λ/8 beträgt.

2. Mikrowellenofen nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Draht- bzw. Streifenleiterkonfiguration eine Anzahl in derselben Ebene liegender spiralförmiger Leiter umfaßt, die je aus dem zentralen Speisepunkt nach außen sich erstreckend den Speisepurr<t völlig oder (eilweise umgeben.

3. Mikrowellenofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Draht- bzw. Streifenleiterkonfiguration eine Anzahl Leiter umfaßt, die konzentrische Kreise um den zentralen Speisepunkt bilden und je mindestens an einem Punkt mit dem zentralen Speisepunkt verbunden sind.

4. Mikrowellenofen nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die auf der unteren Seite der unteren Wand des Ofenraumes vorgesehene Leiterkonfiguration durch durch Niederschlag kleiner Metallteilchen (Metallisierung) erhaltene Slreifenleiter gebildet ist.

5. Mikrowellenofen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte geerdete flache Metallplatte durch die Bodenplatte der Ofenhülle gebildet wird.

6. Mikrowellenofen nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Draht- bzw. Streifenlciterkonfiguration mit mehreren Schwingungselementen in Form leitender Drahtteile bzw. Streifen mit einer Länge gleich der halben Wellenlänge der Arbeitsfrequenz oder gleich einem geradzahligen Vielfachen der halben Wellenlänge der Arbcitsfrequenz verbunden und/oder gekoppelt ist.