微波物質加熱裝置的製作方法

2023-04-25 18:31:26 1

專利名稱：微波物質加熱裝置的製作方法
技術領域：
本發明在於一個應用微波能量把物質加熱的裝置，其中有一個微波發生器和一些將微波能量在工作區域散布的裝置。本發明特別在於，但並不限於，對食品烹製用的電磁微波爐。
背景技術：
使用微波能量加熱物質裝置遇到的問題在於微波能量強度在工作區域的分布。事實上很難獲得微波能量的均勻分布。而且，微波的反射導致了形成駐波；具有微波能量強度弱的區域並由此使這裡加熱變弱。用於微波爐的第一個解決方案是在微波場內放置一個稱為「攪拌器」的混波器。傳統的攪拌器中有一旋轉的螺旋漿，其葉片用隨機的方式攪拌並反射爐腔內的波。另一種解決方法就是現在常用的方法，是將食品放在一個旋轉的臺上，以使食品不斷通過微波的高能區和低能區。
這兩種方法都不能完全滿足需要，特別是在微波腔的中心區不能得到足夠的能量。這樣在實際上就不能不用專門的輔助裝置使微波得到更好的分布來製做一個比薩餅。這兩種方法也不能夠根據食品類型或在烹製進行過程中改變微波能量的分布。而且，帶動旋轉盤的電機和機械裝置所導致的製造費用是不可忽視的。

發明內容
本發明的目的在於用控制微波能量在工作區域的分布和控制駐波的分布來補償上述的缺陷。
根據本發明，在工作區域中，至少放置一個可以獲取微波的平板式天線，這個天線和長度為L的電磁波傳輸線相連，以保證對天線獲取的微波的傳輸，而傳輸線的端頭能夠向這個天線反射部分的微波。
於是這個天線就以相對於入射微波有確定的相位差重新發射由傳輸線端頭反射的微波。這個相位差是由傳輸線的長度L決定的，可以選擇這個相位差，使得入射波和重新發射波有效疊加。藉助於這種措施可以增強工作區中選定部分的微波能量，特別能得到更為均勻的整體能量分布。
根據本發明的一個特別有用的特徵，可以藉助於至少一個改變傳輸線端頭位置的執行裝置使傳輸線的長度在L到L+ΔL間變化。這種措施能夠根據加熱的需要改變在給定區域中的微波能量強度。例如在加熱食品時，可以根據食品的性質、形狀、在工作區的位置或烹製進展的狀況來改變傳輸線的長度L。這種措施同樣能夠在加熱過程中使駐波的位置改變。


在後面參考附圖的描述中將進一步看出本發明的特點和優越性。後面的描述是示例性的並非是限制性的。附圖是—圖1是一個微波爐的垂直剖面圖，其中有根據本發明實施的應用微波能量的加熱裝置；—圖2a和2b是用來實施本發明的兩種平板天線的頂視圖；—圖3示出在根據現有技術的微波爐中分成的25個方塊中的每塊中溫度高度圖。
—圖4示出在前述的微波爐中加入根據本發明的裝置所實現的溫度高度圖。
—圖5示出加熱裝置的另一種實施方式，其中示意性地示出具有平面型天線網的一個烹製室底板的視圖。
具體實施例方式
如圖1所示，在使用微波能量加熱物質的裝置中有一個微波發生器1和在工作區3中的微波能量的散布裝置2。微波發生器1是一個磁控管，其天線4將微波傳播到波導管5中，波導管5通過開口6將微波能量散布到工作區3中。磁控制管1和已知型式的電流供電電路7相連。當然，可以使用別種類型的微波發生器，特別是固態發生器而不超出本發明的範圍。對於用於食品烹製的電磁裝置，所用的微波發生器的頻率為2.45GHz，但是亦可將本發明用於工作在其它頻率上的微波發生器，特別是用於915MHz的工業應用方面。
根據本明，至少將一個可以獲取微波能量的平板天線10放在工作區3中，這個天線和長度為L的電磁波傳輸線11相連，以保證將天線所獲取的能量進行傳輸，這個傳輸線的端頭12能夠向天線10反射至少一部分微波。
平板天線，英文為「patch antenna(補片天線)」，是人們所熟悉的，其中一般有一個或多個用導體材料製成的大體為平面的輻射板13，該輻射板13大體和與地相連的導體面相平行，這個導體面稱為接地平面，在構成稱為天線的輻射平板和接地平面之間可以用電介質或空氣絕緣。最常用的輻射板是矩形，但後面將看到可以使用別的形狀。輻射板的大小應該適合於在工作區中獲取微波。最好板的縱向尺寸和橫向尺寸都在λ/4到λ之間，此處λ是在工作區中散布的微波的波長。自然，這個適於獲取微波的天線也能夠發射同樣波長的微波。
電磁波傳輸線11中通常有一個導體15，位於接地的平面16附近，二者之間的絕緣可以用介電材料或空氣實現。
傳輸線的端頭12適於使電磁波良好的反射。為此，端頭12在空氣中可以是自由端。然而最好是讓這個端頭和與傳輸線相垂直且和地相連的面17接觸。這就能夠使得有大部電磁波向天線反射。這種反射波和在烹製室的壁20上生成反射的電磁波不同。事實上，在烹製室壁沒有導體的情況下意味著使得反射電磁場和入射電磁場的相位相反，導致能量損失。
天線10通過在輻射板13和傳輸線11的導體15間的觸點21實現和傳輸線11的連接。選擇觸點21的位置使將天線10獲取的能量很好地向傳輸線11傳送。根據一種好的方法，觸點21是處在輻射板13的下表面，在其中心到周邊之間，如在圖2a和2b中所示。
於是，處於工作區內的天線10獲取到達其表面的入射微波，並將獲取的微波能量傳輸給傳輸線11。在傳輸線的端頭12將微波向天線反射，天線10就將微波向工作區3重新發射，重新發射的微波相對於入射波的相位差Δφ由式ΔΦ＝(4π/λ)×L給出。此處λ是在工作區中散布的微波的波長，L是傳輸線11的長度，即導體15從它和輻射板13的觸點到傳輸線端頭12之間的長度。
於是，對長度L的選擇決定了入射波和重新發射波間的相位差。如果選擇L使得入射波和重新發射波這間相位相反，則得到微波迭加相消，就使得在天線區域的微波能量減弱。相反，如果選擇L，使得入射波和重新發射波的迭加是相互加強的，在天線區域微波的能量增強，就使有高的加熱物質的能力。當然在這兩種情況之間對長度L的各種選取都是可以的。
最好是平板天線10的形狀適於發射圓極化場，有多種形狀的平面天線得到這種場。一般說來這種天線的特徵在於其縱向尺寸和橫向尺寸大體相等。如在圖2a和2b示出的兩種圓偏天線10，10′。圖2a示出天線的第一種形狀10，為切去兩個對角22、23的正方形。圖2b示出天線的第二種形狀10′，為在相反的兩條半經上帶有兩個矩形溝槽22′、23′的圓。這種類型的天線所建立的場進行旋轉移動，並能使微波能量在工作區中有良好的分布。
用這樣的裝置可以可靠地改變微波在工作區中的分布，或使能量增強，或使能量減弱。可將本發明用於多種微波加熱裝置，特別是烹製食品的家用電器，例如微波爐。
為了實現這樣的微波爐，如圖1所示，將工作區3和防止微波洩露的烹製室26分開，烹製室的壁20和地連接，所述的壁中至少有一個頂27和一個底28以及一個將食品引入的門(圖中未畫出)。述及的烹製室26、微波發生器1以及發生器1的功能編程裝置29都位於構成爐箱的機殼30內。
對於編程裝置29，可以將各種已知的裝置用於這種家用電器。可以使用簡單的定時器，也可以使用能根據烹製的食品的類型和情況來控制功率和運行過程的較為複雜的編程系統。在這種情況下，編程裝置29將和多個圖中未畫出的觸模鍵連接，用來選取適當的程序。
根據理想的方式，天線10是用對微波透明的保護板31和烹製的食品分開的，這就避免了所有向天線10上的濺射，這種濺射是會弄壞天線或改變天線的特性的。這裡的保護板31是用和底板28平行放置的一塊玻璃板來實現的。當然本發明並不排除在保護板31上層使用一個旋轉臺。
如圖1所示，用烹製室26的壁的一部分14做為天線10的接地板，這樣既可減少天線10在烹製室中的體積，亦可降低造價。
輻射板13和接地板14間的絕緣是用一個空氣層來保證的，這既可以承載大的功率，亦可做介電材料有長的壽命。
天線的輻射板13可以使用絕緣支持物以保持和烹製室26的壁的部分14有一段距離d，而在理想的實施方式中，是僅使用一個從天線的電磁中性點33延伸到這個壁的部分14的導體支持物32，通常這個電磁中性點是對應於天線的幾何中心，如圖2a及2b中所示的標號為33和33′的點。這樣就將天線的安裝簡化。
計算機傳輸線11的長度L，使得在烹製室散布的微波與天線再發射的微波的迭加實現微波在烹製室26內的均勻分布。
根據本發明的一個特別有利的特徵，藉助於至少一個執行裝置35改變傳輸線11的端頭12位置使傳輸線11的長度在L與L+ΔL之間變化。參見圖1所示，傳輸線的端頭12可以從位置36過渡到用虛線示出的位置37。藉助於這種裝置，可以獲得微波能量在烹製室內的不同分布。
根據一種方便的方法，工作器35和編程裝置29相連。編程裝置29中有工作器的操控裝置39和適於不同的烹製程序而展現的傳輸線的不同的長度的存儲裝置38。
例如，對於解凍，可以希望在食品中心的微波能量比較大，而對於烹製點心，則微波能量的分布最好要均勻。還可以根據食品形狀和位置改變微波能量的分布。根據使用者所選用的程序，編程裝置29在所存儲的長度中選取適用於這個程序的長度L，這個值使用控制裝置39作為參照值傳輸給工作器35。
編程裝置29還可以在加熱操作過程中用循環的方式改變傳輸線11的長度。這種配置可以移動烹製室內的駐波，於是可以不用旋轉臺。當然各種對於傳輸線長度變化的控制的算法都是可以使用的。
對於復蓋各種希望的微波能量分布結構所需要的長度變化ΔL是小於或等於四分之一個波長λ，例如對於2.45GHz的在烹製室散布的微波來說，這個長度為3cm。
在一種理想的實施方式中，傳輸線11是一種圓形橫截面的同軸線，在其導體15和至少由面16構成的環繞的管狀屏蔽之間是用空氣絕緣的。傳輸線的端頭12是用處在中心導體15和傳輸線的屏蔽16之間的空間中的環狀導電體活塞41來實現的。這個活塞41通過線狀的工作器35能沿軸線11移動。這樣安裝在傳輸線11內的活塞41的前表面17構成了一個和地相連的面，構成了傳輸線的端頭，一大部分電磁波在這裡的反射。這種裝置特別有好處，因為這使傳輸線的長度可以連續變化，而且實施也相當簡單。當然也可以使用其它方法，例如使用望遠鏡筒式的同軸線，或使用長度為L的傳輸線和長度為ΔL的傳輸線段連接的裝置。
可以將天線10安裝在烹製室26的任何控制電磁場的地方，然而最好安裝在底板28的中央部分。事實上，如在圖3可以看到的那樣，現有技術的微波爐在這個區域的A、B、C、D、E、F的上方微波能量通常要弱。將根據本發明的天線10安裝在底板28的中心區，便在區域A、B、C、D、E、F得到較強的加熱能量，如參見圖4所示。
在圖4中示出的根據本發明的另一種實施方式中，烹製室26中具有一個由n個平板天線A1、A2…An組成的天線網50，每個平板天線A1、A2…An分別和長度為L1、L2…Ln的傳輸線51、52、…65相連。在圖中所示的情況下，這個天線網50是由25個天線依正方形排布而成的。可將這個網50排布成平行於烹製室26的一個壁20的各個邊。可以計算各條傳輸線的長度L1、L2…Ln，使得再發射的微波在烹製室的一個稱為聚焦點的一點49迭加增強，在那裡得到的微波能量特別強。最好這個天線網可以構成微彼爐的底板且為例如一個對微波透明的屏所保護。
可將前述的天線A1、A2…An和前面描述的長度可變的傳輸線相連，最好是可以藉助於執行裝置71、72、…、85改變各傳輸線51、52、…65的長度L1、L2…Ln以在烹製操作過程中改變聚焦點49的位置，藉助於這種配置對食品的體積內進行掃描並保證烹製均勻。
權利要求
1.利用微波能量對物質加熱的裝置，其中包括有一個微波發生器(1)和在工作區(3)中散布微波能量的裝置(2)，其特徵在於在工作區(3)中至少放置一個適於獲取微波的平板型天線(10)，述及的天線與長度為L的電磁波傳輸線(11)連接，以將天線所獲取的微波傳輸，這條傳輸線的端頭(12)適於將至少部分電磁波向天線(10)反射。
2.根據權利要求1的利用微波能量的加熱裝置，其特徵在於述及的平板型天線的形狀適於發射圓極化電磁場。
3.根據權利要求1或2的利用微波能量的加熱裝置，其特徵在於傳輸線(11)的端頭(12)和接地的一個面(17)相接觸。
4.根據權利要求1至3中任一項的利用微波能量的加熱裝置，其特徵在於其工作區是用一個將微波密封的烹製室(26)界定的，烹製室(26)的一個壁(20)接地，烹製室(26)中至少有一個頂(27)、一個底(28)和一個將食品放入的門，述及的烹製室(26)、微波發生器(1)以及發生器運行的編程裝置(29)都在構成爐殼的機殼(30)內。
5.根據權利要求4的利用微波能量的加熱裝置，其特徵在於其中的天線(10)通過一個對微波透明的保護板(31)與烹製室分開。
6.根據權利要求4或5的利用微波能量的加熱裝置，其特徵在於其中的天線(10)的接地板是用烹製室(26)的壁的一部分(14)構成的。
7.根據權利要求4至6中任一項的利用微波能量的加熱裝置，其特徵在於其中的天線(10)的輻射板(13)由一個從天線的一個電磁中性點(33)延伸到烹製室壁的一個導電體支持物(32)維持和烹製室(26)的壁的距離為d。
8.根據權利要求4至7中的任一項的利用微波能量的加熱裝置，其特徵在於計算傳輸線的長度L，使得在烹製室(26)內散布的微波和天線(10)再發射的微波疊加以實現在烹製室內的微波的均勻分布。
9.根據權利要求4至8中的任一項的利用微波的加熱裝置，其特徵在於藉助於一個改變傳輸線(11)的端頭(12)的位置的執行裝置(35)使傳輸線的長度在L到L+ΔL之間變化。
10.根據權利要求9的利用微波能量的加熱裝置，其特徵在於其中的工作器(35)和一個編程裝置(30)相連，在這個編程裝置中有工作器的控制裝置(39)以及存儲適於不同烹製程序運行的不同傳輸線長度的存儲裝置(38)。
11.根據權利要求9或10的利用微波能量的加熱裝置，其特徵在於其中的傳輸線長度的變化量ΔL小於或等於在工作區內散布的微波波長的四分之一。
12.根據權利要求9至11中任一項的利用微波能量的加熱裝置，其特徵在於其中的電磁波傳輸線(11)是一個同軸線，其端頭(12)是由一個處在中央導體(15)和周圍的屏蔽(16)之間的空間中的環狀導電體活塞(41)實現的，該活塞可以通過線性執行裝置(35)沿軸線方向移動。
13.根據權利要求4至12中任一項的利用微波能量的加熱裝置，其特徵在於其中的天線被裝在底板(28)的中央區。
14.根據權利要求4至12中任一項的利用微波能量的加熱裝置，其特徵在於其中的烹製室(26)中具有一個由n個平板天線(A1、A2…An)組成的天線網(50)，每個平板天線(A1、A2…An)分別和長度為L1、L2…Ln的傳輸線(51、52、…65)相連，計算這些傳輸線的長度，使再發射的微波在烹製室內的一個稱為聚焦點的點(49)迭加增強。
15.根據權利要求14的利用微波能量的加熱裝置，其特徵在於可以藉助於改變傳輸線(51、52、…65)的端頭的執行裝置(71、72、…、85)，來改變傳輸線的長度L1、L2…Ln，以改變烹製操作過程的聚焦點(49)。
全文摘要
本發明在於一種能夠用於烹製食品用的微波的加熱裝置，在這個裝置中有一個微波發生器(1)和一些在工作區(3)內散布微波能量的裝置(2)，根據本發明，在工作區(3)中至少安裝一個能夠獲取微波的平板天線(10)，這個天線和一個長度為L的電磁波傳輸線(11)連接，以保證由天線獲取的微波的傳播，傳輸線的端頭12適於向天線(10)反射一部分微波，這個天線(10)就以由輸線長度L決定的相位差再向烹製室(26)發射反射的電磁波。
文檔編號H05B6/72GK1528107SQ01816906
公開日2004年9月8日 申請日期2001年10月15日 優先權日2000年10月18日
發明者讓-保羅·默裡佐特, 麥可·伽吉奧利, 米歇爾·萊羅伊, 伽吉奧利, 萊羅伊, 讓-保羅 默裡佐特 申請人:Seb公司