CN108477972A - 基于微波超材料的微波炉饭煲 - Google Patents

基于微波超材料的微波炉饭煲 Download PDF

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洪敬波
黄启
刘曌旋
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Abstract

本发明提供了一种基于超材料的微波炉饭煲，主要解决现有微波炉直接加热食物不均匀和加热深度有限的问题。其包括非金属介质的容器(1)和盖子(2)，容器(1)的内壁，内底和盖子(2)的下面均涂覆有一层熔点大于500℃的耐高温无毒稳定金属材料面(12),容器(1)的外壁，外底和盖子(2)上面涂覆有周期均匀分布的诺干开口金属谐振环(14)，每个谐振环的谐振频率为2.45GHz。金属面与介质层、开口谐振环层构成吸波超材料结构，该结构吸收微波能量，并将其转化为热能，开口谐振环层中的每个谐振环都为一个热源，再通过金属面层加热食物(11)。本发明具有加热均匀,且不会产生电弧的优点，可用于蒸煮食物。

Description

基于微波超材料的微波炉饭煲
技术领域
本发明属于微波加热技术领域，具体涉及一种微波炉饭煲，以将微波炉释放的电磁能量转化为热能，可用于食品加热。
背景技术
随着人们生活水平的不断提高，人们逐渐摆脱了对物质量的需求而转为对质的追求，而饮食恰恰是人们日常生活中最为看重的一块。米饭作为中国人的日常饮食中的主角之一，如何将米饭又好又快的煮熟，是中国几千年以来一直来探索的问题。
现在普及度较高的煮饭手段有电饭煲蒸煮以及微波炉直接加热等。微波炉饭煲是用于微波炉加热米饭的容器。市面上常见的微波炉饭煲一般由塑料、陶瓷和玻璃等非金属材料制作，微波炉产生的微波可以直接穿过非金属材料对食物进行加热。由于微波穿透的厚度是有限的，所以普通的微波炉饭煲一次性能加热的米饭数量因此受限，往往只能加热二到三人份的米饭，且使用普通的微波炉饭煲加热米饭，会造成米饭加热不均匀，且米饭较为干燥，内部水分不足，米饭口感淀粉感强烈的缺点，且长时间的使用塑料容器加热会对人体产生危害。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有微波饭煲的不足，提供一种基于微波超材料的微波炉饭煲，以利用微波超材料的吸波原理对米饭进行均匀加热，保持米饭内部的水分，避免塑料容器加热会对人体产生危害。
本发明的技术方案是这样实现的：
一.技术原理
本发明借助现在流行的IH电饭煲是通过多个电磁感应圈让内胆锅发热，相当于多个热源同时对米饭进行加热，升温快，加热效率高，食物受热均匀，且口感好的优点，通过涂覆超材料表面制作能在微波炉实现均匀加热，即达到多个热源同时加热的效果，保证食物能够达到或超过IH电饭煲的效果，且能避免电弧的饭煲。
二.技术方案
根据上述原理，本发明采用非金属圆柱体形状的容器和盖子，其特征在于：
容器的内壁和内壁底部涂覆有一层熔点大于500℃的耐高温无毒稳定金属材料面,容器的外壁层和外壁底部涂覆有谐振频率为2.45GHz的开口金属谐振环，金属面与介质层、谐振环构成吸波超材料，用于吸收微波能量，并将其转化为热能，再通过金属面层加热食物；
盖子的上、下部分别涂覆有谐振频率为2.45GHz的圆形开口金属谐振环和一层熔点大于500℃的耐高温无毒金属材料面，与容器一起形成封闭***，用于阻挡微波直接进入容器内部，避免微波打在饭煲内壁的金属面上产生电磁感应而引发的危险，同时吸收微波能量并将其转化为热能，再通过金属面层加热食物，使饭煲从不同的方向对食物进行加热，加热更加均匀。
作为优选，特征在于，所述金属面选用铁材料。
作为优选，特征在于，所述金属谐振环选用熔点大于500℃的耐高温的铜或铁。
作为优选，特征在于，所述容器材料为介电常数大于4的熔点大于500℃的陶瓷或玻璃材料。
作为优选，特征在于，所述的开口谐振环为带缺口的圆形金属环。
作为优选，特征在于，所述的开口谐振环内径、外径、开口大小和周期通过有限差分法计算并由电磁仿真软件仿真优化得到。
本发明具有如下优点：
1.本发明由于通过金属面、介质层与开口谐振环层形成吸波超材料，因而能将微波能量转为热能，再利用热能对食物进行加热，解决了微波炉加热深度有限的问题，因此加热食物的量能够大于普通饭煲。
2.本发明由容器和盖子共同构成全封闭结构，不但能够阻挡微波直接进入容器内部，避免微波打在饭煲内壁的金属面上产生电磁感应而引发的危险，同时使饭煲能全方向的对食物进行加热，加热更加均匀。
3.本发明由于单元开口谐振环均匀分布在整个饭煲外侧，每个单元开口谐振环都为热源，可以做到大量热源同时且全方位的加热食物，因此加热效率高且加热均匀，制作的食物口感极佳。
4.本发明材料均选用熔点大于500℃的无毒稳定材料，可长期使用且对人体无害。
5.本发明的工作频率选定为2.45GHz，该频段为微波炉的工作频段，选用该频段可使饭煲能工作于市面在售的所有微波炉。
6.本发明的介质层材料为介电常数大于4的高介电常数材料，饭煲厚度可以大幅降低，在2.45GHz频率下，饭煲的厚度可以做到2～4毫米之间，金属面层的厚度为1～2毫米之间，开口谐振环层的厚度为0.1～0.5毫米之间，因此本饭煲整体厚度和质量与普通饭煲相比不会相差太多。
7.本发明由于使用超材料来实现微波能量到热能的转换，且通过微波炉进行供能，因此无需额外设置电路、电源，大大简化了设计过程以及加工程序。
附图说明
图1是本发明的三维结构图；
图2是本发明的使用状态剖面结构示意图；
图3是本发明通过微波加热食物能量转化的流程示意图；
图4是本发明中的开口谐振环层示意图；
图5是本发明中的超材料对微波的吸收曲线图。
具体实施方法
下面结合图例和文字对本发明的具体实施方法进行阐述，本发明提供的方案仅为较佳方案，不仅限于类似方案。
参照图1和图2，本发明包括容器1和盖子2两个部分。容器1是由熔点大于500℃的无毒陶瓷或玻璃介质材料13塑形而成的壁厚为2～4毫米的中空圆柱体，以氮化硅为例，其介电常数为4.5，有极高的热稳定性和抗烧蚀性，是当前非常流行的一种陶瓷材料。盖子2是由熔点大于500℃的无毒非金属介质材料塑形而成的厚度为2～4毫米的圆面。容器1的直径以及高度根据使用需求觉得，盖子2的直径与容器1的直径保持一致。
容器1的内壁和内底涂覆有一层厚度为1～2毫米、熔点大于500℃的耐高温无毒稳定金属材料面12，介质容器1的外壁层和外底涂覆有诺干周期均匀分布的开口金属谐振环层14，如图4所示，每个环的谐振频率为2.45GHz，厚度为0.1～0.5毫米。开口谐振环层14以及金属面层12的金属材料均选择热稳定性较高的铁、铜或其他无毒的熔点大于500℃的金属，本实例选择铁作为金属材料。
盖子2的下部涂覆一层厚度为1～2毫米、熔点大于500℃的耐高温无毒稳定金属材料面12，盖子2的上部涂覆有诺干周期均匀分布的开口金属谐振环层14，每个环的谐振频率均为2.45GHz，厚度为0.1～0.5毫米，开口谐振环层14以及金属面层12的金属材料均选择热稳定性较高的铁、铜或其他无毒的熔点大于500℃的金属。金属面层、介质层以及开口谐振环层构成了一种吸波超材料结构，该结构能将辐射于谐振环表面的微波能量吸收，并将微波能量转化为热能，开口谐振环层中的每个谐振环都为热源，相当于多个热源同时对食物进行加热，能够对食物11进行均匀高效的加热，保证做出食物的口味要优于普通饭煲，如图3所示。
盖子2盖在容器1上端，形成封闭式结构，该封闭结构不仅能够全方位的吸收微波炉内辐射至饭煲表面的微波能量，还能完全阻隔微波能量直接进入饭煲内部。一般情况下，当金属放入微波炉中，由于微波炉内的电磁场而使金属表面的电荷重新分布，产生电势差，形成击穿电弧，而本发明中的超材料结构会将辐射在谐振环表面的微波能量吸收并转为热能，杜绝了金属放入微波炉引发的危险。
所述开口谐振环，是通过电磁场设计软件HFSS或者CST进行设计，利用该软件获得精确的结果。开口谐振环层14的具体参数包括：周期、内外半径和开口口径，在确定介质层13的介电常数与厚度之后，这些参数均可用有限差分法计算，并通过电磁仿真软件仿真优化得到。本实例选择介电常数为4.5，厚度为4毫米的氮化硅作为容器1的介质层13，金属面层12厚度为1.5毫米，开口谐振环层14厚度为0.1毫米，经过仿真优化，确定开口谐振环的内径为8毫米，外径为9.6毫米，开口缝隙长为1.3毫米，每个谐振环之间的间隔为4毫米。
以上所述饭煲的工作频率为2.45GHz是根据各国在工业，科学和医用的公共频段而定，该频段用于工业、科学研究等方面的应用。因此市面的微波炉的实际工作频率都在2.45GHz，将该频率作为吸收频率能让饭煲适用于市面的所有微波炉。
本发明的可以通过以下试验结果进一步说明。
通过电磁仿真软件对本发明的吸波超材料结构进行仿真，得到超材料对2.45GHz的微波能量的反射率，如图5所示，从图5可见，本发明在2.45GHz的微波反射率能达到-30dB以下，能够对微波进行99.9％以上的吸收，表明本发明能够对微波能量完全吸收和转化。
以上所述仅为本饭煲的较佳实施例而已，并不用以限制本饭煲，凡在本饭煲的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明保护的范围之内。

Claims (9)

1.一种基于微波超材料的微波炉饭煲，采用非金属圆柱体形状的容器1和盖子2，其特征在于：
容器1的内壁和内壁底部涂覆有一层熔点大于500℃的耐高温无毒稳定金属材料面11,容器1的外壁层和外壁底部涂覆有谐振频率为2.45GHz的开口金属谐振环12，金属面与介质层、谐振环构成吸波超材料，用于吸收微波能量，并将其转化为热能，再通过金属面层加热食物；
盖子2的上、下部分别涂覆有谐振频率为2.45GHz的圆形开口金属谐振环12和一层熔点大于500℃的耐高温无毒金属材料面11，与容器1一起形成封闭***，用于阻挡微波直接进入容器内部，避免微波打在饭煲内壁的金属面上产生电磁感应而引发的危险，同时吸收微波能量并将其转化为热能，再通过金属面层加热食物，使饭煲从不同的方向对食物进行加热，加热更加均匀。
2.根据权利要求1所述的基于微波超材料的微波炉饭煲，其特征在于，金属面11选用铁材料。
3.根据权利要求1所述的基于微波超材料的微波炉饭煲，其特征在于，金属谐振环12选用熔点大于500℃的耐高温的铜或铁。
4.根据权利要求1所述的基于微波超材料的微波炉饭煲，其特征在于，容器1材料为介电常数大于4的熔点大于500℃的陶瓷或玻璃材料。
5.根据权利要求1所述的基于微波超材料的微波炉饭煲，其特征在于，所述的开口谐振环为带缺口的圆形金属环。
6.根据权利要求1所述的基于微波超材料的微波炉饭煲，其特征在于，所述的开口谐振环内径、外径、开口大小和周期通过有限差分法计算并由电磁仿真软件仿真优化得到。
7.根据权利要求1所述的基于微波超材料的微波炉饭煲，其特征在于，金属面12的厚度为1-2毫米。
8.根据权利要求1所述的基于微波超材料的微波炉饭煲，其特征在于，开口谐振环层14的厚度均为0.1-0.5毫米。
9.根据权利要求1所述的基于微波超材料的微波炉饭煲，其特征在于，介质层13的厚度为2-4毫米。
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