CN115734413A - 一种高能效阶梯式金属波纹微波均匀加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高能效阶梯式金属波纹微波均匀加热装置，其包括：加热室，加热室的一侧开合连接有室门，加热室的内侧底部设有载物台，载物台上盛放待加热食物；载物台的下方与加热室之间形成有金属腔体；磁控管，磁控管与电源连接产生微波；微波传输构件，微波传输构件的一端与磁控管连接，微波传输构件的另一端与金属腔体连通且将磁控管产生的微波传输至金属腔体内；阶梯式金属波纹结构，阶梯式金属波纹结构设有多组，每组阶梯式金属波纹结构包括多个纵向排列的金属板，多个金属板均固定连接在金属腔体的底面上，相邻金属板的高度尺寸不同，磁控管产生的微波在阶梯式金属波纹结构上产生均匀的向上微波能量，穿过载物台均匀加热食物。

Description

一种高能效阶梯式金属波纹微波均匀加热装置

技术领域

本发明涉及电磁波近场特性应用和微波加热技术领域，具体涉及一种高能效阶梯式金属波纹微波均匀加热装置。

背景技术

尖端技术的革新是生活品质不断提升的源泉。家用微波炉自问世以来，由于其加热速度快、操作简便，在家庭烹饪中占据不可或缺的地位。随着尖端技术的不断发展，微波炉从当初加热剩菜剩饭到现在成为蒸、煎、烤、烹等多功能厨房电器。

但是微波炉存在两个问题：一是加热不均匀。因为电磁场分布不均匀，且食品的物性影响微波能量的吸收，使得微波炉常常会出现加热不均匀、热形不稳定的问题，达不到传统烹饪能达到的加热效果。二是加热效率不高。传统微波炉在空载情况下会有多次反射与折射，使得更多的电磁能量反射回磁控管，造成加热效率较低，甚至损坏磁控管。目前，针对微波炉加热效果的改善有很多研究，但是微波炉加热的稳定性、均匀性依然较差，能效较低，造成操作不够方便。因此提高微波炉的加热均匀性和加热效率显得尤为关键。

目前，为了改善微波炉的加热效果和能效，已经有很多技术应用到微波炉中。转盘最早用于改善微波炉加热均匀性。转盘微波炉中的食品能够周期转动，食品各位置经历不同的电场，从概率方面提高了微波炉加热的均匀性。加热过程中旋转食物以获得相对均匀的最终温度。另一种是针对平板微波炉，在其腔体底部装有旋转天线或搅拌片，其与电机轴相连，电机转动会带动天线或搅拌片转动，增加微波谐振腔驻波模式，使得炉腔中尽可能建立起足够多的电磁场模式，改善炉腔的微波能量分布。而采用天线方式的微波炉，也可以根据探针耦合和耦合窗的原理，使得磁控管产生的能量更多的传输到腔体中，提高加热效率。

转盘微波炉均衡了转盘圆轴线上的温度分布，但是食品上下和内外的不均匀性没有消除，因此添加转盘对微波炉加热均匀性的提高程度有限。同时转盘的应用导致空间比较小，造成微波炉的空间利用率不高。而且转动过程产生振荡，造成使用后微波炉内的污渍难以清洗。这是转盘微波炉存在的弊端。

添加天线、模式搅拌器等可以改变电场分布，可以从概率角度改善微波加热的均匀性，但实际微波炉产品的整体尺寸和质量不能过大，因此谐振腔的尺寸是有限制的，在谐振腔中建立的电磁场模式理论上是有限的。不能很好地解决微波炉加热不均匀问题。同时仅仅通过改变电场与食品的相对位置并不能很好地解决边缘加热的问题。食品边缘加热依旧严重。虽然在平板微波炉中采用天线可以增加传输到腔体的能量，但并没有从根本上解决在金属腔体内反射和折射的问题，加热效率的问题依然存在。

因此，如何提供一种新型高能效阶梯式金属波纹微波均匀加热装置是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种高能效阶梯式金属波纹微波均匀加热装置，解决食物在现有的加热模式下加热不均匀的问题和馈入到微波炉腔内的微波能量较少的问题，提高微波炉的空间利用率，提升微波炉的加热均匀性和能效。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种高能效阶梯式金属波纹微波均匀加热装置，其包括：

加热室，所述加热室的一侧开合连接有室门，所述加热室的内侧底部设有载物台，所述载物台上盛放待加热食物；所述载物台的下方设有金属腔体；

磁控管，所述磁控管与电源连接产生微波；

微波传输构件，所述微波传输构件的一端与所述磁控管连接，所述微波传输构件的另一端与金属腔体连通且将所述磁控管产生的微波传输至金属腔体内；

阶梯式金属波纹结构，所述阶梯式金属波纹结构设有多组，每组所述阶梯式金属波纹结构包括多个纵向排列的金属板，多个金属板均固定连接在金属腔体的底面上，相邻金属板的高度尺寸不同，磁控管产生的微波在阶梯式金属波纹结构上产生均匀的向上微波能量，穿过载物台均匀加热食物。

本发明的有益效果是：磁控管连接电源产生微波，微波能通过微波传输构件高效传输到金属腔体内，经过金属腔体底部的阶梯式金属波纹结构作用成均匀的微波能量，阶梯式金属波纹结构可以对辐射到金属腔体内的电磁波进行调控，能在金属波纹结构的作用下产生均匀辐射的电磁波，使得装置上方的微波能量分布更加均匀，进而提升食物加热的均匀性，经过金属波纹结构的电磁波传播速度小于自由空间的波速，使得食物对微波能量的吸收更为充分，进一步提高加热效率。腔体内剩余的电磁能量较少，相应的反射回磁控管的电磁波较少。微波炉能效显著提升且加热装置不易损坏。

优选的，每组所述阶梯式金属波纹结构中的多个金属板之间的间距不同。

优选的，相邻两个所述阶梯式金属波纹结构中的金属板高度尺寸不同，相邻两个所述阶梯式金属波纹结构中的金属板厚度尺寸不同，相邻两个所述阶梯式金属波纹结构中的金属板个数不同。

优选的，所述阶梯式金属波纹结构有三组，其并排分布在所述金属腔体的底面上。

优选的，所述磁控管的工作波长为λ，阶梯式金属波纹结构中的每一个金属板的宽度为W，则满足λ/4＜W＜λ/2。

优选的，所述微波传输构件为波导或者能够辐射电磁波的天线，所述波导或者天线将磁控管产生的微波能量辐射到阶梯式金属波纹结构上。

优选的，所述波导的顶端设有弯折部，所述波导内部形成弯曲的微波传输通路，所述磁控管连接在所述波导的弯折部，所述波导的弯折部位于加热室的顶部，所述波导的长度与加热室高度一致。

本发明采用波导或天线结构传输辐射电磁波，其与磁控管能够形成较好的匹配，且采用波导传输微波能量或者采用天线直接辐射电磁波的方式，能够减少微波能量在传输过程中的能量泄露，缩短加热时间，提升加热装置的能效。

此外，直接采用波导传输微波能量或者采用天线直接辐射电磁波的方式，天线本身结构较小或者对波导进行弯折处理。在空间上使得加热装置与微波炉腔体能够更好的契合，提高微波炉的空间利用率。同时，采用天线或者弯折波导，使得电磁波不易反射回磁控管，实现对磁控管的保护。

附图说明

图1为本发明一种高能效阶梯式金属波纹微波均匀加热装置的实施例1示意图；

图2为本发明一种高能效阶梯式金属波纹微波均匀加热装置的实施例2示意图；

图3为图1和图2的主视图；

图4为图1和图2对应阶梯式金属波纹结构的侧视图；

图5为本发明一种高能效阶梯式金属波纹微波均匀加热装置的实施例3示意图；

图6为本发明一种高能效阶梯式金属波纹微波均匀加热装置的实施例4示意图；

图7为图5和图6对应阶梯式金属波纹结构的侧视图；

图8为本发明一种高能效阶梯式金属波纹微波均匀加热装置的微波炉应用示意图；

图9为图8应用后载物台上的电场分布图；

图10为图8应用后的驻波结果。

1磁控管、2天线、3金属腔体、4外侧金属波纹结构、5内侧金属波纹结构、6载物台、7波导、8加热室。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参阅本发明附图1至10；

实施例1：本发明一种高能效阶梯式金属波纹微波均匀加热装置，其包括：

加热室8，加热室8的一侧开合连接有室门，加热室8的内侧底部设有载物台6，载物台6上盛放待加热食物；载物台6的下方设有金属腔体3；

磁控管1，磁控管1与电源连接产生微波；磁控管是微波的产生构件；

天线2，天线2的顶端连接磁控管1，天线2的另一端与金属腔体3连通且将磁控管1产生的微波传输至金属腔体3内；

天线采用高功率定向天线2辐射并传输电磁波，需要注意的是，高功率定向天线不仅限于图示的天线类型，任意符合要求的天线均可，具体的结构设计需适应加热需求；第一，天线2可以与磁控管1实现良好的匹配，同时磁控管1可直接作为天线的馈电结构，能够有更多的电磁能量更多的从天线辐射并激励到金属波纹结构上，金属波纹结构配合金属腔体的底面形成金属波纹面，进而显著的提高了均匀加热装置的能效。第二，天线的定向性强，从天线辐射出的电磁波沿Y轴传播至金属波纹面上，在其上激励产生均匀的电磁能量。避免了传统方式中电磁能量馈入到腔体内部后部分能量直接向上传播或者全向性天线向四周辐射，进而提高了整个微波加热装置的加热均匀性；

阶梯式金属波纹结构，阶梯式金属波纹结构设有四组，其并排分布在所述金属腔体的底面上，每组阶梯式金属波纹结构包括多个纵向排列的金属板(沿y轴方向)，多个金属板均固定连接在金属腔体3的底面上，相邻金属板的高度尺寸不同，磁控管产生的微波在阶梯式金属波纹结构上产生均匀的向上微波能量，穿过载物台均匀加热食物。

进一步的，四组阶梯式金属波纹结构中的多个金属板之间的间距不同。也就是外侧金属波纹结构4中的多个金属板之间的间距不同，内侧金属波纹结构5中的多个金属板之间的间距也不同。

实施例2

与实施例1不同的是，采用波导7传输磁控管产生的微波至金属腔体3中，波导7的顶端设有弯折部，波导7内部形成弯曲的微波传输通路，磁控管1连接在波导的弯折部，波导7的弯折部位于加热室8的顶部，波导7的长度与加热室8高度一致；

实施例3

与实施例1不同的是，阶梯式金属波纹结构设有三组，如图5所示；

实施例4

与实施例2不同的是，阶梯式金属波纹结构设有三组，如图6所示；

具体使用时，波导7的类型并不局限于图中所示的波导结构，任意类型的波导结构均满足要求。首先，为了避免加热装置在使用情况下有较多的微波能量反射回磁控管，使得磁控管的阳极片温度升高，造成磁控管的损坏而导致微波炉等装置的寿命降低。这里对波导7进行弯折处理，以均匀加热装置应用到微波炉为例。波导7悬挂在微波炉腔体侧面，波导7的长度与实际微波炉腔体高度一致。波导的弯折位置在微波炉腔体的顶部，即充分保证了微波炉的空间利用率，使得其整体尺寸不会过大。其次，为使得磁控管的能量能够耦合到波导内，与波导实现匹配，若是矩形波导，弯折波导的尺寸应满足：

其中λ_c为截至波长，a为宽边尺寸，b为窄边尺寸。同时在本发明中，为保证电磁波的传输，弯折波导的尺寸还与磁控管的工作波长λ相关，宽边尺寸满足a＝0.6-0.8λ，b＝0.5a。若选取其他类型的波导，如圆波导，脊波导等，相应的其尺寸应根据加热装置的工作波长和截至波长进行设计。最后，与实施方式1相比，其优点在于能够减少电磁波在传输过程中的电磁能量泄露问题，保证微波能量的传输以及加热装置在使用过程中的安全问题，提高加热装置的安全性，稳定性和能效。

实施例1和实施例2中的天线或波导结构辐射出的电磁波激励阶梯式金属波纹结构，经过波纹金属面向载物台上辐射均匀的电磁波。金属腔体内的金属板根据尺寸，数量，放置位置的不同可以激励出不同形式的电磁波。通过对这些金属波纹的数量、尺寸、摆放位置等进行设计，可以激励出均匀的向载物台上方辐射的电磁波，实现对食物的均匀加热。

在本发明中，阶梯式金属波纹结构放置在金属腔体内。为了使得均匀加热装置能够直接应用到微波炉上，并且同时保证微波炉整体尺寸不宜过大。金属腔体的长和宽与实际要应用的微波炉内腔尺寸完全一致，金属腔体的高度略高于最高的金属板的高度h。而采用金属腔体，也避免了加热装置在使用过程中电磁能量的泄露，保证了均匀加热装置在使用过程中的加热均匀性和能效。

为了使得加热装置具有较好的加热均匀性，保证炉腔内的和载物台上的电场均匀分布。本发明摒弃了传统的辐射方式。传统的辐射方式在炉腔内形成的是驻波场，显然场分布不均匀，无法实现对食物的均匀加热。本发明采用了表面波辐射方式，天线或者波导辐射出的电磁波在阶梯式金属波纹面上激励产生表面波，表面波沿着金属波纹面进行传播，而在垂直于金属波纹面的方向，场的幅度按指数规律衰减。为了使得炉腔内的场进一步均匀化，即在腔体内较高的位置/离载物台高度较高的位置依然有均匀的电磁能量分布，本发明采用了阶梯式金属波纹阵列。具体地；

在如图1-2所示的均匀加热装置中，天线或者波导辐射出的电磁波的传播常数k可以分解为

波沿Y轴方向传播。一般情况下传播常数可以表示为复数，可以表示为

k_z＝β_z-jα_z (3)

β_z表示相位常数，α_z表示衰减常数。当表面波在金属波纹面上传播时，β_z＝0。所以，β_z＝0。在z轴的正方向，场的幅度按指数衰减，即

因此在金属波纹面上方，即载物台上，电磁场分布是均匀的。但要保证在加热室内较高的位置/离载物台高度较高的位置依然有均匀的电磁能量分布，需要采用阶梯式金属波纹阵列，目的是减弱电磁场的幅度在Z轴方向上衰减。阶梯式波纹金属面阵列中的金属板互相平行，且垂直于腔体底部的地面放置。为保证金属波纹面能够引导电磁波传播，并使得电磁波在金属面上的传播速度小于从天线或波导辐射出的电磁波的波速。设金属波纹片阵列中的金属板的高度为h，金属板之间的间距为d，金属板的厚度为l，因此每一个金属板单元理论上应满足：

其中λ为微波炉的工作波长。其作用是激励产生均匀的表面波同时，也可以减慢电磁波的传播速度，使得电磁能量能够充分被加热的食物所吸收，减弱了电磁波在腔体内壁的反射，反射到天线或波导以及磁控管的能量就更少。在增强加热均匀性的同时也提高了均匀加热装置的加热效率。

在具体的实施中，由于金属板高度h满足阶梯式规律，沿Y轴每一个金属板高度h的变化规律可以符合指数函数变化规律，或等差，等比数列变化规律等。因此，阵列中的每一个金属板单元的高度，厚度以及金属板之间的间距理论上不相同。

同时，为保证在X轴方向上有均匀的电磁能量存在，且对激励金属波纹面后电磁波的辐射方向不产生影响(即向上辐射)。金属波纹面阵列中的每一个金属板单元的宽度W₁、W₂满足λ/4＜W₁＜λ/2；λ/4＜W₂＜λ/2，即沿X轴方向上金属波纹面上表面呈短路面，保证有均匀的电磁波存在。

综上，通过合理设计金属波纹阵列中每一个单元的摆放位置和尺寸(长，宽，高，厚度)，可以得到-α_z趋近于0。最终满足在载物台上方的电场强度E_z≈A。即在Z方向，电磁波的幅度不再是指数衰减，从而避免波在载物台上方较高的位置电场强度较低的问题。与传统微波炉加热方式相比，不会出现波的幅度为零(波节点)的情况。

根据微波炉实际尺寸，性能要求，可对阶梯式金属波纹阵列的组数以及每组的数量进行调整，组数以及金属板的数量是任意的。图1-4给出的示意图为4组阶梯式金属波纹阵列。而针对尺寸较小的微波炉，如图5-7所示，尺寸为c₂和d₂的加热装置，其内部放置了三组阶梯式金属波纹阵列。为了使得加热装置应用到小型化微波炉等设备中依然保证较好的加热均匀性和能效，沿Y轴放置的每一个金属板高度h的变化规律，满足指数函数变化规律，或等差，等比数列变化规律等；金属板之间的间距为d，金属板的厚度为l，每一个金属板单元理论上应满足

金属波纹面阵列中的每一个金属板单元的宽度W₃、W₄满足λ/4＜W₃＜λ/2；λ/4＜W₄＜λ/2。

图8是本发明第一种实施方式的高能效阶梯式金属波纹微波均匀加热装置结构应用到微波炉的示意图，由图可知，本发明中的微波均匀加热装置结构简单，能够很方便直接的应用到微波炉等加热设备中，便于其后续工业上的设计加工生产。

图9-10是图8所示的高能效阶梯式金属波纹微波均匀加热装置应用到微波炉上这一实施例的仿真结果图。图9是微波炉内载物台的电场分布图，由载物台上的电场分布可知，载物台上电场强度比较均匀，天线或波导辐射出的电磁波能够在阶梯式金属波纹面上激励出向上辐射的均匀的电磁波，电磁波在微波炉腔体内以表面波的形式传播。因此应用该加热装置的微波炉能够对食物进行均匀加热。图10是本发明中的高能效均匀加热装置的驻波比结果，驻波比是微波炉在仿真验证时的一个重要指标，其与实际微波炉的能效密切相关。由图可知，驻波比在工作频段内均小于3，在实际测试中能够实现能效大于60％，因此该加热装置的能效得到了显著的提升。本发明的高能效阶梯式金属波纹微波均匀加热装置也可以应用到其它的开放或者是封闭的微波加热设备以及其他工业上需要高功率均匀加热的设备中。

对于实施例公开的装置和使用方法而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种高能效阶梯式金属波纹微波均匀加热装置，其特征在于，包括：

加热室，所述加热室的一侧开合连接有室门，所述加热室的内侧底部设有载物台，所述载物台上盛放待加热食物；所述载物台的下方设有金属腔体；

磁控管，所述磁控管与电源连接产生微波；

微波传输构件，所述微波传输构件的一端与所述磁控管连接，所述微波传输构件的另一端与金属腔体连通且将所述磁控管产生的微波传输至金属腔体内；

阶梯式金属波纹结构，所述阶梯式金属波纹结构设有多组，每组所述阶梯式金属波纹结构包括多个纵向排列的金属板，多个金属板均固定连接在金属腔体的底面上，相邻金属板的高度尺寸不同，磁控管产生的微波在阶梯式金属波纹结构上产生均匀的向上微波能量，穿过载物台均匀加热食物。

2.根据权利要求1所述的一种高能效阶梯式金属波纹微波均匀加热装置，其特征在于，每组所述阶梯式金属波纹结构中的多个金属板之间的间距不同。

3.根据权利要求2所述的一种高能效阶梯式金属波纹微波均匀加热装置，其特征在于，相邻两个所述阶梯式金属波纹结构中的金属板高度尺寸不同，相邻两个所述阶梯式金属波纹结构中的金属板厚度尺寸不同，相邻两个所述阶梯式金属波纹结构中的金属板个数不同。

4.根据权利要求3所述的一种高能效阶梯式金属波纹微波均匀加热装置，其特征在于，所述阶梯式金属波纹结构有三组，其并排分布在所述金属腔体的底面上。

5.根据权利要求4所述的一种高能效阶梯式金属波纹微波均匀加热装置，其特征在于，所述磁控管的工作波长为λ，阶梯式金属波纹结构中的每一个金属板的宽度为W，则满足λ/4＜W＜λ/2。

6.根据权利要求1-5任一项所述的一种高能效阶梯式金属波纹微波均匀加热装置，其特征在于，所述微波传输构件为波导或者能够辐射电磁波的天线，所述波导或者天线将磁控管产生的微波能量辐射到阶梯式金属波纹结构上。

7.根据权利要求6所述的一种高能效阶梯式金属波纹微波均匀加热装置，其特征在于，所述波导的顶端设有弯折部，所述波导内部形成弯曲的微波传输通路，所述磁控管连接在所述波导的弯折部，所述波导的弯折部位于加热室的顶部，所述波导的长度与加热室高度一致。

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