Pokračujeme v díle těch,
kteří byli první.

Aktuální vydání

Číslo 12/2016 vyšlo tiskem
7. 12. 2016. V elektronické verzi na webu od 6. 1. 2017. 

Téma: Měření, měřicí přístroje a měřicí technika; Zkušebnictví a diagnostika

Hlavní článek
Lithiové trakční akumulátory pro elektromobilitu (2. část – dokončení)

Aktuality

Svítící fasáda FEL ČVUT nabídne veřejnosti interaktivní program s názvem Creative Colours of FEL Dne 13. prosince v 16.30 hodin se v pražských Dejvicích veřejnosti představí interaktivní…

Fakulta elektrotechnická je na špici excelentního výzkumu na ČVUT Expertní panely Rady vlády pro výzkum, vývoj, inovace (RVVI) vybraly ve II. pilíři…

Švýcaři v referendu odmítli uzavřít jaderné elektrárny dříve V referendu hlasovalo 45 procent obyvatel, z toho 54,2 procent voličů řeklo návrhu na…

Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. 11. 2016 den otevřených dveří Fakulta elektrotechnická ČVUT v Praze pořádá 25. listopadu od 8.30 hodin Den otevřených…

Calliope mini – multifunkční deska Calliope mini poskytuje kreativní možnosti pro každého. A nezáleží na tom, zda jde o…

Ocenění v soutěži České hlavičky získal za elektromagnetický urychlovač student FEL ČVUT Student programu Elektronika a komunikace Fakulty elektrotechnické ČVUT v Praze Vojtěch…

Více aktualit

Elektrický ohřev mikrovlnný (7)

číslo 5/2005

Elektrický ohřev mikrovlnný (7)

prof. Václav Černý

1. Úvod

Dielektrický ohřev vzniká u elektricky nevodivých nebo málo vodivých materiálů, které jsou vloženy do elektrického pole. Při frekvencích do 500 MHz označujeme tento ohřev jako vysokofrekvenční a nad 500 MHz jako mikrovlnný (obvykle se jedná o frekvence 2,45 GHz).

Obr. 1.

Obr. 1. Uspořádání katody a anody magnetronu (1 – katoda, 2 – vysokofrekvenční výstup s anténou, 3 – směr pohybu daný vnějším magnetickým polem, 4 – anoda, 5 – duté rezonanční prostory, 6 – obíhající svazky elektronů)

Ve vysokofrekvenčním elektromagnetickém poli dochází k polarizaci materiálu a k rozkmitání molekul. Molekuly se chovají jako elektrické dipóly a snaží se sledovat změny elektrické polarity. Molekuly se vzájemně natáčejí a třou o sebe, díky čemuž vzniká v materiálu teplo.

Zdrojem vysokofrekvenčního záření je magnetron. Magnetron je výkonová vakuová elektronka, u které tok elektronů není ovládán mřížkou, ale vnějším magnetickým polem. Magnetron má vyhřívanou střední katodu a železnou válcovou anodu s rezonančními dutinami (obr. 1). Anoda je připojena na zdroj vysokého napětí. Rezonanční dutiny mají stejnou funkci jako indukčně-kapacitní rezonanční obvod LC. Společně s působením vnějšího magnetického pole se elektrony uvedou do vysokofrekvenčních kmitů požadované hodnoty. Z jedné z rezonančních dutin se vyvádí vysokofrekvenční elektromagnetické záření výstupní anténou do prostoru mikrovlnné ohřívací komory, kde se elektromagnetická energie přeměňuje ve vloženém materiálu v tepelnou energii – teplo. Na obr. 2 je nákres magnetronu firmy Philips.

Obr. 2.

Obr. 2. Magnetron Philips (1 – permanentní magnet, 2 – chladicí žebra, 3 – vysokofrekvenční vazební člen, 4 – anténa, 5 – konektor anody a katody, 6 – vysokofrekvenční odstiňovací pouzdro, 7 – termostat)

Prostor komory (obr. 3) je uspořádán tak, aby byl i vnitřek trouby v rezonanci se vstupním vysokofrekvenčním zářením, čímž se zvyšuje účinnost celého zařízení. Od kovových stěn se mikrovlny odrážejí zpět, ale vložkami z plastu procházejí naopak bez omezení. K rovnoměrnému rozptýlení elektromagnetického záření v celém prostoru přispívají i rotující lopatkové reflektory, které se nacházejí v horní části prostoru trouby a jsou odděleny deskou z plastu. Mikrovlny tedy vstupují do ohřívaného materiálu ze všech stran. Energie se k ohřívanému materiálu přivádí přímo, nebo vlnovodem.

Obr. 3.

Obr. 3. Schematické uspořádání mikrovlnné ohřívací komory

Výkon magnetronů se pohybuje v rozmezí od 0,8 do 6 kW. Magnetrony s výkonem asi do 2 kW jsou chlazeny vzduchem, magnetrony s vyššími výkony se chladí vodou, což klade mimo jiné také vyšší nároky na řídicí techniku. Požadavek vyššího výkonu se obvykle řeší paralelním řazením magnetronů o výkonu 1,5 kW, které jsou z cenových důvodů nejvýhodnější. Není výjimkou paralelní zapojení 100 i více magnetronů. Technická životnost magnetronů je 6 000 až 8 000 provozních hodin.

2. Základní princip

Mikrovlnné elektromagnetické záření se řídí stejnými fyzikálními zákony jako velmi krátké nebo radarové vlny. Vloženým materiálem mohou být buď odráženy (kovy), propouštěny (teflon, křemičité sklo, polypropylen), nebo absorbovány (většina ostatních materiálů). Materiály, které mikrovlnné záření absorbují, mohou být mikrovlnami ohřívány.

Pro mikrovlnný ohřev platí základní vztah:

P = 2pfe0e""E2V          (W; –, Hz, F·m–1, –, V·m–1, m3)          (1)
kde P je výkon absorbovaný materiálem, f frekvence, e0 permitivita vakua, (8,854·10–12 F·m–1), e"" imaginární část komplexní relativní permitivity, E intenzita elektrického pole, V objem materiálu.

Hloubka vniku PD (Penetration Depth) je vyjádřena vztahem:

PD = (l0/2p) · (Öe"/Öe"")          (m; –, –, –)          (2)
kde l0 je vlnová délka ve vakuu, e" reálná část komplexní relativní permitivity, e"" imaginární část komplexní relativní permitivity.

Hloubka vniku je definována jako vzdálenost, ve které původní intenzita elektrického pole klesne na hodnotu 1/e (kde „e„ je Eulerovo číslo o hodnotě asi 2,718), tedy přibližně na 37 %. V této části dochází k podstatně většímu ohřevu než ve větších hloubkách.

Mnoho výrobků může být současně ohříváno na povrchu i uvnitř na stejnou teplotu – při konvenčním ohřevu je povrch daleko teplejší než vnitřek materiálu. Velkou výhodou mikrovlnného ohřevu tedy je, že umožňuje velmi rychlé a stejnoměrné prohřátí celého materiálu.

(pokračování)