智能微波炉的优化设计

2019年 11月 13日

你有没有过这样的经历:当你坐下来享用微波炉加热过的食物时,咬下第一口被烫伤了嘴,而下一口却又是冰冻的。这是因为传统的微波炉并不总是均匀地加热食物。现在, Illinois Tool Works (ITW) 食品设备制造集团正在使用仿真软件模拟一种新型固态微波加热方法,以创造出智能家用厨具,可以同时加热多种食物到各自所需的温度。这个设计对于我们这些迫不及待想要将食物吃到嘴里的人来说,无疑是一个大好的消息。

利用固态射频技术改善微波炉的加热功能

通常我们会觉得,在现代烹饪食物是多么容易和方便的一件事,因为我们有微波炉,只需按几个按钮,我们就可以在几分钟内享用一袋爆米花,还可以重新加热冷冻的剩饭剩菜。但是,您可能已经发现,传统微波炉的除霜设置并没有达到应有的效果。

尽管传统的微波炉改变了我们在家中和专业条件下的烹饪方式,但微波炉已经有很长一段时间没有升级了。事实上,传统微波使用的磁控管技术与第二次世界大战期间首次在雷达系统中使用的磁控管技术是一样的。

使用磁控管的系统有很多限制,包括:

  • 低功率和相位控制
  • 模腔/负载的反馈
  • 使用寿命短
  • 使用高压电源

这些限制是因为基于磁控管的射频系统是开环的。因此,这些系统只能提供一个随着时间推移而不断减少的能量输出,因为它们难以适应辐射能量,同时也难以适应随着食物被加热而从食物反射到微波炉空腔中的能量。微波炉内部的旋转转盘不足以保证能量的均匀分配。

原始腔磁控管的照片。
最早的磁控管由 Birmingham University(伯明翰大学)的 John Randall 和 Harry Boot 于1940年开发。图片由伦敦科学博物馆的科学与社会图片库提供自己的作品。通过Wikimedia CommonsCC BY-SA 2.0下获得许可。

幸运的是,工程师们找到了一种可以更均匀地加热食物的方法。固态射频技术的进步使工程师能够利用射频能量,应用于烹饪器具之外的许多领域,包括自然照明,医疗设备和汽车点火系统等。与传统的微波炉使用的开环磁控管系统相反,射频固态微波炉使用闭环反馈系统。该系统可以适应各种负载,并在烹饪过程中随时监控食物的加热情况。

在闭环反馈系统中,工程师可以通过将输出(或反馈信号)“反馈”回系统中,从而在过程(在本例中为加热过程)中维持所需的控制水平。然后,他们可以通过测量实际输出并查看其与所需输出的比较情况来改善控制。这种类型的系统可以从一个开环系统开始,然后在输入和输出之间添加一些反馈路径。这样,输出将返回到系统中。因此,在微波炉加热过程中,闭环反馈系统可以连续测量和监控输出,并根据需要及时作出调整。如此高的精度意味着该设备可以有效地进行有针对性的加热,从而防止晚餐中出现冷冻食物。

闭环反馈系统图。
一个单输入、单输出闭环反馈系统示意图。图片由 Orzetto 提供自己的作品。通过Wikimedia CommonsCC BY-SA 4.0下获得许可。

用于专业厨房的商用固态微波炉已经进入市场。这些新型设备可以让厨师重新思考烹饪食物的方法,同时重新规划菜单。想象一下,用一台设备烹饪五道菜,烘烤一些蓬松的羊角面包,或在短时间内烤一整只鸡。所有这些都可以通过固态烹饪和内置在新电器中的智能功能来实现。

ITW食品设备集团的工程师正在使用仿真软件,仿真接口及仿真App来设计智能家电,这些家电利用射频固态技术,具有可变输出、改进相位、频率控制、腔体和负载的实时反馈等功能。通过使用COMSOL Multiphysics®软件,他们已经能够开发具有固态微波产生和对流加热功能的智能快速烹饪微波炉/烤箱,例如IBEX,如下所示。

ITW开发的IBEX固态烤箱的照片。
ITW公司开发的 IBEX 固态微波炉/对流烤箱。图片由 ITW 提供。

使用COMSOL Multiphysics®设计试验

ITW的射频系统工程师 Christopher Hopper 和他的团队使用仿真进行虚拟试验并比较结果,以改进烹饪器具的设计。Hopper解释说,仿真不仅可以帮助团队了解微波炉中的加热模式,还可以进行更全面的虚拟试验设置。除了不必从一开始就开发昂贵的原型机外,仿真的另一个优点是它节省了劳动力和食物的成本,因为基本上不需要进行反复试验。

例如,当优化腔体和负载系统的设计时,该团队使用仿真将他们的微波炉设计与基于磁控管的传统微波炉进行比较,以用于三种不同食物分布——立方体,薄层和小圆柱体的食物分布。结果如预期的那样,固态加热对于这三种形状都更有效。工程师们认为还可以对其进行改善。他们发现,如果将烹饪配置组合在一起,整体的均匀性和能量输送都可以得到改善,并且可以使用更少的功率获得相同的结果。

图4的图像显示了潜在的均匀性改善的模拟结果。
将不同的烹饪配置进行组合,以改善食物加热的均匀性。图片由 ITW 提供。

为了研究微波炉的腔体和炊具吸收能量的方式,以及他们认为最有可能加热的地方,Hopper和他的同事设计了一些试验,以在使用多个频率和相位的同时收集热和电磁数据。这样一来,他们可以快速查看容器在这种加热方式下对特定食品(例如鸡蛋)的影响。

烤箱架和空烤箱的S参数图。
仿真结果比较了加热鸡蛋的探头位置。

左:用了烤箱架和没有用烤箱架的 S 参数。右图:将探针放在鸡蛋中,并将鸡蛋放进微波炉中,以研究和改善加热方式。图片由 ITW 提供。

为了确保其结果准确性,该团队在实验室中使用鸡蛋和面包等产品对经过优化后的微波炉进行测试:

并排显示的是预煮鸡蛋的温度。
使用不同的算法测量预煮鸡蛋的温度。左侧的图表是未优化的,右侧的图表是优化后的。图片由 ITW 提供。

不同相组合之间的温差的仿真结果。
仿真算法中使用的样本/频率相位组合的模拟温差。图片由 ITW 提供。

借助COMSOL Multiphysics中提供的工具和附加的射频模块,这些类型的试验可帮助 ITW 团队对食品材料或负载进行精确的电磁-热耦合模拟。Hopper说:“这些负载的特性随温度和频率的变化而变化,我们发现COMSOL®软件不仅可以模拟这些变化,还可以精确地模拟加热模式,电磁场强度和功率损耗密度。”

他们还可以通过仿真来比较有负载和没有负载的模式。Hopper解释说:“其中,食物的多样性是最大,也是最有趣的挑战。加热过程中食物会发生物理和化学变化,负载通常是由多个不同的组件组成的,可能是不均匀的。”仿真可以帮助团队更好地理解和预测负载的变化,最终使得目标加热系统更具适应性。

COMSOL Multiphysics仿真结果显示了微波炉中预测的热点。
具有两个源和中心负载的波导的仿真。

左:预测热点位置。右:双光源波导,中心有负载。图片由 ITW 提供。

结合其他工具增强仿真

除了COMSOL®软件,Hopper使用LiveLink™ for MATLAB®接口 ,结合参数扫描和复杂的后处理,减少计算时间。此过程有助于优化试验并验证结果。Hopper回忆了他曾编写过一个基于物理学的算法,利用COMSOL Multiphysics®与 LiveLink™ for MATLAB® ,并在实验室里进行试验。他说:“在加热食物时捕获一系列编译后的热图像之后,我们分离了各个加热模式,发现它们与模拟的模式非常吻合。”

团队设计流程和对工作流程改进的另一种方法是通过他们的模型创建仿真App。这样,同事们就可以参与设计,自己研究不同的参数(例如频率/相位响应,食材大小,温度和时间等),从而为仿真专家减少了工作量。Hopper还为 IBEX 建立了仿真App,以向新的团队成员和实习生介绍波干扰,介电/损耗因子依赖性和射频加热等基础内容。

Multiphysics Simulation 2019(IEEE Spectrum Insert)中了解更多有关 ITW 及其固态微波开发的信息。

扩展阅读

 

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