ES2237785T3 - Aparato y procedimiento para calentar objetos con microondas. - Google Patents
Aparato y procedimiento para calentar objetos con microondas.Info
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Abstract
SE PRESENTA UN METODO PARA CALENTAR OBJETOS PLANOS Y NO PLANOS UTILIZANDO MICROONDAS, EL METODO COMPRENDE: EL SUMINISTRO DE AL MENOS DOS RAYOS DE MICROONDAS EN MOVIMIENTO DESDE UNA FUENTE DE MICROONDAS COHERENTE (4); EL DIRECCIONAMIENTO DE CADA RAYO DE MICROONDAS EN MOVIMIENTO EN BRAZOS SEPARADOS (8,10) DE UNA GUIA DE ONDAS (6); EL AISLAMIENTO DEL RAYO DE MICROONDAS EN MOVIMIENTO EN CADA BRAZO UTILIZANDO UN CIRCULADOR DE MICROONDAS (12); LA FORMACION DE UNA ONDA ESTACIONARIA A PARTIR DE LAS ONDAS EN MOVIMIENTO EN EL AREA DE TRABAJO (14) DONDE SE ENCUENTRAN LOS BRAZOS; Y LA VARIACION EN FASE DE AL MENOS UN RAYO DE MICROONDAS EN MOVIMIENTO MEDIANTE LA ALTERACION DE LA LONGITUD DE LA TRAYECTORIA DE LAS MICROONDAS EN LA GUIA DE ONDAS PARA MOVER LA ONDA ESTACIONARIA. UN OBJETO QUE PASA A TRAVES DEL AREA DE TRABAJO ES IRRADIADO POR LAS MICROONDAS, GENERANDO DE ESTA FORMA MODELOS DE INTERFERENCIA COMPLEJOS EN EL OBJETO. EL CONTROL CAMBIA A LAS FASES DE LOS CAMBIOS DE LAS MICROONDAS INCIDENTES Y CONTROLA LA SUPERPOSICION DE TIEMPO COMPENSADA DE LOS MODELOS DE INTERFERENCIA, FACILITANDO EL CALENTAMIENTO VOLUMETRICO EFECTIVO DEL OBJETO.
Description
Aparato y procedimiento para calentar objetos con
microondas.
La presente invención se refiere a un aparato y a
un procedimiento para calentar objetos, tales como productos
alimentarios, con microondas.
Es bien conocido emplear radiación de microondas
con propósitos de calefacción. Un problema que viene de largo ha
sido la distribución espacial no uniforme de la energía de
microondas en una cavidad de calefacción, que ocasiona puntos
calientes y fríos en diferentes lugares en la cavidad.
Procedimientos conocidos para eliminar estos puntos calientes y
fríos incluyen el uso de un agitador en modo onda electromagnética
para cambiar los patrones de reflexión de la radiación y/o colocar
el objeto a ser calentado sobre una mesa giratoria en la cavidad,
pasando ostensiblemente el objeto a través de los puntos calientes
y fríos. La calefacción no uniforme también puede deberse a las
propiedades dieléctricas y térmicas del objeto a calentar, junto con
su tamaño y geometría.
El documento US 4464554 (General Electric Co.)
describe un sistema de excitación para un horno microondas; se
facilitan medios para cambiar la fase de un patrón de campo de onda
estacionaria en una guía de ondas entre una primera relación de
fases y una segunda relación de fases, mejorando, de este modo, la
uniformidad de una distribución de energía promediada en el tiempo
en la cavidad del horno.
Los documentos EP 136453, US 4775770, US 4866233
y US 4952763 (Snowdrift Corp.) proporcionan procedimientos para la
calefacción controlada con microondas de objetos en paquetes
sellados; las microondas emanan bien de un emisor de microondas
subdividido en dos, bien, preferiblemente, de dos emisores de
microondas. Los dos distribuidores de energía resultantes se
superponen en un campo suma, al menos cuando el tiempo promediado y
el objeto se coloca en una región de máxima intensidad de campo del
campo suma de microondas, consiguiendo, de este modo, una
distribución predeterminada de temperatura en el objeto, siendo la
distribución una suma escalar de dos o más campos independientes de
temperatura.
El documento FR 2523797 (Centre National de la
Recherche Scientifique) describe medios para calentar objetos
con grandes relaciones de esbeltez, tales como papel, donde el
objeto pasa consecutivamente a través de ranuras en dos brazos guías
de onda. Los campos guía de ondas en los brazos son ondas
estacionarias desplazadas transversalmente respecto de la dirección
de propagación del objeto por la longitud de la guía de ondas
dividida por cuatro. Los documentos EP 446114 y US 5278375
(Microondes Energie Systemes) describen medios similares para
calentar objetos en forma de hoja pasados a través de ranuras en una
guía de ondas.
Mexatas, A. C. & Meredith, R. J. (1983) en
"Industrial Microwave Heating", publicado por Peter
Peregrinus Ltd., Londres, RU (reimpreso en 1993) pp.
170-1 trata el desplazamiento de cuarto de onda
entre campos eléctricos en dos cavidades para calentar uniformemente
un objeto plano. Afirman que este procedimiento únicamente se puede
usar para calentar materiales en forma de hoja, allí donde el grosor
es una pequeña fracción de la anchura, pues en caso contrario el
material experimenta grandes variaciones de campo a lo largo de su
longitud.
En el documento US 4 378 806 (Henley - Cohn), se
describe un aparato y un procedimiento para elevar la temperatura de
un tumor por hipertermia sin calentar indebidamente tejido sano que
rodea el tejido que contiene el tumor.
El documento FR 2 128 936 (Thomson - CSF)
describe mejoras en los dispositivos de calefacción de alta
frecuencia para materiales dieléctricos en forma de hojas
delgadas.
Estos conocidos procedimientos de calefacción de
objetos que usan microondas, se basan en la superposición promediada
a lo largo del tiempo de patrones escalares de calefacción. Esto se
traduce en un cierto número de restricciones durante el uso, tales
como una distancia limitada sobre la cual se puede aplicar el
procedimiento de calefacción para obtener una calefacción uniforme,
un control limitado de la distribución del patrón de calefacción y
calefacción eficaz únicamente con objetos que tienen grandes
relaciones de esbeltez, tales como objetivos planos, por ejemplo
papel o galletas, (pues el procedimiento de la superposición
promediada en el tiempo de patrones escalares de calefacción no se
puede usar para producir calefacción uniforme tridimensional en
objetos que no son planos).
La presente invención busca proporcionar un
aparato y un procedimiento mejorados para calentar objetos usando
microondas.
De acuerdo con la presente invención, se
proporciona un aparato para calentar objetos usando microondas,
comprendiendo el aparato:
una zona de trabajo para colocar un objeto;
miembros alargados de transmisión de microondas
primero y segundo, teniendo cada uno un extremo situado en la zona
de trabajo;
una sola fuente de microondas o una pluralidad de
fuentes de microondas coherentes;
un medio para proporcionar un primer haz de
microondas y un segundo haz de microondas a partir de la energía de
las microondas de salida de la fuente o fuentes de microondas;
un medio para acoplar el primer haz de microondas
al extremo del primer miembro de transmisión de microondas alejado
de la zona de trabajo y un medio para acoplar el segundo haz de
microondas al extremo de la segunda transmisión de microondas
alejada de la zona de trabajo; y
un medio para variar la fase de microondas en el
miembro de transmisión de microondas primero y/o segundo;
en el cual el aparato está dispuesto de tal modo
que el primer haz de microondas entra en la zona de trabajo según
una primera dirección, y el segundo haz de microondas entra en la
zona de trabajo según una segunda dirección, y el ángulo entre las
direcciones primera y segunda no es ortogonal;
caracterizado porque el aparato comprende,
además, un medio asociado con cada miembro de transmisión de
microondas para aislar en su interior las microondas para impedir,
de este modo, la diafonía sustancial.
Las microondas que se propagan en cada miembro de
transmisión de microondas, desde la fuente o fuentes de microondas,
se reúnen en la zona de trabajo. Las microondas que se propagan en
el primer miembro de transmisión de microondas y las microondas que
se propagan en el segundo miembro de transmisión de microondas son
coherentes y mutuamente excluyentes. Por ello, la suma vectorial de
los campos eléctricos de microondas se producen para formar un
patrón de interferencia, u onda estacionaria, en la zona de trabajo.
Cuando en la zona de trabajo no hay presente ningún objeto, el
patrón de interferencia tiene una forma simple sinusoidal. La fase
de esta onda estacionaria se puede variar. Esto se denomina control
por fase.
Por contra, en la técnica anterior, las
microondas usadas no son coherentes y mutuamente excluyentes; por
ello, se produce la suma escalar (en lugar de la suma vectorial) de
los campos eléctricos de microondas para formar una onda
estacionaria escalar en la zona de trabajo. La fase de esta onda
estacionaria varía continuamente, por lo que no se puede
controlar.
En la presente invención, cuando un objeto está
parcial o completamente presente en la zona de trabajo, tal como
cuando el objeto se hace pasar a través de la zona de trabajo, el
objeto se irradia por las microondas que se propagan en cada
miembro de transmisión de microondas. Se genera un nuevo patrón de
interferencia complejo dentro del objeto por suma vectorial de los
campos eléctricos incidentes de microonda.
La fase inicial de las microondas es importante,
y puede variar de acuerdo con el objeto.
La fase de las microondas en al menos uno de los
miembros de transmisión de microondas se puede variar, generando,
por lo tanto, diferentes patrones de interferencia en el objeto (en
relación con la distribución espacial del campo de microondas). La
superposición promediada a lo largo del tiempo de los patrones de
interferencia dentro del objeto pueden traducirse en un
calentamiento rápido, promediado a lo largo del tiempo, del objeto
hasta en tres dimensiones; los puntos fríos y calientes se pueden
eliminar eficazmente.
La profundidad de calentamiento también se puede
controlar usando control por fase para seleccionar patrones de
interferencia que, por ejemplo, dirigen la energía de microondas
lejos de las superficies incidentes. Esto únicamente es posible
cuando las microondas en cada miembro de transmisión son coherentes
y mutuamente excluyentes (es decir, cuando la diafonía entre las
microondas en cada miembro de transmisión se evita sustancialmente
para mantener la coherencia promediada a lo largo del tiempo) de tal
forma que se pueden generar patrones de interferencia a partir de
interferencia destructiva y constructiva de las microondas.
Por contra, en la técnica anterior, no puede
producirse interferencia destructiva y constructiva pues tanto sin
microondas coherentes ni mutuamente excluyentes, únicamente es
posible la suma escalar de las distribuciones de energía, y no la
suma vectorial de campos eléctricos como en la invención actual.
Por lo tanto, en la técnica anterior, las microondas también se
añaden allí donde se reúnen en el objeto; esto es contrario a la
presente invención, donde las zonas seleccionadas del objeto se
pueden tomar como blanco para no realizar ningún calentamiento, sea
cual sea.
Es bien conocido que la potencia absorbida por un
material dieléctrico es proporcional al cuadrado del campo
eléctrico. En el caso de señales de microondas coherentes y
mutuamente excluyentes de igual amplitud, como en la presente
invención, se añaden campos eléctricos de forma que la distribución
de potencia resultante es proporcional a cuatro veces la amplitud de
cualquiera de las dos señales de microondas. En la suma escalar, se
añade la distribución de potencia configurada por cada campo
eléctrico, no por el propio campo eléctrico, de forma que la
distribución del campo resultante es proporcional a dos veces la
amplitud de una cualquiera de las dos señales de microondas (los
campos eléctricos interfieren continua, constructiva y
destructivamente sobre escalas de tiempo en nanosegundos, de forma
que la distribución de energía promediada a lo largo del tiempo es
sencillamente la intensidad media del campo eléctrico en el objeto,
que es dos veces la amplitud de cualquiera de las dos señales de
microonda). Por lo tanto, una ventaja adicional de la invención
actual es que es posible un calentamiento más intenso desde la misma
fuente de potencia.
Además, se puede aumentar la profundidad eficaz
de calefacción con el uso del control por fase. Al seleccionar
patrones de interferencia que toman como blanco la energía en el
centro (o en cualquier otra posición predeterminada) dentro de un
objeto, y explotar la intensidad aumentada de calefacción que es
posible, como se explicó en lo que antecede, se puede poner a
disposición a mayores profundidades más energía no absorbida de
microondas, comparadas con procedimientos durante la técnica
anterior, para la calefacción significativa.
De este modo el aparato y el procedimiento de la
presente invención proporcionan control por fase que, en la
dirección del control por fase, puede variar y seleccionar patrones
de calefacción para la calefacción dirigida o uniforme de un objeto
promediada a lo largo del tiempo. La profundidad eficaz y la
intensidad de la calefacción dirigida o uniforme también se puede
aumentar.
El control por fase se puede aplicar en una, dos
o tres dimensiones con el fin de conseguir la calefacción uniforme
promediada a lo largo del tiempo en una, dos o tres dimensiones,
respectivamente. Alternativamente, si se aplica el control por fase
en una dimensión, se pueden emplear otros medios para conseguir la
calefacción uniforme promediada a lo largo del tiempo en otra
dimensión; por ejemplo, el objeto a calentar se desplaza en una
dirección que es perpendicular a la dirección de control por fase, o
la zona de trabajo se altera al tener paredes entalladas,
revestidas con dieléctrico o estrechas.
En los procedimientos de la técnica anterior,
únicamente es posible la superposición promediada a lo largo del
tiempo de patrones escalares de calefacción, pues las fuentes de
microondas ni son coherentes ni mutuamente excluyentes.
Proporcionar un cierto número de haces de
microondas desde una única fuente de microondas asegura que los
haces son coherentes. Una pluralidad de fuentes de microondas con
bloqueo de fase también son coherentes.
El ángulo entre las direcciones correspondientes
de los haces primero y segundo es, preferiblemente, de 0 a 30, 150 a
210 ó 330 a 360 grados. Preferiblemente, el ángulo es de 180
grados.
El miembro de transmisión de microondas puede ser
una guía de ondas hueca, un cable coaxial, línea plana de microondas
o cualquier otro medio para transmitir microondas.
Los miembros de transmisión de microondas primero
y segundo pueden ser los brazos primero y segundo de una única guía
de ondas, que está en forma de un bucle.
La zona de trabajo puede estar formada por la
reunión de dos guías de onda o brazos guía de onda, de tal forma que
el objeto está en una zona limitada por paredes. Una alternativa es
que la zona de trabajo puede estar situada entre dos antenas
paralelas que estén mutuamente acopladas vía un objeto a ser
calentado, de forma que el objeto está en una zona de trabajo no
limitada por paredes.
Preferiblemente, el medio para variar la fase de
una microonda en el miembro de transmisión de microondas primero y/o
segundo comprende medios para alterar la longitud de la trayectoria
de una microonda en un miembro de transmisión de microondas. En un
ejemplo, se usa un cortocircuito deslizante para variar la longitud
de la trayectoria eléctrica de un haz de microonda en un brazo de
microonda. También se pueden usar ramales de cortocircuito
deslizables, una rama ajustable u otros medios para cambiar la
longitud eficaz de guía de onda; por ejemplo, la introducción de
todo o de parte de un material dieléctrico en el brazo de
transmisión de una guía de ondas para cambiar la longitud de la
trayectoria original.
El medio asociado con cada miembro de transmisión
de microondas para aislar las microondas en su interior puede
comprender un aislador, tal como un circulador de microondas.
De acuerdo con un aspecto adicional de la
invención, se proporciona un procedimiento para calentar objetos
usando microondas, comprendiendo el procedimiento:
proporcionar al menos dos haces de microondas
progresivas desde una única fuente de microondas o desde una
pluralidad de fuentes coherentes de microondas;
dirigir cada haz de microondas progresivas al
interior de un miembro diferente de transmisión de microondas;
aislar el haz de microondas progresivas en cada
miembro de transmisión de microondas;
formar una onda estacionaria a partir de las
ondas progresivas en una zona de trabajo que está allí donde se
reúnen los miembros de transmisión de microondas para localizar un
objeto a ser calentado;
y variar la fase de al menos un haz de microondas
progresivas con el fin de desplazar la onda estacionaria.
La presente invención proporciona, sin embargo,
un sistema dinámico de control por fase para el calentamiento
uniforme o dirigido de objetos no planos hasta en tres
dimensiones.
A continuación, se describirán ejemplos de los
aparatos y de los procedimientos de la invención para ilustrar, pero
no para limitar, la invención, haciendo referencia a los dibujos
que se acompañan, en los cuales:
la figura 1 es una representación diagramática de
una primera realización del aparato;
la figura 2 es una representación diagramática de
una segunda realización del aparato;
la figura 3 es una vista en perspectiva de una
zona de trabajo y de los extremos de las guías de onda;
la figura 4 es una vista en planta de una
bandeja;
la figura 4b es una vista lateral de una
bandeja;
la figura 5 es una vista en perspectiva de una
zona de trabajo que contiene una bandeja de material alimentario
sustentada sobre un bloque;
la figura 6a es una serie de imágenes de
distribución de temperatura;
la figura 6b es una serie de imágenes de
distribución de energía;
la figura 7a es una serie de imágenes de
distribución de temperatura;
la figura 7b es una serie de imágenes de
distribución de energía;
la figura 8a es una imagen de distribución de
energía; y
la figura 8b es una imagen de distribución de
energía.
Haciendo referencia a las figuras 1 y 2, el
aparato 2 comprende un generador 4 de microondas que se acopla a una
guía 6 de ondas, que está dividida vía una unión E en T 7 en un
primer brazo 8 y en un segundo brazo 10. La T está sintonizada de
tal forma que la energía introducida en cualquier brazo de la T se
divide de tal forma que la mitad de la energía sale por los otros
dos brazos de la T. El generador de microondas es, por ejemplo, un
magnetrón o un tubo de ondas progresivas. Un circulador 12 (u otro
medio para aislar) está asociado a cada brazo.
Los circuladores son tres dispositivos puertos de
ferrita que están etiquetados de la siguiente manera en las figuras
1 y 2:
- microondas que entran por el puerto A y salen
por el puerto B
- microondas que entran por el puerto B y salen
por el puerto C
- microondas que entran por el puerto C y salen
por el puerto A.
Durante el uso normal, por el puerto A entra
energía procedente del generador de microondas. El aislamiento de un
circulador se define habitualmente como cuán eficiente es el
dispositivo en desviar energía que entra por el puerto B al puerto
C; a mayor aislamiento, mayor energía se desvía al puerto C. Para la
presente invención, todos los circuladores deberían tener un
aislamiento mejor que 10 dB, preferiblemente mejor que 20 dB,
óptimamente mejor que 30 dB, a la frecuencia (o sobre la banda de
frecuencias) de funcionamiento del generador de microondas.
Durante el uso normal, un circulador
inmediatamente sigue a una fuente de microondas, con una carga 13
ficticia fijada al puerto C. La energía reflejada se desvía desde
el puerto B al puerto C protegiendo, de este modo, la fuente. Las
cargas ficticias son usualmente agua enfriada, pero se pueden
enfriar usando aire u otros refrigerantes. Óptimamente, una carga
ficticia se diseña para que un circulador minimice las faltas de
concordancia en la impedancia.
Como se muestra en las figuras 1 y 2, la guía de
ondas es un bucle rectangular, pero también puede ser, por ejemplo,
un bucle circular o un bucle cuadrado. El extremo de cada brazo de
la guía de ondas se une con el extremo del otro brazo. En la
ubicación de esta unión, esta definida una zona 14 de trabajo y dos
paredes opuestas de guía de ondas tienen aperturas 16 en su
interior; las aperturas mostradas en la figura 3 son rectangulares.
Preferiblemente, estas paredes no cortan ninguna línea de campo de
microondas. Las aperturas proporcionan medios para pasar un objeto a
través de la zona de trabajo de la guía de ondas. Haciendo
referencia a la figura 3, un alimento 17 se extiende hacia fuera
desde cada abertura 16 para proporcionar un paso para alimentar el
objeto hasta la zona 14 de trabajo. Se prefiere el acceso horizontal
hasta la zona de trabajo pues un transportador de correa puede
discurrir a través de la zona de trabajo, con objetos desnudos o
empaquetados para ser calentados sobre la correa. Se pueden usar dos
secciones 15 retorcidas 90 grados, y se muestran en ambas figuras 1
y 2 para permitir acceso horizontal a la zona de trabajo. Otros
ángulos de "retorcido" también se podrían utilizar.
La zona de trabajo puede tener paredes total o
parcialmente revestidas con dieléctrico, y también puede tener
paredes completa o parcialmente entalladas para modificar el patrón
de campo eléctrico, y las indentaciones de las estructuras
entalladas pueden ser llenadas dieléctricamente.
En una realización alternativa, ambos brazos de
la guía de ondas se ahusan hacia la zona de trabajo, como se muestra
en la figura 3, preferiblemente sobre una distancia de la longitud
de onda de la guía de ondas dividida por cuatro, de forma que la
zona de trabajo está estrechada. La región 19 ahusada puede estar
parcial o completamente llena de dieléctrico con, por ejemplo,
politetrafluoroetileno, o con diferentes materiales dieléctricos en
cada región ahusada, para controlar que la impedancia concuerde
entre los brazos y la zona de trabajo. Esto permite controlar el
campo eléctrico y/o los modos de microondas presentes en la zona de
trabajo.
Las microondas procedentes del generador 4 se
dividen en dos haces y se dirigen en sentidos opuestos a través del
bucle de guía de ondas (es decir, un haz en el primer brazo 8 y un
haz en el segundo brazo 10). El ángulo entre las respectivas
direcciones de los haces al entrar en la zona de trabajo es de 180
grados. Los circuladores actúan para aislar la energía de microondas
propagada en un brazo de la energía de microondas propagada en el
otro brazo. Las ondas que progresan en cada brazo cumplen y generan
una onda estacionaria en la zona de trabajo y en la región del bucle
de guía de onda limitado por los circuladores. La energía de
microonda en cada brazo se aísla suficientemente usando dos
circuladores con cargas ficticias para impedir la diafonía
sustancial entre
ellas.
ellas.
El primer brazo 8 tiene una sección de longitud
de trayectoria variable que comprende un circulador y un
cortocircuito deslizante (en lugar de una carga ficticia). El puerto
B de entrada de energía deja el puerto C hasta el cortocircuito 18
deslizante. La energía se refleja fuera del cortocircuito deslizante
y vuelve a entrar en el puerto C pero lo deja en el puerto A. El
cortocircuito se desplaza hasta posiciones predeterminadas que
alteran la longitud del recorrido eléctrico de una microonda que se
propaga en el brazo, variando de este modo la fase de la onda
estacionaria, cuando se detecta en una posición cualquiera, usando,
por ejemplo, una guía 21 de ondas con línea ranurada con detector
apropiado (véase figura 2). Por consiguiente, la onda estacionaria
se puede desplazar de forma controlada en la región limitada por los
dos circuladores 12. Las microondas procedentes del segundo brazo
10 que se propagan a través de zona de trabajo entrarán en el puerto
A y dejarán el puerto B que entra en su longitud de tramo sin
afectar. El cortocircuito deslizante está preferiblemente motorizado
vía un sistema programable de control informático, de forma que la
fase de las microondas en el primer brazo 8 se puede variar
continuamente.
En el aparato de la figura 2 se usa un cuarto
ramal 19 ajustable para equilibrar la cantidad de potencia en cada
brazo. La guía 21 de ondas de línea ranurada también se usa para
permitir el acceso a una sonda que mide la fase relativa de la onda
estacionaria de cualquier instante. Esta medida puede formar parte
de un sistema de control, por ejemplo, para permitir el control
dinámico de la fase de la onda estacionaria.
Para permitir la implantación del control
dinámico de fase, el sistema de control comprende preferiblemente,
un cortocircuito deslizante a modo de interfaz con un ordenador. La
posición y el tiempo de duración del cortocircuito deslizante sobre
la duración de calefacción un objeto puede estar preprogramado de
acuerdo con el tipo de objeto y el perfil final de calefacción
requerido.
En un ejemplo alternativo, el ramal 19 ajustable
se puede usar para variar la amplitud de la energía de microonda en
cada brazo, permitiendo un control adicional de la distribución
resultante de energía. Adicionalmente, la unión E en T 7 se puede
ajustar para que divida de forma desigual los brazos 8 y 10 de
entrada potencia, la distribución resultante de energía. Por
ejemplo, para objetos de grosor variable, por ejemplo objetos con
una sección ahusada a lo largo de la dirección de control por fase,
puede que sea preferente imponer una distribución de potencia
inicial para ayudar en el procedimiento de control por fase.
Alternativamente, las medias de línea ranurada,
medidas de potencia en cada brazo de transmisión, medida en línea de
la temperatura del objeto, etc. pueden proporcionar control del
cortocircuito deslizante, del ramal ajustable y/o de una unión E en
T con retroalimentación con anticipación.
La frecuencia de las microondas está entre 0,4 y
10 GHz. Se prefieren particularmente las frecuencias industriales,
científicas y médicas (ISM) 896, 915, 2450 y 5800 MHz.
Un objeto a calentar se pasa a través de la zona
14 de trabajo. Las ondas que progresan en cada brazo impactan en
caras opuestas del objeto. Esto genera un patrón de interferencia
dentro del objeto, siendo el patrón dependiente de la permitividad
compleja del objeto y de la fase de la onda estacionaria que está
presente y contigua al objeto en la zona de trabajo. A medida que el
objeto pasa continuamente, o en la etapa tradicional, a través de la
zona de trabajo, el cortocircuito deslizante se desplaza para variar
la longitud del recorrido de la microonda que se propaga en el
primer brazo, y por lo tanto la fase de la onda estacionaria. Esto
genera al menos otro patrón diferente de interferencia dentro del
objeto.
Controlar los cambios en las fases de las
microondas incidentes cambia y controla la superposición promediada
a lo largo del tiempo de patrones de interferencia facilitando una
calefacción volumétrica más eficaz del objeto hasta en tres
dimensiones.
En un ejemplo alternativo, si se precisa la
calefacción de un blanco, o la distribución inicial de temperatura
del objeto no es uniforme, o la permitividad compleja del objeto
cambia con la temperatura, o cambia la geometría del objeto con la
temperatura, o se están combinando procedimientos adicionales de
calefacción con control por fase tales como el uso de aire caliente,
o cualquier combinación de estos, puede ser suficiente un patrón de
interferencia para conseguir el deseado patrón de calefacción.
Esta invención consigue, por lo tanto, una
optimización de la superposición promediada a lo largo del tiempo de
patrones de interferencia.
La optimización puede traducirse en patrones de
interferencia que tienen diferentes tiempos de residencia; las fases
usadas para generar diferentes patrones de interferencia a
superponerse no son necesariamente fases de 180 grados. Por contra,
en la técnica anterior, las ondas estacionarias para la suma escalar
a ser superpuesta son aproximadamente fases de 180 grados.
Un circuito de guía de ondas se configuró como se
muestra en la figura 2. Se usó una guía de ondas que tiene una
sección transversal interna de 248 x 124 mm, junto con un generador
de microondas con pequeño rizo 5 kW 896 MHz (menos del 5%). La zona
de trabajo comprendía una sección de la guía de ondas con una tapa
articulada para facilitar la retirada fácil de objetos colocados en
su interior. Los circuladores tenían características de aislamiento
mejores que 30 dB a 896 MHz.
En la zona de trabajo se colocaron los materiales
alimentarios del modelo en bandejas de polietileno, y se calentaron.
Los materiales alimentarios del modelo se escogieron para ser
representativos de las propiedades dieléctricas de muchos productos
alimentarios congelados (modelo 1), o productos alimentarios no
congelados de gran contenido en humedad (modelo 2). Las propiedades
de los materiales del modelo se detallan en el cuadro siguiente.
El modelo 1 era un material plástico blando
denominado Plasticine^{TM} (disponible en Trylon Ltd., Northants,
RU). Su composición analítica era de 78,1% de ceniza, 21,2% de
aceite y 0,7% de agua.
El modelo 2 era una mezcla de 91% de agua y un 9%
de polvo TX151 (TX151 es el nombre del producto de un polvo
hidrófilo disponible en Weatherford, Kirkhill Ind Est, Aberdeen,
RU). Su composición analítica era de 93,6% de agua, 3,7% de
carbohidrato, 2,2% de ceniza, 0,5% de proteína.
La permitividad compleja se midió usando una
sonda coaxial con el extremo abierto (modelo HP85070B de Hewlett
Packard).
Haciendo referencia a las figuras 4a y 4b, cada
bandeja 22 de polietileno tiene un borde superior que define una
cara abierta que tiene una anchura w de 122 mm y una longitud z de
171 mm; una base que tiene una anchura x de 100 mm y una longitud y
de 150 mm; una profundidad D de 35 mm; un radio r_{1} de esquina
superior de 30 mm, un radio r_{2} de esquina de base horizontal de
15 mm y un radio F de esquina de base vertical de 6 mm. Los
materiales del modelo llenaban completamente las bandejas, pero no
rebosaban.
Como se muestra en la figura 5, cada bandeja 22
estaba sustentada sobre un bloque 23 de politetrafluoroetileno
situado en el centro de una zona 14 de trabajo de forma que el plano
horizontal de la bandeja a una profundidad media era aproximadamente
coincidente con la mitad de la altura de la guía de ondas. El bloque
23 tenía un anchura a de 34 mm, una altura b de 42 mm y una longitud
c de 72 mm. Los materiales del modelo se calentaron durante un
tiempo suficiente para elevar la temperatura en un máximo de
20ºC.
Tras el calentamiento, se tomaron imágenes
térmicas del plano horizontal a media profundidad del material del
modelo usando un escáner de infrarrojos (modelo 870 obtenido en
Agema, Suecia). Para impedir una perturbación excesiva en la
distribución de temperatura, por ejemplo, al cortar en rebanadas el
material con un cuchillo, se colocó una capa de película adherida de
polietileno a media altura de la bandeja a medida que el material
del modelo se preparaba en la bandeja: tenga cuidado para excluir
todas las burbujas de aire. Tras el calentamiento, la película
adherida y la mitad superior del material del modelo simplemente se
retiraron para exponer la superficie del material del modelo a la
altura de la semi profundidad.
También se usó un modelo tridimensional de
microondas en el dominio de tiempos por elementos finitos (3D FETD)
para simular el calentamiento de los materiales del modelo. La
figura 5 muestra la sección de la guía de ondas modelada. El modelo
de microondas producía distribuciones de energía en el mismo plano
que las distribuciones medidas de temperatura para permitir una
comparación cualitativa con las imágenes térmicas. Las propiedades
de constante dieléctrica se supusieron en el modelo de microondas
para reducir los tiempos de cálculo con ordenador (los aumentos de
temperatura en los experimentos se mantuvieron hasta no más de 20ºC
para minimizar el efecto de la permitividad compleja dependiente de
la temperatura).
Para cada experimento, se calentó un material del
modelo que contiene una bandeja en condición de fase constante, es
decir el cortocircuito deslizante permaneció en una posición. El
estado de fase 0º se definió arbitrariamente como la posición
inicial del cortocircuito deslizante. Para cada experimento se usó
una nueva bandeja de material del modelo. El cortocircuito
deslizante se desplazó entonces una distancia conocida para dar un
movimiento de 30º en el patrón de onda estacionaria en la zona de
trabajo respecto de la posición previa de cortocircuito. De este
modo, el patrón de calentamiento en la semialtura del plano de la
bandeja se midió cada 30º.
El modelo FETD se ejecutó para simular las
condiciones experimentales de lo que antecede. Para comparar las
distribuciones medidas de temperatura con las distribuciones
simuladas de energía, las imágenes térmicas y las distribuciones
simuladas de energía debían tener fases coincidentes. Por ejemplo,
digamos que para una posición de cortocircuito deslizante dada la
fase de la distribución de temperatura concordaba con la
distribución simulada de potencia en 120º; cuando se desplazó el
cortocircuito deslizante una distancia \alpha, que se conoce a
partir de las dimensiones del cortocircuito deslizante para producir
un cambio de fase de 35º, el resultado de la simulación a 155º
debería haber concordado con el resultado experimental
correspondiente. NB: es el cambio de fase entre los dos puntos lo
que es importante y no la fase absoluto de uno cualquiera de
ellos.
Experimento
1
El material 1 del modelo se calentó en la
bandeja; la dirección del flujo de energía, y por lo tanto el
control por fase, era paralelo a la anchura w del borde superior de
la bandeja. La figura 6a muestra las imágenes de distribución
térmica medidas en cada cambio de fase de 30º; cuanto más claras son
las sombras, mayor es la temperatura. Se puede ver que los "puntos
calientes" se desplazan a través del material.
Se realizaron simulaciones 3D FETD. La figura 6b
muestra las imágenes de distribución simulada de energía en cada
cambio de fase de 30º; cuanto más claras son las sombras, mayor es
la energía.
En la figura 6b, se puede ver el perfil del borde
superior de la bandeja. En la figura 6a, las imágenes son del
interior de la bandeja. Se puede ver que hay una concordancia muy
estrecha en la posición y en el tamaño de las distribuciones de las
imágenes térmicas y las simulaciones FETD en cada condición de
fase.
Experimento
2
El material 2 del modelo se calentó en la
bandeja; la dirección del flujo de energía, y por lo tanto el
control por fase, era paralelo a la anchura w del borde superior de
la bandeja. La figura 7a muestra las imágenes de distribución
térmica medidas en cada cambio de fase de 30º; cuanto más claras son
las sombras, mayor es la temperatura. Se puede ver que los "puntos
calientes" se desplazan a través del material. Para una
comparación con la figura 6a, se puede ver que las distribuciones
térmicas para el material 2 del modelo eran más complejas que para
el material 1 del
modelo.
modelo.
Se realizaron simulaciones 3D FETD. La figura 7b
muestra las imágenes de distribución simulada de energía en cada
cambio de fase de 30º; cuanto más claras son las sombras, mayor es
la energía.
En las figuras 7a y 7b, las imágenes son del
interior de la bandeja. Se puede ver que hay una concordancia muy
estrecha en la posición y en el tamaño de las distribuciones de las
imágenes térmicas y las simulaciones FETD; es decir los mismos
cambios en el patrón de distribución de energía y de calefacción se
pueden ver como la fase de la onda estacionaria en los cambios en la
zona de trabajo.
Experimento
comparativo
Para demostrar las ventajas del control por fase
en los experimentos 1 y 2, en los cuales resulta suma vectorial, se
impusieron condiciones escalares sobre las ondas de propagación en
los brazos 8 y 10 del bucle guía de ondas para simular suma escalar.
Se usaron materiales del modelo de los experimentos 1 y 2.
Únicamente es posible distribución de energía en condiciones de suma
escalar; por ello, únicamente es posible un patrón de calefacción.
Las imágenes debidas a la suma escalar se muestran en las figuras 8a
(modelo 1) y 8b (modelo 2); de nuevo, cuanto más claras son las
sombras, mayor es la energía. La diferencia en las distribuciones de
potencia de los dos materiales es clara. A consecuencia de la suma
escalar, que proporciona únicamente una distribución de potencia, no
es posible ningún calentamiento controlado o que considere un
blanco.
Estos ejemplos demuestran el principio de
calentamiento de control por fase; muestran que el patrón de
calentamiento se puede controlar de forma que zonas dentro de un
material se pueden tomar como blanco con energía de microondas. Las
condiciones experimentales se diseñaron de tal forma que se
producirían los patrones de calentamiento complejos para demostrar
el principio de control por fase. Por superposición apropiada
promediada en el tiempo de los patrones de interferencia, se pueden
obtener patrones deseados de calentamiento.
Está claro que la fase de la onda estacionaria en
la zona de trabajo se puede cambiar de forma controlada en una
primera dirección para obtener los patrones deseados de calefacción
en una dimensión.
Para obtener los patrones deseados de
calentamiento en dos dimensiones, se aplica el control por fase en
una primera dimensión y o bien el control por fase se puede aplicar
por toda la segunda dimensión, o bien, más preferiblemente, el
objeto se puede desplazar en una dirección que es perpendicular a la
primera dirección.
Para obtener patrones de calefacción deseados en
tres dimensiones, el control por fase se puede aplicar por todas las
tres dimensiones; o el control por fase se puede aplicar por todas
las dos dimensiones y el objeto se puede desplazar en una dirección
que sea perpendicular a la misma; o el control por fase se puede
aplicar por todas las dos dimensiones y la zona de trabajo puede
tener paredes completa o parcialmente con dieléctrico, o tener
paredes completa o parcialmente entalladas, o tener anchura
estrechada, como se muestra en la figura 3, para modificar el patrón
de campo eléctrico y/o modos presentes en la zona de trabajo.
Una opción preferida para el calentamiento
tridimensional es aplicar control por fase en la primera dimensión,
desplazar el objeto a la segunda dimensión y modificar la zona de
trabajo en la tercera dimensión.
Se apreciará que, en tanto el control por fase se
aplica en al menos una primera dimensión, una variedad de otros
medios se pueden usar para efectuar el calentamiento en una segunda
y/o tercer dimensión.
El aparato y el procedimiento de esta invención
son adecuados para el calentamiento promediado a lo largo del tiempo
uniforme o dirigido de un objeto sólido tridimensional o sólido
particulado, tal como un producto de comida empaquetada, en
la(s) dirección(es) del control por fase, hasta en
tres dimensiones. Por ejemplo, el objeto puede ser pollo empanado, o
vegetales tales como guisantes, brócoli, espinacas y maíz dulce.
También se puede usar para sellar tapas o calentar plásticos.
El objeto se puede preempaquetar en un recipiente
(por ejemplo una bandeja con una tapa pelicular; una bolsa o bolso;
una lata de plástico; una lata de plástico que tiene una parte
superior metálica y una base metálica). Si el objeto está
preempaquetado, está empaquetado preferiblemente con un medio para
minimizar la deformación del paquete durante el calentamiento y el
enfriamiento (por ejemplo, usando un manguito rígido). Si el objeto
se ha de calentar por encima de 100ºC, entonces se puede aplicar
presión externa.
El producto de alimento puede estar inicialmente
a temperatura ambiente, temperatura refrigerada o temperatura de
congelación. Típicamente, esta invención se usa para calentar
productos alimentarios hasta temperaturas superiores a 50ºC,
particularmente hasta temperaturas de pasteurización (por ejemplo,
70ºC) y hasta temperaturas de esterilización (por ejemplo, más de
120ºC). Esta invención también es adecuada para atemperar objetos
congelados, tales como aves de corral, donde el objeto están a
temperaturas de congelación y se elevan la temperatura para que esté
justo por debajo de su temperatura de descongelación.
Para productos alimenticios de varios
componentes, la invención puede proporcionar calefacción controlada
de tal forma que un componente recibe más energía que otro.
Claims (13)
1. Un aparato para calentar objetos usando
microondas, comprendiendo el aparato:
una zona (14) de trabajo para posicionar un
objeto;
miembros (8, 10) alargados de transmisión de
microondas primero y segundo, teniendo cada uno un extremo situado
en la zona (14) de trabajo;
una única fuente (4) de microondas o una
pluralidad de fuentes coherentes de microonda;
un medio (7) para proporcionar un primer haz de
microondas y un segundo haz de microondas a partir de la energía de
salida de microondas de la fuente o fuentes de microondas;
un medio (7) para acoplar el primer haz de
microondas al extremo del primer miembro (8) de transmisión de
microondas alejado de la zona de trabajo, y un medio para acoplar el
segundo haz de microondas al extremo del segundo miembro (10) de
transmisión de microondas alejado de la zona de trabajo; y
un medio (18) para variar la fase de microondas
en el miembro de transmisión de microondas primero y/o segundo;
en el cual el aparato está dispuesto de tal forma
que el primer haz de microondas entra en la zona de trabajo según
una primera dirección y el segundo haz de microondas entra en la
zona de trabajo según una segunda dirección, y el ángulo entre las
direcciones primera y segunda no es ortogonal;
caracterizado porque el aparato comprende,
además, un medio (12) asociado con cada miembro de transmisión de
microondas para aislar las microondas en su interior, para prevenir,
de este modo, la diafonía sustancial.
2. Un aparato según la reivindicación 1, en el
cual el medio (18) para variar la fase de las microondas en el
miembro de transmisión de microondas primero y/o segundo comprende
medios para variar la longitud de la trayectoria de una microonda en
un miembro de transmisión de microondas.
3. Un aparato según la reivindicación 2, en el
cual el medio (18) para variar la longitud de la trayectoria
comprende un cortocircuito (18) deslizante y un circulador (12).
4. Un aparato según se reivindica en cualquiera
de las reivindicaciones precedentes, en el cual el medio (12)
asociado con cada miembro de transmisión de microondas para aislar
las microondas en su interior comprende un circulador de
microonda.
5. Un aparato según se reivindica en cualquiera
de las reivindicaciones precedentes, en el cual el ángulo entre las
direcciones primera y segunda de los haces es de 180 grados.
6. Un aparato según se reivindica en cualquiera
de las reivindicaciones precedentes que comprende, además, medios
para variar un patrón de campo eléctrico en la zona de trabajo.
7. Un aparato según se reivindica en cualquier
reivindicación precedente, en el cual los miembros de transmisión de
microondas se ahusan hacia dentro hacia la zona de trabajo.
8. Un procedimiento para calentar objetos usando
microondas, comprendiendo el procedimiento:
proporcionar al menos dos haces de microondas de
propagación desde una única fuente (4) de microondas o desde una
pluralidad de fuentes coherentes de microondas;
dirigir cada haz de microondas de propagación al
interior de un miembro (8, 10) de transmisión de microondas
separado;
aislar el haz de microondas de propagación en
cada miembro de transmisión de microondas;
formar una onda estacionaria a partir de las
ondas de propagación en una zona (14) de trabajo, que está donde se
reúnen los miembros de transmisión de microondas, para localizar un
objeto a ser calentado;
y variar la fase de al menos un haz de microondas
de propagación con el fin de desplazar la onda estacionaria.
9. Un procedimiento según la reivindicación 8, en
el cual se varía la fase de al menos un haz de microondas de
propagación usando un cortocircuito (18) deslizante y un circulador
(12).
10. Un procedimiento según la reivindicación 8 ó
9, en el cual el haz de microondas de propagación en cada miembro de
transmisión de microondas se aísla usando un circulador de
microondas.
11. Un procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 8 a 10, en el cual hay dos haces de microondas de
propagación y el ángulo entre las direcciones de los haces, cuando
se reúnen en la zona de trabajo, es de 180 grados.
12. Un procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 8 a 11, que comprende, además, medios para variar
un patrón de campo eléctrico en la zona de trabajo.
13. Un procedimiento según una cualquiera de las
reivindicaciones 8 a 12, en el cual los miembros de transmisión de
microondas se ahusan hacia dentro, hacia la zona de trabajo.
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| EP96301230 | 1996-02-23 | ||
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