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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erwärmen, insbesondere zum Garen von Gargut im Garraum eines Gargerätes, wobei das Gargerät Mikrowellen zur dielektrischen Erwärmung des Garguts in den Garraum aussendet und wobei das Gargut sich während des Garvorgangs in einem Behälter befindet, der einen Behältermantel, einen Behälterboden und gegebenenfalls einen Behälterdeckel umfasst.
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Es ist bekannt, Gargut auf unterschiedlichste Weise zu garen. Klassische Verfahren sind das Kochen und Braten in einem Topf auf einem Kochfeld und das Braten und Backen in einer geeigneten Form (Glas, Keramik, Metall) in einem Backofen. Daneben hat sich das Garen in einem Mikrowellengerät bewährt. Dort wird das Gargut einer hochfrequenten Strahlung ausgesetzt, die Dipole im Gargut zu Schwingungen anregt und dadurch eine Erwärmung des Garguts verursacht. Üblicherweise wird das Gargut im Garraum des Mikrowellengeräts auf einem Teller platziert und durch eine Kunststoffschüssel abgedeckt. Alternativ kommt mikrowellentaugliches Geschirr aus Glas oder Keramik zum Einsatz.
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Zum Erwärmen von gefrorenen Nahrungsmittel ist es beispielsweise aus der
DE 32 42 402 A1 bekannt, einen Behälter zu verwenden, der wenigstens teilweise mit einem Mikrowellenschild aus einem für Mikrowellen unpassierbaren Werkstoff ausgestattet ist.
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Die
JP 2014 223 125 A offenbart eine Kocheinrichtung, die aus einem Deckel aus Mikrowellen absorbierendem Material, einem Container aus Mikrowellen abschirmenden Material besteht. Der Container enthält eine Vielzahl von untereinander beabstandeten Löchern, in denen innerhalb eines Eisfilms befindliche Nahrungsmittel positioniert werden.
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Der Erfindung stellt sich das Problem, ein weiteres Verfahren zum Garen von Gargut unter Verwendung von Mikrowellen zu offenbaren, bei dem ein alternativer Garbehälter verwendet wird.
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Erfindungsgemäß wird dieses Problem durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden Unteransprüchen.
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Die mit der Erfindung erreichbaren Vorteile werden durch ein Verfahren erreicht, bei dem das Gargerät Mikrowellen zur dielektrischen Erwärmung des Garguts in den Garraum aussendet und bei dem das Gargut sich während des Garvorgangs in einem Behälter befindet, der einen Behältermantel, einen Behälterboden und gegebenenfalls einen Behälterdeckel umfasst. Es soll ein Behälter verwendet werden, bei dem wenigstens der Behältermantel wenigstens überwiegend aus Eis gebildet ist, und bei dem der Behältermantel ein nicht aus Eis bestehendes Volumen einschließt, in dem das Lebensmittel frei beweglich lagerbar ist. Dadurch wird ein schonendes Garverfahren erreicht, bei dem eine Austrocknung des Garguts vermieden wird. Außerdem eignet sich ein solches Verfahren sehr gut zu Demonstrationszwecken, um die Möglichkeiten einer Erwärmung von Gargut mit Mikrowellen aufzuzeigen.
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Es ist insbesondere vorteilhaft, wenn der Behälterboden und/oder der Behälterdeckel auch wenigstens überwiegend aus Eis gebildet sind. Hierdurch kann der Einsatz anderer Werkstoffe unterbleiben.
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Außerdem ist es vorteilhaft, wenn alle Bestandteile des Behälters wenigstens überwiegend aus Eis gebildet sind, welches aus entsalztem oder salzfreien Wasser hergestellt wurde. Dadurch wird gewährleistet, dass die Mikrowellen von dem Behälter nur sehr schlecht absorbiert werden. Dies gilt insbesondere für Wellenbereiche oberhalb von 100 MHz. Der Behälter ist dann für die verwendeten Mikrowellen „durchsichtig“. Dies gilt nicht für das im Behälter angeordnete Lebensmittel, da es neben Wasser auch noch Salze und Eiweißverbindungen enthält. Diese werden von Mikrowellen mit Frequenzen oberhalb von 100 MHz gut angeregt, d. h., das Lebensmittel erwärmt sich, das Eis nicht.
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In einer besonders vorteilheften Ausführungsform des Verfahrens wird während der Abstrahlung von Mikrowellen deren Absorption durch das Gargut gemessen und eine Steuereinrichtung stellt Parameter ein, bei denen eine hohe Absorption der in den Garraum eingestrahlten Mikrowellenenergie durch das Gargut erfolgt. Auch dies trägt dazu bei, zu verhindern, dass der Eisbehälter schmilzt, da die abgestrahlte Energie auf das Gargut konzentriert wird. Dadurch kann es mit sehr geringer Leistung erwärmt werden. Es ist dann insbesondere vorteilhaft, wenn mindestens zwei Abstrahleinrichtungen verwendet werden, mit denen Mikrowellen in variablen Frequenzbereichen abstrahlbar sind, und die Steuereinrichtung als Parameter mindestens die Frequenzen und Phasen der von den Abstrahleinrichtungen abgestrahlten Mikrowellen einstellt. Hierdurch können innerhalb des Garraums gezielt lokale Maxima und Minima der Absorption eingestellt werden. Dabei sollten Minima tendenziell im Bereich der Wände des Behälters und ein Maximum tendenziell im Bereich des Garguts liegen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen rein schematisch dargestellt und wird nachfolgend näher beschrieben. Es zeigt
- 1, 2 verschiedene Formen von Kühleinrichtungen;
- 3 den Aufbau einer quaderförmigen Kühleinrichtung;
- 4 ein Gargerät zum Garen eines in einer Kühleinrichtung befindlichen Lebensmittels;
- 5 eine Schemaskizze eines Mikrowellengenerators.
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Die 1 und 2 zeigen rein schematisch die Außenkanten von erfindungsgemäßen Kühleinrichtungen 1 in Form von Eisbehältern 10. Es kann sowohl eine quaderförmige als auch eine zylindrische Form gewählt werden. Die Form der Kühleinrichtung 1 definiert einen Behältermantel 12, einen Behälterboden 17 und einen Behälterdeckel 18. In 1 besitzt der Mantel 12 zwei Seitenwände 15 und 16, eine Vorderwand 13 und eine Rückwand 14. In 2 ist er hohlzylindrisch aufgebaut. Sowohl der Behältermantel 12 als auch der Behälterboden 17 und der Behälterdeckel 18 bestehen aus Eis, d. h. aus gefrorenem Wasser. Dabei wird das Wasser in einem Prozess gefroren, bei dem möglichst wenig Lufteinschlüsse entstehen. Möglichkeiten hierzu bestehen darin, dass das Wasser weitgehend entsalzt wird. Außerdem kann der Gefrierprozess sehr langsam, d. h. mit einer Temperatur, die nur geringfügig unter dem Gefrierpunkt von Wasser liegt, durchgeführt werden. Die Verwendung von salzfreiem Wasser hat neben der Vermeidung von Luftblasen weitere Vorteile, die an späterer Stelle beschrieben sind.
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Der eigentliche Aufbau der Kühleinrichtung 1 mit einem darin befindlichen Lebensmittel 2 ist in 3 am Beispiel eines quaderförmigen Eisbehälters 10 dargestellt. Es ist erkennbar und vorteilhaft, dass der Behälter 10 relativ dicke Seitenwände 15 und 16 und einen ebenso dicken Behälterboden 17 und Behälterdeckel 18 besitzt. Auch die in der Figur nicht sichtbare Vorderwand 13 und Rückwand 14 besitzen wenigstens annähernd die gleiche Materialstärke d wie die vorgenannten Teile. Als geeignete Materialstärke d hat sich eine Eisdicke von 1 bis 5cm, insbesondere 2 bis 4cm, vorteilhaft ca. 3cm bewährt Der Behälterdeckel 18 kann gegebenenfalls dünner ausgebildet sein, um einen einfacheren Zugang zum Lebensmittel 2 zu ermöglichen. Eine wesentliche Beschaffenheit der Kühleinrichtung 1 besteht darin, dass sie in ihrem inneren ein Volumen V ausbildet, welches frei von Eis ist und somit die Möglichkeit bietet, dass in ihm das Lebensmittel 2 frei beweglich lagerbar ist. Das gezeigte Volumen V besitzt in vorteilhafter Weise eine Mindestabmessung D, die doppelt so groß ist wie die Materialstärke d der Behälterwände. Im gezeigten Beispiel sind das 6 x 6 x 6cm.
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Die gezeigte Kühleinrichtung 1 eignet sich bevorzugt zur Aufbewahrung und Lagerung von Lebensmittel 2 wie Fisch, Fleisch oder Gemüse. Ein weiterer Vorteil der Kühleinrichtung 1 besteht darin, dass sie in einem Gargerät 3 mit Beheizung durch Mikrowellenenergie auch als Garbehälter 11 zum Garen des darin befindlichen und zuvor gekühlten Lebensmittels 2 geeignet ist.
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Anhand der folgenden 4 und 5 soll nun der Garprozess, das zur Durchführung des Garprozesses geeignete Gargerät 3, und die physikalischen Vorgänge beim Garprozess beschrieben werden. In der 4 ist rein schematisch ein erfindungsgemäßes Gargerät 3 dargestellt. Das Gargerät 3 ist in Form eines Mikrowellengeräts 30 ausgebildet. Es kann zusätzlich weitere thermische Heizquellen, beispielsweise eine Oberhitze, eine Unterhitze, eine Umluftbeheizung und/oder einen Dampfgenerator besitzen (nicht dargestellt). Diese sind zur Durchführung des erfindungsgemäßen Garprozesses jedoch von keiner oder nur von nachrangiger Bedeutung. Das Gerät 3 besitzt ein Gehäuse 31, in dem ein Garraum 32 angeordnet ist. Der Garraum kann 32 Einrichtungen zur Aufnahme von Gargutträgern wie Traggitter 33, Bleche oder Schalen 34 (siehe 5) besitzen. Ein Bedienfeld 35 dient zur Einstellung von Programmen und zugehörigen Programmparametern (Gardauer, Leistung ...). Es kann auch dazu ausgebildet sein, Automatikprogramme auszuwählen, in denen dann die Art des Garguts (Hähnchen, Obstkuchen ...) und gegebenenfalls Zustandsparameter (kross, medium ...) eingegeben werden. Der Garraum kann durch eine Tür 36 verschlossen werden, die hier im geöffneten Zustand gezeigt ist. Die Tür 36 umfasst ein Sichtfenster 37, durch die ein Gargut 20 beobachtet werden kann. Des Weiteren besitzt das Gerät 1 einen Hochfrequenzerzeuger 38, der hier als Mikrowellengenerator 300 ausgebildet ist und durch den gestrichelten Kreis angedeutet ist.
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5 stellt den Aufbau des Mikrowellengenerators 300 näher dar. Außerdem ist hier der Garraum 32 mit dem darin befindlichen Gargut 20 dargestellt. Als Gargut 20 wird hier ein Lebensmittel 2 in Form eines Fischfilets 21 auf einem Gemüsebett 22 symbolisiert. Dieses ist, wie bereits vorbeschrieben, in dem Eisbehälter 10 platziert ist. Der Eisbehälter befindet sich auf einem Traggitter 33, eine darunter befindliche Schale 34 sorgt dafür, dass das wenige während des Garprozesses entstehende Schmelzwasser aufgefangen werden kann. Der Behälter 10, also die Kühleinrichtung 1 in Form des Eisbehälters 10 ist hier aus einem topfförmigen Behälterteil 19 gebildet, der oben von einem Behälterdeckel 18 abgeschlossen ist. Die Abmessungen entsprechen in etwa denen des in 3 dargestellten Eisbehälters 10. Die dicke Eisschicht gewährleistet, dass das in dem Eisbehälter 10 befindliche Lebensmittel 2 beim Erwärmen nicht oder nur geringfügig das Eis anschmilzt.
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In den Garraum 32 münden zwei Abstrahleinrichtungen 301, die hier als Antennen 310 ausgebildet sind. (Anmerkung: Grundsätzlich können mehr als zwei Antennen 310 und entsprechend mehrere der nachfolgend beschriebenen Bauteile zur Erzeugung des elektromagnetischen Felds im Garraum verwendet werden. Es können auch andere Abstrahleinrichtungen wie Hohlleiter etc. eingesetzt werden, allerdings haben sich für die nachfolgend beschriebene Art der Mikrowelleneinkopplung Antennenstrukturen bewährt). Zur Erzeugung der Mikrowellen gibt es zwei Frequenzgeneratoren 311. Im Ausführungsbeispiel sind die elektromagnetischen Wellen, die die Frequenzgeneratoren 311 erzeugen, auf ein Frequenzspektrum von 2,4 bis 2,5 GHz beschränkt. Natürlich können auch andere Frequenzen eingesetzt werden, insbesondere Mikrowellen im Bereich um 915 MHz mit einem Frequenzspektrum von 902 MHz bis 928 MHz. Ein Phasenschieber 312 in einer der beiden Leitungen sorgt dafür, dass die Phase eines Signals eingestellt werden kann und sich dadurch zwischen den beiden abgestrahlten Signalen eine Phasendifferenz ΔΦ einstellt. Als Phasenschieber 312 wird hier ein I/Q-Modulator verwendet. (Anmerkung: In der 5 sind in beiden dargestellten Leitungszweigen Phasenschieber 312 gezeigt. Das ist der Tatsache geschuldet, dass auch mehr als zwei Antennen 310 und die dazugehörigen Bauteile vorhanden sein können. Bei n Antennen 310 werden jeweils n - 1 Phasenschieber 312 verwendet. Für die nachfolgend beschriebenen Auswertungen kann eine Betrachtung der Phasen Φ1 und Φ2 für zwei Antennen 310 erfolgen. In der Praxis wird man jedoch bei zwei Antennen 310 nur die Phasendifferenz ΔΦ betrachten). Die von den Frequenzgeneratoren 311 erzeugten Mikrowellen werden durch Vorverstärker 313 und Endstufen 314 auf eine Leistung verstärkt, mit der das Gargut dielektrisch erhitzt werden kann. Die Frequenzgeneratoren 311 und der Phasenschieber 312 werden von einer Gerätesteuerung 315 beeinflusst, so dass der Strahlungsparameter Frequenz f in einem Spektrum von 2,4 bis 2,5 GHz (alternativ 902 MHz bis 928 MHz) und der Strahlungsparameter Phase bzw. Phasendifferenz ΔΦ von 0 bis 360° variiert werden kann. In beiden Leitungen sind bidirektionale Koppler 316 angeordnet, die die über die Antennen 310 ausgestrahlten Mikrowellen (einlaufendes Signal) mit den über die Antennen empfangenen Mikrowellen (rücklaufendes Signal) hinsichtlich Betrag und Phase vergleichen. Hierzu ist jeweils ein I/Q-Demodulator erforderlich, um auch die Phasenverschiebung von einlaufender und rücklaufender Welle zur Charakterisierung der Sende- und Empfangsverhältnisse verwenden zu können. Das Vergleichsergebnis wird an die Gerätesteuerung 315 weitergegeben.
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Es gehören zu jeder Mikrowelle, die von einer Antenne
310 gesendet werden, eine Frequenz f, eine Amplitude Ai und eine Phase Φ. Wie zuvor beschrieben, können diese Parameter grundsätzlich variiert werden. Für jeden Parametersatz lässt sich aus den Vergleichsergebnissen somit die Größe „Reflexion R im/am Garraum 32“ berechnen. Was nicht reflektiert wird, verbleibt im Garraum
32, wird also absorbiert. Somit ist auch die Absorption A bekannt.
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Wie zuvor beschrieben lässt sich die Abhängigkeit von Φ
1 und Φ
2 auf die Abhängigkeit von ΔΦ reduzieren. Wählt man bei 2 Antennen zusätzlich f = f
1 = f
2 (gleiche Frequenz bei beiden Frequenzgeneratoren
311) und A = A
1 = A
2 gilt
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Die Absorption elektromagnetischer Strahlung zeigt bei bestimmten Parametersätzen für die gesendeten Mikrowellen lokale Maxima. Bei diesen Parametersätzen lässt sich besonders viel Energie in den Garraum 32 einbringen, d. h., es wird besonders viel Energie absorbiert. Die zugehörigen Zahlenwerte für die Parameter sind allerdings nicht für den gesamten Erhitzungszeitraum konstant. Sie ändern sich, wenn sich z.B. die Garraumtemperatur ändert oder wenn sich unterschiedlich geformtes oder unterschiedlich schweres Gargut im Garraum befindet (Verstimmung des Resonators) oder wenn sich der Garzustand des Garguts 20 ändert. Die Bestimmung dieser Parametersätze kann bei der Erwärmung des Garguts 20 erfolgen, in einer vorteilhaften Ausführung des Verfahrens werden sie allerdings in einer vorgeschalteten Messphase ermittelt, in der Mikrowellen mit geringerer Leistung in den Garraum eingestrahlt werden. Dabei werden alle Frequenzen und Phasenverschiebungen durchlaufen. In einer darauf anschließenden Erwärmungsphase können von der Gerätesteuerung 315 gezielt Parameter eingestellt werden, die ein gewünschtes Absorptionsverhalten aufweisen (Anmerkung: Das muss nicht immer eine maximale Absorption sein, für ein schonendes Garen kann auch eine geringere Absorption eingestellt werden). Messphasen und Erwärmungsphasen werden zyklisch wiederholt.
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Grundlage des Erfindungsgedankens ist es nun, dass bei den in den Garraum 32 eingestrahlten Mikrowellen die elektrische Feldstärkekomponente polare Moleküle anregt. Solche Moleküle sind insbesondere bei dem in Lebensmitteln 1 enthaltenen Wasser, aber auch bei den Eiweiß- und Salzmolekülen zu finden. Auf die Moleküle wirkt ein Drehmoment und sie vollziehen eine Drehbewegung. Benachbarte Moleküle erfahren ebenfalls ein Drehmoment und bewegen sich. Durch die Rotation erhöht sich die kinetische Energie der Moleküle und somit die Temperatur. Eis besitzt aufgrund seiner kristallinen Struktur eine deutlich geringere Bewegungsfähigkeit der Moleküle, diese werden insbesondere bei den genannten Frequenzen von 2,45 GHz bzw. 915 MHz weitaus weniger angeregt (Anmerkung: Der Frequenzbereich, in dem die Eismoleküle maximal angeregt werden, liegt bei Frequenzen unter 1 MHz). Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn das Eis aus entsalztem Wasser gefroren ist. Das Eis ist also durchsichtig für Mikrowellen. Der Grund, warum Eis in herkömmlichen Mikrowellengeräten trotzdem schmilzt, ist der große Energieeintrag von 600 bis 800 Watt in den Garraum, bei dem das Lebensmittel partiell sehr stark erhitzt wird und dadurch das Eis auch erwärmt. Bei dem vorbeschriebenen Mikrowellengerät kann aufgrund der möglichen Anpassung der Parameter das elektrische Feld so eingestellt werden, dass nur das in dem Eisbehälter 10 befindliche Gargut 20 Energie absorbiert, der Behälter 10 selbst aber nicht oder nur in ganz geringem Maß. Dabei absorbiert das Gargut 20 zwischen 100 und 250 Watt. Hierdurch ist ein wesentlich geringerer Energieaufwand nötig. Die Folge ist, dass das Lebensmittel 2 schonend gegart wird und der Eisbehälter 10 nicht oder nur geringfügig schmilzt. Das gezeigte und vorbeschriebene Gargerät 3 kann also unter anderem gezielt zur Erwärmung von Lebensmitteln 1 eingesetzt werden, welche sich wie in den 3 und 5 gezeigt in einem Eisbehälter 10 befinden. Dabei wird erfindungsgemäß des vorbeschriebene Gargerät 3 bzw. das mit diesem Gargerät 3 durchführbare Verfahren eingesetzt. Es wird ein Programm gewählt, bei dem die Gerätesteuerung 315 Parameter einstellt, bei denen eine hohe Absorption der eingestrahlten Mikrowellenenergie durch das Gargut 20 erfolgt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Kühleinrichtung
- 10
- Behälter/Eisbehälter
- 11
- Garbehälter
- 12
- Behältermantel
- 13
- Vorderwand
- 14
- Rückwand
- 15
- Seitenwand
- 16
- Seitenwand
- 17
- Behälterboden
- 18
- Behälterdeckel
- 19
- topfförmiges Behälterteil
- d
- Materialstärke
- 2
- Lebensmittel
- 20
- Gargut
- 21
- Fischfilet
- 22
- Gemüsebett
- V
- Volumen
- D
- Mindestabmessung
- 3
- Gargerät
- 30
- Mikrowellengerät
- 31
- Gehäuse
- 32
- Garraum
- 33
- Traggitter
- 34
- Schale
- 35
- Bedienfeld
- 36
- Tür
- 37
- Sichtfenster
- 38
- Hochfrequenzerzeuger
- 300
- Mikrowellengenerator
- 301
- Abstrahleinrichtungen
- 310
- Antennen
- 311
- Frequenzgenerator
- 312
- Phasenschieber (I/Q-Modulator)
- 313
- Vorverstärker
- 314
- Endstufe
- 315
- Gerätesteuerung
- 316
- bidirektionaler Koppler (I/Q-Demodulator)
