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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Garen von Gargut in einem Gargerät mit einem Garraum, mit wenigstens einer Hochfrequenzeinrichtung zum Einbringen von Hochfrequenzstrahlung, insbesondere Mikrowellenstrahlung, in den Garraum zur Zubereitung von Gargut, mit wenigstens einer Steuereinrichtung zur Steuerung der Hochfrequenzeinrichtung dahingehend, dass wenigstens eine Feldverteilung der Hochfrequenzstrahlung beeinflussbar ist, und mit wenigstens einer Kameraeinrichtung (4), welche dazu geeignet und ausgebildet ist, wenigstens ein Wärmebild des Garraums zu erfassen und der Steuereinrichtung bereitzustellen. Die Erfindung betrifft außerdem ein Garsystem zur Durchführung Gargerät und ein Verfahren zum Betreiben eines Gargeräts.
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Bei Gargeräten ist es bekannt, zur dielektrischen Erwärmung des Garguts Hochfrequenzstrahlung, insbesondere Mikrowellenstrahlung zu erzeugen und in den Garraum einzustrahlen. Dabei kommt es häufig zu einer stark ungleichmäßigen Wärmeverteilung im Gargut. Unter Wärmeverteilung ist im Folgenden die räumliche Temperaturverteilung an der Oberfläche des Garguts gemeint, die sich nach einer gewissen Zeit der Einwirkung von Hochfrequenzstrahlung, insbesondere Mikrowellenstrahlung auf einer anfangs gleichmäßig warmen Gargutoberfläche eingestellt hat. Unter Anderem hat das Auftreten von Ungleichmäßigkeiten bei der Wärmeverteilung mit den sogenannten Hohlraumresonanzen zu tun, die, abhängig von der Geometrie des Garraums und von der Art und Positionierung seiner Beladung, in einem metallischen Garraum angeregt werden können. Sie weisen in der Regel symmetrische oder periodische Strukturen von hoher und geringer Feldstärke auf, die sich auch auf die Gargutoberfläche fortsetzen und dort räumlich versetzt mehr oder weniger Energie einkoppeln. Bei handelsüblichen Mikrowellengeräten werden zur „Vergleichmäßigung“ der Wärmeverteilung sogenannte Stirrer oder Drehteller eigesetzt, bei denen die möglichen Hohlraumresonanzen zufällig in einer zeitlichen Abfolge bei gleicher Leistung angeregt und miteinander verwirbelt werden. Sie können aber nicht gezielt durch den Benutzer oder die elektronische Steuerung des Gerätes beeinflusst werden.
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Beispielsweise kann es im praktischen Gebrauch dazu kommen, dass ein Lebensmittel in einigen Bereichen schon sehr heiß ist, in anderen aber noch sehr kühl. Zudem kann die Wärmeverteilung je nach Art und Größe, Geometrie, Position, Orientierung und Behälter des Garguts stark variieren. Das ist für den Benutzer sehr unkomfortabel und kann zu einer falschen Einschätzung des Garzustandes führen.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die dielektrische Erwärmung von Gargut benutzerfreundlicher zu gestalten und insbesondere die räumliche Gleichmäßigkeit der Wärme- bzw. der Temperaturverteilung im Gargut zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Garsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 15. Bevorzugte Merkmale sind Gegenstand der Unteransprüche. Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der allgemeinen Beschreibung der Erfindung und der Beschreibung der Ausführungsbeispiele.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Garen von Gargut wird in einem Gargerät mit einem Garraum, mit wenigstens einer Hochfrequenzeinrichtung zum Einbringen von Hochfrequenzstrahlung, insbesondere Mikrowellenstrahlung, in den Garraum durchgeführt. Es ist außerdem wenigstens eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Hochfrequenzeinrichtung vorgesehen, dahingehend, dass wenigstens eine Feldverteilung der Hochfrequenzstrahlung beeinflussbar ist, und wenigstens eine Kameraeinrichtung, welche dazu geeignet und ausgebildet ist, wenigstens ein Wärmebild des Garraums zu erfassen und der Steuereinrichtung bereitzustellen. Das Verfahren umfasst folgende Verfahrensschritte:
- • Einbringen von Hochfrequenzstrahlung mit einer ersten Feldverteilung in den Garraum mit dem darin befindlichen Gargut mittels der Hochfrequenzeinrichtung;
- • Erfassen mindestens eines Wärmebildes des Garraums und des darin befindlichen Garguts während des Einbringens der Hochfrequenzstrahlung mit der ersten Feldverteilung und Bereitstellen des Wärmebildes an die Steuereinrichtung;
- • Berechnen eines Maßes für eine Wärmeverteilung in mindestens einem Bereich auf dem Gargut durch die Steuereinrichtung aus dem mindestens einen Wärmebild;
- • Ändern der Feldverteilung der Hochfrequenzstrahlung durch die Steuereinrichtung, wenn eine Schwelle des Maßes für die Wärmeverteilung unterschritten wird.
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Das erfindungsgemäße Gargerät bietet viele Vorteile. Einen erheblichen Vorteil bieten die Erfassung und Auswertung des Wärmebildes sowie die davon abhängige und daraus folgende Aktion zur Veränderung der Feldverteilung. Dadurch kann das Garergebnis an Benutzerwünsche angepasst und damit erheblich verbessert werden.
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So kann durch eine gezielte Abfolge und Veränderung der Feldverteilungen beispielsweise eine besonders gleichmäßige Wärmeverteilung erzielt werden, sodass das Gargut über seine gesamte Oberfläche eine möglichst gleiche Temperatur aufweist. Es wird dann unterstellt, dass sich diese auch gleichmäßig nach Innen in das Volumen des Garguts ausbreitet. Es kann aber auch eine gezielt ungleichmäßige räumliche Temperaturverteilung bzw. Wärmeverteilung an der Oberfläche des Garguts erreicht werden, wenn dies für das entsprechende Gargut gewünscht ist. Bei Geflügel besteht beispielsweise der Wunsch, dass dieses im Flügel- und Beinbereich stärker erwärmt wird als im Brustbereich. Anderes Gargut kann dann auch so erwärmt werden, dass die Oberflächentemperatur an der dicksten Stelle des Garguts höher ist als an den dünnen Stellen. So wird an den dicken Stellen ein höherer Wärmefluss in das Gargutvolumen erzeugt als an den dünnen Stellen, was zu einer gleichmäßigen Erwärmung im gesamten Volumen führt, ohne ein Übergaren an den dünnen Stellen.
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Es ist bevorzugt, dass die Erfassung eines für die Wärmeverteilung auf dem Gargut maßgeblichen Wärmebilds erst nach Ablauf einer vorgegebenen Einwirkungsdauer der Hochfrequenzstrahlung erfolgt. Hierdurch wird eine Wärmeverteilung ermittelt, die der bereits eingewirkten Hochfrequenz-/Mikrowellenstrahlung Rechnung trägt.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn für das Gargerät zur Veränderung der Feldverteilung wenigstens eine Frequenz und/oder eine Phase der Hochfrequenzstrahlung durch die Steuereinrichtung einstellbar ist. Dadurch kann eine besonders gezielte und wirksame Veränderung der Feldverteilung und somit auch der räumlichen Temperaturverteilung erreicht werden. Die Feldverteilung ist insbesondere durch wenigstens eine Frequenz und/oder Phase der Hochfrequenzstrahlung definiert. Die Feldverteilung kann auch durch eine Mehrzahl von Frequenzen und/oder durch wenigstens einen Frequenzbereich und/oder durch wenigstens eine Mehrzahl von Phasen bzw. Phasendifferenzen definiert sein. Dabei sind Frequenz und/oder Phase und/oder Leistung der Hochfrequenzstrahlung durch die Steuereinrichtung einstellbar. Es ist möglich, dass zur Veränderung der Feldverteilung wenigstens eine Frequenz und/oder Phase aus wenigstens zwei und vorzugsweise aus einer Vielzahl von Frequenzen und/oder Phasen einstellbar ist. Insbesondere sind unterschiedliche Resonanzfeldverteilungen im Garraum einstellbar. Dabei kann das Gargut insbesondere einen eigenen Resonanzraum bilden. Insbesondere ist wenigstens eine beliebige Frequenz wenigstens eines Frequenzbandes einstellbar. Insbesondere ist eine Mehrzahl von Frequenzen und/oder Phasen einstellbar. Zusätzlich oder alternativ kann wenigstens ein anderer charakteristischer Parameter der Hochfrequenzstrahlung einstellbar sein. Insbesondere ist die Hochfrequenzeinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, Hochfrequenzstrahlung mit wenigstens zwei unterschiedlichen Frequenzen und/oder Phasen und/oder Leistungen zu erzeugen. Es ist möglich, dass zum Aussenden der Hochfrequenzstrahlung wenigstens zwei Antennen vorgesehen sind. In einer solchen Ausgestaltung ist es möglich, dass zur Veränderung der Feldverteilung wenigstens ein Wechsel von wenigstens einer ersten Antenne zu wenigstens einer zweiten Antenne vorgesehen ist. Es kann auch eine Mehrzahl von Antennen vorgesehen sein, wobei zur Veränderung der Feldverteilung eine oder mehrere Antennen zum Aussenden hochfrequenter Strahlung auswählbar sind. Es ist möglich, dass zur Veränderung der Feldverteilung sowohl die Frequenz und/oder Phase einstellbar sind als auch ein Wechsel zwischen wenigstens zwei Antennen vorgesehen ist. Es ist möglich, dass zur Veränderung der Feldverteilung eine Hochfrequenzeinrichtung zur Erzeugung von Hochfrequenzstrahlung unterschiedlicher Frequenz und/oder Phase und/oder dass zur Veränderung der Feldverteilung wenigstens zwei Antennen vorgesehen sind.
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Insbesondere wird zur Bestimmung der Frequenz bzw. der Phase bzw. der Frequenz-/Phasenkombination, bei denen sich die erste und weitere Feldverteilungen einstellen, ein Übersichtslauf mit verschiedenen Frequenzen, Phasen bzw. Frequenz-/Phasenkombinationen durchgeführt wird, und durch die Steuereinrichtung wird dabei jeweils ein Absorptionsspektrum des Garraums mit dem darin befindlichen Gargut ermittelt. Es können dann gezielt solche Feldverteilungen eingestellt werden, bei denen sich eine für die Wärmeverteilung vorteilhafte Absorption des Garguts einstellt. Das kann, aber muss nicht immer die Feldverteilung mit der höchsten Absorption sein. Insbesondere dann, wenn eine gleichmäßige Wärmeverteilung erwünscht ist, kann eine Feldverteilung mit geringer Absorption des Garguts vorteilhaft sein.
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In allen Ausgestaltungen ist es bevorzugt, dass wenigstens eine Leistung der in den Garraum eingebrachten Hochfrequenzstrahlung einstellbar ist. Es ist möglich, dass die Leistung und/oder wenigstens ein die Leistung charakterisierender Parameter durch einen Benutzer vorwählbar ist. Insbesondere ist die Leistung der Hochfrequenzstrahlung für die eingestellte bzw. aktuelle und/oder für eine vorgesehene Feldverteilung einstellbar.
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Besonders bevorzugt ist die Steuereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, eine Regelung der Feldverteilung auf eine gleichmäßige Wärmeverteilung an der Oberfläche des im Garraum aufgenommenen Garguts vorzunehmen. Dazu zieht die Steuereinrichtung als Maß für eine Wärmeverteilung auf dem Gargut deren Gleichmäßigkeit von wenigstens einzelnen Bereichen des Garguts heran. Dadurch können unerwünschte Temperaturschwankungen im Gargut und beispielsweise sogenannte Hotspots an Oberfläche und im Volumen zuverlässig vermieden werden. Das Lebensmittel kann so besonders gleichmäßig und schonend gegart werden. Insbesondere erfolgt die Regelung durch eine zeitliche und insbesondere wiederholte Veränderung der Feldverteilung. Wie bereits zuvor erwähnt, kann sich die Gleichmäßigkeit auf das gesamte Gargut, aber auch auf Teilbereiche davon erstrecken. Das Maß für die Gleichmäßigkeit der Wärmeverteilung auf dem Gargut kann durch eine statistische Auswertung der Wärmewerte einzelner Bildpunkte des Wärmebildes bestimmt werden.
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Die Steuereinrichtung ist vorzugsweise dazu geeignet und ausgebildet, die Feldverteilung über die Zeit zu verändern, sodass die Symmetrie der räumlichen Temperaturverteilung zunimmt und/oder der Kontrast abnimmt und/oder die Verteilungsbreite schmaler wird und/oder eine Verteilung von sich überlagernden Temperaturmaxima und/oder Temperaturminima eingestellt wird. Das bietet erhebliche Vorteile bei der Einstellung besonders gleichmäßiger Temperaturen an der Oberfläche der Lebensmittel und in der Folge auch für den Wärmefluss in das Gargutvolumen. Möglich ist auch, dass die Steuereinrichtung geeignet und ausgebildet ist, die Feldverteilung über die Zeit zu verändern, sodass die Symmetrie abnimmt und/oder der Kontrast zunimmt und/oder die Verteilungsbreite breiter wird und/oder eine Verteilung von sich überlagernden Temperaturmaxima und/oder Temperaturminima gezielt verhindert wird. Dadurch kann eine gezielt ungleichmäßige Wärmeverteilung erreicht werden.
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Möglich ist aber auch, dass die Steuereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet ist, eine Regelung der Feldverteilung auf eine gezielt ungleichmäßige Wärmeverteilung für das am Gargut aufgenommene Gargut vorzunehmen. So können beispielsweise gezielt lokale Hotspots erzeugt werden. Beispielsweise kann dadurch der Kern eines Lebensmittels besonders stark erhitzt oder besonders kalt gehalten werden. Dazu kann eine Regelung auf ein Wärmebild vorgesehen sein, welches gezielte Hotspots und/oder einen gezielten Kontrast aufweist.
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Insbesondere ergibt sich aus einer Feldverteilung, insbesondere aus deren Frequenz und/oder Phase, in Kombination mit einer vorgesehenen Leistung ein sogenannter Arbeitspunkt. Erfindungsgemäß wird unter einem Arbeitspunkt eine wenigstens zeitweise einstellbare Kombination von Frequenz und/oder Phase und/oder Leistung verstanden. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können die Begriffe Feldverteilung und Arbeitspunkt, soweit sinnvoll, synonym verwendet werden.
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Es ist auch vorteilhaft, wenn die Steuereinrichtung nach dem Ändern der Feldverteilung der Hochfrequenzstrahlung und ggfs. nach Ablauf einer vorgegebenen Einwirkungsdauer der Hochfrequenzstrahlung zum Berechnen des Maßes für die Wärmeverteilung auf dem Gargut die Wärmeverteilung während der vorhergehenden Feldverteilung berücksichtigt. Einfach kann die Wärmeverteilung auf dem Gargut nämlich nur einmal im Garprozess bestimmt werden, und zwar bei der ersten Feldverteilung. Die zweite verwendete Feldverteilung wirkt schon nicht mehr auf eine gleichmäßig warme Gargutoberfläche, sondern auf die von der ersten Feldverteilung hinterlassene räumliche Temperaturverteilung von heißen und kühleren Bereichen. Um daraus die Wärmeverteilung für die zweite Feldverteilung zu bestimmen, kann vorteilhaft von dem aktuellen Muster der Effekt der ersten Feldverteilung subtrahiert werden.
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Insbesondere ordnet die Steuereinrichtung während eines Garprozesses den eingestellten Feldverteilungen das daraus resultierende Maß für Wärmeverteilung auf dem Gargut zu und speichert dieses ab, und die Steuereinrichtung stellt ab einem vorgegebenen Zeitpunkt oder ab einer vorgegebenen Anzahl von Änderungen der Feldverteilung solche Feldverteilungen ein, die ein vorgegebenes Maß an Wärmeverteilung auf dem Gargut erzeugen. Dabei geht der Garprozess von einer eher zufälligen Strategie - die Steuereinrichtung registriert, dass die Wärmeverteilung nicht den Zielanforderungen entspricht und ändert die Feldverteilung, um es mit anderen Voraussetzungen zu versuchen (dabei kann, wie in Anspruch 4 beschrieben, zunächst ein Übersichtslauf durchgeführt werden, um überhaupt eine angemessene Reaktion des Garguts auf die Hochfrequenzstrahlung zu gewährleisten) - zu einer geplanten Strategie über - die Steuereinrichtung stellt gezielt Feldverteilungen ein, mit denen die bisher noch nicht ausreichend erwärmten Bereiche des Garguts mit Hochfrequenzstrahlung versorgt werden. Die Steuerrichtung schafft es dadurch, über die Zeit wenigstens eine Kombination derjenigen Feldverteilungen einzustellen, deren räumliche Lage von Maxima und/oder Minima in den Verteilungen des Energieeintrags sich wenigstens näherungsweise ausgleichen. Insbesondere ergibt sich dadurch über die Zeit bzw. über den Garprozess eine Verteilung des Energieeintrags oberhalb wenigstens eines Maßes für eine Gleichmäßigkeit. Insbesondere ist die Steuereinrichtung dazu geeignet und ausgebildet, in jedem Augenblick des Garens diejenige Feldverteilung einzustellen, welche die Verteilung des Energieeintrags mit einem höheren Maß für eine Gleichmäßigkeit verbessert.
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Wie bereits an früherer Stelle beschrieben, können die von der Steuereinrichtung gewählten Feldverteilungen entweder dazu führen, die zu erwartende Gleichmäßigkeit der Wärmeverteilung auf dem Gargut erhöhen oder eine ungleichmäßige Wärmeverteilung auf dem Gargut hervorzurufen.
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Zusammengefasst dient das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben eines Gargerätes mit wenigstens einem Garraum und mit wenigstens einer Hochfrequenzeinrichtung, Die Hochfrequenzeinrichtung dient zum Einbringen von Hochfrequenzstrahlung, insbesondere Mikrowellenstrahlung in den Garraum zum dielektrischen Erwärmen und damit zur Zubereitung von Gargut. Das Gargerät umfasst wenigstens eine Steuereinrichtung zur Steuerung der Hochfrequenzeinrichtung. Dabei wird mittels wenigstens einer Kameraeinrichtung wenigstens ein Wärmebild des Garraums mit Gargut erfasst und der Steuereinrichtung bereitgestellt.
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Mittels der Steuereinrichtung wird durch Auswertung der Wärmeverteilung an der Gargutoberfläche bestimmt, ob diese im gewünschten Bereich liegt. Entwickelt sich die Wärmeverteilung in eine Richtung, in der sie den gewünschten Bereich verlässt oder verlassen wird, wählt die Steuereinrichtung einen anderen zufälligen Arbeitspunkt aus Frequenzen, Phasen und Leistungen. Wandert die gemessene Wärmeverteilung in den gewünschten Bereich, verbleibt die Steuereinrichtung zum Weitergaren bei der augenblicklichen Feldverteilung. Verschlechtert sich die Wärmeverteilung an der Gargutoberfläche, wählt die Steuereinrichtung erneut einen neuen zufälligen Arbeitspunkt. Dieser Vorgang wiederholt sich, bis der gewünschte Fertigzeitpunkt erreicht ist.
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Mittels der Steuereinrichtung kann das Wärmebild auch dahingehend ausgewertet werden, dass wenigstens eine Verteilung der Gargutoberflächentemperatur, ihre zeitliche Entwicklung bis dahin und eine Prognose für die nahe Zukunft für das im Garraum aufgenommene Gargut ermittelt wird. Eine Feldverteilung für die in den Garraum eingebrachte Hochfrequenzstrahlung wird abhängig von der Wärmeverteilung und ihrer Prognose an der Gargutoberfläche verändert.
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Durch Auswahl der Parameter Frequenz und Phase und Leistung wird eine Feldverteilung zur Erwärmung ausgewählt und aktiviert. Mittels der Steuereinrichtung kann für jede aktivierte Feldverteilung aus der Differenz der zwei Wärmebilder vor Start und nach Beendigung der Wärmebehandlung bestimmt werden, welche Wärmeverteilung an der Gargutoberfläche mit der zuletzt aktivierten Feldverteilung erzeugt wurde. Die Steuereinrichtung berechnet daraus eine leistungsgewichtete Summe von zu überlagernden Feldverteilungen, um die gewünschte Wärmeverteilung an der Gargutoberfläche zu erreichen. Mit dieser Vorgabe wird weiter gegart, bis der gewünschte Fertigzeitpunkt erreicht ist. Die Leistungsgewichtung hat nicht das Ziel, den Fertigzeitpunkt der Gare zu erreichen, sondern verteilt die Leistungsanteile der verschiedenen Feldverteilungen an der Gesamterwärmung jeweils auf ein im Vergleich zur Gesamtgarzeit kurzes Zeitintervall.
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Das erfindungsgemäße Garsystem eignet sich zur Durchführung der vorbeschriebenen Verfahren zum Garen von Gargut. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist wenigstens ein Teil der Steuereinrichtung außerhalb des Gargeräts angeordnet ist, beispielsweise in einer Cloud, die mit dem Gargerät in Datenverbindung steht. Dadurch kann die Gerätesteuerung selbst kompakt gehalten werden und die darin vollzogenen Steuerungsvorgänge können sich auf solche beschränken, die in herkömmlichen Steuerungen ausgeführt werden.
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Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Ausführungsbeispielen, welche im Folgenden mit Bezug auf die beiliegenden Figuren erläutert werden.
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Es zeigt:
- 1 eine rein schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Gargerätes in einer Vorderansicht.
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Die 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Gargerät 1, welches z. B. als ein Mikrowellengargerät oder als ein Kombigerät mit Backofenfunktion ausgeführt ist. Das Gargerät 1 wird nach dem erfindungsgemäßen Verfahren betrieben. Das Gargerät 1 hat einen Garraum 11, welcher durch eine Garraumtür 21 verschließbar ist. Das Gargerät 1 ist hier als ein Einbaugerät vorgesehen. Es kann auch als ein Standgerät ausgebildet sein.
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Zum dielektrischen Erwärmen von Gargut 111 im Garraum 11 durch Hochfrequenzstrahlung, beispielsweise im Frequenzbereich von Mikrowellen, ist eine Hochfrequenzeinrichtung 2 mit einem Hochfrequenzerzeuger 12 vorgesehen. Der Hochfrequenzerzeuger 12 basiert vorzugsweise auf Halbleitertechnologie und ist zum Beispiel ein Solid-State-Hochfrequenzerzeuger 12. Möglich ist aber auch, dass der Hochfrequenzerzeuger 12 als ein Magnetron ausgebildet ist oder wenigstens ein solches umfasst. Er strahlt vorzugsweise Mikrowellen in einem ISM-Band wie 915 MHz oder 2,45 GHz aus.
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Zusätzlich kann eine Beheizung des Garraums 11 mit einer oder mehreren thermischen Heizquellen erfolgen. Als Heizquellen können beispielsweise eine Oberhitze, eine Unterhitze, eine Heißluftheizquelle und/oder eine Grillheizquelle oder andere Arten von Heizquellen vorgesehen sein. Das Gargerät 1 kann mit einer Dampfgarfunktion ausgestattet sein.
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Das Gargerät 1 umfasst hier eine Steuereinrichtung 3 bzw. Steuerelektronik 3 zur Steuerung bzw. Regelung von Gerätefunktionen und Betriebszuständen. Über die Steuereinrichtung 3 sind vorwählbare Betriebseinstellungen und vorzugsweise auch verschiedene Automatikprogramme bzw. Programmbetriebsarten und andere Automatikfunktionen ausführbar. Die Steuereinrichtung 3 steuert dazu z. B. die Hochfrequenzeinrichtung 2 in Abhängigkeit eines vorgewählten Automatikprogramms entsprechend an. Darüber hinaus dient die Steuereinrichtung 3 zur Umsetzung von Funktionen, die an späterer Stelle beschrieben sind. Da ein Teil dieser Funktionen einen sehr großen Bedarf an Speicher- und Rechnerkapazität haben, kann es sinnvoll sein, einen Teil der Steuereinrichtung in einen externen Speicher (nicht dargestellt), beispielsweise eine Cloud, auszulagern und eine Datenübertragung zwischen dem Gargerät 1 bzw. der dort vorhandenen Steuereinrichtung 3 und dem externen Speicher bereitzustellen. Im Folgenden wird zur Charakterisierung der Steuereinrichtung 3 unabhängig davon, ob ein Teil in einen externen Speicher ausgelagert ist oder nicht, diese als Steuereinrichtung 3 bezeichnet.
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Zur Bedienung des Gargerätes 1 ist hier eine Bedieneinrichtung 101 vorgesehen. Beispielsweise können darüber eine Gerätefunktion oder ein Automatikprogramm bzw. eine Programmbetriebsart oder andere Automatikfunktionen ausgewählt und eingestellt werden. Über die Bedieneinrichtung 101 können auch weitere Benutzereingaben vorgenommen werden und zum Beispiel eine Menüsteuerung vorgenommen werden. Die Bedieneinrichtung 101 umfasst auch eine Anzeigeeinrichtung 102, über die Benutzerhinweise und z. B. Eingabeaufforderungen angezeigt werden können. Die Bedieneinrichtung 101 kann Bedienelemente und/oder eine berührungsempfindliche Anzeigeeinrichtung 102 bzw. einen Touchscreen umfassen.
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Das Gargut 111 wird auf einem geeigneten Gargutträger 112 in den Garraum 11 geschoben.
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Die Steuereinrichtung 3 kann mittels der Hochfrequenzeinrichtung 2 eine Feldverteilung für die in den Garraum 11 eingebrachte Hochfrequenzstrahlung einstellen und diese während des Garvorgangs verändern. In einer Ausgestaltung wird die Feldverteilung dadurch eingestellt bzw. verändert, dass eine Auswahl von einer Antenne 121 aus mehreren Antennen 121 erfolgt, über die die Hochfrequenzstrahlung ausgesendet wird. Alternativ oder zusätzlich dazu kann die Feldverteilung dadurch eingestellt bzw. verändert werden, dass die Steuereinrichtung 3 den Hochfrequenzerzeuger 12 so ansteuert, dass die Hochfrequenzstrahlung eine bestimmte Frequenz bzw. einen bestimmten Frequenzbereich und/oder eine bestimmte Phase bzw. Phasenlage aufweist. Bei Verwendung von zwei Antennen 121 können diese über zwei separate Hochfrequenzeinrichtungen 2 mit unterschiedlichen Frequenzen oder über eine einzige Hochfrequenzeinrichtung 2 mit phasenversetzter Strahlung gleicher Frequenz versorgt werden. Im Folgenden soll die Verwendung des Begriffs „Hochfrequenzeinrichtung 2“ bedeuten, dass entweder eine oder mehrere Einrichtungen zum Einsatz kommen.
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Außerdem kann die Steuereinrichtung 3 mittels der Hochfrequenzeinrichtung 2 auch eine Leistung oder eine Dauer für die bei der jeweiligen Feldverteilung in den Garraum 11 eingebrachten Hochfrequenzstrahlung einstellen. Insbesondere entspricht jede vorgesehene Feldverteilung einem Arbeitspunkt der Hochfrequenzeinrichtung 2, bei dem eine bestimmte Kombination aus Frequenz und/oder Phase und/oder Leistung und/oder Dauer von einer oder mehreren Hochfrequenzstrahlungen vorliegt.
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Das Gargerät 1 ist des Weiteren mit einer Kameraeinrichtung 4 ausgestattet, mit welcher während eines Garvorgangs ein oder mehrere Wärmebilder des Garraums 11 und des darin aufgenommenen Garguts 111 erfasst werden. Dazu ist zum Beispiel eine Infrarot-Kamera vorgesehen. Die Wärmebilder werden der Steuereinrichtung 3 bereitgestellt und von dieser ausgewertet. Im Rahmen der Auswertung wird ein Maß für eine Wärmeverteilung auf dem im Garraum 11 befindlichen Gargut 111 ermittelt. Die Ermittlung kann für die gesamte von der Kameraeinrichtung 4 einsehbare Gargutoberfläche oder aber für einzelne Bereiche erfolgen.
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Im Folgenden ist das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben, mit dem die Steuereinrichtung 3 unter Berücksichtigung der von der Kameraeinrichtung 4 aufgenommenen Wärmebilder die Hochfrequenzeinrichtung 2 steuert:
- Zunächst wird ein Übersichtslauf mit verschiedenen Frequenzen, Phasen bzw. Frequenz-/Phasenkombinationen (je nach Anzahl der Hochfrequenzerzeuger 2 und Antennen 121) durchgeführt, und durch die Steuereinrichtung 3 wird dabei jeweils ein Absorptionsspektrum des Garraums 11 mit dem darin befindlichen Gargut 111 ermittelt. Es können dann gezielt solche Feldverteilungen eingestellt werden, bei denen das Gargut 111 die Hochfrequenzstrahlung in dem gewünschten Maß absorbiert und sich eine für die Wärmeverteilung vorteilhafte Absorption des Garguts 111 einstellt. Das kann, muss aber nicht immer die Feldverteilung mit der höchsten Absorption sein. Insbesondere dann, wenn eine gleichmäßige Wärmeverteilung und/oder eine schonende Garung erwünscht ist, kann eine Feldverteilung mit geringer Absorption des Garguts 111 vorteilhaft sein. Der Übersichtslauf kann nur zu Beginn des Garprozesses durchgeführt werden, alternativ aber auch vor jeder Änderung der Feldverteilung. Letzteres ist vorteilhaft, weil sich das Absorptionsverhalten des Garguts mit dessen Temperatur ändert.
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Nach dem Übersichtslauf wird von der Steuereinrichtung 3 die Hochfrequenzeinrichtung 2 so eingestellt, dass Hochfrequenzstrahlung mit einer ersten Feldverteilung in den Garraum 11 mit dem darin befindlichen Gargut 111 eingebracht wird. Dabei wird das Gargut 111 mehr oder weniger gleichmäßig erwärmt, die übrigen Bauteile des Garraums 11 (Wände, Gargutträger 112 etc.) bleiben in der Regel kalt. Mit der Kameraeinrichtung 4 wird mindestens ein Wärmebild des Garraums 11 oder wenigstens des Teils des Garraums 11, in dem sich das Gargut 111 befindet, erfasst. Das mindestens eine Wärmebild wird dann an die Steuereinrichtung 3 weitergeleitet, die es pixel- oder ausschnittsweise analysiert (mit Ausschnitt ist hier ein zusammengefasster Bereich von mehreren Bildpunkten (Pixeln) gemeint) und daraus ein Maß für die Wärmeverteilung in mindestens einem Bereich (mit Bereich ist ein Teil der Oberfläche auf dem Gargut 111 gemeint, der wenigstens mehrere Pixel - wenn pixelweise analysiert wird - oder mehrere Ausschnitte zusammenfasst) auf dem Gargut 111 berechnet. Da es eine gewisse Zeit dauert, bis das Gargut 111 auf die Hochfrequenzstrahlung reagiert, kann es sinnvoll sein, wenn die Erfassung eines für die Wärmeverteilung auf dem Gargut 111 maßgeblichen Wärmebilds erst nach Ablauf einer vorgegebenen Einwirkungsdauer der Hochfrequenzstrahlung erfolgt. Dies kann entweder dadurch realisiert werden, dass erst nach der Einwirkungsdauer Wärmebilder von der Kameraeinrichtung 4 erfasst werden oder dass erst dann Wärmebilder von der Steuereinrichtung 3 ausgewertet werden. Grundsätzlich reicht die Auswertung eines Wärmebildes für die Steuereinrichtung 3 aus, um daraus ein Maß für eine Wärmeverteilung auf dem Gargut 111 zu berechnen. Da in der Regel aber auch wenigstens Teile vom Garraum 11 in dem Wärmebild erfasst werden, die sich ja durch die Hochfrequenzstrahlung nicht erwärmen und so im Kontrast zum Gargut 11 stehen, kann es vorteilhaft sein, mehrere Wärmebilder aufzunehmen und die sich dabei ergebenden Änderungen von Bild zu Bild durch die Steuereinrichtung 3 zur Berechnung des Maßes für die Wärmeverteilung heranzuziehen. Da sich im Bereich des Garraums 11 keine Änderungen bei den Wärmebildern ergeben, würde dieser Bereich dann ausgeblendet. Ein Maß für die Gleichmäßigkeit der Wärmeverteilung auf dem Gargut 111 wird vorzugsweise durch eine statistische Auswertung der Wärmewerte einzelner Pixel oder Ausschnitte des Wärmebildes bestimmt. Dabei kann beispielsweise die Standardabweichung der einzelnen Wärmewerte betrachtet werden.
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Die Steuereinrichtung 3 verändert dann die Feldverteilung bzw. den Arbeitspunkt der mindestens einen Hochfrequenzeinrichtung 2, wenn das Maß für die Wärmeverteilung um einen vorgegebenen Wert von einem vorgegebenen Maß abweicht. Das lässt darauf schließen, dass sich auf dem Gargut sogenannte Hot- oder Cold-Spots ausbilden. Die Feldverteilung kann sofort geändert werden oder nach einer gewissen Dauer. Die Steuereinrichtung 3 bestimmt mittels der Kameraeinrichtung 4 z. B. die Kontur der aktuellen Feldverteilung an der Oberfläche des Garguts aus der aktuellen Überlagerung der Hot-Cold-Spot Verteilung an der Oberfläche des Garguts gegenüber der Hot-Cold-Spot Verteilung vor dem Sprung auf die aktuelle Feldverteilung. Zum Beispiel zeigt ein erstes Wärmebild das Gargut bzw. dessen Oberfläche nach Erwärmung bei einer ersten Feldverteilung, z. B. nach Start bei Raumtemperatur zu Beginn des Garvorgangs. Dann erfolgt die Behandlung mit einer zweiten Feldverteilung. Ein danach aufgenommenes zweites Wärmebild zeigt dann die Überlagerung der Wirkung der ersten und der aktuellen Feldverteilung, z. B. bei laufendem Garprozess. Die Steuereinrichtung 3 berechnet dann aus der Differenz zwischen dem ersten und zweiten Wärmebild das Maß für die Wärmeverteilung an der Gargutoberfläche, die allein infolge der aktuellen Feldverteilung auftritt. Dieser Vorgang wird jeweils für jede neue verwendete Feldverteilung wiederholt und zusammen mit den Arbeitspunktdaten im Speicher hinterlegt.
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Die Auswahl von Feldverteilungen bzw. Arbeitspunkten, Dauern und Leistungen erfolgt zum Beispiel so, dass die Wärmeverteilung bzw. Hot-Cold-Spot Verteilung an der Gargutoberfläche einen möglichst geringen Kontrast hat, d. h. die Wärmeverteilung außen am Gargut 111 möglichst gleichmäßig ist. Zeigt sich nach dem Sprung auf eine neue Feldverteilung der Hochfrequenzstrahlung, dass die Ungleichmäßigkeit der bisherigen Wärmeverteilung außen am Gargut 111 zunimmt, springt die Steuerelektronik 3 dann schnell auf die nächste Feldverteilung. Dabei erfolgt mit der Kameraeinrichtung 4 eine wiederholte bzw. fortlaufende Beobachtung der Gleichmäßigkeit der Temperaturen und eine Regelung der anzufahrenden Feldverteilungen auf die Gleichmäßigkeit außen am Gargut 111. Der Zielzustand ist dann also ein mit Hochfrequenzstrahlung erwärmtes Gargut 111 mit besonders gleichmäßiger Wärmeverteilung außen am Gargut 111. Da die Hochfrequenzstrahlung eine gewisse Eindringtiefe hat, wird unterstellt, dass die äußere Gleichmäßigkeit auch noch im inneren Volumen des Garguts 111 in entsprechender Näherung gilt.
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Die Wärmeverteilung an der Gargutoberfläche spiegelt die Feldverteilung im Gargut wieder. Das Quadrat der elektrischen Feldstärke ist proportional zur Leistung des elektrischen Feldes und damit zur Temperaturerhöhung am bzw. im Gargut. Ein Parameter zur Entscheidung über das Vorgehen bei der Benutzung von Arbeitspunkten ergibt sich z. B. aus dem Temperaturkontrast der Oberflächentemperatur über die Messfläche. Der nächste Arbeitspunkt ist geeignet, wenn damit der Kontrast minimiert wird. Ein anderer Parameter ist z. B. die Breite der Verteilung der Oberflächentemperatur über die Messfläche. Ein Arbeitspunkt ist geeignet, wenn dadurch die Breite reduziert wird, d. h., wenn die Temperatur noch weniger um ihren Mittelwert streut. Insbesondere wird für jeden Arbeitspunkt auch der Wirkungsgrad der Erwärmung bestimmt. Dadurch ergibt sich zur Überlagerung nicht nur die Teilmenge von Arbeitspunkten mit geeigneter Symmetrie, sondern auch eine Vorschrift für eine (Zeit- oder Leistungs-) gewichtete Überlagerung der Arbeitspunkte. Die Hot-Cold-Spot Symmetrie eines Arbeitspunktes kann so bewusst mit gleichem oder anderem Gewicht wie die Hot-Cold-Spot Symmetrie eines anderen Arbeitspunktes in die Überlagerung eingehen. Der relative Wirkungsgrad zwischen den verschiedenen Arbeitspunkten ergibt sich aus dem Ausmaß der Oberflächen Erwärmung (Differenz der Temperatur) in einer vorgegebenen Zeit. Dafür wird z. B. der Temperaturanstieg in den Hotspots betrachtet oder der mittlere Temperaturanstieg über die gesamte beobachtete Gargutoberfläche.
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Der Wirkungsgrad ergibt sich (bei Verwendung einer einzigen Antenne) alternativ aus dem S-Parameter S11, der das Verhältnis von Sendeleistung zu reflektierter Leistung beschreibt, aus dem auf die (vom Gargut) absorbierte Leistung geschlossen werden kann. Möglich sind auch andere S-Parameter. Bei mehreren Antennen wird vorzugsweise auch die Transmission von einer Antenne in die anderen Antennen berücksichtigt. Der Wirkungsgrad ist aber wie im 1-Antennen-Fall in entsprechender Weise berechenbar. Insbesondere sind die Stützpunkte für die Bestimmung der Arbeitspunkte die Resonanzfeldverteilungen (hier im Folgenden kurz: Resonanzen) im Spektrum der S-Parameter, d. h. in der Abhängigkeit der S-Parameter als Funktion der Frequenz. Dazu werden die Arbeitspunkte mit starker Absorption gewählt. Da der Garraum selbst ein schlechter Absorber ist (aber ein guter Reflektor) wird angenommen, dass die starken Absorptionen in den Resonanzen vom Gargut stammen.
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Verschiedene, auch benachbarte, Resonanzen sind in der Regel mit unterschiedlichen Geometrien der Feldverteilung verbunden. Damit ist klar, welche Arbeitspunkte zum Geometriewechsel der Feldverteilung verwendet werden müssen. Welche Feldverteilung allerdings jeweils vorliegt ist zunächst unbekannt. Diese Information ergibt sich erst aus dem Vergleich der Wärmebilder vor und nach Anwendung der Feldverteilung. Die Resonanzen beschreiben die Arbeitspunkte, in denen das Gargut besonders gut absorbiert. Die beobachteten Resonanzen sind also ganz überwiegend Resonanzen des Garguts. In jeder Resonanz bildet sich eine andere Symmetrie von Hot- und Cold-Spots im Gargut aus. Die Resonanzen werden mit der Hochfrequenzeinrichtung in der Weise gemessen, wie auch die Amplitude und Phase sowohl der gesendeten als auch der aus dem Garraum in die Antenne zurückreflektierten Welle bestimmen kann, gemessen. Ein solches Messsystem wird auch Reflektometer genannt.
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Insbesondere sind Absorptionsresonanzen des Gesamtsystems Garraum und Gargut im Wesentlichen Resonanzen des elektromagnetischen Feldes im Gargut, weil dies der dominierende Absorber ist. Das Gargut kann dabei einen eigenen Resonanzraum darstellen. Die Feldverteilung im Gargut ändert sich mit der Frequenz und verzerrt das Feld im Garraum außerhalb des Garguts. Am Rand des Garguts und an den Garraumwänden müssen Randbedingungen erfüllt werden. Das bestimmt u. a. das Feld im Garraum außerhalb des Garguts. Änderungen der Resonanzen im Gargut können so auch am Ort der Antennen außerhalb des Garguts erkannt werden. Die Messung der S-Parameter liefert diese Informationen vorzugsweise.
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In üblichen Hochfrequenzgeräten können im Gargut unterschiedliche Hot-Cold-Spots erzeugt werden. Es ist aber völlig unbekannt, welche Muster erzeugt werden. Beispielsweise üben das Gargut und dessen Form und Größe sowie auch der Gargutträger einen unvorhersagbaren Einfluss aus. Eine auftretende Überlagerung ist daher zufällig und nicht gerichtet, insbesondere wenn Stirrer, Drehboden oder Drehantenne verwendet werden.
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Die vorliegende Erfindung bietet den Vorteil, dass eine zielorientierte Überlagerung auf eine verbesserte Gleichmäßigkeit oder (oder auch eine gewünschte ungleichmäßige Wärmeverteilung, s. o.) möglich ist. Es wird während des Garvorgangs bzw. gleichzeitig gemessen, welche Feldverteilung welche Muster erzeugt. Und es wird entschieden, welche Feldverteilungen erneut für welche Dauer verwendet werden müssen, um das gewünschte Ziel für die Wärmeverteilung an der Gargutoberfläche zu erreichen. Dadurch wird die Gleichmäßigkeit beim Garen im Mikrowellen- oder Hochfrequenzbetrieb erheblich verbessert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gargerät
- 2
- Hochfrequenzeinrichtung
- 3
- Steuereinrichtung
- 4
- Kameraeinrichtung
- 11
- Garraum
- 12
- Hochfrequenzerzeuger
- 21
- Garraumtür
- 101
- Bedieneinrichtung
- 102
- Anzeigeeinrichtung
- 111
- Gargut
- 112
- Gargutträger
- 121
- Antenne
