DE3132979C2 - Heizvorrichtung mit einer Mikrowellenheizeinrichtung mit einer Gruppe von Mikrowellenleitern - Google Patents
Heizvorrichtung mit einer Mikrowellenheizeinrichtung mit einer Gruppe von MikrowellenleiternInfo
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Abstract
Heizvorrichtung, die sich zum Heizen in einer Gefriertrocknungsvorrichtung oder einer Auftauvorrichtung eignet und die zum Auftauen und Trocknen von Nahrungsmitteln benötigte Zeit durch Kombination eine Mikrowellenheizeinrichtung mit einer Strahlungsheizeinrichtung und einer Hochfrequenzheizeinrichtung verkürzt.
Description
Die Erfindung betrifft eine Heizvorrichtung mit einer MikroweHenheizeinrichtung der im Oberbegriff des
Anspruches 1 genannten ArL
Eine derartige Heizvorrichtung ist aus der US-PS 35 81 038 bekannt Bei ihr werden Grünholz-Knüppel
getrocknet In zwei parallel angeordnete Mikrowellenleiter werden Mikrowellen mittig eingekoppelt und über
in der Unterseite schräg ausgebildete voneinander beabstandete Schlitze auf die zu trocknenden Knüppel
abgestrahlt Zur Verbesserung der Heizwirkung ist ein relativ großes leitendes Gehäuse vorgesehen, in dem
sich die MikroweHenheizeinrichtung befindet
Die US-PS 40 45 638 beschreibt eine Heizeinrichtung zur Wärmebehandlung körnigen Gutes, die drei
hintereinander zu durchlaufende Zonen besitzt, deren ersten beide Widerstandsheizeinrichtungen aufweisen
und deren dritte eine MikroweHenheizeinrichtung enthält.
Weiterhin ist eine Heizeinrichtung zur Einstrahlung von Mikrowellenenergie in dielektrische Körper bekannt
(DE-AS 10 29 963), bei der die Strahler als eine Fläche bildendes Bündel angeordnet sind. Der zu
erwärmende Körper wird nur einseitig beaufschlagt.
Gleiches gilt für eine Heizeinrichtung (Auszug aus der japanischen Patentanmeldung 54-1 62 246) bei der die
Heizstrahler in einer Fläche nebeneinander oberhalb des zu beheizenden Materials angeordnet und mit
serienmäßig angeordneten schlitzartigen Öffnungen versehen sind.
Heizvorrichtungen dieser Art erreichen bei vielen Anwendungsfällen ein zufriedenstellendes Ergebnis.
Durch die Gefriertrocknung von Nahrungsmitteln sind Produkte erhältlich, die in Farbe, Aroma,
Geschmack und Vitamingehalt dem Ursprungsmaterial weitgehend entsprechen. Bei späterer Hinzufügung von
kaltem Wasser, heißem Wasser oder dergleichen läßt sich der ursprüngliche Zustand des Produktes auf
einfache Weise wiederherstellen. Andererseits ist bei gefriergetrockneten Nahrungsmitteln die Transportfähigkeit
und Lagerungsfähigkeit erheblich verbessert, wodurch orts- oder saisonbedingte Einschränkungen
beseitig werden und Vorgänge in der Nahrungsmittelindustrie vereinfacht werden.
Ferner sind gefriergetrocknete Produkte wesentlich länger, auch ohne Kühlschrank oder dergleichen,
aufbewahrbar.
Ferner ist die Zubereitung (Kochen) des Produkts sehr einfach, was für die menschliche Ernährung
wesentlich sein kann.
Bei der Gefriertrocknung von Nahrungsmitteln werden jedoch die gefrorenen Nahrungsmittel durch
Wärmeeinwirkung getrocknet. Wenn beispielsweise eine Strahlungswärmeheizeinrichtung, wie eine Widerstandsheizeinrichtung,
verwendet wird, sind zur Trocknung der Nahrungsmittel sechs bis zehn Stunden erforderlich.
Diese Trocknungszeit ist zumindest im Hinblick auf die Produktivität zu lange.
Selbst wenn gemäß einem früheren Vorschlag der Erfindung eine Strahlungswärmeheizeinrichtung zu-
sammen mit einer Mikrowellenheizeinrichtung verwendet
wird, die durch einen Schlitzstrahler gebildet ist,
durch den zu erwärmende Gut von innen heraus erwärmt werden kann, kann die Trocknun^szeit auf
lediglich etwa zwei Stunden verringert werden. Bei dieser Vorgehensweise werden zu erwärmende Nahrungsmittel
einerseits von innen heraus und andererseits von außen her erwärmt
Diese Trocknungszeit von zwei Stunden zum Trocknen insbesonderer gefrorener Nahrungsmittel ist
aber zumindest im Hinblick auf die Produktivität immer noch zu lange.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Heizvorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß die
Trocknungszeit weiter verkürzbar ist
Diese Aufgabe wird durch kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst Die Erfindung geht dabei
von der Erkenntnis aus, daß durch die Verwendung einer Hochfrequenzheizeinrichtung (mit dielektrischer
Heizung im Kondensatorfeld) zusammen mit einer Strahlungswärmeheizeinrichtung und einer Mikrowellenheizeinrichtung
das Auftauen gefrorenen Gutes beschleunigt wird und dadurch eine Trocknungszeit für
insbesondere gefrorene Nahrungsmittel von etwa einer Stunde erreicht werden kann.
Die Erfindung wird durch die Merkmale der Unteransprüche weitergebildet
Insbesondere ist aufgrund von Versuchen festgestellt worden, daß eine Hochfrequenzerwärmung bei etwa
1000 kHz zum Auftauen ausnutzbar ist
Wenn der dielektrische Verlustkoeffizient tan δ von
Wasser dadurch gemessen wird, daß das Wasser als Dielektrikum zwischen Elektrodenplatten gehalten
wird und eine superhohe Frequenz von 3 MHz an die Elektrodenplatten angelegt wird, beträgt der Verlustkoeffizient
1570 · 10—♦ während er im Fall von Eis den äußerst kleinen Wert von 9 · 10~4 annimmt. Daraus ist
zu folgern, daß eine Hochfrequenzheizeinrichtung, die mit superhohen Frequenzen arbeitet, nicht brauchbar
ist, weil sie viel Zeit zum Schmelzen von Eis erfordert. Wenn dagegen, der dielektrische Verlustkoeffizient bei
einer Hochfrequenz von 1000 kHz gemessen wird, ergeben sich ein relativ kleiner Wert von 400 · 10~4 für
Wasser und ein großer Wert von 1200 · 10~4 für Eis.
Somit kann durch Aufheizen mittels einer Hochfrequenz in der Größenordnung von 1000 kHz eine die
Oberseite des zu erwärmenden Nahrungsmittels bedekkende Eisschicht sehr schnell geschmolzen werden,
wodurch sich die Trocknungszeit erwünscht stark verringert (es ist zu erwähnen, daß der übliche
Arbeits-Frequenzbereich von Mikrowellenheizeinrichtungen etwa 900MHz bis 2500MHz und der üblicher
Hochfrequenzheizeinrichtung etwa 1000 kHz bis 30 000 kHz beträgt).
Die Erfindung wird anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele, bei denen die
Erfindung bei einer Vakuum-Gefriertrocknungsvorrichtung für gefrorene Nahrungsmittel angewendet wird,
näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 perspektivisch ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,
F i g. 2 in Aufsicht die Heizvorrichtung gemäß Fig. 1,
Fig. 3 in Seitenansicht die Heizvorrichtung gemäß Fig. 1,
F i g. 4 in Aufsicht einen wesentlichen Abschnitt einer anderen Ausführungsform,
Fig. 5 im Vertikalschnitt einen wesentlichen Abschnitt
einer weiteren Ausführungsform.
Die Fig. 1 bis 3 zeigen Haupt-Wellenleiter 1, 2, 3 einer Mikrowellenheizeinrichtung. Die Haupt-Wellenleiter
1, 2, 3 sind dreistufig übereinander mit gleichen Abständen voneinander angeordnet Jeder Haupt-WeI-lenleiter
1,2,3 weist mehrere Mikron eilen abstrahlende
Mikrowellenleiter A B bzw. C auf, die von dem Haupt-Wellenleiter 1,2,3 parallel zueinander kammartig
seitlich wegragen. In derr Unterseite jedes von dem Haupt-Wellenleiter 1 wegragenden Mikrowellenleiters
ίο A sind mikrowellen-emittierende oder abgebende
öffnungen in Form einer diskontinuierlichen Folge derartiger öffnungen a vorgesehen. In den Ober- und
Unterseiten jedes vom Haupt-Wellenleiter 2 wegragenden Mikrowellenleiters B und in der Oberseite jedes
vom Haupt-Wellenleiter 3 wegragenden Mikrowellenleiters C sind ebenfalls derartige öffnungen a
vorgesehen.
Heißgasleitungen 4,5, 6, 7 einer Strahlungswärmeheizeinrichtung
erstrecken sich längs von Haupt-Wellenleitern 1,2,3. Jeweils ein Paar von Wärmerohren 9, die als
Wärmeleitglieder dienen , steht in engem Kontakt mit der Ober- und/oder Unterseite jedes der Mikrowellenleiter
A, B, C und ist an diesen über jeweilige sie aufnehmende Sitze 8 befestigt, wobei ein Endabschnitt
9a jedes Wärmerohrs 9 in die jeweilige Heißgasleitung 4,5,6 bzw. 7 eingeführt und in dieser befestigt ist.
Jeweils benachbarte obere und untere Heißgasleitungen 4 und 5, 5 und 6, bzw. 6 und 7 sind untereinander
mittels Wärmeleitbrücken 10 verbunden, die auch a!s Abstandshalter dienen, wobei Zusatz- oder Hilfs-Wärmerohre
12 vorgesehen sind, deren jedes an einem Ende an einem sich quer zu den Mikrowellenleitern A, B, C
erstreckenden und deren freien Enden verbindenden Verbindungsglied 11 und am anderen Ende an dem
entsprechenden Wärmeleitblock 10 befestigt ist.
Ein bei 1000 kHz arbeitender Hochfrequenz-Oszillator E\ einer Hochfrequenzeinrichtung ist mit den
Haupt-Wellenleitern 1 und 2 verbunden, die zusammen mit den von ihnen wegragenden Mikrowellenleitern A
bzw. B als die Elektroden der Hochfrequenzeinrichtung dienen.
Ferner ist ein bei 1000 kHz arbeitender Frequenz-Oszillator
E2 mit den Haupt-Wellenleitern 2 und 3 verbunden, deren von ihnen wegragende Mikrowellenleiter
ßbzw. CaIs die Elektroden einer Hochfrequenzheizeinrichtung
dienen. Eine Aufnahmeschale P dient zur Aufnahme gefrorener Nahrungsmittel und besteht
aus einem für elektrische Wellen durchlässigen Kunststoff wie z. B. »Teflon« oder dergleichen, und ist auf den
so Mikrowellenleitern B und C mit den jeweiligen Wärmerohren 9 plazierbar.
Die derart ausgebildete Heizvorrichtung ist in einer
nicht dargestellten Trockenkammer angeordnet.
Die Betriebsweise und Wirkungsweise dieser Heizvorrichtung wird im folgenden erläutert:
Gefrorene Nahrungsmittel werden in Aufnahmeschalen Pangeordnet. Die Aufnahmeschalen Pwerden auf
die die Wärmerohre 9 aufweisenden Mikrowellenleiter B und C gestellt. Die Luft in der Trockenkammer wird
evakuiert zur Bildung eines Vakuums (0,1 bis 0,5 Torr). Anschließend wird Heißgas durch die Heißgasleitungen
4, 5, 6, 7 geführt und werden Mikrowellen von einem nicht dargestellten Mikrowellen-Oszillator über die
Haupt Wellenleiter 1, 2, 3 eingeführt und werden Hochfrequenzspannungen von den Hochfrequenz-Oszillatoren
E\ und E2 an die Haupt-Wellenleiter 1,2 bzw.
2,3 angelegt.
Auf diese Weise erhalten die Wärmerohre 9 Wärme
Auf diese Weise erhalten die Wärmerohre 9 Wärme
von dem durch die Heißgasleitungen 4, 5, 6, 7 strömenden Heißgas und leiten die Wärme zu den
Mikrowellenleitern A, B, C und erwärmen diese. Dadurch werden die gefrorenen Nahrungsmittel in
jeder Aufnahmeschale P durch die abgestrahlte Strahlungswärme erhitzt.
Gleichzeitig treten die sich durch die Haupt-Wellenleiter
1, 2, 3 ausbreitenden Mikrowellen aus den öffnungen a aus, die in den Mikrowellenleitern A, B, C
vorgesehen sind, die jeweils mit den Haupt-Wellenleitem
1, 2 bzw. 3 verbunden sind. Die gefrorenen Nahrungsmittel sind den abgestrahlten Mikrowellen
ausgesetzt und werden durch diese von innen heraus erhitzt.
Schließlich befindet sich außerdem noch das Eis, das die gefrorenen Nahrungsmittel bedeckt oder in ihnen
enthalten ist in dem elektrischen Feld der Hochfrequenzheizeinrichtung
(Kondensatorfeld einer dielektrischen Heizung), deren Elektroden durch die Mikrowellenleiter
A, B, C gebildet sind, so daß das Eis durch die Hochfrequenzheizeinrichtung erhitzt wird und schmilzt.
Wie erläutert, werden bei der erfindungsgemäßen Heizvorrichtung die gefrorenen Nahrungsmittel der
Heizwirkung der Strahlungswärmeheizeinrichtung, die als Heizelemente die Wärmerohre 9 und die durch diese
erwärmten Mikrowellenleiter A, B, C verwendet, der Heizwirkung der Hochfrequenzheizeinrichtung, die die
Mikrowellenleiter A, B, C als Elektroden verwendet, sowie der Heizwirkung der Mikrowellenheizeinrichtung,
die von den Mikrowellenleitern A, B1 Cermittiert
werden, unterworfen, so daß die gefrorenen Nahrungsmittel sowohl von außen als auch von innen aufgetaut
und erhitzt werden und rasch getrocknet werden.
Verdampftes Wasser wird allmählich von der Trockenkammer über eine Vakuumvorrichtung an die
Umgebung abgegeben.
Somit wird durch die Hochfrequenzheizeinrichtung das Tauen und die Verdampfung des enthaltenen
Wassers beschleunigt. Dadurch wird die erforderliche Trocknungszeit verkürzt, und zwar insbesondere auf die
Hälfte der Zeit, die bei der von den Erfindern bereits angegebenen Heizvorrichtung erforderlich war, die eine
Strahlungswärmeheizeinrichtung und eine Mikrowellenheizeinrichtung
enthielt.
Von Vorteil ist ferner, daß es für das Hinzufügen der Hochfrequenzheizeinrichtung ausreicht, die Ausgangsanschlüsse
der Frequenz-Oszillatoren E\ und E2 mit den
Haupt-Wellenleitern 1, 2, 3 zu verbinden, wodurch der Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung sehr
einfach und somit der gewerbliche Nutzen hoch ist
Die Anzahl der Haupt-Wellenleiter 1, 2, 3 kann erhöht oder verringert werden, abhängig von der
jeweils gewünschten Größe der Heizvorrichtung.
F i g. 4 zeigt den Aufbau des wesentlichen Abschnitts einer anderen Ausführungsform. Zwei Gruppen aus
jeweils sechs Mikrowellenleitern A bzw. A', die an ihrer Unterseite jeweils öffnungen a in Form einer
kontinuierlichen Folge solcher öffnungen a aufweisen, sind an jeweils einem Ende wie die Zinken eines
Kammes mit entsprechenden Haupt-Wellenleitern 1 bzw. 1' verbunden, die wiederum an jeweilige
Mikrowellen-Oszillatoren TX1 bzw. TX2 angeschlossen
sind. Die Mikrowellenleiter A und A' der beiden Gruppen sind zueinander abwechselnd derart angeordnet,
daß sie wie die Zähne zweier Kämme ineinandergreifen. Die Mikrowellenleiter B, ß'bzw. C, C, die nicht
dargestellt sind, sind in ähnlicher Weise angeordnet, wobei im übrigen der Aufbau der Heizvorrichtung der
gemäß den F i g. 1 bis 3 entspricht.
Die von den öffnungen a jedes Mikrowellenleiters A
und Λ'abgegebene Mikrowelle ist nämlich abhängig
vom Abstand von der Verbindungsstelle des Mikrowellenleiters A, A 'mit dem jeweiligen Haupt-Wellenleiter 1
bzw. 1' gedämpft, so daß die Heiztemperatur entsprechend dem Abstand von dem Haupt-Wellenleiter 1, Γ
absinkt. Zur Überwindung dieses Nachteils sind bei der Vorrichtung gemäß Fig.4 die Mikrowellenleiter A, A'
so ausgebildet, daß sich die Mikrowellen in ihnen mit unterschiedlicher Ausbreitungsrichtung ausbreiten, wodurch
das zu erhitzende Gut nahezu gleichmäßig erhitzt
werden kann.
Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen sind die öffnungen a in einer diskontinuierlichen Folge von
Schlitzen abgeordnet. Jedoch kann als die Mikrowellen emittierende öffnung auch ein einziger langer Schlitz
vorgesehen sein.
Bei Verwendung einer Mikrowellenheizeinrichtung in einer Vakuum-Gefriertrocknungsvorrichtung besteht
bei Erhöhen des Evakuierungsgrades die Gefahr, daß eine elektrische Entladung ausgelöst wird, und wenn
eine elektrische Entladung stattfindet, wird das Heizvermögen verringert. Wenn jedoch die öffnung als langer
Schlitz ausgebildet ist, wird die elektrische Welle in guter Verteilung emittiert, wodurch die Anschlußspannung
an den Enden des Mikrowellenleiters so verringert wird, daß dadurch eine elektrische Entladung verhindert
ist. Deshalb ist die schlitzförmige öffnung sehr wirksam, falls in der Trockenkammer ein hoher Evakuierungsgrad herrscht.
Zum Erreichen der gleichen Wirkung wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 4 kann ein Paar von
Heizvorrichtungen gemäß F i g. 1 wie gemäß F i g. 5 so angeordnet werden, daß sie aufeinanderzuweisen,
wobei die Mikrowellenleiter A, B, C bzw. die Mikrowellenleiter A', B' der beiden Vorrichtungen
abwechselnd ineinandergreifen derart, daß sie schichtweise angeordnet sind, wobei ferner die Mikrowellen
sich in zueinander entgegengesetzten Richtungen ausbreiten.
Die Heizvorrichtung gemäß den F i g. 1 bis 3 ist anhand von Heißgasleitungen 4,5,6,7 erläutert worden,
durch die Heißgas strömt Jedoch können Leitungen für andere heiße Medien wie Dampf, Heißwasser, heißes Öl
oder dergleichen verwendet werden. Ferner können auch elektrische Heizelemente als Wärmeleitglieder
ansteüe der Wärmerohre 9 und der Heißmediuinlcitungen
4,5,6,7 verwendet werden.
Die Bezugszeichen 4' und 5' in Fig.5 bezeichnen Heißgasleitungen, die an die Mikrowellenleiter Λ'bzw.
eingeschlossen sind. Außerdem sind die Hauptleiter Γ
und 2' mit einem Hochfrequenz-Schwingungserzeuger Et' verbunden, wodurch eine Hochfrequenzheizeinrichtung
im Kondensatorfeld gebildet wird.
Die erfmdungsgemäß ausgebildete Heizvorrichtung
ist nicht nur für eine Vakuum-Gefriertrocknungsvorrichtang oder eine Auftauvorrichtung für gefrorene
Produkte verwendbar, sondern auch für eine Vakuum-Nahrungsmitteltrocknungsvorrichtung.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Heizvorrichtung mit einer MikroweUenheizeinrichtung mit einer Gruppe von Mikrowellenleitern,
die von einem Hauptleiter abzweigen und die parallel zueinander angeordnet sind, wobei jeder
Mikrowellenleiter eine oder mehrere Mikrowellen aussendende Öffnungen (^ aufweist die entlang der
Längsrichtung der Leiter angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens
zwei Mikrowellenheizeinrichtungen mit mindestens zwei Gruppen von Mikrowellenleitern (A.A...; B, B
...), die von Hauptleitern (1,2) ausgehen, so in Lagen angeordnet sind, daß zwischen einander benachbarten
Leitern Zwischenräume vorhanden sind und daß in Kombination mit den mehrfachen Mikrowellenheizeinrichtung,
die wie angegeben vertikal in Abständen zueinander angeordnet sind, mindestens
zwei Strahlungswärmeheizeinrichtungen so angeordnet sind, daß die Wärmeleitglieder (9, 9...)
jeder Heizeinrichtung sich entlang der Oberfläche der mehrfachen Mikrowellenleiter (A, A...; B, B...)
jeder der Mikrowellenheizeinrichtungen erstrecken und außerdem mindestens eine Hochfrequenzheizeinrichtung
(Et) im Kondensatorfeld vorgesehen ist, deren Elektroden von den benachbarten Mikrowellenleitern
(A...; B...) gebildet werden.
2. Heizvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zu den mindestens
zwei Mikrowellenheizeinrichtungen (A, A ...; B, B ...), die vertikal mit Abständen zwischeneinander
angeordnet sind, mindestens zwei Mikrowellenheizeinrichtungen vorgesehen sind, die mindestens zwei
Gruppen von Mikrowellenleitern (A', A'...; B', B' ...) aufweisen, die von entsprechenden Hauptleitern
(1', 2') ausgehen und die so in Lagen angeordnet sind, daß sie zwischen sich Raum lassen, so daß die
Mikrowellen, die durch die Mikrowellenleiter (A, A ...; B, B...) der Mikrowellenheizeinrichtungen und
die Mikrowellen, die durch die Mikrowellenleiter (A', A'...; B', B'...) der Mikrowellenheizeinrichtungen
geführt werden, sich in einander entgegengesetzter Richtung ausbreiten und außerdem mindestens
zwei Strahlungswärmeheizeinrichtungen mit Wärmeleitgliedern (9', 9'...) vorgesehen sind, wobei
die Wärmeleitglieder (9', 9' ...) jeder Heizeinrichtung sich entlang der Oberflächen der Mikrowellenleiter
(A', A'...) jeder Mikrowellenheizeinrichtung erstrecken und außerdem mindestens eine Hochfrequenzheizeinrichtung
(E\) im Kondensatorfeld vorgesehen ist, deren Elektroden von den beiderseitigen
Mikrowellenleitern (A'...; B'...) gebildet werden.
3. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wärmeleitglieder
(9,9...; 9', 9'...) von Wärmerohren gebildet
werden.
4. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Teile (9a, 9a ...;
9'a, 9'a ...) der Wärmerohre (9, 9 ...; 9', 9' ...) in Leitungen eingreifen und mit diesen verbunden sind,
die ein heißes Medium enthalten.
5. Heizvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungen Heißgasleitungen
(4,5; 4', 5') sind.
6. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzheizeinrichtung
mit einer Frequenz von 1000 kHz arbeitet.
7. Heizvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die Verwendung zur
Vakuum-Trocknung, insbesondere Vakuum-Gefriertrocknung insbesondere von Nahrungsmitteln.
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Publications (2)
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