DE4431475A1 - Bräunungseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Bräunungseinrichtung, die zum Einsatz in den Garraum eines mit üblicher Frequenz betriebenen Mikrowellenherdes geeignet ist und aus einer Schüssel oder Platte besteht. Diese auch allgemein als "Bräunungsschüssel" bezeichnete Einrichtung stellt ein Zubehör für einen konventionellen Mikrowellen­ herd dar, mit dem sich ohne diese Einrichtung Bräunungseffekte nicht erzielen lassen. Die Schüssel oder Platte weist ein vorzugsweise kreisförmiges Metall­ bodenteil auf, das eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt und dessen Unterseite mit einer vorzugsweise kreisförmigen Schicht aus einem Werkstoff versehen ist, der Hochfrequenzwellen absorbiert. Die Bräunungseinrichtung ist so in den Garraum des Mikrowellenherdes plazierbar, daß zwischen der Unterseite der Schicht auf dem Metallbodenteil und einer Oberseite eines Bodens des Garraumes ein Parallel­ abstand ein haltbar ist.

Derartige Bräunungseinrichtungen, deren Wirkungsweise auf der Absorption von Mikrowellenenergie und deren Umwandlung in Wärme beruht, sind allgemein bekannt.

Es sind aber auch schon Bräunungseinrichtungen erhältlich, die aus keramischem Material bestehen und deren Wirkungsweise rein auf dielektrischen Verlusten beruht. Dazu ist im hitzebeständigen dielektrischen Trägermaterial eine sehr stark verlustbehaftete Schicht eingebettet. Diese Bräunungseinrichtungen sind jedoch nicht nur sehr aufwendig in der Herstellung, sondern auch nur zeitlich begrenzt wirkungsvoll.

Die eingangs beschriebene Bräunungseinrichtung hat verschiedene Vorteile: Die Beschichtung der Unterseite des Metallbodenteils mit Werkstoff, der Hochfre­ quenzwellen absorbiert, ist einfacher durchzuführen als die Einbettung einer ver­ lustbehafteten Schicht in keramischem Material. Als Werkstoff für die Beschich­ tung bietet sich ein Gemisch aus einem Ferritpulver und einem Bindemittel an. Im Mikrowellenofen bewirkt der Einsatz von Ferrit eine intrinsische Temperaturbegren­ zung durch das Schwinden der magnetischen Eigenschaften beim Erreichen der Curie-Temperatur. Die Ferritbeschichtung auf der Unterseite des Metallbodenteils verhindert einen Kontakt des Gargutes mit dem Ferritmaterial und schließt somit auch eine mit gesundheitlichen Risiken behaftete Beeinflussung des Gargutes aus.

Um jedoch einen ausreichenden Bräunungseffekt des Gargutes zu erreichen, ist eine Konzentration der Mikrowellenenergie unterhalb der Bräunungseinrichtung erforderlich. Um diese Konzentration zu bewerkstelligen, sind im wesentlichen zwei Lösungen gebräuchlich, wobei entweder der Mikrowellenherd so speziell zu kon­ zipieren ist, daß wenigstens ein seitlich in den Garraum mündender Mikrowellen­ einlaß auf einer Ebene unterhalb der Bräunungseinrichtung angeordnet ist, wobei in der Regel für eine anderweitige Verwendung des Mikrowellenherdes ein weiterer Mikrowelleneinlaß erforderlich ist, oder aber wobei die Bräunungseinrichtung mit zusätzlichen Hilfseinrichtungen auszustatten ist, um innerhalb des Garraumes auf ein bestimmtes Niveau plaziert zu werden, das eine Konzentration der Mikrowellen­ energie unterhalb der Bräunungseinrichtung gewährleistet. Je nach dem erforderli­ chen Niveau für die Anordnung der Bräunungsschüssel wird der nutzbare Garraum erheblich verkleinert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Bräunungseinrichtung der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß sich die Bräunungseinrichtung in den Garraum eines beliebig ausgebildeten, mit üblicher Frequenz betriebenen Mikrowel­ lenherdes einsetzen läßt, und einen guten Bräunungseffekt gewährleistet. Dabei soll insbesondere sowohl auf eine komplizierte Höhenverstellung der Bräunungsein­ richtung im Garraum als auch auf einen zusätzlichen und/oder auf ein bestimmtes Niveau gegenüber dem Boden des Garraumes vorzusehender Mikrowelleneinlaß verzichtet werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird von einer Bräunungseinrichtung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art ausgegangen und erfindungsgemäß vorgeschla­ gen, daß

• - der Parallelabstand P zwischen der Unterseite der Schicht des Metall­ bodenteils und der Oberseite des Garraumbodens,
• - der Durchmesser D der Fläche des Metallbodenteils und der Durch­ messer d der Fläche der Schicht und
• - die Dicke H der Schicht sowie die Permeabilität und die Permittivität des Werkstoffes der Schicht

so aufeinander abgestimmt sind, daß über den Durchmesser der Fläche des Metall­ bodenteils eine ganzzahlige Anzahl von Halbwellen entsteht.

Die optimale Wirkungsweise der Bräunungseinrichtung wird erfindungsgemäß ausschließlich durch deren Parallelabstand P, den Durchmessern D und d und der Dicke H sowie den Materialeigenschaften der Schicht bestimmt. Allein durch diese Parameter läßt sich die E-Feldverteilung so beeinflussen, daß innerhalb kurzer Garzeiten gute Bräunungsergebnisse erzielbar sind. Insbesondere kann durch eine große Permittivität und Permeabilität des Beschichtungswerkstoffes die Aufteilung der Mikrowellenenergie im Garraum unterhalb der Bräunungseinrichtung positiv beeinflußt werden.

Nach einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Bräu­ nungseinrichtung besteht die Hochfrequenzwellen absorbierende Schicht aus Ferritpulver und einem Bindemittel, wobei der Ferritpulveranteil mindestens 60 Volumen-% beträgt.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Bräunungs­ einrichtung dargestellt und nachfolgend näher beschrieben:

Wie Fig. 1 zeigt, besteht die Bräunungseinrichtung aus einer kreisrunden Schüssel 1, die gemäß Fig. 1a in einem schematisch dargestellten, quaderförmigen Mikro­ wellenherd 2 eingesetzt ist, der mit einem seitlichen Mikrowelleneinlaß 3 versehen ist.

Die Schüssel 1 ist einstückig aus einem kreisförmigen Metallbodenteil 4 mit einem sich nach oben konisch erweiternden Metallmantelteil 5 gebildet. Auf seiner Unterseite ist das Metallbodenteil 4 mit einer Schicht 6 versehen, die aus Ferritpul­ ver und einem Bindemittel besteht. Weiterhin ist die Schüssel 1 mit drei Standfü­ ßen 7 versehen, worauf die Bräunungseinrichtung standfest auf dem Boden 8 des durch den Mikrowellenherd 2 definierten Garraumes 9 positioniert ist.

Der Garraum 9 stellt einen Hohlraumresonator dar, der durch den als Hohlleiter ausgebildeten Mikrowelleneinlaß 3 mit Mikrowellenenergie gespeist wird. Es bildet sich eine Hohlraumresonanz in Form einer E-110-Welle aus, wobei der E-Feldvektor senkrecht zum Boden 8 des Garraumes 9 steht.

Um diese Anordnung bei kreisförmiger Schüssel 1 rechnerisch genau zu erfassen, wird der quaderförmige Hohlraumresonator in einen zylindrischen Hohlraumresona­ tor, wie er in Fig. 2 veranschaulicht ist, umgewandelt. Dadurch entsteht ebenfalls ein Hohlraumresonator mit einem E-Feldvektor senkrecht zum Boden des Hohl­ raumresonators, da der Hohlraum ebenso, wie gemäß Fig. 1, durch einen seitlich angeordneten, als Mikrowelleneinlaß 3 ausgebildeten Hohlleiter mit Mikrowellen­ energie gespeist wird.

Bei einer Position der Schüssel 1 in Höhe des Mikrowelleneinlasses 3 ist vorstell­ bar, daß sich entlang der Schüssel 1 in Ebene der Achse "r" eine Welle fortpflanzt. In dieser Modellposition bildet die Schüssel 1 ein Element einer sogenannten Resonanzleitung, die am Anfang und am Ende durch die Wandung des Hohlraumre­ sonators kurzgeschlossen ist.

Zur Ermittlung der für die Schüssel 1 relevanten Abmessungen wird wie folgt vorgegangen:

Zunächst werden die Abmessungen des zylindrischen Hohlraumresonators gemäß Fig. 2 entsprechend den Abmessungen des Bodens des vorgegebenen quaderför­ migen Hohlraumresonators gemäß Fig. 1 bestimmt. Der Radius "r_HR" des zylin­ drischen Hohlraumes gemäß Fig. 2 wird so gewählt, daß bei beiden Formen des Hohlraumresonators die Bodenfläche gleich groß ist.

Die Fortpflanzung einer Welle entlang der Schüssel 1 läßt sich in Form einer sogenannten Resonanzleitung behandeln. Diese besteht aus einem in Fig. 3 als Schnitt durch die Ebene "r" der Fig. 2 veranschaulichten Kreisring, der durch den Rand der Schüssel 1 und der Wandung des zylindrischen Hohlraumresonators begrenzt wird, und durch die Schüssel 1 selbst.

Das entsprechende Ersatzschaltbild gemäß Fig. 4 verdeutlicht, daß die Leitungs­ enden der Impedanz "z_I" beidseitig die Impedanz "z_BS"der Schüssel 1 abschließen.

Die Impedanz des Kreisringes wird durch einen Kurzschluß abgeschlossen, der die Wand des zylindrischen Hohlraumresonators darstellt.

Die Impedanzen können in bekannter Weise durch Bestimmungen der Induktivitä­ ten und der Kapazitäten der Anordnung berechnet werden, da die jeweiligen Abmessungen "r_BS", "r_HR und die Dicke "H", der Schicht und deren Werkstoff­ eigenschaften bei der Arbeitsfrequenz des Mikrowellenherdes bekannt sind.

Aus dem in Fig. 4 dargestellten Ersatzschaltbild kann die relative E-Feldverteilung entlang der Schüssel 1 berechnet und dabei die Feldverteilung entlang der Reso­ nanzleitung optimiert werden, indem der Durchmesser "D" der Schüssel 1 und/ oder die Dicke "H" und/oder die Werkstoffeigenschaften der Schicht verändert werden.

Der nächste Schritt dient der Bestimmung der absoluten E-Feldverteilung im Garraum des Mikrowellenherdes.

Die Schüssel 1 mit der Schicht 6 auf dem Metallbodenteil 4 stellt einen Plattenkon­ densator dar, der die Spannungs- bzw. E-Feldverteilung entlang der vertikalen Achse des Hohlraumes festlegt.

Aus der berechenbaren und in Fig. 5 grafisch dargestellten E-Feldverteilung läßt sich auch die Energieverteilung bestimmen. Dabei ist zu berücksichtigen, daß die Dicke "H" der Schicht 6 durch die große Permittivität und Permeabilität des Beschichtungswerkstoffes die Aufteilung der Mikrowellenenergie im Raum un­ terhalb der Schüssel 1 wesentlich beeinflußt. Diese Aufteilung wird aber auch durch den zwischen der Schicht 6 des Metallbodenteils 4 und dem Boden 8 des Garraumes 9 eingehaltenen Abstand beeinflußt, der durch die Höhe der Standfüße 7 bestimmt ist.

Als Werkstoff für die Schicht 6 auf der Unterseite des Metallbodenteils 4 werden vorzugsweise Mischungen aus Ferritpulver und Kunststoffen verwendet, wobei die Granulometrie des Ferritpulvers ein Oberkorn von 200-250 µm aufweisen sollte. Um einen hohen Füllgrad der Mischung zu erreichen, ist eine Kornverteilung mit einem ausreichenden Anteil feiner Körner anzustreben. Es können Mn-Zn-Ferrite verwendet werden, die gegebenenfalls mit Ni-Zn-Ferrite gemischt werden, um bei der Betriebsfrequenz des Mikrowellenherdes eine optimale Permeabilität und Permittivität der Mischung zu erreichen. Je nach der Zusammensetzung der Mi­ schung wird auch die Curie-Temperatur beeinflußt, d. h. die Temperaturgrenze, über die hinaus bekanntlich die Permeabilität von magnetischen Werkstoffen stark abfällt und die magnetischen Verluste in der Mischung vernachlässigbar klein werden.

Zur Einbindung des Ferritpulvers eignen sich Bindemittel auf organischer oder anorganischer Basis, sofern sie einer Dauergebrauchstemperatur standhalten, die höher liegt als die Curie-Temperatur des verwendeten elektromagnetischen Pulvers.

Als Bindemittel auf organischer Basis kommen Kunststoffe in Betracht, die neben einer entsprechenden Temperaturbeständigkeit einen hohen Anteil der HF-ab­ sorbierenden elektromagnetischen Substanz binden können. Dies sind zum Beispiel:
PAN, PPO, PSU, PI, PC, PS, PTFE, PVDF, PA, SIR sowie stabilisierte EP- und PUR- Harze.

Als anorganische Bindemittel kommen insbesondere Keramikwerkstoffe und Zemente in Betracht.

Der Einfluß des Füllgrades mit Ferritpulver auf die elektromagnetischen Eigen­ schaften, d. h. die Permittivität und die Permeabilität, ist in den Fig. 6 und 7 dargestellt.

Fig. 6 zeigt den Verlauf der komplexen Permittivität "ε" und der komplexen Per­ meabilität "µ" einer Mn-Zn-Ferritpulvermischung mit einem Ferritpulver-Volumen­ füllgrad von 50%.

Bei 2500 MHz ergeben sich folgende Werte:
Re ε : 28 Im ε : 12
Re µ : 1,8 Im µ : 1,4.

Dies ergibt ein Produkt von Re √ = 90,6.

Fig. 7 zeigt die Werte einer Mn-Zn-Ferritpulvermischung mit einem Volumenfüllgrad von 73%.

Bei 2500 MHz ergeben sich folgende Werte:
Re ε : 48 Im ε : 22
Re µ : 2,2 Im µ : 2,2.

Dies ergibt ein Produkt von Re √ = 217,8.

In dem o. a. Berechnungsverfahren treten die Werkstoffeigenschaften ε und µ sowie die angeführte Größe "Re √ in der Bestimmung der Impedanz des Leitungsstückes, das die Schüssel 1 darstellt, auf. Die Wirkungsweise der Schüs­ sel 1 ist also besonders von den Werkstoffeigenschaften der Schicht 6 abhängig; eine relativ dünne Schicht 6 mit einer guten Wärmeleitung zum Metallbodenteil der Schüssel 1 kann nur mit einem hohen Produkt Re [ε×µ] erreicht werden.

Als weitere Beschichtungswerkstoffe stehen neuartige, sogenannte "künstliche" Dielektrika zur Verfügung, die große dielektrische Verluste und eine große Tempe­ raturstabilität aufweisen. Hierbei handelt es sich insbesondere um Keramikwerk­ stoffe, die mittels gut dispergiertem TiC-Pulver einer Korngröße im nm-Bereich hohe Permittivitäten und Verluste bei hohen Frequenzen bewirken.

Durch Versuche mit einer in einem konventionellen Mikrowellenherd eingesetzten erfindungsgemäßen Bräunungseinrichtung mit folgenden Merkmalen:

• - Durchmesser "D" des Metallbodenteils 4 der Schüssel 1 : 250 mm
• - Durchmesser "d" der Schicht 6 : 230 mm
• - Dicke "H" der Schicht 6 : 1 ,8 mm
• - Parallelabstand "P" zwischen der Schicht 6 und dem Boden 8 des Garraumes 9 : 6 mm
• - Werkstoff der Schicht 6: Mn-Zn-Ferritpulver mit einem Volumenfüll­ grad von 60%

konnte nachgewiesen werden, daß sich beispielsweise eine der Schüssel 1 ange­ paßte Pizza üblicher Dicke innerhalb von 7 Minuten zubereiten läßt und dabei eine optimale Bräunung erhält.

Claims (3)

1. Zum Einsatz in den Garraum eines mit üblicher Frequenz betriebenen Mikro­ wellenherdes mit seitlicher Mikrowelleneinspeisung geeignete Bräunungsein­ richtung, bestehend aus einer Schüssel oder Platte mit einem vorzugsweise kreisförmigen Metallbodenteil, das eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist und dessen Unterseite mit einer vorzugsweise kreisförmigen Schicht aus einem Werkstoff versehen ist, der Hochfrequenzwellen absorbiert, wobei die Bräunungseinrichtung so in den Garraum plazierbar ist, daß zwischen der Unterseite der Schicht auf dem Metallbodenteil und einer Oberseite eines Bodens des Garraumes ein Parallelabstand einhaltbar ist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• - der Parallelabstand "P" zwischen der Unterseite der Schicht (6) des Metallbodenteils (4) und der Oberseite des Garraumbodens (8),
• - der Durchmesser "D" der Fläche des Metallbodenteils (4) und der Durchmesser "d" der Fläche der Schicht (6) und
• - die Dicke "H" der Schicht (6) sowie die Permeabilität und die Permit­ tivität des Werkstoffes der Schicht (6)

so aufeinander abgestimmt sind, daß über den Durchmesser "D" der Fläche des Metallbodenteils (4) eine ganzzahlige Anzahl von Halbwellen entsteht.

2. Bräunungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hochfrequenzwellen absorbierende Schicht (6) aus Ferritpulver und einem Bindemittel besteht wobei der Ferritpulveranteil mindestens 60 Volumen-% beträgt.