DE69014331T2

DE69014331T2 - Verfahren und Vorrichtungen zur Anwendung beim Mikrowellenheizen von Lebensmitteln und anderen Materialien.

Info

Publication number: DE69014331T2
Application number: DE69014331T
Authority: DE
Inventors: Richard M Keefer; Cindy Marie Lacroix
Original assignee: Alcan International Ltd Canada
Current assignee: Rio Tinto Alcan International Ltd
Priority date: 1989-02-09
Filing date: 1990-01-31
Publication date: 1995-04-27
Anticipated expiration: 2010-02-01
Also published as: JPH02270294A; JP3049071B2; CA1339540C; EP0382399A2; ZA90446B; ATE114598T1; NO900546L; NO900546D0; DE69014331D1; AU628918B2; AU4917190A; EP0382399A3; BR9000574A; EP0382399B1; FI900648A0

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf die Methoden und Einrichtungen zur Modifizierung von Mikrowellen-Energiebereichen, die bei der Erwärmung von Materialmassen, die durch Lebensmittel exemplifiziert (aber nicht beschränkt) werden, durch Mikrowellen Anwendung finden. Es ist eine wohl bekannte Tatsache, daß ein herkömmliches Kochen oder Erwärmen von Lebensmitteln durch Mikrowellen die Oberfläche der Lebensmittel nicht effektiv bräunt oder knusprig werden läßt. Bei jenen Lebensmittelprodukten, deren Oberfläche aus einem anderen Material als der Hauptteil des Lebensmittelartikels besteht, wie eine Kruste oder Teig- oder Panierschicht, zum Beispiel bei einer Pastete oder einem panierten Fischfilet, muß diese separate Oberflächenschicht eine höhere Temperatur erreichen als der Hauptteil des Lebensmittels, damit eine solche Oberflächenschicht gebräunt oder knusprig werden kann. Aus diesem Grund wurden solche Lebensmittelprodukte bisher bei relativ hohen Temperaturen auf traditionelle Weise in einem konventionellen Herd gekocht.
Es gibt auch andere Arten von Lebensmittelartikeln, bei denen die Beschaffenheit der Oberflächenschicht grundlegend dem Hauptteil des Artikels entspricht, die aber dennoch gebräunt und / oder knusprig werden muß. Beispiele in dieser Kategorie sind die Unterseite einer Pizza, die beiden Flächen eines Pfannekuchens, Kartoffelpuffer oder Pommes Frites.
Die herkömmliche Methode, diesen Erfordernissen beim Kochen mit Mikrowellen zu entsprechen, bestand bisher in Einrichtungen namens Suszeptoren. Ein Suszeptor ist eine Einrichtung, die ein mit Verlust behaftetes Material einschließt, d.h. ein Material, das die Mikrowellenenergie absorbiert und so erwärmt wird. Diese Einrichtung wird sodann nahe an die Oberflächenschicht gelegt, damit diese gebräunt oder knusprig werden kann, indem die Wärme im Suszeptor durch Schmelzführung und Strahlung auf diese Oberflächenschicht übertragen wird. Für dieses Verfahren ist es natürlich erforderlich, daß die Temperatur des Suszeptors über jener der Oberflächenschicht liegt, damit die Wärme in eine solche Schicht übergehen kann. Es hat sich erwiesen, daß die Erwärmung des Suszeptors auf die erforderliche hohe Temperatur mit praktischen Nachteilen verbunden ist. Es besteht immer die Gefahr einer übermäßigen Erwärmung und einer Materialstörung im Suszeptor und sogar der Generierung giftiger Produkte.
Ein Beispiel für eine Methode, diese Art von Erwärmungseffekt für Oberflächen zu erreichen, wurde von W.A.Brastad et al im amerikanischen Patent Nr. 4,230,924, das am 28.Oktober 1980 ausgegeben wurde, vorgeschlagen. Diesem Vorschlag zufolge muß das Lebensmittelprodukt in einen flexiblen Bogen Isoliermaterials eingewickelt werden, das als Substrat fungiert, eine dünne, metallische Schichtung zu tragen, die in eine Anzahl einzelner Metallinseln unterteilt ist, die wiederum durch nichtmetallische Spalten voneinander getrennt werden, die durch frei liegende Streifen des Isoliermaterials auf dem Substrat gebildet werden. Wenn eine Lebensmittelmenge, die in einem solchen flexiblen Bogen eingewickelt ist, in einem Mikrowellenherd der Mikrowellenenergie ausgesetzt wird, wird ein Teil der Energie durch den Bogen dringen, um die Lebensmittelsmenge auf gewohnte Art dielektrisch zu erwärmen, während ein Teil der Energie in den Metallinseln in thermische Energie umgewandelt wird, d.h. die Inseln agieren als Suszeptoren, so daß, vorausgesetzt die Inseln befinden sich nahe an der Oberfläche der Lebensmittelmenge, die in den Inseln generierte Wärme direkt zur Oberfläche des Lebensmittels geleitet wird, um seine Temperatur zu erhöhen und somit den Effekt einer Bräunung oder eines Knusprigwerdens zu erzielen. Im eingangs erwähnten Patent wird mitgeteilt, daß die Mikrowellen-Transparenz des Einwickelmaterials variiert werden kann, um sie den Anforderungen eines bestimmten Lebensmittlartikels anzupassen, indem das Verhältnis zwischen der dielektrischen (Mengen-) Erwärmung und der thermischen Erwärmung im Einwickelmaterial modifiziert wird und von dort aus auf die Oberfläche der Lebensmittel übertragen wird.
Mit anderen Worten, das Einwickelmaterial, das in diesem früheren Patent beschrieben wird, agiert gleichzeitig als mikrowellen-transparente Abdeckung für einen Teil der Energie und für den verbleibenden Teil der angewendeten Energie als ein Suszeptor, d.h. eine Struktur, die Mikrowellenenergie absorbiert und somit erwärmt wird.
Eine weitere, bekannte Art von Suszeptor ist jener, der in einem Kochutensil, wie zum Beispiel in einer Bratpfanne oder Backform, eingebettet ist. Das Utensil kann in den Mikrowellenherd gelegt werden, anfänglich mit oder ohne Lebensmittel. Der Suszeptor im Utensil absorbiert die Mikrowellenenergie, so daß die Kochoberfläche des Utensils bis auf eine hohe Temperatur erwärmt wird. Wenn Lebensmittel zugefügt werden oder wenn es von Anfang an vorhanden war, wird die Masse auf gewohnte Weise in einem Mikrowellenherd dielektrisch erwärmt und die Oberfläche wird durch die kochende Oberfläche des Utensils gebräunt oder knusprig.
Im Gegensatz zum Konzept der Verwendung eines Suszeptors zum Erwärmen einer Oberflächenschicht eines Lebensmittelartikels, entweder direkt durch ein Einwickelmaterial oder indirekt durch eine vorgewärmte Schüssel, bietet die vorliegende Erfindung eine Anordnung, in der die Oberflächenschicht des zu erwärmenden Artikels sowie der Hauptteil unterhalb der Oberflächenschicht weiterhin dielektrisch erwärmt werden, d.h. durch Mikrowellenenergie, ohne daß diese Energie zunächst zum Erwärmen eines Suszeptors umgewandelt werden muß.
Gemäß dieser Erfindung wird der Energiebereich der Mikrowellen so verändert, daß der Effekt der dielektrischen Erwärmung innerhalb der Oberflächenschicht relativ zum Effekt der dielektrischen Erwärmung im Hauptteil des Artikels verbessert wird. Dies führt dazu, daß die Oberflächenschicht eine höhere Temperatur erreicht. Im Falle eines Lebensmittelartikels führt diese Ungleichmäßigkeit dazu, daß die Oberflächenschicht gebräunt und / oder knusprig wird.
Die Oberflächenschicht des Lebensmittelartikels kann aus einer oberen Schicht (zum Beispiel eine Pastetenkruste) oder einer unteren Schicht (zum Beispiel der Boden einer Pizza) oder sowohl aus einer unteren als auch aus einer oberen Schicht (zum Beispiel ein paniertes Fischfilet) bestehen.
Gemäß der Erfindung wird der gewünschte verstärkte Erwärmungseffekt innerhalb der Oberflächenschicht erzielt, indem die Mikrowellenenergie durch eine Vielzahl von Öffnungen in der Oberflächenschicht und von dort aus auf solche Weise in einen Hauptteil des Artikels geleitet wird, daß die Modi der besagten Energie in der Oberflächenschicht eingesperrt werden, um die besagte Oberflächenschicht direkt durch die besagte Energie zu erwärmen.
Die Erfindung bezieht darüberhinaus eine Einrichtung zur Durchführung der oben beschriebenen Methode ein. Diese besagte Einrichtung besteht aus einem Bogen mikrowellen-transparenten Materials und bedeutet die Definition einer Reihe von mikrowellentransparenten Öffnungen zur Übertragung von Mikrowellenenergie in den besagten Artikel, die sich dadurch auszeichnet, daß die besagten Öffnungen von solcher Größe sind, daß bei der Frequenz der Mikrowellenenergie und mit dem an der Oberflächenschicht des zu erwärmenden Artikels anliegenden Bogen die Modi jener Energie, die sich durch die Öffnungen ausbreitet, in der besagten Oberflächenschicht eingesperrt werden, um die Oberflächenschicht direkt durch die besagte Energie zu erwärmen.
Ausbreitung durch Aussperrung wird an dieser Stelle auch als "vergängliche Ausbreitung" bezeichnet. Der Begriff "Modusfilterung" wird verwendet, um die Steigerung der Übertragung von Modi höherer Ordnung bei gleichzeitiger Widerspiegelung fundamentaler Modi zu bezeichnen.
Mikrowellen, die eingesperrt werden, werden als vergänglich ausbreitend beschrieben, da sie exponentiell verfallen. Aufgrund dieses starken Verfallens der vergänglichen Mikrowellen wird das Verhältnis der Intensität (oder das Erwärmen) zwischen Oberflächen - und Mengenbereich erhöht. Auf vergleichbare Weise mit dem Skineffekt, der bei hohen Frequenzen in Wärmeleitern beobachtet wird, wird von den Modi der Mikrowellenenergie, die sich durch die Öffnungen in den Sperren in der Oberflächenschicht ausbreiten, mehr Energie auf der Oberflächenschicht als im Hauptteil deponiert.
Die zu diesem Zweck und in Übereinstimmung mit der Erfindung eingesetzte Einrichtung besteht aus einem Bogen mikrowellentransparenten Materials, das mit einen grundlegend nichtabsorbierenden, leitfähigen Material versehen ist, das entweder eine inselförmige Anordnung der Öffnungen oder eine Anordnung Ringspalten bestimmender Öffnungen definiert, bei denen die Größe der Ringspalten oder die Abstände zwischen den Inseln und den Öffnungen ausreicht, um das gewünschte Absorptionsprofil zu erzielen.
Die Öffnungen werden von solcher Größe sein, daß die Frequenz der Mikrowellenenergie und mit dem an der Oberflächenschicht des zu erwärmenden Artikels anliegenden Bogen die Modi jener Energie, die sich durch die Öffnungen ausbreitet, in der Oberflächenschicht eingesperrt werden.
Solche Modi stellen vielleicht oder vielleicht nicht eine Sperre zum Hauptteil (zur Menge) des Artikels dar, der unterhalb der Oberflächenschicht liegt.
Eine Einrichtung gemäß der Erfindung kann sich auf einem separaten Bogen des mikrowellen-transparenten Materials befinden, oder es kann in einem Container für den Artikel enthalten sein, zum Beispiel als untere Wand oder als Deckel eines solchen Containers. Im letzteren Fall können kleine Löcher zum Ablaß von Dampf und / oder Flüssigkeiten, wie beispielsweise Fett, in der Konstruktion des Containers vorgesehen werden. Die gegenwärtige Anordnung eignet sich zur Bereitstellung solcher Löcher zum Ablassen von Dampf und Flüssigkeiten. Es wäre jedoch schwierig, diese Eigenschaft in einen standardgemäßen Suszeptor oder in die Einrichtungen einzubringen, die durch das eingangs erwähnte amerikanische Patent beschrieben werden.
Der Begriff an dieser Stelle verwendete Begriff "Container" umfaßt alle Arten an Elementen oder Einrichtungen (einschließlich, jedoch nicht ausschließlich, flache Bögen, laminare Komponenten, Taschen, Pfannen, Container mit Deckel, usw.), welche die Lebensmittel oder andere Materialien während des Erwärmens in einem Mikrowellenherd zumindest zum Teil umschließen, enthalten, halten, unterstützen oder von ihnen unterstützt werden.
In jenen Fällen, in denen die Oberflächenschicht aus der gleichen Substanz besteht wie der Hauptteil des Artikels, werden sich die Modi der Mikrowellenenergie, die sich durch die Öffnungen ausbreiten, sowohl für die Oberflächenschicht als auch für den Hauptteil in der Aussperrung befinden. Folglich wird die Schwächung pro Einheitsabstand zum Artikel höher liegen, es wird jedoch aufgrund der vergänglichen Ausbreitung weiterhin ein größerer Erwärmungseffekt in der Oberflächenschicht erzielt. Die Tatsache, daß die Ausbreitung im Hauptteil ebenfalls vergänglich ist, wird zu einer Erwärmung in geringerer Tiefe in solch einem Hauptteil führen. Diese Eigenschaft kann in der Praxis jedoch womöglich übernommen werden, wenn es sich bei dem Produkt um einen dünnen Artikel handelt, wie zum Beispiel Pizza, Pfannkuchen, Kartoffelscheiben, usw.
Es ist bekannt, daß die Generierung oder Verbesserung der Modi der Mikrowellenenergie einer höheren Ordnung als die fundamentalen Modi, die sich im zu erwärmenden Artikel ausbreiten, die Gleichförmigkeit des Erwärmens des Artikels in seiner lateralen Dimension verbessern kann. Siehe zum Beispiel das amerikanische Patent Nummer 4,866,234 von R.M.Keefer, das am 12.September 1989 ausgegeben wurde (europäische Patentanmeldung 86304880, eingereicht am 24.Juni 1986 und veröffentlicht am 30.Dezember 1986 unter der Nummer 206,811). Siehe auch die europäischen Anmeldungen von R.M.Keefer, die am 19.November 1987 unter der Nummer 246041, am 24.Mai 1989 unter der Nummer 317203 und am 22.Juni 1988 unter der Nummer 271981 veröffentlicht wurden.
Es sollte an dieser Stelle erläutert werden, daß dem Begriff "Modus", der in dieser Spezifikation verwendet wird, in seinem in diesem spezifischen Bereich anerkannten Sinn die Bedeutung einer der verschiedenen Zustände elektromagnetischer Wellenoszillationen zukommt, die in einem bestimmten Resonanzsystem bei feststehender Frequenz aufrechterhalten werden können, wobei sich jeder dieser Zustände oder Vibrationsarten (d.h. jeder Modus) durch seine eigenen, besonderen, elektrischen und magnetischen Bereichkonfigurationen oder -muster auszeichnet. Die fundamentalen Modi, d.h. in der Regel der Modus 0-1 in einem rechteckigen System einer zu erwärmenden Materialmasse oder einer solchen Masse oder eines solchen Containers, in welchem sie sich befindet, werden durch ein Muster des Elektrobereichs (Energieverteilung) gekennzeichnet, das sich normalerweise entlang der Kante (aus der Horizontalen gesehen) der Masse der zu erwärmenden Substanz oder entlang der Peripherie ihres Containers konzentriert, wenn die Substanz von einem Container umgeben ist und diesen ausfüllt. Diese fundamentalen Modi sind in einem System vorherrschend, das keinerlei Generierungsmittel einer höheren Ordnung enthält. Die fundamentalen Modi werden also durch die Geometrie des Containers und der enthaltenen Masse des zu erwärmenden Materials definiert oder durch die Masse an sich, wenn sie einen separaten Artikel ausmacht, der sich nicht in einem Container befindet.
Ein Modus einer höheren Ordnung als jene der fundamentalen Modi ist ein Modus, für welchen das Muster des Elektrobereichs (auch hier der Einfachheit der Beschreibung halber aus der Horizontalen gesehen) jedem einzelnen einer sich wiederholenden Serie an Bereichen entspricht, die kleiner sind als jene, die vom Muster des Elektrobereichs der fundamentalen Modi umschrieben werden. Jedes dieser Muster der Elektrobereiche können, auf vereinfachte aber dennoch nützliche Weise, als Entsprechung zu einer geschlossenen Schleife in der Horizontalen sichtbar gemacht werden.
Die bevorzugten Realisierungen der gegenwärtigen Erfindung verbinden die Gleichförmigkeit des Erwärmens der Masse in den lateralen Dimensionen, die durch das Generieren von Modi der höheren Ordnung erzielt werden kann, mit der gewünschten Ungleichmäßigkeit des Erwärmens in einer Richtung, die senkrecht zu den lateralen Dimensionen der Masse verläuft, d.h. eine Richtung, die senkrecht zur Oberfläche der Masse verläuft, wie es für das Bräunen oder Knusprigwerden der Oberfläche erforderlich ist.
In den beiliegenden Zeichnungen:
Abb. 1 ist die Oberansicht eines Beispiels für eine modusfilternde Struktur, welche die gegenwärtige Erfindung in einer besonderen Form realisiert;
Abb. 2 ist eine bruchstückartige Schnittansicht, die entlang der Linie 2-2 der Abb. 1 entstanden ist;
Abb. 3 ist eine bruchstückartige Oberansicht - ähnlich wie Abb. 1 - einer weiteren Realisierung der modusfilternden Struktur der Erfindung;
Abb. 4 ist eine bruchstückartige Schnittansicht, die entlang der Linie 4-4 der Abb. 3 entstanden ist;
Abb. 5 ist eine perspektivische Ansicht eines Mikrowellen- Erwärmungscontainers zur Aufnahme einer Masse von Lebensmitteln unter Einbeziehung einer Realisierung der modusfilternden Struktur der Erfindung, die generell der in Abb. 1 dargestellten Struktur entspricht;
Abb. 6 ist eine bruchstückartige Schnittansicht der Vorderseite desselben Containers, die entlang der Linie 6-6 der Abb. 5 entstanden ist;
Abb. 7 ist eine ähnliche Ansicht wie Abb. 6 eines modifizierten Containers unter Einbeziehung von zwei der modusfilternden Strukturen der Erfindung;
Abb. 8, 9 und 10 sind bruchstückartige Schnittansichten der Vorderseiten der Containerdeckel und Modusfilter der drei zusätzlichen Realisierungen der Erfindung;
Abb. 11 ist die Oberansicht eines Containers von rundem Plan, der die Erfindung realisiert;
Abb. 12 ist die Oberansicht einer weiteren Realisierung der modusfilternden Struktur der Erfindung, die zum Beispiel mit einem Container, wie er in Abb. 5 gezeigt wird, genutzt wird;
Abb. 13 ist eine perspektivische Ansicht eines weiteren Containers unter Einbeziehung einer Realisierung der Erfindung;
Abb. 14 bis 22 sind bruchstückartige Ansichten weiterer Konfigurationen von Modusfiltern in Übereinstimmung mit der Erfindung;
Abb. 23 ist eine bruchstückartige, perspektivische Ansicht eines weiteren Containers, der die Erfindung realisiert;
Abb. 24 ist eine bruchstückartige, perspektivische Ansicht einer weiteren Realisierung der Erfindung;
Abb. 25 ist eine bruchstückartige Ansicht der Vorderseite eines gebogenen Containerdeckels zur Erwärmung durch Mikrowellen unter Einbeziehung eines Modusfilters in Übereinstimmung mit der Erfindung;
Abb. 26 ist eine ähnliche Ansicht eines gebogenen Containerdeckels unter Einbeziehung eines weiteren Modusfilters in Übereinstimmung mit der Erfindung;
Abb. 27 und 28 sind bruchstückartige Ansichten der Vorderseiten von Modusfiltern in Übereinstimmung mit der Erfindung, die in Containerböden gebildet werden;
Abb. 29 ist eine Oberansicht der Containerschale einer weiteren Realisierung der Erfindung;
Abb. 30 ist eine Schnittansicht der Schale der Abb. 29;
Abb. 31 und 32 sind perspektivische Schnittansichten von zwei zusätzlichen Realisierungen der modusfilternden Strukturen der Erfindung;
Abb. 33 ist eine der Abb. 14 bis 22 ähnelnde Ansicht eines weiteren Modusfilters in Übereinstimmung mit der Erfindung;
Abb. 34 bis 36 sind graphische Darstellungen, welche die Beziehung zwischen dem Absorptionsprofil und der Aussperrung eines eingeleiteten Modus illustrieren;
Abb. 37 ist eine perspektivische Ansicht einer Einrichtung in Übereinstimmung mit einer Realisierung der Erfindung, welche die Art der Nutzung einer solchen Einrichtung illustriert;
Abb. 38 bis 41 sind bruchstückartige Ansichten alternativer Realisierungen;
Abb. 42 ist ein illustratives Diagramm;
Abb. 43 ist ein Diagramm, das ein Experiment erläutert;
Abb. 44A und 44B sind graphische Darstellungen, welche die Resultate dieses Experimentes zeigen; und
Abb. 45 bis 48 zeigen verschiedene Anordnungen, die in Experiment 3, das im folgenden beschrieben wird, verwendet wurden.
Die in den Abb. 1 und 2 illustrierten Realisierung der Erfindung ist eine modusfilternde Struktur des mikrowellen-transparenten Materials einschließlich eines flachen Bogens 20 (als Rechteck abgebildet) eines mikrowellen-transparenten Materials, wie zum Beispiel ein geeigneter Kunststoff, der (in einem illustrierten Beispiel) der flache obere Teil eines Containerdeckels zur Erwärmung durch Mikrowellen sein kann. In dieser Realisierung ist ein einziger Modusfilter 22 auf einer flachen Oberfläche des Bogens 20 angebracht. Es wurde spezifisch eine elektrisch leitfähige Platte 24 (zum Beispiel eine Platte aus Aluminiumfolie der Haushaltsgüte oder eine sogenannte Konverterfolie, deren Stärke in der Regel zwischen 6 und 7 Mikrometern liegt) an der Oberfläche des Bogens befestigt, wobei die äußeren Maße dieser Platte etwa denen der letzteren Platte entsprechen, so daß sich die Platte 24 in der Horizontalen deutlich über den gesamten Bogen erstreckt. Diese Platte enthält eine Vielzahl von Öffnungen 26 mit einer geschlossenen Peripherie von generell rechteckiger Konfiguration. Es wird eine 5 x 4 Anordnung von zwanzig Öffnungen gezeigt, wobei alle Öffnungen der Größe nach identisch und in Abständen voneinander und von der äußeren Peripherie der Platte durch Streifen oder Schenkelteile 28 der Platte angeordnet sind. Die Öffnungen sind abstandsgleich in einer Anordnung angebracht, die in bezug auf die Platte 24 und den Bogen 20 symmetrisch ist.
Im Modusfilter 22 ist auch eine Vielzahl elektrisch leitfähiger Inseln 30 enthalten, die in dieser bestimmten Realisierung einander in Form und Größe entsprechen und wiederum aus praktischen Gründen aus Aluminiumfolie der Haushaltsgüte bestehen und an der gleichen Bogenoberfläche wie die Platte 24 befestigt sind. Diese Inseln 30 entsprechen zahlenmäßig den Öffnungen 26 und weisen generell rechteckige Peripherien auf, deren Form grundlegend den Peripherien der Öffnungen entspricht, jedoch flächenmäßig kleiner sind als die Öffnungen. Die Inseln 30 sind jeweils innerhalb der (und im Register mit den) Öffnungen 26 angebracht, so daß die Peripherie jeder Insel 30 in weitgehend gleichmäßigen Abständen von der umgebenden Öffnungsperipherie liegt und somit einen rechteckigen Ringspalt 32 definiert (der in dieser Realisierung von weitgehend gleichmäßiger Größe ist), der vom mikrowellen-übertragenden, dielektrischen Material des Bogens 20 geschlossen oder gespannt wird. So wird eine 5 x 4 Anordnung von zwanzig mit Zwischenräumen angelegten, gleichmäßig und symmetrisch verteilten, rechteckigen Ringspalten 32 in der modusfilternden Struktur vorgesehen. Es wird bewiesen, daß diese Spalten die einzigen Bereiche oder Fenster in der gesamten Struktur darstellen, die grundlegend mikrowellen-übertragend sind, da der Bogen 20 ansonsten von der leitfähigen Platte 22 abgedeckt wird.
In einem spezifischen, dimensionalen Beispiel der Realisierung der Abb. 1 und 2 besteht jede der Öffnungen 26 aus einem 2,20 x 1,8cm großen Rechteck; die Streifen 28 zwischen den Öffnungen (sowohl an den langen als auch an den kurzen Seiten der Öffnungen) sind 0,5cm breit. Jede der leitfähigen Inseln 30 ist ein 1,70 x 1,3cm großes Rechteck und befindet sich in der Mitte der ihr zugewiesenen Öffnung, um so einen rechteckigen Ringspalt 32 mit einer gleichförmigen Breite von 0,25cm an allen Seiten zu definieren. Die Rubriken am äußeren Ende der vier Öffnungen sind 1,0cm von den kurzen Seitenkanten 24a der Platte 24 entfernt und die Reihen an der äußeren Seite der fünf Öffnungen sind 1,5cm von den langen Seitenkanten 24b der Platte 24 entfernt, die abgerundete Ecken von 2,0cm aufweisen.
Ein einziger Modusfilter, wie er von der oben beschriebenen Realisierung der Abb. 1 bis 2 verdeutlicht wird, kann (mittels eines nicht einschränkenden Beispiels) mit Metallcontainern, Containern aus Verbundstoffen oder mikrowellen-transparenten Containern verwendet werden, einschließlich jener, die in einer oder mehreren der oben erwähnten, gleichzeitig angemeldeten Anwendungen beschreiben werden. In einigen Fällen ist der Einsatz metallischer Container vorzuziehen, da die in den Container eindringenden Strahlen dann dazu gezwungen wird, mit dem Modus zu interagieren. Wenn ein Modusfilter mit einem mikrowellen-transparenten Container verwendet wird, hat dies dagegen sehr wenig Einfluß auf die Strahlen, die durch die anderen, nicht an ihn angrenzenden Oberflächen in den Container eindringen.
Um einen Modusfilter gemäß der oben beschriebenen Realisierung der Erfindung auszumachen, wird eine Anordnung einer oder mehrerer metallischer Inseln ("Inselanordnung") auf eine Anordnung einer oder mehrerer entsprechender Öffnungen ("Öffnungsanordnung") auf einen metallischen Bereich oder eine metallische Platte gelegt. Sowohl die Inselals auch die Öffnungsanordnungen können zum Beispiel als Aluminiumfolie (wie durch Gußschneiden) bestehen. Bei einer Verwendung mit einem metallischen Container wird der Modusfilter vorzugsweise in elektrischer Isolierung von ihm über den Container gesetzt, wie in den Realisierungen der Abb. 5 bis 6 unten beschreiben wird. Der Modusfilter kann jedoch auch im engen mechanischen und elektrischen Kontakt mit dem Container stehen oder mit ihm integriert werden (wie in einer taschenartigen Konstruktion, die unter Bezugnahme auf Abb. 23 im folgenden beschreiben wird). Wenn die Öffnungsanordnung aus starrer Folie besteht, kann ein Container oder eine Pfanne zur Aufnahme der Lebensmittel aus derselben Folie bestehen, wobei ähnliche Techniken wie bei der Herstellung von "Runzelwand" - oder "Glattwand"-Pfannen angewendet werden.
Dielektrisches Material wird verwendet, um die räumliche Beziehung zwischen den Insel- und den Öffnungsanordnungen zu wahren. Ein geeignetes dielektrisches Material (typische Formen sind Polypropylen, Polyester oder Polykarbonatharze) weist eine gute Widerstandsfähigkeit gegen dielektrische Zersetzungen auf, hat geringe dielektrische Verluste und wahrt seine Festigkeitseigenschaften bei den Gebrauchstemperaturen, die beim Erwärmen der Lebensmittel ausgeübt werden.
Jede Insel liegt generell in der Mitte jeder Öffnung, kann aber entweder komplanar zur Öffnung oder (wie im folgenden näher erläutert wird, zum Beispiel in bezug auf Abb. 3 bis 4 und 8 bis 10) vertikal angelegt sein, so daß sie etwa ebenenparallel zur Öffnung liegt. Wenn die Inselanordnung komplanar zur Öffnungsanordnung verläuft, wird der Bereich jeder Insel auf weniger als den der entsprechenden Öffnung beschränkt. Wenn die Inselanordnung und die Öffnungsanordnung jedoch vertikal verlaufen (wie zum Beispiel in Abb. 3 bis 4), können die Inseln einen größeren oder kleineren Bereich als die entsprechenden Öffnungen ausmachen.
Ein Beispiel einer Anordnung für die Verwendung der modusfilternden Struktur der Abb. 1 und 2 in Verbindung mit einem Mikrowellen-Erwärmungscontainer für Mikrowellen wird in Abb.5 und 6 illustriert, in denen ein Erwärmungscontainer mit einer generell rechteckigen, nach oben offenen Schale 10 gezeigt wird, mit einem Boden 11 und Seitenwänden 12, aus Metall bestehend (z.B. starre, geformte Aluminiumfolie), zur Aufnahme und zum Bewahren einer zu erwärmenden Masse von Lebensmitteln 14. Ein geformter Deckel 16 aus Kunststoff (dielektrisches Material), das sich Mikrowellenenergie gegenüber transparent verhält und mit einem sich nach unten erweiternden Teil 18 und einem flachen Oberteil oder Bogenteil 20 versehen ist, deckt die aufwärtige Öffnung der Schale, den sich abwärts erweiternden, auf dem Schalenrand aufsitzenden Teil ab. Normalerweise wird die obere Fläche der darin enthaltenden Lebensmittel unter der Oberfläche des Deckels verteilt.
Der Modusfilter 22 gemäß der Beschreibungen in bezug auf Abb. 1 und 2 (der hier jedoch mit einer 4 x 4 Anordnung von Öffnungen und Inseln gezeigt wird) wird auf der nach oben zeigenden flachen Oberfläche des Deckels 20 befestigt. Somit ist die elektrisch leitfähige Platte 24 (z.B. aus Aluminiumfolie der Haushaltsgüte) an der Oberfläche des Deckels angebracht und erstreckt sich deutlich über den gesamten Deckel in einer horizontalen Ebene, obwohl die Platte von der Metallschale 10 durch den sich abwärts erweiternden Teil 18 des Deckels aus dielektrischem Material elektrisch isoliert wird. Die Inseln 30 sind gleichermaßen an der Oberfläche des Deckels befestigt. Diese Anordnung von Öffnungen und Inseln verläuft in bezug auf die rechteckige Deckeloberfläche und somit in bezug auf den Container aus horizontaler Sicht symmetrisch. Also ist eine 4 x 4 Anordnung von sechzehn mit Zwischenräumen angelegten, gleichmäßig und symmetrisch verteilten, rechteckigen Ringspalten 32 im Deckel vorgesehen, die im Grunde die einzigen mikrowellen-übertragenden Bereiche oder Fenster in der 20 gesamten Deckeloberfläche ausmachen, die anderweitig von der leitfähigen Platte 22 abgedeckt werden.
Abb. 7 illustriert eine modifizierte Form eines Containers, in welchem die Schale 10a wie der Deckel anstelle von Metall aus mikrowellen-transparentem Material besteht und in welchem eine zweite, modusfilternde Struktur 122a (die mit dem oben beschriebenen Modusfilter 22 identisch und im Register sein kann) auf der abwärts weisenden flachen Unterseite der mikrowellen-transparenten Schale 10a befestigt ist. Sowohl die Platte 124a als auch die Inseln 130a der Struktur 122a können aus Aluminiumfolie der Haushaltsgüte bestehen, die an der Unterseite der Schale angebracht ist. Die Platte 124a definiert eine Anordnung von Öffnungen 126a, deren Peripherie zusammen mit der Peripherie der Inseln 130a eine Anordnung von Spalten 132a definiert, die der Größe und Anzahl nach identisch und jeweils im Register mit den Spalten 32 des oberen Modusfilters 22 sind.
In Abb. 7 ist die enthaltene Lebensmittelmasse 14a in der Form auch selbständig und kleiner als die inneren Abmessungen der Schale, so daß sie von den Seitenwänden der Schale nach innen absteht. Da der Container mikrowellen-transparent ist, agiert die Masse 14a als ein dielektrischer Resonator, indem sie die fundamentalen Modi des Systems bestimmt. Genauer gesagt werden im System in der Abb. 7 die gesamten resonanten Grenzen sowohl von der Lebensmittelmasse als auch von den modusfilternden Strukturen bestimmt, während die Leistungsabsorption auf den Querschnitt der Lebensmittel beschränkt ist. Würde die Masse 14a den Container bis zu den Seitenwänden der Schale ausfüllen, so daß die Seitenwände der Schale die Geometrie der Masse definieren, wäre der Effekt der Seitenwände der mikrowellentransparenten Schale bei der Bestimmung der resonanten Grenzen nichts weiter als die Konsequenz des Effekts der Seitenwände der Schale bei der Definition der Geometrie der Lebensmittel, im Gegensatz zu der Situation, die eintritt, wenn die Schale elektrisch leitfähig (mikrowellen-reflektiv) ist und einen Hohlraum-Resonator darstellt.
In Bezugnahme auf Abb. 3, 4 und 8 bis 10 kann eine vertikale Verschiebung der Insel- und Öffnungsanordnungen erzielt werden, indem jede Anordnung an entgegengesetzten Flächen eines dielektrischen Bogens angebracht wird oder indem die Inseln auf dielektrischen Erhebungen (die gefüllt oder nicht gefüllt sein können) angebracht werden. Dielektrische Erhebungen können zum Beispiel beim Thermoformen von Kunststoffolien erzielt werden.
Abb. 3 und 4 zeigen einen rechteckigen, flachen, mikrowellen -transparenten und aus Kunststoff bestehenden Bogen 20 jener Art, der oben in bezug auf Abb. 1 und 2 (z.B. die flache Oberfläche eines Deckels 16 zum Erwärmen durch Mikrowellen, wie er in Abb. 5 gezeigt wird) beschrieben wird, der jedoch mit einem Modusfilter versehen ist, der aus einer leitfähigen Platte 34 (die eine 5 x 4 Anordnung von zwanzig rechteckigen, von den Streifen 38 getrennten Öffnungen 36 definiert) besteht, die auf der abwärts weisenden, horizontalen, planaren Hauptfläche des Bogens 20 und einer 5 x 4 Anordnung von zwanzig rechteckigen, leitfähigen, auf der gegenüberliegenden (d.h. aufwärts zeigenden), horizontalen, planaren Hauptfläche des Bogens 20 befestigten Inseln 40, jeweils im Register mit den Öffnungen 36, befestigt ist. In diesem Modusfilter sind die Öffnungen 36 und die Inseln 40 vertikal durch die Stärke des Bogens 20 abständig angebracht, und der rechteckige Ringspalt 42, der zwischen jeder Insel 40 und der Peripherie der damit verbundenen Öffnung 36 definiert wird, wird mittels des vertikalen Abstands erzielt, da (gemäß der Abbildung) die Inseln 40 größer als die Öffnungen 36 sind, aber dennoch in ihrer peripheralen Konfiguration mit ihnen übereinstimmen.
Auf der anderen Seite kann, wie Abb. 8 illustriert, die Oberfläche 20a des Kunststoffdeckels 16a (der anderweitig dem Deckel 16 in Abb. 5 entspricht) mit einer Vielzahl hohler, vertikaler Erhebungen 43 geformt werden (eine für jede Insel 40), um den vertikalen Abstand zwischen den Inseln 40 und den Öffnungen 36 der Platten 34 zu vergrößern. Jede Erhebung 43 tritt aufwärts von der oberen horizontalen Ebene der Deckeloberfläche 20a hervor und weist selbst eine generell rechteckige, horizontale, flache Oberfläche auf, auf welcher eine der Inseln 40 befestigt ist. Wie in Abb. 3 und 4 ist die die Öffnungen definierende Platte 34 auf der unteren (abwärts weisenden), horizontalen Oberfläche des Deckels befestigt, und die Öffnungen 36 sind im Register mit den Erhebungen 43 angeordnet, die somit auch mit den Inseln 40 im Register sind. Wie auch in Abb. 4 werden die Abstände (hier mit 42a gekennzeichnet) zwischen den Inseln und den Peripherien der mit ihnen verbundenen Öffnungen durch die vertikalen Abstände zwischen den Inseln 40 und der Platte 34 erzielt, da die Inseln 40 größer sind als die Öffnungen 36. In der Oberansicht entspricht die Struktur der Abb. 8 (wie jene der Abb. 4) der Darstellung in Abb. 3.
Abb. 9 und 10 illustrieren weitere Realisierungen der Modusfilter mit vertikalen Abständen zwischen den Öffnungen und Inseln In den Strukturen dieser letzteren Abbildungen definiert die leitfähige Platte 54 eine Anordnung von Öffnungen 56, welche flächenmäßig größer sind als die leitfähigen Inseln 60, so daß die Anordnung von Öffnungen und Inseln in der Plansicht mit Abb. 1 übereinstimmt. Jede Öffnung und die damit verbundene Insel definieren einen Ringspalt 62, der durch den vertikalen Abstand zwischen den Öffnungen und Inseln und durch die Tatsache entsteht, daß die Inseln flächenmäßig kleiner sind als die Öffnungen (obwohl sie im Hinblick auf Form und Ausrichtung mit den Öffnungen übereinstimmen)
Insbesondere zeigt Abb. 9 einen Kunststoffdeckel 16b mit einer Oberfläche 20b, die aus einer Vielzahl massiver, geformter Erhebungen 63 (im Gegensatz zu hohlen Erhebungen) besteht, d.h., eine für jede Insel 60, die aufwärts von ihrer oberen, horizontalen Ebene hervortritt, die anderweitig jedoch dem oben beschriebenen Deckel 16 entspricht. Jede Erhebung ist mit einer flachen, horizontalen Oberfläche versehen, auf der eine der Inseln 60 befestigt ist. Die Platte 54 ist auf der oberen, horizontalen Hauptfläche der Deckeloberfläche 20b befestigt, und zwar in solcher Position, daß die Erhebungen 63 jeweils durch die Öffnungen 56 aufwärts zeigen.
Abb. 10 zeigt einen Kunststoffdeckel 20c mit einer planaren, horizontalen Oberfläche und einer Vielzahl hohler Erhebungen 65 (eine für jede Insel 60), die aufwärts von ihrer unteren, horizontalen Ebene hervortritt. Jede Erhebung 65 ist mit einer flachen, abwärts weisenden, horizontalen, unteren Oberfläche versehen, auf der eine der Inseln 60 befestigt ist, während die die Öffnungen definierende Platte 54 auf der oberen Fläche der Oberfläche 20c befestigt ist, wobei die Öffnungen 56 mit den Erhebungen 65 im Register sind. Die letzteren Erhebungen können auch so dimensioniert sein, daß, wenn der Deckel 16c auf eine Schale 10 gesetzt wird, die Inseln 60 weitgehend mit der Oberfläche der darin enthaltenen Masse 14 des Lebensmittels in Berührung kommen.
Es wird sich zeigen, daß in allen Realisierungen der Abb. 3, 4 und 8 bis 10 die die Öffnungen definierende Platte (34 oder 54) und die leitfähigen Inseln (40 oder 60) jeweils in parallelen, jedoch vertikal abständigen, horizontalen Ebenen angeordnet sind. Bei allen diesen Realisierungen und (wenn nichts Gegenteiliges angegeben wird) bei allen folgenden Realisierungen, können sowohl die Platte als auch die Insel oder Inseln aus Aluminiumfolie bestehen und auf einem Deckel oder einer anderen Containerwand aus mikrowellentransparentem, dielektrischem Material, wie einem der oben erwähnten Kunststoffe, befestigt sein.
In den Modusfiltern der Erfindung können die Inseln und Öffnungen verschiedene Geometrien annehmen, unter anderem:
(a) polygonal (einschließlich polygonal mit abgerundetem Apex), z.B. dreieckig, rechteckig, pentagonal, hexagonal, usw. Abb. 14 zeigt eine leitfähige Platte 74, die eine hexagonale Öffnung 76 definiert, in der eine kleinere, hexagonale, leitfähige Insel 80 angeordnet ist, die einen hexagonalen Ringspalt 82 entstehen läßt.
(b) rund oder elliptisch (einschließlich epitrochoid, multifoil und ähnliche Varianten) . Abb. 15 zeigt eine leitfähige Platte 84, die eine runde Öffnung 86 definiert, in der eine kleinere, runde, leitfähige Insel 90 angeordnet ist, die mit der Peripherie der Öffnung 86 konzentrisch verläuft, und zwar auf solche Weise, daß dazwischen ein runder Ringspalt 92 entsteht. Abb. 16 zeigt eine leitfähige Platte 96, die eine Anordnung generell elliptischer Öffnungen 96 definiert, in denen jeweils eine kleinere, jedoch konforme, leitfähige Insel 100 angeordnet ist, um mit der Peripherie der Öffnung einen generell elliptischen Spalt 102 zu definieren.
(c) konform (nicht unbedingt definierbar in bezug auf geometrische Formen) mit einer annähernd geometrischen Form des Lebensmittels und / oder des Containers und mit der Aufgabe, die Ausbreitung höherer Modi innerhalb der Lebensmittel zu fördern. Abb. 13 zeigt einen vielfach unterteilten Container 140, in welchem jede Unterteilung separat behandelt wird. Der Container ist mit einer Reihe metallischer Wände (nicht abgebildet) versehen, die Unterteilungen direkt unter den Regionen 150, 152, 154 und 156 in einem Deckel 158 bilden. Der Deckel besteht aus mikrowellen-transparentem Material und ist grundlegend transparent für Mikrowellenenergie. Jede Unterteilung verfügt über einen entsprechenden Oberflächenbereich im Deckel 158 und jeder Oberflächenbereich verfügt über eine in etwa konforme Platte aus metallischer Folie. Solche konformen Platten werden in Abb. 13 mit 160, 162, 164 und 166 gezeigt. Die Fläche jeder konformen Platte entspricht grundlegend der Oberfläche des Deckels, auf welchem sie befestigt ist. Jede konforme Platte ist mit einer konformen, mittigen Öffnung (jeweils 170, 172, 174 und 176) versehen, innerhalb welcher eine kleinere, jedoch konforme Insel aus metallischer Folie (jeweils 180, 182, 184 und 186) angeordnet ist, die mit der verbundenen Peripherie der Öffnung einen Ringspalt (jeweils 190, 192, 194 und 196) definiert. Jeder Spalt ist so dimensioniert, daß sich die richtige Kochenergie und -verteilung auf das Lebensmittel in der entsprechenden Unterteilung befindet. Spalt 190 ist zum Beispiel groß in Bezug auf Region 150. Das Lebensmittel in Region 165 hingegen erfordert beim Erwärmen eine andere Verteilung und der Spalt 196 ist dementsprechend dimensioniert.
(d) nicht konform und / oder nicht gleichmäßig in der Spaltbreite. Bei den oben beschriebenen Realisierungen wurde ein grundlegend gleichmäßiger Spalt gezeigt. Die Spaltbreite kann jedoch ungleichmäßig sein, wie zum Beispiel in Abb. 17 illustriert wird, wo eine rechteckige Öffnung 26a und eine rechteckige Insel 30a, die darin angeordnet sind, unterschiedliche Seitenverhältnisse aufweisen, so daß die Breite der kurzen Seiten 32a' des rechteckigen Spalts 32a zwischen ihnen größer ist als die Breite der langen Seiten 32a" des Spalts. Auch in Abb. 18 unterscheiden sich die elliptische Öffnung 96a und die elliptische Insel 100a, die darin positioniert ist, hinsichtlich ihrer Konfiguration, so daß der Spalt 102a zwischen ihnen variable Breiten aufweist. Die Geometrie der Insel kann bezüglich der Peripherie der Öffnung nicht konform sein, wie in Abb. 19, wo eine multilobale Insel 30b innerhalb einer rechteckigen Öffnung 26b angeordnet ist, um einen Spalt 32b von variabler Breite zu definieren. In Abb. 20 sind sowohl die Insel 30c als auch die Öffnung 32b nicht konform und wieder wird ein Spalt 32c von variabler Breite definiert. Und in Abb. 21 ist eine dreiblättrige Insel 90a innerhalb einer runden Öffnung 86b angeordnet, um einen Spalt 92a von variabler Breite zu definieren.
(e) bei geöffneten Inseln, wie sie in Abb. 22 gezeigt werden, wird eine multilobale Insel 30d in einer rechteckigen Öffnung 26d angeordnet, um so einen Spalt 32d von variabler Breite zu definieren (ähnlich wie die in Abb. 19 gezeigte Anordnung), wobei jedoch die Insel selbst ebenfalls über eine mittige Öffnung 27d verfügt.
Die verschiedenen, in Abb. 13 bis 22 illustrierten Konfigurationen gelten, wie verdeutlicht wird, lediglich als Beispiele für die diversen Anordnungen (mit gleichmäßigen oder ungleichmäßigen Spalten und geometrisch konformen oder nicht konformen Paaren aus Inseln und Öffnungen), die in den Strukturen der gegenwärtigen Erfindung Anwendung finden können. Auch wird darauf hingewiesen, daß, obwohl in den meisten dieser Abbildungen aus praktischen Gründen nur ein Paar aus Inseln und Öffnungen gezeigt wird, davon ausgegangen werden kann, daß eine aus einer Vielzahl von solchen Paaren bestehende Anordnung in einer kompletten modusfilternden Struktur vorhanden sein kann und daß die Paare einer solchen Anordnung miteinander identisch oder nicht identisch sein können, je nach dem gewünschten Erwärmungseffekt und den besonderen Gebrauchsbedingungen.
Für einen Lebensmittelartikel und / oder einen Container mit rechteckigem Querschnitt wird die Geometrie von Inseln und Öffnungen normalerweise und generell auch rechteckig sein Für einen Lebensmittelartikel und / oder einen Container zylindrischer Form wird die bevorzugte Geometrie von Inseln und Öffnungen normalerweise und generell auf einem zylindrischen Koordinatensystem beruhen, d.h. in "Zellen" unterteilt werden, deren Position von radialen und eckigen (harmonischen) Knoten definiert wird. Ein System der letzteren Art wird in Abb. 11 gezeigt, in der die Oberansicht eines zylindrischen Containers mit einem Kunststoffdeckel 16d mit einer planaren, runden Oberfläche dargestellt wird, auf welcher eine leitfähige Platte 204 befestigt ist, die fünf oder sechs identische, segmentförmige, in einer radial symmetrischen Anordnung verteilte Öffnungen 206 und fünf oder sechs konform geformte, jedoch kleinere leitfähige Inseln 210 definiert, die jeweils im Register mit den Öffnungen positioniert sind, um mit den Peripherien der Öffnungen fünf oder sechs Ringspalten 212 zusammen mit einer mittigen, runden Öffnung 205 und einer Insel 207, die einen runden Spalt 209 bezeichnet, zu definieren.
In den Modusfiltern der beschriebenen Realisierungen der Erfindung wird der Mindestabstand zwischen den Öffnungen durch die für die Lebensmittel gewünschte Verteilung der Wärme durch die für die Anwendung benötigte mechanische Robustheit und durch das Maß der ohmischen Erwärmung bestimmt, die in dem die Anordnung der Öffnungen definierenden Metall entsteht. In der Öffnungsanordnung aus Folie der Haushaltsgüte und mit rechteckigen Öffnungen wird die Breite der Folie zwischen den Öffnungen (z.B. die Breite der Streifen 28 in Abb. 1 bis 2) in der Regel 5mm oder größer sein.
Die Wärmeverteilung über die Ebene eines aus einer Vielzahl von Inseln und Öffnungen bestehenden Modusfilters kann modifiziert werden, indem die Größe der Inseln und / oder Öffnungen und / oder die vertikale Verschiebung der Inseln in bezug auf die Öffnungen über den Querschnitt der Struktur differential variiert wird. In der 3 x 3 Anordnung der Öffnungen 26 und verbundenen Inseln 30 in Abb. 12 in einer modusfilternden Struktur im Gegensatz zur generellen Art in Abb. 1 bis 2 und 5 bis 6 ist zum Beispiel die zentrale Öffnung unter den Öffnungen 26e zusammen mit ihrer verbundenen Insel 30e größer als die anderen, um das Erwärmen in den zentralen Regionen einer angrenzenden Lebensmittelmasse auf gewünschte Weise zu regulieren. Die Größe dieser zentralen Öffnung und Insel entspricht einem günstigen, höheren Modus im Lebensmittel.
Um besser mit der Form von Lebensmittelartikeln übereinzustimmen, kann die Gesamtform eines Modusfilters zum Beispiel gebogen oder gewellt sein und braucht nicht unbedingt planar zu sein. Abb. 25 und 26 zeigen gebogene Containerdeckel aus Kunststoff mit Modusfiltern in Übereinstimmung mit der Erfindung. In Abb. 25 verfügt die Oberfläche 20e des Deckels 16e über eine glatte, durchgehende, konvexe Krümmung. Eine die Öffnung definierende, leitfähige Platte 214 (die generell der Platte 24 in Abb. 1 entspricht) ist darauf befestigt, wobei die leitfähigen Inseln 220 (die generell den Inseln 30 in Abb. 1 entsprechen) auf der gleichen Deckeloberfläche angebracht sind.
Dieser gebogene Modusfilter entspricht einer Anordnung (wie z.B. in Abb. 1 bis 2), in der die leitfähige Platte und die Inseln an einer gemeinsamen Stelle liegen, und fällt unter die Definition eines Modusfilters mit komplanarer Platte und Inseln. In Abb. 26 verfügt die Oberfläche 20f des Deckels 16f über eine insgesamt aufwärtige, konvexe Krümmung und wird aus einer Vielzahl aus radial aufwärts erweiternden Erhebungen 223 gebildet, von denen jede eine im bezug auf die gesamte Krümmung der Oberfläche konzentrisch gebogene Oberfläche aufweist. Eine leitfähige Platte 224, die auf der unteren Ebene der Deckeloberfläche 20f befestigt ist, definiert eine Anordnung von Öffnungen 226, die jeweils mit den Erhebungen 223 im Register sind. Eine entsprechende Anordnung von leitfähigen Inseln 230 ist auf den oberen Ebenen der Erhebungen angebracht. Der gebogene Modusfilter in Abb. 22 entspricht somit jenen Anordnungen (wie z.B. in Abb. 3 bis 4 und 8 bis 10), in denen Platte und Inseln jeweils in abständigen, parallelen Ebenen angeordnet sind, und fällt unter die Definition der Plattenanordnungen auf Parallelebenen.
Weiter in Übereinstimmung mit der Erfindung und gemäß der Ausführungen zu Abb. 7 kann eine Vielzahl an Modusfiltern an verschiedenen Wänden oder Flächen desselben Containers zum Erwärmen durch Mikrowellen vorgesehen werden, zum Beispiel zur gleichzeitigen Behandlung multipler Lebensmitteloberflächen. Wenn Sie an oberen und unteren Ebenen einer Lebensmittelmasse in einem Container eingesetzt werden, können die verwendeten, modusfilternden Strukturen aus zwei definitiven, elektrisch isolierten Modusfiltern oder aus zwei Modusfiltern bestehen, deren Anordnung von Öffnungen aus dem gleichen metallischen Bogen geformt sind. Wenn zwei elektrisch isolierte Modusfilter eingesetzt werden, wird der Rest der Packung oder des Containers aus dielektrischem Material bestehen, damit die gesamte Packung vom Verbraucher als ein "Verbund-" und nicht als ein "Folien -" Container angesehen wird. Elektrisch isolierte Modusfilter können auch an den oberen und unteren Ebenen eines Containers mit metallischen Seitenwänden eingesetzt werden.
In Abb. 24 wird ein Container zum Erwärmen durch Mikrowellen gezeigt, der die Erfindung realisiert und sowohl obere als auch untere Modusfilter einschließt, zwischen welchen die zu erwärmende Lebensmittelmasse plaziert wird. Dieser Container kann die übliche "zweischalige" Form annehmen, d.h. eine in der Regel thermogeformte Packung aus Schaumkunststoff mit einem oberen Teil 231 und einem unteren Teil 233, die durch ein integriertes Scharnier oder eine Faltregion (nicht abgebildet) entlang einer Seite verbunden sind, die sich positiv verschließen oder einklinken lassen (durch geeignete und z.B. konventionelle Mittel, ebenfalls nicht abgebildet, entlang ihrer Kantenteile), wobei die Wände der Packung ein wenig verformbar sind. Eine modusfilternde Struktur der in Abb. 1 bis 2 dargestellten Art (einschließlich eine die Öffnungen definierende Platte 24 und Inseln 30) ist auf der flachen Oberfläche des oberen Teils der Packung 231 angebracht. Eine weitere, ähnliche, modusfilternde Struktur, die auf dem flachen Boden des unteren Teils 233 befestigt ist, definiert eine Anordnung von Öffnungen 236 (die in dieser Realisierung im Vergleich mit den Öffnungen 26 des oberen Modusfilters 22 in Form, Größe und Anordnung identisch und mit ihnen im Register sind) schließt auch eine ähnliche Vielzahl an Inseln 240 aus Aluminiumfolie ein, von denen jede mit der Peripherie ihrer verbundenen Öffnungen einen rechteckigen Spalt 242 definiert. Diese Spalten 242 entsprechen größen- und anzahlmäßig den Spalten 32 des oberen Modusfilters 22 und sind mit ihm im Register.
Als Alternative kann ein elektrisch isolierter Modusfilter in oder an einem Containerdeckel mit einer metallischen Schale verwendet werden, die die Öffnungsanordnung eines zweiten Modusfilters inkorporiert. Als weitere Alternative kann ein Modusfilter in engen mechanischen und elektrischen Kontakt mit einem Container kommen, der auf seinem Boden eine Öffnungsanordnung eines zweiten Modusfilters inkorporiert oder mit ihr integriert ist (wie bei einer taschenartigen Konstruktion). Wenn zwei Modusfilter, die aus dem gleichen Bogen konstruiert wurden, mit der gleichen Öffnungsanordnung versehen sind, kann dieser Bogen zu einem U geformt werden, um den zu erwärmenden Lebensmittelartikel zu umschließen, wie in der bruchstückartigen, perspektivischen Ansicht der Abb. 23 dargestellt wird. Hier wird ein U-förmig gewölbter Bogen 243 aus einem Folien/Kunststoff-Laminat mit einer Vielzahl rechteckiger, in der Folie eingebrachter Öffnungen 246 und einer ähnlichen Vielzahl kleinerer, aber konformer Folieninseln 250 gezeigt, die innerhalb der Öffnungen auf dem Kunststoff des Laminats aufliegen, um auf diese Weise rechteckige Ringspalten 252 von gleichmäßiger Breite zu definieren.
Durch die U-Form 253 des Bogens 243 werden die ersten und zweiten Anordnungen der spaltdefinierenden Öffnungen 246 und Inseln 250 jeweils auf gegenüberliegenden Seiten einer enthaltenen Lebensmittelmasse (nicht abgebildet) angelegt, so daß diese beiden Anordnungen in Wirklichkeit zwei Modusfilter ausmachen, die an gegenüberliegenden Flächen der Lebensmittelmasse aktiv sind. Die Kanten des Bogens 243 können bei Bedarf miteinander versiegelt werden, um so eine Tasche zu bilden, in welcher die zu erwärmende Lebensmittelmasse eingeschlossen werden kann.
Da die Eigenschaften einer Erwärmung durch Mikrowellen in vertikaler Richtung zu Unregelmäßigkeiten neigen (aufgrund der Verbindungseffekte, die durch die Gegenwart einer Glasplatte oder eines keramischen Herdbodens verursacht werden), können verschiedene obere und untere Modusfilterdesigns im gleichen Container vereint werden, d.h. um solche vertikalen Unregelmäßigkeiten der Erwärmungseigenschaften auszugleichen. Ein Ausgleich kann durch das Variieren der relativen Insel- und Öffnungsbereiche und / oder eine vertikale Verschiebung der Insel- und Öffnungsanordnungen erreicht werden.
Während die oben erwähnten Realisierungen als Illustrationen der Konstruktionen ausgewählt wurden, die mit zwei Modusfiltern verwendet werden können, können modusfilternde Strukturen auch in dreidimensionaler Form eingesetzt werden, wo Modusfilter sich an allen Oberflächen eines Lebensmittels befinden.
Die Betriebsart und -prinzipien des Modusfilter-Containers der Erfindung kann nun erläutert werden. In den beschriebenen Modusfilter-Strukturen, wie bei den einen Modus höherer Ordnung generierenden Mitteln des eingangs erwähnten Patents No. 4,866,234, definieren die Grenzen jeder Insel oder Öffnung einen Satz an Modi mit entsprechenden Querschnitten. Während eine Inselanordnung jedoch den Eintritt "unterer" (oder fundamentalerer) Modi durch Streifenlinien oder Schlitzlinien zuläßt, die durch die Kombination der Inseln definiert werden, wird der Eintritt der "unteren" Modi durch eine Anordnung von Öffnungen verhindert. Die Öffnungsanordnung kann somit als analog zu einer Reihe von Wellenleiter- (oder Hohlraum-) Öffnungen angesehen werden, von denen jede effektiv die unteren Modi aussperrt oder abschwächt.
Es wird nützlich sein, die Betriebs- oder Funktionsmerkmale eines Modusfilters im Sinne dieser Anwendung zu erläutern, und zwar in Analogie zu einem kompletten Container, wie er in der zuletzt erwähnten, gleichzeitig anhängigen Anmeldung beschrieben wird, wobei die Grenzen jeder Modusfilter-Öffnung als analog zu den metallischen Containerwänden angesehen werden und jede verbundene Modusfilter- Insel als analog zu einer einen höheren Modus generierenden Platte angesehen wird, wie in jener Anmeldung beschrieben wird. In einem Modusfilter, in dem die Inseln vertikal über einer Öffnungsanordnung angelegt sind (relativ zu einer zu erwärmenden Lebensmittelmasse), "versorgen" die Modusfilter-Inseln die Öffnungsanordnung, um den Umfang der dem Lebensmittel verfügbaren Leistungsenergie (zum entsprechenden höheren Modus) soweit zu vergrößern, daß er in die nicht modifizierte Öffnungsanordnung eindringt. Es wird darauf hingewiesen, daß im Falle einer Abwesenheit einer Inselanordnung der Einsatz von Öffnungen auf diesem spezifischen Gebiet als moderierende Vorgehensweise (oder eine Reduktion der verfügbaren Leistungsenergie) angesehen wird, so daß eine Öffnungsanordnung mit kleinen Öffnungen grundlegend als "Schutzschild" angesehen würde.
Es besteht ein Unterschied zwischen den vertikalen Verschiebungen (zwischen den Anordnungen von Inseln und Öffnungen), die mit den Modusfiltern der gegenwärtigen Erfindung möglich sind, im Gegensatz zu jenen, die zwischen einer einen höheren Modus generierenden Platte und den Wänden eines metallischen Containers des zuletzt erwähnten Patents bestehen. Bei den letzteren Containern wird es selten geschehen, daß die metallischen Platten unterhalb der vom Rand des metallischen Containers bestimmten Ebene positioniert werden, und es wäre offensichtlich nicht praktikabel, die Platte unter die Oberfläche des Lebensmittels zu legen. Im Gegensatz dazu kann, da die Öffnungsanordnung eines Modusfilters, wie er an dieser Stelle beschrieben wird, durch einen Luftspalt vom Lebensmittel getrennt werden kann, die untere Grenze der vertikalen Verschiebung der Inselanordnung relativ zur Öffnungsanordnung durch die Oberfläche des Lebensmittels bestimmt werden.
Dennoch ist es unter Einhaltung der zuvor erwähnten Analogie offensichtlich, daß durch eine differenzierte Variation der relativen Größe von Inseln und Öffnungen und / oder der vertikalen Verschiebung der Inseln die Wärmeverteilung bei Lebensmitteln über den Querschnitt der Modusfilter variiert werden kann.
Die Regulierung der vertikalen Wärmegradienten beruht auf den folgenden Überlegungen:
(a) Absorption / Schwächung macht sich besonders bemerkbar, wenn der induzierte Modus ausgesperrt wird (d.h. wenn der Zustand einer vergänglichen Ausbreitung besteht), und dies ist ein Hauptmerkmal der gegenwärtigen Erfindung.
(b) Wenn ein Lebensmittel Schichten mit deutlichen dielektrischen Eigenschaften enthält, kann die Regulierung der Modusstruktur eine freie Ausbreitung in der Schicht mit einer relativ hohen dielektrischen, Konstante und eine Aussperrung (hohe Schwächung / Absorption) in einer niedrigen dielektrischen, konstanten Schicht verursachen.
(c) Wenn also eine Krusten- oder Teig-/Panierschicht mit einer relativ niedrigen dielektrischen Konstante auf einem Lebensmittel mit einer höheren dielektrischen Konstante liegt, kann ein intensives Erwärmen in der Oberflächenschicht selektiv erzielt werden. Daher ist die Modusfilterung eine wertvolle Methode, den Effekt des Bräunens oder Knusprigwerdens zu fördern und gleichzeitig ein unerwünschtes, übermäßiges Kochen einer guten Masse zu minimieren.
(d) Wenn die Modusstruktur, wie bei einer Begrenzung durch eine Metallwand, in der horizontalen Ebene feststeht, wird der Absorptionskoeffizient des Lebensmittels durch die Querschnittsmaße des Modus bestimmt.
(e) Das heißt, für die feststehende, dielektrische Konstante eines Lebensmittels sowie die Leitfähigkeit und dielektrischen Verluste erhöht sich der Absorptionskoeffizient in der vertikalen Achse mit abnehmenden Modusdimensionen.
(f) Durch die Bestimmung der Modusdimensionen wird somit eine Regulierung der vertikalen Wärmegradienten erzielt.
Abb. 34 bis 36 illustrieren mittels graphischer Darstellungen das vertikale Absorptionsprofil der Mikrowellenenergie in einer Lebensmittelmasse, die an einen Modusfilterspalt angrenzen, und zwar für Bedingungen, die von über einer Aussperrung (Abb. 34) bis unter einer Aussperrung (Abb. 36) liegen, wobei die Masse ausreichend dick und / oder absorbierend ist, damit die Effekte der Reflektion und / oder Ausbreitung an gegenüberliegenden Oberflächen der Masse zum Zwecke der gegenwärtigen Analyse ignoriert werden können. Allgemein gesagt ist es die Dimension des einzelnen Modusfilterspalts (oder des offenen Spaltsegmets in Strukturen mit überbrückten Spalten in bezug auf Abb. 36), die bestimmt, ob ein Modus für eine Lebensmittelmasse mit einer spezifischen dielektrischen Konstante bei einer festgelegten Wellenlänge (normalerweise 2,45 GHz) der Mikrowellenenergie ausgesperrt wird.
Abb. 34 bis 36 können in bezug auf eine Lebensmittelmasse erklärt werden, die angrenzend an einer planaren, horizontalen, spalt- oder öffnungsdefinierenden, elektrisch leitfähigen Platte positioniert wird, wo die z-Achse die Achse der Ausbreitung in der Lebensmittelmasse ist (d.h. z=0 ist die Oberfläche der Masse bei einer Angrenzung an die Platte, und die Entfernung z in diesen Graphen ist die vertikal in die Masse eindringende Tiefe). In den Graphen ist E ² (die zweite Potenz der Intensitätshöhe des elektrischen Bereichs im vektoriellen Sinn) gegen z festgelegt, an der Schnittstelle der Kurven, wobei die E ²-Achse die zweite Potenz der Größe einer Referenz oder Oberflächenintensität ist. Aufgrund der Abhängigkeit der Energieaufnahme (Wärmeintensität) von E ² zeigen die Kurven in diesen Graphen die Steilheit der Absorption / Ausbreitung (in vertikaler Richtung in das Lebensmittel) für die verschiedenen, repräsentierten Bedingungen an und zeigen, daß die Steilheit des Absorptions-/Ausbreitungsprofils unter der Aussperrung viel größer ist als über der Aussperrung.
E ² ist proportional zu e-2αz, wobei α durch die folgende Relation definiert wird:
α² = -½ (ω²ue - k²) + ½ [(ω²ue - k²)² + ω²u² ²] ½ und
ω = 2πf, wobei f die Frequenz kennzeichnet;
u = uruo = magnetische Permeabilität (normalerweise ur = 1 für nicht magnetische Materialien;
uo = 4π x 10&supmin;&sup7; Joule (Sek.)²/(Coulomb)²-Messer;
e = ereo = dielektrische Konstante, wobei er die relative dielektrische Konstante und eo die (elektrische) Freiraum-Permittivität kennzeichnen;
eo = 8,8541878 x 10&supmin;¹&sup0; (Coulomb)²/Joulemesser;
α = Leitfähigkeit.
Vergängliche Ausbreitung unterliegt einem exponentiellen Gesetz, dessen Argument sowohl die reelle Komponente (+/-) α als auch eine komplexe Komponente (+/-) β einschließt, und wird durch die folgende Relation definiert:
β² = ½ (ω²ue - k²) + ½ [(ω²ue - k²)² + ω²u² ²] ½
die zu einer beinahe periodischen Variation der Energieabsorption mit der Tiefe der Penetration führt. Die in den Graphen dargestellten Kurven ignorieren β. Für Lebensmittel, die dick oder sehr absorbierend sind, kann β vernachlässigt werden. Daher sollten die Kurven als geglättete Repräsentationen der tatsächlich vorhandenen Werte angesehen werden.
Es wird darauf hingewiesen, daß die Ausdrücke α² und β² zulassen, daß α und ß positive oder negative Zeichen annehmen. Die Auswahl eines negativen Zeichens von α in der Proportionalität, die E ² bestimmt, spiegelt die Absorption der Energie und gleichzeitige Schwächung von E ² bei der Penetration wider. Das Bestehen einer Komponenten mit einem positiven α-Begriff zeigt entweder die Reflektion oder den Energieeintritt von einer entgegengesetzten Oberfläche an. Die quasi-periodische Variation aufgrund von ±β beruht auf Eulers Formel
e±jβz = cos βz V6,1 ± j sin βz
wobei j = (-1)½ ist. Auch sollte die Beziehung von α und β zur gemeinsamen Ausbreitungskonstante p in der vertikalen Achse beachtet werden, d.h p = α + fβ.
Der Freiraumwert von er ist Eins. Bei Lebensmitteln wird er im wesentlichen durch den Feuchtigkeitsgehalt oder die Wasseraktivität des Lebensmittels bestimmt, so daß der Wert für er bei Lebensmitteln mit hohem Feuchtigkeitsgehalt sich fast dem Wert für Wasser nähern wird, für welchen (bei einer Frequenz von 2,45 GHz) er von etwa 80 bei 0ºC bis etwa 55 bei 100ºC variiert und der Wert für Eis etwa 4 beträgt. Bei Lebensmittelkomponenten mit geringer Dichte und geringem Feuchtigkeitsgehalt, wie zum Beispiel teilweise vorgekochte Teig - oder Panierschichten, beträgt der Wert für er etwa 5, je nach der Ausbalancierung ihres Feuchtigkeitsgehalts mit angrenzenden Lebensmitteln mit hoher Wasseraktivität.
Für einen beliebigen Ausbreitungsmodus von Mikrowellenenergie besteht die Bedingung für eine Aussperrung darin, daß k² (definiert als die Trennungskonstante für die Gleichungen, welche die in der Ebene der Platte gerichteten Komponenten leitet) genauso groß wie oder größer als ω²ue ist. Von den allgemein bekannten Relationen c = (uoeo)-½ und c = λof, wobei c die Lichtgeschwindigkeit und λo die Freiraum-Wellenlänge kennzeichnen, wird abgeleitet, daß ω²ue = 4π²er/λo² ist, wenn ur = 1 ist. Somit kann die Bedingung für eine Aussperrung (k&sub2; ≥ ω²ue) als k² ≥ 4π²/λ²eff, ausgedrückt werden, wobei die effektive Wellenlänge λeff = λo/er½ ist. Dabei beträgt f= 2,45 GHz und λo= 12,24cm. Wenn eine Aussperrung eintritt, wird die Größe des Begriffs α (auf welcher die Penetration der Mikrowellenenergie in das Lebensmittel beruht) beachtlich erhöht.
Der Wert k² hängt von der Geometrie und den Dimensionen des Spalts oder der Öffnung ab sowie vom berücksichtigten Modus. Im einfachen Fall einer rechteckigen Öffnung mit den horizontalen Dimensionen Lx, Ly für den [m,n] Modus
k² = π² [(m²/Lx²) + (n²/Ly²)]
und die Bedingung für eine Aussperrung ist
π² [(m²/Lx²) + (n²/Ly²)] ≥ 4π²/λ²eff.
So besteht zum Beispiel für den [0,1] oder [1,0] Modus die Bedingung für eine Aussperrung darin, daß die relevante Dimension L (d.h. Lx oder Ly) genauso klein wie oder kleiner als λeff/² ist. Auch hier, im Fall einer runden Geometrie, in welcher für den [m,n] Modus
k² = j²m,n/ro²
gilt, wobei jm,n die n-te Null der m-ten Ordnung der Bessel-Funktion und ro der Radius der Öffnung kennzeichnen, besteht die Bedingung für eine Aussperrung im [0,1] Modus darin, daß ro genauso klein wie oder kleiner als 0,3827λeff ist. Zusammenfassend kann gesagt werden, daß die kritischen Dimensionen für eine Aussperrung für exemplarische Öffnungsgeometrien und Modi folgendermaßen lauten: Geometrie Modus Kritische Dimension Quadratisch Rechteckig Rund
Der Begriff k² kann in rechteckigen und runden Systemen leicht bestimmt werden (Tabellen der Nullen der Bessel-Funktionen sind in G.N.Watson, A Treatise on the Theory of Bessel Functions, Cambridge Univ.Press, 1922 zu finden). Für andere Spalt-/Öffnungsgeometrien (z.B.Ellipsen) ist die Analyse komplexer, aber es gilt die generelle Aussage, daß die Aussperrung eines bestimmten Modus eintritt, wenn die relevante horizontale Dimension des Spalts oder der Öffnung genauso klein wie oder kleiner als ein von der Spalt-/Öffnungsgeometrie, dem betreffenden Modus und der elektrischen Konstante der Lebensmittelmasse oder dem jeweiligen Massenteil bestimmter Wert ist. Wenn also das Ziel darin besteht, ein Bräunen oder Knusprigwerden durch die Bereitstellung einer Bedingung unterhalb der Aussperrung mit der daraus resultierenden Steilheit des Erwärmungsprofils für das Lebensmittel zu erzielen, ist es möglich, dies durch eine entsprechende Dimensionierung der Spalten oder Öffnungen der Modusfilter zu erreichen, d.h. indem solche Dimensionierungen unter dem Höchstwert für eine Aussperrung gehalten werden.
Wenn diese Überlegungen auf das Design eines Modusfilters angewendet werden, um ein Bräunen oder Knusprigwerden zu erzielen, wird beobachtet, daß offene, breite Öffnungen zu diesem Zweck nicht effektiv sind, da große rechteckige oder runde Öffnungen über niedrige Bereichsintensitäten verfügen und dadurch verhindert wird, den gewünschten Effekt einer Bräunung oder eines Knusprigwerdens zu erzielen. Durch das Einführen von Inseln in jenen Öffnungen wird eine bessere Harmonie erreicht und intensivere Bereiche können entlang den schmalen Spalten erwartet werden.
Schmale Spalten erzielen nachweislich den gewünschten Erwärmungseffekt. Die Spaltlänge wird ≥ λeff/² betragen. Für segmentierte Spalten wird die gewünschte Segmentlänge ungefähr λeff/² betragen. Eine gebogene Spaltlänge sollte ebenfalls ungefähr λeff/² betragen. Im Falle einer runden Öffnung mit einem schmalen Spalt zwischen Insel und Platte, sollte der Umfang fast (oder weniger als) λeff sein. Größere Spalten ermöglichen eine Resonanz in der radialen Dimension. Auf ähnliche Weise wird damit gerechnet, daß das Linienintegral der Spaltlänge für schmale, ununterbrochene, abgerundete Formen ungefähr oder weniger als λeff betragen wird.
Im allgemeinen sollte die Breite des Spalts (in den Insel- Öffnungs-Paaren oder Anordnungen) mindestens etwa 1mm betragen, um übermäßig hohe Bereichsintensitäten zu vermeiden. Die Länge des Spalts wird in der Regel mindestens etwa 5mm betragen.
In bezug auf die Realisierungen der Erfindung unter Anwendung von Paaren oder Anordnungen aus Inseln und Öffnungen (Spalten) und auf jene, die Kreisringe verwenden (im folgenden näher beschrieben), können die folgenden allgemeinen Prinzipien, auf welchen die kritischen (aussperrenden) Dimensionen beruhen, folgendermaßen aufgeführt werden:
Dimensionen von schmalen Spalten oder Kreisringen: für Spalten oder Kreisringe, die sich durch eine glatte Kurve ohne hervortretende Nasen oder Spitzen auszeichnen und einen geschlossenen Bereich umgeben, wird eine Aussperrung des untersten Modus eintreten, wenn die in der Kurve integrierte Linie kleiner als eine effektive Wellenlänge (λeff) ist. Wenn die Enden einer glatten, offenen Kurve nicht nahe beieinander liegen, wird die Aussperrung einem Kurvenlinienintegral von λeff/² entsprechen. Es wird davon ausgegangen, daß die Aussperrung für eine geschlossene Kurve mit Spitzen oder Nasen sowohl ihrem Umfang (eine effektive Wellenlänge) als auch ihren Segmenten (jedes beträgt λeff/²) entspricht. Bei einer ungeraden Zahl gleicher Segmente kann eine destruktive Störung zu einer Aufhebung der ihnen entsprechenden Modi führen. Bei einer offenen Kurve mit Nasen und Spitzen wird auf ähnliche Weise ihre gesamte Länge als Aussperrungsdimension gelten (λeff/²) und kann auch Modi der höheren Ordnung mit Aussperrungsdimensionen unterstützen, die als der von zwei solcher Spitzen oder Nasen begrenzte Abstand definiert werden.
Breite Spalten oder Kreisringe: wie ihre schmalen Gegenstücke werden breite Spalten oder Kreisringe Resonanzen über ihre Längen unterstützen. Sie werden jedoch auch zweidimensionale Resonanzen zulassen, die sich generell durch größere Aussperrungsdimensionen auszeichnen. So wird bei abnehmenden kritischen Dimensionen die Aussperrung zuerst für zweidimensionale Resonanzen eintreten und dann die Aussperrung jener Resonanzen, die durch Spalten- oder Kreisringlängen bestimmt werden. Durch die Auswahl von Dimensionen, die von Spalten- oder Kreisringlängen definierte Resonanzen unterstützen und gleichzeitig zweidimensionale Resonanzen aussperren, kann das Erwärmen der Masse des Absorptionsmittels mit der Erwärmung ihrer Oberflächen ausgeglichen werden.
Da sich in der Praxis ein Teil des Bereichs an der Lebensmittelfläche und an der Lebensmittelfläche angrenzend in freier Luft befinden wird, wird der Wellenlänge im Vergleich mit der obigen Definition ein etwas höherer Wert als λeff zukommen. Bei der Bestimmung der Aussperrungsdimensionen für die Insel-Öffnungsspalten oder -Kreisringe wird durch die gesamte Wellenlänge eine untere Grenze geschaffen, die als die Freiraum-Wellenlänge λo geteilt durch die Quadratwurzel der zum Absorptionsmittel relativen, dielektrischen Konstante, hier mit &epsi;r(m) gekennzeichnet, angesehen wird. Wenn diese Strukturen gut in der Masse des Absorptionsmittels eingebettet wird, wird diese untere Grenze die Aussperrungsdimensionen für die Spalten oder Kreisringe akkurat bestimmen. Die Koexistenz der Bereiche in der ein Absorptionsmittel umgebenden Luft führt jedoch dazu, daß Wellenlängen, die zur Bestimmung der Aussperrungsdimensionen an der Oberfläche des Absorptionsmittels verwendet werden (der Bereich, der für die Effekte des Bräunens und Knusprigwerdens von Interesse ist), weit größer als λo/er(m)½ sind.
Eine nützliche Approximation bei der Bestimmung der effektiven dielektrischen Konstante eeff an der Oberfläche eines dielektrischen Materials wird von S.B.Cohn, IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, MTT 17(10), 768 (1969) bezüglich des arithmetischen Durchschnitts der relativen dielektrischen Konstante er(m) des dielektrischen Materials und der relativen dielektrischen Konstante er(s) des Freiraums über seiner Oberfläche vorgeschlagen. Da die dielektrische Konstante des Freiraums einen Wert von eo, annimmt, muß die relative dielektrische Konstante er(s) Eins betragen. Daher ist die approximierte, effektive Wellenlänge λeff zwecks der Bestimmung der Aussperrungsdimensionen für Spalten oder Kreisringe an der Oberfläche von zu erwärmenden Lebensmitteln oder anderen Massen durch die folgende Gleichung gegeben
λeff = λo/ [(1 + er(m))/2]½.
Wenn dies nun beispielsweise auf die oben angeführten Dimensionen für die in Abb. 1 gezeigte Struktur (eine 5 x 4 Anordnung rechteckiger Öffnungen von jeweils 2,2 x 1,9cm und eingeschlossene Inseln von 1,8 x 1,4cm, so daß die höchste Spaltenbreite 2,5mm beträgt) bezogen wird, etablieren die oben angebrachten Überlegungen bezüglich "schmaler Spalten oder Kreisringe", daß die kritischen Dimensionen für eine Aussperrung ein Perimeter oder die Summe aus Spaltenlänge und -breite sind, die λeff entsprechen, oder entweder die Länge oder die Breite ist, die λeff/² entspricht. Mit den verschiedenen, auf den Dimensionen der Öffnungen (anstelle der Inseln) beruhenden Spaltenlängen, erhalten wir: Aussperrung Aussperrung an unterer Grenze
Für ein Lebensmittelprodukt mit einer Teig- oder Panierschicht mit einer dielektrischen Konstante von weniger als etwa 14, wird die Ausbreitung in dieser Schicht ausgesperrt sein, mit Ausnahme des hypothetischen Modus, welcher der Perimeterdimension des Spalts entspricht. Die Ausbreitung wird in der darunter liegenden Lebensmittelmasse aufgrund ihrer wesentlich höheren dielektrischen Konstante jedoch nicht ausgesperrt sein.
Für runde Spalten oder Kreisringe entsprechen die kritischen Dimensionen einem Durchmesser von λeff/π.
Die Regulierung der Wärmeverteilung in der horizontalen Ebene oder der Wärmegradienten in der "vertikalen" Achse wird erhöht, wenn der Eintritt der Strahlen durch andere Lebensmittelflächen unterdrückt wird. Diese Unterdrückung kann durch die Auswahl gesamter Modusfilterdimensionen und Trennung herbeigeführt werden, durch die Form oder Kontour der Kanten des Modusfilters (wie durch das Einführen gut bekannter "Hemm"-Strukturen) und / oder durch das Einführen von Metallwänden (die mit dem (den) Modusfilter(n) integriert werden können und die ebenfalls Modusfilter einschließen können).
Der Betrieb der Modusfilter dieser Erfindung kann auf folgende Weise verdeutlicht werden:
Unter Bezugnahme auf die Filteranordnungen im Einzelmodus, d.h. auf einer einzigen Oberfläche, wird eine Modifizierung der Wärmeverteilungen in der horizontalen Ebene eines Containers und / oder eines Lebensmittels in der Regel erzielt, indem die Inselanordnung über die Öffnungsanordnung und die daraus resultierende Struktur über einen metallischen Container oder Verbundcontainer positioniert wird. Die Designprinzipien, die eingesetzt werden, um ein bestimmtes Wärmemuster zu erzielen, ähneln jenen, die in den Containern im eingangs erwähnten amerikanischen Patent Nr. 4,866.234 verwendet wurden, allerdings mit der Ausnahme, daß es hier (in der gegenwärtigen Erfindung) in geringerem Maße erforderlich ist, den Eintritt "unterer" Modi auszugleichen.
Bei einer Verwendung mit den Containern zum Knusprigwerden, die in der eingangs erwähnten, veröffentlichten europäischen Anmeldung unter der Nr. 246,014 beschrieben werden, kann die Inselanordnung eines Modusfilters in Übereinstimmung mit der gegenwärtigen Erfindung oberhalb oder unterhalb der Öffnungsanordnung vertikal verschoben werden. In dieser Konfiguration kann gleichzeitig ein Knusprigwerden der oberen und unteren Oberflächen des Lebensmittels erzielt werden. Eine besonders wirksame Konfiguration ist jene, in der die Inseln mit dem Lebensmittel in Berührung kommen, jedoch unterhalb der Öffnungsanordnung angelegt sind. Bei einem Einsatz zum Bräunen oder Knusprigwerden wird ein Modusfilter generell die Insel- und Öffnungsdimensionen in Höhe von weniger als 2cm pro Seite anwenden.
Beispiele für die soeben angesprochenen Realisierungen der Erfindung, die auf den Böden oder Unterflächen der Containerschalen zur Mikrowellenerwärmung in Verbindung mit abgestuften Strukturen oder darin geformten Erhebungen vorgesehen sind, werden in den Abb. 27 und 28 gezeigt. In Abb. 27 wird ein Containerboden 301 aus dielektrischem Material (z.B. geformter Kunststoff) mit einer oder mehreren aufwärtigen Erhebungen 303 mit einer planaren, horizontalen, unteren Fläche, die oberhalb der oberen Fläche des Bodens abständig vorgesehen ist, gebildet. Eine die Öffnung definierende, leitfähige Platte 304 ist auf der letzteren Fläche befestigt, die zumindest eine Öffnung 306 definiert, durch welche die Erhebung 303 hervorragt. Eine leitfähige Insel 310 ist auf der oberen Fläche der Erhebung befestigt, um (mit der Öffnung) einen Ringspalt von gleichmäßiger Breite zu definieren, um so einen Modusfilter in Übereinstimmung mit der gegenwärtigen Erfindung zu erzielen. In Abb. 28 wird ein Containerboden 311 aus dielektrischem Material mit einer oder mehreren abwärtigen Erhebungen 313 mit einer planaren, horizontalen, unteren Fläche, die unterhalb der unteren Fläche des Bodens abständig vorgesehen ist, gebildet. Eine die Öffnung definierende, leitfähige Platte 314 ist auf der letzteren Fläche befestigt, die eine Öffnung 316 definiert, durch welche die Erhebung 313 nach unten zweigt, während eine leitfähige Insel 320 auf der unteren Fläche der Erhebung 313 befestigt ist, um wieder einen Ringspalt von gleichmäßiger Breite mit der Öffnungsperipherie zu definieren. Es wird davon ausgegangen, daß jeder dieser Modusfilter in den Abb. 27 und 28 eine Anordnung von Öffnungen, Inseln und Erhebungen einschließen kann, von denen zur einfachen Darstellung jedoch nur eine abgebildet ist.
Modusfilterstrukturen, die zur gleichzeitigen Behandlung multipler Oberflächen angeordnet sind, sind von besonderem Interesse zum Bräunen oder Knusprigwerden von mit Ausbackteig versehenen oder panierten Lebensmitteln wie Fischstäbchen, gebratenes Huhn, usw. In diesen Anordnungen werden, ähnlich wie bei den Containern in Abb. 7, 23 und 24, ein oder mehrere Lebensmittelartikel zwischen zwei modusfilternde Strukturen gelegt. Die Insel- und Öffnungsdimensionen werden ausgewählt, um das Erwärmen der Lebensmittelbeschichtung zu intensivieren. Zwei Arten von Bräunung oder Knusprigwerden können erzielt werden:
(A) "Gleichmäßig": Die Inselanordnungen liegen nahe an den oder berühren die Oberflächen des Lebensmittels und die Öffnungsanordnungen sind entweder komplanar oder "vertikal" vom Lebensmittel weg verschoben. Diese Konfiguration kann verwendet werden, um eine fast gleichmäßige, intensivierte Erwärmung der Oberflächen zu erzielen. Wenn (wie in Abb. 29 und 30 gezeigt wird) der dielektrische Boden 331, der die die Öffnung definierende Platte 334 und die Inseln 340 unterstützt, mit nach innen hervortretenden Erhebungen 333 geformt ist, werden die daraus resultierenden Kanäle 335 zwischen den Inseln ein Entlüften und Ablassen während des Erwärmens des Lebensmittels durch Mikrowellen verbessern.
(B) "Grillen": Die Öffnungsanordnungen befinden sich relativ nahe an den Oberflächen des Lebensmittels. Das daraus resultierende Muster des Bräunens / Knusprigwerdens entspricht in etwa den metallischen Bereichen der Öffnungsanordnung. Wenn die Inseln des Modusfilters auf nach außen hervortretenden Erhebungen liegen, verbessern die so geformten Vertiefungen das Entlüften und ermöglichen ein kollektives Ablassen vom Lebensmittel.
Diese und ähnliche Konfigurationen bieten viele Vorteile gegenüber sogenannten "Suszeptor"-Packungen:
(a) Da die Wärme im Lebensmittel und nicht in der Packung an sich induziert wird, können Materialien für niedrigere Temperaturen verwendet werden. Ein Vorteil der niedrigeren Temperaturen besteht in einer Reduktion bei der Generierung pyrolytischer Nebenprodukte.
(b) Die Regulierung der Wärmeverteilung über die horizontale Ebene der modusfilternden Strukturen ermöglicht ein gleichmäßigeres Erwärmen und / oder Bräunen und Knusprigwerden.
(c) Die relativ hohe, von den Strukturen herbeigeführte Impedanz sorgt für eine noch gleichmäßigere Wärmeverteilung bei den verschiedensten Lebensmittelartikeln. Durch das Variieren des Modusfilterdesigns kann auch ein selektives Erwärmen vorgenommen werden. Auch ist das Erzielen der gewünschten Erfolge weniger abhängig vom spezifischen, eingesetzten Ofen.
(d) Die Effekte des Erwärmens und / oder Bräunens und Knusprigwerdens können durch eine Variation des Modusfilterdesigns zwischen den oberen und unteren Lebensmittelflächen "ausgeglichen" werden.
(e) Die Gesamtform der Modusfilterstrukturen kann modifiziert werden, um sie besser an das zu behandelnde Produkt anzupassen.
(f) Ablassen und Entlüften können als integrierte Eigenschaft des Modusfilterdesigns eingebracht werden. Ein Bilden unterstützender Erhebungen durch Thermoformen hat flexiblere Packungen zur Folge, die sich besser an die Unregelmäßigkeiten der Oberflächen der Lebensmittel anpassen können.
(g) Die wärmebeständigen und wärmeverteilenden Eigenschaften der Metallflächen, die zur Berührung der Lebensmittel benutzt werden können, minimieren Beschädigungen der Packung, die durch lokalisierte "heiße" Bereiche verursacht werden, und reduzieren das Komtaminationsrisiko für das Lebensmittel durch Produkte, die durch das Erwärmen des Containers generiert werden.
(h) Da die modusfilternden Strukturen auf einem Kunststoff -Dielektrikum unterstützt werden können, kann aufgrund der Vielseitigkeit der Formungs- und Herstellungsmethoden für Kunststoffe eine Vielzahl an Containern und Packungen angeboten werden.
Die oben beschriebenen Modusfilter sind ein Unterteil eines viel weiteren Bereichs, der im Hinblick auf ihr Konzept auch mit den leitfähigen, eingekerbten Strukturen der zuletzt erwähnten europäischen Anmeldung verbunden werden können. Dieser viel weitere Bereich kann durch die folgenden Eigenschaften charakterisiert werden:
(1) Ein leitfähiger Bereich wird von den umgebenden oder angrenzenden Bereichen elektrisch unterschieden. Diesem unterschiedlichen Bereich zugehörige Modi werden in einem anliegenden Lebensmittel (oder absorptionsfähigen Material) induziert. Modi, die nicht unbedingt jenen entsprechen, die in diesem Bereich induziert wurden, dem umgebenden oder angrenzenden leitfähigen Bereich jedoch zugehören, werden ebenfalls im Lebensmittel induziert. Alle diese Modi werden höhere Modi sein als jene, die für die Kombination von Lebensmittel und Container fundamental sind. Sie können daher verwendet werden, um die Wärmeverteilung innerhalb des Lebensmittels zu modifizieren und / oder die Effekte eines Bräunens oder Knusprigwerdens zu induzieren.
(2) Der leitfähige Bereich wird auf verschiedene Arten (im Anschluß an (1)) unterschieden, die einzeln oder vereint verwendet werden können und welche folgendes einschließen:
(a) Der leitfähige Bereich kann von den umgebenden oder angrenzenden Bereichen durch einen Luftspalt oder einen dielektrisch gefüllten Spalt getrennt werden.
(b) Der Bereich kann leitfähig an die umgebenden oder angrenzenden Bereiche, die im Bezug auf die von diesen umgebenden oder angrenzenden Bereichen definierte Ebene angehoben oder gesenkt werden, verbunden werden, wobei jedoch die vertikale Trennung einen gewissen Grad elektrischer Bestimmtheit bietet (d.h Beziehung der vertikalen Phase). Diese Verbindung kann an einer oder mehren Seiten eines polygonalen Bereiches bestehen, so daß, wenn alle Seiten verbunden sind, die in der eingangs erwähnten EP-A-0 246041 beschriebenen Strukturen resultieren.
(c) Die elektrische Bestimmtheit eines auf diese Weise leitfähig verbundenen Bereichs kann auch durch das Etablieren einer Impedanz (im Sinne einer Streifenlinie / Schlitzlinie) erzielt werden, die sich in den Bereichen vom verbindenden Mittel durch ein Variieren der Breiten dieser verbindenden Mittel unterscheidet. Unterschiedliche Impedanzen können auch durch die Proximität des Bereichs oder der verbindenden Mittel zum Lebensmittel oder einer anderen dielektrischen Substanz erzielt werden.
(3) Eine Kombination oder eine Vielzahl solcher Kombinationen eines leitfähigen Bereichs und umgebender oder angrenzender, leitfähiger Bereiche kann gemäß der obigen Beschreibungen eingesetzt werden. Diese Kombinationen brauchen kein ähnliches Design aufzuweisen, sondern können größenmäßig oder in der Auswahl und / oder den Dimensionen des trennenden Spalts oder der leitfähig verbindenden Mittel variiert werden.
Als illustratives Beispiel wurden Modusfilter von Folienbögen vorbereitet, die gemäß der hier angeführten Überlegungen in einer Struktur, wie sie in der eingangs erwähnten EP-A-0 246041 beschriebenen wurde, effektiv in einem Modusfilter inkorporiert wurden. Diese Modusfilter sollten zum Knusprigwerden von panierten und mit Ausbackteig versehenen Fischfilets dienen. Alle die Filets berührenden Folienbereiche waren gleichgroß und wurden in den gleichen Positionen als die "Inseln" der Modusfilter angeordnet, die zuvor zum zum gleichen Zweck verwendet wurden. Die Berührungsbereiche wurden jedoch elektrisch mit den Folienbögen integriert, so daß zwei gegenüberliegende Seiten dieser rechteckigen Bereiche mit dem Bogen verbunden und aufwärts von ihm (d.h. zu den Filets hin) verschoben wurden. Die anderen gegenüberliegenden Seiten wurden nicht verbunden, so daß an diesen Seiten Luftspalten oder -schlitze bestanden. Das Knusprigwerden der Fischfilets konnte vollkommen mit jenem verglichen werden, das mit "Insel"-Konstruktionen erzielt wurde. Obwohl ein Knusprigwerden auch erreicht werden kann, wenn die einander berührenden Bereiche im Grunde umgelegte Lappen (mit dem Folienbogen verbunden) sind, muß beim Design dieser Strukturen vorsichtig vorgegangen werden, um eine Bogenbildung oder ein lokalisiertes Versengen der Oberflächen des Lebensmittelartikels zu verhindern. Wenn ein Lebensmittel zwischen zwei dieser Strukturen gelegt wird, brauchen die Schlitze der Strukturen nicht im Register zu sein.
Durch die Anzahl der möglichen Insel-/Öffnungsformen ist es offensichtlich, daß noch größere Kombinationen existieren, für welche eine oder mehrere Seiten der polygonalen "Inseln" mit der "Öffnungsanordnung" verbunden werden. Es sollte darauf hingewiesen werden, daß diese Strukturen auch als Schlitzmuster angesehen werden können, wobei die Schlitze Lappen oder andere Formen und selbst solche Strukturen definieren, die Schlitz-/Streifen-Mäanderlinien ähneln. Da ein einziger Schlitz in seiner Mitte ein Bereichmaximum (und somit eine lokalisierte Erwärmung im gleichen Bereich) herbeiführt, ist es wünschenswert, die Schlitze so zu konfigurieren, daß entweder ein gewünschtes Erwärmungsmuster oder eine gleichmäßige Erwärmung entsteht. Obwohl die durch die Schlitze definierten Strukturen Spitzen aufweisen oder von Natur aus eckig sind, können auch abgerundete oder gewundene Formen verwendet werden.
Weitere Beispiele für Strukturen in Übereinstimmung mit der Erfindung werden in den Abb. 31 bis 33 gezeigt. In Abb. 31 wird eine metallische Platte 350 mit einer Vielzahl abständiger, rechteckiger Erhebungen 352 gebildet, von denen jede eine flache Oberfläche 354 hat, die auf einer zu den Hauptflächen der Platte parallelen Ebene liegt. Die gegenüberliegenden Seitenwände 356 jeder Erhebung 352, die mit Erhebung und Platte integriert sind, verbinden die Oberfläche 354 mit der Platte an zwei Seiten. An den anderen beiden Seiten der Oberfläche 354 befindet sich ein offener Spalt 358 zwischen der Oberfläche und der Platte. In dieser Struktur ist jede leitfähige "Insel" die flache Oberfläche 354 einer Erhebung und ihre Peripherie besteht aus Biegungen 360 und Spaltoberkanten 362. Jede "Öffnung" hat eine Peripherie aus Biegungen 361 und Spaltoberkanten 366. Die Wände 356 stellen leitfähige Brücken dar, die den Spalt zwischen Öffnung und Insel überspannen. Die offenen Spalten 358 sorgen für eine elektrische Isolierung zwischen Öffnung und Insel, während die vertikale Verschiebung zwischen der Oberfläche 354 und der Platte 350 aufgrund von Phaseneffekten oder Effekten durch elektrische Abstände.
Die Struktur in Abb. 31 wird aus einem einzigen Metallbogen geformt, indem die Erhebungen 352 formgerecht geschlitzt und gezogen werden. In der modifizierten Struktur der Abb. 32, ebenfalls aus einer einzigen Metallplatte 350a geformt, werden die Teile 368, die unmittelbar an den Erhebungen 352a angrenzen, so weit aus den Hauptebenen der Platte gebogen, bis sie den Biegungen der Erhebungen entsprechen und gegenüberliegen, so daß ein Ziehen des Materials nicht erforderlich ist.
Abb. 33 zeigt eine planare, modusfilternde Struktur, in welcher eine metallische (leitfähige), eine rechteckige Öffnung 372 definierende Platte 370 und eine metallische (leitfähige) Insel 374 rechteckiger Konfiguration, die kleiner als die Öffnung und in ihr angeordnet ist, mittels leitfähiger Brückenteile 376 verbunden sind, die den Spalt 378 zwischen den Insel- und Öffnungsperipherien überspannen. Die Platte, Insel und Brücken werden integral von einem einzigen Metallbogen (z.B. aus einem Aluminium-Folienbogen geeigneter Güte) geformt, indem aus dem Bogen gegenüberliegende C-förmige Teile 380 des Spalts 378 ausgeschnitten werden. Diese Teile 380 sind offene (mikrowellen-transparente) Teile oder Segmente des Spalts. Ein so strukturierter Modusfilter führt zu Effekten, die mit denen jener Modusfilter vergleichbar sind, in denen eine komplette Isolierung zwischen Insel- und Öffnungsperipherie besteht, wie in den voranstehenden, in Abb. 1 bis 30 beschriebenen Strukturen. Eine modusfilternde Struktur in Übereinstimmung mit der Erfindung kann über einen solchen Modusfilter oder eine Anordnung von Modusfiltern dieser Brückenart verfügen, die zum Beispiel auf gleiche Weise angeordnet werden wie die rechteckigen Modusfilter der Abb. 1.
Die Anordnung in Abb. 33 stellt lediglich ein Beispiel für Brückenanordnungen dar, durch welche Inseln durch abständige, leitfähige Brücken, welche die Ringspalten zwischen den Öffnungsperipherien und den Inseln überspannen, zu einem integrierten Teil ihrer verbundenen, öffnungsdefinierenden, leitfähigen Platten werden. Solche Anordnungen sind aus fertigungstechnischer Sicht mit beachtlichen Vorteilen verbunden, da eine komplette modusfilternde Anordnung von Öffnungen und Inseln in einem einzigen Bogen Aluminiumfolie oder einem ähnlichen Material geformt werden kann und als eine Einheit in einem mikrowellen-transparenten Containerdeckel oder einer anderen unterstützenden Oberfläche angebracht werden kann. In diesen Strukturen sind die offenen Spaltteile oder -segmente (380 in Abb. 33) so dimensioniert, daß in vertikaler Richtung eine scharfe Schwächung bewirkt wird, so daß ein Bräunen oder Knusprigwerden der Oberfläche der zu erwärmenden Lebensmittelmasse erzielt werden kann.
Abb. 37 zeigt ein Gerät in Form eines dünnen Bogens 410 mikrowellen-transparenten Materials, auf welchem sich eine Anordnung rechteckiger Ringspalten 411 aus Aluminium oder einer anderen metallischen Folie befindet. Jeder Ringspalt 411 definiert eine Öffnung 412, die wie die Abstände 413 und 414 zwischen den Ringspal ten mikrowellen-transparent bleibt.
Der Bogen 410 kann in Verbindung mit einem standardgemäßen Lebensmittelcontainer 415 verwendet werden oder kann darin unterhalb eines Lebensmittelartikels (nicht abgebildet) oder oberhalb eines solchen Artikels gesetzt werden, je nachdem welche Oberfläche des Lebensmittelartikels einer erhöhten Temperatur zum Bräunen und / oder Knusprigwerden ausgesetzt werden soll. Wenn auf der anderen Seite sowohl die untere als auch die obere Fläche einer erhöhten Temperatur ausgesetzt werden soll, können zwei dieser Bögen im Container 415, einer unterhalb und einer oberhalb des Lebensmittelartikels, verwendet werden.
Jeder Bogen 410 kann flexibel sein, damit er sich der unregelmäßigen Form eines Lebensmittelartikels anpassen kann. Es kann zum Beispiel aus Polypropylen, Polyester, Polykarbonat oder einem anderen verlustarmen Material bestehen, das gegenüber Mikrowellenenergie grundlegend transparent ist.
Auf der anderen Seite kann der Bogen 410 starrer sein, d.h. aus verlustarmem Kunststoffschaum oder einem kartonähnlichen Material bestehen. Eine weitere Alternative ist Keramik oder Glas, vorausgesetzt ein solches Material ist gegenüber Mikrowellenenergie grundlegend transparent.
Ein Bogen 410 kann als Bestandteil des Containers in einen Container eingebracht werden, z.B. als Boden oder Deckel oder beides. Oder der Bogen 410 kann ein separates Element sein, das vom Verbraucher in Verbindung mit einem Container eingesetzt wird. Zum Beispiel kann der Verbraucher einen standardgemäßen Lebensmittelcontainer (mit einem mikrowellen-transparenten Boden) auf einen Bogen 410 in einen Mikrowellenherd stellen oder er kann einen Bogen 410 auf den Lebensmittelartikel auflegen, nachdem er den herkömmlichen Containerdeckel entfernt hat.
Darüberhinaus kann ein Bogen 410 direkt mit einem Lebensmittelartikel ohne jegliche Art von Container verwendet werden. Eine Pizza kann zum Beispiel erwärmt werden, indem sie in einem Mikrowellenherd einfach auf einen Bogen 410 gelegt wird, vorausgesetzt der Bogen 410 ist genügend weit vom Boden des Herdes entfernt, um eine Bogenbildung zu vermeiden.
Alle diese verschiedenen Möglichkeiten unterliegen jedoch der Anforderung, daß die Funktion des Bogens 410 (im folgenden näher beschrieben) darin besteht, daß er in der Regel der Oberfläche des Lebensmittelartikels, die, um eine maximale Leistung zu erzielen, eine verstärktes Erwärmen erfordert, nahe anliegen sollte, obwohl wünschenswerte Effekte mit einem gewissen Abstand zwischen dem Lebensmittelartikel und dem Bogen erzielt werden können.
Die Stärke der Metallfolie, welche die metallischen Ringkreise 411 bildet, wird ausreichen, um ihre Funktion als Suszeptor zu verhindern, da solch eine Metallfolie gegenüber der Mikrowellenenergie fast vollkommen reflektiv ist und vernachlässigbare Mengen jener Energie absorbiert. Wenn Aluminiumfolie für die Ringspalten verwendet wird, sollte ihre Stärke vorzugsweise etwa 6 oder 7 Mikrometer betragen, da dies eine praktische Aufrollstärke für Aluminium darstellt. Jedoch vor dem Hintergrund, daß diese Folie mikrowellen-reflektiv bleiben soll und nicht als Suszeptor agieren darf, kann eine so geringe Stärke wie 0,2 Mikrometer (die durch Spratzen entsteht) verwendet werden. Eine Stärke von etwa 0,01 Mikrometern hingegen würde dazu führen, das die Mikrowellenenergie absorbiert und erwärmt würde.
Vor der Beschreibung der Funktion der metallischen Ringspalten 411 ist es angebracht, alternative Formen aufzuführen, die diese Ringspalten annehmen können. Abb. 38 zeigt quadratische Ringspalten 420, Abb. 38A zeigt rechteckige Ringspalten 42oa, die bei 420b unterbrochen werden. Abb. 39 zeigt runde Ringspalten 421, Abb. 40 zeigt dreieckige Ringspalten 422 und Abb. 41 zeigt hexagonale Ringspalten 423. Alle letzteren Formen können mit Unterbrechungen in den Ringspalten versehen sein, wie jene in Abb. 38A, und solche Unterbrechungen müssen nicht uhbedingt an zwei Stellen, sondern können auch an einer einzigen Stelle oder an mehr als zwei Stellen auftreten. Darüberhinaus braucht die Form der vom Ringspalt definierten Öffnung nicht uhbedingt mit der äußeren Form des Ringspalts übereinzustimmen. Es kann zum Beispiel eine runde Öffnung in einem quadratischen Ringspalt verwendet werden. Kombinationen dieser verschiedenen Formen in einer bestimmten Anordnung sind möglich, ebenso Modifizierungen in der Auslegung einer Anordnung und Variationen der Größen verschiedener Formen in einer bestimmten Anordnung. Zum Beispiel können wechselnde Reihen der quadratischen Ringspalten 420 in Abb. 38 versetzt werden, um zwischen den Ringspalten ein mikrowellen-transparentes Material zu schaffen, um gewundene Wege nachzuvollziehen und gerade Wege zu vermeiden. Darüberhinaus ist zu bedenken, daß die Formen der Ringspalten den erwähnten geometrischen Formen nur annähernd zu entsprechen brauchen und daß die scharfen Ecken, die aus Einfachheitsgründen in den Zeichnungen zu sehen sind, durch ein Abrunden vermieden werden, um die Gefahr einer Bogenbildung zu reduzieren. Wie oben angezeigt wird, können die Ringspalten ein gewisses Maß an Unterbrechungen tolerieren und dennoch effektiv eine Öffnung definieren.
Für eine nähere Erklärung der Funktion dieser Ringspalten scheint es angebracht zu sein, mit dem einfachen Beispiel der quadratischen Form in Abb. 38 zu beginnen, in der die Dimensionen Di, Do und Db gekennzeichnet sind, die jeweils den inneren Abstand jedes Ringspalts, d.h. die Öffnungsbreite, den äußeren Abstand oder die externe Breite jedes Ringspalts und den Abstand zwischen angrenzenden Ringspalten (bei einer symmetrisch ausgelegten Anordnung) bezeichnen.
Die Funktion der Ringspalten besteht darin, eine Bedingung zu schaffen, unter welcher die Öffnung in jedem Ringspalt dazu führt, daß die Modi der Mikrowellenenergie, die sich durch die Öffnungen ausbreitet, für Luft und für Substanzen, die eine beachtliche Luftmenge enthalten (z.B. Ausbackteig, Semmelbrösel, Pastetenteig, usw.) und aus welchen sich die Oberfläche des Lebensmittelartikels wahrscheinlich zusammensetzt, ausgesperrt werden, ohne jedoch den von seiner Oberflächenschicht nach innen zeigenden Hauptteil des Lebensmittelartikel auszusperren.
Zum Beispiel beträgt die Wellenlänge in der Luft der Mikrowellenenergie bei der Standardfrequenz von 2,45 GHz etwa 12,24cm, während die Wellenlänge in der Lebensmittelmasse (die in der Regel hauptsächlich aus Wasser besteht, das über eine relative dielektrische Konstante von etwa 80 verfügt) im Bereich von etwa 1,3cm (reines Wasser) bis etwa 2,0cm liegen wird, je nach dem Wasseranteil in der Lebensmittelmasse. Es wird darauf hingewiesen, daß diese im folgenden angeführten Werte notwendigerweise annähernde Werte sind und aufgrund der Art der Lebensmittelmasse und des anderen zu erwärmenden Artikels stark variieren kann. Wenn die Oberflächenschicht aus einer anderen Substanz besteht als der Hauptteil des Lebensmittelartikels, wird die Wellenlänge in einer solchen Oberflächenschicht in der Regel zwischen der Wellenlänge der Luft und der des Hauptteils des Artikels liegen. Der Wert der relativen dielektrischen Konstante er für eine solche Schicht wird variieren (aufgrund, wie oben erwähnt, der Ausbalancierung zwischen einer relativ geringen, anfänglichen Wasseraktivität in der Oberflächenschicht und jener der darunterliegenden Lebensmittelmasse). Ein beispielhafter unterer Wert für er für Beschichtungen (wie Ausbackteig und ähnliches) vorbehaltlich dieser Überlegungen ist 5. Im weiteren Sinn ist ein illustrativer (aber nicht beschränkender) Bereich für er für eine umfassende Reihe von Oberflächenschichten 1,5 - 16, für welche die entsprechende Wellenlänge (bei 2,45 GHz) 10,0 bis 3,0cm beträgt. Eine Krümmelbeschichtung oder Kruste aus Blätterteig, in der sich eine große Anzahl an Lufttaschen befindet, kann typischerweise eine relative dielektrische Gesamtkonstante aufweisen, die zu einer Wellenlänge von etwa 8,0 bis 10,0cm führen wird. Eine dichtere Beschichtung, z.B. ein Ausbackteig, hingegen kann typischerweise eine Wellenlänge produzieren, die eher zwischen 3,0 und 5,0cm liegt, obwohl die Wellenlänge je nach der exakten Beschaffenheit der Beschichtung über diesen Bereich hinweg variieren kann. Daraus kann geschlossen werden, daß die Dimensionen der Ringspalten auf spezifische Lebensmittel und Beschichtungen (Oberflächenschichten) zugeschnitten werden können, sobald ihre ungefähren, relativen dielektrischen Konstanten feststehen oder durch Versuche ermittelt werden, um dafür zu sorgen, daß die Öffnungen, d.h. die Breitendimensionen Di, so angelegt sind, daß einige Modi der Mikrowellenenergie, die sich durch die Öffnungen ausbreiten, in der Oberflächenschicht (und in der Luft) unterhalb der Aussperrung (allgemein als "in" Aussperrung bezeichnet), jedoch im Hauptteil der Lebensmittelmasse an sich oberhalb der Aussperrung ("nicht in" Aussperrung) liegen. Es wird anerkannt, daß, um den Zustand "in Aussperrung" für die Modi [1,0] und [0,1] zu erzielen, die Dimension Di im Falle einer rechteckigen Struktur kleiner als die Hälfte der Wellenlänge in der betreffenden Substanz sein muß. In Übereinstimmung mit diesen numerischen Überlegungen können die halben Wellenlängen folgendermaßen tabellarisch dargestellt werden:
Hauptteil der Lebensmittelmasse 0,65 - 1,0cm
Oberflächenschicht der Lebensmittelmasse 1,0 - 3,0cm
Luft 6,0cm
Unter diesen Bedingungen wird eine gute Auswahl für den Wert der Di im Bereich von 10 bis 16mm liegen, vorzugsweise zwischen 12 und 14mm, da dieser Wert zu einer Situation führen sollte, in der die dominanten Modi der Mikrowellenenergie, die sich durch die Öffnungen ausbreiten, für die Oberflächenschicht (und Luft) "in Aussperrung", für den Hauptteil der Lebensmittelmasse jedoch "nicht in Aussperrung" sind. Wenn es in einer bestimmten Situation jedoch nicht wichtig ist, daß sich die fundamentalen Modi im Hauptteil der Lebensmittelmasse "in Aussperrung" befinden, kann der untere Wert dieses Bereichs weiter verringert werden, z.B. auf 5 oder 6mm. Ebenso gilt, daß, wenn die Oberflächenschicht der Lebensmittelmasse über eine relativ niedrige dielektrische Konstante verfügt, der obere Wert dieses Bereichs weiter erhöht werden kann, z.B. auf etwa 20 bis 25mm.
Es wird nachdrücklich darauf hingewiesen, daß die angegebenen numerischen Werte lediglich Beispiele darstellen und je nach Bedarf modifiziert werden können, um spezifischen Bedingungen und insbesondere der spezifischen Beschaffenheit des zu erwärmenden Lebensmittels angepaßt zu werden.
Wenn die Ringspalten nicht rechteckig sind, z.B. eine der in den Abb. 37, 39, 40 oder 41 gezeigten Formen annehmen, wird die effektive Breitendimension, die im Hinblick darauf in Erwägung gezogen werden muß, die Öffnung klein genug zu gestalten, um die Aussperrung in der Öffnungsschicht zu gewährleisten (d.h. entsprechend der Dimension Di), im Falle eines rechteckigen Ringspalts (Abb. 37) die größere interne Länge, im Falle eines runden Ringspalts (Abb. 39) der Innendurchmesser, im Falle eines dreieckigen Ringspalts (Abb. 40) das innere Dreieck und im Falle eines hexagonalen Ringspalts (Abb. 41) der Abstand zwischen einem Paar gegenüberliegender Innenflächen sein.
Darüberhinaus trifft das Kriterium "kleiner als die Hälfte der Wellenlänge" nur vollkommen auf quadratische und rechteckige Öffnungen zu. Bei runden Öffnungen wird es etwas komplizierter (zum Beispiel für den TE01 Modus ist die Aussperrungs-Wellenlänge λco = πD/2,4048, wobei D der Durchmesser der Öffnung ist), und für andere Geometrien noch viel komplizierter. Um jedoch eine generelle Bedingung für Aussperrungsdimensionen zu erhalten, genügt es zu sagen, daß die größte Dimension der Öffnung etwa der halben Wellenlänge entspricht, und daß exaktere Dimensionen durch routinemäßiges Testen ermittelt werden können.
Der Zustand der Aussperrung wird in Abb. 42 als (Diagramm dargestellt und zeigt die Energie E beim Eintritt in den Bogen 410. In dieser Zeichnung sollen die Größen der Wellenlängen dazu dienen, ihre jeweiligen Arnplituden und nicht ihre räumliche Positionierung zu veranschaulichen. Die Energie E gelangt durch eine Öffnung 412 in einen Ringspalt 411, wo eine Schwächung pro Einheit der zurückgelegten Distanz stattfindet (weil die Energie sich "in Aussperrung" befindet). Dann tritt die verbleibende Energie E' in eine Oberflächenschicht 426 ein, wo sie sich weiterhin "in Aussperrung" befindet. Zum Schluß gelangt die verbleibende Energie E" in den Hauptteil 427 des Lebensmittelartikels, wo sie sich nicht mehr "in Aussperrung" befindet und somit eine viel geringere Schwächung pro zurückgelegter Distanz eintritt, was allein auf die Absorption zurückzuführen ist.
Der Luftspalt 425 zwischen der Struktur und der Lebensmittelmasse wird so kurz wie möglich gehalten, da der Bereich in der Luft vergänglich verfällt und das Ziel darin besteht, daß der Großteil der Energie in die Oberflächenschicht absorbiert wird.
Wie in Abb. 42 gezeigt wird, wird die Energie E", die vom Hauptteil 427 des Lebensmittelartikels anhaltend absorbiert wird, denselben in der Tiefenrichtung der Ausbreitung gleichmäßiger erwärmen. Dies ist wünschenswert, da der Hauptteil des Lebensmittelartikels normalerweise über größere Tiefendimensionen verfügt als seine Oberflächenschicht.
Das Gesamtresultat besteht somit in einer verbesserten Erwärmung pro Einheitsvolumen in der Oberflächenschicht 426 relativ zur Erwärmung pro Einheitsvolumen im Hauptteil 427, und somit wird eine relativ hohe Temperatur in der Oberflächenschicht (mit folglichem Effekt eines Bräunens oder Knusprigwerdens) und eine gleichmäßigere Absorption der Wärme (bei einer niedrigeren Temperatur) im Hauptteil erzielt, so daß die inneren Bereiche dieses Hauptteils, die relativ weit von der Oberfläche entfernt sind, nicht vollkommen kalt sind.
Bei der Anordnung in Abb. 38 mit einem Wert von Di = 10 - 14mm zum Beispiel wäre ein praktischer Wert für Do etwa 20 bis 25mm und für Db etwa 4 bis 5mm, mit einem Mindestwert von etwa 3mm. Wenn der Wert für Db zu niedrig angesetzt wird, besteht eine größere Gefahr der Bogenbildung. Wenn Db zu groß angesetzt wird, neigt die Mikrowellenenergie dazu, sich durch die Freiräume 413 und 414 anstatt der Öffnungen 412 auszubreiten. Unter der Voraussetzung, daß die relative dielektrische Konstante innerhalb des oben erwähnten exemplarischen Wertbereichs (1,5 bis 16) liegt und solange Db nicht mehr als etwa 6mm beträgt, werden sich diese Freiräume ebenfalls für Luft und die Oberflächenschicht "in Aussperrung" befinden. Auf der anderen Seite kann die Tatsache, daß diese Freiräume 413 und 414 länglich sind, dazu führen, das ein Teil der Energie sich durch sie ausbreitet. Wenn dieser Effekt als nachteilig empfunden wird, kann er durch ein Versetzen der Ringspalten reduziert werden, um gewundenere Wege zwischen den Ringspalten (siehe Abb. 39 und 41) zu schaffen. Auch hat sich erwiesen, daß von der Einrichtung gute Resultate erzielt werden, wenn die Ringspalten durch ein ähnliches mikrowellenreflektives, grundlegend nicht absorbierendes Material miteinander verbunden sind (wie zum Beispiel in Abb. 38 durch gestrichelte Linien angedeutet wird) . Solch ein Layout miteinander verbundener Ringspalten ermöglicht es, daß die gesamte Anordnung in einem einzigen Arbeitsvorgang aus einem Bogen Aluminiumfolie ausgestanzt und als eine Einheit auf dem Substrat 410 befestigt werden kann.
Eine andere Bewertungsweise der Effekte der Anordnung von Ringspalten besteht darin, sie als Generatoren von Mikrowellenenergie einer höheren Ordnung anzusehen.
Die Realisierungen mit kontinuierlichen, grundlegend geraden, offenen Linien eines mikrowellen-transparenten Materials (Abb. 37, 38 und 40) ermöglichen eine Ausbreitung von Modi niedrigerer Ordnung und neigen somit dazu, eine bessere Massererwärmung zu erzielen (was mitunter wünschenswert ist, je nach Art, insbesondere des Wassergehalts, eines Lebensmittelartikels). Dieser Effekt kann reduziert werden, indem solche offenen Linien, wie in Abb. 39 und 41, vermieden oder die Reihen der Ringspalten versetzt werden (siehe Abb. 37, 38 oder 40)
Die Realisierungen der Erfindung, die bisher beschrieben und illustriert wurden, haben die Form einer Anordnung metallischer Strukturen auf einem mikrowellen-transparenten Bogen angenommen. Anstatt jedoch die erforderlichen Öffnungen zu bilden, um eine Aussperrung durch Formen aus dünnen, reflektiven, metallischen Formen oder Konfigurationen zu erzielen, kann die Erfindung auch bei der Definition der Öffnungen durch die Formen oder Konfigurationen eines Materials Anwendung finden, das sich von dem mikrowellen-transparenten Bogen durch eine andere elektromagnetische Eigenschaft wie zum Beispiel Leitfähigkeit, Verlustigkeit, dielektrische Konstante, räumliche Stärke, eine stufenweise Diskontinuität oder eine magnetische Eigenschaft unterscheidet, wie in den eingangs erwähnten, veröffentlichten europäischen Anmeldungen erläutert wird.

Experiment 1

Ein erstes Experiment wurde in einem rechteckigen Container mit Seitenwänden und einem Deckel aus Aluminium und einem Boden aus 10ml mikrowellen-transparentem Polykarbonat durchgeführt, so daß die gesamte Energie durch den Containerboden in den Container eindringt. Die Dimensionen des Containers waren 110mm x 110mm x 27mm. Um die Erfindung mit früheren Techniken zu vergleichen, wurden zwei verschiedene quadratische Anordnungen "A" und "B" verwendet. In der Anordnung "A" (frühere Technik) wurde jeder Ringspalt vollkommen aufgefüllt, d.h. er wurde zu einer Insel ohne Öffnung, und in der Anordnung "B" (in Übereinstimmung mit der Erfindung) bestanden Öffnungen wie in Abb. 37 und 38. In beiden Fällen betrugen Do = 20mm und Db = 5mm. Der Wert für Di war Anordnung
Jede Anordnung verfügte über neun Massen (Inseln in Falle der Anordnung "A" und Ringspalten in Falle der Anordnung "B"), die in einem quadratischen, nicht versetzen Layout wie in Abb. 38 angeordnet waren.
Beide Tests wurden anderweitig unter identischen Bedingungen durchgeführt, d.h. mit der gleichen Masse (315g der von Nabisco Co. hergestellten Getreiderohkost 'Cream of Wheat'*) und einem Erwärmen bei Höchsttemperatur im 700-Watt-Mikrowellenherd Cuisine-Master* von Sanyo über eine Zeitspanne von drei Minuten. Wie in Abb. 43 gezeigt wird, wurden Temperatursonden durch starre Kunststoffrohre in die Mitte der Masse L geführt, die den Container vollkommen ausfüllte, wobei sich die Sonde "X" auf dem oder sehr nahe am Boden, die Sonde "Y" in dreiviertel Tiefe der Masse und die Sonde "Z" auf halber Tiefe der Masse befand.
Die gemessenen Temperaturen werden jeweils in den Abb. 44A und 44B als Diagramm dargestellt, und es wird darauf hingewiesen, daß der Unterschied zwischen Kurve "X" (die Sonde "X" entspricht) und Kurven "Y" und "Z" (die jeweils Sonden "Y" und "Z" entsprechen) nach drei Minuten in Abb. 44B etwa 26ºC und im Gegensatz dazu in Abb. 44A etwa 5ºC beträgt. Auch war der absolute Wert der Temperatur der Kurve "X" bedeutend höher. Der 5ºC Vorteil der Kurve "X" gegenüber Kurve "Y" in Abb. 44A ist der normalen Schwächung der Mikrowellenenergie bei ihrem Eindringen in die Masse zuzuschreiben, wird jedoch zum Herbeiführen des gewünschten Effekts des Bräunens oder Knusprigwerdens als ungenügend angesehen.
Es wird darauf hingewiesen, daß, da die Masse eine gleichförmige Menge der Getreiderohkost 'Cream of Wheat'* war, die Masse über eine Oberflächenschicht verfügte, die sich in ihrer Beschaffenheit (und somit im bezug auf die relative, dielektrische Konstante) nicht bedeutend von ihrem Hauptteil unterschied. Das Experiment zeigte dennoch die bedeutend höheren Oberflächentemperaturen, die mittels einer Anordnung in Übereinstimmung mit der gegenwärtigen Erfindung erzielt werden können, selbst wenn keine dielektrische Konstante zwischen der Oberflächenschicht und dem Hauptteil der Masse vorhanden ist. Wenn solch ein Unterschied auch in der relativen dielektrischen Konstante vorhanden ist, wie in Experiment 2, wird damit gerechnet, daß der Temperaturunterschied zwischen der Oberflächenschicht und dem Hauptteil des Lebensmittelartikels noch deutlicher hervortritt.

Experiment 2

Ein zweites Experiment unter Verwendung anderer Lebensmittelartikel wurde durchgeführt, die sich durch eine andere Art von Oberflächenschicht auszeichneten, die gebräunt oder knusprig werden sollte, wobei die Formen der Ringspalten und somit der Öffnungen variiert wurden.
Zum Beispiel wurde ein Container mit tiefgefrorenem, mit Ausbackteig versehenem und paniertem Fisch (Schellfisch) erwärmt, indem zuerst hexagonale und dann quadratische Ringspalten angewendet wurden. Es wurde erwiesen, daß es bei einer Verwendung quadratischer Ringspalten manchmal besser ist, auf der Oberflächenschicht eine andere Öffnungsdimension als auf dem Boden zu verwenden.
Dieser Fischartikel zeichnete sich durch einen flachen Boden und eine abgerundete Oberfläche und Seiten aus und wog etwa 190g. Er wurde in einem mikrowellen-transparenten Container gelegt, dessen Boden mit einer Anordnung von 28 (4x7) rechteckiger Ringspalten mit den Dimensionen Do = 20mm und Di = 10mm versehen war. Eine ähnliche Struktur wurde über den Artikel gelegt, d.h. 28 (4x7) quadratische Ringspalten, jedoch mit den Dimensionen Do = 20mm und Di = 13mm. Das Ganze wurde 4½ Minuten lang bei Höchsttemperatur im gleichen 700- Watt-Herd erwärmt. Das Resultat war ein Produkt, das an sich gleichmäßig auf eine angemessene Serviertemperatur erwärmt, aber nicht übermäßig gekocht, und dessen Oberfläche entsprechend knusprig war.

Experiment 3

Dieses Experiment wurde in einem 750-Watt-Herd von Gerling, Modell GL701 (MPS 229-10)* durchgeführt. Der Container war quadratisch mit Dimensionen von 88mm Länge, 88mm Breite und 30mm Höhe und bestand aus Messing, um zu gewährleisten, daß die gesamte Mikrowellenenergie von oben in die Masse eindrang.
Die erste verwendete Masse war raffinierter Agar-Agar in feiner Körnerform in heißem Wasser, um eine gelähnliche Dichte von 1,03g/ml (erhältlich als "Bacto-Agar"* von Difco Laboratories, Detroit, Michigan, USA) zu schaffen.
Erste Läufe auf Höchsttemperatur für eine Zeitspanne von 20 Sekunden mit einem nicht modifizierten Container, d.h. ohne Deckel, und mit verschiedenen Massentiefen, zeigten jedesmal die gewöhnliche Ungleichmäßigkeit beim Erwärmen, d.h. eine kalte Mitte aufgrund der dominanten Einwirkung der fundamentalen Modi.
Entsprechende Läufe auf Höchsttemperatur für eine Zeitspanne von 20 Sekunden mit einer modusfilternden Anordnung wie in Abb. 37 und 38, die sich über die Oberfläche der Masse erstreckte und die Oberfläche der Masse berührte, zeigte eine gleichmäßigere Wärmeverteilung über die ganze Oberfläche der Masse sowie eine bedeutend bessere Erwärmung im mittleren Bereich.
Die Temperaturmessungen wurden mit einer AGA THERMOVISION Infrarotkamera, Modell 780*, vorgenommen und mit einem Abtastumsetzer 700* und Viewsoft* Software von VIEWSCAN LTD. ausgewertet.
Variationen in den Erwärmungsmustern wurden bei den verschiedenen Massentiefen beobachtet, d.h für eine Tiefe von 6-7mm (die theoretische Mindesttiefe für eine Absorption) und für eine Tiefe von 10-11mm (die theoretische Höchsttiefe für eine Absorption). Die Auswirkung der Tiefe auf die Energieabsorption ist Gegenstand der kanadischen Patentanmeldung mit der Seriennummer 590,860, die am 13.Februar 1989 eingereicht wurde (amerikanische Patentanmeldung mit der Seriennummer 359,589, eingereicht am 1.Juni 1989 und europäische Patentanmeldung, veröffentlicht unter EP-A-0 383 516). Es ergab sich, daß, obwohl sich bei verschiedenen Massentiefen Unterschiede beim Erwärmungseffekt herausstellten, die Tests, die mit einer modusfilternden Anordnung in Übereinstimmung mit der gegenwärtigen Erfindung durchgeführt wurden, in allen Tiefen eine ebenmäßigere, laterale Gleichmäßigkeit in bezug auf den Erwärmungseffekt aufwiesen, im Vergleich mit jenen Tests, die ohne eine solche Anordnung durchgeführt wurden.
* Warenzeichen
Um die Wärmeverteilung in vertikaler Richtung zu beobachten, wurde für das Experiment ein LUXTRON 750* fluoroptisches Thermometriesystem unter Verwendung eines Sondenpaars hinzugezogen. Eine Sonde wurde 2mm unterhalb der Oberfläche der Probemasse und die andere 5mm unterhalb der Oberfläche der Probemasse positioniert. Beide befanden sich in Längs- und Querrichtung in der Mitte der Probemasse. Die erste Sonde diente zur effektiven Messung der Temperatur der "Oberfläche". Diese Dimensionen wurden ungeachtet der Tiefe der Masse beibehalten, die entweder 6mm oder 10mm betrug. Ein Messen der Temperatur der "Oberfläche" mittels der Probe, die in Wirklichkeit 2mm unterhalb der Oberfläche angesetzt war, war aufgrund der finiten Dimensionen der Sonde selbst und zur Minimierung des Effekts des Abkühlens der Oberfläche erforderlich.
Die verwendeten Massen waren ein Teig (Gainborough Easi dough*), der zu einer gleichmäßigen Tiefe von entweder 6mm oder 10mm gerollt wurde.
Erste Läufe wurden im gleichen Messingcontainer durchgeführt und zwar ohne Anordnung auf der Oberfläche der Masse. Bei der Höchsttemperatur betrug das Temperaturdifferential zwischen Oberfläche und Masse nach 120 Sekunden etwa 20ºC für eine Masse von 6mm Tiefe und etwa 10ºC für eine Masse von 10mm Tiefe. Ein effektives Knusprigwerden wurde nicht erzielt.
Es wurden ähnliche Läufe mit verschiedenen Anordnungen in Berührung mit der Masse durchgeführt.
Die verwendete Anordnung (Abb. 45), die im Hinblick auf die Struktur der Abb. 1 ähnelt, wurde in zwei Teile unterteilt, nämlich eine Anordnung von Inseln 428 (Abb. 46) und eine Anordnung von Öffnungen 429 (Abb. 47). Drei Probemassen wurden unter identischen Bedingungen getestet, eine mit der Inselanordnung (Abb. 46) allein, eine zweite mit der Öffnungsanordnung (Abb. 47) allein und eine dritte mit einer Kombination dieser beiden Anordnungen, um eine in Abb. 45 dargestellte Verbundanordnung zu bilden. Es stellte sich heraus, daß keine der einfachen Anordnungen bei ihrer individuellen
* Warenzeichen
Anwendung effektiv war. Die Kombination ergab jedoch eine modusfilternde Anordnung, die zu einer gleichmäßigen Erwärmung der gesamten Oberfläche des Teigs und einer Intensivierung der Erwärmung auf der Oberfläche führte, d.h. eine Ungleichmäßigkeit der Erwärmung in vertikaler Richtung, die ausreichten, um ein zufriedenstellendes Bräunen auf der ganzen Oberfläche zu erzielen.
Wie von den Sonden gemessen wurde, waren die Temperaturdiffentiale zwischen Oberfläche und Masse jeweils etwa 45ºC und 38ºC für die 6mm und 10mm tiefen Probemassen.
Ein weiterer Lauf wurde unter Verwendung einer Teigmasse von 10mm Tiefe und einer modusfilternden Anordnung, die in Abb. 48 mit metallischen "Ringspalten" 431 in einer Form dargestellt werden, die kreuzförmige Öffnungen 432 bezeichnen, durchgeführt. Diese Ringspalten wurden auf einem Bogen 433 mikrowellen-transparenten Materials angeordnet. Der Unterschied zwischen den Oberflächen- und Massentemperaturen betrug schon nach einer zwanzigminütigen Erwärmung bei Höchsttemperatur etwa 35ºC und dieser Wert wurde während der gesamten Erwärmung mehr oder weniger beibehalten. Die Anordnung der Abb. 48 wurde getestet, um zu demonstrieren, daß die innere Form der Ringspalten, d.h. die Öffnung, in diesem Fall eine kreuzförmige Öffnung, nicht unbedingt mit der äußeren Form des Ringspalts, in diesem Fall ein Quadrat, übereinstimmen muß.
Während die oben aufgestellte Theorie, nämlich die, daß die verbesserte Oberflächenerwärmung, die in den obigen Experimenten vorgeführt wurde, erzielt werden kann, grundsätzlich auf die Tatsache zurückzuführen ist, daß einige Modi der Mikrowellenenergie, die sich durch die Öffnungen ausbreiten, in der Oberflächenschicht "in Aussperrung" sind, die beste Erklärung ist, die Anwendern derzeit verfügbar ist, soll an dieser Stelle darauf hingewiesen werden, daß andere Faktoren in einem komplexen System wie das bei der Ausbreitung von Mikrowellenenergie in begrenzten Bereichen eine Rolle spielen könnten. Zum Beispiel kann die verbesserte Oberflächenerwärmung, die beobachtet werden konnte, auf eine Kombination von Effekten zurückzuführen sein, unter anderem nicht nur die Größe der Öffnung in jedem Ringspalt, sondern auch die Breite des mikrowellen-reflektiven Materials, das die Ringspalten formt, und die Abstände zwischen den Ringspalten.
Es wird davon ausgegangen, daß die wichtigste Überlegung, die hier zu berücksichtigen ist, die bemerkenswerte Verbesserung der praktischen Resultate, die durch die Anwendung der an dieser Stelle beschriebenen Strukturen erzielt werden konnten, und daß diese Tatsache unabhängig von der Theorie Gültigkeit hat, die hinsichtlich der an jenen Verbesserungen beteiligten Mechanismen dargelegt wurde.
Es wird darauf hingewiesen, daß die Erfindung nicht auf die Merkmale und Realisierungen beschränkt ist, die an dieser Stelle aufgestellt werden, sondern auf andere Weise durchgeführt werden können, ohne den Geltungsbereich dieser Ansprüche einzuschränken.

Claims

1. Eine Methode zur Erwärmung einer Oberflächenschicht (426) eines Artikels, der durch Mikrowellenenergie (E) erwärmt wird, die sich dadurch auszeichnet, daß die besagte Energie durch eine Vielzahl von Öffnungen (412) in die Oberflächenschicht und von dort aus in den Hauptteil (427) des Artikels geleitet wird, und zwar auf solche Weise, daß die Modi der besagten Energie (E') sich in der

Oberflächenschicht "in Aussperrung" befinden, um die besagte Oberflächenschicht direkt durch die besagte Energie zu erwärmen.

2. Eine Methode gemäß dem Anspruch 1, die sich dadurch auszeichnet, daß die Oberflächenschicht eine niedrigere dielektrische Konstante als der Hauptteil hat und daß die Energie (E') im Hauptteil "nicht in Aussperrung" ist, wodurch eine Absorption der Energie in der Oberflächenschicht pro Einheitsabstand in den Artikel erzielt wird, die größer ist als die Absorption der Energie pro Einheitsabstand in den Hauptteil, und wodurch folglich eine Erhöhung der Temperatur der Oberflächenschicht über die des Hauptteil hinaus gewährleistet wird.

3. Eine Methode gemäß der Ansprüche 1 oder 2, die sich dadurch auszeichnet, daß die Energie sich durch eine Vielzahl von durch Ringspalten (411) definierten Öffnungen (412) aus mikrowellenreflektivem, grundlegend nicht absorbierendem Material in der Oberflächenschicht ausbreitet.

4. Eine Methode gemäß dem Anspruch 3, die sich dadurch auszeichnet, daß jede der besagten Öffnungen über eine Breitendimension (Di) von etwa 5mm bis etwa 25mm verfügt.

5. Eine Methode gemäß der Ansprüche 1 oder 2, die sich dadurch auszeichnet, daß die Gleichmäßigkeit des Erwärmens des Artikels in lateraler Richtung transversal zur Richtung der Ausbreitung der Energie in der Oberflächenschicht verbessert wird, indem Modi höherer Ordnung einer solchen Energie im Artikel generiert oder verbessert werden.

6. Eine Einrichtung zur Durchführung der Methode des Anspruchs 1, die aus einem Bogen mikrowellen-transparenten Materials (20, 410) und einem Mittel zur Definition einer Reihe mikrowellen-transparenter Öffnungen (26, 412) für die Übertragung von Mikrowellenenergie in den besagten Artikel besteht, die sich dadurch auszeichnet, daß sich die Modi einer solchen Energie (E'), die sich durch die Öffnungen ausbreitet, mit der Frequenz der Mikrowellenenergie und mit einem an der Oberflächenschicht des zu erwärmenden Artikels anliegenden Bogen in der besagten, zu erwärmenden Oberflächenschicht direkt durch die besagte Energie "in Aussperrung" befinden.

7. Eine Einrichtung gemäß dem Anspruch 6, die sich dadurch auszeichnet, daß die Öffnungen solche Dimensionen aufweisen, daß sich die Energie, die sich durch die Öffnungen ausbreitet, im Hauptteil (427) des unter der Oberflächenschicht liegenden Artikels "nicht in Aussperrung" befindet und eine höhere dielektrische Konstante hat als die der Oberflächenschicht.

8. Eine Einrichtung gemäß der Ansprüche 6 oder 7, die sich dadurch auszeichnet, daß die besagten Mittel zur Definition der Öffnungen aus einer Vielzahl an Ringspalten (411) aus mikrowellen-reflektivem, grundlegend nicht absorbierendem Material auf dem besagten Bogen bestehen.

9. Eine Einrichtung gemäß dem Anspruch 8, die sich dadurch auszeichnet, daß die Ringspalten in einer Anordnung ausgelegt sind.

10. Eine Einrichtung gemäß dem Anspruch 9, die sich dadurch auszeichnet, daß die Anordnung so angelegt ist, daß das mikrowellentransparente Material zwischen den besagten Ringspalten gewundene Wege verfolgt.

11. Eine Einrichtung gemäß dem Anspruch 9, die sich dadurch auszeichnet, daß die Ringspalten der besagten Anordnung durch ein mikrowellen-reflektives, grundlegend nicht absorbierendes Material miteinander verbunden sind.

12. Eine Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 11, die sich dadurch auszeichnet, daß die besagten Ringspalten grundlegend rechteckig, grundlegend quadratisch, grundlegend rund, grundlegend dreieckig, grundlegend hexagonal sind oder aus einer Kombination solcher Formen bestehen.

13. Eine Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 12 zur Verwendung mit einem Lebensmittelartikel, der bei einer Frequenz von 2,45 GHz durch Mikrowellenenergie zu erwärmen ist, die sich dadurch auszeichnet, daß die besagten Öffnungen jeweils über eine transverse Richtung im Bereich von etwa 5 bis 25mm verfügen.

14. Eine Einrichtung gemäß dem Anspruch 8, die sich dadurch auszeichnet, daß die besagten Ringspalten über eine äußere Breite von etwa 10mm bis etwa 16mm und vorzugsweise 12-14mm verfügen.

15. Eine Einrichtung gemäß dem Anspruch 8 zur Verwendung mit einem Lebensmittelartikel, der eine relativ niedrige, dielektrische Konstante aufweist, die sich dadurch auszeichnet, daß die besagten Ringspalten über eine äußere Breite von etwa 20mm bis etwa 25mm verfügen.

16. Eine Einrichtung gemäß dem Anspruch 9, wobei die besagte Anordnung so angelegt ist, daß die Anordnung einen Abstand zwischen Ringspalten von etwa 3mm bis etwa 6mm zuläßt.

17. Eine Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 16 in Kombination mit einem zu erwärmenden Artikel, die sich dadurch auszeichnet, daß die Einrichtung zumindest in eine Wand eines Containers inkorporiert wird, in welchem der besagte Artikel sich befindet, wobei die besagte Wand oder die besagten Wände ein Boden oder ein Deckel oder beides des besagten Containers sind.

18. Eine Einrichtung gemäß dem Anspruch 6, die sich durch eine elektrisch leitfähige Platte (24) auszeichnet, die sich auf dem besagten Bogen aus mikrowellen-transparentem Material befindet, wobei die besagte Platte zumindest eine der besagten Öffnungen (26, 36, 56) mit geschlossener Peripherie und zumindest eine elektrisch leitfähige Insel (30, 40, 60) definiert, die sich grundlegend im Register mit der besagten Öffnung befindet, um einen für Mikrowellenenergie übertragungsfähigen Spalt (32, 42, 62) zwischen der äußeren Peripherie der Insel und der äußeren Peripherie der Öffnung zur Generierung von zumindest einem über den fundamentalen Modi im besagten Artikel liegenden Mikrowellenenergiemodus im zu erwärmenden Artikel zu definieren.

19. Eine Einrichtung gemäß dem Anspruch 18, die sich dadurch auszeichnet, daß der Spalt kontinuierlich offen ist.

20. Eine Einrichtung gemäß dem Anspruch 18, die sich dadurch auszeichnet, daß der Spalt in abständigen Intervallen von einem elektrisch leitfähigen Material überbrückt wird, das den Spalt zwischen der besagten Platte und der besagten Insel überspannt.

21. Eine Einrichtung gemäß dem Anspruch 18, die sich dadurch auszeichnet, daß die Insel eine Öffnung (27d) aufweist.

22. Eine Einrichtung gemäß dem Anspruch 18, die sich dadurch auszeichnet, daß die besagte Platte und die besagte Insel in komplanarer Relation zueinander angelegt sind.

23. Eine Einrichtung gemäß dem Anspruch 18, die sich dadurch auszeichnet, daß die besagte Platte und die besagte Insel jeweils in parallelen Ebenen angelegt sind, die in einer zu den besagten Ebenen transversen Richtung abständig sind.

24. Eine Einrichtung gemäß dem Anspruch 23, die sich dadurch auszeichnet, daß die besagte Insel flächenmäßig kleiner ist als die besagte Öffnung.

25. Eine Einrichtung gemäß dem Anspruch 23, die sich dadurch auszeichnet, daß die besagte Insel im Vergleich mit der besagten Öffnung flächenmäßig zumindest gleich groß ist.

26. Eine Einrichtung gemäß dem Anspruch 18, die sich dadurch auszeichnet, daß die besagte Platte eine Vielzahl der besagten Öffnungen definiert, die über ihre Fläche in abständiger Relation zueinander verteilt sind, mit einer Vielzahl der besagten Inseln, die mit den besagten Öffnungen im Register sind, um einer Anordnung von Ringspalten zu bilden, die über die Fläche der Platte verteilt sind.

27. Eine Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 18 bis 26, die sich dadurch auszeichnet, daß die Einrichtung einen ersten Wandteil eines Containers für den besagten Artikel bildet.

28. Eine Einrichtung gemäß dem Anspruch 27, die sich durch eine zweite besagte Einrichtung auszeichnet, die einen weiteren Wandteil des Containers bildet, welcher dem ersten Wandteil gegenüberliegt.

29. Eine Einrichtung gemäß dem Anspruch 27, die sich dadurch auszeichnet, daß der besagte Container eine sich nach oben öffnende Schale zur Aufnahme des besagten Artikels und einen Deckel zur Abdeckung der sich nach oben öffnenden Schale umfaßt, wobei die besagte Einrichtung auf dem besagten Deckel mit der leitfähigen Platte der Einrichtung versehen ist, die sich grundlegend über die gesamte Fläche des Deckels erstreckt.

30. Eine Einrichtung gemäß einem der Ansprüche 6 bis 29, wobei die besagten Mittel zur Definition der besagten Öffnungen Mittel umfassen, die auf dem besagten Bogen mikrowellen-transparenten Materials positioniert sind und die eine elektromagnetische Eigenschaft haben, die sich von der des Bogens unterscheidet.

31. Eine Einrichtung gemäß dem Anspruch 30, wobei die besagte elektromagnetische Eigenschaft Leitfähigkeit, Verlustigkeit, dielektrische Konstante, räumliche Stärke, eine stufenweise Diskontinuität oder eine magnetische Eigenschaft ist.