DE69127098T2

DE69127098T2 - Suszeptorstruktur mit zwei heizschichten

Info

Publication number: DE69127098T2
Application number: DE69127098T
Authority: DE
Inventors: Michael R. Plymouth Mn 55447 Perry
Original assignee: Pillsbury Co
Current assignee: Pillsbury Co
Priority date: 1990-12-20
Filing date: 1991-09-30
Publication date: 1997-11-20
Anticipated expiration: 2011-10-01
Also published as: AU8664791A; CA2097310C; WO1992011739A1; EP0563053A1; US5170025A; CA2097310A1; EP0563053A4; DE69127098D1; EP0563053B1

Description

Die gegenwärtige Erfindung betrifft Mikrowellenkochen. Genauer gesagt handelt es sich bei der gegenwärtigen Erfindung um eine Suszeptorstruktur zur Verwendung in einem Mikrowellenofen.
Aufwärmen von Nahrungsmitteln in einem Mikrowellenofen unterscheidet sich signifikant vom Aufwärmen von Nahrungsmitteln in einem herkömmlichen Ofen. In einem herkömmlichen Ofen wird Wärmeenergie an die äußere Oberfläche des Nahrungsmittels angelegt und bewegt sich nach innen, bis das Nahrungsmittel gekocht ist. Somit ist ein herkömmlich gekochtes Essen typischerweise heiß an den äußeren Oberflächen und warm in der Mitte.
Mikrowellenkochen involviert, andererseits, Absorption von Mikrowellen, die charakteristischerweise viel tiefer in das Nahrungsmittel eindringen, als Infrarotstrahlung (Wärme) es tut. Auch kann, beim Mikrowellenkochen, die Lufttemperatur in einem Mikrowellenofen relativ niedrig sein. Daher ist es nicht unüblich für in einem Mikrowellenofen gekochtem Essen, auf den Außenflächen kühl und viel wärmer in der Mitte zu sein.
Jedoch, um die äußeren Oberflächen eines Nahrungsmittels braun und knusprig zu machen, müssen die äußeren Oberflächen in einem ausreichenden Maß aufgewärmt werden, so daß Feuchtigkeit aus den äußeren Oberflächen des Nahrungsmittels herausgetrieben wird. Da die äußeren Oberflächen eines in einem Mikrowellenofen gekochten Nahrungsmittels typischerweise kühler als das Innere des Nahrungsmittels sind, ist es schwer, in einem Mikrowellenofen das Nahrungsmittel zu bräunen oder es knusprig zu machen.
Um Bräunen und Knusprig-Werden von Nahrungsmitteln in einem Mikrowellenofen zu erleichtern, sind Vorrichtungen, bekannt als Suszeptoren, entwickelt worden. Suszeptoren sind Vorrichtungen, die, wenn sie mit Mikrowellenenergie bestrahlt werden, sehr heiß werden. Durch Anordnen eines Suszeptors nahe an ein Lebensmittelprodukt in einem Mikrowellenofen wird die Oberfläche des Nahrungsmittelprodukts, die dem Suszeptor ausgesetzt ist, durch den Suszeptor oberflächenerhitzt. Somit wird Feuchtigkeit aus der Oberfläche des Nahrungsmittels herausgetrieben, und das Nahrungsmittel wird knusprig und braun.
Viele herkömmliche Suszeptorstrukturen enthalten einen dünnen Metallfilm, typischerweise Aluminium, aufgebracht auf ein Substrat, wie Polyester. Die metallisierte Polyesterlage ist typischerweise, zum Abstützen, an ein Stützglied, wie eine Lage aus Pappe oder Wellpapier, angebracht.
Herkömmliche Suszeptoren haben, jedoch, bestimmte Nachteile. Sie durchlaufen einen Prozeß, im Anschluß als "Aufbrechen" bezeichnet, in dem. die elektrische Kontinuität des dünnen Metallfilms während des Kochens verloren geht. Das Resultat des Verlusts der elektrischen Kontinuität ist ein irreversibler Verlust in der Mikrowellenansprechempfindlichkeit des Suszeptors und ein niedrigeres Niveau an prozentualer Leistungsabsorption durch den Suszeptor während des Kochens. Niedrigere Leistungsabsorption führt zu niedrigeren Suszeptorkochtemperaturen und setzt demgemäß die Fähigkeit des Suszeptors herab, Nahrungsmittel knusprig werden zu lassen.
Als ein Beispiel eines herkömmlichen Suszeptorbetriebs wird ein gefrorenes Nahrungsmittelprodukt auf einen Suszeptor angeordnet. Der Suszeptor und das Nahrungsmittelprodukt werden dann Mikrowellenenergie in einem Mikrowellenofen ausgesetzt. Da der Imaginärteil der komplexen relativen Dielektrizitätskonstante von Eis sehr niedrig ist, ist das gefrorene Nahrungsmittelprodukt anfänglich ein schlechter Absorber von Mikrowellenenergie. Daher wird der Suszeptor fast der kompletten Menge an in den Mikrowellenofen zugeführter Mikrowellenenergie ausgesetzt, heizt schnell und beginnt, einen Aufbruch zu durchleben. In der Zwischenzeit absorbiert das gefrorene Nahrungsmittel sehr wenig Energie.
Während das gefrorene Nahrungsmittelprodukt auftaut und beginnt, Mikrowellenenergie zu absorbieren, hat sich die Fähigkeit des Suszeptors, damit fortzufahren, Energie zu absorbieren, und somit damit fortzufahren, die Oberfläche des Nahrungsmittelprodukts aufzuheizen, bereits erheblich und irreversibel durch Aufbrechen verschlechtert. Da diese Verschlechterung (d.h., die Veränderung in der elektrischen Kontinuität des Suszeptors) irreversibel ist, kann der Suszeptor nicht genug Mikrowellenenergie, gedämpft durch das aufgetaute Nahrungsmittelprodukt, absorbieren, um das Nahrungsmittelprodukt ausreichend zu bräunen und knusprig werden zu lassen.
EP-A-0 350 249 beschreibt einen Mikrowellenheizsuszeptor, umfassend ein Laminat, enthaltend zwei individuelle Metallschichten, jede von einer Dicke, fähig zum Umwandeln eines Teils an Mikrowellenenergie in thermische Energie.
EP-A-0 344 839 beschreibt einen Suszeptor, umfassend ein Laminat, wobei das Laminat aus einem Plastikfilm, der eine Erweichungstemperatur hat, die die Veränderung einer Umwandlungstemperatur bestimmt, einer Metallschicht auf der Plastikschicht und Papier oder einer Papierplatte, tragend das Material, anhaftend an der Metallage, aufgebaut ist.
Daher besteht eine kontinuierliche Nachfrage nach der Entwicklung von Suszeptorstrukturen, die dazu fähig sind, kontinuierlich aufzuheizen und Nahrungsmittelprodukte knusprig werden zu lassen während eines Mikrowellenkochens.
Gemäß dieser Erfindung wird eine Suszeptorstruktur geliefert, umfassend eine erste Heizschicht, die ausgebildet ist, um auf Bestrahlung mit Mikrowellenenergie hin aufzuwärmen, wobei der Suszeptor ferner eine zweite Heizschicht umfaßt, die ausgebildet ist, um auf Bestrahlung mit Mikrowellenenergie hin aufzuwärmen, bis die zweite Heizschicht ein Schwellentemperaturniveau erreicht, und die zweite Heizschicht mit der ersten Heizschicht so verbunden ist, daß die zweite Heizschicht im wesentlichen Aufheizen nach Erreichen des Schwellentemperaturniveaus reduziert und die erste Heizschicht mit Aufheizen fortfährt, nachdem die zweite Heizschicht Aufheizen im wesentlichen reduziert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Suszeptor ferner ein Substrat, das eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, wobei die erste Heizschicht auf der ersten Seite des Substrats ist und die zweite Heizschicht auf der zweiten Seite des Substrats ist, wobei die erste Schicht weniger Mikrowellenenergie als die zweite Schicht während der Bestrahlung der Suszeptorstruktur mit Mikrowellenenergie absorbiert, und eine erste Abdeckschicht, verbunden mit der ersten Schicht, wobei die erste Abdeckschicht im wesentlichen formstabil relativ zu dem Substrat ist, wenn mit Mikrowellenenergie bestrahlt wird, und die erste Heizschicht fester an die erste Abdeckschicht als an das Substrat während der Bestrahlung der Suszeptorstruktur mit Mikrowellenenergie gekoppelt ist.
Bei einer anderen Ausführungsform umfaßt der Suszeptor ferner ein Substrat, das eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, wobei die erste Heizschicht auf der ersten Seite des Substrats ist und die zweite Heizschicht mit der zweiten Seite des Substrats verbunden ist; eine Freigabeschicht, verbunden zwischen dem Substrat und der zweiten Heizschicht, wobei die Freigabeschicht physische und elektrische Eigenschaften aufweist, die so ausgewählt sind, daß die Freigabeschicht die zweite Schicht von der steifen Anbringung an das Substrat löst, wenn die Suszeptorstruktur mit Mikrowellenenergie bestrahlt wird, und eine Abdeckschicht, verbunden mit der zweiten Heizschicht.
Vorzugsweise verbindet die Freigabeschicht die zweite Heizschicht starr mit dem Substrat vor dem Bestrahlen des Suszeptors mit Mikrowellenenergie.
Vorteilhafterweise umfaßt die Freigabeschicht eine nicht- schrumpfende Schicht, die effektiv die zweite Heizschicht von der starren Verbindung mit dem Substrat löst, wenn die Suszeptorstruktur mit Mikrowellenenergie bestrahlt wird, um relative Bewegung des Substrats bezüglich der ersten Heizschicht zu erleichtern.
Günstigerweise weist das Substrat eine Schmelztemperatur auf, und die nicht-schrumpfende Schicht umfaßt eine Polymerschicht, die eine Erweichungstemperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Substrats aufweist.
Vorzugsweise ist die nicht-schrumpfende Schicht aus Polyethylen niedriger Dichte und am bevorzugtesten aus amorphen Polyethylenterephthalat.
Vorzugsweise sind die erste und zweite Heizschicht ausgebildet, um als eine Funktion eines elektrischen Stroms aufzuheizen, der in der ersten und zweiten Heizschicht als ein Resultat der Bestrahlung mit Mikrowellenenergie fließt.
Vorzugsweise ist die zweite Heizschicht ausgebildet, um elektrische Diskontinuitäten nach Erreichen des Schwellentemperaturniveaus zu bilden, wodurch das Ausmaß an elektrischem Strom reduziert wird, der in der zweiten Heizschicht nach Erreichen des Schwellentemperaturniveaus fließt.
Vorzugsweise ist die zweite Heizschicht ein Metallfilm, der einen Oberflächenwiderstand in einem Bereich von ungefähr 30Ω/sq bis 250Ω/sq aufweist.
Vorteilhafterweise hat die erste Heizschicht physische oder elektrische Eigenschaften, so daß sie eine im wesentlichen konstante Menge an Mikrowellenenergie absorbiert, wenn sie mit Mikrowellenenergie bestrahlt wird.
Vorzugsweise absorbiert die erste Heizschicht in einem Ausmaß, das nicht größer als ungefähr 20% der Mikrowellenenergie ist, mit der die erste Heizschicht bestrahlt wird.
Vorteilhafterweise absorbiert die erste Heizschicht nicht mehr als 10% der Mikrowellenenergie, mit der die erste Heizschicht bestrahlt wird.
Vorzugsweise hat die erste Heizschicht physische und elektrische Eigenschaften, so daß sie anfänglich einen niedrigeren Prozentsatz an Mikrowellenenergie als die zweite Heizschicht absorbiert.
Vorzugsweise ist die erste und zweite Heizschicht ein erster bzw. zweiter Metallfilm.
Vorteilhafterweise ist die zweite Heizschicht ein Film aus Aluminium, Cobalt, Nickel, Titan, Chrom oder einer Legierung.
Bevorzugt ist das Substrat ein Polymermaterial, wie Polyethylenterephthalat.
Vorzugsweise umfaßt die erste Abdeckschicht Papier, Pappe oder ein Polymer.
Eine bevorzugte Suszeptorstruktur enthält ein Substrat mit einer ersten und einer zweiten Seite. Eine erste mikrowelleninteraktive Schicht ist auf der ersten Seite des Substrats angeordnet. Eine erste Abdeckschicht ist mit der ersten mikrowelleninteraktiven Schicht gekoppelt. Die erste mikrowelleninteraktive Schicht ist fester an die erste Abdeckschicht als an das Substrat während der Bestrahlung der Suszeptorstruktur mit Mikrowellenenergie gekoppelt. Somit liefert die erste mikrowelleninteraktive Schicht ungedämpfte Wärme.
Bei einer Ausführungsform ist eine nicht-schrumpfende Schicht zwischen dem Substrat und der ersten mikrowelleninteraktiven Schicht gekoppelt. Die nicht-schrumpfende Schicht gibt effektiv die erste mikrowelleninteraktive Schicht frei davon, fest mit dem Substrat gekoppelt zu sein, wenn die Suszeptorstruktur mit Mikrowellenenergie bestrahlt wird. Dies erleichtert eine Relativbewegung des Substrats relativ zu der ersten mikrowelleninteraktiven Schicht. Dies reduziert den Effekt, den eine Bewegung des Substrats auf die erste mikrowelleninteraktive Heizschicht während der Bestrahlung mit Mikrowellenenergie hat, und reduziert oder verhindert somit ein Aufbrechen in der ersten mikrowelleninteraktiven Heizschicht.
Fig. 1A ist eine Seitenansicht einer herkömmlichen Suszeptorstruktur des Stands der Technik.
Fig. 1B ist eine Draufsicht auf die Suszeptorstruktur, die in Fig. 1A gezeigt ist, und zeigt die Entwicklung von heißen Punkten.
Fig. 1C ist eine Draufsicht auf die Suszeptorstruktur, die in den Fig. 1A und 1B gezeigt ist, nachdem sich Diskontinuitäten an den heißen Punkten seitlich ausgebreitet haben.
Fig. 1D ist ein Graph, der die Oberflächenimpedanz eines Suszeptors, aufgetragen gegen die Temperatur in Grad C, zeigt.
Fig. 2 ist eine Seitenansicht einer Ausführungsform einer Suszeptorstruktur der gegenwärtigen Erfindung.
Fig. 3 ist eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform einer Suszeptorstruktur der gegenwärtigen Erfindung.
Fig. 3A ist eine Kurve, die die Oberflächenimpedanz eines Suszeptors der gegenwärtigen Erfindung, aufgetragen gegen Grad C, zeigt.
Fig. 4 ist ein Drei-Koordinaten-Plot einer Suszeptor-Reflexion, -Transmission und -Absorption im freien Raum, für einen Suszeptor in Übereinstimmung mit der Erfindung.
Die Suszeptoren, die in den Zeichnungen dargestellt sind, sind nicht im Maßstab gezeigt. Die Dicke der verschiedenen Schichten in dem Laminat ist sehr vergrößert worden.
Fig. 1A zeigt die relative Position von Komponenten einer Suszeptorstruktur 10 (Suszeptor 10) des Stands der Technik.
Der Suszeptor 10 enthält ein Substrat 12, auf das eine metallisierte Schicht 14 aufgebracht ist. Der Suszeptor 10 enthält auch eine Stützschicht 16. Das Substrat 12 ist typischerweise eine dünne Schicht aus orientiertem und heißfixiertem Polyethylenterephthalat (PET). Der metallisierte Film 14 ist, in dieser bevorzugten Ausführungsform, eine Aluminiumschicht, aufgebracht auf das Substrat 12 durch Vakuumaufdampf en, Spattern oder ein anderes geeignetes Verfahren. Die Stützschicht 16, typischerweise Pappe oder Wellpapier, ist mit der metallisierten Schicht 14 an einer Schnittstelle 18 über die Verwendung eines Klebemittels angebracht. Wenn der Suszeptor 10 in einem Mikrowellenofen angeordnet wird und mit Mikrowellenenergie bestrahlt wird, beginnt Strom damit, in der metallisierten Schicht 14 des Suszeptors 10 aufgrund eines elektrischen Feldes, erzeugt durch den Mikrowellenofen, zu fließen. Ein Teil des in der metallisierten Schicht 14 fließenden Stroms ist durch die vertikalen Pfeile, gezeigt in Fig. 1B, angezeigt. Während der Strom fließt, beginnt die metallisierte Schicht 14 damit, als eine Funktion des erzeugten Stroms und des Oberflächenwiderstands (Rs) der Schicht 14 aufzuheizen. Es ist, jedoch, beobachtet worden, daß die metallisierte Schicht nicht uniform aufheizt. Stattdessen entstehen heiße Punkte, wie die heißen Punkte 20 und 22, wie in Fig. 1B dargestellt.
Während die metallisierte Schicht 14 damit fortfährt, aufzuwärmen, und während die heißen Punkte 20 und 22 heißer wachsen, wird Wärme durch den Suszeptor 10 übertragen und erhöht sich auch die Temperatur des Substrats 12. Diskontinuitäten wie verdünnte Bereiche, Löcher oder Risse werden in der metallisierten Schicht 14 an den heißen Punkten 20 und 22 ausgebildet. Es soll bemerkt werden, daß, obwohl die Temperatur des PET-Substrats 12 220-260ºC an den heißen Punkten 20 und 22 beträgt, wenn die Diskontinuitäten beginnen, sich in dem Substrat 12 zu bilden, der Rest des Substrats 12 typischerweis viel kühler ist (z.B. 200ºC - 220ºC oder selbst niedriger).
Fig. 1C zeigt eine Draufsicht auf den Suszeptor 10, nachdem sich die Diskontinuitäten an den heißen Punkten 20 und 22 seitlich ausgebreitet haben. Während die Temperatur des Suszeptors 10 damit fortfährt, anzusteigen, bilden sich zusätzliche seitliche Risse in dem Substrat 12, wodurch eine Formation von mehr Diskontinuitäten in der metallisierten Schicht 14 angetrieben wird. Die seitlichen Risse und Diskontinuitäten, die sich in dem Substrat 12 und der metallisierten Schicht 14 bilden, zerstören im wesentlichen die elektrische Kontinuität in der metallisierten Schicht 14. Dies senkt die Ansprechfähigkeit des Suszeptors 10 auf Mikrowellenenergie, und der Suszeptor 10 beginnt, abzukühlen, trotz der fortfahrenden Bestrahlung mit Mikrowellenenergie. Somit wird die Fähigkeit des Suszeptors 10, ungedämpfte Wärme zu liefern, im wesentlichen zerstört.
Fig. 1D zeigt eine Kurve der Oberflächenimpedanz (Realteil, Rs, und Imaginärteil, Xs) des Suszeptors 10, aufgetragen gegen die Temperatur in Grad C. Die Diskontinuitäten beginnen, sich bei ungefähr 200ºC zu bilden, und fahren fort, sich zu bilden, bis der Suszeptor 10 im wesentlichen aufhört, zu heizen, oder bis ein Aufheizen reduziert wird.
Es sollte bemerkt werden, daß das elektrische Feld in einem typischen Mikrowellenofen eine beliebige Richtung aufweist. Somit treten Diskontinuitäten im allgemeinen in vielen Richtungen in der metallisierten Schicht 14 auf und folgen Orten mit heißen Punkten.
Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht einer Suszeptorstruktur (Suszeptor 30) der gegenwärtigen Erfindung. Der Suszeptor 30 enthält eine Abdeckschicht 32, eine Klebeschicht 34, eine metallisierte Schicht 36, ein Substrat 38, eine metallisierte Schicht 40, eine Klebeschicht 42 und eine Abdeckschicht 44. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform tragen die Abdeckschichten 32 und 44 den Rest der Suszeptorstruktur und umkleiden dieselbe. Die Abdeckschichten 32 und 44 sind typischerweise aus einem Polymermaterial oder einem anderen Typ eines Stützmaterials, wie Pappe oder Wellpapier, das formstabil über eine Temperatur ist, reichend bis zu mehreren hundert Grad C. Während des Kochens kann ein Nahrungsmittel in Kontakt mit entweder der Abdeckschicht 32 oder der Abdeckschicht 44 oder mit beiden gebracht werden.
Die metallisierte Schicht 36 ist auf das Substrat 38 auf die gleiche Weise aufgebracht, wie die metallisierte Schicht 14 auf das Substrat 12 des Suszeptors 10, gezeigt in Fig. 1A, aufgebracht ist. Das metallisierte Substrat 38 wird dann mit der Abdeckschicht 32 über ein Klebemittel 34 verbunden. Das Klebemittel 34 ist typischerweise ein kommerziell erhältliches Suszeptorklebemittel. Somit bildet die Abdeckschicht 32, das Klebemittel 34, die metallisierte Schicht 36 und das Substrat 38 im allgemeinen eine herkömmliche Suszeptorstruktur, wie den Suszeptor 10, der in Fig. 1A gezeigt ist.
Jedoch ist, bei dem Suszeptor 30, eine andere metallisierte Schicht 40 auf einer Seite des Substrats 38, gegenüberliegend der metallisierten Schicht 36, aufgebracht. Die metallisierte Schicht 40 ist, über eine Klebemittelschicht 42, an die zweite Abdeckschicht 44 angebracht.
Im Betrieb arbeitet die Abdeckschicht 32, die Klebemittelschicht 34, die metallisierte Schicht 36 und das Substrat 38 in einer im wesentlichen ähnlichen Weise wie ein herkömmlicher Suszeptor 10 und könnten somit wie jeder käuflich erwerbliche Suszeptor mit metallisiertem Film ausgebildet sein. Daher absorbiert die metallisierte Schicht 36, wenn mit Mikrowellenenergie bestrahlt, anfänglich eine hohe Energiemenge. Dann, wenn das Substrat 38 beginnt, heiß zu werden, entwickeln sich Diskontinuitäten in der metallisierten Schicht 36, wie mit Bezug auf die Fig. 1A, 1B, 1C und 1D beschrieben. Diese Diskontinuitäten reduzieren die elektrische Kontinuität der metallisierten Schicht 36, und, schließlich, wird der Beitrag zu dem Aufwärmen des Suszeptors 30 durch die metallisierte Schicht 36 reduziert.
Die metallisierte Schicht 40 ist, jedoch, an die Abdeckschicht 44 durch die Klebemittelschicht 42 angebracht. Die Klebemittelschicht 42 weist Eigenschaften auf, die die metallisierte Schicht 40 dazu bringen, stärker an der Abdeckschicht 44 als an dem Substrat 38 anzuhaften, wenn der Suszeptor 30 mit Mikrowellenenergie bestrahlt wird. Somit bringt es, während das Substrat 38 wärmer wird, Diskontinuitäten nicht dazu, sich in der metallisierten Schicht 40 zu entwickeln. Statt dessen wird die metallisierte Schicht 40 über die starke Klebemittelschicht 42 an Ort und Stelle gehalten, und, während das Substrat 38 lokal schmilzt und sich bewegt, wird es effektiv von der metallisierten Schicht 40 weggezogen, wodurch die metallisierte Schicht 40 intakt bleibt. Somit behält die metallisierte Schicht 40 ihre elektrische Kontinuität während der Bestrahlung mit Mikrowellenenergie. Dies ermöglicht eine fortfahrende Absorption von Mikrowellenenergie durch die metallisierte Schicht 40.
Wenn die metallisierte Schicht 40 ungeeignet ausgewählt wäre, würde eine fortfahrende Absorption von Mikrowellenenergie durch die metallisierte Schicht 40 zu einem Zustand führen, der als Durchgangserhitzen bekannt ist. In diesem Fall könnte die in dem Suszeptor 30 erreichte Temperatur, wenn mit Mikrowellenenergie bestrahlt, Temperaturen erreichen, die ausreichend sind, um das Papier oder Nahrungsmittelprodukt, das von dem Suszeptor 30 in dem Mikrowellenofen oberflächenaufgewärmt wird, zu versengen oder zu verbrennen.
Daher wird die metallisierte Schicht 40 mit elektrischen und physischen Eigenschaften ausgewählt, die, z.B., 5 bis 20 Prozent Leistungsabsorption im freien Raum liefern, wenn mit Mikrowellenenergie bestrahlt. Dies liefert eine aufrechterhaltene Aufwärmung des Nahrungsmittelprodukts durch den Suszeptor 30, ohne daß der Suszeptor 30 ein Durchgeherwärmen erfährt. Die metallisierte Schicht 40 kann ein reines Metall oder eine Legierung sein, dessen Impedanz, wenn auf eine andere Schicht aufgebracht, zuverlässig gesteuert werden kann. Bevorzugte Materialien sind Nickel, Cobalt, Titan oder Chrom. Die metallisierte Schicht 40 könnte auch entweder ein beschichtetes oder bedrucktes dielektrisches Medium mit ähnlichen Niveaus an Leistungsabsorption sein. Jedoch ist ein reines Metall bevorzugt, wenn die metallisierte Schicht 40 unter Einsatz von Bedampfen abgelagert wird, so daß Veränderungen in der Zusammensetzung während der Ablagerung nicht ein Problem darstellen.
Im wesentlichen wird die komplette Arbeitsweise des Suszeptors verbessert. Anfänglich absorbiert die metallisierte Lage 36 eine große Menge an Mikrowellenenergie, was die Temperatur des Suszeptors 30 dazu bringt, rasch anzusteigen. Dann beginnt die metallisierte Schicht 36 damit, aufzubrechen. Somit wird der Beitrag zum Aufwärmen durch die metallisierte Schicht 36 reduziert. Anstatt dann auf einen Punkt abzukühlen, an dem es nicht länger fähig ist, ein ausreichendes Oberflächenaufwärmen zu liefern, um die Nahrungsmitteloberfläche zu bräunen oder knusprig werden zu lassen, erlangt der Suszeptor 30 zusätzliche ungedämpfte Wärme über die metallisierte Schicht 40. Obwohl die metallisierte Schicht 40 einen niedrigeren Prozentsatz an Mikrowellenenergie absorbiert, als die metallisierte Schicht 36 anfänglich tut, um ein Durchlauferhitzen zu vermeiden, absorbiert die Schicht 40 eine ausreichende Menge an Mikrowellenenergie für den Suszeptor 30, um ein ungedämpftes Aufheizen zu erhalten, wodurch der herkömmliche Suszeptorbetrieb erhöht wird.
Die Klebemittelschicht 42 ist vorzugsweise ein Hochtemperaturstrukturepoxidharzklebemittel. Bei einer Ausführungsform wurde ein Hochtemperaturepoxidharzklebemittel verwendet, daß unter dem Handelsnamen SCOTCH-WELD 2214 von der 3M Firma in St. Paul, Minnesota, U.S.A., erhältlich ist. Jedes Klebemittel, das dazu fähig ist, große Impedanzverschiebungen in einer Metallschicht 40 durch starkes Ankleben an die Metallschicht 40 zu verhindern, kann mit der gegenwärtigen Erfindung zum Kochen von Nahrungsmitteln verwendet werden.
Als ein Beispiel eines Suszeptors 30 werden die Schichten 36 und 38 als ein herkömmlicher Suszeptor ausgebildet, die Schicht 40 ist 40 Inconel 600, aufgedampft auf ein PET-Substrat 38, was zu einer ungefähr 11%-igen Absorption im freien Raum führt. Die Klebemittelschicht 42 umfaßt ein Klebemittel aus SCOTCHWELD 2214, und die Schicht 44 ist eine 17 1/2 Punkt unbeschichtete Suszeptorplatte.
Fig. 3 zeigt eine zweite bevorzugte Ausführungsform der gegenwärtigen Erfindung. Viele der in Fig. 3 gezeigten Schichten sind ähnlich den in Fig. 2 gezeigten Schichten und sind entsprechend durchnummeriert. Bei der bevorzugten Ausführungsform, die in Fig. 3 gezeigt ist, enthält der Suszeptor 45, jedoch, auch eine Freigabeschicht 46, angeordnet benachbart zu dem Substrat 38. Bei dieser bevorzugten Ausführungsform ist die Schicht 46 ein nicht-schrumpfendes Material, das einen niedrigeren Erweichungspunkt als das Substrat 38 aufweist.
Im Betrieb arbeitet der Suszeptor 45 im wesentlichen genauso wie der Suszeptor 30, mit der Ausnahme der Freigabeschicht 46. Während sich der Suszeptor 45 aufwärmt, wird die Freigabeschicht 46 vor dem Substrat 38 weich, da es einen Erweichungspunkt aufweist, der niedriger als der Einsatz der Schmelztemperatur des Substrats 38 liegt, wie durch Abtastkalorimetrie bestimmt.
Die weich gewordenen Freigabeschicht 46, die typischerweise ein geschmolzenes Polymer ist, bildet somit eine viskose Schicht zwischen der zweiten metallisierten Schicht 40 und dem Substrat 38, bevor das Substrat 38 eine Formation von Diskontinuitäten in der Schicht 40 antreibt. Diese viskose Schicht erlaubt dem Substrat 38, sich zu bewegen und Diskontinuitäten lokal relativ zu der metallisierten Schicht 40 zu entwickeln, ohne daß das Substrat 38 Aufbrechkräfte auf die metallisierte Schicht 40 ausübt. Daher haftet die metallisierte Schicht 40 einfacher an der Klebemittelschicht 42 und behält im wesentlichen ihre Mikrowellenabsorptionsqualität (d.h. ihre elektrische Kontinuität) angesichts der Bewegung durch die Schicht 38.
Tatsächlich koppelt die Freigabeschicht 46 die Schicht 40 bei Raumtemperatur vorzugsweise fest an das Substrat 38. Wenn der Suszeptor 45 in Antwort auf Absorption von Mikrowellenenergie sich aufwärmt, wird die Schicht 46, jedoch, weich und gibt die Schicht 40 von ihrer festen Anbringung an das Substrat 38 frei, um eine relative Bewegung des Substrats 38 bezüglich der Schicht 40 zu erlauben, so daß die Schicht 40 ihre Absorptionsqualität aufrechthält, selbst wenn das Substrat 38 ein Aufbrechen der Schicht 36 hervorruft. Die Freigabeschicht 46 kann irgendein geeignetes Material sein, das einen Erweichungspunkt unterhalb des Substrats 38 aufweist und minimale Eigenspannungen aufweist, die die Schicht 46 dazu bringen könnten, zu schrumpfen. Solche Materialen könnten Polyethylen oder amorphes PET enthalten.
Fig. 3A zeigt eine Kurve der Impedanz (Realteil, Rs, und Imaginärteil, Xs) des Suszeptors 45, aufgetragen gegen die Temperatur in Grad C. Der Suszeptor 45 fährt mit einem Aufheizen weiter als der Suszeptor des Stands der Technik fort, wie gezeigt, außerdem kann die Schicht 40 eingestellt werden, um Durchgeherwärmen zu verhindern. Als ein Beispiel eines Suszeptors 45 ist eine Schicht 36 mit 278 Cr aufgedampft auf eine Schicht 38, die ein 0,01224 mm (48 Gauge) PET ist. Die Schicht 46 ist nominell eine 0,00051 mm (2 Gauge) amorphe PET-Schicht, und die Schicht 40 ist 46 auf die Schicht 46 aufgedampftes Cr, was eine ungefähr 12%-ige Absorption im freien Raum liefert. Die Schichten 34 und 42 sind beides Schichten eines kommerziell erhältlichen Suszeptorklebemittels, und die Schichten 32 und 44 sind kommerziell erhältliche Suszeptorplatten oder andere geeignete Materialien.
Fig. 4 ist eine Kurve, die einen Anteil an Leistungsabsorption, -reflexion und -transmission von einfallender Mikrowellenenergie im freien Raum durch beide Schichten 36 und 40 zeigt. In diesem Beispiel ist die Schicht 36 mit Absorption-, Reflexions- und Transmissionscharakteristiken ausgewählt, die im wesentlichen einem Bereich entsprechen, der durch die gestrichelte Box 48 gezeigt ist, beispielsweise Punkt A auf der Kurve in Fig. 4. Dies kann typischerweise ein Metall wie Aluminium sein, das einen Oberflächenwiderstand von ungefähr 100Ω/sq aufweist. Die Schicht 40 ist mit Absorptions-, Reflexions- und Trasmissionscharakteristiken ausgewählt, die ungefähr einem Bereich entsprechen, der durch die gestrichelte Box 50 gezeigt ist, beispielsweise Punkt B auf der Kurve in Fig. 4. Dies wird typischerweise ein Material sein, das einen Oberflächenwiderstand von ungefähr 200Ω/sq aufweist. Somit absorbiert die Schicht 36 anfänglich zwischen ungefähr 30 und 50 Prozent der Systemleistung, was den Suszeptor dazu bringt, rasch aufzuwärmen, und die Schicht 40 absorbiert ungefähr bis 5 bis 20 Prozent. Jedoch wächst die Oberflächenimpedanz der Schicht 36, während die Suszeptorstruktur beginnt, aufzuwärmen, und während das Substrat 38 beginnt, eine Formation von Diskontinuitäten in der Schicht 36 anzutreiben. Die durch die Schicht 36 absorbierte Leistung sinkt und kann sich, durch Aussetzen einer hohen elektrischen Feldstärke, Null nähern.
Die Oberflächenimpedanz der Schicht 40 ändert sich, jedoch, nicht signifikant durch Bestrahlung von Mikrowellenenergie. Daher fährt die Schicht 40 damit fort, ungefähr den gleichen Prozentsatz der Leistung zu absorbieren, der sie ausgesetzt wird. Das Nettoresultat ist eine höhere ununterbrochene Aufwärmung in der Suszeptorstruktur, ohne das Durchlaufen von Durchgeherwärmtemperaturen, die Papier versengen oder Nahrungsmittel verbrennen könnten.
Die Suszeptorstruktur der gegenwärtigen Erfindung verbessert die Aufwärmtätigkeit von herkömmlichen Suszeptoren, wenn mit Mikrowellenenergie bestrahlt. Die Suszeptorstruktur wärmt sich anfänglich recht schnell aufgrund der hohen Leistungsabsorption der Schicht 36 auf, aber die Schicht 36 bricht schließlich, um ein Durchgeherhitzen zu vermeiden. Die Schicht 40, die eine im wesentlichen unveränderte Mikrowellenabsorption aufweist, bleibt während der Bestrahlung mit Mikrowellenenergie intakt, und liefert somit ein uneingeschränktes Aufheizen in der Suszeptorstruktur. Die Aufheizfähigkeit der Schicht 40 wird durch ihre Impedanz bestimmt und ist so ausgewählt, daß ein Versengen oder Verbrennen (typischerweise 5-20% absorptiv) verhindert wird.
Es sollte bemerkt werden, daß, mit der Suszeptorstruktur der gegenwärtigen Erfindung, das aufzuwärmende Nahrungsmittelprodukt auf beide Seiten der Suszeptorstruktur (d.h. benachbart zur Abdeckschicht 32 oder zur Abdeckschicht 44) aufgebracht werden kann. Auch sollte bemerkt werden, daß, da es wünschenswert ist, zu vermeiden, daß irgendeine der Suszeptorkomponenten Teil des Nahrungsmittelsprodukts während des Kochens wird, die Abdeckschichten 32 oder 44 irgendeine Art von Beschichtung aufweisen sollten, die nicht an dem Nahrungsmittelprodukt haftet. Somit können die Schichten 32 oder 44 aus Plastik, Papier, einer Polymerbeschichtung oder irgendeiner anderen geeigneten Materialart sein, die nicht an Essen haften bleibt, oder sie weisen eine Freigabebeschichtung auf.
Es sollte bemerkt werden, daß verschiedene strukturelle Optionen existieren, um die gegenwärtige Erfindung zu erreichen. Die Schicht 44 kann, beispielsweise, aus Papier hergestellt sein, und das Papier kann mit der Metallschicht 40 metallisiert sein. Dann kann das metallisierte Papier auf das Substrat 38 oder die Schicht 46 aufgeklebt werden. Alternativerweise können die Schichten 46 oder 38 direkt mit der Schicht 40 metallisiert werden. Auf jeden Fall bleibt die metallisierte Schicht 40 während der Bestrahlung mit Mikrowellenenergie intakt, durch Isolierung der metallisierten Schicht 40 von den Bewegungskräften des Substrats 38. Dies ermöglicht uneingeschränktes Aufwärmen in dem Suszeptor, während Durchgeherhitzungsbedingungen vermieden werden.
Obwohl die gegenwärtige Erfindung mit Bezug auf bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, werden Fachleute erkennen, daß Veränderungen in Form und Detail gemacht werden können, ohne von dem Rahmen der Erfindung, wie in den Ansprüchen festgelegt, abzuweichen.

Claims

1. Suszeptorstruktur, umfassend eine erste Heizschicht (40), die ausgebildet ist, um auf Bestrahlung mit Mikrowellenenergie hin aufzuwärmen; dadurch gekennzeichnet, daß der Suszeptor ferner eine zweite Heizschicht (36) umfaßt, die ausgebildet ist, um auf Bestrahlung mit Mikrowellenenergie hin aufzuwärmen, bis die zweite Heizschicht ein Schwellentemperaturniveau erreicht, und daß die zweite Heizschicht (36) mit der ersten Heizschicht (40) so verbunden ist, daß die zweite Heizschicht im wesentlichen Aufheizen nach Erreichen des Schwellentemperaturniveaus reduziert und die erste Heizschicht (40) mit Aufheizen fortfährt, nachdem die zweite Heizschicht (36) Aufheizen im wesentlichen reduziert.

2. Suszeptorstruktur nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Substrat (38), das eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, wobei die erste Heizschicht (40) auf der ersten Seite des Substrats ist und die zweite Heizschicht (36) auf der zweiten Seite des Substrats ist, wobei die erste Schicht (40) weniger Mikrowellenenergie als die zweite Schicht (36) während der Bestrahlung der Suszeptorstruktur mit Mikrowellenenergie absorbiert, und eine erste Abdeckschicht (32), verbunden (34) mit der ersten Schicht, wobei die erste Abdeckschicht im wesentlichen formstabil relativ zu dem Substrat ist, wenn mit Mikrowellenenergie bestrahlt wird, und die erste Heizschicht fester an die erste Abdeckschicht als an das Substrat während der Bestrahlung der Suszeptorstruktur mit Mikrowellenenergie gekoppelt ist.

3. Suszeptorstruktur nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Substrat (38), das eine erste Seite und eine zweite Seite aufweist, wobei die erste Heizschicht auf der ersten Seite des Substrats ist und die zweite Heizschicht mit der zweiten Seite des Substrats verbunden ist; eine Freigabeschicht (46), verbunden zwischen dem Substrat (38) und der zweiten Heizschicht (36), wobei die Freigabeschicht physische und elektrische Eigenschaften aufweist, die so ausgewählt sind, daß die Freigabeschicht die zweite Schicht von der steifen Anbringung an das Substrat löst, wenn die Suszeptorstruktur mit Mikrowellenenergie bestrahlt wird, und eine Abdeckschicht (44), verbunden mit der zweiten Heizschicht (36).

4. Suszeptorstruktur nach Anspruch 3, wobei die Freigabeschicht (46) starr die zweite Heizschicht (36) mit dem Substrat (38) vor dem Bestrahlen des Suszeptors mit Mikrowellenenergie verbindet.

5. Suszeptorstruktur nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Freigabeschicht (46) eine nicht-schrumpfende Schicht umfaßt, die effektiv die zweite Heizschicht (36) von der starren Verbindung mit dem Substrat (38) löst, wenn die Suszeptorstruktur mit Mikrowellenenergie bestrahlt wird, um relative Bewegung des Substrats bezüglich der ersten Heizschicht zu erleichtern.

6. Suszeptorstruktur nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei das Substrat (38) eine Schmelztemperatur aufweist, und die nicht-schrumpfende Schicht (46) eine Polymerschicht umfaßt, die eine Erweichungstemperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Substrats aufweist.

7. Suszeptorstruktur nach Anspruch 5 oder 6, wobei die nicht- schrumpfende Schicht (46) Polyethylen niedriger Dichte ist.

8. Suszeptorstruktur nach Anspruch 5 oder 6, wobei die nicht- schrumpfende Schicht (46) amorphes Polyethylenterephthalat ist.

9. Suszeptor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste und zweite Heizschicht (40, 36) ausgebildet sind, um als eine Funktion eines elektrischen Stroms aufzuheizen, der in der ersten und zweiten Heizschicht als ein Resultat der Bestrahlung mit Mikrowellenenergie fließt.

10. Suszeptor nach Anspruch 9, wobei die zweite Heizschicht (36) ausgebildet ist, um elektrische Diskontinuitäten nach Erreichen des Schwellentemperaturniveaus zu bilden, wodurch das Ausmaß an elektrischem Strom reduziert wird, der in der zweiten Heizschicht nach Erreichen des Schwellentemperaturniveaus fließt.

11. Suszeptorstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die zweite Heizschicht (36) ein Metallfilm ist, der einen Oberflächenwiderstand in einem Bereich von ungefähr 30Ω/sq bis 250Ω/sq aufweist.

12. Suszeptorstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Heizschicht (40) physische und elektrische Eigenschaften aufweist, so daß sie eine im wesentlichen konstante Menge an Mikrowellenenergie absorbiert, wenn sie mit Mikrowellenenergie bestrahlt wird.

13. Suszeptorstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Heizschicht (40) Mikrowellenenergie in einem Ausmaß absorbiert, das nicht größer als ungefähr 20% der Mikrowellenenergie ist, mit der die erste Heizschicht bestrahlt wird.

14. Suszeptorstruktur nach Anspruch 13, wobei die erste Heizschicht (40) nicht mehr als 10% der Mikrowellenenergie absorbiert, mit der die erste Heizschicht bestrahlt wird.

15. Suszeptorstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Heizschicht (40) physische und elektrische Eigenschaften aufweist, so daß sie anfänglich einen niedrigeren Prozentsatz an Mikrowellenenergie als die zweite Heizschicht absorbiert.

16. Suszeptorstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste und die zweite Heizschicht (40, 36) ein erster bzw. zweiter Metallfilm ist.

17. Suszeptorstruktur nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die erste Heizschicht (40) ein Film aus Kobalt, Nickel, Titan, Chrom oder einer Legierung ist.

18. Suszeptorstruktur nach Anspruch 2 oder 3, oder einem davon abhängigen Anspruch, wobei das Substrat (38) ein Polymermaterial ist.

19. Suszeptorstruktur nach Anspruch 18, wobei das Polymermaterial Polyethylenterephthalat ist.

20. Suszeptorstruktur nach Anspruch 2 oder 3, oder einem davon abhängigen Anspruch, wobei die erste Abdeckschicht (32) Papier, Pappe oder ein Polymer umfaßt.

21. Suszeptorstruktur nach Anspruch 2, oder einem davon abhängigen Anspruch, ferner umfassend: eine zweite Abdeckschicht (44), verbunden mit der zweiten Heizschicht.