DE69330469T2

DE69330469T2 - Mikrowellenherd und Verfahren zum Erwärmen von Speisen

Info

Publication number: DE69330469T2
Application number: DE69330469T
Authority: DE
Inventors: Haruo Matsushima; Fumiko Mori
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 1992-12-21
Filing date: 1993-12-17
Publication date: 2002-04-18
Anticipated expiration: 2013-12-18
Also published as: EP0746180A2; EP0607586A1; DE69309645D1; DE69330469D1; US5491323A; DE69309645T2; EP0746180A3; AU665288B2; EP0607586B1; EP0746180B1; AU5257193A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Hochfrequenzerhitzungsverfahren bzw. Mikrowellenerhitzungsverfahren und eine Hochfrequenzerhitzungsvorrichtung bzw. Mikrowellenerhitzungsvorrichtung zum Bewirken eines Vakuum-Koch-Vorgangs (sous vide) mit einer Hochfrequenzheizung.
Beim Vakuum-Koch-Vorgang werden Vakuum verpackte Lebensmittel bei einer konstanten Temperatur zwischen etwa 55ºC und etwa 95ºC gekocht, wobei entweder kochendes Wasser oder Dampf zur Anwendung kommt. Dies weist die folgenden Vorteile auf.
(A) Durch Luftabschluss ist die Wärmeleitung besser. Auf einer spezifischen Temperatur kann eine gleichmäßige Erhitzung erreicht werden, dies bewahrt den köstlichsten Geschmack bei Schonung der Lebensmittel.
(B) Durch Luftabschlusses dringen Gewürzen besser ein. Das Würzen kann mit Verwendung nur geringer Mengen Zucker und Salz erreicht werden, daher ist es vom Gesundheitsstandpunkt aus wünschenswert.
(C) Das Lebensmittel ist Vakuum verpackt, so dass das Aroma nicht vermindert wird.
(D) Durch das Erwärmen des Lebensmittels bei niedrigen Temperaturen bleiben Fasern, Gewebe usw. weich und verhärten nicht.
(E) Durch das Kochen des Lebensmittels auf einer Temperatur, bei der keine Wasserabspaltung beim Protein verursacht wird, ist der Nährwert beträchtlich höher.
(F) Die Lebensmittel können etwa eine Woche an einem kühlen Lagerort aufbewahrt werden, so dass eine Versorgung mit großen Mengen mit Lebensmitteln für Bankettes in einem Hotel bequem bereitgestellt werden kann.
Das Kochen unter Luftabschluss wurde in Frankreich erfunden und hat schnell Verbreitung gefunden.
Die feuchte Umgebung einer Küche, in der heißes Wasser von 60ºC bis 95ºC bereitgehalten wird, ist nicht gerade komfortabel wie sich leicht von der feuchten Umgebung in einem Badezimmer, in dem die Heißwassertemperatur 42ºC bis 43ºC aufweist, geschlossen werden kann. Weiter ist der Umgebung das Risiko eigen, hinreichend gefährlich zu sein, um Verbrennungen zu verursachen. Daher sind Verbesserungen an der Umgebung höchst vorteilhaft. Genauso vorteilhaft ist eine Reduzierung der hohen Energiekosten, die zur Aufrechterhaltung der hohen Temperaturen notwendig sind. Ähnliche Probleme erwachsen im Fall der Dampföfen.
Als eine Lösung für die obigen Probleme wurde die Anwendung einer Hochfrequenzerhitzungsvorrichtung, wie solche im Elektronikbereich oder ähnliche in Erwägung gezogen. Es ist extrem schwierig eine Lösung durch Einsatz einer herkömmlichen Vorrichtung zu erreichen, da die geforderte Endtemperaturgenauigkeit während des Koch-Vorganges unter Luftabschluss etwa 1ºC beträgt. Obwohl verschiedene Verfahren in Frankreich angewandt werden, heißt es, die Ergebnisse seien erfolglos. Die Genauigkeit der Endtemperatur der Lebensmittel in einer herkömmlichen Vorrichtung wird im besten Fall ungefähr 20ºC betragen.
Die bei den herkömmlichen Vorrichtungen angewandten Verfahren zum gleichmäßigen Erhitzen können grundsätzlich in vier Verfahren eingeteilt werden.
Erstens versucht man die elektromagnetische Wellen-Verteilung gleichmäßig zu gestalten. Verschiedene Ideen vertreten durch Drehflügel oder Drehteller wurden offenbart. Die Versuche sind zu zahlreich, um erwähnt zu werden.
Zweitens wird ein Verfahren wie üblich angewendet, welches weitgehend dem herkömmlichen Koch-Vorgang unter Einsatz von Feuer entspricht. Eine Wellenkonzentration auf einen Teil wird verhindert, ein Teil mit hohen Temperaturen oder ein übermäßig erhitzter Teil wird gekühlt, um diese anzugleichen. Aluminiumfolie wird als Schutz vor Wellenkonzentration derart verwendet, dass ein Wellenschutzschild-Betrieb erreicht wird. Als eine Kühlmethode wird in der US-A-3,536,129 das Auftauen von gefrorenen Lebensmitteln in kalter Luft vorgestellt.
Drittens findet, was allgemein als gewichtorientiertes Auftauen oder gewichtorientiertes Kochen bezeichnet wird, eine weite Verwendung. Ein Erhitzungs-Vorgang wird durch die Abstrahlungsenergie und die Abstrahlungszeit von optimalen Wellen, die unter Berücksichtigung des Lebensmittelgewichts eingestellt werden, bewirkt; danach belässt man die Lebensmittel ohne Anwendung von Mikrowellen für eine optimale Standzeit und die Temperatur wird aufgrund von Wärmeleitung im Lebensmittelinneren gleichförmig. Die US-A-4,453,066 ist ein Beispiel für solch ein Verfahren.
Viertens wird die Temperatur des Lebensmittels erfasst, um so die Anwendung der Mikrowellen zu steuern. Es gibt Patente wie das US-A-3,634,652 (Lebensmittel werden auf einer gegebenen Temperatur oder niedriger gehalten, wobei ein Sensor benutzt wird), und das US-A-4,785,824 (Verwendung eines Glasfaser-Thermometers) als Zusatz zur US-A- 2,657,580 (Mehrbereichsthermometer).
JP-A-58-99623, JP-A-63-75419 und JP-A-58-83132 offenbaren jeweils eine Hochfrequenzerhitzungsvorrichtung, die eine Steuerung beinhalten, zum Anwenden von Kochenergie auf ein Stück Lebensmittel auf der Basis der erfassten Temperatur an der Oberfläche und im Zentrum des Gegenstands.
JP-A-52-17237 offenbart, die Erfassung der Temperatur an einer Vielzahl von Stellen im Lebensmittel, wobei die Abgabe von Mikrowellen zum dem Zeitpunkt verringert wird, an dem die eingestellte Temperatur an einer Stelle erreicht worden ist, und die Erhitzung zu dem Zeitpunkt beendet, wenn eine andere Stelle die eingestellte Temperatur erreicht hat.
JP-A-54-7641 offenbart ein Verfahren zum Schätzen der inneren Temperatur über die Oberflächentemperatur des Lebensmittels; die Abstrahlung von Mikrowellen wird gestoppt, sobald die Oberflächentemperatur während des Auftauens des gefrorenen Lebensmittels 5ºC erreicht hat; Mikrowellen werden wieder zu einem Zeitpunkt angewendet, an dem die Oberflächentemperatur weniger als 0ºC beträgt, und es werden Differenz-Werte zwischen 5ºC und 0ºC über die Zeit erfasst.
Es ist jedoch unmöglich, die Temperatur jedes Teiles des Lebensmittels innerhalb weniger ºC oder niedriger zu halten, obwohl nicht gesagt ist, dass eine Differenz von 1ºC oder weniger, unter Berücksichtigung der erwünschten Endtemperatur bei der Beendung des Erwärmens mit diesen Verfahren, notwendig ist.
Falls zum Beispiel die Temperatur jedes Teiles des Lebensmittels genau gemessen werden könnte, dann könnte die Erhitzung durch ein fortschrittliches Steuerverfahren leicht realisiert werden, wobei ein Computer in einem Abschätz-Steuer-Vorgang oder ähnlichem verwendet wird. Jedoch erreicht nur ein Teil 65ºC, falls zum Beispiel ein Erhitzungs-Vorgang auf 65ºC eingestellt ist, oder der andere Teil bleibt kalt ohne erhitzt zu werden (dies wird später genauer beschrieben).
Obwohl relativ gute Ergebnisse gerade mit einem Verfahren erzielt werden, das für einen Auftau-Vorgang verwendet wird, bei dem graduell die Anwendung von Mikrowellen reduziert wird, wobei die latente Wärme von 80 Kalorien bei 0ºC während des Auftau-Vorganges einen Puffer darstellt, ist die Differenz zwischen der angestrebten Temperatur und der aktuellen Endtemperatur groß, und außerdem ist die Temperaturdifferenz zwischen verschiedenen Teilen des Lebensmittels auch groß.
Bei dem Vakuum-Koch-Vorgang wird der Erhitzungs-Vorgang zum Beispiel mit dem Ziel einer Endtemperatur von 65ºC durchgeführt, wobei Abweichungen von +10ºC und -10ºC vorkommen, die Endtemperatur liegt daher zwischen 55ºC und 75ºC.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegenden Erfindung wurde entsprechend mit Hinblick auf eine grundlegende Beseitigung der oben diskutierten und dem Stand der Technik anhaftenden Nachteile entwickelt und hat als ihre wesentliche Aufgabe, ein verbessertes Mikrowellenerhitzungsverfahren und Mikrowellenerhitzungsvorrichtung zur Verfügung zu stellen.
Eine weitere wichtige Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, die Temperaturdifferenz zu der erwünschten Endtemperatur und zwischen jedem Lebensmittelteil zu reduzieren auf 1ºC und maximal auf näherungsweise einige ºC.
Um diese und die anderen Aufgaben zu erreichen, wird bezugnehmend auf einen ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung eine Hochfrequenzerhitzungsvorrichtung zum Erhitzen eines Materials bereitgestellt, die besteht aus:
einer Heizkammer zum Aufnehmen des Materials;
einer Hochfrequenzwellenbestrahlungsquelle zum Abstrahlen von Hochfrequenzwellen in die Heizkammer;
einem Temperaturaufnehmer zum Aufnehmen einer aktuellen Temperatur des Materials; einem Gewichtseinsteller zum Einstellen eines Gewichts W des Materials;
einem Temperatureinsteller zum Einstellen einer gewünschten Temperatur bzw. Wunschtemperatureinsteller, auf die das Material erhitzt werden soll, und zum Erhalten einer Temperaturerhöhung Θ, die die Differenz zwischen der aktuellen Temperatur und der erwünschten Temperatur ist;
einem Erhitzungszeiteinsteller zum Einstellen einer erwünschten Gesamterhitzungszeit τ; einem Gesamtenergierechner zum Berechnen der aufsummierten Gesamtenergie Q, basierend auf dem Gewicht und der Temperaturerhöhung, die notwendig ist, um das Material auf die gewünschte Temperatur zu erhitzen; und
einer Bestrahlungsquellensteuereinrichtung zum Steuern der Bestrahlungsquelle derart, dass eine aufsummierte Energie q aus dieser Bestrahlungsquelle entsprechend der folgenden Gleichung erhalten wird:
q/Q = 1 - exp{(t/τ) * ln(ΔΘ/Θ)}
in der t die Zeit ab dem Starten des Erhitzens und ΔΘ die Temperaturdifferenz zwischen der Außentemperatur des Materials und der Innentemperatur des Materials sind.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird weiter ein Hochfrequenzerhitzungsverfahren zum Erhitzen eines Materials durch die Hochfrequenzwellenbestrahlungsquelle bereitgestellt, das besteht aus den Schritten:
(a) Erfassen einer aktuellen Temperatur des Materials;
(b) Erfassen eines Gewichtes W des Materials;
(c) Einstellen einer erwünschten Temperatur, auf die das Material erhitzt werden soll und um eine Temperaturerhöhung Θ zu erhalten, die die Differenz zwischen der gegenwärtigen Temperatur vor dem Erhitzen und der erwünschten Temperatur ist;
(d) Einstellen einer erwünschten Erhitzungszeit τ;
(e) Berechnen einer aufsummierten Gesamtenergie Q, die notwendig ist, um das Material auf die gewünschte Temperatur zu erhitzen, basierend auf dem Gewicht und der Temperaturerhöhung; und
(f) Steuern der Bestrahlungsquelle derart, dass eine aufsummierte Energie q entsprechend der folgenden Gleichung von der Bestrahlungsquelle erhalten wird:
q/Q = 1 - exp{(τ/t) * (ΔΘ/Θ)}
in der t die Zeit ab dem Begin des Erhitzens und ΔΘ die Temperaturdifferenz zwischen der Außentemperatur des Materials und der Innentemperatur des Materials sind.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Kurze Beschreibung der Zeichnungsfiguren:

Diese und andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungsfiguren des bevorzugten Ausführungsbeispiels deutlich, in denen sind:
Fig. 1a und Fig. 1b eine perspektivische Ansichten einer Hochfrequenzerhitzungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung und davon eine Schnittansicht entlang der Linie A-A';
Fig. 2a und Fig. 2b eine perspektivische Ansicht auf ein Drahtgestell der vorliegenden Erfindung und davon eine Schnittansicht entlang der Linie B-B';
Fig. 3 ein Schaltplan der Hochfrequenzerhitzungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 4 ein Schaltplan der Steuerschaltung der Hochfrequenzerhitzungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5a und Fig. 5b eine perspektivische Ansicht einer Flüssigkeitsmatte der vorliegenden Erfindung und davon eine Schnittansicht entlang der Linie C-C';
Fig. 6 ein Schaltplan gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 7 ein Flussdiagram gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 eine Ansicht, die den Temperaturanstieg eines durch die Hochfrequenzerhitzungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung erwärmten Lebensmittels zeigt;
Fig. 9 (nicht vorhanden) ein Flussdiagram aus einer herkömmlichen Ausführungsform;
Fig. 10a, b, c Graphen, die die den Temperaturanstieg der Lebensmittel zeigenden Graphen veranschaulichen;
Fig. 11a, b, c, d Graphen, die den Temperaturanstieg von Lebensmitteln zeigen, die von der Hochfrequenzerhitzungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung erhitzt werden sollen;
Fig. 12 ein kennzeichnender Graph bei Veränderung der Last der Hochfrequenzerhitzungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung;
Fig. 13 ein Vergleichsgraph zwischen der Exponentialfunktion und einem Versuchsergebnis;
Fig. 14 ein Flussdiagram der vorliegenden Erfindung;
Fig. 15 ein Flussdiagram gemäß noch einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
Fig. 16 ein Flussdiagramm gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.

Ausführliche Beschreibung der Erfindung

Bevor die Beschreibung der vorliegenden Erfindung weitergeht, sei angemerkt, dass ähnliche Teile mit den selben Bezugszeichennummerierungen in sämtlichen beigefügten Zeichnungsfiguren gekennzeichnet sind.
Fig. 1a ist eine perspektivische Ansicht, die ein äußeres Erscheinungsbild der Hochfrequenzerhitzungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung zeigt, und Fig. 1b ist davon eine Schnittansicht entlang der Linie A-A'. Die Frequenzwellenerhitzungsvorrichtung ist zusammengesetzt aus einer stählernen offenen Heizkammer 11, einer am unteren Teil angebrachten gläsernen Lebensmittel-Aufnahmefläche 12, einer Tür 13, einem Bedienteil 14, der im oberen Teil der Tür angeordnet ist, und einem Außengehäuse 15.
Eine Ölmatte 16 ist angeordnet auf der Lebensmittel-Aufnahmefläche 12 und darauf ist ein Drahtgestell 17 angebracht. Außerdem sind ein mehradriges geschirmtes Kabel 18, mit einem an seinem Ende angebrachten metallenen Stecker 19, und einem metallenen Anschluss 20, der an der Hinterwandfläche der Heizkammer befestigt ist, gezeigt. Das Drahtgestell wird später genauer beschrieben. Der Stecker 19 und dler Anschluss 20 sind so gewählt, dass sie zueinander passen. Ein metallener Stecker und der Anschluss für eine RS- 232C-Anwendung werden genutzt, die weit in den aktuellen Personalcomputern Verwendung finden.
Das erhitzte Lebensmittel 21, z. B. eine flache zungenförmige Flunder, ist auf dem Drahtgestell 17 platziert. Weiter ist eine Ölmatte 22 darauf angeordnet. Eine Plastikrührerabdeckung 23 ist im oberen Teil der Heizkammer befestigt. Im oberen Teil sind eine Antenne 24 und ein Motor 25 zum Drehen derselben angeordnet. In ähnlicher Weise ist eine Antenne 26 und ein Motor 27 zum Drehen derselben unter der Lebensmittel-Aufnahrnefläche 12 angeordnet. Ein Wellenleiter 28 ist angeordnet an der oberen Fläche der Heizkammer und ein Wellenleiter 29 ist an der Bodenfläche der Heizkammer angeordnet. Ein Magnetron 30 ist angeordnet am Ende des Wellenleiters 28 und ein Magnetron 31 ist angeordnet am Ende des Wellenleiters 29. Jeder Wellenleiter verbindet ein Magnetron mit einer Antenne.
Ein Lüftermotor 32 ist angebracht, um das Magnetron 30 mit Luft zu kühlen. Ein Teil der Kühlluft geht durch das Magnetron 30 und wird danach abgeführt durch eine perforierte Abluftgruppe 33. Die Luft wird abgeführt über eine Luftführung 341, eine in der Rückwand der Heizkammer angeordnete Durchbruchanordnung 35, eine nahe zur Türe an der Rührerabdeckung angeordnete Durchbruchanordnung 36, eine Abluft-Durchbruchgruppe, eine nicht in der Fig. 1 beschriebene in der Wand der Frontfläche der Heizkammer angeordnete Abluftführung 37 und eine in der Rückwand der Heizkammer angeordnete Durchbruchanordnung 38. Außenluft wird eingebracht von einer in der Bodenwand des Außengehäuses angeordneten Durchbruchanordnung 39 und durch den Lüftermotor 32 bewegt. Außerdem ist ein Lüftermotor (nicht gezeigt) zum Kühlen des Magnetrons 31 angebracht, so dass Luft über eine Abluft-Durchbruchanordnung 40 in der rückseitigen Wandfläche des Außengehäuses abgeführt wird.
Fig. 2a ist eine perspektivische Ansicht eines Drahtgestells 17, und Fig. 2b ist davon eine Schnittansicht entlang der Linie B-B'. Das Drahtgestell ist zusammengesetzt aus einen rechteckförmigen Rahmen 41 aus einem metallenen Rundstab, einem in ein nicht-perforiertes Loch, welches sich von hinten in der Vorderseite des Rahmens eröffnet, und ein Durchgangsloch, welches sich der Länge nach durch die Rückseite des Rahmens eröffnet, fest eingefügten metallenen hohlen Rundstabkörper 42, einem Thermistor 43, der in das Innere eingefügt ist, einem Paar von metallenen Befestigungselementen 44 und 45, die derart befestigt sind, dass sie die Rückseite des Rahmens fassen, einer Gruppe von Schrauben 46 zu deren Befestigung, und einem mehradrigen geschirmten Kabel 18 und einem metallenen Stecker 19.
Der Rundstabkörper 42 ist eine metallene Röhre mit etwa einem Innendurchmesser von 1,3 mm und einer Wandstärke von 0,18, welche mit einem ähnlichen Verfahren wie das z. B. bei Injektionsnadeln angefertigt wird. Der Rundstabkörper ist an den Rahmen 41 fest montiert.
Der Rundstabkörper zusammen mit dem Rahmen sind nickel-plattiert. Ein Thermistor 43 ist in die Röhre eingesetzt. Zwei Leitungskabel sind wenigstens in einem Bereich des Rundstabkörpers 42 isoliert angeordnet und sind elektrisch verbunden mit einer Ader des mehradrigen geschirmten Kabels 18 innerhalb eines dreieckförmigen Raumes, der von dem Rahmen 41, und dem Paar von metallenen Befestigungen 44 und 45 gebildet wird.
Ein konkaver Teil ist in der Mitte der metallenen Befestigungen 44 und 45 angeordnet. In diesem Teil ist die Metallummantelung des mehradrigen geschirmten Kabels so erfasst, dass gleichzeitig eine elektrische Verbindung hergestellt wird. Der metallene Stecker 19 ist auch elektrisch verbunden mit der metallenen schirmenden Ummantelung des Kabels. Der Thermistor 43 und seine Zuleitungskabel und so weiter sind elektrostatisch geschirmt durch den Rundstabkörper 42, die Befestigungen 44 und 45, die metallene schirmende Ummantelung des Kabels und den metallenen Stecker. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel werden sieben Thermistoren 43 verwendet. Diese sind angeordnet in der Nähe der Mitte der Stäbe, welche die mittleren sieben Stäbe der siebzehn in Fig. 2a gezeigten stabförmigen Körper sind.
Fig. 3 ist ein Schaltplan, aus der vorliegenden Erfindung, der die Kombination des Drahtgestells 17 und des darauf platzierten erhitzten Lebensmittels 21 und die elektrischen Signale zeigt. Eine Lampe 54 zum Beleuchten der Heizkammer und ein Ein-Aus-Relais 55 sind über eine Sicherung 52 und eine Spule 53, eingesetzt als Störfilter, mit einem Stromversorgungsstecker 51 verbunden. Ein Heiz-Transformator 56 für die Magnetrons und sein Ein-Aus-Relais sind gezeigt. Die Motoren 25 und 27 zum Drehen der in Fig. 1 dargestellten Antennen sind zusammen mit einem Lüftermotor 32 zum Kühlen des Magnetrons und einem in Fig. 1 nicht dargestellten Lüftermotor 58 zu dem Heiz-Transformator parallel geschaltet. Mit dem Öffnen und Schließen der Tür gekoppelte Schalter 60 und 61 sind in den Verzweigungswege mit einem Haupt-Relais 62 bzw. 63 geschaltet. Kurzschlussschalter 64 und 65 sind geschaltet. Trioden-Wechselstromschalter (Triacs) 66 und 67 sind gezeigt. Weiter sind Hochspannungs-Transformatoren 68 und 69 gezeigt. Die Magnetrons 30 und 31 sind jedes verschaltet über einen Kondensator und eine Diode auf der Sekundärseite des jeweiligen Hochspannungs-Transformators. Trigger-Schaltungen 70 und 71 sind verschaltet mit den Gates der Trioden-Wechselstromschalter und sind außerdem verschaltet mit der Steuerschaltung 72. Die Spulen aller oben beschriebenen Relais 55, 57, 62 und 63 sind gleichermaßen verschaltet mit der Steuerschaltung 72.
Fig. 4 ist ein Schaltplan der Steuerschaltung 72. Die Primärseite des Transformators 73 ist verschaltet mit der Spule 53 aus Fig. 3. Die Spannung auf der Sekundärseite wird gleichgerichtet und geglättet, um eine Gleichspannung von 18 V und eine stabilisiert Gleichspannung von 5 V zu erzeugen. Die 5 V Gleichspannung wird zwischen den Anschlüssen VCC und VSS des Mikroprozessors 74 zur Verfügung gestellt. Die Spannungswellenform vor der Gleichrichtung auf der Sekundärseite des Transformators 73 wird geformt durch den Transistor 75 und wird an dem einen Anschluss (mit Bezugszeichen P8) des Mikroprozessors 74 angelegt. Die oben beschriebenen sieben Thermistoren 43 sind jeder in Reihe mit einem zugehörigen Festwiderstand 76 mit den 5 V Gleichspannung verschaltet. Die Verbindungen der Festwiderstände und ihrer zugehörigen Thermistoren sind jeweils verschaltet mit einem A/D- Wandler-Anschluss P1 bis P7 des Mikroprozessors 74. Der Mikroprozessors 74 ist mit den Trigger-Schaltungen 70 und 71 der jeweiligen Relais 55, 57, 62, 63, den Trioden-Wechselstromschaltern 66 und 67 und mit den in Fig. 3 dargestellten Relais 55, 57, 62 und 63 verschaltet. Andere Formen von Eingaben und Ausgaben sind mit dem Mikroprozessors 74 verschaltet. Diese sind alle weggelassen worden, da sie für die Zusammenfassung der vorliegenden Erfindung nicht relevant sind.
Fig. 5a ist eine perspektivische Ansicht einer Ölmatte 16 oder 22, und Fig. 5b ist davon eine Schnittansicht entlang der Linie C-C'. Jede Matte ist ein recheckig ausgeformtes beutelartiges Behältnis 82 aus einer dünnen flexiblen Kunststofffolie, die aus einer innenseitigen Polyethylenschicht 80 mit etwa einer Dicke von 50 Mikron und einer außenseitigen Nylonschicht 81 mit etwa einer Dicke von 20 Mikron zusammengesetzt ist. Das rechteckig ausgeformte beutelartige Behältnis beinhaltet genießbares Öl 83 wie Salatöl oder ähnliches und hat einen Eingangsabschnitt 84, der nach dem Füllen des Behältnisses thermisch versiegelt worden ist.
Fig. 6 ist ein Schaltplan gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, der sich auf die oben beschriebene Fig. 3 bezieht. Der Unterschied zwischen Fig. 6 und Fig. 3 bestehet darin, dass ein Personalcomputer 90 anstelle der Steuerschaltung 72 verwendet wird und das ein Glasfaser-Thermometer 92 über ein RS-232C Kabel 91 am Personalcomputer 90 angeschlossen ist. Temperatursensoren in Glasfaser-Ausführung 93 und 94 sind mit dem Thermometer 92 verbunden. Die zwei Sensoren 93 und 94 werden über Öffnungen in den Seitenwänden der oben beschriebenen Heizkammer 11 in die Heizkammer geführt und werden in das erhitzte Lebensmittel 21 (nicht dargestellt) eingefügt. Zum Beispiel wurde ein Notebook vom Type Personalcomputer PC-9801NS/T hergestellt von NEC verwendet. Es wurden vom Hersteller MSE eine spezielle Notebook-Station und Ein- und Ausgabekarten wie MM-86 und PI016I verwendet. Als Glasfaser-Thermometer 92 wurde das Model 755 vom Hersteller Lackstron verwendet.
Fig. 7 ist ein Flussdiagram eines Steuerprogramms zur Verwendung im Personalcomputer im Ausführungsbeispiel mit der elektrischen Schaltung der Fig. 6. Ein erster Temperatursensor 93 des Glasfaser-Thermometers wird in einen Teil, an dem das erhitzte Lebensmittel die höchste Temperatur annimmt, allgemein in die Oberfläche des erhitzten Lebensmittels eingefügt. Die höchste Temperatur sei als H angenommen. Ein zweiter Temperatursensor 94 wird in einen Teil eingefügt, in dem die Temperatur am niedrigste sein wird, gewöhnlich wird das im Zentrum und dessen Umgebung des erhitzten Lebensmittels sein. Die niedrigste Temperatur wird als L angenommen. Um die Teile mit der höchsten und niedrigsten Temperatur im Voraus zu kennen, erhitzt man geeignet ein Lebensmittel der selben Form und muss nur die Temperatur jedes Teiles erfassen.
Die erwünschte Endtemperatur LT&sub1; des erhitzten Lebensmittels und eine Temperatur LT&sub2;, die um 1ºC oder mehrere ºC niedriger ist als die erwünschte Temperatur LT&sub1;, werden in den Personalcomputer eingegeben und gespeichert. Wenn in Schritt S1 eine Start-Taste gedrückt wird, werden alle Relais (55, 57, 62 und 63) eingeschaltet. In Schritt S2 wird festgestellt, ob die beiden Temperaturen H und L beide niedriger sind als LT&sub2;. Wenn beide Temperaturen H und L niedriger sind als LT&sub2;, geht das Programm weiter mit Schritt S3. Der Bezugsbuchstabe W in Fig. 7 steht für wahr und bedeutet, dass die Annahme in dem Kasten richtig ist. Wenn die Annahme falsch ist, dann geht das Programm mit Schritt S6 weiter. In Schritt S3 wird festgestellt, ob die Differenz zwischen der Temperatur H und der Temperatur L z. B. weniger als 20ºC beträgt. Wenn die Differenz weniger als 20ºC beträgt, geht das Programm mit Schritt S4 weiter, um so die beiden Trioden-Wechselstromschalter 66 und 67 einzuschalten.
Das Programm kehrt dann nach oben zurück, um so wieder die zwei Temperaturüberprüfungen in den Schritten S2 und S3 durch zu führen. Wenn die Temperaturdifferenz 20ºC oder mehr beträgt, geht das Programm mit Schritt S5 weiter, um so die Trioden-Wechselstromschalter aus zu schalten. Der Ein-Aus-Vorgang der Trioden-Wechselstromschalter wird in dieser Weise wiederholt bis die Temperatur H die Temperatur LT&sub2; erreicht. Zu diesem Zeitpunkt geht das Programm weiter zu den Schritten S6-S16.
Zuerst wird in Schritt S6 ein D-Flag auf 1 gesetzt. Danach wirdl in Schritt S7 festgestellt, ob entweder die Temperatur H oder die Temperatur L niedriger als LT&sub2; ist. Falls in Schritt S7 eine der Temperaturen L oder H für niedriger als LT&sub2; befunden wird, dann geht das Programm zu Schritt S8 weiter. Dann wird in Schritt S8 festgestellt, ob die Temperaturen H und L niedriger sind als LT&sub1;. Wenn beide Temperaturen H und L niedriger als LT&sub1; sind, geht das Programm weiter zu Schritt S10. Dann wird festgestellt, ob beide Temperaturen H und L niedriger als LT&sub2; sind. Falls nicht, geht das Programm weiter zu Schritt S13, da die Temperatur H erreicht worden ist. fn Schritt S13 wird festgestellt, ob das D-Flag auf 0 gesetzt wurde. Falls das D-Flag auf 1 gesetzt worden ist, geht das Programm weiter zu Schritt S12; um so die Trioden-Wechselstromschalter einzuschalten.
Anschließend kehrt das Programm wieder nach oben zurück, um so die drei Temperatur überprüfungen aus den Schritten S7, S8 und S10 durchzuführen. Wenn die Temperatur H LT&sub1; erreicht, eine Feststellung in Schritt S8, geht das Programm weiter zu Schritt S9, um so das D-Flag auf 0 zu setzten. Das Programm geht dann weiter zu Schritt S13, um so festzustellen, ob das D-Flag auf 0 gesetzt ist und wenn dem so ist, geht das Programm weiter zu Schritt S14, um so die Trioden-Wechselstromschalter aus zu schalten. Danach kehrt das Programm wieder nach oben zurück und führt die drei Temperaturüberprüfungen der Schritte S7, S8 und S10 durch. Da das D-Flag 0 bleibt, falls die Temperatur H LT&sub2; oder größer ist, beleiben, die Trioden-Wechselstromschalter aus. Wenn die Temperatur H niedriger als LT&sub2; wird, was in Schritt S10 entschieden wird, geht das Programm weiter zu Schritt S11, in dem das D-Flag auf 1 gesetzt wird.
Während die Zwei-Punkt-Steuerung der Temperatur H zwischen den Temperaturen LT&sub1; und LT&sub2; vorgesetzt wird, erreicht nicht nur die Temperatur H sondern auch die Temperatur L LT&sub2;. Mit anderen Worten es werden H größer gleich LT&sub2; und L größer gleich LT&sub2;. Das Programm geht weiter zu Schritt S15, um so die Trioden-Wechselstromschalter auszuschalten, und um so alle Relais im Schritt S16 aus zu schalten, wodurch der Erhitzungs-Vorgang abgeschlossen wird.
Die Arbeitsweise des in Fig. 6 und 7 gezeigten Ausführungsbeispiels ist wie folgt. Fig. 8 ist ein Graph, der die Beziehung zwischen der Zeit und der Temperatur für einen Fall zeigt, in dem auf etwa 0ºC bis 5ºC gefrorenes Schweinefleisch von etwa 900 g auf eine gewünschte Endtemperatur von 65ºC erhitzt wird. Der Graph zeigt die Ergebnisse für den Fall, dass 65ºC als erwünschte Endtemperatur LT&sub1; eingegeben werden, 64ºC als die niedrigere Temperatur LT&sub2; eingeben wird und das Schweinefleisch erhitzt wird. Es wird eine plattenförmige Ölmatte, die etwa 1 cm dick ist, verwendet. 500 g Salatöl sind in einem Beutel versiegelt, welcher etwa 23 cm in der Breite, etwa 30 cm in der Länge und etwa 0,1 mm in der Folienstärke aufweist. Es werden zwei Beutel verwendet, um das Schweinefleisch sandwichartig von oben und von unten zu umgeben.
Die Erhitzungszeit beträgt 2 h und 30 min. Der aufsummierte Energiewert, gemessen auf der Primärseite der Transformatoren 68 und 69, beträgt 136 Wh, die Temperatur der jeweiligen Teile des Schweinefleischs beträgt zwischen 64ºC und 66ºC. Sie liegt in der Differenz von 1ºC oder weniger unter Berücksichtung der (erwünschten) Endtemperatur von 65ºC.
Das Glasfaser-Thermometer kann die Temperaturen sogar in der mit Hochfrequenz verstrahlten Umgebung messen. Dabei können Temperaturen relativ korrekte gemessen werden. Das Messsystem ist wenig störanfällig. Sein in das Lebensmittel eingefügter Teil wird nämlich aufgrund seiner Einfügung nicht extrem erhitzt. Es wird angenommen, dass ein gleichmäßiger Erhitzungs-Vorgang durch Hochfrequenzwellen leicht erreicht werden kann innerhalb 1ºC Temperaturdifferenz von jedem Teil des erhitzten Lebensmittels durch die Kombination eines Glasfaser-Thermometers und der Steuer-Technik, wie sie im Stand der Technik beschrieben ist. Tatsächlich kann es nicht erreicht werden.
Die Entfernung des Schritts S3 aus dem Programm-Flussdiagram in z. B. Fig. 7 führt zu einem vereinfachten Programm, wie es in Fig. 9 dargestellt ist. Wird mit solch einem Programm erhitzt, überschreitet das Ergebnis 65ºC wie in Fig. 10 (a) gezeigt. Wird die Abstrahlung der Hochfrequenz zu einem Zeitpunkt gestoppt, an dem die Temperatur H z. B. etwa 40ºC erreicht hat, kann der Teil mit übermäßiger Temperatur vermieden werden. Die Temperatur L erhöht sich nicht. Der Teil mit der höchsten Temperatur überschreitet nicht die 65ºC, während die niedrigste Temperatur, wie in Fig. 10 (b) gezeigt, kaum erhitzt wird. Strahlt man die Hochfrequenzwellen nur ab, wenn die Differenz zwischen der Temperatur H und der Temperatur L innerhalb von z. B. 20ºC liegt, kann ein gleichmäßiger Erhitzungs-Vorgang innerhalb einer Differenz von 1ºC unter Berücksichtigung der erwünschten Endtemperatur LT&sub1;, wie in Fig. 10 (c) oder Fig. 8 gezeigt, bewirkt werden.
Die Gründe dafür, warum die erwünschten Ergebnisse erhalten werden können, wenn der 20ºC-Steuer-Vorgang durchgeführt wird, sind unten angegeben.
Allgemein kann die spezifische Wärme des Schweinefleischs etwa mit 0,35 und die spezifische Wärme des Salatöls etwa mit 0,4 angenommen werden. Die Gesamtwärmemenge von beiden ist äquivalent zu der von etwa 715 cm³ Wasser. Die notwendige Wärmemenge, um dieses von 5ºC auf 65ºC zu erwärmen, beträgt 42900 cal. Teilt man dies und die Umrechnung in elektrische Energie ergibt 49,8 Wh. Das Verhältnis der aufsummierten elektrischen Energie auf der Primärseite der oben beschriebenen Transformatoren 68 und 69 zu den im erhitzten Lebensmittel absorbierten Hochfrequenzwellen ist etwa 53% bei der für die Versuche verwendeten Anordnung. Der Wert 136 wird multipliziert mit 0,53 und die 72,0 Wh werden als genutzte Hochfrequenzwellenenergiemenge angesehen. So ergibt 49,8/72 = 69,1. Damit ergibt sich etwas über 30% als Energieverlust. Die verbleibende Energie kann als vom erhitzten Lebensmittel absorbiert angesehen werden.
Wird das Lebensmittel unter Luftabschluss mit einem Dampfofen gekocht, werden die 900 g Schweinefleisch abhängig von der eingestellten Temperatur des Ofens in etwa 2 bis 2,5 Stunden auf 65ºC erhitzt. Der Temperaturanstieg im Dampfofen wird zusammen mit Fig. 8 beschrieben. Eine aufsummierte Energie der oben beschriebenen 136 Wh ist ähnlich in Fig. 8 beschrieben.
Es ist verständlich, dass die aufsummierte Energie auf einer Kurvenlinie liegt, die etwa der Temperatur L entspricht, die im Teil des Schweinefleischs mit der niedrigsten Temperatur vorherrscht. Zur Bestätigung, ob die Übereinstimmung zwischen der Zeitveränderung der aufsummierten Energie und der Temperatur L allgemeingültig ist oder nicht, wird ein anderes Lebensmittel, z. B. Schweine-Hackfleisch zu einem Hackbraten geformt und weiter Vakuum verpackt. Diese werden in vier Gewichten von 100 g bis 800 g (welche umgeben sind mit zwei Flächen der selben Ölmatten und werden erhitzt auf 58ºC, wobei das Programm aus Fig. 7 verwendet wird) identisch erhitzt. Die Ergebnisse davon sind in den Fig. 11 (a)-11(d) dargestellt. Aufgrund dieser Ergebnisse wird das Phänomen als allgemeingültig angesehen.
Tabelle 1 zeigt die Beziehung zwischen der Eingangsenergie (auf summierte Energie) in dem oben beschriebenen Erhitzungs-Vorgang und der absorbierten Wärme des erhitzten Lebensmittels. Fig. 12 zeigt die Lastschwankungs-Eigenschaften der Ausgabe der Hochfrequenzerhitzungsvorrichtung, die für die Berechnung verwendet wurde.
Die Berechnung wurde wie weiter oben beschrieben durchgeführt mit einer spezifischen Wärme für das Fleisch mit etwa 0,43, um so die (1) Zeile der Tabelle 1 zu erhalten. Für 100 g wird ein Wert größer als die Eingangsenergie aus der (3) Zeile. Die (2) Zeile zeigt die Wärmemenge für Wasser bei gleicher Menge wie beim Fleisch. Es wird angenommen, dass es eine absorbierte Wärmemenge ist. Der Wert ist angepasst, da näherungsweise eine ähnliche Tendenz (die Beschreibung wurde weggelassen) vorliegt, wenn die Ölmatt nicht verwendet wird. Die eingangsseitige Abstrahlungsenergie der (3) Zeile ist ein Wert auf der Primärseite des Transformators wie weiter unten beschrieben. Um diese in die Hochfrequenzwellen umzurechnen, die in die Heizkammer abgestrahlt werden, wird sie in die Hochfrequenzabgabemenge umgerechnet, indem die Abweichungs-Eigenschaften berücksichtigt werden, nämlich die Wirkungsgrad-Eigenschaften unter Berücksichtigung der Wassermengen-Last der Ausgangsleistung der in Fig. 12 gezeigten Hochfrequenzerhitzungsvorrichtung, dies führt zu der Zeile (4). Das Verhältnis des Wertes aus Zeile (2) geteilt durch den Wert aus Zeile (4) liegt zwischen 66% und 88%.
Wendet man mittels Hochfrequenzwellen eine Wärmemenge, die etwa 25% mehr beträgt als notwendig wäre, um eine Wassermenge, weiche im Gewicht gleich ist mit dem des auf die gewünschte Endtemperatur zu erhitzenden Lebensmittels, mit einer zeitlichen Verteilung entlang der Temperaturerhöhungskurve des zentralen Teils, für die notwendige Zeit zum Kochen unter Luftabschluss mit einem Dampfofen an, kann ein gleichmäßiger Erhitzungs- Vorgang erzielt werden, welcher etwa im Umfang dem des Dampfofens entspricht. Von der oben beschriebenen Einführung einer Steuerung mit 20ºC Temperaturdifferenz wird angenommen, dass sie eine zeitliche Verteilung näher zu der im Dampfofen hat. Der gleichmäßige zum Dampfofen äquivalente Erhitzungs-Vorgang kann erreicht werden durch eine zeitliche Verteilung der notwendigen minimalen Hochfrequenzenergie dem Gesetz der Wärmeleitung folgend durch positive Nutzung der Wärmeleitung des erhitzten Lebensmittelinneren.
Wenn der 20ºC Steuer-Vorgang nicht eingeführt wird, wird angenommen, dass die abgestrahlte Energie ausnahmslos für die Wärmeleitung des erhitzten Lebensmittelinneren verbraucht wird. Die Wärme des Oberflächenteils, welcher übermäßig erhitzt wird, wird z. B. an die Luft abgegeben. Die Wärme wird dann kaum in das Lebensmittelinnere geleitet.
Der Temperaturanstieg in einem Kochbad und einem Dampfofen sagt man stimmt überein mit dem folgenden Typ einer Exponentialfunktion. Man nimmt an, dass das erhitzte Lebensmittel eine unendliche Fläche oder Ball ist. Sie wird gelöst gemäß dem Gesetz der Wärmeleitung, dabei wird die Zeit t auf einen genügend großen Bereich beschränkt. Es wird vereinfacht.
(ΘW - Θ)/(ΘW - Θ&sub0;) = exp(-kt)
mit
ΘW: Innentemperatur von heißem Wasser eines Wasserbads oder eines Dampfofens
Θ: Innentemperatur des Lebensmittels
Θ0: Anfangstemperatur des Lebensmittels
k: Proportionalitätskonstante
(welche für das kochende Wasser und für den Dampfofen unterschiedlich ist)
t: Zeit ab dem Start des Erhitzens
Fig. 13 ist ein Graph, in dem der Anstieg der gemessenen Innentemperatur, wenn die oben genannten 900 g Schweinefleisch unter Luftabschluss mit einem Dampfofen gekocht wurden, durch Dreiecke dargestellt mit der gepunkteten Linie, bei der der richtige Wert von k in die oben beschriebene Gleichung eingesetzt wurde, verglichen wird. Sie stimmen nahezu überein, obwohl eine kleine Abweichung im Anfangsstadium des Erhitzens besteht.
Falls die Verteilung der Wärmemenge (abgestrahlte Hochfrequenzenergiemenge) entlang der oben beschriebenen Kurve ohne Anwendung des Glasfaser-Thermometers angewandt wird, wird angenommen, dass der Durchschnitt zwischen dem gleichen Erhitzungs-Vorgang des kochenden Wassers und des Dampfofens erreicht werden kann. Fig. 14 stellt den Steuerprogrammablauf dar.
Der Steuerprogrammablauf aus Fig. 14 ist anwendbar in einer Hochfrequenzerhitzungsvorrichtung, die Schaltungen aufweist, in denen das Glasfaser-Thermometer aus dem elektrischen Schaltplan von Fig. 6 weggelassen wurde. Wenn das Programm gestartet wird, werden das Gewicht des Lebensmittels (welches angenommen wird als w in Schritt S141), den gewünschten Endtemperaturanstieg (ein Wert, bei dem die Anfangstemperatur Θ&sub0; vom der erwünschten Endtemperatur G1 des Lebensmittels abgezogen wird, der in Schritt S141 als Θ angenommen wird) und eine für die Temperaturerhöhung benötigte Erhitzungszeit (die in Schritt S143 als τ angenommen wird) in den Personalcomputer 90 eingegeben. Dann wird ein Berechnungs-Vorgang durchgeführt (in den Ausdrücken ist grundlegend BASIC verwendet). Ein erwünschter Temperaturanstiegswert Θ wird mit dem Lebensmittelgewicht w multipliziert. Dies wird multipliziert mit 1,25, um den oben beschriebenen Verlust von 25% vorwegzunehmen. Dies wird zur Umrechnen in die Energiemenge geteilt durch 860. Mit der soweit zur Verfügung gestellten Berechnung kann die in die Heizkammer abzustrahlende Hochfrequenzenergiemenge berechnet werden.
Um die Zeitverteilung gemäß der oben beschriebenen Exponentialfunktion zu erreichen, wird das Erhitzen durch eine Kombination aus Kurzzeitbestrahlungen und keinen Bestrahlungen realisiert, wobei Software eingesetzt wird, da eine Vorrichtung, die zu veränderbareren Energieeinstellung fähig ist, sehr schwer in Hardware zu implementieren ist. Diese wird geteilt durch den nominalen Hochfrequenzausgabewert (gemessener Ausgangswert), um die Abstrahlungsgesamtzeit zu berechnen und wird multipliziert mit 3600 Sekunden im Schritt S144. Die Abstrahlungszeit wird auf konstant 3 Sekunden eingestellt, dies hat in Versuchen zu vorteilhaften Ergebnisse geführt. Dies wird durch 3 geteilt und die Nachkommastellen werden abgeschnitten. Dadurch ergibt sich in Schritt S144 die Gesamtzahl n&sub0; von 3-Sekunden-Abstrahlungen.
Um die Frequenz n&sub0; der Zeit τ gemäß der Exponentialfunktion (1) zuzuordnen, wird die benötigte Zeit, um eine Temperatur niedriger als 1ºC als die erwünschte Temperatur zu erreichen, für τ eingesetzt,
erste Zeit t1 = log(1 - 1/n&sub0;) ÷ (1/τ * log(1/Θ)
n-te Zeit tn = log(1 - n/n&sub0;) ÷ (1/τ * log(1/Θ)
Die Zeit (n&sub0; - 1)-te wird erhalten und gespeichert in Schritt S145.
Das Lebensmittel wird unter diesen Bedingungen in die Heizkammer gelegt. Sobald in Schrift S146 festgestellt wurde, dass die Start-Taste gedrückt worden ist, wird zuerst in Schritt S147 ein Relais eingeschaltet und dann t&sub0; auf 0 gesetzt und der Zähler in Schritt S148 auf n = 0 gesetzt. In Schritt S149 wird vom Zeitpunkt des Drückens der Start-Taste festgestellt, ob die Zeitdauer tn noch nicht die im Zähler angezeigte Zeit erreicht hat. Obwohl die Zeitdauer unmittelbar nach dem Start 0 beträgt, geht das Programm zu Schritt S150 weiter, da die Zeit t&sub0; auch auf 0 gesetzt ist, um so die Trioden-Wechselstromschalter einzuschalten. In Schritt S151 wird festgestellt, ob die Zeit noch keine tn+3 Sekunden erreicht hat. Wenn die Zeit t&sub0;+3 erreicht, geht das Programm weiter zu Schritt S152, um so die Trioden-Wechselstromschalter AUS zu schalten. Die Anzahl n des Zeitzählers wird in Schritt S153 um 1 erhöht. In Schritt S154 wird entschieden, ob n < n&sub0; - 1 ist. Falls ja, kehrt das Programm zu Schritt S149 zurück und die Schleife wird wiederholt bis n = n&sub0; - 1 annimmt. Zu diesem Zeitpunkt geht das Programm weiter zu Schritt S155, in dem das Relais AUS geschaltet wird und das Programm wird beendet.
Ein Erhitzungs-Vorgang wird durch Anwendung des Steuer-Programms erreicht. Als ein Ergebnis ist die Temperaturdifferenz im Lebensmittelinneren klein und die Temperatur des Lebensmittels variiert jedes mal. Verändert man den oben beschieben Verlust von 25% z. B. auf 15% oder 35%, unter Verwendung der selben Lebensmittel sowohl in Material als auch in Form, um so im "Trial and Error" oft zu wiederholen, kommt die Temperatur näher an die erwünschte Temperatur heran. Es ist aber schwierig eine stabile Abweichung innerhalb 1ºC zu erreichen.
Um ein stabiles Ergebnis zu erhalten, wird ein Verfahren zur Steuerung der abgestrahlten Hochfrequenzmenge, während die Temperatur des Lebensmittels überwacht wir, benötigt. Der Thermistor 43 im Drahtgestell 17 ist zum Überwachen der Temperatur vorgesehen.
In dem oben beschriebenen Ablauf des Heiz-Vorgangs aus Fig. 14, wird die abgestrahlte Hochfrequenzmenge über der Zeit entlang einer Exponentialfunktion (1), nämlich einer Kurvenlinie verteilt. Um die Hochfrequenzabstrahlung zu steuern, wird die Kurvenlinie angenähert durch eine Vielzahl von geraden Linienabschnitten, z. B. ungefähr drei geraden Linienabchnitten und die Temperatur an den Übergangsstellen der geraden Linienabschnitten wird überwacht, so dass der Steuer-Vorgang leicht zu bewirken ist. Die Kurvenlinie wird angenähert durch drei gerade Linienabschnitte gemäß Fig. 10. Also gibt es drei Linien mit zwei Verbindungspunkten, wobei die Exponentialfunktion ein Zehntel der Erhitzungszeit und näherungsweise ein Drittel der Temperaturerhöhung, d. h. (τ/10 und Θ/3), und einen zweiten Punkt bei drei Zehntel der Erhitzungszeit und näherungsweise zwei Drittel der Temperaturerhöhung, d. h. (3τ/10 und 20/3) durchläuft. In den jeweiligen geraden Linien ist die Hochfrequenzabstrahldauer immer drei Sekunden und die Abstrahl-Auszeit ist A, B bzw. C Sekunden. Ein Verfahren diese Konstanten zu bestimmen wirdl mit dem Flussdiagram aus Fig. 15 beschrieben. Die Schritte S'1-S'4 sind die-gleichen wie die Schritte S141-S144 aus Fig. 14. Folglich wird ein Wert für A erhalten, indem in Schritt S'5 τ/10 durch n&sub0;/3 geteilt wird und danach drei Sekunden abgezogen werden. Ähnlich erhält man einem Wert für B, indem in Schritt S'6 (3τ/10-τ/10) durch n&sub0;/3 geteilt wird und danach drei Sekunden abgezogen werden. Ein Wert für C wird erhalten, indem in Schritt S'7 (τ-3τ/10) durch n&sub0;/3 geteilt wird und danach 3 Sekunden abgezogen werden. Anschließend geht das Programm weiter zu Fig. 16.
Fig. 16 ist ein Flussdiagramm eines Steuerprogramms nach dem Drücken der Start-Taste. In Schritt S161 werden alle Relais eingeschaltet. In Schritt S162 wird festgestellt, ob der Ausgabewert (Spannungswert des im Drahtgestell 17 enthaltenen Thermistors 43) der Lebensmitteloberflächentemperatur-Erfassungsvorrichtung nicht die Temperatur erreicht hat. Periodische Vorgänge (welche angenommen werden als Hochfrequenzenergien von E&sub3; pro Zeiteinheit) von 3 Sekunden ein und A Sekunden aus werden fortlaufend in Schritt S163 wiederholt. Eine "wahr" Feststellung bedeutet, dass die Temperatur des erhitzten Lebensmittels einen Wert hat, der dabei ist, die Endtemperatur Θ&sub1; zu erreichen, wobei der Anfangswert T&sub0; (vor dem Erhitzen) des Lebensmittels vom Ausgabewert T&sub1; abgezogen worden ist, wenn die Temperatur mittels der Lebensmitteloberflächentemperatur-Erfassungsvorrichtungen 43 gemessen wird. Das Programm geht weiter zu Schritt S164 nachdem der Ausgabewert T&sub3; erreicht hat. In Schritt 164 wird festgestellt, ob die Temperatur noch nicht T&sub2; erreicht hat und ein periodischer Vorgang (welcher angenommen wird als Hochfrequenzenergien von E&sub2; pro Zeiteinheit) von drei Sekunden ein und B Sekunden aus wird in Schritt S165 fortlaufend wiederholt. Nachdem die Temperatur T&sub2; erreicht hat, geht das Programm weiter mit Schritt 166. In Schritt S166 wird festgestellt, ob die Temperatur noch nicht T&sub1; erreicht hat und ein periodischer Vorgang (gleichartig mit E&sub1;) von drei Sekunden ein und C Sekunden aus wird fortlaufend wiederholt in Schritt S167. Nachdem die Temperatur T&sub1; erreicht hat geht das Programm weiter zu Schritt S168. Alle Relais werden in Schritt S168 ausgeschaltet, um so das Programm zu beenden.
Die Differenz von 1ºC oder weniger im Hinblick auf die erwünschte Temperatur wird stabil gehalten, wie in dem Fall, in dem eine in Fig. 6 gezeigte Glasfaser verwendet wird, wenn ein Erhitzungs-Vorgang durchgeführt wird durch ein Verfahren von der Art der in Fig. 1 gezeigten Schnittansicht, wobei ein Steuerprogramm entsprechend dem Flussdiagramm zur Anwendung kommt.
Wie aus der vorangehenden Beschreibung deutlich wird, kann gemäß der Anordnung der vorliegenden Erfindung der gleichmäßige Erhitzungsvorgang von etwa 1ºC Temperaturdifferenz realisiert werden, und eine bemerkenswerte Energiekostenreduzierung erreicht werden und außerdem kann die Arbeitsumgebung stark verbessert werden im Vergleich mit einem Kochvorgang unter Luftabschluss, wobei ein herkömmliches Wasserbad und der Dampfofen verwendet werden.

Claims

1. Hochfrequenzerhitzungsvorrichtung zum Erhitzen eines Materials, bestehend aus: einer Heizkammer zum Aufnehmen des Materials;

einer Hochfrequenzwellenbestrahlungsquelle zum Abstrahlen von Hochfrequenzwellen in die Heizkammer;

einem Temperaturaufneflmer zum Aufnehmen einer aktuellen Temperatur des Materials;

einem Gewichtseinsteller zum Einstellen eines Gewichts W des Materials; einem Temperatureinsteller zum Einstellen einer gewünschten Temperatur, auf die das Material erhitzt werden soll, und zum Erhalten einer Temperaturerhöhung Θ, die die Differenz zwischen der aktuellen Temperatur und der erwünschten Temperatur ist; einem Erhitzungszeiteinsteller zum Einstellen einer erwünschten Gesamterhitzungszeit τ; einem Gesamtenergierechner zum Berechnen der aufsummierten Gesamtenergie Q, basierend auf dem Gewicht und der Temperaturerhöhung, die notwendig ist, um das Material auf die gewünschte Temperatur zu erhitzen; und

einer Bestrahlungsquellensteuereinrichtung zum Steuern der Bestrahlungsquelle derart, dass eine aufsummierte Energie q aus dieser Bestrahlungsquelle entsprechend der folgenden Gleichung erhalten wird:

q/Q = 1 - exp{(t/τ)* In(ΔΘ/Θ)}

in der t die Zeit ab dem Starten des Erhitzens und ΔΘ die Temperaturdifferenz zwischen der Außentemperatur des Materials und der Innentemperatur des Materials sind.

2. Hochfrequenzerhitzungsvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Bestrahlungsquellensteuereinrichtung die Bestrahlungsquelle derart steuert, dass die aufsummierte Energie q entlang einer Näherungslinie zunimmt, die durch eine Vielzahl von Linienabschnitten definiert ist derart, dass sie eine Näherung der exponentiellen Zunahme darstellt.

3. Hochfrequenzerhitzungsvorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Näherungskurve definiert ist durch einen ersten, zweiten und dritten Linienabschnitt, wobei der erste Linienabschnitt von einem Startpunkt zu einem ersten Zwischenpunkt mit einer ersten Steigung verläuft, der zweite Linienabschnitt von dem ersten Zwischenpunkt bis zu einem zweiten Zwischenpunkt mit einer zweiten Steigung, die kleiner als die erste Steigung ist, verläuft, und der dritte Linienabschnitt von dem zweiten Zwischenpunkt zu einem Endpunkt verläuft, der der Gesamterhitzungszeit τ und der aufsummierten Gesamtenergie Q entspricht.

4. Hochfrequenzerhitzvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein periodischer Betrieb von Ein und Aus der Hochfrequenzenergie mit bestimmten Zeitperioden intermittierend wiederholt wird, bis die aktuelle Temperatur des Materials, erfasst durch den Temperaturaufnehmer, einen festgelegten Wert erreicht.

5. Hochfrequenzerhitzungsverfahren zum Erhitzen eines Materials durch die Hochfrequenzwellenbestrahlungsquelle, bestehend aus den Schritten:

(a) Erfassen einer aktuellen Temperatur des Materials;

(b) Erfassen eines Gewichtes W des Materials;

(c) Einstellen einer erwünschten Temperatur, auf die das Material erhitzt werden soll und um eine Temperaturerhöhung Θ zu erhalten, die die Differenz zwischen der gegenwärtigen Temperatur vor dem Erhitzen und der erwünschten Temperatur ist;

(d) Einstellen einer erwünschten Erhitzungszeit τ;

(e) Berechnen einer aufsummierten Gesamtenergie Q, die notwendig ist, um das Material auf die gewünschte Temperatur zu erhitzen, basierend auf dem Gewicht und der Temperaturerhöhung; und

(f) Steuern der Bestrahlungsquelle derart, dass eine aufsummierte Energie q entsprechend der folgenden Gleichung von der Bestrahlungsquelle erhalten wird:

q/Q = 1 - exp{(τ/t) * (ΔΘ/Θ)}

in der t die Zeit ab dem Begin des Erhitzens und ΔΘ die Temperaturdifferenz zwischen der Außentemperatur des Materials und der Innentemperatur des Materials sind.

6. Hochfrequenzerhitzungsvorrichtung nach Anspruch 5, wobei der Schritt (f) die Bestrahlungsquelle steuert derart, dass die aufsummierte Energie q sich entlang einer Näherungslinie erhöht, die durch eine Vielzahl von Linienabschnitten festgelegt ist, welche so verbunden sind, dass sie eine Näherung der exponentiellen Zunahme darstellen.

7. Hochfrequenzerhitzungsvorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Näherungslinie festgelegt ist durch einen ersten, zweiten und dritten Linienabschnitt, wobei der erste Linienabschnitt mit einer ersten Steigung von einem Startpunkt zu einem ersten Zwischenpunkt verläuft, der zweite Linienabschnitt mit einer zweiten Steigung, die kleiner ist als die erste Steigung, von dem ersten Zwischenpunkt zu einem zweiten Zwischenpunkt verläuft, und der dritte Linienabschnitt von dem zweiten Zwischenpunkt zu einem Endpunkt verläuft, der der Gesamterhitzungszeit τ und der aufsummierten Gesamtenergie Q entspricht.