ES2237844T3 - Aparato de calentamiento. - Google Patents
Aparato de calentamiento.Info
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Abstract
LA PRESENTE INVENCION ES UN APARATO QUE PERMITE UN CALENTAMIENTO HOMOGENEO Y UNA MEDIDA EFICIENTE DE UN MATERIAL ORGANICO, ASI COMO DE UNA MEZCLA DE MATERIALES ORGANICOS E INORGANICOS. EL APARATO SE CARACTERIZA PORQUE UNA CARGA, COLOCADA EN UNA CAVIDAD CON DIMENSIONES MUY REDUCIDAS EN RELACION CON LA LONGITUD DE ONDA EN VACIO A LA FRECUENCIA APLICADA, SE CALIENTA POR UN CAMPO CERCANO PULSATIL GENERADO.
Description
Aparato de calentamiento.
La necesidad de calentamiento homogéneo de
materiales que consisten en materiales orgánicos o una mezcla de
materiales orgánicos e inorgánicos es grande.
Los materiales pueden estar integrados por
componentes sólidos, líquidos o por una mezcla de ambos. La
necesidad de calentamiento abarca volúmenes grandes y pequeños. Como
ejemplo, se puede mencionar la preparación de comidas en la
industria alimenticia, la cocción de alimentos en restaurantes y
hogares, la esterilización de despojos, la digestión de las fibras
de madera y el secado por degradación y la esterilización de
fangos.
Existen aplicaciones donde es necesario el
calentamiento rápido sin la aparición de puntos calientes o zonas
calientes. Un ejemplo de aplicación es el calentamiento de sangre
fría destinada a transfusiones de sangre en la asistencia
médica.
En los procesos industriales, tales como el
secado de la madera, existe la necesidad de medir y utilizar los
cambios en las propiedades dieléctricas.
Las técnicas de calentamiento establecidas, tales
como el calentamiento con microondas, el calentamiento con radiación
de calor convencional y convección de calor, tienen en común que la
absorción del calor en una carga está caracterizada por una
profundidad muy pequeña o ninguna profundidad de penetración. El
calentamiento de las partes interiores de una carga se realizará por
transmisión de calor desde las superficies absorbentes de calor. En
los materiales dieléctricos más comunes, la transmisión de calor es
un proceso lento. En consecuencia, grandes volúmenes de materiales
orgánicos requieren un largo tiempo para lograr una distribución
homogénea del calor.
También se conoce desde antes que los materiales
dieléctricos se pueden calentar oscilando campos eléctricos de alta
frecuencia generados entre una par/pares de electrodos. Esta
tecnología tiene la desventaja que no es flexible en cuanto a
diferencias en la geometría de la carga y la composición de
la
carga.
carga.
También es sabido que es posible calentar una
carga dieléctrica emitiendo radiación electromagnética desde una
antena hasta el interior de una cavidad con paredes hechas de un
material eléctricamente conductor.
El calentamiento con microondas en una cavidad
resonante es desde hace muchos años una técnica establecida. Una
cavidad resonante tiene la ventaja de que es posible una
distribución uniforme de las microondas.
Una cavidad resonante de un horno microondas
requiere que se cumplan ciertas condiciones físicas, como por
ejemplo:
Con frecuencias superiores a 900 MHz (frecuencias
de microondas), las corrientes en una pared de la cavidad están
concentradas en la superficie. Una aproximación según las ecuaciones
de Maxwell válida para la conductividad infinita de paredes resulta
en un error insignificante. Al disminuir la frecuencia, aumenta la
profundidad de la piel. Con frecuencias inferiores a 300 MHz la
profundidad de la piel es tan considerable que, de acuerdo con la
tecnología conocida, una cavidad resonante no se considera
posible.
Además de que las paredes de la cavidad deberán
tener aproximadamente conductividad absoluta, la cavidad deberá
cumplir con las dimensiones requeridas para una cavidad resonante.
Por ejemplo, como mínimo una longitud de un lado de una cavidad
rectangular no deberá ser inferior a media longitud de onda.
Para obtener una cavidad circular resonante, el
diámetro deberá corresponder a 0,76% de una longitud de onda. Es
posible obtener una distribución homogénea de microondas en una
cavidad. No obstante, las microondas tienen una profundidad de
penetración insignificante. Así, para muchas aplicaciones
diferentes, especialmente si las cargas son gruesas, el resultado
será un calentamiento superficial y no homogéneo.
El calentamiento en una cavidad resonante con
frecuencias inferiores a 300 MHz tiene teóricamente, para muchas
aplicaciones, considerables ventajas para obtener un calentamiento
rápido y homogéneo de cargas grandes de materiales dieléctricos.
Debido a las razones mencionadas antes, esa cavidad ha sido
considerada como algo imposible.
Este invento hace posible una cavidad resonante
con frecuencias inferiores a 300 MHz al mismo tiempo que la cavidad
permanece pequeña y compacta, así como grande y muy amplia.
El invento está caracterizado porque un campo
cercano electromagnético pulsante se genera en la carga, situada en
una cavidad con dimensiones muy pequeñas con respecto a la longitud
de onda en vacío con la frecuencia aplicada. Un campo cercado se
define como un campo formado dentro de menos de una longitud de onda
desde una antena.
El calentamiento homogéneo con alta eficiencia de
potencia se logra para cargas pequeñas y grandes. Esto es válido si
el lado más largo de la cavidad está delimitado, la distancia entre
dos puntos en la cavidad es menor que media longitud de onda en
vacío, de cualquier longitud de onda en un vacío condicionado por la
frecuencia aplicada.
Se obtendrá un calentamiento favorable
especialmente si el espacio de la cavidad es delimitado. La raíz
cúbica del volumen de espacio de la cavidad no deberá ser superior
al 25% de cualquier longitud de onda en vacío condicionado por la
frecuencia aplicada, preferentemente no ser superior al 20% de
cualquier longitud de onda en vacío condicionado por la frecuencia
aplicada, todavía mejor no ser superior al 15% de cualquier longitud
de onda en vacío condicionado por la frecuencia aplicada.
La fig. 1 es un ejemplo de un aparato de acuerdo
con el invento.
Entre la antena (2) y las paredes de la cavidad
(1) existe una diferencia de fase.
La magnitud de la diferencia de fase entre la
antena y la cavidad depende de la elección de los puntos de
referencia en la antena y la cavidad. La diferencia de fase va de
unos pocos grados a 180 grados. Las mediciones muestran una
distribución muy buena del calor en la carga (3).
Las simulaciones de ordenador realizadas indican
configuraciones de campo muy complicadas. Los modelos de campos
magnéticos y eléctricos no están de acuerdo con los modelos válidos
para hornos microondas y para el calentamiento dieléctrico
tradicional.
La antena(s) incluida(s) con la
cavidad genera(n) conjuntamente con las paredes de la cavidad
campos eléctricos y magnéticos pulsantes en la carga. La carga se
calienta con una homogeneidad muy buena y una gran eficiencia de
potencia. La concentración de calor en los denominados puntos
calientes o en la superficie de la carga no se produce.
Es característico del invento, por lo tanto, una
interacción única entre la antena, las paredes de la cavidad y la
carga situada en la cavidad. Esta interacción posibilita un proceso
de calentamiento rápido.
El invento se caracteriza también porque la
cavidad, la carga, la antena, la adaptación y el generador de
frecuencia forman una unidad resonante.
La antena, las paredes de la cavidad y la
adaptación deberán formar, entre no carga y carga máxima en la
cavidad, una longitud eléctrica de media longitud de onda o un
múltiplo de media longitud de onda en vacío con la
frecuencia/frecuencia aplicada(s).
Las condiciones favorables permanecen si la
aberración de un múltiplo de media longitud de onda no es superior
al +/-15% de media longitud de onda, preferentemente no es superior
a +/-10% de media longitud de onda, y todavía mejor si no es
superior a +/-7% de media longitud de onda.
El rendimiento de la antena mejora si la
superficie de la antena dirigida hacia el espacio de la carga está
cubierta por una o varias capas/películas de un material
eléctricamente no conductor como vidrio, óxido de aluminio, óxido de
circonio, cerámica, Teflón, Capton, etc. Una capa puede estar
constituida de muchas maneras. Puede ser una película de óxido, un
polvo que yace suelto o una placa que yace suelta. La capa puede
tocar la antena y también se puede adherir a la antena. Una capa
también puede estar separada de la antena mediante vacío o aire. El
espesor eléctrico/físico de una capa o capas no deberá ser superior
al 3% de la longitud de onda, preferentemente no ser superior al 2%
de la longitud de onda y, todavía mejor, no ser superior el 1,5% de
la longitud de onda condicionada por la frecuencia aplicada.
La interacción única entre la antena, la cavidad
y la carga situada en la cavidad hacen también que el invento sea
muy útil para proporcionar parámetros para el control de proceso en
materiales dieléctricos, por ejemplo el secado de la madera. El
proceso se puede realizar calentando con la tecnología
establecida.
El invento ofrece un calentamiento homogéneo de
materiales dieléctricos sin sobrecalentamiento en puntos calientes o
zonas superficiales. Por eso, es útil para aplicaciones exigentes,
por ejemplo para calentar sangre fría destinada a transfusiones en
la asistencia médica.
Un aparato de acuerdo con el invento genera calor
en una carga cuando la radiación electromagnética aplicada está
dentro del campo de frecuencias de 50 kHz a 299 MHz, preferentemente
dentro del campo de frecuencias de 100 kHz a 299 MHz, todavía mejor
dentro del campo de frecuencias de 300 kHz a 299 MHz, lo óptimo
entre 1 MHz y 299 MHz.
La fig. 1 es un ejemplo de un aparato de acuerdo
con el invento.
Un aparato de acuerdo con el invento tiene una
cavidad (1) con paredes eléctricamente conductoras y, como mínimo,
una antena (2) dentro de la cavidad. La antena está conectada a una
(4) o dos conexiones de salida de un generador de frecuencia
(transmisor), la cavidad está conectada a la otra (5) conexión de
salida.
A través de unidades de adaptación (7), el
generador de frecuencia (6) alimenta la antena y la cavidad con una
corriente cuya frecuencia está sintonizada con la antena, las
paredes de la cavidad, las unidades de adaptación y la carga (9).
Dentro de la cavidad, el campo electromagnético genera calor en una
carga (3) que está situada en el espacio de carga de la cavidad. La
carga consta, como mínimo de un material con un factor de pérdida
dieléctrico y/o magnético.
Es característico del invento que una de las
conexiones de salida del generador de frecuencia está conectada a la
cavidad con una o más conexiones. Es una ventaja si la conexión
(8)/conexiones con las paredes de la cavidad está(n)
ubicada(s) de tal manera que el plano tangencial de la
superficie media de la antena dirigida hacia el espacio de la carga
está ubicado entre la superficie de la carga y la conexión (8) con
la cavidad.
Si se utiliza una conexión con la pared de la
cavidad, es conveniente si la conexión (5) con la cavidad está cerca
de la normal (N) a través del punto central de la(s)
superficie(s) combinada(s) de la(s)
antena(s) (7). El punto de intersección (s) es el punto donde
la normal (N) corta la pared de la cavidad.
La distancia (a) a lo largo del/de los lados de
la cavidad es la distancia entre la conexión (5)/conexiones y la
intersección (s). La distancia (a) no deberá, con la frecuencia
aplicada, ser superior al 15% de la longitud de onda correspondiente
en vacío, preferentemente, no ser superior al 12% de la longitud de
onda correspondiente en vacío, y todavía mejor, no ser superior al
10% de la longitud de onda correspondiente en vacío.
La eficiencia de potencia mejora si la superficie
de la(s) antena(s) dirigida(s) hacia el espacio
de carga de la cavidad se mantiene un 45% por debajo del plano de la
sección transversal de la cavidad coincidente, preferiblemente un
40%, todavía mejor un 35%, y lo óptimo un 30%.
También es una ventaja si la superficie de
la(s) antena(s) dirigida(s) hacia el espacio de
carga de la cavidad no tiene esquinas agudas. Las esquinas
tangenciales a la superficie del plano de la antena deberán, por lo
tanto, tener un radio superior al 2%, preferentemente 3%, todavía
mejor superior al 4% de la distancia máxima del área de sección
transversal coincidente de la cavidad.
Es especialmente favorable si la superficie de
la(s)
antena(s) dirigida(s) hacia el espacio de carga de la cavidad es circular, ovalada o un polígono con más de 5 lados.
antena(s) dirigida(s) hacia el espacio de carga de la cavidad es circular, ovalada o un polígono con más de 5 lados.
El espacio de carga está situado en el lado
opuesto de la conexión de la antena con el generador de frecuencia.
El espacio de carga está encerrado por la superficie del plano de la
antena y las paredes de la cavidad. Una distribución de campo
favorable en la carga requiere que la distancia más larga del
espacio de carga entre la antena y las paredes de la cavidad no sea
superior al 30% de la longitud de onda en vacío de la longitud de
onda aplicada en vacío condicionado por la frecuencia aplicada.
Se ha realizado una prueba en un aparato diseñado
como se describe en la fig. 1. Un rosbif de 1,5 kg se colocó en la
cavidad del aparato. Se aplicó una señal de RF de 136 MHz con una
potencia de 500 vatios durante dos períodos de 15 minutos. Al
principio, la temperatura de la carne era de 4ºC. Después de 15 y 30
minutos respectivamente, la temperatura media de la carne había
aumentado 30ºC y 70ºC respectivamente. Cortes transversales del
rosbif mostraron un color rojo perfecto desde la piel de la carne
hasta el centro.
También se han preparado trozos de carne desde
100 gramos hasta varios kilos.
El invento también es perfecto para medir los
cambios químicos en una carga estableciendo los cambios en las
condiciones resonantes.
Un ejemplo es el secado de la madera. Cuando la
madera se está secando, las propiedades dieléctricas se modifican.
El sistema es adaptado a un circuito resonante perfecto. Cuando el
contenido de humedad en la madera disminuye, las condiciones de
resonancia se modifican y se producen ondas estacionarias en el
sistema.
Midiendo la SWF [relación de ondas estacionarias,
la relación entre la potencia emitida por el generador y la potencia
reflejada por el sistema], se puede medir la composición por ejemplo
la humedad de la madera.
La composición también se puede determinar
midiendo cambios en las relaciones de impedancia. Un ejemplo es que
la impedancia característica disminuirá al reducirse la humedad de
la madera.
Claims (14)
1. Un aparato para calentar y/o medir materiales
dieléctricos con radiación electromagnética dentro del campo de
frecuencias de 1 MHz a 299 MHz, con una o más antenas colocadas en
una cavidad que la(s) antena(s) conjuntamente con las
paredes de la cavidad que encierran el espacio de la carga, genera
un campo cercado eléctrico y/o magnético en una carga,
caracterizado porque la raíz cúbica del volumen de espacio de
la cavidad no deberá ser superior al 25% de ninguna longitud de onda
en vacío condicionado por la frecuencia aplicada.
2. Aparato de acuerdo con la reivindicación
anterior caracterizado porque la cavidad, la carga, la antena
y las unidades de adaptación junto con el generador de frecuencia
forman una unidad resonante.
3. Aparato de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones anteriores caracterizado porque la antena,
la cavidad y las unidades de adaptación tienen desde no carga hasta
carga máxima una longitud eléctrica de media longitud de onda o un
múltiplo de media longitud de onda con la(s)
frecuencia(s) aplicada(s).
4. Aparato de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones anteriores caracterizado porque la
desviación de un múltiplo no es superior al +/-15% de un múltiplo de
media longitud de onda.
5. Aparato de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones anteriores caracterizado porque la cavidad
está delimitada de tal forma que la distancia entre un punto central
en la cavidad definida por las superficies combinadas de la antena y
cualquier otro punto en la cavidad es inferior a media longitud de
onda en vacío de una longitud de onda condicionada por la frecuencia
aplicada.
6. Aparato de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones anteriores caracterizado porque la
superficie de la antena dirigida hacia al espacio de carga está
cubierta por una o varias capas/películas de un material
eléctricamente no conductor, el espesor eléctrico/físico mutuo de
una capa no deberá ser superior al 3% de la longitud de onda en
vacío proporcionada por la(s) frecuencia(s)
aplicada(s).
7. Aparato de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones anteriores caracterizado porque una de las
conexiones de salida del generador de frecuencia está conectada a la
cavidad con una o más conexiones.
8. Aparato de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones anteriores caracterizado porque el plano
tangencial de la superficie media de la antena, dirigida hacia el
espacio de carga, está situado entre el espacio de carga y los
punto(s) de conexión [8] con la cavidad.
9. Aparato de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones anteriores caracterizado porque la distancia
(a) a lo largo del lado/de los lados de la cavidad entre los
punto(s) de conexión (5) y la intersección(s), con la
frecuencia aplicada, no es superior al 20% de la longitud de onda
correspondiente en vacío.
10. Aparato de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones anteriores caracterizado porque la
superficie del plano de la(s) antena(s)
dirigida(s) hacia el espacio de carga de la cavidad está 45%
por debajo del plano de sección transversal coincidente de la
cavidad.
11. Aparato de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones anteriores caracterizado porque la
superficie del plano de la(s) antena(s)
dirigida(s) hacia el espacio de carga de la cavidad es
circular, ovalada o un polígono de más de 5 lados.
12. Aparato de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones anteriores caracterizado porque las esquinas
tangenciales a la superficie del plano de la antena tienen un radio
superior al 2% de la distancia más larga del área de sección
transversal coincidente de la cavidad.
13. Aparato de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones anteriores caracterizado porque los
parámetros químicos se miden midiendo los cambios en la SWR.
14. Aparato de acuerdo con cualquiera de las
reivindicaciones anteriores caracterizado porque la
composición modificada se determina midiendo los cambios en las
relaciones de impedancia.
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