KR20230012542A - 고체 상태 마이크로웨이브 살균 및 저온살균 - Google Patents

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Abstract

고체 상태 MW 생성기를 사용하는 산업용 마이크로웨이브 (MW) 보조 열 살균 및 저온 살균을 위한 방법 및 장치. 하나 이상의 위상 어레이 생성기는 보충적 온도 제어 및 정수압을 제공하는 처리 액체를 통해 운송 캐리어로 운반되는 포장된 식품 또는 액체를 가열한다. 생성기 출력 신호는 컴퓨터로 제어되어 위상 및 전력비 변조를 통해 가열 캐비티 내의 간섭 패턴을 조정하고 가열 에너지의 초점을 시프팅할 수 있다.

Description

고체 상태 마이크로웨이브 살균 및 저온살균
본 발명은 국립식량농업연구소를 통해 미국 농무부에 의해 수여된 보조금 번호 2016-68003-24840 하에 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에 대해 일정한 권리를 갖는다.
본 개시는 연속 유동 포장 식품 가공, 구체적으로 고체 상태 (solid-state: SS) 마이크로웨이브 (MW) 생성기를 사용하는 MW 보조 열 살균 및 저온살균에 관한 것이다.
마이크로웨이브(MW)는 300MHz ~ 300GHz 주파수의 전자기파이다. 1900년대 중반에 식품 가공을 위해 MW 가열이 도입되었다. 산업 규모의 MW 보조 열 살균 및 저온 살균 시스템은 레토르트 처리와 같은 대체 가열 방법에 비해 처리 시간 단축으로 인한 풍미, 질감 및 영양 개선을 포함하여 여러 가지 이점을 제공한다. 이점에도 불구하고 고르지 않은 가열은 모든 크기의 MW 시스템에서 계속되는 문제였으며 가열 챔버 내에서 MW 간섭 패턴에 따라 식품 제품 이동, MW 가열 보완, 과열되기 쉬운 가장자리 차폐, 여러 방향으로부터의 에너지를 지향시키기 위한 도파관 어셈블리 내 스플리터 통합, 및 여러 측면에서 식품 제품을 가열하기 위한 여러 생성기와 MW 혼 사용을 포함하는 다양한 방식들을 통해 해결되었다.
이제까지는 식품 애플리케이션을 위한 산업용 MW 가열 시스템은 충분한 MW 가열 에너지를 생성하기 위해 마그네트론에 의존해 왔다. 일반적인 마그네트론은 캐소드, 애노드, 정자기장용 자석 및 출력 안테나로 구성된다. 마그네트론은 수명이 제한되고 시간이 지남에 따라 성능이 저하되는 경향이 있는 소모성 단일 주파수 컴포넌트들을 생성한다. 마그네트론에 의해 생성된 MW 의 주파수 (f) 는 다음과 같이 정의된다:
Figure pct00001
여기서 L 은 등가 인덕턴스이고 C 는 애노드 캐비티의 등가 커패시턴스이다. L과 C는 캐비티의 물리적 치수에 의해 결정된다. 따라서 MW 주파수는 전적으로 마그네트론의 애노드 캐비티 치수에 의해 결정된다. L과 C가 더 큰 마그네트론의 크기가 클수록 더 낮은 주파수의 MW 를 얻을 수 있다. 따라서 915MHz의 마그네트론은 2450MHz의 마그네트론보다 훨씬 크다. 915MHz에서 작동하는 마그네트론은 최대 100kW까지 사용할 수 있으며 2450MHz에서 작동하는 마그네트론은 일반적으로 약 1kW용으로 설계된다. 출력 신호 특성을 조정하는 용량은 제한되어 있으며 여러 방향에서 가열 챔버로 MW 에너지를 적용하는 설계는 도파관 기하학에 의존한다. 고정된 도파관 설계는 마그네트론 변동을 교정하고 MW 간섭 노드를 최적화하기 위해 쉽게 미세 조정될 수 없다. 텔레스코핑 "트롬본" 슬라이드 메커니즘을 갖는 도파관들과 같은 가변 기하학 도파관은 바람직하지 않은 기계적 복잡성을 추가한다.
고체 상태 (SS) MW 생성기는 수명이 더 길고 출력 파형을 더 쉽게 조정할 수 있는 대안적인 MW 소스를 제공한다. 마그네트론은 무겁고 진동에 민감하며 고전압에서 작동하기 때문에 SS 생성기는 소형 또는 휴대용 시스템에 특히 적합하다. SS 생성기는 대부분 1kW 이하 정도의 주방 오븐에 필적하는 출력 전력을 제공하도록 스케일링되었다. 이러한 생성기들은 일반적으로 전통적인 반도체 제조 공정을 사용하여 제조된 저전력 송신기 엘리먼트들의 위상 배열이며, 따라서 주방 애플리케이션을 넘어 그것들을 스케일링하는 것은 전자 부품의 기존 도구 및 온도 민감도로 인해 부분적으로 제한되었다.
침지 액체 내에서 유전체 및 표면 가열을 결합하는, 수분 함량을 갖는 미리 포장된 식품 제품 및 기타 아이템의 산업용 저온 살균 또는 살균을 위한 SS MW 생성기를 통합하는 방법 및 장치가 여기에 제시된다.
예시적인 실시형태에서, 운송 캐리어는 처리 전반에 걸쳐 다수의 밀봉된 식품 패키지를 확실하게 유지하고, MW 침입은 물론 신속한 범람 및 배수를 허용하도록 구성된다. 운송 캐리어는 예열 구역 내에서 순환되는 온도 제어 물에 캐리어를 담그는 트레이 로더 조립체에서 시작하여 처리 장치에 로딩되고 이를 통해 운반된다. 그런 다음 운송 캐리어는 예를 들어 유연한 플랩을 사용하여 물의 구역 간 혼합을 제한하는 포털을 통과함으로써 가열 구역으로 운반된다.
운송 캐리어들은 물의 정수압 또는 가압 용기의 과압에 노출되는 가열 구역을 계속 통과함에 따라, 원하는 (예를 들어, 미리 결정된, 특정의) 가열 패턴 및/또는 식품 제품에 대한 MW 침투의 균일성을 제공하기 위해 위상, 진폭 및 주파수가 변조된, 동기화된 상단 및 하단 SS MW 위상 배열 생성기로부터 공급되는 여러 가열 캐비티를 통과한다. 물은 MW 가열 및 연결된 유지 구역 내에서 순환되고 온도가 제어되며, 이 구역은 살균 또는 저온살균 목적에 적합한 시간 동안의 온도 뿐아니라 처리되는 제품 및 부분 크기의 가열 특성를 안정화하고 유지하도록 설계된다. 그런 다음 운송 캐리어는 유지 구역과 후속 냉각 구역 사이의 액체 혼합을 억제하는 제2 포털을 통과한다.
냉각 구역 내에서 물이 순환되고 온도 제어되며, 냉각 구역은 식품 제품이 원하는 후처리 온도에 도달하도록 크기와 시간이 정해진다. 그런 다음 운송 캐리어는 냉각 구역을 통해 운반되고, 운송 캐리어에서 다시 냉각 구역으로 자유롭게 배출되는 물 밖으로 언로딩 어셈블리에 의해 들어 올려진다.
일부 예시적인 실시형태에서, SS MW 생성기는 컴퓨터로 제어되어 다양한 식품 제품의 원하는 처리를 설명하는 두 가지 기본 기능을 가능하게 한다. 첫째, MW 간섭 노드의 균일한 가열 및 최적화를 보장하기 위해 상단 및 하단 생성기가 일치하는 쌍으로 제어된다. 이 기능은 대향 어레이들 간의 전력 비율 및/또는 위상 차이를 조정함으로써 달성된다. 이것은 최대 MW 가열 강도의 수평면을 효과적으로 시프팅(shifting) 시킨다. 그 시프팅은 원하는 경우 동적으로 발생할 수 있다. 둘째, 위상 배열은 음식이 운반되는 경로를 가로질러 측면으로 그리고 그 경로를 따라 에너지를 스티어링 (steering) 하고 스위핑 (sweeping) 하는 것을 허용한다. 이는 각 어레이 내의 개별 송신기 엘리먼트들 간의 위상 차이를 변경함으로써 달성되며 고정 각도 또는 동적 스위핑으로 빔 스티어링을 허용한다.
시스템 컴포넌트는 다양한 재료와 구성을 포함할 수 있지만, 질화 갈륨(GaN), 탄화 규소(SiC) 및 질화 붕소(BN)와 같은 와이드 밴드갭 반도체는 SS MW 생성기가 표준 실리콘 디바이스보다 높은 전압과 온도에서 작동하는 것을 허용한다. 위에서 설명한 동기화 및 빔 포밍 기능 외에도 주파수 시프팅은 공진 캐비티 내에서 불균일한 가열에 기여하는 보강 및 상쇄 간섭 패턴에 대응하는 데 도움이 된다. 마그네트론 기반 설계가 단일 모드 캐비티 내의 정재파에 민감해야 하는 경우, 고체 상태 MW 생성기는 고정된 중심 주파수 모드뿐아니라 대역 내에서의 민첩한 주파수 시프팅을 모두 허용한다. 주파수 시프팅은 정재파의 지속성과 영향을 모두 감소시킨다.
본 명세서에 개시된 예시적인 실시형태는 2016년 2월 4일에 공개된 US 2016/0029685 A1에 기술된 본 발명자의 이전 작업을 개선하며, 그 전체 내용은 본 명세서에 참조로 포함된다.
고체 상태(SS) MW 소스를 본 명세서의 실시형태에 통합하면 마그네트론 기반 시스템에 비해 더 긴 수명을 갖는 더 높은 신뢰성, 더 작은 크기 및 더 낮은 작동 전압, 고장 시 더 쉬운 교체, 피크 주파수의 더 높은 안정성 및 정확도, 및 효과적인 위상 제어를 포함하는 다수의 이익들을 산출한다.
마그네트론은 가정용 MW 오븐의 경우 평균 약 500시간, 상업상 및 산업상 연속 작동에서 1년 동안 사용되는 상대적으로 짧은 수명을 갖는다. 마그네트론의 전력 출력과 피크 주파수는 온도와 사용 기간에 따라 달라진다. 산업상 작동들에서 다운타임을 야기하는, 마그네트론의 정기적인 전력 교정 및 교체에 대한 필요가 존재한다. 반면에 SS 생성기는 일관된 성능으로 최소 15년 동안 작동할 수 있다. SS 생성기의 전력 출력은 훨씬 더 안정적이어서 MW 전원의 정기적 교정 및 교체에 대한 필요를 제거한다.
마그네트론의 구동 전압은 매우 높을 수 있다 (4-20kV). 더 낮은 주파수(예를 들어, 915MHz)용 마그네트론 및 마그네트론 기반 생성기는 부피가 크다. 대조적으로 SS 전력 증폭기는 더 낮은 전압(50V 이하)에서 작동하며 생성기 시스템은 크기와 무게가 훨씬 작다. 그것들은 작동 시 더 조용하고 유지 관리 비용이 적게 든다. 더 작은 생성기는 더 적은 플랜트 공간을 차지한다.
산업 시스템에서 MW 전력을 정확하게 전달하기 위해 다수의 SS 생성기를 사용할 수 있다. 작동 시, 각 생성기를 독립적으로 제어할 수 있고, 및/또는 다수의 생성기를 함께 동기화할 수 있다. 고전력 SS 생성기는 또한 여러 개의 작은 전력 모듈을 결합하여 구축될 수 있다. 정전 시, 모듈 또는 SS 생성기를 보관 중인 백업 장치들로 교체하는 데 몇 분밖에 걸리지 않으며, 이는 그것들이 훨씬 저렴하고 마그네트론에 기초한 고전력 915-MHz 생성기에 비해 저장 공간을 덜 차지하기 때문이다. 이 차이는 장비 유지 보수 비용을 크게 줄이고 식품 공장에서 생산 라인의 가동 중지 시간을 단축한다.
마그네트론의 피크 주파수는 마그네트론의 노후화 및 전력 설정, 출력 임피던스 및 부하 종속 전력 반사, 및 온도 유도 기하학 팽창과 같은 많은 요인의 영향을 받는다. SS 전력 증폭기는 스펙트럼 안정성이 뛰어나고 피크 주파수는 전력 설정이나 노화의 영향을 받지 않는다.
마그네트론은 위상 제어 또는 조정 기능이 없는 비제어 (uncontrolled) 발진기이다. 대조적으로 SS 생성기의 위상은 동기화되고 독립적으로 제어될 수 있다. 다수의 SS MW 전원이 적용기 캐비티에 공급되면, 서로 다른 위상으로 제어되는 파동들이 시간 또는 공간에서 변위될 수 있으며, 이것은 전기장의 균일성을 향상시킬 수 있어 식품을 보다 균일하게 가열할 수 있다.
도 1a 는 예시적인 SS MW 생성기 유닛의 블록 다이어그램을 도시한다.
도 1b 는 SS MW 생성기의 NPN-형 증폭 트랜지스터를 보여준다.
도 1c 는 SS MW 생성기의 NPN-형 증폭 트랜지스터의 기본 회로 구성을 보여준다.
도 2a 는 식품 생산 라인의 섹션 상의 가열 챔버에 연결된 한 쌍의 SS MW 생성기들을 보여주며, 그 생성기들은 왼쪽에서 오른쪽으로 전달되는 식품 패키지의 상단과 하단에 에너지를 제공하도록 위치되어 있다.
도 2b 는 라인을 둘러싸는 4개의 생성기를 보여주며, 식품 패키지는 다이어그램 내로 운반된다.
도 2c 는 곡선형 어레이들을 갖는 6개의 생성기 링을 보여준다.
도 2d 는 4쌍의 SS MW 생성기들을 갖는 식품 생산 라인의 예시적인 섹션을 보여준다.
도 3a 는 식품 패키지를 포함하는 예시적인 운송 캐리어의 측면도를 보여준다.
도 3b 는 운송 캐리어의 상단 및 하단 플레이트의 평면도를 보여준다.
도 4 는 트레이 로더, 수조 예열기, MW 가열 구역, 유지 구역, 냉각 구역 및 트레이 언로딩 스택을 갖는 예시적인 가열 어셈블리를 보여준다.
도 5 는 SS MW 생성기 위상 어레이들의 예시적인 구성들을 보여준다.
도 6a 는 예시적인 어레이의 측면도를 보여주는 위상 어레이 빔포밍을 예시한다.
도 6b 는 자연 초점을 갖는 곡선형 위상 어레이를 보여준다.
도 7a 는 처리 라인을 따른 빔포밍 용량을 보여준다.
도 7b 는 처리 라인 중심선에서 측면으로 빔포밍을 보여준다.
도 7c 는 처리 라인 중심선에서 오프셋된 단일 MW 어레이의 배열을 보여준다.
도 8a 는 라인을 따라 그리고 라인을 가로질러 스위핑될 수 있는 MW 어레이에 접근하는 식품 운송 캐리어를 갖는 처리 라인의 섹션의 평면도를 보여준다.
도 8b 는 예시적인 점진적인 스캔을 예시한다.
도 9a 는 이질적인 가열 특성들의 적층된 내용물들을 갖는 식품 패키지에 대한 우선적인 가열 및 스위핑 방식을 예시한다.
도 9b 는 측면으로 분리된 섹션들에 이질적인 가열 특성들의 내용물들을 갖는 식품 패키지에 대한 우선적인 가열 및 스위핑 방식을 도시한다.
도 10 은 MW 전력 교정/테스팅 시스템을 도시한다.
도 11a 는 도 2a 에 도시된 MW 가열 캐비티의 깊이를 따른 전계 강도의 시뮬레이션 결과이다. 정재파의 서로 다른 패턴들이 3개의 위상차로 상단 및 하단 포트에서 가열 캐비티에 공급되는 MW 들에 의해 형성된다. 도 11a 에서 빨간색으로 표시된 뜨거운 층들은 도 11b 에 묘사된 정재파들의 피크들이며, 여기서 MW 들은 캐비티의 상단(오른쪽)과 하단(왼쪽)으로부터 온다.
도 11b 는 도 11a 와 동일한 정보를 상이한 도면으로 나타낸 것이며, 그래프를 쉽게 읽을 수 있도록 세로에서 가로 방향으로 회전시켰다.
도 12 는 가열 패턴 검출을 위한 예시적인 컴퓨터 비전 방법의 주요 단계를 보여준다.
본원에서 사용되는 바와 같이, 용어 "살균"은 일반적으로 상온에서 보관할 때 독소를 생성하고/하거나 제품의 부패를 야기할 수 있는 식품 제품에 존재하는 모든 형태의 진균, 박테리아, 바이러스, 포자 형태 또는 기타 미생물 유기체를 없애거나 또는 제거하는 과정을 의미한다. 일반적으로, 본 개시의 목적을 위한 "살균"은 식품의약국(FDA)에 의해 규제되는 인간 소비용 식품의 맥락에서 이해되는 용어인 "상업적 살균"을 지칭한다. "상업적 살균"은 FDA에서 다음과 같이 정의한다(21 CFR 113): 열처리 식품의 "상업적 살균"은 (i) 열을 가하여 식품에서 (a) 정상적인 비냉장 보관 및 유통 조건에서 식품에서 번식할 수 있는 미생물; (b) 공중 보건에 중요한 생존 미생물(포자 포함) 로부터 자유롭게 하는 것; 또는 (ii) 정상적인 비냉장 보관 및 유통 조건에서 식품에서 번식할 수 있는 미생물이 없는 식품을 만드는 수분 활성도 제어 및 열 적용에 의해 달성되는 조건을 의미한다. "상업적 살균"은 또한 FDA에서 다음과 같이 정의한다(21 CFR 113): 식품의 무균 처리 및 포장에 사용되는 장비 및 용기의 "상업적 살균"은 열, 화학적 살균제(들) 또는 공중 보건에 중요한 생존 가능한 미생물 뿐아니라 일반 비냉장 보관 및 유통 조건에서 식품에서 번식할 수 있는 건강에 중요하지 않은 미생물이 장비 및 용기에 없도록 하는 기타 적절한 처리를 통해 달성되는 조건을 의미한다. 본 명세서에 개시된 예시적인 실시형태는 상업적 살균이 달성가능하거나 달성되도록 구성된다.
또한 본원에서 사용되는 용어 "저온살균"은 일반적으로 미생물 유기체가 완전히는 아니지만 부분적으로 없애지거나 제거되는 부분적 살균 공정을 의미한다. 용어 "아이템"은 일반적으로 살균 또는 저온살균될 수 있는 임의의 적합한 제조 물품을 지칭한다. 아이템의 예로는 식품 제품, 의료 용품, 소비자 제품 및/또는 기타 적합한 물품이 포함되나 이에 국한되지 않는다. 식품 아이템에는 식사의 개별 부분을 담을 수 있는 성형된 트레이와 같이 여러 층 또는 분리된 캐비티들에 이질적인 식품 제품을 포함하는 패키지도 포함된다. 논의의 편의를 위해, 본 명세서에서는 예시적인 실시형태를 설명하기 위해 "식품 패키지"가 자주 사용되지만, 이러한 설명은 임의의 아이템(들)에 적용 가능하다는 것을 이해해야 한다. "식품 제품"이라는 용어는 일반적으로 사람이나 동물이 소비하기에 적합한 임의의 식품 아이템들을 의미한다. 식품 제품의 예에는 포장 식품, 통조림 식품, 유제품, 맥주, 시럽, 물, 와인 및 주스가 포함되나 이에 국한되지 않는다.
식품 제품을 열풍, 열수 또는 증기로 가열하여 살균하거나 저온살균하면 맛, 식감, 색, 냄새 등이 나빠지는 등의 부작용이 발생할 수 있다. 가열 공정 동안, 원하는 내부 온도를 달성하기 위해 식품 제품의 표면 또는 외부 부분이 과도하게 가열될 수도 있다. 이러한 과도한 가열은 식품 제품에 전술한 역효과를 일으킬 수 있는 하나의 요인이다. 개시된 기술의 여러 실시형태는 아이템을 살균 또는 저온살균하기 위해 침지 액체(예를 들어, 템퍼링된 물)에 침지된 아이템(예를 들어, 식품 제품)을 가열하기 위해 MW를 이용한다. 아래에서 더 자세히 논의되는 바와 같이, 개시된 기술의 몇몇 실시형태는 종래의 기술보다 더 적은 처리 시간을 필요로 하고, 효율적이고 비용 효과적인 방식으로 살균 또는 저온 살균을 달성하기 위해 아이템에서 반복 가능하고 일반적으로 균일한 온도 프로파일을 생성할 수 있다.
통신 산업과의 간섭을 피하기 위해, 미국 FCC(Federal Communications Commission)는 산업, 과학 및 의료 (ISM) 애플리케이션을 위해 제한된 수의 주파수 대역을 할당한다. 이러한 주파수 중 두 개는 일반적으로 가열 애플리케이션들에 사용된다. 2450±50MHz(공기 중 파장, 0.122m)는 가정용 MW 오븐 및 산업용 시스템에 사용되는 반면, 915±13MHz(공기 중 파장, 0.327m)는 주로 산업용 가열 시스템에 사용된다. 식품 가공에 적합한 MW 주파수를 선택할 때 고려해야 할 중요한 사항 중 하나는 식품에서 MW 에너지의 침투 깊이이다. 침투 깊이(dp, m)는 MW 전력 강도가 초기 강도의 36.8%로 감소하는 깊이로 정의된다. 그것은 가열 균일성과 MW 가열을 위한 식품의 두께 선택에 영향을 미치는 핵심 요인이다. 침투 깊이는 다음과 같이 계산할 수 있다:
Figure pct00002
여기서 c 는 자유 공간에서 빛의 속도 (3 × 108 m/s) 이고, f 는 Hz 단위의 MW 주파수이고, ′ 및 ″는 식품 재료의 비유전율 및 손실 계수이다. 음식과 물의 MW 전력 침투 깊이는 표 1에 나와 있는 것처럼 낮은 주파수에서 더 크다. 예를 들어, 915MHz에서 연어 필레와 익힌 마카로니 국수의 침투 깊이는 2450MHz에서의 침투 깊이의 1.7~2.5배이다; 915MHz에서 수돗물과 역삼투(RO) 물의 침투 깊이는 각각 2450MHz에서의 침투 깊이의 2.3배와 4.8배이다.
표 1. 상이한 주파수들에서의 음식과 물에서의 MW 전력 침투 깊이 (dp, mm).
Figure pct00003
주파수 선택에 대한 또 다른 중요한 고려 사항은 가열 패턴/냉점 예측 가능성이다. 가공 식품의 미생물 안전을 보장하려면 산업용 MW 살균 또는 저온 살균 시스템이 안정적인 가열 패턴으로 식품 패키지를 가열하여 냉점이 식품 패키지 내부의 예측 가능한 위치에 유지되도록 하는 것이 중요하다. 일반적으로 단일 모드 가열 캐비티만 이 요구 사항을 충족할 수 있다. 단일 모드 캐비티의 크기는 MW의 파장에 비례한다. 구체적으로, 915MHz MW용 단일 모드 캐비티는 2450MHz MW용 캐비티 크기의 약 3배이다. 2450MHz의 모든 가정용 오븐과 산업용 가열 장치는 2450MHz 단일 모드 캐비티가 단일 식사 크기 패키지의 식품을 가열하기에는 너무 작기 때문에 설계상 다중 모드 캐비티들이다. 915-MHz 단일 모드 캐비티는 MW 살균 또는 저온 살균을 위한 식품 패키지를 수용하기에 충분히 크다.
SS MW 생성기
도 1a 는 소신호 생성기(101), AC-DC 변환기(102), 고전력 증폭기(103), 히트 싱크(104) 및 AC 전원 공급 장치(105)를 포함하는 예시적인 SS MW 전력 생성기(100)를 도시한다. 시스템 제어기(106)는 생성기(100)에 포함되거나 작동 상태에서 생성기에 부착된다. 예시적인 제어기(106)는 아날로그 또는 디지털일 수 있다. 예시적인 제어기(106)는 하나 이상의 프로세서, 하나 이상의 마이크로프로세서 및/또는 하나 이상의 컴퓨터일 수 있다. 고전력 증폭기(103)는 MW 소신호 생성기(101)로부터의 MW 소신호를 고전력 MW 에너지로 변환하여 마그네트론에 대한 임의의 필요를 제거한다. SS MW 가열 시스템에서는 향상된 가열 균일성으로 인해 마그네트론 기반 MW 시스템에 비해 식품 패키지가 원하는 온도에 도달하는 전체 가열 시간이 30% 이상 단축된다. 단축된 가열 시간은 더 나은 제품 품질로 이어진다.
도 1b 는 예시적인 고전력 증폭기(103)를 도시하고, 도 1c는 기본 회로 구성에서 동일한 증폭기(103)를 도시한다. 이 예에서, 증폭기(103)는 2개의 접합으로 연결된 3개의 반도체 컴포넌트로 구성된다. 3개의 반도체 컴포넌트는 n형 반도체층(131)과 다른 n형 반도체층(133) 사이에 샌드위치된 p형 반도체층(132)이다. 층(131 및 132)은 제1 접합을 형성한다. 층(132 및 133)은 제2 접합을 형성한다. 층(131, 132, 133)은 함께 NPN형 트랜지스터를 형성한다. 베이스 B에 작은 MW 입력이 인가되는 동안 베이스를 통해 흐르는 작은 전압과 작은 전류가 모두 증폭되어 큰 MW 출력을 생성한다. SS 생성기는 효율적인 MW 생성을 위해 다양한 전력 수준(예를 들어, 최대 10kW)에 도달하기 위해 증폭 트랜지스터로 만들어진 다수의 기본 전력 모듈(예를 들어, 각각 200~500W)을 결합할 수 있다.
증폭 트랜지스터들의 용량과 신뢰성은 그들의 구성에 사용되는 반도체 재료에 의해 결정된다. 트랜지스터에 사용되는 반도체 재료는 실리콘(Si), 실리콘 카바이드(SiC), 실리콘 게르마늄(SiGe), LDMOS(Laterally Diffused Metal-Oxide-Semiconductor) 및 GaAs(GaAs) 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 일부 실시형태에서, 바람직한 재료는 질화갈륨(GaN)이다. 일반적으로 GaN 기반 트랜지스터는 GaAs 또는 Si 기반 트랜지스터보다 몇 배 더 높은 출력 전력을 제공할 수 있다. 일반적으로 GaN 기반 트랜지스터는 Si 기반 트랜지스터에 비해 더 나은 열전도율, 더 높은 스위칭 속도(100V/ns 에 도달) 및 더 높은 전력 변환 효율을 가지고 있다. GaN 트랜지스터는 또한 더 높은 온도에서 더 높은 전류 밀도로 작동할 수 있다.
일부 GaN 트랜지스터는 상업적으로 공급될 수 있으며 예시적인 실시형태에서 사용하도록 구성될 수 있다. RFHIC Corp.는 2450MHz 애플리케이션에 대해 최대 20kW, 통신 애플리케이션에서 915MHz에 대해 최대 30kW의 GaN 기반 생성기를 개발 및 생산했다. 크레센드 테크놀로지스 LLC (Schaumburg, IL), Wattsine Electronic Technology Corp.(중국 청두) 및 MKS Instruments, Inc(매사추세츠주 앤도버, USA)도 유사한 제품을 시장에 내놓고 있다. 그러나 이러한 상업적으로 이용 가능한 GaN 트랜지스터들은 식품 가공 애플리케이션에 직접 사용하도록 특별히 설계되지 않았다. 그것들은 또한 적용기 캐비티를 추가로 추가해야 한다. 따라서 본 발명의 예시적인 실시형태에서의 구현을 위해서는 추가적인 수정 및 구성이 요구된다.
쌍을 이룬 SS MW 생성기 및 MW 캐비티
SS MW 생성기 어레이는 식품 처리 라인을 따라 다양한 위치에 개별적으로 배치할 수 있지만 균일하고 빠른 가열을 달성하는 데 도움이 되는 한 가지 방법은 식품 패키지를 상단과 하단에서 동시에 가열하는 것이다. 적어도 한 쌍의 마주보는 생성기는 일부 예시적인 실시형태에서 기본 가열 유닛을 나타낸다. 이것은 동일한 길이의 처리 라인 내에서 단일 생성기의 MW 에너지를 효과적으로 배가시켜 전체 가열 시간을 줄인다. 쌍을 이룬 배열은 또한 MW 소스를 향한 측면에서 더 큰 에너지 흡수 효과의 균형을 맞춘다. 쌍을 이룬 배열에 대한 대안은 쌍을 이루지 않은 생성기와 생산 라인 축에서 방사상으로 배향되어 생성기의 링을 형성하는 두 개 이상의 생성기 세트를 모두 포함한다. 비대칭 가열을 필요로 하는 애플리케이션들과 같이, 라인 바로 위 또는 아래 중심 위치에서 오프셋된 다양한 각도로 공정 라인을 따라 단일 생성기를 배열할 수도 있다. 예를 들어, 일부 포장 식사에는 포장의 한 부분 이상에 결합된 다양한 가열 특성을 가진 식품이 포함된다.
도 2a 는 대향하는 측면들로부터 음식을 가열하기 위해 위치한 MW 생성기의 예시적인 쌍을 (측단면으로) 나타낸다. 상부 SS MW 생성기(201)는 MW 에너지를 액체 충전 처리 라인(207)의 섹션 위의 캐비티(202)로 하향 전송한다. 하단 SS MW 생성기 (203) 은 MW 에너지를 동일한 섹션 아래의 캐비티(204)로 위쪽으로 전송한다. 식품 패키지(205)는 운송 캐리어(206)에 수용되고 이 MW 가열 구역을 통해 처리 라인을 따라 운반된다. 도 2b는 4개의 SS MW 생성기(208) 및 조합된 MW 캐비티(209)의 (운반 방향을 따라 단면으로 본) 예시적인 링 배열을 도시한다. 도 2c는 만곡된 MW 캐비티(211)를 갖는 만곡된 어레이 생성기(210)를 갖는 예시적인 링을 도시한다.
도 2a에서, 원하는 성능에 따라, 캐비티(202 및 204)은 특정 피크 주파수에 대한 단일 모드 캐비티로서 구성가능하다. 가열 캐비티 내의 MW 에너지는 간섭 패턴의 영향을 받으며, 노드에서의 상쇄 간섭은 낮은 에너지 "냉점"을 유발하고 안티-노드에서의 보강 간섭은 고에너지 "핫 스폿"을 유발한다. 간섭 패턴의 악영향을 이동하고 최소화하기 위해 SS MW 생성기는 컴퓨터 제어를 받아 시간이 지남에 따라 간섭 패턴을 최적화하거나 변경한다. 대안적으로, 챔버의 공진은 주파수 시프팅 및/또는 빔포밍이 선호되는 애플리케이션에서는 덜 중요하며, 순환 수 내의 운송 캐리어는 반사율이 낮고 식품 제품 및 침지 액체에 의한 에너지 흡수는 반사 에너지를 빠르게 약화시킬 것으로 예상된다.
효율성과 작업자 안전을 위해, MW 에너지가 아이템들이 침지되고 운반되는 채널로 전송되어야 하는 경우를 제외하고, MW 캐비티를 형성하는 재료는 효과적인 패러데이 실드 및/또는 케이지 역할을 하도록 선택된다. 기본 구성은 내구성을 위해 판금일 수 있지만 동일한 목적을 위해 다수의 대안적인 재료들에 금속 메쉬 또는 호일을 함침시킬 수 있다. 마찬가지로, 금속 메쉬를 갖는 투명 창을 배치하여 외부에 장착된 적외선 촬상 장치로 육안 검사 및/또는 모니터링이 가능하도록 할 수 있다. 캐비티가 침지 액체 및 살균 또는 저온 살균될 아이템들을 포함하는 하우징과 결합하는 곳에 투과형 창들이 또한 장착된다.
도 2d는 식품 패키지가 운반되는 확장된 MW 가열 구역을 제공하는 4쌍의 MW 생성기(252)(각 쌍(252)은 도 2a에 도시된 기본 쌍(201/203)와 동일함)를 갖는 식품 생산 라인(251)의 예시적인 섹션을 도시한다. MW 생성기 서브어셈블리의 수는 특정 애플리케이션에 필요한 누적 가열 에너지, 저렴한 생성기 어레이의 크기, 원하는 처리 시간 및 생산 라인의 처리량에 부분적으로 기초하여 결정될 수 있다.
본 명세서의 일부 도면은 SS MW 생성기용 커넥터 및 컴퓨터 제어기, 운송 캐리어에 대한 운송 모드, 및 침지 액체를 위한 순환 시스템과 같이 식품 가공 및 전자 산업에서 알려지고 이해되는 하위 컴포넌트를 나타내지 않는다. 식품 처리 라인의 평평한 부분은 패들 벨트 및/또는 워터 제트와 같은 여러 유형의 운반 수단을 사용할 수 있다.
운송 캐리어
도 3a 는 식품 패키지 (205) 를 포함하는 예시적인 운송 캐리어 (206) 의 측단면도를 보여준다. 운송 캐리어는 상단 플레이트(301)와 하단 플레이트(302)가 있는 길쭉한 상자이다. 도 3b는 MW 에너지를 감쇠시키고 식품 패키지의 에지를 차폐하면서 식품 제품을 MW 에너지에 노출시키도록 설계된 격자를 갖는 예시적인 상단 플레이트(301) 및 하단 플레이트(302)의 평면도를 도시한다.
운송 캐리어는 필요에 따라 다양한 재료의 크기와 구성이 가능하다. 일부 애플리케이션에서 금속 프레임은 내구성, 서비스 수명 측면에서 경제성 및 과열되기 쉬운 부분 (예를 들어, 패키지 가장자리) 의 차폐를 제공한다. 또는, 경질 플라스틱 및 섬유 복합 재료를 선택하여 운송 캐리어를 통해 MW 에너지를 더 많이 전달하고 식품 패키지 및 침지 액체에 흡수할 수 있도록 할 수 있다. 차폐 재료가 선택된 경우 상부 및 하단 플레이트의 그리드 패턴이 선택되어 캐리어 내용물의 일부가 MW 에너지에 노출된다.
운송 캐리어들은 접을 수 있는 상자 또는 고정된(예를 들어, 용접된) 측면 및 바닥으로 구성될 수 있다. 그것들은 가공 장비를 통해 운반하는 동안 식품 패키지를 제자리에 유지하기 위한 부분 칸막이를 포함할 수도 있다. 상단 플레이트는 완전히 제거 가능(예를 들어, 슬라이드 메커니즘), 걸쇠 가능(예를 들어, 토글 래치) 및/또는 개방 가능(예를 들어, 경첩 포함)하여 식품 패키지를 로딩 및 언로딩할 수 있다.
여러 온도 제어 구역이 있는 연속 흐름 시스템
도 4는 식품 패키지(또는 다른 아이템)를 포함하는 운송 캐리어가 왼쪽에서 오른쪽으로 운반되는 예시적인 가열 어셈블리의 측면도를 보여준다. 먼저, 트레이 로더(401)는 운송 캐리어를 온도 제어 순환 액체로 낮추고 침지시킨다. 운송 캐리어는 그후 온도 구역 사이의 혼합을 억제하는 제1 포털(403)을 통과하기 전에 예열 구역(402)을 통해 진행한다. MW 가열 구역(404)(도 2d에 도시된 섹션과 동일)은 유지 구역(405)에 연결된다. 제2 포털(406)은 냉각 구역(407) 및 언로딩 스택(408)으로 이어진다. 이 구성은 단일 도어를 통해 음식을 로딩하고 제거하는 주방 스타일의 MW 오븐과 비교하여 산업 환경에 효율성을 더한다.
적외선, 무선 주파수(RF) 또는 기타 센서(409)를 사용하는 피드백 제어가 포함되어 아이템이 연속 흐름 시스템을 통해 능동적으로 이동하는 경우에도 원하는 결과를 향해 실제 MW 출력을 구동할 수 있다. 예시적인 목적을 위해 2개의 센서(409)가 도 4에서 가열 구역(404) 내에 도시되어 있지만, 센서(409)는 다양한 실시형태에서 더 적거나 더 많은 수로 그리고 시스템의 임의의 구역에 위치될 수 있다. 센서(409)는 예를 들어 아이템의 온도 및 가열 패턴을 모니터링하고 제어기(들)(예를 들어, 도 1a의 제어기(106))에 피드백을 공급할 수 있다. 그런 다음 제어기(들)는 특정 SS MW 생성기의 모드 또는 모드의 설정을 조정하여 온도 및/또는 가열 패턴을 변경한다.
다시 말하지만, 일부 도면은 식품 가공 산업에서 알려져 있고 이해되는 하위 컴포넌트 또는 디자인 대안을 보여주지 않는다. 만곡부 (bend) 는 설계 생산 현장 크기 제약을 수용하고 롤러, 캐러셀 또는 곡선형 컨베이어를 사용할 수 있다. 다른 구역의 침지 액체 수준에 비해 가열 구역을 낮추어 더 큰 정수압을 달성하기 위해 경사를 추가할 수 있으며 운송 캐리어는 패들 벨트 또는 체인 컨베이어로 경사 위 및 아래로 운반될 수 있다. 마찬가지로, 경사는 로딩 및 언로딩 스택에서 트레이 로더 어셈블리를 대체할 수 있다. 로딩 및 언로딩은 수동이거나 더 큰 플랜트 내에서 통합될 수 있다. 예를 들어, 별도의 기계를 사용하여 식품 제품을 준비하고 포장한 다음 운송 캐리어를 트레이 로더(401)에 직접 공급할 수 있다. 마찬가지로, 언로딩 스택(408)은 자동화된 박싱 및 입고 장비로 이어질 수 있다.
전체 시스템이 연속적인 흐름이고, 패키지가 처리 라인의 시작 부분에 도입되고 처리 후 제거되지만, 운송 컴포넌트는 운송 캐리어가 프로세스를 통해 임시 기간 동안 고정된 상태를 유지할 수 있도록 구성할 수 있다. 예를 들어, 사용자는 특정 구역의 크기를 줄이면서 해당 구역 내의 침지 액체에 노출되는 시간 주기를 연장할 수 있다. 유사하게, 전체 가열 에너지를 증가시키기 위해 패키지가 여러 SS MW 생성기 쌍을 지나 이동하도록 하는 대신, 운송 캐리어는 단일 쌍에 노출되는 동안 이동을 일시 중지하거나 SS MW 생성기들의 동일한 쌍 또는 쌍들을 지나 앞뒤로(또는 좌우로) 다수 회 이동될 수 있다. 결과적으로 확장된 노출은 아래에서 자세히 설명하는 스티어링 및 스위핑 모드와 결합되어 총 에너지를 증가시키고 패키지가 더 균일하게 (또는 원하는 경우 우선적 가열로) 가열되도록 한다.
여러 순환, 제어, 가열, 및 열 교환 방법들이 증기와 같은 침지액 및 전기 저항 코일에 대해 사용가능하다. MW 가열 구역 (404) 내에서, MW 생성기는 식품 제품과 함께 침지액 (종종 역삼투 장치로부터 생성되는 낮은 이온 전도성의 물) 을 부분적으로 가열할 수도 있다. SS MW 생성기 또는 다른 유형의 가열 엘리먼트는 또한 운송 캐리어가 도입되고 유지 구역 (405) 내에 있기 전에 침지액을 미리 가열하거나 미리 가열하는 것을 돕는데 사용될 수도 있다. 언급된 바와 같이, 포털들 (403 및 406) 은 구역들 사이의 혼합을 억제하도록 선택 및 구성된다. 이들은 고무 플랩, 도어, 또는 다른 배플 메커니즘들을 포함하거나, 침지액의 완전히 별개의 베이슨들 (basins) 밖으로 및 안으로 운송 캐리어를 (예를 들어, 램프에 의해) 상승 및 하강시킴으로써 교체될 수도 있다.
침지액은 MW 에너지가 적용되는 동안 아이템의 수분 함량이 아이템을 파열시키는 것을 제한 또는 방지하는 정수압을 공급한다. 물은 다수의 애플리케이션들을 위해 선택한 침지액이고, 패키지들은 간단한 송풍기로 처리한 후 건조된다.
동작 모드들
고정 주파수 및 고정 위상각으로 사용될 때에도, SS MW 생성기는 낮은 동작 전압에서 긴 듀티 수명에 걸친 더 안정한 출력에 대해서 마그네트론에 비해 이익을 제공한다. 고정 출력 모드에 더하여, 프로그램가능한 컴퓨터 제어기가 각각의 SS MW 생성기의 주파수, 위상, 및 진폭을 모니터링하고 선택하도록 구성가능하여, 일부 MW 에너지가 침지액 및 식품 아이템을 통해 이동하는 것이 예상될 수 있는 각 캐비티 내에서 및 대향하는 캐비티들 사이에서 MW 에너지의 조정을 허용한다. 이것은 쌍을 이룬 또는 링을 이룬 생성기 어레이들을 동기화하기 위해 상대 위상 및 진폭 뿐아니라 단일 어레이 내의 송신기 엘리먼트들 사이의 위상 차이들을 튜닝하는 것을 포함한다. 상이한 동작 모드들은 동일한 처리 라인상을 주행하는 식품들 사이의 차이를 설명하는 것을 도와서, 시스템에 다양한 제품들을 다루기 위한 더 많은 유연성을 제공한다. 예시적인 제어기에 의해 실행되는 소프트웨어는 또한 이미 위에서 논의된 바와 같이 실제의 MW 출력을 원하는 결과를 향해 구동하기 위해 적외선, RF, 또는 다른 센서들을 사용하는 피드백 제어를 통합할 수도 있다.
예를 들어, 도 2a 에서와 같이 MW 가열 구역 위 및 아래에 쌍들로 대향하는 SS MW 생성기들을 통합하는 실시형태들의 경우, 최대 가열 강도의 수평 평면들은 쌍을 이룬 생성기들의 상대 위상 및/또는 상대 진폭 (전력비) 을 변경함으로써 수직으로 위 또는 아래로 설정가능하고 조정가능하다. 쌍을 이룬 생성기들 사이의 상대 위상 차이를 논의할 목적으로, SS MW 생성기 어레이 내의 모든 엘리먼트들은 서로 동일한 위상이어서 송신기 어레이에 수직인 예상된 로빙 (lobing) 이외에, 아래에서 더욱 설명되는 바와 같은 빔포밍 또는 포커싱 효과는 존재하지 않는다.
동상 (0°위상차) 으로 송신하는 쌍을 이룬 생성기들은 상단 및 하단 생성기들 사이 중간의 중심 평면에서 안티노드 (anti-node) (최대 강도 보강 간섭 패턴) 를 생성한다. 안티노드는 위상차가 적용되는 경우 중심 평면으로부터 시프팅된다. 180°위상차에서, 노드 (최대 상쇄 간섭 패턴) 가 중심 평면에서 형성된다. 따라서, 식품 패키지의 두께에 걸친 가열 불균일성은 쌍을 이룬 생성기들 사이에서 -180°에서 +180°까지의 위상 제어를 사용하여 조정될 수 있다. 식품 패키지의 깊이를 통해 스위핑하도록 위상차를 동적으로 조정하는 것은 균질의 식품 제품 내의 더 나은 가열 균일성을 달성하는 것을 도울 수 있다.
동일한 캐리어 또는 침지액의 채널 내의 상이한 두께들의 식품 패키지들은 중심 평면에 대해 상이한 수직 오프셋들을 가질 수 있다. 가열 캐비티의 중심 평면을 향해 또는 중심 평면으로부터 멀어지게 "핫 존 (hot zone)" 을 이동시키기 위해 쌍을 이룬 생성기들 사이의 상대 위상차 및/또는 전력비를 조정하는 것은 동일한 가열 시스템을 사용하는 상이한 제품 런 (run) 들에 대해 유연성을 제공한다. 이러한 능력, 또는 장비에 대한 차원 변경이 없으면, 침지액 채널 내의 더 얇은 패키지는 간섭 패턴에 따라 상단 또는 하단에서 과열되는 경향이 있는 반면, 반대쪽은 처리가 부족한 채로 유지된다.
MW 패턴들을 스티어링하거나 동적으로 시프팅하는 것은 가열 균일성을 향상시킬 뿐아니라 식품 패키지 내의 층들 또는 섹션들 내의 (상이한 유전 특성들을 갖는) 상이한 식품 성분들을 갖는 식품 패키지 내부의 우선적 가열을 제공하기 위해 사용가능한 기법들이다. (소금 함량과 크게 관련된) 상이한 유전 특성들을 갖는 식품들은 MW 에너지를 흡수하는 상이한 용량들을 가진다. 식품에서의 가열 속도는 그것의 비열 용량에 반비례하고 그것의 유전 손실률에 비례한다. 에너지의 이러한 흡수는 또한 침투의 깊이와 관련되고 침지액을 통한 그리고 식품 패키지 내로의 전달에 대한 고려사항이다. 표 2 는 상이한 온도들에서 및 상이한 MW 주파수들에 대한 수돗물과 탈이온수의 유전 특성을 비교하며, 탈이온수를 통해 더 낮은 흡수 및 더 큰 전달을 보여준다. 도표화된 특성들은 상대 유전률 ε', 손실 팩터 ε", 및 침투 깊이 dp 를 포함한다.
표 2. 수돗물과 탈이온수에 대한 상이한 온도들에서의 유전 특성들 및 MW 에너지의 침투 깊이들의 비교
Figure pct00004
연어 필렛 및 요리된 파스타와 같은 예시적인 식품들은 더 낮은 dp 를 가져서, 물보다 실질적으로 더 많은 에너지를 흡수한다. 더 높은 소금 함량을 갖는 식사 성분들은 더 높은 손실 팩터를 가지기 때문에, 더 낮은 소금 함량을 갖는 부분들로 더 많은 에너지를 스티어링하는 것이 종종 바람직하다. 상이한 유전 특성들을 갖는 식품의 2 개의 층들 (예를 들어, 저염 연어 필렛 위의 소금기 있는 소스 또는 밥 위의 소스) 을 함유하는 식품 패키지가 캐비티의 상단 및 하단 포트들 양자 모두로부터 공급된 (위상차를 갖지 않는) 동일한 MW 에너지로 가열 캐비티 내에서 가열되는 경우, 식품의 상단 및 하단 층들의 온도는 동일한 MW 필드 강도에 노출될 때 상이하게 증가할 것이다. 식품 패키지 내의 균일한 가열 또는 더 많은 가열을 요구하는 상단 또는 하단 층에서의 우선적 가열을 획득하기 위해, 2 개의 생성기들 사이의 위상차 및 전력비가 조정가능하여 "높은 마이크로웨이브 필드 강도 구역" 이 시프팅하고 식품 패키지 내부의 더 느리게 가열하는 층 또는 더 많은 가열을 요구하는 층과 더 잘 정렬되게 한다. 아이템의 어느 층이 더 많은 가열을 요구하는지의 결정은 아이템 내의 가열 패턴의 피드백을 제공하는 센서들을 사용하여 가열 프로세스 동안 및/또는 문제의 아이템의 분석에 기초하여 가열 프로세스 이전에 수행될 수도 있다.
"높은 마이크로웨이브 필드 강도 구역" 을 시프팅하는 것은 쌍을 이루는 생성기들로부터의 출력들 사이의 위상차 뿐아니라 전력비의 조정을 통해 달성가능하다. 이러한 전력비 전략은 상단 및 하단 층들에서의 상이한 유전 특성들 및 비열 용량들을 갖는 상이한 식품 성분들을 함유하는 패키지들 내부의 균일한 가열을 향상시키기 위해, 또는 식품 패키지 내의 상단 또는 하단 층에 대한 우선적 가열을 위해 특히 유용할 수도 있다.
쌍을 이루는 생성기들 사이의 차동 전력 및 위상 시프트와 관련한 모드들을 넘어서, SS MW 생성기들은 일부 실시형태에서 송신기 엘리먼트들의 위상 어레이들로부터 형성된다. 이들 위상 어레이들은 에너지 로브를 스티어링하고 포커싱할 수 있다. 도 2a 의 쌍을 이루는 구성에서, 위상 어레이들은 상단 SS MW 생성기 (201) 및 하단 SS MW 생성기 (203) 양자 모두에 대해 선호될 수 있고, 각각의 어레이는 처리 라인을 따라 및 처리 라인을 가로질러 측방향으로 에너지를 독립적으로 스티어링할 수 있다.
도 5 는 표면 평면에 대해 수직인 주요 전송 경로를 갖는 2 개의 대안적인 SS MW 위상 어레이들을 도시한다: 송신기 엘리먼트들 (511) 의 직교 배열 (501) 및 송신기 엘리먼트들 (522) 의 육각형 패턴 (502). 어레이 기하학에 관계없이, 개개의 엘리먼트들은 직교 성분 벡터들의 면에서 기술가능하고 스티어링 효과들을 위해 제어가능하다.
도 6a 는 예시적인 어레이 (601) 의 측면도를 갖는 빔포밍을 보여주며, 여기서 개개의 송신기 엘리먼트들 (611) 로부터 발산하는 MW 파 피크들은 호들 (602) 에 의해 도시된다. 어레이의 송신기 엘리먼트들 사이에 위상 시프트가 적용되지 않으면, 주요 에너지 로브는 어레이 표면에 수직으로 방사한다. 어레이의 연속적인 송신기 엘리먼트들 사이의 선형 위상 시프팅은 빔 또는 로브 각도 (604) 만큼 수직으로부터 오프셋되는 파동 방향 (603) 을 효과적으로 형성한다. 디지털 제어기 (예를 들어, 도 1a 의 제어기 (106)) 는 안정한 빔 각도를 유지하거나 빔을 스위핑하기 위해 위상 시프트를 동적으로 변경하기 위해 사용가능하다. 비선형 위상 시프팅은 빔보다는 초점을 생성하기 위해 사용가능하다.
도 6b 는 단일 포인트 초점이 원해지는 더 간단한 솔루션을 도시한다: 자연적 초점 (606) 을 갖는 송신기 엘리먼트들 (615) 의 만곡된 어레이 (605). 만곡된 어레이 내의 위상 시프팅 엘리먼트들은 어레이 표면을 향해 또는 어레이 표면으로부터 멀리 초점을 푸시할 수 있다. 만곡된 표면 위상 에레이들은 여러 애플리케이션들에서 사용가능하고, 예를 들어 식품 제품이 가열 섹션에서 파이핑되거나 거의 등변의 단면을 갖는 운송 캐리어 내에서 운반되는 경우, 선명한 초점을 갖는 것들에 잘 어울린다. 이것은 원통형 컨테이너에 식품을 패키징하는 것이 바람직한 애플리케이션들에 어울린다.
도 7a 는 식품 패키지 (205) 가 좌측에서 우측으로 운반되는 식품 처리 라인의 섹션 위의 단일 MW 어레이 (700) 및 캐비티 (710) 의 측면도를 제시한다. MW 에너지 (701) 는 빔 각도 (702) 로 지향되거나 처리 라인을 따라 각도들의 범위 (703) 를 통해 스위핑된다. 이러한 도면은 에너지 변위의 x 성분을 예시하도록 고려될 수 있다.
도 7b 는 처리 라인의 단면을 제공하며, 식품 패키지 (105) 는 표면에 수직으로 (페이지 내로) 이동한다. MW 에너지 (704) 는 빔 각도 (705) 로 지향되거나, 처리 라인을 가로질러 측방향으로 각도들의 범위 (706) 를 통해 스위핑된다. 이러한 도면은 에너지 변위의 y 성분을 예시하도록 고려될 수 있다.
도 7c 는 처리 라인 중심선으로부터 오프셋 각도 (708) 를 갖는 단일 MW 어레이 (707) 의 배열을 보여준다. 오프셋은 와이어링 또는 시각적 검사와 같은 다른 고려사항들이 가장 중요한 설계에서 유연성을 제공하며, 단일 쌍보다 많은 MW 생성기들이 존재하는 애플리케이션들에서 사용될 수도 있다. 가열의 균일성이 보통 식품 처리 시스템에서 중요한 목표이지만, 일부 식품 제품은 비대칭 가열 에너지 (예를 들어, 밥 및 소스에 대한 분리된 구획들) 를 요구하도록 패키징될 수도 있다. 도 7c 에서와 같이 생성기를 오프셋하는 것은 그것을 달성하는 간단한 방법을 제공하지만, SS MW 위상 어레이들은 MW 에너지를 스티어링 및 스위핑함으로써, 오퍼레이터들이 하나의 제품 런에 대해서는 균일성을 및 다음의 제품 런에 대해서는 비대칭을 선택하는 것을 허용한다. 이러한 우선적 가열은 여기의 컴포넌트들이 단일 패키징 구획 내에서 또는 패키징된 식사의 별개의 구획들 내에서 측방향으로 분리되는 것을 제외하고, 적층된 식품들에 대해 위에서 기술된 것과 비교된다.
도 8a 는 MW 어레이 어셈블리 (801) 에 접근하고 그것 아래를 통과하기 시작하는, 좌측에서 우측으로 운반되는 식품 운송 캐리어 (206) 를 갖는 처리 라인의 섹션의 평면도를 보여준다. 송신기 엘리먼트들은 식품 패키지들의 이동의 방향을 따라 및 이동의 방향을 가로질러 배열되기 때문에, 예시적인 원형 스윕 패턴 (802) 는 처리 라인을 따라 배향된 x 성분, 및 처리 라인을 가로지르는 y 성분 양자 모두를 결합한다.
도 8b 는 간단한 점진적 스캔 패턴을 추가로 도시한다. 스위핑 패턴은 스윕의 속도를 위해 제어되고 운송 캐리어의 모션 및 위치와 조율될 수 있다. 마찬가지로, 운반의 속도는 각 온도 제어 구역 내의 MW 에너지 및 침지액의 전도성 가열 및 냉각에 대한 운송 캐리어의 노출을 증가 또는 감소시키기 위해 변경가능하다. 또한, 상술된 바와 같이, 운송 캐리어는 전체 운반 스킴 내에서 일시 정지되거나 일시적으로 역전될 수 있어 에너지가 시간의 여러 지속기간들로 설정가능한 연장된 주기 동안 포커싱되거나 패키지를 가로질러 스위핑될 수도 있다.
도 9a 및 도 9b 는 예시적인 가열 옵션들 및 모드들을 도시하는, 2 개의 식품 패키지들을 측면도로 도시한다. 도 9a 는 적층된 식품들을 묘사하며, 여기서 소금이 포함된 제품 (901) 은 더 낮은 소금 제품 (902) 의 위에 적층된다. 즉, 층 (901) 은 층 (902) 보다 소금기가 더 많다. 쌍을 이루는 상단 및 하단 SS MW 생성기들 사이의 중심 평면은 선 (903) 으로 묘사되고, "핫 존" 가열 평면 (904) 은 이것으로부터 오프셋되어 있어, 상이한 중심 평면을 갖는 식품 패키지를 설명하고, 더 느린 가열 특성으로 제품에 더 많은 에너지를 제공한다. 쌍을 이루는 생성기 어레이들 사이의 위상차 및/또는 전력비를 유지하면서, 에너지 로브들 (905) 은 패키지를 가로질러 측방향으로 스위핑될 수 있다. 대안적으로, 수평 가열 평면은 축적 에너지가 바이어스 또는 오프셋 평면 상에 집중되는 한 위 및 아래로 스위핑될 수 있다.
도 9b 는 별개의 패키지 섹션들 내에 존재할 수 있는 측방향으로 이질적인 제품들에 대한 우선적 가열을 도시한다. 도 9a 에서와 같이, 제품 (902) 은 제품 (901) 보다 덜 소금기가 있다. 이러한 경우에, 가열 평면 (906) 은 위와 아래로 스위핑될 수 있는 반면, 위상 어레이들은 에너지 로브들 (907) 을 더 느린 유전 가열 특성으로 제품을 향해 스티어링한다. 어레이 로브들은 또한 오프셋 각도 주위에서 동적으로 스위핑될 수도 있다.
주방 규모 MW 오븐들은 통상 2-3 GHz 대역에서 MW 를 사용하는 반면, 더 긴 파장 에너지는 식품 제품 및 침지액의 채널 내부의 더 깊은 가열 침투를 야기하기 때문에, 산업적 식품 처리 애플리케이션들에서 사용되는 일부 예시적인 실시형태들의 경우에는 915 MHz 가 바람직하다. 예를 들어 오퍼레이터가 침지액의 더 낮은 용량 채널 내의 더 얇게 패키징된 부분을 처리하기를 원하거나, 우선적 표면 가열이 원해지는 애플리케이션들에서, 더 긴 파장이 항상 최적인 것은 아닐 수도 있다. 이들 경우들에서, 더 높은 주파수 MW 생성기는 에너지 흡수를 보장하는데 더 효과적일 수 있다. 유연성을 제공하기 위해, 일부 산업 시스템은 더 낮은 주파수 대역이 가능하고 더 낮은 주파수 대역으로 설정된 일부 SS MW 생성기 및 더 높은 주파수 대역의 다른 생성기들로 구축될 수도 있다. 여기의 실시형태들은 단일의 및 공통 중심 주파수의 다수의 SS MW 생성기 뿐아니라 처리 라인을 따른 상이한 지점들에서 여러 주파수 대역들을 적용하도록 구성된 다수의 생성기들을 포함한다.
알려진 가열 프로파일들을 갖는 교정 패키지들 (예를 들어, 특정의 젤라틴 식들) 은 내장된 계장, 실시간 표면 촬상 (예를 들어, 적외선) 또는 후처리 측정들 (예를 들어, 프로브, 적외선) 을 사용하여 교정 목적으로 처리될 수도 있다.
여기의 설명은 다수의 상세들을 포함하지만, 이들은 본 개시의 범위를 제한하는 것으로 해석되는 것이 아니라 일부 예시적인 실시형태들의 설명들을 제공할 뿐이다. 따라서 본개시의 범위는 당업자에게 자명할 수도 있는 다른 실시형태들을 포함한다.
본 개시에 따른 SS MW 생성기 및 제어 시스템은 상업적 살균 또는 저온살균 이외의 애플리케이션들에서 사용될 수도 있다. 예를 들어, 예시적인 실시형태들은 미국 및 전세계에서 음식 서비스 및 가정 MW 가열/요리와 함께 해동, 템퍼링, 건조, 및 베이킹과 같은 다른 산업적 MW 가열 목적을 위해 구성된 SS MW 생성기들을 포함할 수도 있다.
아래의 청구범위에서, 단수 엘리먼트에 대한 참조는 명시적으로 언급되지 않는 한 "하나 및 단 하나" 를 의미하는 것이 아니라 오히려 "하나 이상" 을 의미하도록 의도된다. 당업자들에게 알려져 있는 개시된 실시형태들의 엘리먼트들과 모든 구조적, 화학적, 및 기능적 등가물들은 참조에 의해 여기에 명백히 포함되고 본 청구범위에 의해 포함되도록 의도된다. 또한, 본 개시의 어떤 엘리먼트, 컴포넌트, 또는 방법 단계도 그 엘리먼트, 컴포넌트, 또는 방법 단계가 청구범위에 명백히 기재되어 있는지 여부에 관계없이 대중에게 바쳐진 것으로 의도되지 않는다. 어떠한 청구항 엘리먼트도 그 엘리먼트가 어구 "~ 하는 수단" 을 사용하여 명백히 기재되지 않는 한 "수단 플러스 기능" 엘리먼트로서 해석되지 않아야 한다. 어떠한 엘리먼트도 그 엘리먼트가 어구 "~ 하는 단계" 을 사용하여 명백히 기재되지 않는 한 "단계 플러스 기능" 엘리먼트로서 해석되지 않아야 한다.
여기의 설명에서, 암시적으로 또는 명시적으로 달리 이해되거나 진술되지 않는 한, 단수로 나타나는 단어는 그것의 복수의 표현을 포함하고, 복수로 나타나는 단어는 그것의 단수의 표현을 포함한다. 또한, 임의의 주어진 컴포넌트 또는 실시형태의 경우, 암시적으로 또는 명시적으로 달리 이해되거나 진술되지 않는 한, 그 컴포넌트에 대해 리스트된 가능한 후보들 또는 대안들 중 임의의 것이 일반적으로 개별적으로 또는 서로 조합하여 사용될 수도 있다는 것이 이해된다. 게다가, 도면들은 반드시 일정한 비율로 그려지는 것은 아니며, 여기서 엘리먼트들 중 일부는 명확성을 위해서만 그려질 수도 있다. 또한, 참조 번호들은 대응하거나 유사한 엘리먼트들을 보여주기 위해 여러 도면들 중에서 반복될 수도 있다. 또, 그러한 후보들 또는 대안들의 임의의 리스트는 암시적으로 또는 명시적으로 달리 이해되거나 진술되지 않는 한, 제한하는 것이 아니라 단지 예시적일 뿐이다. 또한, 달리 표시되지 않는 한, 명세서 및 청구범위에서 사용되는 재료들, 구성 성분들, 반응 조건들 등의 양을 표현하는 숫자는 용어 "약" 에 의해 수식되는 것으로 이해되어야 한다.
이에 따라, 반대로 표시되지 않는 한, 명세서 및 첨부된 청구범위에서 진술된 수치 파라미터들은 여기에 제시된 주제에 의해 획득되도록 추구되는 원하는 특성들에 따라 변할 수도 있는 근사치들이다. 적어도, 그리고 청구범위의 범위에 대한 균등론의 적용을 제한하는 시도로서가 아니라, 각각의 수치 파라미터는 적어도 보고된 유효 자릿수의 수에 비추어 및 보통의 라운딩 기법들을 적용함으로써 되어야 한다. 여기에 제시된 주제의 넓은 범위를 진술하는 수치 범위들 및 파라미터들은 근사치들임에도 불구하고, 특정의 예에서 진술된 수치 값은 가능한한 정확하게 보고된다. 그러나, 임의의 수치 값들은 그들의 각각의 테스팅 측정들에서 발견되는 표준 편차로부터 반드시 야기되는 특정의 에러들을 고유하게 포함한다.
살균 또는 저온살균 및 연관된 동작 방법들을 위한 처리 시스템, 컴포넌트, 및 조성물의 여러 실시형태들이 여기에 기술된다. 위의 설명에서, 시스템, 컴포넌트, 및 동작의 특정의 상세가 개시된 기술의 특정의 실시형태의 철저한 이해를 제공하기 위해 포함된다. 당업자는 또한 그 기술이 추가의 실시형태들을 가질 수도 있다는 것을 이해할 것이다. 그 기술은 또한 여기에 기술된 실시형태들의 상세들의 몇가지가 없이도 실시될 수도 있다.
예 1
본 예는 생성기 교정, 에너지 효율, 및 전력, 주파수 및 위상 제어 안정성을 포함하는, SS 915-MHz MW 생성기들의 성능을 분석하는 방법을 예시한다.
경험은 915-MHz 단일 모드 MW 가열 캐비티에 공급되는 3-6 kW 의 전체 전력이 높은 전력보다 상대적으로 균일한 가열에 더 적합하다는 것을 나타낸다. 더 적은 전력 증폭기들/모듈들을 갖는 더 낮은 전력 SS 생성기는 더 높은 전력 생성기보다 더 높은 효율 및 더 작은 크기를 가진다. 따라서, 6-kW SS 생성기 시스템이 본 예를 위해 선택된다. SS 생성기 서플라이어 (RFHIC 사제) 는 SS 915-MHz 생성기 시스템에 대한 적절한 소스이다. RFHIC 사로부터 획득된 (2 개의 3-kW 생성기 헤드들 및 제어 박스로 이루어지는) 6-kW SS 915-MHz 생성기 시스템이 전력 교정, 에너지 효율 결정, 전력 안정성, 전력비 제어가능성, 및 주파수 및 위상 제어 안정성 연구를 위해 도 10 에 따른 MW 전력 교정 유닛들로 테스트된다. MW 전력 교정/테스팅 유닛 (1000) 은 물 부하 (1005) (Ferrite MW Technologies, Nashua, NH), 물 탱크 (1001), 물 부하 (1005) 를 통해 물을 흐르게 하기 위한 점진적 캐비티 펌프 (1002), 및 물 부하의 입구 및 출구 근처의 물 온도 측정을 위한 2 개의 RTD 온도 센서들을 포함한다. 도 10 은 물 입구 (1003), 물 출구 (1004), 반사된 MW 전력 센서 (1006), 및 포워드 MW 전력 센서 (1007) 을 보여준다. 도 10 은 또한 방향성 커플러 (1008), 도파관 (1009), 및 MW 생성기 헤드 (1010) 을 포함한다. 2 개의 생성기 헤드들은 2 개의 MW 전력 교정/테스팅 유닛들로 동시에 테스트된다. 교정에서, 물 부하는 2 개의 MW 생성기 헤드들 각각으로부터의 99% 이상의 MW 에너지를 열 에너지로 변환하여 2 개의 생성기 헤드들의 전력 출력 (P, kW 단위) 이 다음의 식을 사용하여 물 부하를 통해 주행하는 물의 유속 (Q, kg/s 단위) 및 물 부하의 출구 및 입구에서 측정된 수온 (Tout, Tin) 의 차이에 기초하여 열량측정법으로 결정된다:
P = CpQ(Tout - Tin)
여기서, Cp 는 물의 비열 (예를 들어, 4.18 kJ/(kg·K)) 이다. 전력 용량의 전체 범위 (즉, 0-3 kW) 에 걸친 상이한 전력 설정 레벨들에 대응하는 측정된 전력 출력들은 MW 생성기 헤드 및 생성기 헤드와 물 부하 사이의 도파관에 배치된 방향성 커플러 (MW 전력 측정 디바이스) 를 교정하기 위해 사용된다. 피크 MW 주파수들은 TM-2650 스펙트럼 분석기 및 AN-301 안테나 (B&K Precision, Yorba Linda, CA) 를 사용하여 측정된다. 2 개의 MW 전력 헤드들의 위상들은 RF 케이블을 통해 방향성 커플러에 연결된 MSO-X 4154A 오실로스코프 (Keysight Technologies, Santa Rosa, CA) 를 사용하여 결정될 것이다.
생성기 시스템으로 공급된 전력은 Fluke 1753 3상 전력 로거 (logger) (Fluke Corp., Everett, WA USA) 에 의해 측정된다. 생성기 시스템의 효율은 Fluke 전력 로거에 의해 측정된 입력 유틸리티 전력 및 다음의 식을 사용하여 물 부하에 의해 측정된 2 개의 생성기 헤드들의 출력 MW 전력에 기초하여 결정된다:
생성기 시스템 효율 = (출력 MW 전력/입력 유틸리티 전력)*100%
2 개의 SS 생성기 헤드들의 선택된 조건들 (예를 들어, 전력 설정들: 1, 2 & 3 kW, 주파수 설정들: 902, 915, & 928 MHz, 및 위상차 설정들: 0, 90, & 180°) 각각에서의 생성기 시스템으로의 공급된 유틸리티 전력 및 MW 생성기 출력들, 피크 주파수, 및 위상차는 MW 전력 출력들의 안정성, 피크 주파수, 위상 제어, 및 SS 생성기 시스템의 전체 에너지 효율을 결정하기 위해, 5 달 주기 동안 한 달에 2회, 4 시간 이상 동안 연속적으로 측정된다. 또, 2 개의 생성기 헤드들의 출력 전력들은 전력비 제어가능성을 연구하기 위해 상이한 전력비 설정들 (예를 들어, 1:1, 1:1.5, 및 1:2, 최대 전력 3kW) 에서 측정된다.
상술된 설정으로부터의 전력, 주파수, 및 위상 테스팅 데이터는 915 MHz SS 생성기들의 안정성, 신뢰성 및 에너지 효율을 결정하기 위해 사용가능하다.
예 2
본 예는 SS MW 생성기들에 의해 전력이 공급되는 하나의 MW 가열 적용기/캐비티를 갖는 단일 모드 915-MHz MW 가열 테스트 유닛을 개발하는 방법을 예시한다.
(2 개의 3-kW 생성기 헤드들을 갖는) 6-kW SS 915-MHz MW 생성기 시스템에 의해 전력이 공급되는 단일 모드 MW 가열 적용기가 SS MW 생성기의 (위에서 설명된) 고유의 특징들에 기인한 향상된 성능을 연구하기 위해 구축된다. 적용기는 1) 단일 모드 가열 캐비티, 2) 가열 캐비티와 뿔 형상 도파관 사이에 배치된 MW 투명 폴리에테르이미드 (Ultern) 플레이트 (창) 로 상단 및 하단으로부터 캐비티에 연결된 2 개의 뿔 형상 도파관들로 이루어진다. 예 1 에 대한 교정 후에, SS 생성기 헤드들 중 하나는 뿔 형상 도파관들 중 상단에 장착되고 다른 것은 하단에 장착된다. 결과의 구성은 도 2a 와 대응한다. 2 개의 생성기 헤드들은 최대 6 kW 까지의 결합된 MW 전력을 제공한다.
제어 시스템은 전체 전력 및 상단 및 하단 생성기 헤드들 사이의 상대 전력비 뿐아니라 위상차 & 피크 주파수를 제어한다. 실험들에서, 식품 캐리어 상의 식품 패키지 (트레이 또는 파우치) 는 MW 에너지 및 순환 온수의 조합에 의해 가열된다. 식품 캐리어는 식품 가열 균일성을 향상시키도록 설계된 선택된 금속 메시 커버들을 이용한다. 물은 수돗물로부터 이온의 대부분을 제거하는 역삼투 (RO) 시스템으로부터 공급된다. RO 수온은 열을 더하거나 제거하기 위한 외부 열 교환기를 갖는 순환 시스템에 의해 엄밀히 제어된다. 915 MHz 에서, RO 수 내의 MW 전력 침투 깊이는 (표 1 에 도시된 바와 같이) 크고, 식품의 저온살균 및 살균에서 사용되는 상승된 온도에서 RO 수에 의해 적은 MW 에너지가 흡수되지만, 순환 수는 식품 패키지의 에지 가열을 제거하고 가열 균일성을 향상시킨다. 산업적 크기 RO 시스템들은 저가이다. 그것들은 상업적 공급자들로부터 쉽게 이용가능하고 산업적 저온살균 및 살균 시스템에 용이하게 추가된다.
SS 915-MHz 생성기 헤드들은 위상들을 동기화하고 적용기 캐비티에 연결되는 그들의 MW 출력 포트들 사이의 위상차를 제어하기 위해 구비된다. 각 생성기 헤드는 장비를 동작시키고 선택된 여러 실험적 전력들 위상들 및 주파수들에 대한 데이터를 수집하기 위한 원격 제어 및 모니터링 능력을 갖는다.
2개의 SS MW 생성기 헤드를 갖는 상기 개발된 단일 모드 915-MHz 캐비티는 도 4에 도시된 구성과 일치하는 시스템에 직접 추가되지만, 가열 구역(404)은 단지 한 쌍의 SS MW 생성기 헤드를 포함하고, 도 4에 나와 있는 바와 같이 4쌍은 포함하지 않는다. 이 유닛은 예열(로딩), MW 가열, 유지 및 냉각(언로딩) 섹션으로 구성된다. 예열, 가열 및 유지, 및 냉각 섹션의 수온은 각 물 순환 루프의 열 교환기에 의해 제어된다. 테스트에서 캐리어에 있는 여러 식품 패키지는 특정 평형 온도(예를 들어, 40°C)로 가열되는 예열 섹션에 로드된다. 식품 패키지는 캐리어가 캐비티의 중심에 고정 위치되거나, 가열 캐비티를 통해 이동되거나, 도 4에서 가열 구역(404)의 양쪽 위치 사이에서 앞뒤로 스위핑되는 MW 가열 캐비티으로 이동되어 식품 패키지의 냉점이 저온살균 온도(예를 들어, 90°C)에 도달하도록 여러 개의 캐비티로 가열을 에뮬레이트합니다. 그런 다음 이들은 냉각 섹션(407)으로 이동하기 전에 미리 결정된 시간 동안 홀딩 섹션(구역(405))으로 이동된다.
SS MW 전력 제어에 대한 성능 테스트는 모든 전력 파라미터(전력 레벨, 주파수 및 위상)를 기능적으로 제어하고 모니터링할 수 있도록 한다. 피크 주파수는 TM-2650 스펙트럼 분석기와 AN-301 안테나(B&K Precision, Yorba Linda, CA)로 측정된다. 두 MW 전력 헤드의 위상은 RF 케이블을 통해 방향성 커플러에 연결된 MSO-X 4154A 오실로스코프(Keysight Technologies,　캘리포니아주 산타로사) 를 사용하여 결정될 것이다. MW 전력은 교정된 방향성 커플러에 의해 측정되거나 도 10의 MW 전력 교정/테스트 시스템으로 결정된다.
예 2는 가열 균일성과 가변 가열 속도를 위해 제어 가능하고 조정 가능한 MW 전력 파라미터(전력, 위상 및 주파수)를 갖는 2개의 동기화된 SS MW 생성기 헤드로 전력이 공급되는 기능적 915-MHz 단일 모드 MW 가열 적용기(가열 캐비티)를 생성한다.
예 3
이 예는 두 개의 동기화된 SS 생성기 헤드로부터의 결합된 전력을 사용하여 915-MHz MW 가열의 성능을 분석하는 방법을 보여준다. 특히 이 예에서는 적어도 2개의 SS 생성기 헤드 사이의 위상 제어에 대해 설명한다.
첫째, 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 단일 모드 915MHz MW 가열 적용기에서 MW 가열에 대한 두 MW 생성기 헤드 사이의 위상차(또는 위상 편이)의 영향을 조사한다. MW 가열 적용기 포트(상단 및 하단)에 공급되는 MW 소스 간의 서로 다른 위상 시프트 (0°, 90° 및 180° 위상차)에 대한 시뮬레이션 결과가 도 11a 및 도 11b 에 나와 있다. 위상차는 가열 캐비티의 상단 포트에 공급되는 MW의 위상 마이너스 하단 포트에 대한 MW의 위상으로 정의된다. 안티 노드(최대 강도) 및 노드(최소 강도)는 각각 0° 및 180° 위상차에 대해 MW 가열 캐비티(식품 패키지가 있는 곳)의 중심 평면에서 관찰되었다. 90°의 위상차(하단 포트에 대한 전력의 위상보다 상단 포트에 대한 전력의 위상이 90도 더 많음)의 경우 중간 위치에 노드와 안티 노드가 형성되지 않았다. 시뮬레이션 결과는 MW 가열 캐비티의 중심 평면에서 전계 강도가 적절한 위상차 조정을 통해 최대(안티 노드)와 최소(노드) 사이에서 변경될 수 있음을 시사한다. 식품 패키지의 두께에 따른 가열 균일성은 캐비티의 상단 및 하단 포트에서 MW를 론칭하는 2개의 MW 생성기 헤드 사이의 위상 제어를 사용하여 조정될 수도 있다. 이러한 결과는 2개의 SS 생성기 헤드가 있는 915MHz MW 가열 적용기를 사용하여 실험적으로 얻을 수 있다. 그러나 마그네트론 기반 MW 생성기는 위상 제어에 대한 유사한 능력이 부족하다.
가열 구역(404)이 한 쌍의 SS MW 생성기 헤드만을 포함하는 것을 제외하고, 도 4에서와 같은 시스템을 사용하여, 2개의 SS MW 생성기 헤드로부터의 출력의 상대 MW 위상(-180 내지 180° 차이)을 테스트하는 것이 가능하다. 다음은 세 가지 예시 설정 및 테스트이다. 실험 데이터는 SS MW 생성기의 고유한 기능을 사용하여 향상된 가열 성능을 보여준다. SS 전력 파라미터(위상 및 주파수 제어, 전력 수준, 전력비(예 4))를 제어하고 최적화하여 식품 패키지 내부의 가열 패턴, 가열 균일성 및 가열 속도를 개선했다.
예 3A. 가열 캐비티의 식품 패키지 깊이를 따라 균질한 식품에서 더 나은 가열 균일성을 달성하기 위해 고온 및 저온 구역을 스윕하도록 위상차를 동적으로 조정하는 것. 트레이와 파우치에 포장된 선택된 소금 수준(예를 들어, 0.1, 0.5, 1.0 또는 1.5%)을 갖는 모델 식품(예를 들어, 으깬 감자 젤)이 단일 모드 915MHz 가열 캐비티에서 테스트된다. 1.5%는 고염 식품의 염도를 나타내고 0.1%는 저염 식품의 염도를 나타낸다. 예열 후, 금속 캐리어 상의 식품 패키지는 도 4에 도시된 MW 가열 캐비티으로 이동되고(가열 구역(404)이 단지 한 쌍의 SS MW 생성기 헤드를 포함하는 것을 제외), 선택된 기간 동안(예를 들어, 3 또는 4분) 거기에 융지되거나, 또는 선택된 속도로 가열 캐비티를 통해 계속 이동되거나, 또는 다중 캐비티 가열을 에뮬레이트하기 위해 영역(404)의 양 측면에 대한 위치들 사이에서 앞뒤로 스위핑된다. 2개의 생성기 헤드로부터의 동일한 전력(예를 들어, 3kW 및 3kW)이 캐비티의 상단 및 하단 포트에서 공급되고 위상차는 -180 ~ 180° 범위 내에서 반복적으로 변화하도록 제어된다. 가열 후 식품 패키지는 냉각 및 언로딩을 위해 냉각 섹션으로 이동된다. 가열 패턴 및 가열 균일성을 평가하기 위해 화학 마커 기반 컴퓨터 비전 방법(다음 단락에 설명됨)이 사용된다. 식품 패키지 내부의 냉점/핫 스폿의 온도는 무선 소형 온도 센서(TMI-USA, Inc, Reston, VA)로 측정된다. 비교를 위해 위상차가 없는(위상차 0°) 테스트도 수행할 수 있다.
위의 테스트를 위해 젤란 검 1%, 감자 후레이크 3%, 과당 2%, L-라이신 1%, 염화칼슘 0.15%, 이산화티탄액 0.4%, 염 0 ~1.5% 및 탈이온수를 포함하는 수개의 구성 성분들로부터 모델 식품 (으깬 감자 젤) 이 만들어진다. 젤란 검 및 염화칼슘은 모델 식품 샘플을 응고시키는 데 사용되며, 이산화티탄액은 더 밝은 색 첨가물이며, 과당 및 L-라이신은 화학 마커 전구체이다. 저온살균 온도(예를 들어, 70-90°C)에서 열처리하는 동안, 화학적 마커 M2는 모델 식품 샘플에서 환원당(과당)과 아미노산(L-라이신) 사이의 메일라드 갈변 반응에서 형성된다. 모델 식품의 갈색 변화는 컴퓨터 비전 방법을 사용하여 검출된다(도 12 참조). 모델 식품 샘플 내부의 수평면과 수직면 모두에서 색상 변화에 의해 반영된 가열 패턴이 얻어진다. 0 - 255의 색상 스케일(색상 값 범위)은 가열 패턴 이미지에서 색상 값을 정의하는 데 사용된다. 파란색은 0의 값, 빨간색은 255의 값, 녹색 또는 노란색은 0에서 255 사이의 값을 갖는다. 색상 분포는 식품 패키지 내부의 가열 균일성을 보여준다. 색상 값의 표준 편차와 핫 스팟과 냉점 간의 색상 값 차이는 가열 균일성에 대한 지표로 사용된다; 색상 값 편차와 차이가 작을수록 가열이 더 균일하다. 식품 패키지 내부의 깊이 방향을 따른 가열 균일성은 두 생성기 헤드의 전력 출력 사이의 위상차를 동적 변화시킴으로써 크게 개선될 수 있다. 산업 시스템의 결과적인 이점은 가열 시간 단축, 처리량 증가, 식품 품질 향상이다.
예 3B. 가열 캐비티의 중심 평면에 정확하게 위치하지 않는 식품 패키지의 중간 층와 "핫 존"을 정렬하기 위해 (2개의 MW 생성기 헤드 사이의) 위상차를 조정하는 것. 다양한 두께(예를 들어, 16, 20, 24, 30mm) 및 다양한 선택된 위상 차이(예를 들어, 0, ±30, ±60, …, ±150 및 180°)를 가진 모델 식품 샘플은 도 4 에 도시된 시스템을 사용하여 테스트되지만, 가열 구역(404)이 단지 한 쌍의 SS MW 생성기 헤드를 포함한다. 16mm는 표준 7온스 트레이 또는 8온스 파우치에 채워진 모델 식품 샘플의 두께이고, 30mm는 표준 10.5온스 트레이에 채워진 샘플의 최대 두께이다. 동일한 캐리어에 놓인 두께가 다른 샘플은 캐비티의 중심 평면에 대해 서로 다른 수직 오프셋을 가지므로 위상 제어를 사용하여 그에 따라 가열 패턴을 조정하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 도 11a 및 도 11b 에 도시된 것처럼 90° 위상 차이는 "핫 존"이 캐비티의 중심 평면 아래로 아래쪽으로 이동하도록 해야 한다. 음의 90° 위상 시프트는 "핫 존"이 중심 평면 위로 위쪽으로 이동하도록 해야한다. 테스트를 위한 양 또는 음의 위상차의 선택은 샘플 두께에 의해 결정되는 식품 샘플(캐비티 내)의 상대적 위치에 따라 달라진다. 모든 테스트는 동일한 식품 패키지 캐리어와 두 개의 생성기 헤드에서 캐비티의 상단 및 하단 포트로 공급되는 동일한 MW 전력(예를 들어, 3 및 3kW)으로 수행된다. 샘플의 MW 처리, 온도 측정 및 가열 패턴 분석은 예 3A에서 설명한 것과 동일한 방식으로 수행된다. 테스트 결과는 위상차가 중간층의 가열 속도 측면에서 상이한 패키지 두께에서 식품의 MW 가열에 어떻게 영향을 미치는지 보여준다. 본 예의 절차로부터, 상업적 시스템이 캐리어 또는 캐리어 운송 위치를 물리적으로 수정할 필요 없이 광범위한 패키지 두께로 식품을 처리할 수 있도록 산업적 구현을 위한 위상 제어 전략이 개발될 수 있다.
예 3C. 식품 패키지 내의 상단 및 하단 층에 서로 다른 식품 컴포넌트(유전 특성이 다름)가 있는 식품 패키지 내부의 균일한 가열을 개선하기 위해 위상차를 조정하는 것. 유전 특성이 다른 식품은 MW 에너지를 흡수하는 용량이 다르다. 유전 특성이 다른 식품의 두 층(예를 들어, 저염 연어 필렛 위의 고염 소스 또는 밥 위의 소스)을 포함하는 식품 패키지가 캐비티의 상단 및 하단 포트 모두에서 공급되는 동일한 MW 전력(위상 차이 없음)으로 가열 캐비티에서 가열되는 경우, 식품의 상단 및 하단 층의 온도가 다르게 증가한다. 식품 패키지 내에서 균일한 가열을 얻기 위해 두 전력 사이의 위상차를 조정하여 식품 패키지 내부의 더 느리게 가열되는 층와 "핫 존"을 정렬할 수 있다. 소금 함량이 다른 (예를 들어, 0.5% 및 0.1% - 작은 차이, 1% 및 0.1% - 중간 차이, 또는 1.5% 및 0.1% - 큰 차이) 2 개의 층들 (상단 및 하단 층들, 300g, 24 mm 두께) 의 모델 식품으로 채워진 10.5-온즈 트레이들이 가열 캐비티의 상단 및 하단 포트 모두에 공급되는 선택된 MW 전력(예를 들어, 2개의 생성기 헤드 각각으로부터 3kW)과 다양한 위상 차이를 사용하는 테스트에 사용된다. 0.1%~1.5%의 염분 함량 범위는 저염 식품에서 고염 식품에 이르기까지 대부분의 식품에 대한 염분 수준을 커버한다. 식품의 가열 속도는 그것의 유전 손실 계수 값에 비례하며 그것의 비열 용량에 반비례한다. 염분 함량이 높은 컴포넌트는 손실 계수가 높으므로 염분 함량이 낮고 비열이 높은 층에 "핫 존"을 배치하기 위해 적절한 위상 시프트가 선택된다. 가열 시험 절차는 예 3A에서 사용된 것과 동일하다. 가열 패턴, 가열 균일성 및 식품 패키지 내부의 온도는 예 3A에 기술된 것과 동일한 방식으로 측정된다. 가열 속도 테스트가 또한 미리 포장된 연어/알프레도 소스 또는 밥/소스 및 고기와 같은 선택된 실제 식품에 대해 상이한 위상 시프트로 수행된다. 모델 식품 및 식품 성분의 유전체 특성은 탐침이 있는 모델-4291B 임피던스/재료 분석기(Hewlett Packard Corp., Santa Clara, CA)를 사용하여 결정된다. 식품의 비열 용량은 KD2-Pro 열 특성 분석기(Meter Inc., Pullman, WA)를 사용하여 결정된다. 본 예의 테스트 결과는 상이한 염분 함량(또는 유전 특성) 또는 비열 용량을 갖는 식품의 2개 층을 포함하는 식품 패키지의 MW 가열을 위한 2개의 생성기 헤드 사이의 최적화된 위상 차이를 제시한다. 결과는 위상차를 사용하여 가열 균일성을 개선하고 상단 및 하단 층에 서로 다른 식품 컴포넌트가 있는 식품 패키지 내부의 우선적 가열을 수행하는 방법에 대한 더 나은 이해를 제공한다.
예 4
이 예는 두 개의 동기화된 SS 생성기 헤드로부터의 결합된 전력을 사용하여 915-MHz MW 가열의 성능의 추가의 분석을 예시한다. 특히 이 예에서는 적어도 2개의 SS 생성기 헤드 사이의 전력비 제어에 대해 설명한다.
전술한 위상차에 의해 제어되는 "핫 존"의 시프트와 유사하게, "핫 존"의 시프트는 또한 2개(또는 그 이상)의 생성기 헤드로부터의 전력 출력의 비율을 조정함으로써 달성될 수 있다. 이 전략은 상단 및 하단 층에서 서로 다른 유전 특성 및 비열 용량을 갖는 다양한 식품 컴포넌트를 포함하는 패키지 내부의 균일한 가열을 개선하거나 식품 패키지의 상단 또는 하단 층을 우선적으로 가열하는 데 특히 유용할 수 있다. 예 3C 에 기술된 테스트와 유사하게, 사전 포장된 연어/알프레도 소스 또는 밥/소스 및 고기와 같은 동일한 패키지 및 선택된 실제 식품 내의 소금 함량이 다른 두 층의 모델 식품(예를 들어, 0.5% 및 0.1% - 작은 차이, 1% 및 0.1% - 중간 차이, 1.5% 및 0.1% - 큰 차이) 이 각 쌍의 소금 함량에 대해 가열 캐비티의 상단 및 하단 포트에 공급되는 전력의 다양한 전력비(예를 들어, 1:1, 1:1.5 및 1:2, 최대 전력 3kW) 로 그리고 두 생성기 헤드 간에 위상차가 없이 테스트된다. 샘플의 두 층에서 균일한 온도 증가를 보장하기 위해 적절한 전력 비율이 선택된다. 테스트 결과는 상이한 염분 함량(또는 유전 특성) 또는 비열 용량을 갖는 식품의 2개 층을 포함하는 식품 패키지의 MW 가열을 위한 최적화된 전력비를 제시한다. 테스트 결과는 전력 비율의 조정은 식품의 상단 및 하단 층에 다른 식품 컴포넌트가 있는 식품 패키지 내부의 가열 균일성을 개선하거나 더 많은 가열이 필요한, 식품의 상단 또는 하단 층에 우선적 가열을 수행하기 위한 또 다른 효과적인 전략임을 보여준다.

Claims (23)

  1. 포장된 식품의 아이템의 살균 또는 저온살균의 방법으로서,
    침지액을 통해 상기 아이템을 운반하는 단계로서, 침지된 상기 아이템은 상기 침지액으로 또는 상기 침지액으로부터 열 전도되는, 상기 아이템을 운반하는 단계;
    상기 아이템이 상기 침지액을 통해 운반되는 동안 하나 이상의 고체 상태 (SS) 마이크로웨이브 (MW) 생성기들로부터 상기 아이템으로 MW 에너지를 적용하는 단계;
    상기 하나 이상의 SS MW 생성기들 중 적어도 하나로부터의 상기 MW 에너지의 진폭, 주파수 및 위상 중 하나 이상을 변경함으로써 상기 아이템 내에서 가열의 원하는 균일성을 달성하도록 상기 하나 이상의 SS MW 생성기들을 제어하는 단계를 포함하고;
    상기 적용하는 단계 및 상기 제어하는 단계는 상기 침지액에 침지된 상기 아이템을 상기 아이템의 살균 또는 저온살균을 달성하기에 충분한 온도로 가열하는, 포장된 식품의 아이템의 살균 또는 저온살균의 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제어하는 단계는 상기 하나 이상의 SS MW 생성기들 중 상기 적어도 하나의 진폭, 주파수 및 위상 중 하나 이상을 튜닝 및/또는 동적으로 시프팅하는 단계를 포함하는, 포장된 식품의 아이템의 살균 또는 저온살균의 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 SS MW 생성기들은 상기 아이템의 대향 측면들로부터 MW 에너지를 인가하는 적어도 한 쌍의 SS MW 생성기들을 포함하는, 포장된 식품의 아이템의 살균 또는 저온살균의 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 적어도 한 쌍의 SS MW 생성기들을 제어하는 단계는, 제 1 모드를 통해, 상기 적어도 한 쌍의 SS MW 생성기들로부터의 출력 MW 에너지의 상대 진폭 및 상대 위상 시프트 중 하나 이상을 변경함으로써 상기 SS MW 생성기들의 쌍 사이의 최대 MW 에너지 강도의 평면을 설정하는 단계를 포함하는, 포장된 식품의 아이템의 살균 또는 저온살균의 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 SS MW 생성기들은 복수의 송신기 엘리먼트들의 위상 어레이로서 구성된 하나 이상의 SS MW 생성기들을 포함하는, 포장된 식품의 아이템의 살균 또는 저온살균의 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    위상 어레이로서 구성된 상기 하나 이상의 SS MW 생성기들을 제어하는 단계는: 제 1 모드를 통해, 각각의 위상 어레이로부터 MW 에너지 주요 로브 방향을 설정하는 단계; 및 제 2 모드를 통해, 상기 아이템이 상기 침지액을 통해 운반되는 방향을 따라 및/또는 가로질러 상기 MW 에너지 주요 로브를 스위핑하는 단계 중 하나 이상을 포함하는, 포장된 식품의 아이템의 살균 또는 저온살균의 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 아이템의 살균 또는 저온 살균을 달성하기에 충분한 시간 주기 동안 유지 온도에서 상기 아이템을 유지하는 단계를 추가로 포함하는, 포장된 식품의 아이템의 살균 또는 저온살균의 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    하나 이상의 원하는 구역 온도들을 유지하기 위해 하나 이상의 구역들에서 상기 침지액을 제어하는 단계를 추가로 포함하는, 포장된 식품의 아이템의 살균 또는 저온살균의 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 구역들은 상기 침지액이 유지 온도로 유지되는 유지 구역을 포함하는, 포장된 식품의 아이템의 살균 또는 저온살균의 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 구역들은 상기 침지액이 상기 유지 온도보다 낮은 냉각 구역 온도로 유지되는 냉각 구역을 포함하는, 포장된 식품의 아이템의 살균 또는 저온살균의 방법.
  11. 수분 함량을 갖는 아이템들의 살균 또는 저온살균을 위한 처리 시스템으로서,
    침지액으로 상기 아이템들을 예열 온도로 예열하도록 구성된 예열 섹션;
    상기 예열 섹션에 결합된 가열 섹션으로서, 상기 가열 섹션은 하나 이상의 고체 상태 (SS) 마이크로웨이브(MW) 생성기들에 결합된 가열 챔버를 포함하고, 상기 가열 섹션은 상기 예열 섹션으로부터 상기 아이템들을 수용하고 상기 아이템들이 상기 침지액을 통해 운반되고 상기 침지액의 정수압을 받는 동안 상기 하나 이상의 SS MW 생성기들로부터 상기 아이템들로 MW 에너지를 적용하도록 구성되고, 상기 침지액의 정수압은 상기 MW 에너지가 적용되는 동안 상기 아이템들의 상기 수분 함량이 상기 아이템들을 파열시키는 것을 방지하는, 상기 가열 섹션; 및
    상기 하나 이상의 SS MW 생성기들에 결합된 컴퓨터 제어기로서, 상기 컴퓨터 제어기는 상기 하나 이상의 SS MW 생성기들 중 적어도 하나로부터의 상기 MW 에너지의 진폭, 주파수 및 위상 중 하나 이상을 변경하도록 구성되는, 상기 컴퓨터 제이기를 포함하는, 살균 또는 저온살균을 위한 처리 시스템.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 컴퓨터 제어기는 또한 상기 하나 이상의 SS MW 생성기들 중 상기 적어도 하나의 진폭, 주파수 및 위상 중 하나 이상을 튜닝 및/또는 동적으로 시프팅하도록 구성되는, 살균 또는 저온살균을 위한 처리 시스템.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 SS MW 생성기들은 상기 아이템의 대향하는 측면들로부터 MW 에너지를 적용하는 적어도 한 쌍의 SS MW 생성기들을 포함하고, 상기 컴퓨터 제어기는, 제 1 모드를 통해, 상기 적어도 한 쌍의 SS MW 생성기들로부터의 출력 MW 에너지의 상대 진폭 및 상대 위상 시프트 중 하나 이상을 변경함으로써 상기 SS MW 생성기들의 쌍 사이의 최대 MW 에너지 강도의 평면을 설정하도록 구성되는, 살균 또는 저온살균을 위한 처리 시스템.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 SS MW 생성기들은 복수의 송신기 엘리먼트들의 위상 어레이로서 구성된 하나 이상의 SS MW 생성기들을 포함하는, 살균 또는 저온살균을 위한 처리 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 컴퓨터 제어기는, 제 1 모드를 통해, 각각의 위상 어레이로부터 MW 에너지 주요 로브 방향을 설정하고; 및 제 2 모드를 통해, 상기 아이템이 상기 침지액을 통해 운반되는 방향을 따라 및/또는 가로질러 상기 MW 에너지 주요 로브를 스위핑하도록 구성되는, 살균 또는 저온살균을 위한 처리 시스템.
  16. 수분 함량을 갖는 아이템들의 살균 또는 저온살균을 위한 장치로서,
    제 1 단부와 제 2 단부 사이, 상단과 하단 사이, 및 제 1 측면과 제 2 측면 사이에 연장되는 채널을 갖는 캐리어 하우징으로서, 상기 캐리어 하우징은 상기 캐리어 하우징의 상기 상단, 하단, 제 1 측면, 및 제 2 측면 중 하나 이상에 하나 이상의 창들을 갖고, 상기 창들은 마이크로웨이브 (MW) 에너지에 대해 투과성이며, 상기 캐리어 하우징은 침지액이 상기 캐리어 하우징의 상기 채널 내에서 순환할 수 있도록 구성된 입구 및 출구를 추가로 포함하는, 상기 캐리어 하우징;
    상기 캐리어 하우징의 상기 하나 이상의 창들에 결합된 하나 이상의 MW 조립체들로서, 상기 하나 이상의 MW 조립체들은 하나 이상의 고체 상태 (SS) MW 생성기들을 포함하고, 상기 아이템들이 상기 침지액을 통해 운반되고 상기 침지액의 정수압을 받는 동안 상기 아이템들에 MW 에너지를 적용하도록 구성되고, 상기 침지액의 정수압은 상기 MW 에너지가 적용되는 동안 상기 아이템들의 수분 함량이 상기 아이템들을 파열시키는 것을 방지하는, 상기 하나 이상의 MW 조립체들; 및
    상기 하나 이상의 SS MW 생성기들에 결합된 컴퓨터 제어기로서, 상기 컴퓨터 제어기는 상기 하나 이상의 SS MW 생성기들 중 적어도 하나로부터의 상기 MW 에너지의 진폭, 주파수 및 위상 중 하나 이상을 변경하도록 구성되는, 상기 컴퓨터 제이기를 포함하는, 살균 또는 저온살균을 위한 장치.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 컴퓨터 제어기는 또한 상기 하나 이상의 SS MW 생성기들 중 상기 적어도 하나의 진폭, 주파수 및 위상 중 하나 이상을 튜닝 및/또는 동적으로 시프팅하도록 구성되는, 살균 또는 저온살균을 위한 장치.
  18. 제 16 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 SS MW 생성기들은 상기 아이템의 대향하는 측면들로부터 MW 에너지를 적용하는 적어도 한 쌍의 SS MW 생성기들을 포함하고, 상기 컴퓨터 제어기는, 제 1 모드를 통해, 상기 적어도 한 쌍의 SS MW 생성기들로부터의 출력 MW 에너지의 상대 진폭 및 상대 위상 시프트 중 하나 이상을 변경함으로써 상기 SS MW 생성기들의 쌍 사이의 최대 MW 에너지 강도의 평면을 설정하도록 구성되는, 살균 또는 저온살균을 위한 장치.
  19. 제 16 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 SS MW 생성기들은 복수의 송신기 엘리먼트들의 위상 어레이로서 구성된 하나 이상의 SS MW 생성기들을 포함하는, 살균 또는 저온살균을 위한 장치.
  20. 제 19 항에 있어서,
    상기 컴퓨터 제어기는, 제 1 모드를 통해, 각각의 위상 어레이로부터 MW 에너지 주요 로브 방향을 설정하고; 및 제 2 모드를 통해, 상기 아이템이 상기 침지액을 통해 운반되는 방향을 따라 및/또는 가로질러 상기 MW 에너지 주요 로브를 스위핑하도록 구성되는, 살균 또는 저온살균을 위한 장치.
  21. 포장된 식품의 하나 이상의 아이템들의 살균 또는 저온살균의 방법으로서,
    2개 이상의 고체 상태 (SS) MW 생성기들로부터의 마이크로웨이브 (MW) 에너지로 상기 하나 이상의 아이템들을 상기 아이템의 살균 또는 저온살균을 달성하기에 충분한 온도로 가열하는 단계; 그리고
    상기 하나 이상의 아이템들 내에서 가열의 원하는 균일성을 달성하기 위해 상기 2개 이상의 SS MW 생성기들 사이에서 상대 진폭, 상대 주파수 및 상대 위상 중 하나 이상을 변경하는 단계를 포함하는, 살균 또는 저온살균의 방법.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 변경하는 단계는 상기 하나 이상의 아이템들이 가열될 때 상기 하나 이상의 아이템들의 온도 및/또는 가열 패턴을 능동적으로 모니터링하도록 구성된 하나 이상의 센서로부터의 피드백에 기초하는, 살균 또는 저온살균의 방법.
  23. 제 21 항에 있어서,
    상기 2개 이상의 SS MW 생성기들은 상기 아이템의 대향하는 측면들로부터 MW 에너지를 적용하는 적어도 한 쌍의 SS MW 생성기들을 포함하고, 상기 변경하는 단계는 상기 적어도 한 쌍의 SS MW 생성기들로부터의 출력 MW 에너지의 상대 진폭 및 상대 위상 시프트 중 하나 이상을 변경함으로써 상기 SS MW 생성기들의 쌍 사이의 최대 MW 에너지 강도의 평면을 설정하는 단계를 포함하는, 살균 또는 저온살균의 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CH597740A5 (ko) * 1976-02-19 1978-04-14 Kreis Ag
CN1849846A (zh) * 2003-09-08 2006-10-18 华盛顿州立大学研究基金会 用微波加热物体的装置和方法
CN106465491B (zh) * 2014-05-07 2019-08-09 华盛顿州立大学 微波消毒或巴氏灭菌的方法及装置
US20170245528A1 (en) * 2014-09-17 2017-08-31 Kraft Foods Group Brands Llc A Microwave Retort System, A Process For Heating Food Products Using A Microwave Retort System, And Food Products Formulated For Microwave Retort

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