TWI614457B - 腔體可分離之模組化複合微波加熱系統 - Google Patents

Abstract

本發明為一模組化之傳導與微波混合作用之加熱系統，其具有一可分離為上下兩部分且可容置一受熱物的微波諧振腔體，上半部之微波半腔體具有微波饋入裝置可引導微波進入腔體內，下半部為傳導半腔體其可接受傳統熱源加熱，上下結合時構成該微波諧振腔體，該受熱物盛裝於一密封盒後置入該微波諧振腔體，微波饋入裝置所引導之微波可對受熱物進行加熱，密封盒能抵抗受熱物因加熱而膨脹之外擴壓力，組合後之該微波諧振腔體為獨立且可模組化之結構，因此可依需要彈性增減生產線之模組數量，製程中個別模組可自產線中脫離進行獨立量測以控制生產品質並構成閉迴路之生產控制。

Description

腔體可分離之模組化複合微波加熱系統

本發明為有關受熱物之加工，尤指一種腔體可分離與模組化之複合微波加熱系統。

加熱為基本的食品與工業加工手段，依據其原理有接觸加熱(火、電熱管、陶瓷加熱)、微波加熱與感應(電磁)加熱等，接觸加熱為傳統的加熱方式，受熱物溫度由外部開始上升，並逐步傳導到內部，所需之加熱時間較長；微波為電磁波之一種，特定頻率的微波可以使受熱物之分子(如水)產生諧振而由其內部開始快速加熱，然微波作用於受熱物時其強度分佈將因不同之微波功率產生器、諧振腔體及受熱物等因素之交互作用而發生變化，容易造成局部位置加熱不均等現象。

為了增加微波的加熱均勻度並為連續生產或殺菌之用途，許多專利使用熱流體(熱水、熱風)作為輔助加熱媒介(US7119313B2、US4962298)，受熱物事先裝填在密封盒內，再將密封盒置入充滿高壓流體的微波腔體內，密封盒內之受熱物將會被微波與包覆的流體一起加熱，當密封盒內的受熱物溫度上升時將因內部蒸汽與體積膨脹而產生外擴壓力，可能使密封盒產生破損，因此微波腔體內必須加壓使腔體內壓力與密封盒之外擴壓力抵消，然而加熱初期密封盒內並無膨脹壓力，過大的腔體壓力將使尚未加熱的密封盒塌陷，但太小的腔體壓力又不足以抵抗密封盒加熱後的外擴壓力，而使密封盒產生洩漏，由此可知，此類系統的操作溫度與壓力互為影響，對於加熱製程之設計形成顯著之限制，同時此類系統需要一大型的微波諧振腔，該腔體必須能承受流體的高壓，密封盒進出腔體時需要適當的加減壓程序，無法隨意離開腔體進行溫度量測與監控，加熱時受熱物浸置於高壓熱水或熱蒸汽中並暴露在微波電磁埸下，也無法輕易以一般習知的儀器和方法檢測受熱物之溫度和品質變化，因此製程難以調整、缺乏彈性，除此之外此類系統運作時之熱水與熱蒸汽容易造成廢熱污染及功率損失。

接觸加熱的作用條件為受熱物必須與熱源緊貼，熱能才可傳導到受熱物，而微波加熱則需要一個適當的諧振腔體用於容置受熱物，才能讓微波在該腔體內對受熱物進行加熱作用，雖然有許多專利已經複合使用以上兩種加熱方式(US4900884、US 6864468 B2、US5548101、US5177333)，但其腔體皆為固定結構，其接觸加熱方式僅為常壓置放於受熱板或鍋盤內，並沒有特殊安排以使受熱物緊貼於熱源。

將微波應用於連續加熱之機構中已有許多公開技術(US 2009/0230124 A1、US 2012/0103976 A1)，雖然其機構將微波饋入數個加熱空間中，受熱物可以連續進出加熱機構，但腔體本身為固定，受熱物並未事先密封，也未考慮傳導加熱之實施。

綜合以上說明可知，現有的微波加熱系統具有下列之技術特徵：一、固定結構的諧振腔體，無法模組化增減，二、若未使用輔助加熱媒介時，密封盒未緊貼於傳導加熱源，降低熱傳導效率，三、使用輔助加熱媒介時需使用加壓腔體，而腔體壓力、加熱溫度與密封盒耐壓程度互為影響，限制加工條件，四、系統設計難以在微波環境中量測受熱物之溫度變化，無法據此調整受熱物在加熱過程中溫度與時間之變化關係，因此無法滿足許多特定之加熱製程，如食物之烹飪或殺菌等。

本發明的主要目的，在於提供一腔體可分離與模組化之複合微波加熱系統，該系統為常壓操作，無須額外之蒸氣或水等所組成之高壓腔體，同時腔體為模組化且可上下分離之設計，因此得以彈性調整加熱、保溫、冷卻等功率大小與時間長短，並能即時檢測受熱物品質，滿足各式的加熱製程需求。

本發明包含一微波半腔體、一傳導半腔體、一傳導加熱單元、一微波加熱單元與一密封盒，其中該傳導加熱單元提供一接觸加熱源，該微波加熱單元提供一微波，該密封盒裝填有該受熱物，而該微波半腔體與該傳導半腔體可上下組合形成一密閉之微波諧振腔體，欲加工之受熱物密封於該密封盒內再置入該微波諧振腔體，該微波半腔體具有微波饋入裝置(如波導管等)，可將該微波加熱單元產生之微波饋入該微波諧振腔體中，使微波對該密封盒內之受熱物加熱，該傳導半腔體具有一微波可穿透之傳導半腔體上蓋，用於將該密封盒緊抵於該傳導半腔體內，使該密封盒緊貼於其內壁，該傳導半腔體為導熱良好之材質所製成，可接受該傳導加熱單元之加熱，熱能以傳導方式加熱該密封盒內之受熱物，受熱物因加熱而產生之熱蒸氣或體積膨脹將使該密封盒產生一外擴壓力，而該傳導半腔體上蓋與該傳導半腔體具有足夠之機械強度可以抵抗該密封盒之結構變形，避免洩漏。

本發明之系統可以分別或同時使用微波與傳統之加熱方式對受熱物進行加熱，微波加熱可以使該密封盒內之受熱物快速升溫並產生體積膨脹而緊貼於該傳導半腔體，因此可以使傳導加熱效率大幅提升，使該傳導加熱單元可有效對受熱物進行加熱，而抵抗該密封盒外擴壓力之手段不同於習知之高壓水或水蒸氣等，因此得為常壓之設計，且此抵壓設計，在該密封盒尚未加熱膨脹時並不會對其施加壓力，因此不會使未加熱之該密封盒變形，且抵壓強度來自機械結構，可提高抵壓強度，因此可以大幅提高加熱之溫度，滿足殺菌或其他加熱製程之需要。

製程中該傳導半腔體與該微波半腔體結合時形成微波加熱諧振腔，分離時則該傳導半腔體連同該密封盒一起離開微波環境，因此得以一般之設備檢測該密封盒內之受熱物品質，如溫度、色澤等，以動態監控、紀錄並調整加熱製程，由於該傳導半腔體與該微波半腔體為可分離之模組化設計，因此可彈性安排後續之、保溫、冷卻等製程，滿足加工需要。

有關本發明的詳細說明及技術內容，配合圖式說明如下：

請參閱「圖1」、「圖2」與「圖3」所示，為本發明第一實施例，其為一種腔體可分離之模組化複合微波加熱系統，用於對一受熱物(圖中未表示)進行加熱加工，系統包含一微波半腔體30、一傳導半腔體40、一傳導加熱單元20、一微波加熱單元70與一密封盒10，其中該密封盒10裝填有該受熱物，該傳導加熱單元20可以為選自電磁加熱、瓦斯加熱、紅外線燈管與電熱絲等之任一種，其能使該傳導半腔體40受熱即可，較佳的選擇為電磁感應加熱，可透過高頻電磁波使該傳導半腔體40之傳導半腔體本體41感應受熱，而該傳導加熱單元20之加熱功率可由一傳導加熱功率控制器80所調整。

而該傳導半腔體40包含一傳導半腔體本體41與一傳導半腔體上蓋42，其中該傳導半腔體本體41具有一傳導半腔體內壁411、一由該傳導半腔體內壁411構成的容置空間412與一傳導半腔體外壁413，該傳導半腔體上蓋42則為一微波可穿透材質製成，該傳導半腔體上蓋42與該傳導半腔體本體41具有可活動的鎖緊結構，使該傳導半腔體上蓋42能於該傳導半腔體本體41上反覆鎖緊與開啟。

該密封盒10可容置於該容置空間412，並以該傳導半腔體上蓋42緊抵該密封盒10，當受熱物因加熱而體積膨脹或產生蒸汽時將使該密封盒10體積也跟著膨脹使其緊貼於該傳導半腔體內壁411，該密封盒10之體積膨脹壓力將由該傳導半腔體上蓋42與該傳導半腔體本體41之機械強度所抵壓而無破損與洩漏之虞，因此能大幅提高加熱溫度。

而該傳導半腔體本體41的材質較佳選擇為金屬，其材質為微波（如2.45GHz、915MHz等微波）不可穿透且為良好之鐵磁性金屬材質所構成，能對高頻電磁波產生渦電流而感應加熱（如10KHz~200KHz）。該傳導半腔體40置放於該傳導加熱單元20之上以接受傳統熱源使該傳導半腔體本體41受熱。

該微波半腔體30包括一波導管31與一微波半腔體外罩32與一微波半腔體本體33，當該微波半腔體外罩32套接於該傳導半腔體外壁413，其組合後之結構外觀如「圖3」所示，此時由該微波半腔體本體33內部與該容置空間412將形成一完整的微波諧振腔體，該微波諧振腔體內則容置有盛裝受熱物之該密封盒10與該傳導半腔體上蓋42，由於該傳導半腔體上蓋42與該密封盒10均為微波可穿透材質製成，因此該微波諧振腔體內實際能接收微波而受熱的僅為該密封盒10內盛裝之受熱物，而為避免微波外洩，該微波半腔體外罩32與該傳導半腔體外壁413相套接之介面安排有習知之微波防漏裝置或結構，如隔離金屬環或微波阻尼結構等。

該微波加熱單元70為微波產生裝置，提供一微波加熱源，並經由該波導管31將微波饋入該微波諧振腔體中，該微波加熱單元70具有微波強度調整功能，可以動態調整微波加熱功率之時機與大小。

且為了提升加熱加工的均勻度，本發明更可以包含一承載該傳導半腔體40轉動的自轉承接轉盤50與一自轉馬達51，該自轉承接轉盤50具有一外環齒501，該自轉馬達51透過一齒輪52齧合該外環齒501以驅使該自轉承接轉盤50轉動，進而帶動該傳導半腔體40自轉，因此裝填有該受熱物之該密封盒10即會自轉，以改善習知微波加熱不均勻之問題。

本發明系統實際實施例如「圖4」所示，其中該微波加熱單元70、該微波半腔體30、該傳導加熱單元20、該傳導加熱功率控制器80、該自轉承接轉盤50與該自轉馬達51共同為一組，組成一複合加熱模組60，本實施例將複數個該複合加熱模組60以環狀排列設置於一旋轉裝置61上，該旋轉裝置61可以是轉盤或是圓形配置的輸送帶，受熱物裝填於該密封盒10之後再放入並鎖緊於該傳導半腔體40內，裝填有該密封盒10之該傳導半腔體40由一側依序進入對應的該複合加熱模組60並與該微波半腔體30上下結合成該微波諧振腔體，在該些複合加熱模組60向前轉動的過程中可以適當控制該微波加熱單元70及該傳導加熱功率控制器80的輸出功率，使其對受熱物進行加熱，完成加熱程序後，該傳導半腔體40可再由另一側依序自該些複合加熱模組60中移出，移出後之該傳導半腔體40已不在微波環境中，量測系統不受微波干擾或影響，因此可以輕易對受熱物進行必要之品質（如溫度、色澤等）量測，除此之外，裝填有該密封盒10之該傳導半腔體40可依需要再次進行加熱、保溫或冷卻等製程，可依受熱物之不同與製程之需要彈性調整生產線，滿足產業加工需求，如食物之烹飪或殺菌等。

如上所述，相較習知之技術，本發明的優點如下：

1.更高的加熱溫度：由於密封盒以機械強度抵壓於傳導半腔體內，因此能抵抗更高的膨脹壓力，其意味著受熱物可以加熱到更高的溫度。

2.高效率的傳導加熱：習知技術若未使用高壓熱水或熱蒸汽等流體為輔助熱源時，其傳導加熱效率不佳，而本發明在加熱之初始階段可由微波直接作用於密封盒內的受熱物，待密封盒體積膨脹而緊貼於傳導半腔體內壁後，傳導加熱單元作用於傳導半腔體本體之熱功率可以更高效率地傳導到受熱物。

3.常壓腔體建置與操作成本低：不同於習知的熱水或熱蒸汽輔助加熱媒介之高壓腔體設計，本發明能操作於更高的加熱溫度但卻只需使用常壓腔體，亦無廢熱損失等問題，系統建置與操作成本均可大幅降低。

4.模組化腔體設計，可彈性安排生產線：對於習知的固定腔體微波加熱系統而言，要改變生產線容量往往必須變動腔體體積，如此一來微波諧振分布與參數都必須重新設計，然而本發明之複合加熱模組為模組化設計，每一個模組都是獨立腔體，彼此不會互相影響，故其數量可依生產線需要適度增減，而不會影響系統的微波腔體設計。

5.適合於連續式生產，不必整批作業：由於本發明之轉盤式生產線設計，可以使裝填有密封盒之傳導半腔體連續進出，達到連續生產之目的，不必整批進出腔體。

6.製程中受熱物可脫離微波環境進行品質量測：大部分的電子量測儀器與元件都容易因微波干擾而燒毀或無法動作，因此受熱物於微波腔體中難以使用一般儀器進行品質量測，本系統由於裝填有密封盒之傳導半腔體可以輕易且反覆進出複合加熱模組，因此可以將加熱製程安排為多個分段，每個分段間該裝填有密封盒之傳導半腔體已脫離微波腔體，因此得以使用一般的儀器與元件量測受熱物之品質特性，並據以調整後續分段的加熱功率等，確保受熱物最後之加工品質。

7.能彈性組合微波加熱與傳導加熱之混合加熱程序：習知之微波加熱方法容易產生冷熱點之溫度差，而習知之傳導加熱雖無冷熱點溫度問題，但加熱效率差，加熱時間久，本發明可依受熱物特性適當調配微波加熱與傳導加熱之使用時機。

8.腔體具有自轉功能可提高溫度均勻性：本發明安排有一自轉承接轉盤等機構，受熱物在微波腔體內自轉可減低微波加熱在圓周方向造成之溫度差異。

以上已將本發明做一詳細說明，惟以上所述者，僅爲本發明之一較佳實施例而已，自不能限定本發明實施之範圍。即凡依本發明申請範圍所作的均等變化與修飾等，皆應仍屬本發明的專利涵蓋範圍內。

10‧‧‧密封盒

20‧‧‧傳導加熱單元

30‧‧‧微波半腔體

31‧‧‧波導管

32‧‧‧微波半腔體外罩

33‧‧‧微波半腔體本體

40‧‧‧傳導半腔體

41‧‧‧傳導半腔體本體

411‧‧‧傳導半腔體內壁

412‧‧‧容置空間

413‧‧‧傳導半腔體外壁

42‧‧‧傳導半腔體上蓋

50‧‧‧自轉承接轉盤

501‧‧‧外環齒

51‧‧‧自轉馬達

52‧‧‧齒輪

60‧‧‧複合加熱模組

61‧‧‧旋轉裝置

70‧‧‧微波加熱單元

80‧‧‧傳導加熱功率控制器

圖1，為本發明腔體結構拆解圖。 圖2，為本發明系統組裝示意圖。 圖3，為本發明組合後之結構外觀圖。 圖4，為本發明連續循環加熱示意圖。

20‧‧‧傳導加熱單元

30‧‧‧微波半腔體

31‧‧‧波導管

32‧‧‧微波半腔體外罩

33‧‧‧微波半腔體本體

40‧‧‧傳導半腔體

41‧‧‧傳導半腔體本體

413‧‧‧傳導半腔體外壁

42‧‧‧傳導半腔體上蓋

50‧‧‧自轉承接轉盤

501‧‧‧外環齒

51‧‧‧自轉馬達

52‧‧‧齒輪

70‧‧‧微波加熱單元

80‧‧‧傳導加熱功率控制器

Claims (6)

1. 一種腔體可分離之模組化複合微波加熱系統，用於對一受熱物進行加熱加工，其包含：一傳導加熱單元，該傳導加熱單元提供一接觸加熱源；一微波加熱單元，該微波加熱單元提供一微波；一密封盒，該密封盒裝填有該受熱物，且該密封盒為微波可穿透材質製成；一傳導半腔體，該傳導半腔體包含一具有一傳導半腔體內壁的傳導半腔體本體、一由該傳導半腔體內壁構成的容置空間與一微波可穿透材質製成且覆蓋該容置空間的傳導半腔體上蓋，該容置空間供容置該密封盒且讓該傳導半腔體內壁、該傳導半腔體上蓋緊抵該密封盒，該傳導半腔體本體遠離該傳導半腔體上蓋的一面接觸該接觸加熱源；以及一微波半腔體，該微波半腔體包含一波導管、一微波半腔體外罩與一微波半腔體本體，該微波半腔體可與該傳導半腔體上下密合而形成一微波諧振腔體，該微波加熱單元產生之微波可藉由該波導管饋入該微波諧振腔體內使該微波作用於該受熱物。
2. 如申請專利範圍第1項所述之腔體可分離之模組化複合微波加熱系統，其中該微波半腔體本體係為鐵磁性金屬材料所構成。
3. 如申請專利範圍第1項所述之腔體可分離之模組化複合微波加熱系統，其中該傳導加熱單元為選自電磁感應、瓦斯加熱與電熱模組的任一種。
4. 如申請專利範圍第1項所述之腔體可分離之模組化複合微波加熱系統，其中更包含一承載該微波諧振腔體轉動的自轉承接轉盤。
5. 如申請專利範圍第4項所述之腔體可分離之模組化複合微波加熱系統，其中更包含一自轉馬達，該自轉承接轉盤具有一外環齒，該自轉馬達透過一齒輪齧合該外環齒。
6. 如申請專利範圍第5項所述之腔體可分離之模組化複合微波加熱系統，其中該傳導加熱單元之加熱功率為由一傳導加熱功率控制器所調整，該微波加熱單元、該微波半腔體、該傳導加熱單元、該傳導加熱功率控制器、該自轉承接轉盤與該自轉馬達共同為一組組成一複合加熱模組，該複合加熱模組與該傳導半腔體具有複數個，該些複合加熱模組為環狀排列設置於一旋轉裝置上，該些傳導半腔體依序於該些複合加熱模組上放入與取出。