[0001] Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung, wie geschildert im Oberbegriff
des ersten Patentanspruchs.
[0002] Aus der DE-PS 38 30 867 der Anmelderin ist ein gattungsgemäßes Verfahren bekannt.
Durch eine impulsartige, taktweise Einspeisung der für die Erhitzung auf eine bestimmte
Temperatur erforderlichen Mikrowellenenergie wird sichergestellt, daß sich die Produktoberfläche
nicht unerwünscht erhitzt. Es werden unterschiedliche Formen der Mikrowellenleistung
eingesetzt. Eine rechteckige Leistungsform bewirkt die stärkste Beeinflussung der
Produktoberfläche. Aber auch mit trapezförmigen oder sinuskurvenförmigen Leistungsformen
werden bei einem Impulsbetrieb der Anlage brauchbare Ergebnisse erzielt.
[0003] Als besonders nachteilig, hinsichtlich der Aufheizzeit, hat sich der lange Einschwingbereich
pro Impuls beim Einsatz von mit 2.450 Gigahertz arbeitenden Anlagen erwiesen, so daß
pro Energieeinspeisungsimpuls relativ wenig Energie eingespeist werden kann, weil
eine größere Energiemenge pro Impuls zu einer Schädigung der Produktoberfläche führt.
[0004] Eine impulsartige, taktweise Energieeinspeisung in die zu behandelnden Produkte ist
sinnvoll, weil sonst die eingespeiste Mikrowellenenergie (Leistung x Zeit) im Verhältnis
zur zeitlichen Absorptionsfähigkeit des Produktes zu hoch ist, d.h. es kommt zu einer
kritischen Überhöhung der Temperatur der Produktoberfläche. Eine impulsartige Energieeinkoppelung
bedeutet eine Energieeinspeisung mit bestimmter zeitlicher Länge und Wiederholung.
[0005] Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Verbesserung einer impulsartigen Einspeisung
der Mikrowellenenergie in zu behandelnde Produkte zu erreichen. Es soll eine Steigerung
der absorbierten Energie im Produkt in kürzerer Zeit, mit höherer Leistung und somit
eine Steigerung der Bandgeschwindigkeit bzw. des Ausstoßes einer kontinuierlichen
Anlage zum Erwärmen, Pasteurisieren und Sterilisieren von Lebensmitteln in verpackter
oder loser Form erreicht werden, ohne daß kritische Überhitzungserscheinungen an der
Produktoberfläche auftreten. Angestrebt wird eine Erhöhung der vom Produkt in einer
bestimmten Zeit ohne Schäden absorbierten Energiemenge.
[0006] Die Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil der Patentansprüche beschriebenen
Merkmale in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs gelöst.
[0007] Es wird ein Energieimpuls mit einem fast rechteckigen Leistungsprofil für eine rasche
Erwärmung der Produkte eingesetzt, wodurch eine beträchtliche Erhöhung der absorbierten
Energiemenge eintritt, ohne daß es zu einer übermäßiger Temperaturerhöhung der Produktoberfläche
oder im Inneren des Produktes kommt.
[0008] Es ist somit möglich, mit einem Magnetron von z.B. 1,2 kW Nennleistung Leistungsimpulse
im Bereich von Mikrosekunden abzugeben, die größer als 1,2 kW sind.
[0009] Bei einer Steuerungselektronik gemäß dem Stand der Technik ist aufgrund der analogen
Arbeitsweise eine Flankensteilheit von t (a) >= 80 bis 200 Millisekunden der Anstiegsflanken
während der Leistungseinschaltung nicht zu unterschreiten. Eine Schwierigkeit besteht
hier darin, daß bei der Energieübertragung in ein Produkt, das sich in einer Verpackung
von 1 < 80 mm befindet und die sich mit einer Fördergeschwindigkeit von v > = 6 m/min
in der zur Verfügung stehenden Zeit von tmax = < 800 Millisekunden bewegt, Teilbereiche
des Produktes während des flach ansteigenden Leistungseinschwingbereiches nicht mit
der an sich erforderlich vollen Leistung beaufschlagt werden können. Die erfindungsgemäß
erzielbare minimale Impulsdauer im Mikro- bis Millisekundenbereich bei extremer Flankensteilheit
ermöglicht also u.a. eine deutlich höhere Fördergeschwindigkeit, als es gemäß dem
Stand der Technik unter günstigsten Bedingungen der Fall ist.
[0010] Um erfindungsgemäß bei den geforderten Durchsatzleistungen von m > 2.500 kg/h nicht
durch konstruktiv und verfahrenstechnisch bedingte Grenzen (Anlagenbreite, Fördergeschwindigkeit)
limitiert zu sein, ist es somit vorteilhaft, die erfindungsgemäße, schnellere Technik
einzusetzen. Aus der erzielbaren großen Flankensteilheit ergibt sich zudem ein wesentlich
besserer Wirkungsgrad.
[0011] Es hat sich gezeigt, daß z.B. bei der Behandlung von Lebensmitteln die Anwendung
von möglichst kurzen Impulsen großer Leistung von entscheidender Bedeutung ist. Verwendet
man anstatt des des bisher eingesetzten 100 Hz Systemtaktes eine Frequenz, die eine
größere Flankensteilheit des Leistungimpulses im Bereich z.B. von einigen Mikrosekunden
zuläßt, einen z.B. 50 kHz-Systemtakt, so sind Leistungsimpulse mit nahezu rechteckiger
Form mit Impulslängen von mit Sicherheit ab 1 Millisekunde ohne obere Zeitbegrenzung
darstellbar. Insbesondere können auf diese Weise die im Folgenden beschriebenen Vorteile
beim Betrieb der so gesteuerten Mikrowellengeneratoren (Magnetrons) genutzt werden.
1 . Die Impulsleistung des Magnetrons kann ein Vielfaches der Dauerstromnennleistung
betragen, wenn die mittlere Leistung die Nennleistung nicht überschreitet.
2. Durch die erzielbare große Flankensteilheit des Leistungsimpulses, steht mit Einschaltung
der Leistung sofort die gesamte Leistungshöhe für den Erwärmungsprozeß im Produkt
zur Verfügung.
3. Überraschender Weise ergibt sich durch die so geformten Leistungsimpulse im Millisekundenbereich
eine größere Eindringtiefe der auf das Produkt übertragenen Energie, wie auch ein
schnelleres Auf- heizen des Produktes mit geringerem Temperaturgradienten in Eindringrichtung.
4. Es findet ein relativ geringerer Leistungsumsatz an der Produktoberfläche und damit
eine Reduzierung der überhitzung der Produktoberfläche statt.
5. Durch die Anhebung der Steilheit der Anstiegsflanken ist eine größere Fördergeschwindigkeit
des zu behandelnden Produktes ohne kritische Überhitzung der Produktoberflächen oder
beispielsweise bei Kartoffeln ohne kritische Überhitzung des Inneren möglich (volle
Leistungsabgabe bei Millisekunden-Impulsen).
[0012] Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnungen weiter erläutert.
[0013] Es zeigen:
- Fig. 1 und Fig. 3
- stellen jeweils das 50/100 Hz-Taktsystem gemäß dem Stand der Technik dar.
- Fig. 2 und Fig. 4
- zeigen ein erfindungsgemäßes Taktsystem, welches mit 50 kHz arbeitet.
[0014] Darstellung des beschriebenen Unterschiedes zwischen der 50/100 Hz- und der 50 kHz-Systemtakt-Impulstechnik:
- Fig. 1:
- 50/100 Hz Systemtakt
Die aus der Netzfrequenz über Brückengleichrichter gleichgerichteten 50 -> 100 Hz-Impulse
(1) haben nach integrierender, elektronisch geregelter Gleichrichtung (100 Hz) eine
entsprechend langsame Anstiegsflanke und eine Restwelligkeit (=nach el. Glättung=).
- Fig. 2:
- 50 kHz Systemtakt
Die zu 1 äquvalenten Impulse 2 haben aufgrund des hochfrequenten Systemtaktes in der
zeitlichen Darstellung (Abszisse) eine nahezu ideale Rechteckform mit einer rechtwinkeligen
Impulsamplitude (A2a, B2a, C2a).
Aufgrund dieser rechtwinkeligen Impulsform, d.H. aufgrund der großen Flankensteilheit,
ist man in der Lage, das mehrfache der Dauerstromnennleistung einzustellen, solange
diese leistungsmäßige Übersteuerung nicht länger als 50 bis 80 Millisekunden anhält
und danach eine Impulspause folgt, die in der mittleren Leistung den Nennwert von
(hier) 1,2 kW nicht überschreitet (A2b, B2b, C2b).
- Fig. 3:
- 50/100 Hz Systemtakt
Die mehr oder weniger gleichmäßigen Impulse 1 (A1a) ergaben nach der integrierenden
Leistungsregelung eine wellige Konstantleistung mit flacher Anstiegsflanke.
- Fig. 4:
- 50 kHz Systemtakt
Mit den kurzen Leistungsimpulsen (A2a) kann man mit einer hohen Leistung in das zu
behandelnde Produkt eindringen, ohne eine Überhitzung zu erzeugen. Ebenso ist es aber
auch möglich, die gleiche Energie (P x t) als niedrige Konstantleistung in rechtwinkeliger
Form (steile Impulsflanken, Welligkeit der Amplitude (A2b)). Eine entsprechende Leistungsform
zu Fig. 3, Alb ist gleichermaßen möglich, jedoch ohne die nicht erwünschte Welligkeit
(2).
1. Verfahren zum gleichmäßigen und schnellen Erwärmen mittels impulsartig in die Produkte
eingespeister Mikrowellen, wobei die zu behandelnden Produkte, wie z.B. chemische
oder pharmazeutische Produkte oder Fertiggerichte, in offenen oder abgeschlossenen,
Mikrowellen durchlässigen Behältern auf einem kontinuierlich arbeitenden Fördersystem
durch eine Behandlungskammer geführt werden, in der senkrecht oder schräg zum Transportband
ausgerichtete Einspeisekanäle von Mikrowellen-Generatoren angeordnet sind, deren Energieabgaben
impulsartig erfolgen und durch einen Rechner steuerbar sind,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Anlage
a) mit einer den Einschwing- und Abschwingbereich der Mikrowellenimpulse verkürzenden
Mikrowellenenleistungsprofil,
b) mit einer, eine Flankensteilheit von kleiner als 1 Millisekunde aufweisenden Arbeitsfrequenz
von 20 bis 100, vorzugsweise 40 bis 80, insbesondere 50 kHz,
c) mit Impulsen mit weitgehend rechteckiger Amplitudenform und einer Länge im Mikro
bis Millisekundenbereich
betrieben wird.