DE3852947T2

DE3852947T2 - Suszeptor in kombination mit einem gitter für eine mikrowellenofenverpackung.

Info

Publication number: DE3852947T2
Application number: DE3852947T
Authority: DE
Inventors: Jonathon Kemske; Peter Pesheck; Dan Wendt
Original assignee: Pillsbury Co
Current assignee: Pillsbury Co
Priority date: 1987-11-10
Filing date: 1988-10-31
Publication date: 1995-08-17
Anticipated expiration: 2008-11-01
Also published as: WO1989004585A1; CA1318885C; US4927991A; KR890702409A; EP0340291A1; ATE118147T1; JPH02503133A; ES2009374A6; KR0125918B1; DE3852947D1; EP0340291B1; AU2723288A; JP2640371B2

Description

Das Kochen und Garen mit Mikrowelle bietet oft Vorteile in Bezug auf die Schnelligkeit und Bequemlichkeit beim Erwärmen bzw. Erhitzen von Lebensmitteln. In der Vergangenheit war jedoch das Garen mit Mikrowelle bei einer Anzahl von Lebensmittelprodukten unbefriedigend. Weil das Garen mit Mikrowelle auf der dielektrischen Erwärmung von Lebensmitteln beruht, die auf Mikrowellenstrahlung ansprechen, unterscheiden sich bei einigen Lebensmittelprodukten die Erwärmungsverhältnisse im Mikrowellenherd eklatant von denen, die in einem herkömmlichen Herd vorliegen. Die bei einer Anzahl von Lebensmittelprodukten auftretenden Probleme beim Kochen und Backen mit Mikrowelle umfassen das Problem der unerwünschten Temperaturunterschiede. Oft erwärmen sich die in einem Mikrowellenherd gegarten Lebensmittelprodukte wegen der durch die Mikrowellenstrahlung erzeugten dielektrischen Erwärmung im Inneren stärker als an der Oberfläche. Dies steht direkt im Gegensatz zu dem in einem herkömmlichen Herd erreichten Temperaturunterschied, der oft bei Lebensmitteln wünschenswert ist, die eine knusprige Oberfläche oder eine braune Kruste erfordern, um die gewünschten Geschmackseigenschaften aufzuweisen. Ein zusätzliches Problem beim Garen mit Mikrowelle besteht darin, daß die zum Bräunen und Knusprigmachen der Oberfläche von Lebensmittelprodukten erforderlichen Temperaturen nicht erreicht worden sind. Dies ist bei dieser Technik ein altes Problem, und viele Anstrengungen sind unternommen worden, um es zu lösen.
Eine hiermit zusammenhängende Schwierigkeit ist das Problem der Feuchtigkeitsunterschiede, die zu einer in unerwünschter Weise stattfindenden Feuchtigkeitsmigration im Lebensmittelprodukt führen. Statt des Verdampfens oder Migrierens von der Oberfläche des Lebensmittels zur Mitte hin migriert die Feuchtigkeit während des Kochens oder Backens mit Mikrowelle in die falsche Richtung, d.h., von der Mitte des Lebensmittelproduktes her zur Oberfläche. Dies hat die Wirkung, daß die Lebensmitteloberfläche feucht bleibt, was oft unerwünscht und in Bezug auf die Textur und den Geschmack des Lebensmittels nachteilig ist.
Das Garen mit Mikrowelle kann auch in Bezug auf das Zeitverhalten beim Mikrowellengaren zum Problem werden. Beispielsweise kann das Backen von Plätzchen oder von Brot mit Mikrowelle so rasch vonstatten gehen, daß der Plätzchenteig nicht genügend Zeit hat, sich auszubreiten, und daß das Brot keine Zeit hat, richtig aufzugehen.
In der Vergangenheit wurden in die Versuche zur Lösung einiger mit dem Mikrowellenkochen bzw. -backen verbundenen Probleme die Verwendung von Suszeptoren einbezogen, die sich als Reaktion auf Mikrowellenstrahlung erwärmen. Typischerweise wurden Suszeptoren verwendet, die einen dünnen Film aus Metall, gewöhnlich Aluminium, als Schicht auf einem Substrat aufweisen. Derartige Suszeptoren waren typischerweise durch Oberflächenwiderstände im Bereich von 10 bis 500 Ohm pro Quadrateinheit gekennzeichnet. Solche dünnen Filmsuszeptoren haben in der Vergangenheit Probleme hinsichtlich der Verschlechterung der Suszeptoren mit sich gebracht, wenn sie der Mikrowellenstrahlung ausgesetzt werden. Typischerweise verschlechtern sich die Suszeptoren oder sie brechen; und wenn sie in einem Mikrowellenherd erwärmt werden, reflektieren sie die Mikrowellenstrahlung weniger und werden für sie durchlässiger. Dies ist bei vielen Lebensmittelprodukten unerwünscht. Derzeit ist den Anmeldern kein Weg bekannt, wie ein praktischer und verwendbarer Suszeptor wirtschaftlich hergestellt werden kann, der nicht bricht und seine Leistungscharakteristik signifikant ändert, wenn er der Mikrowellenstrahlung ausgesetzt ist. Bisher ist es nach Kenntnis der Anmelder nicht möglich gewesen, mit einer spezifischen Kombination von reflektierter, übertragener und absorbierter Leistung bzw. Energie herzustellen, die während der Mikrowellenstrahlung im wesentlichen die gleischen Prozentanteile reflektierter; übertragener und absorbierter Energie beibehalten würde. Es hat in der Vergangenheit keinen praktischen Weg zur Steuerung der Verschlechterung eines Suszeptors während der Mikrowellenstrahlung gegeben.
Die bisher verwendeten Suszeptoren sind auch durch die ungleichmäßige Erwärmung zu Schaden gekommen. So haben frühere Anstrengungen, Suszeptoren im Sinne der Verminderung einiger der Probleme des Kochens und Backens mit Mikrowelle zu zusätzlichen Problemen bei Lebensmittelprodukten geführt, die wegen der ungleichmäßigen Erwärmung des Suszeptors an einigen Stellen übererwärmt und an anderen Stellen untererwärmt werden. Beispielsweise haben Versuche zum Erwärmen von großen Pizzas allgemein zu einer Überhitzung der Außenseite der Pizza und zu einer Untererwärmung der Mitte der Pizza geführt.
Es hat in der Vergangenheit keine praktische Methode zur Steuerung des Grades des Temperaturanstieges des Suszeptors gegeben. Die einzigen verfügbaren Variablen zur Beeinflussung des Temperaturanstieges bestanden in der Wahl des spezifischen Widerstandes des Suszeptormaterials sowie der Stärke, mit der der metallisierte Film auf seinem Papierträger angeheftet bzw. festgeklebt wird. Nun ändert sich aber während der Mikrowellenbestrahlung der Oberflächenwiderstand des Suszeptormaterials, so daß der metallische Film bricht. Es ändern sich also beide verfügbare Variablen, um den Grad des Temperaturanstiegs zu beeinflussen.
Das US-Patent NL 4,703,148, erteilt an Milulski et al, stellt die Verwendung von zwei Suszeptoren dar, und zwar je einer auf jeder Seite des Lebensmittels. Fenster ermöglichen es der Mikrowellenenergie, in das Lebensmittel einzudringen und die beiden Suszeptoren zu erwärmen, die die obere und die untere Oberfläche des Lebensmittels bräunen.
Das US-Patent NL 4,283,427, erteilt an Winters et al, lehrt die Verwendung eines chemischen Suszeptors auf einer Seite eines Lebensmittelproduktes sowie einer Mikrowellenabschirmung mit Öffnungen auf der anderen Seite des Lebensmittelproduktes. Die Abschirmung schränkt die Wirkung der Mikrowelle ein und hindert sie am Erwärmen der oberen Oberfläche des Lebensmittelproduktes, wobei der Suszeptor durch Absorption von Mikrowellenenergie erwärmt wird und dadurch das Lebensmittelprodukt erhitzt.
Das US-Patent Nr. 3,302,632, erteilt an Fichtner, lehrt die Verwendung verschiedener Größen von Maschendrahtschirmen auf verschiedenen Flächen eines Behälters, der verschiedene Lebensmittelarten enthält. Die verschiedenen Maschendrahtgrößen steuern die Menge der Mikrowellenenergie, die hindurchtritt und für die verschiedenen Erwärmungseigenschaften der verschiedenen Lebensmittel benötigt wird.
Aus den obigen Darlegungen geht klar hervor; daß die Mikrowellenkoch- und Backsysteme gemäß dem Stande der Technik in vielerlei Hinsicht unbefriedigend gewesen sind.
Die Erfindung bezieht sich auf die Schaffung einer Lebensmittelverpakkung bzw. -packung für einen Mikrowellenherd, bei der der Prozentanteil der reflektierten, übertragenen und absorbierten Energie vorherbestimmt werden kann.
Gemäß der Erfindung wird dieses Ziel durch eine Lebensmittelpackung gemäß dem Patentanspruch 1 erreicht.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, daß während des Garens mit Mikrowelle der Prozentsatz der reflektierten, übertragenen und absorbierten Energie relativ stabil bleibt. Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zum im wesentlichen Aufrechterhalten der Leistungscharakteristik trotz der Verschlechterung der in Verbindung mit der Erfindung verwendeten Suszeptoren. Die Verschlechterung der Reflektions-, Absorptions- und, was besonders wichtig ist, der Übertragungscharakteristik kann gesteuert werden.
Darüberhinaus liefert die vorliegende Erfindung den Vorteil der gleichmäßigen Erwärmung eines Lebensmittelproduktes. Die vorliegende Erfindung ermöglicht auch die Steuerung des Grades des Temperaturanstiegs.
Mit den Maßnahmen und der Gestaltungsflexibilität, die durch die vorliegende Erfindung bereitgestellt werden, kann eine Packung so gestaltet werden, daß sie die bei einem besonderen Lebensmittel gewünschte Koch- bzw. Backcharakteristik hervorruft. Ein bestimmtes Lebensmittel kann für eine optiinale Zubereitung etwa eine vorbestimmte gewünschte Anzahl von Koch- bzw. Backmerkmalen erfordern, beispielsweise eine bestimmte Gesamterwärmungsgeschwindigkeit, Temperatur, Verhältnis von Oberfläche zur inneren Erwärmungsgeschwindigkeit, etc. Die vorliegende Erfindung stellt Maßnahmen zur Gestaltung einer Packung bereit, um solchen gewünschten Merkmalen zu genügen. Es ist besonders wichtig, daß die Geschwindigkeit der inneren, dielektrischen Mikrowellenerwärmung getrennt von der Geschwindigkeit der Oberflächenerwärmung gesteuert werden kann.
Die vorliegende Erfindung verwendet ein elektrisch leitendes Gitter in Kombination mit einem Suszeptor, um die gewünschten Mikrowellengarungsmerkmale zu erzielen. Vorzugsweise werden das Gitter und der Suszeptor in nächster Nähe zueinander plaziert. Das Gitter und der Suszeptor können in Kombination mit einem ansonsten völlig oder teilweise abgeschirmten Lebensmittelpaket verwendet werden. Eine Gitter/Suszeptor-Kombination kann auch in Verbindung mit einer nicht abgeschirmten Lebensmittelpackung verwendet werden.
Fig. 1 ist ein Diagramm, das den Verlauf der Kennlinien für reflektierte, übertragene und absorbierte Energie bei einem im freien Raum befindlichen Suszeptor veranschaulicht;
Fig. 2 ist ein Diagramm einer Dreikoordinatendarstellung, die für Suszeptoren mit unterschiedlichen spezifischen Widerständen die absorbierte Energie, die reflektierte Energie und die übertragene Energie darstellt, sowohl vor, als auch nach dem Erwärmen;
Fig. 3 ist eine in Einzelteile aufgelöste perspektivische Ansicht einer bevorzugten Ausführungsform einer Suszeptor/Gitter- Kombination, die für die Mikrowellengarung einer Pizza geeignet ist;
Fig. 3A ist eine teilweise abgeschnittene Draufsicht auf das in Fig. 3 dargestellte Gitter;
Fig. 4 ist eine Querschnittsansicht der in Fig. 3 abgebildeten Packung;
Fig. 4A ist eine teilweise abgeschnittene Querschnittsansicht der Verbindung zwischen dem Oberteil und dem Boden der in Fig. 4 dargestellten Packung;
Fig. 4B ist eine teilweise abgeschnittene Querschnittsansicht des in Fig. 4 dargestellten Gitters, Suszeptors und Lebensmittels;
Fig. 5 ist ein Diagramm, das eine Dreikoordinatendarstellung der Kennwerte der übertragenen, reflektierten und absorbierten Energie der Gitter/Suszeptor-Kombination gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt, sowohl vor, als auch nach dem Erwärmen;
Fig. 6 ist ein Diagramm, das eine auseinandergezogene Ansicht eines Abschnittes des in Fig. 5 dargestellten Diagramms zeigt;
Fig. 7A ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer bevorzugten Gitter-Suszeptor-Kombination für eine Pizza, und dergl.;
Fig. 7B ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer alternativen Gitter- und Suszeptor-Konfiguration;
Fig. 7C ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer Gitter- und Suszeptor-Kombination zur Verwendung mit einem nicht abgeschirmten Lebensmittelbehälter;
Fig. 7D ist eine schematische Querschnittsdarstellung einer Gitter- und Suszeptor-Kombination zur Verwendung mit einem nicht abgeschirmten Lebensmittelbehälter;
Fig. 8 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen dem Absorptionsvermögen und der Lochgröße für verschiedene spezifische Suszeptorwiderstände darstellt;
Fig. 9 ist ein Diagramm, in dem die Temperatur über der Lochgröße für verschiedene spezifische Suszeptorwiderstände aufgetragen ist;
Fig. 10 ist ein Diagramm, das den Prozentsatz reflektierter und übertragener Energie bei verschiedenen Lochgrößen auf der Basis eines mathematischen Modells darstellt;
Fig. 11 ist ein Diagramm, das das Reflexionsvermögen als Funktion der Lochgröße für verschiedene Gittergeometrien auf der Basis eines mathematischen Modells darstellt;
Fig. 12 ist ein Diagramm einer Isoliniendarstellung des spezifischen Widerstandes relativ zum Lochdurchmesser, das das beobachtete Erwärmungsvermögen für Gitter- und Suszeptorkombinationen zeigt;
Fig. 13 ist ein Diagramm, das den Prozentanteil der reflektierten Mikrowellenieistung als Funktion der Dicke des Foliengitters darstellt;
Fig. 14A ist eine Kopie eines Bildes, das mit einer Infrarotkamera aufgenommen ist und die Wärmewirkungen auf eine besondere Gittergeometrie darstellt;
Fig. 14B ist eine Kopie eines Bildes, das mit einer Infrarotkamera aufgenommen ist und die Wärmewirkungen auf eine besondere Gittergeometrie darstellt;
Fig. 14C ist eine Kopie eines Bildes, das mit einer Infrarotkamera aufgenommen ist und das Erwärmungsmuster nur für einen Suszeptor darstellt und Heißpunkte (Hot Spots) veranschaulicht, die bei bekannten Suszeptoren angetroffen werden;
Fig. 14D ist eine Kopie eines Bildes, das mit einer Infrarotkamera aufgenommen ist und das Erwärmungsmuster für einen Suszeptor in Verbindung mit einem Gitter darstellt und Gleichförmigkeit der Erwärmung veranschaulicht, was mit Fig. 14C verglichen werden kann;
Fig. 15 ist ein Diagramm, das die durch die Erwärmung verursachte Temperatur als Funktion des Abstandes zwischen Löchern darstellt;
Fig. 16 ist ein Diagramm, das die Gleichmäßigkeit der Erwärmung durch Darstellen der Standardabweichung experimenteller Temperaturmessungen, die mit einer Infrarotkamera aufgenommen sind, als Funktion des Abstandes zwischen Löchern darstellt;
Fig. 17 ist ein Diagramm, das die absorbierte Energie als Funktion der Lochgröße für verschiedene spezifische Suszeptorwiderstände darstellt;
Fig. 18 ist ein Diagramm, das den Prozentsatz der übertragenen Energie als Funktion der Lochgröße für verschiedene spezifische Suszeptorwiderstände darstellt;
Fig. 19 ist ein Diagramm, das den Prozentsatz der reflektierten Energie als Funktion der Lochgröße für verschiedene spezifische Widerstände und verschiedene Gitter- und Suszeptorkombinationen darstellt;
Fig. 20 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 21 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 22 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 23 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 24 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 25 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 26 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 27 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 28 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 29 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 29A veranschaulicht eine alternative Ausführungsform der Erfindung;
Fig. 30A ist ein Diagramm, das einen vergrößerten Abschnitt einer Dreikoordinatendarstellung zeigt, welche Meßergebnisse darstellt, die mit einem Netzwerkanalysator für ein Gitter in Kombination mit einem Suszeptor unter Anwendung verschiedener Trennabstände zwischen dem Gitter und dem Suszeptor aufgenommen ist;
Fig. 30B ist ein Diagramm, das die absorbierte Energie über dem Gitter/Suszeptor-Zwischenabstand darstellt;
Fig. 30C ist ein Diagramm, das die berechneten Werte für die absorbierte Energie über dem Gitter/Suszeptor-Zwischenabstand darstellt;
Fig. 31 ist ein Dreikoordinatendiagramm, das mit einem Netzwerkanalysator durchgeführte Meßergebnisse für ein Gitter in Kombination mit einer Suszeptoreinrichtung darstellt, die ein magnetisches, mikrowellenabsorbierendes Material aufweist;
Fig. 32 zeigt eine Draufsicht auf eine einzelne Öffnung in einem Gitter in Kombination mit einem Suszeptor; die zur Entwicklung eines äquivalenten Schaltungsmodells benutzt wird;
Fig. 33 ist ein schematisches Diagramm eines äquivalenten Schaltungsmodells für die in Fig. 32 dargestellte Gitter/Suszeptor-Kombination;
Fig. 34 ist ein Diagramm, das den relativen Prozentsatz der absorbierten Energie als Funktion des Lochdurchmessers für verschiedene Werte des spezifischen Suszeptorwiderstandes darstellt, die auf der Basis eines äquivalenten Schaltungsmodells berechnet sind;
Fig. 35 ist ein Diagramm, das die gemessenen Absorptionswerte aus Fig. 8 mit den berechneten Absorptionswerten aus Fig. 34 vergleicht;
Fig. 36 ist ein Diagramm, das die absorbierte relative Energie als Funktion des Lochdurchmessers für verschiedene Werte des spezffischen Suszeptorwiderstandes darstellt, welche auf der Basis eines äquivalenten Schaltungsmodells berechnet sind;
Fig. 37A ist eine Kopie eines Bildes, das mit einer Infrarotkamera aufgenommen ist und das Erwärmungsmuster nur für den Suszeptor darstellt;
Fig. 37B ist eine Kopie eines Bildes, das mit einer Infrarotkamera aufgenommen ist und das Erwärmungsmuster für eine Suszeptor- und Gitter-Kombination darstellt;
Fig. 38A zeigt eine stückweise ausgeschnittene Draufsicht auf ein Gitter mit kreisförmigen Öffnungen in einer quadratischen Gitterkonfiguration;
Fig. 38B zeigt eine stückweise ausgeschnittene Draufsicht auf ein Gitter mit kreisförmiger; gleichseitiger; dreieckiger Gitterkonfiguration;
Fig. 38C zeigt ein Gitter mit quadratischen Öffnungen in einer quadratischen Gitterkonfiguration;
Fig. 38D zeigt ein Gitter mit quadratischen Öffnungen in einer gieichseitigen, dreieckigen Gitterkonfiguration;
Fig. 39A zeigt eine stückweise ausgeschnittene Draufsicht auf ein Gitter mit quadratischen Öffnungen;
Fig. 39B zeigt eine stückweise ausgeschnittene Draufsicht auf ein Gitter mit kreisförmigen Öffnungen;
Fig. 39C zeigt eine stückweise ausgeschnittene Draufsicht auf ein Gitter mit dreieckig geformten Öffnungen;
Fig. 39D zeigt eine stückweise ausgeschnittene Draufsicht auf ein Gitter mit sechsecklg geformten Öffnungen, die in einem gleichseitigen, dreieckigen Gitter angeordnet sind;
Fig. 39E zeigt eine stückweise ausgeschnittene Draufsicht auf ein Gitter mit sechseckig geformten Öffnungen, die in einem quadratischen Gitter angeordnet sind;
Fig. 39F zeigt eine stückweise ausgeschnittene Draufsicht auf ein Gitter mit ovalen Öffnungen;
Fig. 39G zeigt eine stückweise ausgeschnittene Draufsicht auf ein Gitter mit rechtecklgen Öffnungen;
Fig. 39H zeigt eine stückweise ausgeschnittene Draufsicht auf eine Öffnung in einem Gitter; das einen Füllbelag aus leitendem Material aufweist, der in der Mitte der Öffnung plaziert ist;
Fig. 39I zeigt eine stückweise ausgeschnittene Draufsicht auf eine rechteckige Öffnung in einem Gitter; die im Inneren einen rechteckigen Füllbelag aus leitendem Material aufweist;
Fig. 39J zeigt eine stückweise ausgeschnittene Draufsicht auf ein Gitter mit kreuzförmigen Öffnungen;
Fig. 39K zeigt eine stückweise ausgeschnittene Draufsicht auf ein Gitter mit mondsichelförmigen Öffnungen;
Fig. 39L zeigt eine stückweise ausgeschnittene Draufsicht auf ein Gitter mit U-förmigen Öffnungen;
Fig. 39M zeigt eine Draufsicht auf ein Gitter mit quadratischen Löchern, die in einer Differentialgeometrie angeordnet sind;
Fig. 39N zeigt eine Draufsicht auf ein Gitter mit kreisförmigen Öffnungen, die in einer Differentialgeometrie entsprechend unterschiedlicher Größen angeordnet sind;
Fig. 39O zeigt eine Draufsicht auf ein Gitter mit kreisförmigen Öffnungen, die in einer Differentialgeometrie gemäß dem Lochabstand angeordnet sind;
Fig. 39P zeigt eine Draufsicht auf ein Gitter mit U-förmigen Öffnungen, die in einer versetzten und ineinandergreifenden Konfiguration angeordnet sind;
Fig. 40A zeigt eine Querschnittsseitenansicht einer alternativen Ausführungsform einer Gitter- und Suszeptor-Kombination;
Fig. 40B zeigt eine Querschnittsseitenansicht einer aiternativen Ausführungsform einer Gitter- und Suszeptor-Kombination;
Fig. 40C zeigt eine Querschnittsseitenansicht einer alternativen Ausführungsform einer Gitter- und Suszeptor-Kombination;
Fig. 40D zeigt eine Querschnittsseitenansicht einer alternativen Ausführungsform einer Gitter- und Suszeptor-Kombination;
Fig. 40E zeigt eine Querschnittsseitenansicht eines Gitters, das aus Streifen leitenden Materials gebildet ist, die in einem Schachbrettmuster verlegt sind;
Fig. 40F ist eine Draufsicht auf die in Fig. 40E dargestellte Gitterund Suszeptor-Kombination;
Fig. 41 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der absorbierten Energie und dem Suszeptorblindwiderstand für verschiedene Gitter/Suszeptor-Kombinationen darstellt;
Fig. 42 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der absorbierten Energie und dem Suszeptorblindwiderstand für verschie dene Gitter/Suszeptor-Kombinationen darstellt;
Fig. 43 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der absorbierten Energie und dem Suszeptorblindwiderstand für verschiedene Gitter/Suszeptor-Kombinationen darstellt;
Fig. 44 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der absorbierten Energie und dem Suszeptorblindwiderstand für verschiedene Gitter/Suszeptor-Kombinationen darstellt;
Fig. 45 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der absorbierten Energie und dem Suszeptorblindwiderstand für verschiedene Gitter/Suszeptor-Kombinationen darstellt;
Fig. 46 ist ein Diagramm, das das Absorptionsvermögen als Funktion des Suszeptor-Oberflächenblindwiderstandes darstellt;
Fig. 47 ist ein Diagramm, das das Übertragungsvermögen als Funktion des Suszeptor-Oberflächenblindwiderstandes darstellt;
Fig. 48 ist ein Diagramm, das das Reflexionsvermögen als Funktion des Suszeptor-Oberflächenblindwiderstandes darstellt;
Fig. 49 ist eine Vorderansicht eines Netzwerkanalysators und Wellenleiters, die zeigt, wie das Reflexionsvermögen, das Absorptionsvermögen und das Übertragungsvermögen gemessen wird; und
Fig. 50 ist eine perspektivische Ansicht einer Probe und eines Wellenleiters, die in Verbindung mit der in Fig. 46 dargestellten Meßausrüstung verwendet werden.
Einige der mit Suszeptoren des Standes der Technik verbundenen Probleme können am besten unter Bezugnahme auf Fig. 1 beschrieben werden. Fig. 1 ist ein Diagramm, das die reflektierte Energie, die übertragene Energie und die absorbierte Energie bei einem Suszeptor darstellt, bei Verwendung eines Freiraummodells.

Probleme in Verbindung mit herkömmlichen Suszeptoren

Ein typischer Suszeptor wird durch Aufbringen eines dünnen Metallfilms auf einer Polyesterfolie bzw. einem Polyesterblatt hergestellt. Beschichtungstechniken für Dünnfilme wie etwa Sputtern oder Vakuumbeschichtung werden typischerweise angewandt, um den Metallfilm auf dem Polyesterblatt aufzubringen. Das metallisierte Polyester kann klebend auf einem Papierblatt oder einem Karton bondiert werden, falls Steifigkeit erwünscht ist. Wenn der Suszeptor der Mikrowellenstrahlung ausgesetzt ist, kann der Suszeptor relativ heiß werden. Die erzeugte Wärme verursacht oft Dimensionsänderungen, wie etwa Einschrumpfen, beim Polyesterblatt. Oft bilden sich Risse in der metallisierten Polyesterschicht. Diese Risse verursachen vermutlich Leitfähigkeitsunterbrechungen im me tallisierten Film. Der Rißbildungsprozeß, als "Aufbrechen" bezeichnet, dürfte mit unumkehrbaren Änderungen verbunden sein, die in der Leistungscharakteristik des Suszeptors auftreten. Der Grad, bis zu dem sich der Suszeptor erwärmt, und der Prozentsatz der Mikrowellenenergie, die reflektiert, übertragen und absorbiert wird, ändern sich sämtlich.
Vor dem Aufbrechen stellt sich die Kurve der absorbierten Energie für einen Suszeptor wie die Kurve dar, die in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen identifiziert ist. Bei der in Fig. 1 dargestellten Kurve erreicht der Prozentsatz der absorbierten Energie den Wert 0,5 oder 50 %, und zwar sbei einem Suszeptor mit einem spezifischen Oberflächenwiderstand von etwa 180 bis 200 Ohm pro Quadrateinheit. Die bei einem solchen Suszeptor übertragene Energie folgt gemäß diesem Modell im allgemeinen der in Fig. 1 mit dem Bezugszeichen 11 bezeichneten Kurve. Die refiektierte Energie folgt der mit dem Bezugszeichen 12 gekennzeichneten Kurve.
Bei einem gegebenen Suszeptor kann der spezifische Oberflächenwiderstand während der Mikrowellenstrahlung zunehmen. Der spezifische Oberflächenwiderstand bewegt sich also in dem in Fig. 1 dargestellten Diagramm nach rechts. Der Prozentsatz der reflektierten Energie nimmt ab, während der Prozentsatz der übertragenen Energie zunimmt.
Es ist entdeckt worden, daß sich die elektrischen Eigenschaften von Suszeptoren ändern, wenn sie während des Garens mit Mikrowelle der Mikrowellenstrahlung ausgesetzt sind, und daß solche Änderungen im allgemeinen für die Garleistung nachteilig sind. Die metallisierte Schicht eines herkömmlichen Suszeptors tendiert zum Aufbrechen. Dies erzeugt beim Scheinwiderstand eine Blindkomponente, wobei der Oberflächenscheinwiderstand durch Zs = Rs + iXs ausgedrückt werden kann, wobei Zs der Oberflächenscheinwiderstand, Rs der spezifische Oberflächenwiderstand, und Xs der Oberflächenblindwiderstand ist. Nach dem Aufbrechen tendiert die Kurve der absorbierten Energie dahin, sich zu verschieben, wie die durch das Bezugszeichen 13 in Fig. 1 gekennzeichnete Kurve zeigt. Die Kurve der übertragenen Energie tendiert dahin, die Form der Kurve 14 in Fig. 1 anzunehmen. Die Kurve für die reflektierte Energie tendiert dahin, die Form der durch das Bezugszeichen 15 gekennzeichneten Kurve anzunehmen. Auch der spezifische Oberflächenwiderstand verschiebt sich nach rechts. Es ist daher zu erkennen, daß der Prozentsatz der Energie, die durch den Suszeptor übertragen wird, während des Mikrowellengarens stark zunimmt. Der Prozentsatz der reflektierten Energie nimmt stark ab. Der Prozentsatz der absorbierten Energie und somit der Erwärmung des Suszeptors nimmt ab. Dies ist ein Ergebnis der Tatsache, daß sich die Kurve für die absorbierte Energie von der Kurve 10 in die Kurve 13 ändert, und außerdem, daß der Oberflächenwiderstand genügend zunehmen kann, so daß sich das Verhalten des Suszeptors an der rechten Seite der Kurve 13 hinunterbewegt.
Dieses bei bekannten Suszeptoren des Standes der Technik bestehende Problem wird weiter in Fig. 2 veranschaulicht. Das in Fig. 2 dargestellte Diagramm gibt die sich ändernde Kennlinie für verschiedene Suszeptoren mit anfänglichen, jeweils entsprechenden spezifischen Oberflächenwiderständen von 17, 27, 59, 86, 175 und 435 Ohm pro Quadrateinheit wieder. Obgleich sich der spezifische Oberflächenwiderstand nach der Mikrowellenerwärmung geändert hat, kennzeichnet das Diagramm, im Interesse der Veranschaulichung, die verschiedenen Proben gemäß ihrem anfänglichen spezifischen Widerstand.
Aus Fig. 2 geht hervor; daß ein Suszeptor mit einem spezifischen Oberflächenwiderstand von 17 Ohm je Quadrateinheit anfänglich mit einer reflektierten Energie von mehr als 90 % und mit nur einigen Prozent übertragener Energie begann. Nach der Mikrowellenerwärmung fiel der Prozentsatz der reflektierten Energie auf unter 30 %, während der Prozentsatz der übertragenen Energie mehr als 60 % betrug. Der Prozentsatz der absorbierten Energie blieb grob der gleiche. Ahnliche Resultate wurden bei Suszeptoren festgestellt, die andere spezifische Widerstände aufwiesen.
Diese Änderung der Energiescharakteristik eines Suszeptors ist bei vielen Anwendungen unerwünscht. Es wäre wünschenswert, einen geeigneten Mechanismus zum Positionieren von Mikrowellenverpackungsmaterial, das Suszeptormittel verwendet, an einem geeigneten Punkte auf der Kurve der Fig. 2 zu haben, wobei das Verpackungsmaterial während der Mikrowellenerwärmung im Diagramm im wesentlichen in der gleichen Position verbleiben würde, was im wesentlichen unveränderte Kennwerte für die reflektierte, die übertragene und die absorbierte Energie ergeben würde. Dies ist im wesentlichen durch Anwendung der vorliegenden Erfindung erreicht worden.
Die Fig. 3 und 4 zeigen eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die dargestellte Ausführungsform ist besonders zum Mikrowellenbacken einer Pizza verwendbar.
Die in Fig. 4 dargestellte Auslührungsform umfaßt ein Tablett 16 und eine Abdeckung 17, die ein Lebensmittelprodukt 18 umschließen. In diesem besonderen Falle ist das Lebensmittelprodukt 18 eine gefrorene Pizza. Um die wünschenswerte Mikrowellenbackcharakteristik für die Pizza 18 zu erzielen, sind ein Gitter 19 und ein Suszeptormittel 20 gemäß der vorliegenden Erfindung vorgesehen. Wie in Fig. 4B dargestellt, kann das Suszeptormittel 20 einen dünnen Metallfilm 21 umfassen, der auf einem Polyestersubstrat 22 aufgebracht ist, das klebend an einem Karton oder einer Fläche 23 bondiert ist. Der Karton 23 ist vorzugsweise Papier.
Das Gitter 19 kann mindestens zwei wichtigen Funktionen dienen.
Zum ersten steuert das Gitter 19 die Mikrowellenübertragungsfähigkeit der Gitter/Suszeptor-Kombination. Wenn Mikrowellenstrahlung auf das Gitter 19 und den Suszeptor 20 auftrifft, wird ein Teil der Mikrowellenenergie durch das Gitter 19 und den Suszeptor 20 übertragen; ein sanderer Teil der Mikrowellenenergie wird vom Suszeptor 20 absorbiert, und ein weiterer Teil der Mikrowellenenergie wird reflektiert.
Der Anteil der einfallenden Mikrowellenenergie, der durch die Gitter/Suszeptor-Kombination übertragen wird, wird als Übertragungsgrad oder Übertragungsfähigkeit des Gitter/Suszeptor-Systems bezeichnet. Der Prozentsatz oder Anteil der Mikrowellenenergie, die von der Gitter/Suszeptor-Kombination reflektiert wird, wird als Reflexionsgrad des Gitter/Suszeptor-Systems bezeichnet. Der Prozentsatz oder Anteil der Mikrowellenenergie, der durch die Gitter/Suszeptor-Kombination absorbiert wird, wird als Absorptionsgrad des Gitter/Suszeptor-Systems bezeichnet.
Zum zweiten kann das Gitter der Funktion der Erzielung der Gleichförmigkeit der Erwärmung dienen. Das Gitter 19 tendiert dahin, die Erwärmungswirkungen der Mikrowellenstrahlung auszubreiten, um eine gleichmäßigere Erwärmung des Suszeptormittels 20 zu erzielen. Ohne das Gitter 19 würde ein herkömmlicher Suszeptor dahin tendieren, Heißpunkte und eine ungleichmäßige Erwärmung zu entwickeln. Das Gitter 19 in Kombination mit dem Suszeptormittel 20 minimiert oder eliminiert die Ungleichmäßigkeit der Erwärmung, die in der Vergangenheit ein bedeutendes Problem bei Mikrowellensuszeptoren gewesen ist.
Das Gitter 19 kann auch als ein Gerät zum Ausbreiten eines Mikrowellenfeldes und zum Steuern der Übertragungsfähigkeit bezeichnet werden. Zu Zwecken dieser Erfindung kann ein Array bzw. ein Feld von Elementen als Gitter 19 wirken, wenn es zur Steuerung der Übertragungsfähigkeit eines Suszeptorsystems und zum Ausbreiten der Wärmewirkungen der Mikrowellenstrahlung benutzt wird. Jedes allgemein ebene Feld von Elementen, das zur Neuverteilung der Energie durch gegenseitiges sseitliches Koppeln zwischen benachbarten Elementen befähigt ist, sollte im wesentlichen dem Gitter äquivalent sein, wenn es im Umfeld dieser Erfindung benutzt wird. "Planar", wie das Wort hier benutzt wird, bedeutet eine Oberfläche, die nicht notwendigerweise flach sein muß. Beispielsweise kann ein ein Gitter 19 definierendes Blatt um das Lebensmittel gewickelt sein.
Das Suszeptormittel 20 kann ein herkömmlicher Suszeptor 20 sein, der ein metallisiertes Polyesterblatt 21, 22 umfaßt, welches wahlweise an einem Trägerelement 23 klebend bondiert sein kann. Das Suszeptormittel 20 erwärmt sich, wenn es der Mikrowellenstrahlung ausgesetzt wird. Während der Mikrowellenbestrahlung erwärmt sich das Suszeptormittel 20 auf eine relativ hohe Temperatur. Die Erwärmungswirkung des Suszeptormittels 20 kann dazu benutzt werden, die Oberfläche einer Lebensmittelsubstanz 18 knusprig zu machen oder zu bräunen, die unmittelbar an das Suszeptormittel 20 angrenzt.
Das im Beispiel der Fig. 4 dargestellte Suszeptormittel 20 ist in Fig. 4B deutlicher dargestellt. Das Suszeptormittel 20 dieses Beispiels umfaßt Aluminium 21, das durch Vakuummetallisierung auf einer Polyesterschicht 22 mit Gauge-Zahl 48 aufgebracht ist, wobei die Schicht klebend an einem Karton 23 des Typs 16-Punkt-SBS bondiert wurde. Der anfängliche spezifische Oberflächenwiderstand 20 wurde mit 50 bis 70 Ohm je Quadrateinheit gemessen. Der Suszeptor 20 wurde von der James River Corporation erhalten.
Das Gitter 19 dient auch als Diffusionseinrichtung. Wenn Mikrowellenenergie durch Öffnungen 27 in das Gitter 19 fällt, tendiert die Mikrowellenenergie dahin, sich durch Kopplung zwischen benachbarten Löchern (Elementen) im Gitter über das Gitter auszubreiten. Zu Zwecken der Veranschaulichung kann die Wirkung des Gitters als ähnlich derjenigen des, durch ein mit Reif bedecktes Glas scheinenden Lichtes betrachtet werden. Alternativ besteht eine Erklärung dieser Wirkung darin, daß die Mikrowellenenergie dahin tendiert, sich beim Durchgang durch das Gitter 19 in nahezu der gleichen Weise zu beugen, wie sich das Licht beugt, wenn es durch Nadellöcher in einem opaken Blatt fällt. Der Reflexionsgrad des Gitters 19 kann eingestellt werden, um den Prozentsatz der Energie zu justieren oder zu steuern, der durch das Suszeptormittel 20 absorbiert wird. Dies wiederum liefert ein Maß für die Kontrolle über den Grad der Erwärmung der Gitter/Suszeptor-Kombination, die zum Erwärmen des Lebensmittelproduktes 18 benutzt wird.
Das Tablett 16 ist im allgemeinen für Mikrowellenstrahlung durchlässig und besteht vorzugsweise aus Karton. Die Abdeckung 17 ist elektrisch leitend und besteht vorzugsweise aus Aluminium. Eine Aluminiumabdekkung 17 mit einer Dicke von etwa 6 mils hat in der Praxis befriedigende Ergebnisse geliefert.
Die Wärmeverteilung in der Pizza 18 kann auch durch Vorsehen von Mikrowellen-Zutrittsaperturen oder -öffnungen 24 justiert werden. Die Größe und Position der Öffnungen 24 kann angepaßt werden, um das Erreichen einer Gleichförmigkeit der Erwärmung des Lebensmittelproduktes 18 zu unterstützen. Falls eine stärkere Erwärmung des Mittelabschnittes des Lebensmittelproduktes gewünscht wird, können größere Öffnungen 24 in der Mitte der Abdeckung 17 angebracht werden, um es mehr Mikrowellenenergie zu ermöglichen, die Mitte des Lebensmittelproduktes 18 zu erreichen. Falls umgekehrt ein stärkeres Erwärmen der Außenränder der Pizza 18 erwünscht ist, können Öffnungen 24 um den äußeren Rand der Abdeckung 17 angebracht werden. Bei dem besonders veranschaulichten Beispiel wurde festgestellt, daß das Anbringen von Öffnungen in der Mitte der Abdeckung 17 wünschenswert ist, wie in Fig. 3 gezeigt.
Die Suszeptor- und Gitter-Konfiguration der Fig. 4 führt allgemein zu nicht wesentlich ändert. Dies ist deutlicher in Fig. 5 gezeigt. Fig. 5 stellt die Änderung der Leistungscharakteristik vor und nach der Mikrowellenerwärmung bei einer Suszeptor- und Gitter-Kombination gemäß der vorliegenden Erfindung dar. Das Diagramm der Fig. 5 zeigt, daß sich die Energieskennwerte als Folge der Mikrowellenerwärmung nicht wesentlich ändern. Die überlegene Stabilität der vorliegenden Erfindung kann am besten durch Vergleichen des Diagramms 5, das die vorliegende Erfindung darstellt, mit dem Diagramm der Fig. 2 verstanden werden, das das herkömmliche Suszeptorleistungsvermögen darstellt.
Fig. 6 ist ein Diagramm, das eine vergrößerte Ansicht einer Position der Fig. 5 darstellt. Fig. 6 zeigt die Leistungscharakteristik einer Gitter- und Suszeptor-Kombination vor und nach der Mikrowellenerwärrnung. Es wurden Suszeptoren mit einem anfänglichen spezifischen Widerstand von 17, 27, 59, 86, 175 und 435 Ohm je Quadrateinheit getestet, und zwar sowohl vor; als auch nach der Erwärmung. Die Messungen wurden mit einem Netzwerksanalysator; dem Hewlett Packard Modell Nr. 8753A, durchgeführt, wobei das Gitter zum Eingang 1 hin positioniert war. Der Aufbau des Netzwerkanalysators ist in den Fig. 49 und 50 dargestellt.
In Fig. 6 stellt der mit 1 gekennzeichnete Punkt die Messung der Reflexion "R", der Absorption "A" und der Übertragung "T" der Mikrowellenenergie bei einem Suszeptor von 17 Ohm vor der Erwärmung dar. Der mit 1A gekennzeichnete Punkt stellt die R-, A- und T-Messungen für seinen Suszeptor von 17 Ohm nach der Erwärmung dar. Ännlich stellen die Punkte 2 und 2A die R-, A- und T-Messungen für einen Suszeptor von 17 Ohm pro Quadrateinheit jeweils entsprechend vor und nach dem Erwärmen dar. Die Punkte 3 und 3A stellen die R-, A- und T-Messungen jeweils entsprechend vor und nach dem Erwärmen für einen Suszeptor von 59 Ohm pro Quadrateinheit dar. Die Punkte 4 und 4A zeigen die R-, A- und T-Messungen für einen Suszeptor von 86 Ohm pro Quadrateinheit. Die mit 5 und SA sowie die mit 6 und 6A gekennzeichneten Punkte stellen jeweils entsprechend die R-, A- und T-Messungen für den Suszeptor von 175 Ohm bzw. von 435 Ohm pro Quadrateinheit dar.
Die Fig. 5 und 6 zeigen, daß die vorliegende Erfindung zu einer eklatanten Verbesserung während der Mikrowellenerwärmung hinsichtlich der Stabilität der Leistungscharakteristik der Suszeptor- und Gitter-Kombination gemäß der vorliegenden Erfindung führt.
Unter erneuter Bezugnahme auf die in den Fig. 3 und 4 dargestellte bevorzugte Ausführungsform löst die vorliegende Erfindung das Problem der ungleichmäßigen Erwärmung, die ein Übel des Standes der Technik war. Früher haben Bemühungen, eine große Pizza 18 mit einer Suszeptoreinrichtung 20 zu erwärmen, zu einer stark ungleichmäßigen Erwärmung der Pizza 18 geführt. Eigentlich stand zu erwarten, daß die äußeren Ränder der Pizza durch das Suszeptormittel 20 knusprig gemacht und gebräunt würden, daß aber der Mittelabschnitt der Pizza 18 feucht und nicht ausgebacken sein würde. Die Kruste des Mittelabschnittes 18 würde nicht knusprig sein. Die aus dem Gitter 19 und dem Suszeptormittel 20 bestehende Kombination führt nun überraschend zu einer gleichmäßigen Erwärmung der Pizza 18. Es kann also die gesamte Kruste der Pizza 18 gebräunt und die Pizza gleichmäßig gebacken werden.
Die Aperturen 24 dienen zur Feinabstimmung der Gleichmäßigkeit der Erwärmung der Pizza 18. Bei dem dargestellten Beispiel ist das Tablett 16 für Mikrowellen durchlässig. Etwas von der Mikrowellenstrahlung findet also Eingang durch die äußeren Ränder 26 des Tabletts 16. Durch Vorsehen von allgemein in der Mitte des Abdeckungsteils 17 konzentrierten Aperturen 24 kann also die dielektrische Erwärmung des Lebensmittels 18 durch die Öffnungen 24 kompensiert werden, so daß die Erwärmung im wesentlichen gleichförmig wird.
Wenn die in Fig. 4 dargestellte Packung in einen Mikrowellenherd zum Kochen bzw. Backen mit Mikrowelle plaziert ist, wird die Mikrowellenstrahlung normalerweise von einem typischerweise über der Packung angeordneten Magnetron in den Hohlraum des Ofens emittiert. Herkömmliche Mikrowellenherde weisen ein mikrowellendurchlässige Ablage auf, auf der das dargestellte Tablett 16 ruht. Unter der Ablage ist typischerweise eine reflektierende Wand des Ofenhohlraumes plaziert. Die Mikrowellenenergie tritt also in den Bodenbereich des Tabletts 16 ein, nachdem sie vom Boden der Ofenhohlraumwand reflektiert worden ist. Etwas von der Mikrowellenstrahlung tritt auch durch die für Mikrowellen transparenten Seiten 26 des Tabletts 16 und durch die Öffnungen 24 in der Abdeckung 17 ein.
Im Betrieb verhält sich die Gitter 19/Suszeptor 20-Kombination im wesentlichen mehr wie eine herkömmliche Bratpfanne, wenn sie durch Mikrowellenstrahlung erwärmt wird, als dies der Fall bei bisher bekannten Suszeptoren war. Einer der Zwecke eines Suszeptors besteht darin, einen Grad an Oberflächenerwärmung herbeizuführen (um eine Knusprigkeit und Bräunung des Lebensmittels zu erzeugen), die sonst nicht stattfinden würde. Ein ernsthafter Nachteil der bisher bekannten Suszepstoren besteht darin, daß sie während des Betriebs in hohem Maße durchlässig wurden, wie aus Fig. 2 hervorgeht. Dieser Prozeß führte allgemein zu einer mehr innerlichen dielektrischen Erwärmung des Lebensmittels und zu einer geringeren Oberflächen-Suszeptorerwärmung, als wünschenswert war. Im Gegensatz dazu liefert die Gitter 19/Suszeptor 20-Kombination aufgrund des geringen Übertragungsgrades, den sie während der gesamten Erwärmung beibehält, einem höheren Grad an Oberflächenwärme relativ zur inneren dielektrischen Erwärmung. Auf diese Weise funktioniert die Gitter 19/Suszeptor 20-Kombination im wesentlichen mehr als eine Bratpfanne, als dies bei den bisher bekannten Suszeptoren der Fall war. Die metallisierte Oberfläche 21 erwärmt sich als Reaktion auf die Mikrowellenstrahlung, und die zusammengesetzte Gitter/Suszeptor-Struktur behält einen niedrigen Übertragungsprozentsatz der Mikrowellenenergie bei.
Die Erwärmungswirkung des Suszeptors 20 ist aufgrund der einzigartigen Kombination eines Suszeptors 20 mit einem Gitter 19 im wesentlichen gleichförmig. Diese heiß kochende bzw. backende Oberfläche 21 bzw. diese im wesentlichen "Bratpfannen"-Wirkung dient zum gleichmäßigen Bräunen und Knusprigmachen der Kruste der Pizza 18. Der obere Belag und die Kruste der Pizza 18 werden also durch eine Kombination bestehend aus der vom Suszeptormittel 20 emittierten Wärme und der dielektrischen Erwärmung des Lebensmittels 18 durch eine Mikrowellenstrahlung gebacken, die durch die Öffnungen 24 in der Abdeckung 17 und durch die Seiten 26 und des Bodens des Tabletts 16 eindringt. Diese einzigartige Kombination, bestehend aus einer von dem Suszeptormittel 20 gelieferten "Bratpfannen"-Wirkung und der dielektrischen Erwärmung des Lebensmittels 18 durch die übertragene Mikrowellenenergie verringert die gesamte Backzeit der Pizza 18 ganz erheblich. Beispielsweise kann in einem herkömmlichen Herd eine Pizza, die 30 min für ein einwandfreies Backen erfordern kann, bei Verwendung der dargestellten Ausführungsform der Erfindung in etwa 11 min gebacken werden. Die erhaltene Pizza 18 weist dann die erwünschten Eigenschaften an Feuchtigkeit und Backgrad zusammen mit einer im wesentlichen gleichförmig gebräunten und knusprig gemachten Kruste auf.
Die Gitter/Suszeptor-Kombination erzielt eine sehr viel gleichmäßigere Erwärmung der Lebensmittelsubstanz 18 als es der Fall wäre, wenn ein Suszeptor 20 ohne ein Gitter 19 verwendet würde. Im Falle eines Gitters 19 mit Öffnungen oder Löchern 27 findet eine gewisse Wechselwirkung zwischen den Öffnungen statt, wenn sie der Mikrowellenstrahlung ausgesetzt sind. Die Wechselwirkung ist im allgemeinen ausgeprägter; wenn sich der Abstand zwischen den Öffnungen 27 verkleinert. Umgekehrt nimmt die Wechselwirkung zwischen den Öffnungen 27 allgemein ab, wenn der Abstand zwischen den Öffnungen 27 größer wird. Es ist also bis zu einer Grenze wünschenswert, kreisförmige Öffnungen 27 im Gitter 19 dichter aneinanderzusetzen, um die Wechselwirkung zwischen den Öffnungen 27 zu steigern. Falls die Breite der Streifen 28, die in Fig. 3A als "W" dargestellt ist, zu schmal gemacht wird, kann die mechanische Integrität des Gitters 19 nachteilig beeinflußt werden. Auch kann die elektrische Leitfähigkeit der Streifen 28 unterbrochen und/oder der elektrische Widerstand der Streifen 28 zu groß werden, so daß die elektrische Unversehrtheit des Gitters 19 nachteilig beeinflußt wird.
Im Betrieb tendieren dicht beabstandete Öffnungen 27 dahin, während der Mikrowellenstrahlung gemeinsam an Feldern teilzuhaben. Ein gewisser Anteil an Kopplung tritt zwischen benachbarten Öffnungen 27 auf. Ein in der Nähe einer besonderen Öffnung 27 befindliches starkes Feld, das andernfalls einen Heißpunkt auf dem Suszeptor 20 erzeugen würde, wird teilweise durch die Wirkung des Gitters 19 an benachbarte Öffnungen 27 sgekoppelt. Dieses Koppeln oder gemeinsame Nutzen von Feldern zwischen benachbarten Öffnungen erzeugt eine gleichmäßigere Erwärmungswirkung an der Lebensmittelsubstanz 18. Das Gitter 19 erzeugt eine Neuverteilung der Energie durch gegenseitiges seitliches Koppeln zwischen benachbarten Elementen 27 des Gitters 19. In einem allgemeinen Sinne kann der Ausdruck "Elemente" benutzt werden, um auf die Öffnungen 27 Bezug zu nehmen, weil äquivalente Strukturen konzipiert werden können, die in der Lage sind, ein Ausbreiten der Erwärmungswirkung durch gegenseitiges Koppeln zwischen benachbarten Elementen zu bewirken.
Die Erwärmung der Lebensmittelsubstanz 18 wird also gleichmäßiger gemacht, da ein Punkt bzw. Spot auf dem Suszeptormittel 20, der mit einer Öffnung 27 im Gitter 19 zusammentreffend plaziert ist, sein Feld teilweise an die benachbarten Elemente 27 des Gitters gekoppelt vorfindet. Die benachbarten Öffnungen 27 nutzen die Felder bis zu einem gewissen Ausmaße, wodurch das Feld in einem bestimmten Umfang verteilt oder ausgebreitet wird, so daß eine gleichmäßigere Erwärmungswirkung erzielt wird.
Da der Suszeptor 20 vornehmlich die Komponente des lokalen elektrischen Feldes absorbiert, das tangential zur Oberfläche verläuft, können Heißpunkte des Suszeptormittels 20 an einem Punkte auftreten, an dem das vorherrschende Feld eine besondere lokale Polarisation aufweist. Die meisten Mikrowellenherde haben einen Modenbeweger. Im Betrieb kann ein Modenbeweger die momentane Polarisierung an irgendeinem besonderen Punkt zum raschen Verschieben bringen. Was in einigen Fällen beobachtet werden kann ist eine Polarisierungswirkung, die sich aus dem Durchschnittswert des Feldes an einem gegebenen Punkte ergibt. Eine besondere lokale Polarisierung an einen Heißpunkt kann eine Wirkung auf die gemeinsame Nutzung des Feldes an diesem Punkte zwischen benachbarten Öffnungen 27 haben. Die Orientierung von Spalten und Zeilen von Öffnungen 27 beeinflußt daher die gemeinsame Nutzung des Feldes. Eine örtliche Polarisierung tendiert dazu, die Richtung der gemeinsamen Nutzung zwischen benachbarten Öffnungen 27 zu beeinflussen. Dies wird durch die Fig. 14A und 14B dargestellt. Die Fig. 14A zeigt ein Gitter mit kreisförmigen Öffnungen 27 bei einer quadratischen Gitterorientierung. Die Fig. 14A stellt eine Kopie eines Bildes, das mit einer Infrarotkamera aufgenommen ist, einer Gitter/Suszeptor-Kombination während der Mikrowellenerwärmung dar. Fig. 14B ist ebenfalls eine Kopie eines Bildes, das mit einer Infrarotkamera aufgenommen ist, einer Gitter/Suszeptor-Kombination während der Erwärmung in einem Mikrowellenherd. In Fig. 14B hat das Gitter kreisförmige Öffnungen 27 mit einer gleichseitigen, dreiecklgen Gitterkonfiguration. In beiden Fällen ist die gemeinsame Nutzung des Feldes zwischen benachbarten Öffnungen 27 augenscheinlich, insbesondere entlang bestimmter Spalten.
Die mit der Ihfrarotkamera aufgenommenen Originalbilder; von denen die Fig. 14A und 14B kopiert wurden, waren farbig. Die Original-Farbbilder sind in die Beschreibung unter Bezugnahme auf die Bilder aufgenommen. Schwarz- und Weiß-Kopien dieser Farbbilder werden hier der Bequemlichkeit halber verwendet, um Schwierigkeiten und unnötige Komplikationen beim Drucken dieser Beschreibung zu vermeiden.
Bisher war es erforderlich, die spezielle Rezeptur der Lebensmittel für eine Mikrowellenherdanwendung zu formulieren, um verbesserte Ergebnisse im Mikrowellenherd zu erzielen. Einer der Vorteile der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß viele für das Kochen oder Backen in einem herkömmlichen Ofen zubereitete Produkte in einer Packung gemäß der vorliegenden Erfindung ohne Anderungen der Zusammensetzung des Produktes gekocht bzw. gebacken werden können. Gute Ergebnisse werden unter Verwendung der vorliegenden Erfindung in Kombination mit Lebensmitteln erhalten, die für das Kochen und Backen bzw. Garen in einem herkömmlichen Ofen zubereitet sind.
Die in den Fig. 3 und 4 dargestellte Packung wurde erfolgreich zum Backen einer herkömmlichen Tiefschalenpizza mit einem Durchmesser von etwa 10-7/8 inches (27,6 cm) und einem Netto-Gesamtgewicht von 1.75 Pfund (etwa 796 g) gebacken. Die erforderliche Backzeit betrug nur 11 min. Der mit der vorliegenden Erfindung erzielte Erfolg war überraschend, weil es bisher unmöglich war, eine große Pizza in einem Mikrowellenherd befriedigend zu backen.
Im Betrieb überwindet die vorliegende Erfindung Nachteile, die bisher beim Mikrowellenbacken auftraten, bei dem unerwünschte Temperaturdifferenzen und Feuchtigkeitsbewegungen festgestellt wurden. Bei der vorliegenden Erfindung erzeugt die "Bratpfannen"-Wirkung, die durch den Suszeptor 20 in Verbindung mit dem Gitter 19 erreicht wird, eine anhaltende und stark lokalisierte Erwärmung an der Oberfläche der Pizza 18. Dies führt zu einem Temperaturprofil durch die Dicke der Pizza 18, wobei angenommen wird, daß die Temperatur der Oberfläche der Pizza 18 erheblich größer als die Temperatur des Inneren der Pizza 18 ist. Dies begünstigt eine Feuchtigkeitsbewegung, die derjenigen entgegengesetzt ist, die bisher beim Backen solcher Pizzas durch Mikrowelle aufgetreten ist, wobei die Bewegung sich enger an die gewünschte Feuchtigkeitsbewegung annähert, die in einem herkömmlichen Ofen auftritt. Die Feuchtigkeit entweicht entweder in die Ofenatmosphäre, oder sie wandert bzw. migriert in das Innere der Pizza 18. Der Feuchtigkeitsgehalt der Bodenoberfläche der Pizza 18 wird also wesentlich verringert, um eine Geschmacksempfindung zu erzeugen, die vom Verbraucher als "Knusprigkeit" empfünden wird.
Bei einem Beispiel, bei dem eine identische Pizza 11 min lang in einem Mikrowellenherd unter Benutzung nur eines herkömmlichen Suszeptors gebacken wurde (es wurde kein Gitter in Verbindung mit dem Suszeptor verwendet), und bei dem die Pizza während des Backens nicht zugedeckt war, waren die Ergebnisse unbefriedigend. Der äußere, 1 inch breite kreisförmige Ring der Kruste war gebräunt und war so zäh bzw. hart, daß er praktisch nicht eßbar war. Dieser Abschnitt der Pizzakruste war faktisch unmöglich zu kauen. Der Mittelabschnitt der Pizza war während der Mikrowellenerwärmung gerade noch warm geworden. Eine Bräunung des Mittelabschnittes der Pizzakruste wurde nicht wahrgenommen.
Die vorliegende Erfindung schafft eine Einrichtung zur Erzielung eines gewünschten Grades an Oberflächenerwärmung der Lebensmittelsubstanz 18. Dies ist oft wünschenswert, weil bei einigen Lebensmittelsubstanzen das Knusprigmachen oder Bräunen der Oberfläche erwünscht ist. Bei anderen Lebensmittelsubstanzen ist ein bestimmter Grad an Oberflächenerwärmung wünschenswert, um während der Erwärmung ein besonderes Temperaturprofil oder eine besondere Feuchtigkeitsmigration aufrechtzuerhalten. Die vorliegende Erfindung stellt diesen gewünschten Grad an Oberflächenerwärmung in Kombination mit einem gesteuerten Grad an innerer Erwärmung bereit.
Ein mit der Verwendung herkömmlicher Suszeptoren ohne Benutzung eines Gitters 19 gemäß der vorliegenden Erfindung verbundenes Problem bestand darin, daß herkömmliche Suszeptoren dahin tendieren, während der Mikrowellenerwärmung zu versagen. Wenn herkömmliche Suszeptoren während der Mikrowellenerwärmung versagen, werden die Suszeptoren sehr übertragungswirksam und ermöglichen es einem großen Prozentanteil der Mikrowellenenergie, den Suszeptor zu durchdringen und die Lebensmittelsubstanz zu erreichen. Die sich ergebende dielektrische Erwärmung der Lebensmittelsubstanz verursacht einen unerwünschten Grad an innerer Erwärmung. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, die Übertragungsfähigkeit der Gitter/Suszeptor-Kombination zu steuern. Außerdem hält die vorliegende Erfindung während des Kochens oder Backens mit Mikrowelle die Leistungscharakteristik stabil. Selbst wenn nach wie vor angenommen wird, daß ein Suszeptor bis zu einem gewissen Grade versagt, auch wenn er in Kombination mit einem Gitter verwendet wird, scheint die Gitter/Suszeptor-Kombination der vorliegenden Erfindung das Versagen zu steuern so daß die zusammengesetzte Charakteristik der Gitter/Suszeptor-Kombination im wesentlichen gesteuert werden kann. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, die Eigenschaften der Mikrowellenübertragung und -absorption des Gitter/Suszeptor-Systems nach Wunsch zu steuern, zu ändern und zu regulieren, um einen gewünschten Grad an Oberflächenerwärmung in Verbindung mit einem gewünschten Grad an innerer Erwärmung zu erzielen. Mit einem herkömmlichen Suszeptor allein war es sehr schwierig und manchmal praktisch unmöglich, den Grad der Oberflächenerwärmung mit dem Grad an innerer Erwärmung auszugleichen. Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem.
Bei der dargestellten Ausführungsform hat das Gitter 19 einen Durchmesser von 10.25 inches (26 cm). Eine Kreuzrippung von Metallstreifen 28 umgrenzt eine Vielzahl von Öffnungen 27. Die Öffnungen 27 im Gitter 19 sind Quadrate mit einer Länge und Breite, in Fig. 3A als "D" dargestellt, von etwa 1/2 inch (1,27 cm). Die dargestellte Löchgeometrie sind Quadratöffnungen 27, die in einem Quadratgitter angeordnet sind.
Das Gitter 19 wurde aus einem Blatt einer Aluminiunifolie durch Ausschneiden der Öffnungen 27 in der Folie hergestellt. Die die Öffnungen 27 des Gitters 19 trennenden Metallstreifen 28 haben eine Breite "W" von etwa 3/16 inch (0,48 cm), wie in Fig. 3A dargestellt. Der Abstand szwischen den Löchern beträgt also etwa 3/16 inch. Bei dem dargestellten Beispiel weist das Gitter 19 eine offene Fläche auf, die durch die Gesamtfläche der einzelnen Öffnungen 27 definiert ist. Die geschlossene Fläche bzw. die für Mikrowellen undurchlässige Fläche wird durch die Fläche der Metallstreifen 28 des leitenden Gitters 19 definiert. Bei dem veranschaulichten Beispiel betrug das Verhältnis zwischen der offenen Fläche zu der für Mikrowellen undurchlässigen Fläche etwa 52,9 %. Mit anderen Worten besaß das Gitter 19 etwa 53 % an offener Fläche.
Vorzugsweise reicht die Trennung zwischen den Streifen 28 des Gitters 19 aus, um einen Ladungsübergang bzw. eine Bogenbildung während des Mikrowellenkochens bzw. -backens zu vermeiden. Der erforderliche Abstand hängt etwas von der Last ab, die eine Funktion, unter anderem, von der Menge und er Zusammensetzung der Lebensmittelsubstanz 18 und der Dicke der Lebensmittelsubstanz 18 ist.
In der Praxis hat eine Metalldicke von etwa 1 bis 4 mils (0,0025 bis 0,01 cm) bei den Streifen 28 des Gitters 19 befriedigende Ergebnisse geliefert. Dicken bis herunter auf 0.275 mlls (0,0007 cm) haben in der Praxis ebenfalls befriedigende Ergebnisse geliefert.
Suszeptoren 20 mit einem anfänglichen spezifischen Widerstand von etwa 50 bis 120 Ohm je Quadrateinheit haben in der Praxis befriedigende Ergebnisse gebracht.
Fig. 4A zeigt eine detaillierte Ansicht der Übergangszone zwischen der Abdeckung 17 und dem Tablett 16.

Alternative Gitter- und Suszeptor-Anordnungen

Fig. 7A zeigt schematisch die Konfiguration des Gitters sowie die Konfiguration des Suszeptormittels 20 für den in den Fig. 3 und 4 dargestellten Pizzabehälter. Bei diesem Beispiel trifft die Mikrowellenenergie aus der durch den Pfeil 25 angezeigten Richtung in erster Linie auf die Gitter/Suszeptor-Kombination. Wenngleich einige Mikrowellenstrahlung durch in Fig. 4 gezeigte Öffnungen 24 Zutritt hat, wird sie bei diesem besonderen Beispiel im wesentlichen vollständig durch die verlustbehaftete Pizza 18 absorbiert.
Fig. 7B veranschaulicht eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit einem Gittermittel 19' sowie einem Suszeptormittel 20' in einer Konfiguration, bei der die aus der durch den Pfeil 25' angezeigten Richtung kommende Mikrowellenenergie auf das Gitter 19' auftrifft, ehe sie das Suszeptormittel 20' erreicht. Natürlich kann das Suszeptormittel 20' aus einem metallischen Dünnfilm 21' bestehen, der auf einem Polyestersubstrat 22' aufgebracht ist, das klebend am Karton 23' bondiert ist. Das metallisierte Polyester 21', 22' grenzt unmittelbar an eine Lebensmittelsubstanz 18' an. Um die Mikrowellenenergie am Auftreffen von der in Fig. 7B linken Seite her zu hindern, muß ein abgeschirmter Lebensmittelbehälter in Kombination mit dem Gitter 19' und dem Suszeptor 20' verwendet werden.
Fig. 7C zeigt schematisch eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die einen nicht abgeschirmten Lebensmittelbehälter verwendet. Die Mikrowellenenergie trifft von zwei Seiten auf, wie es allgemein durch die Pfeile 25" angezeigt ist. Bei diesem Beispiel ist ein Gitter 19" und ein Suszeptormittel 20" ähnlich der in Fig. 7A dargestellten Konfiguration vorgesehen.
Fig. 7D stellt eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung dar; die einen nicht abgeschirmten Lebensmittelbehälter verwendet. Es wird eine Gitter- und Suszeptor-Kombination ähnlich der in Fig. 7B dargestellten verwendet, ausgenommen, daß die Mikrowellenenergie aus zwei Richtungen auftrifft, wie durch die Pfeile 25"' dargestellt ist.
Der Pappkarton 23 ist für den Betrieb der vorliegenden Erfindung nicht wesentlich. Das Suszeptormittel 20 kann einen dünnen Metallfilm 21 umfassen, der auf einem Polyestersubstrat 22 aufgebracht ist. Dieser Polyester-Kunststoffilm kann um ein Lebensmittelprodukt 18 gewickelt sein, und ein Gitter 19 kann wiederum um diese zusammengesetzte Struktur gewickelt sein. Alternativ kann das metallisierte Polyester 22 klebend an einem Gitter 19 bondiert sein.

Gestaltungsfaktoren

Die Leistungsfähigkeit einer gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebauten Mikrowellenpackung kann unter Benutzung mindestens vier verschiedener Faktoren abgestimmt werden. Die Größe der Löcher 27 kann abgestimmt, die Geometrie der Löcher kann geändert, der Charakter des Scheinwiderstandes, d.h., des spezifischen Widerstandes und des Blindwiderstandes des Suszeptors, kann abgestimmt, und der Abstand des Suszepto rs 20 vom Gitter 19 kann abgestimmt werden. Es gibt weiter mindestens vier methodische Ansätze zum Analysieren der Gitter/Suszeptor-Kombination: (1) das Analysieren der Leistungscharakteristik unter Benutzung eines Netzwerkanalysators; (2) praktische Energiestests in einem Mikrowellenherd; (3) Benutzung eines äquivalenten Schaltungsmodells; und (4) Benutzung mathematischer Modelle. Wenngleich für die Analyse verschiedene Lösungsansätze benutzt worden sind, war die Übereinstimmung zwischen allen vier Methoden überraschend.

Lochgröße

Das Anpassen der Löchgröße kann die Energiemenge zum Erwärmen der Lebensmittelsubstanz 18 vergrößern oder verkleinern. Bei einem gegebenen spezifischen Widerstand wird das Vergrößern der Lochgröße im Gitter 19 im allgemeinen den Prozentanteil der vom Suszeptor 20 absorbierten Energie vergrößern, und sie wird allgemein den Prozentanteil der durch die Gitter/Suszeptor-Kombination übertragenen Energie vergrößern, und umgekehrt.
Die Wirkung der Größe der Löcher 27 im Gitter 19 wird durch das Diagramm der Fig. 8 dargestellt. Fig. 8 stellt den Verlauf der Größe der Öffnungen 27 im Gitter 19 relativ zu dem mit dem Netzwerkanalysator gemessenen Absorptionsgrad dar. Jede Kurve betrifft einen unterschiedlichen spezifischen Widerstand des Suszeptormittels 20. Die absorbierte Energie wurde bei Suszeptoren gemessen, die spezifische Widerstände von 12, 26, 72, 147 und 410 Ohm pro Quadrateinheit aufweisen. Das Gitter 19 besaß bei diesem Beispiel kreisförmige Löcher. Bei kleineren Lochgrößen wiesen die Suszeptoren mit den kleineren spezifischen Widerständen eine größere Absorption auf. Für mittlere Lochgrößen, beispielsweise 3/4 inch (1,9 cm), besaß ein Suszeptor im mittleren Bereich mit einem spezifischen Widerstand von 72 Ohm je Quadrateinheit die maximale Absorption. Der Wellenleiter; der in Verbindung mit dem Netzwerkanalysator benutzt wurde, um diese besonderen Messungen durchzuführen, erlaubte nicht Messungen an Gittern mit Öffnungen 27, die größer als 1 inch waren. Der Datentrend legt nahe, daß wenn die Kurve für Suszeptoren mit größerem spezifischen Widerstand extrapoliert wird, d.h. die Kurve für den Suszeptor mit 147 Ohm pro Quadrateinheit, Suszeptoren mit größerem spezifischen Widerstand möglicherweise eine größere Absorption haben, wenn die Öffnungen 27 ausreichend groß gemacht werden.
Fig. 9 ist ein Diagramm, das die Temperaturmessungen darstellt, die an Gittern verschiedener Größe unter Verwendung dreier verschiedener Suszeptoren mit spezifischen Widerständen von 17, 70 und 2000 Ohm pro Quadrateinheit durchgeführt wurden. Der Temperaturwert wurde unter Benutzung einer Infrarotkamera gemessen, die auf die Unterseite des Suszeptors gerichtet war; d.h. auf die Seite des Kartons 23. Obwohl die wirkliche Temperatur des metallisierten Films 21 nicht tatsächlich gemessen wurde, waren die relativen Temperaturmessungen signifikant. Diese Meßtechnik wurde angewandt, weil Versuche zum Messen der Temperatur des dünnen Films 21 durch Richten der Infrarotkamera direkt auf den metallisierten Film 21 zu unechten, reflektierten Bildern führten. Die in Fig. 9 wiedergegebenen experimentellen Daten dienen zum Vergleich mit den relativen Temperaturen. Die absoluten Temperaturen sind für dieses besondere Experiment nicht kritisch.
Fig. 9 zeigt die Ergebnisse für Gitter 19 mit Öffnungen von immerhin 2 inches (5,1 cm). Bei diesem Experiment wiesen bei Löchdurchmessern größer als 1.2 inches (3 cm) die Suszeptoren mit größerem spezifischen Widerstand (beispielsweise 2000 Ohm pro Quadrateinheit) eine größere Absorption auf als die Suszeptoren mit niedrigem spezifischen Widerstand. Bei Öffnungen 27 mit kleiner Größe, beispielsweise 0.125 inch (0,32 cm), wiesen die Suszeptoren mit niedrigem spezifischen Widerstand von 17 Ohm je Quadrateinheit eine größere Absorption auf. Für Öffnungen 27 mit Zwischengröße im Gitter 19 in der Größenordnung von 0.5 bis etwa 1.0 inch (1,27 cm bis 2,5 cm), wiesen die Suszeptoren mit einem spezifischen Widerstand von etwa 70 Ohm je Quadrateinheit den größten Absorptionsbetrag auf.
Fig. 10 ist ein Diagramm, das die Berechnungsergebnisse auf der Basis eines mathematischen Modells wiedergibt, das hier als Chen-Modell bezeichnet wird. Das Chen-Modell ist im einzelnen in einem Aufsatz mit dem Titel "Transmission of Microwave Through Perforated Flat Plates of Finite Thickness" von Chao-chun Chen beschrieben, der in der Zeitschrift IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Bd. MTT-21, Nr. 1, Seiten 1-6 (Januar 1973) publiziert wurde und dessen gesamter Inhalt durch Bezugnahme in die Beschreibung aufgenommen ist. Ein Vergleich der unter Benutzung des Chen-Modells berechneten Reflexionskoeffizienten mit den unter Benutzung eines Netzwerkanalysators gemessenen Reflexionskoeffizienten (nur für Gitter), ist in Fig. 10 dargestellt. Gemäß Fig. 10 gibt es keine Absorption. Das Chen-Modell basiert auf einem Modell für ein Gitter allein, also ohne Suszeptor. Das Chen- Modell nimmt elektrisch dicke Gitter an, die aus guten Leitern hergestellt sind. Das Chen-Modell bezieht nicht die Absorption in das mathematische Modell ein. Daher beträgt die Wärmeübertragung 100 % minus dem Prozentanteil der Reflexion. Im vorliegenden Beispiel nimmt der Reflexionskoeffizient ab, wenn der Löchdurchmesser zunimmt. Messungen, die mit dem Netzwerkanalysator an Gittern durchgeführt wurden, stimmen eng mit den durch das Chen-Modell vorhergesagten Werten überein.
Ein bevorzugter Bereich der Löchgrößen zur Verwendung in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung liegt zwischen etwa 0.125 inch (0,32 cm) und etwa 2 inch (5,1 cm). Wenn die Löchgröße zu klein gemacht wird, ist die Absorptionsmenge im Suszeptormittel gewöhnlich unzureichend. Wenn die Löchgröße zu groß gemacht wird, treten die Vorteile der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die Gleichförmigkeit der Erwärmung und die Steuerung des Reflexionsgrades nicht so deutlich hervor. Der bevorzugte Bereich der Lochgröße hängt von der Frequenz der Mikrowellenstrahlung ab. Der oben genannte bevorzugte Bereich der Lochgrößen kann alternativ als über 2,6 % der Wellenlänge bis etwa 40 % der Mikrowellenenergie im freien Raum ausgedrückt werden. Ein weniger bevorzugter Bereich, der bei einigen Anwendungen brauchbare Ergebnisse liefern kann, liegt zwischen etwa 0,65 % der Wellenlänge bis zu 1 % Wellenlänge. Beim vorliegenden Beispiel kann dieser Bereich bei Verwendung eines Mikrowellenherdes mit einer Frequenz von etwa 2450 MHz ausgedrückt werden als ein Bereich zwischen 1/32 inch (0,03125 inch) (0,08 cm) bis etwa 4.8 inch (12,2 cm). Bei diesem besonderen Beispiel bezieht sich der Ausdruck "Wellenlänge" auf die Wellenlänge der Mikrowellenenergie im leeren Raum, und nicht auf die Wellenlänge der Mikrowellenstrahlung im Lebensmittel oder im Verpackungsmaterial. Die Wellenlänge in Luft ist im wesentlichen die gleiche wie die Wellenlänge im leeren Raum. Ein Gitter 19 mit Öffnungen 27, die eine Größe zwischen etwa 1/8 inch und etwa 2.4 inch aufweisen, wird mehr bevorzugt. Ein sogar noch bevorzugterer Bereich der vorliegenden Erfindung liegt zwischen 0.375 inch (0,95 cm) bis etwa 0.875 inch (2,2 cm) Löchgröße. Dies kann als ein Bereich von etwa 7,8 % der Wellenlänge bis 18,2 % der Wellenlänge der Mikrowellenenergie ausgedrückt werden.
Im Falle kreisförmiger Öffnungen 27 ist die Größe durch den Durchmesser des Löches 27 gegeben. Im Falle quadratischer Öffnungen 27 ist die Löchgröße die Breite. Bei einem Rechteck ist die Größe der Mittelwert der Länge und Breite, d.h., der Länge plus der Breite dividiert durch 2. Bei anders geformten Löchern entspricht die Größe der Länge der größten Achse.

Scheinwiderstand der Suszeptoroberfläche

Bei einer gegebenen Lochgröße kann ein Optimum des spezifischen Widerstandes für das Suszeptorelement 20 für die Peak-Erwärmung gewählt werden. Die Größe der Öffnungen 27 und des spezifischen Widerstandes des Suszeptors 20 können beide geändert werden, um die Erwärmungsrate der Lebensmittelsubstanz 18 anzupassen.
Die Fig. 17, 18 und 19 sind Diagramme, die Messungen darstellen, welche unter Benutzung eines Netzwerkanalysators an Gitter/Suszeptor- Kombinationen mit verschiedenen spezifischen Widerständen für den Suszeptor 20, sowie für verschiedene Größen der Löcher 27 beim Gitter 19 aufgenommen wurden. Bei diesem Experiment besaßen die Gitter kreisförmige Öffnungen 27. Die Öffnungen 27 waren in einer gleichseitigen, dreieckigen Gitterkonfiguration angeordnet. Bei jeder Probe wurde die Mindestbreite der Streifen 28 zwischen benachbarten Öffnungen oder Löchern 27 bei etwa 1/8 inch (0,32 cm) gehalten. Der Netzwerkanalysator wurde zum Messen des spezifischen Widerstandes der verschiedenen, beim Experiment angewandten Suszeptoren 20 verwendet.
Fig. 17 steht in enger Beziehung mit Fig. 8. Beide Diagramme zeigen die gleichen experimentellen Daten. Allerdings umfaßt Fig. 17 den zusätzlichen Satz von Datenpunkten, die ganz nach rechts zur rechten Seite des Diagramms hin eingezeichnet sind, das die absorbierte Energie im leeren Raum bei einem Suszeptor 20 ohne Gitter 19 wiedergibt. In allen Fällen wurden Suszeptoren 20 benutzt, die nicht beim Kochen bzw. Backen mit Mikrowelle exponiert worden waren.
Wie oben besprochen, nimmt mit der Größe der Öffnungen 27 der Prozentsatz der Mikrowellenenergie, die vom Suszeptor 20 absorbiert wird, zu. Auch der Prozentsatz der Mikrowellenenergie, die durch die Gitter/Suszeptor-Kombination übertragen wird, nimmt mit der Zunahme sder Größe der Öffnungen 27 zu. Dies ist in Fig. 18 dargestellt. Fig. 19 hingegen zeigt, daß mit der Zunahme der Größe der Öffnungen 27 der Prozentsatz der Mikrowellenenergie, der reflektiert wirdl abnimmt. Die Figuren zeigen weiter; daß diese Wirkung bis zu einem gewissen Ausmaß eine Funktion des spezifischen Widerstandes des Suszeptors 20 ist.
Der Scheinwiderstand eines Suszeptors kann, zusätzlich zu einer Oberfiächen-Widerstandskomponente auch eine Oberflächen-Blindwiderstandskomponente aufweisen. Der Suszeptor-Oberflächenscheinwiderstand kann also ein Faktor sein, der bei der Gestaltung eines Gitter/Suszeptor- Systems zu berücksichtigen ist.
Bei einer gegebenen Gittergeometrie und einer gegebenen Gitter/Suszeptor-Trennung kann der Suszeptor-Oberflächenscheinwiderstand eingestellt werden, um die Suszeptor-Energieabsorption vorzubestirnmen, beispielsweise um sie zu maximieren, minimieren oder um irgendeinen anderen gewünschten Absorptionsgrad zu erreichen. Wie oben erwähnt, kann der Suszeptor-Oberflächenscheinwiderstand Zs ausgedrückt werden durch Zs = Rs + iXs, wobei Rs der Oberflächenwiderstand, und Xs der Oberflächenblindwiderstand ist, beide in der Einheit Ohm je Quadrateinheit gerechnet. Der Oberflächenblindwiderstand, der bei Suszeptoren gemessen wird, ehe sie in einem Mikrowellenherd der Mikrowellenenergie ausgesetzt werden, kann zwischen 0 und -100 Ohm je Quadrateinheit liegen, während der Oberflächenblindwiderstand nach der Benutzung beim Mikrowellengaren ohne Gitter im Bereich zwischen etwa -100 bis etwa -800 Ohm je Quadrateinheit liegen kann. Der Oberflächenblindwiderstand ist typischerweise eine negative imaginäre Zahl. Dies dürfte von der kapazitiven Natur der Risse herrühren, die typischerweise in der Metallisationsschicht 21 eines Suszeptors 20 auftreten.
Die Fig. 41, 42 und 43 sind Diagramme, die eine theoretische Beziehung zwischen der Energieabsorption und dem Suszeptor-Oberflächenblindwiderstand bei einer Serie von Gitter/Suszeptor-Kombinationen darstellen, bei denen die Löcher 27 verschiedene Größen und verschiedene spezifische Oberflächenwiderstände aufweisen.
Die theoretische Beziehung basiert auf der Streumatrixformulierung für Nebenschlußelemente und leere Wellenieiter nach J.L. Altman, Microwave Circuits, Seiten 370-71 (1964), wobei der gesamte publizierte Text durch Bezugnahme in diese Beschreibung aufgenommen ist. Streutransfermatrizen können aus diesen Formulierungen unter Anwendung von Methoden abgeleitet werden, wie sie von M. Sucher und J. Fox, Handbook of Microwave Measurements, Kapitel 4 (1963) mitgeteilt werden, deren Gesamtheit durch Bezugnahme in diese Beschreibung einbezogen ist.
Bei jeder in diesen Figuren dargestellten Kurve waren die Gitteröffnungen 27 kreisförmig und in einem gleichseitigen, dreieckigen Gitter angeordnet. Die kleinste Breite des Streifens 28 zwischen benachbarten Öffnungen 27 betrug etwa 1/8 inch, und der Abstand zwischen dem Gitter 19 und dem Suszeptor 20 betrug etwa 0.0048 inch (0,0122 cm). Gemäß Fig. 41 hatten die Löcher 27 einen Durchmesser von etwa 1/4 inch. Gemäß Fig. 42 hatten die Löcher 27 einen Durchmesser von etwa 1 inch. Gemäß Fig. 43 hatten die Löcher 27 einen Durchmesser von etwa 5/8 inch. Die Kurven in den Fig. 41, 42 und 43 zeigen die Suszeptor-Absorptionsgradspitzen bei einem Wert des Suszeptor-Oberflächenblindwiderstandes, der von der Größe des Löches 27 des Gitters 19 abhängt.
Fig. 44 ist ein Diagramm, das für ein Gitter berechnet wurde, das mit demjenigen in Fig. 43 übereinstimmt. In diesem Falle wurde jedoch zwischen dem Gitter 19 und dem Suszeptor 20 ein Abstand von etwa 0.048 inch (0,122 cm) angewandt. Ein Vergleich der Fig. 43 und 44 zeigt, daß der Verlauf des Suszeptorabsorptionsgrades über der Blindwiderstandskurve vom Abstand zwischen dem Gitter 19 und dem Suszeptor 20 abhängt. Bei einer gegebenen Lochgröße und einem gegebenen Gitter- und Suszeptorabstand kann also der Scheinwiderstand eines Suszeptors einschließlich seines Oberflächenblindwiderstandes abgestimmt werden, um den Betrag der vom Gitter/Suszeptor-System absorbierten Mikrowellenenergie zu steigern (oder zu maximleren), oder aber zu verringern. Mit anderen Worten kann der Suszeptor zur Erzielung des maximalen Mikrowellen-Energieabsorptionsgrades auf eine Widerstandsform abgestimmt werden, die vielleicht einem angepaßten Scheinwiderstand entspricht.
Die Wirkung des Oberflächenblindwiderstandes auf die Suszeptor-Energieabsorption hängt auch von der Geometrie des Gitters 19 ab. Fig. 45 ist ein Diagramm, das eine theoretische Beziehung zwischen der Energieabsorption und dem Suszeptor-Oberflächenblindwiderstand einer Serie von Gitter/Suszeptor-Kombinationen mit verschiedenen spezifischen Oberlfächenwiderständen darstellt. Bei jeder Kurve bestanden die Gitteröffnungen 27 aus Quadraten mit 5/8 inch Seitenlänge, die in einem gleichseitigen, dreiecklgen Gitter angeordnet waren. Die Breite der Streifen 28 zwischen benachbarten Öffnungen 27 betrug 1/8 inch, und die Trennung zwischen dem Gitter 19 und dem Suszeptor 20 betrug etwa 0.0048 inch (0,0122 cm). Der Vergleich der Fig. 43 und 45 zeigt, daß der Verlauf des Suszeptor-Absorptionsgrades über der Blindwiderstandskurve von der Geometrie des Gitters 19 abhängt.
Bei einem gegebenen Suszeptor-Oberflächenwiderstand wird angenommen, sdaß die Geometrie des Gitters 19, die Größe des Loches 27 und der Abstand zwischen dem Gitter 19 und dem Suszeptor 20 bis zu einem gewissen Grade in Wechselwirkung stehen. Sie müssen daher schrittweise abgestimmt werden, um die Suszeptorerwärmung in jedem einzelnen Falle zu optimieren.
Es wurde ein Experiment durchgeführt, um die Wirkung des Suszeptorblindwiderstandes auf den Absorptionsgrad der Gitter/Suszeptor-Kombination zu prüfen. Das Experiment wurde in einem Wellenleiter des Typs WR-340 unter Benutzung eines Netzwerkanalysators durchgeführt. Der Suszeptorblindwiderstand wurde durch Anbringen einer Reihe von Einschnitten durch die Suszeptor-Metallisationsschicht mit einer Rasierklinge verändert. Die Einschnitte verliefen parallel zur langen Abmessung des Wellenleiterquerschnittes und erstreckten sich gänzlich über die Suszeptoroberfläche. Der Suszeptorblindwiderstand wurde ohne Gitter gemessen und nahm mit der Anzahl der über die Suszeptoroberfläche verlaufenden Einschnitte zu. Der Suszeptor 20 besaß einen anfänglichen Oberflächenwiderstand von etwa 15 Ohm je Quadrateinheit. Das bei diesem Experiment benutzte Gitter 19 besaß quadratische Öffnungen 27, die auf einem quadratischen Gitter bzw. Raster plaziert waren. Die kleinste Breite der Streifen 28 zwischen benachbarten Öffnungen 27 betrug etwa 3/16 inch, und der Abstand zwischen dem Gitter 19 und dem Suszeptor 20 betrug etwa 0.00048 inch (0,00122 cm). Die Kurven in den Fig. 46, 47 und 48 zeigen jeweils entsprechend den Absorptionsgrad, den Übertragungsgrad und den Reflexionsgrad der Gitter/Suszeptor- Kombination und des Suszeptors 20 alleine, wenn der Suszeptorblindwiderstand (negativ) durch aufeinan-derfolgendes Hinzufügen von Einschnitten in die Suszeptor-Metallisationsschicht vergrößert wurde. Fig. 46 zeigt, daß der Absorptionsgrad dieser besonderen Gitter/Suszeptor-Kombination maximiert wurde, wenn der Oberflächenblindwiderstand zwischen etwa -50 und etwa -150 Ohm je Quadrateinheit lag, und daß die Absorptionsgradänderung der Gitter/Suszeptor-Kombination wesentlich größer war als die beim Suszeptor alleine beobachtete Änderung. Die Fig. 47 und 48 zeigen, daß wenn der Oberflächenblindwiderstand beim Suszeptor vergrößert wurde, die Gitter/Suszeptor-Kombination im wesentlichen den niedrigen Übertragungsgrad und den hohen Reflexionsgrad beibehielt, während der Suszeptor alleine größere (und bei vielen Produktkontexten nachteilige) Änderungen des Übertragungsgrades und des Reflexionsgrades erführen.
Es wird angenommen, daß der anfängliche Blindwiderstand eines Suszeptorfilms durch die Größe der Spannungs- oder Dehnungsbeanspruchung beeinflußt werden kann, die während der Herstellung des Suszeptors eingebracht werden, beispielsweise durch Abstimmen der Filmstegspannung oder durch Anderungen im Verfahren zum Bondieren des Films am Substrat. Der kapazitive Blindwiderstand des Suszeptors kann durch Anbringen kleiner Einschnitte in die Oberfläche des Suszeptors angepaßt werden.
Die obigen Darlegungen waren in erster Linie auf Dünnfilmsuszeptoren gerichtet, die als eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung mit Ohm'schem Widerstand behaftet sind. Es können aber auch andere verlustbehaftete Suszeptormittel 20 verwendet werden. Beispielsweise kann Graphit verwendet werden. Ein weiteres Beispiel für ein solches geeignetes Suszeptormittel ist ein Suszeptor; der ein magnetisches, mikrowellenabsorbierendes Material umfaßt. Ein geeignetes magnetisches, mikrowellenabsorbierendes Material zur Verwendung als Suszeptormittel 20 ist im US-Patent Nr. 4,266,108, erteilt am 5. Mai 1981 an Anderson et al mit dem Titel "Microwave Heating Device and Method", offenbart, wobei die gesamte Offenbarung unter Bezugnahme in diese Beschreibung einbezogen ist.
Magnetische Materialien, die Mikrowellen absorbieren, umfassen Materialien, die ferromagnetische oder ferrimagnetische Eigenschaften, eine Curie-Temperatur und eine Fähigkeit besitzen sich zu erwärmen, wenn sie der Mikrowellenstrahlung ausgesetzt oder unterzogen werden. Solche Materialien umfassen magnetische Oxidmaterialien, die als Ferrite bekannt sind. Diese Materialien tendieren dahin, als Reaktion auf die magnetische Komponente des Energiefeldes der Mikrowelle anzusprechen.
Magnetische, mikrowellenabsorbierende Materialien sind durch ihre relative magnetische Permeabilität µ' sowie durch ihren relativen magnetischen Verlustfaktor µ" charakterisiert. Bei der obigen Besprechung der Dünnfilmsuszeptoren wurde der spezifische Widerstand als Faktor zur Gestaltung eines gewünschten Erwärmungsansprechverhaltens benutzt. Die magnetische Permeabilität würde im Falle magnetischer; mikrowellenabsorbierender Materialien in ähnlicher Weise benutzt.
Fig. 31 ist ein Dreikoordinatendiagramm von experimentellen Daten, die mit einem Netzwerkanalysator unter Verwendung eines Gitters 19 in Kombination mit einem Suszeptormittel 20 gemessen wurden, das ein magnetisches, mikrowellenabsorbierendes Material umfaßt. Das magnetische, mikrowellenabsorbierende Material wurde von einem Mikrowellen- Markengerätröster/-sieb, Modell PM 400/145, hergestellt von der Anchor Hocking Corporation entfernt. Von dem Material wurde angenommen, daß es eine Zusammensetzung Ba&sub2; Mg&sub2; Fe&sub1;&sub2; O&sub2;&sub2; in einem Bindemittel besitzt. Es wurde ein Gitter 19 mit rechteckigen Öffnungen in einer quadratischen Rasterkonfiguration benutzt. Die Öffnungen ih jedem Gitter besaßen eine konstante Höhe von 1/2 inch (1,27 cm) bei jedem Gitter. Die Breite der Öffnungen war verschieden. Es wurden Gitter benutzt mit Öffnungen, die Breiten von 0.25 inch (0,63 cm), 0.5 inch (1,27 cm), 0.75 sinch (1,9 cm), 1.0 inch (2,5 cm) und 1.25 inch (3,2 cm) aufweisen. Wegen der Polarisation der Mikrowellenenergie im Wellenleiter war bei diesem Experiment nur die Abmessung der Breite der Öffnungen in jedem Gitter von Bedeutung.
Bei jedem Gitter; das eine Öffnung besonderer Größe besaß, wurden zwei Messungen durchgeführt. Eine Messung wurde bei Sichtbeobachtung durch Port 1 des Netzwerkanalysators durchgeführt. Eine weitere Messung wurde bei Sichtbeobachtung durch Port 2 des Netzwerkanalysators durchgeführt. Somit stellen die im Diagramm der Fig. 31 eingezeichneten Punkte "1", "3", "5", "7" und "9" Messungen dar; die durch den Port 1 erfolgten. Die in Fig. 31 eingezeichneten und mit "2", "4", "6", "8" und "10" gekennzeichneten Punkte stellen Messungen dar; die durch den Port 2 des Netzwerkanalysators aufgenommen wurden. Die in Fig. 31 eingezeichneten Punkte, die mit "11" und "12" gekennzeichnet sind, stellen Messungen dar; die, ohne irgendein Gitter; jeweils entsprechend durch die Ports 1 und 2 aufgenommen wurden. Die Punkte "1" und "2" stellen Messungen mit einem Gitter dar; das eine Breite von 0.25 inch (0,63 cm) besitzt. Die Punkte "3" und "4" entsprechen einem Gitter mit einer Breite von 0.5 inch (1,27 cm); usw.
Aus Fig. 31 ist zu ersehen, daß ein Suszeptormittel 20 mit Verwendung eines magnetischen, mikrowellenabsorbierenden Materials benutzt werden kann, um den Prozentsatz der übertragenen Energie im Vergleich zum Prozentsatz der reflektierten Energie innerhalb von Grenzen zu verändern, während der Prozentsatz der absorbierten Energie relativ konstant bleibt. Diese Wirkung ist besonders auffällig bei Gittern, die Öffnungen größer als 0.75 inch (1,9 cm) aufweisen.
Es können auch Kombinationen von Suszeptormitteln 20 verwendet werden. Beispielsweise kann ein Dünnfilmsuszeptor mit Ohm'scher Erwärmung mit einem Suszeptor kombiniert werden, der magnetisches, mikrowellenabsorbierendes Material verwendet. Es kann auch ein einzelnes Suszeptormittel 20 benutzt werden, das sowohl Ohm'sche Erwärmung als auch magnetische Mikrowellenabsorption im gleichen Material anwendet. Weiter kann ein zusammengesetztes Suszeptormittel 20 benutzt werden, das eine Vielzahl von Schichten aufweist, die entweder aus einem durch Ohm'schen Widerstand erwärmenden Material oder aus einem magnetiscben mikrowellenabsorbierenden Material bestehen.
Eine andere Erwärmungstechnik, die bei einem Suszeptormittel in Kombination mit einem Gitter angewandt werden kann, ist ein nicht eßbares, diel ektrisch erwärmendes Packungselement. Verlustbehaftete dielektrische Erwärmungspackungsmaterialien erwärmen sich als Antwort auf die elektrische Komponente der Mikrowellenenergie. Solche dielektrischen Materialien sind durch eine relative Dielektrizitätskonstante E' und einen relativen dielektrischen Verlustfaktor E" gekennzeichnet.
Das Suszeptormittel 20 kann ein planares Packungselement sein, das sich als Reaktion auf Mikrowellenstrahlung erwärmt. Im allgemeinen kann das Suszeptormittel 20 ein verlustbehafteter Mikrowellen-Energieabsorber sein, der sich erwärmt, wenn er der Mikrowellenstrahlung ausgesetzt wird.
Das Suszeptormittel 20 kann auch durch die Eindringtiefe des Suszeptors gekennzeichnet werden. Die Eindringtiefe ist der Abstand, entlang dessen die Mikrowellen-Energiedichte auf etwa 36,8 % ihres ursprünglichen Wertes abnimmt. Für die Zwecke dieser Offenbarung wird die Eindringtiefe beim Suszeptormittel 20 auffolgender Basis berechnet:
P = P&sub0;e-2xRe[γ};
wobei P die Energiedichte in einem Abstand "x" innerhalb des Suszeptormaterials, und B&sub0; die Anfangsenergiedichte des Mikrowellenfeldes ist. γ ist die Ausbreitungskonstante für das Suszeptormaterial. Unter Anwendung Maxwell'scher Gleichungen für ebene Wellen kann der Realanteil der Ausbreitungskonstante für die Zwecke dieser Erfindung auffolgender Basis ermittelt werden:
Die Werte für E', E", µ' und µ" können für ein besonderes Suszeptormaterial gemessen werden. λ&sub0; ist die Wellenlänge im leeren Raum bei der Ofenbetriebsfrequenz. Bei der überall in den Vereinigten Staaten und anderswo benutzten Ofenbetriebsfrequenz von 2.45 GHz hat λ&sub0; den Wert von etwa 12,24 cm. Die Energieeindringtiefe kann dann auf der Basis der nachfolgenden Beziehung berechnet werden:
d = 1/2Re[γ] wobei d die Energieeindringtiefe, und Re[γ] der Realteil der Ausbreitungskonstante für das Suszeptormaterial ist. Das Suszeptormittel 20 weist vorzugsweise eine Eindringtiefe von weniger als 1.3 inch auf. Eine noch bevorzugtere Eindringtiefe für das Suszeptormittel 20 ist kleiner oder gleich 0.65 inch. Eine sogar noch bevorzugtere Eindringtiefe für das Suszeptormittel 20 ist eine Eindringtiefe unter oder gleich 0.001 inch.
Das Suszeptormittel 20 besitzt vorzugsweise eine kleine thermische Masse. Ein bevorzugtes Suszeptormittel sollte sich betrieblich rasch erwärmen können, wenn es der Mikrowellenstrahlung ausgesetzt wird. Ein Suszeptormittel mit einer großen thermischen Masse könnte eine zu lange Zeit zum Erwärmen benötigen. Falls ein Suszeptormittel mit einer großen thermischen Masse für ein Lebensmittel eine lange Erwärmungsdauer zur Folge hat, würde viel von der mit dem Mikrowellengaren verbundenen Annehmlichkeit verlorengehen.
Das Suszeptormittel 20 ist vorzugsweise billig und wegwerfbar. Es ist bei einem Suszeptormittel unerwünscht, daß es mehr kostet als die Kosten des Lebensmittels, welches es erwärmt. Ein bevorzugtes Suszeptormittel 20, wenn es mit dem Gitter 19 und anderen Packungskomponenten kombiniert wird, sollte nicht mehr kosten als die Kosten für das Lebensmittel 18. Wenn die gesamte Packung einschließlich der Gitter/Suszeptor- Kombination einen signifikanten Anteil der Gesamtkosten des verpackten Lebensmittels darstellt, wird das Suszeptormittel für die meisten Anwendungen verpackter Lebensmittel unpraktikabel. Diese Überlegung scheidet für die meisten Anwendungen verpackter Lebensmittel, die meisten keramischen Materialien und Utensilien, als wünschbares Suszeptormittel 20 aus. Bei solchen Anwendungen ist die Verpackung nicht für die dauernde Wiederverwendung bestimmt. Darüberhinaus sollte die Verpackung nicht einen getrennten Vorwärmschritt erfordern.
Bei der vorliegenden Erfindung erwärmt sich das Suszeptormittel beim Erwärmen des Lebensmittels durch Mikrowelle bis auf eine Temperatur von etwa 150 ºF (65,5 ºC). Das Suszeptormittel erwärmt sich vorzugsweise auf eine Temperatur von mindestens etwa 212 ºF (100 ºC). Ein noch bevorzugterer Temperaturbereich für das Suszeptormittel ist 300 ºF (149 ºC), oder darüber. Ein spezielle bevorzugter Temperaturbereich für das Suszeptormittel ist 350 ºF (177 ºC), oder darüber.
Ein Dünnfilmsuszeptor mit einem spezifischen Oberflächenwiderstand zwischen etwa 1 Ohm je Quadrateinheit und etwa 10.000 Ohm je Quadrateinheit wird bevorzugt. Ein spezifischer Oberflächenwiderstand zwischen etwa 5 Ohm je Quadrateinheit und etwa 5.000 Ohm je Quadrateinheit ist noch vorteilhafter. Ein spezifischer Oberflächenwiderstand für den Suszeptor zwischen etwa 30 Ohm je Quadrateinheit und etwa 800 Ohm je Quadrateinheit ist aber noch mehr zu bevorzugen. Ein spezifischer Oberflächenwiderstand zwischen etwa 50 Ohm je Quadrateinheit und etwa 70 Ohm je Quadrateinheit ist ganz speziell zu bevorzugen.
Das Gitter 19 definiert einen relativ reflektionsfähigen ersten Bereich, der im wesentlichen eine Gitterstruktur bildet, die von einer Vielzahl von zweiten Bereichen umgeben ist, welche durch die Öffnungen 27 definiert sind, wobei die Bereiche ein Suszeptormaterial 20 aufweisen, das der Mikrowellenstrahlung ausgesetzt ist. Das Suszeptormaterial 20 der zweiten Bereiche weist vorzugsweise einen Mikrowellen-Energieübertragungsgrad auf, der größer als 0,003 % ist, wenn nur das Suszeptormaterial 20 gemessen wird. Das Suszeptormaterial weist vorzugsweise einen Mikrowellen-Energieübertragungsgrad von mehr als 0,07 % auf. Es ist sogar noch vorteilhafter, wenn das Suszeptormaterial 20 einen Mikrowellen-Energieübertragungsgrad von mehr als 1,9 % aufweist.

Lochgeometrie

Die Geometrie des Gitters 19 kann auch so abgestimmt werden, daß sie das Energiesvermögen der Packung ändert. Beispielsweise können kreisförmige Öffnungen 27 verwendet werden. Alternativ können quadratische Öffnungen 27 verwendet werden. Auch kreisförmige Öffnungen 27 können in einem gleichseitigen, dreieckigen Gitter angeordnet werden, wie in Fig. 38B dargestellt. Kreisförmige Öffnungen können alternativ in einem quadratischen Gitter angeordnet werden, wie in Fig. 38A gezeigt. Quadratische Öffnungen 27 können in einem gleichseitigen, dreieckigen Gitter angeordnet werden, wie in Fig. 38D dargestellt. Quadratische Öffnungen 27 können auch in einem quadratischen Gitter angeordnet werden, wie in Fig. 38C dargestellt. Diese vier Möglichkeiten werden als Basis für die in Fig. 11 eingezeichneten Kurven herangezogen. Die Kurven wurden unter Benutzung von Werten gezeichnet, die durch das Chen-Modell berechnet wurden. Diese Geometrien sind in dem oben erwähnten Chen-Aufsatz beschrieben, der durch Bezugnahme in diese Beschreibung einbezogen ist.
Fig. 11 ist ein Diagramm, das den Prozentsatz des Reflexionsgrades bei diesen vier unterschiedlichen Gittergeometrien als Funktion des Durchmessers der Öffnungen 27 darstellt. Im Falle quadratischer Öffnungen 27 ist der "Durchmesser" die Länge der Seiten der quadratischen Öffnung 27.
Fig. 11 zeigt, daß eine quadratische Gittergeometrie im allgemeinen mehr reflektiert als eine dreieckige Gittergeometrie, bei Gleichheit aller übrigen Faktoren. Bei kreisförmigen Öffnungen mit einem Durchmesser, der der Höhe und Breite einer quadratischen Öffnung entspricht, ist das Gitter mit solchen kreisförmigen Öffnungen im allgemeinen stärker reflektierend als ein Gitter mit quadratischen Öffnungen, bei Gleichheit aller anderen Faktoren. Dies kann nur zum Teil durch den Unterschied des Prozentanteils der offenen Fläche zwischen solchen Gittern erklärt werden. Es sollte beachtet werden, daß jede Geometrie ihren eigenen Scheinwiderstand besitzt. Die Änderung des Reflexionsgrades und des Scheinwiderstandes ist mehr als nur eine Funktion des Prozentsatzes der offenen Fläche. Eine ähnliche Schlußfolgerung trifft für gleichseitige, dreieckige Gitterstrukturen zu, die quadratische Öffnungen und kreisförmige Öffnungen aufweisen.
In Fig. 11 stellt der Fall 1 kreisförmige Öffnungen bei einem gleichseitigen, dreieckigen Gitter dar. Fall 2 stellt kreisförmige Öffnungen bei einem quadratischen Gitter dar. Fall 3, stellt quadratische Öffnungen bei einem gleichseitigen, dreieckigen Gitter dar. Fall 4 stellt quadratische Öffnungen bei einem quadratischen Gitter dar. Fig. 11 stellt Berechnungen für ein Gitter 19 allein, ohne ein ihm zugeordnetes Suszeptormittel 20, dar.
Die Tabelle I stellt einen Vergleich der auf dem Chen-Modell beruhenden Berechnungen für verschiedene Gittergeometrien dar, bei Verwendung einer Öffnungsgröße von 0.5 inch (1,27 cm) und einem Abstand von 0.1 inch (0,25 cm) (d.h., die Breite der Streifen 28 entspricht 0.1 inch (0,25 cm)). Tabelle I vergleicht Daten, die unter Benutzung eines Netzwerkanalysators gemessen wurden, mit den durch das Chen-Modell erhaltenen Berechnungsergebnissen. Tabelle II stellt Messungen dar, die mit einem Netzwerksanalysator unter Benutzung eines Gitters 19 in Kombination mit einem Suszeptor 20 durchgeführt wurden. Der in diesem Beispiel verwendete Suszeptor 20 hat einen spezifischen Widerstand von etwa 125 Ohm je Quadrateinheit. In den Tabellen ist der Ausdruck "Staffelgitter" eine Kurzform, um auf ein gleichseitiges, dreieckiges Gitter Bezug zu nehmen. VERGLEICH VON GITTERGEOMETRIEN AUF DER BASIS DES CHEN-MODELLS 0.5" (1,27 cm) LOCHGRÖSSE, 0.1" (0,25 cm) ZWISCHENABSTAND NETZWERKANALYSATOR-DATENDURCHSCHNITT VON ZWEI PORTS TABELLE I Gitter allein Lochtyp Gitterausrichtung Gemessene Reflexion Vorhergesagte Reflexion Fall Kreis Quadrat Staffelgitter Quadratgitter TABELLE II Gitter und Suszeptor Lochtyp Gitterausrichtung Reflexion Absorption Übertragung Fall Kreis Quadrat Staffelgitter Quadratgitter
Bezugnehmend auf Fig. 38A haben die kreisförmigen Öffnungen 27 einen Durchmesser "D" und einen Abstand zwischen den Öffnungen von "W". Bei kreisförmigen Öffnungen 27 wird die Breite der Streifen 28 und der Abstand zwischen den Öffnungen 27 als der Mindestabstand zwischen den Öffnungen 27 betrachtet, der in Fig. 38A als Abstand "W" dargestellt ist. Die Öffnungen 27 haben einen Abstand von Mitte zu Mitte, der in Fig. 38A mit "X" dargestellt ist.
Die kreisförmigen Öffnungen 27 in einem gleichseitigen, dreieckigen Gitter haben einen Durchmesser bzw. eine Lochgröße "D" sowie einen Abstand Mitte zu Mitte von "X". Beim gleichseitigen, dreieckigen Gitter weisen die Löcher 27 eine Versetzung von Mitte zu Mitte auf, die in Fig. 38B mit "Y" dargestellt ist. Der Abstand zwischen den Öffnungen 27 ist in Fig. 38B als "W" dargestellt.
Fig. 38C zeigt quadratische Öffnungen 27, die in einem quadratischen Gitter angeordnet sind. Die Öffnungen 27 können auch rechteckig geformt sein, mit einer Höhe und einer Breite, die verschieden sind. Die in Fig. 38C dargestellte Geometrie entspricht der in Fig. 3A dargestellten Gittergeometrie.
Fig. 38D zeigt ein Gitter 19 mit quadratischen Öffnungen 27, die in einer gleichseitigen, dreieckigen Gitterkonfiguration angeordnet sind. Die Öffnungen 27 haben eine Größe "D", die in Fig. 38D gezeigt ist. Bei dem dreieckigen Gitter weisen die Öffnungen 27 eine Versetzung Mitte zu Mitte auf, die in Fig. 38D mit "Y" dargestellt ist. Die in Fig. 38D dargestellten Öffnungen 27 können auch eine rechteckige Form besitzen.
Die in Fig. 38D dargestellten quadratischen Öffnungen 27 haben eine Versetzung von Rand zu Rand, die mit "Z" bezeichnet ist.

Gitter-Suszeptor-Abstand

Die Abstimmung des Abstandes zwischen einem Gitter 19 und einem Suszeptor 20 kann verschieden getroffen sein. Die Abstimmung des Gitter-Suszeptor-Abstandes ist eine nützliche Maßnahme zum Ändern des Prozentsatzes der durch die Gitter/Suszeptor-Kombination absorbierten Energie sowie des Prozentsatzes der davon reflektierten Energie, innerhalb von Grenzen, während der Prozentsatz der übertragenen Energie relativ konstant bleibt. Die Gitter-Suszeptor-Beabstandung kann besser unter Bezugnahme auf Fig. 30A verstanden werden.
Fig. 30A ist ein Diagramm in Form einer Dreikoordinatendarstellung. Um Fig. 30A besser zu verstehen sollte beachtet werden, daß das Diagramm der Fig. 30A eine vergrößerte Ansicht der äußersten unteren linken Ecke einer Dreikoordinatendarstellung veranschaulicht, wie sie in Fig. 5 gezeigt ist.
Die in Fig. 30A dargestellten Meßergebnisse wurden mit einem Netzwerkanalysator ermittelt. Die eingezeichneten Punkte zeigen Meßergebnisse, die abwechselnd durch den Port 1 und den Port 2 des Netzwerkanalysators ermittelt wurden. Für jedes Experiment sind zwei Punkte eingezeichnet. Bei jedem Experiment war ein unterschiedlicher Abstand zwischen dem Gitter 19 und dem Suszeptor 20 vorgesehen. (Beispielsweise ist ein Punktepaar unter Verwendung nur des Suszeptors ohne Gitter eingezeichnet). Der bei diesen Experimenten verwendete Suszeptor 20 besaß einen spezifischen Obefflächenwiderstand von 50 Ohm je Quadrateinheit. Die Messungen wurden durchgeführt, ohne den Suszeptor 20 der Mikrowellenerwärmung auszusetzen. Das bei diesen Experimenten benutzte Gitter 19 besaß quadratische Öffnungen von 1/2 inch (1,27 cm) in einer quadratischen Gitterkonfiguration. Der Abstand zwischen den Löchern betrug ungefähr 1/8 inch.
Wenn der Abstand zwischen dem Gitter 19 und dem Suszeptor 20 vergrößert wurde, nahm der Abstand zwischen den durch den Port 1 und den Port 2 des Netzwerkanalysators gemessenen Punkten zu. Beispielsweise führte die Messung, bei einem Abstand zwischen dem Gitter und dem Suszeptor von 0.032 inch (0,08 cm) durch den Port 1, zum Messen folgender Parameter: Absorption etwa 12 %; Reflexionsgrad etwa 86 %; und Übertragung etwa 2 %. Beim gleichen Zwischenabstand wurden mit Sichtbeobachtung durch den Port 2 folgende Parameter gemessen: Absorption etwa 25 %; Reflexionsgrad etwa 73 %; und Übertragung etwa 2 %.
Durch Abstimmen des Abstandes zwischen dem Gitter 19 und dem Suszeptor 20 kann der relative Prozentsatz der absorbierten Energie sowie der relative Prozentsatz der reflektierten Energie eingestellt werden. Der Prozentsatz der übertragenen Energie bleibt relativ konstant.
Aus Fig. 30A kann auch ersehen werden, daß, wenn das Gitter 19 und der Suszeptor 20 weiter und weiter auseinanderbewegt werden, sich die Gitter/Suszeptor-Kombination, von der Gitterseite her gesehen, mehr und mehr wie ein allein vorhandenes Gitter verhält. Das Leistungsverhalten der Gitter/Suszeptor-Kombination gleicht, von der Suszeptorseite her gesehen, mehr und mehr dem Absorptionsgrad eines alleine vorhandenen Suszeptors; allerdings ohne die Übertragung bzw. Übertragung der Mikrowellenenergie, die für einen Suszeptor allein charakteristisch wäre.
Der Prozentsatz der übertragenen Energie kann durch Abstimmen der Lochgröße im Gitter 19 geändert werden. Wenn z.B, die Lochgröße des Gitters 19 größer gemacht würde, würde die in Fig. 30A eingezeichnete Punkteschar in einem mehr rechtsgelegenen Bereich des Dreikoordinatendiagramms eingezeichnet sein, sowie etwas mehr nach oben, gesehen aus der Orientierung der Fig. 30A.
Fig. 30B ist ein Diagramm, das die gleichen Daten zeigt, die in Fig. 30A dargestellt sind. Die senkrechte Achse stellt den Prozentsatz der absorbierten Energie dar, während die waagrechte Achse den Trennungsabstand zwischen dem Gitter und dem Suszeptor darstellt. Die untere Kurve, die in Fig. 30B durch das Bezugszeichen 97 gekennzeichnet ist, stellt die durch den Port 1 aufgenommenen Meßergebnisse dar. Die in Fig. 30B durch das Bezugszeichen 98 gekennzeichnete Kurve stellt die durch den Port 2 aufgenommenen Daten dar.
Fig. 30C ist ein der Fig. 30B ähnliches Diagramm, das den Prozentsatz der absorbierten Energie in Bezug auf den in inch ausgedrückten Abstand zwischen dem Gitter und dem Suszeptor darstellt. Die durch das Bezugszeichen 98' gekennzeichnete Kurve stellt den Prozentsatz der absorbierten Energie dar, und zwar von der Suszeptorseite her gesehen. Die im Diagramm durch das Bezugszeichen 97' bezeichnete Kurve stellt den Prozentsatz der absorbierten Energie dar, und zwar von der Gitterseite her gesehen.
Das Diagramm der Fig. 30C wurde mathematisch berechnet. Das Diagramm der Fig. 30C zeigt den Trend der Folgewirkungen, die sich einstellen, wenn das Gitter und der Suszeptor durch einen Abstand von bis zu 0.5 inch getrennt werden.
Das zum Zeichnen des Diagramms der Fig. 30C benutzte mathematische Modell wurde auf der Basis der Streumatrixdarstellung für Nebenschlußelemente und leere Wellenieiter von J.L. Altman, Microwave Circuits, Seiten 370-71 (1964) entwickelt. Aus diesen Darstellungen können Streutransfermatrizen unter Benutzung von Methoden ableitet werden, wie sie von M. Sucher und J. Fox im Handbook of Microwave Measurements, Kapitel 4 (1963) mitgeteilt werden.
Der Prozentsatz an reflektierter Energie und der Prozentsatz an übertragener Energie, der durch die Kombination eines Gitters und eines Suszeptors verursacht wird, kann für eine Vielfalt von Trennungsabständen zwischen Gitter und Suszeptor berechnet werden. Der Prozentsatz der absorbierten Energie kann für jeden Trennungsabstand mit 1 minus der Summe der reflektierten Energie und der übertragenen Energie angenommen werden. Die auf diese Weise berechneten Ergebnisse wurden benutzt, um das Diagramm der Fig. 30C zu erstellen.
Die Nutzung des Abstandes zwischen einem Gitter 19 und einem Suszeptor 20 kann leichter analysiert werden und wirksamer sein, wenn er in Verbindung mit einer abgeschirmten Packung bzw. einem "geschlossenen System angewandt wird. D.h., daß wenn die Mikrowellenenergie auf die Gitter/Suszeptor-Kombination und auf das Lebensmittel nur aus einer einzigen Richtung auftrifft, der Abstand zwischen dem Gitter 19 und dem Suszeptor 20 leichter als ein Faktor zur Steuerung der Erwärmung des Lebensmittels 18 benutzt werden kann.
Ein Abstand kleiner als 0.5 inch zwischen Gitter und Suszeptor wird vorgezogen. Ein Abstand zwischen Gitter und Suszeptor kleiner als etwa 0.048 inch ist vorteilhafter. Ein Abstand zwischen Gitter und Suszeptor von weniger als 0.016 inch ist sogar noch vorteilhafter.

Wechselbeziehung zwischen Lochgröße, Lochgeometrie, spezifischem Widerstand und Beabstandung

Die Wechselbeziehung zwischen Lochgröße, spezifischem Widerstand, Beabstandung und Lochgeometrie kann unter Anwendung mindestens zweier Lösungsansätze wirksam analysiert werden. Zunächst wird eine empirische Methode beschrieben. Als zweites wird das äquivalente Schaltungsmodell entwickelt und beschrieben.
Durch Wählen einer gegebenen Lochgeometrie und eines Gitter-Suszeptor-Abstandes kann die Wirkung der Anderungen des spezifischen Widerstandes und der Anderungen der Lochgröße im Gitter durch empirische Beobachtung der Erwärmungscharakteristiken des Systems wirkungsvoll analysiert werden. Kontur- bzw. Isolinien können wirkungsvoll benutzt werden, um die Sichtbarmachung der Antwort des Systems zu unterstützen.
Fig. 12 ist ein Diagramm, das eine Isoliniendarstellung wiedergibt. Die waagrechte Achse des Diagramms stellt den Durchmesser der Öffnungen 27 im Gitter 19 dar. In dem hier gezeigten besonderen Beispiel sind die Öffnungen 27 kreisförmige Öffnungen und in einem gleichseitigen, dreieckigen Gitter angeordnet. Die senkrechte Achse stellt den log&sub1;&sub0; des spezifischen Oberflächenwiderstandes des Suszeptors 20 dar. Jede Isolinie zeigt einen gegebenen Absorptionswert.
Durch Verwendung des Isoliniendiagramms der Fig. 12 kann bei einer gegebenen Größe der Öffnung 27 im Gitter 19 der speziflsche. Widerstandswert des Suszeptors 20 optimlert werden, beispielsweise auf maximale Absorption. Alternativ kann ein spezifischer Widerstand für den Suszeptor 20 gewählt werden, der da, wo es nötig ist, weniger als die maximale Absorption herbeiführt, um die Erwärmungsrate der zusammengesetzten Packung zu reduzieren. Natürlich kann auch umgekehrt verfahren werden. Bei einem Suszeptor 20 mit einem gegebenen spezifischen Widerstand kann der Durchmesser der Öffnungen 27 im Gitter 19 so gewählt werden, daß die gewünschte Erwärmungsrate erzielt wird.
Ein Isoliniendiagramm kann auch für andere Gittergeometrien erstellt werden. Das Isoliniendiagramm der Fig. 12 wurde experimentell durch Herstellen einer Serie von Gittern mit unterschiedlichen Öffnungsgrößen erstellt. Zuwächse bzw. Inkremente der Lochgröße von 1/8 inch (0,3175 cm) wurden benutzt, um das Isoliniendiagramm der Fig. 12 zu erstellen. Bei jedem Gitter 19, das Öffnungen 27 einer besonderen Größe besaß, wurden unterschiedliche Suszeptoren 20 mit verschiedenen spezifischen Oberflächenwiderständen verwendet. Bei jeder Gitter- und Suszeptorkombination 19, 20 wurde die Gitter/Suszeptor-Kombination in einem Mikrowellenherd plaziert und Mikrowellenstrahlung ausgesetzt. Eine auf die Rückseite des Suszeptors 20 gerichtete Infrarotkamera wurde benutzt, um die relative Wärmemenge der Suszeptor/Gitter-Kombination zu messen. Bei einem bevorzugten Prüfverfahren wird Mikrowellenstrahlung geringer Energie benutzt. Die Messung mit der Infrarotkamera wird nach einer kurzen anfänglichen Erwärmungsperiode durchgeführt, beispielsweise 10 s nachdem die Mikrowellenerwärmung im Verlauf des Mikrowellenerwärmungszyklus eingeleitet worden ist. Nach der Messung kann die Mikrowellenerwärmung unterbrochen werden. Die Temperatur der rückseitigen Oberfläche der Gitter/Suszeptor-Kombination wurde mit Hilfe der Analysefunktion des Temperaturbildes der Infrarotkamera gemittelt. Vorzugsweise werden zwei identische Messungen vorgenommen und dann gemittelt, um einen einzelnen Datenpunkt zu erzeugen. Die aus diesen Messungen hervorgegangenen Daten wurden unter Anwendung eines vollquadratischen Modells geglättet. Das quadratische Modell wurde dann benutzt, um das Isofiniendiagramm zu zeichnen. Im Falle des dargestellten Beispiels wurde die Zeichnung unter Benutzung eines SASG-Konturprogramms erstellt, das vom SAS-Institute Inc, mit Sitz in Cary, North Carolina hergestellt wird. Auch andere Konturdarstellungs- bzw. Isolinienprogramme können benutzt werden. Der quadrierte Wert von R zum Anpassen der Daten an das Modell betrug 0.91. Bei dem dargestellten Beispiel wird die logarithmische Basis 10 des spezifischen Suszeptor- Oberflächenwiderstandes für die senkrechte Achse der Isoliniendarstellung benutzt. Datenpunkte, die die gleiche mittlere Endtemperatur darstellen, wurden dann miteinander verbunden und als Isothermen dargestellt.
Ein äquivalentes Schaltungsmodell kann für das Verständnis der Wechselbeziehung zwischen der Lochgröße und, dem spezifischen Widerstand des Suszeptormittels hilfreich sein. Die Entwicklung eines äquivalenten Schaltungsmodells kann am besten dadurch verstanden werden, daß zuerst Fig. 32 betrachtet wird.
Fig. 32 veranschaulicht ein einzelnes Loch 27 in einem Gitter 19. Zum Zwecke der Entwicklung dieses äquivalenten Schaltungsmodells soll nur ein einzelnes Lech 27 betrachtet werden. Es ist natürlich so, daß das Gitter 19 eine Vielzahl von Öffnungen 27 enthält. Auch ein Suszeptormittel 20 ist in das Schaltungsmodell einbezogen. Bei dem dargestellten Beispiel ist das Suszeptormittel 20 koplanar mit dem Gitter 19 ausgebildet. In der in Fig. 32 dargestellten Ansicht ist ein Suszeptormaterial 20 so plaziert, daß es durch die Öffnung 27 sichtbar ist. Bei dem dargestellten Beispiel ist die Gitter- und Suszeptor-Kombination in einer Ansicht dargestellt, die von der Gitterseite her betrachtet wird.
Fig. 32 zeigt Pfeile 86, die die Ströme darstellen, von denen angenommen wird, daß sie in das leitende Gitter 19 fließen, welches auf die Wirkungen der Mikrowellenstrahlung anspricht, die auf die Gitter/Suszeptor-Kombination auftrifft. Für die Zwecke dieses Schaltungsmodells können die durch die Pfeile 86 dargestellten Ströme als so existierend angenommen werden. Immerhin ist das Bestehen solcher Ströme bis zu einem gewissen Grade durch Experimente mit Schlitzen erhärtet worden, die eine Widerstandserwärmung an Stellen entsprechend solcher Strompfade anzeigen.
Weiter wird angenommen, daß Spannungsschwingungsbäuche etwa im Mittelpunkt 87 der Seiten der Öffnungen 27 auftreten. Bei einer kreisförmigen Öffnung 27 würden die Spannungsschwingungsbäuche 87 an einander gegenüberliegenden Punkten entlang des Umfangs des kreisförmigen Loches auftreten.
Die Richtung der Ströme 86 sowie die Polarität der Spannungen 87, die in Fig. 32 eingezeichnet sind, stellen momentane Ströme und Spannungen dar. Aufgrund der Vorteile der Lehren dieser Offenbarung werden Fachleute in diesem Bereich darin zustimmen, daß sich die Ströme 86 und die Spannungen 87 als Antwort auf die Mikrowellenstrahlung rasch sinusförmig ändern und mit der gleichen Frequenz variieren wie die Mikrowellenstrahlung.
Das unten entwickelte Schaltungsmodell umfaßt auch einen Strom 88, der im Suszeptor 20 als Antwort auf die Mikrowellenstrahlung fließt. Dieser Strom wird allgemein durch den in Fig. 32 dargestellten Pfeil bezeichnet, der durch das Bezugszeichen 88 gekennzeichnet ist. Die dargestellte Richtung des Stromes 88 ist auch die Darstellung eines momentanen Stromes, der sich mit der gleichen Frequenz ändert wie die Mikrowellenstrahlung. Das Vorhandensein des Stromes 88 basiert teilweise auf experimentellen Beobachtungen des Ortes der Erwärmungswirkungen auf dem Suszeptor in Kombination mit einem Gitter oder einer Öffnung.
Zu Zwecken des in Fig. 32 dargestellten Schaltungsmodells wird der Strom 86 als ein durch Selbstinduktion erzeugter Strom behandelt. Die Spannung 87 wird als eine Ladung behandelt, die kapazitiv gespeichert ist. Der Strom 88 wird als ein durch ein Widerstandselement fließender Strom behandelt.
Die Schaltung kann als äquivalentes Schaltungsmodell wiedergegeben werden, das in Fig. 33 dargestellt ist.
Fig. 33 zeigt eine elektromotorische Kraftquelle ("EMK"), die als äquivalente Quelle veranschaulicht ist, welche durch einen Norton-Konstantstromgenerator 89 dargestellt ist. Im Falle eines Mikrowellenherdes ist die EMK-Quelle 89 typischerweise das Magnetron des Herdes. Die Gitter/Suszeptor-Kombination kann dargestellt werden als eine Schaltung bestehend aus einer Kapazität "C" 90, eine Induktivität "L" 91 und einen Widerstand "R" 92. Bei dem in Fig. 33 dargestellten Modell sind diese Komponenten als konzentrierte Elemente wiedergegeben, die den Kondensator 90, die Induktorspule 91 und den Widerstand 92 in Parallelschaltung umfassen.
Das äquivalente Schaltungsmodell der Fig. 33 umfaßt auch einen charakteristischen Generatorscheinwiderstand Zc, der durch das Bezugszeichen 94 gekennzeichnet ist und der EMK-Quelle 89 zugeordnet ist; und sie umfaßt einen stromabwärts angeordneten Leitungsscheinwiderstand Z&sub0;, der durch das Bezugszeichen 93 gekennzeichnet ist. Bei diesem Beispiel wird die Gitter/Suszeptor-Kombination als im freien Raum befindlich angenommen. Die Größe von Zc und von Z&sub0; entspricht also der Größe des charakteristischen Scheinwiderstandes im freien Raum. Bei einem Mikrowellenherd ändern sich diese Scheinwiderstandswerte in Abhängigkeit von der Herdkonstruktion und der Anordnung des Lebensmittels im Herd.
Die in Fig. 33 dargestellte Äquivalenzschaltung ist stark vereinfacht. Beim Aufbau dieses Modells werden diskrete Elemente der Kapazität 90 und der Induktivität 91 verwendet. Eine genauere Darstellung der Gitter/Suszeptor-Kombination kann eine verteilte Kapazität und eine verteilte Induktivität umfassen, speziell im Hinblick auf die Vielzahl von Öffnungen, die in einem typischen Gitter enthalten sind. Wie weiter unten deutlicher zum Ausdruck kommt, liefert die in Fig. 33 dargestellte äquivalente Schaltung ausreichend genaue Vorhersagen, um im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung brauchbar zu sein.
Bei der Herleitung der nachfolgenden Analyse der Äquivalenzschaltung wird die Öffnung 27 als eine Induktorspule betrachtet, welche eine Induktivität besitzt, die durch die folgende Gleichung definiert ist:
L = µ&sub0;n²A/l;
Dabei ist:
µ&sub0; die Permeabilität des leeren Raumes entsprechend 4π x 10&supmin;&sup7; Weber je Amperemeter; n die Anzahl der Windungen der Induktorspule, die hier als eine einzige Windung angenommen ist; A die Fläche innerhalb der Windungen der Induktorspule, die hier bei einer kreisförmigen Öffnung 27 mit π x r² angenommen ist; und l die Länge der elektrischen Induktorspule, welche die Induktorspule definiert, die hier bei einer kreisförmigen Öffnung 27 mit π x D angenommen ist. Natürlich ist beim vorliegenden Beispiel, das eine kreisförmige Öffnung unterstellt, "D" der Durchmesser des Kreises und "r" der Radius des Kreises.
Bei der Herleitung des Schaltungsmodells wird die Größe des in Fig. 33 gezeigten Widerstandes "R" 92 als gleich groß mit dem spezifischen Oberflächenwiderstand des Suszeptors 20 angenommen. Beispielsweise wird angenommen, daß der Widerstand "R" 92 einen Wert von 70 Ohm besitzt, wobei der Suszeptor 20 einen spezifischen Widerstand von 70 Ohm je Quadrateinheit aufweist.
Empirische Messungen haben gezeigt, daß eine Öffnung 27 mit einem Durchmesser von 2 inch (5,1 cm) in einem Mikrowellenherd Resonanz erzeugt. Bei der weiter unten erfolgenden Analyse der Äquivalenzschaltung wurde die Eigenfrequenz des RLC-Kreises, dargestellt durch den Kondensator 90, die Spule 91 und den Widerstand 92, und einem Loch von 2 inch (5,1 cm) Durchmesser, mit 2,45 x 10&sup9; Hz angenommen.
Die durch das jeweils entsprechende konzentrierte, kapazitive, induktive und Ohm'sche Element 90, 91 und 92 dargestellte parallele Admittanz kann daher hinzuaddiert werden. Die Admittanzen der durch den Kondensator 90 und die Induktorspule 91 dargestellten Scheinwiderstandskomponenten sind frequenzabhängig. Die Admittanz der durch den Kondensator 90, die Spule 91 und den Widerstand 92 dargestellten Parallelschaltung kann daher wie folgt ausgedrückt werden:
wobei ω die Frequenz der Mikrowellenstrahlung darstellt.
Die durch den Leitungsscheinwiderstand ZL 93 und den Generatorscheinwiderstand ZG 94 dargestellte Admittanz kann auch wie folgt hinzuaddiert werden:
Bei Resonanz löscht die Blindadmittanz aufgrund des Kondensators 90 die durch die Spule 91 verursachte Blindadmittanz aus. Daher kann bei Resonanz die Admittanz wie folgt ausgedrückt werden:
Bei Resonanz kann also die Admittanz ausgedrückt werden durch 1/ZT, wobei ZT der Gesamtscheinwiderstand der Schaltung bei Resonanz ist.
Der Gütefaktor "Q" für eine Parallelschaltung kann wie folgt ausgedrückt werden:
wobei der Resonanzzustand angenommen ist.
Ein Admittanzverhältnis, ausgedrückt als das Verhältnis der Admittanz bei der Eigenfrequenz der Äquivalenzschaltung im Vergleich zur Admittanz bei einer anderen Frequenz kann wie folgt ausgedrückt werden:
wobei ω&sub0; die Eigenfrequenz der Äquivalenzschaltung, und ω diejenige Frequenz ist, für die die Admittanz Yω zu bestimmen ist.
Um diese Analyse im Hinblick auf die Betrachtung der Wirkung der Änderung der Größe des Leches 27 im Gitter 19 umzustellen, kann, statt daß die Frequenz ω als Variable ausgedrückt wird, die Eigenfrequenz ω&sub0; als Variable betrachtet werden, die eine Funktion der Lochgröße ist. Im Falle einer Mikrowellenherd-Anwendung ändert sich die Frequenz ω nicht, sondern sie ist die Frequenz des Mikrowellenherdes, d.h., 2,45 GHz. Um dies zu bewirken kann angenommen werden, daß das Verhältnis der Eigenfrequenz als Funktion der Lochgröße wie folgt ausgedrückt werden kann:
wobei D der Durchmesser der Öffnung 27, ausgedrückt in inches, und die Eigenfrequenz dieser Öffnung 27 mit dem Durchmesser D ist. Diese Formulierung der Eigenfrequenz als Funktion der Größe der Öffnung kann dann in die obige Gleichung eingesetzt werden.
Das Scheinwiderstandsverhältnis ist der Kehrwert des Admittanzverhältnisses. Aus der obigen Ableitung kann der Ausdruck für den Scheinwiderstand Zw, bei einer gegebenen Frequenz ω, wie folgt dargestellt werden:
Erneut auf Fig. 33 bezugnehmend kann die Spannung zwischen den Punkten "A" und "B" wie folgt ausgedrückt werden:
VAB = IGZω;
wobei VAB die Spannung zwischen den Punkten "A" und "B", und IG der Strom der EMK-Quelle 89 ist. Es ist wunschenswert, die Formel jetzt nach dem Strom aufzulösen, der durch den Widerstand "R" fließt und in Fig. 33 durch das Bezugszeichen 92 bezeichnet ist. Der durch den Widerstand R fließende Strom IR kann wie folgt angegeben werden:
Die in den Widerstand "R" 92 abgegebene Verlustleistung kann als das Quadrat des durch den Widerstand fließenden Stromes, multipliziert mit dem Widerstand, ausgedrückt werden, und zwar wie folgt:
Ps = IS&sub2;R
Für die vorliegenden Zwecke ist das relative Ansprechverhalten des Schaltungsmodells von größter Wichtigkeit. Für den Eingangsstrom IG kann der Wert Eins angenommen werden. Damit ist PS der folgenden Beziehung proportional:
Zω2/R.
Der Ausdruck für Zω kann gegen den obigen Ausdrnck ausgetauscht werden. Die im Suszeptor abgegebene Verlustleistung Ps kann als eine dem nachfolgenden Ausdruck proportionale Größe angesehen werden:
Die obige Betrachtung wurde für ein Schaltungsmodell entwickelt, das auf einer einzelnen Öffnung basiert. Um eine Näherung für die Wirkung eines ganzen Feldes von Öffnungen zu treffen, wird die im Suszeptor abgegebene Verlustleistung Ps mit dem Anteil der offenen Fläche gewichtet. Die von der Gitter/Suszeptor-Kombination absorbierte relative Leistung bzw. Energie PR ergibt sich dann zu:
PR = PSFO;
wobei FO der Anteil der offenen Fläche des Gitters ist. Bei einem Gitter, das kreisförmige Öffnungen 27 mit einem Radius r und einer Breite bzw. Spanne m des Abstandes 28 zwischen den Löchern aufweist, beträgt der Antell der offenen Fläche FO:
F&sub0; = πr²/(2r + m)².
Das auf dieser Äquivalenzschaltungsanalyse basierende mathematische Modell wurde benutzt, um das in Fig. 34 dargestellte Diagramm zu erstellen. Das in Fig. 34 dargestellte Diagramm zeigt die im Suszeptor absorbierte relative Energie entlang der senkrechten Achse, ausgedrückt als Prozentsatz, relativ zum Lochdurchmesser entlang der waagrechten Achse. Verschiedene Kurven sind für Suszeptoren mit spezifischen Widerständen von 12, 26, 72, 147 und 410 Ohm je Quadrateinheit eingezeichnet. Das auf der obigen Äquivalenzschaltungsanalyse basierende mathematische Modell kann mit den Resultaten verglichen werden, die empirisch unter Heranziehung der Messungen mit einem Netzwerkanalysator gewonnen wurden, und die im Diagramm der Fig. 8 dargestellt sind. In den in den Fig. 34 und 8 dargestellten Diagrammen kann jeweils der gleiche Trend als Funktion des Lochdurchmessers und der Änderungen des spezifischen Widerstandes festgestellt werden.
Die erhaltenen und im Diagramm der Fig. 8 dargestellten empirischen Ergebnisse können mit den Ergebnissen verglichen werden, die unter Verwendung des mathematischen Modells erhalten würden und im Diagramm der Fig. 34 dargestellt sind. Ein Vergleich der absorbierten relativen Energie (in den Diagrammen der Fig. 8 und 34 durch die senkrechte Achse dargestellt) ist im Diagramm der Fig. 35 wiedergegeben. Die berechnete relative Energie, dargestellt in Fig. 34, ist auf der waagrechten Achse der Fig. 35 abgetragen. Die absorbierte relative Energie, die gemessen wurde und in Fig. 8 auf der senkrechten Achse dargestellt ist, ist auf der senkrechten Achse der Fig. 35 abgetragen. Falls das mathematische Modell den gemessenen Absorptionsgrad perfekt vorausgesagt hat, wurden im Diagramm alle Datenpunkte auf eine Linie 96 fallen, die in Fig. 35 unter einem Winkel von 45º dargestellt ist. Die Linie 96 stellt die Gruppe der Punkte mit gleicher absorbierter relativer Energie dar.
Die in Fig. 35 gezeigten Punkte zeigen eine enge Übereinstimmung zwischen den in Fig. 8 dargestellten empirischen Meßergebnissen und den vorhergesagten Werten, die mit dem mathematischen Modell berechnet wurden und in Fig. 34 graphisch dargestellt sind. Statistisch betrachtet, weist die Übereinstimmung zwischen der Gruppe der in Fig. 35 eingezeichneten Datenpunkte einen linearen Regressionskoeffizienten von 0,95 der Korrelation auf.
Bezugnehmend auf Fig. 9 können die in diesem Diagramm dargestellten Meßergebnisse mit den durch das mathematische Modell vorherbestimmten Werten verglichen werden, die im Diagramm der Fig. 34 dargestellt sind. Für verschiedene Lochgrößen und spezifische Suszeptorwiderstandswerte können die gleichen Trends für die durch das Suszeptormittel absorbierten Energie (die zur Erwärmung des Suszeptormittels führt) beobachtet werden.
Fig. 36 zeigt ein Diagramm der relativen Energieabsorption, dargestellt auf der senkrechten Achse, im Vergleich zur Lochgröße, dargestellt auf der waagrechten Achse. Es wurden verschiedene spezifische Suszeptorwiderstände verwendet, um die in Fig. 36 dargestellte Kurve zu erstellen. Jede Kurve stellt einen unterschiedlichen, im Schaltungsmodell benutzten spezifischen Oberflächenwert "R" dar. Es wurden spezifische Widerstände von 12, 26, 72, 147 und 410 Ohm je Quadrateinheit benutzt. Fig. 36 gibt Werte für Lechdurchmesser von bis zu 2 inch wieder. Die unter Benutzung des mathematischen Modells berechneten und in Fig. 36 eingezeichneten Werte können mit den experimentellen Meßwerten verglichen werden, die in Fig. 9 eingezeichnet sind.
Die Wirkungen der Hinzufügung einer Lebensmittellast zur Packung kann in der schematisch in Fig. 33 dargestellten Äquivalenzschaltung durch einen Scheinwiderstand ZF dargestellt werden, der mit dem Bezugszeichen 95 gekennzeichnet ist. Das Lebensmittel, das in einer Mikrowellenpackung enthalten ist, kann die Erwärmungseigenschaften eines Gitters in Kombination mit entweder einem magnetisch oder durch Widerstand oder dielektrisch erwärmenden Suszeptormittel beeinflußen.
Das Hinzufügen einer Lebensmittellast zum oben behandelten Schaltungsmodell hat mehrere Wirkungen. Erstens tendiert der durch die Lebensmittellast hinzugefügte Scheinwiderstand ZF dahin, den Absorptionsgrad des Suszeptors zu verringern. Das Hinzufügen einer Lebensmittellast, die ein Dielektrikum ist, beeinflußt die Kapazitanz "C" des Schaltungsmodells. Dies wiederum hat eine Wirkung auf den "Q"-Faktor iodes Schaltungsmodells. Auch die Eigenfrequenz des Loches oder der Öffnung im Gitter wird durch das Vorhandensein des durch die Lebensmittellast dargestellten Dielektrikums geändert.
Im allgemeinen wird mit der Hinzufügung einer Lebensmittellast der optimale Wert des spezifischen Widerstandes des Suszeptormittels bei einer gegebenen Lochgröße geändert. Die Reflexion und Übertragung des durch die Gitter/Suszeptor-Kombination und die Lebensmittellast dargestellten Gesamtsystems wird sich also von dem des Gitters/Suszeptors allein unterscheiden. Das oben behandelte empirische Verfahren sowie die Isolinienaufzeichnung können verwendet werden, um Änderungen zu berücksichtigen, die durch Hinzufügen einer Lebensmittellast herbeigeführt werden.

Gleichmäßigkeit der Erwärmung

Die Erfindung verbessert die Gleichmäßigkeit der Erwärmung von Lebensmitteln erheblich, verglichen mit einem herkömmlichen Suszeptor, der ohne ein Gitter benutzt wird.
Fig. 14C ist eine Kopie eines Bildes, das mit einer Infrarotkamera aufgenommen ist und das Erwärmungsmuster bei einem herkömmlichen Suszeptor zeigt, der alleine ohne ein Gitter verwendet wird. Dieses Bild zeigt Heißpunkte, die sich während der Mikrowellenerwärmung auf dem Suszeptor gebildet haben. Solche Heißpunkte sind typisch für herkömmliche Suszeptoren, wenn sie alleine benutzt werden, und sie führen zu einer ungleichmäßigen Erwärmung und/oder einem ungleichmäßigen Kochen oder Backen des Lebensmittels. Beispielsweise kann eine Pizza entlang des äußeren Umfanges überhitzt werden, und sie kann im zentralen Bereich der Pizza ungenügend erwärmt werden. Im Falle von Fischstäbchen beispielsweise können die Fischstäbchen an der Außenseite überhitzt und auf der Innenseite unzureichend erwärmt werden.
Fig. 14D ist eine Kopie eines Bildes, das mit einer Infrarotkamera aufgenommen ist und die Erwärmung bei einem Suszeptor in Kombination mit einem Gitter darstellt. Die Gleichmäßigkeit der Erwärmung bei dem in Fig. 14D dargestellten Beispiel kann mit den in Fig. 14C gezeigten Heißpunkten verglichen werden.
Die Fig. 14C und 14D sind Schwarz- und Weißkopien von Farbbildern. Nachfolgend werden diese der Bequemlichkeit halber benutzt; und sie werden für Zwecke der Veranschaulichung als ausreichend betrachtet. Die Original-Farbbilder der Fig. 14C und 14D sind durch Bezugnahme in die vorliegende Beschreibung aufgenommen.
Ein Gitter 19 zeigt die Erscheinung, bei der eine Energiekopplung zwischen benachbarten Löchern 27 im Gitter 19 besteht. Diese Kopplung zwischen benachbarten Löchern 27 hat die Wirkung, die Erwärmung des Suszeptors 20 gleichmäßiger zu gestalten. Dieses Phänomen der Kopplung zwischen Löchern 27 kann am besten dadurch beschrieben werden, daß die Wirkung der Veränderung des Abstandes zwischen benachbarten Löchern 27 berücksichtigt wird.
Es ist wünschenswert, daß die Öffnungen 27 im Gitter 19 genügend dicht zueinander beabstandet sind, so daß die Öffnungen 27 gemeinsam die Felder wirksam nutzen. Fig. 15 ist ein Diagramm, das die Stärke der Erwärmung des Suszeptors 20 als Funktion des Abstandes der Öffnungen 27 im Gitter 19 darstellt. Bei diesem Experiment fand die Erwärmung bei geringer Energie statt, um die Verschlechterung des Suszeptors 20 infolge der Erwärmung zu minimieren. Die Löcher 27 im Gitter 19 waren kreisförmige Löcher mit einem Durchmesser von 1 inch (2,54 cm). Bei diesem Experiment wurden für die Messungen drei Löcher in einer Zeile benutzt. Die Temperaturen wurden unter Verwendung einer Infrarotkamera gemessen, die auf die Rückseite des Suszeptors 20 gerichtet war. Dieses Meßverfahren liefert nicht notwendigerweise die tatsächliche Temperatur des Suszeptors 20, gibt aber zuverlässige Anzeigen der relativen Temperatur.
Bei diesem Experiment wurden die Temperaturmessungen durch die Orientierung der Gitter/Suszeptor-Kombination im Herd beeinflußt. Daher wurden zehn Messungen gemacht. Bei jeder Messung wurde die Orientierung der drei Löcher im Gitter 19 in eine leicht unterschiedliche Position gedreht. Die Temperaturmessungen bei den zehn experimentellen Durchgängen wurden dann gemittelt, um einen einzelnen Datenpunkt zu schaffen, der in Fig. 15 eingezeichnet ist. Dieses Verfahren wurde bei jedem der fünf unterschiedlichen Abstände zwischen den Löchern wiederholt.
Der in Fig. 15 gezeigte allgemeine Trend geht dahin, daß die Temperatur zuniruint, wenn der Abstand zwischen benachbarten Löchern abnimmt.
Wenn der Abstand zwischen den Löchern abnimmt, nimmt die gemeinsame Nutzung benachbarter Felder zwischen den Löchern zu. Auch scheint es eine Zunahme der maximalen Temperatur zu geben, die erreicht wird, wenn die Löcher dicht beabstandet sind.
Fig. 16 ist ein Diagramm, das die Standardabweichung der Temperaturänderung über einem Gitter 19 als Funktion des Abstandes zwischen den Öffnungen 27 im Gitter 19 darstellt. Bei diesem Experiment wurde ein Gitter mit kreisförmigen Öffnungen mit einem Durchmesser von 1 inch (2,54 cm) in einer quadratischen Gitterkonfiguration verwendet. Ein Infrarotbild der Erwärmung der Gitter/Suszeptor-Kombination wurde dann unter Verwendung einer Infrarotkamera aufgenommen, ähnlich demjenigen das in Fig, 14A dargestellt ist. Unter Benutzung einer Punktfunktion, die in kommerziell verfügbarer Software programmiert und in Verbindung mit der Infrarotkamera bereitgestellt wird, wurde in jeder Öffnung 27 die maximale Temperatur ermittelt. Die Standardabweichung dieser Gesamtheit von Maximaltemperaturen wurde dann unter Heranziehung statistischer Standardmethoden berechnet, wobei der betreffende Wert in Fig. 16 dargestellt ist. Es wurden zwei Versuchsdurchläufe ausgeführt, und Fig. 16 zeigt den Mittelwert zwischen den beiden Versuchen.
Wie in Fig. 16 gezeigt, geht der allgemeine Trend nach einer mehr gleichförmiger Erwärmung der Gitter/Suszeptor-Kombination (d.h., nach einer geringeren Standardabweichung), wenn der Abstand zwischen den Öffnungen 27 abnimmt.
Ein Abstand zwischen den Öffnungen 27, der kleiner als 1 inch oder entsprechend 1 inch ist, wird in der Praxis befriedigende Ergebnisse liefern. Ein Abstand zwischen den Öffnungen 27 von weniger als 1/2 inch (1,3 cm) wird bevorzugt. Der bevorzugteste Abstand beträgt etwa 1/8 inch (0,32 cm). Abstände unter 1/8 inch (0,32 cm) sind in der Praxis schwer zu erreichen, und zwar aufgrund von Grenzen verfügbarer Materialien sowie von mechanischen Schwierigkeiten, die bei derart dünnen Metallstreifen 28 aufgetreten sind.
Suszeptoren (die ohne Gitter arbeiten) tendieren dahin, sich ungleichmäßig zu erwärmen. Suszeptoren tendieren ferner dahin, sich vorzugsweise an den Rändern zu erwärmen, so daß Suszeptoren dazu neigen, sich mehr an den Rändern als in der Mitte zu erwärmen. Das Problem der ungleichmäßigen Erwärmung bei Suszeptoren wird durch den Umstand ungleichförmiger elektrischer Felder in den Herden verschlimmert. Viele Ve rbraucher-Mikrowellenherde haben ungleichmäßige Feldstärken. Da wo die Felder stärker sind, tendieren die Suszeptoren dahin, sich mehr zu erwärmen. Die Kombination all dieser Faktoren tendiert also dahin, bei alleiniger Benutzung eines Suszeptors zu einer beachtlichen Ungleichmäßigkeit der Erwärmung einer Lebensmittelsubstanz zu führen.
Es wurde ein Experiment durchgeführt, um die Unterschiede zwischen einem für sich alleine erwärmten Suszeptor und einer Suszeptor/Gitter-Kombination zu vergleichen, die ebenfalls erwärmt wurde. Beide Anordnungen wurden in einem Mikrowellenofen geringer Energie solange erwärmt, bis bei beiden die gleiche Durchschnittstemperatur erreicht war. Es wurde eine Infrarotkamera benutzt, um Temperaturmessungen durchzuführen. Die Fig. 37A und 37B sind Kopien eines Satzes von Infrarotbildern, die bei diesem Experiment mit der Infrarotkamera aufgenommen wurden. Tabelle III zeigt die Ergebnisse der durchgeführten Messungen. Es wurden Mehrfachmessungen durchgeführt und gemittelt. Tabelle III gibt die gemittelten Meßwerte wieder. Tabelle III Minimum Maximum Durchschnitt Standardabweichung Suszeptor Suszeptor/Gitter
Die in Tabelle III für den Suszeptor alleine angegebenen Meßwerte stellen Durchschnittswerte zweier experimenteller Durchläufe dar. Bei dem Suszeptor war die durchschnittliche Minimaltemperatur 32,4 ºC, und die durchschnittliche Maximaltemperatur 46,5 ºC. Der Durchschnitt der durchschnittlichen Temperaturen des alleinigen Suszeptors betrug 7,2 ºC. Unter Heranziehung einer statistischen Analyse, die in dem das Infrarotkamerasystem begleitenden Wärmebildaufnahme-Softwarepaket enthalten ist, wurde eine Standardabweichung der gemessenen Temperaturen über die Gesamtfläche des Suszeptors berechnet. Die gemittelte Standardabweichung bei zwei Durchläufen betrug 3,0 ºC. Die hier und bei anderen Beispielen dieser Beschreibung benutzte Infrarotkamera war eine Infrarotkamera Modell Thermovision 870 von Agema Infrared Systems. Für die statistische Analyse wurde ein Wärmebildcomputer, Modell TIC- 8000 benutzt und mit der Software CATS Version 4 betrieben.
Die in Tabelle III für die Suszeptor/Gitter-Kombination aufgeführten Angaben stellen Durchschnittswerte der drei experimentellen Meßgänge dar. Im Falle der Gitter/Suszeptor-Kombination betrug die durchschnittliche Mindesttemperatur etwa 33,3 ºC, und die durchschnittliche Höchsttemperatur etwa 43,1 ºC. Der Durchschnitt der Durchschnittstemperaturen betrug 36,3 ºC. Die durchschnittliche Standardabweichung bei den gemessenen Temperaturen betrug nur 1,76 ºC.
Die Suszeptor/Gitter-Kombination ergab eine gleichmäßigere Erwärmung, als es bei alleiniger Verwendung eines Suszeptors der Fall war.
Fig. 37A und 37B sind jeweils entsprechend Schwarz- und Weiß-Kopien sder Infrarotfarbbilder, die mit der Infrarotkamera aufgenommen wurden. Der Bequemlichkeit halber wurden hier nur schwarze und weiße Figuren verwendet. Die Original-Farbbilder sind jedoch durch Bezugnahme in diese Beschreibung einbezogen.
Bezugnehmend auf Fig. 37A wurde die maximale Temperatur bei einem relativ heißen Punkt im oberen rechten Abschnitt der Figur erreicht. Die maximale Temperatur dieser Messung wurde mit 45,4 ºC ermittelt. Die in Fig. 37A angegebene minimale Temperatur betrug 30,5 ºC. Die in Tabelle III angegebenen Mindest- und Höchsttemperaturen sind Durchschnittswerte jener Temperaturen, die gemessen wurden.
In Fig. 37B betrug die erreichte Höchsttemperatur 43,3 ºC. Die erreichte Mindesttemperatur war 35,5 ºC. Ein Vergleich der Fig. 37A mit der Fig. 37B zeigt eine sehr viel gleichmäßigere Erwärmung mit der Gitter/Suszeptor-Kombination als mit dem Suszeptor allein.
Bei diesem Experiment besaßen die verwendeten Suszeptoren einen spezifischen Widerstand von etwa 70 Ohm je Quadrateinheit. Das Gitter besaß eine gleichseitige, dreieckige Gittergeometrie mit kreisförmigen Öffnungen, die einen Durchmesser von etwa 1/4 inch (0,64 cm) besaßen. Zwischen den Öffnungen wurde ein Abstand von 1/8 inch (0,32 cm) gewählt. Der Suszeptor und das Gitter standen im wesentlichen miteinander in Berührung. Aus den oben beschriebenen Gründen wurde bei diesem Experiment die Methode des Aufnehmens von Temperaturmessungen an der Rückseite des Suszeptors angewandt. Die Temperaturmessungen liefern eine relative Angabe über die Erwärmungsunterschiede.
Die oben angesprochene Gleichförmigkeit der Erwärmung aufgrund der Gitter/Suszeptor-Kombination wurde auch beobachtet, wenn ein Lebensmittel 18 einbezogen ist. So wurde eine Pizza in einem herkömmlichen Ofen gebacken. Weiter wurde eine Pizza unter Verwendung nur eines Suszeptors gebacken, und es wurde eine Pizza unter Benutzung einer Gitter/Suszeptor-Kombination gemäß der vorliegenden Erfindung gebakken. Dann wurden mit einer Infrarotkamera Messungen zur Ermittlung der Gieichmäßigkeit der Erwärmung durchgeführt. Messungen der Erwärmung des Bodens der Pizza zeigten Gleichmäßigkeit der Erwärmung bei Benutzung der Gitter/Suszeptor-Kombination, wobei die Gleichmäßigkeit ebenso gut oder besser war als die mit einem herkömmlichen Ofen erzielte. Tabelle IV zeigt einen Vergleich der aufgenommenen Meßwerte. Tabelle IV Minimum Maximum Durchschnitt Standardabweichung Suszeptor Gitter und Suszeptor Herkömmlicher Ofen
Nachdem die Pizza in jedem Falle erwärmt worden war, wurde die gebackene Kruste in Augenschein genommen. Bei der Gitter/Suszeptor- Kombination war bei diesem Experiment die Bräunung der Kruste gleichmäßiger als die Bräunung der Kruste, die in einem herkömmlichen Ofen erzielt wurde. Die Bräunung war ausgeprägt besser als die Bräunung, die unter Benutzung eines Suszeptors alleine erzielt wurde. Bei Benutzung nur eines Suszeptors wurde nur die äußerste Umrandung des Boden der Pizza gebräunt.
Eine Gitter- und Suszeptor-Kombination mit einem Gesamtübertragungsgrad bzw. einer Gesamtübertragungsfähigkeit der Mikrowellenleistung unter 50 % wird bevorzugt, wenn die Gitter/Suszeptor-Kombination alleine gemessen wird. Eine Gitter- und Suszeptor-Kombination, die einen zusammengesetzten Übertragungsgrad bzw. eine kombinierte Übertragungsfähigkeit der Mikrowellenenergie unter 25 % besitzt, wenn die Gitter/Suszeptor-Kombination alleine gemessen wird, wird mehr bevorzugt. Eine Gitter- und Suszeptor-Kombination, die einen zusammengesetzten Übertragungsgrad der Mikrowellenenergie unter 10 % aufweist, ist sogar noch vorteilhafter. Eine Gitter- und Suszeptor-Kombination mit einem zusammengesetzten Übertragungsgrad der Mikrowellenenergie unter 5 % ist ganz besonders vorteilhaft. Eine Gitter- und Suszeptor-Kombination, die einen zusammengesetzten Übertragungsgrad der Mikrowellenenergie unter 2 % aufweist, ist noch viel vorteilhafter.
Die Gitter- und Suszeptor-Kombination muß einen zusammengesetzten Übertragungsgrad für die Mikrowellenenergie aufweisen, der größer als 3 x 10&supmin;&sup4; % beträgt.
Es ist wünschenswert, für eine Mikrowellenlebensmittelpackung eine Erwärmungsvorrichtung zu haben, die einen kombinierten Übertragungsgrad für die Mikrowellenenergie aufweist, der sich während des Kochens bzw. Backens mit Mikrowelle nicht wesentlich ändert. Beispielsweise änderte sich der kombinierte Übertragungsgrad der Mikrowellenenergie der dargestellten Beispiele um weniger als 3 %-Punkte nach der Mikrowellenerwärmung.
Eine Gitter- und Suszeptor-Kombination weist vorzugsweise einen kombinierten Übertragungsgrad der Mikrowellenenergie auf, der sich nach dem Kochen bzw. Backen mit Mikrowelle um weniger als 20 %-Punkte ändert. Dies wird vor dem Kochen bzw. Backen mit Mikrowelle zuerst durch Messen des kombinierten Übertragungsgrades der Mikrowellenenergie allein der Gitter- und Suszeptor-Kombination gemessen, unter Verwendung eines Netzwerkanalysators. Die Messung liefert einen anfänglichen Übertragungsgrad T&sub1;. Dann wird die gesamte Packung einschließlich des Lebensmittels in einem Mikrowellenofen plaziert und während der vorbestimmten Erwärmungsdauer, die durch das Lebensmittel bestimmt wird, erwärmt. Die Gitter- und Suszeptor-Kombination wird dann entfernt und allein im Netzwerkanalysator gemessen um den kombinierten Übertragungsgrad der Mikrowellenenergie T&sub2; nach dem Kochen bzw. Backen mit Mikrowelle zu bestimmen. Die Änderung Tc ist vorzugsweise kleiner als 0,20 (Tc = T&sub1; - T&sub2;), oder 20 %-Punkte. Wenn T&sub1; beispielsweise 5 % oder 0,05 beträgt, ist T&sub2; vorzugsweise kleiner als 25 % oder 0,25.
Eine bevorzugtere Gitter- und Suszeptor-Kombination besitzt einen kombinierten Übertragungsgrad der Mikrowellenenergie, der sich um weniger als 15 %-Punkte ändert. Eine noch vorteilhaftere Gitter- und Suszeptor-Kombination besitzt einen kombinierten Übertragungsgrad der Mikrowellenenergie, der sich um weniger als 10 %-Punkte ändert. Eine besonders bevorzugte Gitter- und Suszeptor-Kombination besitzt einen Übertragungsgrad der Mikrowellenenergie, der sich um weniger als 5 %- Punkte ändert. Eine speziell bevorzugte Gitter- und Suszeptor-Kombination besitzt einen kombinierten Übertragungsgrad der Mikrowellenenergie, der sich als Ergebnis der Mikrowellenerwärmung um weniger als 4 %- Punkte ändert. Eine noch darüberhinaus spezielle Gitter- und Suszeptor- Kombination besitzt einen kombinierten Übertragungsgrad der Mikrowellenenergie, der sich als Folge der Mikrowellenerwärmung um weniger als 3 %-Punkte ändert.

Gitterdicke

Fig. 13 ist ein Diagramm, das einen Verlauf des Reflexionsgrades nur des Gitters 19 als Funktion der Dicke des Gitters 19 darstellt. Die Dicke liegt in einem Bereich, der mit einer Gitterdicke von etwa 3/10000 eines inch (0,00076 cm) beginnt. Diese Dicke wurde gewählt, weil sie im allgemeinen die dünnste gewalzte Folie ist, die als praktisch betrachtet wurde. Es wurde eine Dicke von 0,003 inch (0,0076 cm) verwendet was für Verpackungsanwendungen eine relativ dicke Aluminiumfolie darstellt.
In Fig. 13 sind drei verschiedene Kurven dargestellt. Jede Kurve bezieht sich auf den Durchmesser der Öffnungen 27 im Gitter 19. Die benutzte Gittergeometrie war der Fall 1: kreisförmige Öffnungen mit einem gleichseitigen, dreieckigen Gitter.
Fig. 13 zeigt, daß im Bereich von Dicken, die für das Foliengitter 19 praktikabel sind, der Reflexionsgrad von der Dicke des Gitters 19 praktisch unbeeinflußt bleibt. Falls die Dicke des Gitters zu dünn gemacht wird, kann die mechanische Integrität des Gitters nachteilig beeinflußt werden. Ebenso kann der elektrische Widerstand der Streifen 28, wenn die Dicke des Gitters zu dünn gemacht wird, beträchtlich werden, 50 daß sich die Streifen 28 des Gitters genügend stark erwärmen, um die Leitfähigkeit der Streifen 28 zu unterbrechen. Wenn dies eintritt, kann es die elektrische Integrität des Gitters nachteilig beeinflussen. Bei einigen Anwendungen kann dies unerwünscht sein.

Packungsgestaltungsprozedur

Eine bevorzugte Technik zur Gestaltung einer Packung für ein gegebenes Lebensmittelprodukt umfaßt eine Optimierungsprozedur, die schrittweise vorgeht. Um zu beginnen, kann ein Lebensmittelprodukt in einem Mikrowellenherd unter Verwendung nur eines herkömmlichen Suszeptors gekocht bzw. gebacken werden. Bei Beispielen, bei denen die vorliegende Erfindung am vorteilhaftesten ist, sind die Koch- bzw. Backergebnisse bei den Lebensmittelprodukten unter Verwendung des Suszeptors allein typischerweise unbefriedigend. Die Ergebnisse dieses Koch- bzw. Backtests werden jedoch benutzt, einen Ausgangspunkt für die Gestaltung einer Packung zu schaffen, bei der die vorliegende Erfindung benutzt wird. Das aus der Erwärmung mit nur einem Suszeptor allein hervorgegangene Produkt wird begutachtet. Falls das Innere des Lebensmittels zu stark erwärmt wird oder zu hart wird, oder wenn andere Anzeichen einer Überhitzung beobachtet werden, kann das Abschirmen der Oberseite der Packung angezeigt sein. Falls die Ränder des Lebensmittels überhitzt oder zu hart sind oder anderswo Anzeichen der Aufnahme von zuviel Mikrowellenenergie zeigen, kann eine seitliche Abschirrnung angezeigt sein. Bei den meisten Anwendungen kann der Ausgangspunkt für eine Packungsgestaltung eine Packung mit einer oberen und einer seitlichen Abschirmung sein, wobei eine Gitter/Suszeptor-Kombination den Boden der Packung bildet. Bei vielen Anwendungen ist es zweckmäßig, mit einer Gitter/Suszeptor-Kombination zu beginnen, die folgendes aufweist: ein Gitter mit quadratischen Öffnungen in einer quadratischen Gitterkonfiguration, wobei die Öffnungen eine Höhe und eine Breite besitzen, die etwa 1/2 inch beträgt. Die Breite der Streifen bzw. Stege des Gitters, d.h. der Abstand zwischen den Löchern, kann 3/16 inch betragen. Ein Suszeptor mit einem spezifischen Oberflächenwiderstand von etwa 70 Ohm je Quadrateinheit kann anfänglich benutzt werden. Der Suszeptor kann etwa am Boden der Packung plaziert sein, wobei sich das Gitter in Kontakt mit dem Boden befindet und unmittelbar über ihm liegt. Dann kann das Lebensmittel auf der Oberseite des Gitters plaziert werden, so daß das Gitter zwischen den Suszeptor und das Lebensmittel eingefügt ist. Sodann wird das Lebensmittel in einem Mikrowellenherd unter Benutzung der Packung gemäß dieser Ausgangsgestaltung erwärmt. Das entstehende Produkt wird begutachtet.
Die oben besprochenen Gestaltungsfaktoren können dann herangezogen werden, um das Erwärmen dieser Packung durch Mikrowellen zu optimieren. Falls die Dauer der Mikrowellenerwärmung zulange ist, können Öffnungen in die Abschirmung geschnitten werden, oder es kann die Ausdehnung der Öffnungen im Gitter vergrößert werden. Wenn schließlich die Erwärmungsdauer innerhalb eines wünschbar kurzen Zeitbereiches liegt, kann die Packung optimiert bzw. feinabgestimmt werden.
Wenn beispielsweise die Oberfläche des Lebensmittels zu stark erwärmt wird, können zum Ausgleich verschiedenartige Gestaltungsfaktoren geändert werden. Die Löchgröße kann kleiner gemacht werden, um die Oberflächenerwärmung des Lebensmittels zu verringern. Alternativ kann der spezifische Widerstand des Suszeptors geändert werden, um den spezifischen Oberflächenwiderstand in Richtung auf einen weniger optimalen Punkt zu verschieben. Falls ein Isoliniendiagramm wie das in Fig. 12 veranschaulichte erstellt wird, können Abstimmungen der Lochgröße und des spezifischen Widerstandes in Übereinstimung mit einem solchen Isoliniendiagramm vorgenommen werden, das für das besondere in Frage stehende Lebensmittel erstellt worden ist. Falls die Oberfläche nicht genügend erwärmt wird, können Schritte in entgegengesetzter Richtung unternommen werden.
Falls eine geringere Reflexion erwünscht ist, kann eine dreieckige Gittergeometrie verwendet werden. Falls mehr Gleichförmigkeit gewünscht wird, kann der Abstand zwischen den Öffnungen verringert werden, und es kann die Größe der Löcher verringert werden. Die Verringerung der Lochgröße kann die Abstimmung anderer Gestaltungsfaktoren erfordern, wie etwa denjenigen des spezifischen Widerstandes des Suszeptors, um einen Ausgleich für die verringerte Gesamterwärmung zu schaffen, die eintreten kann.
Falls der Suszeptor zwischen dem Gitter und dem Lebensmittel plaziert wird, kann der Abstand zwischen dem Gitter und dem Suszeptor vergrößert werden um die Gesamterwärmung des Suszeptors zu verringern. Falls das Gitter zwischen dem Suszeptor und dem Lebensmittel piaziert wird, wird die Vergrößerung des Abstandes zwischen dem Gitter und dem Suszeptor die Erwärmung des Suszeptors innerhalb von Grenzen steigern. In einem solchen Falle wird jedoch auch eine Trennung zwischen dem Lebensmittel und dem Suszeptor auftreten. Die Gesamterwärmung des Lebensmittels kann also in einem Maße beeinflußt werden, daß das Lebensmittel mit dem Suszeptor nicht direkt in Berührung ist. Da der Abstand zwischen dem Gitter und dem Suszeptor vergrößert ist, tendiert der Suszeptor dahin, sich mehr und mehr wie ein allein benutzter Suszeptor ohne Gitter zu verhalten.
Bei einer gegebenen Lochgröße und einem gegebenen Gitter/Suszeptor- Abstand kann der Scheinwiderstand des Suszeptors einschließlich seines Oberflächenblindwiderstandes optimiert oder angepaßt werden, um den Absorptionsgrad zu steigern, falls erwünscht.
Im Rahmen der Gestaltung einer Packung gemäß der vorliegenden Erfindung werden der Reflexionsgrad, der Absorptionsgrad und der Übertragungsgrad der Gitter/Suszeptor-Kombination unabhängig von der Wirkung betrachtet, die die Anwesenheit des Lebensmittels auf die Parameter hat. Unter Anwendung der oben beschriebenen, iterativen Prozedur können die Leistungscharakteristika der Gitter/Suszeptor-Kombination abgestimmt werden, um die Packung zu optimieren, ohne dazu eine detaillierte Analyse der Parameter zu erfordern, die sich ergeben, wenn das Lebensmittel vorhanden ist.
Bei einem bevorzugten Packungsaufbau sollte es dem Suszeptormittel nicht möglich sein, die Fläche des Gitters zu überlappen. Falls ein äußerer Rand des Suszeptormittels freiliegt, neigt er dazu, stark übererwärmt zu werden. Das Gitter sollte die gleiche Größe wie die Fläche des Suszeptormittels aufweisen oder etwas größer sein.

ALTERNATVE AUSFÜHRUNGSFORMEN

Beispiel 1

Fig. 20 zeigt eine alternative Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Bei diesem Beispiel wurden sechs heiße Imbisse 29 der Marke Pizza Rolls, hergestellt von der Firma The Pillsbury Company, in einer Packung plaziert, die zwei durch Abschirmungswände 31 verbundene Gitter 30 aufweist. Die Gitter 30 und die abgeschirmten Wände 31 waren leitend und bei diesem Beispiel aus einer Aluminiumfolie hergestellt. Zwei Suszeptoren 32 wurden auf jeder Seite der Gitter 30 an der von den heißen Imbissen 29 abgelegenen Seite angebracht. Bei diesem Beispiel und bei den nachfolgend behandelten Beispielen waren die Suszeptoren 32 und die Gitter 30 funktional die gleichen wie das oben beschriebene Suszeptormittel 20 und das Gitter 19. Weiter unterstützte bei diesem besonderen Beispiel ein gewelltes Medium 33 aus Papier die Packung.
Bei diesem Beispiel besaßen die Gitter 30 Öffnungen 34 in der Form von Quadraten mit der Abmessung 1/2" x 1/2" (1,27 cm). Die Suszeptoren 32 waren solche von annähernd 70 Ohm je Quadrateinheit. Um die Seiten der Packung war eine geschlossene Abschirmung 31 aus einer Aluminiumfolie angebracht.
Bei diesem Beispiel wurden gefrorene Imbisse 29 auf einer Seite während 1 1/2 min mit Mikrowelle bestrahlt. Die gesamte Packung wurde umgedreht und zusätzlich während 1 1/2 min auf der anderen Seite erwärmt. Sechs heiße Imbisse (90 g) wurden unter Anwendung dieses Verfahrens gegart. Dies ergab heiße Imbisse 29 mit einer knusprigen Außenseite und einer feuchten Innenseite.

Beispiel 2

Die gleiche Packung wurde bei Hühnerfleischstückchen der Marke Banquet für Mikrowelle verwendet. Sechs gefrorene Hühnerfleischstückchen wurden 1 min und 15 s auf einer Seite und während einer entsprechenden Zeitdauer auf der anderen Seite gegart. Dieses Zubereitungsverfahren ergab Hühnerfleischstückchen mit einem knusprigen Äußeren und einem feuchten Inneren.

Beispiel 3

Fig. 21 veranschaulicht eine alternative Ausführungsform zur Herstellung von Pommes Frites 35. Die Pommes Frites 35 waren vollständig in einem abgeschirmten Behälter 36, der ein Gitter 37 aufwies, entlang des Bodenabschnittes desselben eingeschlossen. Ein Suszeptor 38 mit einem Ölüberzug auf der Polyesterseite bildete die Unterlage der Pommes Frites 35 und stand mit ihnen in direkter Berührung. Die gesamte Pakkung wurde von einem gewellten Medium 39 getragen. Das Gitter 37 besaß eine etwa zu 70 % offene Fläche. Wie in Fig. 21 dargestellt, waren der obere Teil und die Seiten der Packung vollständig mit einer Aluminiumabschirmung 36 umkleidet.
Bei diesem Beispiel wurden die gefrorenen Pommes Frites 35 während 1 1/2 min erwärmt. Die obere Abschirmung 36 wurde dann beseitigt, um die Pommes Frites 35 umzudrehen. Die Abschirmung 36 wurde wieder angebracht und die Fritten 35 wurden während weiterer 1 1/2 min erhitzt. Dies ergab gebräunte, knusprige Fritten mit einem zarten, feuchten Inneren. Die Knusprigkeit entsprach derjenigen von Bratkartoffeln. Die Fritten 35 waren knusprigerer als ofengegarte Pommes Frites, obwohl Sle nicht unbedingt so kriusprig wie frisch und fetttriefend gegarte Pommes Frites waren. Die verwendeten Pommes Frites waren teilweise gekochte und tiefgefrorene Pommes Frites 35.

Beispiel 4

Fig. 22 veranschaulicht ein Beispiel der Erfindung, die in Verbindung mit Fischstäbchen 40 eingesetzt wird. Bei diesem Beispiel wurden vier Fischstäbchen 40 (100 g) in einer Packung zubereitet, die mit Aluminium abgeschirmte Seiten 41 und Gitter 42 direkt neben der Oberseite und der Unterseite der Fischstäbchen 40 besaß. Suszeptoren 43 waren auf der Oberseite und dem Boden der Packung unmittelbar an die Gitter 42 angrenzend angebracht und dabei auf derjenigen Seite der Gitter 42 plaziert, die an derjenigen Seite der Gitter 42 plaziert waren, die den Fischstäbchen 40 abgekehrt war.
Bei diesem Beispiel wurde die Packung gefrorener Fischstäbchen 40 während 1 min und 15 s erwärmt; und sie wurde dann umgedreht und um weitere 1 min und 15 s erwärmt. Die auf diese Weise erhitzten Fischstäbchen 40 besaßen ein zartes Inneres und ein khuspriges Äußeres. Bisher wurden aus Fischstäbchen, die in einem Mikrowellenherd mit einem Standardsuszeptor erhitzt wurden, typischerweise Fischstäbchen, bei denen die Endstücke des Fisches übererhitzt waren. Das in Fig. 22 dargestellte Gitter/Suszeptor-System vermeidet ein ungleichmäßiges Garen der Fischstäbchen 40. In diesem Beispiel wurden Fischstäbchen der Marke Van De Kamp verwendet.

Beispiel 5

Unter Verwendung des gleichen Aufbaus wie in Fig. 22 dargestellt, wurden Fischfilets der Marke Van de Kamp mit Mikrowelle in einem Mikrowellenherd erhitzt. Bei diesem Beispiel wurden beste Ergebnisse dann beobachtet, wenn die Gitter 42 über und unter den Suszeptoren 43 so gestaltet waren, daß sie eine offene Fläche zwischen 40 % und 60 % besaßen. Die Mikrowellenbackzeit lag zwischen 6 und 8 min. Bei Verwendung eines herkömmlichen Suszeptors ist normalerweise nur die Bodenseite dieser Fischfilets knusprig. Das in Fig. 22 dargestellte Gitter/Suszeptor-System erzeugte, wenn es in Verbindung mit solchen Fischfilets benutzt wird, eine knusprige Ober- und Unterseite auf den Fischfilets und beseitigte das Hartwerden der Peripherie der Fischfilets, was früher der Fall war.

Beispiel 6

Fig. 23 zeigt eine alternative Ausführungsform, die eine Packung verwendet, die nur tellweise abgeschirmt ist. Nur die Seiten 44 der Packung sind unter Verwendung einer Aluminiumabschirmung geschützt. An der Unterseite der Packung war ein Gitter 45 in Kombination mit einem Suszeptor 46 vorgesehen. Auf der Oberseite der Packung war nur ein Suszeptor 47 angebracht. Diese Packung wurde zum Garen von Fischfilets 48 mit Mikrowelle benutzt.
Bei diesem Beispiel besaß das Gitter 45 eine offene Fläche von 25 %. Das Gitter besaß Öffnungen 49 in Form von Quadraten der Größe 1/2" x 1/2" (1,27 cm). Der Suszeptor 46 besaß einen spezifischen Widerstand von annähernd 70 Ohm je Quadrateinheit. Ein ähnlicher Suszeptor 47 wurde auf der Oberseite der Packung benutzt.
Bei diesem Beispiel wurden zwei Fischfiletstücke 48 (120 g) während 1 1/2 min in der dargestellten Konfiguration gegart, wobei sich das Gitter/Suszeptor-System an der Bodenseite befand. Die Packung wurde dann umgekehrt und während 1 1/2 zusätzlicher min mit dem Suszeptor 47 auf der Unterseite erhitzt. Dies ergab Fischfilets 48 mit gebräunter, knuspriger Wandung und einem zartem Fischinneren.

Beispiel 7

Fig. 24 veranschaulicht eine Ausführungsform, die zum Backen von Brot 50 in einem Mikrowellenherd benutzt wurde. Das Brotbacken in einem Mikrowellenherd ist eine Herausforderung. Die Backzeit muß langsam genug sein, damit das Brot aufgehen und eine gute Zellstruktur ausbilden kann. Die Kzustenbildung und das Bräunen sind beim Brotbacken äußerst erwünscht. Das herkömmliche Backen mit Mikrowelle bot kein Mittel zur Verlangsamung der Erwärrnungsrate. Das übliche Mikrowellenbacken würde zu einer groben unregelmäßigen Zellstruktur im Brot führen, weil zu schnell Dampf erzeugt würde und die Brotstruktur ihn enthalten würde. Eine gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaute Packung verlangsamte die Erwärmungsrate und erzeugte während des Mikrowellenbackens etwa Krustenbräunung.
Bei diesem Beispiel wurde gefrorenes Sauerteigbrot der Marke Rhodes in einem Mikrowellenherd unter Verwendung zweier Brotformen bzw. -mulden 51 und 52 erwärmt. Eine Brotmulde 51 wurde umgekehrt und bildete die Oberseite der Packung. Die Brotmulden 51 und 52 besaßen quadratische, in die Mulden eingeschnittene Löcher von einer Größe 1/2" X 1/2" (1,27 cm). Dies bildete ein Gitter 53, das das Brot 50 vollständig umgab. Das Gitter 53 war überall auf der Innenseite mit Suszeptoren 54 ausgekleidet.
Bei diesem Beispiel wurde der Brotteig aufgetaut und bei Raumtemperatur wasserdicht gemacht. Die Packung und das Brot 50 wurden dann in einem Mikrowellenherd plaziert und während 22 min erhitzt. Bei diesem Beispiel wurden etwa 454 g Brot gebacken. Die Backzeit entspricht einer Backzeit von ungefähr 35 bis 40 min in einem herkömmlichen Ofen. Das Volumen des Brotlaibs 50 sah gut aus, und die Zellstruktur besaß ein regelmäßiges Aussehen. Die Unterseite und die Seiten des Brotes 50 waren gebräunt. Eine gewisse Bräunung entstand auf der Oberseite des Brotes 50; doch war das Brot nicht gleichmäßig gebräunt.

Beispiel 8

Fig. 25 veranschaulicht ein Beispiel, das zum Erhitzen von Karamel- bzw. Zuckerbrötchen 55 diente. Acht Karamelbrötchen 55 wurden durch Erwärmen zwischen zwei Suszeptoren zubereitet, nämlich einem ersten Suszeptor 56 auf der Oberseite mit einem spezifischen Widerstand von etwa 1000 Ohm je Quadrateinheit, und einem zweiten Suszeptor 57 auf der Unterseite mit einem spezifischen Widerstand von etwa 70 Ohm je Quadrateinheit. Der Bodensuszeptor 57 wurde koplanar mit und unmittelbar über einem Gitter 58 plaziert, das durch Einschneiden von Öffnungen in den Boden einer Aluminiumform gebildet war. Die Seiten 59 der Aluminiumform schafften eine Abschirmung. Eine Mischung aus geschmolzener Butter und einer Zuckerauflagemasse 60 wurde auf dem Bodensuszeptor 57 plaziert. Die Erwärmungsdauer für die acht Brötchen 55 betrug etwa 6 min. Bei diesem Beispiel kam das auf dem Boden befindliche Karamel gut heraus und es wurde eine goldbraune Oberseite der Brötchen 55 gebildet. Die Brötchen 55 waren nicht zäh.
Bei diesem Beispiel wurden Suszeptoren 57 und 56 mit unterschiedlichem spezifischen Widerstand verwendet, um eine maximale Bräunung auf der Oberseite der Brötchen 55, und eine bessere Karamelisierung an der Bodenoberfläche zu erzielen. Als dieses Beispiel mit zwei Suszeptoren versucht wurde, die einen spezifischen Widerstand von etwa 70 Ohm pro Quadrateinheit besaßen, trat keine Karamelisierung auf, ehe das Brot unannehmbar zäh geworden war. Ein Versuch, die Gitter 58 sowohl auf dem oberen Suszeptor 56, als auch auf dem unteren Suszeptor 57 zu verwenden, verlangsamten das Backen des Brotes, wobei der Boden braun wurde, aber nicht die Oberseite. Das Entfernen nur des oberen Gitters unter Beibehaltung des Suszeptors mit 70 Ohm je Quadrateinheit führte zu einer zu starken Erhitzung des Brotes. Es trat zwar eine Bräunung der Oberseite auf, doch war das Brot unannehmbar zäh. Das beste Produkt wurde erzielt, wenn ein Suszeptor 56 mit hohem spezifischen Widerstand von annähernd 1000 Ohm je Quadrateinheit ohne ein Gitter auf der Oberseite der Brötchen 55 verwendet wurde.

Beispiel 9

Fig. 26 veranschaulicht ein weiteres Beispiel, bei dem tiefgekühlte Biskuits 61 der Marke Pillsbury "1869" hergestellt wurden. Vier Biskuits 61 wurden in einer Packung zwischen einem oberen Suszeptor 62 und einem unteren Suszeptor 63 plaziert. Beide Suszeptoren 62 und 63 besaßen einen spezifischen Widerstand von etwa 70 Ohm je Quadrateinheit. Ein oberes Gitter 64 und ein bodenseitiges Gitter 65 wurden koplanar mit und unmittelbar angrenzend an den Suszeptoren 62 und 63 plaziert. Die Gitter 64 und 65 wurden nahe bei den Suszeptoren 62 und 63 jeweils entsprechend auf den von den Biskuits 61 abgekehrten Seiten plaziert. ioAuf den Seitenflächen der Packung wurde eine Abschirmung 66 angebracht.
Bei diesem Beispiel wurden die vier Biskuits 61 während etwa 4 min in einem Mikrowellenherd erhitzt. Die Oberseite und die Unterseite der Biskuits 61 wurde gebräunt. Die Zellstruktur des Brotes 61 war etwas dicht, doch wurde keine übermäßige Zähigkeit durch zu starkes Backen beobachtet.

Beispiel 10

Fig. 27 veranschaulicht ein Beispiel, bei dem ein nicht unterstützter Suszeptorfilm 67 in Kombination mit einem flexiblen Foliengitter 68 verwendet wurde. Der Suszeptor 67 umfaßte ein flexibles Polyesterblatt, das einen darauf aufgebrachten metallisierten Überzug besaß. Das metallisierte Polyester 67 wurde um fünf Fischstäbchen 69 gewickelt.
Das Gitter 68 aus Aluminiumfolie wurde entlang der drei offenen Kanten umgefaltet und gefalzt, wobei darauf geachtet wurde, keine irgendwelchen losen Ränder zu belassen, die einen kritischen Spalt und Überschläge bilden könnten. In den Polyesterfilm 67 wurden entlang der Ränder jedes Fischstäbchens 69 sowohl auf der Oberseite, als auch auf der Unterseite Schlitze zum Entlüften geschnitten. Diese Anordnung wurde dann auf einem Wellpappekissen 70 plaziert. Die Packung wurde in einen Mikrowellenherd gesetzt und während 2 min der Mikrowellenstrahlung ausgesetzt. Dann wurde die Packung rasch umgedreht und während weiterer 2 min der Mikrowellenbestrahlung ausgesetzt.
Nach der Mikrowellenerhitzung wurde auf dem Polyesterfilm 67 eine erhebliche Feuchtigkeitskondensation festgestellt. Der Suszeptor 67 hatte ein leicht geschmolzenes Aussehen um die Kanten jedes Quadrates im Gitter 68, war aber ansonsten intakt. Die Gesamtknusprigkeit der panierlen Schicht der Fischstäbchen 69 wurde als gleichwertig derjenigen betrachtet, die mit einem Standardsuszeptor erzielbar ist. Sowohl die Oberseite als auch die Unterseite der Fischstäbchen 64 war knusprig. Die Fischstäbchen 69 wurden gleichmäßiger gebacken als Fischstäbchen, die entweder alleine oder auf einem Standardsuszeptor gebacken worden waren.

Beispiel 11

Fig. 28 veranschaulicht ein Beispiel, bei dem Plätzchen 71 in einem Mikrowellenherd gebacken wurden. Bei diesem Beispiel waren jeweil entsprechend auf der Oberseite und der Unterseite der Packung ein oberer Suszeptor 72 und ein unterer Suszeptor 73 angebracht. Unmittelbar an jeden Suszeptor 72 und 73 angrenzend, befand sich jeweils entsprechend ein oberes Gitter 74 und ein unteres Gitter 75.
Bei diesem Beispiel berührt die Gitter/Suszeptor-Kombination 72, 74 und 73, 75 das Lebensmittel 71 nicht. Stattdessen erwärmen die Suszeptoren 72 und 73 die Luft in der Packung, wodurch die Plätzchen 71 weitgehend wie in einem herkömmlichen Ofen gebacken werden. Die vorliegende Erfindung kann also dazu benutzt werden, eine Koch- bzw. Backumgebung in einem herkömmlichen Ofen zu simulieren, wenn es wünschenswert ist, dies zu tun.
Das Gitter 75 wurde durch Einschneiden von kreisförmigen Löchern in den Boden einer Mulde 76, bestehend aus einer Aluminiumfolie, hergestellt. Die Löcher im Gitter 75 besaßen einen Durchmesser von 3/4 inch (1,9 cm), mit einem Abstand zwischen den Öffnungen von 1/8 inch (0,3175 cm). Es wurden kreisförmige Öffnungen bei einer gleichseitigen, dreieckigen Gitterstruktur benutzt. Ein Blatt 77 aus Aluminiumfolie halbierte die Packung und lieferte einen Träger für die Plätzchen 71. Die Oberseite der Packung war ähnlich aus einer umgekehrten Mulde 78 aus Aluminiumfolie gebildet. Das in die Oberseite der umgekehrten Mulde 78 geschnittene Gitter besaß eine ähnliche Geometrie. Das Blatt 77 aus Aluminiumfolie war aus einer Aluminiumfolie mit einer Dicke von 1 mil hergestellt. Die Ränder, an denen sich die untere Mulde 76 und die obere Mulde 78 verbinden, waren sorgfältig mit der Folie 77 versiegelt, um ein Austreten von Mikrowellenenergie zu verhindern. Die Seiten der Mulden 76 und 77 bildeten also eine Abschirmung 79.
Der obere Suszeptor 72 und der untere Suszeptor 73 besaßen jeweils einen spezifischen Widerstand von etwa 70 Ohm je Quadrateinheit. In der Packung waren sechs Plätzchen 71 plaziert, von denen jedes ein Nettogewicht von etwa 15 g besaß. Ein tiefgekühlter Teig für Schokoladenschnitzelplätzchen der Marke Pillsbury wurde verwendet, um die Plätzchen 71 herzustellen.
Die entstehenden Plätzchen 71, die in einem Mikrowellenherd erwärmt wurden, erwiesen sich wie Plätzchen, die in einem herkömmlichen Ofen gebacken werden. Die Plätzchen breiteten sich während des Backens auf eine im allgemeinen gleichmäßige Dicke aus. Das Oberflächenaussehen der Plätzchen 71 war typisch das eines in einem herkömmlichen Ofen gebackenen Plätzchens. Eine leichte gleichmäßige Bräunung der Oberfläche der Plätzchen 71 wurde erzielt. Um diese Ergebnisse zu erreichen, wurden die Plätzchen während 6 min in einem Mikrowellenherd erhitzt.
Frühere Versuche, ein Plätzchen in einem Mikrowellenherd zu backen, der nur einen Suszeptor benutzte, waren unbefriedigend. Das auf diese Weise hergestellte Plätzchen breitete sich nicht angemessen aus. Die Bräunung der Oberfläche des Plätzchens war unbefriedigend. Die obere Oberfläche bräunte nicht, während die untere Oberfläche übermäßig braun wurde.

Beispiel 12

Fig. 29 veranschaulicht ein weiteres Beispiel zum Erhitzen von Biskuits 80 in einem Mikrowellenherd. Diese besondere Packung ist für tiefgefrorene Teigprodukte im allgemeinen geeignet. Die Biskuits 80 wurden auf einem üblichen Tablett 81 aus Aluminiumfolie plaziert. Anders als beim oben beschriebenen Beispiel besaß das Folientablett 81 keine in den Boden des Tabletts 81 eingeschnittene Öffnungen. Unmittelbar unter dem Tablett 81 war ein Suszeptor 82 in Berührung mit dem Tablett 81 plaziert und unterstützte es. Unmittelbar unter dem Suszeptor 82 war ein Gitter 83 vorgesehen.
Weiter war ein Gitter 84 auf der Oberseite der Packung angebracht. Das Gitter 84 war in dichtendem Eingriff am Tablett 81 befestigt, um ein Austreten von Mikrowellen um das Gitter 84 herum zu verhindern. Ein oberer Suszeptor 85 war auch auf der Seite des Gitters 84 im Abstand von den Biskuits 80 angebracht. Die Suszeptoren 82 und 85 besaßen beide einen spezifischen Widerstand von etwa 70 Ohm je Quadrateinheit.
Bei diesem Beispiel wurde eine gleichmäßige Bräunung auf der Unter- Seite der Biskuits 80 erzielt. Die Biskuits 80 gingen wie gewünscht auf und besaßen eine gute Zellstruktur. Die Oberseite der Biskuits 80 bräunte da, wo sie die Oberseite der Gitter/Suszeptor-Kombination 84, 85 berührte. Die Kombination bestehend aus dem Gitter 83 und dem Suszeptor 82 an der Unterseite der Packung lieferte eine sehr gleichmäßige Erwärmung des Bodens des Folientabletts 81.

Beispiel 13

Fig. 29A zeigt ein Beispiel zur Anwendung der Erfindung mit einer völlig unabgeschirmten Packung. Bei diesem Beispiel wurde eine Mikrowellenpizza aus französischem Weißbrot der Marke Pillsbury verwendet. Die Packung war so verändert, daß sie das Einfügen eines Gitters 100 umfassen konnte, das aus einer Aluminiumfolie geschnitten war. Das Gitter besaß quadratische Löcher von 1/2 inch, die in eine gleichseitige, dreieckige Gitterkonfiguration eingeschnitten waren. Der Abstand zwischen den Löchern betrug 1/8 inch.
Die kommerziell verfügbare Pizza aus französischem Weißbrot besaß ein Suszeptortablett 99, das auf einem Wellpappekissen 102 ruhte. Die Pizza 101 aus französischem Weißbrot wurde vom Tablett 99 entfernt, und das Gitter 100 wurde zwischen die Pizza 101 und das Suszeptortablett 99 eingefügt.
Bei diesem Beispiel wurde die Backzeit um 15 s über die Backzeit für das kommerziell erhältliche Produkt hinaus verlängert. Die Ergebnisse wurden gegenüber dem kommerziell erhältlichen Produkt insofern verbessert, als die Knusprigkeit der Kruste der Pizza 101 aus französischem Weißbrot gleichmäßiger war.

Beispiel 14

Die Pizzapackung war gemäß der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Packung aufgebaut, ausgenommen, daß der Suszeptor 20 aus magnetischem, mikrowellenabsorbierenden Material hergestellt war. Das magnetische, mikrowellenabsorbierende Material wurde von einem kommerziell verfügbaren Mikrowellen-Bräunungsutensil entfernt, d.h., einem Mikrowellen-Röster/Gittersieb-Markenmodell PM 400/145 der Firma Anchor Hocking Corporation. Wenn sie während der gleichen Zeitdauer in einem Mikrowellenherd erwärmt wurde, fiel die Pizza 18 zufriedenstellend aus.

Beispiel 15

Bei diesem Beispiel wurden unterschiedliche Löchgrößen zur Temperaturveränderung beim Erwärmen mit Suszeptor getestet. In allen Fällen, in denen ein Gitter benutzt wurde, fanden quadratische Löcher Anwendung. In allen Fällen wurde ein Gitter verwendet, bis auf zwei Kontrollfälle, in denen nur ein Suszeptor erwärmt wurde. Im Falle 1 wurde ein einzelnes quadratisches Löch mit einer Breite von 10 inch verwendet. Das "Gitter" war ein leitender Streifen von 1/4 inch Breite, der um die äußeren Ränder eines quadratischen Suszeptors gelegt war und etwas breiter als 10 inch war. Im Falle 2 wurden vier quadratische Öffnungen mit einer Breite von etwa 5 inch benutzt. Im Falle 3 wurden 16 quadratische Öffnungen mit einer Breite von etwa 2,5 inch benutzt. Im Falle 4 wurden 64 quadratische Öffnungen mit einer Breite von etwa 1,25 inch benutzt.
Mit einer Infrarotkamera wurden Temperaturmessungen durchgeführt, und die Messungen der Mindest-, Höchst- und Durchschnittstemperatur sowie der Standardabweichung wurden in der für solche Messungen in dieser Beschreibung dargestellten Weise aufgenommen. Tabelle V Minimum Maximum Durchschnitt Standardabweichung Kontrolle Fall
Die Löcher 27 können verschiedene Formen aufweisen. Die Form der Löcher kann sein: kreisförmig (vgl. Fig. 39B); quadratisch (vgl. Fig. 39A und 39M); dreieckig (vgl. Fig. 39C); sechseckig (vgl. Fig. 39D und 39E); "U"-förmig (vgl. Fig. 39L und 39P); rechteckig (vgl. Fig. 39G); kreuzförmig (vgl. Fig. 39J); und oval (vgl. Fig. 39F). Die Löcher 27 können verschiedene reflektierende Füllflächen 103 innerhalb des Löches 27 enthalten, wie etwa eine reflektierende Kreisscheibe 103 in einem kreisförmigen Loch 27, wie in Fig. 39H dargestellt. Alternativ kann ein reflektierendes Quadrat oder Rechteck 104 in einem quadratischen oder rechteckigen Löch 27 verwendet werden, wie in Fig. 39I dargestellt. Auch halbmondförmige Löcher 27 können verwendet werden, wie in Fig. 39K dargestellt.
Die Geometrie der Löcher kann unterschiedliche Formen annehmen. Zusätzlich zu dem oben beschriebenen quadratischen Gitter sowie dem gleichseitigen, dreieckigen Gitter kann die Geometrie radialer Natur sein. Darüberhinaus kann eine differenzierende Geometrie verwendet werden, wenn eine unterschiedliche Beabstandung zwischen Löchern 27 im Gitter 19 vorgesehen ist, wie in Fig. 390 dargestellt; oder es können Löcher unterschiedlicher Größe in verschiedenen Bereichen des Gitters 19 benutzt werden, wie in den Fig. 39M und 39N dargestellt. Darüberhinaus können unterschiedlich geformte Löcher an verschiedenen Stellen des Gitters benutzt werden.
Das Suszeptormittel 20 ist vorzugsweise ein Dünnfilm aus Aluminium, der auf einem Polyestersubstrat aufmetallisiert ist. Der Erhitzer oder Suszeptor 20 kann alternativ ein anderer Typ vom Dünnfilmsuszeptor sein, oder er kann aus einem dielektrischen Material mit einem dielektrischen Verlustfaktor "E" größer als 2, einem magnetischen, mikrowellenabsorbierenden Material, Graphit, oder aus Kombinationen solcher Materialien bestehen; oder er kann eine zusammengesetzte Struktur aufweisen, die aus unterschiedlichen Schichten oder dispergierten Abschnitten von solchen Materialien bestehen.
Die Packung 17, 16, die das Lebensmittel 18 umschließt, kann teilweise abgeschirmt sein, wie in den Fig. 3 und 4 dargestellt. Alternativ kann die das Lebensmittel umschließende Packung vollständig abgeschirmt sein (mit Ausnahme der Gitter/Suszeptor-Kombination); oder sie kann völlig unabgeschirmt sein (mit Ausnahme der Gitter/Suszeptor-Kombination); oder sie kann teilweise abgeschirmt sein. Alternativ kann eine Gitter/Suszeptor-Kombination um ein Lebensmittel gewickelt sein und selber die Packung bilden, in der das Lebensmittel in einem Mikrowellenherd erwärmt bzw. erhitzt wird.
Das Gitter bildet vorzugsweise eine Aluminiumfolien-Gitterstruktur. Das Gitter kann aber auch ein heißgeprägtes Metall, metallisierte Filme aus Aluminium, rostfreiem Stahl, Kupfer oder Stahl sein; oder das Gitter kann ein Drahtgewebe sein. Das Gitter kann eingeflochtene Streifen aus sMetall oder übergelegte Streifen aus Metall 105 umfassen, wie in den Fig. 40F und 40E dargestellt. Das Gitter kann aus einem Metallblatt mit darin eingestanzten Löchern gebildet sein. Das Gitter kann expandiertes Metall, gestanzte und gestauchte Metallblätter umfassen. Das Gitter könnte alternativ aus einer Gitterstruktur gebildet werden, die durch Überlappen spiraliger und radial geschnittener Streifen besteht.
Die bevorzugte Suszeptor- und Gitterkonfiguration ist ein ebenes Gitter, das mit einem ebenen Suszeptor in Berührung steht oder von diesem in einem Abstand von 0,048 inch (0,122 cm) angebracht ist. Alternative Anordnungen können Suszeptormaterial 20 umfassen, das die Löcher 27 im Gitter 19 füllt, wie in den Fig. 40A und 40B dargestellt. Wahlweise kann ein Blatt aus Verstärkungsmaterial 106, wie etwa Papier, vorgesehen werden. Gemäß Fig. 40A sind die Löcher 27 im Gitter 19 vollständig mit einem Suszeptormaterial 20 gefüllt. Gemäß Fig. 40B sind die Löcher 27 nicht vollständig gefüllt. Die Löcher 27 können kreisförmig, quadratisch oder in einer anderen Form ausgebildet sein, wobei sie einen ringförmigen Öffnungsraum um das Suszeptormaterial 20 freilassen. Bezugnehmend auf Fig. 40D kann das Suszeptormaterial 20 hinter dem Gitter 19 in Form von Füllflächen, Kreisscheiben oder Quadraten aus Suszeptormaterial angebracht sein, die vorzugsweise eine geometrische Form wie die Löcher 27 aufweisen und etwas größer als die Größe der Löcher 27 sind, so daß das Suszeptormittel 20 das Löch 27 überlappt. Andere Anordnungen umfassen eine Gitterstruktur 19, die in ein Suszeptormedium 20 eingebettet oder eingeschlossen ist, wie in Fig. 40C dargestellt. Darüberhinaus kann das Gitter 19 so ausgebildet sein, daß es sandwichförmig zwischen Suszeptorblättern angeordnet ist.
Das Gitter weist vorzugsweise einen Mikrowellen-Energiereflexionsgrad von mehr als 40 % auf, wenn das Gitter alleine gemessen wird. Noch vorteilhafter weist das Gitter einen Mikrowellen-Energiereflexionsgrad auf, der größer als 85 % ist, wenn das Gitter alleine gemessen wird. Ein Mikrowellen-Energiereflexionsgrad von über 95 % für das Gitter, wenn es alleine gemessen wird, ist sogar noch vorteilhafter.
Ein Abstand 28 zwischen benachbarten Öffnungen 27 im Gitter 19, der kleiner als 1 inch ist, wird bevorzugt. Ein Abstand zwischen den Öffnungen 27 kleiner als 1/2 inch ist vorteilhafter. Ein Abstand zwischen den Öffnungen 27, der kleiner als etwa 3/6 inch ist oder diesem Maß entspricht, ist sogar noch vorteilhafter. Öffnungen mit einem Abstand, der kleiner als etwa 1/8 inch ist oder diesem Maß entspricht, ist ganz besonders vorteilhaft.

Meßprozeduren

Im Rahmen der obigen Beschreibungen werden alle Messungen des spezifischen Widerstandes, des Reflexionsgrades, des Übertragungsgrades, des Absorptionsgrades etc. bei Raumtemperatur (21 ºC) durchgeführt, es sei denn, daß etwas anderes angegeben ist.
In den obigen Beschreibungen umfassen alle mit einem Netzwerkanalysator durchgeführten Messungen die weiter unten angegebene Prozedur, sofern nicht etwas anderes gesagt ist. Die Prozedur kann am besten unter Bezugnahme auf die Fig. 46 und 47 verstanden werden. Es wurde ein Netzwerkanalysator 107, Modell 8753A der Firma Hewlett Packard in Kombination mit einem S-Parametertestsatz, Modell Nr. 85046A der Firma Hewlett Packard verwendet. Alle Messungen wurden bei einem Mikrowellenherd durchgeführt, der eine Betriebsfrequenz von 2,45 GHz besaß. Alle Messungen erfolgten bei Raumtemperatur, sofern nicht etwas sanderes bestimmt wurde. Alle Messungen wurden unter Benutzung eines Wellenleiters 108 des Typs WR-284 durchgeführt, sofern nichts anderes angegeben wurde. Die in den Fig. 30A und 30B dargestellten Messungen wurden unter Verwendung eines WR-340-Wellenieiters durchgeführt. Messungen des Reflexionsgrades, der Übertragung und der Absorption bei einer Gitter/Suszeptor-Kombination im Rahmen der obigen Besprechung der Gestaltungsfaktoren sollten ohne Anwesenheit eines Lebensmittels durchgeführt werden. Die Messungen werden vorzugsweise durch Plazieren einer zu messenden Probe 109 zwischen zwei benachbarten Wellerileiterelementen 108 durchgeführt. Vorzugsweise wird ein leitender Silberanstrich 110 um die äußeren Ränder eines Probenblattes angebracht, das ein bißchen größer als die Querschnittsöffnung 111 des Wellenleiters geschnitten ist. Ein kolloidaler Silberanstrich 110 von der Firma Ted Pella, Inc. gab in der Praxis befriedigende Ergebnisse. Die Probe 109 wird vorzugsweise so geschnitten, daß sie um den Rand einen Überstand von etwa 50/1000 inch (0,127 cm) aufweist. Der Wellenleiter wird gemäß den von Hewlett Packard, dem Hersteller des Netzwerkanalysators, angegebenen und publizierten Prozeduren kalibriert.
Streuparameter S&sub1;&sub1;, S&sub1;&sub2;, S&sub2;&sub1; und S&sub2;&sub2; werden direkt durch den Netzwerkanalysator gemessen. Diese gemessenen Parameter werden sodann benutzt, um den Energiereflexionsgrad, den Energieübertragungsgrad und den Energieabsorptionsgrad der Mikrowellen zu berechnen.
Der Reflexionsgrad mit Blick in den Port 1 ist die Größe von S&sub1;&sub1;, quadriert. Der Reflexionsgrad mit Blick in den Port 2 ist die Größe von S&sub2;&sub2;, quadriert. Der Übertragungsgrad mit Blick in den Port 1 ist die Größe von S&sub2;&sub1;, quadriert. Der Übertragungsgrad mit Blick in den Port 2 ist die Größe von S&sub1;&sub2;, quadriert. Der Absorptionsgrad mit Blick entweder in Port 1 oder in Port 2 ist gleich 1, minus der Summe des Energiereflexionsgrades und des Energieübertragungsgrades in den betreffenden Port.
Der komplexe Oberflächenscheinwiderstand eines elektrischen dünnen Blattes wird aus den gemessenen Streuparametern erhalten, unter Heranziehung der Formeln, die in dem Aufsatz "Properties of Thin Metal Films at Microwave Frequencies" von R.L. Ramey und T.S. Lewis, veröffentlicht in Journal of Applied Physics, Bd. 39, Nr. 1, Seiten 3883-84 (Juli 1968), zusammen mit der Information von J. Altman in Microwave Circuits, Seiten 370-71 (1964) veröffentlicht sind. Bei nichtbenutztem Suszeptormaterial ist der Scheinwiderstand im wesentlichen insgesamt Ohm'scher Natur. Bei hochgradig leitenden Gittern ist der Scheinwiderstand im wesentlichen verlustlos bzw. ein Blindwiderstand.

Schlußfolgerung

Die vorliegende Erfindung ist besonders mit Mikrowellenumgebungen des Typs befaßt, die in Mikrowellenherden angetroffen werden. Die vorliegende Erfindung ist besonders in Mikrowellenumgebungen anwendbar, in denen die durchschnittliche RMS der elektrischen Feldstärke größer als 1 v/cm ist. Bei einer die vorliegende Erfindung einbeziehenden typischen Anwendung ist die Lebensmittelpackung, die eine Gitter/Suszeptor-Kombination enthält, zur Verwendung in dem umschlossenen Hohlraum eines Mikrowellenherdes bestimmt, der eine Eingangsleistung aufweist, die um mindestens 10 Watt über einer typischen Leistung von 400 Watt liegt.
Die obige Offenbarung war auf eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gerichtet. Die Erfindung kann in einer Anzahl anderer alternativer Ausführungsformen als denen verkörpert werden, die oben veranschaulicht und beschrieben worden sind. Der Fachmann ist in der Lage, eine Anzahl von Modifikationen bei den oben beschriebenen Ausführungsformen aufgrund der obigen Beschreibung und den darin enthaltenen Lehren vorzusehen. Der volle Rahmen der Erfindung soll durch eine ordnungsgemäße Interpretation der Ansprüche bestimmt werden und nicht unnötigerweise durch die oben beschriebenen spezifischen Ausführungsformen beschränkt sein.

Claims

1. Lebensmittelverpackung für einen Mikrowellenherd, mit einer ersten Materialfolie (21, 22, 23), die einen Suszeptor (20) zum Erwärmen in Antwort auf Mikrowellenstrahlung definiert, und mit einem Lebensmittel (18), das in Wärmeverbindung mit dem Suszeptor (20) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Materialfolie vorgesehen ist, die ein Gitter (19) definiert, daß das Gitter (19) eine leitende Oberfläche (28) hat, die durchlässige Öffnungen (27) umgibt, daß das Gitter (19) und der Suszeptor (20) auf derselben Seite des Lebensmittels (18) angeordnet sind, daß das Gitter (19) die Leistungsmerkinale des Suszeptors (20) modifiziert und daß das Gitter (19) in naher Nachbarschaft zu dem Suszeptor (20) ist.

2. Lebensmittelverpackung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein wesentlicher Anteil des Suszeptors (20) im wesentlichen eben ist.

3. Lebensmittelverpackung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (19) im wesentlichen eben ist.

4. Lebensmittelverpackung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (19) und der Suszeptor (20) im wesentlichen koplanar zueinander sind.

5. Lebensmittelverpackung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (19) und der Suszeptor (20) im wesentlichen parallel zueinander sind.

6. Lebensmittelverpackung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (19) und der Suszeptor (20) von einander in einem Abstand von 0,12 cm (0,048 inch) oder weniger beabstandet sind.

7. Lebensmittelverpackung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (19) und der Suszeptor (20) von einander in einem Abstand von weniger als oder gleich ungefähr 0,04 cm (0,016 inch) beabstandet sind.

8. Lebersmittelverpackung für einen Mikrowellenherd nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Lebensmittel-Erwärmungsvorrichtung mit einem nichteßbaren Erwärmungselement, das sich ausreichend erwärmen kann, um ein positives Temperaturdifferential hinsichtlich der Oberfläche des Lebensmittels zu erzeugen, daß das Erwärmungselement erste vorbestimmte Bereiche höheren Reflexionsvermögens bezüglich zweiter Bereiche des Erwärmungselements bei der Frequenz des Mikrowellenherdes hat, wobei die ersten Bereiche ein Reflexionsvermögen bei der Frequenz des Mikrowellenherdes haben, wobei die zweiten Bereiche ein Reflexionsvermögen bei der Frequenz des Mikrowellenherdes haben, wobei der Unterschied zwischen dem Reflexionsvermögen des ersten Bereiches und dem Reflexionsvermögen des zweiten Bereichs 10 % oder mehr beträgt, wobei der erste Bereich höheren Reflexionsvermögens eine Gitterstruktur bildet, die die zweiten Bereiche geringeren Reflexionsvermögens umgibt, wobei die zweiten Bereiche ein Material aufweisen, das sich in Antwort auf Mikrowellenstrahlung erwärmt und das eine Transmittanz bei der Frequenz des Mikrowellenherdes hat, die größer als 0,003 % ist, wobei das Erwärmungselement in naher Nachbarschaft zu der Oberfläche des Lebensmittels angeordnet ist, um die Oberfläche zu erwärmen.

9. Lebensmittelverpackung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zweiten Bereiche eine Durchdringungstiefe von weniger als oder gleich 1,65 cm (0,65 inch) haben.

10. Lebensmittelverpackung für einen Mikrowellenherd nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Lebensmittelerwärmungsvorrichtung mit einem nichteßbaren Erwärmungselement, das sich ausreichend erwärmen kann, um ein positives Temperaturdifferential hinsichtlich des Lebensmittels zu erzeugen, wobei das Erwärmungselement erste vorbestimmte Bereiche hat, die aus einem Material hergestellt sind, das ein Reflexionsvermögen von mehr als 85 % hat, wobei die ersten Bereiche einen spezifischen Widerstand von weniger als 10 Ohm pro Einheitsfläche haben, wobei das Erwärmungselement zweite Regionen mit einem spezifischen Widerstand von mehr als oder gleich 1 Ohm pro Einheitsfläche und weniger als oder gleich 10.000 Ohm pro Einheitsfläche hat.

11. Lebensmittelverpackung für einen Mikrowellenherd nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Lebensmittelerwärmungsvorrichtung mit einem nichteßbaren Erwärmungselement, das sich ausreichend erwärmen kann, um ein positives Temperaturdifferential hinsichtlich des Lebensmittels zu erzeugen, wobei das Erwärmungselement erste vorbestirnmte Bereiche hat, die aus einem Material hergestellt sind, das ein Leistungsreflexionsvermögen von mehr als 85 % hat, wobei die ersten Bereiche einen spezifischen Widerstand von weniger als 15 Ohm pro Einheitsfläche haben und wobei das Erwärmungselement zweite Bereiche aus einem dielektrischen Material hat, das einen relativen dielektrischen Verlustfaktor E" größer als 2 hat.

12. Lebensmittelverpackung für einen Mikrowellenherd nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Lebensmittelerwärmungsvorrichtung mit einem nichteßbaren Erwärmungselement, das sich ausreichend erwärmen kann, um ein positives Temperaturdifferential hinsichtlich des Lebensmittels zu erzeugen, wobei das Erwärmungselement erste vorbestimmte Bereiche hat, die aus einem Material hergestellt sind, das ein Leistungsreflexionsvermögen von mehr als 85 % hat, wobei die ersten Bereiche einen spezifischen Widerstand von weniger als 15 Ohm pro Einheitsfläche haben und wobei das Erwärmungselement zweite Bereiche aus magnetischem, mikrowellenabsorbierendem Material hat.

13. Lebensmittelverpackung für einen Mikrowellenherd mit einer Mikrowellenfrequenz nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (19) eine Vielzahl von durchlässigen Flächen und einen leitenden reflektierenden Bereich hat, der ineinandergreifend mit den durchlässigen Flächen ist, wobei der reflektierende Bereich einen leitenden Pfad um individuelle durchlässige Bereiche bei der Mikrowellenfrequenz des Mikrowellenherdes vorsieht.

14. Lebensmittelverpackung für einen Mikrowellenherd gemäß den vorstehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (19) im wesentlichen reflektierend zu einem Mikrowellenfeld ist, daß das Gitter wirksam ist, um im wesentlichen die Reflektionsfähigkeit während der Mikrowellenerwärmung aufrechtzuerhalten, daß das Gitter wirksam ist, um einen Anteil der Mikrowellenenergie, die auf das Gitter auftrifft, durch den Suszeptor (20) zu übertragen; und daß das Gitter und der Suszeptor gemeinsam zusammenarbeiten, um im wesentlichen ein zusammengesetztes Niveau von Übertragungsfähigkeit während der Mikrowellenerwärmung zu erhalten.

15. Lebensmittelverpackung für einen Mikrowellenherd nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lebensmittelverpackung das in einem Mikrowellenherd zu erwärmende Lebensmittel (18) umschließt, daß die Verpackung wenigstens teilweise vor der Mikrowellenstrahlung abgeschirmt ist, daß die Verpackung einschließt:

- einen ebenen Suszeptor, der einen dünnen Film aus Aluminium hat, welches auf einem Polyestersubstrat metallisiert ist, weicher klebend auf einem festen sulfatgebleichten Karton laminiert ist, wobei der Suszeptor eine Oberflächenwiderstandsfähigkeit zwischen 1 Ohm pro Einheitsfläche und ungefähr 10.000 Ohm pro Einheitsfläche hat;

- ein ebenes Aluminiumfoliengitter, das eine Mehrzahl von Öffnungen in einer Gitterkonfiguration hat, wobei die Öffnungen eine Größe zwischen ungefähr 0,20 cm (1/32 inch) und ungefähr 12,192 cm (4,8 inch) haben;

- wobei die Öffnungen einen Abstand zwischen benachbarten Öffnungen haben, der geringer ist als 1 inch, wobei das Gitter ein Mikrowellenleistungsreflexionssvermögen von mehr als 40 % hat, wenn das Gitter allein gemessen wird; und

- wobei das Gitter und der Suszeptor auf einer ungeschützten Seite der Verpackung angeordnet sind, wobei das Gitter und der Suszeptor weniger als 1,27 cm (0,5 inch) voneinander beabstandet sind, wobei das Gitter und der Suszeptor einen Schichtkörper bilden, der eine Mikrowellenleistungs-Übertragungsfähigkeit von weniger als 50 % hat, wenn der Schichtkörper allein in Abwesenheit des Lebensmittels gemessen wird, wobei der Gitter- und Suszeptor-Schichtkörper in naher Nachbarschaft zu dem Lebensmittel ist.

16. Verpackung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsfähigkeit des Suszeptors zwischen 5 Ohm pro Einheitsfläche und ungefähr 5.000 Ohm pro Einheitsfläche beträgt.

17. Verpackung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsfähigkeit des Suszeptors zwischen ungefähr 30 Ohm pro Einheitsfläche und ungefähr 800 Ohm pro Einheitsfläche beträgt.

18. Verpackung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandsfähigkeit des Suszeptors zwischen ungefähr 50 Ohm pro Einheitsfläche und ungefähr 70 Ohm pro Einheitsfläche beträgt.

19. Verpackung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Löcher in dem Gitter zwischen ungefähr 0,31 cm (1/8 inch) und ungefähr 6,9 cm (2,4 inch) beträgt.

20. Verpackung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Löcher in dem Gitter zwischen ungefähr 0,95 cm (3/8 inch) und ungefähr 2,22 cm (7/8 inch) beträgt.

21. Verpackung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennung zwischen dem Gitter und dem Suszeptor weniger als ungefähr 0,122 cm (0,048 inch) beträgt.

22. Verpackung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennung zwischen dem Gitter und dem Suszeptor weniger als ungefähr 0,04 cm (0,016 inch) beträgt.

23. Verpackung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Gitter- und Suszeptor-Schichtkörper eine Mikrowellenieistungstransmittanz von weniger als 25 % hat.

24. Verpackung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Gitter- und Suszeptor-Schichtkörper eine Mikrowellenleistungstransmittanz von weniger als 10 % hat.

25. Verpackung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Gitter- und Suszeptor-Schichtkörper eine Mikrowellenleistungstransmittanz von weniger als 5 % hat.

26. Verpackung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Gitter- und Suszeptor-Schichtkörper eine Mikrowellerileistungstransmittanz von weniger als 2 % hat.

27. Verpackung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter ein Mikrowellenleistungsreflexionsvermögen von mehr als 85 % hat, wenn es allein gemessen wird.

28. Verpackung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter ein Mikrowellenleistungsreflexionsvermögen von mehr als 95 % hat, wenn es allein gemessen wird.

29. Verpackung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen einen Abstand zwischen benachbarten Öffnungen haben, der kleiner als 1,27 cm (1/2 inch) ist.

30. Verpackung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen einen Abstand zwischen benachbarten Öffnungen haben, der kleiner als 0,477 cm (3/16 inch) ist.

31. Verpackung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen einen Abstand zwischen benachbarten Öffnungen haben, der kleiner als 0,32 cm (1/8 inch) ist.

32. Verpackung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen quadratische Öffnungen sind.

33. Verpackung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen kreisrunde Öffnungen sind.

34. Verpackung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen in dem Gitter in einer quadratischen Gitterkonfiguration angeordnet sind.

35. Verpackung nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnungen in dem Gitter in einer gleichseitigen dreieckigen Gitterkonfiguration angeordnet sind.

36. Verpackung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, d.h. der Suszeptor einen Blindwiderstand hat, der optimiert ist, um im wesentlichen die Absorbanz des Gitters und des Suszeptors zu maximieren.

37. Verpackung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Suszeptor einen Blindwiderstand zwischen ungefähr - 50 bis ungefähr - 150 Ohm pro Einheitsfläche hat.