SE541885C2 - Body for improved homogeneity when thawing / heating dielectric materials - Google Patents

Abstract

SammanfattningDenna uppfinning avser en anordning, som möjliggör en förbättrad homogenitet vid värmning av dielektriska material medelst oscillerande elektromagnetiska fält.Anordningen är kännetecknad av att man i en last flyttar runt uppvärmningen i lasten genom att flytta potentialpunkten genom att kortsluta enheter av elektriskt ledande material i kavitetens sidor.SUMMARY This invention relates to a device which enables an improved homogeneity in the heating of dielectric materials by means of oscillating electromagnetic fields. .

Description

Kropp för förbättrad homogenitet vid tining/värmning av dielektriska material. Body for improved homogeneity when thawing / heating dielectric materials.

Behoven av homogen uppvärmning av material som utgörs av organiska såväl som av både organiska och oorganiska ämnen är stora. The need for homogeneous heating of materials consisting of organic as well as of both organic and inorganic substances is great.

Materialen kan bestå av fasta, flytande såväl som en blandning av fasta och flytande beståndsdelar. Behoven av uppvärmning omfattar från stora till små volymer, Som exempel kan nämnas beredning av livsmedel inom livsmedelsindustrin, tillagning av mat i restauranger och hem, sterilisering av slakteriavfall, rötning av träfiber samt nedbrytning, torkning och sterilisering av rötslam. The materials may consist of solid, liquid as well as a mixture of solid and liquid constituents. The needs for heating range from large to small volumes. Examples include food preparation in the food industry, cooking in restaurants and homes, sterilization of slaughterhouse waste, digestion of wood fiber and decomposition, drying and sterilization of digestate.

Det finns tillämpningar där snabb uppvärmning utan uppkomst av överhettade partier är ett måste. Ett sådant är värmning av kallt blod i samband med blodtransfusioner inom sjukvården liksom vid tinning av frysta levande celler. industriella processer såsom vid torkning av trä finns det behov av att mäta och utnyttja dielektriska förändringar. There are applications where rapid heating without the appearance of overheated parts is a must. One such is the heating of cold blood in connection with blood transfusions in healthcare as well as in the thinning of frozen living cells. industrial processes such as when drying wood, there is a need to measure and utilize dielectric changes.

Etablerade värmningstekniker såsom värmning med mikrovågor och värmning med konventionell värmestrålning och värmekonvektion har det gemensamt att värmeupptagning i last kännetecknas av ringa till försumbart inträngningsdjup och att lasts inre delars uppvärmning sker medelst värmetransport från värmeupptagande ytpartier. I vanligast förekommande dielektriska material sker transport av värme långsamt. Detta ger som konsekvens att stora volymer organiskt material kräver lång tid för att homogen temperaturfördelning skall erhållas. Established heating techniques such as heating with microwaves and heating with conventional heat radiation and heat convection have in common that heat absorption in loads is characterized by small to negligible penetration depth and that heating of the inner parts of the load takes place by heat transport from heat-absorbing surface portions. In the most common dielectric materials, heat is transported slowly. This has the consequence that large volumes of organic material require a long time for a homogeneous temperature distribution to be obtained.

Det är också sedan tidigare känt att dielektriska material kan värmas av oscillerande högfrekventa elektriska fält som alstras mellan ett elektrodpar. Nackdelen med den tekniken är att den är oflexibel för variationer i lastens geometri och sammansätning. It is also previously known that dielectric materials can be heated by oscillating high frequency electric fields generated between a pair of electrodes. The disadvantage of this technique is that it is inflexible for variations in the geometry and composition of the load.

Det är också sedan tidigare känt at man genom at emittera elektromagnetisk strålning från en antenn/applikator i en kavitet med elektriskt ledande väggar kan värma i kaviteten placerade dielektriska material. (Sv. patent 9400777-0 och Sv. patent 9703033-2) Värmning med mikrovågor i en resonant kavitet är sedan många år en etablerad teknik. För att en resonant kavitet skall erhållas krävs att vissa fysikaliska villkor är upfyllda. Kavitetens väggar skall vara definierade som randvillkor, kavitetens form måste uppfylla kraven för en resonant kavitet. It is also previously known that by emitting electromagnetic radiation from an antenna / applicator in a cavity with electrically conductive walls, dielectric materials placed in the cavity can be heated. (Sv. Patent 9400777-0 and Sv. Patent 9703033-2) Heating with microwaves in a resonant cavity has been an established technology for many years. In order for a resonant cavity to be obtained, certain physical conditions must be met. The walls of the cavity must be defined as boundary conditions, the shape of the cavity must meet the requirements for a resonant cavity.

Enligt Maxwells ekvationer ökar elektronkoncentationen i ytan på en ledare med ökande frekvens. (Skinn effekt) vid frekvenser överstigande 900 MHz (mikrovågsfrekvenser) blir strömmarna i en kavitetsvägg så ytliga at enligt Maxwells ekvationer har väggarna approximativt ändlig ledningsförmåga, därigenom kan kavitetsvägarna definieras som randvillkor. According to Maxwell's equations, the electron concentration in the surface of a conductor increases with increasing frequency. (Skin effect) at frequencies exceeding 900 MHz (microwave frequencies), the currents in a cavity wall become so superficial that according to Maxwell's equations, the walls have approximately finite conductivity, whereby the cavity paths can be defined as boundary conditions.

Med avtagande frekvens ökar skinndjupet, vid frekvenser understigande 300 MHz är skinndjupet så stort att en resonant kavitet enligt känd teknik inte anses vara möjligt. With decreasing frequency, the skin depth increases, at frequencies below 300 MHz, the skin depth is so large that a resonant cavity according to the prior art is not considered possible.

Vid värmning med mikrovågsteknik kan man få en homogen fördelning av mikrovågorna i kaviteten. Mikrovågornas ringa inträngningsdjup ger trots detta en inhomogen värmefördelning i en mångfald tillämpningar där lasten har påtaglig tjocklek. When heating with microwave technology, a homogeneous distribution of the microwaves in the cavity can be obtained. The shallow penetration depth of the microwaves nevertheless provides an inhomogeneous heat distribution in a variety of applications where the load has a significant thickness.

Apparater byggda enligt de principer som anges i Sv. patent 9400777-0 och Sv. Appliances built according to the principles stated in Sv. patent 9400777-0 and Sv.

Patent 9703033-2 ger jämfört med andra på marknaden förekommande anordningar en avsevärt bättre homogenitet vid uppvärmning, homogeniteten är dock otillräcklig vid tining/värmning av känsliga laster såsom fryst blodplasma Denna uppfinning ger en förbättrad homogenitet vid tining/värmning av alla slags dielektriska laster. Patent 9703033-2 provides a significantly better homogeneity in heating compared to other devices on the market, however the homogeneity is insufficient in thawing / heating of sensitive loads such as frozen blood plasma. This invention provides an improved homogeneity in thawing / heating of all kinds of dielectric loads.

Enligt Sv. Patent 9703033-2 bygger tekniken på att man i en last, placerad i en kavitet med små dimensioner i förhållande till aktuell våglängd vid applicerad frekvens, skapar ett oscillerande elektromagnetiskt närfält. Med närfält avses det/de fält som bildas när avståndet från antenn understiger en våglängd av applicerad frekvens. According to Sv. Patent 9703033-2 bases the technique on creating an oscillating electromagnetic near field in a load, placed in a cavity with small dimensions in relation to the current wavelength at the applied frequency. Near field refers to the field (s) formed when the distance from the antenna is less than a wavelength of the applied frequency.

Mellan en eller flera antenn(-er), i vilka det genereras elektromagnetiska fält vid en eller flera frekvenser vilka är placerade i en kavitet är det en fasdifferens mellan antenn(-er) och kavitet. Fasdifferensens storlek uppgår som mest till 180 grader. Between one or more antenna (s), in which electromagnetic fields are generated at one or more frequencies which are located in a cavity, there is a phase difference between the antenna (s) and the cavity. The size of the phase difference is at most 180 degrees.

Kavitetens hölje med innesluten(-na) antenn/antenner alstrar i samverkan med antenn/antenner ett oscillerande elektromagnetiskt fält i lasten. The cavity of the cavity with the enclosed antenna (s) generates, in cooperation with the antenna (s), an oscillating electromagnetic field in the load.

Praktiska resultat visar på en god värmefördelning i lasten, men det finns problem vid snabb tining av känsliga dielektriska laster såsom fryst blodplasma och frysta levande celler. Practical results show a good heat distribution in the load, but there are problems with rapid thawing of sensitive dielectric loads such as frozen blood plasma and frozen living cells.

Speciellt frysta levande celler är extra känsliga för övervärmning samtidigt som dess viabilitet är direkt beroende av en snabb tiningsprocess. (Ju snabbare tining desto bättre viabilitet) För att lösa problemet med ojämn uppvärmning av känsliga laster har olika lösningar prövats. Genom att utrusta kavitetens insida med enheter bestående av elektriskt ledande material som är i elektrisk kontakt med kavitetens sida kan man utforma ett oscillerande elektriskt fält genom lasten som ger förbättrad homogenitet. Especially frozen living cells are extra sensitive to overheating while its viability is directly dependent on a rapid thawing process. (The faster the thawing, the better the viability) To solve the problem of uneven heating of sensitive loads, different solutions have been tried. By equipping the inside of the cavity with units consisting of electrically conductive material which is in electrical contact with the side of the cavity, an oscillating electric field can be formed through the load which provides improved homogeneity.

Förbättringen har dock varit otillräcklig för känsliga laster såsom frysta levande celler. However, the improvement has been insufficient for sensitive loads such as frozen living cells.

Denna uppfinning löser problemet med ojämn uppvärmning vid värmning av känsliga dielektriska laster. Grundtanken med uppfinningen är att man ska kunna flytta det elektriska fältet genom lasten under pågående tinings/uppvärmnings process genom att flytta den elektriska potentialpunkten medan tining/värmning pågår kroppar en apparat enligt uppfinningen sker värmealstringen i last då de emitterade elektromagnetiska fältet är inom området 50Khz-1500 MHz Fig. 1 är ett exempel på en anordning enligt uppfinningen. This invention solves the problem of uneven heating when heating sensitive dielectric loads. The basic idea of the invention is that it should be possible to move the electric field through the load during the ongoing thawing / heating process by moving the electric potential point while thawing / heating is in progress. 1500 MHz Fig. 1 is an example of a device according to the invention.

Mellan antenn(2) och kaviteten(1) är det en fasdifferens. Fasdifferensens storlek uppgår som mest till 180 grader. Kavitetens hölje med innesluten(-na) antenn/antenner alstrar i samverkan med antenn/antenner, via en frekvensgenerering (8) ett oscillerande elektromagnetiskt fält i lasten. There is a phase difference between the antenna (2) and the cavity (1). The size of the phase difference is at most 180 degrees. The cavity of the cavity with the enclosed antenna (s) generates, in cooperation with the antenna (s), via an frequency generation (8) an oscillating electromagnetic field in the load.

På kavitetens insida finns placerat en eller flera kroppar (3) (4) (5) vilket är enheter som består helt eller delvis av elektriskt ledande material. Kroppen/kroppama är elektriskt isolerade från kavitetsväggen (kavitetssidan). Vid varje kropp finns placerat anordning (-ar) som etablerar elektriskt ledande kontakt mellan kavitetsväggen (kavitetssidan) och kropparna. Anordningen kan exempelvis bestå av ett relä (7). När elektrisk kontakt etableras mellan kropp (3) och kavitetsväggen (kavitetssidan) viker E-fältet av i den riktningen. Bryts elektriska kontakten mellan kropp (3) och kavitetssidan och elektrisk kontakt etableras mellan kropp (5) och kavitetssidan viker elektriska fältet istället av i den riktningen. On the inside of the cavity, one or more bodies (3) (4) (5) are placed, which are units that consist wholly or partly of electrically conductive material. The body / bodies are electrically isolated from the cavity wall (cavity side). At each body there is placed device (s) which establish electrically conductive contact between the cavity wall (cavity side) and the bodies. The device may, for example, consist of a relay (7). When electrical contact is established between the body (3) and the cavity wall (cavity side), the E-field deviates in that direction. If the electric contact between the body (3) and the cavity side is broken and an electrical contact is established between the body (5) and the cavity side, the electric field instead folds off in that direction.

På så sätt flyttas fältet runt i lasten och en förbättrad homogenitet av värmefördelningen erhålls i lasten. In this way, the field is moved around in the load and an improved homogeneity of the heat distribution is obtained in the load.

Fig. 2 är ett exempel på en enhet som placeras på insidan av kaviteten. Kroppen är i detta fall en cylinder (A) med integrerad genomföring (E), både cylindern och/eller genomföringen består helt eller delvis av elektriskt ledande material. Fig. 2 is an example of a unit placed on the inside of the cavity. The body in this case is a cylinder (A) with integrated bushing (E), both the cylinder and / or the bushing consist wholly or partly of electrically conductive material.

Mellan cylindern (A) genomföringen(E) och kavitetsväggen (C) finns ett eller flera elektriskt isolerande material (B). Between the cylinder (A) the bushing (E) and the cavity wall (C) there is one or more electrically insulating materials (B).

Det elektriskt isolerande materialet går igenom kavitetsväggen enligt figuren. The electrically insulating material passes through the cavity wall according to the figure.

På cylindern (A) finns genomföringen (E) monterad som går igenom det elektriskt isolerande materialet och kavitetsväggen (C). På kavitetsväggen utsida finns ett relä (D) som via genomföringen vid behov jordar cylinder (A) i kavitetsväggen. Den här typen av enhet kan vara utformad på ett antal olika sätt, de kan exempelvis vara ,men är inte begränsade till, cylindriska och/eller kubiska former) Det framkommer av texten att det kan finnas flera antenner/applikatorer i kaviteten. Det oscillerande fältet/fälten kan därigenom styras över till den antenn/applikator som är mest fördelaktig för att erhålla en homogen uppvärmning, val av applikator kan variera under själva uppvärmningsprocessen, precis som val av kropp/kroppar. Mounted on the cylinder (A) is the bushing (E) that passes through the electrically insulating material and the cavity wall (C). On the outside of the cavity wall there is a relay (D) which, if necessary, grounds cylinder (A) in the cavity wall via the bushing. This type of unit can be designed in a number of different ways, they can for example be, but are not limited to, cylindrical and / or cubic shapes) It appears from the text that there may be several antennas / applicators in the cavity. The oscillating field (s) can thereby be controlled over to the antenna / applicator which is most advantageous for obtaining a homogeneous heating, the choice of applicator can vary during the heating process itself, just like the choice of body / bodies.

I kaviteten och/eller via genomföringar i kaviteten finns installerat enheter för mätning av värmestrålning. Information ifrån dessa mätvärden styr via algoritm vilken/vilka applikatorer som genererar oscillerande elektromagnetiska fält och vid olika frekvenser inom intervallet 50KHz-1500 MHz. In the cavity and / or via penetrations in the cavity, units for measuring heat radiation are installed. Information from these measured values controls via algorithm which applicator (s) generate oscillating electromagnetic fields and at different frequencies within the range 50KHz-1500 MHz.

Informationen ifrån värmemätningen styr också när och vilken/vilka kropp/kroppar som är jordade i kaviteten Då uppfinningen erbjuder homogen uppvärmning av dielektriska material utan överhettade punkter och ytzoner är den fördelaktig för ömtåliga och krävande applikationer såsom tining av frysta levande celler såsom stamceller. The information from the heat measurement also controls when and which body (s) are grounded in the cavity. As the invention offers homogeneous heating of dielectric materials without overheated points and surface zones, it is advantageous for delicate and demanding applications such as thawing frozen living cells such as stem cells.

Ett försök har utförts. En påse som innehöll 100 ml T-celler frysförvarades vid -70 C och placerades i en fältutjämnare såsom det är beskrivet i EPO2727030.5 Det kritiska temperaturintervallet för att erhålla god viabilitet är i intervallet -35°C till -5°C och ska därför passeras så snabbt som möjligt. An attempt has been made. A bag containing 100 ml of T cells was frozen at -70 ° C and placed in a field equalizer as described in EPO2727030.5. The critical temperature range to obtain good viability is in the range of -35 ° C to -5 ° C and should therefore passed as quickly as possible.

Efter genomförd tiningsprocess konstaterades att T-cellernas viabilitet var jämförbar med tining av 5 ml T-celler i vattenbad (30°C). After thawing process, it was found that the viability of the T cells was comparable to thawing of 5 ml of T cells in a water bath (30 ° C).

Claims (9)

PatentkravPatent claims 1. Anordning för förbättrad homogenitet vid tining/värmning av dielektriska material med oscillerande elektromagnetiska fält genererat av antenn/antenner inom frekvensintervallet 50 KHz till 1500 MHz karakteriserat av att en eller flera kroppar , vilka kroppar utgörs av enheter bestående helt eller delvis av elektriskt ledande material, är placerade på insidan av kaviteten utan att vara i elektrisk kontakt med kavitetsväggen.Device for improved homogeneity in thawing / heating of dielectric materials with oscillating electromagnetic fields generated by antenna / antennas in the frequency range 50 KHz to 1500 MHz characterized by one or more bodies, which bodies consist of units consisting wholly or partly of electrically conductive material , are placed on the inside of the cavity without being in electrical contact with the cavity wall. 2. Anordning enligt föregående krav karakteriserat av att elektrisk kontakt upprättas mellan kavitetsväggen och en eller flera kroppar i syfte att styra det elektriska fältet igenom den dielektriska lasten.Device according to the preceding claim, characterized in that electrical contact is established between the cavity wall and one or more bodies for the purpose of guiding the electric field through the dielectric load. 3. Anordning enligt något av föregående krav karakteriserat av att det vid en eller flera kroppar finns en anordning/anordningar som vid behov kan jorda en eller flera kroppar i kaviteten.Device according to one of the preceding claims, characterized in that in the case of one or more bodies there is a device / devices which, if necessary, can ground one or more bodies in the cavity. 4. Anordning enligt något av föregående krav karakteriserat av att det finns enheter för mätning av värmestrålning från den dielektriska lasten i syfte att kunna precisionsstyra det elektromagnetiska fältet igenom den dielektriska lasten och att elektrisk kontakt upprättas mellan kavitetsväggen och en eller flera kroppar vid olika tillfällen under tings/uppvärmningsprocessen och att denna kontakt/kontakter baseras på information ifrån nämnda enheter för mätning av värmestrålning.Device according to one of the preceding claims, characterized in that there are units for measuring heat radiation from the dielectric load in order to be able to precisely control the electromagnetic field through the dielectric load and that electrical contact is established between the cavity wall and one or more bodies at different times during the thing / heating process and that this contact / contacts is based on information from said units for measuring heat radiation. 5. Anordning enligt något av föregående krav karakteriserat av att nämnda kroppar har en genomföring genom kaviteten enligt detalj E i Fig. 2.Device according to any one of the preceding claims, characterized in that said bodies have a passage through the cavity according to detail E in Fig. 2. 6. . Anordning enligt något av föregående krav karakteriserat av att kropp och genomföring är elektriskt isolerad enligt detalj B i Fig.26.. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the body and bushing are electrically insulated according to detail B in Fig. 2 7. Anordning enligt något av föregående krav karakteriserat av att på kavitetens utsida finns ett eller flera relä enligt Fig.2 som via genomföringen vid behov jordar kropp/kroppar i kaviteten.Device according to one of the preceding claims, characterized in that on the outside of the cavity there is one or more relays according to Fig. 2 which, via the bushing, ground body / bodies in the cavity if necessary. 8. Anordning enligt något av föregående krav karakteriserat av att tinings/ uppvärmningsprocess optimeras genom val avseende j ordning av kropp i kaviteten och det görs enligt en algoritm.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the thawing / heating process is optimized by selection regarding the order of the body in the cavity and this is done according to an algorithm. 9. Anordning enligt något av föregående krav karakteriserat av att det finns flera antenner/applikatorer i kaviteten och att tinings/uppvärmningsprocessen optimeras genom att systemet väljer antenn/applikator för generering av elektromagnetiskt fält. enligt mätvärden och en algoritm.Device according to one of the preceding claims, characterized in that there are several antennas / applicators in the cavity and that the thawing / heating process is optimized by the system selecting the antenna / applicator for generating an electromagnetic field. according to measured values and an algorithm.