SE541885C2 - Kropp för förbättrad homogenitet vid tining/värmning av dielektriska material - 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.

Description

Kropp för förbättrad homogenitet vid tining/värmning av dielektriska material.

Behoven av homogen uppvärmning av material som utgörs av organiska såväl som av både organiska och oorganiska ämnen är stora.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

Apparater byggda enligt de principer som anges i Sv. patent 9400777-0 och 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.

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.

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.

Kavitetens hölje med innesluten(-na) antenn/antenner alstrar i samverkan med antenn/antenner ett oscillerande elektromagnetiskt fält i lasten.

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.

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.

Förbättringen har dock varit otillräcklig för känsliga laster såsom frysta levande celler.

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.

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.

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.

På så sätt flyttas fältet runt i lasten och en förbättrad homogenitet av värmefördelningen erhålls i lasten.

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.

Mellan cylindern (A) genomföringen(E) och kavitetsväggen (C) finns ett eller flera elektriskt isolerande material (B).

Det elektriskt isolerande materialet går igenom kavitetsväggen enligt figuren.

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.

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.

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.

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.

Efter genomförd tiningsprocess konstaterades att T-cellernas viabilitet var jämförbar med tining av 5 ml T-celler i vattenbad (30°C).

Claims (9)

Patentkrav

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.

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.

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.

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.

5. Anordning enligt något av föregående krav karakteriserat av att nämnda kroppar har en genomföring genom kaviteten enligt detalj E i Fig. 2.

6. . Anordning enligt något av föregående krav karakteriserat av att kropp och genomföring är elektriskt isolerad enligt detalj B i 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.

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.

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.