专利名称：均匀加热产品的方法
技术领域：
本发明涉及用于均匀加热产品的方法，尤其是用于在高频交变电磁 场中加热时使食品、药物和/或化妆品中的温度分布均匀化的方法。
背景技术：
为了使食品或药物去胚从而使它们持久而需要加热方法。实例是食 品的巴氏灭菌或消毒，例如在玻璃器皿或罐中保存。利用热交换器或蒸汽高压釜加热产品的方法是已知的。因此例如在 板式热交换器中进行巴氏灭菌期间加热牛奶，在巴氏灭菌温度下保持一 定的时间，然后再次冷却。该方法适用于液体食品，并且长期以来已被 证实。装有蔬菜、水果、速食(Fertiggerichten)、 一锅煮(Eint6pfen)或类 似内容物的储存罐或玻璃器皿几乎仅在高压釜中加热，从而使它们持久。 将超过12(TC的温度的热蒸汽引入高压釜中。蒸汽通过在罐的外侧凝结 而传输能量。由此几乎仅通过热传导进行加热，因此产品在30至60分 钟之后才在储存罐的中心达到所期望的最终温度。可比较的情况适合于加热液体基质中的块状产品，例如酱汁中的肉 块或水果制品或果酱中的水果。因为在固体块内部也必须达到所期望的 温度并通过热传导传输热量，这些悬浮液必须加热很长的时间。这导致 产品必须加热很长的时间，因而严重损害产品的味道、维生素含量以及 稠度和颜色。因此，罐中储存的食品具有很低的食用品质，与诸如水果 的新鲜的生产品相比发生显著的变化。
为了巴氏灭菌、消毒或其他原因必须加热的产品有 在周围液相中的固体和块状产品(例如酱汁中的鱼或肉、水或果汁 中的水果、含有水果块的果酱、用于乳制品的水果制品、含有蛋白 质块的液体等)， 在诸如气泡、薄膜、软管、香肠皮(WursthSuten)、肠子(Darmen)、 聚合物包装及其他的包装中作为液体、固体或悬浮液的包装的食品、 药物和化妆品， 粘稠或糊状的和/或含有固体的液体和糊状物、酱汁、膏状物、泡沫 和其他多相系统，它们由于异质组成和/或固体含量和/或气体含量而 在传统的板式热交换器或管式热交换器中无法加热或仅能非常不均 匀地加热， 在被加热的热交换器表面上导致结壳、覆盖和温度损失等的物质， 以及 对温度非常敏感的物质，例如药物、浸渍溶液、药用液体食品或其 他物质，它们必须特别均匀地和轻微地加热。所述物质和物质混合物在本专利申请中被称作产品。为了縮短加热时间并因此为了提高产品质量的解决方案(LSsungs-ansatz)涉及利用交变电磁场的快速的穿透性加热。除了 5至20 mm的 低穿透深度不足以均匀加热所述产品的微波加热，为此特别适合使用高 频交变场(HF加热)。常用的HF加热器包括2个平行排列的其上施加 频率例如为27.12MHz且电压为2至10kV的交变电场的电极。这些场 能够穿透深入导电的潮湿固体和悬浮液，并进行加热。在电磁场的完全 均匀特性的理想情况下，能够均匀加热物质。HF加热的目的是快速、均匀且因此温和地加热对温度敏感的物质， 该物质无法或者仅能较差地在热交换器中进行传统的加热。通常选择HF加热以在其整个横截面上均匀地加热产品，例如为了 巴氏灭菌、消毒或配制。但是表明，在空气中产生均匀电磁场的HF加热器中，在处理所述产品期间产生极端的场不均匀性和温度不均匀性。 非常不均匀地加热产品，这消除了穿透性加热的优点并且导致明显的产 品损失。因此表明，例如在包装的固体的情况下，尤其是在包装材料的边缘 处、在产品的外侧和产品的特别薄的位置处出现明显的温度过高。在这 些位置上会使产品过度加热和损坏。在此情况下，虽然外部区域的高温 会损坏产品，但是固体的内部区域仅被不充分地加热。在使用HF加热管时，其中电极从外部安装在非导电性管(如石英 玻璃)上，也能观察到相同的效果。通过用于加热的管供应高粘性的糊 状液体或悬浮液。在此主要是在管壁上看到相当多的损坏。在此出现严 重的过热。虽然在管壁处存在高温，管中心内却仅达到不足的温度。因 此产生管的横截面内的温度不均匀和管壁处形成覆盖物的类似的问题， 如同传统的从外部加热的管式热交换器。不均均加热的另一个缺点是由于在更热的位置处的电导率的变化。 热点通常具有提高的电导率，从而通常在HF场中甚至被更快速地加热。 因为热位置被不成比例地加热，该过程会导致形成所谓的"热点"。因此 温度不均匀性越来越严重。虽然尝试通过适应电极几何形状而在电极之间使电场和能量密度均 匀化，但是使用现有技术中已知的方法无法避免过热和温度不均匀性。 温度几乎总是在产品外侧明显升高，而在产品内部的位置处通常存在明 显更低的温度。这尤其是涉及例如在包装时于HF场中加热的固体，以 及在HF加热管中的高粘性液体和悬浮液。因此，将现有技术的HF加热器的缺点总结如下- 不均匀地加热产品或管的横截面； 产生不均匀的HF场，由于产品中的较热的位置总是被更快地加热; 产品的一些位置处的温度损失，通常在外部上。
本发明的目的在于提供一种方法，利用该方法可以更均匀地加热产 品。尤其是利用该方法在产品中达到温度均匀分布，从而减小或避免温 度的不均匀性。发明内容在所建议的为了均匀加热产品的方法中，对该产品施加交变电磁场，优选HF场。在此，HF场是频率范围在约10kHz至约300 MHz之间的 电磁场，其中产品通过电介质加热进行加热。优选使用用于工业用途的 频率13.56 MHz、 27.12 MHz或40.68 MHz。但一般而言，其他频率也适 合于HF加热。该方法的特征在于，通过交变场比第二区域更强烈地进 行加热的产品的第一区域通过额外的用于热传递的手段和/或措施至少 在交变场中加热之前或期间被冷却，和/或第二区域通过额外的用于热传 递的手段和/或措施被加热。因此，在根据本发明的方法中对交变电场中产品的加热实施温度均 匀化，这是通过对流或热传导的额外针对性的热传递而实现的。温度均匀化是通过额外加热产品的较冷位置和/或通过额外冷却产 品的热位置而实现的。在本发明的一个特别有利的实施方案中，该过程 直接发生在交变场中，优选HF场，在下述实施例中示例性地作为参考。可以不同的方式额外地对产品进行加热和/或冷却。在根据本发明的方法的一个有利的实施方案中，在产品中或从产品 外侧或从包装外侧通过传递热量至合适的热载体内而消除加热器管中的 过热现象。该热载体例如可以是热油、水或类似物，它们直接绕产品环 流或者通过热交换器表面或者通过包装材料与产品分离。因此，产品或包装的产品或者加热器管可以在外部用水环流。这例 如可以通过使用双套管作为加热器管而实现，或者通过将包装的产品放 入水浴中或者用水流环流而实现。在此，与产品的最高目标温度相比， 水应当具有更低的温度或者最高与之相等的温度。由此确保热量从温度 过高的区域导出。通过减小该产品位置的电导率并实现温度均匀化而冷
却管壁或产品包装材料与产品之间的接触位置。在这些位置可以避免所 谓的热点和局部过热。除水以外，当然也可以使用其他适合作为热载体 的介质。在根据本发明的方法的另一个实施方案中，液态或汽态介质用于传递热量，这些介质在HF场中不被加热或仅被轻微加热。蒸馏水或去离 子水尤其适合作为在此意义上呈惰性的液体。这些水在HF场中几乎不 被加热。因此能够直接在HF场的范围内非常迅速地将热量从产品的热 区释放到具有高热容量的冷却介质内，而不是通过HF场本身加热冷却 介质。在本申请的一个特别有利的实施方案中，引导包装的产品通过含有 去离子水或蒸馏水的预定温度的水浴。因此，首先可以引导例如被加热 至90。C的包装的产品通过温度例如为4(TC的冷水浴。该措施能够将产品 的薄的区域及外部区域冷却至明显低于卯'C的值，同时在水浴中对该产 品施加交变电场，尤其是HF辐射。相反不冷却内部区域，从而在整体 上均匀加热直至卯X:的温度。在需要时可以在离开HF场之后将产品送 入温度为9(TC的水浴中。在此，将外部区域加热并保持在所期望的目标 温度。通过该过程虽然迅速加热，但是能够避免在产品中产生高于90。C 的温度。也能够利用热载体介质将热量引入较冷的区域内，例如加热器管的 中心，这通常可以是有利的。为此，例如可以将其中例如留过热水的热 交换器管引入加热器管的中心。该措施也能够实现产品中的温度分布均 匀化。将在HF场中被特别迅速地加热的材料如金属引入管或产品内部 是另一个合适的方法。因此可以针对性地在产品的中心产生热量。避免温度过高的另一种可能性在于，在加热含有液体部分的产品时， 减小系统压力至液体部分的沸点温度接近待加热产品的目标温度。若在 含水系统中例如施加200hPa (200mbar)的压力，则水的沸点温度降低 至6(TC。若要求产品温度值例如不超过6(TC，并且产品组成允许，则在 产品的热区内针对性地使产品的小体积蒸发。然后，蒸汽可以流至加热 器管内或包装材料内的更冷的产品位置，这与在热表面上的传统加热中 的蒸汽空穴现象是可比较的。在此，蒸汽直接在冷的产品位置上冷凝并 加热这些位置。通过迅速冷凝，避免了封装材料的破裂或加热器管中的 压力升高。通过该措施，将通过热传导和对流的热传递叠加在辐射加热 上，并实现温度均匀化。
具体实施方式
实施例用于液体悬浮液的加热器管通过HF加热器管输送100 kg包含草莓、糖和胶凝剂的水果配制品。 使用石英玻璃管作为加热器管，于其上在外部安装施加了 HF场的铝电 极。在第一测试中，泵送水果配制品通过HF场。由于产品粘度高及与 此相关的产品停留时间更长，与核心流相比，在石英玻璃管的内侧产生 30。K的过高温度。为了充分加热核心流中的产品，必须调节输送速率，从而在内部获 得70。C的温度。在此，管壁上达到高于IO(TC的温度，这严重损害水果 配制品的品质。在根据本发明方法实施的第二测试中，使用双套石英玻璃管。再次 在内管内部输送水果配制品。6(TC的蒸馏水流过外套。可以通过蒸馏水 从管壁释放过多热量，从而均匀加热管内部的产品至7(TC，而且外壁上 的产品部分不会变得更热。实现均匀的巴氏灭菌。实施例用于包装的食品的加热器在第一实施例中，加热器包括彼此相距40 cm的2个40 cm x 40 cm 的平行板电极。通过向电极施加频率为27.12 MHz的10 kV电压，在电 极之间的空气空间内产生高频场。在1000 ml的储存玻璃杯中填充裹着
糖衣的水果，并用螺旋盖密封。将储存玻璃杯放入高频场中，从2(TC加 热至90。C。水果混合物的加热速率低。此外，在玻璃杯底部和螺旋边缘的肩部 上获得高于IO(TC的提高的温度。在第二实施例中，用器壁和底部由电绝缘材料如硼硅酸盐玻璃制成 的长方体水盆填充电极之间的空间。水盆中装入7(TC的去离子水。电极 电压为10kV，频率为27.12 MHz。将如第一实施例中所述的相同设计且 具有相同填充物的储存玻璃杯放入水浴中，并在120秒内从2(TC加热至 90°C。加热速率比第一实施例中的加热器高约IOO倍。由于水浴的冷却 作用，玻璃杯底部和肩部的温度升高可以保持明显低于第一加热器实施 例。第二实施例中的方法适合于塑料薄膜袋中、塑料容器中和在塑料桶 中的产品。
权利要求
1、用于均匀加热产品的方法，其中在交变电磁场、尤其是HF场中加热该产品，通过该交变场比第二区域更强烈地加热该产品的第一区域，其特征在于，通过额外的用于热传递的手段和/或措施至少在该交变场中加热之前或期间冷却该第一区域，和/或通过额外的用于热传递的手段和/或措施加热该第二区域。
2、 根据权利要求1的方法，其特征在于，所述第一和/或第二区域 与作为所述用于热传递的手段的热载体相接触。
3、 根据权利要求2的方法，其特征在于，所述热载体是绕所述产品 环流的液态或气态介质。
4、 根据权利要求1的方法，其特征在于，所述第一和/或第二区域 与至少一个作为所述用于热传递的手段的其中流过热载体的热交换器相 接触。
5、 根据权利要求l的方法，其特征在于，在被设计为具有内部容积 和外部容积的双套管的加热器管中加热所述产品，将所述产品引入该内 部容积中，而热载体流过该外部容积。
6、 根据权利要求l的方法，其特征在于，在被设计为具有内部容积 和外部容积的双套管的加热器管中加热所述产品，将所述产品引入该外 部容积中，而热载体流过该内部容积。
7、 根据权利要求1至3之一的方法，其特征在于，所述产品是包装 的产品，将其引入作为所述用于热传递的手段的液态介质中。
8、 根据权利要求7的方法，其特征在于，所述液态介质是水浴。
9、 根据权利要求2至7之一的方法，其特征在于，使用不被所述交 变场加热或者至少比所述产品更难被加热的介质作为所述热载体。
10、 根据权利要求2至7之一的方法，其特征在于，使用比所述产 品更强烈地被所述交变场加热的介质作为所述热载体。
11、 根据权利要求2至10之一的方法，其特征在于，调节所述热载 体的温度。
12、 根据权利要求1的方法，其特征在于，在加热器管中加热所述 产品，该加热器管的轴上设置有一个或多个由固体材料制成的元件，比 该区域内的所述产品更强烈地在所述交变场中加热该材料。
13、 根据权利要求1至12之一的方法，其特征在于，在将含有液体 部分的产品，尤其是含水产品，加热至目标温度时调节压力，从而在该 压力下该液体部分的沸点温度接近该目标温度。
全文摘要
本发明涉及用于均匀加热产品的方法，其中在交变电磁场、尤其是HF场中加热该产品，通过该交变场比第二区域更强烈地加热该产品的第一区域。该方法的特征在于，通过额外的用于热传递的手段和/或措施至少在该交变场中加热之前或期间冷却该第一区域，和/或通过额外的用于热传递的手段和/或措施加热该第二区域。利用本发明方法在高频交变电磁场中加热时，实现食品、药物和/或化妆品中温度分布的均匀化。
文档编号H05B6/46GK101213874SQ200680017862
公开日2008年7月2日 申请日期2006年5月9日 优先权日2005年5月23日
发明者P·艾斯纳, T·普法伊费尔 申请人:弗劳恩霍弗应用技术研究院