专利名称：微波食品防烧焦装置及方法
背景技术：
本发明涉及食品包装材料领域，特别是涉及用于微波辐射的食品包装领域。在过去，这种装有食品的包装可能包括有一个接受器，以集中热能来加热或烹制包装袋内的食品。除了在某些特定情况下，可以降低或消除由接受器或折叠部分产生的集热外，这种包装通常无法防止食品被过分加热或过度烹制。一种典型的例子就是微波烤制爆米花，其通常在一个带有一接受器的纸袋中进行。已经发现，当爆米花爆开的时候，其往往由于持续暴露于微波辐射中很容易被烧焦。显然，现有技术中没有考虑到食品在微波辐射环境下暴露时间过长的问题。
本发明通过提供一种在一开始时可透过微波辐射(允许进行正常微波加热和烹制)的结构，从而克服了现有技术中存在的上述缺陷。当到达一预定的温度后，本发明的结构将发生形态变化或从其原始形态转变为一种微波防护(屏蔽)结构，从而防止食品被进一步加热或烹制(或烧焦)。
附图的简要说明
图1是本发明中使用的微波爆米花袋的透视图。
图2是本发明中所使用的结构在尚未受到微波能量辐射时的详细平面视图。
图3是图2所示结构经微波能量辐射并发生转变后的详细平面视图。
图4是图1中纸袋的一部分的侧向截面视图，示出了沿图1、图2中4-4线剖开的图2所示结构。
图5是和图4类似的一个侧向截面视图，但它示出了图3所示的结构。
图6为本发明中不同实施例在微波辐射前后的简化示意形态的复合视图。
图7是具有印刷在其上的导电材料的纸质包装层的透视图，其结构与图2、图4相类似。
图8是图7所示结构的一种替换实施例，它用粉末涂层材料替代了图7所示的印刷导电材料。
图9是图7、图8所示的结构的另一种替换实施，它使用了悬浮在绝缘溶剂中的导电材料颗粒。
图10所示是本发明的一种焊点实施例的复合视图，示出了一微电路在微波辐射前后的侧面和顶部截面视图。
图11是颗粒扩展的简化侧视图。
图12是颗粒聚结时的简化透视图。
图13是颗粒扩展和聚结效果的顶部平面视图。
图14是一复合粉末涂层的简化侧视图，示出了一由金属和助熔剂组成的复合材料在微波辐射前后的状态。
图15是图9所示实施例在微波辐射前后的透视图。
图16是图9所示实施例的透视图，显示了本发明的特定方面。
本发明的详细描述现在参考附图，特别是图1，可以看到一个可用于本发明中的以爆米花袋10形式呈现的微波-相容食品包装袋。袋10最好设计成一种层状结构，具有一内层12、外层14及中间层16。内层12及外层14分别最好由微波可透过材料例如纸或塑料制成。中间层16则以间断方式或弥散方式分布着微波反射材料，例如金属。这类分布或布置的一种形式可从图2的平面视图中看出，并可以从图4的侧向截面视图中更加详细地看出。除了本发明的结构外，袋或包装10也可以附加一个传统的接受器18。在不违背本发明宗旨和基本思路的情况下，可以理解，中间层16的这种结构也可以作为除中间层之外的其它应用。例如，前述中间层16的微波反射材料的分布也可以以层状结构的形式“偏心”布置，或者，如果需要，也可以作为一外层使用。
如图2和图4所示，在该实施例中，中间层16的间断分布式样最好是通过间隔开的金属元件20，22形成。元件20可以是印刷导电材料，例如多个以破折号形式形成的间隔开的金属段。类似地，元件22也可以是间隔开的导电段，它们之间以破折号段的形式隔开，但与破折号段20不相接触。可以理解，破折号段最好采用不受微波辐射影响以及不受本发明应用范围内的温度影响的材料制成，而点状元件22则被设计成将受这类微波辐射的影响，或特别是受辐射到食品或包装袋上的热效应的影响(或受两者的影响)。
本发明提供的结构在微波暴露的初始阶段可透过微波辐射；当经过预定的暴露后，则变为可反射微波能量，从而保护袋或包装中的物品不因持续施加微波能量而被过度加热或烧焦。
在图1-图5所示的实施例中，点状元件22在经过预定的微波暴露，并使其温度升高到某一预定熔化点时将会熔化，从而将与元件20相接触，并形成一个不间断分布式样，以屏蔽之后发生的微波辐射。这种后辐射(屏蔽)式样如图3和图5所示。事实上，一旦中间层16的温度超过某一预定值，点状元件22就会发生相变，并与相邻的元件20短路，从而形成图3、图5所示的不间断式样26。通过其它的实施例可以很明显地看到，这种式样既可以是规则的，也可以是不规则甚至随机的，只要它在开始时能够允许微波能量通过(最好是没有太大的阻碍)，然后在最后的屏蔽状态下，基本上能够阻挡(最好是反射)微波辐射。
当中间层转变为反射状态时，θ=δ2/hλ＜＜1 (1)以及同等条件σh＞＞3×1020Ω-1(2)这里，θ是微波相互作用参数，δ是电磁场在金属中间层26中的穿透深度，h是金属中间层26的厚度，λ是电磁能的波长，σ是金属中间层26的传导(导电)率。
为了保证中间层16的预-辐射尺寸不导致微波滤失，其尺寸应满足b＞＞4πωha/c其中，b是指相邻金属元件20,22之间的间距；ω是微波场的(弧度)频率；h、a是微波元件20、22的厚度及宽度，c是光速(3×1010厘米/秒)。已经证实，如果b＞＞1微米，那么在频率为2450MHz的情况下，中间层(在其初始状态)将不会产生任何明显的微波滤失。应该理解，元件20、22各自的长度应远小于该微波频率所对应的微波波长的1/4。这里，微波频率为2450MHz，波长为12.25厘米。
以密度n(单位面积)分布在平面上的一组半径为R的金属颗粒的反射和吸收系数(被反射和被吸收的能量分别与辐射能量的比值)为αref=nR2(R/λ)4K (4)(当R＜＜δ时，K=0.026；当R＞＞δ时，K=0.002)αabs=(nR23δ)/2λ R＞＞δ (5a)αabs=[(nR23δ)/2λ](2πRδ/λ2)R＜＜δ (5b)当R=0.1mm,δ=0.01mm,nR2=0.01时，αref～10-14,αabs～10-4。(此处符号～表示“在…数量级”或“在…范围)。此外，一由这种颗粒组成从而具有厚度h=nR3的片材将具有αref={1-θ/π,h＜＜δ时；1-δ/4πλ,h＞＞δ时}(6)αabs={θ/π,h＜＜δ时；δ/4πλ,h＞＞δ时}(7)如果αref设定为≈0.999999以及αabs设定为≈0.00001(相对好的反射器及相对差的接受器的状况)，那么对颗粒半径的限制则为R＞1微米(这里符号≈是指“大约为”)。
为防止发生颗粒间击穿，假定颗粒为椭圆形，每个颗粒的较长方向尺寸为a，较短方向(横向)尺寸为b。相邻颗粒之间的间距为d。在隔离的和紧邻的导电椭圆颗粒之间的场强度为E≌(a/b)2(1+b/d) (8)考虑到许多颗粒的介电强度约为Eds=107-108V/m，普通微波炉内的电场强度通常处在1KV/m的数量级上，不发生击穿现象的条件为max{(a/b),(a/d)}＜(Eds/E0)1/2=100(9)已经发现，当颗粒半径R远小于1毫米时，颗粒可以跟随包装温度即时变化，从而有效避免热聚集和随之而来的热力惰性所引起的时滞现象的发生。当然，在特定的环境下，也可能需要延长向屏蔽状态转换的时间，在这种情况下，颗粒尺寸也可以相应增加，以提供所需要的延迟。
现在参考图6，其中所反映的结构没有超越本发明的基本范畴，所示结构通过将彼此隔离的段连接起来的方式(例如经过一相变从形式16转变到形式26；或通过熔化离散颗粒30以得到一相连接的式样32，从而得到所希望的屏蔽效果；或将导电颗粒从彼此隔离的悬浮状态34沉淀成一沉淀状态36)，从而将其自身结构从一种微波可透过(非导电)状态转变为一种微波反射(屏蔽)状态。
图7、图8、图9是中间层16的几种不同实施例。图7中，一种带有非-微波活性颗粒40和焊料点42的印刷微电路38被固定在一纸基衬底或层44上。图8中，导电颗粒46(例如由金属材料制成)通过粉末涂敷的方式施加到一衬底44上。图9中，金属或其他导电颗粒46悬浮在一绝缘溶剂48中，该溶剂例如为树脂或遇热即散的挥发性材料。可以理解，图8和图9中的颗粒比图7中的颗粒40放大了许多。
图10所示是微电路38的一个非润湿型具体实施例。其中，侧向截面视图50、52分别沿B-B,D-D线截取，顶部截面视图54,56分别沿A-A,C-C线截取。需要注意的是，视图50、54是微电路在微波辐射前的状态，视图52、56是微电路在微波辐射后的状态。该实施例在保护层60(例如由塑料制成)和衬底64(例如由纸制成)之间采用了一种叶状焊料形式58。如图50、54所示，在受到微波辐射前，微电路元件64与焊料元件58相隔离。此时，元件64和58不会显著地阻碍微波透过由保护层60，微电路元件58、64和衬底62组成的复合包装袋。加热以后，焊料将由视图50、54所示形式转变成视图52、56所示形式。这时，由于焊料元件“松散”成结构66，从而形成了一个有效的微波屏蔽微电路。再成形的时间主要由焊料材料液化后相应于表面张力的粘性流动情况来确定。该再成形时间可以用下面的公式来估算τr≌ηR2/γh (10)这里，η表示粘度，γ是表面张力。(此处符号≌表示“约等于”，例如在忽略比例因子的情况下)。当R=0.1cm,h=0.01cm时，τr可以短至1秒钟。由于焊料倾向于形成一个球形，因此也必须注意防止刺透保护层或纸基衬底。假定接触角φ很小(非润湿表面时通常如此)，则焊料元件产生的压强p可估算为p≌(4γcoSφ)/h (11)从而得出p=104-105dyne/cm2，其远小于一张普通纸可以承受的最大强度(约为1010dyne/cm2)。
在使用微电路的实施例中，必须确保焊料点42在食品可能烧焦之前熔化。此外，金属元件40甚至也可以采用如图10那样由焊料形成的点状或其他结构。
在采用粉末涂敷以形成可转换的微波屏蔽层的情况下，应该考虑粉末颗粒的扩展和聚结过程。参见图11，一个初始半径为68R0的单个颗粒扩展后的长度达到70R，其中，扩展时间τs可用下面的公式来估算τs≌(υR/Δγ)(R/R0)3≌(10-3-10-5)(R/R0)3秒(12)其中，Δγ为润湿能(与表面能处于同一量级)。
类似地，聚结时间τc可用下面的公式估算τc≌ηR2/hγ≌(10-3-10-5)(R/h)秒 (13)这里，R为初始半径72,h为厚度74。
可以看出，扩展和聚结均只需远不到1秒的时间。图13的顶部平面视图概括描述了扩展和聚结的整个过程。开始时，纸基层76上通过粉末涂敷技术涂上离散的金属颗粒78。这些金属颗粒78经过扩展(标号80处所示)、聚结，并最后形成一个相对连续的金属板件82(此时，还可能仍然存在一些孔84)。不过，众所周知，只要每个孔的尺寸远小于实际微波场的波长，它们就不会对屏蔽造成负面影响。
除了对所有金属颗粒采用粉末涂敷技术外，可以理解，在本发明的范围内，还可以采用图14所示的复合粉末涂敷技术。该技术将金属颗粒86嵌入到有机助熔剂(如环氧树脂)中，以形成一种具有理想熔点的复合颗粒89，从而得到一种由位于衬底92上的接触金属颗粒形成的屏蔽结构90。在该实施例中，金属颗粒86可以保持原样，或者，也可能经过熔化以形成一种类似图13所示的相对连续的板件82。在这种利用粉末涂敷衬底层以充当微波屏蔽物的工艺中，可以采用半径为10毫米左右，熔点在40～316℃之间的锡粉。或者，也可以采用烧结金属粉末，以形成一导电(屏蔽)层。
图15、16示出了另一种方案。它将金属颗粒94弥散分布和悬浮在包含有溶剂的涂层96中。该涂层96在通常的储藏和室内温度下物理性质稳定，并且当温度升高到某一预定值之后能够挥发。金属颗粒在总体积中所占的初始体积份数最好不超过10％。随着溶剂的挥发，金属颗粒的体积份数上升，当金属颗粒彼此接触时，便在衬底上形成一微波屏蔽结构98。溶剂挥发时间τe主要由溶剂材料的特性和纸材的孔隙度决定τe=l0/[na3υα(1+lpna2)] (14)这里，n指饱和蒸汽的溶解度，υ指分子速率，a指分子半径，α指纸材的孔隙度，l0指溶剂层的厚度102,lp指覆盖纸(保护层)的厚度104。
本发明不局限于上述的全部细节，任何在不背离其宗旨或基本原理的情况下所做的修改和变动，均包括在本发明的范围内。
权利要求
1．一种用以防止食品在微波场中烧焦的装置，包括a)一个微波可穿透基底材料，以形成一大体上封闭的食品容器；b)一个位于基底材料上的能量活性材料，它具有ⅰ)一个初始结构，它允许微波能量传送到容器中，以加热容器内的食品；ⅱ)一个最终结构，其基本上可以阻挡微波能量进入容器中，以防止食品被烧焦，其中，该能量活性材料经在微波能量中的预定暴露后，将发生由初始结构向最终结构的转变。
2．如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述转变为能量活性材料的相变。
3．如权利要求1所述的装置，其特征在于，能量活性材料为一个带有初始时分散在其中的微波反射材料的承载体，所述转变作用在该承载体上，以使微波反射材料形成一个微波反射层。
4．如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括c)以间断式样分布且彼此间有间隙的微波反射元件；以及其中，能量活性材料包括位于以间断式样分布的微波反射元件之间的间隙中的元件，它们开始时相互隔开，并随着向最终结构的转变，这些位于间隙中的能量活性元件将微波反射材料分布式样中的中断部分连接起来，以使得该分布式样基本上不再间断，且该分布式样在最终结构中的尺寸基本上可以阻挡微波能量通过，以防止食品被烧焦。
5．如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述在微波能量中的预定暴露对应于一个预定的温度。
6．如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述能量活性材料直接对微波能量做出反应。
7．如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述能量活性材料经在微波能量中的预定暴露后，在达到一预定温度时做出反应。
8．一种防止食品在微波场中烧焦的装置，包括a)一个微波可穿透基底材料，以形成一大体上封闭的食品容器；b)一个位于基底材料上的热活性材料，它具有ⅰ)一个初始结构，允许微波能量传送到容器中，以加热容器内的食品；ⅱ)一个最终结构，基本上可以阻挡微波能量进入容器中，以防止食品被烧焦，其中，该热活性材料在达到一预定温度后，将发生由初始结构向最终结构的转变。
9．如权利要求8所述的装置，其特征在于，该热活性材料是金属。
10．如权利要求9所述的装置，其特征在于，该金属至少部分熔化，以形成所述的最终结构。
11．如权利要求8所述的装置，其特征在于，该热活性材料是一种含有金属颗粒的承载体。
12．如权利要求11所述的装置，其特征在于，该热活性材料是一种溶剂。
13．如权利要求12所述的装置；其特征在于，该金属颗粒沉淀，以形成最终结构。
14．如权利要求8所述的装置，其特征在于，该热活性材料还包括有金属颗粒，它们至少彼此接触，以形成最终结构。
15．如权利要求8所述的装置，其特征在于，该热活性材料是涂敷在基底材料上的粉末。
16．一种防止食品在微波场中烧焦的方法，包括如下步骤a)由微波可穿透材料形成一个基本上封闭的食品容器；b)在基底材料上形成一个能量活性材料层，其初始结构允许微波能量传送入容器中，以加热其中的食品；c)向该容器施加微波能，使得当能量活性层接受到预定的微波能量暴露后，将转变成一最终结构，其基本上可以阻挡微波能量进入容器，以防止其中的食品被烧焦。
17．如权利要求16所述的方法，其特征在于，能量活性层通过在基底层上印刷一个微电路的方式施加。
18．如权利要求17所述的方法，其特征在于，微电路包含有这样的元件，该元件对一升高后的温度作出反应，以完成该微电路，并形成一个微波屏蔽层。
19．如权利要求16所述的方法，其特征在于，能量活性层通过粉末涂层的方式施加到基底层上。
20．如权利要求19所述的方法，其特征在于，粉末涂层包含有弥散分布的微波反射颗粒，它们在初始结构中基本上不相接触，并在最终结构中互相连结，以形成一个微波屏蔽层。
21．如权利要求16所述的方法，其特征在于，能量活性层是一种含有分散在其中的不相接触的微波反射颗粒的溶剂。
22．如权利要求21所述的方法，其特征在于，溶剂在步骤C)中蒸发，以使微波反射颗粒沉淀出来，从而形成一个微波屏蔽层。
全文摘要
一种能够根据微波辐射从微波可透过状态转变到微波阻挡状态的微波容器(10)。该容器的壁部分含有多个分离的、不相接触的微波反射材料元件(20),和微波吸收材料(22)或热活性材料。开始时,微波反射材料元件(20)允许微波能量进入容器中,当吸收了预定量的微波能后,微波吸收材料(22)或热活性材料将作出反应,并将微波反射材料元件(20)聚结成一连续阵列或式样,从而阻挡微波能量进入容器(10)。
文档编号B65D81/34GK1288434SQ99802268
公开日2001年3月21日 申请日期1999年1月19日 优先权日1998年1月20日
发明者金永华, 维克托·卡尔波夫, 纪泓 申请人:通用纺织公司