WO2012019756A1

WO2012019756A1 - Verfahren zur gleichmässigen erhitzung von produkten durch ein hochfrequentes elektromagnetisches wechselfeld

Info

Publication number: WO2012019756A1
Application number: PCT/EP2011/003991
Authority: WO
Inventors: Thomas Pfeiffer; Peter Eisner
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2010-08-11
Filing date: 2011-08-09
Publication date: 2012-02-16
Anticipated expiration: 2013-02-11
Also published as: EP2604090A1; BR112013003132A2; US20130168386A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur gleichmäßigen Erhitzung von Produkten, bei dem die Produkte (8, 15) durch ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld erhitzt werden. Das Verfahren und die Vorrichtung zeichnen sich dadurch aus, dass das hochfrequente elektromagnetische Wechselfeld für die Erhitzung der Produkte (8, 15) mit einem Halbleitergenerator (4) erzeugt wird. Durch den Einsatz eines Halbleitergenerators (4) werden Temperaturschwankungen bei schwankender Last durch den Transport der Produkte (8, 15) durch das Erhitzungsvolumen (7, 17) reduziert, so dass sich eine gleichmäßigere Temperatur der Produkte (8, 15) bei der Erhitzung erzielen lässt.

Description

Verfahren zur gleichmäßigen Erhitzung von Produkten durch ein hochfrequentes elektromagnetisches

Wechselfeld

Technisches Anwendungsgebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur gleichmäßigen Erhitzung von Produkten, insbesondere von Lebensmittel-, Pharma- und/oder

Kosmetikprodukten, bei dem die Produkte durch ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld erhitzt werden .

Erhitzungsverfahren werden u.a. benötigt, um

Lebensmittel oder Pharmaprodukte zu entkeimen und damit haltbar zu machen. Beispiele sind die Pasteurisierung oder Sterilisierung von Lebensmitteln.

Stand der Technik

Bekannt sind Verfahren zur Erhitzung von flüssigen Produkten mittels Wärmetauschern. So wird z.B. Milch bei der Pasteurisierung in Platten- oder Rohrwärmetauschern erhitzt, eine definierte Zeit auf Pasteu- risierungstemperatur gehalten und anschließend wieder abgekühlt. Dieses Verfahren ist für flüssige Lebensmittel etabliert und seit Langem bewährt.

Konservendosen oder -gläser mit Gemüse, Früchten, Fertiggerichten, Eintöpfen oder mit ähnlichen Inhalten werden meist in Heißwasser- und Heißluftapparaten oder in Autoklaven erhitzt und damit haltbar gemacht. Beim Sterilisieren verpackter Produkte in Autoklaven wird unter Druck Dampf oder heißes Wasser bei Temperaturen von über 120 °C eingeleitet. Der Dampf überträgt die Energie an die Außenseite der Dosen. Von dort findet eine Erwärmung des Doseninneren fast ausschließlich über Wärmeleitung statt, so dass die Produkte erst nach 30 bis 60 Minuten die gewünschte Endtemperatur in der Mitte der Konserve erreicht haben. Vergleichbares gilt für die Erhitzung von Flüssigkeiten mit stückigen Anteilen, wie zum Beispiel von Fleischstückchen in Soßen oder von Früchten in

Fruchtzubereitungen oder Konfitüren. Diese Suspensionen müssen sehr lange auf Temperatur gehalten werden, bis im Kern der Feststoff-Stücke durch Wärmeleitung die gewünschte Temperatur erreicht wird.

In beiden Fällen kann durch die lange Erhitzung eine deutliche Verschlechterung des Geschmacks, des Vitamingehalts sowie der Konsistenz und Farbe der

Produkte auftreten. Konservierte Lebensmittel in Dosen haben aus diesem Grund oft eine minderwertige Verzehrqualität und weisen ausgeprägte Veränderungen im

Vergleich zum frischen Ausgangsprodukt z.B. zu den frischen Früchten auf.

Produkte, die zum Zwecke der Pasteurisierung, Sterilisierung oder aus anderen Gründen erwärmt werden müssen, sind unter anderem:

• Verpackte Lebensmittel, Pharmaprodukte und

Kosmetika als Flüssigkeit, Feststoff oder

Suspension in Verpackungen wie Gläsern, Dosen, Schalen, Folienbeuteln, Schläuchen, Wursthäuten, Därmen, und anderen;

• Niedrig- und hochviskose oder pastöse Flüssigkeiten und Pasten, Soßen, Cremes, Schäume und andere mehrphasige Systeme, die auch stückige

Anteile wie Fleischstücke, Fruchtstücke und andere enthalten können und die aufgrund der heterogenen Zusammensetzung und/oder Feststoff- und/oder

Gasgehalte in konventionellen Plattenwärme- tauschern oder Rohrwärmetauschern nicht oder nur sehr inhomogen erwärmt werden können;

• Stoffe, die an den überhitzten Wärmetauscherflächen zu Belagsbildung, Verkrustungen, und dergleichen führen; sowie

· Stoffe, die sehr temperaturempfindlich sind, wie z.B. Pharmaprodukte , Infusionslösungen,

medizinische Flüssignahrung oder andere Stoffe, die besonders gleichmäßig und schonend erwärmt werden müssen.

In der vorliegenden Patentanmeldung werden die genannten Stoffe und Stoffgemische als Produkte

bezeichnet . Ein Lösungsansatz zur Verkürzung der Aufheizzeit und damit zur Verbesserung der Qualität der

konservierten Produkte stellt die schnelle,

durchdringende Erhitzung mit elektromagnetischen

Wechselfeldern dar. Neben der Mikrowellenerwärmung, deren geringe Eindringtiefe von 5 bis 20 mm für eine gleichmäßige Erhitzung der genannten Produkte nicht ausreichend ist, bietet sich hierfür vor allem die Verwendung eines hochfrequenten Wechselfeldes (HF- Erhitzung) an. Übliche HF-Erhitzer bestehen aus zwei parallel angeordneten Elektroden, an die ein

elektrisches Wechselfeld mit einer Frequenz von beispielsweise 27,12 MHz und einer Spannung von 2 bis 10 kV angelegt wird. Diese Felder sind in der Lage, tief in elektrisch leitfähige feuchte Feststoffe und Suspensionen einzudringen und diese zu erwärmen. Im Idealfall können Stoffe vollkommen gleichmäßig erwärmt werden. Zur Erhitzung verpackter Produkte können die Verpackungen mittels einer geeigneten Transportvorrichtung durch den Raum zwischen den Elektroden transportiert werden, in dem die Produkte für einen ausreichenden Zeitraum den elektrischen Hochfrequenz- feidern ausgesetzt sind. Zur Erhitzung flüssiger bzw. fließfähiger Produkte im Durchlaufverfahren können diese durch ein Rohr aus einem elektrisch isolierenden Material gepumpt werden, das so mit Elektroden

ausgerüstet ist, dass die Produkte beim Durchlauf dem elektrischen Hochfrequenzfeld ausgesetzt sind.

Das Ziel der HF-Erhitzung ist eine schnelle und gleichmäßige und damit eine schonende Erwärmung von temperaturempfindlichen Stoffen, die einer konventionellen Erhitzung in Wärmetauschern nicht oder nur schlecht zugänglich sind. Eine HF-Erhitzung wird vielfach gewählt, um Produkte über den gesamten

Querschnitt gleichmäßig zu erwärmen z.B. mit dem Ziel der Pasteurisierung, Sterilisierung oder der

Zubereitung. Es zeigt sich aber, dass in HF-Erhitzern beim Betrieb mit den genannten Produkten teilweise deutliche Temperaturinhomogenitäten auftreten. Die Produkte werden inhomogen erhitzt, was den Vorteil der durchdringenden Erhitzung aufhebt und zu erheblichen ProduktSchädigungen führen kann.

So können z.B. bei verpackten Lebensmitteln besonders an den Rändern der Verpackungen, an der

Außenseite und an besonders dünnen Stellen der Produkte ausgeprägte Übertemperaturen auftreten. Es kann an diesen Stellen zu Überhitzungen und zu Schädigungen der Produkte kommen. Ähnliche Effekte sind auch bei der Erwärmung fließfähiger Produkte in rohrförmigen HF- Durchlauferhitzern zu beobachten. Durch das Rohr können zur Erhitzung hochviskose, pastöse Flüssigkeiten, Suspensionen oder stückige Güter (z.B. Wurstwaren) gefördert werden. Dabei können sich ebenfalls

Schädigungen durch starke Überhitzungen zeigen. An einigen Stellen im Rohr werden nur unzureichende

Temperaturen erreicht, trotz hoher Temperaturen an anderen Stellen. So sind in einzelnen Fällen entlang der Strömungsrichtung TemperaturInhomogenitäten

festzustellen. Dies ist besonders ausgeprägt bei pulsierenden Strömungen, deren inhomogene Strömungs- charakteristik vielfach durch Pulsation im Förderaggregat (z.B. in der Pumpe) hervorgerufen wird. Trotz der Versuche zur Vergleichmäßigung des elektrischen Feldes und der Energiedichte zwischen den Elektroden durch Anpassung der Elektrodengeometrie gelingt es mit den bekannten Verfahren nach Stand der Technik nicht, Überhitzungen und Temperaturinhomo- genitäten gänzlich zu vermeiden. Dies gilt im

Besonderen für verpackte Produkte, die im HF-Feld erwärmt werden und für hochviskose Flüssigkeiten und Suspensionen in HF-Erhitzerrohren. Die Erhitzung von Produkten in einem HF-Erhitzer führt zu einer schwankenden Belastung des Hochfrequenz- Generators. Diese tritt sowohl im Falle von Erhitzer- röhren durch die bereits erläuterte pulsierende

Strömung oder andere Effekte als auch in Fällen auf, in denen stückige Produkte, bspw. verpackte Lebensmittel, durch das vom HF-Erhitzer vorgegebene Erhitzungsvolumen transportiert werden. Unter dem Erhitzungsvolumen ist dabei der räumliche Bereich zwischen den Elektroden des HF-Erhitzers zu verstehen, in dem die Produkte durch die eingekoppelte HF-Strahlung erhitzt werden. Zu verschiedenen Zeitpunkten kann dabei eine unterschiedliche Anzahl an Lebensmittelverpackungen in dem

Erhitzungsvolumen vorhanden sein. Dies ergibt sich u. a. dann, wenn eine Verpackung in die Erhitzerstrecke bzw. das Erhitzungsvolumen einläuft oder aus dem

Erhitzungsvolumen ausläuft. Eine höhere Anzahl an

Verpackungen führt dabei zu einer höheren elektrischen Last für den Generator. Weitere LastSchwankungen treten auf, wenn sich die elektrischen Eigenschaften der

Produkte ändern, bspw. in Folge von Serienvariationen der Produkte . Zur Vermeidung dieser Problematik kann eine aktive

Regelung eingesetzt werden, die über Stellglieder den Leistungsfluss in die Last, d. h. im vorliegenden

Beispiel in die Lebensmittelverpackungen, auf einem vorgegebenen Wert halten. Die Regelung benötigt

allerdings eine gewisse Zeit für die messtechnische

Erfassung des Leistungsflusses und für die Einwirkung auf die Stellglieder, bis schließlich eine Regelreaktion erfolgen kann. Für die Speisung der HF-Erhitzer werden

Generatoren mit einem Impedanzanpassglied genutzt. Das Impedanzanpassglied für die elektrische Anpassung des Generators an die Last (Erhitzervolumen mit den enthaltenen Produkten) wird auch zur Regelung des Leistungsflusses eingesetzt. Dafür ist dieses Anpassglied, auch als Matchbox oder Anpassungsnetzwerk bezeichnet, mit elektromechanisch einstellbaren

Kapazitäten und Induktivitäten ausgerüstet.

Die Nachteile der bekannten Verfahren und

Vorrichtungen zur Erhitzung von Produkten durch ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld lassen sich daher wie folgt zusammenfassen:

• ungleichmäßige Erhitzung der verpackten Produkte entlang des Transports durch das HF-Feld;

• ungleichmäßige Erhitzung des ProduktStromes

entlang eines HF-Erhitzerrohrs durch Pulsation während des Förderns durch das HF-Feld.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, mit denen die obigen Nachteile der Erhitzung von

Produkten in HF-Feldern vermieden oder zumindest reduziert werden können.

Darstellung der Erfindung

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der

Vorrichtung nach Anspruch 1, 7 und 11 gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens und der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patent- ansprüche oder lassen sich der nachfolgenden

Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.

Im vorgeschlagenen Verfahren werden die Produkte einem HF-Feld ausgesetzt, das in einem HF-Leistungsgenerator erzeugt wird, der in Halbleitertechnik ausgeführt ist. Unter einem HF-Feld ist hierbei ein elektromagnetisches Feld im Frequenzbereich zwischen etwa 10kHz und etwa 300MHz zu verstehen, in dem die Produkte durch dielektrische Erwärmung erhitzt werden. Vorzugsweise werden die Frequenzen 13,56 MHz, 27,12 MHz oder 40,68 MHz verwendet, die für industrielle

Anwendungen freigegeben sind. Generell sind aber auch andere Frequenzen für eine HF-Erhitzung geeignet.

Die Erfinder haben herausgefunden, dass beim

Einsatz von HF-Leistungsgeneratoren, die mit Halbleitertechnik arbeiten (sog. Halbleitergeneratoren) überraschenderweise geringere Temperaturschwankungen von Produkt zu Produkt bzw. Verpackung zu Verpackung auftreten als bei den bisher eingesetzten Röhrengeneratoren. Dies gilt auch entsprechend für Strömungen in einem Erhitzerrohr. Auch ein Halbleitergenerator wird über ein

Impedanzanpassungsnetzwerk mit der Last verbunden, d. h. mit dem zwischen den Elektroden liegenden Erhitzungsvolumen mit den darin befindlichen Produkten bzw. dem darin befindlichen Medium verbunden. Das Impedanz- anpassungsnetzwerk ist vorzugsweise mit elektro- mechanisch verstellbaren Kapazitäten und Induktivitäten ausgerüstet . Vorzugsweise werden die Produkte beim vorgeschlagenen Verfahren kontinuierlich durch das

Erhitzungsvolumen transportiert. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens für verpackte Produkte erfolgt dieser Transport in einem flüssigen Medium, vorzugsweise einem Flüssigkeitskanal, der durch den HF- Erhitzer verläuft. Die Elektroden des HF-Erhitzers sind dabei vorzugsweise beidseitig des Flüssigkeitskanals angeordnet. Als Flüssigkeit kann beispielsweise Wasser eingesetzt werden. Die schwankende Last, die durch den Ein- und Austritt der einzelnen Produkte aus dem

Erhitzungsvolumen sowie durch eventuelle Änderung der ProduktZusammensetzung oder Produktanzahl im Erhitzungsvolumen erzeugt wird, wirkt sich überraschender- weise deutlich geringer auf die Temperaturen der

Produkte aus als bei Einsatz eines Röhrengenerators. Damit wird mit dem vorgeschlagenen Verfahren und der zugehörigen Vorrichtung eine gleichmäßigere Erhitzung der Produkte in einer Serie bei möglichst geringer thermischer Belastung und gleichzeitiger Sicherstellung der vollständigen Pasteurisierung bzw. Sterilisierung erreicht . Ein typischer Temperaturanstieg der Produkte beim Durchlauf durch das Erhitzungsvolumen erfolgt dabei von 25°C auf 90°C bei der Pasteurisierung und von 25°C auf 125°C bei der Sterilisierung.

In einer weiteren Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens sowie der zugehörigen Vorrichtung wird nicht das Anpassungsnetzwerk zur Erzielung einer möglichst konstanten Temperatur der Produkte geregelt, sondern der Halbleitergenerator selbst. Durch eine elektronische Ansteuerung bzw. Regelung des Halbleitergenerators kann ein Hoch- oder Herunterregeln des Leistungsflusses zu den Elektroden oder eine Änderung der Elektrodenspannung durchgeführt werden, was jeweils zu einer entsprechend schnellen thermischen Antwort im Erhitzungsvolumen führt.

Sowohl durch die direkte elektronische Regelung des Halbleitergenerators als auch durch die Regelung des Anpassungsnetzwerks ergeben sich zusätzliche

Möglichkeiten zur Vergleichmäßigung der Temperatur- Verteilung im Erhitzungsvolumen bzw. in den Produkten. Durch die schnelle thermische Antwort in den Produkten können mit entsprechenden Regelkreisen Temperaturinhomogenitäten weiter reduziert werden. Im Falle der Erwärmung von flüssigen Produkten in einem röhrförmigen HF-Erhitzer können Temperaturinhomogenitäten im Produkt entlang der Strömungsrichtung beispielsweise infolge regelmäßige oder unregelmäßige Pulsation der Strömung auftreten.

Für eine Leistungsregelung bietet sich in dieser Situation z.B. eine kontinuierliche Messung der

Strömungsgeschwindigkeit an. Bei exakter Kenntnis dieser Größe kann dabei die mittlere Verweilzeit des Produktes im elektrischen Feld ermittelt und über das Produkt aus Leistung des Feldes und der mittleren

Verweilzeit eine mittlere Energieaufnahme des Produktes und damit die Temperaturerhöhung errechnet werden.

Ändert sich nun die Strömungsgeschwindigkeit z.B. auf Grund von Pulsationseffekten, kann eine Kompensation durch Anpassung der Feldstärke durchgeführt werden. Die Stellgröße, die zur Regelung der Feldstärke zur

Verfügung steht, ist im Falle des HF-Erhitzers die Elektrodenspannung bzw. der Leistungsfluss vom HF- Generator zum HF-Erhitzer bzw. den Elektroden.

Alternativ kann die Einstellung des Leistungsflusses und der Elektrodenspannung wie bereits erwähnt auch über die Matchbox erfolgen, d.h. das elektrische

Anpassungsnetzwerk aus Kapazitäten und Induktivitäten, das die elektrische Impedanz des HF-Erhitzers, bspw. eines HF-Erhitzerrohres, mit der darin aufzuwärmenden Last, d.h. den darin geförderten Produkten, an die elektrische Impedanz des Generators anpasst.

Durch eine derartige Regelung kann die

Produkttemperatur in Strömungsrichtung zusätzlich vergleichmäßigt werden. Es sind weitere Messgrößen vorstellbar, wie die Temperatur oder die elektrische Leitfähigkeit der Produkte, die als Messgröße zur

Regelung des Leistungsflusses genutzt werden können.

Der Aufheizvorgang der Produkte und damit auch die Gleichmäßigkeit der Produkttemperatur am Ausgang des HF-Erhitzers unterliegt neben der Strömungsgeschwindigkeit einer Reihe von weiteren Einflussgrößen, die im realen Produktionsprozess oft erheblichen Schwankungen und Störungen unterworfen sind. Wichtige Größen sind:

+ die Produkteintrittstemperatur

+ die Wärmekapazität des Produkts

+ die elektrische Leitfähigkeit des Produktes

Auch Schwankungen dieser Einflussgrößen kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren bei Einsatz eines

Halbleitergenerators wirkungsvoll begegnet werden. Der Fachmann ist in der Lage, bei Kenntnis der Einfluss- großen einen effizienten und ausreichend schnellen Regelkreis zu gestalten.

Die Regelung lässt sich selbstverständlich auch auf Fälle anwenden, in denen stückige Produkte, bspw. verpackte Lebensmittel, durch das Erhitzungsvolumen transportiert werden.

Die vorgeschlagene Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens umfasst ein Erhitzungsvolumen mit beidseitig angeordneten Elektroden, mindestens einen Hochfrequenzgenerator, der über ein Anpassungsnetzwerk mit den Elektroden verbunden ist, und eine Transporteinrichtung zum Transport der Produkte durch das

Erhitzungsvolumen. Der Hochfrequenzgenerator ist bei der vorgeschlagenen Vorrichtung als Halbleitergenerator ausgebildet. Das Erhitzungsvolumen kann dabei in einer Ausgestaltung durch einen Flüssigkeitskanal oder einen Abschnitt eines Flüssigkeitskanals gebildet sein, durch den die Produkte mit der Transporteinrichtung

transportiert werden. Die Transporteinrichtung kann dabei durch ein Fließband oder eine ähnliche

Einrichtung zur Führung der Produkte durch das

Erhitzungsvolumen realisiert sein.

Das Erhitzungsvolumen kann in einer weiteren

Ausgestaltung auch durch einen Abschnitt eines

Erhitzerrohrs gebildet sein, durch den flüssige oder fließfähige Produkte gefördert werden. Die Transport - einrichtung kann hierbei bspw. durch eine Pumpe oder ein anderes Förderelement realisiert sein. Im Falle der Nutzung eines Erhitzerrohrs kann eine Verringerung der Temperaturinhomogenitäten im Rohrquer- schnitt auch durch eine alternative Ausgestaltung der Vorrichtung erreicht werden, bei der die Elektroden so geformt sind, dass sie zwischen ihren entlang der

Längsachse des Rohrs verlaufenden Rändern einen

geringeren gegenseitigen Elektrodenabstand aufweisen als zwischen ihren Zentren. Diese alternative Ausgestaltung lässt sich sowohl mit einem Röhrengenerator als auch mit einem Halbleitergenerator realisieren, wobei in Kombination mit einem Halbleitergenerator jedoch eine nochmals verbesserte Temperaturvergleichmäßigung erreicht wird.

In vorteilhaften Ausgestaltungen umfassen die oben beschriebenen Vorrichtungen auch eine Regelung des Anpassungsnetzwerkes zur Anpassung an veränderte Lasten und/oder eine elektronische Regelung der Ausgangsleistung des Halbleitergenerators, jeweils mit den entsprechenden Sensoren zur Aufnahme der für die

Regelung erforderlichen Messgrößen.

Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:

Figur 1 ein Beispiel für eine Vorrichtung zur

gleichmäßigen Erhitzung von Produkten gemäß der vorliegenden Erfindung;

Figur 2 einen Quer- und Längsschnitt durch einen

beispielhaften Flüssigkeitskanal mit Elektroden, durch den feste Produkte oder Verpackungen transportiert werden können, um sie gleichmäßig zu erwärmen; und

Figur 3 einen Querschnitt durch eine beispielhafte

Rohr- /Elektrodenanordnung eines HF-Erhitzers, bei der die Elektroden eine Oberflächenkontur zur Verbesserung der Feldstärkeverteilung im Rohrquerschnitt aufweisen.

Im folgenden Ausführungsbeispiel wird die Regel - fähigkeit der Kombination HF-Generator in Halbleitertechnik mit dazugehöriger Matchbox dazu

eingesetzt, eine HF-Erhitzer-Regelung aufzubauen, die Schwankungen der Einflussgrößen bereits am Eingang des HF-Erhitzerrohres erfasst und über eine Störgrößen- aufSchaltung bereits beginnt auszuregeln, bevor sie sich auf die Regelgröße Produktaustrittstemperatur merkbar ausgewirkt hat .

Figur 1 zeigt hierzu stark schematisiert ein

Beispiel für eine Ausgestaltung der vorgeschlagenen

Vorrichtung mit einem HF-Erhitzerrohr 1 für fließfähige Produkte, die durch das Rohr mit den beiden Elektroden 2 gefördert werden. Die Elektroden 2 sind über eine Matchbox 3 mit einem Halbleitergenerator 4 verbunden, durch den die Hochfrequenz erzeugt wird, die in das von den beiden Elektroden 2 begrenzte Erhitzungsvolumen 7 eingekoppelt wird. Das Produkt 8 wird mittels einer Pumpe durch das Erhitzerrohr 1 gepumpt und erwärmt sich beim Durchlaufen des Erhitzungsvolumens 7. Zur Regelung der Erhitzung werden in diesem Beispiel mehrere

Messgrößen aufgenommen. So umfasst die Vorrichtung in diesem Beispiel ein oder mehrere Sensoren 9 zur

Erfassung des ProduktStroms, ein oder mehrere Sensoren 10 zur Erfassung der Eintrittstemperatur, ein oder mehrere Sensoren 11 zur Erfassung der elektrischen Leitfähigkeit des Produktes, ein oder mehrere Sensoren 12 zur Erfassung der Elektrodenspannung sowie ein oder mehrere Sensoren 13 zur Erfassung der Austrittstemperatur. Die Messwerte des Produktstroms, der

Eintrittstemperatur, der elektrischen Leitfähigkeit sowie der Austrittstemperatur werden der Temperaturregelung 6 zugeführt, die mit der HF-Leistungsregelung 5 verbunden ist, die wiederum die Leistung des

Halbleitergenerators 4 entsprechend regelt .

Figur 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel des

Erhitzervolumens als flüssigkeitsgefüllter Kanal, durch den Stücke oder Verpackungen transportiert werden.

Teilabbildung a) zeigt dabei den Querschnitt und

Teilabbildung b) einen Längsschnitt durch den Kanal. Der Kanal ist mit zwei gegenüberliegenden Elektroden 2 ausgerüstet und einer Flüssigkeit 14, beispielsweise Wasser, gefüllt. Mit Hilfe einer Transportvorrichtung 16 werden Verpackungen oder Stücke 15 durch das

Erhitzervolumen 17 transportiert. Die Anzahl der gleichzeitig im Erhitzervolumen vorhandenen Packungen kann schwanken und damit die Belastung des Generators .

Der Einsatz von Halbleitergeneratoren zur

Erzeugung von HF-Wechselfeldern kann zur weitergehenden Vergleichmäßigung der Temperaturverteilung in den

Produkten mit einer Reihe von weiteren Maßnahmen kombiniert werden. So sind eine Verbesserung der

Aufheizgleichmäßigkeit und eine Verringerung der benötigten Elektrodenspannung durch effektive dielektrische Ankopplung der Elektroden an ein HF- Erhitzerrohr möglich.

Ein HF-Erhitzerrohr ist eine bekannte Ausführung des Hochfrequenzerhitzers. Dabei handelt sich um ein Rohr aus einem dielektrischen Material, das mit einem Hochfrequenzfeld beaufschlagt wird und durch das flüssige, pastöse Lebensmittel oder Lebensmittel, die aus Partikelsuspensionen bestehen, strömen und beim Durchströmen erwärmt werden. Für die Funktion einer solchen Anordnung sind die gute Kontrolle der elektrischen Feldstärke im Querschnitt des Erhitzerrohres und die effektive Einkopplung des HF-Feldes in das Rohr von großer Bedeutung. Sie erfordern eine dielektrisch gut kontrollierte Verbindung zwischen Elektroden und Rohr, das seinerseits aus einem Isolatormaterial besteht (Kunststoff, Glas, Keramik, Kombinationen) . Die Elektroden sind flächige, aus Metall ausgeführte

Gebilde, im einfachsten Fall Metallplatten, die

beidseitig des Erhitzerrohrs und parallel zu diesem angeordnet sind. Die Elektroden sind über geeignete Verbindungsleitungen mit der Matchbox zur Impedanz- anpassung und Leistungsregelung verbunden und diese ihrerseits mit dem Hochfrequenzgenerator als Spannungs- und Energiequelle. Durch die über den Generator

angelegte Elektrodenspannung entsteht im Raum zwischen den Elektroden ein starkes elektrisches Hochfrequenz- feld, das auch das Erhitzerrohr und das darin fließende Lebensmittel durchsetzt.

Bei Einsatz von HF-Erhitzerrohren zeigt sich, dass größere Luftstrecken (> 5% des Elektrodenabstands) zwischen Elektroden und Rohr dazu führen, dass ein erheblicher Teil der zur Verfügung stehenden Elek^¬ trodenspannung über der Luftstrecke ansteht und

folglich für die Strecke durch das zu erwärmende

Produkt nur noch ein geringer Anteil der Elektroden- Spannung übrig bleibt . Um unter diesen Umständen im

Produkt hohe elektrische Feldstärken und hohe Aufheiz- raten zu erzielen, muss mit sehr hohen Elektrodenspannungen gearbeitet werden, die wiederum aufwändige

Maßnahmen zur Verhinderung von elektrischen Über- schlagen zwischen den Elektroden und zwischen Elektroden und Apparateteilen erfordern.

Das Verringern der Luftstrecke durch Heranführen der Elektroden an die Rohrwand führt auf der anderen Seite aufgrund von mechanischen Toleranzen zu ungleichmäßigen Luftspalten (< 1% des Elektrodenabstands) , die bei Rohrkonstruktionen nur schlecht zu kontrollieren sind. Örtliche Variationen des Luftspalts zwischen 0 und 1 % der Elektrodenstrecke können zu erheblichen Variationen der elektrischen Feldstärke im Rohrinneren führen, die ihrerseits eine örtliche Variation des Leistungseintrags und Ungleichmäßigkeit der Erwärmung bewirken . Es zeigt sich, dass sowohl das Minimieren des

Abstands Elektroden Rohrwand bis zur direkten Berührung und damit auch das Minimieren der erforderlichen

Elektrodenspannung für eine gewünschte Feldstärke im Produkt als auch die gute Kontrolle der Feldverteilung im Rohr möglich sind, wenn mit einem formbaren oder fließfähigen dielektrischen Material der Spalt zwischen Elektroden und Rohr vollständig ausgefüllt und damit ein Luftspalt vermieden wird. Voraussetzung für die effektive Funktion einer derartigen Füllung ist, dass das Füllmaterial eine Permittivitätszahl deutlich größer als Luft hat und die dielektrischen Verluste des Materials sehr gering sind. Ferner muss das Material eine ausreichende thermische Stabilität gegenüber der am Erhitzerrohr herrschenden Temperaturen besitzen. Besonders vorteilhaft wird diese Füllung gleichzeitig eine feste Verbindung zwischen Elektronen und Erhitzerrohr schaffen, indem z.B. eine Masse verwendet wird, die zwischen Rohr und Elektrode vergossen wird und dort aushärtet .

Mögliche Ausgestaltungen vorgeschlagenen Füllung sind:

• Entionisiertes Wasser als Koppelmedium zwischen

Elektroden und Rohrwand. Das Wasser zeichnet sich durch eine hohe Permittivitätszahl aus und im

Falle des entionisierten Wassers gleichzeitig durch sehr geringe dielektrische Verluste im

Hochfrequenzbereich .

Eine elastisch oder fest aushärtende Vergussmasse, die den Zwischenraum zwischen Elektroden und

Rohrwand ausfüllt. Eine elastische Vergussmasse zeichnet sich dadurch aus, dass Temperaturgradienten in der Konstruktion aus Rohrmaterial, Vergussmasse und Elektrodenmaterial keine

mechanischen Spannungen aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnung entstehen lassen.

Eine elastisch oder fest aushärtende Vergussmasse, die gleichzeitig eine mechanisch stabile

Verbindung zwischen Elektroden und Rohrwand herstellt und damit zusätzliche Befestigungs- elemente für die Hochspannung führenden Elektroden überflüssig macht .

Praktisches Ausführungsbeispiel ist eine elas- tische Vergussmasse aus 2-Komponenten-Silikonkautschuk, die zusätzlich zur elektrischen Kopplung für die mechanische Verbindung zwischen Elektroden und Rohr sorgt . Neben der Ausgestaltung der Füllung zwischen

Rohrwand und Elektrodenoberfläche sind die Gestaltung und hier im Besonderen das Profil der Elektroden für eine gleichmäßige Erhitzung von großer Bedeutung. Die einfachste Elektrodenanordnung für rohrförmige

HF-Erhitzer für Lebensmittel sind zwei ebene Platten die beiderseits des Rohrs und parallel zu diesem angeordnet werden. Das elektrische Hochfrequenzfeld zwischen den Elektroden durchsetzt das Rohr und das darinnen fließende Lebensmittel und führt zu dessen Erwärmung. Werden die plattenförmigen Elektroden allerdings sehr nah am Rohr angebracht, um die für die schnelle Lebensmittelerwärmung benötigte Elektrodenspannung zu minimieren, so zeigt sich, dass die Feld- Verteilung und der Leistungseintrag im Rohrquerschnitt sehr inhomogen werden. Dies ist vor allem dann

ungünstig, wenn die ProduktStrömung im Rohr bei

hochviskosen Produkten laminar erfolgt und eine

Durchmischung der Strömung und damit ein konvektiver Temperaturausgleich nicht statt findet. Besonders hohe Feldstärken und Aufheizraten werden im Rohrquerschnitt auf der kürzesten Verbindungslinie von einer

Elektrodenfläche über den Rohrmittelpunkt zur anderen Elektrodenfläche (der Symmetrieachse der Anordnung, die senkrecht auf den Elektroden steht) erreicht.

Hierbei wurde erkannt, dass sich durch geeignete Verformung der Elektroden bzw. der dem Rohr zugewandten Elektrodenoberflächen die Verteilung der elektrischen Feldstärke im Rohrquerschnitt steuern und damit der Leistungseintrag ins Produkt im Rohrquerschnitt

beeinflussen lässt.

Insbesondere lässt sich durch eine Verringerung des Elektrodenabstands an den Rändern der Elektroden eine Vergleichmäßigung der Feldstärkeverteilung im Rohrquerschnitt erreichen. Figur 3 zeigt hierzu einen Querschnitt durch ein entsprechend ausgebildetes

Erhitzerrohr 1 mit der Rohrwandung 18. Die Elektroden 2 besitzen dann eine Oberflächenkontur, die auf der direkten Verbindungsachse 19 von Elektrode zu Elektrode den größten Abstand (Elektrodenabstand 20 in Figur 3) und an den Elektrodenrändern den geringsten Abstand hat (Elektrodenabstand 21 in Figur 3) . Der geringste mögliche Elektrodenabstand muss so gewählt werden, dass eine ausreichende elektrische Isolation für die

höchsten zu erwartenden Elektrodenspannungen bestehen bleibt.

Besonders vorteilhaft sind Anordnungen von Rohr und Elektroden, bei der die Elektrodenbreite 50 % bis 200 % des Rohraußendurchmessers, der Elektrodenabstand 20 100 % bis 120 % des Rohraußendurchmessers und der Elektrodenabstand 21 10 % bis 90 % des Rohraußendurchmessers beträgt. Die optimalen Abstände müssen darüber hinaus in Abhängigkeit von den geometrischen und dielektrischen Verhältnissen der Anordnung,

insbesondere von den dielektrischen Eigenschaften des Produktes im Rohr, dem Rohrdurchmesser, den

dielektrischen Eigenschaften des Rohrmaterials, der Rohrwandstärke, den dielektrischen Verhältnissen im Raum zwischen Elektrodenoberfläche und Rohrwand, z. B. dem Vorhandensein einer dielektrischen Füllmasse, der Elektrodenbreite und der Arbeitsfrequenz des HF- Erhitzers gewählt werden.

Figur 3 zeigt das Ausführungsbeispiel einer Rohr- Elektrodenanordnung, die gebaut und getestet wurde. Diese Kontur der Elektrodenoberfläche besitzt eine Breite von 146 % des Rohraußendurchmessers, der

Elektrodenabstand 20 beträgt 100 % und der Elektrodenabstand 21 37 % des Rohraußendurchmessers. Bei einem Produkt mit einer relativen Dielektrizitätszahl von 45, einem Verlustfaktor von 120, einem Rohrmaterial mit einer relativen Dielektrizitätszahl von 3,78, einem Rohraußendurchmesser von 48 mm, einer Rohrwandstärke von 4 mm, einer dielektrischen Füllmasse mit einer relativen Dielektrizitätszahl von 2,7, und einer

Arbeitsfrequenz von 27,12 MHz zeigte sich eine fast ideal gleichmäßige Feldstärkeverteilung und Aufheiz- gleichmäßigkeit im Rohrquerschnit .

Durch geeignete geometrische Anordnungen können auch Effekte ähnlich einem Brennglas in der Optik erzielt werden, so dass das Maximum der Energiedichte nahezu in jedes Volumenelement im Produkt gelegt werden kann, beispielsweise auf die Rohrachse. Die Herstellung der Elektrodenkonturen kann durch Formgießen, durch Ausfräsen aus einem Metallblock oder durch Biegen eines Bleches erfolgen. Die effiziente dielektrische Kopplung von Elektroden und Rohr erfolgt vorzugsweise durch eine dielektrische Füllmasse, wie oben beschrieben.

Ein weiterer Aspekt, der sich auf die Gleichmäßigkeit der Erwärmung auswirkt, ist die mittlere Leistungsdichte, d.h. die Höhe der zugeführten HF- Leistung bezogen auf das im HF-Feld exponierte

Produktvolumen, die in einem HF-Erhitzer für verpackte Produkte oder in einem HF-Rohr in das Produkt eingetragen wird. Dabei zeigt sich, dass bei niedrigen

Leistungsdichten unter 1 W/cm³ die Erwärmung des

Produktes unnötig langsam verläuft und entsprechend lange Erhitzerrohre mit höheren Wärmeverlusten, längerer Reaktionszeit bei Regelvorgängen und höherem Bedarf an Pumpendruck benötigt werden.

Bei sehr hohen Leistungsdichten (größer 50 W/cm³) steigt andererseits die Gefahr einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung durch Hot Spots, d.h. durch lokale Überhitzungen, was zu Schädigung der Produktqualität führen kann.

Eine gleichmäßige Erhitzung in einem HF- Erhitzerrohr wird aus diesem Grund vorteilhaft mit einer Leistungsdichte zwischen 1 W/cm³ und 50 W/cm³ erreicht, um Temperaturinhomogenitäten weitgehend auszuschließen und gleichzeitig die Erwärmung so schnell durchzuführen, dass die Produktqualität

geschont wird und das Erhitzerrohr kurz und kompakt dimensioniert werden kann. Besonders vorteilhaft erweisen sich Leistungsdichten im Bereich zwischen 4 und 20 W/cm³; dies entspricht Aufheizraten von 1 K/s bis 5 K/s in typischen Lebensmittelprodukten.

Bezugszeichenliste

1 HF-Erhitzerrohr

2 Elektroden

3 Matchbox

4 Halbleitergenerator

5 HF-Leistungsregelung

6 Temperaturregelung

7 Erhitzungsvolumen

8 Produkt

9 Sensor für Produktstrom

10 Sensor für Einsatztemperatur

11 Sensor für elektrische Leitfähigkeit

12 Sensor für Erfassung der Elektrodenspannung

13 Sensor für Erfassung der Austrittstemperatur

14 Flüssigkeit

15 Produkte/Stücke

16 Transporteinrichtung

17 Erhitzungsvo1umen

18 Rohrwand des Erhitzerrohrs

19 Symmetrieachse senkrecht zu den Elektroden

20 Elektrodenabstand

21 E1ektrodenabstand

Claims

Patentansprüche

Verfahren zur gleichmäßigen Erhitzung von

Produkten, bei dem die Produkte (8, 15) durch ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld erhitzt werden,

dadurch gekennzeichnet,

dass das hochfrequente elektromagnetische

Wechselfeld für die Erhitzung der Produkte (8, 15) mit einem Halbleitergenerator (4) erzeugt wird.

Verfahren nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Produkte (8, 15) kontinuierlich durch ein Erhitzungsvolumen (7, 17) transportiert werden, in dem sie dem hochfrequenten elektromagnetischen Wechselfeld ausgesetzt sind.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 ,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Produkte (8, 15) in einem Flüssigkeits- kanal durch das hochfrequente elektromagnetische Wechselfeld transportiert werden.

Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Produkte (8, 15) in einem Rohr (1) aus elektrisch isolierendem Material fließen und in dem Rohr (1) durch das elektrische Wechselfeld transportiert werden. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet,

dass das hochfrequente elektromagnetische Wechsel- feld über Elektroden (2) in das Erhitzungsvolumen (7, 17) eingekoppelt wird, die beidseitig des Erhitzungsvolumens (7, 17) angeordnet sind.

Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet,

dass das hochfrequente elektromagnetische Wechsel - feld über ein elektromechanisch verstellbares Anpassungsnetzwerk (3) zur Impedanzanpassung in das Erhitzungsvolumen (7, 17) eingekoppelt wird, das über eine aktive Regelung (5, 6) in

Abhängigkeit von der momentanen Last geregelt wird .

Vorrichtung zur gleichmäßigen Erhitzung von

Produkten durch ein hochfrequentes

elektromagnetisches Wechselfeld, die

- ein Erhitzungsvolumen (7, 17) mit beidseitig angeordneten Elektroden (2) ,

- mindestens einen Hochfrequenzgenerator,

der über ein Anpassungsnetzwerk (3) mit den

Elektroden (2) verbunden ist, und

- eine Transporteinrichtung (16) zum Transport der Produkte (8, 15) durch das Erhitzungsvolumen (7, 17) aufweist,

wobei der Hochfrequenzgenerator ein Halbleitergenerator (4) ist. Vorrichtung nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Erhitzungsvolumen (7, 17) durch einen Flüssigkeitskanal oder einen Abschnitt eines

Flüssigkeitskanals gebildet wird.

Vorrichtung nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet,

dass das Erhitzungsvolumen (7, 17) durch ein Rohr (1) oder einen Abschnitt eines Rohres (1) aus elektrisch isolierendem Material gebildet wird.

Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet ,

dass das Anpassungsnetzwerk (3) zur Anpassung an eine veränderte Last elektromechanisch verstellbar ausgebildet und mit einer aktiven Regelung (5, 6) verbunden ist, die das Anpassungsnetzwerk (3) in Abhängigkeit von der momentanen Last regelt .

Vorrichtung zur gleichmäßigen Erhitzung von

Produkten durch ein hochfrequentes elektromagnetisches Wechselfeld, insbesondere nach

Patentanspruch 7, die

- ein Erhitzungsvolumen (7, 17) mit beidseitig angeordneten Elektroden (2) ,

- mindestens einen Hochfrequenzgenerator,

der über ein Anpassungsnetzwerk (3) mit den

Elektroden (2) verbunden ist, und

- wobei das Erhitzungsvolumen (7, 17) durch ein Rohr (1) oder einen Abschnitt eines Rohrs (1) aus elektrisch isolierendem Material gebildet wird, dadurch gekennzeichnet,

dass die Elektroden (2) so geformt sind, dass sie zwischen ihren entlang einer Längsachse des Rohrs

(1) verlaufenden Rändern einen geringeren gegen^¬ seitigen Elektrodenabstand (21) aufweisen als zwischen ihren Zentren.

Vorrichtung nach Anspruch 11,

dadurch gekennzeichnet ,

dass die Elektroden (2) eine entlang der Längsachse des Rohrs (1) bemessene Elektrodenbreite aufweisen, die 50 % bis 200 % eines Außendurchmessers des Rohrs (1) beträgt, und so geformt sind, dass der Elektrodenabstand (21) zwischen ihren Rändern 10 % bis 90 % eines Außendurchmessers des Rohrs (1) und der Elektrodenabstand (20) zwischen ihren Zentren 100 % bis 120 % des Außendurchmessers des Rohrs (1) betragen.

Vorrichtung nach Anspruch 11 oder 12,

dadurch gekennzeichnet,

dass die Elektroden (2) so über ein formbares ode fließfähiges dielektrisches Füllmaterial mit dem Rohr (1) verbunden sind, dass kein Luftspalt zwischen Elektroden (2) und Rohr (1) auftritt.