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EP0296653A1 - Four à micro-ondes muni d'un capteur de décongélation - Google Patents

Four à micro-ondes muni d'un capteur de décongélation Download PDF

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Publication number
EP0296653A1
EP0296653A1 EP88201087A EP88201087A EP0296653A1 EP 0296653 A1 EP0296653 A1 EP 0296653A1 EP 88201087 A EP88201087 A EP 88201087A EP 88201087 A EP88201087 A EP 88201087A EP 0296653 A1 EP0296653 A1 EP 0296653A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
sensor
microwave oven
microwave
temperature
oven according
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
EP88201087A
Other languages
German (de)
English (en)
Other versions
EP0296653B1 (fr
Inventor
Michel Société Civile S.P.I.D. Steers
Jean-Pierre Société Civile S.P.I.D. Hazan
Gilles Société Civile S.P.I.D. Delmas
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Whirlpool France SAS
Whirlpool Europe BV
Original Assignee
Whirlpool France SAS
Laboratoires dElectronique et de Physique Appliquee
Whirlpool Europe BV
Philips Gloeilampenfabrieken NV
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from FR8707684A external-priority patent/FR2616211B1/fr
Priority claimed from FR8714441A external-priority patent/FR2621985B1/fr
Application filed by Whirlpool France SAS, Laboratoires dElectronique et de Physique Appliquee, Whirlpool Europe BV, Philips Gloeilampenfabrieken NV filed Critical Whirlpool France SAS
Publication of EP0296653A1 publication Critical patent/EP0296653A1/fr
Application granted granted Critical
Publication of EP0296653B1 publication Critical patent/EP0296653B1/fr
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/64—Heating using microwaves
    • H05B6/66—Circuits
    • H05B6/666—Safety circuits

Definitions

  • the invention relates to a microwave oven comprising a microwave source and a sensor placed in the oven near a product to be treated, the sensor comprising a substance which absorbs microwave energy, the absorption of microwave energy by the sensor and by the product causing their temperature rise, the temperature of the sensor being measured by a measuring device.
  • Microwave ovens are now widely used to defrost and reheat food previously placed in a freezer. This defrosting is generally carried out by an empirical method: the user determines an approximate weight of the food to be defrosted and deduces therefrom an approximate time too during which his microwave oven must operate. It follows a more or less complete thawing, even a beginning of cooking.
  • water essential constituent of most foods, absorbs microwaves very differently, 2 45 GHz depending on whether its temperature is lower or higher than 0 ° C. Below 0 ° C the ice is very substantially transparent to microwaves, on the other hand for a temperature above 0 ° C water very strongly absorbs microwaves.
  • Document FR 2 571 830 describes a microwave oven provided with a standard load placed in the oven next to the food to be treated.
  • the standard load absorbs microwave energy according to a distribution taking place as a function of the loads constituted by the standard load and the load of the food to be treated.
  • the solution to this technical problem consists in that the sensor has means which make it possible to control its thermal exchanges with the ambient medium so that it can operate during several successive thawing treatments with, with each treatment, a detection sensitivity. end of thawing which is optimal and substantially constant.
  • the substance is isolated from the ambient medium by a thermal insulator transparent to microwaves in order to reduce the heat exchanges and to cause the temperature reached by the substance at the end of thawing to show substantially constant increases during several successive thawing treatments.
  • dT P.dt / mc
  • dT the temperature variation during the time difference dt for a mass m of a specific heat body c.
  • P is the microwave power available in the oven.
  • thermodynamic characteristics of a first charge are known, its temperature variation will be dependent on the presence and the thermodynamic state of the other charge.
  • the first load must have determined and stable thermodynamic parameters. It constitutes the sensor.
  • the substance of the defrosting sensor must have losses greater than the dielectric losses of the ice.
  • the substance can be a liquid such as water, oil or a solid solid or deposited on a support transparent to microwaves.
  • the support material can be chosen from the following materials: glass ceramic, alumina, glass.
  • the senor can on the contrary quickly resume its resting temperature when the temperature raising phase has been stopped in order to authorize its rapid reuse.
  • the sensor has a large heat exchange surface with the ambient medium and a low thickness in order to increase the heat exchanges and provide the sensor with low thermal inertia so that it quickly regains its initial characteristics after each thawing treatment.
  • the sensor may have a crenellated shape.
  • the temperature rise of the sensor will depend on the state of the product to be thawed. In particular if the product which by its nature contains a lot of water leaves the freezer at a temperature of around -20 ° C, it will only very slightly absorb microwaves. Therefore all the power available in the microwave will be used to raise the temperature of the sensor. As soon as the thawing process of the product is started, it will absorb more and more microwave power and consequently the temperature rise of the sensor will be slower. The slope of the temperature rise curve of the sensor as a function of time will therefore constantly decrease until all the ice present in the product to be thawed is completely transformed into water. Subsequently, in accordance with the calorimetric law of temperature rise in a microwave oven as a function of time, the temperature rise of the product will be a substantially linear function of time if the thermodynamic characteristics of the product do not vary.
  • the temperature variation measuring device delivers an electrical signal, the variations as a function of time are determined by a calculation and control device.
  • the detection sensitivity is practically constant when several thawing operations are carried out successively.
  • These variations are processed by the calculation and control device which compares said variations as a function of time at successive instants and intervenes to control the operating cycle of the microwave source when two successive values of said variations are sensed. so much equal.
  • the presence of the sensor eliminates the need for the oven energy change switch. It suffices to operate the oven at the start with a low repetition rate of waves and then measure the slope of the temperature rise curve of the sensor as a function of time. If this slope is decreasing the product present in the oven is frozen. If this slope is low the oven can automatically increase its microwave emission cycle because the product present in the oven is already thawed and is therefore only to be reheated.
  • the criterion for stopping the defrosting function must take into account the fact that if the product to be defrosted is essentially composed of ice, the slope of the curve of the variations of the temperature of the sensor as a function of time may be constant and therefore resemble that of an already thawed product. The distinction is then made by the value of this slope: - if it is substantially equal to that of the sensor alone, the product present in the oven is frozen, - if it is significantly lower the product in the oven is therefore thawed.
  • Figure 1a shows the variations in time temperature 10 of a sensor formed by a mass m1 of 100 grams of water and the temperature variations 11 of a product formed by a mass m2 of water both placed in a microwave oven, to temperatures above ambient temperature and this for a determined period, as a function of the mass m2.
  • the mass m2 increases the temperature rise of the two masses decreases.
  • the mass m1 of the sensor undergoes a rise in temperature greater than that undergone by the higher mass m2.
  • FIG. 1b represents the variations in temperature 12 of a mass of m1 + m2 grams of water.
  • the curve 13 is formed of the points obtained by calculating from equation 1 the elevation that a mass of m1 + m2 grams of water would undergo. We see that the two curves overlap. This makes it possible to demonstrate that the microwave energy dissipated in thermal form is distributed in the two loads to raise their temperature in a manner inversely proportional to their mass and their specific heat. The rise in temperature of the sensor will therefore make it possible to follow the rise in temperature of the product located nearby and in particular to follow the thawing steps.
  • FIG. 2a indicates the variations in temperature 21 as a function of time of a sensor formed of water during the thawing of a mass of 200 grams of ice.
  • the slope of the curve 21 is represented by the curve 22. It can be seen that at the start this slope has a high value which decreases first slowly then finally quickly enough to stabilize. This stabilization will be taken to decide on the end of defrosting and used by the calculation and control device.
  • the second derivative 25 presented here in the form of line segments, begins by increasing and then decreasing, in absolute value, during the thawing step. When this is finished, the second derivative has a low value. When this value becomes less than a value predetermined, the calculation and control device can intervene to position the oven for a new operation: cooking, slow reheating, off, etc.
  • Figure 2b shows a curve similar to that of Figure 2a.
  • the first and second derivatives are determined with a finer calculation step.
  • Curve 1 represents the temperature variation of the sensor.
  • Curve 2 represents the first derivative of curve 1.
  • Curve 3 represents the second derivative of curve 1. The zeros of the scales for curves 2 and 3 are indicated on the right.
  • FIGS. 3a, 3b and 3c represent three nonlimiting examples of embodiment of defrosting sensors 30.
  • FIG. 3a represents a substance 31 which can absorb microwaves, the substance being in contact with a member 32 for measuring its temperature.
  • a member 32 for measuring its temperature.
  • This can be formed by a thermocouple, a thermistor or any other temperature measuring element. It is connected to the outside by the connections 33.
  • the substance 31 can be liquid or solid. It is placed in a housing 34 or a container which thermally isolates it from the surrounding medium.
  • the liquid substance can be water, oil or any other liquid having sufficient dielectric losses to ensure usable heating of the sensor.
  • the solid substance can be a ferrite, a solid partially containing metal ions or any other solid having sufficient losses to ensure usable heating of the sensor.
  • the substance 31 is fixed to a substrate 35 which absorbs little or no microwave.
  • the substrate 35 and the substance 31 are thermally insulated by the insulator 34.
  • the latter can also constitute the housing.
  • substance 31 is deposited by screen printing. It can consist of an ink, for example a resistive ink intended for the production of circuits in thick layers.
  • the substrate is for example a glass-ceramic plate.
  • the thermal insulator 34 is chosen from the following substances: polystyrene, polyimide, epoxy, silicone, formaldehyde, polyisopropene, epoxy resin, or any thermally insulating plastic material which is transparent to microwaves.
  • the member for measuring temperature variations can be constituted by a shielded probe of a type known in the field of microwave ovens, the connections 33 of which are shown in FIG. 3b.
  • Resistive inks have almost a coefficient of variation with temperature sufficient to be used as a measuring device.
  • the sensor shown in Figure 3b is then very compact.
  • the connections 33 must be shielded in the part subjected to microwave energy. Inside the case 34 they can be formed using an ink with higher resistance than for substance 31.
  • the ink deposited makes it possible to produce an electrical resistance which varies with the temperature and thus constitutes at the same time the measuring member determining the temperature variations and the microwave absorbing medium.
  • FIG. 3c is shown a crenellated shape intended to increase the surface exposed by the substance 31 to its immediate environment. This applies to the solid substance or the liquid substance but via a good thermal conductor housing. The increased surface area allows rapid cooling of the substance when the microwave heating operation has been completed and the sensor 30 is to be reused quickly.
  • a different shape can be chosen to provide an exposure surface high.
  • FIG. 4a represents the temperature variations for an isolated sensor 61 and for a non-isolated sensor 62 during several successive thawing operations.
  • the first defrosting operation is carried out between times 0 and t3 and the second between times t4 and t5.
  • the first operation comprises several stages which are represented in FIG. 4a by line segments in order to facilitate their highlighting in FIG. 4a.
  • the curve represented by the segments 63, 64, 65, 66 corresponds to a thermally insulated sensor.
  • the corresponding curve is represented by the segments 63a, 64a, 65a, 66a corresponding to the same steps.
  • segment 66a indicates that the temperature of the sensor decreases when the defrosting step proper is completed.
  • the maximum temperatures reached appear at points A1 and B1 respectively.
  • the maximum temperatures reached appear in A2 and B2 respectively for the isolated sensor and the non-isolated sensor.
  • the temperature corresponding to point B2 is lower than that corresponding to point A2.
  • a first substantially rectilinear curve A represents the variations corresponding to the type A points of FIG. 4a.
  • the second curve B represents the variations for the type B points.
  • the curve B corresponds to a poorly isolated sensor.
  • This curve B has a curvature which indicates that the detection sensitivity will decrease when several successive thawing operations n are carried out.
  • Curve A corresponds to an isolated sensor and the asymptotic mechanism does not appear for a not too high number of thawing operations.
  • the sensitivity of detection of temperature variations, during thawing of the product is thus increased when the sensor is isolated for a reasonable number of successive thawing operations. This detection sensitivity thus remains substantially constant after several successive thawing operations.
  • FIG. 5a represents a microwave oven 40 provided with a defrosting sensor 30 according to the invention. It is placed next to the product to be defrosted 41.
  • a microwave source 42 emits microwaves which are picked up by the product 41 and the sensor 30.
  • the temperature measurement carried out on the sensor 30 is transmitted to a calculation device and control 43 which acts on the microwave source to modify its operation.
  • FIG. 5b shows another microwave oven in which the defrosting sensor 30 is separated from the temperature measurement member 32.
  • This consists of an infrared light radiation detector of the pyroelectric type. It thus remotely determines the temperature of the sensor 30.
  • the measurement is itself transmitted to the calculation and control device 43 which acts on the microwave source 42.
  • Figure 6 shows an electrical diagram for the implementation of the control of the operation of the microwave source from the measurements made by the sensor.
  • the electrical signals from the sensor 30 enter the calculation and control device 43.
  • it is formed by an A / D converter 51 connected to a microprocessor 52 which has a memory 53 and an operating clock 54.
  • the microprocessor 52 will carry out the determinations of slope variations of the electrical signal received and store the values in the memory 53.
  • the value at the instant t is compared with that determined at the instant t-1, and when the two successive values are substantially equal, the microprocessor intervenes on the supply 55 of the magnetron 56 which constitutes the microwave source.
  • An alarm 57 can warn of the progress of operations.
  • the operating mechanism is as follows.
  • the temperature of the sensor is converted into an electrical signal which is transformed into a digital signal via an analog-digital converter.
  • This signal is subsequently memorized by a RAM memory and processed by the microprocessor.
  • the processing consists, in the case of defrosting, of measuring the temperature at fixed time intervals and of comparing the different measurements with one another in order to determine a slope of the temperature rise curve of the sensor as a function of time and then in determining the evolution of said slope. For example, during a complete defrost, a measurement point can be taken every two seconds, and a measurement of the slope of the temperature rise can be made every 100 points by a method such as least squares method.
  • Such a measurement shows a variation in slope as a function of time, the characteristics of which can be as follows in the case of a body containing a lot of water. - At first, the load is frozen. The temperature rise of the sensor is rapid and follows a curve which would be that if the sensor were alone. In these conditions the slope measured by the method of least squares is substantially a straight line substantially parallel to the time axis. - Then the load begins to thaw. The temperature rise of the sensor is slower. The curve of the slope as a function of time then has a negative derivative.
  • the microwave oven is again ready for other defrosting operations with the same sensitivity for detecting temperature variations.

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Abstract

Four à micro-ondes comprenant une source micro-­onde et un capteur placé dans le four à proximité d'un produit à traiter, le capteur comprenant une substance qui absorbe l'énergie micro-ondes, l'absorption de l'énergie micro-onde par le capteur et par le produit provoquant leur élévation de température.Selon l'invention, les échanges thermiques du capteur avec le milieu ambiant peuvent être soit réduits soit augmentés afin qu'au cours de plusieurs traitements successifs de décongélation, le capteur ait une sensibilité de détection de la fin de décongélation qui soit, à chaque traitement, optimale et sensiblement constante.

Description

  • L'invention concerne un four à micro-ondes compre­nant une source micro-onde et un capteur placé dans le four à proximité d'un produit à traiter, le capteur comprenant une substance qui absorbe l'énergie micro-ondes, l'absorption de l'énergie micro-onde par le capteur et par le produit provo­quant leur élévation de température, la température du capteur étant mesurée par un organe de mesure.
  • Les fours à micro-ondes sont maintenant couramment employés pour décongeler et réchauffer des aliments préalable­ment placés dans un congélateur. Cette décongélation s'effec­tue généralement par une méthode empirique : l'utilisateur dé­termine un poids approximatif de l'aliment à décongeler et en déduit un temps lui aussi approximatif pendant lequel doit fonctionner son four à micro-ondes. Il s'ensuit une décongé­lation plus ou moins complète, voire un commencement de cuis­son.D'autre part il est connu dans la littérature que l'eau, constituant essentiel de la plupart des aliments, absorbe très différemment les micro-ondes vers 2,45 GHz selon que sa tempé­rature est inférieure ou supérieure à 0°C. En dessous de 0°C la glace est très sensiblement transparente aux micro-ondes, par contre pour une température supérieure à 0°C l'eau absorbe très fortement les micro-ondes. Ce phénomène est dû aux varia­tions de pertes diélectriques de l'eau en fonction de la tem­pérature. Le document FR 2 571 830 décrit un four à micro-on­des muni d'une charge-étalon placée dans le four à côté des aliments à traiter. La charge-étalon absorbe l'énergie micro-­onde selon une répartition s'effectuant en fonction des char­ges constituées par la charge-étalon et la charge des aliments à traiter.
  • Il est ainsi possible, à partir de l'échauffe ment de la charge-étalon, de connaître la quantité d'aliments se trouvant dans le four et de déterminer automatiquement le temps de cuisson.
  • Mais dans ce document rien n'est révélé sur une structure de capteur permettant d'effectuer des utilisations successives du capteur avec une sensibilité de détection sa­tisfaisante et sensiblement constante.
  • La solution de ce problème technique consiste en ce que le capteur possède des moyens qui permettent de contrô­ler ses échanges thermiques avec le milieu ambiant afin qu'il puisse opérer au cours de plusieurs traitements de décongéla­tion successifs avec, à chaque traitement, une sensibilité de détection de fin de décongélation qui soit optimale et sensi­blement constante.
  • Selon un premier mode de réalisation la substance est isolée du milieu ambiant par un isolant thermique transpa­rent aux micro-ondes afin de réduire les échanges thermiques et de faire que la température atteinte par la substance en fin de décongélation présente des accroîssements sensiblement constants au cours de plusieurs traitements de décongélation successives.
  • Dans un four à micro-ondes l'élévation de tempé­rature d'une charge en fonction du temps suit une loi du type calorimétrique :
        dT = P.dt/mc
    où dT est la variation de température pendant l'écart de temps dt pour une masse m d'un corps de chaleur spécifique c.
    P est la puissance micro-onde disponible dans le four.
  • Il a été vérifié expérimentalement par la demande­resse que cette loi se vérifie lorsque cette masse est séparée en deux masses m₁ et m₂ tel que m = m₁+m₂.
  • La loi devient alors :
    (1)      m₁dT₁ + m₂dT₂ = mdT
    dT₁ et dT₂ sont alors respectivement les élévations de tempé­rature des deux masses m₁ et m₂ et dT serait l'élévation de température de la masse m si elle avait été soumise aux micro-­ondes dans le four dans les mêmes conditions que les masses m₁ et m₂, en particulier pendant le même temps de chauffage. Cette loi se vérifie encore lorsque deux masses de chaleurs spécifiques différentes sont introduites dans le four :
    (2)      m₁c₁dT₁ + m₂c₂dT₂ = mcdT.
  • De ces lois il s'ensuit que si deux charges sont introduites en même temps dans un four à micro-ondes, la puis­sance totale disponible se répartie dans les deux charges pour élever la température de chaque charge d'une valeur de tempé­rature inversement proportionnelle à leur masse et à leur ca­pacité calorifique. Ainsi si les caractéristiques thermodyna­miques d'une première charge sont connues, sa variation de température sera dépendante de la présence et de l'état ther­modynamique de l'autre charge. La première charge doit pré­senter des paramètres thermodynamiques déterminés et stables. Elle constitue le capteur.
  • Mais la loi représentée par les relations (1) ou (2) concerne des substances pour lesquelles l'absorption des micro-ondes est la même. Si cela n'est pas le cas, les élé­vations de température de la substance de masse m₁ et de la substance de masse m₂ vont être modifiées en conséquence. En particulier, et c'est la situation exploitée par l'invention, lorsque l'une des substances est de la glace (le produit à décongeler), son coefficient d'absorption est très faible. L'énergie micro-onde sera donc absorbée principalement par le capteur lui-même qui, lui, est prévu pour avoir un coefficient d'absorption suffisant. Le passage par le produit de l'état de glace à l'état d'eau va faire que le produit va progressi­vement absorber de plus en plus d'énergie micro-onde donc s'échauffer de plus en plus. L'énergie absorbée par le capteur va elle diminuer progressivement. Ainsi l'évolution de la température du capteur va permettre de suivre l'évolution de la température du produit encours de décongélation placé à proximité.
  • Le produit à décongeler étant généralement formé d'une grande partie de glace, la substance du capteur de dé­congélation doit présenter des pertes supérieures aux pertes diélectriques de la glace.
  • La substance peut être un liquide tel que l'eau, l'huile ou un solide massif ou déposé sur un support transpa­rent aux micro-ondes. Le matériau du support peut être choisi parmi les matériaux suivants : vitrocéramique, alumine, verre.
  • Mais il est nécessaire que l'on puisse effectuer plusieurs opérations de décongélation consécutives sans que la sensibilité de détection du mécanisme de décongélation n'en soit sensiblement affectée. Or la substance qui reçoit une certaine quantité d'énergie micro-onde va voir sa température s'élever mais en même temps elle va présenter une déperdition de chaleur avec le milieu environnant par échange thermique. Lorsque l'on effectue plusieurs opérations de décongélation consécutives la quantité de chaleur va s'accumuler mais à cau­se des déperditions de chaleur un équilibre thermique va se produire entre le capteur et son environnement. Les variations de températures vont donc être de plus en plus réduites (tous les autres paramètres étant supposés ici identiques) lorsque le nombre d'opérations de décongélation va croître. Pour gar­der une sensibilité de détection sensiblement constante il est donc nécessaire, selon le premier mode de réalisation, d'iso­ler thermiquement la substance du capteur afin de limiter les échanges thermiques avec le milieu environnant. Cette isola­tion thermique est déterminée afin de permettre plusieurs opé­rations de décongélation successives sans que le capteur ne soit détérioré. Elle est telle qu'elle permet au capteur de reprendre après une longue période une température d'équilibre avec le milieu environnant.
  • Selon le second mode de réalisation le capteur peut au contraire reprendre rapidement sa température de repos lorsque la phase d'élévation de température a été arrêtée afin d'autoriser sa réutilisation rapide. Pour cela le capteur présente une grande surface d'échange thermique avec le milieu ambiant et une épaisseur faible afin d'accroître les échanges thermiques et assurer au capteur une faible inertie thermique afin qu'il reprenne rapidement ses caractéristiques initiales après chaque traitement de décongélation. Le capteur peut présenter une forme crénelée.
  • L'élévation de température du capteur dépendra de l'état du produit à décongeler. En particulier si le produit qui par sa nature contient beaucoup d'eau sort du congélateur à une température avoisinant -20°C, il n'absorbera que très faiblement les micro-ondes. Par suite toute la puissance dis­ponible dans le four à micro-ondes sera utilisée pour élever la température du capteur. Dès que le processus de décongéla­tion du produit est engagé celui-ci absorbera de plus en plus la puissance micro-onde et par suite l'élévation de températu­re du capteur sera moins rapide. La pente de la courbe d'élé­vation de température du capteur en fonction du temps va donc constamment décroître jusqu'à ce que toute la glace présente dans le produit à décongeler soit complètement transformée en eau. Par la suite conformément à la loi calorimétrique d'élé­vation de température dans un four à micro-ondes en fonction du temps, l'élévation de température du produit sera une fonc­tion sensiblement linéaire du temps si les caractéristiques thermodynamiques du produit ne varient pas.
  • Pour déterminer les variations de température du capteur l'organe de mesure des variations de température déli­vre un signal électrique dont les variations en fonction du temps sont déterminées par un dispositif de calcul et de con­trôle. La sensibilité de détection est pratiquement constante lorsque plusieurs opérations de décongélation sont effectuées successivement. Ces variations sont traitées par le dispositif de calcul et de contrôle qui compare lesdites variations en fonction du temps à des instants successifs et intervient pour contrôler le cycle de fonctionnement de la source micro-onde lorsque deux valeurs successives desdites variations sont sen­ siblement égales.
  • La présence du capteur rend inutile le commutateur de variations d'énergie du four. Il suffit en effet de faire fonctionner le four au début avec un taux de répétition d'é­mission des ondes faible et de mesurer alors la pente de la courbe d'élévation de température du capteur en fonction du temps. Si cette pente est décroîssante le produit présent dans le four est congelé. Si cette pente est faible le four peut automatiquement augmenter son cycle d'émission des micro-ondes car le produit présent dans le four est déjà décongelé et est donc seulement à réchauffer.
  • Le critère d'arrêt de la fonction décongélation doit tenir compte du fait que si le produit à décongeler est essentiellement composé de glace, la pente de la courbe des variations de la température du capteur en fonction du temps peut être constante et par suite ressembler à celle d'un pro­duit déjà décongelé. La distinction se fait alors par la va­leur de cette pente :
    - si elle est sensiblement égale à celle du capteur seul, le produit présent dans le four est congelé,
    - si elle est nettement inférieure le produit présent dans le four est donc décongelé.
  • Lorsqu'il est nécessaire d'avoir une très bonne sensibilité de détection au début de la décongélation, il est possible d'utiliser comme substance un liquide dont la capa­cité calorifique et/ou l'absorption micro-onde diminue très fortement avec la température, de l'huile par exemple. Dans ces conditions lorsque le produit sera encore congelé, la tem­pérature du liquide s'élèvera très rapidement et dès que la décongélation débutera il y aura apparition d'un palier très net sur la courbe d'évolution de la température du capteur en fonction du temps. Ce phénomène s'explique par la très forte diminution du produit mcdT du capteur. Il est également envi­sageable d'utiliser plusieurs capteurs aux caractéristiques thermodynamiques différentes.
  • L'invention sera mieux comprise à l'aide des figu­res suivantes données à titre d'exemple non limitatif et qui représentent :
    • figure 1a : les courbes de variations de tempéra­ture d'un capteur de masse m₁ = 100 grammes et d'un produit de masse m₂ formés tous deux d'eau à l'état liquide en fonction de la masse m₂.
    • figure 1b : les courbes de variations montrant la concordance des mesures expérimentales de température effec­tuées sur une masse m₁+m₂ et celles déduites du calcul de l'é­quation 1.
    • figure 2a : les courbes de la température et des variations de la température en fonction du temps d'un capteur d'eau placé à côté d'un produit à décongeler formé d'une masse de glace au cours de la décongélation de la masse de glace.
    • figure 2b : les mêmes courbes de la température et des variations de la température pour le même capteur placé à côté du produit déjà décongelé, au cours d'un réchauffement au-dessus de la température de fusion de la glace.
    • figure 3a, figure 3b : deux représentations sché­matiques de deux capteurs selon le premier mode de réalisa­tion.
    • figure 3c : un schéma d'un capteur selon le deu­xième mode de réalisation.
    • figure 4a, figure 4b : deux représentations des élévations de température d'un capteur isolé et d'un capteur non isolé au cours de plusieurs opérations de décongélation successives.
    • figure 5a, figure 5b : deux représentations sché­matiques d'un four à micro-ondes utilisant différents cap­teurs.
    • figure 6 : un schéma électrique pour la mise en oeuvre du contrôle du fonctionnement de la source micro-ondes à partir des mesures effectuées par les capteurs.
  • La figure 1a représente les variations de la tem­ pérature 10 d'un capteur formé d'une masse m₁ de 100 grammes d'eau et les variations de la température 11 d'un produit for­mé d'une masse m₂ d'eau placés tous deux dans un four à micro-­ondes, pour des températures au-dessus de la température am­biante et ceci pendant une durée déterminée, en fonction de la masse m₂. Lorsque la masse m₂ croît l'élévation de température des deux masses décroît. La masse m₁ du capteur subit une élé­vation de température supérieure à celle subit par la masse m₂ plus élevée.
  • La figure 1b représente les variations de la tem­pérature 12 d'une masse de m₁+m₂ grammes d'eau. La courbe 13 est formée des points obtenus en calculant à partir de l'équa­tion 1 l'élévation que subirait une masse de m₁+m₂ grammes d'eau. On constate que les deux courbes se superposent. Ceci permet de mettre en évidence que l'énergie micro-onde dissipée sous forme thermique se répartie dans les deux charges pour élever leur température de manière inversement proportionnelle à leur masse et à leur chaleur spécifique. L'élévation de tem­pérature du capteur va donc permettre de suivre l'élévation de température du produit situé à proximité et en particulier de suivre les étapes de décongélation.
  • La figure 2a indique les variations de la tempéra­ture 21 en fonction du temps d'un capteur formé d'eau au cours de la décongélation d'une masse de 200 grammes de glace. La pente de la courbe 21 est représentée par la courbe 22. On constate qu'au moment du départ cette pente présente une va­leur élevée qui décroît d'abord lentement puis assez rapide­ment enfin pour se stabiliser. Cette stabilisation va être prise pour décider de la fin de décongélation et utilisée par le dispositif de calcul et de contrôle.
  • La dérivée seconde 25, présentée ici sous la forme de segments de droite, commence par croître puis décroître, en valeur absolue, au cours de l'étape de décongélation. Lorsque celle-ci est terminée, la dérivée seconde présente une faible valeur. Lorsque cette valeur devient inférieure à une valeur prédéterminée, le dispositif de calcul et de contrôle peut in­tervenir pour positionner le four pour une opération nouvelle: cuisson, réchauffage lent, arrêt, etc...
  • La figure 2b représente une courbe analogue à celle de la figure 2a. Les déterminations des dérivées premiè­re et seconde sont effectuées avec un pas de calcul plus fin. La courbe 1 représente la variation de température du capteur. La courbe 2 représente la dérivée première de la courbe 1. La courbe 3 représente la dérivée seconde de la courbe 1. Les zéros des échelles pour les courbes 2 et 3 sont indiqués sur la partie droite.
  • Les figures 3a, 3b et 3c représentent trois exem­ples non limitatifs de réalisation de capteurs de décongéla­tion 30.
  • La figure 3a représente une substance 31 qui peut absorber des micro-ondes, la substance étant en contact avec un organe de mesure 32 de sa température. Celui-ci peut être formé d'un thermocouple, d'une thermistance ou de tout autre élément de mesure de température. Il est relié à l'extérieur par les connexions 33. La substance 31 peut être liquide ou solide. Elle est placée dans un boîtier 34 ou un récipient qui l'isole thermiquement du milieu environnant.
  • La substance liquide peut être l'eau, l'huile ou tout autre liquide ayant des pertes diélectriques suffisantes pour assurer un échauffement exploitable du capteur.
  • La substance solide peut être une ferrite, un so­lide contenant en partie des ions métalliques ou tout autre solide ayant des pertes suffisantes pour assurer un échauffe­ment exploitable du capteur.
  • Sur la figure 3b est représenté un autre mode de réalisation de l'invention. La substance 31 est fixée à un substrat 35 qui absorbe peu ou pas les micro-ondes. Le subs­trat 35 et la substance 31 sont isolés thermiquement par l'i­solant 34. Ce dernier peut aussi constituer le boîtier. Pré­rentiellement la substance 31 est déposée par sérigraphie. Elle peut être constituée d'une encre par exemple une encre résistive destinée à la réalisation de circuits en couches épaisses. Le substrat est par exemple une plaque de vitrocé­ramique. L'isolant thermique 34 est choisi parmi les substan­ces suivantes : polystyrène, polyimide, époxy, silicone, for­maldéhyde, polyisopropène, résine époxy, ou toute matière plastique isolante thermiquement et transparente aux micro-­ondes.
  • L'organe de mesure des variations de température peut être constitué par une sonde blindée de type connu dans le domaine des fours à micro-ondes dont les connexions 33 sont représentées sur la figure 3b.
  • Les encres résistives ont dans leur quasi majorité un coefficient de variation avec la température suffisant pour être utilisées comme organe de mesure. Le capteur représenté sur la figure 3b est alors très compact. Les connexions 33 doivent être blindées dans la partie soumise à l'énergie mi­cro-ondes. A l'intérieur du boîtier 34 elles peuvent être for­mées à l'aide d'une encre à résistance plus élevée que pour la substance 31.
  • Dans ce cas l'encre déposée permet de réaliser une résistance électrique qui varie avec la température et constitue ainsi en même temps l'organe de mesure déterminant les variations de température et le milieu absorbant les mi­cro-ondes.
  • Sur la figure 3c est représentée une forme créne­lée destinée à accroître la surface exposée par la substance 31 à son environnement immédiat. Ceci s'applique à la substan­ce solide ou à la substance liquide mais par l'intermédiaire d'un boîtier bon conducteur thermique. La surface ainsi accrue autorise un refroidissement rapide de la substance lorsque l'opération de chauffage par les micro-ondes a été terminée et que l'on désire réutiliser rapidement le capteur 30. Une forme différente peut être choisie pour assurer une surface d'expo­sition élevée.
  • La figure 4a représente les variations de tempé­rature pour un capteur isolé 61 et pour un capteur non isolé 62 au cours de plusieurs opérations de décongélation successi­ves. Sur la figure 4a deux opérations successives sont repré­sentées. La première opération de décongélation est effectuée entre les temps 0 et t₃ et la seconde entre les temps t₄ et t₅. La première opération comprend plusieurs étapes qui sont représentées sur la figure 4a par des segments de droite afin de faciliter leur mise en évidence sur la figure 4a.
  • Les étapes suivantes apparaissent :
    . de 0 à t₁ réchauffement du produit encore congelé (segment 63).
    . de t₁ à t₂ le produit à décongeler est en cours de décongé­lation (segment 64). Le capteur s'échauffe moins vite.
    . de t₂ à t₃ le produit à décongeler est désormais décongelé. Il capte l'énergie micro-onde ; le capteur s'échauffe encore moins vite.
    . de t₃ à t₄ l'opération de décongélation proprement dite est achevée et le capteur reprend une certaine température d'é­quilibre qui dépend de son isolation thermique (segment 66).
  • La courbe représentée par les segments 63, 64, 65, 66 correspond à un capteur isolé thermiquement. Pour un capteur ayant une moins bonne isolation thermique la courbe correspondante est représentée par les segments 63a, 64a, 65a, 66a correspondant aux mêmes étapes. En particulier le segment 66a indique que la température du capteur décroît lorsque l'é­tape de décongélation proprement dite est terminée.
  • Pour les capteurs isolé et peu isolé, les tempé­ratures maximales atteintes apparaissent aux points respecti­vement A₁ et B₁. Lorsque deux opérations de décongélation se succèdent, la première s'effectuant entre les temps 0 et t₃ et la seconde entre les temps t₄ et t₅, les températures maxima­les atteintes apparaissent en A₂ et B₂ respectivement pour le capteur isolé et le capteur non isolé. La température corres­pondant au point B₂ est plus faible que celle correspondant au point A₂. Il y a un déficit d'accroissement de température. Ce déficit augmente avec le nombre d'opérations de décongélation n qui sont effectuées successivement.
  • Ce mécanisme est mis en évidence sur la figure 4b. Une première courbe A sensiblement rectiligne représente les variations correspondant aux points de type A de la figu­re 4a.La seconde courbe B représente les variations pour les points de type B. La courbe B correspond à un capteur peu iso­lé. Cette courbe B présente une courbure qui indique que la sensibilité de détection va décroître lorsque plusieurs opéra­tions de décongélation successives n sont effectuées. La cour­be A correspond à un capteur isolé et le mécanisme asymptoti­que n'apparaît pas pour un nombre pas trop élevé d'opérations de décongélation. La sensibilité de détection des variations de température, lors de la décongélation du produit, est ainsi accrue lorsque le capteur est isolé pour un nombre raisonna­ble d'opérations de décongélation successives. Cette sensibi­lité de détection reste ainsi sensiblement constante après plusieurs opérations de décongélation successives.
  • La figure 5a représente un four à micro-ondes 40 muni d'un capteur de décongélation 30 selon l'invention. Il est placé à côté du produit à décongeler 41. Une source micro-­onde 42 émet des micro-ondes qui sont captées par le produit 41 et le capteur 30. La mesure de température effectuée sur le capteur 30 est transmise à un dispositif de calcul et de con­trôle 43 qui agit sur la source micro-onde pour modifier son fonctionnement.
  • La figure 5b représente un autre four à micro-on­des dans lequel le capteur de décongélation 30 est séparé de l'organe de mesure de température 32. Celui-ci est constitué d'un détecteur de rayonnement lumineux infrarouge de type py­roélectrique. Il détermine ainsi à distance la température du capteur 30. La mesure est elle-même transmise au dispositif de calcul et de contrôle 43 qui agit sur la source micro-onde 42.
  • La figure 6 représente un schéma électrique pour la mise en oeuvre du contrôle du fonctionnement de la source micro-onde à partir des mesures effectuées par le capteur. Les signaux électriques issus du capteur 30 pénêtrent dans le dispositif de calcul et de contrôle 43. Selon un exemple de réalisation, il est formé d'un convertisseur A/N 51 réuni à un microprocesseur 52 qui possède une mémoire 53 et une horloge de fonctionnement 54. Le microprocesseur 52 va effectuer les déterminations de variations de pente du signal électrique reçu et stocker les valeurs dans la mémoire 53. La valeur à l'instant t est comparée à celle déterminée à l'instant t-1, et lorsque les deux valeurs successives sont sensiblement éga­les, le microprocesseur intervient sur l'alimentation 55 du magnétron 56 qui constitue la source micro-onde. Une alarme 57 peut avertir du déroulement des opérations.
  • Le mécanisme de fonctionnement est le suivant. La température du capteur est convertie en un signal électrique qui est transformé en un signal numérique par l'intermédiaire d'un convertisseur analogique-numérique. Ce signal est par la suite mémorisé par une mémoire RAM et traité par le micropro­cesseur. Le traitement consiste, dans le cas de la décongéla­tion, à mesurer la température à intervalles de temps fixe et à comparer les différentes mesures entre elles afin de déter­miner une pente de la courbe d'élévation de température du capteur en fonction du temps puis à déterminer l'évolution de ladite pente. A titre d'exemple, au cours d'une décongélation complète, un point de mesure peut être pris toutes les deux secondes, et une mesure de la pente de l'élévation de tempéra­ture peut se faire tous les 100 points par une méthode comme la méthode des moindres carrés. Une telle mesure montre alors une variation de pente en fonction du temps dont les caracté­ristiques peuvent être les suivantes dans le cas d'un corps contenant beaucoup d'eau. - Dans le premier temps la charge est congelée. L'élévation de température du capteur est rapide et suit une courbe qui serait celle si le capteur était seul. Dans ces conditions la pente mesurée par la méthode des moindres carrés est sensiblement une droite sensiblement parallèle à l'axe des temps.
    - Ensuite, la charge commence à décongeler. L'élévation de température du capteur est moins rapide. La courbe de la pente en fonction du temps présente alors une dérivée néga­tive.
    - Lorsque la charge est complètement décongelée, l'élévation de température du capteur redevient monotone avec une pente inférieure à la pente au début de l'expérience si aucun au­tre changement d'état n'intervient, ébullition par exemple. Ce phénomène se révèle sur la courbe des moindres carrés par une stabilisation de la courbe qui se retrouve parallè­le à l'axe des temps. C'est cette nouvelle stabilisation qui est reconnue par le microprocesseur comme une fin de décongélation. Le microprocesseur peut alors par l'inter­médiaire d'interfaces entrée/sortie adéquates arrêter la source de rayonnement micro-onde et éventuellement prévenir l'utilisateur ou démarrer une phase de réchauffement.
  • Le four à micro-ondes est à nouveau près pour opérer d'autres opérations de décongélation avec la même sen­sibilité de détection des variations de température.

Claims (14)

1. Four à micro-ondes comprenant une source micro-­onde et un capteur placé dans le four à proximité d'un produit à traiter, le capteur comprenant une substance qui absorbe l'énergie micro-onde, l'absorption de l'énergie micro-onde par le capteur et par le produit provoquant leur élévation de température, la température du capteur étant mesurée par un organe de mesure, caractérisé en ce que le capteur possède des moyens qui permettent de contrôler ses échanges thermiques avec le milieu ambiant afin qu'ilpuisse opérer au cours de plusieurs traitements de décongélation successifs avec, à cha­que traitement, une sensibilité de détection de fin de décon­gélation qui soit optimale et sensiblement constante.
2. Four à micro-ondes selon la revendications 1, ca­ractérisé en ce que la substance est isolée du milieu ambiant par un isolant thermique transparent aux micro-ondes afin de réduire les échanges thermiques et de faire que la température atteinte par la substance en fin de décongélation présente des accroîssements sensiblement constants au cours de plusieurs traitements de décongélation successives.
3. Four à micro-ondes selon la revendication 2, ca­ractérisé en ce que l'isolant thermique est choisi parmi les substances suivantes : polystyrène, polyimide, epoxy, silico­ne, formaldehyde, polyisopropène, résine époxy, ou toute ma­tière plastique isolante thermiquement et transparente aux micro-ondes.
4. Four à micro-ondes selon la revendication 1, ca­ractérisé en ce que le capteur présente une grande surface d'échange thermique avec le milieu ambiant et une épaisseur faible afin d'accroître les échanges thermiques et assurer au capteur une faible inertie thermique afin qu'il reprenne rapi­dement ses caractéristiques initiales après chaque traitement de décongélation.
5. Four à micro-ondes selon la revendication 4, ca­ractérisé en ce que le capteur présente une forme crénelée.
6. Four à micro-ondes selon une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la substance est un solide.
7. Four à micro-ondes selon la revendication 6, ca­ractérisé en ce que la substance absorbante est déposée sur un support transparent aux micro-ondes.
8. Four à micro-ondes selon la revendication 7, ca­ractérisé en ce que le matériau du support est choisi parmi les matériaux suivants : vitrocéramique, alumine, verre.
9.Four à micro-ondes selon les revendications 7 ou 8, caractérisé en ce que la substance est une encre déposée par sérigraphie.
10. Four à micro-ondes selon la revendication 9, ca­ractérisé en ce que l'encre est résistive.
11. Four à micro-ondes selon une des revendications 9 ou 10, caractérisé en ce que l'encre déposée permet de réa­liser une résistance électrique qui varie avec la température et constitue ainsi en même temps l'organe de mesure détermi­nant les variations de température et le milieu absorbant les micro-ondes.
12. Four à micro-ondes selon une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la substance est un liquide.
13. Four à micro-ondes selon une des revendications 1 à 12, caractérisé en ce que l'organe de mesure des varia­tions de température du capteur délivre un signal électrique dont les variations en fonction du temps sont déterminées par un dispositif de calcul et de contrôle.
14. Four à micro-ondes selon la revendication 13, caractérisé en ce que le dispositif de calcul et de contrôle compare lesdites variations en fonction du temps à des ins­tants successifs et intervient pour contrôler le cycle de fonctionnement de la source micro-onde lorsque deux valeurs successives desdites variations sont sensiblement égales.
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