Brevet FR2621986A1 — publié le 19890421

262198-6 FOUR A MICRO-ONDES MUNI D'UN CAPTEUR DE DECONGELATION L'invention concerne un four à micro-ondes com- prenant une source micro-onde et des moyens pour suivre l'é- volution de la décongélation d'un produit à décongeler placé dans le four afin de contrôler le fonctionnement de la source micro-onde. Les fours à micro-ondes sont maintenant couramment employés pour décongeler et réchauffer des aliments préalable- ment placés dans un congélateur. Cette décongélation s'effec- tue généralement par une méthode empirique: l'utilisateur dé- termine 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 décongé- lation plus ou moins complète, voire un commencement de cuis- son.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 tem- pérature est inférieure ou supérieure à 0 C. En dessous de 0 C la glace est très sensiblement transparente aux micro-on- des, par contre pour une température supérieure à oec 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. Ce phénomène est mis à profit dans le bre- vet US 4 520 250 qui décrit une invention du genre décrit dans le préambule. Ce document concerne un four contrôlé par des moyens permettant de suivre l'évolution de la décongélation. Le four est constitué d'une cavité, de moyens pour chauffer et dans la cavité un produit à décongeler, une antenne émettrice disposée dans la cavité destinée à émettre des micro-ondes issues d'une source micro-onde, une antenne réceptrice dispo- sée dans la cavité réunie à un circuit de contrôle qui comman- de le fonctionnement du four. Dans ce document une source secondaire de micro- ondes à une fréquence différente de celle utilisée pour le chauffage de l'aliment émet un faisceau micro-onde au travers de cet aliment à décongeler. La mesure de l'absorption de cet- te onde micro-onde est caractéristique de l'état de la char- ge. L'antenne réceptrice est placée de manière à ce que le produit à décongeler se situe sensiblement sur le trajet di- rect entre les deux antennes. Le signal reçu par l'antenne réceptrice est dépendant des pertes diélectriques du produit à décongeler, ce qui permet de suivre son réchauffement au cours de la décongélation. La difficulté de cette méthode vient du fait qu'elle nécessite deux sources micro-ondes et que sa mise en oeuvre est délicate et coûteuse pour un matériel grand public. Elle nécessite également une antenne réceptrice ce qui compli- que la conception d'un tel four. De plus les mécanismes com- plexes de propagation des micro-ondes à l'intérieur du four posent des problèmes de disposition des éléments. En particu- lier la position, la masse, la forme du produit à décongeler compliquent les mécanismes. Le nettoyage des éléments est éga- lement délicat compte tenu de l'usage auquel il est destiné. Le problème technique posé est donc de disposer d'un four à micro-ondes ayant des moyens pour suivre l'évolu- tion de la décongélation sans source micro-onde supplémentaire ni antenne réceptrice, à l'aide d'un capteur qui soit robuste et qui soit facile à utiliser et qui ne pose pas de problème de nettoyage à une personne non expérimentée. La solution de ce problème technique consiste en ce que les moyens pour suivre l'évolution de la décongélation du produit à décongeler comprennent un capteur de décongéla- tion placé après le produit à décongeler afin qu'une grande partie de la surface du capteur de décongélation ne soit pas en vue directe de la source micro-onde, le capteur comprenant une substance qui peut s'échauffer en absorbant l'énergie micro-onde, un organe de mesure déterminant les variations de la température de la substance, le passage, par le produit à décongeler, d'un état congelé à un état décongelé, entrainant un affaiblissement de l'énergie micro-onde captée par la subs- tance du capteur de décongélation et un accroissement de celle captée par le produit à décongeler. 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 des charges selon leurs absorptions respectives. Si les caracté- ristiques thermodynamiques de l'une des charges sont connues, la variation de température de cette charge de référence sera dépendante de la présence et de l'état thermodynamique du pro- duit à décongeler et cette variation permettra de déterminer l'état du produit à décongeler. Le capteur de décongélation constitue cette charge de référence. Il doit présenter des paramètres thermodynamiques déterminés et stables. La situation exploitée par l'invention est celle o l'autre substance est principalement de la glace. C'est le cas du produit à décongeler. Son coefficient d'absorption est très faible. L'énergie micro-onde sera donc absorbée principa- lement par le capteur lui-même qui, lui, est prévu pour avoir un coefficient d'absorption suffisant. Le passage par le pro- duit 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'évolu- tion de la température du produit en cours de décongélation placé à proximité. Le produit à décongeler étant généralement formé d'une grande partie de glace, la substance du capteur de dé- congélation 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 transpa- rent aux micro-ondes. Le matériau du substrat peut être choisi parmi les matériaux suivants: vitrocéramique, alumine, verre. La substance peut être placée dans un boitier qui laisse pas- ser les micro-ondes. Le capteur est disposé après le produit à décon- geler afin de ne pas être en vue directe de la source micro- onde. Il est ainsi possible de cumuler deux mécanismes d'é- chauffement ce qui assure une grande sensibilité de détection des variations de température du capteur. Le premier mécanisme est celui du transfert de la puissance micro-onde dissipée du capteur vers le produit à décongeler lorsque ce dernier passe de l'état congelé à l'état décongelé. 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 mi- cro-ondes. Par suite toute la puissance disponible dans le four à microondes 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. Le second mécanisme consiste en ce que le produit à décongeler intercepte de plus en plus les micro-ondes qui le traversent en direction du capteur. Ceci provient du fait que le produit à décongeler devient de plus en plus opaque aux mi- cro-ondes. En conséquence la pente de la courbe d'élévation de température du capteur en fonction du temps va constamment décroître jusqu'à ce que toute la glace présente dans le pro- duit à décongeler soit complètement transformée en eau. Par la suite l'élévation de température du produit sera une fonction linéaire du temps si les caractéristiques thermodynamiques du produit ne varient pas. Le capteur est placé après le produit à déconge- ler dans la direction allant de la source micro-onde au pro- duit à décongeler. La source micro-onde peut être mise sur une quelconque des parois de la cavité du four. Le capteur est alors disposé près de la paroi opposée ou fixé à celle-ci. En particulier lorsque la source microonde est placée dans la partie supérieure de la cavité, le capteur est disposé près de la sole du four préférentiellement au-dessous de celle-ci. Le capteur peut être mis en contact avec la sole du four. Si la substance du capteur est dans un boitier celui-ci est fixé sous la sole du four. Mais préférentiellement la substance absorbante du capteur est déposée directement en contact avec la sole du four. La sole peut, en totalité ou en partie, être constituée d'une substance transparente aux micro-ondes par exemple une vitrocéramique. La substance du capteur peut être une encre déposée par sérigraphie. L'encre peut être résisti- ve. Dans ce cas l'encre déposée permet de réaliser une résis- tance électrique qui varie avec l'élévation de température due à l'absorption de micro-ondes et qui constitue également l'or- gane de mesure déterminant les variations de température. Il est également possible de mesurer les varia- tions de température selon les techniques habituelles à l'aide d'une sonde blindée. Pour déterminer les variations de température du capteur, l'organe de mesure des variations de température dé- livre un signal électrique dont les variations en fonction du temps sont déterminées par un dispositif de calcul et de con- trôle. Celles-ci 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-ondes lorsque deux valeurs successives desdites variations sont sensiblement 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'é- mission 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 décroissante 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 pro- duit déjà décongelé. La distinction se fait alors par la va- leur 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 capa- cité 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 tem- pérature 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. Il est également envisageable d'utiliser plusieurs capteurs aux caractéristiques thermodynamiques dif- férentes. L'invention sera mieux comprise à l'aide des figu- res suivantes données à titre d'exemple non limitatif et qui représentent: figure 1: les courbes de la température et des variations de la température en fonction du temps d'un capteur d'eau placé après un produit à décongeler formé d'une masse de glace au cours de la décongélation de la masse de glace. figure 2a, figure 2b et figure 2c: trois repré- sentations schématiques de trois capteurs. figure 3a, figure 3b: deux représentations sché- matiques d'un four à micro-ondes utilisant différents cap- teurs. figure 4: un schéma de la disposition de la ré- sistance sérigraphiée sur la sole du four avec les connexions de liaison. figure 5: 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 1 indique les variations de la tempéra- ture 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 va- leur élevée qui décroît d'abord lentement puis assez rapide- ment 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. Les figures 2a, 2b et 2c représentent trois exem- ples non limitatifs de réalisation de capteurs de décongéla- tion 30. La figure 2a représente une substance 31 qui peut absorber des microondes, 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 doit être blindé pour opérer en présence de micro-ondes. Il est relié à l'extérieur par les connexions 33. La substance 31 peut être liquide. Elle est alors placée dans un boitier 34. La substance 31 peut être solide. Elle peut être ou non placée dans un boitier 34. Le boitier 34 peut être un isolant thermique qui limite les échanges thermiques avec le milieu ambiant. Sur la figure 2b 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 subs- trat 35 et la substance 31 sont isolés thermiquement par l'i- solant 34. Ce dernier peut aussi constituer le boitier. Pré- férentiellement 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 vitrocéra- mique. L'isolant thermique 34 est choisi parmi les substances suivantes: polystyrène, "Bakelite"*, ou toute matière plasti- que 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 2b. Les encres résistives ont dans leur quasi majorité un coefficient de variation avec la tempé- rature suffisant pour que la substance 31 puisse être utilisée comme organe de mesure. Le capteur représenté sur la figure 2b est alors très compact. Les connexions 33 doivent être blin- dées dans la partie soumise à l'énergie micro-onde. Sur la figure 2c est représentée une forme créne- lée destinée à accroître la surface exposée par la substance 31 à son environnement immédiat. Ceci s'applique à la substan- ce solide ou à la substance liquide par l'intermédiaire de son boitier. 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 choi- sie pour assurer une surface d'exposition élevée. On peut également refroidir le capteur par une ventilation forcée. Le capteur de la figure 2b est utilisé lorsque * marque déposée l'on désire effectuer plusieurs opérations de décongélation consécutives. Les échanges thermiques avec l'extérieur étant réduits, on dispose de sensiblement la même sensibilité de détection à chaque opération. Le capteur de la figure 2c est utilisé lorsque l'on désire que la température du capteur revienne rapidement à la température du milieu ambiant afin de détecter à chaque fois les variations de températures dans des conditions de sensibilité analogues. 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 so- lide contenant en partie des ions métalliques ou tout autre solide ayant des pertes suffisantes pour assurer un échauffe- ment exploitable du capteur. La figure 3a représente un four à micro-ondes 40 muni d'un capteur de décongélation 30 muni d'une substance 31. Il est placé dessous le produit à décongeler 41. Une source micro-ondes 42 émet des micro-ondes qui sont captées par le capteur 30. Lorsque le produit 41 est dans son état congelé il laisse passer les micro-ondes qui arrivent sur le capteur à travers le produit à décongeler. Lorsqu'il est dans son état décongelé il les intercepte. Le capteur 30 est préférentielle- ment constitué d'une encre sérigraphiée sur la sole du four. L'organe de mesure 32 est constitué d'une sonde blindée. Mais il peut également s'agir d'un des capteurs des figures 2a, 2b, 2c. 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. Sur la figure 3b le capteur est une résistance électrique à coefficient de température variable, obtenue par sérigraphie d'une encre résistive sur la sole du four. La figure 4 représente un exemple de réalisation de la résistance électrique. Elle constitue à la fois le mi- lieu absorbant les micro-ondes et l'organe de mesure détermi- nant les variations de température. La résistance électrique est déposée en contact avec la sole 39. Elle est destinée à être masquée par le produit à décongeler pour la réception des micro-ondes qui viennent dans sa direction à travers le pro- duit à décongeler. La mesure de la valeur de la résistance est effec- tuée à l'aide de connexions 381, 382. Elle peuvent être réali- sées à l'aide d'une substance qui ne s'échauffe pas ou alors faiblement avec les micro-ondes afin de ne pas trop perturber les mesures effectuées sur la résistance électrique 31. Il est possible par exemple d'utiliser une encre résistive ayant une résistivité plus élevée que celle utilisée pour la résistance électrique 31. Les connexions 381, 382 peuvent également faire partie intégrante de la résistance électrique 31. Mais la ma- jeure partie de celle-ci doit pouvoir être masquée par le pro- duit à décongeler afin d'exploiter le mécanisme d'interception préalablement décrit. L'organe de mesure de température 32 (figure 3a) peut également être constitué d'un détecteur de rayonnement lumineux infrarouge de type pyroélectrique qui détermine 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 5 représente un schéma électrique pour la mise en oeuvre du contrôle du fonctionnement de la source micro-onde à partir des mesures effectuées sur la substance 31 déposée sur la sole 39. Les signaux électriques issus du cap- teur 30 pénètrent dans le dispositif de calcul et de contrôle 43. Selon un exemple de -réalisation, il est formé d'un conver- tisseur A/N 51 réuni à un micro-processeur 52 qui possède une mémoire 53 et une horloge de fonctionnement 54. Le micro-pro- cesseur 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 dé- terminée à l'instant t-1, et lorsque les deux valeurs succes- sives sont sensiblement égales, le microprocesseur intervient sur l'alimentation 55 du magnétron 56 qui constitue la source micro-ondes. 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 micro-pro- cesseur. Le traitement consiste, dans le cas de la décongéla- tion, à mesurer la température à intervalle de temps fixe et à comparer les différentes mesures entre elles afin de déter- miner 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 tempéra- ture 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 caracté- ristiques 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 néga- tive. - Lorsque la charge est complètement décongelée, l'élévation de température du capteur redevient monotone avec une pente 262 1986 inférieure à la pente au début de l'expérience si aucun au- tre 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 parallè- le 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'inter- médiaire d'interfaces entrée/sortie adéquates arrêter la source de rayonnement micro-onde et éventuellement prévenir l'utilisateur ou démarrer une phase de réchauffement. REVENDICATIONS: 1. Four à micro-ondes comprenant une source micro- onde et des moyens pour suivre l'évolution de la décongélation d'un produit à décongeler placé dans le four afin de contrôler le fonctionnement de la source micro-onde caractérisé en ce que les moyens pour suivre l'évolution de la décongélation du produit à décongeler comprennent un capteur de décongélation placé après le produit à décongeler afin qu'une grande partie de la surface du capteur de décongélation ne soit pas en vue directe de la source micro-onde, le capteur comprenant une substance qui peut s'échauffer en absorbant l'énergie micro- onde, un organe de mesure déterminant les variations de la température de la substance, le passage, par le produit à dé- congeler d'un état congelé à un état décongelé, entrainant un affaiblissement de l'énergie micro-onde captée par la substan- ce du capteur de décongélation et un accroissement de celle captée par le produit à décongeler. 2. Four à micro-ondes selon la revendication 1, caractérisé en ce que la substance du capteur de décongélation présente des pertes supérieures aux pertes diélectriques de la glace. 3. Four à micro-ondes selon une des revendications 1 ou 2, caractérisé en ce que le capteur est fixé sur une des parois de la cavité du four. 4. Four à micro-ondes selon une des revendications 1 à 3, caractérisé en ce que la substance du capteur est dé- posée sur un substrat transparent aux micro-ondes. 5. Four à micro-ondes selon la revendication 4, caractérisé en ce que le matériau du substrat est choisi parmi les matériaux suivants: vitrocéramique, alumine, verre. 6. Four à micro-ondes selon une des revendications 1 à 5, caractérisé en ce que la substance du capteur est déposée directement sur la sole du four, la source micro-onde étant disposée dans la partie supérieure du four. 7. Four à micro-ondes selon une des revendications 1 à 6, caractérisé en ce que la substance est une encre déposée par sérigraphie. 8. Four à micro-ondes selon la revendication 7, caractérisé en ce que l'encre est résistive. 9. Four à micro-ondes selon la revendication 8, caractérisé en ce que l'encre déposée permet de réaliser une résistance électrique qui varie avec l'élévation de températu- re due à l'absorption des micro-ondes et qui constitue égale- ment l'organe de mesure déterminant les variations de tempéra- ture. 10. Four à micro-ondes selon une des revendications 1 à 9, caractérisé en ce que l'organe de mesure des variations de température délivre un signal électrique dont les varia- tions en fonction du temps sont déterminées par un dispositif de calcul et de contrôle. 11. Four à micro-ondes selon la revendication 10, caractérisé en ce que le dispositif de calcul et de contrôle compare lesdites variations en fonction du temps à des ins- tants successifs et intervient pour contrôler le cycle de fonctionnement de la source micro-ondes lorsque deux valeurs successsives desdites variations sont sensiblement égales.