Brevet FR2697713A1 — publié le 19940506

Dispositif pour le chauffage de produits en four à microondes à l'aide d L'invention concerne un dispositif de chauffage en four à microondes, qui convertit une fraction importante de l'énergie électromagnétique en énergie thermique, transférable par conduction, convection, condensation à un produit contigu. Cette invention trouve application plus particulièrement pour le chauffage de produits alimentaires, dans l'objectif de les élever rapidement et en sécurité, dans leur emballage primaire, à la température de consommation habituelle, avec une uniformité de température améliorée. Une application avantageuse réside dans le chauffage de produits alimentaires en contenant métallique, barquette ou boite. Une autre application intéressante concerne le chauffage de produits alimentaires en contenant souple. L'utilisation répandue des enceintes à microondes, appelées fours microondes est le reflet de leur commodité d'emploi. L'énergie électromagnétique, dite microondes, disponible dans la cavité de l'appareil, aux fréquences autorisées, est transformée en énergie thermique ou chaleur dans toutes substances absorbantes présentes, en une proportion fonction en particulier des caractéristiques diéléctriques de ces substances. Dans un produit alimentaire, l'eau de composition et les sels minéraux jouent un rôle prépondérant, et permettent un apport d'énergie tel que la température moyenne de consommation habituelle soit atteinte en quelques minutes.Certaines enceintes dites combinées fournissent également de l'énergie sous d'autres formes: infrarouge ou chaleur ambiante plus ou moins ventilée: Ges contraintes particulières leur sont attachés concernant les matériaux d'emballage utilisables en fonction de leur propre résistance à la température. Toutefois plusieurs phénomènes limitent la commodité d'emploi et concernent la sécurité et la répartition de températures, aussi bien pour des produits frais, réfrigérés que conserves appertisées ou, plus critiquement, surgelés. Sécurité et répartition de température peuvent être liées: Par exemple, risque de projections par surchauffe en certains points, risque pour la santé, par un barème temps-température insuffisant pour la destruction de microorganismes et substances néfastes en certains points, ou l'excès d'avancement de réactions chimiques naturelles en d'autres. Sécurité et répartition de température peuvent aussi être indépendantes: Sécurité de manipulation de produits chauds, sécurité pour l'équipement à microondes, sécurité vis à vis de ltexplosion d'emballages étanches à la vapeur d'eau; Répartition de température trop hétérogène pour une satisfaction organoleptique habituelle ( ex. poisson pas cuit ) ou conduisant à un déssechement excessif ( ex. crôute dure non consommable Les récipients et contenants métalliques cumulent les désagréments, mais présentent néanmoins de nombreux avantages: Rigidité, côut, conductibilité thermique, résistance aux radiations infrarouges, recyclabilité mieux maitrisée, stabilité thermique des températures les plus négatives jusqu'à 400"C, étanchéité aux gaz. Aussi, de nombreux travaux de développement ont traité ce problème: Par exemple, le brevet EP 0 299 237 décrit un couvercle en plastique ou carton étanchéifié, constituant un réceptacle pour un fluide absorbant. Le côut unitaire important ( estimé à 2 fois le côut de la barquette métallique ), le risque de manipulation du couvercle peu rigide et rempli d'eau bouillante, la spécificité du couvercle à la barquette limitent l'intérêt du dispositif. Le brevet des Etats Unis 4,439,656 illustre un ustensile en matériau transparent aux microondes, dans lequel on place une barquette métallique et qui une fois remplie d'eau dans le petit espace entre paroi et barquette, permet la reconstitution de produits surgelés. Ce dispositif est spécifique à une seule taille et conformation de barquette, par ailleurs difficile à extraire après chauffage. I1 réclame un ajustement précis de la quantité d'eau ajoutée. Le brevet EP O 364 402 concerne un dispositif à accrocher ou encliqueter sur les bords d'un contenant conducteur d'électricité pour éviter le risque d'arcs électriques, par espacement avec les parois du four à microondes. Ce dispositif n'apporte pas de solution à l'hétérogénéité de température et n'élimine pas le risque de contact électrique entre le fond de barquette et, par exemple,une grille métallique support, comme on en trouve dans les fours combinés. Le brevet français 2 5(9 565 se rapporte à un emballage, sachet en matière plastique thermorésistante, enveloppant une barquette métallique. Cet emballage régle le risque pour l'équipement à microondes mais ne permet pas le gratinage par infrarouge, et n'apporte pas d'amélioration des températures hétérogènes. Le brevet EP 0 334 772 décrit un procédé de cuisson réchauffage dans un four à microondes comportant une paroi interposée entre le générateur et l'enceinte utile. La paroi poreuse, apte à la rétention d'eau, est, en fonctionnement, le siège d'une vaporisation intense qui transforme le four à microondes en four à confinement de vapeur. L'appareil est totalement dépendant du type d'enceinte à microondes et de la configuration du ou des guides d'onde dirigeant l'énergie vers la cavité. Si le dispositif évite un dessechement excessif, il a pour principal objectif de créer une hétérogénéité de température pour préserver les qualités de cuisson des denrées alimentaires,telles qu'elles résultent de cuissons autres que microondes. Une proportion importante des plats cuisinés industriels est proposée en sachets plastiques étanches, généralement d'un matériau complexe à base de polyamide, polypropylène, polyester et polyéthylène. Déstinés à l'origine à un réchauffage par bain-marie, ces produits conviennent au four à microondes, avec, toutefois, les inconvénients cités çi-dessus et, plus particulièrement, le risque d'explosion du sachet lorsque la pression partielle de la vapeur d'eau générée par des points en surchauffe, essentiellement dans les coins, dépasse la résistance du matériau ou des soudures. Les fabricants recommandent le percement du sachet avant de le soumettre à l'admission des microondes; cela crée des difficultés de manipulation importantes après réchauffage, avec des fuites de produit. La présente invention permet de remédier à ces multiples inconvénients. Elle repose sur les propriétés particulières de dissipation thermique de l'énergie microondes au sein d'un matériau spongieux essorage, imbibé d'un liquide absorbant, et partiellement essoré. Cet ensemble, constitué du matériau spongieux et du liquide absorbant dispersé en son sein, placé à proximité d'un produit de caractéristiques diéléctriques similaires au liquide, absorbe préférentiellement l'énergie microondes. Cet ensemble divertit une fraction importante de l'énergie éléctromagnétiqua disponible, et la convertit en chaleur transférable par conduction, convection ou meme condensation si la température atteinte par l'ensemble spongieux permet la vaporisation d'un élément de composition de l'ensemble. L'invention consiste à utiliser, à l'intérieur du four à microondes, cet ensemble spongieux comme support du produit, avantageusement dans son emballage et placé de façon contigu, soit sus-jacent, soit à l'intérieur d'une cavité. Le matériau spongieux est caractérisé par une structure d'organisation de la matière largement poreuse, élastique en l'état imbibé, faite de fibres ou de voiles de fibres etlou de pores interconnectés, et apte à s'imbiber par capillarité, grâce à la fineese de leur réseau. l'éponge naturelle, Démosponge de type corné, appartenant aux genres Hippospongia et Euspongia, est l'illustration de cette structure. La matière est, de préférence, de la cellulose régénérée, une scléroprotèine, du téréphtalate de polyethylène ou de polybutylène, une polyoléfine, par exemple du polyéthylène haute densité, du polybutylène, du polyméthylpentène, du polypropylène, du polyetherimide, du polystyrène, du polychlorura de vinyle, du polycarbonate ou des combinaisons appropriées de ces matériaux et de leurs monomères. La masse volumique apparente du matériau spongieux non imbibé et non comprimé est de préférence comprise entre 5 et 150 Kilogrammes par métre-cube (Kg/m3), optionnellamant entre 15 et 80 Kg/m3 si le matériau est de la cellulose régénérée à partir de viscose obtenue par traitement d'alcalicellulose par le sulfure de carbone, le cas échéant. Le liquide d'imbibition absorbant les microondes peut être de l'eau ou toute substance ou solution absorbante de caractéristiques diéléctriques similaires au produit placé de façon contigu. L'imbibition du liquide absorbant, dans le matériau spongieux, avant action des microondes, peut être réalisé par trempage ou passage sous un flux de liquide, suivis, le cas échéant, d'un essorage par pressage, torsion, soufflage, aspiration, ou bien par dosage ou pulvérisation de la quantité nécessaire de liquide, telle qu'elle est définie plus loin. Le support pourra avoir une hauteur comprise entre 10 et 50 millimétres, de préférence entre 30 et 120 millimétres; Ses dimensions dans un plan horizontal pourront être fonction du type de four et de l'application envisagée, et en particulier supporter plusieurs produits en même temps, La matière de l'emballage éventuel du produit, si le contact avec le matériau spongieux n'est ni souhaité ni possible, peut être cellulosique ( carton ou papier, le cas échéant imprégné ou plastifié ), métallique ( aluminium, fer blanc ou chromé, éventuellement laqués ), plastique l polyoléfine, vynilique, styrènique, polyester, polyamide ), verre, céramique, ou une combinaison de ces matériaux. Dans le cas d'emballage étanche, on enlévera de préférence le couvercle ou l'opercule, ou on découpera une ouverture sur le coté du sachet avant usage, pour éviter le risque d'une pression interne dangereuse à l'ouverture. Cette manipulation est généralement aisée à froid pour les produits alimentaires dont la sauce est figée. Dans le cas d'emballage métallique, on enlèvera avantageusement l'opercule ou le couvercle métallique, le cas échéant, avant utilisation du dispositif, bien qu'il permette malgré tout dans le cas contraire de chauffer le produit, mais avec une efficacité limitée, proche d'un chauffage par bain-marie en ce qui concerne qualité et durée. L'intérêt du dispositif objet de l'invention est d'assurer, de façon contrôlée, un chauffage mixte microondes et transfert thermique conventionnel, pour améliorer la sécurité et la répartition de température: Des applications tant industrielles que 'grand public" sont possibles. La description qui suit permet de mieux comprendre l'invention par référence aux dessins qui en illustrent des formes d'exécution préférées: Dans les dessins, la figure 1 est une vue en perspective avec une coupe partielle en coin du dispositif, à savoir l'ensemble spongieux en support d'une barquette à base rectangulaire prise à titre d'exemple. Les figures 2 à 7 sont des vues en perspective de formes diverses, variantes du dispositif de la figure 1, pour le chauffage de barquettes à bases rectangulaire, ovale, polygonale, ou de boites cylindriques. La figure 8 est une vue en perspective du dispositif appliqué au réchauffage d'un sachet souple dont le côté placé en partie supérieure a été ouvert. La figure 9 est une vue en coupe selon AA de la figura 8. La figure 10 est une variante du dispositif de la figure 8. La figure il est une vue en coupe selon BB de la figure 10. Aux dessins, Le dispositif en matériau spongieux i , pour contenir et supporter une barquette 2 , comporte une cavité 3 pour y loger sans risque le contenant. Le tableau 1 çi-dessous résume les caractéristiques dimensionnelles de dispositifs selon la figure 1 , pour différents contenants et contenus, et données içi à titre d'exemples non limitatifs pour illustrer l'exposé. Tableau l Dimension Dim. Externe Poids sec liquide volume du Ref Produit cavité 3 support i support i imbibé suppart -1 mm mm 9 4 cm3 plat individuel A 250 à 300 g i00xi3tixis 140x175x40 20 80 75CJ barquette alu plat cuisiné 2/3 pers B 450 à 600 g i20x180xi8 720x230x40 35 125 1150 barquette alu plat familial C 800 g à 1,2 Kg 155x220x18 215x280x40 50 170 1750 barquette alu D boite conserve ronde /b 100 x h55 145x145x80 45 140 1250 800 g environ E boite conserve ronde 8 75 x h55 120x120x80 30 120 900 400 g environ Dans les formes de réalisation selon les figures 2 à 7, la cavité 3 peut être plus ou moins profonde, présenter une decoupe verticale ou en biais, à coins droits ou arrondis, le support peut être de forme extérieure parallélipipédique, ou à faces arrondies ou de formes variées pour faciliter le cas échéant la manipulation ou la préhension.Ces exemples de formes, données à titre indicatif, n'interférent pas avec les caractéristiques fondamentales de l'invention et ne sont donc pas limitatifs. Dans les formes d'execution préférées illustrées par les figures 8 à 11, et caractérisées par le fait que la cavité 3 est inclinée, la cavité est apte à recevoir et supporter un (ou plusieurs) sachet(s), ouvert en côté supérieur ou découpé préalablement. Une fonction de maintien pour éviter le renversement est avantageusement confiée au support et compléte son intérêt thermique pour réduire une répartition de température hétérogène, un risque d'éclatement du sachet, un risque d'éclaboussures ou salissures, le désagrément de l'opération contre-nature de percement d'un sachet étanche. Dans l'ensemble des formes d'exécution préférées, il a été noté qu'après chauffage par microondes de l'ensemble spongieux, imbibé légèrement selon les caractéristiques définies plus loin, et supportant le produit ainsi chauffé, la conductibilité thermique faible de l'ensemble spongieux permet de saisir le dispositif, après quelques secondas de l'arrêt microondes, sans risque de brulures, avec une impression de chaleur tout à fait supportable. L'exposé qui suit permet de mieux comprendre l'invention et son aptitude au contrôle de la répartition d'énergie selon le taux d'imbibition ou d'essorage du support spongieux avec le liquide absorbant, par référence aux graphiques des figures 12 à 16 La figure 12 montre, à titre d'exemple, la cinétique d'élévation de température tî d'un ensemble spongieux, composé d'une éponge synthétique ( masse séche cellulosique 209 - volume 465 cm3 - 125x93x40 ), imbibé de 609 d'eau, exemple de liquide absorbant. Cet ensemble a été placé, pour l'exemple mentionné, à proximité sans contact, d'une barquette en polyethylèna haute densité, de dimensions identiques et contenant 280 grammes d'eau froide, dont la cinétique d'élévation de température t2 a été relevée simultanément, au cours du chauffage en four à microondes ménager. On note une élévation Il quatre fois plus rapide que t2 , avec évaporation de l'eau d'imbibition dés le point E, alors que l'eau de la barquette n'est encore qu'a une température moyenne de 30 degrés Celsius environ. La figure 13 montre, dans un dispositif expérimental semblable , l'influence de l'épaisseur e de l'ensemble spongieux sur les températures atteintes après une minute d'action microondes dans le four ménager: til est la température d'un ensemble spongieux de dimensions 125x93x e mm et imbibé de 60 grammes d'eau. t21 est la température de l'eau (1809) dans la barquette en polyethylèna. t12 est la température d'un ensemble spongieux de dimensions 125x93x e mm et imbibé de 100 grammes d'eau. t22 est la température de l'eau 1140g) dans la barquette en polyethylène. On peut noter une bonne stabilité des températures atteintes pour une épaisseur de 40 mm et au delà. La décroissance de l'effet recherché, nettement observable en t12 à 15 mm d'épaisseur, est dûe à la saturation S de l'éponge par le liquide absorbant ( 100 grammes d'eau dans 200 cm3 = 8g d'éponge séche La figure 14 montre, dans un dispositif expérimental similaire, l'effet de la quantité d'eau, appelée charge en eau, imbibant l'ensemble spongieux ( 125x93x40 - matière séche cellulosique = 20 g ), sur les températures atteintes après une minute d'action microondes dans le four à microondes ménager:: tltoo est la température de l'ensemble spongieux pour une quantité d'eau dans la barquette adjacente égale à 100 g - température finale t2 iX tl3 est la température de l'ensemble spongieux pour une quantité d'eau dans la barquette adjacente égale à 300 g - température finale t2 o tu500 est la température de l'ensemble spongieux pour une quantité d'eau dans la barquette adjacente égale à 500 g - température finale t2soo On note un effet particulièrement intéressant en ce qui concerne la température élevée atteinte entre 20 et 150 grammes de charge an eau pour l'ensemble spongieux expérimental, soit une imbibition de 50 à 350 grammes de liquide absorbant par décimétre cube (g/dm3), préférentiellement entre 80 et 250 g/dm3, avantageusement 170 g/dm3 .On note également que la température atteinte est peu dépendante de la quantité de produit associé à proximité. Les figures 15 et 16 complétent l'expérimentation décrite, à titre d'exemple à la figure 14, et présentent la correspondance énergétique calculée des températures mesurées et reportées en figure 14. La figure 15 rapporte graphiquement la valeur D = dérivation d'énergie par l'ensemble spongieux = proportion de l'énergie microondes utilisée, captée par l'ensemble spongieux. divisée par la proportion pondérale de liquide absorbant sur le total présent dans la cavité microondes. La figure 16 donne, pour l'essai réalisé, la quantité d'énergie en Watts captée par l'ensemble spongieux. Les figures 15 et 16 montrent que l'énergie dérivée, captée par l'ensemble spongieux, est peu dépendante de la charge du produit associé à proximité, et que le maximum de cette énergie se situe pour une imbibition de 170 à 350 g de liquide absorbant par dm3 d'ensemble spongieux. La cavité 3 comporte, préférentiellement une entaille 4 en périphérie du fond de cavité, qui améliore la déformabilité du matériau et, en conséquence, l'adaptation à des contenants de dimensions voisinas. Un mode possible de réalisation de la cavité 3 et de l'entaille 4 est illustré par les figures 17 et 18 et le résultat obtenu exposé par les figures 19, 20 et 21. La figure 17 représente la découpe simultanée de la paroi de la cavité 3 et de l'entaille 4 avec un outil de découpe approprié, par exemple une scie sauteuse réglée à une profondeur d La figure 18 représente la découpe horizontale et l'évidement de la cavité avec un outil de découpe approprié, lame éventuellement vibrante et le cas échéant crantée, après pressage de l'entourage spongieux compressible avec une plaque de dimensions légèrement supérieures à l'évidement à réaliser. Ce mode possible de réalisation de la cavité 3 de profondeur c , n'exclut pas d'autres modes comme par exemple l'évidement par grignotage ou la réalisation par moulage, pour obtenir le support utilisable illustré par la figure 19 représentant une coupe du support. Les dimensions extérieures du support individuel par produit, selon l'invention sont préférentiellement définies. En référence au dessin de la figure 20 , représentant une coupe longitudinale d'un support et visualisant la position d'une barquette 2 sus-jacente dans la cavité 3 , la dimension m de la marge d'entourage du support spongieux, est avantageusement conçue pour ménager, en toutes circonstances, entre le volume enveloppe de la barquette et le volume enveloppe du support spongieux, un espacement f préférentiellement supérieur à 5 millimétres, tel qu'il empêcha tout rapprochement éventuel entre une barquette métallique, utilisée le cas échéant, et une autre partie métallique conductrice à l'intérieur de la cavité. Cette disposition préférée supprime le risque d'arc électrique et de dégradation conséquente du four à microondes.Elle reste valable, en cas d'utilisation d'une barquette de dimensions sensiblement supérieures, car, en référence à la figure 21, on observe grâce à l'entaille 4 une déformation intéressante du support spongieux 1 Un avantage important du dispositif selon l'invention réside dans l'obtention d'une homogénéité supérieure de température en chauffage par microondes;Pour information, les exemples comparatifs çi-après illustrent les performances du dispositif de support spongieux selon l'invention, en référence aux graphiques des figures 22, 23, 24 et 25 qui présentent les résultats d'essais avec (I) ou sans (0) un support spongieux i , imbibé avec 80 g d'eau froide du robinet et correspondant à la référence A du tableau I , supportant des barquettes adaptées, sans couvercle, soit en polyester (P) soit en aluminium (A) et contenant une masse de 350 grammes de purée salée à lSo, reconstituée à partir de flocons de pommme de terre, soit fluide (F) à 9% de matière séche, soit épaisse (E) à 14% de matière séche; par exemple FAI signifie : purée fluide en barquette aluminium sur le dispositif selon l'invention. EPO signifie purée épaisse en barquette polyester cristallisé transparent aux microondes, SANS le dispositif selon l'invention. Les figures 22 et 23 présentent des résultats obtenus avec un contenu à +6'C Les figures 24 et 25 présentent des résultats avec un contenu initial surgelé à -22"C . Les figures 22 et 24 illustrent graphiquement la position des essais selon les axes: en abscisse écart-type calculé S défini comme critère de dispersion des températures dans la contenu réchauffé à 55"C de température moyenne dans le temps T55 porté en ordonnée. Les figures 23 et 25 illustrent graphiquement la position des essais selon les axes: en abscisse écart-type obtenu S, en ordonnée l'évaporation observée E. Pour un contenu frais, on constate, à l'analysa des figures 22 et 23, que le dispositif selon l'invention permet une homogénéité de température deux fois meilleure que sans dispositif ( 5,5 C comparé à 10,7 C J. L'évaporation E du produit conduisant, éventuellement à dessechement, crôute dure, brulures, éclaboussures, est réduite par le dispositif selon l'invention au tiers de l'évaporation sans le dispositif. Pour un contenu initial surgelé, on constate à l'analyse des figures 24 et 25, que le dispositif selon l'invention raccourçit considérablement le temps de chauffage nécessaire pour obtenir 55 C lorsque le contenant est une barquette métallique en aluminium mince, et conduit même, dans ce cas, à la meilleure homogénéité observée. Le dispositif selon l'invention est particulièrement pertinent et préférable en association avec les contenants métalliques. Tous contenants confondus, le dispositif selon l'invention permet une homogénéité de température, décrite par I'écart-type S , sensiblement meilleure que sans dispositif avec des produits surgelés. L'évaporation E du produit est réduite avec le dispositif au tiers de l'évaporation sans dispositif selon l'invention. E VENDICAIlONS 1) Dispositif de chauffage en four à microondes caractérisé en ce qu'il est un support (1) constitué d'un matériau spongieux essorable, imbibé d'un liquide absorbant l'énergie microondes et partiellement essoré pour divertir une fraction importante de l'énergie électromagnétique convertie par le dispositif en chaleur transférable par conduction convection ou condensation à un produit contigu. 2) Dispositif selon la revendication 1 caractérisé en ce qu'il comporte une cavité (3) dans le support spongieux de dimensions respectives telles qu'aucune partie métallique d'un contenant (2) placé dans la dite cavité ne puisse venir en contact avec un autre élément métallique du four ou d'un autre contenant. 3) Dispositif selon la revendication 2 caractérisé en ce qu'une entaille (4) est pratiquée dans le périmétre du fond de cavité. 4) Dispositif selon la revendication i caractérisé en ce que le support (i) est muni d'une cavité (3) inclinée par rapport à l'horizontale. 5) Dispositif selon l'une quelconque des revendications précédentes caractérisé en ce que le liquide absorbant l'énergie est de 1 eau, que le matériau spongieux est une éponge synthétique, et que le produit contigu est un produit alimentaire. 6) Dispositif selon la revendication 5 caractérisé en ce qu'il est recommandé un taux d'imbibition de l'éponge compris entre 50 et 350 grammes d'eau par décimétre cube.