Brevet FR2837659A1 — publié le 20030926

APPAREIL POUR LE CHAUFFAGE DE PRODUITS EMBALLES COMBINANT UN CHAMP MICRO-ONDES FOCALISE ET DES MOYENS DE TRANSLATION Les repas pré-conditionnés représentent de nos jours un secteur croissant pour la distribution de produits alimentaires. Un espace de stockage réduit, une meilleure gestion des stocks et, évidemment, la disponibilité rapide sont seulement quelques-uns des avantages qui peuvent être énumérés. Les repas pré-conditionnés peuvent être préservés congelés ou frigorifiés. Ils peuvent être également stockés dans un distributeur automatique et être distribués par la suite. Pratiquement, dans chaque cas, ils doivent être chauffés avant d'être consommés. Le pré-conditionnement implique dans tous les cas un emballage, qui peut être une baquette, un sachet, une boite compartimentée et ainsi de suite. Des produits autres que des aliments peuvent avoir des emballages similaires, par exemple des poches de transfusion sanguine contenant du sang, du plasma ou du liquide physiologique, qui demandent aussi d'être chauffés avant utilisation. Les fours à micro-ondes représentent aujourd'hui une méthode largement diffusée pour chauffer les aliments. Le chauffage est rapide, la qualité de la nourriture est mieux préservée qu'avec les méthodes de cuisine traditionnelle plus lente et la pénétration à c#ur des micro-ondes permet un chauffage beaucoup plus homogène. Les micro-ondes constituent une voie valable de réchauffement des repas préconditionnés. Cependant, dans les fours à micro-ondes classiques, la distribution du champ électromagnétique, portant l'énergie calorifique, est inhomogène et des points chauds et froids apparaissent dans le produit. De plus, cette distribution change en fonction du produit et, pour un même produit, de son état. Généralement, un dispositif tournant est utilisé afin de redistribuer de manière homogène une telle énergie. La manière dont l'énergie est absorbée par des produits dépend fortement de leur composition et de leur forme. Dans les repas pré-conditionnés, très souvent la distribution des produits est très inhomogène. Des compartiments différents d'une barquette peuvent contenir différents produits, par exemple une viande et sa garniture. Dans ces cas, il sera extrêmement difficile d'obtenir dans un four à micro-ondes classique une température homogène dans toutes les parties même en utilisant un dispositif tournant. De plus, les différences de température augmentent si la vitesse de chauffage est augmentée en utilisant des puissances élevées. Le four micro-ondes classique est une cavité multi-modes, permettant l'établissement de plusieurs modes de résonance stationnaires. Une manière différente de transmettre l'énergie micro-ondes est d'utiliser des guides d'onde mono-mode et des cavités adaptées. Les micro-ondes sont généralement conduites de la source (magnétron) à la cavité micro-ondes (four) par l'utilisation des guides d'onde. Ces guides d'onde sont généralement conçus de manière à privilégier la propagation d'un seul mode [Meredith R., Engineers' handbook of industrial microwave heating, The Institution of Electrical Engineers, London, 1998]. Ils peuvent avoir des sections circulaires ou rectangulaires. Dans le cadre de cette invention, le guide d'onde est de préférence à section rectangulaire avec un mode de propagation de type TE01, qui est décrit dans la figure 1. Le champ électrique, représenté par des flèches, est perpendiculaire au côté large (longueur b) de la section de guide d'ondes. Les dimensions de la cavité sont adaptées, selon le produit à chauffer, de manière à permettre le développement d'un seul mode de résonance stationnaire. Les exposés d'invention EP 0'136'453, US 4'952'763 et EP 1'018'856' décrivent quelques méthodes particulièrement efficaces pour la transmission des microondes. La particularité de ces méthodes est de créer une interférence entre deux ondes qui concentre l'énergie micro-onde au centre du produit ou, dans le cas de EP 1'018'856', qui permet d'obtenir une distribution homogène dans la direction de propagation des ondes. Dans tous les cas, la distribution du champ électromagnétique est bien définie et contrôlée. De manière générale, on peut affirmer que le contrôle de la distribution du champ électromagnétique est une particularité des systèmes monomode. Cependant, même si bien contrôlée, la distribution du champ reste inhomogène quand l'on considère toutes les trois dimensions d'un produit. La présente invention concerne un appareil combinant une source micro-ondes mono-mode (par exemple celle qui est décrite dans EP 0'136'453, US'4'952 763 et EP 1'018 856' cités ci-dessus), et un système, par exemple mécanique, permettant le mouvement d'un plateau sur lequel on pose un repas pré-conditionné dans une barquette ou un autre récipient (figure 2). Le mouvement du plateau est contrôlé afin d'illuminer les aliments d'une manière programmée et optimalisée. Ceci est rendu possible par le fait que la distribution du champ électromagnétique est connue et contrôlée. Au final, on peut obtenir la distribution de température désirée même dans des produits où les constituants sont repartis à des endroits différents ou qui ont une forme ou une épaisseur variable. L'appareil est d'abord basé sur la génération de deux ondes provenant de la même source de micro-ondes, par exemple un magnétron 1, qui voyagent dans des directions opposées à travers un guide d'onde rectangulaire en forme de boucle 2. Les deux ondes sont convoyées vers le produit à chauffer par le guide d'onde. Les ondes peuvent être obtenues à partir d'un seul magnétron 1, et dans ce cas, elles ont la même phase. Une autre voie de produire des micro-ondes est décrite dans EP 1'018'856' où les ondes sont produites par deux magnétrons placés dans les branches conjuguées d'un Té magique. Les ondes produites par chaque magnétron sont partagées en une paire d'ondes dans le guide d'onde principal qui a la forme d'une boucle. Le premier couple est constitué par deux ondes avec des phases identiques, tandis que le deuxième couple est constitué par deux ondes avec un déphasage de 180 . Le ou les magnétrons travaillent de préférence à une fréquence comprise entre 2 et 3 GHz. Le produit est placé dans une cavité 3 préférentiellement située au milieu de la boucle du côté opposé de la source, où les deux ondes se superposent de manière constructive. Les produits sont conditionnés dans un récipient, tel qu'une barquette rectangulaire 4 ou un sachet. Les constituants peuvent être mélangés ou séparés dans plusieurs zones distinctes de la barquette. La barquette est placée sur un plateau mobile 5, qui est constitué d'un matériau non-absorbant et transparent aux micro-ondes. Par exemple, des plastiques tels que PET, PMMA, polycarbonate ou les fluoropolymères, la céramique ainsi que le verre peuvent être utilisés. Le mouvement du plateau est effectué de manière à avoir la direction de champ électrique perpendiculaire au mouvement. En faisant ainsi, le mouvement de la barquette compense la distribution non homogène du champ dans le guide d'onde rectangulaire (voir la fig. 1). On peut également envisager que, pour des applications particulières, cette distribution soit intéressante. On utilisera dans ce cas un mouvement parallèle à la direction du champ. Plusieurs guides d'onde peuvent être utilisés afin d'illuminer la surface entière de la barquette. Dans la figure 2, par exemple, on montre deux guides d'onde. Le temps de chauffage de chaque partie du produit peut être optimalisé par un mouvement continu de translation ou par des étapes fixes du chauffage. Des produits autres que des aliments, qui ont une forme ou une épaisseur irrégulières, peuvent également être chauffés dans l'appareil de cette invention. L'appareil est particulièrement adapté pour chauffer des produits avec une épaisseur variable comme des poches contenant un liquide ou un solide. Le mouvement peut être adapté afin de donner la quantité optimale d'énergie en fonction de l'épaisseur. L'appareil décrit ci-dessus est illustré par les exemples suivants. Exemple 1 Chauffage d'un repas pré-conditionné congelé. L'exemple suivant illustre un système (figures 2 et 3, vue latérale et vue d'en haut respectivement) conçu pour chauffer des repas pré-conditionnés et congelés contenant un plat principal et une garniture séparés. L'applicateur micro-onde est constitué de deux guides d'ondes élaborés en forme de boucle 2 selon EP 0 136 453 et US 4 952 763. L'énergie micro-onde est fournie par deux magnétrons de 1000 W, fonctionnant à 2. 45 GHz, un par guide d'onde. Le champ électrique est concentré sur le produit situé dans la partie centrale de la cavité 3. Le produit est un plat pré-conditionné dans une barquette 4 de dimension 180x120x30 mm. La barquette est déplacée en avant et en arrière par un plateau 5 fabriqué en PMMA. Trois positions fixes du plateau sont programmées avec des temps d'attente également divisés. Le mouvement du plateau est piloté par un moteur électrique 6, qui peut être sous le contrôle d'une carte électronique. On pourra ainsi mettre en mémoire une information relative au type de produit à chauffer et changer le produit à chauffer en changeant simplement la carte. On aura ainsi à disposition un four programmable, comprenant par exemple autant de cartes de contrôle qu'il y a de produits à chauffer dans ce four. Les performances du système relatif à la présente invention sont comparées avec celles d'un four à micro-ondes professionnel ayant la même puissance micro-ondes. Le produit test est un repas prêt de 350 g contenant du poulet en sauce et du riz partagés dans les deux moitiés du long côté de la barquette. Le repas est congelé à -18 C. L'absorption des micro-ondes du riz et de la viande de poulet est très différente. L'essai vise à obtenir une température homogène de 70 C des composants (poulet + riz). Résultats Présente invention, puissance disponible 2000 W micro-onde Test n. Temps de chauffe Température Température Qualité riz [ C] poulet [ C] 1 1 min. 30 sec. 605 507 Goût acceptable, viande froide 2 1 min. 40 sec. 753 704 Bon goût 3 1 min. 50 sec. 853 754 Bon goût, chaud Four micro-ondes professionnel classique, puissance disponible 2000 W, deux magnétrons et table tournante Test n. Temps de chauffe Température Température Qualité riz [ C] poulet [ C] 1 3 min. 3010 2525 Trop froid, points encore congelés dans la viande 2 4 min. 7010 5015 Viande juste tiède, points froids et chauds 3 5 min. 955 7515 Bon goût, chaud On observe que, pour obtenir un résultat similaire à celui de notre invention, un four micro-ondes classique demande des temps nettement plus longs. Exemple 2 Chauffage de poches de plasma congelé pour transfusion. Les poches de plasma sont largement utilisées pour des transfusions grâce au fait que la plupart des éléments nutritifs et des plaquettes sont contenues dans le plasma tandis que les cellules, qui sont les porteurs potentiels des virus à l'origine des maladies telles que le SIDA et l'hépatite, sont extraites. Le plasma doit être préservé congelé à-30 C et il est chauffé à 41 C avant injection dans le corps humain. Le chauffage est très critique car une température supérieure de 50 C ne doit pas être dépassée pour ne pas risquer une dégradation des éléments essentiels du plasma. Nous avons chauffé des poches en plastique contenant 250 ml de plasma. L'applicateur à micro-ondes est constitué de deux guides d'ondes en forme de boucle selon EP 0 136 453, US 4 952 763 comme dans l'exemple 1. L'énergie de micro-onde est fournie par deux magnétrons de 800 W à 2. 45 GHz, un par chaque guide d'ondes. La poche est posée sur un plateau en PMMA déplacé en continu par un moteur pas à pas. La position du plateau est programmée par un automate programmable. La température est contrôlée pendant le processus par trois sondes infrarouges. Ces sondes permettent la programmation d'un cycle optimum du mouvement afin d'obtenir une température homogène dans la poche. Après chauffage, la température finale du liquide est contrôlée par un thermocouple que l'on plonge dans le plasma. Les résultats obtenus avec un appareil selon la présente invention sont comparés à ceux obtenus avec un four à micro-ondes commercial équipé d'un plateau tournant. Le temps de chauffage dans le four à micro-ondes est choisi de manière à atteindre une température finale de 41 C. La transformation de trois protéines est utilisée pour contrôler la surchauffe. Une poche de plasma de référence est chauffée jusqu'à 41 C dans un bain d'eau thermo-réglé. Trois types d'immunoglobulines (type A, G, et M) sont contrôlés après chauffage par bain-marie et par les deux systèmes micro- ondes. Résultats Four micro-onde classique Température finale: 40~2 C Temps de chauffage : 3min10 s Analyse de protéines : perte de IgA, 60% perte de IgG, 80 % perte de IgM, par rapport au bain-marie. Présente invention Température finale: 401 C Temps de chauffage: 1 min 35 s Analyse de protéines : perte de IgA, 15% perte de IgG, 30 % perte de IgM, par rapport au bain-marie. Clairement, le four à micro-ondes conventionnel a non seulement une efficacité moindre mais il produit également une forte dégradation du plasma qui indique que le produit a surchauffé. REVENDICATIONS 1. Appareil pour le chauffage de produits emballés comprenant au moins une source micro-onde, un guide d'ondes, une cavité et un système mobile placé dans la cavité, la distribution du champ électromagnétique étant définie et contrôlée, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour déplacer en conséquence le produit à chauffer dans la cavité par un mouvement de translation afin d'optimaliser le temps de chauffage dans chacune de ses parties. 2. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce qu'il comprend des moyens pour convoyer le champ électromagnétique dans la cavité par l'intermédiaire d'au moins deux ondes constituant une paire provenant de la même source, les deux ondes étant guidées par un guide d'onde en forme de boucle de manière à produire par interférence un champ à haute intensité dans une zone définie de la cavité. 3. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la source de microondes est un Té magique comprenant deux magnétrons, montés chacun sur les branches conjuguées du Té magique, où l'un des magnétrons transmet dans un guide d'onde en forme de boucle deux ondes qui voyagent dans des directions opposées avec la même phase, et où l'autre magnétron transmet dans le même guide deux ondes qui voyagent dans des directions opposées avec un déphasage de 180 . 4. Appareil selon la revendication 1, dans lequel le produit est un repas préconditionné. 5. Appareil selon la revendication 4, caractérisé en ce que le repas est conditionné dans une barquette. 6. Appareil selon la revendication 1, dans lequel le produit est une poche de plasma congelé ou de sang, ou une poche ou une bouteille de liquide physiologique. 7. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la direction de mouvement du système de translation est perpendiculaire au champ électrique. 8. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que la translation est effectuée par un plateau qui bouge en avant et en arrière, le cas échéant de gauche à droite. 9. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que le mouvement peut être programmé par un moteur électrique et une carte électronique, programmable s'il y lieu. 10. Appareil selon la revendication 1, caractérisé en ce que les magnétrons travaillent à une fréquence comprise entre 2 et 3 GHz.