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PROCEDE ET DISPOSITIF D'ECHAUFFEMENT
PAR MICRO-ONDES
DOMAINE TECHNIQUE DE L'INVENTION
La présente invention concerne les procédés et dispositifs permettant
d'échauffer des produits par micro-ondes, c'est-à-dire en irradiant les
produits par
une onde électromagnétique dont la fréquence est appropriée pour agiter
certaines
molécules contenues dans le produit.
Depuis sa découverte en 1946, le procédé de cuisson par micro-ondes a
connu des développements considérables, et trouve de nos jours des
applications
très fréquentes, notamment dans le traitement thermique des aliments. Les
fours à
micro-ondes font généralement partie de l'équipement des cuisines privées et
professionnelles.
Dans un four à micro-ondes traditionnel, les aliments sont placés dans
une enceinte de cuisson. Des ondes électromagnétiques sont générées par un
magnétron et sont amenées par un guide d'ondes dans l'enceinte de cuisson. Le
magnétron comprend généralement une anode cylindrique composée de cavités
résonnantes, et une cathode chauffante qui libère des électrons dans l'espace
d'interaction sous vide qui se trouve entre la cathode et l'anode. Des aimants
accélèrent les électrons dans l'espace d'interaction, et un champ électrique
continu
est appliqué entre l'anode et la cathode. Le mouvement des électrons autour de
la
cathode génère des oscillations électromagnétiques dans les cavités
résonnantes.
Une partie des ondes électromagnétiques ainsi générées est prélevée par le
guide
d'ondes, qui les conduit jusqu'à l'enceinte de cuisson. Les dimensions des
cavités
de l'anode sont choisies de façon que les ondes électromagnétiques émises
aient
une fréquence de 2 450 MHz.
Les molécules d'eau, qui sont de nature dipolaire, c'est-à-dire avec un
barycentre des charges négatives différent du barycentre des charges
positives,
ont tendance à s'orienter en suivant le champ électrique composant les ondes
électromagnétiques présentes dans la cavité de cuisson. Du fait de la nature
alternative de ces ondes électromagnétiques, les molécules d'eau sont ainsi
orientées successivement dans un sens puis dans l'autre à la vitesse de
variation
de l'onde électromagnétique, c'est-à-dire en oscillant 4 milliards 900
millions de fois
par seconde.
Dans ce principe généralement utilisé, les ondes électromagnétiques
générées par un magnétron parcourent la totalité de l'enceinte de cuisson en
se
réfléchissant sur les parois de l'enceinte, et pénètrent de façon aléatoire
dans les
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produits placés à l'intérieur de l'enceinte de cuisson. Il s'agit ainsi
d'ondes
électromagnétiques dites "multimode".
Lorsqu'une onde électromagnétique parvient à la surface d'un produit
diélectrique placé dans l'enceinte de cuisson, une partie de l'onde est
réfléchie, et
une partie de l'onde pénètre dans le produit et se trouve absorbée en étant
transformée en chaleur par agitation des molécules dipolaires d'eau du
produit. La
puissance absorbée P dans le produit dépend de l'intensité du champ électrique
E
auquel est soumis le produit, de sa fréquence f, et du facteur de pertes
diélectriques E" caractéristique de la matière constituant le produit, selon
la
formule approximative :
P=5.56.10`4.f.".E2
Lors des traitements thermiques, une difficulté est le caractère
hétérogène du produit irradié par les micro-ondes : certaines zones du produit
peuvent présenter un facteur de pertes diélectriques supérieur à d'autres
zones du
produit, en fonction de différents paramètres tels que la nature du produit,
sa
température, son état physique congelé ou décongelé.
Il en résulte que les zones de produit à fort facteur de pertes
diélectriques s'échauffent plus vite, produisant des zones surchauffées,
tandis que
d'autres zones restent froides.
On tente généralement de réduire les inconvénients d'une telle
hétérogénéité en organisant des réflexions multiples des ondes
électromagnétiques sur les parois de la cavité de cuisson, et en déplaçant le
produit sur un plateau rotatif.
Une autre difficulté résulte de la réflexion des ondes
électromagnétiques, qui ne pénètrent pas dans le produit et n'assurent aucun
échauffement, tout en étant redirigées vers d'autres zones de l'enceinte de
cuisson
et éventuellement vers le magnétron en risquant de le détruire.
Dans le cas de produits que l'on veut décongeler, une difficulté
supplémentaire résulte du facteur de pertes diélectriques très faible de l'eau
à l'état
solide, ce qui nécessite de prévoir des cycles de décongélation plus longs,
dans
lesquels on alterne des périodes d'irradiation par micro-ondes et des périodes
d'attente sans irradiation, pour tenter d'éviter l'apparition d'une
hétérogénéité très
importante entre des zones déjà décongelées et des zones encore congelées d'un
même produit.
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Il résulte de ces phénomènes que les traitements thermiques par micro-
ondes sont relativement lents.
Le document WO 82/00403 vise à accélérer la décongélation par micro-
ondes de quartiers d'animaux congelés, grâce à l'application d'un courant
d'air froid
à la surface des quartiers d'animaux, l'air froid assurant le refroidissement
de la
surface des quartiers d'animaux et favorisant en conséquence la pénétration
des
micro-ondes à l'intérieur du produit. Les micro-ondes utilisées sont du type
multimode, dans une enceinte ayant une paroi à haute réflectivité. Les
quartiers
d'animaux sont déplacés à l'intérieur de l'enceinte, et peuvent tourner pour
recevoir
les micro-ondes à partir de plusieurs directions.
Un tel procédé reste lent, car la pénétration des micro-ondes reste
superficielle et aléatoire.
On a récemment développé une technique de micro-ondes monomode,
telle que décrite notamment dans le document US 4,775,770, permettant
d'augmenter la pénétration des ondes électromagnétiques dans un produit. Le
procédé, dans ce document, est appliqué à l'échauffement d'objets tels que des
liquides emballés hermétiquement et soumis à une surpression externe. Deux
trains d'ondes de sens opposés sont dirigés de part et d'autre du produit pour
se
superposer dans le produit en formant un champ cumulatif. Les deux trains
d'ondes
de sens opposés peuvent être réalisés par un seul émetteur dont l'énergie est
scindée dans deux directions opposées et dirigée par des guides d'ondes en
demi
tore, ou par deux émetteurs de fréquences et d'amplitudes sensiblement
identiques
et de même polarisation qui génèrent chacun l'un des deux trains d'ondes
dirigés
vers le produit. L'application des micro-ondes sur le produit peut se faire de
façon
stationnaire, si le produit a une taille inférieure à celle de la zone
recevant les
micro-ondes. Dans le cas d'un produit de taille plus grande, celui-ci peut
être
déplacé dans la zone d'irradiation, par balayage.
La rapidité de traitement thermique par un tel dispositif reste cependant
insuffisante, notamment dans le cas de produits congelés, et il. y a un risque
important de destruction des magnétrons à cause de la réflexion des ondes
électromagnétiques. On constate qu'il faut environ 120 secondes pour amener à
une température de 80 C environ, de façon relativement homogène, un produit
tel
qu'un hamburger initialement congelé à-18 C. La cuisson nécessite encore un
temps supplémentaire.
En alternative, et de façon plus traditionnelle, on échauffe généralement
les aliments par une mise en contact avec une surface chaude telle qu'une
plaque
chaude, une poêle, une casserole, ou par un rayonnement infrarouge par des
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braises ou des résistances électriques. Ces techniques d'échauffement peuvent
être rapides, mais agissent essentiellement depuis la surface du produit, et
provoquent ainsi un échauffement plus intense de la surface. Le corur du
produit
reçoit l'énergie calorifique par conduction depuis la surface, et reçoit donc
un
échauffement moins intense. II en résulte encore une limite dans la rapidité
de
traitement thermique si l'on veut éviter une trop grande hétérogénéité de
traitement
entre la surface du produit et le c ur du produit.
Et cette hétérogénéité est encore amplifiée dans le cas d'un produit
initialement à l'état congelé. Par exemple, le traitement thermique de
hamburgers,
pour passer de l'état congelé à l'état cuit prêt pour la consommation, demande
environ 122 secondes avec les techniques actuelles utilisées, par exemple dans
la
restauration rapide. Et ce traitement thermique nécessite l'intervention de la
main-
d'oeuvre pour des manipulations relativement nombreuses que l'bn ne peut pas
automatiser à l'heure actuelle.
EXPOSE DE L'INVENTION
Le problème proposé par la présente invention est d'augmenter
sensiblement la rapidité du traitement thermique de produits tels que des
aliments,
notamment des aliments qui sont initialement à l'état congelé, pour les amener
à
un état décongelé et propre à la consommation.
L'invention vise également à permettre l'automatisation du traitement
thermique.
II y a également un intérêt, dans ce traitement thermique, à conserver au
maximum le poids initial du produit (eau, graisses), à réduire la consommation
globale d'énergie pour ce traitement thermique, à réduire la pollution de
l'environnement, et à conserver les propriétés de l'aliment.
L'objectif est par exemple de cuire un hamburger initialement congelé à
-18 C, la décongélation et la cuisson étant réalisées en moins d'une minute.
L'invention résulte de l'idée consistant à utiliser la variation brusque et
significative du facteur de pertes diélectriques de l'eau au passage de son
état
solide à son état liquide. Le facteur de pertes diélectriques de l'eau pure
gelée est
de 0,003. Les produits habituels congelés ont une teneur en eau qui peut
varier de
0% à 95 %. II est donc possible que leur facteur de pertes diélectriques à
l'état
congelé varie considérablement. Les produits alimentaires congelés peuvent
ainsi
avoir en général un facteur de pertes diélectriques allant de 0,1 à 1,8,
dépendant
de la présence de sels, de la nature de la matière sèche, etc ... A l'état
décongelé,
les mêmes produits alimentaires ont un facteur de pertes diélectriques
également
variable, en moyenne de l'ordre de 14. Ainsi, au passage de l'état congelé à
l'état
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décongelé, le facteur de pertes diélectriques d'un produit alimentaire passe
d'une
valeur de l'ordre de 1,6 à l'état congelé à une valeur de l'ordre de 14 à
l'état
décongelé. On organise, selon l'invention, i'utilisation de ce phénomène grâce
à
l'application de micro-ondes monomodes dans une zone réduite de produit qui
elle-
5 même se déplace de façon appropriée en direction et en vitesse.
Ainsi, pour atteindre ces buts ainsi que d'autres, l'invention propose un
procédé d'échauffement par micro-ondes pour (a décongélation et le traitement
thermique d'un produit congelé, comprenant au moins une étape a) de
décongélation au cours de laquelle on place une portion du produit dans une
zone
d'irradiation soumise à un rayonnement électromagnétique monomode à
superposition de trains d'ondes opposés et on réalise un déplacement relatif
de la
zone d'irradiation et du produit l'un par rapport à l'autre pour que la zone
d'irradiation parcoure tout le produit congelé et selon une vitesse et une
direction
telles que la portion irradiée de produit s'étende en permanence, pendant
ledit
déplacement, de part et d'autre d'une frontière entre une zone déjà décongelée
de
portion irradiée de produit et une zone adjacente encore congelée de portion
irradiée de produit.
Au cours de cette étape a), ladite au moins une portion irradiée de
produit contient une frontière mobile située à chaque instant entre une zone
décongelée de portion irradiée de produit et une zone encore congelée de
portion
irradiée de produit. Dans le cas d'un rayonnement monomode, la plus grande
partie
de l'énergie de rayonnement est concentrée selon une zone relativement étroite
et
rectiligne, que l'on désigne par i'expression "zone d'irradiation". La
frontière mobile
prend la forme de la zone d'irradiation, et est généralement rectiligne. La
zone
décongelée de portion irradiée de produit présente un facteur de pertes
diélectriques élevé, qui concentre ainsi la transformation des ondes
électromagnétiques en énergie calorifique, ce qui élève localement la
température
du produit dans la zone décongelée de portion irradiée de produit. Par
conduction
thermique, la chaleur présente dans la zone décongelée de portion irradiée de
produit se propage, à travers la frontière, dans la zone adjacente encore
congelée
de portion irradiée de produit, provoquant sa décongélation. La frontière tend
ainsi
à se déplacer naturellement vers la partie encore congelée du produit, et
s'éloigne
de la partie de produit qui constituait précédemment la zone décongelée de
portion
irradiée de produit. Selon l'invention, on déplace la zone d'irradiation par
rapport au
produit (ou, ce qui revient au même, le produit par rapport à la zone
d'irradiation)
en suivant, en direction et en vitesse, le déplacement naturel de la
frontière. Ainsi
l'énergie des ondes électromagnétiques est utilisée pour échauffer la seule
zone
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décongelée adjacente à la frontière, et sert donc, par conduction thermique
selon
un chemin court, à décongeler rapidement la- zone congelée adjacente à la
frontière.
On accélère ainsi très sensiblement la décongélation du produit, en
combinant une absorption importante des ondes électromagnétiques dans la zone
décongelée de portion irradiée de produit, et une conduction thermique rapide
vers
la zone adjacente encore congelée de portion irradiée de produit.
L'étendue de la zone décongelée de portion irradiée de produit est
limitée à la zone immédiatement adjacente à la frontière avec la zone congelée
de
portion irradiée de produit, ce qui est rendu possible grâce au rayonnement
électromagnétique monomode dont l'énergie est concentrée sur une zone étroite
de produit de part et d'autre de la frontière entre la partie décongelée et la
partie
encore congelée. Cela évite de chauffer inutilement les zones décongelées plus
éloignées de la frontière, zones qui n'auraient pas d'effet sensible de
conduction de
chaleur vers les zones encore congelées.
Pour amener le produit à une température nettement supérieure à 0 C,
on prévoit en outre une étape ultérieure b) d'échauffement du produit déjà
décongelé, au cours de laquelle on irradie le produit par un rayonnement
électromagnétique monomode en plaçant une portion irradiée du produit dans une
zone d'irradiation et en réalisant un déplacement relatif de la zone
d'irradiation et
du produit l'un par rapport à l'autre de façon que la zone d'irradiation
parcoure tout
le produit, jusqu'à amener le produit à une température déterminée.
On sépare ainsi l'opération de décongélation et l'opération
d'échauffement au-delà du 0 C. De la sorte, au cours de l'opération ultérieure
d'échauffement, il ne reste dans le produit à traiter aucune zone encore
congelée
susceptible de constituer une zone à plus faible capacité d'absorption de
l'énergie
des ondes électromagnétiques. L'homogénéité de l'échauffement est ainsi
améliorée.
De préférence, la zone d'irradiation présente une forme allongée selon
une direction d'allongement, définissant une ligne de frontière entre la zone
décongelée et la zone adjacente encore congelée de produit. Le déplacement
relatif de la zone d'irradiation et du produit s'effectue transversalement par
rapport
à la direction d'allongement. Le rayonnement électromagnétique se propage,
dans
la zone d'irradiation, selon une direction de propagation sensiblement
perpendiculaire à la direction d'allongement et à la direction du déplacement
relatif.
De préférence, pour produire une décongélation en une seule passe du
produit, on prévoit que :
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- la zone d'irradiation présente, selon la direction d'allongement, une
longueur
sensiblement égale à une première dimension correspondante du produit à
traiter,
- la zone d'irradiation présente, selon la direction de déplacement, une
largeur
inférieure à sa longueur et nettement inférieure à la dimension du produit à
traiter
s dans cette même direction de déplacement.
Selon un mode de réalisation avantageux, lors du déplacement relatif de
la zone d'irradiation et du produit, la zone d'irradiation est fixe et le
produit est
mobile.
Les faces du produit recevant les ondes électromagnétiques sont
généralement soumises à un échauffement supplémentaire, qui peut provoquer un
écoulement de liquides ou de graisses. Pour évacuer cet écoulement, il est
avantageux que la direction d'allongement de la zone d'irradi.ation soit
contenue
dans un plan sensiblement vertical. Les liquides et les graisses évacués,
recueillis
à l'écart du produit, ne perturbent ainsi pas l'échauffement du produit lui-
même par
le rayonnement électromagnétique.
Les problèmes de réflexion des ondes électromagnétiques vers le
magnétron peuvent être résolus en prévoyant que, lors du déplacement relatif
de la
zone d'irradiation et du produit, on adapte la puissance électromagnétique
injectée
à la taille et aux propriétés diélectriques de la portion irradiée du produit
à traiter,
de façon à assurer en permanence dans la portion irradiée une régulation de la
puissance volumique, avantageusement à un niveau sensiblement égal à ou peu
différent de la puissance volumique absorbable par la portion irradiée du
produit.
Pour cela, la régulation de la puissance volumique peut s'effectuer par la
variation de la vitesse de déplacement relatif entre la zone d'irradiation et
le produit
et/ou par la variation de la puissance électromagnétique globale injectée.
Selon un autre aspect, l'invention prévoit d'appliquer le procédé ci-
dessus au traitement de produits devant être décongelés, cuits et grillés en
surface. Pour cela on peut avantageusement prévoir que, préalablement à
l'étape
a) de décongélation, on expose le produit à au moins un rayonnement
infrarouge.
Ce traitement préalable par rayonnement infrarouge, lorsqu'il est
appliqué à des produits tels que des produits carnés, en échauffant leur
surface à
plus de 208 C environ, produit une croûte qui constitue à la fois un élément
esthétique par son brunissement, et un élément protecteur qui enferme le cosur
du
produit et évite ultérieurement son desséchement lors de l'irradiation par les
micro-
ondes au cours de l'étape b) d'échauffement.
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De plus, la zone de surface ainsi traitée par infrarouges constitue une
zone superficielle essentiellement transparente aux micro-ondes, qui favorise
encore l'échauffement à coeur du produit par les micro-ondes.
Avantageusement, le ou les rayonnements infrarouges peuvent être
appliqués sur le produit au voisinage de la zone d'irradiation, résultant en
une
application d'infrarouges par balayage suivant le déplacement relatif du
produit.
Pour augmenter encore la rapidité de traitement thermique, le ou les
rayonnements infrarouges peuvent être appliqués simultanément sur toute la
surface du produit.
De préférence, préalablement à l'étape a) de décongélation, on expose
le produit à un rayonnement infrarouge à ondes courtes et à un rayonnement
infrarouge à ondes longues. Les ondes infrarouges courtes sècherit une
pellicule
de surface du produit, tandis que les ondes infrarouges longues agissent sur
une
plus grande profondeur et augmentent ainsi l'échauffement de la zone
superficielle
du produit.
De préférence, lors de l'exposition au rayonnement infrarouge, on
génère un courant d'air pour évacuer l'eau évaporée et sécher le produit en
surface. Cette disposition améliore encore la qualité et l'efficacité de la
croûte de
surface.
Lors du traitement, il est préférable de maintenir le produit en forme et
en position.
Selon un autre aspect, l'invention propose un dispositif d'échauffement
par micro-ondes pour la mise en oruvre du procédé ci-dessus, et comprenant :
- des moyens de génération de rayonnement pour générer dans au moins une zone
d'irradiation un rayonnement électromagnétique monomode à trains d'ondes se
propageant en sens opposés selon une direction de propagation,
- des moyens de tenue de produit à traiter pour placer au moins une portion
irradiée d'un produit dans la zone d'irradiation,
- des moyens de déplacement pour assurer le déplacement relatif de la zone
d'irradiation et du produit à traiter selon une direction de déplacement
transversale
par rapport à la direction de propagation du rayonnement, et selon une vitesse
appropriée pour suivre le déplacement d'une frontière entre zone décongelée et
zone encore congelée du produit à traiter.
En pratique, on peut avantageusement prévoir que la zone d'irradiation
présente de préférence une forme allongée selon une direction d'allongement,
les
moyens de déplacement produisent un déplacement relatif selon une direction de
déplacement transversale par rapport à la direction d'allongement, et les
moyens
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de génération de rayonnement produisent un rayonnement électromagnétique
monomode à direction de propagation sensiblement perpendiculaire à la
direction
d'allongement et à la direction de déplacement.
Selon un mode de réalisation avantageux, le dispositif comporte des
moyens de régulation de la puissance volumique injectée dans le produit, pour
injecter de préférence une puissance volumique en permanence sensiblement
égale à ou peu différente de la puissance volumique absorbable par le produit.
On
évite ainsi les retours d'ondes électromagnétiques vers le générateur d'ondes
électromagnétiques.
Par exemple, les moyens de régulation de la puissance volumique
injectée peuvent comprendre des moyens de contrôle de la puissance
électromagnétique globale et/ou de la vitesse de déplacement du produit à
traiter
par rapport à la zone d'irradiation, pour adapter en permanence la puissance
électromagnétique globale et/ou la vitesse en fonction du volume et des
propriétés
diélectriques de la portion irradiée du produit.
De préférence, le dispositif comporte en outre des moyens de génération
d'un rayonnement infrarouge pour appliquer un rayonnement infrarouge à la
surface du produit en amont de la ou des zones d'irradiation.
De préférence, les moyens de génération de rayonnement infrarouge
peuvent être agencés pour appliquer un rayonnement infrarouge simultanément
sur
toute la surface du produit, avec de préférence des moyens d'aspiration et/ou
de
mise en circulation d'air pour sécher la surface du produit exposée au
rayonnement
infrarouge.
DESCRIPTION SOMMAIRE DES DESSINS
D'autres objets, caractéristiques et avantages de la présente invention
ressortiront de la description suivante de modes de réalisation particuliers,
faite en
relation avec les figures jointes, parmi lesquelles :
- la figure 1 illustre la variation du facteur de pertes diélectriques en
fonction de la
température, pour l'eau distillée et pour quelques autres aliments habituels ;
- la figure 2 est une vue en perspective d'un dispositif d'échauffement par
micro-
ondes selon un mode de réalisation de la présente invention ;
- la figure 3 est une coupe de la vue en perspective de la figure 2, prise en
diagonale selon le plan I-I ;
- les figures 4 à 7 illustrent quatre étapes successives du fonctionnement du
dispositif des figures 2 et 3, au cours d'un procédé d'échauffement par micro-
ondes
selon un mode de réalisation de l'invention ;
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- la figure 8 illustre en perspective le procédé de décongélation selon
l'invention
appliqué à un produit en forme de disque ; et
- les figures 9 à 13 illustrent 5 étapes dudit procédé de décongélation.
DESCRIPTION DES MODES DE REALISATION PREFERES
5 Dans le mode de réalisation illustré sur les figures 2 à 7, le dispositif
d'échauffement par micro-ondes selon la présente invention comprend des moyens
de rayonnement pour générer un rayonnement électromagnétique monomode dans
une zone d'irradiation 1, des moyens de tenue de produits à traiter 2, et des
moyens de déplacement 3 pour assurer le déplacement relatif du produit à
traiter et
10 de la zone d'irradiation 1.
Ainsi, le dispositif est adapté pour traiter un produit 4.
Dans l'exemple illustré, le produit 4 a la forme d'un disque (figure 8), que
l'on va tenir dans un plan vertical de déplacement, pour lui appliquer un
rayonnement électromagnétique monomode dans la zone d'irradiation 1 où le
rayonnement se propage dans le sens de l'épaisseur "e" du produit 4.
Les moyens de rayonnement pour générer le rayonnement
électromagnétique monomode comprennent un premier ensemble générateur 5 et
un second ensemble générateur 6, adaptés chacun pour générer un rayonnement
électromagnétique monomode dans une moitié respective de la zone d'irradiation
1 : le premier ensemble générateur 5 produit un rayonnement électromagnétique
monomode dans la première moitié la de la zone d'irradiation 1, tandis que le
second ensemble générateur 6 produit un rayonnement électromagnétique
monomode dans la seconde moitié 1 b de la zone d'irradiation I.
Le premier ensemble générateur 5 comprend un magnétron 5a qui
introduit par un orifice 5b une onde électromagnétique dans deux guides
d'ondes
opposés 5c et 5d en demi-anneau à section transversale rectangulaire disposés
symétriquement l'un de l'autre de part et d'autre du plan vertical de
déplacement.
Les guides d'ondes 5c et 5d présentent chacun un plan médian de symétrie
vertica!
perpendiculaire au plan vertical de déplacement. Les guides d'ondes 5c et 5d
conduisent les ondes électromagnétiques jusqu'à un volume de convergence 1 c
qui contient la partie de zone d'irradiation la correspondante et qui lui-même
présente une forme parallélépipédique située entre les deux orifices de sortie
respectifs 5e et 5f (figure 3) rectangulaires des guides d'onde 5c et 5d.
L'épaisseur
E de la zone d'irradiation 1, ou distance entre les orifices de sortie 5e et
5f, est peu
supérieure à l'épaisseur du produit 4 que l'on désire traiter. Dans le volume
de
convergence 1 c, et en particulier dans la zone d'irradiation 1, deux trains
d'ondes
provenant des guides d'ondes 5c et 5d se superposent, en étant de sens opposés
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et dirigés l'un vers l'autre selon la direction de propagation reliant les
orifices de
sortie 5e et 5f.
Le second ensemble générateur 6 a la même structure que le premier
ensemble générateur 5, avec un magnétron 6a et deux guides d'ondes opposés 6c
et 6d.
Le fait d'utiliser deux ensembles générateurs 5 et 6 permet de doubler la
surface de la zone d'irradiation 1, par exemple pour traiter un produit 4
ayant un
diamètre plus important.
On pourra toutefois, sans sortir du cadre de l'invention, traiter des
produits 4 de dimensions plus petites en utilisant un seul ensemble générateur
tel
que l'ensemble 5.
Les moyens de génération de rayonnement électromagnétique
monomode peuvent être du type déjà décrit dans le document US 4,775,770, qui
est cité ici comme référence. Les guides d'ondes 5c et 5d sont conformés, de
façon
connue, de manière à privilégier la propagation d'un seul mode de rayonnement.
De tels moyens de génération de rayonnement électromagnétique
monomode produisent un rayonnement dont l'intensité est maximale dans le plan
médian de symétrie des guides d'ondes (illustré par la direction d'allongement
II-Il
sur la figure 4), et dont l'intensité décroît rapidement de part et d'autre du
plan
médian de symétrie. Ainsi, l'énergie électromagnétique est concentrée
essentiellement au voisinage immédiat du plan médian, ce qui définit la
position et
la largeur de la zone d'irradiation 1 illustrée en pointillés sur la figure 4.
On
considérera que la zone d'irradiation 1 est définie par la portion étroite du
volume
de convergence 1 c qui reçoit plus de 60 % de l'énergie du rayonnement
électromagnétique monomode.
Les magnétrons travaillent avantageusement à une fréquence comprise
entre 2 et 3 GHz, de préférence à une fréquence de 2,45 GHz.
Les moyens de tenue de produits à traiter 2 comprennent, dans le mode
de réalisation illustré, un chariot 2a en berceau, comportant une cavité 2b
adaptée
pour recevoir et contenir un produit 4 à traiter, avec une ouverture
supérieure 2c
pour l'introduction et le retrait du produit 4 à traiter et avec deux faces
latérales
ouvertes et munies de tiges de maintien 2d en quartz, de part et d'autre du
produit
4 à traiter. Le chariot 2a peut être réalisé en métal, ou en tout autre
matériau
approprié pour supporter un rayonnement infrarouge et un rayonnement par micro-
ondes.
Les moyens de déplacement 3, destinés à assurer le déplacement relatif
de la zone d'irradiation 1 et du produit 4 à traiter, sont adaptés pour guider
le
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chariot 2a et le produit 4 à traiter qu'il contient en coulissement selon une
direction
de déplacement relatif illustrée par la flèche 7, pour faire défiler le
produit 4 à
traiter devant la zone d'irradiation 1. Ainsi, les moyens de déplacement 3
comportent des guides supérieurs 3a et des guides inférieurs 3b, et peuvent
comprendre des moyens de motorisation tels qu'un vérin 2e pour déplacer le
chariot 2a le long des guides 3a et 3b selon une vitesse appropriée.
Comme on le voit en coupe sur les figures 4 à 8, la zone d'irradiation 1
présente une forme allongée selon la direction d'allongement II-II, dans le
plan
médian des guides d'ondes 5c, 5d, 6c, 6d des ensembles générateurs 5 et 6, et
les
moyens de déplacement 3 produisent un déplacement relatif selon une direction
de
déplacement 7 qui est transversale par rapport à la direction d'allongement II-
!I.
Comme illustré sur les figures, la zone d'irradiation 1 présente, selon la
direction d'allongement 11-II, une longueur L1 sensiblement égale à la hauteur
du
produit 4 à traiter.
La zone d'irradiation 1 présente, selon la direction transversale qui est
dans le plan médian et perpendiculaire à la direction de déplacement 7, une
épaisseur E inférieure à l'épaisseur du produit 4 à traiter. Cette direction
transversale d'épaisseur E est aussi la direction de propagation des ondes
électromagnétiques dans la zone d'irradiation 1.
Par le fait que l'onde électromagnétique est essentiellement concentrée
à proximité du plan médian de symétrie contenant la direction d'allongement II-
II, la
zone d'irradiation 1 présente, selon la direction de déplacement 7, une
largeur L2
réduite, nettement inférieure à la dimension du produit 4 à traiter dans la
direction
de déplacement 7.
Dans la réalisation illustrée, la zone d'irradiation 1 est fixe, et les moyens
de déplacement 3 déplacent le produit 4 à traiter par rapport à la zone
d'irradiation
1 qui est fixe. Pour cela, le chariot 2a est sollicité par un vérin 2e lui-
même piloté
par un dispositif de commande 8.
Le dispositif illustré comporte en outre des moyens de régulation de la
puissance volumique injectée dans le produit à traiter. La raison est que la
puissance volumique injectée doit, de préférence, être sensiblement égale à la
puissance que peut absorber le produit dans l'état physique dans lequel il se
trouve, afin d'éviter que les ondes électromagnétiques non absorbées
traversent le
produit et retournent aux magnétrons 5a et 6a, risquant ainsi de les détruire.
Ainsi, le dispositif de commande 8 pilote également les magnétrons 5a
et 6a, auxquels il est relié par des lignes de commande respectives 5g et 6g,
et le
dispositif de commande 8 est relié au vérin 2e par une ligne de commande 2f.
Le
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dispositif de commande 8 est adapté pour réguler la puissance volumique dans
le
produit de façon à ce qu'elle soit en permanence sensibiement égale à ou peu
différente de la puissance volumique absorbable par le produit.
Selon une première méthode, le dispositif de commande 8 contrôle la
puissance électromagnétique globale délivrée par les magnétrons 5a et 6a pour
adapter en permanence la puissance électromagnétique globale en fonction du
volume et des propriétés diélectriques de la portion irradiée du produit.
En alternative ou en complément, le dispositif de commande 8 adapte en
permanence la vitesse de déplacement du chariot 2a par le vérin 2e en fonction
du
volume de produit présent dans la zone d'irradiation 1: pour une forme de
produit
4 en disque telle qu'illustrée sur la figure 4, on comprend que le volume de
produit
est croissant depuis un volume nul lorsque le produit 4 est tangent à la zone
d'irradiation 1 en début de pénétration du produit dans la zone d'irradiation
1, puis
augmente jusqu'à atteindre un maximum lorsqu'un diamètre du produit est
présent
dans la zone d'irradiation 1, puis diminue jusqu'à s'annuler lorsque le
produit 4
devient à nouveau tangent à la zone d'irradiation 1. En pratique, le
dispositif de
commande 8 peut faire varier la vitesse de déplacement du chariot 2a, avec une
vitesse plus importante en début de pénétration du produit dans la zone
d'irradiation 1, puis en faisant décroître la vitesse au fur et à mesure qu'un
volume
plus important de produit se trouve dans la zone d'irradiation 1, puis en
augmentant progressivement la vitesse jusqu'en fin de passage du produit dans
la
zone d'irradiation 1.
Dans le mode de réalisation illustré sur les figures, le dispositif
d'échauffement selon l'invention comporte en outre des moyens de génération
d'un
rayonnement infrarouge 9, pour appliquer un rayonnement infrarouge à la
surface
du produit 4 en amont de la ou des zones d'irradiation 1, la et 1 b, Les
moyens de
génération de rayonnement infrarouge 9 sont pilotés par les moyens de commande
8, auxquels ils sont reliés par une ligne de commande 9c.
Le rayonnement infrarouge peut être appliqué sur une portion seulement
de la surface du produit 4, comme représenté sur les figures, ou peut
avantageusement être appliqué simultanément sur toute la surface du produit 4.
En pratique, le rayonnement infrarouge peut être produit par des lampes
infrarouges 9a, 9b placées de part et d'autre des guides 3a et 3b, en amont de
la
zone d'irradiation 1 dans le sens de déplacement 7 du chariot 2a, et au
voisinage
de la zone d'irradiation 1.
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Les lampes à rayonnement infrarouge 9a et 9b peuvent être des
barrettes disposées verticalement, parallèlement aux faces principales du
produit 4
et perpendiculairement à la direction de déplacement 7 du chariot 2a.
Les lampes à rayonnement infrarouge 9a et 9b peuvent comprendre
successivement, dans la direction du déplacement 7, tout d'abord au moins une
lampe à rayonnement infrarouge à ondes plus courtes, puis au moins une lampe à
rayonnement infrarouge à ondes plus longues.
Pendant le traitement thermique du produit 4, il y a intérêt à sécher la
surface externe du produit. On prévoit pour cela des moyens d'aspiration et/ou
de
mise en circulation d'air 10, par exemple une turbine d'aspiration raccordée à
la
zone occupée par les lampes à rayonnement infrarouge 9a et 9b et raccordée à
la
zone d'irradiation 1. Les moyens d'aspiration 10 sont pilotés par les moyens
de
commande 8, auxquels ils sont reliés par une ligne de commande 10a.
Le chariot 2a peut avantageusement être réalisé en acier inoxydable.
Il peut avantageusement comprendre en outre des éléments tels que
des tiges verticales en quartz 2d, qui sont transparentes aux ondes
électromagnétiques lors de leur passage dans la zone d'irradiation 1, et qui
participent au maintien en forme et en place du produit 4 au cours de son
traitement dans la zone d'irradiation.
Dans le mode de réalisation des figures 4 à 7, comprenant un'
échauffement superficiel préalable par infrarouges, on traite un produit 4 nu,
dépourvu de toute enveloppe de conditionnement.
En début de cycle de fonctionnement, illustré sur la figure 4, le chariot
2a est à l'écart de la zone d'irradiation 1, et peut recevoir le produit 4 à
traiter par
l'ouverture supérieure 2c de la cavité 2b. On déplace alors le chariot 2a dans
la
direction de déplacement 7 en direction de la zone d'irradiation 1.
Sur la figure 5, le produit 4 à traiter passe devant les moyens de
génération d'un rayonnement infrarouge 9, qui génèrent un rayonnement
infrarouge
appliqué aux faces principales du produit 4.
Sur la figure 6, le produit 4 à traiter défile devant la zone d'irradiation 1,
et est ainsi soumis aux ondes électromagnétiques produisant son échauffement à
c ur.
Sur la figure 7, le produit 4 à traiter arrive en fin de passage devant la
zone d'irradiation 1, et on termine ainsi l'étape de décongélation.
Le mouvement illustré sur les figures successives 4 à 7 constitue une
première étape a) de décongélation, au cours de laquelle on irradie
partiellement
par balayage le produit 4 par le rayonnement électromagnétique monomode généré
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dans la zone d'irradiation 1. Une portion seulement du produit 4 est irradiée
dans la
zone d'irradiation 1, et on réalise un déplacement relatif de la zone
d'irradiation 1 et
du produit 4 l'un par rapport à l'autre de telle façon que la portion irradiée
de
produit 4 comprenne en permanence au moins une zone décongelée de portion
5 irradiée de produit et une zone adjacente congelée de portion irradiée de
produit.
Après l'étape a), c'est-à-dire lorsque le produit 4 décongelé est arrivé à
l'écart de la zone d'irradiation 1, comme illustré sur la figure 7, on peut
entreprendre une étape ultérieure b) d'échauffement, consistant à irradier
partiellement par balayage le produit 4 par un rayonnement électromagnétique
10 monomode, en plaçant au moins une portion irradiée de produit dans une zone
d'irradiation telle que la zone d'irradiation 1, et en réalisant un
déplacement relatif
de la zone d'irradiation et du produit l'un par rapport, jusqu'à amener le
produit à
une température déterminée.
Par exemple, on peut déplacer le chariot 2a dans le sens inverse de la
15 flèche 7, pour faire passer le produit 4 dans la zone d'irradiation 1
initialement
utilisée pour la décongélation.
La puissance délivrée par les magnétrons lors de ce second passage
d'échauffement peut être plus élevée que la puissance délivrée lors du premier
passage de décongélation.
On se retrouve ensuite dans la position illustrée sur la figure 4, position
dans laquelle le produit 4 peut être retiré du chariot 2a.
On comprend que le fonctionnement du dispositif peut être entièrement
automatisé, depuis l'introduction du produit 4 comme illustré sur la figure 4,
jusqu'à
son retrait dans cette même position de la figure 4.
On considère maintenant la figure 1, qui illustre la variation du facteur de
pertes diélectriques " de l'eau et de quelques produits alimentaires en
fonction de
la température.
La courbe A correspond à l'eau pure, les courbes B, C, D, E et F
correspondent respectivement au boeuf cuit, au boeuf cru, aux carottes cuites,
à la
purée de pommes de terre, au jambon cuit.
On voit que dans tous les cas le facteur de pertes diélectriques E" est
relativement faible pour les températures négatives, qu'il subit une
augmentation
très brusque au voisinage de la température 0 C, pour ensuite connaître dans
la
plupart des cas un maximum et une décroissance progressive lors de
l'échauffement au-delà de la température 0 C.
Il en résulte que, à l'état congelé, un produit contenant de l'eau, par
exemple un aliment à traiter thermiquement, présente un très faible facteur de
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pertes diélectriques. Par conséquent, des ondes électromagnétiques appliquées
sur le produit tendent à être réfléchies ou à traverser le produit, et à
retourner aux
magnétrons.
Par contre, lorsque le produit est décongelé, le facteur de pertes
diélectriques plus important permet une plus grande transformation de
l'énergie
électromagnétique en chaleur.
L'invention met à profit ce phénomène, en traitant le produit de manière
à conserver en permanence, dans la zone d'irradiation, au moins une portion de
produit décongelée qui va concentrer l'échauffement par les ondes
électromagnétiques et transmettre cet échauffement par conduction vers la zone
adjacente non encore décongelée.
Considérons la figure 8, qui illustre en perspective un produit 4 en forme
de disque, en cours de traitement de décongélation dans une zone d'irradiation
1.
Le produit 4 en forme de disque présente une épaisseur e et un
diamètre D. Il est contenu seulement en partie dans la zone d'irradiation 1
qui a
elle-même une forme parallélépipédique de hauteur L1, de longueur L2, et
d'épaisseur E.
L'épaisseur E de la zone d'irradiation est supérieure à l'épaisseur e du
produit 4. La hauteur L1 de la zone d'irradiation est supérieure au diamètre D
du
produit 4. La longueur L2 de la zone d'irradiation est nettement inférieure au
diamètre D du produit 4.
Ainsi, la zone d'irradiation 1 présente une forme allongée selon une
direction d'allongement I1-I1, verticale sur la figure 8.
Dans la zone d'irradiation 1, le produit 4 présente, essentiellement le
long de la direction d'allongement II-II, une frontière F entre une partie
décongelée
4a (illustrée avec des stries) et une partie encore congelée 4b (dépourvue de
stries). Cette frontière F se déplace en direction de la partie encore
congelée,
comme illustré par la flèche V, à la vitesse de propagation de la chaleur dans
le
produit 4. Selon l'invention, on assure un déplacement relatif volontaire et
contrôlé
V' du produit 4 et de la zone d'irradiation 1 à la même vitesse et selon la
même
direction que ce déplacement naturel de la frontière F, de sorte que la
portion
irradiée 4a, 4b du produit 4 s'étend en permanence, pendant le déplacement, de
part et d'autre de la frontière F.
Sur la figure 9, le produit 4 est à l'état congelé, entièrement en dehors
de la zone d'irradiation 1. On le déplace dans le sens illustré par la flèche
V.
Sur la figure 10, une portion du produit 4 a pénétré dans la zone
d'irradiation 1, et on voit l'apparition d'une frontière F entre une zone
décongelée
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4a et une zone encore congelée 4b, les zones 4a et 4b constituant la zone
irradiée
du produit 4. La frontière F a tendance à se déplacer vers la gauche.
Sur la figure 11, on a provoqué un déplacement relatif du produit 4 et de
la zone d'irradiation 1 de façon à conserver la position relative de la zone
d'irradiation 1 de part et d'autre de la frontière F qui sépare encore les
zones
décongelée 4a et encore congelée 4b dans la portion irradiée du produit 4.
Sur la figure 12, on a encore suivi la progression de la frontière F dans
le produit 4, qui se situe alors dans la partie médiane du produit 4.
Sur la figure 13, la frontière F a bientôt atteint l'extrémité gauche du
produit 4, et seule une frange réduite 4b reste congelée. Tout le reste du
produit 4
est décongelé. On poursuivra le déplacement V' jusqu'à ce que la zone
d'irradiation
1 ait parcouru la totalité du produit 4 initialement congelé.
Si l'on considère à nouveau la figure 8, les ondes électromagnétiques se
propagent, dans le produit 4, selon la direction de son épaisseur e. Le
déplacement
relatif entre la zone d'irradiation 1 et le produit 4 s'effectue selon la
direction de
déplacement V. La zone d'irradiation est allongée selon la direction
d'allongement
Il-II. On voit que les trois directions précitées sont perpendiculaires les
unes aux
autres, dans ce mode de réalisation.
L'application d'ondes électromagnétiques monomodes permet de
concentrer dans une zone d'irradiation 1 de largeur L2 d'environ 12 mm de part
et
d'autre de la direction d'allongement II-II plus de 60 % de l'énergie des
ondes
électromagnétiques appliquées sur le produit 4, concentrant ainsi l'énergie de
façon à optimiser le phénomène de conduction de part et d'autre de la
frontière F,
entre la zone décongelée 4a et la zone encore congelée 4b du produit 4.
Ainsi, le processus d'échauffement selon l'invention est un processus
d'échauffement hybride dans lequel l'échauffement intrinsèque par les ondes
électromagnétiques collabore avec l'échauffement par conduction, de manière
permanente et contrôlée.
Le résultat est une augmentation très sensible de la rapidité du
traitement thermique, au moins dans l'étape de décongélation. Par rapport à un
échauffement par micro-ondes sans balayage, on considère que le temps de
décongélation selon l'invention est réduit de 50 %.
En pratique, le traitement préalable par infrarouges accélère encore ce
processus, en réalisant un traitement de surface du produit qui à la fois
génère une
croûte relativement étanche et transparente aux ondes électromagnétiques, avec
une portion déjà décongelée de produit en sous-couche au-dessous de la croûte.
Lors du passage ultérieur du produit dans la zone d'irradiation, les ondes
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électromagnétiques sont absorbées également par la portion décongelée de
produit en sous-couche de la croûte, ce qui augmente la longueur de la zone de
frontière entre la partie décongelée et la partie encore congelée de produit,
assurant ainsi une accélération du processus de décongélation.
On a ainsi pu réaliser une accélération très sensible du traitement
thermique du produit. A titre d'exemple, en moins de 45 secondes, on a pu
réaliser
une cuisson correcte d'hamburgers préalablement congelés à-18 C, avec à l'état
final une croûte superficielle d'aspect et de consistance appropriés, et avec
une
cuisson appropriée à coeur. Les hamburgers objet de ce test avaient
initialement
un poids de 113 grammes, et une forme de disque ayant une épaisseur de
12,5 millimètres. Au cours de leur traitement selon l'invention, ils étaient
disposés
et déplacés comme illustré sur les figures.
La présente invention n'est pas limitée aux modes de réalisation qui ont
été explicitement décrits, mais elle en inclut les diverses variantes et
généralisations contenues dans le domaine des revendications ci-après.
