Calentamiento electromagnético.

Un método de calentamiento electromagnético que comprende:

(a) colocar un objeto a calentarse en una cavidad (10);

(b) alimentar la entrada de UHF o energía de microondas a una potencia de entrada controlada en la cavidad através de una pluralidad (16, 18, 20) de antenas, y medir la potencia de entrada;

(c) cambiar automáticamente la frecuencia transmitida y determinar las potencias reflejadas correspondientes;y

(d) calentar el objeto alimentando la entrada de UHF o energía de microondas a una potencia de entrada decalentamiento controlada; el método se caracteriza por:

(e) para cada antena en la pluralidad de antenas, y para cada frecuencia:

(i) medir una potencia reflejada en la dicha antena;

(ii) medir una potencia acoplada (Sij) entre la dicha antena y la otra antena o antenas;

(iii) determinar un rendimiento de absorción de energía (η) como una porción de la potencia de entrada que noestá en la salida de la cavidad como la potencia acoplada o reflejada; y

(f) durante el calentamiento, ajustar automáticamente la potencia de entrada de calentamiento a la dichaantena, para cada frecuencia, en dependencia del rendimiento de absorción de energía para esa frecuencia

Calentamiento electromagnético Campo de la invención La presente invención generalmente está relacionada con el calentamiento de los materiales con energía electromagnética.

Antecedentes de la invención El horno de microondas es un elemento omnipresente en la sociedad moderna. Sin embargo, son bien conocidas sus limitaciones. Esto incluye, por ejemplo el calentamiento desigual y lenta absorción del calor. De hecho, los hornos microondas normales, cuando se usan para calentar (por ejemplo descongelar) , provoca diferencias de temperaturas de hasta 100°C entre las diferentes localizaciones en el objeto calentado, lo que resulta en la creación de puntos calientes, regiones de fuga térmica. Por ejemplo, los alimentos congelados que se deshielan en un horno de microondas pueden tener una o más partes (por ejemplo el exterior) que está caliente o incluso cocido parcialmente antes que otras partes u otras partes incluso se descongelen (por ejemplo en el interior) . Conocidos también son los puntos calientes que ocurren dentro de una tasa calentada de líquido que pueden resultar en una lesión personal a un usuario. Un método común que intenta reducir los puntos calientes es girar el artículo que se calienta. Este método no proporciona el calentamiento uniforme como se desearía.

Un método para proporcionar el calentamiento uniforme es permitir que el calor depositado en un punto caliente se difunda a las regiones circundantes y las caliente mediante la conducción. Tales métodos pueden incluir un procedimiento de calentamiento intermitente en el que el calentamiento se detiene periódicamente para permitir la difusión del calor. Aunque este método se puede usar junto con los métodos de la presente invención, por sí mismo el método de parada y arranque de calentamiento o bien es extremadamente lento (debido a la baja conductividad de calor de la mayoría de los alimentos, que necesitan largos períodos de terminación para hacer efectivo el método) o son relativamente ineficientes. Otro método es calentar a una potencia muy baja. Esto se puede usar, por ejemplo, con grandes cuerpos congelados. Si el calentamiento es suficientemente lento, entonces el exceso de calor en los puntos calientes se difunde antes que el aumento de temperatura en el punto caliente llegue a ser desagradable. Sin embargo, este método requiere de hasta 10 o 20 veces más tiempo para que el calentamiento sea completamente efectivo. Debido a la convección del objeto, no es una opción seria para cocinar o calentar muy por encima de la temperatura ambiente.

Se ha publicado un número de documentos en el que se ha llevado a cabo un análisis teórico del problema del calentamiento del microondas de una muestra criogénica. Debido a las dificultades de tal análisis, tal análisis se ha llevado a cabo solamente en formas regulares, tales como formas esféricas y elipsoidales. Se han hecho intentos experimentales aparentemente en muestras de tamaño de un riñón, pero los resultados de estos experimentos no indican que está disponible una solución viable para descongelar riñones.

Por otra parte, no parece ser una solución para descongelar otros órganos, o para descongelar alimentos cocidos o calientes, de formas más arbitrarias.

Las publicaciones del arte anterior incluyen:

S. Evans, Electromagnetic Rewarming: The effect of CPA concentration and radio source frequency on uniformity and efficiency of heating, Cr y obiology 40 (2000) 126-138

S. Evans, y otros, Design of a UHF applicator for rewarming of cr y opreserved biomaterials, IEEE Trans. Biomed. Eng. 39 (1992) 217-225

M.P. Robinson, y otros, Rapid electromagnetic warming of cells and tissues, IEEE Trans. Biomed. Eng. 46 (1999) 1413-1425

M.P. Robinson, y otros, Electromagnetic re-warming of cr y opreserved tissues: effect of choice of cr y oprotectant and sample shape on uniformity of heating, Phys. Med. Biol. 47 (2002) 2311- 2325.

M.C. Wusteman, Martin y otros, Vitrification of large tissues with dielectric warming: biological problems and some approaches to their solution, Cr y obiology 48 (2004) 179-189.

Un artículo titulado "Control of Thermal Runaway and Uniformity of Heating in the Electromagnetic Warming of a Cr y opreserved Kidney Phantom" by J. D. J. Penfold, y otros, en Cr y obiology 30, 493-508 (1993) describe un análisis teórico y los resultados experimentales. Aunque algunos experimentos se hicieron aparentemente con un espectro del tamaño de un riñón, los principales resultados informados son con un objeto esférico uniforme.

Como se informó se alimentó una cavidad con energía electromagnética a 434 MHz en tres direcciones ortogonales (x, y, z) . La x e y alimentadas se proporcionaron de un mismo generador y se introdujo un cambio de fase de manera que el campo se polarizó de manera circular. La frecuencia se varió en etapas de 32 kHz (aparentemente hastaaproximadamente 350 kHz máximo) para ajustar la impedancia de entrada ya que cambió con el aumento de la temperatura.

La US-A-5961871 describe un método de y aparato para el calentamiento electromagnético como se expone en los preámbulos de las reivindicaciones independientes 1 y 9.

Sumario de la invención Un método y aparato para el calentamiento electromagnético se caracteriza por las características expuestas en las porciones que caracterizan las reivindicaciones 1 y 9.

Los presentes inventores se han dado cuenta de que las mediciones tomadas por los investigadores del arte anterior para proporcionar el calentamiento uniforme fueron insuficientes y no pueden, por sí mismas, conducir a una metodología viable para el calentamiento uniforme (o descongelación) de objetos de forma irregular tales como órganos, alimentos o los similares. Particularmente se descubrió que el arte anterior sufrió de muchos problemas. Como se usa en la presente, el término irregular significa los objetos que salen de forma esférica o elipsoidal en más de un 5% del volumen de RMS.

Los hornos de microondas convencionales están configurados para alimentarse de la energía del microondas de la cámara del horno que es básicamente de una sola frecuencia. Debido a las limitaciones del dispositivo la energía se suministra a diferentes frecuencias en un rango pequeño, normalmente entre 2.4 y 2.5 MHz. Los inventores se dieron cuenta de que las limitaciones del uso de una frecuencia sustancialmente constante, o el seguimiento constante de un único pico de disipación en un rango de frecuencia pequeño, limita significativamente la capacidad de alcanzar el calentamiento uniforme. De hecho, el calentamiento en una sola frecuencia se encuentra que es una de las razones principales de los puntos calientes. Sin embargo, el uso de diferentes frecuencias (usar una o más alimentaciones) , puede mejorar la uniformidad del calentamiento.

Aunque algunos calentadores del arte anterior propuesto utilizaron más de una entrada del microondas, las diferencias de frecuencia entre las dos entradas son pequeñas, de menos de 6 MHz.

Los inventores también encontraron que la estructura de la cavidad de un horno de microondas convencional, y especialmente la estructura del modo de la cavidad, no permitió inherentemente el éxito del calentamiento uniforme. Generalmente, los campos para un modo dado en una cavidad varían con la posición y el calentamiento varía con la resistencia de los campos.

En la materia, se hicieron intentos para establecer los parámetros del horno de microondas para ajustar las características de un objeto calentado antes de que comience el calentamiento. Sin embargo, durante el calentamiento cambian las características de un objeto calentado (por ejemplo la tendencia a absorber energía de una frecuencia dada) . Por lo tanto los inventores se dieron cuenta de que incluso si se sintonizó un calentador a un objeto calentado antes de la operación, incluso antes de un corto período de funcionamiento tendrían cambios las características del objeto y no sería significativa la sintonización.

Otro problema es que a veces, la absorción en una localización dada de un objeto es mayor cuando aumenta la temperatura. Esto puede dar lugar a un problema de "fuga térmica" (incluso en el horno microondas convencional) , en donde un lugar relativamente caliente absorbe más que uno más frío aumentando por lo tanto continuamente la diferencia de temperatura. Cuando se hace un esfuerzo para sintonizar la entrada de energía del dispositivo a la impedancia del objeto, el rendimiento del suministro de energía en el objeto se puede maximizar, pero se aumentan también generalmente los puntos calientes.

Los inventores han notado también que las publicaciones conocidas se ocupan de la disipación de la energía de acuerdo con... [Seguir leyendo]

1. Un método de calentamiento electromagnético que comprende:

(a) colocar un objeto a calentarse en una cavidad (10) ;

(b) alimentar la entrada de UHF o energía de microondas a una potencia de entrada controlada en la cavidad a través de una pluralidad (16, 18, 20) de antenas, y medir la potencia de entrada;

(c) cambiar automáticamente la frecuencia transmitida y determinar las potencias reflejadas correspondientes; y

(d) calentar el objeto alimentando la entrada de UHF o energía de microondas a una potencia de entrada de calentamiento controlada; el método se caracteriza por:

(e) para cada antena en la pluralidad de antenas, y para cada frecuencia:

(i) medir una potencia reflejada en la dicha antena;

(ii) medir una potencia acoplada (Sij) entre la dicha antena y la otra antena o antenas;

(iii) determinar un rendimiento de absorción de energía (f) como una porción de la potencia de entrada que no está en la salida de la cavidad como la potencia acoplada o reflejada; y

(f) durante el calentamiento, ajustar automáticamente la potencia de entrada de calentamiento a la dicha antena, para cada frecuencia, en dependencia del rendimiento de absorción de energía para esa frecuencia.

2. Un método de acuerdo con la reivindicación 1, que incluye determinar reiteradamente el rendimiento de absorción de energía como las ganancias de calentamiento.

3. Un método de acuerdo con la reivindicación 2 en donde cambiar la frecuencia comprende barrer la frecuencia sobre un ancho de banda.

4. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3 que incluye ajustar la potencia de entrada de calentamiento de manera que el producto del rendimiento de absorción de energía (

f) y la potencia de entrada de calentamiento es constante sustancialmente sobre una pluralidad de frecuencias.

5. Un método de acuerdo con la reivindicación 3 en donde el ancho de banda disponible para el barrido está limitado de acuerdo con la absorción del rendimiento de energía.

6. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores que incluye ajustar al elemento de ajuste de campo (24) en la cavidad (10) .

7. Un método de acuerdo con la reivindicación 6 en donde el elemento de ajuste de campo (24) se ajusta para mejorar el rendimiento de absorción de energía.

8. Un método de acuerdo con cualquiera de las reivindicaciones anteriores en donde las diferentes antenas transmiten frecuencias diferentes en potencias de entrada diferentes.

9. El aparato para el calentamiento electromagnético que comprende: una cavidad (10) ; medio para alimentar la entrada de UHF o energía de microondas en una potencia de entrada controlada en la

cavidad a través de una pluralidad (16, 18, 20) de antenas, y medir la potencia de entrada;

medio para cambiar automáticamente la frecuencia transmitida y determinar las potencias reflejadas correspondientes; y medio para calentar el objeto alimentando la entrada de UHF o energía de microondas en una potencia de entrada de calentamiento controlada; el aparato se caracteriza por: para cada antena en la pluralidad de antenas, y para cada frecuencia:

(i) medio para medir una potencia reflejada (Sii) en la dicha antena;

(ii) medio para medir una potencia acoplada (Sij) entre la dicha antena y la otra antena o antenas;

(iii) medio para determinar un rendimiento de absorción de energía (f) como una porción de la potencia de entrada que no está en la salida de la cavidad como potencia acoplada o reflejada; y medio para ajustar automáticamente la potencia de entrada de calentamiento a la dicha antena, durante el calentamiento, para cada frecuencia, en dependencia del rendimiento de absorción de energía para esa frecuencia.

10. El aparato de acuerdo con la reivindicación 9 en donde el controlador (130) ajusta la potencia de entrada de calentamiento de manera que un producto del rendimiento de absorción de energía (

f) y la potencia de entrada de calentamiento es constante sustancialmente.

11. El aparato de acuerdo con la reivindicación 9 que incluye un elemento de ajuste de campo ajustable (24) en la 5 cavidad (10) .

12. El aparato de acuerdo con la reivindicación 11 en donde el controlador (130) ajusta el elemento de ajuste de campo (24) para mejorar el rendimiento de absorción de energía.

13. El aparato como se reivindica en la reivindicación 9 en donde las diferentes antenas transmiten frecuencias diferentes en potencias de entrada diferentes.

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Computadora CotroladorSistema de RF Resonador yobjeto calentado