用微波加热物体的装置和方法.pdf

本发明涉及巴氏杀菌和/或高温灭菌食品的装置。在一个典型的实施例中，巴氏杀菌或高温灭菌包装食品的装置，包括至少一个腔体，在其内放置被巴氏杀菌或高温灭菌的食品。该腔设置为，当微波能射入腔内时，以单模腔运作，巴氏杀菌或高温灭菌食品。本发明还涉及使微波系统最优化，以巴氏杀菌或高温灭菌食品。

1.  一种使用微波对包装食品进行灭菌的装置，该装置包括至少一个在内部放置食品的腔，该腔设置成作为单模腔工作，以便当微波能量辐射入腔内时，将食品灭菌。

2.  如权利要求1所述的装置，还包括：
至少一个将微波能量导入腔内的微波辐照器；以及
加压液体源，其与所述腔流体连通，以将加压流体传送到腔内，将食品浸没在液体中并对腔加压；
其中，该腔包括容纳加压液体的液密腔。

3.  如权利要求2所述的装置，其中，腔包括邻近辐照器放置的微波透明窗板，以在腔内容纳加压液体，同时使微波能量从辐照器射入到腔内。

4.  如权利要求1所述的装置，还包括第一和第二波导，其设置为以相反的方向将微波引导到腔内。

5.  如权利要求4所述的装置，其中，第一和第二波导设置为，使从第一波导传播到腔内的微波和从第二波导传播到腔内的微波之间存在相差。

6.  如权利要求5所述的装置，其中，从第一波导传播到腔内的微波和从第二波导传播到腔内的微波之间存在180°或其它的相差。

7.  如权利要求1所述的装置，还包括：设置为以第一方向穿过腔的一侧引导微波的波导、以及放置在腔的对侧的反射器，该反射器以与第一方向相反的第二方向反射微波。

8.  如权利要求4所述的装置，其中，第一波导包括第一喇叭形辐照器，且第二波导包括第二喇叭形辐照器，第一和第二辐照器位于腔的相对两侧，以便以相反的方向将微波导入腔内。

9.  如权利要求1所述的装置，还包括：
微波发射器，其设置为发射915MHz ISM频带的微波；
波导，其将微波发射器连接至腔，使从微波发射器发射出的微波被引导到腔内。

10.  如权利要求1所述的装置，还包括：
将微波引导到腔内的波导，该波导具有由长度和宽度限定的横截面区域；以及
其中，腔的横截面区域由长度和宽度限定，腔的长度等于或小于波导长度的二倍，腔的宽度等于或小于波导宽度的一倍半。

11.  如权利要求10所述的装置，其中，腔的深度等于或小于200mm。

12.  如权利要求1所述的装置，其中，至少包括第一腔和第二腔，第一腔和第二腔相连通，以使食品能够从第一腔移动到第二腔，第一腔和第二腔的每个腔都作为单模腔工作；以及
该装置还包括第一和第二波导，第一波导设置为将微波引导到第一腔中，第二波导设置为将微波引导到第二腔中。

13.  如权利要求12所述的装置，其中：
第一波导包括一对位于第一腔的相对两侧的第一和第二辐照器，以便以相反的方向将微波导入第一腔内；且
第二波导包括一对位于第二腔的相对两侧的第一和第二辐照器，以便以相反的方向将微波导入第二腔内。

14.  如权利要求13所述的装置，其中，在传播到第一腔内的相对的微波之间存在相差，在传播到第二腔内的相对的微波之间存在相差，传播到第一腔内的相对的微波之间的相差不同于传播到第二腔内的相对的微波之间的相差。

15.  一种使用微波加热物体的装置，包括：
至少一个腔，用于接纳要加热的物体，该腔包括液密腔，在其相对两侧具有第一和第二微波透明窗板；
至少一个波导，其包括第一辐照器和第二辐照器，第一辐照器位于第一微波透明窗板附近，以第一方向将微波引导到腔内，第二辐照器位于第二微波透明窗板附近，以与第一方向相反的第二方向将微波引导到腔内；以及
加压液体源，其设置为将加压液体传送到腔内，从而在微波加热过程中将物体浸在液体中。

16.  如权利要求15所述的装置，其中，该腔设置成当微波辐射入腔内时，作为单模腔工作。

17.  如权利要求15所述的装置，其中，所述波导设置为使从第一辐照器进入到腔内的微波和从第二辐照器进入到腔内的微波之间存在相差。

18.  如权利要求17所述的装置，其中从第一辐照器进入到腔内的微波和从第二辐照器进入到腔内的微波之间存在180°或其它的相差。

19.  如权利要求15所述的装置，其中，所述物体包括要在腔内进行巴氏杀菌或高温灭菌的食品，加压液体将预加热的液体输送到腔内，该腔被预加热到巴氏杀菌或灭菌的温度。

20.  如权利要求15所述的装置，其中，第一和第二辐照器中的每一个都从第一横截面区域扩张至与腔相邻的较大的第二横截面区域。

21.  如权利要求15所述的装置，其中：
该至少一个腔包括多个彼此连通的腔，使要加热的物体能够移入每个腔以进行微波加热；
该至少一个波导包括多个波导，每个波导都具有各自的一对第一和第二辐照器，从而以相反的方向将微波导入相应的腔内；
该装置还包括一个传送带机构，移将该物体移入每个腔进行微波加热。

22.  一种使用微波对包装食品进行灭菌的系统，包括：
使用传统加热过程来预热食品的预加热部分；
使用微波加热过程在预定的时间段内加热食品的微波加热部分，该微波加热部分包括至少一个腔，在腔中将食品加热到巴氏杀菌或高温灭菌的温度，当微波被引导到腔内以加热食品时，该腔作为单模腔工作；
保温区，其中，食品被加热，以基本维持食品的巴氏杀菌或高温灭菌温度，直至将食品巴氏杀菌或高温灭菌；以及
用于冷却食品的冷却区。

23.  如权利要求22所述的系统，其中，微波加热部分包括：
微波发生器；以及
用于将微波从微波发生器引导到腔内的波导，该波导包括邻近腔的扩张的辐照器。

24.  如权利要求22所述的系统，其中，该腔包括液密腔，当加压液体流经该腔时，在腔内形成加压环境。

25.  如权利要求24所述的系统，其中，微波加热部分包括：
至少一个微波辐照器，用于将微波引导到腔内；以及
放置在微波辐照器和腔之间的、可透微波、不透水的屏障，以在腔内盛装液体。

26.  一种将包装食品灭菌的方法，包括：
将食品放入微波腔；
在腔内建立单模微波能量场；以及
用微波加热食品以将食品灭菌。

27.  如权利要求26所述的方法，还包括在加热食品的同时对腔加压。

28.  如权利要求27所述的方法，其中，对腔加压包括使加压液体流经该腔。

29.  如权利要求26所述的方法，还包括同时透过腔的相对两侧辐射微波，以使微波入射到食品的相对两侧上。

30.  如权利要求26所述的方法，还包括透过腔的第一侧辐射微波，并以与透过腔的第一侧辐射的微波相偏移的相位，透过腔的第二侧辐射微波。

31.  如权利要求30所述的方法，还包括透过腔的第一侧辐射微波，并以与透过腔的第一侧辐射的微波偏移180°或其它的相位，透过腔的第二侧辐射微波。

32.  如权利要求26所述的方法，还包括通过腔的第一侧辐射微波，并以与透过腔的第一侧辐射的微波相同的相位，通过腔的第二侧次辐射微波。

33.  如权利要求26所述的方法，包括以在2450MHz ISM频带内或小于该频带的频率，用微波加热食品。

34.  如权利要求33所述的方法，包括在915MHz ISM频带内用微波加热食品。

35.  一种处理包装食品的方法，包括用微波能量在一个空间中将食品灭菌，微波能量在空间内形成单模能量分布。

36.  如权利要求35所述的方法，还包括当用微波能量将食品灭菌时，将包装浸在加压液体流内。

37.  一种处理包装食品的方法，该方法包括：
将食品放入微波腔；
用液体将微波腔的内部加压；以及
在第一方向向腔内导入微波，同时在第二方向向腔内导入微波，以使微波在食品的至少两个表面被吸收。

38.  一种用微波加热物体的装置，包括：
至少一个第一微波腔和一个第二微波腔，第一和第二腔彼此相连通，以允许物体在第一和第二腔内被加热；以及
至少一个第一波导和一个第二波导，第一波导设置为将微波引导到第一腔，以在其内建立第一模，第二波导设置为将微波引导到第二腔，以在其内建立第二模，第一模与第二模不同。

39.  如权利要求38所述的装置，其中，第一和第二腔作为单模腔工作。

40.  如权利要求38所述的装置，其中，
第一波导包括第一微波辐照器和第二微波辐照器，它们的位置使得能够以相反的方向将微波引导到第一腔中；以及
第二波导包括第三微波辐照器和第四微波辐照器，他们的位置使得能够以相反的方向将微波引导到第二腔中。

41.  如权利要求40所述的装置，其中，
第一波导设置为，使传播到第一腔内的反向的微波之间存在相差；以及
第二波导设置为，使传播到第二腔内的反向的微波之间存在相差，传播到第二腔内的反向的微波之间存在相差不同于传播到第一腔内的反向的微波之间存在的相差。

42.  一种使用微波巴氏杀菌或高温灭菌包装食品的装置，该装置包括：
至少一个腔，食品在腔内放置，该腔设置为，当微波能量辐射入腔内时，作为单模腔工作，以将食品巴氏杀菌或高温灭菌；以及
与至少一个腔流体连通的液体源，用于将液体导入腔内，从而使食品浸在液体中。

43.  一种处理包装食品的方法，包括：
用微波能量在一个空间内将食品至少巴氏杀菌，微波能量在空间内形成单模能量分布；以及
当将食品巴氏杀菌时，将食品浸在液体中。

用微波加热物体的装置和方法
相关申请的交叉参考
本申请要求享有2003年9月8日申请的美国临时申请No.60/501,585的优先权，在这里结合参考。
联邦授权
本发明的开发得到美军陆军内蒂克士兵中心授权号DAAAK60-97-P-4627，DAAN02-98-P-8380，DAAD16-00-C-97240，以及美国国防部的授权号DAAD16-01-2-0001项目的支持。
技术领域
本发明涉及一种用微波加热物体，如食品的装置和方法的实施例。具体的，本发明涉及使用微波加热将食品巴氏杀菌或高温灭菌。
背景技术
在食品处理中，可以巴氏杀菌或高温灭菌食品，以减小有害微生物所引起的食品传播疾病的发生。巴氏杀菌包括将食品加热到一个足够杀死病原菌和微生物的温度，典型的为80℃-100℃。在高温灭菌中，将食品加热到一个更高的足够杀死抗性更高的微生物的温度，典型的为100℃-140℃。灭菌使通常容易腐烂的食品可以在室温下保存更长一段时间。在室温下长时间保存的灭菌食品叫做耐贮存食品。
传统的巴氏杀菌或高温灭菌食品的方法包括使用传统的加热过程(即，通过热能从一个高温介质转移到一个低温物质来进行加热)，如用热空气、热水或蒸汽加热食品。最近，使用微波加热来巴氏杀菌或高温灭菌食品。微波加热的优点在于，可在比传统加热过程更短的时间内完成巴氏杀菌和/或灭菌。通过减少灭菌时间，食品通常口味更好，营养保留更多。此外，微波系统典型的比传统加热系统更为节能。
然而，将微波巴氏杀菌和高温灭菌的商业化没有获得成功。在商业运作上没有成功的一些原因在与其复杂、昂贵、加热的不均一和不能保证整个包装的灭菌。因而，需要有一种新的装置来巴氏杀菌和/或灭菌食品，以及使用该装置的方法。
发明内容
本公开涉及微波加热，具体的，在食品处理业巴氏杀菌和/或高温灭菌食品的装置和方法。
在一个代表性的实施例中，巴氏杀菌或灭菌一个包装食品的装置，包括至少一个放置要巴氏杀菌或灭菌的食品的腔。该腔设置为，当微波能量射入腔内时，该腔作为单模腔运作，以巴氏杀菌和/或高温灭菌食品。
在另一个代表性的实施例中，一个使用微波加热物体的装置，包括至少一个用于盛装要加热的物体的腔。该腔包括一个液密腔，在其相对一侧具有第一和第二微波透明窗板。第一辐照器设置在第一微波透明窗板附近，以第一方向将微波引导到腔内。第二辐照器设置在第二微波透明窗板附近，以和第一方向相反的第二方向将微波引导到腔内。设置一个加压液体源，在微波加热过程中将加压液体传送到腔内，以将物体浸在液体中。
在另一个代表性的实施例中，一种使用微波巴氏杀菌或高温灭菌包装食品的系统，包括使用传统加热预热食品的预热部分。微波加热部分使用微波热加热食品第一预定的时间段。微波加热部分包括至少一个微波腔，当将微波引导到腔内以加热食品时，其以单模腔运作。该系统还包括微波加热部分下游的一个保温区和一个冷却区。在保温区，食品加热到基本保持巴氏杀菌或高温灭菌的温度，一直到将食品巴氏杀菌或高温灭菌。在冷却区，食品冷却到适当温度(如室温)以进一步处理或处理。
在另一个代表性的实施例中，一种巴氏杀菌或高温灭菌包装食品的方法，包括将食品放置在微波腔内，将微波传播到腔内，以在腔内形成单模微波能量场，并用微波加热食品巴氏杀菌或灭菌食品。
在另一个代表性的实施例中，一种处理包装食品的方法，包括将食品放置在微波腔内，用液体向微波腔内加压。同时将微波以第一个和第二个相反的方向传播到腔内，这样至少在食品的两侧吸收微波。
在另一个代表性的实施例中，一个使用微波加热物体的装置，包括至少第一微波腔和第二微波腔。第一腔和第二腔相连通。第一波导设置为将微波直接引导到第一腔以在其内建立第一模式。第二波导设置为将微波直接引导到第二腔以在其内建立第二模式。第一模式和第二模式不同。因而，通过腔传递的物体如食品暴露于两个不同的模式或场结构。
通过参考附图对下面几个实施例的详细说明，可显而易见得出本发明的上面的和其他的特性和优点。
附图说明
图1是阐述巴氏杀菌和/或灭菌食品的系统的一个实施例的方块图。
图2是依据第一个实施例的微波加热装置的示意图。
图3是依据第一个实施例的波导的示意性的透视图。
图4是图3中波导的示意性的侧视图，示出波导地两个相对的宽侧壁的张角。
图5是图3中波导的示意性的侧视图，示出波导的两个相对的窄侧壁的张角。
图6是依据另一个实施例的微波加热装置的示意图。
图7是微波加热装置的另一个实施例的示意图。
图8是微波加热装置的另一个实施例的示意图。
图9是微波加热装置的另一个实施例的示意图。
图10是依据另一个实施例的微波加热装置的透视图，其具有以分解或拆开的形式示出的波导组件。
图11是图10中的微波加热装置的正视图。
图12是图10中的微波加热装置的一个微波腔以及相应的微波辐照器的放大的分解透视图。
图13是依据一个实施例的用于微波加热装置的传送系统的放大透视图。
图14a是矩形波导的基谐模的场分布和波传播特性的示意图。
图14b是连接于矩形微波腔的矩形波导的示意图，微波腔的横断面积比波导的大。
图15a-15f是不同长度的图14b中腔在两个不同的平面内的场分布特性的计算机模拟。
图16a-16f是不同宽度的图14b中腔在两个不同的平面内的场分布特性的计算机模拟。
图17a-17d是不同长度和宽度的图14b中腔的场分布特性的计算机模拟。
图18a-18f是不同长度和深度的图14b中腔的场分布特性的计算机模拟。
图19是类似于图14b的示意图，给出放置于腔内的负荷。
图20a和20b给出计算机模拟的图19所示的负荷的上表面的能量分布概况。图20a给出当空气环绕时负荷的能量分布概况。图20给出浸在水中时负荷的能量分布概况。
图21a和21b给出放置在具有150mm深度(图21a)和100mm深度(图21b)的矩形腔的中间加热的一张浸润的纸上的试验性的能量分布概况。
图22a和22b示出当空气环绕时(图22a)和浸在水中时(图22b)矩形腔内放置的食品包装的表面的试验性的能量分布概况。
图23a-23d示出在不同的操作条件下，700-1200MHz的频段内不同腔的反射波损耗。
图24a是具有喇叭形辐照器的系统的示意图，辐照器将矩形波导和矩形微波腔连接起来。
图24b是图24a所示的辐照器和波导的基谐模的传播特性的计算机模拟。
图25a是图24a所示的腔内加热的负荷的顶部表面的能量分布概况的计算机模拟。
图25b是图24a所示的腔内加热的负荷的底部表面的能量分布概况的计算机模拟。
图26示出沿图25a和图25b中所示负荷的深度的模拟吸能分布。
图27是一个系统的示意图，该系统具有一个矩形微波腔以及位于腔相对侧的第一和第二喇叭形辐照器。
图28a是当从相对的辐照器发出的波为同相时，图27所示的系统中基谐模的传播特性的计算机模拟。
图28b是当从相对的辐照器发出的波为同相时，图27所示的系统中基谐模的计算机模拟热表征。
图29a是当从相对的辐照器发出的波之间存在90°的相差时，图27所示的系统中基谐模的传播特性的计算机模拟。
图29b是当从相对的辐照器发出的波之间存在90°的相差时，图27所示的系统中基谐模的计算机模拟热表征。
图30a是当从相对的辐照器发出的波之间存在180°的相差时，图27所示的系统中基谐模的传播特性的计算机模拟。
图30b是当从相对的辐照器发出的波之间存在180°的相差时，图27所示的系统中基谐模的计算机模拟热表征。
图31a和31b是当从相对的辐照器发出的波为同相时，图27所示的系统中加热的负荷的顶部表面(图31a)和底部表面(图31b)上的计算机模拟的能量分布概况。
图32a和32b是当从相对的辐照器发出的波之间存在90°的相差时，
图27所示的系统中加热的负荷的顶部表面(图32a)和底部表面(图32b)上的计算机模拟的能量分布概况。
图33a和33b是当从相对的辐照器发出的波之间存在180°的相差时，图27所示的系统中加热的负荷的顶部表面(图33a)和底部表面(图33b)上的计算机模拟的能量分布概况。
图34-37示出不同操作条件下，沿图27中所示负荷的深度的模拟吸能分布。
图38a-38c是图27中所示的系统中加热的三个不同型号的负荷的顶部表面的计算机模拟的能量分布概况。图38d示出沿三个负荷的深度的计算机模拟的能量分布概况。
图39a-39d是在四个不同的温度下，负荷的顶部表面的计算机模拟的能量分布概况。图39e示出在所有四个温度下，沿该负荷的深度的计算机模拟的能量分布概况。
图40a和40b示出在700-1200MHz的频段内，图24a所示的系统(图40a)和图27所示的系统(图40b)的反射波损耗。图40c示出在700-1200MHz的频段内，图27所示的系统(图40b)的传递行为。
具体实施方式
这里所使用的单数形式“一个”和“该”，除了明确说明外，指的是一个或一个以上。
这里所使用的“包括”意思是“包含有”。
这里所使用的可选择的中所述的一组单个部件包括涉及该组中的单个部件或者多个部件的组合。例如，术语“辐照器、腔或波导”包括涉及“辐照器”、“腔”、“波导”、“辐照器和腔”、“辐照器和波导”、“腔和波导”“辐照器、腔和波导”的实施例。
巴氏杀菌和/和高温灭菌食品的系统
图1示意性的示出总体用10表示的用于巴氏杀菌和/或高温灭菌食品的系统的一个实施例。示例性的实施例中的该系统10包括预热部分12、微波加热部分14、保温区16、冷却区18和卸载部分20。在具体实施例中，预热部分12、微波加热部分14、保温区16和冷却区18包括用于在其内加热或冷却食品的各自的空腔。在替代实施例中，一个或多个预热部分12、微波加热部分14、保温区16和冷却区18可包括多个空腔。例如，预热部分12可包括两个或多个单独的预热空腔。
在一些实施例中，系统10设置为连续进料系统，其中放置在预热部分12内的食品由一个或多个传送带或类似的机构自动传送，通过预热部分12、微波加热部分14、保温区16、冷却区18和卸载部分，在卸载部分，食物从系统中移出，以进行进一步的处理或包装。系统10可包括位于相邻部分之间的门或出口，以在相邻空腔内的空气之间提供屏障。可控制空腔的门，当食品位于空腔内时保持关闭，以及保持足够久开放，以使食品传送到邻近的空腔内。
在预热部分12中，用传统加热方式加热食品，将食品的温度升高到一个预定的温度，例如，在约40℃-90℃范围内。在具体实施例中，预热部分包括一个空腔(未示出)其中食品暴露于加热介质，如热水、蒸汽或热空气。在微波加热部分14中，使用微波能在微波空腔(下面描述)内加热食品，以进一步升高食品的温度至所述的最终温度，在该温度，进行巴氏杀菌和/或灭菌(如，如果食物要巴氏杀菌，80℃-100℃，如果食物要高温灭菌，100℃-140℃)。
在保温区16中，食品的温度维持在最终温度一段足够使包装食品高温灭菌或巴氏杀菌的时间。可用微波能和/或传统热量来保持在保温区16中食品的温度。例如，在具体实施例中，保温区包括一个空腔，在其中，食品暴露于加热介质，如热水、蒸汽或热空气，或用微波能辐射。
在冷却区18中，食品暴露于冷却介质(如水流或气流)，使食品的温度降低到较低的温度(如室温)，以进行进一步的处理或处理。
在具体实施例中，一个或多个预热部分12、微波加热部分14、保温区16和冷却区18包括密闭的和密封的空腔，加压该空腔使包含食物的包装内产生的气压平衡，因而防止包装爆裂或开口。在某些高温灭菌实施例中，加压至约30psig的空腔适于防止包装爆裂或开口。然而，可以依据每个工作区内的食品的温度和其他处理变量改变每个工作区的压力。
可以以任何形式完成系统10的任何部分的加压。例如，系统10的特定部分的加热或冷却介质可用于向系统10的该部分加压。例如，在一个实施例中，微波加热部分14包括一个密闭的和密封的空腔，其具有接收加压流体(如热水、蒸汽或其他热介质)的入口和一个排放该加压流体的出口。加压流体用于加压空腔内部，进而防止食品爆裂，并帮助加热食物。
在另一个实施例中，空腔内部的空气可用压缩气体(如空气)加压，这种情况下下，可用单独的加热/冷却介质加热/冷却食品。而且，在该实施例中，因为用单独的流体加压空腔，加热/冷却介质本身没有加压。例如，在一个实施中，预热部分12包括一个用压缩空气加压的密封空腔。要加热食品，将食品浸没在空腔内的加热介质(如一池热水)中。
在替换的实施例中，可以不使用一个或多个预热部分、保温区和冷却区。而且，系统10可以增加额外的部分。例如，在具体实施例中，可在微波加热部分14内加热之后以及在保温区16内加热之前，在一个平衡部分(未示出)部分加热食品。在平衡部分，食品暴露于加热介质(如热空气)中，以使食品内的温度与低均匀性达到平衡。
微波加热装置的实施例
下面介绍微波加热装置的实施例，其可在巴氏杀菌/灭菌系统，如图1中的系统10中实施。
参照图2，给出依据一个实施例的微波加热装置50，其包括一个微波腔52，将微波从微波源(未示出)引导到腔52的第一波导54，以及将微波从微波源(未示出)引导到腔52的第二波导56。在其他实施例中，微波装置只有一个波导54，故微波只能从一个方向导入腔内。用于支撑食品74的支架72放于腔52内，由波导54、56导入腔内的微波辐射食品。支架72最好底部开放，以使食品顶部和底部都能辐射到，并使腔52内的流体介质基本和食品的全部表面相接触。
在替代实施例中，第二波导56可由一个和第一波导54相对放置的反射器(如一个金属盘)代替。在该替代实施例中，传播到腔内且没有被吸收的微波以和第一波导54相反的方向反射回去。
可使用一个微波源向第一和第二波导54、56提供微波。可替换的，可用单独的微波源向每个波导54、56提供微波。在任何一种情况下，微波源(未示出)可为任何合适的可在微波范围内产生电磁辐射的机构。例如，微波源可为一个或多个磁电管、速调管、电子振荡器和/或固态源。
波导54包括第一波导段58和第二波导段60，二者都连接在各自的源或一个源上。第二波导段60具有扩大的末端62，位于邻近腔52的一侧(在示例性的实施例中为腔的顶端)。同样的，波导54包括一个连接到微波源上的第一波导段64和第二波导段66。第二波导段66具有扩大的末端68，位于邻近腔52的和第一波导54的波导段60相对的一侧(在示例性的实施例中为腔的底端)。波导段60、66可称为“微波辐照器”，因为它们向腔52内施加或导入微波。如所示出的，波导段60、66放置为将微波以相反的方向引导到腔52内，以同时辐射食品的顶部和底部。
在具体实施例中，波导段58、64具有通常为矩形的横断剖面，其沿着波导段58、64的程度基本不变。可替换的，波导段可58、64具有圆形横断面、矩形横断面或各种其他几何形状。
图3-5更好的示出第一波导54的结构。在示例性的实施例中，第二波导56在结构上和第一波导54一样。因此，下面的第一波导54的描述也适用于第二波导56。如图3-5所示，在示例性的实施例中，波导段60具有向外展开的侧壁74a和74b以及向外展开的侧壁76a和76b。侧壁74a和74b限定波导段60的宽度(在x轴方向上测量)，其从靠近第一波导段58的宽度a增加至扩大末端处的宽度a1。侧壁74a和74b限定波导段60的深度(在y轴方向上测量)，其从靠近第一波导段58的深度b增加至扩大末端处的深度b1。在替代实施例中，波导段60具有向外展开的宽度和不变的深度或向外展开的深度和一个不变的宽度。具有向外展开的宽度和/或深度的波导段通常为“喇叭”或“喇叭形”微波辐照器。
波导段60具有波导段60的纵轴L和每个侧壁74a、74b所限定的张角θ_x(图4)和波导段60的纵轴L和每个侧壁76a、76b所限定的张角θ_y(图5)。最好使张角θ_x、θ_y最小化(如30°或更小)，以保护腔52内传播模式的TE₁₀模式特性。例如，在具体实施例中，θ_x为17.2°，θ_y为5.89°，尽管张角也可以改变。
在具体实施例中，腔52设置为以单模腔运作。这里所使用的短语“单模腔”是指这样的微波腔：在其中，通过腔传播的入射和反射微波的叠合产生具有仅一种场结构的驻波波型。单模腔内的波型可以有多个模。
如下面的例子中所描述的，当用微波加热被空气围绕的食品时，可能食品会不均匀加热。不均匀加热可能是由食品和周围空气的分界面上微波的反射和折射、以及食品包装的食品空气边界处的电场和磁场成分的不连续所造成的。在一些情况下，食品的外围比食品的中心吸收更多的微波能。这种现象叫做“边缘加热”。为了增进加热的均匀性并减少边缘加热的效应，在微波加热的过程中，食品被浸渍在具有比空气大的介电常数的流体中。通常，当介电常数达到食品的介电常数，加热的均匀性就增进了。因此，有必要选择一个具有介电常数等于或大致等于要加热的食品的介电常数的流体介质。流体介质可以为例如液体，如水。
如图2所示，所示实施例中的腔52具有一个用以接收流体介质的流体入口76和一个排放流体介质的流体出口78。流体入口和流体出口的位置可以改变，但是最好位于可以围绕食品提供相对均匀的流型。腔52的上壁和下壁80和82分别由可透微波、不透流体以及机械上坚固的材料制成，以盛装腔52内的流体，而允许微波从波导辐照器60、66进入到腔52。在具体的实施例中，例如，壁76、78由12.5mm-25mm厚的Plexiglas或Ultem构成。
在一个实施中，当用微波加热食品时，食品74部分或全部浸没在由入口76流经腔52到出口78的加压流体介质中。流体介质最好预加热到一个所需的加热温度或高于所需加热温度的温度(如巴氏杀菌约80℃-约100℃，灭菌约100℃-约140℃)，以助于加热食品。腔52最好液密至一个高于大气压的特定压力(如30psig)，以至于使用流体介质对腔52加压，以防止微波加热过程中食品74爆裂。在一个可替换的实施中，食品74可在一个非流动流体介质室或池内加热，流体介质不流经腔52。
装置50可用作较大的巴氏杀菌/灭菌系统，如图1所示的系统10的微波加热部分。在这点上，腔52的侧壁84可设置为可开闭，以接收来自上游部分(如预加热部分12)的食品74。同样的，腔52的侧壁86可设置为可开闭，以接收来自上游部分(如保温区16)的食品74。
参照图6，给出一个微波加热装置，通常表示为100，其包括第一微波单元102和第二微波单元104。每个微波单元102、104具有和图2中的微波装置50相似的结构。如所示出的，每个微波单元102、104具有各自的加热食品74的腔106、108。微波单元102包括一对位于腔106相对的侧面的相对的辐照器110、112。同样的，微波单元104包括一对位于腔108相对的侧面的相对的辐照器114、116。在具体的实施例中，辐照器110、112连接到第一微波源(未示出)，辐照器114、116连接到第而微波源(未示出)。在一些实施例中，所有的辐照器110、112、114和116接收从一个微波源发出的微波。进一步可替换的，每个辐照器110、112、114和116可接收从各自动微波源发出的微波。
示例的结构中的腔106、108彼此相连通，以使食品74在加热过程中在腔之间移动。装置100具有一个传送带120，以在腔106、108之间自由移动食品74。微波装置100具有一个流体入口122和流体出口124，使流体介质流经腔106、108，以浸没食品74。可在一个便利的位置安装气压计126，以提供腔106、108内压力的可视化指示。
在替换的实施例中，一个和两个微波单元102、104的一个辐照器可用一个反射器替代。
装置100可扩展为包含任意数目的具有各自波导的微波腔。例如，图7给数多个微波腔202a-202p，具有各自的第一波导辐照器204a-204p和位于第一波导辐照器204a-204p对面的第而波导辐照器206a-206p。波导辐照器204a-204p和206a-206p可接收从一个微波源发出的微波，或可替换的，每个波导辐照器或每对第一和第二波导辐照器具有各自的专用的微波源。传送带208延伸穿过腔202a-202p，以传送一个或多个食品74通过腔202a-202p。
图8给出装置300，其具有多个微波腔302a-302p。该实施例类似于图7的实施例，除了每个腔302a-302p可选择的连接到一组第一波导辐照器304a-304h中的一个或一组第二波导辐照器306a-306h中的一个上。第一波导辐照器304a-304h放置为将微波导入穿过它们各自腔的上壁，第二波导辐照器306a-306h放置为将微波导入穿过它们各自腔的下壁。这样，当食品74移动穿过腔302a-302p时，食品74的顶面和底面被交替辐射。在示例性的实施例中，传送带308延伸穿过腔302a-302p，以传送一个或多个食品74通过腔302a-302p。
参照图9给出依据另一个实施例的微波加热装置400。装置400包括第一微波单元402和第二微波单元404，每个单元包括一对相对的波导辐照器406、408。每个微波单元402、404具有一个微波“腔”，定义为每对波导辐照器406、408之间的各自的空间。
压力容器410形成围绕波导辐照器406、408的密封。波导辐照器406、408分别通过延伸穿过压力容器410器壁的波导412、414连接到微波源(未示出)。容器416延伸在第一和第二微波单元402、404的波导辐照器406、408之间。传送带418放置在容器416内，以在微波加热过程中，在限定在波导辐照器406、408之间的微波腔之间移动。在微波加热过程中，可通过入口流体导管420将流体介质(如水)导入导容器416内，以增进加热的均匀性。流体介质可通过出口流体导管422排出去。当浸没在流体介质流或非流动的流体介质池中时，食品可被加热。
所示的压力容器410具有一个气体入口424，其可与加压气体源(如压缩空气)内流体连通，以在压力容器410内形成加压空气(压力由气压计413显示)。容器对于压力容器410内的空气是开放的，以防止容纳食品74的包装炸裂。当在微波容器400内加热食品74时，加压气体通过气体出口426排出压力容器410外。
在另一个实施例中，微波容器400没有容器416、入口流体导管420和出口流体导管422。因而，在该替换的实施例中，食品74没有浸在用于向压力容器410的内部加压的除了气体外的流体介质中。
现参照图10和11，给出依据另一个实施例的微波加热装置500。示例性的实施例中的装置500包括一个支撑第一微波单元504和第二微波单元506的支架520。如图11所示，第一微波单元504包括第一和第二波导辐照器510a和512a，第二微波单元506包括第一和第二波导辐照器510b和512b。各自的微波腔508插入在波导辐照器510a和512a之间和波导辐照器510b和512b之间。(如图12较好的示出)(图11中仅示出第二微波单元506的微波腔508)。
如图10较好的示出，第一波导组件514将微波从第一微波源516引导到第一微波单元504的波导辐照器510a、512a。第二波导组件518将微波从第二微波源520引导到第二微波单元506的波导辐照器510b、512b。
在某些实施例中，微波源516、520产生915MHz ISM频带的微波。有利的，这个频段的微波具有较长的波长，因此可以比更高频率的微波(如2450MHz ISM频带的微波)更深的穿入要加热的食品。然而，这里描述的实施例并不限定在915MHz ISM频带以内或低于低于该波段操作。相应的，可以使用任何可使用的频率内的微波。
波导组件514、518可为任何一种结构。例如，如图10所示，第一波导组件514包含一个从微波源516伸展至弯头558的直段556。弯头558与一个微波分裂器相连，如前述的T-型波导段560，用于将微波引向两个方向并使从波导段560的共线出口出来的微波之间产生180°的相位差。波导段560的一个出口与一个直波导段584相连，而直波导段584又与一个弧形的，或弧形的波导段562相连。波导段562与另一个弧形波导段566相连，而波导段566又与第一微波装置504的微波辐照器510a(图11)相连。波导段560的另一个出口与一个弧形波导段564相连(图10)，而波导段564又与另一个弧形波导段568相连(图10和图11)。波导段568与微波辐照器512a(图11)相连。因此，波导段584，562，566和微波辐照器510a可确定微波的一条传播路线，而波导段564，568和微波辐照器512a可确定微波的另一条传播路线。
第二波导组件518的结构可与第一波导组件514的结构相似。例如，如图10所示，第二波导组件518包含一个直波导段570，一个弯头572，以及一个T-型波导段574。一个直波导段586和弧形波导段576及578从波导段574与微波辐照器510b之间扩展。一个直波导段586和弧形波导段576及578从波导段574的一个出口与微波辐照器510b之间扩展。一个弧形波导段580和582从波导段574的另一个出口与微波辐照器512b之间扩展。
T-型波导段560，574和对应的腔508之间波导段的长度可调节，以使得传播进入某腔内的反向微波间的相差可控制。在一个实施例中，例如，T-型波导段560与对应的腔508上壁间的总长和T-型波导段560与对应的腔508下壁间的总长相同。类似的，T-型波导段574与对应的腔508上壁间的总长和T-型波导段574与对应的腔508下壁间的总长相同。因此，在本实施例中，从反向的辐照器(如，辐照器510a和512a)传播至各腔508内的微波之间的相位差为180°。
然而，在另一个实施例中，可通过改变从反向辐照器进入腔内微波间的相位差，来调节从波导段560和574的反向出口扩展的波导段的长度。例如，将波导段560和对应腔508一侧之间的长度增加或减少四分之一个波长，可使从反向辐照器510a和512a传播进入腔内微波间产生90°的相位差，将波导段560和对应腔508一侧之间的长度增加或减少半个波长，可使从反向辐照器510a和512a传播进入腔内的微波间产生0°的相位差，等等。
例如，在一个具体实施例中，微波源516，520产生频率为915MHzISM频带(该波段有一个约33cm的自由空间波长)的微波，而波导段有一个约24.8cm×12.4cm的横向剖面。在本实施例中，穿过波导段的微波的波长约为44cm。为保持从微波辐照器510a和512a发出波之间的180°的相位差，将波导段584，562，566的总长度设定为与波导段564和568的总长度相同。又例如，将波导段584，562，566的总长度设定为比波导段564和568的总长度大四分子一个波长或约11cm，就可获得90°的相位差。可认为，通过合理选择波导段560和微波辐照器510a和512a之间波导段的长度，就可以获得任意的相位差。在另一个实施例中，第一微波装置504腔内的反向波之间的相位差可与第二微波装置506腔内的反向波之间的相位差不同。在这种情况下，一个穿过腔传送的食物可暴露于不同的模和场结构。如下例所示，使从不同方向传播进入腔内的微波之间，产生一个相位差，或相移，可改善食物的受热均匀程度。
可将微波辐照器510a，510b，512a及512b和/或腔508设计为易于拆除和更换不同设定的微波辐照器和/或腔的形式，如某微波辐照器有不同的张角θ_x，θ_y或不同尺寸的腔。在这种情况下，可选择特定的波导，辐照器，和腔外形以获得对特殊食物理想的加热效果。另外，可选择适当的波导、辐照器、和腔外形，以使在每个腔内被传送或其它形式的移动的食物暴露于不同波型或场结构。
在一个实施中，对某建议的腔外形进行计算机模拟(将在下面叙述)以预测腔内的场分布状态和被加热食物内的吸能沉积概况。另外，可用计算机模拟来测定可作为单模腔工作的腔的最大容许尺寸。根据计算机模拟，合理选择腔的尺寸以获得对食物的理想的加热效果。如果在系统内对不同尺寸的食物或具有不同介电系数的食物进行巴氏杀菌或消毒，需进行附加的计算机模拟以测定对于某食物最佳的腔尺寸。
在一个建议用途中，一个食物处理设备备有多个腔，每个腔均可在相同的微波系统中使用并在优化后可对特定食物进行巴氏杀菌或消毒。因此，通过将已安装的腔拆除并安装为适用于新食物的优化腔，可将一个适用于一类食物(如，通心粉和干酪)的已成型的微波系统转变为适用于另一类食物(如，匹萨饼)的微波系统。
此外，如下例所示，可通过改变反向波之间的相位差，来改变沿被加热食物深度的吸能分布状态。可通过对特定食物进行计算机模拟(下述)来测定可使食物的受热均匀度最优化的相位差。在具体实施例中，对第一波导组件514和第二波导组件518的波导段进行调整，使其易于被拆除并被其它波导段替代，以使微波装置504或506均可在选定相位差下优化食物的受热均匀度。
在另一个实施例中，微波装置504的腔508和506的腔508彼此间相通，这使得在随食物进行微波加热时食物可在两个腔508之间传送或其它形式的移动。如前所述，为防止食物的燃烧并改善食物的受热均匀度，理想的腔508应液体密封维持一定压力(如30psig)，以在内部容纳加压液体介质(如，水)。
如图11所示，装置500有一条将流体介质导入腔508的进口-流体管道592，和一条将流体介质排出的出口-流体管道594。在某些实施例中，通过一个闭环再循环系统，使流体介质在腔508内循环，此时进口-流体管道592与一个再循环泵的出口相连而出口-流体管道594与再循环泵的进口相连。再循环系统亦可包含一个加热装置，如一个换热器，以对进入腔508的流体介质预热至一个目标温度(如，对被加热食物进行消毒或巴氏杀菌的温度)。
图12显示依据第一个实施例的第一微波装置504的一部分的放大分解透视图。在所示实施例中，第二微波装置506与第一微波装置504的结构完全相同。因此，以下对第一微波装置504的叙述也同样适用于第二微波装置506。如图12所示，腔508的上壁和下壁分别带有对应的孔522和524，以使分别来自辐照器510a和512a的微波进入到腔508内。希望，微波-穿透窗526和528分别在腔508的顶部和底部对应的覆盖孔522、524。窗526和528可由任何适于可透微波的材料制成。在特殊实施例中，窗526和528由厚度至少为12.5mm的Plexiglas或Ultem制成。在另一个实施例中，孔522、524未被窗526和528覆盖，此时腔508内的食物在空气中被加热。
腔508的一个侧壁带有一个开口530。第二微波装置506(图10和图11)的腔508的一个邻近侧壁同样带有一个开口(未示出)，使得食物可在第一微波装置504和第二微波装置506各自的腔508之间穿过。可通过一个放置在两个腔508之间的过渡段532使两个腔508的各邻近侧壁相互相连，如图13所示。
在特殊实施例中，一个传送系统534(图13)可自动将食物74在两个腔508之间传送。所示传送系统534包含在每个腔508各自安装的一个的可旋转轴轮536，以及一个与轴轮536之一相连的电动马达542或其它合适的驱动机械。在每个轴轮536的相反端安装各自的滑轮538。传输带540绕过相反的轴轮536上的滑轮538，以在轴轮536之间传输滚动移动。从传输带540间延伸出的传送组件544支撑着食物74。由图13可知，驱动马达542的运动使轴轮旋转，因此使食物74纵向移动并穿过腔508。理想的驱动马达542为双向驱动型，这可使食物74根据需要在腔508之间来回移动。
如图11所示，每个腔508的前壁可带有一个开口545(图11仅示出其中之一)，以容许将食物74放入或取走。如图12较好的示出，一个可拆的门506覆盖每个腔508的开口545，并被夹紧装置548或类似紧固装置的顶排和底排固定于相应位置。一个可拆的板550带有孔552的顶排和底排，孔552的尺寸可承受夹紧装置548对应的拉手554。当如图12所示，将板550置于拉手554之上时，在微波加热期间，保证夹紧装置548紧固于锁定位置以将门546紧固在相应的位置。
实例
例1：矩形波导和空腔的计算机模拟
在本例中，用计算机模型来演示改变矩形波导空腔的尺寸对于场分布和波在空腔内传播特征的影响。所述计算机模拟通过使用Quick-Wave软件完成，该软件可从波兰的Warsaw，QWED处获得，对计算机硬件的要求是850MHz的中央处理器，256M的内存，操作系统是Windows NT 4.0。首先参照图14a，此处显示一个通用矩形波导702的一个横截面剖面图，并定义长度a为x方向而宽度b为y方向，且图14a上示出了x方向和y方向。在本例的计算机模拟中，a的值为247.65mm而b的值为123.825mm，而微波的频率为915MHz。
波导702的最低阶传播模式是TE₁₀模式(m＝1，n＝0)，这被称为波导的“主模”或“基谐模”。如图14a所示，基谐模电场的极化过程是沿着y轴且沿x轴在波导的孔上呈半正弦分布。
图14b描述了一个包含所述波导702的波导装置，波导702与一个更大的矩形空腔704连接。空腔704在x方向的长度为a1，在y方向的宽度为b1，在z方向的深度为z1，且图14b中已将x、y、z方向示出(图3-5中标出了在矩形波导和喇叭形辐照器上的a，a1，b，和b1的尺寸)。
对于波导704，其主模或基谐模是TE₁₀模式(m＝1，n＝0)。为模拟TE₁₀模式的情形，空腔704在整个波导702上受激(图14b)。空腔704和波导702通过运用标准的时域有限差分(FDTD)“经验法则”增量至立方腔室，该法则指出，在介电系数为ε的介质中，每种波长最少使用十个腔室：
Δcell ≤ c 10 f ϵ - - - ( 1 ) ]]>
此处c为光在真空时的速率，f为波的频率，而ε为腔室和波导内介质的介电系数。根据等式(1)，空气中腔室和波导的腔室尺寸在915MHz时应小于33mm。对于本例，在所有三个维度上选择10mm作为腔室的尺寸。
依据对于在第一波导702孔上横向电磁场所了解的知识，就可以通过计算机模拟来预测所述空腔704的各种特征。所述特征之一是主模电场(在本例中为E_y分量)在空腔704内的分布情况。模式的分布情况是通过空腔704的x、y、z轴尺寸的函数来模拟的。下面将说明对于这些模拟的研究情况。
在一系列计算机模拟中(图15a-15f中示出)，空腔704的宽度b1等于波导702的宽度b(123.825mm)，深度z1为200mm，长度a1是可调的。图15a-15c显示了在空腔704深度的中部(即在z1的中部)当长度a1分别等于1.5a，2.0a，2.5a时，主模电场分量E_y(比电子分量E_x和E_z强八倍多)在x-y平面上的分布情况。图15a-15c显示了当a1值小的时候，在单一模式下能量主要分布在x-y平面中心的周围。图15d-图15f显示了在腔室和波导宽度的中部(即在b1的中部)当长度a1分别等于1.5a，2.0a，2.5a时，分量E_y在x-y平面上的分布情况。如图15d-图15f所示，单一模式能量的扩散面积随着长度a1的增大而增大，且在x方向当a1比2.0a大时电场分裂为两个模。因此，在本例中，空腔704的长度a1不得大于波导702长度的两倍，以在单瓣加热模式下操作空腔704。在图15b和图15e中观察到的场调整适于加热有较大包装的食物，如匹萨饼和托盘式食物。
在另一系列计算机模拟中(图16a-16f中示出)，空腔704的长度a1等于波导702的宽度a(247.65mm)，深度z1为200mm，宽度b1是可调的。图16a-16c显示了在空腔704在z1的中部，当宽度b1分别等于1.5b，2.0b，2.5b时，分量Ey在x-y平面上的分布情况。图16d-16显示了在腔室和波导在a1的中部，当宽度b1分别等于1.5b，2.0b，2.5b时，分量Ey在y-z平面上的分布情况。如图16a-图16c所示，随着空腔704宽度b1的增大，x-y平面上能量象光束一样聚集在腔室的中心。图16d-16显示的y-z平面特征，也出现了这种现象。这种能量的分布情况适于需要聚集微波能量进行加热的应用，比如当被加热食物的截面积相对较小且/或深度相对较大时。
图17a-17d显示了改变空腔704的长度和宽度，在x-y平面上在z1的中部对于模分布的综合影响(此时深度z1为200mm，波导长度a为247.65mm，且波导宽度b为123.825mm)。具体的，图17a显示了在z1的中部当长度a1等于1.5a且宽度b1等于1.5b时，分量E_y在x-y平面上的分布情况；图17b显示了在z1的中部当长度a1等于2.0a且宽度b1等于2.0b时，分量E_y在x-y平面上的分布情况；图17c显示了在z1的中部当长度a1等于2.0a且宽度b1等于1.5b时，分量E_y在x-y平面上的分布情况；图17d显示了在z1的中部当长度a1等于2.5a且宽度b1等于1.5b时，分量E_y在x-y平面上的分布情况。
综上所述，并结合图14a所示，基谐模是沿着y轴极化且在波导702的孔上沿着x轴呈半正弦波分布的。当空腔704的长度增大时其宽度保持常数，进入空腔704的波的半正弦波分布在x轴上延长，如图15a-15f所示。另一方面，当空腔704的宽度增大时其长度保持常数，电场线朝空腔704的中心移动，因而使得能量呈聚集态分布，如图16a-16f以及图17a所示。
当长度和宽度同时改变时，从波导702的孔中射出的波阵面在x-y平面上径向传播，且一个相组分在沿空腔704的z轴的数个不同轴向位置被引导到波阵面之间。当该相组分变得足够大，空腔704内的场分布将分裂为两个方向，且其从腔室相应的壁上的反射形成两个波瓣。例如，图17b显示在由于空腔704的宽度b1的改变所形成的波阵面间的一个相组分。图17d显示一个在由于空腔704的长度a1的改变所形成的在波阵面间的一个相组分。
图18a-18显示空腔704深度的变化在空腔704深度z1的中部，对分量Ey在x-y平面上场分布情况的影响。在图18a-图18c显示的模拟结果中，空腔704的长度a1为2.0a，宽度b1为1.5b，深度分别为200mm，150mm，100mm。在图18d-图18f显示的模拟结果中，空腔704的长度a1为2.5a，宽度b1为1.5b，深度分别为200mm，150mm，100mm。
当空腔704的深度增大时，大的相组分被引入两个波阵面之间，使得场分布分裂为两个波瓣，如图18d所示。然而，当腔室的深度减小时，由于相组分的改变很小，场分布通常会在腔室的中心区域聚集，如图18b，18c，18e，18f所示。
基于前述的模拟，我们就可以轻易的定制某个腔室的尺寸，以获得某种特殊装置所要求的能量/波型分布情况。这种模拟同样演示了某一微波腔室可以象单模腔室一样，通过改变腔室的x、y、z尺寸来实现在不同场的调整或分布。
例2：矩形波导和内有负荷的腔室的计算机模拟
在本例中，用计算机模型来评定在加热空腔704内(图19)的负荷706(如，一个食物包装袋)时图14a中装置的性能。如前例所述，波导702的长度a为247.65mm，宽度b为123.825mm。本例中的空腔704的长度a1等于2.0a，宽度b1等于1.5b，而深度z1为100mm。负荷706的尺寸如下：在x方向为140mm，在y方向为100mm，在z方向为30mm，且综合介电系数值，ε^*＝ε’-jε”，负荷为47.45-j38.55而模型为乳清凝胶(whey gel)。所有的模拟均是在频率为915MHz时进行的。
基于下列两个条件，对负荷706上表面上的能量分布概况进行计算。在第一个例子中，负荷706放置在空腔704的中心区域且直接接触空气。在第二个例子中，负荷706没入到水中，且其综合介电系数值ε^*＝ε’-jε”，71.207-j16.757。根据前述等式(1)的标准，充满空气的空腔腔室的尺寸为10mm³而充满水的空腔腔室的尺寸为3mm³。
图20a和图20b分别显示了在空气和在水中，负荷706的上表面(在x-y平面上)能量沉积图。如图20a所示，当在空气中加热负荷，负荷边缘的能量沉积比中间部位的能量沉积大得多，造成能量沉积图的不均匀。另外，尽管相同尺寸的腔室内只形成一个单波瓣，但负荷内的电场分裂为两个不同的波瓣，如图18c所示。造成该差异的原因是波在负荷与其周围空气间的反射和折射，以及食物包装的食物-空气界面间电场分量和磁场分量的不连续性。
如图20b所示，只要负荷没入到水中，负荷上的能量分布概况图类似一个单波瓣。这种均匀性上的增加是由于所述水和所述负荷一起作为一个充分均一的负荷的结果。
例3：矩形波导和空腔的实验结果
在本例中，进行了数项实验以验证前述例1和例2的计算机模拟结果。在这些实验中，在材质为铝板的矩形微波腔室内加热负荷。这些空腔与由新罕布什尔州的Hudson市Ferrite Company，Inc.生产的，20kW，915MHz的微波电源连接，且这些空腔有矩形的波导，其中a的尺寸为247.65mm而b的尺寸为123.825mm(图14a)。模拟结果是对尺寸为a1＝2.0a，b1＝1.5b，以及z1＝100mm的腔室和尺寸为a1＝2.0a，b1＝1.5b，andz1＝150mm的腔室进行模拟获得的。用电源内的方向耦合器和一个HP功率仪来测量能量的反射。对负荷施加一个6KW的能量就可以在将热传导的影响最小化的情况下，获得30秒至2分钟的加热时间并将负荷的温度升高30℃到64℃。使用FLIR Systems，Inc的ThermaCAM^SC-3000红外摄像机，可测得整个负荷表面的吸微波能分布图。
为验证在空腔内的场分布图，就必须测定y极化主模电场分量(E_y分量)的强度，该分量比其它电场分量的强度大八倍多。为简化该测定，将一个薄的，湿的纸片放置在空腔中部的x-y平面上，以直接测定某空的空腔内电场图的强度。持续30秒传送微波能到空腔，然后立即将纸片从空腔内取出进行红外成像。图21a显示了在深度为150mm的空腔内，被加热的纸片的红外成像图。图21b显示了在深度为100mm的空腔内，被加热的纸片的红外成像图。图21a和图21b显示的图案分别与图18b和18c所显示的，对应于不同的空腔深度的E_y分量电场的模拟的强度类似。从图21a和图21b所示可知，能量或场的线路集中于相应的空腔的中心，而在朝空腔壁的x方向上强度降低。这些图案证实了可在空腔内通过模型预测单模场分布。
为找出实际的食物-能量模型的被吸收的能量沉积图，在尺寸为a1＝2.0a，b1＝1.5b，z1＝100mm的腔内加热在x方向的尺寸为140mm，y方向的尺寸为100mm，z方向的尺寸为30mm的乳清凝胶层。图22a和图22b分别显示了乳清凝胶层在空气中和没入水中的上表面(在x-y平面)的实验能量沉积特征。比较图20a和图22a，只要乳清凝胶层置于空气中，模拟与实验结果得出的图案相似。
比较图20b和图22b，只要乳清凝胶层没入水中，模拟与实验得出的能量沉积图就会有轻微的不同。通过对上述两种情况的观察，热区位于乳清凝胶层的中心，而被吸收能量的强度在朝乳清凝胶层边缘的x方向逐渐减小。然而，在计算机模拟中，在负荷的沿着负荷宽度的边缘(即，在y方向伸展的边缘)有时会出现过度加热的情况。无法通过实验测定来发现这种过度加热(图22b)。这种模型预测和实验测定之间的轻微不同可能是由于进入周围介质的优选热导，以及当把乳清凝胶层从腔移至红外摄像机的位置时辐射和传导冷却结果。
例4：矩形腔的模拟反射波损耗
S-参数，S₁₁，显示矩形腔的反射波损耗和效率。S₁₁参数是使用QuickWave-3D软件，对长度a1为2.0a，宽度b1为1.5b，深度分别为100mm，150mm，200mm的腔在频段700-1200MHz之间计算得到的。对于每个腔，分别计算当加热一个食物包装时和加热一个没入到水中的食物包装时其空腔的S₁₁参数。
图23a是直接从QuickWave-3D模拟软件上截取的视图，它显示当腔为空腔时，在频段700-1200MHz之间，对应每个腔深度的反射波损耗特性(S₁₁参数，单位dB)。如图所示，每个腔的共振波出现在波段的高端。随着腔深度的增加，共振频率朝频谱的低端逐渐变化。
图23b显示当腔中心放入负荷时，在频段700-1200MHz之间，对应每个腔深度的反射波损耗特性(S₁₁参数，单位dB)。如图所示，反射波损耗随腔深度的减小而减小。例如，对于深度为100mm的腔，在915MHz处的反射能量为入射能量的44％，即3.67dB。对于深度为200mm的腔，在915MHz处的反射能量为入射能量的73％。
图23c显示当腔中心放入负荷且负荷没入水中时，在700-1200MHz的频段之间，对应每个腔深度的反射波损耗特性(S₁₁参数，单位dB)。如图23c所示，水的存在使反射波损耗增大。对于每个腔，在915MHz处的反射能量约为入射能量的70％。
图23d显示当腔内负荷直接接触空气，在50℃，80℃，110℃时，腔深度为100mm的反射波损耗特性(S₁₁参数，单位dB)。负荷在50℃、80℃、110℃时的综合介电系数值分别为47-j38.547、45.343-j48.568、42.597-j60.669。由图23d，可观察到装填的食物的温度对反射波损耗的影响非常小。
例5：喇叭形辐照器与矩形腔的计算机模拟
在本例中，使用计算机模型对一系列具有喇叭形辐照器的微波系统的场分布和波传播特性进行模拟。同样还使用计算机模型来模拟在所述系统中，被微波辐射的负荷(如，一个食物包装)的能量分布截面图。
在本例所描述的计算机模拟中，将一个915MHz的微波电源与矩形波导一起组成相应的微波辐照器，矩形波导的尺寸如下：a为247.65mm，b为123.825mm(图3和14a)。微波辐照器的扩大端的尺寸在x方向为2.25a(557.21mm)，在y方向为1.5b(185.375mm)，在z方向为300mm(图3)。微波辐照器的展开角θx和θy分别为17.2°和5.89°(图4和图5)。在每个模拟中，矩形腔内负荷没入到水中，且矩形腔x方向的尺寸为2.25a(557.21mm)，在y方向的尺寸为1.5b(185.375mm)，在z方向的尺寸为80mm。
运用前述等式1，本例所述系统的计算机模型增大到立方空腔内。在每个模拟中负荷在x、y、z方向上的尺寸分别为140mm，100mm，30mm。
参照图24a，首先对系统720进行计算机模拟，该系统包含一个充满水的腔722，一个喇叭形辐照器724，以及一个矩形波导726，而负荷728置于腔722内。图24b是穿过系统720的基本TE10模传播的抓图图。由图24b可知，在开口处(扩大的出口端)辐照器724的微波能量被约束于半正弦分布，即，为TE10模分布。在辐照器724出口端的最高微波-能量分布状态比矩形波导726出口处的能量分布状态平坦。如以下讨论，这将导致负荷的顶部和底部间被吸收能量更均匀的分布。
图25a和图25b分别显示负荷728的上表面(靠近于辐照器724的表面)和下表面(在相应的x-y平面)的能量分布概况。由图所知，被吸收的能量分布通常同时在x和y方向，在上表面和下表面间对称于中间空腔。图26显示了对于从负荷的左侧到中间区域排列的不同空腔，被吸收的能量分布对应于负荷728(在波的传播方向)深度的函数。由图25a可知，上表面中心区的电场线路比负荷在x方向延伸的边缘的电场线路更集中。上表面上被吸收的能量比(即，在热区被吸收能量与在冷区被吸收能量之比)为1.5∶1。随负荷深度增大能量的吸收情况减弱，下表面的能量吸收约为上表面的能量吸收的15到26分之一，如图26所示。
参照图27，对系统750进行计算机模拟，该系统包含一个充满水的内有负荷728的微波腔752，第一和第二微波辐照器754置于腔752的相反两侧，矩形波导756将微波导入辐照器754。在这种模拟中，具有相同频率和能量的两束波以TE10模从相反的方向受激进入腔752内。如图28a，28b，29a，29b，30a和30b所示，波在z方向的相反方向上传播，并在负荷758的体内沉积其能量。同样各波沿其传播方向(即，z方向)相互影响/干扰。
在一个模拟中，从反向辐照器754出来的波在z方向的相同相位(即，0°相位差)传播并穿过系统750(图27)。图28a显示当相反的波在相同的相位朝彼此传播时，穿过系统750的TE₁₀基谐模传播的抓图。由图28a可知，辐照器754和波导756内的电场的波幅比腔752内的波幅大。同样，辐照器754和波导756内产生一个驻波波型。这些特征在图28b中更明显，该图显示了TE₁₀模的波传播的热模表现。图31a和图31b分别显示了负荷758的上表面和下表面(在相应的x-y平面)上的彼此相似的吸能分布状态(即，负荷758的上表面和下表面所吸收的能量基本相同)。上表面和下表面的能量沉积比约为1.4∶1；也就是说，上表面和下表面的热区所吸收的能量约为冷区的1.4倍。图34(显示不同空腔位置的吸能沉积)所示沿负荷758深度的吸能沉积表明，负荷758中心部分比上表面和下表面的吸能沉积要大。此外，负荷的上表面和下表面与中心区域间的吸能沉积呈递减。该穿过负荷深度的驻波波型是由于两束反向传播的波彼此间的干扰所造成的。沿负荷深度的吸能比约为5∶1。如前所示，具有反向辐照器的系统750(图27)，可比仅有一个的系统720沿负荷深度提供一个更为均匀的能量沉积(图24a)。
在另一个模拟中，数个彼此间有90°相位差的波在z方向上穿过系统750(图27)传播。图29a和图29b分别显示了在所述模拟中，穿过系统750的TE₁₀模的波传播特性的顶点和热表征。图32a和图32b分别显示了负荷758的上表面和下表面(在相应的x-y平面)上的吸能分布状态。图35所示沿负荷758深度的吸能分布状态表明，负荷758在上表面比在下表面的吸能分布状态要大，且在深度为8-12mm时达到最小值。本模拟与前一个模拟(图34)中吸能分布状态的区别是由于反向的波彼此间的相位差造成的。
在另一个模拟中，数个彼此间有180°相位差的波在z方向上穿过系统750(图27)传播。图30a和图30b分别显示了在本模拟中，穿过系统750的TE₁₀模的波传播特性的顶点和热表征。如图30a和图30b所示，反向的波的最大区和最小区出现在系统750中的相反的位置。例如，在图27中所示的，传播并穿过顶部辐照器754的波优于进入腔752的波而达到峰值，而传播并穿过底部辐照器754的波在底部辐照器的相同位置达到最小值。图33a和图33b分别显示了负荷的上表面和下表面(在相应的x-y平面)上的彼此相似的吸能沉积。图36显示在负荷的中部，沿负荷深度的吸能沉积可忽略。这是由于在该位置，反向波完全异相，因此造成了最小能量的结果。
图37显示了当反向波间的相位差为0°、90°、180°时，x-y平面中部沿负荷的深度，被模拟的吸能分布状态。图37还显示了由于对应于相位差为0°和180°(未调整波幅)的波增加能量分布状态所导致的吸能分布状态。图37所示的联合吸能分布状态的被吸收的功率比约为1.7∶1。可通过将负荷暴露于一对经调整以提供相位差为0°的反向波的辐照器，以及另一对经调整以提供相位差为180°的反向波的辐照器下，而获得这种加热状况。
如果考虑吸能分布状态的相对波幅，联合吸能分布状态将更均匀。例如，由于一个180°相位差所导致的吸能分布状态的相对波幅约为0.3，而由于一个0°相位差所导致的吸能分布状态的相对波幅约为1.0。这使得沿负荷的深度，联合吸能分布状态截面图的被吸收的功率比约为1.4∶1，这明显的比图34-36中所示的分布状态截面图的被吸收的功率比(约5∶1)要小。
因此，为改善加热的均匀程度，可将负荷暴露于数个反向辐照器(如图6，7，9和11所示)发出的微波下，而每一对辐照器所发出的微波都有预设的相位差。
例6：喇叭形辐照器波和带负荷的矩形腔的计算机模拟
在本例中，使用计算机模型对图27所示的系统750内，三个不同尺寸的被微波加热的负荷的能量分布状态截面图进行模拟。选定负荷的尺寸为140mm×100mm×30mm(分别在x、y、z方向)；163mm×120mm×28mm；225mm×170mm×45mm。这些尺寸是依据具有代表性的市面销售的食物包装尺寸而确定的。本例中负荷758(图27)的综合介电系数为47.447-j38.547，这代表通心粉和干酪。
在本例的模拟中，两束具有相同频率和能量的波以TE₁₀模从相反的方向受激进入腔752内，如同前例。图38a显示尺寸为140mm×100mm×30mm的负荷上表面上的模拟吸能分布状态截面图；图38b显示尺寸为163mm×120mm×28mm的负荷上表面上的模拟吸能分布状态截面图；图38c显示尺寸为225mm×170mm×45mm的负荷上表面上的模拟吸能分布状态截面图。这些模拟的结果表明，当负荷的水平尺寸(在x方向和y方向)增大时，负荷上表面上的吸能分布状态基本维持不变。负荷上表面上的吸能沉积比约为1.4∶1，而沿着负荷的深度该比值为6∶1。
图38d显示当反向波在同相位时相对传播时，沿具有厚度为20mm，30mm，45mm的负荷深度的模拟吸能分布状态。如图所示，不同的负荷间的，沿负荷深度的模拟吸能分布状态差别很大。对于深度和厚度为20mm的负荷，负荷中心区吸收了大部分的能量，接近负荷上表面和下表面吸收能量的4.4倍。对于深度和厚度为30mm的负荷，负荷中心区与上表面间吸收的能量最少，而吸能沉积比约为3.0∶1。对于深度和厚度为45mm的负荷，被吸收的功率比为7.3∶1，且负荷上表面与下表面吸收的能量最多。被不同负荷吸收能量的变化可在一定程度上认为是穿过负荷深度的能量衰减所致。
随着微波加热的进行食物的温度升高，食物的综合介电系数随温度的改变而变化。用计算机模拟来演示当负荷在系统750(图27)中加热时，其瞬时温度对于负荷能量分布状态截面图的影响。在这些模拟中，两束具有相同频率和能量的波以TE10模从相反的方向受激进入腔752内，如同前例。负荷的尺寸为140mm×100mm×30mm(分别在x、y、z方向)，且负荷的综合介电系数值为47.447-j38.547。
图39a-39d显示了四组不同温度(分别为20℃，50℃，90℃，121℃)及综合介电系数值下，在负荷(尺寸为140mm×100mm×30mm)的上表面和下表面上吸能沉积分布状态。在20℃，50℃，90℃，121℃下，对应的综合介电系数值分别为48.311-j26.38，47.447-j38.547，44.386-j52.533，41.587-j66.273。这些图形显示在各温度下吸能分布状态基本保持不变。例如，20℃下的吸能沉积比为1.48∶1(图39a)，而121℃下该比值为1.32∶1(图39d)。
图39e显示当反向波同相位时，在四种温度下穿过负荷深度的吸能分布状态。负荷上表面和下表面中各空腔所吸收的能量随温度的增大而增加，如图39c所示。这可认为是负荷的损耗系数(ε″值)随温度的增大而增加。另外，食物包装中心所吸收的能量随温度的增大而减少，这使得随负荷穿透深度的增大而吸收的能量相应的减少。在20℃，50℃，90℃，121℃下，沿负荷深度的吸能沉积比分别为4.95∶1；3.29∶1；2.39∶1；3.02∶1。
例7：喇叭形辐照器的反射波损耗和传播行为的模拟
在本例中，使用QuickWave-3D软件来计算例5-6所讨论的系统的反射波损耗(系统内反射能量的大小)。图40a显示了在频段为800至1000MHz时，图24a所示系统720的S₁₁参数(单位dB)或是反射波损耗的曲线图。如图，共振波型位于规定频段的低端。反射波损耗随频率的增大而渐增，且当频率约为960MHz时，从峰值后随频率的增大而渐小。频率为960MHz时的反射波损耗为2.104dB，为入射能量的61.6％。
图40b显示了在频段为800-1000MHz时，图27所示系统720的S₁₁参数(单位dB)的曲线图。当计算该参数时，仅有辐照器754受激。如图40b所示，当频率约为915MHz时反射能量共振。在该频率下，反射能量为2.63dB，约为入射能量的59％。图40c显示了在频段为800至1000MHz时，所述系统的S21参数(单位dB)的曲线图。S21参数表征从一个辐照器至另一个辐照器微波能量的传送状况。如图40c所示，当频率为915MHz时未受激的辐照器S21参数的大小为-26.34dB，约为入射能量的0.23％。
仅仅出于示意的目的而用以上实施例对本发明进行了介绍。在不脱离本发明的精髓和本质的情况下，可对本发明进行诸多的完善和变化。因此，只要落在权利要求所要求保护的精神和范围内，我们要求保护我们的发明的所有的这些改进。