CN1066932C - 用高频电磁波加热产品的方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用高频电磁波在输送部件(4)中对肉类产品进行热处理的方法。和执行该方法的装置。本发明还涉及根据本发明的装置的一个具有优点的应用。本发明的目的为提高要加热或煮沸的产品中电磁波的穿透深度，其中电极(2，3；20，22)是外部的，被放置于输送部件(4)的外侧。通过在输送部件(4)中放置一个产品电极(15)来实现此目的，这是因为该产品电极(5)可作为一个短路元件，也是导电性好于需要热处理的产品的材料。

Description

用高频电磁波加热产品的方法与装置

发明背景

本发明涉及如权利要求1前序所述的用于产品加热的一种方法。

本发明还涉及如权利要求5的前序所述的，用于实施该方法的一种装置。

众所知道，用微波来加热产品有多种不同的方式。不同的技术用于不同的目的，其范围包括从木材的烘干到肉类和奶类产品的热处理。可能最为大家熟知的技术要算微波炉，它已经成为了一种日常消费品。

但是，迄今已知道的技术存在严重的缺点，而且这些缺点在大规模运作的情况下显得尤为突出。

由DK专利申请号4718/86可知，为了通过输送部件，例如一个管道，连续送入肉类产品，管道在径向相对的边上装有电极。在肉类产品送入工作区之前，要用真空抽气机抽去空气。

由DK专利申请号1014/91可知，通过在围绕管道的两个位置装有环状电极的输送部件来送入产品。

上面提到的两种方法都有一定的缺点，这些缺点在大规模运作的过程中尤为突出。系统的穿透深度和管道直径因此受到限制。而且，在电场的不均匀性方面也存在问题。这使得在加热、煮沸或干燥需要均匀加热的产品或材料时产生许多问题。由于穿透深度会因此大大减小，故在加热传导性依赖于温度的产品时也会产生同样的问题。而且，在确定HF发生器体积时也会产生问题，原因是将产品加热到更高的温度，例如煮沸等时，发生器的效率会降低。

发明目的

因此本发明的目的之一是实现均匀地、同时可控地加热或煮沸一种全部或部分粉碎的媒介，另一个目的是在产品中实现更大的穿透深度。

通过在前序中公开的方法可以实现这个目的，根据本发明的该方法的特征在于，至少有一个连接到HF发生器的产品电极位于管道横截面的中心或中心附近，其方式使产品基本上包围在一个或多个产品电极的周围。

本发明的优点

正如在权利要求1中所公开的，通过将产品放入至少带有一个产品电极的输送部件中，使产品基本上包围在产品电极的周围，而该产品电极被放置在输送部件横截面的中心或中心附近，这使得施加的场在产品内部被短路，这就使穿透深度最优并可根据产品电极放置的位置加以调整。因此产品电极当作了一个天线。根据这种方法，可以达到一个前所未有的穿透深度。这对于具有依赖于温度的非传导性的产品，提供了一个特殊的优点，在于热量从内向外扩散，因此产品将从内部加热。在迄今已知的加热方法中可见，电场是从外面施加的，加热集中在产品的表面周围，因而导致一种负反馈，在于在产品表面由于加热的作用成为一种良好的导电体，结果电流在产品的表面流动。

如在权利要求2中所公开的，通过使至少两个电极为环形或圆柱形，并将它们沿轴向彼此以某一距离放置，该电极在输送部件中限定了一个主加热或煮沸区，而在该限定区内可达到特别好的加热效果。

如在权利要求3中所公开的，通过使产品只经过一个产品电极，而且该产品电极被放置在管道的输入端，这样可使产品的加热从内部开始，并随产品到达输出端逐渐向外扩散到产品表面。而且，这对于只有一个产品电极，并且产品特性在加热或煮沸后发生变化的情况是有利的。在产品凝结形成“固态横截面”的情况下，它不可能，例如，使此产品通过另一个产品电极而不破坏产品的特性。而且，电场和借助电场的加热随产品靠近输出端逐渐向产品表面扩散，这就提供了前所未有的均匀性和快速的加热，干燥或煮沸。

如权利要求4中所公开的，通过根据所需加热的程度确定产品电极的直径和横截面大小或产品电极的尺寸，就可以以一种简单的方式来使不同产品适应此方法，反之亦然。

用于实施本发明的装置其特征在于，该装置具有至少一个连接到HF发生器的产品电极，产品电极位于管道横截面的中心或中心附近，其方式使产品基本上包围在一个或多个产品电极周围，该电极由具有比产品传导性更好的导电材料组成。

如权利要求5中所公开的，通过在输送部件放置一个或多个由导电材料组成的产品电极，实现了依据本发明的一个简单经济的实施方案。这或这些电极起一种天线的作用，并在放置它/它们的范围内电场以其为中心，通过直接电连接一个或多个产品电极到HF发生器，实现了根据本发明的一个简单的实施方案，在于此方案易于确定尺寸，原因是不需要外部电极，就可将电场直接引入输送部件。

如权利要求6中所公开的，通过使输送部件基本上为管状，有一个任意的横截面，而且还具有一个输入端和一个输出端，这会使快速加热，煮沸或干燥产品成为可能，在于在输送部件中的产品可迅速输入并输出。

如权利要求7中所公开的，通过使输送部件至少具有一个限定了一个主要的煮沸或加热区的主要管道部分，继而该区由全部或部分沿输送部件周围展开的电极限定，在于产品的加热发生在该主要区域。该装置还具有至少两个辅助的管道部分，它们限定了至少两个辅助区，这些辅助管道部分与一个或多个主要区相邻，基本上连接由电极激发但没有直接或间接地伸到两个电极之间的电场的主要部分至框架，这就实现了一个实施方案，其中施加的场对于连续运作易于控制。

如权利要求8所公开的，通过将辅助管道部分全部或部分与一个或多个抗性(reactive)元件耦合，使辅助管道部分组成一个或多个振荡电路，而该电路至少有一个可基本上被调整到谐振状态的极点，这就实现了通过外部抗性元件使辅助场减到最小或被消除。因而消除了辅助管道部分之间的流动途径，这意味着场主要或只存在于电极之间的主要管道部分。这使得可能完成对产品均匀的加热、煮沸或干燥，即在产品的纵向和横截面方向都是均匀的。

如权利要求9中所公开的，从主要管道部分与辅助管道部分之间接口到框架，将容抗并联在感性的辅助管道部分，调整该电容使辅助管道部分处于谐振或位于谐振区，从而实现了一种简单的实施方案，此方案经济、运行稳定，并具有前面提到的全部优点。

如权利要求10中所公开的，通过使每个辅助管道部分包含一个全部或基本上包围辅助管道部分的导电结构，从而使电极与框架短路，实现了辅助管道部分与框架的有效解耦，从而使辅助加热区变得均匀。

如权利要求11中所公开的，通过提供了一个导电结构，该结构在主要管道部分上从辅助凝结器的连接扩展到电极，并围绕了该部分上一个较小的长度，这就实现了在主要管道部分流动的场是对称的。结果导致在主要管道中不存在冷却区。辅助管道部分之间的离散电容将在管状电极处产生不均匀的电荷密度，该电荷密度在电容端子周围区域最大。但是，向主要管道部分扩展的管道部分将使电荷密度在扩展的管道部分均匀分布，从而在主要管道部分内形成一个均匀对称的场。

如权利要求12所公开的，通过使容抗为一个围绕整个管道的管状凝结器，可在凝结器的端口实现了一个一致、均匀的电荷密度。因此在主要管道内形成一个均匀对称的场，这还意味着在该管道内不会产生冷却区，也不需使用一个扩展的传导结构。

如权利要求13所公开的，通过插入到HF发生器和电极之间供电导体中的电容，对HF发生器进行阻抗调整，可实现从低阻抗发生器到高阻抗系统最优的功率传输。

如权利要求14所公开的，通过在发生器两端耦合一个感抗，调整该感抗，使它与发生器的导体和框架或地之间的寄生电容并联形成一个振荡电路，这就实际上补偿了寄生电容之间的传导途径，同时不为系统增加负载或破坏系统。

如权利要求15所公开的，通过在输入端主要区和辅助区之间的过渡区只提供一个产品电极，使产品电极的顶端伸进主要区一定距离，实现了一种可行的实施方案，该方案特别适用于由于加热从碎块状变为均匀物质的产品，因为一个输出端的电极将会破坏所需结构。此实施方案提供了另一个优点，即热量自动从输入端管道中心凝聚向没有产品电极的输出端管道内表面扩散。这进一步地保证了产品的均匀加热。

如权利要求16所公开的，通过使产品电极为流水线型管状电极，其中该电极通过加热区外的一个肘状物固定到装置上，从该处它伸入辅助管道部分，对于产品电极的固定而言，这就实现了一个有利的实施方案，这在于这对产品在加热区内的移动不会造成阻碍。因此，不会使碎状产品粘到产品电极的固定部件上，而使产品被过长时间地加热，甚至可能导致管道阻塞。

附图简述

参考附图，将详细说明一种已知技术的实例和两个根据本发明的实施方案的实例，其中

图1所示为一个已知的加热装置，

图2所示为根据本发明的一个实施方案，

图3所示为根据本发明的一个优选实施方案，以及最后

图4所示为输送管道的纵向横截面，这图示了管道中热量的传播。

实施方案实例说明

图1所示为一个已知的加热管道，其中电压发生器1通过导体7、8连接到电极2、3。电极2、3为环状电极，放置于不导电的管道4的外壁上。两个框架电极5、6通过框架连接件11、12接地或框架。按箭头所指的方向由管道4输入要加热的产品。由支撑部件9、10固定管道。

在运作中，该装置工作的方式为，通过发生器1在电极2，3之间产生一个电磁场。原理上电磁场将以两种方式产生，即在两个电极之间的主要区A，和在电极2、3和框架电极5、6之间的两个辅助区B。由于场是从外部施加的，这将会产生问题，特别是在考虑电磁场的穿透深度，管道4的直径比较大时。当要加热的产品具有依赖于温度的介电特性时，这些问题将特别严重。当产品具有很高的作为温度函数的传导性时，将在管道中内表面附近的产品中产生一种负反馈。电磁场将不断加热产品的表面，逐渐使产品中的电流趋于只在产品表面流动。

图2所示为根据本发明的一个实施方案，其中产品电极15放置在输入端。装置的其余部分与图1所示一致。将会看到，相对于环状电极2，产品电极15稍稍伸进了主要区A。这意味着当在电极2和3之间施加场时，在电极3的方向从产品电极15的顶端有电流在产品中流动。产品电极起一种天线的作用，它短路了系统，这使管道4内的电磁场由产品电极15的顶端发出。若产品电极的顶端没有相对于电极2伸出，原理上将会使电磁场以图1中所示的同样方式，从电极2的表面向电极3发出。但是，系统可具有一定的效率，即使产品电极15不相对于电极2伸出，这时在管道中部的局部加热将会使流向和流出电极2的电流流向管道中部。

如果产品电极15的顶端伸出，并因而为到电极3的电磁场提供了一个最小阻抗的路径，电流将在产品电极15的顶端和电极3之间流动。因此，可以认为热量来自内部，并随产品向电极3方向移动逐渐扩散。

产品电极15的尺寸确定通常要包括两个参数的调整：产品电极的长度和直径。该参数必须根据产品特性，发生器相对于系统的功率和效率，以及产品输入管道的速度来确定。

图3所示为根据本发明的优选实施方案。

所示的实施方案用于肉类产品的加热或煮沸。肉类产品通过一个电绝缘管道4由箭头所指的方向输入。管道通过支撑部件9、10固定。发生器1通过导体7、8，经过可调电容24、25，和连接点27和28，连接到管道外侧的管状电极20、22。在发生器的端子之间，连有一个补偿线圈26，用于补偿端子和框架之间的寄生电容。管状电极经过框架连接11、12直接连接到框架。

产品电极15放置在管状电极20里面。按照上面提到的同样参数来为系统确定产品电极15。

电容21、23并联在电极20和22两端。每个电极用作为一个供电连接27、28和框架11、12之间的感应体。因此，调整电容21、23，使分别包含电容21和管状电极20以及电容23和管状电极22的两个振荡电路都处于谐振状态或位于谐振区。从而在连接点28和框架12，以及连接点27和框架11之间都没有明显的电流流过。

这就意味着管道内部的场不再是在几个不同的区，而是集中在主要区A。而且，这提供了一个优点，即产品在进入主要区之前不再在辅助区“预热”。这在加热或煮沸具有依赖于温度的非传导特性的产品时是非常重要的，因为，根据图1的所示在辅助区的预热不再特别集中，仅能加热紧贴管道的边界层。这就使当产品到达主要区时，具有一个已加热的表面，因而反作用于产品电极15，即施加的电磁场集中在管道中部。

在管状电极20、22的前缘，有两个扩展的导电结构29，30。它们直接与管状电极20、22电连接。结果导致电荷密度和场在主要管道部分是均匀的，因为在这些导电结构29、30上的输入管道4的周围，电荷是均匀分布的。

这样，电流从导电结构29的前缘流向产品电极15的顶端，并从此处流向扩展的导电结构30，再从此处流向管状电极22的前缘。结果，围绕前缘对产品进行了非常集中的加热，且越靠近产品电极15的顶端，加热越集中。由于产品电极15位于管状电极20内的部分不传导电流，加热只发生在区A，如图所示。因此区B不是加热区，但通过产品电极或产品由于简单的热量流动，热量仍会传输到B区。

根据此优选实施方案，所示两个系统都可装备一个可替换的输入管道(没有画出)，该管道经精确设计以适应于它要执行的任何任务。电极和电抗可永久安装在输入管道上，并可对此管道事先精确调整和确定尺寸，系统的导体可带有插头。这就使产品更换可很快完成。

图4所示为输入管道4的纵向横截面，其中肉类产品40由箭头所指方向输入管道4。在管道的每一端都可以看到扩展的导电结构29、30的一端。在管道4的中心可看到产品电极15，从产品电极处，电磁场在产品电极15的顶端和扩展的导电结构30之间扩展。可以看到场和热量是如何向管道4表面传播的。

Claims (16)

1．借助高频电磁波，在基本上不导电的管状结构(4)的输入部件中对产品进行热处理的方法，通过管道(4)输入产品，该电磁波由至少两个与HF发生器(1)连接且放置在管道(4)的外侧的电极(2，3)产生，不与产品接触，其特征在于，至少有一个连接到HF发生器(1)的产品电极(15)放置在管道(4)横截面的中心或中心附近，使产品实际上包围在一个或多个产品电极(15)周围。

2．根据权利要求1的方法，其特征在于，至少两个电极(2，3)为环或圆柱，并且沿管(4)长度方向彼此相隔某一距离放置，以便在管中限定了一个主要的加热区A。

3．根据权利要求1或2的方法，其特征在于，至少一个产品电极(15)放置在管道(4)的入口端。

4．根据权利要求1-3之一的方法，其特征在于，产品电极(15)的直径、长度和横截面是根据所需加热的程度来确定尺寸的。

5．对产品进行热处理的装置，包含一个基本上不导电的管道(4)结构的输送部件，通过高频电磁波对产品进行热处理，通过管道(4)输入产品，该电磁波由至少两个与HF发生器(1)连接且放置在管道(4)外侧的电极(2，3)产生，从而不与产品接触，其特征在于，该装置具有至少一个连接到HF发生器(1)的产品电极(15)，该产品电极位于管道(4)横截面的中心或中心附近，使产品基本上包围在由导电性好于产品的材料组成的一个或多个产品电极(15)周围。

6．根据权利要求5的装置，其特征在于，输送部件(4)基本上为管状；其横截面可为圆形、椭圆形或长方形，该输送部件具有一个入口端和一个出口端。

7．根据权利要求5或6的装置，其特征在于，输送部件有至少一个主要管道部分，限定了一个主要区(A)，继而该主要区由全部或部分绕输送部件扩展的电极限定，在于产品的加热是在该主要区完成的，还在于该装置还包括至少两个辅助管道部分，它们限定了至少两个辅助区(B)，这些辅助管道部分与一个或多个主要管道部分相邻，基本上连接了从电极发出的，但并没有直接或间接地伸入到两个电极之间的电磁场的主要部分至框架。

8．根据权利要求7的装置，其特征在于，辅助管道部分全部或部分与一个或多个抗性部件耦合，以便辅助管道部分形成一个或多个振荡电路，而该电路至少有一个基本上被调整到谐振状态的极点。

9．根据权利要求7的装置，其特征在于，容抗(21，23)，辅助电容，从主要管道部分和辅助管道部分之间的接口到框架，并联在感性的辅助管道部分(20，22)两端，调谐该电容，使辅助管道部分处于谐振状态或位于谐振区。

10．根据权利要求7的装置，其特征在于，每个辅助管道部分(20，22)包含全部或基本上包围辅助管道部分的导电结构，因而将电极与框架短接。

11．根据权利要求9的装置，其特征在于，从导体(7，8)接到电极(20，22)的连接点(27，28)，有一个扩展的导电结构(29，30)位于主要管道部分上，包围了该管道部分一个较短的长度。

12．根据权利要求9的装置，其特征在于，容抗为一个管状凝结器，它围绕整个管道部分。

13．根据权利要求5的装置，其特征在于，通过插入到HF发生器(1)和电极(20，22)之间供电导体(7，8)中的电容，对HF发生器(1)进行阻抗调整。

14．根据权利要求5的装置，其特征在于，在发生器(1)两端耦合一个感抗(26)，通过调整该感抗，可使它形成一个其与发生器导体和框架或地之间有寄生电容的并联振荡电路。

15．根据权利要求7的装置，其特征在于，仅一个产品电极(15)放置在输入端主要区(A)和辅助区(B)之间的过渡区，以使产品电极的端伸进主要区(A)一段距离。

16．根据权利要求5的装置，其特征在于，产品电极包括一个流水线型的管状电极(15)，它是通过加热区外面的肘状物被固室装置上，而从该处伸入到辅助管道部分。

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