CN107006082A - 射频加热系统 - Google Patents

Abstract

本公开涉及用于快速且均匀地加热传送器线上的多个物品的射频(RF)加热系统和方法，所述系统包括连接到RF波导的RF产生器，所述RF波导将RF能量传送到RF加热腔室，从而将RF能量传导到被配置成使物品传送通过所述RF加热腔室的传送器。

Description

射频加热系统

相关申请的交叉引用

本申请要求2014年10月23日申请的第62/067,976号美国临时专利申请的优先权权益，所述申请的整个公开内容以引用方式并入本文。

技术领域

本发明大体上涉及使用射频(300KHz-300MHz)能量加热物品的系统。

背景技术

电磁辐射是用于将能量递送到对象的已知机制。电磁辐射以快速且有效方式穿透且加热对象的能力已经证明在许多化学和工业过程中是有利的。在过去，射频(RF)能量已经用以通过例如感应加热或介电加热而加热物品。然而，使用RF能量加热物品会具有一些缺点。举例来说，RF能量的波长可使得难以用有效方式传输和发射RF能量。本发明涉及针对最少化和/或消除与使用RF能量加热物品常规上相关联的许多缺点的发现。

发明内容

本发明的某些实施例提供一种射频(RF)加热系统，其以改善的有效性和效率加热多个物品。由所述RF加热系统提供的加热可用以对物品进行巴氏杀菌或消毒。所述RF加热系统可包含以下组件：(a)RF产生器，其用于产生RF能量；(b)RF波导，其被配置成大体上填充有液体，且当填充有所述液体时能够传输由所述RF产生器产生的RF能量；(c)RF加热腔室，其被配置成大体上填充有所述液体，且当填充有所述液体时能够接收通过所述RF波导传输的RF能量；以及(d)传送系统，其接纳于所述RF加热腔室中且被配置成在所述物品正由RF能量加热的同时将所述物品传送通过所述RF加热腔室。

本发明的其它实施例提供一种用于使用射频(RF)能量加热物品的方法。所述RF加热方法可包含以下步骤：(a)使RF能量通过大体上填充有液体的RF波导；(b)将RF能量引入到大体上填充有所述液体的RF加热腔室中；以及(c)使用RF能量加热传送通过所述RF加热腔室的物品。

附图说明

图1是根据本发明的实施例配置的RF加热系统的典型步骤/区的框图；

图2是根据本发明的一个实施例配置的RF加热区的一部分的剖视等距视图，特定来说图示了如何使用相对的发射器将RF能量施加于传送通过加热腔室的封装；

图3是图2的RF加热区的端视图；

图4示出了使用单侧发射器将RF能量施加于物品的RF加热区；

图5示出了使用腔室的同一侧上的两个邻近单侧发射器将RF能量施加于物品的RF加热区；

图6示出了使用腔室的相对侧上的两个间隔开的单侧发射器将RF能量施加于物品的RF加热区；

图7是使用相对发射器的RF加热区的等距视图，所述发射器被定向以使得发射器的最宽壁垂直于物品的行进方向；

图8是图7的RF加热区的侧视图；

图9是图8的RF加热区的端视图；

图10是配备有多个介电场塑形器的RF加热区的剖视等距视图；

图11是图10的RF加热区的横截面图；

图12是配备有介电巢套系统的载体的分解等距视图，所述系统用于接纳将在RF加热区中加热的物品；以及

图13是图12的载体的横截面图。

具体实施方式

在许多商业过程中，可能需要以快速且均匀的方式加热大量个别物品。本发明使用射频(RF)能量来快速且均匀地加热物品，或辅助加热物品。可在本发明的RF加热系统中加热的合适物品的实例可包含(但不限于)食物、医疗流体和医疗器械。在一个实施例中，本文描述的RF加热系统可用于正在加热的物品的巴氏杀菌或消毒。大体上，巴氏杀菌涉及将一个或多个物品快速地加热到70℃与100℃之间的最小温度，而消毒涉及将一个或多个物品加热到100℃与140℃、110℃与135℃或120℃与130℃之间的最小温度。

图1是根据本发明的某些实施例配置的RF加热系统的总体图。如图1中所示，一个或多个物品可最初引入到预加热区10中，其中可将物品预加热到大体上均匀的预加热温度(例如，20℃到70℃)。一旦经预加热，便可将物品引入到RF加热区12中。在RF加热区中，可使用通过下文更详细描述的一个或多个RF发射器排放到加热区12的至少一部分中的RF能量来快速加热物品。经加热物品随后可任选地通过保持区14，其中可将物品维持于恒定温度达指定时间量。随后，接着可将物品传递到降温区16，其中可将物品的温度快速降低到合适的处置温度(例如，20℃到70℃)。

图1的RF加热系统可被配置成加热许多不同类型的物品。在一个实施例中，在RF加热系统中加热的物品可包括食物，例如水果、蔬菜、肉、面食、预制的饭以及甚至饮料。在其它实施例中，在RF加热系统中加热的物品可包括封装的医疗流体或者医疗和/或牙科器械。在RF加热系统内处理的物品可具有任何合适的大小和形状。在一个实施例中，每一物品可具有至少约2英寸、至少约4英寸、至少约6英寸和/或不大于约18英寸、不大于约12英寸或不大于约10英寸的长度(最长尺寸)；至少约1英寸、至少约2英寸、至少约4英寸和/或不大于约12英寸、不大于约10英寸或不大于约8英寸的宽度(第二最长尺寸)；和/或至少约0.5英寸、至少约1英寸、至少约2英寸和/或不大于约8英寸、不大于约6英寸或不大于约4英寸的深度(最短尺寸)。物品可包括具有大体上矩形或棱柱状形状的个别项目或封装，或者可包括通过RF加热系统的所连接项目或封装的连续的网。所述项目或封装可以由包含塑料、纤维素材料和其它大体上对RF透明的材料的任何材料构造，且可经由一个或多个传递系统通过RF加热系统，下文将详细论述所述传递系统的实施例。

根据本发明的一个实施例，上述预加热、RF加热、保持和/或降温区中的每一者可以在单个器皿内界定，而在另一实施例中，上述级中的至少一者可以在一个或多个单独器皿内界定。根据一个实施例，上述步骤中的至少一者可以在至少部分填充有流体介质的器皿中实行，其中正在处理的物品可至少部分地浸没于所述流体介质中。所述流体介质可以是具有大于空气的介电常数的介电常数的气体或液体，且在一个实施例中，可以是具有类似于正在处理的物品的介电常数的介电常数的液体介质。此液体介质可具有在20℃下至少40、60或70和/或不大于120、100或90的介电常数。水(或包括水的液体介质)可以尤其适合于用以加热可食用和/或医疗装置或物品的系统。在一个实施例中，如果需要，那么在处理期间任选地可以将例如油、醇类、二醇类和盐等添加剂添加到液体介质以更改或增强其物理性质(例如，沸点)。

RF加热系统可包含至少一个传递系统，用于将物品输送通过上述处理区中的一个或多个。合适的传递系统的实例可包含(但不限于)塑料或橡胶带传送器、链传送器、辊传送器、柔性或多挠曲传送器、线网传送器、斗式传送器、气动传送器、螺旋传送器、槽式或振动传送器，及其组合。所述传递系统可包含任何数目的个别传送线，且可以任何合适方式布置于过程器皿内。RF加热系统利用的传递系统可以配置于器皿内的大体上固定位置中，或者系统的至少一部分可以在横向或垂直方向上调整。

在RF加热区12中，可以借助使用RF能量的加热源快速地加热物品。如本文使用，术语“RF能量”指代具有大于300KHz且小于300MHz的频率的电磁能量。在一个实施例中，RF加热区的各种配置可利用具有50到150MHz的频率的RF能量。除了RF能量，RF加热区还可任选地利用一个或多个其它热源，例如传导或对流加热或者其它常规加热方法或装置。然而，在RF加热区12内用以加热物品的能量的至少约25％、约50％、约70％、约85％、至少约90％、至少约95％或大体上全部可以是来自RF能量源的RF能量。在某些实施例中，在RF加热区中用以加热物品的能量的小于50％、小于25％、小于10％、小于5％或大体上没有能量是通过具有大于300MHz的频率的电磁辐射提供。

根据一个实施例，RF加热区12可被配置成将物品的温度增加到高于最小阈值温度。在其中RF系统被配置成使多个物品消毒的一个实施例中，所述最小阈值温度(以及RF加热区12的操作温度)可为至少约120℃、至少约121℃、至少约122℃和/或不大于约130℃、不大于约128℃，或不大于约126℃。RF加热区12可在近似周围压力下操作，或者其可包含一个或多个加压RF腔室，所述腔室在至少约5psig、至少约10psig、至少约15psig和/或不大于约80psig、不大于约60psig或不大于约40psig的压力下操作。在一个实施例中，加压RF腔室可以是具有操作压力的以液体填充的腔室，使得正在加热的物品可达到高于其中采用的液体介质的正常沸点的温度。

通过RF加热区12的物品可在相对短时间周期中加热到所需温度，这在一些情况下可以使物品的损坏或降级最少。在一个实施例中，通过RF加热区12的物品可具有至少约5秒、至少约20秒、至少约60秒和/或不大于约10分钟、不大于约8分钟或不大于约5分钟的平均驻留时间。在相同或其它实施例中，RF加热区12可被配置成在至少约15℃/分钟(℃/min)、至少约25℃/分钟、至少约35℃/分钟和/或不大于约75℃/分钟、不大于约50℃/分钟或不大于约40℃/分钟的加热速率下，使正在加热的物品的平均温度增加至少约20℃、至少约30℃、至少约40℃、至少约50℃、至少约75℃和/或不大于约150℃、不大于约125℃或不大于约100℃。

图2和3分别提供RF加热区20的一个实施例的等距视图和侧视图，其中RF能量产生于RF能量产生器22中，经由同轴导体24从RF产生器22传送，使用上部和下部同轴到波导过渡部28a、b传送到上部和下部以水填充的波导26a、b中，传送通过以水填充的波导26a、b，经过任选的电感性膜片32a、b且进入上部和下部以水填充的发射器34a、b，传送出上部和下部以水填充的发射器34a、b且进入以水填充的RF加热腔室36。在RF加热腔室36中，在物品38(例如，食品封装)沿着可包含载体40和链驱动器42的传送系统上移动时，RF能量加热所述物品。虽然图2仅示出使用的一对发射器34a、b，但应理解，可使用两对或更多对间隔开的发射器。

同轴导体24包含外部导体和内部导体。如图3中可能最佳图示，外部导体终止于波导26的壁处，而中心导体延伸通过波导26的一个壁，进入波导26的内部，且到达(或通过)波导26的相对壁。介电套管包围中心导体，其中中心导体穿透波导26的壁。此介电套管充当障壁以防止液体从波导26的内部传递到同轴导体24中。所述介电套管可以能够容易与波导26密封且大体上对微波透明的材料制成。在一个实施例中，所述介电套管可由玻璃纤维填充聚四氟乙烯(PTFE)材料形成。

已经发现，通过用具有比空气更接近于水的介电常数的液体填充波导26、发射器34和RF加热腔室36，RF能量可更有效且高效地传输到正在加热的物品38。填充波导26、发射器34和RF加热腔室36的液体充当传送介质，RF能量在从同轴到波导过渡部28a、b引导到物品时传送通过所述传送介质。填充波导26、发射器34和RF加热腔室36的液体可经预处理以使其电导率最小化。所述液体(例如，水)的电导率优选小于100mS/m、小于50mS/m、小于10mS/m、小于5mS/m或小于0.5mS/m。在某些实施例中，蒸馏水或去离子水可用以填充波导26、发射器34和RF加热腔室36。

波导26、发射器34和RF加热腔室36可对彼此开放，从而准许波导26、发射器34和RF加热腔室36中含有的液体彼此共享。然而，波导26、发射器34和RF加热腔室是密封系统的部分，所述密封系统不允许液体泄漏出RF加热区，但RF加热系统可包含用于再循环和/或更换RF加热区中的液体的系统。

波导26、发射器34和RF加热腔室36可含有少量空气。然而，波导26、发射器34和RF加热腔室36的大体上所有内部体积优选将具有液体，例如水。因此，波导26、发射器34和RF加热腔室36的内部体积的至少75、90、95、99或100％可填充有液体。

波导26、发射器34和RF加热腔室36填充有例如水等液体允许这些组件的尺寸比波导26、发射器34和RF加热腔室36填充有空气的情况小得多。举例来说，携带RF能量的波导可具有大体上矩形横截面，其中最宽波导壁的尺寸在5到40英寸、10到30英寸或12到20英寸的范围中，且最窄波导壁的尺寸在2到20英寸、4到12英寸或6到10英寸的范围中。

使用RF能量加热物品38可提供能量到正处理的物品38中的深渗透，可使所需发射器34的数目最少，且可提供高场均匀性以用于较均匀的加热。

图4图示了采用单侧发射器42的替代RF加热区40。图5图示了在腔室的同一侧上采用单侧邻近发射器50a、b的替代RF加热区50。图6图示了在腔的相对侧上具有单侧间隔开的发射器62a、b的替代RF加热区60。

图7、8和9分别提供RF加热区70的等距视图、侧视图和端视图，其中RF波导74的最宽壁72以及RF发射器78的最宽壁76垂直于传送系统上的物品的传播轴线。已经示出RF波导和/或RF发射器的此定向增强了场均匀性。

图10和11图示了任选的介电场塑形器80a、b、c、d、e、f、g、h，其用以增强RF加热腔室中的场均匀性以便防止受加热物品中的大温度梯度。所述介电场塑形器可由吸收极少RF能量且具有与填充RF加热腔室的水不同的介电常数的材料形成。举例来说，所述介电场塑形器的介电常数可小于20、小于10、小于5，或小于2.5。

图12和13示出了载体90，其包含外部框架92、上部和下部保持栅格94a、b以及介电巢96。介电巢96包含用于接纳正在加热的个别物品98的多个开口。介电巢96大体上填充个别物品94之间的空隙。介电巢96的介电常数优选大体上类似于正在加热的物品98的介电常数。举例来说，介电巢96的介电常数可在正在加热的物品98的介电常数的50％内、25％内、10％内或5％内。在某些实施例中，介电巢98具有在20℃下至少2、10、20、40或60和/或不大于160、120、100或90的介电常数。

本发明的RF加热系统可为能够在相对短时间中处理大量物品的商业级加热系统。如本文描述的RF加热系统可被配置成实现每传送线每分钟至少约2个封装、每传送线每分钟至少15个封装、每传送线每分钟至少约20个封装、每传送线每分钟至少约75个封装，或每传送线每分钟至少约100个封装的总体生产率。

如本文使用，术语“每分钟封装”指代根据以下程序能够由RF加热系统处理的以乳清蛋白凝胶填充的8盎司MRE(快餐)封装的总数目：从Ameriqual Group LLC(美国印第安纳州埃文斯维尔市)市售的填充有乳清蛋白凝胶布丁的8盎司MRE封装连接到定位于布丁中沿着x、y和z轴线中的每一者间隔的五个等距位置处的多个温度探测器，所述轴线源自所述封装的几何中心。随后将所述封装放置于正在评估的RF加热系统中，且加热直到探测器中的每一者记录高于指定最小温度(例如，对于消毒系统的120℃)的温度。实现此温度分布所需的时间以及关于加热系统的物理和尺寸信息可随后用以计算以每分钟封装计的总体生产率。

上文描述的本发明的优选形式将仅用作说明，且不应当在限制性意义上用来解译本发明的范围。在不脱离本发明的精神的情况下，本领域的技术人员可容易做出对上文陈述的一个示例性实施例的明显修改。

发明人特此陈述其希望依赖于等同原则，关于未实质上脱离如所附权利要求书中陈述的本发明的字面范围但在所述范围之外的任何设备，来确定和估定本发明的合理公正范围。

Claims (20)

1.一种用于加热多个物品的射频(RF)加热系统，所述RF加热系统包括：

RF产生器，其用于产生RF能量；

RF波导，其被配置成大体上填充有液体，且当填充有所述液体时能够传输由所述RF产生器产生的RF能量；

RF加热腔室，其被配置成大体上填充有所述液体，且当填充有所述液体时能够接收通过所述RF波导传输的RF能量；以及

传送系统，其接纳于所述RF加热腔室中且被配置成在所述物品正由RF能量加热的同时将所述物品传送通过所述RF加热腔室。

2.根据权利要求1所述的RF加热系统，其进一步包括用于传输由所述RF产生器产生的RF能量的至少一个同轴导管。

3.根据权利要求2所述的RF加热系统，其进一步包括接纳于所述RF波导中且耦合到所述同轴导管的同轴到波导过渡部，其中所述同轴到波导过渡部被配置成接收来自所述同轴导管的RF能量且将RF能量传输到所述波导中。

4.根据权利要求1所述的RF加热系统，其进一步包括RF发射器，其用于接收来自所述RF波导的RF能量且将RF能量传输到所述RF加热腔室中。

5.根据权利要求4所述的RF加热系统，其中所述RF发射器的最宽壁大体上垂直于所述物品通过所述RF加热腔室的传播方向而定向。

6.根据权利要求1所述的RF加热系统，其进一步包括接纳于所述RF加热腔室中的一个或多个介电场塑形器。

7.根据权利要求6所述的RF加热系统，其中所述介电场塑形器的介电常数小于20。

8.根据权利要求1所述的RF加热系统，其中所述传送系统包括用于接纳所述物品的介电巢。

9.根据权利要求8所述的RF加热系统，其中所述介电巢具有在所述物品的介电常数的25％内的介电常数。

10.根据权利要求1所述的RF加热系统，其进一步包括在所述RF加热区上游的预加热区。

11.根据权利要求10所述的RF加热系统，其进一步包括在所述RF加热区下游的冷却区。

12.根据权利要求11所述的RF加热系统，其进一步包括位于所述RF加热区与所述冷却区之间的保持区。

13.一种用于使用射频(RF)能量加热多个物品的方法，所述方法包括：

(a)使RF能量通过大体上填充有液体的RF波导；

(b)将RF能量引入到大体上填充有所述液体的RF加热腔室中；以及

(c)使用RF能量加热传送通过所述RF加热腔室的物品。

14.根据权利要求13所述的方法，其中所述波导和所述RF加热腔室中的所述液体是水。

15.根据权利要求13所述的方法，其中所述波导和所述RF加热腔室中的所述液体具有小于50mS/m的电导率。

16.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括经由同轴导体将RF能量供应到所述RF波导。

17.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括使用接纳于所述RF波导中且耦合到所述同轴导体的同轴到波导过渡部将RF能量传输到所述RF波导中。

18.根据权利要求13所述的方法，其进一步包括经由大体上填充有所述液体的RF发射器将来自所述RF波导的RF能量传输到所述RF加热腔室。

19.根据权利要求18所述的方法，其中所述RF发射器的最宽壁大体上垂直于所述物品通过所述RF加热腔室的传播方向而定向。

20.根据权利要求13所述的方法，其中RF能量由相对的RF发射器供应到所述RF加热腔室。