CN109348561B - 一种射频加热方法及射频加热装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及食品加热的技术领域，公开了一种射频加热方法，待加热食品能够旋转地设置在产生射频电磁波的阳极板和阴极板之间，其表面到达阳极板和阴极板的距离呈周期性变化趋势，所述待加热食品的几何中心与阳极板、阴极板的几何中心重合。还公开了一种射频加热装置，包括左右对称且平行设置的阳极板和阴极板，两者之间设置有用于盛放待加热食品的转盘，所述转盘与传动机构相连，所述传动机构用于带动转盘做旋转运动，且对转盘的高度进行调节。本发明操作简单，应用方便，省时省力，具有较高的经济价值。

Description

一种射频加热方法及射频加热装置

技术领域

本发明涉及食品加热的技术领域，尤其涉及一种射频加热方法及射频加热装置。

背景技术

射频波是1-300MHz的高频电磁波，该高频电磁波通过激励食品内部的离子、原子、分子等微观粒子振动或转动，使得食品内部整体快速升温，达到迅速整体加热的效果。典型的射频加热装置为水平对置极板式加热，如图1所示，射频电源产生高频电压的交流电经功率放大器放大后接入平行放置的两块极板，高压高频电场作用于食品整体，电磁能在食品内部转换为热能，从而被加热。射频加热能避免传统加热方式因由外至内加热且受限于热源温度和食品本身的导热特性导致的加热速度缓慢，能够将物料迅速升温至所需的温度，且加热均匀性大幅度提高。

由于平行加热器的极板设计限制，规则形状的食品的边缘会有集中加热效应，且非规则形状食品在平行极板中会引起能量分布不均，导致加热后食品各处品质有明显差异。能量分布不均的原因是：一、电磁场在被加热物料边角处具有集中加热效应，边角集中效应指的是在有两个或以上的表面以一定角度交汇时，电场趋向于从每个面垂直穿过，使得电场强度在这些交汇的边角处较高，导致边角加热速率远高于中心部分。二、由于食品样品的厚度不均匀导致极板与食品之间的垂直距离不同，使得电磁场强度分布不同，导致温度分布不均。

发明内容

为了解决现有问题，本发明提供了一种射频加热方法，解决了由于现有射频加热的极板设计缺陷，造成食品的边缘会有集中加热效应，以及能量分布不均等问题。

本发明可通过以下技术方案实现：

一种射频加热方法，待加热食品能够旋转地设置在产生射频电磁波的阳极板和阴极板之间，其表面到达阳极板和阴极板的距离呈周期性变化趋势，所述待加热食品的几何中心与阳极板、阴极板的几何中心重合。

进一步，所述阳极板和阴极板呈左右对称平行设置。

进一步，所述阳极板和阴极板自上而下均被设置成多段，处于所述阳极板和阴极板最顶端的段之间的距离能够被调节，处于所述阳极板和阴极板最低端的段之间的距离也能够被调节。

进一步，所述待加热食品的设置高度能够被调节。

一种基于上文所述的射频加热方法的射频加热装置，包括左右对称且平行设置的阳极板和阴极板，两者之间设置有用于盛放待加热食品的转盘，所述转盘与传动机构相连，所述传动机构用于带动转盘做旋转运动，且对转盘的高度进行调节。

进一步，所述传动机构包括上下设置的高度调节机构和旋转调节机构，所述高度调节机构通过高度调节电机带动与之连接的丝杠，将旋转运动转换为直线运动，实现对转盘的高度调节；所述旋转调节机构通过旋转调节电机带动与之连接的齿轮转动，实现对转盘的旋转调节。

进一步，所述旋转调节机构和高度调节机构自上而下设置，两者之间通过支撑板相连，所述支撑板固定设置在射频加热装置的壳体上。

进一步，所述旋转调节机构包括旋转调节电机，所述旋转调节电机的输出轴与主动齿轮的中心轴相连，所述主动齿轮与从动齿轮啮合，所述从动齿轮的中心轴的上端与转盘的中心相连，下端与支撑板相连，所述支撑板的四周均匀设置有四个通孔，所述通孔内部设置有与丝杠配合的内螺纹，所述丝杠上设置有从动皮带轮，所述从动皮带轮通过皮带与同一个主动皮带轮连接，所述主动皮带轮的中心轴与高度调节电机的输出轴相连。

进一步，所述阳极板或者阴极板自上而下均包括上部、中部和下部，其中部均固定设置，其上部或者下部均能够通过调节机构沿水平方向同时向内或者向外运动，且其面积总和不大于中部的面积。

进一步，所述上部、中部和下部平行设置，且上部和下部的面积相等，均占整个阳极板或者阴极板面积的四分之一。

本发明有益的技术效果在于：

通过将阳极板和阴极板左右对称设置，借助传动机构对待加热食品的高度和旋转进行调节，使得待加热食品表面到达阳极板或者阴极板的距离呈周期性变化趋势，从而过热区域位置的电场强度发生周期性改变，降低了待加热食品表面的边角效应，提高了其加热均匀性，同时，将阳极板和阴极板分别设置成多段，借助调节机构，根据待加热食品的物性、形体特征等，减小两个极板的上部和下部之间的距离，使得待加热食品的上下表面所处的电场强度发生改变，进一步提高了其上下表面的加热温度，从而提高了待加热食品的整体均匀性，另外，本发明的装置结构简单，操作方便，仅需对现有的射频加热装置做改进就可以实现，成本低廉，具有较高的经济价值。

附图说明

图1为现有技术的射频加热装置的阳极板、阴极板的布局示意图；

图2为本发明的射频加热装置的总体结构图；

图3为本发明的射频加热装置的爆炸示意图；

图4为采用现有技术的射频加热装置对静止的待加热食品进行模拟加热的温度分布图；

图5为采用现有技术的射频加热装置对旋转的待加热食品进行模拟加热的温度分布图；

图6为采用本发明的射频加热装置对静止的待加热食品进行模拟加热的温度分布图；

图7为采用本发明的射频加热装置对旋转的待加热食品进行模拟加热的温度分布图；

图8为当L＝12.5mm时，采用本发明的射频加热装置对旋转的待加热食品进行模拟加热的温度分布图；

图9为当L＝25mm时，采用本发明的射频加热装置对旋转的待加热食品进行模拟加热的温度分布图；

图10为当L＝37.5mm时，采用本发明的射频加热装置对旋转的待加热食品进行模拟加热的温度分布图；

图11为当L＝50mm时，采用本发明的射频加热装置对旋转的待加热食品进行模拟加热的温度分布图；

其中，1-阳极板，101-上部，102-中部，103-下部，2-阴极板，3-转盘，4-支撑板，5-旋转调节电机，6-主动齿轮，7-从动齿轮，8-固定盘，9-高度调节电机，10-丝杠，11-从动皮带轮，12-皮带，13-主动皮带轮，14-射频电源PU，15-功率放大器PA。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式做进一步阐述。

如图1所示，本发明提供了一种射频加热方法，待加热食品能够旋转地设置在产生射频电磁波的阳极板和阴极板之间，其表面到达阳极板和阴极板的距离呈周期性变化趋势，且其几何中心与阳极板、阴极板的几何中心重合。该阳极板和阴极板呈左右对称的平行设置，可以将它们自上而下设置成多段，处于阳极板和阴极板最顶端的段之间的距离能够被调节，处于阳极板和阴极板最低端的段之间的距离也能够被调节，并且待加热食品的设置高度也能够被调节。不管待加热食品的大小形状如何，即使对于形状不规则的食品，利用高度调节均可使其几何中心与阳极板、阴极板的几何中心重合，使其处于加热的最佳位置，为改善加热均匀性提供保证，同时，由于阳极板和阴极板的左右设置，特别是形状不规则的食品，使得食品表面到达阳极板和阴极板的距离随着旋转而不断变化，呈周期性变化趋势，从而食品任意一点位置的电场强度也发生周期性改变，这样，食品的边角距离阳极板或者阴极板的距离就会不断变化，可以有效改善由于边角效应导致食品的边角过热的问题。

本发明提供了一种基于上文所述的射频加热方法的射频加热装置，包括左右对称且平行设置的阳极板1和阴极板2，两者之间设置有用于盛放待加热食品的转盘3，该转盘3与传动机构相连，该传动机构用于带动转盘3做旋转运动，且对转盘3的高度进行调节。

该传动机构包括自上而下设置的旋转调节机构和高度调节机构，两者之间通过支撑板4相连，该支撑板4固定设置在射频加热装置的壳体上。该旋转调节机构通过旋转调节电机5带动与之连接的齿轮转动，实现对转盘3的旋转调节，具体包括旋转调节电机5，该旋转调节电机5的输出轴与主动齿轮6的中心轴相连，该主动齿轮6与从动齿轮7啮合，该从动齿轮7的中心轴的上端与转盘3的中心相连，下端与支撑板4相连，可以固定在支撑板4上，旋转调节电机5也可以固定设置在支撑板4上，这样，通过旋转调节电机5带动啮合的齿轮转动，从而带动转盘3转动，实现放置在转盘3上的食品在阳极板1和阴极板2之间旋转，使得食品表面到达阳极板和阴极板的距离随着旋转而不断变化，呈周期性变化趋势，其任意一点位置的电场强度也发生周期性改变，可以有效改善由于边角效应导致食品的边角过热。另外，转盘3可以通过固定盘8与从动齿轮7的中心轴的上端相连，这样，便于对转盘3进行维修和更换。

该高度调节机构通过高度调节电机9带动与之连接的丝杠10，将旋转运动转换为直线运动，实现对转盘3的高度调节，具体结构设计为：在支撑板4的四周均匀设置有四个通孔，在通孔内部设置有与丝杠10配合的内螺纹，在丝杠10上设置有从动皮带轮11，该从动皮带轮11通过皮带12与同一个主动皮带轮13连接，该主动皮带轮13的中心轴与高度调节电机8的输出轴相连，这样，利用高度调节电机8带动主动皮带轮13转动，通过皮带12带动与之相连的四个从动皮带轮11转动，从而带动丝杠10转动，由于支撑板4固定设置，丝杠10与支撑板4之间螺纹配合，丝杠10的转动使得其上的支撑板4相对装置的壳体底部可以上下运动，从而带动设置在支撑板4上的整体上下运动，即可实现转盘3上的食品在阳极板1和阴极板2之间上下运动，从而可以根据食品的大小形状调节其高度，以确保其几何中心与阳极板1、阴极板2的几何中心重合，使得食品处于加热的最佳位置，为改善食品加热的均匀性提供保障。

经过实验验证，食品的上下表面和中部的温度较其他部分低，如果人为地改变上下表面所处的电场，也可以改善食品加热的均匀性，因此，本发明的阳极板1或者阴极板2自上而下均包括上部101、中部102和下部103，且平行设置，其中部102均固定设置，其上部101或者下部103均能够通过调节机构沿水平方向同时向内或者向外运动，且其面积总和不大于中部的面积，优选地，上部和下部的面积相等，均占整个阳极板或者阴极板面积的四分之一。

本发明还提供了一种基于上文所述的射频加热装置的射频加热系统，包括处理器，该处理器与射频电源PU14、图像处理模块、调节机构的驱动模块、高度调节电机9和旋转调节电机5相连，该图像处理模块与摄像头相连，该射频电源PU14通过功率放大器PA15与阳极板1、阴极板2相连，该摄像头用于对待加热食品进行拍摄，可以设置有三个，分别设置在射频加热装置的壳体的顶部以及没有装阳极板1、阴极板2的侧壁上，其开孔直径小于0.5厘米，以避免射频波泄露，该图像处理模块用于对拍摄的待加热食品图像进行处理，获取其几何中心和体积，该处理器接收几何中心，通过高度调节电机调节转盘3的高度，从而使待加热食品的几何中心与阳极板1、阴极板2的重合，接收体积信息，通过高度调节电机调节转盘3的转动速度，通过调节机构的驱动模块调节阳极板1、阴极板2的上部或者下部之间的距离。

以下用长方体的食品为例，利用现有技术的和本发明的射频加热装置对该食品进行模拟加热，详细说明本发明的加热效果。

本发明采用有限元模拟射频加热的方式，展示一种分段极板垂直固定且待加热食品旋转的射频加热装置对加热均匀性的改善效果。射频内腔的尺寸宽度、深度和高度分别设为0.3m、0.3m和0.2m，建立分别垂直设置于内腔左右两侧的极板和极板水平设置于上下两侧的仿真模型。

当两个极板分别垂直设置于内腔左右两侧时，采用三段极板，中部为260mm×140mm的矩形固定，上部和下部均为260mm×30mm的矩形可通过调节机构调节两者之间的间距，待加热食品为尺寸0.15m×0.1m×0.06m的长方体，放置于内腔中心位置，距两侧极板的距离相同，采用牛肉的物性参数。由于极板垂直设置于内腔壁，则极板最大间距为0.3m。极板电压设为4kV，加热时间为15min。

当两个相同的极板分别设置于射频内腔上下两侧时，极板的尺寸为0.26m×0.26m的矩形，由于极板水平固定于内腔壁外侧，则极板间距固定为0.2m。待加热食品为尺寸0.15m×0.1m×0.06m的长方体，放置于内腔中心位置，距下极板的距离为0.03m，采用牛肉的物性参数，物体的初始温度为0℃。极板电压设为4kV，加热时间为15min。

本实施例采用最高温度、最低温度、温差和温度均匀指数来评价加热的均匀性。温度均匀指数TUI一般用来评价射频加热的样品内部温度的均匀性：

其中，V表示待加热食品的体积m3，T表示待加热食品的温度℃，T_avg表示待加热食品的平均温度，T₀表示待加热食品的初始温度。一般而言，TUI的值越小，表示待加热食品的加热均匀性越好，TUI最小值为0，意味着表示待加热食品没有温差。

当两个相同的极板分别设置于射频内腔上下两侧时，且待加热食品静止不动，其温度分布图如图4所示，最高温度出现在边角处，最高温度为55.8℃，最低温度为20.4℃，温差为35.4℃，通过计算，可得温度均匀指数为TUI＝0.183。当待加热食品以转速为30rpm转动时，其温度分布图如图5所示，最高温度出现在边角处，最高温度为59.8℃，最低温度为19.8℃，温差为40.0℃，通过计算，可得温度均匀指数为TUI＝0.176。

当两个相同的极板分别设置于射频内腔左右两侧时，极板的上部、中部和下部处于同一平面上，即上部和下部向内的移动距离L为零时，待加热食品静止不动，其温度分布图如图6所示，最高温度出现在边角处，最高温度为40.9℃，最低温度为19.4℃，温差为21.9℃，通过计算，可得温度均匀指数为TUI＝0.133。当待加热食品以转速为30rpm转动时，其温度分布图如图7所示，最高温度出现在边角处，最高温度为42.4℃，最低温度为34.2℃，温差为8.2℃，通过计算，可得温度均匀指数为TUI＝0.0322。

由此可见，当两个相同的极板分别设置于射频内腔上下两侧时，无论待加热食品旋转与否，物其温差均在35℃以上，温度均匀指数在0.17以上。当两个相同的极板分别设置于射频内腔左右两侧时，相比于静止加热，旋转加热的效果更好，温差仅8.2℃，温度均匀指数仅为0.0322，对加热均匀性的改善更加明显，并且明显优于极板设置于射频内腔上下两侧的情况。

当两个相同的极板分别设置于射频内腔左右两侧，且待加热食品以转速为30rpm转动时，同时调节两个上部和下部向内的移动距离L，对比可移动的极板在不同位置状态，对加热的均匀性的改善。

L＝12.5mm时，即极板的上部、下部与中部的垂直距离为12.5mm状态下，其温度分布图如图8所示，最高温度出现在边角处，最高温度为44.8℃，最低温度为42.5℃，温差为2.3℃。通过计算，可得温度均匀指数为TUI＝0.0079686。

L＝25mm时，即极板的上部、下部与中部的垂直距离为25mm状态下，其温度分布图如图9所示，最高温度出现在边角处，最高温度为46.8℃，最低温度为44.7℃，温差为2.1℃。通过计算，可得温度均匀指数为TUI＝0.0079152。

L＝37.5mm时，即极板的上部、下部与中部的垂直距离为37.5mm状态下，其温度分布图如图10所示，最高温度出现在边角处，最高温度为51.6℃，最低温度为49℃，温差为2.6℃。通过计算，可得温度均匀指数为TUI＝0.013862。

L＝50mm时，即极板的上部、下部与中部的垂直距离为50mm状态下，其温度分布图如图11所示，最高温度出现在边角处，最高温度为62.4℃，最低温度为55.9℃，温差为6.5℃。通过计算，可得温度均匀指数为TUI＝0.025208。

通过对比可知，当L在12.5mm～25mm范围内调节时，待加热食品的温度均匀指数最低，约为0.0079，同时，也比极板的上部、中部和下部处于同一平面上，即上部和下部向内的移动距离L为零时的温度均匀指数低，因此，通过改变两个极板上部和下部之间的距离可以改善待加热食品的均匀性。

通过将阳极板和阴极板左右对称设置，借助传动机构对待加热食品的高度和旋转进行调节，使得待加热食品表面到达阳极板或者阴极板的距离呈周期性变化趋势，从而其表面的同一点所处的电场强度发生周期性改变，降低了待加热食品表面的边角效应，提高了其加热均匀性，同时，将阳极板和阴极板分别设置成多段，借助调节机构，根据待加热食品的物性、形体特征等，减小两个极板的上部和下部之间的距离，使得待加热食品的上下表面所处的电场强度发生改变，进一步提高了其上下表面的加热温度，从而提高了待加热食品的整体均匀性，另外，本发明的装置结构简单，操作方便，仅需对现有的射频加热装置做改进就可以实现，成本低廉，具有较高的经济价值。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，因此，本发明的保护范围由所附权利要求书限定。

Claims (9)

1.一种射频加热方法，其特征在于：待加热食品能够旋转地设置在产生射频电磁波的阳极板和阴极板之间，其表面到达阳极板和阴极板的距离呈周期性变化趋势，所述待加热食品的几何中心与阳极板、阴极板的几何中心重合，所述阳极板和阴极板呈左右对称平行设置。

2.根据权利要求1所述的射频加热方法，其特征在于：所述阳极板和阴极板自上而下均被设置成多段，处于所述阳极板和阴极板最顶端的段之间的距离能够被调节，处于所述阳极板和阴极板最低端的段之间的距离也能够被调节。

3.根据权利要求1所述的射频加热方法，其特征在于：所述待加热食品的设置高度能够被调节。

4.一种基于权利要求1所述的射频加热方法的射频加热装置，其特征在于：包括左右对称且平行设置的阳极板和阴极板，两者之间设置有用于盛放待加热食品的转盘，所述转盘与传动机构相连，所述传动机构用于带动转盘做旋转运动，且对转盘的高度进行调节。

5.根据权利要求4所述的射频加热装置，其特征在于：所述传动机构包括上下设置的高度调节机构和旋转调节机构，所述高度调节机构通过高度调节电机带动与之连接的丝杠，将旋转运动转换为直线运动，实现对转盘的高度调节；所述旋转调节机构通过旋转调节电机带动与之连接的齿轮转动，实现对转盘的旋转调节。

6.根据权利要求5所述的射频加热装置，其特征在于：所述旋转调节机构和高度调节机构自上而下设置，两者之间通过支撑板相连，所述支撑板固定设置在射频加热装置的壳体上。

7.根据权利要求6所述的射频加热装置，其特征在于：所述旋转调节机构包括旋转调节电机，所述旋转调节电机的输出轴与主动齿轮的中心轴相连，所述主动齿轮与从动齿轮啮合，所述从动齿轮的中心轴的上端与转盘的中心相连，下端与支撑板相连，所述支撑板的四周均匀设置有四个通孔，所述通孔内部设置有与丝杠配合的内螺纹，所述丝杠上设置有从动皮带轮，所述从动皮带轮通过皮带与同一个主动皮带轮连接，所述主动皮带轮的中心轴与高度调节电机的输出轴相连。

8.根据权利要求4所述的射频加热装置，其特征在于：所述阳极板或者阴极板自上而下均包括上部、中部和下部，其中部均固定设置，其上部或者下部均能够通过调节机构沿水平方向同时向内或者向外运动，且其面积总和不大于中部的面积。

9.根据权利要求8所述的射频加热装置，其特征在于：所述上部、中部和下部平行设置，且上部和下部的面积相等，均占整个阳极板或者阴极板面积的四分之一。

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