CN109618442B - 一种适用于液态物料的微波-超声耦合腔体 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于液态物料的微波‑超声耦合腔体，属于微波处理技术领域。通过微波装置与超声装置的排列方式能够实现以微波作用为主、超声作用为辅的微波‑超声耦合处理过程，通过微波‑超声耦合腔体独特的波导排布设计，搭配调配器的使用极大程度地降低微波加热液态物料过程中电磁波反射的风险，保证设备运行的安全性能，同时使物料承载腔内电磁场分布更加均匀，减少微波加热冷点，使微波效应与超声空化效应高效结合，进而提升液态物料处理效果，实现微波‑超声耦合处理过程。

Description

一种适用于液态物料的微波-超声耦合腔体

技术领域

本发明涉及一种适用于液态物料的微波-超声耦合腔体，属于微波处理技术领域。

背景技术

微波是指频率范围在300MHz-300GHz之间的电磁波。除广泛应用于通信技术领域外，微波对介电物质的加热特性使其成为食品热加工的新兴技术之一。相较传统加热手段，微波加热的特点包括：1、时间短，速度快；2、辐射加热，穿透性强，在处理过程中不易出现因管壁过热导致的结焦现象；3、选择性强，与物质介电性质有关；4、能耗少，占地小，自动化程度高；5、装备及配件成本低等。因此，关注微波加热技术对于升级优化传统加工过程具有重要意义。

超声波是一种振动频率大于20KHz的机械波，目前超声波已经应用于物料干燥、灭菌以及物质提取等诸多领域。超声波在流体中的作用与其空化作用有关，超声空化是指在流体中由于超声的物理作用，流体的某一区域会形成局部的暂时负压区，于是在流体中产生空穴或气泡。这些充有蒸汽或空气的气泡处于非稳定状态。当它们突然闭合时，会产生激波，因而会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用从而产生很大压强。由于气泡的非线性振动和它们破灭时产生的巨大压力，伴随着这种空化现象会产生许多物理和化学效应。微粒间这种剧烈的相互作用，会使液体升温并起到很好的搅拌作用，能够加速某些化学反应。此外，强烈的高频超声振荡能使细胞壁、细胞质膜破裂，使细胞内含物胶体发生絮凝沉淀，凝胶发生流化或乳化，达到超声波的处理目的。

虽然微波处理与超声处理都有一定的应用实例并且两者的协同效应已有学者进行初步探究，但是目前微波-超声耦合技术多用于物质的反应与萃取过程。针对连续流动液态物料微波-超声耦合处理的相关研究较少，如何将微波效应与超声空化效应高效结合是目前液态物料加工领域的研究热点。

发明内容

为了解决目前存在的问题，实现将微波的“热效应”与超声波的“震动效应”高效结合本发明提供了一种适用于液态物料的微波-超声耦合腔体，所述微波超声耦合腔体包括：物料承载腔、波导系统和超声系统；所述物料承载腔上包括至少一对相互对应的超声系统与波导系统，各波导按照预定角度安装在所述物料承载腔的外壁开设的馈口处，所述预定角度大于等于15°，且小于90°。

可选的，所述超声系统包括至少一个超声发生装置，当超声系统包括两个以上超声发生装置时，所述超声发生装置交错安装在所述物料承载腔相对的壁面上且与波导相对。

可选的，所述预定角度范围为[30°,60°]。

可选的，所述物料承载腔为矩形腔体，在物料承载腔的相对的壁面上每间距一定距离开设馈口，各波导以及超声系统通过所述馈口与物料承载腔连接。

可选的，物料承载腔的相邻的壁面上的微波馈口交叉排列。

可选的，通过设置各波导相对于物料承载腔壁面的倾斜方向一致或者部分一致能够使得输送至物料承载腔内部的微波能量均匀输出或集中输出。

可选的，各波导中设置调配器，所述调配器用于调节微波源与负载之间的匹配度，使微波传输过程中的反射系数趋近于0，包括单销钉调配器、三销钉调配器、光子晶体波导阻抗调配器。

可选的，调配器安装时使用网络分析仪测定输入回波损耗S11参数，调整调配器的方位和插入深度使S11参数＜-10dB，同时使电压驻波比趋近于1。所述S11参数＝20lg(反射系数)，

可选的，所述物料承载腔的底面与波导的腔体截面形状大小相同；所述物料承载腔的底面为与物料传输方向垂直的面。

可选的，所述馈口处安装密封材料，所述密封材料具有良好的微波透过性和承载能力。

本发明的另一个目的在于提供一种上述微波超声耦合腔体在食品、化工、医药领域内的应用。

本发明有益效果是：

通过微波装置与超声装置的排列方式能够实现微波-超声耦合过程，提升处理效果，通过微波-超声耦合腔体波导排布的独特设计，搭配调配器的使用极大程度地降低了微波加热液体物料过程中电磁波反射的风险，保证了设备运行的安全性能，使微波效应与超声空化效应高效结合，提升液态物料加热均匀性并提升处理效果，实现微波-超声耦合处理过程。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明提供的微波超声耦合腔体立体示意图；

图2是本发明提供的微波超声耦合装置主视图；

图3是本发明提供的微波超声耦合装置侧视图；

图4是本发明提供的微波超声耦合装置立体示意图；

图5本发明提供的微波超声耦合装置中调配器示意图；

图6是本发明提供的连续式微波-超声耦合杀菌设备示意图；

其中，101-波导系统，102-物料承载腔，103-超声系统；

201-进料预热工段，202-微波-超声耦合处理装置，203-恒温杀菌工段，204-冷却收料工段；

1-球阀，2-接管，3-方圆过渡管，4-轴流风扇，5-磁控管，6-物料承载腔侧板Ⅰ，7-调配器，8-调配器盖板，9-波导馈口石英玻璃，10-密封法兰，11-物料承载腔侧板Ⅱ，12-结构件，13-声波传导件，14-压电陶瓷片，15-超声固定法兰，16-超声波震子，17-速接管，18-E面波导上板，19-铸铝激励腔，20-E面波导侧板，21-风罩，22-E面波导下板，23-波导法兰，24-防尘板，25-波导-物料承载腔固定法兰，26-法兰固定专用螺钉，27-硅橡胶密封O型圈，28-硅橡胶垫板，29-石英玻璃框板，30-H面波导上板，31-H面波导下板，32-物料承载腔侧板III，33-H面波导侧板，34-物料承载腔侧板Ⅳ。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。

实施例一：

本实施例提供一种微波超声耦合腔体，请参考图1，所述微波超声耦合腔体包括：波导系统101、物料承载腔102和超声系统103；所述物料承载腔102的腔体上包括至少一对相互对应的超声系统103与波导系统101，所述波导系统101中各波导与物料承载腔的壁面以预定角度连接，所述预定角度大于等于15°，且小于90°。

所述超声系统103包括至少一个超声发生装置，当超声系统103包括两个以上超声发生装置时，所述超声发生装置交错安装在所述物料承载腔102相对的壁面上且与波导相对。

所述预定角度范围为[30°,60°]。

所述物料承载腔102为矩形腔体，在物料承载腔102的相对的壁面上每间距一定距离开设馈口，各波导以及超声系统103通过所述馈口与物料承载腔102连接。

物料承载腔102的相邻的壁面上的微波馈口交叉排列。

通过设置各波导相对于物料承载腔102壁面的倾斜方向一致或者部分一致能够使得输送至物料承载腔102内部的微波能量均匀输出或集中输出。

各波导中设置调配器7，且通过调整调配器7的方位及插入深度使微波传输过程中的反射系数趋近于0，电压驻波比趋近于1。

所述物料承载腔102的底面(与物料传输方向垂直的面)与波导的腔体截面形状大小相同。

所述馈口处安装密封材料，所述密封材料具有良好的微波透过性和一定的承载能力。

如图1所示，考虑到模式较为单一的微波模式能够提高能量稳定性，为达到有效减少物料承载腔102内部电磁波模式的目的，本实施例将物料承载腔102的底面(与物料传输方向垂直的面)长宽尺寸设计成与使用的矩形波导腔体截面长宽尺寸相同。故本实施例以物料承载腔102的腔体为矩形腔体为例进行说明，且腔体底面的长宽尺寸与使用的矩形波导腔体截面长宽尺寸相同。

(需要进行说明的是，物料承载腔102的腔体也根据实际需要设计为其他形状的腔体，本发明对此不做限定。)

为描述方便，将该矩形的物料承载腔102的相邻的两个壁面分别称为E面和H面，在两个E面每间距一定距离开设对应的一对馈口，在两个H面每间距一定距离也对应的开设一对馈口，且E面上的一对馈口刚好位于H面上馈口在Z方向上的中间位置；E面和H面上的微波馈口呈90°旋转关系，各波导系统101以及超声系统103通过各馈口与物料承载腔102连接，且通过外部激光焊接将各波导系统101以及超声系统103与物料承载腔102连接起来，保证物料承载腔102与波导内壁光滑，为电磁波的均匀分布提供保障，避免了电磁波多余反射的同时，也防止其对磁控管5造成损伤。

从E面和H面方向看到的该微波超声耦合腔体的图示分别为图2和图3；由图2和图3可知，本实施例中以将超声系统103安装在E面为例进行说明，且该微波-超声耦合处理装置包括两个超声发生装置，两个超声发生装置分别安装在物料承载腔对立的两个E面且呈阶梯状；超声发生装置由超声波震子16及超声固定法兰15组成，超声波震子16由结构件12、声波传导件13组成，结构件12与声波传导件13间使用压电陶瓷片14连接。本实施例中两个超声发生装置的阶梯状排布方式能够有效防止因超声波共振效应对设备造成的损伤，同时能够有效实现微波-超声耦合处理过程，超声波震子16数量可根据待处理液体性质及温度要求做出相应调整。

E面上的波导倾斜方向设置为共同朝向物料承载腔102中间部分，此设计能够使物料承载腔102主体部分微波能量更为集中，有助于物料的加热效率与均匀性。而H面的波导倾斜方向设置为相同，都朝向物料承载腔102的上部或下部，此设计使得物料承载腔102的其余各部分的微波能量均匀。

在微波超声耦合腔体的波导系统101中设置有调配器7，用于使微波传输过程中的反射系数趋近于0，如图5所示。

所述调配器7可使用单销钉调配器，在安装时可使用网络分析仪测定S11参数，通过调整调配器7在波导中的方位和插入深度使S11＜-10dB，且电压驻波比趋近于1，促使微波能量聚集在物料承载腔102中，进一步降低反射波击穿设备的可能性，延长设备使用寿命，并为设备正常、安全运行提供保障，提高微波的能量利用效率以及减少微波加热工段内冷点数量。

实际应用中，上述调配器7尺寸范围为直径10-30mm，插入深度10-60mm，且前后和插入深度可调整范围均在四分之一波长及以上。调配器7可选用不锈钢等金属材质。

参考图4可知，在该微波超声耦合腔体的基础上设置微波发生系统，得到微波超声耦合装置；

所述微波发生系统由磁控管5、风冷装置及铸铝激励腔19组成，所述微波发生系统中，微波源频率为2450MHz，频率波动小于2MHz。磁控管可选用松下微波管，额定功率为1kW，功率可调，由电子电源供电，磁控管5外端连接风冷装置，另一端与铸铝激励腔30相连，所述风冷装置由轴流风扇4和风罩21组成，用于使用过程中磁控管5部分的散热，使装置保持正常工作状态。铸铝激励腔19与波导系统连接处设置防尘板24，能够避免粉尘等异物侵入激励腔19，并起到导流空气和一定的散热作用，两者通过波导法兰23连接。微波-超声耦合腔体周围共装配有数个微波发生系统，微波发生系统的数量可随微波加热管路的增长而适当增加。

物料承载腔102中，液态物料直接从中流过，各馈口处使用石英玻璃9密封，石英玻璃与物料承载腔102的腔体通过石英玻璃框板29连接固定，为方便流量控制，待处理液态物料可以自下而上流经物料承载腔102，物料承载腔102入口与出口处安装方圆过渡管3，实现外部圆形管路与矩形物料承载腔102的连接。物料承载腔102由物料腔侧板Ⅰ6、物料腔侧板Ⅱ11、物料腔侧板III 32、物料腔侧板Ⅳ34以及方圆过渡管3激光焊接而成，同时各馈口与物料承载腔102之间焊接固定法兰25，并通过专用螺钉26将波导系统、石英玻璃框板29与物料承载腔102紧密结合。

实施例二：

实施例一给出的该微波超声耦合处理装置可用于处理化工、食品、医药领域中流体物质的处理，比如，参考图6，给出了一种应用该微波超声耦合腔体对流体物质进行微波超声耦合杀菌的连续式微波-超声耦合杀菌设备，该微波超声耦合杀菌的设备包括：进料预热工段201，微波-超声耦合处理装置202、恒温杀菌工段203和冷却收料工段204；

首先，在该连续式微波-超声耦合处理设备使用准备阶段，使用网络分析仪通过测定S11参数及电压驻波比对波导系统中的调配器进行位置调整，使其发挥预期作用；然后检查设备各部分状况是否良好，确认没有出现设备故障后，使液态物料依次通过进料预热工段201、微波-超声耦合处理装置202、恒温杀菌工段203及冷却收料工段204。

进料预热工段201：首先，将待加热的食品物料通过管路输送至进料罐中，通过夹套式加热的方式对桶内物料进行预热，加热温度可进行设定与监测，启动电动搅拌桨，使液态物料均匀快速升温，当预热完成后，打开螺杆泵输送液体物料，并通过调整泵的扬程及流量控制器实现对液体流量的精确把控，整个控制过程可以通过操作面板完成，也可以人工操作完成，将预热后的液体物料平稳输送至微波-耦合加工装置。

微波-超声耦合处理装置202：液体物料进入微波-超声耦合处理装置的物料承载腔中，物料承载腔入口处设置测温探头监测入口处初始液体温度，液体自下而上流经物料承载腔，流体流量可根据加热效果反馈进行实时调控；在微波加热过程中，实时进行超声处理，功率可调，实现微波-超声耦合杀菌过程。微波加热结束后，液体物料由上部流出，且在物料承载腔出口处设置测温探头监测出口处微波加热后液体温度。

在微波-超声耦合处理装置出口处设置接料阀门，改变阀门状态能够改变料液流向，可直接接取物料，也可以使物料进入恒温杀菌工段或直接进入冷却降温工段，根据实际需要进行调整。

同时，可以在微波-超声耦合处理装置入口处安装液体探测器，用于探测第一批与最后一批进行微波加热的液体物料，完成对微波发生系统的开启与关闭，防止磁控管空打，保证设备安全运行，同时提高能源利用效率。流经微波-超声耦合处理装置的液态物料通常被加热至90-100度，具体温度及微波发生系统参数由液态物料种类决定。

恒温杀菌工段203：液态物料流出微波-超声耦合处理装置后，自下至上流经恒温杀菌段保温罐盘管，罐内液体采用电加热器加热，电加热器数量及功率根据罐内液体总量选择，该装置中选择安装4根电加热器，额定功率为500W/根，保温罐内温度与微波杀菌段出口温度一致，一般为90至100度，通过温度控制器实时监控并进行调节。为保证杀菌效果，保温罐中盘管长度需要根据液体流量及性质进行选择，因恒温杀菌保温罐内温度较高，所以罐体采用双层设计，这样不仅能够提供更好的隔热效果、减少热量损失，也对其安全性能提供了保障。液态物料在恒温杀菌工段保持所需时间后流入冷却收料工段。

冷却收料工段204：液态物料自恒温杀菌工段流出后，自下而上流经冷却收料段冷却罐盘管，桶内液体采用冷冻压缩机制冷，使经过恒温杀菌或微波加热后的液态物料温度迅速下降至室温，罐内的冷水温度一般设定为5-10℃，温度控制器实时监控冷水温度并进行调节，降温时间一般为10-15分钟，在物料开始输送前，应先开启冷冻压缩机对桶内液体进行制冷，并在温度达到设定温度并稳定后开始输送物料；同时，为保证足够的降温时间，冷却罐中盘管长度需要根据液体流量及性质进行选择。液态物料自冷却工段流出后完成微波-超声耦合加热杀菌过程。

通过微波装置与超声装置的排列方式能够实现微波-超声耦合杀菌过程，提升杀菌效果，通过微波-超声耦合腔体波导排布的独特设计以及调配器的使用极大程度地降低了微波加热液态物料过程中电磁波反射的风险，保证了设备运行的安全性能，同时使物料承载腔内电磁场分布更加均匀，减少微波加热冷点，使微波效应与超声空化效应高效结合，提升液态物料处理效果，实现微波作用为主，超声作用为辅的微波-超声耦合处理过程。

本发明实施例中的部分步骤，可以利用软件实现，相应的软件程序可以存储在可读取的存储介质中，如光盘或硬盘等。

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种微波超声耦合腔体，其特征在于，所述微波超声耦合腔体适用于液态物料，包括：物料承载腔、波导系统和超声系统；所述物料承载腔上包括至少一对相互对应的超声系统与波导系统，所述波导系统中各波导与物料承载腔的壁面以预定角度连接，所述预定角度大于等于15°，且小于90°；所述物料承载腔的底面与波导的腔体截面形状大小相同；所述物料承载腔的底面为与物料传输方向垂直的面；所述超声系统包括至少一个超声发生装置，当超声系统包括两个以上超声发生装置时，所述超声发生装置交错安装在所述物料承载腔相对的壁面上且与波导相对。

2.根据权利要求1所述的微波超声耦合腔体，其特征在于，所述预定角度范围为[30°,60°]。

3.根据权利要求1或2所述的微波超声耦合腔体，其特征在于，所述物料承载腔为矩形腔体，腔体尺寸与矩形波导尺寸相同，在物料承载腔的相对的壁面上每间距一定距离开设馈口，各波导以及超声系统通过所述馈口与物料承载腔连接。

4.根据权利要求3所述的微波超声耦合腔体，其特征在于，物料承载腔的相邻的壁面上的馈口交叉排列。

5.根据权利要求4所述的微波超声耦合腔体，其特征在于，通过设置各波导相对于物料承载腔壁面的倾斜方向一致或者部分一致能够使得输送至物料承载腔内部的微波能量均匀输出或集中输出。

6.根据权利要求5所述的微波超声耦合腔体，其特征在于，各波导中设置调配器，通过调整调配器方位和插入深度使微波传输过程中的反射系数趋近于0，电压驻波比趋近于1。

7.根据权利要求6所述的微波超声耦合腔体，其特征在于，所述馈口处安装密封材料，所述密封材料具有良好的微波透过性及承载能力。

8.权利要求1-7任一所述的微波超声耦合腔体在食品、化工、医药领域内的应用。

Images