CN113261640A - 基于冲击波及低温等离子体的食品处理装置 - Google Patents
基于冲击波及低温等离子体的食品处理装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种基于冲击波及低温等离子体的食品处理装置，引入金属丝电爆炸驱动含能材料的方式产生冲击波，并利用椭球壁的反射增加冲击波的利用率，利用冲击波对食品的力学作用破损细胞壁、破坏和剥落结缔组织，使得食品更易于食用和吸收，再将冲击波处理后的食品协同经大气压介质阻挡放电产生的低温等离子体进行进一步灭菌。本发明能够安全、可控、重复地产生参数可调地冲击波以适应不同食品的处理需求；并且在冲击波处理完食品后，协同低温等离子体消毒杀菌，增加食品的安全性。
Description
技术领域
本发明涉及脉冲功率及放电等离子体应用领域，尤其涉及一种基于冲击波及低温等离子体的食品处理装置。
背景技术
随着社会经济的发展以及生活水平的提高，人们对食品的质量和安全性有了更高的要求。冲击波或流体动力学压力处理主要作为一种杀菌技术和前处理技术应用于食品工业。冲击波能够通过力学作用改善食品的食用口感，提高食品的耐储存性，使其更易于食用和吸收。处理的食品种类不同，冲击波会导致细胞壁破损、结缔组织破坏和剥落等。处理肉类产品时，不同密度的组织在冲击波处理时会导致较高的内部剪切力，破坏结缔组织嫩化肉类；处理果蔬食品时，高压波前在流体和植物细胞壁之间的边界层产生拉伸应力，导致细胞壁破损，释放细胞内内容物。
一般来说，用于食品工业的冲击波产生方式主要有两种，分别是水下引爆炸药以及水中放电。然而，炸药的使用会给食品处理带来额外的安全隐患，且水中放电存在放电间隙能量泄露严重、能量转换效率低、放电不稳定的问题。因此，需要寻求一种更加安全有效的冲击波产生方式。
低温等离子体是部分电离的气体，其中存在带电离子、高能电子、激发态原子、分子和自由基等多种粒子，同时伴随着光辐射和电磁辐射等物理效应，为其在消毒杀菌领域的应用提供了条件。大气压气体放电是产生低温等离子体的有效手段，常见的大气压放电形式有电晕放电、辉光放电、介质阻挡放电、火花放电、等离子体射流等。其中，介质阻挡放电是一种能较为简单的条件下在获得大范围低温等离子体的放电形式。
同时，冲击波也具有一定的灭菌作用。冲击波在水中传播时会产生微气泡，微气泡空化在单个微生物的细胞壁上产生剪切力，破坏细胞功能，从而导致细胞失活。研究表明，冲击波处理使微生物失活与细胞的物理损伤有关，在此基础上结合其他灭菌方法可以产生协同灭菌作用，提高灭菌效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对背景技术中所涉及的产生水中冲击波的传统手段的不足，提供一种基于冲击波及低温等离子体的食品处理装置，引入金属丝电爆炸驱动含能材料的方式产生冲击波，并利用椭球壁的反射增加冲击波的利用率，再将冲击波处理后的食品协同经介质阻挡放电产生的低温等离子体进行进一步灭菌，从而产出更加优质安全的食品。
本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：
基于冲击波及低温等离子体的食品处理装置，包括冲击波处理模块、传动模块和低温等离子体处理模块；
所述冲击波处理模块包含壳体、端盖和冲击波产生单元；
所述壳体内设有腔体，所述腔体包含上端面、下端面和侧壁，其中，腔体的上端面、下端面平行，腔体的侧壁呈椭球面；所述壳体在所述腔体上端面的中心设有和所述端盖相配合的第一通孔；所述端盖在所述第一通孔处和壳体配合，使得所述腔体密闭，且端盖中心设有通孔；
所述冲击波产生单元包含接地管、导流圆盘、n根金属导流杆、地电极、高压电极和金属丝，n为大于等于2的自然数；
所述接地管为两端开口的空心金属管，其一端位于壳体外，用于接地，另一端从端盖中心的通孔伸入所述腔体，且接地管和所述端盖密闭固连；
所述导流圆盘为设置在所述腔体中的金属圆盘，和所述接地管同轴；
所述n根金属导流杆关于接地管的轴线周向均匀设置在所述导流圆盘和接地管之间，均一端和导流圆盘的上端面垂直固连，另一端和接地管下端固连；
所述地电极设置在所述导流圆盘上端面的中心；
所述高压电极呈柱状，其上端用于接外界微秒脉冲电压，下端伸入所述接地管中并从接地管穿出；所述高压电极和接地管同轴，且高压电极和接地管之间填充绝缘材料；
所述高压电极下端伸出接地管的部分设有绝缘子，以防高压电极和金属导流杆之间击穿；
所述金属丝设置在高压电极和地电极之间，其外壁用薄膜包裹含能材料，用于在脉冲电流经过时爆炸产生重复可控的冲击波；
所述传动模块包含进管、螺旋管、出管、支架、水箱和传送带；
所述壳体在端盖上设有供所述进管伸入的第二通孔、在侧壁上设有供所述出管伸出的第三通孔，且壳体在端盖上还设有两个用于注水的注水孔；
所述螺旋管通过所述支架固定在所述腔体内，将冲击波产生单元包含在其中心，且螺旋管一端和所述进管的一端相连，通过进管从所述第二通孔伸出，螺旋管另一端和所述出管的一端相连，通过出管从所述第三通孔伸出；
所述传送带一端设置在所述出管另一端的下方，另一端穿过所述低温等离子体处理模块，用于将从出管流出的食物运送至低温等离子体处理模块进行处理后再运出；
所述出管在伸出所述壳体第三通孔外的下壁设有若干沥水孔；
所述水箱设置在出管的沥水孔下方，用于盛放从出管沥水孔沥出的水；
所述进管、螺旋管、出管、支架的声阻和水的声阻之间的差值小于等于预设的声阻阈值；
所述低温等离子体处理模块包含上电极、下电极、上介质板、下介质板、以及若干绝缘柱；
所述若干绝缘柱设置在上介质板、下介质板之间，两端分别和上介质板、下介质板垂直固连，使得上介质板、下介质板平行设置；
所述上电极、下电极均采用平板电极，其中，上电极设置在上介质板的上端面，用于接外部正弦交流电压；所述下电极设置在下介质板的下端面，用于接地；所述上电极、下电极之间接入高压使得上介质板、下介质板之间形成低温等离子体，对穿过上介质板、下介质板之间的传送带上的食物进行低温等离子体消毒杀菌。
作为本发明一种基于冲击波及低温等离子体的食品处理装置进一步的优化方案，所述高压电极、接地管、以及高压电极和接地管之间填充的绝缘材料采用剥去外层保护套露出钢带铠装层的单芯电力电缆替代，其中，单芯电力电缆中心的导体作为高压电极，单芯电力电缆的钢带铠装层作为接地管。
作为本发明一种基于冲击波及低温等离子体的食品处理装置进一步的优化方案，所述金属丝外的薄膜采用聚酰亚胺薄膜。
作为本发明一种基于冲击波及低温等离子体的食品处理装置进一步的优化方案，所述n取2。
作为本发明一种基于冲击波及低温等离子体的食品处理装置进一步的优化方案，所述高压电极和端盖之间设有绝缘密封圈。
作为本发明一种基于冲击波及低温等离子体的食品处理装置进一步的优化方案，所述绝缘柱采用环氧树脂制成。
作为本发明一种基于冲击波及低温等离子体的食品处理装置进一步的优化方案，所述上介质平板、下介质平板均采用氧化铝陶瓷制成。
作为本发明一种基于冲击波及低温等离子体的食品处理装置进一步的优化方案，还包含电压控制模块、朗缪尔探针、以及若干PVDF压电薄膜探头；
所述若干PVDF压电薄膜探头均匀设置在所述螺旋管外壁上，用于测量冲击波产生单元发出的冲击波的强度；
所述朗缪尔探针设置在上介质板、下介质板之间，用于测量等离子体参数；
所述电压控制模块分别和所述高压电极、上电极、朗缪尔探针、各个PVDF压电薄膜探头电气相连，用于根据各个PVDF压电薄膜探头、朗缪尔探针的测量数据控制高压电极、上电极的电压。
本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：
金属丝电爆炸作为水中放电产生冲击波技术的发展，在电极中间引入金属丝，电压直接施加在低阻抗金属丝上，减少异常放电；同时水中电击穿不存在击穿延迟、能量泄露等问题，使得冲击波能量转换效率更高。为了进一步提高冲击波强度，在金属丝周围包裹含能材料，利用金属丝电爆炸产生的等离子体、冲击波以及强电磁辐射等效应驱动含能材料释能。
本发明用金属丝电爆炸驱动含能材料的方式产生冲击波，通过金属丝与含能材料的参数优化，可安全、可控、重复地产生参数可调地冲击波以适应不同食品的处理需求；并且在冲击波处理完食品后，协同低温等离子体消毒杀菌，增加食品的安全性。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中处理模块、传动模块相配合的侧视示意图；
图3为本发明中低温等离子体处理模块的结构示意图；
图4为本发明低温等离子体处理模块、传动模块相配合的俯视示意图。
图中，1-壳体，2-端盖，3-高压电极，4-绝缘材料，5-接地管，6-绝缘子，7-金属导流杆，8-导流圆盘，9-金属丝，10-含能材料，11-注水孔，12-进管，13-螺旋管，14-出管，15-支架，16-沥水孔，17-水箱，18-低温等离子体处理装置，19-上电极，20-下电极，21-上介质板，22-下介质板，23-绝缘柱，24-传送带，25-朗缪尔探针。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步的详细说明：
本发明可以以许多不同的形式实现，而不应当认为限于这里所述的实施例。相反，提供这些实施例以便使本公开透彻且完整，并且将向本领域技术人员充分表达本发明的范围。在附图中，为了清楚起见放大了组件。
如图1所示，本发明公开了一种基于冲击波及低温等离子体的食品处理装置，包括冲击波处理模块、传动模块和低温等离子体处理模块。
所述冲击波处理模块包含壳体、端盖和冲击波产生单元。
所述壳体内设有腔体，所述腔体包含上端面、下端面和侧壁，其中，腔体的上端面、下端面平行，腔体的侧壁呈椭球面；所述壳体在所述腔体上端面的中心设有和所述端盖相配合的第一通孔；所述端盖在所述第一通孔处和壳体配合，使得所述腔体密闭，且端盖中心设有通孔。
所述冲击波产生单元包含接地管、导流圆盘、n根金属导流杆、地电极、高压电极和金属丝，n为大于等于2的自然数；
所述接地管为两端开口的空心金属管，其一端位于壳体外，用于接地，另一端从端盖中心的通孔伸入所述腔体，且接地管和所述端盖密闭固连；
所述导流圆盘为设置在所述腔体中的金属圆盘，和所述接地管同轴；
所述n根金属导流杆关于接地管的轴线周向均匀设置在所述导流圆盘和接地管之间，均一端和导流圆盘的上端面垂直固连，另一端和接地管下端固连；
所述地电极设置在所述导流圆盘上端面的中心；
所述高压电极呈柱状，其上端用于接外界微秒脉冲电压，下端伸入所述接地管中并从接地管穿出；所述高压电极和接地管同轴，且高压电极和接地管之间填充绝缘材料；
所述高压电极下端伸出接地管的部分设有绝缘子，以防高压电极和金属导流杆之间击穿；
所述金属丝设置在高压电极和地电极之间，其外壁用薄膜包裹含能材料，用于在脉冲电流经过时爆炸产生重复可控的冲击波。
所述高压电极、接地管、以及高压电极和接地管之间填充的绝缘材料采用剥去外层保护套露出钢带铠装层的单芯电力电缆替代，其中，单芯电力电缆中心的导体作为高压电极，单芯电力电缆的钢带铠装层作为接地管。
所述传动模块包含进管、螺旋管、出管、支架、水箱和传送带；
所述壳体在端盖上设有供所述进管伸入的第二通孔、在侧壁上设有供所述出管伸出的第三通孔，且壳体在端盖上还设有两个用于注水的注水孔；
如图2所示，所述螺旋管通过所述支架固定在所述腔体内，将冲击波产生单元包含在其中心，且螺旋管一端和所述进管的一端相连，通过进管从所述第二通孔伸出，螺旋管另一端和所述出管的一端相连，通过出管从所述第三通孔伸出；
所述传送带一端设置在所述出管另一端的下方，另一端穿过所述低温等离子体处理模块，用于将从出管流出的食物运送至低温等离子体处理模块进行处理后再运出；
所述出管在伸出所述壳体第三通孔外的下壁设有若干沥水孔；
所述水箱设置在出管的沥水孔下方，用于盛放从出管沥水孔沥出的水；
所述进管、螺旋管、出管、支架的声阻和水的声阻之间的差值小于等于预设的声阻阈值。
如图3所示，所述低温等离子体处理模块包含上电极、下电极、上介质板、下介质板、以及若干绝缘柱；
所述若干绝缘柱设置在上介质板、下介质板之间，两端分别和上介质板、下介质板垂直固连，使得上介质板、下介质板平行设置；
所述上电极、下电极均采用平板电极，其中，上电极设置在上介质板的上端面，用于接外部正弦交流电压；所述下电极设置在下介质板的下端面，用于接地；所述上电极、下电极接入高压使得上介质板、下介质板之间形成低温等离子体，对穿过上介质板、下介质板之间的传送带上的食物进行低温等离子体消毒杀菌。
所述金属丝外的薄膜优先采用聚酰亚胺薄膜，n优先取2，绝缘柱优先采用环氧树脂制成，上介质平板、下介质平板均采用氧化铝陶瓷制成。
如图1所示，所述支架包含20根支撑圆柱，腔内通道由上下底面各4根以及前后左右侧面各3根，将螺旋管固定在腔体中。出管在靠近所述壳体第三通孔的下壁分布5×5个小孔，滤除出管内的水，方便后续低温等离子体的消毒处理。
本发明还可以进一步包含电压控制模块、朗缪尔探针、以及若干PVDF压电薄膜探头；
所述若干PVDF压电薄膜探头均匀设置在所述螺旋管外壁上，用于测量冲击波产生单元发出的冲击波的强度；
所述朗缪尔探针设置在上介质板、下介质板之间，用于测量等离子体参数；
所述电压控制模块分别和所述高压电极、上电极、朗缪尔探针、各个PVDF压电薄膜探头电气相连，用于根据各个PVDF压电薄膜探头、朗缪尔探针的测量数据控制高压电极、上电极的电压。
在此基础上，本发明还可以添加第一至第二电容分压器、以及第一至第二罗氏线圈，其中，第一电容分压器、第一罗氏线圈设置在所述高压电极处，用于获得高压电极处的工作电压和工作电流；第二电容分压器、第二罗氏线圈设置在所述上电极处，用于获得上电极处的工作电压和工作电流。获得高压电极处的工作电压和工作电流，能够再进一步根据其工作状态确保电气回路的安全可靠运行，同时进一步调整金属丝外含能材料的配比，使得工作效率更高。
如图4所示，传送带在等离子体区域设计为“S”形走向，以增加食品在等离子体处理的时间，并且提高处理效率。
本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、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.基于冲击波及低温等离子体的食品处理装置，其特征在于，包括冲击波处理模块、传动模块和低温等离子体处理模块；
所述冲击波处理模块包含壳体、端盖和冲击波产生单元；
所述壳体内设有腔体，所述腔体包含上端面、下端面和侧壁，其中，腔体的上端面、下端面平行，腔体的侧壁呈椭球面；所述壳体在所述腔体上端面的中心设有和所述端盖相配合的第一通孔；所述端盖在所述第一通孔处和壳体配合，使得所述腔体密闭，且端盖中心设有通孔；
所述冲击波产生单元包含接地管、导流圆盘、n根金属导流杆、地电极、高压电极和金属丝，n为大于等于2的自然数；
所述接地管为两端开口的空心金属管，其一端位于壳体外，用于接地，另一端从端盖中心的通孔伸入所述腔体，且接地管和所述端盖密闭固连；
所述导流圆盘为设置在所述腔体中的金属圆盘，和所述接地管同轴；
所述n根金属导流杆关于接地管的轴线周向均匀设置在所述导流圆盘和接地管之间，均一端和导流圆盘的上端面垂直固连，另一端和接地管下端固连；
所述地电极设置在所述导流圆盘上端面的中心；
所述高压电极呈柱状，其上端用于接外界微秒脉冲电压，下端伸入所述接地管中并从接地管穿出；所述高压电极和接地管同轴，且高压电极和接地管之间填充绝缘材料；
所述高压电极下端伸出接地管的部分设有绝缘子，以防高压电极和金属导流杆之间击穿；
所述金属丝设置在高压电极和地电极之间，其外壁用薄膜包裹含能材料，用于在脉冲电流经过时爆炸产生重复可控的冲击波；
所述传动模块包含进管、螺旋管、出管、支架、水箱和传送带；
所述壳体在端盖上设有供所述进管伸入的第二通孔、在侧壁上设有供所述出管伸出的第三通孔，且壳体在端盖上还设有两个用于注水的注水孔；
所述螺旋管通过所述支架固定在所述腔体内，将冲击波产生单元包含在其中心，且螺旋管一端和所述进管的一端相连，通过进管从所述第二通孔伸出，螺旋管另一端和所述出管的一端相连，通过出管从所述第三通孔伸出；
所述传送带一端设置在所述出管另一端的下方，另一端穿过所述低温等离子体处理模块，用于将从出管流出的食物运送至低温等离子体处理模块进行处理后再运出；
所述出管在伸出所述壳体第三通孔外的下壁设有若干沥水孔；
所述水箱设置在出管的沥水孔下方，用于盛放从出管沥水孔沥出的水；
所述进管、螺旋管、出管、支架的声阻和水的声阻之间的差值小于等于预设的声阻阈值；
所述低温等离子体处理模块包含上电极、下电极、上介质板、下介质板、以及若干绝缘柱；
所述若干绝缘柱设置在上介质板、下介质板之间，两端分别和上介质板、下介质板垂直固连，使得上介质板、下介质板平行设置；
所述上电极、下电极均采用平板电极，其中，上电极设置在上介质板的上端面，用于接外部正弦交流电压；所述下电极设置在下介质板的下端面，用于接地；所述上电极、下电极间接入高压使得上介质板、下介质板之间形成低温等离子体，对穿过上介质板、下介质板之间的传送带上的食物进行低温等离子体消毒杀菌。
2.根据权利要求1所述的基于冲击波及低温等离子体的食品处理装置，其特征在于，所述高压电极、接地管、以及高压电极和接地管之间填充的绝缘材料采用剥去外层保护套露出钢带铠装层的单芯电力电缆替代，其中，单芯电力电缆中心的导体作为高压电极，单芯电力电缆的钢带铠装层作为接地管。
3.根据权利要求1所述的基于冲击波及低温等离子体的食品处理装置，其特征在于，所述金属丝外的薄膜采用聚酰亚胺薄膜包裹。
4.根据权利要求1所述的基于冲击波及低温等离子体的食品处理装置，其特征在于，所述n取2。
5.根据权利要求1所述的基于冲击波及低温等离子体的食品处理装置，其特征在于，所述高压电极和端盖之间设有绝缘密封圈。
6.根据权利要求1所述的基于冲击波及低温等离子体的食品处理装置，其特征在于，所述绝缘柱采用环氧树脂制成。
7.根据权利要求1所述的基于冲击波及低温等离子体的食品处理装置，其特征在于，所述上介质平板、下介质平板均采用氧化铝陶瓷制成。
8.根据权利要求1所述的基于冲击波及低温等离子体的食品处理装置，其特征在于，作为本发明一种基于冲击波及低温等离子体的食品处理装置进一步的优化方案，还包含电压控制模块、朗缪尔探针、以及若干PVDF压电薄膜探头；
所述若干PVDF压电薄膜探头均匀设置在所述螺旋管外壁上，用于测量冲击波产生单元发出的冲击波的强度；
所述朗缪尔探针设置在上介质板、下介质板之间，用于测量等离子体参数；
所述电压控制模块分别和所述高压电极、上电极、朗缪尔探针、各个PVDF压电薄膜探头电气相连，用于根据各个PVDF压电薄膜探头、朗缪尔探针的测量数据控制高压电极、上电极的电压。
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