用于向半导电介质材料施加 射频电磁场的工业设备 【技术领域】
本发明涉及向半导电介质材料施加射频电磁场的工业设备和施加部件。具体地但非限制性地，该设备可用于对最好是低滞度的并且可以用输送装置输送的流体食品进行热处理。更具体地，该设备可以非常有益地用于牛奶和它的衍生物以及果汁、啤酒、各种类型的饮料、混合饮料、汤、羹、调味糖浆和蕃茄沙司的巴氏灭菌或消毒处理。
背景技术
在许多技术过程中并且尤其在食品领域的技术过程中，产品受到热处理以便烘干、脱水、除霜、巴氏灭菌、消毒或者其它热加工。对产品施加的热可以通过外部热源利用对流、传导或辐射效应传送，或者可以在产品内直接产生。在后一种情况下，可以利用振荡电磁场在要处理的产品中产生电流场；通过和构成该产品的材料的交互作用，该场导致内部温度的上升。所施加的电磁场可以具有各种强度和各种振荡频率。
实现这种类型的加热的已知设备包括一个射频发生器，当提供干线电压时该发生器在其输出端产生振幅可变和预定频率地振荡电压。该设备还包括一个容性或感性的施加部件，其把该发生器的振荡电压变换成分别具有该振荡场的主要电分量或磁分量的电磁场。上面提到的频率典型地在国际标准确定的范围内，其中心值是6.78-13.56-27.12-40.68-433.92兆赫。所产生的振荡电磁场的强度取决于对该施加部件的端子施加的射频电压的振幅并且取决于该施加部件的结构，该施加部件可以在用来容纳要处理的产品的区域中提高或减小场强。
已知各种类型的用来对具有不同的物理、尺寸和电气特性的产品施加射频电磁场的部件。最广泛的应用通常涉及纸、纤维、纺织材料(尤其着色后)、皮革、橡胶、木材、塑料层板和食品的热处理。这些情况的大多数中，通过外加电磁场在产品中感应的位移电流造成介质损耗而不是通过传导电流发生产品的加热。每一种这样的部件具有适应于所使用的频率以及适应所要求的应用的结构和技术特性。此外，这些部件可具有产生强度预定的电磁场以及根据所需的具体热处理向产品发送特定功率(比功率)的结构。
例如，本申请人的欧洲专利申请EP 0946104说明一种通过射频振荡电磁场加热食品的工业设备。这种设备可以烹调例如火腿等的以肉类食品，这种食品具有相当大的质量和体积并且最好放在模子中。
使用射频技术进行热处理的主要限制之一是难以在不会造成对食品有害的不希望有的效应的情况下于非常短的时间内把要处理的产品提到高温上。例如但非限制性地，在巴氏灭菌或消毒处理期间或者在羹式食品的去霜期间，需要在短时间内对连续流提供高的功率，尤其对单位体积的食品提供高的功率。该操作是特别困难的，尤其是对于半导电介质产品，因为它们的相当大电导率限制了介质损耗效应，即外加电磁场在其中感应的位移电流所造成的效应。
另外，如果每单位时间内通过射频处理区的产品体积特别大，若射频处理时间不是特别短产品中可能出现不希望的化学和器官感觉效应。
在一些已知的解决办法中，利用部件中的高电压和高电流能在短时段内向产品传送高的比功率。但是，这些办法导致困难的管理以及复杂的控制。实际上，提供高功率可能导致该施加部件不同点之间的不希望的放电，导致该部件以及其中容纳的产品的损伤，甚至更加不益地导致产品各部分的不均匀加热和/或烧焦。
流体食品的巴氏灭菌和/或消毒处理理论上应包括：瞬时把产品加热到巴氏灭菌和/或杀菌温度的第一阶段，由在固定时间内降温到零度表征的后续阶段，以及最后瞬时冷却到初始温度的阶段。由于不能通过已知技术达到这种类型的处理，必须根据可使用的设备寻求最佳状态以便能建造可实现尽量和理论处理相似的处理的工厂。
这样，在牛奶热处理领域中，一种最广泛采用的巴氏灭菌过程包括把牛奶加热到某低于其沸点的温度上的阶段，在这些条件下按预定时间保持产品的阶段，以及冷却阶段。恒温下的时间必须足够长以便杀死所有存在类型的致病和产芽孢的微生物并且杀死一部分非致病性但仍会在产品中引起各种类型变化的微生物。
已知加热处理的一些例子是慢巴氏灭菌(除其它外包括加热到63°-65℃的阶段和大约30分钟的保持阶段)以及称为H.T.S.T.的快巴氏灭菌(作其它外包括加热到72℃的阶段和大约20秒的保持阶段)。这二种处理用来对牛奶进行巴氏灭菌以供消费或者供制造奶制品例如干酪、奶油、黄油、凝固乳酪等。
牛奶热处理的另一种已知类型的方法在产品要供直接消费的情况下采用。在该称为U.H.T.的处理中，把牛奶加热到比巴氏灭菌温度高得多的温度并且保持比上面描述的处理短得多的时间，例如155℃下2到5秒。在这种情况下，其目标是尽可能快地消除任何会缩短产品的搁置寿命的因素，因为在这种情况下牛奶必须具有至少120天的室温保持的搁置寿命。在U.H.T.处理中，通常分二步实现加热阶段：首先通过间接交换，例如利用诸如盘状热水热交换器的外部热源，然后通过直接交换，例如高温对牛奶喷入蒸气(称为“超速消毒”阶段)。
上面说明的这二种处理具有一些缺点。采用高温蒸气能使产品快速达到所需的温度，但是同时导致物理和器官感觉特征的改变。事实上，喷入的蒸气不仅改变牛奶中水的百分比，并且还导致营养质的降低，因为一旦达到期望温度与注入数量相同的蒸气以及一些原来含在牛奶中的营养质一起被抽出。从而，它是一种侵入技术，其中利用某种外部成分即蒸气达到其它已知技术不能实现的特别迅速的加热时间。相反，由于不是侵入处理的间接交换处理不改变产品的化学特性，但是它不能有效地在短时间内达到期望温度，从而在巴氏消毒牛奶中引起严重的和不希望的副效应。
在这些所述处理中，还已经知道，对于给定的最高处理温度，还可以在有限持续时间的保持阶段情况下达到牛奶消毒效果，而如果在最短可能时间内达到该期望温度该保持阶段会造成产品器官感觉的退化。对于已知技术很明显它们带有和所采用的技术关联的物理限制。例如，利用热交换器的间接交换为了保证完全处理则要求产品和该产品的加热装置之间足够长的接触时间以便彻底和均匀地加热。
多年来已经知道，由于和新的致病剂、孢子、酶、细菌和微生物关连的新污染，为达到正确消毒牛奶所需的温度持续提高。事实上这些有害物质甚至变得更加耐热并且因此难以钝化。但是，过度加热处理明显和公众对产品的香味、气味以及颜色尽可能和产品的自然性质接近的更甚要求相冲突。这些原因已经并且仍在迫使许多公司制造消毒工厂或消毒食品，并且研究、实现和使用与产生对流、传导或辐射效应的热源一起使用的而且和工厂的改进相关的更新以及更加复杂的技术过程。就此而论，广泛认为已知技术已经达到如此高程度的发展，从而可以把它们看成是“成熟技术”并且要进行改进极为困难。
【发明内容】
本发明的主要目的是提供一种用于向半导电介质材料施加射频电磁场的工业设备从而克服已知设备的缺点，这种工业设备可以在不会对产品造成物理、化学或器官感觉特性上的特别改变的情况下非常快速地处理大量产品。
本发明的另一个目的是提供一种对半导电介质材料进行加热处理的工业设备，该工业设备可以利用设备中的有限电压和电流施加强度相当大的射频电磁场，从而易于管理和控制、避免不必要的无载荷功率耗散以及避免食品的局部加热和由此造成的产品烧坏。
本发明的再一个目的是提供一种用于对半导电介质材料施加射频电磁场的工业设备，该设备可以方便地在特别大的可调范围时间内施加强度较大或较小的电磁场并且从而它可以用于各种各样的甚至可能涉及食品之外的产品的技术过程中。
不仅如此，本发明的另一个目的是提供一种容易和便宜制造、易于检查、容易进行清洁和维护操作并且容易拆开的工业设备。
为了达到上面指出的目的，本发明的主题是带有附属权利要求书中指出的特征的设备。
根据本发明的一个特别有益的特征，该工业设备包括用来容纳和传送要处理的产品的装置，该装置可以方便地和快速地和用于在生产线上传送这些产品的装置连接。从而可以把本发明的设备插入到食品-最好是低滞性在无菌管道里输送的食品的生产线中，其不改变现有部件的布局和配置或者甚至不改变输送产品的生产线和管道的横截面和/或配置。
本发明的另一个优点是，在不必设置辅助施加部件和/或工厂的情况下可以工业性地处理以非常快的速度流过生产线的产品。除了尺寸大从而难以使用和维护外，这些辅助部件通常在射频处理区中需要大体积的产品从而涉及到处理时间过长因此会对产品造成不希望的化学/器官感觉效应。
【附图说明】
从下面对一优选实施例的详细说明本发明的其它特征和优点会变得清楚，该优选实施例是参照各附图仅作为一个非限制性的例子给出的，附图中：
图1是本发明的设备的示意侧视图，以及
图2是沿图1的线II-II取的本发明的该设备的示意剖面图。
【具体实施方式】
现参照各附图，一种用来向半导电介质材料施加射频电磁场的工业设备包括一个通常已知类型的发电机10，其在它的端子上产生振幅预定的振荡电压并且具有典型射频范围内的预定频率，例如但不限制性地从几千赫到几百兆赫。
射频发电机1产生的电压提供到施加部件1，后者的结构允许在它的内部产生强度相当大的射频电磁场。要受到加热处理的材料，例如但非限制性地为半导电食品，最好是巴氏灭菌或消毒处理期间的牛奶，按该电磁场把它加热到预定温度以及按预定时间的方式通过施加部件1。
和大部分在生产线中输送的食品一样，对于牛奶非常重要的是使它包含在消毒管道中，从而防止和空气以及更一般地和可能损害它的化学和物理性质的外部媒剂接触。
本发明的工业设备包括以密封方式和输送材料的管道连接的进给装置和排出装置，从而不会造成上面提到的问题。这种特征还有助于把本发明的设备插入到工业生产线中，因为它不仅不要求修改结构或布局甚至也不要求修改其中已有部件的配置。
本发明的施加部件1包括至少一对电极并且最好如附图中示出那样包括两对电极12、13和14、15，电极的表面例如但不限制性地是通过镀上彼此相对但平行的导电材料，最好为不锈钢，形成的。每对电极包括电气上和发电机10的一个端子连接的第一板12、14以及电气上和不同电位的端子，例如发电机10的另一个端子，或者和地连接的第二板13、15。每对电极的第一板12、14电气上彼此连接，例如通过两个也用导电材料做成的并且部署在它们的端头上的连接件16，从而二者等电势即保持在相同电位上。另两个和地连接的板13、15排列成对着两个等电势的第一板12、14。使用时，在板12和板13之间生成的第一电磁场具有定向成大致和板的表面垂直的择优方向的通量线。类似地，在板14和板15之间生成的第二电磁场具有大致也按所述择优方向取向的通量线。最后，和发电机10连接的等电势电极对12、14定义一个大致垂直于所述择优方向的平面。
当然，在不背离本发明的范围和本发明的目的下，电极12、13、14、15和连接件16的数量、形状和尺寸以及上面描述的电气连接可以大大地和附图中所示出的不同。
每个板12、13、14、15包括多个开口30，这些开口中插入用来容纳和输入食品的装置，例如但非限制性地，用绝缘材料做成的导管，最好是用塑料做成的管。这样，食品在大致和施加部件1产生的电磁场的通量线基本平行的择优方向情况下通过施加部件1并且这两个电极12、14基本排列成和该择优方向对齐。
施加装置，例如但非限制性的金属圆柱40，和每块板啮合，例如但非限制性地以包围输送要处理的产品的管32的方式配合在孔30中。可以根据生产处理线中使用的管道的横截面有益地选择输送管32的内径并且相应地选择金属圆柱40的内径。从而消除各种管道内部表面之间的任何不规则，以防止意外沉积一部分的要受到处理的产品。事实上这些部分的产品的延长沉积以及相应的退化例如会导致要受到处理的产品的结构污染，从而对它的消毒变成不可能。
金属圆柱40还具有防止输送管道32损坏的加固作用。受处理的材料在等电势管中历经的热冲击趋于改变材料的体积，从而在输送管32中形成膨胀。由于输送管最好用绝缘材料并且一般用柔性材料做成，管壁的反复变形会导致管内压力改变、弹性丧失或者甚至是塑料撕裂，其后果是材料泄漏。
金属圆柱40包括相应的支座件，例如但非限制性地支座凸块42，这些凸块能预置出电极板12、13、14、15相互移动不能超过的最小距离。该最小距离防止如果电极移动成彼此过近在设备的特定操作频率下可能发生不希望的副效应。
施加部件1还包括其它加固输送管32的装置，例如但非限制性地由绝缘材料最好特氟隆做成的圆柱50，其包围输送管32在支座凸块42之间的部分。从而这些塑料圆柱50提高在该工业设备内部的高压下应输送的产品在输送管32中的保留质量。
根据产品类型或者其中采用本发明的技术过程，可以在不同尺寸和几何形状下形成输送装置32、施加装置40和加固装置50。重要的是保证该工业设备具有足够灵活性从而保证它的各种技术过程的应用性。
在附图中示出的该实施例中，施加部件1包括支持装置，例如但非限制性地两个“L”状金属板18，它们还能使第一电极对的二块板中之一和地电位连接。通过用绝缘材料，最好是特氟隆，做成的支持件其余板12、13、14被支持在一对电极的第二板15上，这样不会干扰两对电极之间存在的电磁场。每个支持件例如包括一个通过定位件24与电极对的两个第二板13、15连接的螺纹棒22。另一对定位件26以它们之间的相对距离可改变的方式啮合在棒22上并且分别支持第一板12、14。当然，这些支持件可以包括或者用业内人士容易确定的其它已知类型的装置替代，只要它们的功能是从本说明理解出的并且只要它们能够改变施加部件1的板12、13、14、15之间的相对距离。事实上这些支持件的一个特别优点是，能够通过改变单位时间内受到该射频电磁场的作用的产品体积来改变施加到产品上的电磁场强度以及产品处理时间。
如图1中所示，对板13和15涂上一层绝缘材料44，从而防止在金属管各端之间以及在各对电极之间形成任何电弧。为了更加简明未在图2中示出绝缘层44。
在使用情况下，当发电机10在它的端子上产生预定振幅和预定频率的振荡电压时，在板12和板13之间产生第一电磁场并且该场具有沿大致垂直于板的表面的择优方向取向的通量线。类似地，在板14和板15之间产生第二电磁场并且其具有大致也按该择优方向取向的通量线。在管32中容纳和输送食品，并且食品沿大致和施加部件1中产生的电磁场的通量线平行的择优方向通过施加部件1。
金属圆柱40能使沿着管32的壁传送各电极的相反或者不同的电势。从而处理中的产品受到电磁场的影响，其中大致沿产品流动的方向施加该电磁场的场线并且由于等电势和由于这些金属管的长度该电磁场特别强。实际上电场的场线彼此决不相交并且产生在等电势金属管内，由于管的长度远大于管的直径具有相当大的强度而且必须靠近上面提到的形状相同的各个表面或者靠近不同的但带有不同电位的表面。
该电磁场在该部件中容纳的产品上产生大致两种类型的电流，即，称为位移电流的第一类型和称为传导电流的第二类型。该第一类型是由于构成产品的物质的介质位移造成的，该位移是通过外加交变电磁场的振荡引起的(类似于分子振荡类型)。它对不是自由离子电荷的产品部分起作用，引起分子振荡，并且因此不同分子之间的分子摩擦产生热(介质加热)。该第二类型是由于产品中存在的使它呈半导电性的自由离子电荷的传导造成的，其是由施加到产品上的射频电势差引起的，因为管32的壁的容性效应允许射频电流通过壁。通过这种对在产品中自由移动的离子电荷的作用，该电流通过焦耳效应造成加热。这两种电流都以提供到施加部件1的射频发电机的标准频率。很明显，这两个电流相差90°彼此不同相，因为一个是感性的而另一个是阻性的。当然，这些金属管的长度使得能把较大的电磁场施加到产品上。
各对电极12、13和14、15之间的并且从而各金属管40之间的距离有益地使得能减少产品的处理时间，因为在具有不同电位的金属管之间部署的产品的体积较小。
这种类型的配置特别有益于用射频电磁场热处理诸如牛奶的半导电材料。事实上，即使如输送牛奶的连续生产线情况中那样材料快速通过施加部件1，在非常短的时间内发生热处理并且该热处理要比其它任何已知的部件均匀得多。
另外，该施加部件1把高强度电磁场集中在小空间中的能力使得发电机可对施加部件1提供足够低的电压，从而在不会限制在非常短的时间内非常快地把材料加热到高温上的固有特征情况下消除掉可能损坏输送材料的管道或者造成产品的烧坏的不希望有的放电风险。
当然，施加部件1还可以包括多于一条的管子从而增加同一时间内受到热处理的材料的体积，或者可以包括几条横截面不同的管子从而在本发明的工业设备的输入和/或输出处与输送材料的管道的尺寸配合。
本发明的一个重要技术特征是，电极12、13、14、15以及和它们连接的金属管40，即施加部件1的各端，都连接到地，以防止在施加部件1的外面不希望的电流会流过产品，这些随产品越导电越大的电流产生不希望的副效应，例如和浸入在产品中的探子发生电磁干扰，或者造成屏蔽-即把射频电磁场包含在该设备之内-的困难。此外，整个设备电气上和生产线以及它的组成部件隔离，而且出于明显的安全原因避免电流散布到它的外表上。另外，由于要处理的材料的电位实际上处于该施加部件的各端外面的地电位上，金属管特别是不锈钢管可有益地连接到管32上，从而能使该部件相当完美地插入到通常采用不锈钢管的生产线中。另一个在该施加部件的各端上插入绝缘材料的优点是解决了屏蔽问题并且限制了该设备连接的电部件例如探子、变换器、PLC等中的漏电流和干扰。
可以在发电机10和地之间即第二板13、15和等电势板12、14之间设置调相装置，例如但非限制性地通过电感形成，为了使部件的负载和射频发电机10相适应调相装置是必须的。电感52例如但非限制性地通过厚度大于该设备的工作射频电流的穿透深度的管子，最好镀银铜管，做成。此外，可有益地把一个或多个调节件连接到每个电感上，从而根据它们的位置对电流以及对应的磁链形成较长或较短的路径，由此调节调相电流并且进而调节被处理产品类型所需的射频电压范围。该特性是特别有用的，因为它使该设备可以特别灵活地用于可能具有明显不同的电和介电特性的产品上。
该调相装置还完成负载匹配功能，为了使发电机和负载之间的功率传输为最大，它是根据把该包括其中容纳着产品的射频施加部件1的系统的阻抗值转换成该发电机的可用阻抗的准则设计的。通过在发电机10和施加部件1之间插入适当的负载匹配网络以及通过上面提到的调相装置，还可以把在该施加部件的结构中循环的射频电流减小到为在管32中产生电磁场所需的准确值。从而可以防止该施加部件的物理限制之外的不希望有的射频功率辐射，这样还限制了无负载损耗，这种在别的情况下产生的无负载损耗会导致不必要的功耗并且会在该部件内部产生或多或少的局部热点。
射频发电机10可以包括已知类型的调节所发送的功率的系统，例如，通过提供给该发电机的干线电压振幅的限幅器，或者通过在该发电机和该施加部件之间的容性、感性、互感或阻抗变换耦合变换阻抗的系统。这些用来调整该发电机的功率的系统可以有益地由电子部件控制，其中所述电子部件可以通过利用温度传感器检测该施加部件的输入和/或输出端处的产品温度保持输出产品温度稳定或者通过对发电机功率调节系统提供反馈改变该温度。
一种替代的反馈系统例如可以是通过改变产品速度或者改变受处理产品的类型把发送到产品的射频功率保持稳定在预定值上。当然，上面描述的控制只是一些可对本发明使用的反馈控制。类似地，自动化中常规使用的并且生产线中普遍存在的电子监视和控制部件，例如PLC或PC部件等，也可以插入到本发明的设备中。
当然，在保持本发明的原理不变下，可以在不会背离本发明的范围的前提下大范围地改变实施例形式以及结构细节。