一种可调节微波能量分布的加热装置的制作方法

本发明属于食品加工新技术领域，具体涉及一种可调节微波能量分布的加热装置。

背景技术：

微波是指频率范围在300MHz—300GHz之间的电磁波。微波已经广泛应用于现代的雷达及通信技术领域。除应用于除通信外，微波对介电物质的加热特性使其成为食品热加工的新技术。传统的热加工方法是用高温灭菌锅以热水或蒸汽为热源，将包装好的食品在121.1℃的热水或蒸汽中被加热60-90分钟以灭活腐败性致病菌保证食品的安全性。在热处理过程中，伴随着致病菌的灭活，食品营养及感官品质因受热而下降。理论上，提高灭菌温度，降低加热时间可以在保证微生物致死率的前提下，提高食品品质，但是传统的热水或蒸汽加热方法是以从外至内的温度差为动力传递热量，受限于食品较低的传热系数，该方法加热不均匀且耗时较长，因此传统的热加工方法难以在保证食品安全的同时大幅提高食品的品质。随着现代生活节奏的加快，传统的加工食品已经不能满足人们对高品质、便捷食品的需求，因此各种新的科学技术被尝试应用到食品领域以生产安全、高质、长保质期的产品，其中微波加热技术被视为最具有产业化前景的加热技术。

微波加热技术虽然已经在家用微波炉中广泛应用，但是在工业灭菌方面受限于技术及装备，至今没有推广。微波灭菌技术在工业应用中还存在诸多技术难题，如加热不均匀，冷点位置不固定等。

技术实现要素：

本发明提供一种可调节微波能量分布的加热装置，解决了微波加热不均匀的问题。

本发明可通过以下技术方案实现：

一种可调节微波能量分布的加热装置，包括微波发生器和波导系统，所述微波发生器连接波导系统，通过波导系统将微波传送到微波加热腔，所述波导系统的喇叭口通过第一法兰与盒式振荡腔连通，所述盒式振荡腔通过第二法兰和微波加热腔连接，在连接部分用工程塑料进行密封，经喇叭口扩散后的微波在盒式振荡腔内形成稳定的设定微波模式，所述盒式振荡腔的高度不小于设定微波的半波长。

进一步，所述微波加热腔上方和下方分别连接有盒式振荡腔，再通过盒式振荡腔连接波导系统和微波发生器。

进一步，在所述盒式振荡腔内部设置微波调节器，所述微波调节器通过调节微波能量分布从而调节所述微波加热腔内的加热程度的区域分布。

进一步，所述微波调节器设置在对应微波加热腔内需增强加热强度的区域的上方。

进一步，所述微波调节器可拆卸地固定在所述盒式振荡腔内靠近微波加热腔的接口位置。

进一步，所述微波调节器采用金属或者工程塑料材质制作。

进一步，所述微波调节器根据不同的待加热食品设置为不同的尺寸和不同的形状，从而调节微波能量分布，对所述待加热食品进行集中加热，促进加热均匀性。

进一步，所述微波调节器采用金属圆管或方形塑料棒。

本发明有益的技术效果在于：

通过在波导系统的喇叭口后面设置盒式振荡腔及在盒式振荡腔内设置微波调节器，改变了微波加热腔内部的能量分布，从而对食品的不同部位有针对性地进行加热。

附图说明

图1为本发明整体结构框图；

图2为本发明加热腔体结构示意图；

图3为本发明食品加载装置结构示意图；

图4为本发明微波加热腔立体结构示意图；

图5为本发明微波加热腔侧视示意图；

图6为本发明喇叭口和振荡腔立体结构示意图；

其中，1-预热腔，2-微波加热腔，3-恒温杀菌腔，4-冷却腔、5-第一出水口、6-第一进水口、7-第二出水口、8-第二进水口、9-第三出水口、10-第三进水口、11-第一水泵、12-第一热交换器、13-第二水泵、14-第二热交换器、15-第三水泵、16-第三热交换器、17-食品载体、18-伺服电机提升平推装置、19-水平链条装置、20-第一垂直链条装置、21-第二垂直链条装置、22-轴突、23-金属屏蔽板、24-链条、25-喇叭口、26-盒式振荡器、27-微波调节器、28-波导系统。

具体实施方式

下面结合附图及较佳实施例详细说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明整体结构示意图。一种微波加热智能化装置，包括微波发生器、波导系统、加热腔体、食品加载装置和智能微波系统，该装置以大功率微波源为能量，通过波导系统将微波源导入加热腔体，将包装食品迅速加热，灭菌。微波源的频率为890-940MHz和2400-2500MHz之间，频率波动小于2MHz。

如图2所示，加热腔体分为四个部分：预热腔1，多个微波加热腔2，恒温杀菌腔3和冷却腔4。整个腔体为不锈钢材料制作。这四个部分均注满不同温度的水，包装好的食品通过食品加载装置在水中依次通过这四个部分，这四个部分均有独立的水循环系统，每个部分的水温可根据需要设置，每个部分设温度监控点，外部配热交换器以实时调节水温，并且系统内部可根据水温不同设置不同的压力，从0到0.3MPa。

预热腔和第一个微波加热腔通过第一隔板隔断，恒温杀菌腔和冷却腔之间通过第二隔板隔断，第一隔板和第二隔板固定在腔体底部且和腔体顶部不接触，各个微波加热腔和恒温杀菌腔之间相通。

在预热腔下部设置预热进水口5，上部设置预热出水口6，在预热进水口5和预热出水口6之间通过预热水泵11和预热热交换器12相连，水循环系统利用预热水泵11和预热热交换器12完成水在预热腔内部循环流动且保持水温稳定；在第一微波加热腔下部设置加热进水口7，在恒温杀菌腔上部设置加热出水口8，在加热进水口7和加热出水口之间8通过加热水泵13和加热热交换器14相连，水循环系统利用加热水泵13和加热热交换器14完成水在微波加热腔和恒温杀菌腔内部循环流动且保持水温稳定；在冷却腔下部设置冷却进水口9，上部设置冷却出水口10，在冷却进水口9和冷却出水口10之间通过冷却水泵15和冷却热交换器16相连，水循环系统利用冷却水泵15和冷却热交换器16完成水在冷却腔内部循环流动且保持水温稳定。

预热腔是利用预热热交换器对其内的水进行加热，直至达到预热温度(一般30-60度)，然后将食品放入进行预热，静置一段时间(一般15-40分钟)使其各部分拥有均匀的初始温度。

微波加热腔上下具有对称的两个加热窗口，通过波导系统28将微波从微波发生器传送到微波加热腔，先由水平功率分配器将微波分为两个部分，再将每个部分由垂直功率分配器分为上下两个部分，分别从上下透过微波加热腔的加热窗口进入微波加热腔，该加热窗口由工程塑料密封，在微波进入的同时，防止微波加热腔内水分流出。食品经过微波加热，温度快速升高到目标加热杀菌温度(90度到125度)。每个微波加热腔的设置要求内壁光滑，波腔窗口材料是耐高压的，窗口大小是可调节的。

恒温杀菌腔：食品经过微波加热后，在加热灭菌温度下的水中保持一定时间(一般3-15分钟)以达到预计的灭菌效果即微生物致死率。

冷却腔是利用冷却热交换器将其内的水进行加热，直至达到冷却温度(0-25度)，将已达到灭菌效果的食品在冷却腔内进行快速冷却，一般5-10分钟。

本发明以工业化生产为目标，整个装置的食品流动通过食品加载装置实现。该装置采用非传送带设计，利用特殊设计的食品载体，一次将N个食品完成加热流程，可实现连续操作。如图3所示，该食品加载装置包括食品载体17，设置在预热腔1的伺服电机提升平推装置18，设置在微波加热腔2的水平链条装置19，设置在恒温杀菌腔3的杀菌链条装置20和设置在冷却腔4的冷却链条装置21，杀菌链条装置20和冷却链条装置21的运动方向相反的。

如图4和图5所示，为了消除链条对微波分布的影响，在每个微波加热腔2内部两侧沿长度方向均设置有设有金属屏蔽板23。该金属屏蔽板23可移动地固定在微波加热腔2底部，不高于微波加热腔顶部。水平链条装置的链条设置在微波加热腔两侧的腔体和金属屏蔽板23之间，食品载体17两侧设置多个轴突22，食品载体通过轴突22和链条24相连，链条上设置有多个凹口，轴突穿过金属屏蔽板23上方和链条上的凹口可拆卸地将食品载体固定。

本发明的整个装置中食品流动如下：

预热腔：首先，将待加热的食品装入食品载体里，然后将食品载体一个个叠加在一起，放入预热腔里预热；当达到预热时间后，伺服电机提升平推装置将叠加在一起的多个食品载体提升，再利用该装置中的长气缸，将食品载体一个个平推穿过第一隔板进入第一微波加热腔，放入微波加热腔内的水平链条装置上；

微波加热腔：该水平链条装置的链条上的凹口和食品载体的轴突配合固定，从而有链条带动食品载体在腔体内部运动，一般运行速度为2-10m/min；当完成加热后，食品载体在链条的带动下，到达最后一个微波加热腔和恒温杀菌腔的结合处，此时利用水平链条装置的长气缸，将食品载体平推至恒温杀菌腔的杀菌链条装置上；

恒温杀菌腔：落在杀菌链条装置的链条上食品载体，在链条的带动下，在腔体内部缓慢移动；当完成杀菌后，食品载体运动到恒温杀菌腔和冷却腔的结合处，此时食品载体脱离链条落在下方的平板，利用杀菌链条装置中设置在该平板下方的气缸，将食品载体提升至第二隔板上方，再利用另一个气缸将食品载体平推跨过第二隔板进入冷却腔的冷却链条装置上；

冷却腔：落在冷却链条装置的链条上食品载体，在链条的带动下，在腔体内部缓慢移动直至完成冷却移出该腔体，最终完成食品加热。

整个系统的运行由智能微波系统控制：包括运行时的功率设置、食品的移动速度、阀门的开启与关闭、各部分温度的实时监控。主控制器MCU的连续性有故障诊断模块监控。主控制器MCU和微波发生器相连，用于控制微波功率；主控制器MCU分别和预热水泵、加热水泵和冷却水泵相连，用于控制所述预热腔、多个微波加热腔、恒温杀菌腔和冷却腔的水流速度；

主控制器MCU分别和预热热交换器、加热热交换器和冷却热交换器相连，用于控制所述预热腔、多个微波加热腔、恒温杀菌腔和冷却腔的水温；

主控制器MCU和伺服电机提升平推装置的伺服电机相连，用于将堆叠在一起的多个食品载体提升一个接一个跨过第一隔板上方平推放入微波加热腔的水平链条装置上；主控制器MCU和水平链条装置的伺服电机相连，用于将食品载体一个接一个平推进入恒温杀菌腔的杀菌链条装置上；主控制器MCU和杀菌链条装置的伺服电机相连，用于将食品载体一个接一个提升跨过第二隔板上方平推放入冷却腔的冷却链条装置上。主控制器MCU和冷却链条装置的伺服电机相连，用于将食品载体一个接一个移出冷却腔。

主控制器MCU根据设置在预热腔内的预热温度传感器的反馈控制水温维持在预热温度；主控制器MCU根据设置在恒温杀菌腔内的加热温度传感器的反馈控制水温维持在加热杀菌温度；主控制器MCU根据设置在冷却腔内的冷却温度传感器的反馈控制水温维持在冷却温度。

主控制器MCU根据设置在预热腔内定时器的反馈控制预热时间；

在预热腔、恒温杀菌腔和一个或多个微波加热腔、冷却腔内的水流速度是匀速的；食品载体在一个或多个微波加热腔、恒温杀菌腔和冷却腔内的移动速度也是匀速的且根据食品的不同设置不同的移动速度。

传统的喇叭口设计是将微波分散并导入微波加热腔，喇叭口25通过法兰同微波加热腔2连接。本发明的设计为喇叭口-盒式震荡腔，如图6所示，喇叭口25通过第一法兰与盒式振荡腔26连通，盒式振荡腔26通过第二法兰和微波加热腔体2连通，在连通部分用工程塑料进行密封，经喇叭口扩散后的微波在盒式振荡腔26内形成稳定的设计微波模式，如TE10，TE20，TE30等。盒式振荡腔26的高度不小于设定微波的半波长，宽度小于微波加热腔2内金属屏蔽板23之间的距离,长度不大于微波加热腔2内金属屏蔽板23的长度。

在盒式震荡腔26内设置微波调节器27，该微波调节器调节在微波加热腔内部的微波能量分布。通过实验可知，材料可以是金属或工程塑料的，金属或塑料调节器能够使微波能量被聚集在调节器的正下方，从而调节微波的能量分布。由于食品本身的大小、厚薄的不同，在微波加热时会形成食品内部受热不均匀，所以可以根据不同食品设置不同尺寸、形状的微波调节器调节微波能量的分布，如金属圆管、塑料圆管或方形塑料棒等，可以提高温度低的区域的加热程度，促进加热均匀性，从而提高食品加热的质量。

金属圆管的直径范围是5-100mm，方形塑料棒的宽度范围是10-50mm，厚度范围是10-100mm。

本发明通过加热腔体的独特设计结合水泵和热交换机实现了腔体内水的循环流动，从而提高了食品加热质量；借助食品加载装置和智能控制系统，实现了微波加热的工业化应用；通过在波导系统的喇叭口后面设置盒式振荡腔及在盒式振荡腔内设置微波调节器，改变了微波加热腔内部的能量分布，从而对食品的不同部位有针对性地进行加热。

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。