專利名稱：液態(tài)物質(zhì)低溫滅菌用微波諧振腔的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于一種微波滅菌裝置，特別是一種用于對液態(tài)物質(zhì)進(jìn)行低溫滅菌的微波同軸諧振腔。
背景技術(shù)：
在工業(yè)特別是飲食行業(yè)，需要對大量的含菌液體物質(zhì)和飲料等進(jìn)行滅菌處理；醫(yī)藥行業(yè)中的部分水劑、針劑等也需進(jìn)行滅菌處理，甚至是低溫滅菌處理。目前對液態(tài)物質(zhì)進(jìn)行滅菌處理大多采用高溫或高溫高壓滅菌，巴氏滅 菌及紫外線滅菌；其中傳統(tǒng)的高溫或高溫高壓滅菌雖然具有可靠性高、加熱方式多樣化、適用范圍廣等級特點(diǎn)，但卻存在能耗高、費(fèi)時，對液體和飲料中的維生素等營養(yǎng)物質(zhì)和風(fēng)味具破壞作用等缺陷；而巴氏滅菌雖然具有滅菌溫度較低，但所需時間也較長，因不同液態(tài)物質(zhì)對滅菌溫度不盡相同、因而對溫度的控制要求也高；此外，由于不同的細(xì)菌具有不同的耐熱能力，故一般經(jīng)巴氏滅菌后的液態(tài)物質(zhì)仍保留了小部分有益或無害、較耐熱的細(xì)菌或細(xì)菌芽孢，因而經(jīng)巴氏菌后其保質(zhì)期亦較短(如經(jīng)巴氏滅菌后的牛奶在4° C左右的溫度下只能保存3-10天)，而且巴氏滅菌的溫度一般在60° C以上、時間在30分鐘左右；因此該方法仍存在能耗較高、費(fèi)時、保質(zhì)期較短等缺陷；而紫外線對液體物質(zhì)的穿透能力弱、因而用于液態(tài)物質(zhì)滅菌時的效果亦差。微波滅菌技術(shù)是一種較新的技術(shù)，微波滅菌已受到人們越來越多的關(guān)注。與傳統(tǒng)的滅菌方法相比，微波滅菌具有穿透能力強(qiáng)、能源利用率高、加熱和滅菌速度快、整個滅菌過程無機(jī)械損傷，對物體的物理性能亦不會造成破壞，經(jīng)微波滅菌處理后的液態(tài)物質(zhì)保質(zhì)期長等特點(diǎn)；但目前在國內(nèi)外基本上仍采用家用微波爐或者是箱式微波爐(灶)對液態(tài)物質(zhì)、固態(tài)物體(如公用毛巾、浴巾等)進(jìn)行大功率、高溫加熱滅菌，因而仍存在能耗高，對液態(tài)物質(zhì)中的維生素等營養(yǎng)物質(zhì)和風(fēng)味的破壞作用大等缺陷。發(fā)明人在《同軸結(jié)構(gòu)微波滅菌裝置電磁特性模擬》(見《電子科技大學(xué)學(xué)報》2007年4月，第36卷第2期，P232-234)—文中公開了一種與室內(nèi)通風(fēng)系統(tǒng)(或空調(diào))配套用的可對空氣進(jìn)行快速滅菌的微波同軸諧振腔，該微波滅菌裝置(諧振腔)的內(nèi)導(dǎo)體采用頂部為圓錐體的實心金屬柱、而殼體兩側(cè)柱面采用網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，以方便空氣穿過諧振腔體的內(nèi)腔、實現(xiàn)滅菌的目的。該微波滅菌裝置雖然可對空氣進(jìn)行滅菌處理；但其結(jié)構(gòu)及滅菌處理方式均不能用于對液態(tài)物質(zhì)的滅菌處理。
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的是針對背景技術(shù)存在的缺陷，研究設(shè)計一種液態(tài)物質(zhì)低溫滅菌用微波諧振腔，以達(dá)到簡化結(jié)構(gòu)、減小其系統(tǒng)體積，控制方便，腔體內(nèi)場強(qiáng)較強(qiáng)的區(qū)域集中度高，實現(xiàn)在較小功率下達(dá)到滅菌用電場強(qiáng)度、實現(xiàn)低溫滅菌，降低能耗等目的。本實用新型的解決方案是根據(jù)微波滅菌過程中具有非熱效應(yīng)，即在細(xì)胞膜內(nèi)外由于離子濃度的差異，存在著電位差，在微波的作用下，生物體內(nèi)雖不產(chǎn)生明顯的升溫，但細(xì)胞膜內(nèi)、外的電位差將發(fā)生較大變化，一旦突破其平衡范圍，在細(xì)胞膜上會形成不可逆轉(zhuǎn)的孔洞，導(dǎo)致細(xì)胞內(nèi)部物質(zhì)外泄，使細(xì)胞的正常代謝功能受到破壞、致其死亡，也就是生物電磁學(xué)上的電穿孔。根據(jù)電穿孔理論，當(dāng)液體區(qū)域中電場達(dá)到106V/m時，細(xì)胞膜上便可形成不可逆轉(zhuǎn)的孔洞，導(dǎo)致細(xì)菌死亡、實現(xiàn)滅菌。因此，本實用新型根據(jù)上述微波滅菌原理，在傳統(tǒng)圓柱體電容加載同軸諧振腔的基礎(chǔ)上，將原與諧振腔同軸線設(shè)置的內(nèi)導(dǎo)體改為腔(筒)體形，使其在起到內(nèi)導(dǎo)體作用的同時作為待滅菌液態(tài)物質(zhì)的進(jìn)液腔體，即將該進(jìn)液腔體(內(nèi)導(dǎo)體)與殼體(亦稱外導(dǎo)體)的短路端延長至殼體外、其端口作為液態(tài)物質(zhì)的進(jìn)液口、內(nèi)腔作為進(jìn)液腔，同時在圓錐頭前端的錐體上設(shè)置一組出液口作為待滅菌液態(tài)物質(zhì)的出口，從而利用其尖端效應(yīng)有效提高進(jìn)液腔體下端(開路端)圓錐頭與殼體底部之間間隙區(qū)域內(nèi)的場強(qiáng)，使其達(dá)到的106V/m以上、滿足滅菌要求；而在腔體內(nèi)設(shè)置耦合器、將微波能量耦合到諧振腔內(nèi)；為了將滅菌處理后的液態(tài)物質(zhì)順利輸出，在諧振腔殼體底部正對進(jìn)液腔體圓錐頭處開設(shè)滅菌處理后的液態(tài)物質(zhì)輸出口、并在進(jìn)液腔體圓錐頭與諧振腔殼體底部之間設(shè)置一導(dǎo)液管，將進(jìn)液腔下端錐體上設(shè)置的出液口與殼體底部開設(shè)的液態(tài)物質(zhì)輸出口密封式連通，以輸出滅菌處理后的液態(tài)物質(zhì)；本實用新型即以此實現(xiàn)其發(fā)明目的。因此，本實用新型液態(tài)物質(zhì)低溫滅菌用微波諧振腔體包括諧振腔殼體，設(shè)于諧振腔軸線上的內(nèi)導(dǎo)體，微波耦合器，關(guān)鍵在于設(shè)于諧振腔軸線上的內(nèi)導(dǎo)體為下端為圓錐頭、上端設(shè)于諧振腔殼體外且上端口為進(jìn)液口的筒體形進(jìn)液腔體，在圓錐頭還設(shè)有一組與進(jìn)液腔體內(nèi)腔連通的出液口，在諧振腔殼體底部正對進(jìn)液腔體圓錐頭處設(shè)有(滅菌處理后的)液態(tài)物質(zhì)輸出口，在圓錐頭與諧振腔殼·體底部之間還設(shè)有一導(dǎo)液管、以將圓錐頭上的出液口與殼體底部開設(shè)的液態(tài)物質(zhì)輸出口連通，微波耦合器則設(shè)于諧振腔內(nèi)的側(cè)上角或側(cè)頂部；進(jìn)液腔體上部與諧振腔殼體頂部密封式緊固連接、下端則通過導(dǎo)液管與諧振腔殼體底部密封式緊固連接，微波耦合器內(nèi)端與諧振腔殼體內(nèi)壁短路連接、而外端則通過微波輸入接頭緊固于諧振腔殼體上，以饋入微波能(量X上述設(shè)于諧振腔內(nèi)側(cè)上角或側(cè)頂部的微波耦合器的個數(shù)為1-3個。而所述進(jìn)液腔體通過液態(tài)物質(zhì)自身的重力進(jìn)液或加壓進(jìn)液。所述在圓錐頭的錐體上設(shè)置一組出液口，出液口的個數(shù)為2-6個圓孔或圓弧形孔，設(shè)置方式以圓錐頭的軸線為中心環(huán)形設(shè)置。而所述在諧振腔殼體底部正對進(jìn)液腔體圓錐頭處開設(shè)(滅菌處理后的)液態(tài)物質(zhì)輸出口，液態(tài)物質(zhì)輸出口的個數(shù)根據(jù)單位時間輸出液態(tài)物質(zhì)的量不低于進(jìn)液腔體圓錐頭各出液口單位時間輸出的總量及其中最大輸出口的直徑小于輸入微波波長的1/25兩個條件決定。本實用新型由于將原與諧振腔同軸線設(shè)置的圓柱形內(nèi)導(dǎo)體改為腔(筒)體形，使其在起到內(nèi)導(dǎo)體作用的同時作為進(jìn)液腔體用，同時在圓錐頭前端設(shè)置一組出液口作為待滅菌液態(tài)物質(zhì)的出口，以利用其尖端效應(yīng)有效提高了進(jìn)液腔體下端圓錐頭與殼體底部之間間隙區(qū)域的場強(qiáng)，確保其達(dá)到的106V/m以上、滿足滅菌要求；同時在諧振腔殼體底部開設(shè)滅菌處理后的液態(tài)物質(zhì)輸出口、并在進(jìn)液腔體圓錐頭與諧振腔殼體底部之間密封式設(shè)置導(dǎo)液管，將進(jìn)液腔下端圓錐頭上設(shè)置的出液口與殼體底部開設(shè)的液態(tài)物質(zhì)輸出口連通，以輸出滅菌處理后的液態(tài)物質(zhì)，且滅菌處理過程中液態(tài)物質(zhì)的溫升可有效控制在5° -20° C范圍內(nèi)。因而本實用新型具有結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)體積小，生產(chǎn)成本低，操作、控制方便、能耗低，腔體內(nèi)場強(qiáng)較強(qiáng)的區(qū)域集中度高，滅菌處理效果顯著，可達(dá)到快速、低溫滅菌，實現(xiàn)在較小功率下達(dá)到滅菌用電場強(qiáng)度等特點(diǎn)。

[0008]圖1.為本實用新型液態(tài)物質(zhì)低溫滅菌用微波諧振腔結(jié)構(gòu)示意圖；圖中1.諧振腔殼體、1-1.液態(tài)物質(zhì)輸出口，2.進(jìn)液腔體(內(nèi)導(dǎo)體)、2-1.圓錐頭、2-3.出液口，3.導(dǎo)液管，4.耦合器。圖2.為本實用新型實施方式在頻率為2450±50MHz，功率為100W時圓錐頭頂點(diǎn)至諧振腔殼體內(nèi)底部中心區(qū)域軸向電場強(qiáng)度分布坐標(biāo)圖，圖中坐標(biāo)原點(diǎn)(O. O)為進(jìn)液腔體圓錐頭頂點(diǎn)位置，3為諧振腔殼體內(nèi)底部軸線位置處；圖3.為本實用新型實施方式在頻率為2450±50MHz，功率為100W時進(jìn)液腔體圓錐頭頂點(diǎn)位置橫截面上半徑為R2. Omm范圍內(nèi)的徑向電場分布坐標(biāo)圖，圖中橫坐標(biāo)上O. O為圓錐頭位于軸線上的頂點(diǎn)位置。
具體實施方式本實施方式諧振腔殼體I內(nèi)徑Φ20πιπι、內(nèi)腔高25mm、管壁厚3mm、材質(zhì)為不銹鋼，其底部本實施方式設(shè)4個直徑Φ1. 2mm的液態(tài)物質(zhì)輸出口 1_1、4個液態(tài)物質(zhì)輸出口的外口部設(shè)一直徑Φ3. 8mm的液態(tài)物質(zhì)輸出匯聚口 ；進(jìn)液腔體(內(nèi)導(dǎo)體)2外徑Φ 10mm、軸向高為17mm、壁厚Imm,其下端圓錐頭2-1軸向高5mm、其上順軸向?qū)ΨQ設(shè)置4個直徑為C1LOmm的出液口 2-3，各出液口 2-3的中心距中軸線亦為1. 0mm，材質(zhì)為不銹鋼；導(dǎo)液管3內(nèi)徑Φ4. 0mm、壁厚2. 0mm、材質(zhì)為聚四氟乙烯，其上、下端分別與圓錐頭2_1及諧振腔殼體I的內(nèi)底部密封固定；耦合器4的內(nèi)導(dǎo)體為銅條并通過標(biāo)準(zhǔn)SMA型接頭與諧振腔殼體I的頂部固定連接、以輸入微波。本實施方式經(jīng)測試微波輸入頻率為2450 ± 50MHz、功率為100W，待滅菌液態(tài)物質(zhì)為帶大腸桿菌的液體、采用加壓輸入，流速為lOcm/s的條件下大腸桿菌的殺滅率為100%，平均IOOml耗時約20秒，帶菌液體的溫升低于15° C。實現(xiàn)了在較小功率下的快速、低溫滅菌。附圖2為本實施方式圓錐頭頂點(diǎn)至諧振腔殼體內(nèi)底部中心區(qū)域軸向電場強(qiáng)度分布坐標(biāo)圖；附圖3為本實施方式圓錐頭頂點(diǎn)位置橫截面上半徑為R2. Omm范圍內(nèi)的徑向電場分布坐標(biāo)圖。
權(quán)利要求1.一種液態(tài)物質(zhì)低溫滅菌用微波諧振腔，包括諧振腔殼體，設(shè)于諧振腔軸線上的內(nèi)導(dǎo)體，微波耦合器，其特征在于設(shè)于諧振腔軸線上的內(nèi)導(dǎo)體為下端為圓錐頭、上端設(shè)于諧振腔殼體外且上端口為進(jìn)液口的筒體形進(jìn)液腔體，在圓錐頭還設(shè)有一組與進(jìn)液腔體內(nèi)腔連通的出液口，在諧振腔殼體底部正對進(jìn)液腔體圓錐頭處設(shè)有液態(tài)物質(zhì)輸出口，在圓錐頭與諧振腔殼體底部之間還設(shè)有一導(dǎo)液管、以將圓錐頭上的出液口與殼體底部開設(shè)的液態(tài)物質(zhì)輸出口連通，微波耦合器則設(shè)于諧振腔內(nèi)的側(cè)上角或側(cè)頂部；進(jìn)液腔體上部與諧振腔殼體頂部密封式緊固連接、下端則通過導(dǎo)液管與諧振腔殼體底部密封式緊固連接，微波耦合器內(nèi)端與諧振腔殼體內(nèi)壁短路連接、而外端則通過微波輸入接頭緊固于諧振腔殼體上。
2.按權(quán)利要求1所述液態(tài)物質(zhì)低溫滅菌用微波諧振腔，其特征在于所述設(shè)于諧振腔內(nèi)側(cè)上角或側(cè)頂部的微波耦合器的個數(shù)為1-3個。
3.按權(quán)利要求1所述液態(tài)物質(zhì)低溫滅菌用微波諧振腔，其特征在于所述在圓錐頭的錐體上設(shè)置一組出液口，出液口的個數(shù)為2-6個圓孔或圓弧形孔，設(shè)置方式以圓錐頭的軸線為中心環(huán)形設(shè)置。
4.按權(quán)利要求1所述液態(tài)物質(zhì)低溫滅菌用微波諧振腔，其特征在于所述在諧振腔殼體底部正對進(jìn)液腔體圓錐頭處開設(shè)液態(tài)物質(zhì)輸出口，液態(tài)物質(zhì)輸出口的個數(shù)根據(jù)單位時間輸出液態(tài)物質(zhì)的量不低于進(jìn)液腔體圓錐頭各出液口單位時間輸出的總量及其中最大輸出口的直徑小于輸入微波波長的1/25兩個條件決定。
專利摘要該實用新型屬于一種用于液態(tài)物質(zhì)低溫滅菌的微波同軸諧振腔。包括諧振腔殼體及設(shè)于其底部中心的液態(tài)物質(zhì)輸出口，設(shè)于諧振腔軸線上的下端為帶出液口的圓錐頭、上端設(shè)于諧振腔殼體外且上端口為進(jìn)液口的筒形進(jìn)液腔體，將液態(tài)物質(zhì)輸出口與圓錐頭出液口連通的導(dǎo)液管，微波耦合器。該實用新型將原與諧振腔同軸線設(shè)置的圓柱形內(nèi)導(dǎo)體改為腔體形，既作內(nèi)導(dǎo)體、又作進(jìn)液腔體用，并在圓錐頭上設(shè)置一組出液口、在殼體底部開設(shè)液態(tài)物質(zhì)輸出口，以利用尖端效應(yīng)有效提高了圓錐頭與殼體底部之間區(qū)域的場強(qiáng)；從而具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小，生產(chǎn)成本低，操作、控制方便、能耗低，場強(qiáng)較強(qiáng)的區(qū)域集中度高，滅菌快速、效果顯著、溫升低，可在較小功率下實現(xiàn)低溫滅菌等特點(diǎn)。
文檔編號A23L2/46GK202844170SQ201220252210
公開日2013年4月3日 申請日期2012年5月31日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月31日
發(fā)明者曾葆青, 張玉玲 申請人:電子科技大學(xué)