專利名稱：液態物質低溫滅菌用微波諧振腔的制作方法
技術領域：
本發明屬于一種微波滅菌裝置，特別是一種用于對液態物質進行低溫滅菌的微波同軸諧振腔。
背景技術：
在工業特別是飲食行業，需要對大量的含菌液體物質和飲料等進行滅菌處理；醫藥行業中的部分水劑、針劑等也需進行滅菌處理，甚至是低溫滅菌處理。目前對液態物質進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，但卻存在能耗高、費時，對液體和飲料中的維生素等營養物質和風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，因不同液態物質對滅菌溫度不盡相同、因而對溫度的控制要求也高；此外，由于不同的細菌具有不同的耐熱能力，故一般經巴氏滅菌后的液態物質仍保留了小部分有益或無害、較耐熱的細菌或細菌芽孢，因而經巴氏菌后其保質期亦較短(如經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、費時、保質期較短等缺陷；而紫外線對液體物質的穿透能力弱、因而用于液態物質滅菌時的效果亦差。微波滅菌技術是一種較新的技術，微波滅菌已受到人們越來越多的關注。與傳統的滅菌方法相比，微波滅菌具有穿透能力強、能源利用率高、加熱和滅菌速度快、整個滅菌過程無機械損傷，對物體的物理性能亦不會造成破壞，經微波滅菌處理后的液態物質保質期長等特點；但目前在國內外基本上仍采用家用微波爐或者是箱式微波爐(灶)對液態物質、固態物體(如公用毛巾、浴巾等)進行大功率、高溫加熱滅菌，因而仍存在能耗高，對液態物質中的維生素等營養物質和風味的破壞作用大等缺陷。發明人在《同軸結構微波滅菌裝置電磁特性模擬》(見《電子科技大學學報》2007年4月，第36卷第2期，P232-234)—文中公開了一種與室內通風系統(或空調)配套用的可對空氣進行快速滅菌的微波同軸諧振腔，該微波滅菌裝置(諧振腔)的內導體采用頂部為圓錐體的實心金屬柱、而殼體兩側柱面采用網狀結構，以方便空氣穿過諧振腔體的內腔、實現滅菌的目的。該微波滅菌裝置雖然可對空氣進行滅菌處理；但其結構及滅菌處理方式均不能用于對液態物質的滅菌處理。
發明內容
本發明的目的是針對背景技術存在的缺陷，研究設計一種液態物質低溫滅菌用微波諧振腔，以達到簡化結構、減小其系統體積，控制方便，腔體內場強較強的區域集中度高，實現在較小功率下達到滅菌用電場強度、實現低溫滅菌，降低能耗等目的。本發明的解決方案是根據微波滅菌過程中具有非熱效應，即在細胞膜內外由于離子濃度的差異，存在著電位差，在微波的作用下，生物體內雖不產生明顯的升溫，但細胞膜內、外的電位差將發生較大變化，一旦突破其平衡范圍，在細胞膜上會形成不可逆轉的孔洞，導致細胞內部物質外泄，使細胞的正常代謝功能受到破壞、致其死亡，也就是生物電磁學上的電穿孔。根據電穿孔理論，當液體區域中電場達到106V/m時，細胞膜上便可形成不可逆轉的孔洞，導致細菌死亡、實現滅菌。因此，本發明根據上述微波滅菌原理，在傳統圓柱體電容加載同軸諧振腔的基礎上，將原與諧振腔同軸線設置的內導體改為腔(筒)體形，使其在起到內導體作用的同時作為待滅菌液態物質的進液腔體，即將該進液腔體(內導體)與殼體(亦稱外導體)的短路端延長至殼體外、其端口作為液態物質的進液口、內腔作為進液腔，同時在圓錐頭前端的錐體上設置一組出液口作為待滅菌液態物質的出口，從而利用其尖端效應有效提高進液腔體下端(開路端)圓錐頭與殼體底部之間間隙區域內的場強，使其達到的106V/m以上、滿足滅菌要求；而在腔體內設置耦合器、將微波能量耦合到諧振腔內；為了將滅菌處理后的液態物質順利輸出，在諧振腔殼體底部正對進液腔體圓錐頭處開設滅菌處理后的液態物質輸出口、并在進液腔體圓錐頭與諧振腔殼體底部之間設置一導液管，將進液腔下端錐體上設置的出液口與殼體底部開設的液態物質輸出口密封式連通，以輸出滅菌處理后的液態物質；本發明即以此實現其發明目的。因此，本發明液態物質低溫滅菌用微波諧振腔體包括諧振腔殼體，設于諧振腔軸線上的內導體，微波耦合器，關鍵在于設于諧振腔軸線上的內導體為下端為圓錐頭、上端設于諧振腔殼體外其端口為進液口的筒體形進液腔體，在圓錐頭還設有一組與進液腔體內腔連通的出液口，在諧振腔殼體底部正對進液腔體圓錐頭處設有(滅菌處理后的)液態物質輸出口，在圓錐頭與諧振腔殼體底部之間還設有一導液管、以將圓錐頭上的出液口與殼體底部開設的液態物質輸出口連通，微波耦合器則設于諧振腔內的側上角或側頂部；進液腔體上部與諧振腔殼體頂部密封式緊固連接、下端則通過導液管與諧振腔殼體底部密封式緊固連接，微波耦合器內端與諧振腔殼體內壁短路連接、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)。上述設于諧振腔內側上角或側頂部的微波耦合器的個數為1-3個。而所述進液腔體通過液態物質自身的重力進液或加壓進液。所述在圓錐頭的錐體上設置一組出液口，出液口的個數為2-6個圓孔或圓弧形孔，設置方式以圓錐頭的軸線為中心環形設置。而所述在諧振腔殼體底部正對進液腔體圓錐頭處開設(滅菌處理后的)液態物質輸出口，液態物質輸出口的個數根據單位時間輸出液態物質的量不低于進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。本發明由于將原與諧振腔同軸線設置的圓柱形內導體改為腔(筒)體形，使其在起到內導體作用的同時作為進液腔體用，同時在圓錐頭前端設置一組出液口作為待滅菌液態物質的出口，以利用其尖端效應有效提高了進液腔體下端圓錐頭與殼體底部之間間隙區域的場強，確保其達到的106V/m以上、滿足滅菌要求；同時在諧振腔殼體底部開設滅菌處理后的液態物質輸出口、并在進液腔體圓錐頭與諧振腔殼體底部之間密封式設置導液管，將進液腔下端圓錐頭上設置的出液口與殼體底部開設的液態物質輸出口連通，以輸出滅菌處理后的液態物質，且滅菌處理過程中液態物質的溫升可有效控制在5° -20° C范圍內。因而本發明具有結構簡單、系統體積小，生產成本低，操作、控制方便、能耗低，腔體內場強較強的區域集中度高，滅菌處理效果顯著，可達到快速、低溫滅菌，實現在較小功率下達到滅菌用電場強度等特點。
圖I.為本發明液態物質低溫滅菌用微波諧振腔結構示意圖中1.諧振腔殼體、1-1.液態物質輸出口，2.進液腔體(內導體)、2-1.圓錐頭、2-3.出液口，3.導液管，4.耦合器。圖2.為本發明實施方式在頻率為2450±50MHz，功率為100W時圓錐頭頂點至諧振腔殼體內底部中心區域軸向電場強度分布坐標圖，圖中坐標原點(O. O)為進液腔體圓錐頭頂點位置，3為諧振腔殼體內底部軸線位置處；圖3.為本發明實施方式在頻率為2450±50MHz，功率為100W時進液腔體圓錐頭頂點位置橫截面上半徑為R2. Omm范圍內的徑向電場分布坐標圖，圖中橫坐標上O. O為圓錐頭位于軸線上的頂點位置。
具體實施方式
本實施方式諧振腔殼體I內徑Φ20πιπι、內腔高25mm、管壁厚3mm、材質為不銹鋼，其底部本實施方式設4個直徑Φ I. 2mm的液態物質輸出口 1_1、4個液態物質輸出口的外口部設一直徑Φ3. 8mm的液態物質輸出匯聚口 ；進液腔體(內導體)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、其上順軸向對稱設置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I. 0mm，材質為不銹鋼；導液管3內徑Φ4. 0mm、壁厚2. 0mm、材質為聚四氟乙烯，其上、下端分別與圓錐頭2_1及諧振腔殼體I的內底部密封固定；耦合器4的內導體為銅條并通過標準SMA型接頭與諧振腔殼體I的頂部固定連接、以輸入微波。本實施方式經測試微波輸入頻率為2450 ± 50MHz、功率為100W，待滅菌液態物質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至諧振腔殼體內底部中心區域軸向電場強度分布坐標圖；附圖3為本實施方式圓錐頭頂點位置橫截面上半徑為R2. Omm范圍內的徑向電場分布坐標圖。
權利要求
1.一種液態物質低溫滅菌用微波諧振腔，包括諧振腔殼體，設于諧振腔軸線上的內導體，微波耦合器，其特征在于設于諧振腔軸線上的內導體為下端為圓錐頭、上端設于諧振腔殼體外其端口為進液口的筒體形進液腔體，在圓錐頭還設有一組與進液腔體內腔連通的出液口，在諧振腔殼體底部正對進液腔體圓錐頭處設有液態物質輸出口，在圓錐頭與諧振腔殼體底部之間還設有一導液管、以將圓錐頭上的出液口與殼體底部開設的液態物質輸出口連通，微波耦合器則設于諧振腔內的側上角或側頂部；進液腔體上部與諧振腔殼體頂部密封式緊固連接、下端則通過導液管與諧振腔殼體底部密封式緊固連接，微波耦合器內端與諧振腔殼體內壁短路連接、而外端則通過微波輸入接頭緊固于諧振腔殼體上。
2.按權利要求I所述液態物質低溫滅菌用微波諧振腔，其特征在于所述設于諧振腔內側上角或側頂部的微波耦合器的個數為1-3個。
3.按權利要求I所述液態物質低溫滅菌用微波諧振腔，其特征在于所述進液腔體通過液態物質自身的重力進液或加壓進液。
4.按權利要求I所述液態物質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置一組出液口，出液口的個數為2-6個圓孔或圓弧形孔，設置方式以圓錐頭的軸線為中心環形設置。
5.按權利要求I所述液態物質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液腔體圓錐頭處開設液態物質輸出口，液態物質輸出口的個數根據單位時間輸出液態物質的量不低于進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。
全文摘要
該發明屬于一種用于液態物質低溫滅菌的微波同軸諧振腔。包括諧振腔殼體及設于其底部中心的液態物質輸出口，設于諧振腔軸線上的下端為帶出液口的圓錐頭、上端設于諧振腔殼體外且帶進液口的筒形進液腔體，將液態物質輸出口與圓錐頭出液口連通的導液管，微波耦合器。該發明將原與諧振腔同軸線設置的圓柱形內導體改為腔體形，既作內導體、又作進液腔體用，并在圓錐頭上設置一組出液口、在殼體底部開設液態物質輸出口，以利用尖端效應有效提高了圓錐頭與殼體底部之間間隙區域的場強；從而具有結構簡單、體積小，生產成本低，操作、控制方便、能耗低，場強較強的區域集中度高，滅菌快速、效果顯著、溫升低，可在較小功率下實現低溫滅菌等特點。
文檔編號A61L2/12GK102698300SQ20121017534
公開日2012年10月3日 申請日期2012年5月31日 優先權日2012年5月31日
發明者張玉玲, 曾葆青 申請人:電子科技大學