專利名稱：磁流體動力殺菌裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及用來消滅細(xì)菌的殺菌處理，特別是，本發(fā)明涉及一種殺菌方法，它利用磁流體動力(MHD)單元和裝置消滅細(xì)菌。
本發(fā)明的技術(shù)背景殺菌處理的重要性對于公眾和本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是眾所周知的。殺菌處理要求實現(xiàn)基本上100％的殺菌率而又不改變被殺菌的物品。此外，由于環(huán)境的緣故，廢水的殺菌處理也變得更加重要了。需要?dú)⒕囊话阄锲肥鞘澄?、藥物、化妝品和醫(yī)療廢物。隨著較高的人口密度和新的傳染性疾病，醫(yī)療廢物的殺菌逐漸變得重要了。
現(xiàn)在有各種各樣的殺菌處理，它們利用各種各樣的溫度、電流和/或化學(xué)處理。所有這些處理都存在某些缺點(diǎn)。利用高溫進(jìn)行的殺菌處理具有需要能量將物品加熱到一能夠殺死細(xì)菌的溫度的缺點(diǎn)，以及對被殺菌的物品有影響的缺點(diǎn)。對食品加熱處理的典型的消極副作用是蛋白質(zhì)變性和維生素降解。
用電殺菌曾經(jīng)嘗試過并曾被授予專利。1932年6月14授權(quán)的美國專利第1,863,222號提供了一種用高頻率的電振蕩對食物殺菌的方法。利用一種真空管振蕩器產(chǎn)生高頻率電場。要處理的物品放置在橫跨電極的一容器里。推薦的工作頻率在60到600MHz之間。
一種叫做電純化的電處理流行于30年代，但失寵于60年代。這種處理方法中止的原因可能沒有發(fā)現(xiàn)。然而，許多文件指出，用電殺菌存在著細(xì)菌殺滅率不完全的問題。此外，這種處理方法還具有不殺孢子的缺點(diǎn)。
1985年6月18日授權(quán)的美國專利第4,524,079號提供了一種食品殺菌方法，這種食品具有相當(dāng)高的電阻系數(shù)，以便經(jīng)受一振蕩磁場的脈沖。被殺菌的物品在約5-500KHz頻率時經(jīng)受約2-100泰斯拉的強(qiáng)度。該發(fā)明人要求通過使用單一脈沖將微生物個數(shù)減少大約兩個數(shù)量級。但這種處理方法仍具有不殺孢子的缺點(diǎn)。
本發(fā)明的介紹最近，本發(fā)明人小塞德利.J.格里爾利用磁流體動力學(xué)(MHD)現(xiàn)象對殺菌處理進(jìn)行了試驗。如該技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員所知，MHD包括同時建立的橫向交叉的電場和磁場。本發(fā)明人已做過早期試驗，有關(guān)的專利涉及磁流體動力小型地震儀，即1985年4月15日和1988年8月16日頒布的美國專利第4,585,207號和第4,764,908號。
在MHD系統(tǒng)上進(jìn)行的繼續(xù)試驗顯示，對物品施加靜止的或直流的場可獲得超過任何現(xiàn)有技術(shù)所能獲得的殺菌效果。換句話說，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，殺菌路徑與提供橫跨該路徑的磁場和電場的MHD換能器配合使用可有效地對物品進(jìn)行殺菌。微生物被迅速殺死，且大量試驗證明，殺菌率是100％。此外，不需要使用振蕩場。磁場和電場在殺菌方面的這種意外的最佳合作效果使本發(fā)明顯得獨(dú)一無二。
經(jīng)研究，本發(fā)明的物理學(xué)方面主要基于離子速度等于或接近沸水溫度時的離子速度。利用有機(jī)溶液的典型傳導(dǎo)率，一個泰斯拉的磁鐵和1000伏的電位差，阿肯色大學(xué)的一個物理學(xué)教授對本發(fā)明人估計，OH-的速度大致等于在沸水里的速度(103米/秒)。
綜上所述，利用MHD單元進(jìn)行殺菌的最佳合作效果之一是，進(jìn)行殺菌的物品被“煮沸”，但物品的溫度不會升高。可能還有其它的殺死細(xì)菌的機(jī)理，但目前還沒有完全弄清。
實際試驗已經(jīng)做過，它們的結(jié)果如圖5所示。該圖顯示，細(xì)菌數(shù)量隨較高的磁通量水平、電力和作用時間而呈指數(shù)降低。在實際試驗里，這種處理方法可100％的殺死孢子。孢子殺死率被認(rèn)為是任何殺菌處理的基準(zhǔn)。
本發(fā)明的MHD殺菌系統(tǒng)包含了一種方法，該方法包含為了消滅大量微生物這一特殊目的而特別使用磁流體動力(MHD)現(xiàn)象，而這些微生物形成于流本、半流體、半固體或固體物品上。
MHD殺菌方法使用磁流體動力作用對通過一通道或在一靜止單元里的物品殺菌。該MHD單元包括一保存流體通道，而該通道帶有位于一磁鐵的兩磁極之間的電極。電場以與磁場成直角關(guān)系橫向通過流體。該系統(tǒng)被完全密封，且除了流體沒有移動的零件。交叉的電場和磁場使離子以等于或超過在沸水里的離子速度移動。經(jīng)研究，這個速度(伴隨其它現(xiàn)象)將殺死任何可能存在于流體里的細(xì)菌。
在“通道型”或流動型MHD殺菌系統(tǒng)里，物流經(jīng)過一監(jiān)測流量的流量傳感器和一監(jiān)測物品傳導(dǎo)率的傳導(dǎo)率傳感器。流量控制閥位于物品導(dǎo)管上，并由系統(tǒng)計算機(jī)控制。閥門的作用是防止流量超過系統(tǒng)有效殺菌的能力。
系統(tǒng)計算機(jī)比較流量和傳導(dǎo)率監(jiān)測數(shù)據(jù)，并指示受控能源提供正確的電位給MHD單元電極。
從流動型MHD單元出來的物品應(yīng)被徹底殺菌，以便供人或動物使用，或保護(hù)環(huán)境。
在靜止型單元的MHD殺菌系統(tǒng)里，物品放在穿孔的塑料過濾器里并下降到一端封閉的、盛放著中等鹽溶液的MHD單元里。在單元的頂部留有余地，以便允許流體隨MHD單元的工作而波動。
利用傳導(dǎo)率傳感器進(jìn)行傳導(dǎo)率監(jiān)測。系統(tǒng)計算機(jī)評估傳導(dǎo)率監(jiān)測數(shù)據(jù)，并指示受控能源給MHD單元電極提供電位，并持續(xù)一段能確保殺菌的時間。當(dāng)殺菌處理結(jié)束，計算機(jī)將通過可聽到的聲音和/或可見光提醒操作者。然后操作者可提起穿孔的塑料過濾器，取出經(jīng)過殺菌的物品。
附圖的簡要說明下面的附圖是說明書的一部分，并在說明書中得到說明，其中，所有附圖中相同的標(biāo)號可用來表示相同的零件。


圖1是顯示較佳的磁流體動力殺菌流動型系統(tǒng)的局部的示意圖；圖2A是較佳的磁流體動力流動型單元的放大的立體圖；圖2B是較佳的磁流體動力流動型單元的放大的剖視圖；圖3是較佳的磁流體動力靜止型單元的局部的示意剖視圖；圖4是較佳的磁流體動力靜止型單元的放大的剖視圖；圖5是表示利用本發(fā)明構(gòu)思進(jìn)行的實驗的實際效果的圖表。
實施本發(fā)明的最佳方式參看圖1，本發(fā)明的最佳方式、即一種流動型MHD殺菌系統(tǒng)用標(biāo)號10表示。首先應(yīng)該言明的是，這里公開的結(jié)構(gòu)可具有各種形狀，雖然我們現(xiàn)在公開的是我們認(rèn)為最佳的方式。
該系統(tǒng)較理想的是包括一在通向MHD流動型單元16的進(jìn)入導(dǎo)管14上的流量傳感器12。需要?dú)⒕奈锪饔眉^38和40表示。安裝在流量傳感器12和MHD流動型單元16之間的是傳導(dǎo)率傳感器18。傳導(dǎo)率傳感器18和流量傳感器12均不會妨礙物流經(jīng)過進(jìn)入導(dǎo)管14。來自流量傳感器12和傳導(dǎo)率傳感器18的輸出信號傳送給中央處理機(jī)(CPU)20。而CPU20與線電壓34連接。電動流量控制閥22安裝在輸出導(dǎo)管24上，以便調(diào)整經(jīng)過MHD流動型單元16的物流量。流量控制閥22與一閥門控制器26電氣連接。閥門控制器26接受CPU20的信號，而CPU20的信號是根據(jù)流量傳感器12和傳導(dǎo)率傳感器18的輸出信號發(fā)出的。受控電源28給閥門控制器26和MHD流動型單元16供電。而受控電源28接受線電壓36的電力。電纜30和32將受控電源28的直流電力傳送給MHD流動型單元16。閥門控制器26將電力輸送給流量控制閥22，以便打開或關(guān)閉閥22，使經(jīng)過MHD流動型單元16的物流處于正確水平上。閥門控制器26受來自CPU20的電信號的控制。
流量控制閥22將保持充分打開狀態(tài)，除非由傳導(dǎo)率傳感器18監(jiān)測的物質(zhì)傳導(dǎo)率相對由流量傳感器12監(jiān)測的物流存在著不足。
在理想的工作狀態(tài)下，存在著充分的物質(zhì)傳導(dǎo)率，CPU20將發(fā)一個電信號給受控電源28，然后該受控電源28調(diào)整電纜30和32之間的電位差。CPU還將發(fā)一個電信號給閥門控制器26，閥門控制器26使流量控制閥22節(jié)流，以便將物流速度降至一水平，從而使電纜30和32之間的最大電位差成為一個完全的細(xì)菌殺手。
由于殺菌是由MHD單元進(jìn)行的，因此由橫跨MHD流動型單元16引起的足夠壓力對于殺菌系統(tǒng)的工作來說可能是一個有效的泵。這是因為，施加在橫跨垂直于移動方向的一條路徑上的、足夠的橫向電場和磁場將通過磁流體動力作用而產(chǎn)生物質(zhì)移動。
請同時參看圖2A和2B,MHD流動型單元16包括一剛性的、通常是C型的高性能永磁鐵或電磁鐵42，它輸出橫跨磁極44和46磁場，該磁場通常沿垂直于物流通過通道48的方向延伸。
如圖所示，MHD電極50和52置于通道48的頂部和底部，并永久性地固定在形成于通道48頂部和底部的適當(dāng)縫槽里。這些電極通過管狀護(hù)套54安裝在磁極44和46之間的磁鐵內(nèi)，而護(hù)套54包裹著電極50和52及在磁極44和46之間的一部分通道48。提供橫跨這些電極的電位，從而形成一電場。該電場的方向垂直于由磁極44和46建立的磁場的方向。此外，磁場和電場的方向均垂直于物流通過通道48的方向。通過交叉的電場和磁場引發(fā)的高速離子(大約103米/秒)可殺滅細(xì)菌。在這種結(jié)構(gòu)里，施加在磁極44和46之間的磁場較佳的是在1至5泰斯拉范圍內(nèi)。高效殺菌所需要的電壓在100和1000伏之間。
現(xiàn)在參看圖3和4，標(biāo)號60表示本發(fā)明靜止型單元MHD殺菌系統(tǒng)的最佳方式。
該系統(tǒng)最好包括靜止型MHD單元62。該靜止型MHD單元62在結(jié)構(gòu)上類似于流動型MHD單元16，除了它是直立放置以及通道被關(guān)閉外。靜止型MHD單元具有在通道68開口端相對兩側(cè)上的電極64和66。提供一大的C型永磁鐵或電磁鐵72，以便產(chǎn)生垂直于在電極64和65之間建立的電場的磁場。工作流體70部分充填通道68。除非靜止型單元用于小批量流體殺菌，工作流體70是輕度鹽溶液。通常，需要?dú)⒕臇|西、諸如醫(yī)療器械放置在工作流體70里。提供一有穿孔的塑料過濾器86，以便防止金屬東西與電極接觸，并較容易取出任何被殺菌的固體物質(zhì)。
固態(tài)信號調(diào)節(jié)器74與監(jiān)測工作流體70傳導(dǎo)率的傳導(dǎo)率傳感器88連接。調(diào)節(jié)器74的輸出端與CPU76連接。而CPU76通常與線電壓34連接。提供一受控電源78，以便給靜止型MHD單元62上的電極64和66提供直流電位。受控電源78接受來自線電壓36的電力。電纜80和82將來自受控電源80的電力輸送給靜止型MHD單元62上的電極64和66。
在工作狀態(tài)下，CPU76通過接受來自信號調(diào)節(jié)器74的信號監(jiān)測流體傳導(dǎo)率。然后，CPU76輸送一個電信號給受控電源78，受控電源78將調(diào)節(jié)電纜80和82之間的電位差。CPU76將產(chǎn)生一個聽得見和/或看得見的報警信號，讓操作者知道，殺菌過程已經(jīng)完成。在已知的靜止型MHD單元62的磁性強(qiáng)度和工作流體70的傳導(dǎo)率下，電位差和作用時間將對應(yīng)于殺滅全部細(xì)菌所需要的值。通過交叉的電場和磁場引發(fā)的高速離子(大約103米/秒)可殺滅細(xì)菌。在這種結(jié)構(gòu)里，磁場較佳的是在1至5泰斯拉范圍內(nèi)。高效殺菌所需要的電壓在100和1000伏之間。
由于殺菌是通過MHD單元進(jìn)行的，因此在靜止型MHD單元62的頂部將有一個波動區(qū)84。這是必要的，因為在橫跨一垂直于移動方向的路徑上施加足夠的橫向電場和磁場將通過磁流體動力作用而產(chǎn)生流體移動。
應(yīng)該明白，圖1和3所示的控制回路是目前最好的方式。然而，由于不斷地實踐，可以設(shè)想該回路還會變化。本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員可以看到，許多不同的類似方案也可提供類似的效果。
工業(yè)實用性因此，本發(fā)明的目的和優(yōu)點(diǎn)是(1)提供一種殺菌處理，它能迅速地和經(jīng)濟(jì)地應(yīng)用于各種各樣的物品；(2)提供一種殺菌處理，它不需要對要處理的物品使用核輻射、微波能、高熱或殺菌化學(xué)品；(3)提供一種殺菌處理，它沒有有害的副作用，諸如使食物中的維生素和營養(yǎng)降解；(4)提供一種具有上述特征的系統(tǒng)，它能夠處理醫(yī)療和獸醫(yī)廢物；(5)提供一種系統(tǒng)，它能夠經(jīng)濟(jì)地對廢水殺菌，從而有助于水的回收和凈化；(6)提供一種具有上述特征的系統(tǒng)，它能夠處理肉、家禽和奶類等食品；(7)克服單獨(dú)使用電流或磁力、以便釋放熱量和/或電解的缺點(diǎn)(MHD產(chǎn)生可傳送給物流的能量，但沒有可感知數(shù)量的熱能)。
從上所述可看到，本發(fā)明是一種能很好實現(xiàn)上述目的、以及該結(jié)構(gòu)固有的其它優(yōu)點(diǎn)的方案。
雖然上述介紹包含許多內(nèi)容，但它們不是用來限制本發(fā)明的范圍，而僅僅是一個示范的較佳實施例。許多其它的變化是可能的。例如，可在MHD電極上使用交替的或脈沖的電流，以便在流體里產(chǎn)生必要的離子速度，這樣，只有流體移動力有損失，而殺菌作用依然不變。還可以有許多控制回路，以便將電力輸送給殺菌的MHD單元。
因此，本發(fā)明的范圍不應(yīng)由所述的實施例限定，而應(yīng)由附后的權(quán)利要求書和它們的法律等同物限定。
權(quán)利要求
1．一種通過使物品流過一磁流體動力單元而對物品殺菌的方法，所述磁流體動力單元包括一供所述要?dú)⒕奈锲吠ㄟ^的通道；一建立磁場的裝置，該磁場基本上垂直于所述通道；以及一同時產(chǎn)生電場的裝置，該電場基本上垂直于所述磁場和所述通道。
2．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立磁場的裝置是永磁鐵。
3．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述建立磁場的裝置是電磁鐵。
4．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述產(chǎn)生電場的裝置包括一組兩個沿所述通道軸向延伸并相對安裝的電極，所述一組兩個電極基本上沿所述磁場的全部長度延伸，所述一組兩個電極位于所述通道的徑向外壁上；所述一組兩個電極具有電位差，一能源裝置產(chǎn)生所述電位差。
5．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括用來監(jiān)測所述物品的傳導(dǎo)率的裝置；以及響應(yīng)監(jiān)測物品傳導(dǎo)率的所述裝置來調(diào)節(jié)所述電場的裝置，由此確保對所述物品殺菌。
6．如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，還包括用來監(jiān)測所述物品傳導(dǎo)率的裝置；用來監(jiān)測所述物品流動速度的裝置；用來調(diào)節(jié)所述物品流動速度的裝置；以及根據(jù)監(jiān)測物品傳導(dǎo)率的所述裝置和監(jiān)測物品流動速度的所述裝置調(diào)節(jié)所述電場的裝置，由此確保對所述物品殺菌和不超過所述磁流體動力單元最有效殺菌時的流動速度。
7．一種對物品殺菌的裝置，包括一磁流體動力殺菌單元，所述磁流體動力殺菌單元包括一供要?dú)⒕奈锲肥褂玫耐ǖ溃鐾ǖ酪欢朔忾]；建立磁場的裝置，所述磁場基本上垂直于所述通道；以及同時產(chǎn)生一電場的裝置，所述電場基本上垂直于所述磁場和所述通道。
8．如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述建立磁場的裝置是永磁鐵。
9．如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述建立磁場的裝置是電磁鐵。
10．如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，所述產(chǎn)生電場的裝置包括一組兩個沿所述通道軸向延伸并相對安裝的電極，所述一組兩個電極基本上沿所述磁場的全部長度延伸，所述一組兩個電極位于所述通道的徑向外壁上；所述一組兩個電極具有電位差，一能源裝置產(chǎn)生所述電位差。
11．如權(quán)利要求7所述的裝置，其特征在于，還包括用來監(jiān)測所述物品的傳導(dǎo)率的裝置；以及響應(yīng)監(jiān)測物品傳導(dǎo)率的所述裝置來調(diào)節(jié)所述電場的裝置，由此確保對所述物品殺菌。
全文摘要
本發(fā)明的目的為了消滅在物品里的細(xì)菌這一特殊用途而利用磁流體動力(MHD)作用。MHD單元(16)包括一流體通道(48),它帶有位于磁鐵(42)的磁極之間且位相相差90度的電極(50,52)。電場以與流體成90度角的關(guān)系橫向通過所述流體。交叉的電場和磁場使離子移動速度等于或超過在沸水里的離子移動速度。本發(fā)明提供一種流動型MHD殺菌系統(tǒng)(10)和一種靜止型MHD殺菌系統(tǒng)(60)。
文檔編號A61L11/00GK1231619SQ97198361
公開日1999年10月13日 申請日期1997年9月12日 優(yōu)先權(quán)日1996年9月30日
發(fā)明者塞德利·J·格里爾 申請人:范例技術(shù)股份有限公司