相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用

本申請(qǐng)要求2014年10月23日申請(qǐng)的第62/067,976號(hào)美國臨時(shí)專利申請(qǐng)的優(yōu)先權(quán)權(quán)益，所述申請(qǐng)的整個(gè)公開內(nèi)容以引用方式并入本文。

本發(fā)明大體上涉及使用射頻(300khz-300mhz)能量加熱物品的系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

電磁輻射是用于將能量遞送到對(duì)象的已知機(jī)制。電磁輻射以快速且有效方式穿透且加熱對(duì)象的能力已經(jīng)證明在許多化學(xué)和工業(yè)過程中是有利的。在過去，射頻(rf)能量已經(jīng)用以通過例如感應(yīng)加熱或介電加熱而加熱物品。然而，使用rf能量加熱物品會(huì)具有一些缺點(diǎn)。舉例來說，rf能量的波長可使得難以用有效方式傳輸和發(fā)射rf能量。本發(fā)明涉及針對(duì)最少化和/或消除與使用rf能量加熱物品常規(guī)上相關(guān)聯(lián)的許多缺點(diǎn)的發(fā)現(xiàn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的某些實(shí)施例提供一種射頻(rf)加熱系統(tǒng)，其以改善的有效性和效率加熱多個(gè)物品。由所述rf加熱系統(tǒng)提供的加熱可用以對(duì)物品進(jìn)行巴氏殺菌或消毒。所述rf加熱系統(tǒng)可包含以下組件：(a)rf產(chǎn)生器，其用于產(chǎn)生rf能量；(b)rf波導(dǎo)，其被配置成大體上填充有液體，且當(dāng)填充有所述液體時(shí)能夠傳輸由所述rf產(chǎn)生器產(chǎn)生的rf能量；(c)rf加熱腔室，其被配置成大體上填充有所述液體，且當(dāng)填充有所述液體時(shí)能夠接收通過所述rf波導(dǎo)傳輸?shù)膔f能量；以及(d)傳送系統(tǒng)，其接納于所述rf加熱腔室中且被配置成在所述物品正由rf能量加熱的同時(shí)將所述物品傳送通過所述rf加熱腔室。

本發(fā)明的其它實(shí)施例提供一種用于使用射頻(rf)能量加熱物品的方法。所述rf加熱方法可包含以下步驟：(a)使rf能量通過大體上填充有液體的rf波導(dǎo)；(b)將rf能量引入到大體上填充有所述液體的rf加熱腔室中；以及(c)使用rf能量加熱傳送通過所述rf加熱腔室的物品。

附圖說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例配置的rf加熱系統(tǒng)的典型步驟/區(qū)的框圖；

圖2是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例配置的rf加熱區(qū)的一部分的剖視等距視圖，特定來說圖示了如何使用相對(duì)的發(fā)射器將rf能量施加于傳送通過加熱腔室的封裝；

圖3是圖2的rf加熱區(qū)的端視圖；

圖4示出了使用單側(cè)發(fā)射器將rf能量施加于物品的rf加熱區(qū)；

圖5示出了使用腔室的同一側(cè)上的兩個(gè)鄰近單側(cè)發(fā)射器將rf能量施加于物品的rf加熱區(qū)；

圖6示出了使用腔室的相對(duì)側(cè)上的兩個(gè)間隔開的單側(cè)發(fā)射器將rf能量施加于物品的rf加熱區(qū)；

圖7是使用相對(duì)發(fā)射器的rf加熱區(qū)的等距視圖，所述發(fā)射器被定向以使得發(fā)射器的最寬壁垂直于物品的行進(jìn)方向；

圖8是圖7的rf加熱區(qū)的側(cè)視圖；

圖9是圖8的rf加熱區(qū)的端視圖；

圖10是配備有多個(gè)介電場(chǎng)塑形器的rf加熱區(qū)的剖視等距視圖；

圖11是圖10的rf加熱區(qū)的橫截面圖；

圖12是配備有介電巢套系統(tǒng)的載體的分解等距視圖，所述系統(tǒng)用于接納將在rf加熱區(qū)中加熱的物品；以及

圖13是圖12的載體的橫截面圖。

具體實(shí)施方式

在許多商業(yè)過程中，可能需要以快速且均勻的方式加熱大量個(gè)別物品。本發(fā)明使用射頻(rf)能量來快速且均勻地加熱物品，或輔助加熱物品?？稍诒景l(fā)明的rf加熱系統(tǒng)中加熱的合適物品的實(shí)例可包含(但不限于)食物、醫(yī)療流體和醫(yī)療器械。在一個(gè)實(shí)施例中，本文描述的rf加熱系統(tǒng)可用于正在加熱的物品的巴氏殺菌或消毒。大體上，巴氏殺菌涉及將一個(gè)或多個(gè)物品快速地加熱到70℃與100℃之間的最小溫度，而消毒涉及將一個(gè)或多個(gè)物品加熱到100℃與140℃、110℃與135℃或120℃與130℃之間的最小溫度。

圖1是根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例配置的rf加熱系統(tǒng)的總體圖。如圖1中所示，一個(gè)或多個(gè)物品可最初引入到預(yù)加熱區(qū)10中，其中可將物品預(yù)加熱到大體上均勻的預(yù)加熱溫度(例如，20℃到70℃)。一旦經(jīng)預(yù)加熱，便可將物品引入到rf加熱區(qū)12中。在rf加熱區(qū)中，可使用通過下文更詳細(xì)描述的一個(gè)或多個(gè)rf發(fā)射器排放到加熱區(qū)12的至少一部分中的rf能量來快速加熱物品。經(jīng)加熱物品隨后可任選地通過保持區(qū)14，其中可將物品維持于恒定溫度達(dá)指定時(shí)間量。隨后，接著可將物品傳遞到降溫區(qū)16，其中可將物品的溫度快速降低到合適的處置溫度(例如，20℃到70℃)。

圖1的rf加熱系統(tǒng)可被配置成加熱許多不同類型的物品。在一個(gè)實(shí)施例中，在rf加熱系統(tǒng)中加熱的物品可包括食物，例如水果、蔬菜、肉、面食、預(yù)制的飯以及甚至飲料。在其它實(shí)施例中，在rf加熱系統(tǒng)中加熱的物品可包括封裝的醫(yī)療流體或者醫(yī)療和/或牙科器械。在rf加熱系統(tǒng)內(nèi)處理的物品可具有任何合適的大小和形狀。在一個(gè)實(shí)施例中，每一物品可具有至少約2英寸、至少約4英寸、至少約6英寸和/或不大于約18英寸、不大于約12英寸或不大于約10英寸的長度(最長尺寸)；至少約1英寸、至少約2英寸、至少約4英寸和/或不大于約12英寸、不大于約10英寸或不大于約8英寸的寬度(第二最長尺寸)；和/或至少約0.5英寸、至少約1英寸、至少約2英寸和/或不大于約8英寸、不大于約6英寸或不大于約4英寸的深度(最短尺寸)。物品可包括具有大體上矩形或棱柱狀形狀的個(gè)別項(xiàng)目或封裝，或者可包括通過rf加熱系統(tǒng)的所連接項(xiàng)目或封裝的連續(xù)的網(wǎng)。所述項(xiàng)目或封裝可以由包含塑料、纖維素材料和其它大體上對(duì)rf透明的材料的任何材料構(gòu)造，且可經(jīng)由一個(gè)或多個(gè)傳遞系統(tǒng)通過rf加熱系統(tǒng)，下文將詳細(xì)論述所述傳遞系統(tǒng)的實(shí)施例。

根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，上述預(yù)加熱、rf加熱、保持和/或降溫區(qū)中的每一者可以在單個(gè)器皿內(nèi)界定，而在另一實(shí)施例中，上述級(jí)中的至少一者可以在一個(gè)或多個(gè)單獨(dú)器皿內(nèi)界定。根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，上述步驟中的至少一者可以在至少部分填充有流體介質(zhì)的器皿中實(shí)行，其中正在處理的物品可至少部分地浸沒于所述流體介質(zhì)中。所述流體介質(zhì)可以是具有大于空氣的介電常數(shù)的介電常數(shù)的氣體或液體，且在一個(gè)實(shí)施例中，可以是具有類似于正在處理的物品的介電常數(shù)的介電常數(shù)的液體介質(zhì)。此液體介質(zhì)可具有在20℃下至少40、60或70和/或不大于120、100或90的介電常數(shù)。水(或包括水的液體介質(zhì))可以尤其適合于用以加熱可食用和/或醫(yī)療裝置或物品的系統(tǒng)。在一個(gè)實(shí)施例中，如果需要，那么在處理期間任選地可以將例如油、醇類、二醇類和鹽等添加劑添加到液體介質(zhì)以更改或增強(qiáng)其物理性質(zhì)(例如，沸點(diǎn))。

rf加熱系統(tǒng)可包含至少一個(gè)傳遞系統(tǒng)，用于將物品輸送通過上述處理區(qū)中的一個(gè)或多個(gè)。合適的傳遞系統(tǒng)的實(shí)例可包含(但不限于)塑料或橡膠帶傳送器、鏈傳送器、輥傳送器、柔性或多撓曲傳送器、線網(wǎng)傳送器、斗式傳送器、氣動(dòng)傳送器、螺旋傳送器、槽式或振動(dòng)傳送器，及其組合。所述傳遞系統(tǒng)可包含任何數(shù)目的個(gè)別傳送線，且可以任何合適方式布置于過程器皿內(nèi)。rf加熱系統(tǒng)利用的傳遞系統(tǒng)可以配置于器皿內(nèi)的大體上固定位置中，或者系統(tǒng)的至少一部分可以在橫向或垂直方向上調(diào)整。

在rf加熱區(qū)12中，可以借助使用rf能量的加熱源快速地加熱物品。如本文使用，術(shù)語“rf能量”指代具有大于300khz且小于300mhz的頻率的電磁能量。在一個(gè)實(shí)施例中，rf加熱區(qū)的各種配置可利用具有50到150mhz的頻率的rf能量。除了rf能量，rf加熱區(qū)還可任選地利用一個(gè)或多個(gè)其它熱源，例如傳導(dǎo)或?qū)α骷訜峄蛘咂渌Ｒ?guī)加熱方法或裝置。然而，在rf加熱區(qū)12內(nèi)用以加熱物品的能量的至少約25％、約50％、約70％、約85％、至少約90％、至少約95％或大體上全部可以是來自rf能量源的rf能量。在某些實(shí)施例中，在rf加熱區(qū)中用以加熱物品的能量的小于50％、小于25％、小于10％、小于5％或大體上沒有能量是通過具有大于300mhz的頻率的電磁輻射提供。

根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，rf加熱區(qū)12可被配置成將物品的溫度增加到高于最小閾值溫度。在其中rf系統(tǒng)被配置成使多個(gè)物品消毒的一個(gè)實(shí)施例中，所述最小閾值溫度(以及rf加熱區(qū)12的操作溫度)可為至少約120℃、至少約121℃、至少約122℃和/或不大于約130℃、不大于約128℃，或不大于約126℃。rf加熱區(qū)12可在近似周圍壓力下操作，或者其可包含一個(gè)或多個(gè)加壓rf腔室，所述腔室在至少約5psig、至少約10psig、至少約15psig和/或不大于約80psig、不大于約60psig或不大于約40psig的壓力下操作。在一個(gè)實(shí)施例中，加壓rf腔室可以是具有操作壓力的以液體填充的腔室，使得正在加熱的物品可達(dá)到高于其中采用的液體介質(zhì)的正常沸點(diǎn)的溫度。

通過rf加熱區(qū)12的物品可在相對(duì)短時(shí)間周期中加熱到所需溫度，這在一些情況下可以使物品的損壞或降級(jí)最少。在一個(gè)實(shí)施例中，通過rf加熱區(qū)12的物品可具有至少約5秒、至少約20秒、至少約60秒和/或不大于約10分鐘、不大于約8分鐘或不大于約5分鐘的平均駐留時(shí)間。在相同或其它實(shí)施例中，rf加熱區(qū)12可被配置成在至少約15℃/分鐘(℃/min)、至少約25℃/分鐘、至少約35℃/分鐘和/或不大于約75℃/分鐘、不大于約50℃/分鐘或不大于約40℃/分鐘的加熱速率下，使正在加熱的物品的平均溫度增加至少約20℃、至少約30℃、至少約40℃、至少約50℃、至少約75℃和/或不大于約150℃、不大于約125℃或不大于約100℃。

圖2和3分別提供rf加熱區(qū)20的一個(gè)實(shí)施例的等距視圖和側(cè)視圖，其中rf能量產(chǎn)生于rf能量產(chǎn)生器22中，經(jīng)由同軸導(dǎo)體24從rf產(chǎn)生器22傳送，使用上部和下部同軸到波導(dǎo)過渡部28a、b傳送到上部和下部以水填充的波導(dǎo)26a、b中，傳送通過以水填充的波導(dǎo)26a、b，經(jīng)過任選的電感性膜片32a、b且進(jìn)入上部和下部以水填充的發(fā)射器34a、b，傳送出上部和下部以水填充的發(fā)射器34a、b且進(jìn)入以水填充的rf加熱腔室36。在rf加熱腔室36中，在物品38(例如，食品封裝)沿著可包含載體40和鏈驅(qū)動(dòng)器42的傳送系統(tǒng)上移動(dòng)時(shí)，rf能量加熱所述物品。雖然圖2僅示出使用的一對(duì)發(fā)射器34a、b，但應(yīng)理解，可使用兩對(duì)或更多對(duì)間隔開的發(fā)射器。

同軸導(dǎo)體24包含外部導(dǎo)體和內(nèi)部導(dǎo)體。如圖3中可能最佳圖示，外部導(dǎo)體終止于波導(dǎo)26的壁處，而中心導(dǎo)體延伸通過波導(dǎo)26的一個(gè)壁，進(jìn)入波導(dǎo)26的內(nèi)部，且到達(dá)(或通過)波導(dǎo)26的相對(duì)壁。介電套管包圍中心導(dǎo)體，其中中心導(dǎo)體穿透波導(dǎo)26的壁。此介電套管充當(dāng)障壁以防止液體從波導(dǎo)26的內(nèi)部傳遞到同軸導(dǎo)體24中。所述介電套管可以能夠容易與波導(dǎo)26密封且大體上對(duì)微波透明的材料制成。在一個(gè)實(shí)施例中，所述介電套管可由玻璃纖維填充聚四氟乙烯(ptfe)材料形成。

已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，通過用具有比空氣更接近于水的介電常數(shù)的液體填充波導(dǎo)26、發(fā)射器34和rf加熱腔室36，rf能量可更有效且高效地傳輸?shù)秸诩訜岬奈锲?8。填充波導(dǎo)26、發(fā)射器34和rf加熱腔室36的液體充當(dāng)傳送介質(zhì)，rf能量在從同軸到波導(dǎo)過渡部28a、b引導(dǎo)到物品時(shí)傳送通過所述傳送介質(zhì)。填充波導(dǎo)26、發(fā)射器34和rf加熱腔室36的液體可經(jīng)預(yù)處理以使其電導(dǎo)率最小化。所述液體(例如，水)的電導(dǎo)率優(yōu)選小于100ms/m、小于50ms/m、小于10ms/m、小于5ms/m或小于0.5ms/m。在某些實(shí)施例中，蒸餾水或去離子水可用以填充波導(dǎo)26、發(fā)射器34和rf加熱腔室36。

波導(dǎo)26、發(fā)射器34和rf加熱腔室36可對(duì)彼此開放，從而準(zhǔn)許波導(dǎo)26、發(fā)射器34和rf加熱腔室36中含有的液體彼此共享。然而，波導(dǎo)26、發(fā)射器34和rf加熱腔室是密封系統(tǒng)的部分，所述密封系統(tǒng)不允許液體泄漏出rf加熱區(qū)，但rf加熱系統(tǒng)可包含用于再循環(huán)和/或更換rf加熱區(qū)中的液體的系統(tǒng)。

波導(dǎo)26、發(fā)射器34和rf加熱腔室36可含有少量空氣。然而，波導(dǎo)26、發(fā)射器34和rf加熱腔室36的大體上所有內(nèi)部體積優(yōu)選將具有液體，例如水。因此，波導(dǎo)26、發(fā)射器34和rf加熱腔室36的內(nèi)部體積的至少75、90、95、99或100％可填充有液體。

波導(dǎo)26、發(fā)射器34和rf加熱腔室36填充有例如水等液體允許這些組件的尺寸比波導(dǎo)26、發(fā)射器34和rf加熱腔室36填充有空氣的情況小得多。舉例來說，攜帶rf能量的波導(dǎo)可具有大體上矩形橫截面，其中最寬波導(dǎo)壁的尺寸在5到40英寸、10到30英寸或12到20英寸的范圍中，且最窄波導(dǎo)壁的尺寸在2到20英寸、4到12英寸或6到10英寸的范圍中。

使用rf能量加熱物品38可提供能量到正處理的物品38中的深滲透，可使所需發(fā)射器34的數(shù)目最少，且可提供高場(chǎng)均勻性以用于較均勻的加熱。

圖4圖示了采用單側(cè)發(fā)射器42的替代rf加熱區(qū)40。圖5圖示了在腔室的同一側(cè)上采用單側(cè)鄰近發(fā)射器50a、b的替代rf加熱區(qū)50。圖6圖示了在腔的相對(duì)側(cè)上具有單側(cè)間隔開的發(fā)射器62a、b的替代rf加熱區(qū)60。

圖7、8和9分別提供rf加熱區(qū)70的等距視圖、側(cè)視圖和端視圖，其中rf波導(dǎo)74的最寬壁72以及rf發(fā)射器78的最寬壁76垂直于傳送系統(tǒng)上的物品的傳播軸線。已經(jīng)示出rf波導(dǎo)和/或rf發(fā)射器的此定向增強(qiáng)了場(chǎng)均勻性。

圖10和11圖示了任選的介電場(chǎng)塑形器80a、b、c、d、e、f、g、h，其用以增強(qiáng)rf加熱腔室中的場(chǎng)均勻性以便防止受加熱物品中的大溫度梯度。所述介電場(chǎng)塑形器可由吸收極少rf能量且具有與填充rf加熱腔室的水不同的介電常數(shù)的材料形成。舉例來說，所述介電場(chǎng)塑形器的介電常數(shù)可小于20、小于10、小于5，或小于2.5。

圖12和13示出了載體90，其包含外部框架92、上部和下部保持柵格94a、b以及介電巢96。介電巢96包含用于接納正在加熱的個(gè)別物品98的多個(gè)開口。介電巢96大體上填充個(gè)別物品94之間的空隙。介電巢96的介電常數(shù)優(yōu)選大體上類似于正在加熱的物品98的介電常數(shù)。舉例來說，介電巢96的介電常數(shù)可在正在加熱的物品98的介電常數(shù)的50％內(nèi)、25％內(nèi)、10％內(nèi)或5％內(nèi)。在某些實(shí)施例中，介電巢98具有在20℃下至少2、10、20、40或60和/或不大于160、120、100或90的介電常數(shù)。

本發(fā)明的rf加熱系統(tǒng)可為能夠在相對(duì)短時(shí)間中處理大量物品的商業(yè)級(jí)加熱系統(tǒng)。如本文描述的rf加熱系統(tǒng)可被配置成實(shí)現(xiàn)每傳送線每分鐘至少約2個(gè)封裝、每傳送線每分鐘至少15個(gè)封裝、每傳送線每分鐘至少約20個(gè)封裝、每傳送線每分鐘至少約75個(gè)封裝，或每傳送線每分鐘至少約100個(gè)封裝的總體生產(chǎn)率。

如本文使用，術(shù)語“每分鐘封裝”指代根據(jù)以下程序能夠由rf加熱系統(tǒng)處理的以乳清蛋白凝膠填充的8盎司mre(快餐)封裝的總數(shù)目：從ameriqualgroupllc(美國印第安納州埃文斯維爾市)市售的填充有乳清蛋白凝膠布丁的8盎司mre封裝連接到定位于布丁中沿著x、y和z軸線中的每一者間隔的五個(gè)等距位置處的多個(gè)溫度探測(cè)器，所述軸線源自所述封裝的幾何中心。隨后將所述封裝放置于正在評(píng)估的rf加熱系統(tǒng)中，且加熱直到探測(cè)器中的每一者記錄高于指定最小溫度(例如，對(duì)于消毒系統(tǒng)的120℃)的溫度。實(shí)現(xiàn)此溫度分布所需的時(shí)間以及關(guān)于加熱系統(tǒng)的物理和尺寸信息可隨后用以計(jì)算以每分鐘封裝計(jì)的總體生產(chǎn)率。

上文描述的本發(fā)明的優(yōu)選形式將僅用作說明，且不應(yīng)當(dāng)在限制性意義上用來解譯本發(fā)明的范圍。在不脫離本發(fā)明的精神的情況下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可容易做出對(duì)上文陳述的一個(gè)示例性實(shí)施例的明顯修改。

發(fā)明人特此陳述其希望依賴于等同原則，關(guān)于未實(shí)質(zhì)上脫離如所附權(quán)利要求書中陳述的本發(fā)明的字面范圍但在所述范圍之外的任何設(shè)備，來確定和估定本發(fā)明的合理公正范圍。