用于生成交替射频电磁场的设备、控制方法以及使用此设备的车间

摘要

一种用于在工作区域(3)中生成交替射频电磁场的设备，包括：敷料器(2)，用于在工作区域(3)中发射电磁场、振荡器(4)，用于将具有预定值和预定频率的交流电压(V

说明书

技术领域

本发明通常在射频处理系统的领域得到应用，并且特别地涉及用于生成交 替射频电磁场的设备。

本发明还涉及控制用于生成交替射频电磁场的设备的方法，以及包括如此 发生器设备的产品处理车间(plant)。

背景技术

已知用于通过应用和使用具有各种频率的交替电磁场来处理并调节各种 类型的产品的车间。

特别地，车间被已知为使用运行于微波或射频范围的电磁场运行，并且用 于干燥相对湿的产品，诸如皮革和涂剂产品。

电磁场还被用在食品加工产业，例如用于对包括牛奶的产品或蛋类的产品 的巴氏杀菌并且通常用于任何食品产品的调节和/或卫生处理。

申请人由此制造并销售使用交替射频电磁场的处理车间，如此车间基本地 包括将电压供应到具有一对电极的敷料器(applicator)的电压发生器，这些电 极用于生产通过其将要被处理的产品设计为穿过的电磁场。

敷料器还包括电容器，其与电极电连接并且具有一对对置盘(opposed  plates)。在盘之间的距离可以被机械地调整以改变电容器的电容，从而改变向 电极供应的电压，并且相应地改变电磁场发射功率。

对于功率调整，可以改变通过在要被处理的产品上的电磁场所生成的热温 度。

虽然此方案已经表现了显著的效果以及可靠性，但其仍容许改进，即涉及 电磁场功率的调控。

用于改变场功率的电容器的盘的机械运动具有相对长的响应时间，其不允 许瞬时操作温度适应。

代表最接近的现有技术的US2640908公开了包括具有权利要求1的前序 部分的特性的一对电极的振动器。

发明内容

本发明的目的是通过提供用于应用射频电磁场的、高效率并且相对高成效 的设备来消除上面的缺陷。

特别目的是提供一种用于应用射频(RF)电磁场的设备，当通常在用于 产品的RF处理的车间中被使用时，允许产品处理温度的快速和动态调控。

另外的目的是提供一种用于应用RF电磁场的设备，以通过阻止意外的放 电的生成来确保高安全。

另一个目的是提供一种通过应用RF电磁场来处理产品的车间，以允许产 品的高效处理而无需影响它们的内在属性。

本发明的另一个重要的目的是提供控制产品的RF处理的车间的方法，其 允许快速和立即调整车间的一个或多个控制参数。

如以下所较好说明的，通过如权利要求1中所定义的生成用于交替电磁场 的设备来满足这些以及其他目标。

控制装置包括连接到电力网络的输入，被连接到所述输入的第一电子控制 电路用于如此电参数的实质瞬时改变以及场发射功率的瞬时控制，第二电子控 制电路用于调控如此振荡器的运行，其中第一电子电路具有连接到如此的电源 装置的输出。

通过此特别配置，场发射功率以及由此的产品处理温度可以被无需延迟地 实际调控，这是因为不需要机械调控以将车间设定到新的操作配置。

在另外的方面，本发明涉及如权利要求11所定义的控制用于生成交替电 磁场的设备的方法。

在又一个方面，本发明涉及如权利要求12所定义的用于通过交替电磁场 来处理产品的车间。

根据从属权利要求来定义本发明的优选实施例。

附图说明

从本发明的设备的一些优选的、非排他性的实施例的详细描述中本 发明的进一步的特征和优点将变得更加显而易见，其通过借助附图的帮 助的非限制性示例所描述，其中：

图1是根据本发明用于生成电磁场的设备的示例性方框视图；

图2表示如图1的车间中所使用的普通二极管的电流-电压特性；

图3至图7表示图1的细节的各种实施例中的简化布线示意图；

图8是根据本实施例的控制用于生成电磁场的设备的方法的示例性方框 图。

具体实施方式

图1表示用于在预定工作区域中生成交替射频电磁场的设备。

通常通过标记1所指定的设备可以被指定为以实质上恒定频率来生成交 替电磁场或以落入预定带(band)的频率交替地生成交替电磁场。

用于电磁场的优选频率从5MHz(兆赫兹)到500MHz变动。特别地，可 以在用于民间或工业用途的由国际标准所准许的频率范围之内来选择适合的 频率，其中心值是6.78-13.56-27.12-40.68-433.92MHz。

更优选地，运行频率范围将从20MHz到50MHz变动，如在实验上发现通 过这些更低值获取最佳结果，例如大约27.12MHz到40.68MHz，。

设备1可以被使用在用于产品的RF处理的任何车间中。

未示出的包含本发明的设备的一般车间可以在食品加工产业得到应用，例 如通常食品的杀菌、巴氏杀菌和/或处理，特别是基于牛奶和/或蛋类的产品、 面粉、谷物等，如在通过本文的申请人的、EP2375910和EP1912512中所描述 以及所示出的。

在通常工业皮革的制革以及处理的领域中可以得到更有前景的应用，例如 用于减少皮革中初始相对湿度含量，其来自鞣浴或其他工业特定处理。

申请人已提供工业皮革干燥车间，其使用具有平电极的、用于生成交替 RF电磁场的设备，该平电极用于生成通过其要被处理的皮革被设计为穿过的 实质上均匀的电磁场。

类似车间的另外的应用可以是聚合材料的处理和干燥，诸如已经历了用基 于水的喷涂的表面处理的外观等。

本发明的车间与用于交替RF电磁场发生器设备的特别配置的如此的现有 技术的车间本质上不同。

设备1基本包括用于在工作区域3发射电磁场的敷料器2、用于提供具有 预定值和预定频率的交流电流I_RF和电压V_RF的振荡器4以及用于将实质上DC 电压V_CC供应到振荡器4的电源装置5。

工作区域3是通过其要被处理的产品被设计为穿过的区域，并且根据产品 的类型以及用于通过车间供给它们的特别装置被设计。

本身未被示出和已知的供给装置可以包括一个或更多的导管或管道，以防 糊状、半糊状、液体或粉末产品或者带式输送机、辊输送机或类似装置，通常 以防松弛产品或工业皮革、聚合物型材和大产品。

设备1还包括与电源装置5关联的控制装置6以控制通过振荡器4提供到 敷料器2的交流电压V_RF或电流I_RF的电参数。

便利地，控制装置6可以被设计为控制涉及被提供到敷料器2的电压V_RF或电流I_RF的振幅和/或频率的电参数。

控制装置6包括被连接到电力网络N的输入7，连接到输入7的第一电子 控制电路8，第一电子控制电路8用于实质上瞬时改变如此的电参数并且由此 用于场发射功率的瞬时控制。

第一电子控制电路8还具有被连接到电源装置5的输出9并且控制装置6 包括用于调整振荡器4的运行的第二电子控制电路10。

另外，第一控制电路8可以控制被提供到电源装置5的电信号的电参数。

如此电参数的改变将导致被提供到敷料器2的交流电压V_RF和电流I_RF的 瞬时改变。

如此电压改变针对特别短的延迟或者针对根本没有延迟将导致在工作区 域3中发射的电磁场的功率的对应改变。

在特别的、非排他性的实施例中，第一电子控制电路8可以包括逆变器 11，用于将具有恒定频率和恒定rms值的网络N的标准电压转换为具有受控 rms值和/或受控频率的AC电压V_INV。

便利地，作为图1中的最佳所示，电源装置5可以包括具有连接到逆变器 11的输出14的输入13以接收电压V_INV的放大电路12，以及连接到振荡器4 的输出15。

放大电路12可以放大并变化在逆变器11的输出的电压V_INV以将实质上 DC电压VCC提供到振荡器4。

放大电路12可以包括具有连接到逆变器11的输出14的输入13的电压升 压变压器16以及具有连接到振荡器4的输出15、位于变压器16下游的整流 器18。

在被设计用于食品加工的设备的特别配置中，在逆变器11的输出14的电 压V_INV可以是AC电压，具有从0V到400V变动的值，变压器16的输出电压 V_TR也将是具有不超过9000V的rms值的AC电压，然而在整流器18的输出 的DC电压V_CC被限制到大约12000V。

优选地，作为图1中的最佳所示，振荡器4包括具有两个电力端子(即分 别为正极A和负极K)的至少一个三极管19。

三极管19还可以包括适应为接收被设计以改变在正极A和负极K之间的 信号的电参数的控制信号的栅极端子G。

图2表示偏置三极管的电压-电流特性，它的瞬时操作点倾向(lies along) 实质上直线线段T。

特别地，沿如此线段的操作点P的受控移位将导致在图2的示意图中x- 轴上所代表的、在正极A和负极K之间的AC电压V_RF的对应的预定改变。

可以通过改变在图2的示意图中y-轴所代表的、三极管19的栅极端子G 中的电压V_G来控制操作点P的移位。

如图1中的最佳所示，三极管的偏置作用为振荡器这样：正极A和负极K 被供应有存在于整流器的输出15的DC电压V_CC。

在此情况下，在三极管19的正极A端子和负极K端子的输出的振荡电压 可以通过控制在栅极端子G中的电压V_G的波形来被改变。

作为以预定频率的振荡器的三极管19的使用需要被应用于栅极端子G的、 具有正波部分的实质周期性电压V_G。

特别地，正栅极电压V_G的期间可以相等于被提供到振荡器2的电压V_RF的振荡周期的预定角部分(predetermined angular fraction)。

该角部分可以实质上接近周角的三分之一，并且可以特别地从大约80°到 大约150°改变。

另外，三极管19包括具有电源电路的加热丝F，其自身已知并且将不在 此处进一步描述。

第二电子控制电路10可以被连接到三极管19的栅极端子G以根据在逆 变器11的输出的AV电压V_INV的瞬时值来控制栅极电压V_G。

特别地，如图1中所示意性地示出的，第二电子控制电路10可以包括连 接到敷料器2的输入的分压器电路21以拉长电压V_RF的预定部分V_PAR。

另外，第二电子控制电路10可以包括DC电压加法器电路22，位于分压 器电路21的下游。

加法器电路22可以连接到三极管19的栅极端子G以适应栅极电压VG 的平均值以便三极管19持续地保持振荡。

便利地，控制装置6可以包括可编程中央控制单元PLC 23，其适应为至 少控制逆变器11的输出电压V_INV，以及第二电子控制电路10以改变通过由敷 料器2所生成的电磁场所发射的功率并且以确保三极管19的恒定振荡。

特别地，中央控制单元23可以被编程以通过根据被提供到敷料器2的电 压V_RF的瞬时值改变加法器电路22的DC电压值，来控制第二电子控制电路 10。

另外，中央控制单元23可以包括未示出的接口装置，其被用于输入和/ 或显示涉及在第一电子控制电路8和第二电子控制电路10中所提供和/或所检 测的电参数值的数据。

特别地，中央控制单元23可以包括未示出的字母数字键盘用于输入涉及 所期望的电参数的值的数据，以及也未示出并且本身已知的显示器用于显示涉 及如此参数的瞬时值的数据。

如图3到图7的最佳所示，分压器电路21可以包括三极管18的固有电容 C_AG、C_GK的对，其分别存在于正极A和栅极G之间以及栅极G和负极K之 间。

如图3的最佳所示，分压器电路21也可以包括插入于三极管19的栅极G 和正极A之间的电感器LAC，以及具有电连接到栅极端子G的第一端子24 的、用于阻断DC成分的电感器L_B。

替选地，如图4所示，分压器电路21可以在存在连接于三极管19的栅极 G和负极K之间的电感L_GK方面与图3的示意图不同。

此配置具有使用电感的优势，它的最大运行电压低于在图3的示意图中所 使用的电压。

因此，在操作三极管期间，在栅极G和负极K之间的电压可观地低于在 正极A和栅极G之间的电压。

便利地，在校准期间可以改变电感L_AK和L_GK的值以根据提供到敷料器2 的电压V_RF来调整电压V_PAR的值。特别地，V_PAR可以是提供到敷料器2的电 压V_RF的预定固定部分。

便利地，电压V_PAR可以从电压V_RF的值的10％到20％变动，并且优选的 是电压V_RF的大约15％。

加法器电路22可以连接到分压器电路21的下游并且可以电连接于电感器 L_B的第二端子25和三极管19的负极K。

图3到图7示意性地表示加法器电路22的三种不同类型。

特别地，在图3和图4的实施例中，加法器电路22可以电等效于可变电 阻R。

替选地，如图5所示，加法器电路22可以电等效于具有可变张力E的DC 电压发生器。

便利地，中央控制单元23可以被编程以根据提供到敷料器2的电压V_RF的瞬时值来控制等效可变电阻的欧姆值R或等效发生器的张力E的值。

便利地，如图6中所示，可以组合图4和图5的示意图以形成实质上等效 于可变电阻R与电压发生器E串联的加法器电路22。

在此情况下，中央控制单元22可以被设计为同时控制等效电阻的欧姆值 和发生器R的电动势这两者。

分压电路21和加法器电路22可以被设计用于将电压V_G提供到栅极端子 G，其实质上反相于被提供到敷料器2的电压V_RF。

在图3到图6所示的示意图中，通过将可变振幅DC电压增加到具有实质 恒定幅值的AC信号V_PAR来获取在三极管19的栅极端子G的输入的电压V_G。

如图7中所示，在第二电子控制电路的另外配置中，通过总计由加法器电 路22所提供的可变DC电压以及由分压器电路21所提供的可变AC电压来获 取在栅极端子G的电压V_G。

可以通过分别适当地改变在正极A和栅极G之间以及在栅极G和负极K 之间的三极管19的电容器C_AG的C_GK的电容值来获取由分压器电路21所提供 的AC电压的振幅的改变。

便利地，中央控制单元23可以被设计为同时控制电容器C_AG的C_GK的电 容值以及等效可变电阻R的欧姆值。

另外，控制装置6可以包括未示出的振荡频率控制电路，位于三极管19 的下游并且适应于改变被提供到敷料器2的电压频率V_RF。

便利地，如图1的方框图所示，敷料器2可以至少包括一对电极26、27 以在工作区域3发射并且引导电磁场。

根据对其设计设备1的车间的特别类型可以选择电极的形状、类型和数量， 并且特别地可以如由本文的申请人的上面提及的专利文献中所描述地配置电 极。

例如，它们可以形成有一对面板，彼此被以预定距离放置以将实质上均匀 的电磁场照射进其间的间隙(gap)，或者他们可以是环形电极，其适应于具有 经由此延伸的产品供给导管以致产品可以穿过场。

便利地，敷料器2可以包括具有以串联电连接到电极26、27的电端子的 盘29、30的电容器28。

另外，电容器28可以被设计为如果电极26、27被短路则限制在电源装置 5的输出所提供的电流的值。

这可能意外地发生或者由于设备1的故障并且电容器28的存在可以确保 在放大器11的输出提供限制负载，从而减少被提供到三极管18的电流。

便利地，盘29、30可以实质上是平的并且以固定距离相互面对。

因此，电容器可以具有固定值电容，其适用于如果电极26、27被短路则 定义具有足以限制由三极管19所生成的电流的欧姆值的阻抗。

另外，适当调整在电容器28的盘之间的距离将允许敷料器2的阻抗值适 应电源装置4的阻抗值。

在另一方面，如图8所示，本发明涉及控制上述设备1以生成交替RF电 磁场的方法，其本质上包括提供敷料器2以在工作区域3照射电磁场的步骤a), 提供将具有预定值和预定频率的交流电压V_RF和交流电流I_RF提供到敷料器2 的振荡器4的步骤b)。

还提供有将实质DC电压V_CC供应到振荡器4的步骤c)以及控制步骤d)， 其包括通过适当控制装置6来改变提供到敷料器2的电压、电流的电参数和/ 或频率。

便利地，控制步骤d)包括改变电参数以瞬时地改变到振荡器4的受控电 源以及电磁场发射功率。

另外，控制装置6包括逆变器11并且振荡器4包括三极管19。

逆变器11被设计为将网络电压转换为具有可变rms值和/或可变频率的 AC电压。

并且，三极管19受栅极电压V_G激励，其被控制以当改变由逆变器11所 变换的AC电压V_INV时，确保由此的恒定振荡。

特别地，控制步骤d)可以通过改变在逆变器11的输出14的交流电压和 /或频率来被获取而无需将不可避免地涉及车间响应延迟的任何机械调整。

当将应用于三极管19的栅极G的电压V_G的波形保持在实质恒定时，控 制步骤d)可以被执行。

在三极管19的栅极G的电压V_G的控制将允许三极管保持振荡，如此其 可以在正极A和负极K之间提供适应于供应敷料器2的电压V_RF。

因此，控制步骤d)将控制栅极电压V_G的正部分，如此后者具有与振荡 周期的预定角部分相等的期间。

以上公开清楚地表示本发明的设备符合期望的目的并且特别地满足允许 电磁场发射功率的立刻以及动态调控，用于产品处理温度的无延迟调控。

另外，如果车间在电极之间无负载运行，则逆变器的使用将允许要被调控 的电压的值小于运行值以阻止电弧的形成。

在所附权利要求所公开的发明概念之内，本发明的设备、车间和方法适合 多个变换和变型。在不脱离本发明范围的情况下，可以通过其他技术等效部分 来替换由此的全部细节，并且可以依据不同需要来改变材料。

虽然通过特别参考附图已经描述了设备、车间和方法，但是在公开和权利 要求中所涉及的标记仅用于更好的理解本发明的目的并且不应被期望为以任 何方式限制所要求的范围。