基于电极耦合、多阶段电场的食品冷冻系统及其冷冻方法

本发明属于食品冷冻，具体而言，涉及一种基于电极耦合、多阶段电场的食品冷冻系统及其冷冻方法。

背景技术：

1、冷冻是食品保存的重要方法之一，能够有效延长食品的保质期，保持食品的营养价值和品质。然而，传统的冷冻方法存在诸多问题。这些问题主要表现在冷冻速度慢、食品品质损失严重、能耗高等方面。传统冷冻方法主要依靠热传导或对流传热，由于传热效率的限制，从食品表面到内部存在温度梯度，导致冷冻过程相对缓慢。这种缓慢的冷冻过程易形成较大冰晶，破坏食品的细胞结构，进而导致解冻时出现较多的汁液流失，影响食品的质地、营养成分和风味。同时，长时间运行制冷设备也导致能源消耗较高，增加了生产成本。

2、为解决这些问题，研究人员一直在探索新的冷冻技术。近年来，电场辅助冷冻技术因其独特的优势引起了广泛关注。电场冷冻技术通过施加电场，影响水分子的取向和运动，促进冰核的均匀成核，形成细小均匀的冰晶，从而提高冷冻速率。然而，现有的电场冷冻技术仍然存在一些局限性。例如，大多数电场冷冻技术采用较高电压，通常在6~10 kv范围内。这种较高电压不仅增加了设备的复杂性和成本，还带来了潜在的安全隐患。高电压设备需要更严格的安全措施和操作规程，增加了实施难度和运营成本。此外，高电压可能导致局部放电不稳定，不仅影响冷冻效果，还会导致能耗较大。因此，亟需一种新型的食品冷冻方法，能够在较低电压下实现快速、均匀的冷冻效果，同时具有广泛的适用性和良好的安全性。理想的方法应该能够显著提高冷冻速度，改善冷冻效果，降低能耗，并适用于各种类型的食品以及食品工业的生产。

技术实现思路

1、本发明旨在解决上述技术问题，提出一种基于电极耦合、多阶段电场的食品冷冻系统及其冷冻方法。该方法使用较低电压，通过创新的放电电极耦合设计和控制策略，实现高效、均匀、节能的食品冷冻，同时保持食品的高品质。

2、首先，本发明提供一种基于电极耦合、多阶段电场的食品冷冻系统，包括：

3、电场发生装置（1）：能够产生并协同控制不同强度的直流电场，并实现电场参数的实时优化；

4、冷库（2）：具有精确的温度控制和风冷循环系统；进一步的，冷库（2）上设置风扇（22）。

5、空间板式放电电极（3）和金属架放电电极（4），将金属架放电电极（4）和空间板式放电电极（3）通过绝缘导线连接电场发生装置（1）；

6、金属架放电电极（4）与冷库地板接触部分设置有绝缘底座（42）；

7、金属架放电电极（4）上设置有搁置板（41），冷冻食品放置在带孔塑料容器内并置于搁置板（41）上；

8、电场发生装置（1）包括：电场控制系统电源/紧急制动装置，主电场发生单元，主电场电压调节装置，辅助电场发生单元，辅助电场电压调节装置；并分别依次对应电场控制系统电源/紧急制动开关（11），主电场控制开关（12），主电场电压调节旋钮（14），辅助电场控制开关（13），辅助电场电压调节旋钮（15）。电场发生装置（1）上还设置数码显示屏（16），可显示实时电压（kv）和实时电流（ma）。

9、所述主电场发生单元，工作电压范围为1~12 kv。该单元能够产生足够的主电场，是实现快速冷冻的关键组件；所述辅助电场发生单元，工作电压范围为1~12 kv。辅助电场与主电场协同工作，优化电场分布，提高冷冻均匀性；所述电压调节单元，可实现0.1 kv的精细调节。本系统能够同时产生并精确控制主电场和辅助电场的电压关系。通过独特的耦合机制，实现了两种电场的协同效应，显著增强了电场在食品加速冷冻方面的作用效果。

10、进一步的，所述带孔塑料容器采用食品级塑料材料，具有优异的耐低温性能和电绝缘性。孔径和分布经过cfd（计算流体动力学）和fem（有限元法）联合仿真优化，不仅优化了电场的穿透效果，而且显著提高了冷气流的均匀性。

11、冷库（2）通过冷库控制系统（21）控制，冷库控制系统（21）设有冷库总电源开关（211），温度调节旋钮（212）和显示屏（213）；所述显示屏（213）可显示冷库内实时温度。

12、所述电场发生装置（1）安装在冷库外壁墙体。

13、进一步的，电场发生装置（1）与金属架放电电极（4）和空间板式放电电极（3）连接的绝缘导线采用耐寒型硅橡胶绝缘材料，绝缘层厚度不小于3 mm，导线截面积为0.5~4 mm²，在冷库内部，导线沿着特定路径布设，并使用绝缘固定件每隔50 cm进行固定。

14、进一步的，空间板式放电电极（3）的面积为金属架放电电极（4）横截面积的三分之一至二分之一。

15、进一步的，空间板式放电电极（3）角度为可调节结构，设置微调铰链和集成的微型电机，允许空间板式放电电极在± 10°范围内自动调节角度。

16、更进一步的，所述空间板式放电电极角度自动调节结构由微调铰链结构和微型电机结构组成。其中，微调铰链结构用于实现空间板式放电电极的精确角度调整，使电场能够均匀覆盖不同规格的待处理食品；微型电机结构为空间板式放电电极提供动力驱动，具有± 0.5°的控制精度和± 10°的调节范围，可根据食品的尺寸和位置实时调整空间板式放电电极角度，从而优化电场分布。

17、本发明的结构设置为多层次、立体化的电场分布结构，通过上述设计的空间板式放电电极和金属架放电电极的组合，有利于形成较为均匀的电场分布，提高电场的穿透能力。所述空间板式放电电极内部采用表面光滑的金属板，提高了电场的均匀性和稳定性，同时具有较佳的导电性，上侧采用厚度为1~3 mm的亚克力板包裹，下侧采用相同厚度的带孔亚克力板包裹，提高了其安全性能。所述金属架放电电极为可调节结构，可根据食品尺寸调整层间距，确保了大批量食品冷冻过程中的电场作用均匀性。

18、进一步的，绝缘导线与金属架放电电极（4）的连接点采用自适应连接结构。所述自适应连接结构包括：弹性合金触点：能够在-40℃至20℃温度范围内保持良好的导电性和弹性，具有良好的导电性和弹性；微型压力传感器：实时监测连接点的接触压力，系统能够及时发现并调整不稳定的连接；自动调节机构：根据压力传感器的反馈，通过微型电机调整触点压力，确保在温度变化和机械振动条件下保持稳定连接。

19、进一步的，本发明还包括多重安全保护机制，多重安全保护机制是过载保护、漏电保护、接地故障检测和紧急切断。反应时间小于5 ms，若系统监测到过大电流，电场系统自动关闭，以确保安全。

20、进一步的，过载保护能够防止系统因电流过大而遭受损坏，该机制能够在毫秒级别内切断电源，最大限度保证系统的安全；漏电保护系统配备了高灵敏度的电流监测装置，能够检测微小的漏电电流，进而有效避免操作人员的触电风险；接地故障检测能够确保系统始终处于安全接地状态；紧急切断系统能够在紧急情况下快速关闭所有电场，反应时间小于5 ms。

21、进一步，本发明还包括实时监测网络，主要包括温度传感器和电场强度传感器。温度传感器监测食品表面和内部实时温度变化；电场强度传感器监测实时电场分布情况。

22、进一步，本发明还包括智能化的电场参数动态调控系统，能实时监测食品中心温度、表面温度、环境湿度等关键参数，并能结合冷冻期间的实时温度，自动调整主电场和辅助电场的电压和作用时间。系统能够根据不同类型、不同容积食品的冷冻特性，将食品中心温度控制在目标温度的± 1°c范围内，实现冷冻过程的精确调控，确保冷冻效果的最优化。

23、本发明还提供一种基于电极耦合、多阶段电场的食品冷冻系统的冷冻方法，步骤如下：首先开启冷库制冷系统，冷库内温度稳定在预设值（例如-18℃以下）后，将食品放入冷库内的金属架放电电极的搁置板（41）上，随后启动电场发生装置（1）。

24、具体操作为：启动冷库，将温度调节至预设值，通常在-25℃至-40℃范围内。待冷库温度降低至预设值后，根据冷冻对象选择合适的带孔塑料筐，将食品均匀的置于塑料筐内，然后放置于金属架放电电极上；将空间板式放电电极和金属架放电电极连接至同一电场发生装置；食品入库预冷5~10 min后启动电场设备，根据不同类型的食品设置初始电场参数；通过多参数实时传感器网络监测食品中心温度、环境湿度以及电场强度等关键参数。控制系统执行多阶段参数调控调节电场电压，根据监测数据动态调整电场强度、空间板式放电电极角度和冷风速度，实现对冷冻过程的精确控制。

25、所述多阶段参数调控调节电场电压分为以下几个步骤：

26、（1）初始阶段（0℃以上至0℃），主电场电压：3.0~4.0 kv，辅助电场电压设置为：2.0~3.0 kv；

27、（2）冰晶生长阶段（0℃至-5℃），主电场电压增加至4.0~6.0 kv，辅助电场电压增加至3.0~4.0 kv；

28、（3）快速冷冻阶段（-5℃至-18℃），主电场电压降低至2.0~3.0 kv，辅助电场电压降低至1.0~2.0 kv；

29、（5）当冷冻对象中心温度达到预设终点温度时，系统自动进入保持阶段，主电场和辅助电场自动关闭；

30、（6）冷冻完成后，系统进入平衡阶段，持续20~40 min，确保温度分布均匀。等待后续处理。

31、整个过程中，每间隔5~10 min系统通过微调铰链自动调整空间板式放电电极（3）的角度1~2°以确保食品表面均匀地受到电场的作用。

32、本发明的有益效果：

33、（1）通过多阶段直流电场技术，形成独特的“电场梯度效应”。这种效应能够影响水分子的取向和运动，加速冰核的形成和生长，显著提高冷冻速度和均匀性。通过设计空间板式放电电极和金属架放电电极形成的电场进行耦合，产生了特殊的“叠加电场效应”，这种叠加效应使得在较低电压下即可实现与较高电压相当的冷冻效果。该创新的电场叠加机制不仅增强了电场对食品的作用效果，同时降低了能耗及安全风险。

34、（2）通过精确的控制系统实现了电场参数的动态调控。在冷冻过程中，系统根据实时监测数据调控电场强度，使食品内部水分迁移和冰晶形成过程得到精确调控，有效减少了大冰晶的形成，降低了对细胞结构的破坏。

35、（3）通过模块化置物单元的设计，本发明可以灵活调节金属架放电电极的间距和布局，优化了电场的渗透效果，适应不同体积和形状的食品，避免物料挤压堆叠的问题。通过特制容器具有合适的孔径和分布，提高了电场的均匀性，进一步减少了食品间的遮挡效应，显著改善了冷气流的分布，避免了局部过冷现象，使每件食品均能得到均匀的冷冻处理。

36、（5）通过多重安全保护机制确保了在极低温环境下系统的稳定运行。特别是自适应导线连接结构，解决了低温环境下连接不稳定的问题，保证了电场分布的持续稳定。

37、（6）本发明通过放电电极耦合直流电场，产生特殊的“叠加电场效应”，实现了在较低电压下的高效冷冻。这一技术不仅适用于各类肉类、水产品和果蔬的冷冻加工，还可扩展应用于医药、生物样本保存等领域，具有广阔的应用前景和显著的经济社会效益。