一种错相差频式超声波在线灭菌破碎搅拌清洁方法和设备与流程

1.本发明属于灭菌技术领域，具体是一种错相差频式超声波在线灭菌破碎搅拌清洁方法和设备。


背景技术：

2.对水、乳制品、勾搭饮料、果汁、酒类液体物质的灭菌，在工业制程和生活环节中，居有重要的地位，影响到液态食品安全和人们的身体健康。
3.传统作业中，对液态物质的灭菌作业，大多采用温度法、防腐剂法等。
4.在大多数果汁、果酒制程中，温度法会破坏原设计口感、口味及其营养价值等，而在直饮水的制程中，如果引入温度法，势必极大地提高了制造成本。
5.防腐剂法虽然可以通过控制用量和控制成分达到安全标准，但由此带来的负面作用也一直在争议之中。


技术实现要素：

6.针对上述现有技术的不足，本发明实施例要解决的技术问题是提供一种错相差频式超声波在线灭菌破碎搅拌清洁方法和设备。
7.为解决上述技术问题，本发明提供了如下技术方案：一种错相差频式超声波在线灭菌破碎搅拌清洁方法，用于实现灭菌、破碎、搅拌和清洁四种功能，包括如下步骤：在容器或管路上安装至少2个超声换能器；使超声换能器的机械波行进路径发生交叉和/或缠绕和/或变动；将待处理液体或固液混合物置于所述容器中或流经所述管路；以非同相位和/或非同频的电能驱动各超声换能器，在容器或管路内形成多路高频机械波联合冲击所述液体或固液混合物的动作，以及冲刷容器壁或管路壁的动作。
8.作为本发明进一步的改进方案：所述机械波行进路径发生交叉和/或缠绕和/或变动，为：设计超声换能器的安装位，使各超声换能器机械波传送的中轴线不平行，且在所述容器或管路内发生交叉；和/或设置对超声机械波的单次或多次反射机构，约束所述超声机械波按交叉、缠绕路径行进；和/或设置叶轮式超声机械波缠绕机构，约束所述超声机械波按旋转路径行进；和/或至少一路超声换能器的安装机构为可移动；和/或通过驱动策略变动多路机械波的合成路径。
9.作为本发明进一步的改进方案：所述非同相位和/或非同频的电能，其中心频率为mhz级。
10.作为本发明进一步的改进方案：至少一路超声换能器的驱动频率在一定范围内周
期性、扫频式变动。
11.为本发明再进一步的改进方案：所述至少一路超声换能器的安装机构为可移动，为：所述超声换能器及其连接导线，通过非刚性连接固定到容器内壁或管路内部上，由动力机构推动其发生局部位移，和/或通过自激振荡周期性改变其机械波行进路径。
12.作为本发明再进一步的改进方案：所述通过驱动策略变动多路机械波的合成路径，为：通过改变至少一路换能器的驱动振幅，或通过频繁启动/停止至少一路超声换能器，使所述多路超声机械波的合成路径发生移动或抖动。
13.一种错相差频式超声波在线灭菌破碎搅拌清洁设备，包括至少一个超声换能组合头、连接器以及超声驱动电路，所述超声换能组合头设置在容器或管路的内胆中，并与所述内胆通过连接器相连，所述超声换能组合头上具有若干个超声换能器，且若干所述超声换能器以非平衡方式安装到超声换能组合头上，所述超声驱动电路与所述超声换能器一对一连接，用于驱使所述超声换能器输出非同相位和/或非同频的超声机械波。
14.作为本发明再进一步的改进方案：所述连接器包括非刚性衔接体和固定法兰盘，所述非刚性衔接体一端与所述超声换能组合头相连，另一端与所述固定法兰盘相连，所述固定法兰盘远离所述非刚性衔接体的一端与所述内胆内壁相连，若干超声换能器的连接导线穿过所述非刚性衔接体与所述超声驱动电路连接。
15.作为本发明再进一步的改进方案：还包括动力机构，所述动力机构用于对超声换能器实施轮流调幅和/或调频和/或间歇驱动，使超声换能组合头受到来自驱动策略的、某种规律的、非平衡的反作用力。
16.作为本发明再进一步的改进方案：所述动力机构包括电磁铁，所述电磁铁设置在所述内胆外侧并偏离超声换能组合头中轴位置，所述内胆为非隔磁材质制成，超声换能组合头至少在正对电磁铁处嵌有软铁材质，或整体为软铁材质与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明实施例提出一种错相差频式超声波在线灭菌破碎搅拌清洁方法和设备，使用微米波机械冲击方式，消灭相应尺寸的菌类活性，同时对悬浮在液体中的大颗粒提供破碎效果，对液体提供均匀搅拌效果，对容器和管路提供清洁效果，具有较高的实用价值。
附图说明
17.图1为一种错相差频式超声波在线灭菌破碎搅拌清洁设备的结构示意图；图2为一种错相差频式超声波在线灭菌破碎搅拌清洁设备中对超声换能组合头施加他激示意图；图3为一种错相差频式超声波在线灭菌破碎搅拌清洁设备中超声换能组合头和内胆之间的非刚性连接示意图；图4为一种错相差频式超声波在线灭菌破碎搅拌清洁设备的另一实施例示意图。
具体实施方式
18.下面结合具体实施方式对本专利的技术方案作进一步详细地说明。
19.实施例1本实施例提供了一种错相差频式超声波在线灭菌破碎搅拌清洁方法，用于实现灭菌、破碎、搅拌和清洁四种功能，具体包括如下步骤：在容器或管路上安装至少2个超声换能器；使超声换能器的机械波行进路径发生交叉和/或缠绕和/或变动；将待处理液体或固液混合物置于所述容器中或流经所述管路；以非同相位和/或非同频的电能驱动各超声换能器，在容器或管路内形成多路高频机械波联合冲击所述液体或固液混合物的动作，以及冲刷容器壁或管路壁的动作。
20.由于单个超声换能器发出的超声机械波，其发射角较小，即，超声换能器发出的超声机械波为成束方式发送，在容器或管路中所覆盖的空间范围有限，这势必在工作中，使得被处理液体或固液混合物（下称“工作液”）中存在一些超声机械波覆盖不到的死角，影响灭菌、破碎、搅拌和清洁效果。
21.而对工作液中菌类的破坏和颗粒的破碎，处理机械波的直接冲击而外，还需要机械波的基波和/或谐波与其发生谐振。单一频率的超声机械波，其基波和/或谐波所覆盖的菌类、颗粒的范围有限，故而形成的灭菌破碎效果有限。
22.基于此，本发明的方法中，从以下两个方面做了针对性设计：1.消灭死角设置多于1个的超声换能器；通过附加反射装置或导波装置的方式，使各超声换能器发出的机械波沿非直线路径行进；至少一路超声换能器为非固定安装，使其工作时，机械波路径呈不断摇摆的状态；通过驱动策略变动多路超声机械波的合成路径，即，通过改变至少一路换能器的驱动振幅，或通过频繁启动/停止至少一路换能器，使所述多路超声机械波的合成路径发生移动或抖动；2.扩大频率覆盖范围以非同相位和/或非同频的电能驱动各超声换能器；使多个超声换能器的发声路径在容器或管路中发生交叉，在路径交叉处、各束超声机械波临近处，各束超声机械波发生相位和频率上的叠加，发散出更丰富的谐波；在多个超声换能器中，至少一个采用了扫频式变频工作方式，即，在所述容器或管路中，存在频率不断变动的超声机械波，使容器或管路中存在频率范围更广的机械波，谐波成分更丰富，相位差和拍频更复杂；本方法的核心思想为：由非同相位和/或非同频的多路超声机械波在被处理液体或固液混合物（下称“工作液”）中发生路径上的交叉和/或缠绕和/或变动等，多个基频超声机械波和相互叠加产生的拍频，对工作液中的菌体、颗粒进行冲击，并与其中的质量和体积相当的菌体、颗粒形成谐振，破坏其活性，破碎其形体直至其脱离谐振；通过变频、调幅等方式改变至少1路超声换能器的输出，通过反射或导波机构分散换能器发出的波束的发射角，通过换能器本身的姿势抖动周期性改变换能器的发射方向，是多个基频超声机械波和相互
叠加产生的拍频在工作液中制造湍流和紊流，消灭覆盖死角，产生搅拌效果；路径交叉和/或缠绕和/或变动的超声机械波推动高频液流冲刷容器或管道壁，完成对容器或管路内壁的清洗。
23.由于工作液内部的菌类体积极小，目标长度在微米级，故设计驱动各超声换能器的中心频率为mhz级，且频率越高，对菌类的杀灭效果越好，对悬浮颗粒的破碎越细。
24.实施例2请参阅图1，一种错相差频式超声波在线灭菌破碎搅拌清洁设备，包括至少一个超声换能组合头11、连接器以及超声驱动电路，所述超声换能组合头11设置在容器或管路的内胆15中，并与所述内胆15通过连接器相连，所述超声换能组合头11上具有若干个超声换能器111、112、113，且若干所述超声换能器以非平衡方式安装到超声换能组合头11上，所谓非平衡，指安装位置非对称，安装角度非对称，以保证各超声换能器输送的超声机械波的中轴线114交叉、缠绕等，保证超声机械波的中轴线114不平行。
25.所述超声驱动电路与所述超声换能器一对一连接，用于驱使所述超声换能器输出非同相位和/或非同频的超声机械波；所述容器内部设有防溅结构；所述内胆15内壁中，至少其与液体接触的部位采用金属材料或耐高频冲击的塑塑胶材料或合成材料制成；至少2个所述超声换能器，其机械波传送的中轴线不相平行，和/或在所述容器或管路内有交叉。
26.所述连接器包括非刚性衔接体12和固定法兰盘13，所述非刚性衔接体12一端与所述超声换能组合头11相连，另一端与所述固定法兰盘13相连，所述固定法兰盘13远离所述非刚性衔接体12的一端与所述内胆15内壁相连，若干超声换能器的连接导线穿过所述非刚性衔接体12与所述超声驱动电路连接。
27.为实现密封连接，如图1所示，所述固定法兰盘13远离所述非刚性衔接体12的一端固定设置有若干固定柱131，固定法兰盘13与所述内胆15内壁之间设置有密封圈14，所述密封圈14上开设有可供所述固定柱131穿过的第一通孔以及可供所述连接导线穿过的第二通孔，所述内胆15上开设有可供所述连接导线穿过的第三通孔152。
28.工作时，各超声换能器被施加非同相位和/或非同频的电能，使各超声换能器输出非同相位和/或非同频的超声机械波，多路超声机械波在内胆15内交叉行进，经内胆15的内壁反弹后形成更复杂的路径，复杂的路径可以消灭超声机械波的行进死角，有利于对工作液全方位灭菌、破碎和搅拌，也会更大面积的扫过内胆15，机械冲击下，可以消除工作液中的某些分子、颗粒在内胆15上的附着和沉淀；另外，工作时，非平衡设置的超声换能器111、112、113可非平衡地推动工作液，施加到反作用力超声换能组合头11上，使超声换能组合头11受力不均，角度发生摆动，在工作液中形成紊流，反过来冲击超声换能组合头11，形成正反馈，保持超声换能组合头11的持续摆动，以进一步加剧超声机械波行进路径的复杂程度，实现超声换能组合头11的自激振荡；为加剧超声换能组合头11的摆动，在驱动策略上，还可通过动力机构对超声换能器111、112、113实施轮流调幅和/或调频和/或间歇等方式的驱动，使超声换能组合头11受到来自驱动策略的、某种规律的、非平衡的反作用力，实现一种
受驱动策略控制或影响的颠簸，再一步加剧超声机械波行进路径的复杂程度。
29.如图2所示，在一个实施例中，所述动力机构包括电磁铁16，所述电磁铁16设置在所述内胆15外侧并偏离超声换能组合头11中轴位置，所述内胆15为非隔磁材质制成，超声换能组合头11至少在正对电磁铁16处嵌有软铁材质，或整体为软铁材质，以更进一步的加剧超声换能组合头11的摆动，或保证超声换能组合头11的能在粘度较高的工作液中保持一定的摆动幅度，可以对超声换能组合头11施加周期性的外力——即他激。
30.当电磁铁16通电时，在其端面产生磁场，透过容器内胆15对超声换能组合头11产生吸力，由于超声换能组合头11通过非刚性衔接体12固定到容器内胆15底部，且电磁铁16设置于偏离超声换能组合头11中轴处，故，电磁铁16使超声换能组合头11发生摆头；当电磁铁16失电时，磁场消失，超声换能组合头11归位，弹性原因使其越过原位后再回弹，如此往复，通过对电磁铁16的通断电控制，利用外部的电场力推动超声换能组合头11摆动。
31.超声换能组合头11相对于容器内胆具有一定的自由度，是实现超声换能组合头11摆动的基础，如图3所示，所述连接器还可包括u型金属薄片13a以及密封片14a，所述u型金属薄片13a一端固定于超声换能组合头11，另一端固定设置有固定柱131，所述密封片14a设置在所述u型金属薄片13a与所述内胆15内壁之间，所述固定柱131穿过所述密封片14a并与所述内胆15固定连接；与所述超声换能器连接的连接导线收束为一条防水电缆17，所述防水电缆17透过电缆密封扣18从内胆15底部穿出，与超声驱动电路连接，相较于图1、图2所示的方案，本方案结构更加简洁，成本更低。
32.由于超声机械波在工作液中行进时，会使得工作液形成湍流，如果液面低于超声机械波的工作深度，则会在液面附近产生“沸腾”效果，引起工作液飞溅。由此，本发明设有防溅结构，所述防溅结构包括设置在内胆15内壁的罩板或容器盖，所述罩板或所述容器盖设置在液面附近，用于挡住飞溅的工作液，使其流回容器内。
33.本方案的核心思想是：1.通过多个非平行安装的超声换能器实现超声机械波在容器空间内的交叉、缠绕等；2.通过超声换能组合头11的自激和/或对其实施他激，消灭超声机械波在容器空间内的传播死角；3.通过驱动方案中的错相、差频、变频、调幅等，使容器空间内的超声机械波覆盖更宽的频率范围、谐波含量更丰富，灭菌、破碎效果更好。
34.以上各实施例中，公开了超声换能组合头非刚性连接到内胆的多个方案，和一个通过通过电磁铁向超声换能组合头施加外力的方案。作为根据本发明核心思想设计的几个具体实施例，并非局限本发明的具体实施方案。凡是在本发明核心思想的启发、指引下，对本发明的改动，均在本发明的保护范围之内。
35.以上方案适用于连续工作的情形。
36.在另外一些工作情绪中，灭菌破碎搅拌清洁设备为间断性使用，则，在设备停用后，需要对设备内胆进行清洗，以防止沾留在内胆的工作液霉变等，影响下次使用。由于上述方案中摆动式超声换能组合头11固定在容器底部，其与容器底部的缝隙间形成清洗死角，故以上方案不适于间断性使用的情形。
37.基于此，本发明一个实施例中还公开另一个方案的灭菌破碎搅拌清洁设备，与以
上方案相比，本方案中，请参阅图4，所述超声换能组合头11固定于容器底部，这样的设计便于清洗。为了使内胆空间内的超声机械波形成紊流和湍流，在超声换能组合头11上方设置有波轮式导波装置20，用于引导超声换能器发出的机械波在容器内换向，所述波轮式导波装置20与所述超声换能组合头11可拆卸连接。
38.所述超声换能组合头11中心位置开设有定位孔19，所述波轮式导波装置20一侧固定设置有可插入至所述定位孔19内部的定位柱201。
39.工作时，将波轮式导波装置20放入内胆15内，按驱动策略驱动多个超声换能器在容器内部空间内发射超声机械波，在原始路径上存在交叉，超声机械波在内胆15内形成既定路线的湍流，经容器壁反射后在工作液上层变紊流，但在工作液下层存在路径死角，造成工作效果不均。
40.波轮式导波装置20放入容器15后，由于超声换能器非平衡布局，其产生的液流推动波轮式导波装置20发生旋转、摇摆，反射和引导超声机械波，使之在工作液下层开始形成复杂的工作路径。
41.本方案的核心思想是：1.通过多个非平行安装的超声换能器实现超声机械波在容器空间内的交叉、缠绕等；2.通过对超声机械波的反射等约束结构，扩大超声机械波的辐射范围，消灭辐射死角；3.通过驱动方案中的错相、差频、变频、调幅等，使容器空间内的超声机械波覆盖更宽的频率范围、谐波含量更丰富，灭菌、破碎效果更好。
42.实现对超声机械波反射等约束的实施方式，不限于图4所示意的波轮式导波装置，凡在上述核心思想指导下实现对超声机械波反射等约束作用，扩大容器空间内超声机械波覆盖范围，以达到消除死角目的的设计改动，均在本发明的保护范围内。