本发明专利技术公开了一种基于电极耦合、多阶段电场的食品冷冻系统及其冷冻方法。该系统包括电场发生装置（1）、冷库（2）、空间板式放电电极（3）和金属架放电电极（4）等部分组成。本发明专利技术通过使用放电电极耦合电场，产生特殊的“叠加电场效应”，显著提高了冷冻效率，本发明专利技术的冷冻方法能够加速食品内部及表面热传导，促进水分均匀快速结晶，有效避免大冰晶形成，从而减少对细胞结构的损伤。与传统冷冻方法相比，本发明专利技术可将冷冻时间缩短15%~30%，降低汁液流失率3%~6%。由于不同阶段的双电场协同作用，在较低电压下即可实现食品的快速冷冻，在保证安全的同时，综合能耗可降低15%~30%。本发明专利技术适用于大规模食品冷冻应用，可为食品冷冻行业带来显著的技术进步和经济效益。
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、本专利技术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，本专利技术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、本专利技术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，本专利技术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，本专利技术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；电场强度传感器监本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于电极耦合、多阶段电场的食品冷冻系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于电极耦合、多阶段电场的食品冷冻系统，其特征在于，搁置板（41）之间的间距为5~50 cm。
3.根据权利要求1所述的基于电极耦合、多阶段电场的食品冷冻系统，其特征在于，金属架放电电极（4）上方0.2~0.8 m处安置空间板式放电电极（3）。
4.根据权利要求1所述的基于电极耦合、多阶段电场的食品冷冻系统，其特征在于，电场发生装置（1）为放电电极耦合直流电场发生装置。
5.根据权利要求1所述的基于电极耦合、多阶段电场的食品冷冻系统，其特征在于，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）。
6.根据权利要求5所述的基于电极耦合、多阶段电场的食品冷冻系统，其特征在于，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）。
7.根据权利要求1所述基于电极耦合、多阶段电场的食品冷冻系统，其特征在于，主电场发生单元的工作电压范围为1~12 kV；辅助电场发生单元的工作电压范围为1~12 kV，主电场发生单元和辅助电场发生单元可实现0.1 kV的精细调节。
8.根据权利要求1所述的基于电极耦合、多阶段电场的食品冷冻系统，其特征在于，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）和数码显示屏（213）；所述数码显示屏（213）可显示冷库内实时温度。
9.根据权利要求1所述的基于电极耦合、多阶段电场的食品冷冻系统，其特征在于，所述金属架放电电极（4）采用不锈钢材料制成，具有3~6层，每层间距为10~60 cm，金属架放电电极的单层承重能力不低于100 kg，总承重能力不低于500 kg，金属架放电电极的立柱与横梁采用可拆卸式设计，便于根据不同食品体积调整层数和间距。
10.根据权利要求1所述的基于电极耦合、多阶段电场的食品冷冻系统，其特征在于，所述电场发生装置（1）安装在冷库外壁墙体。
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【技术特征摘要】
1.一种基于电极耦合、多阶段电场的食品冷冻系统，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于电极耦合、多阶段电场的食品冷冻系统，其特征在于，搁置板（41）之间的间距为5~50 cm。
3.根据权利要求1所述的基于电极耦合、多阶段电场的食品冷冻系统，其特征在于，金属架放电电极（4）上方0.2~0.8 m处安置空间板式放电电极（3）。
4.根据权利要求1所述的基于电极耦合、多阶段电场的食品冷冻系统，其特征在于，电场发生装置（1）为放电电极耦合直流电场发生装置。
5.根据权利要求1所述的基于电极耦合、多阶段电场的食品冷冻系统，其特征在于，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）。
6.根据权利要求5所述的基于电极耦合、多阶段电场的食品冷冻系统，其特征在于，电场发生装置（1）上还设置数码显示屏（16），可显...
【专利技术属性】
技术研发人员：董士远，王宁，陈兵，范泽楷，姜晓明，薛长湖，张迪，
申请(专利权)人：中国海洋大学，
类型：发明
国别省市：
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