采用自适应冷柜压力控制和添加清洁空气的极端真空冷却

技术领域

本专利的主题涉及用于商业厨房和食品处理厂的食物处理和制备。更具体地说，本专利涉及一种用于被称为极端真空冷却(EVC)的新技术的方法和装置。基于EVC构建的装置可以在极端低压状况下工作，以快速冷却食物。此外，该装置配备了自适应压力控制，以避免由未控制的低压状况引起的真空冷柜内部潜在的液体飞溅。将清洁的干燥空气或惰性气体添加到真空冷柜中，以便可以自动地控制冷柜压力，使其跟踪预先设定的设定点轨迹，从而避免潜在的液体飞溅。

背景技术

烹饪和冷藏对于食物服务运营至关重要。当食物被烹饪但不马上食用时，需要使食物迅速离开温度危险区。温度危险区通常定义在41℉至135℉(5℃至57℃)之间的范围内，在该温度危险区内有害细菌生长良好。在该区内，细菌在70℉至125℉(21℃至52℃)之间生长得更快。新烹饪的食物必须迅速通过并离开这个温度危险区，以便将来的食用安全。

USDA(美国农业部)、FDA(美国食品和药物管理局)和其它政府机构认可HACCP(危害分析和关键控制点)是保证食物从收获到食用的食物安全的有效和合理手段。防止问题发生是HACCP系统的首要目标。关于食物烹饪和冷藏操作，HACCP法规要求烹饪过的食物被冷却：(1)在两小时内从135℉冷却到70℉(57℃到21℃)，(2)在接下来的四小时内从70℉冷却到41℉(21℃到5℃)或更低。

在商业厨房中，需要在一定的时间限制内制备大量食物。如何烹饪和冷藏食物并满足食物安全法规可能是一个很大的挑战。市场上有利用不同科学原理来冷藏食物的商业产品。它们包括步入式冷藏室和急速冷却器。

发明内容

在本专利中，我们公开了一种极端真空冷却(EVC)的方法和装置，其中EVC冷却器能在超低压状况下工作，具有自适应压力控制，可以处理大量食物，满足政府食物安全法规，节省能源和时间，并实现均匀冷却以保持良好的食物质量。该新颖的EVC装置与现有技术相比的主要区别和独特的特征和益处如表1所列。

表1.

步入式冷藏室基于制冷技术，并且在食品工业中很受欢迎，其中被制冷的冷空气通过对流将较低温度转移到食物表面以冷却食物。急速冷却器通过风扇将大量被制冷的冷空气吹到食物表面，以加速冷却。

极端真空冷却(EVC)技术可以被定义为在极端低压状况下以真空冷柜压力控制和添加的清洁干燥空气或惰性气体进行的真空冷却。

真空冷却基于蒸发冷却的原理，其中水会吸收大量的热，以便从液体蒸发到气体。水蒸发可以发生在冰点以上的任何温度。当EVC装置的冷柜压力有意降低时，食物内部的水的蒸气压力可以变得高于冷柜压力，从而导致食物内部的水迅速转化成蒸气。这种水蒸发将能量转移，以在整个食物物质中均匀地将食物冷却。水转化为蒸气可快速发生，以便由此产生的能量转移可以均匀且快速地冷却食物。

然而，如果冷柜压力与食物内部的水的蒸气压力之间的压力差太高，则由于快速蒸发而可能发生过度发泡。当气泡在食物表面破裂时，气泡表面张力的力可能引起冷柜内部的飞溅。这对于固体食物不是问题，如牛肉和鸡肉，因为当蒸汽穿过食物进入到真空冷柜时，食物结构不会分开。对于低粘度食物，诸如汤和酱汁，这可能是一个大问题。我们称之为这些低粘度食物的液体飞溅事件。

在本专利中，我们将高粘度的固体食物定义为A型食物，将低粘度的液体食物定义为B型食物。例如，A型食物包括牛肉、猪肉、鸡肉、土豆、烘焙食物以及炒肉和蔬菜。B型食物包括汤、炖菜、酱汁和酱汁意大利面。实际的A型食物或B型食物可能有灰色区域。在任何情况下，粘度将用于食物冷却配方和冷柜压力设定点计算，以确保EVC装置可以以良好且一致的性能冷却所有类型的食物。

由于内部冷柜表面和搁板固定装置被食物液体和酱汁涂覆，严重的飞溅事件将导致污染真空冷柜。对于B型食物，严格控制冷柜压力非常重要，以此能以自动化方式管控冷柜压力与蒸气压力之间的压力差，从而能够快速冷却并避免液体飞溅。EVC装置的冷柜压力控制将在本说明书的部分B和部分C中公开。

总而言之，商用步入式冷藏室和急速冷却器是有用的，但它们的缺点也很明显。本专利介绍的EVC冷却器可以通过自适应压力控制在超低压状况下工作，以处理大量食物，满足政府食物安全法规，节省能源和时间，并实现均匀冷却，

附图说明

在附图中：

图1是根据本发明的实施例的EVC装置的视觉图。

图2是根据本发明的实施例的包括更多关键组件的EVC装置的视觉图。

图3是根据本发明的实施例的EVC装置的图，示出了带有压力控制系统的所有主要组件。

图4是根据本发明的实施例的用于控制EVC装置的冷柜压力的2输入-1输出(2x1)压力控制系统的图。

图5图示了根据本发明的实施例的用于控制EVC装置的冷柜压力的1输入-2输出无模型自适应(MFA)控制器的架构。

图6图示了根据本发明的实施例的反向分程设定器的机制，可以将控制器信号分割成2个范围，以操纵真空控制阀和入流空气控制阀。

图7是根据本发明的实施例的时间-幅度图，示出了压力设定点轨迹、EVC装置的受控冷柜压力、与冷柜压力相关的沸点温度，以及食物温度。

图8是根据本发明的实施例的时间-幅度图，示出了有意为之的上下波动的压力设定点轨迹、与冷柜压力相关的沸点温度，以及食物温度。

图9是根据本发明的实施例的流程框图，图示了使用图1至图8中所示的EVC装置来冷却食物的方法的步骤。

术语“机制”在本文中用于表示硬件、软件或其任何组合。术语“EVC”是指在本专利申请中定义和描述的极端真空冷却。术语“EVC”冷却器是指本专利中介绍的极端真空冷却装置。术语“HMI”是指包括计算机屏幕以允许用户与设备交互的人机接口。

在本专利中，我们将高粘度的固体食物定义为A型食物，将低粘度的液体食物定义为B型食物。例如，A型食物包括牛肉、猪肉、鸡肉、土豆、烘焙食物以及炒肉和蔬菜。B型食物包括汤、炖菜、酱汁和酱汁意大利面。

在不失一般性的情况下，本专利中给出的所有数值都是示例。可以使用其它值而不背离本发明的精神或范围。本文中对特定实施例的描述是为了演示的目的，决不限制本公开的范围以排除本发明的其它未特别描述的实施例。

具体实施方式

A.极端真空冷却的装置

在图1至图6中图示了极端真空冷却装置或EVC冷却器，其通过压力控制和添加的清洁空气在极端低压状况下工作。

图1是根据本发明的实施例的EVC装置的视觉图。EVC装置10包括食物冷柜12、冷阱14、真空泵16、真空控制阀18、入流空气控制阀20、食物冷柜内的食物盘22、温度传感器24、湿度传感器26以及压力传感器28。

食物冷柜12被构建成使得它可以在极端低压状况下工作。为了本发明的目的，这样的极端低压状况被定义为小于或等于约0.1ATM或10kPa。冷阱14用于将来自食物冷柜的水蒸气冷凝回液体形式。真空泵16可以将空气泵出食物冷柜以达到极端低压状况。

真空控制阀18可以隔离冷阱14和真空泵16。此外，该阀可以在真空泵16运行时调节出流空气，以将空气泵出食物冷柜。因此，它用作控制冷柜压力的执行器之一。入流空气控制阀20可以调节入流空气流量，所以其被用作用于冷柜压力控制的另一执行器。

入流空气控制阀20也可以用作通气阀。当它完全打开时，空气可以自由地进入食物冷柜，使得冷柜压力可以恢复到大气压力。这是打开冷柜门以取回食物盘之前的重要步骤。

食物冷柜12还包括易于使用食物冷柜并且能够将食物冷柜与大气压力密封开的门。由于该装置可以在极端低压状况下操作，因此食物冷柜及其门经过专门设计和构建，以应对大气压力和0帕斯卡真空压力的压力差，该压力差约为100kPa。

在食物冷柜12内部，有多个支架来支撑食物盘或托盘。将诸如肉类、蔬菜、面条和汤的食品放在食物盘22内，这些食物盘22被放置在食物冷柜内部，位于食物盘支架的上面。标准尺寸的食物服务盘或托盘可以与此装置一起使用。

实际温度传感器、湿度传感器和压力传感器被安装在食物冷柜内的不同位置处。例如，可以有多个温度传感器探头插入到不同食物盘中的食物样品上，以测量食物温度。湿度探头和压力传感器探头通常安装在食物冷柜的顶部处。

图2是根据本发明的实施例的包括更多关键组件的EVC装置的视觉图。EVC装置10包括食物冷柜12、冷阱14、真空泵16、真空控制阀18、入流空气控制阀20、食物冷柜内的食物盘22、温度传感器24、湿度传感器26、压力传感器28、电气面板和断路器30、计算机和控制设备32以及内联空气过滤器34。

组件12、14、16、18、20、22、24、26和28已经在图1中描述过。电气面板和断路器30可以接收电力，用来运行该装置。计算机和控制设备32用来为该装置提供自适应压力控制，逻辑控制，和人机接口(HMI)，使用户能操作该装置。内联空气过滤器34用于过滤入流空气，使得其对于食物冷柜是清洁的。

由于该装置用于全球市场，需要支持世界上不同的电气标准。因此，该装置可以被设计成从本地电网获取三相交流电或单相交流电。

图3是根据本发明的实施例的EVC装置的视图，示出了带有压力控制系统的所有主要组件。EVC装置10包括食物冷柜12、冷阱14、制冷单元15、真空泵16、真空控制阀18、入流空气控制阀20、食物冷柜内的食物盘22、温度传感器24、湿度传感器26、压力传感器28、电气面板和断路器30、计算机和控制设备32、内联空气过滤器34以及1输入-2输出控制器36。

组件12、14、16、18、20、22、24、26、28、30和32已经在图1和图2中描述。制冷单元15用于冷却冷阱14，以冷凝水蒸气。1输入-2输出控制器36用于食物冷柜的自适应压力控制。为了避免液体飞溅，需按照预先设定的压力设定点轨迹来控制冷柜压力。该预先设定的压力设定点轨迹是基于食物类型、粘度、冷柜压力、食物温度和沸点温度所计算出的。压力控制系统在图4中更详细地描述。

B.EVC装置的自适应冷柜压力控制

图4是根据本发明的实施例的2输入-1输出(2x1)压力控制系统的图。2输入-1输出(2x1)压力控制系统40包括1输入-2输出(1x2)MFA控制器42、2输入-1输出(2x1)系统44、执行器A

r(t)-设定点。

y(t)-测得变量或过程变量，y(t)＝x(t)+d(t)。

x(t)-系统输出。

V

V

d(t)-扰动，由噪声或负载变化引起该扰动。

e(t)-设定点与测得变量之间的误差，e(t)＝r(t)-y(t)。

控制目标是控制器产生输出V

当使用传统的控制方法时，EVC装置的冷柜压力的自动控制可能是一个挑战。我们必须基于变化的压力设定点轨迹来控制冷柜压力。此外，相同的压力控制系统必须应对变化的食物类型、有效负载变化和其它不确定性。从根本上说，1x2压力控制器只有1个输入，即控制误差e(t)，但必须产生2个控制输出V

在美国专利7,142,626“Apparatus and method of controlling multi-input-single-output systems(控制多输入-单输出系统的装置和方法)”中，描述了2输入-1输出(2x1)无模型自适应(MFA)控制系统。如美国专利7,142,626、6,055,524和6,556,980中所述的无模型自适应(MFA)控制技术是一种人工智能(AI)技术，其使用人工神经网络(ANN)作为控制器的关键组件。

无模型自适应(MFA)控制，顾名思义，是一种不需要过程模型的自适应控制方法。基于人工神经网络的智能特性，MFA可以适应新操作状况，并控制复杂的系统，而不需要过程模型。MFA控制器可以控制复杂的过程，包括非线性、开环振荡、多变量，以及具有大时延、变化的动态和改变的操作状况的过程。调试完成后，无需控制器手动微调。

无模型自适应控制系统具有以下特性或特征：(1)没有过程的精确定量信息；(2)系统中不包括过程识别器；(3)不需要对特定过程做控制器设计；(4)不需要对控制器做复杂的手动参数整定；(5)可获得稳定性分析标准来保证闭环系统的稳定性。

在该2x1控制应用中，针对压力控制系统，目标函数被选择为

E

图5图示了根据本发明的实施例的用于控制EVC装置的冷柜压力的1输入-2输出无模型自适应(MFA)控制器的架构。在控制器的设计中使用线性多层神经网络58。该神经网络具有一个输入层60、具有N个神经元的一个隐藏层62，以及具有一个神经元的一个输出层64。

到输入层60的输入信号e(t)首先通过使用归一化单元66转换成范围为-1到1的归一化误差信号E

E

其中K

E

每个输入信号可以经由个体加权因子w

将实数映射到[0,1]的分段连续线性函数f(x)用作神经网络中的激活函数，该分段连续线性函数f(x)定义如下

其中a是任意常数，b＝1/2。

来自隐藏层的每个输出信号经由个体加权因子h

由

D(x)＝100x, (5)

定义的去归一化函数78映射o(.)信号回到真实空间，以产生控制器信号u(t)。

该控制器的输入-输出的算法由以下差分方程组成：

q

其中函数f(.)的变量在方程(4b)中规定的范围内，并且o(n)以方程(4a)和(4c)中规定的极限为界。通过加法器80，控制器信号u(t)变为

其中n表示第n次迭代；o(t)是o(n)的连续函数；D(.)是去归一化函数；并且Kcx(.)>0，控制器增益82是用来调整控制器的量值的变量。这是与尺度函数Lx(.)65中相同的变量，它对于调整控制器性能或保持系统稳定是有用的。控制器信号u(t)然后进入分程设定器R(.)84，以产生控制器输出V

如在美国专利6,556,980B1中所述的在线学习算法是可以用于连续更新MFA控制器的加权因子的值的一种算法的示例，如下所示：

Δw

Δh

方程(1)到(11)适用于过程正作用或反作用两种类型。正作用意味着过程输入的增加将引起其输出增加，反之亦然。反作用意味着过程输入的增加将引起其输出减少，反之亦然。为了使上述方程同时适用于正作用和反作用情况，基于过程的作用类型不同地计算e(t)，如下所示：

e(t)＝r(t)-y(t)，如果是正作用 (12a)

e(t)＝-[r(t)-y(t)]。如果是反作用 (12b)

为了控制EVC装置的冷柜压力，分程设定器R(.)84需要被设计成产生控制器输出V

图6是根据本发明的实施例的视图，图示了可以将控制器信号分割成2个范围以操纵真空控制阀和入流空气控制阀的反向分程设定器的机制。

通过分别移动和设定旋钮R

对于所有u(t)∈[0,R

V

其中0

对于所有u(t)∈[R

V

其中0≤R

在EVC装置冷柜压力控制中，存在3种工作状况：

(1)真空控制阀打开，入流空气流量阀关闭，冷柜压力降低；

(2)真空控制阀和入流空气控制阀均关闭，冷柜压力保持稳定；以及

(3)真空控制阀关闭，入流空气流量阀打开，冷柜压力增高。

如此，我们可以移动和设定R

美国专利7,142,626还描述了2x1和Mx1 PID(比例-积分-微分)控制系统，其可能对EVC装置的冷柜压力控制有用。

C.EVC装置的冷柜压力设定点轨迹的设计

如本说明书的开篇部分所定义的，极端真空冷却(EVC)是在极端低压状况下通过真空冷柜压力控制并添加清洁干燥空气或惰性气体进行的真空冷却。本专利中公开的EVC装置可以均匀且快速地冷却食物。

EVC装置的一个主要挑战是B型食物的潜在液体飞溅。当冷柜压力与食物内部的水的蒸气压力之间的压力差过高时，由于快速蒸发而可能发生过度发泡。对于低粘度食物，如汤和酱汁，这种液体飞溅对于用户而言可能是大问题。对于B型食物，需严格控制冷柜压力，以自动方式管控冷柜压力与蒸气压力之间的压力差，从而使食物能够快速冷却，但不会发生液体飞溅。

图7是根据本发明的实施例的时间-幅度图，示出了压力设定点轨迹、EVC装置的受控冷柜压力、与冷柜压力相关的沸点温度，以及食物温度。该图包括用于压力设定点Ps102、冷柜压力Pc 104、沸点温度Tbp 106以及食物温度Tf 108的趋势。

由于A型食物不会发生液体飞溅，我们可以基于EVC装置的能力更积极地降低真空压力。例如，真空压力设定点Ps 102可以设计成从大气压力(1.0ATM或100KPa)变化到极端低压(0.01ATM或约1.0KPa)以实现快速真空冷却。可以控制冷柜压力Pc 104以跟踪其设定点Ps。在这种情况下，在B部分中描述的1x2压力控制器将在其0至40之间的OP范围内工作，以操纵真空控制阀并实现压力控制，同时入流空气控制阀在关闭状态。

物质的沸点是指物质的温度，在该温度下，液体的蒸气压力等于液体周围的压力，此时液体变成蒸气。因此，在真空冷柜中，食物内部的水的沸点温度与冷柜压力直接相关。由此可知，食物内部的水的沸点温度Tbp 106随着冷柜压力Pc 104而变化。应当注意，Tbp106与Tf 108之间存在时间滞后。对于A型食物，这种温差不是问题。然而，对于B型食物，如果我们基于此设计的压力设定点来运行EVC装置，则Tbp与Tf的大温差可能引起液体飞溅。

图8是用于B型食物的根据本发明的实施例的时间-幅度图，示出了有意为之的上下波动的压力设定点轨迹、与冷柜压力相关的沸点温度，以及食物温度。

如本文件的开篇部分所解释的，如果冷柜压力与食物内部的水的蒸气压力之间的压力差太高，则由于快速蒸发而可能发生过度发泡。当气泡在食物表面处破裂时，气泡表面张力可能引起B型食物在冷柜内部造成液体飞溅。对于B型食物来说，需严格控制冷柜压力，管控好冷柜压力与蒸气压力之间的压力差，使得食物能够快速冷却，又能避免液体飞溅。

由于沸点温度与冷柜压力有直接关系，我们也可以用沸点温度与食物温度之间的差作为约束条件来控制冷柜压力，从而避免B型食物的液体飞溅。如图8中图示的，冷柜压力设定点Ps 110可以在开始时减小，使真空冷却很快启动。在该图中，测得的冷柜压力虽未示出，但它应跟踪压力设定点。在这种情况下，我们可以假设冷柜压力等效于压力设定点。沸点温度Tbp 112随着冷柜压力而下降。然后，我们可以通过向冷柜中添加清洁的干燥空气或惰性气体来增加压力，以在食物温度Tf 114开始下降之前达到一定压力值。添加清洁空气的目的是提升冷柜压力，从而保持Tbp与Tf之间的温度差，以此来避免液体飞溅。

如图4中图示的，可以基于蒸气压力、沸点温度和粘度来计算冷柜压力设定点轨迹。在本实施例中使用的计算蒸气压力和与粘度有关的沸点温度的公式是“Perry'sChemical Engineers'Handbook(佩里化学工程师手册)”(作者是Don Green和MaryleeZ.Southard,由McGraw-Hill Education出版)一书中描述的已知技术，该书及其内容在此明确地以引用方式纳入。

在不失一般性的情况下，我们可以基于以下公式设计B型食物的冷柜压力设定点Ps(t)，如图8中图示的：

Ps(t)＝Pi(0)-a*t； 在初始斜坡下降时间段期间 (15a)

Ps(t)＝C1； 在第一保持时间段期间 (15b)

Ps(t)＝C1+b*t；在斜坡上升时间段期间 (15c)

Ps(t)＝C2；在第二保持时间段期间 (15d)

Ps(t)＝C2-d*t；在第二斜坡下降时间段期间 (15e)

Ps(t)＝C3,在终点时间段期间 (15d)

在这些公式中，Pi(0)是冷柜压力的初始值，常数a、b和d是压力斜坡下降、斜坡上升和最终斜坡下降的斜率。常数C1、C2和C3是EVC装置在固定的真空压力下运行的压力设定点。这些斜率和常数的实际值与EVC装置能力、食物粘度、总重量以及沸点温度与食物温度之间的差值等有关。它们可以通过实验得出，并作为预先确定的值存储在冷却配方中。

D.极端真空冷却的方法

图9是根据本发明的实施例的流程框图，图示了使用图1至图8中所示的EVC装置来冷却食物的方法的步骤。

冷却步骤在方框120处开始，将装了要冷却食物的食物盘放置在EVC装置的食物冷柜内部。在方框122处，将多个温度传感器探头插入到食物样品中，以用于测量食物温度。温度的平均值可以用于温度监测、终点温度触发和冷柜压力设定点计算中的食物温度Tf。

在方框124处，操作员关闭冷柜门，然后登录到计算机或HMI屏幕上。在方框126处，操作员按食物类型A或B、冷柜内的食物总重量以及冷却目标等相关的配方菜单中选择冷却配方。冷柜压力设定点轨迹计算与食物类型A或B非常相关，如图7和图8中图示。

在方框128处，操作者开启冷却过程并等待，直到食物冷却到终点温度。在方框130处，冷却过程结束，食物冷柜压力恢复到大气压力。在方框132处，将食物盘从食物冷柜中移出。

E.结论

我们开发极端真空冷却(EVC)技术和产品的动机符合了食品工业转型的大趋势。类似于半导体代工厂或晶圆厂，食品代工厂是那些现代化的商业厨房或食品处理厂，它们能生产大量小包装的具有特殊配方的食品，以服务专门客户或目标客户群。在食品代工厂中，大量的食物需要烹饪和冷藏以备将来食用。快速冷却食物使烹饪过的食物脱离危险区，达到食物安全标准，节约能源和人力是本发明的目标。

本专利的发明者具有多年的技术创新经验，服务甚至引领工业自动化、可再生能源和半导体设备转型的大趋势。我们的目标是为食品工业和社会做出应有的贡献，使人们得到更健康、美味和价格合适的食物。