專利名稱：用于處理具有多個電磁發(fā)生器的加工體積的方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體上涉及物質(zhì)的加工或反應(yīng)。本發(fā)明在促進(jìn)諸如斷裂大分子中的化學(xué)鍵 的化學(xué)加工或反應(yīng)的電磁能量的使用上具有特別的應(yīng)用，并將結(jié)合這些應(yīng)用描述本發(fā)明， 但是也可考慮其它應(yīng)用。斷裂化學(xué)鍵的一個例子是斷裂長碳?xì)滏溨械幕瘜W(xué)鍵，從而產(chǎn)生鏈 較短且重量較輕的碳?xì)浠衔?。這樣的加工可以例如將高粘度的石油分解為低粘度，從而 可以使石油更易于輸運(yùn)通過管道。
背景技術(shù)：
基于石油的物質(zhì)是世界經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，對基于石油的燃料和基于石油的產(chǎn)物的需求 日益增加。隨著需求的增加，需要有效且經(jīng)濟(jì)地加工基于石油的物質(zhì)以滿足此需求。因此， 不但能夠加工來自地底的基于石油的原料，還可以循環(huán)消費(fèi)產(chǎn)物以重新獲取那些基于石油 的物質(zhì)將是有益的。全球范圍的石油消耗被估計(jì)為每天超過七百萬桶，并且這個數(shù)量仍在增長。因此 需要充足的石油供應(yīng)。浙青砂、油砂和油頁巖包含大量的石油；然而，從這些物質(zhì)的石油提 取價(jià)格昂貴并且耗時。將重油從油砂中抽出是很困難的。一般地，必須將高達(dá)30%體積的溶劑或稀釋液 加入到這樣的石油，以使石油稀薄到能夠通過管道抽出。這給現(xiàn)行價(jià)格的每桶石油增加了 差不多15%的成本。因此，經(jīng)濟(jì)地?cái)嗔岩恍┓肿渔I以使石油不那么粘稠的能力將對來自油 砂的有用產(chǎn)物的回收有顯著的影響。另一個變得越來越重要的問題是有毒廢物的處理。一 般地使廢物無害需要斷裂廢物中的化學(xué)鍵并在可能的情況下接著加入其它物質(zhì)以形成新 鍵。在現(xiàn)有技術(shù)中，已知在連接有電磁發(fā)生器的諧振電磁結(jié)構(gòu)中，可以激活加工或反 應(yīng)體積。該結(jié)構(gòu)一般是多模式的(即，多空間模式)。微波爐是這種設(shè)備的一個實(shí)例。諧振結(jié)構(gòu)還可以是單模式的結(jié)構(gòu)，其中在單空間模式中單頻是諧振的。單模式諧 振結(jié)構(gòu)比多模式諧振結(jié)構(gòu)小，并且不能加工同樣的功率輸入。在多種應(yīng)用中都期望在加工 或反應(yīng)體積中產(chǎn)生等離子體，一般在單模式諧振結(jié)構(gòu)中比較容易產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子體并保 持與發(fā)生器及其輸送系統(tǒng)的匹配。在連接到多個電磁發(fā)生器的多模式諧振結(jié)構(gòu)中可以激活反應(yīng)或加工體積也是已 知的。例如，美國專利No. 7，227，097描述了一種使用多個連接到公共的多模式諧振結(jié)構(gòu)的 發(fā)生器的系統(tǒng)，其中在公共的諧振腔中產(chǎn)生等離子體。這種構(gòu)造具有允許更高輸入功率的 優(yōu)點(diǎn)，但是多模式腔對離子體波動太過敏感。在這種構(gòu)造中匹配和保持電磁發(fā)生器與它們 各自的輸運(yùn)系統(tǒng)也很困難。還存在更多的由于等離子體不穩(wěn)定性的多個發(fā)生器的交叉耦 合?，F(xiàn)有技術(shù)參考文獻(xiàn)也提供了用于單模式諧振結(jié)構(gòu)的多個發(fā)生器輸入，但是在單模式構(gòu)造中需要每個發(fā)生器都具有相同的頻率和相位，并且諧振結(jié)構(gòu)將限制可以提供的功率的大在某些情況下，必須使用很高的頻率，例如微波。來自輸入電能的微波能量的產(chǎn)生 (大致為300MHz至300GHz) —般僅有約50%至70%的效率。相比之下，較低比率頻率的產(chǎn) 生(大致為455KHz至300MHz)能量轉(zhuǎn)換效率高達(dá)95%。在某些加工或反應(yīng)中，有必要使用微波能量。例如，在某些應(yīng)用中，有必要用微波 頻率形成等離子體，但是用可以更有效率產(chǎn)生的較低頻率來進(jìn)一步加熱等離子體是很有利 的。另外，一般地在微波諧振結(jié)構(gòu)中等離子體沿著加工室或反應(yīng)室的長度不是均勻加熱的。因此，需要更有效率地對加工體積進(jìn)行加工的改進(jìn)的方法與設(shè)備。更明確地，需要 沿著反應(yīng)室的長度均勻地激活等離子體，并需要利用較低比率的頻率能量轉(zhuǎn)換。

發(fā)明內(nèi)容
為了滿足上面所述的需求，本發(fā)明公開了一種用于加工具有多個電磁發(fā)生器的加 工或反應(yīng)體積的方法與設(shè)備。在本發(fā)明中通過在諧振結(jié)構(gòu)中使用更高階的微波模式以及 通過利用允許較低頻率RF輻射的附加使用的獨(dú)特結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)目的。與用矩形波導(dǎo)管作為諧振腔的現(xiàn)有技術(shù)(Hammer，6，683，272 B2,2004年1月27 日)相比，本發(fā)明使用圓形諧振結(jié)構(gòu)。本發(fā)明公開了允許將多種頻率應(yīng)用到反應(yīng)或加工體 積的獨(dú)特物理結(jié)構(gòu)，同時包括靜態(tài)場和各種頻率的交變場。此外，圓形形狀的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了比 矩形形狀高的內(nèi)部功率。本發(fā)明還公開了一種通過給結(jié)構(gòu)提供聲震動以在操作期間從諧振 結(jié)構(gòu)壁除去反應(yīng)或加工產(chǎn)物的方法。在形成等離子體的情況中，具有適當(dāng)?shù)臋M向電(用TElmn表示)諧振器模式的圓 形形狀的使用將等離子體限制在反應(yīng)室或加工室的軸線，因此通過提供相對于電場橫向的 磁場和通過附加地提供射頻場來實(shí)現(xiàn)反應(yīng)或加工體積的更有效率的加熱。此外，可以加入 靜態(tài)螺線管場以幫助將等離子體限制在諧振器的軸線。通過既操作多空間模式的諧振結(jié)構(gòu)又采用此處公開的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，可以通過使用更 多的發(fā)生器來提供更高的功率，還可以均勻地激活沿著諧振結(jié)構(gòu)的長度而運(yùn)動的介質(zhì)。2008年9月19日提交的共同未決的美國申請12/234，503的權(quán)利讓予共同的受讓 人，并作為參考并入本發(fā)明，該申請?zhí)峁┝艘环N系統(tǒng)，即通過給各個諧振結(jié)構(gòu)提供多個電磁 發(fā)生器的輸出，來加工具有多個電磁發(fā)生器的加工或反應(yīng)體積的方法與設(shè)備，其中多個諧 振結(jié)構(gòu)隨后被連接到公共的加工或反應(yīng)體積。該申請還公開了匹配與調(diào)諧電磁發(fā)生器與它 們各自的諧振結(jié)構(gòu)、控制輸入到各個諧振結(jié)構(gòu)的功率、以及控制具有相同諧振頻率的任意 輸入的相位的方法。多個諧振結(jié)構(gòu)被布置為使反應(yīng)或加工體積是各個諧振結(jié)構(gòu)的一部分。 在這樣的構(gòu)造中，發(fā)生器可以具有不同的頻率和相位，并仍與公共的加工或反應(yīng)體積相匹 配。只有加工或反應(yīng)體積限制了可以輸入的功率量。因此，該系統(tǒng)通過使各個發(fā)生器連接 到其各自的諧振結(jié)構(gòu)將多輸入與穩(wěn)定性提高的優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，其中各個諧振結(jié)構(gòu)依次連接到 公共的加工或反應(yīng)體積。因此本發(fā)明的一個目的是提供一種將除微波源之外的較低射頻(RF)電磁源連接 至反應(yīng)和加工體積的方法與設(shè)備。本發(fā)明的另一個目的是為靜態(tài)磁場作準(zhǔn)備。為了實(shí)現(xiàn)這 個目的，加工室或反應(yīng)室被布置為使多個微波模式在結(jié)構(gòu)中同時產(chǎn)生諧振。這實(shí)現(xiàn)了物質(zhì)在被加工或反應(yīng)時更均勻和更強(qiáng)的激活。本發(fā)明的另一個目的是實(shí)現(xiàn)相同或不同頻率的多個微波輸入。在本發(fā)明中，具有 相同頻率的發(fā)生器的相位鎖定。每個發(fā)生器都連接到機(jī)械和電子方面都與反應(yīng)室或加工室 的諧振模式相配的適當(dāng)諧振模式，并在負(fù)載改變時幫助保持與腔室匹配的源。在反應(yīng)室中 產(chǎn)生等離子體時的情形是特別重要的。在這種情況下，等離子體形成時負(fù)載動態(tài)地改變。本 發(fā)明還提供用于微波發(fā)生器與加工室或反應(yīng)室的匹配的電子與機(jī)械調(diào)諧，并實(shí)現(xiàn)了用于保 持與負(fù)載的匹配的快速調(diào)整。一方面，本發(fā)明提供一種激活具有電磁輻射的加工介質(zhì)的設(shè)備，該設(shè)備包括包含 加工體積或反應(yīng)體積的反應(yīng)結(jié)構(gòu)；連接到反應(yīng)結(jié)構(gòu)的至少一個微波電磁發(fā)生器，最好是連 接到反應(yīng)結(jié)構(gòu)的多個微波電磁發(fā)生器；以及連接到反應(yīng)結(jié)構(gòu)的至少一個射頻(RF)電磁發(fā) 生器。加工或反應(yīng)室最好是圓柱對稱的，微波源被設(shè)置為僅激活橫向電(TE或H)模式。這 種模式被稱為TElmn模式。在這些模式中，電場是環(huán)狀的并平行于諧振室的壁，磁場平行于 軸線。來自多個微波發(fā)生器的輸入被設(shè)置為使多個發(fā)生器連接到諧振結(jié)構(gòu)的多種模式。在 多種情況下，使用沿圓周不變的模式。這種模式被稱為TEomn模式。另一方面，本發(fā)明提供一種加工具有多個電磁發(fā)生器的加工體積的設(shè)備，該設(shè)備 包括諧振結(jié)構(gòu)，由金屬螺旋線和連接到螺旋線的多個電磁發(fā)生器形成。諧振結(jié)構(gòu)本身由金 屬螺旋線制成，螺旋線的盤繞可以具有等于諧振頻率的波長的幾分之一的寬度。參見圖1， 可以橫跨線圈的數(shù)個盤繞連接射頻(RF)源。在RF頻率處線圈的盤繞顯現(xiàn)出電感。有時在 RF頻率處用電容器使電流諧振。這種設(shè)置提供了平行于線圈軸線的交變磁場，允許給正在 加工或反應(yīng)中的物質(zhì)增加能量。再一方面，本發(fā)明提供一種用磁場激活加工介質(zhì)的方法，該方法包括提供基本上 為圓柱形的諧振結(jié)構(gòu)，其中至少一個微波發(fā)生器和至少一個RF發(fā)生器連接到諧振結(jié)構(gòu) ’產(chǎn) 生連接到諧振結(jié)構(gòu)的多個模式的電磁場；沿著軸線將加工介質(zhì)運(yùn)送通過所述諧振結(jié)構(gòu)。加 工介質(zhì)被提供到結(jié)構(gòu)中。存在貫穿諧振結(jié)構(gòu)的RF和微波透明管道(低介電常數(shù))(用虛 線表示)，或者可以省略該透明管道。管道的輸入部分一般是金屬的以防止出自腔室的輻 射。方法與設(shè)備的具體描述將與諸如副產(chǎn)物從線圈的除去以及設(shè)備的屏蔽的其它特 征一起在隨后的章節(jié)中給出。


本發(fā)明的進(jìn)一步的特征和優(yōu)點(diǎn)可以從下面的具體描述中結(jié)合所附附圖看出，其中圖1是根據(jù)本發(fā)明的一個方面的加工具有多個電磁發(fā)生器的加工體積的設(shè)備的 示圖。圖2a和圖2b是圖1中所示的設(shè)備的截面圖，示出了電磁發(fā)生器所產(chǎn)生的多種場。圖3a和圖3b是根據(jù)本發(fā)明的一個方面的匹配設(shè)備的示圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明的一個方面的相位鎖定設(shè)備的示意圖。圖5a是根據(jù)本發(fā)明的一個方面的線圈的示圖。圖5b是根據(jù)本發(fā)明的一個方面的端蓋的示圖。圖6是根據(jù)本發(fā)明的另一方面的加工具有多個電磁發(fā)生器的加工體積的設(shè)備的示圖。圖7是根據(jù)本發(fā)明的加工具有多個電磁發(fā)生器的加工體積的方法與設(shè)備的示意 圖。
具體實(shí)施例方式在下面的描述中，將參考形成說明書一部分的所附附圖，在附圖中用圖示的方式 示出了本發(fā)明的多個實(shí)施例。應(yīng)當(dāng)理解在不脫離本發(fā)明的范圍的前提下也可采用其它實(shí)施 例與進(jìn)行多種改變。圖1示出了本發(fā)明的一般概念。由導(dǎo)電金屬螺旋線100形成了微波頻率的諧振腔 (可以存在多個不同的微波頻率輸入)。螺旋線的內(nèi)直徑被選擇為支持具有等于螺旋的內(nèi) 直徑的直徑的圓柱諧振器4的適當(dāng)?shù)奈⒉Ｊ?。長度被選擇為輸入微波頻率的半波長的整 數(shù)。多個微波和多個RF源11、12傳遞功率至諧振結(jié)構(gòu)。然而一般來說，不可能讓微波腔以 任意的輸入頻率諧振，諧振結(jié)構(gòu)允許不同頻率的諧振模式是本發(fā)明的一個特征。螺旋100 由連續(xù)的電導(dǎo)(和熱導(dǎo))材料形成，諸如銅。提供熱交換器或制冷器來冷卻線圈，并用聲 源來除去由于注入諧振結(jié)構(gòu)中的物質(zhì)的加工或反應(yīng)而在上面形成的沉積物。不管是否使用透明管道，本發(fā)明的方法與設(shè)備可以用于在反應(yīng)室中形成等離子 體。在這里，“透明”表示關(guān)于微波和RF頻率透明。在形成等離子體時，存在等離子體內(nèi)的 電場的短路。因此在這種情況下，不可以存在沿著軸線的電場(通常用E場表示)。因此， 在激活諧振室時讓僅具有環(huán)狀E場的模式被激活。這些是已知的TElmn模式。在此術(shù)語中， 下標(biāo)“η”表示在半波長的諧振模式中諧振結(jié)構(gòu)的長度。“1”表示在垂直于軸線的圓形路徑 周圍的場中的變化次數(shù)，“m”表示徑向方向的E場中的變化次數(shù)。對于所有的這些模式，H 場平行于諧振結(jié)構(gòu)的軸線。此處所描述的設(shè)備可以用于依靠磁場激活在加工或反應(yīng)中的物質(zhì)，磁場通常用H 場表示，與E場不同的是，H場在形成時可以穿透等離子體。諧振室的獨(dú)特特征讓多個TE模 式被激活，從而更加均勻地加熱等離子體。螺旋繞組100的寬度不是關(guān)鍵性的，因而相當(dāng)寬范圍的微波頻率可以同時進(jìn)行諧 振。若模式在頻率上接近，則令螺旋繞組的寬度等于諧振頻率的四分之一波長是有利的。在 這種情形下，線圈之間的空間出現(xiàn)對諧振結(jié)構(gòu)內(nèi)的E場的短路。這是由于在外直徑處線圈 之間的開放空間可能在距離內(nèi)直徑四分之一波長處短路。若諧振模式是如本發(fā)明中的TE 模式，則E場是環(huán)狀的，因此在縱向方向上幾乎沒有電流。在諧振器中模式被激活以使相應(yīng) 的磁場平行于諧振器的軸線，并使電場是圓形的、平行于壁。這種模式的電場在壁處為零， 從而電流不需要在螺旋繞組的間隙中流動。參見圖1，結(jié)構(gòu)的各個線圈之間的間距d，2由多個因素決定，包括結(jié)構(gòu)的這個部分 需要多少電感以及密封線圈之間空間的材料的介電常數(shù)。在附圖中放大了線圈各圈之間的 空間以便于說明。在實(shí)際中，該空間比示出的小得多并由絕緣物所填充，從而諧振器具有連 續(xù)的壁(金屬、絕緣物、金屬、絕緣物……)。實(shí)心的金屬末端平板3A、3B被管子或管道4穿 透(管道4的輸入和輸出部分是金屬的以防止來自諧振腔的輻射)，管道4運(yùn)送按照諧振 結(jié)構(gòu)內(nèi)的電磁場而運(yùn)動的介質(zhì)。在某些實(shí)施例中，不需要該管道(管道關(guān)于微波和RF頻率 透明)，并且按照7運(yùn)動的物質(zhì)填充了諧振結(jié)構(gòu)的整個內(nèi)部。內(nèi)部管道4的虛線5表示在諧振結(jié)構(gòu)內(nèi)可以存在或不存在管道。諧振結(jié)構(gòu)的輸出端是可以被管道穿透的實(shí)心金屬蓋， 如虛線管道所示的被加工或反應(yīng)的物質(zhì)流動通過該輸出端。在諧振腔中不存在管道的情況 下，仍有外部金屬管道4，通過該管道反應(yīng)或加工物質(zhì)離開腔室。諧振結(jié)構(gòu)的輸入平板3A被一或多個微波輸入穿透，通常被波導(dǎo)管6穿透。將輸入 微波頻率調(diào)諧以匹配結(jié)構(gòu)的諧振頻率。對所有的輸入采用匹配設(shè)備以有效地將微波接入諧 振結(jié)構(gòu)并隨著負(fù)載變化保持匹配。將按照7加工或反應(yīng)的物質(zhì)通過管道4注入到諧振結(jié)構(gòu)中。若如關(guān)于微波和RF 頻率透明的虛線管道所示該物質(zhì)繼續(xù)運(yùn)動通過諧振結(jié)構(gòu)，則加工或反應(yīng)的產(chǎn)物在輸出8離 開諧振結(jié)構(gòu)。根據(jù)加工或反應(yīng)的程度，此輸出由原物質(zhì)及其副產(chǎn)物組成。如隨后說明的，與反應(yīng)結(jié)構(gòu)的軸線同軸的可移動圓柱形一般是空的活塞(圖1中 未示出)位于諧振結(jié)構(gòu)的輸出端。平行于諧振結(jié)構(gòu)的軸線移動這些活塞的軸桿穿透了輸出 蓋3B。這些活塞允許同時匹配不同頻率和不同徑向變化的TE模式。由于比微波場更有效地產(chǎn)生較低頻率的RF場，因此期望利用較低頻率的RF源對 反應(yīng)室添加更多的能量。這就是螺旋形結(jié)構(gòu)的原因。螺旋在RF頻率形成感應(yīng)器。如圖1中 所示，如果RF發(fā)生器9、10橫跨多個線圈1連接，則形成螺線管，產(chǎn)生沿著諧振結(jié)構(gòu)的軸向 的螺線管磁場或軸向磁場。如果在諧振結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)形成等離子體，則電場在等離子體內(nèi)必須 為零。但是，磁場能夠穿透，并且對等離子體添加能量。這樣的連接使得由RF發(fā)生器產(chǎn)生 的磁場與微波模式產(chǎn)生的磁場處于沿諧振結(jié)構(gòu)的相同位置，由此沿軸添加更多的電能。各 種RF發(fā)生器11和12可以具有相同或不同的頻率。添加電容器13和14，從而電容器和由諧振結(jié)構(gòu)的線圈形成的感應(yīng)器形成諧振電 路。圖1中的電容器與發(fā)生器和感應(yīng)器串聯(lián)，形成串聯(lián)諧振結(jié)構(gòu)。在這些情況下，無需分離 的電容器。在這種情況下，結(jié)構(gòu)本身的電容沿著線圈旋轉(zhuǎn)的電感形成諧振電路?；蛘唠娙?器可以并行設(shè)置，形成并行諧振RF電路。由此沿著諧振結(jié)構(gòu)的軸產(chǎn)生交變軸磁場，對正被 加工或反應(yīng)的材料添加能量。除了交變的RF場之外，通過將一個或多個DC源連接到線圈15的各個部分，能夠 沿軸產(chǎn)生靜態(tài)場或DC場?？梢源嬖谂c各種線圈連接的幾個DC源，或者可以存在橫跨整個 結(jié)構(gòu)而連接的單個DC源18。感應(yīng)器16與DC電源串聯(lián)設(shè)置以免受RF輻射。靜態(tài)DC電流 產(chǎn)生靜態(tài)軸場。在諧振結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)形成等離子體的情況下，DC場用于將產(chǎn)生的等離子體限制 在諧振結(jié)構(gòu)的軸上，從而更有效地被交變的RF場激活。優(yōu)選與矩形室相對的圓形室，是由于圓形室能夠處理大得多的功率，并且圓形幾 何形狀能夠提供對正被加工或者起反應(yīng)的材料的更均勻的激活。如前面所述，幾個TElmn模式將被激活以提供諧振結(jié)構(gòu)中的更均勻的微波功率密 度。各種TElmn模式在不同的徑向位置具有最大值，如圖2a中所示，其示出沿諧振結(jié)構(gòu)的 軸的截面。注意的是所有TElmn模式均具有沿諧振結(jié)構(gòu)的軸的磁場最大值。這在諧振結(jié)構(gòu) 中形成等離子體的情況下特別有利。在這種情況下，不存在沿軸具有E場的TM模式。但 是，具有沿軸的磁場的TE模式能夠穿透等離子體，將附加的能量添加給等離子體以對其進(jìn) 一步加熱。在許多情況下，期望具有圓周對稱的諧振模式，這種模式在圓周周圍沒有變化。 這些模式如TEomn模式一樣公知。圖2a示出與諧振結(jié)構(gòu)的軸平行的本發(fā)明的截面圖。所示的兩個TElmn模式21、22在不同的徑向位置具有最大值。模式21是TELln模式，而具有兩個徑向變化的模式22是 TEL2n模式。沿著諧振結(jié)構(gòu)的長度縱向24調(diào)節(jié)在模式21的H場的最大值處的環(huán)形活塞23 以使調(diào)諧模式21諧振。類似地，調(diào)節(jié)26與模式22的H場的最大值相符的具有兩個環(huán)的活 塞25以使調(diào)諧模式22在結(jié)構(gòu)中諧振。圖2a還示出包括諧振結(jié)構(gòu)的壁的螺旋形線圈27的 旋轉(zhuǎn)的截面。圖中還示出管道28，其運(yùn)載在該結(jié)構(gòu)中反應(yīng)或通過該結(jié)構(gòu)加工的材料。如前 面所述，能夠透入微波和RF頻率的管道可以或者不可以存在于諧振結(jié)構(gòu)內(nèi)。其由虛線29 表示。但是，在任何情況下，存在金屬排氣管29A。管29A由金屬制成以防止諧振結(jié)構(gòu)被輻 射。如后面將解釋的，整個裝置還將被外容器封裝，在大多數(shù)情況下，外容器是金屬的，以防 止外界的輻射。圖2b示出分辨各種縱向模式的方法。所示為許多半波長長度的諧振結(jié)構(gòu)的截面。 兩個模式29B和29C在不同的位置具有縱向最大值。在這種情況下，穿透螺旋形線圈的壁 的螺釘29D防止虛線模式29B振蕩。各種諧振模式被裝置的輸入端上的微波輸入激活，為了有效耦合，該裝置與適當(dāng) 的TElmn模式的H場相符。一旦適當(dāng)設(shè)置活塞，必須在諧振裝置的輸入端預(yù)作安排以在負(fù)載改變時使微波源 與負(fù)載匹配。由于在突然形成等離子體的情況下負(fù)載迅速改變，所以期望使用一種允許輸 入迅速匹配的方法。這通過輸入匹配方案來實(shí)現(xiàn)，下面進(jìn)行解釋。輸入匹配方案的第一部分是利用電子驅(qū)動的機(jī)械裝置調(diào)節(jié)對適當(dāng)模式的匹配，從 而迅速響應(yīng)。對每一微波輸入使用這些裝置之一。該裝置改變每個微波源對諧振結(jié)構(gòu)的耦 合系數(shù)。耦合系數(shù)為1表示完美匹配，從而從諧振結(jié)構(gòu)不反射功率。耦合系數(shù)為零表示從 諧振結(jié)構(gòu)反射所有功率。這期望具有能夠被閉環(huán)伺服系統(tǒng)控制的電子觸發(fā)裝置。匹配裝置的工作如下參照圖3a和圖3b，來自微波發(fā)生器的輸出通常通過如圖3a 中所示的適當(dāng)尺寸的矩形波導(dǎo)31傳送到反應(yīng)室。選擇波導(dǎo)中的模式及其在諧振室的輸入 的位置以激活期望的TELmn模式。輸入蓋中的輸入孔也是具有相同尺寸的矩形，并且通常 與第二波導(dǎo)32耦合，該第二波導(dǎo)32具有與來自微波發(fā)生器的波導(dǎo)相同的橫截面。通過旋 轉(zhuǎn)相對于輸入波導(dǎo)具有相同橫截面的截面以及通向輸入孔的波導(dǎo)，旋轉(zhuǎn)調(diào)諧裝置33工作。 當(dāng)旋轉(zhuǎn)截面與其他兩個橫截面對齊時，耦合系數(shù)為1，如果該截面旋轉(zhuǎn)90度，則耦合系數(shù)為 零。圖3b示出與適當(dāng)電子控制器36連接的螺線管34、35如何電子控制中心旋轉(zhuǎn)件 33。通過適當(dāng)?shù)牟贾茫缤ㄟ^如定向耦合器監(jiān)控比作輸入功率的反射功率來檢測反射系 數(shù)，并且控制信號37驅(qū)動螺線管以使正向發(fā)送功率最大化。在圖示中，水平方向測量旋轉(zhuǎn) 角θ。接近零度的θ值利用接近零反射系數(shù)提供與負(fù)載的最佳匹配。接近90度的值導(dǎo)致 最大的反射系數(shù)。如果使用在相同頻率下的多個發(fā)生器，則必須將他們的相位一起鎖定。其在圖4 中示出。第一發(fā)生器41已與諧振結(jié)構(gòu)匹配。第二發(fā)生器42與第一發(fā)生器同相鎖定，從而 兩個頻率相同，并且兩個發(fā)生器同相。諧振結(jié)構(gòu)43容納在容器44內(nèi)，其將結(jié)合圖6更詳細(xì) 地描述。在諧振結(jié)構(gòu)內(nèi)部的傳感元件45檢測諧振結(jié)構(gòu)內(nèi)部的輻射的相位。該信號在混頻 器46內(nèi)與第二發(fā)生器42的頻率進(jìn)行比較。來自混頻器的誤差信號47反饋至第二微波發(fā)生 器以使其相位與諧振結(jié)構(gòu)和第一發(fā)生器41的相位同位。該技術(shù)不限于僅僅兩個發(fā)生器或者相同的頻率。相同頻率的多個發(fā)生器可以類似地被相位鎖定。來自各個發(fā)生器的輸出必 須與相同諧振結(jié)構(gòu)模式耦合。注意的是相位的這種鎖定僅應(yīng)用于具有相同頻率的發(fā)生器， 因此他們與諧振結(jié)構(gòu)中的相同TELmn模式耦合。采用標(biāo)準(zhǔn)微波技術(shù)以保護(hù)微波發(fā)生器，例如使用在發(fā)生器與負(fù)載之間的循環(huán)器或 絕緣體以保護(hù)發(fā)生器免受大反射頻率的影響。在這種方法和設(shè)備的許多應(yīng)用中，由于在諧振結(jié)構(gòu)內(nèi)的加工或反應(yīng)，沉淀物將形 成在諧振結(jié)構(gòu)上。特別關(guān)注的情況是重質(zhì)烴的處理使大分子分散成單分子。在這種情況下， 如在前述US申請No. 12/234，503中所述的演示前述方法和設(shè)備的原型裝置中所演示的，碳 沉淀物形成在設(shè)備的內(nèi)壁上。這會降低加工的效率并且改變諧振結(jié)構(gòu)與一個微波源或多個 微波源之間的匹配。圖5a示出清除裝置的沉淀物的技術(shù)。線圈的盤繞是中空的51，允許水或一些其他 液體52通過線圈流動。超聲波發(fā)生器53通過耦合換能器55施加超聲波能量以使液體通 過線圈流動，同時水冷卻線圈。泵56抽取通過線圈的液體，并且貯液器57例如通過冷卻器 還去除液體中的熱量。為了減少由于交變RF場在端蓋58中感應(yīng)的有損耗的渦流，端蓋的內(nèi)部被細(xì)小導(dǎo) 電螺旋形纏繞的箔片59覆蓋，如圖5b中所示。圖6示出在不存在支撐正被處理的介質(zhì)的內(nèi)部管的情況下反應(yīng)室的一種布置。例 如，輸入60可以是被霧化器61物化的液體60，然后其被注入反應(yīng)室62。在這種情況下，整 個反應(yīng)設(shè)備將被圍繞在封閉容器63內(nèi)，如圖中所示。通過出口 64收集加工或反應(yīng)的產(chǎn)物。 來自出口的各種原料被適當(dāng)?shù)卦俅渭庸ぃ绶蛛x液體與氣體。這種封閉容器63可以是例 如玻璃或陶器的絕緣體，或者由金屬制成以作為屏蔽用于防止RF或微波輻射露至外界。圖7示出本發(fā)明的方法和設(shè)備的一些基本元件。加工設(shè)備或反應(yīng)設(shè)備的輸入可以 例如是液體71。該輸入也可以是固體或氣體，或者被霧化的液體、液體、氣體和/或固體的 多態(tài)混合物。在氣體或固體的情況下，將使用適當(dāng)?shù)难b置將待被加工或反應(yīng)的材料注入到 反應(yīng)或加工設(shè)備中。在附圖中，液體74被泵72抽到反應(yīng)設(shè)備或加工設(shè)備。液體被霧化器 73霧化，并注入74到被加工或反應(yīng)的反應(yīng)室中。在特殊關(guān)注的情況下，在反應(yīng)室內(nèi)部建立 等離子體，并且液體中的化學(xué)鍵被破壞。例如期望破壞重質(zhì)烴中鍵的情況以生成氣體產(chǎn)物 并且使液體降低粘性。輸出產(chǎn)物75被適當(dāng)圍繞反應(yīng)室的收集室76收集。在液體輸入的情 況下，輸出通?？梢园杀贿m當(dāng)分離77的液體和氣體產(chǎn)物。使用適當(dāng)?shù)目烧{(diào)匹配裝置78 以使微波源79與反應(yīng)設(shè)備耦合。這些裝置已結(jié)合圖3進(jìn)行解釋。在微波發(fā)生器具有相同 頻率的情況下，發(fā)生器被相位鎖定在一起，如圖4中所示。用于匹配各種諧振模式的可移動 活塞在圖中示意為80。如前面所述，用于移動這些活塞的軸桿通過室壁延伸。參照圖2示 意性地解釋這些活塞。與諧振結(jié)構(gòu)耦合用于進(jìn)一步加熱工作介質(zhì)的多個RF發(fā)生器在圖中 示意為81和82。DC電流源83提供軸向靜態(tài)磁場?？梢允撬蚰撤N類型的冷卻液84的冷 卻液通過中空線圈被泵85抽吸。超聲波源86通過適當(dāng)?shù)膿Q能器88對液體施加超聲波能 87，這造成諧振結(jié)構(gòu)線圈的機(jī)械振動以移除在其上沉淀的任何材料。無論該系統(tǒng)是否正在 處理輸入材料，在任何需要的時候都可以使用超聲波。用于冷卻液的貯液器89包含從冷卻 液去除熱量的裝置，例如熱交換器或冷卻器。應(yīng)強(qiáng)調(diào)的是本裝置和加工的上述實(shí)施例，特別是“優(yōu)選”實(shí)施例僅為實(shí)施的可能實(shí)例，并且僅表示對本發(fā)明的原理的清楚理解。不脫離本發(fā)明的精神和范圍，可以設(shè)計(jì)和/或 制造這里描述的用于處理加工體積的方法和設(shè)備的許多不同實(shí)施例。所有這些和其他這樣 的修改和變化意在包含在本公開的范圍內(nèi)并由下面的權(quán)利要求保護(hù)。因此，除了所附權(quán)利 要求所指出的范圍之外，不限制本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
一種利用電磁輻射激活加工介質(zhì)的設(shè)備，包括包含加工體積或反應(yīng)體積的反應(yīng)結(jié)構(gòu)；在所述反應(yīng)結(jié)構(gòu)周圍與反應(yīng)結(jié)構(gòu)耦合的多個微波電磁發(fā)生器；以及與所述反應(yīng)結(jié)構(gòu)耦合的至少一個射頻(RF)電磁發(fā)生器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括，與所述反應(yīng)結(jié)構(gòu)耦合的至少一個靜態(tài)電磁發(fā)生器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述反應(yīng)結(jié)構(gòu)是在微波頻率下的單一模式或者 多模式。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述反應(yīng)結(jié)構(gòu)關(guān)于軸圓柱對稱。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述反應(yīng)結(jié)構(gòu)被螺旋線結(jié)構(gòu)限制，該螺旋線結(jié)構(gòu) 由導(dǎo)電材料形成并且具有多個線圈。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中，所述螺旋線的盤繞寬度是諧振頻率的波長的四 分之一。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中，所述螺旋線與一個或多個所述射頻發(fā)生器連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中，所述線圈形成諧振電路的一部分。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的設(shè)備，其中，所述螺旋線在每個端部具有端蓋，其中所述端蓋 包括螺旋繞組以防止渦流損耗。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，兩個或更多個所述至少一個微波電磁發(fā)生器產(chǎn) 生相同頻率的微波，所述微波被選擇以激活所述反應(yīng)結(jié)構(gòu)內(nèi)的各種模式。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的設(shè)備，其中，相同頻率的所述微波被同相鎖定。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的設(shè)備，還包括監(jiān)相器，從該監(jiān)相器得到誤差信號，并且該誤 差信號返回至相同頻率的所述微波電磁發(fā)生器的至少一個。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，微波電磁發(fā)生器產(chǎn)生不同頻率的微波，所述微 波被選擇以激活所述反應(yīng)結(jié)構(gòu)內(nèi)的各種模式。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，利用TElmn模式的H場激活所述加工介質(zhì)。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述射頻發(fā)生器被耦合以激活諧振結(jié)構(gòu)的軸附 近的區(qū)域。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括用于超聲波清洗諧振結(jié)構(gòu)的超聲波裝置。
17.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述螺旋線是液冷式的。
18.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述螺旋線是氣冷式的。
19.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其中，所述至少一個靜態(tài)電磁發(fā)生器產(chǎn)生DC場以限制 等離子體。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述微波電磁發(fā)生器配置為激活在所述反應(yīng)結(jié) 構(gòu)內(nèi)處于不同縱向位置的多微波模式。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述RF電磁發(fā)生器配置為激活在所述反應(yīng)結(jié)構(gòu) 內(nèi)的處于不同縱向位置的多TElmn模式。
22.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括位于所述反應(yīng)結(jié)構(gòu)的一端的至少一個活塞，用 以支持不止一個模式。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的設(shè)備，其中，所述至少一個活塞用于調(diào)節(jié)各種模式的調(diào)諧。
24.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述反應(yīng)結(jié)構(gòu)包括串聯(lián)連接的多諧振結(jié)構(gòu)。
25.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述反應(yīng)結(jié)構(gòu)包括并聯(lián)連接的多諧振結(jié)構(gòu)。
26.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其中，所述反應(yīng)結(jié)構(gòu)包括并聯(lián)和串聯(lián)連接的多諧振結(jié)構(gòu)。
27.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括用于大負(fù)載改變的機(jī)電耦合器。
28.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，還包括適于調(diào)節(jié)微擾的主振蕩器。
29.一種利用多電磁發(fā)生器處理加工體積的設(shè)備，包括 由金屬螺旋線形成的諧振結(jié)構(gòu)；以及與所述螺旋線耦合的多個電磁發(fā)生器。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的設(shè)備，還包括在所述金屬螺旋線的各個端的輸入蓋和輸出 蓋，其中所述加工體積通過輸入蓋被引入該諧振結(jié)構(gòu)。
31.根據(jù)權(quán)利要求29所述的設(shè)備，還包括圓柱對稱的反應(yīng)室。
32.根據(jù)權(quán)利要求29所述的設(shè)備，其中，所述多個電磁發(fā)生器包括至少一個微波發(fā)生 器和至少一個RF發(fā)生器。
33.根據(jù)權(quán)利要求29所述的設(shè)備，其中，所述電磁發(fā)生器產(chǎn)生與所述線圈的軸平行的 交變磁場。
34.根據(jù)權(quán)利要求29所述的設(shè)備，其中，來自多個電磁發(fā)生器的輸入被布置以使各種 發(fā)生器與諧振結(jié)構(gòu)的各種模式耦合。
35.根據(jù)權(quán)利要求29所述的設(shè)備，還包括至少一個圓柱形活塞，用于調(diào)諧由所述電磁 發(fā)生器產(chǎn)生的H場的各種諧振模式。
36.根據(jù)權(quán)利要求29所述的設(shè)備，其中利用TElmn模式的H場激活所述加工介質(zhì)。
37.根據(jù)權(quán)利要求29所述的設(shè)備，還包括用于將加工體積供給所述諧振結(jié)構(gòu)的管道， 其中該管道能夠透入RF和微波能量。
38.根據(jù)權(quán)利要求37所述的設(shè)備，其中，所述管道具有輸入部分和輸出部分，并且所述 管道的輸入部分和輸出部分由金屬制成。
39.根據(jù)權(quán)利要求29所述的設(shè)備，其中，所述金屬螺旋線的盤繞具有諧振頻率的波長 的四分之一的寬度。
40.根據(jù)權(quán)利要求29所述的設(shè)備，其中，所述螺旋線是液冷式的。
41.根據(jù)權(quán)利要求29所述的設(shè)備，其中，所述螺旋線是氣冷式的。
42.根據(jù)權(quán)利要求29所述的設(shè)備，還包括用于大負(fù)載改變的機(jī)電耦合器。
43.根據(jù)權(quán)利要求29所述的設(shè)備，其中，所述多個電磁發(fā)生器的一部分配置為激活在 反應(yīng)結(jié)構(gòu)內(nèi)處于不同縱向位置的多模式。
44.一種使用磁場激活加工介質(zhì)的方法，包括提供基本成圓柱形的諧振結(jié)構(gòu)，其中至少一個微波發(fā)生器和至少一個RF發(fā)生器與所 述諧振結(jié)構(gòu)耦合；產(chǎn)生與所述諧振結(jié)構(gòu)的各種模式耦合的電磁場；以及 將所述加工介質(zhì)在緯度方向上通過所述諧振結(jié)構(gòu)。
45.根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，還包括調(diào)諧所述電磁場至該諧振結(jié)構(gòu)的各種模式。
46.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其中，通過調(diào)節(jié)中空圓柱形活塞的縱向位置實(shí)現(xiàn)所述調(diào)諧。
47.根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，還包括調(diào)諧所述至少一個微波發(fā)生器與用于大負(fù)載 改變的機(jī)電耦合器。
48.根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，還包括使用TElmn模式激活具有相應(yīng)H場的介質(zhì)。
49.根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，其中，所述加工介質(zhì)是等離子體，還包括利用DC場限 制所述等離子體以使H場與所述等離子體更好的相合。
50.根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，其中，所述諧振結(jié)構(gòu)被螺旋線結(jié)構(gòu)限制，該螺旋線結(jié) 構(gòu)由導(dǎo)電材料形成并且形成至少一個線圈。
51.根據(jù)權(quán)利要求44所述的方法，其中，所述螺旋線的調(diào)諧寬度是諧振頻率的波長的 四分之一。
全文摘要
本發(fā)明公開一種用于處理具有多個電磁發(fā)生器的加工體積的方法和設(shè)備。該設(shè)備將各種頻率的各種電磁源耦合，其包括用于靜態(tài)磁場、射頻場和微波場的裝置，并且能夠同時或任意組合的應(yīng)用這些場。本發(fā)明的一種利用電磁輻射激活加工介質(zhì)的設(shè)備包括包含加工體積或反應(yīng)體積的反應(yīng)結(jié)構(gòu)；在所述反應(yīng)結(jié)構(gòu)周圍與反應(yīng)結(jié)構(gòu)耦合的多個微波電磁發(fā)生器；以及與所述反應(yīng)結(jié)構(gòu)耦合的至少一個射頻電磁發(fā)生器。
文檔編號C10G15/12GK101940904SQ201010149789
公開日2011年1月12日 申請日期2010年4月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月8日
發(fā)明者喬·邁克爾·亞伯勒, 柯克·麥克尼爾, 瓦西里·P·普魯?shù)禄?申請人:Rf沙米姆技術(shù)股份有限公司