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具有耦合到波导弯曲件的开缝阵列波导的微波反应器

阅读:401发布:2020-05-13

专利汇可以提供具有耦合到波导弯曲件的开缝阵列波导的微波反应器专利检索,专利查询,专利分析的服务。并且提供了一种用于加热木材产品的系统。该系统可包括发射器。所述发射器可包括 波导 弯曲件和波导。所述发射器可具有沿波导的纵轴的一个或多个缝隙。所述缝隙以相对于纵轴的 角 度倾斜,并沿纵轴以间隔隔开。而且,所述系统可包括 覆盖 缝隙的窗口。所述窗口可用作物理屏障,并允许电磁 能量 从发射器传递到木材产品。发射器和木材产品可包含在 微波 反应器(也被称为室)中以加热木材产品。,下面是具有耦合到波导弯曲件的开缝阵列波导的微波反应器专利的具体信息内容。

1.一种用于在室内加热木材产品的设备,包括:
发射器,其中所述发射器包括:
波导弯曲件和波导,所述波导具有沿所述波导的纵轴的多个缝 隙,所述缝隙以相对于所述纵轴的度倾斜,并相对于所述纵轴以 间隔隔开;以及覆盖所述缝隙的多个窗口,所述窗口用作物理屏障,并允许电磁能量 从所述发射器传递到所述木材产品。
2.如权利要求1所述的设备,其中所述波导包括具有所述缝隙的矩 形波导,所述缝隙设置在所述波导的交替侧。
3.如权利要求1所述的设备,其中所述波导弯曲件为H-平面弯曲。
4.如权利要求1所述的设备,其中所述缝隙的所述角度在相对于所 述纵轴约5度和约30度之间。
5.如权利要求1所述的设备,其中所述缝隙沿所述发射器的不直 接面对所述木材产品的表面设置。
6.如权利要求1所述的设备,其中所述窗口包括防护装置, 所述防护装置由包括的材料形成。
7.如权利要求1所述的设备,其中:
所述窗口包括耦合到隔圈的防护装置;并且
所述隔圈包括开口,所述开口被配置成补偿所述防护装置的电容效 应。
8.如权利要求1所述的设备,其中:
所述窗口包括组件,所述组件包括支撑法兰、隔圈、防护装置以及O 型环;并且
所述装置被耦合到所述波导。
9.如权利要求1所述的设备,包括大小被设置成容纳所述木材产品 和所述发射器的室。
10.如权利要求9所述的设备,其中所述室包括经加压的室。
11.如权利要求1所述的设备,其中所述发射器包括传递预定波长的 电磁能量的波导。
12.一种用于使木材产品乙酰化的系统,包括:
室,其大小被设置成容纳所述木材产品;以及
发射器,其设置在所述室内,所述发射器包括:
波导弯曲件和波导;
沿所述波导的纵轴的多个缝隙,所述缝隙以相对于所述纵轴的角 度倾斜,并沿所述纵轴以间隔隔开;以及
覆盖所述缝隙的多个窗口,所述窗口用作屏障,并允许电磁能量 从所述发射器传递到所述木材产品。
13.如权利要求12所述的系统,其中所述波导包括具有所述缝隙的 矩形波导,所述缝隙设置在所述波导的交替侧。
14.如权利要求12所述的系统,其中所述波导弯曲件为H-平面弯曲。
15.如权利要求12所述的系统,其中所述缝隙的所述角度在相对于 所述纵轴约5度和约30度之间。
16.如权利要求12所述的系统,其中所述缝隙沿所述发射器的不直 接面对所述木材产品的表面设置。
17.如权利要求12所述的系统,其中所述窗口包括防护装置,所述 防护装置由包括氧化铝的材料形成。
18.如权利要求12所述的系统,其中:
所述窗口包括耦合到隔圈的防护装置;并且
所述隔圈包括开口,所述开口被配置成补偿所述防护装置的电容效 应。
19.如权利要求12所述的系统,其中:
所述窗口包括组件,所述组件包括支撑法兰、隔圈、防护装置以及O 型环;并且
所述组件被耦合到所述波导。
20.如权利要求12所述的系统,其中所述室的大小被设置成容纳所 述木材产品和所述发射器。
21.如权利要求12所述的系统,还包括设置在所述木材产品的两侧 或多侧的多个发射器。
22.如权利要求12所述的系统,还包括控制器,所述控制器用于控 制微波源以在乙酰化过程中提供用于加热的能量。
23.一种用于材料的加热系统,包括:
发射器,其包括波导弯曲件和波导;
沿所述波导的纵轴的多个缝隙,所述缝隙以相对于所述纵轴的角度倾 斜,并沿所述纵轴以间隔隔开;以及
多个窗口,所述窗口:
覆盖所述缝隙;
用作物理屏障;并且
允许电磁能量从所述发射器传递到所述材料。
24.一种对包含在室内的材料进行加热的方法,所述室具有多个电磁 能量发射器,所述发射器具有多个缝隙,所述方法包括:
将所述材料放置在所述室内以及所述发射器的近场中;以及
将电磁能量提供给所述发射器以便通过所述缝隙传递到所述室内,从 而加热所述材料。
25.一种用于覆盖发射器中的缝隙的窗口组件,包括:
隔圈;
防护装置;
O型环;以及
支撑法兰,用于将所述隔圈、所述防护装置以及所述O型环固定到所 述发射器;
其中:
所述防护装置允许从所述发射器中的缝隙传递电磁能量;并且
所述隔圈包括开口,所述开口被配置成补偿所述防护装置的电容 效应。
26.一种用于加热材料的系统,包括:
多个发射器,配置在包含材料的室内,用于将电磁能量提供到所述室 的内部,其中:
所述发射器包括波导弯曲件和波导;
所述反射器具有沿所述波导的纵轴的一个或多个缝隙;
所述缝隙以相对于所述纵轴的角度倾斜,并相对于所述纵轴以间 隔隔开;以及
覆盖所述缝隙的一个或多个窗口,所述窗口用作物理屏障,并允许电 磁能量从所述发射器传递到所述材料。

说明书全文

技术领域

发明总地涉及微波反应器,并且更具体地涉及具有耦合到波导弯 曲件的开缝阵列波导的微波反应器。

背景技术

木材的许多应用使得木材腐烂、招致真菌或虫子。为了保护木材,一 种备选方案是使用传统的木材浸渍方法,比如加压处理化学品及过程。一 种备选方案是通过使木材与乙酸酐(acetic anhydride)和/或乙酸 (acetic acid)反应而从化学上改变木材。这种类型的改变被称为乙酰 化(acetylation)。乙酰化使木材更加抗腐蚀、真菌和虫子。
乙酰化可通过如下方式实现:首先排气,然后将木材产品浸入乙酸酐, 再利用可选的加压来对其加热以引起化学反应。理想的是,木材产品比如 板材、立柱以及甲板材料的乙酰化允许大量的木材用乙酸酐快速地浸渍。 因此,在乙酰化期间对木材产品的任何加热都将理想地容纳大量的木材产 品(例如,木板)。同样期望的是在乙酰化期间遍及木材来均匀地加热 木材产品,从而提供均衡的木材改变,并使由于热斑形成导致过热所引起 的对木材的破坏最小。因此,需要用于加热木材产品以便于乙酰化的改进 的机构。

发明内容

根据本发明的系统和方法提供一种具有用于加热材料的耦合到波导 弯曲件的开缝阵列波导的微波反应器。而且,在化学过程比如乙酰化期间, 所述系统和方法可为材料提供热量。
在一个示例性实施例中,提供一种用于加热木材产品的系统。所述系 统包括发射器,其中所述发射器包括波导弯曲件和波导。所述发射器可具 有沿波导纵轴的一个或多个缝隙。所述缝隙以相对于纵轴的度倾斜,并 沿纵轴以间隔隔开。而且,窗口可覆盖每个缝隙。所述窗口用作屏障,并 允许电磁能量从发射器传递给所述木材产品。
应理解,如所描述的,前述概括描述和以下详细描述仅为示例性和解 释性的,并非是对本发明的限制。除了在此提及的内容之外,还可提供另 外的特征和/或变型。例如,本发明可涉及所公开特征的各种组合和子组 合,和/或在以下详细描述中公开的多个其它特征的组合和子组合。
附图说明
构成本说明书的一部分的附图图示本发明的不同实施例和方面,并且 与说明书一起解释本发明的原理。在附图中:
图1以框图形式图示了根据与本发明有关的某些方面的具有耦合到 波导弯曲件的开缝阵列波导的微波反应器的示例;
图2A是根据与本发明有关的某些方面的具有耦合到波导弯曲件的开 缝阵列波导的微波反应器的示例的横截面;
图2B图示了根据与本发明有关的某些方面的耦合到波导弯曲件的开 缝阵列波导;
图3A是根据与本发明有关的某些方面的具有耦合到波导弯曲件的开 缝阵列波导的微波反应器的剖视图;
图3B是图3A的微波反应器的横截面视图;
图4A是用于根据与本发明有关的某些方面的开缝阵列波导的缝隙的 窗口组件的侧视图;以及
图4B是根据与本发明有关的某些方面的窗口组件的另一视图。

具体实施方式

现在将详细介绍本发明,其示例在附图中图示。在以下描述中提及的 实施方式不代表根据所要求的本发明的所有实施方式。相反,它们仅是根 据与本发明有关的某些方面的一些示例。将尽可能在全部图中使用相同的 参考标号来表示相同或相似的部件。
在根据本发明的某些方面的一个实施例中,来自耦合到波导弯曲件的 开缝阵列波导的能量可用作热源。开缝阵列波导是具有多个缝隙的波导。 所述缝隙作为传递电磁能量比如微波能量的开口。波导弯曲件提供像肘一 样的角度转变。例如,波导弯曲件可在室和开缝阵列波导之间提供90度 转变。波导弯曲件还可包括传递用于加热的能量的一个或多个缝隙。耦合 到开缝阵列波导的波导弯曲件的使用可关于室内正被加热的材料提供更 好的缝隙布置。而且,波导弯曲件的使用可有利于配置具有多个波导的室 --从而允许室的更大百分比被填充正被加热的材料。在一些实施例中, 耦合到波导弯曲件的开缝阵列波导为化学过程比如木材产品的乙酰化提 供热量。
来自波导弯曲件和耦合的开缝阵列波导的微波能量可用作热源,用于 通过乙酸酐来改变木材产品。在一个实施例中,为了乙酰化木材,将木材 产品首先放入室(也被称为反应器)内。所述室耦合到一个或多个波导弯 曲件和关联的开缝阵列波导。耦合到开缝阵列波导的波导弯曲件的使用可 以在室内提供更好的布置以利于木材产品的均匀加热--增强乙酰化并 避免由过热引起的对木材的破坏。
木材的乙酰化过程首先可包括:将室抽成真空以从木材除去空气,用 乙酸酐填充所述室,然后施压以便用乙酸酐浸渍木材产品。接下来,所述 室排干过量液体。然后重新对包含木材产品的所述室进行加压并利用开缝 阵列波导对所述室进行加热。加热阶段可将木材产品加热到例如约80摄 氏度至170摄氏度的温度范围。加热阶段可以持续例如约2分钟至约1 小时的时间段。在加热阶段,在木材产品中发生化学反应,其将木材中的 羟基(hydroxyl group)转换成乙酰基(acetyl group)。所述化学反应 的副产品包括和乙酸(acetic acid)。当加热阶段完成时,所述室可以 处于部分压下,并被加热以除去任何未反应的乙酸酐和副产品。尽管上 面描述了乙酰化过程的一个示例,也可以使用其它化学过程。
图1中描述了用于加热的系统的示例。如所示出,系统100包括经加 压的室110。经加压的室110包括法兰(标记为“F”)114a-n,其每个被 耦合到波导弯曲件119a-n。波导弯曲件119a-n每个耦合到开缝阵列波导 115a-n之一。开缝阵列波导115和波导弯曲件119具有沿纵轴的缝隙 117a-n。开缝阵列波导和波导弯曲件的组合也被称为发射器(1auncher)。 室110还包含材料120(比如木材产品)和运载装置112。法兰114a-n的每 个耦合到多个耦合波导137a-n之一。所述多个耦合波导137a-n之一进一 步耦合到微波源135。微波源135将电磁能量提供给开缝阵列波导115a-n 和波导弯曲件119a-n。控制器130用于控制微波源135,以及控制对室110 加压的加压模125。
以下描述将材料120称为木材产品120,尽管其它材料也可以被系统 100加热。木材产品120可放置在运载装置112上,然后通过室111插 入室110。当室门111被封闭时,室110可以被抽空,然后被填充以化学 品比如乙酸酐和/或乙酸,以便处理木材产品120。经加压的室110是可 以被加压到每平方英寸约30-150磅以便提高木材产品120的浸渍速率的 反应器。尽管在某些应用中室110被描述为经加压的室,然而室110也可 以不被加压。而且,也可以使用除乙酰化之外的过程来处理木材。
控制器130可以通过控制微波源135来提供用于加热的能量而启动加 热。微波源135通过波导137a-n和法兰114a-n将能量提供给波导弯曲件 119a-n和开缝阵列波导115a-n。在以化学品比如乙酸酐填充室110并将 室110排干之后,控制器130可将木材产品120加热到一个或多个预定温 度。而且,控制器130还可控制与木材产品120的加热相关的时间。例如, 控制器130可以控制微波源135来提供能量给波导弯曲件119a-n和开缝 阵列波导115a-n,使得木材产品120的温度保持在约90摄氏度以上约30 分钟。当木材产品120已加热到适当温度且木材产品120的乙酰化充分时, 任何剩余化学品比如乙酸酐都可从室110排干。接下来,波导弯曲件 119a-n和开缝阵列波导115a-n还可烘干木材产品120的任何过量化学品 比如乙酸酐和所述化学过程的副产品。也可以使用真空辅助烘干过程来烘 干木材产品120。在一个实施例中,室110的直径为10英寸、长度为120 英寸,不过也可以使用其它尺寸的室。
运载装置112是用于保持正被系统100加热的材料的装置。例如,运 载装置112可包括平台和轮,以将木材产品120运进室110。运载装置112 还可以涂敷抗室110内发生的化学过程且不对这些化学过程起反应的材 料。例如,运载装置112可以用比如TeflonTM的材料涂敷,不过也可以使 用其它材料来涂敷运载装置112。而且,尽管将运载装置112图示为承载 单个木材产品120,运载装置112也可以承载多个木材产品。
木材产品120可以是包括木材的对象。例如,木材产品120可包括由 任何类型木材,比如硬木种类或软木种类,制成的产品。软木的示例包括 松木,比如火炬松、湿地松、短叶松、长叶松,或者放射松、松、杉、 落叶松、杉、冷杉以及紫杉,也可以使用其它类型的软木。硬木的示例 包括山毛榉、枫木、山胡桃木、橡木、白腊、欧洲山杨、胡桃木、美洲山 核桃木、樱桃木、柚木、桃花心木、栗木、桦木、落叶松、榛木、柳木、 白杨木、榆木、桉树木和紫树木,也可以使用其它类型的硬木。在涉及木 材的乙酰化的某些应用中,木材产品120可包括例如火炬松、湿地松、短 叶松、长叶松或者放射松。木材产品120可具有多种尺寸和形状,包括例 如可用作原木(timber)、成材(lumber)、甲板、胶合板、层板、护墙板 (siding board)、地板、木瓦、粗盖板、长条薄片刨花(strand)、锯屑、 木片、刨花、木粉、纤维等的尺寸和形状。
波导弯曲件119a-n和开缝阵列波导115a-n每个包括沿波导的纵 轴的缝隙117a-n,在一些情况下波导弯曲件119可不包括缝隙。所述 缝隙切入到波导115和波导弯曲件119的壁,以允许电磁能量比如微波 从缝隙传递给正被加热的材料(例如,木材产品120)。图1将缝隙117 图示为具有带圆头的有些像矩形的形状。然而,在某些应用中所述缝隙可 以具有便于将电磁能量从缝隙117传递到正被加热的材料的其它形状。
开缝阵列波导115可以被实现为用于隧道化电磁能量的金属结构。开 缝阵列波导115可包括任何适当的金属,比如不锈或者铍铜合 金。尽管图1将开缝阵列波导115图示为矩形波导,但是开缝阵列波导 115的横截面可具有维持主模传输和极化的其它形状(例如椭圆形)。开 缝阵列波导115的壁被选择,以承受室110的压力。在一个实施方式中, 开缝阵列波导115的壁可具有在约1/4英寸到1/2英寸之间的厚度,以承 受室110的每平方英寸150磅的压力。
波导弯曲件119可用类似于开缝阵列波导115的设计来实现。而 且,波导弯曲件119可包括缝隙。为了提供从法兰到开缝阵列波导的 转变,波导弯曲件119a-n的每个可以具有弯曲,比如90度H-平面弯 曲,不过也可以根据所述情况使用其它类型的弯曲。耦合到开缝阵列 波导115的波导弯曲件119a-n的使用有利于改善缝隙117相对于正被 加热的材料比如木材产品120的布置。而且,波导弯曲件119有利于 使用多个开缝阵列波导,其可允许将更多开缝阵列波导布置地更靠近 正被加热的材料。尽管波导弯曲件119a和开缝阵列波导115被图示为 两个独立的部件,但是波导弯曲件119a和开缝阵列波导115也可以是 由单个波导形成的同一部件。
开缝阵列波导115a-n的每个可被实现为矩形TE10模波导,其约72 英寸长,内矩形尺寸为约4.875英寸乘9.75英寸,且外矩形尺寸为约 6.875英寸乘10.75英寸,也可以使用其它模和尺寸。在一种实施方式 中,开缝阵列波导115a-n的每个可被选择,以传播微波能量,并且具 体地是传播约328毫米(λ=0.328米)的波长,其对应于约915MHz, 也可以使用其它波长的能量。而且,开缝阵列波导115可以用市售的 波导材料比如标准大小WR(波导(waveguide),矩形(rectangle))975 来实现。可替选地,开缝阵列波导115可被特别制作以满足以下等式:
( λ c ) mn = 2 m 2 a + n 2 b , 等式1
( f c ) mn = 1 2 π μϵ ( a ) 2 + ( b ) 2 , 等式2
其中a表示波导的内部宽度,b表示波导的内部高度,m表示在a方向 上的场的1/2-波长变化的数目,n表示在b方向上的场的1/2-波长变化 的数目,ε表示波导的介电常数,且μ表示波导的导磁率。
当使用TE10模波导时,等式1和2可简化为以下等式:
(λc)=2a,等式3
( f ) c = c 2 a , 等式4
其中c表示光在空气中的速度( c = 1 μϵ )。如上所述,波导弯曲件119 可具有与开缝阵列波导115相类似的设计。
参考波导弯曲件119a和开缝阵列波导115a,第一缝隙117a可被 设置成距开缝阵列波导115的末端壁约1/2波长(λ),其中波长(λ) 是开缝阵列波导115的工作波长。下一个缝隙可被设置成距缝隙117a 约1/2波长。剩余的缝隙每个可沿开缝阵列波导115的纵轴以约1/2波 长的间隔设置。尽管描述了1/2波长间隔,但是缝隙可以以1/2波长的 任意整数倍隔开。波导弯曲件119b-n和开缝阵列波导115b-n的缝隙 设置与波导弯曲件119a和开缝阵列波导115a相类似。每个缝隙可以 成0度和90度之间的角度。例如,缝隙117a可与开缝阵列波导115a 的纵轴成10度的角度。
波导弯曲件119a-n和开缝阵列波导115-n每个可被加压和填充气体 比如氮气。而且,开缝阵列波导115a-n每个可在一端用波导短路电路 (short circuit)来端接或用波导虚拟负载电路来端接,而另一端可耦 合到对应的波导弯曲件119a-n中的一个。每个缝隙117可以用窗口密封, 如以下关于图4A和4B所述。窗口覆盖缝隙117以用作物理屏障,阻止污 染物,同时允许电磁能量的传递。如果化学品比如乙酸酐污染开缝阵列波 导或发射器的内部,则它们的电磁特性可能破坏,使得开缝阵列波导可能 不再能够用作加热器。
尽管开缝阵列波导115如上所述被加压和填充氮气,但在一些应用 中,这样的加压和氮气填充可以不是必需的。例如,当开缝阵列波导115 仅仅被用于烘干材料比如木材产品120时,则开缝阵列波导115(和室110) 的加压可以不是必需的。而且,当开缝阵列波导115用于非加压环境中时, 缝隙117可以不用窗口覆盖。
波导弯曲件119和开缝阵列波导115提供木材产品120的近场加热。 为便于近场加热,波导弯曲件119和开缝阵列波导115被放置地靠近材料 比如木材产品120的表面。具体地,材料应被放置在发射器(例如开缝阵 列波导115a和波导弯曲件119a)的近场中。通过使用近场来加热木材产 品120,加热可较少受到木材产品120的介电特性变化的影响。这样,将 波导弯曲件119和开缝阵列波导115作为近场加热机构来使用可以提供对 材料比如木材产品120更为均匀的加热。
法兰114a-n中的每个可将波导弯曲件119a-n耦合到室110的壁 和耦合波导137a-n。法兰114还可包括窗口以作为法兰和发射器之间 的屏障。可使用设计上类似于以下关于图4A和4B所描述窗口的窗口 作为法兰114的窗口。
耦合波导137a-n可被实现为通过法兰114a-n和室110将微波源135 耦合到开缝阵列波导115和波导弯曲件119a-n的波导。耦合波导137a-n 可具有与开缝阵列波导115相似的设计。
微波源135产生微波频谱内的能量。例如,如果在室110中对一捆木 材产品120比如一捆木板进行化学处理,微波源135可被配置成以 2.45GHz(约122毫米的自由空间波长)向波导弯曲件119和开缝阵列波 导115提供6千瓦的功率,也可以使用其它功率和频率(波长)。源135 的频率可以与正被加热的材料的类型和尺寸成比例。例如,当木材产品的 横截面增加时,因为频率越低在木材介质中的吸收性越小,因此源135 的频率可被降低。例如,当使用8.5英尺直径乘63英尺长度的室(大小 设置为容纳4英尺乘4英尺乘60英尺的木材捆)时,源135可以提供 915MHz的输出频率,也可以基于环境比如正被加热的材料、木材横截面 尺寸以及频谱分配来使用其它适当的频率。
尽管微波源135在图1中被图示为单个微波源,但微波源135可实现 为多个微波源。例如,多个微波源每个可耦合到耦合波导137a-n之一。
控制器130可以用处理器比如计算机来实现,以控制微波源135。控 制器130可控制微波源135所产生的功率的量、微波源135的频率和/或 微波源135被允许向开缝阵列波导115产生功率的时间的量。例如,控制 器130可以对以用于处理木材产品120的化学品比如乙酸酐来填充室 110、后续加热木材产品120和乙酸酐、排干任何没有浸渍到木材产品120 中的剩余乙酸酐、烘干木材产品120以及当乙酰化完成时发信号进行控 制。
控制器130还可包括响应室110内的温度和压力的控制机构。例如, 当热电偶或压力变送器(pressure transducer)放置在室110内时,控 制器130可响应温度和/或压力测量结果,然后基于该测量结果来调整微 波源135的操作。而且,控制器130可接收来自置于木材中的传感器的温 度信息。该温度信息可提供反馈以允许在加热和/或烘干期间对微波源 135的控制。控制器130也可对耦合到开缝阵列波导115的泄漏传感器 做出响应。泄漏传感器检测来自缝隙117的泄漏,缝隙117被密封以避免 来自室110中的化学品的污染。当检测到泄漏时,控制器135可以警告有 泄漏,然后开始终止通过波导115的加热。
控制器130还可控制加压模块125。加压模块125可基于来自室110 中的压力变送器的测量结果来控制室110的压力。例如,加压模块125 可增加或减少室110中的压力以便促进化学过程比如乙酰化。控制器130 还可控制与乙酰化过程有关的其它操作。尽管图1的系统100图示了加压 模块125,但在一些环境中,可不使用加压模块125。
图2A描述了示例性室110的横截面,所述室110包括耦合到对应波 导弯曲件119a-z的多个开缝阵列波导115a-z,所述开缝阵列波导 119a-z进一步耦合到法兰114a-z。图2A图示了作为一捆木材产品的木 材产品120的横截面。耦合到对应波导弯曲件115a-z的开缝阵列波导 119a-z(其被统称为发射器115/119)允许缝隙相对于正被加热的材料 的布置得到改进。例如,发射器115/119可以被设置得更靠近木材产 品120的表面。图2A图示了在木材产品120的两个相对侧的发射器 115/119。在一个实施例中,发射器115/119的频率从2.45GHz降低到 915MHz。通过使用更低的频率,比如915MHz,木材的大横截面的热量 穿透得以改进--从而允许更多的木材在室110内被加热。此外,利 用改进的正被加热材料的热量穿透,室110的填充因子(室110内正 被加热的材料的容积除以室110的容积)增加。
图2B是发射器115a/119a的另一视图,发射器115a/119a包括波 导弯曲件119a和开缝阵列波导115a。缝隙117被图示在发射器 115a/119a的一侧,而发射器115a/119a的相对侧包括缝隙118。当缝 隙在两侧上使用时,任何两个缝隙之间的纵向间隔可以为约1/2波长 (或波长的整数倍)。例如,第一缝隙为缝隙117a,其被设置成距发射 器115a/119a的末端1/2波长。第二缝隙118a可以位于发射器 115a/119a的相对侧,并被设置成距缝隙117a约1/2波长。第三缝隙 可以设置成距缝隙118约1/2波长,并且在缝隙118的相对侧。尽管 图2B图示了缝隙的替选图案,但是根据具体应用,可以使用多种缝隙 布置来提供木材产品120的加热。而且,用于缝隙117和118中每个 缝隙的角度可以相同或不同。
缝隙117a和118以相对于纵轴的角度倾斜。该角度确定多少能量从 发射器115a/119a传递到正被加热的材料,比如木材产品120a-c。例如, 零度角的缝隙可导致没有能量传递,而在约50度和约60度之间的角度可 导致100%的能量传递。如上所述,缝隙可以以约1/2波长的间隔来设置。 缝隙117的角度和布置可使用通过电磁场仿真和设计软件比如HFSS(可 从宾夕法尼亚州匹兹堡市的Ansoft公司买到)所提供的数字建模技术来 精确确定。对于每个缝隙的能量的量可基于以下等式来估计:
100 % n , 等式5
其中n是缝隙数。例如,如果发射器115a/119a有五个缝隙,则对于每个 缝隙的能量的量将是20%,而实现20%的角度将使用数字模型技术来确定。 尽管先前的示例使用缝隙之间能量的均匀分布,但是也可以使用其它的能 量分布设置。
尽管以上描述了调整缝隙的角度以改变通过缝隙所传递的能量的量, 但是缝隙之间的间隔间距也可以是变化的,以改变通过缝隙传递的能量的 量。而且,图2B图示了设置在发射器115a/119a的不直接面对木材产品 120的表面上的缝隙117和118,和直接面对木材产品120的缝隙布置相 比较,这样的缝隙布置可避免木材产品120的热斑和过热。例如,将缝隙 布置在直接面对木材产品120的发射器表面260,可能引起木材产品120 的热斑和过热。
每个缝隙可包括窗口。窗口允许电磁能量通过缝隙传递。窗口还用 作物理屏障且密封所述缝隙以防止污染物进入发射器。例如,在一个 实施例中,窗口可使用一块陶瓷材料来形成。陶瓷材料对于微波能量 本质上是电磁透明的--从而允许能量从缝隙117和118传递到正被 加热的材料。陶瓷材料还用作防止污染物进入发射器的屏障。也可以在 法兰114和波导弯曲件的接合处使用具有类似设计的窗口。
通过缝隙117和118经发射器的窗口传递的微波能量有利于材料比 如木材产品120的近场加热。沿波导长度以约1/2波长将缝隙隔开可 提供沿波导的整个纵轴长度(例如图2B的轴X)对木材产品的均匀加 热。发射器可设置成高于材料比如木材产品120约1/2英寸,并且可 沿木材产品120的长度设置。在一些实施方式中,缝隙间的1/2波长 间隔可被调整至约波长的上下1.0%。
图3A和3B分别图示了示例性微波室110的剖视图和横截面视图。除 了图2A中图示的开缝阵列波导115a-n以及115x-z以外,图3B还示出了 另外的开缝阵列波导115h-j以及115q-s。开缝阵列波导115h-j和开缝 阵列波导115q-s以及其对应的波导弯曲件以类似于上述开缝阵列波导 115a和波导弯曲件119a的方式来实现。室110包括围绕正被加热材料(在 该示例中为木材产品120)的周边的多个发射器。
图4A图示了用在缝隙117和118处的示例窗口400。参考图4a,窗 口400包括O型环410、防护装置412、隔圈414以及支撑法兰416。
O型环410可用橡胶、塑料或能够提供密封的任何其它适当的材料来 实现。例如,全氟人造橡胶(perfluoroelastomer)比如KalrezTM、ChemrazTM 以及SimrizTM可用作O型环410的材料。O型环410可在窗口400和波导 (或发射器)之间提供密封。O型环尺寸大于缝隙的开口,且设置在发 射器的顶部,不阻塞缝隙的开口。例如,可以在开缝阵列波导115中 切出沟槽以容纳O型环410。
防护装置412是一块大小设置成覆盖所述缝隙之一(比如缝隙117a) 的材料。防护装置412具有允许电磁能量以很少(如果有的话)的损耗通 过防护装置412传递的电磁特性。防护装置412还防止污染物穿过窗口并 进入发射器。防护装置412还足够坚固以承受用在室110以及发射器中 的压力。在一种实施方式中,陶瓷材料比如化铝、氧化镁、氮化、氮 化铝以及氮化被用作防护装置412。防护装置412至少具有和缝隙的开 口一样的大小。在一个实施例中,防护装置412可被固定(capture)在 容器中以适应支撑法兰416的螺丝钉
隔圈414为与防护装置412相关的阻抗失配提供补偿。具体地,防护 装置412可引起缝隙117a的气体和陶瓷防护装置412之间的阻抗失配。 这种阻抗失配具有和电容器类似的电特性。隔圈414具有和电感器类似的 电特性,以补偿阻抗失配的电容效应。防护装置412和隔圈414的组合有 效地提供了带通滤波器,其补偿在与开缝阵列波导115相关的频率处的阻 抗失配。这些电容和电感效应可使用软件比如HFSSTM(可从宾夕法尼亚州 匹兹堡市的Ansoft公司买到)来仿真。在一个实施例中,隔圈414被实 现为带有类似于缝隙117a的开口的金属装置,隔圈414的开口的具体直 径将基于环境比如工作频率、电容和电感效应等等,用软件比如HFSSTM 来确定。
支撑法兰416将隔圈414、防护装置412和O型环410耦合到发射器。 例如,法兰416可使用多种机构比如螺丝钉将部件410-416固定到发 射器115a/119a。该螺丝钉穿过支撑法兰416、隔圈414、防护装置412 (或其容器)以及发射器115a/119a的孔,然而也可以使用其它机构将 部件410-416固定到波导115a。
图4B描述了图4A的窗口400的另一视图。也可以在法兰114处使用 设计类似于窗口400的窗口。具体地,在被耦合到室110之前,窗口可被 用于覆盖在发射器的末端。
如上所述,来自发射器(即,开缝阵列波导115和波导弯曲件119) 的微波能量可用作热源。而且,在一些实施例中,发射器可用作化学过程 期间的热源,所述化学过程比如是借助于乙酸酐来改变木材产品。
这里的系统可以以多种形式体现。尽管以上所述描述了木材产品的乙 酰化,但是这里所描述的系统可用在其它化学过程中,且可以用于其它材 料。而且,这里所描述的系统可用于在没有相关化学过程比如乙酰化的情 况下提供热量。例如,该系统可提供热量以烘干材料,或者对材料进行热 处理,比如退火烧结熔化。在该示例中,由于不进行木材的乙酰化, 因此可以不需要被经加压的室110。
相关申请的交叉引用
本申请要求在2005年9月22日提交的、名称为“MICROWAVE REACTOR HAVING A SLOTTED ARRAY WAVEGUIDE COUPLED TO A WAVEGUIDE BEND” 的序列号为60/719,180的美国临时专利申请的权益,其全部公开清楚地 结合于此。
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