BG67324B1 - Система за индукционно нагряване на малки проводими частици чрез многосекционен индуктор - Google Patents

Abstract

Настоящото изобретение се отнася до система за индукционно нагряване на малки проводими частици чрез многосекционен индуктор, което ще намери приложение в нанотехнологиите и по-специално в различни процеси като електромагнитна хипертермия, в медицината, при изследване и синтез на нови съединения и други. Създадена е система за индукционно нагряване на малки проводими частици чрез многосекционен индуктор, която включва индуктор (1), състоящ се от секции (1.1, 1.2, ... 1.n), разположени концентрично и близо една до друга, всяка от които през резонансна верига (3.1, 3.2, … 3.n) е свързана със съответен честотен преобразувател (2.1, 2.2, … 2.n). Честотните преобразуватели (2.1, 2.2, ... 2.n) са свързани с АС-АС захранвания (4.1, 4.2, ... 4.n). Създадена е и система за индукционно нагряване на малки проводими частици чрез многосекционен индуктор, която включва индуктор (1), състоящ се от секции (1.1, 1.2, ... 1.n), разположени концентрично и близо една до друга, всяка от които през резонансна верига (3.1, 3.2, … 3.n) е паралелно свързана с общ честотен преобразувател (2). Честотният преобразувател (2) е свързан с АС-АС захранване (4). Всяка от секциите (1.1, 1.2, ... 1.n) е изградена от една или повече навивки, при което броят навивки на секциите може да бъде еднакъв или различен.

Description

Област на техниката

Настоящото изобретение се отнася до система за индукционно нагряване на малки проводими частици чрез многосекционен индуктор, което ще намери приложение в нанотехнологиите и по-специално в различни процеси като електромагнитна хипертермия, в медицината, при изследване и синтез на нови съединения и други.

Предшестващо състояние на техниката

При безконтактното загряване на наночастици могат да бъдат използвани два основни метода. Първият от тях включва използването на подходящ съд, в който обработваните частици се поставят и нагряват индиректно посредством конвекция или излъчване. Този метод обаче не е подходящ за редица медицински приложения, тъй като може да навреди на пациента.

Вторият метод включва индукционно нагряване. Като се отчетат малките размери на обработваните частици и изискванията за хомогенност на приложеното електромагнитно поле, повечето стандартни системи за индукционно нагряване може да не са подходящи за приложения с голяма мощност.

Добре известен метод за генериране на хомогенно електромагнитно поле е използването на т. нар. намотка/бобина на Хелмхолц. Този метод е по-често използван в по-нискочестотни приложения, при които намотките обикновено работят под собствената си резонансна честота. За получаване на високи стойности на индукцията на полето често се използват допълнителни концентраторни намотки. Допълнителни мерки също така трябва да бъдат взети по отношение на хомогенността на полето в рамките на цялата индукторна система. Освен това, този метод не е подходящ за получаване на поле с предварително зададено разпределение, различно от хомогенното.

В известните системи за индукционно нагряване размерите на обработваните наночастици, както и особеностите на конкретните приложения поставят към тях изискването за висока работна честота на индукционно нагряване, което налага използването на индуктори с малки стойности на индуктивността. Освен това, за получаване на подходяща хомогенност на генерираното електромагнитно поле често се изискват значителни по размери индуктори, което води до значително нарастване на индуктивността им.

Техническа същност но изобретението

Задача на изобретението е да се създаде система за индукционно нагряване на малки проводими частици чрез многосекционен индуктор, която на базата на многосекционна реализация на индуктора да постигне осъществяването на нискоиндуктивни структури, осигуряващи хомогенност на генерираното магнитно поле.

Задачата е решена като е създадена система за индукционно нагряване на малки проводими частици чрез многосекционен индуктор, която включва индуктор, състоящ се от секции, разположени концентрично и близо

BG 67324 Bl една до друга. Всяка от секциите през резонансна верига е свързана със съответен честотен преобразувател. Честотните преобразуватели са свързани с АС-АС захранвания.

Задачата е решена и като е създадена система за индукционно нагряване на малки проводими частици чрез многосекционен индуктор, която включва индуктор, състоящ се от секции, разположени концентрично и близо една до друга. Всяка от секциите през резонансна верига е паралелно свързана с общ честотен преобразувател. Честотният преобразувател е свързан с АС-АС захранване.

Възможни са изпълнения и на двете системи, при които индукторът е съставен от η на брой секции, всяка от които е изградена от една или повече навивки. Броят навивки на всяка от секциите може да бъде еднакъв или различен.

Възможни са вариантни изпълнения, при които секциите на индуктора са изработени от проводници с различна форма като тръби, или солидни барове, или многожилни кабели, или литцендрат, при което сечението на тези проводници може да има кръгла, или правоъгълна, или квадратна или друга форма.

Възможни са вариантни изпълнения, при които секциите на индуктора са изработени от мед, или стомана или всякакъв друг подходящ за индукционно нагряване електрически проводим материал.

Всяка от секциите на индуктора е изработена от единичен проводник или от m на брой паралелно свързани проводници в зависимост от стойността на провеждания ток.

Индукторът е снабден със защитно покритие от външната страна на секциите, като защитното покритие е боя, или цимент, или епоксидна смола, или политетрафлуоретилен или други електро- и/или термоизолационни материали. Сечението на индуктора е с форма на кръг, или на елипса, или на овал, или на квадрат или на правоъгълник със заоблени ъгли.

Възможни са също вариантни изпълнения, при които разстоянията между отделните секции на индуктора са равни или различни в зависимост от изискванията за хомогенност на електромагнитното поле.

При различни изпълнения на системите, изводите на отделните секции на индуктора могат да бъдат завъртени на ъгъл от 360/п градуса между тях или на всякакъв друг ъгъл, както между две съседни, така и между две отдалечени секции, а навивките на всяка от секциите на индуктора са разположени равномерно или на различно разстояние една от друга в зависимост от изискванията за хомогенност на електромагнитното поле.

Предимство на създадените системи е използването на многосекционен индуктор, при който всяка от секциите му може да бъде захранена отделно, като така се постига желано разпределение на електромагнитното поле и нискоиндуктивни структури, осигуряващи хомогенност на генерираното магнитно поле. Освен това, се получават силни електромагнитни полета при разумни стойности на приложените върху секциите на индуктора напрежения и токове, което пък води до значително намаляване на броя и цената на кондензаторите в резонансната верига на системата.

В създадените системи допълнително хомогенизиране на електромагнитното поле може да се постигне чрез подходящо разположение и завъртане на отделните секции на индуктора една спрямо друга.

BG 67324 Bl

Пояснение на приложените фигури

Настоящото изобретение е илюстрирано на приложените фигури, където:

фигура 1 представлява електрическа блок схема на система за индукционно нагряване на малки проводими частици чрез многосекционен индуктор;

фигура 2 представлява електрическа блок схема на втора система за индукционно нагряване на малки проводими частици чрез многосекционен индуктор;

фигура 3 представлява аксонометрично изображение на вариантно изпълнение на индуктор от пет секции;

фигура 4 - поглед отстрани на индуктора от фигура 3;

фигура 5 - аксонометрично изображение на индуктора от фигура 3 с равномерно разположени изводи на отделните секции; и фигура 6 - поглед отпред на индуктора от фигура 5.

Примери за изпълнение на изобретението

Създадената система за индукционно нагряване на малки проводими частици чрез многосекционен индуктор, показана на фигура 1, включва индуктор 1, състоящ се от секции 1.1, 1.2, ... l.n, разположени концентрично и близо една до друга. Всяка от секциите през резонансна верига 3.1, 3.2, ... З.п е свързана със съответен честотен преобразувател 2.1, 2.2,... 2.п. Честотните преобразуватели 2.1, 2.2,... 2.п са свързани с АСАС захранвания 4.1, 4.2,... 4.п.

Създадена е и втора система за индукционно нагряване на малки проводими частици чрез многосекционен индуктор, показана на фигура 2, която включва индуктор 1, състоящ се от секции 1.1, 1.2,... 1 .п, разположени концентрично и близо една до друга. Всяка от секциите през резонансна верига 3.1, 3.2,... З.п е паралелно свързана с общ честотен преобразувател 2. Честотният преобразувател 2 е свързан с АС-АС захранване 4.

Индукторът 1, показан на фигури от 3 до 6, се състои от пет на брой секции 1.1, 1.2, 1.3, 1.4 и 1.5, всяка от които е изградена от една или повече навивки. Броят навивки на всяка от секциите 1.1,1.2,1.3,1.4 и 1.5 може да бъде еднакъв или различен.

При различните вариантни изпълнения на системите, секциите 1.1, 1.2, ... 1.п на индуктора 1 са изработени от проводници с различна форма като тръби, или солидни барове, или многожилни кабели, или литцендрат, при което сечението на тези проводници може да има кръгла, или правоъгълна, или квадратна или друга форма. Освен това е възможно секциите 1.1,1.2,... 1 .п на индуктора 1 да са изработени от мед, или стомана или всякакъв друг подходящ за индукционно нагряване електрически проводим материал, като всяка от секциите 1.1,1.2,... l.n е изработена от единичен проводник или от m на брой паралелно свързани проводници в зависимост от стойността на провеждания ток.

Индукторът 1 може да е снабден със защитно покритие от външната страна на секциите 1.1, 1.2, ... l.n, като защитното покритие е боя, или цимент, или епоксидна смола, или политетрафлуоретилен или други

BG 67324 Bl електро- и/или термоизолационни материали. Неговото сечение е с форма на кръг, или на елипса, или на овал, или на квадрат или на правоъгълник със заоблени ъгли.

При различните вариантни изпълнения, разстоянията между отделните секции 1.1, 1.2, ... l.n на индуктора 1 са равни или различни в зависимост от изискванията за хомогенност на електромагнитното поле. Освен това, изводите на отделните секции 1.1, 1.2, ... l.n на индуктора 1 могат да бъдат завъртени на ъгъл от 360/п градуса между тях или на всякакъв друг ъгъл, както между две съседни, така и между две отдалечени секции 1.1,1.2,... l.n. Навивките на всяка от секциите 1.1,1.2,... 1 ,п на индуктора 1 са разположени равномерно или на различно разстояние една от друга в зависимост от изискванията за хомогенност на електромагнитното поле.

Създаденото изобретение се използва по следния начин.

Описаните и изобразени на фигури 1 и 2 блок схеми представят многосекционна структура на индуктор 1, който се състои от η отделни секции 1.1, 1.2, ... l.n. Когато към секциите на индуктора 1 е приложен променлив ток с висока честота, обикновено радио честота, той генерира променливо електромагнитно поле. При поставяне на наночастици в такова поле, ако частиците са проводими, в тях се генерират вихрови токове, предизвикващи загряване вследствие на съпротивителните загуби, а ако частиците имат полярна молекулна или йонна структура, пулсациите на полето предизвикват бързи движения и/или преориентиране на частиците, което предизвиква триене и удари между тях. И в двата случая се постига директно загряване на наночастиците. Тъй като секциите на индуктора 1 са разположени концентрично и близо една до друга, се наблюдава застъпване между отделните им електромагнитни полета. Хомогенността на резултантното поле може да бъде зададена посредством регулиране на разстоянието между отделните секции. Освен това промяната в тока на всяка от секциите води до генериране на магнитно поле с различна магнитна индукция. По този начин се постига управление на разпределението на полето.

Тъй като електромагнитното поле около изводите на секциите на индуктора може да не бъде хомогенно, този ефект може да се компенсира посредством подходящо завъртане на секциите една спрямо друга, показани на фигури 5 и 6.

Използваните в електрическите блок схеми резонансни вериги 3.1, 3.2,... З.п могат да бъдат реализирани посредством последователно - паралелна или всякаква друга подходяща за конкретното приложение схемна конфигурация. Елементите (индуктори и кондензатори) на резонансните вериги 3.1, 3.2, ... З.п могат да имат фиксирана или променлива, настройваема стойност на параметрите (индуктивности и капацитети), като е възможна и комбинация от фиксирана и настройваема част в една верига. При изграждането на елементите на резонансните вериги 3.1,3.2,...З.п могат да бъдат използвани различни подходи в съответствие със стойностите на приложените върху тях работни напрежения и токове. Резонансните индуктори могат да бъдат изградени от един или няколко индуктивни елемента, свързани последователно и/или паралелно. Резонансните кондензатори могат да бъдат изградени от единични клетки или от кондензаторни батерии на базата на последователно и/или паралелно свързани клетки.

Между изходите на честотните преобразуватели 2.1, 2.2,... 2.η и входовете на резонансните вериги 3.1, 3.2, ... З.п при необходимост могат да бъдат свързани високочестотни трансформатори за осигуряване на

BG 67324 Bl галванично разделяне и съгласуване на импеданса на товара. В зависимост от конкретния вид свързване могат да бъдат използвани един общ или повече отделни трансформатори. Когато се използват повече трансформатори, преводните им отношения могат да бъдат еднакви или различни. Преводното отношение на всеки трансформатор може да бъде фиксирано или променливо.

На блок схемата от фигура 1 е видно, че всяка от секциите 1.1, 1.2, ... l.n на индуктора 1 може да бъде захранена отделно, като падът на напрежение върху нея е значително намален. Освен това, посредством прилагане на подходящо захранване на отделните секции може да се постигне желано разпределение на електромагнитното поле. Тъй като всяка отделна секция има значително по-малка индуктивност в сравнение с тази на едносекционен индуктор, то паралелното свързване между секциите позволява работа на многосекционни индуктори с големи размери при висока честота. Работният ток е подходящо разпределен между отделните секции, което позволява по-лесна реализация на силно токови структури за получаване на силни електромагнитни полета с голяма стойност на магнитната индукция. Допълнителното хомогенизиране на електромагнитното поле се постига посредством подходящо разположение и завъртане на отделните секции на индуктора 1 една спрямо друга.

Освен това, използването на елементи на резонансната верига с настройваеми параметри позволява фина настройка на работата на системата, посредством което се постига балансирана работа на отделните секции. Така също се позволява и промяна на резонансната честота на веригите, което дава възможност няколко приложения да могат да бъдат реализирани посредством една и съща система за индукционно нагряване. В случай на свързване на отделен съгласуващ трансформатор към всяка отделна резонансна верига има допълнителна възможност за настройка на системата посредством промяна на преводните отношения на трансформаторите.

Описаните системи могат да бъдат използвани за електромагнитна хипертермия и други приложения в медицината и индустрията, използващи безконтактно нагряване на наночастици. Изобретението може също така да бъде използвано във всякакви системи или машини за индукционно нагряване, работещи на висока честота и с голяма мощност.

Изобретението не се ограничава до гореописаните изпълнения и примери, а обхваща всички възможни варианти, попадащи в неговия обхват.

Claims (1)

1. Система за индукционно нагряване на малки проводими частици чрез многосекционен индуктор, характеризираща се с това, че включва индуктор (1), състоящ се от секции (1.1, 1.2, ..