CN100544527C - 微波加热设备、系统、方法及应用 - Google Patents

Abstract

微波加热设备，用于加热负载并包括由外周壁包围的柱形空腔(2)，所述空腔具有微波馈送装置(10)。加热设备包括安置在所述外周壁和所述负载之间的空腔内的介电壁结构(8)，其中，所述微波馈送装置配置成在所述空腔内生成微波场以便加热负载，该微波场为具有TE和TM型属性的拱形表面混合模式。

Description

微波加热设备、系统、方法及其应用

技术领域

本发明涉及微波加热设备、微波加热系统和方法。

背景技术

用于物料的微波加热的空腔和应用器通常在操作中谐振，因为这种状况导致实现高微波效率的可能性。典型的空腔/应用器负载对极性液体和致密食品物质具有高介电常数，诸如10至80，或低介电常数，但也具有低损耗系数和更大体积，诸如在干燥操作中。在这两种情况下，需要在空腔/应用器中反射和向后反射许多次微波能量以便获得足够的加热效率。然而，谐振状况必然限制适当功能的频率带宽。

使用三种方法来克服有限谐振频率带宽的实际问题：

●在相当大的空腔中使用多个谐振。因此，将在发生器，诸如磁控管的操作频率存在至少一个谐振。这种空腔易于使用但对即使稍微不同的负载，特别是如果这些很小的话，具有可变和相当不可预测的加热图以及微波效率的缺点。

●在单模式空腔/应用器中，将一些调整手段用于谐振频率。机械装置，诸如可移动短路活塞笨重且要求良好的电接触。更实际但仍然是机械的操作设备是在WO-01/62379中描述的非接触偏转器。

●使用可调整频率发生器。低功率半导体发生器或昂贵的TWT管可以使用，但出现另一问题：建立ISM频带的限制。为操作这些之外的频率，需要复杂的屏蔽和过滤。

如果所要求的频率变化在例如容许的2400至2500MHz内，用于有限负载几何结构或介电常数范围的上述第三种系统也可以工作良好。必须将使用中减小的谐振频带固有地设计到微波应用器中。

也可以通过利用应用器空腔和内部负载谐振属性的组合，来实现应用器加负载谐振频率的负反馈。然后，将这些系统限制为特定的且相当窄的负载几何结构和介电属性，诸如在US5,834,744中所公开的。

发明内容

本发明的总体目的是实现微波加热设备，对多种负载几何结构和介电常数，具有稳定的谐振频率，而且比现有技术装置更简单，更坚固和更廉价。

通过根据独立权利要求的本发明来实现该目的。

在从属权利要求中阐述了优选实施例。

本发明涉及可以是局部开放或封闭的谐振应用器的微波外壳，包含在外周壁和负载之间的介电结构。应用器原则上在数学上是柱形，表示它具有定义的纵轴和沿该轴的恒定截面面积(包括介电结构)。应用器中模式的类型是在应用器的中心区域中，沿纵轴基本上是无场的。

在典型的单模式谐振应用器中，当插入负载时谐振频率降低，以及如果负载不大以致显著地改变应用器模式图，则更高负载介电常数进一步降低谐振频率。根据本发明的设备基本上通过特别是混合型的模式来自调节。该模式可以说包括TE部(具有参考轴)和TM部，后者当负载插入应用器时，具有“固有的”更高谐振频率和在相关方面变得更强，使得发生补偿谐振TM模式频率的降低。

混合模式是HE型并具有所有六个E和H正交场分量。它可以以其基本形式存在于在外周或进一步向内具有同心电介质的圆形圆柱波导或空腔中。具有比零更高的第一(旋转的m)指数的TE模式具有该理论已知属性。然而，在当前情况下，该模式将在纵向中心轴处是无场的，因此最低的第一指数为2。这种应用器可以相当小，但具有高于10的第一指数的应用器也是可能的，导致在2450MHz，从mL的几分之一直到几十L的负载的非常宽的应用区。用于小负载的应用器可以基本密封并具有360m/4的最小扇角的扇形；在这种情况下，不再需要整数指数。例如为管状的用于大负载的应用器可以是圆形的并且在轴的中心区打开，用于负载插入。

附图说明

图1示意性地示例说明TE₄₁模式。

图2示例说明根据第一优选实施例的微波加热设备的剖面图。

图3用透视图示例说明第一实施例的变形。

图4用透视图示例说明应用本发明的交替馈送(alternate feeding)装置。

图5表示图4所示的设备的剖面图。

图6用透视图表示本发明的第二优选实施例。

图7用剖面图表示第二优选实施例。

图8和9表示第二优选实施例的变形的剖面图。

图10用剖面图表示排列在一起的图7所示的6个微波加热设备。

图11和12表示本发明的不同备选实施例的剖面图。

图13表示本发明的第三优选实施例的剖面图。

图14和15示例说明根据具有大径向气室的微波加热设备的本发明的两种实施例的剖面图。

图16表示本发明的第四优选实施例的剖面图。

图17表示用于使用根据本发明的微波加热设备的系统的框图。

在附图的描述中，相同的标记表示具有相同或相似功能的元件。

具体实施方式

本发明涉及和根据拱形表面模式(arch surface mode)的某些属性。这些模式能存在于具有圆形和椭圆形横截面，以及具有一些多边形横截面的圆柱空腔中。然而，已经发现在一些环境下，即使具有更规则的12边多边形横截面，由角处的边缘引起的偏离平滑表面可能不令人满意。

因此，由于仅在一些特定情况下，椭圆形横截面提供好处，在此主要研究圆形横截面-以及特别是由扇形组成的横截面。稍后，将进行用于非圆形外围几何结构的更详细扩展。

作为第一示例性例子，现在研究TE₄₁模式(见图1)。沿空波导或空腔的圆周，具有(为占优势磁场方向的)轴向磁场的8个最大值。在该图中，磁场为虚线，以及电场(仅存在于垂直于轴的平面中)画为实线。

当具有100mm的轴向长度和约260mm的直径时，充气的空TE₄₁空腔在2450MHz谐振。大多数能量聚集在周边，以及描述为沿相反方向的两个传播波(propagating wave)，然后建立驻波图。

拱形表面模式能存在于具有曲面外金属壁的限制几何结构中。在最简单的情况下，圆形圆柱波导和谐振器，由无场(fieldless)的轴限定它们。因此，在圆形模式符号的共用系统中，第一(圆周变化，定义成在

方向上)指数为“高”，第二(径向变化，定义成p方向)指数为“低”，以及第三轴向(定义成z方向)指数为任意。

用于拱形表面模式的最通用极化类型是TE，表示无z方向E场。通常，在弯曲金属表面有主z方向磁场(因此存在

方向壁电流)。第一指数必须至少为2。

对TM模式，无z方向H场，典型地，主z方向E场距离弯曲壁一些距离。第一指数也必须至少为2。

TE模式通常低效率地耦合到特征在于具有比其“顶”和“底”(恒定z平面)表面更大的轴向(圆周、多边形或圆柱)表面的介电负载，因为它们的E场在水平方向，因此将垂直于任何垂直负载表面。它们还具有比自由空间平面波更高的阻抗，再次导致与固有低阻抗的介电负载的更差耦合。通过假定通过TEz模式，没有到具有主z方向维数的负载的一阶耦合机制，可以简化该情形。结果，为了到负载的良好功率传送，需要更高的质量因子(Q值)，但这必然伴有特别是小负载的有效加热所需的谐振的更窄频率带宽。

TM模式具有z方向E场和低阻抗。因此，它们更好地耦合到上述负载。然而，这也意味着不是非常小的负载可以影响整个系统性能，例如通过引起非常显著的谐振频率改变，抵消了更低Q值的优点(以及通过谐振的更大频率带宽)。

拱形表面模式的小组是由以例如板、瓷砖或平面或弯曲板的形式的介电壁结构限制的拱形表面模式。

本发明针对该小组的拱形表面模式，即，包括具有基本上位于空腔的外周壁和空腔内待加热的一个或多个负载之间的介电壁结构的封闭空腔的微波加热设备。

在圆形(以及椭圆)圆柱几何结构中，可能将直径金属侧壁引入轴方向，以产生8个独立的空腔或波导。最小的这种扇形空腔为45°以及通过例如从图1的6点钟方向，以0°和45°的剖面获得。该场属性(谐振频率等等)在这种情况下不改变。

这种扇形波导可被认为具有朝向边缘(在前一轴)变为渐渐消失的模式。因此，位于接近该尖端的负载将通过某种波导模式的渐消失耦合来加热。因此，径向向内渐消失模式的场阻抗为高且为电感性非常重要。由于假定负载具有远比空气更大的介电常数，已经达到负载的波能量不再渐消失。

可以发生有效吸收，只要波能量密度在负载位置未下降“太多”。然而，位于边缘顶部附近的负载将非常差地耦合。

很显然，通过使更小负载更接近空腔的拱形部，耦合将变得更强。还受到角方向上负载位置的影响，因为特别是磁场的强度随相对于微波馈源的位置或径向壁位置而改变。

在下文中，给出了拱形表面模式定义和极性的介绍。

微波可以沿两个电介质之间的边界传播，只要一个区具有一些损耗(所谓的Zennek波)。波也可以沿和限制到无损耗介电板(所谓的介电板波导)无损耗地传播。后者的变形是电介质具有在一侧背后的金属-如用于本发明的情况，因此，该模式是陷获表面波(trappedsurface wave)。

无损传播是指在上述所有情形下，无辐射远离系统-如果在表面附近无干扰或吸收物体。

在US3,848,106中，公开了一种将表面波用于微波加热的设备。模式类型是TM型，在实质上具有在一个侧面(a侧面)向周围开放的介电板填充的馈送TE10波导中，在方向(z)上传播。因此，正好在介电填充外的模式场不具有z方向磁场，但在所有方向上具有E场。用在根据本发明的空腔中的模式是在此定义为E和H场均存在于z方向(空腔的纵向方向)的模式的混合模式。在该混合模式中，TE和TM模式存在以及具有径向定向的H场。例如，混合模式HE₃₁₁在具有径向对称的介电结构的空腔中，具有所有6个分量。

下面是有关在圆形波导和空腔中的拱形表面模式的理论推理。

如在任意横截面的任何圆柱空金属管中，在圆形波导中对z有两种不同类型的模式：TE和TM。这表示六个E和H分量的一个必定丢失。即分别是z定向的E和H。

对本发明来说非常重要的是，具有与TE模式相同的三个指数的TM拱形表面模式在相同空腔(即已知直径和长度)中具有更高谐振频率。

例如，对TE₃/TM₃模式，x’/x商为4,42/6,38，将插入公式中：

$f_R=\frac{C_0}{2\mathrm{\πa}}\sqrt{x_{\mathrm{mn}}^{\′2}+{\left(\frac{\mathrm{p\πa}}{h}\right)}^2}$

其中，f_R是谐振频率，C₀是光速，mnp是模式指数，a是空腔半径，以及h是其高度。

圆形波导中所有TE和TM模式均是正交的(除不是拱形表面模式的TE₀和TE₁系列外)也很重要。因此，它们不能互相耦合能量。

当圆形波导具有同心介电填料时(沿外周的环状或远离它一定距离，或中心杆)，对任何圆柱坐标，模式不再变为TE或TM，除旋转对称场(拱形表面模式不是那样)外。作为理论奇特性，这由来已久。

参考图2和3，给出了本发明的第一优选实施例的基本设计和特性。

将理解到当将参考方向从矩形系统中的纵向改变成圆柱系统时，矩形TM₀模式变为与圆形TE_m1模式类似。即使完全圆形的应用器是可能的，以及可以易于设计和使用，为了加热小负载的目的，缩减几何结构可能更佳。不仅获得更小空腔，而且也更容易避免不期望的模式。

通过成一定角度的平面金属轴向空腔壁上的特定电流和场强度分布，以及沿曲面扇形外周的介电壁结构，也有其他可能的优点。

因此，第一实施例的两种变形分别如图2和3所示。图2表示在包括外周壁2、侧壁4、负载6、介电壁结构8和微波馈送装置10的120°扇形应用器(或空腔)的xy平面中的截面图，其中，介电壁结构包括四个扁平介电瓷砖(tile)。

图3用透视图示例说明了类似的加热设备，但具有介电涂覆的外周壁2。对图2和3：介电壁结构为约7mm厚以及具有约7，5的典型介电常数。负载相当大(30至40mm直径)以及应用器半径为约85mm，高度为约80mm以及操作频率在2450MHz ISM频带内。

应注意到当使用扇形空腔时，不再需要用于获得谐振的特定扇形角度。因此，现在存在角度对半径的连续区。由于包含整数阶(integerorder)Bessel函数的分析公式能用于整数指数，诸如3和4，能如上进行直接计算。

同时在介电拱形陷获渐消失谐振空腔(应用器)中，TE₃₁₁模式的场图占优势。那个模式不应当具有任何z方向的E分量，但应用器模式有。这能通过微波建模来验证，但“隐藏”TE₃₁₁模式的其他分量(在天花板和地面具有最大值的xy平面H场，以及在半高具有最大值的xy平面E场)，因为TE₃₁₁模式具有那些相同的分量。总的来说，空腔模式是混合HE₃₁₁模式，而TE类型的空腔场强度比TM型更强。

在下文中，将进一步论述具有基本上恒定的谐振频率的优点。

通过微波建模已经发现，随着即使非常大的负载变化，诸如从低于小瓶中的1mL到高于容器中的50mL，如上应用器的谐振频率也格外小地改变，如图2和3所示。因此，负载是极化液体，也具有非常可变的介电常数和损耗系数。因此，频率变化可以在1MHz内一样低。

模拟在图6和7中公开的空腔以及模拟结果如表1(下面)所示。

负载具有9mm直径和15mm高圆柱(非玻璃瓶)，其顶低于空腔顶约2mm。天线突起相当小，实际上与空腔壁在相同的平面中(在陶瓷块中还有孔)。

陶瓷介电常数为7，5-j0，0125，这对应于4，2米的穿透深度。

 

负载介电常数	谐振频率MHz	耦合系数	Q0值(Prony)	注释
					空	2471	0，22O	-	-
10-j2	2466	0，17O	-	低损耗
					25-j6	2467	0，13O	-	标准
78-j10	2465	0，16U	-	20℃水
					60-j2	2466	0，14O	-	100℃水

O＝过耦合，U＝欠耦合

表1

现在，将论述微波馈送装置的不同方面。

混合HE模式的功能的解释是在随负载改变的其TE和TM“部分”之间存在平衡。具有有效轴向尺寸的介电负载通常比TE模式更强地耦合到TM，以及偏移TM模式部分的固有更高谐振频率趋势。

作为该解释的结果，使用不固有地影响TE和TM型模式部分关系之间的平衡变得很重要。因此，如果仅馈送TE部分，则TM部分能“自由地”应用于可变负载。由于TM型模式部分仅缺少一个分量Hz，其变为最佳选择。在圆外周的一半高度，该场分量最强。在0°、60°和120°存在最大值。因此，在0°或120°的垂直槽馈送是可行的。因此，获得波因廷(Poynting)矢量的互补E场是水平径向的。馈送结构如图4所示。在空腔旁边存在标准的TE₁₀波导，以及在末端存在垂直槽。

在非常类似的情况下，在空腔高度的一半，Hz场的包络如图5所示。示意性地示例说明了由TE₃₁模式部分产生的介电壁结构中的场图12。

另一可能性是通过轴向探针，以30°激励“旋转”Hz场(其中，它改变符号，在空腔高度一半没有水平H场)，然后同时获得与水平径向向内E场匹配的场。如图2和3所示。

即使通过插入应用器中的薄和低介电常数电介质，原则上出现随不同负载的谐振频率变化降低的所需功能，优选实施例是用在介电壁结构(或包层)中的电介质材料应当具有使振荡能量的实质部分限定到外周区的高介电常数。仅假定存在HE模式是介电常数(ε)大于1。这导致介电壁结构的介电常数和厚度的更多组合。例如，如果ε大于9，(陶瓷)包层变得相当薄，导致可能的公差问题。由于介电常数最好在4和12之间的实际原因，似乎最期望在6和9之间，那么厚度在8和6mm之间。

由于完整性，应注意到介电壁结构的厚度与用于要求不大于 $T=\frac{{\mathrm{\λ}}_0}{2\sqrt{\mathrm{\ϵ}-1}}$ 的厚度的普通陷获表面波的标准理论无关。

一个设计考虑是与在它和空腔外周之间留下空气距离相比，更难以金属化陶瓷的外表面。根据本发明的一个实施例，已经发现为了实现非常小的应用器，期望最小距离的情况下，2至4mm的距离是可行的。

迄今所述的应用器在应用器的瓷砖和外金属壁之间具有小的距离，为此的原因是a)能由此避免金属化，以及b)不太影响模式场图(即，模式仍然是Tem；1型(不具有比1更高的第二指数)。这导致实用的小应用器。将结合图6至10，进一步描述在外周壁和介电壁结构之间具有小距离的应用器。

通过增加介电结构壁和外周壁之间的距离，有几个优点。

一个优点是不需要在介电壁结构中设置孔用于微波馈送装置。反过来，这使得制造该设备更便宜。

另一优点是由馈送装置生成的近场变得更对称。

在下文中，将参考图14和15，进一步论述这些和其他优点。

当使介电壁结构和外周壁之间的距离增加到至少15mm时，在那个区域中出现第二陷获表面波，以及模式的轴向磁场改变介电壁结构中的符号。

因此，模式变为与基本(现在为笛卡尔/矩形)TM-zero介电厚板类型相同的类型。如果应用器是圆柱，则通过适当尺寸，将圆周地出现多个驻(整数波长)波。这种应用器将仍然保存向内(负载所处的)径向指数1，但如果非常大(在2455MHz超出300mm左右，对应于圆周指数10或更多(如果10，在外围周围有20个驻波最大值))，更容易馈送。具体的好处是馈送不需要接近瓷砖，在高功率系统中，显著降低导致产生电弧或瓷砖的局部过热的近场激励。

已经证实，在外周壁的内表面和介电壁结构之间，可以使用更大距离(在2450MHz时25mm或更大)。由此可以在介电结构中获得两个不同的场类型-应注意到模式基准不再是整个空腔，而仅是具有沿圆周空腔方向传播的波能量并用矩形标志的介电结构(以便建立空腔模式)。两种模式类型主要是TM₀和TM₁。在前者情况下，在介电结构上无极性变化，以及在后者情况下有一个。

证实最终空腔模式通过陶瓷TM₀场将比陶瓷TM₁场具有更低的第一(圆周)指数，尽管现在径向指数为2。这意味着在该优选情况下，径向向内的渐消失将更慢以及模式行为也较少受负载影响。该负载位于介电壁结构的内表面附近。另一重要优点是，馈送装置(在介电结构和外周壁之间)现在能是在正常高功率传送(即阻抗匹配)的条件下，在介电结构的内表面上存在可忽略的近场。在优选实施例中，馈送装置是通用四分之一波长径向定向的同轴金属天线。

将介电结构排列成距离空腔外周壁有效径向距离将允许具有相位延迟的双天线结构，导致基本上单向能量在圆周方向上在空腔内流动。几种这种天线存在并能使用。这种天线通常更易于设计，并且通过陶瓷TM₁模式比通过TM₀模式会变得更小，以及由于在前者情况下，圆周模式指数更高，由于系统的不完整性将产生的最小值之间的距离变得更小，这很有利。

外周壁和介电结构之间的径向空隙达自由空间波长的一半，在优选实施例中为20至30mm。使用矩形陶瓷模式TM₀或TM₁的任何一个，以及TM₀通常更佳，以及也是当外周壁和介电结构之间的距离短时所获得的。

因此，图14和15示例说明根据本发明，具有大的径向空隙的微波加热设备的两个实施例。

图14是圆柱空腔的截面图，包括外周壁2、外周壁和围绕负载空腔6的介电壁结构8之间的气室18。通过外周壁排列馈送装置10。

图15表示扇形微波加热设备的截面图，除图14的实施例的项之外，还包括两个侧壁4。

由于操作谐振频率基本上是恒定的，可以通过一些手段，在生产微调中被设置成适当值。已经发现最好包括位于与微波馈送点相同位置但处于场的下一半波位置的小径向金属柱22(见图2)(如图2所示，具有两个半波，也应用于图5和13)。金属柱在2450MHz频带中，提供谐振频率的约50MHz向下调整，而没有任何有害效果。孔可以具有4mm的直径，以及柱不小于2mm。

由于混合模式向内朝向“轴顶”径向渐消失，在那里没有或有很弱的场。特别地，由于耦合到负载的大多数能量是经水平H场，以及在半高度时这些为零，能在那个区域中的径向空腔侧制造相当大的非干扰和非辐射孔。

接近“轴尖”的大负载将相当弱地耦合(如所需)以及不太改变谐振频率。然而，在相同位置中的小负载可能耦合太弱。如果沿图2所示的虚线24径向向外改变非常小的负载位置，耦合将变得更强以及加热效率将增加。这允许比固定负载位置甚至更大的负载大小和介电属性的范围。

实际简化是使用平的瓷砖，而不是120°(左右)弯曲瓷砖(如图3和5所示)。已经发现如图2所示的四个这种瓷砖是可行的。更小的数量将失真空腔中的混合模式的TE和TM模式部分之间的精密平衡。

不能避免瓷砖中的微波损耗。事实上，这些最终确定小负载如何被效地加热。然而，由于精密能量需求，非常小负载的有效加热难以控制。通过瓷砖中的“受控”损耗，这些能说成是与负载电并联连接从而限制“电压”。当吸收与瓷砖(以及空腔金属壁)相同的功率时，这导致负载中的最大加热强度，如果负载的吸收能力进一步降低，则该强度下降而不是仍然恒定。

如所期望的，典型的系统对小负载变得过耦合，而对大负载变得欠耦合。当然能改变耦合使得对适当指定的负载出现临界耦合(由此最大效率)。然后，可以通过选择不匹配相位(按馈送波导的长度)，进一步采用磁控管的非线性属性，使得具有大负载时操作处于(更高效率)振荡中断区域(sink region)，以及对于小负载处于(低效率但恒定的)热区(thermal region)。通过这种设计，能增加有用负载范围，以及显著地降低具有小负载或空的磁控管损坏的风险(瓷砖的基本加载和通过空腔壁损耗也有助于后者)。

本发明的第二优选实施例包括一组不同变形，均实现下述设计目的：

1)提供便宜的小应用器，例如仅用于1，0mL液体负载以及不具有移动部件的最简单的可能系统。

2)便于通过最小加工的瓷砖的介电属性和自加热测量。

关于第一优选实施例，空腔具有在非常小或至少不规则四边形(最好是三角形)的充气区域中，朝向圆形或扇形空腔的轴径向向内渐消失的主模式，使得反对(deprecate)由负载本身和该工作空间确定的谐振。

有另外的优化方法，例如通过“凸出”从直线平面陶瓷板侧偏离，对不同负载介电常数倾向更小谐振频率差。

图6至9示例说明第二优选实施例的不同变形。三角形应用器，如图7所示，基本上正好是用于主要HE型混合拱形表面模式的谐振的失真扇形设计。已经发现平面而不是拱形陶瓷对于用于不同负载的频率恒定性未给出良好结果，但如果引入负载几何结构或体积约束，结果则足够。

通过用第三侧壁4’截断三角形空腔来使气室成为不规则四边形(见图8)，两个谐振一致，这不太令人满意但通过包括沿基本上稳定场的第三侧壁的第二介电壁结构8’，可以改善该变形。这导致更紧密空腔。

通过用非平行侧面生成其截面(水平，以及应用器轴视为垂直)存在补偿单或多瓷砖应用器的非拱形瓷砖的可能性。为实际制造原因，一个侧面应当保持为平坦。这如图9所示。好处在于行为变得更象具有真正拱形瓷砖一样(如图2所示)，即，对可变负载的更好频率恒定性。

第二优选实施例的一般几何结构是具有三角形截面的柱体，包含具有矩形截面的介电壁结构。空腔馈送是通过小的中心同轴天线。对约2455MHz(鉴于不精确的已知陶瓷介电常数)谐振频率的自适应是通过改变整体高度。为此，初始高度应当高于预期用于2455MHz谐振的高度，以便能更容易地改变。

形状如图6和7所示。陶瓷上的三角形具有80mm的后侧以及54mm的高度。用于约2455MHz谐振的垂直圆柱高度为约61mm，但初始高度应当做成80mm。陶瓷块具有水平侧80mm和10mm(＝厚度)，以及在垂直方向上一直延伸。

在陶瓷块和后面的平行空腔壁之间存在2mm空隙。因此，没有陶瓷的空腔由三角形加上矩形部分组成。后者水平方向为80×12mm。在一半高度处，存在通过陶瓷具有相应孔的中心同轴馈送。该孔直径为8mm。

在负载上方有具有内径13mm的金属管20(＝陷波器)，以及高度至少为约9mm。负载轴和管轴额定位置是距离应用器顶部32mm。如图6所示，顶壁14和底壁16与侧壁4以及介电壁结构一起组成封闭空腔。在图6至9中，馈送装置10是一个同轴探针。

在图10中，示出了图7所示的6个微波加热设备排列在一起的示意和简单设置。请观察该图中未包括馈送装置。

在示例性实施例中，空腔为具有圆形截面的圆柱并具有在空腔内产生单驻波图的一个单独的馈送装置。该实施例主要用于加热对称放置的多个相同负载，如图11的示意图所示，图11表示具有6个负载的空腔。驻波图可以是HE_6，1模式以及在每个场最大值具有一个负载，即，分开30°放置的12个负载，或6个负载(每第二场最大值，即60°分开)，或4个负载(每第三场最大值，即90°分开)或3个负载(即120°分开)，或2个负载(即180°分开)，或天然一个单独负载(如图12示意所示)。

图11表示具有介电壁结构8和馈送装置10的圆形微波加热设备。该设备可以是处于HE_3；1；1模式，以及有6个场周期，使得将同等地处理以圆形方式排列的6个相同负载。由于能使系统谐振Q系数与所期望的一样高(由于模式渐消失)，实际上，对所有负载有极其类似的“碰撞”场。现在可以选择与不变磁和电场的位置有关的负载位置，使得分别通过相同电流或电压源来处理负载。

如果负载不相同，结果可能是相对加热的正或负反馈，例如，通过一个较热负载多个另外的相同负载被较少加热，或例如通过较大负载被更强加热，或反之亦然，这当然是不期望的。

在第三优选实施例中，空腔具有更小尺寸，以及外周壁和介电结构具有相对于彼此同心排列的圆形截面。自然地，该实施例还包含外周壁和介电结构具有为圆形的一部分的截面的变形。

在具体例子中，具有介电常数9的介电结构8(图13中)的外半径为50mm(也是外周壁的内表面的半径)以及用于负载的孔6具有20mm的半径。图13示例说明在该图的最下部分，在具有在2450MHz工作的馈送装置10的半圆形空腔中的场图12。因此，该场图具有两个整个和两个半波。作为备选，中心角可以是120°，产生相同功能。空腔的高度为约50mm(例如49mm)。

在该实施例中，其中，介电壁结构(陶瓷)的径向厚度大，以及在介电结构中，主要出现拱形陷获渐消失谐振。

根据本发明的第四优选实施例，使用两个混合模式，HE_m2；2；p和HE_m1；1；p，其中，m2>m1，两者均在相同的频率谐振。

来自简单径向馈送天线的耦合系数对两个模式将变为不同，由于HE_m2；2；1模式的场更紧密地限制到电介质并因此，比具有接近空腔外周壁的更恒定场的HE_m1；1；1模式更不强烈地耦合。

具有大负载的空腔将获得更低质量系数(Q值)，因为在空腔中的更少向后反射后出现稳定状态。因此，对具有固定天线的单模式空腔的耦合系数来说，总是存在当减小负载时，从欠耦合(耦合系数<1)朝向过耦合(耦合系数>1)的趋势。

因此，用于加热的单模式谐振空腔的设计目标是，对最大(或最强吸收)负载，将耦合系数设置成不太低，对要求高功率的最典型的负载，设置为约1(临界耦合，产生阻抗匹配从而产生最大系统效率)，以及对最小(或弱吸收)负载，不设置得太高。当使用两个同时模式来加热负载时，必须观察这些几乎总是正交。这意味着功率与馈送结构无关地传送到两个模式，使得功率吸收将来自独立模式。然而，由于模式具有公用馈送，它们的相对振幅(以及通过它们到负载的各个功率传送)将取决于几个因素，诸如耦合阻抗和模式场匹配的馈送。该最终加热图将是两个模式场的矢量总和的结果，因为情况是时谐的(使用相同的单频率)。

因此，根据第四实施例，通过使用HE_m2；2；1模式来加热小负载，因为对于这类负载其耦合系数小于HE_m1；1；1模式的耦合系数，以及通过使用HE_m1；1；1模式来加热更大负载，因为对于这类负载其耦合系数大于HE_m2；2；1模式的耦合系数，延伸了系统的动态范围。对大的负载来说，HE_m2；2；1模式将大大地欠耦合，从而不干扰HE_m1；1；1模式的动作。对小负载来说，HE_m1；1；1模式将过耦合，因此，在那种情况下，会干扰所需HE_m2；2；1模式的动作。

图16示例说明根据本发明的第四实施例的微波加热设备。该设备包括扇形空腔，包括外周壁2和包围介电壁结构8’’和负载6的两个侧壁4”。介电壁结构具有从空腔的底壁(图16未示出)一直延伸到顶壁(图16未示出)的两个相同、平的瓷砖的形状。瓷砖通常为10mm厚，80mm高和通常具有ε值8，空腔的半径为85mm以及扇形角度为120°。

第四实施例的一个重要特征是，在形成气室18’的弯曲外周壁2和介电壁结构8”之间具有有效径向距离。这很重要，因为只有这样，才能易于发现和使用用于HE_m1；1；p和HE_m2；2；p类型的模式的两个闭合谐振频率。

如参考图2所示的实施例所述，可以将金属柱(图16未示出)用于微调HE_m1；1；p模式的谐振频率。也需要微调到该谐振和HE_m2；2；p模式的谐振间的零差值。这通过在径向方向上向内移动瓷砖来实现。

在图16中还示出了微波馈送装置10，在此以同轴天线的形式。天线的插入深度对微波设备的适当功能很敏感。在图16所示的情况下，进入空腔的天线插入深度为约7mm以及其直径为约3mm。

通过增加插入深度，稍微降低两个谐振的频率，当然也导致增加耦合系数。在所示的示例中，负载可以具有从3mm至20mm范围的直径，以及高度从20至60mm。

执行根据第四实施例的系统的多个数据模拟主要研究用于不同负载的频率行为。该研究确定在所有条件下，对于谐振频率可变性维持高效率。

因此，根据本发明的第四实施例的双混合拱形表面模式空腔对特别宽的负载范围，提供高的加热效率。原因是，通过相同的不变馈送装置，对大和小负载，模式为互换的过耦合和欠耦合。这导致它们中的至少一个良好地耦合到几乎所有合理空腔负载。这将使用范围扩展到约0，1mL的小负载(取决于介电常数和将使用多少过功率)。通过这种小负载，可以使用过功率(也许达700W输入功率)，因为空腔天线不位于任何瓷砖附近，否则将导致场集中。

还证实与单混合模式空腔相比，在双混合拱形表面模式空腔中的场图对于一些类型的非常小的负载几何结构，具有改进的耦合。

双混合拱形表面模式空腔还提供在几种负载几何结构-大和小中，非常均匀的加热图的可能性，以及不一定是以瓶的形状。这种延伸用途的例子是加热薄和水平的平负载，用于处理在直径达40mm的类型中，固态、半固态或液体负载的流通负载应用。

最后，图17表示用于使用根据本发明的微波加热设备的系统的框图。操作员经连接到对于例如频率和能量，尤其控制微波发生器的控制装置的用户接口(未示出)来控制该系统。微波发生器经微波馈送装置，将微波应用于微波加热设备。控制装置也可以具有来自微波加热设备的测量输入信号，这些信号可以表示例如负载的温度和压力。

本发明还涉及在微波加热设备中，或在根据上述实施例的微波加热系统中加热负载的方法。该方法包括步骤，将负载安置在空腔中，以及将预定频率的微波能量施加到微波加热设备以便加热负载。

此外，本发明还涉及使用任何一个上述实施例的微波加热设备或微波加热系统用于化学反应，特别是用于有机化学合成反应，以及使用上述方法用于化学反应，特别是用于有机化学合成反应。

本发明不限于上述优选实施例。可以使用各种备用、改进和等效。因此，上述实施例不视为限制本发明的范围，其范围由附加权利要求来限定。

Claims (28)

1.微波加热设备，用于加热负载并包括由外周壁包围的柱形空腔(2)，所述空腔具有微波馈送装置(10)，其特征在于，所述加热设备包括安置在所述外周壁和所述负载之间的所述空腔内的介电壁结构(8)，其中，所述微波馈送装置配置成在所述空腔内生成微波场以便加热负载，该微波场为具有TE和TM型属性的拱形表面混合模式。

2.微波加热设备，用于加热负载，包括具有外周壁和连接到所述外周壁并通过小于360°的中间角度彼此连接的两个侧壁(4，4’，4”)的柱形空腔，该空腔具有微波馈送装置(10)，其特征在于，所述加热设备包括安置在所述外周壁和所述负载之间的所述空腔内的介电壁结构(8，8’，8”)，其中，所述微波馈送装置配置成在所述空腔内生成微波场以便加热负载，该微波场为具有TE和TM型属性的拱形表面混合模式。

3.如权利要求2所述的微波加热设备，其特征在于，所述中间角度为120°。

4.如权利要求2所述的微波加热设备，其特征在于，所述中间角度为60°。

5.如权利要求2所述的微波加热设备，其特征在于，所述中间角度为180°。

6.如权利要求2所述的微波加热设备，其特征在于，所述外周壁具有弯曲形状。

7.如权利要求2所述的微波加热设备，其特征在于，所述外周壁为平面。

8.如权利要求1或2所述的微波加热设备，其特征在于，所述介电壁结构与外周壁的内表面接触。

9.如权利要求1或2所述的微波加热设备，其特征在于，所述介电壁结构覆盖外周壁的整个内表面。

10.如权利要求1或2所述的微波加热设备，其特征在于，所述介电壁结构配置成距离外周壁的内表面预定距离。

11.如权利要求1或2所述的微波加热设备，其特征在于，所述介电壁结构包括按照外周壁形状的多个瓷砖。

12.如权利要求1或2所述的微波加热设备，其特征在于，所述空腔包括上壁和下壁。

13.如权利要求1或2所述的微波加热设备，其特征在于，在外周壁的孔中安置金属柱用于调整谐振频率。

14.如权利要求1所述的微波加热设备，其特征在于，使负载接近柱形空腔的中心放置。

15.如权利要求1或2所述的微波加热设备，其特征在于，所述馈送装置是同轴馈送。

16.如权利要求2所述的微波加热设备，其特征在于，所述馈送装置是沿侧壁之一的槽。

17.如权利要求1或2所述的微波加热设备，其特征在于，对于混合模式，圆周整数指数m小于4，径向指数n＝1以及轴向指数p为大于0的整数。

18.如权利要求2所述的微波加热设备，其特征在于，对于混合模式，空腔内的半波的数量为1或2，径向指数n＝1或n＝2，以及轴向指数p＝1。

19.如权利要求1所述的微波加热设备，其特征在于，所述空腔具有圆形截面。

20.如权利要求2所述的微波加热设备，其特征在于，所述空腔具有为圆的扇形的截面。

21.如权利要求2所述的微波加热设备，其特征在于，所述外周壁具有为圆的扇形的截面以及所述介电壁结构(8”)为两个相等的平的瓷砖，其中，在所述空腔中生成两个拱形表面混合模式HE_m2；2；p和HE_m1；1；p，其中m2>m1，两个混合模式以相同频率谐振。

22.如权利要求21所述的微波加热设备，其特征在于，在平瓷砖和外周壁之间形成气室(18’)。

23.一种微波加热系统，其特征在于，该系统包括预定多个如权利要求2和从属该权利要求的任何权利要求所述的微波加热设备，以便允许并行处理和加热负载。

24.在根据权利要求1至22的任何一个的微波加热设备中或在根据权利要求23的微波加热系统中，加热负载的方法，其特征在于，所述方法包括：

将负载安置在所述空腔中；

将预定频率的微波能量施加到微波加热设备以便加热负载。

25.根据权利要求1-23的任何一个的微波加热设备或微波加热系统用于化学反应的应用。

26.权利要求24所述的方法用于化学反应的应用

27.根据权利要求1-23的任何一个的微波加热设备或微波加热系统用于有机化学合成反应的应用。

28.权利要求24所述的方法用于有机化学合成反应的应用。

Images