CN108353472B - 具有同轴施加器的用于施加微波能量的元装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于施加微波能量的元装置(1)，元装置包括同轴施加器(2)，同轴施加器具有远端部(21)和相反的近端部(22)，远端部设置有同轴结构连接件(3)，该同轴结构连接件用于与联接至微波能量发生器的同轴导引件或线缆(5)联接，近端部设置成暴露在封闭件(4)的内部，该同轴施加器包括：‑传导性的中央芯(23)，中央芯沿着主轴线(AP)延伸；‑护罩(24)，护罩具有周壁(240)和后壁(241)，周壁围绕该中央芯，后壁设置在所述远端部上并且相对于所述主轴线横向地延伸；‑微波能量传播介质(25)，微波能量传播介质位于中央芯(23)与护罩(24)之间；以及‑绝缘体(26)，绝缘体由就微波能量而言可透射的介电材料制成并且设置在所述近端部上；其中，同轴结构连接件设置有外导体(31)，外导体连接至所述护罩并且围绕连接至所述中央芯的内导体(32)，并且同轴结构连接件在设置于护罩的后壁上同时使得同轴结构连接件的外导体被固定在所述后壁上并且同轴结构连接件的内导体被连接至长形的连接元件(33)，连接元件33穿过所述后壁并且以相对于所述中央芯具有预定间距的方式平行于主轴线延伸直至下述自由端部：该自由端部在距所述后壁的预定距离处连接至所述中央芯。

Description

具有同轴施加器的用于施加微波能量的元装置

本发明涉及用于施加微波能量的元(elementary)装置，并且涉及至少使用这种元装置的负载的微波处理设备。

本发明更具体地涉及包括同轴微波功率施加器的元装置。

本发明应用于对负载的微波处理的领域，该负载可以是固体类型(例如粒状或粉末类型)、气体、等离子体、液体(具有吸收电磁辐射的溶剂和/或溶质)。应当指出的是，微波能量涉及其频率包含在约300MHz与约30GHz之间、优选地在400MHz与10GHz之间、并且优选地在915MHz与5.8GHz之间的波。

本发明应用于反应介质的热处理的领域，其中，“热处理”是指：通过加热实施的各种处理，比如蒸发、干燥、焙烧、对悬浮于溶剂中的天然产物的提取、通过加热借助于介电损耗进行的化学反应或化学合成(以用于分析或生产化学化合物)、脱水、烘烤、漂白、分离、聚合、交联、超临界流体处理、挥发性化合物的去除等；以及与加热同时执行的各种处理，比如混合或磨削加工。

本发明还应用于在限制腔室的内部进行等离子体生产的领域，该等离子生产用于各种应用，比如例如表面清洁、灭菌、沉积、特别是等离子体增强化学气相沉积、蚀刻、离子注入、表面功能化以及其他表面处理比如离子束溅射(或者阴极溅射)。

为了在发生器与腔室的内部之间传输微波能量，需要使用至少一个用于施加微波能量的元装置，并且通常关联地使用多个这种元装置，所述多个这种元装置通常被称为元源。

因此，从文献WO 2014/184357和WO 2012/146870中获知：使用用于施加微波能量的元装置，该元装置包括同轴微波功率施加器。

参照图1(a)和图1(b)，常规的元装置10包括同轴微波功率施加器100，该同轴微波功率施加器100允许将来自微波能量发生器(未示出)的微波能量传输至由分隔件40限界的腔室4(图1(b)中所示)。

这种同轴施加器100包括：传导性的中央芯101，该中央芯101沿着主轴线1010延伸；传导性的外护罩102，该护罩102围绕中央芯101；以及介质103，该介质103位于中央芯101与护罩102之间用于传播微波能量。

该同轴施加器100具有远端部104和相反的近端部106，该远端部104设置有设置成用于与发生器联接的同轴结构连接件105，该近端部106设置成暴露在腔室4内，该近端部106设置有绝缘体107，该绝缘体107由就微波能量而言可透射的介电材料制成。

另外，护罩102具有周壁1020和底壁1021，周壁1020围绕中央芯101，底壁1021设置在远端部104上并且横向于主轴线1010延伸。

如已知的，同轴结构连接件105设置有外导体108，外导体108连接至护罩102并且围绕连接至中央芯101的内导体109。该同轴结构连接件105通常按四分之一波长的量级(即微波能量的波长的四分之一)在相对于底壁1021的预定距离处设置在护罩102的周壁1020上，以在不产生反射功率的情况下促进能量至同轴施加器100的传输。内导体109穿过护罩102的周壁1020并且沿与主轴线1010正交的方向延伸，以按四分之一波长的量级在相对于底壁1021的距离D处与中央芯101接触。

该常规的元装置10的主要缺点是由于同轴结构连接件105存在于护罩102的周壁1020上而产生的该常规的元装置10的横向或周缘体积。

在一些应用中，需要提供并排地安装在腔室的分隔件上且连接至同轴线缆或导引件的多个元装置。然而，这些元装置10的同轴结构连接件105阻止元装置10之间的过于接近、特别是当分隔件上的接纳表面受限制时阻止元装置10之间的过于接近。

此外，同轴结构连接件105的这种周缘定位阻碍了必须弯曲以连接至同轴结构连接件105的同轴线缆或导引件的布置。然而，同轴线缆或导引件的这种弯曲在元装置10过于靠近时是不可能的，因而使得变得需要将同轴线缆或导引件经由同轴直角弯曲部而连接在同轴结构连接件105上，由此使安装复杂化。

总之，这些元装置10的构型将阻碍、甚至阻止元装置10和相关联的同轴线缆或导引件的紧凑置入。

本发明旨在解决这些缺点并且为此提出了一种用于施加微波能量的元装置，该类型的元装置包括同轴微波功率施加器，该同轴微波功率施加器在一方面具有远端部，该远端部设置有同轴结构连接件，该同轴结构连接件设置成用于与连接至微波能量发生器的同轴线缆或导引件联接，该同轴微波功率施加器在另一方面具有近端部，该近端部设置成暴露在腔室的内部，所述同轴施加器包括：

-传导性的中央芯，该中央芯沿着主轴线延伸；

-传导性的外护罩，该护罩具有周壁和底壁，该周壁围绕该中央芯，该底壁设置在远端部上并且横向于主轴线延伸；

-介质，该介质位于中央芯与护罩之间用于传播微波能量；以及

-绝缘体，该绝缘体由就微波能量而言可透射的介电材料制成并且设置在近端部上，

其中，同轴结构连接件设置有外导体，该外导体连接至护罩并且围绕连接至中央芯的内导体，

其中，元装置的显著之处在于：同轴结构连接件设置在护罩的底壁上，使得同轴结构连接件的外导体被紧固到该底壁上，并且同轴结构连接件的内导体连接至长形的连接元件，该连接元件穿过底壁并且以相对于中央芯具有预定间距的方式从该底壁大致平行于主轴线延伸直至下述自由端部：该自由端部在距底壁的预定距离处连接至该中央芯。

因此，同轴结构连接件被安置在护罩的底壁上，并且同轴结构连接件的同轴轴线大致平行于同轴施加器的主轴线。以这种方式，同轴结构连接件不提供横向体积，并且同轴线缆或导引件将被直接地塞置到同轴结构连接件上，而不需要使用同轴直角弯曲部或者不需要在同轴线缆或导引件上提供弯曲部，从而允许元装置和相关联的同轴线缆或导引件被紧凑地置入于腔室的分隔件上。

当然，可以设想的是，将同轴结构连接件经由同轴导引件或线缆而直接地连接至发生器，正如可以设想的那样，将一个或更多个装置比如功率分配器或适配器安置在同轴结构连接件与发生器之间。

根据特征，中央芯支撑连接构件，该连接构件在距底壁的预定距离处与连接元件的自由端部接触。

根据另一特征，连接构件被紧固在连接元件的自由端部上，特别地，连接构件通过借助于螺钉的旋拧、通过焊接或者通过压接而被紧固在连接元件的自由端部上。

在特定实施方式中，连接构件被焊接到中央芯上。

在特定实施方式中，连接元件依次具有：

-起始的筒形部分，该起始的筒形部分具有减小的直径而连接至同轴结构连接件的内导体；

-中间的截头锥形部分；

-最终的筒形部分，该最终的筒形部分具有增大的直径而终止于连接至所述中央芯的自由端部。

在适于915MHz量级的频率的变型中，最终部分可以呈弯曲形状，并且中间部分可以呈非特定的筒形状。

根据本发明的可能性，元装置构成用于在腔室的内部产生等离子体的元装置。

本发明还涉及负载的微波处理设备，该微波处理设备包括：

-腔室，在该腔室的容积部中约束有负载；

-至少一个微波能量发生器；

-至少一个根据前述权利要求中的任一项所述的元装置，该元装置的同轴结构连接件被连接至与所述微波能量发生器连接的同轴线缆或导引件，并且至少一个元装置的同轴施加器的近端部暴露在所述腔室的内部。

本发明的其他特征和优点将在阅读下面参照附图进行的非限制性实施示例的详细描述时显现，在附图中：

-已经评述的图1(a)是常规的元装置的轴向横截面示意图；

-已经评述的图1(b)是另一常规的元装置的示意性立体图；

-图2是根据本发明的第一元装置的轴向横截面示意图；

-图3是根据本发明的第二元装置的轴向横截面示意图；

-图4是第一元装置或第二元装置的示意性立体图；

-图5是等离子体腔室的内部的示意图，在等离子体腔室的内部中安置有多个图4的第一元装置或第二元装置；

-图6是根据本发明的第三元装置的非详细的轴向横截面示意图；

-图7是图6的第三元装置的示意性立体图；

-图8是等离子体腔室的内部的示意图，在等离子体腔室的内部中安置有多个图7的第三元装置；以及

-图9是根据本发明的许多个元装置安装在其分隔件上的腔室的示意图，其中，可见的同轴线缆连接至不同的元装置。

图2至图8示出了用于生产等离子体的元装置1的三个实施方式，其中，图2至图5中示出了第一实施方式和第二实施方式并且图6至图8中示出了第三实施方式，并且除非另外明确地或暗示地说明，否则在这些图中，构件、部件、装置或结构上或功能上相同或相似的元件将用相同的标记来表示。

元装置1包括同轴微波功率施加器2，该同轴微波功率施加器2设置成确保微波能量在微波能量发生器(未示出)与腔室4的内部之间的传输，该微波能量发生器特别地是固态发生器类型的，该腔室4的内部容纳待处理的负载且特别地是等离子腔室类型的(参见图5和图8)。

该同轴施加器2被制成为呈线材构型，即，呈依循主轴线AP的长形构型，并且该同轴施加器20具有：

-远端部21，该远端部21设置有同轴结构连接件3，该同轴结构连接件3设置成用于与连接至微波能量发生器的同轴线缆或导引件5联接(图9中所示)；以及

-相反的近端部22，该近端部22设置成暴露在腔室4的内部。

同轴施加器2包括：

-传导性的中央芯23，中央芯23沿着主轴线AP延伸；

-传导性的外护罩24，该外护罩24围绕中央芯23，该外护罩24具有呈中空套筒的形状而包括周壁240和底壁241，该周壁240具有以主轴线AP为中心的筒形内部面，该底壁21将同轴施加器2的远端部21封闭；

-介质25，该介质25位于中央芯23与护罩24之间用于传播微波能量，该传播介质25例如全部地或部分地由空气构成；以及

-绝缘体26，该绝缘体26由就微波能量而言可透射的介电材料制成，该绝缘体26设置在同轴施加器2的近端部22上。

底壁241可以固定地附接至周壁240或者可以与周壁240一体地形成。

绝缘体26将同轴施加器2的近端部22完全地塞住，从而将通常保持处于低压下的腔室4的内部与处于环境大气压下的传播介质25分开。绝缘体26具有外表面27，外表面27设置成与腔室4的内部接触，并且特别地在等离子体应用的情况下与定位在腔室4的内部的待激发的气体接触。

在图2至图5的第一实施方式和第二实施方式中，绝缘体26的外表面27与护罩24的近端部平齐，并且因此绝缘体26的外表面27不超出护罩24。另外，中央芯23完全地穿过绝缘体26并且从绝缘体26向外突出。

在图6至图8的第三实施方式中，绝缘体26的外表面27从护罩24的近端部向外突出。另外，中央芯23的近端部嵌置在绝缘体26内，而没有完全地穿过该绝缘体26。

根据本发明，同轴结构连接件3设置在护罩24的底壁241上，并且同轴结构连接件3具有外导体31，该外导体31连接至护罩24的底壁241并且围绕内导体32，该内导体32连接至同轴施加器2的中央芯23。

同轴结构连接件3在外侧借助于螺钉而被更精确地紧固到护罩24的底壁241上。该同轴结构连接件3具有与同轴施加器2的主轴线AP平行的同轴轴线30。

内导体32借助于长形的且传导性的连接元件33而被连接至中央芯23，该连接元件33具有连接至内导体32的端部以及连接至中央芯23的被称为自由端部的相反端部。

该连接元件33在同轴结构连接件3的延伸部中延伸，并且因此沿着与同轴施加器2的主轴线AP平行的同轴轴线30延伸。

同轴结构连接件3相对于主轴线AP径向地偏置(换句话说，同轴轴线30与主轴线AP是不共线的)，使得连接元件33以相对于中央芯23具有预定间距的方式大致平行于主轴线AP延伸直至连接元件33的自由端部。连接元件33穿过护罩24的底壁241。

准确地说，中央芯23支撑连接构件34，该连接构件34在距护罩24的底壁241的预定距离D处被焊接到中央芯上。

该连接构件34与连接元件33的自由端部接触，并且更准确地说，该连接构件34被紧固到连接元件33的自由端部上。

在图2的第一实施方式和图6的第三实施方式中，连接构件34通过焊接而被紧固到连接元件33的自由端部上。

在图3的第二实施方式中，连接构件34借助于螺钉35而被紧固到连接元件33的自由端部上。

在未示出的变型中，连接构件34通过压接而被紧固到连接元件33的自由端部上。

在图2的第一实施方式和图6的第三实施方式中，连接元件33具有呈直径恒定的筒形杆的形状。

在图3的第二实施方式中，连接元件33依次具有：

-起始的筒形部分，该起始的筒形部分具有减小的直径且连接至同轴结构连接件3的内导体32；

-中间的截头锥形部分；以及

-最终的筒形部分，该最终的筒形部分具有增大的直径(换言之，具有比起始部分的直径大的直径)且终止于承载连接至中央芯23的连接构件34的自由端部。

这种元装置1用于负载的微波处理设备中，并且特别地用于等离子体生产设备中，该设备包括：

-腔室4，在腔室4的容积部中约束有负载，该腔室4由分隔件40限界(如图5和图8中所示)；

-至少一个微波能量发生器(未示出)，所述至少一个微波能量发生器特别地是固态发生器类型的；

-至少一个同轴线缆或导引件5(参见图9)，所述至少一个同轴线缆或导引件5一方面连接至发生器且另一方面连接至元装置1的同轴结构连接件3；以及

-至少一个元装置1，所述至少一个元装置1穿过分隔件而暴露在腔室4的内部，如图5和图8中可见。

应该指出的是，同轴施加器2的护罩24：

-由附接到腔室4上并紧密地穿过腔室4的分隔件40的部件构成；

-或者至少部分地与分隔件40一体形成，换句话说，该护罩24部分地或全部地由分隔件40自身形成。

Claims (8)

1.一种用于施加微波能量的元装置(1)，所述元装置(1)为下述类型：包括微波功率同轴施加器(2)，所述微波功率同轴施加器(2)具有远端部(21)和相反的近端部(22)，所述远端部(21)设置有同轴结构连接件(3)，所述同轴结构连接件(3)设置成用于与连接至微波能量发生器的同轴线缆或导引件(5)联接，所述近端部(22)设置成暴露在腔室(4)的内部，所述微波功率同轴施加器(2)包括：

-传导性的中央芯(23)，所述传导性的中央芯(23)沿着主轴线(AP)延伸；

-传导性的外护罩(24)，所述传导性的外护罩(24)具有周壁(240)和底壁(241)，所述周壁(240)围绕所述传导性的中央芯(23)，所述底壁(241)设置在所述远端部(21)上并且相对于所述主轴线(AP)横向地延伸；

-介质(25)，所述介质(25)位于所述传导性的中央芯(23)与所述传导性的外护罩(24)之间用于传播所述微波能量，以及

-绝缘体(26)，所述绝缘体(26)由就微波能量而言可透射的介电材料制成并且设置在所述近端部(22)上；

其中，所述同轴结构连接件(3)设置有外导体(31)，所述外导体(31)连接至所述传导性的外护罩(24)并且围绕连接至所述传导性的中央芯(23)的内导体(32)；

所述元装置(1)的特征在于，所述同轴结构连接件(3)在所述传导性的外护罩(24)的所述底壁(241)上设置成使得：所述同轴结构连接件(3)的所述外导体(31)紧固到所述底壁(241)上并且所述同轴结构连接件(3)的所述内导体(32)连接至长形的连接元件(33)，所述连接元件(33)穿过所述底壁(241)并且以相对于所述传导性的中央芯(23)具有预定间距的方式从所述底壁(241)大致平行于所述主轴线(AP)延伸直至下述自由端部：所述自由端部在距所述底壁(241)的预定距离(D)处连接至所述传导性的中央芯(23)。

2.根据权利要求1所述的元装置(1)，其中，所述传导性的中央芯(23)支撑连接构件(34)，所述连接构件(34)在距所述底壁(241)的所述预定距离(D)处与所述连接元件(33)的所述自由端部接触。

3.根据权利要求2所述的元装置(1)，其中，所述连接构件(34)被紧固到所述连接元件(33)的所述自由端部上。

4.根据权利要求3所述的元装置(1)，其中，所述连接构件(34)通过借助于螺钉(35)的旋拧、通过焊接或者通过压接而被紧固到所述连接元件(33)的所述自由端部上。

5.根据权利要求2或3所述的元装置(1)，其中，所述连接构件(34)被焊接到所述传导性的中央芯(23)上。

6.根据权利要求1所述的元装置(1)，其中，所述连接元件(33)依次具有：

-起始的筒形部分，所述起始的筒形部分具有减小的直径且连接至所述同轴结构连接件(3)的所述内导体(32)；

-中间的截头锥形部分；

-最终的筒形部分，所述最终的筒形部分具有增大的直径且终止于连接至所述传导性的中央芯(23)的所述自由端部。

7.根据权利要求1所述的元装置(1)，其中，所述元装置(1)构成用于在所述腔室(4)的内部产生等离子体的元装置(1)。

8.一种负载的微波处理设备，所述微波处理设备包括：

-腔室(4)，在所述腔室(4)的容积部中约束有所述负载；

-至少一个微波能量发生器；

-至少一个根据权利要求1所述的元装置(1)，所述元装置(1)的同轴结构连接件(3)连接至与所述微波能量发生器连接的同轴线缆或导引件(5)，并且所述元装置(1)的所述微波功率同轴施加器(2)的所述近端部(22)暴露在所述腔室(4)的内部。

Images