CN116194206A - 用于经处理负载从一状态至另一状态的增强转变的能量及材料流结合器 - Google Patents

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Abstract

使用微波能量的用于大批量化学反应的设备包括由外壁定义的腔室以及设置于腔室内的容器，该容器由内壁定义，内壁与外壁相隔一间隙。容器被配置为接收及容纳负载。该设备进一步包括被配置为对负载处发射微波能量的第一施加器和第二施加器，其中由第一施加器和第二施加器发射的微波能量进入负载的点彼此间隔一距离，该距离比微波能量进入负载的穿透深度长，使得微波能量发射之时在第一施加器和第二施加器之间不发生电磁相互耦合。

Description

用于经处理负载从一状态至另一状态的增强转变的能量及材 料流结合器
本申请主张于2020年9月24日提交的美国临时专利申请第63/204,278号的优先权，其全部内容藉由参照整体地并入本文中。
技术领域
本公开涉及用于在高功率和压力下大反应物负载的均匀微波处理的设备。
背景技术
本文中所提供的背景描述是为了大体上呈现公开的背景。在此背景技术章节中所描述的范围内的本公开列名的发明人的成果、以及在申请时可能不适于作为背景技术的说明书的方面，皆非有意地或暗示地被承认为对抗本公开的现有技术。
术语「微波(MW)」可适用于从300MHz至300GHz的频率，且根据美国联邦通讯委员会(FCC)，可有六个适用于工业用途的MW频段，包括通常用于MW反应器中的化学处理中液体的加热的两频段：915MHz和2.45GHz(或较通常地四舍五入到2.5GHz)。当负载在0.01至1L的规模时，在相关技术中于2.5GHz的反应物负载的微波处理通常是均匀的；相关技术亦假定使用一个或一些微波施加器。较大的反应物负载会导致加热的不均匀性增加。可能难以藉由单一施加器或少量施加器均匀地处理大反应物负载，并且因为施加器之间的相互耦合，可能难以在多模式腔室中同时调整大量的施加器。
对于上述问题的某些相关解决方案已将反应物负载视为反应物容器(即，腔室或反应器)的一小部分，并试图提供由整体腔室中的若干施加器接近微波均匀度的某些解决方案而不将负载视为解决方案的一部分。微波进入工业规模生产的实现可能需要处理>100L的容积；例如，如此需求可应用至制药领域的单一批次生产。值得注意的是，已显示在受控条件下的微波辅助加热对于需要加热反应混合物的任何应用而言都是有价值的技术，因为它通常显著地缩短反应时间：通常从几天或几小时缩短到几分钟甚至几秒钟。因此，期望大规模反应物负载的均匀微波处理。
在小规模上，不同的原料药(API)、用于药物制造的砌块(BB)、及药物本身的微波辅助有机合成(MAOS)已得到验证。例如，相较于常规的热基(heat-based)制造，乙酰胺酚、亚兹索霉素、塞普沙辛、磷酸氯喹、硫酸羟氯喹和相似药物的制造可以MAOS部分地替代之而具有相似或更好的产率和相对快的反应时间。藉由MAOS，不仅可合成上述五种化合物的替代品，且可合成用于COVID-19之前15名一级优先药物清单中的其他化合物(参见Office ofthe Assistant Secretary for Administration(HHS,Health and Human Services)Info.HHS-2020-RFI-COVID-19-2-Priority ICU Medicines COVID-19ResponseSheet.Apr 5 2020.)，且还可合成许多其他的化合物，包括展现抗癌活性、抗病毒(例如Zovirax)、抗菌(例如Bactrim)、抗真菌、HIV蛋白酶抑制剂、及抗阿滋海默剂的已知的和新的化合物。亦有报导应用于治疗与勃起功能障碍相关的男性因素不孕症的药物的API的MAOS生产(2005.Khan et al.A facile and improved synthesis of sildenafil(Viagra)analogs through solid support microwave irradiation possessingtyrosinase inhibitory potential,their conformational analysis and moleculardynamics simulation studies.Mol Divers,2005vol 9(1-3)p15-26)以及(2010.RichardWagner.Efficient use of microwave-assisted steps in synthesis of the Cialis-like generic.Private communication to S.Zhilkov)。除了以上的API/BB/药物之外，MAOS的使用可有助于肽的生产(参见2011.Ghosh.Microwave assisted peptidesynthesis.32-slide presentation,Dec 8,2011)。
例如，乙酰胺酚从4-硝苯酚的初始氢化至乙酰胺酚的最终分离的完整合成是在90秒下完成的，当相较于常规方法时省时70％(参见2009,CEM ap0141,Rapid,two-stepmicrowave-assisted synthesis of acetaminophen)。然而，如此合成是使用小的、10mL玻璃试管作为反应容器来执行。
例如，亦使用10mL玻璃压力微波试管，利用苯并三唑化学来合成带胺基酸链结的非类固醇型消炎药物(NSAID)乙酰胺酚共轭体(参见2014,Tiwari,et al.Microwaveassisted synthesis and QSAR study of novel NSAID acetaminophen conjugateswith amino acid linkers.
Org.Biomol.Chem.,2014,v12 p7238–7249)。所获得的所有双共轭体的生物学数据显示(a)某些双共轭体表现出比其母体药物更有效的抗发炎活性，(b)与高度致溃疡性的母体药物相比，有效的双共轭体没有显示可见的胃损伤，且(c)有效的生物活性化合物在5倍所施加抗发炎剂量时没有死亡率或毒性症状。
例如，再次于10mL小瓶中执行MAOS，当反应混合物于微波中在120℃下加热10分钟时，以98％的分离产率获得丙乙酰氨基酚盐酸盐化合物(参见2016,Murie,etal.Acetaminophen prodrug:microwave-assisted synthesis and in vitro metabolismevaluation by mass spectrometry.J.Braz.Chem.Soc.,2016)。已开发的MAOS计划还具有额外的优势，例如没有催化剂的存在、小溶剂容积和短的反应时间。值得注意的是，常规的加热方法以50％的产率和12小时的处理时间生产相同的化合物。
微波在有机合成中的使用已导致了新的乙酰胺衍生物(参见2020,Alsamarrai,Abdulmajeed S.H.and Abdulghani,Saba S.Microwave-assisted synthesis,structuralcharacterization of amino pyridines,pyrrolidine,piperidine,morpholine,acetamides,and assessment of their antibacterial activity.Preprint,31p.University of Samarra,Iraq.doi:10.20944/preprints202010.0077.v1)。已使用MAOS合成七种化合物以试图提高产量并缩短反应时间。已实现了中等至良好的产率并将反应时间从2至3小时缩短至数分钟。与所使用的参考抗生素相比，针对革兰氏阳性和革兰氏阴性细菌物种的应用展现了鼓舞人心的抗菌效力。
目前，大约有450种API用于药物生产。其中将近一半采用微波技术可在例如减少制程步骤、缩短反应时间、提高产率、节省甚至排除催化剂的使用、简化制程控制、压缩设备占用空间、节省能源消耗、提高生产力、及生产成本的全面降低等方面改良制造过程。
如以上所讨论的，若如此微波处理能在生产规模下为可行的，则微波处理显示出用于改良药物生产的光明潜力。较小规模的调查已证实微波能量可应用于已知的化学过程，如果提供克服当前大规模生产挑战的合适设备，其可导致潜在更高纯度的所需药物和化学产物的更大产出。因此，期望用于使用微波能量的大规模化学过程的设备。
已将小规模微波反应器研究使用于药物开发和制程优化调查。小规模反应器正为制药工业带来MAOS的潜在益处的「概念验证」实验证据；如此反应器仅以10mL至1L的处理量操作。
例如，探索构成小规模反应器技术基础的工程原理，在高温(例如，高达260℃以延长反应时间、或300℃以缩短反应时间)和高压(例如，高达200bar/200atm)的条件下操作于2.45GHz的频率下的微波反应器中，离散放置多达40个小负载试管(例如，各20mL)而通常地实现接近3L的最大处理容积，但使用约为(或小于)1kW的低微波功率(参见UltraCLAVE)。低于或接近1L的容积适用于寻找新候选药物库或优化所需制程步骤的研究和开发，但如此小的容积不足以实现工业规模上的药物制造，因为FDA要求通常需要在100至1000L的级数的单批次容积以进行认证。
近来使用具最大容量12L的反应器及高温(例如，高达220℃)和高压(例如，高达20至24bar)的操作条件验证(参见2010,Schmink,et al.Exploring the scope for scale-up of organic chemistry using a large batch microwave reactor.Organic ProcessResearch&Devlpmnt,Vol 14No 1p 205–214,2010)了从1至10mL到12L的处理容积的MAOS衍生结果的线性放大。
由Schmink等人测试的反应器利用辐射至加压(外部)腔室中的三个微波产生器(每一者于2.45GHz下为2.5kW)，在该腔室中放置一内部容器(容积为2至12L)并装载有待处理的一种或多种物质，其中所述腔室的容积明显大于所述内部容器的容积。已使上述反应器可行的技术方案描述于美国专利第9,560,699号、美国专利申请第20170118807A1号、美国专利申请第20120305808A1号、美国专利申请第20110189056号、及美国专利申请第20100126987号。相关设计显示于US20120305808A1的图5B中。该相关设计是一多模式腔室并具有装载后的容器设置于该多模式腔室内。三个贴片天线配置于腔室的圆顶上或离容器相当远的上部，且于约2.45GHz的频率下从任一天线到容器的最短距离都超过约12厘米的自由空间波长。在容器和腔室的壁/圆顶之间有足够的空间并且无障碍物以让微波自由地传播并从一天线反射/折射至另一天线。在例如1公升水的小负载的存在下将这些天线调谐为准独立的，并主要向所述小负载辐射波以进行加热；然而，当要加热较大的负载时，由于波从一天线到另一天线的显著再定向(redirecting)，如此天线的调谐可能变得更加困难。US20120305808A1的图5B的设计可能不允许产生器的独立操作(每一天线由各自的产生器供电)，且可能不支持关于功率传输进入反应器的负载的产生器的独立控制。具有六个天线的设计可能具有如以上说明的相同限制，且当使用大负载时更难以支持调谐和提供足够的性能。
因此，当负载是多模式腔室的一小部分并由多个产生器馈送(或供能)、且无法阻止波从一天线至另一天线的再定向时，则于2.45GHz频率下的批量设计可有最多10至20L的可达成量。在如此的多模式设计中，没有阻止多个天线的相互耦合，较大量(超过20L)的均匀微波处理几乎无法达成。最大的商用MAOS反应器具有20L的最大处理容积并可在高达1.5bar的大气压附近的高温下操作的事实证实了此限制(参见2020Labotron reactor:20L,6kW cont wave power at 2.45GHz.www.SAIREM.com)。
微波反应器在和制药无关的化学领域中的工业规模使用包含例如食品加工、生物燃料制造、聚合物和复合物的生产、烧结陶瓷、奈米材料的合成以及包括用于光电和计算机硬件的半导体的诸多材料的电浆化学处理的应用。食品加工不需要任何化学物质：相反地，通常只需要适度加热。再者，高压不在考虑之列。因此，与面向制药的MAOS处理所需的复杂要求相比，这些简单的制程条件乃显著地不同。
为了将微波传输到容积中，相关方法寻求微波能量的有效传输以及反向波对执行能量传输的装置的最小化影响。如此装置在其他术语中可称为「天线」、「辐射器」和「辐射孔径」等。天线理论假定考虑离天线相当远的波具有超过辐射波长至少十倍以上的距离。然而，在典型的微波反应器中，它们的尺寸不会如此大地超过上述波长。在此简要说明所述的天线装置。
中空波导的开口端或同轴传输线的开口端是已知用于将微波能量传输至所关注容积中的最简单的装置。因为相当简单，它们通常不提供微波产生器与负载的匹配并且效率低下。更重要的是，它们不会防止波回到产生器的反射。在一空间中同时操作的两个如此的简单的开放式天线，将会受到波干扰的影响并将导致在所述天线中启动微波的产生器的相互耦合。所述产生器将互相伤害，且微波能量将不仅传递至负载，且会在相互耦合的产生器中显著地耗散。如此操作不允许产生器功率的算术求和，并且能量输送的控制是有问题的。
例如，在具有一产生器的美国专利第4,460,814号中，其提出将开放式同轴天线直接放入一大块肉中以对其进行加工，其中将所述肉块和所述天线是设置于微波炉内。例如，美国专利第4,795,871号描述从2至6个产生器发射的2至6个开放式中空波导经由微波腔室的壁内的矩形窗口进入其腔穴中，以用于处理所述腔穴内的物品，同时预期假定为线性极化波的交叉极化可防止产生器的相互耦合。可将介电窗口、偶极天线、螺旋天线、喇叭天线、贴片天线、开槽波导天线、及其他天线型式使用于微波炉和反应器。再者，所提出的天线可由诸多型式的材料制成，包括介电材料、金属或它们的组合。同时发射天线(每一天线主要地线性极化)的交叉极化是假定使用最多六个同时发射天线，并预期所述交叉极化可防止产生器的相互耦合。如美国专利申请第US20030089707A1号所述，可将稍微不同的交叉极化天线命名为「微波馈送点」。
为了避免天线之间的串扰，美国专利申请第US20060191926A1号提出利用藉由第一天线和第二天线的辐射之间的时间间隔。当第一天线发射微波时，第二天线停止运作，反之亦然。每一天线的操作的时间间隔可解决相互耦合问题。然而，所述时间间隔不允许同时地结合多个产生器的高功率，因此，鉴于如可放大的基于MAOS的反应器所期望的提供大负载的快速加热的需求，其具有显著的缺点。因此，需要用于使用微波能量的大规模化学过程同时亦消除天线(或施加器)之间相互耦合问题的设备。
本公开的方面可解决本领域中的某些上述缺点，特别是使用申请专利范围中所阐述的解决方案。
发明内容
本公开涉及针对大负载MW处理的方法和设备。为了处理大负载，这些方法和设备使用空间分隔以解决电磁相互耦合的问题，并且将负载视为在提供充足空间分隔的解决方案的一部分。本公开提出使用多个微波施加器，每一微波施加器占据一分离子空间，且各子空间并不重迭。每一施加器独立于其他施加器地耦接至一负载。当负载的尺寸大于微波的穿透深度时，负载中微波的吸收使此负载成为分隔装置的一部分。除了施加器子空间与负载对准的界线外，所有其他界线对于微波都是不透明的而不会吸收此施加器的微波辐射。如此空间分隔允许同时在其没有相互耦合的情况下对于多个施加器的利用于及在没有干扰的情况下对多个微波产生器的功率的算术求和。因此，总输送功率会是高的并可迅速地将大量负载加热至高温。
本公开额外地涉及提供MW处理的高压。本发明的另一方面是用于提供高压处理的空间分隔的使用。将负载放置于一容器内，且该容器在压力补偿腔室内。将容器加压，将腔室加压，并且容器和腔室之间的压差可使得容器内部的压力对于处理来说可相当高。当将所述方法应用于可在高压和高温条件下处理所关注物质的微波反应器的设计时，单一批次可具有适当大的容量以符合药物制造要求。
本公开额外地涉及用于使用微波能量的大批次化学反应的设备，其包括由外壁定义的腔室；设置于腔室内的容器，该容器由内壁定义，内壁与外壁相隔一间隙，该容器被配置为接收及容纳一负载；以及被配置为对该负载处发射微波能量的第一施加器和第二施加器，其中由第一施加器和第二施加器发射的微波能量进入该负载的点彼此间隔一距离，该距离比微波能量进入该负载的穿透深度长，使得微波能量发射之时在第一施加器和第二施加器之间不发生电磁相互耦合。
本公开额外地涉及用于经由微波能量的施加来处理材料的方法，该方法包括将包含材料的负载供应至设置于腔室内的容器；并经由被配置为对负载处发射微波能量的第一施加器和第二施加器来施加微波能量至容器中的负载，其中由第一施加器和第二施加器发射的微波能量进入负载的点彼此间隔一距离，该距离比微波能量进入该负载的穿透深度长，使得微波能量发射之时在第一施加器和第二施加器之间不发生电磁相互耦合。
请注意此发明内容章节并非指定本公开或请求权利保护范围的发明的每一特征及/或递增新颖的方面。相反地，此发明内容仅提供不同实施例和新颖性的相应观点的初步讨论。对于实施例的额外细节及/或可行的远景，请读者参考如下文进一步讨论的本公开的实施方式章节和相应的图式。
附图说明
将参考随附图式详细描述提出作为示例的本公开的诸多实施例，其中：
图1为依据本公开的一实施例而具有正方形几何网格的容器的底部的投影。
图2为依据本公开的一实施例而具有正方形几何网格的浮动式道床(floatingslab)的投影。
图3为依据本公开的一实施例而具有水平配置的设备100的示意图。
图4A至4C为依据本公开的一实施例而用于使用微波能量执行批式化学反应的设备100的示意图。
图5为依据本公开的一实施例而具有拉长形状的设备100的示意图。
图6为依据本公开的一实施例而具有闭回路配置的设备100的示意图。
图7A为依据本公开的一实施例的针对施加器的设计的示意图。
图7B为依据本公开的一实施例的针对施加器的设计的优化尺寸的示意图。
图7C为依据本公开的一实施例的作为操作频率的函数的功率反射系数的图表。
图8A为依据本公开的一实施例而具有匹配波导的施加器的布局和最佳尺寸的示意图。
图8B为依据本公开的一实施例的针对不同匹配段长度值的反射系数频率依赖性的图表。
图9A为依据本公开的一实施例的附接至圆柱形水容器的两喇叭型施加器的模拟示意图，两施加器之间的角距离为23°。
图9B为依据本公开的一实施例的附接至圆柱形水容器的两喇叭型施加器的模拟示意图，两施加器之间的角距离为180°。
图9C为依据本公开的一实施例的图9A的两施加器的频率依赖性的图表。
图9D为依据本公开的一实施例的图9B的两施加器的频率依赖性的图表。
图10A为依据本公开的一实施例的针对两喇叭施加器彼此靠近配置而单一喇叭施加器发射时，容器内部的瞬时电场图的模拟示意图。
图10B为依据本公开的一实施例的针对两喇叭施加器彼此相对配置而单一喇叭施加器发射时，容器内部的瞬时电场图的模拟示意图。
图11A为依据本公开的一实施例的针对两喇叭施加器彼此靠近配置而两喇叭施加器皆发射时，容器内部的瞬时电场图的模拟示意图。
图11B为依据本公开的一实施例的针对两喇叭施加器彼此相对配置而两喇叭施加器皆发射时，容器内部的瞬时电场图的模拟示意图。
图12A为依据本公开的一实施例的用于130℃水特性的施加器的最佳尺寸的示意图。
图12B为依据本公开的一实施例的图12A中施加器的频率依赖性的图表。
图13A为依据本公开的一实施例的作为不同温度下水特性的函数、彼此靠近(实心)和相对(点)连接的施加器的两者的反射系数依赖性的图表。
图13B为依据本公开的一实施例的作为不同温度下水特性的函数、彼此靠近(实心)和相对(点)连接的施加器的两者的传输系数依赖性的图表。
图14A为依据本公开的针对两喇叭施加器彼此靠近配置而一喇叭施加器发射时，容器内部的瞬时电场图的模拟示意图。
图14B为依据本公开的一实施例的针对两喇叭施加器彼此相对配置而单一喇叭施加器发射时，容器内部的瞬时电场图的模拟示意图。
图15A为依据本公开的一实施例的设计为藉由以介电质填充而具有增强结构刚性的施加器的示意图。
图15B为依据本公开的一实施例的设计为藉由在离散段使用介电质填充而具有增强结构刚性的施加器的示意图。
图15C为依据本公开的一实施例的在介电质填充后和厚窗口施加器中的反射参数频率依赖性的比较图。
图16A为依据本公开的一实施例的输入功率为10kW时，在介电质填充后施加器中的复合电场分布的分布模拟示意图。
图16B为依据本公开的一实施例的输入功率为10kW时，在厚透镜施加器中的复合电场分布的分布模拟示意图。
图17为依据本公开的一实施例的针对氧化铝的不同电容率值在厚透镜施加器中反射的频率依赖性的图表。
图18为依据本公开的一实施例的作为氧化铝的损耗正切函数的介电透镜中的RF损耗的图表。
具体实施方式
以下公开提供许多不同的变更例或示例，以用于实施所提出专利目标的不同特征。以下描述部件和配置的具体示例以说明本公开。当然，这些仅是示例性的而非意图为限制性的，且在任何排列下皆非不能一起操作的。除非另外指明，否则本文所述的特征和实施例可在任何排列下一起操作。例如，在随后的说明中，在第二特征上或上方的第一特征的形成可包括其中第一和第二特征是直接接触而形成的实施例，并且亦可包括其中额外特征可在第一和第二特征之间形成的实施例，使得第一和第二特征可以不直接接触。此外，本公开可在诸多示例中重复参考符号及/或字母。此重复是为了简单和清楚的目的而其本身并不强制所讨论的诸多实施例及/或配置之间的关系。再者，为了易于说明，本文中可使用空间相对术语，例如“顶部”、“底部”、“之下”、“下方”、“下部”、“之上”、“上方”等等，以描述如图所示的一组件或特征与其他(一或多)组件或特征的关系。除了图式中描绘的定向之外，空间相对术语旨在涵盖使用或操作中的装置的不同定向。本发明的设备可以其他方式取向(旋转90度或在其他方位)，并且同样地可据此解释本文所使用的空间相对描述词。
为清楚起见而呈现了如本文所述的不同步骤的讨论的顺序。一般而言，这些步骤可以任何适当的顺序执行。此外，虽然可在本公开的不同地方中讨论本文中不同特征、技术、配置等中的每一个，但其旨在可彼此独立地或彼此结合地执行每一概念。因此，可以许多不同的方式来体现和检视本公开公开。
如先前所述，多个天线的操作之时间间隔可解决相互耦合问题。然而，所述时间间隔可能不允许多个产生器的高功率的同时结合，而因此鉴于如可放大的基于微波辅助有机合成(MAOS)的反应器所期望的对大负载提供快速加热的需求，所述时间间隔可能具有显著的缺点。因此，本文所述的为包括用于解决相互耦合问题的空间分隔的设备，其进一步将大负载视为用于提供该空间分隔的解决方案的一部分。
在一实施例中，设备100可包括腔室、设置于腔室内的容器、以及多于一个的微波施加器111(于此将其称为“施加器111”，参见图1)，每一施加器111占据设备100的一分离子空间，其中这些子空间不重迭。即，可藉由将设备(容器)的内部从围绕由外壁所定义的容器(腔室)的外部分隔的内壁180(参见图1，其显示内壁180在网格上的截面投影，形成围绕内壁180的腔室的外壁则未显示)定义容器。在内壁和外壁之间的间隙可定义子空间的一部分。容器和腔室可一起构成可称为设备100的化学反应器的部分。可将施加器111藉由空间分隔而分隔(即，隔开预定距离配置及/或藉由电磁屏蔽分界)。可独立于其他施加器地将每一施加器111连接至微波产生器113(参见图4)并耦合至设置于容器中的负载。该负载可为基于液体的(liquid-based)反应介质，且该介质可至少部分地吸收微波能量。可将微波产生器113被配置为产生微波能量，该微波能量将由附接至微波产生器113的各自的施加器111发射。该设备可包括用于每一施加器111的微波窗口，其中微波窗口对微波能量透明并可被配置为允许由各自的施加器111所发射的微波进入容器中。可理解的是，亦可将施加器111沿着内壁(即容器)设置，且这些微波窗口可形成为内壁的一部分。可理解的是，亦可将施加器111沿着容器的底部设置，且这些微波窗口可形成为容器的底部的一部分(参见图1)。
在一实施例中，位于腔室外部的施加器111或部分的施加器111可藉由像是微波屏蔽或对微波辐射反射的材料的一个或更多个界线来分界。
在一实施例中，由施加器111在负载中发射的微波的吸收可经由当负载尺寸大于所发射微波的穿透深度时提供分隔而使负载有助于防止相互耦合问题。除了为每一施加器111对准负载的子空间的界线区域外，所有其他界线对微波可为不透明的并且可不吸收各自的施加器111的微波辐射。因此，空间分隔使得使用若干施加器111而无相互耦合问题是可行的，并且允许在无干扰的情况下来自多个微波产生器113的功率的算数求和。因此，此全体传输功率可为高的并可均匀和快速地将大量负载加热至所需温度。
在一实施例中，该设备可包括在反应过程期间用于均匀地混合负载的混合装置。例如，混合装置可为磁耦合搅拌器、泵、或机械驱动叶轮等等。
在一实施例中，介于容器和腔室的外壁之间的间隙可有利于高压处理。可将负载放置在容器内，再将容器放置在更坚固和更加强的腔室内。可将容器和腔室两者都加压，并且容器和腔室之间的压差可小于容器内的压力，同时容器内的压力对于处理来说可为相当高的。
在一实施例中，微波辐射的施加是经由定向平面波模式执行以避免来自施加器111相互耦合的腔共振机制。
在一实施例中，容器的电气尺寸可大于在负载介质中发射的微波辐射的波长，而容器中的谐振模式没有被激发(或它们的振幅小到可忽略)。除了空间分隔之外，如此操作方式有助于当使用大量施加器111时让相互耦合不存在。
在一实施例中，可将用于各自施加器111的多个分离子空间设置在容器的外表面和腔室的内表面之间而无须一子空间和另一子空间之间的密封。施加器111可包括电磁屏蔽。每一施加器111与任何其他施加器之间的屏蔽可为充足的以用于在无相互耦合的情况下操作，且气态大气可从一施加器的子空间流动至其他施加器的子空间。可以金属衍射光栅、或带孔金属板、或允许气体或蒸汽流动但足以防止微波相互耦合的任何其他形式制造子空间之间的界线。
在一实施例中，施加器可施加微波能量至负载。在本文所述的MAOS反应器中，考虑到施加器111的独立操作，每一施加器111是由分离的、各自的微波产生器供应微波能量。本文大体上描述了：(1)可将施加器111设置在形成腔室的外壁和形成容器的内壁之间的间隙(亦称为压力补偿容积)中；(2)施加器111接收来自设置在腔室外部的产生器113的微波能量；及(3)微波能量从施加器111传递到容器内部。值得注意的是，施加器111可以原始的或修改的形式包含一个或一些以上所述的装置和部件(例如任何所述参考文献的天线、波导部件等)，但假定在设计具有大处理量的MAOS所需反应器上要满足空间分隔的原则。
在一实施例中，二个或更多个外部产生器可将微波能量泵入一子空间中，并且经由容器内壁的单一微波窗口将此能量全都引导至负载中。施加器111可包括天线、辐射器、耦合器、及其他本领域技术人员已知的组件。可将二个或更多个交叉极化天线包括在其中一施加器111的子空间内。
在一实施例中，将每一施加器111设置在附接至容器的分离的、个别的壳体中。这些壳体例如可由金属或具相似特性的其他材料制成。包括各自施加器111的这些壳体中的每一个可围绕容器。在一实施例中，每一外壳的密封可容纳于腔室内部。在一实施例中，密封是非必要的且气流可经过多个壳体循环。
在一实施例中，可将施加器111和微波产生器113一起设置于腔室内部的壳体中，并可由包括在相同壳体中的电池或经由外部电源提供电力至微波产生器113。
在一实施例中，可将施加器111和微波产生器113一起设置于配置在容器中介质(即负载)内部的密封体中，同时可经由无线通信或经由适用于容器中严峻环境的固线连接来执行施加器111的远程控制。
在一实施例中，形成容器的内壁可具有不同的形状。例如，该形状为具平坦底部和半球形上部的立式圆柱体且设置在具有相似形状的腔室内。例如，容器的形状为水平圆柱体且设置在具有相似水平圆柱体形状和取向的腔室内。可将容器中的负载容积视为是满足药物生产要求的单批次容量。例如，容器中的负载容积等于或大于40L、或等于或大于50L、或等于或大于60L、或等于或大于75L、等于或大于90L、或等于或大于100L。
在一实施例中，可配置一系列其中设置有水平圆柱体容器的多个水平腔室并将其用于处理。该序列形成一闭回路，并且于处理期间液体介质可多次经过此回路循环。于该闭回路中，可将回路中所有容器内负载容积的总和视为以药物生产要求为目的的单批次容量。例如，容器中的负载容积等于或大于40L、或等于或大于50L、或等于或大于60L、或等于或大于75L、等于或大于90L、或等于或大于100L。
在一实施例中，来自多个施加器的微波能量的空间分布连同混合、搅拌或均质化可提供负载介质的均质处理并导致提高的效率和更高的产量。在一实施例中，例如闭回路序列，磁性粒子流可提供混合。在一实施例中，可藉由使用声学/超音波/成穴(cavitation)来提供混合、搅拌或均质化。来自多个施加器的微波能量的平均分布连同混合、搅拌或均质化，可提供负载介质的均质处理并导致提高的效率和更高的产量。
示例
示例1：图1为依据本公开的一实施例而具有正方形几何网格的容器的底部的投影。在一实施例中，形成容器的内壁可具有立式圆柱体形状而具有平坦底部和相对该平坦底部的半球形上部。可将容器设置于具有立式圆柱体形状的腔室内部。设备100可包括用于支撑容器的水平杆；可将容器的底部设置在腔室的地板上方并且不与地板接触。具有各自的施加器111设置于其中的这些壳体中的每一个可设置在容器下方。在各壳体中的每一施加器111可操作于接近2.45GHz的微波频率。可将操作于915MHz的频率的另一施加器111靠近容器的上部设置并与容器的上部对齐。
在示例1中，容器的底部的内圆半径“r”等于4.25dm(分米)，内圆面积“a”等于56.7sq dm(平方分米)。“H”是装载在容器中的介质(即负载)的高度。介质可为浆液或液体。负载的容积“V”等于H的倍数，其导致1.25dm的H为70L而1.75dm的H为100L的结果。
于此可测定从容器的底部侧传输至负载的微波能量。在闲置空间中，配置于容器的底部上的施加器111的微波辐射的半波长为6.1cm。如图1的在内圆上的正方形网格(具有6.1cm的边长)的几何投影所示，具有4.25dm半径的内圆的内部会有120个节点；每一节点可适用于施加器111中的一个。将每一节点视为适用于将微波施加器111中的一个在2.45GHz频率下放置。因此，多达120个施加器111可对准容器底部因而它们将在无相互耦合的情况下操作。在每一施加器具有0.3kW的功率时，则施加器111的总功率为P＝120x 0.3＝36kW。可使用壳体内部的内建微波固态振荡器建构如此功率的施加器111。可替代地，馈送微波产生器113可设置于腔室外部并经由固线连接而连接至壳体。
对于靠近容器的上部配置的施加器111，可连同高达120kW的连续功率的高功率产生器使用915MHz的频率。针对示例1，施加器111的功率为50kW。因此，示例1的系统的总微波功率相当于36kW+50kW＝86kW。对于具有1.25dm的高度的负载，微波功率密度相当于86kW/70L＝1.23kW/L，或者对于具有1.75dm的高度的负载相当于86kW/100L＝0.86kW/L。
示例2：在一实施例中，与示例1相似，形成容器的内壁可具有圆柱体形状而具有平坦底部和相对该平坦底部的半球形上部。可将容器设置于具有立式圆柱体形状的腔室内部。此实施例的设备100可不包括用于支撑容器的水平杆且反而可将容器的底部设置在腔室的地板上。即，容器的底部是与腔室的地板接触。具有各自的施加器111设置于其中的这些壳体中的每一个可设置在容器下方。在各壳体中的每一施加器111可操作于接近2.45GHz的微波频率。可将操作于915MHz的频率的另一施加器111靠近容器的上部设置并与容器的上部对齐。因此，多达24个施加器111可在浮动式道床处对齐，使得施加器111可在无相互耦合的情况下操作。
示例3：图2为依据本公开的一实施例而具有正方形几何网格的浮动式道床的投影。在一实施例中，与示例1相似，形成容器的内壁可具有直立式圆柱体形状而具有平坦底部和相对该平坦底部的半球形上部。可将容器设置于具有立式圆柱体形状的腔室内部。可相似于示例2将容器设置在腔室的地板上，且容器和负载的几何尺寸与示例1和示例2相似。该120个施加器111中的每一个具有于2.45GHz的0.3kW的功率，而可从容器的底部的方向传输36kW的总功率。
于此，设备100可包括在容器中负载的表面上浮动的道床，其中负载可为液态。道床可具有75cm的直径并可将操作于915MHz的微波施加器111(相似于示例1和示例2中朝向上部配置的这些施加器)设置于道床上，其中每一施加器111设置在各自的壳体中。
于此可测定从浮动式道床传输至负载的微波能量。在闲置空间中，靠近道床设置的施加器111的微波辐射的半波长大约为15cm。如图2的正方形网格(具有15cm的边长)的几何投影所示，具有75cm直径的圆的内部会有24个节点。将每一节点视为适用于将一微波施加器111于915MHz频率下放置。因此，多达24个施加器111可对准容器底部因而它们将在无相互耦合的情况下操作。在每一施加器111具有0.3kW的功率时，则靠近浮动式道床的施加器111的总功率为24kW。可使用壳体内部的内建微波固态振荡器建构如此功率的施加器111。可替代地，馈送微波产生器113可位于腔室外部并经由固线连接而连接至壳体。
示例3的系统的总微波功率相当于36kW+24kW＝60kW。对于具有1.25dm的高度的负载，微波功率密度相当于60kW/70L＝0.86kW/L，或者对于具有1.75dm的高度的负载相当于60kW/100L＝0.60kW/L。
示例4：在一实施例中，与示例1相似，形成容器的内壁可具有直立式圆柱体形状而具有平坦底部和相对该平坦底部的半球形上部。可将容器设置于具有立式圆柱体形状的腔室内部。设备100可包括用于支撑容器的水平杆；可将容器的底部设置在腔室的地板上方并且不与地板接触。容器和负载的几何尺寸与示例1、示例2、及示例3相似。
该120个施加器111中的每一个具有于2.45GHz的0.3kW的功率，而可从容器的底部的方向传输36kW的总功率。于此，于915MHz的50kW的单一施加器111将微波功率从容器的上部传输至负载。除了微波之外，超音波参与处理容器中的液体负载。可将超音波产生器(至少一超音波产生器)配置在形成容器的圆柱体壁上并指向负载处。在示例4中，来自超音波产生器的声波最初沿水平方向传播，而来自上方和下方施加器111两者的微波最初为垂直地传播(当设备100沿着直立的圆柱体形状的方向垂直对准时)。因此，可将超音波产生器以距离容器的地板3至6cm的高度配置。
示例5：图3为依据本公开的一实施例而具有水平配置的设备100的示意图。在一实施例中，形成容器的内壁可具有水平圆柱体形状而具有平坦第一端。相对于平坦第一端的的第二端可亦为平坦的或为半球形形状。可将容器设置于具有相似水平圆柱体形状的腔室内部。如图所示，可将施加器111设置于水平圆柱体腔室内部并设置在圆柱体容器的壁上。在此壁上，每一施加器111占据具有边长大约等于半波长的小正方形内的一区域。每容器长度的施加器111的数量可与容器的长度成线性比例(该长度与先前示例中的高度相似)。
在一实施例中，当容器的内径等于两个波长且每一施加器111具有功率P时，容器容积中的微波功率密度可等同8P除以波长的三次方。为了进行估算，吾人可假定每一施加器111于2.45GHz输出0.3kW或于915MHz输出1kW。现依据上述的功率假定和几何配置，可判定用于处理100L和1000L的液体负载容积的反应器的规模：当l＝22dm以及2.45GHz时，容积为100L并有沿着圆形截面的12个施加器111。沿着容器的长度，可有2(l/f)的施加器111。则总数N可为24*(22/1.2)＝440。对于圆柱长度l为35dm且于915MHz或是220dm且于2.45GHz而言，容器的容积可等同于1000L。可将超音波产生器放置在平坦端上并将其用于混合和添加能量。对于1000L的容器，微波施加器的数量可于915MHz时为280或是于2.45GHz时为4400。闭回路1000L反应器可为具有于915MHz时半径为0.55m或是于2.45GHz时半径为3.35m的环体。磁性粒子的循环流动可用于负载的混合、搅拌或均质化。
示例6：在一实施例中，如同示例5，容器的容积可为100L而具有440个于2.45GHz输出0.3kW的施加器111。除了容器壁的施加器111以外，内部施加器111(具有频率915MHz)可从容器内部辐射。例如，沿着容器轴每米可有4个内部施加器111，或每22dm的全长可有总共9个施加器111。
示例7：如先前所述的，用于执行批式化学反应的设备100使用微波能量(微波辐射)。设备100可包括化学反应器(亦已知为该容器)。容器可由将反应器的内部与其所环绕的由外壁定义的腔室分隔的内壁所定义。为执行批式化学反应，可将反应介质(即负载)装载至反应器或容器的内部中。反应介质的至少一成分为液体。可提供混合装置(例如，磁耦合搅拌器)作为设备100的一部分以支持反应介质的均匀性。内壁可包括设计用于微波能量导入容器的内部的微波窗口。为了使用微波能量以控制化学反应，反应介质的至少一成分可吸收微波能量，且因此微波能量可被反应介质吸收，并且反应介质表现为微波辐射的分布负载。
介质的微波吸收特性可藉由微波辐射穿透深度来特征化，微波辐射穿透深度是定义为材料内部辐射的强度下降到其表面原始值的1/e(0.37)时的深度。在包括反应时间、介质制备(例如加热)时间、及后处理(例如冷却)时间的化学过程循环期间，微波辐射穿透深度可能会改变。使用微波能量的过程控制时间期间可能存在最长的穿透深度。可藉由连接至微波产生器113的微波施加器111提供微波能量，其中每一施加器111由至少一微波产生器113供能。
可藉由微波施加器111经由微波透明窗口将微波能量提供至负载，或者施加器111可至少部分地设置在容器内，其中这些施加器可连接至位于反应器外部的微波产生器113。当施加器111位于反应器外部时，每两施加器111之间或相应的窗口之间经过负载(介质)的最小距离可比由微波辐射的最长穿透深度所决定的一固定距离长。可依据微波产生器113对外部微波辐射的敏感度来选择该最小距离而可达该最长穿透深度的长度的1倍、1.5倍、或2倍。最大距离可能被容器的物理尺寸所限制。可选择实际距离以确保容器内所需的微波功率水平，该实际距离的值可在最小距离和最大距离之间的范围内。
即，在一实施例中，当将施加器111设置于容器内部时，在包括由施加器111对负载处发射微波能量的化学过程循环的所有步骤中，容器内的这些施加器111的位置之间的距离例如为微波能量进入负载的最长穿透深度的1倍、1.5倍、或2倍长。在一实施例中，当将施加器111设置于容器外部时，在包括由施加器111对负载处发射微波能量的化学过程循环的所有步骤中，微波窗口之间的距离例如为微波能量进入负载的最长穿透深度的1倍、1.5倍、或2倍长。
在一实施例中，可使用针对不同微波辐射频率的施加器111，例如，针对2.45GHz和0.915GHz，且可将施加器111彼此靠近地装设。例如，可将施加器111被配置为全部于2.45GHz发射。例如，可将施加器111被配置为全部于915MHz发射。例如，可将一部分施加器111配置为于2.45GHz发射而可将其余的施加器111配置为于915MHz发射。当穿透深度取决于微波频率时，应在考虑两频率之后决定最长穿透深度。当这些施加器111位于反应器外部时，可如上所述的考虑在考虑两频率之后所决定的最长穿透深度而选择这两个施加器111之间或相应的窗口之间经过负载(介质)的该固定距离和该最小距离。
在一实施例中，可藉由一个或更多个微波反射界线将位于容器外部的这些微波施加器111或部分的微波施加器111分界(围绕)，该微波反射界线可为对微波不透明的(例如微波屏蔽)。
在一实施例中，反应器外部的施加器111和微波屏蔽之间的距离可为固定的且等同于由在围绕微波施加器111的空间中的微波辐射X的波长所决定的长度A。A和X之间的依赖性由一公式描述的：
A＝(1/2N+1/4)X
其中N为任意的非负整数。使用分布负载和使用微波屏蔽的施加器111的分隔确保施加器111之间几乎完全不存在电磁相互耦合。因为施加器111之间几乎完全不存在电磁相互耦合，利用施加器111及/或微波产生器的独立自动调谐来最小化对微波产生器的微波功率反射是可行的。尽管由于每一微波产生器之间的不完美耦合与施加器111内部的分布负载和损耗以及施加器111和微波产生器之间的波导而可能存在微波能量损耗，但施加器111之间的几乎完全不存在电磁相互耦合允许自施加器111输送至分布负载(介质)的功率的算术求和。自所有施加器111输送至负载的总微波功率等于P，负载的容积等于V，且P/V的比值在从0.05kW/L至2.5kW/L的范围内。
在一实施例中，压力补偿腔室可环绕该容器，且微波施加器111可设置于腔室内部而微波产生器位于腔室外部。可将容器和腔室加压。腔室还提供了容器与外部环境的热绝缘壁。
在一实施例中，除了微波之外，负载的处理进一步包含下列形态的至少其中之一：使用感应加热器或电阻加热器加热，或使用加热流体进行热交换；使用来自放射性材料的辐射或是带电或中性的高能粒子束的辐射；使用激光的辐射；以及超音波的应用等等。
图4A至4C为依据本公开的一实施例而用于使用微波能量执行批式化学反应的设备100的示意图。在一实施例中，未显示设备100的腔室。球状形的容器101可包括定义容器101的容积的壁102，容器101被配置为容纳基于液体的反应介质103，介质103具有吸收微波能量的特性。壁102可包括用于装载-卸除操作的开口，可使用盖108遮盖该开口。为了支持基于液体的反应介质103的均匀性，容器101亦可包括固定在轴105上的搅拌器104，可藉由马达106经由磁耦合器107旋转轴105。壁102可包括设计用于微波能量导入容器101的内部的微波窗口109、122、123、及124。可藉由连接至微波产生器113、114并对准以辐射容器101内部的介质103的微波施加器111a、111b、111c、及111d来提供微波能量。
在一实施例中，可将微波施加器111形成为不同尺寸的喇叭天线，该不同尺寸是对应微波产生器114的不同波长。可将喇叭天线施加器111a指向并终止于微波窗口109。可将喇叭天线施加器111d指向微波窗口124但可以不到达微波窗口124。喇叭天线施加器111b可藉由微波窗口122而“插入”。可将微波施加器111c制成安装在容器101内部的贴片天线。
在一实施例中，微波产生器113、114可经由适当尺寸的波导115、116、126提供微波能量至喇叭天线施加器111a、111b、111d。为了降低从窗口109(122、124)和喇叭天线施加器
111a(111b、111c)之间以及窗口109(122、124)和介质103之间的界线反射的微波功率的影响，波导115、116、126可包含调谐器119(参见图4B)或具有非反射负载的Y-循环器120(参见图4C)。
在一实施例中，可藉由对微波辐射不透明的不吸收界线(即微波屏蔽)117和127将位于反应器外部的微波施加器111a、111d分界。亦位于反应器外部的微波施加器111b可具有连接微波产生器114和反应器壁102的金属壁199。此壁199扮演可对微波不透明的不吸收界线(微波屏蔽)的角色。贴片天线施加器111c可藉由同轴线118连接至微波产生器114，且此管线之外圆柱导体可提供微波屏蔽。藉由在化学过程循环期间变化的微波辐射穿透深度可测定介质103的微波吸收特性。在由微波能量控制的化学过程时间期间可能存在最长穿透深度(取决于微波频率的R1或R2)。图4A所示的界线121可封住最长穿透深度R1和R2内的区域。可取决于微波产生器113、114对外部微波辐射的敏感度来选择一固定距离，该固定距离可达最长穿透深度的长度的1倍、1.5倍、或2倍。可将微波窗口109之间经过介质的最小距离“d”设定为比该固定距离长。
尽管由于每一微波产生器113、114和介质103之间的不完美耦合可能存在微波能量损耗，但使用介质103和使用微波屏蔽的施加器111的分隔确保施加器111之间几乎完全不存在电磁相互耦合，并且允许自施加器111输送至介质103的功率的算术求和，以及施加器111及/或微波产生器113、114的简单的独立自动调谐以最小化对产生器113、114的微波功率反射。即，微波屏蔽可封住设置于间隙中的各自的微波施加器111，使得每一微波施加器111相互屏蔽。
图5为依据本公开的一实施例而具有拉长形状的设备100的示意图。在一实施例中，容器201可包括厚到足以在化学过程的整体循环期间承受所施加的高压的盖205。容器201的壁202是薄的而可能无法在化学过程的整体循环期间承受高压。因此，压力补偿腔室203围绕薄壁容器201，且腔室203的壁204可形成为厚到足以在化学过程的整体循环期间承受高压。即，腔室203可例如经由气体、液体、或其他流体加压以平衡容器201中的压力。由于壁204可不曝露至化学过程，故壁204可由较便宜的合金制造并且可以更厚。当容器201关闭以进行该过程时，盖205可以藉由多个锁206连接至腔室203的壁204，该多个锁206可在化学过程的整体循环期间承受压力。可藉由例如氮气的压缩气体来调节腔室203内部的压力，使得在化学过程的整体循环期间在容器201和腔室203之间的压差足够小并且对于容器201的薄壁202以及微波窗口207而言是安全的。可将微波施加器111设置于腔室203内部而可将微波产生器211设置于腔室203外部。微波产生器211可经由波导210提供微波能量至制成喇叭天线的微波施加器111。设置于容器201外部的微波施加器111和波导210可藉由对微波不透明而不吸收微波辐射的界线(微波屏蔽)209而分界。反应器壁202可围绕具有基于液体的反应介质212的容器201的内部，基于液体的反应介质212具有吸收微波能量的特性。
在一实施例中，为了支持反应介质212的均匀性，化学反应器201可包括具有固定在轴257上的多个叶轮256的搅拌器，可藉由马达258经由固定于盖205上的磁耦合器259旋转轴257。
在一实施例中，设备100亦可包括可与容器201的下部的壁202热接触的加热器213(例如电阻式电气、感应式、或蒸汽加热器等等)。当需要微波施加器111的操作时，使用加热器213预热介质212可允许温度范围的缩减，并因此在介质212和微波产生器211之间提供较佳的耦合而无需调谐。此外，设备100可包括固定于附接至盖205的臂215上的放射性物质214。来自放射性物质214的辐射可提供反应介质212中化学自由基的生成的恒速。连同由微波能量和搅拌器提供的精确且均匀的温度控制，设备100允许化学反应速率的精确控制。
在一实施例中，设备100可包括具有固定于附接至盖205的臂217上的圆柱体形状的超音波传感器216。超音波传感器216可藉由超音波产生器218供能。微波功率和超音波振荡的组合有利于某些化学过程的控制。
图6为依据本公开的一实施例而具有闭回路配置的设备100的示意图。在一实施例中，设备100可包括双容器腔室反应器。即，设备100可包括沿着相同水平面设置的二个或更多个内部容器302。容器302可使用管道303与泵304流体连接，泵304提供容器302中的基于液体的介质314的循环并连接液压系统。相似于先前所述的设备100，容器302的壁305可能为薄的而无法在化学过程的整体循环期间承受压力。因此，压力补偿腔室306可围绕薄壁容器302，且腔室306的壁313可形成为厚到足以在化学过程的整体循环期间承受压力。由于壁313不曝露至化学过程，故壁313可由较便宜的合金制造并且可以更厚。可藉由例如氮气的压缩气体来调节腔室306内部的压力，使得在化学过程的整体循环期间在容器302和腔室306之间的压差足够小并且对于反应器的薄壁305以及微波窗口308而言是安全的。
在一实施例中，设备100可包括微波相关装置和部件的数个套组307。每一套组307可包括容器壁305中的微波窗口308、微波施加器111、波导311、微波产生器312、以及可对微波不透明且不吸收微波辐射的界线(微波屏蔽)310。施加器111、波导组件311、及界线310可位于腔室306内部而微波产生器312可位于腔室306外部。微波产生器312可经由波导311提供微波能量至制成喇叭天线的微波施加器111。反应器壁305可围绕具有基于液体的反应介质314的容器302的内部，基于液体的反应介质314可具有吸收微波能量的特性。为了支持反应介质314的均匀性，设备100可包括泵304。
性能仿真
设备100包括装载有水性液体试剂的35cm半径容器，其中在强射频(RF)场的存在下进行化学反应。这些RF场经由RF耦合器传送至容器，RF耦合器将环形波导(横向电波(TE)模式进行传播处)与液体介质匹配，于液体介质中电磁波被转换为平面波。RF耦合器的另一功能为液体介质与充气/加压/真空波导接口之间的物理分隔。以下的电磁模拟展现了附接至容器的多个RF耦合器的电磁(EM)分隔过程。RF和微波可互换地使用并且不定义特定的频段，而是讯号的波长可与系统的大小相比，并且在没有不可逆的能量耗散的情况下，该系统可能并非理想的系统而使得经典的集总组件理论(lumped element theory)不适用。
用于液相微波化学的典型溶剂
大多数与MAOS相关的反应发生在液相中，或者发生在当液相和气相(包括所述液体的蒸气)在压力下共存时，或者发生在液体和气体在高压下处于平衡状态时。在反应开始之前，将要开始MAOS的试剂溶解在溶剂中，在通常的情况下，在所述溶剂中试剂的浓度远低于10％。此溶剂的介电特性对MAOS时间有影响，因为溶剂吸收微波越好，液体加热得越快且反应完成得越快。
介电常数、偶极矩、介电损耗、正切δ值、及介电松弛时间都会影响个别溶剂在微波辐射频率范围内的吸收特性。介电常数(ε)亦称为相对电容率。物质在给定频率和温度下将电磁能量转化为热的能力由下列公式决定：tanδ＝ε″/ε。正切δ值(δ)、或是正切损耗，乃为样品的耗散因子或如何有效地将微波能量转化为热能。其被定义为介电损耗或复合电容率(ε″)对介电常数(ε)的比值。介电损耗是藉由成为热进行消散而至样品中损耗的输入微波能量的量。就是此数值，ε″，提供基于微波耦合效率的有机化学特定溶剂的选择的决定性标准。
经辐射的液体样本的介电特性可取决于温度和微波频率两者。
MAOS中有常用的溶剂；30种常用溶剂的正切δ值、介电常数、及介电损耗值的数据显示于微波合成的溶剂选择(Solvent Choice for Microwave Synthesis)的表格1。这些溶剂分为不同的三组：高、中、及低吸收溶剂。8种高吸收溶剂具有范围从2-丙醇的14到乙二醇的50的介电损耗ε″。中间组具有范围从1到10的ε″。对于低吸收溶剂，例如氯仿和其他7种，ε″的值小于0.5。以上数据皆针对室温和常压下2.45GHz的微波频率。室温和大气压下的纯水属于中间组(ε″＝10)。
材料 水 氧化铝 氧化铝
纯度 99.5％ 96％
相对电容率 78 9.9 9.4
相对渗透率 1 1 1
介电损耗正切 0.0001 0.0004
导电性 1.59S/m
[表1]-用于模拟的材料的电磁参数
在某些情况下，为执行化学过程，将初始试剂放入不含添加剂的低吸收溶剂的溶剂中，并在此溶剂中亦导入额外的小球(所谓具有高微波吸收特性的“感受器”)。这些球并不参与任何化学反应，但藉由吸收微波能量，它们为试剂参与所述化学过程的整体介质提供容积的加热。
特别就常用且适用于有机合成的水进行关于其介电特性的研究。针对工业使用的微波频率915MHz和2.45GHz，分析水的不同物理状态，例如冰(固体)、液体、含液体的冰浆、蒸气、液体-蒸气混合物、及其他相间混合物。发现复合电容率基于混合物中液体的比例、温度、压力以及从海水中的盐分到生物流体中的代谢物的添加剂的存在的依赖性。对于“绿色化学”中的MAOS，特别重要的是超临界水可为有效的溶剂且反应介质在催化剂的最少使用或完全不使用催化剂的情况下提供所需有机化合物的加速合成。
对于进一步的数值实验，没有添加剂的纯水被认为是微波辐射下的液体负载，并且在某些情况下，水蒸气与所述液体共存。如此假设足以研究大负载的多产生器辐射下的空间分隔并足以预测复杂的情况(相间混合物、溶剂的混合、添加剂的使用等)。
耦合器天线
RF耦合器用于作为传输EM波至容器的水中的天线。如先前所提及的，设计标准如下：系统在水和空气之间有物理分隔；最小的内部反射；圆形充气波导与水之间的良好耦合。选择2.45GHz的操作频率以满足工业频段的现行标准并确保随时可用的电源的可用性。
图7A为依据本公开的一实施例的针对施加器111的设计的示意图。在一实施例中，施加器111包括8cm直径的圆形波导705(其中如此直径维持波导705的截止频率，即2.2GHz，低于设备100的操作频率)、补偿来自水介质和其他耦合组件的功率反射的匹配氧化铝窗口710、将波导705模式转换为平面波并改善辐射讯号的方向性的喇叭天线715、及用于聚焦辐射讯号并在充气波导705和液体介质725(例如水)之间建立物理分隔的介电球面透镜720。可将波导705设置于施加器111的第一端并可将透镜720设置于施加器111的第二端。在两者之间，可将氧化铝窗口710靠近波导705设置并且可将喇叭天线715靠近透镜720设置，使得喇叭天线715分隔(但接触)透镜720和氧化铝窗口710，且氧化铝窗口710分隔(但接触)喇叭天线715和波导705。如先前所描述的，可将施加器111的第二端指向容器。可将波导705配置为将微波能量经由施加器111从施加器111的第二端导至第一端。
通常将氧化铝用于加速器的高功率耦合器。然而，可使用具有相似特性的其他材料，例如PTFE的rexolite。仿真中使用的材料的某些特性如表格1所示。本公开的其中一优点为提供多于一个的界线以将液体介质725与波导705分隔，即，透镜720和窗口710，而确保液体介质725不会泄漏至波导705中。代替窗口710之间隙亦可填充压缩空气以补偿水压。可有利地将窗口710铜焊至波导705。
图7B为依据本公开的一实施例的针对施加器111的设计的优化尺寸的示意图。
图7C为依据本公开的一实施例的作为操作频率的函数的功率反射系数的图表。图7C展现了图7B的天线中功率反射的频率依赖性。该图表展现了施加器111可藉由介电窗口的导入及介电透镜尺寸的优化而有效地匹配。图7C显示具有匹配介电窗口的系统中和没有匹配介电窗口的系统中的功率反射系数的比较结果。已将圆形喇叭天线715的尺寸优化至具有小于1％的反射功率，喇叭天线715的尺寸包括孔径的半径和厚度、喇叭的长度和角度、及透镜720的半径。将反射系数(定义为
Figure BDA0004142590570000281
的散射矩阵的S11参数)用于作为优化准则。在图7B中呈现于此优化期间获得的尺寸，并于图7C中呈现S11的频率依赖性。/>
图7C显示藉由具有优化尺寸(如图7B所示)，将反射减少至-20dB(1％)以下是有可能的。特别是，于2.45GHz的频率下，反射为-24dB或0.4％。总反射(P_reflected)为来自不同相中的液体(liquid)、透镜(lens)及窗口(window)的反射的总和：
Figure BDA0004142590570000282
Figure BDA0004142590570000283
Figure BDA0004142590570000284
来自液体的反射可藉由液体的特性来定义。透镜被设计用于聚焦EM波。于是，为了补偿此平衡，需要另一匹配组件，例如窗口(如图7A所示)，或是如图8A中的匹配段。藉由调整它们的尺寸(半径和厚度)，可调整振幅(P_ref_window)和相位/>
Figure BDA0004142590570000285
将反射自匹配窗口或匹配段与来自水/>
Figure BDA0004142590570000286
和透镜/>
Figure BDA0004142590570000287
的反射相加并使它们无效，即P_reflected<-20dB。假如移除窗口，则只有透镜可补偿来自液体的反射而可能不足以(例如，因为非物理尺寸)得到充分的匹配。
由于匹配段的共振特性，在±40MHz带宽内观察到小于-10dB的匹配，且只能在操作频率附近±10MHz内实现-20dB的匹配。于匹配频率下的反射为-28dB，其对应约0.16％的输入功率。
图8A为依据本公开的一实施例而具有匹配波导805的施加器111的布局和最佳尺寸的示意图。
图8B为依据本公开的一实施例的针对不同匹配段长度值的反射系数频率依赖性的图表。该图表展现出可藉由以约6.7MHz/mm的敏感度来调整匹配段长度而匹配频率。为了解决前述问题，如图8A所示，可将施加器111匹配至具有可调阻抗的波导805以补偿来自液体介质825、喇叭天线815、及透镜820的反射。在所示的设计中，匹配段波导的长度和半径扮演相似于匹配窗口的角色。因此，可藉由调整这些尺寸中的任一者来匹配频率。例如，如图8B所示，套筒式匹配段810可以约8MHz/mm的敏感度来调整中心频率(对应于最小S11的这些频率)。在具有图8A所示尺寸的情况下观察到最佳性能且该最佳性能对应于S11-＝-38dB(0.016％的反射功率)，并且关于操作频率的带宽相似于用于匹配窗口710设计的这些带宽。
两喇叭施加器经由填充水的容器的相互作用
图9A为依据本公开的一实施例的附接至圆柱形水容器的两喇叭型施加器111的模拟示意图，两施加器111之间的角距离为23°。
图9B为依据本公开的一实施例的附接至圆柱形水容器的两喇叭型施加器111的模拟示意图，两施加器111之间的角距离为180°。在一实施例中，可评估所设计的喇叭天线系统在接触相同液体介质时彼此间的相互作用。在此例中，如图9A和9B所示，将圆柱形填充水的容器视为具有35cm的半径及等同于圆形喇叭施加器111的直径(每侧添加1cm的边距)的高。将具有波导匹配段的施加器111附接至容器的曲面。考虑及描绘两种情形如下：(1)将施加器111尽可能彼此靠近地放置(具有在它们的对称轴之间23°的角度)，使得所辐射的功率不在水中衰减太多，且(2)将施加器111彼此相对地配置(具有在它们的对称轴之间180°的角度)。在后者的情形中，空间分隔是最大的，但因为良好的指向性，讯号将从一天线直接地辐射至另一天线。对于其他的角度位置，串扰将介于此两种情形之间。
在一实施例中，类似地执行这些仿真，但性能标准为定义为
Figure BDA0004142590570000301
的S21参数(或传输系数)。于此，P1为在端口1(第一耦合器的圆形波导)可得的RF功率，且P2为传输至端口2(第二耦合器的圆形波导)的功率。
图9C为依据本公开的一实施例的图9A的两施加器111的频率依赖性的图表。
图9D为依据本公开的一实施例的图9B的两施加器111的频率依赖性的图表。这些图表展现出耦合器在宽带率范围中匹配且在两耦合器之间不存在串扰，而与它们的附接位置无关。模拟结果展示，在靠近(参见图9A)和相对(参见图9B)位置的情形中，分别只有不到10-7和10-14分数的功率到达另一耦合器。
图10A为依据本公开的一实施例的针对两喇叭施加器111彼此靠近配置而单一喇叭施加器111发射时，容器内部的瞬时电场图的模拟示意图。
图10B为依据本公开的一实施例的针对两喇叭施加器111彼此相对配置而单一喇叭施加器111发射时，容器内部的瞬时电场图的模拟示意图。图10A和图10B显示两施加器111系统的电场图以及场泄漏的量。在一实施例中，这些模拟展现出两喇叭施加器111之间的串扰是微不足道的。
图11A为依据本公开的一实施例的针对两喇叭施加器111彼此靠近配置而两喇叭施加器111皆发射时，容器内部的瞬时电场图的模拟示意图。
图11B为依据本公开的一实施例的针对两喇叭施加器111彼此相对配置而两喇叭施加器111皆发射时，容器内部的瞬时电场图的模拟示意图。评估来自同时激发的两天线的讯号的相互作用是重要的。在一实施例中，图11A和图11B中呈现的所产生场的复合振幅(在任何给定时间给定点的最大场振幅)显示讯号不发生干扰。重要而须强调的是，这些讯号在水中快速地衰减。
温度依赖性
表2衍生自Oree et al.Microwave complex permittivity of hotcompressedwater in equilibrium with its vapor.2017.IEEE Radio andAntenna Days of theIndian Ocean,Sep 2017的图2，表2展示于2.42GHz频率的不同温度和压力下测量的水的介质电容率参数的依赖性。此后，当提及温度时，即暗示相应的压力值是从该表格中获得的。其亦假设水与其蒸气处于平衡状态。
T,℃ P,MPa ε’ ε” tan(δ)
21.5 78.6 10.8 0.138
50.0 69.2 5.3 0.076
79.0 60.1 3.2 0.053
94.0 56.3 2.5 0.045
110.0 0.14 52.2 2.1 0.040
128.5 0.25 48.1 1.9 0.039
147.5 0.44 43.4 1.6 0.037
168.5 0.77 39.0 1.5 0.038
188.0 1.2 35.5 1.45 0.041
219.5 2.32 30.5 1.4 0.046
238.0 3.3 27.0 1.4 0.052
259.0 4.6 24.3 1.45 0.059
280.0 6.5 21.1 1.45 0.068
[表2]-不同温度和压力下在2.42GHz下测量的水电容率的实数和虚数值
图12A为依据本公开的一实施例的用于130℃水特性的施加器111的最佳尺寸的示意图。
图12B为依据本公开的一实施例的图12A中施加器111的频率依赖性的图表。在一实施例中，水的电容率的实部在20至80间变化并用于作为决定施加器111(耦合器)的匹配特性的主要参数。因此，针对130℃的水(ε＝48)将耦合器尺寸(参见图12A)重新计算以成为中点，使得由于水特性的变化而导致的系统的频率失谐对于20℃和300℃两者来说是大致相等的。
图13A为依据本公开的一实施例的作为不同温度下水特性的函数、彼此靠近(实心)和相对(点)附接的施加器111的两者的反射系数依赖性的图表。
图13B为依据本公开的一实施例的作为不同温度下水特性的函数、彼此靠近(实心)和相对(点)附接的施加器111的两者的传输系数依赖性的图表。在一实施例中，这些图表展现了天线对于水温度的整体范围匹配良好，且于此范围内在两施加器111之间实际上没有串扰。针对图9A和9B中呈现的模式的RF仿真是为具有针对130℃水优化的尺寸的耦合器执行的，并且展现出对于靠近和相对位置两者而言，在两耦合器(S21)之间的反射(S11)和串扰皆维持在可接受的范围内(分别为<-15dB和<-50dB)。
图14A为依据本公开的针对两喇叭施加器111彼此靠近配置而一喇叭施加器111发射时，容器内部的瞬时电场图的模拟示意图。
图14B为依据本公开的一实施例的针对两喇叭施加器111彼此相对配置而单一喇叭施加器111发射时，容器内部的瞬时电场图的模拟示意图。在一实施例中，这些模拟展现了即使在水中的场耗散低于室温时，两耦合器之间可忽略的串扰。相似于针对室温未加压水所获得的结果，图14A和14B显示从一施加器111到另一施加器的可忽略的场泄漏(当在水与其蒸汽平衡且系统中的压力接近高达65bar时，系统针对具有在20℃至280℃的温度范围内的可变参数的水再优化)。对于利用针对喇叭天线/介电质等的优化设计的所有情形，定义为k＝1-|S1,1|-|S2,1|的设备100的能量效率高于98％。设备100允许从彼此独立操作的多个产生器至大负载的非常有效率的能量转换。
系统的机械特性
图15A为依据本公开的一实施例的设计为藉由以介电质填充施加器111的部分而具有增强结构刚性的施加器111的示意图。
图15B为依据本公开的一实施例的设计为藉由在离散段使用介电质填充施加器111的部分而具有增强结构刚性的施加器111的示意图。可将由液体的容积在介电透镜上产生的机械压力计算在内，该压力可能是可观的并可能导致水泄漏至施加器111中或甚至损坏透镜。在一实施例中，为了应对压力，描述了两解决方案：(1)以介电质完全地填充施加器111，及(2)加厚氧化铝板(至少2cm)。在第一例中，如图15A所示，过渡段与耦合器匹配，而在第二例中，如图15B所示，此功能由较厚的窗口实现。其余尺寸经过优化以匹配天线至水介质(以室温)。在这些模拟中，使用96％纯氧化铝的特性作为保守方案，其具有列于表1的参数。
图15C为依据本公开的一实施例的在介电质填充后和厚窗口施加器111中的反射参数频率依赖性的比较图。在一实施例中，针对图15A和15B显示的两模式，反射参数S11的频率依赖性呈现于图15C中，而其展现了在此两种情形中良好的匹配(<-30dB)是可能的，但介电质天线似乎为更宽带(于-20dB水平时为30MHz，对比厚窗/透镜天线为10MHz)。
尽管在RF功率反射优化方面此两设计选项都是可行的，但重要的是要考虑每一施加器111设计中的RF功率损耗现象以确保它们是合理的并可被适当地处理。在此情形中的RF损耗有两种机制：起因于磁场的铜部件上的涡流损耗，以及起因于电场的介电质内部的损耗。这些损耗与介电介质的容积成正比。表3总结了两选项的损耗预算，并展现出介电质填充天线中的功率损耗(介电质和铜两者)是厚透镜时的功率损耗的两倍。
Figure BDA0004142590570000341
[表3]-优化施加器天线中的RF损耗
对于损耗的保守估计，使用较便宜的96％氧化铝(表1)而结果呈现于表3中。
图16A为依据本公开的一实施例的输入功率为10kW时，在介电质填充后施加器111中的复合电场分布的分布模拟示意图。
图16B为依据本公开的一实施例的输入功率为10kW时，在厚透镜施加器111中的复合电场分布的分布模拟示意图。重要的是要确保施加器111中的峰值电场是小的，使得放电不会发生。空气的耐电强度为30kV/cm＝3 000kV/m，而氧化铝的耐电强度约为10kV/mm＝10000kV/m，并且随着频率的增加以约f1/2的速度增长。如图16A和16B所呈现的，10kW电场中的模拟峰值展现出在此两种情形中皆离击穿还相当远。
频率敏感度
图17为依据本公开的一实施例的针对氧化铝的不同电容率值在厚透镜施加器111中反射的频率依赖性的图表。在一实施例中，可估算随着参数的变化耦合器性能相对于介电材料参数的稳定性。为了估算，氧化铝的电容率和损耗正切变化为±10％，且模拟展现出如此变化导致最佳频移为±40MHz(-40MHz/[电容率的单位])。因此，可藉由频率调整(依每一耦合器)或藉由机械调谐机制来控制介电参数的变化。因为这些操作是独立的，故可易于实现自动控制。
图18为依据本公开的一实施例的作为氧化铝的损耗正切函数的介电透镜中的RF损耗的图表。在一实施例中，损耗正切变化只会造成氧化铝内部RF损耗的变化，因为损耗正切变化不影响EM波传播方面的任何其他RF特性。所显示的仿真结果展现出损耗功率与损耗正切的线性相依。
结论
综上所述，数值实验的结果已验证，空间分隔的原理确实有效并且可允许多个微波产生器的组合以辐射例如大于50L、或大于100L的大负载，而辐射组件(即施加器111)之间没有干扰并具有所述微波产生器中的每一个的有效可控的独立调谐。如示例1至7所述的或相似的，可将用于混合/旋转/等等的方法和装置添加至设备100，并可提供所述负载的匀相加热/处理。
于2.45GHz的0.5kW及于915MHz的1.5kW的市售微波功率晶体管是相当便宜的，而使得具有若干如此晶体管的工业规模反应器在制药领域及其他方面是经济上可行且有效的，因为先前已在小规模制程中显示了如此的方面同时还展示了微波处理的线性放大。
实施方式的示例连同实施方式的模拟和实验的结果已证实所揭示的设备100允许将用于药物和药物成分的制造的工业规模制程付诸实践，其中整体制程或制程中的一步骤是在使用微波辐射的情况下执行的。最终，利用基于所发明的微波反应器来处理的制造能以令人难以置信的及时和有效率的方式提供药物和药物成分。
在先前的描述中，已阐述了具体细节，例如处理系统的特定几何形状以及在系统中使用的诸多组件和制程的描述。然而，应理解的是，本文中的技术可在脱离这些具体细节的其他实施例中实践，以及如此细节乃用于解释而非限制的目的。已参考所附图式来描述本文所揭示的实施例。相似地，为了解释的目的，而阐述了具体数量、材料、及配置方式以便提供完整的理解。然而，可在没有如此具体细节的情况下实践实施例。具有基本相同功能结构的部件用相同的参考符号表示，且因此可省略任何多余的描述。
已将诸多技术描述为多个离散操作以帮助理解诸多实施例。不应将描述的顺序解释为暗示这些操作是必然地依赖顺序。事实上，这些操作不需要按照所呈现的顺序来执行。除非另有明确说明，否则所描述的操作可按照与具体描述不同的顺序来执行。可执行诸多附加的操作及/或可省略所描述的操作。
熟悉本领域技艺人士亦将理解可对以上解释的技术的操作进行许多变化而仍达成所公开的相同目标。本公开公开的范围旨在涵盖如此的变化。因此，实施例的先前描述并非意图为限制性的。相反地，对实施例的任何限制呈现于所附的请求保护的范围中。
本公开的实施方式亦可如以下附加说明内容中所阐述。
(1)用于使用微波能量的大批式化学反应的设备，包含：由外壁定义的腔室；设置于腔室内的容器，该容器由内壁定义，内壁与外壁藉由一间隙分隔，该容器被配置为接收和容纳负载；以及被配置为对负载处发射微波能量的第一施加器和第二施加器，其中由第一施加器和第二施加器发射的微波能量进入负载的点彼此间隔一距离，该距离比微波能量进入负载的穿透深度长，使得微波能量发射之时在第一施加器和第二施加器之间不发生电磁相互耦合。
(2)如(1)的设备，进一步包含：形成于内壁中与第一施加器的位置相对应的位置处的第一微波窗口；及形成于内壁中与第二施加器的位置相对应的位置处的第二微波窗口，其中第一微波窗口和第二微波窗口的材料至少部分地对微波能量透明且对负载中的试剂具有化学耐受性，第一施加器被配置为经由第一微波窗口发射微波能量进入容器中。
(3)如(1)或(2)的设备，其中第一施加器包括位于第一施加器的第一端的波导以及位于第一施加器的第二端的喇叭天线，第一施加器的第二端是靠近第一微波窗口设置且第一施加器的第一端是远离第一微波窗口设置，波导被配置为接收微波能量并经由波导将微波能量导入喇叭天线中。
(4)如(1)至(3)中的任一者的设备，其中当第一施加器和第二施加器设置于容器内部时，在化学过程循环的所有步骤中，容器内的第一施加器和第二施加器的位置之间的距离比微波能量进入负载中的最长穿透深度长，该化学过程循环包括由第一施加器和第二施加器对负载处发射微波能量，并且当第一施加器和第二施加器设置于容器外部时，在化学过程循环的所有步骤中，第一微波窗口和第二微波窗口之间的距离比微波能量进入负载中的最长穿透深度长，该化学过程循环包括由第一施加器和第二施加器对负载处发射微波能量。
(5)如(1)至(4)中的任一者的设备，其中当第一施加器和第二施加器设置于容器内部时，在化学过程循环的所有步骤中，容器内的第一施加器和第二施加器的位置之间的距离为微波能量进入负载中的最长穿透深度的1.5倍长，该化学过程循环包括由第一施加器和第二施加器对负载处发射微波能量，并且当第一施加器和第二施加器设置于容器外部时，在化学过程循环的所有步骤中，第一微波窗口和第二微波窗口之间的距离为微波能量进入负载中的最长穿透深度的1.5倍长，该化学过程循环包括由第一施加器和第二施加器对负载处发射微波能量。
(6)如(1)至(5)中的任一者的设备，其中当第一施加器和第二施加器设置于容器内部时，在化学过程循环的所有步骤中，容器内的第一施加器和第二施加器的位置之间的距离为微波能量进入负载中的最长穿透深度的2倍长，该化学过程循环包括由第一施加器和第二施加器对负载处发射微波能量，并且当第一施加器和第二施加器设置于容器外部时，在化学过程循环的所有步骤中，第一微波窗口和第二微波窗口之间的距离为微波能量进入负载中的最长穿透深度的2倍长，该化学过程循环包括由第一施加器和第二施加器对负载处发射微波能量。
(7)如(1)至(6)中的任一者的设备，其中第一施加器和第二施加器在腔室的外壁和容器的内壁之间的间隙中各占据一对应子空间。
(8)如(1)至(7)中的任一者的设备，进一步包含第一微波产生器，第一微波产生器被配置为产生在第一功率下具有第一频率的微波能量并将该微波能量传输至第一施加器，第一微波产生器电磁连接至第一施加器。
(9)如(8)的设备，进一步包含：形成于内壁中与第一施加器的位置相对应的位置处的第一微波窗口；及形成于内壁中与第二施加器的位置相对应的位置处的第二微波窗口，其中第一微波窗口和第二微波窗口的材料对负载中的试剂具有化学耐受性，第一施加器设置在容器内部并被配置为经由第一微波窗口自第一微波产生器接收微波能量。
(10)如(8)或(9)的设备，其中第一微波产生器位于腔室外部并连接至位于间隙中的第一施加器。
(11)如(1)至(10)中的任一者的设备，其中容器是加压的且腔室是加压的。
(12)如(1)至(11)中的任一者的设备，进一步包含混合装置，该混合装置被配置为均匀化负载中的试剂。
(13)如(1)至(12)中的任一者的设备，其中负载包含能够吸收微波能量的基于液体的反应介质，且在包括对反应介质处发射微波能量的化学过程循环的所有步骤中，微波能量的穿透深度是微波能量进入反应介质的最长穿透深度。
(14)如(1)至(13)中的任一者的设备，其中介质在容器中的容积等于或大于40L、或者等于或大于50L、或者等于或大于60L、或者等于或大于75L、等于或大于90L、或者等于或大于100L。
(15)如(1)至(14)中的任一者的设备，进一步包含分离的第一微波屏蔽区域和第二微波屏蔽区域，第一微波屏蔽区域和第二微波屏蔽区域位于间隙中并被配置为反射微波能量，第一微波屏蔽区域封住位于间隙中的第一施加器且第二微波屏蔽区域封住位于间隙中的第二施加器，使得间隙中的第一施加器被屏蔽而免受间隙中的第二施加器影响，且间隙中的第二施加器被屏蔽而免受间隙中的第一施加器影响。
(16)如(15)的设备，其中间隙中的第一施加器和第一微波屏蔽区域的壁之间的距离是固定的并等于长度A，长度A基于围绕第一施加器的空间中的微波辐射的波长X，并由公式A＝(1/2N+1/4)X描述，其中N为任意的非负整数。
(17)如(1)至(16)中的任一者的设备，进一步包含包括第一施加器和第二施加器的多个施加器，其中由多个施加器传送的总功率为P且负载的容积为V，且P对V的比值在由0.05kW/L至2.5kW/L所定义的范围内。
(18)如(1)至(17)中的任一者的设备，进一步包含包括第一施加器和第二施加器的多个施加器，其中该多个施加器中的至少两个以彼此不同的频率发射微波能量，且在所有对负载处发射微波能量的施加器中，该微波能量的穿透深度是最长穿透深度。
(19)一种用于经由微波能量的施加来处理材料的方法，该方法包含：将包含该材料的负载供应至设置于腔室内的容器；并经由被配置为对负载处发射微波能量的第一施加器和第二施加器来施加微波能量至容器中的负载，其中由第一施加器和第二施加器发射的微波能量进入负载的点彼此间隔一距离，该距离比微波能量进入负载的穿透深度长，使得微波能量发射之时在第一施加器和第二施加器之间不发生电磁相互耦合。
(20)通过如(19)的方法所处理的材料。
(21)如(19)的方法，进一步包含溶解、加热、合成、或以其他方式转化材料的至少其中一步骤，使得在该方法的实施后的材料具有与在该方法的实施前的材料的物理或化学特性不同的物理或化学特性。
(22)如(19)或(21)的方法，进一步包含施加放热反应、感应加热器、电阻加热器、加热流体、带电粒子束、磁性粒子流、电浆加热器、激光加热器、超音波、或其他能量源的至少其中之一，而使材料的物理或化学特性发生变化。

Claims (22)

1.一种用于使用微波能量的大批式化学反应的设备，包含：
一腔室，该腔室由一外壁定义；
一容器，设置于该腔室内，该容器由一内壁定义，该内壁与该外壁藉由一间隙分隔，该容器被配置为接收和容纳一负载；及
第一施加器和第二施加器，被配置为对该负载处发射该微波能量，其中由该第一施加器和该第二施加器发射的微波能量进入该负载的点彼此间隔一距离，该距离比该微波能量进入该负载的穿透深度长，使得该微波能量发射之时在该第一施加器和该第二施加器之间不发生电磁相互耦合。
2.如权利要求1所述用于使用微波能量的大批式化学反应的设备，进一步包含：
第一微波窗口，形成于该内壁中与该第一施加器的位置相对应的位置处；及
第二微波窗口，形成于该内壁中与该第二施加器的位置相对应的位置处，其中
该第一微波窗口和该第二微波窗口的材料至少部分地对微波能量透明且对该负载中的试剂具有化学耐受性，该第一施加器被配置为发射通过该第一微波窗口的该微波能量进入该容器中。
3.如权利要求2所述用于使用微波能量的大批式化学反应的设备，其中该第一施加器包括位于该第一施加器的第一端的一波导及位于该第一施加器的第二端的一喇叭天线，该第一施加器的该第二端靠近该第一微波窗口被设置并且该第一施加器的该第一端远离该第一微波窗口被设置，该波导被配置为接收该微波能量并经由该波导将该微波能量导入该喇叭天线中。
4.如权利要求2所述用于使用微波能量的大批式化学反应的设备，其中
当该第一施加器和该第二施加器设置于该容器内部时，在包括由该第一施加器和该第二施加器对该负载处发射该微波能量的化学过程循环的所有步骤中，该容器内的该第一施加器和该第二施加器的位置之间的距离比该微波能量进入该负载中的最长穿透深度长，以及
当该第一施加器和该第二施加器设置于该容器外部时，在包括由该第一施加器和该第二施加器对该负载处发射该微波能量的该化学过程循环的所有步骤中，该第一微波窗口和该第二微波窗口之间的距离比该微波能量进入该负载中的最长穿透深度长。
5.如权利要求2所述用于使用微波能量的大批式化学反应的设备，其中
当该第一施加器和该第二施加器设置于该容器内部时，在包括由该第一施加器和该第二施加器对该负载处发射该微波能量的化学过程循环的所有步骤中，该容器内的该第一施加器和该第二施加器的位置之间的距离为该微波能量进入该负载中的最长穿透深度的1.5倍长，以及
当该第一施加器和该第二施加器设置于该容器外部时，在包括由该第一施加器和该第二施加器对该负载处发射该微波能量的该化学过程循环的所有步骤中，该第一微波窗口和该第二微波窗口之间的距离为该微波能量进入该负载中的最长穿透深度的1.5倍长。
6.如权利要求2所述用于使用微波能量的大批式化学反应的设备，其中
当该第一施加器和该第二施加器设置于该容器内部时，在包括由该第一施加器和该第二施加器对该负载处发射该微波能量的化学过程循环的所有步骤中，该容器内的该第一施加器和该第二施加器的位置之间的距离为该微波能量进入该负载中的最长穿透深度的2倍长，以及
当该第一施加器和该第二施加器设置于该容器外部时，在包括由该第一施加器和该第二施加器对该负载处发射该微波能量的该化学过程循环的所有步骤中，该第一微波窗口和该第二微波窗口之间的距离为该微波能量进入该负载中的最长穿透深度的2倍长。
7.如权利要求1所述用于使用微波能量的大批式化学反应的设备，其中该第一施加器和该第二施加器在该腔室的该外壁和该容器的该内壁之间的该间隙中各占据一对应子空间。
8.如权利要求1所述用于使用微波能量的大批式化学反应的设备，进一步包含第一微波产生器，该第一微波产生器被配置为产生在第一功率下具有第一频率的该微波能量并将该微波能量传输至该第一施加器，该第一微波产生器电磁连接至该第一施加器。
9.如权利要求8所述用于使用微波能量的大批式化学反应的设备，进一步包含：
第一微波窗口，形成于该内壁中与该第一施加器的位置相对应的位置处；及
第二微波窗口，形成于该内壁中与该第二施加器的位置相对应的位置处，其中
该第一微波窗口和该第二微波窗口的材料对该负载中的试剂具有化学耐受性，该第一施加器设置在该容器内部并被配置为经由该第一微波窗口自该第一微波产生器接收该微波能量。
10.如权利要求8所述用于使用微波能量的大批式化学反应的设备，其中该第一微波产生器位于该腔室外部并连接至位于该间隙中的该第一施加器。
11.如权利要求1所述用于使用微波能量的大批式化学反应的设备，其中该容器是加压的且该腔室是加压的。
12.如权利要求1所述用于使用微波能量的大批式化学反应的设备，进一步包含一混合装置，该混合装置被配置为均匀化该负载中的试剂。
13.如权利要求1所述用于使用微波能量的大批式化学反应的设备，其中
该负载包含能够吸收微波能量的基于液体的反应介质，以及
在包括对该反应介质处发射该微波能量的化学过程循环的所有步骤中，该微波能量的该穿透深度是该微波能量进入该反应介质的最长穿透深度。
14.如权利要求13所述用于使用微波能量的大批式化学反应的设备，其中该基于液体的反应介质在该容器中的容积等于或大于100L。
15.如权利要求1所述用于使用微波能量的大批式化学反应的设备，进一步包含分离的第一微波屏蔽区域和第二微波屏蔽区域，该第一微波屏蔽区域和第二微波屏蔽区域位于该间隙中并被配置为反射微波能量，该第一微波屏蔽区域封住位于该间隙中的该第一施加器且该第二微波屏蔽区域封住位于该间隙中的该第二施加器，使得该间隙中的该第一施加器被屏蔽而免受该间隙中的该第二施加器影响，且该间隙中的该第二施加器被屏蔽而免受该间隙中的该第一施加器影响。
16.如权利要求15所述用于使用微波能量的大批式化学反应的设备，其中在该间隙中的该第一施加器和该第一微波屏蔽区域的壁之间的距离是固定的并等于长度A，长度A基于围绕该第一施加器的空间中的微波辐射的波长X，并由下列公式描述：
A＝(1/2N+1/4)X
其中N为任意的非负整数。
17.如权利要求1所述用于使用微波能量的大批式化学反应的设备，进一步包含包括该第一施加器和该第二施加器的多个施加器，其中由该多个施加器传送的总功率为P且该负载的容积为V，且P对V的比值在由0.05kW/L至2.5kW/L所定义的范围内。
18.如权利要求1所述用于使用微波能量的大批式化学反应的设备，进一步包含包括该第一施加器和该第二施加器的多个施加器，其中
该多个施加器中的至少两个以彼此不同的频率发射微波能量，以及
在所有对该负载处发射微波能量的施加器中，该微波能量的该穿透深度是最长穿透深度。
19.一种用于经由微波能量的施加来处理材料的方法，该方法包含：
将包含该材料的一负载供应至设置于一腔室内的一容器；以及
经由第一施加器和第二施加器来施加微波能量至该容器中的该负载，该第一施加器和该第二施加器被配置为对该负载处发射该微波能量，其中由该第一施加器和该第二施加器发射的微波能量进入该负载的点彼此间隔一距离，该距离比该微波能量进入该负载的穿透深度长，使得该微波能量发射之时在该第一施加器和该第二施加器之间不发生电磁相互耦合。
20.一种通过如权利要求19所述用于经由微波能量的施加来处理材料的方法所处理的材料。
21.如权利要求19所述用于经由微波能量的施加来处理材料的方法，进一步包含溶解、加热、合成、或以其他方式转化该材料的至少其中一步骤，使得在该方法的实施后的该材料具有与在该方法的实施前的该材料的物理或化学特性不同的物理或化学特性。
22.如权利要求21所述用于经由微波能量的施加来处理材料的方法，进一步包含施加放热反应、感应加热器、电阻加热器、加热流体、带电粒子束、磁性粒子流、电浆加热器、激光加热器、超音波、或其他能量源的至少其中之一，而使该材料的所述物理或化学特性发生变化。
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