ES2953443T3 - Dispositivo elemental para aplicar energía de microondas con un aplicador coaxial - Google Patents
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Abstract
La invención se refiere a un dispositivo elemental (1) para aplicar energía de microondas, que comprende un aplicador coaxial (2) que presenta un extremo distal (21) dotado de un conector con estructura coaxial (3) para su acoplamiento con una guía o cable coaxial (5).) unido a un generador de energía de microondas y a un extremo proximal opuesto (22) previsto para salir al interior de un recinto (4), comprendiendo este aplicador coaxial: - un núcleo conductor central (23) que se extiende a lo largo de un eje principal (AP), - un blindaje (24) que presenta una pared periférica (240) que rodea este núcleo central y una pared trasera (241) prevista en dicho extremo distal y que se extiende transversalmente con respecto a dicho eje principal, - un medio de propagación de energía de microondas (25) situado entre los núcleo central (23) y el blindaje (24), y - un cuerpo aislante (26) hecho de material dieléctrico, transparente a la energía de microondas y dispuesto en dicho extremo proximal; donde el conector con estructura coaxial está provisto de un conductor externo (31) conectado a dicho blindaje y rodeando un conductor interno (32) conectado a dicho núcleo central, y está dispuesto en la pared posterior del blindaje mientras tiene su conductor externo fijado en dicha pared posterior y su conductor interno vinculado a un elemento de conexión delgado (33) que pasa a través de dicha pared posterior y que se extiende paralelo al eje principal con un espaciado predefinido en relación con dicho núcleo central hasta un extremo libre conectado a dicho núcleo central a una distancia predefinida de dicha pared trasera. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)
Description
DESCRIPCIÓN
Dispositivo elemental para aplicar energía de microondas con un aplicador coaxial
La presente invención se refiere a un dispositivo elemental para aplicar energía de microondas y a una instalación para el tratamiento por microondas de una carga utilizando al menos uno de dichos dispositivos elementales.
Más particularmente se refiere a un dispositivo elemental que comprende un aplicador coaxial de potencia de microondas.
La presente invención puede aplicarse en el campo del tratamiento por microondas de una carga, pudiendo esta carga ser de tipo sólido (por ejemplo, del tipo granular o en polvo), gaseosa, de plasma, líquida (con un disolvente y/o solutos que absorban la radiación electromagnética). Cabe señalar que la energía de microondas se refiere a ondas cuya frecuencia está entre aproximadamente 300 MHz y aproximadamente 30 GHz, preferiblemente entre 400 MHz y 10 GHz, y preferiblemente entre 915 MHz y 5,8 GHz.
La invención se aplica en el campo del tratamiento térmico de un medio reactivo, donde por «tratamiento térmico» se entienden diversos tratamientos realizados por calentamiento, como la evaporación, el secado, el tostado, la extracción de productos naturales en suspensión en un disolvente, la reacción o síntesis química con calentamiento por pérdidas dieléctricas (con el fin de analizar o producir compuestos químicos), la deshidratación, la cocción, la descoloración, el desacoplamiento, la polimerización, la reticulación, los tratamientos con fluidos supercríticos, la eliminación de compuestos volátiles etc., así como diversos tratamientos realizados simultáneamente con calentamiento, como mezcla o molienda.
La invención también se aplica en el campo de la producción de plasma dentro de un recinto de confinamiento, para diversas aplicaciones tales como, por ejemplo, la limpieza de superficies, la esterilización, el depósito, en particular el depósito químico de vapor asistido por plasma, el grabado, la implantación iónica, la funcionalización de superficies y otros tratamientos de superficie tales como la pulverización iónica (o pulverización catódica).
Para la transmisión de energía de microondas entre un generador y el interior del recinto, es necesario usar al menos un dispositivo elemental para aplicar energía de microondas y, en general, una pluralidad de dichos dispositivos elementales en asociación, que a menudo se denominan fuentes elementales.
Por lo tanto, por los documentos WO 2014/184357 y WO 2012/146870 se conoce el uso de un dispositivo elemental para aplicar energía de microondas, que comprende un aplicador coaxial de potencia de microondas.
Con referencia a las figuras 1(a) y 1(b), un dispositivo elemental 10 convencional incluye un aplicador coaxial 100 de potencia de microondas que permite transmitir energía de microondas procedente de un generador de energía de microondas (no ilustrado) al recinto 4 delimitado por un tabique 40 (ilustrado en la figura 1 (b)).
Dicho aplicador coaxial 100 incluye un núcleo central 101 conductor que se extiende a lo largo de un eje principal 1010, un blindaje 102 externo conductor que rodea el núcleo central 101 y un medio 103 de propagación de energía de microondas situado entre el núcleo central 101 y el blindaje 102.
Este aplicador coaxial 100 presenta un extremo distal 104 provisto de un conector con una estructura coaxial 105 prevista para acoplarse con el generador y un extremo proximal 106 opuesto previsto para desembocar en el interior del recinto 4, estando provisto este extremo proximal 106 de un cuerpo aislante 107 hecho de material dieléctrico transparente a la energía de microondas.
Además, el blindaje 102 presenta una pared periférica 1020 que rodea el núcleo central 101 y una pared 1021 de fondo prevista en el extremo distal 104 y que se extiende transversalmente con respecto al eje principal 1010.
De forma conocida, el conector 105 de estructura coaxial está provisto de un conductor externo 108 conectado al blindaje 102 y que rodea un conductor interno 109 conectado al núcleo central 101. Este conector 105 de estructura coaxial está dispuesto de forma clásica en la pared periférica 1020 del blindaje 102, a una distancia predefinida con respecto a la pared 1021 de fondo del orden de un cuarto de onda (es decir, un cuarto de la longitud de onda de la energía de microondas) para promover la transmisión de energía hacia el aplicador coaxial 100 sin generar potencia reflejada. El conductor interno 109 pasa a través de la pared periférica 1020 del blindaje 102 y se extiende en una dirección ortogonal al eje principal 1010 para entrar en contacto con el núcleo central 101 a una distancia D con respecto a la pared 1021 de fondo del orden de un cuarto de onda.
La principal desventaja de este dispositivo elemental 10 convencional son sus dimensiones laterales o periféricas provocadas por la presencia del conector 105 de estructura coaxial en la pared periférica 1020 del blindaje 102.
En ciertas aplicaciones, es necesario prever varios dispositivos elementales montados uno al lado de otro en el tabique del recinto y conectados a cables o guías coaxiales. Sin embargo, los conectores 105 de estructura coaxial de estos dispositivos elementales 10 evitan que los dispositivos elementales 10 se acerquen demasiado, en particular cuando la superficie de recepción en el tabique está restringida.
Además, este posicionamiento periférico del conector 105 de estructura coaxial dificulta la colocación del cable o guía coaxial, que debe estar curvado para poder conectarse al conector 105 de estructura coaxial. Sin embargo, dicha curvatura del cable o guía coaxial no es posible cuando existe una proximidad demasiado estrecha entre los dispositivos elementales 10, por lo que se hace necesario conectar los cables o guías coaxiales a los conectores 105 de estructura coaxial mediante codos coaxiales en ángulo recto, lo que complica el ensamblaje.
En resumen, las configuraciones de estos dispositivos elementales 10 dificultarán o incluso impedirán la implantación compacta de los dispositivos elementales 10 y los cables o guías coaxiales asociados.
El objeto de la presente invención consiste en resolver estos inconvenientes y, con este fin, propone un dispositivo elemental para aplicar energía de microondas, del tipo que comprende un aplicador coaxial de potencia de microondas que presenta, por un lado, un extremo distal provisto de un conector de estructura coaxial previsto para acoplarse con un cable o guía coaxial conectado a un generador de energía de microondas y, por otro lado, un extremo proximal opuesto previsto para desembocar dentro de un recinto, comprendiendo dicho aplicador coaxial:
- un núcleo central conductor que se extiende a lo largo de un eje principal,
- un blindaje externo conductor que tiene una pared periférica que rodea este núcleo central y una pared de fondo dispuesta en el extremo distal y que se extiende transversalmente con respecto al eje principal,
- un medio de propagación de energía de microondas situado entre el núcleo central y el blindaje, y
- un cuerpo aislante hecho de material dieléctrico, transparente a la energía de microondas y dispuesto en el extremo proximal;
donde el conector de estructura coaxial está provisto de un conductor externo conectado al blindaje y que rodea un conductor interno conectado al núcleo central;
donde el dispositivo elemental destaca porque el conector de estructura coaxial está dispuesto en la pared de fondo del blindaje con su conductor externo fijado a esta pared de fondo y su conductor interno conectado a un elemento de conexión alargado que pasa a través de la pared de fondo y que se extiende, desde esta pared de fondo, sustancialmente paralelo al eje principal con una distancia predefinida desde el núcleo central hasta un extremo libre conectado a este núcleo central a una distancia predefinida de la pared de fondo.
Por lo tanto, el conector de estructura coaxial está dispuesto sobre la pared de fondo del blindaje y su eje coaxial es sustancialmente paralelo al eje principal del aplicador coaxial. De esta manera, el conector de estructura coaxial no aporta ninguna dimensión lateral, y el cable o guía coaxial se conectará directamente al conector de estructura coaxial sin requerir el uso de un codo coaxial en ángulo recto ni la provisión de un codo en el cable o guía coaxial, lo que permite que los dispositivos elementales y los cables o guías coaxiales asociados se instalen de forma compacta en el tabique de un recinto.
Por supuesto, es posible que el conector de estructura coaxial se conecte directamente al generador a través de la guía o cable coaxial, del mismo modo que es posible disponer uno o más dispositivos, tales como un divisor de potencia o un adaptador, entre el conector de estructura coaxial y el generador.
Según una característica, el núcleo central soporta un órgano de conexión que está en contacto con el extremo libre del elemento de conexión a la distancia predefinida de dicha pared de fondo.
Según otra característica, el órgano de conexión está fijado al extremo libre del elemento de conexión, en particular atornillándolo con un tornillo, soldadura o engaste.
En una realización particular, el órgano de conexión está soldado al núcleo central.
En una forma de realización particular, el elemento de conexión presenta sucesivamente:
- una parte cilíndrica inicial de diámetro reducido conectada al conductor interno del conector de estructura coaxial;
- una parte intermedia troncocónica;
- una parte cilíndrica final de diámetro aumentado que termina con el extremo libre conectado a dicho núcleo central.
En una variante adaptada para una frecuencia del orden de 915 MHz, la parte final puede tener una forma curva y la parte intermedia puede tener una forma que no es específicamente cilíndrica.
Según una posibilidad de la invención, el dispositivo elemental constituye un dispositivo elemental para producir un plasma dentro del recinto.
La presente invención también se refiere a una instalación para el tratamiento por microondas de una carga, que comprende:
- un recinto en cuyo volumen está confinada la carga;
- al menos un generador de energía de microondas;
- al menos un dispositivo elemental según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el conector de estructura coaxial está conectado a un cable o guía coaxial conectado a dicho generador de energía de microondas y en donde el extremo proximal del aplicador coaxial desemboca en dicho recinto.
Otras características y ventajas de la presente invención resultarán de la lectura de la siguiente descripción detallada de un ejemplo no limitativo de implementación, hecha con referencia a las figuras adjuntas, en las que:
- la figura 1 (a), ya comentada, es una vista esquemática en sección axial de un dispositivo elemental convencional; - la figura 1 (b), ya comentada, es una vista esquemática en perspectiva de otro dispositivo elemental convencional; - la figura 2 es una vista esquemática en sección axial de un primer dispositivo elemental de acuerdo con la invención;
- la figura 3 es una vista esquemática en sección axial de un segundo dispositivo elemental de acuerdo con la invención;
- la figura 4 es una vista esquemática en perspectiva del primer o segundo dispositivo elemental;
- la figura 5 es una vista esquemática del interior de un recinto de plasma en el que están dispuestos varios primeros o segundos dispositivos elementales de la figura 4;
- la figura 6 es una vista esquemática en sección axial y no detallada de un tercer dispositivo elemental de acuerdo con la invención;
- la figura 7 es una vista esquemática en perspectiva del tercer dispositivo elemental de la figura 6;
- la figura 8 es una vista esquemática del interior de un recinto de plasma en el que están dispuestos varios terceros dispositivos elementales de la figura 7; y
- la figura 9 es una vista esquemática de un recinto en cuyo tabique están montados varios dispositivos elementales de acuerdo con la invención, con cables coaxiales visibles conectados a los diversos dispositivos elementales.
Las figuras 2 a 8 ilustran tres formas de realización de un dispositivo elemental 1 para producir un plasma, con una primera y una segunda formas de realización ilustradas en las figuras 2 a 5 y una tercera forma de realización ilustrada en las figuras 6 a 8, y, a menos que se indique lo contrario de manera explícita o implícita, los órganos, partes, dispositivos o elementos que son estructural o funcionalmente idénticos o similares se designarán con referencias idénticas en estas figuras.
El dispositivo elemental 1 comprende un aplicador coaxial 2 de potencia de microondas, previsto para garantizar la transmisión de energía de microondas entre un generador de energía de microondas (no ilustrado), en particular del tipo de generador de estado sólido, y el interior de un recito 4 que contiene una carga que ha de ser tratada, en particular del tipo de recinto de plasma (visible en las figuras 5 y 8).
Este aplicador coaxial 2 se produce en forma de filar, es decir, extendido a lo largo de un eje principal AP, y presenta: - un extremo distal 21 provisto de un conector 3 de estructura coaxial previsto para el acoplamiento con un cable o guía coaxial 5 (visible en la figura 9) conectado a un generador de energía de microondas; y
- un extremo proximal 22 opuesto previsto para desembocar en el interior del recinto 4.
El aplicador coaxial 2 comprende:
- un núcleo central 23 conductor que se extiende a lo largo del eje principal AP;
- un blindaje 24 conductor externo que rodea el núcleo central 23, teniendo este blindaje 24 externo la forma de un manguito hueco que comprende una pared periférica 240 que presenta una cara interna cilíndrica centrada en el eje principal AP, y una pared 241 de fondo que cierra el extremo distal 21 del aplicador coaxial 2;
- un medio 25 de propagación de energía de microondas situado entre el núcleo central 23 y el blindaje 24, estando compuesto este medio 25 de propagación, por ejemplo, total o parcialmente de aire; y
- un cuerpo aislante 26 hecho de material dieléctrico transparente a la energía de microondas, estando dispuesto este cuerpo aislante 26 en el extremo proximal 22 del aplicador coaxial 2.
La pared 241 de fondo puede estar unida de forma fija a la pared periférica 240 o proceder de un material con esta última.
El cuerpo aislante 26 bloquea completamente el extremo proximal 22 del aplicador coaxial 2, separando así el interior del recinto 4, que a menudo se mantiene a baja presión, del medio de propagación 25, que está a presión atmosférica ambiente. El cuerpo aislante 26 tiene una superficie externa 27 prevista para estar en contacto con el interior del recinto 4 y, en particular, con un gas que ha de ser excitado situado dentro del recinto 4 en el caso de una aplicación de plasma.
En la primera y la segunda formas de realización de las figuras 2 a 5, la superficie externa 27 del cuerpo aislante 26 está a nivel con el extremo proximal del blindaje 24 y, por lo tanto, no sobresale más allá del protector 24. Además, el núcleo central 23 atraviesa completamente el cuerpo aislante 26 y sobresale hacia el exterior del mismo.
En la tercera forma de realización de las figuras 6 a 8, la superficie externa 27 del cuerpo aislante 26 sobresale hacia el exterior del extremo proximal del blindaje 24. Además, el núcleo central 23 presenta un extremo proximal incrustado dentro del cuerpo aislante 26, sin pasar completamente a través de este cuerpo aislante 26.
De acuerdo con la invención, el conector 3 de estructura coaxial está dispuesto en la pared 241 de fondo del blindaje 24, y presenta un conductor externo 31 conectado a la pared 241 de fondo del blindaje 24 y que rodea un conductor interno 32 conectado al núcleo central 23 del aplicador coaxial 2.
El conector 3 de estructura coaxial se fija con mayor precisión por medio de tornillos a la pared 241 de fondo del blindaje 24, en el lado exterior. Este conector 3 de estructura coaxial presenta un eje 30 de coaxialidad paralelo al eje principal AP del aplicador coaxial 2.
El conductor interno 32 está conectado al núcleo central 23 por medio de un elemento 33 de conexión alargado y conductor que presenta un extremo conectado al conductor interno 32 y un extremo opuesto, denominado extremo libre, conectado al núcleo central 23.
Este elemento 33 de conexión se extiende en la prolongación del conector 3 de estructura coaxial y, por lo tanto, se extiende a lo largo del eje 30 de coaxialidad, paralelo al eje principal AP del aplicador coaxial 2.
El conector 3 de estructura coaxial está desplazado en dirección radial con respecto al eje principal AP (en otras palabras, el eje 30 de coaxialidad y el eje principal AP no son colineales) de modo que el elemento 33 de conexión se extiende sustancialmente paralelo al eje principal AP con una separación predefinida con respecto al núcleo central 23 hasta su extremo libre. El elemento 33 de conexión pasa a través de la pared 241 de fondo del blindaje 24.
Más específicamente, el núcleo central 23 soporta un órgano 34 de conexión que está soldado al núcleo central a una distancia predefinida D desde la pared 241 de fondo del blindaje 24.
Este órgano 34 de conexión está en contacto con el extremo libre del elemento 33 de conexión, y está fijado más concretamente al extremo libre del elemento 33 de conexión.
En las formas de realización primera y tercera de las figuras 2 y 6, el órgano 34 de conexión está fijado al extremo libre del elemento 33 de conexión mediante soldadura.
En la segunda forma de realización de la figura 3, el órgano 34 de conexión está fijado al extremo libre del elemento 33 de conexión por medio de un tornillo 35.
En una variante no ilustrada, el órgano 34 de conexión está fijado al extremo libre del elemento 33 de conexión mediante engaste.
En las formas de realización primera y tercera de las figuras 2 y 6, el elemento 33 de conexión presenta la forma de una varilla cilíndrica con un diámetro constante.
En la segunda forma de realización de la figura 3, el elemento 33 de conexión presenta sucesivamente:
- una parte cilíndrica inicial de diámetro reducido conectada al conductor interno 32 del conector 3 de estructura coaxial;
- una parte intermedia troncocónica; y
- una parte cilíndrica final de diámetro aumentado (en otras palabras, con un diámetro mayor que el de la parte inicial) que termina con el extremo libre que soporta el órgano 34 de conexión conectado al núcleo central 23. Dicho dispositivo elemental 1 se usa en una instalación para el tratamiento por microondas de una carga y, en particular, en una instalación para la producción de un plasma que comprende:
- el recinto 4 en cuyo volumen está confinada la carga, estando delimitado este recinto 4 por un tabique 40 (como se puede ver en las figuras 5 y 8);
- al menos un generador de energía de microondas (no ilustrado), en particular del tipo de generador de estado sólido;
- al menos un cable o guía coaxial 5 (visible en la figura 9) conectado, por un lado, al generador y, por otro lado, al conector 3 de estructura coaxial de un dispositivo elemental 1; y
- al menos un dispositivo elemental 1 que desemboca en el interior del recinto 4, a través del tabique, como se puede ver en las figuras 5 y 8.
Cabe señalar que el blindaje 24 del aplicador coaxial 2:
- bien consiste en una parte unida al recinto 4 y que pasa a través de su tabique 40 de forma estanca;
- bien proviene del material, al menos parcialmente, del tabique 40, en otras palabras, este blindaje 24 está formado parcial o totalmente por el propio tabique 40.
Claims (12)
1. Dispositivo elemental (1) para aplicar energía de microondas, que comprende un aplicador coaxial (2) de potencia de microondas que presenta, por un lado, un extremo distal (21) provisto de un conector (3) de estructura coaxial previsto para acoplarse con un cable o guía coaxial (5) conectado a un generador de energía de microondas y, por otro lado, un extremo proximal (22) opuesto previsto para desembocar dentro de un recinto (4), comprendiendo dicho aplicador coaxial (2):
- un núcleo central (23) conductor que se extiende a lo largo del eje principal AP;
- un blindaje (24) conductor externo que presenta una pared periférica (240) que rodea dicho núcleo central (23) y una pared (241) de fondo prevista en dicho extremo distal (21) y que se extiende transversalmente con respecto a dicho eje principal (AP),
- un medio (25) de propagación de energía de microondas situado entre el núcleo central (23) y el blindaje (24), y - un cuerpo aislante (26) hecho de material dieléctrico, transparente a la energía de microondas y dispuesto en el extremo proximal (22);
donde el conector (3) de estructura coaxial está provisto de un conductor externo (31) conectado a dicho blindaje (24) y que rodea un conductor interno (32) conectado al núcleo central (23);
estando dicho dispositivo elemental (1) caracterizado por que el conector (3) de estructura coaxial está dispuesto en la pared (241) de fondo del blindaje (24) con su conductor externo (31) fijado a dicha pared (241) de fondo y su conductor interno (32) conectado a un elemento (33) de conexión alargado que atraviesa dicha pared (241) de fondo y que se extiende, a partir de dicha pared (241) de fondo, sustancialmente paralelo al eje principal (AP) con una distancia predefinida desde dicho núcleo central (23) hasta un extremo libre conectado a dicho núcleo central (23) a un distancia predefinida (D) desde dicha pared (241) de fondo.
2. Dispositivo elemental (1) según la reivindicación 1, en el que el núcleo central (23) soporta un órgano (34) de conexión que está en contacto con el extremo libre del elemento (33) de conexión a la distancia predefinida (D) de dicha pared (241) de fondo.
3. Dispositivo elemental (1) según la reivindicación 2, en el que el órgano (34) de conexión está fijado al extremo libre del elemento (33) de conexión.
4. Dispositivo elemental (1) según la reivindicación 3, en el que el órgano (34) de conexión está fijado al extremo libre del elemento (33) de conexión mediante atornillado con un tornillo (35).
5. Dispositivo elemental (1) según la reivindicación 3, en el que el órgano (34) de conexión está fijado al extremo libre del elemento (33) de conexión por soldadura.
6. Dispositivo elemental (1) según la reivindicación 3, en el que el órgano (34) de conexión está fijado al extremo libre del elemento (33) de conexión por engaste.
7. Dispositivo elemental (1) según una cualquiera de las reivindicaciones 2 a 6, en el que el órgano (34) de conexión está soldado al núcleo central (23).
8. Dispositivo elemental (1) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, en el que el elemento (33) de conexión presenta la forma de una varilla cilíndrica con un diámetro constante.
9. Dispositivo elemental (1) según una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que el elemento (33) de conexión presenta sucesivamente:
- una parte cilíndrica inicial de diámetro reducido conectada al conductor interno (32) del conector (3) de estructura coaxial;
- una parte intermedia troncocónica;
- una parte cilíndrica final de diámetro aumentado que termina con el extremo libre conectado a dicho núcleo central (23).
10. Dispositivo elemental (1) según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en el que dicho dispositivo elemental (1) constituye un dispositivo elemental (1) para producir un plasma dentro del recinto (4).
11. Instalación para el tratamiento por microondas de una carga, que comprende:
- un recinto (4) en cuyo volumen está confinada la carga;
- al menos un generador de energía de microondas;
- al menos un dispositivo elemental (1) según una cualquiera de las reivindicaciones precedentes, en donde el conector (3) de estructura coaxial está conectado a un cable o guía coaxial (5) conectado a dicho generador de energía de microondas y en donde el extremo proximal (22) del aplicador coaxial (2) desemboca en dicho recinto (4).
12. Instalación de tratamiento por microondas según la reivindicación 11, en el que el generador de energía de microondas es un generador de estado sólido.
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