專利名稱：使用電感耦合的改進的介電加熱的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及射頻(RF)介電加熱或干燥；更具體地，本發(fā)明涉及一種用于將RF功率與施加器裝置連接的改良系統(tǒng)，所述系統(tǒng)可提高電場特定的均勻性和大大降低出現(xiàn)災(zāi)難性的擊穿故障的危險性。
本發(fā)明的背景技術(shù)目前，在將RF(射頻)功率應(yīng)用于介電加熱應(yīng)用中所用的常規(guī)施加器裝置(通常被稱為電極或者電容板)上時，利用公知的“直接耦合”方法將RF發(fā)生器連接到施加器裝置上。在“直接耦合”中，RF功率被直接耦合到施加器裝置上并且環(huán)流(能夠產(chǎn)生電場的)從RF施加器裝置通過饋線(包括任何饋通)回到RF發(fā)生器或者匹配網(wǎng)絡(luò)(如果使用匹配網(wǎng)絡(luò))的輸出部分。饋通處于RF功率引入饋線通到加熱系統(tǒng)殼體等中的位置處。
由于在RF發(fā)生器/匹配網(wǎng)絡(luò)和施加器裝置之間的RF饋線和饋通的固有電感，在直接耦合的應(yīng)用中以較高的RF功率進行操作會產(chǎn)生較高的環(huán)流，較高的環(huán)流通常會在RF饋線上、在饋通處以及RF發(fā)生器/匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出部分產(chǎn)生很高的電壓。
由于在RF饋線上、在饋通處以及RF發(fā)生器/匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出部分具有較高的電壓(在常規(guī)的介電加熱應(yīng)用中，電壓可超過10kV)，出現(xiàn)災(zāi)難性的擊穿故障的危險性較高。對于極高的RF電壓(超過50kV)，在介電加熱應(yīng)用中面臨著災(zāi)難性故障。除了災(zāi)難性故障的危險，找到/設(shè)計能夠經(jīng)受在饋通、RF饋線以及RF發(fā)生器/匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出部分中的很高RF電壓的RF部件是困難/不可能或者很昂貴的。在RF電壓可能達到很高的直接耦合應(yīng)用中，防止災(zāi)難性故障的唯一可行的解決方法是減小RF功率輸出。但是，減小RF功率輸出也減小了加熱/干燥系統(tǒng)的處理能力，這對于操作者通常是不能接受的。上述問題通常會導(dǎo)致已知的RF功率不適用于其它許多適合的應(yīng)用。在用于高能物理粒子加速器中使用的RF功率的特定應(yīng)用中，已知的另一種可選擇的被稱為“電感耦合”方法適用于產(chǎn)生電場以對諸如質(zhì)子和電子的粒子進行加速的特定應(yīng)用中。用于粒子加速器中的“電感耦合”具有與施加器裝置絕對共振的分布電感以減小饋線電壓并且產(chǎn)生適合的共振頻率但不會形成電場。在這些應(yīng)用中，利用使已建立的磁場(通過饋線)在施加器裝置上感生電壓的公知的互耦合原理，使RF功率轉(zhuǎn)移到施加器裝置。另外，根據(jù)申請人的了解，目前還沒有將上述電感耦合應(yīng)用于對電場中的材料的介電加熱或者干燥的系統(tǒng)中。
對于“電感耦合”，環(huán)流路徑與“直接耦合”中的是大不相同的；在與施加器裝置直接耦合的饋線中流動的環(huán)流很小，并且產(chǎn)生了從施加器裝置經(jīng)分布電感部分到地電勢的很大的環(huán)流。本發(fā)明人發(fā)現(xiàn)并如在下面描述的，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于，環(huán)流的減小大大地降低了在饋線、饋通以及RF發(fā)生器/匹配網(wǎng)絡(luò)的輸出部分中的電壓。
對于在粒子加速器中的電感耦合，RF施加器裝置表面通常是圓形的并且很小(周長小于30厘米)。在一些情況下，施加器裝置可是較長的但寬度通常小于5厘米。在所有情況下，電感耦合RF施加器裝置是不可移動的，并且太小以致于不適用于許多工業(yè)介電加熱應(yīng)用，而且是特別為粒子加速設(shè)計的。
盡管存在這些已知的限制，但本發(fā)明還是提出了一種新穎的技術(shù)方案以將“電感耦合”擴展到介電加熱應(yīng)用中。
本發(fā)明概述本發(fā)明的一個目的在于，提供一種改進的RF(射頻)加熱或者干燥系統(tǒng)。
本發(fā)明的另一個目的在于，提供一種結(jié)合電感耦合的RF加熱或者干燥的方法和設(shè)備。
本發(fā)明的另一個目的在于，提供一種用于在RF加熱系統(tǒng)中將施加器裝置連接到RF源上的撓性電連接器。
概括地講，本發(fā)明涉及一種通過向在共振腔中的材料施加射頻(RF)功率對所述材料進行加熱或者干燥的方法和設(shè)備；改進包括使RF功率源與共振腔電感耦合并且產(chǎn)生磁場，該共振腔由至少一個輸送所述RF功率的饋線、與施加器裝置共振的分布電感、所述施加器裝置和所述材料形成，所述磁場在所述施加器裝置上感生電壓，由此使得用于將射頻功率輸送到所述腔的在所述饋線上的電壓小于利用直接耦合進行等效的射頻加熱所通常遇到的電壓。
最好，所述產(chǎn)生磁場包括利用所述分布電感以形成帶有饋線的導(dǎo)電回路并產(chǎn)生所述磁場。
最好，所述分布電感在所述腔內(nèi)對電場整形以提供施加在所述材料上的均勻電場強度。
概括地講，本發(fā)明涉及一種射頻加熱系統(tǒng)，所述射頻加熱系統(tǒng)包括接地的導(dǎo)電腔、在所述腔內(nèi)的施加器裝置；所述施加器裝置包括導(dǎo)電電極、用于使所述施加器裝置與射頻功率源耦合的裝置以及使所述施加器裝置與所述腔相連的分布電感裝置。
最好，所述腔包括接地的導(dǎo)電箱，所述導(dǎo)電箱具有一對相面對的側(cè)壁、底壁和頂壁，所述施加器裝置相對于所述箱在所述側(cè)壁之間橫向延伸，并且所述分布電感裝置使所述施加器裝置與所述側(cè)壁的與施加器裝置相鄰部分連接。
最好，所述分布電感裝置包括一對分布電感部分，其中一個分布電感部分使所述施加器裝置的一側(cè)與其相鄰的腔壁相連，該對分布電感部分的另一個使所述施加器裝置中的遠離所述一側(cè)的另一側(cè)與其相鄰的腔壁相連。
最好，所述每一個分布電感部分具有與所述施加器裝置的端部相連的第一部分以及使所述第一部分與連接于其相鄰的腔壁的第三部分相連的第二部分。最好，所述施加器裝置是空心的并且具有使所述施加器裝置中面對所述材料的表面與所述施加器裝置的中空內(nèi)部相連的用于熱空氣的孔。
一種用于將來自于饋通的射頻功率源與施加器裝置相連的撓性饋線，所述饋線包括多個被編織在一起的金屬絲束以形成一個中空的圓筒形編織連接器，所述連接器具有外表面，實體面積比由所述金屬絲形成的表面的面積大20％，所述表面積中低于80％的開放區(qū)域是由空氣形成的，所述空氣和金屬絲區(qū)域在所述表面上是對稱均勻設(shè)置的并且共同地建立已知電感。根據(jù)連接器所需的撓性，金屬絲所占的表面積的最大值可達到100％，連接器所需的撓性取決于金屬絲的撓性和細度。
最好，每一個所述束包括并排設(shè)置的3個至10個金屬絲。
最好，所述空心圓筒形編織連接器的橫截面為橢圓形。
附圖的簡要說明從以下結(jié)合附圖所作的本發(fā)明的詳細描述中可以看出本發(fā)明的其它特征、目的和優(yōu)點，在附圖中

圖1是本發(fā)明所涉及的RF加熱系統(tǒng)(為了清楚起見，去除了一些零件)的示意性等距視圖。
圖2和圖3是與本發(fā)明結(jié)合使用的中空電極結(jié)構(gòu)和分布電感的交替區(qū)域的示意性等距示意圖。
圖4是撓性饋線的端視圖。
圖5是撓性饋線的小區(qū)域的側(cè)視圖。
優(yōu)選實施例的詳細描述當加熱過程要求快速處理時間和高處理能力時，通常要求更高的射頻(RF)電場(大于10kV/cm)。由于高環(huán)流通常會在RF發(fā)生器/匹配網(wǎng)絡(luò)的饋線、饋通、和輸出部分上產(chǎn)生極高的RF電壓，因此直接耦合在該狀態(tài)下非常困難。除了存在相關(guān)的擊穿和災(zāi)難性故障(如過去通常由其它原因所經(jīng)受的)的高危險性以外，能夠經(jīng)得起這些高壓要求的設(shè)計部件費用過高并且有時是不可能的。商用的介電加熱所需的RF施加器裝置，例如在與食品有關(guān)的介電加熱應(yīng)用中，需要具有比目前粒子加速器中常用的電感耦合應(yīng)用大很多的寬度和總面積，即至少為5平方米，因此會在保證RF場均勻方面出現(xiàn)較嚴重的問題。能夠影響適合的共振頻率的形成以及影響介電加熱應(yīng)用中的RF場均勻性的其它一些內(nèi)容包括施加器裝置的幾何形狀/尺寸/位置、材料介電性能的范圍、通常需要處理的材料厚度范圍以及RF施加器裝置的底部和需要處理的材料的頂表面之間的空氣間隙的范圍。為了使場均勻性達到最佳，需要一些電場整形方法。
在本發(fā)明中的電場整形可利用三種方式實現(xiàn)通過限定RF施加器裝置的底部形狀，在本領(lǐng)域技術(shù)人員所能夠接受的嚴格限制程度上進行上述限定；通過限定RF連接的數(shù)量和布置，在本領(lǐng)域技術(shù)人員所能夠接受的嚴格限制程度上進行上述限定；以及通過下面將詳細描述的限定分布電感的形狀和尺寸的一種新方法。如下面所述的，最好將上述三種方式結(jié)合在一起，但無需一定用于本發(fā)明的優(yōu)選實施例的實施中。
電場的均勻性與材料的介電加熱的均勻性是直接相關(guān)的。對于大多數(shù)材料和應(yīng)用，均勻加熱對于使該工藝最佳化是重要的。在對材料進行不均勻加熱時，會出現(xiàn)關(guān)于過熱、加熱不足等的嚴重產(chǎn)品質(zhì)量問題。
該分布電感RF加熱系統(tǒng)可用于任何可被介電加熱(即具有大于0.005的損耗因數(shù))的材料，這些材料包括但不限于各種食品、實木和工程木制品、建筑材料、廢料、陶瓷制品、粉料和塑料。
令人驚異的是，申請人發(fā)現(xiàn)，在具有單個RF饋線的電感耦合施加器裝置上的電場均勻性在與具有單個RF饋線的直接耦合施加器裝置上的電場均勻性相比時更均勻。
介電電場均勻性是決定被加熱或者干燥的材料的加熱均勻性的一個重要特征。電場均勻性越好，在干燥或者加熱時的加熱均勻性越好。根據(jù)被加熱/干燥(特別是工藝標準)，最佳的電場均勻性可在較好的至強制性的范圍內(nèi)變化。適用于本發(fā)明的商業(yè)上的RF應(yīng)用必須能夠應(yīng)付與粒子加速器應(yīng)用中遇到的比較干凈的環(huán)境相比從RF視點出發(fā)不太理想的骯臟和充滿灰塵的環(huán)境。與先前的粒子加速器電感耦合應(yīng)用相比，介電加熱應(yīng)用具有更苛刻的要求，即具有更低的RF電壓以防止由于環(huán)境較臟而出現(xiàn)災(zāi)難性擊穿。
另外與不將可變的產(chǎn)品放置在產(chǎn)生的電場中的粒子加速器應(yīng)用不同的是，本發(fā)明的最佳介電場應(yīng)用必須適合于產(chǎn)生非均勻性/不同的產(chǎn)品以及電場的整形是最佳實施的一個必要條件。
但是，對于這里下面所述的適合的RF耦合，目前許多應(yīng)用利用在1-100MHZ范圍內(nèi)的射頻進行RF介電加熱是較好的，但最佳的射頻范圍為6-45MHZ之間。術(shù)語“共振腔”指的是與特定射頻共振或者被調(diào)諧到該特定射頻的封閉腔并且是由腔、施加器裝置和分布電感的所有特征限定的。共振腔所具有的特定的共振頻率基本上是由腔、施加器裝置和分布電感的所有特征限定的，其中包括分布電感的所有特征形狀/尺寸、RF饋線到施加器裝置的總電感、材料的介電性能以及材料和施加器裝置之間的間隙和被加熱的材料的厚度。
高度可變的施加器裝置和不同材料的形狀/性能使本發(fā)明的共振腔應(yīng)用變得困難。
眾所周知，如果以其共振頻率將RF功率源施加到共振腔上，那么在其被適合耦合時該腔將“接受”100％的RF功率。RF功率源頻率與腔的共振頻率差得越多，腔/材料所吸收的RF功率越小并且更多的RF功率將反射回到RF功率源。共振腔的特性(無論其形成“高Q”或者“低Q”)影響RF功率源需要如何接近共振腔頻率-“高Q”需要頻率非常接近，而“低Q”應(yīng)用對于RF功率源具有少量的彈性。如果需要特定應(yīng)用，可通過改變腔中的電感對腔的共振頻率進行調(diào)諧，從而改變共振頻率。共振頻率調(diào)諧在粒子加速器中分布電感應(yīng)用中是各種的。
盡管在本發(fā)明中沒有作出限定，對于幾乎所有各種介電加熱應(yīng)用，d1在15厘米至1.5米之間，d2在10厘米至60厘米之間。
利用與施加器裝置共振的分布電感形成共振腔。施加器裝置的電容是由被加熱的材料性能、施加器裝置的底部和材料頂部之間的空氣間隙以及施加器裝置的尺寸/形狀/組成決定的。在共振腔中的相應(yīng)電感是由RF饋線的電感與總的分布電感結(jié)合形成的。盡管在該申請中選擇的分布電感結(jié)構(gòu)(包括圖中所示的可選的圓形邊緣)表示通常用于所有介電加熱過程中的最常規(guī)和標準的分布電感形狀；本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可開發(fā)不同的能夠獲得相同的電感的形狀。例如，在詳細描述的申請人的最初設(shè)計中，它們的分布電感等于0.03微亨利。所需的分布電感通常取決于材料性能、施加器裝置的尺寸/形狀以及操作頻率。盡管在本發(fā)明中沒有進行限定，但是常規(guī)介電加熱應(yīng)用所用的分布電感將低于1.0微亨利并且所示的形狀為優(yōu)選的形狀，但也可采用其它各種形狀，只要能夠產(chǎn)生大小適合的電感即可。
如圖1中示意性示出的，本發(fā)明的加熱器或干燥器尤其適合于利用高功率電場對材料進行RF(射頻)加熱。本發(fā)明干燥器或加熱器的一個實施例由接地的、導(dǎo)電的金屬箱結(jié)構(gòu)1形成，所述箱結(jié)構(gòu)1具有頂部或頂板2、兩個壁4和箱底8(最好都用鋁制成)，所述頂部或頂板2、兩個壁4和箱底8限定中空管1(在大多數(shù)情況下具有開口端16和18)。在所示出的布置中，在端部開口的箱1中有導(dǎo)電的金屬傳送帶40，所述金屬傳送帶40經(jīng)過導(dǎo)電金屬基底6隔板(最好也是用鋁制成的)。皮帶傳動裝置42驅(qū)動傳送帶40，并且可如圖所示的將其布置于箱1中，或者皮帶可延伸到箱1開口端之外并且可將傳動裝置42布置于箱1的外部。
經(jīng)由RF施加器裝置10下面的移動皮帶40連續(xù)運送待介電加熱的材料60，然而本發(fā)明不局限于連續(xù)的RF應(yīng)用；在由本領(lǐng)域普通技術(shù)人員進行合適變型的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還可用于批加熱和干燥。腔室的幾何形狀不限于所示出的形狀；可根據(jù)具體應(yīng)用的要求進行尺寸、形狀或取向上的改變。
圖1中所示實施例中的RF施加器裝置10通過一對分布電感(導(dǎo)電式連接器)部分I與接地的金屬箱結(jié)構(gòu)1連接，每個分布電感部分I都由三個部分12、13和14構(gòu)成(最好都由鋁或其它高導(dǎo)電性材料制成)。這三個部分的結(jié)合為該系統(tǒng)提供了“分布電感”。一個“分布電感”部分I被布置于施加器裝置10的每側(cè)上，也就是說，每一個“分布電感”部分I與施加器裝置10的每個橫向邊緣11鄰接。在所示的布置中，第一部分14的深度為d1并且從施加器裝置10處向上延伸，第二部分13基本上垂直于第一部分14并具有寬度d2，所述寬度d2橫跨到相鄰壁4之間的距離，以及第三部分12與其相應(yīng)的相鄰壁4平行并與之相接觸。
應(yīng)該注意的是，導(dǎo)電回路從RF功率輸入通過饋線52(下面將描述)、分布電感部分I、在一些實施例中可能經(jīng)施加器裝置10(這取決于具體應(yīng)用所需的耦合程度)(在該特別實施例中未示出)并且回到箱1，即回到相鄰側(cè)壁4。所設(shè)計的該回路能夠產(chǎn)生磁場，該磁場在施加器裝置10上感生RF電壓，RF電壓產(chǎn)生了能夠?qū)Σ牧?0進行加熱的電場。在所示布置中，饋線與分布電感I連接；它們還與施加器裝置10直接相連。
本發(fā)明不取決于任何建立磁場并且利用磁場在施加器裝置10上感生電壓的具體細節(jié)。上述系統(tǒng)是優(yōu)選的。在粒子加速器中所用的另一種已知的系統(tǒng)，實際上在粒子加速器中最常用的系統(tǒng)，具有形成“回路”的用于RF功率的饋線并且RF饋線端與地電位相連，例如箱1的側(cè)面。產(chǎn)生在該“回路”上的磁場與連接于施加器裝置上的分布電感部分的磁場耦合；該結(jié)構(gòu)在施加器裝置10上感生電壓。在所示的布置中，在施加器裝置的每一側(cè)處具有一個分布電感部分I?？墒褂玫姆植茧姼胁糠值臄?shù)量或多或少(或者具有不同形狀)，但是已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當僅使用兩個這樣的被設(shè)置在施加器裝置的每一個側(cè)上的分布電感時，可獲得更加均勻的電場分布。
電感部分I的精確尺寸和形狀對于本發(fā)明不是重要的；本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可設(shè)計各種形狀和尺寸的分布電感以達到用于所需任何特定共振頻率的所需電感。
利用被接收在它們各個壁4中的槽21中的多個螺栓20將部分12分別栓接在它們各個壁4上以如下面將描述的調(diào)節(jié)施加器裝置10的高度。
重要的是，分布電感部分I的電場產(chǎn)生側(cè)(在這種情況下為底部)的各部分都沒有違背如在1999年8月24日出版的本申請人較早的專利5,942,146中所披露的最小半徑法則(該專利所披露的內(nèi)容在這里作為參考)；即，電連接器在其外側(cè)表面上具有最小的曲率，曲率半徑至少為r以防止連接器擊穿，其中r是這樣限定的，r＞＝1/5{[(EBD)(D)/VMAX]-22}其中r和D用厘米表示VMAX用伏特表示EBD用伏特/厘米表示部分I的形狀最好是圖中所示的。利用在部分I中的不完整的Z字形改變共振腔頻率，因此d1和/或d2通常需要被補償。
如圖1中示意性示出的，通過擰松螺栓20并且根據(jù)需要將它們設(shè)置在壁4中的它們各自的槽21中接著將它們重新固定在調(diào)節(jié)位置中以如箭頭A所示調(diào)節(jié)RF施加器裝置10的高度。該高度調(diào)節(jié)系統(tǒng)使所有高度調(diào)節(jié)部件位于系統(tǒng)外和任何電場外。
分布電感部分I必須提供與接地壁4的連續(xù)連接以為將遇到的高環(huán)流確保強的電連接。
尺寸d1和d2是重要的并且影響共振腔頻率。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解如何選擇這些尺寸以限定共振腔頻率，但是分布電感不是影響共振腔頻率的唯一因素。施加器裝置的幾何形狀(主要是其寬度和長度)也影響共振腔頻率，在施加器裝置的底部和地之間的距離范圍，在施加器裝置和在電場中的材料60之間的空氣間隙的范圍、材料的介電常數(shù)的范圍、與RF施加器裝置相連的RF連接器的數(shù)量和電感。沒有決定共振腔設(shè)計的簡單公式或者法則一需要所有這些結(jié)合的因素的大量的計算機模擬和實驗室/場測試來達到所需的結(jié)果。
重要的是，部分12、13和14的連接足夠大和連續(xù)以處理高環(huán)流。
顯然，已知系統(tǒng)不可能適用于所有材料并且根據(jù)被加熱的材料的介電性能和電路的Q的變化，已知系統(tǒng)可適用于“目前狀態(tài)”，需要電感調(diào)諧或者如果改變很大，那么可能必須完全重新設(shè)計。
圖2和圖3示出了另外一些RF施加器裝置和分布電感設(shè)計。如在1999年8月24日出版的本申請人較早的專利5,942,146中所披露的，在電場中的所有邊緣(諸如邊緣11)必須如圖中所示被切成圓角，并且具有足夠大的半徑r以確保所有局部的電場強度達到最小。在本發(fā)明人的實施中對于諸如食品的材料的快速RF加熱，最小的半徑r為5厘米。
如圖2中所示，分布電感是由部分12、13、14構(gòu)成的，部分12、13、14是由不連續(xù)的段構(gòu)成的，即部分13和14無需是連續(xù)的并且無需在施加器裝置10的整個長度上延伸。
縮短或者開槽以及其它非連續(xù)的特征可用于分布電感部分13和14上以在特定的應(yīng)用中對電場進行進一步整形。分布電感部分的縮短或者開槽以及其它非連續(xù)的特征是由試驗和誤差和/或計算機模擬確定的。
上述這些不同類型的分布電感布置用于對電場整形。圖2中所用的部分14不是象在圖1中的平面的，但是采用光滑曲線的形式以使施加器裝置10與部分13互聯(lián)。
圖3中所示的分布電感開有凹槽并且分布電感沒有延伸到施加器裝置的整個長度，這表示了能夠在電感耦合應(yīng)用中用于影響場整形的可能性。所有不同的分布電感形狀將影響環(huán)流的流動并且將最終對電場進行整形。如圖2和圖3中所示，撓性饋線52的數(shù)量和位置在電感耦合應(yīng)用中可根據(jù)需要改變。通常，最佳的電場整形是由施加器裝置10整形(下面將描述的)、撓性饋線52的數(shù)量和位置以及分布電感整形部分I的結(jié)合。
例如，為了在與圖1中類似的結(jié)構(gòu)中達到40.68MHz的共振頻率，對于施加器裝置的寬度為1.65米，施加器裝置的長度為3.8米、施加器裝置在底板上方的高度(即被加熱的材料的頂部之間的間隙加上材料的厚度)在7厘米至14厘米的范圍內(nèi)，材料60的高度在7厘米至14厘米的范圍內(nèi)，以及材料的最大介電常數(shù)為22并且最大損耗因數(shù)為0.41，所需的d1為65厘米，d2為17.5厘米。
饋線RF發(fā)生器54經(jīng)RF饋線50和52(通過饋通51)與施加器裝置10相連。根據(jù)RF產(chǎn)生技術(shù)的選擇，可在RF功率被供給到一個或者多個饋線50之前將RF發(fā)生器54供給到匹配網(wǎng)絡(luò)(未示出)中。已知施加器裝置10的可調(diào)節(jié)的高度，利用撓性饋線52將饋通51連接到RF施加器裝置10上。
為了實現(xiàn)本發(fā)明的目的(盡管沒有對其進行限定)，發(fā)明了獨特的饋線52以在饋通51和RF施加器裝置10之間延伸。該饋線52需要1.能夠處理高的RF電流(即，諸如鋁或者銅的高導(dǎo)電性金屬)；2.適用于環(huán)境(即，沒有腐蝕)；
3.撓性的(撓性大于大多數(shù)撓性的已知同軸電纜)；以及4.暴露在電場下以具有高電場所能夠接受的最小半徑，如在1999年8月24日出版的本申請人較早的專利5,942,146中所披露的；所有邊緣必須被切成圓角，并且具有足夠大的半徑r以確保所有局部的電場強度達到最小。
如圖4中的橫截面中所示，可用作下面所述的連接器52的饋線或者連接器200具有中空內(nèi)部202并且是由在圖5中的附圖標記204所示的材料制成的，其被彎成圓形或者如圖中所示被彎成橢圓形。工業(yè)上通常將整個部件204稱為“編織(Braid)”。
利用已知技術(shù)將金屬絲210編織在一起以形成所需形狀的編織連接器204，所需形狀例如為中空的圓柱體并且具有橢圓形橫截面，即，各個金屬絲210(通常是在3至10個金屬絲之間的成組或者成束208，通常5個金屬絲為一束)被相互編織(或者織造)在一起以形成撓性的并且相對于RF是導(dǎo)電的自支撐的、中空管或者編織物。
重要的是，連接器200的表面的最小半徑遵守上述適用于最小半徑r的法則。對于大多數(shù)應(yīng)用，連接器安裝在沿著基本上垂直于施加器裝置10的移動方向的平面取向的連接器的主軸206的適當位置上，但是在一些應(yīng)用中，連接器可在縱向上被有限壓縮以適合施加器裝置的移動。
通過將不連續(xù)的導(dǎo)體210的束208編織在一起形成編織204以使沒有單個金屬絲可從表面伸出并且形成天線，這可能會導(dǎo)致?lián)舸﹩栴}。每一束208包括以并排的方式設(shè)置的多個不連續(xù)的金屬絲以形成帶狀的基本上處于平面的束208。這些束或者帶編織在一起形成經(jīng)編和緯編帶以形成織物204。
編織204中的金屬絲相互之間必須是緊密結(jié)合的以使它們相對于RF以實體形式出現(xiàn)。編織金屬絲完全被編織成圓柱體并且在與施加器裝置(在其被拉伸/壓縮之前)相連之前處于其固定的自支撐狀態(tài)，所具有的編織表面被很緊密地編織以使其表面上具有大約70％的可見金屬絲和30％的空氣。圖5示出了大約40％的表面金屬絲。
編織204的表面應(yīng)該被制成這樣的方式，即，在表面上具有至少20％的可見金屬絲和小于80％的空氣。顯然，空氣和金屬絲區(qū)域在編織204的表面上應(yīng)該是對稱均勻設(shè)置的。
金屬絲的束或者帶208(在該情況下由5個單獨的金屬絲210構(gòu)成的)被互相編織在一起以形成撓性好于常規(guī)同軸電纜的自支撐金屬絲的空心筒體。
例如(以及如圖4和圖5中所示)，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，用于形成束或者帶208的由五個導(dǎo)體直徑為0.035英寸的金屬絲(或者類似的)構(gòu)成的鋁編織物符合上述對撓性RF饋線52的獨特要求。
如圖1中所示，施加器裝置10可是空心的(用附圖標記100表示)并且設(shè)有穿過RF施加器裝置10的底部102(面對負載60的底部102)的多個間隔的鉆孔30(最好以一種圖案均勻間隔的)以使熱空氣可吹入到施加器裝置10的中空內(nèi)部100并且通過鉆孔30排出吹到被介電加熱的材料60的頂表面上?？墒褂弥T如撓性導(dǎo)管(未示出)的任何用于將熱空氣輸送到內(nèi)部100的適合系統(tǒng)。如果熱空氣有助于該工藝，在所有情況下，在材料60中產(chǎn)生的50％以上的熱量將利用RF介電加熱被輸送，少量的熱量是利用熱空氣被輸送的。
撓性導(dǎo)管(未示出)必須是不導(dǎo)電的并且必須能夠承受高達350℃的高溫以能夠用于食品加熱應(yīng)用中。
為了在整個施加器裝置上保持近似恒定的電場，施加器裝置底表面102應(yīng)該被整形。圖1中的施加器裝置底表面不是平的但呈扁平的V字形。圖2和圖3中示出了施加器裝置底表面的其它實施例。在所有情況下，施加器裝置10的中心縱向部分與負載之間的間距大于與邊緣11之間的距離以使電場的均勻性達到最佳。
在這些使用電感耦合的應(yīng)用中，電場需要在邊緣處被增大以使整個電場均勻。為此，底表面的中心部分30是凹陷的并且與產(chǎn)品60的表面之間的距離大于與邊緣部分302之間的距離。
示例1(減小RF電壓)在設(shè)計目前的食品烘烤系統(tǒng)中，申請人的模擬模型顯示，如果以申請人應(yīng)用所需的高RF功率直接耦合，在饋線上的RF電壓超過200kV。利用電感耦合，申請人能夠?qū)伨€上的RF電壓減小到大約10kV。這些模擬結(jié)果在實驗室規(guī)模的實驗中已經(jīng)得到證實。
示例2(最佳的隨時間變化的場均勻性)在設(shè)計目前的食品烘烤系統(tǒng)中，申請人的模擬模型最初顯示，當首先提出帶有平底表面的施加器裝置時電場均勻性不理想。在該特別提出的施加器裝置形狀的情況下，在被烘烤的材料的中心處出現(xiàn)較高的加熱，而材料的邊緣卻烘烤不足。對于這樣的產(chǎn)品非均勻性，該烘烤方法在商業(yè)上是不適用的。申請人選擇通過將單個RF饋線設(shè)置在施加器裝置的一個邊緣的中心，將分布電感連接到施加器裝置的僅兩個邊緣并且增大施加器裝置的兩邊的厚度以增大施加在這些位置下面的材料上的有效電場強度來對電場整形以使其更均勻。這些改進能夠使該方法適于商用。
盡管已經(jīng)對本發(fā)明進行了詳細描述，但是本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在不脫離由附屬的權(quán)利要求所限定的本發(fā)明保護范圍的基礎(chǔ)上進行改進。
權(quán)利要求
1.一種通過向共振腔中的材料施加射頻功率對所述材料進行加熱或者干燥的方法；改進包括通過產(chǎn)生磁場使射頻功率源與所述共振腔電感耦合，所述共振腔由與施加器裝置共振的分布電感和所述材料形成，并且產(chǎn)生磁場，所述磁場在所述施加器裝置上感生電壓，由此使得用于將射頻功率輸送到所述腔的所述饋線電壓小于利用直接耦合進行等效的射頻加熱所通常遇到的電壓。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述產(chǎn)生磁場包括利用所述分布電感以形成帶有饋線的導(dǎo)電回路并產(chǎn)生所述磁場。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述分布電感在所述腔內(nèi)對電場整形以提供施加在所述材料上的均勻電場強度。
4.一種通過向共振腔中的材料施加射頻功率對所述材料進行加熱或者干燥的裝置；改進包括射頻功率源與所述共振腔的電感耦合，所述共振腔是由與施加器裝置共振的分布電感和用于產(chǎn)生磁場的所述材料裝置形成的，所述磁場在所述施加器裝置上感生電壓，由此使得用于將射頻功率輸送到所述腔的所述饋線電壓小于利用直接耦合進行等效的射頻加熱所通常遇到的電壓。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，其特征在于，所述用于產(chǎn)生磁場的裝置包括由所述分布電感和所述至少一個饋線形成的導(dǎo)電回路。
6.如權(quán)利要求4或5所述的裝置，其特征在于，所述分布電感是這樣構(gòu)造的，即，以便在所述腔內(nèi)對電場整形以向所述材料提供均勻的電場強度。
7.一種射頻加熱系統(tǒng)，其包括接地的導(dǎo)電腔、在所述腔內(nèi)的施加器裝置、用于使所述施加器裝置與射頻功率源耦合的裝置、使所述施加器裝置與所述腔的相鄰側(cè)面相連的分布電感裝置、以及被調(diào)諧到特定射頻的所得到的共振腔。
8.如權(quán)利要求7所述的射頻加熱系統(tǒng)，其特征在于，所述腔包括接地的導(dǎo)電箱，所述導(dǎo)電箱具有一對相面對的側(cè)壁、底壁以及頂壁，所述施加器裝置相對于所述箱在所述側(cè)壁之間橫向延伸，并且所述分布電感裝置使所述施加器裝置與所述側(cè)壁上的靠近施加器裝置的部分連接。
9.如權(quán)利要求7或者8所述的射頻加熱系統(tǒng)，其特征在于，所述分布電感裝置包括一對分布電感部分，其中一個分布電感部分使所述施加器裝置的一側(cè)與其相鄰的腔壁相連，該對分布電感部分中的另一個使所述施加器裝置的遠離所述一側(cè)的另一側(cè)與其相鄰的腔壁相連。
10.如權(quán)利要求9所述的射頻加熱系統(tǒng)，其特征在于，所述每一個分布電感部分具有與所述施加器裝置的端部相連的第一部分以及使所述第一部分與連接于其相鄰的腔壁的第三部分相連的第二部分。
11.如權(quán)利要求7、8、9或者10所述的射頻加熱系統(tǒng)，其特征在于，所述施加器裝置是空心的并且具有使所述施加器裝置中的面對所述材料的表面與所述施加器裝置的中空內(nèi)部相連的用于熱空氣的孔。
12.如權(quán)利要求10所述的射頻加熱系統(tǒng)，其特征在于，所述施加器裝置是空心的并且具有使所述施加器裝置中的面對所述材料的表面與所述施加器裝置的中空內(nèi)部相連的用于熱空氣的孔。
13.一種用于輸送射頻功率的撓性饋線，所述饋線包括多個被編織在一起的金屬絲束，以形成一個中空的圓筒形編織連接器，所述連接器具有外表面，實體面積比由所述金屬絲形成的所述表面的面積大20％，所述表面中低于80％的開放區(qū)域是由空氣形成的，所述空氣和金屬絲區(qū)域在所述表面上是對稱均勻定位的。
14.如權(quán)利要求13所述的撓性饋線，其特征在于，每一個所述束包括并排設(shè)置的3個至10個金屬絲。
15.如權(quán)利要求13或14所述的撓性饋線，其特征在于，所述空心圓筒形編織連接器的截面為橢圓形。
全文摘要
一種通過將射頻(RF)功率供給到在共振腔中的材料上對所述材料進行加熱或者干燥的方法和設(shè)備；其中使RF功率源與共振腔電感耦合，共振腔由與施加器裝置和所述材料共振的分布電感形成，其中由饋線產(chǎn)生的磁場在所述施加器裝置上感生電壓，由此使得用于將射頻功率輸送到所述腔的所述饋線電壓小于利用直接耦合進行等效的射頻加熱所通常遇到的電壓。
文檔編號F26B3/34GK1452852SQ01815255
公開日2003年10月29日 申請日期2001年6月21日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月6日
發(fā)明者G·C·布拉克爾, T·A·埃尼格倫 申請人:熱流技術(shù)有限公司