專利名稱：用于多重共振結(jié)構(gòu)工藝和反應(yīng)室的方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般來說涉及物質(zhì)的加工或反應(yīng)。本發(fā)明尤其用于利用電磁能促進化學(xué)工 藝或反應(yīng)，例如大分子中化學(xué)鍵的斷裂，并聯(lián)系這種用途來加以描述，但其他用途也應(yīng)考慮 至IJ。這方面的一個實例是長烴鏈中分子鍵的斷裂，以便產(chǎn)生較短的鏈和較低重量的烴。例 如，該工藝可以將重稠油降解為較小的粘滯稠度，使其更容易通過管道來運輸。
背景技術(shù)：
石油基材料對于世界經(jīng)濟是不可或缺的，并且對于石油燃料和石油基產(chǎn)品的需求 越來越大。隨著需求增長，人們需要經(jīng)濟有效地提取石油基材料以滿足這種需求。因此有 利的是不僅能從地球中提取石油基材料，而且能回收利用消費品以重新獲取那些石油基材 料。據(jù)估計全球石油消費每天超過7000萬桶，并且仍在增長，因此需要足夠的石油供 應(yīng)。焦油砂、油砂和油頁巖包含大量的油；然而從這些材料中提取油既昂貴又費時。從油砂中抽取重油是很困難的。典型地，為了通過管道抽取，必須向這種油中加 入高達30%體積的溶劑或稀釋劑使其足夠稀薄。這使每桶油在當前的價格上增加了多達 15%的成本。因此，經(jīng)濟地斷裂某些分子鍵使石油粘性較小的能力可能對于從油砂中回收 有用的產(chǎn)品具有重大影響。另一個變得日益重要的問題是有毒廢料的處置。通常使廢料無 害需要斷裂廢料中的化學(xué)鍵，然后可能要添加其他物質(zhì)以形成新鍵。在現(xiàn)有技術(shù)中，已知一種工藝或反應(yīng)容積可以在共振電磁結(jié)構(gòu)中用與之耦合的電 磁發(fā)生器激發(fā)。該結(jié)構(gòu)通常為多模態(tài)(即多空間模式)。微波爐是這種裝置的一個實例。共振結(jié)構(gòu)也可以是單模結(jié)構(gòu)，其中單一頻率在單一空間模式中是共振的。單模共 振結(jié)構(gòu)比多模共振結(jié)構(gòu)小，也不能處理那么多的功率輸入。在許多應(yīng)用中，人們希望的是在 工藝或反應(yīng)容積中產(chǎn)生等離子體，而在單模共振結(jié)構(gòu)中更容易建立穩(wěn)定的等離子體并保持 與發(fā)生器及其傳遞系統(tǒng)的匹配。還已知的是反應(yīng)或工藝容積可以在與多個電磁發(fā)生器耦合的多重共振結(jié)構(gòu)中激 發(fā)。例如，美國專利No. 7，227，097描述了一種系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用了與共同的多共振結(jié)構(gòu)相 耦合的倍數(shù)發(fā)生器，在共同的共振腔中產(chǎn)生一等離子體。這種構(gòu)造具有的優(yōu)點是允許更多 的輸入功率，但這種多模腔對等離子體波動更為敏感。在這種構(gòu)造中匹配和保持電磁發(fā)生 器以及它們各自的傳遞系統(tǒng)也很困難。在等離子體不穩(wěn)定期間還存在不同發(fā)生器的更多耦
合O將倍數(shù)發(fā)生器投入單模共振結(jié)構(gòu)也是有可能的，但在單模構(gòu)造中，每個發(fā)生器需 要有相同的頻率和相位，并且該共振結(jié)構(gòu)會限制適用功率的大小。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提供一種系統(tǒng)，即一種用多電磁發(fā)生器處理工藝或反應(yīng)容積的方法和裝 置。這是通過將幾個電磁發(fā)生器的輸出功率施加于各自的共振結(jié)構(gòu)上來完成，然后這幾個共振結(jié)構(gòu)與共同的工藝或反應(yīng)容積耦合。本發(fā)明進一步提供將電磁發(fā)生器匹配和諧調(diào)到它 們各自的共振結(jié)構(gòu)，并且控制向各個共振結(jié)構(gòu)的功率輸出，以及控制具有相同共振頻率的 任意輸入端的相位。將這些不同的共振結(jié)構(gòu)排列好，使得反應(yīng)或工藝容積是每個共振結(jié)構(gòu) 的一部分。該反應(yīng)或工藝容積包含在反應(yīng)器的工藝或反應(yīng)室中，共振結(jié)構(gòu)及其各自的發(fā)生 器都連接到該反應(yīng)器。在該構(gòu)造中，發(fā)生器可以有不同的頻率和相位，還能匹配共同的工藝或反應(yīng)容積。 只有該工藝或反應(yīng)容積限制輸入功率。全部共振結(jié)構(gòu)與它們各自的發(fā)生器保持匹配，同時 全部都與共同的反應(yīng)體積同步耦合。以這種方式，通過使各個發(fā)生器與其自己的共振結(jié)構(gòu) 耦合，其中各個共振結(jié)構(gòu)反過來與共同的工藝或反應(yīng)容積耦合，該體系兼具了多重輸入和 穩(wěn)定性增加的優(yōu)勢。
一方面，本發(fā)明采用電磁能斷裂分子鍵，由此將大分子分解為較小的組成部分。舉 例來說，本發(fā)明利用電磁能使重油變稀，以便它能夠更容易地通過管道來運輸。本發(fā)明的一 個特點是允許幾個電磁發(fā)生器應(yīng)用一個共同的反應(yīng)或工藝容積，在此各個發(fā)生器與其自身 的共振結(jié)構(gòu)耦合，從而允許較大的電磁場，而且各個共振結(jié)構(gòu)都與共同的工藝或反應(yīng)容積 耦合。除了該工藝或斷裂重油中的分子鍵(工業(yè)中稱為“裂解”)以外，本發(fā)明適用于需要 應(yīng)用電磁能的任意工藝或反應(yīng)。比如，這包括有毒廢料的分解，以及不必斷裂化學(xué)鍵，而只 是蝕刻表面、生產(chǎn)陶瓷或加熱容積的其他工藝。本發(fā)明的另一用途是精煉、分解、處置或使包括有毒廢料在內(nèi)的各種廢品無害。由 于輸入功率僅受限于工藝或反應(yīng)物質(zhì)本身，因此可以達到非常高的溫度，例如使甚至高能 量的鍵也能斷裂。另一種實施方式也應(yīng)考慮。根據(jù)應(yīng)用領(lǐng)域，共振結(jié)構(gòu)可以為單模態(tài)或多模態(tài)。不同 的發(fā)生器視需要可以有不同的頻率，并且如果某些或全部的發(fā)生器在相同頻率下運轉(zhuǎn)時， 可能需要不同的相位。這與該工藝或反應(yīng)容積的共振結(jié)構(gòu)的空間排列相結(jié)合，允許多重頻 率輸入該工藝或反應(yīng)容積，其與電場或磁場或兩者兼有相耦合，并且在該工藝或反應(yīng)容積 中任意方向建立旋轉(zhuǎn)電場或磁場。輸出水平可以是所需要的那樣低或高，以使具體的工藝 或反應(yīng)容易進行。此外，靜止的(DC)電場和/或磁場可施加于該工藝或反應(yīng)容積。雖然本發(fā)明可用于激發(fā)等離子體，它也可以與該工藝或反應(yīng)容積中的氣體、液體、 固體或多相結(jié)合體一起使用。在一種實施方式中，該工藝或反應(yīng)材料可懸浮在載體介質(zhì)中， 例如氣體或溶劑或催化劑。此外可使用添加劑來更有效地吸收電磁輻射。在另一種實施方式中，可排列共振結(jié)構(gòu)，并控制輸入和相位，使得這種排列在反應(yīng) 室內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電場或磁場。旋轉(zhuǎn)電場或磁場對一些工藝或反應(yīng)來說是有益的。用單電磁發(fā)生器在反應(yīng)體積內(nèi)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)電場的方法已經(jīng)在例如美國專利 No. 4，792，732中有教導(dǎo)。在這些現(xiàn)有技術(shù)中，電場垂直于反應(yīng)器的軸線。在本發(fā)明的一種 實施方式中，采用了多個電磁發(fā)生器，并且不同的共振結(jié)構(gòu)在空間和電學(xué)上排列，以產(chǎn)生相 對于該工藝或反應(yīng)器軸線任意方向的旋轉(zhuǎn)電場。在另一種實施方式中，多共振結(jié)構(gòu)可沿反 應(yīng)室串聯(lián)排列，以實現(xiàn)一連串的處理或完整的反應(yīng)步驟。這種串聯(lián)排列也可以并聯(lián)地應(yīng)用， 以增加反應(yīng)或工藝的生產(chǎn)量。在另一種實施方式中，本發(fā)明進一步利用額外的等離子體源。此外，可將一種或多 種催化劑或氣體注入或混合，以加強該工藝或反應(yīng)容積中發(fā)生的各種反應(yīng)。
在另一種實施方式中，本發(fā)明還可利用一種用于引發(fā)等離子體的裝置，其中氣體、 蒸汽或霧化液體存在于該工藝或反應(yīng)容積中。總的來說，本發(fā)明采用與多個共振結(jié)構(gòu)耦合的多個電磁發(fā)生器，該共振結(jié)構(gòu)反過來與反應(yīng)室耦合，使得反應(yīng)或工藝容積成為幾個共振結(jié)構(gòu)中每一個的共同負荷。這提供了 幾個優(yōu)點，包括1、功率容量不局限于單個發(fā)生器或其共振結(jié)構(gòu)的輸出能力。因為來自多個發(fā)生器 的功率在工藝或反應(yīng)容積中被加和，該體積成為限制功率的全部因素，該功率可以傳遞至 該工藝或反應(yīng)容積中的任意負荷。2、各個發(fā)生器與其自己的共振結(jié)構(gòu)匹配，并且各個發(fā)生器可以有相同或不同的頻率。3、不同的空間或相位排列可以使電場或磁場與該工藝或反應(yīng)容積耦合。4、旋轉(zhuǎn)電場或磁場可以在該工藝或反應(yīng)容積中以任意方向產(chǎn)生。5、多共振結(jié)構(gòu)能沿著工藝或反應(yīng)容積分布，用于連續(xù)的處理或反應(yīng)步驟。6、多套連續(xù)共振結(jié)構(gòu)能以并聯(lián)方式應(yīng)用，以增加工藝或反應(yīng)的生產(chǎn)量。7、單個的共振結(jié)構(gòu)減小了與相同工藝或反應(yīng)容積耦合的倍數(shù)發(fā)生器之間的相互 影響。8、在單模共振結(jié)構(gòu)的情況下，等離子體傾向于保持更穩(wěn)定，因為僅有一個共振空 間模式，不能激發(fā)各種高階模式。本發(fā)明允許單模運轉(zhuǎn)，而不因為存在以下因素限制可以適 用于單模的功率。如果僅一個單模共振結(jié)構(gòu)連接到倍數(shù)發(fā)生器上，它們必須都有相同的頻 率，并被鎖定到共同的相位。而且，總的輸入功率受限于該單共振結(jié)構(gòu)、應(yīng)用的功率和方法， 和/或功率傳遞系統(tǒng)。所有這些限制在本發(fā)明中均被除去。9、本發(fā)明的裝置還可以利用等離子源或攜帶氣體、催化劑或介質(zhì)進一步促進工藝 或反應(yīng)。


從以下詳細描述，結(jié)合附圖可看出本發(fā)明進一步的特點和優(yōu)點，其中相同的數(shù)字 代表相同部件，其中圖1是本發(fā)明的一種實施方式的示意圖，顯示與各自的發(fā)生器耦合的三個共振結(jié) 構(gòu)。圖2是一種為便于說明僅帶有一個發(fā)生器和共振結(jié)構(gòu)的簡單系統(tǒng)。圖3顯示了一種實施方式，帶有與相同的工藝或反應(yīng)容積耦合的兩個發(fā)生器和共 振結(jié)構(gòu)。圖4顯示了與相同工藝或反應(yīng)容積耦合的三個不同發(fā)生器和共振結(jié)構(gòu)。圖5(a)顯示波導(dǎo)管的正常標簽的示意圖。圖5(b)_5(d)顯示倍數(shù)發(fā)生器和共振 結(jié)構(gòu)的三種不同的排列。圖6說明了等離子源與耦合的共振結(jié)構(gòu)的結(jié)合，都激發(fā)相同的工藝或反應(yīng)容積。圖7顯示沿工藝或反應(yīng)容積連續(xù)排列的多套共振結(jié)構(gòu)。圖8為本發(fā)明的綜合系統(tǒng)的示意圖。
具體實施例方式圖1描述本發(fā)明典型的實施方式，其中三個共振結(jié)構(gòu)2A-C與各自的電磁發(fā)生器3A-C耦合，并且其中這三個共振結(jié)構(gòu)2A-C分擔相同的工藝或反應(yīng)容積1。這些發(fā)生器可有 相同的或不同的頻率。每個發(fā)生器通過傳遞通道，例如波導(dǎo)管4A-C，將功率傳遞到匹配的裝 置。匹配的裝置5A-C阻抗匹配各個發(fā)生器與其共振結(jié)構(gòu)。各個發(fā)生器結(jié)構(gòu)依次與相同的 工藝或反應(yīng)器耦合，工藝或反應(yīng)容積包含在內(nèi)。正如后面說明的一樣，部分匹配裝置是共振 結(jié)構(gòu)的一部分，也是工藝或反應(yīng)室或器的一部分，內(nèi)含的工藝或反應(yīng)容積包含在各個共振 結(jié)構(gòu)中，該發(fā)生器可以在相同或不同的頻率下運轉(zhuǎn)，并且在它們以相同頻率運轉(zhuǎn)的情況下， 該共振結(jié)構(gòu)可以就工藝或反應(yīng)室或器在空間和相位上排列，以在共同的工藝或反應(yīng)容積中 產(chǎn)生各種效果，例如旋轉(zhuǎn)電磁場。為了解釋的目的，我們首先說明單個發(fā)生器如何與共振結(jié)構(gòu)耦合。如圖2所示，電 磁發(fā)生器10是微波發(fā)生器，例如磁控管、速調(diào)管或回旋管，典型地在300MHz至300GHz的頻 率范圍內(nèi)運轉(zhuǎn)。來自這種裝置的功率可以是幾百瓦至100千瓦。這些裝置的傳遞方式典型 地為傳輸單一模式的波導(dǎo)管11。具體的例子是在2. 45GHZ的頻率下運轉(zhuǎn)的半導(dǎo)體加工等離 子源磁控管。這種動力源的波導(dǎo)管11典型地為矩形波導(dǎo)管，型號WR284，尺寸約7. 2x4. 3cm。 通常，較大尺寸的波導(dǎo)管用字母“a”表示，較小尺寸用“b”表示。在這種波導(dǎo)管中，通常用 TElO模式表示的最低階模式具有垂直于“a”尺寸的電場矢量。通常在所有的圖中，顯示的 為TElO模式，然而對于不同用途，也可使用其他高階模式。該源典型地通過循環(huán)器或隔離 器12防止背反射，反射回發(fā)生器的功率射向虛擬負荷22。波導(dǎo)管會通過匹配裝置14將功 率傳遞到具體設(shè)計的工藝或反應(yīng)器13，以使共振結(jié)構(gòu)15 (用虛線表示)和波導(dǎo)管傳遞系統(tǒng) 相匹配。應(yīng)該注意的是，共振結(jié)構(gòu)包括工藝或反應(yīng)容積16，工藝或反應(yīng)器13以及部分匹配 裝置14。這種調(diào)諧裝置的一個實例是混合調(diào)諧器，其允許調(diào)諧該結(jié)構(gòu)的共振頻率和輸入電 磁能的耦合系數(shù)?；旌险{(diào)諧器的部件在圖中示意性說明。當個別地調(diào)節(jié)滑動部件17、18時 (19,20)，內(nèi)部滑動部件17、18的調(diào)節(jié)可以調(diào)節(jié)該工藝或反應(yīng)器和體積的耦合系數(shù)；而當同 時調(diào)節(jié)它們時(21)，可以調(diào)節(jié)共振頻率。耦合系數(shù)是發(fā)生器與它的負荷匹配程度的量度。 可提供某種方式來調(diào)節(jié)滑動部件17和18，如箭頭19、20所示那樣單獨調(diào)節(jié)，或如箭頭21所 示那樣同時調(diào)節(jié)。如前所述，虛線箭頭15表示部分混合調(diào)諧器是共振結(jié)構(gòu)的一部分。還應(yīng) 注意的是，共振結(jié)構(gòu)包括部分匹配裝置，以及內(nèi)有該工藝或反應(yīng)容積的反應(yīng)器。該工藝或反 應(yīng)容積在一些情況下可通過例如石英管或陶瓷管來限制。注意圖2a和2b，2a中共振結(jié)構(gòu)具有“a”尺寸的波導(dǎo)管，且共振結(jié)構(gòu)垂直于工藝或 反應(yīng)器的軸，2b中具有垂直的“b”尺寸。根據(jù)不同的情況，不同方向產(chǎn)生輸入電磁輻射的E 或H場的更好耦合。在圖2b中，工藝或反應(yīng)容積相對波導(dǎo)管的“a”尺寸和共振結(jié)構(gòu)空間旋 轉(zhuǎn)90度?；旌险{(diào)諧器以外的裝置也可用于使發(fā)生器和共振結(jié)構(gòu)匹配。這種裝置的其他實例 為短截線調(diào)諧器、所謂的EH調(diào)諧器(其允許獨立地調(diào)節(jié)E和H場，像所謂的魔幻T 一樣)， 以及位于匹配裝置和工藝或反應(yīng)器之間的不同長度的波導(dǎo)管。這些匹配方式都是本領(lǐng)域技 術(shù)人員所熟知的。其他源或電磁能，例如包括低頻發(fā)生器或靜(DC)電場或靜磁場，可附加地與帶有 該工藝或反應(yīng)容積的工藝或反應(yīng)器耦合。
圖3顯示帶有兩個發(fā)生器30、31的實施方式。包含工藝或反應(yīng)容積34的工藝或 反應(yīng)器32是兩個共振結(jié)構(gòu)35、36共用的，工藝或反應(yīng)容積34在一些情況下包含在工藝或 反應(yīng)室33中(例如石英或陶瓷管)。如前所述，各種情況下的共振結(jié)構(gòu)是由共同的帶有所 含工藝的反應(yīng)器，或帶有所含工藝或反應(yīng)容積的反應(yīng)室，以及部分匹配裝置組成。該工藝或 反應(yīng)容積可與該工藝或反應(yīng)室壁接觸或不接觸。如前所述，工藝或反應(yīng)容積還可包含在一 些裝置中，例如工藝或反應(yīng)器內(nèi)部的流量管。被處理或反應(yīng)的物質(zhì)可以是靜止的，或者流動 通過該工藝或反應(yīng)容積。電磁發(fā)生器可以是例如，速調(diào)管或磁控管或其他電磁發(fā)生裝置。通常，相互作用的 體積越大，需要的頻率越低。在高于約300MHz的范圍內(nèi)，通常使用磁控管或速調(diào)管。每個 發(fā)生器都通過保護裝置37、38防止功率因從表面負荷反射而返流回源頭，像之前在單發(fā)生 器情況中說明的一樣。典型的裝置是循環(huán)器，其使反射能射向虛擬負荷39、40。如前，各個 發(fā)生器典型地通過波導(dǎo)管41、42連接到該負荷，且每個發(fā)生器與其負荷通過匹配裝置43、 44來匹配，如混合調(diào)諧器，可移動的部件能調(diào)節(jié)頻率和調(diào)節(jié)耦合系數(shù)。如前，虛線35、36表 示共振結(jié)構(gòu)包括帶有所含的工藝或反應(yīng)容積的工藝或反應(yīng)室，以及部分匹配裝置。如前，單 個的可移動的調(diào)諧部件可以如箭頭45、46、47、48所示個別地調(diào)節(jié)，或者如箭頭49、50所示 同時調(diào)節(jié)。兩個發(fā)生器的各自的傳遞系統(tǒng)與其各自的共振結(jié)構(gòu)耦合，該共振結(jié)構(gòu)可以是單模 態(tài)或多模態(tài)，雖然通常優(yōu)選的是單模態(tài)。在圖3所示的實施方式中，兩個發(fā)生器有不同的頻 率，fl和f2。因此，波導(dǎo)管為不同的尺寸，且調(diào) 諧器也相應(yīng)地不同。如果兩個發(fā)生器有相同 的頻率并且用90度相轉(zhuǎn)移鎖定相位，那么旋轉(zhuǎn)場將在該工藝或反應(yīng)器中產(chǎn)生。圖4顯示與相同的反應(yīng)器連接的三個發(fā)生器30、31a、31b。如前，各個發(fā)生器都通 過適當?shù)姆绞礁糸_，通過波導(dǎo)管與其各自的匹配裝置耦合，并且三個匹配裝置都與相同的 工藝或反應(yīng)器耦合，該工藝或反應(yīng)器包含工藝或反應(yīng)容積。如前，發(fā)生器可以是相同或不同 的頻率。如果三個發(fā)生器都有相同頻率，如同所示的那樣為120度空間隔離，并且如同所示 的那樣鎖定在相位120度電隔離，則該工藝或反應(yīng)器中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)場。如同所示，“a”尺寸的 波導(dǎo)管和匹配裝置垂直于該工藝或反應(yīng)容積軸。這將產(chǎn)生垂直于該工藝或反應(yīng)容積軸的旋 轉(zhuǎn)磁場。如果三個發(fā)生器和匹配裝置在空間旋轉(zhuǎn)90度，使得波導(dǎo)管的“b”軸和匹配裝置垂 直于該工藝或反應(yīng)容積軸，則旋轉(zhuǎn)電場在與該工藝或反應(yīng)容積軸垂直的平面中產(chǎn)生。如前 所述，如果發(fā)生器有不同的頻率，則不能產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)場，但來自所有三個發(fā)生器的功率仍在反 應(yīng)器中相加。圖5顯示多源的三種其他排列。圖5a示意地顯示波導(dǎo)管的“a”尺寸和“b”尺寸。 圖5b與圖3相似，不同的是圖5b的兩個發(fā)生器有相同的頻率，并以它們之間的90度電相 位轉(zhuǎn)移鎖定相位。這將產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)場。圖5c也顯示兩個發(fā)生器，但以不同的頻率與相同的工 藝或反應(yīng)容積耦合。在該情況下，波導(dǎo)管和匹配裝置被旋轉(zhuǎn)，使得波導(dǎo)管和匹配裝置的“b” 尺寸垂直于工藝或反應(yīng)容積軸，而不是如圖5b的“a”尺寸。圖5d顯示與相同工藝或反應(yīng) 容積耦合的不同頻率的三個發(fā)生器30、31a、31b。在該情況下，沒有旋轉(zhuǎn)場，并且所有三個 發(fā)生器的功率在共同的工藝或反應(yīng)容積中被相加。匹配裝置如前所述的那樣發(fā)揮作用。應(yīng) 注意，波導(dǎo)管和匹配裝置對于各個發(fā)生器會有不同的尺寸，因為頻率不同，頻率越低尺寸越 大。
這一相同的概念可以延伸到更多的源。一般來說，如果將相同頻率的N個源在空間和電相位上以360/N度排列，將會產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)場。如果多個共振結(jié)構(gòu)的平面傾斜于該工藝 或反應(yīng)容積軸，則旋轉(zhuǎn)場產(chǎn)生在那個平面。這種旋轉(zhuǎn)場對于某些工藝或反應(yīng)來說是有益的。本領(lǐng)域技術(shù)人員可根據(jù)以上說明得到發(fā)生器和共振結(jié)構(gòu)的其他排列。在一些情況下，人們可能希望將等離子體注入該工藝或反應(yīng)容積。這可以用例如 等離子體源等來完成。圖6顯示根據(jù)本發(fā)明排列的等離子體源60。待處理的或反應(yīng)的物質(zhì) 61可以是靜止的或流動的。在任意一種情況下，等離子體源可以注入該工藝或反應(yīng)容積。 而且，多重等離子體源可以耦合到反應(yīng)體積，以便促進該工藝或反應(yīng)速度。如果需要，可將 催化劑注入反應(yīng)容積來促進工藝或反應(yīng)。其他物質(zhì)，比如以水為例，可以被加入或與正處理 或反應(yīng)的物質(zhì)混合，以促進該工藝或反應(yīng)。例如，重油中添加水可改善混合物的加熱，以更 容易地達到高溫。已知水與微波輻射很好地耦合，因為水分子是極性性質(zhì)。圖6顯示了注 入的等離子體62 (典型地為高電離的氣體)以及與共同的工藝或反應(yīng)容器65耦合的共振 結(jié)構(gòu)63、64。不同的共振結(jié)構(gòu)可以串聯(lián)排列以達到更有效的處理或反應(yīng)。圖7說明了這種構(gòu)造 的一個實例。其他排列也應(yīng)考慮到。如上所述，頻率可以相同或不同，并且共振結(jié)構(gòu)可以定 向，以使更多的共振結(jié)構(gòu)與該工藝或反應(yīng)容積耦合，使電場、或磁場、或二者兼有與該工藝 或反應(yīng)容積耦合，或者在該工藝或反應(yīng)容積中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)場。而且，沿著延伸的工藝或反應(yīng)容 積可以產(chǎn)生共振腔的各種排列，以促進工藝或反應(yīng)步驟，或者將另一工藝或反應(yīng)步驟加入 正處理或相互反應(yīng)的該物質(zhì)中。在該圖中，將待處理的物質(zhì)70引入反應(yīng)器71，并按順序通 過單套耦合的共振腔處理，激發(fā)三個工藝或反應(yīng)容積72、73、74。第一對共振結(jié)構(gòu)75、76對 應(yīng)第一個反應(yīng)室72，具有與反應(yīng)器軸平行的“a”尺寸的波導(dǎo)管。如前所述，兩個發(fā)生器77、 78的頻率可以相同或不同。還如前所述，包括工藝或反應(yīng)容積的各個共振結(jié)構(gòu)與它的驅(qū)動 源相匹配。例如，這可以通過混合調(diào)諧器14來完成，如圖2所示。應(yīng)注意，整個鏈的發(fā)生器、 循環(huán)器、虛擬負荷、波導(dǎo)管以及匹配裝置在圖7中是僅通過一個發(fā)生器及其與共振結(jié)構(gòu)相 連的一條線來表示。如前所述，如果頻率相等且為90度電異相，則在共享的工藝或反應(yīng)容 積72中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)場。第二套共振結(jié)構(gòu)79、80、81與第二工藝或反應(yīng)容積73耦合。這種情況 下的三個發(fā)生器82、83、84可以是相同或不同頻率。這三個共振結(jié)構(gòu)還應(yīng)排列，使得“a”尺 寸平行于反應(yīng)器軸。第三套共振腔85、86被排列，使得共振腔的“b”軸平行于反應(yīng)容積74。 兩個發(fā)生器87、88可有相同或不同的頻率。如果它們相同并為90度電異相，則在工藝或反 應(yīng)容積74中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)場。來自連續(xù)的工藝或反應(yīng)步驟的輸出如89所示。如前所述，為了 簡化，整個鏈的發(fā)生器、循環(huán)器、波導(dǎo)管和匹配裝置將與工藝或反應(yīng)容積耦合，如圖7所示。 為了簡化，在每個例子中僅顯示了發(fā)生器和部分共振結(jié)構(gòu)。當然，很明顯的是，本發(fā)明的平 行排列也是可能的。尤其有意義的應(yīng)用是使大分子中的化學(xué)鍵斷裂的工藝。例如，這方面的一個應(yīng)用 是使長烴鏈中分子鍵斷裂，以便生成簡單的烴類。例如，該工藝可以將重稠油減為較小的粘 滯稠度，以便它更容易通過管道抽出，不需要添加或花費溶劑或稀釋劑，溶劑或稀釋劑會為 一桶油增加巨大的成本。因此，本發(fā)明的這種系統(tǒng)斷裂某些分子鍵，并使石油稠度較小的能 力將對石油工業(yè)具有巨大影響。本發(fā)明的另一個重要用途是精煉、分解、處置、或使包括有毒廢料在內(nèi)的各種廢品無害中的應(yīng)用。因為輸出功率僅受限于工藝或反應(yīng)物質(zhì)本身，可以達到非常高的溫度，使甚 至高能鍵都能斷裂。圖8顯示了本發(fā)明提議的一種典型安裝，該工藝是用于分解輸入材料90，例如可 能是重油。在該工藝中，一些長烴鏈在反應(yīng)器91中可分解為較短的鏈。顯示出了各種發(fā)生 器92、匹配裝置93、以及監(jiān)測器94。如前所述，各種等離子源95、催化劑96、和其他物質(zhì)97 也可如本領(lǐng)域常見的那樣用于本發(fā)明?？刂葡到y(tǒng)98控制整個過程。原料產(chǎn)品分析儀99為 工藝控制提供輸入。分離器100從未處理或未反應(yīng)的輸入中分離終產(chǎn)品101，并將未處理的 產(chǎn)品返回到這一工藝的開始。輸入流量控制裝置102控制向該工藝的輸入量。
實施例為了說明本發(fā)明的原理，建立了一種原型系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括與單共振結(jié)構(gòu)耦合的 單微波發(fā)生器。將速調(diào)管用作微波源，共振結(jié)構(gòu)圍繞矩形波導(dǎo)管建立。將兩種不同的烴類 液體，SAE30機油和煤油用在兩種不同的實施例中。液體經(jīng)霧化進入共振結(jié)構(gòu)中，并利用火 花放電聯(lián)合注入微波引發(fā)等離子體。輸入功率800瓦，頻率5. 945GHz，無等離子體時，測得共振結(jié)構(gòu)的Q值為52，意味 著儲存功率為41千瓦。當引發(fā)等離子體時，Q值下降至5(儲存4千瓦)。共振結(jié)構(gòu)返回以 維持共振，使得所有功率被等離子體吸收。傳遞至等離子體的凈功率為800瓦的輸入功率。 腔內(nèi)Q值的下降是因為等離子體損失。流經(jīng)反應(yīng)室的液體設(shè)置在4升每小時。大量的氣體通過該單元放出，并且超過了 使用的Matheson氣體流量計的容量。該流量計具有每分鐘2升的容量。輸入液體的溫度 為室溫，22°C。液體的流出溫度為31°C。流出該單元的液體在外觀和粘度上有所變化。機油和煤油都明顯為深色。機油和 煤油都產(chǎn)生碳粒子，碳粒子在數(shù)日后沉淀下來。碳的存在無疑說明烴分子被分解，往往產(chǎn)生 元素碳。在碳粒子沉淀后，觀察到機油比處理之前色淺，并觀察到煤油回到它最初的顏色。冷卻后，液體明顯地更容易傾倒，說明粘度較小。雖然上述討論多集中于處理重油，但應(yīng)該認識到的是本發(fā)明可以用于使用電池能 處理或促進某些類型的化學(xué)反應(yīng)的任意工藝或反應(yīng)。本發(fā)明還用于其他涉及微波加熱的工 藝，比如制造陶瓷如碳化硅切割工具，半導(dǎo)體梨晶等。本文提出的實施方式和實施例是為了最好地說明本發(fā)明及其實際應(yīng)用，從而使本 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以實施和使用本發(fā)明。然而，以上說明和實施例僅提出作為解釋和 示例，并且前面提出的說明書并不是窮舉性的或者將本發(fā)明限制在公開的精確范圍。例如， 還可使用其他形式的發(fā)電器，傳送和調(diào)揩裝置，頻率以及其他常見的技術(shù)，比如可在工藝或 反應(yīng)室中與正處理或反應(yīng)的物質(zhì)一起使用載氣或溶劑或使用催化劑。然而在不背離本發(fā)明 精神和范圍的情況下，根據(jù)上述教導(dǎo)也可能做出其他修改或者變化。
權(quán)利要求
一種以電磁輻射激發(fā)一工藝或反應(yīng)介質(zhì)的裝置，包括一帶有工藝或反應(yīng)室的工藝或反應(yīng)器，用于包含一工藝或反應(yīng)容積；和多個電磁發(fā)生器，其中所述多個電磁發(fā)生器中每個都與多個共振結(jié)構(gòu)中的一個耦合，并且其中所述多個共振結(jié)構(gòu)中的每個都與所述工藝或反應(yīng)器耦合，使得所述工藝或反應(yīng)容積成為所述多個共振結(jié)構(gòu)中每個的共同負荷。
2.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述多個共振結(jié)構(gòu)為單模態(tài)或多模態(tài)。
3.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述多個電磁發(fā)生器的每個均為微波發(fā)生器或射頻 發(fā)生器。
4.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述多個電磁發(fā)生器的每個都通過傳遞通道與相應(yīng) 的共振結(jié)構(gòu)耦合，其中所述傳遞通道優(yōu)選地包括一波導(dǎo)管或同軸線。
5.如權(quán)利要求4所述的裝置，進一步包括一調(diào)諧裝置，用于個別地將所述多個共振結(jié) 構(gòu)中的每個調(diào)到所述共同的負荷，其中所述調(diào)諧裝置優(yōu)選地選自混合調(diào)諧器、短截線調(diào)諧 器、E-H調(diào)諧器、魔幻T和不同長度的波導(dǎo)管，或者其他合適的與共同負荷匹配的裝置。
6.如權(quán)利要求1所述的裝置，進一步包括一調(diào)諧和/或耦合裝置，用于個別地將所述 多個電磁發(fā)生器的每個都與其相應(yīng)的共振結(jié)構(gòu)匹配，其中所述調(diào)諧裝置優(yōu)選地為混合調(diào)諧器。
7.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述多個共振結(jié)構(gòu)在所述反應(yīng)室周圍定向排列。
8.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中N個共振結(jié)構(gòu)在一單一平面中被分隔為360°/N， 或在一單一平面中任意地排列。
9.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述多個電磁發(fā)生器是在相同或不同的頻率下運轉(zhuǎn)。
10.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述多個電磁發(fā)生器是在相同頻率不同相位下運 轉(zhuǎn)，其中所述電磁發(fā)生器中的兩個優(yōu)選地產(chǎn)生相位相隔90°的輻射。
11.如權(quán)利要求2所述的裝置，其中N個共振結(jié)構(gòu)對于所述工藝或反應(yīng)容積物理地排列 為相隔360° /N，并且在相同頻率下運轉(zhuǎn)的所述N個電磁發(fā)生器在相位上相隔360° /N，所 述裝置產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)電磁場。
12.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述多個電磁發(fā)生器中的至少一個產(chǎn)生一靜電場。
13.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述多個電磁發(fā)生器中的至少一個產(chǎn)生一靜磁場。
14.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述多個電磁發(fā)生器中的至少一個產(chǎn)生低頻輻射。
15.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述工藝或反應(yīng)容積包括氣體、液體、固體或多相
16.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述工藝或反應(yīng)介質(zhì)包括一等離子體。
17.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中用電磁輻射激發(fā)所述工藝或反應(yīng)介質(zhì)引發(fā)一等離 子體。
18.如權(quán)利要求1所述的裝置，進一步包括一等離子體源。
19.如權(quán)利要求1所述的裝置，進一步包括一進料，用于在所述工藝或反應(yīng)介質(zhì)中加入 催化劑以輔助吸收電磁能，其中所述反應(yīng)介質(zhì)優(yōu)選地包括水。
20.如權(quán)利要求1所述的裝置，進一步包括一用于改變所述多個電磁發(fā)生器中每個的 輸出功率的裝置。
21.如權(quán)利要求1所述的裝置，進一步包括一監(jiān)測裝置，用于監(jiān)測所述工藝或反應(yīng)介質(zhì)。
22.如權(quán)利要求1所述的裝置，進一步包括所述工藝或反應(yīng)介質(zhì)的入口和出口。
23.如權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述工藝或反應(yīng)介質(zhì)包括大分子，優(yōu)選地為原油。
24.一種以微波輻射激發(fā)一工藝或反應(yīng)介質(zhì)的裝置，包括一帶有工藝或反應(yīng)室的工藝或反應(yīng)器，包含一工藝或反應(yīng)容積；和多個微波發(fā)生器，其中所述多個微波發(fā)生器中每個都與多個共振結(jié)構(gòu)中的一個耦合， 并且其中所述多個共振結(jié)構(gòu)中的每個都與所述工藝或反應(yīng)器耦合，使得所述工藝或反應(yīng)容 積成為所述多個共振結(jié)構(gòu)中每個的共同負荷。
25.如權(quán)利要求24所述的裝置，其中所述多個共振結(jié)構(gòu)為單模態(tài)或多模態(tài)。
26.如權(quán)利要求24所述的裝置，其中所述多個微波發(fā)生器產(chǎn)生頻率介于300MHz與 300GHz之間的輻射。
27.如權(quán)利要求24所述的裝置，進一步包括一用于改變所述多個微波發(fā)生器中每個的 輸出功率的裝置。
28.如權(quán)利要求24所述的裝置，進一步包括一進料，用于在所述工藝或反應(yīng)介質(zhì)中加 入水以輔助吸收所述微波輻射。
29.—種以電磁輻射激發(fā)一工藝或反應(yīng)介質(zhì)的裝置，包括一帶有工藝或反應(yīng)室的工藝或反應(yīng)器，包含一工藝或反應(yīng)容積；和多個電磁發(fā)生器，其中所述多個電磁發(fā)生器中每個都與多個共振結(jié)構(gòu)中的一個耦合， 并且其中所述多個共振結(jié)構(gòu)中的每個都與所述工藝或反應(yīng)器耦合，使得所述工藝或反應(yīng)容 積成為所述多個共振結(jié)構(gòu)中每個的共同負荷，并且其中所述共振結(jié)構(gòu)被排列，使得所述工 藝或反應(yīng)容積中產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)電磁場。
30.如權(quán)利要求29所述的裝置，進一步包括一匹配調(diào)諧器，用于個別地使所述多個電 磁發(fā)生器中的每個與其相應(yīng)的共振結(jié)構(gòu)匹配，其中所述匹配調(diào)諧器優(yōu)選地選自混合調(diào)諧 器、短截線調(diào)諧器、EH調(diào)諧器、魔幻T和不同長度的波導(dǎo)管或其他合適的與共同負荷匹配的直ο
31.如權(quán)利要求29所述的裝置，其中所述多個電磁發(fā)生器的每個都通過一波導(dǎo)管或共 軸線與相應(yīng)的共振結(jié)構(gòu)耦合。
32.如權(quán)利要求29所述的裝置，其中N個共振結(jié)構(gòu)對于所述工藝或反應(yīng)容積物理地排 列為相隔360° /N，并且在相同頻率下運轉(zhuǎn)的所述N個電磁發(fā)生器在相位上相隔360° /N， 所述裝置產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)電磁場。
33.一種以電磁輻射激發(fā)一工藝或反應(yīng)介質(zhì)的裝置，包括一工藝容器，帶有連續(xù)的多個工藝或反應(yīng)室；每個反應(yīng)室包含一工藝或反應(yīng)容積，其中 多個共振結(jié)構(gòu)與所述多個工藝或反應(yīng)室中的每個耦合，所述共振結(jié)構(gòu)中的每個都包括相應(yīng) 的工藝或反應(yīng)容積，作為每個工藝或反應(yīng)室的共同負荷的一部分；并且其中所述多個共振 結(jié)構(gòu)中的每個都與一電磁發(fā)生器耦合。
34.如權(quán)利要求33所述的裝置，其中所述多個共振結(jié)構(gòu)為單模態(tài)或多模態(tài)。
35.如權(quán)利要求34所述的裝置，進一步包括用于在所述工藝或反應(yīng)室之間傳遞工藝或 反應(yīng)介質(zhì)的入口和出口。
36.一種用于處理烴介質(zhì)，優(yōu)選石油，以促進抽取該烴介質(zhì)的方法，包括用權(quán)利要求1 所述的裝置使所述烴介質(zhì)經(jīng)受電磁能。
37.如權(quán)利要求36所述的方法，包括將催化劑或水添加至所述烴介質(zhì)的步驟。
38.一種用于處理烴介質(zhì)，優(yōu)選石油，以促進抽取該烴介質(zhì)的方法，包括用權(quán)利要求29 所述的裝置使粘性介質(zhì)經(jīng)受電磁能。
39.如權(quán)利要求38所述的方法，包括將催化劑或水添加至所述烴介質(zhì)的步驟。
40.一種用于處理烴介質(zhì)，優(yōu)選石油，以促進抽取該烴介質(zhì)的方法，包括用權(quán)利要求33 所述的裝置使所述烴介質(zhì)經(jīng)受電磁能。
41.如權(quán)利要求40所述的方法，包括將催化劑或水添加至所述烴介質(zhì)的步驟。
42.一種用于處理有毒廢料以斷裂該廢料中分子的化學(xué)鍵的方法，包括用權(quán)利要求1 所述的裝置使所述有毒廢料經(jīng)受電磁能。
43.如權(quán)利要求42所述的方法，包括將水添加至所述有毒廢料的步驟。
44.一種用于處理有毒廢料以斷裂該廢料中分子的化學(xué)鍵的方法，包括用權(quán)利要求29 所述的裝置使所述有毒廢料經(jīng)受電磁能。
45.如權(quán)利要求44所述的方法，包括將水添加至所述有毒廢料的步驟。
46.一種用于處理有毒廢料以斷裂該廢料中分子的化學(xué)鍵的方法，包括用權(quán)利要求33 所述的裝置使所述有毒廢料經(jīng)受電磁能。
47.如權(quán)利要求46所述的方法，包括將水添加至所述有毒廢料的步驟。
48.一種用于處理反應(yīng)物以促進反應(yīng)的方法，包括用權(quán)利要求1所述的裝置使所述反 應(yīng)物經(jīng)受電磁能。
49.如權(quán)利要求48所述的方法，包括將催化劑或水添加至所述反應(yīng)物的步驟。
50.一種用于處理反應(yīng)物以促進反應(yīng)的方法，包括用權(quán)利要求29所述的裝置使所述反 應(yīng)物經(jīng)受電磁能。
51.如權(quán)利要求50所述的方法，包括將催化劑或水添加至所述反應(yīng)物的步驟。
52.一種用于處理反應(yīng)物以促進反應(yīng)的方法，包括用權(quán)利要求29所述的裝置使所述反 應(yīng)物經(jīng)受電磁能。
53.如權(quán)利要求52所述的方法，包括將催化劑或水添加至所述反應(yīng)物的步驟。
54.如權(quán)利要求52所述的方法，其中N個共振結(jié)構(gòu)對于所述工藝或反應(yīng)容積物理地排 列為相隔360° /N，并且在相同頻率下運轉(zhuǎn)的所述N個電磁發(fā)生器在相位上相隔360° /N， 所述裝置產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)電磁場。
55.如權(quán)利要求52所述的方法，其中N個共振結(jié)構(gòu)在一單一平面中任意排列。
56.一種用于加熱一容積以促進由氣體、液體、固體或多相結(jié)合組成的介質(zhì)的工藝或反 應(yīng)的方法，通過利用權(quán)利要求1所述的裝置使該介質(zhì)經(jīng)受電磁能，
57.如權(quán)利要求56所述的方法，其中N個共振結(jié)構(gòu)對于所述工藝或反應(yīng)容積物理地排 列為相隔360° /N，并且在相同頻率下運轉(zhuǎn)的所述N個電磁發(fā)生器在相位上相隔360° /N， 所述裝置產(chǎn)生一旋轉(zhuǎn)電磁場。
58.如權(quán)利要求56所述的方法，其中N個共振結(jié)構(gòu)在一單一平面中任意排列。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種方法和裝置，包括多個電磁共振結(jié)構(gòu)與一共同的工藝或反應(yīng)容積耦聯(lián)，以便保持各個結(jié)構(gòu)的共振，而該工藝或反應(yīng)容積為各個共振結(jié)構(gòu)的一部分。同時，各個共振結(jié)構(gòu)都與其各自的電磁發(fā)生器相匹配。這種系統(tǒng)使各個發(fā)生器及其傳遞系統(tǒng)以額定功率運作，加和了共同的程序或反應(yīng)體積中產(chǎn)生的所有功率。在本發(fā)明各種實施方式中，各種電磁發(fā)生器可以在相同或不同的頻率下運行。各種共振結(jié)構(gòu)可以是單模態(tài)或多模肽，或單模肽和多模態(tài)的混合。各種共振結(jié)構(gòu)可以在空間上排列，以便將幾個結(jié)構(gòu)與該工藝或反應(yīng)容積耦合。
文檔編號B01D17/06GK101801492SQ200880107808
公開日2010年8月11日 申請日期2008年9月22日 優(yōu)先權(quán)日2007年9月21日
發(fā)明者喬·邁克爾·亞伯勒, 柯克·麥克尼爾, 瓦西里·P·普魯?shù)禄?申請人:Rf沙米姆技術(shù)股份有限公司