Сверхвысокочастотное нагревательное устройство

Сверхвысокочастотное (СВЧ) нагревающее устройство для нагревания нагрузки(ок), содержащее резонатор (2) цилиндрической формы, заключенный в наружной стенке; при этом упомянутый резонатор имеет средство (10) облучения сверхвысокой частотой. Нагревающее устройство содержит: диэлектрическую структуру (8) стенки, выполненную внутри упомянутого резонатора между упомянутой наружной стенкой и упомянутой нагрузкой(ами); причем упомянутое средство облучения сверхвысокой частотой выполнено с возможностью генерирования СВЧ-поля, являющегося дугообразно-поверхностной гибридной модой, имеющей свойства Н-волны и Е-волны, внутри упомянутого резонатора для осуществления нагревания нагрузки(ок). Изобретение обеспечивает стабильную резонансную частоту для широкого разнообразия геометрий нагрузки при менее сложном и надежном устройстве. 6 н. и 20 з.п. ф-лы, 17 ил., 1 табл.

 

Настоящее изобретение относится к сверхвысокочастотному (СВЧ) нагревательному устройству, СВЧ-нагревательной системе и к способу согласно ограничительным частям независимых пунктов формулы изобретения.

Уровень техники

Резонаторы и аппликаторы для СВЧ-нагревания материалов обычно резонируют во время работы, и поэтому это обстоятельство обеспечивает возможность достижения высокого СВЧ-кпд. Обычные нагрузки резонатора/аппликатора имеют либо высокую диэлектрическую проницаемость, 10-80 для полярных жидкостей и компактных пищевых веществ, либо низкую диэлектрическую проницаемость, а также низкий коэффициент потерь и более крупный объем - как в режимах работы по высушиванию. В обоих случаях существует необходимость обеспечения многократного отражения и обратного отражения СВЧ-энергии в резонаторе/аппликаторе для достаточного кпд нагревания. При этом условия резонанса обусловливают ограничение полосы частот надлежащей функции.

Имеются три способа решения практической проблемы ограниченной полосы резонансной частоты:

- использование множественных частот в сравнительно крупном резонаторе. По меньшей мере один резонанс тогда будет иметь место на рабочей частоте такого генератора, как магнетрон. Этот тип резонатора легко использовать, но он имеет недостаток изменяющихся и довольно непредсказуемых температурных рельефов и СВЧ-кпд даже для ненамного разных нагрузок, в частности - если они небольшие;

- использование некоторых средств регулирования для резонансной частоты в одномодовом резонаторе/аппликаторе. Такие механические средства, как подвижные короткозамыкающие плунжеры, являются громоздкими, и для них необходим хороший гальванический контакт. Более практичным, но все же механическим, устройством является неконтактирующий отражатель согласно документу WO-01/62379;

- использование регулируемых генераторов частоты. Полупроводниковые генераторы низкой мощности, или дорогостоящие ЛБВ (лампы бегущей волны), могут быть целесообразными, но тогда появляется другая проблема: пределы выделенных полос для промышленной, научной и медицинской аппаратуры. Для рабочих частот вне этих полос требуются сложное экранирование и фильтрация.

Если изменения нужной частоты находятся в пределах, например, разрешенных 2400-2500 МГц, то упоминаемые выше системы третьего рода, предназначаемые для ограниченного диапазона геометрий нагрузки или диэлектрической проницаемости, могут действовать хорошо. Используемый ограниченный диапазон резонансной частоты поэтому должен быть по существу рассчитан для СВЧ-аппликатора. Также можно обеспечить отрицательную обратную связь аппликатора, плюс резонансную частоту нагрузки путем использования комбинации свойств аппликатора/резонатора и внутренней нагрузки. Но эти системы ограничены определенными и довольно узкими геометриями нагрузки и диэлектрическими свойствами, например - согласно документу US 5,834,744.

Сущность изобретения

Общая задача настоящего изобретения состоит в обеспечении СВЧ-нагревательного устройства, имеющего стабильную резонансную частоту для широкого разнообразия геометрий нагрузки и значений диэлектрической проницаемости; и также менее сложного, более надежного и менее дорогостоящего, чем в известном уровне техники, устройства.

Эта задача обеспечивается данным изобретением согласно независимым пунктам изобретения.

Предпочтительные осуществления изложены в зависимых пунктах формулы изобретения.

Настоящее изобретение относится к СВЧ-оболочке, которая может быть частично открытым или замкнутым резонансным аппликатором, имеющим диэлектрическую структуру между наружной стенкой и нагрузкой. Аппликатор в принципе является математически цилиндрическим, и это означает, что он имеет определенную продольную ось и постоянную площадь поперечного сечения (включая сечение диэлектрической структуры) по этой оси. Тип моды аппликатора по существу не имеет поля на продольной оси в центральной области аппликатора.

В типичных одномодовых резонансных аппликаторах резонансная частота снижается, когда вводится нагрузка; и если нагрузка не столь велика, чтобы значительно изменить структуру моды аппликатора, более высокая диэлектрическая проницаемость нагрузки снижает резонансную частоту. Устройство в соответствии с настоящим изобретением является по существу саморегулируемым с помощью моды определенного гибридного типа. Можно сказать, что мода состоит из Н-волны части (где началом отсчета будет ось) и Е-волны части, имеющей «собственную» более высокую резонансную частоту, и относительно усиливается при введении нагрузки в аппликатор, в результате чего компенсируется снижение резонансной частоты Е-волны.

Гибридная мода является модой НЕ-типа и имеет все шесть ортогональных электрических и магнитных составляющих поля. Эта мода может присутствовать в своем основном виде в круглом цилиндрическом волноводе или резонаторе с концентрическим диэлектриком по периметру или далее внутрь. Н-волна с первым индексом (вращательным, m) выше нуля обладает этим теоретическим известным свойством. Но в данном случае мода не должна иметь поля по продольной центральной оси, и поэтому низшим первым индексом будет 2. Эти аппликаторы могут быть довольно небольшими, но также возможны и аппликаторы с первыми индексами более 10, в результате чего обеспечивается очень широкая площадь наложения для нагрузок от доли мл до десятков литров по объему, при 2450 МГц. Аппликатор для небольших нагрузок может быть в основном замкнутым и иметь форму сектора с минимальным углом сектора 360 m/4; и в этих случаях целочисленный индекс более не требуется. Аппликатор для крупных нагрузок, например для трубчатых нагрузок, может быть круглым и разомкнутым на центральных участках оси, для введения нагрузки.

Краткое описание прилагаемых чертежей

Фиг.1 схематически показывает Н₄₁-волну.

Фиг.2 показывает поперечное сечение СВЧ-нагревательного устройства согласно первому предпочтительному осуществлению.

Фиг.3 поясняет вариант первого осуществления в виде изображения в перспективе.

Фиг.4 показывает изображение в перспективе альтернативного средства облучения сверхвысокой частотой, применимого для настоящего изобретения.

Фиг.5 - поперечное сечение устройства, показываемого на чертеже Фиг.4.

Фиг.6 - изображение в перспективе второго предпочтительного осуществления настоящего изобретения.

Фиг.7 - поперечное сечение второго предпочтительного осуществления.

Фиг.8 и 9 - поперечные сечения вариантов второго предпочтительного осуществления.

Фиг.10 - поперечное сечение изображаемых на Фиг.7 СВЧ-нагревательных устройств, скомпонованных вместе.

Фиг.11 и 12 - поперечные сечения разных альтернативных осуществлений настоящего изобретения.

Фиг.13 - поперечное сечение третьего предпочтительного осуществления настоящего изобретения.

Фиг.14 и 15 - поперечные сечения двух осуществлений настоящего изобретения: СВЧ-нагревательные устройства с крупными радиальными воздушными зазорами.

Фиг.16 - поперечное сечение четвертого предпочтительного осуществления настоящего изобретения.

Фиг.17 - блок-схему системы для использования СВЧ-нагревательного устройства в соответствии с настоящим изобретением.

Во всем описании одинаковые ссылочные обозначения указывают одинаковые элементы, выполняющие аналогичные или похожие функции.

Подробное описание предпочтительных осуществлений изобретения

В изобретении применяются некоторые свойства дугообразно-поверхностных мод. Эти моды могут присутствовать в цилиндрических резонаторах круглого или эллиптического сечений, и также некоторых многоугольных сечений. Но было обнаружено, что отклонения от ровных поверхностей, обусловленные краями на углах, в некоторых обстоятельствах могут быть неблагоприятными даже с более правильными 12-сторонними многоугольными поперечными сечениями.

Поэтому, поскольку эллиптические поперечные сечения дают преимущества только в некоторых определенных случаях, в данном изобретении рассматриваются в основном круглые поперечные сечения, и в частности - поперечные сечения, являющиеся круговым сектором. Более подробные описания некруглых наружных геометрий излагаются ниже.

В качестве первого пояснительного примера рассматривается Н₄₁-волна (Фиг.1). Она имеет 8 максимумов осевого магнитного поля (являющегося доминирующим направлением магнитного поля) вдоль кругового периметра полого волновода или резонатора. На чертеже это магнитное поле показано пунктиром, а электрическое поле (которое присутствует только в плоскости, перпендикулярной к оси) показано сплошными линиями.

Наполненный воздухом полый резонатор Н₄₁-волны резонирует на частоте 2450 МГц, когда имеет осевую длину в 100 мм и диаметр около 260 мм. Энергия большей частью сосредоточена на периметре, и ее можно охарактеризовать как две распространяющиеся по ней волны, в противоположных направлениях образующие стоячую волну.

Дугообразно-поверхностные моды могут присутствовать в ограничивающих геометриях, имеющих криволинейную наружную металлическую стенку. В простейшем случае круглых цилиндрических волноводов и резонаторов они ограничиваются осью, не имеющей поля. Поэтому в обычной системе осесимметричной моды первый индекс (изменение по окружности, определяемое в -направлении) является «высоким», и второй индекс (радиальное изменение, определяемое в -направлении) является «низким», и третий, осевой, индекс (определяемый в z-направлении) является произвольным.

Наиболее общим типом поляризации для дугообразно-поверхностных мод является Н-волна, т.е. z-направленное электрическое поле отсутствует. Обычно на искривленной металлической поверхности присутствует доминирующее z-направленное магнитное поле (и поэтому -направленный ток стенки). Первый индекс должен быть равен не менее 2.

Для Е-волн z-направленное магнитное поле отсутствует, и обычно доминирующее z-направленное электрическое поле отстоит на некотором расстоянии от искривленной стенки. Первый индекс также должен быть равен не менее 2.

Н-волны, как правило, менее эффективно связаны с диэлектрическими нагрузками, которые характеризуются наличием более крупной осевой (круговой, многоугольной или круглой цилиндрической) поверхностью, чем их «верхние» и «нижние» (постоянная z-плоскость) поверхности, т.к. их электрическое поле имеет только горизонтальное направление, и поэтому будет перпендикулярным к любой вертикальной поверхности нагрузки. Они также имеют более высокое полное сопротивление, чем полное сопротивление плоских волн свободного пространства, что опять же является причиной ухудшения связи с диэлектрическими нагрузками, имеющими присущее им более низкое полное сопротивление. Упрощенно говоря, Н-волны z-типа не имеют механизма первого порядка связи с нагрузками с доминирующими z-направленными размерами. Поэтому для надлежащей передачи энергии к нагрузке требуется более высокая добротность (значение Q), но это влечет за собой более узкую полосу частот резонанса, нужную для эффективного нагревания особо малых нагрузок.

Е-волны имеют z-направленные электрические поля и низкое полное сопротивление. Поэтому их связь с нагрузками значительно лучше, чем в изложенном выше случае. Но это также означает, что не очень небольшие нагрузки могут влиять на свойства системы в целом путем, например, создания очень значительного изменения резонансной частоты, которое компенсирует преимущество более низкого значения Q (и за счет этого - создавать более широкую полосу частот резонанса).

Подгруппой дугообразно-поверхностных мод являются такие дугообразно-поверхностные моды, которые ограничены диэлектрической структурой стенки в виде, например, пластин, плиток, или плоских, или искривленных листов.

Изобретение направлено на эту подгруппу дугообразно-поверхностных мод, т.е. на СВЧ-нагревательные устройства, имеющие замкнутый резонатор с диэлектрической структурой стенки, расположенной по существу между наружной стенкой резонатора и одной или многими нагрузками, нагреваемыми внутри резонатора.

Тогда в круглых (и также в эллиптических) цилиндрических геометриях будет обеспечена возможность применения диаметральных металлических боковых стенок в осевом направлении, чтобы создать 8 независимых резонаторов или волноводов. Наименьший такого рода резонатор в форме сектора составляет 45° и образуется разрезанными плоскостями при 0 и 45° от, например, 6-часового направления на Фиг.1. В этих случаях свойства поля (резонансная частота и др.) не изменяются.

Такой секторный волновод можно считать имеющим моду, которая становится затухающей к краю (на предыдущей оси). Поэтому нагрузка, находящаяся вблизи этой оконечности, будет нагреваться некоторого рода связью быстрозатухающей моды волновода. Поэтому очень важно, чтобы полное сопротивление поля радиальной идущей внутрь затухающей моды было бы высоким и индуктивным. Поскольку предполагается, что нагрузка имеет диэлектрическую проницаемость, значительно большую, чем у воздуха, поэтому волновая энергия, достигшая данной нагрузки, более не является затухающей.

Может происходить значительное поглощение - при том условии, что плотность энергии волны не понизилась «слишком сильно» в местоположении нагрузки. Но нагрузка, расположенная вблизи края, будет иметь очень плохую связь.

Очевидно, что за счет размещения меньшей нагрузки ближе к дугообразной части резонатора связь станет сильнее. На это обстоятельство также оказывает влияние местоположение нагрузки в угловом направлении, т.к. напряженность, в частности, магнитного поля изменяется с местоположением относительно местоположений СВЧ-облучателя или радиальной стенки.

Ниже даются определения и поляризации дугообразно-поверхностной моды.

Сверхвысокая частота может распространяться вдоль границы между двумя диэлектриками - при том условии, что одна из областей имеет некоторые потери (так называемая волна Зеннека). Волны также могут распространяться без потерь, вдоль не имеющей потерь диэлектрической пластины и ограничиваются ею (так называемый волновод диэлектрической пластины). Вариант этого распространения: диэлектрик имеет металлическое покрытие на одной стороне - как в случае с данным изобретением, и тогда моды будут поверхностными волнами волноводного распространения.

Распространение без потерь означает, что из системы не исходит излучения, во всех упоминаемых выше случаях - если вблизи поверхности нет возмущающего или поглощающего объекта.

Документ US 3,848,106 раскрывает устройство, которое использует поверхностные волны для СВЧ-нагревания. Типом моды является тип Е-волны, с распространением в направлении (z) в подающем волноводе Н₁₀-волны, по существу имеющим заполнение диэлектрической пластиной, выходящей в окружающую среду поперечной стороной (α-стороной). Следовательно, поле моды непосредственного вне диэлектрического заполнения не имеет z-направленного магнитного поля, а имеет электрические поля во всех направлениях. Мода, используемая в резонаторе согласно настоящему изобретению, является гибридной модой, определяемой здесь как мода, в которой электрические поля и магнитные поля присутствуют в z-направлении (являющемся продольным направлением резонатора). В гибридной моде присутствуют Н- и Е-волны и имеют радиально направленные магнитные поля. Пример: гибридная мода НЕ₃₁₁ имеет все 6 составляющих в резонаторе, имеющем осесимметричную диэлектрическую структуру.

Ниже приводятся теоретические доводы в отношении дугообразно-поверхностных мод в круглых волноводах и резонаторах.

Как и в любой цилиндрической полой металлической трубке произвольного поперечного сечения, в круглом волноводе могут присутствовать два определенных класса мод: Н- и Е-волны в z-направлении. Это означает, что одна из шести электрических и магнитных составляющих должна отсутствовать. То есть z-направленная электрическая и магнитная составляющие, соответственно.

Для данного изобретения самое главное в том, чтобы дугообразно-поверхностные Е-волны с теми же тремя индексами, что и Н-волны, имели более высокую резонансную частоту в одном и том же резонаторе (т.е. с известными диаметром и длиной).

Например, для Н₃/Е₃-волн коэффициент x'/x равен 4,42/6,38 в следующей формуле:

где f_R - резонансная частота, С_о - скорость света, mnρ - индексы моды, α - радиус резонатора и h - его высота.

Также важно, чтобы все Н- и Е-моды в круглых волноводах были ортогональными (кроме ряда Н_о и Е₁, которые, однако, не являются дугообразно-поверхностными модами). Поэтому они не могут связывать энергию друг с другом.

Если круглый волновод имеет концентрическое диэлектрическое заполнение (кольцевое по периметру или на некотором расстоянии от него, или в виде центрального стержня), то моды более не становятся Н- или Е-волнами по отношению к цилиндрической координате - за исключением осесимметричных полей (дугообразно-поверхностные моды ими не являются). Это было давно известно как теоретический курьез.

На Фиг.2 и 3 представлены принципиальные конструкции и свойства первого предпочтительного осуществления настоящего изобретения.

Нужно отметить, что при изменении опорного направления с продольного, в прямоугольной системе, на цилиндрическую систему, то прямоугольная Е_о-волна становится похожей на круглую Н_m1-волну. Даже если полностью круглые аппликаторы будут возможными, и если их конструирование и использование будут возможными, то меньшая геометрия может быть предпочтительной в целях нагревания небольших нагрузок. При этом не только можно будет получить меньший резонатор, но также будет легче исключить нежелательные моды.

Определенные распределения силы тока и напряженности поля на стенках плоского металлического осевого резонатора под некоторым углом с диэлектрической структурой стенки вдоль искривленной периферии сектора дают также и другие возможные преимущества.

Два варианта этого первого осуществления показаны на Фиг.2 и 3. Фиг.2 показывает поперечное сечение в плоскости ху аппликатора (или резонатора) в виде сектора величиной 120°, содержащего наружную стенку 2, боковые стенки 4, нагрузку 6, диэлектрическую структуру 8 стенки и средство 10 облучения сверхвысокой частотой; при этом диэлектрическая структура стенки содержит четыре плитки - плоские и диэлектрические.

Фиг.3 показывает изображение в перспективе аналогичного нагревательного устройства, но в этом случае - с наружной стенкой 2, имеющей диэлектрическое покрытие. Для обоих Фиг.2 и 3: толщина структуры диэлектрической стенки составляет около 7 мм, и она имеет типичную диэлектрическую проницаемость около 7,5. Нагрузки довольно крупные (30-40 см в диаметре), и радиус аппликатора составляет около 85 мм; высота - около 80 мм, и рабочая частота является полосой 2450 МГц промышленной, научной и медицинской радиослужбы.

Нужно отметить, что при использовании резонатора секторной формы требование наличия определенных углов сектора для обеспечения резонансов более не действует. Поэтому в этом случае имеет место континуум углов в зависимости от радиуса. Поскольку для целочисленных индексов, таких как 3 и 4, можно использовать аналитические формулы с функциями Бесселя целочисленного порядка, поэтому нужно выполнить упоминаемые выше непосредственные вычисления.

Также в диэлектрическом резонансном резонаторе (аппликаторе), имеющем дугообразное волноводное распространение, доминируют диаграммы поля, относящиеся к Н₃₁₁-волне. Эта волна не должна иметь z-направленную электрическую составляющую, но волна аппликатора ее имеет. Это можно проверить моделированием СВЧ, но другие составляющие Е₃₁₁-волны (xy-плоскость магнитных полей с верхним и нижним максимумами, и xy-плоскость электрических полей с максимумами на половинной высоте) «скрыты», поскольку Н₃₁₁-волна имеет те же составляющие. Причем мода резонатора является гибридной НЕ₃₁₁-модой, при которой напряженности поля резонатора Н-типа более высокие, чем напряженности Е-типа.

Ниже поясняется преимущество наличия по существу постоянной резонансной частоты.

Моделирование СВЧ показало, что резонансная частота упоминаемого выше аппликатора изменяется исключительно немного даже с очень большими изменениями нагрузки, например от значений менее 1 мл в небольшом сосуде до 50 мл в емкости - Фиг.2 и 3. Нагрузки являются полярными жидкостями с сильно изменяющимися диэлектрическими проницаемостями и коэффициентами потерь. Изменение частоты поэтому может быть небольшим: в пределах 1 МГц.

Был смоделирован резонатор согласно Фиг.6 и 7; результаты моделирования представлены в приводимой ниже Таблице.

Нагрузкой был цилиндр диаметром в 9 мм и высотой 15 мм (он не был стеклянным сосудом), установленный на расстоянии 2 мм между его верхом и потолком резонатора. Выступ антенны был очень небольшим, практически на одной плоскости со стенкой резонатора (и с отверстием в керамическом блоке).

Диэлектрическая проницаемость керамического материала составляла 7,5-j0,0125 по всему материалу; что соответствует глубине проницаемости, равной 4,2 м.

Диэлектрическая проницаемость нагрузки	Резонансная частота, МГц	Коэффициент связи	Значение QO	Примечание
Полая	2471	0,22 О	-	-
10-j2	2466	0,17 О	-	Низкие потери
25-j6	2467	0,13 О	-	Норма
78-j10	2465	0,16 U	-	Вода при 20оС
60-j2	2466	0,14 О	-	Вода при 100оС
О - сверхкритическая связь, U - докритическая связь

Ниже приводится описание разных аспектов средства облучения сверхвысокой частотой.

Функция гибридной НЕ-моды заключается в равновесии между ее являющимися Н-волной и Е-волной «частями», которое изменяется с нагрузкой. Диэлектрические нагрузки, имеющие значительный осевой размер, обычно имеют более сильную связь с Е-волнами, чем с Н-волнами, и компенсируют присущую тенденцию к более высокой резонансной частоте части, являющейся Е-волной.

Ввиду этого истолкования становится важным использование такого средства облучения сверхвысокой частотой, которое по сути не влияет на равновесие между взаимосвязями частей, являющихся Н-волнами и Е-волнами. Поэтому, если обеспечивается только Н-часть, то Е-часть может «свободно» адаптироваться к изменяемой нагрузке. Поэтому часть, являющаяся Е-волной, не имеет только одну составляющую - Н_z, и она становится предпочтительным вариантом. Эта составляющая поля является наиболее сильной на половинной высоте кругового периметра; присутствуют максимумы при 0, 60 и 120°. Поэтому осуществимым является вертикальное щелевое облучение сверхвысокой частотой, а дополняющее электрическое поле для получения вектора Пойнтинга является горизонтально-радиальным. Конфигурация средства облучения сверхвысокой частотой показана на Фиг.4: предусмотрен обычный волновод Н₁₀-волны у резонатора, с вертикальной щелью на конце.

Огибающая поля Hz в очень похожих обстоятельствах, на половине высоты резонатора, показана на Фиг.5. Диаграмма 12 поля в диэлектрической структуре стенки, обусловленная частью, являющейся Н₃₁-волной, изображена схематически.

Еще одна возможность заключается в возбуждении «осесимметричного» Hz-поля на 30°(где изменяется его знак; горизонтальное магнитное поле на половине высоты резонатора отсутствует) при помощи коаксиального зонда, с одновременным получением поля, согласующегося с горизонтально-радиальным направленным внутрь электрическим полем. Это показано на Фиг.2 и 3.

Даже если нужная функция меньшего изменения резонансной частоты с разными нагрузками в принципе происходит с тонкой и имеющей низкую диэлектрическую проницаемость диэлектрической вставкой в аппликаторе, то предпочтительное осуществление будет заключаться в том, чтобы используемый в диэлектрической структуре (или облицовке) стенки диэлектрический материал имел такую высокую диэлектрическую проницаемость, чтобы существенная часть энергии колебаний граничила с областью периметра. Единственная предпосылка для НЕ-моды состоит в том, чтобы диэлектрическая проницаемость (ε) была бы выше 1. Результатом этого будет широкое разнообразие комбинаций диэлектрической проницаемости и толщины диэлектрической структуры стенки. Например, если ε превышает 9, то (керамическая) облицовка становится довольно тонкой, что, возможно, обусловит проблемы допуска. По практическим причинам значения диэлектрической проницаемости предпочтительно находятся в пределах 4-12. Предел 6-9 представляется наиболее желательным, при этом с толщиной 8-6 мм.

Следует добавить, что толщина диэлектрической структуры стенки не относится к общепринятой теории обычных поверхностных волн волноводного распространения, для которой требуемая толщина не превышает

Один из моментов конструирования заключается в возможно трудной металлизации внешней поверхности керамического материала - по сравнению с обеспечением воздушного промежутка между ним и периметром резонатора. Согласно одному из осуществлений настоящего изобретения было определено, что расстояние 2-4 мм является осуществимым - в случаях, когда минимальное расстояние желательно для обеспечения очень небольшого аппликатора.

Описываемые выше аппликаторы имеют небольшое расстояние между плиткой и внешней металлической стенкой по следующим причинам: а) при этом можно устранить необходимость в металлизации, и б) на диаграмму поля моды значительное влияние не оказывается, т.е. остается мода Н_m;1-типа (со значением второго индекса не выше 1). В результате обеспечивается возможность получения удобного небольшого аппликатора. Аппликаторы с небольшим расстоянием между наружной стенкой и диэлектрической структурой стенки далее описываются со ссылкой на Фиг.6-10.

Увеличение расстояния между диэлектрической структурой стенки и наружной стенкой дает несколько преимуществ.

Одно преимущество в том, что устраняется необходимость выполнения отверстия в диэлектрической структуре стенки для средства облучения сверхвысокой частотой. Вследствие этого в свою очередь удешевляется изготовление устройства.

Еще одно преимущество заключается в том, что поле ближней зоны, генерируемое средством облучения сверхвысокой частотой, становится более симметричным.

Эти и другие преимущества поясняются ниже со ссылкой на Фиг.14 и 15.

При увеличении расстояния между диэлектрической структурой стенки и наружной стенкой по меньшей мере до 15 мм в этой области возникает вторая поверхностная волна волноводного распространения, и осевое магнитное поле моды изменяет знак в диэлектрической структуре стенки.

Тогда мода становится модой того же вида, что и основной (теперь - декартов/прямоугольный) тип Е-нулевой диэлектрической пластины. Если аппликатор является круговым цилиндрическим, то несколько стоячих (с целочисленной длиной волны) волн возникнут по окружности, с надлежащими размерами. Этот аппликатор будет при этом сохранять радиальный направленный внутрь (где расположена(ы) нагрузка(и)) индекс 1, но его, возможно, будет легче запитывать, если он будет очень крупным (свыше 300 мм или около этого, при 2455 МГц, соответствуя круговому индексу в 10 или более (если 10, то по периметру будет 20 максимумов стоячей волны). Одно из преимуществ заключается в том, что средство облучения сверхвысокой частотой не должно обязательно быть вблизи плиток; при этом в системах высокой мощности резко снижается возбуждение поля в ближней зоне, что приводит к риску образования электрической дуги или местного перегрева. Оказалось, что возможно использование большего расстояния (25 мм или более при 2450 МГц) между внутренней поверхностью наружной стенки и диэлектрической структурой стенки. При этом можно получить два разных типа поля в диэлектрической структуре; нужно отметить, что понятие моды более не относится ко всему резонатору, а только к диэлектрической структуре с волновой энергией, распространяющейся в направлении кругового резонатора (для создания моды резонатора) и в прямоугольной системе счисления. При этом преобладают два типа моды: Е_о-волна и Е₁-волна. В предыдущем случае в диэлектрической структуре полярность не изменяется, и в последнем случае полярность есть.

Обнаружилось, что получаемая таким образом мода резонатора будет иметь более низкий первый (круговой) индекс с полем керамики Е_о-волны, чем с полем керамики Е₁-волны - несмотря на то, что теперь радиальный индекс равен 2. Это означает, что в этом предпочтительном случае радиальная направленная затухающая волна будет более медленной, и нагрузка будет меньше влиять на поведение моды. Нагрузка находится ближе к внутренней поверхности диэлектрической стенки. Еще одно важное преимущество заключается в том, что средство облучения сверхвысокой частотой (между диэлектрической структурой и наружной стенкой) может теперь иметь такое выполнение, что незначительные поля в ближней зоне присутствуют на внутренней поверхности диэлектрической структуры в условиях обычной передачи значительной энергии (т.е. согласование полного сопротивления). В предпочтительном осуществлении средством обеспечения облучения сверхвысокой частотой является обычная четвертьволновая радиально направленная коаксиальная металлическая антенна.

Выполнение диэлектрической структуры на значительном радиальном расстоянии от наружной стенки резонатора позволит выполнение двойных антенных конструкций с фазовой задержкой, в результате чего по существу однонаправленная энергия будет идти внутри резонатора в круговом направлении. Существуют и применяются несколько типов таких антенн. Как правило, эти антенны легко конструировать и делать их меньшими с применением Е₁-волны, чем с Е_о-волной; и поскольку индекс круговой моды выше в предыдущем случае, то расстояние между минимумами, имеющими место по причине несовершенств системы, уменьшается, что является целесообразным обстоятельством.

Радиальный воздушный зазор между наружной стенкой и диэлектрической структурой составляет до половины длины свободного пространства; в предпочтительном осуществлении: 20-30 мм. Либо используется прямоугольная Е_о- или Е₁-волна в керамике; и обычно предпочтительной является Е_о-волна, и она обеспечивается, когда расстояние между наружной стенкой и диэлектрической структурой короткое.

Фиг.14 и 15 показывают два осуществления СВЧ-нагревающих устройств, имеющих крупные радиальные воздушные зазоры в соответствии с настоящим изобретением.

Фиг.14 показывает поперечное сечение круглого цилиндрического резонатора, содержащего наружную стенку 2, воздушный зазор 18 между наружной стенкой и диэлектрической структурой 8 стенки, заключающей в себе резонатор 6 для нагрузки. Средство 10 облучения сверхвысокой частотой выполнено в наружной стенке.

Фиг.15 показывает сечение имеющего форму сектора СВЧ-нагревающего устройства, которое помимо компонентов осуществления согласно Фиг.14 имеет две боковые стенки 4.

Поскольку рабочая резонансная частота является по существу постоянной, для нее можно установить соответствующими средствами надлежащее значение при производственной отладке. Обнаружено, что предпочтительно обеспечить небольшой радиальный металлический штырь 22 (Фиг.2) в том же местоположении, в котором находится точка осуществления облучения сверхвысокой частотой, но в следующем полуволновом положении поля (имеющем две полуволны согласно Фиг.2; то же относится и к Фиг.5 и 13). Металлический штырь обеспечивает регулировку с понижением около 50 МГц резонансной частоты в полосе 2450 МГц, без каких бы то ни было отрицательных последствий. Отверстие может иметь диаметр в 4 мм, и штырь будет меньше 2 мм.

Поскольку гибридная мода является нераспространяющейся радиально внутрь, к «оконечности оси», поэтому поля будут отсутствовать или поля будут очень слабыми. В частности, поскольку связь энергии с нагрузкой в основном происходит через горизонтальные магнитные поля, и они нулевые на половинной высоте, поэтому по сторонам радиального резонатора в этой области можно выполнить довольно крупные не возмущающие и неизлучающие отверстия.

Крупная нагрузка вблизи «оконечности оси» будет осуществлять довольно слабую связь (если таковая нужна) и будет изменять резонансную частоту ненамного. Но небольшая нагрузка в этом положении может осуществлять очень слабую связь. Если положение очень небольшой нагрузки изменить радиально в направлении наружу вдоль пунктирной линии 24, указываемой на Фиг.2, то связь будет сильнее, и кпд нагревания повысится. За счет этого диапазон размеров нагрузки и диэлектрических свойств будет даже более широким, чем в фиксированном положении нагрузки.

Практическим упрощением будет использование плоских плиток вместо искривленных плиток в значении 120° (или около того) (Фиг.3-5). Обнаружено, что осуществимым является вариант из четырех таких плиток согласно Фиг.2. Меньшее число будет искажать чувствительное равновесие между Н- и Е-волнами гибридной моды в резонаторе.

СВЧ-потери в керамических плитках неизбежны. Фактически именно они в конечном счете определяют, насколько эффективно можно нагревать небольшие нагрузки. Но эффективное нагревание очень небольших нагрузок трудно контролировать - по причине малой требуемой для них энергии. Ввиду «контролируемых» потерь в керамических плитках можно сказать, что они соединены электрически параллельно с нагрузкой и поэтому ограничивают «напряжение». Это приводит к максимальной интенсивности нагревания нагрузки, когда та поглощает столько же энергии, что и плитки (и также металлические стенки резонатора); и затем эта интенсивность снижается, а не остается постоянной, если поглощающая способность нагрузки еще более снижается.

Как и предполагается, типичная система входит в состояние сверхкритической связи для небольших нагрузок и в состояние докритической связи для крупных нагрузок. Связь, конечно, можно изменить таким образом, чтобы создалась сверхкритическая связь (и поэтому - максимальная эффективность) для соответствующей определенной нагрузки. Поэтому обеспечивается возможность прочего применения нелинейных свойств магнетронов - путем выбора фазы несовпадения (по длине обеспечивающего облучение волновода), в результате чего действие будет идти в (более эффективной) области стока с крупной нагрузкой, и в (низкоэффективной, но стабильной) тепловой области для небольших нагрузок. Согласно этому техническому решению можно повысить диапазон полезных нагрузок, а риск повреждения магнетрона с небольшой или полой нагрузкой можно значительно снизить (основная нагрузка керамических плиток и потери стенки резонатора также содействуют этому).

Второе предпочтительное осуществление изобретения включает в себя группу разных вариантов, которые направлены на достижение следующих целей:

1) обеспечение недорогостоящего небольшого аппликатора, например, только для жидких нагрузок в 1,0 мл; и простейшей возможной системы без подвижных деталей;

2) улучшение диэлектрических свойств, и самонагревающая проверка керамических плиток с минимальной станочной обработкой.

Согласно первому предпочтительному осуществлению в резонаторе создается доминирующая мода, затухающая радиально в направлении внутрь в сторону оси круглого или секторной формы резонатора в наполненной воздухом области, либо очень небольшой или по меньшей мере трапециевидной (предпочтительно треугольной), в результате чего резонансы, определяемые самой нагрузкой, и это рабочее пространство уменьшаются.

Можно применить и другие способы оптимизации в направлении еще меньшей разницы резонансной частоты для разных диэлектрических проницаемостей нагрузки, например - отклонения в виде «выпуклостей» по отношению к прямым плоским сторонам из керамических пластин.

Фиг.6-9 показывают разные варианты второго предпочтительного осуществления. Треугольный аппликатор, как на Фиг.7, в основном является лишь измененной конструкцией секторной формы для резонанса в основном гибридной дугообразно-поверхностной моды НЕ-типа. Было обнаружено, что плоская, а не дугообразная, керамика не дает таких хороших результатов по постоянности частоты для разных нагрузок, но результаты могут быть достаточными, если применяются ограничения геометрии или объема нагрузки.

При выполнении воздушного промежутка трапециевидной формы (Фиг.8) путем усечения треугольного резонатора третьей боковой стенкой 4': два резонанса совпадают, что не столь благоприятно, но этот вариант можно усовершенствовать за счет включения второй диэлектрической структуры 8' стенки вдоль третьей боковой стенки, которая по существу стабилизирует поле. В результате этого обеспечивается более компактный резонатор.

Имеется возможность компенсирования недугообразной керамической плитки в аппликаторе из единичной или множественных плиток за счет выполнения его поперечного сечения (горизонтального, если считать, что ось аппликатора является вертикальной) с непараллельными сторонами. По практическим производственным причинам одна сторона должна оставаться плоской. Это показано на Фиг.9. Преимущества тогда состоят в том, что поведение становится более подобным поведению с действительно дугообразной плиткой (Фиг.2), т.е. повысится постоянство частоты по отношению к изменяющимся нагрузкам.

Общая геометрия второго предпочтительного осуществления: цилиндр с треугольным поперечным сечением, содержащий диэлектрическую структуру стенки, имеющую прямоугольное поперечное сечение основания. Резонатор запитывается небольшой, центральной коаксиальной антенной. Резонансная частота адаптируется до приблизительного значения 2455 МГц (ввиду неточно известной диэлектрической проницаемости керамики) путем изменения общей высоты. По этой причине первоначальная высота должна быть больше предполагаемой для резонанса с частотой 2455 МГц, и поэтому ее можно легко изменить.

Форма показана на Фиг.6 и 7. Треугольник над керамикой имеет основание в 80 мм и высоту 54 мм. Высота вертикального цилиндра для резонанса около 2455 МГц составляет около 61 мм, но первоначальная высота должна составлять 80 мм. Керамический блок имеет горизонтальные стороны 80 мм и 10 мм (= толщина) и проходит полностью в вертикальном направлении.

Между керамическим блоком и параллельной стенкой резонатора позади имеется 2-миллиметровый воздушный зазор 18. Поэтому резонатор без керамики представляет собой треугольник плюс прямоугольная часть. Размеры последней 80 × 12 мм, горизонтально.

На половинной высоте расположено центрированное коаксиальное средство облучения сверхвысокой частотой с соответствующим отверстием в керамике. Диаметр отверстия 8 мм.

Над нагрузкой расположена металлическая трубка 20 (= резонансный контур) с внутренним диаметром 13 мм и с высотой по меньшей мере 9 мм. Номинальные положения оси нагрузки и оси трубки расположены на расстоянии 32 мм от оконечности аппликатора. Фиг.6 показывает верхнюю стенку 14 и нижнюю стенку 16, которые совместно с боковыми стенками 4 и диэлектрической структурой стенки образуют замкнутый резонатор. На Фиг.6-9 средство 10 облучения сверхвысокой частотой является зондом с коаксиальным кабелем.

Фиг.10 показывает схематическую и упрощенную конструкцию совместно установленных 6 СВЧ-нагревающих устройств, показываемых на Фиг.7. На этом чертеже средство облучения сверхвысокой частотой не показано.

В приводимом в качестве примера осуществлении резонатор представляет собой цилиндр круглого поперечного сечения, имеющий единичное средство облучения сверхвысокой частотой, которое создает в резонаторе одиночную стоячую волну. Это осуществление в первую очередь предназначается для множественных равных нагрузок, расположенных симметрично согласно схематическому чертежу Фиг.11, на котором показан резонатор с 6 нагрузками. Структура стоячей волны может быть НЕ_6,I-модой и имеет одну нагрузку в каждом максимуме поля, т.е. 12 нагрузок с интервалом в 30°, или 6 нагрузок (каждый второй максимум поля, т.е. с интервалом в 60°), или 4 нагрузки (каждый третий максимум поля, т.е. с интервалом в 90°) или 3 нагрузки (т.е. с интервалом в 120°) или 2 нагрузки (т.е. с интервалом в 180°), или, естественно, с одной нагрузкой (схематически показано на Фиг.12).

Фиг.11 показывает круглое СВЧ-нагревающее устройство с диэлектрической структурой 8 стенки и средством 10 облучения сверхвысокой частотой. Устройство может находиться в НЕ_3;1;1-моде, и тогда будет 6 периодов поля, в результате чего 6 равных нагрузок 6, расположенных по кругу, будут одинаково обрабатываться. Поскольку добротность резонанса системы можно сделать настолько высокой, насколько это нужно (благодаря затуханию моды), поэтому для всех нагрузок фактически можно обеспечить очень похожее «наталкивающееся» поле для всех нагрузок. Теперь можно выбрать местонахождения нагрузки относительно положений существующих магнитных и электрических полей, и поэтому нагрузки подвергаются воздействию равных источников тока и напряжения, соответственно.

Если нагрузки не являются равными, то результатом этого может быть отрицательная или положительная обратная связь относительного нагревания; например - более горячей нагрузкой нескольких в остальном равных менее нагреваемых нагрузок; или например - когда более крупная нагрузка нагревается сильнее, или наоборот, что, разумеется, нежелательно.

В третьем предпочтительном осуществлении резонатор имеет меньший размер, и наружная стенка и диэлектрическая структура имеют круглые поперечные сечения, с концентрическим расположением по отношению друг к другу. Естественно, это осуществление также включает в себя те варианты, когда наружная стенка и диэлектрическая структура имеют поперечное сечение, являющееся частью круга.

В конкретном примере: внешний радиус диэлектрической структуры 8 (на Фиг.13) с диэлектрической проницаемостью 9 равен 50 мм (который также является радиусом внутренней поверхности наружной стенки), и радиус отверстия 6 для нагрузки равен 20 мм. Фиг.13 показывает диаграмму поля 12 в полукруглом резонаторе, имеющем средство 10 облучения сверхвысокой частотой, работающее с частотой 2450 МГц - в самой нижней части чертежа. При этом диаграмма поля будет иметь две целых волны и две половинных волны. Либо центральный угол может быть равен 120^о, обеспечивая ту же функцию. Высота резонатора составляет около 50 мм (например, 49 мм).

В этом осуществлении радиальная толщина диэлектрической структуры (керамической) стенки значительная, и резонанс, распространяющийся по дуге затухающих волн, в основном имеет место в диэлектрической структуре.

Согласно четвертому предпочтительному осуществлению настоящего изобретения используются две гибридные моды: НЕ_m2;2;p и НЕ_m1;1;p, где m2 > m1; причем обе моды резонансные на одинаковой частоте.

Коэффициент связи от простого радиального облучателя будет разным для двух мод, т.к. поля моды НЕ_m2;2;1 ближе граничат с диэлектриком и поэтому осуществляют менее сильную связь, чем НЕ_m1;1;1 - мода, которая имеет более постоянное поле вблизи наружной стенки резонатора.

Резонатор с крупной нагрузкой будет иметь более низкую добротность (значение Q), т.к. стационарные условия возникают после меньшего числа обратных отражений в резонаторе. Поэтому коэффициент связи одномодового резонатора с фиксированной антенной всегда будет иметь тенденцию ухода от докритической связи (коэффициент связи < 1) к сверхкритической связи (коэффициент связи > 1), когда нагрузка будет уменьшенной.

Поэтому конструкторская задача для предназначенного для нагревания одномодового резонатора заключается в том, чтобы задать коэффициент связи, не слишком низкий для наибольшей (или наиболее поглощающей) нагрузки около 1 (критическая связь, дающая согласование полного сопротивления и, поэтому, максимальный кпд системы) для наиболее типичной нагрузки, требующей высокую мощность, и не слишком высокий для наименьшей (или слабопоглощающей) нагрузки.

Если для нагревания нагрузки используются одновременно две моды, то нужно следить за тем, чтобы они почти всегда были ортогональными. Это означает, что энергия передается двум модам независимо от структуры облучения сверхвысокой частотой, и поэтому поглощение энергии будет осуществляться независимыми модами. Но поскольку моды имеют общее средство облучения сверхвысокой частотой, то их относительные амплитуды (и поэтому - их индивидуальная передача энергии на нагрузку) будут зависеть от нескольких факторов, таких как полные сопротивления связи и согласование СВЧ-облучения с полем моды. Получаемый при этом температурный рельеф будет результатом векторного суммирования двух полей моды, т.к. эта ситуация будет гармонической во времени (используется одна и та же одиночная частота).

Поэтому согласно четвертому осуществлению: динамический диапазон системы расширяется за счет использования НЕ_m2;2;1-моды для нагревания небольших нагрузок, т.к. ее коэффициент связи для этих нагрузок меньше, чем у НЕ_m1;1;1-моды; и за счет использования НЕ_m1;1;1-моды для нагревания более крупных нагрузок, т.к. ее коэффициент связи для этих нагрузок больше, чем у НЕ_m2;2;1-моды. НЕ_m2;2;1-мода в более значительной степени будет иметь докритическую связь для крупных нагрузок, и поэтому не будет создавать возмущение действию НЕ_m1;1;1-моды. Для небольших нагрузок НЕ_m1;1;1-мода будет иметь сверхкритическую связь и поэтому в этом случае сможет создавать возмущение действию нужной НЕ_m2;2;1-моды.

Фиг.16 показывает СВЧ-нагревающее устройство согласно четвертому осуществлению настоящего изобретения. Устройство имеет резонатор секторной формы с наружной стенкой 2 и с двумя боковыми стенками 4", заключающими в себе диэлектрическую структуру 8" стенки и нагрузку 6. Диэлектрическая структура стенки выполнена в виде двух равных плоских плиток, которые проходят от нижней стенки (на Фиг.16 это не показано) к верхней стенке (на Фиг.16 это не показано) резонатора. Обычные габариты плитки: толщина 10 мм; высота 80 мм, значение ε 8; радиус резонатора 85 мм и угол сектора 120°.

Одна важная характеристика четвертого осуществления заключается в наличии значительного радиального расстояния между искривленной наружной стенкой 2 и диэлектрической структурой 8" стенки, где сформированы воздушные зазоры 18'. Это обстоятельство важное, поскольку только в этом случае можно легко определить и использовать две близкие резонансные частоты для мод типов НЕ_m1;1;p и НЕ_m2;2;p.

Как упоминалось выше в связи с осуществлением согласно Фиг.2, металлический штырь (на Фиг.16 это не показано) можно использовать для тонкой настройки резонансной частоты НЕ_m1;1;p-моды. Также может потребоваться настройка на нулевую разницу между резонансной частотой и НЕ_m2;2;p-модой. Эта задача решается путем перемещения плиток внутрь в радиальном направлении.

Согласно Фиг.16 средство 10 облучения сверхвысокой частотой выполнено в виде коаксиальной антенны. Глубина, на которую вставлена антенна, имеет важное значение для надлежащего функционирования СВЧ-устройства. В случае, иллюстрируемом на Фиг.16, глубина вхождения антенны в резонатор составляет около 7 мм, и ее диаметр - около 3 мм.

Частота обоих резонансов несколько снижается с увеличением глубины вхождения, что, разумеется, приводит к повышению коэффициента связи.

В поясняемом осуществлении нагрузка может иметь диаметры от 3 до 20 мм и высоту от 20 до 60 мм.

Несколько математических моделей системы согласно четвертому осуществлению были выполнены для исследования поведения частоты для разных нагрузок. Это исследование подтверждает, что высокий кпд обеспечивается во всех условиях по отношению к изменениям резонансной частоты.

Таким образом, резонатор двойной гибридной дугообразно-поверхностной моды согласно четвертому осуществлению настоящего изобретения обеспечивает высокий кпд нагревания для исключительно широкого диапазона нагрузок. Это обусловлено тем, что при помощи одного и того же неизменного средства облучения сверхвысокой частотой моды взаимозаменяемым образом получают сверх- и докритическую связь для крупных и небольших нагрузок. Поэтому по меньшей мере одна из них осуществляет хорошую связь почти с любой целесообразной нагрузкой резонатора. За счет этого диапазон применения расширяется также до малых нагрузок около 0,1 мл (в зависимости от диэлектрической проницаемости и степени избыточности электропитания). Это избыточное электропитание (возможно, до 700 Вт входной мощности) можно использовать с этими небольшими нагрузками, т.к. антенна резонатора не расположена близко к керамической плитке, что в ином случае вызвало бы концентрации поля.

Также обнаружилось, что диаграмма поля в резонаторе двойной гибридной дугообразно-поверхностной моды имеет более лучшую связь с некоторыми типами очень небольших геометрий нагрузки, по сравнению с резонатором одиночной гибридной моды.

Резонатор двойной гибридной дугообразно-поверхностной моды также обеспечивает возможности для очень ровного температурного рельефа в нескольких геометриях нагрузки - и больших, и малых; и не обязательно в виде сосуда. Примеры этого расширенного диапазона использования: нагревание тонких и горизонтально плоских нагрузок, и использование сквозной обработки нагрузки для обработки твердых, полутвердых или жидких нагрузок диаметром до 40 мм.

Наконец, Фиг.17 показывает блок-схему системы для использования СВЧ-нагревающего устройства согласно настоящему изобретению. Оператор управляет системой при помощи пользовательского интерфейса (не показан), подключенного к управляющему средству, которое, помимо прочего, управляет генератором СВЧ, например частотой и энергией. СВЧ-генератор прилагает СВЧ к СВЧ-нагревающему устройству посредством средства облучения сверхвысокой частотой. В управляющее средство от СВЧ-нагревающего устройства могут также поступать входные сигналы измерения, которые могут характеризовать, например, температуру и давление нагрузки.

Настоящее изобретение также относится к способу нагревания нагрузок в СВЧ-нагревающем устройстве или в СВЧ-нагревающей системе согласно любому из описываемых выше осуществлений. Способ включает в себя этапы: помещения нагрузки в резонатор и приложения СВЧ-энергии на заданной частоте к СВЧ-нагревающему устройству для нагревания нагрузки.

Настоящее изобретение также относится к использованию СВЧ-нагревающего устройства или СВЧ-нагревающей системы согласно любому из описываемых выше осуществлений для проведения химических реакций и, особенно, реакций органического синтеза и также к использованию упомянутого способа для химических реакций и, особенно, для реакций органического синтеза.

Настоящее изобретение не ограничивается излагаемыми выше осуществлениями. Можно использовать различные альтернативы, изменения и эквиваленты. Поэтому излагаемые выше осуществления не должны рассматриваться как ограничивающие объем данного изобретения, определяемого прилагаемой формулой.

1. Сверхвысокочастотное (СВЧ) нагревающее устройство для нагревания нагрузки (ОК), содержащее резонатор (2) цилиндрической формы, заключенный в наружной стенке, при этом упомянутый резонатор имеет средство (10) облучения сверхвысокой частотой, отличающееся тем, что нагревающее устройство содержит диэлектрическую структуру (8) стенки, выполненную внутри упомянутого резонатора между наружной стенкой и нагрузкой(ами), причем средство облучения сверхвысокой частотой выполнено с возможностью генерирования СВЧ-поля, являющегося дугообразно поверхностной гибридной модой, имеющей свойства Н-волны и Е-волны, внутри резонатора для осуществления нагревания нагрузки(ок).

2. Сверхвысокочастотное нагревающее устройство для нагревания нагрузки(ок), содержащее резонатор (2) цилиндрической формы, имеющий наружную стенку и две боковые стенки (4, 4', 4''), прикрепленные к наружной стенке и друг к другу с промежуточным углом, меньшим 360°, при этом резонатор имеет средство (10) облучения сверхвысокой частотой, отличающееся тем, что нагревающее устройство содержит диэлектрическую структуру (8, 8', 8'') стенки, выполненную внутри резонатора между наружной стенкой и нагрузкой(ами), причем средство облучения сверхвысокой частотой выполнено с возможностью генерирования СВЧ-поля, являющегося дугообразно поверхностной гибридной модой, имеющей свойства Н-волны и Е-волны, внутри резонатора для осуществления нагревания нагрузки(ок).

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что промежуточный угол составляет 120°.

4. Устройство по п.2, отличающееся тем, что промежуточный угол составляет 60°.

5. Устройство по п.2, отличающееся тем, что промежуточный угол составляет 180°.

6. Устройство по п.2, отличающееся тем, что наружная стенка имеет искривленную форму.

7. Устройство по п.2, отличающееся тем, что наружная стенка является плоскостью.

8. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что диэлектрическая структура стенки находится в контакте с внутренней поверхностью наружной стенки.

9. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что диэлектрическая структура стенки закрывает всю внутреннюю поверхность наружной стенки.

10. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что диэлектрическая структура стенки расположена на заданном расстоянии от внутренней поверхности наружной стенки.

11. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что диэлектрическая структура стенки включает в себя несколько плиток, которые, по существу, повторяют форму наружной стенки.

12. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что резонатор имеет верхнюю стенку и нижнюю стенку.

13. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что в отверстии наружной стенки установлен металлический штырь для регулирования резонансной частоты.

14. Устройство по п.1, отличающееся тем, что нагрузка предназначена для размещения вблизи центра цилиндрического резонатора.

15. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что средством облучения сверхвысокой частотой является коаксиальное средство облучения сверхвысокой частотой.

16. Устройство по п.2, отличающееся тем, что средством облучения сверхвысокой частотой является щель, выполненная вдоль одной из боковых стенок.

17. Устройство по п.1 или 2, отличающееся тем, что для гибридной моды круговой целочисленный индекс m меньше 4, радиальный индекс n=1, и осевой индекс p является целым числом >0.

18. Устройство по п.2, отличающееся тем, что гибридной моды число полуволн в резонаторе равно 1 или 2, радиальный индекс n=1 или n=2, и осевой индекс p=1.

19. Устройство по п.1, отличающееся тем, что резонатор имеет круглое поперечное сечение.

20. Устройство по п.1, отличающееся тем, что поперечное сечение резонатора является сектором круга.

21. Устройство по п.2, отличающееся тем, что поперечное сечение наружной стенки является сектором круга, при этом диэлектрическая структура (8') стенки состоит из двух равных плоских плиток, при этом в резонаторе генерируются две дугообразно поверхностные моды НЕ_m2;2;р и НЕ_m1;1;p, m2>m1, причем обе гибридные моды являются резонансными на одной и той же частоте.

22. Устройство по п.21, отличающееся тем, что между плоскими плитками и наружной стенкой сформированы воздушные зазоры 18'.

23. Сверхвысокочастотная нагревающая система, отличающаяся тем, что содержит заданное число СВЧ-нагревающих устройств по п.2 и любому пункту, зависимому от п.2, для обеспечения возможности параллельной обработки и нагревания нагрузок.

24. Способ нагревания нагрузок в СВЧ-нагревающем устройстве по любому из пп.1-22, или в СВЧ-нагревающей системе по п.23, отличающийся тем, что согласно этому способу устанавливают нагрузку в упомянутом резонаторе, прилагают СВЧ-энергию на заданной частоте к СВЧ-нагревающему устройству для нагревания нагрузки(ок).

25. Применение СВЧ-нагревающего устройства или СВЧ-нагревающей системы по любому из пп.1-23 для проведения химических реакций, особенно - для проведения химических реакций органического синтеза.

26. Применение способа по п.24 для химических реакций, и особенно для химических реакций органического синтеза.

Приоритет по пунктам:

20.05.2003 по пп.1-24;

28.08.2003 по пп.25, 26.