專(zhuān)利名稱(chēng)：射頻加熱叉的制作方法
射頻加熱叉
本發(fā)明涉及射頻(“RF”)加熱。具體而言，本發(fā)明涉及用于加熱傳導(dǎo)性變化的物質(zhì)的有利的并且有效的設(shè)備和方法。
RF加熱可以用于各種應(yīng)用中。例如，可以使用RF能量來(lái)加熱油井巖芯樣本。然而，這些巖芯樣本，在傳導(dǎo)性方面可能會(huì)顯著地不同，因此，不同地對(duì)各種類(lèi)型的加熱作出響應(yīng)。對(duì)于具有低傳導(dǎo)性的樣本，電介質(zhì)加熱是有效的并且是優(yōu)選的。帶有更高的傳導(dǎo)性的樣本最好通過(guò)感應(yīng)加熱來(lái)進(jìn)行加熱。醫(yī)用透熱療法，或使用熱量來(lái)摧毀異?；虿幌Ｍ械募?xì)胞是可以使用RF加熱的另一種應(yīng)用。
RF加熱是適于許多材料的通用的過(guò)程，因?yàn)榭梢允褂貌煌腞F能量?？梢杂杏?RF加熱施加器引入的電場(chǎng)E、磁場(chǎng)H，和/或電流I。諸如直導(dǎo)線偶極之類(lèi)的線性施加器通過(guò)電流I的散度而在E場(chǎng)附近凸顯出強(qiáng)輻射。諸如金屬環(huán)之類(lèi)的圓形施加器通過(guò)電流I的旋度凸顯出強(qiáng)輻射H場(chǎng)?；旌闲褪┘悠餍问娇梢园菪吐菥€以產(chǎn)生強(qiáng)的E和H場(chǎng)。不絕緣的RF加熱施加器可以充當(dāng)電極以在介質(zhì)中引入電流I。
平行線性導(dǎo)體在給予P. S. Carter的標(biāo)題為“天線”的美國(guó)專(zhuān)利2，283，914中形成天線?，F(xiàn)在為人們所熟知的折疊偶極天線，該天線使用細(xì)線路中的相同方向的電流和電壓相加作用來(lái)使驅(qū)動(dòng)阻抗達(dá)到較高的值。然而，折疊偶極天線不包括下列各方面反平行的電流流動(dòng)(相反的電流方向或感應(yīng))、在一端以開(kāi)口端子操作、到單獨(dú)的饋電結(jié)構(gòu)的感應(yīng)耦合， 或電容器加載。折疊偶極天線對(duì)于以大約1/2的波長(zhǎng)以及大于1/2波長(zhǎng)的大小的操作是有用的。
給予A. G. Kandoian的標(biāo)題為“天線”的美國(guó)專(zhuān)利2，507, 528描述了在傳導(dǎo)板中的槽的相反邊上流動(dòng)的反平行的(相等但是相反的方向)電流。從垂直朝向的槽實(shí)現(xiàn)水平極化。
RF加熱可以通過(guò)近場(chǎng)或遠(yuǎn)場(chǎng)來(lái)操作。近場(chǎng)是在RF加熱施加器附近循環(huán)的強(qiáng)的反應(yīng)性能量。遠(yuǎn)場(chǎng)可以包括在離施加器有一段距離處的無(wú)線電波。近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)兩者對(duì)于RF 加熱都是有用的，許多折衷也是可以的。例如，當(dāng)施加器尺寸小時(shí)，近場(chǎng)可能對(duì)低頻更有用， 并且對(duì)于傳導(dǎo)材料更有用。對(duì)于在一定的距離內(nèi)的加熱以及對(duì)于加熱低傳導(dǎo)性材料，遠(yuǎn)場(chǎng)是優(yōu)選的。
當(dāng)前射頻加熱叉對(duì)于加熱各種目標(biāo)是有用的，因?yàn)橛缮漕l加熱叉所產(chǎn)生的熱包括感應(yīng)加熱和電介質(zhì)加熱。可以簡(jiǎn)單地通過(guò)相對(duì)于射頻加熱叉來(lái)定位目標(biāo)來(lái)選擇特定類(lèi)型的加熱。
當(dāng)前射頻加熱叉包括一種用于使用射頻加熱叉對(duì)目標(biāo)進(jìn)行加熱的方法，所述射頻加熱叉包括兩個(gè)基本上平行的叉齒，所述基本上平行的叉齒在所述射頻加熱叉的環(huán)端電連接，并且所述基本上平行的叉齒在所述射頻加熱叉的開(kāi)口端分開(kāi)，還包括饋電耦合器連接， 饋電耦合器連接跨所述射頻加熱叉的所述基本上平行的叉齒連接電源，所述方法包括相對(duì)于射頻加熱叉定位目標(biāo)；以及，通過(guò)使用饋電耦合器連接在射頻加熱叉上施加電源來(lái)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行加熱。
定位所述目標(biāo)還可以進(jìn)一步包括相對(duì)地將目標(biāo)定位在射頻加熱叉的基本上平行的叉齒之間。定位所述目標(biāo)還可以進(jìn)一步包括相對(duì)地將目標(biāo)定位在射頻加熱叉的基本上平行的叉齒上或其之間，并且在射頻加熱叉的環(huán)端附近，其中對(duì)目標(biāo)的加熱主要是由于感應(yīng)加熱。作為替代地，定位所述目標(biāo)還可包括在所述射頻加熱叉的所述基本上平行的叉齒上或其之間相對(duì)定位所述目標(biāo)，并且在射頻加熱叉的開(kāi)口端附近，其中，對(duì)目標(biāo)的加熱主要是由于電介質(zhì)加熱。
饋電耦合器連接可以在射頻加熱叉的環(huán)端附近感應(yīng)地連接到射頻加熱叉的基本上平行的叉齒。作為替代地，饋電耦合器連接可以在射頻加熱叉的環(huán)端附近電連接到射頻加熱叉的基本上平行的叉齒。感應(yīng)饋電耦合器連接可以包括平衡一不平衡變換器(Baiun)。 此外，還可以使用跨射頻加熱叉的基本上平行的叉齒放置的電容器，來(lái)調(diào)節(jié)射頻加熱叉的頻率。
本射頻加熱叉包括用于對(duì)目標(biāo)進(jìn)行射頻加熱的設(shè)備，該設(shè)備包括射頻加熱叉， 該射頻加熱叉具有兩個(gè)基本上平行的叉齒，該基本上平行的叉齒在射頻加熱叉的環(huán)端電連接，并且該基本上平行的叉齒在射頻加熱叉的開(kāi)口端分開(kāi)，還包括饋電耦合器連接，該饋電耦合器連接跨射頻加熱叉的基本上平行的叉齒連接電源?？缟漕l加熱叉的基本上平行的叉齒施加電源導(dǎo)致在射頻加熱叉的環(huán)端附近進(jìn)行感應(yīng)加熱，而在射頻加熱叉的開(kāi)口端附近進(jìn)行電介質(zhì)加熱。
饋電耦合器連接可以在射頻加熱叉的環(huán)端附近感應(yīng)地連接到射頻加熱叉的基本上平行的叉齒。感應(yīng)饋電耦合器連接可以包括平衡一不平衡變換器。作為替代地，饋電耦合器連接可以在射頻加熱叉的環(huán)端附近電連接到射頻加熱叉的基本上平行的叉齒。還可以在射頻加熱叉的基本上平行的叉齒之間連接電容器。
本發(fā)明的其他方面對(duì)那些精通本技術(shù)的普通人員是顯而易見(jiàn)的。
圖I描繪了使用無(wú)線連接的本射頻加熱叉。
圖2描繪了使用硬連線連接的本射頻加熱叉。
圖3描繪了帶有目標(biāo)的射頻加熱叉的加熱模式。
現(xiàn)在將更全面地描述本發(fā)明的主題，示出了本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例。然而，本發(fā)明可以許多不同的形式來(lái)實(shí)施，不應(yīng)該被理解為僅限于此處所闡述的實(shí)施例。相反，這些實(shí)施例是具有通過(guò)權(quán)利要求書(shū)的語(yǔ)言所指出的完整范圍的本發(fā)明的示例。
在圖I中，射頻加熱叉50包括叉齒58和59，并包括無(wú)線感應(yīng)饋電耦合器連接。同軸饋電54在一端連接到AC電源52，并在另一端連接到供電環(huán)56。加熱叉50的供電環(huán)56 和環(huán)端64彼此靠近并重疊，這產(chǎn)生了將能量從供電環(huán)56傳輸?shù)郊訜岵?0的變壓器效應(yīng)。 可以對(duì)于五十歐姆驅(qū)動(dòng)電阻或根據(jù)需要，來(lái)調(diào)整感應(yīng)饋電耦合器。加熱叉50的供電環(huán)56 和環(huán)端64之間的重疊量和距離可以變化，這又會(huì)改變電阻和熱。叉齒58和59通過(guò)環(huán)端64 電連接?？梢栽诩訜岵?0外面或上方設(shè)置絕緣，這對(duì)于內(nèi)部醫(yī)用透熱療應(yīng)用是所希望的。
加熱叉50可以可任選地配備有用于調(diào)節(jié)目的的電容器62。加熱叉50自然地以波長(zhǎng)的大致四分之一的頻率操作?？蛇x的電容器62可以將此頻率降低到，例如，波長(zhǎng)的二十分之一或三十分之一?？梢栽诩訜岵?0上方使用諸如金屬盒之類(lèi)的RF屏蔽(未示出)來(lái)控制輻射。供電環(huán)56有利地充當(dāng)隔離變壓器或平衡-不平衡變換器(Balun)，該隔離變壓器或平衡一不平衡變換器充當(dāng)用于同軸饋電54的表面上的雜散電流抑制的共模扼流圈。雖然未示出，但是加熱叉50可以浸入或以其他方式被定位在要RF加熱的目標(biāo)介質(zhì)內(nèi)部。
加熱叉50的的長(zhǎng)度L優(yōu)選地是操作頻率的波長(zhǎng)的四分之一，雖然可以根據(jù)需要使 L縮短，增加或增大電容器62的電容。因而通過(guò)加熱叉輕松地產(chǎn)生高電壓和高電流，因?yàn)橥ㄟ^(guò)波長(zhǎng)的四分之一，例如90電角度，雙曲正切函數(shù)漸近地趨近于零和無(wú)窮。
現(xiàn)在轉(zhuǎn)向圖2，射頻加熱叉100包括叉齒108和109，并且包括硬連線饋電耦合器連接。同軸饋電104在一端連接到AC電源((未示出)，并在另一端在加熱叉100的環(huán)端110 附近以饋電耦合器連接106連接到加熱叉100。叉齒108和109通過(guò)環(huán)端110電連接。當(dāng)在加熱叉100上施加電源時(shí)，在加熱叉100的環(huán)端110附近形成強(qiáng)磁場(chǎng)114。相反，在加熱叉100的開(kāi)口端112附近形成強(qiáng)電場(chǎng)116。當(dāng)向圖I中的加熱叉50施加電源時(shí)，類(lèi)似地形成這些場(chǎng)(未示出)。
兩個(gè)不同的場(chǎng)提供兩種不同的加熱質(zhì)量。在加熱叉100的環(huán)端110附近形成的強(qiáng)磁場(chǎng)114提供感應(yīng)加熱，這對(duì)于加熱傳導(dǎo)物質(zhì)是極好的。另一方面，在加熱叉100的開(kāi)口端 112附近形成的強(qiáng)電場(chǎng)116對(duì)于加熱傳導(dǎo)差一些的，或者甚至非傳導(dǎo)物質(zhì)是極好的。通過(guò)相對(duì)于加熱叉100定位目標(biāo)118，取決于目標(biāo)118的傳導(dǎo)性，可以使用加熱的最有利的形式。 例如，可以使具有高傳導(dǎo)性的目標(biāo)118位置更靠近加熱叉100的環(huán)端110。另一方面，甚至可以在加熱叉100的開(kāi)口端的附近加熱包括蒸餾水的目標(biāo)，因?yàn)樵搮^(qū)域具有強(qiáng)電場(chǎng)。如果目標(biāo)100被定位在加熱叉100的叉齒108和109之間，則可以實(shí)現(xiàn)更均勻的加熱。
當(dāng)在適當(dāng)?shù)念l率范圍內(nèi)操作時(shí)，當(dāng)前射頻加熱叉具有低電壓駐波比(“VSWR”)。例如，在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)以大致27MHz的頻率操作射頻加熱叉時(shí)，VSWR趨近于1:1。
加熱叉叉齒58、59、108和109的截面不必是圓柱形，對(duì)于特定的應(yīng)用，其他形狀也是可以的。例如，如果用于內(nèi)部醫(yī)用透熱療法，叉齒可以具有C形截面，以促進(jìn)用于相對(duì)于靶細(xì)胞定位加熱叉的組織穿透。
加熱叉50和100是傳導(dǎo)結(jié)構(gòu)，通常由金屬構(gòu)成，具有差模電流分布，在每一叉齒上帶有相同電流幅值，在每一叉齒上電流在相反的方向流動(dòng)。例如，當(dāng)AC電源波形是正弦曲線時(shí)，沿著圖I的加熱叉50的電流分布也是正弦曲線，以便在環(huán)端68產(chǎn)生最大幅值，而在開(kāi)口端68產(chǎn)生最小值?？绮纨X58的電壓電勢(shì)在環(huán)端64為最小值，在開(kāi)口端66為最大值。 叉齒之間的電壓E與沿著叉齒線路的電流I的比是由下列公式給出的阻抗Z :
Zl = Y L
其中
Zl=沿著叉齒的長(zhǎng)度的阻抗
Y =沿著叉的復(fù)傳播常數(shù)gamma (包括衰減常數(shù)α和相位傳播常數(shù)β )
L=加熱叉的從環(huán)端64到開(kāi)口端66的總長(zhǎng)
繼續(xù)參考圖I的工作原理，供電環(huán)56以旋度傳輸電流I，產(chǎn)生磁場(chǎng)Β(未不出)。加熱叉50的環(huán)端64重疊供電環(huán)56的磁場(chǎng)B，導(dǎo)致互感電流I流入加熱叉50。如此，供電環(huán) 56和環(huán)端64在區(qū)域60基本上形成變壓器的“繞組”。使供電環(huán)56靠近環(huán)端64提供對(duì)AC 電源52的較大的負(fù)載電阻,而移動(dòng)供電環(huán)56遠(yuǎn)離環(huán)端64為AC電源52提供較小的負(fù)載電阻。隨著使供電環(huán)56靠近環(huán)端64，加熱叉50的共振的頻率略微變小。
現(xiàn)在考慮由加熱叉50和100所生成的電場(chǎng)。雖然在形式上是有骨架的，但是，加熱叉結(jié)構(gòu)涉及線性槽式天線，并且加熱叉50和100還生成三個(gè)反應(yīng)性近場(chǎng)、三個(gè)中場(chǎng)，以及兩個(gè)輻射遠(yuǎn)場(chǎng)(Ε和H)。當(dāng)前射頻加熱叉主要使用近場(chǎng)加熱。在沒(méi)有加熱負(fù)載的情況下，可以按如下方式來(lái)描述該近場(chǎng)
Hz = -jE0/2 π η [ (G-jkrVr1) + (e_Jkr2/r2)]
Hp = -jE0/2 π η [ (z- λ /4) / P ) WkrVr1) + (z- λ /4) / P ) (e_Jkr2/r2)]
權(quán)利要求
1.一種用于使用射頻加熱叉對(duì)目標(biāo)進(jìn)行加熱的方法，所述射頻加熱叉包括在所述射頻加熱叉的環(huán)端電連接的兩個(gè)基本上平行的叉齒，所述基本上平行的叉齒在所述射頻加熱叉的開(kāi)口端分開(kāi)，以及包括跨所述射頻加熱叉的所述基本上平行的叉齒連接電源的饋電耦合器連接，所述方法包括 相對(duì)于射頻加熱叉定位目標(biāo)；以及 通過(guò)使用所述饋電耦合器連接跨所述射頻加熱叉施加電源，對(duì)所述目標(biāo)進(jìn)行加熱。
2.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，定位所述目標(biāo)還包括在所述射頻加熱叉的所述基本上平行的叉齒之間定位所述目標(biāo)。
3.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，定位所述目標(biāo)還包括在所述射頻加熱叉的所述基本上平行的叉齒上或之間定位所述目標(biāo)，并且還包括使用感應(yīng)加熱對(duì)所述射頻加熱叉的所述環(huán)端之間的所述目標(biāo)進(jìn)行加熱，以及使用電介質(zhì)加熱對(duì)所述射頻加熱叉的所述開(kāi)口端處的所述目標(biāo)進(jìn)行加熱。
4.如權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述饋電耦合器連接在所述射頻加熱叉的所述環(huán)端附近感應(yīng)地連接到所述射頻加熱叉的所述基本上平行的叉齒。
5.如權(quán)利要求I所述的方法，還包括使用跨所述射頻加熱叉的所述基本上平行的叉齒放置的電容器，來(lái)調(diào)節(jié)所述射頻加熱叉的頻率。
6.一種用于對(duì)目標(biāo)進(jìn)行射頻加熱的設(shè)備，所述設(shè)備包括 射頻加熱叉，所述射頻加熱叉具有在所述射頻加熱叉的環(huán)端電連接的兩個(gè)基本上平行的叉齒，所述基本上平行的叉齒在所述射頻加熱叉的開(kāi)口端分開(kāi)；以及 饋電耦合器連接，所述饋電耦合器連接跨所述射頻加熱叉的所述基本上平行的叉齒連接電源。
7.如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，其中，所述饋電耦合器連接在所述射頻加熱叉的所述環(huán)端附近感應(yīng)地連接到所述射頻加熱叉的所述基本上平行的叉齒。
8.如權(quán)利要求7所述的設(shè)備，其中，所述感應(yīng)饋電耦合器連接包括平衡一不平衡變換器。
9.如權(quán)利要求6所述的設(shè)備，還包括在所述射頻加熱叉的所述基本上平行的叉齒之間連接的電容器。
全文摘要
用于加熱目標(biāo)的設(shè)備包括具有兩個(gè)基本上平行的叉齒的射頻加熱叉，基本上平行的叉齒在射頻加熱叉的環(huán)端電連接，并且該基本上平行的叉齒在射頻加熱叉的開(kāi)口端分開(kāi)，還包括饋電耦合器連接，該饋電耦合器連接跨射頻加熱叉的基本上平行的叉齒連接電源?？缟漕l加熱叉的基本上平行的叉齒施加電源導(dǎo)致在射頻加熱叉的環(huán)端附近進(jìn)行感應(yīng)加熱，而在射頻調(diào)節(jié)叉的開(kāi)口端附近進(jìn)行電介質(zhì)加熱?？梢韵鄬?duì)于加熱叉定位目標(biāo)，以選擇最有效的加熱方法。加熱叉可以在低頻時(shí)提供近場(chǎng)以便確保深的熱穿透。
文檔編號(hào)H05B6/54GK102986294SQ201180034259
公開(kāi)日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2011年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月13日
發(fā)明者F·E·帕斯切 申請(qǐng)人:哈里公司