УСТАНОВКА УСКОРЕННОГО ТЕРМИЧЕСКОГО РАЗЛОЖЕНИЯ ПОД ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ ПОД ВОЗДЕЙСТВИЕМ МИКРОВОЛНОВОГО ИЗЛУЧЕНИЯ, КАПСУЛА И СПОСОБ ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
RAPID HIGH-PRESSURE MICROWAVE THERMAL DECOMPOSITION SYSTEM, CAPSULE AND METHOD FOR USING SAME

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[001] В настоящей заявке заявлен приоритет по предварительной заявке на патент США №61/931720, поданной 27 января 2014 г., которая включена в данный документ в полном объеме посредством ссылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[002] Изобретение относится к производству углекислого газа, предназначенного для применения в напитках и т.п., путем термического разложения различных исходных материалов с использованием радиочастотной (РЧ) энергии под давлением.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[003] В известном уровне техники существуют различные способы и устройства для использования микроволнового излучения для выполнения термического разложения. К типичным примерам относится заявка WO 2013/070095, которая описывает микроволновую нагревательную или реакторную аппаратуру для использования, например, в пиролизе органических отходов. В документе ЕР 343673 А1 описывается процесс изготовления мелкой легкой кальцинированной соды, в ходе которого карбонат натрия подвергается воздействию энергии микроволн. В известном уровне техники не существует описания способа или аппаратуры для получения углекислого газа с применением термического разложения под действием микроволнового излучения.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[004] В одном из аспектов настоящее изобретение представляет собой установку термического разложения, содержащую: генератор РЧ-энергии; РЧ-антенну или электрод, соединенный с РЧ-генератором; капсульную камеру с герметизируемым отверстием, выполненную с возможностью помещения в нее и удержания по меньшей мере одной капсулы, содержащей термически разлагаемый материал, а также выдерживания заданного давления, образующегося в капсуле; и по меньшей мере один канал, первый конец которого открыт со стороны капсулы, а второй конец соединен с напорным клапаном. Таким образом, применение радиочастотной энергии к термически разлагаемому веществу в капсуле вызывает термическое разложение, в результате которого выделяется газ.
[005] В другом аспекте настоящее изобретение раскрывает капсулу для установки термического разложения, содержащую оболочку, внутри которой имеется полость, и по меньшей мере первое отделение в указанной полости, содержащее термически разлагаемый материал. В вариантах реализации настоящего изобретения капсула дополнительно содержит фильтр для предотвращения вытеснения из капсулы термически разлагаемого материала и побочных продуктов термического разложения в процессе термического разложения материала.
[006] В другом аспекте изобретение представляет собой способ получения углекислого газа, который включает использование генератора РЧ-энергии и РЧ-антенны или электрода, соединенного с микроволновым генератором, и помещение в капсулу в капсульной камере термически разлагаемого исходного материала, выделяющего в процессе термического разложения углекислый газ. Капсульная камера имеет герметизируемое отверстие, выполненное с возможностью помещения в него капсулы. Капсула также выполнена с возможностью выдерживания заданного давления, образующегося при термическом разложении. Также предусмотрен канал, первый конец которого открыт со стороны капсулы, а второй конец соединен с напорным клапаном. При помощи генератора РЧ-энергии генерируется радиочастотная энергия для нагрева термически разлагаемого материала и выделения углекислого газа под давлением.
[007] В другом аспекте изобретение раскрывает способ моделирования термодинамики термического разложения с использованием как теоретических коэффициентов поглощения микроволновой мощности, так и эмпирических результатов, в целях получения оптимального соотношения гидрокарбоната натрия и воды для заданной массы гидрокарбоната натрия и частоты микроволн. Исходя из этих данных, элементы установки спроектированы так, чтобы получить максимальное извлечение углекислого газа из процесса термического разложения на протяжении минимального отрезка времени.
[008] Варианты реализации настоящего изобретения представляют уникальную установку быстрого нагрева, состоящую из источника питания РЧ и полости, спроектированной согласно требованиям заказчика. Установка предназначена для нагрева термически разлагаемых материалов, таких как порошок гидрокарбоната натрия, под высоким давлением, с целью эффективного и быстрого извлечения углекислого газа.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ МАТЕРИАЛОВ.
[009] Подробности об объекте, рассматриваемом в качестве изобретения, особо отмечены и отдельно перечислены в формуле изобретения в заключительной части описания. Вместе с тем, наилучшее понимание изобретения в отношении организации и порядка эксплуатации, вместе с его элементами, характеристиками и их преимуществами, можно получить, изучив следующее подробное описание при прочтении с прилагаемыми графическими материалами, на которых:
[0010] Фиг. 1А, 1В, 1С и 1D представляют собой схематические изображения установок термического разложения в соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения;
[0011] Фиг. 2А и 2В представляют собой схематические изображения других вариантов реализации установки термического разложения.
[0012] Фиг. 3 представляет собой схематическое изображение установки в соответствии с вариантом реализации настоящего изобретения, содержащей капсульную камеру, приспособленную для двух капсул;
[0013] Фиг. 4А представляет собой иллюстрацию установки в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения одновременно для термического разложения и нагрева воды;
[0014] Фиг. 4В представляет собой дополнительную иллюстрацию установок термического разложения под высоким давлением под воздействием микроволнового излучения в соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения;
[0015] Фиг. 5А, 5В, 5С, 5D и 5Е представляют собой примеры иллюстраций капсул в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения;
[0016] Фиг. 6 представляет собой блок-схему способа термического разложения материала в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения.
[0017] Фиг. 7 представляет собой график, иллюстрирующий общее рассеяние ионного раствора гидрокарбоната натрия в зависимости от температуры и концентрации ионов при фиксированной частоте микроволн.
[0018] Фиг. 8 представляет собой график, иллюстрирующий рассеяние раствора гидрокарбоната натрия под воздействием микроволнового излучения в зависимости от содержания воды для фиксированной частоты микроволн.
[0019] Фиг. 9 представляет собой график, иллюстрирующий время реакции в зависимости от содержания воды для термического разложения гидрокарбоната натрия в диапазоне от 20°С до 150°С.
[0020] Следует понимать, что для простоты и ясности иллюстрирования элементы, проиллюстрированные на чертежах, не всегда выполнены в масштабе. Например, размеры некоторых элементов для ясности могут быть преувеличены относительно других элементов. Кроме того, где это сочтено уместным, для обозначения соответствующих или аналогичных элементов номера позиций на фигурах могут повторяться.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0021] Для обеспечения полного понимания настоящего изобретения в нижеследующем подробном описании изложены многочисленные конкретные детали. Вместе с тем, специалистам в данной области техники будет очевидно, что настоящее изобретение может применяться на практике без этих конкретных деталей. В других примерах подробности хорошо известных способов, процедур и компонентов не описываются, чтобы не затруднять понимание настоящего изобретения.
[0022] В предпочтительных вариантах реализации в соответствии с изобретением используется РЧ-энергия с частотой 3 кГц - 300 ГГц, которая также включает энергию микроволн (MB), имеющую частоту 300 МГц - 300 ГГц. Примеры в данном документе, относящиеся к нагреву с энергией MB, не должны быть истолкованы как ограничивающие изобретение. Аналогично, приводимые в данном документе примеры с использованием имеющихся в продаже элементов, производящих энергию MB и работающих с частотами 2,4-2,5 ГГц, не должны быть истолкованы как ограничивающие изобретение.
[0023] Под "мокрым порошком" понимается порошок, смешанный с жидкостью, поглощающей энергию MB. Такой жидкостью является, кроме прочего, вода, масло, спирт или другой растворитель, водно-спиртовой раствор и т.д. Мокрый порошок может содержать ГКН (гидрокарбонат натрия) и воду, причем в этом случае порошок ГКН может быть частично растворен в воде. "Термическим разложением" называется химическая реакция, во время которой при нагревании выделяется газ. Термическое разложение включает, кроме прочего, термическое разложение гидрокарбоната натрия для выделения углекислого газа.
[0024] Термическое разложение на основе нагрева с поглощением микроволн (MB) представляет собой сложный динамический процесс. Все параметры, зависящие от микроволнового поглощения, во время процесса изменяются, что может привести к нежелательным результатам, например, к неуправляемому нагреву и снижению эффективности разложения. В то же время, максимальное поглощение микроволнового излучения в течение всего процесса может быть достигнуто, если предварительно будут известны изменения основных параметров процесса, наряду с контролем соотношения компонентов, подвергаемых воздействию энергии нагрева микроволновым излучением.
[0025] Как правило, на поглощение материалами энергии MB влияют два основных механизма рассеяния - проводимость диэлектрика и ионная проводимость. Компонента общего рассеяния, являющаяся относительной мнимой частью диэлектрической проницаемости материала (ε''), представляет собой сумму компонент диэлектрического поглощения  и поглощения ионного рассеяния :
Δ
[0026] Диэлектрическое поглощение вызывается диполями молекул, которые имеют тенденцию вращаться при введении в переменное электрическое поле МВ-излучения. Диэлектрическое поглощение - это зависимость между угловой частотой электрического поля (ω), времени дипольной релаксации молекулы (τ) и разностью (ε) значения диэлектрической проницаемости материала при нулевой угловой частоте и значения при бесконечной угловой частоте:
0
[0027] Ионная проводимость вызывается подвижными растворенными ионами, действующими как свободные заряженные частицы, колеблющиеся вдоль электрического поля МВ-излучения. Поглощения ионного рассеяния равняется соотношению электропроводности (σ) с произведением диэлектрической постоянной вакуума (ε) и угловой частоты электрического поля:
0
[0028] Оба механизма способствуют нагреванию объекта в результате движения диполей и межмолекулярных сил трения. Удельная отдача тепловой мощности (Р), поглощаемой материалом, зависит от средней напряженности электрического поля (Е), общего рассеяния материала (εε'') и угловой частоты электрического поля (ω):
[0029] Поглощение MB в процессе термического разложения значительно изменяется вследствие изменений температуры материала, количества диполей (содержания воды) и концентрации ионов. На Фигуре 8 с использованием в качестве примера установки для гидрокарбоната натрия ("ГКН") и воды проиллюстрирована зависимость общего рассеяния ионного раствора в виде функции температуры и концентрации ионов при фиксированной частоте MB.
3
2
3
2
2
[0030] В соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения в установке применяется диэлектрический нагрев для нагревания используемого материала (например, мокрого порошка ГКН) до температуры выше 150°С - в температурном диапазоне, в котором происходит эффективное термическое разложение. При температуре выше 50°С происходит преобразование гидрокарбоната натрия (NaHCO) в 63,1% карбоната натрия (NaCO), 10,7% воды (HO) и 26,2% углекислого газа (CO) по массе. Скорость реакции возрастает экспоненциально с ростом температуры и является оптимальной с точки зрения скорости разложения при температуре около 200°С, когда разложение более 90% исходного материала происходит в течение одной минуты. При более высоких температурах начинаются побочные процессы и получение углекислого газа снижается.
[0031] С помощью программного обеспечения для моделирования электромагнитного поля была разработана микроволновая полость с компактными по сравнению с типовой микроволновой печью размерами. В такой конструкции положение и геометрические формы реакционной камеры оптимизированы так, чтобы уменьшить отражение обратно в источник микроволнового генератора (например, магнетрона) и получить однородный нагрев по всему пространству камеры.
[0032] Оптимизация поглощения МВ-излучения была достигнута за счет нацеленности на производительность нагрева мокрого порошка, благодаря чему жидкость в порошке может выделять и передавать тепло по всему объему порошка в камере наиболее эффективно. Было обнаружено, что когда молекулы воды трансформируются из жидкого состояния в парообразное, эффективность нагрева порошка падает. Для поддержания в полости высокого уровня поглощения микроволнового излучения даже при температурах выше 100°С контейнер был герметично укупорен во время нагрева, и таким образом вода поддерживалась в жидком состоянии, благодаря чему происходил эффективный теплообмен воды и порошка, и значительно снижались потери воды.
[0033] Был выполнен герметичный монтаж магнетрона на микроволновую полость во избежание потерь излучения микроволновой энергии. Система, разработанная и использованная во время измерения рабочих характеристик установки, и способ в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения удовлетворяет нормам радиационной безопасности при работе со стандартным магнетроном 1 кВт.
[0034] Характеристики микроволновой полости определялись с помощью имитатора электромагнитного поля, а также с помощью сетевого анализатора Agilent 5230А.
11
[0035] При помощи моделирующей системы был извлечен коэффициент отражения S в диапазоне частот 2,4-2,5 ГГц для реакционной камеры, заполненной водой (диэлектрическая функция ГКН при этих частотах не известна). Так как утечек из установки не происходит, и так как в других частях установки поглощение отсутствует, количество поглощаемой мощности может быть непосредственно рассчитано по коэффициенту отражения. Для предотвращения повреждений магнетрона и его износа в долгосрочной перспективе рекомендуется поддерживать уровень отраженной мощности ниже 5%. В испытываемой конструкции отраженная мощность находилась на уровне 1-3% в пределах диапазона неопределенности частоты магнетрона (2,4-2,5 ГГц).
11
[0036] Устройство было испытано экспериментально при малой мощности с помощью сетевого анализатора (Agilent 5230А) с замерами коэффициента отражения S в диапазоне частот 2-3 ГГц. Была изготовлена антенна с геометрической формой и размерами, сходными с антенной стандартной микроволновой печи, которая имеется в продаже. Антенна была подключена к сетевому анализатору при помощи линии передачи 50 Ом.
2
[0037] В другом аспекте настоящее изобретение относится к модели для высокоэффективного термического разложения обрабатываемого субстрата ГКН под воздействием микроволнового излучения для получения углекислого газа (CO). Эта модель может быть использована для задания содержимого капсулы, элементов аппаратуры и технологических параметров для целей управления получением углекислого газа.
[0038] Реакция термического разложения ГКН выражена формулой:
-2
[0039] ГКН в твердой или порошкообразной форме практически не обладает свойством поглощения MB (ε''<10), и одни только микроволны не будут разлагать субстрат. При добавлении в субстрат воды происходит кардинальное возрастание поглощения микроволнового излучения вследствие добавления диполей и растворения ионов, однако при этом снижается эффективность разложения субстрата вследствие большего рассеяния энергии MB на нагревание воды вместо субстрата.
[0040] Полуэмпирическая физическая модель, основанная как на теоретических коэффициентах поглощения микроволновой мощности, так и на эмпирических результатах, обращена к термодинамике термического разложения для целей нахождения начального значения соотношения ГКН : вода для каждого заданного значения массы ГКН и частоты MB для достижения максимального извлечения газа в процессе термического разложения в течение минимального отрезка времени.
[0041] Как упомянуто выше, поглощение микроволнового излучения при фиксированной частоте MB и заданной начальной температуре зависит от содержания воды в растворе ГКН. Низкое содержание воды (<20%) производит эффект низкого диэлектрического и ионного поглощения вследствие низкой концентрации диполей и, соответственно, низкой подвижности ионов. В то время как при высоком содержании воды (>90%) диэлектрическое поглощение достигает максимума, концентрация ионов пренебрежимо мала, в результате чего значения максимального поглощения могут быть найдены при содержании воды, соответствующем высококонцентрированному раствору. Зависимость поглощения микроволнового излучения от содержания воды проиллюстрирована на Фигуре 8.
2
[0042] Во время термического разложения под воздействием микроволнового излучения многие термодинамические свойства раствора ГКН резко изменяются. Нагревание раствора от 20°С до 100° повышает растворимость ГКН более чем в два раза, и ионное рассеяние становится доминирующим режимом поглощения микроволнового излучения. Скорость извлечения CO возрастает на три порядка. Таким образом, скорость разложения очень чувствительна по отношению к температуре, и для сокращения времени процесса в целом большое значение имеет достижение максимально возможной температуры.
[0043] Тепловая энергия (Q), необходимая для нагревания раствора до необходимой температуры (порядка 150°С), представляет собой сумму значений теплоты компонентов раствора (ГКН и воды).
SBC
w
L
[0044] где m и m - массы соответственно ГКН и воды;  и  - значения удельной теплоемкости соответственно ГКН и воды; ДТ. разность температур; и Q - скрытая теплота испарения воды. Теоретической оценкой общей длительности времени процесса (t) является доля тепловой энергии, необходимой для поглощаемой мощности.
[0045] Длительность этого времени имеет зависимость от содержания воды, возрастая в основном при низких и высоких значениях содержания воды, вследствие относительно слабого поглощения раствором микроволнового излучения (Фигура 9).
[0046] Начальное содержание воды в капсуле имеет большое значение, поскольку оно определяет водный баланс на протяжении остальной части динамического процесса. Наличие избыточного количества воды в нагретом растворе может оказывать пагубное влияние на реакцию, вызывая снижение поглощения микроволнового излучения вследствие концентрации поглощения водной фракцией раствора и нежелательного охлаждения в результате образования пара и/или конвекционного потока внутри раствора. Вместе с тем, низкое содержание воды негативно влияет на эффективность процесса, воздействуя на подвижность ионов и препятствуя поступлению тепловой энергии на сухие участки ГКН.
[0047] Обратимся теперь к Фиг. 1А и 1В, которые представляют собой схематические иллюстрации установки 100 термического разложения и частичного вида 100А установки 100 соответственно, где внимание сосредоточено на капсульной камере 110. Установка 100 термического разложения может состоять из микроволнового генератора 130; микроволновой антенны 135, соединенной с микроволновым генератором 130, и капсульной камеры 110.
2
[0048] Капсульная камера 110 может иметь герметизируемое отверстие (не проиллюстрировано), выполненное с возможностью помещать в нее и содержать в герметичных условиях по меньшей мере одну капсулу 120. В соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения в капсуле 120 может содержаться источник термически разлагаемого газа, такой как ГКН, цеолит и любые другие материалы, выделяющие CO в процессе термического разложения. В соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения, термически разлагаемый материал может быть в порошкообразной форме. В соответствии с другими вариантами реализации изобретения термически разлагаемый материал может быть в форме мокрого порошка. В соответствии с другими вариантами реализации изобретения мокрый порошок может представлять собой смесь или состав из 65%-85% термически разлагаемого материала, как, например, ГКН, и 35%-15% воды. В соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения соотношение термически разлагаемого материала и воды может составлять 3 к 1.
[0049] В соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения капсульная камера 110 может выдерживать в герметизированном виде заданное давление, например, 20 бар, образующееся в капсуле 120 во время работы установки 100. В соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения капсульная камера 110 может служить в качестве механической опоры для наружной оболочки капсулы 120, предотвращая разрушение капсулы 120 во время работы установки 100 вследствие образующегося внутри нее давления.
[0050] Установка 100 может дополнительно содержать по меньшей мере один канал 140. В соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения у канала 140 может иметься первый конец 145а, открытый со стороны указанной капсулы, и второй конец 145b, соединенный с напорным клапаном 150.
[0051] В соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения капсула 120 может представлять собой одноразовую капсулу 120 из тонкого металла. В соответствии с альтернативными вариантами реализации изобретения капсульная камера 110 может быть изготовлена из токонепроводящего материала, практически прозрачного для РЧ-энергии. Под прозрачностью следует понимать, что материал задерживает менее 1% РЧ-энергии в диапазоне микроволновых частот.
[0052] В соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения при введении капсулы 120 в капсульную камеру 110 капсула 120 может входить в электрический контакт с микроволновой антенной 135. Специалистам в данной области техники следует понимать, что в случае, если капсула 120 изготовлена из металла, капсула 120 может превращаться в одноразовую микроволновую полость при контакте с антенной 135 и передаче РЧ-энергии, такой как микроволновая энергия, через антенну 135 в капсулу 120. В соответствии с другими вариантами реализации настоящего изобретения в капсуле 120 может быть предусмотрен разъем 127. В соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения микроволновая антенна 135 может проходить сквозь разъем 127 во внутреннюю полость капсулы 120. В соответствии с другими вариантами реализации изобретения микроволновая антенна 135 может быть установлена с возможностью перемещения во внутренней полости капсулы 120 по меньшей мере вдоль двух осей прямоугольной системы координат. Следует понимать, что антенна 135 может быть перемещаема во время работы установки 100 в целях создания равномерного распределения тепла внутри капсульной камеры 110. Кроме того, следует понимать, что если капсульная камера 110 и капсула 120 имеют относительно небольшие размеры, равномерное распределение тепла может быть достигнуто и без перемещения антенны 135. Выражение "относительно небольшие" в данном случае относится к размерам, при которых температура содержимого камеры достигает необходимого уровня по меньшей мере в большей части объема содержимого в течение заданного отрезка времени. В соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения камера 110 может быть перемещаема относительно антенны 135. Антенна 135 может дополнительно содержать по меньшей мере один элемент концентрации микроволновой энергии, как, например, заостренный наконечник, для получения электрического поля повышенной плотности, что также может способствовать тепловыделению. В соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения элемент концентрации энергии может быть выполнен с возможностью проникать в капсулу 120 через одну или более поверхностей капсулы 120, в случае введения капсулы 120 в капсульную камеру 110.
[0053] Установка 100 может дополнительно содержать датчик 170 давления для измерения и обеспечения индикации давления во внутреннем патрубке или канале 140. В соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения датчик 170 давления может быть подключен к контуру 175 управления или быть связанным с ним, и может передавать на контур 175 управления данные по давлению в камере 110 в основном в режиме реального времени.
[0054] В соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения контур 175 управления может быть подключен к микроволновому генератору 130 или быть связанным с ним для целей управления микроволновой энергией, например, путем регулировки частоты, вырабатываемой генератором 130, на основании данных, получаемых от датчика 170, и, при необходимости, также на основании предварительно заложенных в память кривых поглощаемости энергии для нескольких типов разлагаемых материалов, нескольких размеров и/или материалов капсул и т.д.
[0055] В соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения капсульная камера 110 может быть изготовлена из металла или может иметь металлическую оболочку, таким образом, что капсульная камера 110 может функционировать как микроволновая полость. В соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения капсульная камера 110 может содержать микроволновую полость и может быть частично заполнена диэлектрическим материалом.
[0056] Микроволновая полость может быть выполнена с алюминиевыми стенками большой толщины и может быть частично заполнена материалом, в основном прозрачным для РЧ-энергии, таким как, помимо прочего, Тефлон™ (политетрафтороэтилен), оставляющим достаточно рабочего пространства в микроволновой полости. Внутренние размеры микроволновой полости в соответствии с одним вариантом реализации настоящего изобретения могут составлять 100×60×60 мм (360 мл). В соответствии с другими вариантами реализации изобретения может быть использована микроволновая полость меньших размеров. В соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения микроволновая полость в капсульной камере 110 может представлять собой камеру высокого давления.
[0057] Обратившись к Фиг. 1С, можно увидеть схематическое изображение камеры 100 В высокого давления, выполненной из диэлектрического материала, и капсулы 121 В, выполненной из металлического материала; обратившись к Фиг. 1D, можно увидеть изображение камеры 100С из диэлектрического материала, в которой внутренний корпус камеры изготовлен из металла, а капсула 121С изготовлена из диэлектрического материала. Несложно представить, что камера 110 может быть изготовлена из диэлектрического материала, а капсула 120 может быть изготовлена из металла и функционировать как микроволновая полость, тогда как в соответствии с другими вариантами реализации изобретения капсула 120 может быть изготовлена из диэлектрического материала, а камера 110 может быть изготовлена из металла и функционировать как микроволновая полость. Обратившись к Фиг. 1 и 1В, можно увидеть, что в соответствии с одним вариантом реализации изобретения внутренняя полость капсульной камеры 110 может иметь объем 30-40 миллилитров (мл). Капсульная камера 110 может быть снабжена отверстием для микроволновой антенны или разъемом 115.
[0058] В соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения доступ для заполнения капсульной камеры 110 может быть обеспечен со стороны А камеры 110 (Фиг. 1А), например, для введения в нее капсулы; камера может быть герметизирована, например, пробкой (не проиллюстрирована). В соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения пробка или любые другие средства герметизации могут быть вжаты в тефлон через силиконовое уплотнительное кольцо (не проиллюстрировано). Следует понимать, что могут быть использованы другие средства и способы герметизации, известные в данной области техники.
[0059] В соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения газы, получаемые в процессе разложения в камере 110, отводятся по внутреннему патрубку или каналу 140 в наружную камеру пониженного давления (не проиллюстрирована) через напорный клапан 150.
[0060] В соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения такая конструкция может быть спроектирована и выполнена таким образом, чтобы выдерживать значения давления до 20 бар и температуры до 250°С без видимого снижения рабочих характеристик.
[0061] Микроволновая полость в капсульной камере 110 может быть спроектирована для работы в режиме самой низкой ее частоты, лежащей в соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения в диапазоне 2,4-2,5 ГГц. В соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения антенна 135 может быть вставлена через отверстие 115 со стороны В капсульной камеры 110. В соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения антенна 135 может проходить сквозь разъем 127 капсулы 120 во внутреннюю полость капсулы 120.
[0062] В соответствии с вариантом реализации изобретения, проиллюстрированном на Фиг. 1В, антенна 135 может не проходить внутрь капсулы 120, а находиться вблизи одной поверхности 121а капсулы 120. В соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения поверхность 121а капсулы 120, ближайшая к антенне 135, может быть изготовлена из диэлектрического материала, практически прозрачного для микроволновой энергии. В соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения остальные поверхности капсулы 120 могут быть изготовлены из металлического материала.
[0063] В соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения вся наружная оболочка 121 капсулы 120 может быть изготовлена из металлического материала. В соответствии с данным вариантом реализации изобретения антенна 135 может входить в электрический контакт с металлической оболочкой 121 капсулы 120 таким образом, что оболочка 121 капсулы 120 может функционировать как микроволновая антенна.
[0064] Вследствие изменчивости диэлектрической постоянной мокрого порошка в капсуле 120 и частоты микроволнового генератора 130, а также вследствие колебаний диэлектрической постоянной при изменяющихся температурах может быть использовано одно или более средств настройки, известных в данной области техники, для обеспечения оптимизации рабочей точки (например, частота микроволн, местоположение антенны в микроволновой полости и т.д.).
[0065] Обратимся теперь к Фиг. 2А, которая иллюстрирует установку 200 в соответствии с еще одним вариантом реализации настоящего изобретения. Аналогично вариантам реализации изобретения, проиллюстрированным на Фиг. 1А и 1В, установка 200 может содержать капсульную камеру 210 для помещения и содержания в ней капсулы 220. В соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения установка 200 может дополнительно содержать микроволновый генератор 230, например, магнетрон, микроволновую антенну 235 и волновод 237, выполненный с возможностью направлять микроволновую энергию с антенны 235 через капсульную камеру 210 в капсулу 220.
[0066] Как далее видно на Фиг. 2А, капсула 220 может быть изготовлена из металла и может иметь часть 228, изготовленную из непроводящего материала, практически прозрачного для РЧ-энергии.
[0067] В соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения капсульная камера 210 может иметь отверстие 212 для водяного патрубка для впуска воды внутрь капсулы 220 через водяной патрубок 280. Как видно на Фиг. 2А, капсула 220 может иметь отверстие 222 для приема выпускаемой среды 285 из указанного водяного патрубка 280.
2
[0068] В соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения капсульная камера 210 может содержать внутренний патрубок 240 для отвода газообразных продуктов реакции, таких как CO, из капсулы 220 в камеру низкого давления (не проиллюстрирована) через напорный клапан 250.
[0069] В соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения капсула 220 может содержать фильтр 260 для предотвращения вытеснения частиц термически разлагаемого материала из капсулы 220 в канал 240.
[0070] Обратившись к Фиг. 2В, можно увидеть проиллюстрированный на ней другой тип устройства передачи РЧ-мощности на разлагаемый материал. Как видно на Фиг. 2В, две металлические антенны или электрода 235а и 235b, помещенные друг напротив друга, подключены к источнику 230 переменного тока РЧ-энергии с одного конца и к противоположным сторонам микроволновой полости 220 с другого конца. Кроме разницы в расположении электродов РЧ/передающих пластин в качестве источника микроволнового излучения для камеры 220, нагревательное устройство 200А функционирует в основном аналогично нагревательному устройству 200 с Фиг. 2А.
[0071] Обратимся теперь к Фиг. 3, которая представляет собой схематическое изображение капсульной камеры 310, выполненной с возможностью помещения и содержания в ней двух капсул 320а и 320b. Как видно на Фиг. 3, капсульная камера 310 может иметь первую зону, или пространство 310а, и вторую зону, или пространство 310b. В соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения тепловой КПД микроволновой энергии, передаваемой в капсульную камеру 310, может быть распределен неравномерно. Например, настройка теплового КПД может быть выполнена таким образом, чтобы обеспечить большее количество тепловой энергии в одной зоне, например, зоне 310а, чем количество тепловой энергии в другой зоне, например, зоне 310b. Таким образом, следует понимать, что содержимое одной из капсул 320а или 320b, находящейся в более термически эффективной зоне камеры 310, будет нагреваться до более высокой температуры, чем содержимое другой капсулы 320а или 320b, на заданном отрезке времени и с аналогичным заданным тепловым коэффициентом для содержимого обеих капсул.
[0072] В соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения такой процесс неравномерного нагревания может быть использован для получения разных конечных продуктов, имеющих разные требования к нагреву в течение одного рабочего цикла системы микроволнового термического разложения высокого давления (100 на Фиг. 1А и 1В). Например, бытовое устройство для приготовления газированной воды и эспрессо в течение одного рабочего цикла может быть реализовано посредством помещения капсулы, содержащей мокрый порошок ГКН, в зону камеры 310 с максимальным тепловым КПД для достижения нагрева мокрого порошка ГКН до температуры в диапазоне 150°С-200°С в течение 30 секунд, и помещения другой капсулы, содержащей зерновой кофе, в зону камеры 310 с низким тепловым КПД, таким образом в течение цикла 30 секунд зерновой кофе не будет нагреваться до температуры выше, например, 90°С, во избежание ухудшения требуемых характеристик кофе. Можно понять, что такой вариант реализации изобретения может быть использован для параллельного приготовления других пар продуктов, таких как газированная вода и травяной чай, газированная вода и вспененное молоко, газированные напитки, пенистый йогурт и тому подобное, одновременно. Подача РЧ-энергии с разным тепловым КПД в зоны 310а и 310b может осуществляться, в соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения, путем помещения источника РЧ, например, антенны 335, несимметрично относительно зон 310а и 310b, таким образом, что энергия, индуцируемая микроволнами, принимаемая в одной зоне, например, в зоне 310а, интенсивнее энергии, принимаемой в зоне 310b.
[0073] Обратимся теперь к Фиг. 4А, которая представляет собой вариант реализации изобретения установки 400А в соответствии с настоящим изобретением. Как видно на Фиг. 4А, капсульная камера 410 может служить в качестве микроволновой полости для нагрева под давлением вещества, содержащегося в капсуле 420. Как далее видно на Фиг. 4А, капсульная камера 410 может содержать водяной патрубок 490, проходящий сквозь нее. По водяному патрубку 490 вода может проходить через капсульную камеру 410; микроволновая антенна 435 может передавать РЧ-энергию для нагревания одновременно содержимого капсулы 420 и воды, содержащейся в патрубке 490. Установка 400А может дополнительно содержать водяной патрубок 492, выполненный с возможностью проникать в капсулу 420, когда она помещена внутрь камеры 410; патрубок может быть дополнительно выполнен с возможностью подачи воды для целей увлажнения содержимого капсулы 420 в случае использования сухого порошка.
[0074] Обратившись к Фиг. 4В, можно увидеть проиллюстрированный вариант реализации изобретения установки 400В. Нагревание содержимого камеры 410 может быть выполнено в целом в соответствии с описанием для Фиг. 2А. Как видно в варианте реализации изобретения с Фиг. 4В, насос 493 и источник 494 воды могут быть подключены посредством трубной обвязки 496 для камеры 410, к газам, отводимым насосом через патрубок 442, и к воде от источника 494 воды обратно в капсульную камеру 410 и внутрь капсулы 420 в целом в виде непрерывного процесса.
[0075] Теперь обратимся к Фиг. 5А, 5В, 5С, 5D и 5Е, иллюстрирующим примеры соответственно капсул 520А-520Е, согласно вариантам реализации настоящего изобретения. Капсулы 520A-D могут содержать закрытую оболочку или оболочку 521 с внутренней полостью 522, имеющейся в оболочке 521. Капсула с Фиг. 5Е представляет собой двойную капсулу, выполненную с возможностью расположения в ней отсеков, находящихся в первой зоне и второй зоне капсульной камеры.
[0076] В соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения капсула 520 может содержать по меньшей мере первый отсек 523 в полости 522, чтобы вмещать термически разлагаемый материал (не проиллюстрирован), и фильтр 560, чтобы предотвращать вытеснение частиц термически разлагаемого материала из капсулы 520 в процессе термического разложения материала.
[0077] В соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения оболочка 521 может быть изготовлена из токонепроводящего материала, практически прозрачного для РЧ-энергии. В соответствии с другими вариантами реализации изобретения оболочка 521 может быть изготовлена из металла. Специалистам в данной области техники следует понимать, что, если оболочка 521 изготовлена из металла, соприкасаясь с микроволновым генератором, оболочка 521 может превращаться в микроволновую полость.
2
[0078] В соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения из капсулы 520 может исходить углекислый газ (CO), выделяемый в процессе термического разложения ГКН, содержащегося в отсеке капсулы 520.
[0079] В соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения капсула 520А может содержать разъем 524 для помещения в него микроволновой антенны 535.
[0080] В соответствии с альтернативными или дополнительными вариантами реализации изобретения капсула 520D может содержать элементы концентрации микроволновой энергии 525, соединяемые с гильзой 521 и выступающие внутрь полости 522 капсулы 520.
[0081] В соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения разъем 524 может быть выполнен с возможностью прохождения антенны 535 внутрь полости 522 капсулы 520, когда капсула 520 вводится в установку термического разложения (100 на Фиг. 1А и 1В).
[0082] В соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения капсула 520В может содержать второй отсек 526 (на Фиг. 5В) для помещения в него второго вещества, такого как пищевой ароматизатор.
[0083] В соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения капсула 520А может содержать отверстие 528, покрытое отрывной герметизирующей крышкой 528а. Отверстие 528 может быть выполнено с возможностью введения в него выходного конца (145а на Фиг. 1А) канала (145 на Фиг. 1А), когда капсула 520 вставляется в установку (100 на Фиг. 1А). В соответствии с некоторыми вариантами реализации изобретения капсула 520С может иметь другое отверстие 529, которое может быть покрыто отрывной герметизирующей крышкой 529а. Отверстие 529 может быть выполнено с возможностью приема среды, выпускаемой из водяного патрубка (280 на Фиг. 2А).
[0084] На Фиг. 5Е проиллюстрировано расположение двойной капсульной камеры, приспособленной для нагревания разных исходных материалов до разной температуры в капсулах внутри разных зон капсульной камеры. Например, в капсульная камера имеет первый отсек 530А, содержащий первую капсулу 536А, и второй отсек 530В, содержащий вторую капсулу 536В. Капсулы 536А и 536В соединены соединительной деталью. Такая конфигурация позволяет разместить две капсулы в отдельных зонах капсульной камеры, имеющих соответствующие тепловые КПД. Первая зона камеры может быть отделена стенкой 532, препятствующей передаче РЧ-энергии из первой зоны во вторую зону, тогда как наружный корпус камеры имеет металлические стенки 534, окружающие зону 530В с высоким тепловым КПД.
2
2
[0085] В соответствии с некоторыми вариантами реализации настоящего изобретения капсула 536А содержит вещество, которое не подлежит нагреву, как, например, ароматизатор, а капсула 536В содержит нагреваемое и термически разлагаемое вещество, предпочтительно мокрый порошок ГКН. Предусматривается капсула с верхней и нижней герметизирующими крышками 560 для поддержания роста давления, образуемого вследствие выделения CO, только внутри капсулы 536В. Кроме того, капсула 536В содержит газоотвод 562 на нижней поверхности капсулы для выпуска CO.
2
2
[0086] Обратившись к Фиг. 6, можно увидеть блок-схему, условно описывающую процесс получения газа путем его нагрева в соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения. В нагревательную камеру помещается материал, например, гидрокарбонат натрия (блок 802). Таким материалом может быть любой материал, способный в процессе термического разложения выделять CO. На материал в камере подается РЧ-энергия (блок 804). По мере роста давления внутри камеры вследствие выделения CO давление регулируется системой регулировки так, чтобы выполнить настройку параметров процесса до заранее заданных значений (блок 806). В соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения в нагревательной камере может нагреваться дополнительный материал/жидкость (блок 810). В соответствии с вариантами реализации настоящего изобретения через нагреваемый материал может пропускаться жидкость, как, например, вода, для улучшения поглощения жидкостью выделяемого газа (блок 812). Выделяемый газ собирается и нагнетается в резервуар для жидкости для создания газированного напитка (блок 814).
[0087] Для повышения эффективности процесса термического разложения внутри капсулы или в качестве компонента капсулы могут быть использованы материалы, воспринимающие микроволны, в форме порошка, игл и тонкой пленки. Воспринимающие материалы включают, помимо прочего, силикат алюминия, керамику, металлизированную крошку и другие материалы, про которые в данной области техники известно, что они обнаруживают свойство быстрого роста температуры пропорционально приложенной микроволновой мощности ("реактивная проводимость"). Воспринимающие материалы функционируют как эффективные поглотители MB как внутри полости, так и в открытом пространстве. Таким образом, добавление воспринимающего материала внутрь капсулы, содержащей гидрокарбонат натрия, или использование воспринимающего материала в качестве оболочки капсулы может обеспечить положительный прирост эффективности процесса термического разложения.
[0088] Для использования с настоящим изобретением рассматриваются две основные конфигурации с применением материалов, воспринимающих микроволны: мокрая капсула и сухая капсула. В конфигурации с мокрой капсулой добавление элементов воспринимающих материалов в капсулу создает возможность нагрева ГКН вблизи воспринимающего материала, несмотря на то, что содержание воды внутри капсулы во время процесса снижается, что приводит к охлаждению капсулы и снижению поглощения микроволн (по убыли соответственно энергии и массы, как описано выше). Комбинирование воспринимающего материала и воды создает возможность достижения гораздо большей скорости разложения по сравнению с капсулой, содержащей только воду и ГКН без воспринимающего материала. В конфигурации с сухой капсулой элементы воспринимающих материалов, помещенные внутрь капсулы, поглощают энергию MB и непосредственно участвуют в нагреве материала с низкой поглощающей способностью (такого как порошок ГКН) для обеспечения процесса термического разложения.
Пример А.
[0089] Была собрана установка, состоящая из специально изготовленной микроволновой камеры небольшого размера и трубы, выходящей из микроволновой камеры и соединенной с манометром. На трубу был помещен предохранительный клапан мгновенного действия, так, чтобы конец трубы входил в пластиковую бутылку 0,5 л, изготовленную из поликарбоната (PC). На конце трубы была установлена специально изготовленная насадка, так, чтобы манометр был соединен с бутылкой и измерял давление в бутылке. Также был подключен насос, прокачивающий воду внутрь пластиковой бутылки и из нее. Бутылка для воды была заполнена водой и охлаждена до температуры 2°С (36°F).
[0090] Капсула состояла из политетрафтороэтилена, пригодного для повторного использования (тефлон), которая была заполнена 25 г ГКН, смешанного с 5 см воды. Капсула была установлена в полость, помещающуюся в микроволновую камеру. Затем микроволновая камера была включена, при этом содержимое капсулы нагревалось.
[0091] Одновременно был включен водяной насос, непрерывно смешивающий воду. Когда температура внутри микроволновой камеры возросла, показания манометра начали расти, что указывало на получение/извлечение углекислого газа из капсулы. Когда давление внутри микроволновой камеры достигло 15 бар, клапан был открыт, давая возможность газу попасть в бутылку. Давление внутри бутылки возросло (на что указывали показания подключенного манометра). Циркуляция воды вызвала растворение газа в воде, тем самым снижая давление внутри бутылки.
[0092] Процесс был повторен несколько раз: выпуск порций углекислого газа в бутылку и смешивание их до тех пор, пока давление внутри микроволновой камеры не переставало расти, указывая на то, что выделился весь газ, содержавшийся в гидрокарбонате натрия. Продолжительность всей операции полностью не превышала 1 минуту.
[0093] Объем соды, образовавшейся внутри бутылки, был измерен с помощью тестера производства компании ICI, указавшего, что уровень GV (объем газа) достиг 4,2.
Пример В
3
[0094] Для дополнительной серии экспериментов была использована установка из Примера А с применением того же корпуса капсулы, однако с другим соотношением гидрокарбоната натрия и воды (24 г полученного гидрокарбоната натрия, смешанного с 5,5 см воды) и вытяжкой газа скорее в постоянном, а не в прерывистом режиме.
[0095] Вода внутри бутылки с водой была охлаждена до температуры 2°С (36°F) и для циркуляции воды внутри бутылки был включен насос. Затем была включена микроволновая камера, и как только давление внутри камеры возросло до 20 бар, клапан был открыт и удерживался в открытом положении в течение 40 секунд. Объем соды, образовавшейся внутри бутылки, был измерен с помощью тестера производства компании ICI, указавшего, что уровень GV (объем газа) достиг 3,1.
[0096] Тогда как в данной заявке проиллюстрированы и описаны некоторые признаки настоящего изобретения, специалистам в данной области техники будет понятно, что могут иметь место многие модификации, замещения, изменения и эквиваленты. Следовательно, необходимо понимать, что прилагаемая формула изобретения распространяется на все такие модификации и изменения, которые находятся в пределах сущности и объема настоящего изобретения. Кроме того, варианты реализации изобретения, раскрытые в данном документе, связаны между собой, так что отличительные признаки и вытекающие из них ограничения, раскрываемые в описании в связи с одним из вариантов или одним из независимых пунктов формулы изобретения, также могут быть скомбинированы с другим вариантом реализации или другим независимым пунктом формулы изобретения без отклонения от объема настоящего изобретения.