(57)【要約】【課題】９１５ＭＨｚマイクロ波を伝送する導波管を小型化することができ、その導波管を有するマイクロ波加熱装置を小型化することができるマイクロ波加熱装置を提供する。【解決手段】本実施形態に係るマイクロ波加熱装置１は、被加熱物を収納可能な内部空間を有する金属加熱箱３０と、金属加熱箱３０に９１５ＭＨｚマイクロ波電力を伝送する９１５ＭＨｚ導波管２０と、を備え、金属加熱箱３０は、その１辺の長さが９１５ＭＨｚマイクロ波の自由空間波長以上であり、９１５ＭＨｚ導波管２０は、開口部２０ａの幅寸法Ｗが９１５ＭＨｚ遮断周波数に近接した１６５〜１８０ｍｍ、開口部２０ａの高さ寸法ｈが４５〜５４．６ｍｍ、９１５ＭＨｚ導波管２０に挿入されるマグネトロンアンテナ５８位置を基準とし金属反射板２１位置（ＢＰ寸法）が１３０〜１４０ｍｍである。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加熱物を収納可能な内部空間を有する加熱箱と、
前記加熱箱に９１５ＭＨｚマイクロ波電力を伝送する９１５ＭＨｚ導波管と、を備え、
前記加熱箱は、その１辺の長さが９１５ＭＨｚマイクロ波の自由空間波長以上であり、
前記９１５ＭＨｚ導波管は、開口部幅寸法が９１５ＭＨｚ遮断周波数に近接した当該遮断周波数の略半分の幅寸法である
ことを特徴とするマイクロ波加熱装置。
【請求項２】
前記略半分幅寸法は、９１５ＭＨｚ遮断周波数に近接した１６５〜１８０ｍｍである
ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項３】
前記９１５ＭＨｚ導波管の開口部の高さ寸法が４５〜５４．６ｍｍである
ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項４】
前記９１５ＭＨｚ導波管に挿入されるマイクロ波出力用アンテナ位置を基準とし、マイクロ波進行方向と反対方向に設ける反射板位置が１３０〜１４０ｍｍである
ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項５】
前記９１５ＭＨｚ導波管に挿入されるマイクロ波出力用アンテナの高さが、前記９１５ＭＨｚ導波管の開口部の高さ寸法以下である
ことを特徴とする請求項４に記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項６】
前記加熱箱に２４５０ＭＨｚマイクロ波電力を伝送する２４５０ＭＨｚ導波管をさらに備える
ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波電力を被加熱物に照射するマイクロ波加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波電力を応用した加熱方法は、マイクロ波エネルギが被照射物の内部に直接伝達され、迅速で高効率の加熱を実現することができる。マイクロ波発振デバイスには、一般的にマグネトロンが利用される。
従来のマグネトロンにおいては、発振周波数として９１５ＭＨｚと、ＩＳＭ（Industry Science Medical）バンドである２４５０ＭＨｚの２種類のものが実用化されている。市場においては、２４５０ＭＨｚ又は９１５ＭＨｚ帯を発振周波数とするマグネトロンが主流であり、特に２４５０ＭＨｚのものが多用されている。２４５０ＭＨｚのマグネトロンは、加工室及び被加熱物の大きさ、導波管サイズ等を小型化できる特徴を有することから、業務用、家庭用等の電子レンジのような加熱装置はもとより、半導体製造装置として、薄膜のドライエッチング用装置、マイクロ波プラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置にも使用されている。
【０００３】
近年では９００ＭＨｚ帯マイクロ波の需要が増えている。例えば、９１５ＭＨｚのマグネトロンは、大型の電磁石タイプのマグネトロンで、数十ｋＷ以上の大出力の工業用加熱装置等に用いられている。また、９１５ＭＨｚのマグネトロンを、電子レンジなどの加熱装置に実装することも考えられる。しかし、９１５ＭＨｚのマグネトロンはそれ自体が大型で、加熱装置に実装するためには、加熱装置自体も大型化せざるを得ず、実用上使用するには困難である。９１５ＭＨｚ帯のマグネトロンは、大型の電磁石タイプしか製品化されていないということもあり、永久磁石タイプが一般化している２４５０ＭＨｚ帯のマグネトロンに比べて重量化、大型化してしまうことになる（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−１２４１９６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、９１５ＭＨｚマイクロ波の空間波長は、約３３ｃｍであり、２４５０ＭＨｚマイクロ波の空間波長の約１２．２ｃｍに比べて波長が長い。このため、被加熱物を収納する金属加熱箱内にマイクロ波伝送させる導波管サイズは、大きくならざるを得ない。例えば、９１５ＭＨｚ導波管の開口部寸法は、ＪＩＳ形名ＷＲＪ−１では２４７．６５Ｗｍｍ×１２３．８３ｈｍｍである。９１５ＭＨｚ導波管の小型化が図れないことから、このような大型の９１５ＭＨｚ導波管を小型の電子レンジ等に搭載することは困難であった。９１５ＭＨｚ導波管を実装した小型のマイクロ波加熱装置は実現されていないのが現状である。
【０００６】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、９１５ＭＨｚマイクロ波を伝送する導波管を小型化することができ、その導波管を有するマイクロ波加熱装置を小型化することができるマイクロ波加熱装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明のマイクロ波加熱装置は、被加熱物を収納可能な内部空間を有する加熱箱と、前記加熱箱に９１５ＭＨｚマイクロ波電力を伝送する９１５ＭＨｚ導波管と、を備え、前記加熱箱は、その１辺の長さが９１５ＭＨｚマイクロ波の自由空間波長以上であり、前記９１５ＭＨｚ導波管は、開口部幅寸法が９１５ＭＨｚ遮断周波数に近接した当該遮断周波数の略半分の幅寸法であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、９１５ＭＨｚマイクロ波を伝送する導波管を小型化することができ、その導波管を有するマイクロ波加熱装置を小型化することができるマイクロ波加熱装置を提供する。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１の実施形態に係るマイクロ波加熱装置の構成を示す図である。
【図２】上記第１の実施形態に係るマイクロ波加熱装置の９１５ＭＨｚ導波管の構成を示す斜視図である。
【図３】上記第１の実施形態に係るマイクロ波加熱装置の９１５ＭＨｚ導波管の構成を示す図である。
【図４】上記第１の実施形態に係るマイクロ波加熱装置の９１５ＭＨｚマグネトロンの構成図である。
【図５】上記第１の実施形態に係るマイクロ波加熱装置の９１５ＭＨｚ導波管の周波数特性を示す図である。
【図６】上記第１の実施形態に係るマイクロ波加熱装置のマイクロ波電界分布のシミュレーション解析モデルを説明する図である。
【図７】図６のシミュレーション解析モデルによるマイクロ波電界分布を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施形態に係るマイクロ波加熱装置の構成を示す図である。
【図９】図７のシミュレーション結果を検証した実験結果を示す図である。
【図１０】上記第２の実施形態に係るマイクロ波加熱装置の２４５０ＭＨｚマイクロ波源を金属加熱箱の底面に設置し、マイクロ波照射した場合の被加熱物のマイクロ波吸収電力分布のシミュレーション結果を示す図である。
【図１１】上記第２の実施形態に係るマイクロ波加熱装置の被加熱物として水分９９％の感温ゲル剤にマイクロ波照射した場合のマイクロ波吸収分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態に係るマイクロ波加熱装置の構成を示す図である。本実施形態のマイクロ波加熱装置は、被加熱物を収納する金属加熱箱内にマイクロ波発振デバイスからのマイクロ波電力を伝送する導波管を有する高周波加熱装置に適用した例である。
図１に示すように、マイクロ波加熱装置１は、９１５ＭＨｚマグネトロン１０と、９１５ＭＨｚマグネトロン１０に結合し、９１５ＭＨｚマグネトロン１０で発生した９１５ＭＨｚマイクロ波電力を伝送する９１５ＭＨｚ導波管２０と、被加熱物を収納可能な内部空間を有し、９１５ＭＨｚ導波管２０から伝送された９１５ＭＨｚマイクロ波電力を被加熱物に照射させる金属加熱箱３０と、を備える。
上記９１５ＭＨｚマグネトロン１０及び９１５ＭＨｚ導波管２０は、９１５ＭＨｚマイクロ波源１５を構成する。９１５ＭＨｚマイクロ波源１５は、金属加熱箱３０の上面側に配置され、金属加熱箱３０内にマイクロ波を照射する。
【００１１】
<９１５ＭＨｚマグネトロン１０>
９１５ＭＨｚマグネトロン１０は、９１５ＭＨｚマイクロ波を発振出力するマイクロ波発振デバイスである。
９１５ＭＨｚマグネトロン１０は、マグネトロンアンテナ５８（図２及び図３参照）を出力部として備え、発生した９１５ＭＨｚマイクロ波をマグネトロンアンテナ５８により放射して９１５ＭＨｚ導波管２０に伝送させる。後記するように、マグネトロンアンテナ５８は、９１５ＭＨｚ導波管２０の所定位置に挿入される。マグネトロンアンテナ５８の高さは、２．４５０ＧＨｚマグネトロンのアンテナと同じ高さである。
【００１２】
<９１５ＭＨｚ導波管２０>
９１５ＭＨｚ導波管２０は、９１５ＭＨｚマグネトロン１０と結合し、９１５ＭＨｚマイクロ波電力を金属加熱箱３０に伝送する伝送回路である。９１５ＭＨｚ導波管２０は、方形導波管であり方形の開口部２０ａを有する。開口部２０ａの幅寸法及び高さ寸法、並びに導波管の奥行き寸法等は、それぞれ下記の特徴を有する。
【００１３】
９１５ＭＨｚ導波管２０は、開口部２０ａ幅寸法が９１５ＭＨｚ遮断周波数に近接した１６５〜１８０ｍｍである。また、９１５ＭＨｚ導波管２０は、開口部２０ａ高さ寸法が２．４５０ＧＨｚ導波管で採用されている４５〜５４．６ｍｍである。したがって、例えば９１５ＭＨｚ導波管２０は、開口部２０ａ幅寸法及び高さ寸法が１６７ｍｍＷ×５４ｍｍｈである。
【００１４】
また、９１５ＭＨｚ導波管２０は、開口部２０ａに対して直交する面２０ｂ（図２及び図３参照）の開口部２０ａと反対側が、９１５ＭＨｚマグネトロン１０の取付部となっている。この取付部には、９１５ＭＨｚ導波管２０の高さ寸法方向に、９１５ＭＨｚマグネトロン１０のマグネトロンアンテナ（マイクロ波出力用アンテナ）５８が挿入される。マグネトロンアンテナ５８のアンテナ高さは、開口部２０ａの高さ寸法４５〜５４．６ｍｍ以下である。
【００１５】
また、９１５ＭＨｚ導波管２０は、開口部２０ａの反対側の導波管内部に、導波管内部に導入されたマイクロ波を開口部２０ａ側に反射して導くための金属反射板２１を備える。金属反射板２１は、９１５ＭＨｚ導波管２０内部に挿入されたマグネトロンアンテナ５８位置基準として、マイクロ波進行方向と反対側に１３０〜１４０ｍｍの位置に取り付けられる。
なお、９１５ＭＨｚ導波管２０の奥行き寸法（全長）と、開口部２０ａからマグネトロンアンテナ５８までの寸法は、任意である。
【００１６】
このように、９１５ＭＨｚ導波管２０は、一般的に採用されている９１５ＭＨｚ導波管（導波管形名ＷＲＪ−１のＪＩＳ規格準拠）開口部寸法２４７．６５Ｗｍｍ×１２３．８３ｈｍｍと比較して、幅寸法で約６７％、高さ寸法で約４４％まで小型化されている。
【００１７】
<金属加熱箱３０>
金属加熱箱３０は、被加熱物を収納しうる内部空間を有し、その１辺の長さが９１５ＭＨｚマイクロ波の自由空間波長（約３３ｃｍ）以上の直方体構造である。具体的には、金属加熱箱３０は、１辺の長さが９１５ＭＨｚマイクロ波の自由空間波長以上（ここでは４１１ｍｍ）とした、４１１Ｗｍｍ×２３５ｈｍｍ×３２０Ｄｍｍの角型筒体形状である。このサイズ及び形状は、一般的な電子レンジと同じ基本形状である。金属加熱箱３０は、被加熱物を出し入れするドアー（図示省略）が、４１１Ｗｍｍ×２３５ｈｍｍの面に取り付けられる。
【００１８】
[９１５ＭＨｚ導波管２０の構成]
図２は、９１５ＭＨｚ導波管２０の構成を示す斜視図である。図３は、図２の９１５ＭＨｚ導波管２０の構成を示す図であり、図３（ａ）はその上面図、図３（ｂ）はその側面図である。
図２及び図３（ａ）（ｂ）に示すように、９１５ＭＨｚ導波管２０は、金属加熱箱３０（図１参照）内にマイクロ波を照射する開口部２０ａと、９１５ＭＨｚマグネトロン１０が配置される面２０ｂとを有する。開口部２０ａと反対側の面２０ｂには、９１５ＭＨｚマグネトロン１０（図１参照）が取り付けられ、当該取付位置には、９１５ＭＨｚマグネトロン１０の同軸管外導体５９に接続されたマグネトロンアンテナ５８（後記図４参照）が挿入される。また、９１５ＭＨｚ導波管２０は、開口部２０ａの反対側の導波管内部に、マイクロ波を開口部２０ａ側に反射して導くための金属反射板（短絡板）２１を有する。金属反射板２１は、マグネトロンアンテナ５８位置基準として、マイクロ波進行方向と反対側に１３０〜１４０ｍｍの位置に取り付けられる。なお、金属反射板２１は、マイクロ波進行方向と反対側の９１５ＭＨｚ導波管２０の底部（有底筒管の底部）であってもよい。
【００１９】
９１５ＭＨｚ導波管２０は、開口部２０ａの幅寸法Ｗが９１５ＭＨｚ遮断周波数に近接した１６５〜１８０ｍｍ（例えば、１６７ｍｍ）、その高さ寸法ｈが２４５０ＭＨｚ導波管で採用されている４５〜５４．６ｍｍ（例えば、５４ｍｍ）である。また、９１５ＭＨｚ導波管２０は、マグネトロンアンテナ５８から金属反射板２１までの長さが１３０〜１４０ｍｍ（例えば、１３０ｍｍ）である。なお、開口部２０ａからマグネトロンアンテナ５８までの長さは、例えば３３０ｍｍ、開口部２０ａから金属反射板２１までの長さは、例えば４６０ｍｍである。
【００２０】
[９１５ＭＨｚマグネトロン１０の構成]
図４は、９１５ＭＨｚマグネトロン１０の構成図である。
図４に示すように、９１５ＭＨｚマグネトロン１０は、永久磁石型９００ＭＨｚ帯のマグネトロンである。
９１５ＭＨｚマグネトロン１０は、熱電子放出源となる陰極フィラメント（直熱形螺旋状陰極）５１、複数枚の陽極ベイン５２、及び陽極円筒部（陽極シリンダ）５３を備える。
９１５ＭＨｚマグネトロン１０は、円環状の永久磁石５４，５４ａ、磁極５５，５５ａ、ヨーク５６，５６ａ、アンテナリード５７、マグネトロンアンテナ５８、同軸管外導体５９、円筒状のアンテナブロック６０、セラミック等の絶縁体６１、作用空間６３、及び出力部６９を備える。
上記出力部６９は、アンテナリード５７、マグネトロンアンテナ５８、同軸管外導体５９及びアンテナブロック６０を含んで構成されている。なお、出力部６９は、アンテナリード５７のみをドームセラミックで覆った構造でもよい。
【００２１】
９１５ＭＨｚマグネトロン１０は、磁気回路部７０、上側エンドシールド（出力側エンドシールドともいう）７１、下側エンドシールド（入力側エンドシールドともいう）７２、陰極リードのセンターリード７３、陰極リードのサイドリード７４、端子板７６、陰極部７８、及び陽極部７９を備える。
上記磁気回路部７０は、磁気発生源である永久磁石５４，５４ａ及び磁極５５，５５ａ並びにヨーク５６，５６ａを含んで構成されている。上記陰極部７８は、熱電子放出源となる陰極フィラメント５１及び上側及び下側エンドシールド７１，７２並びに陰極リード７３，７４等を含んで構成されている。上記陽極部７９は、複数枚の陽極ベイン５２及び陽極円筒部５３と、ろう付け等で固着されるか、又は陽極円筒部５３と共に押し出し成形により一体形成されている。
上記ヨーク５６，５６ａは、磁気回路部７０を構成する一方、永久磁石５４，５４ａ、磁極５５，５５ａ、アンテナリード５７、陰極部７８及び陽極部７９を収容する筐体でもある。ヨーク５６は、下面が開口した箱形の形状であり、ヨーク５６ａはその開口を塞ぐ蓋状の形状である。
【００２２】
陽極円筒部５３の上下には、軟鉄等の強磁性体から成る磁極５５，５５ａ及び円筒状の永久磁石５４，５４ａが配置されている。永久磁石５４，５４ａから発生した磁束は、磁極５５，５５ａを通って陰極フィラメント５１と陽極ベイン５２との間に形成される作用空間６３に入り、９１５ＭＨｚマグネトロン１０の上下方向である軸芯方向に必要な直流磁界を与える。
【００２３】
この直流磁界により次のような作用を及ぼす。すなわち、９１５ＭＨｚマグネトロン１０の本体軸芯が水平面に対して垂直に設置されている状態において、陰極フィラメント５１から陽極ベイン５２に向かって水平方向に飛ぶ電子に対して垂直方向（軸芯方向）に磁束が付与されると、電子にローレンツ力が加わる。このローレンツ力により電子が水平方向に螺旋状に旋回しながら飛ぶことになり、陽極ベイン５２に高周波電界が形成される。
陰極フィラメント５１は、直流の４ｋＶ〜８ｋＶの負の高電圧の印加状態において電子を放出し、この電子は、上記のように電界及び磁界の作用を受けて螺旋運動しながら各陽極ベイン５２に高周波電界を形成する。この形成された高周波電界は、アンテナリード５７及びマグネトロンアンテナ５８を通してアンテナブロック５８から９１５ＭＨｚ導波管２０（図１参照）へ出力される。
【００２４】
陰極フィラメント５１は、電子放出特性及び加工性等を考慮して、一般的には酸化トリウム（ＴｈＯ２）を約１％含むタングステン線が用いられ、上側エンドシールド７１と下側エンドシールド７２及び陰極リード７３，７４で支持されている。陰極リード７３，７４は耐熱性、加工性の観点から、一般的にはモリブデン（Ｍｏ）が採用され、入力側セラミック７５の上面に銀ろう等でろう付けされた端子板７６を介してチョークコイル８１に接続されている。
【００２５】
９１５ＭＨｚマグネトロン１０の下部には、チョークコイル８１及び貫通コンデンサ８２を支持するフィルターケース８３と、このフィルターケース８３を閉じる蓋体８４とからなるフィルタ構造体８５が取り付けられている。端子板７６に接続されたチョークコイル８１は、貫通コンデンサ８２とでＬ−Ｃフィルタを構成し、陰極リード７３，７４から伝播されてくる低周波成分を抑制する。但し、高周波成分はフィルターケース８３とその蓋体８４でシールドされる。また、陽極円筒部５３の外周に設置された冷却機構７７は、冷水が通る冷却水通路７７ａが内部に周回されて配設されており、その通過する冷水で９１５ＭＨｚマグネトロン１０の作動に伴う熱を拡散させる。
【００２６】
このように、９１５ＭＨｚマグネトロン１０は、熱電子放出源である陰極フィラメント５１を含む陰極部７８と、陽極円筒部５３の内側に複数の陽極ベイン５２を一定間隔離して円環状に配列した構造であり、陽極ベイン５２同士の間に形成される空洞による空洞共振器を有する陽極部７９と、空洞共振器に蓄えられるマイクロ波を外部へ送出する出力部６９と、陰極部７８、陽極部７９及び出力部６９の一部を内封する真空管本体の軸方向上下端に磁石を配設した磁気回路部７０とを備える。また、陽極円筒部５３、陽極ベイン５２及び陰極フィラメント５１の寸法及び配置等を、特定の関係になるように構成する。これにより、空洞共振器とそのインダクタンスを大きくし、陽極円筒部５３と陽極部７９の径を小さくすることができ、マグネトロン全体の小型化することができるとともに、発振周波数を下げることができる。したがって、９１５ＭＨｚマグネトロン１０を、従来の２４５０ＭＨｚ帯のマグネトロンと略同一外径寸法及び略同一出力で実現することができる。
【００２７】
以下、上述のように構成されたマイクロ波加熱装置１の９１５ＭＨｚマイクロ波源１５の小型化について説明する。
本発明者らは、９１５ＭＨｚマイクロ波源１５の小型化を阻害する要因の一つが、９１５ＭＨｚ導波管２０の開口部２０ａ寸法（サイズ）の大きさにあると認識し、開口部２０ａをいかに小さくできるかを鋭意検討した。その結果、９１５ＭＨｚマイクロ波伝送の遮断周波数と開口部２０ａの幅Ｗ寸法とに特定の関係があることを見出した。また、マグネトロンアンテナ５８を基準位置としたとき金属反射板２１位置により伝送効率が変わることを見出した。
【００２８】
<開口部２０ａの幅寸法>
まず、開口部２０ａの幅寸法（以降、幅Ｗ寸法という）について説明する。
９１５ＭＨｚ導波管２０は、９１５ＭＨｚマイクロ波源１５を構成する。９１５ＭＨｚマイクロ波源１５は、金属加熱箱３０の上面側に配置され、金属加熱箱３０内にマイクロ波を照射する。
【００２９】
すなわち、マイクロ波を伝送する開口部２０ａの幅Ｗ寸法を１６７ｍｍにした場合、９１５ＭＨｚ導波管２０の遮断波長は、２×１６７ｍｍ＝３３４ｍｍとなる。一方、９１５ＭＨｚ導波管２０は、９１５ＭＨｚの空間波長が、約３３０ｍｍである。したがって、９１５ＭＨｚ導波管２０の遮断波長３３４ｍｍは、９１５ＭＨｚの空間波長約３３０ｍｍに近接しているので、９１５ＭＨｚマグネトロン１０から照射した９１５ＭＨｚマイクロ波は効率良く伝送される。このように、９１５ＭＨｚ導波管２０の開口部２０ａの幅Ｗ寸法は、９１５ＭＨｚマイクロ波伝送の遮断周波数（約９００ＭＨｚ）に近接した当該遮断周波数の略半分の幅寸法とした。
【００３０】
<開口部２０ａの高さ寸法>
次に、開口部２０ａの高さ寸法（以降、高さｈ寸法という）について説明する。
一般に、マグネトロンで発生したマイクロ波を導波管内に伝送させるためのマグネトロンのアンテナ高さは、自由空間波長のλ／４である。２４５０ＭＨｚマイクロ波では、マグネトロンのアンテナ高さは、１２．２ｃｍ×１／４≒３０ｍｍとなる。つまり、２４５０ＭＨｚマグネトロンでは、マグネトロンアンテナが導波管高さ方向に約３０ｍｍ挿入される。
【００３１】
これに対して、９１５ＭＨｚマイクロ波では、３３０ｍｍ／４＝８２．５ｍｍのアンテナ高さとなる。本実施形態では、図１乃至図３に示すように、９１５ＭＨｚ導波管２０高さは、２４５０ＭＨｚ導波管高さと略同じ５４．０ｍｍとした。また、９１５ＭＨｚマグネトロン１０のマグネトロンアンテナ５８高さも２４５０ＭＨｚマグネトロンと同じ３０ｍｍ程度となる。
したがって、９１５ＭＨｚ導波管２０の開口部２０ａ寸法は、導波管形名ＷＲＪ−１のＪＩＳ規格２４７．６５Ｗｍｍ×１２３．８３ｈｍｍと比較して、幅寸法で約６７％、高さ寸法で約４４％まで小型化されている。
【００３２】
<伝送効率>
図２及び図３において、９１５ＭＨｚ導波管２０高さを５４．０ｍｍ、マグネトロンアンテナ５８高さを３２ｍｍとした場合の９１５ＭＨｚマイクロ波源１５のマイクロ波伝送特性をシミュレーションから求めた。
９１５ＭＨｚ導波管２０に挿入されるマグネトロンアンテナ５８の構造は、９１５ＭＨｚマグネトロン１０の出力部６９（図４参照）を想定する。同軸管外導体５９の径を３７φｍｍ、内導体となるマグネトロンアンテナ５８の径を１８φｍｍの同軸管構造とする。また、９１５ＭＨｚ導波管２０内に挿入されるマグネトロンアンテナ５８の深さ（挿入される部分の長さ）は、３２ｍｍとする。
【００３３】
図３に示すように、内導体であるマグネトロンアンテナ５８から放射されるマイクロ波は、マイクロ波進行方向（金属加熱箱３０方向）に向かって伝送する。このときの伝送効率は、マグネトロンアンテナ５８からマイクロ波進行方向反対側の金属反射板（短絡板）２１の距離（ＢＰ（バックプランジャ）寸法）に依存する。
【００３４】
図５は、９１５ＭＨｚ導波管２０の周波数特性を示す図である。図５は、図２及び図３のシミュレーションモデルにおける伝送効率のシミュレーション結果を示す。図５中、横軸は周波数ｆ、縦軸は９１５ＭＨｚマイクロ波の伝送効率となる反射係数Γを示し、金属反射板２１位置（ＢＰ寸法）をパラメータとしている。
金属反射板２１位置（ＢＰ寸法）１３０．２〜１４０．２ｍｍで反射係数Γを０．１０まで最小化する。ここでは、金属反射板２１位置が、９０．２ｍｍ、１００．２ｍｍ、１３０．２ｍｍ、１４０．２ｍｍ、１５０．２ｍｍの各ＢＰ寸法における周波数ｆ及び反射係数Γを示している。反射係数Γ＝０はマイクロ波の１００％伝送を、反射係数Γ＝１はマイクロ波の０％伝送を表す。Γ＝０でアンテナから放射されたマイクロ波はすべて金属加熱箱３０内に供給され被加熱物に吸収される。Γ＝１．０では、被加熱物に吸収されるマイクロ波電力が０であることを表す。ｆ＝９００ＭＨｚでは、ＢＰ寸法に関わらずΓ＝１となるが、これは導波管幅寸法で決まる導波管遮断周波数である。
【００３５】
ここで、本実施形態では、９１５ＭＨｚ導波管２０の遮断波長を、９１５ＭＨｚマイクロ波伝送の遮断周波数（約９００ＭＨｚ）に近接させるように、９１５ＭＨｚ導波管２０の開口部２０ａの幅寸法を決定する。具体的には、９１５ＭＨｚ導波管２０の開口部２０ａの幅寸法を１６７ｍｍとすることで、９１５ＭＨｚ導波管２０の遮断波長を２×１６７＝３３４ｍｍとし、９１５ＭＨｚマイクロ波伝送の遮断周波数（約９００ＭＨｚ）に近接させている。
【００３６】
図５に示すように、金属反射板２１位置（ＢＰ寸法）１４０．２ｍｍの場合、反射係数Γ＝０．１０で９１５ＭＨｚマイクロ波が最も良く伝送され、金属反射板２１位置（ＢＰ寸法）１３０．２ｍｍの場合、反射係数Γ＝０．１２でそれに次ぐ。したがって、金属反射板２１位置（ＢＰ寸法）を１３０〜１４０ｍｍとした場合、伝送効率が良いことがシミュレーションにより確かめられた。
【００３７】
<被加熱物のマイクロ波吸収電力の分布>
図６は、マイクロ波加熱装置１のマイクロ波電界分布のシミュレーション解析モデルを説明する図である。図７は、図６のシミュレーション解析モデルによるマイクロ波電界分布（シミュレーション結果）を示す図であり、図７（ａ）は、図６の水負荷Ａを９１５ＭＨｚマイクロ波により加熱した場合のマイクロ波電界分布を、図７（ｂ）は、図６の水負荷Ｂを９１５ＭＨｚマイクロ波により加熱した場合のマイクロ波電界分布をそれぞれ示す。また、図７（ｃ）は、比較例として、図６の水負荷Ａを２４５０ＭＨｚマイクロ波により加熱した場合のマイクロ波電界分布を、図７（ｄ）は、比較例として、図６の水負荷Ｂを２４５０ＭＨｚマイクロ波により加熱した場合のマイクロ波電界分布をそれぞれ示す。なお、図６の()内数値は、後記する第２の実施形態の２４５０ＭＨｚマイクロ波源４５（図８参照）を使用した場合の解析モデル例である。
【００３８】
図６に示すように、金属加熱箱３０の上面中央部に９１５ＭＨｚマイクロ波源１５を設置し、金属加熱箱３０内に被加熱物として水負荷１Ｌ×２個（容器：１Ｌビーカ）を入れて載置する。この水負荷Ａ，Ｂサイズは、例えば１０２φｍｍ×１１０ｈｍｍである。
９１５ＭＨｚ導波管２０を介して金属加熱箱３０内に９１５ＭＨｚマイクロ波を照射する解析モデルについて、シミュレーションを行った。
【００３９】
図７（ａ）（ｂ）に示すように、９１５ＭＨｚマイクロ波の場合、底面から１／３高さ位置に強いマイクロ波吸収部分が２個の水負荷Ａ，Ｂに見られる。なお、２４５０ＭＨｚの場合については、第２の実施形態により後記する。
【００４０】
以上説明したように、本実施形態に係るマイクロ波加熱装置１は、被加熱物を収納可能な内部空間を有する金属加熱箱３０と、金属加熱箱３０に９１５ＭＨｚマイクロ波電力を伝送する９１５ＭＨｚ導波管２０と、を備え、金属加熱箱３０は、その１辺の長さが９１５ＭＨｚマイクロ波の自由空間波長以上であり、９１５ＭＨｚ導波管２０は、開口部２０ａの幅寸法Ｗが９１５ＭＨｚ遮断周波数に近接した１６５〜１８０ｍｍ、開口部２０ａの高さ寸法ｈが４５〜５４．６ｍｍ、９１５ＭＨｚ導波管に挿入されるマグネトロンアンテナ５８位置を基準とし金属反射板２１位置（ＢＰ寸法）が１３０〜１４０ｍｍである。
【００４１】
この構成により、９１５ＭＨｚ導波管２０の開口部２０ａサイズを、２４５０ＭＨｚ導波管と同程度まで小型化することができる。
【００４２】
また、９１５ＭＨｚ導波管２０に挿入されるマグネトロンアンテナ５８位置を基準とし金属反射板２１位置（ＢＰ寸法）が１３０〜１４０ｍｍとすることで、９１５ＭＨｚ導波管２０の伝送効率を高めることができる。
【００４３】
また、金属反射板２１位置（ＢＰ寸法）が特定できるので、金属反射板２１を９１５ＭＨｚ導波管２０の底部とするように構成することもでき、９１５ＭＨｚ導波管２０の長さ（全長）を短くすることができる。さらに、金属反射板２１位置が特定できるので、９１５ＭＨｚ導波管２０の全体の設計自由度を拡大することができる。
【００４４】
このように、９１５ＭＨｚ導波管２０の小型化が可能になるので、９１５ＭＨｚ導波管２０を構成する９１５ＭＨｚマイクロ波源１５についても小型化することができる。従来は、９１５ＭＨｚマイクロ波源の小型化が困難であったため、９１５ＭＨｚマイクロ波源を小型の電子レンジ等に搭載することは困難であった。本実施形態によれば、９１５ＭＨｚマイクロ波源１５の小型化が実現できるので、従来の２４５０ＭＨｚ電子レンジの金属加熱箱３０サイズおいて、９１５ＭＨｚマイクロ波を供給することができる。その結果、工業用電子レンジはもとより、小型の電子レンジ等のマイクロ波加熱装置に幅広く用いることができる。
【００４５】
（第２の実施形態）
第１の実施形態は、９１５ＭＨｚマイクロ波源を小型化して金属加熱箱に適用した例であるが、９１５ＭＨｚマイクロ波源が小型化されたことにより２４５０ＭＨｚマイクロ波源を併用することが可能である。
第２の実施形態は、本発明に係るマイクロ波加熱装置を、９１５ＭＨｚマイクロ波源と２４５０ＭＨｚマイクロ波源を併用した９１５ＭＨｚ／２４５０ＭＨｚマイクロ波源に適用した例である。
【００４６】
図８は、本発明の第２の実施形態に係るマイクロ波加熱装置の構成を示す図である。図１と同一構成部分には、同一符号を付して重複箇所の説明を省略する。
図８に示すように、マイクロ波加熱装置２は、９１５ＭＨｚマグネトロン１０と、９１５ＭＨｚマグネトロン１０で発生したマイクロ波電力を伝送する９１５ＭＨｚ導波管２０と、２４５０ＭＨｚマグネトロン４０と、２４５０ＭＨｚマグネトロン４０で発生した２４５０ＭＨｚマイクロ波電力を伝送する２４５０ＭＨｚ導波管５０と、被加熱物を収納可能な内部空間を有し、９１５ＭＨｚ導波管２０から伝送された９１５ＭＨｚマイクロ波電力と２４５０ＭＨｚ導波管５０から伝送された２４５０ＭＨｚマイクロ波電力とを被加熱物に照射させる金属加熱箱３０と、を備える。
上記２４５０ＭＨｚマグネトロン４０及び２４５０ＭＨｚ導波管５０は、２４５０ＭＨｚマイクロ波源４５を構成する。２４５０ＭＨｚマイクロ波源４５は、金属加熱箱３０の下面側に配置され、２４５０ＭＨｚマイクロ波照射口５０ａを通して金属加熱箱３０内にマイクロ波を照射する。
【００４７】
２４５０ＭＨｚマグネトロン４０は、２４５０ＭＨｚマイクロ波を発振出力するマイクロ波発振デバイスである。
２４５０ＭＨｚ導波管５０は、２４５０ＭＨｚマグネトロン４０と結合し、２４５０ＭＨｚマイクロ波電力を金属加熱箱３０に伝送する伝送回路である。２４５０ＭＨｚ導波管５０は、一般的に採用されているＪＩＳ形名ＷＲＪ−２であり、その開口部寸法であるマイクロ波照射口５０ａは、１０９．２Ｗｍｍ×５４．６ｈｍｍである。
なお、上述したように、９１５ＭＨｚ導波管２０の開口部２０ａ高さ寸法は、２．４５０ＧＨｚ導波管５０で採用されている４５〜５４．６ｍｍと同じ寸法である。
【００４８】
<９１５ＭＨｚマグネトロン１０及び２４５０ＭＨｚマグネトロン４０のアンテナ高さ>
マグネトロンで発生したマイクロ波を導波管内に伝送させるためのマグネトロンのアンテナ高さは、自由空間波長のλ／４である。２４５０ＭＨｚマイクロ波では、１２．２ｃｍ×１／４≒３０ｍｍである。このため、２４５０ＭＨｚマグネトロン４０のマグネトロンアンテナ５８を２４５０ＭＨｚ導波管５０の高さ方向に約３０ｍｍ挿入する。また、９１５ＭＨｚマイクロ波では、３３０ｍｍ／４＝８２．５ｍｍのアンテナ高さとなる。本実施形態では、９１５ＭＨｚ導波管２０高さは、２４５０ＭＨｚ導波管５０高さと略同じ５４．０ｍｍとした。９１５ＭＨｚマグネトロン１０のアンテナ高さも２４５０ＭＨｚマグネトロン４０と同じ３０ｍｍ程度となる。
【００４９】
これにより、９１５ＭＨｚ導波管２０を小型化し、かつ９１５ＭＨｚマグネトロン１０のアンテナ構造を２４５０ＭＨｚと共通化することができる。マグネトロンのアンテナ構造を共通化することで、マグネトロン製造コストの量産効果を得ることができる。
【００５０】
以下、上述のように構成されたマイクロ波加熱装置２の内部加熱について説明する。
２４５０ＭＨｚマイクロ波源４５（図８参照）を使用した解析モデル例は、図６の()内数値に示されている。
図６に示すように、金属加熱箱３０の上面中央部に９１５ＭＨｚマイクロ波源１５（図１参照）又は２４５０ＭＨｚマイクロ波源４５（図８参照）を設置し、金属加熱箱３０内に被加熱物として水負荷Ａ，Ｂを入れて載置する。
９１５ＭＨｚ導波管２０又は２４５０ＭＨｚ導波管５０を介して金属加熱箱３０内に９１５ＭＨｚマイクロ波又は２４５０ＭＨｚマイクロ波を照射する解析モデルについて、シミュレーションを行った。
【００５１】
図７（ａ）（ｂ）に示すように、９１５ＭＨｚマイクロ波の場合、底面から１／３高さ位置に強いマイクロ波吸収部分が２個の水負荷Ａ，Ｂに見られる。
一方、図７（ｃ）（ｄ）に示すように、２４５０ＭＨｚマイクロ波の場合は、マイクロ波照射面側である上面側に強いマイクロ波吸収が見られる。９１５ＭＨｚマイクロ波と２４５０ＭＨｚマイクロ波のマイクロ波吸収分布の差は明らかである。この知見から、９１５ＭＨｚマイクロ波と２４５０ＭＨｚマイクロ波を併用することにより、被加熱物に対し均一な内部加熱を実現できることになる。
【００５２】
上述したシミュレーション結果を検証するため、水負荷Ａ，Ｂの変りに、水分９９％の感温ゲルを使い実動作試験を行った。感温ゲルは、温度の高い部分、つまりマイクロ波電界の強い場所から白濁化するものであり、被加熱物内のマイクロ波吸収分布調査に好適である。
【００５３】
図９は、被加熱物として水分９９％の感温ゲル剤を採用し、実際にマイクロ波照射を行い、図７のシミュレーション結果を検証した実験結果を示す図である。図９（ａ）はその９１５ＭＨｚマイクロ波の場合の実験結果を、図９（ｂ）はその２４５０ＭＨｚマイクロ波の場合の実験結果をそれぞれ示す。
図９（ａ）に示すように、９１５ＭＨｚマイクロ波では、負荷底面から１／３の位置で感温ゲル９１が白濁化（網掛部分参照）している。
また、図９（ｂ）に示すように、２４５０ＭＨｚマイクロ波では、マイクロ波照射面である上面側から感温ゲル９１が白濁化（網掛部分参照）している。
以上により、図７のシミュレーション結果とほぼ同様な実験結果を得ることができた。
【００５４】
[検証例]
９１５ＭＨｚマイクロ波と２４５０ＭＨｚマイクロ波を併用するマイクロ波加熱装置２（図８参照）に適用することができる。マイクロ波加熱装置２は、例えば工業用電子レンジである。
図８の構造例の場合、２４５０ＭＨｚマイクロ波は金属加熱箱３０下面から照射することになる。この場合のマイクロ波吸収分布シミュレーション結果を図１０に、感温ゲル負荷実動作実験結果を図１１に示した。
【００５５】
図１０は、２４５０ＭＨｚマイクロ波源４５を金属加熱箱３０の底面に設置し、マイクロ波照射した場合の被加熱物のマイクロ波吸収電力分布のシミュレーション結果を示す図であり、図１０（ａ）はその側面から見たマイクロ波吸収電力分布を、図１０（ｂ）はその上方から見たマイクロ波吸収電力分布をそれぞれ示す。
【００５６】
図１１は、被加熱物として水分９９％の感温ゲル剤にマイクロ波照射した場合のマイクロ波吸収分布を示す図であり、図１０のシミュレーション結果を検証した実験結果を示す図である。
図１０及び図１１に示すように、感温ゲル９１の白濁化（網掛部分参照）は照射面側である下面側から生じ、前記図７のシミュレーションと同じ結果となっている。
【００５７】
[適用例]
マイクロ波加熱装置２の９１５ＭＨｚマグネトロン１０は、永久磁石タイプマグネトロンである。２４５０ＭＨｚマグネトロン４０は、一般の電子レンジ用マグネトロン（８００Ｗ）である。
基本構造は、９１５ＭＨｚマグネトロン１０と２４５０ＭＨｚマグネトロン４０は、共に同じである。発振周波数を決める陽極構造は、空洞共振器タイプであり、空洞のインダクタンスＬ、キャパシタＣにより、９１５ＭＨｚ又は２４５０ＭＨｚの共振器を設計する。例えば、前記図４に示した永久磁石タイプのマグネトロン構造を用いることができる。図４の陽極部７９は、空洞共振器構造であり、９１５ＭＨｚマグネトロン１０の場合、空洞のＬを大きくするため、陽極部７９の外径は９０φｍｍ程度である。また、２４５０ＭＨｚマグネトロン４０の場合、陽極部７９の外径は４０φｍｍ（８００Ｗ出力）〜５２φｍｍ（６ｋＷ出力）である。なお、９１５ＭＨｚマグネトロン１０と２４５０ＭＨｚマグネトロン４０の永久磁石５４，５４ａ、陰極部７８の仕様は同じである。
【００５８】
９１５ＭＨｚマグネトロン１０と２４５０ＭＨｚマグネトロン４０では、空洞共振器の共振周波数が９１５ＭＨｚと２４５０ＭＨｚと大きく異なるため、両マグネトロンを同時動作させてもマイクロ波干渉は生じない。
陽極電圧が同じ９１５ＭＨｚマグネトロン１０と２４５０ＭＨｚマグネトロン４０であれば、陽極電源１台でマグネトロンを並列接続し、同時動作させることができる。
【００５９】
このように、本実施形態によれば、マイクロ波加熱装置２は、９１５ＭＨｚマグネトロン１０と、９１５ＭＨｚマグネトロン１０で発生したマイクロ波電力を伝送する９１５ＭＨｚ導波管２０と、２４５０ＭＨｚマグネトロン４０と、２４５０ＭＨｚマグネトロン４０で発生した２４５０ＭＨｚマイクロ波電力を伝送する２４５０ＭＨｚ導波管５０と、被加熱物を収納可能な内部空間を有し、９１５ＭＨｚ導波管２０から伝送された９１５ＭＨｚマイクロ波電力と２４５０ＭＨｚ導波管５０から伝送された２４５０ＭＨｚマイクロ波電力とを被加熱物に照射させる金属加熱箱３０と、を備える。
【００６０】
この構成により、第１の実施形態と同様に、９１５ＭＨｚ導波管２０を小型化することができる。９１５ＭＨｚ導波管２０の小型化が実現できるので、２４５０ＭＨｚ電子レンジの金属加熱箱３０サイズおいて、２４５０ＭＨｚ導波管５０と共に９１５ＭＨｚ導波管２０を実装して、９１５ＭＨｚマイクロ波と２４５０ＭＨｚマイクロ波を供給することができる。図７に示すように、マイクロ波の浸透が深い９１５ＭＨｚマイクロ波では、被加熱物の内部から加熱処理できる一方、２４５０ＭＨｚマイクロ波では、被加熱物の表面付近から加熱が始まる。したがって、９１５ＭＨｚマイクロ波と２４５０ＭＨｚマイクロ波の照射で極めて優れた均一な内部加熱ができる。
【００６１】
なお、本発明は、上記各実施形態に記載した構成に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した本発明の要旨を逸脱しない限りにおいて、適宜その構成を変更することができる。
【００６２】
例えば、マイクロ波を発振出力するマイクロ波発振デバイスとしては、クライストロン、ジャイトロンなどの電子管のほか、発振源として半導体を用いたマイクロ波発生装置でもよい。また、導波管や加熱箱の材質、形状、構造などは一例であってどのようなものを適用してもよい。
【００６３】
上記した実施形態例は本発明をわかりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施形態例の構成の一部を他の実施形態例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施形態例の構成に他の実施形態例の構成を加えることも可能である。また、各実施形態例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。
【符号の説明】
【００６４】
１，２  マイクロ波加熱装置
１０  ９１５ＭＨｚマグネトロン
１５  ９１５ＭＨｚマイクロ波源
２０  ９１５ＭＨｚ導波管
２０ａ  開口部
２１  金属反射板（短絡板）
３０  金属加熱箱（加熱箱）
４０  ２４５０ＭＨｚマグネトロン
４５  ２４５０ＭＨｚマイクロ波源
５０  ２４５０ＭＨｚ導波管
５０ａ  ２４５０ＭＨｚマイクロ波照射口
５７  アンテナリード
５８  マグネトロンアンテナ
５９  同軸管外導体
【図１】
2015049943.tif 000003
【図２】
2015049943.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
2015049943.tif 000010
【図１１】
2015049943.tif 000011
【図７】
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【図１０】
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