(57)【要約】【課題】  流動する液体状負荷を導波管内で短時間に効率よく連続加熱処理する。【解決手段】  両端が短絡板で塞がれたＴＥ１０モードを伝送する導波管１と、この導波管１長辺の中心内壁面側に設けた整合素子３と、導波管１の一端に設けられマイクロ波エネルギーを供給するマグネトロン４と、導波管１の一方端側に導波管１の長辺上，下の中心で上記長辺上下壁面を貫通して設けられた円筒管５と、円筒管５内を自在に流れる液体状負荷６とを具備したものにおいて、円筒管５と導波管短絡板２の距離Ｓを（λｇ／４）＋（ｎ×λｇ／２）、（ただしλｇは管内波長、ｎは０，１，２，３……）とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
両端が短絡板で塞がれたＴＥ１０モードを伝送する導波管と、この導波管長辺の中心内壁面側に設けた整合素子と、導波管の一端に設けられマイクロ波エネルギーを供給するマグネトロンと、前記導波管の一方端側に導波管の長辺上，下の中心で長辺上下壁面を貫通して設けられた円筒管と、前記円筒管内を自在に流れる液体状負荷とを具備したものにおいて、前記円筒管と導波管短絡板の距離Ｓを（λｇ／４）＋（ｎ×λｇ／２）、（ただしλｇは管内波長、ｎは０，１，２，３……）としたことを特徴とするマイクロ波加熱装置。
【請求項２】
請求項１において、前記円筒管４管軸と導波管１管軸間の傾き角度αを１４度から１８度に傾けたことを特徴とする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、流動する液体状負荷を導波管内で連続加熱処理するマイクロ波加熱装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のこの種のマイクロ波加熱装置は、負荷に効率よくマイクロ波エネルギーを照射して加熱するために、導波管終端部の負荷近傍に設置されている短絡板を管軸方向に移動し短絡板挿入位置を調整して、マグネトロンで発生した負荷方向に入射するマイクロ波エネルギーと、短絡板で反射して戻ってくるマイクロ波エネルギーの位相が、負荷位置で同相になるように調整して液体状負荷を加熱しようとするものである。（例えば特許文献１，２）。この短絡板を調整用することが知られ、フランジ部を導波管終端開口部のフランジ部にネジ止めで連結して設置し、短絡板の調整は短絡板に連結されたスクリューネジを手動やモータなどの動力源を用いて回転させて管軸に沿って前後に移動するようにしている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００６−１８１５３３号公報
【特許文献２】特開平１１−２２５００７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記の従来技術においては短絡板の調整はマグネトロンで発生したマイクロ波エネルギーの入射波と反射波の位相調整が主目的で、負荷を短時間に効率よく加熱するためには短絡板の位相調整と並行して最も重要なのはマグネトロン自身が出力最大で発振するようにさせることである。マグネトロンが出力最大で発振するには、マグネトロンから負荷側を見たインピーダンスが、マグネトロンの動作特性を示すリーケ線図上の出力最大領域で発振動作するように、容量性や誘導性の特性を持つ絞りやスタブなどを整合素子として用いて位相と反射を調整して、負荷との整合を取らなければならない。すなわち、短絡板のみの調整ではマイクロ波加熱装置でいう整合は困難であった。
【０００５】
マイクロ波加熱装置で整合をとるというのは、負荷からの反射波を抑えマグネトロンで放射されたマイクロ波エネルギーを負荷に効率よく吸収させると同時に、異常発振やアンテナスパーク、陽極の異常加熱などを生じることなく、安定して最大出力が放射されるように加熱したい負荷との間を調整することであり、一般的にマイクロ波工学で述べられている伝送路や負荷からの反射を（位相にはあまり関係なく）最小限小さく調整して発振器に戻ってくる反射波を抑えるのとは異なっている。すなわちマイクロ波加熱装置の整合では、伝送路や負荷からの反射波を小さくするのに加えて、マグネトロンの出力が最大となるように（位相に重きをおき）調整するところに違いがある。
【０００６】
また、マイクロ波加熱装置では加熱毎に液体状負荷の種類が変化することはほとんどなく、同じ種類の液体を加熱する場合が多いので食品を加熱する電子レンジのように食品の種類毎に誘電率εや誘電体損失角tanδ が大きく変化することはない。したがって、液体状負荷に対して一度短絡板を調整して電界強度が大きくなるように調整しておけばよく、加熱毎の調整はほとんどの場合必要なく従来方式は時間と労力，費用の無駄であった。さらには大電力のマイクロ波エネルギーが伝送される導波管内に短絡板のような可動部を設けることは、短絡板と接触する導波管内壁隙間でのマイクロ波漏洩や異常加熱，スパークなどが発生する恐れがある。
【０００７】
本発明の目的は、上記従来技術の課題を解決し、マイクロ波漏洩や異常加熱、スパークなどの発生がなく安全で高効率短時間加熱を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、マグネトロンが出力最大で発振するために、マグネトロンから液体状負荷側を見た動作インピーダンスがリーケ線図上の出力最大領域で発振動作するように導波管長辺の中心内壁面側に整合素子を設け、位相と反射を調整するようにして液体状負荷との整合をとった。さらに導波管終端に短絡板を固定し液体状負荷位置で入射波と反射波が同相となる、すなわち液体状負荷での電界強度が最大となるよう円筒管管軸と短絡板の距離Ｓを（λｇ／４）＋（ｎ×λｇ／２）、（ただしλｇは管内波長、ｎは０，１，２，３……）にした。また、導波管の長辺上，下の中心で上記長辺上下壁面を貫通して設けた液体状負荷の入った円筒管の管軸と導波管管軸間の傾き角度αを反射が最小となる１４度から１８度に傾けた。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のマイクロ波加熱装置は、上記のようにマグネトロンから液体状負荷側を見たインピーダンスが出力最大領域で動作するように導波管長辺の中心内壁面側に整合素子を設け、位相と反射を調整することにより液体状負荷との整合をとるとともに、短絡板は導波管終端部で固定し液体状負荷の詰まった円筒管管軸までの距離Ｓを（λｇ／４）＋（ｎ×λｇ／２）、（ただしλｇは管内波長、ｎは０，１，２，３……）に選ぶことで電界最大位置に液体状負荷が設置されるようにした。また導波管の長辺上，下の中心で上記長辺上下壁面を貫通して設けられた円筒管の管軸と導波管管軸間との傾き角度αを１４度から１８度に傾けたことにより、反射が小さくなり液体状負荷にマイクロ波エネルギーが効率よく吸収されるようになった。そのためにマイクロ波漏洩や異常加熱，スパークなどの発生がなく安全で高効率短時間加熱が実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
以下、本発明の一実施例を図１〜図５を参照して説明する。
【００１１】
図１は本発明の一実施例を示すマイクロ波加熱装置の要部縦断面図で、図２は図１においてａ−ａ′から見た断面図である。図３は一実施例を示す整合素子の外観図である。図４はマグネトロンの動作特性を示すリーケ線図である。図５は導波管内で液体状負荷を傾けた場合の反射係数Γを解析により求めたものである。
【００１２】
１は両端が短絡板２で塞がれたＴＥ１０モードを伝送する導波管である。上記導波管１長辺の中心内壁面側にはアルミニウムなどの導体からなる整合素子３が設けられている。導波管１の一端にはマイクロ波エネルギーを供給するマグネトロン４が設けられ、上記導波管１のもう一方端側には導波管１の長辺上，下の中心で上記長辺上下壁面を貫通して例えば石英などの誘電体損失の少ない材料からなる円筒管５が設けられている。円筒管５内には液体状負荷６が満たされている。なお本図には記載されていないが、実際には円筒管５と連結してポンプが設けられて上記液体状負荷６が円筒管５内を流れるようになっている。
【００１３】
上記液体状負荷６が満たされている円筒管５は円筒管５管軸中心と導波管１に固定されている短絡板２との距離Ｓが（λｇ／４）＋（ｎ×λｇ／２）、（ただしλｇは管内波長、ｎは０，１，２，３……）となるように設置されている。４′は上記マグネトロン４で発生したマイクロ波エネルギーを導波管１内に放射するためのアンテナである。なお本実施例では前記円筒管５管軸と導波管１管軸間の傾き角度αは９０度の場合を示しているがこの傾き角度αを１４度から１８度に選ぶこともできるようになっている。
【００１４】
次に、以上の構成による作用を説明する。
【００１５】
マグネトロン４から発生したマイクロ波エネルギーは、導波管１を伝播し液体状負荷６に照射され液体状負荷６を通過したマイクロ波エネルギーは短絡板２で反射され再び液体状負荷６に照射される。このとき整合素子３によりマグネトロン４の発振出力が最大となるようにあらかじめ液体状負荷６との整合がとられている。具体的にはマグネトロン４のアンテナ４′に対応する擬似アンテナプローブ部をアンテナ４′の代わりに導波管１に取り付けて、マグネトロン４に代わって数ミリワットの低パワーのマイクロ波エネルギーを出力する発振器をつなぐ。なお擬似アンテナプローブ部はマグネトロンメーカから提供されている。
【００１６】
次に、ネットワークアナライザを用いて上記整合素子３の高さ，直径、さらには導波管１で管軸方向に移動させて位相と反射を観察しながらマグネトロン４のリーケ線図上で出力最大が得られる領域に入るように調整する。リーケ線図は図４に示すように電気回路などのインピーダンスの計算などで用いるスミス図上にマグネトロンの等出力線や等周波数線を記載したもので、同心円状の中心で反射が０（電圧定在波比ρ＝１）で完全整合、最も外側の円周は反射が無限大の完全反射を示しており、位相は時計でいう１２時の位置にアンテナ４′の基準をとり時計回りに（負荷側に向かって）一周して半波長（λｇ／２）となっている。
【００１７】
なおリーケ線図では反射の状態を反射係数Γで示さず電圧定在波比ρで示しているが換算式を用いて反射係数Γに容易に変換できる。また、ここでλｇは発振周波数ｆと導波管１の長辺寸法から求まる管内波長である。長辺寸法とは矩形型の導波管１を管軸方向に対して垂直な平面で切った場合の断面図で上下壁面の横幅で、これに対して短辺寸法は左右側壁面の高さである。次に整合素子の作用であるが、例えば整合素子３を設けない場合は図４上でのインピーダンスがＰ′の位置であるとすると，整合素子３を導波管内に設置し整合させた場合はＰ点となる。これから分かるようにＰ′点ではマグネトロンの出力は６５０Ｗであるのに対して、整合をとったＰ点では９００Ｗと２５０Ｗもの出力差が整合素子の有無で生じている。すなわち整合素子３自身では主として反射が、整合素子３の導波管１内での取り付け位置で位相が調整できるマイクロ波立体回路の一種であり、所望の領域にインピーダンスを移動することができる。
【００１８】
整合素子３は本実施例ではアルミニウム製の円柱を用いたが直方体など高さと断面積が取れるものなら円柱である必要はないし材質もマイクロ波損失の少ない導体でよい。液体状負荷６はマグネトロン４で発生した液体状負荷６に入射するマイクロ波エネルギーと、短絡板２で反射して戻ってくるマイクロ波エネルギーの位相が、液体状負荷６位置で同相になるように短絡板２との距離Ｓを（λｇ／４）＋（ｎ×λｇ／２）、（ただしλｇは管内波長、ｎは０，１，２，３……）に選んで固定設置されているために、入射波と反射両方のマイクロ波エネルギーが液体状負荷６に照射されるので加熱が促進される。このように整合素子３の付加と固定の短絡板２とすることにより、マグネトロン４の最大出力が引き出され液体状負荷６の電界強度が増し短時間で効率よく加熱が行われ安価でしかも省エネルギー効果のある安全，信頼性の高い装置となっている。
【００１９】
次に導波管１管軸と円筒管５管軸間の傾き角度αの作用を述べる。図５は導波管１管軸と導波管の長辺上，下の中心で上記長辺上下壁面を貫通して設けられた円筒管５管軸間との傾き角度αを可変して反射係数Γを磁界解析により求めたものである。円筒管５は本実施例では導波管１の管軸間に対して垂直（９０度）に設置しているが、この解析結果から分かるように、傾き角度αが１６度のとき反射が最も小さくその前後では反射が次第に大きくなっていることが確認できる。マイクロ波が負荷に照射されるときに反射が最小となる入射角度（光学でいうブリュースター角）があり、本実施例においては解析の結果αが１４度から１８度の間にあることが分かった。そこで、この角度範囲内に液体状負荷６を傾けることにより反射が小さくなり液体状負荷６にマイクロ波エネルギー効率よく吸収されることが期待される。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の一実施例を示すマイクロ波加熱装置の要部縦断面図である。
【図２】図１においてａ−ａ′から見た断面図である。
【図３】整合素子の一実施例を示す外観図である。
【図４】マグネトロンの動作特性を示すリーケ線図である。
【図５】導波管内で液体状負荷を傾けた場合の反射係数Γを解析した結果である。
【符号の説明】
【００２１】
１  導波管
２  短絡板
３  整合素子
４  マグネトロン
５  円筒管
６  液体状負荷
【図１】
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【図２】
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【図３】
2008226510.tif 000005
【図４】
2008226510.tif 000006
【図５】
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