(57)【要約】【課題】アプリケータ内に特定の理想的な共振モードでの共振のみが生じ、従って、大面積、肉薄の被加熱物に対しても、均一で効率的な加熱を行えるマイクロ波加熱装置を提供する。【解決手段】マイクロ波の共振空胴２に電磁素子３を装荷することによって、いわば、遅波回路の始端と終端を短絡した共振空胴２を構成する。これによって、アプリケータとしての共振空胴２に、加熱に使用する特定の共振モードに対応する特定の周波数値の近傍の周波数帯域において他のモードの共振を生じることがないようにする。即ち、使用するマイクロ波発振機１２の特定の周波数帯域において単一の共振モードの共振のみが生じるように、共振空胴２内の電磁素子３によって共振点が接近しないように離散させる。これにより、被加熱物、特にシート状の被加熱物Ｗを均一に、高効率で加熱できる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加熱物を収容するマイクロ波の共振空胴内に、当該被加熱物に効率よく作用する特定共振モードの周波数の近傍に存在する他の共振モードの周波数を離散させるための電磁素子を装荷し、前記共振空胴内に結合するマイクロ波発振機の所定範囲の周波数変動によって前記共振空胴内に前記特定共振モード以外の共振が生じないようにしたことを特徴とするマイクロ波加熱装置。
【請求項２】
前記マイクロ波発振機から前記共振空胴内にマイクロ波を伝送する導波管を前記共振空胴の中心部に接続した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】
前記共振空胴を囲む方形のケーシングの対向する側板にそれぞれ細長の開口を備え、前記ケーシングの相対向する開口を通過して前記共振空胴を横断するように前記被加熱物を送入、送出するための移送手段をさらに備えることを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項４】
前記空胴の共振周波数を調整するための調整手段を備えることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項５】
前記共振空胴を複数並行に並べ、被加熱物を順次共振空胴を通過させる構成としたことを特徴とする請求項１ないし４の何れかに記載のマイクロ波加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、マイクロ波加熱装置に係り、特にその加熱の高効率化及び加熱度合いの均一化に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロ波加熱は家庭用電子レンジをはじめ工業用加熱装置の分野で広く使用されている。特に、工業用の分野では、比較的大きい被加熱物を出来るだけ均一で効率よく加熱することが第１に求められている。このため、種々な手段、例えば、被加熱物を加熱空間で適切に移動させたり、マイクロ波を反射する反射板を移動させたり、複数のマイクロ波電力源を使用するなどの手段が考案されている。
シート状あるいは薄板状の被加熱物の加熱処理に際しては、厚さが薄いために加熱に使用されるマイクロ波電力がその厚さに対応して小さくなってしまうという問題があり、高い効率の加熱が得られない。このようなシート状の被加熱物は、通常、面積が大きく、しかも、長い場合が多い。したがって、大面積に亙って均一に加熱できることが第２の重要な要件である。このため、例えば、長尺のシート状被加熱物をローラやコンベア等の移動手段を用いてアプリケータ内で時間をかけて折り返し移動させる方法がとられている。また、シート状被加熱物が存在する付近の電界をなるべく高くするため伝送線を遅波回路とする方法が利用されている。しかし、上記従来の方法では、均一で効率の高い加熱の条件を満たすことは極めて困難である。
電界を強くする手段として、マイクロ波の共振空胴を用いることが考えられるる。ところが、マイクロ波発振機の出力周波数は所定の変動幅を有している。そして、実用に供し得る寸法の共振空胴では、出力周波数の変動幅内の複数の周波数値に対応する複数の共振モードが単一の共振空胴に生じる。このため、共振空胴内に次々に異なるモードの共振が生じることとなり、均一加熱に理想的な電界分布となる特定の共振モードに固定することが困難である。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は以上のような従来の技術における不都合を解決し、アプリケータ内に特定の理想的な共振モードでの共振のみが生じ、従って、大面積、肉薄の被加熱物に対しても、加熱度合いの強弱が生じない均一で効率的な加熱を行うことができる改善されたマイクロ波加熱装置を提供することを目的とする。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
この発明は、マイクロ波の共振空胴に電磁素子を装荷することによって、いわば、遅波回路の始端と終端を短絡した共振空胴を構成する。これによって、アプリケータとしての共振空胴に、加熱に使用する特定の共振モードに対応する特定の周波数値の近傍の周波数帯域において他のモードの共振を生じることがないようにする。即ち、使用するマイクロ波発振機の特定の周波数帯域において単一の共振モードの共振のみが生じるように、共振空胴内の電磁素子によって共振点が接近しないように離散させる。これにより、被加熱物、特にシート状の被加熱物を均一に、高効率で加熱することができる。なお、ここで、シート状被加熱物とは、比較的小さい物体を比較的広い面積に亙って適当に並べたような形態の集合被加熱物を包含する。
【０００５】
【発明の実施の形態】
図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１はマイクロ波加熱装置の概略的斜視図、図２は共振空胴の概略的斜視図、図３は共振空胴の概略的正面図、図４は共振空胴の概略的縦断正面図、図５は共振空胴の概略的縦断側面図、図６は共振空胴の一部の概略的斜視図である。
【０００６】
この実施形態のマイクロ波加熱装置１は、被加熱物を収容するアプリケータとしての共振空胴２を有し、この共振空胴２内に電磁素子として金属薄板からなる仕切板３を周期的に配設した遅波回路型の共振空胴としてある。
【０００７】
共振空胴２は、図２に示すように、ｘ軸方向の幅がａ、ｙ軸方向の高さがｂ、ｚ軸方向の長さがｃである電磁波シールドされた直方体状の金属ケーシング４で構成される。ケーシング４は、被加熱物Ｗを受け入れるための入口開口５ａを有する第１側壁５と、この第１側壁５と平行にｘ軸方向に対向し、被加熱物Ｗを送り出すための出口開口６ａを有する第２側壁６と、側壁５，６のｚ軸方向の両端間を接続して平行に対向する第３，第４側壁７，８と、側壁５，６のｙ軸方向の両端間を接続して平行に対向する第５，第６側壁９，１０とを有する。
【０００８】
即ち、共振空胴２は、矩形断面を持ちマイクロ波の伝送方向であるｚ軸方向に長く延びたマイクロ波伝送線に上下からｚ軸に直角となるように仕切板３を周期的に配設した遅波回路の構造を有している。この遅波回路のｚ軸方向の両端を側壁７，８で短絡して遅波回路型空胴共振器としての共振空胴２が構成される。
【０００９】
図示の実施形態においては、８対の仕切板３を共振空胴２にｙ軸方向に両側から対向して差し込んだ構造となっている。仕切板３のピッチはｐで、また、左右両端の仕切板３の板厚方向の中心からそれぞれ側壁７又は側壁８までの距離はｐ／２となっている。マイクロ波発振機１２につながる導波管１３は、共振空胴２のｚ軸方向の中央に、ｙ方向から結合されている。
【００１０】
単なる遅波回路の場合は、その周波数対位相特性は連続となるが、両端を短絡した構造の遅波回路型の共振空胴２では、位相特性が離散的となって、仕切板３の数をｎとすると、ｎ＋１個の周波数で共振するような形を取る。すなわち、βｐ＝０、π／ｎ、２π／ｎ、３π／ｎ、・・・、（ｎ−１）π／ｎ、πの位相に対してこの遅波回路型空胴共振器が共振する。この装置で使用したい共振モードは、仕切板３で区切られた空胴部分の、互いに隣り合ったものの間の位相量が０または２πに等しくなるモードであり、この共振モードにおいて共振空胴２内のｚｘ面上及びその近傍における電界が均一になる。以下、これを０モードと称する。０モードで共振すると、仕切板３がない空胴の、ｚ方向に一定となる共振モードと電界分布がほぼ一致する。
【００１１】
シート状被加熱物Ｗは、入口開口５ａからｘ軸方向に共振空胴２内に挿入され、反対側の出口開口６ａを通って引き出されるように移送手段１１で移送される。この間に被加熱物Ｗは、共振空胴２内の電界で加熱される。開口５ａ，６ａはマイクロ波が漏れないようにシールされている。
次に空胴の電磁界解析の結果を用いて本発明の利点を説明する。マイクロ波による加熱電力Ｐは次式で与えられる。
【数１】
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この式から明らかなようにＰは電界の２乗に比例する。σはシート状被加熱物Ｗによって定まる係数で、導電率と呼ばれる。σが大きいほど加熱されやすい。一般にＰが大きいと、マイクロ波の減衰によって伝送線の上流での加熱割合が大きく下流で小さくなる。共振空胴２により電界Ｅは格段に高められる。この空胴の共振特性は次式で与えられる。
【数２】
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ｍ、ｎ、ｓは、０，１，２，３，・・・、ただし、全てが同時にゼロとなることは許されない。電界はｍ、ｎ、ｓがゼロの場合、それぞれ、ｘ、ｙ、ｚ方向で変化せず一定、ゼロでない場合は座標に沿って正弦波状に変化する。また、マイクロ波は金属壁面で境界条件を満たす必要がある。すなわち、金属壁面に平行な成分は壁面でゼロとなり、金属壁に直交する成分のみがゼロでない有限の値をとる。例えばｍが１の場合は電界のｙ、ｚ成分は壁面でゼロ、対向する壁面との中間の位置で最大値をとる。
【００１２】
一般に直方体型の共振空胴には、電界のｚ成分がないＴＥモードと、磁界のｚ成分がないＴＭモードの共振が存在する。ＴＥモードの共振は、入口開口５ａ及び出口開口６ａと、さらに第５側壁９及び第６側壁１０にｚ方向に向かう２ないし複数本のスリット（図示せず）等により除去できる。なお、このスリットは、被加熱物Ｗから発熱によって発生する溶剤等の蒸気を排気する機能も果たすことができる。ＴＭモードのうち、最も次数の低い共振モードはｍ＝ｎ＝１、ｓ＝０である。このモードは、ｚ方向でｚｘ平面及びその近傍の電界が一定である。また境界条件から、電界はｚ成分のみである。この電界はｘ、ｙ方向ではπだけ位相が変化し、壁と接する部分でゼロ、対向する壁面の中間で最大値を取る。そこで、シートをｚ軸を含む面を横断するように移動させると、移動によって加熱が平均化される。ｚ方向の電界は一定であるから、シートの幅方向の加熱は一定となる。即ち、ｘ、ｙ方向で電界は変化しているが、ｘ方向に移動させれば、加熱は平均化され、結果として、シート面で均一な加熱が得られることになる。
【００１３】
ところが、仕切板３を有しない単純な直方体型の共振空胴では、以下のような問題点を生じる。
（１）式から、例えばｃ＝１ｍの空胴について、ｍ＝ｎ＝１、ｓ＝０の近傍の共振周波数を求めると、２，４５０、２，４５５、２，４５９、２，４６８ＭＨｚ・・・となり、共振周波数は極めて近接していることがわかる。隣り合った共振周波数は０．２％しか異ならない。マイクロ波加熱に一般的に使用されるマグネトロンのようなマイクロ波発振源の場合、製品のばらつきや動作中の周波数変動によって、出力周波数が変化するため、それに応じて共振モードが変ってしまい、望んでいる０モードの加熱が得られない。即ち、ｚ方向で均一な加熱は期待できない。
【００１４】
そこで、本発明においては、仕切板３を周期的に設けることで、上記問題点を解決した。以下、本発明の実施形態の作用、効果を数値的に説明する。
位相特性を解析すると、次式が得られる。
【数３】
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ここでωは２，４５０ＭＨｚの各周波数、εは誘電率、μは導磁率、ｈは空胴内における仕切り板の高さである。この式を用いて、ｍ＝ｎ＝１、ｓ＝０の場合について、２，４５０ＭＨｚの近傍の共振周波数を求めると、マイクロ波発振機の周波数変動範囲を十分に大きく超える程度に離散していることが判り、共振周波数の接近の懸念はまったく解消する。
【００１５】
電磁界を解析すると、共振空胴２の壁面を流れる電流が得られる。０モードの電流は仕切板３に流れる電流を除き、全てｚ軸方向に流れている。したがって、ｚ軸を含む面に沿って、壁面に、幅のそれほど広くない細長の開口５ａ，６ａを切っても、壁面電流を乱さないことが判る。このため、開口５ａ，６ａが狭い限り、電波の漏洩は基本的にないことが判る。なお、実際問題としては、開口５ａ，６ａ中を被加熱物Ｗが通り、外部から空胴内の電磁界分布に影響するような異物が接近することになるので、それなりの電磁波漏洩防止策を講じておく必要がある。
【００１６】
共振空胴２へのマイクロ波の結合は図２におけるｙ方向から行う。側壁７，８のｘ方向の幅であるａの値を導波管１３の幅に等しくしておくと、導波管１３との結合も容易である。導波管１３の空胴２に対する結合孔９ａのｚ方向の位置は、電磁界の対称性から、空胴２の軸ｚ方向の中間の中間位置が望ましい。電磁素子を周期的に配設した空胴に対する励振をこの空胴の中心の位置から行うと、空胴の長さが、隣り合った電磁素子の間で構成される空胴部分（以下、これを単位空胴と呼び、これがｎ個、集まって構成する空胴と区別する）のピッチｐの整数倍ｎｐとなっている場合、共振周波数はこの単位空胴当たりの位相量がπ／ｎの奇数倍の位相量を与えるモードは励振されず偶数倍のモードのみが励振される。この結果、共振周波数の離散度がより大きくなるという利点が生じる。
【００１７】
以上の実施形態では、仕切板３を周期的に装荷した直方体型の空胴２を取り上げて説明したが、空胴の形状は、例えばｘｙ面と交わる断面が円形であっても、また、装荷した仕切板３が、円盤状であってもまったく同じ効果を生じることは明らかである。また、仕切板３が例えば誘電体であっても良い。要するに、共振空胴２は、終端と始端を短絡した遅波回路の構造であればまったく同一の目的を達成できる。
【００１８】
また、上記のｍ＝ｎ＝１、ｓ＝０モードの電磁界分布から、仕切板３は周期的に配置しなくても電磁界を基本的に乱すものではないので、仕切板３を周期的に配列する必要が特にないことも明らかである。
【００１９】
次に、周波数同調の問題に触れる。マイクロ波発振機１２としてのマグネトロンは、規格内において周波数のばらつきがある。また、動作中、周波数が変化する可能性もある。一方、被加熱物Ｗの挿入によって、０モードの共振周波数が変化する可能性がある。このような事態に備え、周波数同調手段を設けておくことが望ましい。図示の実施形態では、周波数同調手段として、空胴２の高さｂを調整可能な構成を採用した。即ち、ケーシング４の側壁７，８はそれぞれ上下に分かれて摺動部７ａ、８ａを重ねて配置され、上下の側壁９，１０と共に相対的に上下に摺動し、高さｂが変化する。側壁９，１０間は、軸１４によって結合され、ばね１５によって間隔が保たれている。そして、ナット１６を締め付けてばね１５を圧縮することによって、高さｂを縮小することができる。高さｂの変化によって、周波数の同調を行うことができる。
【００２０】
次に、空胴に被加熱物を挿入した場合についてさらに詳述する。被加熱物の損失により導波管の励振点から離れた単位空胴の電界が弱まり、この結果、励振点から離れるほど加熱度合いが低下する。数値解析により、この低下度はｙ軸から離れるほど、大きいことが導けるので、出来るだけ、ｙ＝０の位置に沿って被加熱物を通過させることが望ましい。
【００２１】
一般に被加熱物を加熱乾燥させると、この被加熱物の導電性を高めている溶剤が蒸発し、その分、損失が低下する。したがって、当初、導波管結合部の単位空胴付近が強く加熱され、この部分が乾燥すると、これに隣接する単位空胴部分の加熱が進み、続いて、さらにその次に隣接する部分の加熱が進むという過程を踏んで、次第に励振点から離れた単位空胴へと加熱が進行する。このようにして、加熱が全体に均一に行き渡るようにすることができる。
【００２２】
上記加熱の均一化をさらに効果的に進めるには、以上に説明した空胴を適切な間隔を取って並行に複数個並べ、被加熱物が複数個の全体空胴を順に通過するようにするとよい。このような複合システムを使用すると、複数の空胴を透過するにつれて被加熱物の加熱の均一化がさらに効率的に改善されるようにすることが出来る。
【００２３】
なお、空胴に励振されるモードの違いを積極的に使用して、加熱の均一化を図る方法がある。例えば、隣接した単位空胴当たりの位相量が０である０モードと、位相量がπ／ｎであるπモードを使用すると、０モードが主として空胴の中心部を加熱し、πモードが両端部を加熱するので、この結果、均一性がより改善されることになる。
【００２４】
【発明の効果】
以上のように、本発明においては、共振空胴内に特定モードでのマイクロ波の共振を起こさせ、ｚ方向に均一な強度をもつ極めて強い電界が得られるので、例えば被加熱物であるシートをその幅方向に均一に、高い効率で加熱することができるという効果を有する。
【図面の簡単な説明】
【図１】マイクロ波加熱装置の概略的斜視図である。
【図２】共振空胴の概略的斜視図である。
【図３】共振空胴の概略的正面図である。
【図４】共振空胴の概略的縦断正面図である。
【図５】共振空胴の概略的縦断側面図である。
【図６】共振空胴の一部の概略的斜視図である。
【符号の説明】
１    マイクロ波加熱装置
２    共振空胴
３    仕切板
４    ケーシング
５    第１側壁
５ａ  入口開口
６    第２側壁
６ａ  出口開口
７    第３側壁
７ａ  摺動部
８    第４側壁
８ａ  摺動部
９    第５側壁
９ａ  結合孔
１０  第６側壁
１１  移送手段
１２  マイクロ波発振機
１３  導波管
１４  軸
１５  ばね
１６  ナット
Ｗ    被加熱物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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