(57)【要約】  【課題】  高効率な均一加熱を達成できる改善されたマイクロ波加熱装置を提供する。  【解決手段】  共振空胴を採用して、マイクロ波の電界を高め、加熱効率を上げる。被加熱物を装入してもＱ値が必要以上に低下せず、必ず所望のモードの共振が得られるように、電界が弱いところを選んで被加熱物を装入する。Ｑ値をある値以上に維持し、モードの選択性の問題を解決する。ほぼ直方体状の共振空胴１に、TM110モードの共振周波数にごく近い周波数の信号を加え、シート状被加熱物をｚ方向にほぼ均一な電界中に挿入しx方向に移動させる。被加熱物にほぼ均一な電磁エネルギーを与えることにより、高い効率で、均一加熱が得られる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
各一対が互いにほぼ平行に対向し、他の対と互いに直交する第１・第２、第３・第４、第５・第６の３対、６つの側壁に包囲され、前記第１の側壁の中央に結合された導波管からマイクロ波が導入され、前記第３の側壁と前記第４の側壁の対向部には前記第１の側壁にほぼ平行な通過スロットが設けられたほぼ直方体状のマイクロ波共振空胴と、
前記２つの通過スロットを通して前記共振空胴内にシート状被加熱物を通過させる移動手段とを具備することを特徴とするマイクロ波加熱装置。
【請求項２】
前記共振空胴の前記第１の側壁と前記第２の側壁の少なくとも一方が、共振空胴の中心から端部に向かって末広がり又は末すぼまりとなるようにわずかに傾斜してい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】
前記共振空胴の前記第３の側壁と前記第４の側壁の少なくとも一方が、共振空胴の中心から端部に向かって末広がり又は末すぼまりとなるようにわずかに傾斜してい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】
前記共振空胴の前記第１の側壁と前記第２の側壁の少なくとも一方に、前記第５の側壁に対して直角方向に伸びるモードフィルタとしての少なくとも１本のスロットを有す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】
共振周波数の調整機構をさらに有す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。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明はマイクロ波加熱装置に係り、特に、シート状被加熱物の加熱度合いの均一化に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波加熱は家庭用から工業用まで広く使用されている。特に工業用では、シート状被加熱物を均一に加熱したいという要求があり、この目的のために、折れ曲がり線路、漏洩線路、遅波回路等の伝送線路を適切に構成したものや電磁波をある領域に放射する単一または複数個のアンテナを用いる方法などが提案されている。しかしながら、このような方式では、通常、効率のよい加熱を期待できないだけでなく、均一性についても要求を満たすことができない。例えば、セラミックグリーンシートをマイクロ波加熱乾燥装置で乾燥させる技術が特許文献１に記載されている。これは、乾燥前のセラミックグリーンシートを、マイクロ波加熱乾燥装置内をベルトに乗せて移送する間に、マイクロ波を照射して乾燥させるものである。しかしながら、被加熱物が薄いシート状の場合には、そのシートの厚さが薄いことから、シートに吸収されるマイクロ波電力が少なくなってくるので、効率よく加熱することはさらに難しくなる。特許文献１に記載されたマイクロ波加熱乾燥装置は、十分に均一で効率的な加熱は期待することができない。このため、マイクロ波による高効率で均一な加熱を望む声が強い。
特に、厚さが薄く幅が広くて長尺のシート状被加熱物の場合は、高効率、均一加熱の要求を満たすことは極めて困難で、現状、この目的を満足できる程度に達成した例又は関連する先行技術文献を出願人は知らない。
一般的にマイクロ波加熱に使用されているマイクロ波の周波数は2,450MHzであるが、この周波数の電磁波の波長はおよそ122mmで、この波長が、均一な加熱を求められる被加熱物の寸法に比較して通常、かなり短いことが、均一な加熱を妨げ、また被加熱物シートの厚さが薄いために、シートに吸収されるマイクロ波の電力が小さくなることが、加熱効率の低下を招く。
【特許文献１】特開平７−２９４１２２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この発明は、従来技術における上記のような不都合を解決し、高効率な均一加熱を達成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。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
この発明においては、効率の良い加熱を達成するために共振空胴を採用する。これによってマイクロ波の電界が大幅に高まり、加熱効率を上げることができる。しかしながら、共振空胴を用いる方法について、次のような問題がある。損失のない空胴で均一な電界が得られる共振モードを使用しても、電波を吸収する被加熱物を空胴内へ装入すると、それの誘電率と損失のため期待する均一な電界を得ることができないことである。このため、均一加熱の目的は達成できない。
一般に共振器は近接した多くの周波数で共振し、空胴が大きくなるほど共振周波数の離散度が小さくなる。このため、次のような問題も発生する。
被加熱物によるマイクロ波の損失のために共振のＱ値が下がって、急峻な共振特性が得られなくなってくる。帯域が広くなった同調特性は互いにオーバラップし、特定の周波数で共振し得るモードが単一でなくなってくる。結果として、ある周波数のマイクロ波を空胴に励振すると、隣接したモード間で競合が起こり、例えば、所望のモードと望まないモードが隣接している場合を想定すると、所定のモードに対応する周波数のマイクロ波を励振しても、望まないモードの方が先に立ち上がってしまうような場合が発生する。すなわち、モードの選択性が失われてしまう。望まないモードは電界がシート面内で大きく変化し、均一な加熱を阻害する原因になる。
このような問題に対処するため、被加熱物を装入してもＱ値が必要以上に低下せず、必ず所望のモードの共振が得られるような方策を見出さなければならない。
共振器のＱ値は空胴に蓄えられる電磁波エネルギーとその空胴で消費される電磁波エネルギーの比で定義される。損失が大きい物質を装入してもＱ値が下がらないようにするには、電界が弱いところを選んで被加熱物を装入し、これにより損失の影響を軽減することが有効である。この方法によって、Ｑ値をある値以上に維持し、モードの選択性の問題を解決することを狙うことができる。
一般に加熱効率を上げる目的から、被加熱物を電界が弱い部分に装入することは常識に反する行為である。本発明では、あえてこの方法を選択し、効率を妥当な値に保ちながら、Ｑ値も上記に述べたような障害を生じない値に保って、しかも均一加熱が出来る条件を見出すことに成功している。なお、ここでシート状被加熱物とは、短冊状のシートや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て構成したような形態の集合被加熱物を包含する。
モード競合を防ぐもう一つの方法は、所用のモードに接近するような不要モードを発生させないことである。この対策によって、Ｑ値の低下がある場合でも所用のモードだけを空胴内に励起し、そのモードのみによる加熱を安全に行うことができる。
【発明の効果】
【０００５】
本発明においては、ほぼ直方体状の共振空胴１に、TM110モードの電界分布に近い分布が得られる被加熱物に適合する共振周波数の信号を加え、シート状被加熱物をｚ方向にほぼ均一な電界中に挿入しｘ方向に移動させることによって、被加熱物にほぼ均一な電磁エネルギーを与えることができるので、高い効率で、均一加熱が得られるという効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００６】
図を参照して本発明の実施形態を説明する。図１はマイクロ波加熱装置を示す概略的斜視図、図２はマイクロ波加熱装置の基本的部分である共振空胴を示す概略的斜視図、図３は共振空胴の概略的正面図である。
【０００７】
この形態のマイクロ波加熱装置の共振空胴１は、それぞれ互いにほぼ平行に対向する第１・第２、第３・第４、第５・第６の３対、６つの側壁２・３，４・５，６・７を有し、概略、直方体形状をしている。マイクロ波は、マイクロ波電源９につながる導波管８を介して図において第１の側壁２の中央から共振空胴１内へ供給される。
【０００８】
まず、Ｑ値の低下に伴うモード選択性の低下を防ぐ方法について説明する。共振空胴１の第３の側壁４にｚ軸に平行に設けられた通過スロット１０は、空胴１の中心よりｙ方向下方に距離ｄだけ偏った位置（図３）に配置されている。このスロット１０は共振空胴１の第４の側壁５の対応する位置にも設けられており、シート状被加熱物Ｗは、移動手段１１によって、この2つの通過スロット１０を通ってｘ方向にほぼ等速で移動させられる。
【０００９】
空胴１内に励起される電磁波のモードはTM110である。このモードによる電界は中央からｚ方向に向かい、ｘ成分とｙ成分はゼロである。また電界はｘ方向およびｙ方向に対して正弦波状に変化し、各側壁面でゼロ、中心で最大値になる。ｚ方向に対しては、空胴自身に損失がなく、シート状被加熱物Ｗも無損失でその比誘電率が１に等しい場合はまったく変化せず一定である。シート状被加熱物Ｗの誘電率が大きくなり、損失がある場合には、被加熱物Ｗの中央付近で電界がやや大きくなり、ｚ方向の両端部に向かうにつれ低下する。実施例では、空胴１の寸法を図２，図３においてａ＝109mm、ｂ＝73.8mm、ｃ＝540mmとした。
【００１０】
ある物質をある溶媒に溶かし、ほぼマイクロ波損失のないシートに塗布して構成されたシート状被加熱物Ｗにおいては、そのマイクロ波損失は当該溶媒の損失であるということができる。このようなシート状被加熱物Ｗを加熱する場合を例にとって、ｚ方向における加熱の均一性について説明する。電磁計算コードを用いた解析に使用したサンプルの塗布厚は0.4mm、シートの幅は500mmである。
【００１１】
図４は通過スロット１０を側壁４，５の上下方向中央に設けた場合の電界の変化を示している。この例では、ｚ軸方向にかなり大きく電界が変化している。加熱に消費されるエネルギーは電界の自乗に比例するので、この状態では均一加熱は得られない。図５はこのときの共振特性の周波数スペクトラムの実測値を示すグラフである。かなり平らなカーブが示されている。実はこれは２つの隣接する共振モードであるTM110とTM112のカーブが重なった状態となっている。なお、導波管８を空胴１の中心で結合させたため、構造的な対称性から、TM111モードは励振されず、その分、周波数の分離が良くなっている。そのような工夫がされているにもかかわらず、TM110とTM112のスペクトラムが互いに重なり、両モードが互いに競合する状況に陥ってしまっている。実験によれば、まずTM112モードが励起され、溶媒が蒸発して、シートの損失が下がってくると、突然、所望のTM110が励起されることが観測された。TM112はｚ方向に１波長だけ位相が変化するので、両端と中心部が加熱され、それぞれ左端と中心、中心と右端の中間部が加熱されない。このため、３つの山と２つの谷がある不均一な加熱しか行われない。実験によると、モード競合の結果、まずTM112モードによる乾燥が行われ、それに続きTM110モードによる乾燥が行われた。TM110モードによる乾燥自体も、中心部で強く、全体として穏やかな山状を呈するものとなっており、結果的に両者の加熱が重なった複雑な形状の不均一な分布の乾燥となった。
シート状被加熱物Ｗによるマイクロ損失が十分に小さい場合には、モード競合の問題は起こらなかった。また、ｚ軸方向の電界変化も小さくなり、ほぼ均一な加熱が得られた。
【００１２】
図示の実施形態では、シート状被加熱物Ｗを、図３に示すように、中心の位置からｄだけ下方へずれた位置に装入する。この場合、被加熱物部の電界が低くなるため、損失が低下し、一方、空胴に蓄えられる電磁エネルギーが増大するため、Ｑ値が大きくなる。この結果、周波数スペクトラムは図６のようになる。TM110とTM112の両モードの周波数スペクトラムは完全に分離されるので、モード競合は起きない。すなわち、周波数をTM110の共振周波数に合わせると、TM110のみが単独で励振される。図８に示すように、この状態での被加熱物内の電界強度分布は、相対的に損失が減ったことによって、かなり改善された分布になる(図８の折線Normalを参照)。
【００１３】
さらに、電界分布を改善する方法として、図８に示すように、両端でｙ方向の高さが大きくなるように共振空胴１の第１の側壁２または第２の側壁３に傾斜を持たせた。いずれの場合もほぼ同様な改善が得られた。以下、説明を簡略化するため、第１の側壁２に傾斜をもたせた場合について説明する。ｚ方向の全長540mmの共振空胴１の第１の側壁２の中心から一端まで270mmの間を一端において0.5〜1.0mm上昇するように傾斜させる。電磁解析の結果、図８に示すような特性が得られた。側壁に傾斜を与えることにより、殆ど均一な電界分布が得られ、均一加熱に成功していることが判る。ここで、Top0.5mm、Top1.0mmとは第１の側壁２を両端で0.5mm又は1.0mm高くしたことを意味する。normalはまったく傾斜を与えない状態を示している。第２の側壁３を両端で低くしても同様の結果が得られる。なお、ここに示した側壁の傾きによって共振空胴は直方体からわずかに変形した形状となるが、直方体に極めて近い形状であり、また説明上、特に混乱も生じないので、ここでは、これも直方体状共振空胴という。また、空胴側壁の傾きは、必ずしも、中央に対して対称にする必要がなく、例えば、図の右側は第１の側壁２を上に、左側は第２の側壁３を下に傾きを持たせてもよいし、側壁２，３ではなく、前、後の第３，第４の側壁４，５、あるいはその両方に傾きを持たせてもよい。単に、端部に向けて少し末広がりとなるように変形させればよい。なお、被加熱物の損失や空胴と導波管の結合の仕方によっては、端部に向けて少し末すぼまりとなるように変形させたほうがよい場合がある。
【００１４】
この実施形態によりｚ方向に対し電界がほぼ一定となる。この電界でシート状被加熱物Ｗを加熱すると、シート状被加熱物がｘ方向にほぼ等速で移動させられるので、シート全体にほぼ等しい電磁エネルギーを与えることができ、被加熱物Ｗの均一加熱が得られる。
【００１５】
上記ではTM112にかかわる不都合とその対策について詳しく説明したが、TM112その他の不要モードの励起を阻止する目的で、図９に示すように、側壁２又は側壁３に、側壁５に対して直角方向に伸びる１本又は複数本の直線状スロット１２を設けることができる。このスロットはTM110以外のモードの壁面電流を妨げるので、TM110自身に殆ど影響を与えないが、その他の高次モードに対して影響を与え、それらのモードの励起を阻止するように作用する。すなわち、モードフィルタとして作用する。前記では、シートの損失によるＱ値の低下問題に対する対応策として、偏芯した位置を選んで被加熱物シートの通過させる手段を説明したが、このモードフィルタ効果を利用すれば、中心部に沿ってシートを移動させる設計を選ぶことも可能になる。この案により、設計の自由度が広がる。
【００１６】
図１に示すように、共振周波数の調整は、共振空胴の高さｂを変えることによって実施している。即ち、共振空胴１をスロット１０を境に上下２分割し、相互の上下間隔を調整できるように構成する。
【産業上の利用可能性】
【００１７】
この発明は、例えば、水等を含浸する紙のようなシート状の被加熱物を加熱して乾燥させるための装置として利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】マイクロ波加熱装置の概略斜視図である。
【図２】マイクロ波加熱装置の基本部である共振空胴の概略斜視図である。
【図３】共振空胴の概略的正面図である。
【図４】シート状被加熱物内のｚ方向電界の分布を示す図である。
【図５】シート状被加熱物の損失によってＱ値が低下した場合の共振周波数付近の周波数スペクトラムである。
【図６】改善された周波数スペクトラムである。
【図７】共振空胴の第１の側壁又は第２の側壁、あるいはその両方に対し傾斜をもたせた場合の形状を説明する図である。
【図８】シート状被加熱物内の改善されたｚ方向電界の分布を示す図である。
【図９】共振空胴の他の実施形態を示す概略斜視図である。
【符号の説明】
【００１９】
１  マイクロ波共振空胴
２  第１の側壁
３  第２の側壁
４  第３の側壁
５  第４の側壁
６  第５の側壁
７  第６の側壁
８  導波管
９  マイクロ波電源
１０  通過スロット
１１  移動手段
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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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