(57)【要約】  【課題】  シート状被加熱物に対して、均一で効率の高いマイクロ波加熱が得られる改善されたマイクロ波加熱装置を提供する。  【解決手段】  空胴１内の一方向に電界の一成分のみが存在し、その方向に対して大きさが一定であるような共振モードを励起する。共振空胴１の一方向ｚに向かう長さｃは、導波管の標準高さの３倍以上である。共振空胴１の導波管との結合用開口１２のｘ方向の両端部に、金属製の短絡板１３，１４を配し、両者間に所定の間隙を設ける。短絡板１３，１４によって、側壁４に流れる電流の道を確保する。これによって、空胴１内に均一な電界を発生させ、それによって、シート状被加熱物Ｗに対する高効率で均一な加熱が得られる。【選択図】図２
2005071724.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空胴内の一方向に電界の一成分のみが存在し、その方向に対して大きさが一定であるような共振モードを励起するマイクロ波共振空胴と、この共振空胴にマイクロ波電力を供給する導波管とを具備し、前記共振空胴の前記一方向に向かう長さが、前記導波管の標準高さの３倍以上であるものにおいて、前記共振空胴の前記導波管との結合のための開口の前記一方向と直交方向の両端部に、金属製の短絡板を配し、両短絡板間に所定の間隙を設けたことを特徴とするマイクロ波加熱装置。
【請求項２】
空胴内の一方向に電界の一成分のみが存在し、その方向に対して大きさが一定であるような共振モードを励起するマイクロ波共振空胴と、この共振空胴にマイクロ波電力を供給する導波管とを具備し、前記共振器の前記一方向に向かう長さが、前記導波管の標準高さの３倍以上であるものにおいて、前記共振空胴と前記導波管との結合のための開口の前記一方向の両端部に、金属製の容量板を配し、両容量板間に強誘電部材を介在させ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】
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、被加熱物にマイクロ波を吸収させることによって、この被加熱物を直接加熱できることから、短時間で効率の高い加熱ができ、家庭用の電子レンジをはじめ、工業的な加熱装置に広く実用されている。しかしながら、被加熱物が特にシート状を呈している場合、効率よくシートにマイクロ波を吸収させ、しかもシート全体を均一に加熱することが困難である。即ち、シートの位置の電界を強くし、また、シートの特に幅方向に対して均一な電界分布を得なければならないが、このような条件を満足させることが極めて困難で、現状、マイクロ波によるシート加熱について満足な答えは得られていない。
マイクロ波技術は高度に発展し、装置のマイクロ波回路素子として使用できる共振空胴や整合素子なども様々なものが広く開発されている。しかしながら、シート加熱に特殊化されておらず、シート加熱の要求に応えるものにはなっていない。
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、一般に、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難しい。特許文献１に記載されたマイクロ波加熱乾燥装置も同様で、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、シート状被加熱物の高効率で均一な加熱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。
【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、相対的に大きな幅と小さな厚さを有するシート状被加熱物にたいして、その幅方向の電界成分のみが存在し、さらに幅方向に対して、電界の大きさが変化しないマイクロ波共振モードを発生し得る空胴を使用する。このモードのマイクロ波電界を使用すると、電界強度がきわめて高く、均一であることから、高効率で均一な加熱を実現できる。
【０００５】
一般に、シート加熱用のマイクロ波共振空胴は、ある大きさの幅を持つシートを収容できる大きさが必要である。この要件を満たすためにシートの幅方向が空胴の長手方向と対応するようにし、シートがこの空胴の長手方向に対して直角な方向に移動できるように構成する。被加熱物Ｗは、長尺のシート、あるいはベルトコンベア上に一様に並べられた複数の短尺シートのような厚さ寸法の小さな集合物である。この構成において、空胴の長手方向に向かい、その方向で一定の電界強度を持つような共振モード、例えば、共振空胴が直方体状のものである場合は、ＴＭ110モードの共振を発生させる。このようなモードを励振するため、マイクロ波発振器から導波管を介して、空胴内へマイクロ波電力を供給する。空胴から反射するマイクロ波が、発振器に戻らないようにするサーキュレータ、さらに空胴になるべく多くの電力を送るための整合器が導波管の途上に設けられる。シート加熱の場合、比較的、幅の広いシートを加熱したいという要求に応じるため、空胴の長さは、結合に使用する導波管が断面矩形の標準導波管である場合、その導波管の高さ（矩形断面における長軸方向対向側壁間の寸法）の数倍以上となるように設計するのが普通である。このような長い空胴に対し、単純に導波管を結合すると、均一電界が得られる所望のモードからかなりはずれた分布のモードしか得られない。このモードの電界は、全体的には空胴の長手方向に向かっているが、特に側壁面の近くで曲がり、強さに関しても、全体的に空胴の両端で強く、中心部で弱くなってしまう。この理由は、空胴の壁面に導波管を結合するための開口を設けたことに起因する。即ち、所望のモードであれば、本来、側壁面に空胴の長手方向に向かって流れるべき電流がこの開口に妨害されてしまうことによる。
【０００６】
この不都合を除去する手段として、空胴開口の幅方向の長さを狭め、電流が流れる道をその分、広めればよい。具体的には、開口の両端部を短絡し、この部分に電流が流れるように修正することである。これは、負荷との整合を改善する目的で使用される導波管型誘導性窓と形の上では区別できないものとなる。導波管型誘導性窓は、容量性の負荷のキャパシタンスを窓のインダクタンスで中和してインピーダンス整合を改善するものである。これに対して、この発明において短絡板を使用する目的は、開口によって遮断された電流の道を形成することであり、導波管型誘導性窓とはその目的、機能がまったく異なる。一般に、空胴と導波管の結合は、空胴のインピーダンスに導波管のインピーダンスを整合させるように、あくまで整合の観点から設計される。空胴のインピーダンスは共振状態では容量性でも誘導性でもないので、誘導性窓や容量性窓を使用しても無意味である。導波管の高さを低くした扁平導波管を使用して両者の結合が行われるのが通常である。
【０００７】
モードが擾乱を受けるという不都合を克服するもう一つの方法は、開口を直列共振状態として、等価的に共振の短絡電流が流れるようにすることである。
【発明の効果】
【０００８】
本発明においては、空胴１と導波管８の結合部である開口１２による電流の遮断に対し、短絡板１３，１４を付加したり、直列共振を起こすような強誘電部材１７を配したりする手段を用いて、側壁４に流れる電流の道を確保することによって、空胴１内に均一な電界を発生させ、それによって、シート状被加熱物Ｗに対する高効率で均一な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】
【０００９】
図を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１はマイクロ波シート加熱装置を示す概略的斜視図、図２はマイクロ波シート加熱装置の基本部分である共振空胴を示す概略的斜視図である。
【００１０】
この形態のマイクロ波加熱装置の共振空胴１は、前後上下左右の側壁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上方から供給される。
【００１１】
図２において、共振空胴１の前側壁２と後側壁３には、空胴の中心であるｚ軸に平行に、被加熱物通過用のスロット１０が相対向して設けられている。スロット１０は、空胴１の中心ｚ軸よりｙ方向下方に少しずらした位置に配置されている。シート状被加熱物のマイクロ波吸収が少ない場合には、スロット１０をｚ軸を挟む対向部に設けてシートを通過させてもよいが、損失が比較的大きい場合には、シートをｚ軸から偏芯した位置に通した方がよい。シート状被加熱物Ｗは、移送手段１１によって、２つのスロット１０を通ってｘ方向にほぼ等速で移送される。
【００１２】
空胴１内に励起される電磁波のモードはＴＭ110、あるいはこのモードに近いものである。ＴＭ110モードの電界は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方向に対して正弦半波状に変化し、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に等しく、さらに、空胴１と導波管８との結合部の構造が適切である場合は、まったく変化せず一定である。実施例では、空胴１の寸法を、図２においてａ＝109.2mm、ｂ＝73.8mm、ｃ＝540mmとした。
【００１３】
図３は空胴の縦断面図である。導波管８を介してマイクロ波電力を空胴１へ結合するための側壁４の開口１２が導波管８の幅方向と高さ方向にそれぞれ一致する開口になっていると、実は重大な問題が発生する。すなわち、空胴にＴＭ110モードが励起された場合、側壁２，３，５にはｚ方向に向かう電流が流れる。側壁４に流れる電流は本来、遮断されることなくｚ方向に流れるべきであるが、開口１２がその流れを妨げてしまう。導波管の幅がａであるので、幅ａの部分が回路的にカットされた状態になっている。この状態になると、所望のＴＭ110モードは大きく変形した状態になってしまう。このようになると、空胴内の特に側壁４に近い部分の電界が曲がり、ｚ方向の中心部で電界が弱く端部の近くで強くなるような望ましくない分布となってしまう。計測して見ると、端部の電界は中心部の1.5−2倍になっている。
【００１４】
図３の導波管結合部には、図４の１３，１４に示すような薄い金属製の短絡板が配してある。この短絡板１３，１４は、開口１２の幅ａ方向の両側に配設されており、中心部のみが空胴１内に通じる比較的狭い開口１２ａになっている。この開口部の構造は、インピーダンス整合の目的で使用される誘導性窓と同じ形態をとる。短絡板１３，１４の幅が広いと電流の通り道が広くなり、よりＴＭ110に近いモードを励起できる。幅を極端に狭くすると、これによって発生するインダクタンスがゼロに近くなって、導波管８とのインピーダンス整合が悪くなり、空胴に伝えられるマイクロ波電力が減少する。したがって短絡板１３，１４の幅寸法には、適切な値が存在する。ここでは、短絡板１３，１４間に形成される開口１２ａを短絡窓と呼ぶことにする。これは、インピーダンス整合を行う誘導性窓とは機能的に全く異なるものである。
【００１５】
ＴＭ110に近いモードを発生させるもう一つの方法は、図５に示すような構造を採用することである。図５の１５，１６は、互いに幅ａに直交する方向に対向して幅ａ方向に伸びる容量板である。この容量板１５，１６は、その面積と相互の間隙で決まるキャパシタンスを発生する。この容量板をむくの金属板で構成する場合、容量板１５，１６の間隔は非常に狭く、したがって、容量板１５，１６の面積をある程度、大きくする必要がある。
【００１６】
容量板１５，１６の間隔を非常に狭くすると、その間隙で高周波放電を起こしてしまうので現実的ではない。これを避けるため、間隙にアルミナ等の強誘電部材１７を挿入する。間隙に強誘電部材を挿入すると、容量板１５，１６の厚さが10mm、間隔が10mm程度の妥当な構造で直列共振に近づけることができる。直列共振を起こすと、導波管側から見たインピーダンスはゼロとなってしまうので、適切な値のキャパシタンスが得られるようにパラメータを設計する。この結果、側壁４に開口がない状態とほぼ同じ電流が流れるようになる。なお、ここで、容量板１５，１６の厚さと強誘電部材１７の厚さは同等とする。便宜上、この結合構造を直列共振窓と呼ぶが、インピーダンス整合の目的で使用される容量性窓とはまったく異なるものであり、共振状態では、短絡状態となる特殊な窓である。
【００１７】
なお、上の説明では、直方体状の共振空胴を用いたが、ｚ軸に直角な方向に切った空胴の断面を必ずしも長方形とする必要はなく、楕円、円、多角形等の他の形状をとっても同じ目的を達成できる。また、短絡板１３，１４、容量板１５，１６、強誘電部材１７等は単純な直方体形状から、適切な変形を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００１８】
この発明は、例えば水等を含浸するシート状の被加熱物であって、マイクロ波損失が大きく、共振空胴に直接入れると空胴内の電界を大きく乱してしまうような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】
【００１９】
【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】共振空胴の概略的縦断面図である。
【図４】側壁に流れる電流の道を付加した空胴結合開口の概略図である。
【図５】直列共振を起こすことによって側壁に流れる電流の道を確保した結合開口の概略図である。
【符号の説明】
【００２０】
１  マイクロ波共振空胴
２  前側壁
３  後側壁
４  上側壁
５  下側壁
６  左側壁
７  右側壁
８  導波管
９  マイクロ波電源
１０  スロット
１１  移送手段
１２  結合開口
１２ａ  開口
１３  短絡板
１４  短絡板
１５  容量板
１６  容量板
１７  強誘電部材
Ｗ  シート状被加熱物
【図１】
2005071724.tif 000003
【図２】
2005071724.tif 000004
【図３】
2005071724.tif 000005
【図４】
2005071724.tif 000006
【図５】
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