(57)【要約】流体を加熱するための循環式マイクロ波加熱装置は、アプリケータに直接または間接的にフランジを介して取り付けられたマイクロ波源から成る。アプリケータは直方体の共振空間であり、この空間内で一方の側壁において開口部を介してマイクロ波が入力結合され、直線偏波基本モードＴＥ１０が励起される。この側壁と対向する側壁との間に誘電体管が張設されており、加熱すべき媒体がこの管の中を貫流する。誘電体管とそこを貫流する流体の双方によって実質的に、マイクロ波源に対する負荷が形成される。その際、マイクロ波エネルギー全体が負荷において散逸できるよう装置が整合される。
2004529480.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を加熱するための循環式マイクロ波加熱装置において、
マイクロ波源と、
該マイクロ波源の出力側に直接または方形導波管を介してフランジにより固定されやはり方形の横断面をもつアプリケータ（１）と、
加熱すべき媒体が貫流する誘電体管（２）のかたちをとる負荷（２）と、
該誘電体管（２）の両端部に設けられたそれぞれ１つの金属製パイプとにより構成されており、
前記誘電体管（２）はマイクロ波のための入力結合開口部（５）の軸に対し平行にアプリケータ（１）中に配置されており、該アプリケータの対向し合う２つの側壁（３，４）の個々の長手軸に対し垂直に当接しており、該側壁（３，４）のうち一方の側壁（３）には入力開口部（５）が設けられており、
前記金属製パイプ（６，７）は、誘電体管（２）との当接個所では流体を通さないように、かつアプリケータ（１）の向き合った対応する側壁（３，４）においてはマイクロ波を通さないよう継合されており、
アプリケータ（１）の方形ジオメトリは、直線偏波基本モードＴＥ１０がアプリケータ内で励起されるよう、マイクロ波源から送出される波長λのマイクロ波に整合されており、
誘電体管（２）の軸は、直線偏波ＴＥ１０モードの電界偏波に対し平行にかつそれぞれ近くに位置するアプリケータ（１）の端面壁（８）に対し約λ／４の間隔をおいて配置されており、
誘電体管（２）の管軸は、直線偏波ＴＥ１０モードの電界最大値の場所と重なり合っており、
入力結合開口部（５）の中心点と誘電体管（２）の軸との間隔は、アプリケータ（１）に入力結合された電界エネルギーが流体の貫流する誘電体管（２）において少なくともほぼまたは完全に吸収されてそこにおいて熱に変換されるよう設定されていて、アプリケータにおいて無視できる程度の反射しか形成されないかまったく形成されず、
前記２つのパイプ（６，７）の内径は、アプリケータ（１）の側壁（３，４）から最初はλ／４とλ／２の間に長さにわたり誘電体管（２）の外径と等しく、
ついで比誘電率に依存してλ／４よりも長い長さにわたり、そこにおいてマイクロ波に対する完全な出射妨害が生じるよう先細りにされていることを特徴とする、
流体を加熱するための循環式マイクロ波加熱装置。
【請求項２】
前記誘電体管（２）は貫流する加熱すべき媒体に対し不活性である、請求項１記載の循環式マイクロ波加熱装置。
【請求項３】
誘電体管（２）の近くに位置するアプリケータ（１）の端面壁（８）は、アプリケータ（１）の長手軸において基本モードＴＥ１０が形成されるよう調整可能である、請求項２記載の循環式マイクロ波加熱装置。
【請求項４】
定格出力に適合した形式をもつマイクロ波源はマグネトロンまたはクライストロンまたは後進波発振器である、請求項３記載の循環式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、流動媒体加熱用の循環式マイクロ波加熱装置に関する。
【０００２】
マイクロ波は様々な形態において加熱に適している。このため食品工業、家事、医療、工業材料処理において様々なやり方で使用され、プロセス材料に単に放射したり、アプリケータが加熱用マイクロ波装置の構成部分であったりし、これはたとえば周知の電子レンジあるいは材料処理における加熱槽の熱処理や自動温度調整におけるようなものである。
【０００３】
後者については DE 199 35 387 A1 により公知である。それによれば槽の側壁にマイクロ波アプリケータが取り付けられており、これは槽と共通の側壁を有している。この側壁は格子から成り、その網目幅はマイクロ波を通過させないけれども、本来の有効槽において槽の流体は通過させて、格子壁を通り抜けてアプリケータに向かって流すことができ、もしくは循環させることができる。
【０００４】
このような構造は、マイクロ波技術を用いた部分と有効領域とが外から見て１つの構造ユニットを成す場合には非常に複雑である。これとともに、空間的に狭いことに起因して厳密な注意を払う必要のある保護措置がとられる。
【０００５】
文献 DE 697 01 702 T2, DE 199 25 493 C1, DE 196 06 517 C2 からそれぞれマイクロ波共振器が知られており、この共振器にはマイクロ波を通過させる管が貫通している。
【０００６】
DE 697 01 702 T2 にはポリマーからモノマーに分解するための方法について記載されており、それによれば最初にポリマーが石英管の中におかれ、これはマイクロ波キャビティを通って突出しており、マイクロ波キャビティにより導波管システムが終端している。
【０００７】
DE 199 25 493 C1 によれば、大面積のマイクロ波処理および大面積のプラズマ生成のための直線的に延びた装置が提案されている。この装置は楕円形の横断面をもつ中空共振器によって構成されており、この楕円の焦線に沿って直線的に延びるマイクロ波アンテナが設けられている。これは周囲に対し不活性かつマイクロ波透過性の誘電体によって取り囲まれている。さらに第２の焦線に沿って負荷としてやはりマイクロ波透過性の管が延在しており、その中に処理すべき加工材料がおかれ、そこにおいて加工材料はマイクロ波により生成されたプラズマに晒される。
【０００８】
DE 196 06 517 C2 によれば、連続動作のためのマイクロ波加熱装置を備えた加圧水炉が提案されている。これはマイクロ波送信アンテナを装備した並置された複数の個別セルから成り、それらのセルにはアースされた分離壁が設けられている。これらの分離壁ならびにセルを通ってマイクロ波透過性材料から成る管が案内されており、この管は外側に向かって金属導管に受け継がれている。そしてこの管内に媒体が流され、これはチャンバごとつまりセルごとに入力結合されたマイクロ波の作用によって加熱される。セルの列はアンカボルトを介して圧力を漏らさずかつマイクロ波を通さぬよう引張されている。
【０００９】
本発明の課題は、マイクロ波を用いて流体ないしは流動媒体を加熱するための技術的に簡単な装置を提供することにあり、この装置のアプリケータにマイクロ波エネルギーを反射なくあるいは許容可能な程度に僅かな反射で入力結合できるように構成することである。
【００１０】
この課題は、請求項１記載の特徴に従って流体を加熱する循環式マイクロ波加熱装置によって解決される。
【００１１】
装置のマイクロ波源は出力結合装置／アンテナを有しており、これは空間的な規定に従い直接または方形導波管を介して、方形のアプリケータの側壁におけるマイクロ波入力結合開口部にフランジにより取り付けられている。
【００１２】
負荷は加熱すべき媒体が貫流する誘電体管であり、この管はマイクロ波のための入力結合開口部の軸に対し平行にアプリケータの互いに平行な２つの側壁間に組み込まれており、個々の側壁の長手軸に当接している。
【００１３】
そしてこの誘電体管にはその両端部で外側に向かってそれぞれ１つの金属製パイプがつながっており、両方の自由端は流体循環路に接続されている。両方の金属製パイプは、誘電体管の個々の端部においては液密／気密に継合されているとともに、アプリケータの個々の側壁においては少なくともマイクロ波を通さないように、しかも機械的に十分堅固にフランジを介して取り付けられており、またはしっかりとろう付けされており、あるいは溶接されている。
【００１４】
マイクロ波技術的な構造のジオメトリないしは形状や寸法は、マイクロ波源から出力結合されるマイクロ波の波長λと直線偏波された基本モードＴＥ１０の形成によって定まる。したがってアプリケータのジオメトリは方形導波管として定められている。
【００１５】
マイクロ波入力結合開口部の軸と誘電体管の長手軸は互いに平行に位置しており、両方の軸は対向し合う２つのアプリケータ壁に対し垂直に配置されていて、それらの個々の長手方向中心線を通っている。これら両方の軸は、それぞれ近くに位置するアプリケータの端面側に対し約λ／４の間隔を有している。
【００１６】
アンテナと誘電体管との間隔は、アプリケータに入力結合されるマイクロ波が誘電体管中を貫流する流体すなわち負荷においてほぼ完全にまたは完全に散逸するような長さである。したがって微細な整合あるいは微調整のために、負荷に近い端面側をマイクロ波開口部に近い端面側に対し調整することができ、つまりその端面をマイクロ波技術的に負荷に合わせて調整することができ、したがって可変短絡板とすることができる。このような構成は、常に１種類の媒体だけを加熱しようというのであれば、負荷に依存してつまりは材料もしくは媒体に依存して間隔を相応に調整してしまえば不要である。
【００１７】
加熱すべき媒体が貫流する誘電体管は最大で、この管が貫通している両方の向き合ったアプリケータ外壁の内のりの寸法をもつことができる。誘電体管は中心でこれら双方のアプリケータ外壁の間を、この管が当接する他の２つの壁に対し垂直に延在している。貫流する流体は容積加熱され、一般に誘電体管の横断面内径にわたり均質にではなく基本的に、標準的な高性能の加熱のために設定された直線偏波基本モードＴＥ１０のプロフィルで加熱され、このプロフィルはほぼ正弦波状である。管の長手軸は電界の振幅についての電界最大値と直線偏波基本モードＴＥ１０の偏波方向とに重なり合っているので、そのことから貫流する媒体の均質な加熱が横断面積の内径についてみて、どれだけ良好であるかがわかる。つまり半径方向ですぐそばの周囲では加熱は一定であり、半径方向でそれよりも遠くに隔たると加熱は減少する。このような一定の特性ないしは減少する特性は、アプリケータ横断面にわたって直線偏波基本モードが正弦波の半波と同様の経過を辿ることからかかる。互いに対向する２つの側壁のほぼ中央付近ではｓｉｎ（ｎ／２）に従いほぼ一定であり、さらにｓｉｎ αただし０＜α＜ｎと同様の経過を辿る。
【００１８】
両方のパイプの内径は個々のアプリケータ壁からしばらくは誘電体管の直径と等しい。マイクロ波の波長λに関連して、この部分の長さｌｇはλ／４＜ｌｇ＜λ／２の範囲内で動く。さらに外側へ向かうと両方のパイプの内径は長さｌｃｕｔ−ｏｆｆ＞λ／４にわたり、加熱すべき媒体の比誘電率εｒに依存してそこにおいてマイクロ波に対するカットオフ条件が生じるよう先細りにされ、つまりそこにおいてはマイクロ波が周囲に出られないように先細りにされる。
【００１９】
従属請求項には、循環式加熱装置を好適に構成可能なさらに別のそれ自体周知の手段が記載されている。
【００２０】
誘電体管については、それが液密ないしは気密であるという電気的な特性以外、さらに別の特別な要求は課されない。当然ながら誘電体管は、これが触れる加熱すべき流体に対し不活性でなければならない。これらの要求すべてを満たすのは酸化アルミニウムであり、これは貫流する流体に関してその化学的な特性すなわち不活性であることについてのみ検査すればよい。たとえばＡｌ２Ｏ３は７００ＭＨｚ〜２５ＧＨｚのマイクロ波に対してほぼ完全に透過性であり、すなわちごく僅かなマイクロ波結合しかなく、もしくはまったくマイクロ波結合がなく、したがって誘電体管において問題となる加熱が発生しない。とはいえこの検査は、管壁として対象となるすべての誘電体材料についてあてはまる。したがって例として挙げるならばガラス、石英ガラスも考慮の対象となる。
【００２１】
請求項３には、負荷に近いアプリケータ端面を用いた微調整の可能性について記載されている。この技術的な構成は可変短絡板であって、これは電気的にそれぞれ異なる媒体であるときにのみ必要とされる。加熱すべき媒体が同じものであるならば、この端面は反対側の端面のように最初からすでに固定的に組み込んでおくことができ、もしくは固定的に組み込まれている。
【００２２】
どのタイプのマイクロ波源を個々の事例で使用するのかについては、出力要求ならびにマイクロ波の周波数νもしくは波長λに従って決められる。現在、技術的に十分に熟しているマグネトロンは、１０ＫＷよりも小さい出力範囲においては競争相手がないであろう（請求項４）。さらに考慮の対象となるマイクロ波源は、クライストロンまたは後進波発振器 Backward-Wave-Oscillator, BWO あるいは必要とされるマイクロ波出力に技術的に適したマイクロ波管である。方形導波管はアプリケータともども、動作周波数に応じた簡単なジオメトリを有している。したがって結局のところ、それ相応に高性能なマイクロ波源が存在するかぎり、どのような周波数でも使用することができる。
【００２３】
循環式マイクロ波加熱装置によって、有極性流体も無極性流体も方向づけて加熱することができる。なお、有極性流体とは永久電気双極子をもつ分子から成る流体のことであり、たとえば水、酸、油酸などである。これにより周知のように電界を良好に結合することができる。無極性流体の相補的なグループは電気双極子を永久的にはもたない分子から成り、つまりたいていは有機的な特性であり、いつかを挙げるとすれば無酸油、脂肪、アルコールなどである。両方の種類ともに容積加熱（volumetric heating）が標準的である。
【００２４】
この循環式マイクロ波加熱装置は技術的に非常に簡単な構造であり、これはすべて標準コンポーネントによって構成されている。周囲環境に対するマイクロ波技術的な保護措置はだいたいは内在しており、それというのもマイクロ波源はコンポーネントとして金属ケーシングにより覆われているからである。これには冷却リブと冷却ファンが設けられており、あるいは冷却媒体を貫流可能であり冷却循環路に接続されたダクトを備えた冷却リブが設けられている。アプリケータは直接または短い導波管部材を介してフランジにより取り付けられている。誘電体管の両端部に継合された２つの金属製パイプを介して、流体循環路と２本のパイプとの接続が簡単に処理されている。
【００２５】
このマイクロ波技術的装置は加熱された流体の利用部分とは分離されており、つまりマイクロ波技術的装置だけを周囲環境に対し遮蔽すればよく、加熱槽、ラジエータ、焼き戻し装置、あるいはさもなければこのような形式で使用可能であり加熱流体が最終的に利用されるプロセスプラントの加熱装置など利用側の装置を遮蔽する必要がない。そもそもマイクロ波を誘電体管の内径範囲内で使用可能であれば、つまり他の加熱システムと共存できるかたちで結合されるならば、基本的に液体の代わりに気体もこのようにして加熱することができる。
【００２６】
経済的な利点を挙げると、アプリケータのジオメトリが流体の貫流する負荷に整合されているならば、マイクロ波源に戻ってくるマイクロ波に対する保護としてサーキュレータはもはや不要になる点にあり、その理由はマイクロ波源から送出された波は完全に負荷のところで散逸し、ひいては熱に変換されるからである。そのようなものは冗長であり、それゆえ付加的な保護構成としてのみ組み込まれることになる。
【００２７】
ジオメトリが良好に整合されているならばアプリケータにおいて電磁波源の状態は、アンテナもしくは入力結合開口部と、誘電体管およびその中を貫流する流体から成る負荷全体として反射なく受け取るシンクというかたちで生じ、その際、技術的な設計にあたり、入力結合された電磁エネルギーが貫流する流体において完全に散逸するように、あるいは少なくとも大部分は散逸するよう留意する。マイクロ波源がパルス幅制御で動作するならば、装置の出力をゼロから定格出力まで連続的に制御することができる。
【００２８】
次に、図面を参照しながら本発明について詳しく説明する。図１はアプリケータを示す図である。図２は調整時において負荷の加わったアプリケータの強度分布を示す図である。図３は負荷のないアプリケータの強度分布を示す図である。
【００２９】
以下で説明する循環式マイクロ波加熱装置はν＝２．４５ＧＨｚのマイクロ波周波数で動作し、これは真空中の波長λ≒１２ｃｍと等価である。ジオメトリないしは形状や寸法はこれに対応して定められている。さらに別の２つの有効なＩＳＭ周波数は、たとえば低い方が９１５ＭＨｚであり高い方が５．８５ＧＨｚである。このような仕様のためのものであるならば、標準どおりのまま技術的に使用可能なマイクロ波源を得ることができる。
【００３０】
ここで説明する実施例の場合、マイクロ波源としてマグネトロンが使用される。たとえばこれは以下の技術データをもつものである：
マイクロ波出力  １０００Ｗ
周波数  ２．４５ＧＨｚ
電圧  ４．２ｋＶ
電流  ０．３３Ａ
マグネトロンは、たいていはすでに工場出荷時にその冷却装置とともに一体型のユニットを成している。マグネトロンの頭部のところで方形導波管が口を開けており、そこには結合フランジが設けられている。その部分でフランジを介してアプリケータ１が固定されており、空になるまでポンピングしなければならない場合ががあるため、その近くで入力結合開口部に当接しているアプリケータ端面に排気パイプが付けられている。アプリケータ１の他方の端面８は固着されているかまたは可変短絡板８として構成されている。
【００３１】
図１にはこの様子が示されているが上述の構成全体ではなく、直方体のアプリケータ１だけしか描かれていない。このアプリケータはここではたとえばアルミニウムから成る。アプリケータの上部壁３には、マイクロ波入力結合のための開口部５が設けられている。図中、長手軸上でみて左手の方、アプリケータ１の上部壁３と下部壁４の間に誘電体から成る管２が組み込まれており、これはここではＡｌ２Ｏ３から成るセラミック管である。この誘電体管には外側に向かう方向で上部壁３の側に金属シールドされた流出部６が継合されており、下部壁４側には金属シールドされた流入部７が継合されている。これらに続いてそれぞれ循環路のパイプ１０もしくは９へ至る移行部が設けられている。
【００３２】
図２には、入力結合平面に平行でありアプリケータ１を横切る中央平面上でのこのアプリケータ１の電磁的な状態が描かれており、これは負荷のある状況に合わせたジオメトリの場合であり、つまりアプリケータ１つまりは誘電体の管２に流体が貫流しているときである。この図の右上方の端面壁の近く、λ／４の距離≒３ｃｍ付近でマイクロ波のエネルギー源つまりマイクロ波エネルギーの入力結合は、アプリケータ１のもっと内側に対し相対的にみて最初はまだ高いエネルギーをもっている。この図の左側の端面壁８の近く、負荷に依存してそこからλ／４の距離のところでは、電磁エネルギー全体が低下しており、つまりこのエネルギーは容積的に流動する負荷のところで散逸して熱エネルギーになっている。このような状況ではアプリケータにおいて反射／共振は存在せず、マイクロ波は負荷に完全に吸収される。
【００３３】
具体的に比較するため図３には負荷のない状況が示されており、この状況はアプリケータにおいて反射／共振の生じた状態によって表されている。このような共振の発生は回避しなければならない。その理由は、マイクロ波源ここではマグネトロンとアプリケータ１の入力開口部５との間にサーキュレータがないと、マイクロ波源はアプリケータ１からの帰還結合により危険に晒されるてしまうからである。ごく一般的にマイクロ波源への帰還結合は整合によって回避しなければならないし、あるいは少なくとも許容できる程度にまでサーキュレータなどの保護措置によって抑圧しなければならない。
【００３４】
この場合、標準的に使用されるマイクロ波のコンポーネントは示されておらず、つまりマイクロ波源は放熱させるべき個所に結合された送風機または冷却管の形式の冷却装置を備えたマイクロ波源として示されていないし、制御装置やスイッチング装置を備えた電流供給部も示されていない。それというのも、本発明を説明するにはアプリケータ１の入力結合開口部５で十分だからである。そこには周知のようにマイクロ波源の出力結合開口部が直接あるいは導波管部材を介して間接的に結合されている。技術的に一般的である監視や保護や制御目的の手段も、見やすくするためおよび強調のため、図１には示されていない。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】アプリケータを示す図である。
【図２】調整時において負荷の加わったアプリケータの強度分布を示す図である。
【図３】負荷のないアプリケータの強度分布を示す図である。
【図１】
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【国際公開パンフレット】
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【国際調査報告】
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