(57)【要約】【課題】マイクロ波を使用して誘電体からなる被加熱物を加熱、乾燥するマイクロ波加熱装置に関し、特に導波管を使用したマイクロ波加熱装置に関する。被加熱物が幅の広い紙やフィルムを加熱及び乾燥、あるいは糸状な物を多数同時に加熱及び乾燥する場合に、マイクロ波加熱装置の導波管形マイクロ波加熱炉の電界分布を一様化させて、均一に加熱、乾燥するマイクロ波加熱装置を提供する。【解決手段】周波数が３００ＭＨｚ〜３０ＧＨｚの範囲のマイクロ波周波数で、導波管を使用したマイクロ波加熱装置において、マイクロ波発振機１とアイソレータ２と位相器３と導波管形マイクロ波加熱炉４とダミーロード５から構成され、位相器３を連続的に可変し位相を可変させ電界の位置を動かし、導波管内の電界を一様にする事を特徴とするマイクロ波加熱装置である。電界を一様にすることにより、被加熱物の発熱量Pも一様になるので、均一な加熱をする事が可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数が３００ＭＨｚ〜３０ＧＨｚの範囲のマイクロ波周波数で、導波管を使用したマイクロ波加熱装置において、マイクロ波発振機とアイソレータと位相器と導波管形マイクロ波加熱炉とダミーロードから構成され、位相器を連続的に可変し位相を可変させて電界の位置を動かし、導波管内の電界を一様にする事を特徴とするマイクロ波加熱装置。
【請求項２】
マイクロ波の位相を制御する位相器において、導波管の内部にマイクロ波フェライトと整合素子を有し、導波管の外部に直流磁場を形成する磁場回路を有し、その磁場回路を調整することにより、マイクロ波フェライトへの磁力の強さを可変させて、λg／４以上の管内波長を変える事を特徴としたマイクロ波の位相器。
【請求項３】
請求項1のマイクロ波加熱装置において、一様な電界と水平に被加熱物を投入する事を特徴とするマイクロ波加熱装置。
【請求項４】
請求項1のマイクロ波加熱装置を使用し、一様な電界と水平に被加熱物を投入する事を特徴とするマイクロ波加熱の方法。
【請求項５】
請求項2のマイクロ波位相器において、磁場回路が電磁石で構成され、この電磁石の磁力を制御することにより管内波長をλg／４以上変える事を特徴とする位相器。
【請求項６】
請求項2のマイクロ波位相器において、磁場回路が永久磁石1対から構成され、この永久磁石の磁力を制御することにより管内波長をλg／４以上変える事を特徴とする位相器。
【請求項７】
請求項1のマイクロ波マイクロ波加熱装置において、被加熱物が導波管を通過する時間の１／２以下の時間で、請求項2のマイクロ波位相器の管内波長を変える事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、マイクロ波を使用して誘電体からなる被加熱物を加熱、乾燥するマイクロ波加熱装置に関し、特に導波管を使用したマイクロ波加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
紙やフィルムのようなシート状の被加熱物や、樹脂や浄水器フィルターのような糸状の被加熱物は、体積の割に表面積が大きい形状であるため、３００ＭＨｚ〜３０ＧＨｚのマイクロ波で加熱した場合、電子レンジや、工業用のトンネル型マイクロ波加熱装置、工業用のバッチ式マイクロ波加熱装置では、発熱速度に対して放熱量が多いので、被加熱物の温度が所定の温度まで上昇しない。このような形状の被加熱物をマイクロ波で加熱する場合、折曲げ導波管形加熱炉で電界を集中させて効率よく加熱することが知られている。
【非特許文献１】大森豊明著  光琳テクノブックス１４  電磁波と食品  ：４３〜４４，  平成５年
【０００３】
しかし、従来の方法によると以下の問題点があった。
【０００４】
幅の広い紙やフィルムを乾燥、あるいは糸状な物を多数同時に乾燥する場合、折曲げ導波管形加熱炉でマイクロ波加熱すると、電界のムラがある場合でも、乾いた箇所はマイクロ波の吸収が少ないので、比較的均一な乾燥分布を得られるが、乾燥以外の用途では電界のムラが加熱のムラになるので実用化されていない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
折曲げ導波管形加熱炉では、通常導波管の基本モードであるＴＥ10モードを使用する。この導波管において、マイクロ波の電力分布を見ると、反射が無ければ電力定在波が発生しないので、導波管の進行方向に対して一様な分布となるが、電界分布を見ると、導波管の管内波長をλgとすれば、電界はλg／４間隔で強弱を繰り返しながら進行する。
【非特許文献２】産業創造研究所著  工業調査会  マイクロ波応用技術  ：２１６，２００４年
【０００６】
一方、マイクロ波による加熱は、被加熱物の単位体積あたりの発熱量をＰ、角速度をω、誘電率をε´、誘電損失をε´´、誘電正接をｔａｎδ、電界強度をＥとすると、
Ｐ＝ωε´tanδE2
＝ωε´´E2
で表すことができる。
【０００７】
乾燥以外の用途では、被加熱物が持つ誘電損失、誘電正接に比例してマイクロ波で加熱する。電界がλg／４の間隔で強弱があると、被加熱物の発熱量はE2に比例し、電界の強弱が加熱ムラとなり、実用化することが困難であった。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、周波数が３００ＭＨｚ〜３０ＧＨｚの範囲のマイクロ波周波数帯で、導波管を使用したマイクロ波加熱装置において、マイクロ波発振機とアイソレータと位相器と導波管形マイクロ波加熱炉とダミーロードから構成され、位相器を連続的に可変し位相を可変させ電界の位置を動かし、導波管内の電界を一様にする事を特徴とするマイクロ波加熱装置である。電界を一様にすることにより、被加熱物の発熱量Pも一様になるので、均一な加熱をする事が可能となる。
【０００９】
また、本発明で使用する位相器は、導波管の内部にマイクロ波フェライトと整合素子を有し、導波管の外部に直流磁場を形成する磁場回路を有し、その磁場回路を調整することにより、マイクロ波フェライトへの磁力の強さを可変させて、λg／４以上の位相を変える事を特徴としたマイクロ波の位相器である。
【００１０】
磁場回路を調整する方法としては、電磁石を用いて磁力を制御する方法や、永久磁石を用いて、永久磁石をマイクロ波フェライトから遠ざけたり、近づけたりすることによって磁力を制御する方法を用いている。
【００１１】
導波管内部にあるマイクロ波フェライトは、外部から直流の磁界を受けない限り、マイクロ波の管内波長はλgと同じ管内波長になる。外部からの磁力を受けると、マイクロ波フェライトの周囲で円偏波が発生し、マイクロ波は導波管端面の管壁へ曲げられてλgよりも長い管内波長となる。間壁に曲げられる角度は、マイクロ波フェライトの材質と磁力の強さによって変るが、λｇ／４程度波長を長くする場合は外部の磁力が５００〜６００Gauss程度必要である。
【００１２】
位相器の管内波長を変化させる時間は、被加熱物が導波管方加熱炉を通過する時間の１／２以下で、磁力を可変する事が望ましい。１／２以下の時間で磁力を可変すると、被加熱物に与えられる電界が一様になる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明による装置及び方法を使用して、導波管型加熱炉でマイクロ波加熱をすると、従来の方法では難しかった被加熱物のマイクロ波加熱が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、図面に基づいて本発明によるマイクロ波加熱装置と方法に関わる一実施形態について説明する。図１〜図１２は本発明に関わる発明の実施形態を示す。
【００１５】
図１はマイクロ波加熱装置の構成図である。マイクロ波発振機１は３００MHｚ〜３０GHzのマイクロ波発振機で、アイソレータ２、位相器３、導波管形マイクロ波加熱炉４、ダミーロード５から構成されている。マイクロ波発振機１で発生したマイクロ波は、アイソレータ２、位相器３、導波管形マイクロ波加熱炉４を通り、ダミーロード５で無反射終端される。位相器３の位置は、アイソレータ２と導波管形マイクロ波加熱炉４の間に入れても、導波管形マイクロ波加熱炉４とダミーロード５の間に入れても同様の効果がある。また上記の構成でダミーロード５の変わりに短絡板を入れても同様の効果がある。
【００１６】
図２は導波管形マイクロ波加熱炉４に被加熱物１０を流す図である。導波管形マイクロ波加熱炉４の最大電界強度（Ｅｘ）６の導波管中央部でＺ方向にスリット９を設け、被加熱物１０はこのスリット９を最大電界強度（Ｅｘ）６と平行に被加熱物の流れ方向７に移動する。
【００１７】
図３は永久磁石を使用した位相器の断面図である。導波管１１の内部は、導波管の長辺と平行かつ上下に整合素子１３とマイクロ波フェライト１２から構成される。導波管１１の外部は、マイクロ波フェライト１２に平行かつ上下に永久磁石１４と上下の永久磁石１４をつなぐヨーク１５より構成される。永久磁石１４は、マイクロ波フェライト１２に対し垂直に磁界を与えるため、上下１対の永久磁石１４は、それぞれN極とS極からなる。上下の永久磁石１４の極性は、N極とS極又はS極とN極で同様の効果がある。永久磁石１４の磁力を変えると位相が変る。上下の永久磁石１４とヨーク１５を導波管１１の長手方向に動かすことにより、マイクロ波フェライト１２の上下真上にある時はマイクロ波フェライト１２への磁力最大で、マイクロ波フェライト１２から離れているときはマイクロ波フェライト１２への磁力最小となり、マイクロ波フェライト１２への磁力を増減させ位相を変える。
【００１８】
図４は電磁石を使用した位相器の断面である。導波管１１の外部は、マイクロ波フェライト１２に平行かつ上下に電磁石１６より構成される。電磁石１６は、マイクロ波フェライト１２に対し垂直に磁界を与えるため、上下１対の電磁石１６は、それぞれN極とS極からなる。上下の電磁石１６の極性は、N極とS極又はS極とN極で同様の効果がある。電磁石１６に流す電流を連続的に増減すると、電磁石１６の磁力が増減し、マイクロ波フェライト１２への磁力の強さを増減させ位相を変える。
【００１９】
図５は図３及び図４の平面断面図である。マイクロ波中の導波管１１に配置されたマイクロ波フェライト１２は、外部磁力１８の方向に磁力が加わると、正円偏波１８、負円偏波１９が発生する。マイクロ波の進行方向１７は、この正円偏波１８と負円偏波１９の影響を受け、外部磁力を受けた時のマイクロ波の進行方向２２に曲げられ、外部磁力１８が無い時（０の時）は、外部磁力を受けない時のマイクロ波の進行方向２１の方向に進む。マイクロ波が曲げられる角度は、マイクロ波フェライト１２の材質と外部磁力１８の強さで決まる。外部磁力１８の強さに応じてマイクロ波が直進したり、曲げられたりするので、位相器３の後ろでは管内波長が伸縮し位相を変える事ができる。
【００２０】
図６は導波管断面の電界強度分布である。２．４５GHzのマイクロ波を使用した場合、導波管１１はWRJ-２導波管を使用する。導波管のモードはTE10モードで、導波管１１の中央部が最大電界強度６で電界強度の分布は電界強度分布８のようになる。
【００２１】
図７は導波管１１の平面断面図で、ＴＥ１０モードの電磁界分布を示す。電界（紙面の内へ）２３、電界２４（紙面の外へ）、磁界２５はそれぞれ図のようになる。
【００２２】
図８は図７のＴＥ１０モードの電磁界分布のうち、電界強度分布８のみ示す。最大電界強度６はλg／４の間隔で、最大、最小（0）を繰り返しZ方向に進む。
【００２３】
図９は図８の電界強度分布８を正の分布に置き換えた電界強度分布８である。
【００２４】
図１０は図９の電界強度分布８に位相をλg／４移動した電界強度分布２６を表した図である。
電界強度分布８にλg／４動かした電界強度分布２６を重ね合わせると、電界強度の弱い箇所が無くなり、電界強度のムラが解消され一様化する。位相器で連続的にλg／４位相を変えると、図１０のような電界強度分布になる。
【００２５】
図１１は感熱紙２８に満遍なく水を浸みこませ、図２導波管形加熱炉４の被加熱物１０の代わりに加熱した図で、位相器３の位相を変化させない時の図である。一定時間加熱すると、水分を含んだ感熱紙が加熱され、感熱反応部２７が等間隔で現れる。周波数を２．４５ＧＨｚ、ＷＲＪ-２導波管を使用した場合、３７ｍｍピッチで感熱反応する箇所としない箇所が現れる。これは、図１０の電界強度分布８のＥｘと０の箇所と一致する。
【００２６】
図１２は感熱紙２８に満遍なく水を浸み込ませ、図２導波管形加熱炉４も被加熱物１０の代わりに加熱した図で、位相器３の位相を連続的に変化させた時の図である。一定時間加熱すると、水分を含んだ感熱紙が加熱され、感熱反応部２７が帯状につながって現れる。周波数２．４５ＧＨｚ、ＷＲＪ-２導波管を使用した場合の結果である。この結果は図１０の電界強度分布８とλg／４移動した電界強度分布を合成した分布を一致する。
【実施例１】
【００２７】
図1に示すマイクロ波加熱装置で、図２に示す導波管形マイクロ波加熱炉４の被加熱物１０の代わりに、感熱紙２８に満遍なく水を浸み込ませた感熱紙を置いて、位相器３を取り付けない場合や、位相器３を取り付けて、位相を変化させないと時のマイクロ波加熱の結果が図１１である。
導波管内の電界強度分布８は動かないので、定位置の箇所に電界のムラが発生し、感熱反応部２７のようなムラとして現れる。
【実施例２】
【００２８】
図1に示すマイクロ波加熱装置で、図２に示す導波管形マイクロ波加熱炉４の被加熱物１０の代わりに、感熱紙２８に満遍なく水を浸み込ませた感熱紙を置いて、位相器３を取り付けて、位相を連続的に変化させたと時のマイクロ波加熱の結果が図１２である。
導波管内の電界強度分布８の位置がλｇ／４動いた場合、電界のムラが解消され一様化されて、感熱反応部２７のように帯状に一様化された感熱反応部２７として現れる。
位相器３で連続的に位相をλｇ／４以上動かすことにより、電界が一様化されて、感熱反応部２７と一致して、加熱ムラが解消される事が確認された。
【産業上の利用可能性】
【００２９】
本装置を使用して導波管形マイクロ波加熱炉を使用したマイクロ波加熱装置に使用する事ができる。特に導波管形マイクロ波加熱炉で被加熱物１０の幅が広く、薄物を加熱する時に被加熱物をムラ無く、均一に加熱する手段として使用する事ができる。同  様に被加熱物１０は、糸状の物で多数同時に加熱する手段としても使用する事ができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】本発明の実施形態に係わるマイクロ波加熱装置の構成図である。
【図２】本発明の実施形態に係わるマイクロ波加熱装置を構成する導波管形マイクロ波加熱炉の図である。
【図３】本発明の実施形態に係わるマイクロ波加熱装置を構成する位相器の永久磁石を使用した時の構成図である。
【図４】本発明の実施形態に係わるマイクロ波加熱装置を構成する位相器の電磁石を使用した時の構成図である。
【図５】本発明の実施形態に係わる位相器の位相を変える概念図である。
【図６】本発明の実施形態に係わる導波管断面の電界強度分布の概念図である。
【図７】本発明の実施形態に係わる導波管平面断面の電界強度分布の概念図である。
【図８】本発明の実施形態に係わる電界強度分布の概念図である。
【図９】本発明の実施形態に係わる電界強度分布の概念図である。
【図１０】本発明の実施形態に係わる電界強度分布のうち、位相をλg／４移動した時と、移動しない時の概念図である。
【図１１】本発明の実施形態に係わる感熱紙による加熱結果の図である。
【図１２】本発明の実施形態に係わる感熱紙による加熱結果の図である。
【符号の説明】
【００３１】
１    マイクロ波発振機
２    アイソレータ
３    位相器
４    導波管形マイクロ波加熱炉
５    ダミーロード
６    最大電界強度（Eｘ）
７    被加熱物の流れ方向
８    電界強度分布
９    スリット
１０  被加熱物
１１  導波管
１２  マイクロ波フェライト
１３  整合素子
１４  永久磁石
１５  ヨーク
１６  電磁石
１７  マイクロ波の進行方向
１８  外部磁力（紙面の外へ）
１９  正円偏波
２０  負円偏波
２１  外部磁力を受けない時のマイクロ波の進行方向
２２  外部磁力を受けた時のマイクロ波の進行方向
２３  電界（紙面の内へ）
２４  電界（紙面の外へ）
２５  磁界
２６  λg／４移動した電界強度分布
２７  感熱反応部
２８  感熱紙
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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