CN106576402B - 微波加热照射装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的微波加热照射装置包括：具有开口部并从开口部照射微波从而对收纳于内部的试料进行加热的反应炉(1)；配置于反应炉(1)的外侧并照射微波的一个微波辐射源(3)；配置于反应炉(1)的上方并将由微波辐射源(3)所照射的微波反射至反应炉(1)的开口部的旋转二次曲面镜(4)；以及设于反应炉(1)的开口部并用电介质至少形成被旋转二次曲面镜(4)反射的微波的照射部位以使该微波透射至反应炉的内部的盖子(电介质板(2))，配置微波辐射源(3)和旋转二次曲面镜(4)，使得在盖子的用电介质形成的微波的照射部位上形成被旋转二次曲面镜(4)反射的微波的极化波进行透射的入射角。

Description

微波加热照射装置
技术领域
本发明涉及对试料照射微波来进行加热的微波加热照射装置。
背景技术
在微波传输技术的领域中，例如为了实现太阳能发电卫星(SPS：Solar PowerSatellite)，正在进行与利用高效率传输技术、有源相控阵天线(APAA：Active PhasedArray Antenna)来进行射束控制的技术等有关的各种研究开发。
另外，还可见到将这些微波传输技术应用于工业用途的趋势。例如，在专利文献1、2中，公开有通过向原料照射微波来进行加热从而制造熔融铸铁的炼钢系统。另外，在非专利文献1、2中，公开了在使用微波的炼钢系统中用相控阵天线来构成微波辐射源的技术。进而，最近通过将微波应用于化学反应来缩短化学反应时间的技术也正受到关注。
当前，存在大量将微波传输技术运用于小规模装置的示例。然而，例如像炼钢系统那样大规模且大功率的装置也要求进行开发。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：
国际公开第2010/087464号“立式微波炼钢炉”
专利文献2：
日本专利特开第2013-11384号公报“微波加热炉”
非专利文献
非专利文献1：
佐藤、永田、筱原、三谷、樫村、“使用相控阵天线的工业用微波反应器的概念设计”、第5次日本电磁波能量应用学会研讨会，演讲文集2B07(2011)
非专利文献2：
泷川、本间、佐佐木、稻泽、小西、“将微波传输技术应用于微波炼钢系统的相关研究”、2013年电子信息通信学会总会、演讲文集B-1-13(2013)
发明内容
发明所要解决的技术问题
专利文献1、2及非专利文献1、2所公开的现有的微波加热系统在反应炉的周围呈圆周状地排列有微波辐射源。因此，特定的微波辐射源(以下称为“第1微波辐射源”)所辐射的微波中未被加热对象的试料所吸收的微波会被该试料反射，并向隔着反应炉而与第1微波辐射源相对的微波辐射源(以下称为第2微波辐射源)进行照射。由此，存在第2微波辐射源发生故障的问题。另外，所投入的试料的状态有固体、液体、气体、粉末状，会随着生成物的不同而不同，因此，在反应炉没有盖子的状态下，存在试料会从反应炉漏出的问题。
本发明是为了解决如上所述的问题而完成的，其目的在于提供能将微波和试料封闭在反应炉内的微波加热照射装置。
解决技术问题所采用的技术方案
本发明所涉及的微波加热照射装置包括：反应炉，该反应炉具有开口部，从开口部照射微波，从而对收纳于内部的试料进行加热；一个以上的微波辐射源，该一个以上的微波辐射源配置于反应炉的外侧，并照射微波；旋转椭圆镜，该旋转椭圆镜配置于反应炉的上方，将由微波辐射源所照射的微波反射至反应炉的开口部；盖子，该盖子设于反应炉的开口部，通过电介质至少形成被旋转椭圆镜所反射的微波的照射部位，使该微波透射至反应炉的内部；以及凹凸部，该凹凸部设置于盖子的形成面中与反应炉的内侧相对的面上除来自旋转椭圆镜的微波的照射部位以外的部位，使该微波发生漫反射，配置微波辐射源和旋转椭圆镜，使得被旋转椭圆镜反射的微波照射至盖子的由电介质所形成的微波的照射部位时的入射角为电介质的布儒斯特角。
发明效果
根据本发明，由于采用了上述结构，因此，能将微波和试料封闭在反应炉内。
附图说明
图1是表示本发明的实施方式1所涉及的微波加热照射装置的结构的图，(a)是俯视图，(b)是侧视剖视图。
图2是表示本发明的实施方式2所涉及的微波加热照射装置的结构的图，(a)是俯视图，(b)是侧视剖视图。
图3是表示本发明的实施方式3所涉及的微波加热照射装置的结构的侧视剖视图。
图4是表示本发明的实施方式4所涉及的微波加热照射装置的结构的侧视剖视图。
图5是表示本发明的实施方式5所涉及的微波加热照射装置的结构的侧视剖视图。
图6是表示本发明的实施方式6所涉及的微波加热照射装置的结构的侧视剖视图。
图7是表示本发明的实施方式7所涉及的微波加热照射装置的结构的侧视剖视图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。
实施方式1.
图1是表示本发明的实施方式1所涉及的微波加热照射装置的结构的图。
如图1所示，微波加热照射装置由反应炉1、电介质板(盖子)2、微波辐射源3和旋转二次曲面镜4构成。
反应炉1照射微波，从而使收纳于内部的试料50发生反应并加热，是上方(旋转二次曲面镜4侧)具有开口部的壳体。此外，关于反应炉1的形状，也可以根据发生反应的试料50的形态、特性来适当选择。另外，在图1所示的示例中，将反应炉1的形状设为矩形，但并不局限于此，例如也可以为圆形等任意的形状。
电介质板2配置于反应炉1的开口部。此外，作为电介质板2，例如是玻璃等对微波进行透射的材料即可，构成材料壳进行适当选择。另外，在图1中，将电介质板2的形状设为矩形，但并不局限于此，例如也可以为圆形等任意的形状。
微波辐射源3配置于反应炉1的外侧，照射用于使试料50发生反应的微波。在图1所示的实施方式1中，示出了具备一个微波辐射源的情况。此外，也可以对微波辐射源3的种类、进行照射的微波的频率等进行适当选择。另外，微波辐射源3的辐射方向是旋转二次曲面镜4的方向。
旋转二次曲面镜4配置于反应炉1的上方，将由微波辐射源3所照射的微波经由电介质板2反射至反应炉1。这里，从微波辐射源3(第1焦点101)所辐射的微波如入射波102那样射入至旋转二次曲面镜4。之后，被旋转二次曲面镜4所反射的微波如入射波103那样在电介质板2(第2焦点104)上进行聚焦。即，旋转二次曲面镜4在微波辐射源3和电介质板2的位置上分别具有第1、2焦点101、104。此外，在图1中图示出了旋转椭圆镜。
此外，也可以对反应炉1和旋转二次曲面镜4的构成材料进行适当选择。
这里，若微波射入至折射率不同的物质的界面，则该微波的一部分会在界面发生反射，剩余部分会发生透射。另一方面，仅在射入至界面的微波具有与入射面(与界面垂直的面)平行的电场分量的情况下(称为TM波)，才存在所有微波都发生透射而不发生反射的入射角。将该入射角称为布儒斯特角，其取决于电介质的电气特性。
因此，在本发明中，对微波辐射源1和旋转二次曲面镜4进行配置，使得射入至电介质板2的微波的入射角(从第2焦点104起将旋转二次曲面镜4也包括在内而得到的立体角的中心线107和电介质板2的法线108所构成的角)与该电介质板2的布儒斯特角106相一致。但是，即使射入至电介质板2的微波的入射角没有与该电介质板2的布儒斯特角106严格一致，但只要这两个角度是相接近的值，微波的大部分就会透过电介质板2。由此，不一定必须使上述两个角度相一致(上述微波的入射角为该微波的特定极化波透过电介质板2的入射角即可)。
此外，在图1中，反应炉1的整个开口部被电介质板2所覆盖，但并不局限于此，覆盖反应炉1的开口部的构件也可以不全是电介质板2。即，也可以使用仅微波发生透射的部分(例如呈孔状)由使微波透过的电介质(玻璃等)构成而其它部分由对微波进行反射而不使其透过的材质所构成的盖子。
接着，对具有上述结构的微波加热照射装置的动作进行说明。
若从微波辐射源3照射微波，则该微波经由旋转二次曲面镜4而向电介质板2射入。在本发明中，如上所述，射入至电介质板2的微波的入射角与该电介质板2的布儒斯特角106相一致，因此，射入至试料50的入射波103全部透过电介质板2而不发生反射地向反应炉1内的试料50进行照射。然后，照射至试料50的微波中的一部分因在试料50发生的反应而成为热量并被吸收。另一方面，未被吸收的微波成为反射波105而向与射入至试料50的入射方向相反的方向进行反射。此时，试料50的配置方法、散射特性导致微波的电场分量的方向发生旋转，另外，反射方向发生分散。然后，在本发明中，反应炉1中配置有电介质板2，因此，微波会被该电介质板2所反射，从而再次照射至试料50。由此，能高效地对试料50进行加热。
此外，从电介质板2漏出的微波非常少，另外，即使漏出，从装置内的传输损耗来考虑也是非常小的，不会对微波辐射源3造成破坏。此外，由于利用电介质板2来对反应炉1进行物理性密封，因此，也无需担心试料50从反应炉1漏出至外部。
如上所述，根据本实施方式1，使用旋转二次曲面镜4，并在反应炉1的开口部设置盖子(电介质板2)，该盖子上用电介质至少形成被旋转二次曲面镜4所反射的微波的照射部位，以使该微波透射至反应炉1的内部，并且配置微波辐射源3和旋转二次曲面镜4，使得在盖子的由电介质所形成的微波的照射部位上形成能够使被旋转二次曲面镜4反射的微波的极化波发生透射的入射角，因此，能将微波和试料50封闭在反应炉1内。其结果是，能防止微波辐射源3的故障，并防止试料50的泄漏。此外，由于能将微波封闭在反应炉1内，因此，能在反应炉1内有效灵活运用从试料50反射的微波，使其再次向试料50进行照射，可获得能量高效化的效果。
实施方式2.
图2是表示本发明的实施方式2所涉及的微波加热照射装置的结构的图。图2所示的实施方式2所涉及的微波加热照射装置设置有4个包括图1所示的实施方式1所涉及的微波加热照射装置的微波辐射源3和旋转二次曲面镜4的系统。此外，在图中，为了区分各系统，对各结构的标号添加后缀符(a～d)来进行表示。其它结构相同，标注相同标号并省略说明。
这里，第1焦点101设于各系统的微波辐射源3的位置，第2焦点104设于电介质板2的位置，并且，对微波辐射源1和旋转二次曲面镜4进行配置，使得射入至电介质板2的微波的入射角与该电介质板2的布儒斯特角106相一致。但是，即使射入至电介质板2的微波的入射角没有与该电介质板2的布儒斯特角106严格一致，但只要这两个角度是相接近的值，微波的大部分就会透过电介质板2。由此，不一定要使上述两个角度相一致(上述微波的入射角是该微波的特定极化波透过电介质板2的入射角即可)。
此外，在图2所示的示例中，示出了设置4个包括微波辐射源3和旋转二次曲面镜4的系统的情况，但只要至少设置2个系统以上即可，对其数量并不进行限定。
另外，在图2中，相对于射入至各个试料50的入射波103，第2焦点104位于不同的位置，但这些第2焦点104的位置可以相一致，对于焦点的位置没有限定。
如上所述，根据本实施方式2，设置多个包括微波辐射源3和旋转二次曲面镜4的系统，也能获得与实施方式1相同的效果。
实施方式3.
图3是表示本发明的实施方式3所涉及的微波加热照射装置的结构的图。
图3所示的实施方式3所涉及的微波加热照射装置在图1所示的实施方式1所涉及的微波加热照射装置的盖子的形成面的背面(与反应炉1的内侧相对的面)上设有凹凸部21。其它结构相同，标注相同标号并省略说明。
凹凸部21设置于盖子的形成面的背面除来自旋转二次曲面镜4的微波的照射部位以外的部位上，使在反应炉1内发生反射的微波发生漫反射。即，如图3所示，反应炉1的开口部的整个面上设置电介质板2，对电介质板2的中央照射微波，在这种情况下，在该电介质板2的背面中央的外侧部分设置凹凸部21。另外，在反应炉1的开口部使用一部分由电介质构成而其余部分用电介质板2以外的材质构成的盖子的情况下，只要在该电介质以外的部分上设置凹凸部21即可。该凹凸部21的材料、形状、种类可以适当选择。通过设置该凹凸部21，相对于图1所示的实施方式1的结构，来自试料50的微波的反射波105更加复杂地在反应炉1内进行多重反射，能获得减少从电介质板2漏出的微波的效果。
如上所述，根据本实施方式3，在盖子的形成面的背面除来自旋转二次曲面镜4的微波的照射部位以外的部位上设置凹凸部21，从而相对于实施方式1的效果，能获得对试料50更高效地进行加热的效果、以及进一步减少微波从电介质板2泄漏的效果。
此外，如上所述，示出了对图1所示的实施方式1的结构适用凹凸部21的情况，但对于图2所示的实施方式2的结构同样能适用，能获得相同的效果。
实施方式4.
图4是表示本发明的实施方式4所涉及的微波加热照射装置的结构的图。
图4所示的实施方式4所涉及的微波加热照射装置在图1所示的实施方式1所涉及的微波加热照射装置的反应炉1的内侧的侧壁上设有凹凸部11。其它结构相同，标注相同标号并省略说明。
凹凸部11设置于反应炉1的内侧的侧壁，使在反应炉1内发生反射的微波发生漫反射。该凹凸部11的材料、形状、种类可以适当选择。通过设置该凹凸部11，相对于图1所示的实施方式1的结构，来自试料50的微波的反射波105更复杂地在反应炉1内进行多重反射，能获得减少从电介质板2漏出的微波的效果。
如上所述，根据本实施方式4，在反应炉1的内侧的侧壁上设置凹凸部11，从而相对于实施方式1的效果，能获得对试料50更高效地进行加热的效果、以及进一步减少微波从电介质板2泄漏的效果。
此外，如上所述，示出了对图1所示的实施方式1的结构适用凹凸部11的情况，但对于图2所示的实施方式2的结构同样能适用，能获得相同的效果。
实施方式5.
图5是表示本发明的实施方式5所涉及的微波加热照射装置的结构的图。
图5所示的实施方式5所涉及的微波加热照射装置在图1所示的实施方式1所涉及的微波加热照射装置的盖子的形成面的背面(与反应炉1的内侧相对的面)上设有凹凸部21，在反应炉1的内侧的侧壁上设有凹凸部11。其它结构相同，标注相同标号并省略说明。
凹凸部21设置于盖子的形成面的背面除来自旋转二次曲面镜4的微波的照射部位以外的部位上，使在反应炉1内发生反射的微波发生漫反射。另外，凹凸部11设置于反应炉1的内侧的侧壁，使在反应炉1内发生反射的微波发生漫反射。该凹凸部11、21的材料、形状、种类可以适当选择。通过设置该凹凸部11、21，相对于图1所示的实施方式1的结构，来自试料50的微波的反射波105更加复杂地在反应炉1内进行多重反射，能获得减少从电介质板2漏出的微波的效果。
如上所述，根据本实施方式5，在电介质板2的形成面的背面除来自旋转二次曲面镜4的微波的照射部位以外的部位上设置凹凸部21，在反应炉1的内侧的侧壁上设置凹凸部11，从而相对于实施方式1的效果，能获得对试料50更高效地进行加热的效果、以及进一步减少微波从电介质板2泄漏的效果。
此外，如上所述，示出了对图1所示的实施方式1的结构适用凹凸部11、21的情况，但对于图2所示的实施方式2的结构同样能适用，能获得相同的效果。
另外，在实施方式3～5中，凹凸部11、21例如可以是由三棱柱排列而成的面的形状，也可以是由三棱锥、四棱锥、半球排列而成的面的形状(即，只要是能获得扩散反射的效果的形状即可)。
实施方式6.
图6是表示本发明的实施方式6所涉及的微波加热照射装置的结构的图。
图6所示的实施方式6所涉及的微波加热照射装置是在图1所示的实施方式1所涉及的微波加热照射装置中设有加热部5。其它结构相同，标注相同标号并省略说明。
加热部5设于反应炉1的外部，对该反应炉1进行加热。对该加热部5的方法、装置的种类可以进行适当选择。由此，除了通过微波来对试料50进行加热以外，还利用加热部5来对反应炉1本身进行加热，从而能使反应炉1内的温度上升，能提高试料50的反应速度。
如上所述，根据本实施方式6，通过设置对反应炉1进行加热的加热部5，从而相对于实施方式1，能获得更高效地对试料50进行加热的效果。
此外，如上所述，示出了对图1所示的实施方式1的结构适用加热部5的情况，但对于图2～5所示的实施方式2～5的结构同样能适用，能获得相同的效果。
实施方式7.
图7是表示本发明的实施方式7所涉及的微波加热照射装置的结构的图。
图7所示的实施方式7所涉及的微波加热照射装置将图1所示的实施方式1所涉及的微波加热照射装置的微波辐射源3设为有源相控阵天线6。其它结构相同，标注相同标号并省略说明。
有源相控阵天线6对每个天线元件或者由多个天线元件所构成的每个子阵天线都设有放大器和移相器。而且，通过对各自的放大量和移相量进行优化，能灵活地对照射至试料50的微波的照射分布进行控制。此外，为了达到作为目标的照射分布，也可以适当选择放大量和移相量的调整。
如上所述，根据本实施方式7，作为微波辐射源3，使用了可自由调整进行辐射的微波的振幅和相位的有源相控阵天线6，因此，相对于实施方式1的效果，可获得能灵活地对照射至试料50的照射分布进行控制的效果。
此外，如上所述，示出了对图1所示的实施方式1的结构适用有源相控阵天线6的情况，但对于图2～6所示的实施方式2～6的结构同样能适用，能获得相同的效果。
另外，在实施方式1～7中，第2焦点104的位置也可以不严格地对准电介质板2的位置。即，即使第2焦点104的位置成为电介质板2之上或之下的位置，只要所射入的微波被收纳在电介质板2内即可。
另外，本申请发明可以在其发明的范围内对各实施方式进行自由组合，或对各实施方式的任意构成要素进行变形、或省略各实施方式中的任意的构成要素。
工业上的实用性
本发明所涉及的微波加热照射装置包括：反应炉，该反应炉从开口部照射微波以对收纳于内部的试料进行加热；微波辐射源，该微波辐射源配置于反应炉的外侧；旋转二次曲面镜，该旋转二次曲面镜配置于反应炉的上方；以及盖子，该盖子设于开口部，用电介质形成被旋转二次曲面镜反射的微波的照射部位，使该微波透射至反应炉的内部，配置微波辐射源和旋转二次曲面镜，使得在微波的照射部位上形成被旋转二次曲面镜反射的微波的极化波进行透射的入射角，因此，能将微波和试料封闭在反应炉内，适用于试料的加热。
标号说明
1 反应炉
2 电介质板
3、3a～3d 微波辐射源
4、4a～4d 旋转二次曲面镜
5 加热部
6 有源相控阵天线
11 凹凸部
21 凹凸部
50 试料
101、101a、101b 第1焦点
102、102a、102b 入射波
103、103a、103b 入射波
104、104a、104b 第2焦点
105 反射波
106、106a、106b 布儒斯特角
107、107a、107b 中心线
108、108a、108b 法线

Claims (2)

1.一种微波加热照射装置，其特征在于，包括：
反应炉，该反应炉具有开口部，从所述开口部照射微波，从而对收纳于内部的试料进行加热；
一个以上的微波辐射源，该一个以上的微波辐射源配置于所述反应炉的外侧，并照射微波；
旋转椭圆镜，该旋转椭圆镜配置于所述反应炉的上方，将由所述微波辐射源所照射的微波反射至所述反应炉的开口部；
盖子，该盖子设于所述反应炉的开口部，用电介质至少形成被所述旋转椭圆镜反射的微波的照射部位，以使该微波透射至所述反应炉的内部；以及
凹凸部，该凹凸部设置于所述盖子的形成面中与所述反应炉的内侧相对的面上除来自所述旋转椭圆镜的微波的照射部位以外的部位，使该微波发生漫反射，
配置所述微波辐射源和所述旋转椭圆镜，使得被所述旋转椭圆镜反射的微波照射至所述盖子的用电介质形成的微波的照射部位时的入射角成为所述电介质的布儒斯特角。
2.如权利要求1所述的微波加热照射装置，其特征在于，
所述微波辐射源是有源相控阵天线。
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