JP2000516314A - 単一モード空洞共振器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 異なる共振周波数を持つ重なり合った複数の帯域に於いて、単一励振モードを介してエネルギーを吸収するように構成された単一モード空洞共振器であって、このような構成によって、空洞共振器の共振周波数帯域を増大することができる。高Ｑファクタ空洞共振器が、マイクロ波によって付勢された排気ガスの触媒コンバータ装置の一部を構成することが出来、触媒の温度が上昇し、物理的に膨張しても、空洞共振器と比較的狭い帯域巾のマイクロ波源との結合効率を良好に維持出来るとの効果が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】 単一モード空洞共振器 この発明は、単一モード空洞共振器、とりわけ専用と言うわけではないが、加 熱排気ガス触媒コンバータに関するものである。 最近多くの国における環境問題の重要性の増加に伴い、車両排気からのよごれ を最小にするための開発が促進されている。この傾向は、法律と、それに部分的 には企業の希望の両者によるもので、有害な環境によるインパクトを最小限にと どめようとの関心によるものである。このようにして開発された一つの重要な技 術は、触媒コンバータなるものである。この装置に於いては、チャンバー内に、 加熱された碁盤状に配列された触媒が、その他の反応要素と共に設けられていて 、その中を排気ガスが通過するようになっている。このような装置は、一般的に は非常によく作動するものの、触媒が「ライトオフ」温度として知られている、 臨界温度以上にならないと、ピークの効率では作動しない。殆どの装置では、触 媒は排気ガス自身で加熱されるため、初期の時間では、排気ガスの変換が不十分 である。この問題は日本、米国、カナダ、ロシア、韓国、北ヨーロッパ等、特に 低温の気候の地域では深刻である。 このような問題の一つの解決方法は、エンジンのその他の部分の温度には依存 しないような異なった方法を用いて、触媒を加熱することである。マイクロ波を 用いた触媒コンバータの碁盤状触媒の加熱についての公知の方法が、ＷＯ９Ｏ／ １４５０７に開示されている。この方法では、空洞共振器でなくてもよいような 導波路に設けられた碁盤状配列の触媒材料の一部分を加熱するものであるが、若 し空洞共振器とした場合には、触媒と一緒に加熱してしまって、空洞共振器も膨 張してしまうと言う欠点があり、これによって、空洞共振周波数が変化してしま って、マイクロ波のエネルギー源と電気的に整合しなくなってしまう。 本願の第一の特徴として、単一モード空洞共振器が用いられており、これは、 それぞれに異なった共振周波数を持つ複数の吸収帯域に於ける単一励振のモード を経て、エネルギーを吸収するように設けられている。このような構成は、空洞 共振器が温められ物理的に膨張しても、空洞共振器と、狭い帯域巾のマイクロ波 源間の結合効率を良好に維持することができる。 好ましくは吸収帯域が重なり合うようにして、空洞共振器の共振周波数帯域を 増加させるようにするとよい。 本願の第二の特徴として、排気ガスの触媒コンバータ装置が触媒材料を含む上 述のような構成を有する単一モード空洞共振器とこの触媒材料を加熱するための この空洞共振器に接続されたマイクロ波エネルギー源とを具備していると言う事 である。 本願の第三の特徴として、所定の帯域巾を持つ交流電磁エネルギー源から、単 一励振モードを経由して空洞共振器にエネルギーを結合する方法を提供しており 、この方法に於いてはそれぞれ異なった共振周波数を持つ複数の吸収帯域に於け る単一励振モードを経て、エネルギーを吸収するようにこの空洞共振器が構成さ れていると言う事である。又好ましくは導電片を空洞共振器内に接するように設 けて空洞壁面を導電接続するようにするか、又は変形して、少なくとも空洞共振 器の断面線形が一部楕円形にするとよい。 図面を参照しつつ、実施例を用いてこの発明について説明する。 図１は、 空洞共振器の縦断面図を示す。 図２は、 図１の横断面図と、空洞壁面の結合溝の平面図を示す。 図３は、 図１の示す空洞共振器と従来の空洞共振器の周波数と吸収との関係 を示す。 図４は、 図１と従来の空洞共振器の放射パワ一分布を示す。 図１は、触媒コンバータに用いる単一モード空洞共振器（２）を示しており、 それぞれの異なった共振周波数を持つ複数の吸収帯域に於ける単一励振モードを 経て電磁エネルギーを吸収するように構成されている。マイクロ波として構成さ れる電磁エネルギーは、導波路（１）から一対の結合溝（３）を介して、この空 洞共振器に導かれる。空洞共振器には、碁盤状触媒コンバータ（４）が設けられ ており、このコンバータは、空洞共振器の一端に向かって配設されており、通常 一端が円筒状空洞共振器を構成するマイクロ波反射器(6)から狭い間隔を設けた 低誘電体損失材料（たとえば３Ｍで構成する”Ｉｎｔｅｒａｍ”）のマット（５ ）によって所定の位置に固定されている。マイクロ波反射器（６）は、金属によ る導電網で作られていて、これによって排気ガスが、実質的には抵抗を受けない で、空洞共振器の中へ、あるいは外へ通過する事ができる。空洞共振器の他端は 、傾斜した部分（７）を構成していて、この実施例では、円錐体であって、この 空洞共振器の他の部分よりも、小さな直径を持つ円筒（８）に接続されている。 この筒部の直径は、円錐体（７）と筒（８）とで導波遮断の機能を果すように、 即、マイクロ波エネルギーが筒（８）の中を自由に通過出来なくするように選定 されている。要する上述のように、この空洞共振器は、一端に反射器を、他端に 導波遮断器を持っているのである。又、これに代わる構造として、両端を反射器 、又は導波遮断器で構成することも出来る。この実施例では、空気力学的効果を ねらって、傾斜部を採用している。 この実施例では空洞部の最大直径が８０ｍｍであって、導波路（１）の他端に 接続された８００Ｗマグネトロン（図示していない）によって、２．４５ＧＨｚ の周波数を有するマイクロ波エネルギーを発生する。このような構造で、空洞共 振器内には、単一のＴＥ11ｐモードが発生する。触媒材料を内蔵するような空洞 共振器のＱファクタは１００のオーダであって、触媒と空洞共振器が温められて 熱膨張で空洞共振器径が増大するので空洞共振器とエネルギー源とのインピーダ ンスを整合された状態に保つのが困難である。よって、周波数帯域を拡大するよ うに、構成することが必要になってくる。この発明では、ＴＥ11ｐ（ｐは整数） モードを分割することで達成した。実際には、図１の示す空洞共振器に導電片（ ９）を空洞壁面に取り付けることで実現した。そして、ここでは、この導電片は 、厚さ３．６ｍｍの湾曲した金属シートである。単一モードの分割の別方法は、 実質的に円断面の筒を楕円形断面に変形してもよい。単一モード空洞共振器の対 称性を破ることによって、同一の単一モードが僅かばかり違った周波数で違った 方向に励振される、と考えられている。 空洞共振器と結合溝の寸法諸元は、マイクロ波エネルギーが碁盤状触媒によっ て能率よく吸収される事を確実にするために、注意深く最適化をしなければなら ない。この実施例による構成を図２の空洞横断面図で示しておく。結合溝は、空 洞壁（１０、１１）から切り取られた直角溝を構成している。これらの溝は、そ れぞれ長さ３８ｍｍ，巾１０ｍｍであって、互いに２０ｍｍの間隔が設けられて いる。又、別に、厚さ６．４ｍｍの低損失誘電体マット（１２）が導波路の端部 に於いて、空洞壁の溝に隣接して設けられている。これらの２つの溝はマイクロ 波エネルギーを分割モード成分のそれぞれに等しい量で結合することが要求され る。 モード分割は、図３に示される空洞共振器の周波数に対する吸収のグラフから 理解することが出来る。ｙ軸は、リターン損失をデシベルで表はしており、ｘ軸 は周波数を表す。グラフ１４は、モード分割構成を持たない吸収スペクトルを示 しているが、グラフ１５は、この発明によるモード分割構成（断面変形筒状共振 器）による吸収スペクトルを示す。１０ｄｂのリターン損失とは、入射パワーの うち１０％がマイクロ波源に反射して戻ってきた事を示す。この図から分かるよ うに、グラフ１５の−１０ｄｂの位置に於ける帯域巾は、同一リターン損失レベ ル於けるグラフ１４の帯域巾のほぼ２倍になっている。このようにして、単一モ ードが分割された空洞共振器は、分割されてない場合に比べて、帯域巾は２倍に なり、又、事実上空洞共振器のＱファクタが半分になっている。マグネトロンマ イクロ波源は狭い周波数帯域（１０ＫＨｚのオーダ）で作動するので、空洞共振 器と碁盤状触媒への高効率なエネルギー結合に対して、空洞共振器の寸法諸元の 許容誤差範囲をはるかに緩和したものにすることができる。 モード分割の別の利点として、装置の加熱の一様性が改善される。空洞共振器 における碁盤状触媒の酸設位置モードに於ける、放射パワー分布を図４に示す。 図４ａは、非分割のＴＥ11モードに於ける分布を、図４ｂは単一モードが図３の グラフ１５に示される二つの重なり合う吸収帯域に分割した場合に於いて図４ａ と同一の空洞位置における分布を示す。図４ａの場合電磁場は、水平軸に沿って 集中し、中央で最大になっている事を示している。パワーは、円筒の軸に沿って 、上と下に於いて、空洞壁で零になる傾向を示している。図４ａの場合の実測最 大最小パワー比は３３である。図４ｂの示す分割モードの場合は、パワーは、中 心部で弱くなり、その分円筒軸の上と下とに向かって、強い部分が分布している 。又、パワーはさらに壁の方に移動している。この場合、実測最高、最低パワー 比は５である。このようにして空洞共振器内パワー分布の一様性は、分割単一モ ードによって作動させた場合の方が優れている。 この実施例では、マイクロ波結合にＷＧ８Ａ四角形導波路を用いたが、代わり に狭い壁面のＷＧ９Ａ四角形導波路を用いてもよい。 触媒を温めるためには、触媒自体がマイクロ波エネルギーを吸収するか又は、 マイクロ版エネルギーを吸収する素材とを熱接触する必要がある。この実施例で は、触媒はコーディライト（２ＭｇＯ，２Ａｌ₂Ｏ₃，５Ｓ_iＯ₂）なる素材で構成 され、ピッチが１．３ｍｍで壁の厚さが０．１５ｍｍの角形セルを成す細胞構造 になっており、基板は、マイクロ波で加熱可能なＬａＣｏＯ₃のような層を持ち 、この層の上が、配分比５：１の白金とロジウムの混合物を持つ酸化アルミニウ ムと酸化セリウムの薄め塗膜になっている。白金／ロジウムの分散量は典型的に は、触媒の１リットルに対して０．９ｇであり基板対、可加熱材料対、薄め塗膜 の重量比は、典型的には７２：８：２０である。 公知の直接加熱方式の触媒コンバータ装置に比べると、この発明は多くの利点 をもたらすのである。即、第一に触媒材料自身の中に、碁盤状に埋め込んだ加熱 素材を必要としない。第二に能率向上によって、５０％の装置パワー節減が達成 される。第三に分割単一モードによって発生した空洞共振器内パワーの一様性の 向上によって、碁盤状触媒の高温点形成の削減が可能になって、これによって「 ライトオフ」時間を削減することができる。 最後に、先行技術文献ＧＢ９５２５５４３．６（特に要約書と図面を含む）と 、本願の要約書を参照して、理解されるものとする。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、 触媒コンバータ装置に用いる単一モード空洞共振器あって、それぞれ異 なった共振周波数を持つ複数の吸収帯域に於ける単一励振モードを経て電磁エネ ルギーを吸収するように構成されたことを特徴とする、単一モード空洞共振器。 ２、 エネルギーが、複数の吸収帯域に同時に、吸収されることを特徴とする 、請求項第１項記載の単一モード空洞共振器。 ３、 吸収帯域が重ね合わさって吸収空調の共振帯域が増加することを特徴と する請求項第１項又は第２項に記載の単一モード空洞共振器 ４、 ＴＥ11モードだけが励振されることを特徴とする、前請求項１項ないし ３項のいずれかに記載の単一モード空洞共振器。 ５、 空洞共振器の壁面と導電接触するように、導電片を空洞壁に接して配設 し、複数の叫振帯域を設けるようにしたことを特徴とする前請求項１項ないし４ 項のいずれかに記載の単一モード空洞共振器。 ６、 空調が導電壁を有し、少なくとも一部分が楕円形断面線形をもたせるよ うにして、複数の吸収帯域を設けるようにしたことを特徴とする、請求項１〜４ 項いずれかに記載の単一モード空洞共振器。 ７、 前請求項１項ないし６項のうちいずれかに記載の単一モード空洞共振器 を持ち、マイクロ波エネルギー源が、触媒材料加熱のために、空洞共振器に結合 されることを特徴とする排気ガス用触媒コンバータ装置。 ８、 それぞれ異なった共振周波数を持つ複数の吸収帯域に於いて、単一励振 モードを介して、エネルギーを吸収するように空洞共振器を構成したことを特徴 とする所定の帯域巾を持つ交流電磁エネルギー源から単一励振モードを介して空 洞共振器にエネルギーを結合する方法。 ９、 少なくとも二つの吸収バンドが重なり合って、空洞共振器の共振帯域を 増大するようにしたことを特徴とする請求項８記載の方法。 １０、 空洞共振器内面に接するとともに、壁面に導電接続する導電片を設ける ように構成したことを特徴とする請求項８又は９記載の方法。 １１、 空洞共振器を変形して、少なくとも空洞共振器の一部が楕円形断面とた ことを特徴とするクレーム８又は９いずれかに記載の方法。