JP2001507858A - 加熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 本発明は，有機物，または有機物と無機物の混合物の均−の加熱および効率的な測定を可能にする装置である。装置は，印加された真空中周波数の波長に関して非常にわずかな寸法のキャビティ中に置かれた負荷が，発生されたパルス状ニアフィールドにより加熱されることを特徴としている。

Description

【発明の詳細な説明】 加熱装置 有機材料，または有機材料と無機材料の混合物から成る材料を均一に加熱する 需要は大きくなっている。かかる材料は，固体，液体あるいは固体と液体の混合 成分から構成される。大容量の材料でも小容量の材料であっても材料を加熱する 必要がある。例えば，食品産業における，食物材料の準備，レストランおよび家 庭での食物の料理，ゴミの殺菌，木繊維の腐敗，汚泥の暫時乾燥および殺菌など が挙げられる。 ホットスポットやホットエリアを出現させずに迅速な加熱が必要な応用分野が ある。かかる応用分野の一例は，医療における輸血の際の冷たい血液の加熱であ る。 木を乾燥させる工業過程においては，誘電特性における変化を測定して，利用 する必要がある。 確立された従来の加熱技術として，マイクロ波による加熱，熱放射や熱対流に よる加熱が一般的であるが，これらの加熱においては，負荷（処理対象）側の熱 吸収による浸透の深さがわずかであるか，または全くないということによって特 徴付けられる。負荷の内側部分の加熱は，熱を吸収する表面から熱伝達によって 行われる。最も一般的な誘電体材料では，熱伝達のプロセスは遅い。結果として ，大容量の有機材料の場合，均−の熱分布を得るために，長い時間を必要とする 。 また，以前より，一対または複数対の電極の間で作り出される高 周波電界を振動させることにより誘電体材料を加熱することができることが知ら れている。この技術には，負荷ジオメトリと負荷構成の差異に関してフレキシブ ルでないと言う難点がある。 また，壁が電導性材料で作られているキャビティにアンテナからの電磁放射を 放つことによって誘電性負荷の加熱が可能であることが知られている。 共振キャビティ内におけるマイクロ波による加熱についても知られている。共 振キャビティはマイクロ波の均等な分布を可能にするという利点がある。 マイクロ波オーブンの共振キャビティは，ある物理条件が満たされるのを必要 とする。 （ａ）壁体の無限大の伝導率 ９００ＭＨｚ以上の周波数（マイクロ波周波数域）では，中空壁の電流は表面 に集結する。マクスウェルの方程式により，ほとんど誤差なしに，壁体の無限大 の伝導率を近似することができる。周波数が低くなれば，表皮深さも増加する。 従来の技術によれば，３００ＭＨｚ以下の周波数では，表皮深さが大きくなり， 共振キャビティとは見なすことができないレベルに達するとされる。 （ｂ）キャビティの設計 さらに，キャビティの壁体に，ほとんど無限大の伝導率があるものとする。ま た，キャビティは共振キャビティに必要な寸法を満たすものとする。例えば，少 なくとも矩形キャビティの，一面の少な くとも一方の長さが，半波長以下であってはならない。円形の共振キャビティを 得るために，直径は波長の０．７６％に対応する必要がある。かかる構成によれ ば，マイクロ波の均−の分布をキャビティに得ることが可能となる。しかしなが ら，マイクロ波の浸透の深さは取るに足らないものである。したがって，多くの 異なる応用分野において，特に負荷が厚い場合には，結果的に，表面的な不均一 な加熱しかできないことがある。 理論的には，多くの応用分野において，共振キャビティ内での周波数３００Ｍ Ｈｚ以下での加熱は，誘電体材料の大きい負荷を迅速に均一に加熱することがで きる点において利点がある。しかしながら，すでに説明したように，かかるキャ ビティは不可能と見なされている。 本発明は，共振キヤビティを３００ＭＨｚ以下の周波数で可能にするとともに ，キャビティは，小さくてコンパクトなものにも設計可能であり，大きくて大容 量なものにも設計可能である。 発明は，パルス状の電磁ニアフィールド（pulsating electromagnetic near f ield）が，真空中に印加された周波数との関連で非常に小さい寸法のキャビティ 内に配された負荷内に発生されることを特徴としている。ニアフィールドは，ア ンテナからの波長以下で形成されるフィールドと定義される。 高電力効率で均一の加熱は，小さい負荷であっても，大きい負荷であっても同 様に達成される。これは，キャビティの最長側の範囲を決定することにより，す なわち，キャビティ内の２点間の距離が印加された周波数に応じて決定される真 空中の波長の半波長よりも 短くなるように決定することにより，可能となる。 キャビティ空間が限定されると，特に好適な加熱を得ることが可能となる。キ ャビティ空間の体積は，印加される周波数により条件づけられる真空中の波長の 立方根の２５％を超えないものとし，より望ましくは印加される周波数により条 件づけられた真空中の波長の立方根の２０％を超えないものとし，更に好ましく は印加される周波数により条件づけられた真空の波長の立方根の１５％を超えな い。 図１は本発明にかかる装置の一例である。アンテナ（２）とキャビティ（１） 壁の間には，位相差がある。アンテナとキャビティ間の位相差の大きさは，アン テナとキャビティの基準点の選択に依存している。位相差は数度から１８０度の 範囲である。測定により，負荷（３）における非常に良好な熱分布が示される。 実行されたコンピュータシミュレーションは，非常に複雑なフィールド構成を示 す。電気と磁場パターンは，電子レンジなどの伝統的な誘電加熱に見られるよう なパターンと一致してない。 キャビティによって囲まれたアンテナは，キャビティ壁とともにパルス状の電 場および磁場を負荷中に形成する。負荷は非常に高い均一性と高い電力効率で加 熱される。いわゆるホットスポットや負荷の表面への熱の集中は起こらない。そ の結果，本発明の特徴は，キャビティ内に位置するアンテナ，キャビティ壁と負 荷の間の独特な相互作用にある。この相互作用により迅速な加熱プロセスが可能 になる。 また，本発明は，キャビティ，負荷，アンテナ，マッチングユニ ット，および周波数発生器が共振ユニットを形成するという点で特徴付けられる 。キャビティ内の無負荷状態から全負荷状態まで，アンテナ，キャビティ壁およ びマッチングはユニットは，真空中で印加された１または２以上の周波数におけ る半波長または半波長の倍数の電気的長さを形成するものとする。好適な条件と しては，半波長の倍数からの逸脱が，半波長の＋／−１５％を超えない，好まし くは，半波長の＋／−１０％を超えない，さらに好ましくは，半波長の＋／−７ ％を超えないことである。 前記負荷空間に面しているアンテナの表面が，ガラス，酸化アルミニウム，ジ ルコニウム酸化物，セラミック，テフロン，キャプトン（Ｃａｐｔｏｎ）などの 電気的に非導電性材料の層／フィルムで覆われている場合に，アンテナ性能はさ らに改良される。層は，多くの異なった方法で構成することが可能である。層は ，酸化膜，ルーズライングパウダ（lose lying powder）またはルーズライング プレート（lose lying plate）とすることができる。層はアンテナに接触するよ うに構成しても良いし，またアンテナに固着するように構成しても良い。また， 層は，真空または空気によってアンテナと切り離されるように構成することも可 能である。１または２以上の層の電気的／物理的な厚みは，印加される周波数に よって条件付けられた波長の３％を超えない，好ましくは，２％を超えない，さ らに好ましくは１．５％を越えないものとする。 キャビティ内に置かれたアンテナとキャビティと負荷と間の特有な相互作用に より，本発明はまた木の乾燥のような誘電体材料のプロセスにおけるプロセス制 御用のパラメータを提供するのに有効である。プロセスは，確立した技術に基づ く加熱より実行されること も可能である。 本発明によれば，ホットスポットや表面ゾーンにおける過熱を生じることなく ，誘電体材料の均一加熱が可能となる。したがって，本発明は，医療分野におけ る輸血用の冷たい血液の加熱に役に立つ。 本発明にかかる装置は，印加される電磁放射が，周波数５０ｋＨｚ〜２９９Ｍ Ｈｚの範囲内，より好ましくは１００ｋＨｚ〜２９９ＭＨｚの範囲内，さらに好 ましくは，３００ｋＨｚ〜２９９ＭＨｚの範囲内,最適には１ＭＨｚ〜２９９Ｍ Ｈｚの範囲内にある場合に，負荷に熱を生成する。 図１は本発明にかかる装置の一例である。本発明にかかる装置は，電導性の壁 を備えたキャビティ（１）と，キャビティ内に少なくとも１のアンテナ(２)を備 えている。アンテナは，周波数発生器（送信機）（６）の２つの出力接続のうち の一方の出力接続（４）に接続されており，キャビティは他方の出力接続（５） にに接続されている。周波数発生器（６）は，マッチングユニット（７）を介し てアンテナとキャビティに，アンテナ，キャビティ壁，マッチングユニットおよ び負荷（３）に同調する周波数の電流を供給する。キャビティ内では，電磁場は キャビティ負荷空間に置かれる負荷（３）内に熱を発生させる。負荷は，少な〈 とも誘電体および／または磁気損失因子を有する含む材料（material with a di electric and/or magnetic lost factor）から成る。 本発明の特徴は，周波数発生器からの複数の出力接続のうちの１または２以上 の出力接続にキャビティが接続されることである。キャビティ壁への１または２ 以上の接続（８）が，負荷空間に面して いるアンテナ表面の平均接面が負荷領域とキャビティへの接続（８）の間に位置 するように，配置されることにより，有利な効果が得られる。 キャビティ壁へ１の接続がなされる場合には，１または２以上のアンテナ（７ ）の結合表面の中点を通る基準（Ｎ）に近接して，キャビティ壁への接続（５） が行われることにより，有利な効果が得られる。交点（ｓ）は基準（Ｎ）がキャ ビティ壁を切断する点である。キャビティ側面に沿った距離（ａ）は，１または ２以上の接続（５）と交点（ｓ）の間の距離である。印加される周波数に応じて ，距離（ａ）は対応する真空中波長の１５％を超えない，好ましくは，対応する 真空中波長の１２％を超えない，さらに好ましくは，対応する真空中波長の１０ ％を越えないものである。 キャビティ負荷空間の面しているアンテナ平表面が，一致する（coincident） キャビティ断面の４５％以下，好ましくは４０％以下，さらに好ましくは３５％ 以下，最適には３０％以下に保持される場合に，電力効率は改良される。 また，キャビティ負荷空間に面する平面としてのアンテナが鋭角を有していな い場合には，有利な効果を得られる。したがって，アンテナ平面に正接する角度 は，キャビティの一致する断面の最大距離の２％を超え，好ましくは３％を超え ，さらに好ましくは４％を超える半径を有するものとする。 キャビティ負荷空間に面しているアンテナ平面が円形，または楕円形，または ５つ以上の辺を有する多角形であれば，さらに有利な効果が得られる。 負荷空間はアンテナの周波数発生器への接続の反対側に位置する。負荷空間は アンテナ平面とキャビティ壁によって囲まれる。負荷内の好適なフィールド分布 は，アンテナとキャビティ壁の間の負荷空間の最も長い距離が，印加された周波 数によって条件付けられる印加された真空中波長の３０％を超えないことが必要 である。 １つの試験が，図１で記述されるように設計された装置で実行された。１５０ ０グラムのローストビーフが装置内のキャビティに置かれた。電力５００ワット の１３６ＭＨｚのＲＦ信号が１５分間隔で２度印加された。当初，肉の温度は４ ℃だった。１５分後と３０分後に，肉の平均温度は３０℃と７０℃にそれぞれ上 昇した。ローストビーフの断面は，焼き表面から中央まで完全な赤い色のクロー ル（couleur）を示した。また，１００グラムから数キロまでの寸法の肉片につ いても同様に調理可能であった。 また，本発明は，共振状態の変化を設定することにより，負荷内の化学的変化 を完全に測定することも可能である。 １つの例は木の乾燥である。木が乾燥されているとき，誘電性特性は変えられ る。システムは完全な共振回路に整合される。木の含水率が減少するとき，共鳴 状態も変化し，システム中に定常波が生じる。ＳＷＲ（定常波比：発生器から出 力される電力とシステムが反射した電力との間の関係）を測定することによって 成分，例えば木の湿度を測定することができる。 また，インピーダンス関係の変化を測定することによっても，成分を測定する ことが可能である。１つの例は木の含水率低下に伴い特性インピーダンスが減少 するようになることである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１） キャビティ内に設けられた１または２以上のアンテナにより５０ｋＨｚ 〜２９９ＭＨｚの周波数範囲の電磁放射による誘電体材料の加熱および／または 測定用装置であって，１または２以上のアンテナが負荷空間を取り囲むキャビテ ィ壁とともに負荷中に電界および／または磁界を形成し，その際に，前記キャビ ティの最も長い辺は，前記キャビティ内の２点間の距離が印加される周波数によ り条件づけらるすべての真空中波長の１／２の真空中波長よりも小さくなるよう に限定可能なように構成されることを特徴とするもの。 （２） 前記キャビティ，前記負荷，前記アンテナおよびマッチングユニットは ，周波数発生器とともに共振ユニットを形成することを特徴とする，請求項１に 記載の装置。 （３） 前記キャビティ空間の体積の立方根が，印加された周波数によって条件 づけられる真空中波長の２５％を超えないことを特徴とする，請求項１または２ のいずれかに記載の装置。 （４） 前記アンテナ，前記キャビティおよび前記マッチングユニットは，無負 荷から全負荷に至るまで，印加された１または２以上の周波数における１または ２以上の波長の１／２の電気的長さを有することを特徴とする，請求項１，２ま たは３のいずれかに記載の装置。 （５） 前記アンテナと前記キャビティ間における負荷空間中の最大距離が，印 加された周波数によって与えられる真空中波長の３０％を超えないことを特徴と する，請求項１，２，３または４のい ずれかに記載の装置。 （６） 倍数からの偏差は，１／２波長の倍数の＋／−１５％を超えないことを 特徴とする，請求項１，２，３，４または５のいずれかに記載の装置。 （７） 前記負荷空間に面しているアンテナ表面は，電気的に非導電性の材料か ら成る１または２以上の層／フィルムで覆われ，各層／フィルムの相互の電気的 ／物理的な厚みは印加された１または２以上の周波数により与えられる真空中波 長の３％を超えないものとすることを特徴とする，１，２，３，４，５または６ のいずれかに記載の装置。 （８） 前記周波数発生器からの出力接続の１つが，１または２以上の接続によ り前記キャビティに接続されることを特徴とする，請求項１，２，３，４，５， ６または７のいずれかに記載の装置。 （９） 前記負荷空間に面している平均的アンテナ表面の接面は，前記負荷空間 と前記キャビティへの１または２以上の接点（８）の間に位置することを特徴と する，請求項１，２，３，４，５，６，７または８のいずれかに記載の装置。 （１０） 印加された周波数において前記キャビティの１または２以上の側面に 沿った１または２以上の接点（５）と交点（ｓ）との間の距離（ａ）は，対応す る真空中波長の２０％を超えないことを特徴とする，請求項１，２，３，４，５ ，６，７，８または９のいずれかに記載の装置。 （１１） 前記キャビティの前記負荷空間に面する前記アンテナの 平表面は，前記キャビティの一致断面の４５％以下であることを特徴とする，請 求項１，２，３，４，５，６，７，８，９または１０のいずれかに記載の装置。 （１２） 前記キャビティの前記負荷空間に面するアンテナ平表面は，円形，楕 円形，または５以上の辺を有する多角形であることを特徴とする，請求項１，２ ，３，４，５，６，７，８，９，１０または１１のいずれかに記載の装置。先行 するいずれかの請求項に記載の装置。 （１３） アンテナ平板表面に正接のコーナがキャビティのコインシデンス断面 エリアの最も長い距離の２％を超える半径を持つことを特徴とする，請求項１， ２，３，４，５，６，７，８，９，１０または１１のいずれかに記載の装置。 （１４） ＳＷＲにおける変化を測定することにより，化学的パラメータが測定 されることを特徴とする，，請求項１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０ ，１１または１２のいずれかに記載の装置。 （１５） インピーダンス関係の変化を測定するにより，変化した成分を決定す ることを特徴とする，請求項１，２，３，４，５，６，７，８，９，１０または １１のいずれかに記載の装置。