JP2006338895A - マイクロ波加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】径の小さい細い線状の被加熱体を効率よく加熱することができるようにする。
【解決手段】上面部の軸中心部位に形成された第１の貫通孔と下面部の軸中心部位に形成された第２の貫通孔とを有する軸方向に延長する筒状の金属カバーと、金属カバー内に配置されるとともに第１の貫通孔および第２の貫通孔と連通する第３の貫通孔を形成された誘電体キャビティと、誘電体キャビティを第１の貫通孔と第２の貫通孔と第３の貫通孔とがそれぞれ連通するようにして金属カバー内に中空状態で支持する支持部材とを有し、ＴＭ０１δモードの共振モードで励振されるマイクロ波誘電体共振器と、マイクロ波誘電体共振器に配設されたマイクロ波を入力する入力手段と、マイクロ波誘電体共振器に配設されるとともに入力手段に入力されたマイクロ波を供給されてＴＭ０１δモードの磁界成分を生成するＴＭ０１δモード磁界生成手段とを有する。
【選択図】 図１４

Description

本発明は、マイクロ波加熱装置に関し、さらに詳細には、マイクロ波を利用して被加熱体を加熱するマイクロ波加熱装置に関し、特に、径の細い線状の金属よりなる被加熱体を加熱する際に用いて好適なマイクロ波加熱装置に関する。

従来より、高周波を利用して金属を加熱する手法としては、誘導加熱が広く知られている。

ここで、図１には、誘導加熱の動作原理の説明図が示されている。この図１を参照しながら、以下に誘導加熱の動作原理を説明する。

即ち、コイル１０に高周波発振器１２を接続し、高周波発振器１２によりコイル１０に高周波電流を流すと、コイル１０の内径側の空間に磁束Ｍが発生することになる。この磁束Ｍが鉄のような磁性体金属よりなる被加熱体１４を貫通すると、被加熱体１４には渦電流（誘導電流）Ｉ_Ｅが流れることになる。そして、この渦電流Ｉ_Ｅは、磁性体金属よりなる被加熱体１４の表皮効果により、被加熱体１４の表面付近に集中するが、この渦電流の浸透深さδは、次の式（１）で表される。

δ＝５０３√（ρ／μ_ｒＦ） （ｍ）・・・ 式（１）
ここで、μ_ｒは比透磁率であり、ρは抵抗率（Ω・ｍ）であり、Ｆは周波数（Ｈｚ）である。

誘導加熱の原理は、浸透深さδの部位に集中する渦電流が被加熱体固有の抵抗率により抵抗損失を発生させることによるものであり、これを渦電流損という。

従って、誘導加熱においては、被加熱体の材料定数、被加熱体の寸法、被加熱体の加熱目的あるいは被加熱体の加熱温度に応じて、コイルに流す高周波電流の周波数および高周波印加電力を選択している。なお、誘導加熱においてコイルに流す高周波電流の周波数は、一般的には１０ＫＨｚ〜２００ＫＨｚから選択されている。

上記において説明したように、誘導加熱はコイルに高周波電流を流すことで発生する磁束を利用するが、コイルに発生する全磁束が被加熱体を通過するわけではない。実際にはコイルと被加熱体との間には空隙があるので、磁束の一部は漏れてしまい、加熱効率を低下させる原因となっている。

ここで、図２に誘導加熱の等価回路を示すが、被加熱体が消費する電力は
被加熱体が消費する電力＝Ｉ_２ ^２×Ｒ_２
であり、一方、コイルが消費する電力は
コイルが消費する電力＝Ｉ_１ ^２×Ｒ_ｌ
であって、加熱効率を向上するためにはコイルの抵抗Ｒ_ｌを低減しなければならないことがわかる。

ところで、被加熱体の形状が針のように径の小さい線状の細長い形状である場合に、加熱効率を低下させないようにするためには、コイルの線径と直径とを小さくして磁束の漏れを防止しなければならない。

しかしながら、コイルを小形にすると、上記において説明したコイルの抵抗Ｒ_１が増大することになって、結局のところ加熱効率を低下させてしまうこととなっていた。

こうしたことから、従来の誘導加熱に関しては、以下に示す３項目の問題点が指摘されていた。

（１）被加熱体がコイルの線径と直径とに対し非常に小さい場合には、磁束の漏れが 増大して加熱効率が低下する。

（２）コイルの線径と直径とを小さくするとコイルの抵抗が増大することになり、加 熱効率が低下する。

（３）被加熱体が渦電流の浸透深さに対し小型のものは渦電流が制限されるため、加 熱効率が低下する。例えば誘導加熱に用いられる代表的な金属であるα鉄の場 合には、周波数１００ＫＨｚでは渦電流の浸透深さの影響を受け、直径０．６ ｍｍの線材が被加熱体の小形化の限界である。

なお、本願出願人が特許出願のときに知っている先行技術は、文献公知発明に係る発明ではないため、記載すべき先行技術文献情報はない。

本発明は、上記したような従来の技術の有する種々の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、例えば、直径が０．６ｍｍ以下であるような、径の小さい細い線状の被加熱体を効率よく加熱することができるようにしたマイクロ波加熱装置を提供しようとするものである。

上記目的を達成するために、本発明は、マイクロ波の導電流を被加熱体に流すことにより、被加熱体の抵抗損失に起因するジュール熱を利用して被加熱体を加熱するようにしたものであり、その際に、マイクロ波誘電体共振器を用いるようにしたものであって、誘電体共振モードはＴＭ０１０モードまたはＴＭ０１δモードとしたものである。

即ち、本発明のうち請求項１に記載の発明は、上面部の軸中心部位に形成された第１の貫通孔と下面部の軸中心部位に形成された第２の貫通孔とを有する軸方向に延長する筒状の金属カバーと、上記金属カバー内に配置されるとともに上記第１の貫通孔および上記第２の貫通孔と連通する第３の貫通孔を形成された誘電体キャビティとを有し、ＴＭ０１０モードの共振モードで励振されるマイクロ波誘電体共振器と、上記マイクロ波誘電体共振器に配設されたマイクロ波を入力する入力手段と、上記マイクロ波誘電体共振器に配設されるとともに上記入力手段に入力されたマイクロ波を供給されてＴＭ０１０モードの磁界成分を生成するＴＭ０１０モード磁界生成手段とを有し、上記第２の貫通孔内に被加熱物を配置して該被加熱物を加熱するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項２に記載の発明は、本発明のうち請求項１に記載の発明において、上記入力手段は、同軸コネクタであり、上記ＴＭ０１０モード磁界生成手段は、ループアンテナであるようにしたものである。

また、本発明のうち請求項３に記載の発明は、本発明のうち請求項１または２のいずれか１項に記載の発明において、さらに、上記入力手段にマイクロ波を入力するマイクロ波発生手段を有し、上記マイクロ波発生手段は、上記マイクロ波誘電体共振器の共振周波数が変動した際に発振周波数を常に共振周波数に追従させる周波数制御手段を有するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項４に記載の発明は、本発明のうち請求項１、２または３のいずれか１項に記載の発明において、上記被加熱体は、金属線または針状金属片であるようにしたものである。

また、本発明のうち請求項５に記載の発明は、上面部の軸中心部位に形成された第１の貫通孔と下面部の軸中心部位に形成された第２の貫通孔とを有する軸方向に延長する筒状の金属カバーと、上記金属カバー内に配置されるとともに上記第１の貫通孔および上記第２の貫通孔と連通する第３の貫通孔を形成された誘電体キャビティと、上記誘電体キャビティを上記第１の貫通孔と上記第２の貫通孔と上記第３の貫通孔とがそれぞれ連通するようにして上記金属カバー内に中空状態で支持する支持部材とを有し、ＴＭ０１δモードの共振モードで励振されるマイクロ波誘電体共振器と、上記マイクロ波誘電体共振器に配設されたマイクロ波を入力する入力手段と、上記マイクロ波誘電体共振器に配設されるとともに上記入力手段に入力されたマイクロ波を供給されてＴＭ０１δモードの磁界成分を生成するＴＭ０１δモード磁界生成手段とを有し、上記第２の貫通孔内に被加熱物を配置して該被加熱物を加熱するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項６に記載の発明は、本発明のうち請求項５に記載の発明において、上記入力手段は、同軸コネクタであり、上記ＴＭ０１δモード磁界生成手段は、ループアンテナであるようにしたものである。

また、本発明のうち請求項７に記載の発明は、本発明のうち請求項５または６のいずれか１項に記載の発明において、さらに、上記入力手段にマイクロ波を入力するマイクロ波発生手段を有し、上記マイクロ波発生手段は、上記マイクロ波誘電体共振器の共振周波数が変動した際に発振周波数を常に共振周波数に追従させる周波数制御手段を有するようにしたものである。

また、本発明のうち請求項８に記載の発明は、本発明のうち請求項５、６または７のいずれか１項に記載の発明において、上記被加熱体は、金属線または針状金属片であるようにしたものである。

本発明は、以上説明したように構成されているので、例えば、直径が０．６ｍｍ以下であるような、径の小さい細い線状の被加熱体を効率よく加熱することができるようになるという優れた効果を奏する。

以下、添付の図面に基づいて、本発明によるマイクロ波加熱装置の実施の形態の一例を詳細に説明するものとする。

なお、以下の説明においては、それぞれ同一または相当する構成については、それぞれ同一の符号を付して示すことにより、それらの詳細な構成ならびに作用の説明は適宜に省略する。

まず、本発明によるマイクロ波加熱装置の理解を容易にするために、マイクロ波誘電体共振器について説明する。

このマイクロ波誘電体共振器は、一般的には、不要波の伝播を抑圧する目的で通信装置内に組込まれて使用されるものであり、その共振モードにより区分されている。本発明によるマイクロ波加熱装置においては、マイクロ波加熱を実現するために、共振モードとしてＴＭ０１０モードとＴＭ０１δモードとを用いるようにした。

ここで、図３ならびに図４（ａ）（ｂ）には、通信用として一般的に使用されているＴＭ０１０モードのマイクロ波誘電体共振器の構成説明図が示されており、図３は斜視構成説明図であり、図４（ａ）は図３のＡ矢視構成説明図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＢ−Ｂ線による断面図である。

このマイクロ波誘電体共振器２０は、内部が中空とされた円柱形の金属ケース２２と、この金属ケース２２内において同軸上に配置された円柱形状の誘電体キャビティ２４と有して構成されている。

また、図３ならびに図４（ａ）（ｂ）において、一点鎖線で示す符号Ｍ_１はＴＭ０１０モードで共振させたときの磁界成分を示し、また、二点鎖線で示す符号Ｅ_１はＴＭ０１０モードで共振させたときの電界成分を示している。

次に、図５ならびに図６（ａ）（ｂ）には、本発明によるマイクロ波加熱装置で用いたＴＭ０１０モードのマイクロ波誘電体共振器の構成説明図が示されており、図５は斜視構成説明図であり、図６（ａ）は図５のＣ矢視構成説明図であり、図６（ｂ）は図６（ａ）のＤ−Ｄ線による断面図である。

このマイクロ波誘電体共振器３０は、金属ケース２２の上面部２２ａの中心部分に貫通孔２２ｂが穿設され、金属ケース２２の下面部２２ｃの中心部分に貫通孔２２ｄが穿設され、これら貫通孔２２ｂおよび貫通孔２２ｄと連通するようにして誘電体キャビティ２４の中心部分において軸方向に沿って貫通孔２４ａが形成されている点において、上記したマイクロ波誘電体共振器２０と異なっている。

ＴＭ０１０モードの誘電体キャビティ２４の中心部分は、軸方向の電界成分Ｅ_１しか存在しない。従って、誘電体キャビティ２４に中心部分に軸方向に沿った貫通孔２４ａを設けることは、誘電体キャビティ２４の比誘電率を低下させることと等価となる。なお、誘電体キャビティ２４の寸法を補正することにより、同一共振周波数を維持することができる。

ここで、図７には、上記において説明したＴＭ０１０モードのマイクロ波誘電体共振器３０を用いた本発明によるマイクロ波加熱装置の実施の形態の一例が示されている。

このマイクロ波加熱装置１００は、マイクロ波誘電体共振器３０と、マイクロ波入力手段たる金属ケース２２の側壁面に配設された同軸コネクタ３４と、ＴＭ０１０モードの磁界成分Ｍ_２（図７において破線で示す。）を生成するＴＭ０１０モード磁界生成手段たる金属ケース２２内において同軸コネクタ３４と接続されたループアンテナ３６とを有している。

マイクロ波加熱装置１００においては、同軸給電線（図示せず。）により所定のマイクロ波をマイクロ波誘電体共振器３０まで導き、同軸コネクタ３４からマイクロ波誘電体共振器３０内にマイクロ波を注入することにより、ＴＭ０１０モードでの共振モードによる励振を行うものである。即ち、同軸給電線（図示せず。）から所定のマイクロ波を同軸コネクタ３４を介してループアンテナ３６に供給することにより、ＴＭ０１０モードの磁界成分Ｍ_２（図７において破線で示す。）を同軸コネクタ３４に接続されたループアンテナ３６で生成し、誘電体キャビティ２４の磁界成分Ｍ_１に結合させてＴＭ０１０モードでの共振モードによる励振を実現している。

上記のようにして、マイクロ波加熱装置１００のマイクロ波誘電体共振器３０がＴＭ０１０モードでの共振モードで励振されると、マイクロ波誘電体共振器３０の貫通孔２４ａ内には軸方向の電界成分Ｅ_２しか存在しないことになる。

こうしたマイクロ波加熱装置１００によれば、後述する作用により、貫通孔２４ａに位置する被加熱体（図示せず。）を効率よく加熱することができる。

次に、図８ならびに図９（ａ）（ｂ）には、通信用として一般的に使用されているＴＭ０１δモードのマイクロ波誘電体共振器の原理構成説明図が示されており、図８は斜視原理構成説明図であり、図９（ａ）は図８のＥ矢視構成説明図であり、図９（ｂ）は図８（ａ）のＦ−Ｆ線による断面図である。

このマイクロ波誘電体共振器４０は、内部が中空とされた金属ケース２２と、この金属ケース２２内において同軸上に配置されるとともに金属ケース２２の上面部２２ａおよび下面部２２ｃから離隔して中空に浮かせて配置された円柱形状の誘電体キャビティ４２と有して構成されている。

また、図８ならびに図９（ａ）（ｂ）において、一点鎖線で示す符号Ｍ_３はＴＭ０１δモードで共振させたときの磁界成分を示し、また、二点鎖線で示す符号Ｅ_３はＴＭ０１δモードで共振させたときの電界成分を示している。

次に、図１０ならびに図１１（ａ）（ｂ）には、本発明によるマイクロ波加熱装置で用いたＴＭ０１δモードのマイクロ波誘電体共振器の原理構成説明図が示されており、図１０は正面斜視原理構成説明図であり、図１１（ａ）は図１０のＧ矢視構成説明図であり、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＨ−Ｈ線による断面図である。

このマイクロ波誘電体共振器５０は、誘電体キャビティ４２が中心部分において軸方向に沿って貫通孔４２ａを設けている点においてのみ、上記したマイクロ波誘電体共振器４０と異なっている。

ＴＭ０１δモードの誘電体キャビティ４２の中心部分は、軸方向の電界成分Ｅ_３しか存在しない。従って、誘電体キャビティ４２に中心部分に軸方向に沿った貫通孔４２ａを設けることは、誘電体キャビティ４２の比誘電率を低下させることと等価となる。なお、誘電体キャビティ４２の寸法を補正することにより、同一共振周波数を維持することができる。

次に、図１２ならびに図１３（ａ）（ｂ）には、本発明によるマイクロ波加熱装置で用いたＴＭ０１δモードのマイクロ波誘電体共振器のより詳細な構成説明図が示されており、図１２は正面斜視構成説明図であり、図１３（ａ）は図１２のＩ矢視構成説明図であり、図１３（ｂ）は図１３（ａ）のＪ−Ｊ線による断面図である。

このマイクロ波誘電体共振器６０においては、上面部２２ａの中心部分に貫通孔２２ｂが穿設されるとともに、下面部２２ｃの中心部分に貫通孔２２ｄが穿設された金属ケース２２を用いている。そして、誘電体キャビティ４２を金属ケース２２の上面部２２ａおよび下面部２２ｃから離隔して中空に浮かせて配置するために、上面部２２ａに形成された貫通孔２２ｂと同軸上に位置して互いに連通する貫通孔６２ａを同軸上に形成したドーナツ形の円筒形状の第１誘電体キャビティ支持部材６２を金属ケース２２内における上面部２２ａに配設し、また、下面部２２ｃに形成された貫通孔２２ｄと同軸上に位置して互いに連通する貫通孔６４ａを同軸上に形成したドーナツ形の円筒形状の第２誘電体キャビティ支持部材６４を金属ケース２２内における下面部２２ｃに配設した点において、上記したマイクロ波誘電体共振器５０と異なっている。

マイクロ波誘電体共振器６０においては、これら第１誘電体キャビティ支持部材６２と第２誘電体キャビティ支持部材６４との間に誘電体キャビティ４２を配置し、第１誘電体キャビティ支持部材６２と第２誘電体キャビティ支持部材６４とにより誘電体キャビティ４２を金属ケース２２内の中空に支持するようになされている。

ここで、第１誘電体キャビティ支持部材６２と第２誘電体キャビティ支持部材６４との比誘電率は、誘電体キャビティ４２に比べて１／５〜１／１０程度となるように材料などを選択することによって、マイクロ波誘電体共振器６０の各寸法を補正してＴＭ０１δ共振周波数を維持することができる。

ここで、図１４には、上記において説明したＴＭ０１δモードのマイクロ波誘電体共振器６０を用いた本発明によるマイクロ波加熱装置の実施の形態の一例が示されている。

このマイクロ波加熱装置２００は、マイクロ波誘電体共振器６０と、マイクロ波入力手段たる金属ケース２２の側壁面に配設された同軸コネクタ６６と、ＴＭ０１δモードの磁界成分Ｍ_４（図１４において破線で示す。）を生成するＴＭ０１δモード磁界生成手段たる金属ケース２２内において同軸コネクタ６６と接続されたループアンテナ６８とを有している。

マイクロ波加熱装置２００においては、同軸給電線（図示せず。）により所定のマイクロ波をマイクロ波誘電体共振器６０まで導き、同軸コネクタ６６からマイクロ波誘電体共振器６０内にマイクロ波を注入することにより、ＴＭ０１δモードでの共振モードによる励振を行うものである。即ち、同軸給電線（図示せず。）から所定のマイクロ波を同軸コネクタ６６を介してループアンテナ６８に供給することにより、ＴＭ０１δモードの磁界成分Ｍ_４（図１４において破線で示す。）を同軸コネクタ６６に接続されたループアンテナ６８で生成し、誘電体キャビティ４２の磁界成分Ｍ_３に結合させてＴＭ０１δモードでの共振モードによる励振を実現している。

上記のようにして、マイクロ波加熱装置２００のマイクロ波誘電体共振器６０がＴＭ０１δモードでの共振モードで励振されると、マイクロ波誘電体共振器６０の貫通孔４２ａ内には軸方向の電界成分Ｅ_３しか存在しないことになる。

こうしたマイクロ波加熱装置２００によれば、後述する作用により、貫通孔４２ａに位置する被加熱体（図示せず。）を効率よく加熱することができる。

次に、図１５を参照しながら、上記したマイクロ波加熱装置２００による加熱作用をより詳細に説明する。なお、図１５には、径の小さい細い線状の金属線よりなる被加熱体３００（図１５においては、視認性をよくするために太実線で示している。）をマイクロ波加熱装置２００により加熱する場合を示している。

まず、同軸上に互いに連通して形成された金属ケース２２の上面部２２ａに形成された貫通孔２２ｂ、第１誘電体キャビティ支持部材６２の貫通孔６２ａ、誘電体キャビティ４２の貫通孔４２ａ、第２誘電体キャビティ支持部材６４の貫通孔６４ａならびに金属ケース２２の下面部２２ｃに形成された貫通孔２２ｄを順次にそれぞれ貫通するようにして、金属線よりなる被加熱体３００を配置する。

ここで、マイクロ波加熱装置２００にＴＭ０１δモードを励振して共振させると、誘電体キャビティ４２の内部には変位電流Ｉ_ａおよび変位電流Ｉ_ｂが流れる。一方、ＴＭ０１δモードの磁界成分Ｍ_３が被加熱体３００の周囲に安定分布するため、この磁界成分Ｍ_３と直交する方向、即ち、被加熱体３００の軸方向と一致する方向に表面電流が流れる。

この表面電流は表皮効果を有し、その浸透深さは式（１）に従うものであるが、周波数Ｆがマイクロ波のため浸透深さは数μｍ程度であり、仮に被加熱体３００の直径が１００μｍ程度であっても全く問題無く表面電流が流れることになる。

こうした表面電流は、被加熱体３００を流れる際の表面抵抗に起因する電力損失を生ずる。式（２）には、電力損失密度Ｐ_ｃと表面抵抗Ｒ_ｓおよび磁界Ｈの関係を示している。

Ｐ_ｃ＝｜Ｈ｜^２Ｒ_ｓ ・・・ 式（２）

上記した表面電流は、誘導加熱における渦電流とは異なり、磁性体や非磁性体の区別に関係なく導体表面に流れ、当該導体を加熱する作用を生じさせる。

また、この表面電流はキューリー点とは無関係に流れるため、印加するマイクロ波電力に追従して電力損失が増大するので、所望の加熱温度を容易に設定することができる。

次に、図１６を参照しながら、径の小さい細い線状の金属線であって長さの短い針状金属線よりなる被加熱体３０２を、マイクロ波加熱装置２００により加熱する場合の加熱作用について説明する。

まず、誘電体キャビティ４２の貫通孔４２ａのほぼ中央位置に、針状金属線よりなる被加熱体３０２（図１６においては、視認性をよくするために太実線で示している。）をその軸方向が貫通孔４２ａの軸方向と一致するように配置する。

ここで、マイクロ波加熱装置２００にＴＭ０１δモードを励振して共振させると、誘電体キャビティ４２の内部には変位電流Ｉ_ａおよび変位電流Ｉ_ｂが流れる。一方、ＴＭ０１δモードの磁界成分Ｍ_３が被加熱体３０２の周囲に安定分布するため、この磁界成分Ｍ_３と直交する方向、即ち、被加熱体３０２の軸方向と一致する方向に表面電流が流れ、上記被加熱体３００の加熱と同様の作用により被加熱体３０２が加熱される。

なお、被加熱体に対する磁界成分がＴＭ０１δモードと同等のＴＭ０１０モードのマイクロ波誘電体共振器４０を用いたマイクロ波加熱装置１００も、上記したＴＭ０１δモ一ドのマイクロ波誘電体共振器６０を用いたマイクロ波加熱装置２００によるマイクロ波加熱の作用と同様な作用により、被加熱体を加熱することができる。

また、ＴＭ０１０モードのマイクロ波誘電体共振器４０またはＴＭ０１δモードのマイクロ波誘電体共振器６０に対し被加熱体が挿入されたときに、誘電体キャビティ２４、４２の周辺の電磁界分布が変化するので、その共振周波数は変動する。その際に、常に共振周波数に保たれるように、マイクロ波誘電体共振器４０、６０にマイクロ波を供給するマイクロ波発振装置の周波数の制御を行えば、マイクロ波は整合状態で誘電体キャビティ２４、４２に注入されるので、高効率のマイクロ波加熱を実現することができる。

こうしたマイクロ波発振装置の周波数の制御は、例えば、マイクロ波誘電体共振器４０、６０に注入するマイクロ波に対し、その反射電力を検出して当該反射電力が最小になるようにマイクロ波発振装置をフィードバック制御する自動周波数制御機能（ＡＦＣ（Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｃｏｎｔｒｏｌ）機能）を達成する手段をマイクロ波発振装置に付加することにより、実現することができる。

以下、マイクロ波加熱装置１００、２００に対し、上記したフィードバック制御システムを備えたマイクロ波発振装置によりマイクロ波を供給するようにしたシステムたるマイクロ波加熱装置４００について説明する。

即ち、図１７には、マイクロ波加熱装置４００の構成説明図が示されている。なお、このマイクロ波加熱装置４００は、被加熱体として針状金属片、具体的には、使用済み注射針４０２を加熱するものであり、使用済み注射針４０２の高温滅菌を目的としたものである。なお、使用済み注射針４０２の材質は、非磁性体ステンレス鋼である。

このマイクロ波加熱装置４００は、マイクロ波加熱装置２００と、マイクロ波加熱装置２００へマイクロ波を供給するマイクロ波発振装置４０４と、使用済み注射針４０２を収容した使用済み注射針トレイ４０６と、使用済み注射針トレイ４０６とマイクロ波加熱装置２００との間に配置されていて使用済み注射針トレイ４０６に収容された使用済み注射針４０２をマイクロ波加熱装置２００まで搬送するための第１搬送路４０８と、第１搬送路４０８内に空気流を生起するための空気制御装置４１０と、マイクロ波加熱装置２００により加熱されて高温滅菌された使用済み注射針４０２を搬送する第２搬送路４１２と、第２搬送路４１２を搬送されてきた高温滅菌済みの使用済み注射針４０２を収容する処理済トレイ４１４と有して構成されている。

また、マイクロ波発振装置４０４は、マイクロ波誘電体共振器６０からの反射電力を検出するための検波部４０２ａと、検波部４０２ａから出力される検波電圧に基づく処理を行う自動周波数制御部４０２ｂと、ＰＬＬ周波数シンセサイザ４０２ｃと、送信電力モニタ部４０２ｄと、減衰器４０２ｅと、増幅器４０２ｆとを有して構成されている。

以上の構成において、使用済み注射針トレイ４０６から空気制御装置４１０で制御された空気流を利用して第１搬送路４０８に導かれた使用済み注射針４０２は、ＴＭ０１δモードのマイクロ波誘電体共振器６０を備えたマイクロ波加熱装置２００へ送られる。

マイクロ波加熱装置２００へ送られた使用済み注射針４０２は、加熱部たるマイクロ波誘電体共振器６０の貫通孔４２ａ内に配置されるが、この貫通孔４２ａ内に配置された使用済み注射針４０２には共振磁界による表面電流が流れ、表面抵抗に起因する電力損失でジュール熱が発生する。こうして使用済み注射針４０２は約１０００°Ｃに加熱され、血液に混入した全ての菌が死滅させる高温滅菌処理が行われる。

上記のようにして高温滅菌処理された使用済み注射針４０２は、第２搬送路４１２を介して処理済トレイ４１４に集められて処分される。

次に、マイクロ波加熱装置２００に配設されたマイクロ波発振装置４０４について説明する。

このマイクロ波発振装置４０４は、ＴＭ０１δモードのマイクロ波加熱装置２００におけるマイクロ波誘電体共振器６０のマイクロ波注入端子である同軸コネクタ６６に接続されている。

ここで、マイクロ波発振装置４０４には、マイクロ波誘電体共振器６０からの反射電力を検出するために検波部４０２ａが設けられていて、検波部４０２ａで反射電力のレベルを直流電圧に変換される。この検波電圧は信号線を介して自動周波数制御回路４０２ｂに導かれて比較処理され、反射電力が最小となる共振周波数になる設定信号に変換され、信号線を介してＰＬＬ周波数シンセサイザ４０２ｃに導かれる。このような制御動作により、ＴＭ０１δモードのマイクロ波誘電体共振器６０の加熱部たる貫通孔４２ａに被加熱体たる使用済み注射針４０２が存在してもしなくても、常に共振周波数の状態を維持することができる。

なお、このマイクロ波加熱装置４００においては、マイクロ波誘電体共振器６０の共振周波数としては、ＩＳＭバンドとして開放されている２．４５ＧＨｚを用いた。

従って、ＴＭ０１０モードまたはＴＭ０１δモードのマイクロ波誘電体共振器４０、６０を用いた本発明によるマイクロ波加熱装置１００、２００、４００によれば、上記した従来の技術の課題を解決することができる。

即ち、本発明によるマイクロ波加熱装置１００、２００、４００によれば、
（１）０．１ｍｍ以下の線状の被加熱体に対しても加熱することができる、
（２）０．１ｍｍ以下の針状の被加熱体に対しても加熱することができる、
（３）自動周波数制御機能を有するマイクロ波発振装置を用いた場合には、マイクロ 波誘電体共振器４０、６０の共振周波数に追従して加熱動作を行うので加熱効 率を向上することができる、
などという優れた効果が得られる。

なお、上記した実施の形態は、以下の（１）〜（６）に示すように変形することができるものである。

（１）上記した実施の形態においては、被加熱体として具体的には使用済み注射針を示したが、被加熱体はこれに限られるものではないことは勿論であり、導体であるならば種々の形態や材料のものが被加熱体となり得るものである。

（２）上記した実施の形態においては、マイクロ波発振装置の周波数を自動で制御する手法の一例を示したに過ぎないものであり、適宜の手法によりマイクロ波発振装置の周波数を自動で制御するようにして、自動周波数制御機能を実現するようにしてもよいことは勿論である。

（３）上記した実施の形態においては、金属ケースを内部が中空とされた円柱形状のもにより構成したが、金属ケースの形状はこれに限られるものではないことは勿論であり、用途に応じて中空とされた角柱形状などの任意の形状を選択して用いることができる。

（４）上記した実施の形態においては、誘電体キャビティ２４、４２を円柱形状の中心部に貫通孔を形成したドーナツ形状のもにより構成したが、誘電体キャビティ２４、４２の形状はこれに限られるものではないことは勿論であり、外形形状は角柱形状であってもよいし、また、貫通孔２４ａ、４２ａの形状は丸孔であってもよいし角穴であってもよい。

（５）上記した実施の形態においては、第１誘電体キャビティ支持部材６２ならびに第２誘電体キャビティ支持部材６４はドーナツ形の円筒形状により構成したが、第１誘電体キャビティ支持部材６２ならびに第２誘電体キャビティ支持部材６４の形状はこれに限られるものではないことは勿論であり、外形形状は角柱形状であってもよいし、また、貫通孔６２ａ、６４ａの形状は丸孔であってもよいし角穴であってもよいし、また、貫通孔６２ａ、６４ａを設けていない形状、即ち、筒状形状でなくてもよい。

（６）上記した実施の形態ならびに上記した（１）〜（５）に示す変形例は、適宜に組み合わせるようにしてもよい。

本発明は、径の小さい細い線状の被加熱体、例えば、使用済み注射針のような直径が０．６ｍｍ以下、さらには、直径が０．１ｍｍ以下であるような線状の被加熱体を加熱する際に利用することができる。

図１は、誘導加熱の動作原理の説明図である。 図２は、誘導加熱の等価回路である。 図３は、通信用として一般的に使用されているＴＭ０１０モードのマイクロ波誘電体共振器の斜視構成説明図である。 図４（ａ）は、図３のＡ矢視構成説明図であり、また、図４（ｂ）は、図４（ａ）のＢ−Ｂ線による断面図である。 図５は、本発明によるマイクロ波加熱装置で用いたＴＭ０１０モードのマイクロ波誘電体共振器の斜視構成説明図である。 図６（ａ）は、図５のＣ矢視構成説明図であり、また、図６（ｂ）は、図６（ａ）のＤ−Ｄ線による断面図である。 図７は、図５ならびに図６（ａ）（ｂ）に示すＴＭ０１０モードのマイクロ波誘電体共振器を用いた本発明によるマイクロ波加熱装置の実施の形態の一例を示す斜視構成説明図である。 図８は、通信用として一般的に使用されているＴＭ０１δモードのマイクロ波誘電体共振器の斜視原理構成説明図である。 図９（ａ）は、図８のＥ矢視構成説明図であり、また、図９（ｂ）は、図８（ａ）のＦ−Ｆ線による断面図である。 図１０は、本発明によるマイクロ波加熱装置で用いたＴＭ０１δモードのマイクロ波誘電体共振器の正面斜視原理構成説明図である。 図１１（ａ）は、図１０のＧ矢視構成説明図であり、また、図１１（ｂ）は図１１（ａ）のＨ−Ｈ線による断面図である。 図１２は、本発明によるマイクロ波加熱装置で用いたＴＭ０１δモードのマイクロ波誘電体共振器のより詳細な正面斜視構成説明図である。 図１３（ａ）は、図１２のＩ矢視構成説明図であり、また、図１３（ｂ）は、図１３（ａ）のＪ−Ｊ線による断面図である。 図１４は、図１２ならびに図１３（ａ）（ｂ）に示すＴＭ０１δモードのマイクロ波誘電体共振器を用いた本発明によるマイクロ波加熱装置の実施の形態の一例を示す正面斜視構成説明図である。 図１５は、図１４に示す本発明によるマイクロ波加熱装置により径の小さい細い線状の金属線よりなる被加熱体を加熱する際の加熱作用の説明図である。 図１６は、図１４に示す本発明によるマイクロ波加熱装置により径の小さい細い線状の金属線であって長さの短い針状金属線よりなる被加熱体を加熱する際の加熱作用の説明図である。 図１７は、本発明によるマイクロ波加熱装置の実施の形態の一例を構成説明図である。

符号の説明

１０ コイル
１２ 高周波発振器
１４ 被加熱体
２０ マイクロ波誘電体共振器
２２ 金属ケース
２２ａ 上面部
２２ｂ 貫通孔
２２ｃ 下面部
２２ｄ 貫通孔
２４ 誘電体キャビティ
２４ａ 貫通孔
３０ マイクロ波誘電体共振器
３４ 同軸コネクタ
３６ ループアンテナ
４０ マイクロ波誘電体共振器
４２ 誘電体キャビティ
４２ａ 貫通孔
５０ マイクロ波誘電体共振器
６０ マイクロ波誘電体共振器
６２ 第１円筒形誘電体キャビティ支持部材
６２ａ 貫通孔
６４ 第２円筒形誘電体キャビティ支持部材
６４ａ 貫通孔
６６ 同軸コネクタ
６８ ループアンテナ
１００ マイクロ波加熱装置
２００ マイクロ波加熱装置
３００ 被加熱体
３０２ 被加熱体
４００ マイクロ波加熱装置
４０２ 使用済み注射針
４０２ａ 検波部
４０２ｂ 自動周波数制御部
４０２ｃ ＰＬＬ周波数シンセサイザ
４０２ｄ 送信電力モニタ部
４０２ｅ 減衰器
４０２ｆ 増幅器
４０４ マイクロ波発振装置
４０６ 使用済み注射針トレイ
４０８ 第１搬送路
４１０ 空気制御装置
４１２ 第２搬送路
４１４ 処理済トレイ

Claims (8)

1. 上面部の軸中心部位に形成された第１の貫通孔と下面部の軸中心部位に形成された第２の貫通孔とを有する軸方向に延長する筒状の金属カバーと、前記金属カバー内に配置されるとともに前記第１の貫通孔および前記第２の貫通孔と連通する第３の貫通孔を形成された誘電体キャビティとを有し、ＴＭ０１０モードの共振モードで励振されるマイクロ波誘電体共振器と、
   前記マイクロ波誘電体共振器に配設されたマイクロ波を入力する入力手段と、
   前記マイクロ波誘電体共振器に配設されるとともに前記入力手段に入力されたマイクロ波を供給されてＴＭ０１０モードの磁界成分を生成するＴＭ０１０モード磁界生成手段と
   を有し、
   前記第２の貫通孔内に被加熱物を配置して該被加熱物を加熱する
   ことを特徴とするマイクロ波加熱装置。
2. 請求項１に記載のマイクロ波加熱装置において、
   前記入力手段は、同軸コネクタであり、
   前記ＴＭ０１０モード磁界生成手段は、ループアンテナである
   ことを特徴とするマイクロ波加熱装置。
3. 請求項１または２のいずれか１項に記載のマイクロ波加熱装置において、さらに、
   前記入力手段にマイクロ波を入力するマイクロ波発生手段を有し、
   前記マイクロ波発生手段は、前記マイクロ波誘電体共振器の共振周波数が変動した際に発振周波数を常に共振周波数に追従させる周波数制御手段を有する
   ことを特徴とするマイクロ波加熱装置。
4. 請求項１、２または３のいずれか１項に記載のマイクロ波加熱装置において、
   前記被加熱体は、金属線または針状金属片である
   ことを特徴とするマイクロ波加熱装置。
5. 上面部の軸中心部位に形成された第１の貫通孔と下面部の軸中心部位に形成された第２の貫通孔とを有する軸方向に延長する筒状の金属カバーと、前記金属カバー内に配置されるとともに前記第１の貫通孔および前記第２の貫通孔と連通する第３の貫通孔を形成された誘電体キャビティと、前記誘電体キャビティを前記第１の貫通孔と前記第２の貫通孔と前記第３の貫通孔とがそれぞれ連通するようにして前記金属カバー内に中空状態で支持する支持部材とを有し、ＴＭ０１δモードの共振モードで励振されるマイクロ波誘電体共振器と、
   前記マイクロ波誘電体共振器に配設されたマイクロ波を入力する入力手段と、
   前記マイクロ波誘電体共振器に配設されるとともに前記入力手段に入力されたマイクロ波を供給されてＴＭ０１δモードの磁界成分を生成するＴＭ０１δモード磁界生成手段と
   を有し、
   前記第２の貫通孔内に被加熱物を配置して該被加熱物を加熱する
   ことを特徴とするマイクロ波加熱装置。
6. 請求項５に記載のマイクロ波加熱装置において、
   前記入力手段は、同軸コネクタであり、
   前記ＴＭ０１δモード磁界生成手段は、ループアンテナである
   ことを特徴とするマイクロ波加熱装置。
7. 請求項５または６のいずれか１項に記載のマイクロ波加熱装置において、さらに、
   前記入力手段にマイクロ波を入力するマイクロ波発生手段を有し、
   前記マイクロ波発生手段は、前記マイクロ波誘電体共振器の共振周波数が変動した際に発振周波数を常に共振周波数に追従させる周波数制御手段を有する
   ことを特徴とするマイクロ波加熱装置。
8. 請求項５、６または７のいずれか１項に記載のマイクロ波加熱装置において、
   前記被加熱体は、金属線または針状金属片である
   ことを特徴とするマイクロ波加熱装置。

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