JP2006523921A - ３つのデカップルされた発振器を含むマイクロ波又は無線波装置 - Google Patents

Abstract

処理すべき対象物を収納するようになっている１つのアプリケータと、伝播導波路を介してアプリケータに供給する複数の発振器を備えるマイクロ波又は無線波装置。本発明によれば、３つの発振器から発振されるマイクロ波又は無線波を伝播する３つの伝播導波路が１つの三面長方形三面体を形成する３つのプレート上にそれぞれ取り付けられ、前記伝播導波路は発振器が相互にデカップルされた状態でアプリケータに供給するように三面体の三面対称軸を基準として対称に配置される。３つの伝播導波路は長方形断面を有し、長方形断面の短辺が２つずつ直交したままになるように、３つのプレート上にそれぞれ取り付けられるか、導波路が取り付けられているプレートに対し直角な長手伝播方向に延び、露出端を経てアプリケータ内に到達する同軸ケーブルである。伝播導波路は、長手伝播方向を中心とする回転及びこれらの伝播導波路が取り付けられているプレートに平行な移動によって変化する位置を占める。

Description

本発明はマイクロ波又は無線波装置に関する。

現在では、均一かつ非常に強力な電磁場の分布を実現するマイクロ波装置を設計することが重要である。

多重モード共鳴空洞という方法は、例えば１リットルのオーダーの物質というような少量に対し適用されるものであるので、工業的観点から見ると満足のゆくものではない。工業において多量を処理する場合には、数ｋＷを上回る総出力を使えることが必要となることが多いが、１つの電源で均一な電磁分布を設計しようとすると深刻な問題が生じる。

より詳細には、本発明は、処理すべき対象物を収納するようになっている１つのアプリケータと、伝播導波路を介してアプリケータに供給する複数の発振器を備えるマイクロ波又は無線波装置に関する。

この種の装置は、2000年7月12日にＥＰ１０１８８５６（特許文献１）にて公開された欧州特許出願で知られている。２つの発振器がマジックＴを介してアプリケータに供給している。アプリケータ内の電界の均一性は、相互にデカップルされた状態、即ち相手発振器の中に供給することがない状態で作動する２つの発振器に発生する電界の分布の組み合せにより得られる。デカップリングはマジックＴ及び正中面を基準とする被照射対象物の対称性により得られる。しかしながら、この種の装置への供給は２つの発振器に限定される。
ＥＰ１０１８８５６

本発明の目的は、アプリケータ内で均一な電磁場の分布を確保しつつ、装置の総照射出力を増加させるために、上述で提起したような種類のマイクロ波又は無線波装置を改造することである。

この目的のため、本発明は、処理すべき対象物を収納するようになっている１つのアプリケータと、伝播導波路を介してアプリケータに供給する複数の発振器を備えるマイクロ波又は無線波装置であって、３つの発振器からそれぞれ発振されるマイクロ波又は無線波を伝播する３つの伝播導波路が１つの三面長方形三面体を形成する３つのプレート上にそれぞれ取り付けられ、かつ前記伝播導波路は前記発振器が相互にデカップルされた状態でアプリケータに供給するように三面体の三面対称を基準として対称に配置されることを特徴とする装置を対象とする。

発振器のデカップリングは電気影像の理論で説明することができる。金属面に対する発振源の対称像によって生じる電磁場を発振源によって生じる電磁場に加えることにより、完全導体無限面の上方に位置する発振源から発生する電磁場を算出することができる。

本発明による３つの伝播導波路は、電界をそれぞれ軸ＯＸに平行に、軸ＯＹに平行に、軸ＯＺに平行に伝播させるようにアプリケータ内に到達させるために、符号ＯＸ、ＯＹ、ＯＺの三面長方形三面体の３つの面上に対称的に配置される。面ＹＯＺ及びＺＯＸに対する、面ＸＯＹ内に配置された伝播導波路の影像はすべてこの面ＸＯＹ内にあり、電界はＯＸに平行である。更に、これらの影像は、分極がＯＸに平行な、即ち他の２つの発振器から発せられる分布の電界の分極に対し直角な電界分布を発する。従って、アプリケータが空であるか均一な物体が挿入されている限り、３つの発振器はデカップルされる。

３つの発振器のデカップリングにより、３つの別々の電界分布で、アプリケータは処理する対象物を均一に照射することができる。従って発振器によって供給される総出力は、それぞれの発振器によって供給される出力の３倍である。例えばそれぞれが９００Ｗの発振器を３つ使用することにより、２．７ｋＷの総出力で対象物を照射することができる。費用面から見れば、各発振器のコストが５０ユーロだとすると、１５０ユーロで２．７ｋＷが得られる。更に低出力の発振器を３つ使用することにより、高出力発振器を使用する時に必要なサーキュレータを使用する手間が省ける。

この発明においては、各マグネトロンには三相電源の各相から供給することができるため、アプリケータの電源は安定した状態を保つ。

本発明の他の長所は、図示する４つの実施形態についての説明を読むことにより明らかになろう。

図１及び図２を参照すると、本発明の第一の実施形態によるマイクロ波装置は、例えば液体など処理すべき対象３を収納するためのアプリケータ１と、３つの伝播導波路１０１、１０２及び１０３を介してアプリケータ１に供給する（図示しない）３つの発振器とを備える。伝播導波路は、軸ＯＸ、ＯＹ及びＯＺで示す三面長方形三面体を形成する３つのプレート７１、７２、７３にそれぞれ取り付けられ、３つの発振器によってそれぞれ発生するマイクロ波を伝播する。３つの伝播導波路１０１、１０２及び１０３は三面体の三面対称軸Δを基準として対称に配置される。更に、各３つの伝播導波路１０１、１０２又は１０３は、それが取り付けられているプレート７１、７２又は７３に対し直角な長手伝播方向Ｌ１、Ｌ２又はＬ３に沿って延びる。

この実施形態においては、長方形断面の短辺９１、９２及び９３が２つずつ直交したままになるように、３つの伝播導波路１０１、１０２及び１０３が長方形断面を有し、３つのプレート７１、７２及び７３上にそれぞれ取り付けられる。従って、図２に示すように、長方形断面の短辺９１、９２及び９３に平行な方向を向いた電界のベクトルは相互に直交している。この配置により３つの発振器は相互にデカップルされた状態でアプリケータ１に供給することができる。

３つの伝播導波路１０１、１０２及び１０３は、それらが取り付けられたプレート７１、７２及び７３に対応して、各伝播導波路の１つの端部に形成されたマイクロ波を通す窓４１、４２及び４３を経てアプリケータ内に到達する。長方形三面体は三面体の三面対称軸Δに従ってアプリケータ１の上方に配置される。処理すべき物質３は下側の管路から回収することができる。

アプリケータ内に液体が存在すると、液体の自由表面を基準として、液体の誘電率に比例する量だけ発振器の電気的像が変位することに留意すべきである。その結果、液体の自由表面によって反射された波の場合であっても、３つの発振器はデカップルされたままである。

３つの発振器のデカップリングの結果として、処理すべき対象に付与されるエネルギの分布は、各発振器によって発生する電界の成分の二乗の和である。その結果、本装置の合計出力への各発振器の貢献が可能な限り大きくなる。

図３を参照すると、本発明の第二の実施形態は、各伝播導波路２０１、２０２及び２０３が、それが取り付けられているプレート７１、７２又は７３に平行な長手伝播方向 l １、l ２又はl ３に沿って延びる点が第一の実施形態と異なる。３つの伝播導波路２０１、２０２及び２０３は三面体の三面対称軸Δを基準として対称に配置される。

この第二の実施形態においては、長方形断面の短辺９１、９２及び９３が２つずつ直交したままになるように、３つの伝播導波路２０１、２０２及び２０３も長方形断面を有し、３つのプレート７１、７２及び７３上にそれぞれ取り付けられる。この配置によってもまた、３つの発振器が相互にデカップルされた状態でアプリケータ１に供給することが可能である。

３つの伝播導波路２０１、２０２及び２０３は、それらが取り付けられたプレート７１、７２及び７３内に形成された開口部に対応して、各伝播導波路の短辺内に形成されスリット５１、５２及び５３を経てアプリケータ内に到達する。

スリットは、λｇ／４に等しい長さを有し、λｇを長方形断面供給導波路内の伝播波長とする時（１＋２ｎ）λｇ／４の導波路の底部に位置する短絡回路から離れるように、伝播導波路の短辺内に切削加工される。例えば２４５０ＭＨｚでは、４３ｍｍに等しい短辺と８６ｍｍに等しい長辺によって画定される断面の伝播導波路の場合、λｇは１７３ｍｍである。従って、第一の実施形態において使用されるような透明窓伝播導波路で得られる電磁場の分布よりもより均一な電磁場の分布が得られる。更にスリットの近傍に存在するエネルギ密度は、臨界値を超えず、また発振器の出力を向上させようと所望する時に、アークが存在するのを防止するように、必要に応じて調節することができる。

長方形断面の伝播導波路の長辺内にはスリットを形成するようになっている。図４Ａにおいて、スリット５１Ａ、５２Ａ又は５３Ａは、連続する２つのスリットの間隔がλｇ／２に等しい距離を有し、導波路の底部に位置する短絡回路から（１＋２ｎ）λｇ／４だけ間隔をとるように、長手伝播方向Ｌ１−Ｌ３に沿って伝播導波路２０１−２０３の長辺２１Ａ、２２Ａ又は２３Ａ内に切削加工される。図４Ｂにおいて、スリット５１Ｂ、５２Ｂ又は５３Ｂは、連続する２つのスリットの間隔がλｇ／２に等しい距離を有し、導波路の底部に位置する短絡回路からλｇ／２だけ間隔をとるように伝播導波路２０１−２０３の長辺２１Ｂ、２２Ｂ又は２３Ｂ内に切削加工される。導波路の長手伝播方向に対するスリットの角度は導波路内に加工されるスリットの数によって変わる。例えば以下の文献を参照するのが適当である：A.F.Harvey,“Microwave Engineering"、AcademicPress(1963)、634‐636ページ、特にそれぞれ690ページ及び694ページに引用されている符号３３２及び４５７． 図５を参照すると、本発明の第三の実施形態は、３つの伝播導波路３０１、３０２及び３０３が、プレート７１、７２及び７３に対し直角な長手伝播方向Ｌ１、Ｌ２及びＬ３に延び、露出端８１、８２、及び８３のうちの１つを経てアプリケータ内に到達する同軸ケーブルである点が第一又は第二の実施形態と異なる。３つの伝播導波路３０１、３０２及び３０３は三面体の三面対称軸Δに対し対称に配置される。ケーブル３０１及び３０２に平行な方向を向いた電界のベクトルは相互に直交している。この配置により３つの発振器は相互にデカップルされた状態で３つのアプリケータに供給することができる。

図６を参照すると、３つの伝播導波路４０１、４０２、４０３が、カレントループ４１１、４１２及び４１３を端部とする同軸ケーブルである点が第三の実施形態と異なる。３つの伝播導波路４０１、４０２、４０３は、プレート７１、７２及び７３に対し直角な長手伝播方向Ｌ１、Ｌ２及びＬ３に延び、露出端４２１、４２２及び４２３が三面長方形三面体の対応するプレートに固定されているカレントループ４１１、４１２及び４１３を経てアプリケータ内に到達する。３つの伝播導波路４０１、４０２及び４０３は三面体の三面対称軸Δに対し対称に配置される。カレントループによって誘導される磁界のベクトルは、相互に直交した状態を保つように、各カレントループの面に対し直角な軸Ａの方向を向いている。ここでもこの配置により３つの発振器は相互にデカップルされた状態で３つのアプリケータに供給することができる。

有利には、先述の実施形態のそれぞれについて、伝播導波路１０１−１０３、２０１−２０３又は３０１−３０３は、アプリケータ１内に収納された対象物の形状に応じて発振器のデカップリングを調節するために、ＯＸ、ＯＹ、ＯＺの符号を付した三面長方形三面体の三面対称軸（Δ）に対する対称性を維持しつつ、長手伝播方向を中心とする回転及びこれらの伝播導波路が取り付けられているプレート７１−７３に平行な移動によって変化する位置を占める。

図８Ａ及び図８Ｂに示すように、伝播導波路１０１は伝播導波路に溶接された円形フランジ８０１を介して取り外し可能な状態で取り付けられる。フランジ８０１は、対応する１２個の孔を含む中間プレート５０１にボルトで固定するために、ある円上に等間隔で配置した１２個の単純孔を備える。中間プレートは、三面長方形三面体のプレート７１に固定するためのボルトを挿入するための４つの孔６０１も備える。中間プレート５０１及びフランジ８０１の１２個の孔により、伝播導波路１０１は、導波路の伝播方向Ｌ１を中心とする回転において変化する位置を占めることができ、回転のピッチは連続する２つの孔の角距離によって決められる。孔６０１は、伝播導波路１０１がプレート７１に対し平行な移動によっても変化する位置を占めるように、三面長方形三面体のプレート７１に平行に延びる。このように３つの導波路の位置は、三面体の三面対称軸（Δ）に対する３つの導波路の位置対称性を維持しつつ、回転においても平行移動においても可変である。孔６０１の方向は、一般的に、三面長方形三面体の面７１−７３に対するプレート５０１の位置によって異なることに留意すべきである。

アプリケータに供給している発振器の間の複素反射係数Ｒ及び複素透過係数Ｔを規定することが可能である。図７を参照すると、係数Ｒ及びＴは、各導波路１０１、１０２又は１０３の断面の中心の座標値ｘ１、ｙ１又はｙ２、ｚ２又はｚ３、ｘ３の関数であり、各導波路は、三面長方形三面体の面内の電界が成す角度θ１又はθ２又はθ３のアプリケータ内に到達し、三面体の表面には、導波路１０１、１０２又は１０３が、三面体の頂点Ｏで処理すべき対象物から距離をとって配置される。伝播導波路間の伝達は、３つの発振器間にデカップリングを再度確立するために上に示す３つの値を適切に選択することによりなくすことができる。また、周知であって当該伝播導波路内に配置されたアダプタにより、各発振器が見る複素反射係数Ｒをなくすことができる。

３つの発振器のデカップリングは市販のネットワークアナライザを使用して複素係数Ｔを測定することにより数量化される。デカップリングは、伝達係数Ｔが０．１未満でありその結果ある発振器から発せられる出力が他の出力に受け取られる時には許容される。伝達係数Ｔが０．１を上回る場合には、発振器は相互に破損するおそれがあり、アプリケータのエネルギ効率が悪くなる。なお、各発振器の効率ηは物質に対し与えられ発生出力に加えられる出力で規定され、η＝１−Ｒ^２−２Ｔ^２である。反射係数Ｒもネットワークアナライザを使用して測定する。

第一、第二又は第三の実施形態において、アプリケータ１は円形又は三角形の断面を有する。

対象物内の電磁場の分布は、断面が正三角形であるアプリケータが、カットオフ波長λｃ＝１．５ａを有する電気的横方向伝播についての３つの基本的モードを有するという事実によって決まること留意すべきである。すぐ上の次元の伝播モードはＴＭモードλｃ＝（ａ√３）／２であり、次のＴＥモードはλｃ＝ａ／２である。これらのモードは直交するため、発生したモードと、発生したモードを励起する導波路の間にはカップリングはない。三角形アプリケータが円形になる場合には導波路のデカップリングが残っている。

本発明の３つの適用例を以下に記述する。

第一の例において、アプリケータは湿潤ガスが通過するゼオライトカラムを備えるガスの脱水反応装置である。吸着段階においてはゼオライトによりガスの水分が吸着される。ゼオライトが一般的にその重量の３０％に相当する量の水分を捕捉したら、水を脱着させるためにマイクロ波装置によりカラムを照射することにカラムを洗浄する。

反応装置は例えば直径が３０ｃｍに等しい円形断面の円筒形である。図１を参照すると、本発明の第一の実施形態によるマイクロ波装置が使用される。即ち、長方形断面の短辺９１、９２及び９３が２つずつ直交するように、長方形断面の３つの伝播導波路１０１、１０２及び１０３が三面長方形三面体ＯＸ、ＯＹ、ＯＺの３つの面７１、７２及び７３上にそれぞれ取り付けられる。三面体は三面対称軸Δを反応装置の中心軸に一致させた状態で反応装置の上方に配置される。

伝播導波路の透明窓が三面体の頂点Ｏの近傍にある場合、図９の曲線１に従って吸着体の表面が照射される。電磁場は断面の中央で最大の円形対称性、反応装置の壁の近傍で最小の円形対称性を有する。伝播導波路の透明窓を三面体の頂点Ｏから遠ざけると、電磁場の分布は曲線２のような挙動をとる。発振器を通る直径面の場合、当該発振器の開口部側に最大が変位することがわかる。電場のモジュールの二乗に応じて各発振器の電磁場の分布を加算できるような３つの発振器のデカップリングにより、より均一な合計分布が生じる。

供給されるエネルギがゼオライトを熱することなく主に水分を脱着するのに用いられれば用いられるほど、マイクロ波装置は有利であり、それにより、吸着段階でカラムを再使用する前にカラムを冷やしてしまうということが防止されることに留意すべきである。

この例は、３つの発振器を三面体の頂点Ｏから遠ざける又は頂点に近づけることにより、アプリケータのある断面内に放射される電磁場の分布は変化するが、発振器が相互に相手の中に発生させることを認めるというものではないということを示している。結果として、三面体の三面対称軸の方向及びその軸の周囲に放射されるエネルギの全体的分布を必要に応じて調節することができる。

本発明によるマイクロ波装置の使用はゼオライトの脱水に限定されるものではなく、ある物質又はガソリン内に含まれる溶媒のマイクロ波励起蒸発など、あらゆる物理化学的作業又は触媒作業にも適する。

第二の例においては、アプリケータは、空気の有毒気体成分を燃焼させ、例えば重量比で０．８％のプラチナ又は炭化ケイ素といった金属を付着させた例えばアルミナ又はシリカの粒などの触媒を充填したカラムにガスを通すことにより空気の汚染除去を行うための反応装置である。アプリケータは直径１．５メートル、高さ２メートルのカラムを備える。カラムは９１５ＭＨｚで連続運転する１０ｋＷの３つの発振器から電源が供給される。図９の斜線部分に相当するカラムの壁の近傍部では電流値が低い電界があるため、処理すべき空気はカラムの中心しか循環することができないことに留意すべきである。

第三の例においては、アプリケータがガラス炉である。

ガラス職人は種々の色又は様々な品質のガラス地を保存し、任意の時にそれの使用を所望することが多い。

図１０の炉は金属製支持体１１０に旋回可能に取り付けられた、円形断面で耐火アルミナシリカ製の円筒形るつぼ１１１である。るつぼには数リットルの溶解ガラス１１３を入れることができる。本発明の第一の実施形態によるマイクロ波装置により加熱が得られる。三面長方形三面体は、三面対称軸Δをるつぼの中心軸Ａに一致させることにより、アプリケータの上方に配置される。３つの室内発振器はそれぞれ１．２ｋＷの出力を発生するので合計照射出力は３．６ｋＷとなる。３つの伝播導波路１０１、１０２及び１０３を具備する三面長方形三面体ＯＸ、ＯＹ、ＯＺは、ガラス職人が溶解ガラスをすくいに来たときるつぼに手が届くように、ヒンジ１１４を中心として動く。炉が開いている時には発振器は切の状態になっていることは明らかである。

マグネトロンが発生する出力は細かく調節することができるため、きわめて経済的な炉の運転が可能である。炉をすばやく起動し、様々な色を含むるつぼを交換し、別々に保存することができる。

本発明の第一又は第二の実施形態によるマイクロ波装置は例えば９１５ＭＨｚ又は２４５０ＭＨｚの周波数で作動することに留意すべきである。第三又は第四の実施形態による無線波装置は例えば１３．５６ＭＨｚ又は２７．１２ＭＨｚの周波数で作動する。

図１は本発明の第一の実施形態によるマイクロ波装置の略図である。 図２は図１に示す第一の実施形態による三面体の面に対し直角に配置された、長方形断面の３つの伝播導波路を示す原理図である。 図３は第二の実施形態による三面体の面に対し平行に配置された、長方形断面の３つの伝播導波路を示す原理図である。 図４Ａは伝播導波路の長辺内に形成されるスリットを有する、長方形断面の伝播導波路の略図である。 図４Ｂは伝播導波路の長辺内に形成されるスリットを有する、長方形断面の伝播導波路の略図である。 図５は本発明の第三の実施形態による三面体の面に対し直角に配置された、同軸ケーブルの形態の無線周波数装置の伝播導波路を示す原理図である。 図６は本発明の第四の実施形態による三面体の面に対し直角な面内に配置されたカレントループの形態の無線周波数装置の伝播導波路を示す原理図である。 図７は図１に示し、長手伝播方向を軸とする回転において取り外し可能で、導波路が取り付けられている三面体の面に対し平行に移動するように取り付けられた、長方形断面の３つの伝播導波路の原理図である。 図８Ａは回転において取り外し可能で三面長方形三面体の板のうちの１つの上を移動するように取り付けられた図１による装置の伝播導波路の略図である。 図８Ｂは回転において取り外し可能で三面長方形三面体の板のうちの１つの上を移動するように取り付けられた図１による装置の伝播導波路の略図である。 図９は円形断面のアプリケータが脱水反応装置である、本発明の第一の実施形態によるマイクロ波によって発生する電磁場の分布を示す図である。 図１０はアプリケータがガラス炉である、本発明の第一の実施形態によるマイクロ波装置の略図である。

Claims (11)

1. 処理すべき対象物(3,113)を収納するようになっている１つのアプリケータ(1,111)と、伝播導波路を介してアプリケータに供給する複数の発振器を備えるマイクロ波又は無線波装置であって、３つの発振器からそれぞれ発振されるマイクロ波又は無線波を伝播する３つの伝播導波路(101-103,201-203,301-303,401-403)が１つの三面長方形三面体(OX,OY,OZ)を形成する３つのプレート(71-73)上にそれぞれ取り付けられ、かつ前記伝播導波路は発振器が相互にデカップルされた状態でアプリケータに供給するように三面体の三面対称軸(Δ)を基準として対称に配置されることを特徴とする装置。
2. 長方形断面の短辺(91-93)が２つずつ直交したままになるように、３つの伝播導波路(101-103,201-203)が長方形断面を有し、３つのプレート上にそれぞれ取り付けられることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
3. 各伝播導波路(101-103)が、それが取り付けられているプレートに対し直角な長手伝播方向(L1-L3)に沿って延びることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
4. 各伝播導波路(201-203)が、それが取り付けられているプレートに平行な長手伝播方向(l1-l3)に沿って延びることを特徴とする、請求項２に記載の装置。
5. ３つの伝播導波路が、各伝播導波路の１つの端部に形成されたマイクロ波を通す窓(41-43)を経てアプリケータ内に到達することを特徴とする、請求項３又は４に記載の装置。
6. ３つの伝播導波路が、各伝播導波路の１つの辺(91-93,21A-23A,21B-23B)内に形成されたスリット(51-53,51A-51A,51B-53B)を経てアプリケータ内に到達することを特徴とする、請求項３又は４に記載の装置。
7. ３つの伝播導波路(301-303)が、プレート(71-73)に対し直角な長手伝播方向(L1-L3)に延び、カレントループ(411-413)を経てアプリケータ内に到達する同軸ケーブルであることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
8. ３つの伝播導波路(401-403)が、プレート(71-73)に対し直角な長手伝播方向(L1-L3)に延び、露出端(81-83)を経てアプリケータ内に到達する同軸ケーブルであることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
9. アプリケータ(1)内に収納された対象物(3)の形状に応じて発振器のデカップリングを調節するために、伝播導波路が、三面体(OX,OY,OZ)の三面対称軸(Δ)に対する対称性を維持しつつ、長手伝播方向(L1-L3,l1-l3)を中心とする回転及びこれらの伝播導波路が取り付けられているプレート(71-73)に平行な移動によって変化する位置を占めることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
10. アプリケータ(1)が円形又は三角形断面を有することを特徴とする、請求項１に記載の装置。
11. アプリケータが化学反応装置又はガラス炉(111)であることを特徴とする、請求項１に記載の装置。
    

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