JP2024005084A - microwave heating device - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To ensure that, when heating a heating object using microwaves, the microwave magnetic field or microwave electric field is evenly distributed near the center axis of a cavity resonator, and the object to be heated by microwaves is thereby evenly heated.
SOLUTION: Provided is a microwave heating device M comprising: a cavity resonator 1 that focuses a microwave magnetic field or microwave electric field on the center axis; an accommodation container 2 that accommodates the object to be heated by microwaves on the center axis of the cavity resonator 1; and two excitation loops 3 that are installed at 90-degree interval in the inside and on the side wall of the cavity resonator 1, where the ones adjacent to each other are excited at a 90-degree phase difference, or n excitation loops 3 (n=3 or greater) that are installed at 360/n-degree interval in the inside and on the side wall of the cavity resonator 1, where the ones adjacent to each other are excited at a 360/n-degree phase difference. The microwave heating device M is further characterized in that the microwave magnetic field distribution or the microwave electric field distribution rotates around the center axis of the cavity resonator 1 with the passage of time.
SELECTED DRAWING: Figure 4
COPYRIGHT: (C)2024,JPO&INPIT

Description

本開示は、マイクロ波を用いて加熱対象を加熱する技術に関する。 The present disclosure relates to a technique for heating a heating target using microwaves.

マイクロ波を用いて加熱対象を加熱する技術が、特許文献1等に開示されている。例えば、水素を発生させるために、マイクロ波を用いて触媒を加熱している。特許文献1では、空洞共振器の基本モード(TM01モード等)を用いて、マイクロ波電界を空洞共振器の中心軸上に集中させ、マイクロ波加熱対象(誘電体等)を中心軸上の収容容器に収容している。その一方で、空洞共振器の高次モード(TM11モード等)を用いて、マイクロ波磁界を空洞共振器の中心軸上に集中させ、マイクロ波加熱対象(導電体等)を中心軸上の収容容器に収容してもよい。 A technique for heating a heating target using microwaves is disclosed in Patent Document 1 and the like. For example, microwaves are used to heat catalysts to generate hydrogen. In Patent Document 1, a microwave electric field is concentrated on the central axis of the cavity resonator using the fundamental mode (TM01 mode, etc.) of the cavity resonator, and a microwave-heated object (dielectric material, etc.) is accommodated on the central axis. contained in a container. On the other hand, the microwave magnetic field is concentrated on the central axis of the cavity resonator by using a higher-order mode (TM11 mode, etc.) of the cavity resonator, and the microwave-heated object (conductor, etc.) is accommodated on the central axis. It may be stored in a container.

特開2021-072221号公報JP2021-072221A

従来技術のマイクロ波加熱装置の構成を図1に示す。マイクロ波加熱装置Mは、空洞共振器1、収容容器2及び励振ループ3を備える。空洞共振器1は、高次モード(TM11モード等)を用いてマイクロ波磁界を中心軸上に集中する。収容容器2は、マイクロ波加熱対象(導電体等)を空洞共振器1の中心軸上に収容する。1個の励振ループ3(励振器の一例であり、励振アンテナでもよい。)は、空洞共振器1の内部及び側壁に設置される。 The configuration of a conventional microwave heating device is shown in FIG. The microwave heating device M includes a cavity resonator 1, a container 2, and an excitation loop 3. The cavity resonator 1 concentrates the microwave magnetic field on the central axis using a higher-order mode (TM11 mode, etc.). The housing container 2 houses a microwave-heated object (such as a conductor) on the central axis of the cavity resonator 1 . One excitation loop 3 (which is an example of an exciter and may also be an excitation antenna) is installed inside the cavity resonator 1 and on the side wall.

従来技術のマイクロ波加熱装置の磁界分布のシミュレーション結果を図2に示す。図2の左欄では、空洞共振器1の全体的なマイクロ波磁界分布を示す。図2の右欄では、空洞共振器1の中心軸近傍のマイクロ波磁界分布を示す。すると、空洞共振器1の中心軸近傍のうち、励振ループ3に近い側でマイクロ波磁界が集中し、励振ループ3から遠い側でマイクロ波磁界が弱まる。つまり、マイクロ波加熱対象の一部が極度に加熱される、ホットスポットが発生する。 FIG. 2 shows simulation results of the magnetic field distribution of a conventional microwave heating device. In the left column of FIG. 2, the overall microwave magnetic field distribution of the cavity resonator 1 is shown. The right column of FIG. 2 shows the microwave magnetic field distribution near the central axis of the cavity resonator 1. Then, in the vicinity of the central axis of the cavity resonator 1, the microwave magnetic field is concentrated on the side closer to the excitation loop 3, and the microwave magnetic field is weakened on the side farther from the excitation loop 3. In other words, a hot spot occurs in which a part of the microwave-heated object is extremely heated.

従来技術のマイクロ波加熱装置の磁界分布のシミュレーション結果を図3にも示す。図3の左欄では、収容容器2(ガラス管)をシミュレーション上で空気に置換する。すると、図2の右欄と同様に、空洞共振器1の中心軸近傍のうち、励振ループ3に近い側でマイクロ波磁界が集中する。図3の中欄では、マイクロ波加熱対象(導体としてカーボン触媒)をシミュレーション上で空気に置換する。すると、図2の右欄と異なり、空洞共振器1の中心軸近傍のうち、励振ループ3から遠い側でマイクロ波磁界が集中する。図3の右欄では、収容容器2(ガラス管)及びマイクロ波加熱対象(導体としてカーボン触媒)をシミュレーション上で空気に置換する。すると、図3の中欄と同様に、空洞共振器1の中心軸近傍のうち、励振ループ3から遠い側でマイクロ波磁界が集中する。つまり、マイクロ波加熱対象(導体としてカーボン触媒)が、収容容器2(ガラス管)と比べて、ホットスポットの発生に大きく影響する。 The simulation results of the magnetic field distribution of the conventional microwave heating device are also shown in FIG. In the left column of FIG. 3, the storage container 2 (glass tube) is replaced with air in the simulation. Then, as in the right column of FIG. 2, the microwave magnetic field is concentrated on the side near the excitation loop 3 in the vicinity of the central axis of the cavity resonator 1. In the middle column of FIG. 3, the microwave heating target (carbon catalyst as a conductor) is replaced with air in the simulation. Then, unlike the right column of FIG. 2, the microwave magnetic field is concentrated near the center axis of the cavity resonator 1 on the side far from the excitation loop 3. In the right column of FIG. 3, the container 2 (glass tube) and the microwave heating target (carbon catalyst as a conductor) are replaced with air in the simulation. Then, as in the middle column of FIG. 3, the microwave magnetic field is concentrated near the central axis of the cavity resonator 1 on the side far from the excitation loop 3. In other words, the object of microwave heating (carbon catalyst as a conductor) has a greater influence on the generation of hot spots than the container 2 (glass tube).

図1~3では、空洞共振器1がマイクロ波磁界を中心軸上に集中するときに、ホットスポットが発生することを示している。その一方で、空洞共振器1がマイクロ波電界を中心軸上に集中するときに、ホットスポットが発生することが考えられる。 1 to 3 show that a hot spot occurs when the cavity resonator 1 concentrates the microwave magnetic field on the central axis. On the other hand, when the cavity resonator 1 concentrates the microwave electric field on the central axis, a hot spot may occur.

そこで、前記課題を解決するために、本開示は、マイクロ波を用いて加熱対象を加熱するにあたり、空洞共振器の中心軸近傍でマイクロ波磁界又はマイクロ波電界を均一に分布させることにより、マイクロ波加熱対象を均一に加熱することを目的とする。 Therefore, in order to solve the above problems, the present disclosure provides a method for heating a heating target using microwaves by uniformly distributing a microwave magnetic field or a microwave electric field near the central axis of a cavity resonator. The purpose of wave heating is to uniformly heat the object.

前記課題を解決するために、マイクロ波加熱対象を均一に加熱するために、複数の励振器を空洞共振器の内部及び側壁に設置する。そして、円偏波アンテナの原理をマイクロ波加熱装置に適用したうえで、複数の励振器を同位相で励振せず所定の位相差で励振する。 In order to solve the above problem, a plurality of exciters are installed inside and on the side walls of the cavity resonator in order to uniformly heat the object to be heated by microwaves. Then, by applying the principle of a circularly polarized antenna to a microwave heating device, a plurality of exciters are not excited with the same phase but with a predetermined phase difference.

具体的には、本開示は、マイクロ波磁界又はマイクロ波電界を中心軸上に集中する空洞共振器と、マイクロ波加熱対象を前記空洞共振器の前記中心軸上に収容する収容容器と、前記空洞共振器の内部及び側壁に90度間隔で設置され、隣接するもの同士が位相差90度で励振される2個の励振器、又は、前記空洞共振器の内部及び側壁に360/n度間隔で設置され、隣接するもの同士が位相差360/n度で励振されるn個の励振器(nは3以上)と、を備え、マイクロ波磁界分布又はマイクロ波電界分布は、時間変化につれて前記空洞共振器の前記中心軸まわりに回転することを特徴とするマイクロ波加熱装置である。 Specifically, the present disclosure provides a cavity resonator that concentrates a microwave magnetic field or a microwave electric field on a central axis, a housing container that accommodates a microwave heating target on the central axis of the cavity resonator, and Two exciters installed at 90 degree intervals inside and on the side walls of the cavity resonator, and adjacent exciters are excited with a phase difference of 90 degrees, or two exciters installed at 360/n degree intervals inside and on the side walls of the cavity resonator. n number of exciters (n is 3 or more), which are installed at The microwave heating device is characterized in that it rotates around the central axis of the cavity resonator.

この構成によれば、各時刻において、空洞共振器の中心軸近傍でマイクロ波磁界又はマイクロ波電界をほぼ均一に分布させることができる。そして、時間平均をとれば、空洞共振器の中心軸近傍でマイクロ波磁界又はマイクロ波電界をさらに均一に分布させることができる。よって、マイクロ波加熱対象を均一に加熱することができる。 According to this configuration, the microwave magnetic field or the microwave electric field can be distributed almost uniformly near the central axis of the cavity resonator at each time. If time averaging is taken, the microwave magnetic field or microwave electric field can be distributed more uniformly near the central axis of the cavity resonator. Therefore, the microwave heating target can be heated uniformly.

また、本開示は、前記n個の励振器は、3個以上の奇数個の励振器であることを特徴とするマイクロ波加熱装置である。 Further, the present disclosure is a microwave heating device characterized in that the n exciters are an odd number of exciters of three or more.

この構成によれば、空洞共振器の中心軸を介して励振器同士を対向させないため、励振器同士の結合を抑圧することができ、励振器間の電力流入を防止することができる。 According to this configuration, since the exciters are not opposed to each other via the central axis of the cavity resonator, coupling between the exciters can be suppressed, and power inflow between the exciters can be prevented.

また、本開示は、前記2個の励振器又は前記n個の励振器は、所定幅で掃引される周波数で励振され、隣接するもの同士が位相差±90度若しくは±360/n度で切り替えて励振され、所定幅で掃引される位相で励振され、又は、以上の動作を組み合わせて励振されることを特徴とするマイクロ波加熱装置である。 Further, in the present disclosure, the two exciters or the n exciters are excited at a frequency swept in a predetermined width, and adjacent ones are switched with a phase difference of ±90 degrees or ±360/n degrees. This microwave heating device is characterized in that it is excited with a phase that is swept over a predetermined width, or is excited with a combination of the above operations.

この構成によれば、励振周波数を掃引することにより、マイクロ波磁界又はマイクロ波電界が強い方向を回転させることができ、左旋・右旋を切り替えることにより、マイクロ波磁界又はマイクロ波電界が強い方向を切り替えることができ、励振位相を掃引することによっても、マイクロ波磁界又はマイクロ波電界が強い方向を回転させることができる。 According to this configuration, by sweeping the excitation frequency, the direction in which the microwave magnetic field or microwave electric field is strong can be rotated, and by switching between left rotation and right rotation, the direction in which the microwave magnetic field or microwave electric field is strong can be rotated. By sweeping the excitation phase, the direction in which the microwave magnetic field or microwave electric field is strong can be rotated.

このように、本開示は、マイクロ波を用いて加熱対象を加熱するにあたり、空洞共振器の中心軸近傍でマイクロ波磁界又はマイクロ波電界を均一に分布させることにより、マイクロ波加熱対象を均一に加熱することができる。 As described above, the present disclosure provides a method for uniformly distributing a microwave magnetic field or a microwave electric field in the vicinity of the central axis of a cavity resonator when heating an object using microwaves. Can be heated.

従来技術のマイクロ波加熱装置の構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a conventional microwave heating device. 従来技術のマイクロ波加熱装置の磁界分布のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of the magnetic field distribution of the microwave heating device of a prior art. 従来技術のマイクロ波加熱装置の磁界分布のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of the magnetic field distribution of the microwave heating device of a prior art. 第1実施形態のマイクロ波加熱装置の構成を示す図である。FIG. 1 is a diagram showing the configuration of a microwave heating device according to a first embodiment. 第1実施形態のマイクロ波加熱装置の磁界分布のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure showing the simulation result of the magnetic field distribution of the microwave heating device of a 1st embodiment. 第1実施形態のマイクロ波加熱装置の磁界分布のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure showing the simulation result of the magnetic field distribution of the microwave heating device of a 1st embodiment. 第1実施形態のマイクロ波加熱装置の磁界分布のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure showing the simulation result of the magnetic field distribution of the microwave heating device of a 1st embodiment. 第2実施形態のマイクロ波加熱装置の磁界分布のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of the magnetic field distribution of the microwave heating device of 2nd Embodiment. 第2実施形態のマイクロ波加熱装置の磁界分布のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure which shows the simulation result of the magnetic field distribution of the microwave heating device of 2nd Embodiment. 第1、2実施形態のマイクロ波加熱装置の磁界分布のシミュレーション結果を示す図である。It is a figure showing the simulation result of the magnetic field distribution of the microwave heating device of the 1st and 2nd embodiments.

添付の図面を参照して本開示の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本開示の実施の例であり、本開示は以下の実施形態に制限されるものではない。 Embodiments of the present disclosure will be described with reference to the accompanying drawings. The embodiments described below are examples of implementation of the present disclosure, and the present disclosure is not limited to the following embodiments.

(第1実施形態のマイクロ波加熱装置)
第1実施形態のマイクロ波加熱装置の構成を図4に示す。マイクロ波加熱装置Mは、空洞共振器1、収容容器2及び複数の励振ループ3(図4では、3個の励振ループ3-1、3-2、3-3)を備える。空洞共振器1は、高次モード(TM11モード等)を用いてマイクロ波磁界を中心軸上に集中する。収容容器2は、マイクロ波加熱対象(導電体等)を空洞共振器1の中心軸上に収容する。複数の励振ループ3(励振器の一例であり、励振アンテナでもよい。)は、空洞共振器1の内部及び側壁に、図5、6に示す所定の間隔で設置される。
(Microwave heating device of first embodiment)
FIG. 4 shows the configuration of the microwave heating device of the first embodiment. The microwave heating device M includes a cavity resonator 1, a container 2, and a plurality of excitation loops 3 (three excitation loops 3-1, 3-2, and 3-3 in FIG. 4). The cavity resonator 1 concentrates the microwave magnetic field on the central axis using a higher-order mode (TM11 mode, etc.). The housing container 2 houses a microwave-heated object (such as a conductor) on the central axis of the cavity resonator 1 . A plurality of excitation loops 3 (which is an example of an exciter and may also be an excitation antenna) are installed inside and on the side wall of the cavity resonator 1 at predetermined intervals as shown in FIGS. 5 and 6.

つまり、マイクロ波加熱対象を均一に加熱するために、複数の励振ループ3を空洞共振器1の内部及び側壁に設置する。そして、円偏波アンテナの原理をマイクロ波加熱装置Mに適用したうえで、複数の励振ループ3を同位相で励振せず所定の位相差で励振する。 That is, in order to uniformly heat the microwave-heated object, a plurality of excitation loops 3 are installed inside the cavity resonator 1 and on the side walls. Then, by applying the principle of a circularly polarized antenna to the microwave heating device M, the plurality of excitation loops 3 are not excited with the same phase but with a predetermined phase difference.

ここで、複数の励振ループ3が同位相で励振されるときには、図2に示したマイクロ波磁界分布が複数の励振ループ3の分だけ重畳され、空洞共振器1の中心軸近傍でのマイクロ波磁界分布が割れてしまう。一方で、複数の励振ループ3が所定の位相差で励振されるときには、図5、6に示すマイクロ波磁界分布が円偏波アンテナの原理を用いて実現され、空洞共振器1の中心軸近傍でのマイクロ波磁界分布がほぼ均一になる。 Here, when a plurality of excitation loops 3 are excited in the same phase, the microwave magnetic field distribution shown in FIG. The magnetic field distribution will be broken. On the other hand, when a plurality of excitation loops 3 are excited with a predetermined phase difference, the microwave magnetic field distribution shown in FIGS. 5 and 6 is realized using the principle of a circularly polarized antenna, and The microwave magnetic field distribution becomes almost uniform.

第1実施形態のマイクロ波加熱装置の磁界分布のシミュレーション結果を図5、6に示す。図5では、空洞共振器1の全体的なマイクロ波磁界分布を示す。図6では、空洞共振器1の中心軸近傍のマイクロ波磁界分布を示す。図5、6の左上欄では、1個の励振ループ3は、空洞共振器1の内部及び側壁に設置される。図5、6の中上欄では、2個の励振ループ3-1、3-2は、空洞共振器1の内部及び側壁に90度間隔で設置され、隣接するもの同士が位相差90度で励振される。図5、6の右上欄、左下欄、中下欄及び右下欄では、n個の励振ループ3-1、・・・、3-n(n≧3)は、空洞共振器1の内部及び側壁に360/n度間隔で設置され、隣接するもの同士が位相差360/n度で励振される。 Simulation results of the magnetic field distribution of the microwave heating device of the first embodiment are shown in FIGS. 5 and 6. In FIG. 5, the overall microwave magnetic field distribution of the cavity resonator 1 is shown. FIG. 6 shows the microwave magnetic field distribution near the central axis of the cavity resonator 1. In the upper left column of FIGS. 5 and 6, one excitation loop 3 is installed inside the cavity resonator 1 and on the side wall. In the middle upper columns of FIGS. 5 and 6, two excitation loops 3-1 and 3-2 are installed inside the cavity resonator 1 and on the side wall at 90 degree intervals, and adjacent ones have a phase difference of 90 degrees. Excited. In the upper right column, lower left column, middle lower column, and lower right column of FIGS. 5 and 6, n excitation loops 3-1, ..., 3-n (n≧3) They are installed on the side wall at intervals of 360/n degrees, and adjacent ones are excited with a phase difference of 360/n degrees.

図5、6の左上欄(1個の励振ループ3)では、空洞共振器1の中心軸近傍のうち、励振ループ3に近い側でマイクロ波磁界が集中し、励振ループ3から遠い側でマイクロ波磁界が弱まる。図5、6の中上欄(2個の励振ループ3-1、3-2)では、図5、6の左上欄(1個の励振ループ3)と比べて、空洞共振器1の中心軸近傍でマイクロ波磁界がほぼ均一に分布する。しかし、2個の励振ループ3-1、3-2によるループ近傍の磁界分布が乱れており、2個の励振ループ3-1、3-2による円偏波状の磁界分布がそのまま重畳されず、空洞共振器1の中心軸近傍でのマイクロ波磁界分布の均一性が低くなる。 In the upper left column of FIGS. 5 and 6 (one excitation loop 3), the microwave magnetic field is concentrated on the side near the excitation loop 3 near the center axis of the cavity resonator 1, and the microwave magnetic field is concentrated on the side far from the excitation loop 3. The wave magnetic field weakens. In the upper middle column of FIGS. 5 and 6 (two excitation loops 3-1 and 3-2), the central axis of the cavity resonator 1 is different from the upper left column of FIGS. The microwave magnetic field is distributed almost uniformly in the vicinity. However, the magnetic field distribution near the loops due to the two excitation loops 3-1 and 3-2 is disordered, and the circularly polarized magnetic field distributions due to the two excitation loops 3-1 and 3-2 are not superimposed as they are. The uniformity of the microwave magnetic field distribution near the central axis of the cavity resonator 1 becomes low.

図5、6の右上欄、左下欄、中下欄及び右下欄(3個、4個、5個及び6個の励振ループ3-1、・・・、3-n)では、図5、6の中上欄(2個の励振ループ3-1、3-2)と比べて、空洞共振器1の中心軸近傍でマイクロ波磁界がほぼ均一に分布する。つまり、3個、4個、5個及び6個の励振ループ3-1、・・・、3-nによるループ近傍の磁界分布が乱れておらず、3個、4個、5個及び6個の励振ループ3-1、・・・、3-nによる円偏波状の磁界分布がそのまま重畳され、空洞共振器1の中心軸近傍でのマイクロ波磁界分布の均一性が高くなる。そして、図5、6の左下欄、中下欄及び右下欄(4個、5個及び6個の励振ループ3-1、・・・、3-n)では、図5、6の右上欄(3個の励振ループ3-1、3-2、3-3)と比べて、空洞共振器1の中心軸近傍でのマイクロ波磁界分布がほぼ同様となる。 In the upper right column, lower left column, middle lower column, and lower right column of FIGS. 5 and 6 (3, 4, 5, and 6 excitation loops 3-1, ..., 3-n), FIG. 6 (two excitation loops 3-1, 3-2), the microwave magnetic field is distributed almost uniformly near the central axis of the cavity resonator 1. In other words, the magnetic field distribution near the loops due to the 3, 4, 5, and 6 excitation loops 3-1, ..., 3-n is not disturbed, and the 3, 4, 5, and 6 excitation loops are not disturbed. The circularly polarized magnetic field distributions caused by the excitation loops 3-1, . In the lower left column, lower middle column, and lower right column of FIGS. 5 and 6 (4, 5, and 6 excitation loops 3-1, ..., 3-n), the upper right column of FIGS. (Compared to the three excitation loops 3-1, 3-2, and 3-3), the microwave magnetic field distribution near the central axis of the cavity resonator 1 is almost the same.

第1実施形態のマイクロ波加熱装置の磁界分布のシミュレーション結果を図7にも示す。図7では、空洞共振器1の全体的なマイクロ波磁界分布を示す。図5、6では、空洞共振器1の各時刻のマイクロ波磁界分布を示したが、図7では、空洞共振器1のマイクロ波磁界分布の時間変化を示す。図7では、3個の励振ループ3-1、3-2、3-3は、空洞共振器1の内部及び側壁に120度間隔で設置され、隣接するもの同士が位相差120度で励振されるが、n個の励振ループ3-1、・・・、3-n(n≠3)が設置される場合でもほぼ同様となる。 The simulation results of the magnetic field distribution of the microwave heating device of the first embodiment are also shown in FIG. In FIG. 7, the overall microwave magnetic field distribution of the cavity resonator 1 is shown. 5 and 6 show the microwave magnetic field distribution of the cavity resonator 1 at each time, FIG. 7 shows the time change of the microwave magnetic field distribution of the cavity resonator 1. In FIG. 7, three excitation loops 3-1, 3-2, and 3-3 are installed at 120 degree intervals inside the cavity resonator 1 and on the side walls, and adjacent loops are excited with a phase difference of 120 degrees. However, it is almost the same even when n excitation loops 3-1, . . . , 3-n (n≠3) are installed.

ここで、円偏波アンテナの原理が、マイクロ波加熱装置Mに適用されている。よって、図7の左欄、中欄及び右欄の順序を繰り返すように、マイクロ波磁界分布は、時間変化につれて空洞共振器1の中心軸まわりに回転する。つまり、図7の左欄、中欄及び右欄の順序を繰り返すように、マイクロ波磁界が強い方向(各時刻のマイクロ波磁界分布は、若干の不均一性も含む。)は、時間変化につれて空洞共振器1の中心軸まわりに回転する。 Here, the principle of a circularly polarized antenna is applied to the microwave heating device M. Therefore, the microwave magnetic field distribution rotates around the central axis of the cavity resonator 1 as time changes, so that the order of the left column, middle column, and right column of FIG. 7 is repeated. In other words, as the order of the left column, middle column, and right column of FIG. Rotates around the central axis of the cavity resonator 1.

このように、図5、6に示したように、各時刻において、空洞共振器1の中心軸近傍でマイクロ波磁界をほぼ均一に分布させることができる。そして、図7に示したように、時間平均をとれば、空洞共振器1の中心軸近傍でマイクロ波磁界をさらに均一に分布させることができる。よって、マイクロ波加熱対象を均一に加熱することができる。 In this way, as shown in FIGS. 5 and 6, the microwave magnetic field can be distributed almost uniformly near the central axis of the cavity resonator 1 at each time. As shown in FIG. 7, if time averaging is taken, the microwave magnetic field can be distributed more uniformly near the central axis of the cavity resonator 1. Therefore, the microwave heating target can be heated uniformly.

図4~7では、空洞共振器1がマイクロ波磁界を中心軸上に集中するときに、マイクロ波磁界が均一に分布することを示している。その一方で、空洞共振器1がマイクロ波電界を中心軸上に集中するときに、マイクロ波電界が均一に分布することが考えられる。 4 to 7 show that when the cavity resonator 1 concentrates the microwave magnetic field on the central axis, the microwave magnetic field is uniformly distributed. On the other hand, when the cavity resonator 1 concentrates the microwave electric field on the central axis, it is possible that the microwave electric field is uniformly distributed.

(第2実施形態のマイクロ波加熱装置)
図5、6の右上欄、左下欄、中下欄及び右下欄(3個以上の励振ループ3-1、・・・、3-n)では、空洞共振器1の中心軸近傍でのマイクロ波磁界分布がほぼ同様となる。しかし、複数の励振ループ3は、4個以上の偶数個の励振ループ3-1、・・・、3-nであるよりは、3個以上の奇数個の励振ループ3-1、・・・、3-nであると望ましい。
(Microwave heating device of second embodiment)
In the upper right column, lower left column, middle lower column, and lower right column (three or more excitation loops 3-1, ..., 3-n) of FIGS. The wave magnetic field distribution becomes almost the same. However, the plurality of excitation loops 3 is an odd number of three or more excitation loops 3-1, . . . , rather than an even number of excitation loops 3-1, 3-n of four or more. , 3-n.

つまり、4個以上の偶数個の励振ループ3-1、・・・、3-nを設置したときには、空洞共振器1の中心軸を介して励振ループ3同士を対向させるため、励振ループ3同士の結合を抑圧することができず、励振ループ3間の電力流入を防止することができない。一方で、3個以上の奇数個の励振ループ3-1、・・・、3-nを設置したときには、空洞共振器1の中心軸を介して励振ループ3同士を対向させないため、励振ループ3同士の結合を抑圧することができ、励振ループ3間の電力流入を防止することができる。 In other words, when an even number of excitation loops 3-1, . It is not possible to suppress the coupling between the two, and it is not possible to prevent power inflow between the excitation loops 3. On the other hand, when an odd number of three or more excitation loops 3-1, . Coupling between them can be suppressed, and power inflow between the excitation loops 3 can be prevented.

第2実施形態のマイクロ波加熱装置の磁界分布のシミュレーション結果を図8に示す。図8では、空洞共振器1の中心軸近傍のマイクロ波磁界分布+空洞共振器1の励振周波数の変化によるマイクロ波磁界分布の変化を示す。そして、3個の励振ループ3-1、3-2、3-3は、空洞共振器1の内部及び側壁に120度間隔で設置され、隣接するもの同士が位相差120度で励振されるが、n個の励振ループ3-1、・・・、3-n(n≠3)が設置される場合でもほぼ同様となる。 FIG. 8 shows simulation results of the magnetic field distribution of the microwave heating device of the second embodiment. FIG. 8 shows the microwave magnetic field distribution near the central axis of the cavity resonator 1+the change in the microwave magnetic field distribution due to the change in the excitation frequency of the cavity resonator 1. The three excitation loops 3-1, 3-2, and 3-3 are installed inside the cavity resonator 1 and on the side walls at 120 degree intervals, and adjacent loops are excited with a phase difference of 120 degrees. , n excitation loops 3-1, . . . , 3-n (n≠3) are installed.

一般的には、2個の励振ループ3-1、3-2又はn個の励振ループ3-1、・・・、3-nは、所定幅で掃引される周波数で励振される。図8では、励振周波数は、基本的には2.45GHzであるが、掃引周波数幅は、5~10kHzとしている。すると、励振周波数を掃引することにより、マイクロ波磁界が強い方向を回転させることができる。 Generally, two excitation loops 3-1, 3-2 or n excitation loops 3-1, . . . , 3-n are excited at a frequency that is swept over a predetermined width. In FIG. 8, the excitation frequency is basically 2.45 GHz, but the sweep frequency width is 5 to 10 kHz. Then, by sweeping the excitation frequency, it is possible to rotate the direction in which the microwave magnetic field is strong.

第2実施形態のマイクロ波加熱装置の磁界分布のシミュレーション結果を図9にも示す。図9では、空洞共振器1の全体的なマイクロ波磁界分布+空洞共振器1の励振位相の変化によるマイクロ波磁界分布の変化を示す。そして、3個の励振ループ3-1、3-2、3-3は、空洞共振器1の内部及び側壁に120度間隔で設置され、隣接するもの同士が位相差120度で励振されるが、n個の励振ループ3-1、・・・、3-n(n≠3)が設置される場合でもほぼ同様となる。 The simulation results of the magnetic field distribution of the microwave heating device of the second embodiment are also shown in FIG. FIG. 9 shows the overall microwave magnetic field distribution of the cavity resonator 1 + the change in the microwave magnetic field distribution due to the change in the excitation phase of the cavity resonator 1. The three excitation loops 3-1, 3-2, and 3-3 are installed inside the cavity resonator 1 and on the side walls at 120 degree intervals, and adjacent loops are excited with a phase difference of 120 degrees. , n excitation loops 3-1, . . . , 3-n (n≠3) are installed.

一般的には、2個の励振ループ3-1、3-2又はn個の励振ループ3-1、・・・、3-nは、隣接するもの同士が位相差±90度又は±360/n度で切り替えて励振される。図9では、ある期間では、励振ループ3-1の励振位相と比べて、励振ループ3-2の励振位相差は120度であり、励振ループ3-3の励振位相差は240度である。一方で、他の期間では、励振ループ3-1の励振位相と比べて、励振ループ3-2の励振位相差は240度であり、励振ループ3-3の励振位相差は120度である。すると、左旋・右旋を切り替えることにより、マイクロ波磁界が強い方向を切り替えることができる。 Generally, two excitation loops 3-1, 3-2 or n excitation loops 3-1, ..., 3-n have a phase difference of ±90 degrees or ±360/ It is excited by switching at n degrees. In FIG. 9, in a certain period, compared to the excitation phase of the excitation loop 3-1, the excitation phase difference of the excitation loop 3-2 is 120 degrees, and the excitation phase difference of the excitation loop 3-3 is 240 degrees. On the other hand, in other periods, compared to the excitation phase of the excitation loop 3-1, the excitation phase difference of the excitation loop 3-2 is 240 degrees, and the excitation phase difference of the excitation loop 3-3 is 120 degrees. Then, by switching between left rotation and right rotation, the direction in which the microwave magnetic field is strong can be switched.

そして、2個の励振ループ3-1、3-2又はn個の励振ループ3-1、・・・、3-nは、所定幅で掃引される位相で励振されてもよい。すると、励振位相を掃引することによっても、マイクロ波磁界が強い方向を回転させることができる。さらに、2個の励振ループ3-1、3-2又はn個の励振ループ3-1、・・・、3-nは、以上の3種類の動作を組み合わせて励振されてもよい。ただし、励振周波数の掃引が最も容易であり、励振位相の掃引が最も複雑であり、左旋・右旋の切り替えはこれらの中間となる。 The two excitation loops 3-1, 3-2 or the n excitation loops 3-1, . . . , 3-n may be excited with a phase swept in a predetermined width. Then, by sweeping the excitation phase, it is also possible to rotate the direction in which the microwave magnetic field is strong. Further, the two excitation loops 3-1, 3-2 or the n excitation loops 3-1, . . . , 3-n may be excited by combining the above three types of operations. However, sweeping the excitation frequency is the easiest, sweeping the excitation phase is the most complex, and switching between left and right rotation is somewhere in between.

第1、2実施形態のマイクロ波加熱装置の磁界分布のシミュレーション結果を図10に示す。図10では、ループ状のプローブ(50Ω終端)が、収容容器2の直近及び外側に設置され、空洞共振器1の中心軸周りに360度回転され、励起電力を測定する状況をシミュレーションした。ここで、励振振幅軸の単位は、dBA/mであり、空洞共振器1の中心軸周りの方位軸の単位は、deg.(度)である。 FIG. 10 shows simulation results of the magnetic field distribution of the microwave heating devices of the first and second embodiments. In FIG. 10, a situation was simulated in which a loop-shaped probe (50Ω termination) was installed in the immediate vicinity and outside of the container 2, rotated 360 degrees around the central axis of the cavity resonator 1, and measured the excitation power. Here, the unit of the excitation amplitude axis is dBA/m, and the unit of the azimuth axis around the central axis of the cavity resonator 1 is deg. (degree).

すると、1個の励振ループ3が、空洞共振器1の内部及び側壁に設置されるときには、プローブの励起電力は、空洞共振器1の中心軸周りの角度に大きく依存し、励起電力の最大値と最小値との差分は、21dBであった。これは、図5、6の左上欄(1個の励振ループ3)に示したマイクロ波磁界分布と整合する結果であった。 Then, when one excitation loop 3 is installed inside and on the side wall of the cavity resonator 1, the excitation power of the probe largely depends on the angle around the central axis of the cavity resonator 1, and the maximum value of the excitation power The difference between this value and the minimum value was 21 dB. This result was consistent with the microwave magnetic field distribution shown in the upper left column (one excitation loop 3) of FIGS. 5 and 6.

一方で、3個の励振ループ3-1、3-2、3-3が、空洞共振器1の内部及び側壁に120度間隔で設置され、隣接するもの同士が位相差120度で励振されるときには、プローブの励起電力は、空洞共振器1の中心軸周りの角度にほぼ依存せず、励起電力の最大値と最小値との差分は、4dBであった。これは、図5、6の右上欄(3個の励振ループ3-1、3-2、3-3)に示したマイクロ波磁界分布と整合する結果であった。 On the other hand, three excitation loops 3-1, 3-2, and 3-3 are installed inside the cavity resonator 1 and on the side walls at 120 degree intervals, and adjacent loops are excited with a phase difference of 120 degrees. At times, the excitation power of the probe was almost independent of the angle around the central axis of the cavity resonator 1, and the difference between the maximum and minimum values of the excitation power was 4 dB. This result was consistent with the microwave magnetic field distribution shown in the upper right column of FIGS. 5 and 6 (three excitation loops 3-1, 3-2, and 3-3).

図10に示していないが、3個の励振ループ3-1、3-2、3-3が、所定幅で掃引される周波数で励振されるときには、マイクロ波磁界が強い方向が回転した。 Although not shown in FIG. 10, when the three excitation loops 3-1, 3-2, and 3-3 were excited at a frequency swept over a predetermined width, the direction in which the microwave magnetic field was strong rotated.

図8~10では、空洞共振器1がマイクロ波磁界を中心軸上に集中するときに、マイクロ波磁界が均一に分布することを示している。その一方で、空洞共振器1がマイクロ波電界を中心軸上に集中するときに、マイクロ波電界が均一に分布することが考えられる。 8 to 10 show that when the cavity resonator 1 concentrates the microwave magnetic field on the central axis, the microwave magnetic field is uniformly distributed. On the other hand, when the cavity resonator 1 concentrates the microwave electric field on the central axis, it is possible that the microwave electric field is uniformly distributed.

本開示のマイクロ波加熱装置は、水素等を発生させるために、マイクロ波を用いて触媒等を加熱するにあたり、触媒等をホットスポットなしで均一に加熱することができる。 The microwave heating device of the present disclosure can uniformly heat the catalyst and the like without hot spots when heating the catalyst and the like using microwaves to generate hydrogen and the like.

M:マイクロ波加熱装置
1:空洞共振器
2:収容容器
3、3-1、3-2、3-3、3-4、3-5、3-6:励振ループ
M: Microwave heating device 1: Cavity resonator 2: Container container 3, 3-1, 3-2, 3-3, 3-4, 3-5, 3-6: Excitation loop

Claims (3)

マイクロ波磁界又はマイクロ波電界を中心軸上に集中する空洞共振器と、
マイクロ波加熱対象を前記空洞共振器の前記中心軸上に収容する収容容器と、
前記空洞共振器の内部及び側壁に90度間隔で設置され、隣接するもの同士が位相差90度で励振される2個の励振器、又は、前記空洞共振器の内部及び側壁に360/n度間隔で設置され、隣接するもの同士が位相差360/n度で励振されるn個の励振器(nは3以上)と、
を備え、マイクロ波磁界分布又はマイクロ波電界分布は、時間変化につれて前記空洞共振器の前記中心軸まわりに回転することを特徴とするマイクロ波加熱装置。
a cavity resonator that concentrates a microwave magnetic field or a microwave electric field on a central axis;
a container that accommodates a microwave-heated object on the central axis of the cavity resonator;
Two exciters installed at 90 degree intervals inside and on the side walls of the cavity resonator and excited with a phase difference of 90 degrees between adjacent exciters, or 360/n degrees inside and on the side walls of the cavity resonator. n exciters (n is 3 or more) installed at intervals and excited with a phase difference of 360/n degrees between adjacent ones;
A microwave heating device comprising: a microwave magnetic field distribution or a microwave electric field distribution rotating around the central axis of the cavity resonator as time changes.
前記n個の励振器は、3個以上の奇数個の励振器である
ことを特徴とする、請求項1に記載のマイクロ波加熱装置。
The microwave heating device according to claim 1, wherein the n exciters are an odd number of exciters of three or more.
前記2個の励振器又は前記n個の励振器は、所定幅で掃引される周波数で励振され、隣接するもの同士が位相差±90度若しくは±360/n度で切り替えて励振され、所定幅で掃引される位相で励振され、又は、以上の動作を組み合わせて励振される
ことを特徴とする、請求項1又は2に記載のマイクロ波加熱装置。
The two exciters or the n exciters are excited with a frequency that is swept over a predetermined width, and adjacent ones are excited while being switched with a phase difference of ±90 degrees or ±360/n degrees, The microwave heating device according to claim 1 or 2, characterized in that the microwave heating device is excited with a phase swept by , or is excited with a combination of the above operations.
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