JP2024005086A - マイクロ波加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】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、空洞共振器の磁界方向に対する励振ループの傾斜角度によらず、マイクロ波加熱装置の共振周波数を維持するとともに、マイクロ波加熱装置の入力インピーダンスとマイクロ波発生器の出力インピーダンスとの整合を確実に維持することを目的とする。
【解決手段】本開示は、空洞共振器１の内部及び側壁に設置され、空洞共振器１を励振するとともに、自装置Ｍの入力インピーダンスがマイクロ波発生器の出力インピーダンスと整合するように、空洞共振器１の磁界方向に対する傾斜角度を設定される励振ループ３と、空洞共振器１の内部及び側壁に設置され、給電されることなく、空洞共振器１の磁界方向に対する励振ループ３の傾斜角度によらず、自装置Ｍの共振周波数が所望共振周波数を維持するように、空洞共振器１の磁界方向に対する傾斜角度を設定される無給電ループ４と、を備える。
【選択図】図３

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。

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。

特開２０２１－０７２２２１号公報

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。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、空洞共振器１の高次モード（ＴＭ１１モード等）を励振するループ配線である。

そして、励振ループ３は、マイクロ波加熱装置Ｍの入力インピーダンスがマイクロ波発生器（不図示）の出力インピーダンスと整合するように、空洞共振器１の磁界方向に対する傾斜角度θ_ｅ（ループ面が磁界方向と垂直／平行であれば、傾斜角度θ_ｅは０度／９０度である。）を設定される。つまり、空洞共振器１の磁界方向に対する励振ループ３の傾斜角度θ_ｅ（不図示のサーボモータで駆動され可変である。）及び励振ループ３のループ直径（固定である。）が、適切に設定されることにより、励振ループ３での空間インピーダンス（＝励振ループ３での電界強度／励振ループ３での磁界強度）は、マイクロ波発生器の出力インピーダンスと実効的に等しくなる。よって、マイクロ波発生器とマイクロ波加熱装置Ｍとの間に、インピーダンス整合器を不要としたうえで、マイクロ波加熱装置Ｍの電力効率を高くするとともに、マイクロ波加熱装置Ｍの装置寸法を小さくする。

従来技術のマイクロ波加熱装置の共振周波数を図２に示す。図２では、マイクロ波加熱対象の加熱状態によらず、マイクロ波加熱装置Ｍの入力インピーダンスがマイクロ波発生器の出力インピーダンスと整合するように、空洞共振器１の磁界方向に対する励振ループ３の傾斜角度θ_ｅは、０度と９０度との間の４５度を初期値として可変に調整される。

すると、空洞共振器１の磁界方向に対する励振ループ３の傾斜角度θ_ｅが、０度／９０度へ近づくほど、マイクロ波加熱装置Ｍの共振周波数が、所望共振周波数（図２では、２．４５ＧＨｚ）と比べて低く／高くなる。つまり、空洞共振器１の磁界方向に対する励振ループ３の傾斜角度θ_ｅが、０度／９０度へ近づくほど、励振ループ３と磁界との結合が、大きく／小さくなり、空洞共振器１の実効体積が、大きく／小さくなる。そして、マイクロ波加熱装置Ｍの共振周波数が、所望共振周波数と比べてずれると、マイクロ波加熱装置Ｍの入力インピーダンスが、マイクロ波発生器の出力インピーダンスと整合しない。

図１、２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、空洞共振器１の磁界方向に対する励振ループ３の傾斜角度θ_ｅに応じて、マイクロ波加熱装置Ｍの共振周波数が変化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、空洞共振器１の磁界方向に対する励振ループ３の傾斜角度θ_ｅに応じて、マイクロ波加熱装置Ｍの共振周波数が変化することが考えられる。

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、空洞共振器の磁界方向に対する励振ループの傾斜角度によらず、マイクロ波加熱装置の共振周波数を維持するとともに、マイクロ波加熱装置の入力インピーダンスとマイクロ波発生器の出力インピーダンスとの整合を確実に維持することを目的とする。

前記課題を解決するために、空洞共振器の磁界方向に対する励振ループの傾斜角度に応じて、マイクロ波加熱装置の共振周波数が変化するが、それを打ち消すように、空洞共振器の磁界方向に対する別のループの傾斜角度に応じて、マイクロ波加熱装置の共振周波数を逆変化させる。そして、空洞共振器の磁界方向に対する別のループの傾斜角度によらず、マイクロ波加熱装置の入力インピーダンスとマイクロ波発生器の出力インピーダンスとの整合が維持されるように、別のループを励振ループではなく無給電ループとする。

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設置され、前記空洞共振器を励振するとともに、自装置の入力インピーダンスがマイクロ波発生器の出力インピーダンスと整合するように、前記空洞共振器の磁界方向に対する傾斜角度を設定される励振ループと、前記空洞共振器の内部及び側壁に設置され、給電されることなく、前記空洞共振器の磁界方向に対する前記励振ループの傾斜角度によらず、自装置の共振周波数が所望共振周波数を維持するように、前記空洞共振器の磁界方向に対する傾斜角度を設定される無給電ループと、を備えることを特徴とするマイクロ波加熱装置である。

この構成によれば、空洞共振器の磁界方向に対する励振ループの傾斜角度によらず、マイクロ波加熱装置の共振周波数を維持することができる。そして、マイクロ波加熱装置の共振周波数を維持したうえで、マイクロ波加熱装置の入力インピーダンスとマイクロ波発生器の出力インピーダンスとの整合を確実に維持することができる。

また、本開示は、前記励振ループは、前記マイクロ波加熱対象の加熱状態によらず、自装置の入力インピーダンスが前記マイクロ波発生器の出力インピーダンスと整合するように、前記空洞共振器の磁界方向に対する傾斜角度を可変に調整され、前記無給電ループは、前記マイクロ波加熱対象の加熱状態及び前記空洞共振器の磁界方向に対する前記励振ループの傾斜角度によらず、自装置の共振周波数が前記所望共振周波数を維持するように、前記空洞共振器の磁界方向に対する傾斜角度を可変に調整されることを特徴とするマイクロ波加熱装置である。

この構成によれば、マイクロ波加熱対象の加熱状態（加熱対象の物理量及び加熱温度・時間）によらず、マイクロ波加熱装置の共振周波数を維持することができる。そして、マイクロ波加熱装置の共振周波数を維持したうえで、マイクロ波加熱装置の入力インピーダンスとマイクロ波発生器の出力インピーダンスとの整合を確実に維持することができる。

また、本開示は、前記励振ループ及び前記無給電ループは、互いに直交するループ面を有し、同一のループ形状及びループ面積を有し、前記空洞共振器の磁界方向に対する傾斜角度を一体で駆動され、前記無給電ループが給電されないように両者のループを絶縁されていることを特徴とするマイクロ波加熱装置である。

この構成によれば、励振ループ及び無給電ループを互いに直交・絶縁させることにより、無給電ループが励振ループにより電流誘起されない。そして、励振ループ及び無給電ループを同一形状・面積とすることにより、空洞共振器の磁界方向に対する励振・無給電ループの傾斜角度に応じた、マイクロ波加熱装置の共振周波数の変化が確実に打ち消し合う。さらに、励振ループ及び無給電ループを１個のサーボモータ等により一体駆動できる。

前記課題と別の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、複数の一体ループ（励振ループ及び無給電ループ）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、複数の一体ループ（一体ループのうちの励振ループ）を同位相で励振せず所定の位相差で励振する。

また、本開示は、２組の前記励振ループ及び前記無給電ループは、前記空洞共振器の内部及び側壁に９０度間隔で設置され、隣接する前記励振ループ同士が位相差９０度で励振され、又は、ｎ組の前記励振ループ及び前記無給電ループ（ｎは３以上）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、隣接する前記励振ループ同士が位相差３６０／ｎ度で励振され、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。

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。

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、空洞共振器の磁界方向に対する励振ループの傾斜角度によらず、マイクロ波加熱装置の共振周波数を維持するとともに、マイクロ波加熱装置の入力インピーダンスとマイクロ波発生器の出力インピーダンスとの整合を確実に維持することができる。

従来技術のマイクロ波加熱装置の構成を示す図である。 従来技術のマイクロ波加熱装置の共振周波数を示す図である。 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。 第１実施形態のマイクロ波加熱装置の共振周波数を示す図である。 第１実施形態のマイクロ波加熱装置の共振周波数を示す図である。 第２実施形態のマイクロ波加熱装置の構成を示す図である。 第２実施形態のマイクロ波加熱装置の磁界結合を示す図である。 第２実施形態のマイクロ波加熱装置の共振周波数を示す図である。 第３実施形態のマイクロ波加熱装置の構成を示す図である。 第３実施形態のマイクロ波加熱装置の共振周波数を示す図である。

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。

（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３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、励振ループ３及び無給電ループ４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。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、空洞共振器１の高次モード（ＴＭ１１モード等）を励振する。無給電ループ４は、空洞共振器１の内部及び側壁に設置され、給電されることがない。

ここで、励振ループ３は、マイクロ波加熱装置Ｍの入力インピーダンスがマイクロ波発生器（不図示）の出力インピーダンスと整合するように、空洞共振器１の磁界方向に対する傾斜角度θ_ｅ（ループ面が磁界方向と垂直／平行であれば、傾斜角度θ_ｅは０度／９０度である。）を設定される。一方で、無給電ループ４は、空洞共振器１の磁界方向に対する励振ループ３の傾斜角度θ_ｅによらず、マイクロ波加熱装置Ｍの共振周波数が所望共振周波数を維持するように、空洞共振器１の磁界方向に対する傾斜角度θ_ｐ（ループ面が磁界方向と垂直／平行であれば、傾斜角度θ_ｐは０度／－９０度である。）を設定される。

そして、励振ループ３及び無給電ループ４は、空洞共振器１の中心軸を介して対向し、同一のループ形状及びループ面積を有し、空洞共振器１の磁界方向に対する傾斜角度θ_ｅ、θ_ｐを独立に駆動され、無給電ループ４が給電されないように絶縁されている。

第１実施形態のマイクロ波加熱装置の共振周波数を図４に示す。図４では、マイクロ波加熱対象の加熱状態によらず、マイクロ波加熱装置Ｍの入力インピーダンスがマイクロ波発生器の出力インピーダンスと整合するように、空洞共振器１の磁界方向に対する励振ループ３の傾斜角度θ_ｅは、０度と９０度との間の４５度を初期値として可変に調整される。そして、マイクロ波加熱対象の加熱状態によらず、さらに、空洞共振器１の磁界方向に対する励振ループ３の傾斜角度θ_ｅによらず、マイクロ波加熱装置Ｍの共振周波数が所望共振周波数を維持するように、空洞共振器１の磁界方向に対する無給電ループ４の傾斜角度θ_ｐは、０度と－９０度との間の－４５度を初期値として可変に調整される。

すると、空洞共振器１の磁界方向に対する無給電ループ４の傾斜角度θ_ｐが、－４５度に固定され、空洞共振器１の磁界方向に対する励振ループ３の傾斜角度θ_ｅが、０度／９０度へ近づくほど、マイクロ波加熱装置Ｍの共振周波数が、所望共振周波数（図４では、２．４５ＧＨｚ）と比べて低く／高くなる。つまり、空洞共振器１の磁界方向に対する励振ループ３の傾斜角度θ_ｅが、０度／９０度へ近づくほど、励振ループ３と磁界との結合が、大きく／小さくなり、空洞共振器１の実効体積が、大きく／小さくなる。

一方で、空洞共振器１の磁界方向に対する励振ループ３の傾斜角度θ_ｅが、４５度に固定され、空洞共振器１の磁界方向に対する無給電ループ４の傾斜角度θ_ｐが、０度／－９０度へ近づくほど、マイクロ波加熱装置Ｍの共振周波数が、所望共振周波数（図４では、２．４５ＧＨｚ）と比べて低く／高くなる。つまり、空洞共振器１の磁界方向に対する無給電ループ４の傾斜角度θ_ｐが、０度／－９０度へ近づくほど、無給電ループ４と磁界との結合が、大きく／小さくなり、空洞共振器１の実効体積が、大きく／小さくなる。

そこで、空洞共振器１の磁界方向に対する励振ループ３の傾斜角度θ_ｅに応じて、マイクロ波加熱装置Ｍの共振周波数が変化するが、それを打ち消すように、空洞共振器１の磁界方向に対する無給電ループ４の傾斜角度θ_ｐに応じて、マイクロ波加熱装置Ｍの共振周波数を逆変化させる。つまり、空洞共振器１の磁界方向に対する励振ループ３の傾斜角度θ_ｅが、０度／９０度へ近づくとともに、空洞共振器１の磁界方向に対する無給電ループ４の傾斜角度θ_ｐが、－９０度／０度へ近づくときには、マイクロ波加熱装置Ｍの共振周波数が、所望共振周波数（図４では、２．４５ＧＨｚ）を維持する。

そして、マイクロ波加熱装置Ｍの共振周波数が、所望共振周波数と比べてずれず、マイクロ波加熱装置Ｍの入力インピーダンスが、マイクロ波発生器の出力インピーダンスと整合する。さらに、空洞共振器１の磁界方向に対する無給電ループ４の傾斜角度θ_ｐによらず、マイクロ波加熱装置Ｍの入力インピーダンスとマイクロ波発生器の出力インピーダンスとの整合が維持されるように、無給電ループ４を給電されないようにする。

第１実施形態のマイクロ波加熱装置の共振周波数を図５にも示す。図４では、空洞共振器１の磁界方向に対する励振ループ３の傾斜角度θ_ｅと、空洞共振器１の磁界方向に対する無給電ループ４の傾斜角度θ_ｐと、のうち、一方が固定され他方が駆動される。図５では、空洞共振器１の磁界方向に対する励振ループ３の傾斜角度θ_ｅと、空洞共振器１の磁界方向に対する無給電ループ４の傾斜角度θ_ｐと、のうち、両方が独立に駆動される。

図５の上段では、空洞共振器１の磁界方向に対する励振ループ３の傾斜角度θ_ｅ＝４０度、４５度、５０度、５５度、６０度と、空洞共振器１の磁界方向に対する無給電ループ４の傾斜角度θ_ｐ＝７０度、７５度、８０度、８５度と、の組み合わせにおいて、マイクロ波加熱装置Ｍの共振周波数をシミュレーションにより算出している。図５の下段では、空洞共振器１の磁界方向に対する励振ループ３の他の傾斜角度θ_ｅと、空洞共振器１の磁界方向に対する無給電ループ４の他の傾斜角度θ_ｐと、の組み合わせにおいて、マイクロ波加熱装置Ｍの共振周波数を図５の上段の直線補間により算出している。

すると、（空洞共振器１の磁界方向に対する励振ループ３の傾斜角度θ_ｅ、空洞共振器１の磁界方向に対する無給電ループ４の傾斜角度θ_ｐ）＝（５６度、７０度）、（５０度、８５度）を結ぶ、傾斜角度の２次元空間内の直線上において、マイクロ波加熱装置Ｍの共振周波数が、所望共振周波数（図５では、２．４５ＧＨｚ）を維持している。

このように、空洞共振器１の磁界方向に対する励振ループ３の傾斜角度θ_ｅによらず、そして、マイクロ波加熱対象の加熱状態（加熱対象の物理量及び加熱温度・時間）によらず、マイクロ波加熱装置Ｍの共振周波数を維持することができる。そして、マイクロ波加熱装置Ｍの共振周波数を維持したうえで、マイクロ波加熱装置Ｍの入力インピーダンスとマイクロ波発生器の出力インピーダンスとの整合を確実に維持することができる。

ここで、励振ループ３及び無給電ループ４を互いに対向（空洞共振器１の中心軸を介して対向）・絶縁させることにより、無給電ループ４が励振ループ３により電流誘起されない。そして、励振ループ３及び無給電ループ４を同一形状・面積とすることにより、空洞共振器１の磁界方向に対する励振ループ３及び無給電ループ４の傾斜角度θ_ｅ、θ_ｐに応じた、マイクロ波加熱装置Ｍの共振周波数の変化が確実に打ち消し合う。

図３～５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、空洞共振器１の磁界方向に対する励振ループ３の傾斜角度θ_ｅによらず、マイクロ波加熱装置Ｍの共振周波数が維持され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、空洞共振器１の磁界方向に対する励振ループ３の傾斜角度θ_ｅによらず、マイクロ波加熱装置Ｍの共振周波数が維持されることが考えられる。

（第２実施形態のマイクロ波加熱装置）
第２実施形態のマイクロ波加熱装置の構成を図６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及び一体ループ５（励振ループ３及び無給電ループ４）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。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、空洞共振器１の高次モード（ＴＭ１１モード等）を励振する。無給電ループ４は、空洞共振器１の内部及び側壁に設置され、給電されることがない。

ここで、励振ループ３及び無給電ループ４は、互いに直交するループ面を有し、同一のループ形状及びループ面積を有し、空洞共振器１の磁界方向に対する傾斜角度θ_ｅ、θ_ｐを一体で駆動され、無給電ループ４が給電されないように絶縁されている。第１の絶縁方法として、励振ループ３及び無給電ループ４は、同一のループ形状を有しながら、互いにずれたループ中心を有する。第２の絶縁方法として、励振ループ３及び無給電ループ４は、同一のループ中心を有しながら、一方が他方を回避する形状を有している。

第２実施形態のマイクロ波加熱装置の磁界結合を図７に示す。（空洞共振器１の磁界方向に対する励振ループ３の傾斜角度θ_ｅ、空洞共振器１の磁界方向に対する無給電ループ４の傾斜角度θ_ｐ）＝（０度、９０度）、（３０度、１２０度）、（４５度、１３５度）と移るにつれて、励振ループ３と磁界との結合が小さくなり、無給電ループ４と磁界との結合が大きくなり、一体ループ５と磁界との結合が一定となり、空洞共振器１の実効体積が一定となり、マイクロ波加熱装置Ｍの共振周波数が、所望共振周波数を維持する。

第２実施形態のマイクロ波加熱装置の共振周波数を図８に示す。図８では、空洞共振器１の磁界方向に対する一体ループ５の傾斜角度が駆動されるため、空洞共振器１の磁界方向に対する励振ループ３の傾斜角度θ_ｅと、空洞共振器１の磁界方向に対する無給電ループ４の傾斜角度θ_ｐと、のうち、両方が直交を保持しながら一体で駆動される。

ここで、空洞共振器１の磁界方向に対する励振ループ３の傾斜角度θ_ｅは、マイクロ波加熱対象の加熱状態によらず、マイクロ波加熱装置Ｍの入力インピーダンスがマイクロ波発生器の出力インピーダンス（例えば、５０Ω）と整合するように、可変に調整される。そして、空洞共振器１の磁界方向に対する無給電ループ４の傾斜角度θ_ｐは、マイクロ波加熱対象の加熱状態によらず、そして、空洞共振器１の磁界方向に対する励振ループ３の傾斜角度θ_ｅによらず、マイクロ波加熱装置Ｍの共振周波数が所望共振周波数（図８では、２．４５ＧＨｚ）を維持する（図８では、２．４５ＧＨｚ±０．２ＭＨｚ）ように、可変に調整される（励振ループ３と無給電ループ４とは、一体ループ５により一体駆動）。

このように、励振ループ３及び無給電ループ４を互いに直交・絶縁（図６の右欄に示した方法により両立）させることにより、無給電ループ４が励振ループ３により電流誘起されない。そして、励振ループ３及び無給電ループ４を同一形状・面積とすることにより、空洞共振器１の磁界方向に対する励振ループ３及び無給電ループ４の傾斜角度θ_ｅ、θ_ｐに応じた、マイクロ波加熱装置Ｍの共振周波数の変化が確実に打ち消し合う。さらに、励振ループ３及び無給電ループ４を１個のサーボモータ等により一体駆動できる。

（第３実施形態のマイクロ波加熱装置）
第３実施形態のマイクロ波加熱装置の構成を図９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及び複数の一体ループ５（図９では、３個の一体ループ５－１、５－２、５－３）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。複数の一体ループ５（励振ループ３及び無給電ループ４）は、空洞共振器１の内部及び側壁に、第１、２実施形態と異なり、所定の間隔で設置される。

つまり、マイクロ波加熱対象を均一に加熱するために、複数の一体ループ５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。

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、１個の励振ループ３の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、円偏波を有する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。

例えば、２個の一体ループ５－１、５－２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。或いは、ｎ個の一体ループ５－１、・・・、５－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。

すると、２個の一体ループ５－１、５－２が設置される場合では、１個の一体ループ５が設置される場合と比べて、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。そして、ｎ個の一体ループ５－１、・・・、５－ｎ（ｎ≧３）が設置される場合では、２個の一体ループ５－１、５－２が設置される場合と比べて、空洞共振器１の中心軸近傍でマイクロ波磁界がさらに均一に分布する（ｎによらず、ほぼ同様な磁界分布）。

さらに、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、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、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。

このように、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、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。第３実施形態では、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、マイクロ波磁界を均一に分布させる。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、マイクロ波電界を均一に分布できる。

第３実施形態のマイクロ波加熱装置の共振周波数を図１０に示す。「無給電ループなし」の場合は、３個の励振ループ３のみが設置される場合である。「無給電ループあり」の場合は、３個の一体ループ５（励振ループ３及び無給電ループ４）が設置される場合である。

すると、「無給電ループなし」の場合では、空洞共振器１の磁界方向に対する励振ループ３の傾斜角度θ_ｅが、０度／９０度へ近づくほど、マイクロ波加熱装置Ｍの共振周波数が、所望共振周波数（図１０では、２．４５ＧＨｚ）と比べて低く／高くなる。

一方で、「無給電ループあり」の場合では、空洞共振器１の磁界方向に対する励振ループ３の傾斜角度θ_ｅが、０度～９０度で変化しても、マイクロ波加熱装置Ｍの共振周波数が、所望共振周波数（図１０では、ほぼ２．４５ＧＨｚ）を維持する。

このように、複数の一体ループ５が設置される場合（図９を参照）において、１個の一体ループ５が設置される場合（図６を参照）と同様に、空洞共振器１の磁界方向に対する励振ループ３の傾斜角度θ_ｅによらず、マイクロ波加熱装置Ｍの共振周波数を維持するとともに、マイクロ波加熱装置Ｍのインピーダンス整合を確実に維持することができる。

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、空洞共振器の磁界方向に対する励振ループの傾斜角度によらず、マイクロ波加熱装置の共振周波数をインピーダンス整合とともに維持することができる。

Ｍ：マイクロ波加熱装置
１：空洞共振器
２：収容容器
３：励振ループ
４：無給電ループ
５、５－１、５－２、５－３：一体ループ

Claims (4)

1. 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設置され、前記空洞共振器を励振するとともに、自装置の入力インピーダンスがマイクロ波発生器の出力インピーダンスと整合するように、前記空洞共振器の磁界方向に対する傾斜角度を設定される励振ループと、
   前記空洞共振器の内部及び側壁に設置され、給電されることなく、前記空洞共振器の磁界方向に対する前記励振ループの傾斜角度によらず、自装置の共振周波数が所望共振周波数を維持するように、前記空洞共振器の磁界方向に対する傾斜角度を設定される無給電ループと、
   を備えることを特徴とするマイクロ波加熱装置。
2. 前記励振ループは、前記マイクロ波加熱対象の加熱状態によらず、自装置の入力インピーダンスが前記マイクロ波発生器の出力インピーダンスと整合するように、前記空洞共振器の磁界方向に対する傾斜角度を可変に調整され、
   前記無給電ループは、前記マイクロ波加熱対象の加熱状態及び前記空洞共振器の磁界方向に対する前記励振ループの傾斜角度によらず、自装置の共振周波数が前記所望共振周波数を維持するように、前記空洞共振器の磁界方向に対する傾斜角度を可変に調整される
   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。
3. 前記励振ループ及び前記無給電ループは、互いに直交するループ面を有し、同一のループ形状及びループ面積を有し、前記空洞共振器の磁界方向に対する傾斜角度を一体で駆動され、前記無給電ループが給電されないように両者のループを絶縁されている
   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。
4. ２組の前記励振ループ及び前記無給電ループは、前記空洞共振器の内部及び側壁に９０度間隔で設置され、隣接する前記励振ループ同士が位相差９０度で励振され、又は、ｎ組の前記励振ループ及び前記無給電ループ（ｎは３以上）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、隣接する前記励振ループ同士が位相差３６０／ｎ度で励振され、
   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、請求項３に記載のマイクロ波加熱装置。

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