JP4034321B2 - Microwave heating device - Google Patents
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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。 The present invention relates to a microwave heating apparatus, and more particularly, to a microwave heating apparatus that heats an object to be heated using microwaves, and in particular, to heat an object to be heated made of a thin-line metal. The present invention relates to a microwave heating apparatus suitable for use.
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。 Conventionally, induction heating is widely known as a method of heating a metal using high frequency.
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。 Here, FIG. 1 shows an explanatory diagram of the operation principle of induction heating. The operation principle of induction heating will be described below with reference to FIG.
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)IEが流れることになる。そして、この渦電流IE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。
That is, when the
δ=503√(ρ/μrF) (m)・・・ 式(1)
ここで、μr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。
δ = 503√ (ρ / μ r F) (m) (1)
Here, mu r is the relative permeability, [rho is the resistivity (Ω · m), F is the frequency (Hz).
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。 The principle of induction heating is based on the fact that eddy currents concentrated at the site of penetration depth δ cause resistance loss due to the resistivity specific to the heated object, which is called eddy current loss.
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。 Therefore, in induction heating, the frequency of the high-frequency current flowing through the coil and the high-frequency applied power are selected according to the material constant of the heated body, the dimensions of the heated body, the purpose of heating the heated body, or the heating temperature of the heated body. is doing. Note that the frequency of the high-frequency current flowing through the coil in induction heating is generally selected from 10 KHz to 200 KHz.
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。
As described above, induction heating uses magnetic flux generated by passing a high-frequency current through the coil, but not all magnetic flux generated in the coil passes through the object to be heated. Actually, since there is a gap between the coil and the object to be heated, part of the magnetic flux leaks, causing a reduction in heating efficiency.
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=I2 2×R2
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=I1 2×Rl
であって、加熱効率を向上するためにはコイルの抵抗Rlを低減しなければならないことがわかる。
Here, FIG. 2 shows an equivalent circuit of induction heating. The power consumed by the heated body is the power consumed by the heated body = I 2 2 × R 2
, And the other hand, the power power coil consumes consumes coil = I 1 2 × R l
A is, in order to improve the heating efficiency is seen that must reduce the resistance R l of the coil.
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。
By the way, when the shape of the object to be heated is a linear elongated shape having a small diameter like a needle, in order not to reduce the heating efficiency, the coil wire diameter and diameter are reduced to reduce the magnetic flux. Leakage must be prevented.
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R1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。 However, when the coil small, so that the resistance R 1 of the coil described in the above is increased, the eventually heating efficiency has been a possible thereby lowering.
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。 For these reasons, the following three problems have been pointed out regarding conventional induction heating.
(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。 (1) When the object to be heated is very small with respect to the wire diameter and diameter of the coil, the leakage of magnetic flux increases and the heating efficiency decreases.
(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。 (2) When the wire diameter and diameter of the coil are reduced, the resistance of the coil is increased and the heating efficiency is lowered.
(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。 (3) If the object to be heated is small with respect to the penetration depth of the eddy current, the eddy current is limited, so the heating efficiency is lowered. For example, in the case of α-iron, which is a typical metal used for induction heating, a wire with a diameter of 0.6 mm is the limit of miniaturization of the object to be heated at a frequency of 100 KHz due to the influence of eddy current penetration depth. It is.
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。
Note that the prior art that the applicant of the present application knows at the time of filing a patent application is not an invention related to a known literature invention, so there is no prior art document information to be described.
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。 The present invention has been made in view of the various problems of the prior art as described above, and the object of the present invention is, for example, a thin small diameter having a diameter of 0.6 mm or less. An object of the present invention is to provide a microwave heating apparatus capable of efficiently heating a linear object to be heated.
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。 In order to achieve the above object, the present invention heats a heated object by using Joule heat caused by resistance loss of the heated object by flowing a microwave conductive flow to the heated object. In this case, a microwave dielectric resonator is used, and the dielectric resonance mode is set to TM010 mode or TM01δ mode.
即ち、本発明のうち請求項1に記載の発明は、特定の共振モードで共振するマイクロ波誘電体共振器を用いたマイクロ波加熱装置であって、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モードの電磁界成分を生成するTM010モード電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。
That is, the invention described in
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モード電磁界生成手段は、ループアンテナであるようにしたものである。
The invention of claim 2 is the invention according to
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。
The invention according to claim 3 of the present invention is the microwave generation means for inputting a microwave to the input means in the invention according to
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。
Moreover, invention of Claim 4 among this invention WHEREIN: In invention of any one of
また、本発明のうち請求項5に記載の発明は、特定の共振モードで共振するマイクロ波誘電体共振器を用いたマイクロ波加熱装置であって、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モードの電磁界成分を生成するTM01δモード電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。 The invention according to claim 5 of the present invention is a microwave heating apparatus using a microwave dielectric resonator that resonates in a specific resonance mode . A cylindrical metal cover extending in the axial direction having one through hole and a second through hole formed in the axial center portion of the lower surface portion; and the first through hole disposed in the metal cover And a dielectric cavity formed with a third through hole communicating with the second through hole, the dielectric cavity having the first through hole, the second through hole, and the third through hole. Each having a support member that is supported in a hollow state in the metal cover so as to communicate with each other, and is disposed in the microwave dielectric resonator that is excited in a TM01δ mode resonance mode, and the microwave dielectric resonator. Input the set microwave Comprising input means, and a TM01δ mode electromagnetic field generating means for generating a electromagnetic field components supplied by TM01δ mode microwave input to the input means while being disposed in the microwave dielectric resonator, An object to be heated is disposed in the second through hole to heat the object to be heated.
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モード電磁界生成手段は、ループアンテナであるようにしたものである。 The invention of claim 6 is the invention according to a fifth aspect of the present invention, the input means is a coaxial connector, the TM01δ mode electromagnetic field generating means, a loop antenna It is what you have.
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。 The invention according to claim 7 of the present invention is the microwave generation means for inputting a microwave to the input means in the invention according to any one of claims 5 or 6 of the present invention. And the microwave generation means includes frequency control means for always causing the oscillation frequency to follow the resonance frequency when the resonance frequency of the microwave dielectric resonator fluctuates.
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。 The invention according to claim 8 of the present invention is the invention according to any one of claims 5, 6 or 7 of the present invention, wherein the object to be heated is a metal wire or a needle-shaped metal piece. It is intended to be.
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。 Since the present invention is configured as described above, for example, a thin linear object to be heated having a small diameter such as 0.6 mm or less can be efficiently heated. Excellent effect.
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。 Hereinafter, an example of an embodiment of a microwave heating device according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
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。 In the following description, the same or corresponding components are denoted by the same reference numerals, and the detailed configuration and operation thereof are omitted as appropriate.
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。
First, in order to facilitate understanding of the microwave heating apparatus according to the present invention, a microwave dielectric resonator will be described.
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。 This microwave dielectric resonator is generally used by being incorporated in a communication device for the purpose of suppressing propagation of unwanted waves, and is classified by its resonance mode. In the microwave heating apparatus according to the present invention, the TM010 mode and the TM01δ mode are used as the resonance modes in order to realize the microwave heating.
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。 Here, FIG. 3 and FIGS. 4A and 4B are explanatory diagrams of the configuration of a TM010 mode microwave dielectric resonator generally used for communication. FIG. 3 is a perspective view. FIG. 4A is a configuration explanatory view, FIG. 4A is a configuration explanatory view taken along arrow A in FIG. 3, and FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line BB in FIG.
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。
The
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M1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E1はTM010モードで共振させたときの電界成分を示している。 Further, in FIG. 3 and FIG. 4 (a) (b), reference numeral M 1 shown by the one-dot chain line shows the magnetic field component when is resonated in TM010 mode, also code E 1 indicated by the two-dot chain line in TM010 mode The electric field component when resonating is shown.
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。
Next, FIG. 5 and FIGS. 6 (a) and 6 (b) are diagrams illustrating the configuration of a TM010 mode microwave dielectric resonator used in the microwave heating apparatus according to the present invention. FIG. FIG. 6A is a configuration explanatory view, FIG. 6A is a configuration explanatory view taken along arrow C in FIG. 5, and FIG. 6B is a cross-sectional view taken along line DD in FIG.
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。
The
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E1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。
The central portion of the TM010
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。
Here, FIG. 7 shows an example of an embodiment of the microwave heating apparatus according to the present invention using the TM010 mode
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M2(図7において一点鎖線で示す。)を生成するTM010モード電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。
This
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M2(図7において一点鎖線で示す。)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M1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。
In the
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E2しか存在しないことになる。
As described above, when the
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。
According to such a
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。
Next, FIGS. 8 and 9 (a) and 9 (b) are diagrams illustrating the principle configuration of a microwave dielectric resonator of TM01δ mode that is generally used for communication. FIG. 9A is an explanatory diagram illustrating a perspective principle configuration, FIG. 9A is a configuration explanatory diagram viewed from an arrow E in FIG. 8, and FIG. 9B is a cross-sectional view taken along line FF in FIG.
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。
The
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M3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E3はTM01δモードで共振させたときの電界成分を示している。 Further, in FIG. 8 and FIG. 9 (a) (b), reference numeral M 3 indicated by a dashed line shows the magnetic field component when is resonated in TM01δ mode, also code E 3 indicated by the two-dot chain line in TM01δ mode The electric field component when resonating is shown.
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。
Next, FIG. 10 and FIGS. 11 (a) and 11 (b) are diagrams for explaining the principle configuration of the TM01δ mode microwave dielectric resonator used in the microwave heating apparatus according to the present invention. FIG. 11A is a diagram illustrating a front perspective principle configuration, FIG. 11A is a diagram illustrating a configuration viewed from an arrow G in FIG. 10, and FIG. 11B is a cross-sectional view taken along line HH in FIG.
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。
This
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E3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。
The central portion of the
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。
Next, FIGS. 12 and 13 (a) and 13 (b) show more detailed configuration explanatory diagrams of the TM01δ mode microwave dielectric resonator used in the microwave heating apparatus according to the present invention. 12 is a front perspective configuration explanatory view, FIG. 13A is a configuration explanatory view taken along arrow I in FIG. 12, and FIG. 13B is a cross-sectional view taken along line JJ in FIG.
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。
The
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。
In the
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。
Here, the material is selected so that the relative dielectric constant of the first dielectric
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。
Here, FIG. 14 shows an example of an embodiment of the microwave heating apparatus according to the present invention using the TM01δ mode
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M4(図14において一点鎖線で示す。)を生成するTM01δモード電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。
This
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M4(図14において一点鎖線で示す。)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M3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。
In the
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E3しか存在しないことになる。
As described above, when the
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。
According to such a
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。
Next, the heating action by the
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。
First, a through
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Iaおよび変位電流Ibが流れる。一方、TM01δモードの磁界成分M3が被加熱体300の周囲に安定分布するため、この磁界成分M3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。
Here, when the
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。 This surface current has a skin effect, and the penetration depth follows the formula (1). However, since the frequency F is a microwave, the penetration depth is about several μm. Even when the thickness is about 100 μm, the surface current flows without any problem.
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Pcと表面抵抗Rsおよび磁界Hの関係を示している。
Such a surface current causes a power loss due to a surface resistance when flowing through the
Pc=|H|2Rs ・・・ 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。
P c = | H | 2 R s Formula (2)
Unlike the eddy current in induction heating, the surface current described above flows to the conductor surface regardless of the distinction between magnetic and nonmagnetic materials, and causes the effect of heating the conductor.
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。 Further, since the surface current flows regardless of the Curie point, the power loss increases following the applied microwave power, so that a desired heating temperature can be easily set.
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。
Next, referring to FIG. 16, a heating action when a
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。
First, a
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Iaおよび変位電流Ibが流れる。一方、TM01δモードの磁界成分M3が被加熱体302の周囲に安定分布するため、この磁界成分M3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。
Here, when the
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。
The
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。
In addition, when a heated object is inserted into the TM010 mode
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。
Control of the frequency of such a microwave oscillator is performed by, for example, detecting the reflected power of the microwave injected into the
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。
Hereinafter, the
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。
That is, FIG. 17 shows a configuration explanatory diagram of the
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。
The
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。
The
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。
In the above configuration, the used
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。
The used
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。
The used injection needles 402 that have been subjected to high-temperature sterilization as described above are collected in the processed
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。
Next, the
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。
The
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。
Here, the
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。
In the
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。
Therefore, according to the
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。
That is, according to the
(1) It is possible to heat a linear object to be heated of 0.1 mm or less,
(2) It is possible to heat even a needle-like object to be heated of 0.1 mm or less.
(3) When a microwave oscillation device having an automatic frequency control function is used, the heating operation is performed following the resonance frequency of the
An excellent effect is obtained.
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。
The above-described embodiment can be modified as shown in the following (1) to (6).
(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。 (1) In the above-described embodiment, the used injection needle is specifically shown as the heated body. However, the heated body is not limited to this, and it is a conductor. Various forms and materials can be heated.
(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。 (2) In the above-described embodiment, only an example of a method for automatically controlling the frequency of the microwave oscillation device is shown, and the frequency of the microwave oscillation device is automatically controlled by an appropriate method. Of course, the automatic frequency control function may be realized.
(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。 (3) In the above-described embodiment, the metal case is configured by a cylindrical shape having a hollow inside. However, the shape of the metal case is not limited to this, and depending on the application. Any shape such as a prismatic shape made hollow can be selected and used.
(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。
(4) In the above-described embodiment, the
(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。
(5) In the above-described embodiment, the first dielectric
(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。 (6) You may make it combine the above-mentioned embodiment and the modification shown in above-mentioned (1)-(5) suitably.
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。 The present invention relates to a thin linear heated object having a small diameter, for example, a linear heated object having a diameter of 0.6 mm or less and a diameter of 0.1 mm or less like a used injection needle. It can be used when heating.
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
DESCRIPTION OF
Claims (8)
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モードの電磁界成分を生成するTM010モード電磁界生成手段と
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。 A microwave heating apparatus using a microwave dielectric resonator that resonates in a specific resonance mode,
A cylindrical metal cover extending in the axial direction having a first through hole formed in the axial center portion of the upper surface portion and a second through hole formed in the axial center portion of the lower surface portion, and in the metal cover And a dielectric cavity formed with a third through-hole communicating with the first through-hole and the second through-hole and excited in a TM010 mode resonance mode A body resonator,
Input means for inputting microwaves disposed in the microwave dielectric resonator;
And a TM010 mode electromagnetic field generating means for generating the microwave electric field component of the feed has been TM010 mode microwave input to the input means while being disposed in the dielectric resonator,
A microwave heating apparatus, wherein an object to be heated is disposed in the second through hole to heat the object to be heated.
前記入力手段は、同軸コネクタであり、
前記TM010モード電磁界生成手段は、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。 In the microwave heating device according to claim 1,
The input means is a coaxial connector;
The TM010 mode electromagnetic field generating means, a microwave heating apparatus which is a loop antenna.
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。 The microwave heating apparatus according to claim 1, further comprising:
Microwave generation means for inputting a microwave to the input means,
The microwave heating apparatus, wherein the microwave generation means includes frequency control means for causing the oscillation frequency to always follow the resonance frequency when the resonance frequency of the microwave dielectric resonator fluctuates.
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。 In the microwave heating device according to any one of claims 1, 2, or 3,
The microwave heating apparatus, wherein the object to be heated is a metal wire or a needle-like metal piece.
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モードの電磁界成分を生成するTM01δモード電磁界生成手段と
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。 A microwave heating apparatus using a microwave dielectric resonator that resonates in a specific resonance mode,
A cylindrical metal cover extending in the axial direction having a first through hole formed in the axial center portion of the upper surface portion and a second through hole formed in the axial center portion of the lower surface portion, and in the metal cover And a dielectric cavity formed with a third through hole communicating with the first through hole and the second through hole, and the dielectric cavity through the first through hole and the second through hole. A microwave dielectric resonator having a support member that is supported in a hollow state in the metal cover so that the through hole and the third through hole communicate with each other, and is excited in a resonance mode of TM01δ mode When,
Input means for inputting microwaves disposed in the microwave dielectric resonator;
And a TM01δ mode electromagnetic field generating means for generating said microwave dielectric resonator microwave input to the input means while being arranged supplied to electric field components of TM01δ mode,
A microwave heating apparatus, wherein an object to be heated is disposed in the second through hole to heat the object to be heated.
前記入力手段は、同軸コネクタであり、
前記TM01δモード電磁界生成手段は、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。 In the microwave heating device according to claim 5,
The input means is a coaxial connector;
The TM01δ mode electromagnetic field generating means, a microwave heating apparatus which is a loop antenna.
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。 The microwave heating apparatus according to any one of claims 5 and 6, further comprising:
Microwave generation means for inputting a microwave to the input means,
The microwave heating device, wherein the microwave generation means includes frequency control means for causing the oscillation frequency to always follow the resonance frequency when the resonance frequency of the microwave dielectric resonator fluctuates.
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。 In the microwave heating device according to any one of claims 5, 6 and 7,
The microwave heating apparatus, wherein the object to be heated is a metal wire or a needle-like metal piece.
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