JP5660342B2 - 供給源から目標まで放射を伝達する多目的装置 - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ設計に関するものであり、アンテナの焦点領域において配置された目標上に分散型供給源によって発された放射を効果的に集中させるために使用されるアンテナ設計に関するものである。

ここ数十年は、マグネトロン、クライストロン、進行波ランプ等の強力な単一の極超短波（ＵＨＦ）線源から、複数の単一ソリッドステート要素から構成される分配型線源への転移の期間であった。類似した展開は、光線及び紫外線範囲のランプでも生じている。強力な単一ランプはますます、分散型発光ダイオードシステムに取って代わられている。周知のように、複数の単一ソリッドステートＵＨＦ要素又は発光ダイオードにより、しばしばシステムの信頼性及び経済効率は改良される。そのような及び他の単一の要素から構成される分散型放射システムにより発された放射を集中させるため、本発明は特に強い影響を与えて使用され得る。

供給源から目標への放射を伝達するために様々な発明が従来技術において使われている。特に、２００１年１２月２７日公開のロシア特許第２，１７７，４５２号において開示された液体を紫外線放射で処理する従来技術の装置は、その基部で開口部及びそれへ接続される入口及び出口パイプを備えた中空の外側の円筒シェル、及び、強化リブを備え、外側のシェルと同軸的に配置された中空の内側の円筒シェル；その母体に平行したシェル間の環状隙間の紫外線放射を透過する材料のハウジングにおいて配置され、外側のシェルの基部で開口部に挿入される紫外線ランプ、及び、磁束生成手段を含む。ランプは同心の円に沿って環状隙間において間隔を置かれ、入口及び出口パイプはシェルと同軸であり、磁束生成手段は、その外側における内側シェルの準線上に提供される。従来技術装置は技術的に製造が困難であり、それゆえに原価が高く；また、それに使用されるランプの経済効率及び信頼性は低い。

本発明に最も近い従来技術は、２０１１年３月１０日公開のロシア特許出願第２００９１３３１４６号において開示された供給源から目標まで放射を伝達するための装置である。装置は、目標位置決め手段と共に保護された室に配置された線源、及び、球面の面取りされた部分として設計され、球面の半径と等しい距離で互いに対向して配置された二つのアンテナを含み、目標位置決め手段は両アンテナの結合された焦点領域において配置され、線源はいずれかのアンテナの開口面において提供されている。

放射が不十分な効率で供給源から目標まで伝達され、放射は極めて不規則に集中され、結合された焦点領域が十分に大きくなく、線源が交換されない限り放射電力を変えられないので、その装置は不都合である。

ロシア特許第２，１７７，４５２号公報 ロシア特許出願第２００９１３３１４６号公報

請求された本発明の使用によって達成される技術的な結果は、供給源から目標までの放射伝達のより高い効率、放射電力変化の可能性、放射のより均一な集中、線源を交換することなしでの焦点領域の容積の有意な増加、システムの信頼性の増加、及び、所要動力の減少を含む。

請求された技術的な結果は、各々が曲面の面取りされた部分として設計され、両方が重なり合った焦点領域を作成するよう配置された二つのアンテナ；アンテナの少なくとも一つ又は各々のアンテナの焦点領域の一つの開口面において提供される放射の分散型供給源、及び、二つのアンテナの結合された焦点領域に配置された目標を含む、供給源から目標まで放射を伝達する多目的装置で達成される。各々のアンテナの曲面は、球面又は円筒の表面であってもよく、放射の分散型供給源はアンテナの少なくとも一つの開口面において提供される。アンテナは対向して、又は、互いに結合された焦点領域を作成する角度で配置されてもよい。

この技術的な結果はまた、アンテナの第１の対の面に垂直の面に球面又は円筒アンテナの少なくとも追加の対を有する多目的装置をさらに提供することによって達成される。

さらに、アンテナの曲面は、二つの他の焦点領域において配置された分散型供給源を有して、目標がその中で配置されるように結合された焦点領域を作成するため、互いに対向して配置された少なくとも一対の楕円シリンダによって形成されてもよい。一つの楕円アンテナのみが少なくとも二つの面において使われ、分散型供給源は各々のアンテナの焦点領域に提供され、目標はこれらのアンテナの結合された焦点領域に配置されている。

曲面の面取りされた部分として、及び、結合された焦点領域を作成するために配置されるように各々が設計されたアンテナは焦点領域の放射の集中を有意に増加し、したがって、供給源から目標までの放射伝達の効率を改良する。

アンテナの第１の対の面に垂直な面で球面又は円筒アンテナの少なくともさらなる対を備えた装置は、放射電力を変え、線源を交換することなく焦点領域の容積を有意に拡大することによって放射の集中をより均一にすることができる。

分散型線源によりシステムの信頼性は改良され、所要動力は減少される。

請求された本発明は、添付の図面において示される。図面の説明は以下の通りである。
図１は、一対の球形アンテナ及び二つの分散型供給源を有する装置の三次元図である； 図２は、一対の円筒アンテナ及び二つの分散型供給源を有する装置の三次元図である； 図３は、球面又は円筒アンテナを有する装置の部分正面図である； 図４は、球形アンテナを有する装置の部分上面図である； 図５は、球面又は円筒アンテナの二つの対を有する装置の部分正面図である； 図６は、接合の焦点領域、及び、第２の焦点領域の分散型供給源のある楕円シリンダの二つの対を有する装置の三次元図である； 図７は、互いに角度を有して一対の球面又は円筒アンテナを有する部分的なユニットである； 図８は、球形アンテナの焦点距離の計算を示す図である。

分散型供給源から目標まで放射を伝達するための請求された多目的装置は、紫外線又は赤外線ビームも反射する材料で被覆される、又は、ＵＨＦが使われる時、球面又は円筒の表面の面取りされた部分の形で銅又は他の非磁性の金属でできている二つのアンテナ１を含む。アンテナは、０．６から球面又は円筒表面の半径の２倍までの間と等しい距離で互いに対向して配置される。球面又は円筒アンテナの焦点領域はそれらの半径の半分と等しい距離に位置し、本実施態様において、それらは、二つの交差している三次元球体又は二つの三次元シリンダ６として結合される。例えば紫外線発光ダイオード又はソリッドステートＵＨＦ要素を有するスタンドとして設計されてもよい線源３又はその上に配置される他の線源２を配置する手段は、いずれか又は両方のアンテナ１の開口面に提供される。目標４は、アンテナ１の焦点領域に置かれる。組立てられた装置は、室７に配置される。球面又は円筒アンテナは、図１、２及び３に示すように室の壁として用いられても、室７内に位置する分離したアンテナとして使われてもよい。

装置は、アンテナの第１の対の面に垂直の面において０．６又は球面又は円筒表面の半径の２倍の距離で少なくとも互いに対向して配置されるアンテナの追加の対をさらに備えてもよい。本実施態様において、少なくとも一つのさらなる分散型線源は、そのようなさらなるアンテナの開口において配置される。この構成は、三次元の十字の形で結合された焦点領域を作成する。アンテナの第３の対はまた、上記したものに類似して幾何学的な形状の焦点領域の上部及び底部で提供されてもよい。上部及び底部アンテナの開口において提供される一つ又は二つの分散型線源は、三座標の十字の形で三次元の結合した焦点領域を作成する。

装置は、次のように作動する：目標４は、焦点領域５に配置される。線源２を備えた一つ又は二つのスタンド３は、室のアンテナ１のいずれか又は両方の開口面に配置される。各々の対の両方のアンテナは供給源２の放射を反射して、その中で配置された目標４でそれを焦点領域６において集中する。

請求された装置が作動する時、例えば紫外線の放射を集中するため、４メートルの球面表面の半径、４メートルの長さ、及び、２．５のメートルの高さを有するアンテナを使用するのが合理的である。３×２メートルの線源を有することが合理的である。各々の分散型供給源のすべての要素は、両方のアンテナに放射を伝達する。

発光ダイオードが幾何学的に小さいサイズ（直径３−５ｍｍ）を有するので、スタンドに配置されるこのタイプの数千の発光ダイオードはいずれかのアンテナから反射される光線の最高２％を遮断する紫外線透過材料でできている。システムの追加の光学損失は、合計約１％になるのみである。紫外線又は赤外線放射が使われる場合、目標位置決め手段は、例えば石英ガラス又は他の物質のような紫外線又は赤外線透過材料でできている容器として設計されてもよい。分散型供給源がＵＨＦ範囲で使われる場合、スタンド及び目標位置決め手段は、無線透過材料で作成されることになる。

図６は、そこから距離ａ離れた主な光軸に平行したアンテナ上のビーム入射の半径Ｒの凹状球面又は円筒アンテナの焦点距離ＦＰの計算を示す図である。問題の幾何学的な構成は、明らかに図に示される。二等辺三角形ＡＯＦにおいて、側面ＯＦは、底辺ＯＡ＝Ｒ及び、
その角度α：
に関して、容易に説明することができる。

二等辺三角形ＯＢＡは、
を生じる。
その場合には、
である。
点Ｆから極Ｐへの所望の焦点距離は、
である。

これは、球面又は円筒アンテナの焦点領域のための方程式である。軸から平行ビームへの距離が長くなると、アンテナの方へ動く焦点がより遠くなる。半径Ｒ＝４メートル及びａ＝０．５メートルのアンテナで、焦点シフトは１．５ｃｍであり、ａ＝１．０メートルで焦点シフトは７．５ｃｍであり、ａ＝１．５メートルでは１６ｃｍである。軸から最も外部の平行ビームまでの最大距離ａは、３メートルの長さの線源で１．５メートルである。

これらの計算は、主要な光軸のみのために作成されたものである。球面又は円筒表面において、多数の主要な光軸は、アンテナの効果的な開口角の制限内で中心から表面まで延びてもよい。

長さ３メートル及び高さ２メートルの供給源のすべての要素によって、多数の光軸と平行するその開口角の制限内で同じ長さ及び高さの球形アンテナの部分へ発される放射はそれゆえに、アンテナから距離Ｒ／２で始まり、アンテナの方へ１６ｃｍ延びる三次元焦点領域を作成する。放射は、アンテナから約Ｒ／２の最も高く集中する。集中は、アンテナの方へＲ／２から１６ｃｍ以上離れたところでは起こらない。両方のアンテナから集中した放射が、結合された焦点領域の容積においてより均一に分散される放射の集中レベルでこの領域に到達するので、例えば半径プラス４ｃｍ離れたところに配置される二つの球体は、集中が十分に高い結合された焦点領域の追加の容積の１２％を使用する。

アンテナが上述した寸法を有して、例えば半径プラス４ｃｍ離れたところに配置されるとすると、両方の球形アンテナの効果的な結合された焦点領域は、１．２×０．６×０．３６メートルになる（最も近い従来技術の装置では、１．２×０．６×０．３２メートル、又は、容積が１２％少ない）。

２×３メートルの及び多数の要素から構成される分散型供給源が、２．５メートルのアンテナ４、球体又はシリンダの４メートルの半径、及び、例えば半径プラス４ｃｍに等しいアンテナ間の距離を有する請求された装置の球面アンテナ開口において配置される場合、この大容量の供給源は、１．２×０．６×０．３６メートルのより小さな容積の焦点領域を作成する。各々の主要な光軸は、１６ｃｍの長さの焦線を形成する。このアンテナの効果的な開口角は、２０°でおよそ３０に等しい。主要な光軸が１°の間隔で調べられ、各々のアンテナは少なくとも６００の軸を有する、又は、両方のアンテナに合計１，２００の軸を有する。

供給源のすべての要素は、各々の１，２００の主要な光軸と平行した３×２メートルのアンテナへ放射を伝達する。放射は各々の長さ１６ｃｍの焦線において高拡大倍率比率で集中され、１，２００の焦線はその容積の各々の点において高拡大倍率比率でサイズが１．２×０．６×０．３６メートルの非常に効果的な三次元焦点領域を作成する。

４×２．５メートルの円筒アンテナが４．０４メートルの距離で互いに対向して配置された場合、それらの結合された焦点領域も０．６×０．３６メートルであり、４メートルの長さを有する。

４×２．５メートルの球面又は円筒アンテナが半径マイナス１６ｃｍの距離で配置されると、結合された焦点領域は１６ｃｍのみの厚さを有するが、エネルギーの集中は、半径の距離又はわずかに半径より大きな距離でアンテナが配置される場合の二倍大きい。

装置は、球面又は円筒表面の半径によって０．０５メートルから数十メートルの範囲内で他の寸法も有してもよい。

装置において使用される数千の紫外線発光ダイオードにより、その全体の電力は数キロワットに到達する可能性がある。同一の放射電力の発光ダイオードが通常の強力ランプより経済的であり、所要動力が低く、又は、分散型供給源の放射が比較的小さな結合された三次元焦点領域の中で両方のアンテナによって集中される結果として、有意にその処理能力容量を増やすので、装置はパワー入力を数倍減少する。

例えば、タングステン又は炭素で作成される金属フィラメントが、赤外線範囲内で分散型供給源として使われてもよい。フィラメントは厚みが薄く、アンテナから反射される赤外線放射を十分に透過する。微細な管からなる分散型ガスバーナが使われる場合、結果として生じる分散型赤外線線源も非常に効率的である。超音波範囲内では振動器が分散型供給源として使われてもよい。

０．６から半径の長さの二倍の距離に配置される球面又は円筒表面の部分の形をした二つのアンテナ、いずれか又は両方のアンテナの開口面に置かれる分散型線源、及び、その中に目標が配置された両方のアンテナの結合された焦点領域に伝達される放射は、しばしばシステムの信頼性を高め、装置で使用される経済的な発光ダイオードにより数倍所要動力を減少し、有意に焦点領域の容積を増やす又は領域容積が減少する場合であっても集中レベルを２倍にし、焦点領域の放射集中をより均等に分散し、放射の集中により装置の効率を増加させる。アンテナの第１の対に垂直の面に配置される追加の一つ又は二つのアンテナの対、及び、追加のアンテナの開口面に配置される分散型供給源は、非常に高いエネルギーの集中を達成する二つ又は三つのアンテナの対の三次元の結合された焦点領域を作成する。

分散型供給源から三次元焦点領域に置かれた目標に伝達される放射を集中するための請求された多目的装置は、例えば、紫外線で水を殺菌する、流水を加熱する、赤外線範囲で他の液体及び気体を加熱する、油及び気体製品を処理する等のため、焦点領域を通じて供給される液体又は気体に照射するために使われてもよい。装置はまた、例えば化学肥料、種及びかさばる食品のような固体及び流通性の製品を処理及び殺菌するために使われてもよい。この多目的装置はまた、木の乾燥、ＵＨＦ療法等のためにも使うことができる。液体及び気体は流水システムにおいて処理されてもよく、かさばる製品は、重力によって焦点領域を通じて連続的に流動してゆっくり通過するシステムにおいて処理されてもよく、木の乾燥又はＵＨＦ療法の場合、多量の木又は患者は一定期間の焦点領域に配置される。この多目的装置はまた、均一の混合の準備、洗浄、洗濯、液体の処理のためのシステムで超音波範囲において、及び、電磁波及び音波の範囲内の多くの他の装置において使うことができる。

Claims (7)

1. 各々が曲面の面取りされた部分として成形され、各々の間の距離を変化させることにより、波動の集中及び容積が再構成可能な、重なり合った焦点領域を作成するために配置された二つのアンテナ、少なくとも一つのアンテナの焦点領域又は開口面に置かれた分散型波動供給源、及び、前記二つのアンテナの重なり合った焦点領域に配置された目標を含む、前記波動供給源から前記目標まで波動放射を伝達するための多目的装置。
2. 前記二つのアンテナの前記曲面が球面又は円筒表面であり、前記分散型波動供給源が前記二つのアンテナの少なくとも一つの開口面に配置される、請求項１記載の多目的装置。
3. 前記二つのアンテナが重なり合った焦点領域を作成するために互いに対向して配置される、請求項１記載の多目的装置。
4. 前記二つのアンテナが重なり合った焦点領域を作成するために互いに角度を有して配置される、請求項１記載の多目的装置。
5. 第１の対の前記二つのアンテナの対向面に垂直な面で、対向する別の少なくとも一対の球面又は円筒表面型曲面のアンテナをさらに備える、請求項１記載の多目的装置。
6. 前記アンテナの前記曲面が、そこに配置される目標のための単一の重なり合った焦点領域を作成するために互いに対向して配置される少なくとも一対の楕円シリンダ型表面を含み、分散型波動供給源が前記二つのアンテナの互いに他のアンテナの焦点領域に配置される、請求項１記載の多目的装置。
7. 一つの楕円シリンダ型表面のアンテナのみが少なくとも二つの面において使われ、一つの分散型波動供給源が前記二つのアンテナの内の一つの焦点領域に配置され、目標が前記二つのアンテナの重なり合った焦点領域に配置される、請求項５記載の多目的装置。