JP5853080B2 - 電力回生装置 - Google Patents

Description

本発明は、高周波の電力を回生する電力回生装置および電力回生方法、高周波電力を蓄電する電力蓄電システムおよび電力蓄電方法、ならびに高周波装置に関するものである。

図２３は高周波装置の一例である高周波加熱装置の構成を示すブロック図である。この高周波加熱装置５００は、マイクロ波を発生する高周波源として高周波発生器１と、高周波負荷としての加熱室６とを備えている。なお、高周波発生器１は、たとえばマイクロ波発振器であるマグネトロン、電源装置、および制御回路等から構成されている。また、高周波発生器１と加熱室６とは高周波を伝送する伝送路である導波管２によって接続しており、この導波管２上には、サーキュレータ３、パワーモニタ４、整合器５が順次配設されている。

この高周波加熱装置５００の動作について説明する。まず、高周波発生器１は、水の吸収帯に対応する２．４〜２．５ＧＨｚのマイクロ波Ｗを発生し、マイクロ波Ｗは導波管２を伝送し、順次サーキュレータ３、パワーモニタ４、整合器５を通過し、加熱室６に到達する。ここで、パワーモニタ４は通過するマイクロ波Ｗの強度をモニタし、その強度を表示する。また、整合器５は導波管２と加熱室６とのインピーダンスを整合するために用いられている。

図２４は、図２３に示す加熱室６における被加熱物Ｏの加熱について説明する図である。この加熱室６は、水分を含んだ被加熱物Ｏを載置するターンテーブル６ａと、マイクロ波Ｗをランダムに反射させるスターラファン６ｂと、オーブン加熱用の電熱ヒータ６ｃとを備えている。そして、この加熱室６においては、整合器５と接続した導波管２から導入されたマイクロ波Ｗが、加熱室６の内壁６ｄによる反射と、スターラファン６ｂによるランダムな反射を受けながら、回転するターンテーブル６ａ上の被加熱物Ｏに吸収され、被加熱物Ｏを加熱する。また、この加熱室６においては、電熱ヒータ６ｃによって被加熱物Ｏに熱Ｈを与えてオーブン加熱することもできる。

加熱室６内において被加熱物Ｏの加熱に使用されなかったマイクロ波Ｗは、マイクロ波Ｗと同一周波数の反射マイクロ波ＲＷとして導波管２から出力する。そして、図２３に示すように、導波管２を戻っていき、整合器５、パワーモニタ４を順次通過し、サーキュレータ３に到達する。

ここで、サーキュレータ３は、第１ポート３ａと、第２ポート３ｂと、第３ポート３ｃとを有しており、第１ポート３ａから入力されたマイクロ波Ｗを第２ポート３ｂに出力し、第２ポート３ｂから入力した反射マイクロ波ＲＷを第３ポート３ｃから出力する機能を有する。このように、サーキュレータ３は、反射マイクロ波ＲＷが高周波発生器１に戻るのを防止して、高周波発生器１の損傷や動作不安定等を防止する機能を有している。

サーキュレータ３の第３ポート３ｃには、ダミーロード７と呼ばれる負荷が接続されている。このダミーロード７は、第３ポート３ｃから出力した反射マイクロ波ＲＷを吸収体により吸収して反射マイクロ波ＲＷの電力を熱に変換し、電力を熱として廃棄するように構成されている。なお、反射マイクロ波ＲＷの電力が大きい場合には、発熱量も大きくなるため、ダミーロードに冷却ファンなどの冷却手段が設けられる（非特許文献１参照）。このようなダミーロードを接続したサーキュレータは、高周波加熱装置に限らず、素粒子加速器や、無線通信装置等の高周波装置に幅広く使用されている（非特許文献２、３参照）。

マイクロ波デバイス紹介 アイソレータ、［online］、ミクロ電子株式会社、［平成２１年１０月９日検索］、インターネット＜URL：http://www.microdenshi.co.jp/isolator.html＞ 甲斐 規郎 著、「加速器用ＵＨＦ帯ウォーターロード」、島田理化技報Ｎｏ．１７（２００６）、島田理化工業株式会社、２００６年３月１５日 発行、ｐｐ．３０〜３５ 製品カタログ サーキュレータ／アイソレータ 基地局用 フェライト基板タイプ、［online］、ＴＤＫ株式会社、［平成２１年１０月９日検索］、インターネット＜URL：http://www.tdk.co.jp/tjfx01/j773_cu.pdf＞

しかしながら、従来のダミーロードを用いた高周波装置では、高周波負荷から反射して戻ってきた反射高周波の電力を、ダミーロードによって熱に変換し、単に放熱させて廃棄していたので、エネルギーの利用効率が低かった。特に、反射高周波の電力が大きく、ダミーロードに冷却ファンや冷却水などの冷却手段を設ける場合には、冷却手段を動作させるための電力が必要となるため、さらにエネルギー効率が低くなっていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、高周波電力を回生し、効率よく利用できる電力回生装置および電力回生方法、高周波電力を蓄電し、効率よく利用できる電力蓄電システムおよび電力蓄電方法、ならびに高周波電力を効率よく利用できる高周波装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る電力回生装置は、高周波源から高周波負荷に高周波を伝送する伝送路上に配設され、前記高周波負荷が前記高周波を反射して発生した反射高周波を取り出す取出部と、前記取出部が取り出した反射高周波を直流電力に変換する高周波／直流変換部と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る電力回生装置は、上記の発明において、前記取出部が取り出した反射高周波を分岐して出力する分岐部をさらに備えることを特徴とする。

また、本発明に係る電力回生装置は、上記の発明において、前記高周波／直流変換部は、前記反射高周波を受信し、該受信した反射高周波に対応する交流電力を出力するアンテナ部と、前記アンテナ部が出力した交流電力を整流する整流部とを備えることを特徴とする。

また、本発明に係る電力回生装置は、上記の発明において、前記高周波／直流変換部は、複数の前記アンテナ部と、前記反射高周波を伝送する反射高周波伝送路とを備え、複数の前記アンテナ部は、前記反射高周波伝送路内を伝送する前記反射高周波を前記各アンテナ部で受信するように分散配置していることを特徴とする。

また、本発明に係る電力回生装置は、上記の発明において、前記反射高周波伝送路はラジアル導波管を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る電力回生装置は、上記の発明において、前記高周波／直流変換部は、前記反射高周波を直流電力に変換する真空管を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る電力回生装置は、上記の発明において、前記取出部は、前記高周波源が発生した高周波が入力される第１ポートと、前記入力された高周波を前記高周波負荷へ出力するとともに前記反射高周波が入力される第２ポートと、前記入力された反射高周波を取り出す第３ポートとを有するサーキュレータを備えることを特徴とする。

また、本発明に係る電力回生装置は、上記の発明において、前記高周波／直流変換部が出力する直流電力を所定電圧に制御して出力する電圧制御部をさらに備えることを特徴とする。

また、本発明に係る電力蓄電システムは、上記の発明のいずれか一つの電力回生装置と、前記電力回生装置が出力する直流電力を蓄電する蓄電装置と、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る高周波装置は、高周波源と、高周波負荷と、前記高周波源から前記高周波負荷に高周波を伝送する伝送路と、前記伝送路上に配設された上記の発明のいずれか一つの電力回生装置または上記の発明の電力蓄電システムと、を備えることを特徴とする。

また、本発明に係る高周波装置は、上記の発明において、前記高周波負荷は高周波加熱を行なう加熱室であることを特徴とする。

また、本発明に係る高周波装置は、上記の発明において、前記高周波負荷は高周波信号波を送受信するアンテナであることを特徴とする。

また、本発明に係る電力回生方法は、高周波源から高周波負荷に高周波を伝送する伝送路上において、前記高周波負荷が前記高周波を反射して発生した反射高周波を取り出す取出工程と、前記取り出した反射高周波を直流電力に変換する高周波／直流変換工程と、を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る電力回生方法は、上記の発明において、前記取り出した反射高周波を分岐する分岐工程を含み、前記高周波／直流変換工程は、前記分岐した各反射高周波を直流電力に変換することを特徴とする。

また、本発明に係る電力回生方法は、上記の発明において、前記高周波／直流変換工程は、前記反射高周波を受信し、該受信した反射高周波に対応する交流電力を出力する受信工程と、前記出力した交流電力を整流する整流工程とを含むことを特徴とする。

また、本発明に係る電力回生方法は、上記の発明において、前記受信工程は、前記取り出した反射高周波を反射高周波伝送路に伝送させながら、該反射高周波伝送路上に分散配置した複数のアンテナで受信を行なうことを特徴とする。

また、本発明に係る電力回生方法は、上記の発明において、前記受信工程は、ラジアル導波管を備える前記反射高周波伝送路を用いることを特徴とする。

また、本発明に係る電力回生方法は、上記の発明において、前記高周波／直流変換工程において出力した直流電力を所定電圧に制御して出力する電圧制御工程をさらに含むことを特徴とする。

また、本発明に係る電力蓄電方法は、上記の発明のいずれか一つの電力回生方法により回生した直流電力を蓄電することを特徴とする。

本発明によれば、従来は熱として廃棄していた高周波電力を回生できるので、高周波電力を効率よく利用できる電力回生装置および電力回生方法、高周波電力を蓄電し、効率よく利用できる電力蓄電システムおよび電力蓄電方法、ならびに高周波電力を効率よく利用できる高周波装置を実現できるという効果を奏する。

図１は、実施の形態１に係る高周波加熱装置の構成を示すブロック図である。 図２は、図１に示す電力回生装置の要部の模式図である。 図３は、図２に示す高周波／直流変換器および電圧制御器の模式的な平面図である。 図４は、図３に示す高周波／直流変換器のＡ−Ａ線断面図である。 図５は、図３に示す高周波／直流変換器の一部断面側面図である。 図６は、整流部の構成を示すブロック図である。 図７は、電圧制御器の回路構成の一例を示す図である。 図８は、実施の形態２に係る電力回生装置を示す模式図である。 図９は、実施の形態３に係る電力回生装置を示す模式図である。 図１０は、実施の形態４に係る高周波／直流変換器を示す模式的な一部透視斜視図である。 図１１は、図１０に示す高周波／直流変換器の断面図である。 図１２は、図１０に示すラジアル導波管部におけるレクテナ素子の配置を説明する図である。 図１３は、実施の形態５に係る電力回生装置の構成を示すブロック図である。 図１４は、実施の形態６に係る高周波加熱装置の構成を示すブロック図である。 図１５は、実施の形態７に係る電子レンジの扉を開けた状態の外観を示す模式図である。 図１６は、図１５に示す電子レンジの内部構成を模式的に示す透視図である。 図１７は、高周波／直流変換回路の構成の一例を示すブロック図である。 図１８は、マイクロストリップ線路によって構成した図１７に示す高周波／直流変換回路の一例を示す図である。 図１９は、図１７に示す高周波／直流変換回路の変形例を示すブロック図である。 図２０は、マイクロストリップ線路によって構成した図１９に示す高周波／直流変換回路の一例を示す図である。 図２１は、実施の形態８に係る無線通信装置の要部構成を示すブロック図である。 図２２は、マイクロストリップ線路によって構成した図２１に示す無線通信装置の要部の一例を示す図である。 図２３は、高周波装置の一例である高周波加熱装置の構成を示すブロック図である。 図２４は、図２３に示す加熱室における被加熱物の加熱について説明する図である。

以下に、図面を参照して本発明に係る電力回生装置および電力回生方法、電力蓄電システムおよび電力蓄電方法、ならびに高周波装置の実施の形態を詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、各図面において、同一または対応する要素には適宜同一の符号を付している。さらに、図面は模式的なものであり、各層の厚みと幅との関係、各層の比率などは、現実のものとは異なる場合があることに留意する必要がある。図面の相互間においても、互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれている場合がある。

（実施の形態１）
はじめに、本発明の実施の形態１に係る高周波装置である高周波加熱装置について説明する。図１は、本実施の形態１に係る高周波加熱装置の構成を示すブロック図である。この高周波加熱装置１００は、図２１に示す高周波加熱装置５００と同様に、高周波発生器１と、加熱室６とを備えている。また、高周波発生器１と加熱室６とは高周波を伝送する伝送路である導波管２によって接続しており、この導波管２上には、サーキュレータ３、パワーモニタ４、整合器５が順次配設されている。

さらに、この高周波加熱装置１００は、サーキュレータ３の第３ポート３ｃに接続した高周波／直流変換器８と、高周波／直流変換器８に接続した電圧制御器９とを備えている。そして、サーキュレータ３、高周波／直流変換器８、および電圧制御器９は、電力回生装置１１を構成している。また、高周波／直流変換器８と電圧制御器９、および電圧制御器９と高周波発生器１は、それぞれ送電線１０によって接続している。

つぎに、この高周波加熱装置１００、および電力回生装置１１の動作について説明する。まず、高周波発生器１は周波数が２．４〜２．５ＧＨｚのマイクロ波Ｗを発生し、マイクロ波Ｗは導波管２を伝送し、順次サーキュレータ３、パワーモニタ４、整合器５を通過し、加熱室６に到達する。なお、サーキュレータ３は、第１ポート３ａから入力されたマイクロ波Ｗを第２ポート３ｂに出力する。

この加熱室６は、高周波加熱装置５００の場合と同様に機能する。すなわち、図２４に示すように、整合器５と接続した導波管２から導入されたマイクロ波Ｗは、加熱室６の内壁６ｄによる反射と、スターラファン６ｂによるランダムな反射を受けながら、回転するターンテーブル６ａに載置された、水分を含んだ被加熱物Ｏに吸収され、被加熱物Ｏを加熱する。また、適宜、電熱ヒータ６ｃによって被加熱物Ｏに熱Ｈを与えてオーブン加熱することもできる。

加熱室６内において被加熱物Ｏの加熱に使用されなかったマイクロ波Ｗは、マイクロ波Ｗと同一周波数の反射マイクロ波ＲＷとして導波管２から出力し、整合器５、パワーモニタ４を順次通過し、サーキュレータ３に到達する。

サーキュレータ３は、第２ポート３ｂから入力した反射マイクロ波ＲＷを第３ポート３ｃから出力する。すなわち、サーキュレータ３は、高周波発生器１と加熱室６とを接続する導波管２から反射マイクロ波ＲＷを取り出す取出部として機能する。

高周波／直流変換器８は、サーキュレータ３が取り出した反射マイクロ波ＲＷを直流電力ＤＣ１に変換して出力する。この直流電力ＤＣ１は、送電線１０を介して電圧制御器９に入力される。

電圧制御器９は、入力された直流電力ＤＣ１を所定の電圧に制御して、直流電力ＤＣ２として出力する。この直流電力ＤＣ２は、送電線１０を介して高周波発生器１に入力され、高周波発生器１内においてマイクロ波Ｗの発生等のための電力の一部として使用される。

すなわち、この電力回生装置１１は、サーキュレータ３が取り出した反射マイクロ波ＲＷを直流電力ＤＣ１として回生し、さらに直流電力ＤＣ１をもとに所定の電圧に制御された直流電力ＤＣ２を出力し、高周波発生器１を動作させる電力として再利用できるように構成されている。したがって、高周波加熱装置１００は、電力回生装置１１によって、従来熱として単に廃棄していた反射マイクロ波ＲＷの電力を有効に利用し、効率の良いエネルギー利用を実現している。その結果、この高周波加熱装置１００は、電力使用量を削減できるので、装置の運用コストを削減でき、かつ省エネルギー、およびエコロジーの観点から好ましいものとなる。

つぎに、電力回生装置１１の詳細構成について説明する。図２は、図１に示す電力回生装置１１の模式図である。図２に示すように、サーキュレータ３は、断面がたとえば矩形の導波管からなり、マイクロ波Ｗが入力される第１ポート３ａと、第１ポート３ａから入力されたマイクロ波Ｗを出力するとともに反射マイクロ波ＲＷが入力される第２ポート３ｂと、第２ポート３ｂから入力された反射マイクロ波ＲＷを取り出す第３ポート３ｃとを有している。そして、高周波／直流変換器８は第３ポート３ｃに接続している。また、電圧制御器９は高周波／直流変換器８の一端に設けられており、高周波／直流変換器８および高周波発生器１と送電線１０を介して接続している。

図３は、図２に示す高周波／直流変換器８および電圧制御器９の模式的な平面図である。図４は、図３に示す高周波／直流変換器８のＡ−Ａ線断面図である。図５は、図３に示す高周波／直流変換器８の一部断面側面図である。

図３〜図５に示すように、高周波／直流変換器８は、導波管８１と、アンテナ部としてのロッド状のアンテナプローブ８２ａと整流部８２ｂとを備える複数のレクテナ（rectenna；rectifying antenna）素子８２と、整流部８２ｂを収容する筐体８３とを備えている。なお、各整流部８２ｂは送電線１０に接続している。

導波管８１は、その長手方向に垂直であるＡ−Ａ線断面が矩形状の導波管であり、開口部８１ａにおいて第３ポート３ｃと接続しており、第３ポート３ｃから取り出された反射マイクロ波ＲＷを伝送する反射高周波伝送路として機能する。また、導波管８１の断面の両長辺側には格子状に配列した多数の孔８１ｂが形成されている。レクテナ素子８２は、この導波管８１の孔８１ｂの位置に対応して格子状に分散配置している。そして、アンテナプローブ８２ａは孔８１ｂに挿通されて導波管８１の内部に突出している。

この導波管８１に開口部８１ａから入力した反射マイクロ波ＲＷは、導波管８１の断面形状に応じた電界分布を形成しながら図５に示すように導波管８１の長手方向に伝送する。一方、アンテナプローブ８２ａは、伝送する反射マイクロ波ＲＷを受信し、その受信した電力に対応する交流電力を出力する。

ここで、上述したように、レクテナ素子８２は、導波管８１の両長辺側に分散配置している。各レクテナ素子８２の各アンテナプローブ８２ａは、その配置された位置において、導波管８１を長手方向に伝送する反射マイクロ波ＲＷを徐々に受信する。その結果、反射マイクロ波ＲＷの電力を効率的に取得できる。さらに、レクテナ素子８２の１個あたりの許容受信電力を小さくできるので、安価なレクテナ素子８２を使用して、許容受信電力が大きい電力高周波／直流変換器８を低コストで構成できる。

また、各アンテナプローブ８２ａの長さは、導波管８１内での反射マイクロ波ＲＷの電界強度分布に応じて設定されている。すなわち、電界強度が高い位置のアンテナプローブ８２ａは短く、電界強度が低い位置のアンテナプローブ８２ａは長く設定されている。

具体的には、図４に示す導波管８１の断面において、反射マイクロ波ＲＷの電界強度は導波管８１の断面中央部において最も高く、周辺部に向かって低くなるように分布している。これに応じて、アンテナプローブ８２ａは、断面中央部において短く、周辺部に向かうにつれて長く設定されている。また、図５に示す反射マイクロ波ＲＷの伝送方向においては、電界強度は開口部８１ａ側において最も高く、導波管８１内を伝送するにつれて、主に伝送損失やアンテナプローブ８２ａによって徐々に受信されることによる損失のために、電界強度が低くなっていく。これに応じて、アンテナプローブ８２ａは、開口部８１ａ側において短く、反射マイクロ波ＲＷの伝送方向に向かうにつれて長く設定されている。

このように、導波管８１内の電界強度の分布に応じてアンテナプローブ８２ａの長さを設定することによって、各アンテナプローブ８２ａが受信する反射マイクロ波ＲＷの電力、およびそれに対応して発生する交流電力を均等にすることができる。その結果、各アンテナプローブ８２ａに接続する各整流部８２ｂには、均等な交流電力が付与されるので、特定の整流部８２ｂに大きな負荷が掛かることが防止される。

なお、本実施の形態１では、断面が矩形の導波管８１を用いているが、たとえば断面が円形の円筒導波管を用いてもよい。円筒導波管を用いる場合は、反射マイクロ波ＲＷの電界強度は、円筒導波管の円周方向に等方的な分布となるから、円筒導波管の同一円周上に配置するアンテナプローブの長さを同一に設定すれば、これらによって受信する反射マイクロ波ＲＷの電力は均等になる。

ところで、反射マイクロ波ＲＷの一部が各アンテナプローブ８２ａにより反射され、この反射波がサーキュレータ３に戻って高周波発生器１へ入力すると、高周波発生器１の不安定動作を引き起こす等のおそれがある。これに対して、本実施の形態１においては、反射マイクロ波ＲＷの導波管８１での波長をλｇとすると、導波管８１の長手方向における各アンテナプローブ８２ａの配置間隔が、図３に示すようにλｇ／４に設定されているため、上記のおそれが防止される。すなわち、図３に示すように、反射マイクロ波ＲＷのうち長手方向において隣接する２つのアンテナプローブ８２ａにより反射される成分を反射マイクロ波ＲＷ１、ＲＷ２とすると、この反射マイクロ波ＲＷ１、ＲＷ２の間の経路差は、２×λｇ／４＝λｇ／２となり、位相差は（２π／λｇ）×（λｇ／２）＝πとなる。したがって、この反射マイクロ波ＲＷ１、ＲＷ２の反射波が重ね合わせられると互いに打ち消しあうようになる。その結果、この反射マイクロ波ＲＷ１、ＲＷ２の反射波がサーキュレータ３に戻ることが防止され、高周波発生器１の不安定動作等が防止される。

なお、アンテナプローブ８２ａの長さや配置の設定は、本実施の形態１のものに限られない。たとえば反射マイクロ波ＲＷの電界強度の高い位置において、アンテナプローブ８２ａを長く設定したり、高い配置密度でアンテナプローブ８２ａを配置したりして、電界強度の高い位置において一層多くの高周波電力を受信するようにしてもよい。

つぎに、レクテナ素子８２の整流部８２ｂについて説明する。この整流部８２ｂは、アンテナプローブ８２ａが出力した交流電力を直流電力に変換する機能を有する。図６は、整流部８２ｂの構成を示すブロック図である。図６に示すように、この整流部８２ｂは、入力フィルタ８２ｂａと、整流器８２ｂｂと、出力フィルタ８２ｂｃとが順次接続して構成されている。

つぎに整流部８２ｂの動作について説明する。まず、入力フィルタ８２ｂａは、アンテナプローブ８２ａが出力した交流電力ＡＣ１の入力を受け付け、交流電力ＡＣ１に含まれる反射マイクロ波ＲＷの周波数以外の周波数成分を除去し、交流電力ＡＣ２として出力する。

整流器８２ｂｂは、入力フィルタ８２ｂａが出力した交流電力ＡＣ２を整流し、直流電力ＤＣ３として出力する。この直流電力ＤＣ３には、整流器８２ｂｂが交流電力ＡＣ２を整流した際に発生する、反射マイクロ波ＲＷの周波数の高調波成分も含まれている。

出力フィルタ８２ｂｃは、整流器８２ｂｂが出力した直流電力ＤＣ３に含まれる高調波成分を除去し、直流電力ＤＣ１として出力する。このように、サーキュレータ３が取り出した反射マイクロ波ＲＷは、直流電力ＤＣ１として回生される。

なお、整流器８２ｂｂにおいて発生する高調波成分は、入力フィルタ８２ｂａ側にも出力するが、入力フィルタ８２ｂａによって遮断される。したがって、この高調波がアンテナプローブ８２ａから送信され、高周波発生器１に到達して不安定動作等を引き起こすということが防止される。

また、入力フィルタ８２ｂａおよび出力フィルタ８２ｂｃは、反射マイクロ波ＲＷの周波数を透過し、高調波を遮断するバンドパスフィルタやローパスフィルタにより実現でき、たとえばＲＬＣ回路等によって構成することができる。また、整流器８２ｂｂは、たとえばダイオードによって構成することができる。

つぎに、電圧制御器９について説明する。この電圧制御器９は、高周波／直流変換器８が出力した直流電力ＤＣ１の電圧を制御して、所定の電圧の直流電力ＤＣ２として出力する機能を有する。

図７は、電圧制御器９の回路構成の一例を示す図である。図７に示す電圧制御器９は、コイル９１と、ダイオード９２と、コンデンサ９３と、電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）９４と、制御部９５と、ドライバ９６とを備える昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータの構成を有している。制御部９５は、たとえば基準電圧が入力された誤差増幅器を用いて構成され、ドライバ９６はたとえばＰＷＭ回路を用いて構成される。

つぎに、この電圧制御器９の動作について説明する。高周波発生器１に出力される直流電力ＤＣ２の電圧値が制御部９５に入力されると、制御部９５は入力された電圧値と基準電圧とを比較してその差に応じた制御信号をドライバ９６に出力する。ドライバ９６は、制御信号に応じてＰＷＭ制御によりＦＥＴ９４のスイッチングを行い、直流電力ＤＣ２を所望の基準電圧値に制御する。

ここで、高周波／直流変換器８から出力する直流電力ＤＣ１の電圧は、アンテナプローブ８２ａが受信する反射マイクロ波ＲＷの電力強度に依存して変化するが、かかる電圧制御器９によって、高周波発生器１に対して電圧が安定した直流電力ＤＣ２を供給することができる。

なお、図７に示す電圧制御器９は、昇圧型のＤＣ−ＤＣコンバータの構成を有しているが、降圧型または昇降圧型のＤＣ−ＤＣコンバータの構成を適宜採用してもよい。また、ＦＥＴ９４に換えてバイポーラ型のトランジスタ等の他のスイッチング素子を用いてもよい。

以上説明したように、本実施の形態１に係る高周波加熱装置１００は、電力回生装置１１によって、従来熱として単に廃棄していた反射マイクロ波ＲＷの電力を有効に利用し、効率の良いエネルギー利用を実現できるものとなる。

なお、この高周波加熱装置１００におけるマイクロ波の電力の回収効率ηtotalは、以下の式（１）により計算できる。
ηtotal＝（１−ηheat）×（１−Ｌc）ηrfdc×ηdcdc ・・・ （１）

ここで、ηheatは、加熱室６に供給されるマイクロ波Ｗの電力のうち、被加熱物Ｏの加熱に使用される割合である。なお、加熱に使用されなかったマイクロ波Ｗは全て反射マイクロ波ＲＷになるとする。また、Ｌcは、加熱室６から導波管８１までにおける反射マイクロ波ＲＷの導波損失である。また、ηrfdcは、レクテナ素子８２における反射マイクロ波ＲＷから直流電力ＤＣ１への変換効率である。また、ηdcdcは、電圧制御器９の変換効率である。

たとえば、式（１）において、ηheatを５０％、Ｌcを１０％、ηrfdcを８０％、ηdcdcを９８％とすると、ηtotalは約３５％となり、高い電力回生効率が実現される。

（実施の形態２）
つぎに、実施の形態１に係る高周波加熱装置１００において用いることができる電力回生装置の他の実施の形態について説明する。図８は、実施の形態２に係る電力回生装置を示す模式図である。図８に示すように、この電力回生装置１２は、サーキュレータ３と、分岐部としてのＴ分岐導波管１３と、２つの高周波／直流変換器８と、各高周波／直流変換器８に接続した電圧制御器９および送電線１０とを備えている。このＴ分岐導波管１３は、第１ポート１３ａと、第２ポート１３ｂと、第３ポート１３ｃとを備えている。第１ポート１３ａがサーキュレータ３の第３ポート３ｃに接続しており、第２ポート１３ｂ、第３ポート１３ｃにはそれぞれ高周波／直流変換器８、電圧制御器９、および送電線１０が接続している。

つぎにこの電力回生装置１２の動作について説明する。まず、Ｔ分岐導波管１３は、サーキュレータ３が第３ポート３ｃに取り出した反射マイクロ波ＲＷを２分岐して、第２ポート１３ｂ、第３ポート１３ｃのそれぞれに反射マイクロ波ＲＷ３、ＲＷ４として出力する。つぎに、第２ポート１３ｂ、第３ポート１３ｃのそれぞれに接続した各高周波／直流変換器８が、出力された反射マイクロ波ＲＷ３、ＲＷ４をそれぞれ直流電力に変換し、各送電線１０を介して各電圧制御器９に出力する。つぎに、各電圧制御器９は、入力された直流電力を所定の電圧に制御し、各送電線１０を介して高周波発生器１に出力する。

この電力回生装置１２は、各高周波／直流変換器８に入力される反射マイクロ波ＲＷ３、ＲＷ４の電力が、サーキュレータ３から取り出された反射マイクロ波ＲＷの電力の１／２となるので、個々の高周波／直流変換器８に入力できるマイクロ波の電力の許容値の２倍の電力の反射マイクロ波ＲＷを入力できる。したがって、この電力回生装置１２は、実施の形態１の電力回生装置１１と同様の高周波／直流変換器８を使用しながらも、電力回生装置１１よりもマイクロ波の入力電力のダイナミックレンジが２倍広いものとなる。

（実施の形態３）
図９は、実施の形態３に係る電力回生装置を示す模式図である。図９に示すように、この電力回生装置１４は、実施の形態２の電力回生装置１２において、Ｔ分岐導波管１３をＴ分岐導波管１５に置き換えた構成を有する。このＴ分岐導波管１５は、サーキュレータ３の第３ポート３ｃと接続する第１ポート１５ａと、２つの高周波／直流変換器８のそれぞれに接続する第２ポート１５ｂ、第３ポート１５ｃとを備えている。

このＴ分岐導波管１５は、第１ポート１５ａの中心軸Ｘから第２ポート１５ｂまでの長さがＬであり、中心軸Ｘから第３ポート１５ｃまでの長さがＬ＋Ｄであり、第３ポート１５ｃがＤだけオフセットを有する非対称なＴ形状を有している。また、Ｔ分岐導波管１５内での反射マイクロ波ＲＷの波長をλｇとすると、Ｄはλｇ／４に設定されている。

つぎに電力回生装置１４の動作について説明する。まず、Ｔ分岐導波管１５は、サーキュレータ３が第３ポート３ｃに取り出した反射マイクロ波ＲＷを２分岐して、第２ポート１５ｂ、第３ポート１５ｃのそれぞれに反射マイクロ波ＲＷ５、ＲＷ６として出力する。つぎに、第２ポート１５ｂ、第３ポート１５ｃのそれぞれに接続した各高周波／直流変換器８が、出力された反射マイクロ波ＲＷ５、ＲＷ６をそれぞれ直流電力に変換し、各送電線１０を介して各電圧制御器９に出力する。つぎに、各電圧制御器９は、入力された直流電力を所定の電圧に制御し、各送電線１０を介して高周波発生器１に出力する。

ここで、反射マイクロ波ＲＷ５、ＲＷ６のそれぞれの一部が、各高周波／直流変換器８の内部で反射されて反射マイクロ波ＲＷ７、ＲＷ８として戻る場合がある。しかしながら、上述したようにＤがλｇ／４に設定されているため、反射マイクロ波ＲＷ６、ＲＷ８が反射マイクロ波ＲＷ５、ＲＷ７のそれぞれよりもＤだけ長く伝送することを考慮すると、反射マイクロ波ＲＷ７、ＲＷ８は、その経路差が２Ｄ＝λｇ／２となり、位相差が（２π／λｇ）×（λｇ／２）＝πとなる。したがって、反射マイクロ波ＲＷ７、ＲＷ８は合波すると互いに打ち消しあう。その結果、反射マイクロ波ＲＷ７、ＲＷ８がＴ分岐導波管１５の第１ポート１５ａから出力されることが防止される。

なお、Ｔ分岐導波管１５のオフセットＤはλｇ／４に限られない。たとえば、上述したように、高周波／直流変換器８内のレクテナ素子８２の整流部８２ｂにおいて整流を行なう際に、反射マイクロ波の周波数の高調波成分が発生する。通常この高調波成分は整流部８２ｂの入力フィルタ８２ｂａによって遮断される。しかしながら、入力フィルタ８２ｂａがない場合や、高い強度の高調波成分が発生した場合などは、この高調波成分（特に２倍波成分）が漏洩し、アンテナプローブ８２ａから２倍波のマイクロ波（以下２倍波とする）として出力する場合がある。これに対して、Ｔ分岐導波管１５のオフセットＤをλｇ／６に設定すると、２つの高周波／直流変換器８から出力した２倍波は、Ｔ分岐導波管１５内で合波したときに互いに打ち消しあい、Ｔ分岐導波管１５の第１ポート１５ａから出力されることが防止される。

すなわち、第２ポート１５ｂ側から出力する２倍波に対する、第３ポート１５ｃ側から出力する２倍波の経路差は、２倍波のもととなる２分岐した反射マイクロ波が各高周波／直流変換器８に入力するまでに発生する経路差であるλｇ／６と、各２倍波が各高周波／直流変換器８から出力されて合波するまでに発生する経路差である２×（λｇ／６）＝λｇ／３との和であり、すなわちλｇ／６＋λｇ／３＝λｇ／２となる。なお、２倍波は周波数がもとの反射マイクロ波の２倍であるので、同じオフセットＤに対して２倍の経路差が発生している。したがって、２つの２倍波の位相差は（２π／λｇ）×（λｇ／２）＝πとなるので、合波すると互いに打ち消しあうこととなる。

なお、上記実施の形態では、分岐部としてＴ分岐導波管を用いて反射マイクロ波を２分岐しているが、Ｔ分岐導波管を複数組み合わせたり、３分岐以上の多分岐導波管を用いたりして、反射マイクロ波をさらに多数に分岐してもよい。

（実施の形態４）
つぎに、実施の形態１または実施の形態２、３に係る電力回生装置において用いることができる高周波／直流変換器の別の実施の形態について説明する。図１０は、実施の形態４に係る高周波／直流変換器を示す模式的な一部透視斜視図である。図１０に示すように、この高周波／直流変換器１６は、ラジアル導波路を含む導波管１６１と、アンテナプローブ８２ａと整流部８２ｂとを備える複数のレクテナ素子８２と、整流部８２ｂを収容する円盤状の筐体１６３ａおよびドーナツ状の筐体１６３ｂとを備えている。なお、各整流部８２ｂは送電線１０に接続している。

図１１は、図１０に示す高周波／直流変換器１６の、導波管１６１の中心軸を含む面における断面図である。図１０、１１に示すように、この導波管１６１は、サーキュレータ３またはＴ分岐導波管１３、１５に接続し、サーキュレータ３またはＴ分岐導波管１３、１５の断面積と同程度の断面積の開口部１６１ａａを有する円管導波管部１６１ａと、円管導波管部１６１ａに接続し、円管導波管部１６１ａよりも内径が大きい中空円盤状のラジアル導波管部１６１ｂと、円管導波管部１６１ａおよびラジアル導波管部１６１ｂの中心軸に沿って設けられた内部導体１６１ｃとを備える。また、ラジアル導波管部１６１ｂの主表面の両面には多数の孔１６１ｂａが形成されている。レクテナ素子８２は、このラジアル導波管部１６１ｂの孔１６１ｂａの位置に対応して分散配置している。そして、アンテナプローブ８２ａは孔１６１ｂａに挿通されてラジアル導波管部１６１ｂの内部に突出している。

図１２は、図１０に示すラジアル導波管部１６１ｂにおけるレクテナ素子８２の配置を説明する図である。なお、図１２は、図１０においてラジアル導波管部１６１ｂの主表面を矢印Ｂの方向から見たものであり、符号Ｌはラジアル導波管部１６１ｂの中心軸を中心とした複数の同心円を示しており、符号Ｃはラジアル導波管部１６１ｂの径方向を示している。図１２に示すように、ラジアル導波管部１６１ｂの表面上において、レクテナ素子８２は複数の同心円Ｌ上に、径方向Ｃに沿って放射状に配置している。なお、レクテナ素子８２は、ラジアル導波管部１６１ｂのもう一方の主表面上においても、同心円Ｌ上に、径方向Ｃに沿って配置している。

また、各アンテナプローブ８２ａの長さについては、図１１に示すように、電界強度が高いラジアル導波管部１６１ｂの中心軸側において短く、電界強度が低くなる径方向Ｃに向かうにつれて長く設定されている。また、同じ同心円Ｌ上に配置されているアンテナプローブ８２ａの長さは略同一である。

つぎに、この高周波／直流変換器１６の動作について説明する。円管導波管部１６１ａの開口部１６１ａａから入力した反射マイクロ波は、円管導波管部１６１ａを伝送する間に内部導体１６１ｃを中心とした等方的な電界強度分布に変換される。反射マイクロ波がラジアル導波管部１６１ｂに到達すると、内部導体１６１ｃを中心として等方的な強度で広がり、径方向Ｃに伝送する。なお、内部導体１６１ｃは、底面に拡径部１６１ｃａが形成されており、反射マイクロ波が円管導波管部１６１ａからラジアル導波管部１６１ｂへ低損失でなめらかに広がるようにしている。

上述したように、反射マイクロ波は、ラジアル導波管部１６１ｂにおいて等方的な強度で広がる。したがって、アンテナプローブ８２ａの長さが略同じレクテナ素子８２を同心円上に配置するだけで、各レクテナ素子８２が受信する反射マイクロ波の強度を均等にできる。また、アンテナプローブ８２ａの長さが径方向Ｃに向かうにつれて長くなっていることによって、各アンテナプローブ８２ａが受信する反射マイクロ波の強度を均等にすることができ、特定の整流部８２ｂに大きな交流電力の負荷が掛かることが防止される。

また、このラジアル導波管部１６１ｂは、反射マイクロ波を等方的な強度で分岐する分岐部としても機能する。このラジアル導波管部１６１ｂによれば、たとえば上述したＴ分岐導波管１３、１５のようにＮ分岐（Ｎは２以上の整数）するような分岐部と比較して、入力された反射マイクロ波の電力を円周方向のあらゆる方向に等方的に分散して、その電力密度をより低くすることができる。その結果、この高周波／直流変換器１６は、マイクロ波の入力電力のダイナミックレンジがより広いものとなる。

（実施の形態５）
上述した各実施の形態では、いずれもレクテナ素子を用いた電力回生装置を用いているが、本発明はこれに限られず、高周波を直流に変換できる他の装置を用いた電力回生装置でもよい。以下では、本発明の実施の形態５として、マイクロ波管を用いた電力回生装置の実施の形態について説明する。

図１３は、本実施の形態５に係る電力回生装置の構成を示すブロック図である。図１３に示すように、この電力回生装置１７は、図１に示す電力回生装置１１において、高周波／直流変換器８をマイクロ波管装置１８に置き換えた構成を有している。このマイクロ波管装置１８は、サーキュレータ３が取り出した反射マイクロ波ＲＷを直流電力に変換するマイクロ波管を用いたものであり、高周波発生器１とは逆の機能を有するものである。このようなマイクロ波管装置１８は、マグネトロン、クライストロン、進行波管(ＴＷＴ)等のマイクロ波を発生できる各種真空管を用いて実現される。

この電力回生装置１７は、マイクロ波管装置１８を用いているので、簡単な構成で高電力の反射マイクロ波ＲＷを直流電力に変換できる。

（実施の形態６）
つぎに、本発明の実施の形態６に係る高周波加熱装置について説明する。本実施の形態６に係る高周波加熱装置は、実施の形態１に係る高周波加熱装置１００とほぼ同様の構成を有するが、さらに蓄電装置を備えるものである。

図１４は、実施の形態６に係る高周波加熱装置の構成を示すブロック図である。図１４に示すように、この高周波加熱装置２００は、図１に示す高周波加熱装置１００と同様に、高周波発生器１、加熱室６、導波管２、サーキュレータ３、パワーモニタ４、整合器５と、高周波／直流変換器８と、電圧制御器９とを備え、サーキュレータ３、高周波／直流変換器８、および電圧制御器９は電力回生装置１１を構成している。高周波／直流変換器８と電圧制御器９とは送電線１０によって接続している。

この高周波加熱装置２００は、蓄電装置１９をさらに備えており、電圧制御器９と蓄電装置１９とは送電線１０によって接続しており、電力回生装置１１と蓄電装置１９とが電力蓄電システム２０を構成している。そして、電力蓄電システム２０の蓄電装置１９と、高周波発生器１とは、それぞれ送電線１０によって接続している。なお、蓄電装置１９は、リチウムイオン電池等の二次電池、電気二重層コンデンサ等のキャパシタなどを用いて実現され、その種類に特に限定はない。

この高周波加熱装置２００においては、高周波加熱装置１００の場合と同様に、電力回生装置１１の高周波／直流変換器８が加熱室６から出力した反射マイクロ波ＲＷを直流電力ＤＣ１に変換し、電圧制御器９が所望の電圧に制御された直流電力ＤＣ２を出力する。しかしながら、この高周波加熱装置２００は、高周波加熱装置１００の場合とは異なり、蓄電装置１９が出力された直流電力ＤＣ２を蓄積し、その蓄電された電力から所定量の直流電力ＤＣ４を、送電線１０を介して高周波発生器１に適宜出力するようにしている。

電力蓄電システム２０は、たとえば以下のように動作する。すなわち、高周波加熱装置２００が通常動作する場合には電力蓄電システム２０は直流電力ＤＣ２を蓄積し、たとえば高周波加熱装置２００が高出力動作や長時間動作する場合のようにより多くの電力を必要とする場合、電力蓄電システム２０はより多くの直流電力ＤＣ４を高周波発生器１に出力するように動作する。あるいは、電力蓄電システム２０は、蓄積した電力をたとえば他の装置に供給するように動作してもよい。このように、高周波加熱装置２００は、電力蓄電システム２０を備えることによって、従来熱として廃棄していた反射マイクロ波ＲＷの電力を有効かつ柔軟に活用することができる。なお、本実施の形態６では、蓄電装置１９は高周波加熱装置２００に備えられているが、外部に備えるようにしてもよい。

（実施の形態７）
つぎに、本発明の実施の形態７に係る高周波加熱装置である家庭用または業務用の電子レンジについて説明する。図１５は、実施の形態７に係る電子レンジの扉を開けた状態の外観を示す模式図である。図１５に示すように、この電子レンジ３００は、スタートボタン等の各種動作設定のための各種操作ボタンおよび動作メニューや動作時間等を表示する表示器を備えた表示操作部３１と、扉３２と、加熱室３３とを備えている。また、加熱室３３内の上面および側面には、加熱室３３内にマイクロ波を放射するための開口部３４が設けられている。なお、加熱室３３内には適宜ターンテーブルを設けてもよい。

図１６は、図１５に示す電子レンジ３００の内部構成を模式的に示す透視図である。図１６に示すように、この電子レンジ３００は、家庭用コンセント等から電力が供給される電源回路３５、表示操作部３１に接続した主制御部３６、加熱室３３の上部に配置した、高周波発生器３７、高周波発生器３７から加熱室３３にマイクロ波を伝送するための同軸線３８と導波管アンテナ３９、およびこの同軸線３８と導波管アンテナ３９とが構成する伝送路上に配設されたサーキュレータ４０を備えている。なお、導波管アンテナ３９は、開口部３４を介して加熱室３３内に向けて開口している。また、電子レンジ３００は、さらに加熱室３３の上部に配置した、サーキュレータ４０に同軸線３８を介して接続した高周波／直流変換回路４１、および高周波／直流変換回路４１に送電線４２を介して接続した電圧制御回路４３を備えている。また、電圧制御回路４３は送電線４２を介して電源回路３５に接続している。

なお、この電子レンジ３００は、加熱室３３の側部にも、高周波発生器３７、不図示の導波管アンテナ、サーキュレータ４０、高周波／直流変換回路４１、電圧制御回路４３、およびこれらを適宜接続する同軸線３８および送電線４２を備えている。不図示の導波管アンテナは、加熱室３３内の側面の開口部３４（図１５参照）を介して加熱室３３内に向けて開口している。また、さらに各高周波発生器３７は、制御線４４を介して主制御部３６に接続し、送電線４２を介して電源回路３５に接続している。そして、各サーキュレータ４０、各高周波／直流変換回路４１、および各電圧制御回路４３は、それぞれ電力回生装置４５を構成している。

つぎに、この電子レンジ３００の動作について説明する。まず、表示操作部３１の各種設定ボタンとスタートボタンとの操作により、主制御部３６は制御線４４を介して高周波発生器３７を操作し、マイクロ波Ｗを発生させる。なお、高周波発生器３７には電源回路３５から送電線４２を介して直流電力が供給されている。同軸線３８、サーキュレータ４０、および導波管アンテナ３９は、高周波発生器３７が発生したマイクロ波Ｗを順次伝送し、導波管アンテナ３９は開口部３４を介して加熱室３３内にマイクロ波Ｗを放射する。このマイクロ波Ｗは、加熱室３３内に収容された被加熱物に吸収され、これによって被加熱物は加熱される。加熱室３３内に放射されたマイクロ波Ｗのうち加熱に使用されなかったマイクロ波は、反射マイクロ波ＲＷとして導波管アンテナ３９に戻っていく。

その後は、上述した他の実施形態の場合と同様に、電力回生装置４５によって反射マイクロ波ＲＷが直流電力に回生される。具体的には、サーキュレータ４０は導波管アンテナ３９から戻ってきた反射マイクロ波ＲＷを取り出し、同軸線３８は取り出された反射マイクロ波ＲＷを高周波／直流変換回路４１に伝送する。高周波／直流変換回路４１は、反射マイクロ波ＲＷを直流電力に変換して送電線４２を介して電圧制御回路４３に出力する。電圧制御回路４３は、高周波／直流変換回路４１を所望の電圧に制御した直流電力として送電線４２を介して電源回路３５に出力する。電源回路３５は、電力回生装置４５によって回生された直流電力を、マイクロ波Ｗ発生用の電力、あるいは表示操作部３１等に使用する電力等として利用する。また、この電子レンジ３００は、被加熱物をオーブン加熱するための電熱ヒータを備えるようにしてもよいが、回生された直流電力を電熱ヒータ用の電力として使用してもよい。

このように、この電子レンジ３００は、電力回生装置４５を備えることによって、従来熱として単に廃棄していた反射マイクロ波ＲＷの電力を有効に利用し、効率の良いエネルギー利用を実現している。ゆえに、この電子レンジ３００によって、家庭または店舗における電力使用量を削減でき、省エネルギー、エコロジーの観点、および電力使用料金の節約の観点から好ましいものとなる。

なお、高周波発生器３７としては、たとえばマグネトロンを備えるものを用いることができるが、特に限定はされない。たとえば、高周波発生器３７として、トランジスタ等の半導体素子を用いたマイクロ波発振器と固体増幅器から構成されるものを用いれば、小型軽量であり、駆動電圧が数十Ｖ程度と低電圧でよいので、マグネトロンの場合と比較して、数ｋＶの高電圧回路が不要であり、マイクロ波の周波数ずれもなく、寿命も半永久的であり、より好ましい。また、電圧制御回路４３としては、図７に示す電圧制御器９と同様の構成のものを用いることができる。

また、高周波／直流変換回路４１は、図６に示す整流部８２ｂと同様の構成のものを用いることができるが、例えば以下の構成のものを用いることもできる。

図１７は、高周波／直流変換回路の構成の一例を示すブロック図である。図１７に示すように、この高周波／直流変換回路４１は、反射マイクロ波ＲＷが入力される入力端４１ａと、入力された反射マイクロ波ＲＷの電力を分岐する分配器４１ｂと、分配器４１ｂに接続し、順次接続した入力フィルタ４１ｃ、整流器４１ｄ、および出力フィルタ４１ｅからなる複数の整流部４１ｆと、各整流部４１ｆに接続し、各整流部４２ｆが出力した直流電力を集約する直流バス４１ｇと、直流バス４１ｇに接続し、集約した直流電力を直流電力ＤＣ１として出力する出力端４１ｈとを備えている。なお、各整流部４１ｆは、図６に示す整流部８２ｂと同様の機能を有する。

この高周波／直流変換回路４１においては、分配器４１ｂが、入力された反射マイクロ波ＲＷの電力を分岐して各整流部４１ｆに分配し、各整流部４１ｆは分配された電力を直流電力に変換するので、許容入力電力が小さい安価な整流部４１ｆを用いて、大きな電力の反射マイクロ波ＲＷを受信することができる。

また、図１８は、マイクロストリップ線路によって構成した図１７に示す高周波／直流変換回路４１の一例を示す図である。なお、図１８においては、分配器４１ｂが４分配である場合を示している。図１８に示すように、この高周波／直流変換回路４１は、誘電体基板Ｓ上に、マイクロストリップ線路によって構成した入力端４１ａと、分配器４１ｂと、複数の整流部４１ｆと、直流バス４１ｇと、出力端４１ｈとを備えている。なお、整流部４１ｆの整流器４１ｄは、ダイオードであり、その一端はスルーホール４１ｄａを通して誘電体基板Ｓの裏面導電体に接地している。このように、高周波／直流変換回路４１は、マイクロストリップ線路を用いて簡易な構成で容易に作製することができる。

図１９は、図１７に示す高周波／直流変換回路の変形例を示すブロック図である。図１９に示すように、この高周波／直流変換回路４１Ａは、反射マイクロ波ＲＷが入力される入力端４１ａと、入力された反射マイクロ波ＲＷの電力を分岐する分配器４１ｂと、分配器４１ｂに接続した複数の整流部４１ｆと、入力端４１ａと分配器４１ｂとの間に接続した、インダクタ４１ｉａとコンデンサ４１ｉｂとからなるローパスフィルタ４１ｉと、ローパスフィルタ４１ｉに接続した出力端４１ｈとを備えている。なお、各整流部４１ｆは、図１７に示すように順次接続した入力フィルタ４１ｃ、整流器４１ｄ、および出力フィルタ４１ｅからなる。

この高周波／直流変換回路４１Ａでは、分配器４１ｂが、入力された反射マイクロ波ＲＷの電力を分岐して各整流部４１ｆに分配し、各整流部４１ｆは分配された電力を直流電力に変換し、さらに分配器４１ｂが各整流部４１ｆからの直流電力を集約して出力端４１ｈから直流電力ＤＣ１として出力する。なお、直流電力ＤＣ１に含まれる交流成分はローパスフィルタ４１ｉによって除去される。この高周波／直流変換回路４１Ａでは、直流バス４１を使用せずに分配器４１ｂによって直流電流を集約するので、部品スペースを節約でき、高周波／直流変換回路４１Ａを小型にできる。

また、図２０は、マイクロストリップ線路によって構成した図１９に示す高周波／直流変換回路４１Ａの一例を示す図である。なお、図２０においては、分配器４１ｂが８分配である場合を示している。図２０に示すように、この高周波／直流変換回路４１Ａは、誘電体基板Ｓ上に、マイクロストリップ線路によって構成した入力端４１ａと、分配器４１ｂと、複数の整流部４１ｆと、ラジアルスタブからなるローパスフィルタ４１ｉと、出力端４１ｈとを備えている。なお、マイクロストリップ線路にシャント接続された整流器４１ｄの一端は、スルーホール４１ｄａを通して誘電体基板Ｓの裏面導電体に接地している。このように、高周波／直流変換回路４１Ａは、マイクロストリップ線路を用いて簡易な構成で容易に作製することができ、かつ小型化できる。なお、図１９、２０において、ローパスフィルタ４１ｉに換えてバンドパスフィルタを用いてもよい。

なお、上述したように、本実施の形態７に係る電子レンジ３００は、オーブン加熱するための電熱ヒータを備えるようにしてもよく、高周波発生器３７や高周波／直流変換回路４１として半導体素子から構成される電子回路を用いてもよい。ここで、オーブン加熱を行う場合は、加熱室３３内の温度が３００℃程度になる場合があるので、一般的な鉛フリー半田の融点である２２０℃や、一般的な半導体素子の接合温度である約１５０℃よりも高温となる。しかしながら、この電子レンジ３００においては、高周波発生器３７や高周波／直流変換回路４１は加熱室３３の外に配置されており、オーブン加熱時においても高温とならないため、高周波発生器３７や高周波／直流変換回路４１の半田接続部の溶解や半導体素子の熱暴走等の事態に到ることはない。

また、本実施の形態７に係る電子レンジ３００において、電力回生装置４５にさらに蓄電装置を接続して電力蓄電システムを構成し、これによって蓄電した電力を電子レンジ３００内部、あるいは外部の電気機器において利用できるようにしてもよい。

なお、上記実施の形態は、いずれも周波数がたとえば２．４〜２．５ＧＨｚのマイクロ波を利用して、水分を含む被加熱物を加熱する高周波加熱装置に係るものであるが、高周波の周波数は被加熱物の吸収帯に合わせて適宜設定することができる。さらに、本発明は高周波加熱装置に限らず、高周波を利用する他の高周波装置、たとえば、素粒子加速器、半導体製造装置等に用いられるプラズマ発生装置、あるいは携帯電話等の無線通信装置などに対しても適用できる。各装置において利用される高周波の周波数については、その用途によって適宜選択され、たとえば半導体製造装置におけるスパッタリング用のプラズマ発生装置では、１３．５６ＭＨｚの整数倍の周波数の高周波が利用され、携帯電話ではたとえば８００ＭＨｚ帯〜２ＧＨｚ帯が利用される。以下では、本発明の他の実施の形態である無線通信装置について説明する。

（実施の形態８）
図２１は、本発明の実施の形態８に係る無線通信装置の要部構成を示すブロック図である。図２１に示すように、この無線通信装置４００は、信号処理部５０と、信号処理部５０に接続した電力増幅器５１と、電力増幅器５１に接続したサーキュレータ５２と、サーキュレータ５２に接続した分波回路５３と、分波回路５３に接続した高周波負荷であるアンテナ５４と、サーキュレータ５２に接続した高周波／直流変換器５５と、高周波／直流変換器５５に接続した電圧制御器５６と、電圧制御器５６に接続した蓄電装置５７とを備える。なお、サーキュレータ５２、高周波／直流変換器５５、および電圧制御器５６が電力回生装置５８を構成し、電力回生装置５８と蓄電装置５７とが電力蓄電システム５９を構成している。

つぎに、この無線通信装置４００の動作について説明する。まず、信号処理部５０は、音声信号等を含む所定の搬送周波数の高周波信号波である送信波ＴＷを電力増幅器５１に出力する。電力増幅器５１は送信波ＴＷを増幅してサーキュレータ５２に出力する。サーキュレータ５２は、送信波ＴＷを分波回路５３に出力する。分波回路５３は、送信波ＴＷをアンテナ５４に出力する。そして、アンテナ５４は、送信波ＴＷを基地局等に送信する。また、アンテナ５４は、基地局から送信された音声信号等を含む所定の搬送周波数の高周波信号波である受信波ＲＥＣＷを受信し、分波回路５３に出力する。分波回路５３は、受信波ＲＥＣＷを受信回路に出力する。すなわち、分波回路５３は送信波ＴＷと受信波ＲＥＣＷとを分波する機能を有する。

なお、送信波ＴＷの一部は、高周波負荷であるアンテナ５４によって反射し、反射送信波ＲＥＦＷとして分波回路５３に入力するが、分波回路５３はこの送信波ＴＷと同一周波数の反射送信波ＲＥＦＷをサーキュレータ５２に出力する。

ここで、従来の無線通信装置に用いられているサーキュレータは、たとえば非特許文献３に開示されるように、反射送信波を出力するポートに抵抗体を設けており、反射送信波の電力を抵抗体の発する熱として廃棄している。

これに対して、この無線通信装置４００では、サーキュレータ５２は、反射送信波ＲＥＦＷを高周波／直流変換器５５に出力するよう構成されている。さらに、高周波／直流変換器５５は、反射送信波ＲＥＦＷを直流電力ＤＣ１に変換して電圧制御器５６に出力し、電圧制御器５６は、直流電力ＤＣ１を所定の電圧に制御して、直流電力ＤＣ２として蓄電装置５７に出力し、蓄電装置５７は直流電力ＤＣ２を蓄積し、その蓄電された電力から所定量の直流電力ＤＣ４を、この無線通信装置４００が備える主電源装置に適宜出力する。

すなわち、ここの無線通信装置４００は、この電力回生装置５８と電力蓄電システム５９とによって、従来熱として単に廃棄していた反射送信波ＲＥＦＷの電力を回生し、有効かつ柔軟に活用することができる。特に、無線通信装置４００が充電式の場合は、充電が必要になるまでの装置の動作持続時間が長くなるので好ましい。

また、図２２は、マイクロストリップ線路によって構成した図２１に示す無線通信装置の要部の一例を示す図である。なお、図２２においては、誘電体基板の記載を省略している。図２２に示すように、信号処理部５０、電力増幅器５１、サーキュレータ５２、分波回路５３、アンテナ５４、高周波／直流変換器５５は、それぞれ適宜マイクロストリップ線路６０によって接続しており、簡易な構造で作製できるものである。また、電力増幅器５１に接続するマイクロストリップ線路６０には、この無線通信装置４００の主電源装置の電源回路に接続した分岐線路６０ａが設けられており、電力増幅器５１にはこの分岐線路６０ａを介して増幅のための電力が供給されている。また、電力増幅器５１とサーキュレータ５２との間、およびサーキュレータ５２と高周波／直流変換器５５との間には、ＤＣカット用のコンデンサ６１、６２が配設されており、不要なＤＣ成分が高周波／直流変換器５５および電力増幅器５１に入力されることを防止している。また、高周波／直流変換器５５は、図１８に示す高周波／直流変換回路４１と同様に、順次接続した入力フィルタ５５ａ、ダイオードである整流器５５ｂ、出力フィルタ５５ｃ、および電圧制御器５６に接続する出力部５５ｄを備えており、整流器５５ｂの一端はスルーホール５５ｂａを通して誘電体基板の裏面導電体に接地している。

なお、上記実施の形態８に係る無線通信装置４００では、主電源装置とは別に蓄電装置５７を備えているが、蓄電装置５７を備えずに、電力回生装置５８が出力する直流電力ＤＣ２を、直接的に主電源装置に充電するようにしてもよい。

また、上記実施の形態により本発明が限定されるものではない。上記各実施形態の各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。その他、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明に含まれる。

以上のように、本発明に係る電力回生装置および電力回生方法、電力蓄電システムおよび電力蓄電方法、ならびに高周波装置は、高周波電力を回生し、効率よく利用する用途に適している。

１、３７ 高周波発生器
２ 導波管
３、４０、５２ サーキュレータ
３ａ 第１ポート
３ｂ 第２ポート
３ｃ 第３ポート
４ パワーモニタ
５ 整合器
６、３３ 加熱室
６ｂ スターラファン
６ａ ターンテーブル
６ｃ 電熱ヒータ
６ｄ 内壁
７ ダミーロード
８、１６、５５ 高周波／直流変換器
９、５６ 電圧制御器
１０ 送電線
１１、１２、１４、１７、４５、５８ 電力回生装置
１３、１５ Ｔ分岐導波管
１３ａ、１５ａ 第１ポート
１３ｂ、１５ｂ 第２ポート
１３ｃ、１５ｃ 第３ポート
１８ マイクロ波管装置
１９、５７ 蓄電装置
２０、５９ 電力蓄電システム
３１ 表示操作部
３２ 扉
３４ 開口部
３５ 電源回路
３６ 主制御部
３８ 同軸線
３９ 導波管アンテナ
４１、４１Ａ 高周波／直流変換回路
４１ａ 入力端
４１ｂ 分配器
４１ｃ、５５ａ、８２ｂａ 入力フィルタ
４１ｄ、５５ｂ、８２ｂｂ 整流器
４１ｄａ、５５ｂａ スルーホール
４１ｅ、５５ｃ、８２ｂｃ 出力フィルタ
４１ｆ、８２ｂ 整流部
４１ｇ 直流バス
４１ｈ 出力端
４１ｉ ローパスフィルタ
４１ｉａ インダクタ
４１ｉｂ コンデンサ
４２ 送電線
４３ 電圧制御回路
４４ 制御線
５０ 信号処理部
５１ 電力増幅器
５３ 分波回路
５４ アンテナ
５５ｄ 出力部
５７ 蓄電装置
６０ マイクロストリップ線路
６０ａ 分岐線路
６１、９３ コンデンサ
８１ 導波管
８１ａ 開口部
８１ｂ 孔
８２ レクテナ素子
８２ａ アンテナプローブ
８３、１６３ａ、１６３ｂ 筐体
９１ コイル
９２ ダイオード
９５ 制御部
９６ ドライバ
１００、２００、５００ 高周波加熱装置
１６１ 導波管
１６１ａ 円管導波管部
１６１ａａ 開口部
１６１ｂ ラジアル導波管部
１６１ｂａ 孔
１６１ｃ 内部導体
１６１ｃａ 拡径部
３００ 電子レンジ
４００ 無線通信装置
ＡＣ１、ＡＣ２ 交流電力
Ｂ 矢印
Ｃ 径方向
ＤＣ１〜ＤＣ４ 直流電力
Ｈ 熱
Ｌ 同心円
Ｏ 被加熱物
ＲＥＣＷ 受信波
ＲＥＦＷ 反射送信波
ＲＷ、ＲＷ１〜ＲＷ８ 反射マイクロ波
Ｓ 誘電体基板
ＴＷ 送信波
Ｗ マイクロ波
Ｘ 中心軸

Claims (8)

1. 高周波源から高周波負荷に高周波を伝送する伝送路上に配設され、前記高周波負荷が前記高周波を反射して発生した反射高周波を取り出す取出部と、
   前記取出部が取り出した反射高周波を直流電力に変換する高周波／直流変換部と、
   を備え、
   前記高周波／直流変換部は、
   前記取出部が取り出した前記反射高周波を伝送する反射高周波伝送路と、
   前記反射高周波伝送路内に突出するように設けられ、前記反射高周波を受信し、該受信した反射高周波に対応する交流電力を出力する複数のアンテナプローブと、
   前記アンテナプローブごとに設けられ、前記アンテナプローブが出力した交流電力を整流する複数の整流部と、
   を備えることを特徴とする電力回生装置。
2. 高周波源から高周波負荷に高周波を伝送する伝送路上に配設され、前記高周波負荷が前記高周波を反射して発生した反射高周波を取り出す取出部と、
   前記取出部が取り出した反射高周波を分岐して出力する分岐部と、
   前記取出部が取り出し、前記分岐部が分岐して出力した反射高周波を直流電力に変換する高周波／直流変換部と、
   を備え、
   前記高周波／直流変換部は、
   前記分岐部が分岐して出力した前記反射高周波を伝送する反射高周波伝送路と、
   前記反射高周波伝送路内に突出するように設けられ、前記反射高周波を受信し、該受信した反射高周波に対応する交流電力を出力する複数のアンテナプローブと、
   前記アンテナプローブごとに設けられ、前記アンテナプローブが出力した交流電力を整流する複数の整流部と、
   を備えることを特徴とする電力回生装置。
3. 前記各アンテナプローブはロッド状であり、前記各アンテナプローブの長さは、前記各アンテナプローブの位置における前記反射高周波伝送路内での前記反射高周波の電界強度分布に応じて設定されていることを特徴とする請求項１または２に記載の電力回生装置。
4. 前記反射高周波の前記反射高周波伝送路内での波長をλｇとすると、前記反射高周波伝送路の長手方向における前記複数のアンテナプローブの配置間隔が、λｇ／４に設定されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の電力回生装置。
5. 前記各整流部は、前記アンテナプローブが出力した交流電力の入力を受け付け、前記反射高周波の周波数以外の周波数成分を除去して出力する入力フィルタと、前記入力フィルタが出力した交流電力を整流し、直流電力として出力する整流器と、前記整流器が出力した直流電流に含まれる高周波成分を除去して出力する出力フィルタとを備え、前記入力フィルタおよび前記出力フィルタはバンドパスフィルタまたはローパスフィルタであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載の電力回生装置。
6. 前記分岐部は、入力ポートから入力された前記反射高周波を２つ以上の出力ポートに２分岐する多分岐導波管であり、
   前記多分岐導波管の２つ以上の出力ポートにそれぞれ接続された２つ以上の前記高周波／直流変換部を備えることを特徴とする、請求項２または請求項２を引用する請求項３〜５のいずれか一つに記載の電力回生装置。
7. 前記入力ポートの中心軸から前記２つ以上の出力ポートまでの長さが所定の長さだけ異なることを特徴とする請求項６に記載の電力回生装置。
8. 前記反射高周波の前記分岐部内での波長をλｇ´とすると、前記所定の長さは、λｇ´／４またはλｇ´／６であることを特徴とする請求項７に記載の電力回生装置。

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