JP6042040B1 - 加熱用照射装置 - Google Patents

Abstract

加熱用照射装置は、加熱用電磁波を発生する電磁波発生器としての高周波発生器１と、高周波発生器１で発生した加熱用電磁波を被加熱物５に照射する複数のアンテナ３と、上面の一部が曲面状の凸部になっており、当該凸部の表面に各アンテナ３の照射口が取り付けられるとともに、被加熱物５を収容するための内部空間を有する、反応炉４とを備え、各アンテナ３の照射方向が被加熱物５の特定点６に向かうように、各アンテナ３は、反応炉４の凸部の表面に曲面状に配列されている。

Description

本発明は、加熱用照射装置に関し、特に、物質に高周波を照射して加熱する加熱用照射装置に関するものである。

高周波を利用した物質の内部加熱による方法により熱処理等を行う化学反応装置や化学反応方法が知られている。そして、工業用アプケーションの実用化に向けた研究開発が活発に行われている（例えば、特許文献１参照）。

特許第５６０３１３４号公報

この種の従来の化学反応装置においては、高周波を照射する際に、物質の反応や加熱の状況に応じて、照射分布を変化させたり、局所的に効率よく照射させたりして、加熱促進や化学反応促進を行いたいという要望がある。

高周波を利用した化学反応装置に用いられる高周波発生機器として、よく知られているものは、電子レンジに使用されているマグネトロンに代表される電子管発振器である。電子管発振器は、大電力を出力することが可能である。しかしながら、電子管発振器は、発振する高周波の周波数に幅を持っていること、および、出力特性の時間変動が大きいこと、という特徴がある。そのため、電子管発振器を複数個合成した場合には、合成損失が大きく、かえって効率が落ちてしまうという問題点があった。

本発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、複数の高周波を合成させて用いる場合において、合成損失を抑え、効率の良い照射を行うことが可能な、加熱用照射装置を得ることを目的としている。

本発明は、加熱用電磁波を発生する電磁波発生器と、前記電磁波発生器で発生した前記加熱用電磁波を被加熱物に照射する複数のアンテナと、上面の一部が曲面状の凸部になっており、前記凸部の表面に各前記アンテナの照射口が取り付けられ、前記被加熱物を収容するための内部空間を有する、反応炉とを備え、各前記アンテナの照射方向が前記被加熱物の特定点に向かうように、各前記アンテナは、前記反応炉の前記凸部の表面における１つの弧に沿って曲面状に一列に配列されている、加熱用照射装置である。

本発明の加熱用照射装置によれば、複数の高周波を合成させることにより、閉空間となる反応炉において、被加熱物に対して効率の良い高周波の照射が可能となり、短時間での反応や加熱を行うことができ、さらには、それに伴うエネルギーの効率化を図ることができるという効果も得られる。

本発明の実施の形態１に係る加熱用照射装置の構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態１に係る加熱用照射装置による効果を説明するための比較例を示した図である。 本発明の実施の形態１に係る加熱用照射装置による効果を説明する説明図である。 本発明の実施の形態１に係る加熱用照射装置による効果を説明する説明図である。 本発明の実施の形態１に係る加熱用照射装置による効果をグラフを用いて説明する説明図である。 本発明の実施の形態２に係る加熱用照射装置の構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態２に係る加熱用照射装置による効果を説明するための比較例を示した図である。 本発明の実施の形態２に係る加熱用照射装置による効果を説明する説明図である。 本発明の実施の形態２に係る加熱用照射装置による効果を説明する説明図である。 本発明の実施の形態２に係る加熱用照射装置による効果を説明するための比較例を示した図である。 本発明の実施の形態２に係る加熱用照射装置による効果をグラフを用いて説明する説明図である。 本発明の実施の形態３に係る加熱用照射装置の構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態４に係る加熱用照射装置の構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態５に係る加熱用照射装置の構成を示す構成図である。 本発明の実施の形態６に係る加熱用照射装置の構成を示す構成図である。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る加熱用照射装置の構成を示す構成図である。図１に示すように、加熱用照射装置は、高周波発生器１、高周波供給路２、アンテナ３、および、反応炉４から構成されている。

実施の形態１に係る加熱用照射装置は、反応炉４の内部空間に被加熱物５を収容させ、その状態で、高周波発生器１で発生させた高周波を、アンテナ３から被加熱物５に照射して、被加熱物５の加熱を行う。被加熱物５は、気体、液体、固体のいずれの形態であってもよい。図１においては、被加熱物５が、反応炉４の内部空間の形状に沿った矩形であるように図示されているが、被加熱物５の形状は任意のものでよい。

高周波発生器１は、反応炉４内の被加熱物５に照射するための高周波の加熱用電磁波（以下、単に、高周波と呼ぶ。）を発生させる。高周波発生器１は、発生させる高周波の周波数が可変の周波数可変型電磁波発生器から構成されている。ここで、高周波発生器１が発生させる高周波としては、マイクロ波を用いることを想定している。マイクロ波は、電磁波の１領域である。慣用的な電波区分で、周波数が０．３〜３０ＧＨｚの範囲、且つ、波長が１ｃｍ〜１ｍの範囲の電磁波を、マイクロ波と呼んでいる。しかしながら、本実施の形態における高周波発生器１は、マイクロ波に限定されるものではなく、任意の周波数および任意の波長を適宜選択してよい。高周波発生器１は、反応炉４の外部に配置されている。高周波発生器１の種類については、位相コヒーレンスが高いものであれば、適宜選択してよい。また、図１では、複数のアンテナ３に対して、１つの高周波発生器１が設けられているが、各アンテナ３にそれぞれ高周波発生器１が１つずつ接続されていてもよい。

高周波供給路２は、高周波発生器１とアンテナ３とに連結されている。高周波供給路２は、高周波発生器１により発生された高周波をアンテナ３まで伝送させて、アンテナ３に供給する。高周波供給路２は、たとえば、同軸ケーブルや導波管などといった高周波を効率よく伝送できるいずれかの部材であれば適宜選択してよい。

アンテナ３は、反応炉４の中に設置された被加熱物５に対して、照射口から、高周波を照射する。アンテナ３は、複数個設けられている。図１では、５つのアンテナ３が設けられているが、アンテナ３の個数は、適宜選択してよい。アンテナ３は、たとえば、導波管をそのまま利用してもよいが、あるいは、ホーンアンテナやパッチアンテナなどといった高周波を効率よく空間に放射できる機器であれば、適宜選択してよい。各アンテナ３から照射される高周波のベクトルの向きは、すべて、予め設定された特定点６に向かっている。特定点６は、反応炉４内で、適宜、設定すればよく、その位置は特に限定されない。但し、特定点６は、反応炉４内の中央部に設定されることが多い。その理由は、被加熱物５は、通常、反応炉４内の中央部に置かれることが多いためである。また、特定点６は、点でなくてもよく、面積を有する円状であっても、あるいは、帯状の領域であってもよい。各アンテナ３は、被加熱物５の特定点６に高周波を効率的に集中させるために、曲面７の表面に、曲面状に配列されている。なお、曲面７は、図１に示すように、被加熱物５の特定点６を中心とした球面から構成されている。アンテナ３の配置間隔は、均等である。アンテナ３の配置間隔は、アンテナ３から照射される高周波の１波長以下に設定することが望ましい。また、アンテナ３の照射口と被加熱物５の表面との距離は、アンテナ３から照射される高周波の５波長以下に設定することが望ましい。なお、図１においては、曲面７上の１本の弧に沿って、１次元的に、各アンテナ３が並んで配置されたものを示しているが、その場合に限らず、反応炉４の大きさによっては、曲面７に沿って、２次元的または３次元的に配列されたものでもよい。

反応炉４は、被加熱物５を収容させる内部空間を有し、当該内部空間内で、被加熱物５を高周波で加熱もしくは反応させる。反応炉４の材料は、高周波を外部に漏えいさせないものであれば、適宜選択してよい。あるいは、反応炉４の内部空間だけを、高周波を遮蔽できる金属壁などの部材で囲むようにしてもよい。その場合には、反応炉４自体の材料としては、高周波が遮蔽できないものでもよいため、任意のものが選択可能である。反応炉４の形状については、反応させる被加熱物５の形態（たとえば、気体、液体、固体の別）、および、特性によって、適宜選択してよい。また、反応炉４には、被加熱物５を投入および排出するための投入／排出口がついているものが一般的である。被加熱物５が個体の場合には、被加熱物５を流していくベルトコンベアーなどの搬送機器が反応炉４に備えられていてもよい。被加熱物５が気体や液体の場合には、反応炉４内に被加熱物５をかき混ぜる攪拌機などが備えられてもよい。また、被加熱物５を効率よく加熱もしくは反応させるために、被加熱物５に触媒などが入っていてもよい。これらの投入／排出口や、攪拌機、ベルトコンベアー、触媒などについては、化学反応装置の一般的な構成と考えられ、反応炉４の内部構造についてもて限定するものではなく適宜選択してよい。
本実施の形態においては、反応炉４の上面の一部が、曲面７の一部から構成された凸部となっている。アンテナ３の照射口は、この凸部の表面に取り付けられている。

次に、本実施の形態１に係る加熱用照射装置の動作について説明する。

まず、高周波発生器１で発生した高周波は、高周波供給路２を介して、アンテナ３に給電される。アンテナ３は、供給された高周波を、照射口から放射する。こうして、アンテナ３から放射された高周波が、反応炉４内の被加熱物５に照射される。アンテナ３は、被加熱物の特定点６に高周波を効率的に集中させるために、被加熱物５の特定点６を中心とした球面の曲面７上に複数配列されている。そのため、アンテナ３からの高周波の放射方向のベクトルは、すべて被加熱物５の特定点６を向いている。高周波発生器１で発生した高周波の位相コヒーレンスが高ければ、各アンテナ３からの複数の高周波を空間合成することが可能であり、被加熱物の特定点６に対して効率の良い加熱が可能となる。このとき、アンテナ３の配置間隔は、上述したように、高周波の１波長以下が望ましい。その理由としては、配置間隔が広いと、各アンテナ３からの被加熱物５への照射領域の重畳される領域が少なくなるためである。また、アンテナ３の照射口と被加熱物５の表面との距離は、上述したように、高周波の５分の１以下が望ましい。その理由を説明する。各アンテナ３から放射される高周波は、距離に伴って広がっていく。そのため、被加熱物５との距離が大きいと、反応炉４内の被加熱物５が存在しない部分で反射され、被加熱物５に対する照射分布に乱れが生じ、高周波の合成に損失が生じてしまうためである。効率の良い空間合成のためには、各アンテナ３から照射される高周波の出力位相を合わせる必要がある。本実施の形態では、高周波供給路２の長さを適宜調整することで、各アンテナ３から照射される高周波の出力位相を合わせることを実現させている。

図２Ａ〜図２Ｄは、実施の形態１の効果について検証したものである。図２Ａ〜図２Ｄは、入力電力に対する、反応炉４内の被加熱物５の特定点６への照射電力の効率を示している。図２Ａ〜図２Ｄに示す検証では、特定点６を、反応炉４内の中央部に設定している。なお、図２Ａ，図２Ｂ，図２Ｃにおいては、特定点６を区別して、それぞれ、特定点６Ａ、６Ｂ、６Ｃとして示している。図２Ａは、大出力が可能な電子管発振器と１つのアンテナとを設けた従来の方式である。図２Ｂおよび図２Ｃは、図１に示した本実施の形態１に係る加熱用照射装置である。図２Ｂおよび図２Ｃでは、位相コヒーレントが高い高周波発生器１と、５つのアンテナ３とを備えている。図２Ｂは、高周波供給路２の長さを調整して、位相を設定することで、被加熱物５の特定点６に電力が集中するようにした場合を示している。一方、図２Ｃは、高周波供給路２の長さを調整して、位相を設定することで、アンテナが１つだけ設けられている図２Ａと同様の電力量が特定点６に集中するようにした場合を示している。図２Ａ〜図２Ｃにおいて、それぞれ、アンテナ３は矩形導波管とし、その中心間距離は０．６波長、中心のアンテナの高さは１．７波長である。図２Ａ〜図２Ｃにおいて、反応炉４内へ照射する高周波の総電力は同じである。

このとき、図２Ａ〜図２Ｃにおいて、入力電力に対する反応炉４内の被加熱物の特定点６への照射電力の効率を測定した。その結果を、図２Ｄに示す。図２Ｄの横軸は、それぞれ、特定点６Ａ、６Ｂ、６Ｃを示す。縦軸は、被加熱物の特定点への電力効率を示す。図２Ｄの棒グラフより、図２Ｂの方が、図２Ａに比べて、被加熱物５の特定点６付近の電力効率が大きいことがわかり、３倍以上効率が向上している。他方、図２Ｃでは、図２Ａと同様の電力効率を実現していることがわかる。このように、実施の形態１においては、高周波供給路２の長さを調整することで、所望の電力効率を実現することができる。また、位相の設定値については、被加熱物５の形態（たとえば、気体、液体、固体）、および、特性によって適宜選択すればよい。

以上のように、実施の形態１に係る加熱用照射装置は、加熱用電磁波を発生する電磁波発生器としての高周波発生器１と、高周波発生器１で発生した加熱用電磁波（高周波）を被加熱物５に照射する複数のアンテナ３と、上面の一部が曲面状の凸部になっており、当該凸部の表面に各アンテナ３の照射口が取り付けられるとともに、被加熱物５を収容するための内部空間を有する、反応炉４とを備え、各アンテナ３の照射方向が被加熱物５の特定点６に向かうように、各アンテナ３は、反応炉４の凸部の表面に曲面状に配列されている。このとき、凸部の曲面７は、特定点６を中心とする球面の一部から構成されている。
このように、実施の形態１によれば、位相コヒーレンスの高い高周波発生器１を用いて、曲面状に配列された複数のアンテナ３からの高周波を反応炉４内で空間合成することにより、従来の電子管発振器を用いた方式に比べて、被加熱物５に対して、効率良く加熱することが可能となる。

実施の形態２．
図３は、本発明の実施の形態２に係る加熱用照射装置の構成を示す図である。図３において、図１に示した実施の形態１に係る加熱用照射装置と同一または相当する部分については、同一符号を付し、その説明を省略する。

実施の形態１と実施の形態２との相違点について説明する。
まず、第１の相違点について説明する。実施の形態１では、アンテナ３を曲面７の表面上に、曲面状に配置していた。一方、実施の形態２では、反応炉４の上面を平坦な平面にして、当該平面上に各アンテナ３の照射口を平面状に配置している。従って、実施の形態２では、図３の断面図に示されるように、アンテナ３が直線状に配列されている。
次に、第２の相違点について説明する。実施の形態１では、アンテナ３の個数が任意の複数個だったが、一方、実施の形態２では、アンテナ３の個数が３つに限定されている。
他の構成については、実施の形態１と同じであるため、ここではその説明を省略する。

本実施の形態においては、図３に示すように、１つのアンテナ３の照射方向のベクトルは、被加熱物５の特定点６に向かっている。また、当該アンテナ３の両側に、他の２本のアンテナ３が配置されている。アンテナ３の配置間隔は、均等である。アンテナ３の配置間隔は、アンテナ３から照射される高周波の１波長以下に設定することが望ましい。また、アンテナ３の照射口と被加熱物５の表面との距離は、アンテナ３から照射される高周波の５波長以下に設定することが望ましい。

図３に示すように、アンテナ３を直線状に配置した場合は、アンテナ３の個数は３つの場合が効果的である。図３の３つのアンテナ３の両側に、さらに、アンテナ３を１つずつ配置して、合計５つにすると、アンテナ３からの被加熱物５への照射領域の重畳される領域が少なくなるため、アンテナ３の個数に比例した効率の増加が見込めない。

図４Ａ〜図４Ｅは、実施の形態２の効果について検証したものである。図４Ａ〜図４Ｅは、入力電力に対する、反応炉４内の被加熱物５の特定点６への照射電力の効率を示している。図４Ａ〜図４Ｅの検証においても、実施の形態１と同様に、特定点６を、反応炉４内の中央部に設定している。なお、図４Ａ，図４Ｂ，図４Ｃ，図４Ｄにおいては、特定点６を区別して、それぞれ、特定点６Ｄ、６Ｅ、６Ｆ、６Ｇとして示している。

図４Ａは、大出力が可能な電子管発振器と１つのアンテナを設けた従来の方式である。図４Ｂ及び図４Ｃは、図３に示した本実施の形態２に係る加熱用照射装置である。図４Ｂおよび図４Ｃでは、位相コヒーレントが高い高周波発生器１と、直線状に配列した３つのアンテナ３とが設けられている。また、図４Ｄは、位相コヒーレントが高い高周波発生器１と、直線状に配列した５つのアンテナ３とが設けられている。図４Ｂおよび図４Ｄは、高周波供給路２の長さを調整して、位相を設定することで、被加熱物５の特定点６に電力が集中するようにした場合を示している。一方、図４Ｃは、高周波供給路２の長さを調整して、位相を設定することで、アンテナ３が１つだけ設けられている図４Ａと同様の電力量が特定点６に集中するようにした場合を示している。図４Ａ〜図４Ｄにおいて、それぞれ、アンテナ３は矩形導波管とし、その中心間距離は０．９波長、中心のアンテナの高さは１．２波長である。図４Ａ〜図４Ｄにおいて、反応炉４内へ照射する高周波の総電力は同じである。

このとき、図４Ａ〜図４Ｄにおいて、入力電力に対する反応炉４内の被加熱物の特定点６への照射電力の効率を測定した。その結果を、図４Ｅに示す。図４Ｅの横軸は、それぞれ、特定点６Ｄ、６Ｅ、６Ｆ、６Ｇを示す。縦軸は、被加熱物の特定点への電力効率を示す。図４Ｅの棒グラフより、図４Ｂの特定点６Ｅの方が、図４Ａの特定点６Ｄに比べて、被加熱物５の特定点６付近の電力効率が大きいことがわかり、１．５倍以上効率が向上する。他方、図４Ｃの特定点６Ｆでは、図４Ａの特定点６Ｄと同様の電力効率を実現することが可能である。また、アンテナ３の個数を３本とした図４Ｂの特定点６Ｅの方が、アンテナ３の個数を５本とした図４Ｄの特定点６Ｇよりも効率が高いことがわかる。すなわち、前述の通り、直線状に配置した場合は、アンテナ３の個数は３つが効果的と言える。位相の設定値については、被加熱物５の形態（たとえば気体、液体、固体）および特性によって適宜選択すればよい。

以上のように、実施の形態２に係る加熱用照射装置は、加熱用電磁波（高周波）を発生させる電磁波発生器としての高周波発生器１と、高周波発生器１で発生した加熱用電磁波を被加熱物５に照射する３つのアンテナ３と、上面が平坦な平面状になっており、当該上面にアンテナ３の照射口が取り付けられるとともに、被加熱物５を収容するための内部空間を有する、反応炉４とを備え、３つのアンテナは、直線状に配置され、３つのアンテナは、加熱用電磁波の照射方向が被加熱物５の特定点６に向かうように配置された１つのアンテナ３と、１つのアンテナ３の両側にそれぞれ配置された他の２つのアンテナ３とを含む。
このように、実施の形態２においては、位相コヒーレンスの高い高周波発生器１を用いて、直線状に配列された３つのアンテナ３からの高周波を反応炉４内で空間合成しているが、この場合においても、実施の形態１と同様の効果が得られる。

実施の形態３．
図５は、本発明の実施の形態３に係る加熱用照射装置の構成を示す図である。図１に示した実施の形態１に係る加熱用照射装置と同一または相当する部分については、同一符号を付し、その説明を省略する。

実施の形態１と実施の形態３との相違点について説明する。
図５に示すように、実施の形態３では、各アンテナ３に対して、移相器５１と増幅器５２とを１つずつ設けている。この点が、実施の形態１と異なる。なお、図５では、実施の形態１の構成に対して実施の形態３の構成を適用した場合を示しているが、実施の形態２の構成に対して実施の形態３の構成を適用してもよい。
他の構成については、実施の形態１，２と同じであるため、ここでは、その説明を省略する。

移相器５１は、高周波供給路２内に取り付けられている。移相器５１は、高周波供給路２の一部を介して、高周波発生器１に接続されている。移相器５１は、高周波供給路２の長さによらず、アンテナ３への位相量を制御する。移相器５１は、例えば電圧制御型の可変移相器など、移相量を変化できるものであれば、適宜選択してよい。

増幅器５２は、高周波供給路２内に取り付けられている。増幅器５２は、移相器５１とアンテナ３との間に設けられている。増幅器５２は、移相器５１とアンテナ３とに、高周波供給路２の一部を介して、接続されている。増幅器５２は、アンテナ３への高周波を増幅するものであり、例えば、半導体デバイスで構成される増幅器など、高周波を増幅できるものであれば、適宜選択してよい。

移相器５１と増幅器５２とにより、アンテナ３での出力を変化させることができる。そのため、被加熱物５への出力において、高周波供給路２の長さを変更することなく、上述した、図２Ｂおよび図２Ｃや、図４Ｂおよび図４Ｃの構成で実現させた効率を実現することが可能である。

以上のように、実施の形態３によれば、移相器５１と増幅器５２とを設けることで、高周波供給路２の長さを調整することなく、実施の形態１および２と同様の効果を得ることができる。

実施の形態４．
図６は、本発明の実施の形態４に係る加熱用照射装置の構成を示す図である。図５に示した実施の形態３に係る加熱用照射装置と同一または相当部分については、同一符号を付し、その説明を省略する。

実施の形態３と実施の形態４との相違点について説明する。
図５と図６とを比較すると分かるように、実施の形態４においては、振幅／位相取得部７１と、振幅／位相モニタ７２と、高周波出力制御装置７３とが、追加されている。
他の構成および動作については、実施の形態３と同じである。

なお、図６においては、移相器５１を設ける位置が階段状に変化しているように図示されているが、これは、高周波出力制御装置７３と移相器５１とを接続する複数の信号線を図示する関係で、便宜上、移相器５１の位置を階段状に少しずつずらして記載したもので、実際には、図５と同様に、各移相器５１を一直線上に並べて配置してよい。

振幅／位相取得部７１は、各アンテナ３に対して１つずつ設けられている。振幅／位相取得部７１は、アンテナ３と増幅器５２との間に設けられている。振幅／位相取得部７１は、反応炉４内へ入射される高周波の振幅と位相を取得するとともに、反応炉４内から反射される高周波の振幅と位相を取得する。以下では、反応炉４内へ入射される高周波を「入力波」と呼び、反応炉４内から反射される高周波を「反射波」と呼ぶ。振幅／位相取得部７１は、たとえば、方向性結合器など、振幅と位相の両方を取得できるものであれば、適宜選択してよい。なお、ここでは、振幅／位相取得部７１が、入力波の振幅及び位相と反射波の振幅及び位相との、両方を取得することとして説明するが、その場合に限らず、入力波の振幅及び位相と反射波の振幅及び位相とのうちのいずれか一方のみを取得する構成としてもよい。

振幅／位相モニタ７２は、振幅／位相取得部７１をモニタする。具体的には、振幅／位相モニタ７２は、振幅／位相取得部７１で取得された入力波と反射波の振幅と位相とを、振幅値および位相値として、それぞれ、値として取得する。振幅／位相モニタ７２、たとえば、ネットワークアナライザなどから構成されるが、これに限定されることなく、適宜選択してよい。振幅／位相モニタ７２は、複数の振幅／位相取得部７１に対して、１つだけ設けられている。

高周波出力制御装置７３は、振幅／位相モニタ７２でモニタした入力波と反射波の振幅値および位相値に基づいて、高周波発生器１と移相器５１と増幅器５２とを制御する。なお、図６においては、図の簡略化を図るため、高周波出力制御装置７３と増幅器５２とを接続する信号線については図示を省略している。

高周波出力制御装置７３は、プロセッサとメモリから構成された、例えば、パーソナルコンピュータから構成される。高周波出力制御装置７３の各機能は、メモリに記憶されたプログラムを実行するＣＰＵ、システムＬＳＩ等の処理回路により、実現される。また、複数のプロセッサおよび複数のメモリが連携して、高周波出力制御装置７３の各機能を実行してもよい。ただし、高周波出力制御装置７３は、パーソナルコンピュータに限定されることなく、他のハードウエアから適宜選択してよい。

次に、実施の形態４に係る加熱用照射装置の動作について説明する。
高周波出力制御装置７３は、振幅／位相モニタ７２によって得られた入力波と反射波の振幅値と位相値とを、メモリに格納する。高周波出力制御装置７３は、反応炉４内に、高周波の最適な照射分布を提供するために、メモリに格納した振幅値と位相値とに基づいて、高周波発生器１の周波数、移相器５１の位相値、および、増幅器５２の増幅量を制御する。なお、高周波出力制御装置７３は、高周波発生器１の周波数、移相器５１の位相値、及び、増幅器５２の増幅量のすべてを必ずしも制御する必要はなく、このうちの少なくとも１つを制御すればよい。

動作について説明する。
振幅／位相取得部７１によって得られた入力波および反射波の振幅と位相とは、振幅／位相モニタ７２を介して、高周波出力制御装置７３に送られる。被加熱物５の加熱状況に変化があれば、入力波および反射波に変化が生じる。そのため、例えば、高周波出力制御装置７３では、あらかじめ計算値によるルックアップテーブルを用意することで、高周波発生器１と移相器５１と増幅器５２とを制御することができる。なお、ルックアップテーブルとしては、高周波発生器１と、移相器５１と、増幅器５２とに対して、それぞれ、用意する。以下に、説明する。

高周波発生器１のためのルックアップテーブルには、入力波の振幅値および位相値と、反射波の振幅値および位相値と、高周波発生器１の周波数との対応関係が、予め定められている。従って、ルックアップテーブルに従って、入力波の振幅値および位相値と、反射波の振幅値および位相値とに基づいて、高周波発生器１の最適な周波数を求めることができる。

同様に、移相器５１のためのルックアップテーブルには、入力波の振幅値および位相値と、反射波の振幅値および位相値と、移相器５１の位相値との対応関係が、予め定められている。従って、ルックアップテーブルに従って、入力波の振幅値および位相値と、反射波の振幅値および位相値とに基づいて、移相器５１の最適な位相値を求めることができる。

また、同様に、増幅器５２のためのルックアップテーブルには、入力波の振幅値および位相値と、反射波の振幅値および位相値と、増幅器５２の増幅量との対応関係が、予め定められている。従って、ルックアップテーブルに従って、入力波の振幅値および位相値と、反射波の振幅値および位相値とに基づいて、増幅器５２の最適な増幅量を求めることができる。

こうして、高周波出力制御装置７３では、高周波発生器１と移相器５１と増幅器５２とを制御することで、例えば、入力波がより大きく、反射波がより小さくなるように、入力波および反射波を制御することができる。これにより、被加熱物５への高周波の出力において、上述した、図２Ｂ及び図２Ｃの構成あるいは図４Ｂ及び図４Ｃの構成から得られる効率と同等の効率を、被加熱物５の状態に応じて、リアルタイムに実現することが可能である。

なお、高周波出力制御装置７３は、入力波の振幅値及び位相値と反射波の振幅値および位相値とのすべてを制御に用いる必要はなく、これらの値のうち、少なくとも１つを制御に用いるようにすればよい。

以上のように、この実施の形態４によれば、振幅／位相取得部７１と、振幅／位相モニタ７２と、高周波出力制御装置７３とを備えることにより、被加熱物５の状態に応じてリアルタイムに照射分布を制御できるようになり、より効率的な加熱効果が得られる。

実施の形態５．
図７は、本発明の実施の形態５に係る加熱用照射装置の構成を示す図である。図５に示した実施の形態３に係る加熱用照射装置と同一または相当部分については、同一符号を付し、その説明を省略する。

実施の形態３と実施の形態５との相違点について説明する。
図５と図７とを比較すると分かるように、実施の形態５では、被加熱物５の温度を取得する温度取得部８１と、それをモニタする温度モニタ８２と、高周波出力制御装置７３とが追加されている。
他の構成および動作については、実施の形態３と同じである。

なお、図７においては、移相器５１を設ける位置が階段状に変化しているように図示されているが、これは、高周波出力制御装置７３と移相器５１とを接続する複数の信号線を図示する関係で、便宜上、移相器５１の位置を階段状に少しずつずらして記載したもので、実際には、図５と同様に、各移相器５１を一直線上に並べて配置してよい。

なお、図７では、実施の形態３に対して本実施の形態５に係る構成を適用した場合を示しているが、実施の形態４に対して本実施の形態５に係る構成を適用してもよい。その場合には、高周波出力制御装置７３を２つ設ける必要はなく、１つの高周波出力制御装置７３により、入力波の振幅値および位相値と、反射波の振幅値および位相値と、被加熱物５の温度のうちの、すくなくとも１つに基づいて、高周波発生器１と移相器５１と増幅器５２とを制御する。なお、高周波出力制御装置７３は、高周波発生器１の周波数、移相器５１の位相値、及び、増幅器５２の増幅量のすべてを必ずしも制御する必要はなく、このうちの少なくとも１つを制御すればよい。

温度取得部８１は、反応炉４の内部に設けられている。温度取得部８１は、反応炉４内の被加熱物５の温度を測定する。温度取得部８１は、例えば、熱電対やサーモグラフィなど、温度を測定できるものであれば、適宜選択してよい。また、反応炉４内に、温度取得部８１を複数個設けてもよく、その取付位置は特に限定しない。

温度モニタ８２は、温度取得部８１をモニタする。具体的には、温度モニタ８２は、温度取得部８１で取得された温度を、値として取得する。温度モニタ８２は、例えばデータロガーなどから構成されるが、これに限定されることなく、適宜選択してよい。温度モニタ８２は、複数の温度取得部８１に対して、１つだけ設けられている。

温度取得部８１によって得られた温度は、温度モニタ８２を介して、高周波出力制御装置７３に送られる。高周波出力制御装置７３は、温度モニタ８２でモニタした温度に基づいて、被加熱物５の温度分布に応じて、高周波発生器１と移相器５１と増幅器５２とを制御する。これにより、被加熱物５への高周波の出力において、上述した、図２Ｂ及び図２Ｃの構成あるいは図４Ｂ及び図４Ｃの構成から得られる効率と同等の効率を、被加熱物５の状態に応じて、リアルタイムに実現することが可能である。

以上のように、この実施の形態５によれば、温度取得部８１と、温度モニタ８２と、高周波出力制御装置７３とを備えることにより、被加熱物５の状態に応じてリアルタイムに照射分布を制御できるようになり、より効率的な加熱効果が得られる。

実施の形態６．
図８は、本発明の実施の形態６に係る加熱用照射装置の構成を示す図である。図５に示した実施の形態３に係るマイクロ波加熱照射装置と同一または相当部分については、同一符号を付し、その説明を省略する。

実施の形態３と実施の形態６との相違点について説明する。
図５と図８とを比較すると分かるように、実施の形態６では、実施の形態３に示した加熱用照射装置を、複数個直列に接続して、全体として、高周波加熱用照射システムを構築している点が、実施の形態３と異なる。加熱用照射装置を直列接続する際には、各加熱用照射装置の反応炉４を直列に連結させて、１つの大きな細長い共用反応炉とする。被加熱物５は、その細長い大きな共用反応炉内を、ベルトコンベアーなどの搬送機器で搬送され、各加熱用照射装置を、順次、通過していくものとする。
他の構成については、実施の形態３と同様であるため、ここでは、その説明を省略する。

図８において、被加熱物５は、共用反応炉の左側から投入され、複数の各加熱用照射装置を通って、共用反応炉の右側の方向に移動するものと仮定する。なお、投入および移動の方向は、この逆であってもよい。

このとき、被加熱物５の加熱状況や反応状況に応じて、各加熱用照射装置毎に、移相器５１の位相量および増幅器５２の増幅量の少なくとも１つを変化させることで、各加熱用照射装置の反応炉４ごとに、被加熱物５に照射する高周波の出力を可変とすることができる。これにより、各加熱用照射装置間で、被加熱物５の状況に合わせて、各反応炉４ごとに、別々の状況を作り出すことが可能である。

また、このとき、さらに、各加熱用照射装置の高周波発生器１の周波数を変化させることもできるため、各加熱用照射装置間で高周波が干渉することも防止することができる。

図８に示すように、本実施の形態においては、共用反応炉を構成する各反応炉４ごとに、高周波発生器１、移相器５１、増幅器５２、アンテナ３が、別個に設けられている。そのため、それぞれの各反応炉４ごとに、被加熱物５の反応状態に応じて、アンテナ３から照射する高周波の出力を制御することができる。これにより、各反応炉４において、被加熱物５の状態に応じて、照射分布を変えることができるため、最適な条件で、効率よく、被加熱物５の加熱を行うことができる。

なお、図８では、実施の形態３に対して実施の形態６に係る構成を適用した場合を示しているが、その場合に限らず、他の実施の形態、すなわち、実施の形態１から５までのいずれかの実施の形態に対して、実施の形態６に係る構成を適用してもよい。さらに、直列接続する複数の加熱用照射装置がすべて同一構成である必要はない。従って、実施の形態１から５までのいずれかの２以上の実施の形態に係る構成を複数個自由に組み合わせて、直列に接続してもよい。

なお、実施の形態４および実施の形態５の構成を用いた場合には、高周波出力制御装置７３が設けられているので、高周波発生器１の周波数、移相器５１の位相量、増幅器５２の増幅量は、加熱用照射装置ごとに、高周波出力制御装置７３により自動的に制御できるが、他の実施の形態の構成を用いた場合には、高周波発生器１の周波数、移相器５１の位相量、及び、増幅器５２の増幅量は、作業員が手動で調整することとする。

以上のように、この実施の形態６によれば、実施の形態１から５までの加熱用照射装置を直列に接続しても、実施の形態１から５までと同様の効果が得られる。とくに、ベルトコンベアーなどで被加熱物５が流れてくるときに、各反応炉４において、被加熱物５の状態に応じて、照射分布を変えることができるため、効果的である。また、スケーラブルな拡張性の効果が得られる。

なお、本発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

Claims (8)

1. 加熱用電磁波を発生する電磁波発生器と、
   前記電磁波発生器で発生した前記加熱用電磁波を被加熱物に照射する複数のアンテナと、
   上面の一部が曲面状の凸部になっており、前記凸部の表面に各前記アンテナの照射口が取り付けられ、前記被加熱物を収容するための内部空間を有する、反応炉と
   を備え、
   各前記アンテナの照射方向が前記被加熱物の特定点に向かうように、各前記アンテナは、前記反応炉の前記凸部の表面における１つの弧に沿って曲面状に一列に配列されている、
   加熱用照射装置。
2. 前記凸部を構成する曲面は、前記特定点を中心とする球面の一部から構成されている
   請求項１に記載の加熱用照射装置。
3. 前記アンテナと前記被加熱物との距離は、前記加熱用電磁波の５波長以下である、
   請求項１または２に記載の加熱用照射装置。
4. 各前記アンテナに対して設けられ、各前記アンテナへ供給される前記加熱用電磁波の位相量を制御する移相器と、
   各前記アンテナに対して設けられ、各前記アンテナへ供給される前記加熱用電磁波を増幅する増幅器と
   をさらに備えた
   請求項１から３までのいずれか１項に記載の加熱用照射装置。
5. 各前記アンテナに対して設けられ、各前記アンテナから前記反応炉内へ照射される前記加熱用電磁波の振幅および位相と、前記加熱用電磁波が前記反応炉内で反射した反射波の振幅および位相とのうちの、少なくともいずれか一方を取得する振幅／位相取得部と、
   前記振幅／位相取得部で取得した前記振幅および前記位相に基づいて、前記電磁波発生器、前記移相器、および、前記増幅器を制御することで、前記アンテナから前記被加熱物に照射する前記加熱用電磁波の出力を制御する、第１の電磁波出力制御装置と
   をさらに備えた
   請求項４に記載の加熱用照射装置。
6. 前記反応炉に対して設けられ、前記反応炉内の前記被加熱物の温度を取得する温度取得部と、
   前記温度取得部で取得した前記被加熱物の前記温度に基づいて、前記電磁波発生器、前記移相器、および、前記増幅器を制御することで、前記アンテナから前記被加熱物に照射する前記加熱用電磁波の出力を制御する、第２の電磁波出力制御装置と
   をさらに備えた
   請求項４または５に記載の加熱用照射装置。
7. 前記加熱用照射装置は複数個直列に接続されており、
   各前記加熱用照射装置の前記反応炉は直列に連結されて、連続した１つの共用反応炉を構成している、
   請求項１から６までのいずれか１項に記載の加熱用照射装置。
8. 前記共用反応炉を構成するそれぞれの各前記反応炉ごとに、前記アンテナから前記被加熱物に照射する前記加熱用電磁波の出力を可変とする
   請求項７に記載の加熱用照射装置。

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