JP6884939B2

JP6884939B2 - 電磁波発振装置

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Publication number: JP6884939B2
Application number: JP2018523949A
Authority: JP
Inventors: 池田　裕二; 裕二池田; 誠士神原
Original assignee: GENERAL SOLUTIONS CO., LTD.
Current assignee: GENERAL SOLUTIONS CO., LTD.
Priority date: 2016-06-14
Filing date: 2017-06-14
Publication date: 2021-06-09
Anticipated expiration: 2037-06-14
Also published as: JPWO2017217437A1; WO2017217437A1

Description

本発明は、電磁波加熱装置や電磁波吸収体を備えた触媒担持担体に電磁波照射アンテナから電磁波エネルギを供給したり、電磁波を昇圧して放電する点火装置に電磁波エネルギを供給したりする電磁波発振装置に関する。

近年、マグネトロンに代わり、半導体素子によるマイクロ波発生装置を用いた電子レンジ等の加熱装置が検討されている。例えば、特許文献１では、加熱室の上下左右の壁面にマイクロ波を放射する電磁波照射アンテナを配備したマイクロ波加熱装置が開示されている。このマイクロ波加熱装置は２つの発振器を有し、第１の発振器から出力されたマイクロ波は第１の分配器で２分配されて上面と下面のアンテナに給電され、第２の発振器から出力されたマイクロ波は第２の分配器で２分配されて左面と右面のアンテナに給電される。

そして、半導体で構成される発振器（電磁波発振装置）には、商用の交流電源やバッテリ等の直流電源から整流する整流回路と平滑化コンデンサ等を備えたコンバータから直流電圧が印加される。

ところで、半導体素子を使った電磁波発振装置を用いた加熱装置等では、反射係数が低い値を取り反射波が少ない周波数帯域を利用するように制御することが一般的である。

特許第５１６９３７１号公報

しかし、単に反射係数が低い場合でも、所謂Ｑ値が高い周波数帯域ではエネルギ伝送率が低いという問題がある。

本発明は、係る点に鑑みてなされたものであり、その目的は、単に反射係数が低い周波数帯域を利用するだけでなく、反射係数が低く、かつ、伝送効率の高い周波数帯域を使うように制御する電磁波発振装置を提供することである。

上記課題を解決するためになされた本発明の電磁波発振装置は、
電源から印加される電圧によって電磁波を発振する電磁波発振器と、
該電磁波発振器からの電磁波エネルギの供給を受けるキャビティと電磁波発振器との間で電磁波発振器から発振される電磁波の進行波及び反射波を検出する検出器と、
前記電磁波発振器及び検出器を制御する制御装置とを備え、
該制御装置は、本運転前に前記電磁波発振器が発振可能な帯域全般の周波数を掃引しながらキャビティに電磁波を発振し、反射係数が−３ｄＢを下回った発振周波数より、該発振周波数の直後に反射係数が−３ｄＢを上回った発振周波数が１０ＭＨｚ以上大きくなった両周波数間をエネルギ送出周波数帯域と定義して、本運転時にエネルギ送出周波数帯域のみを使用して電磁波を発振するようにしている。

本発明の電磁波発振装置は、反射係数が−３ｄＢを下回った発振周波数より、該発振周波数の直後に反射係数が−３ｄＢを上回った発振周波数が１０ＭＨｚ以上大きい場合、換言するとＱ値が比較的低い場合、エネルギ送出周波数帯域として電磁波発振器から電磁波を発振する。

この場合において、本運転時には、制御装置は、検出器が検出する電圧定在波比が所定値以上となった場合、発振する電磁波の周波数をエネルギ送出周波数帯域内で変動させて発振するように制御することができる。

本発明の電磁波発振装置は、電磁波発振器からの電磁波発振を制御装置によって、反射係数が低く、かつ、伝送効率の高い電磁波発振ができるように制御することで高効率の電磁波発振装置を提供することができる。

本発明の電磁波発振装置の概略を示す回路図である。同電磁波発振装置の電磁波発振器から発振される電磁波の周波数と反射係数を示すグラフである。同電磁波発振装置の電磁波発振器から発振される電磁波のＶＳＷＲが所定値にある場合の負荷変動軌跡を示すスミスチャートである。第２実施形態に係る本発明の電磁波発振装置を用いた排気浄化装置の概略構成図である。第２実施形態に用いる担体を示し、（ａ）は平面図、（ｂ）は一部断面の正面図である。電磁波照射アンテナの別の例を示し、（ａ）は一部切り欠きの全体概略図、（ｂ）はアンテナ本体を構成する導体が直線上の例、（ｃ）は同導体が円状になっている例を示す。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

＜実施形態１＞
本実施形態１は、本発明に係る電磁波発振装置である。この電磁波発振装置１は、図１に示すように、電源Ｐから印加される電圧によって電磁波を発振する電磁波発振器３と、電磁波発振器３からの電磁波エネルギの供給を受けるキャビティＣと電磁波発振器３との間で電磁波発振器３から発振される電磁波の進行波及び反射波を検出する検出器８と、検出器８からの検出信号が印加されるとともに電磁波発振器３を制御する制御装置５とを備えている。そして、制御装置５は、本運転前に電磁波発振器３が発振可能な帯域全般の周波数を掃引しながらキャビティＣに電磁波を発振し、反射係数が−３ｄＢを下回った発振周波数より、この発振周波数の直後に反射係数が−３ｄＢを上回った発振周波数が１０ＭＨｚ以上大きくなった両周波数間をエネルギ送出周波数帯域と定義して、本運転時にエネルギ送出周波数帯域のみを使用して電磁波を発振するようにしている。電磁波発振器３から発振される電磁波は、増幅器４によって所望の出力まで増幅され、分配器６を介して電磁波照射アンテナ７に供給される。

電磁波発振器３への電流の供給は、コンバータ２から平滑回路３０を介し、低電圧、例えば５Ｖや１２Ｖの電流が供給され、増幅器４には電磁波発振器３からの電磁波の増幅の割合によって異なるが、例えば３２Ｖの電圧が印加される。この増幅器４への電圧の印加は連続波で印加するようにしても構わないが、後述する電磁波発振器３の発振パターンに合わせて制御装置５がコンバータ２を制御し出力パターンを変動させるように構成しても構わない。また、コンバータ２は家庭用交流電源を用いるときはＡＣ／ＤＣコンバータ、バッテリ等の直流電源を用いるときはＤＣ／ＤＣコンバータを使用する。

電磁波発振器３は、制御装置５から電磁波発振信号（例えばＴＴＬ信号）を制御チップ５０が受けると、制御チップ５０から所定のデューティー比、パルス時間等を設定したパルス波として又は連続波として電磁波（例えば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波）を出力する。３０は、電磁波発振器３へ供給される電流の平滑回路である。本実施形態においては、本運転前に、電磁波発振器３の発振可能周波数、例えば、図２に示すように、２．３０Ｇｈｚ〜２．７０ＧＨｚの周波数を掃引（Ｓｗｅｅｐ）させて電磁波（マイクロ波）を発振する。

増幅器４は、電磁波発振器３から出力された数Ｗ程度の電磁波を数ｋＷまで増幅し、点火装置や電磁波照射アンテナに供給する。

キャビティＣは、電磁波エネルギの供給先が電子レンジ等の加熱装置の場合は加熱室が該当し、電磁波エネルギの供給先が内燃機関の場合には燃焼室が該当する。

電磁波発振器３からの電磁波エネルギの供給を受けるキャビティＣと電磁波発振器３との間、より具体的には増幅器４と分配器６との間で電磁波発振器３から発振される電磁波の進行波及び反射波を検出する検出器８が配設されている、検出器８は、具体的には線路のインピーダンスを検知するように構成され、電磁波発振器３から発振する電磁波の周波数を掃引（Ｓｗｅｅｐ）させることで、周波数毎の反射係数ρが検出できる。反射係数ρは
ρ＝（Ｚ−Ｚ_０）／（Ｚ＋Ｚ_０）
ρ：反射係数、Ｚ_０：線路の特性インピーダンス、Ｚ：負荷のインピーダンス
で表される進行波と反射波の関係を示す数値である。

そして、検出器８からの信号（周波数毎の反射係数）は、図２に示すグラフのように表され、制御装置５は、反射係数が−３ｄＢを下回った点Ｐ１の発振周波数（２．４ＧＨｚ）を記憶し、次いでこの２．４ＧＨｚの発振周波数の直後に反射係数が−３ｄＢを上回った点Ｐ２の発振周波数（２．４０５ＧＨｚ）が点Ｐ１の発振周波数より１０ＭＨｚ以上大きいか否かを判定する。Ｐ２は２．４０５ＧＨｚでありＰ１よりも５ＭＨｚしか大きくないため、２．４ＧＨｚ〜２．４０５ＧＨｚの周波数帯域はエネルギ送出周波数帯域と定義されない。

次に、反射係数が−３ｄＢを下回った点Ｐ３の発振周波数（２．４３５ＧＨｚ）を記憶し、次いでこの２．４３５ＧＨｚの発振周波数の直後に反射係数が−３ｄＢを上回った点Ｐ４の発振周波数（２．５２５ＧＨｚ）が点Ｐ３の発振周波数より１０ＭＨｚ以上大きいか否かを判定する。Ｐ４は２．５２５ＧＨｚでありＰ３よりも９０ＭＨｚ大きくなっているため、２．４３５ＧＨｚ〜２．５２５ＧＨｚの周波数帯域はエネルギ送出周波数帯域と定義され、本運転時にはこのエネルギ送出周波数帯域は発振する周波数帯域として使用される。

特に反射係数の低い点Ｐ５の発振周波数（２．４８５ＧＨｚ）の±５ＭＨｚの範囲である２．４８〜２．４９ＧＨｚの周波数帯域を本運転時に使用する発振周波数帯域として利用することが好ましい。

また、エネルギ送出周波数帯域として定義する反射係数はさらに低い反射係数で設定しても構わない。例えば、−５ｄＢとすることが好ましく、−６ｄＢとすることがより好ましい。所定の反射係数を下回った発振周波数の直後に所定の反射係数を上回った発振周波数が下回った発振周波数の差は、１０ＭＨｚよりも大きく設定することもできる。例えば２０ＭＨｚとすることが好ましく、３０ＭＨｚとすることがより好ましい。このようにすることで、所謂Ｑ値が高すぎる範囲とならず、エネルギ伝送率が高い範囲でキャビティＣに電磁波エネルギを供給することができる。また、例えば周波数差を３０ＭＨｚと設定したときに、周波数を掃引した結果、エネルギ送出周波数帯域が決定できない問いは、順次周波数差を短く（例えば、２ＭＨｚずつ周波数差を短くする）設定し、エネルギ送出周波数帯域が決定するまでそれを繰り返すように設定することもできる。

そして、本運転前に電磁波発振器３が発振可能な帯域全般の周波数を掃引し、エネルギ送出周波数帯域を決定した後に、本運転を開始する。本運転時には検出器８によって、線路のインピーダンス(負荷インピーダンス)を検出し、電圧定在波比（以下、ＶＳＷＲという）を検出する。
ここで、ＶＳＷＲは、
ＶＳＷＲ＝（１＋｜ρ｜）／（１−｜ρ｜）
ρは上述した計算式で求められる反射係数
で表される進行波と反射波の関係を示す数値である。

そして、検出器８からの信号は、図３に示すスミスチャート上では、負荷変動軌跡Ｌとして表すことができる。図３に示す負荷変動では、ＶＳＷＲが所定値、例えば、４（図中破線の円内）を超えることがないように制御する。

本運転前のエネルギ送出周波数帯域を決定時に、反射係数が−３ｄＢ以下となる周波数帯域を選択しても本運転時のキャビティＣ内の状態の変動によってインピーダンスの整合が崩れ、反射波が増えること（反射係数が高くなる又はＶＳＷＲの値が高くなる）がある。このようなときに、つまり、検出器８からの信号によって得られるＶＳＷＲが高くなったときに制御装置５は、エネルギ送出周波数帯域、本実施形態においては、２．４３５ＧＨｚ〜２．５２５ＧＨｚより好ましくは２．４８〜２．４９ＧＨｚの周波数帯域で周波数を変動させることでＶＳＷＲが所定値内となるように調整する。

ＶＳＷＲが所定値を上回っている場合の制御は、２．４３５ＧＨｚ〜２．５２５ＧＨｚより好ましくは２．４８〜２．４９ＧＨｚの周波数帯域で周波数を０．０１ＧＨｚ単位又は０．０５ＧＨｚ単位でＳｗｅｅｐさせ、負荷変動軌跡Ｌが所定値を超えないように調整する。また、電磁波エネルギの供給先が電磁波加熱装置（例えば、電子レンジ）等の場合には、周波数の変動の前に、所定時間、電磁波の発振を停止して再度発振を開始することでＶＳＷＲが所定値を超えないようにすることもできる。この場合、１又は複数回の停止の後、ＶＳＷＲが所定値を上回っているときは、周波数を変動させるように制御する。

また、ＶＳＷＲの所定値は、発振する電磁波の出力、キャビティＣの形状によって異なり、発振周波数の変動は、ＶＳＷＲが４以上で設定する他、例えば、電磁波の出力が小さい場合には１０に設定して運用することもできる。

＜実施形態１の効果＞
このように、本運転前に検出器によって、エネルギ送出周波数帯域を決定し、本運転時に係る範囲の周波数帯域で運転することで効率よく電磁波エネルギをキャビティに供給することができる。また、本運転時に電磁波発振器３からの電磁波エネルギの供給を受けるキャビティＣと電磁波発振器３との間で電磁波発振器３から発振される電磁波の進行波及び反射、具体的には線路のインピーダンスを検出し、検出した値により計算されるＶＳＷＲの値が所定値を超えるときは、反射波が増大していると判断でき、発振する周波数を変動させてＶＳＷＲの値下げ、反射波によるデバイス（増幅器４や電磁波発振器３）の損傷を抑制することができる。

＜実施形態２＞
本実施形態２は、本発明に係る電磁波発振装置を利用した排気浄化装置１０に関する。

この排気浄化装置１０は、内燃機関、例えば自動車のエンジンから排出される排ガスを浄化するもので、内燃機関２２の排気通路５１に設けられた触媒を担持した担体６０と、この担体６０の排気上流側端面６０ａに塗布された電磁波吸収体７０と、担体６０の排気上流側の空間に電磁波照射する電磁波照射アンテナ７とを備えている。電磁波照射アンテナ７は電磁波発振装置１と組み合わせることによって電磁波放射装置９を構成する。電磁波発振装置１は電源Ｐと電気的に接続される。電磁波照射アンテナ７は、図４に示すように排気通路５１を形成する排気管の表面に配設する平面アンテナとすることができる。この排気通路５１の担体６０上流の空間がキャビティＣとなる。

この場合において、電磁波吸収体７０を、炭素原子又は炭素を含む分子を主成分とするマイクロコイルを耐熱性粉末素材と混合して構成することができる。電磁波吸収体７０としてマイクロコイル、より具体的にはカーボンマイクロコイルを利用することで、カーボンマイクロコイルがもつ、電磁波を吸収して短時間で発熱する特性を利用し、電磁波吸収体７０に電磁波（マイクロ波）を吸収させることで、電磁波吸収体７０を発熱させ、短時間で触媒を担持した担体６０を加熱する。なお、本明細書では、カーボンマイクロコイルには、カーボンマイクロコイルよりも線径の小さいカーボンナノコイルも含む。

触媒は、本実施形態においては、三元触媒システムの主成分となる活性金属（プラチナ、パラジウム、ロジウム）である。三元触媒システムは、ガソリンを燃料とする自動車の排ガス中に含まれる炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯ_Ｘ）を浄化する。三元触媒は、炭化水素を水と二酸化炭素に、一酸化炭素を二酸化炭素に酸化し、窒素酸化物を窒素に還元する。

三元触媒システムは、常温では還元能力が低く、エンジンが冷えた状態で始動した直後では還元能力がほとんどない。そのため、エンジンの始動時に三元触媒システムを適切に作動させるためには、触媒が活性化する適切な温度にまで加熱する必要がある。本実施形態においては、排気浄化装置１０が、触媒を担持した担体６０をすみやかに加熱して触媒を活性化させる。

触媒を担持する担体６０は、図４〜図５に示すように、外径が排ガス通路を形成するケーシング５０の担体６０の保持部の内径とほぼ同じに設定され、固定用の部材（図示省略）でケーシング５０の内部に固定される。担体６０は、その材質を特に限定するものではないが、例えば、ハニカムセラミック構造体で構成されている。

ハニカム構造体は、マイクロ波を透過可能な絶縁性の材料からなる外形が円柱状の部材である。本実施形態では、ハニカム構造体は、断面格子状の格子部を備えている。ハニカム構造体は、格子部の間の空隙を通して、図４の図中の矢印で示す方向に排ガスが流通可能に構成されている。

ケーシング５０は、担体６０を収納するために設けられた、概ね筒状の金属製の部材（所謂マフラー）である。ケーシング５０は、自動車のエンジンの排気管の一部を構成しており、ケーシング５０の内部は、排ガスが流通する排ガス通路を構成している。

電磁波吸収体７０の担体６０端面への塗布の方法について説明する。本明細書における塗布とは、被塗物（本実施形態においては担体６０）に塗物（本実施形態においては電磁波吸収体７０）の対象面に対して刷毛を使用しての一般的な塗布の他、スプレーガンを使用した塗布、被塗物の入った容器に塗物を浸漬して付着させる等、種々の方法を含む。

ここで、電磁波吸収体７０として使用するマイクロコイルは、炭素原子を主成分とするいわゆるカーボンマイクロコイル（以下、ＣＭＣという）で構成されている。ＣＭＣは、約０．０１〜１μｍのピッチでコイル型に巻かれた形状を持つ微細な炭素繊維である。

担体６０の排気上流側端面へのＣＭＣの塗布は、上述したように特に限定するものではなく、例えば、ＣＭＣをセラミックス粉末泥しょうに添加し、撹拌して均一に分散させたスラリー状（以下、ＣＭＣスラリーという）とした後、０．０５ｍｍ〜１．０ｍｍ、好ましくは０．１ｍｍ〜０．６ｍｍ、より好ましくは、０．２ｍｍ〜０．４ｍｍの厚みで担体の通気孔を閉塞することがないように、塗布対象面上にＣＭＣスラリーを付着するようにして成形する。

そして、一定時間放置又は乾燥炉に入れることで乾燥させ、担体の通気孔を閉塞することがないように、釉薬を塗布し、乾燥させ焼成することで担体端面への塗布を完了する。

また、セラミック系のバインダーと、マイクロコイルとを混合したスラリー溶液から構成され、これを担体６０端面の表面に塗布し、ハニカム構造体とともに焼成することによって形成することもできる。

カーボンマイクロコイルは、電磁波を吸収して発熱する特性を持つ。本実施形態では、この特性を利用して電磁波放射装置９から電磁波吸収体７０としてのマイクロコイルに電磁波（マイクロ波）を吸収させて、マイクロコイルを発熱させる。そして、マイクロコイルで発生した熱により、担体６０の端面が加熱される。

担体６０の端面に塗布する電磁波吸収体７０は、端面全体に塗布することもできるが、図２に示すように端面中心部分６１のみ、中心より外側の環状部６２（担体６０の端面半径を３Ｒとした場合、Ｒから２Ｒの範囲）のみ、さらに外側の環状部６３（担体６０の端面半径を３Ｒとした場合、２Ｒから３Ｒの範囲）のみに塗布するように構成することもできる。本発明者等の実験によれば、環状部６３に塗布することが好ましい。また、端面中心部分６１に塗布する場合も効果的であることが判った。

そして、本実施形態の排気浄化装置１０は、内燃機関２２及び電磁波照射アンテナ７に電磁波を供給する電磁波発振器３及び電磁波発振器３を制御する制御手段５を備えている。この制御手段５は、実施形態１と同様の制御を行い、電磁波発振を効果的に行うとともに、反射波により半導体デバイスの破損を効果的に防止する。そして、制御手段５は排気浄化装置１０の運転制御として、内燃機関２２を始動するクラッキング運転前（アイドリング運転前）に、電磁波（マイクロ波）を照射し、担体６０端面を一定温度まで昇温した後に、内燃機関２２を低速回転で始動し（具体的には、通常のアイドリング用モータよりも低速で回転可能な駆動装置２１（例えば駆動モータ）によって、内燃機関２２を低速で回転させる。この際の回転数は特に限定するものではないが、例えば１０ｒｐｍ〜１００ｒｐｍ程度の低速回転で運転する。）、排気通路５１に微量の気体を送り出すようにしている。また、通常のクラッキング運転から開始しても、電磁波吸収体７０としてのＣＭＣが照射される電磁波（マイクロ波）によって短時間で加熱され触媒の昇温を可能とする。

＜電磁波照射アンテナ＞
電磁波を照射する電磁波照射アンテナ７は、図６に示すように、アンテナ本体を構成する導体７１と、導体７１を覆う絶縁体７２（セラミック）とが同軸構造となっており、導体７１が絶縁体７２から露出する導体７１の照射部が、照射する電磁波の波長をλとした場合、（λ／４）×ｎ（ｎは自然数）となるようにすることが好ましい。この場合、電磁波照射アンテナ７の導体７１は、電磁波吸収体７０が塗布された箇所の近傍に位置するように配設することが好ましい（本実施形態においては、端面中心部分６１に塗布した例を示す）。なお、導体７１は図６（ｂ）に示すように、直線上としたり、図６（ｃ）に示すように、円状にしたりすることができる。円状にした場合、端部を絶縁体７２の近傍で接続し、円環状とすることもできる。

本実施形態においては、排気浄化装置１０の電磁波放射装置９の電磁波によって電磁波吸収体７０が昇温することで担体６０が加熱されるが、この加熱温度としては、触媒が活性化する温度、例えば、摂氏３００〜４００度まで触媒を加熱するように構成されている。そして、活性温度に到達した触媒により、排ガス中に含まれる炭化水素（ＨＣ）、一酸化炭素（ＣＯ）、窒素酸化物（ＮＯｘ）が分解される。クリーンとなった排ガスは、下流側に配置した排気通路（図示省略）を流通して大気へと放出される。

以上説明したように、本発明の電磁波発振装置は、電磁波照射アンテナの電磁波発振源として利用するときは電子レンジに代表される誘電加熱を利用した加熱装置に好適に用いることができる。また、自動車エンジン等の内燃機関の点火プラグによるプラズマに電磁波を照射する電磁波照射アンテナの電磁波発振源として利用するときは、点火プラグによるプラズマを維持拡大する用途に用いることもできる。また、電磁波波吸収体を利用した加熱装置や排気浄化装置にマイクロ波を供給する装置に使用する場合や、電磁波を利用した生ゴミ処理機等にも好適に用いることができる。

１電磁波発振装置
２コンバータ
３電磁波発振器
４増幅器
５制御装置
８検出器
Ｐ電源

Claims

電源から印加される電圧によって電磁波を発振する電磁波発振器と、
該電磁波発振器からの電磁波エネルギの供給を受けるキャビティと電磁波発振器との間で電磁波発振器から発振される電磁波の進行波及び反射波を検出する検出器と、
該検出器からの検出信号が印加されるとともに前記電磁波発振器を制御する制御装置とを備え、
該制御装置は、本運転前に前記電磁波発振器が発振可能な帯域全般の周波数を掃引しながらキャビティに電磁波を発振し、反射係数が−３ｄＢを下回った発振周波数より、該発振周波数の直後に反射係数が−３ｄＢを上回った発振周波数が１０ＭＨｚ以上大きくなった両周波数間をエネルギ送出周波数帯域と定義して、本運転時にエネルギ送出周波数帯域のみを使用して電磁波を発振するようにした電磁波発信装置。
前記制御装置は、本運転時には、前記検出器が検出する電圧定在波比が所定値以上となった場合、発振する電磁波の周波数をエネルギ送出周波数帯域内で変動させて発振するように制御した請求項１に記載の電磁波発信装置。