JP7253481B2

JP7253481B2 - マイクロ波加熱装置

Info

Publication number: JP7253481B2
Application number: JP2019198861A
Authority: JP
Inventors: 保須田
Original assignee: Nisshinbo Holdings Inc; Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Nisshinbo Holdings Inc; Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2019-10-31
Filing date: 2019-10-31
Publication date: 2023-04-06
Anticipated expiration: 2039-10-31
Also published as: JP2021072221A

Description

本開示は、空洞共振器を用いるマイクロ波加熱技術に関する。

空洞共振器を用いるマイクロ波加熱技術は、マイクロ波加熱した触媒を用いて、エタノールを反応させ水素を発生させ、水素を燃料電池に供給し、入力電力より大きい出力電力を取得する用途等に適用されている（例えば、特許文献１等を参照。）。

従来技術のマイクロ波加熱システムの構成を図１に示す。従来技術のマイクロ波加熱システムＭは、マイクロ波発生器１、整合器２及びマイクロ波加熱装置３から構成される。従来技術のマイクロ波加熱装置の構成を図２に示す。従来技術のマイクロ波加熱装置３は、マイクロ波加熱用の空洞共振器３１、マイクロ波加熱対象の収容容器３２、空洞共振器３１の励振器３３及び励振器３３の給電線３４から構成される。

空洞共振器３１は、ＴＭ０１０モード空洞共振器である。収容容器３２は、空洞共振器３１の中心軸上に配置され、反応物質を流入され生成物質を流出する。よって、空洞共振器３１の電界強度は、収容容器３２の配置位置で最大となり、収容容器３２での反応効率は、マイクロ波発生器１での供給電力に対して最大となる。そして、共振器モードの電磁界強度分布は、単調に変化する単純な分布となる（図３を参照。）。

特開２０１９－０８７４１０号公報

従来技術では、励振器３３は、空洞共振器３１の側壁に配置される。ここで、空洞共振器３１の中心軸に垂直な面内のうち、収容容器３２と励振器３３とを結ぶ方向に垂直な方向をＸ軸方向とし、収容容器３２と励振器３３とを結ぶ方向に平行な方向をＹ軸方向とする。そして、空洞共振器３１の中心軸に平行な方向をＺ軸方向とする。

従来技術のマイクロ波加熱装置のインピーダンス整合特性を図３に示す。ここで、空洞共振器３１の電界強度Ｅは、空洞共振器３１の側壁に近づくほど低くなり、空洞共振器３１の中心軸に近づくほど高くなる。一方で、空洞共振器３１の磁界強度Ｈは、空洞共振器３１の側壁に近づくほど高くなり、空洞共振器３１の中心軸に近づくほど低くなる。なお、空洞共振器３１のＴＭ０１０モードは、励振器３３から１ｍｍ程度以内にある位置では乱れているが、励振器３３から１ｍｍ程度以上離れた位置では乱れていない。

よって、空洞共振器３１の側壁に配置される励振器３３での空間インピーダンスＺ_０＝Ｅ／Ｈ＝√（μ／ε）は、マイクロ波発生器１の出力インピーダンス５０Ωと等しくすることが難しい。つまり、マイクロ波加熱装置３の入力インピーダンスは、マイクロ波発生器１の出力インピーダンス５０Ωと整合することが難しい。そこで、マイクロ波発生器１とマイクロ波加熱装置３との間に、整合器２が必要となる。すると、マイクロ波加熱システムＭは、電力効率を高くすることができず、装置寸法を小さくすることができない。

そこで、前記課題を解決するために、本開示は、マイクロ波発生器とマイクロ波加熱装置との間に、整合器を不要とすることにより、マイクロ波加熱システムにおいて、電力効率を高くするとともに、装置寸法を小さくすることを目的とする。

前記課題を解決するために、励振器が、空洞共振器の側壁から離れた内部に固定される。そして、空洞共振器の磁界方向に対する励振器の傾斜角度が、適切な角度に調整される。よって、励振器での実効的な空間インピーダンスは、マイクロ波発生器の出力インピーダンスと等しくすることができる。つまり、マイクロ波加熱装置の入力インピーダンスは、マイクロ波発生器の出力インピーダンスと整合することができる。

具体的には、本開示は、マイクロ波加熱用の空洞共振器と、マイクロ波加熱対象の収容容器と、前記空洞共振器の励振器と、前記励振器の給電線と、を備えるマイクロ波加熱装置であって、前記励振器は前記空洞共振器の側壁から離れた内部に固定され、前記マイクロ波加熱装置の入力インピーダンスがマイクロ波発生器の出力インピーダンスと整合するように、前記空洞共振器の磁界方向に対する前記励振器の傾斜角度が調整されることを特徴とするマイクロ波加熱装置である。

この構成によれば、空洞共振器の内部で、励振器の傾斜を調整する一方で、マイクロ波発生器とマイクロ波加熱装置との間に、整合器を不要とすることにより、マイクロ波加熱システムにおいて、電力効率を高くするとともに、装置寸法を小さくすることができる。

また、本開示は、前記マイクロ波加熱対象の誘電正接の温度変化に応じて、前記空洞共振器の磁界方向に対する前記励振器の傾斜角度が調整されることにより、前記マイクロ波加熱対象の誘電正接の温度変化によらず、前記マイクロ波加熱装置の入力インピーダンスが前記マイクロ波発生器の出力インピーダンスと整合するように調整されることを特徴とするマイクロ波加熱装置である。

マイクロ波加熱対象の誘電正接の温度変化に応じて、共振器モードの電磁界強度分布が変化し、マイクロ波加熱装置の入力インピーダンスがマイクロ波発生器の出力インピーダンスと整合しなくなる。この構成によれば、空洞共振器の磁界方向に対する励振器の傾斜角度を調整することにより、励振器での空間インピーダンスを実効的に調整し、マイクロ波加熱対象の誘電正接の温度変化によらず、マイクロ波加熱装置の入力インピーダンスをマイクロ波発生器の出力インピーダンスと整合させることができる。

また、本開示は、前記空洞共振器は、ＴＭ０１０モード空洞共振器であり、前記収容容器は、前記ＴＭ０１０モード空洞共振器の中心軸上に配置されることを特徴とするマイクロ波加熱装置である。

この構成によれば、空洞共振器の電界強度を収容容器の配置位置で最大とし、収容容器での反応効率をマイクロ波発生器での供給電力に対して最大とすることができる。そして、共振器モードの電磁界強度分布を単調に変化する単純な分布とすることができる。

このように、本開示は、マイクロ波発生器とマイクロ波加熱装置との間に、整合器を不要とすることにより、マイクロ波加熱システムにおいて、電力効率を高くするとともに、装置寸法を小さくすることができる。

従来技術のマイクロ波加熱システムの構成を示す図である。従来技術のマイクロ波加熱装置の構成を示す図である。従来技術のマイクロ波加熱装置のインピーダンス整合特性を示す図である。本開示のマイクロ波加熱システムの構成を示す図である。本開示のマイクロ波加熱装置の構成を示す図である。本開示のマイクロ波加熱装置のインピーダンス整合特性を示す図である。本開示のマイクロ波加熱装置の反射特性及びスミスチャートを示す図である。本開示のマイクロ波加熱対象の誘電正接の温度変化を示す図である。本開示のマイクロ波加熱装置の励振器の傾斜角度の調整機構を示す図である。本開示のマイクロ波加熱装置の励振器の傾斜角度の調整原理を示す図である。本開示のマイクロ波加熱装置の励振器の傾斜角度の調整方法を示す図である。

添付の図面を参照して本開示の実施形態を説明する。以下に説明する実施形態は本開示の実施の例であり、本開示は以下の実施形態に制限されるものではない。

（本開示のマイクロ波加熱装置のインピーダンス整合）
本開示のマイクロ波加熱システムの構成を図４に示す。本開示のマイクロ波加熱システムＭは、マイクロ波発生器１及びマイクロ波加熱装置３から構成されるが、整合器２を必要としない。本開示のマイクロ波加熱装置の構成を図５に示す。本開示のマイクロ波加熱装置３は、マイクロ波加熱用の空洞共振器３１、マイクロ波加熱対象の収容容器３２、空洞共振器３１の励振器３３及び励振器３３の給電線３４から構成される。

空洞共振器３１は、ＴＭ０１０モード空洞共振器である。収容容器３２は、空洞共振器３１の中心軸上に配置され、反応物質を流入され生成物質を流出する。よって、空洞共振器３１の電界強度は、収容容器３２の配置位置で最大となり、収容容器３２での反応効率は、マイクロ波発生器１での供給電力に対して最大となる。そして、共振器モードの電磁界強度分布は、単調に変化する単純な分布となる（図６を参照。）。

本開示では、励振器３３は、空洞共振器３１の側壁から離れた内部に固定される。そして、空洞共振器３１の磁界方向に対する励振器３３の傾斜角度は、適切な角度に調整される。ここで、空洞共振器３１の中心軸に垂直な面内のうち、収容容器３２と励振器３３とを結ぶ方向に垂直な方向をＸ軸方向とし、収容容器３２と励振器３３とを結ぶ方向に平行な方向をＹ軸方向とする。そして、空洞共振器３１の中心軸に平行な方向をＺ軸方向とする。なお、励振器３３は、励振ループ等であり、マイクロ波加熱装置３のインピーダンス整合特性（図６を参照。）を充足するような半径及び／又は巻数を有する。また、給電線３４は、セミリジッドケーブル等であり、その先端にバラン（平衡－不平衡変換器）を有する。

本開示のマイクロ波加熱装置のインピーダンス整合特性を図６に示す。ここで、空洞共振器３１の電界強度Ｅは、空洞共振器３１の側壁に近づくほど低くなり、空洞共振器３１の中心軸に近づくほど高くなる。一方で、空洞共振器３１の磁界強度Ｈは、空洞共振器３１の側壁に近づくほど高くなり、空洞共振器３１の中心軸に近づくほど低くなる。なお、空洞共振器３１のＴＭ０１０モードは、励振器３３から１ｍｍ程度以内にある位置では乱れているが、励振器３３から１ｍｍ程度以上離れた位置では乱れていない。

よって、空洞共振器３１の側壁から離れた内部に固定される励振器３３での空間インピーダンスＺ_０＝Ｅ／Ｈ＝√（μ／ε）は、空洞共振器３１の側壁近傍での空間インピーダンスＥ_ｍｉｎ／Ｈ_ｍａｘより大きく、空洞共振器３１の中心軸近傍での空間インピーダンスＥ_ｍaｘ／Ｈ_ｍｉｎより小さく、マイクロ波発生器１の出力インピーダンス５０Ωにほぼ等しくすることはできる。そして、傾斜角度を変更可能な励振器３３での実効的な空間インピーダンスＺ_０’は、励振器３３の傾斜角度を適切に調整することにより、マイクロ波発生器１の出力インピーダンス５０Ωにより等しくすることが可能となる。

つまり、マイクロ波加熱装置３の入力インピーダンスは、マイクロ波発生器１の出力インピーダンス５０Ωと整合することができる。そこで、マイクロ波発生器１とマイクロ波加熱装置３との間に、整合器２が不要となる。すると、マイクロ波加熱システムＭは、電力効率を高くすることができ、装置寸法を小さくすることができる。

本開示のマイクロ波加熱装置の反射特性及びスミスチャートを図７に示す。図７の上段に示した反射特性では、励振周波数が所望周波数２．４５ＧＨｚであるときに、ＶＳＷＲはほぼ１に等しく、マイクロ波加熱装置３のインピーダンス整合特性（図６を参照。）は充足される。図７の下段に示したスミスチャートでは、励振周波数が所望周波数２．４５ＧＨｚであるときに、スミスチャート上の点Ｐ０はスミスチャートの中心近傍にあり、マイクロ波加熱装置３のインピーダンス整合特性（図６を参照。）は充足される。

（本開示のマイクロ波加熱対象の温度変化への対処方法）
本開示のマイクロ波加熱対象の誘電正接の温度変化を図８に示す。図８の上段では、空洞共振器３１の中心軸近傍での電界強度を示す。（１）マイクロ波加熱対象の誘電正接ｔａｎδが０．０１から０．００１へと変化したときに、ピーク周波数は所望周波数２．４５ＧＨｚから変化せず、ピーク強度は高くなり、ピーク幅は狭くなる。（２）マイクロ波加熱対象の誘電正接ｔａｎδが０．０１から０．０５へと変化したときに、ピーク周波数は所望周波数２．４５ＧＨｚから変化せず、ピーク強度は低くなり、ピーク幅は広くなる。

図８の下段では、スミスチャートを示す。（１）マイクロ波加熱対象の誘電正接ｔａｎδが０．０１から０．００１へと変化したときに、励振周波数が所望周波数２．４５ＧＨｚであるときのスミスチャート上の点は、スミスチャートの中心近傍の点Ｐ１からスミスチャートの容量性領域の点Ｐ２へと変化し、励振周波数が所望周波数２．４５ＧＨｚの近傍で掃引されたときのスミスチャート上の軌跡は、スミスチャートの容量性領域へと半径を広げている。（２）マイクロ波加熱対象の誘電正接ｔａｎδが０．０１から０．０５へと変化したときに、励振周波数が所望周波数２．４５ＧＨｚであるときのスミスチャート上の点は、スミスチャートの中心近傍の点Ｐ１からスミスチャートの誘導性領域の点Ｐ３へと変化し、励振周波数が所望周波数２．４５ＧＨｚの近傍で掃引されたときのスミスチャート上の軌跡は、スミスチャートの誘導性領域へと半径を狭めている。

このように、マイクロ波加熱対象の誘電正接ｔａｎδの温度変化に応じて、共振器モードの電磁界強度分布が変化し、マイクロ波加熱装置３の入力インピーダンスがマイクロ波発生器１の出力インピーダンス５０Ωと整合しなくなる。ただし、空洞共振器３１の共振周波数は、所望周波数２．４５ＧＨｚに一致した状態を維持している。

本開示のマイクロ波加熱対象の誘電正接ｔａｎδの温度変化への対処方法として、本開示のマイクロ波加熱装置の励振器の傾斜角度の調整機構を図９に示す。空洞共振器３１の磁界方向（空洞共振器３１の角度座標方向）に対する励振器３３の傾斜角度θを調整することにより、励振器３３での空間インピーダンスを実効的に調整し、マイクロ波加熱対象の誘電正接ｔａｎδの温度変化によらず、マイクロ波加熱装置３の入力インピーダンスをマイクロ波発生器１の出力インピーダンス５０Ωと整合させることができる。

本開示のマイクロ波加熱装置の励振器の傾斜角度の調整原理を図１０に示す。図１０では、マイクロ波加熱対象の誘電正接ｔａｎδは、マイクロ波加熱対象の温度変化前の０．０１であり、マイクロ波加熱対象の比誘電率ε_ｒは、マイクロ波加熱対象の温度変化前の３．０であり、励振器３３の傾斜角度θを０°から変化させている。

図１０の上段では、反射係数を示す。励振器３３の傾斜角度θが０°から２０°を経て４０°へと変化したときに、ディップ周波数は所望周波数２．４５ＧＨｚからほぼ変化せず、ディップ強度は低くなり、ディップ幅は広くなる。

図１０の下段では、スミスチャートを示す。励振器３３の傾斜角度θが０°から２０°を経て４０°へと変化したときに、励振周波数が所望周波数２．４５ＧＨｚであるときのスミスチャート上の点は、スミスチャートの中心近傍の点Ｐ４からスミスチャートのいくぶん誘導性領域の点Ｐ５を経てスミスチャートのさらなる誘導性領域の点Ｐ６へと変化し、励振周波数が所望周波数２．４５ＧＨｚの近傍で掃引されたときのスミスチャート上の軌跡は、スミスチャートの誘導性領域へと半径を狭めている。

このように、励振器３３の傾斜角度θの変化に応じて、励振器３３（励振ループ等）を通過する磁束が変化し、マイクロ波加熱装置３の入力インピーダンスがマイクロ波発生器１の出力インピーダンス５０Ωと整合しなくなる。ただし、空洞共振器３１の共振周波数は、所望周波数２．４５ＧＨｚに一致した状態をほぼ維持している。

このことを利用して、励振器３３の傾斜角度θを調整することにより、励振器３３を通過する磁束を調整し、励振器３３での空間インピーダンスを実効的に調整し、マイクロ波加熱対象の誘電正接ｔａｎδの温度変化によらず、マイクロ波加熱装置３の入力インピーダンスをマイクロ波発生器１の出力インピーダンス５０Ωと整合させるのである。

本開示のマイクロ波加熱装置の励振器の傾斜角度の調整方法を図１１に示す。図１１の上段に示したマイクロ波加熱対象の誘電正接ｔａｎδの温度変化前では、励振器３３の傾斜角度θはθ_０（０°でない理由は後述。）であり、励振周波数が所望周波数２．４５ＧＨｚであるときのスミスチャート上の点は、スミスチャートの中心近傍の点Ｐ７にあり、励振周波数が所望周波数２．４５ＧＨｚの近傍で掃引されたときのスミスチャート上の軌跡は、スミスチャートの容量性領域と誘導性領域とを分ける線分と接する。

図１１の中左段に示したマイクロ波加熱対象の誘電正接ｔａｎδが小さくなる温度変化後では、励振器３３の傾斜角度θがθ_０のままであれば、励振周波数が所望周波数２．４５ＧＨｚであるときのスミスチャート上の点は、スミスチャートの容量性領域の点Ｐ８にあり、励振周波数が所望周波数２．４５ＧＨｚの近傍で掃引されたときのスミスチャート上の軌跡は、スミスチャートの容量性領域へと半径を広げている。

図１１の下左段に示したマイクロ波加熱対象の誘電正接ｔａｎδが小さくなる温度変化後でも、励振器３３の傾斜角度θがθ_１に大きくなれば、励振周波数が所望周波数２．４５ＧＨｚであるときのスミスチャート上の点は、スミスチャートの中心近傍の点Ｐ９にあり、励振周波数が所望周波数２．４５ＧＨｚの近傍で掃引されたときのスミスチャート上の軌跡は、スミスチャートの容量性領域と誘導性領域とを分ける線分と接する。

図１１の中右段に示したマイクロ波加熱対象の誘電正接ｔａｎδが大きくなる温度変化後では、励振器３３の傾斜角度θがθ_０のままであれば、励振周波数が所望周波数２．４５ＧＨｚであるときのスミスチャート上の点は、スミスチャートの誘導性領域の点Ｐ１０にあり、励振周波数が所望周波数２．４５ＧＨｚの近傍で掃引されたときのスミスチャート上の軌跡は、スミスチャートの誘導性領域へと半径を狭めている。

図１１の下右段に示したマイクロ波加熱対象の誘電正接ｔａｎδが大きくなる温度変化後でも、励振器３３の傾斜角度θがθ_２に小さくなれば、励振周波数が所望周波数２．４５ＧＨｚであるときのスミスチャート上の点は、スミスチャートの中心近傍の点Ｐ１１にあり、励振周波数が所望周波数２．４５ＧＨｚの近傍で掃引されたときのスミスチャート上の軌跡は、スミスチャートの容量性領域と誘導性領域とを分ける線分と接する。

ここで、励振器３３の傾斜角度θを最適化するためには、（１）マイクロ波発生器１とマイクロ波加熱装置３との間の方向性結合器を用いて、反射電力を最小化するように、励振器３３の傾斜角度θをフィードバック制御してもよく、（２）空洞共振器３１の内部のピックアップループを用いて、電界強度を最大化するように、励振器３３の傾斜角度θをフィードバック制御してもよく、（３）空洞共振器３１の側壁のサーモグラフィーを用いて、励振器３３の傾斜角度θをフィードフォーワード制御してもよい。

そして、マイクロ波加熱対象の誘電正接ｔａｎδの温度変化前に、励振器３３の傾斜角度θをθ_０（≠０°）とした理由は、マイクロ波加熱対象の誘電正接ｔａｎδの温度変化後に、励振器３３の傾斜角度θをθ_２（＜θ_０）とすることにより、励振周波数が所望周波数２．４５ＧＨｚの近傍で掃引されたときのスミスチャート上の軌跡の半径を広げるためである。さらに、励振周波数が所望周波数２．４５ＧＨｚの近傍で掃引されたときのスミスチャート上の軌跡の半径を広げるためには、励振器３３（励振ループ等）において、半径を大きくすることが望ましく、及び／又は、巻数を多くすることが望ましい。

（本開示のマイクロ波加熱システムの補足）
マイクロ波加熱対象の種類に応じて、マイクロ波加熱対象の誘電正接ｔａｎδの温度変化範囲は様々である。そこで、マイクロ波加熱対象の種類に応じて、励振器３３の傾斜角度θの可変範囲を設計することが望ましい。

マイクロ波加熱対象の最適反応温度においてのみ、マイクロ波出力を大きくして、インピーダンス整合を高精度で実現してもよい。一方で、マイクロ波加熱対象の最適反応温度に上げるまで、マイクロ波出力を小さくして、インピーダンス整合を高精度で実現しなくてもよい。すると、励振器３３の傾斜角度θを、マイクロ波加熱対象の最適反応温度における最適値に固定すればよい。

本実施形態では、共振器モードとしてＴＭ０１０モードを励振したうえで、マイクロ波加熱装置３の入力インピーダンスがマイクロ波発生器１の出力インピーダンス５０Ωと整合するように、空洞共振器３１の磁界方向に対する励振器３３の傾斜角度が調整される。変形例として、共振器モードとして他の高次モードを励振したうえで、マイクロ波加熱装置３の入力インピーダンスがマイクロ波発生器１の出力インピーダンス５０Ωと整合するように、空洞共振器３１の磁界方向に対する励振器３３の傾斜角度が調整されてもよい。

本開示のマイクロ波加熱装置は、マイクロ波加熱した触媒を用いて、エタノールを反応させ水素を発生させ、水素を燃料電池に供給し、入力電力より大きい出力電力を取得する用途等のように、マイクロ波加熱を用いる様々な用途に適用することができる。

Ｍ：マイクロ波加熱システム
１：マイクロ波発生器
２：整合器
３：マイクロ波加熱装置
３１：空洞共振器
３２：収容容器
３３：励振器
３４：給電線

Claims

マイクロ波加熱用の空洞共振器と、マイクロ波加熱対象の収容容器と、前記空洞共振器の励振器と、前記励振器の給電線と、を備えるマイクロ波加熱装置であって、
前記励振器は前記空洞共振器の側壁から離れた内部に固定され、前記マイクロ波加熱装置の入力インピーダンスがマイクロ波発生器の出力インピーダンスと整合するように、前記空洞共振器の磁界方向に対する前記励振器の傾斜角度が調整される
ことを特徴とするマイクロ波加熱装置。
前記マイクロ波加熱対象の誘電正接の温度変化に応じて、前記空洞共振器の磁界方向に対する前記励振器の傾斜角度が調整されることにより、前記マイクロ波加熱対象の誘電正接の温度変化によらず、前記マイクロ波加熱装置の入力インピーダンスが前記マイクロ波発生器の出力インピーダンスと整合するように調整される
ことを特徴とする、請求項１に記載のマイクロ波加熱装置。
前記空洞共振器は、ＴＭ０１０モード空洞共振器であり、
前記収容容器は、前記ＴＭ０１０モード空洞共振器の中心軸上に配置される
ことを特徴とする、請求項１又は２に記載のマイクロ波加熱装置。