JPH07114149B2 - 物質処理方法と処理装置 - Google Patents

物質処理方法と処理装置

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JPH07114149B2
JPH07114149B2 JP2515583A JP51558390A JPH07114149B2 JP H07114149 B2 JPH07114149 B2 JP H07114149B2 JP 2515583 A JP2515583 A JP 2515583A JP 51558390 A JP51558390 A JP 51558390A JP H07114149 B2 JPH07114149 B2 JP H07114149B2
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heating
frequency wave
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アスムセン，ジエス
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Michigan State University MSU
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    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
    • H05B6/46—Dielectric heating
    • H05B6/52—Feed lines
    • H—ELECTRICITY
    • H05—ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05B—ELECTRIC HEATING; ELECTRIC LIGHT SOURCES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; CIRCUIT ARRANGEMENTS FOR ELECTRIC LIGHT SOURCES, IN GENERAL
    • H05B6/00—Heating by electric, magnetic or electromagnetic fields
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    • H05B6/70—Feed lines
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  • Electromagnetism (AREA)
  • Constitution Of High-Frequency Heating (AREA)
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  • Electrotherapy Devices (AREA)
  • Control Of High-Frequency Heating Circuits (AREA)
  • Lining Or Joining Of Plastics Or The Like (AREA)
  • General Preparation And Processing Of Foods (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】 発明の背景 （１）．発明が属する技術分野 この発明は、物質処理のために複数の順次的な無線周波
数波処理モードを提供する方法と装置に関するものであ
る。特にこの発明は、物質処理の各段階において最も好
ましい共振で物質を自動的に処理する方法と装置に関す
る。
（２）．従来の技術 最も近接した従来技術は、発明者の１人であるアスムセ
ン（Asmussen）に与えられた米国特許NO.4,777,336に開
示のものであると信じられる。本特許はこの発明におい
ても利用できる物質処理用の単一モードの無線周波数波
（好ましくはマイクロ波）印加器を、開示している。同
装置は良好に作動するが、単一モードでの処理は、例え
ば充填材入りの未硬化樹脂のように推移して行く複数の
様相をもつ物質に対しては不十分であることがある。問
題点は新たなモードの開始時に印加器中の以前のモード
を、非制御下での処理が行なわれないように完全に消去
しなければならない点、及びモードの経時的な連らなり
を、所望の加熱パターンが生成されるように制御しなけ
ればならない点にあつた。また物質の制御された処理を
達成するためには、印加器内に経時的にマルチモード
（多重モード）を附与する必要がある。
目的 したがつてこの発明の目的とするところは、非制御下で
の処理を生じさせるモード間の干渉なしに一のモードか
ら他のモードへと制御された移し変え（シフト）を行な
う方法と装置を、提供するにある。またこの発明は、比
較的経済的であると共に信頼度の高い作動を得させる方
法と装置を提供することも、目的としている。これら及
び他の目的は、以下の説明を参照することによつて明白
となる。
図面の簡単な説明 第１図は物質Ｂを処理するための印加器112中にマイク
ロ波を結合するためのマイクロ波装置10を示しており、
本装置は印加器内にマイクロ波を供給するための電力可
変，周波数可変のマイクロ波源99を含む。このマイクロ
波源はコンピユーター等のプログラム可能手段98によつ
て、印加器112内での第１のモードの消去後に該印加器1
12内の共振周波数を迅速に変更するため、制御される。
第２図は15インチ（38.1cm）径の印加器内で種々の周波
数で利用可能であるTE及びTM空洞モードを示すグラフで
ある。比較的高い周波数での単一モード及び比較的低い
周波数での制御されたマルチモードを、選択することが
できる。マルチモード領域（第２図の右手上方部）は、
本発明方法では利用しない。プログラム可能手段98によ
つて一の共振モード或は制御されたマルチモードから他
のモードへのシフトが行なわれる。図示のモードは空の
印加器112についてのものである。物質Ｂを装填された
印加器112は同様の一般的なパターンを有するが、正確
な周波数対空洞長さの関係曲線は図示の曲線からずれて
来る。
第３図は15インチ（38.1cm）径の印加器112内でのTEモ
ードを示している。１またはそれより多いTEモードを、
プログラム可能手段98によつて予めプログラミングでき
る。これは第２図に図示のモードの部分集合である。
第４図は15インチ（38.1cm）径の印加器112内でのTMモ
ードを示している。１またはそれより多いTMモードを、
プログラム可能手段98によつて予めプログラミングでき
る。これは第２図に図示のモードの部分集合である。
第５図は周波数f1,f2,f3等での種々のモードを示してい
る。制御されたマルチモードは、２または３のみの重な
り合つた共振周波数をもつものとなる。
第６図は第１図に示すようなマイクロ波回路を、３或は
それより多く有する印加器120を備えたマイクロ波装置2
0を示し、回路11,12,13はプローブ111a,121a,122aへと
接続され互に異なつた周波数f1,f2,f3で作動される。マ
イクロ波は、プログラム可能な制御手段98により制御さ
れるマイクロ波電力源99,123,124によって供給される。
一般的な説明 この発明は当初は液体または固体であり、加熱時間にわ
たり無線周波数波加熱に伴ない変化する複素誘電率をも
つ物質を加熱する方法に係り、同方法は、（ａ）．次の
ような金属製の無線周波数波の印加器、すなわち予め選
択した物質負荷共振モードのうちの１つ或は複数のモー
ドで印加器軸線まわりにおいて単一モード或は制御され
たマルチモードとして励起され、印加器内で上記物質の
予定した加熱が得られるようにする印加器、及びこの印
加器に接続され該印加器の内部に、印加器に対し無線周
波数波を結合させるように臨ませてあるアンテナ手段
を、それぞれ備えている無線周波数波発生装置を用意
し、（ｂ）．液体または固体であり当初の複素誘電率を
もつ上記物質を上記印加器内に精密に位置を設定して配
置し、第１のモードの無線周波数波により連続的に、加
熱中の或る時間中、物質の誘電率が変化するが無線周波
数波の第１のモードは維持して加熱し、次に加熱中に第
１のモードを消去した上で少なくとも１つの第２のモー
ドの無線周波数波により、加熱中に物質の複素誘電率が
変化するが第２のモードは維持して加熱し、これらの加
熱処理の間に印加器中の無線周波数波モードを入射電力
及び反射電力の測定値を用い、印加器からの反射電力が
印加器内でほぼ零となるように連続的に同調すると共に
入射電力が印加器内で所望の水準となるように同調する
ことによつて維持するものに、構成される。
またこの発明は当初は液体または固体であり、加熱時間
にわたり無線周波数波加熱に伴ない変化する複素誘電率
をもつ物質を加熱する方法に係り、同方法は、（ａ）．
次のような金属製の無線周波数波の印加器、すなわち予
め選択した物質負荷共振モードのうちの１つ或は複数の
モードで印加器軸線まわりにおいて単一モード或は制御
されたマルチモードとして励起され、印加器内で上記物
質の予定した加熱が得られるようにする印加器、この印
加器内に印加器軸線に対し垂直に配置されており該印加
器の内壁面に対し接触する電気接点を外周端に有する可
動プレート手段、及び上記印加器に接続され該印加器の
内部に、印加器に対し無線周波数波を結合させるように
臨ませてある可動プローブ手段を、それぞれ備えている
無線周波数波発生装置を用意し、（ｂ）．液体または固
体であり当初の複素誘電率をもつ上記物質を上記印加器
内に精密に位置を設定して配置し、上記したプローブ手
段或はプレート手段を動かすか無線周波数波源の周波数
及び電力を変更するかして得た第１のモードの無線周波
数波により上記物質を連続的に、加熱中の或る時間中、
物質の誘電率が変化するが無線周波数波の第１のモード
は維持して加熱し、次に加熱中に第１のモードを消去し
た上で少なくとも１つの第２のモードの無線周波数波に
より、加熱中に物質の複素誘電率が変化するが第２のモ
ードは維持して加熱し、これらの加熱処理の間に印加器
中の無線周波数波モードを入射電力及び反射電力の測定
値を用い、印加器からの反射電力が印加器内でほぼ零と
なるように連続的に同調すると共に、液体または固体で
ある上記物質の加熱中に印加器内で最適した同調及び電
力変動を時間の関数として得るものに、構成される。
さらにこの発明は当初は液体または固体であり、加熱時
間にわたり無線周波数波加熱に伴ない変化する複素誘電
率をもつ物質を加熱するための装置に係り、同装置は、
（ａ）．予め選択した１つ或は複数の共振モードで、軸
線まわりにおいて単一モード或は制御されたマルチモー
ドとして励起させて内部で上記物質の予定した加熱を得
ることを可能とするところの、金属製の無線周波数波の
印加器を有する無線周波数波発生装置、及び（ｂ）．上
記印加器内を第１のモードから、該第１のモードを消去
した上で少なくとも１つの第２のモードへとシフトする
ためのプログラム可能手段を備えたものに、構成され
る。
この発明はジエイ．アスムセン（J.Asmussen）の米国特
許No.4,777,336についての改良に係る。本特許発明の目
的は空洞または導波管中に位置させた固体または液体物
質について、より迅速で空間的により制御された（普
通、一様な処理が望まれる。）マイクロ波処理を可能と
することにある。本米国特許では物質を充填した空洞
（または導波管）の単一モード（または制御されたマル
チモード）励起が、利用されている。空洞印加器は物質
を加熱及び処理するため、物質装填モードの１またはそ
れより多い（僅かに重なり合った）共振で励起せしめら
れる。電磁モードの選択は空洞を固定周波数で励起さ
せ、次に空洞を所与の物質装填共振長さへと同調するこ
とによつて行なわれている。励起を得る別の方法は固定
寸法の空洞を、周波数可変のマイクロ波電力源で励起さ
せるといつたものである。本方法では電力源が、物質装
填空洞の所望の電磁共振モードへと周波数同期せしめら
れる。
物質を装填された空洞が励起され物質が加熱されると
き、物質の複素誘電率が変化して物質装填空洞を共振を
得るように再同調（空洞長さの調整とアンテナとも称さ
れるプローブの位置調整、或はプローブの位置調整と周
波数同調による。）する必要が生じる。機械的な同調、
電力の変更及び周波数同調を処理サイクルを制御するた
め、或は所望の処理サイクル（時間及び空間に関しての
加熱パターン）を達成するために、利用できる。ここで
問題としている「同調（tuning）」は２つの機能を奏す
るものであることに、留意すべきである。すなわちその
一つは（１）印加器を最初に所望の物質装填空洞共振へ
と同調させることであり、他は（２）処理サイクル中に
空洞を整合状態（すなわち反射電力が零である状態）に
同調させることである。同調及び入力電力制御のパター
ンは記録されて、他の類似の物質を処理するために繰返
えされる。
最初の物質装填モードは所望の結果（すなわち物質内で
の所望の加熱パターン）を生じさせるために選択され
る。したがつて特定の励起モードが、処理サイクルを開
始するのに最良の界パターンを附与するものであるとい
つた観点から選択される。普通１つの或るモードを、物
質負荷中への優れた初期の制御下でのマイクロ波結合が
達成されるように選択する。物質の寸法、形状、空洞内
での位置、及び当初の誘電率 で表される当初の誘電特性は全て、最初のモード共振周
波数とそれによる最初の励起界パターンを決定するため
のものとなる。印加器界パターンは空洞内の「空の」物
質非存在容積にだけでなく、印加器の空洞中に装填され
た物質の内部にも存在する。
モードが励起されると物質が、古典電磁気学に従つて加
熱される。物質内部の何れの位置での時間平均の吸収
電力密度＜Ｐ＞も、次式で表される。
ここにωは励起周波数であり、EO（）は物質内の位置
での電界量である。したがつて空間的な吸収パターン
（したがつて空間的な加熱パターン）は、モードの空間
的な界パターンに依存する。
物質の加熱が生じるにつれてモードの空間的な界パター
ンε（）及びε（）が、そして物質の形状さえ
も、変化する。上述した同調法によつてこれらの変動の
或るもの、または全てが補償されることがよくある。し
かし加熱を望ましモードで開始しても同じ共振への連続
した同調によつては処理過程完了のための最適の励起状
態は何ら生ぜしめられないような用途もある。また最初
のモードの加熱パターンが極めて不均一なものであつ
て、不均一な加熱を結果すると共に物質中に熱い点と冷
たい点を生じさせるような用途もある。これらの両者の
場合には物質負荷をより一様に、かつ、より迅速に加熱
するため、処理サイクル中に２またはそれより多いモー
ドを使用するのが望ましい。
したがつてこの発明は処理中に１つのモード（或は１組
のモード）と他のモード（或は他の複数モード）間での
切替えを行なうものである。この切替えは数多くの方法
で遂行できる。１つの方法は印加器を固定周波数マイク
ロ波源で励起させ、処理中に印加器を一の共振モードか
ら他の共振モードへと機械的（摺動短絡子によつて）同
調させることである。別の方法は処理中にマイクロ波発
振器の周波数を、一の共振モードから他の共振モードへ
と切替えることである。予め選択しておく周波数切替え
対時間の関係によつてモード励起対時間の選択したパタ
ーンを得、これによつて物質負荷中に所望の加熱パター
ンを得ることができ、また事実、そのような周波数切替
え対時間の関係の設定によつて異なつた複数の処理サイ
クルを得ることができる。この後者の方法は電子工学的
により複雑であるが、周波数を変更及び制御するプロセ
ス制御系の能力を各個別モードの励起中に印加器を整合
させるためにも利用するといつた利点を与える。したが
つて本方法を採用するときは印加器に摺動短絡子がもは
や不必要となる。これらの２つの処理構造は第１図及び
第６図に示されており、摺動短絡子と共に、或は同短絡
子無しに、使用することができる。
詳細な説明 加熱及び処理に関する実験的な測定を、電力可変のCWマ
イクロ波装置10（第１図）或は20（第６図）を用いて行
なつた。
第１図に示す空洞印加器112に対し接続された回路及び
第６図に示す空洞印加器120に対し接続された各回路11,
12,13はそれぞれ、（１）発振器及び増幅器を備えたマ
イクロ波電力源99（第１図）ないし99,123,124（第６
図）、（２）サーキュレーター101及び整合された疑似
負荷102、（３）同軸方向性結合器103,104、減衰器105,
106、及び入射電力Pi及び反射電力Prを測定する電力計1
08,109、及び（４）プローブ（アンテナ）111a（第１
図）ないし111a,121a,122a（第６図）を備えた同軸結合
系（電力伝達ライン）111（第１図）ないし111,121,122
（第６図）から成り、印加器112,120内には物質負荷Ｂ
を、精密に位置を設定して配置してある。印加器112ま
たは120中に結合されたマイクロ波は、Pt＝Pi−Prで与
えられる。各印加器112,120は摺動短絡子112a,120aを有
する。
第１図に示すように印加器112には同軸電界探針115を挿
入してあり、この探針115は減衰器107を介して電力計11
0に接続されている。探針115は印加器112の導電表面上
の電界の垂直成分の平方を測定する。計器114からのフ
ァイバーオプテックの温度測定探針114aを印加器112中
に挿入し、処理温度を測定するために物質Ｂ上または同
物質Ｂ内に位置するように支持してある。電界探針11
5、ファイバーオプテック温度測定探針114a、入射電力
計108及び反射電力計109は全てオンライン処理用測定機
構を構成するもので、モードの切替え時及び切替え場所
についてプログラム可能手段98に対し情報を、フィード
バック信号として与えるために使用できる。
図６は数個の独立した入力マイクロ波回路11,12,13及び
プローブないしアンテナ111a,121a,122aを有する複数ポ
ートの空洞印加器120を、示している。空洞120長さは摺
動短絡子120aによつて変更することができる。プローブ
111a,121a,122aは、回路11,12,13間の相互作用（クロス
カツプリング）を最小限とするように配置される。最も
適当であるのは回路11,12,13を、アンテナ111a,121a,12
2aの近距離フイールドが相互作用し合わないような間隔
をあけることである。各プローブ111a,121a,122aは周波
数f1,f2,f3で電力を生成可能である各別のマイクロ波電
力源（発振器）99,123,124に対し接続されている。電力
源99,123,124は固定または可変の周波数f1,f2,f3のもの
で、一般にf1≠f2≠f3である。各マイクロ波回路は使用
されないとき空洞と、機械的或はダイオードによつて切
離すことができる。
周波数f1,f2,f3は個別的な（或は異なつた）印加器112
或は120に負荷される共振に合せることができ、したが
つて各個別回路11,12,13は、空洞長さを変更可能とする
摺動短絡子112aまたは120a及び調整可能なプローブ111
a,121a或は122aと共に米国特許No.4,777,336に記載され
ている共振で作動させることができる。各電力源99,12
3,124はプログラム可能手段98によつて一のモード、つ
まり一の共振モードから他の（共振）モードに、換言す
ると一の偏りから他の偏りに、物質（空洞）負荷Ｂ内で
の所望の加熱を生じさせるよう時間の関数として切替え
るように、プログラム制御できる。
コンピユーター或はマイクロプロセツサーとしてのプロ
グラム可能手段は、印加器112または120内の共振モード
の初期の周波数を選択するように用いられる。印加器11
2または120の長さは、これまたコンピユーター制御可能
である摺動短絡子112aまたは120aによつて変更される。
この方法で物質Ｂを、同物質が処理され終るまで順次、
異なつた複数共振モードにさらす。
円筒状のものであるのが好ましい印加器112,120の重要
な特徴は、処理物質Ｂに対し入射マイクロ波エネルギー
を集中させ整合させる能力にある。これは単一モード励
起及び「内部空洞」整合によつて達成される。印加器11
2または120中の単一電磁モードの適正な選択と励起によ
つてマイクロ波エネルギーを、処理物質Ｂ中に制御して
集中させることができる。整合は、全ての同調調整が印
加器112または120の内部で生じることからして「内部空
洞」式と称しうる。印加器内での電磁エネルギーの結合
と整合を行なう本方法は、マイクロ波イオン源で採用さ
れている方法に類似している。（J.Asmussen and J.Roo
t:Appl.Phys.Letters 44,396（1984）、1985年３月26日
発行のJ.Asmussen及びD.Reinhardの米国特許No.4,585,6
68、J.Root and J.Asmussen:Rev.of Sci.Instrum.56,15
11（1985）、M.Dahimene and J.Asmussen:J.Vac.Sci.Te
chnol.B4,126（1986））。
マイクロ波空洞112または120の入力インピーダンスは、 で与えられる。ここにPtは印加器112または120中に結合
された全電力（これは物質Ｂに引渡された電力だけでな
く、印加器112または120の金属壁中での損失も含む。）
である。またWm及びWeはそれぞれ、印加器112または120
中に貯えられた時間平均の磁気及び電気エネルギーであ
る。|Io|は結合プローブ111a,121a或は122aへの全入力
電流である。Rin及びjXinは印加器112,120の入力抵抗及
び入力リアクタンスであり、入力結合系である電力伝達
ライン111から判るように複素負荷インピーダンスを表
す。
物質Ｂ負荷を伝達ライン111に対し整合させるために
は、少なくとも２つのインピーダンス調整が必要であ
る。一の調整は負荷リアクタンスを消去しなければなら
ず、一方他の調整は負荷抵抗を電力伝達系の特性インピ
ーダンスに等しくなるようにしなければならない。空洞
印加器112または120中において連続的に可動のプローブ
111a,121a或は122aと空洞端板（摺動短絡子）112a或は1
20aを調整することにより上記した２つの必要な調整が
行なわれ、単一モード励起によりそれまでの物質Ｂ装填
空洞リアクタンスを消去し物質装填空洞112或は120の入
力抵抗を入力結合系である電力伝達ライン111,121或は1
22の特性インピーダンスに等しくするように調整するこ
とが可能である。
第１図に示すようにマイクロ波電力源99はプログラム可
能手段98によつて、２つ或はそれより多い個数の狭い振
動数帯△f1,△f2,△f3間で切替えを行なうようにプログ
ラムされている。各個別振動数帯は中心周波数を異にし
ており、印加器112中に異なつた複数共振モードを励起
し、これからして物質負荷Ｂ内に異なつた加熱パターン
を生じさせる。特定のモードが励起されるとき周波数、
摺動短絡子112a、結合同調及び電力の制御を、加熱過程
を制御するように印加器112を整合させるために利用で
きる。モード間の切替えは、加熱処理過程に依存した速
さで行なえる。例えば或る用途においては各個別モード
で数分の１秒間のみ、つまり短いマイクロ波エネルギー
パルスで加熱することが必要とされよう。この場合には
系が、数多くの加熱パターンで物質負荷Ｂを迅速に「バ
ツチ」処理するように１つの周波数f1から他の周波数f2
等に迅速に切替えられることになろう。したがつて物質
負荷Ｂは数分の１秒から数秒間のみ、一様に加熱される
ことになる。モードの切替えはまた各モードが数秒間か
ら数分或は数十分間、個別的に励起されて加熱処理が数
十分から１時間以上にわたつて行なわれるように、比較
的ゆつくりと行なうこともできる。
或る種の処理が行なわれる場合にはモードの切替えは、
負荷に対する電磁エネルギーの一様な印加のために必要
とされるだけでなく、加熱中に物質（負荷）の複素誘電
率 がモード界を劇的に変化させて不所望の界パターンが生
成するのを避けるために必要とされうる。適正な加熱は
１つのモードのみでは不可能である。したがつて処理サ
イクルを適正に完了するのに必要である正しい加熱パタ
ーンをもつ他のモードを励起させるように、処理系の周
波数を切替える（もしくは空洞長さを変更する）ように
しなければならない。前述したようにモードの切替え
は、摺動短絡子112aを機械的に動かすことによつて達成
できる。この場合には励起周波数を一定に保つことがで
き、摺動短絡子112aは１つのモードから別のモードへと
系を同調させるように予め定めたパターンで動かされ
る。モード切替えのための本方法は機械的に行なわれ、
普通はプログラム可能手段98による振動周波数の電子的
な切替えと対比してゆつくりとしたものであるが、低コ
ストの一定周波数（概して2.45GHzまたは915MHz）励起
源を使用できる利点がある。
比較的「大」径の印加器112でも、単一モード或は制御
されたマルチモードの何れかの様式で運転するのに利用
できる。空の印加器112モード線図を、15インチ径の空
洞について作成した（第２−４図）。第２−４図は空の
印加器112に関しコンピユーター計算して求めたもので
ある。印加器112内に物質負荷Ｂを置くと空の印加器112
モードが周波数偏移を生じるが、これらの共振モード図
の一般的な特徴は同じままに残る。したがつて第２−４
図は空のもののみならず物質負荷Ｂを装填された印加器
112の共鳴モード対印加器112長さの関係を示すものとし
て役立つ。
第２−４図は円筒状の15インチ径印加器112について、
個別共振周波数対共振長さの関係を示すグラフとして画
かれている。第２図に示すように個々のモード共振周波
数は、印加器112の軸線方向長さａ−ａが数cmから50cm
まで変更されるにつれて変動する。第２−４図で各実線
は印加器112長さが増されるにつれての１つの個別モー
ドの共振周波数の変動を示している。左手下方領域は、
所与の空洞長さ及び励起周波数に対して単一モード（時
々は縮退モード）のみしか励起されないことから単一モ
ード領域と名付けた。右手上方隅部分は、励起周波数と
空洞長さとを固定しても高密度の重なり合う複数モード
が励起されることから、マルチモード領域と名付けられ
た。このマルチモード領域は、普通のマイクロ波加熱空
洞が稼働せしめられる領域である。固定空洞寸法に対し
てマルチモード領域では、狭い励起振動数帯によつて多
くの重なり合う共振モードが励起せしめられる。これら
の各モードは物質負荷を励起させ加熱する。
第１図に示す印加器112はその空洞長さを一定に維持し
つつ、周波数可変の発振器99によって数多くのモードで
励起させることが可能である。このことは第２図に、数
多くの共振モード線と交差する垂直線で示されている。
その場合における電力吸収性と周波数との関係は第５図
に示されている。第１図の垂直線上及び第５図の横軸上
で周波数が800MHzよりも低い値から3GHzを越える値へと
増すに従い、第５図に示すように単一励起モードの電力
吸収帯が生じる状態からマルチモードの電力吸収帯が生
じる状態へと励起モードが変更されて行く。第2,5図か
ら明らかなように比較的低い周波数域では印加器112中
に電力を結合するため発振器99の励起周波数が、単一モ
ードの電力吸収帯を生じさせる値のものでなければなら
ない。比較的高い周波数域では発振器99の励起周波数
は、数多くの分離した共振モードを生じさせるエネルギ
ー結合を得させ、そのときの印加器112内の電界及び磁
界は個別的な複数モード界パターンが重ね合わされたも
のとなる。
長さを変更する印加器112内での単一モードの励起は、
第２−４図から明瞭に理解できる。例えば印加器112を9
15MHz（第３図に水平線で示されている。）で励起させ
ると、空洞長さが増すにつれて多くのモードの単項励起
が生じる。これらのモードは第３図にＸ軸に平行させた
挿入線で示されている。同じ15インチ径印加器112での
類似の結果が2.45GHzでも、交差数対長さが増すことを
別として、生じる。
前述したように円筒状印加器112内の電磁界パターンは
数多くの要因に依存し、物質負荷Ｂを装填した空洞に関
して精密な解を求めることはできない。しかし空の（自
由空間）印加器112についての界パターンは良く知られ
ており、界パターンの一般的な理解を得るのに利用でき
る。無数の組の共振周波数が可能である。各共振は導波
管モードによつて生成され、軸線方向での導波モード半
波長の整数倍（つまりｎλg/2−ここにｎ＝1,2,…であ
り、λｇは誘導波半波長である。）である。最も低い円
形導波管モードについての界パターン例は様々な標準的
専門書、例えばH.A.Atwater著「Introduction to Micro
wave Theory」（McGraw−Hill Book Company、1962年発
行）及びR.F.Harrington著「Time−Harmonic Electroma
gnetic Fields」（McGraw−Hill Book Company、1961年
発行）に示されており、また当業者に良く知られてい
る。モードは２つのグループ、すなわちTEモードとTMモ
ードに分類できる。
各モードは区別される各別の界パターンを有し、また
高，低の電界強度の領域を有する。これらのモードのい
くつかを組合せることによつて、印加器及び物質Ｂ内部
の所与の位置での界強度を調整することができる。した
がつて１つのモードから別のモードへと（時間に関し）
切替えを行なうことにより、或は２つまたはそれより多
いモードを同時に励起させることにより、特定の点での
時間平均電界強度を制御することができる。モード重ね
合わせについてのこの考えは本発明において、空洞の内
部に位置させる物質負荷のための一様な加熱パターンを
生成するのに利用される。
モード切替えの概念はまた、第３図に示されている。例
えばマイクロ波装置が一定の915MHz周波数で励起される
とすると、摺動短絡子112aを用いた空洞長さの機械的な
調整によつて印加器112を数モード間で変更して同調さ
せることができる。このモード調整例は第３図で、915M
Hzを表す水平線の曲線との交差によつて示されている。
装置が固定長さの印加器112を有するものであれば同様
の順次的なモード励起を、周波数を915MHzから適当した
モードでの励起を生じさせる周波数へと高めることによ
つて達成できる。
第3,4図に示すモード線図を注意深く吟味すると、モー
ド切替えを簡単に達成できる領域が存在することが判
る。そのような領域のうちの１つは水平2.45GHz周波数
線として示されている。図示のように空洞長さまたは周
波数の極く僅かな変化で、915MHzで励起された３つの空
洞モード間での迅速な切替えが得られる。したがつて摺
動短絡子112aによるモード間切替えは、広い空洞内にお
いて2.45GHzでより簡単に達成される。印加器112寸法の
注意深い調整（円筒状印加器112の場合は長さの調整）
によつて、モード切替えについての単純な（小さな長さ
変更または小さな周波数変更による。）解決が得られ
る。
第3,4図について前述したように円筒状空洞の空洞長さ
が大であると該空洞がマルチモードで励起せしめられる
傾向が生じる。この関係は第５図に類似した図で示すこ
とができ、第５図の横軸が空洞長さを表しているとすれ
ば同図に示す通り空洞長さが大であるほどマルチモード
の傾向が現れる。寸法ａ×ｂ×ｃの直方体形状の空洞中
及び寸法ａ×ａ×ａの立方体形状の空洞中での共振周波
数はそれぞれ、次式（１），（２）で表される。
ｍ＝1,2,3・・・ ｎ＝1,2,3・・・ ｐ＝0,1,2・・・ この場合にも空洞寸法と励起共振モードとの関係は円筒
状空洞の場合と同様であって、例えば式（２）で表され
る立方体形状の空洞について、隣り合う２共振周波数間
の周波数差、 （fr）ｍ＋1,n,p−（fr）m,n,p は立方体一辺の長さａが大となるほど小となり、空洞寸
法が増すほどマルチモードの傾向が現れる。
以上の記述はこの発明を例示的に説明するためのみのも
のであり、この発明は次に付した請求の範囲によっての
み限定されるべきである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭62−195892（ＪＰ，Ａ) 特公 昭56−29355（ＪＰ，Ｂ２) 実公 昭51−41628（ＪＰ，Ｙ２) 米国特許4777336（ＵＳ，Ａ)

Claims (28)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】当初は液体または固体であり、加熱時間に
    わたり無線周波数波加熱に伴ない変化する複素誘電率を
    もつ物質を加熱する方法において、 （ａ）．次のような金属製の無線周波数波の印加器、す
    なわち予め選択した物質負荷共振モードのうちの１つ或
    は複数のモードで印加器軸線まわりにおいて単一モード
    或は制御されたマルチモードとして励起され、印加器内
    で上記物質の予定した加熱が得られるようにする印加
    器、及びこの印加器に接続され該印加器の内部に、印加
    器に対し無線周波数波を結合させるように臨ませてある
    アンテナ手段を、それぞれ備えている無線周波数波発生
    装置を用意し、 （ｂ）．液体または固体であり当初の複素誘電率をもつ
    上記物質を上記印加器内に精密に位置を設定して配置
    し、第１のモードの無線周波数波により連続的に、加熱
    中の或る時間中、物質の誘電率が変化するが無線周波数
    波の第１のモードは維持して加熱し、次に加熱中に第１
    のモードを消去した上で少なくとも１つの第２のモード
    の無線周波数波により、加熱中に物質の複素誘電率が変
    化するが第２のモードは維持して加熱し、これらの加熱
    処理の間に印加器中の無線周波数波モードを入射電力及
    び反射電力の測定値を用い、印加器からの反射電力が印
    加器内でほぼ零となるように連続的に同調すると共に入
    射電力が印加器内で所望の水準となるように同調するこ
    とによつて維持するようにした方法。
  2. 【請求項２】前記印加器が横断面形状円形のものである
    請求項１の方法。
  3. 【請求項３】加熱中に前記印加器内の無線周波数波モー
    ドを前記した第１のモードと少なくとも１つの第２のモ
    ード間で、切替え手段を用いて変更させる請求項１の方
    法。
  4. 【請求項４】前記切替え手段が、モード変更用の周波数
    切替え手段である請求項３の方法。
  5. 【請求項５】前記切替え手段が、前記印加器と接触する
    電気接点を外周端に有しモードを変更するために印加器
    内で動かされる可動プレートである請求項３の方法。
  6. 【請求項６】モードを生成させ維持するように前記切替
    え手段を、プログラム可能手段を用いて制御する請求項
    ３の方法。
  7. 【請求項７】前記プログラム可能手段がマイクロプロセ
    ツサーである請求項６の方法。
  8. 【請求項８】当初は液体または固体であり、加熱時間に
    わたり無線周波数波加熱に伴ない変化する複素誘電率を
    もつ物質を加熱する方法において、 （ａ）．次のような金属製の無線周波数波の印加器、す
    なわち予め選択した物質負荷共振モードのうちの１つ或
    は複数のモードで印加器軸線まわりにおいて単一モード
    或は制御されたマルチモードとして励起され、印加器内
    で上記物質の予定した加熱が得られるようにする印加
    器、この印加器内に印加器軸線に対し垂直に配置されて
    おり該印加器の内壁面に対し接触する電気接点を外周端
    に有する可動プレート手段、及び上記印加器に接続され
    該印加器の内部に、印加器に対し無線周波数波を結合さ
    せるように臨ませてある可動プローブ手段を、それぞれ
    備えている無線周波数波発生装置を用意し、 （ｂ）．液体または固体であり当初の複素誘電率をもつ
    上記物質を上記印加器内に精密に位置を設定して配置
    し、上記したプローブ手段或はプレート手段を動かすか
    無線周波数波源の周波数及び電力を変更するかして得た
    第１のモードの無線周波数波により上記物質を連続的
    に、加熱中の或る時間、物質の誘電率が変化するが無線
    周波数波の第１のモードは維持して加熱し、次に加熱中
    に第１のモードを消去した上で少なくとも１つの第２の
    モードの無線周波数波により、加熱中に物質の複素誘電
    率が変化するが第２のモードは維持して加熱し、これら
    の加熱処理の間に印加器中の無線周波数波モードを入射
    電力及び反射電力の測定値を用い、印加器からの反射電
    力が印加器内でほぼ零となるように連続的に同調すると
    共に、液体または固体である上記物質の加熱中に印加器
    内で最適した同調及び電力変動を時間の関数として得る
    ようにした方法。
  9. 【請求項９】前記した第１のモードを消去し第２のモー
    ドでの励起を得る前に時間間隔をおく請求項８の方法。
  10. 【請求項１０】前記物質を前記印加器の軸線上で、前記
    可動プレート手段と反対側の印加器内の底部分付近に配
    置する請求項８の方法。
  11. 【請求項１１】前記物質の一部分が加熱中に気化するも
    のであり、前記印加器を換気するようにした請求項８の
    方法。
  12. 【請求項１２】前記印加器の底部分が、該底部分を取外
    して印加器内に前記物質を配置できるように取外し可能
    なものである請求項８の方法。
  13. 【請求項１３】前記印加器内の電界或は磁界強度を時間
    の関数として測定するための検出器を挿入可能とする挿
    入口を、印加器に設けてある請求項８の方法。
  14. 【請求項１４】加熱中に前記印加器内の無線周波数波モ
    ードを前記した第１のモードと第２のモード間で、切替
    え手段を用いて変更させる請求項８の方法。
  15. 【請求項１５】前記切替え手段が、モード変更用の周波
    数切替え手段である請求項14の方法。
  16. 【請求項１６】前記切替え手段が、前記印加器と接触す
    る電気接点を外周端に有しモードを変更するために印加
    器内で動かされる可動プレートである請求項14の方法。
  17. 【請求項１７】モードを生成させ維持するように前記切
    替え手段を、プログラム可能手段を用いて制御する請求
    項14の方法。
  18. 【請求項１８】前記プログラム可能手段がマイクロプロ
    セツサーである請求項17の方法。
  19. 【請求項１９】当初は液体または固体であり、加熱時間
    にわたり無線周波数波加熱に伴ない変化する複素誘電率
    をもつ物質を加熱するための装置であつて、 （ａ）．予め選択した１つ或は複数の共振モードで、軸
    線まわりにおいて単一モード或は制御されたマルチモー
    ドとして励起させて内部で上記物質の予定した加熱を得
    ることを可能とするところの、金属製の無線周波数波の
    印加器を有する無線周波数波発生装置、及び （ｂ）．上記印加器内を第１のモードから、該第１のモ
    ードを消去した上で少なくとも１つの第２のモードへと
    シフトするためのプログラム可能手段、 を備えた装置。
  20. 【請求項２０】前記プログラム可能手段がコンピユータ
    ーである請求項19の装置。
  21. 【請求項２１】前記プログラム可能手段がマイクロプロ
    セツサーである請求項19の装置。
  22. 【請求項２２】異なつた加熱処理モードを順次附与する
    ために前記印加器中に無線周波数波を順次結合可能とす
    る複数個のプローブを備えた請求項19の装置。
  23. 【請求項２３】前記プローブがそれぞれ、異別の無線周
    波数波を結合するものである請求項22の装置。
  24. 【請求項２４】加熱時間にわたり無線周波数波加熱に伴
    ない変化する複素誘電率をもつ、液体または固体の物質
    を加熱或は制御する方法において、 （ａ）．予め選択した１つ或は複数の共振モードで、軸
    線まわりにおいて単一モード或は制御されたマルチモー
    ドとして励起させて内部で上記物質の予定した加熱を得
    ることを可能とするところの、金属製の無線周波数波の
    印加器を有する無線周波数波発生装置、及び上記印加器
    内を第１のモードから、該第１のモードを消去した上で
    少なくとも１つの第２のモードへとシフトするためのプ
    ログラム可能手段を用意し、 （ｂ）．上記プログラム可能手段によりモードを切替え
    させつつ、上記物質を無線周波数波により加熱するよう
    にした方法。
  25. 【請求項２５】前記プログラム可能手段がコンピユータ
    ーである請求項24の方法。
  26. 【請求項２６】前記プログラム可能手段がマイクロプロ
    セツサーである請求項24の方法。
  27. 【請求項２７】異なつた加熱処理モードを順次附与する
    ために前記印加器中に無線周波数波を順次結合可能とす
    る複数個のプローブを、前記無線周波数波発生装置に設
    けてある請求項24の方法。
  28. 【請求項２８】前記プローブがそれぞれ、異別の無線周
    波数波を結合するものである請求項27の方法。
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