WO2015199005A1

WO2015199005A1 - マイクロ波照射装置

Info

Publication number: WO2015199005A1
Application number: PCT/JP2015/067823
Authority: WO
Inventors: 博文曽我; 勝之國井; 英二香川; 英和塩田; 俊司黒川
Original assignee: 四国計測工業株式会社
Priority date: 2014-06-23
Filing date: 2015-06-22
Publication date: 2015-12-30
Also published as: TW201603647A; JP6533783B2; JPWO2015199005A1

Abstract

課題：干渉による加熱効率の低下の問題が解消されたキャビティ型のマイクロ波照射装置の提供。解決手段：マグネトロンからのマイクロ波を照射する照射口を有する複数個の照射部と、複数個の照射部が設けられたキャビティと、前記キャビティの一面を開閉する扉とを備えたマイクロ波照射装置であって、前記複数個の照射部が、前記キャビティの前記扉が設けられた面以外の内壁面に、相互に対面しないようにそれぞれ設けられ、前記照射部が、反射盤を備え、前記マグネトロンから照射されたマイクロ波が、前記反射盤を介してキャビティ内に間接照射されることを特徴とするマイクロ波照射装置。

Description

マイクロ波照射装置

　本発明は、複数のマグネトロンが設けられたキャビティを有するマイクロ波照射装置に関する。

　マイクロ波に、従来の加熱法とは異なる化学反応促進効果が認められることは公知であり、かかる効果はマイクロ波効果、マイクロ波電界効果、若しくは非熱的効果と呼ばれている。マイクロ波の応用分野は、有機化学、無機化学、セラミックス、医療など幅広く、例えば、有機化学反応としては、ポリエステル樹脂の製造、或いは、銅フタロシニアンの製造が知られている。

　マイクロ波透過材を通してのマイクロ波照射態様には、空中照射方式と液中照射方式があり、加熱効率の観点からは、マイクロ波が被加熱物の直接照射される液中照射方式の方が優れているとされる。また、液中照射方式ではマイクロ波が被加熱物に直接照射されるため、熱電対や撹拌軸等の金属製部品に高出力のマイクロ波エネルギーが直接作用することを防ぐという有利な効果を奏する場合がある。マイクロ波が誘電体に進入すると、熱に変化して急激に強度が弱くなるので、液中の金属製部品への作用は極めて限られたものとなるからである。例えば、２５℃の水の場合、電力半減深度と言われるマイクロ波の電力密度が１／２に半減するまでの深さがわずか１．３ｃｍであることが知られている。

　出願人は、特許文献１で、導波管からのマイクロ波が照射されるマイクロ波透過材で構成された照射部を有する管状容器と、撹拌軸に所定の間隔で配設された仕切板、および／または、管状容器の内壁に所定の間隔で配設された仕切板により構成する、管状容器を所定の間隔で仕切る仕切部材と、前記仕切部材間に位置する１以上の被加熱物の流れ方向とは逆方向の混合が発生する撹拌翼を有し、前記管状容器を軸通する撹拌軸と、マイクロ波加熱手段と、を備え、前記管状容器内を流れる被加熱物を、撹拌翼で撹拌しながらマイクロ波加熱するマイクロ波照射装置を提案した。

　特許文献２には、内面にマイクロ波の反射板を備え、積層接着したフィルムをロール状に巻いたフィルムロールをマイクロ波により加熱する加熱庫と、該加熱庫外に設置され、前記マイクロ波を発振して前記加熱庫にマイクロ波を照射するマイクロ波発振器と、前記加熱庫天井に設置され、前記マイクロ波を撹拌するスタラーファンとを備えたことを特徴とするフィルムロールの加熱装置が提案されている。

特許第５０１６９８４号公報特開２０１２－２１４０００号公報

　固体のマイクロ波加熱では、比較的大きな物体を加熱する場合、１つの高出力発振器で加熱すると、マイクロ波の片当たりによる温度ムラが増大するという課題があった。一方、複数の低出力発振器で加熱すると、均熱性は向上するがマイクロ波の干渉により加熱効率が低下するという課題があった。
　複数照射におけるマイクロ波の干渉が考慮されており、干渉による加熱効率の低下の問題が解消されたキャビティ型のマイクロ波照射装置が求められていた。

　そのため、本発明は、干渉による加熱効率の低下の問題が解消されたキャビティ型のマイクロ波照射装置を提供することを目的とする。

　発明者は、互いに向かい合わない複数方向からマイクロ波を照射し、回転反射盤を使用することで、マイクロ波の干渉を抑制するとともに高い均熱性を確保することを可能とした。また、干渉が抑制されることにより、複数照射においても高い加熱効率が確保される。さらには、加熱対象物のマイクロ波吸収が少ない場合の放電も防ぐことを可能としている。

　マイクロ波の干渉について補足の説明をする。
　互いに向かい合う２本の導波管からマイクロ波を照射して加熱対象物を加熱した場合、互いに強め合うときには加熱効率が向上するが、弱め合うときには逆に効率が低下するという課題がある。汎用的なマグネトロンの場合、発振周波数に幅があるため、最も高効率となるような干渉の制御は大変困難であり、効率が著しく低下することもある。さらに、中に入れる加熱対象物の大きさや位置が異なれば、電磁界分布も異なるものとなるところ、加熱対象物毎に干渉を考慮にいれた制御条件を設定することは現実的ではない。そこで、発明者は、干渉を極力抑えることにより、発振器（マグネトロン）の個数に正比例する加熱効率を得ることを目的として種々の改良を施し、マイクロ波の干渉を最小限とすることを可能とした。具体的には次の改良を施した。

（１）互いに向かい合わない方向からマイクロ波を照射すること。
（２）マイクロ波を回転反射盤で拡散し、ランダムに反射させること。
（３）回転反射盤を穴あき構造にすること、反射盤に切り欠き部を設けることで、よりランダムな反射とすること。
（４）回転に使用するモータには、敢えてステッピングモータを採用せず、例えばシンクロナスモータやインダクションモータを使用することで、たとえ干渉が生じたとしてもそれが持続しない仕様とする。

　すなわち、本発明は、以下の技術手段から構成される。
　本発明のマイクロ波照射装置は、マグネトロンからのマイクロ波を照射する照射口を有する複数個の照射部と、複数個の照射部が設けられたキャビティと、前記キャビティの一面を開閉する扉と、制御部とを備えたマイクロ波照射装置であって、前記複数個の照射部が、前記キャビティの前記扉が設けられた面以外の内壁面に、相互に対面しないようにそれぞれ設けられ、前記照射部が、反射盤を備え、前記マグネトロンから照射されたマイクロ波が、前記反射盤を介してキャビティ内に間接照射されることを特徴とする。
　上記マイクロ波照射装置において、前記照射部が、反射盤と、反射盤が収納される凹部と、凹部を覆う板と、凹部の内側面に設けられた照射口とを備える導波管を有しない照射部であることを特徴としてもよく、この場合、前記複数個の照射部が有する照射口が、相互に対向しないように配置されることを特徴とすることが好ましく、前記キャビティ内の空間が、立方体状または直方体状の形状であり、前記照射部が、３個の照射部からなることを特徴とすることがより好ましい。

　上記３個の照射部を備えるマイクロ波照射装置において、被照射物の温度を測定することが可能な放射型温度センサを備え、前記制御部が、前記放射型温度センサの検出値に基づき前記３個の照射部から照射されるマイクロ波の出力を制御することを特徴としてもよく、この場合、さらに、光ファイバ型温度センサと、光ファイバ型温度センサを挿入可能な被照射物の収納容器とを備えることを特徴とすることが好ましく、前記制御部が、前記光ファイバ型温度センサおよび前記放射型温度センサの検出値に基づき前記３個の照射部から照射されるマイクロ波の出力を制御することを特徴とすることがより好ましく、前記放射型温度センサを複数備え、前記制御部が、一又は複数の放射型温度センサの検出値に基づき一又は複数の照射部から照射されるマイクロ波の出力を制御する制御系統を複数備えることを特徴とすることがさらに好ましい。
　上記放射型温度センサを備えるマイクロ波照射装置において、前記放射型温度センサが、前記キャビティの複数の内壁面に配置されていることを特徴としてもよい。
　上記放射型温度センサを備えるマイクロ波照射装置において、前記放射型温度センサが、アレイ配置された複数の前記放射型温度センサからなることを特徴としてもよい。
　上記放射型温度センサを備えるマイクロ波照射装置において、前記放射型温度センサが、前記キャビティの上部または側部に設けられていること、さらに、被照射物を前記キャビティの中心または中心付近に配置するための、マイクロ波透過性材からなる台を備えることを特徴とすることが好ましく、この場合、前記台が、前記キャビティの底面からマイクロ波の１／４波長以上の高さに被照射物を配置可能であることを特徴とすることがより好ましい。
　上記マイクロ波照射装置において、前記反射盤が、複数の反射羽根を備え、さらに、前記反射盤を回転させる回動装置を備えることを特徴としてもよく、この場合、前記反射盤が、側面視切頭円錐台形であることを特徴とすることが好ましく、前記反射羽根が、３～１０枚の穴あき構造の反射羽根からなることを特徴とすることがより好ましい。
　上記マイクロ波照射装置において、前記照射部が、前記照射口を除く内面を金属板で覆ったチャンバーを備え、チャンバー内に前記マグネトロンが設置されることを特徴としてもよい。
　上記マイクロ波照射装置において、卓上型であることを特徴としてもよい。

　本発明によれば、干渉による加熱効率の低下の問題が解消されたキャビティを有するマイクロ波照射装置を提供することが可能となる。

実施形態例に係るマイクロ波照射装置の斜視図である。実施形態例に係るマイクロ波照射装置のキャビティを示す透過斜視図である。実施形態例に係る照射口および屋根部の構造を示す斜視図である。実施形態例に係るマイクロ波の間接照射の説明図である。実施形態例に係る反射盤の上面図である。実施形態例に係る反射盤の斜視図である。実験例１に係る熱画像であり、（ａ）は一方向照射の熱画像、（ｂ）は三方向照射の熱画像である。実験例２に係る熱画像であり、（ａ）は反射盤を用いずに三方向照射した場合の熱画像、（ｂ）は反射盤を回転させずに三方向照射した場合の熱画像、（ｃ）は反射盤を回転させながら三方向照射した場合の熱画像である。実験例３に係るネットワークアナライザの測定結果であり、（ａ）は反射盤を用いずに照射した場合の測定結果、（ｂ）は回転する反射盤を用いて照射した場合の測定結果である。（ａ）は比較例１の装置の構成図、（ｂ）は実験例４の装置の構成図である。（ａ）は比較例１の装置シミュレーション結果、（ｂ）は実験例４の装置シミュレーション結果である。（ａ）は実験例５－１の装置シミュレーション結果、（ｂ）は実験例５－２の装置シミュレーション結果である。実験例６のシステムの構成図である。実験例６に係る台の斜視図である。実験例６に係る温度測定結果およびマイクロ波の出力であり、（ａ）は放射型温度センサの測定温度に基づき制御した結果、（ｂ）は光ファイバ型温度センサの測定温度に基づき制御した結果である。実験例７のシステムの構成図である。

　本発明の好ましい実施形態例に係るマイクロ波照射装置を説明する。
　図１は、実施形態例に係るマイクロ波照射装置１の斜視図である。実施形態例のマイクロ波照射装置１は、直方体状の筐体２の内部に設けられたキャビティ３と、上下にスライド開閉する扉４と、操作部５と、を備えた卓上型のマイクロ波照射装置である。

　キャビティ３は、底面が５５０ｍｍの正方形、高さが４００ｍｍの直方体状の空間で有り、３００ｍｍ四方の被照射物へのマイクロ波照射が可能である。キャビティ３の内壁の三面には、マグネトロン６ａ～６ｃを有する照射部７ａ～７ｃがそれぞれ配置されている。照射部７ａ～７ｃの配置する面は図示の場所に限定されず、キャビティ３の内壁を構成する六面のうち、扉４が設けられた面を除く五面のいずれの場所に配置してもよい。但し、均一加熱の観点からは、照射部７ａ～７ｃのそれぞれがキャビティ３の内壁面の実質的に中心に位置するような配置とすることが好ましい。マグネトロン６ａ～６ｃは、いずれも周波数２．４５ＧＨｚ、出力１ｋＷの同一仕様のものである。すなわち、実施形態例のマイクロ波照射装置１によれば、３ｋＷの出力をもって最大サイズ４００×４００×３００（ｍｍ）の加熱対象物にマイクロ波を照射することが可能である。
　操作部５には操作用のボタンが設けられており、予め設定された照射パターンを選択することが可能である。操作部５の背面側には、プロセッサと記憶装置を備え制御部（図示せず）が配置されている。制御部は、記憶装置に記憶された所定のプログラムに基づきマグネトロン６ａ～６ｃの出力を制御する。被照射物の温度を測定することが可能な温度センサを１または複数個設置し、温度センサの検出値に基づき、複数個の照射部から照射されるマイクロ波の出力を独立に制御することで加熱対象物の温度を制御できるように構成してもよい。

　照射部７ａ～７ｃは、額縁状の枠７１ａ～７１ｃと、凹部７２ａ～７２ｃと、凹部の内側面に設けられた開口である照射口７３ａ～７３ｃと、照射口７３ａ～７３ｃの上部を覆う屋根部７４ａ～７４ｃと、反射盤８ａ～８ｃが取り付けられる回転軸７５ａ～７５ｃ、凹部７２ａ～７２ｃを覆う板７６ａ～７６ｃ（図２では図示省略）とを備えている。

　照射部７ａ～７ｃは、図２に示すように、各壁面の中心に回転軸７５ａ～７５ｃが位置するように配置されている（なお、図２では反射盤８ａ～８ｃを図示省略している。）。照射部７ａ～７ｃは、底面に載置された被照射物に効率よくマイクロ波を照射できるように、互いに対面しない方向に設けられている。具体的には、照射部７ａはキャビティ３の背面に、照射部７ｂはキャビティ３の右側面に、照射部７ｃはキャビティ３の底面に設けられている。実施形態例では照射部７ａ～７ｃを３つ設けているが、出力が下がってもよい場合は２つとすることもできる。重要なことは、各照射部が互いに対面しないようにすることである。従って、設置できるマグネトロンの個数は、キャビティ３の形状が六面体である場合には３個が上限となり、八面体である場合には４個が上限となり、十面体である場合には５個が上限となる。

　より好ましくは、図２とは異なり、照射口７３ａ～７３ｃを相互に対向しないように配置する。ここで、照射口が相互に対向しないように配置するためには、隣接する照射部の各照射口を、最も距離が離れた内側面に配置しないことにより実現することができる。例えば、図２において、照射部７ｂの照射口７３ｂを対向する内側面に設け（すなわち、１８０度転回）、照射部７ｃの照射口７３ｃを対向する内側面に設け（すなわち、１８０度転回）することが開示される。もっとも、照射口が相互に対向するように配置されても、各照射口から照射されたマイクロ波が反射盤により遮られ（切り欠き部を通過すること無く）、対向する照射口に入射しないようになっていれば、干渉の影響は問題とならないと考えられる。

　図３および図４に示すように、照射口７３の奥には、マグネトロン６が配置されている。このように実施形態例のマイクロ波照射装置１は、導波管を有しない構造となっているので、筐体２の大きさをコンパクトに構成することが可能である（図１に示す試作品における筐体２の幅は約８２ｃｍであり、操作部５を含めた幅は約９８ｃｍである。）。各照射口７３の上部は、金属製の屋根部７４により覆われており、照射口７３の内側には照射口を除く面が金属製内壁面からなるチャンバー７７が設けられており、各チャンバー内にマグネトロン６が設置される。このように照射面（照射口）以外の周囲を金属板で覆うチャンバー７７を設けることにより、直接的な反射波の吸収を防ぎ、加熱効率の向上（例えば、被照射物が水の場合９０％以上）を実現している。また、屋根部７４には、マイクロ波がマグネトロン６の上方から直接キャビティ内に照射され、加熱ムラの原因となることを防ぐ効果もある。実施形態例ではチャンバー７７をＳＵＳにより構成した。

　回転軸７５ａ～７５ｃは、それぞれモータ等の回動装置（図示せず）と連結されており、反射盤８ａ～８ｃを所望の速度で回転させることが可能である。
　照射口７３ａ～７３ｃから照射されるマイクロ波は、回転する皿状の反射盤８ａ～８ｃで反射されてキャビティ内の空間へ間接照射（ランダム照射）されるので、干渉の問題を解消することが可能である（図４参照）。

　照射部７ａ～７ｃには、キャビティ３の内壁面と面一となるように板７６ａ～７６ｃが配置されている。板７６ａ～７６ｃの材質は、マイクロ波を透過し、ある程度の耐熱性と強度があれば特に限定されないが、例えば、石英、アルミナ、テフロン（登録商標）、ポリプロピレン、ネオセラムを用いて構成することが可能である。キャビティ３の底面に照射部７を設けない場合には、板７６ａ～７６ｃに要求される耐熱性と強度の要求レベルを下げることが可能である。

　反射盤８ａ～８ｃは、図５に示すように、穴あき構造を有する４枚の反射羽根８１と、円盤状の切頭部８２とから構成されている。反射羽根の枚数は例示の４枚に限定されないが、ランダム照射を実現するためには反射羽根の枚数は３枚以上であることが好ましく、例えば３～１０枚の反射羽根を用いて皿状の反射盤８を構成する。反射羽根８１の穴あき構造は例示の形状に限定されず、多数の穴からなる穴あき構造（例えば、マイクロ波が透過可能な大きさの穴を有するパンチングメタル、ハニカム構造、格子構造）としてもよい。各反射羽根には、反射羽根の面積の例えば２０～７０％を占める穴を設ける。
　また、各反射羽根の間には反射羽根と実質的に同じ大きさの切り欠き部８３を設けることが好ましい。反射盤８は金属製であり、実施形態例ではＳＵＳにより構成した。

　図６は、実施形態例に係る反射盤８ａ～８ｃの斜視図である。
　一定の長さを有する回転軸７５ａ～７５ｃに取り付けられた反射盤８ａ～８ｃは、各反射羽根８１が凹部７２ａ～７２ｃの底面に向かうような皿状の形状であり、側方視切頭円錐形（円錐台形）である。換言すれば、回転軸７５と鋭角を構成するように取り付けられる反射羽根８１を有することで、凹部７２ａ～７２ｃの底面と反射羽根８１の先端との隙間Ｇが小さくなるように構成されている。このような構成とすることにより、マグネトロン６ａ～６ｃから照射されたマイクロ波が反射羽根８１に当たらずに素通りすることが回避され、反射率を高めている。他方で、凹部７２ａ～７２ｃの底面と反射羽根８１との隙間Ｇが小さくなり過ぎると、これらの間で低負荷時（被照射物によるマイクロ波の吸収が少ない時）に放電Ｄが生じるという問題がある。すなわち、凹部７２ａ～７２ｃの底面と反射羽根８１との隙間Ｇを大きくすると反射率が低下する一方、隙間Ｇを小さくすると放電の可能性が高まるというトレードオフの関係にある。この隙間Ｇの大きさをどの程度に設定するかは個々の装置の構成により異なるが、一般には隙間Ｇの大きさを５～２０ｍｍの範囲で設定することが開示される。

　マイクロ波照射装置１は、一定以上の大きさの固体をマイクロ波加熱する用途に適している。本発明のマイクロ波照射装置によれば、４００ｍｍ四方の底面を有する容器（型）に充填された個体を加熱することが可能である。従来、近赤外線により加熱する装置も用いられていたが、装置サイズが大きくて重く（例えば、千数百Ｋｇ）、価格も高価であった。この点、本発明のマイクロ波照射装置は、装置サイズが小さく、構造上価格を抑えることが可能であり、しかも短時間での処理が可能である。

《実験例１》
　三方向照射による均熱性を検証すべく、マイクロ波照射装置１により、段ボール箱（Ｗ２８０ｍｍ×Ｗ２８０ｍｍ×Ｈ１６０ｍｍ）の昇温実験を行った。実験例１では、反射盤８を回転させながらマイクロ波を照射して、段ボール箱を１０℃／ｍｉｎで５０℃まで昇温し、放射型温度センサで温度を計測した。
　図７（ａ）は一方向照射の熱画像、（ｂ）は三方向照射の熱画像である。（ａ）では最大温度と最小温度との差（同図中、三角で図示の箇所の温度差）が４０．９℃であったのに対し、（ｂ）は最大温度と最小温度との差が１３．５℃であった。実験例１により一方向照射では片当たりによる温度ムラ大きくなるが、三方向照射によれば均一加熱が実現できることが確認された。

《実験例２》
　反射盤８の撹拌作用を検証すべく、マイクロ波照射装置１により、実験例１と同じ段ボール箱の昇温実験を行った。実験例２では、反射盤回転あり、反射盤回転なし、反射盤なしの三条件でマイクロ波を照射して、段ボール箱を１０℃／ｍｉｎで５０℃まで昇温し、放射型温度センサで温度を計測した。
　図８（ａ）は反射盤を用いずに三方向照射した場合の熱画像、（ｂ）は反射盤８を回転させずに三方向照射した場合の熱画像、（ｃ）は反射盤８を回転させながら三方向照射した場合の熱画像である。（ａ）は最大温度と最小温度との差が３１．７℃、（ｂ）は最大温度と最小温度との差が１５．１℃、（ｃ）は最大温度と最小温度との差が１３．５℃であった。温度ムラの程度は（ｃ）が最も小さく、（ａ）が最も大きいことが確認された。

《実験例３》
　反射盤８による干渉抑制作用を検証すべく、マイクロ波照射装置１のキャビティ内をネットワークアナライザにより測定した。実験例３では、テストプローブをキャビティ３の左側面から挿入し、キャビティへの入射を測定した。図９（ａ）は反射盤を用いずに照射した場合の測定結果、（ｂ）は回転する反射盤を用いて照射した場合の測定結果である。これらの測定結果から、マイクロ波は反射盤の有無に関係無くキャビティ内に入射することが分かる。

　水５Ｌを被照射物として加熱効率の比較実験を行った。（１）反射盤を用いず三方向照射（１ｋＷ×３）した場合の加熱効率は８５％であったが、（２）回転する反射盤を用いて三方向照射した場合の加熱効率は９０％となった。（３）反射盤を用いず一方向照射（１ｋＷ）した場合の加熱効率と（４）回転する反射盤を用いて一方向照射（１ｋＷ）した場合の加熱効率は同じであった。
　以上の実験結果より、一方向照射では反射盤が加熱効率に影響しないが、三方向照射では反射盤により加熱効率が向上することが確認された。従って、回転する反射盤を用いることで、複数方向照射におけるマイクロ波の干渉を抑制できることが実証されたといえる。

《実験例４》
　装置の内部に仮想の吸収体を設置したモデルで２つのマグネトロンが対面配置された比較例１の装置と、装置の内部に仮想の吸収体を設置したモデルで２つのマグネトロンが対面しないように配置された実験例４の装置とでシミュレーションを実施した。比較例１の装置の構成を図１０（ａ）に、実験例４の装置の構成を図１０（ｂ）に示す。シミュレーションには、ＡＥＴ社のＣＳＴ　ＳＴＵＤＩＯ　ＳＵＩＴＥ　２０１３を使用した。比較例１の装置シミュレーション結果を図１１（ａ）に、実験例４の装置シミュレーション結果を図１１（ｂ）に示す。
　Ｓパラメータを比較したところ、比較例１および実施例４の装置ともＳ１，１の値は低いのに対し、Ｓ２，１の値は比較例１の装置の方が実験例４の装置に比べ著しく高くなっていることが分かる。
　以上より、マグネトロンが対面配置された場合、一方のマイクロ波が他方のマイクロ波の給電面に影響することが確認された。

《実験例５》
　２枚の反射羽根を有する反射盤および２つの対向するマグネトロンを備える実験例５－１の装置と、８枚の反射羽根を有する反射盤および２つの対向するマグネトロンを備える実験例５－２の装置とでシミュレーションを実施した。シミュレーションには、ＡＥＴ社のＣＳＴ　ＳＴＵＤＩＯ　ＳＵＩＴＥ　２０１３を使用した。実験例５－１の装置シミュレーション結果を図１２（ａ）に、実験例５－２の装置シミュレーション結果を図１２（ｂ）に示す。
　Ｓパラメータを比較したところ、実験例５－１および実験例５－２の装置ともに低い値を示した。
　以上より、８枚の反射羽根を有する反射盤はもちろん、２枚の反射羽根を有する反射盤でも、２つの対向するマグネトロンの干渉を防ぐ効果があることが確認された。

《実験例６》
　実験例６のシステムは、（１）被照射物のマイクロ波の照射を阻害せずに、被照射物を加熱均一性と吸収効率のバランスがとれる高さに配置すること、（２）被照射物の温度を直接的または間接的に測定し、マイクロ波の出力を制御することで、被照射物の加熱を目標温度の範囲に制御することを実現可能とするものである。
　図１３に示すように、実験例６のシステムは、マイクロ波照射装置１、台９、容器１０、光ファイバ型温度センサ１１、および、放射型温度センサ１６を備えている。実験例６の装置１も、筐体２、キャビティ３、扉４、操作部５、マグネトロン６ａ～６ｃを有する照射部７ａ～７ｃ（図示せず）、および、反射盤８ａ～８ｃ（図示せず）を備えるが、実験例１と同様の構成であるので、説明を割愛する。以下各要素を説明する。

　後述する台９に設置された容器１０は、マイクロ波の被照射物が収納される密閉型容器である。この容器１０はマイクロ波透過性の材料（例えば、ガラスまたはテフロン（登録商標））から構成されており、内容物がマイクロ波を吸収することで加熱が行われる。これとは異なり、容器１０をマイクロ波吸収性の材料（例えば、SiCやカーボンを含有した高分子またはシリコーンゴム）から構成し、容器１０からの熱伝導により内容物の均一加熱を行うようにしてもよい。

　容器１０には、減圧を可能とするための真空チューブ１３を装着可能である。パイプ継手１４を介して真空ポンプ１５と接続された真空チューブ１３を容器１０に挿入し、容器１０内を減圧することが可能である。マイクロ波による放電を抑制するため、真空チューブ１３にはシリコーンゴム等、パイプ継手１４にはポリプロピレン等の樹脂を用いて構成する。
　実験例６のシステムの変形例として、２つのパイプ継手１４を設け、２本の真空チューブ１３を容器１０に挿入し、容器１０の雰囲気置換をすることもできる。この変形例においては、容器１０に挿入する真空チューブ１３を２本とするか１本とするかで容器１０の雰囲気置換と減圧を切り替えることもできる。

　光ファイバ型温度センサ１１は、容器１０の内容物の温度を測定する接触型の温度センサである。光ファイバ型温度センサ１１の感温部である先端にはアルミナ製あるいはガラス製の保護管が被せられ、保護管を容器１０に挿入される。光ファイバ型温度センサ１１は、光検出器１２と接続されており、光検出器１２が測定した温度に基づきマグネトロン６ａ～６ｃ（図示せず）の出力が制御される。光ファイバ型温度センサ１１は、例えば、感温部に蛍光体を用いた蛍光式センサであり、測定可能温度範囲は－２０～４００℃である。

　放射型温度センサ１６は、容器１０の表面温度を測定する非接触型の温度センサである。放射型温度センサ１６は、容器１０の表面温度のモニターやマグネトロン６ａ～６ｃ（図示せず）の出力制御に用いられる。放射型温度センサ１６は、例えば、赤外線や可視光線の強度を測定する温度センサであり、測定可能温度範囲は－２５～３８０℃である。図示とは異なり、複数の放射型温度センサがアレイ配置（例えば８×８個）された面状センサにより構成してもよい。放射型温度センサをアレイ配置した場合、被照射物の温度分布を取得することができるので、温度分布に基づき、三方向（照射部７ａ～７ｃ）からの出力をそれぞれ動的に変化させることが可能となる。面状センサを構成するにあたっては、階乗個の放射型温度センサを縦横同数個配置することが好ましい。

　放射型温度センサ１６は、マイクロ波照射装置１のキャビティ３の上面または側面の上部に設置される。容器１０から発せられる赤外線や可視光線が台９によって遮られることがないようにするためである。均一加熱およびフェイルセーフの観点からは、放射型温度センサ１６を複数台設置することが好ましく、複数の内壁面に放射型温度センサ１６を設置することがより好ましく、照射部と同数以上の内壁面に放射型温度センサ１６を設置することがさらに好ましい。複数台の放射型温度センサ１６を用いたマイクロ波の出力制御については後述する。

　台９は、キャビティ３の中心または中心付近に容器１０を配置することにより、マイクロ波の吸収効率を高めると共に均一加熱を実現するためのものである。台９は、組み立て自在な複数の部材からなり、容器１０の大きさが変わった場合には、載置する高さを調整することが可能である。台９は、マイクロ波透過性の材料（例えば、ポリプロピレンやテフロン（登録商標）などの樹脂やガラス）で構成されているので、容器１０へのマイクロ波照射を阻害することはない。図１４に示すように、台９は、２つの脚部９１、２つの梁部９２、天板９３、ゴムパッド９４を備えている。

　脚部９１は、梁部９２を支持し、組み付ける段数によって梁部９２の高さを調整するものである。２つの脚部９１および２つの梁部９２は、記号「＃」の形状をなすように組み付けられる。すなわち、２つの脚部９１が並行に間隔を空けて置かれ、２つの梁部９２が２つの脚部９１を橋渡しするように組み付けられる。梁部９２は、その両端付近には凹部を備え、当該凹部に脚部９１が差し込まれて組み付けられる。脚部９１の底面側には、高さ増し用の脚部（図示せず）を組み付けることができる。脚部９１は、その底面に円筒状の凹部９１ｂが設けられており、高さ増し用の脚部の上面に設けられた凸部を差し込んで組み付けることができる。脚部９１および梁部９２に設けられた穴９１ａ、９２ａは、減量のためのものである。

　天板９３は、台９に載せられる容器１０を支持するためのものである。天板９３は、その裏面に２つの平行な溝９３ａが設けられており、当該溝９３ａに梁部９２が差し込まれて組み付けられる。
　脚部９１、梁部９２、および、天板９３には、例えば、ポリプロピレンが用いられる。
　ゴムパッド９４は、容器１０が高温となった際、熱による天板９３の変形や劣化を防止するためのものである。ゴムパッド９４は、熱伝導を抑制させるために格子状をなしているが、高度の均一加熱が求められる条件下においてはゴムパッド９４を設けなくともよい。

　台９の高さは、例えば、キャビティ底面に位置する照射部７からマイクロ波の１／４～１波長離れた位置に容器１０が位置するように調整する。この際、容器１０が照射口から離れるほど局所的にマイクロ波が当たることはなくなるため均熱性は向上するが、マイクロ波の吸収効率は低下することを考慮する必要がある。別の観点からは、容器１０がキャビティの中心または中心付近に位置するように、台９の高さを調整する。

　台９を設けることにより、放射型温度センサ１６を備えるマイクロ波照射装置１において、三方向照射による均一加熱を実現することが可能となる。三方向照射による均一加熱を実現するためには、各方向からのマイクロ波照射の出力を動的に変化させることが重要である。各方向からのマイクロ波照射の出力を動的に変化させるためには、複数台の放射型温度センサ１６を複数面に設置することが好ましく、より好ましくは三面以上に放射型温度センサ１６を設置する。
　台９に置かれた容器１０の表面温度を測定するためには、台９による遮蔽の無いキャビティの側面または上面に放射型温度センサ１６を設置する必要があるところ、照射部７ａ～７ｃをキャビティの側面二面と底面に設置すると、複数台の放射型温度センサ１６の設置の自由度が高まる。

　被照射物の温度に応じたマイクロ波の出力制御は、マグネトロン６ａ～６ｃに対し、光ファイバ型温度センサ１１および／または放射型温度センサ１６による測定温度の変化（昇温・降温の傾き等）をフィードバックする制御（例えば、ＰＩＤ制御（Ｐｒｏｐｏｒｔｉｏｎａｌ－Ｉｎｔｅｇｒａｌ－Ｄｅｒｉｖａｔｉｖe　Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ））をすることが開示される。
　複数台の温度センサに基づき、複数の制御系統（例えば、底面からの出力を制御する第一系統と側面二面からの出力を制御する第二系統）を制御部に設けることにより、よりきめの細かい均一加熱が実現される。照射口７３ａ～７３ｃと同じ内壁面に照射口と同数の温度センサを設け、照射部毎にマイクロ波出力を独立制御してもよい。被照射物が立方体でない形状（例えば、薄い形状）の場合は、独立制御をしないと焦げが生じやすくなる。フィードバック制御に用いる温度センサは、光ファイバ型温度センサと放射型温度センサを併用することが好ましいが、以下に述べるように、光ファイバ型温度センサの方が制御の精度は高い。

　図１５は、台９により容器１０をキャビティ３の中心付近に配置し、マイクロ波の出力制御方法として（ａ）放射型温度センサ１６の測定温度を用いた場合、（ｂ）光ファイバ型温度センサ１１の測定温度を用いた場合の測定温度とマイクロ波出力の変化を示す。実線は測定温度または出力、点線は目標温度を示す。
　（ａ）、（ｂ）いずれの場合も制御に用いた温度センサの測定温度を目標温度に追従させることができたが、放射型温度センサ１６の制御では、光ファイバ型温度センサ１１の制御よりもマイクロ波出力が安定せず、温度保持中も光ファイバ型センサが示す内容物の温度が上昇した。このことは表面温度を計測する放射型温度センサは放熱の影響を受けやすく、内容物の温度を一定に保つには、放熱を考慮した温度制御が必要であることを示している。

　以上のことから、光ファイバ型温度センサ１１を用い、内容物の温度を直接制御に用いることで、被照射物（容器１０の内容物）の温度を正確に制御することが可能であるとことが確認された。
　光ファイバ型温度センサ１１と放射型温度センサ１６を併用し、光ファイバ型温度センサ１１を内容物の温度制御に、放射型温度センサ１６を容器１０の表面温度のモニターとして用いれば、正確な温度制御をしつつ、異常発熱等を検知することができる。また、非接触型の放射型温度センサ１６は容器１０に挿入する等のセッティングが不要であるため、正確な温度制御が不要な場合は、放射型温度センサ１６のみを用いて温度制御を簡便に行うこともできる。

　以上の実験結果より、台９および放射型温度センサ１６を備え、放射型温度センサ１６をキャビティ３に設けた構成により、（１）被照射物を加熱均一性と吸収効率のバランスのとれたキャビティ３の中心付近に配置することが可能となる。また、光ファイバ型温度センサ１１を備え、放射型温度センサ１６または光ファイバ型温度センサ１１で測定した温度を用いてマグネトロンの出力の制御を行い、（２）被照射物の正確な温度制御が可能となることが確認できた。

《実験例７》
　実験例７のシステムは、実験例６のシステムに対し、容器１０内の雰囲気置換を可能とする構成の変更を加えたものであり、容器１０にガスを吸排気する真空チューブ１３を挿通するためのシールドパイプを備える点で、実験例６のシステムと異なる。
　図１６に示すように、実験例７のシステムは、マイクロ波照射装置１、台９、容器１０、光ファイバ型温度センサ１１、放射型温度センサ１６、第一および第二のシールドパイプ１７、１８を備えている。実験例７の装置１も、筐体２、キャビティ３、扉４、操作部５、マグネトロン６ａ～６ｃを有する照射部７ａ～７ｃ（図示せず）、および、反射盤８ａ～８ｃ（図示せず）を備えるが、実験例１と同様の構成であるので、説明を割愛する。なお、実験例６と同一の構成要素については同一の符号を付すことで説明を割愛する場合がある。

　第一および第二のシールドパイプ１７、１８は、マイクロ波照射装置１の筐体２に外部とキャビティ３を連通するように設けられている。第一のシールドパイプ１７には容器１０に吸気するための真空チューブ１３が挿通され、第二のシールドパイプ１８には容器１０から排気するための真空チューブ１３が挿通される。第一および第二のシールドパイプ１７、１８は、内径が真空チューブ１３よりも大きいため、複数の真空チューブ１３を挿入することができる。なお、第一および第二のシールドパイプ１７、１８は１つのシールドパイプとしてもよく、この場合、吸気用および排気用の真空チューブ１３の両方、または排気用の真空チューブ１３が１つのシールドパイプに挿通される。

　容器１０には、吸気用および排気用の２本の真空チューブ１３が挿入される。雰囲気置換を行う場合、吸気用の真空チューブ１３に外部から置換用のガスを送気し、排気用の真空チューブ１３から容器１０内のガスを排出する。減圧を行う場合、吸気用の真空チューブ１３は使用せず、途中にコックを設けて閉じるか、ピンチコック等で真空チューブを閉じることで塞ぎ、排気用の真空チューブ１３に真空ポンプ１５を接続して容器１０内を減圧する。

　実験例７のシステムによれば、第一および第二のシールドパイプ１７、１８に複数の真空チューブ１３を挿通することができるため、キャビティ３内に複数の容器１０をセットし、容器１０ごとに雰囲気置換または減圧を行うことができる。また、マイクロ波照射装置１外部からキャビティ３内に物理的にアクセスが可能となるので、光ファイバ型温度センサやファイバスコープを挿通して容器１０の温度や外観をモニターすることもできる。
　実験例７のシステムにおいても、実験例６のシステムと同様、（１）被照射物を加熱均一性と吸収効率のバランスのとれたキャビティ３の中心付近に配置することが可能であり、（２）被照射物の正確な温度制御が可能である。

　以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施形態の記載に限定されるものではない。上記実施形態には様々な変更・改良を加えることが可能であり、そのような変更または改良を加えた形態のものも本発明の技術的範囲に含まれる。

１　マイクロ波照射装置
２　筐体
３　キャビティ
４　扉
５　操作部
６　マグネトロン
７　照射部
８　反射盤
９　台
１０　容器
１１　光ファイバ型温度センサ
１２　光検出器
１３　真空チューブ
１４　パイプ継手
１５　真空ポンプ
１６　放射型温度センサ
１７　シールドパイプ
１８　シールドパイプ
７１　枠
７２　凹部
７３　照射口
７４　屋根部
７５　回転軸
７６　板
８１　反射羽根
８２　切頭部
８３　切り欠き部
９１　脚部
９２　梁部
９３　天板
９４　ゴムパッド

Claims

　マグネトロンからのマイクロ波を照射する照射口を有する複数個の照射部と、
　複数個の照射部が設けられたキャビティと、
　前記キャビティの一面を開閉する扉と、
　制御部とを備えたマイクロ波照射装置であって、
　前記複数個の照射部が、前記キャビティの前記扉が設けられた面以外の内壁面に、相互に対面しないようにそれぞれ設けられ、
　前記照射部が、反射盤を備え、前記マグネトロンから照射されたマイクロ波が、前記反射盤を介してキャビティ内に間接照射されることを特徴とするマイクロ波照射装置。
　前記照射部が、反射盤と、反射盤が収納される凹部と、凹部を覆う板と、凹部の内側面に設けられた照射口とを備える導波管を有しない照射部であることを特徴とする請求項１のマイクロ波照射装置。
　前記複数個の照射部が有する照射口が、相互に対向しないように配置されることを特徴とする請求項２のマイクロ波照射装置。
　前記キャビティ内の空間が、立方体状または直方体状の形状であり、
　前記照射部が、３個の照射部からなることを特徴とする請求項３のマイクロ波照射装置。
　被照射物の温度を測定することが可能な放射型温度センサを備え、
　前記制御部が、前記放射型温度センサの検出値に基づき前記３個の照射部から照射されるマイクロ波の出力を制御することを特徴とする請求項４のマイクロ波照射装置。
　さらに、光ファイバ型温度センサと、光ファイバ型温度センサを挿入可能な被照射物の収納容器とを備えることを特徴とする請求項５のマイクロ波照射装置。
　前記制御部が、前記光ファイバ型温度センサおよび前記放射型温度センサの検出値に基づき前記３個の照射部から照射されるマイクロ波の出力を制御することを特徴とする請求項６のマイクロ波照射装置。
　前記放射型温度センサを複数備え、
　前記制御部が、一又は複数の放射型温度センサの検出値に基づき一又は複数の照射部から照射されるマイクロ波の出力を制御する制御系統を複数備えることを特徴とする請求項７のマイクロ波照射装置。
　前記放射型温度センサが、前記キャビティの複数の内壁面に配置されていることを特徴とする請求項８のマイクロ波照射装置。
　前記放射型温度センサが、アレイ配置された複数の前記放射型温度センサからなることを特徴とする請求項８または９のマイクロ波照射装置。
　前記放射型温度センサが、前記キャビティの上部または側部に設けられていること、
　さらに、被照射物を前記キャビティの中心または中心付近に配置するための、マイクロ波透過性材からなる台を備えることを特徴とする請求項５ないし１０のいずれかのマイクロ波照射装置。
　前記台が、前記キャビティの底面からマイクロ波の１／４波長以上の高さに被照射物を配置可能であることを特徴とする請求項１１のマイクロ波照射装置。
　前記反射盤が、複数の反射羽根を備え、
　さらに、前記反射盤を回転させる回動装置を備えることを特徴とする請求項１ないし１２のいずれかのマイクロ波照射装置。
　前記反射盤が、側面視切頭円錐台形であることを特徴とする請求項１３のマイクロ波照射装置。
　前記反射羽根が、３～１０枚の穴あき構造の反射羽根からなることを特徴とする請求項１３または１４のマイクロ波照射装置。
　前記照射部が、前記照射口を除く内面を金属板で覆ったチャンバーを備え、チャンバー内に前記マグネトロンが設置されることを特徴とする請求項１ないし１５のいずれかのマイクロ波照射装置。
　卓上型であることを特徴とする請求項１ないし１６のいずれかのマイクロ波照射装置。