JP2005071724A - Microwave heating device - Google Patents
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Abstract
Description
この発明はマイクロ波加熱装置に係り、特にシート状被加熱物の加熱度合いの均一化に関する。 The present invention relates to a microwave heating apparatus, and more particularly to uniformizing the degree of heating of a sheet-like object to be heated.
マイクロ波加熱は、被加熱物にマイクロ波を吸収させることによって、この被加熱物を直接加熱できることから、短時間で効率の高い加熱ができ、家庭用の電子レンジをはじめ、工業的な加熱装置に広く実用されている。しかしながら、被加熱物が特にシート状を呈している場合、効率よくシートにマイクロ波を吸収させ、しかもシート全体を均一に加熱することが困難である。即ち、シートの位置の電界を強くし、また、シートの特に幅方向に対して均一な電界分布を得なければならないが、このような条件を満足させることが極めて困難で、現状、マイクロ波によるシート加熱について満足な答えは得られていない。
マイクロ波技術は高度に発展し、装置のマイクロ波回路素子として使用できる共振空胴や整合素子なども様々なものが広く開発されている。しかしながら、シート加熱に特殊化されておらず、シート加熱の要求に応えるものにはなっていない。
例えば、セラミックグリーンシートをマイクロ波加熱乾燥装置で乾燥させる技術が特許文献1に記載されている。これは、乾燥前のセラミックグリーンシートを、マイクロ波加熱乾燥装置内をベルトに乗せて移送する間に、マイクロ波を照射して乾燥させるものである。しかしながら、一般に、加熱物が薄いシート状の場合には、そのシートの厚さが薄いことから、シートに吸収されるマイクロ波電力が少なくなってくるので、効率よく加熱することは難しい。特許文献1に記載されたマイクロ波加熱乾燥装置も同様で、十分に均一で効率的な加熱は期待することができない。このため、マイクロ波による高効率で均一な加熱を望む声が強い。
Microwave technology is highly advanced, and various types of resonant cavities and matching elements that can be used as microwave circuit elements of devices have been widely developed. However, it is not specialized for sheet heating and does not meet the requirements for sheet heating.
For example,
この発明は、従来技術における上記のような不都合を解決し、シート状被加熱物の高効率で均一な加熱ができる改善されたマイクロ波加熱装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to solve the above-mentioned disadvantages in the prior art and to provide an improved microwave heating apparatus capable of uniformly heating a sheet-like object to be heated with high efficiency.
この発明においては、効率の良い加熱を達成するために、相対的に大きな幅と小さな厚さを有するシート状被加熱物にたいして、その幅方向の電界成分のみが存在し、さらに幅方向に対して、電界の大きさが変化しないマイクロ波共振モードを発生し得る空胴を使用する。このモードのマイクロ波電界を使用すると、電界強度がきわめて高く、均一であることから、高効率で均一な加熱を実現できる。 In the present invention, in order to achieve efficient heating, only the electric field component in the width direction exists for the sheet-like object to be heated having a relatively large width and a small thickness, and further, with respect to the width direction. A cavity that can generate a microwave resonance mode in which the magnitude of the electric field does not change is used. When a microwave electric field of this mode is used, the electric field strength is extremely high and uniform, so that highly efficient and uniform heating can be realized.
一般に、シート加熱用のマイクロ波共振空胴は、ある大きさの幅を持つシートを収容できる大きさが必要である。この要件を満たすためにシートの幅方向が空胴の長手方向と対応するようにし、シートがこの空胴の長手方向に対して直角な方向に移動できるように構成する。被加熱物Wは、長尺のシート、あるいはベルトコンベア上に一様に並べられた複数の短尺シートのような厚さ寸法の小さな集合物である。この構成において、空胴の長手方向に向かい、その方向で一定の電界強度を持つような共振モード、例えば、共振空胴が直方体状のものである場合は、TM110モードの共振を発生させる。このようなモードを励振するため、マイクロ波発振器から導波管を介して、空胴内へマイクロ波電力を供給する。空胴から反射するマイクロ波が、発振器に戻らないようにするサーキュレータ、さらに空胴になるべく多くの電力を送るための整合器が導波管の途上に設けられる。シート加熱の場合、比較的、幅の広いシートを加熱したいという要求に応じるため、空胴の長さは、結合に使用する導波管が断面矩形の標準導波管である場合、その導波管の高さ(矩形断面における長軸方向対向側壁間の寸法)の数倍以上となるように設計するのが普通である。このような長い空胴に対し、単純に導波管を結合すると、均一電界が得られる所望のモードからかなりはずれた分布のモードしか得られない。このモードの電界は、全体的には空胴の長手方向に向かっているが、特に側壁面の近くで曲がり、強さに関しても、全体的に空胴の両端で強く、中心部で弱くなってしまう。この理由は、空胴の壁面に導波管を結合するための開口を設けたことに起因する。即ち、所望のモードであれば、本来、側壁面に空胴の長手方向に向かって流れるべき電流がこの開口に妨害されてしまうことによる。 In general, a microwave resonance cavity for heating a sheet needs to be large enough to accommodate a sheet having a certain width. In order to satisfy this requirement, the width direction of the sheet corresponds to the longitudinal direction of the cavity, and the sheet can be moved in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the cavity. The article to be heated W is a long sheet or an aggregate having a small thickness such as a plurality of short sheets arranged uniformly on a belt conveyor. In this configuration, when the resonance mode is in the longitudinal direction of the cavity and has a constant electric field strength in that direction, for example, the resonance cavity has a rectangular parallelepiped shape, TM110 mode resonance is generated. In order to excite such a mode, microwave power is supplied from the microwave oscillator through the waveguide into the cavity. A circulator that prevents the microwaves reflected from the cavity from returning to the oscillator and a matching unit for sending as much power as possible to the cavity are provided in the waveguide. In the case of sheet heating, in order to meet the demand for heating a relatively wide sheet, the length of the cavity is set so that if the waveguide used for coupling is a standard waveguide with a rectangular cross section, the waveguide It is common to design the tube so that it is at least several times the height of the tube (the dimension between the opposing long side walls in a rectangular cross section). If a waveguide is simply coupled to such a long cavity, only a mode with a distribution that deviates significantly from the desired mode that provides a uniform electric field can be obtained. The electric field in this mode is generally toward the longitudinal direction of the cavity, but it bends particularly near the side wall, and the strength is generally strong at both ends of the cavity and weak at the center. End up. The reason for this is that an opening for coupling the waveguide is provided on the wall surface of the cavity. That is, in the desired mode, the current that should flow in the longitudinal direction of the cavity on the side wall surface is obstructed by this opening.
この不都合を除去する手段として、空胴開口の幅方向の長さを狭め、電流が流れる道をその分、広めればよい。具体的には、開口の両端部を短絡し、この部分に電流が流れるように修正することである。これは、負荷との整合を改善する目的で使用される導波管型誘導性窓と形の上では区別できないものとなる。導波管型誘導性窓は、容量性の負荷のキャパシタンスを窓のインダクタンスで中和してインピーダンス整合を改善するものである。これに対して、この発明において短絡板を使用する目的は、開口によって遮断された電流の道を形成することであり、導波管型誘導性窓とはその目的、機能がまったく異なる。一般に、空胴と導波管の結合は、空胴のインピーダンスに導波管のインピーダンスを整合させるように、あくまで整合の観点から設計される。空胴のインピーダンスは共振状態では容量性でも誘導性でもないので、誘導性窓や容量性窓を使用しても無意味である。導波管の高さを低くした扁平導波管を使用して両者の結合が行われるのが通常である。 As a means for eliminating this inconvenience, the length of the cavity opening in the width direction may be narrowed to widen the path through which current flows. Specifically, both ends of the opening are short-circuited, and correction is made so that current flows through this portion. This is indistinguishable in shape from the waveguide-type inductive window used to improve load matching. Waveguide type inductive windows improve the impedance matching by neutralizing the capacitance of the capacitive load with the inductance of the window. On the other hand, the purpose of using the short-circuit plate in the present invention is to form a current path blocked by the opening, and its purpose and function are completely different from those of the waveguide type inductive window. In general, the coupling between the cavity and the waveguide is designed from the standpoint of matching so that the impedance of the waveguide is matched with the impedance of the cavity. Since the cavity impedance is neither capacitive nor inductive in the resonant state, it does not make sense to use inductive windows or capacitive windows. Usually, a flat waveguide having a reduced height is used to couple the two.
モードが擾乱を受けるという不都合を克服するもう一つの方法は、開口を直列共振状態として、等価的に共振の短絡電流が流れるようにすることである。 Another way to overcome the inconvenience of the mode being disturbed is to place the aperture in series resonance so that an equivalent resonant short circuit current flows.
本発明においては、空胴1と導波管8の結合部である開口12による電流の遮断に対し、短絡板13,14を付加したり、直列共振を起こすような強誘電部材17を配したりする手段を用いて、側壁4に流れる電流の道を確保することによって、空胴1内に均一な電界を発生させ、それによって、シート状被加熱物Wに対する高効率で均一な加熱が得られるという効果を有する。
In the present invention, short-
図を参照して本発明の実施の形態を説明する。図1はマイクロ波シート加熱装置を示す概略的斜視図、図2はマイクロ波シート加熱装置の基本部分である共振空胴を示す概略的斜視図である。 Embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic perspective view showing a microwave sheet heating apparatus, and FIG. 2 is a schematic perspective view showing a resonance cavity which is a basic part of the microwave sheet heating apparatus.
この形態のマイクロ波加熱装置の共振空胴1は、前後上下左右の側壁2,3,4,5,6,7を有し、概略、直方体形状をしている。マイクロ波はマイクロ波電源9につながる導波管8を介して図において上方から供給される。
The
図2において、共振空胴1の前側壁2と後側壁3には、空胴の中心であるz軸に平行に、被加熱物通過用のスロット10が相対向して設けられている。スロット10は、空胴1の中心z軸よりy方向下方に少しずらした位置に配置されている。シート状被加熱物のマイクロ波吸収が少ない場合には、スロット10をz軸を挟む対向部に設けてシートを通過させてもよいが、損失が比較的大きい場合には、シートをz軸から偏芯した位置に通した方がよい。シート状被加熱物Wは、移送手段11によって、2つのスロット10を通ってx方向にほぼ等速で移送される。
In FIG. 2,
空胴1内に励起される電磁波のモードはTM110、あるいはこのモードに近いものである。TM110モードの電界はz方向に向かい、x成分とy成分はゼロである。また電界はx方向およびy方向に対して正弦半波状に変化し、各側壁面でゼロ、中心で最大値になる。z方向に対しては、空胴自身に損失がなく、シート状被加熱物Wも無損失でその比誘電率が1に等しく、さらに、空胴1と導波管8との結合部の構造が適切である場合は、まったく変化せず一定である。実施例では、空胴1の寸法を、図2においてa=109.2mm、b=73.8mm、c=540mmとした。
The mode of the electromagnetic wave excited in the
図3は空胴の縦断面図である。導波管8を介してマイクロ波電力を空胴1へ結合するための側壁4の開口12が導波管8の幅方向と高さ方向にそれぞれ一致する開口になっていると、実は重大な問題が発生する。すなわち、空胴にTM110モードが励起された場合、側壁2,3,5にはz方向に向かう電流が流れる。側壁4に流れる電流は本来、遮断されることなくz方向に流れるべきであるが、開口12がその流れを妨げてしまう。導波管の幅がaであるので、幅aの部分が回路的にカットされた状態になっている。この状態になると、所望のTM110モードは大きく変形した状態になってしまう。このようになると、空胴内の特に側壁4に近い部分の電界が曲がり、z方向の中心部で電界が弱く端部の近くで強くなるような望ましくない分布となってしまう。計測して見ると、端部の電界は中心部の1.5−2倍になっている。
FIG. 3 is a longitudinal sectional view of the cavity. If the
図3の導波管結合部には、図4の13,14に示すような薄い金属製の短絡板が配してある。この短絡板13,14は、開口12の幅a方向の両側に配設されており、中心部のみが空胴1内に通じる比較的狭い開口12aになっている。この開口部の構造は、インピーダンス整合の目的で使用される誘導性窓と同じ形態をとる。短絡板13,14の幅が広いと電流の通り道が広くなり、よりTM110に近いモードを励起できる。幅を極端に狭くすると、これによって発生するインダクタンスがゼロに近くなって、導波管8とのインピーダンス整合が悪くなり、空胴に伝えられるマイクロ波電力が減少する。したがって短絡板13,14の幅寸法には、適切な値が存在する。ここでは、短絡板13,14間に形成される開口12aを短絡窓と呼ぶことにする。これは、インピーダンス整合を行う誘導性窓とは機能的に全く異なるものである。
3 is provided with a thin metal short-circuit plate as shown by 13 and 14 in FIG. The short-
TM110に近いモードを発生させるもう一つの方法は、図5に示すような構造を採用することである。図5の15,16は、互いに幅aに直交する方向に対向して幅a方向に伸びる容量板である。この容量板15,16は、その面積と相互の間隙で決まるキャパシタンスを発生する。この容量板をむくの金属板で構成する場合、容量板15,16の間隔は非常に狭く、したがって、容量板15,16の面積をある程度、大きくする必要がある。
Another method for generating a mode close to TM110 is to employ a structure as shown in FIG.
容量板15,16の間隔を非常に狭くすると、その間隙で高周波放電を起こしてしまうので現実的ではない。これを避けるため、間隙にアルミナ等の強誘電部材17を挿入する。間隙に強誘電部材を挿入すると、容量板15,16の厚さが10mm、間隔が10mm程度の妥当な構造で直列共振に近づけることができる。直列共振を起こすと、導波管側から見たインピーダンスはゼロとなってしまうので、適切な値のキャパシタンスが得られるようにパラメータを設計する。この結果、側壁4に開口がない状態とほぼ同じ電流が流れるようになる。なお、ここで、容量板15,16の厚さと強誘電部材17の厚さは同等とする。便宜上、この結合構造を直列共振窓と呼ぶが、インピーダンス整合の目的で使用される容量性窓とはまったく異なるものであり、共振状態では、短絡状態となる特殊な窓である。
If the interval between the
なお、上の説明では、直方体状の共振空胴を用いたが、z軸に直角な方向に切った空胴の断面を必ずしも長方形とする必要はなく、楕円、円、多角形等の他の形状をとっても同じ目的を達成できる。また、短絡板13,14、容量板15,16、強誘電部材17等は単純な直方体形状から、適切な変形を行うことができる。
In the above description, a rectangular parallelepiped resonant cavity is used, but the cross section of the cavity cut in a direction perpendicular to the z-axis is not necessarily rectangular, and other shapes such as an ellipse, a circle, and a polygon are used. Even if it takes a shape, the same purpose can be achieved. Further, the short-
この発明は、例えば水等を含浸するシート状の被加熱物であって、マイクロ波損失が大きく、共振空胴に直接入れると空胴内の電界を大きく乱してしまうような物を加熱して乾燥させるための装置として利用することができる。 The present invention heats, for example, a sheet-like object to be heated that is impregnated with water or the like, which has a large microwave loss and greatly disturbs the electric field in the cavity when directly inserted into the resonant cavity. And can be used as an apparatus for drying.
1 マイクロ波共振空胴
2 前側壁
3 後側壁
4 上側壁
5 下側壁
6 左側壁
7 右側壁
8 導波管
9 マイクロ波電源
10 スロット
11 移送手段
12 結合開口
12a 開口
13 短絡板
14 短絡板
15 容量板
16 容量板
17 強誘電部材
W シート状被加熱物
DESCRIPTION OF
Claims (2)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP2003297906A JP2005071724A (en) | 2003-08-21 | 2003-08-21 | Microwave heating device |
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ID=34403602
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Country | Link |
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Cited By (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
WO2009075332A1 (en) * | 2007-12-12 | 2009-06-18 | Saida Fds Inc. | Microwave applicator |
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