JP2005509249A - マイクロ波アプリケータシステム - Google Patents

Abstract

この発明は、矩形のＴＥ₁₀モードおよびＴＥ₂₀モード間の導波管の移行部としての、ＴＥ₁₀モード区画とＴＥ₂₀モード区画とを備える負荷加熱用マイクロ波アプリケータに関する。負荷（４）の位置は上記ＴＥ₂₀モード区画内にあり、その長軸はＴＥ₂₀モードの主な伝播方向と垂直であり、負荷の位置はまた上記ＴＥ₂₀モード区画の短縮壁（３）に近く、さらに上記伝播方向の中心線に近い。

Description

発明の背景
この発明は、各独立請求項のプリアンブルに記載のマイクロ波アプリケータ、マイクロ波アプリケータからなるシステムならびに上記アプリケータおよび上記システムを使用する方法に関する。

さらに、この発明が属するマイクロ波アプリケータの分野には、加熱室またはシステム内の複数の加熱室を連続的に移行する負荷を有する種類が含まれる。この発明は主に、加熱されるべき負荷が一定の断面を有する複数の単一モードアプリケータの組立体からなる加熱システムを改良するものである。

先行技術の説明
上述の特徴点を満たす負荷のためのマイクロ波システムには多くの異なる種類がある。上記アプリケータのうち最も単純なものは、大型の多モードキャビティであってその壁に孔を有し得るもの（さらに好ましくはマイクロ波をキャビティに閉じ込める金属管を取付けたもの）である。極めて小さな負荷については、短い円形の単一モードＴＭ₀₁₀キャビティが周知であるが、一般的なマイクロ波周波数である２４５０ＭＨｚでは、有利な条件下で直径約１０ｍｍまでの負荷しか収容できないという欠点がある。より長い円形ＴＭ_01pアプリケータであればより高い効率が得られるであろう。

この文脈では単一モードのシステムのみが関心事であるので、最も単純なＴＭモード（ＴＭ₀₁）以外にどのような重要なモードが有用かつ公知であり得るかが問題となる。したがって、この目的のために円形の断面であり得る負荷内にどのモード型がもたらされるかに関心が向けられることになる。

負荷の軸を基準とすると、横方向電気（transverse electric：ＴＥ）モードおよび横方向磁気（transverse magnetic：ＴＭ）モードがある。負荷の場を励起するのに用いられるあらゆるＴＥモードには本来的に高いインピーダンスがあるが、ここでの主な関心事である典型的な負荷においては誘電率はかなり高く主に１０〜７０であり、したがってインピーダンスは低い。したがって、誘電体の負荷の損失は等価の導電率によるが、ＴＥモードには軸方向の電場成分がないため、小さな負荷を効率的に結合させることも、また自由空間波長の約２分の１というアプリケータの最小軸方向長さを回避する方策も全くない。したがって、負荷の誘電率の変動を許し、かつ、マイクロ波の効率を高く維持しながら軸方向に短いアプリケータを使用するというここでの目的に関しては、ＴＥモードはＴＭモードに劣る。

負荷内の最低オーダのＴＭモードはＴＭ₀型によるものである。これは回転対称の場を有し、負荷軸での最大限の加熱をもたらす。その最も進歩した種類がドイツ特許（ＤＥ）第２３４５７０６号に記載されており、ここでは大きな負荷直径を選択して負荷の周辺での加熱強度を極めて低くする。したがってアプリケータはＴＭ₀₂型のものとなる。このシステムの欠点は、誘電体からなる棒状の負荷において、およびその内部において伝播する束縛波があり、その場のエネルギーの大部分が棒の中にあることである。その結果、加熱を負荷のアプリケータ内の部分のみに閉じ込めることが困難となり、これにより、残余熱および漏洩の防止のためにアプリケータ外部の軸方向の区域を侵入深さの約２倍に相当する長さにすることが必要となる。かなりの場が棒状の負荷内に閉じ込められることから、アプリケータのすぐ外側にウェーブトラップを設けて良好な外部閉塞を得ることは不可能
である。このことは、負荷において高い電力密度を達成するために、軸方向に短いアプリケータを１個または複数個使用する場合に特に不利である。もう１つの欠点は、妨害となるＴＭ₁モードの励起を回避するのが困難なほどアプリケータの直径を大きくする必要があることである。

負荷における次に高いオーダのＴＭモードはＴＭ₁型によるものである。適度に円形の負荷の断面での加熱パターンには２つの径方向に位置する最大点があり、ゼロ加熱の直径区域は±９０°である。このモードのマイクロ波加熱アプリケータはたとえば米国特許第５，８３４，７４４号に記載されている。該特許に開示されたアプリケータを励起するには、ＴＭ₀モードを抑制するように配置された共通の導波管によって２つの径方向のスロットに給電する。この特定の給電システムを動作させるために、アプリケータは円形または多角形にされ、負荷は中心軸上に位置し、アプリケータモードはＴＭ₁₂₀型によるものであることを特徴とする。さらに、このアプリケータの設計は１の自由空間波長のオーダの負荷の最大限可能な軸方向長さでのみ機能する。

矩形のＴＥ₁₀からＴＥ₂₀への導波管モード変換器がたとえば英国特許（ＧＢ）第１３６４７３４号に記載されている。この変換器システムは、ＴＥ₂₀導波管の端部を過ぎて動く幅広で平坦な負荷を加熱するのに用いられる。この理由から、導波管内にスタブを設けてモード不純を生じさせ、その結果として、ＴＥ₁₀モードおよびＴＥ₂₀モードによる加熱パターンの組合せにより引起こされる加熱パターンが生じるが、これはこのようなアプリケータを少なくとも２個有し負荷回転手段を備えた追加的な外部キャビティ内で起こる。

この公知の装置の欠点としては、負荷が幅広かつ平坦でなければならないことが挙げられる。これによってより大きな体積を加熱する可能性が制約され、さらにまた加熱速度などを制御する可能性もまた制約される。

この発明の目的は、断面積の大きい負荷を加熱できるアプリケータおよびアプリケータからなるシステムであって、加熱速度などをより正確に制御でき、さらに加熱をより良好に負荷内に閉じ込めるものを実現することである。

発明の概要
上述の目的は、独立請求項に記載のアプリケータ、システムおよび方法によって達成される。

従属請求項には好ましい実施例を記載する。

この発明に従うマイクロ波アプリケータシステムは主に、加熱されるべき負荷が一定の断面を有する、空気が満たされた多数の単一モードアプリケータからなる。

この発明の特徴点としては、負荷内にＴＭ₁型の場を生じさせるために、多極場についての理論の用語における基本的な第２のオーダの電気モードがもたらされるアプリケータを使用することが挙げられる。これは負荷の軸における対向する側部での電場の２つの最大点によって特徴付けられる。その純粋な形では、これは閉じた円形のＴＥ₁₁₀またはＴＥ₁₂₀キャビティで生じる。この電気モードが存在する最も単純な矩形の導波管または共振器はＴＥ₂₀モードを伝える。

このマイクロ波アプリケータは、好ましくは一定の断面を有する負荷にマイクロ波電力を印加するためのものである。このアプリケータは、発生器側の矩形ＴＥ₁₀から印加側の
ＴＥ₂₀へのモード変換器であり、負荷はおよそ中心に位置し、後者の区画の短縮壁近くにある。少なくとも２個のアプリケータを用いるシステムでは、積み重ねた多アプリケータ組立体における互いに９０°ずらされたアプリケータは２つの追加的な機能を有する。すなわち、閉塞作用によって、生じさせる加熱を主に各々のアプリケータ内部に閉じ込めること、および、隣接するアプリケータ同士の間のクロストークを減少させるフィルタとして働くことである。負荷における場は円筒形のＴＥ₁型によるものであり、パターンを向上させるために、たとえば対向する導波管壁同士の間に同調棒を負荷近くで追加する。

負荷において高い電力密度が望まれる場合にはアプリケータの高さを低くする。この高さが自由空間波長の２分の１未満であれば、０よりも高い中間指数でのモードはあり得ず、すなわちアプリケータの場は原理的にすべてのレベルにおいて同一である。ここでＴＥ₁₀導波管給電を用いて本願に関する利点を利用し、たとえば負荷軸が共通となるように複数のアプリケータを積み重ねて、隣接するアプリケータ同士を９０°ずらすことによって、流れる負荷での全体的な加熱パターンを向上できるだけでなく、隣接するアプリケータ同士の閉塞作用によって、これらの間で負荷の中を通るマイクロ波伝播が大幅に減少する。

この発明は、図１に示すアプリケータのＴＥ₂₀部分の幅のおよそ２分の１のＴＥ₁₀導波管を用いることには限定されない。一般化された給電において、或る部分は、矩形ＴＥ₁₀と等価のモードを伝える誘電体で満たされた導波管を含み、これはまた円形ＴＥ₁₁モードと等価である。

この発明はまた、より高さの大きい、完全な自由空間波長よりも大きな高さまでのアプリケータを含む。このようなアプリケータを使用するのは一般的に、連続的に流れる負荷の場合ではなく、円筒形のマイクロ波透明コンテナ内に静止した液体負荷の場合である。このような負荷の攪拌には、追加の機械的手段たとえば回転ビーティング装置、または、液体内の磁化された小物体を利用した磁気的攪拌システムを用いることができる。このようにして、円形の断面における２つの最大点での不均一な加熱パターンが克服される。また、この発明に従うと、液体の充填高さおよび誘電特性が変化する条件下でも加熱パターンの軸方向の均一性を維持するための追加的な手段が導入される。

発明の詳細な説明
望ましい励起の型は負荷内の円形ＴＭ₁場であり、その直径はここでの推論の目的のために小さなものと考える。中心の軸の負荷を伴なった円筒形キャビティにおいて、給電部を一旦無視すれば、モードはＴＭ₁₁₀となる。同じ負荷の場の型を励起し得る空の導波管における最も単純な矩形のモード型はＴＥ₂₀導波管モードである。こうして伝播の中心線に沿った場は単に、導波管に沿った伝播方向で磁気的である。

原理的には、負荷をこの場の型で励起できるようにするあらゆる形状のキャビティおよび導波管もこの発明の範囲内に属するが、励起の方法および手段ならびに機械的設計の制約によっては、その結果として実際上の制約が生じる。したがって、この発明に従うアプリケータは単一の給電部を導波管に似た構造の周辺に有し、これは負荷の軸方向（高さ方向）でのゼロ指数を有する。したがってこのような構造の最も単純なものは矩形ＴＥ₂₀₁キャビティであるが、この発明に従う給電部により、さらには給電部から負荷への正味の電力伝播がある結果として、最終指数はいくらか曖昧なものとなり、いずれにせよこの距離はこの方向で管内波長の２分の１よりも大きくなる。

したがって、負荷軸と垂直である最も単純なアプリケータ断面の第１の例は、矩形ＴＥ₂₀₂として最もよく記述され得る場を支持する矩形の箱である。モード純度を改良し、給
電により引起こされる場変更を補償するために、給電部と反対側にある矩形のアプリケータ壁の一部は三角形の切除部を有する。図１でこれを概略的に示す。

次に図面を参照し、特に図１を参照すると、この発明の第１の実施例は、矩形のＴＥ₁₀／ＴＥ₂₀モードのアプリケータ（または変換器）１であってＴＥ₁₀区画に発生器２が接続されたものに関する。ＴＥ₂₀区画は金属製の短縮壁３で閉じられ、円筒形の負荷４はＴＥ₂₀区画のほぼ中心線上に位置する。同調手段５（ここでは棒の形をとる）がＴＥ₂₀区画の上面と下面との間全体に延びる。

アプリケータは空気で満たされており、十分に確立したマイクロ波アプリケータ製造技術に従って複数の金属壁から形成される。

純粋なＴＥ₂₀モードの場合、中心線上に負荷が位置することで、負荷内に所望の円筒形のＴＭ₁場が得られる。この場合、（好ましくは金属から形成される）棒５がなくても負荷内に対称の加熱パターンを得ることができる。しかし重要なのはコンパクトな設計を得ることであるため、特にＴＥ₂₀区画は極めて短くされる。したがって、加熱パターンの調節に棒が極めて好都合となる。さらに棒５は、負荷の誘電率が異なる、およびその寸法が変化する条件下でも、加熱パターンを安定させインピーダンス整合を向上させるように働くことができる。

短縮壁３に対しての負荷軸の位置は、第一階の理論に従いモード波長の４分の１だけ離れていることが望ましい。しかし通常これは実験またはマイクロ波モデル化によって決定される。アプリケータで主に意図される負荷の半径は負荷物質での波長の２分の１を超えるため、この第一階の理論からはかなりのずれがあり得て、その結果負荷の最適な位置は短縮壁にもっと近くなる。また、棒５の直径および位置を決定するのにも実験またはマイクロ波モデル化が用いられる。

図２に示すこの発明の第２の好ましい実施例は２つのアプリケータ１，１′を備えるシステムに関し、ここでこれらアプリケータは共通の負荷軸を有し、アプリケータ同士は互いに対して負荷軸まわりに約９０°回転されている。また、さらなるアプリケータを配置して、各々のアプリケータがその隣接するアプリケータに対して負荷軸まわりにおよそ９０°回転しているようにすることもまた可能であることは言うまでもない。

図３に示すように、加熱パターンには２つの径方向の最大点（各々の最大点を「＋」で示す）があり、それぞれがＴＥ₂₀導波管中心線６の各々の側にある。その角度変動は公知のモード理論に従ってｃｏｓ²関数によって記述され得る。第２のアプリケータは９０°ずらされるとｓｉｎ²変動をもたらして合計の角度変動が１となり、すなわち全く変動しない。

この発明の第２の実施例の第１の局面に従うと、隣接する９０°ずらされたアプリケータ同士の負荷場によるエネルギー結合を極めて小さくできるため、このようなアプリケータ間のいわゆるクロストークは、連結された発生器を同時に励起させた場合でも極めて小さくなる。

第２の実施例の第２の局面に従うと、アプリケータ１は、第１のアプリケータから負荷を通じて第２のアプリケータに至って伝播する場にとっての閉塞物として働くように設計される。これの例を図４に示し、ここでは下方のアプリケータ１のみにエネルギーを与え、この第１のアプリケータのすぐ上に第２のアプリケータ１′があり、これはその下にはならない。実際、この特徴点は上述の第２の実施例の第１の局面と密接に関係している。効率的な閉塞を可能にするためには、負荷４に向けられるマイクロ波エネルギーの大部分
がその外側にある必要がある。これはＴＭ₁モード型には当てはまるであろうが、ＴＭ₀型モードには当てはまらない。図４では図３と同じ仕方で加熱パターンを概略的に示している。

閉塞を最適なものにするためにまず考慮すべきことは、第２の「受動的な」アプリケータにおいて閉塞されるべきものは、この第２のアプリケータの生じさせるものから９０°回転している負荷の場であることである。したがって閉塞されるべきモード型はＴＥ₁₀である。閉塞作用はソース（この場合には励起された負荷を意味する）からもたらされるが、これは第１に短縮壁３による不整合、第２にＴＥ₂₀区画におけるこのＴＥ₁₀モードへの場の不整合、および第３に別の場の不整合によりもたらされ、これはその中のＴＥ₁₀モードがＴＥ₁₀区画への変換器区画に遭遇するときに起こる。一般的に第３の現象が最も強い影響を及ぼし、閉塞の最適化手順はＴＥ₂₀区画の長さを変えることで行なわれ、これは加熱モードでアプリケータを正しく機能させるのに際し恣意的であるが、それは移行区画それ自体がこの主な電力流れに整合されるからである。

上記２つのアプリケータ機能を微調整するために、この第２のパラメータは、１個または複数個の金属棒５も一緒に使用しながら短縮壁３に対しての負荷軸の位置を変える。このように加熱および閉塞の機能を共に最適化するためにハードウェアでの実験を用いる代わりにマイクロ波モデル化を採用し、これによってまたさまざまな場のパターンおよび強度を調査できるようにして作業を支援する。

この発明の第３の実施例は、細長いまたは動く負荷における高い電力密度を達成するための、多数で高さが小さく密に積層されたアプリケータを設計および使用することに関する。理論的には、ＴＥ₂₀モードは恣意的に小さい高さでの波長で存在するが、導波管（統合）インピーダンスがその高さに比例することによる実際上の制約があることは言うまでもなく、このため、ＴＥ₁₀部分へのマグネトロン発生器移行部での自由空間波長の４分の１から２分の１である典型的な標準高さから極めて大きな変成比が必要となる。

しかし図５に示すように、１つの短い段７によって最大３の係数で高さを変化させる場合には一般的に問題がない。通常これは同じ図に示すＴＥ₂₀区画で行なわれる。この段はまた、この発明の第２の実施例についてのＴＥ₂₀区画の全体的な長さについて記載するように、閉塞機能の向上にも用いられ得る。

極めて低いアプリケータ高さを用いることと関連したこの発明の重要な局面は、負荷の位置が、ＴＥ₂₀モードの電場（実質的にこのような場は垂直のものしかない）の最小のところであることである。したがって、高電力使用時におけるアーク放電の危険性は、矩形ＴＥ₁₀アプリケータ（または等価に円筒形ＴＭ_0n0アプリケータ）の場合よりもはるかに少ない。

多数の９０°ずらされた、互いに対し閉塞機能を有するアプリケータを組合せて用いることで、アーク放電の危険を冒すことなく典型的なマグネトロン電力でも非常に高い加熱強度を極めて容易に達成することが可能となる。

たとえば２４５０ＭＨｚを用いて、６アプリケータシステム（さらに、エネルギーを与えられない端部閉塞アプリケータを２個設ける）において、ＴＥ₂₀区画が高さ１２ｍｍ、負荷が直径３０ｍｍで３ｋＷマイクロ波発生器の場合、結果として８×１４ｍｍ＝１１２ｍｍの全体長さにわたる１８ｋＷ、すなわち８０ｍＬが得られる。水の熱容量の２分の１である特定の負荷の熱容量では加熱速度は１００Ｋ／秒となる。マイクロ波化学応用分野の中でも反応物質を含む極性液体が高圧下で極めて急速に２００℃以上に加熱される製薬関連においては、上記のような加熱速度が望ましいと考えられる。当然のことながら、周
波数約９１５ＭＨｚを用いた他の一般的なマイクロ波加熱周波数帯を用いるもっと大きなシステムでは、市場で入手可能な３０ｋＷ以上のマグネトロンと同じ加熱速度が達成され得る。このような応用分野では、或る種の堅木の細胞壁破裂を引起こす極めて急速な膨張が伴うことがあり、加熱速度がもっと遅くなると、その結果拡散による圧力の損失からエネルギーの無駄が生じて必要な加熱時間が長くなったり、または破裂が全く起こらずプロセスに障害が生じる。

エネルギーを与えたアプリケータにのみ加熱パターンを閉じ込める閉塞機能の一例もまた、上部および下部のアプリケータを示す図４に示される。

２つの積み重ねた導波管アプリケータ（図２に示すようなもの）は２５ｍｍの高さ（ｂ寸法）であり、ＴＥ₁₀およびＴＥ₂₀の区画はそれぞれ８６ｍｍおよび１７２ｍｍの幅（ａ寸法）である。負荷直径は４０ｍｍ、その誘電率は２５−ｊ６であり、材料厚さ５ｍｍで誘電率４のガラス管内に負荷を入れ、動作周波数は２４５０ＭＨｚである。ＴＥ₂₀短縮壁と中心に位置する負荷軸との距離は２８ｍｍである。金属棒は１７ｍｍの直径を有し、左へ（ＴＥ₁₀Ｈひざ内部コーナの方向で）１０ｍｍ、ＴＥ₂₀短縮壁から８０ｍｍに位置する。負荷の上下には、アプリケータの外側で保護金属管（図２では４で示す）が設けられる。下方のアプリケータのみにエネルギーが与えられる。モード変換器における最適な三角形の切除部を、ＴＥ₁₀側では２９ｍｍおよびＴＥ₂₀側では８６ｍｍ（たとえば図１に示す）で外側Ｈひざコーナに与え、さらにＴＥ₂₀短縮壁と反対の側壁との間の最適な距離２１０ｍｍの場合、アプリケータにおける２つのＴＥ₁₀ポート間の透過率は０．０３となる（これは−３０ｄＢのクロストーク電力と同じである）。

この発明の第４の実施例では、図６に示す追加の金属棒８が用いられ、負荷の断面のサイズまたは形状は、ｓｉｎ²の角度変動からいくらかのずれが生じるようなものにされる。このような変動は主に負荷での内部共鳴効果によって、または負荷に軸方向のエッジがある場合には非共鳴のエッジ回折によって引起こされる。これら棒の位置およびサイズを決定する方法もやはり主にマイクロ波モデル化によって行なわれる。一般的に、隣接するアプリケータによる閉塞の能力を維持するために、負荷の断面が（図６におけるように）正方形であれば、４本の棒も正方形のパターンに配置することが好ましい。次に、ＴＥ₂₀導波管軸方向について側部の長さと角度位置との両方で棒パターンを変化させることがあり得る。

図７では、高さ６０ｍｍおよびＴＭ₂₀区画幅５００ｍｍのアプリケータにおいて、９１５ＭＨｚの場合、誘電率が３０−ｊ３で中心断面が１００×１００ｍｍの正方形の細長の負荷における加熱パターンの一例を示す。この加熱パターンの例示では、最も暖かい部分を「＋＋」、次に暖かい部分を「＋」で示し、同様にして最後に最も冷たい部分を「−」で示す。この場合には棒またはその他の装置は設けられず、負荷軸は短縮壁から１２６ｍｍであり、アプリケータ中心線から１８ｍｍずらされている。ここに示すように、９０°ずらされているアプリケータが２個の場合、加熱パターンは極めて均一であり、アプリケータが４個の場合はさらにより均一である。

この発明の第５の実施例に従うと、主な波伝播と垂直の方向において、ＴＥ₁₀モード区画におけるよりも、ＴＥ₂₀モード区画のうち少なくとも負荷の配置される部分でアプリケータは大幅に厚くされる。第５の実施例を図８および図９に示す。

したがってこの発明は、高さの大きい、完全な自由空間波長以上までの高さのアプリケータも含む。

アプリケータ高さ（図８の７′）を首尾よく単に増加させるために図５に示す段または
傾斜部７を（ただしより小さい高さでなくより大きい高さで）形成することで自由空間波長の約２分の１よりも高い負荷に対処し、そして軸方向で適度に均一な加熱を得ることは可能かもしれないが、負荷誘電率および負荷充填高さの典型的な変動がその結果としていずれかの負荷端部で熱集中を生じさせることはほとんど不可避である。

発明のこの実施例の改良としては、さらにアプリケータの広い面（床および天井）に平行な金属プレートを用いる。図８および図９には１枚の金属プレート８を示す。これらプレートはアプリケータの側壁（垂直壁）と連続的なガルバーニ電気接触状態にあり得るが、これは正しく機能するために必須ではない。プレートはモードフィルタとして働き、任意のプレートとアプリケータの床または天井との（垂直）距離が自由空間波長の約２分の１を超えない限りＴＥ_20pモード以外の伝播を防ぐ。したがっていくつかのプレートを用いることが可能である。

この実施例の拡張としては、アプリケータのうち、ＴＥ₁₀導波管近傍のその給電部近くもしくは給電部内または誘電棒給電部近くの部分からの上方の傾斜部７′を、後に記載の第６の実施例に従う変換器手段として用いてから、次にこの傾斜部にかなり近い位置まで延びる金属プレートを用いる。これを図８で示し、ここでは金属プレート８は一断面において導波管傾斜部７′近くから反対のアプリケータ側壁に延び、垂直断面においてＴＥ₁₀導波管の側壁から負荷まで延びる。

図９は第５の実施例の概略的な上面図であり、ここで示すＴＥ₂₀モード区画１２は金属プレート８、負荷４および同調手段５を備える。

給電領域内で上方向または下方向に曲げられたプレートを用いても、入来する電力を、制御されたやり方で分割するという同じ目的を達成することが可能であり、こうして負荷の軸方向での加熱の均一性を向上させる。

上述の金属プレートを１枚または２枚用いることで、マイクロ波の自由空間波長までおよびこれを超える高さの負荷およびアプリケータを用いつつ、限られた液柱高さ間隔において、しかしこれの負荷としての誘電特性の広範囲の変動において、軸方向での適度に均一な加熱を維持することが可能となる。

この発明の第６の実施例に従うと、ＴＥ₁₀モード区画とＴＥ₂₀モード区画との間の導波管移行部に一般化された変換器手段が配置される。この一般化された変換器手段について図１０および図１１を参照して説明する。この変換器手段はここに記載のこの発明のあらゆる実施例に適用可能である。

図１０はこの発明の第６の実施例の断面図を示し、図１１はこの実施例の概略的な上面図を示す。

図１０の概略図は、ＴＥ₁₀モード区画１４と、変換器手段１０と、ＴＥ₂₀モード区画１２とを示す。同じ特徴点を図１１にも示すが、ここではさらに負荷４および同調手段５も示す。変換器手段１０は、円筒形ＴＥ₁₁モードと等価の矩形ＴＥ₁₀と同じモードを伝える、誘電体で満たされた導波管を含む。

しばしば、システムにおける発生器とアプリケータ部分とを分割して、たとえば有毒ガスまたは負荷漏洩物がアプリケータから逃げ出して発生器およびその他の補助器具へ向かうことがないようにすることが必要になる。さらに、液体の負荷を大気圧下で加熱してその沸騰温度よりも高くすることが必要な場合もある。このような加圧窓は、ＴＥ₁₀導波管での２つのフランジ間にある機械的圧力下での単なる可変の厚みのマイクロ波透明プレー
トである。このプレートからのインピーダンス不整合は一般に極めて小さい（プレートは比較的薄いからである）ため、金属ポストなどの簡単な別個の構成要素を導波管内に設けることで補償がなされる。より厚い窓については、波長の２分の１の厚みの（窓材料の）プレートが反射を最小限に抑え得ることを利用できる。もう１つのやり方として、誘電率の低いプラスチック材料体を噛み合う２つの導波管となるよう円錐形に先細りさせることもある。

この発明の第６の実施例に従うと、空気が満たされたＴＥ₁₀の導波管と、円形ＴＥ₁₁または矩形ＴＥ₁₀モードとの間のモード移行部は、誘電体が満たされた金属管またはボアである変換器手段１０の形を取る。このような変換器手段は、ＴＥ₁₀導波管の短くされた端部にある対称に位置する孔から給電され、追加の手段なしにインピーダンス整合される。したがって、誘電体が満たされた導波管部分の長さは恣意的に長くされ得る。この設計は、誘電体が満たされた介在する導波管区画が、空気で満たされた導波管に対してインピーダンス整合される点で、先行技術の窓と本来的に異なっている。

変換器手段の好ましい設計を図１０に示し、ここでは矩形ＴＥ₁₀導波管１４の高さ（一般的にｂ寸法と呼ばれる）はもう１つの類似の導波管１２よりも低い。円筒形のセラミック本体１０が各導波管端部内へいくらかの異なる距離で突出して導波管間の金属で取囲まれる。追加的な整合要素は設けられない。

この種の整合変換器手段では、十分に広帯域のインピーダンス整合を達成するために、矩形導波管の寸法および動作周波数に関して本体のいくらかの誘電データおよび直径が必要である。第１の例としては、２４５０ＭＨｚのＩＳＭ帯での標準的なＷＧ３４０（４３×８６ｍｍ）導波管で誘電率９のアルミナ棒が直径約２９ｍｍであり導波管内へ約２５．５ｍｍ突出する必要がある。第２の例としては、６０×８６ｍｍの導波管および誘電率６．８の棒で、その直径は約３８ｍｍ、突出部は約２８ｍｍである必要がある。

他のデータでの棒および導波管について最適な寸法を確立するには、上述の開始データを用いて実験または数値的マイクロ波モデル化を行なえばよい。これはまた棒の断面が正方形または矩形である場合にも当てはまる。

たとえばアプリケータを導波管１２の直接の連続物とすることで導波管のうち１つが圧力下に置かれる場合、棒１０の突出部分を残りの部分よりもわずかに幅広にすることによって棒が滑ることがないようにすることがあり得る。この場合、幅広の部分の突出部長さをいくらか短くすることが必要となる。さらに、円筒形の形状に対するその他の変更をこの目的に用いることもでき、これら変更はすべて前掲の特許請求の範囲により規定されるこの発明の範囲内に属する。

上述の種類の棒給電を用いると、ＴＥ₁₀導波管を介してアプリケータに給電する必要がない。その代わりに棒は直接ＴＥ_20pアプリケータ内に突出できる。これを図１１で示し、ここでは負荷４および同調手段５を有するアプリケータ１２を示す。

特に液柱高さの変動に反応しないことに関するこの発明のさらなる改良例に従うと、金属棒５に平行な誘電率のかなり高い棒形状の誘電体を用いる。この場合に棒は、液体負荷の誘電率に相当する誘電率および相当する断面積を有する。たとえば誘電率２０で直径３０ｍｍの２本の棒を、負荷近くでＴＥ₂₀中心線の各々の側に位置付ける。こうすれば、液柱高さの変動および負荷誘電率の変動に対して反応しにくくなる。さらに、これら負荷パラメータの変動に対するインピーダンス整合の変動もまた減少する。

２４５０ＭＨｚでの典型的なアプリケータの水平寸法は約１７０×２１０ｍｍであり、
ＴＥ₁₀給電導波管の分の延長部がこれに加わる。負荷コンテナの直径が約５５ｍｍであれば、充填係数（アプリケータ体積で割った負荷体積）は極めて小さくなる。アプリケータの寸法を減少させることが望ましい場合がある。これを行なうには３つの方法があり得る。

１．ＴＥ₂₀部分の外側の部分を下方または上方（すなわち電力流れの方向に平行）に折畳んで逆向きのＵ字状をもたらす。この場合アプリケータ給電部は下または上にある。しかしこの方法は導波管アプリケータ高さが大きい場合には効率的ではない。

２．標準的なリッジ付き導波管におけるのと同じ仕方で金属リッジをＴＥ₂₀部分に挿入する。これは負荷の各々の側で終わる２つのリッジを導入することを意味する。

３．ＴＥ₂₀部分に部分的な誘電体の充填物を挿入する。たとえば、約５０％の充填係数のＰＴＦＥを用いることで寸法を１７０×２１０ｍｍから約１２５×１５５ｍｍまで減少させることができる。

さらなる代替例としては、特にリッジ付き導波管に関する上述の第２の方法に関し、導波管（ＴＥ₂₀モード区画）に誘電体材料たとえばＰＴＦＥまたはセラミック材料を充填（または部分的に充填）する。これは主にＴＥ₂₀モード区画のサイズを減少させるためのものである。

この発明はさらに、有機化学合成反応を実行すること、さらにはまた木を極めて急速に加熱して細胞壁破裂などを生じさせることにおける、ここに記載のアプリケータ、システムまたは方法の用途に関する。

前掲の特許請求の範囲により規定されるこの発明の範囲内には以下の構造的代替例も含まれる。

・金属棒は導波管の主要な面同士の間全体に延びる必要はない。

・棒の代わりに金属プレートを用いることもできる。

・金属プレートの代わりにアルミナセラミックなどの誘電体の挿入物または管を用いることもできる。

・負荷軸での加熱を向上させるために、対称の加熱パターンをもたらす位置から負荷をいくらかずらしてもよい。

・負荷をマイクロ波透明管またはホルダ内に設けることもあり得る。

・負荷が短く、完全に単一のアプリケータ内に位置することもあり得る。

・ＴＥ₁₀区画を曲げて延ばして、複数の低い積み重ねたアプリケータを使用する場合でも発生器に十分な空間を設けることもできる。

・負荷の寸法、誘電特性およびシステムの必要容量に依存して、システムはあらゆるマイクロ波周波数に合わせて設計され得る。発生器の入手可能性の理由から、およびシステムが主に高電力密度用途に意図されているため、約２４５０から９１５ＭＨｚの標準周波数が好ましい。

この発明に従うアプリケータであって、棒形状の負荷がその中を通って延びているものを示す斜視図である。 第１のアプリケータおよびその直上に置かれた第２のアプリケータからなるシステムであって、棒形状の負荷が両方のアプリケータの中を通って延びているものを示す斜視図である。 図１に従うアプリケータの中心水平面での加熱パターンについてマイクロ波モデル化により得られた熱分布図である。 図２に従う９０°ずらされた２つの等しいアプリケータからなるシステムにおいて、極めて高さの小さい下方のアプリケータの加熱最大点の角度位置および負荷軸を含む垂直面における、下方のアプリケータにのみエネルギーを与えた場合の負荷加熱パターンについてマイクロ波モデルにより得られた熱分布図である。 アプリケータの一代替実施例であって、負荷を含む部分が発生器給電ＴＥ₁₀端部よりも軸方向に大幅に小さくされたものを示す図である。 システム内のアプリケータのさらなる代替実施例であって、負荷が正方形の断面の負荷であるものを示す図である。 この発明に従うアプリケータの中心断面における加熱パターンの一例を示す図である。 アプリケータの一代替実施例であって、負荷を含む部分が発生器給電ＴＥ₁₀端部よりも軸方向に大幅に大きくされたものを示す断面図である。 図８に示す実施例の概略的な上面図である。 この発明の第６の実施例の断面図である。 図１０に示す実施例の概略的な上面図である。

Claims (23)

1. 矩形のＴＥ₁₀モードおよびＴＥ₂₀モード間の導波管の移行部としての、ＴＥ₁₀モード区画とＴＥ₂₀モード区画とを備える負荷加熱用マイクロ波アプリケータであって、負荷（４）が前記ＴＥ₂₀モード区画内にあり、かつ、前記負荷の長軸がＴＥ₂₀モードの主な伝播方向に垂直となるように、前記負荷が前記ＴＥ₂₀モード区画の短縮壁（３）近くおよび前記伝播方向の中心線近くに位置することを特徴とするマイクロ波アプリケータ。
2. マイクロ波エネルギーが、ＴＥ₁₀モード区画に配置された給電手段によってアプリケータに印加されることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波アプリケータ。
3. 誘電体変換器手段（１０）がＴＥ₁₀モード区画（１４）とＴＥ₂₀モード区画（１２）との間に配置されることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波アプリケータ。
4. 前記誘電体変換器手段が、誘電体材料で満たされた管を含むことを特徴とする請求項３に記載のマイクロ波アプリケータ。
5. 前記アプリケータが、前記主な波伝播に垂直の方向において、ＴＥ₂₀モード区画のうち少なくとも前記負荷が配置される部分で、ＴＥ₁₀モード区画におけるよりも大幅に薄いことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波アプリケータ。
6. 前記アプリケータが、前記主な波伝播に垂直の方向において、ＴＥ₂₀モード区画のうち少なくとも前記負荷が配置される部分で、ＴＥ₁₀モード区画におけるよりも大幅に厚いことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波アプリケータ。
7. 少なくとも１枚の金属プレート（８）が前記ＴＥ₂₀モード区画に配置されてモードフィルタとして働くことを特徴とする請求項６に記載のマイクロ波アプリケータ。
8. 少なくとも１個の同調手段（５）が、アプリケータの中を通じて延びるように配置されかつ前記負荷近くに位置して、負荷内で実質的に対称の円筒形ＴＭ₁型モードパターンをもたらすことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれかに記載のマイクロ波アプリケータ。
9. 前記同調手段が金属からなることを特徴とする請求項８に記載のマイクロ波アプリケータ。
10. 前記同調手段がアルミナなどの誘電体材料からなることを特徴とする請求項８に記載のマイクロ波アプリケータ。
11. ２個または４個の同調手段（８）が径方向で対をなして前記負荷を取囲むように配置されることを特徴とする請求項８から請求項１０のいずれかに記載のマイクロ波アプリケータ。
12. 前記同調手段が棒状であることを特徴とする請求項８から請求項１１のいずれかに記載のマイクロ波アプリケータ。
13. 前記負荷が実質的に円形の断面を有することを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれかに記載のマイクロ波アプリケータ。
14. 前記ＴＥ₂₀モード区画がＰＴＦＥまたはセラミック材料などの誘電体材料で少なくとも
    部分的に満たされることを特徴とする請求項１から請求項１３のいずれかに記載のマイクロ波アプリケータ。
15. 請求項１から請求項１４のいずれかに記載のマイクロ波アプリケータ少なくとも２個からなるシステムであって、前記アプリケータが共通の負荷軸を有し、隣接するアプリケータ同士が前記負荷軸まわりにおよそ９０°回転されていることを特徴とするシステム。
16. 前記アプリケータのうち少なくとも１個にエネルギーが与えられ、隣接しエネルギーを与えられるまたはエネルギーを与えられないアプリケータが、隣接しエネルギーを与えられるアプリケータにとって閉塞物として働くことを特徴とする請求項１５に記載のシステム。
17. 請求項１から請求項１４のいずれかに記載のアプリケータまたは請求項１５もしくは請求項１６に記載のシステムを設計する方法であって、
    ９０°Ｈひざタイプの矩形のＴＥ₁₀およびＴＥ₂₀間における実質的に完全なモード変換機能を使用するステップと、
    ＴＥ₂₀端部を短くし、負荷を、その長軸がＴＥ₂₀モードの主な伝播方向に垂直となるように、前記区画の短縮壁近くおよび前記伝播方向の中心線近くに位置付けるステップと、
    前記導波管の対向する主な壁同士の間に前記負荷近くで同調手段を導入するステップと、
    前記同調手段の位置および直径を変数として用いて実験またはマイクロ波モデル化を行なって前記負荷内にＴＭ₁型の場を確立するステップとを備えることを特徴とする方法。
18. 請求項１５または請求項１６に従属する場合、さらに、
    前記アプリケータ同士の間のクロストークが最小になるまで実験またはマイクロ波モデル化によりＴＥ₂₀区画の長さを変更するステップを備えることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
19. さらに、
    実験またはマイクロ波モデル化によりＴＥ₂₀区画の厚みを変更するステップを備えることを特徴とする請求項１７に記載の方法。
20. さらに、
    第２の、９０°ずらされているが他では同一のアプリケータを、負荷軸が共通となるように追加するステップを備えることを特徴とする請求項１７または請求項１９に記載の方法。
21. さらに、
    少なくとも径方向で対をなして前記負荷を取囲む２個または４個の同調手段を用いることにより、円形でない断面を有する負荷に合わせて前記アプリケータを適合させるステップと、
    許容可能に均一な統合加熱が達成されるまで実験またはマイクロ波モデル化により前記同調手段の位置を変更するステップとを備えることを特徴とする請求項１７から請求項２０のいずれかに記載の方法。
22. 有機化学合成反応を実行することにおける、請求項１から請求項２１のいずれかに記載のアプリケータ、システムまたは方法の用途。
23. 細胞壁破裂などのために木を極めて急速に加熱することにおける、請求項１から請求項２１のいずれかに記載のアプリケータ、システムまたは方法の用途。

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