JPH0327277Y2 - - Google Patents

Description

【考案の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この考案はマイクロ波加熱装置を備えた乾燥装
置の改良に関するものである。

〔従来の技術とその問題点〕

周知のように食品等を凍結乾燥すると、色、香
り、味、ビタミン類が原料中のそれらに比べて大
きな遜色のない乾燥製品が得られ、しかも、その
乾燥製品に水、湯を添加すると、ほぼ完全に乾燥
前の状態に復元させることができる。

ところが、食品等を凍結乾燥する場合、従来の
輻射加熱又は伝導加熱方法のみでは、所定の状態
まで乾燥させるのに長時間を要し、その結果乾燥
コストは非常に高くつく欠点があつた。

この乾燥時間の短縮のため、特開昭56−23879
号公報に示されるマイクロ波加熱を併用した複合
加熱による乾燥方法並びに特開昭56−22086号公
報に示される複合加熱による加熱装置を先に提案
した。しかしながら大量の食品等を取扱う工業的
規模の凍結乾燥装置を実用化しようとする場合、
その処理量に応じて必要十分なマイクロ波エネル
ギーを投入しなければならないので、以下に述べ
るような問題があり、今日まで工業的規模のマイ
クロ波を利用した凍結乾燥装置の出現を見ていな
い。

凍結乾燥に限らず真空乾燥においても減圧下で
の乾燥の迅速化を図るには、被乾燥物への熱の伝
達を如何に効果的に行うかが重要であることはよ
く知られたところであり、マイクロ波加熱による
乾燥を行う場合もその例外ではない。

ところが、ある減圧下でマイクロ波を自由空間
の場に放射させながら、その出力を徐々に高めて
行くと、電界が強く作用している部分の気体の絶
縁が破壊され、その部分でマイクロ波放電を誘発
して加熱エネルギーが無駄に消費されるため、投
入パワーを上げても、効率的なマイクロ波加熱を
行うことができなかつた。これが従来減圧下でマ
イクロ波加熱による乾燥を実用化出来なかつた大
きな問題点である。

本考案者等は種々研究の結果、次のような知見
を得、その解決策を見出して工業的規模のマイク
ロ波加熱を採る乾燥装置の実用化に成功したもの
である。

このようにマイクロ波を減圧下で自由空間に放
射した場合の放電開始電界の強さは、自由空間に
介在する気体の種類、マイクロ波の励振周波数等
によつて相違するが、特に圧力との関係において
典型的な様相で変移する。第１図は介在気体を空
気と水蒸気とし、マイクロ波の励振周波数を
2450MHzの条件の下で、圧力と放電開始電界強度
との相関関係を示したものである。

食品等の凍結乾燥の操作においては、概して空
気又は水蒸気が介在気体の主成分を成しているの
で、第１図はマイクロ波加熱装置を使用する真空
乾燥装置又は真空凍結乾燥装置を設計する場合の
基礎となる。

食品等を凍結乾燥する場合、200Pa以下の真空
領域で操作されるのが一般的であるから、第１図
を見ればわかるように、放電開始電界の強度は最
も小さく、従つて放電し易い最も悪い環境条件下
であるにも拘らず、従来装置はこのような放電特
性を考慮したマイクロ波伝送回路の構造を採用し
ていなかつたため何れも実用化に失敗したのであ
る。

この考案は、この知見に基づきなされたもの
で、マイクロ波伝送回路の構造を改良して放電し
難いものとし、機能的に優れたマイクロ波加熱方
式を採る乾燥装置の実用化を可能としたものであ
る。

〔問題点を解決するための手段〕

本考案は上記の問題点を解決するためになされ
たもので、真空乾燥槽中に複数本のスロツトアレ
イアンテナを並設し、これら各スロツトアレイア
ンテナをマイクロ波発生装置に接続される１次分
岐導波管と直角を成して並設されている２次分岐
導波管に接続すると共に、前記スロツトアレイア
ンテナと２次分岐導波管の接続部に低損失材料で
共振窓を閉鎖した密閉型共振装置を設け、該密閉
型共振装置の入口側にアイリス、スタブ等の反射
マイクロ波の反転用整合装置を設けてスロツトア
レイアンテナまで、または出来るだけ近くまで大
気圧又は大気圧に近い圧力下でマイクロ波の伝送
を行うようにして、マイクロ波伝送導波管回路の
放電開始電界強度の向上を図り、所要マイクロ波
エネルギーの投入を可能とし、また、マイクロ波
の反射面積を大きくするために複数のスロツトア
レイアンテナを櫛歯状に設ける場合の構造を工夫
したものである。

即ち、マイクロ波発生装置に接続される１次分
岐導波管に複数の２次分岐導波管を直角を成して
設け、この２次分岐導波管に夫々スロツトアレイ
アンテナを接続し、１次分岐導波管と２次分岐導
波管の結合部に、１次分岐導波管の中心線よりあ
る一定の距離だけ離れた点にその１次分岐導波管
の中心線に平行で長さが1/2λgの結合用スロツト
を設けた構造としたものである。

〔実施例〕

以下この考案の実施態様につき、図面に基づき
説明すれば次の通りである。

第２図はこの考案の実施例の縦断面図、第３図
はその平面図で、１〜３は右端にマイクロ波発振
器４〜６を結合し左端に真空乾燥槽壁７を貫通し
て槽内Ｔ形分岐導波管８〜１０を夫々接続した矩
形導波管から成る槽外主導波管である。

各槽内Ｔ形分岐導波管８〜１０の出口側には
夫々端部を閉鎖（短絡）した１次分岐導波管１１
〜１３が接続され、その１次分岐導波管１１〜１
３には伝送波の管内波長と等値の間隔lfで複数の
２次分岐導波管、実施例では４本づゝの２次分岐
導波管１４〜１７を端部を重ねるようにして櫛歯
状に接続されている。なお１８は伝送波を１次分
岐導波管から２次分岐導波管へ伝送するための結
合用スロツトである。

１９〜２２は前記２次分岐導波管１４〜１７に
密閉型共振装置２３を介して夫々接続されたスロ
ツトアレイアンテナで、断面形状は第７図に示す
ような形状をしていて第２図において、上段の各
スロツトアレイアンテナは下面に、下段の各スロ
ツトアレイアンテナは上面に、中段の各スロツト
アレイアンテナは上下面に夫々同一形状のマイク
ロ波放射用スロツト２４が一定の間隔で飛石状に
設けられていて、上段及び下段の各スロツトアレ
イアンテナは片面放射、中断の各スロツトアレイ
アンテナは両面放射型となつている。

前記密閉型共振装置２３は第５図に示すように
２次分岐導波管１４とスロツトアレイアンテナ１
９間に挾んで固定され、その共振窓２３ａに真空
洩れが生じない完全な状態でテフロン、セラミツ
ク、石英、硼硅酸ガラス等の誘導特性を持つ低損
失材料から成る遮蔽板２３ａを密着したものであ
る。

２５は１次分岐導波管１１〜１３と平行状態に
配置した熱媒体の循環流動管で、管の外側に２次
分岐導波管の断続した配列空間に応じて、アルミ
合金から成る熱伝達中継体２６が串団子状に鋳造
成形により固着されている。

２７はスロツトアレイアンテナの両側に設けた
突起溝２８（第７図参照）に挿入し、熱導性接着
剤で固定したヒートパイプで、端部を前記熱伝達
中継体２６に設けた透孔に挿入し、熱導性接着剤
で固定されている。

２９は第５図及び第６図に示すようにスロツト
アレイアンテナ１９からの反射波を反転させるた
めに２次分岐導波管１４に設けたアイリス（反射
マイクロ波の反転用整合装置）、３０は被乾燥食
品等を入れる受皿で、搬送支持具３１によつて上
下に位置したスロツトアレイアンテナの間で、ス
ロツトアレイアンテナから放射されるマイクロ波
の放射特性に支障を来すことの少ない位置に保持
されている。

受皿３０はテフロン、ポリプロピレン等の誘電
体損失及び反射係数の小さな材料で作られる。

真空乾燥槽内に装備されたマイクロ波伝送回路
の導波管の強度とその接合部は、真空洩れを生じ
ないように十分配慮して作られ、また槽内Ｔ形分
岐導波管８〜１０の入口側端部は、真空ガスケツ
トを介して真空乾燥槽壁７に装着されている。

なお図面では省略したが、第２図及び第３図で
示したマイクロ波と輻射の両加熱装置は、搬送支
持具３１の軸を中心として左右対称の形に構成さ
れ、それらは全べて真空乾燥槽の中に装着されて
いる。

以上、実施例の構造について説明したが、この
実施例の第１の特長は、マイクロ波加熱装置にお
ける導波管回路の途中に密閉型共振装置２３を設
けて、マイクロ波発振器側の導波管内を減圧下の
マイクロ波アンテナ内より高圧、実施例では大気
圧に保持し得るようにしたことであり、マイクロ
波伝送回路は次のように設計される。

先ず、最小放電開始電界強度Vm〜180Voltscm
に対してスロツトアレイアンテナ１９〜２２の入
力端の電界強度VwがVw＜Vmとなるようにマイ
クロ波伝送回路、即ち槽外主導波管、Ｔ形分岐導
波管、１次及び２次導波管から成る導波管回路が
構成される。

このように構成することにより、全てのスロツ
トアレイアンテナを構成する導波管の形状、寸法
を統一することができ、しかもスロツトアレイア
ンテナの全系にわたつて必然的に放電抑止の条件
を満すようになる。

マイクロ波放射用スロツト２４の大きさと位置
によつてスロツトから放射されるマイクロ波の指
向特性と放射電波の電界強度分布特性とが影響を
受けるばかりでなく、スロツトの部位に存在する
電界強度にも大きく関係する。若し、スロツト部
位の電界強度が放電開始電界強度以上になると、
その部位で放電が発生することになる。

従つて、この実施例では放射電波の指向性並び
に放射電界の強度分布が、並設されたスロツトの
合成特性としてとらえ、これらの特性が広い範囲
にわたつて静置された食品等を均一に加熱乾燥す
るための絶対的な条件となり得ることから、スロ
ツトの大きさ、位置及び数を最適化するように設
計する。

とくに、アンテナの管壁に流れる壁面電流の方
向特性からアンテナの中心線に対してスロツトを
交互に配置し、相互のスロツトの中心間距離を伝
送波の管内波長λgの1/2に等しくする。かくする
ことにより、各スロツトに流れる電流は全て同相
となり、各スロツトから放射される電波はアンテ
ナの管軸に対して垂直方向に放射されることにな
る。

またスロツトは正確に伝送波の管内波長λgの
１／２に等しい間隔で配置して各スロツトの放射イ
ンピーダンスを等しくなるようにする。

そして、スロツトアレイアンテナの先端を短絡
し、その先端から、最短距離にあるスロツトの中
心線までの距離を伝送波の管内波長λgの3/4に等
しくする。かくすることにより、各スロツトの誘
導インピーダンスは無限大の大きさとなるので、
短絡壁で生ずる微弱な反射波はスロツトアレイア
ンテナの入射端部に設けられたアイリス２９の作
用によつて反転させられて進行波と同様にスロツ
ト２４から順次外界に放射して行くことになる。
なおアイリス２９の代りにスタブを使用するよう
にしてもよい。

このように、各スロツトの放射インピーダンス
が等値特性を有するようにすると共に、各スロツ
トアレイアンテナの単一回路の部分で反射波を阻
止する手段を講ずることにより、マイクロ波は
略々等電力比の割合でスロツトを通つて外界（真
空乾燥槽内）に放射されることになる。

一連の伝送管回路中を放電開始電界強度の高い
大気圧に保持することにより放電が阻止されるこ
とは先に述べたが、この実施例では等電力の放射
が行なわれるように１次と２次の分岐導波管の結
合をスロツト方式によつて目的を達成したところ
に一つの工夫がある。

この実施例で使用したように矩形導波管の巾の
広い管壁面に流れる旋回電流の方向成分が等しく
なるところの位置は、伝送波の管内波長と等しい
間隔で飛石状に存在する。

この考案の実施例では、１次分岐導波管１１と
直角を成して並設されている２次分岐導波管１４
〜１７も伝送波の管内波長と等値の距離lfで結合
されている。そして、この結合の部分のところ
で、第４図に示したように、１次分岐導波管１１
の中心線よりある一定の距離ｘだけ離れた点に、
その分岐導波管の中心線に平行にして長さが1/2
λgのスロツトを切り、１次と２次分岐導波管の
電気的な結合を図つている。

２次分岐導波管の分岐の数に応じて、各スロツ
ト毎の一定の規準化コンダクタンスは、伝送
理論から一義的に定められる。

一方第４図において、右端を短絡させた２次分
岐導波管１４を１次分岐導波管１１に接続させた
場合の実在する規準化コンダクタンスは、２次
分岐導波管１４の短絡距離、スロツト１８の２次
元的な位置によつて複雑に変化する。そこでこの
実施例では、スロツト１８の２次元的位置によつ
て決定される規準化コンダクタンスが、ｏ〜
Ｇとなるように距離ｘを実験的に定め、スロツト
の最適な結合度を確立するようにしている。

このようにして、各スロツトの規準化コンダク
タンスが全て等値特性を有するようにした分岐
導波管回路では、１次分岐導波管１１に伝送され
たマイクロ波電力は、等電力比の割合で、しかも
等位相の状態で各２次分岐導波管１４〜１７へ伝
送されることになる。

一方結合用スロツト１８を通過する電力は、２
次分岐導波管に接続されているスロツトアレイア
ンテナに供給する電力をまかなう必要がある。

ところが、この必要な電力は、前述の通常の条
件で数値化すると、単一のスロツトアレイアンテ
ナで150ワツト程度になることもある。

このような大きな電力を凍結乾燥を実施する減
圧下の雰囲気の下で伝送させようとすると、電波
放射の単一スロツトに作用する電界の強さは放電
開始電界の強度を遥かに越えてその部位で当然放
電が発生することになる。

しかし、この実施例では、前述のようにスロツ
トアレイアンテナと２次分岐導波管の接続部に密
閉型共振装置２３を挾み、操作中はスロツトアレ
イアンテナまでの導波管回路内を常に大気圧状態
に保持されるようにしたので、放電開始電界の強
度を高位に維持し得る構造のもとに、放電を阻止
し、必要十分なマイクロ波電力が伝送される。

この乾燥装置は食品、医薬品等の真空凍結乾燥
にも、真空乾燥にも巾広く使用することができる
ものであるが、次にこの乾燥装置によつて凍結食
品を真空凍結乾燥させる場合の作用と効果につい
て説明する。

予め凍結された食品等を受皿３０に入れ、それ
を搬送支持具３１に乗せ、搬送支持具３１を真空
乾燥槽内に送り込み、扉を閉じる。

真空乾燥槽内を凍結乾燥の操作圧力近辺まで排
気した後、先ず循環流動管２５中を図示しない加
熱制御装置によつて輻射加熱操作のための最適な
温度パターンで熱風、スチーム、熱媒体油などの
熱媒体を循環させる。この操作により、熱伝達中
継体２６を介してスロツトアレイアンテナの両側
に設けられたヒートパイプ２７が加熱され、次い
でスロツトアレイアンテナ１９〜２２が熱媒体と
ほぼ同一レベルで加熱制御されることになり、ス
ロツトアレイアンテナ１９〜２２自体が熱放射体
の役目を果すことになる。

そして、スロツトアレイアンテナと被加熱物
（凍結食品と受皿の両方）との温度差が熱移動の
推進力となつて、被加熱物の表面に輻射伝熱支配
の律速で熱が伝わり、その熱によつて凍結状態に
あつた食品等を昇華乾燥させることになる。

他方、マイクロ波発振器４〜６から発振された
マイクロ波電力は、槽外主導波管１〜３より、各
Ｔ形分岐管８〜１０を通つてそれに接続される左
右の１次分岐導波管１１〜１３へ1/2の等分比で
伝送される。即ち、例えばＴ形分岐管８に１のマ
イクロ波電力が供給された場合には１次分岐導波
管１１へは1/2のマイクロ波電力が伝送されるこ
とになる。

１次分岐導波管に伝送されたマイクロ波電力
は、１次と２次の分岐導波管の結合部に設けられ
たスロツト１８の作用により、等位相、等電力の
特性を得て、それぞれの２次分岐導波管と密閉型
共振装置２３の共振窓２３ａを通つてスロツトア
レイアンテナ１９〜２２へ伝送され、そのマイク
ロ波は複数のスロツト２４からある固有の指向
性、等電力分布特性で被加熱物方向へ放射され
る。

スロツト２４から放射されたマイクロ波の大半
は自由空間を直進的に進み、その直進波は食品又
は受皿の境界面で反射を繰り返えし、あるいは複
雑な屈折現像を伴いながら、食品の深部に透過し
つつその大部分が吸収熱として食品の内部で消費
される。

食品の内部で消費されなかつたマイクロ波は、
自由空間の中で高次のモードを形成し、３次元的
な飛行を繰り返えしながら真空乾槽内の各種の導
電体壁あるいは食品等へ伝播し、熱エネルギーと
なつて消費される。

これらの負荷のもとで消費されるマイクロ波電
力以上の電力を導波管回路内に投入したとする
と、反射波の増大を招き、全体的に電界が高まつ
て介在気体中に存在する初期電子、初期イオンを
励起して放電を誘発することになる。

そこで、この考案の実施例では、図示しなかつ
たが、過剰に入力されたマイクロ波電力の作用に
よつて生じた放電を光学的検知器によつて検知す
るようにして、投入するマイクロ波電力を制御
し、そのときの負荷に応じた最適制御を行つて、
常に効率的な凍結乾燥操作が行なわれるようにし
ている。

従来の輻射あるいは伝熱加熱の凍結乾燥方式で
あると、乾燥が進んで食品等の含水率がある程度
下ると、その表面の既乾燥層部分の熱移動抵抗が
増大するため、乾燥速度が極端に小さくなる。そ
れ故、僅かの含水率の低下を図るにも長時間の操
作を継続させなければならなかつた。

しかし、輻射とマイクロ波の両加熱を複合的に
操作するこの考案を適用した実施例装置によれ
ば、初期操作を輻射加熱だけに依存し、丁度乾燥
速度が低下し始める時期からマイクロ波加熱を複
合的に操作させたり、あいは最初から両加熱を複
合的に操作することにより、従来法に比し大巾な
乾燥時間の短縮と加熱乾燥の均一化を可能にし
た。その結果、従来法に比し、生産性の向上を図
ることができ、乾燥コストの低減ができる実証を
得た。

更にスロツトアレイアンテナがマイクロ波の放
射体と輻射熱の放射体を兼ねているので、輯射加
熱装置を単に併用する場合に比し、装置がコンパ
クトにできる。

なおこゝに示した実施例では、密閉型整合板２
３をスロツトアレイアンテナの入力端に設けた
が、この位置に限定されるものではない。

しかし、製作上も機能的にもこの位置が有利で
ある。

また、スロツト２４の形状として飛石状のもの
とする代りに、マイクロ波の進行方向に長いスリ
ツトとしてもよい。

更に、この実施例では、両側に設けたマイクロ
波と輻射の両加熱装置を搬送支持具３１を中心に
して各段のスロツトアレイアンテナが夫々同一平
面に位置するように設けたが、第８図に示した異
なる実施例のように、スロツトアレイアンテナを
噛み合わせるようにしてもよい。

また、この実施例では、Ｔ形分岐導波管と１次
及び２次分岐導波管並びにスロツトアレイアンテ
ナを真空乾燥槽内に設けるようにしたが、スロツ
トアレイアンテナのみを真空乾燥槽内に突入させ
る形式とする等設計的変更あるは勿論である。

【図面の簡単な説明】

第１図は圧力と放電開始電界の強さの相関関係
を示すグラフ、第２図はこの考案の実施例の縦断
正面図、第３図はその平面図、第４図はスロツト
アレイアンテナの一部を切除した平面図、第５図
はスロツトアレイアンテナと導波管の接続部の拡
大断面図、第６図は第５図の右側面図、第７図は
Ａ−Ａ線断面図、第８図は異なる実施例の縦断正
面図である。 １〜３……槽外主導波管、４〜６……マイクロ
波発振器、７……真空乾燥槽壁、８〜１０……Ｔ
形分岐導波管、１１〜１３……１次分岐導波管、
１４〜１７……２次分岐導波管、１８……結合用
スロツト、１９〜２２……スロツトアレイアンテ
ナ、２３……密閉型共振装置、２３ａ……共振
窓、２３ｂ……遮蔽板、２４……マイクロ波放射
用スロツト、２５……循環流動管、２６……熱伝
達中継体、２７……ヒートパイプ、２８……突起
溝、２９……アイリス、３０……受皿、３１……
搬送支持具。

Claims (1)

1. 【実用新案登録請求の範囲】 (1) 真空乾燥槽中に複数本のスロツトアレイアン
   テナを並設し、これら各スロツトアレイアンテ
   ナをマイクロ波発生装置に接続される１次分岐
   導波管と直角を成して並設されている２次分岐
   導波管に接続すると共に、前記スロツトアレイ
   アンテナと２次分岐導波管の接続部に低損失材
   料で共振窓を閉鎖した密閉型共振装置を設け、
   該密閉型共振装置の入口側にアイリス、スタブ
   等の反射マイクロ波の反転用整合装置を設け、
   且つ前記１次分岐導波管と２次分岐導波管の結
   合部に、１次分岐導波管の中心線よりある一定
   の距離だけ離れた点にその１次分岐導波管の中
   心線に平行で長さが1/2λgの結合用スロツトを
   設けたことを特徴とする乾燥装置。 (2) スロツトアレイアンテナは、スロツトを飛石
   状に設けたものであることを特徴とする実用新
   案登録請求の範囲１記載の乾燥装置。 (3) スロツトアレイアンテナは、一部を熱伝達中
   継体を介して熱媒体循環パイプに接続したヒー
   トパイプを具備したものであることを特徴とす
   る実用新案登録請求の範囲１又は２記載の乾燥
   装置。