JPH09511355A - 可変周波数マイクロウエーブ加熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 マルチモード空洞(34)に誘導されたマイクロウエーブの周波数を変調して試験または他の選択された応用を実行することができるようする。可変周波数マイクロウエーブ加熱装置(10)はマイクロウエーブ信号発生器(12)と高出力マイクロウエーブ増幅器(20)または高出力マイクロウエーブ発振器(14)とを備える。電力供給装置(22)が高出力マイクロウエーブ発振器(14)または高出力マイクロウエーブ増幅器(20)を作動させるために設けられている。指向性カプラー(24)がマイクロウエーブ空洞(34)に信号が入射したとき及びそれからそれが反射されたときにその信号の方向及び振幅を検出するために設けられている。第１出力メータ(30)がマイクロウエーブファーナス(32)に分配された出力を測定するために設けられている。第２出力メータ(26)が反射出力の大きさを検出する。反射された出力は反射出力負荷(28)内で消散される。

Description

【発明の詳細な説明】 可変周波数マイクロウエーブ加熱装置 本願発明は、アメリカエネルギー相からマーチンマリエッタエネルギーシステ ムに認められた契約第DE-AC05-840R21400に基づく政府の援助の下で行われ、政 府が本願発明に関する権利を有する。 本願の一部は、１９９４年９月１４日に出願された先の係続出願第08/306,305 に開示された事項を開示及びクレーム化するもので、その出願は１９９４年３月 ３１日に出願された先の係続出願第08/221,188に開示された事項を開示及びクレ ーム化するもので、その出願は１９９１年１１月１４日に出願された先の出願第 07/792,103号に開示された事項を開示及びクレーム化するもので、その出願は１ ９９４年６月１４日に米国特許第5,321,222号として特許されたものであり、そ れらの各々は本願発明の少なくとも一人の発明者によって発明された事項を開示 している。技術分野 本願発明はマイクロウエーブ放射に関する。特に詳しくは、本願発明は、マイ クロウエーブ源の周波数及び出力を選択的に変える性能を持つマイクロウエーブ ファーナス（マイクロウエーブ加熱炉）(microwave furnace)に関する。技術的背景 マイクロウエーブ放射の分野においては、マイクロウエーブファーナスは一般 的には固定周波数を持つように構成されていることが知られている。様々な材料 とマイクロウエーブとの相互作用は周波数に依存するということは古くから知ら れている。それらの相互作用にはゴムの硬化及びセラミック焼結が含まれること がある。従って広い周波数レンジにわたって作動することができるマイクロウエ ーブファーナスを持つことが望ましい。 多くのマイクロウエーブ源は非常に狭い帯域を持つが、それは、家庭で使用す るように構成された共振空洞マイクロウエーブオーブンは２．４５ＧＨｚで作動 するマグネトロンを備えており、それは水を加熱するには有効な周波数である。 ２.４５ＧＨｚのマイクロウエーブと水との結合特性のため、それらのオーブン は食品の調理、乾燥及びその他の目的のために用いられており、そこでは作用を 受ける主要な材料は水である。しかし。そのレンジ内の周波数は、加熱プラズマ 、セラミックのような焼結材料及びダイアモンドフィルムのようなフィルムの製 造のような状況のすべてにおいて最適というわけではない。 モード撹拌の手段として広いレンジにわたって周波数掃引を用いることは、医 療器具又は汚染された水を殺菌するためにマイクロウエーブの出力を用いること に関して重要な関係を持つ。そのような使用においては、完全に殺菌を行うため に十分な出力を受けとることができないような空洞内の「デッド」領域を排除す ることが重要である。電子周波数掃引は高速で実行することができ、それにより 、ファーナス空洞を貫通するより大きな均一の時間平均出力強度をつくることが できる。所望の周波数掃引は様々なマイクロウエーブ電子機器を用いることを通 じて達成することができる。ヘリクス進行波管(helix traveking wave tube)（ ＴＷＴ）によると、例えば、電圧調節可能なマグネトロン（２．４５＋−０．０ ５ＧＨｚ）のようなデバイスと比べて広い帯域（例えば、２乃至８ＧＨｚ）に渡 る掃引が可能になる。他のデバイスは以下に説明するように他の特性の帯域幅を 持つ。 さらに、一般的に家庭で見られる固定周波数のマイクロウエーブオーブンは冷 たいスポットと熱いスポットとを持つことが知られている。そのような現象はマ イクロウエーブ空洞の寸法に対する波長の比率に起因する。小さな空洞に誘導さ れた比較的低い周波数のマイクロウエーブを用いると、定在波が発生し、その結 果、マイクロウエーブ出力は空洞内の空間全体に均一に充満せず、影響されない 領域は加熱されない。極端な場合においては、オーブン空洞は実際上「シングル モード」空洞となる。 定在波を崩壊し、それにより空洞をマイクロウエーブ放射で満たすために、モ ード撹拌での試み、又はマイクロウエーブ「ビーム」を不規則に偏向する試みが 行われている。そのような試みの１つに、空洞のビーム入口にファンブレードを 回転することを追加することがある。 定在波の有害な影響を回避するために用いられる他の方法として、シングルモ ード内に定在波を故意に形成し、これにより、作業片を、最高出力を持つこと が測定された位置（ホットスポット）に置くことができるようにすることがある 。つまり、定在波が最も集中する空洞の一部のみを用いる。 正確な理由はわからなりが、様々な焼結作用はより高い周波数で改良されるこ とがわかっている。しかし、現在の最高技術は、周波数のみを変えるという一連 の同一の焼結実験を処理する作業を困難にした。それは、多くの場合、マイクロ ウエーブ源の各々は別々のファーナス空洞に接続されているためである。ファー ナス空洞の形状はそのような実験において考慮されなければならないパラメータ である。 ２８ＧＨｚの一定周波数のマイクロウエーブを発生するためにジャイロトロン を用いるファーナスは論文に報告されている。そのジャイロトロンファーナスは ２.４５ＧＨｚのマグネトロンを備えるオーブンより効率的にいくつかの材料を 焼結することができる。ジャイロトロンファーナスはセラミックのような材料を 焼結するという特定の実用例を持つ。しかし、２８ＧＨｚはどのような材料をも 焼結するには有効な周波数ではない。特定の構造を持つ空洞を備えるファーナス 内に所定の材料に適用される最も有効な周波数を決定することが望ましい。 最も効率的な処理のための周波数は、加熱処理が行われるにしたがって、所定 の材料のために変えることができる。材料は相が変わるので、変更された周波数 が必要となるであろう。従って、加熱工程に置いて周波数の変更が可能な性能を 持つことが望ましく、それにより、試験者は試料をある周波数で加熱することを 開始し、次に、温度が上昇につれて良好な結合状態を維持するように周波数を変 えることができる。それはまた複合材料を加熱するときが望ましく、その場合に は、変化する材料が異なる周波数で効率的に反応する。 選択された材料の工程を加熱するパラメータを変えるために他のデバイスが作 られている。その技術の典型的なものは以下の米国特許に開示されている。 マッケイ（３３２号）に開示された事項は、マッケイ・ビー他による論文「Fr equency Agile Sources for Microwave Oven」、Journal of Microwave Power、 １４（１）、１９７９年にさらに開示されている。しかし、広いレンジを持つマ イクロウエーブファーナスは、上掲の同時継続出願第07/792,103に開示されたの を除いて開示されていない。 広い周波数レンジを用いることに対する障害は、マイクロウエーブを有効にマ ルチモードのアプリケータ(applicator)空洞に結合することを、特にそのような 結合が誘電体窓を含むときに達成することが困難な点にある。 従って、本願発明は広い周波数レンジにわたって作動することができるマイク ロウエーブ加熱装置装置を提供することを目的とする。 本願発明の他の目的は、広い周波数レンジにわたって作動することができ、マ イクロウエーブ源を他の周波数レンジを持つマイクロウエーブ源に交換すること ができるようなマイクロウエーブ加熱装置を提供する点にある。 さらに、本願発明の他の目的は、２または３以上のマイクロウエーブ源を装置 内に並列に配置することができるマイクロウエーブ加熱装置を提供する点にある 。 また、本願発明の他の目的は並列に配置された複数のマイクロウエーブ源を備 え、それのマイクロウエーブ源を選択的にかつ交互に用いることができるような マイクロウエーブ加熱装置を提供する点にある。 さらにまた、本願発明の他の目的は、多数のマイクロウエーブ源を備え、各マ イクロウエーブ源が共通の信号発生器及び電力供給装置によって制御されるよう なマイクロウエーブ加熱装置を提供する点にある。 さらに、本願発明の他の目的は、周波数変調をモード撹拌の形態として用いて マルチモードの空洞及びそこに配置された負荷に分配されたより均一な出力を作 ることができるマイクロウエーブ加熱装置を提供する点にある。発明の開示 他の目的及び利点は本願発明によって達成され、それは試験又は他の選択され た応用のためにファーナス空洞に誘導されたマイクロウエーブの周波数を変調す ることができる。いくつかの適用可能な工程は、加熱処理、殺菌、焼結、プラズ マ処理、鉱石処理、重合、エッチング及びフィルム形成を含む。 マイクロウエーブ信号発生器はマイクロウエーブ増幅装置に入力する低出力マ イクロウエーブ信号を発生するために提供される。望ましい実施例の信号発生器 は、周波数の所定のレンジを掃引し、パルスモードで作動し、マイクロウエーブ 信号の周波数を変調し、さらに、様々な複合波形の生成をすることができる。望 ましい実施例のマイクロウエーブ信号発生器は内部パルス発生器を用いてパルス モードで作動でき、又はそれは外部のパルスで作動することができる。内部の変 調器は広帯域変調のために提供される。その内部変調器はＡＭモード又はＦＭモ ードで作動することができる。電圧制御器はマイクロウエーブ電圧制御発振器の 振幅を変調するように作動する。そのマイクロウエーブ電圧制御発振器を、マイ クロウエーブ信号発生器の代わりに用いて発生されたマイクロウエーブの周波数 及び振幅を変調することができる。 第１増幅器を提供して、マイクロウエーブ信号発生器又はマイクロウエーブ電 圧制御発振器から出力された信号の大きさを増幅することができる。望ましい実 施例の第１増幅器は電圧制御で、従って、ゲインは出力の大きさをオペレータが 選択できるように調整することができる。 第２増幅器を提供して、第１増幅器、又は第１増幅器を用いていないときには マイクロウエーブ信号発生器若しくはマイクロウエーブ電圧制御発振器によって 出力された信号を処理する。第２増幅器は高出力マイクロウエーブ信号をファー ナス空洞に出力し、それに対し作業片がさらされる。望ましい実施例においては 、 第２増幅器はヘリクス進行波管（ＴＷＴ）、結合空洞ＴＷＴ、リングループＴＷ Ｔ、リングバーＴＷＴ、クライストロン、ツワイストロン又はジャイロトロンの いずれか１つとすることができる。それらのデバイスは通常動作の間に増幅器に よって収集された熱を放散するように設計された内部冷却デバイスを備える。 本願発明の他の実施例においては、発振器並びに第１及び第２増幅器を周波数 可変同軸マグネトロンと置き換えることができ、その周波数は手動で、機械的に 又は電気的に調節することができる。 電力供給装置を第２増幅器の作動のために提供する。望ましい実施例において は、電力供給装置は正確に調整されたカソード電力供給装置と未調整のコレクタ ー高電圧供給装置とからなる。 指向性カップラーを提供して信号の方向を検出し、その検出した方向に依存す る信号をさらに指向する。マイクロウエーブ源から受け取った信号をマイクロウ エーブ空洞に向けて送る。マイクロウエーブ空洞の方向から受け取った信号を反 射出力負荷に向けて指向する。指向性カップラーは、作業片に吸収されなかった 出力からマイクロウエーブ源を保護するために、反射出力をそのマイクロウエー ブ源からそらす。望ましい実施例の指向性カップラーは、マイクロウエーブ源か らの出力の伝達及びマイクロウエーブ空洞からの出力の反射を通じて収集された 熱を発散させるために水冷される。 第１出力メータを提供してマイクロウエーブ空洞に分配された出力を測定する 。その第１出力メータは、マイクロウエーブ空洞の効率をモニターし、さらに、 反射出力が反射出力負荷内で消滅し、第２増幅器によってではないことを確実に するために、マイクロウエーブ空洞からの反射出力を測定するように配置された 第２出力メータと関連して用いられる。 反射出力負荷を用いてすべての作業片をマイクロウエーブから取り除き、その 結果全体の信号を第２増幅器から反射出力負荷に指向することによって装置の機 能性を試験することもできる。反射出力負荷によって受け取られる出力と第２増 幅器から分配される出力とを比較することによってどのような装置の損失をも測 定することができる。 反射出力の大きさは第２出力メータによって検出される。この大きさを用いて マイクロウエーブ空洞に誘導されたマイクロウエーブの瞬間的周波数の効率を決 定することができる。より低い反射出力は、選択された作業片のより高い吸収率 のためにより効率的な作動周波数を示す。 テーパー移行部を提供して効率を高め、それにより、広帯域マイクロウエーブ エネルギーをマイクロウエーブ空洞に結合することができる。移行ラインとマイ クロウエーブ空洞との間でインピーダンス変圧器としての機能を果たさせること によって、その移行は空洞に結合された百分率出力を増加させる。さらに、マイ クロウエーブエネルギーが反応性ガスが存在する空洞に結合されなければならな いような応用に対しては、そのテーパー移行部は、窓と反応性ガスとの間の境界 におけるマイクロウエーブエネルギーの出力強度を低下する手段を提供し、それ により、入力窓でのプラズマ放電の形成を阻止する。図面の簡単な説明 本願発明の上記の特徴は添付図面を本願発明の以下の詳細な説明とともに読む ことによってより明瞭に理解できるであろう。 図１は本願発明の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置の望ましい実施例の概 略図である。 図２は本願発明の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置の他の望ましい実施例 の概略図である。 図３は本願発明の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置に関連する部分的に断 面で示す進行波管の斜視図である。 図４は本願発明の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置に関連する進行波管の 概略図である。 図５は本願発明の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置に関連する進行波管の 端部の断面図である。 図６は本願発明の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置の他の望ましい実施例 の概略図である。 図７は本願発明のテーパー状導波管アプリケータの入口開口を示す正面図であ る。 図８は図７のテーパー状導波管アプリケータの出口開口を示す正面図である。 図９は図７の９−９に沿って得られたテーパー状導波管アプリケータの底部の 断面図である。 図１０はさらに誘電体窓を備えるテーパー状導波管アプリケータの別の実施例 の出口開口を示す端部の正面図である。 図１１は図１０の１１−１１に沿って得られたテーパー状導波管の底部の断面 図である。 図１２はテーパー状導波管アプリケータの別の実施例の出口開口を示す端部の 正面図であり、そこでは内部壁が階段状テーパーを形成している。 図１３は図１２の１３−１３に沿って得たテーパー状導波管の底部の断面図で ある。 図１４はテーパー状導波管アプリケータの別の実施例の出口開口を示す端部の 正面図であり、そこでは内部壁が階段状テーパーを構成しており、さらに誘電体 窓が含まれている。 図１５は図１４の１５−１５に沿って得られたテーパー状導波管の底部の断面 図である。 図１６は本願発明に用いられるマイクロウエーブ空洞内の作動状態を見るため のビューポートの前面図である。 図１７は図１６の１７−１７に沿って得られたビューポートの端部の断面図で ある。 図１７Ａは図１７のビューポートの一部の拡大図で、本願発明に用いられるマ イクロウエーブ空洞のドアを密封するためのシール機構をより明らかに示す。 図１８は本願発明の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置の他の望ましい実施 例の概略図を示す。 図１９は本願発明に用いられる１つの矩形マイクロウエーブ空洞に関するモー ド密度対周波数を示すグラフである。 図２０Ａ−Ｄは本願発明の様々な特徴に関連して用いられるマイクロウエーブ 空洞及び第１マイクロウエーブ源の理論上のモデルにおける出力分布をグラフ的 に示す図である。 図２１Ａ−Ｆは本願発明の様々な特徴に関連して用いられるマイクロウエーブ 空洞及び第２マイクロウエーブ源の理論上のモデルにおける出力分布をグラフ的 に示す図である。本願発明を実施するためのベストモード 本願発明の様々な特徴を持つ可変周波数マイクロウエーブ加熱装置は概略図面 において１０で示されている。そのマイクロウエーブ加熱装置１０は試験または 他の選択された応用のために、マイクロウエーブ空洞に誘導されたマイクロウエ ーブの周波数を変調することができる。そのような変調は試験手続きの際に特定 の材料を処理することができる最大効率の周波数を測定するのに有用である。周 波数変調は、比較的小さなマイクロウエーブ空洞により均一な出力分布を作る手 段としてのモード攪拌の方法としても有用である。 周波数変調試験は選択された材料の効率的な焼結周波数の測定のみならず、選 択材料の個々の相に関する最大効率の焼結周波数を測定するためにも有用です。 同一の状態において、周波数変調は相変化した材料の処理の際に有用であり、そ こでは、材料の各相はより効率的に他の相のものから変化した周波数に結合する 。さらに、周波数変調は、複合材料を処理したときに有用で、各成分は他の成分 とは異なる周波数と結合する。 図１は本願発明の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置１０の望ましい実施例 の概略を示しており、そこでは、選択素材３６が処理される予定である。適用可 能な工程には、加熱処理、殺菌、焼結、プラズマ処理、鉱石処理、重合、エッチ ングおよびフィルム形成を含むがそれらには限定されない。ここでの開示内で用 いる用語「作業片」は選択された材料または材料の合成物を意味することを理解 すべきである。その用語「作業片」にはさらにそのような選択された材料または 材料の合成物であって、材料の少なくとも１つが少なくとも１つの相変化を受け 、その結果所定の時間１より多くの相の状態にある合成物を含むことができる。 マイクロウエーブ電圧制御発振器１４はマイクロウエーブファーナス３２への 入力用低出力マイクロウエーブ信号を発生するために設けてある。複合波形発生 器１２は制御電圧を電圧制御発振器１４に供給し、これにより、電圧制御発振器 が周波数の所定レンジを掃引し、パルスモードで作動し、マイクロウエーブ信号 の周波数を変調し、そして様々な複合波形を生成する。 その望ましい実施例の複合波形発生器１２は内部パルス発生器を用いてパルス モードで作動することができ、またはそれは外部からのパルス作動をすることが できる。内部変調器は広帯域変調のために設ける。その内部変長期はＡＭモード またはＦＭモードで作動することができる。 マイクロウエーブ電圧制御発振器１４は、波形発生器１２からその電圧制御発 振器１４に印加された電圧によって決定される周波数のマイクロウエーブ信号を 発生する。選択された材料が特定の周波数と効率的に結合でき、高電圧レベルを 必要とすることがあり、一方、第２の材料が異なる周波数でかつより低いまたは より高い電圧レベルでより効率的に結合できるときには、マイクロウエーブの周 波数を変調することが望ましい。従って、マイクロウエーブ電圧制御発振器１４ を複合波形発生器１２と結合して用いて発生されたマイクロウエーブの周波数を 変調することができる。 周波数および出力レベルの可能性のある組み合わせの数は多数であることがわ かるであろう。さらに、そのような周波数および振幅変調の性能を用いた場合に は、作業片３６の処理は、最大の処理効率を達成するために、マイクロウエーブ の周波数および振幅を変えることによって完了することができることがわかるで あろう。そのような変調は作業片３６によって検出されない程度の速度で行い、 これによりさらに各材料および材料の相に対して最大の処理効率を生じさせるこ とができる。 第１増幅器１８はマイクロウエーブ電圧制御発振器１４から出力された信号の 出力を増幅するために設けることができる。望ましい実施例の第１増幅器１８は 電圧制御され、その結果、その出力の大きさがオペレータによって選択できるよ うにゲインを調整することができる。可変周波数マイクロウエーブ加熱装置１０ の作動の間、オペレータは同時に第１増幅器１８を調節して、マイクロウエーブ の振幅をそれに対応するように調節することができる。第１増幅器１８のための 制御電圧は複合波形発生器１２によっても供給することができ、これにより、信 号出力の振幅をどのような方法によってでも変調することができる。 第２増幅器２０は第１増幅器１８から、または第１増幅器１８が設けられてい ないときにはマイクロウエーブ電圧制御発振器１４から出力された信号を処理す るために設ける。第２増幅器２０はマルチモードファーナス空洞３４に入力され るマイクロウエーブ信号を出力し、それに作業片がさらされる。望ましい実施例 においては、第２増幅器はヘリクス進行波管（ＴＷＴ）、結合空洞ＴＷＴ、リン グループＴＷＴ、リングバーＴＷＴ、クライストロン、ツワイストロン又はジャ イロトロンのいずれか１つとすることができる。 ＴＷＴ２０は線形ビーム装置であり、そこでは選択された周波数および波形を 持つ信号が増幅されて出力される。ＴＷＴ２０はそのＴＷＴ２０の構成によって 確定される帯域幅またはレンジ内でどのような選択された周波数または波形を増 幅する性能を持つ。特に、ＴＷＴ２０の物理的幾何形状は、高い制限に達したと きに、打ち消し信号が出力され、第２波の出現を与えるように周波数レンジを制 限する。 特定の構造に組み立てられたＴＷＴ２０で可能なものより高いまたは低い周波 数を達成するために、ＴＷＴ２０の内部形状、特にヘリクス４０のピッチを変え る。後で述べたＴＷＴ２０においては、新たな周波数レンジが画定される。その 結果、周波数のより広いレンジを達成できるようなＴＷＴ２０の様々な構成が可 能である。結局、本願発明のＴＷＴ２０は可変周波数マイクロウエーブ加熱装置 １０から選択的に取り除いて、他のＴＷＴ２０のようなものと交換することがで きる。従って、単一のマイクロウエーブ電圧制御発振器１４、マイクロウエーブ ファーナス３２およびマイクロウエーブファーナス空洞３４を様々なＴＷＴ２０ と用いることができ、これにより、マイクロウエーブのみが実質的に可変な場合 に一連の同一の試験を実行することができる。１つのＴＷＴ２０は４ＧＨｚ乃至 ８ＧＨｚの周波数レンジを画定する一方、他のＴＷＴ２０′は８ＧＨｚ乃至１６ ＧＨｚの周波数レンジを画定する。さらに、他のＴＷＴ２０″は第３の周波数レ ンジを画定することができる。ＴＷＴ２０をＴＷＴ２０′と交換することは４Ｇ Ｈｚから１６ＧＨｚまでの総レンジを画定する。４ＧＨｚ乃至８ＧＨｚのレンジ を画定するそのような１つのＴＷＴ２０としては、マイクロウエーブ・ラボラト リー・インクによって製造されたモデルＴ−１０９６Ｇ／Ｈバンド・ヘリクス・ ＴＷＴがる。そのモデルＴ−１０９６の明細を表１に掲げる。 上述のとおり、進行波管２０は進行電界によって特徴付けられる線形ビームデ バイスであり、その電界は電子ビームの経路に沿った長手方向にエネルギーを連 続的に引き出す。図３に図示するように、また、図４に概略を示すように、典型 的なＴＷＴ２０はシングルワイヤヘリクス４０の第１端部４６に取り付けられた 電子ガン組立体４４を備えるように構成される。ガン組立体４４は電子の集束ビ ームを作り、それはヘリクス４０の中心を通って指向される。テーパー状カーボ ン減衰器５０はヘリクス４０の一部で反射が管入力に戻るのを阻止する指向性カ プラーとして機能する。Ｒｆ入力および出力窓５２、５４はそれぞれヘリクス４ ０のカソードおよびコレクタ端部４６、４８に配置されている。 正に帯電したコレクタ５６はヘリクス４０の第２端部４８に配置されている。 コレクタ５６はＴＷＴ２０の作動のためのエネルギー源を提供する。ビーム集束 および閉込めマグネット５８はＴＷＴ２０の組立体の全体を囲む。 ヘリクス４０の軸線を進行する電子はヘリクス４０に沿って伝達するｒｆ波と 相互作用して、エネルギーを電子ビームからｒｆ波に変換する。この相互作用は 連続的かつ累積的なもので、ｒｆ信号の振幅をそれがヘリクス４０に沿って伝達 するときに高める。 この望ましい実施例の第２増幅器２０は内部冷却装置３８を備えており、それ は通常の動作の間に、第２増幅器によって収集された熱を消散するように設計さ れている。特に、ヘリクスＴＷＴの場合においては、ＴＷＴ２０のヘリクスおよ びヘリクス保持部４２はその機能を実行するように選択材料から作られている。 この望ましい実施例のヘリクスＴＷＴ２０は平坦な銅ワイヤから作られたヘリク ス４０を備える。複数の保持器４２はヘリクスＴＷＴの長手方向軸線の周りに平 行な状態で配置されており、その軸線の周りには銅ワイヤが巻き付かれている。 保持器４２は銅ワイヤから構成されたヘリクス４０を保持するとともに、さらに ヘリクスＴＷＴ２０の動作の間に銅ワイヤに伝達された熱を消散するように機能 する。望ましい実施例においては、保持器４２は少なくとも１つのほぼ平らな面 ４３によって断面を画定しており、その平らな面４３は銅ワイヤと実質的に接触 状態にある。 さらに、この望ましい実施例の保持器４２は酸化ベリリウムから作られている 。酸化ベリリウムが電気的絶縁体でも、それは熱の優れた伝導体であることがわ かっている。平らな断面を画定し、さらに実質的に保持器４２の平らな面４３と 接触する銅ワイヤは、その銅ワイヤに伝達された熱の効率的かつ直通の消散を提 供し、これによって、ヘリクスＴＷＴ２０の内部部分のための冷却手段３８を提 供し、その結果、そのヘリクスＴＷＴ２０の寿命を延ばす。 電力供給装置２２は第２増幅器２０の動作のために設けられている。図面には 個別に示してはいないが、望ましい電力供給装置２２は正確な調整済みカソード 電力供給装置とわずかに調整されたコレクタ高電圧供給装置とからなる直流電源 である。カソード供給装置に対する出力の調整は四極管を用いる管調整器回路を 通じて達成される。そのような管の１つにはＥｉｍａｃ ４ＰＲ４００Ａ管があ る。コレクタ供給装置およびカソード未処理供給装置に対する調整は電気機械調 整器を用いて達成される。この望ましい実施例のコレクタ供給装置は出力レンジ の選択のための２つのスイッチを備える。第２増幅器２０に電力を供給するため に用いられる典型的な電力供給装置２２にはユニバーサル ボルトロニクス モ デルＢＲＥ−１５−１４０−ＭＬ高電圧供給装置がある。そのユニバーサル ボ ルトロニクス供給装置の明細を表２に示す。 図２に示すように、可変周波数マイクロウエーブ加熱装置１０はマイクロウエ ーブ電圧制御発振器手段１４と第１増幅器１８とを用いることなく作動すること ができる。その実施例においては、マイクロウエーブ発生器１２は選択された信 号を発生するために独立して用いられ、それは変調されることなく直接に出力さ れる。そのようなマイクロウエーブ信号発生器１２の１つにはウイルトロンによ って製造されたモデル６７２４信号発生器がある。この実施例において、振幅変 調は第２増幅器２０の電力供給装置２２内で実行される。 図１および図２を参照すると、指向性カプラー２４は信号の方向を検出し、さ らに、その検出された方向にしたがってその信号を指向するために設けられる。 その指向性カプラー２４は第２増幅器２０のコレクタ端部の直前に設けられる。 第２増幅器２０から受け取られた信号はマイクロウエーブ３２に向けて送られる 。マイクロウエーブ空洞３２の方向から受け取られた信号は反射出力不可２８に 向けて送られる。従って、指向性カプラー２４は、反射された信号、つまり、作 業片３６に吸収されずその結果出力源に向かって戻るように送られる出力が、作 業片３６に吸収されなかった出力から第２増幅器２０を保護するために、その第 ２増幅器２０からそらすような手段を提供する。その望ましい実施例の反射され た出力負荷２８は、マイクロウエーブ空洞３２から出力の反射を通じて収集され た熱の消散のために水で冷却される。 第１出力メータ３０はマイクロウエーブ空洞３２に分配された出力を測定する ために設けられる。第１出力メータ３０は第２出力メータ２６と関連して用いら れ、第２出力メータは、マイクロウエーブ空洞３２の効率をモニターし、さらに 、 反射出力が反射出力負荷内で消滅し、第２増幅器によってではないことを確実に するために、マイクロウエーブ空洞３２からの反射出力を測定するように配置さ れている。 第２増幅器から出力された信号は、選択された作業片３６によって吸収される ためにマイクロウエーブ空洞３４に導かれる。一般的には、その導かれた信号は 作業片３６完全には吸収されず、その結果第２増幅器２０に向かって戻るように 反射され、それに伴う他の経路は持たない。 反射信号は指向性カプラー２４に到達し、そこで第２増幅器メータに向けてそ らされ、最後に反射出力不可２８に達する。反射出力は、第２増幅器２０の長い 寿命を保護する試みおいて、上述のとおり、反射出力負荷２８内で消散し、反射 出力負荷２８は、マイクロウエーブ空洞３４から作業片３６のすべてを取り除い て、第２増幅器２０からの全体の負荷を反射出力負荷２８に指向することによっ て装置の機能を試験することもできる。反射出力負荷２８によって受け取られた 出力と第２増幅器２０から分配された出力との比較を行って装置のどのような損 失をも決定することができる。 反射出力の大きさは第２出力メータ２６によって検出される。この大きさを用 いてマイクロウエーブ空洞３４に誘導されたマイクロウエーブの瞬間的周波数の 効率を決定することができる。低い反射出力は、選択された作業片３６の高い吸 収率のため、より効率の高い作動周波数を示す。 今までの説明から当業者に従来技術を越える利点を提供する可変周波数マイク ロウエーブ加熱装置が提供されたと理解されるであろう。特に、本願発明ののマ イクロウエーブ加熱装置１０は、焼結目的または他の必要性のために空洞３４に 誘導されたマイクロウエーブの周波数を調整する手段を提供する。本願発明のマ イクロウエーブ加熱装置１０はマイクロウエーブ周波数に対する選択材料の処理 特性を試験する際に悠揚であるということがわかるであろう。そのような試験は 所定の周波数のマイクロウエーブを発生するマイクロウエーブ源１２を備えるマ イクロウエーブファーナス３２の設計を可能にする。 さらに、本願発明のマイクロウエーブ加熱装置１０は、マイクロウエーブの周 波数を異なる材料または材料の相ごとに変えることができる点で製造機器として 有用である。周波数変調は、様々な材料および材料の相に適合させるために、マ イクロウエーブ加熱装置１０の動作の間実行することができる。さらに、本願発 明の周波数変調の性能は、比較的小さなマイクロウエーブ空洞３４内のより均一 な出力分布をつくるためのモード攪拌の方法として機能する。 本願発明の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置１０の効率は、開発された処 理において実行された様々な試験において発揮された。以下に説明したことは試 験された２つの実施例である。しかし、本願発明をそのような実施例に限定する ことは発明者の意図するところではない。 第１の試験済み実施例においては、２．５ｋｗマイクロウエーブファーナス３ ２が焼結、加熱処理および他の高温処理に適するように組み立てられた。電圧制 御発振器１４、Delphi 社によって製造されたモデルＶＣＯ 100 − 0243は低 出力マイクロウエーブ信号を提供した。その信号は０乃至１５Ｖの制御信号を提 供することによって４から８ＧＨｚまで連続的に変化することができる。可変ゲ インオプションを持つソリッドステートプリアンプ１８、National Hybrid，Inc ．によって製造されたモデルＮＨＩ ４０８０ＭＷ−２は、電圧制御発振器１４ からの信号の可変増幅を提供した。 高出力マイクロウエーブ増幅器２０は、進行波管、Microwave Laboratories I nc．によって製造されたモデルＴ−１０９６（表１参照）と、高電圧ＤＣ電力供 給装置、Universal Voltronicsによって製造されたモデルＢＲＥ−１５−１４０ −ＭＬ（表２参照）とを含んでいた。高出力マイクロウエーブ増幅器は約＋３７ ｄｂのゲインに対する信号を増幅した。その結果のマイクロウエーブ出力は４乃 至８ＧＨｚの周波数レンジおよび０乃至２．５ＫＷの出力レンジにわたって連続 的に選択することができた。周波数および振幅は個別にそれらのパラメータ内で いずれの波形にも変調することができた。 二重の指向性カプラー２４、Engineering corporation によって製造されたモ デルＲ２０２−５Ｎが設けられ。それを介してマイクロウエーブ出力が印加され る。マイクロウエーブ出力は直径が約３０．４８ｃｍ（約１２インチ）および長 さが約２２.８６ｃｍ（約９インチ）のマルチモード空洞３４に入力され、これ により、範囲の広い様々な種類の任意のマイクロウエーブモードが空洞３４内に 励起された。進行および反射出力レベルを、２つの出力メータ、Hewlett Pckard によって製造されたモデルＨＰ４３６Ａを用いて連続的に測定した。 効率的なマイクロウエーブ加熱がシリコンカーバイドおよびボロンカーバイド の両方のセラミックボディーに対し実証された。各々の場合において周波数を調 節して空洞３４内の実際の負荷に対する反射出力を最小化することができ、セラ ミックは瞬時に加熱された。最大効率で加熱するために、空洞３４の寸法を調整 することおよびいずれかの特定のモードを励起することは必要なかった。 第２の試験済みの実施例においては、少なくともプラズマ処理、殺菌および食 品処理研究に適した３００Ｗマイクロウエーブファーナスは、従来のマイクロウ エーブオーブンからのマルチモード空洞３４および２乃至８ＧＨｚの帯域幅を持 つ空冷の進行波管を用いて構成されている。 水、ポップコーンおよびCo、Cr、またはV 酸化物でドーピングされたアルミナ セラミックを含む広い様々なサンプルを用いた実験はマイクロウエーブ周波数を 反射出力を最少にするように調整したときに高い効率加熱を実証した。その結果 は、周波数を作動帯域幅を横切って連続的に掃引したときに、反射出力は非常に 低く、サンプルが空洞３４内のその配置にかかわらず効率的に加熱されたことを 示した。可変周波数マイクロ加熱装置１０のそのような試験の１つにはエポキシ 樹脂、つまり、Union Carbide によって製造されたＥＲＬ−２２５８樹脂のサン プルおよびDuPontによって製造されたＭフェニレンジアミン硬化剤の硬化が含ま れていた。サンプルは製造説明書にしたがって混合されて１０．１６ｃｍ（４イ ンチ）直径のガラス皿に注がれた。一方のサンプルは６ＧＨｚの一定周波数で加 熱し、他方は本願発明にしたがって４.５から７.５ＧＨｚまでの周波数を１秒当 たり５０００回掃引することによって加熱した。固定周波数のサンプルは非均一 加熱および終局的には破壊的熱上昇を受けた。掃引周波数サンプルは局所的加熱 の形跡なく均一に硬化し、それにより、マイクロウエーブ空洞内のより均一な出 力分布を作るために掃引する周波数の値を実証した。 図６に示すものは他の実施例に係る可変周波数マイクロウエーブ加熱装置１０ ′である。その実施例においては、出力および温度の表示および制御器６０は出 力モニタ６２および温度センサからの入力を受け取る。出力モニタ６２は指 向性カプラー２４′から入力を受取り、前述の実施例に関連する反射および進行 出力メータ２６、３０と同一の基本的機能を果たす。出力および温度表示および 制御装置６０はさらにマイクロウエーブ発振器１４′、プリアンプ出力制御１８ ′並びにＴＷＴ電力供給装置２２′を制御するように機能する。冷却装置６６は 作動の間少なくともＴＷＴ２０の冷却を行うように設けてある。 テーパー状導波管カプラー６８は、広帯域マイクロウエーブエネルギーをマイ クロウエーブ空洞に結合する際の効率を高めるように設ける。指向性カプラー２ ４′からの伝達ラインとマイクロウエーブ空洞３２′との間のインピーダンス変 圧器を作動させることによって、その移行はマイクロウエーブ空洞３２′に結合 される百分率出力を高める。加えて、マイクロウエーブエネルギーを反応性ガス が存在するマイクロウエーブ空洞３２′に結合しなければならないような応用に 関しては、テーパー状導波管６８が、マイクロウエーブ入力窓と反応性ガスとの 間の境界におけるマイクロウエーブエネルギーの出力強度を減少させる手段を提 供するので、マイクロウエーブ入力窓でのプラズマ放電の形成を阻止することが できる。 図７−９に示すものはテーパー状導波管アプリケータ６８Ａである。図７は入 口開口７２を示す端部の図である。図８は出口７４を示す端部の図である。図９ は導波管アプリケータ６８Ａの断面を示す図であり、そこではテーパー状内壁７ ０がより明瞭に示されている。それらの図面からわかるであろうが、導波管アプ リケータ６８Ａの１つの実施例が内壁７０を画定し、それは入口７２から出口７ ４までの滑らかなテーパーを構成しており、出口７４は入口７２より大きな開口 である。導波管アプリケータ６８Ａの内壁７０はその長手方向に沿った断面にお いて概略矩形の開口を画定し、プロジェクション７６がそのいずれかの壁から延 在している。そのプロジェクション７６も矩形の断面を画定する。それらの図面 に示されているように、そのプロジェクションは導波管６８Ａの内壁７０のテー パーと釣り合った滑らかなテーパーを画定する。導波管アプリケータ６８Ａの本 体はその導波管アプリケータ６８Ａをマイクロウエーブ加熱装置１０に固定する ための端部プレート７８を画定する。 実際には、マイクロウエーブ空洞３４の全体の有用なレンジにわたって測定さ れた約２：１の自由空間の電圧定在波の比率、つまりＶＳＷＲが、図７−９の導 波管アプリケータ６８Ａを用いて達成されることがわかっている。可変周波数マ イクロウエーブ加熱装置１０は、Microwave laboratories Inc.によって製造さ れた４−８ＧＨｚのモデルＴ−１０９６ＴＷＴを用いて試験を目的とし、また、 図７−９に示すテーパー状導波管アプリケータ６８Ａを組み入れるように構成さ れていた。概略筒状のマルチモードマイクロウエーブ空洞３４も用いられた。そ の試験の結果は、R.A．Rudder 他による「Diamond CVD Via Microwave-Excited Plasma from Water-Ethanol Solutions」Amer．Cer．Soc.春期会合、Cincinnati オハイオ集、１９９３年に説明されており、それは参考までにここに組み入れる 。それらの試験においては、本願発明の導波管アプリケータ６８Ａを備えるマイ クロウエーブ加熱装置１０が高い強度の局所的プラズマを作り、それは移動し、 また、そうでない場合には周波数を調整することによって操作することができる ことが実証された。高密度プラズマを１００Ｗ程度の少ない進行出力で維持でき た。反射出力は４−８ＧＨｚの帯域幅を横切るすべての周波数において最小であ った。 上述のマイクロウエーブ源１２はヘリクスＴＷＴ増幅器を備える。しかし、本 願発明の他の観点にしたがって、多くの他のマイクロウエーブ源１２を用いるこ とを理解すべきであろう。表３は他のいくつかの適切なマイクロウエーブ源１２ の典型的な特性を示す。 上述の実施例のヘリクスＴＷＴは液体冷却であり、そのため別の電力および補 助機器が必要である。ベンチスケールの実験に関しては、空冷の可変周波数マイ クロウエーブ加熱装置１０がMicrowave Laboratories Inc.の空冷ヘリクスＴＷ Ｔ（例えば、モデルＴ−１０６７）および本願発明のテーパー状導波管アプリケ ータ６８Ａを用いて組み立てられた。３３.０２×３３.０２×２５.４ｃｍ（１ ３×１３×１０インチ）の矩形のマイクロウエーブ空洞３４用いた。そこでは、 マイクロウエーブ出力が２.５から７.５ＧＨｚまでの周波数レンジにわたって効 率的に結合された。そのレンジはほとのど２オクターブにわたることが認識でき るであろ。熱感知紙を用いた試験は、周波数掃引は空洞３４の全体を通じて均一 な出力密度を形成する時点で非常に効果的であったことを実証した。 その実施例のマイクロウエーブ空洞３４は上述の試験と同様な試験にかけられ 、エポキシ樹脂［Union Carbide のＥＲＬ−２２５８樹脂およびDupon のＭフェ ニレンジアミン硬化剤］のサンプルを硬化させた。それらの試験においては、周 波数レンジおよび掃引速度の両方ともが、適切なモード攪拌に必要な最小のレン ジを決定するために減少させられた。同時に、そのサンプル寸法は１５．２４ｃ ｍ（６インチ）の直径のディスクまで拡大された。それらの結果から、２０％の 帯域幅でさえもいくつかのサンプル、特に、高い熱伝導率によって最小の空間的 変 化が安定になるようなものにおいて均一なマイクロウエーブ加熱を行うのに十分 であることが証明された。 上述のとおり、本願発明のマイクロウエーブ加熱装置１０は１より多くのマイ クロウエーブ源１２を持つように組み立てることもできる。その程度で、後述の マイクロウエーブ加熱装置１０は、さらに、第２のＴＷＴ（Microwave Laborato ries IncのモデルＴ−１０６８）および第２のテーパー状マイクロウエーブアプ リケータ６８Ａを追加することによって変形することができ、それにより、ファ ーナス３２に約２．５から１７．５ＧＨｚまでの有効な帯域または３オクターブ 近くを与える。今までの例は、本願発明のマイクロウエーブ加熱装置１０を２つ のマイクロウエーブ源１２に限定するようには解釈すべきではないことを理解す べきである。それより、いくつものマイクロウエーブ源１２および導波管アプリ ケータ６８を本願発明にしたがって単一のマイクロウエーブ空洞３４と組み合わ せることができることを理解すべきである。 図１０および図１１は導波管アプリケータ６８Ｂの別の実施例を示しており、 そこでは、マイクロウエーブ空洞３４内の圧力が大気圧とは異なり、および／ま たは空気ではないガスがマイクロウエーブ加熱工程で用いられるような環境で用 いるために、窓８０を設けてある。その実施例の入口７２は上述の実施例のもの と同様なものであり、したがって、図７は図１０および図１１に示された実施例 の入口７２を表している。窓８０は実際には誘電性のもので、正および負の圧力 差に耐えることができる。導波管６８Ｂのその実施例の内壁７０は出口７４にあ る筒状の非テーパー状端部で終端する。プロジェクション７６は内壁７０のスロ ープの変化の位置で終端する。リセス８４は誘電性窓８０を受け取るように端部 プレート７８によって画定されている。中心に位置するように配置された開口８ ８を画定する固定プレート８６が端部プレート７８に固定され、少なくとも誘電 性窓８０の周辺を覆って導波管６８Ｂに対する窓８０の位置を確定する。シール 部材９０が窓８０と導波管６８Ｂとの間と、窓８０と固定プレート８６との間に 配置されていて、これにより、流体がマイクロウエーブ空洞３４から導波管アプ リケータ６８Ｂを通って外側環境に通じることを防ぐ。 図７−９に示す実施例に示されているように、マイクロウエーブ空洞３４の全 体的に有用な周波数レンジにわたって測定された約２：１の自由空間ＶＳＷＲが 、図１０−１１の導波管アプリケータ３８Ｂを用いることによって達成される。 当業者は従来の多くの技術を、テーパー状導波管移行部をファーナス空洞３４ に結合するため、さらに誘電性窓８０を導波管６８に密封するための両方に用い ることができることを認識すべきである。さらに、適当な空気、液体冷却剤等の 流れによって誘電性窓８０または導波管６８を冷却する必要のある状況が起こる ことがあることも認識すべきである。 当業者は、また、テーパー形成されたリ ッジ（隆起）を用いて隆起状の広帯域導波管、例えば、ＷＲＤ３５０タイプへの 最適な整合を提供し、また、リッジ状に形成されていない導波管がマイクロウエ ーブ源１２とテーパー形成された導波管移行部６８との間に用いられる場合には テーパー形成されたリッジは必要としないことを認識すべきである。 図１２および１３は本願発明の導波管アプリケータ６８Ｃの他の実施例を示し ており、それは図７にも表された入口７２を備える。図示するように、その実施 例のプロジェクション７６は図８および図９における滑らかなテーパーとは異な る「階段状」テーパーを画定する。つまり、連続した矩形状プロジェクション７ ６Ａが画定され、連続的プロジェクションの各々の長さは出口７４に向かって増 加し、また、対向するプロジェクション７６Ａの間の距離は、対向するプロジェ クション７６Ａの各対の次のものになるにしたがって増加する。前の実施例の滑 らかなテーパーに対し、この実施例のプロジェクション７６Ａは有限な数の不連 続の位置で寸法が変化する。この実施例に維持された自由空間ＶＳＷＲは都合が 良い。 図１２および１３に示した実施例をさらに変形したものが図１４および図１５ に示す実施例である。この実施例はさらに図１０および１１の実施例と同様な方 法で固定された誘電性窓８０を備える。 マイクロウエーブ機器を特に高出力で作動したときに、その機器は望ましくな いマイクロウエーブ放射の漏れを防ぐために適切に密封または遮蔽される必要が あることを理解すべきである。さらに、効果的に遮蔽をすることは有用な周波数 レンジが広くなるにしたがって困難になるということを認識すべきである。例え ば、２．４５ＧＨｚの固定周波数で作動する一般的なマイクロウエーブオーブン は、高い周波数では無能になるような共鳴する機械的チョークを用いることによ って漏れを最小にする。本願発明の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置は５％ 帯域幅より大きな周波数レンジで作動するので、従来のマイクロウエーブ技術に 用いられているマイクロウエーブシール技術は個人の安全および通信接続の要求 には合致しないことが判明している。 図１６は改良されたビューポート９２の正面図であり、そのビューポートはマ イクロウエーブ空洞３４内のサンプルの状態を視覚で観察するためのものである 。ビューポート９２は「蜂の巣状」の金属フィルター９４を備えており、そこで は６角形セル(hex-cell)の直径はその深さに比べると小さい。例えば、約０.１ ５５ｃｍ（約０.０６１インチ）の直径に対し約２.５４ｃｍ（１.０インチ）厚 さである１つの適切な関係がわかっている。この構成は２０ＧＨｚほどの高い周 波数で少なくとも２５０ｄＢの減衰を生じさせる。このフィルター９４は溶解石 英のような透明硝子の対向するプレート９６の間に置かれていてビューポート９ ２用のマイクロウエーブシールを構成する。 空洞ドア９８のマイクロウエーブシールは個人および通信の両方の保護にも不 可欠のものなので、４段のマイクロウエーブシール１００が本願発明においては 図１７、より明らかには図１７Ａに示すように設けられている。２つのリングシ ール１０２、１０４が空洞３４に突出し、一方のリング１０２はドア９８に取り 付けられており、他方のリング１０４は空洞３４の内側のマイクロウエーブファ ーナス３２に取り付けられている。リング１０２、１０４の間の空間は特に４Ｇ Ｈｚより低い周波数でのカットオフ導波管として機能する。測定したことのある 適切な空間の１つは約０．１５ｃｍ（０．０６インチ）である。空洞３４の内側 のマイクロウエーブファーナス３２から保持されたリングシール１０４はベリリ ウム銅のような圧縮性ストリップ１０６を有しており、それは図示された実施例 においては１０ＧＨｚで７０ｄＢを越える減衰を与える。ドア９８に保持された リングシール１０２はドア９８が閉じられるとストリップ１０６を圧縮する。空 洞３４のドア開口１１２２の周囲に保持されたものはモネルメッシュのような圧 縮性ストリップであり、それはわずかに圧縮するドアストップとして用いられる 。望ましい実施例のモネルメッシュ１０８は１０ＧＨｚでさらに８０ｄＢの減 衰を与える。最後に、空洞３４の圧縮性ストリップ１０８の周囲にあるのは圧縮 性ストリップ１１０で、それは概略「ｅ」形状の断面を画定する。その望ましい 実施例の圧縮性ストリップ１１０はカーボン充填のシリコンエラストマーストリ ップで、１０ＧＨｚでさらに７５ｄＢの減衰を与えるために用いられる。ビュー ポート９２およびドア９８の閉鎖のシールドの正味の結果は、マイクロウエーブ の検出できる程度の漏れが、２.５から１７.５ＧＨｚまでの間のどの周波数でも 可変周波数マイクロウエーブ加熱装置から測定されないというものである。安全 レベルの０．００１と同じ程度の大きさでさえもマイクロウエーブの漏れは検出 されなかった。当業者は、上述のマイクロウエーブシール構造は、密閉すべきお よび／または遮蔽すべき出力レベルおよび周波数レンジに応じて上述の技術を様 々に組み合わせたものをかなり用いることを認識すべきである。 図１８に示すものは本願発明の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置１０の他 の実施例である。その実施例においては、周波数可変同軸マグネトロンのような 高出力発振器１１４が、上述の実施例のマイクロウエーブ発振器１４、プリアン プ出力制御装置１８およびＴＷＴ２０の代わりに用いられている。この望ましい 実施例のマグネトロン１１４はその中心周波数の少なくとも５％の利用可能な帯 域幅を持つ。マグネトロン１１４は、手動で、または、望ましくは、閉ループ電 圧利用のフィードバック制御装置を介してのいずれかによって周波数制御される 。そのようなフィードバック制御装置においては、低レベル（０乃至１０Ｖ）の 信号を用いてマグネトロン１１４のサーボ機構を達成し、それは、そのマグネト ロンの同軸空洞内のプランジャープレートを正確に再配置することによって、そ のマグネトロン１１４を一方の周波数から他方の周波数へと「同調」する。 必要な帯域幅への限定要因をよりよく決定するために、約３０.４８×３０.４ ８×２５.４ｃｍ（１２×１２×１０インチ）の矩形のマイクロウエーブ空洞３ ４の理論上のモデルを構成して、それを４乃至６ＧＨｚの周波数レンジにわたっ て空洞３４に維持することができるような共鳴モードの数を決定するために用い た。これらの計算の結果は、空洞３４内において、それが小さくとも、４乃至６ ＧＨｚの周波数レンジでさえもそれにわたって起こり得る空間的に接近したモー ド（単一の周波数ではときには３乃至４）の極端な数（６００を越える） が存在することを明らかに実証した。それらの結果はモード密度対周波数として 図１９にグラフとして示す。それらの結果から、中央周波数の５％程度の小さな 帯域幅はいくつかの場合には十分なモード複数を提供してマイクロウエーブ空洞 ３４に比較的均一なエネルギー分布を提供することができることが明らかである 。 その論理上のモデルを用いて、出力強度はマイクロウエーブ空洞の水平方向中 央平面に沿った様々な点における位置の関数として計算された。調べた第１のケ ースは５ＧＨｚの中央周波数を仮定した。図面に示すように、パーセント帯域幅 が減少すると、出力分布は段々と均一ではなくなり、帯域幅は高および低周波数 の間の差を中央周波数で分割されたものとして画定される。つまり、（ｆ_high− ｆ_low）／ｆ_centerである。 約１０％より大きな帯域幅の出力強度はかなり均一であるが、その出力強度は ５％の帯域幅に対しては幾分か均一ではない。第２の場合は１５ＧＨｚの中央周 波数を仮定し、出力強度を４０％から１．３％まで下がる帯域幅レンジに対しマ ッピングを行った。その場合には、２．５％程度の低い帯域幅に対しては、その 出力強度は前の場合と比べて非常に均一であった。帯域幅がさらにわずか１.３ ％まで減少したとしても、出力強度は多くのマイクロウエーブ加熱の適用に対し て十分に均一であった。 図２０Ａ−Ｄは上記の理論上のモデルおよび５ＧＨｚの中央周波数を用いた出 力マップを示す。その状況で用いた出力マップは三次元のグラフで、マイクロウ エーブ空洞３４を横切る様々な点での出力を示す。出力はｚ座標軸線として示し てあり、ｘおよびｙ座標軸線はマイクロウエーブ空洞３４の床面である。各々の マップの帯域幅は５％、１０％、２０％および４０％である。マイクロウエーブ 空洞３４の全体の出力分布は帯域幅が増加するにつれてより等しくなる。 同様に、図２１Ａ−Ｆは同一の理論上のモデルおよびｃ１５ＧＨｚの中央周波 数を用いた場合の出力マップを示す。それぞれの帯域幅は１.３％、２.５％、５ ％、１０％、２０％および４０％である。また、１.３％の帯域幅に関しては、 出力分布はポイントごとに顕著に変化する。しかし、４０％の有用な帯域幅の場 合には、出力分布は実質的に滑らかである。 理論上の結果はマイクロウエーブ空洞３４内で感熱紙を用いて正確さを証明す るために試験された。その際マイクロウエーブ源１２が理論つけられたものから 選択された。高出力分布を持つ位置またはホットスポットは感熱紙をブラウンに 変えるが、冷たいスポットは感熱紙を白のままに残した。それらの結果は上述の 理論上の試験の結果と確認された。 さまざまな望ましい実施例を図示するとともに説明し、さらに、組み立てて試 験を行った幾つかの実施例を特に図示したが、そのような記述は開示を限定する ことを意図するものではなく、むしろ、請求の範囲に規定した発明またはそれら と均等なものの意図および範囲に入るすべての変形および別の方法をカバーする ものと理解すべきである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 ＥＰ(ＡＴ，ＢＥ，ＣＨ，ＤＥ， ＤＫ，ＥＳ，ＦＲ，ＧＢ，ＧＲ，ＩＥ，ＩＴ，ＬＵ，Ｍ Ｃ，ＮＬ，ＰＴ，ＳＥ)，ＯＡ(ＢＦ，ＢＪ，ＣＦ，ＣＧ ，ＣＩ，ＣＭ，ＧＡ，ＧＮ，ＭＬ，ＭＲ，ＮＥ，ＳＮ， ＴＤ，ＴＧ)，ＡＰ(ＫＥ，ＭＷ，ＳＤ，ＳＺ，ＵＧ)， ＡＭ，ＡＵ，ＢＢ，ＢＧ，ＢＲ，ＢＹ，ＣＡ，ＣＮ，Ｃ Ｚ，ＥＥ，ＦＩ，ＧＥ，ＨＵ，ＩＳ，ＪＰ，ＫＧ，ＫＰ ，ＫＲ，ＫＺ，ＬＫ，ＬＲ，ＬＴ，ＬＶ，ＭＤ，ＭＧ， ＭＮ，ＭＸ，ＮＯ，ＮＺ，ＰＬ，ＲＯ，ＲＵ，ＳＧ，Ｓ Ｉ，ＳＫ，ＴＪ，ＴＴ，ＵＡ，ＵＧ，ＵＺ，ＶＮ (72)発明者 ジョンソン、アーヴァイド・シー アメリカ合衆国、ノース・カロライナ州 27513、ケアリ、ロック・プヮント・レー ン 100 (72)発明者 シグペン、ラリー・ティー アメリカ合衆国、ノース・カロライナ州 27501、アンジア、ウェストゲイト・サー クル 408

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 選択された材料を処理し、該選択された材料を処理するためのマルチモード 空洞を画定するマイクロウエーブファーナスを備える可変周波数マイクロウエー ブ加熱装置であって、 選択された波形、周波数および振幅を持つ信号を発生するマイクロウエーブ 信号発生器と、 該信号発生器から発生された前記信号を増幅し、選択された周波数レンジ内 のマイクロウエーブを生成するとともに中央周波数を画定し、前記マイクロウエ ーブは選択された大きさに関連する出力を持つ、第１信号増幅器であって、前記 中央周波数の少なくとも５パーセントの有用な帯域幅を持つマイクロウエーブ電 子機器を備える第１信号増幅器と、 該第１信号増幅器に電力を供給する電力供給手段と、 前記第１信号増幅器によって生成された前記マイクロウエーブを前記マイク ロウエーブファーナスに伝達する伝達手段とを備える可変周波数マイクロウエー ブ加熱装置。 ２ 請求項１の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置において、前記マイクロウ エーブ電子機器は、進行波管、ツワイストロン、クライストロン、交差フィール ド増幅器およびジャイロストロンからなるグループから選択される装置。 ３ 請求項１の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置において、前記電力供給手 段は調整可能であり、これにより、前記信号発生器から発生した前記信号の前記 振幅を選択的に変調することができる装置。 ４ 請求項１の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置において、さらに、前記信 号発生器から発生した前記信号の前記振幅を選択的に変調する信号振幅制御装置 を備える装置。 ５ 請求項１の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置において、さらに、前記第 １増幅器による増幅の前に、前記信号発生器から発生した前記信号を選択的に増 幅する第２増幅器を備える装置。 ６ 請求項１の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置において、さらに、 前記第１増幅器によって生成された前記マイクロウエーブと前記マイクロウ エーブファーナスから反射されたマイクロウエーブとを指向する信号指向手段と 、 前記マイクロウエーブから反射された前記マイクロウエーブを消散する反射 負荷消散手段であって、前記マイクロウエーブファーナスから反射された前記マ イクロウエーブが関連する出力および大きさを持つ反射負荷消散手段とを備える 装置。 ７ 請求項６の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置において、前記信号指向手 段は該信号指向手段の作動の通じて蓄積された熱を消散するために冷却装置を備 える装置。 ８ 請求項６の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置において、さらに、前記マ イクロウエーブファーナスに伝達された前記マイクロウエーブに関連する前記出 力の前記大きさと、前記マイクロウエーブファーナスから反射された前記マイク ロウエーブに関連する前記出力の前記大きさとを監視するシステムモニターであ って、該可変周波数マイクロウエーブ加熱装置の効率を監視するように機能する システムモニターを備える装置。 ９ 請求項１の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置において、さらに、前記信 号発生器の選択された駆動レベルを用いて前記マイクロウエーブの空洞に供給さ れるマイクロウエーブ出力の要求レベルを達成するプリアンプを備える装置。 10 請求項１の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置において、前記伝達手段が 導波管アプリケータを備えており、該導波管アプリケータが内壁によって画定さ れた導波管を備え、該内壁が入口から出口まで滑らかにテーパー形成されていて 前記第１信号増幅器の有用な周波数帯域にわたって少なくとも３：１の自由空間 電圧定在波の比率を提供する装置。 11 請求項１０の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置において、前記導波管ア プリケータがさらに誘電性窓を備えていて、前記マルチモード空洞に大気圧では ない圧力が与えられるときに該可変周波数マイクロウエーブ加熱装置を保護する 装置。 12 請求項１１の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置において、さらに、前記 誘電性窓を冷却するための冷却装置を備える装置。 13 請求項１１の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置において、さらに、前記 導波管と前記誘電性窓との間のインピーダンス不連続性に適合するように筒状移 行部を備える装置。 14 請求項１の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置において、前記伝達手段が 導波管アプリケータを備えており、該導波管アプリケータが内壁によって画定さ れた導波管を備え、該内壁が入口から出口まで階段状にテーパー形成されていて 前記第１信号増幅器の有用な周波数帯域にわたって少なくとも３：１の自由空間 電圧定在波の比率を提供する装置。 15 請求項１４の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置において、前記導波管ア プリケータがさらに誘電性窓を備えていて、前記マルチモード空洞に大気圧では ない圧力が与えられるときに該可変周波数マイクロウエーブ加熱装置を保護する 装置。 16 請求項１５の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置において、さらに、前記 誘電性窓を冷却するための冷却装置を備える装置。 17 請求項１５の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置において、さらに、前記 導波管と前記誘電性窓との間のインピーダンス不連続性に適合するように筒状移 行部を備える装置。 18 請求項１の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置において、さらに該装置の 表面に配置されたドアと前記マイクロウエーブ信号の漏れを防ぐシールとを備え 、前記表面が開口を画定し、該開口を介して前記選択された材料が前記マルチモ ード空洞に置かれかつそれから取り出され、前記シールが、前記開口の近くにか つそれから離れて延びるように前記マイクロウエーブ内に保持された第１リング と、前記ドアから保持されて前記第１リング内に受け入れられるような寸法を持 つ第２リングと、前記第１リングと第２リングとの間に保持された圧縮性シール 部材とからなっていて前記リングが前記第１リングから受け取られるときにシー ルが形成され、少なくとも１つのガスケットが前記ドアから保持されるとともに その上に配置されて前記マルチモード空洞の前記表面と係合し、これにより、前 記ドアが閉じられた位置にあるときに前記開口を取り囲み、また、少なくとも１ つのシールが、圧縮性のあるマイクロウエーブ吸収性の重 合体の材料から作られ、かつ前記ドアによって保持されるとともにその上に配置 されて前記マルチモード空洞の前記表面と係合し、これにより、前記ドアが閉じ た位置にあるときに前記開口を取り囲む装置。 19 請求項１の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置において、前記マルチモー ド空洞がさらに処理の間に前記選択された材料を観察するビューポートを備え、 該ビューポートがマイクロウエーブシールドを組み入れていて前記マイクロウエ ーブ信号の漏れを防止する装置。 20 選択された材料を処理し、該選択された材料を処理するためのマルチモード 空洞を画定するマイクロウエーブファーナスを含む可変周波数マイクロウエーブ 加熱装置であって、 選択された波形、周波数および振幅を持つ信号を発生するマイクロウエーブ 信号発生器であって、周波数可変同軸マグネトロンであるマイクロウエーブ信号 発生器と、 該マイクロウエーブ信号発生器に電力を供給する電力供給手段と、 前記マイクロウエーブ信号発生器によって生成された前記マイクロウエーブ を前記マルチモード空洞に伝達する伝達手段とを備える可変周波数マイクロウエ ーブ加熱装置。 21 請求項２０の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置において、前記同軸マグ ネトロンが中央周波数の少なくとも５パーセントの有用な帯域幅を持つ装置。 22 請求項２０の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置において、前記電力供給 装置が調整可能で、これにより、前記マイクロウエーブ信号発生器によって発生 された前記信号の振幅を選択的に変調することができる装置。 23 請求項２０の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置において、さらに、前記 同軸マグネトロンの発振の周波数を制御するための信号周波数制御装置を備える 装置。 24 請求項２０の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置において、前記伝達手段 が導波管アプリケータを備えており、該導波管アプリケータが内壁によって画定 された導波管を備え、該内壁が入口から出口まで滑らかにテーパー形成されてい て前記同軸マグネトロンの有用な周波数帯域にわたって少なくとも３：１ の自由空間電圧定在波の比率を提供する装置。 25 請求項２４の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置において、前記導波管ア プリケータがさらに誘電性窓を備えていて、前記マルチモード空洞に大気圧では ない圧力が与えられるときに該可変周波数マイクロウエーブ加熱装置を保護する 装置。 26 請求項２５の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置において、さらに、前記 誘電性窓を冷却するための冷却装置を備える装置。 27 請求項２５の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置において、さらに、前記 導波管と前記誘電性窓との間のインピーダンス不連続性に適合するように筒状移 行部を備える装置。 28 請求項２０の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置において、前記伝達手段 が導波管アプリケータを備えており、該導波管アプリケータが内壁によって画定 された導波管を備え、該内壁が入口から出口まで階段状にテーパー形成されてい て前記同軸マグネトロンの有用な周波数帯域にわたって少なくとも３：１の自由 空間電圧定在波の比率を提供する装置。 29 請求項２８の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置において、前記導波管ア プリケータがさらに誘電性窓を備えていて、前記マルチモード空洞に大気圧では ない圧力が与えられるときに該可変周波数マイクロウエーブ加熱装置を保護する 装置。 30 請求項２９の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置において、さらに、前記 誘電性窓を冷却するための冷却装置を備える装置。 31 請求項２９の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置において、さらに、前記 導波管と前記誘電性窓との間のインピーダンス不連続性に適合するように筒状移 行部を備える装置。 32 請求項２０の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置において、さらに該装置 の表面に配置されたドアと前記マイクロウエーブ信号の漏れを防ぐシールとを備 え、前記表面が開口を画定し、該開口を介して前記選択された材料が前記マルチ モード空洞に置かれかつそれから取り出され、前記シールが、前記開口の近くに かつそれから離れて延びるように前記マイクロウエーブ内に保持された 第１リングと、前記ドアから保持されて前記第１リング内に受け入れられるよう な寸法を持つ第２リングと、前記第１リングと第２リングとの間に保持された圧 縮性シール部材とからなっていて前記リングが前記第１リングから受け取られる ときにシールが形成され、少なくとも１つのガスケットが前記ドアから保持され るとともにその上に配置されて前記マルチモード空洞の前記表面と係合し、これ により、前記ドアが閉じられた位置にあるときに前記開口を取り囲み、また、少 なくとも１つのシールが、圧縮性のあるマイクロウエーブ吸収性の重合体の材料 から作られ、かつ前記ドアによって保持されるとともにその上に配置されて前記 マルチモード空洞の前記表面と係合し、これにより、前記ドアが閉じた位置にあ るときに前記開口を取り囲む装置。 33 請求項２０の可変周波数マイクロウエーブ加熱装置において、前記マルチモ ード空洞がさらに処理の間に前記選択された材料を観察するビューポートを備え 、該ビューポートがマイクロウエーブシールドを組み入れていて前記マイクロウ エーブ信号の漏れを防止する装置。