氏名　Phadungsak Ratanadecho
学位の種類　博士（工学）
学位記番号　博甲第258号
学位授与の日付　平成14年8月31日
学位論文題目　Microwave Heating Using a Rectangular Wave Guide　（矩形導波管を用いたマイクロ波加熱）
論文審査委員
　主査　教授　青木　和夫
　副査　教授　松田　甚一
　副査　教授　白樫　正高
　副査　教授　増田　渉
　副査　助教授　門脇　敏

• 論文目次
• 論文要旨

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Nomenclature　p.1
1. Introduction　p.5
1.1 The Advantages of Microwave Heating　p.5
1.2 Microwave Heating System　p.9
1.3 Why Use a Wave Guide as an Applicator　p.11
1.4 Literature Survey　p.16
1.5 Summarizations and Objectives　p.16

2. The Electromagnetic Fields （Microwave） and Dielectric Material Interactions　p.19
2.1 Fundamental of Microwave-Dielectric Material Interactions Mechanisms　p.19
Heating dissipation　p.19
Typical microwave propagation　p.20
Frequency　p.22
2.2 Electromagnetic Fields Pattern Inside a Rectangular Wave Guide　p.24
2.3 Analytical Model of Electromagnetic Fields in TE10 Model Inside a Rectangular Wave Guide　p.27
　Assumptions　p.27
　Basic equations　p.27
　Boundary equations　p.30
　Dielectric properties　p.31
　Wavelength and penetration depth　p.31
　Reflect, transmit and absorb　p.34
　The local volumetric heat generation term　p.35
　Microwave and dielectric material interactions　p.36

3. Microwave Heating of Multi-Layered Material Using a Rectangular Wave Guide　p.38
3.1 Analysis of Electromagnetic Fields Inside a Rectangular Wave Guide　p.40
3.2 Dielectric properties　p.40
3.3 Analysis of Heat Transport Equations　p.41
　Assumptions　p.41
　Basic equations　p.41
　Boundary conditions　p.42
3.4 Numerical solution procedure　p.42
Electromagnetic fields equations and FDTD discretization　p.42
Heat transport equation and finite control volume discretization　p.43
The stability and accuracy of calculation　p.44
The iterative computational schemes　p.45
3.5 Experiment Apparatus　p.49
3.6 Results and Discussion　p.52
Microwave heating of multi-layered materials （Water-glass beads packed beds）　p.52
Microwave heating of high lossy materials （NaCl-glass beads packed beds）　p.62
3.6 Conclusions　p.72

4.Microwave Heating of Liquid Layer Material Using a Rectangular wave Guide　p.74
4.1 The Dielectric Properties of Liquid Layer　p.76
4.2 Analysis of Electromagnetic Fields Inside a Rectangular Wave Guide　p.78
Assumptions　p.78
Heat transport equations　p.78
The field flow equations　p.79
Boundary and initial conditions　p.79
4.4 Numerical Solution Procedure　p.79
Electromagnetic fields equations and FDTD discretization　p.80
Heat transport and fluid flow equations and finite control volume discretization　p.80
The stability and accuracy of calculation　p.81
The iterative computational schemes　p.82
4.5 Experimental Apparatus　p.83
4.6 Results and Discussions　p.84
Simulation of electric field inside a rectangular wave guide　p.88
The distribution of temperature and velocity fields within liquid layer　p.88
General observations of the results from prediction and experimental data　p.90
During microwave heating of liquid layer　p.101
4.7 Conclusions　p.102

5. Microwave Drying of Porous Packed Bed Using a Rectangular Wave Guide　p.103
5.1 The Dielectric Properties　p.106
5.2 Analysis of Electromagnetic Field inside a Rectangular Wave Guide　p.110
5.3 Analysis of Heat and Mass Transport　p.110
Assumptions　p.112
Mass conservation　p.112
Energy conservation　p.113
Phenomenological relations　p.113
Equilibrium relations　p.114
State Equations　p.117
Moisture transport equation　p.117
Total pressure equation　p.118
Heat Transport Equation　p.118
Boundary and initial conditions　p.119
5.4 Numerical Solution Procedure　p.120
Model discretization　p.120
The stability and accuracy of calculation　p.121
The iterative computational schemes　p.123
5.5 Experimental Apparatus　p.124
5.6 Results and Discussion　p.128
Microwave drying of porous packed bed　p.128
Combined Microwave and Convective Drying of Layered Porous Packed Bed　p.146
5.7 Conclusions　p.161
Appendix I The Basic Concept for Capillary Porous Materials　p.163
Appendix II Numerical Schemes　p.165

6.Microwave Melting of Frozen Packed Bed Using a Rectangular Wave Guide　p.170
6.1 Analysis of Electromagnetic Field Inside a Rectangular Wave Guide　p.170
6.2 Analysis of Heat Transport　p.171
Assumptions　p.171
Basic equations　p.172
Boundary conditions　p.172
6.3 Mesh Construction and Coordinate Transformation　p.172
6.4 Numerical Solution　p.175
6.5 The Iterative Computational Schemes　p.176
6.6 Experimental Apparatus　p.177
6.7 Results and Discussions　p.180
6.8 Conclusions　p.195
Appendix III　p.197

7.Overall Conclusions　p.201

Closing Remarks and Recommendations for Future Study　p.207

References　p.211

　誘電物質にマイクロ波を照射すると、物質を構成する誘電体分子は電気的平衡状態から電界の交番によって電界方向にそろえられる分極状態を繰り返し、このときに生じる分子の衝突や摩擦により誘電物質は加熱されることになる。マイクロ波を用いた加熱としては、電子レンジが一般的であるが、近年、物質の乾燥、セラミックスの焼結、食品の解凍、ハイパサーミアによる癌の温熱療法等の工業・医療分野に広く応用されている。さらに、分子の回転エネルギーの付与による化学反応の促進、宇宙空間におけるエネルギ伝搬や加熱にも有望視されており、マイクロ波加熱の利用は拡大されつつある。
　一般に、マイクロ波加熱の方法は、マイクロ波のランダムな散乱を含むオーブン方式と一定の波を伝播する導波管方式に分けられる。前者のオーブン方式が実用上多く用いられるため、これまでオーブン方式を用いた研究が多く行われてきているが、無数の多重反射を生じるためマイクロ波の挙動を直接に捉えることは困難であり、平面波として一次元的に取り扱った研究がほとんどである。このため、透過・反射・吸収をともなうマイクロ波の挙動と物体加熱の特性との関連性は不十分であり、電磁場と熱の複合的な取り扱いのもとでマイクロ波加熱の特性を明確にすることが重要となっている。
　この観点から、本研究では電磁場が制御された導波管方式を用い、マイクロ波加熱の基礎を確立するとともに、電磁場と熱の相互作用を含む物体加熱の特性を明らかにする。また、気体や固体に比べて双極子をもつ液体で誘電損が非常に大きくなり、マイクロ波の吸収はほとんど液体で生じる特性を利用して、水分を含む物質の乾燥や凍結物質の融解にマイクロ波加熱を拡張し、選択的特性の有用性について明らかにする。
　本論文は、「Microwave Heating Using a Rectangular Wave Guide」（矩形導波管を用いたマイクロ波加熱）と題し、7章より構成されている。
　第1章「緒論」では、本研究の背景と工学的意義について述べ、ついでマイクロ波加熱に関する従来の研究を概観するとともに、本研究の目的を述べている。
　第2章「マイクロ波と誘電物性」では、マイクロ波加熱の基礎として、導波管内の電磁場の取り扱い、誘電物性とマイクロ波の関係、平面波としてマイクロ波の浸透深さについて述べている。
　第3章「多層物質におけるマイクロ波加熱」では、矩形導波管内に設置された試料物体に対し、マイクロ波の透過・反射・吸収による加熱特性の全般を明らかにしている。特に、透過波と反射波の干渉によるマイクロ波の相殺および共振が重要であり、加熱試料に補助物体を設置した多層構造により加熱特性を制御できることを明らかにしている。
　第4章「液体のマイクロ波加熱」では、マイクロ波による水の加熱において表面張力流の効果が大きいことを明らかにし、誘電物性が大きく異なる水とNacl水溶液の加熱に対し、流動特性および加熱特性の違いを誘電物性と関連づけて明らかにしている。
　第5章「マイクロ波加熱による多孔質層の乾燥」では、気液の相変化を含むマイクロ波加熱の乾燥を取り扱い、乾燥にともなう層内の水分分布の変化により透過波と反射波の干渉過程が変化し、対応して層内の温度分布および乾燥速度が時間的に変化すること、そして、層内で両波が共振するときマイクロ波の入射量が極大となり、周期性をもつことを明らかにしている。また、異なる粒子径の2つの層からなる成層構造の違いが乾燥過程に及ぼす影響についても明らかにしている。
　第6章「マイクロ波加熱による融解」では、固液の相変化を含むマイクロ波加熱による融解過程を取り扱い、水と氷が異なる成層構造をなす系に対して、融解方向および融解速度に及ぼす成層構造の影響を明らかにし、最適化に対する指針を与えている。
　第7章「結論」では、本研究の各章で得られた結論を総括している。