JP2005049009A - 加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 均一で効率の高いマイクロ波加熱により、十分な加熱処理量が得られる改善されたマイクロ波加熱装置を提供する。
【解決手段】 被加熱物Ｗを所定の処理温度に昇温する働きを担う第１の加熱炉１と、被加熱物Ｗを所定の処理温度に保持する第２の加熱炉２を用い、短時間に効率よく多くの加熱処理を行うことができる。加熱装置は、加熱炉１，２内にシート状被加熱物Ｗを順次通過させる移送手段３を具備する。第１の加熱炉１はマイクロ波共振空胴４には、導波管６からマイクロ波が導入され、内部にｚ方向に一定の電界が生じる。共振空胴４内に導かれたマイクロ波を被加熱物Ｗに照射するために、入口７ａと出口８ａを通して被加熱物Ｗをｘ方向に移動させる。被加熱物Ｗは、加熱炉１内において短時間で急速に加熱され、均一に所定の処理温度に達するので、加熱処理量の増加が図れる。
【選択図】図１

Description

この発明は、マイクロ波を利用した加熱装置に係り、特に、シート状被加熱物の均一加熱及び高効率加熱に関する。

マイクロ波加熱は被加熱物の温度を急速に上げることができるという特徴があり、家庭用電子レンジのほか、工業用加熱装置の分野で広く使用されている。この理由は、マイクロ波電力が、被加熱物そのものに吸収され、直接、被加熱物を昇温することに基づいている。
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、温風が流れる加熱乾燥装置内をベルトに乗せて移送する間に、マイクロ波を上方から照射して乾燥させるものである。しかしながら、この方式は、マイクロ波の波長に対応する多くの山と谷があるような高次のモードの波を照射しシートの移動に伴ってほぼ均一な加熱を得ることを意図するものであり、また、シート面上のマイクロ波電界強度自体が必ずしも大きくないので、均一で効率の良いマイクロ波加熱を得ることは出来ず、熱風との併用で乾燥の目的を果たしているにすぎない。このようなマイクロ波加熱を以下、従来のマイクロ波加熱と呼ぶことにする。一般に従来のマイクロ波加熱方式では、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２には、マイクロ波の強度をリング共振器を用いて増強する例が記載されている。マイクロ波はこのリング状の伝送回路に結合され何度も迂回して、リング迂回部で増強される。シートはこの迂回部分を通過する。しかしながら、この方式では、マイクロ波源が接続されている主回路から一部のマイクロ波のみがリング迂回部に結合され、また、リング迂回部に結合されたマイクロ波の一部がリング迂回部を一回りした後、元の主回路に戻されるので、かなりの部分のマイクロ波は主回路の終端に接続されたダミーで消費されてしまい、加熱に関与しない。したがって効率が良くない。このため、マイクロ波によるさらに高効率で均一な加熱を望む声は極めて強い。
特開平７−２９４１２２号公報 特開平７−１９５６８３号公報

この発明は、上記のようなマイクロ波加熱における問題を解決すると共に、その利点を生かし、従来の加熱方式による不都合を解決して、均一で高効率加熱を達成でき、しかも十分な加熱乾燥の処理量が得られ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。

この発明は、被加熱物Ｗを所定の処理温度に昇温する働きを担う第１の加熱炉１と、被加熱物Ｗを所定の処理温度に保持する第２の加熱炉２を用いることにより、短時間に効率よく多くの加熱処理を行うことができる複合の加熱炉構造体としての加熱装置を提供する。加熱装置は、第１及び第２の加熱炉１，２内にシート状被加熱物Ｗを順次通過させる移送手段３を具備する。第１の加熱炉１はマイクロ波共振空胴４を備える。マイクロ波共振空胴４内に一定方向ｚに一定の電界を生じるように、空胴４の一の側壁５に結合された導波管６からマイクロ波が空胴４内へ導入される。第１の加熱炉１は、共振空胴４内に導かれたマイクロ波を被加熱物Ｗに照射できるように、被加熱物Ｗを一定方向と直交方向ｘに移動させるための入口７ａと出口８ａとを有する。

本発明においては、被加熱物Ｗが、マイクロ波共振空胴４を用いた第１の加熱炉１内において短時間で急速に加熱され、均一に所定の処理温度に達するので、加熱処理量の増加が図れる。第１の加熱炉１は、小型のマイク波共振空胴４で構成できるので、省スペースと省エネルギー効果が得られる。

図において、加熱装置２１は、第１の加熱炉１、第２の加熱炉２、第１及び第２の加熱炉１，２内にシート状被加熱物Ｗを順次通過させる移送手段３を具備する。被加熱物Ｗは、水のようなマイクロ波損失の大きい物質を含んだ紙のようなｙ方向に薄い物体である。被加熱物Ｗは、第１及び第２の加熱炉１，２内を横断する長尺のシート、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。

第１の加熱炉１は、マイクロ波共振空胴４を備える。マイクロ波共振空胴４は、８つの矩形の側壁を備えたほぼ直方体状の金属製箱体からなる。共振空胴４内には、側壁５に結合された導波管６からマイクロ波が導入される。空胴４内には、図３に示すように、ｚ方向に一定の強い電界が生じる。空胴４のｘ方向の平行一対の側壁７，８には、被加熱物をｘ方向に通過させるための入口開口７ａと出口開口８ａとを有する。被加熱物Ｗは、ベルトコンベアあるいは巻き取り装置のような移送手段３によって入口開口７ａと出口開口８ａを通って加熱炉１内を横断する間に均一なマイクロ波が発生している空間を通り、一様に所定の処理温度まで昇温する。

図示の実施形態においては、第１の加熱炉１が、共振空胴４を１個有するが、被加熱物Ｗを所定温度まで昇温させるのにマイクロ波電力が不足する場合には、必要に応じて、複数の共振空胴４を並べた集合体として第１の加熱炉１を構成することができる。この場合、シート状被加熱物Ｗが第１の加熱炉１を構成する全ての共振空胴４を通過したときにちょうど所定の処理温度になるようにする。

図１、図２において、第２の加熱炉２は、第１の加熱炉１の側壁８に隣接して配置される。第１の加熱炉１と第２の加熱炉２とはできるだけ近接して配置される。第２の加熱炉２は、複数のマイクロ波共振空胴９，１０，１１・・・ｎの集合体として構成されている。各共振空胴９，１０，１１・・・ｎは、直方体状でｙ方向の一の側壁１６には、導波管１７が結合される。導波管１７により、各共振空胴９，１０，１１・・・ｎ内にそれぞれマイクロ波が導かれる。各共振空胴９，１０，１１・・・ｎ内には、ｘ方向に一定の電界を生じる。各共振空胴９，１０，１１・・・ｎの対向する側壁１３，１４は、第１の加熱炉１の出口開口８ａに対応する開口１３ａ，１４ａを備える。

シート状被加熱物Ｗは、１３ａ，１４ａを通って、第２の加熱炉２を構成する全ての共振空胴９，１０，１１・・・ｎを通過するように移送される。共振空胴９，１０，１１・・・ｎ内のマイクロ波電力は、シート状被加熱物Ｗが、ほぼ所定の処理温度を第２の加熱炉２の全体にわたって維持するように設定されている。第１の加熱炉１を構成する共振空胴４に供給されるマイクロ波電力は、第２の加熱炉を構成する共振空胴９，１０，１１・・・ｎに供給されるマイクロ波電力より大きく設定される。図示しないが、必要に応じて、第１及び第２の加熱炉１，２内の被加熱物Ｗの温度をセンサでモニタし、センサの出力信号をマイクロ波電源の制御装置に帰還し、マイクロ波出力を制御することによって被加熱物Ｗの温度を管理することができる。加熱目的が乾燥の場合、第１及び第２の加熱炉１，２に、被加熱物Ｗから発生する蒸発物を排気するための排気装置を設ける。

シート状被加熱物Ｗに含まれる水等が蒸発し終わるには、ある程度の時間、所定の処理温度を維持する必要があるので、蒸発速度が遅い場合には、第２の加熱炉２のｘ方向の長さを、第１の加熱炉１に比べてかなり長くし、共振空胴９，１０，１１・・・ｎ数をより多く設定する必要がある。また、水が蒸発するには蒸気圧を低く保つ必要があるので、蒸発物の十分な排気も重要である。

第２の加熱炉は、上記のような共振空胴を複数個並べた構造である必要はない。また、マイクロ波電力を用いた加熱炉でなくてもよい。すなわち、従来のマイクロ波照射方式や、温風炉、あるいはこれらを協働させる加熱炉を第２の加熱炉２とし、それの入口側に隣接して、第１の加熱炉１を配設した構造でもよい。この場合、第１の加熱炉１を付加する改善によって、シート状被加熱物Ｗの移動速度を高めることができ、加熱処理量を増加できるという利点がある。

上記実施形態において、所定の処理温度は通常、沸点の５割から６割程度とする。この温度は比較的低いので、第１の加熱炉１は１台の共振空胴４で十分である。被加熱物Ｗの熱容量が小さい場合には、必要なマイクロ波電力も1kW程度以下でよい。シートの移動速度が大きい場合には、第１の加熱炉１を複数の共振空胴で構成し、またマイクロ波の出力も大きくする必要がある。

第１の加熱炉１がない、従来型の加熱炉の場合、被加熱物Ｗは室温以下の温度で炉内に入り、移動しながら徐々に加熱され、炉内をある長さだけ進んだ後、時には終端にかなり近いところで所定の処理温度に達する。蒸発は温度が高いほど早いので、加熱炉の入口ですでに処理温度に高まっていることが望ましい。第１の加熱炉を使用する目的はこの要求を実現するためである。このような従来型の加熱炉を第２の加熱炉２とし、これに第１の加熱炉１を付設する場合、第１の加熱炉１の移動方向（ｚ方向）の長さは１５cm程度以下になるので、加熱装置の全長のわずかな増加で、所定処理温度までの初期加熱を効率的に行うことができ、第２の加熱炉２の全長にわたって有効に所定の処理温度での加熱ができる。加熱装置２１内の被加熱物Ｗの温度変化を図４に示す。被加熱物Ｗは、第１の加熱炉１内において短時間で急速に加熱されて所定の処理温度に達し、第２の加熱炉２内において所定時間所定の処理温度に維持され、この間に乾燥処理が完了する。この場合、シート状被加熱物Ｗの移動速度を従来型加熱炉のみ使用する場合のほぼ３倍近い値に設定することができる。なお、第２の加熱炉２内における処理温度は、第１の加熱炉１において加熱された所定の温度をさらに上昇させるものであってもよい。図４において破線部分は従来の加熱炉における温度変化の一例を示す。

第２の加熱炉２を共振空胴９，１０，１１・・・ｎの集合体として構成する場合（全共振空胴方式）、共振空胴を２０個程度並べても、全長は３m程度に収まる。全共振空胴方式の大きい利点は、エネルギー効率を大幅に高めることができることである。

この発明は、例えば、水を含浸するシート状の被加熱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。

加熱装置の構成を示す概略的斜視図である。 装置の一部を切り欠いた概略的正面図である。 第１の加熱炉内の電磁波の状態を説明する断面図である。 従来の加熱装置とこの発明の実施形態の加熱装置における被加熱物の温度変化の違いを示すグラフである。

符号の説明

１ 第１の加熱炉
２ 第２の加熱炉
３ 移送手段
４ マイクロ波共振空胴
５ 側壁
６ 導波管
７ 側壁
７ａ 入口開口
８ 側壁
８ａ 出口開口
９，１０，１１・・・ｎ マイクロ波共振空胴
１２ ケース

Claims (6)

1. シート状被加熱物をマイクロ波によって所定の処理温度近傍まで昇温するための第１の加熱炉と、
   この第１の加熱炉によって所定の処理温度近傍まで昇温した前記被加熱物を所定時間、予め設定された温度範囲に維持する第２の加熱炉と、
   前記第１及び第２の加熱炉内に前記シート状被加熱物を順次通過させる移送手段とを具備し、
   前記第１の加熱炉は、空胴内の一定方向に一定の電界を生じるように、空胴の一の側壁に結合された導波管からマイクロ波が空胴内へ導入されるマイクロ波共振空胴を備えると共に、この共振空胴内で生じたマイクロ波を前記被加熱物に一様に照射すべく前記被加熱物を前記共振空胴内で一定方向と直交方向に移動させるための入口と出口とを有することを特徴とする加熱装置。
2. 前記第２の加熱炉が、マイクロ波加熱によって前記シート状被加熱物を前記処理温度に近い温度に維持する加熱炉であることを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
3. 前記第２の加熱炉が、熱風等のマイクロ波加熱以外の加熱手段を用いた加熱炉であることを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
4. 前記第２の加熱炉が、マイクロ波による加熱手段と、熱風等の他の加熱手段とを併用する加熱炉であることを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
5. 前記シート状被加熱物に対し非接触で温度を計測する温度計測手段を具備し、この温度計測手段の出力を受けてマイクロ波発振器の出力を制御する制御装置をさらに具備することを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
6. 前記第１及び第２の加熱炉が、加熱によって前記シート状被加熱物から発生する蒸発物を排気するための排気装置を具備することを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。

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