JP2005127555A - マイクロ波乾燥装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 高出力のマイクロ波出力を継続して投射し、水分を含有する被乾燥物を短時間で加熱乾燥させることができるマイクロ波乾燥装置を提供すること。
【解決手段】 マイクロ波加熱炉１１内を通るようにしてマイクロ波加熱炉１１の内外を連通させたマイクロ波透過性材からなる給水パイプ１６を備え、被乾燥物１０の水分減少に応じて給水パイプ１６に供給する水によりマイクロ波を吸収させ、過剰加熱による焦げやプラズマ放電を防ぐ構成となっている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、水分や溶剤などを含有する被乾燥物にマイクロ波を投射して乾燥させるマイクロ波乾燥装置に関する。

マイクロ波加熱炉内でマイクロ波を被乾燥物に投射し、加熱乾燥させる場合、被乾燥物に含有する水が沸点まで昇温した後、水分蒸発する。
被乾燥物は水分蒸発によって乾燥が進み、水分がほとんど蒸発したときに乾燥物となる。

したがって、被乾燥物の水分が抜けて乾燥物となった後にマイクロ波投射を続けると、過剰な加熱状態となり、乾燥物が焦げる原因となる。

マイクロ波加熱炉を減圧するマイクロ波乾燥装置についてはプラズマが発生する場合がある。
加熱炉内の真空度を上げるほどプラズマが発生し易くなる他、真空の場合には、熱伝導性が悪いためにプラズマの温度が下がり難く、プラズマが発生すると、乾燥物だけでなく、加熱炉にもダメ−ジを与える場合がある。

具体的には、プラズマの温度が数千度に達するため、乾燥物が焦げるだけではなく、プラズマによって加熱炉自体に孔があくことがある。
このような場合には、電波漏洩による妨害電波や人体への影響が問題となる。

一方、一般的にマイクロ波加熱は、誘電損失で発熱させるため、加熱対象物の電気的特性である誘電損失係数が高いほどマイクロ波エネルギ−が熱変換し易い。

また、加熱対象物の含有物の蒸発によりマイクロ波吸収特性が変化する場合がある。
マイクロ波吸収特性が高く変動するとプラズマは発生しないが、その吸収特性が低く変動するとプラズマ発生の可能性が高くなる。

したがって、水分を含んだ被乾燥物をマイクロ波乾燥させる場合、図４に示したように、水分を多く含んでいるときの蒸発は速いが、乾燥が進むにつれて蒸発が非常に遅くなる。

また、被乾燥物の誘電損失係数が低い場合は、図５に示すように、マイクロ波の入射エネルギ−（マイクロ波出力Ｐｆ）に対する反射エネルギ−（マイクロ波の反射波Ｐｒ）の割合が高くなり、プラズマが発生し易い状況になる。

逆に、被乾燥物の誘電損失係数が高い場合は、含水率が低くなると急激に温度上昇が始まり、焦げの原因となる。

上記した実情から、従来のマイクロ波乾燥装置の乾燥では、被乾燥物がある程度水分を含んだ乾燥過程でマイクロ波投射を終了させ、その後、他の熱源で長時間加熱して乾燥させる方法がとられている。

また、図６に示したように、乾燥途中でマイクロ波出力Ｐｆを切換えて段階的にマイクロ波出力を低く設定するものや、乾燥初期からマイクロ波出力を低く設定するマイクロ波乾燥装置がある。

しかし、乾燥過程でマイクロ波投射を終了し、その後に他の熱源で乾燥させる乾燥方法では、他の熱源での乾燥時間が長くなるため、短時間で乾燥処理ができない。

また、乾燥途中でマイクロ波出力を低下させるように切換えたり、乾燥初期から低いマイクロ波出力を投射させるマイクロ波乾燥装置においては乾燥時間が長くなる。

マイクロ波加熱による乾燥では、過剰に加熱すると乾燥物に焦げが生じたり、プラズマが発生する原因となる。

したがって、多くの被乾燥物を乾燥処理する場合、水分値の低い被乾燥物が混入しているときにそのような問題を引き起こす可能性が高いが、乾燥処理前に被乾燥物の温度や水分値を正確に管理することが非常に大切である。
特開平４−３６０６４６号公報

マイクロ波の過剰加熱によって生ずる被乾燥物の焦げやプラズマ放電などを防ぎ、短時間で乾燥処理することができるマイクロ波乾燥装置を提供する。

本発明は第１の発明として、水分などを含有する被乾燥物をマイクロ波加熱炉によって乾燥させるマイクロ波乾燥装置において、マイクロ波加熱炉内に水などの流体を流通させる流体流通手段を設け、一定出力のマイクロ波を継続して投射し、被乾燥物の水分減少に応じて前記流体によりマイクロ波を吸収させる構成としたことを特徴とするマイクロ波乾燥装置を提案する。

第２の発明は、上記した第１の発明のマイクロ波乾燥装置において、流体流通手段は、マイクロ波加熱炉内を通るようにしてマイクロ波加熱炉の内外を連通させたマイクロ波透過性材のパイプを備え、このパイプによって流体を供給する構成としたことを特徴とするマイクロ波乾燥装置を提案する。

第３の発明は、上記した第１又は第２の発明のマイクロ波乾燥装置において、流体として水またはオイルを使用することを特徴とするマイクロ波乾燥装置を提案する。

第４の発明は、上記した第１〜第３の発明のいずれかのマイクロ波乾燥装置において、流体は被乾燥物の乾燥条件にしたがって、供給量を変える構成としたことを特徴とするマイクロ波乾燥装置を提案する。

第５の発明は、上記した第１〜第４の発明のいずれかのマイクロ波乾燥装置において、マイクロ波加熱炉から排水された流体の温度を検出する温度検出センサ−を設け、この温度検出センサ−の検出信号に応じて流体の供給量、マイクロ波の出力などを調整する構成としたことを特徴とするマイクロ波乾燥装置を提案する。

第６の発明は、上記した第１〜第５の発明のいずれかのマイクロ波乾燥装置において、減圧したマイクロ波加熱炉内で被乾燥物を乾燥させる構成としたことを特徴とするマイクロ波乾燥装置を提案する。

本発明のマイクロ波乾燥装置は、被乾燥物に高出力のマイクロ波を継続して投射させて乾燥させることができる。
具体的には、被乾燥物の乾燥が進むにつれて被乾燥物の絶対重量の減少に比例してマイクロ波の吸収が減少するが、過剰な加熱とならないようマイクロ波加熱炉内に流通させた流体が余分なマイクロ波を吸収する。

この結果、過剰加熱による乾燥物の焦げやプラズマ放電などが生じることなく、高出力のマイクロ波を継続して投射し、短時間で乾燥させることができるマイクロ波乾燥装置となる。

マイクロ波加熱炉内にマイクロ波を吸収する水などの流体を流通させる流体流通手段を設ける。
被乾燥物に高出力のマイクロ波を継続して投射する。
被乾燥物の水分減少に応じてマイクロ波が前記流体によって吸収される。

図１は、常圧乾燥式としたオ−ブンタイプマイクロ波乾燥装置を示す構成図である。
この図において、１１は断熱構造としたマイクロ波加熱炉で、この加熱炉１１内には、被乾燥物１０を載せて回転させるタ−ンテ−ブル１２が設けてある。

タ−ンテ−ブル１２は、モ−タを備えるテ−ブル駆動部１３によって回転駆動する。
１４はマイクロ波発振器で、導波管１５の先端部より加熱炉１１内にマイクロ波を投射する。

１６は流体流通手段を構成する給水パイプで、これはマイクロ波透過性材、例えば、テフロン（登録商標）材で形成してある。
この給水パイプ１６は加熱炉１１の底面側に横設するように、加熱炉１１の一側端部から他側端部に向かって加熱炉１１を貫通させてある。

給水パイプ１６には、その供給側１６ａより供給した水を排水側１６ｂより排出する。
すなわち、一種の冷却機であるチラ−１７より送られる水を調節弁１８で流量調節して給水パイプ１６に送り、また、排水側１６ｂより排水された水をチラ−１７に帰還させる流体流通手段となっている。

なお、本実施例では、給水パイプ１６の供給側１６ａと排水側１６ｂに給水の温度を測定する温度センサ−１９ａ、１９ｂを設け、これら温度センサ−１９ａ、１９ｂの測定信号に応じて給水量、マイクロ波出力などを制御する。

一方、マイクロ波加熱炉１１の底面側には、リタ−ンダクト２０に接続した耐熱型の循環ファン２１、加熱ヒ−タ２２、温度センサ−２３によって構成した熱風発生機（熱交換機）が配備してある。

この熱風発生機の循環温度は予め設定した温度（例えば、１００°Ｃ）になるように温度センサ−２３の検出信号にしたかってコントロ−ルする。
上記した熱風発生機は、マイクロ波加熱炉１１内の雰囲気温度を水が結露しない程度まで上げる。
つまり、マイクロ波加熱炉１１の雰囲気温度は、温度センサ−２３の検出信号にしたがって加熱ヒ−タ−２２をコントロ−ルして所定の範囲に調節する。

また、マイクロ波加熱炉１１の天井部に設けた排気ダクト２４は、加熱炉１１内の水蒸気を排出するもので、手動式ダンパ−により排気量を調節する構造としてある。

上記のように構成したマイクロ波乾燥装置は、被乾燥物１０をタ−ンテ−ブル１２に載せるようにマイクロ波加熱炉１１内に入れた後、熱風発生機を動作させてマイクロ波加熱炉１１内の雰囲気温度を上げ、その雰囲気温度を所定の範囲に調節する。

続いて、チラ−１７を動作させ、調節弁１８で給水量を調節して給水パイプ１６に水を供給し、水を循環させる。
そして、被乾燥物１０の温度を均一化させるためにタ−ンテ−ブル１２を回転させると共に、マイクロ波発振器１４を発振させてマイクロ波をマイクロ波加熱炉１１内に投射させる。

被乾燥物１０はマイクロ波の投射により加熱され、水の沸点温度まで上昇し、その後に乾燥が進行する。
乾燥が進むと水分が無くなる分だけ被乾燥物１０の体積量が減少するため、通常であれば過剰な加熱になり焦げやプラズマ放電が発生し易すい状態となるが、本実施例では給水パイプ１６を流れる水によってマイクロ波が吸収されることから、高出力のマイクロ波を維持したまま被乾燥物１０の水分を除去することができる。

なお、給水パイプ１６によって供給される水は、排水側１６ｂから出た水がチラ−１７に戻り、このチラ−１７により熱交換されて冷却され、さらに冷却された水が供給側１６ａより供給されるというように循環する。

したがって、温度センサ−１９ａの測定信号と温度センサ−１９ｂの測定信号の差より水温の上昇温度を確認し被乾燥物１０の乾燥状態を判知し、マイクロ波出力を停止させることができる。
なお、マイクロ波出力は、被乾燥物１０の乾燥時間を予め定め、その時間経過時に停止させることもできる。

図２は、上記したマイクロ波乾燥装置におけるマイクロ波の反射割合を示した特性図である。
マイクロ波を出力Ｐｆのように高出力に維持し、マイクロ波加熱炉１１内のマイクロ波エネルギ−密度を下げないで乾燥させた場合でも、マイクロ波の反射波がＰｒのように低く抑えることができ、乾燥物の焦げやプラズマ放電が発生しない。

図３は、減圧乾燥式のオ−ブンタイプマイクロ波乾燥装置を示す構成図である。
このマイクロ波乾燥装置は、マイクロ波加熱炉１１内を予め定めた真空度に維持するようにしたもので、その他は図１に示すマイクロ波乾燥装置と同じ構成である。

本実施例では、実施例１の熱風発生機や排気ダクト２４に換えて、ダクトによってマイクロ波加熱炉１１の底面内に接続した真空ポンプ２５と、マイクロ波加熱炉１１の側部に配設したブレ−ク弁２６及び真空センサ−２７が設けてある。

本実施例のマイクロ波乾燥装置は、真空ポンプ２５を動作させてマイクロ波加熱炉１１内を所定の真空度まで上げる。
真空度は真空センサ−２７の働きによりブレ−ク弁２６を動作させ所定の真空度になるように調節する。

このマイクロ波乾燥装置においても、被乾燥物１０の水分減少にしたがって余分なマイクロ波が給水パイプ１６を流れる水によって吸収されるので、高出力のマイクロ波を一定に維持して被乾燥物１０を乾燥させることができ、乾燥物の焦げやプラズマ放電の発生を防止することができる。

乾燥物の焦げとプラズマ放電の発生について一般に次のように説明することができる。
被乾燥物１０によって消費されるマイクロ波電力Ｐは次式のようになる。

Ｐ＝Ｋ・εｒ・ｔａｎδ・ｆ・Ｅ^２（Ｗａｔｔ／ｃｍ^３）
Ｋ：定数（０．５５６×１０^−１２）
εｒ：誘電体の比誘電率
ｔａｎδ：誘電体の誘電体力立
ｆ：周波数（Ｈｚ）
Ｅ：電界強度

上式において、εｒとｔａｎδの積は誘電損失係数であり、この係数の値が高いと被乾燥物１０のマイクロ波吸収が大きい。
このεｒとｔａｎδはともに被乾燥物１０の物質固有の値である。

水分を含む被乾燥物１０を乾燥させる場合、水分が蒸発して含水率が下がると、水以外の物質の誘電損失係数の影響が強くなり、その値が高い場合には温度上昇が進み、低い場合には温度が下がる。

したがって、誘電損失係数の高い被乾燥物１０は過剰加熱によって焦げのある乾燥物となり、また、誘電損失の低い被乾燥物１０はマイクロ波エネルギ−を消費できず、プラズマ放電が発生しやすい状況になる。

一方、マイクロ波加熱炉１１の寸法を小さくすると、電界強度Ｅが高くなる。
電界強度Ｅは上式の通り、２乗の積でマイクロ波電力Ｐに影響することから、電界強度Ｅを高く保つことが有効なのであるが、その反面、マイクロ波加熱炉１１内のマイクロ波電圧が上昇するため、プラズマ放電が発生しやすくなる。

以上、本発明の実施例１、２においては、給水パイプ１６に供給する水をチラ−１７を介して循環させる構成としたが、この水については必ずしも循環させる必要がなく、水道水を給水パイプ１６に供給するようにしてもよい。
また、給水パイプ１６に供給する流体としては水の他にオイルなどを使用することができる。
さらに、このように供給する流体は乾燥処理の途中から供給するようにしてもよい。

さらに、給水パイプ１６はマイクロ波加熱炉１１を直線的に貫通するものの他に、その加熱炉１１内で円状や角形に曲げ形成したものを使用することができる。

次に、本発明の実験例について述べる。
（ａ） 実験−１
実験−１は、図１に示す常圧乾燥式のマイクロ波乾燥装置で鋳造品の鋳型となる中子砂を加熱乾燥した。

実験設備
マイクロ波出力：０〜１５ｋＷ
加熱炉寸法：９００Ｗ×９００Ｌ×８００Ｈ（ｍｍ）
タ−ンテ−ブル：φ８００（ｍｍ）
熱風発生機：ヒ−タ−容量２０ｋＷ
耐熱循環ファン２０ｍ^３／分
循環量：手動ダンパ−調整
排気：φ１００ｍｍ 手動ダンパ−付
計測器
重量計：ＳＩＮＫＯ ＤＥＮＳＨＩ ＳＧ−１０Ｋ
温度計：安立計器製 ＦＸ−８５００

実験結果
中子砂に含まれる水分は２％で、水分０％になるまで乾燥する。
図７に示す実験結果表の資料番号１、２、３は、給水パイプ１６の給水を遮断し、マイクロ波出力を、１０ｋＷ、１２ｋＷ、１５ｋＷに設定し、１００°Ｃの熱風を併用して実験した乾燥結果で、乾燥処理が終盤に入った段階で放電が発生し、マイクロ波を継続的に投射することが不可能であった。
乾燥処理後の中子砂の含水率は１．３〜１．７％で、水分０％に達しなかったため品質的に不充分であることが確認された。

資料番号４、５、６は、給水パイプ１６の給水を遮断し、１０ｋＷ、１２ｋＷ、１５ｋＷに設定したマイクロ波出力を段階的に低く設定し、１００°Ｃの熱風を併用して実験した乾燥結果である。
この実験では放電は発生しなかったが、処理後の中子砂の含水率は０．７〜１％となり、水分０％に達しなかった。
また、クラックの問題が発生したため品質的に不充分であることが分かった。

資料番号７、８、９は、給水パイプ１６から給水し、マイクロ波出力を、１０ｋＷ、１２ｋＷ、１５ｋＷに設定し、１００°Ｃの熱風を併用して実験した乾燥結果である。
この実験では、乾燥最終段階まで、設定したマイクロ波出力を維持しても放電することなく乾燥処理を行なうことができた。
そして、処理後の中子砂の含水率は０％で、クラックなどの問題もなく乾燥させることができた。

この結果、流体流通手段を備え、給水パイプ１６に給水することにより、クラックや放電などを発生させることなく、高出力のマイクロ波を維持して短時間で乾燥可能になることが確認された。

以上より分かる通り、本発明は中子砂の乾燥には極めて有効な乾燥装置となる。
一般に鋳造品の中子は、中子砂に塗型剤を付着させるが、塗型剤には水分が含まれていることから、充分な乾燥を行なわないと残留水分によるガス欠陥が発生し、品質上問題となるため、水分乾燥行程が必要である。

従来、中子塗型剤の乾燥には大型熱風炉が広く用いられていて、加熱炉内の部所によって中子の乾燥度にバラツキがあることや、長時間の乾燥時間が必要となる。

また、２００°Ｃ程度の熱風を乾燥炉内に吹き付けるため、中子自体も加熱され熱変形を生ずることがある。
このような問題が本発明のマイクロ波乾燥装置によって解決される。

（ｂ） 実験−２
実験−２は、図３に示す減圧乾燥式のマイクロ波乾燥装置によって、野菜を加熱乾燥した。

実験設備
マイクロ波出力：０〜５ｋＷ
加熱炉寸法：６５０Ｗ×６５０Ｌ×６５０Ｈ（ｍｍ）
タ−ンテ−ブル：φ６００（ｍｍ）
真空ポンプ
株式会社大阪空気機械製作所 ＯＰ−Ｗ１５０Ｎ
排気速度：２４００Ｌ／ｍｉｎ
到達圧力：２．３ｋＰａ
計測器
重量計：ＳＩＮＫＯ ＤＥＮＳＨＩ ＳＧ−１０Ｋ
温度計：安立計器製 ＦＸ−８５００

実験結果
野菜に含まれる水分は８６％で、水分０％付近になるまで水分を除去する。
図８に示す実験結果表の資料番号１０、１１は、給水パイプ１６の給水を遮断し、マイクロ波出力を５ｋＷに設定し、１００ｈＰａの減圧下に加熱乾燥した乾燥結果である。
乾燥処理の終盤に入った段階で放電が発生し、水分を確実に除去することができず、処理後の野菜には部分的に焦げがあった。

資料番号１２、１３は、給水パイプ１６の給水を遮断し、マイクロ波出力を５ｋＷから段階的に低く変化させ、１００ｈＰａの減圧下で加熱乾燥した乾燥結果である。
乾燥処理中に段階的にマイクロ波出力を下げたが、処理後の野菜には部分的に焦げがあった。

資料番号１４、１５、１６は給水パイプ１６に水を給水し、マイクロ波出力を５ｋＷに設定し、１００ｈＰａの減圧下で加熱乾燥した乾燥結果である。
この実験では、乾燥最終段階まで５ｋＷのマイクロ波出力を維持しても放電することなく処理することができた。
また、乾燥処理後の野菜には焦げの問題もないことが確認された。

上記実験−２より分かる通り、本発明は野菜の乾燥を焦げや加熱炉内の放電などを防ぎながら短時間に乾燥処理することができることから、次に述べる効果を上げることができる。

一般的に広く用いられている乾燥方法に熱風乾燥があるが、野菜を乾燥させる場合、野菜は多くの水分を含んでおり、水分を除去するには高温で長時間加熱する必要がある。
しかし、野菜が高温に達すると、それ自身の持つ有効成分を破壊してしまう。
常圧下でマイクロ波加熱乾燥を行なう場合も、品温は水分の蒸発温度まで上昇し、含水率が０％に近づくにつれて温度上昇が始まり有効成分の破壊や焦げが発生する。

真空凍結乾燥法は、野菜を凍結し、真空状態で水を蒸発させて乾燥する方法である。
この乾燥法は、品温を低く保ったまま水分を除去するため栄養成分を破壊しないメリットはあるが、処理時間が長くかかってしまうことや設備が大きくなる等の問題がある。
本発明は、上記の問題を解決する有効な乾燥方法である。

本発明は一定の高出力のマイクロ波を継続して投射し、短時間で加熱することができるので、食品などのマイクロ波加熱装置などとして利用することができる。

常圧乾燥式のオ−ブンタイプマイクロ波乾燥装置を示す構成図である。 上記したマイクロ波乾燥装置のマイクロ波反射の割合を示す特性図である。 減圧乾燥式のオ−ブンタイプマイクロ波乾燥装置を示す構成図である。 被乾燥物の分水率と乾燥時間の関係を示す特性図である。 従来のマイクロ波乾燥装置のマイクロ波反射の割合を示す特性図である。 従来のマイクロ波乾燥装置においてマイクロ波出力を段階的に変えたときのマイクロ波反射の割合を示す特性図である。 図１に示すマイクロ波乾燥装置によって鋳造品の鋳型となる中子砂の乾燥実験を行なった実験結果表である。 図３に示すマイクロ波乾燥装置によって野菜の乾燥実験を行なった実験結果表である。

符号の説明

１０ 被乾燥物
１１ マイクロ波加熱炉
１２ タ−ンテ−ブル
１４ マイクロ波発振器
１６ 給水パイプ
１７ チラ−
１９ａ、１９ｂ 温度センサ−
２１ 循環ファン
２２ 加熱ヒ−タ
２３ 温度センサ−
２５ 真空ポンプ
２６ ブレ−ク弁
２７ 真空センサ−

Claims (6)

1. 水分などを含有する被乾燥物をマイクロ波加熱炉によって乾燥させるマイクロ波乾燥装置において、
   マイクロ波加熱炉内に水などの流体を流通させる流体流通手段を設け、
   一定出力のマイクロ波を継続して投射し、被乾燥物の水分減少に応じて前記流体によりマイクロ波を吸収させる構成としたことを特徴とするマイクロ波乾燥装置。
2. 請求項１に記載したマイクロ波乾燥装置において、
   流体流通手段は、マイクロ波加熱炉内を通るようにしてマイクロ波加熱炉の内外を連通させたマイクロ波透過性材のパイプを備え、このパイプによって流体を供給する構成としたことを特徴とするマイクロ波乾燥装置。
3. 請求項１又は２に記載したマイクロ波乾燥装置において、
   流体として水またはオイルを使用することを特徴とするマイクロ波乾燥装置。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載したマイクロ波乾燥装置において、
   流体は被乾燥物の乾燥条件にしたがって、供給量を変える構成としたことを特徴とするマイクロ波乾燥装置。
5. 請求項１〜４のいずれかに記載したマイクロ波乾燥装置において、
   マイクロ波加熱炉から排水された流体の温度を検出する温度検出センサ−を設け、
   この温度検出センサ−の検出信号に応じて流体の供給量、マイクロ波の出力などを調整する構成としたことを特徴とするマイクロ波乾燥装置。
6. 請求項１〜５のいずれかに記載したマイクロ波乾燥装置において、
   減圧したマイクロ波加熱炉内で被乾燥物を乾燥させる構成としたことを特徴とするマイクロ波乾燥装置。
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   
   

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