JP2005331158A - マイクロ波加熱処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、マイクロ波加熱により均質な加熱処理物を効率よく得ることができるロータリキルン式のマイクロ波加熱処理装置を提供することを課題とする。
【解決手段】本発明のマイクロ波加熱処理装置は、鋼材で形成された炉殻と該炉殻の内側に設けられた断熱材とで構成され加熱室１１を区画する炉壁１２と、一端に被加熱物の供給口を他端に被加熱物を排出する排出口を有し前記加熱室を貫通して軸線周りに回転するシェル１５ａと、前記加熱室１１にマイクロ波Ｗを導入するマイクロ波発生装置１６とを有するマイクロ波加熱処理装置であって、前記加熱室内１１にマイクロ波を照射することにより発熱する発熱手段Ｈを備えることを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明はマイクロ波を用いた被加熱物の加熱処理装置に関する。より詳しくは、マイクロ波加熱装置を有するロータリキルンに関する。

ロータリキルンは、回転する円筒形シェル内に供給した被加熱物を加熱などすることにより、その被加熱物に対し乾燥や焼成、乾留といった種々の熱処理を施す装置である。シェルは、水平よりやや傾斜した状態に設けられているため、被加熱物は、シェルの回転につれて攪拌されながらその内部を順次軸線方向に移動する間に所定の熱処理を施されるようになっている。

このようなロータリキルンにおいては、通常バーナなどによってシェルの外側部を加熱する間接加熱により被加熱物は加熱処理される。しかし、かかる従来のロータリキルンでは、被加熱物の充填率（処理量）を高くすると、被加熱物の堆積層の位置（例えば、堆積層の表面部、中間部分、シェルの内壁に接触した部分など）によって温度差が生じるために、全体として均一な品質の処置物を得ることが困難であった。このようにロータリキルンへの被加熱物の充填率には操業条件による制約があり、処理量を増やすためにはロータリキルンの大型化しなければならない。また、加熱処理温度の異なる複数の処理工程では、加熱温度の異なる複数のロータリキルンを連結したり、一工程ずつ別々に加熱処理を施こすといった煩雑さがあった。

また、加熱源としてバーナ加熱に変えてマイクロ波を用いる加熱処理装置が提案されているが（特許文献１参照）、茶葉やプラスティックペレットなどの軽量細小片群の乾燥には適しているが、高い加熱処理温度を要する金属粉体やファインセラミックスなどの加熱処理では均質な処理物を得ることができない。
特開平０１−２５１１８３号公報

本発明は上記の問題に鑑みてなされたもので、マイクロ波加熱により均質な加熱処理物を効率よく得ることができるロータリキルン式のマイクロ波加熱処理装置を提供することを課題とする。

本発明のマイクロ波加熱処理装置は、鋼材で形成された炉殻と該炉殻の内側に設けられた断熱材とで構成され加熱室を区画する炉壁と、一端に被加熱物の供給口を他端に被加熱物を排出する排出口を有し前記加熱室を貫通して軸線周りに回転するシェルと、前記加熱室にマイクロ波を導入するマイクロ波発生装置とを有するマイクロ波加熱処理装置であって、前記加熱室内にマイクロ波を照射することにより発熱する発熱手段を備えることを特徴とする。

本発明のマイクロ波加熱処理装置は、加熱室内に発熱手段を備えているので、マイクロ波を照射することによりシェル内の被加熱物が自己発熱するとともに、発熱手段もマイクロ波を吸収して発熱し、被加熱物を周囲から加熱することができる。被加熱物はシェルの回転により攪拌されるので短時間で均一な加熱処理を施すことができる。また、シェル内の被加熱物層が厚い場合であっても被加熱物層の位置による温度差を縮小できるので、被加熱物の処理量を増加して生産効率を向上することができる。

ここで、前記シェルはマイクロ波を透過するマイクロ波透過性シェルであることが望ましく、マイクロ波透過性シェルはアルミナまたは石英を主成分とするセラミックであることが好ましい。シェルをマイクロ波透過性シェルとすることで被加熱物へのマイクロ波照射量の減衰を防止し被加熱物の自己発熱を促進することができる。

本発明のマイクロ波加熱処理装置の形態としては、発熱手段は前記加熱室の内壁に固設さた発熱体であることが好ましい。この様な発熱体はマイクロ波加熱により発熱してシェルの外側から被加熱物を均一に加熱することができる。

また、本発明のマイクロ波加熱処理装置の形態としては、発熱手段は前記シェルの内周面および／または外周面に被覆された発熱体であることが好ましい。シェルの周面に被覆された発熱体は、マイクロ波加熱により発熱して効率よく被加熱物を加熱することができる。

これらの形態のマイクロ波加熱処理装置においては、発熱手段はマイクロ波吸収率の異なる複数の発熱体であることが望ましい。マイクロ波吸収率の異なる発熱体を有することにより、段階的に処理温度を変化させる加熱処理を同一のシェル内で施すことができる。

本発明のマイクロ波加熱処理装置の形態として、発熱手段はシェルであることができ、この場合のシェルはジルコニアまたは炭化珪素を主成分とするセラミックであることが好ましい。シェルを発熱体とすることにより、マイクロ波の熱効率をさらに向上することができる。

本発明のマイクロ波加熱処理装置は、前記発熱体の温度を測定する温度測定手段と、該温度測定手段で得られた温度情報に基づいて最適なマイクロ波出力を演算して前記マイクロ波発生装置の出力を制御する出力制御手段とを有する請求項１に記載のマイクロ波加熱処理装置。

発熱体の表面温度を測定して、その測定温度に基づいてマイクロ波発生装置の出力を制御することにより、被加熱物の自己発熱を制御することができる。従って、安定した均一な品質を有する被加熱物を得ることができる。

以下、本発明の実施の形態を図によって説明する。本発明のマイクロ波加熱処理装置の縦断面を図１に模式的に示す。このマイクロ波加熱処理装置１０は、加熱室１１を区画する炉壁１２と、被加熱物の供給部１３と加熱処理された被加熱物の排出部１４とを有するシェル１５と、加熱室１１にマイクロ波を照射するマイクロ波発生装置１６とを備えており、同一の傾動可能な基台１７上に固設されている。

加熱室１１は、鋼材で形成された炉殻１８と耐火性の断熱材１９で形成された炉壁１２によって区画されている。

シェル１５は、加熱室１１を長さ方向に水平に貫くように配置されており、マイクロ波を透過するセラミック製のシェル本体１５ａと、シェル本体１５ａの両端部に嵌合し回転駆動機構と接続する金属製のシェルサポート管１５ｂとから構成されている。シェルサポート管１５ｂは、固定ボルト２１によってシェル本体１５ａに締結されている（図２参照）。なお、シェル本体１５ａと固定ボルト２１の間にはセラミックブランケットなどの耐熱性クッション材（図示せず）が挿入されており、固定ボルト２１の熱膨張を吸収するようになっている。

シェルサポート管１５ｂの両端付近には環状のタイヤ２２が、シェルサポート管１５ｂの外周面に一体的に付設されており、シェル１５は、これらの部分で受けころ２３によって支持されている。

シェルサポート管１５ｂの外周面と加熱室１１とは僅かな間隙を設けて図示しないシール材でほぼ密閉され、隙間からの放熱を防止するとともに、チョーク３０を設けてマイクロ波の外部への漏洩を防止している。

シェル１５は、被加熱物Ｍの供給部１３と供給部側の受けころ２３間のシェルサポート管１５ｂの外周面にスプロケットホイール２４を設けて、このスプロケットホイール２４と、基台１７に支持された駆動モータ２５のスプロケット２６とをチェーン（図示せず）で連結して回転駆動される。なお、シェル１５の軸線は、基台１７のシリンダ２７により供給側を上昇させて、排出側が僅かに下がるように傾斜させることができる。なお、軸線の勾配は被加熱物の性状によって異なるが、アルミナ造粒体などのような粒体や金属原料粉末などの粉体では１／１００〜３／１００程度が適当である。

シェル１５の供給部１３は、供給部フード２８と被加熱物Ｍの供給ホッパー２９とで構成されていて、基台１７上に固定されている。供給部フード２８とシェル１５とは僅かなクリアランスを設けてシール材（図示せず）でほぼ密閉されており、隙間からの放熱を防止することができる。また、チョーク３０を設けてマイクロ波の外部への漏洩を防止しするようになっている。被加熱物Ｍの供給ホッパー２９は、シェル１５内部へ被加熱物Ｍを供給するように供給部フード２８を貫通して設けられており、ホッパー２９の開口部付近にはチョーク３０を設けてマイクロ波の外部への漏洩を防止するようになっている。

排出部１４は、シェル１５内への外気の浸入を防止するための排出部フード３１で構成されていて、シェル１５と排出部フード３１とは、僅かなクリアランスを設けてシール材（図示せず）でほぼ密閉されており、隙間からの放熱を防止することができる。また、チョーク３０を設けてマイクロ波の外部への漏洩を防止するようになっている。排出部フード３１の下部には、シェル１５の排出口３２から排出された被加熱物Ｍを取出すシュート３３が設けられている。シュート３３の途中にはバルブを設けて外気の浸入を防止するとともに、チョーク３０を設けてマイクロ波の外部への漏洩を防止するようになっている。

マイクロ波発生装置１６は、炉壁１２を貫通して加熱室１１に開口する導波管４０に接続して設置されている。マイクロ波発生装置の設置台数には特に限定はないが、アルミナなどのセラミックスを加熱処理するためには複数台設置することが望ましい。図１の実施の形態では４台とした。また、加熱温度の変化を測定するために炉壁１２を貫通して発熱体表面の温度を測定する温度測定手段４１、例えば、赤外線放射温度計などを適宜の位置に設置することが望ましい。

以上の構成のマイクロ波加熱装置において、本発明の特徴とするところは、シェル本体１５ａを含む加熱室１１内に、マイクロ波を照射することにより発熱する発熱手段を備えることである。すなわち、被加熱物Ｍをマイクロ波による自己発熱で加熱するとともに、発熱手段によって周囲からも被加熱物Ｍを加熱できる構成である。発熱体Ｈは、ジルコニアあるいは炭化珪素などを主成分とするセラミックであることが好ましい。また、発熱体Ｈのマイクロ波吸収率は被加熱物のマイクロ波吸収率と同等もしくは高いことが好ましい。

かかる発熱手段は、例えば、図３ａ〜ｃに示すように設置することができる。図３は図１のＢ−Ｂ断面を模式的に示したものである。なお、図３では図１と同一部分には同じ符号を付して説明を省略する。

発熱手段の第１の形態は、図３の（ａ）に示す加熱室１１の炉壁面に発熱体Ｈを固設したものである。マイクロ波発生装置１６で発生し導波管４０により加熱室１１へ導入されたマイクロ波Ｗは、発熱体Ｈを発熱させるとともに、マイクロ波透過性のシェル本体１５ａを透過して被加熱物Ｍを照射して自己発熱させる。従って、この第１の形態の発熱手段を有するマイクロ波加熱処理装置によれば、被加熱物Ｍは、マイクロ波照射による被加熱物Ｍの自己発熱と発熱体Ｈによる輻射熱（矢印ｈ）とによって被加熱物Ｍに短時間に所望の加熱処理を施すことができる。

発熱手段の第２の形態は、図３の（ｂ）に示すマイクロ波透過性のシェル本体１５ａの内周面と外周面とに発熱体Ｈを被覆したものである。発熱体Ｈはジルコニアや炭化珪素などの粒体または粉末を溶射などの方法でシェル本体の周壁に被覆して形成することができる。また、適宜の径の円筒状の発熱体Ｈを形成してシェル本体１５ａの内周および／または外周に嵌挿してもよい。

マイクロ波発生装置１６で発生し導波管４０により加熱室１１へ導入されたマイクロ波Ｗは、発熱体Ｈ、Ｈを発熱させるとともに、マイクロ波透過性のシェル本体１５ａを透過して被加熱物Ｍを照射して自己発熱させる。従って、この第２の形態の発熱手段を有するマイクロ波加熱処理装置によれば、被加熱物Ｍは、マイクロ波照射による被加熱物Ｍの自己発熱と発熱体Ｈ、Ｈによる輻射熱と伝導熱（矢印ｈ）とによってさらに効率よく被加熱物Ｍに加熱処理を施すことができる。

発熱手段の第３の形態は、図３の（ｃ）に示すシェル本体１５ａをマイクロ波により発熱する発熱体Ｈとしたものである。すなわち、シェル本体１５ａをジルコニアまたは炭化珪素を主成分とするセラミックで形成する。

マイクロ波発生装置１６で発生し導波管４０により加熱室１１へ導入されたマイクロ波Ｗは、シェル本体１５ａを発熱させるとともに、被加熱物Ｍを照射して自己発熱させる。従って、この第３の形態の発熱手段を有するマイクロ波加熱処理装置によれば、被加熱物Ｍは、マイクロ波照射による被加熱物Ｍの自己発熱とシェル本体１５ａによる輻射熱と伝導熱（矢印ｈ）とによってさらに一層効率よく被加熱物Ｍに加熱処理を施すことができる。

なお、第１の形態および第２の形態では、発熱体Ｈとして、マイクロ波吸収率の異なる複数の発熱体を用いることができる。図３（ｄ）は第４の形態について模式的に示した説明図であり、シェル本体１５ａの内外周面にはマイクロ波吸収率の異なる３種類の発熱体Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３が被覆されている。ここで、マイクロ波吸収率をＨ１、Ｈ２、Ｈ３の順に高くなるように各発熱体を選定すれば、被加熱物Ｍが供給側から排出側へ移動する間に加熱温度条件の異なる３工程の加熱処理を連続して施すことができる。例えば、シェル本体１５ａ内において発熱体Ｈ１の領域を乾燥工程、発熱体Ｈ２の領域を脱脂工程、発熱体Ｈ３の領域を焼成工程などとすることができる。すなわち、従来は、３工程に分けて処理していた被加熱物の加熱処理をマイクロ波加熱処理という１工程で好適に実施することができるわけである。

本発明のマイクロ波加熱処理装置においては、前記のように発熱体Ｈのマイクロ波吸収率は被加熱物のマイクロ波吸収率よりも高い方が好ましい。つまり発熱体Ｈとしては、マイクロ波による発熱が被処理物の発熱と同等もしくは上回る材質を用いることが望ましいわけである。本発明のマイクロ波加熱処理装置においては、発熱体Ｈの表面温度を測定して、その測定結果に基づいてマイクロ波発生装置の出力を制御することができる。つまり、被加熱物よりも自己発熱により高温となる発熱体の温度を制御することで、マイクロ波による被加熱物の自己発熱の暴走を抑制して所望の加熱処理を施すことができる。

本発明のマイクロ波加熱装置の温度制御システムの概要を図４に示す。なお、図４では図１と同一部分には図１と同一符号を付して説明を省略する。図４の温度制御システムの動作は以下の通りである。まず、マイクロ波発生装置１６で発生し導波管４０により加熱室１１へ導入されたマイクロ波Ｗが、発熱体Ｈ（図４ではシェル本体１５ａ）を発熱させるとともに、被加熱物Ｍを照射して自己発熱させる。次に、発熱した発熱体Ｈの表面温度を温度測定手段４１で測定して温度信号Ｓｔを得る。次に、制御手段（例えば、プログラム温度調節計）４２は、入力された温度信号Ｓｔに基づいて最適なマイクロ波出力を演算してマイクロ波出力信号Ｓｐを形成し、マイクロ波発振装置１６へ入力する。マイクロ波発振装置１６はマイクロ波出力信号Ｓｐに基づく出力のマイクロ波を発振する。ここで温度測定手段４１には特に限定はないが、赤外線放射温度計などの非接触温度計を用いることが好ましい。

なお、本発明のマイクロ波加熱処理装置は、以上の実施の形態に限定されるものではなく本発明の主旨を逸脱しない範囲で変更することができる。例えば、第２の形態では、マイクロ波透過性シェルの内周面および／または外周面に発熱体を被覆して発熱手段とした。しかし、被加熱物を収容するシェルとして、ステンレスなどの金属製のシェルを使用してもよい。金属製のシェルのみではマイクロ波を反射してしまうのでシェル内部に収容されている被加熱物を加熱することはできないが、金属製のシェル表面にマイクロ波発熱材を溶射などにより被覆して発熱手段とすることにより第２の形態と同様の効果を得ることができる。

また、発熱体Ｈの表面温度を測定してマイクロ波発生装置の出力を制御することとしたが、直接シェル内の被加熱物の温度を測定してマイクロ波発生装置の出力を制御してもよい。この場合には、赤外線放射温度計を図１の排出フード３１に取り付けて被加熱物の表面温度を測定するようにするとよい。

本発明のマイクロ波加熱処理装置は、粒体状や粉体状の被加熱物に乾燥、乾留、焼結などの加熱処理を施すのに好適である。特に、乾燥処理、脱脂処理および焼成処理を連続して施す場合などには有効であり生産性の向上に寄与するところ大である。

実施形態の一例を示すマイクロ波加熱処理装置の縦断面模式図である。 図１のＡ−Ａ断面を示す模式図である。 本発明の発熱手段を説明する図１のＢ−Ｂ断面模式図である。（ａ）は加熱室の内壁に発熱体Ｈを固設したもの。（ｂ）はシェル本体の内外周面に発熱体Ｈを被覆したもの。（ｃ）はシェル本体が発熱体Ｈであるもの。（ｄ）はマイクロ波加熱装置の縦断面部分模式図であり、マイクロ波吸収率の異なる３種類の発熱体Ｈ１、Ｈ２、Ｈ３を備えたものである。 本発明のマイクロ波加熱装置の温度制御システムの一例を示す概要図である。

符号の説明

１０：マイクロ波加熱装置 １１：加熱室 １２：炉壁 １５：シェル １５ａ：シェル本体 １５ｂ：シェルサポート管 １６：マイクロ波発生装置 １７：基台 ３０：チョーク ４０：導波管 ４１：温度測定手段 ４２：マイクロ波出力制御手段 Ｈ：発熱体 Ｍ：被加熱物 Ｗ：マイクロ波

Claims (9)

1. 鋼材で形成された炉殻と該炉殻の内側に設けられた断熱材とで構成され加熱室を区画する炉壁と、
   一端に被加熱物の供給口を他端に被加熱物を排出する排出口を有し前記加熱室を貫通して軸線周りに回転するシェルと、
   前記加熱室にマイクロ波を導入するマイクロ波発生装置とを有するマイクロ波加熱処理装置であって、
   前記加熱室内にマイクロ波を照射することにより発熱する発熱手段を備えることを特徴とするマイクロ波加熱処理装置。
2. 前記シェルはマイクロ波を透過するマイクロ波透過性シェルである請求項１に記載のマイクロ波加熱処理装置。
3. 前記マイクロ波透過性シェルはアルミナまたは石英を主成分とするセラミックである請求項２に記載のマイクロ波加熱処理装置。
4. 前記発熱手段は前記加熱室の内壁に固設さた発熱体である請求項１〜３のいずれかに記載のマイクロ波加熱処理装置。
5. 前記発熱手段は前記シェルの内周面および／または外周面に被覆された発熱体である請求項１〜３のいずれかに記載のマイクロ波加熱処理装置。
6. 前記発熱手段はマイクロ波吸収率の異なる複数の発熱体である請求項４または５に記載のマイクロ波加熱処理装置。
7. 前記発熱手段は前記シェルである請求項１に記載のマイクロ波加熱処理装置。
8. 前記シェルはジルコニアまたは炭化珪素を主成分とするセラミックである請求項７に記載のマイクロ波加熱処理装置。
9. 前記発熱体の温度を測定する温度測定手段と、該温度測定手段で得られた温度情報に基づいて最適なマイクロ波出力を演算して前記マイクロ波発生装置の出力を制御する出力制御手段とを有する請求項１に記載のマイクロ波加熱処理装置。

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