JP2006147201A - マイクロ波吸収発熱材 - Google Patents

Abstract

【課題】 マイクロ波の照射によって被加熱体を急速且つ均一に加熱できるマイクロ波吸収発熱材を提供すること。
【解決手段】 本発明のマイクロ波吸収発熱材は、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｃ及びＯの元素で構成される炭化ケイ素系複合酸化物を含むことを特徴とする。本発明のマイクロ波吸収発熱材によれば、被加熱体の表面に塗布又は担持させてマイクロ波を照射すると、被加熱体を急速且つ均一に加熱することができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、マイクロ波エネルギーを吸収して発熱するマイクロ波吸収発熱材に関するものである。

ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン等の内燃機関において発生する排ガスには、環境保全の観点から浄化処理が行われるのが一般的であり、浄化処理は排ガス浄化触媒を用いて行われる。ところが、内燃機関の始動時においては、暖機されていない状態では排ガス浄化触媒の触媒活性温度よりも、排ガス及び排ガス浄化装置内の温度が低いため、十分に排ガスを浄化することができず、暖機状態である定常運転時と比較し、高い濃度のＮＯ_Ｘ、ＨＣ等が排出される、いわゆるコールドエミッションが生じる場合がある。環境保全の観点から、このコールドエミッションを防止する対策が検討されている。

コールドエミッションを防止する対策として、排ガス等の温度を急速に上昇させる方法がある。このような方法として、従来から通電加熱又は電気ヒータが用いられているが、このような方法は装置全体を加熱するため大電力を必要とし、小型、軽量化できないという問題があった。

そのため、このような問題を解決する方法として、マイクロ波エネルギーを用いて必要な部分のみを加熱する方法が提案されている。例えば、マイクロ波吸収発熱材を担持した排ガス浄化装置を加熱室に用い、マイクロ波でマイクロ波吸収発熱材を触媒活性温度付近まで急速加熱する方法が知られている。

このようなマイクロ波加熱方法において、加熱速度は、使用するマイクロ波吸収発熱材のマイクロ波吸収効率に大きく依存するため、これまでに様々なマイクロ波吸収発熱材が開発されている。例えば、特許文献１には、Ｌａ_１−ｘＳｒ_ｘＣｏＯ_３などのペロブスカイト型複合酸化物が記載されている。このペロブスカイト型複合酸化物と金属触媒粒子を直接接触させたマイクロ波吸収発熱材にマイクロ波を照射することによって、発熱体を急速加熱する方法が記載されている。また、特許文献２には、複合酸化物からなる半導体材料、例えば、チタン−ケイ素−炭素−酸素の化合物からなる高周波吸収材料が記載されている。

一方、マイクロ波吸収発熱材は排ガス等の加熱に使用される以外に、マイクロ波を用いた加熱炉の内壁等に使用されることが知られている。例えば、特許文献３には、マイクロ波吸収発熱材である炭化ケイ素よりなる内壁で形成された加熱炉が記載されている。
特開平７−４９０２４号公報 特開平５−１７１９１９号公報 特開昭５９−１３７７８５号公報

しかし、上述した特許文献１に記載のマイクロ波吸収発熱材においては、ペロブスカイト型複合酸化物と金属触媒粒子とを直接接触させる必要があり、ペロブスカイト型複合酸化物のみでは加熱速度が約２分の１に低下し、実用的に満足のいくものではなかった。また、特許文献２及び３に記載のマイクロ波吸収発熱材においても、マイクロ波の吸収効率が不十分であるため、マイクロ波吸収発熱材によって加熱される被加熱体を急速且つ均一に加熱することができなかった。

本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、被加熱体を急速且つ均一に加熱できるマイクロ波吸収発熱材を提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明によるマイクロ波吸収発熱材はＳｉ、Ｚｒ、Ｃ及びＯの元素で構成される炭化ケイ素系複合酸化物（以下、「Ｓｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ複合酸化物」という）を含むことを特徴とする。

本発明のマイクロ波吸収発熱材は、マイクロ波吸収効率が高いＳｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ複合酸化物を含んでいるため、マイクロ波の照射によってマイクロ波吸収体を急速且つ均一に加熱することが可能となる。このため、本発明のマイクロ波吸収発熱材を被加熱体に塗布又は担持させ、マイクロ波吸収発熱材にマイクロ波を照射すると、被加熱体を急速且つ均一に加熱することができる。

また、マイクロ波吸収特性を表す指標に誘電損率があるが、上記マイクロ波吸収発熱材においては、Ｓｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ複合酸化物の誘電損率は２以上であることが好ましい。

誘電損率が２以上と大きいＳｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ複合酸化物を含むマイクロ波吸収発熱材を被加熱体の加熱に用いることで、より急速且つ均一に被加熱体を加熱することができる。

ここで、誘電損率は比誘電率と誘電正接の積で定義される値であり、温度、周波数等によって変化する。そこで、本明細書において、誘電損率とは、温度２５℃、周波数２．４５ＧＨｚの条件において測定された誘電体の誘電損率をいうものとする。この誘電損率は、マイクロ波吸収発熱材及び被加熱体のマイクロ波吸収特性を表す指標として用いられ、誘電損率の値が大きいほど、マイクロ波吸収特性が高くなり、誘電損率の値が小さいほど、マイクロ波吸収特性が低くなる。

また、本発明のマイクロ波吸収発熱材は、炭化ケイ素を更に含むことが好ましい。このようにマイクロ波吸収発熱材が上記炭化ケイ素系複合酸化物と炭化ケイ素とを含有することにより、マイクロ波吸収特性について相乗的な効果が発現され、マイクロ波吸収発熱材中のＳｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ複合酸化物の含有量を増加させなくとも、より急速且つ均一に被加熱体を加熱することができる。

本発明のマイクロ波吸収発熱材によれば、被加熱体を急速且つ均一に加熱することができる。

以下、図面を参照しつつ本発明のマイクロ波吸収発熱材の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面中、同一又は相当部分には同一符号を付することとする。

図１は、本発明のマイクロ波吸収発熱材を適用したマイクロ波加熱装置の実施形態を概略的に示す模式図である。図２は、図１に示すマイクロ波加熱装置の空胴共振器を示す斜視図であり、図３は、図２に示す空胴共振器のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。

図１〜３に示すように、マイクロ波加熱装置１００は、直方体型空胴共振器１１０と、直方体型空胴共振器１１０内にマイクロ波Ｗを供給するマイクロ波供給手段１２０と、直方体型空洞共振器１１０を貫通するように設けられ、排ガスＦを移送させるガス移送管１３０と、直方体型空洞共振器１１０内であってガス移送管１３０内に配置されて排ガスＦを加熱する発熱体１４０とを主として備えている。

直方体型空胴共振器１１０は、マイクロ波Ｗの共振器として使用される直方体形状の金属製マイクロ波導入管１であり、図１〜３に示すものはエネルギー集中型の単一モードの直方体型空胴共振器であり、ＴＥ_１０ｎ（Transverse Electric Wave、図示したものはｎ＝１）モードのものである。そして、この単一モードの直方体型空胴共振器１１０は、その空胴内にマイクロ波Ｗの進行方向と垂直な２つの方向にそれぞれ１／２波長の定在波Ｓが発生するように設計されている。

マイクロ波導入管１は金属で構成されていればよく、かかる金属としては、例えばステンレス、アルミニウム、銅、黄銅等が好適に使用される。

マイクロ波導入管１の一端には一対の可変結合窓２が図２の矢印Ａ方向に沿ってスライド可能に設けられており、一対の可変結合窓２とマイクロ波導入管１とによりマイクロ波導入口３が形成されている。一対の可変結合窓２間の距離を調節することによりマイクロ波導入口３の大きさを調節することが可能となっている。可変結合窓２には、当該可変結合窓２を図２の矢印Ａ方向に沿って移動させる結合窓駆動部（例えばモータ）４が接続されている。可変結合窓２の具体的な構成は特に限定されないが、可変結合窓２には、マイクロ波導入管１と同様の材料からなる金属板、例えば、ステンレス、アルミニウム、銅、黄銅等が好適に使用される。

更に、マイクロ波導入管１内には、可変結合窓２とは反対側に、可動短絡部材５が、マイクロ波導入管１の長手方向（図２の矢印Ｂ方向）にスライド可能に設けられている。可動短絡部材５が図２の矢印Ｂ方向にスライドすることにより、直方体型空胴共振器１１０内の空胴の大きさが調節されるようになっている。可動短絡部材５の具体的な構成も特に限定されないが、可動短絡部材５には、マイクロ波導入管と同様の材料からなる金属板、例えば、ステンレス、アルミニウム、銅、黄銅等が好適に使用される。可動短絡部材５には、可動短絡部材５を図２の矢印Ｂ方向に移動させる短絡部材駆動部６（例えばモータ）が接続されている。

結合窓駆動部（例えばモータ）４は、制御装置（制御手段）７に接続されており、短絡部材駆動部６は制御装置７に接続されている。ここで、制御装置７は、排ガスＦの種類、流量、温度等に合わせて最適な結合状態が得られるように、結合窓駆動部４を介して可変結合窓２の移動量を調節すると共に、短絡部材駆動部６を介して可動短絡部材５の図２の矢印Ｂ方向に沿った移動量を調節する。具体的には、制御装置７は、後述するセラミック担体の加熱中に直方体型空胴共振器１１０内で最適な共振状態が維持されるように、可変結合窓２及び可動短絡部材５の移動量を適宜制御する。

マイクロ波供給手段１２０は、マイクロ波Ｗを発振するマイクロ波発振器８と、マイクロ波発振器８で発振されたマイクロ波Ｗを伝送する同軸ケーブル９と、導波管による電力の伝送を同軸ケーブル９に変換する同軸−導波管変換器１０と、方向性結合器１１を有している。

なお、本発明において、マイクロ波とは、０．３〜３０ＧＨｚ帯（波長１０ｍｍ〜１ｍ）の電波をいい、いわゆるセンチ波及び極超短波といわれる電波をも含むものである。マイクロ波発振器８は、上記の周波数帯のマイクロ波を発振するものであればよく、通常はマグネトロン、クライストロン、ガン・ダイオード等が用いられる。

同軸−導波管変換器１０は、直方体型空胴共振器１１０のマイクロ波導入口３に接続され、更に途中に方向性結合器１１が設置されている同軸ケーブル９を介してマイクロ波発振器８が接続されている。そして、方向性結合器１１は制御装置７に接続されており、方向性結合器１１によって測定される直方体型空胴共振器１１０からのマイクロ波反射率｛（反射電力／入射電力）×１００｝が最小になるように可変結合窓２と可動短絡部材５とが制御装置７によって制御されるように構成されている。マイクロ波を高出力で使用する場合には、マイクロ波発振器８とマイクロ波導入口３とが、同軸−導波管変換器１０及び同軸ケーブル９の替わりに、方向性結合器１１が設置されている導波管で接続されていることが好ましい。なお、直方体型空胴共振器１１０からのマイクロ波反射率は１０％以下に維持されることが好ましい。

ガス移送管１３０は、直方体型共振器１１０を構成するマイクロ波導入管１を貫通している。具体的には、ガス移送管１３０はマイクロ波Ｗの進行方向と直交する方向に延びている。ガス移送管１３０は、排ガスＦが加熱される加熱管１３０ａと、加熱管１３０ａの両側に接続される金属管１３０ｂとで構成されており、直方体型空胴共振器１１０内のマイクロ波が外部に漏れない構造となっている。加熱管１３０ａには、マイクロ波Ｗを吸収して発熱し排ガスＦを加熱する発熱体１４０が収納されている。金属管１３０ｂは、排ガスＦを加熱管１３０ａに導入し、又は加熱管１３０ａ内で加熱された排ガスＦを流通させるためのものであり、かかる金属管を構成する金属としては、例えばステンレス、アルミニウム、銅等が使用される。更に、金属管１３０ｂと加熱管１３０ａの間には排ガスＦが漏れないようにシール（図示せず）が施されている。

このような加熱管１３０ａは、マイクロ波を透過し易くかつ耐熱性が高い材料で構成されることが好ましく、高純度アルミナ、ムライト、コージェライト、ジルコニア、マグネシア、窒化ホウ素等のセラミックス製の管が好適に用いられる。また、加熱管１３０ａの周囲は断熱材１２で覆われており、このような断熱材１２もマイクロ波を透過し易いものが好ましく、耐熱用アルミナファイバー等のセラミックス繊維製の断熱材が好適に用いられる。

加熱管１３０ａは、可変結合窓２と可動短絡部材５との間であって、後述する発熱体１４０が可変結合窓２から定在波Ｓの１／４波長の位置を含むように配置されていることが好ましい。

発熱体１４０について図４を用いて説明する。図４は、発熱体１４０の部分断面図である。

図４に示すように、発熱体１４０は、マイクロ波吸収発熱材１３と、マイクロ波吸収発熱材１３を担持するセラミック担体１４とで構成されている。

セラミック担体１４は、繊維状の材料からなる織布又は不織布であってもよいが、多孔質体や多数の貫通孔１５を有する構造であることが好ましい。本実施形態では、セラミック担体１４はモノリス形状となっている。即ちセラミック担体１４は、排ガスを流通させるための多数の貫通孔１５を有している。貫通孔１５は、排ガスＦが通過し易く圧力損失をできるだけ小さくするために加熱管１３０ａの延び方向と平行な方向に延びている。そして、貫通孔１５を形成する壁面にマイクロ波吸収発熱材１３が担持されている。

マイクロ波吸収体１３はＳｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ複合酸化物を含有している。Ｓｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ複合酸化物は、Ｚｒを含んだ無機酸化物に炭化ケイ素が固溶した複合酸化物であり、優れたマイクロ波吸収特性を有している。

Ｓｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ複合酸化物は、下記組成式：
Ｓｉ_ｘＺｒ_ｙＣ_ｚＯ_ｗ
で表され、ｘは５０〜６０であることが好ましく、ｙは０．５〜５であることが好ましく、ｚは３０〜４０であることが好ましく、ｗは５〜２０であることが好ましい。

このＳｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ複合酸化物の誘電損率は２以上であることが好ましく、５以上であることがより好ましい。Ｓｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ複合酸化物の誘電損率が２より小さい場合は、誘電損率が２未満である場合に比べて、マイクロ波エネルギーの吸収が不十分となり、十分に急速に昇温されない傾向がある。Ｓｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ複合酸化物の誘電損率は、３０以下であることが好ましい。

マイクロ波吸収発熱材１３は、上記Ｓｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ複合酸化物単独であってもよいが、マイクロ波吸収発熱材１３は、Ｓｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ複合酸化物のほか、炭化ケイ素を更に含んでいることが好ましい。ここで用いる炭化ケイ素の誘電損率はその形状、純度等により異なるが、通常は１〜２程度である。またＳｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ複合酸化物と炭化ケイ素の含有比率は、Ｓｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ複合酸化物１質量部に対して、炭化ケイ素０．５〜５質量部であることが好ましい。炭化ケイ素が０．５質量部より少ない場合は、以下に説明する炭化ケイ素がさらに含まれていることによる効果が減少し、５質量を超える場合は、マイクロ波吸収発熱材１３のマイクロ波の吸収特性が低下し、加熱むらが生じやすくなる傾向がある。

上記のようにマイクロ波吸収発熱材１３が、マイクロ波吸収効率の高いＳｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ複合酸化物と、これよりマイクロ波吸収効率の低い炭化ケイ素をも含むことにより、マイクロ波吸収特性について相乗的な効果が発現される。即ち、Ｓｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ複合酸化物を１００％含有するマイクロ波吸収発熱材よりも、その一部においてマイクロ波吸収効率の高いＳｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ複合酸化物がマイクロ波吸収効率の低い炭化ケイ素に置換されたマイクロ波吸収発熱材の方が、マイクロ波吸収効率がより向上する。言い換えると、比較するマイクロ波吸収発熱材の質量が同じであれば、マイクロ波吸収発熱材１３中のＳｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ複合酸化物の含有量を低減し、この低減した分を炭化ケイ素に置き換えた場合であっても、急速且つ均一にセラミック担体１４を加熱することができる。

上記相乗的な効果が発現する理由は明らかではないが、以下のような理由によるものではないかと考えられる。即ち、Ｓｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ複合酸化物がマイクロ波を吸収すると、加熱されたＳｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ複合酸化物の熱エネルギーが熱伝導性の良い炭化ケイ素側へと瞬時に拡散される。その結果、炭化ケイ素もＳｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ複合酸化物と同様に加熱され、炭化ケイ素の誘電損率は温度依存性があるため、炭化ケイ素のマイクロ波吸収特性も温度の上昇とともに高まる。従って、室温では誘電損率が小さい炭化ケイ素でも、Ｓｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ複合酸化物と混合することで、加熱とともに炭化ケイ素自体もＳｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ複合酸化物と同等なマイクロ波吸収特性を示し、急速且つ均一にセラミック担体１４を加熱することができると推測される。このようにして、相乗的な効果が発現されたと考えられる。

また、炭化ケイ素の熱伝導率はＳｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ複合酸化物のそれと比較すると、１桁以上高いため、マイクロ波吸収発熱材１３がＳｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ複合酸化物及び炭化ケイ素を含むことにより、マイクロ波吸収発熱材１３全体の熱伝導率が高くなり、より急速且つ均一にセラミック担体１４を加熱することができる。

マイクロ波吸収体１３の形状は、セラミック担体１４に担持することができれば、特に限定されないが、セラミック担体１４にマイクロ波吸収体１３を担持させる工程において、マイクロ波吸収体１３を含有するスラリー状の溶液用いることが一般的である点から、粉末であることが好ましい。

炭化ケイ素系複合酸化物の誘電損率が２以上である場合、マイクロ波吸収発熱材１３を担持するセラミック担体１４の誘電損率は、０．１以下であることが好ましく、０．０２以下であることがより好ましい。本実施形態のようにセラミック担体１４がモノリス形状となっている場合には、マイクロ波吸収発熱材１３はセラミック担体１４の内部に存在することとなる。従って、セラミック担体１４の誘電損率が０．１を超える場合は、セラミック担体１４のマイクロ波透過性が低く、照射されたマイクロ波エネルギーがセラミック担体１４の一部分に吸収されるため、マイクロ波吸収発熱材１３で吸収されるマイクロ波エネルギーが過度に小さくなる傾向がある。

またセラミック担体１４は、マイクロ波吸収発熱材１３により急速に加熱されるため耐熱性を有する材料で構成されることが好ましい。セラミック担体１４は、低マイクロ波吸収特性及び耐熱性を有する材料であれば特に限定されないが、マグネシア、アルミナ、シリカ、コージェライト、ムライト又はこれらを複数混合して用いた複合体材料で構成されることが好ましく、この中でもコージェライト、ムライトで構成されることが特に好ましい。

セラミック担体１４に担持するマイクロ波吸収発熱材１３の担持量は、セラミック担体全体を急速且つ均一に加熱するためには、貫通孔１５を形成する壁面（以下、「貫通孔壁面」という）１ｃｍ^２あたりに担持されるマイクロ波吸収発熱材１３は、１〜２０ｍｇであることが好ましく、２〜６ｍｇであることがより好ましい。

次に、上述したマイクロ波加熱装置１００を用いたマイクロ波加熱方法について説明する。

はじめに、マイクロ波加熱装置１００においてマイクロ波発振器８を作動させる。すると、マイクロ波発振器８でマイクロ波Ｗが発生し、マイクロ波Ｗは同軸ケーブル９を通って伝送され、同軸−導波管変換器１０でモード変換された後、マイクロ波導入口３から直方体型空胴共振器１１０内に導入される。そして、マイクロ波導入口３から可動短絡部材５の方向に向かう進行波と、可動短絡部材５からマイクロ波導入口３へ向かう反射波とにより、直方体型空洞共振器１１０の空胴内にマイクロ波Ｗの進行方向と垂直な２つの方向にそれぞれ１／２波長の定在波Ｓが発生する。

このとき、直方体型空胴共振器１１０内であってガス移送管１３０の加熱管１３０ａ内に収納されている発熱体１４０にマイクロ波Ｗが照射される。

このとき、マイクロ波Ｗは、セラミック担体１４を透過してマイクロ波吸収発熱材１３に照射される。ここで、マイクロ波吸収発熱材１３は、従来のＳｉＣに比べてマイクロ波吸収効率に優れた炭化ケイ素系複合酸化物を含んでいる。このため、マイクロ波Ｗを効率的に吸収して熱変換し、マイクロ波の照射によってマイクロ波吸収発熱材１３が急速且つ均一に昇温される。これにより、セラミック担体１４を急速且つ均一に加熱することができる。また、マイクロ波加熱装置１００においては、空胴共振器が単一モードの直方体型空胴共振器１１０を用いているため、直方体型空胴共振器１１０内の共振を十分に維持することができる。またマイクロ波吸収発熱材１３の材質や形状が変化しても直方体型空胴共振器１１０内の電磁界モードは変わることがなく、且つセラミック担体１４内の電磁界分布を一様とすることができるため、セラミック担体１４を均一に加熱することが可能である。従って、マイクロ波加熱装置１００によれば、急速且つ均一にセラミック担体１４を加熱することができる。

よって、ガス移送管１３０内に排ガスを流通させると、排ガスが発熱体１４０の貫通孔を通過することにより、排ガスＦがマイクロ波吸収発熱材１３に接触し、排ガスＦが急速且つ均一に加熱されることになる。

従って、マイクロ波加熱装置１００を自動車等のエンジンに適用し、ガス移送管１３０を排気管とした場合、発熱体１４０の下流側に触媒１５０を配置すると（図３参照）、この排ガスが急速且つ均一に触媒活性温度以上の温度にまで加熱される。このため、自動車等における暖気運転の初期段階において生じるコールドエミッション等の現象を十分に抑えることができ、環境保全に資することができる。

またマイクロ波加熱装置１００においては、加熱管１３０ａは、可変結合窓２と可動短絡部材５との間であって、発熱体１４０が可変結合窓２から定在波Ｓの１／４波長の長さだけ離れた位置を含むように配置されている。このため、マイクロ波吸収発熱材１３が直方体型空胴共振器１１０内の電界Ｅの強度が最大の位置を含むように配置されることとなる。従って、マイクロ波Ｗがマイクロ波吸収発熱材１３に効率良く吸収され、エネルギー効率の向上が達成される。

また、ガス移送管１３０は、マイクロ波Ｗの進行方向と直交する方向に延びているため、排ガスＦの進行方向が直方体型空胴共振器１１０内の電界Ｅの方向と略一致する。従って、排ガスＦの進行方向に反射板を設置する必要がなくなる。このため、圧力損失の増加を防止することができる。

更に、本実施形態のマイクロ波加熱装置１００においては、方向性結合器１１によって直方体型空胴共振器１１０からのマイクロ波反射率｛（反射電力／入射電力）×１００｝が測定され、そのマイクロ波反射率が最小になるように制御装置３によって可変結合窓２と可動短絡部材５とが制御される。すなわち、温度上昇に伴ってマイクロ波吸収発熱材１３及び被加熱排ガスＦの誘電特性が変化して直方体型空胴共振器１１０内の共振がとれなくなる（変動する）と直方体型空胴共振器１１０から反射されるマイクロ波が増えてマイクロ波反射率が増加する。そのため、方向性結合器１１でマイクロ波反射率を測定することによって直方体型空胴共振器１１０内の共振の状態がモニターされ、そのマイクロ波反射率が最小となるように可変結合窓２と可動短絡部材５を制御してマイクロ波導入口の大きさ及び／又は空胴共振器内の空胴の大きさを調節することにより、直方体型空胴共振器１１０内の共振が常時最適の状態に維持される。

以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。

即ち、上記実施形態においては空胴共振器としてＴＥ_１０１単一モードの直方体型空胴共振器でマイクロ波の進行方向に１／２波長の定在波が発生するように設計されているものを用いたが、これに限定されるものではなく、マイクロ波の進行方向に複数の定在波が存在するＴＥ_１０ｎモードであってもよい。

また、上記実施形態では単一モードの直方体型空胴共振器１１０を用いているが、本発明のマイクロ波吸収発熱材は、マイクロ波吸収特性に優れているため、空胴共振器の形状や電磁界モードに制約が少なく、必ずしも単一モードの直方体型である必要はない。即ち、電磁界モードがマルチモード、あるいは形状が円筒型である空胴共振器を用いても、従来のマイクロ波吸収発熱材と比較するとセラミック担体１４を急速且つ均一に加熱することができる。従って、本発明のマイクロ波吸収発熱材を用いて被加熱体を加熱する場合は、市販の電子レンジ、マイクロ波加熱炉等のマイクロ波加熱装置を使用することができる。

また、上記実施形態では、流体として排ガスを用いているが、排ガスに代えて液体を用いてもよい。この場合は、液体を急速且つ均一に加熱することが可能となる。

更に上記実施形態では、マイクロ波吸収発熱材１３がＳｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ複合酸化物を含んでいるが、Ｓｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ複合酸化物に代えて、Ｓｉ−Ｃ−Ｏ複合酸化物、Ｓｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏ複合酸化物及びＳｉ−Ａｌ−Ｏ複合酸化物から選ばれる一種又は二種以上の複合酸化物を含んでいてもよい。ここで、マイクロ波吸収発熱材１３は炭化ケイ素を更に含むことが好ましい。なお、Ｓｉ−Ｃ−Ｏ複合酸化物とは、Ｓｉ、Ｃ及びＯの元素で構成される炭化ケイ素系複合酸化物、Ｓｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏ複合酸化物とは、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃ及びＯの元素で構成される炭化ケイ素系複合酸化物、Ｓｉ−Ａｌ−Ｏ複合酸化物とは、Ｓｉ、Ａｌ及びＯの元素で構成される複合酸化物をいう。

また、上記実施形態ではマイクロ波吸収発熱材は、流体を昇温するためのセラミック担体を加熱するために用いられているが、本発明のマイクロ波吸収発熱材はマイクロ波吸収特性に優れているため加熱室の制約を受けない。このため、本発明のマイクロ波吸収発熱材は、適用範囲が広く、その用途は、流体を昇温するためのセラミック担体の加熱に限られない。本発明のマイクロ波吸収発熱材は、例えば、マイクロ波エネルギーを利用して加熱される加熱管の内壁や加熱容器等の被加熱体に塗布又は担持されてもよい。あるいは、加熱管の内壁や加熱容器等の被加熱体にマイクロ波吸収発熱材を構成する材料を分散させたり、被加熱体自体を、マイクロ波吸収発熱材を構成する材料の成型体で構成することも可能である。

以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。

（実施例１）
炭化ケイ素系複合酸化物の粉末は、有機ケイ素系ポリマーを前駆体としたポリカルボシランから合成した。ポリカルボシランにＺｒを含んだ金属アルコキシドを加え、約２２０℃で反応させて、ポリメタロカルボシランを重合させた。その後、大気中約１８０℃にて不融化処理を行い、さらに不活性ガス中１３００〜１５００℃で焼成することによって製造した。このようにして元素の組成比がＳｉ_５５Ｚｒ_１Ｃ_３５Ｏ_９で表される炭化ケイ素系複合酸化物の粉末（以下、「Ｓｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ粉末」と呼ぶ）を得た。Ｓｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ粉末が上記の元素組成比の炭化ケイ素系複合酸化物であることを赤外吸収による化学分析法で確認した。

一方、セラミック担体として、直径５０ｍｍ、長さ１０ｍｍの円筒形状であり、貫通孔壁面総面積が６００ｃｍ^２、誘電損率が０．０１であるコージェライト製モノリスを用意し、以下の方法にてＳｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ粉末をモノリスの貫通孔壁面に担持した。即ちまず、Ｓｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ粉末にバインダを混合してスラリー状にし、このスラリーにモノリスを浸漬させ、モノリスの貫通孔壁面にＳｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ粉末を含むスラリーを均一に塗布した。なお、モノリスの外周面にはマスキングを施し、スラリーが塗布されないようにした。スラリーが貫通孔壁面に塗布されたモノリスを１１０℃で２４時間乾燥後、約５００℃で１時間焼成し、貫通孔壁面にＳｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ粉末が担持されたモノリス（以下、「発熱体」と呼ぶ）を得た。貫通孔壁面に担持されたＳｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ粉末は１ｇであった。

（実施例２）
Ｓｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ粉末を２ｇ担持させたこと以外は実施例１と同様にして発熱体を得た。

（実施例３）
実施例１で得たＳｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ粉末１０ｇと市販のＳｉＣ粉末１０ｇとを無機バインダを用いて１時間混合し、Ｓｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ粉末とＳｉＣ粉末とを等質量混合した混合粉（以下、「ＳｉＺｒＣＯ−ＳｉＣ等質量混合粉末」という）を得た。即ち、Ｓｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ粉末１ｇとＳｉＣ粉末１ｇとからなるＳｉＺｒＣＯ−ＳｉＣ等質量混合粉末２ｇを得た。そして、Ｓｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ粉末１ｇに代えて、ＳｉＺｒＣＯ−ＳｉＣ混合粉末２ｇをモノリスの貫通孔壁面に担持させたこと以外は実施例１と同様にして発熱体を得た。

（比較例１）
Ｓｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ粉末１ｇに代えて、市販のＳｉＣ粉末１ｇをモノリスの貫通孔壁面に担持させたこと以外は実施例１と同様にして発熱体を得た。

（比較例２）
ＳｉＣ粉末を２ｇ担持させたこと以外は比較例１と同様にして発熱体を得た。

（誘電損率測定）
上記のＳｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ粉末、ＳｉＺｒＣＯ−ＳｉＣ等質量混合粉末及び市販のＳｉＣ粉末の誘電損率を以下のように測定した。即ち誘電損率は、摂動法を用いて測定し、直方体型空胴共振器１１０内に試料を挿入したときの共振波形の半値幅の変化から求めた。結果を表１に示す。また、表１には、実施例１〜３及び比較例１、２でのコージェライト製モノリスの貫通孔壁面へのマイクロ波吸収体の担持量も示した。

（単一モードのマイクロ波照射による発熱体の温度変化測定）
実施例１〜３及び比較例１及び２の発熱体に単一モードのマイクロ波を照射し、それぞれの発熱体のマイクロ波加熱による温度変化を測定した。結果を図５に示す。ここで、発熱体の温度変化測定においては、温度は発熱体の内部における温度とし、図５の縦軸は室温からの温度上昇とした。

発熱体のマイクロ波加熱には、図１〜３に示すマイクロ波加熱装置を用いた。図３に示すように発熱体１４０を直方体型空胴共振器１１０内に配置した。より具体的には、円筒形である発熱体１４０を加熱管１３０ａ内に挿入し、直方体型空胴共振器１１０内の電界強度が最大となる位置と発熱体１４０の断面円の中心とが一致するように、且つ、モノリスの貫通孔１５の貫通方向と直方体型空胴共振器１１０内の電界ベクトルの方向とが平行になるように、発熱体１４０及び加熱管１３０ａを直方体型空胴共振器１１０内に配置した。そして、マイクロ波発振器８を作動させ、発熱体１４０に対してマイクロ波を照射し、マイクロ波照射開始から５秒後の発熱体の温度を測定した。このとき、マイクロ波出力は５００Ｗとした。

発熱体１４０以外のマイクロ波加熱装置の構成要素は以下の通りとした。
・空胴共振器：ＴＥ_１０１単一モード直方体型空胴共振器、銅製、空胴寸法１１０ｍｍ×５５ｍｍ×７５ｍｍ；
・加熱管：高純度アルミナ管（純度９９．６％）、内径５０ｍｍ、長さ５５ｍｍ
・断熱材：アルミナファイバー製
・マイクロ波発生手段：マグネトロン発振器、周波数２．４５ＧＨｚ
・同軸−波導管変換器
・方向性結合器
・制御回路：反射率が０になるようにパーソナルコンピュータで自動制御
・可変結合窓：黄銅製
・可変短絡板：黄銅製

図５に示す結果より、マイクロ波吸収体の担持量が同じであっても、比較例１及び比較例２の発熱体は単一モードのマイクロ波照射５秒間で１００℃以下の温度上昇にとどまっているのに対し、実施例１及び実施例２の発熱体は、単一モードのマイクロ波照射５秒間で温度が実施例１では約２００℃、実施例２では約５００℃上昇しており、急速に温度上昇していることがわかる。特にＳｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ粉末２ｇが担持された実施例２の発熱体は、約１００℃／秒の昇温速度を示し、短時間で急速に加熱されることが分かった。また実施例１と比較例１の結果を比較すると、実施例１の方が比較例１よりも短時間で急速に加熱されることが分かった。更に、実施例１と比較例２の結果を比較すると、実施例１はマイクロ波吸収発熱材の担持量が比較例２の半分であるにもかかわらず、約２倍の温度上昇を示した。

また実施例１と実施例３の発熱体に担持されているＳｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ粉末は両者とも１ｇであるが、実施例３ではＳｉＣ粉末１ｇがさらに含まれていることにより、実施例３は実施例１の２倍以上の温度上昇を示し、約１００℃／秒の昇温速度で急速に加熱することができた。この温度上昇はＳｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ粉末を２ｇ担持させた実施例２の発熱体と同程度であった。この結果並びにＳｉＣ粉末が担持されている比較例１及び２の発熱体の昇温速度が低いことから、実施例３で得られた約１００℃／秒の昇温速度は、単にＳｉＣ粉末１ｇが実質的に加わり担持量が増加したことによる効果にとどまらず、マイクロ波吸収加熱体に含まれるＳｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ粉末とＳｉＣ粉末との混在による相乗的な効果によるものであることが示された。このことからＳｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ粉末とＳｉＣ粉末との混合粉体をマイクロ波吸収発熱材として使用することにより、Ｓｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ粉末の担持量を増加させなくとも、より急速且つ均一に発熱体を加熱することができることが示された。

また、図６には、単一モードのマイクロ波照射による発熱体の温度変化測定結果として、実施例２、実施例３及び比較例２の発熱体の温度上昇プロファイルを示した。図６にプロットした温度上昇プロファイルのグラフにおいては、グラフの傾きが直線的であるほど、マイクロ波吸収体の誘電損率の温度による変化が小さくなっており、モノリス内外部における加熱むら及び局部的な過熱、いわゆる温度暴走が発生せず、モノリス全体が均一に加熱されていることを示すものである。実施例２及び３の温度上昇プロファイルのグラフは、全温度測定範囲、即ち実施例２では２５℃から約８９０℃まで、実施例３では２５℃から約８００℃までの範囲で直線的であることから、発熱体全体が均一に加熱されているものと考えられる。一方、比較例２の温度上昇プロファイルのグラフは、２５℃から約４００℃までの範囲では直線的であるが、４００℃を超えるとグラフの傾きが立ち上がる傾向が見られたことから、発熱体の内外部に加熱むら及び温度暴走が発生しているものと考えられる。

次に、マルチモードのマイクロ波照射による発熱体の温度変化測定するために、以下の実施例４、５及び比較例３、４の発熱体を準備した。

（実施例４）
セラミック担体として、直径５０ｍｍ、長さ１０ｍｍの円筒形状であり、貫通孔壁面総面積が６００ｃｍ^２、誘電損率が０．０２であるアルミナ製モノリスを用意したこと以外は実施例１と同様にして発熱体を得た。

（実施例５）
Ｓｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ粉末１ｇに代えてＳｉＺｒＣＯ−ＳｉＣ等質量混合粉末２ｇを貫通孔壁面に担持したこと以外は実施例４と同様にして発熱体を得た。

（比較例３）
Ｓｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ粉末に代えて、市販のＳｉＣ粉末を貫通孔壁面に担持したこと以外は実施例４と同様にして発熱体を得た。

（比較例４）
市販のＳｉＣ粉末を１０ｇ担持させたこと以外は比較例３と同様にして発熱体を得た。

表２には、実施例４、５及び比較例３、４で用いたマイクロ波吸収発熱材の誘導損率、及び、アルミナ製モノリスの貫通孔壁面へのマイクロ波吸収体の担持量をまとめて示した。

（マルチモードのマイクロ波照射による発熱体の温度変化測定）
実施例４、５及び比較例３及び４の発熱体にマルチモードのマイクロ波を照射し、それぞれの発熱体のマイクロ波加熱による温度変化を測定した。

具体的には、発熱体のマイクロ波加熱に、市販の電子レンジを用い、周波数２．４５ＧＨｚ、出力５００Ｗのマイクロ波を１分間照射した。結果を図７に示す。ここで、発熱体の温度変化測定においては、温度は発熱体の内部における温度とし、図７の縦軸は室温からの温度上昇とした。

図７に示すように、実施例４と比較例３の結果を比較すると、同じ１ｇの担持量であっても、Ｓｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ粉末を担持した実施例４では、マルチモードのマイクロ波照射１分間で１３０℃温度が上昇しているが、ＳｉＣ粉末を担持した比較例３では室温から２０℃程度しか温度が上昇していないことが分かる。また、実施例４と比較例４の結果を比較すると、発熱体を約１２０℃の温度上昇させるのにＳｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ粉末はＳｉＣ粉末の１０分の１以下の担持量でよいことが分かる。

また、実施例５の発熱体は、Ｓｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ粉末１ｇとＳｉＣ粉末１ｇとを含有するＳｉＺｒＣＯ−ＳｉＣ等質量混合粉末２ｇが担持されているが、図７に示すように、約２２０℃の温度上昇を示した。上述したようにＳｉＣ粉末のみが担持された比較例３ではわずかな温度上昇であったにもかかわらず、実施例５ではＳｉＣ粉末１ｇがさらに含まれていることにより、実施例５は実施例４よりも１００℃温度程度高いの温度上昇を示した。この結果から、実施例５の発熱体の温度上昇は、単にＳｉＣ粉末１ｇが実質的に加わり担持量を増加させたことによる効果にとどまらず、マイクロ波吸収加熱体に含まれるＳｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ粉末とＳｉＣ粉末の相乗的な効果であり、マルチモードのマイクロ波加熱においてもこの効果が発現されることが示された。

このことからＳｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ粉末とＳｉＣ粉末との混合粉体をマイクロ波吸収発熱材として使用することにより、Ｓｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ粉末の担持量を増加させなくとも、従来のマイクロ波吸収発熱材と比較すると、急速且つ均一に発熱体を加熱することができることが示された。

また、市販の電子レンジを用いた発熱体の温度測定においても、従来のマイクロ波吸収発熱材と比較すると、良好な結果が得られた。

従って、本発明のマイクロ波吸収発熱材はマイクロ波加熱に用いるマイクロ波加熱装置の制約を受けないことが示された。

本発明のマイクロ波吸収発熱材を適用したマイクロ波加熱装置の一例を示す模式図である。 図１に示すマイクロ波加熱装置を構成する空胴共振器を示す斜視図である。 図２に示す空胴共振器のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。 マイクロ波吸収発熱材が担持されたセラミック担体の一実施形態を示す部分断面図である。 単一モードのマイクロ波照射による実施例１〜３及び比較例１、２の発熱体の温度変化測定結果を示すグラフである。 単一モードのマイクロ波照射による実施例２及び比較例２の発熱体の温度変化測定結果における加熱特性を示すグラフである。 マルチモードのマイクロ波照射による実施例４、５及び比較例３、４の発熱体の温度変化測定結果を示すグラフである。

符号の説明

１３…マイクロ波吸収発熱材、１４…セラミック担体、Ｗ…マイクロ波。

Claims (3)

1. Ｓｉ、Ｚｒ、Ｃ及びＯの元素で構成される炭化ケイ素系複合酸化物を含むことを特徴とするマイクロ波吸収発熱材。
2. 前記炭化ケイ素系複合酸化物の誘電損率が２以上であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波吸収発熱材。
3. 炭化ケイ素を更に含むことを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロ波吸収発熱材。

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