JP2006260915A - 電磁波加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 電磁波エネルギーを被加熱物に効率良く伝達するとともに、被加熱物からの熱放射を防止することのできる断熱構造を有する電磁波加熱装置の提供。
【解決手段】 電磁波により加熱される被加熱物が収容される収容部と、前記収容部の外側に配置される電磁波照射手段と、前記収容部の外側に且つ前記電磁波照射手段からの電磁波の経路上に配置され、前記電磁波照射手段からの電磁波を前記収容部へ導く誘導部を有する電磁波加熱装置であって、前記収容部は、前記誘導部からの電磁波を内部に導くための導入部を有するとともに、電気伝導体の材料から形成されることを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電磁波加熱装置に関し、より詳しくは、電磁波エネルギーを被加熱物に効率良く伝達するとともに、被加熱物からの熱放射を防止することのできる断熱構造を有する電磁波加熱装置に関する。

電気炉等による従来の加熱方法では、電気炉全体を加熱する必要があり、加熱効率が低い問題点や、加熱後の冷却に長時間を要するなどの問題点を有していた。さらに、従来の加熱方法は、輻射熱による表面から被加熱物を加熱し、熱伝導により熱エネルギーを内部へ伝達する加熱形態であるため、表面温度が内部温度よりも高くなり、被加熱物の表面部と内部との温度差が大きい問題点を有していた。

これに対して電磁波加熱は、電磁波が直接被加熱物誘電体の双極子を振動させ、材料自身が発熱する加熱形態であるために材料を均一に加熱することができる。このため、表面から放熱すれば内部の温度が表面の温度よりも高い状態で加熱することができ、上記する如き問題点を解決し、従来の加熱方法では不可能な加熱を行うことができる。

また、電磁波加熱における非熱的効果は、数多くの論文（例えば、非特許文献（１）や（２））、あるいは特開2000-103608号公報（特許文献１）等で確認されている。

従来の電磁波加熱装置における被加熱物収容部の断熱構造では、被加熱物を電磁波透過率が高く、熱伝導率の低い材料で覆う収容部構造に形成されていた。このように形成されることにより、電磁波エネルギーを被加熱物に到達させ、熱エネルギーに変換されたエネルギーによって被加熱物を加熱し、同時に加熱された被加熱物からの熱放出を防いでいた。
しかしながら、従来の電磁波加熱装置における断熱構造では、電磁波透過率が高く且つ熱伝導率の低い材料が使用されていたため、耐熱温度が低く、一般に使用されているアルミナファイバーは1750℃程度の耐熱温度しか有していなかった。
また、一方で、本発明者の一人によって創出された発明では、BN(Boron Nitride:窒化硼素)粉末を用いた収容部の断熱材構造を創出している。この断熱構造では、約2250℃の加熱まで耐えることができた。
しかしながら、この断熱材構造でも、約2250℃以上の高温に加熱する状況下では使用することができない問題点を有していた。

一方で、3000℃以上の高温に耐える収容部の断熱材としてカーボンファイバーなどを利用する黒鉛系の断熱材がある。
しかしながら、黒鉛系の材料は、電気伝導体であるために電磁波を反射し、透過させることはできないという問題があり、一般的には電磁波加熱装置の収容部を形成する断熱材料には使用できなかった。

M. A. Janney, H. D. Kimrey, 泥iffusion controlled processing in microwave-fired in oxide ceramics Materials research society symposium proceedings vol. 189, (1991) p215-227 佐治他三郎、巻野勇喜雄、三宅正司、 "ジャイロトロン発振ミリ波による金属の表面処理"、高温学会誌 第29巻、第2号、(2003年) p33-36 特開2000-103608号公報

本発明は、このような実情に鑑みてなされたもので、電磁波加熱手段の被加熱物を収容する収容部に黒鉛などの電気伝導体材料により形成される場合であっても、被加熱物を効果的に加熱することができるとともに、被加熱物からの熱放射を防止することのできる断熱構造を有する電磁波加熱装置を提供することにある。

請求項１記載の発明は、電磁波により加熱される被加熱物が収容される収容部と、前記収容部の外側に配置される電磁波照射手段と、前記収容部の外側に且つ前記電磁波照射手段からの電磁波の経路上に配置され、前記電磁波照射手段からの電磁波を前記収容部へ導く誘導部を有する電磁波加熱装置であって、前記収容部は、前記誘導部からの電磁波を内部に導くための導入部を有するとともに、電気伝導体の材料から形成されることを特徴とする電磁波加熱装置を提供する。

請求項２記載の発明は、前記電気伝導体が、石墨であることを特徴とする請求項１記載の電磁波加熱装置を提供する。

請求項３記載の発明は、前記電気伝導体がカーボンファイバーであることを特徴とする請求項1記載の電磁波加熱装置を提供する。

請求項４記載の発明は、前記誘導部が、電磁波を一点に集束させる集束ミラーであることを特徴とする請求項１記載の電磁波加熱装置を提供する。

請求項５記載の発明は、前記集束ミラーにより集束された電磁波の焦点が、前記導入部内又は該導入部と被加熱物の間に位置することを特徴とする請求項４記載の電磁波加熱装置を提供する。

請求項６記載の発明は、前記導入部の形状は、前記電磁波の経路に沿って形成されていることを特徴とする請求項４記載の電磁波加熱装置を提供する。
これらの発明を提供することによって、上記課題を悉く解決する。

請求項１記載の発明によって、電磁波加熱装置の被加熱物を収容する収容部として、電気伝導体を利用することによって、従来加熱が限界とされた温度よりも極めて高温で加熱することが可能となる電磁波加熱装置を提供することができる。

請求項２記載の発明によって、電気伝導体が石墨であるので、より効果的に収容部の耐熱温度を向上させることができる電磁波加熱装置を提供することができる。

請求項３記載の発明によって、電気伝導体がカーボンファイバーであるので、より効果的に収容部の耐熱温度を向上させることができる電磁波加熱装置を提供することができる。

請求項４記載の発明によって、誘導部が集束ミラーであるので、電磁波を効果的に収集して集束させることができる電磁波加熱装置を提供することができる。

請求項５記載の発明によって、誘導部と収容部の位置関係が、集束ミラーの焦点を導入部内又は導入部と被加熱物の間に配置されているので、導入部の断面積を小さくすることができる電磁波加熱装置を提供することができる。

請求項６記載の発明によって、導入部が電磁波の進む経路の幅に沿って形成されているので、電磁波と干渉することなく且つ導入部を小さくし外気と触れる面積を最小限に設定することができる電磁波加熱装置を提供することができる。

本発明を実施するための最良の形態を説明する。
図１は本発明に係る電磁波加熱装置の正面図であり、図２は本発明による電磁波加熱装置の概略構成図であり、図３は図２のＡ−Ａ線断面図であり、図４は収容部と電磁波の経路の関係を示す図である。
本発明に係る電磁波加熱装置（１）は、電磁波照射手段（１１）、収容部（１２）と誘導部（１３）を有している。この電磁波照射手段（１１）と誘導部（１３）は、収容部（１２）の外側に配置されており、この誘導部（１３）は収容部（１２）の外側であれば、収容部（１２）に当接するように設けられても、収容部（１２）と離れて配置されても構わない。
電磁波加熱装置（１）の基本原理は、電磁波照射手段（１１）から照射される電磁波を、誘導部（１３）を利用することによって収容部（１２）内部へと導き、収容部（１２）内の被加熱物を加熱する。

尚、本発明により加熱する被加熱物は、使用者が加熱したいと所望する物体であり、特に限定されるものではない。また、この被加熱物の大きさは、後述する収容部（１２）に収容することができる大きさであれば、特に限定されるものではない。尚、被加熱物を後述する実施例に応じた大きさに設定する場合には、直径10cm×高さ10cmの形状を例示することができる。

電磁波照射手段（１１）は、指向性を有する電磁波を照射することができる。この電磁波照射手段（１１）が照射する電磁波は、特に限定されるものではなく、例えば、周波数が２〜３００GHzの範囲、更に好ましくは、１８〜２００GHzの電磁波を利用することが好ましい。

収容部（１２）は、電磁波によって加熱される被加熱物（２）を収容する。
この収容部（１２）は、中空状の形状を有しており、この中空内に被加熱物が配置される。
この収容部（１２）の形状は、特に限定されるものではなく、使用者によって適宜設定されることができるが、図１乃至図３に示される本発明の一実施例の収容部（１２）は、有底円筒形状に形成されている。
この収容部（１２）の大きさや厚みは、特に限定されるものではないが、一実施例に於いて示される収容部（１２）としては、外形寸法直径約22cm、高さ約30cm、内形寸法直径約12cm、高さ約20cmで、断熱厚み約5cmを例示することができる。

収容部（１２）は、被加熱物（２）を内部に収容することができるように、扉状或いは蓋状に形成される扉部（１２１）を有している。この扉部（１２１）の構造は特に限定されるものではなく、収容部（１２）を開放したり、密閉したりする構造を有している。
この扉部（１２１）は、図３で示される如く、収容部（１２）の平面視に於いて、左右端に夫々蝶番のような開閉機構（１２２）を取り付け、収容部（１２）の正面の位置に把持部（１２３）を設けて、この扉部（１２１）が左右に開け広がる観音開き構造とすることができる。尚、この扉部（１２１）の構成は、上記の如き観音開き構造に限定されるものではない。

収容部（１２）は、電磁波照射手段（１１）から照射される電磁波を収容部（１２）内部に導くための導入部（１２４）を有している。
この導入部（１２４）は、電磁波照射手段（１１）からの電磁波を収容部（１２）内に導くことのできる経路を形成している。
この導入部（１２４）が設けられる場所は、収容部（１２）周面であれば特に限定されないが、図１で示される一実施例では、収容部（１２）の上面に設けられている。

導入部（１２４）は、電磁波の透過性が良く減衰率の低い素材（材料）で構成されることもできるし、電磁波が通過する収容部（１２）の孔部として形成しても構わない。
この導入部（１２４）を形成する素材としては、上記の如き減衰率の低い素材であれば好ましく、金属タングステンを例示することができる。
尚、この導入部（１２４）に素材を利用する場合には熱伝導率の問題を考慮して、導入部（１２４）表面のみを上記の如き素材で形成することが好ましい。
また、この導入部（１２４）は、収容部（１２４）の厚み方向に沿って貫通する孔部として形成することもでき、この場合、電磁波は空気中（孔部を形成する空気中）を通過することになる。
尚、図面で示される実施例では、この導入部（１２４）を収容部（１２）の厚み方向に貫通する孔部として形成している。

この導入部（１２４）の形状は、特に限定されないが、上述する如く電磁波の経路と同じ形状を有するように形成されることが好ましい。
例えば、図４には、収容部（１２）の導入部（１２４）の電磁波の経路との関係を示した図であり、図４（ａ）では、導入部（１２４）の上方部（１２４１）を下方に沿って徐々に狭まるテーパ形状を有するように形成されており、図４（ｂ）では、上方部（１２４１）を下方に沿って徐々に狭まるテーパ形状に、中部（１２４２）を直線経路に、下方部（１２４３）を下方に沿って徐々に広がるテーパ形状に形成され、図４（ｃ）では、上方部（１２４１）を下方に沿って徐々に狭まるテーパ形状に、下方部（１２４３）を下方に沿って徐々に広がるテーパ形状に形成されている
このように形成されることによって、収容部（１２）と外気が接する面積を極めて小さくすることができる。特に、図４（ｃ）では、電磁波の焦点に於ける部分よりもわずかに大きい面積を有する導入部（１２４）とすることができるので、外気に接する面積を最小にすることができるため、外気に放出される熱を極めて小さくすることができる。
尚、一実施例に於ける寸法としては、図４（ｂ）の場合であれば、導入部表面の直径が2.0cmφ〜10.0cmφ（好ましくは、3.0cmφ〜5.0cmφ）、電磁波の集点部の孔径が1.0cmφ〜5.0cmφ（好ましくは、1.5cmφ〜2.0cmφ）、導入部内面での孔径が1.0cmφ〜5.0cmφ（好ましくは、1.5cmφ〜3.0cmφ）に設定されており、導入部入口から厚みの半分まで円錐状に下方へ狭まり、その後円筒の孔が厚みの1/4続き、残りの1/4がまた円錐状に下方へ広がるように形成されている。
尚、この寸法は、限定されるものではなく、また、この寸法を図４（ａ）や図４（ｃ）に利用することもできる。

収容部（１２）は、被加熱物（２）を収容して加熱を行う場所となるので、耐熱性で且つ断熱性を有する素材を利用する。
この収容部（１２）は、上記の如き導入部（１２４）を有しているので、電磁波を利用した場合であっても、電磁波が収容部（１２）と干渉すること無く収容部（１２）内部に導かれることになるので、収容部（１２）の素材として、電気伝導体を採用することができる。
この電気伝導体は、特に限定されないが、電磁波により被加熱物を加熱することにより、極めて高温（上記の如き約3000℃程度）となるので、石墨を使用することが好ましい。
また、更に好ましい素材として、カーボンファイバー（炭素繊維）を採用することが極めて好ましい。
上記の如き素材を採用することによって、断熱性に優れた収容部（１２）を形成することができるからである。

誘導部（１３）は、電磁波照射手段（１１）の電磁波の経路上に配置されるとともに電磁波照射手段（１１）からの電磁波を収容部（１２）内へと導くことができる。
この誘導部（１３）は、収容部（１２）へ電磁波を導くことができる物を採用することができるが、電磁波を一点に集束させることのできる椀状の反射部を有する集束ミラーを採用することが好ましい。
誘導部（１３）に集束ミラーを採用することによって、電磁波を集束させて収容部（１２）へと導くことができ、上記の如き導入部（１２４）の面積を小さくするように設定することができるからである。
この集束ミラーの形状は、特に限定されるものではなく、球面収差などのない放物面鏡で形成され、高い集束性能を有している。
尚、この集束ミラーが有する特性は、特に限定されるものではないが、直径15.0〜80.0cmφを有し、放物面鏡の焦点距離は10cm〜100cmを有しており、素材は電気伝導率の高い、すなわち電磁波反射率の高い素材が好ましく、例えば、アルミニュウムあるいは銅で形成されており、反射面での損失が少ないものが好ましい。
尚、この誘導部（１３）を支持する支柱は図に於いて示されていないが、この誘導部（１３）は、独立した支柱を持ってその上に設置されている。たとえば、図で示される一実施例に於ける収容部（１２）への上からの入射の場合、被加熱物（２）への電磁波照射を容易にするため、誘導部（１２）は、独立した支柱以外にも収容部（１２）を固定する構造物を利用して堅牢に設置されることもできる。

収容部（１２）に設けられる導入部（１２４）と誘導部（１３）の位置関係は、上記の如く、電磁波照射手段（１１）からの電磁波が誘導部（１３）を介して、収容部（１２）の内部にある被加熱物に照射されるように配置されれば、特に限定されず、本発明の実施例においては、誘導部（１３）からの電磁波が収容部（１２）の直角方向上方より照射するように位置取りされている。

この誘導部（１３）が電磁波を反射し集束して、収容部（１２）へ導くことになるので、上記の如き導入部（１２４）がテーパ形状を有して形成されることになる。この場合、誘導部（１３）が形成する電磁波の集点が導入部（１２４）内又はこの導入部（１２４）から被加熱物（２）間に於ける間に配されるように、収容部（１２）と誘導部（１３）が配置されていることが好ましい。
このように収容部（１２）及び誘導部（１３）が配置されることによって、確実に収容部（１２）の導入部（１２４）が形成する収容部（１２）内部が外気に触れる面積を極めて小さくすることができるからである。

従来は耐熱性能が高い石墨（黒鉛）材料などを断熱材として使用しても、加熱用のミリ波などが表面で反射されるので（電気伝導体であるので）、セラミックス成形体等の被加熱物を2300℃以上（例えば3000℃）に加熱することは不可能であった。
しかしながら、本発明は、図１乃至図３に示す如く、電磁波を集束ミラーである誘導部（１３）によって集束反射させて、集束する電磁波とすることができ、被加熱物を3000℃近くの高温にまで加熱することができる。
また、この集束する電磁波を、収容部（１２）に於いて干渉することなく、一部にテーパ形状を有するような電磁波の経路に沿う収容部（１２）の導入部（１２４）が形成されているので、収容部（１２）と電磁波が干渉することがない。つまり、収容部（１２）を電気伝導体で形成することができるため、極めて高い温度に於いても被加熱物を加熱することができるようになる。
また、この導入部（１２４）が電磁波の経路に沿うテーパ形状を有しているので、収容部（１２）内部と外気が触れる面積を極めて小さくすることができ、極めて断熱効果の優れた収容部（１２）を形成することができるようになる。

本発明は、ミリ波などの電磁波によるセラミックスなどの特に超高温耐熱材料粉末の成形体や機能性カーボンなどの高温加熱を要する材料の効率的な加熱装置に関するものであり、加熱焼結による高機能セラミックの創生や表面改質など新たな物質の創生などを行う産業に利用できる。

本発明に係る電磁波加熱装置の正面図である。 本発明による電磁波加熱装置の概略構成図である。 図２のＡ−Ａ線断面図である。 収容部と電磁波の経路の関係を示す図である。

符号の説明

１・・・・・・電磁波加熱装置
１１・・・・・電磁波照射手段
１２・・・・・収容部
１２４・・・・導入部
１３・・・・・誘導部

Claims (6)

1. 電磁波により加熱される被加熱物が収容される収容部と、前記収容部の外側に配置される電磁波出射手段と、前記収容部の外側に且つ前記電磁波出射手段からの電磁波の経路上に配置され、前記電磁波出射手段からの電磁波を前記収容部へ導く誘導部を有する電磁波加熱装置であって、
   前記収容部は前記誘導部からの電磁波を内部に導くための導入部を有するとともに電気伝導体の材料から形成されていることを特徴とする電磁波加熱装置。
2. 前記電気伝導体が、石墨であることを特徴とする請求項１記載の電磁波加熱装置。
3. 前記電気伝導体がカーボンファイバーであることを特徴とする請求項1記載の電磁波加熱装置。
4. 前記誘導部が、電磁波を一点に集束させる集束ミラーであることを特徴とする請求項１記載の電磁波加熱装置。
5. 前記集束ミラーにより集束された電磁波の焦点が、前記孔部内又は該孔部と被加熱物の間に位置することを特徴とする請求項４記載の電磁波加熱装置。
6. 前記導入部の形状は、前記電磁波の経路に沿って形成されていることを特徴とする請求項４記載の電磁波加熱装置。

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