JP2008282628A - マイクロ波漏洩防止構造及びマイクロ波加熱炉 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、直線状の棒状ヒータを併用する複合加熱方式のマイクロ波加熱炉において、加熱時の発熱部の熱膨張によるヒータの変形を回避するとともに、ヒータの貫通部やヒータに重畳して外部へ漏洩するマイクロ波を確実に防止することのできるマイクロ波漏洩防止構造と、このようなマイクロ波漏洩防止構造を備えるマイクロ波加熱炉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漏洩防止構造は、鋼材で構成され電気的に接地されている炉殻を有し、少なくともマイクロ波加熱手段とヒータ加熱手段とを備えるマイクロ波加熱炉のマイクロ波漏洩防止構造であって、ヒータ加熱手段に重畳して炉殻外へ漏洩するマイクロ波を減衰させる減衰手段と、この伝播するマイクロ波を炉殻を介して接地させる接地手段と、を有する。また、本発明のマイクロ波加熱炉は、ヒータ取り付け部に上記のマイクロ波漏洩防止構造を有する。
【選択図】図１

Description

本発明はマイクロ波漏洩防止構造とこのマイクロ波漏洩防止構造を備えるマイクロ波加熱炉とに関する。より詳しくは、少なくとも加熱源がマイクロ波加熱とヒータ加熱とを備える複合型の加熱炉において、ヒータの取り付け部周辺から漏洩するマイクロ波を防止するマイクロ波漏洩防止構造と、このマイクロ波漏洩防止構造を備えるマイクロ波加熱炉とに関する。

加熱源としてマイクロ波加熱に加えて電熱ヒータを併用し、ヒータによる輻射熱によってマイクロ波加熱時の被加熱物の各部分の温度勾配が小さくなるように制御したり、あるいは、ヒータ加熱により被加熱物を予熱してからマイクロ波加熱を施すことで製品の品質を維持しながらマイクロ波の加熱効率を向上することができるマイクロ波加熱炉が知られている。

このようなヒータ併用のマイクロ波加熱炉では、炉殻を貫通して加熱室内にヒータを設置しなければならない。このため、炉殻に形成したヒータ取り付け用の貫通穴からのマイクロ波の漏洩や、アンテナ効果と称されるヒータの電導部分に重畳して外部へ漏洩するマイクロ波が問題となる。

このため、加熱源としてヒータを併用するマイクロ波加熱炉にとって、マイクロ波漏洩防止手段は不可欠であり、例えば、図４に示すようなマイクロ波漏洩防止構造５０が知られている（特許文献１参照）。

このマイクロ波漏洩防止構造５０は、ヒータ電極５３を固定部材５４を用いて、マイクロ波漏洩防止手段５７とともに炉殻５１に固定するものである。マイクロ波漏洩防止手段５７は金属製の円板であり、固定部材５４を挿通してヒータ電極５３と同軸状に炉殻５１に締結されている。この金属製の円板５７の半径Ｒは、マイクロ波の波長をλとして、λ／４となるように形成されており、電極に重畳して円板５７に伝播したマイクロ波を減衰させるチョークである。

また、特許文献１には上記のようなマイクロ波漏洩防止構造５０を有するヒータを併用したマイクロ波加熱炉が開示されている。

図５に示すこのマイクロ波加熱炉６０は、炉殻６２と、断熱材６４で区画され被加熱物を収容する加熱室６６と、被加熱物を加熱するマイクロ波加熱手段６８と加熱室６６内の温度を制御するヒータ加熱手段７０とを備えている。また、ヒータ加熱手段７０は、ヒータ電極部７８と、Ｕ字形の発熱部８０とからなる複数のエレメント８２で形成されている。

上記のようなマイクロ波加熱炉６０においては、ヒータエレメント８２は、通電により発熱して発熱部８０が熱膨張しても、この発熱部８０はＵ字形であるために、発熱部８０が垂下することで熱膨張による長さの変化を吸収することができる。

しかし、この発熱部が直線状の棒状ヒータの場合には、ヒータの両端部を炉殻に固定してしまうと、熱膨張による長さの変化を吸収することができず、ヒータが変形したり、甚だしい場合にはヒータが破損してしまうという問題が生じる。

また、上記のマイクロ波漏洩防止構造５０を備えるマイクロ波加熱炉６０では、マイクロ波の出力を増加したり、あるいはヒータの温度を上昇させた場合などには、電波法施行規則第４６条の７「電子レンジ技術条件」で規定されている「器体の表面から５ｃｍ離れたあらゆる箇所において測定した漏洩電磁波の電力密度は、最悪条件でも５ｍＷ／ｃｍ^２以下であること。」を満すものの、その値は上限値に近接しており必ずしも満足できるものではなかった。
特開２００６−０４９０００号公報

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、直線状の棒状ヒータを併用する複合加熱方式のマイクロ波加熱炉において、加熱時の発熱部の熱膨張によるヒータの変形を回避するとともに、ヒータの貫通部やヒータに重畳して外部へ漏洩するマイクロ波を確実に防止することのできるマイクロ波漏洩防止構造とこのようなマイクロ波漏洩防止構造を備えるマイクロ波加熱炉を提供することを課題とする。

本発明のマイクロ波漏洩防止構造は、鋼材で構成され電気的に接地されている炉殻を有し、少なくともマイクロ波加熱手段とヒータ加熱手段とを備えるマイクロ波加熱炉のマイクロ波漏洩防止構造であって、ヒータ加熱手段に重畳して炉殻外へ漏洩するマイクロ波を減衰させる減衰手段と、この重畳するマイクロ波を炉殻を介して接地させる接地手段と、を有することを特徴とする。

本発明のマイクロ波漏洩防止構造において、ヒータ加熱手段は、通電することにより発熱する発熱部とリード線に接続する電極部とを有する直線型の棒状ヒータであることが望ましい。

また、本発明のマイクロ波漏洩防止構造において、マイクロ波減衰手段は、炉殻を貫通して突出している電極部を収容し、炉殻の外表面にこの電極部と同軸に配置される金属製の筒体であることが好ましい。また、接地手段は、炉殻と、金属製の筒体と、該筒体に充填される微細空隙を有する導電性の弾性体とからなることが望ましく、この弾性体は金属束子とすることが好ましい。

本発明のマイクロ波加熱炉は、鋼材で構成され電気的に接地されている炉殻と、この炉殻内に配置され被加熱物を収容する加熱室を区画する断熱材と、被加熱物を加熱するマイクロ波加熱手段と、加熱室内の温度を制御するヒータ加熱手段と、このヒータ加熱手段を伝播して炉殻外へ漏洩するマイクロ波のマイクロ波漏洩防止構造と、を備え、マイクロ波漏洩防止構造は、ヒータ加熱手段に重畳して炉殻外へ漏洩するマイクロ波を減衰させる減衰手段と、伝播するマイクロ波を炉殻を介して接地させる接地手段と、を有することを特徴とする。

本発明のマイクロ波漏洩防止構造によれば、ヒータは炉殻に固定されることなく水平状態で炉殻に支持されている。すなわち、ヒータの支持部はその軸方向に対して拘束のない自由端となっているので、通電によるヒータ発熱部の長さの変化は単に軸方向の伸縮として吸収することができる。従って、通電による発熱部の温度上昇によるヒータの変形や破損を生じることがない。

また、マイクロ波漏洩防止構造は金属製の筒体を有している。この筒体の長さをマイクロ波の波長の１／４にすることで、筒体は同軸のヒータ電極部（支持部）に対して同軸チョークとなる。これ故、ヒータに重畳して炉殻外へ漏出したマイクロ波はこのチョーク内で減衰して消滅し外部へ漏洩することはない。

更に、本発明のマイクロ波漏洩防止構造では、筒体とヒータ電極部との間には微細な空隙を有する金属製の弾性体（例えば、金属束子）が充填されている。マイクロ波は、例えば、金属網のように金属により形成される隙間がその波長よりも小さい場合には、その隙間を通過できないという特性を有する。つまり、ヒータに重畳して炉殻外に放出されるマイクロ波はこの金属製の弾性体の微細な空隙を通過することはできない。従って、金属製の弾性体は放出されるマイクロ波を遮断することができる。

また、微細な空隙を有する金属製の弾性体は圧縮して充填されているので必ずどこかで筒体の内周面とヒータ電極部の外表面とに接触している。このため、ヒータに重畳して炉殻外に漏洩するマイクロ波を、金属製の弾性体→金属筒体→電気的に接地されている炉殻を経由して接地させることで消滅することができる。

以上のように本発明のマイクロ漏洩防止構造によれば、通電によるヒータの熱変形を生じることなくヒータを炉殻に取り付けることができ、且つこの取り付け部周辺からのマイクロ波の漏洩を確実に防止することができる。

また、このようなマイクロ漏洩防止構造を備えたマイクロ波加熱炉によれば、ヒータの変形や破損の虞がないので、安定した品質と生産性の向上を期待できる。

以下、本発明の好適な実施の形態について図を参照しながら詳細に説明する。

（マイクロ波漏洩防止構造）
本発明のマイクロ波漏洩防止構造は、鋼材で構成され電気的に接地されている炉殻を有し、少なくともマイクロ波加熱手段とヒータ加熱手段とを備えるマイクロ波加熱炉のマイクロ波漏洩防止構造であって、ヒータ加熱手段に重畳して炉殻外へ漏洩するマイクロ波を減衰させる減衰手段と、この漏洩するマイクロ波を炉殻を介して接地させる接地手段とを有する。

図１に本実施形態のマイクロ波漏洩防止構造１の構成を示す断面模式図を示す。

本実施形態において、ヒータ加熱手段は直線形状の棒状シースヒータ１４である。

ヒータ１４は、電流の通電により発熱する発熱部１４ａと図示しない電源や温度制御装置に接続するリード線１４ｃと接続する電極部１4ｂとからなっている。

炉殻１１は、アース線１８により電気的に接地されており、炉殻１１には、ヒータ１４を水平に支持する貫通孔１２が形成されている。この貫通孔１２には、絶縁部材１３を介してヒータ１４の電極部１４ｂが挿入されている。炉殻１１の外側面には、突出した電極部１４ｂと同軸に金属製の筒体１５が設けられている。また、この筒体１５には、微細空隙を有する導電性の弾性体１６が圧縮して充填されており、筒体１５の開口部は、ファイバセラミックなどの断熱材１７で封止されている。

金属製の筒体１５はフランジ部１５ａを有する円筒管であり、ヒータ１４の突出部（電極部）１４ｂを収容して、フランジ部１５ａを溶接またはボルト締めにより炉殻１１の外側面に密着するように固設されている。筒体１５の長さＬはマイクロ波の波長をλとしてλ／４以上である。

以上のように形成されたマイクロ波漏洩防止構造１は、以下のように作用する。

ヒータ１４はその両端部（電極部１４ｂ、支持部ともいう）が絶縁部材１３の軸穴１３ａに挿入されて水平状態で炉殻１１に支持されている。すなわち、ヒータ１４の支持部１４ｂはその軸方向に対して拘束のない自由端となっているので、通電による発熱部１４ａの長さの変化は単に軸方向の伸縮として吸収することができる。従って、発熱部１４ａの温度上昇によるヒータの変形や破損を生じることがない。

また、マイクロ波漏洩防止構造１は金属製の筒体１５を有している。この筒体１５の長さＬはマイクロ波の波長の１／４以上であるので、筒体１５は同軸のヒータ電極部１４ｂに対して同軸チョークとなっている。これ故、ヒータ１４に重畳して炉殻１１外へ漏出したマイクロ波はこのチョーク内で減衰して消滅し外部へ漏洩することはない。

更に、筒体１５とヒータ電極部１４ｂとの間には微細な空隙を有する金属製の弾性体１６が充填されている。マイクロ波は、例えば、金属網のように金属により形成される隙間がその波長よりも小さい場合には、その隙間を通過できないという特性を有するので、ヒータ１４に重畳して炉殻１１外に漏出するマイクロ波は、この金属製の弾性体１６の微細な空隙を通過することはできない。従って、金属製の弾性体１６は放出されるマイクロ波を遮断することができる。

また、微細な空隙を有する金属製の弾性体１６は圧縮して充填されているので、必ずどこかで筒体１５の内周面とヒータ電極部１４ｂのシース外表面とに接触している。このため、ヒータ１４に重畳して炉殻１１外に放出されるマイクロ波は、ヒータ電極１４ｂ→金属製の弾性体１６→金属筒体１５→炉殻１１を経由してアース線１８へ導かれ接地して消滅することができる。

本実施形態のマイクロ漏洩防止構造１は、上記のように同軸チョークによるマイクロ波の減衰効果と、微細な空隙を有する金属製の弾性体１６によるマイクロ波遮断効果と、この弾性体１６と金属筒体１５および電気的に接地された炉殻１１との協働によるマイクロ波の接地効果とにより、ヒータ１４の取り付け部（電極部１４ｂ）周辺からのマイクロ波の漏洩を確実に防止することができる。

以上のように本実施の形態においては、金属製の筒体１５がマイクロ波の減衰手段であり、微細な空隙を有する金属製の弾性体１６と金属筒体１５および電気的に接地された炉殻１１とがマイクロ波の接地手段である。

なお、絶縁部材１３は、炉殻１１と電気的に絶縁してヒータ１４を支持できる物であれば、特に制限はないが、マイクロ波吸収率の低い材質であるアルミナ質、ムライト質などとすることが好ましく、アルミナを主成分とする碍子などは好適である。

また、微細な空隙を有する金属製の弾性体１６についても特に限定は無いが、金属束子や極細線のステンレス網などを例示することができる。

（マイクロ波加熱炉）
上記のようなマイクロ波漏洩防止構造を備えるマイクロ波加熱炉の好適な実施の形態を図２、３を参照しながら以下に説明する。

本実施形態のマイクロ波加熱炉は、トンネル型の炉体と、この炉体を貫通して被加熱物を搬送する搬送手段とを有する連続式マイクロ波加熱炉である。図２は加熱炉の概略を示す側面図であり、図３は図２のＡ−Ａ断面の模式図である。

本実施形態のマイクロ波加熱炉２は被加熱物の入口Ｉと出口ＩＩとを有する炉体３０と、加熱源であるマイクロ波発生装置３１と、ヒータ加熱装置３２と、炉体３０を貫通して被加熱物Ｍを載置搬送する搬送手段３３とから構成されている。

炉体３０は、加熱帯Ｈと冷却帯Ｃとを有し、加熱帯Ｈには、鋼材からなる炉殻１１と、この炉殻１１の内側に設けられた断熱材（炉壁）２０とにより加熱室３４が区画されている。

炉殻１１はステンレス鋼等の耐熱性の鋼材をマイクロ波の漏洩を防止するために溶接などによって密閉構造となるように形成したものであり、アース線１８で電気的に接地されている。加熱室３４を区画する断熱材２０としては、マイクロ波吸収率の低い断熱材を用いるのが好ましく、例えば、セラミックファイバ製のボードやフェルトなどが用いられる。

マイクロ波発生装置３１は、マイクロ波を発生するマグネトロン３１ａとマイクロ波を加熱炉本体３０へ導入する導波管３１ｂとからなり、スターラ３５でマイクロ波を拡散させて被加熱物Ｍに照射する構成となっている。すなわち、マグネトロン３１ａと導波管３１ｂとスターラ３５とがマイクロ波加熱手段である。

ヒータ加熱装置３２は、炉殻１１を貫通して加熱室３４を横断しているヒータ１４と、図示しない温度制御装置などからなっている。ヒータ１４は図３に示すように後述するローラ３３ａから所定の距離を隔ててローラ３３ａと平行に上下に設けられている。加熱室３４には、このような上下一対のヒータ１４が適宜の間隔で加熱室３４の長手方向に複数対配置されている。そして、それぞれのヒータ１４の支持部には図１に示すマイクロ波漏洩防止構造１が設けられている。

搬送装置３３は、被加熱物Ｍの進行方向に対して直角に所定の間隔で平行に配置されたローラ３３ａと、図示しないチェーンなどで連結した駆動装置とからなる。搬送装置３３は、ローラ３３ａを回転駆動することにより、被加熱物Ｍを炉体３０の入口Ｉから出口ＩＩに向かって搬送することができる。なお、ローラ３３ａの材質としてはマイクロ波吸収率の低い材質であることが好ましく、アルミナ質、ムライト質などを例示することができる。なお、図２の３６は、炉内温度測定用の窓である。

本実施形態の連続式マイクロ波加熱炉２によれば、発熱によるヒータの変形や破損を回避することができ、生産性の向上と安定した品質とを得ることができる。

また、マイクロ波を減衰する減衰手段と、炉殻を介して接地させる接地手段とを有しているので、ヒータ１４の支持部周辺からのマイクロ波の漏洩を確実に防止することができ、作業環境を改善することができる。

（試験例）
図２に示す連続式マイクロ波加熱炉２を用いて、図１に示す本発明のマイクロ波漏洩防止構造１と図４に示す炉殻に固定する従来のマイクロ波漏洩防止構造５０とについて、通電時のヒータ１４の変形と漏洩マイクロ波の電力密度を比較した。

連続式マイクロ波加熱炉２の加熱源は、マイクロ波発振器（２．５Ｗ×１２台＝３０ｋＷ）と電熱ヒータ（直径１２ｍｍのＫ型シースヒータ、発熱体：ＳＵＳ３０４、０．６ｋＷ／本）であった。また、マイクロ波漏洩防止構造１では、筒体１５に内径２８ｍｍ×長さ３０ｍｍのＳＵＳ３０４を用い、絶縁部材１３には、１２．５ｍｍφのヒータ挿入穴を持つ鍔付き碍子（外径２１ｍｍの円筒に外径２６ｍｍの同軸の鍔）を使用した。なお、使用したマイクロ波は、周波数が２４５０ＭＨｚであり、波長λは１２０ｍｍであった。

そして、マイクロ波発振器の出力を１００％（３０ｋＷ）、かつヒータの発熱温度を１２００℃に設定して、ミクロ電子（株）製のリークディテクタを使用し、それぞれ電極１４ｂ（５３）の先端から５ｃｍ離れた任意の数カ所で漏洩マイクロ波の電力密度を測定した。また、ヒータ変形の有無は目視により判定した。

ヒータ１４の両電極部に本発明のマイクロ波漏洩防止構造１を設けた場合には、漏洩マイクロ波の電力密度は、０．０１〜０．０５ｍＷ／ｃｍ^２であった。また、ヒータの変形は認められなかった。

一方、ヒータの両電極部に従来のマイクロ波漏洩防止構造５０を設けてヒータ１４を炉殻１１に固定した場合には、漏洩マイクロ波の電力密度は２ｍＷ／ｃｍ^２であった。 しかし、ヒータ１４には熱膨張による曲がり変形が認められた。

なお、本発明のマイクロ波漏洩防止構造１において、金属束子１６を除去して金属製の筒体１５のみとした場合には、漏洩マイクロ波の電力密度は４〜５ｍＷ／ｃｍ^２であり、ヒータの変形は認められなかった。

以上のように、本発明のマイクロ波漏洩防止構造１によれば、漏洩マイクロ波の電力密度を大幅に低減することが可能であり、かつ、通電時のヒータ変形を防止できることが確認された。

本発明は上記の実施形態に限定されることなく本発明の主旨を逸脱しない範囲で変更してもよい。例えば、上記の実施の形態では、発熱部がＳＵＳ３０４であるシースヒータを用いたが、インコネルなどを使用してもよい。

また、実施の形態ではヒータの両端に本発明のマイクロ波漏洩防止構造１を設けたが、本発明のマイクロ波漏洩防止構造１は、ヒータ端部（電極部）を炉殻に固定することなく単に支持するだけであるので、一端側のみを本発明のマイクロ波漏洩防止構造とし、他端側は固定してもよい。また、電極の一端側のみにリード線を接続する構成のヒータでは、他端側の貫通穴を鋼板などで封止してもよい。

本発明は、窯業材料などの無機質材料やファインセラミックス材料などで形成された被焼成物を、マイクロ波加熱とヒータ加熱とを併用する焼成手段によって焼成体とするマイクロ波加熱炉に用いて好適である。

実施形態のマイクロ波漏洩防止構造の構成を説明する断面模式図である。 実施形態の連続式マイクロ波加熱炉を示す側面概略図である。 図２のＡ−Ａ断面模式図である。 従来のマイクロ波漏洩防止構造の構成を説明する断面模式図である。 従来のマイクロ波加熱炉を説明する断面模式図である。

符号の説明

１：マイクロ波漏洩防止構造 １１：炉殻 １２：貫通孔 １３：絶縁部材 １４：ヒータ １４ａ：発熱部 １４ｂ電極部 １４ｃ：リード線 １５：金属製の筒体 １６：金属束子 １７：断熱材 １８：アース線

Claims (6)

1. 鋼材で構成され電気的に接地されている炉殻を有し、少なくともマイクロ波加熱手段とヒータ加熱手段とを備えるマイクロ波加熱炉のマイクロ波漏洩防止構造であって、
   前記ヒータ加熱手段に重畳して前記炉殻外へ漏洩するマイクロ波を減衰させる減衰手段と、
   該漏洩するマイクロ波を前記炉殻を介して接地させる接地手段と、を有することを特徴とするマイクロ波漏洩防止構造。
2. 前記ヒータ加熱手段は、通電することにより発熱する発熱部とリード線に接続する電極部とを有する直線型の棒状ヒータである請求項１に記載のマイクロ波漏洩防止構造。
3. 前記マイクロ波減衰手段は、前記炉殻を貫通して突出している前記電極部を収容し、前記炉殻の外表面に該電極部と同軸に配置される金属製の筒体である請求項２に記載のマイクロ波漏洩防止構造。
4. 前記接地手段は、前記炉殻と、前記金属製の筒体と、該筒体に充填される微細空隙を有する導電性の弾性体とからなる請求項１〜３のいずれかに記載のマイクロ波漏洩防止構造。
5. 前記弾性体は金属束子である請求項４に記載のマイクロ波漏洩防止構造。
6. 鋼材で構成され電気的に接地されている炉殻と、
   該炉殻内に配置され被加熱物を収容する加熱室を区画する断熱材と、
   該被加熱物を加熱するマイクロ波加熱手段と、
   前記加熱室内の温度を制御するヒータ加熱手段と、
   前記ヒータ加熱手段に重畳して前記炉殻外へ漏洩するマイクロ波のマイクロ波漏洩防止構造と、を備え、
   該マイクロ波漏洩防止構造は、前記ヒータ加熱手段に重畳して漏洩するマイクロ波を減衰させる減衰手段と、
   該漏洩するマイクロ波を前記炉殻を介して接地させる接地手段と、を有することを特徴とするマイクロ加熱炉。

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