JP2020136090A - 発熱部、熱処理装置及び熱処理装置のヒータ設計方法 - Google Patents

Abstract

【課題】配置パターンによりマイクロ波エネルギーを吸収可能な発熱部と、被加熱物の昇温ばらつきを抑制し加熱効率を向上する熱処理装置を提供する。【解決手段】加熱処理装置１は、チャンバ４の内壁に設けられたヒータ９と、チャンバ４内に載置された被加熱物５にマイクロ波を照射するマイクロ波照射装置６とを備え、ヒータとマイクロ波によるハイブリッド加熱を行う。ヒータ９は、配置パターンが周期的にターンする蛇行パターンであり、ターン長Ｌは、マイクロ波のエネルギー吸収量が一定の範囲以下になる長さに設定されている。【選択図】図１

Description

この発明は、被加熱部を加熱するための発熱部と熱処理装置に関し、特に、チャンバ内に収納された被加熱物を、マイクロ波とヒータの二つの加熱手段でハイブリッド加熱を行う熱処理装置及び熱処理装置のヒータ設計方法に関する。

被加熱部を加熱する一般的な発熱部は、例えば、チャンバ内に設けたヒータである。このようなヒータはチャンバ内の被加熱部を外部より直接的に加熱するものである。

また、ヒータに代えてチャンバ内に置かれた被加熱物をマイクロ波で加熱する装置では、マイクロ波が被加熱物の内部まで浸透するため、加熱処理時間の短縮化と省エネルギー化が実現可能とされている。

しかしながら、被加熱物をマイクロ波のみで加熱すると、被加熱物からの放熱が大きく、被加熱物の内部と外部の温度差が出来てしまい、被加熱物の品質低下を招く恐れがある。

そこで、マイクロ波と他の加熱源とのハイブリッド加熱を行う熱処理装置が提案されている（特許文献１）。

例えば、特許文献１に示されるハイブリッド加熱の熱処理装置では、他の加熱源としてマイクロ波により加熱されるサセプタをチャンバ内に設け、マイクロ波により被加熱物を内部から加熱する一方、マイクロ波により加熱されたサセプタで被加熱物を外部から加熱するようにして被加熱物の均一加熱を図っている。

また、特許文献２に示されるハイブリッド加熱の熱処理装置では、他の加熱源としてマイクロ波により加熱されるマイクロ波吸収体をチャンバ内の側壁に設け、マイクロ波により被加熱物を内部から加熱する一方、マイクロ波により加熱されたマイクロ波吸収体で被加熱物を外部から加熱するようにして被加熱物の均一加熱を図っている。

特表２０１５−５３６４３４号公報 特開２００４−３５２５９５号公報

しかしながら、上記の特許文献１、２に示される装置では、マイクロ波による加熱と間接加熱（マイクロ波によりチャンバ内に配置されているマイクロ波吸収体を加熱することで、間接的に被加熱物を加熱する）を行うことになるため、マイクロ波照射装置の容量が大きくなり、高コスト化を避けられない。

この発明は、加熱部の構成を工夫することで加熱効率を高めることを目的とする。また、被加熱物の昇温ばらつきを抑制し、加熱効率を向上する熱処理装置の提供を目的とする。

この発明の発熱部は、配置パターンが周期的にターンする蛇行パターンであって、マイクロ波の照射によりエネルギーを吸収することを特徴とする。

発熱部の配置パターンが周期的にターンする蛇行パターンであって、マイクロ波を照射したときに、蛇行パターンのためにマイクロ波のエネルギーを吸収可能となる。発熱部は蛇行パターンという形状によってマイクロ波のエネルギーを吸収し発熱可能であるため、エネルギーを吸収するためのサセプタ等の構造を別途設けなくても良い。また、発熱部を電気ヒータ等で構成することも容易であるため、そのように構成した場合は、発熱部をヒータとマイクロ波の両方で加熱することが出来る。また、蛇行パターンという形状によって、マイクロ波のエネルギーの吸収を抑えることが出来、これにより被加熱物の加熱にマイクロ波を効率よく用いることができる。

このように、マイクロ波の吸収量の調整により、加熱効率の向上を図ることができる。

被加熱物に対してハイブリッド加熱を行うことにより、被加熱部の昇温ばらつきを抑制することが出来る。

以下の理由から、蛇行パターンの形状を工夫することでマイクロ波によるヒータ加熱の課題を解決すること、つまり、ヒータに対するマイクロ波の誘電加熱による損失を抑制することが可能である。これにより、加熱効率がさらに良くなる。

すなわち、後に記載しているように、様々なシミュレーションを行った結果、放射されるマイクロ波の波長（周波数）とヒータの発熱に相関があることがわかった。また、同一波長のマイクロ波に対してヒータの形状とヒータの発熱にも相関があることがわかった。つまり、ヒータはマイクロ波に対してアンテナとして挙動することが推測される。照射されるマイクロ波に対しアンテナとしての性能が高いと、マイクロ波エネルギーがヒータの発熱として消費され、アンテナとしての性能が低いと、その消費が小さくなることとなる。

この発明では、ヒータの配置パターンが蛇行パターンであるため、メアンダ形状のアンテナとして挙動するものと考えられる。そこで、蛇行パターンの形状を工夫することでアンテナとしての性能を低下させ、マイクロ波エネルギーがヒータの発熱として消費されることを防止し、マイクロ波エネルギーの被加熱物に対する照射効率を高くすること、すなわちマイクロ波エネルギーの被加熱物に対する加熱効率を高くすることが出来る。

この発明の熱処理装置は、チャンバ内の被加熱物に対してマイクロ波を照射するマイクロ波照射部と、上記発熱部を含むヒータとを備え、マイクロ波とヒータにより被加熱物に対するハイブリッド加熱を行う。前記ヒータの発熱部は前記チャンバ内に配置されている。

また、ヒータの発熱部がチャンバの内に配置されていることから、ヒータの発熱部による被加熱物に対する加熱効率が良くなる。

また、ヒータの発熱部の配置パターンを蛇行パターンにすることで、ヒータ配線が最も高密度となるパターンとなる。ヒータ出力はヒータの長さによって決まるため、目的とする出力密度を容易に得られる。蛇行パターンは、チャンバ内の壁面の寸法、形状に合わせて調整し、配設することが可能である。これにより、チャンバ内の構造の複雑化を避けることが出来る。そして、ヒータ配線が高密度となることにより、所望のヒータ出力を備えたヒータを省スペースで設けることができる。さらに、マイクロ波とヒータとでハイブリッド加熱を行う場合、マイクロ波によりヒータが加熱されないようにすることが課題となるが、この発明では、ヒータの発熱部の配置パターンが蛇行パターンであるため、以下の理由から、蛇行パターンの形状を工夫することでマイクロ波によるマイクロ波エネルギー吸収量の調整ができない課題を解決すること、つまり、ヒータに対するマイクロ波の誘電加熱による損失を抑制することが可能である。これにより、加熱効率がさらに良くなる。

以上のように、この発明では、ハイブリッド加熱により、被加熱部の昇温ばらつきを抑制することが出来る。また、ヒータの発熱部をチャンバ内に配置させたことにより、ヒータの発熱部による被加熱物に対する加熱効率が良くなる。また、ヒータの配置パターンを蛇行パターンとすることで、その形状を工夫することでマイクロ波エネルギーがヒータの発熱として消費されることを防止出来、加熱効率をさらに高くすることが出来る。また、ヒータをマイクロ波から隔離する機構が不要となり、目的とする出力密度も容易に得られ、熱処理装置の構造を簡易化できる利点もある。

この発明では、ヒータの一つのターン部の長さに一つの直線部の長さを加えた１ターン分長さＬは、前記ヒータによる前記マイクロ波のエネルギー吸収量が一定の範囲以下になる長さに設定してある。

ヒータの配置パターンが蛇行パターンである場合、ヒータ線の全部の長さ（面積）を減らさずにヒータによるマイクロ波のエネルギー吸収量を減らすには、どの部分の形状を工夫するかが課題となる。シミュレーションをした解析結果によれば、ヒータの一つのターン部の長さに一つの直線部の長さを加えた１ターン分長さＬを調整することで、同エネルギー吸収量が変動することが分かった。そこで、１ターン分長さＬを、ヒータによる前記マイクロ波のエネルギー吸収量が一定の範囲以下になる長さに設定する。

この発明では、前記１ターン分長さＬは、マイクロ波の波長をλとした場合に、Ｌ／λが０．５を中心とする一定の範囲内になる長さに設定することが好ましい。

より詳細には、前記１ターン分長さＬは、Ｌ／λが０．３５〜０．７の範囲内になる長さに設定することが望ましい。好ましくは、Ｌ／λが０．４〜０．６、さらに好ましくはＬ／λが０．４〜０．５５の範囲内になる長さに設定するのが良い。

この発明によれば、発熱部の配置パターンが周期的にターンする蛇行パターンであるために、マイクロ波を照射したときに、そのエネルギーを吸収可能となる。発熱部は蛇行パターンという形状によってマイクロ波のエネルギーを吸収し発熱可能であるため、エネルギーを吸収するためのサセプタ等の構造を別途設けなくても良く、小型化でき発熱効率が良くなる。また、発熱部を電気ヒータ等で構成することも容易であるため、そのように構成した場合は、発熱部をヒータとマイクロ波の両方で加熱することが出来る。

ハイブリッド加熱により、被加熱部の昇温ばらつきを抑制することが出来る。また、ヒータの発熱部を内に配置させたことにより、ヒータの発熱部による被加熱物に対する加熱効率が良くなる。

また、配置パターンを蛇行パターンとしたので、その形状を工夫することでマイクロ波エネルギーがヒータの発熱として消費されることを防止出来、加熱効率がさらに良くなる

この発明の実施形態である熱処理装置の概略構造図である。 メアンダ形状のヒータの配置パターンの一部を示す。 広域周波数でのシミュレーション結果を示す。 ヒータの４種類の形状についてのシミュレーション結果を示す。 ヒータの別の３種類の形状についてのシミュレーション結果を示す。 ヒータのさらに別の４種類の形状についてのシミュレーション結果を示す。 マイクロ波の吸収の程度と発熱量についてのシミュレーション結果を示す。

図１は、この発明の実施形態である熱処理装置の概略構造図である。同図（Ａ）は、熱処理装置の正面断面図、（Ｂ）はヒータの配置パターン図である。

熱処理装置１は、断面が中空の箱型形状となるように成形した、材質がセラミック等の断熱材２と、断熱材２の周囲を覆った金属カバー３とで構成されるチャンバ４を備えている。チャンバ４内には被加熱物５が配置されている。被加熱物５は、マイクロ波を吸収することにより加熱される処理品であって材質は限定されない。また、チャンバ４内の被加熱物５に対しマイクロ波を照射するマイクロ波照射装置６がチャンバ４の外側に配置され、マイクロ波照射装置６とチャンバ４とは、導波管７で連結されている。

なお、図示する例では、チャンバ４内に、被加熱物５を載置、且つ紙面に向かって前後方向に搬送するための搬送ローラ８を設けている。搬送ローラ８は、被加熱物５を連続処理する場合に、紙面に向かって前方又は後方に設けられる別のチャンバに被加熱物を搬送する手段として使用される。搬送ローラ８を設けずに、チャンバ４内で被加熱物５を単独で処理することも可能である。

熱処理装置１のチャンバ４の内壁には、電気ヒータ（以下、ヒータ）９が設けられている。ヒータ９の発熱部であるヒータ素線は材質がカンタルやニクロム等の金属で構成される。この例では、ヒータ９は、図１においてチャンバ４の上側内壁と左右側の内壁に前記ヒータ素線を配置することで構成され、図示しない、外部の電力源から電力が供給され、発熱する。以下、このヒータ素線を単にヒータ９と称する。また、図１（Ｂ）に示すように、ヒータ９は、１本のヒータ素線を全体として複数列となるように配置し、各列で蛇行させている。このようにヒータ９の配置パターンを複数列の蛇行パターンとすることで、その密度を高くしている。

ヒータ９は、その材質としてカンタルやニクロム等以外に、ＳｉＣ，ＭｏＳｉ２等のセラミックを使用することも可能である。

なお、ヒータ９に代えて、外部の熱源（電力、ガス等）に接続されて発熱し、チャンバ内に露出する部分の材質が金属またはセラミックである他のヒータ、例えば、シーズヒータやリジェネラジアントチューブバーナー等を使用することも可能である。この場合も、その発熱部がチャンバ４の上側内壁と左右側の内壁に配置される。

以上の構成で、ヒータ９により、チャンバ内の雰囲気温度を所定の温度にすることで被加熱物５をその外部から加熱し、マイクロ波照射装置６から照射されるマイクロ波により、被加熱物５をその内部から加熱する。これにより、被加熱物５の内部と外部の温度差がなくなり、被加熱物を均一に加熱し、被加熱部の昇温ばらつきを抑制することが出来る。また、ヒータ９をニクロム等で構成される金属系の電気ヒータで構成することで、その出力はヒータ９の抵抗値、すなわちヒータ９の長さによって決まるため、目的とする出力密度を容易に得られる。また、ヒータ９の配置パターンを複数列の蛇行パターンとすることで、ヒータ配線が高密度となり被加熱物に対する加熱効率が良くなる。そして、チャンバ４の上側内壁と左右側の内壁に発熱部であるヒータ９を配置することで、ヒータの発熱部をマイクロ波から隔離しなくても良く、マイクロ波が照射される空間にヒータ９が配置される構造となる。したがって、この構造上の観点からも被加熱物に対する加熱効率が良くなる。

本実施形態では、ヒータ９はマイクロ波が吸収されないよう、その形状が最適化されている。上述したように、配置パターンが蛇行パターンのヒータ９は、照射されるマイクロ波に対してメアンダ形状のアンテナとして挙動することが推測される。照射されるマイクロ波に対しアンテナとしての性能が高いと、マイクロ波エネルギーがヒータ９の発熱として消費され、アンテナとしての性能が低いと、その消費が小さくなることとなる。

ヒータ９の形状の最適化は、上記のように、ヒータ９がマイクロ波に対してメアンダ形状のアンテナとして挙動することを前提として行う。すなわち、以下のように検討した結果、１ターン分長さＬ（以下、単にターン長Ｌと称することがある）を調整することで、ヒータによるマイクロ波のエネルギー吸収量が変動することが分かった。そこで、ターン長Ｌを、ヒータによるマイクロ波のエネルギー吸収量が一定の範囲以下になる長さに設定する。

図２は、メアンダ形状のヒータの配置パターンの一部を示す。図において、ターン長Ｌは、一つのターン部の長さＬ１と、長さＬ１に接続する上下二つの直線部の長さＬ２、Ｌ３を足した長さに等しい。Ｌ２、Ｌ３は、それぞれ、ターン部の長さＬ１に接続する一つの直線部Ｌ４の半分の長さである。ここでは、便宜的に、以下、ターン長Ｌを、ターン部の長さＬ１に一つの直線部Ｌ４の長さを足した長さとする。

以下、ターン長Ｌを、ターン部の長さＬ１に一つの直線部Ｌ４の長さを足した長さとしてシミュレーションした内容を具体的に示す。シミュレーションは、図１の構成でヒータに電流を流さない条件で行った。

最初に、図３に示すように広域周波数でのシミュレーションを行った。

図３（Ａ）は、蛇行パターンのテスト用のヒータ素線（ターン長Ｌ＝１７４ｍｍ）に対して、マイクロ波を照射し、マイクロ波の周波数をスイープして、ＶＳＷＲのピークが出る位置を調べた。この調査により、一つ目のピークが最大となることがわかった。なお、ＶＳＷＲの値は、その値が大きいほど、ヒータのマイクロ波の吸収が悪い、すなわちアンテナ性能が悪くなることを示す。図３（Ａ）から、一つ目のピークの位置は約０．８ＧＨｚ（λ＝３７５ｍｍ）である。このとき、Ｌ／λ＝１７４／３７５＝０．５である。図３（Ｂ）は、横軸をＬ／λにして周波数をスイープしたときのＶＳＷＲのピークが出る位置を示している。同図からも、一つ目のピークが最大となる位置はＬ／λ＝０．５である。

図３（Ａ）では、Ｌ＝１７４ｍｍとしているが、Ｌを変更しても、Ｌ／λ＝０．５としたときのピークが最大となった。

以上から、Ｌ／λ＝０．５となるターン長Ｌを決めることで、ＶＳＷＲの値を最大に出来る。

次に、ターン長Ｌの形状を決めるために、Ｌ１とＬ４（＝Ｌ２＋Ｌ３）をパラメータとして図４、図５のようにシミュレーションを行った。なお、ターン部Ｌ１は便宜的に間隔Ｌ５とし、直線部Ｌ４は列幅Ｌ４と称する。

図４、図５は、４種類の形状（１）（２６）（７９）（１３）｛数値は形状Ｎｏを示し、特に意味はない。｝について、マイクロ波の周波数をスイープしたときのＶＳＷＲ値を示している。また、図４（Ｂ）は、４種類の形状（１）（２６）（７９）（１３）について、横軸をＬ／λにして周波数をスイープしたときのＶＳＷＲ値を示している。

図４（Ａ）において、形状（１）（２６）（７９）（１３）のＶＳＷＲ値から、ターン長Ｌが長くなると、ＶＳＷＲのピーク位置が周波数の低い方へ移動することが分かる。

図４（Ａ）（Ｂ）において、形状（２６）（７９）のＶＳＷＲ値から、同じターン長Ｌでは間隔Ｌ５が小さい方のＶＳＷＲ値が大きい。

図４（Ａ）（Ｂ）において、形状（１）（７９）（１３）のＶＳＷＲ値から、同じ間隔Ｌ５では、列幅Ｌ４が大きい方のＶＳＷＲのピーク値が大きい。また、列幅Ｌ４が大きい方のＶＳＷＲのピーク値は周波数の低い方へ移動する。

また、別の３種類の形状（５）（９）（１２）について、追加的に同じターン長でのシミュレーションを図５（Ａ）（Ｂ）のように行った。この例でも、同じターン長では間隔Ｌ５が小さい方のＶＳＷＲ値が大きい。

さらに、別の４種類の形状（２３）（１７）（２４）（２５）について、追加的に同じ間隔Ｌ４でのシミュレーションを図６（Ａ）（Ｂ）のように行った。この例でも、図４（Ａ）（Ｂ）と同様に、同じ間隔では列幅Ｌ４方が大きい方のＶＳＷＲのピーク値が大きく、また、列幅Ｌ４が大きい方のＶＳＷＲのピーク値は周波数の低い方へ移動する。

以上のシミュレーション結果より、マイクロ波周波数が２．４５ＧＨｚの場合、マイクロ波の吸収を防ぐ形状は、図４の４種類中では、形状（７９）が好ましいことが分かる。また、図５の３種類では、形状（５）が好ましく、図６の４種類では、形状（２４）または（２５）が好ましい。

また、図４（Ｂ）、図５（Ｂ），図６（Ｂ）から、１ターン分長さＬは、Ｌ／λが０．５を中心として０．３５〜０．７の範囲内になる長さにすることで、好ましくは、０．４〜０．６、さらに好ましくは、０．４〜０．５５の範囲内になる長さにすることで、マイクロ波の吸収が防がれる。すなわち、マイクロ波周波数が２．４５ＧＨｚの場合、λ＝１２２ｍｍであるから、１ターン分長さＬは、４２．７ｍｍ〜８５．４ｍｍ、好ましくは、４８．８ｍｍ〜７３．２ｍｍ、さらに好ましくは、４８．８ｍｍ〜６７．１ｍｍにするのが望ましい。また、図４、図５から、間隔Ｌ５は、小さい方が良い。実際は、ヒータ線の曲げ加工性の点から、ターン部の半径は１０ｍｍ程度にするのが良い。

間隔Ｌ５又はターン部の半径が小さい方が良い理由は、ターン部に接続する上下の直線部Ｌ２とＬ３に生じる磁界の方向がそれぞれ逆であるため、間隔Ｌ５又はターン部の半径が小さいほど、Ｌ２とＬ３の直線部間の距離が小さくなり、それらの磁界のキャンセルがしやすくなる、すなわちアンテナ効率が低下すると思われるからである。実際には、ヒータ線の曲げ加工性から、ターン部の半径が１０ｍｍ程度、好ましくは、９ｍｍ〜１２ｍｍ程度が良い。

１ターン分長さＬは、上記のように４２．７ｍｍ〜８５．４ｍｍの範囲内で選ばれることから、ターン部の半径、すなわちターン部の長さＬ１が決まると、Ｌ＝Ｌ４＋Ｌ１から、間隔Ｌ４が決まる。

図７は、図４に示す形状（１）と形状（７９）について、マイクロ波の吸収の程度（同図（Ａ））と発熱量（同図（Ｂ））を示すシミュレーション結果である。なお、マイクロ波の周波数は２．４５ＧＨｚである。

同図から、周波数は２．４５ＧＨｚの場合、形状（１）のＶＳＷＲ値が５であるのに対して、形状（７９）のＶＳＷＲ値は８０となり、形状（１）の発熱量に対して、形状（７９）の発熱量は極小値となる結果となっている。

このように、この発明では、ヒータ９の形状をマイクロ波の吸収が小さくなるように最適化することで、ヒータ９においてマイクロ波照射装置６から出力されるエネルギーの消費を防ぐことが出来るから、加熱効率の良い熱処理装置を構成することが可能となる。また、ヒータ９をマイクロ波から隔離する構造にする必要性もない。

１−熱処理装置
２−断熱材
３−金属カバー
４−チャンバ
５−被加熱物
６−マイクロ波照射装置
９−ヒータ

Claims (9)

1. 配置パターンが周期的にターンする蛇行パターンであって、マイクロ波の照射によりエネルギーを吸収することを特徴とする発熱部。
2. 前記蛇行パターンの一つのターン部の長さに、このターン部に接続された一つの直線部の長さを加えた１ターン分長さＬは、前記マイクロ波のエネルギー吸収量が一定の範囲以下になる長さに設定した請求項１記載の発熱部。
3. 前記１ターン分長さＬは、前記マイクロ波の波長をλとした場合に、Ｌ／λが０．５を中心とする一定の範囲内になる長さに設定した請求項２記載の発熱部。
4. 前記１ターン分長さＬは、Ｌ／λが０．３５〜０．７の範囲内になる長さに設定した請求項３記載の発熱部。
5. 前記１ターン分長さＬは、Ｌ／λが０．４〜０．６の範囲内になる長さに設定した請求項３記載の発熱部。
6. 前記１ターン分長さＬは、Ｌ／λが０．４〜０．５５の範囲内になる長さに設定した請求項３記載の発熱部。
7. 発熱部分は電気ヒータである請求項１〜６のいずれかに記載の発熱部。
8. 被加熱物を収容するチャンバと、
   前記チャンバ内の前記被加熱物に対してマイクロ波を照射するマイクロ波照射部と、
   前記請求項１〜７のいずれかに記載の発熱部を含むヒータとを備え、
   前記ヒータの発熱部を前記チャンバの内に配置したことを特徴とする熱処理装置。
9. 被加熱物を収容するチャンバと、
   前記チャンバ内の前記被加熱物に対してマイクロ波を照射するマイクロ波照射部と、
   ヒータとを備え、
   前記ヒータの発熱部が、その配置パターンが周期的にターンする蛇行パターンとなるように前記チャンバの内に配置された熱処理装置において、
   前記発熱部の一つのターン部の長さに、このターン部に接続された一つの直線部の長さを加えた１ターン分長さＬをパラメータとして、前記マイクロ波の周波数に対する前記ヒータのエネルギー吸収量をシミュレーションで求め、このエネルギー吸収量が所定の範囲内まで減少するターン部の長さを決定することを特徴とする、熱処理装置のヒータ設計方法。

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