JP2022038425A - 加熱装置および発熱体設置方法 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱装置において、被加熱物へのマイクロ波の影響を抑制しながら、効果的に被加熱物を発熱体によって加熱等する。【解決手段】加熱装置１０において、棒状発熱体１３０を複数並べたユニット構成の発熱体３０を、反射容器２０内に設置する。発熱体３０の設置によって、反射容器２０内を、マイクロ波照射空間ＭＳと加熱空間ＨＳとに仕切りし、マイクロ波を効果的に発熱体３０へ吸収させるためのマイクロ波照射空間ＭＳと、被加熱物を効果的に加熱するための加熱室ＨＳとを、空間的に隔てる。【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波を吸収して発熱する発熱体を用いて被加熱物を加熱する加熱装置に関する。

有機物やセラミックスなどを焼成する加熱装置として、マイクロ波を利用した加熱装置が知られている（特許文献１参照）。そこでは、カーボンである発熱材を管内に充填した発熱体を、マイクロ波反射容器内に格納し、被加熱物を発熱体傍に配置する。マイクロ波発振機によって発振されたマイクロ波をカーボン発熱材が吸収することによって、発熱体が加熱され、被加熱物を加熱、焼成、あるいは乾燥などさせることができる。

特開２０１８－１６５６０８号公報

マイクロ波反射容器内への被加熱物の設置は、マイクロ波照射空間が加熱空間を兼ねた構成であり、被加熱物がマイクロ波を浴びる。そのため、金属製サンプルなどに対し、加熱、焼成時にマイクロ波の影響を受けてしまう。

したがって、被加熱物へのマイクロ波の影響を抑制しながら、効果的に被加熱物を発熱体によって加熱等することが可能な加熱装置が求められる。

本発明の一態様である加熱装置は、マイクロ波を反射する容器と、マイクロ波を吸収して発熱する発熱材を有する発熱体とを備える。容器としては、様々な構成が可能であり、例えば、キャビティを容器とし、あるいは、キャビティ内に容器としてインナーシリンダを設ける構成等が可能である。発熱体も、様々な構成が可能であり、例えば、平板状、棒状、リング状等の発熱体で構成することが可能である。また、１つの発熱体で構成し、あるいは、複数の発熱体を用意して発熱体ユニットとして構成することも可能である。

本発明では、発熱体が、容器へ設置されることによって、発熱体の一方の側にマイクロ波照射空間を形成する。そして、発熱体は、発熱体に対してマイクロ波照射空間とは反対側に形成される被加熱物を配置可能な加熱空間と、マイクロ波照射空間とを、空間的に隔てる。

容器および発熱体の設置の構成としては、様々な構成が可能であり、例えば、加熱空間が、容器に含まれるように構成することが可能である。容器内に発熱体を配置することによって、容器下側（底部側）にマイクロ波照射空間を形成し、容器上側に加熱空間を形成してもよい。容器底部側に加熱空間、容器上部側にマイクロ波照射空間を形成することも可能である。一方、マイクロ波照射空間だけを形成する容器を設け、開口部に発熱体を配置することによって、発熱体に対してマイクロ波照射空間とは反対側に被照射物を配置できる加熱空間を形成するような加熱装置の構成も可能である。容器の赤外光の反射率は、例えば０．８～１．０の範囲内に定めることができる。

ここで、「空間的に隔てる」とは、発熱体が仕切りとなって一方の側の加熱空間においてマイクロ波照射が抑制されるように、発熱体を境にしてスペースが区画されることを表す。発熱体は、マイクロ破照射空間と加熱空間とを完全に隙間なく遮断する（両方あるいは一方を密閉する）必要はなく、マイクロ波照射および加熱の観点から発熱体が空間の境界部分となればよい。一方、加熱空間とマイクロ波照射空間を遮断し、一方あるいは両方の空間を密閉空間にすることも可能である。

例えば、発熱体が複数の発熱体を並べたユニット構成の場合、それを隣接して並べることが可能であり、互いに密に接して並べてもよく、あるいは多少の隙間を設けて並べることも可能である。また、発熱体の端部側から、マイクロ波が加熱空間に影響を与えない程度に放射されてもよく、あるいはマイクロ波が完全に加熱空間側へ放射されないように発熱体を配置することもできる。発熱体の支持構成については、容器内あるいは容器開口部付近において、容器あるいは容器内に設けられた支持部材が、発熱体の端部側付近を支持することが可能であり、また、一部の端部で支持する構成も可能である。

発熱体の構成としては、マイクロ波照射空間と面する発熱部と、発熱部の端部あるいは一部の端部に、発熱材を含まない非発熱部とを備えた発熱体を構成することができる。この場合、容器は、発熱体を、非発熱部で直接的または間接的に支持することができる。例えば、カーボン充填型の管状発熱体のような構成の場合、発熱部の外側（両側）に、中間部材を介して発熱部と非発熱部とを接続させてもよい。また、発熱体の両側に設けられた非発熱部を支持し、容器に対して取り外し自在なフレーム状の支持部材を設けることが可能である。

マイクロ波照射空間と繋がる導波管については、その端部が発熱体に向いているように構成することができる。導波管の端部には、ホーン部を形成することが可能であり、ホーン部は、マイクロ波照射空間内に位置するように構成することができる。発熱体が棒状として構成される場合、棒状発熱体が、断面矩形状の導波管の長手方向に沿って並ぶように構成すればよい。

発熱体が、複数の棒状発熱体を並べた発熱体ユニットとして構成される場合、隣り合う棒状発熱体の導電率が、互いに異なるように構成することができる。例えば、発熱体を、複数の棒状発熱体を容器上下方向に沿って階層的に配列させた発熱体ユニットとして構成し、発熱体ユニットより容器底部側に形成されたマイクロ波照射空間に対して相対的に近い列に並ぶ棒状発熱体の導電率が、マイクロ波照射空間に対して相対的に遠い列に並ぶ棒状発熱体の導電率と比べて、低くなるように構成することが可能である。

本発明の一態様である加熱装置の発熱体設置方法は、マイクロ波を反射する容器に対して発熱体を設置し、発熱体によって、発熱体よりも容器底部側のマイクロ波照射空間と、発熱体に対してマイクロ波照射空間とは反対側に形成される被加熱物配置可能な加熱空間とを、空間的に隔てる。

本発明によれば、加熱装置において、被加熱物へのマイクロ波の影響を抑制しながら、効果的に被加熱物を発熱体によって加熱等することができる。

第１の実施形態である加熱装置の概略的内部構成図である。 発熱体のユニット構成を示した平面図である。 １つの棒状発熱体の平面図である。 第２の実施形態である加熱装置の概略的内部構成図である。 第２の実施形態における発熱体の配置構成を示した図である。

以下では、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。

図１は、第１の実施形態である加熱装置の概略的構成図である。図２は、第１の実施形態における発熱体のユニット構成を示した平面図である。図３は、１つの棒状発熱体を示した平面図である。

加熱装置１０は、マイクロ波を利用して被加熱物Ｋを加熱、焼成あるいは乾燥等可能な装置であり、ここではマイクロ波多重反射型加熱装置として構成されている。加熱装置１０は、耐熱性のある断面矩形状の反射容器（キャビティ）２０と、発熱体３０とを備え、また、２つのマイクロ波発振機（図示せず）と、マイクロ波発振機を制御可能な電源回路（図示せず）とを備えている。

反射容器２０内には、開口部４０Ａを容器上方側に向けたインナーシリンダ（容器）４０が、底面２０Ｂに設置されている。インナーシリンダ４０は、マイクロ波を反射する反射面４０Ｒを有する。ここでは０．８～１．０の範囲で赤外光の反射率が定められている。インナーシリンダ４０の底面４０Ｂの一部は、マイクロ波発振機から発振されるマイクロ波を反射容器２０へ導く導波管５０Ａ、５０Ｂと繋がっている。

導波管５０Ａ、５０Ｂは、容器上方向を向く端部５１Ａ、５１Ｂを有し、導波管５０Ａ、５０Ｂには、反射容器上方向に向けて開口領域が拡大するホーン部（フレアともいう）５２Ａ、５２Ｂが、それぞれ端部５１Ａ、５１Ｂから突出するように形成され、インナーシリンダ４０内に位置する。

図２に示すように、発熱体３０は、ここでは棒状の発熱体１３０を複数（ここではＭ本）並べたユニット構成であり、互いに近接して配置されている。棒状発熱体１３０は、マイクロ波を吸収して発熱するカーボンＣＦを細長の発熱管１３３に封入した管状部材であり、発熱管１３３は、マイクロ波を透過する素材（ここでは石英ガラス）によって成形されている。

図３に示すように、発熱管１３３は、カーボンＣＦを充填させた部分（以下、発熱部という）１３１と、カーボンＣＦが充填されない部分（以下、非発熱部という）１３２Ａ、１３２Ｂとから成る。非発熱部１３２Ａ、１３２Ｂは、発熱部１３１の端部を封止する円柱状ガラス部材（石英ビーズ）１３４Ａ、１３４Ｂに接続されることで形成されている。

発熱管１３３におけるカーボンＣＦの粒径および充填率、発熱管１３３へ封入される希ガスの種類、ガス圧（封止圧）は任意に調整可能であり、例えば、充填率０．４５、粒径５０μｍ、Ａｒガス、ガス圧１４ｋＰａに定めることができる。

発熱体３０は、矩形状の開口部６０Ａを有するフレーム状支持部材６０によって支持される。支持部材６０には、発熱管１３３の断面形状（円形状）に合わせた凹型支持面６０Ｓが棒状発熱体１３０の並ぶ方向に沿って形成され、棒状発熱体１３０各々の非発熱部１３２Ａ、１３２Ｂが支持面６０Ｓによって支持される。

発熱体３０が支持部材６０によって設置された状態では、棒状発熱体１３０各々の発熱部１３１は、開口部６０Ａのエリアに収まる（図２参照）。一方、支持面６０Ｓに支持された非発熱部１３２Ａ、１３２Ｂは、開口部６０Ａのエリアから外れている。

発熱体３０を搭載した支持部材６０は、反射容器２０に対して取り外し自在に設置可能であり、反射容器２０の挿入口（図示せず）から挿入可能である。支持部材６０が反射容器２０内の所定箇所で位置決めされると、棒状発熱体１３０各々の発熱部１３１は、支持部材６０の開口部６０Ａを介してインナーシリンダ４０の底部４０Ｂと面し、発熱体３０がインナーシリンダ４０の開口部４０Ａを塞ぐ。

発熱体３０がインナーシリンダ４０を覆うことによって、マイクロ波の反射する空間（以下、マイクロ波照射空間という）ＭＳが、発熱体３０よりも下方（容器底部側）に形成される。一方、発熱体３０が設置されることで、反射容器２０の発熱体３０より上方側には、加熱室（加熱空間）ＨＳが空間として形成される。被加熱物Ｋは、図示しない支持部材によって加熱室ＨＳに設置され、また、加熱室ＨＳの天井面２０Ｔには、反射板ＭＲが形成されている。

マイクロ波発振機によってマイクロ波を発振させると、マイクロ波照射空間ＭＳに面する発熱体３０、すなわち棒状発熱体１３０の発熱部１３１は、マイクロ波を吸収して発熱する。一方、加熱室ＨＳは、発熱体３０によってマイクロ波照射空間ＭＳと空間的に隔てられているため、マイクロ波が直接的に加熱室ＨＳへ伝わらず、発熱体３０のマイクロ波吸収によって加熱室ＨＳにおけるマイクロ波強度が抑制される。

このように、発熱体３０が、反射容器２０内をマイクロ波照射空間ＭＳと加熱空間ＨＳとに仕切るように介在する、すなわち、反射容器２０内を間仕切りする（区画する）構成を採用することによって、マイクロ波を効果的に発熱体３０へ吸収させるためのマイクロ波照射空間ＭＳと、被加熱物を効果的に加熱するための加熱室ＨＳとが空間的に隔てられる。

導波管５０Ａ、５０Ｂを発熱体３０へ直接的に接続させるような構成ではなく、発熱体３０と導波管５０Ａ、５０Ｂとの間に距離間隔を保つマイクロ波照射空間ＭＳを形成することによって、発熱体３０が効果的にマイクロ波を吸収することができる。

一方、発熱体３０が加熱室ＨＳとマイクロ波照射空間ＭＳとの間に介在することにより、加熱室ＨＳの電界強度が低く抑えられ、マイクロ波の被加熱物への影響を抑えることが可能となり、例えば金属サンプルなども良好に焼成、加熱等することができる。また、発熱体３０を反射容器２０内に設置するだけで、マイクロ波照射空間ＭＳと加熱室ＨＳとを形成することができ、シンプルな構成でメンテナンスが容易となる。

さらに、複数の棒状発熱体１３０を配列した状態で支持する支持部材６０を設けることにより、ユニット構成である発熱体３０を、反射容器２０内へ容易に設置することが可能となり、支持部材６０を反射容器２０内で位置決めすれば、発熱体３０はインナーシリンダ４０の開口部４０Ａを確実に塞ぐことができる。

上述したように、導波管５０Ａ、５０Ｂの端部５１Ａ、５１Ｂは、発熱体３０と向かい合うように、インナーシリンダ４０の底面４０Ｂと接続している。これによって、発熱体３０は、効果的にマイクロ波を吸収することができる。また、導波管５０Ａ、５０Ｂのホーン部５２Ａ、５２Ｂがマイクロ波照射空間ＭＳに位置することにより、マイクロ波の発熱体３０への指向性が向上し、マイクロ波エネルギーのロスを抑えることができる。

断面矩形状の導波管５０Ａ、５０Ｂは、その長手方向Ｗが棒状発熱体１３０の配列方向に沿うように、インナーシリンダ４０と繋がっている（図２参照）。これによって、干渉幅振幅の大きい場所に発熱体３０が配置されることになり、発熱体３０はマイクロ波を有効に吸収することができる。なお、導波管５０Ａ、５０Ｂに関しては、断面円形状の導波管で構成してもよい。

インナーシリンダ４０の反射面４０Ｒが０．８～１．０の範囲に設定されているため、発熱体３０から放射された光が反射面４０Ｒによって反射され、再び発熱体３０に戻る。戻り光は、発熱体３０を追加熱する熱源となり、放射熱損を抑えることができる。一方、加熱室ＨＳの天井面２０Ｔにも反射板ＭＲを形成することにより、発熱体３０および被加熱物Ｋが放射する光を加熱に再利用することができ、熱放射損を抑えることができる。

上述したように、棒状発熱体１３０各々は、非発熱部１３２Ａ、１３２Ｂによって支持部材６０に支持されている。発熱体３０が、マイクロ波照射の抑制された部分で支持されているため、非発熱部１３２Ａ、１３２Ｂは、発熱しない領域に相当する。そのため、反射容器２０内でも発熱体３０を安定して保持することができる。

発熱部１３１は、中間部材であるガラス部材１３４Ａ、１３４Ｂを介して非発熱部１３２Ａ、１３２Ｂと接続し、発熱部１３１は非発熱部１３２Ａ、１３２Ｂと一体的に繋がっていない。ガラス部材１３４Ａ、１３４Ｂを使うことで軸方向における封着面積が増え、封止作業が容易になる。さらに、発熱部１３１端部を焼き切って封止する場合と比べ、カーボンＣＦが発熱部１３１端部へ入り込んで不純ガスが発生し、封止部に穴が開くのを防ぐことができる。また、ガラス部材１３４Ａ、１３４Ｂによって非発熱部１３２Ａ、１３２Ｂとの溶着面積が増加し、溶着作業が容易となる。

次に、図４、５を用いて、第２の実施形態である加熱装置について説明する。第２の実施形態では、発熱体を容器上下方向に沿って階層的に配置する。

図４は、第２の実施形態である加熱装置の概略的内部構成図である。図５は、第２の実施形態における発熱体の配置構成を示した図である。

加熱装置１００の反射容器２０内には、２つの発熱体２３０、４３０が容器上下方向に並んで配置されている。発熱体２３０は、棒状発熱体３３０を複数並べたユニット構成であり、発熱体４３０も、棒状発熱体５３０を複数並べたユニット構成であり、それぞれフレーム状の支持部材１６０、２６０の支持面１６０Ｓ、２６０Ｓによって支持されている。図５に示すように、棒状発熱体３３０、５３０は、千鳥配列で互いに隣り合っている。

容器上方側に位置する棒状発熱体３３０は、容器底部側の棒状発熱体５３０と比べて導電率（電気伝導率）が高い。ここでは、棒状発熱体５３０の単位体積当たりの平均導電率は、０．１～５Ｓ／ｍの範囲に定められる一方、棒状発熱体３３０の単位体積当たりの平均導電率は、５．１～２００Ｓ／ｍの範囲に定められている。導電率は、カーボン充填率などで調整可能であり、カーボン封入量が多いほど高導電率となる。

マイクロ波の反射波の強度は、導電率が大きいほど大きくなる。相対的に低導電率の棒状発熱体５３０が容器底部側に位置するため、マイクロ波が発熱体４３０によって効果的に吸収され、発熱体４３０が高速昇温する。そして、発熱体４３０からの熱が、相対的に高伝導率の発熱体２３０へ伝わるため、発熱体２３０、４３０全体を均一に高速昇温させることができる。また、マイクロ波が効率よく吸収されるため、熱放射損を抑えることができる。

図４に示す発熱体２３０、４３０の２段構成だけでなく、３段以上配置してもよい。また、棒状発熱体を千鳥配列させずに配列させてもよく、例えば各層で１本ずつ間隔を空けて配置してもよい。なお、第１の実施形態のように、棒状発熱体を１つの面に沿って配置し、隣り合う棒状発熱体の導電率を異なるようにすることも可能である。

このような導電率の異なる棒状発熱体のユニット構成を考えた場合、発熱体の配置によって、容器内をマイクロ波照射空間と加熱空間とに仕切るような加熱装置に限定せず、棒状発熱体のユニット構成を採用する任意の加熱装置に適用可能である。すなわち、複数の棒状発熱体を並べた発熱体ユニットであって、容器上下方向および／または横方向に関し、隣りあう発熱体の間で導電率の異なる発熱体ユニットを備える加熱装置を提供することが可能である。

例えば、複数の棒状発熱体を容器上下方向に沿って階層的に配列させた発熱体ユニットとして構成される発熱体を備え、発熱体ユニットより容器底部側（あるいは上部側）に形成されたマイクロ波照射空間に対して相対的に近い列に並ぶ棒状発熱体の導電率が、マイクロ波照射空間に対して相対的に遠い列に並ぶ棒状発熱体の導電率と比べて、低い加熱装置を提供することが可能である。なお、発熱体の構成としては、棒状の他、リング状や管状といった構成でもよい。

導電率の同じ棒状発熱体を並べた発熱体ユニットの構成では、マイクロ波反射容器内において、発熱体の均一な昇温、熱放射損の抑制などが十分でない場合が生じる可能性があるが、互いに導電率の異なる棒状発熱体を並べるユニット構成にすることによって、発熱体の均一な昇温、熱放射損の抑制を実現することができる。

第１、第２の実施形態では、複数の棒状発熱体１３０を配列したユニットによって発熱体を構成しているが、このようなユニット構成に限定されず、反射容器２０を小型化し、１本の棒状発熱体で構成してもよい。また、粉粒体以外の発熱材によって発熱体を構成してもよい。

また、発熱体は、棒状発熱体を並べたユニット構成に限定されず、半円状の発熱体、平板状の一体的な発熱体によって構成することも可能である。この場合、反射容器２０内に発熱体を設置した時、マイクロ波照射空間ＭＳを容器底部側に形成し、その反対側の加熱室ＨＳとマイクロ波照射空間ＭＳとを空間的に隔てる、すなわちインナーシリンダ４０の開口部４０Ａを覆うサイズで反射容器２０内を仕切る構成にすればよい。

支持部材６０は、棒状発熱体１３０の非発熱部１３２Ａ、１３２Ｂだけ保持するように構成しているが、発熱部１３１のガラス部材１３４Ａ、１３４Ｂ付近を支持するように、開口部６０Ａを形成することも可能である。また、反射容器２０が、直接棒状発熱体１３０を支持するように構成してもよい。

反射容器内にインナーシリンダを設けない加熱装置の構成も可能であり、反射容器と発熱体とによってマイクロ波照射空間ＭＳを形成してもよい。さらに、加熱室ＨＳを設けない反射容器で加熱装置を構成することも可能である。この場合、発熱体が反射容器の蓋として構成することが可能である。また、反射容器２０を、加熱装置１０（１００）から取り外し可能に構成することも可能である。

１０ 加熱装置
２０ 反射容器（容器）
３０ 発熱体
４０ インナーシリンダ(容器)
５０Ａ、５０Ｂ 導波管
６０ 支持部材
１３０ 棒状発熱体
ＨＳ 加熱空間（加熱室）
Ｋ 被加熱物
ＭＳ マイクロ波照射空間

Claims (12)

1. マイクロ波を反射する容器と、
   マイクロ波を吸収して発熱する発熱材を有する発熱体とを備え、
   前記発熱体が、前記容器への設置によって、前記発熱体の一方の側にマイクロ波照射空間を形成し、前記発熱体に対して前記マイクロ波照射空間とは反対側に形成される被加熱物を配置可能な加熱空間と、前記マイクロ波照射空間とを、空間的に隔てることを特徴とする加熱装置。
2. 前記加熱空間が、前記容器に含まれることを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
3. 前記発熱体が、マイクロ波照射空間と面する発熱部と、前記発熱部の端部側に、前記発熱材を含まない非発熱部を有し、
   前記容器が、前記発熱体を、前記非発熱部で直接的または間接的に支持することを特徴とする請求項１または２に記載の加熱装置。
4. 前記発熱体の両側に設けられた前記非発熱部を支持し、前記容器に対して取り外し自在なフレーム状の支持部材をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の加熱装置。
5. 前記非発熱部が、中間部材を介して前記発熱部と接続していることを特徴とする請求項３または４に記載の加熱装置。
6. 前記マイクロ波照射空間と繋がる導波管をさらに備え、
   前記導波管の端部が、前記発熱体に向いていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の加熱装置。
7. 前記導波管の端部には、前記マイクロ波照射空間内に位置するホーン部が形成されていることを特徴とする請求項６に記載の加熱装置。
8. 前記発熱体が棒状として構成され、
   前記棒状発熱体が、断面矩形状の前記導波管の長手方向に沿って並んでいることを特徴とする請求項６または７に記載の加熱装置。
9. 前記容器の反射率が、０．８～１．０の範囲内であることを特徴とする請求項１乃至８のいずれかに記載の加熱装置。
10. 前記発熱体が、複数の棒状発熱体を並べた発熱体ユニットとして構成され、
    隣り合う棒状発熱体の導電率が、互いに異なることを特徴とする請求項１乃至９のいずれかに記載の加熱装置。
11. 前記発熱体が、複数の棒状発熱体を容器上下方向に沿って階層的に配列させた発熱体ユニットとして構成され、
    前記発熱体ユニットより前記容器底部側に形成された前記マイクロ波照射空間に対して相対的に近い列に並ぶ棒状発熱体の導電率が、前記マイクロ波照射空間に対して相対的に遠い列に並ぶ棒状発熱体の導電率と比べて、低いことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれかに記載の加熱装置。
12. マイクロ波を反射する容器に対して発熱体を設置し、
    前記発熱体によって、前記発熱体よりも容器底部側のマイクロ波照射空間と、前記発熱体に対して前記マイクロ波照射空間とは反対側に形成される被加熱物配置可能な加熱空間とを、空間的に隔てることを特徴とする加熱装置の発熱体設置方法。

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