JP2799407B2 - Dielectric heating method - Google Patents
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Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は誘電体の加熱方法に関し、特にニューセラミ
ック、ガラス材料、半導体材料等の高融点の誘電体を誘
電加熱と誘導加熱の併用により高温溶融可能とした誘電
体加熱方法に関する。Description: TECHNICAL FIELD The present invention relates to a method for heating a dielectric, and particularly to a method for heating a dielectric having a high melting point such as a new ceramic, a glass material, or a semiconductor material by using both dielectric heating and induction heating. The present invention relates to a dielectric heating method capable of melting.
マイクロ波による誘電体の加熱は同調方式のアプリケ
ータ(高周波溶解炉)に生ずる極めて高い電界強度によ
り、短時間、高効率で行うことができる。しかしその到
達加熱温度は次のような理由により限界があった。The heating of the dielectric by microwaves can be performed in a short time and with high efficiency due to the extremely high electric field strength generated in the tuning type applicator (high-frequency melting furnace). However, the ultimate heating temperature is limited for the following reasons.
誘電体の誘電加熱では、マイクロ波の侵入深さL
(電界強度が1/eになる深さ、e…自然対数の底)は次
式で与えられ、波長λに比例する。In dielectric heating of the dielectric, the penetration depth L of the microwave
(The depth at which the electric field intensity becomes 1 / e, e... The base of the natural logarithm) is given by the following equation, and is proportional to the wavelength λ.
εrは誘電体の比誘電率、tanδは誘電体損失角率であ
る。 ε r is the relative permittivity of the dielectric, and tan δ is the dielectric loss angular rate.
一方、発生する熱量Qは、 Q=(AE2/λ)×εr×tanδ …(2) で与えられ、波長λが短い程効率が良い。Aは比例定
数、Eは電界強度である。On the other hand, the amount of generated heat Q is given by: Q = (AE 2 / λ) × ε r × tan δ (2), and the shorter the wavelength λ, the higher the efficiency. A is a proportional constant, and E is an electric field strength.
つまりLとQとは波長λを変数すると、相反する関係
にある。そこで最適加熱を得るために両者を勘案してそ
の波長λを選定する必要があった。In other words, L and Q have an opposite relationship when the wavelength λ is changed. Therefore, in order to obtain optimum heating, it is necessary to select the wavelength λ in consideration of both.
ところが、大部分の誘電体では、温度の上昇とともに
内部のイオンの移動度が増加して誘電率σが増加する傾
向にある。However, in most dielectrics, the mobility of ions inside increases with an increase in temperature, and the dielectric constant σ tends to increase.
また、εrとtanδの値も一般に温度が高くなると増
加し、この結果マイクロ波の侵入する深さLが低減す
る。Also, the values of ε r and tan δ generally increase as the temperature increases, and as a result, the depth L at which microwaves penetrate decreases.
上記(1)の式のLはσ=0、つまり誘導体の場合で
あるが、このσが大きくなるとマイクロ波電界により電
流は、ほとんど所謂スキンデプスδの深さ範囲しか流れ
なくなる。このδは、 で与えられる。このように、λが小さくσが大きい場合
には、δが小さくなる。この場合は表面しか加熱されな
くなる。cは光速度、μは通磁率である。L in the above equation (1) is σ = 0, that is, in the case of a derivative. When this σ increases, the current flows almost only in the so-called skin depth δ depth range due to the microwave electric field. This δ is Given by Thus, when λ is small and σ is large, δ becomes small. In this case, only the surface is heated. c is the speed of light and μ is the magnetic permeability.
また被加熱体は高温になると、次のプランクの輻射
式で与えられる輻射を生じる。すなわち波長がλとλ+
dλ間にある輻射エネルギ密度ρλdλは下式で与えら
れる。Further, when the temperature of the object to be heated becomes high, radiation is given by the next Planck radiation method. That is, the wavelengths are λ and λ +
The radiation energy density ρ λ dλ between dλ is given by the following equation.
ここで、hはプランク定数、kはボルツマン定数、Tは
絶対温度である。 Here, h is Planck's constant, k is Boltzmann's constant, and T is the absolute temperature.
ここで、Tが摂氏換算で1500℃を越えると、被加熱物
は紫外域の波長の光を輻射するようになる。このとき紫
外線のうち短波長のものは、ガスを電離してイオンを生
じさせるので、そのとき照射してしているマイクロ波電
界により放電が生じる。従ってこの放電によってマイク
ロ波電力が消費され、それ以上の被加熱物の昇温が抑え
られる。Here, when T exceeds 1500 ° C. in Celsius, the object to be heated emits light having a wavelength in the ultraviolet region. At this time, among the ultraviolet rays, those having short wavelengths ionize the gas to generate ions, so that discharge occurs due to the microwave electric field being irradiated at that time. Therefore, microwave power is consumed by this discharge, and the temperature of the object to be heated can be prevented from further increasing.
ところが、現実には高融点の被加熱体を溶融すること
が種々の分野で要望されている。これを従来のマイクロ
波の誘電加熱方法で行うと、上述したように加熱が進ん
で温度が上昇し、導電率の増加や放電の発生のために、
ある一定温度以上からは昇温が進まなくなり限界に達し
て、上記要望に対処することができないばかりか、電力
消費が増大する等の問題があった。However, actually, there is a demand in various fields to melt a high-melting-point object to be heated. If this is performed by a conventional microwave dielectric heating method, as described above, heating proceeds and the temperature rises, and due to an increase in conductivity and generation of discharge,
When the temperature rises from a certain temperature or higher, the temperature rise does not progress and reaches a limit, so that not only the above-mentioned demand cannot be met but also power consumption increases.
本発明の目的は、低温域に誘電加熱方法を高温域に誘
導加熱方法を各々適用して、高融点誘電体の加熱溶融を
可能とした誘電体加熱方法を提供することである。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a dielectric heating method in which a dielectric heating method is applied to a low-temperature region and an induction heating method is applied to a high-temperature region, thereby enabling a high-melting dielectric to be heated and melted.
このために本発明は、誘電体からなる被加熱物をマイ
クロ波照射により誘電加熱し、上記被加熱物の導電率が
導体と見做せる値となったとき及び/叉は上記被加熱物
に放電が発生したとき、上記マイクロ波照射を停止又は
遮断すると共に、上記被加熱物を高周波磁界の印加によ
り誘導加熱するように構成した。For this purpose, the present invention provides a method of performing dielectric heating on a heated object made of a dielectric material by microwave irradiation, and when the conductivity of the heated object becomes a value that can be regarded as a conductor, and / or When a discharge occurs, the microwave irradiation is stopped or cut off, and the object to be heated is induction-heated by applying a high-frequency magnetic field.
以下、本発明の実施例の加熱方法について説明する。
第1図はその一実施例の加熱方法を実施するための加熱
装置Aのブロック図である。1は3GHz程度のマイクロ波
を発生するマイクロ波発生装置、2は反射波防止用アイ
ソレータ、3はパワーモニタ、4はインピーダンス、調
整器、5は放電検出器で、これらは導波管で縦列状に接
続され、誘電加熱系ライン20を構成する。Hereinafter, a heating method according to an embodiment of the present invention will be described.
FIG. 1 is a block diagram of a heating apparatus A for performing the heating method according to the embodiment. 1 is a microwave generator for generating microwaves of about 3 GHz, 2 is an isolator for preventing reflected waves, 3 is a power monitor, 4 is an impedance, a regulator, 5 is a discharge detector, and these are cascades of waveguides. To form a dielectric heating system line 20.
また6は400K〜5MHz程度の高周波を発生する高周波発
生装置、7はマッチング監視装置、8はマッチング調整
装置で、これらも縦列状に接続され誘導加熱系ライン30
を構成する。6 is a high frequency generator for generating a high frequency of about 400 K to 5 MHz, 7 is a matching monitoring device, 8 is a matching adjusting device, which are also connected in tandem and have an induction heating system line 30.
Is configured.
そしてこれら2系列の加熱系ライン20、30が切換装置
9の切換操作によって高周波溶解炉としてのアプリケー
タ10に対して選択的に適用されるようになっている。つ
まり本実施例の加熱装置Aは、切換操作により誘電加熱
モード、誘導加熱モード何れにも設定することができ
る。なお、11はアプリケータ10内に収納した被加熱物で
ある。These two heating system lines 20, 30 are selectively applied to an applicator 10 as a high-frequency melting furnace by a switching operation of a switching device 9. That is, the heating device A of the present embodiment can be set to any of the dielectric heating mode and the induction heating mode by the switching operation. Reference numeral 11 denotes an object to be heated housed in the applicator 10.
上記アイソレータ2は、アプリケータ10からマイクロ
波の反射波が発生装置1へ戻ることを防止するためのも
のである。The isolator 2 is for preventing the reflected wave of the microwave from returning to the generator 1 from the applicator 10.
パワーモニタ3はアプリケータ10内に配置した被加熱
物11のマッチング(整合)を監視する装置であって、ア
プリケータ10に入射する電力とそこから反射されてくる
電力を各々検出して表示するものである。上記マッチン
グがとれていないと、反射されてくる電力が大きくな
る。The power monitor 3 is a device for monitoring the matching of the object to be heated 11 arranged in the applicator 10, and detects and displays the power incident on the applicator 10 and the power reflected therefrom. Things. If the above matching is not achieved, the reflected power increases.
インピーダンス調整器4はアプリケータ10から反射さ
れてくる電力を最小にするように調整するための装置で
ある。The impedance adjuster 4 is a device for adjusting the power reflected from the applicator 10 to be minimized.
放電検出器5は被加熱物11の放電を検出するための検
出器である。The discharge detector 5 is a detector for detecting a discharge of the object 11 to be heated.
マッチング監視装置7、マッチング調整装置8は、被
加熱物11の性状(導電率等)に応じてマッチング調整を
行うための装置で、これらは誘電加熱系ライン20のパワ
ーモニタ3、インピーダンス調整器4に相応し、各々同
様に作動する。The matching monitoring device 7 and the matching adjusting device 8 are devices for performing matching adjustment according to the properties (electrical conductivity and the like) of the object 11 to be heated. These devices are the power monitor 3 and the impedance adjuster 4 of the dielectric heating system line 20. And each operates similarly.
さて、本実施例の加熱装置Aによってアプリケータ10
内の被加熱物11を加熱するには、まず、切換装置9を操
作して誘電加熱モードを選択すると共にマイクロ波発生
装置1を作動させる。Now, the applicator 10 is heated by the heating device A of this embodiment.
In order to heat the object 11 to be heated, the switching device 9 is first operated to select the dielectric heating mode, and the microwave generator 1 is operated.
これによりマイクロ波発生装置1で発生したマイクロ
波が反射波防止用アイソレータ2、パワーモニタ3、イ
ンピーダンス調整器4、放電検出器5及び切換装置9を
経てアプリケータ10内に入射し被加熱物11を照射して誘
電加熱を行う。As a result, the microwave generated by the microwave generator 1 enters the applicator 10 via the reflected wave preventing isolator 2, the power monitor 3, the impedance adjuster 4, the discharge detector 5, and the switching device 9, and the object to be heated 11 To perform dielectric heating.
このときパワーモニタ3にアプリケータ10からの反射
電力が大きく表示されマッチングが不整合であることが
報知された場合には、パワーモニタ3を見ながら反射で
電力が最小になるようにインピーダンス調整器4を調整
する。この調整により効率の良い誘電加熱が行われる。At this time, if the reflected power from the applicator 10 is displayed large on the power monitor 3 and it is notified that the matching is mismatched, the impedance adjuster is adjusted so that the power is minimized by reflection while looking at the power monitor 3. Adjust 4 With this adjustment, efficient dielectric heating is performed.
そして被加熱物11が昇温しその導電率が(導電体と見
做せる程度まで)増加して表面電流のみの加熱状態にな
ると、きわめてマッチングがとり難くなる。同時に被加
熱物11の高温度化のため紫外線を放出して放電が生じ易
くなり、放電検出器5がそれを検出する。Then, when the temperature of the object 11 to be heated rises and its conductivity increases (to the extent that it can be regarded as a conductor) and the heating state becomes only the surface current, matching becomes extremely difficult. At the same time, since the temperature of the object to be heated 11 is increased, ultraviolet rays are emitted to easily generate discharge, and the discharge detector 5 detects the discharge.
このような状態に達した時点で、誘電加熱系ライン20
を停止し、切換装置9によって加熱装置Aを誘電加熱モ
ードから誘導加熱モードに切換えて、誘導加熱系ライン
30の作動を開始させる。すなわち、高周波発生装置6を
作動させて被加熱物11に高周波磁界を印加し、被加熱物
11に直接誘電流を生じさせる。このときもマッチング監
視装置7を見ながらマッチング調整装置8によってマッ
チングを調整する。これにより被加熱物11は誘電加熱モ
ードでは昇温させることができなかった温度以上に、誘
導加熱により加熱され溶融する。When such a state is reached, the dielectric heating system line 20
Is stopped, and the heating device A is switched from the dielectric heating mode to the induction heating mode by the switching device 9, and the induction heating system line
Start the operation of 30. That is, the high-frequency generator 6 is operated to apply a high-frequency magnetic field to the object 11 to be heated, and
11 directly induces a dielectric current. At this time, the matching is adjusted by the matching adjusting device 8 while looking at the matching monitoring device 7. As a result, the object to be heated 11 is heated and melted by induction heating to a temperature higher than the temperature that could not be raised in the dielectric heating mode.
第2図は他の実施例の加熱装置Bのブロック図であ
る。この例では誘電加熱用のアプリケータ10と誘導加熱
用のアプリケータ10′の2種のアプリケータ10、10′を
設け、各々を独立的に誘電加熱系ライン20及び誘導加熱
系ライン30に適用している。また、電源12に切換装置
9′を接続し、この切換装置9′にマイクロ波発生装置
1と高周波発生装置6とを接続し、切換可能とした。FIG. 2 is a block diagram of a heating device B of another embodiment. In this example, two types of applicators 10, 10 'are provided, an applicator 10 for dielectric heating and an applicator 10' for induction heating, each of which is independently applied to the dielectric heating system line 20 and the induction heating system line 30. doing. Further, a switching device 9 'is connected to the power supply 12, and the microwave generator 1 and the high-frequency generator 6 are connected to the switching device 9' to enable switching.
つまりこの例では切換装置9′を切り換えることによ
り加熱装置Bを誘電加熱モードと誘導加熱モードのいず
れかに選択的に設定できる。この場合は、被加熱物11を
加熱モードの切り換えに応じてアプリケータ10、10′間
で入換え移動させる必要がある。That is, in this example, by switching the switching device 9 ', the heating device B can be selectively set to one of the dielectric heating mode and the induction heating mode. In this case, it is necessary to exchange the object to be heated 11 between the applicators 10 and 10 'according to the switching of the heating mode.
第3図(a)(b)(c)は上記各実施例の加熱系の
切換方法の具体例を示す図である。FIGS. 3 (a), 3 (b) and 3 (c) are diagrams showing specific examples of the method of switching the heating system in each of the above embodiments.
第3図(a)は第1図の実施例の加熱装置Aに適用で
きる切換方法で、アプリケータ10内へのコイル13の出入
れによりアプリケータ10内の加熱モードを変えることが
できる。FIG. 3 (a) is a switching method applicable to the heating apparatus A of the embodiment of FIG. 1, and the heating mode in the applicator 10 can be changed by moving the coil 13 into and out of the applicator 10.
すなわち誘電加熱モードの場合はコイル13をアプリケ
ータ10の外部に取り出し、誘電加熱系ライン20からマイ
クロ波を入射させる。次に誘導加熱モードの場合には、
アプリケータ10内に設置した被加熱物11の収納用のアル
ミナ製坩堝14の外周部にコイル13を装嵌し、該コイル13
に誘導加熱系ライン30から高周波電流を供給する。That is, in the case of the dielectric heating mode, the coil 13 is taken out of the applicator 10 and microwaves are made incident from the dielectric heating system line 20. Next, in the case of the induction heating mode,
A coil 13 is fitted around an outer peripheral portion of an alumina crucible 14 for storing an object to be heated 11 installed in an applicator 10, and the coil 13
A high-frequency current is supplied from the induction heating system line 30 to the apparatus.
第3図(b)(c)は第2図の実施例の加熱装置Bに
適用できる切換方法で、その(b)の例ではコイル13を
アプリケータ10の下側隣室のアプリケータ10′に設置
し、坩堝14を上下可動の台座15に搭載してアプリケータ
10とコイル13の間に移動させ、誘電加熱モードと誘導加
熱モードの両方を設定できるようにした。FIGS. 3 (b) and 3 (c) show a switching method applicable to the heating apparatus B of the embodiment of FIG. 2. In the example of FIG. 3 (b), the coil 13 is connected to the applicator 10 'in the lower adjacent room of the applicator 10. The crucible 14 is mounted on a vertically movable pedestal 15
It was moved between 10 and the coil 13 so that both the dielectric heating mode and the induction heating mode could be set.
誘電加熱モードの場合は、坩堝14は台座15によってア
プリケータ10内に押上保持され、供給されるマイクロ波
により坩堝14内の被加熱物が誘電加熱される。このと
き、台座15はアプリケータ10、10′の仕切壁10aに形成
した坩堝通孔10bに装嵌し、アプリケータ10からのマイ
クロ波の漏出を防止する。In the case of the dielectric heating mode, the crucible 14 is pushed up and held in the applicator 10 by the pedestal 15, and an object to be heated in the crucible 14 is dielectrically heated by the supplied microwave. At this time, the pedestal 15 is fitted in the crucible through hole 10b formed in the partition wall 10a of the applicator 10, 10 'to prevent the microwave from leaking from the applicator 10.
また誘導加熱モードの場合、坩堝14は台座15によって
アプリケータ10′内に引き下げられコイル13の内側に装
嵌され、坩堝14内の被加熱物がコイル13から高周波磁界
を受け、誘導加熱される。In the case of the induction heating mode, the crucible 14 is pulled down into the applicator 10 ′ by the pedestal 15 and fitted inside the coil 13, and the object to be heated in the crucible 14 receives a high-frequency magnetic field from the coil 13 and is induction-heated. .
また(c)の例では例えばアプリケータ10の下側にコ
イル13が巻装された坩堝14を設け、アプリケータ10で誘
電加熱された被加熱物11を坩堝14内に流入し、コイル13
により誘導加熱するものである。Further, in the example of (c), for example, a crucible 14 around which a coil 13 is wound is provided below the applicator 10, and the heated object 11 dielectrically heated by the applicator 10 flows into the crucible 14,
Induction heating is used.
なお、上記実施例では誘電加熱から誘導加熱への切換
を、被加熱物に発生した放電を検出して行っているが、
被加熱物の電導率を検出して行うこともできることは勿
論である。この場合は、例えば複数回の電導率(抵抗)
検出タイミングを設定し、この時のみマイクロ波照射を
遮断するようにすれば良い。In the above embodiment, the switching from the induction heating to the induction heating is performed by detecting the discharge generated in the object to be heated.
Of course, the detection can be performed by detecting the conductivity of the object to be heated. In this case, for example, the electric conductivity (resistance) of plural times
The detection timing may be set, and the microwave irradiation may be cut off only at this time.
以上から本発明によれば、被加熱物の低温域では誘電
加熱を適用し、高温域では誘導加熱を適用するようにし
たので、誘電加熱において半導体物質、セラミック或い
はガラス等の高融点の被加熱物が高温度になって電導率
が増大し叉は放電が発生してそれ以上の温度上昇が困難
となった場合でも、誘導加熱に切り換えてその被加熱物
をさらに高温度に効率よく加熱して溶融させることがで
きるという利点がある。As described above, according to the present invention, dielectric heating is applied in a low temperature range of an object to be heated, and induction heating is applied in a high temperature range. Even when the temperature of the object becomes high and the conductivity increases or discharge occurs and it becomes difficult to raise the temperature further, switch to induction heating and heat the object to be heated to a higher temperature efficiently. Has the advantage that it can be melted.
【図面の簡単な説明】 第1図は本発明の誘電体加熱方法を実施するための加熱
装置のブロック図、第2図は他の実施例の加熱装置のブ
ロック図、第3図(a)(b)(c)は誘電加熱方法と
誘導加熱方法の切換方法を示す説明図である。 1……マイクロ波発生装置、2……反射波防止用アイソ
レータ、3……パワーモニタ、4……インピーダンス調
整器、5……放電検出器、6……高周波発生装置、7…
…マッチング監視装置、8……マッチング調整装置、
9、9′……切換装置、10、10′……アプリケータ、11
……被加熱物、12……電源、13……コイル、14……坩
堝、15……台座、20……誘電加熱系ライン、30……誘導
加熱系ライン、A、B……加熱装置。BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS FIG. 1 is a block diagram of a heating device for carrying out the dielectric heating method of the present invention, FIG. 2 is a block diagram of a heating device of another embodiment, and FIG. (B) (c) is explanatory drawing which shows the switching method between the dielectric heating method and the induction heating method. DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Microwave generator, 2 ... Reflected wave prevention isolator, 3 ... Power monitor, 4 ... Impedance adjuster, 5 ... Discharge detector, 6 ... High frequency generator, 7 ...
... Matching monitoring device, 8 ... Matching adjustment device,
9, 9 '... switching device, 10, 10' ... applicator, 11
... Heated object, 12 power supply, 13 coil, 14 crucible, 15 pedestal, 20 dielectric heating system line, 30 induction heating system line, A, B heating device.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 青木 弘栄 愛知県名古屋市緑区大高町字北関山20番 地の1 中部電力株式会社電気利用技術 研究所内 (72)発明者 山田 俊一 埼玉県上福岡市福岡2丁目1番1号 新 日本無線株式会社川越製作所内 (58)調査した分野(Int.Cl.6,DB名) H05B 11/00──────────────────────────────────────────────────続 き Continuing on the front page (72) Inventor Hiroe Aoki 20 in Kitakanyama, Odaka-cho, Midori-ku, Nagoya-shi, Aichi, Japan 1 Within Chubu Electric Power Co., Inc. Electricity Utilization Research Institute (72) Inventor Shunichi Yamada Saitama 2-1-1, Fukuoka, Fukuoka City New Japan Radio Co., Ltd. Kawagoe Works (58) Field surveyed (Int. Cl. 6 , DB name) H05B 11/00
Claims (1)
により誘電加熱し、上記被加熱物の電導率が導体と見做
せる値となったとき及び/叉は上記被加熱物に放電が発
生したとき、上記マイクロ波照射を停止又は遮断すると
共に、上記被加熱物を高周波磁界の印加により誘導加熱
することを特徴とする誘電体加熱方法。1. An object to be heated made of a dielectric material is dielectrically heated by microwave irradiation, and when the conductivity of the object to be heated becomes a value that can be regarded as a conductor, and / or discharge to the object to be heated is performed. A dielectric heating method comprising: stopping or shutting off the microwave irradiation when generated; and inductively heating the object to be heated by applying a high-frequency magnetic field.
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JP32256389A JP2799407B2 (en) | 1989-12-14 | 1989-12-14 | Dielectric heating method |
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Publication Number | Publication Date |
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JPH03184296A JPH03184296A (en) | 1991-08-12 |
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