JP5057478B2

JP5057478B2 - 特殊加熱混合装置

Info

Publication number: JP5057478B2
Application number: JP2009114085A
Authority: JP
Inventors: 順一杉山
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2009-05-11
Filing date: 2009-05-11
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2029-05-11
Also published as: JP2010260291A

Description

本発明は、誘電損失を有する材料に混練しながら電磁波を照射する加熱混合装置に関し、さらに詳しくは、閉じられた混練容器の内部に、耐熱耐圧硝子窓から電磁波を効率よく導入する混練機を提供するものである。

物質に電磁波を照射した場合、被照射物質は浸透する電磁波のエネルギーを熱に変えることによって温度が上昇することは従来より知られている。この時の温度上昇率は被照射物質の導電率の関数である導電損、誘電率の関数である誘電損、透磁率の関数である磁性損で表される。
電磁波は金属表面で反射するため、全て金属で閉じられた内部に導入することはできない。よって電磁波を透過する材料でできた導入口を何らかの形で接続しなければならない。この時、電磁波を透過する材料は低い誘電損失材料である必要があるため、テフロン（登録商標）、石英などが導入口の窓材料として使用される。
また、電磁波は金属表面で反射を起こす際、その表面では平行電界が０になる。そのため、電磁波の波長の１／２以下の大きさである金属で閉じられた空間内を伝播できない。

一方、高分子材料の製造工程の１つとして混練がある。混練作業は、高分子材料を加熱溶融させた状態で回転によりせん断力を加えるため、混練機の混練容器は耐熱かつ耐圧材料で作成される。そのため一般には金属で作成されており、構造は閉じられている。したがって、高温高圧となる、金属で閉じられた混練機の内部に電磁波のエネルギーを加えることは困難であって、そのようなことは行われておらず、従来は、混練容器をヒータ等の加熱手段により加熱して、加熱された混練容器を介して混練容器内部の高分子材料を加熱することが一般的であった（特許文献１〜３参照）。

特開平９−２７７２５２号公報特開平１０−１３８２３４号公報特開２００３−３９４２５号公報

本発明では、高温高圧となる閉じられた混練機の内部に電磁波のエネルギーを加える装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明者は鋭意検討を重ねた結果、導電性がなく、磁性がなく、比誘電損失（ε_r”）が小さく、かつ所定の温度まで耐えられる窓板を、内部圧力に耐えられ、かつ電磁波を伝播する大きさとして混練容器に設置し、導波路から供給する電磁波を、窓板を通して混練容器内部に供給する特殊加熱混合装置を作成した。この装置は導波路側にもつ整合器によって電磁波の反射量が抑制され、効率よく内部に電磁波を導入可能であることを見出し、本発明を完成するに至った。

本発明により提供される特殊加熱混合装置を用いることによって、混練容器内部に電磁波を加えながら高温高圧条件で混練ができる。また、混練容器内の材料に直接電磁波が加えられるので、誘電損失の異なる複数の材料を混練した時、各材料の加熱量に傾斜を与えることができる。

図１は、本発明の特殊加熱混合装置の全体構成を示す図である。

本発明は、導波路から供給される電磁波を、耐熱耐圧製窓板で仕切られた混練容器内に導入し、混合あるいは高せん断混合する装置の提供を実現した。
また、本発明は、発振機から得られる電磁波を整合器によって整合させる時に、耐熱耐圧窓で混練容器と仕切り、かつ耐熱耐圧窓の枠部が導波管と混練容器間を電気的に接する状態とした点にも特徴がある。

図１に、本発明の特殊加熱混合装置（混練機）の全体構成を示す。図において、本装置は、以下の（A）から（C）の３部分に分かれる。
（A）混練機回転部：混練機を回転させるための駆動装置
（B）混練機容器部：被照射物を混練する容器
（C）電磁波導入部：電磁波を供給する装置
そして、（A）の混練機回転部は、（B）を回転させるための機能があればよく、市販のモータ（１）などを使うことができるが、好ましくは過負荷時の安全装置、負荷データ取得、温度データ取得、温度制御機能などが付いた混練試験装置が用いられる。
次に、（B）の混練機容器部は、被照射体を予備加熱する発熱体を持ち、（A）によって回転駆動力が与えられた時、内部をよく攪拌することができる機能と、電磁波が外部から導入される窓があればよい。したがってヒータを内蔵し、内部をよく攪拌する混練容器（２）に電磁波を透過する耐熱耐圧製窓板（３）を接続した構造が好ましい。この時要求される耐熱性は、混練直前に内部を軟化できる温度に耐えられる性能である。またこの時要求される耐圧性はせん断のかかる混練によって上昇する内圧に耐えられる性能である。
次に、（C）の電磁波導入部は、電磁波を導波管内に供給する機能があればよい。したがって、発振機（８）から発振された電磁波は、アイソレータ（７）、整合検波器（６）、整合器（５）を通って、耐熱耐圧製窓板（３）に連結している接続用導波管（４）に供給される。ここで、（B）の容器内のインピーダンスが接続用導波管（４）のインピーダンスと整合しなかった場合、電磁波は（B）によって反射されるが、反射波はアイソレータ（７）の機能によって熱へと変換され、発振機（８）に損傷を与えない。このような場合には、整合検波器（６）で反射波を検出し、これが最小になるように整合器（５）を調整することによってインピーダンスが整合され、（B）による反射が抑制されて（B）内部に電磁波が供給される。なお、この場合、発振機（８）から得られる電磁波を整合器（５）によって整合させる時に、耐熱耐圧製窓板（３）で混練容器（２）と仕切り、かつ耐熱耐圧製窓板（３）の窓枠部が接続用導波管（４）と混練容器（２）間を電気的に接する状態としておく。

本発明で用いる（B）の混練容器は、例えば一軸混練機、二軸混練機が挙げられる。耐熱耐圧製窓板（３）の耐熱耐圧窓材料は、例えばホウ珪ガラス、石英が挙げられる。
接続用導波管（４）との接続において電磁波が窓枠部によって反射されないようにするためには、導波管サイズと窓サイズは一致するほうがよいが、窓が大きすぎる場合は耐圧性能が下がる。具体的には１．７０〜２．６０ギガヘルツの電磁波の照射ではＷＲＪ−２導波管（１０９ｍｍ×５５ｍｍ）に対してその長さ比０．８程度の大きさである９０ｍｍ×４５ｍｍ以上の窓サイズが、４．９０〜７．０５ギガヘルツの電磁波の照射ではＷＲＪ−６導波管（４０ｍｍ×２０ｍｍ）に対しては３２ｍｍ×１６ｍｍ以上の窓サイズが好ましい。導波管サイズが窓サイズより小さい場合はテーパーつき導波管を接続させて大きさを連続的に変えてもよい。
本発明で用いる混練容器は混合対象物にせん断をかける場合、容積サイズが波長に対して短くなる部分が生じる場合があるが、回転中心軸と外容器部の間に異符号の電荷を持つ条件が成立することにより、ＴＥＭモード（電界と磁界が共に横波となって進行するモード）が発生して、内部に電磁波を導入することができる。
周波数の適用範囲は、加熱に用いる電磁波は工業・科学、医療用途で用いられるＩＳＭ帯でとして、例えば、２．４５ギガヘルツ、５．８ギガヘルツが実用的である。ＵＨＦ帯（０．３〜３ギガヘルツ）およびＳＨＦ帯（３〜３０ギガヘルツ）において、材料の加熱原理は変わらないため、周波数の適用範囲としては、ＵＨＦ帯あるいはＳＨＦ帯が好ましい。

（製造例１）
本発明の装置を用いて、炭素粉体を１〜５％混入したポリプロピレンを、混練容器に内臓の発熱体と３００ワット２．４５ギガヘルツの電磁波照射により、１９５℃以上２００℃未満で1分以上加熱混練し、その後に回転を停止し、耐熱耐圧製窓板に直交する混練容器上面の試料導入口を開放し、電磁波リークデテクタにより電磁波量を測定したところ、３０ｃｍはなれた地点で少なくとも１０ミリワット／平方センチメートルの電磁波の放出を検出した。この時の電磁波は混練容器の前部に設置された耐熱耐圧製窓板から侵入し、混練容器内部を経て、混練容器上部の試料導入口から放射されたものであり、混練容器内に電磁波が導入されていることを示している。

（製造例２）
本発明の装置を用いて、炭素粉体を１〜５％混入したポリプロピレンを、混練容器に内臓の発熱体と３００ワット２．４５ギガヘルツの電磁波照射により、１９５℃以上２００℃未満で1分以上加熱混練し、その後に回転を停止し、耐熱耐圧製窓板に直交する混練容器上面の試料導入口を閉鎖したまま、電磁波リークデテクタにより電磁波量を測定したところ、５ｃｍはなれた地点で０．０５ミリワット／平方センチメートル以上の電磁波の放出は検出されなかった。この時の電磁波は混練容器の前部に設置された耐熱耐圧製窓板から侵入し、混練容器内部にて熱に変換され、外部には漏洩しなかったことを示している。
上記製造例１及び２によれば、本発明の装置により、電磁波が混練容器に導入され、混練容器内部にて熱に変換され、外部には漏洩しなかったことが確認できた。

（製造例３）
本発明の装置を用いて、炭素粉体を１〜５％混入したポリプロピレンを、混練容器に内臓の発熱体と３００ワット２．４５ギガヘルツの電磁波照射により、１９５℃以上２００℃未満で1分以上加熱混練し、その後に電熱器よる加熱を停止したところ、分速五〇回転において、平均トルクは３．５キログラムメートルから３．８キログラムメートルに上昇した。トルクの上昇量は０．３キログラムメートルと小さく、電磁波エネルギーによる加熱によってトルクの上昇が抑えられていることを示しており、混練容器内に電磁波が導入されていることを示している。

（比較製造例１）
本発明の装置を用いて、炭素粉体を１〜５％混入したポリプロピレンを、混練容器に内臓の発熱体と３００ワット２．４５ギガヘルツの電磁波照射により、１９５℃以上２００℃未満で1分以上加熱混練し、その後に電熱器および電磁波照射による加熱を停止したところ、分速五〇回転において、平均トルクは３．８キログラムメートルから５．０キログラムメートルに上昇した。比較製造例１で製造例３と異なるところは、１分以上加熱混練の後電磁波照射による加熱を停止した点であるが、比較製造例１では、トルクの上昇量は１．２キログラムメートルと大きく、空冷によってトルクが上昇していることを示しており、混練容器内に電磁波が導入されない比較製造例１の場合は冷却速度が速いことを示している。

本発明により提供される特殊加熱混合装置（混練機）は、混練容器内の材料に直接電磁波を照射できるので、誘電損失を有する広範囲の材料の混練に対して特殊な加熱状態を提供できることから、新たな材料創生のための装置として有用である。また、誘電損失の異なる複数の材料を混練した時、各材料の加熱量に傾斜を与えることもできる。また、電熱器などにより混練容器を加熱する従来タイプの加熱手段を併設しておいてもよい。

（１）モータ
（２）混練容器
（３）耐熱耐圧製窓板
（４）接続用導波管
（５）整合器
（６）整合検波器
（７）アイソレータ
（８）発振機

Claims

混練容器と、混練容器に設けられた電磁波を透過する耐熱耐圧製窓板と、該耐熱耐圧製窓板に接続した接続用導波管と、ＵＨＦ帯またはＳＨＦ帯の電磁波を発生する発振機とを備えた混練機において、発振機で発生した電磁波を接続用導波管から耐熱耐圧製窓板をとおして混練容器内に照射して混練容器内の被混練材料を電磁波加熱することを特徴とする混練機。
前記接続用導波管と前記発振機との間に整合器を設け、前記耐熱耐圧製窓板の窓枠部が接続用導波管と前記混練容器間を電気的に接する状態とし、混練容器内のインピーダンスと接続用導波管のインピーダンスとの整合を調整可能としたことを特徴とする請求項１記載の混練機。
前記整合器と前記発振機との間にアイソレータを設け、インピーダンス不整合の場合に反射された電磁波をアイソレータにより熱に変換して発振機を保護することを特徴とする請求項２記載の混練機。
前記混練容器には、混練容器を加熱する加熱手段をさらに具備することを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の混練機。