JP7316504B2 - 発熱体、加熱装置および発熱体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波を用いた加熱装置に関し、特に、マイクロ波を吸収して発熱する発熱体の温度調整に関する。

金属やセラミックスなどを焼成する炉として、マイクロ波を利用した焼成炉が知られている。そこでは、断熱材からなる容器の内壁に、マイクロ波を吸収して発熱する発熱体を塗布する。そして、容器内に金属粉末あるいはセラミック粉末を含有する被加熱物を設置し、電子レンジ内に容器を所定時間入れて焼成する（特許文献１参照）。発熱体としては、例えば、耐熱性の高い２種類の炭化ケイ素粉末と、水ガラス、粘土物質などの耐熱性材とを混合したものが使用される。

特開２００１－２８４０３９号公報

発熱体の加熱処理時間を短縮することが被加熱物の短時間による高速焼成をもたらすことから、マイクロ波を利用して熱源となる発熱体をできる限り高速昇温させることが必要となる。しかしながら、容器内壁に発熱体を塗布する上記マイクロ波加熱装置では、電気抵抗が大きいケイ素が発熱体に含まれるため、今まで以上の高速昇温を実現することが難しい。また、発熱体が不均一に加熱する、すなわち発熱体の箇所によって昇温速度が異なり、被加熱物の焼成に時間を要してしまう。

したがって、短時間で均一に昇温する発熱体が求められる。

本発明の発熱体は、マイクロ波を吸収して発熱するカーボンを含む発熱材と、マイクロ波を透過し、発熱材が配置される容器とを備え、容器内に、温室効果ガスが含まれる。ここで、温室効果ガスとは、赤外線を吸収する能力をもつ気体を表す。本発明では、温室効果ガスによって、カーボンを含む発熱材を均一に昇温できることを新たに見出した。

例えば、ＣＯ₂（二酸化炭素）、ＣＦ₄（四フッ化メタン）、ＳＦ₆（六フッ化硫黄）、Ｎ₂Ｏ（一酸化二窒素）、ＨＦＣ_S（ハイドロフルオロカーボン類）、ＰＦＣ_S（パーフルオロカーボン類）、ＮＦ₃（三フッ化窒素）の少なくもいずれかひとつから成る。

昇温効果を高めるためには、容器内における発熱材以外の空間領域を、温室効果ガスで満たすように構成すればよい。また、発熱材と温室効果ガスは、容器に封入すればよい。例えば、容器内への封入ガス圧が、１ｋＰａ～４０ｋＰａの範囲に定めることが可能である。発熱材は、例えばカーボンの粉粒体であって、その充填率が０．０５～０．２の範囲に定めればよい。また、容器は、石英ガラスから成るようにしてもよい。

本発明の他の態様である発熱体の製造方法は、マイクロ波を透過する石英材から成る容器に対し、マイクロ波を吸収して発熱するカーボン材を含む発熱体を、容器内に入れ、カーボン材に対して不活性である温室効果ガスを、所定の封入ガス圧の範囲となるように封入し、容器を封止する。

本発明によれば、短時間で均一に昇温する発熱体を提供することができる。

マイクロ波加熱装置の概略的構成図である。 本実施形態である発熱体の概略的断面図である。

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、本実施形態であるマイクロ波加熱装置の概略的構成図である。図２は、発熱体の概略的断面図である。

マイクロ波多重反射型加熱装置（マイクロ波焼成炉ともいう。以下では、「マイクロ波加熱装置」と称す）１０は、マイクロ波を利用して被加熱物を加熱、焼成あるいは乾燥する装置であり、耐熱性のある矩形状のマイクロ波反射容器（以下、反射容器という）４０を備える。反射容器４０の異なる側面にはマイクロ波発振機（マグネトロン）５０が装着されており、反射容器内の発熱管２０に向けてマイクロ波が発振される。

反射容器４０の空間領域４０Ｍにおける中央部には、発熱管２０が支持部材（図示せず）によって設置されており、その傍には、被加熱物３０が保持部材（図示せず）によって保持されている。被加熱物としては、例えば、セラミックス、半導体、有機物である。さらに、マイクロ波加熱装置１０は、マイクロ波発振機５０を制御可能な電源回路（図示せず）と、発熱管２０の温度を測定するサーモメータ（放射温度計）（図示せず）を備え、電源回路は、サーモメータによって検出される発熱管２０の温度に基づいてマイクロ波発振機５０を制御する。

図２に示すように、発熱管（以下、発熱体ともいう）２０は、発熱材を配置する容器であり、ここでは、一方の端部に導入管２２が形成された密閉性のある有底管状容器で構成され、マイクロ波を透過する石英材によって加熱成形されている。発熱管２０は、軸方向に対して長く断面円状の管状容器として構成されている。また、カーボン発熱材７０が発熱管２０内部に含まれている。

カーボン発熱材７０は、ここでは流動可能なカーボン粉粒体７０Ｍで構成されている。カーボン粉粒体７０Ｍは、塊状のカーボン素材を粉砕することで得られ、いわゆる粗砕あるいは中砕によって、所定の粒径をもつ粒子の集合体であるカーボン粉粒体７０Ｍを生成する。

カーボン粉粒体７０Ｍの各粒子は不規則な凹凸表面を有するため、カーボン粉粒体７０Ｍを発熱管２０内に入れたとき、粒子間に隙間が生じる。粒子間の隙間はカーボン発熱材７０全体に存在する。

図２に示すように、カーボン発熱材７０と発熱管内面２０Ｕの鉛直方向に沿った上端面との間には、管軸方向全体に渡って温室効果ガスで満たされた空間領域Ｓが形成されている。ただし、図２では空間領域Ｓのサイズを誇張して描いているため、カーボン粉粒体７０Ｍから構成されるカーボン発熱材７０の全体厚さは発熱管２０の内径と略等しい。また、発熱管２０の端部に形成された導入管２２の内部では、カーボン粉粒体７０Ｍを充填させておらず、温室効果ガスで満たされた空間領域が形成されている。

このように、カーボン発熱材７０を除く発熱管２０内の残余の空間領域は、温室効果ガスによって満たされている。温室効果ガスは、ここでは、ＣＯ₂（二酸化炭素）、ＣＦ₄（四フッ化メタン）、ＳＦ₆（六フッ化硫黄）、Ｎ₂Ｏ（一酸化二窒素）、ＨＦＣ_S（ハイドロフルオロカーボン類）、ＰＦＣ_S（パーフルオロカーボン類）、ＮＦ₃（三フッ化窒素）の少なくもいずれかひとつのガス、あるいは２種類以上のガスの組み合わせから成る。温室効果ガスは、カーボン発熱材７０に対しておよそ不活性であり、石英ガラスから成る発熱管２０に対してもおよそ不活性である。

粒子間に隙間のあるカーボン粉粒体７０Ｍおよび温室効果ガスを気密封入した発熱管２０に対してマイクロ波を照射すると、マイクロ波がカーボン粉粒体７０Ｍ全体に対して到達する。特に、発熱管２０の中心（軸）付近にあるカーボン粉粒体にも到達する。

その結果、短時間で高温状態に到達することができる。特に、温室効果ガスが発熱管２０内に封入されることによって、カーボン粉粒体７０Ｍが大気中の酸素との反応により二酸化炭素化して減量し充填量が少なくなることを防止できる。

カーボン粉粒体７０Ｍが発熱すると、中心付近のカーボン粉粒体７０Ｍで発生する熱が発熱管２０外部へ放出される。その結果、発熱管２０全体としての熱放射が高まり、被加熱物を短時間で高温状態に到達させることができる。

発熱管２０の内径、カーボン粉粒体７０Ｍの充填率は、短時間による昇温を実現するように定められている。発熱管２０の内径が小さすぎるとカーボン粉粒体７０Ｍの量が少なくなり、発熱効果が小さくなる。一方、発熱管２０の内径（カーボン発熱材７０の全体厚さ）が大きすぎると、発熱管２０の中心付近までマイクロ波が届かず、短時間で高温状態にならない。例えば、発熱管２０の内径として、１ｍｍ～１００ｍｍに設定することが可能である。

カーボン粉粒体７０Ｍの充填率が小さすぎると、充填量の少なさによって熱放射が低下するとともに、発熱管２０内でのカーボン粉粒体７０Ｍの径方向あるいは軸方向の偏りによって不均一な高温状態となり、発熱管２０への負荷が大きくなる。一方、充填率が大き過ぎると、温室効果ガスが発熱管２０の隅々まで行きわたらない。充填率は、ここでは０．０５～０．２の範囲に定められている。ただし、充填率は、発熱管２０内の空間体積に対するカーボン粉粒体７０Ｍの体積割合を表す。

温室効果ガス、カーボン発熱材７０を封入した発熱管２０は、以下のように製造することができる。マイクロ波を透過する石英材を加熱して一端に導入管を設けた有底筒状容器に対し、マイクロ波を吸収して発熱するカーボン材（カーボン粉粒体）を導入管から容器内に充填する。その後、カーボン材に対して不活性である温室効果ガスを、所定範囲となるように導入管から封入する。例えば、１ｋＰａ～４０ｋＰａの範囲に定められた封入圧で温室効果ガスが封入される。そして、導入管を加熱軟化させて封止することで容器を密閉する。

このように本実施形態のマイクロ波加熱装置は、気密性のある石英製の発熱管２０と、発熱管２０を格納する反射容器４０と、反射容器４０内にマイクロ波を発振するマイクロ波発振機５０とを備え、発熱管２０の管内には、カーボン粉粒体７０Ｍからなるカーボン発熱材７０が充填されるとともに、温室効果ガスが封入されている。

このような構成により、発熱管２０が短時間で昇温し、被加熱物３０を高速加熱、焼成することが可能となる。また、従来の電気炉などと比べて消費電力の低減をもたらす。また、熱源となる発熱管２０を容易に交換する構成が可能となり、メンテナンスが簡素化する。

本実施形態では、発熱管２０内に温室効果ガスを発熱管２０内に含めることで、カーボン発熱体７０が発する赤外光を温室効果ガスが有効に吸収し、温室効果ガスが高温に加熱される。温室効果ガスの赤外吸収作用はガスの伝熱作用と同時に且つ速やかに起こり、発熱管２０の温度を均一にする作用として働く。仮に発熱管２０内のカーボン粉粒体７０Ｍの分布が不均一であっても、温室効果ガスの赤外吸収作用により発熱管２０の温度を均一にすることができる。すなわち、発熱管２０の昇温が軸方向に関して加熱開始後すぐに均一となり、発熱管２０の異なる箇所で昇温速度に違いが生じない。その結果、被加熱物を効果的に高速焼成することができる。特に、発熱管２０が断面円状であるため、軸方向に関して一様に発光、加熱する。

上述したマイクロ波加熱装置（マイクロ波焼成炉）では、矩形状の反射容器が採用されているが、円筒状や略球状であってもよい。また、反射容器内では発熱体である発熱管２０の傍に被加熱物を配置する構成であるが、発熱管２０に囲われた状態で被加熱物を設置する構成にしてもよい。例えば、複数の発熱管２０に囲まれたマッフル炉として構成することが可能である。あるいは、他の熱処理装置の熱源としても使用可能である。

カーボン発熱材の構成としては、塊状カーボン発熱材を代わりに適用することも可能であり、例えば、カーボン板を軸方向に並べた塊状カーボン発熱材を配置することが可能である。また、発熱管内に流入した気体（温室効果ガス）を送ってカーボン発熱材によって加熱し、昇温された気体を放出するように構成することも可能である。さらに、中空円筒状（二重管構造）の発熱管に対し、その中空部に被加熱物を配置して加熱することも可能である。

発熱管の素材は石英以外でもよく、マイクロ波を透過し、温室効果ガスなどの気体に反応しなければよい。発熱管２０の形状は円状、半リング状（半円状）などで形成することも可能である。さらに、一部温室効果ガス以外のガス（例えば希ガスなど）が含まれるように構成してもよい。

以下、本実施形態の発熱体に相当する実施例について説明する。

実施例は、本実施形態に相当する３つの発熱体であり、外径６ｍｍ、内径４ｍｍ、管長６０ｍｍとなる発熱管に対し、カーボン粉粒体を充填率０．０８で充填し、温室効果ガスとしてＣＯ₂、ＣＦ₄、ＳＦ₆をそれぞれ１．４ｋＰａで封入した。一方、比較例の発熱体では、不活性ガスとしてＡｒを１．４ｋＰａで封入した。

そして、反射容器内で２００Ｗのマイクロ波を照射して加熱実験を行った。カーボン表面温度の測定には、測定波長９００ｎｍ放射温度計を用いた。

表１に示すように、温室効果ガスを封入した実施例１～３の発熱体は、マイクロ波照射開始から１０秒で軸方向に渡り均一に発光している様子が確認された。一方、比較例の発熱体は、均一に発光するまで２０秒ほど均一になるまで時間を要した。

１０ マイクロ波加熱装置
２０ 発熱管（発熱体）
３０ 被加熱物
４０ 反射容器
７０ カーボン発熱材（発熱材）
７０Ｍ カーボン粉粒体

Claims (6)

1. マイクロ波を吸収して発熱するカーボンを含む発熱材と、
   マイクロ波を透過し、前記発熱材が配置される容器とを備え、
   流動可能なカーボン粉粒体から成る前記発熱材が、前記容器内に充填されており、
   前記容器内に、温室効果ガスが含まれることを特徴とする発熱体。
2. 前記発熱材が、前記容器内に入れたときに粒子間に隙間が生じるカーボン粉粒体から成り、
   前記容器内における前記発熱材以外の残余の空間領域が、前記温室効果ガスで満たされていることを特徴とする請求項１に記載の発熱体。
3. 前記温室効果ガスが、ＣＯ₂（二酸化炭素）、ＣＦ₄（四フッ化メタン）、ＳＦ₆（六フッ化硫黄）、Ｎ₂Ｏ（一酸化二窒素）、ＨＦＣ_S（ハイドロフルオロカーボン類）、ＰＦＣ_S（パーフルオロカーボン類）、ＮＦ₃（三フッ化窒素）の少なくともいずれかひとつから成ることを特徴とする請求項１または２に記載の発熱体。
4. 前記発熱材と前記温室効果ガスが、前記容器に封入されていることを特徴とする請求項 １乃至３のいずれかに記載の発熱体。
5. 前記容器が、石英ガラスから成ることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の 発熱体。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の発熱体を備えたことを特徴とする加熱装置。

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