JPH0696856A - 電磁波複合加熱炉 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 高温になるとイオン電流が流れ易い誘電体で
も、容易に効率よく加熱して溶融に至らしめる加熱炉を
提供する。 【構成】 マイクロ波がＴＭモードで共振しうる円筒ま
たは角筒型のマイクロ波空胴１の側壁に多数の軸方向の
スリット５が形成され、該スリットが形成された部分の
前記マイクロ波空胴の周囲に誘導コイル７が配置され、
温度の低い誘電体状態ではマイクロ波による誘電加熱を
し、温度が上昇して電気伝導性が増したら誘導加熱によ
る加熱を行って完全な溶融に至らしめる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は粉状物、塊状物などの高
融点誘電体物質を加熱して溶融せしめる加熱炉であっ
て、マイクロ波による誘電加熱と高周波による誘導加熱
とを併用した電磁波複合加熱炉に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、粉状物、塊状物などの被加熱物を
加熱して溶融するばあい、マイクロ波による誘電加熱を
利用すると物質の内部から加熱され、外部からの熱伝導
による加熱より効率よく加熱され、溶融に至らしめるた
め、誘電体の加熱にはこのマイクロ波を利用した誘電加
熱が利用されている。このマイクロ波による誘電加熱
は、たとえば電子レンジのようにオーブン形式の炉で行
われたり、溶融に至らしめる程度まで加熱するばあいに
は、共振器構造とした加熱炉で電界を集中させて局部的
に加熱し溶融に至らしめる方法で行われている。

【０００３】一方、ある程度溶融状態になると、イオン
電流などにより電気伝導性が生じる。とくに、たとえば
ガラスなどのように、高温になると相当に電導性のある
ものを加熱するばあいには、両端に電圧を印加して流れ
る電流の抵抗損によるジュール加熱や電磁誘導により発
生する渦電流により加熱することも行われている。

【０００４】この電磁誘導による誘導加熱の最近の新し
い方法として、冷間ルツボ（コールドクルーシブル）の
方法が提案されている。この冷間ルツボ法による加熱方
法を図６に基づいて説明する。この加熱炉の構成は、た
とえば銅、黄銅のような電気伝導性の良い材料で形成さ
れた有底または底部も貫通した円筒状容器11に縦方向の
スリット12が上部から入れられ、円筒状容器11は多数の
帯状部13に分割されて底部もしくは上部のみまたは上下
両方で連結されており、帯状部は内部に冷却水が流され
水冷されている。また円筒状容器11の外周には誘導コイ
ル７が配置され、高周波電流が流される構成になってい
る。この構成で、誘導コイル７に高周波電流が流される
と、電磁誘導により被加熱物に渦電流が誘起され、その
電流損により被加熱物が加熱される。しかも円筒状容器
11の帯状部13に流れる電流による磁場と被加熱物に流れ
る電流による磁場との反発力により被加熱物が炉体であ
る円筒状容器11から離れるため、被加熱物の上昇した温
度が炉体である円筒状容器11に直接伝わらず、被加熱物
の温度を高温に維持できると共に、冷たい炉体で溶融加
熱を行うことができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、マイクロ波に
よる誘電体加熱では、被加熱物が加熱されて高温にな
り、溶融状態になってくると、イオン伝導などによる電
気伝導度が大きくなり、マイクロ波が被加熱物の中に入
りにくくなり、浸透深さが浅くなる。その結果、被加熱
物の表面近傍でマイクロ波は反射されて内部で加熱が充
分に行われず、全体を溶融状態にできないという問題が
ある。

【０００６】また、温度が1500℃以上になると、放射さ
れる紫外線により、オーブン内の気体が電離して放電を
生じるため、気体中でのマイクロ波による高温加熱は困
難になってくる。

【０００７】一方、誘導加熱による冷間ルツボ法では、
電磁誘導による渦電流を直接被加熱物に発生させること
により加熱するもので、被加熱物に電気伝導性がないと
加熱することができず、粉状物、塊状物などのような誘
電体では直接渦電流を流して加熱することができないと
いう問題がある。

【０００８】本発明は粉粒体や塊状体など誘電体物質で
も、効率よく加熱して溶融に至らしめる加熱炉を提供す
ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明の一態様による電
磁波複合加熱炉は、マイクロ波導入口を有し、ＴＭモー
ドで動作する円筒または角筒型のマイクロ波空胴の側壁
に多数の軸方向のスリットが形成されて前記側壁が帯状
に分割され、前記マイクロ波空胴の外周に誘導加熱用コ
イルが配置されてなるものである。

【００１０】また、本発明の他の態様による電磁波複合
熱炉は、円筒空胴共振器の途中まで、内軸が配置された
同軸線路部と残部が空胴共振器部に形成されたマイクロ
波半同軸型共振器の前記空胴共振器部の側壁に軸方向の
スリットが形成されて前記空胴共振器部の側壁が帯状に
分割され、該空胴共振器部の外周に誘導加熱用コイルが
配置されてなるものである。

【００１１】本明細書では、ＴＭｍｎｐモードを区別す
る必要がないときは単にＴＭモードと記す。

【００１２】

【作用】本発明によるＴＭモードで動作するマイクロ波
空胴の側壁に多数の軸方向のスリットが形成された電磁
波複合加熱炉によれば、マイクロ波は加熱炉内でＴＭモ
ードで共振するため、電界は円筒または角筒の軸方向と
平行方向になり、加熱炉の側壁に形成されたスリットか
らは殆どマイクロ波が漏洩することはなく、加熱炉内で
マイクロ波は共振して電界の強い場所から被加熱物の温
度は上昇し、半溶融状態になる。ある程度溶融状態にな
ってマイクロ波が被加熱物内に浸透しにくくなったら、
マイクロ波加熱を止めて、誘導コイルに高周波電流を流
すことにより冷間ルツボ法の誘導加熱に切替えられ、渦
電流による加熱が続けられ、被加熱物を効率よく加熱溶
融することができる。

【００１３】このばあい、マイクロ波共振器のスリット
を形成した部分の外周に円筒状導電体がシールドとして
着脱自在に配置され、マイクロ波加熱の際にスリットの
外周が閉塞されれば、マイクロ波のスリットからの漏洩
は一層確実に防止される。

【００１４】また、本発明の半同軸型共振器の空胴共振
器部にスリットが形成された加熱炉では、同軸部分で同
調をとりながら、被加熱物はまずマイクロ波により誘電
加熱され、ある程度溶融状態になって電気伝導性が良く
なってから、誘導コイルによりさらに誘導加熱されるこ
とにより、前述と同様に渦電流により被加熱物が高温に
なり溶融状態になる。このマイクロ波加熱の際、空胴共
振器部では内軸の先端から空胴共振器の底面に向って電
界が生じるため、空胴共振器の側壁に設けられたスリッ
トからマイクロ波が漏洩することは殆どない。しかしこ
の空胴共振器のスリットを形成した周囲に円筒状導電体
が着脱自在に配置され、マイクロ波加熱をする際にスリ
ット部を円筒状導電体で閉塞することにより完全にマイ
クロ波漏洩を防止することができ、誘導加熱のときはこ
の円筒状導電体を取り外すことにより、誘導加熱を有効
にすることができる。

【００１５】

【実施例】図１は本発明の一実施例である複合加熱炉の
概略斜視図である。図１において、１は銅、黄銅などの
金属で形成された円筒型空胴で、マイクロ波導入口２を
介して導波管３から導入されるマイクロ波がＴＭモード
で共振するような寸法で構成され、完全な整合をとって
共振させられるようにスタッブなどからなる整合器４が
設けられている。この整合器４は円筒型空胴１に形成さ
れなくても、導波管３側に形成されてもよい。円筒型空
胴１の下部の側壁には円筒の軸に沿って縦方向にスリッ
ト５が多数形成され、側壁が帯状部６に分割されてい
る。また円筒型空胴１のスリット５が形成された部分の
外周には誘導コイル７が配置されている。前述のスリッ
ト５に、図示していないアルミナ、マイカなどのマイク
ロ波に対して低損失の電気絶縁体が充填されれば、炉内
の気体や圧力を任意に調節することが可能であるこの加
熱炉内にマイクロ波に対して低損失なアルミナ、マイカ
などで形成されたルツボなどを入れ、そのルツボに被加
熱物を供給し溶融することができる。

【００１６】つぎに、本発明によるＴＭモードの共振に
ついて説明する。円形導波管でのＴＭ₀₁モードの電界お
よび磁界の分布を図３に示す。図３の(a) は円形導波管
の側面図の電界分布（磁界分布は省略）で、図３の(b)
は円形導波管の断面図の電磁界分布である。同図からわ
かるように、電界は円形導波管の軸方向に沿って分布
し、中心部で最も強く、導波管壁で最も弱い分布とな
る。このＴＭ₀₁モードで共振させると、図４に電界模式
図を示すように、電界分布は定在波となり、一定場所に
電界の強い場所が集中し（図４のＡ、Ｂ、Ｃ）、その部
分の被加熱物がとくに加熱されて昇温し、溶融に至る。
ＴＭ₀₁モードではこのような電磁界分布になっているた
め、電界の強い部分は共振器の中心部に集中し、共振器
の側壁部では電界が弱く、軸方向の表面電流が流れる。
したがって、共振器の側壁に軸方向（表面電流の方向と
平行）にスリットが形成されてもそのスリットからマイ
クロ波が大量に漏れるということはない。前述の例はＴ
Ｍ₀₁モードで説明したが、たとえばＴＭ₁₁モードでの共
振状態の電界模式図を図５に示すように、中心部にさら
に別の電界のモードが生じ、中心部に電界の弱い部分が
形成され、半径方向の中間部に電界の強い部分が形成さ
れるが、前述と同様に側壁が電界の最も弱く、軸方向の
表面電流が流れる部分となり、軸方向にスリットが形成
されていてもマイクロ波の漏洩は最小となる。ＴＭモー
ドはその他の高次モードになっても同様な電磁界分布で
あり、共振器の側壁にスリットが形成されてもマイクロ
波は漏洩しにくい構成になり、共振器構造にすることに
より、電界をある場所に集中させることができ、簡単に
溶融状態まで昇温することができる。

【００１７】また、以上の説明においては円形導波管や
円形の空胴を共振器の例で説明したが、断面が円形でな
くても、四角形以上の角筒であれば、円形と同様の電界
分布が形成され、同様の溶融炉を形成できる。

【００１８】つぎに、誘導加熱の構成について説明す
る。本発明による誘導加熱は前述のコールドクルーシブ
ルの考え方によるもので、加熱炉の側壁に縦方向のスリ
ットが形成され、その側壁が帯状に分割された構造とす
る。誘導加熱だけの見地からすれば、帯状部に渦電流を
生じさせればよいのであるから、スリットの幅は適当に
設定しうるが、本発明ではこの加熱炉によりマイクロ波
加熱を兼用させるため、マイクロ波漏洩を減らす意味か
らスリット幅は２〜５mm（2450MHz のマイクロ波のばあ
い）が好ましい。しかし後述する導電体でスリット部分
を遮蔽する構成で行えば、必ずしも前述のスリット幅に
限定されるものではない。

【００１９】また、前述のスリットにより分割された帯
状部の幅は渦電流の発生のし易さから10〜20mm幅に形成
されることが望ましい。この渦電流を発生させる観点か
ら、加熱炉の側壁は肉厚が10〜15mm位に形成されるのが
好ましく、電気伝導のよい銅、黄銅などで形成され、内
部が水冷される。この構成で誘導コイル７に高周波電流
が流されると、電磁誘導により被加熱物に渦電流が発生
し、被加熱物の抵抗損により加熱されると共に、側壁帯
状部の渦電流と被加熱物の渦電流とで反発力が働き、被
加熱物が溶融炉から離れ、溶融炉の昇温を防止できる。

【００２０】本発明では、マイクロ波加熱と誘導加熱を
１つの加熱炉で兼用し、マイクロ波としてＴＭモードで
共振させる構造としているため、側壁に形成された軸方
向のスリットからマイクロ波が漏洩することは殆どない
が、マイクロ波加熱のとき、加熱炉の外周に合わせた内
径を有する導電体筒を挿入してスリット部を遮蔽させ、
誘導加熱時には導電体筒を取り外す構成とすれば、完全
にマイクロ波の漏洩を防止できる。

【００２１】図２に本発明の他の実施例である半同軸円
筒空胴共振器の例を示す。この構造は円筒型空胴８の上
部には円筒型空胴８の中心部に金属棒９が配置されて、
円筒型空胴８と金属棒９とのあいだで同軸線路部Ｐが形
成され、その下部は空胴共振器部Ｑとなり、この空胴共
振器部Ｑは前述の例と同様に側壁にスリット５が形成さ
れ、帯状部６に分割されると共に、その周囲には誘導コ
イル７が配置され、前述と同様の誘導加熱ができる構成
となっており、空胴共振器部Ｑに被加熱物を配置するこ
とにより前述と同様にマイクロ波加熱と誘導加熱を併用
できる。

【００２２】この半同軸型空胴共振器では、上段部の同
軸線路部Ｐでは電界は図２にＥで示すように、金属棒９
である内軸から円筒型空胴８である外軸に向かい、金属
棒９の先端からは前述のＴＭモード共振と同様に、円筒
型空胴８の軸方向に沿って円筒型空胴８の底面に向かっ
ており、前述と同様にスリットからはマイクロ波が漏れ
にくい構造になっている。

【００２３】これらの構成例によれば、空胴共振器部Ｑ
の被加熱物が半溶融状態の高温になっていなければ誘電
体でマイクロ波の電界により加熱され、ある程度昇温し
て電導性が生じれば誘導加熱の渦電流により加熱される
と共にマイクロ波は反射されるため、被加熱物の状態に
応じて適した加熱が行われ、連続的に溶融作業をするこ
とができる。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、マイクロ波による誘電
加熱と高周波電流による誘導加熱を併用しているため、
温度の低い誘電体状態のときはマイクロ波により内部か
ら加熱されて効率よく昇温し、半溶融状態まで昇温して
マイクロ波が浸透しなくなったら誘導加熱による渦電流
でさらに昇温させて溶融に至らしめることができ、効率
のよい加熱をすることができる。

【００２５】さらに、本発明による誘導加熱は冷間ルツ
ボ法を採用しているため、加熱炉の側壁の帯状部に生じ
る誘導電流と被加熱物のあいだに生じる誘導電流により
それぞれ発生する磁場が相互に反発して側壁と被加熱物
が離れ、加熱炉の温度は大して昇温させないで溶融作業
をすることができる。

【００２６】その結果、高温になるとイオン電流の流れ
易い誘電体でも最も効率よく短時間で溶融させるこがで
き、クリーンで省エネの加熱溶融ができると共に、融点
が高く硬度の高い材料の加工も容易にでき、将来の半導
体材料やニューセラミックスなどの分野の発展に寄与す
る効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例である複合加熱炉の説明用斜
視図である。

【図２】本発明の他の実施例である複合加熱炉の断面説
明図である。

【図３】円形導波管におけるＴＭ₀₁モードの電磁界分布
図である。

【図４】円筒型空胴共振器でのＴＭ₀₁モードで共振した
ときの電界模式図である。

【図５】円筒型空胴共振器でのＴＭ₁₁モードで共振した
ときの電界模式図である。

【図６】コールドクルーシブルでの誘導加熱を説明する
図である。

【符号の説明】

１ 円筒型空胴 ２ マイクロ波導入口 ５ スリット ７ 誘導コイル ８ 円筒型空胴 ９ 金属棒

フロントページの続き (71)出願人 000208695 第一高周波工業株式会社 東京都中央区築地１丁目13番10号 (72)発明者 柴田 長吉郎 東京都小平市学園東町一丁目７番34号 (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

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 マイクロ波導入口を有し、ＴＭモードで
   動作する円筒または角筒型のマイクロ波空胴の側壁に多
   数の軸方向のスリットが形成されて前記側壁が帯状に分
   割され、前記マイクロ波空胴の外周に誘導加熱用コイル
   が配置されてなる電磁波複合加熱炉。
2. 【請求項２】 前記マイクロ波空胴の側壁外周に着脱自
   在に前記空胴の側壁外形に合わせた導電体が配置され、
   マイクロ波加熱時には前記側壁に形成されたスリットが
   前記導電体で閉塞され、誘導加熱時には前記導電体が取
   り外され、前記スリットが露出される請求項１記載の電
   磁波複合加熱炉。
3. 【請求項３】 円筒型空胴の途中まで、内軸が配置され
   た同軸線路部と残部が空胴共振器部に形成されたマイク
   ロ波半同軸型共振器の前記空胴共振器部の側壁に軸方向
   のスリットが形成されて前記空胴共振器部の側壁が帯状
   に分割され、該空胴共振器部の外周に誘導加熱用コイル
   が配置されてなる電磁波複合加熱炉。
4. 【請求項４】 前記マイクロ波半同軸型共振器の空胴共
   振器部の側壁外周に着脱自在に前記共振器の側壁外形に
   合わせた導電体が配置され、マイクロ波加熱時には前記
   側壁に形成されたスリットが前記導電体で閉塞され、誘
   導加熱時には前記導電体が取り外され、前記スリットが
   露出される請求項３記載の電磁波複合加熱炉。