JPS62165894A - 高圧力流体のマイクロ波加熱装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えばゴムの製造工程などにおいて、高粘度
の流体を圧力で圧送する過程でマイクロ波エネルギーを
用いて、該流体を効率良く加熱する方法に関するもので
ある。

〔従来の技術〕

第２図は従来より在る流体のマイクロ波加熱法であり、
（ａ）は斜視図、（ｂ３は断面図を示している。

導波管１中を斜めに貫通する誘電体製の管２を配し、導
波管１中には矢印ａ、力方向りマイクロ波エネルギーを
導入するとともに、誘電体管２中には矢印ａ２方間に、
加熱する流体りを流し、誘電体発熱の原理を応用して流
体りを加熱する。

［発明が解決しようとする問題点〕 この方法で使用される誘電体管２の材料としては、ガラ
ス、磁器、合成樹脂などが適しているが、後に述べるよ
うに高効率な加熱を行なおうとして誘電体管２の肉厚を
薄くすると、管材料の強度が低いため、流体を圧送する
ことの出来る圧力は精々ｌ０Ｋｇ／ｃｍ２程度までであ
った。

ゴム類や合成樹脂などを可塑化して圧送する過程でマイ
クロ波加熱するような用途では、可望化した流体の粘度
が高い為、圧送する圧力が高く、５０Ｋｇ／ｃｍ”　〜
２０００Ｋｇ／ｃｍ”位の高圧力でなければ、円滑に送
ることが出来ない。

仮に第２図に示す方法で、２０００Ｋｇ　／　ｃｍ　２
の圧力に耐える誘電体管２を用意するには、石英ガラス
を用いた場合で肉厚４Ｑｍｍ以上、アルミナＧｉｌ　Ｗ
ｇを用いても肉厚３０ｍｍ以上を必要とする。この様な
管は作り難い上に、非常に高価となる。しかもこの様に
、単純に管の肉厚のみを大きくして耐圧を得ようとした
時には、もっと重大な別の問題が生ずる。

いま誘電体管２の材料にアルミナ磁器を使用する場合を
考察する。管内を通るゴム類や合成樹脂の比誘電率は、
おおむね２．５ないし４．５程度の値をもっているが、
これに対してアルミナ磁器の比誘電率は９．８で、加熱
すべき流体りより大きい。

その結果、加熱すべき流体りを、内厚が２分の１波長以
上で、比誘電率が加熱すべき流体りより２〜４倍も大き
い誘電体が、周囲を取囲んでいる状態となる。この様な
状況下では、マイクロ波電界は、比誘電率の大きなアル
ミナ磁器の中を通り抜け、肝腎な加熱すべき流体りには
何の効果も及ぼさない。

即ち第２図に示す様な流体の加熱法で、管内の流体りを
効率良くマイクロ波加熱する為の条件として、誘電体管
２の肉厚をマイクロ波の波長に対して極めて薄いものに
するか、さもなければ誘電体管２の比誘電率が被加熱物
である流体りの比誘電率と同等かそ丸以下であることが
必要である。

ゴＡ　Ｉ５や合成樹脂の加熱を考える場合、加熱温度の
上限は２００°Ｃ程変であることから、管材料としては
四フッ化工千しンの比誘電率＝２．１　誘電正接：　０
．０００５　　耐熱温度＝２６５°Ｃで使用可能に見え
る。しかし、四フッ化エチレン樹脂は小さな圧力で容易
に変形するため、とても２０００Ｘｇ　／　ｃｍ”の圧
力には耐えられず、結局第２図に示す方法では、このよ
うな高圧流体の加熱には適用できない。

大発明の技術的課題は、従来の高圧力流体のマイクロ波
加熱装置におけるこのような問題を解消し、２０００Ｋ
ｇ／ｃｍ２程度の内圧に耐え、しかも高効率なマイクロ
波加熱が可能な方法を実現することにある。

〔問題点を解決するための手段〕

第１図は本発明による高圧力流体のマイクロ波加熱装置
の基本原理を説明する断面図である。３は導波管あり、
端壁３ｅは、導波管３と同じく金属材料で閉止されてい
る。この導波管３中に、固体または液体からなり、比誘
電率が被加熱流体りより小さい充填材５が充填され、開
口１０側は圧力隔壁４で密閉されている。マイクロ波は
、この間口１０から供給される。導波管３の充填材５の
部分を貫通する通路が形成されている。この通路は、導
波管３を貫通する部分６１．６２と、充填材５中を貫通
する部分６３とからなっている。被加熱体である流体し
は、矢印ａ２で示すように、通路６１から圧入され、充
填材５中の通路６３を通過して、上側の通路６２から押
し出される。なお被加熱材料や充填材５の材質によって
は、充填材５と被加熱材料を直接接触させることができ
ないため、そのような場合は、充填材５と通路６３との
間を、第３図に示す仕切り筒６などで仕切る必要がある
。なお被加熱流体Ｉ５とは、管路中を圧力で移送できる
材料であれば、液体に限られず、粉体や粒体などのよう
な固体も含まれるものとする。

〔作用〕

いま加熱される流体りが、充填材５中の通路６３中を移
動している状態で、導波管３中に開口１０からマイクロ
波が供給されると、通路６３中の流体りにマイクロ波エ
ネルギーが吸収され、加熱される。

このとき、被加熱流体りが高圧で圧入されても、その圧
力は、充填材５を介して、導波管３内壁、導波管端壁３
ｅと圧力隔壁４に伝達し、受は止められる。そのため、
充填材５と接する部分、すなわち導波管３の内壁、導波
管端壁３ｅおよび圧力隔壁４を、圧力に耐え得るように
充分な肉厚とするのみで、高圧流体の加熱が可能となる
。充填材５と被加熱流体りとの間が、仕切り筒で仕切ら
れる場合でも、被加熱流体からの圧力は、仕切り筒およ
び充填材５を介して、充分な強度を有する導波管や圧力
隔壁４で受は止められるので、仕切り筒の変形が防止さ
れる。その結果、仕切り筒の肉厚が薄く、強度が弱くて
も支障はない。

〔実施例〕

次に本発明による高圧力流体のマイクロ波加熱装置が実
際上どのように具体化されるかを、第３図に示す実施例
で説明する。第３図の（ａ）は外観を示す斜視図、（ｂ
）はその断面図である。マイクロ波エネルギーは、矢印
ａ、に示す方向に導波管３に導入され、加熱する流体り
は矢印ａ２方向に圧送される。導波管３は、２０００Ｋ
ｇ　／　ｃｍ　ｚの圧力に対し充分な剛性をもつような
金属材料と厚さを選定しである。４は圧力隔壁で、マイ
クロ波の通過損失が少なく、かつ圧縮強度と曲げ強度の
大きなことが、材料選定の基準となるが、比誘電率は問
題とならない。５は充填材であり、比誘電率が２．５以
下で誘電正接が小さく　、２００℃の耐熱性と２０００
Ｋｇ／ｃｍ２の圧力によって体積が減少しないことが、
材料の選定条件であり、固体でも液体でも良い。６は加
熱すべき流体が通る誘電体製の仕切り管で、充填材５が
流体の通る流路に漏れ出さないことと、被加熱流体りと
の摩擦によって消耗しないような材料が適するが、管の
肉厚は流体の圧力に耐えるような厚さを必要としない。

なお仕切り管６は、第２図のように斜めになっていても
良い。

前記の条件で、第３図に使用出来る材料を選択すると、
圧力隔壁４にはアルミナ磁器、ステアタイト磁器、石英
ガラスなどが使用でき、充填材５には四フッ化エチレン
等のフッ素樹脂あるいはシリコーン油を使用でき、管６
には石英ガラス管を使用することができる。第３図に示
すような構成ならば、流体の圧力は全て充填材・５を通
して圧力隔壁４と導波管３で受止めることになり、管６
は内圧に対する強度を要求されない。従って管６の肉厚
はマイクロ波の波長に比して極り薄＜出来るため、少々
比誘電率の大きな材料を用いても、マイクロ波加熱のエ
ネルギー効率は低下しない。充填材５は、加熱すべき□
流体りより比誘電率の小さい材料が適す□るが、機・械
的な強度は必要でないので、フッ素樹脂のような変形し
やすい物質や液体のシリコーン油でも使用出来る。

〔マイクロ波の反射防止策〕

マイクロ波の伝送経路に、比誘電率の異なる誘電体が存
在する場合、マイクロ波の伝送インピーダンスは、誘電
体の比誘電率の平方根に逆比例する。比誘電率の急変す
る界面即ち伝送インピーダンスの急変する界面が存在す
ると、マイクロ波はその界面で反射する。そして反射波
の大きさは、界面を挟む媒質の伝送インピーダンスの比
に相当する。第３図（ｂ）で伝送インピーダンスの急変
する界面は、界面７．８．９及び管６と流体りの間に存
在する界面の四箇所である。管６と流体りとの界面の反
射は、加熱する流体りの種類や配合によって変わるので
、別に設けたスタブチューナーのような可変整合器を用
いて、反射損失を減じる手段を取らねばならない。界面
７．８に於ける反射は、圧力隔壁４と充填材５に使用す
る材質で決まるので、予めこの界面反射を極力小さくす
る工夫が必要である。

界面７と８の反射を低減するには、三通りの方法がある
。第１の方法は、界面で伝送インピーダンスが急変しな
いように、マイクロ波の進行方向に対して圧力隔壁４を
細長い菱形にする事であるが、形状が大きくなり、高価
となるので実用的でない。

本発明の目的とする所は、高圧力流体を高効率でマイク
ロ波加熱し、安価な加熱装置を提供する事にあるが、次
に説明する第２及び第３の方法は、この目的を充分に満
足する。

導波管内を伝送するマイクロ波の伝送インピーダンスは
、第３図ｉａｌ中に示す“ＡＸＢ”の開口１０のへ寸法
と３寸法によって決まる。Ａ寸法を一定として３寸法を
大きくすると、伝送インピーダンスは高くなり、反対に
３寸法を小さくすると、伝送インピーダンスは低くなる
。

３寸法を一定としたとき、へ寸法を大きくすると、伝送
インピーダンスは低くなる。逆にＡ寸法がマイクロ波の
半波長となったとき、伝送インピーダンスは無限大とな
る。４波管内が誘電体で充満している場合、中空の風波
管に比べて、その伝送インピーダンスは比誘電率の平方
根に逆比例する。

第２の界面反射の低減法は、上記のマイクロ波の性質を
利用し、圧力隔壁前面の中空導波管部分１０と圧力隔壁
４と充填材５のそれぞれの誘電体の比誘電率に応じて、
導波管の内寸法を変えて、各部の伝送インピーダンスが
同一となるように、３寸法、Ｃ寸法、０寸法をそれぞれ
採用すると、界面７と８は無反射の整合界面となる。そ
して充填材５の比誘電率のもとで、圧力隔壁４と同一伝
送インピーダンスとなるように、０寸法を採用する。

これは好都合なことに、前に述べた圧力隔壁４と充填材
５の材料選定条件を満足すると、Ｂ、ＣｌＤ寸法のうち
Ｃ寸法が最も大きくなり、流体の圧力を受止める圧力隔
壁４をはめこみ固定するのに最適な窪みが出来る。

第３の方法は第２の方法とよく似ているが、ある程度Ｃ
寸法を設計者が任意に選べる点で異なる。

３寸法の中空導波管の伝送インピーダンスと充填材５の
伝送インピーダンスが同一になるように０寸法を設定し
、Ｃ寸法を任意の大きさとした時、当然界面７と８から
は、入射してくるマイクロ波の一部が反射するが、圧力
隔壁４の材料に誘電体損失の極めて少ない物を使用する
と、界面７の反射量と界面８０反射量はほぼ等しくなる
。この条件で圧力隔壁４の厚さ寸法をマイクロ波の波長
の４分の１にすると、界面７と８の反射波の位相は逆位
相となり、相互に打消し合って、無反射の整合界面とな
る。

界面９は、金属によって完全に短絡されているので、こ
の界面に到達したマイクロ波は全反射され、マイクロ波
源、から送られて来る入射波と相互に干渉し合い定在波
をつくる。

界面９からの反射によって作られる定在波の最大電圧位
置に、加熱する流体りが通るように２寸法を設定し、流
体りの通路を設けることで、加熱率をより高める事がで
きる。

第３図に示すようにマイクロ波加熱装置を作り、合成ゴ
ムを５００ｋｇ／ｃｍ２で圧送しながらマイクロ波加熱
を行なった実験では、合成ゴムを８０’Ｃから１６０″
Ｃに加熱するためのエネルギー効率が約９０％という高
効率を得た。このとき各界面からの反射損失は、マイク
ロ波送電電力の２％であった。残りの損失は、ゴムの全
熱分が伝導によって導波管３に流れ大気に放散した分で
あろうと考える。このように高圧力のもとて高効率な加
熱を行なえろ方法は、他に類を見ない加熱方法であると
確信している。

〔発明の効果］ 以上のように本発明によれば、導波管３中に、比誘電率
が被加熱流体りより低い充填材５を充填して圧力隔壁４
で密閉し、該充填材５中を、被加熱流体りが圧送される
。そのため、被加熱流体りが圧力を伴っていても、その
圧力は、充填材５を介して、剛体の導波管３や圧力隔壁
４などで受し３止められるので、各部の材料の選択の自
由度が増し、圧力を伴った流体でも効率的にマイクロ波
加熱できろ。また充ｉｌｎ材５と被加熱流体りとの間を
仕切り筒で仕切る場合でも、圧力は該仕切り筒および充
填材５を介して導波管３や圧力隔壁４で受け止められる
ので、該仕切り筒は、肉厚の薄いものでよく、従来の誘
電体管２のように、厚肉にする必要性はなくなる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による高圧力流体のマイクロ波加熱装置
の基本原理を説明する断面図、第２図は従来の高圧力流
体のマイクロ波加熱装置の斜視図と断面図、第３図は本
発明による高圧力流体のマイクロ波加熱装置の実施例を
示す斜視図と断面図である。 図において、３は強度の充分な導波管、３ｅは導波管端
壁、４は圧ノコ隔壁、５は充填材、Ｌは（被加熱）流体
、６は仕切り筒（管）、６１．６２．６３は被加熱流体
の通路、１０は導波管の開口（マイクロ波導入口）、７
．８．９は界面をそれぞれ示す。 特許出願人　　　ミクロ電子株式会社 代理人　弁理士　　福　島　　康　文 第１図 第２図 第３凶

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）、流体を高圧力で圧送する過程で、マイクロ波エ
   ネルギーを用いて前記流体を加熱する装置において、 流体の圧送圧力に耐える金属製外殻を兼ねる導波管３を
   有し、該導波管３のマイクロ波導入口１０付近に誘電体
   製の圧力隔壁４を設け、該圧力隔壁４、導波管３および
   導波管端壁３ｅで囲まれた空間内を、比誘電率が被加熱
   流体Ｌより低い固体又は液体から成る充填材５で満たし
   た誘電体充填部を形成し、 該導波管３と誘電体充填部を貫通する通路をあけ、前記
   流体Ｌがこの通路を通して圧送されるときの圧力を、圧
   力隔壁４、導波管３および導波管端壁３ｅで受止める構
   造としたことを特徴とする高圧力流体のマイクロ波加熱
   装置。
2. （２）、前記の圧力隔壁４及び誘電体充填材５として使
   用する材料の比誘電率に応じて、金属外殻を構成する導
   波管３の内寸法を設定し、導波管３の中空部１０と圧力
   隔壁４と誘電体充填部のインピーダンスの整合をとる方
   法、 もしくは導波管３の中空部１０と誘電体充填部とが、同
   一インピーダンスとなるように、導波管の内寸法を比誘
   電率に応じて変えたうえで、圧力隔壁４の前面と後面の
   界面７、８で反射する波の位相が逆位相で相殺し合い、
   無反射となるような厚さ寸法の圧力隔壁で整合させる方
   法、 のいずれかで反射損失を低減させ、高圧の流体を効率良
   く加熱させることを特徴とした特許請求の範囲第（１）
   項記載の高圧力流体のマイクロ波加熱装置。