JPWO2017073563A1 - 加熱部材および加熱装置 - Google Patents
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Abstract
Description
従来、マイクロ波吸収体として多孔体を用いたものが知られている。たとえば、一例では、樹脂発泡体を炭化させた多孔質カーボンの気孔内表面および外表面にCVD法によって炭化珪素を析出させる。そして、その後カーボンを酸化消失させて炭化珪素多孔体とし、炭化珪素多孔体の片面にシリコン層を形成してマイクロ波吸収発熱体を製造する。このマイクロ波吸収発熱体では、気孔率を40〜95%とすることで、ガス拡散性を高めるともに、熱の対流、耐熱衝撃性を良好にしている(特許文献1)。
そこで、本願発明者らは、黒体に最も近い放射率となる粉末状カーボンたとえばカーボンナノパウダーを用いて実験を行った。その結果、以下の知見を得た。
[加熱部材の構成の一例]
第1の実施形態に係る加熱部材は、上記実験から得られた知見に基づき、発熱体全体の体積に対する導体粒子の体積の比率が、0.04以上0.15以下となるように調整した発熱体を備える。なお、発熱体が空孔を有する場合、当該空孔の体積も発熱体の体積とみなす。図1は、第1の実施形態に係る加熱部材の構成の一例を示す断面図である。
発熱体1の基本波長をスキンデプスの2倍より小さくする意義についてさらに説明する。スキンデプスとは、高周波電流を物質に印加した場合、周波数が高くなるにつれて物質の表面に近いところに電流が集中して流れる現象において、電流が流れる表面からの深さを示す概念である。たとえば、グラファイトのスキンデプス(ds)は、電磁波の角振動数が1.54E10、比誘電率が1(H/m)、導電率が3000(S/m)とした場合、0.186mmである。
図2は、第1の実施形態に係る加熱部材の製造方法の流れの一例を示すフローチャートである。
図3は、第1の実施形態に係る加熱部材の製造方法の流れの他の例を示すフローチャートである。
このように、第1の実施形態に係る加熱部材は、マイクロ波吸収体である導体粒子と誘電体との混合物で形成される発熱体と、発熱体の表面の少なくとも一部を覆う導体層と、導体層の少なくとも一部に設けられ、発熱体に照射されるマイクロ波を案内する窓部と、を備える。また、発熱体の体積に対する導体粒子の体積の比率は、0.04以上0.15以下である。このように、発熱体における導体粒子の体積率を0.04以上0.15以下に設定するため、所望の加熱効率を実現することができる。
第1の実施形態においては、発熱体1の外表面上に導体層2を設け、導体層2が配置されない箇所には誘電体窓3を配置して、発熱体1内にマイクロ波を閉じ込めるよう構成した。これに対して、外壁4内に導体層2を埋め込む構成としてもよい。たとえば、外壁4の厚さ方向の一部を導体層2として構成してもよい。このように構成すれば、導体層2が大気(酸素)に接触することが防止され、耐酸化性を確保することができる。導体層2および外壁4の材料は、第1の実施形態と同様とすればよい。
第1の実施形態の変形例に係る加熱部材においては、導体層は、発熱体の外側に設けられた外壁内に配置されてもよい。このように構成すると、酸素との接触により酸化する材料を導体層に用いた場合でも、外壁によって酸素との接触が防止され、加熱部材の性質劣化を防止することができる。
第1の実施形態においては、マイクロ波吸収体である導体粒子と誘電体との混合物を焼結して発熱体とし、発熱体の上に導体層等を形成した。これに対して、第2の実施形態においては、マイクロ波吸収体である導体粒子を収容する収容体を準備し、収容体の中に導体粒子を封入して加熱部材を構成する。
図5は、第2の実施形態に係る加熱部材の構成の一例を示す断面図である。図5に示すように、第2の実施形態に係る加熱部材10Bは、発熱体1Bと、導体層2Bと、窓3Bと、高熱伝導材料5Bと、導波路6Bと、収容体7と、を備える。
次に、図6を参照して加熱部材10Bの製造方法の一例について説明する。図6は、第2の実施形態に係る加熱部材の製造方法の流れの一例を示すフローチャートである。
このように、第2の実施形態に係る加熱部材は、マイクロ波吸収体である導体粒子が収容される収容体と、収容体に設けられ、収容体内の導体粒子に照射するマイクロ波を案内する窓部と、を備える。さらに、導体粒子は収容体内に封入され、収容体内の導体粒子の体積は、収容体の体積に対する比率が、0.04以上0.15以下である。このため、マイクロ波吸収体による所望の加熱効率を実現し、効率的な加熱処理を実現することができる。また、収容体内部を、真空若しくは減圧された、酸素を含まない不活性雰囲気にすることで、高温下でもマイクロ波吸収体が酸化することを防止することができる。また、マイクロ波吸収体の導体粒子のみを収容体に封入する場合には、真空中は熱泳動、減圧下では気体の対流および熱泳動によりマイクロ波吸収体の導体粒子が収容体内に均一に分散することになる。
なお、図5に示した例では、収容体7の内壁上に導体層2Bを形成するものとした。しかし、これに限らず、導体層2Bを、収容体7の中に形成してもよい。たとえば、収容体7の壁を、導体層2Bを二つの誘電体板で挟み込む構造とし、導体層2Bが露出しないように構成してもよい。このように構成することでも、導体層2Bの酸化を防止することができる。
図7は、第3の実施形態に係る加熱装置の構成の一例を示す断面図である。第3の実施形態に係る加熱装置100は、マイクロ波による加熱効率を高めるためマイクロ波閉じ込め機構を備える。
第3の実施形態に係る加熱装置100は、加熱部材と、加熱部材と被加熱対象とを収容する処理容器と、処理容器内にマイクロ波を供給するマイクロ波導入部と、処理容器内に所定のガスを供給するガス供給部と、処理容器内から酸素を除去する排気部と、を備える。加熱装置100が備える加熱部材のマイクロ波吸収体は、その表面上に外壁と、誘電体窓と、高熱伝導材料が形成される。そして、処理容器内の加熱部材の周囲を覆うようにマイクロ波閉じ込め機構が配置される。このため、加熱部材に供給されるマイクロ波は、加熱部材から外に向けて放射してもマイクロ波閉じ込め機構によって反射される。このため、マイクロ波閉じ込め機構内のマイクロ波パワーの空間密度が上昇し、マイクロ波の熱エネルギーを効率的にマイクロ波吸収体に吸収させることができる。これによって、加熱装置は、効率的に被加熱対象Sを加熱することができる。
図9は、第4の実施形態に係る加熱装置の構成の一例を示す断面図である。第4の実施形態に係る加熱装置100Aは、加熱部材102に代えて加熱部材102Aを備える。加熱部材102Aの構成および機能は、第1の実施形態の加熱部材10、第1の実施形態の変形例の加熱部材10Aまたは第2の実施形態の加熱部材10Bと同様である。第4の実施形態に係る加熱装置100Aはまた、マイクロ波閉じ込め機構106を有しない点で、第3の実施形態の加熱装置100と異なる。
第4の実施形態に係る加熱装置は、第1の実施形態に係る加熱部材、第1の実施形態の変形例に係る加熱部材または第2の実施形態に係る加熱部材を備えることにより、第1の実施形態、第1の実施形態の変形例および第2の実施形態と同様の効果を奏する。
なお、カーボンは大気中で高温にさらされると酸化して二酸化炭素に変わるため、カーボンパウダーを用いて加熱部材を製造する際には、窒素雰囲気等の低酸素濃度雰囲気中で処理を行う。
2,2A,2B 導体層
3 誘電体窓
4,4A 外壁
5 高熱伝導材料
6 導波路
10,10A,10B 加熱部材
100,100A 加熱装置
101,101A 処理容器
102,102A 加熱部材
103,103A マイクロ波導入機構
104,104A ガス供給機構
105,105A 排気機構
106 マイクロ波閉じ込め機構
107,107A 制御部
S 被加熱対象(サンプル)
Claims (32)
- マイクロ波吸収体である導体粒子と誘電体との混合物で形成される発熱体と、
前記発熱体の表面の少なくとも一部を覆う導体層と、
前記導体層の少なくとも一部に設けられ、前記発熱体に照射されるマイクロ波を案内する窓部と、
を備え、
前記発熱体の体積に対する前記導体粒子の体積の比率が、0.04以上0.15以下であることを特徴とする加熱部材。 - 前記発熱体の表面のうち、被加熱対象が配置される面に配置される高熱伝導材料をさらに備える請求項1に記載の加熱部材。
- 前記導体層は、前記発熱体を直接覆うことを特徴とする請求項1または2に記載の加熱部材。
- 前記導体層は、前記発熱体の外側に設けられた外壁内に配置されることを特徴とする請求項1または2に記載の加熱部材。
- 前記外壁は耐酸化性材料で形成されることを特徴とする請求項4に記載の加熱部材。
- 前記導体層の厚さは、当該導体層の材料のスキンデプス以上の厚さであることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載の加熱部材。
- 前記導体層は、アモルファスカーボンもしくはカーボングラファイトを含む炭素材料またはタングステンもしくはモリブデンを含む高融点金属であることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載の加熱部材。
- 前記導体層は、マイクロ波波長の10分の1以下の大きさの隙間や空隙を有することを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載の加熱部材。
- 前記窓部は誘電体であることを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載の加熱部材。
- マイクロ波吸収体である導体粒子が収容される収容体と、
前記収容体に設けられ、前記収容体内の導体粒子に照射するマイクロ波を案内する窓部と、
を備え、
前記導体粒子は前記収容体内に封入され、前記収容体内の前記導体粒子の体積は、前記収容体の体積に対する比率が、0.04以上0.15以下であることを特徴とする加熱部材。 - 前記収容体のうち、被加熱対象が配置される面に配置される高熱伝導材料をさらに備えることを特徴とする請求項10に記載の加熱部材。
- 前記収容体の内壁上に配置される導体層をさらに備えることを特徴とする請求項10または11に記載の加熱部材。
- 前記収容体は、壁内に導体層を備えることを特徴とする請求項10から12のいずれか1項に記載の加熱部材。
- 前記収容体は、前記導体層を覆う耐酸化性材料で形成される層をさらに備えることを特徴とする請求項12または13に記載の加熱部材。
- 前記導体層の厚さは、当該導体層の材料のスキンデプス以上の厚さであることを特徴とする請求項12から14のいずれか1項に記載の加熱部材。
- 前記導体層は、アモルファスカーボンもしくはカーボングラファイトを含む炭素材料またはタングステンもしくはモリブデンを含む高融点金属であることを特徴とする請求項12から15のいずれか1項に記載の加熱部材。
- 前記導体層は、マイクロ波波長の10分の1以下の大きさの隙間や空隙を有することを特徴とする請求項12から16のいずれか1項に記載の加熱部材。
- 前記窓部は誘電体であることを特徴とする請求項10から17のいずれか1項に記載の加熱部材。
- 前記収容体の内部圧力は、大気圧の6分の1以下であることを特徴とする請求項10から18のいずれか1項に記載の加熱部材。
- 前記収容体内部は、不活性ガス雰囲気または無酸素雰囲気であることを特徴とする請求項10から19のいずれか1項に記載の加熱部材。
- マイクロ波吸収体である導体粒子が収容される収容体と、
前記収容体に設けられ、前記収容体内の導体粒子に照射するマイクロ波を案内する窓部と、
を備え、
前記導体粒子は、誘電体と混合されて前記収容体に充填され、
前記収容体内の前記導体粒子の体積は、前記収容体の体積に対する比率が、0.04以上0.15以下であることを特徴とする加熱部材。 - 前記収容体のうち、被加熱対象が配置される面に配置される高熱伝導材料をさらに備えることを特徴とする請求項21に記載の加熱部材。
- 前記収容体の内壁上に配置される導体層をさらに備えることを特徴とする請求項21または22に記載の加熱部材。
- 前記収容体は、壁内に導体層を備えることを特徴とする請求項21または22に記載の加熱部材。
- 前記収容体は、前記導体層を覆う耐酸化性材料で形成される層をさらに備えることを特徴とする請求項23または24に記載の加熱部材。
- 前記導体層の厚さは、当該導体層の材料のスキンデプス以上の厚さであることを特徴とする請求項23から25のいずれか1項に記載の加熱部材。
- 前記導体層は、アモルファスカーボンもしくはカーボングラファイトを含む炭素材料またはタングステンもしくはモリブデンを含む高融点金属であることを特徴とする請求項23から26のいずれか1項に記載の加熱部材。
- 前記導体層は、マイクロ波波長の10分の1以下の大きさの隙間や空隙を有することを特徴とする請求項23から27のいずれか1項に記載の加熱部材。
- 前記窓部は誘電体であることを特徴とする請求項21から28のいずれか1項に記載の加熱部材。
- 前記収容体の内部圧力は、大気圧の6分の1以下であることを特徴とする請求項21から29のいずれか1項に記載の加熱部材。
- 前記収容体内部は、不活性ガス雰囲気または無酸素雰囲気であることを特徴とする請求項21から30のいずれか1項に記載の加熱部材。
- 請求項1〜31のいずれか1項に記載の加熱部材と、
前記加熱部材と、被加熱対象とを収容する処理容器と、
前記処理容器内にマイクロ波を供給するマイクロ波導入部と、
前記処理容器内に所定のガスを供給するガス供給部と、
前記処理容器内から酸素を除去する排気部と、
を備えることを特徴とする加熱装置。
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