JPS6361760B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

(a) 発明の目的 〔発明の技術分野〕 本発明は、棒状もしくは線状のプラスチツク、
ガラス、セラミツクス等のような細長い誘電体
を、マイクロ波を利用して均一に連続高速加熱す
る方法に関する。 〔従来技術とその問題点〕 樹脂製品や各種繊維製品の製造工程中におい
て、熱処理乾燥あるいは化学処理のために種々の
材料を加熱する工程がある。 従来は、加熱空気を熱の媒体とした熱風式加熱
装置や溶融した塩類の中に入れて加熱する塩浴加
熱装置、あるいは熱線により加熱する赤外線加熱
装置などが使用されていた。 これ等の方法はいずれも、材料の表面から熱の
伝導により、熱が芯部に達する機構であるため、
加熱加工工程の速度は、材料の熱伝導速度より早
くすることは出来ない。また材料表面の方が内部
より高温度となる上、材料表面は、必要以上に長
時間高温度に晒されることは言うまでもない。 これ等の方法に比して、マイクロ波加熱による
方法は、材料そのものがマイクロ波の照射により
発熱するため、表面から内部まで均一に加熱され
る。また熱伝達のための時間は不要であるから、
急速度に昇温させることが出来るのも大きな特長
である。 プラスチツクやセラミツクス等の誘電体材料
が、マイクロ波エネルギーを吸収して発熱する時
の発熱量は、次式による。 Ｐ＝0.556・εr・tanδ・ｆ・E²×10^-12〔Ｗ／cm³〕
…(1) ここで、 Ｐ：単位体積当りの発熱量〔Ｗ／cm³・sec〕 εr：誘電体の比誘電率 tanδ：誘電体の力率 ｆ：マイクロ波の周波数〔Hz〕 Ｅ：マイクロ波の電界強度〔Ｖ／cm〕 (1)式中のεr及びtanδは、加熱しようとする材料
の電気的性質であつて、材料によつて異なつた値
をもつている。 我国でマイクロ波加熱に利用されている電磁波
の周波数は、2450MHzであるので、上式に2450×
10⁶を代入すると、εr・tanδの値次第によつては、
電界強度Ｅの値は小さくても充分なる加熱速度を
得ることが出来る。例えば家庭で使用されている
電子レンジでは、電界強度は50V／cm以下である
が、加熱しようとする材料のほとんどが水分であ
るので、容易に発熱する。水の25℃に於けるεr≒
76、tanδ≒0.16であるので、εr・tanδを誘電体損
失とすると、25℃に於ける水の誘電体損失は
12.16となる。 しかしながら、ナイロンの如き一般的なプラス
チツクに於いては、εr・tanδの値は0.025と、水
に比較して約1/450も小さい。このため、実用に
供することの出来るマイクロ波加熱装置のマイク
ロ波電界強度は、500V／cm〜1000V／cm程度の
強い電界をもたせねばならない。これは非常に困
難なことで、ちなみにJISに規定されるWRJ−２
導波管内に1kWのマイクロ波電力を供給した場
合の最大電界強度点の電界強度は、124V／cmし
かならないことからも類推出来よう。 第１図イは、JISのWRJ−２矩形導波管で、同
図ロは、同導波管内の電界強度分布を示す。同図
に示す矩形導波管の断面寸法は、長辺ａは約109
mmで短辺ｂ寸法は約45mmとなつているが、長辺ａ
の寸法を小さくすると管内波長が長くなり、2a
＝λの寸法以下では、マイクロ波を伝送出来なく
なるので、むやみに小さく出来ない。 短辺ｂの寸法は、管内波長に影響しないので小
さくすることは出来る。これを利用して短辺ｂを
10mmにすると、1kW送電時の電界強度は、約
290V／cmとなるが、必要とする500V／cm以上の
電界強度は得られない。 このため第２図イに示す如く、TMO1モード
の円形導波管の電気力線の密度が最も大きい中心
部に加熱材料を配置し、管軸方向に加熱材料を移
動して加熱させる方法が一般的に取られている。
しかしこのTMO1モードは、同図ロのように電
気力線が放射状となつているので、太めの加熱材
料を加熱すると中心部が高温度となり、表面部は
低温度となることは避けられない上に、更に加熱
材料を常に導波管の中心軸位置に正確に保持する
ことが必須条件となる。直径２mm以下のプラスチ
ツク線を連続的に加熱する場合には、プラスチツ
ク線が振動して、最大電界強度位置からずれて線
方向の加熱むらが発生することがあり、TMO1
モードを使用する限りこの欠点は解決出来ない。 〔本発明の技術的課題〕 本発明の技術的課題は、均一加熱に適する矩形
導波管においても、以上のような欠点をなくして
マイクロ波損失の少ない線状の細長い誘電体を効
率的に加熱出来るようにすると共に、オンライン
で温度管理及び温度制御が可能なようにすること
にある。 (b) 発明の構成 〔発明の技術的手段〕 この技術的課題を解決するために講じた本発明
による技術的手段は、整合器、矩形のマイクロ波
加熱用導波管、移相器、反射器及び無反射終端器
の順に接続し、整合器と反射器を調節して、前記
マイクロ波加熱用導波管内をマイクロ波の共振状
態とし、かつマイクロ波加熱用導波管内の電界位
置を、移相器により調節する方法を採つている。 〔技術的手段の作用〕 本発明の技術的手段によれば、マイクロ波加熱
用導波管の電波導入口側に整合器が接続され、電
波出口側に移相器を介して反射器が接続されてい
る。そして、マイクロ波加熱用導波管内に加熱材
料を通過させながら、マイクロ波発生器からマイ
クロ波加熱用導波管内にマイクロ波を供給するこ
とで、加熱材料の加熱が連続的に行われる。 このとき、反射器を調節して、加熱材料に吸収
されないで通過して来たマイクロ波を反射させ、
かつ整合器により、該反射電波がマイクロ発生器
側に戻らないように調節することで、導波管内が
共振状態となり、導波管の中央部で、十分な温度
が得られる。したがつて矩形導波管によつても、
マイクロ波吸収の悪い物質でも十分加熱できる。
水分が多くマイクロ波吸収の良い物質の場合は、
反射器や整合器の調節で、反射量を低下させる
か、反射器や整合器が機能しない状態とすること
で、容易に加熱材料に適した温度条件を得ること
ができ、各種の加熱材料を効率的に加熱できる。 また移相器を調節して、加熱位置を最も高い電
界強度とすることができ、最適な加熱条件が得ら
れる。特にこの電界強度の高い位置付近に温度検
出器を設け、加熱材料の温度を瞬時に検出して、
マイクロ波発生器側にフイードバツクすること
で、即時に加熱材料の加熱温度を制御し、常時一
定の加熱温度を得ることが可能となる。 〔発明の実施例〕 次に本発明による線状誘電体の連続加熱方法が
実際上どのように具体化されるかを実施例で説明
する。第３図は、本発明による線状誘電体の連続
加熱方法を実施する装置の一例を示す斜視図であ
る。１はマイクロ波電力発生器である。２はマイ
クロ波電力計で、導波管内の入射電力と反射電力
を同時に測定出来る。３は整合器で、反射電力を
少なくするためのもので、３スタブ整合器、スラ
グ整合器、EH整合器などがあるが、損失の少な
いものであればどれでもよい。４はマイクロ波加
熱用導波管で、第４図に詳細を示す。５は移相器
で、管内波長の1/4〜1/2を移相出来るものを設け
る。６は反射器で、マイクロ波発生器から進行し
てくる入射電力の一部を反射するもので、無反射
の状態から電圧定在波比で５以上迄連続的に可変
出来るものが望ましい。７は無反射終端器で、余
剰マイクロ波を吸収する。８は線状の細長いマイ
クロ波加熱材料で、マイクロ波加熱用導波管４内
において、矢印方向に定速度で引つ張られて走行
する。 このようにマイクロ波電力発生器１、マイクロ
波電力計２、整合器３、マイクロ波加熱用導波管
４、移相器５、反射器６、無反射終端器７の順に
接続する。そしてマイクロ波加熱用導波管４内
に、マイクロ波電力発生器１からマイクロ波を供
給した状態で、マイクロ波加熱用導波管４内に加
熱材料８を挿通し走行させることで、加熱材料８
の連続加熱が行われる。 第４図は、マイクロ波加熱用導波管４の詳細を
示すもので、イは平面図、ロは正面図である。こ
の実施例は、基本的には矩形導波管を使用し、イ
図に破線で示すように入射波の進行と共に短辺ｂ
の寸法が小さくなるように作るか、あるいは第５
図イ，ロのように管内中央部に凸部９を２個所対
向させたリツジ管にして、リツジ９，９間の空間
寸法Ｃを徐々に小さくする。そしてマイクロ波加
熱用導波管４の中央部４ｃで最も狭く、以後再び
ｂ寸法あるいはリツジ間のＣ寸法が広くなり、や
がて、基本のａ：ｂ＝２：１の寸法となるように
形成する。 マイクロ波加熱用導波管４は、電波の導入口４
ａ及び出口４ｂが、それぞれ90度に曲げられて整
合器３と移相器５に接続されている。マイクロ波
加熱用導波管４の両端部には、第３図に示すよう
に、加熱材料８の通る孔１０があけてあり、必要
とあれば電波漏洩を防ぐトラツプを設ける。 さて、このように構成された装置のマイクロ波
発生器１よりマイクロ波電力を送電すると、反射
器６が無反射の状態では、マイクロ波加熱用導波
管４のｂ寸法（又はＣ寸法）の最狭部４ｃは、先
に説明したように1kW送電時に於いて200〜
250V／cm程度となる。進行して来るマイクロ波
電力の一部は加熱材料８に吸収されるが、残りは
無反射終端器７に全て吸収される。 このままでは、先に述べたようにεr・tanδの大
きなものは充分加熱出来るが、εr・tanδの小さい
ものに対しては、エネルギー効率が悪く実用的で
はない。 このような場合に、反射器６によつて、加熱材
料８に吸収されずに通過して来るマイクロ波の適
当量を反射させてやると、マイクロ波発生器１か
ら反射器６の間の導波管内には、入射波と反射波
によつて出来る定在波が固定した電界の波状分布
をつくる。導波管内の定在波の位置は、移相器５
によつて任意に変えられるので、マイクロ波加熱
用導波管の最狭部４ｃに設けられたマイクロ波検
波器１１の振れが最大となるように移相器５を調
整すると、マイクロ波加熱用導波管の最狭部４ｃ
を無反射の場合より更に高い電界強度とすること
が出来、その電界強度は、反射器６の反射量を可
変することにより変えることができる。 しかしこのままでは、反射されたマイクロ波電
力は、マイクロ波発生器１に戻つてしまうので、
反射器６を全反射にセツトしたところで、無反射
時の電界強度に比べて高々1.4倍にしかならない
が、マイクロ波電力計２の反射電力が最少となる
よう整合器３を調整すると、様子は一変する。即
ちこの時には、整合器３、マイクロ波加熱用導波
管４、移相器５、及び反射器６の間は、共振状態
となる。 そしてこの時のＱは、反射器６の反射量によつ
て可変出来る。共振時のマイクロ波加熱用導波管
最狭部４ｃの電界強度は、無反射時の電界強度の
４倍以上にすることも出来るので、マイクロ波吸
収の少ない物質でも充分に加熱することができ
る。 第３図の如く構成した装置により加熱実験を行
なつた結果、下表の値を得た。なお加熱材料はナ
イロンである。

【表】 上記の値は、従来の矩形TEO1モードの加熱導
波管のみを使用した装置に比較すれば、数倍少な
い電力で所定温度に達しているので、実用範囲に
入つてはいるが、いま一つ不満足と考えている。
これは、移相器、整合器、反射器のそれぞれのマ
イクロ波損失が大きい為で、今後これらの機器の
高性能化により、上記マイクロ波電力の1/2以下
で同じ性能を得られるものと考えている。 (c) 発明の効果 以上説明した本発明による線状誘電体の連続加
熱方法の利点を整理すると、 １ 矩形導波管のTE10モードを使用するので、
円形導波管のTMO1モードを使用する場合よ
り均一加熱出来る。 ２ 反射器により反射量を変え、整合器で整合を
取ると、マイクロ波加熱時の電界強度を任意に
調節出来ることにより、εr・tanδの大なるもの
から小さなものまで、１台の装置で加熱でき
る。 ３ 高電界が得られるので、マイクロ波加熱用導
波管の長さを短く出来る上、移相器で最高電界
位置を変えられる。 上記３点の内、３項は特に有用である。その理
由は、マイクロ波電界中を通過する誘電体の到達
加熱温度は、線状の誘電体の任意の１点がマイク
ロ波電界中を通過する間に、(1)式によつて吸収し
たマイクロ波のエネルギーの総量に比例するの
で、電界強度の低い装置では、必要温度に達する
まで長時間にわたつて加熱材料を電界中に入れて
おかなければならない。このことは、長いマイク
ロ波加熱用導波管を用意するか、あるいは加熱材
料を非常にゆつくりと送ることを意味する。これ
は、加熱材料の温度を測定したい場合に特に問題
となる。何故ならば、マイクロ波出力や材料の送
り速度を故意に変更した時を考えると判るが、温
度変化の情報は、加熱材料がマイクロ波加熱用導
波管の中を通過して、温度測定の点に達する迄の
時間遅れで得られるためである。 このような装置では、温度測定器の電気量によ
つてマイクロ波出力を制御して、一定の加熱温度
を得るような自動制御構成とすることは非常に困
難である。ところが本発明の方法では、充分なる
電界強度が得られるので、マイクロ波加熱の行わ
れる部分の長さは、1/2〜１波長の長さで充分で
ある上、最高電界位置が移相器により調節出来る
ので、マイクロ波加熱用導波管の中央部より多少
移相器側に寄つた所に小孔をあけ、加熱材料表面
より出る赤外線を赤外線放射温度計で捕らえ、こ
の部位の温度が最高温度を示すよう移相器で調節
すると、マイクロ波加熱される位置と温度測定点
が非常に近接出来るので、温度変化の情報の遅れ
時間はほとんど無く、直接赤外線放射温度計の電
気出力をマイクロ波出力の制御に負帰還して、加
熱材料の温度が一定となるように制御することが
出来る。

【図面の簡単な説明】

第１図は矩形導波管とその内部における電界分
布を示す図、第２図は円形導波管とその内部にお
ける電界分布を示す図、第３図は本発明による線
状誘電体の連続加熱方法の実施例を示す斜視図、
第４図は同実施例で使用される矩形導波管の一例
を示す平面図と正面図、第５図は該矩形導波管の
他の実施例を示す断面図とその内部における電界
分布を示す図である。 図において、１はマイクロ波電力発生器、２は
マイクロ電力計、３は整合器、４は矩形導波管、
４ｃは該矩形導波管の最狭部、ａは長辺、ｂは短
辺、５は移相器、６は反射器、７は無反射終端
器、８は加熱材料、９はリツジ、１０は加熱材料
の導入・導出孔をそれぞれ示す。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 整合器、矩形のマイクロ波加熱用導波管、移
   相器、反射器及び無反射終端器の順に接続し、整
   合器と反射器を調節して、前記マイクロ波加熱用
   導波管内をマイクロ波の共振状態とし、かつマイ
   クロ波加熱用導波管内の電界位置を、移相器によ
   り調節することを特徴とするマイクロ波による細
   長い誘電体の連続加熱方法。