JP2019140103A - Microwave-heating device, heating method and chemical reaction method - Google Patents
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- Constitution Of High-Frequency Heating (AREA)
Abstract
Description
本発明は、マイクロ波加熱装置、加熱方法及び化学反応方法に関する。 The present invention relates to a microwave heating apparatus, a heating method, and a chemical reaction method.
マイクロ波は、電子レンジのような家庭用から利用が広まり、その後、産業用の加熱システムとして、実用的な開発、利用が研究されている。マイクロ波照射により、被加熱対象物が直接発熱するため短時間に加熱できること、熱伝導に起因する温度ムラが少なくできる利点がある。このほかに、非接触で加熱できる、マイクロ波吸収の良いものだけを選択的に加熱できるなどの利点がある。
成膜、半導体素子製造、印刷、エレクトロニクス配線、表面処理などの産業分野においては、シート状物質若しくはシート状物質の表面に塗工した薄膜を連続的に熱処理することは、熱処理の自動化や省力化につながるなど、生産コストや品質向上につながる。そのため、マイクロ波熱処理方法の連続化について種々の方法が提案されている。
Microwaves are widely used from homes such as microwave ovens, and thereafter, practical development and use as industrial heating systems have been studied. Since the object to be heated generates heat directly by microwave irradiation, it can be heated in a short time, and there is an advantage that temperature unevenness due to heat conduction can be reduced. In addition, there are advantages such that heating can be performed in a non-contact manner, and only those having good microwave absorption can be selectively heated.
In industrial fields such as film formation, semiconductor device manufacturing, printing, electronics wiring, and surface treatment, continuous heat treatment of sheet-like substances or thin films coated on the surface of sheet-like substances can be automated and labor-saving. Leading to improved production costs and quality. Therefore, various methods have been proposed for continuation of the microwave heat treatment method.
マイクロ波照射による熱処理として、電磁波であるマイクロ波は、波長周期でエネルギー強度が変化するため、加熱ムラが発生しやすい。このため、被加熱対象物の位置を時間的に移動させることによって、均一に加熱するなどの対策が行われることが多い。この問題に対処した技術として、例えば、特許文献１には、空胴共振器を用いたマイクロ波加熱装置が記載されている。この技術では、直方体状の空胴共振器内にＴＭ１１０モードの定在波を発生させ、導電性又は磁性の薄膜を含むシートを高効率で均一に加熱することが記載されている。また特許文献２には、角型導波管（角型空胴共振器）を用いたマイクロ波加熱装置によって、被加熱対象物を、定在波の磁界が最大になる位置に配置し、かつその位置に対して移動させて効率よく加熱を行うことが記載されている。
このように空胴共振器を用いることによって、内部に定在波を形成して被加熱対象物を均一に、高効率に加熱に加熱することができるとされている。
As heat treatment by microwave irradiation, microwaves, which are electromagnetic waves, tend to have uneven heating because their energy intensity changes with the wavelength period. For this reason, measures such as uniform heating are often performed by moving the position of the object to be heated over time. As a technique for coping with this problem, for example, Patent Document 1 describes a microwave heating apparatus using a cavity resonator. This technique describes that a standing wave of TM 110 mode is generated in a rectangular parallelepiped cavity resonator, and a sheet including a conductive or magnetic thin film is uniformly heated with high efficiency. Further, in Patent Document 2, an object to be heated is arranged at a position where a standing wave magnetic field is maximized by a microwave heating apparatus using a rectangular waveguide (rectangular cavity resonator), and It is described that the heating is efficiently performed by moving the position.
By using a cavity resonator in this way, it is said that a standing wave can be formed inside and the object to be heated can be heated to heating uniformly and with high efficiency.
空胴共振器を用いた定在波の形成では、定在波を持続的に発生させるために共振器内の定在波の状態がモニタリングされ、必要により空胴内に供給するマイクロ波の周波数を調整したり、空胴内に誘電体や金属片を挿入することで共振周波数が調整される。このような場合、空胴内に誘電体や金属片を挿入すると、挿入量により空胴共振器内に形成される定在波の磁界強度分布にずれが生じることがある。その結果、被加熱対象物の加熱に当たり、空胴共振器内の常に一定の位置に被加熱対象物を供給したのでは、被加熱対象物の供給位置と、磁界強度の極大位置との間にずれが生じることになる。これに対処するために、被加熱対象物の供給位置を、変化した磁界強度の極大位置に追随するように変化させることが考えられるが、装置が大がかりになり現実的ではない。 In the formation of a standing wave using a cavity resonator, the state of the standing wave in the resonator is monitored to generate a standing wave continuously, and if necessary, the frequency of the microwave supplied into the cavity The resonance frequency is adjusted by adjusting the frequency or inserting a dielectric or metal piece into the cavity. In such a case, when a dielectric or a metal piece is inserted into the cavity, the magnetic field strength distribution of the standing wave formed in the cavity resonator may vary depending on the amount of insertion. As a result, when heating the object to be heated, if the object to be heated is supplied to a constant position in the cavity resonator, it is between the supply position of the object to be heated and the maximum position of the magnetic field strength. Deviation will occur. In order to cope with this, it is conceivable to change the supply position of the object to be heated so as to follow the maximum position of the changed magnetic field strength, but the apparatus becomes large and is not realistic.
本発明は、空胴共振器内に形成した定在波により、磁性体、磁気損失のある材料又は導電性のある材料、磁性体、磁気損失のある材料や半導体を含む導電性のある材料を含む複合材料からなる被加熱対象物を、磁界強度分布に沿った位置合わせ等を要さずに、効率的に、かつ高い再現性で加熱することを可能とするマイクロ波加熱装置を提供することを課題とする。 The present invention provides a magnetic material, a magnetic lossy material or a conductive material, a magnetic material, a magnetic lossy material, or a conductive material including a semiconductor by a standing wave formed in the cavity resonator. To provide a microwave heating apparatus that can efficiently heat an object to be heated made of a composite material including the alignment material along a magnetic field intensity distribution with high reproducibility. Is an issue.
本発明者らは、上記課題に鑑み鋭意検討を重ねた。その結果、円筒型空胴共振器を用いることにより、磁界の極大部分が常に空胴共振器の中心軸となる定在波の形成が可能になることを見出した。そして、磁気損失のある材料又は磁気損失のある材料を含む複合材料からなる被加熱対象物を空胴共振器の中心軸を通るように供給することにより、供給された被加熱対象物の加熱状態を常に一定にできることを見出した。
本発明はこれらの知見に基づきさらに検討を重ね、完成されるに至ったものである。
The inventors of the present invention have made extensive studies in view of the above problems. As a result, it has been found that by using a cylindrical cavity resonator, it is possible to form a standing wave in which the maximum portion of the magnetic field is always the central axis of the cavity resonator. Then, by supplying a heated object made of a material having a magnetic loss or a composite material containing a magnetic loss material so as to pass through the central axis of the cavity resonator, a heating state of the supplied heated object I found that I can always be constant.
The present invention has been further studied based on these findings and has been completed.
すなわち、本発明の上記課題は下記の手段により解決される。
［１］
円筒型又は筒中心軸に対して垂直方向の断面が長方形の筒型を除く筒中心軸を中心として対向する２面が平行な多角筒型のマイクロ波照射空間となる空胴共振器と、
前記空胴共振器内の磁界（磁場）のエネルギー分布が均一な空間に、磁性体、磁気損失のある材料若しくは導電性のある材料の被加熱対象物、又は、磁性体、磁気損失のある材料若しくは導電性のある材料を含む複合材料の被加熱対象物を、該空胴共振器の磁界強度が極大かつ均一になる磁界照射空間を通るように供給する供給部を備え、
前記供給部によって供給された前記被加熱対象物を前記磁界照射空間にて加熱するマイクロ波加熱装置。
［２］
前記供給部は、前記被加熱対象物が前記マイクロ波照射空間を通過する際、前記被加熱対象物を電界（電場）強度が極小となる空間を通す［１］に記載のマイクロ波加熱装置。
［３］
前記マイクロ波照射空間内部に形成される定在波がＴＭ１１０モードであり、
前記磁界照射空間は、前記空胴共振器の筒中心軸に沿う空間である［１］又は［２］記載のマイクロ波加熱装置。
［４］
前記ＴＭ１１０モードの定在波を形成させる手段は、前記マイクロ波照射空間に被加熱対象物が挿入された状態で、常に前記筒中心軸に沿って磁界の均一分布状態を維持する、マイクロ波の周波数を制御する機構を有する、［３］記載のマイクロ波加熱装置。
［５］
前記マイクロ波の周波数を制御する機構は、前記被加熱対象物の挿入状態に応じて変動するＴＭ１１０モードの定在波に一致する共振周波数を検出し、該共振周波数と一致するマイクロ波を照射する［４］に記載のマイクロ波加熱装置。
［６］
前記ＴＭ１１０モードの定在波に一致する共振周波数を検出する手段は、前記マイクロ波照射空間からの反射波を計測する機構を有し、その計測信号をもとに反射波が極小となる周波数から、共振周波数を検出する前記マイクロ波の周波数を制御する機構を有する［５］に記載のマイクロ波加熱装置。
［７］
前記ＴＭ１１０モードの定在波に一致する共振周波数を検出する手段は、前記マイクロ波照射空間内のエネルギー状態を計測する機構を有し、その計測信号をもとにマイクロ波照射空間内のエネルギー密度が極大となる周波数から、共振周波数を検出する前記マイクロ波の周波数を制御する機構を有する［５］に記載のマイクロ波加熱装置。
［８］
前記空胴共振器の前記筒中心軸で極大となる磁界を作用させて前記被加熱対象物に誘導電流を発生させ、前記被加熱対象物を加熱する［１］〜［７］のいずれかに記載のマイクロ波加熱装置。
［９］
前記マイクロ波加熱装置が、前記被加熱対象物をマイクロ波により加熱して、化学反応を生じさせる化学反応装置である［１］〜［８］のいずれかに記載のマイクロ波加熱装置。
［１０］
［１］〜［９］のいずれかに記載のマイクロ波加熱装置を用いた加熱方法。
［１１］
［１］〜［９］のいずれかに記載のマイクロ波加熱装置を用いた化学反応方法であって、前記被加熱対象物を加熱することにより化学反応を生じさせることを含む、化学反応方法。
That is, the said subject of this invention is solved by the following means.
[1]
A cavity resonator serving as a microwave irradiation space of a cylindrical tube or a polygonal tube type in which two surfaces facing each other centering on a tube center axis excluding a tube shape having a rectangular cross section perpendicular to the tube center axis;
In a space in which the energy distribution of the magnetic field (magnetic field) in the cavity resonator is uniform, a magnetic material, an object to be heated of a magnetic loss material or a conductive material, or a magnetic material, a material with a magnetic loss Alternatively, a supply unit that supplies an object to be heated of a composite material including a conductive material so as to pass through a magnetic field irradiation space in which the magnetic field strength of the cavity resonator is maximized and uniform,
The microwave heating apparatus which heats the said to-be-heated object supplied by the said supply part in the said magnetic field irradiation space.
[2]
The said heating part is a microwave heating apparatus as described in [1] which lets the said to-be-heated object pass the space where electric field (electric field) intensity becomes the minimum, when the to-be-heated object passes the said microwave irradiation space.
[3]
The standing wave formed inside the microwave irradiation space is TM 110 mode,
The microwave heating device according to [1] or [2], wherein the magnetic field irradiation space is a space along a cylinder center axis of the cavity resonator.
[4]
The means for forming the TM 110 mode standing wave is a microwave that always maintains a uniform distribution state of the magnetic field along the cylinder center axis in a state where the object to be heated is inserted in the microwave irradiation space. The microwave heating device according to [3], which has a mechanism for controlling the frequency of.
[5]
The mechanism for controlling the frequency of the microwave detects a resonance frequency that matches the standing wave of the TM 110 mode that varies according to the insertion state of the object to be heated, and irradiates the microwave that matches the resonance frequency The microwave heating apparatus according to [4].
[6]
The means for detecting the resonant frequency that matches the standing wave of the TM 110 mode has a mechanism for measuring the reflected wave from the microwave irradiation space, and the frequency at which the reflected wave is minimized based on the measurement signal. The microwave heating device according to [5], further including a mechanism for controlling a frequency of the microwave for detecting a resonance frequency.
[7]
The means for detecting the resonance frequency that matches the standing wave of the TM 110 mode has a mechanism for measuring the energy state in the microwave irradiation space, and the energy in the microwave irradiation space based on the measurement signal. The microwave heating apparatus according to [5], including a mechanism for controlling the frequency of the microwave for detecting a resonance frequency from a frequency at which the density is maximized.
[8]
Any one of [1] to [7], wherein an induction current is generated in the object to be heated by applying a maximum magnetic field on the cylindrical central axis of the cavity resonator, and the object to be heated is heated. The microwave heating apparatus as described.
[9]
The microwave heating device according to any one of [1] to [8], wherein the microwave heating device is a chemical reaction device that heats the object to be heated by microwaves to cause a chemical reaction.
[10]
[1] A heating method using the microwave heating apparatus according to any one of [9].
[11]
A chemical reaction method using the microwave heating apparatus according to any one of [1] to [9], wherein the chemical reaction method includes generating a chemical reaction by heating the object to be heated.
本発明のマイクロ波加熱装置は、空胴共振器内に定在波を形成した際に、空胴共振器内の磁界強度が極大かつ均一になる位置に、被加熱対象物を通過させて、効率良く、均一に再現性高く加熱することができる。 When the microwave heating apparatus of the present invention forms a standing wave in the cavity resonator, the object to be heated is passed to a position where the magnetic field intensity in the cavity resonator becomes maximum and uniform, It can be heated efficiently and uniformly with high reproducibility.
以下に本発明のマイクロ波加熱装置の好ましい実施形態を、図面を参照して説明する。 Preferred embodiments of the microwave heating apparatus of the present invention will be described below with reference to the drawings.
［マイクロ波加熱装置］
本発明のマイクロ波加熱装置の好ましい一実施形態を、円筒型の空胴共振器を有するマイクロ波加熱装置を一例として、図１を参照して説明する。
図１に示すように、マイクロ波加熱装置１は、円筒形のマイクロ波照射空間を有する空胴共振器（以下、（円筒型の）空胴共振器ともいう）１１を有する。空胴共振器１１は、円筒型であっても、筒中心軸に対して垂直方向の断面が長方形の筒型（以下。長方形筒型という）を除く筒中心軸を中心として対向する２面が平行な多角筒型であっても、中心軸において磁界強度が極大かつ一様な定在波を形成できる。
空胴共振器１１には、該空胴共振器の筒中心軸（以下、円筒中心軸又は中心軸ともいう）Ｃを挟んで対向する、空胴共振器１１の胴部壁１１ＳＡに設けられた供給口１２と、胴部壁１１ＳＡに対向する胴部壁１１ＳＢに設けられた排出口１３とを有する。また、空胴共振器１１内の磁界強度が極大かつ均一になる磁界照射空間に、磁気損失のある材料又は導電性材料又は磁気損失や導電性のある材料を含む複合材料の被加熱対象物を供給する供給部３１を備える。「極大」とは、極大点を含むその周囲の磁界強度が他の領域よりも強い部分も含む意味である。例えば、極大値の３／４以上の領域である。また「磁気損失のある材料又は磁気損失のある材料を含む複合材料」は、「磁性若しくは導電性を有する材料又は磁性若しくは導電性を有する材料を含む複合材料」ともいえる。更に、空胴共振器１１内に定在波を形成するマイクロ波を供給するためのアンテナ２５を有する。
磁気損失のある材料としては、例えば、鉄やニッケル、コバルトがあり、鉄族元素や希土類元素を含む合金として、Ｆｅ−Ｎｉ、Ｆｅ−Ｃｏ、 Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｏ−Ａｌ、Ｆｅ−Ｎｉ−Ｃｒ、ＭｎＡｌや、化合物としてＳｍＣｏ５、ＳｍＣｏ５を挙げられる。また酸化物としてＦｅ３Ｏ４などもある。磁気損失のある材料は磁性体だけではなく、アルミや銅、スズなど導電性材料も渦電流による磁気損失を生じる材料である。導電性材料には半導体材料を含む。半導体材料としてはシリコンやゲルマニウムがあり、化合物半導体としてはＺｎＳｅ、ＣｄＳ、ＺｎＯ，ＧａＡｓ，ＩｎＰ，ＧａＮ，ＳｉＣ，ＳｉＧｅなどがある。これらの半導体材料に不純物を注入し導電性を制御したものも含まれる。導電性を担うキャリアは電子だけでなく、半導体内に形成される正孔も含まれ、マイクロ波による加熱作用を生じさせることができる。
[Microwave heating device]
A preferred embodiment of the microwave heating apparatus of the present invention will be described with reference to FIG. 1, taking a microwave heating apparatus having a cylindrical cavity resonator as an example.
As shown in FIG. 1, the microwave heating apparatus 1 includes a cavity resonator (hereinafter also referred to as a (cylindrical) cavity resonator) 11 having a cylindrical microwave irradiation space. Even if the cavity resonator 11 has a cylindrical shape, two surfaces facing the cylindrical center axis except for a cylindrical shape having a rectangular cross section perpendicular to the cylindrical central axis (hereinafter referred to as a rectangular cylindrical shape) are provided. Even in a parallel polygonal cylinder, a standing wave having a maximum and uniform magnetic field intensity can be formed on the central axis.
The cavity resonator 11 is provided on a body wall 11SA of the cavity resonator 11 facing the cylinder center axis (hereinafter, also referred to as a cylinder center axis or center axis) C of the cavity resonator 11 across the cylinder resonator. It has the supply port 12 and the discharge port 13 provided in trunk | drum wall 11SB which opposes trunk | drum wall 11SA. In addition, in a magnetic field irradiation space in which the magnetic field strength in the cavity resonator 11 is maximized and uniform, an object to be heated of a magnetic loss material, a conductive material, or a composite material including a magnetic loss or a conductive material is provided. A supply unit 31 is provided. “Maximum” means that the surrounding magnetic field strength including the local maximum point includes a portion stronger than other regions. For example, it is a region where the maximum value is 3/4 or more. Further, “a material having magnetic loss or a composite material including a material having magnetic loss” can be said to be “a composite material including a material having magnetism or conductivity or a material having magnetism or conductivity”. Furthermore, an antenna 25 for supplying a microwave that forms a standing wave in the cavity resonator 11 is provided.
Examples of magnetic loss materials include iron, nickel, and cobalt, and alloys including iron group elements and rare earth elements include Fe—Ni, Fe—Co, Fe—Ni—Co—Al, and Fe—Ni—Cr. , MnAl, and SmCo 5 and SmCo 5 as compounds. There are also Fe 3 O 4 and the like as oxides. A material having magnetic loss is not only a magnetic material, but also a conductive material such as aluminum, copper, and tin is a material that causes magnetic loss due to eddy current. The conductive material includes a semiconductor material. Examples of the semiconductor material include silicon and germanium. Examples of the compound semiconductor include ZnSe, CdS, ZnO, GaAs, InP, GaN, SiC, and SiGe. These include those in which impurities are implanted into these semiconductor materials to control conductivity. Carriers responsible for conductivity include not only electrons but also holes formed in the semiconductor, and can cause a heating action by microwaves.
例えば、ＴＭ１１０モードの定在波が発生する円筒型の空胴共振器１１の場合、磁界照射空間は、中心軸Ｃにおける磁界強度が極大となり、中心軸Ｃに沿っては磁界強度が均一となる空間である。被加熱対象物のシート６は、磁界照射空間を通るように、すなわち中心軸Ｃを通るように配されることが好ましい。またシート６は空胴共振器の対称面に沿って通るように配されることが好ましい。したがって、シート６の供給口１２と排出口１３は、中心軸Ｃを挟んで対向する位置の円筒型の空胴共振器１１の胴部壁１１ＳＡ、１１ＳＢに配されることが好ましい。言い換えれば、供給口１２と中心軸Ｃと排出口１３とは同一平面を含む位置に配されることが好ましい。上記「シート」は、紙やフィルムのような薄いものから、ある程度の厚みを有する半導体基板や配線基板のような基板も含む意味に用いる。
空胴共振器１１には、マイクロ波発生器２１が配され、空胴共振器１１に対してマイクロ波が供給される。一般にマイクロ波周波数は２〜４ＧＨｚのＳバンドが用いられる。又は９００〜９３０ＭＨｚや、５．７２５〜５．８７５ＧＨｚが用いられることもある。ただし、これ以外の周波数についても用いるこができる。
For example, in the case of the cylindrical cavity resonator 11 in which a standing wave of TM 110 mode is generated, the magnetic field irradiation space has a maximum magnetic field strength at the central axis C, and the magnetic field strength is uniform along the central axis C. Space. The sheet 6 to be heated is preferably arranged so as to pass through the magnetic field irradiation space, that is, pass through the central axis C. The sheet 6 is preferably arranged so as to pass along the plane of symmetry of the cavity resonator. Therefore, it is preferable that the supply port 12 and the discharge port 13 of the sheet 6 are arranged on the body wall 11SA, 11SB of the cylindrical cavity resonator 11 at a position facing each other across the central axis C. In other words, the supply port 12, the central axis C, and the discharge port 13 are preferably arranged at positions including the same plane. The “sheet” is used to include a substrate such as a semiconductor substrate or a wiring substrate having a certain thickness from a thin one such as paper or film.
A microwave generator 21 is disposed in the cavity resonator 11, and microwaves are supplied to the cavity resonator 11. In general, an S band of 2 to 4 GHz is used as the microwave frequency. Alternatively, 900 to 930 MHz or 5.725 to 5.875 GHz may be used. However, other frequencies can be used.
上記のマイクロ波加熱装置１では、空胴共振器１１に対して、マイクロ波発生器２１で発生させたマイクロ波をマイクロ波供給口１４から空胴共振器１１内に供給し、空胴共振器１１の中心軸Ｃの位置に定在波を形成する。マイクロ波供給口１４には、例えば、同軸導波管変換器型マイクロ波供給口を用いることができる。その定在波の磁界強度が極大となる部分（円筒共振器１１の中心軸Ｃ）にて被加熱対象物であるシート６を加熱する。 In the microwave heating apparatus 1 described above, the microwave generated by the microwave generator 21 is supplied to the cavity resonator 11 from the microwave supply port 14 into the cavity resonator 11. The standing wave is formed at the position of the central axis C of 11. As the microwave supply port 14, for example, a coaxial waveguide converter type microwave supply port can be used. The sheet 6 that is the object to be heated is heated at the portion where the magnetic field strength of the standing wave is maximized (the central axis C of the cylindrical resonator 11).
上記マイクロ波加熱装置１では、マイクロ波発生器２１から供給されるマイクロ波は、周波数を調整して供給される。周波数の調整により、空胴共振器１１内に形成される定在波の磁界強度分布を所望の分布状態に制御し、またマイクロ波の出力によって定在波の強度を調整することができる。つまり、被加熱対象物の加熱状態を制御することが可能になる。
なお、マイクロ波供給口１４から供給されるマイクロ波の周波数は、空胴共振器１１内に特定のシングルモード定在波を形成することができるものである。
本発明のマイクロ波加熱装置１の構成について、順に説明する。
In the microwave heating apparatus 1, the microwave supplied from the microwave generator 21 is supplied with the frequency adjusted. By adjusting the frequency, the magnetic field strength distribution of the standing wave formed in the cavity resonator 11 can be controlled to a desired distribution state, and the strength of the standing wave can be adjusted by the output of the microwave. That is, it becomes possible to control the heating state of the object to be heated.
The frequency of the microwave supplied from the microwave supply port 14 can form a specific single mode standing wave in the cavity resonator 11.
The structure of the microwave heating apparatus 1 of this invention is demonstrated in order.
＜空胴共振器＞
マイクロ波加熱装置に用いる円筒型の空胴共振器（キャビティー）１１は、一つのマイクロ波供給口１４を有し、マイクロ波を供給した際にシングルモードの定在波が形成されるものであれば特に制限はない。本発明に用いる空胴共振器は、図面に示されるような円筒型に限られない。すなわち、円筒型でなくても、中心軸に対して垂直方向の断面が長方形の筒型を除く、中心軸を中心として対向する２面が平行な多角筒型の空胴共振器であっても良い。例えば、中心軸に垂直方向の断面が、正６角形、正８角形、正１２角形、正１６角形等の正偶数角形の筒型、又は正偶数角形の筒型の中心軸に対して対向する２面間で潰した形状の多角形の筒型であってもよい。上記の多角筒型の空胴共振器の場合、空胴共振器内部の角は丸みを有してもよい。また、マイクロ波照射空間としては、上記の筒型の他に、上記の丸みを大きくした柱状体、楕円体、等の空間を有する空胴共振器であってもよい。
このような多角形であっても、円筒型と同様の作用（すなわち、中心軸において磁界強度が極大かつ一様な定在波を形成できる）を実現することができる。
空胴共振器１１の大きさも目的に応じて適宜に設計することができる。空胴共振器１１は電気抵抗率の小さいものが望ましく、通常は金属製であり、一例として、アルミニウム、銅、鉄、マグネシウム、黄銅、ステンレス、若しくはそれらの合金等を用いることができる。又は、樹脂やセラミック、金属の表面に電気抵抗率の小さい物質をめっき、蒸着などによりコーティングしてもよい。コーティングには銀、銅、金、スズ、ロジウムを含む材を用いることができる。
<Cavity resonator>
A cylindrical cavity resonator (cavity) 11 used for a microwave heating apparatus has a single microwave supply port 14, and a single-mode standing wave is formed when microwaves are supplied. If there is no particular limitation. The cavity resonator used in the present invention is not limited to a cylindrical shape as shown in the drawings. That is, even if it is not a cylindrical type, it may be a polygonal cylindrical cavity resonator in which two faces facing the center axis are parallel except for a cylindrical shape whose cross section perpendicular to the central axis is rectangular. good. For example, the cross section perpendicular to the central axis is opposed to the central axis of a regular hexagonal, regular octagonal, regular dodecagonal, regular hexagonal or other positive or even square cylinder. It may be a polygonal cylindrical shape crushed between two surfaces. In the case of the above-described polygonal cavity resonator, the corners inside the cavity may be rounded. Further, the microwave irradiation space may be a cavity resonator having a space such as a columnar body, an ellipsoid or the like having a larger roundness in addition to the above cylindrical shape.
Even with such a polygon, an action similar to that of the cylindrical shape (that is, a standing wave having a maximal and uniform magnetic field intensity can be formed on the central axis) can be realized.
The size of the cavity resonator 11 can be appropriately designed according to the purpose. The cavity resonator 11 preferably has a low electrical resistivity, and is usually made of metal. For example, aluminum, copper, iron, magnesium, brass, stainless steel, or an alloy thereof can be used. Alternatively, a resin, ceramic, or metal surface may be coated with a substance having a low electrical resistivity by plating, vapor deposition, or the like. For the coating, a material containing silver, copper, gold, tin, or rhodium can be used.
＜供給部＞
供給部３１は、供給側搬送部３１Ａと送り出し側搬送部３１Ｂとを有する。
供給側搬送部３１Ａは、１対のニップロール３２Ａ、３２Ｂにより構成され、そのいずれか一方にニップロールを駆動する回動駆動装置（図示せず）が備えられている。ニップロール３２Ａ、３２Ｂの回動により、ニップロール３２Ａ、３２Ｂに挟まれたシート６が空胴共振器１１内に搬送される。送り出し側搬送部３１Ｂは、１対のニップロール３３Ａ、３３Ｂにより構成され、そのいずれか一方にニップロールを駆動する回動駆動装置（図示せず）が備えられている。ニップロール３３Ａ、３３Ｂの回動により、ニップロール３３Ａ、３３Ｂに挟まれたシート６が空胴共振器１１外に搬送される。供給側搬送部３１Ａと送り出し側搬送部３１Ｂとは、常に一定速度にてシート６を搬送することが好ましい。また上記各ニップロール３２Ａ、３２Ｂ、３３Ａ、３３Ｂの周速度は同等であることが好ましい。
別な供給方法として、磁気損失の小さいプレートを支持台（図示せず）として供給口１２から排出口１３にわたって懸架しておき、その上に被加熱対象物を配置することもできる。この場合被加熱対象物を移動させる手段として、支持台を移動させてもよいし、被加熱対象物を押し入れることや、引き出すこともできる。
若しくは、供給部３１や供給口１２、排出口１３を設置しなくても良い。この場合、被加熱対象物はあらかじめ空胴共振器内の磁界が極大となる位置に配置しておき、しかるべき時間処理した後にマイクロ波を停止し、空胴共振器の一部を開放し被加熱対象物を取り出すことができる。
若しくは、供給部３１として特段の搬送機構を用いず、空胴共振器自体を移動することもできる。この場合は、被加熱対象物６を固定しておき、空胴共振器内の磁界が極大となる位置が被加熱対象物６から外れないように空胴共振器自体を被加熱対象物に沿って平行移動させることが適している。
若しくは、供給口１２や、排出口１３を重力方向に沿って配置することもできる。柔軟性がある被加熱対象物の場合、重力に従って垂下するため、供給口１２を上側にして重力に従って被加熱対象物６を送り出しても良い。若しくは、排出口１３を上側にして重力に逆らって、引き出しても良い。
<Supply section>
The supply unit 31 includes a supply-side transport unit 31A and a delivery-side transport unit 31B.
The supply-side transport unit 31A includes a pair of nip rolls 32A and 32B, and one of them is provided with a rotation drive device (not shown) that drives the nip roll. The sheet 6 sandwiched between the nip rolls 32A and 32B is conveyed into the cavity resonator 11 by the rotation of the nip rolls 32A and 32B. The delivery-side transport unit 31B includes a pair of nip rolls 33A and 33B, and one of them is provided with a rotation drive device (not shown) that drives the nip roll. By rotation of the nip rolls 33A and 33B, the sheet 6 sandwiched between the nip rolls 33A and 33B is conveyed outside the cavity resonator 11. It is preferable that the supply-side transport unit 31A and the delivery-side transport unit 31B always transport the sheet 6 at a constant speed. The peripheral speeds of the nip rolls 32A, 32B, 33A, 33B are preferably equal.
As another supply method, a plate having a small magnetic loss can be suspended from the supply port 12 to the discharge port 13 as a support base (not shown), and the object to be heated can be placed thereon. In this case, as a means for moving the object to be heated, the support base may be moved, or the object to be heated can be pushed in or pulled out.
Or the supply part 31, the supply port 12, and the discharge port 13 do not need to be installed. In this case, the object to be heated is placed in advance at a position where the magnetic field in the cavity resonator is maximized, and after processing for an appropriate time, the microwave is stopped, a part of the cavity resonator is opened, and the object to be heated is opened. The object to be heated can be taken out.
Alternatively, the cavity resonator itself can be moved without using a special transport mechanism as the supply unit 31. In this case, the object 6 to be heated is fixed, and the cavity resonator itself is aligned with the object to be heated so that the position where the magnetic field in the cavity resonator becomes maximum is not removed from the object 6 to be heated. It is suitable to move in parallel.
Or the supply port 12 and the discharge port 13 can also be arrange | positioned along the gravity direction. In the case of an object to be heated that is flexible, the object to be heated 6 hangs down according to gravity. Or you may pull out against gravity with the discharge port 13 up.
＜マイクロ波の供給＞
マイクロ波の供給には、マイクロ波発生器２１、マイクロ波増幅器２２、アイソレータ２３、インピーダンス整合器２４、アンテナ２５を備えることが好ましい。
<Supply of microwave>
The microwave supply is preferably provided with a microwave generator 21, a microwave amplifier 22, an isolator 23, an impedance matching unit 24, and an antenna 25.
空胴共振器１１の中心軸Ｃに平行な壁面（円筒の内面）又はその近傍には、マイクロ波供給口１４が設けられている。一実施形態において、マイクロ波供給口１４は、高周波を印加することができるアンテナ２５を有している。図１では、同軸導波管変換器を用いたマイクロ波供給口１４を示している。この場合アンテナ２５は電界励振型のモノポールアンテナとなっている。このとき定在波を効果的に形成するためには、マイクロ波供給口１４と空胴共振器１１の間に適切な開口部としてアイリス（図示せず）を用いても良い。また、マイクロ波供給口１４を用いず直接、空胴共振器１１にアンテナを設置してもよい。この場合は空胴共振器の側壁近傍に時間励振アンテナとなるループアンテナ（図示せず）を設置してもよい。又は、空胴共振器上面若しくは下面に電界励振となるモノポールアンテナを設置することも可能である。
アンテナ２５は、マイクロ波発生器２１からマイクロ波の供給を受ける。具体的には、マイクロ波発生器２１に、各ケーブル２６（２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃ、２６Ｄ）を順に介して、上記のマイクロ波増幅器２２、アイソレータ２３、整合器２４、アンテナ２５の順に接続されている。
各ケーブル２６には、例えば同軸ケーブルが用いられる。この構成では、マイクロ波発生器２１から発せられたマイクロ波を、各ケーブル２６を介してアンテナ２５によってマイクロ波供給口１４から空胴共振器１１内に供給する。
A microwave supply port 14 is provided on the wall surface (cylindrical inner surface) parallel to the central axis C of the cavity resonator 11 or in the vicinity thereof. In one embodiment, the microwave supply port 14 has an antenna 25 to which a high frequency can be applied. FIG. 1 shows a microwave supply port 14 using a coaxial waveguide converter. In this case, the antenna 25 is an electric field excitation type monopole antenna. At this time, in order to effectively form a standing wave, an iris (not shown) may be used as an appropriate opening between the microwave supply port 14 and the cavity resonator 11. Further, an antenna may be installed directly in the cavity resonator 11 without using the microwave supply port 14. In this case, a loop antenna (not shown) serving as a time excitation antenna may be installed near the side wall of the cavity resonator. Alternatively, it is possible to install a monopole antenna for electric field excitation on the upper or lower surface of the cavity resonator.
The antenna 25 is supplied with microwaves from the microwave generator 21. Specifically, the microwave amplifier 22, the isolator 23, the matching unit 24, and the antenna 25 are connected to the microwave generator 21 through the cables 26 (26A, 26B, 26C, and 26D) in this order. Yes.
For each cable 26, for example, a coaxial cable is used. In this configuration, the microwaves emitted from the microwave generator 21 are supplied into the cavity resonator 11 from the microwave supply port 14 by the antenna 25 via the cables 26.
［マイクロ波発生器］
本発明のマイクロ波加熱装置１に用いるマイクロ波発生器２１は、例えば、マグネトロン等のマイクロ波発生器や、半導体固体素子を用いたマイクロ波発生器を用いることができる。マイクロ波の周波数を微調整できるという観点から、ＶＣＯ（Voltage-Controlled oscillator：電圧制御発振器）やＶＣＸＯ（Voltage-controlled Xtal oscillator)若しくはＰＬＬ（Phase-locked loop）発振器を用いることが好ましい。
[Microwave generator]
As the microwave generator 21 used in the microwave heating apparatus 1 of the present invention, for example, a microwave generator such as a magnetron or a microwave generator using a semiconductor solid element can be used. From the viewpoint that the frequency of the microwave can be finely adjusted, it is preferable to use a VCO (Voltage-Controlled Oscillator), a VCXO (Voltage-controlled Xtal Oscillator), or a PLL (Phase-locked loop) oscillator.
［マイクロ波増幅器］
図１のマイクロ波加熱装置１はマイクロ波増幅器２２を備える。マイクロ波増幅器２２は、マイクロ波発生器２１によって発生されたマイクロ波の出力を増幅する機能を有する。その構成に特に制限はないが、例えば、高周波トランジスタ回路で構成される半導体固体素子を用いることが好ましい。マイクロ波発生器としてマグネトロンなど発振出力が大きいものを用いた場合はマイクロ波増幅回路を用いないこともできる。
[Microwave amplifier]
The microwave heating apparatus 1 in FIG. 1 includes a microwave amplifier 22. The microwave amplifier 22 has a function of amplifying the microwave output generated by the microwave generator 21. Although there is no restriction | limiting in particular in the structure, For example, it is preferable to use the semiconductor solid element comprised by a high frequency transistor circuit. When a microwave generator having a large oscillation output such as a magnetron is used, the microwave amplifier circuit can be omitted.
［アイソレータ］
図１のマイクロ波加熱装置１はアイソレータ２３を備える。アイソレータ２３は、空胴共振器１１内で発生する反射波の影響を抑制してマイクロ波発生器２１を保護するためのものであり、一方向（アンテナ２５方向）にマイクロ波が供給されるようにするものである。マイクロ波増幅器２２やマイクロ波発生器２１が反射波により破損する恐れがない場合は、アイソレータを設置しなくてもよい。この場合は装置が小型化できることや、低コスト化が可能になるメリットがある。
[Isolator]
The microwave heating apparatus 1 in FIG. 1 includes an isolator 23. The isolator 23 is used to protect the microwave generator 21 by suppressing the influence of the reflected wave generated in the cavity resonator 11 so that the microwave is supplied in one direction (antenna 25 direction). It is to make. If the microwave amplifier 22 and the microwave generator 21 are not likely to be damaged by the reflected wave, it is not necessary to install an isolator. In this case, there is an advantage that the apparatus can be downsized and the cost can be reduced.
［整合器］
図１のマイクロ波加熱装置１は整合器２４を備える。整合器２４は、マイクロ波発生器２１〜アイソレータ２３のインピーダンスとアンテナ２５のインピーダンスを整合させる（合わせる）ためのものである。不整合による反射波が生じてもマイクロ波増幅器２２やマイクロ波発生器２１が損傷を受けうる恐れがない場合は整合器を設置しなくてもよい。若しくは、あらかじめ不整合が発生しないようアンテナ構造やマイクロ波増幅器２２の持つ回路定数やケーブル２６を調整することで、整合器を設置しないこともできる。この場合は装置が小型化できることや、低コスト化が可能になるメリットがある。
[Matching unit]
The microwave heating apparatus 1 of FIG. The matching unit 24 is for matching (matching) the impedance of the microwave generator 21 to the isolator 23 and the impedance of the antenna 25. If there is no possibility that the microwave amplifier 22 or the microwave generator 21 may be damaged even if a reflected wave due to mismatching occurs, the matching unit need not be installed. Alternatively, the matching unit can be omitted by adjusting the antenna structure, the circuit constant of the microwave amplifier 22 and the cable 26 so that mismatching does not occur in advance. In this case, there is an advantage that the apparatus can be downsized and the cost can be reduced.
［アンテナ］
アンテナ２５には、例えば、モノポールアンテナやループアンテナあるいはパッチアンテナを用いることができる。モノポールアンテナの場合、空胴共振器１１の筐体や、マイクロ波供給口の筐体を接地面とし機能するよう、筐体とは絶縁体を介し空間内にアンテナ端部を露出する（図示せず）。ループアンテナの場合ループアンテナの端部は、図示しないが、空胴共振器壁面など接地電位と接続する。このアンテナ２５にマイクロ波（高周波）を印加することで、ループ内に磁界が励振され空胴共振器内に定在波を形成する形態とすることができる。
例えば、上記の円筒型の空胴共振器においてＴＭ１１０のシングルモード定在波を形成させた場合、中心軸Ｃにおいて、磁界強度が最大になり、中心軸Ｃ方向に磁界強度が均一になる。したがって、シート６において、その上面に存在する、又はシート自体である被加熱対象物を、均一に、高効率にマイクロ波加熱することが可能になる。
[antenna]
As the antenna 25, for example, a monopole antenna, a loop antenna, or a patch antenna can be used. In the case of a monopole antenna, the end of the antenna is exposed in space through an insulator so that the housing of the cavity resonator 11 and the housing of the microwave supply port function as a ground plane (see FIG. Not shown). In the case of a loop antenna, although not shown, the end of the loop antenna is connected to a ground potential such as a cavity wall surface. By applying a microwave (high frequency) to the antenna 25, a magnetic field is excited in the loop, and a standing wave can be formed in the cavity resonator.
For example, when the TM 110 single-mode standing wave is formed in the above cylindrical cavity resonator, the magnetic field strength is maximized in the central axis C, and the magnetic field strength is uniform in the direction of the central axis C. Therefore, the object to be heated existing on the upper surface of the sheet 6 or the sheet itself can be microwave-heated uniformly and efficiently.
＜制御系統＞
上記マイクロ波加熱装置１には、被加熱対象物のシート６の温度を測定する熱画像計測装置（サーモビュアー）４１若しくは、放射温度計（図示せず）が配されている。空胴共振器１１には、熱画像計測装置４１若しくは放射温度計（図示せず）によってシート６の温度分布を測定するための窓１５が配されている。熱画像計測装置４１によって測定されたシート６の温度分布の測定画像若しくは放射温度計によって計測された温度情報は、ケーブル４２を介して制御部４３に送信される。更に、空胴共振器１１の胴壁１１Ｓには電磁波センサ４４が配されている。電磁波センサ４４によって検出した空胴共振器１１内の電磁界エネルギーに応じた信号は、ケーブル４５を介して制御部４３に送信される。制御部４３は電磁波センサ４４の信号をもとに、空胴共振器１１内に発生させた定在波の形成状況（共振状況）を検知することができる。定在波が形成されている、つまり共振しているときは、電磁波センサ４４の出力が大きくなる。電磁波センサ４４の出力が極大となるよう、マイクロ波発生器の発振周波数を調整することで、空胴共振器１１の持つ共振周波数と一致するようマイクロ波周波数を制御することができる。被加熱対象物の状況（挿入状態、温度等）により共振周波数は変動するため、この制御は適切な間隔で行う必要がある。変化が速い場合、被加熱対象物の供給速度が速い場合は、供給速度が変動する場合は、１ミリ秒〜１秒の間隔で行うことが望ましい。被加熱対象物が固定されている場合や供給速度が変動しない場合など変化が小さい場合は、１０秒〜１分間隔でもよい。又は、加熱前に一度、共振周波数を求めておけば、その後、常時制御する必要がない場合もある。
<Control system>
The microwave heating device 1 is provided with a thermal image measuring device (thermo viewer) 41 or a radiation thermometer (not shown) for measuring the temperature of the sheet 6 to be heated. The cavity resonator 11 is provided with a window 15 for measuring the temperature distribution of the sheet 6 by a thermal image measuring device 41 or a radiation thermometer (not shown). The measurement image of the temperature distribution of the sheet 6 measured by the thermal image measurement device 41 or the temperature information measured by the radiation thermometer is transmitted to the control unit 43 via the cable 42. Further, an electromagnetic wave sensor 44 is disposed on the body wall 11S of the cavity resonator 11. A signal corresponding to the electromagnetic field energy in the cavity resonator 11 detected by the electromagnetic wave sensor 44 is transmitted to the control unit 43 via the cable 45. The control unit 43 can detect the formation state (resonance state) of the standing wave generated in the cavity resonator 11 based on the signal of the electromagnetic wave sensor 44. When a standing wave is formed, that is, resonates, the output of the electromagnetic wave sensor 44 is increased. By adjusting the oscillation frequency of the microwave generator so that the output of the electromagnetic wave sensor 44 is maximized, the microwave frequency can be controlled to coincide with the resonance frequency of the cavity resonator 11. Since the resonance frequency varies depending on the condition of the object to be heated (insertion state, temperature, etc.), it is necessary to perform this control at an appropriate interval. When the change is fast, when the supply speed of the object to be heated is high, and when the supply speed fluctuates, it is desirable to carry out at intervals of 1 millisecond to 1 second. When the change is small, such as when the object to be heated is fixed or when the supply speed does not vary, the interval may be 10 seconds to 1 minute. Alternatively, once the resonance frequency is obtained before heating, it may not be necessary to always control thereafter.
制御部４３では、検出された周波数に基づいて、空胴共振器１１内に一定の周波数の定在波が立つマイクロ波の周波数を、ケーブル４６を介してマイクロ波発生器２１にフィードバックする。このフィードバックに基づいて、制御部４３では、マイクロ波発生器２１から供給されるマイクロ波の周波数を精密に制御する。このようにして、空胴共振器１１内に定在波を安定して発生させることができる。したがって、定在波によって被加熱対象物のシート６を効率良く、高い再現性で、均一に加熱することができる。また、制御部４３では、マイクロ波増幅器２２にマイクロ波の出力を指示することによって、一定の出力のマイクロ波をアンテナ２５に供給できるように調整することができる。若しくは、マイクロ波増幅器２２の増幅率は変化させず、マイクロ波発生器２１とマイクロ波増幅器２２の間に設置した減衰器（図示せず）の減衰率を制御部４３の指示により調整することもできる。マイクロ波出力は、熱画像計測装置４１若しくは放射温度計の指示値をもとに、被加熱対象物を目的温度となるようフィードバック制御してもよい。マイクロ波発振器２１としてマグネトロンのような大出力を出せる装置を用いた場合は、マイクロ波発生器２１に対し、マイクロ波出力を調整するよう、制御部４３の指示を与えても良い。 Based on the detected frequency, the control unit 43 feeds back to the microwave generator 21 via the cable 46 the frequency of the microwave in which a standing wave having a constant frequency appears in the cavity resonator 11. Based on this feedback, the control unit 43 precisely controls the frequency of the microwave supplied from the microwave generator 21. In this way, a standing wave can be stably generated in the cavity resonator 11. Therefore, the sheet 6 to be heated can be efficiently heated by the standing wave with high reproducibility and uniformity. Further, the control unit 43 can be adjusted so that a microwave with a constant output can be supplied to the antenna 25 by instructing the microwave amplifier 22 to output a microwave. Alternatively, the amplification factor of the microwave amplifier 22 is not changed, and the attenuation factor of an attenuator (not shown) installed between the microwave generator 21 and the microwave amplifier 22 may be adjusted by an instruction from the control unit 43. it can. The microwave output may be feedback controlled so that the object to be heated becomes the target temperature based on the indication value of the thermal image measurement device 41 or the radiation thermometer. When a device capable of outputting a large output such as a magnetron is used as the microwave oscillator 21, the control unit 43 may be instructed to adjust the microwave output to the microwave generator 21.
電磁波センサ４４を用いない制御方法として、空胴共振器１１の反射波の大きさを測定しその値を利用してもよい。反射波の測定はアイソレータ２３から得られるアイソレーション量を用いることができる。若しくは、整合器２４（設置しない場合は、マイクロ波供給口に接続したケーブル２６Ｄ）とアイソレータ２３の間に設置する方向性結合器（図示せず）から得られる反射信号を用いることができる。反射波信号が極小となるよう、マイクロ波発生器の周波数を調整することで、空胴共振器１１へのマイクロ波のエネルギーを効率的に供給することができる。このとき、空胴共振器１１の共振周波数とマイクロ波発生器の周波数が一致している可能性が高い。ただし、この方法ではケーブル２６やアンテナ２５、導波管１４などでマイクロ波が消費されている可能性もあり、かならずしも共振周波数と一致していない場合もある。 As a control method not using the electromagnetic wave sensor 44, the magnitude of the reflected wave of the cavity resonator 11 may be measured and the value may be used. The measurement of the reflected wave can use the amount of isolation obtained from the isolator 23. Alternatively, a reflection signal obtained from a directional coupler (not shown) installed between the matching unit 24 (cable 26D connected to the microwave supply port when not installed) and the isolator 23 can be used. By adjusting the frequency of the microwave generator so that the reflected wave signal is minimized, the microwave energy can be efficiently supplied to the cavity resonator 11. At this time, there is a high possibility that the resonant frequency of the cavity resonator 11 and the frequency of the microwave generator match. However, in this method, there is a possibility that the microwave is consumed by the cable 26, the antenna 25, the waveguide 14, and the like, and there is a case where the microwave frequency does not always coincide with the resonance frequency.
＜被加熱対象物の加熱＞
本発明のマイクロ波加熱装置１では、被加熱対象物は、磁気損失のある材料又は磁気損失のある材料を含む複合材料であり、言い換えれば、磁性若しくは導電性を有する材料又は磁性若しくは導電性を有する材料を含む複合材料である。このような被加熱対象物は、空胴共振器１１内部の磁界強度に対応させて配される。特に、空胴共振器１１内に形成された定在波の磁界強度が極大になる部分に沿って配せば、より効率的な加熱が可能になる。具体的には、シート６が空胴共振器１１の中心軸Ｃを通るように、供給口１２から供給され排出口１３から排出される。
被加熱対象物は電界が極大となる部分を通過しないほうが望ましい。たとえば金属など導電性材料を電界中に配置すると、火花放電などが生じる可能性があり、被加熱対象物を損傷する恐れが生じる。図２（Ａ）に示すようＴＭ１１０モードの電界分布は、中心軸Ｃをとおる水平面（マイクロ波供給口１４が鉛直下側に配置した場合）は電界強度が極小となっている。この面に沿って被加熱対象物を配置、あるいは供給・排出すれば、被加熱対象物の電界による損傷を抑えることができる。なお、電界強度が極小となる領域としては、空胴共振器内の電界強度が最大のところの１／４が目安となる。
<Heating the object to be heated>
In the microwave heating apparatus 1 of the present invention, the object to be heated is a magnetic loss material or a composite material including a magnetic loss material, in other words, a magnetic or conductive material or a magnetic or conductive material. It is a composite material containing the material which has. Such an object to be heated is arranged corresponding to the magnetic field strength inside the cavity resonator 11. In particular, if the magnetic field strength of the standing wave formed in the cavity resonator 11 is disposed along the portion where the magnetic field strength is maximized, more efficient heating is possible. Specifically, the sheet 6 is supplied from the supply port 12 and discharged from the discharge port 13 so as to pass through the central axis C of the cavity resonator 11.
It is desirable that the object to be heated does not pass through a portion where the electric field is maximized. For example, when a conductive material such as metal is disposed in an electric field, spark discharge or the like may occur, and the object to be heated may be damaged. As shown in FIG. 2A, in the electric field distribution of the TM 110 mode, the electric field strength is minimal on a horizontal plane (when the microwave supply port 14 is arranged vertically below) passing through the central axis C. If the object to be heated is arranged, supplied, or discharged along this surface, damage to the object to be heated due to the electric field can be suppressed. Note that the region where the electric field strength is minimized is a quarter of the maximum electric field strength in the cavity resonator.
図１に示したマイクロ波加熱装置１においては、磁気損失若しくは導電性のある材料、又は磁気損失若しくは導電性のある材料を含む複合材料であれば、被加熱対象物に特に制限はなく、液体、固体、粉末及びそれらの混合物であっても加熱することができる。
被加熱対象物を液体、固体、粉末とした場合は、それらをシート上に配して搬送することで連続的に被加熱対象物の温度を制御することができる。本発明のマイクロ波加熱装置１はシート上の被加熱対象物を選択的に加熱することができる。例えば、基板上の半田を選択的に加熱することができる。また多くの化学反応は温度により反応の進行を制御することができるため、本発明のマイクロ波加熱装置１は化学反応の制御に用いることが好ましい。
被加熱対象物はそれ自体がシート形状を維持できるものであってもよい。例えば、被加熱対象物が繊維状の固体であれば、シート等の支持がなくても搬送が可能となる。
また、被加熱対象物を触媒とした場合には、後述するように、触媒の作用による化学反応を生じさせるために、本発明のマイクロ波加熱装置１を用いることができる。触媒は、シートに担持させた形態とすることも好ましい。
上記化学反応としては、転移反応、置換反応、付加反応、環化反応、還元反応、酸化反応、選択的触媒還元反応、選択的酸化反応、ラセミ化反応、開裂反応、接触分解反応（クラッキング）等が例示されるが、これらに限定されず種々の化学反応が挙げられる。
In the microwave heating apparatus 1 shown in FIG. 1, there is no particular limitation on an object to be heated as long as it is a magnetic loss or conductive material, or a composite material containing a magnetic loss or conductive material. Even solids, powders and mixtures thereof can be heated.
When the object to be heated is liquid, solid, or powder, the temperature of the object to be heated can be controlled continuously by arranging and conveying them on the sheet. The microwave heating apparatus 1 of the present invention can selectively heat an object to be heated on a sheet. For example, the solder on the substrate can be selectively heated. Moreover, since the progress of many chemical reactions can be controlled by temperature, the microwave heating apparatus 1 of the present invention is preferably used for controlling chemical reactions.
The object to be heated may itself be capable of maintaining the sheet shape. For example, if the object to be heated is a fibrous solid, it can be conveyed without support of a sheet or the like.
When the object to be heated is a catalyst, the microwave heating apparatus 1 of the present invention can be used to cause a chemical reaction by the action of the catalyst, as will be described later. It is also preferable that the catalyst be supported on a sheet.
Examples of the chemical reaction include transfer reaction, substitution reaction, addition reaction, cyclization reaction, reduction reaction, oxidation reaction, selective catalytic reduction reaction, selective oxidation reaction, racemization reaction, cleavage reaction, catalytic cracking reaction (cracking), etc. However, the present invention is not limited to these, and various chemical reactions may be mentioned.
本発明の化学反応方法において、反応時間、反応温度、反応基質、反応媒体等の条件は、目的の化学反応に応じて適宜に設定すればよい。例えば、化学ハンドブック（鈴木周一・向山光昭編、朝倉書店、２００５年）、マイクロ波化学プロセス技術ＩＩ（竹内和彦、和田雄二監修、シーエムシー出版、２０１３年）、特開２０１０−２１５６７７号公報等を参照し、化学反応条件を適宜に設定できる。 In the chemical reaction method of the present invention, the reaction time, reaction temperature, reaction substrate, reaction medium, and other conditions may be appropriately set according to the target chemical reaction. For example, Chemistry Handbook (Edited by Shuichi Suzuki and Mitsuaki Mukaiyama, Asakura Shoten, 2005), Microwave Chemical Process Technology II (supervised by Kazuhiko Takeuchi and Yuji Wada, CM Publishing, 2013), JP 2010-215677, etc. It is possible to refer to the chemical reaction conditions as appropriate.
図１に示した形態において、定在波の周波数は、空胴共振器１１内に定在波を形成できれば特に制限はない。上記マイクロ波供給口１４からマイクロ波を供給した場合、空胴共振器１１内に上述したＴＭ１１０モードの定在波が形成される周波数とすることができる。上記ＴＭ１１０モードの定在波の他には、例えばＴＭ２１０、ＴＭ３１０、ＴＭ４１０のモードが挙げられる。空胴共振器１１の中心軸Ｃに沿って磁界強度の極大部を効率的に形成できる点で、ＴＭ１１０の定在波であることが最も好ましい。また、被加熱対象物が導電性材料の場合は、電界が集中する部位に被加熱対象物が通過することが望ましくないため、磁界強度の極大部を通過する面上に電界強度が極小となる面が形成できるＴＭ１１０モードは特に好ましい。このように、電界強度が極小となる面に被加熱対象物を通すことによって、電界による被加熱対象物の破壊は生じない。
空胴共振器として立方体や中心軸に直角方向の断面が正方形の直方体を用いた場合、ＴＥ１０ｎ（ｎは２以上の整数）も同様に磁界強度の極大部を有する電磁波照射空間を形成することができる。
In the form shown in FIG. 1, the frequency of the standing wave is not particularly limited as long as the standing wave can be formed in the cavity resonator 11. When microwaves are supplied from the microwave supply port 14, the above-described TM 110 mode standing wave can be formed in the cavity resonator 11. In addition to the standing wave of the TM 110 mode, for example, modes of TM 210 , TM 310 , and TM 410 can be cited. The standing wave of TM 110 is most preferable in that the maximum portion of the magnetic field strength can be efficiently formed along the central axis C of the cavity resonator 11. In addition, when the object to be heated is a conductive material, it is not desirable for the object to be heated to pass through a portion where the electric field concentrates, so that the electric field strength is minimized on the surface passing through the maximum portion of the magnetic field strength. The TM 110 mode in which the surface can be formed is particularly preferred. In this way, by passing the object to be heated through the surface where the electric field strength is minimized, the object to be heated is not destroyed by the electric field.
When a cube or a rectangular parallelepiped having a cross section perpendicular to the central axis is used as the cavity resonator, TE 10n (n is an integer of 2 or more) similarly forms an electromagnetic wave irradiation space having a maximum magnetic field intensity. Can do.
ＴＭ１１０モードの定在波を形成させる手段は、空胴共振器１１内（マイクロ波照射空間）に被加熱対象物が挿入された状態で、常に円筒中心軸Ｃに沿って磁界の均一分布状態を維持するための、マイクロ波の周波数を制御する機構を有することが好ましい。若しくはマイクロ波照射空間の形状を制御する機構を有することが好ましい。 The means for forming a TM 110 mode standing wave is that the object to be heated is inserted into the cavity resonator 11 (microwave irradiation space) and the magnetic field is always uniformly distributed along the center axis C of the cylinder. It is preferable to have a mechanism for controlling the frequency of the microwave to maintain the above. Alternatively, it is preferable to have a mechanism for controlling the shape of the microwave irradiation space.
具体的には、マイクロ波の周波数を制御する機構は、被加熱対象物の挿入状態に応じて変動するＴＭ１１０モードの定在波に一致する共振周波数を検出し、その共振周波数と一致するマイクロ波を照射するものである。
ＴＭ１１０モードの共振状態においては、空胴共振器１１内に効率的にエネルギーが供給されている状態である。このとき、空胴共振器側壁に設置した電磁波センサ４４の出力は空胴共振器１１内のエネルギー強度に比例した信号を出力することから、この信号出量が極大となるように、マイクロ波発生器２１の発振周波数を調整すればよい。調整する方法として、マイクロ波発生器２１の発振周波数を一定範囲（一例として１００ＭＨｚ）で掃引すれば、共振周波数に一致するところで、電磁波センサ４４の出力にピークが生じるスペクトルを得ることができる。このスペクトルと、空胴共振器の形状等から導出される理論共振周波数とを見比べることで、ＴＭ１１０モードの共振周波数を同定可能となる。一度同定したのちは、その共振周波数近傍で定期的にマイクロ波発生器２１の発振周波数を狭い範囲（一例として５ＭＨｚ）で掃引すれば、被加熱対象物の変化（挿入量や温度等）による、ＴＭ１１０モード共振周波数の変化を追跡することができる。よって、つねに最適なマイクロ波照射条件を維持できることになる。共振周波数を追跡するための間隔や、掃引幅は、被加熱対象物の変化の速さや量（供給速度や、温度変化量、均一性）に応じて、適切に監視することが望ましい。
Specifically, the mechanism for controlling the frequency of the microwave detects a resonance frequency that matches the standing wave of the TM 110 mode that varies according to the insertion state of the object to be heated, and detects a resonance frequency that matches the resonance frequency. It irradiates waves.
In the resonance state of the TM 110 mode, energy is efficiently supplied into the cavity resonator 11. At this time, the output of the electromagnetic wave sensor 44 installed on the side wall of the cavity resonator outputs a signal proportional to the energy intensity in the cavity resonator 11, so that the microwave is generated so that the signal output amount is maximized. The oscillation frequency of the device 21 may be adjusted. As a method of adjustment, if the oscillation frequency of the microwave generator 21 is swept within a certain range (100 MHz as an example), a spectrum in which a peak occurs in the output of the electromagnetic wave sensor 44 can be obtained where the resonance frequency matches. By comparing this spectrum with the theoretical resonance frequency derived from the shape of the cavity resonator, the TM 110 mode resonance frequency can be identified. Once identified, if the oscillation frequency of the microwave generator 21 is periodically swept within a narrow range (for example, 5 MHz) in the vicinity of the resonance frequency, due to changes in the object to be heated (insertion amount, temperature, etc.), Changes in the TM 110 mode resonance frequency can be tracked. Therefore, the optimum microwave irradiation conditions can always be maintained. It is desirable to appropriately monitor the interval for tracking the resonance frequency and the sweep width according to the speed and amount of change of the object to be heated (supply speed, temperature change amount, uniformity).
空胴共振器内のエネルギー強度を計測するもう一つの方法として、マイクロ波照射用のアンテナ２５からの反射波の強度を利用する方法がある。この場合は、空胴共振器内のエネルギー強度が高い状態では、反射波が小さくなることを利用する。具体的には、反射波強度が極小になるよう、マイクロ波発生器の発振周波数を調整することになる。
ただし、反射波による方法では、空胴共振器以外に、アンテナ２５や整合器２４、マイクロ波照射口１４、ケーブル２６など、複数の要因による重ね合わせによって信号強度が変わってくる。精密な制御が必要な場合は、空胴共振器に直接とりつけた電磁波センサ４４を用いることが好ましい。
As another method for measuring the energy intensity in the cavity resonator, there is a method using the intensity of the reflected wave from the antenna 25 for microwave irradiation. In this case, it is utilized that the reflected wave becomes small in a state where the energy intensity in the cavity resonator is high. Specifically, the oscillation frequency of the microwave generator is adjusted so that the reflected wave intensity is minimized.
However, in the method using the reflected wave, the signal intensity changes due to superposition due to a plurality of factors such as the antenna 25, the matching unit 24, the microwave irradiation port 14, and the cable 26 in addition to the cavity resonator. When precise control is required, it is preferable to use the electromagnetic wave sensor 44 directly attached to the cavity resonator.
もう一つの、空胴共振器１１の共振周波数とマイクロ波発生器の発振周波数を一致させる方法として、マイクロ波照射空間の形状を変更し共振周波数を調整する方法がある。具体的には空胴共振空胴共振器内に誘電体又は金属片を挿入することで、共振周波数を調整することができる。例えば、空胴共振器１１内にセラミックやテフロン（登録商標）などマイクロ波吸収の少ない誘電体（図示せず）を挿入すると、その誘電率や挿入量に応じで、共振周波数が低い方向に変化する。誘電体の代わりにアルミニウムや銅などの金属片を挿入すると、共振周波数は高い方向に変化する。挿入量を自動調整する機構を用いれば、マグネトロンのようにマイクロ波発生器の発振周波数を変化できない場合においても、共振周波数とマイクロ波発生器の発振周波数を一致させることができる。
ただし、空胴共振器１１に誘電体や金属を挿入すると磁界が極大になる位置も、その挿入量・挿入位置に応じで移動する。このため、被加熱対象物を供給する位置を適切に管理することが望ましい。
Another method for matching the resonance frequency of the cavity resonator 11 and the oscillation frequency of the microwave generator is to change the shape of the microwave irradiation space and adjust the resonance frequency. Specifically, the resonance frequency can be adjusted by inserting a dielectric or a metal piece into the cavity resonance cavity resonator. For example, when a dielectric material (not shown) such as ceramic or Teflon (registered trademark) with little microwave absorption is inserted into the cavity resonator 11, the resonance frequency changes in a lower direction depending on the dielectric constant and the amount of insertion. To do. When a metal piece such as aluminum or copper is inserted instead of the dielectric, the resonance frequency changes in a higher direction. If a mechanism for automatically adjusting the amount of insertion is used, the resonance frequency and the oscillation frequency of the microwave generator can be matched even when the oscillation frequency of the microwave generator cannot be changed as in a magnetron.
However, the position where the magnetic field is maximized when a dielectric or metal is inserted into the cavity resonator 11 also moves according to the amount and position of insertion. For this reason, it is desirable to manage appropriately the position which supplies a to-be-heated target object.
上記のように、空胴共振器１１内のマイクロ波照射空間に対して、誘電体又は金属の挿入量を制御すること、又はＴＭ１１０モードの定在波に一致する共振周波数を調整する機構を具備することにより、マイクロ波発生器から照射されるマイクロ波の周波数と共振周波数を一致させることが好ましい。 As described above, a mechanism for controlling the insertion amount of the dielectric or metal in the microwave irradiation space in the cavity resonator 11 or adjusting the resonance frequency corresponding to the standing wave of the TM 110 mode. By providing, it is preferable to make the frequency of the microwave irradiated from the microwave generator coincide with the resonance frequency.
上記空胴共振器１１は、共振周波数がＩＳＭバンド内に収まるよう設計することが望ましい。共振周波数は被加熱対象物の温度変化や組成変化により変動するため、その変動域を考慮したうえでＩＳＭバンドに収まることが望ましい。「ＩＳＭ」は、Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｓｃｉｅｎｃｅ Ｍｅｄｉｃａｌの略であり、ＩＳＭバンドは、産業、科学、医療分野で汎用的に使うために割り当てられた周波数の帯域のことである。ただし、空胴共振器の開口部に電磁波漏洩対策手段（電磁波吸収体の設置、カットオフ周波数を考慮した開口部設計、チョーク構造の設置）を講じるか、シールド空間内に空胴共振器を設置するなど、空間への電磁波放射を抑制すれば、ＩＳＭバンドに制約されることはない。 The cavity resonator 11 is preferably designed so that the resonance frequency is within the ISM band. Since the resonance frequency varies depending on the temperature change and composition change of the object to be heated, it is desirable that the resonance frequency be within the ISM band in consideration of the fluctuation range. “ISM” is an abbreviation for Industry Science Medical, and the ISM band is a frequency band allocated for general use in the industrial, scientific, and medical fields. However, electromagnetic leakage countermeasures (installation of electromagnetic wave absorber, opening design considering cut-off frequency, installation of choke structure) are taken in the cavity resonator opening, or cavity resonator is installed in the shield space If the electromagnetic wave radiation to the space is suppressed, such as, the ISM band is not restricted.
上記のマイクロ波加熱装置１では、空胴共振器１１内にマイクロ波を供給して特定の定在波を形成させると、空胴共振器１１の中心軸Ｃにおいて磁界が発生しかつ当該磁界を極大とすることができ、また中心軸方向に磁界を均一に分布させることができる。このため、磁気損失のある材料又は磁気損失のある材料を含む複合材料の被加熱対象物を有するシート６を供給口１２から中心軸Ｃを通して排出口１３より排出させると、中心軸Ｃにおいて極大になっている磁界をシート６の幅方向に均一に照射することができる。このため、磁界の照射によって磁気損失のある材料が発熱する。
上記加熱では、シート６が紙で形成され、その紙上に磁気損失のある材料（導電性材料）からなる被加熱対象物が配されている場合、被加熱対象物は加熱されるが紙のシート６は加熱されない。一般的に紙は乾燥状態であっても水分を含んでおり、磁界を照射しても水分を含む紙には誘導電流が発生しないため、加熱されない。一方、被加熱対象物には誘導電流が発生するため、加熱される。このように、被加熱対象物を選択的に加熱することができる。
なお、円筒中心軸Ｃ部分は、電界強度が極小（図２（Ａ）の電界分布図参照）となり、かつ、磁界強度が極大（図２（Ｂ）の磁界分布図参照）となる。
In the microwave heating apparatus 1 described above, when a microwave is supplied into the cavity resonator 11 to form a specific standing wave, a magnetic field is generated at the central axis C of the cavity resonator 11 and the magnetic field is generated. The maximum value can be obtained, and the magnetic field can be uniformly distributed in the central axis direction. For this reason, when the sheet 6 having the object to be heated of the material having magnetic loss or the composite material containing the material having magnetic loss is discharged from the discharge port 13 through the central axis C from the supply port 12, the maximum is obtained in the central axis C. The formed magnetic field can be uniformly irradiated in the width direction of the sheet 6. For this reason, a material with magnetic loss generates heat by irradiation with a magnetic field.
In the heating described above, when the sheet 6 is formed of paper and a heated object made of a material having a magnetic loss (conductive material) is disposed on the paper, the heated object is heated, but the sheet of paper 6 is not heated. In general, paper contains moisture even in a dry state, and even when irradiated with a magnetic field, the paper containing moisture does not generate an induced current and is not heated. On the other hand, since an induced current is generated in the object to be heated, it is heated. In this way, the object to be heated can be selectively heated.
The cylindrical central axis C has a minimum electric field strength (see the electric field distribution diagram in FIG. 2A) and a maximum magnetic field strength (see the magnetic field distribution diagram in FIG. 2B).
上記説明したように、マイクロ波加熱装置１は、例えばＴＭ１１０モードの定在波を形成する円筒型の空胴共振器１１を使用することによって、中心軸Ｃに磁界が集中するため、磁界の極大域となり、中心軸方向に磁界強度が均一になる。このため、中心軸Ｃを通る被加熱対象物の温度制御性（均一性）が高くなる。また、定在波を形成するマイクロ波の周波数、出力を制御することによって、常に一定の定在波を形成することができるため、より温度制御性が向上し、更に均一な加熱を実現できる。 As described above, the microwave heating apparatus 1 uses the cylindrical cavity resonator 11 that forms a standing wave of TM 110 mode, for example, so that the magnetic field is concentrated on the central axis C. It becomes a maximum region, and the magnetic field strength becomes uniform in the central axis direction. For this reason, the temperature controllability (uniformity) of the heated object passing through the central axis C is increased. In addition, by controlling the frequency and output of the microwave that forms the standing wave, a constant standing wave can always be formed, so that the temperature controllability can be further improved and more uniform heating can be realized.
電磁波センサ４４によって定在波の周波数を正確に検出することができる。そのため、検出した定在波の周波数をマイクロ波発生器２１にフィードバックして、マイクロ波発生器２１から供給されるマイクロ波の周波数を精密に制御することができる。このようにして、空胴共振器１１内に安定して定在波を発生させることができる。したがって、定在波によって被加熱対象物を効率良く、均一に加熱することができ、かつ、空胴共振器内の定在波の形成状態を安定的に維持することができる。 The electromagnetic wave sensor 44 can accurately detect the frequency of the standing wave. Therefore, the detected frequency of the standing wave is fed back to the microwave generator 21 so that the frequency of the microwave supplied from the microwave generator 21 can be precisely controlled. In this way, a standing wave can be stably generated in the cavity resonator 11. Therefore, the object to be heated can be efficiently and uniformly heated by the standing wave, and the formation state of the standing wave in the cavity resonator can be stably maintained.
以下に、本発明を実施例に基づいてさらに詳細に説明するが、本発明はこれらに限定して解釈されるものではない。 Hereinafter, the present invention will be described in more detail based on examples, but the present invention should not be construed as being limited thereto.
［実施例１〜３］
実施例１〜３のそれぞれは、表１示す市販されている表面抵抗率の異なる幅８ｃｍの樹脂製シート材を測定試料とした。実施例１はシート材の基材がポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）の透明導電性シート（スタクリアーＮＣＦ）を用いた。実施例２はシート材の基材がポリオレフィンの導電袋（カーボンブラック添加）を用いた。実施例３はシート材の基材がＰＥＴの静電気防止アルミ蒸着バッグを用いた。そして図１に示したマイクロ波加熱装置１を用いて、円筒型の空胴共振器１１の幅１０ｃｍの磁界照射空間内に、各シート材を固定し、磁界加熱及び誘電加熱を実施した。磁界加熱には、ＴＭ１１０モードの定在波を形成させ、誘電加熱には、ＴＭ０１０モードの定在波を形成させ、中心軸に沿って各測定試料を固定した。磁界加熱及び誘電加熱共に、マイクロ波の周波数は２．３〜２．７ＧＨｚの範囲にて、マイクロ波の出力は０〜１００Ｗの範囲にて実施した。なお、実施例４〜７及び比較例においても同様である。
[Examples 1 to 3]
In each of Examples 1 to 3, a commercially available resin sheet material having a width of 8 cm with different surface resistivity shown in Table 1 was used as a measurement sample. In Example 1, a transparent conductive sheet (Staclear NCF) in which the base material of the sheet material was polyethylene terephthalate (PET) was used. In Example 2, a conductive bag (carbon black added) in which the base material of the sheet material was polyolefin was used. In Example 3, an antistatic aluminum vapor deposition bag in which the base material of the sheet material is PET was used. Then, using the microwave heating apparatus 1 shown in FIG. 1, each sheet material was fixed in a magnetic field irradiation space having a width of 10 cm of the cylindrical cavity resonator 11, and magnetic field heating and dielectric heating were performed. A TM 110 mode standing wave was formed for the magnetic field heating, and a TM 010 mode standing wave was formed for the dielectric heating, and each measurement sample was fixed along the central axis. Both the magnetic field heating and the dielectric heating were performed in a microwave frequency range of 2.3 to 2.7 GHz and a microwave output range of 0 to 100 W. The same applies to Examples 4 to 7 and Comparative Examples.
［比較例１］
一方、比較例１として、シート材の基材がポリプロピレン（ＰＰ）の導電性ファイルを用いた。それぞれのシートの厚さ、表面抵抗率は表１に記載した通りである。
実施例１〜３及び比較例１の加熱結果を表１に示した。
[Comparative Example 1]
On the other hand, as Comparative Example 1, a conductive file in which the base material of the sheet material was polypropylene (PP) was used. The thickness and surface resistivity of each sheet are as described in Table 1.
The heating results of Examples 1 to 3 and Comparative Example 1 are shown in Table 1.
実施例１〜３の表面抵抗率の小さい（１０８Ω／□以下）樹脂製シート材は、一般的に用いられる誘電加熱では加熱はできない。一方で、磁界加熱では加熱できることが分かった。なお、誘電加熱及び磁界加熱の可否は、前述の段落［００３３］に記載した方法により、ＴＭ０１０モード（誘電加熱の可否）あるいはＴＭ１１０モード（磁界加熱の可否）の共振周波数が検出できるか調べることで判断した。 The resin sheet materials of Examples 1 to 3 having a small surface resistivity (10 8 Ω / □ or less) cannot be heated by generally used dielectric heating. On the other hand, it turned out that it can heat by magnetic field heating. Whether dielectric heating or magnetic field heating is possible is determined by the method described in paragraph [0033] above to determine whether the resonance frequency of TM 010 mode (whether dielectric heating is possible) or TM 110 mode (whether magnetic field heating is possible) can be detected. Judged by.
［実施例４］
次に、実施例４は、上記実施例３で用いた静電気防止アルミ蒸着バッグの幅８ｃｍのシート材を測定試料とした。その測定試料を、幅１０ｃｍの磁界照射（反応）空間内に０．２ｃｍ／ｓの速度で移動させながら、加熱した時のシート材の温度変化、及び、マイクロ波加熱装置１の入射波と反射波、共振周波数の変化を、電磁波センサにて測定した。電磁波センサには、ループアンテナを用いダイオードによる整流回路により直流信号として計測できるものを用いた。温度測定には、ジャパンセンサー製の放射温度計ＴＭＨＸ−ＣＮ０５００を用いてシート中心部の温度を測定した。この磁界加熱には、ＴＭ１１０モード用の空胴共振器を用いたうえ、ＴＭ１１０モードの定在波を形成させ、中心軸に沿って測定試料を固定した。その結果を図３に示した。設定温度である８０℃に対して、８０±１℃で安定して温度は推移した。また、熱画像計測装置４１を用いてシート材の幅方向の温度分布を測定した結果、シート全体が均質に加熱されていることが確認された（図４参照）。
[Example 4]
Next, in Example 4, a sheet material having a width of 8 cm of the antistatic aluminum vapor deposition bag used in Example 3 was used as a measurement sample. While the measurement sample was moved into a magnetic field irradiation (reaction) space having a width of 10 cm at a speed of 0.2 cm / s, the temperature change of the sheet material when heated, and the incident wave and reflection of the microwave heating apparatus 1 Changes in waves and resonance frequency were measured with an electromagnetic wave sensor. An electromagnetic wave sensor that can be measured as a DC signal by a rectifier circuit using a diode using a loop antenna was used. For temperature measurement, the temperature at the center of the sheet was measured using a radiation thermometer TMHX-CN0500 manufactured by Japan Sensor. For this magnetic field heating, a TM 110 mode cavity resonator was used, a TM 110 mode standing wave was formed, and the measurement sample was fixed along the central axis. The results are shown in FIG. The temperature was stable at 80 ± 1 ° C. with respect to the set temperature of 80 ° C. Moreover, as a result of measuring the temperature distribution in the width direction of the sheet material using the thermal image measuring device 41, it was confirmed that the entire sheet was heated uniformly (see FIG. 4).
［実施例５〜６］
実施例５は、表２に示した市販されている幅８ｃｍのシート状の導電性ガラスを測定試料とした。実施例６は、表２に示した市販されている幅８ｃｍのシート状の導電性シリコンゴム（カーボン混合）を測定試料とした。そして、図１に示したマイクロ波加熱装置１を用いて、それらの測定試料を、幅１０ｃｍの空胴共振器内に固定し、磁界加熱及び誘電加熱した。一方。比較例５、６は、実施例５、６において、加熱方法を磁界加熱から誘電加熱に変えた以外、実施例５及び６と同様の試料を用いた。磁界加熱には、ＴＭ１１０モード用の空胴共振器を用いたうえＴＭ１１０モードの定在波を形成させ、誘電加熱には、ＴＭ０１０モード用の空胴共振器を用いたうえＴＭ０１０モードの定在波を形成させ、中心軸に沿って各測定試料を固定した。
その加熱結果を表２に示した。
[Examples 5 to 6]
In Example 5, a commercially available sheet-like conductive glass having a width of 8 cm shown in Table 2 was used as a measurement sample. In Example 6, a commercially available sheet-like conductive silicon rubber (carbon mixture) having a width of 8 cm shown in Table 2 was used as a measurement sample. Then, using the microwave heating apparatus 1 shown in FIG. 1, these measurement samples were fixed in a cavity resonator having a width of 10 cm, and magnetic field heating and dielectric heating were performed. on the other hand. In Comparative Examples 5 and 6, the same samples as in Examples 5 and 6 were used except that the heating method was changed from magnetic field heating to dielectric heating in Examples 5 and 6. For magnetic heating, a TM 110 mode cavity resonator is used and a TM 110 mode standing wave is formed. For dielectric heating, a TM 010 mode cavity resonator is used and TM 010 mode is used. A standing wave was formed and each measurement sample was fixed along the central axis.
The heating results are shown in Table 2.
その結果、一般的に用いられる誘電加熱では加熱はできないことがわかった。一方で、磁界加熱では加熱できることが分かった。樹脂製シート材の加熱と同様に、誘電加熱及び磁界加熱の可否は、本マイクロ波加熱装置にてマイクロ波の定在波が形成されるかどうかで確認した。更に、マイクロ波出力を変えて導電性ガラス及び導電性シリコンゴムを加熱した結果を、それぞれ図５及び図６に示した。放射温度計を用いてシート中心部の温度測定を行った結果、マイクロ波出力が高くなると到達温度も高くなることが確認された。 As a result, it was found that heating cannot be performed by generally used dielectric heating. On the other hand, it turned out that it can heat by magnetic field heating. As in the case of heating the resin sheet material, whether or not dielectric heating and magnetic field heating were possible was confirmed by whether or not a microwave standing wave was formed by this microwave heating apparatus. Further, the results of heating the conductive glass and conductive silicon rubber while changing the microwave output are shown in FIGS. 5 and 6, respectively. As a result of measuring the temperature at the center of the sheet using a radiation thermometer, it was confirmed that the ultimate temperature increased as the microwave output increased.
［実施例７］
導電性ペーストを加熱した。
実施例７は、石英ガラス上に導電性銀ペースト（トーヨーケム株式会社製 製品名ＲＥＸＡＬＰＨＡ）を７５ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍに塗布して、測定試料を作製した。塗布１０分後に、図１に示したマイクロ波加熱装置１を用いて磁界加熱を行った。磁界加熱には、ＴＭ１１０モードの定在波を形成させた。測定試料は、マイクロ波加熱装置１の磁界照射空間内の中心部（中心軸Ｃを含む）に設置し、磁界加熱にて到達温度１３０℃で５分間加熱を行った。加熱時のペースト塗布部の温度変化及びマイクロ波加熱装置の入射波と反射波、共振周波数の変化を図７に示した。それらの測定には電磁波センサを用いた。電磁波センサには、ループアンテナを用いた。温度は連続的に上昇し、誘電加熱においては懸念される導電性ペーストのスパークによる急激な温度上昇は、磁界加熱においては生じなかった。熱画像計測装置４１を用いて、加熱時のペースト塗布部全体の温度分布を測定した結果、均質に加熱されていることが確認された（図８）。また、図９に示す磁界加熱前（（Ａ）図参照）と加熱後（（Ｂ）図参照）の各試験片の外観において、スパークによる異常加熱部は見られなかった。
[Example 7]
The conductive paste was heated.
In Example 7, a conductive silver paste (product name REXALPHA, manufactured by Toyochem Co., Ltd.) was applied to quartz glass in a size of 75 mm × 10 mm and a thickness of 0.05 mm to prepare a measurement sample. Ten minutes after application, magnetic field heating was performed using the microwave heating apparatus 1 shown in FIG. For magnetic field heating, a standing wave of TM 110 mode was formed. The measurement sample was placed at the center (including the central axis C) in the magnetic field irradiation space of the microwave heating apparatus 1 and heated for 5 minutes at an ultimate temperature of 130 ° C. by magnetic field heating. FIG. 7 shows changes in the temperature of the paste application part during heating, and changes in the incident wave, reflected wave, and resonance frequency of the microwave heating apparatus. An electromagnetic wave sensor was used for these measurements. A loop antenna was used for the electromagnetic wave sensor. The temperature rose continuously, and the rapid temperature rise due to the spark of the conductive paste, which is a concern in dielectric heating, did not occur in magnetic field heating. As a result of measuring the temperature distribution of the entire paste application part during heating using the thermal image measuring device 41, it was confirmed that the paste was heated uniformly (FIG. 8). Moreover, in the external appearance of each test piece before the magnetic field heating shown in FIG. 9 (see FIG. (A)) and after the heating (see FIG. (B)), no abnormally heated portion due to spark was found.
［比較例７］
比較例７は、実施例７と同様な測定試料を作製した。その測定試料に対して、電気炉にて１３０℃で５分間及び３０分間の加熱を行い、ペースト塗布面内５か所の電気抵抗率を測定した結果を表３に示した。
[Comparative Example 7]
In Comparative Example 7, a measurement sample similar to that in Example 7 was produced. Table 3 shows the results obtained by heating the measurement sample in an electric furnace at 130 ° C. for 5 minutes and 30 minutes and measuring the electrical resistivity at five locations within the paste coating surface.
マイクロ波の磁界加熱を施した測定試料の電気抵抗率は５か所共にほぼ同じ値を示し、塗布面全体が均質に加熱されているといえる。電気炉加熱の結果と比較すると、磁界加熱による試験片の方が電気抵抗率を低くすることができ（導電性を高めることができ）、加熱効率にも優れることがわかる。 The electrical resistivity of the measurement sample subjected to microwave magnetic field heating shows almost the same value at all five locations, and it can be said that the entire coated surface is heated uniformly. Compared with the result of the electric furnace heating, it can be seen that the test piece by magnetic field heating can lower the electrical resistivity (can increase the conductivity) and is excellent in heating efficiency.
［比較例８］
また、比較例８は、石英ガラス上に導電性銀ペースト（トーヨーケム株式会社製 製品名ＲＥＸＡＬＰＨＡ）を１５ｍｍ×４ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍで塗布して、測定試料とした。塗布１０分後に空胴共振器内の中心部（中心軸Ｃを含む）に設置し、ＴＭ０１０モードの定在波を形成して誘電加熱を行った。加熱時のペースト塗布部の温度変化及び、マイクロ波加熱装置の入射波と反射波、共振周波数の変化を図１０に示した。温度は約６０℃まで上昇し、それ以降は徐々に低下し、温度低下と共に共振周波数は上昇した。１００秒の誘電加熱を終えた後の試験片の電気抵抗率は０．１３Ω・ｃｍであり、磁界加熱と比較して導電性が劣っていることを確認した。導電性ペーストの誘電加熱では、導電性が高くなるにつれてマイクロ波の吸収が低下し、加熱が困難になると考えられる。
[Comparative Example 8]
In Comparative Example 8, a conductive silver paste (product name REXALPHA, manufactured by Toyochem Co., Ltd.) was applied to quartz glass in a size of 15 mm × 4 mm and a thickness of 0.05 mm to obtain a measurement sample. Was placed in the center of the cavity resonator applied after 10 minutes (including the center axis C), it was subjected to dielectric heating to form a standing wave of TM 010 mode. FIG. 10 shows changes in the temperature of the paste application part during heating, and changes in the incident wave, reflected wave, and resonance frequency of the microwave heating apparatus. The temperature rose to about 60 ° C., and then gradually decreased, and the resonance frequency increased as the temperature decreased. The electrical resistivity of the test piece after 100 seconds of dielectric heating was 0.13 Ω · cm, and it was confirmed that the conductivity was inferior compared to magnetic field heating. In the dielectric heating of the conductive paste, it is considered that the microwave absorption decreases as the conductivity increases, and heating becomes difficult.
[実施例９−１１]
半導体材料として用いられるシリコン基板（高純度化学研究所製 製品名：シリコン、１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ１ｍｍ）、窒化ガリウム基板（高純度化学研究所製 製品名：窒化ガリウム、１０ｍｍ×１０ｍｍ、厚さ２ｍｍ）、窒化アルミニウム基板（高純度化学研究所製 製品名：窒化アルミニウム（円柱状）、直径１０ｍｍ、厚さ２ｍｍ）を図１に示すマイクロ波加熱装置１を用いて、加熱を行った。本加熱には図１に示す供給部３１は用いず、シート（被加熱対象物）６と同じ位置に、被加熱対象物となる基板を保持するためのポリイミドフィルム（厚さ１２５μｍ）を設置した。なおポリイミドフィルムは、磁性材料でもなく導電性材料でもないためマイクロ波による加熱が生じない。基板は空胴共振器１１の中心軸位置に一致するようポリイミドフィルム上に配置し、ＴＭ１１０モードの定在波を形成できるよう所定のマイクロ波電力をマイクロ波供給口１４から供給した。実施条件及び結果を表４に示す。また、図１１はシリコン基板にマイクロ波電力１００Ｗを供給したときの基板の表面温度を放射温度計（ジャパンセンサー製、ＴＭＨＸ−ＣＮ０５００）により計測した結果を示す。３０℃から３１秒後には３００℃に加熱できていることがわかった。このことは、半導体材料の加熱操作が適切であることを示している。同様に窒化ガリウム基板では１００Ｗのマイクロ波照射によって３０℃から２５秒後には３００℃に加熱することができ、窒化アルミニウム基板では１００Ｗのマイクロ波照射によって３０℃から３００秒後には５６℃に加熱することができた。
[Example 9-11]
Silicon substrate used as a semiconductor material (Product name: High purity chemical research laboratory product name: Silicon, 10 mm × 10 mm, thickness 1 mm), Gallium nitride substrate (Product name: High purity chemical research laboratory product name: Gallium nitride, 10 mm × 10 mm, thickness) 2 mm) and an aluminum nitride substrate (product name: aluminum nitride (columnar shape), diameter 10 mm, thickness 2 mm, manufactured by High Purity Chemical Laboratory) were heated using the microwave heating apparatus 1 shown in FIG. For the main heating, the supply unit 31 shown in FIG. 1 is not used, and a polyimide film (thickness: 125 μm) for holding the substrate to be heated is installed at the same position as the sheet (heated object) 6. . Note that the polyimide film is neither a magnetic material nor a conductive material, so that heating by microwaves does not occur. The substrate was placed on the polyimide film so as to coincide with the center axis position of the cavity resonator 11, and predetermined microwave power was supplied from the microwave supply port 14 so as to form a TM 110 mode standing wave. The implementation conditions and results are shown in Table 4. Moreover, FIG. 11 shows the result of having measured the surface temperature of the board | substrate when microwave power 100W is supplied to a silicon substrate with the radiation thermometer (The Japan sensor, TMHX-CN0500). It was found that after 30 seconds from 30 ° C., heating to 300 ° C. was possible. This indicates that the heating operation of the semiconductor material is appropriate. Similarly, a gallium nitride substrate can be heated to 300 ° C. after 30 seconds from 30 ° C. by irradiation with 100 W microwave, and an aluminum nitride substrate can be heated to 56 ° C. after 30 seconds to 300 seconds by irradiation with 100 W microwave. I was able to.
１ マイクロ波加熱装置
６ シート（被加熱対象物）
１１ 空胴共振器
１２ 供給口
１３ 排出口
１４ マイクロ波供給口（同軸導波管変換器型マイクロ波供給口）
２１ マイクロ波発生器
２２ マイクロ波増幅器
２３ アイソレータ
２４ 整合器
２５ アンテナ
２６ ケーブル
３１ 供給部
３１Ａ 供給側搬送部
３１Ｂ 送り出し側搬送部
４１ 熱画像計測装置
４２、４５、４６ ケーブル
４２ 制御器
４４ 電磁波センサ
Ｃ 空胴中心軸（中心軸）
1 Microwave heating device 6 Sheet (object to be heated)
11 Cavity resonator 12 Supply port 13 Discharge port 14 Microwave supply port (coaxial waveguide converter type microwave supply port)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 21 Microwave generator 22 Microwave amplifier 23 Isolator 24 Matching device 25 Antenna 26 Cable 31 Supply part 31A Supply side conveyance part 31B Delivery side conveyance part 41 Thermal image measuring device 42, 45, 46 Cable 42 Controller 44 Electromagnetic wave sensor C Sky Trunk center axis (center axis)
Claims (11)
前記空胴共振器内の磁界のエネルギー分布が均一な空間に、磁性体、磁気損失のある材料若しくは導電性のある材料の被加熱対象物、又は、磁性体、磁気損失のある材料若しくは導電性のある材料を含む複合材料の被加熱対象物を、該空胴共振器の磁界強度が極大かつ均一になる磁界照射空間を通るように供給する供給部を備え、
前記供給部によって供給された前記被加熱対象物を前記磁界照射空間にて加熱するマイクロ波加熱装置。 A cavity resonator serving as a microwave irradiation space of a cylindrical tube or a polygonal tube type in which two surfaces facing each other centering on a tube center axis excluding a tube shape having a rectangular cross section perpendicular to the tube center axis;
In a space where the energy distribution of the magnetic field in the cavity is uniform, the object to be heated of a magnetic substance, a magnetic loss material or a conductive material, or a magnetic substance, a magnetic loss material or a conductivity A supply unit that supplies an object to be heated of a composite material including a certain material through a magnetic field irradiation space in which the magnetic field strength of the cavity resonator is maximized and uniform;
The microwave heating apparatus which heats the said to-be-heated object supplied by the said supply part in the said magnetic field irradiation space.
前記磁界照射空間は、前記空胴共振器の筒中心軸に沿う空間である請求項１又は２に記載のマイクロ波加熱装置。 The standing wave formed inside the microwave irradiation space is TM 110 mode,
The microwave heating apparatus according to claim 1 or 2, wherein the magnetic field irradiation space is a space along a cylinder central axis of the cavity resonator.
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