JP5877448B2 - マイクロ波を応用した加熱装置 - Google Patents
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Description
このように生産された炭素繊維は、自動車などの部品材料として使用されている。
また、上記の炭素繊維は、2000℃〜2500℃の黒鉛化炉を用いて不活性雰囲気の中で熱処理することで黒鉛繊維が生産される。
この黒鉛繊維は、航空機などの部品材料として使用されている。
図10は従来の加熱炉の要部断面を示した概略構成図、図11は図10上のA−A線拡大断面図である。
この加熱炉1は、入口部3から供給した糸状のワーク(耐炎繊維または炭素繊維)9を加熱筒体5内に通し、出口部4から引き出すことで、ワーク9を所定の高温に加熱し、続いて、ワーク9を冷却装置(図示せず)で冷却し、炭素繊維または黒鉛繊維を生産する。
そして、加熱筒体5の上下位置には、多数の電気ヒータ7が配列されており、電気ヒータ7を通電して発熱させ、その輻射熱で加熱筒体5を加熱昇温させる。
したがって、加熱筒体5の加熱温度が電気抵抗発熱体7aの発熱によって上昇するため、ワーク9が加熱筒体5からの輻射熱等により加熱され、必要な熱処理が行われる。
そして、加熱筒体5が得るエネルギーは、加熱筒体5と電気抵抗発熱体7aとの形状とこれらの配置にも影響される。
この加熱炉は、炉体と、炉体内を走行する搬送装置(ベルトコンベア)と、炉内にマイクロ波電力を照射するマイクロ波照射装置と、不活性ガス流通装置とから構成され、これらに関連して温度制御装置、冷却装置が設けられている。
この加熱炉は、原料繊維を収容した容器をベルトコンベアに乗せて炉体内を移送し、原料繊維にマイクロ波電力を照射する。
したがって、マイクロ波電力の照射で加熱され炭化繊維となった被加熱物が出口から排出され、続いて、冷却装置で冷却される。
このような容器を多数準備して順次炉体内に送り込むことによって炭素繊維を得ることができる。
すなわち、電極7cは銅材などの電気良導体が使われている関係で、電気抵抗発熱体7aの高熱が発熱体端子部7bを通って熱伝搬することにより高温となるために、銅材などの溶融を防ぐため電極7cを水等で冷却している。
したがって、この種の加熱炉1は、電極7cにおいて水等で冷却される熱量が無駄となる。
この無駄となる熱量は、電気ヒータ7に給電される全電力の30%以上に相当すると言われている。
一般的に、省電力を考えた電気ヒータ構造の炭素繊維製造炉でも、投入した全電気エネルギーに対し、製品の加熱に寄与するエネルギーは45%程度と言われている。
通常、マイクロ波を使用した加熱炉は、炉の形状寸法と使用するマイクロ波電力の周波数に応じて、マイクロ波電力のいろいろな共振モードが発生する。
そのため、マイクロ波電力の電磁界密度は炉体内で複雑に分布している。
しかしながら、例えば、容器を用いず、原料繊維を一本一本並べて炉体内を通すような場合、つまり、炉体内に12000本の原料繊維を水平に並べて通す場合には、それぞれの原料繊維が炉体内を通過する際に得るマイクロ波エネルギー量が一本一本異なるので、炭素繊維ができたとしても、その品質が大きくばらつき、良質な炭素繊維を得ることができない。
ワークはこのように温度上昇した加熱筒体内を通すことで加熱処理する。
すなわち、この発明では、マイクロ波を応用した加熱装置であるが、ワークをマイクロ波電力の照射で加熱するのではなく、加熱筒体内の輻射熱によって加熱処理することを特徴としている。
この結果、PAN系繊維やピッチ系繊維を前処理したワークが加熱筒体内で均一加熱されるので、高品質の炭素繊維や黒鉛繊維などの生産が可能になる。
図1は、800℃を超える温度でも安定した形状を保ち、マイクロ波電力を吸収して発熱する材料を実験により求めた特性図である。
この特性図において、横軸はマイクロ波照射時間、縦軸は材料温度を示し、特性100Aは黒鉛材料の温度特性、特性100Bは炭化珪素材料の温度特性、特性100Cは炭化珪素粉末の焼成体の温度特性である。
なお、炭化珪素粉末の焼成体は、炭化珪素の粉末、無機バインダ、有機気孔剤を混合して形成した成形物を焼成して得た焼成体(見掛気孔率45%)である。
また、炭化珪素材料に1kWのマイクロ波電力を9分間照射したところ、200℃程度に温度上昇した。
さらに、炭化珪素粉末の焼成体に、1kWのマイクロ波電力を9分間照射したところ、900℃を超える温度に昇温した。
H:磁界
ω:角周波数(2πf)
f:周波数
σ:導電率
ε”:複素誘電率の虚数部(ε0・εr・tanδ)
μ”:複素透磁率の虚数部(μ0・μr・tanδ’)
この式(1)より分かるように、炭化珪素材料や黒鉛材料のマイクロ波電力の吸収については、この式(1)の導電率σに関する第1項から知ることができる。
すなわち、ωを角周波数、μを物質の透磁率、σを物質の導電率とすると、表皮の深さδは次式(2)で表される。
ただ、磁性材料も高温になると磁性を失うので、高温で使用する加熱炉の場合には、導電率σだけで表皮の深さδを評価した方が安全である。
一般に、導電率が106S/m以上の材料を導体(良導体)、導電率が10−6S/m以下の材料を不導体(絶縁材)、その中間を半導体と分類する。
マイクロ波電力を遮蔽するのに必要な減衰率を100dBとすれば、表皮の深さδが1.02mmの材料は、表皮の深さδの約12倍、すなわち、約12mmの厚さで減衰率が100dBになる。
このことから、12mmの厚さがあれば、マイクロ波電力を充分に遮蔽することができる。
したがって、本発明では、2.45GHz帯のマイクロ波電力を考えればよいので、100S/m以上の材料を便宜上マイクロ波遮蔽材と定義する。
したがって、炭化珪素材料や黒鉛材料は、マイクロ波遮蔽材として充分に満足できる材料である。
また、既に述べた通り、黒鉛材料や炭化珪素材料は、導電率が100S/m以上であるから、マイクロ波電力を遮蔽する材料となる。
したがって、黒鉛材料も炭化珪素材料も1500℃を超える高温でも安定して形状を保ちマイクロ波遮蔽機能を持つ材料であるから、加熱炉内の筐体を形成する材料としても使用することができる。
つまり、加熱炉本体などの筐体を磁性材で形成すると、ジュール損とヒステリシス損の両方で筐体が発熱するので、マイクロ波発熱体に照射するマイクロ波電力が低下する。
したがって、例えば、黒鉛板、C/Cコンポジット板、炭化珪素板などは、非磁性材で100S/m以上の材料であるので、マイクロ波電力を閉じ込める加熱炉本体などの筐体を形成する材料に適する。
また、炭化珪素板は不活性雰囲気中だけでなく、空気中でも安定した形状を維持できるので、大気中で高温になる部品の材料としても使用することができる。
なお、炭素系材料のC/Cコンポジットや炭素質材料も導電率は10000S/m以上の材料である。
なお、モース硬度によれば、炭化珪素が9に対し、黒鉛が0.5〜1.0であるので、例えば、炭素繊維のような傷つき易いワークの場合は、黒鉛を使った加熱筒体が適している。
すなわち、塊状の炭化珪素材料は、200℃程度であるが、炭化珪素粉末の焼成体は900℃を超えている。
そして、塊状の炭化珪素材と炭化珪素粉末の焼成体とを比較すると、マイクロ波電力が浸透できる深さまでに存在する炭化珪素材の総体積が粒子状の方が非常に大きいために、炭化珪素の粉末内部に誘起されたマイクロ波電流によるジュール損が大きくなり、効率良く発熱昇温するものと考えられる。
すなわち、炭化珪素の粒子サイズが約0.8mm以下の粒子(詳しくは、3方向(X面、Y面、Z面)から見た粒子において、1つの面で見た粒子サイズが、表皮の深さδの約2倍以下の粒子)であれば、表面から進入したマイクロ波電力が粒子全体に浸透して発熱に寄与するので、高い発熱効率が得られる。
そして、この焼成体には、必ずしも有機気孔剤は混合しなくともよいが、有機気孔剤を混合して形成することで、焼成過程で有機気孔剤が気化してできる気孔がマイクロ波電力のさらなる浸透を助けるだけでなく、断熱性(保温性)を高めるので、マイクロ波発熱体としてさらに適したものとなる。
なお、このような混合焼成体を使用してマイクロ波発熱体を形成する場合は、必ずしも有機気孔剤を用いる必要はない。
また、このように実施する混合焼成体は、炭化珪素との表皮の深さの違いから、粒子サイズは約0.08mm以下でよい。
これはマイクロ波電力の浸透の深さを加減する機能をもつと同時に、導電率が100S/m以上の材料の粉末同士が直接接触するのを妨げるので、より安定したマイクロ波発熱体となる。
また、上記の焼成体に少量の有機気孔剤を混入させ、見掛気孔率を15%から47%まで変えた焼成体にマイクロ波電力を照射したが、マイクロ波発熱体として充分に使用できることを実験によって確認した。
また、炭化珪素の粉末サイズを変えて実験したが、50μm〜200μmの炭化珪素粉末を使用した焼成体は同じマイクロ波電力を照射した場合、低温度帯で昇温スピードが速くなると言う結果を得た。
さらに、上記の焼成体を電気炉に入れて1800℃まで昇温して信頼性を確認したが、無機バインダが蒸発したことによる焼成体の減量収縮以外は特段に異常は見られなかった。
この実験では、加熱筒体の外表面に焼成体を接触させ、また、隙間を設けて配設したが、加熱筒体が焼成体の加熱に追随して昇温することが確認された。
この結果、加熱筒体の長手方向に直角となる断面内の温度が速やかに均一化される。
この結果、加熱筒体内を通すワークは、加熱筒体部分から放射される高温の熱エネルギー(輻射熱)だけで所望の温度まで昇温する。
特に、加熱筒体の長手方向に直角となる断面内の温度が均一化されているので、ワークが一様に所望の温度に昇温され、高品位の熱処理物の生産が可能になる。
なお、マイクロ波発熱体の外周領域に設ける鞘状の断熱体は、マイクロ波電力の吸収の少ない焼成物で形成する。
また、マイクロ波発熱体の加熱温度を、例えば、800℃以上の高温となるように設定する場合には、マイクロ波発熱体の外周領域とこのマイクロ波発熱体の両側領域となる加熱筒体の外周領域に鞘状の焼成物からなる断熱体を設けることが好ましい。
すなわち、マイクロ波発熱体を加熱筒体との間に隙間を設けて配設することにより、マイクロ波発熱体の加熱エネルギー効率を高めることができる。
したがって、上記した第9の発明の通り、高温度に耐える黒鉛板やC/Cコンポジット板などで形成したフィルターを配設する場合には、上記の冷却手段は設けなくてもよい。
図2は、本発明の第1実施形態を示し、ワークの移送方向に平行して切断した加熱装置の断面図であり、図3は図2上のB−B線拡大断面図である。
これらの図面から分かるように、本実施形態の加熱装置は、加熱炉本体11と、この加熱炉本体11内にマイクロ波電力(以下、「マイクロ波」という)を導入するマイクロ波手段40を備えている。
そして、入口形成板15の入口部15aから、ワーク16を導入する。
同様に、中空体12の他方端には、孔口17aを設けた端板17を接続し、さらに、この端板17の外面には、出口形成板19を設けた後室形成体18が接続してある。
また、出口形成板19の出口部19aから、ワーク16を排出させる構成としてある。
なお、本実施形態では、ワーク16は、並列に並べた多数の糸状物(PAN系繊維やピッチ系繊維を前処理した繊維)や前記糸状物を多数並列状にして一体化した一つ又は複数の帯状物(束状物)からなる。
つまり、加熱炉本体11を磁性材料で形成すると、加熱炉本体11がジュール損とヒステリシス損の両方で発熱し、マイクロ波発熱体に照射するマイクロ波が低下するので、加熱炉本体11は、例えば、非磁性材料である黒鉛板、C/Cコンポジット板、炭化珪素板で形成し、マイクロ波を閉じ込めるようにしてある。
勿論、非磁性金属で形成してもよい。
このマッフル20は、導電率が約125000S/mの黒鉛材で、肉厚5mmの長形の中空体として形成してあるが、図3より分かる通り、長さ方向に直交する断面形が高さの低い矩形断面となるように形成してある。
つまり、このようにマッフル20を横長の矩形断面とすることにより、並列に並べた多数の糸状物(PAN系繊維やピッチ系繊維を前処理した繊維)や前記糸状物を多数並列状にして一体化した一つまたは複数の帯状物(束状物)からなるワーク16を通過させることができる。
なお、黒鉛板の合わせ部分は、例えば、黒鉛の釘で固定した上、合わせ部分の隙間にバインダとして黒鉛粉末を練り込んだペーストを詰め込み、貼り合わせ部の導電性を保つ構成としてある。
このマイクロ波発熱体23は、炭化珪素の粉末(標準粒径125μm)と無機バインダと有機気孔剤とを混合した形成物を生産した後、その形成物を焼成して得た焼成体によって形成してある。
なお、この鞘状の断熱体24はマイクロ波の吸収の少ない焼成体である。
したがって、本実施形態では、マイクロ波発熱体23の両側領域(端板13、17とマイクロ波発熱体23の間)に当たるマッフル20の外周囲に、非アルミナ系の断熱材の焼成体からなる断熱体、例えば、マグネシアからなる鞘状の断熱体25で覆ってある。
加熱釜26を覆うように設けたフェルト状の外部断熱材27、28、29、位置出し用の断熱材30は、単に使用温度定格の違いによるもので、例えば、アルミナ、シリカ、ムライト等のようなマイクロ波の吸収が少なく高温まで使用可能な材料からなるファイバ状の断熱材をフェルト状に加工した断熱材である。
したがって、マッフル20やマイクロ波発熱体23の温度が、フェルト状の断熱材が接触しても化学的に反応せず、溶融しない温度、例えば、800℃以下に設定されるような場合には、上記した鞘状の断熱体24、25を備えなくともよい。
この冷却手段31は、端板13とフィルター21との間でマッフル20を挟持固定するジャケット31a、31bとを備えている。
なお、これらジャケット31a、31bはパイプによって連結されている。
そして、下側のジャケット31bには、前室形成体14の下部部所に設けたパイプ継ぎ手35からパイプを通して下側のジャケット31bに冷却液を送り、上側のジャケット31aからパイプを介して送られる冷却液を前室形成体14の上部部所に設けたパイプ継ぎ手32から排出させるようになっている。
冷却液を供給、排水する上記した各パイプは、冷却液がマイクロ波で加熱されないように非磁性の金属パイプとしてあるが、熱膨張によるマッフル20の移動に伴いジャケット31a、31bが移動するので、蛇腹式の金属パイプのような可撓性のある金属パイプを使用する。
なお、後室形成体18内にも同様の冷却手段31が配置してあるが、同じ構成であるので説明を省略する。
図示する如く、このフィルター21は、マイクロ波の波長に関係した寸法のフィルター素子21aを多段に並べて構成してある。
具体的には、各フィルター片21bを4辺形枠に一体形成したフィルター素子21aを設け、このように形成した4つのフィルター素子21aを筒状の枠板21b内面に多段にして溶接或いはねじ止めなどにより固着したフィルター構成となっている。
後室形成体18内にも同構成のフィルター22が配置してあり、マッフル20の他端部分がフィルター素子の4辺形枠内に位置するように張り出させてある。
この結果、図5に示すように、フィルター素子21とマッフル20とは間隔Dの距離をおいて配設されているが、加熱炉本体11内にマイクロ波手段40から放射されるマイクロ波が入口部15aから外部へ漏洩するのを防ぐことができる。
同様に、フィルター22によって出口部19aから外部へのマイクロ波の漏洩を防ぐことができる。
なお、既に述べたように、黒鉛板やC/Cコンポジット板などの高耐温材料でフィルター21、22を形成する場合には、上記した冷却手段は備えなくともよい。
この冷却手段によるエネルギーの損失は微々たるもので、装置の基本機能には影響を与えることはない。
マイクロ波伝播手段42は、マイクロ波発振伝送手段41で発生したマイクロ波を加熱炉本体11内に送る導波管42aと、放射器42b、絶縁板42cから構成してある。
絶縁板42cは、マイクロ波を通過させるだけでなく、マイクロ波発振器側の導波管内の空気が加熱炉本体11内に進入することを防ぐと同時に、加熱炉本体11の雰囲気ガスがマイクロ波発振器側へ漏洩することを防ぐ機能を持つ。
そして、例えば、中空体12の導入口(図示せず)から導入した雰囲気ガスのガス量を、入口部15aおよび出口部19aから排出する雰囲気ガスのガス量より若干多く設定して、マッフル20内に外気が侵入するのを防止する。
これより、マイクロ波が断熱構造の断熱材27、29、30と鞘状の断熱体24を通ってマイクロ波発熱体23に放射され、このマイクロ波発熱体23が放射されたマイクロ波を吸収して発熱し昇温する。
マイクロ波発熱体23で発生した熱エネルギーは、熱伝導と熱放射によりマッフル20に伝達され、マッフル20が昇温する。
なお、図示しないが、マッフル20とマイクロ波発熱体23の温度は、放射温度計で監視して、PID制御などにより、所望の設定温度でワーク16を加熱処理する制御手段を備えている。
例えば、具体例として、温度測定手段によって得られた測定値と設定温度プロファイルとを比較してその温度差が大きい間は比例制御を主体的にしてマイクロ波出力を制御して速やかに温度差を小さくさせ、その温度差が第1の閾値より小さくなったら、微分制御を主体的にしてマイクロ波出力を制御し速やかに設定温度プロファイルに近づけ、その温度差が第2の閾値より小さくなって設定温度プロファイルと略一致する範囲に入ったら積分制御を主体的にしてマイクロ波出力の微調整を行い設定温度プロファイル通りの温度プロファイルを実現する。
なお、上記は3パターンのPID制御係数を用いて温度を制御する方法を説明したが、これには拘わらない。
したがって、マッフル20に挿通したワーク16がマイクロ波の影響を受けず、マッフル20が発生する輻射熱によって均一に加熱される。
図6はワークの移送方向に平行して切断した加熱装置の断面図であり、図7は図6上のC−C線拡大断面図である。
この第2実施形態の加熱装置は、上記した第1実施形態の加熱装置に比べ、下記する(a)〜(e)に特徴があり、その他は同じ構成となっているから、同じ部品や部所については同符号を付して説明を省略する。
すなわち、この断熱材51、52はマッフル20を通し、また、それらの周囲を中空体12に接するようにして、加熱釜26の重量を支え、また、加熱釜26を所定の位置に配設させるようになっている。
これら断熱材51、52は、端板13,17を中空体12に取り付ける前に、中空体12内に組付け、その後に断熱材53、54を上記断熱材51、52に押し付けるようにして端板13、17を中空体12に接続してある。
このようにマイクロ波発熱体23と断熱体24との間に一定の間隔を設けることで、断熱体24を介在させて断熱材27へ伝導されるマイクロ波発熱体23の加熱エネルギーが僅かとなり、エネルギー効率が良くなる。
すなわち、放射器42bの先端から放射されるマイクロ波の電力密度は距離の2乗にしたがって減少するので、放射器42bから放射されるマイクロ波が断熱材29の一定箇所に集中し、断熱材29が変質することが防止される。
その上、張り出し部12aの中に、例えば、金属製の攪拌羽根(スターラ)を設けることができるので、この攪拌羽根を回転してマイクロ波を攪拌して散らすことにより、断熱材29の一定箇所にマイクロ波を集中させない構成とすることも、また、マイクロ波発熱体23のヒートスポットを解消させることもできる。
このように、構成すれば、放射器42bを交換して放射性能の微調整が可能になる。
図示するように、この変形例の加熱装置では、マッフル20、マイクロ波発熱体23、鞘状の断熱体24からなる加熱釜26について、両側を丸めた横長の断面形状の加熱釜として構成してある。
なお、本変形例のように実施する場合は、フィルター21、22や鞘状の断熱体25、フェルト状の断熱材27、29についてもマッフル20に沿ったリング状のものとして形成してある。
図示するように、この変形例の加熱装置は、マッフル20、マイクロ波発熱体23、鞘状の断熱材24からなる加熱釜26が円形断面の加熱釜として構成してある。
なお、本変形例のように実施する場合は、フィルター21、22や鞘状の断熱体24、フェルト状の断熱材27、29、加熱炉本体11についてもマッフル20に沿った円形状に形成してある。
12 中空体
12a 張り出し部
13 端板
14 前室形成体
15 入口形成板
15a 入口部
16 ワーク
17 端板
18 後室形成体
19 出口形成板
19a 出口部
20 マッフル(加熱筒体)
21、22 フィルター
23 マイクロ波発熱体
24、25 鞘状の断熱体
26 加熱釜
27〜30 フェルト状の断熱材
31 冷却手段
31a、31b ジャケット
40 マイクロ波手段
41 マイクロ波発振伝送手段
42 マイクロ波伝播手段
Claims (9)
- マイクロ波遮蔽材からなる加熱炉本体と、
前記加熱炉本体にマイクロ波電力を導入するマイクロ波手段と、
マイクロ波遮蔽機能を有する熱伝導材で形成し、前記加熱炉本体の一方側に設けた入口部と他方側に設けた出口部との間に直線的に配設した加熱筒体と、
前記加熱筒体の外周側に設けて前記加熱筒体に熱伝達するマイクロ波発熱体と、
前記加熱炉本体の入口部及び出口部の近くに設けて、前記加熱筒体の端部周囲に配設してマイクロ波電力の漏洩を防ぐフィルターと、
前記入口部から供給したワークを、前記加熱筒体内を通し、前記出口部より排出し、前記加熱筒体内で加熱する構成としたことを特徴とするマイクロ波を応用した加熱装置。 - 請求項1に記載した加熱装置において、
前記加熱筒体と、この加熱筒体の外周中央領域に設けたマイクロ波発熱体と、当該マイクロ波発熱体の両側領域に当たる前記加熱筒体上に設けた鞘状の断熱体および当該マイクロ波発熱体の外周領域に設けたマイクロ波電力の吸収の少ない鞘状の断熱体とで加熱釜を構成し、さらに、前記加熱釜の周囲をマイクロ波吸収の少ないフェルト状の断熱材で覆って断熱構造としたことを特徴とするマイクロ波を応用した加熱装置。 - 請求項1または2に記載した加熱装置において、
前記加熱筒体は、導電率100S/m以上でマイクロ波遮蔽機能を有する材料で形成したことを特徴とするマイクロ波を応用した加熱装置。 - 請求項1または2に記載した加熱装置において、
前記加熱筒体は、炭素系材料または炭化珪素系材料で形成したことを特徴とするマイクロ波を応用した加熱装置。 - 請求項1または2に記載した加熱装置において、
前記加熱筒体は、黒鉛またはC/Cコンポジットで形成したことを特徴とするマイクロ波を応用した加熱装置。 - 請求項1または2に記載した加熱装置において、
前記したマイクロ波発熱体は、導電率が100S/m以上の材料の粉末に少なくとも無機バインダを混合して形成した形成物を焼成して得た焼成体で構成したことを特徴とするマイクロ波を応用した加熱装置。 - 請求項1または2に記載した加熱装置において、
前記マイクロ波発熱体は、前記加熱筒体の外周面に接合させ、又は、少ない隙間を設けて配設したことを特徴とするマイクロ波を応用した加熱装置。 - 請求項1または2に記載した加熱装置において
前記加熱筒体の端部に、当該加熱筒体を冷却する冷却手段を配設したことを特徴とするマイクロ波を応用した加熱装置。 - 請求項1または2に記載した加熱装置において
金属からなるフィルター、或いは、黒鉛やC/Cコンポジットで形成したフィルターを備えたことを特徴とるマイクロ波を応用した加熱装置。
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