JP6217397B2 - Microwave drying apparatus and microwave drying method - Google Patents
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本発明は、マイクロ波乾燥装置及びマイクロ波乾燥方法に関する。 The present invention relates to a microwave drying apparatus and a microwave drying method.
電気炉による鋼材の製造が盛んになるにつれ、その主原料であるスクラップの需要は逼迫し、電気炉での高級鋼製造に対する要請から還元鉄の需要が増大しつつある。 As the production of steel materials by electric furnaces becomes popular, the demand for scrap, which is the main raw material, is tightened, and the demand for reduced iron is increasing due to the demand for high-grade steel production in electric furnaces.
還元鉄を製造する方法の一つとして、粉状の鉄鉱石や製鉄ダスト等の酸化鉄原料と、粉状の石炭やコークス等の炭材とを混合して、例えばペレットやブリケットのような塊成化物とし、この塊成化物を回転炉床炉等の還元炉に装入して高温に加熱することで酸化鉄原料を還元し、固体状の金属鉄を得る方法がある。このような方法において、酸化鉄原料と炭材とを含む塊成化物の水分含有率を調整することが、酸化鉄原料の還元率を高める上で重要となる。 As one of the methods for producing reduced iron, iron oxide raw materials such as powdered iron ore and iron-making dust are mixed with carbonaceous materials such as powdered coal and coke, for example, a lump such as pellets and briquettes. There is a method in which an agglomerated material is obtained, and this agglomerated material is charged into a reduction furnace such as a rotary hearth furnace and heated to a high temperature to reduce the iron oxide raw material to obtain solid metallic iron. In such a method, it is important to adjust the moisture content of the agglomerated material containing the iron oxide raw material and the carbonaceous material in order to increase the reduction rate of the iron oxide raw material.
以上のような還元鉄の製造工程において、塊成化物等の水分含有率を調整するための装置として、金網状のコンベア上に装入された被乾燥物を熱風により乾燥させるトンネル状の炉がある（例えば、以下の特許文献１を参照。）。このような乾燥炉は、炉の上方から下方に向けて熱風を通過させることで、装入された被乾燥物を乾燥させる。
In the manufacturing process of reduced iron as described above, as a device for adjusting the moisture content of agglomerates, etc., a tunnel-shaped furnace for drying the material to be dried placed on a wire mesh conveyor by hot air (For example, refer to
上記特許文献１に開示されているような乾燥炉は、熱風を上方から供給することによる熱風乾燥であるため、被乾燥物である小塊原料（塊成化物に相当する。）の下層部分（金網状のコンベアに近い部分）の乾燥が遅れ、下層部分に位置する小塊原料の乾燥が不十分になってしまう。小塊原料の乾燥が不足すると小塊原料の強度が不足し、次工程において小塊原料が粉化することで生産歩留まりの低減が生じてしまう。また、このような生産歩留まりの低減を防止するためには、小塊原料に混合する各種バインダーを余分に添加することが必要となり、製造コストが増加してしまうという問題がある。また、かかる小塊原料は石炭やコークス等の炭材を含有しているため、これら原料を加熱しすぎると発火の可能性があり、熱風の温度を上げて乾燥効率の改善を図ることは困難である。従って、発火防止の観点から、十分に乾燥される上層部分ではなく、水分の残留する下層部分の乾燥を選択的に改善する技術が希求されている。
Since the drying furnace as disclosed in
また、上記のような熱風を利用する乾燥炉以外にも、ヒーターによる乾燥を補助するために被加工物の外部から乾燥室の自由空間内にマイクロ波を照射する乾燥炉が提案されている（例えば、以下の特許文献２を参照。）。
In addition to the drying furnace using hot air as described above, there has been proposed a drying furnace that irradiates microwaves into the free space of the drying chamber from the outside of the workpiece in order to assist drying by the heater ( For example, see the
しかしながら、上述のような還元鉄の製造工程では、被乾燥物である塊成化物の乾燥炉内での層厚は約２５０ｍｍと厚い。そのため、上記特許文献２に記載されているように炉内の自由空間に対してマイクロ波を照射した場合、塊成化物層の上層部位にマイクロ波を作用させることは可能であるが、塊成化物の下層部位にマイクロ波を作用させることが出来ず、下層部分の乾燥を選択的に改善することはできない。
However, in the manufacturing process of reduced iron as described above, the layer thickness of the agglomerated material to be dried in the drying furnace is as thick as about 250 mm. Therefore, when microwaves are irradiated to the free space in the furnace as described in
そこで、金属製のコンベアにて搬送されている塊成化物の下層部位にマイクロ波を選択的に作用させるために、被乾燥物層の内部までマイクロ波の導波管を挿入し、塊成化物の下層部位を選択的に加熱する方法が提案されている（以下の特許文献３を参照。）。
Therefore, in order to make microwaves act selectively on the lower layer part of the agglomerated material being conveyed by the metal conveyor, a microwave waveguide is inserted into the layer to be dried, and the agglomerated material. There has been proposed a method of selectively heating the lower layer portion of (see
しかしながら、本発明者らが検討を行ったところ、上記特許文献３に開示されている方法では、以下で詳述するように、導波管内の磁場強度の分布と導波管先端との位置関係によってはマイクロ波の反射強度が増大し、下層を効率良く加熱できない場合があることが明らかになった。
However, as a result of investigations by the present inventors, in the method disclosed in
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、マイクロ波を利用して乾燥炉内に装入された被乾燥物の下層部位を、選択的かつより効率的に加熱することが可能な、マイクロ波乾燥装置及びマイクロ波乾燥方法を提供することにある。 Therefore, the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to selectively select a lower layer portion of an object to be dried that has been charged into a drying furnace using a microwave. Another object of the present invention is to provide a microwave drying apparatus and a microwave drying method capable of heating more efficiently.
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、被乾燥物を金属製のコンベアにより搬送する際に乾燥させるために用いられるマイクロ波乾燥装置であって、マイクロ波を発振するマイクロ波発振器と、被乾燥物からなる被乾燥物層の内部に挿入され、マイクロ波発振器から発振されたマイクロ波を導波する導波管と、を備え、導波管は、導波管の先端に設けられ、当該導波管の先端を閉塞する金属板と、導波管の側面に設けられた開口部と、を有しており、被乾燥物層は、前記コンベア上に載置されており、金属板から前記開口部上端までに、導波管の中心軸方向において導波管内の磁場強度が極大となる位置を含み、導波管内の磁場強度が極小となる位置を含まない、マイクロ波乾燥装置が提供される。 In order to solve the above-described problems, according to an aspect of the present invention, there is provided a microwave drying apparatus used for drying an object to be dried by a metal conveyor, which is a microwave oscillating device. A wave oscillator and a waveguide that is inserted into a layer to be dried made of a material to be dried and guides the microwave oscillated from the microwave oscillator, and the waveguide is a tip of the waveguide. A metal plate that closes the tip of the waveguide, and an opening provided on a side surface of the waveguide, and the layer to be dried is placed on the conveyor cage, the metal plate to the opening upper end, includes a position where the magnetic field strength is maximum in the waveguide in the direction of the central axis of the waveguide, not including the position where the magnetic field strength in the waveguide is minimized, micro A wave drying apparatus is provided.
前記導波管は、当該導波管から放射された前記マイクロ波によって前記被乾燥物が加熱される加熱範囲が前記被乾燥物層の最下層を含む深さまで挿入されることが好ましい。 It is preferable that the waveguide is inserted to a depth that includes a heating range in which the object to be dried is heated by the microwaves radiated from the waveguide, including a lowermost layer of the object to be dried.
上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、被乾燥物を金属製のコンベアにより搬送する際に乾燥させるために用いられるマイクロ波乾燥装置であって、マイクロ波を発振するマイクロ波発振器と、被乾燥物からなる被乾燥物層の内部に挿入され、マイクロ波発振器から発振されたマイクロ波を導波する導波管と、を備え、導波管は、導波管の先端に設けられ、当該導波管の先端を閉塞する金属板と、導波管の側面に設けられた開口部と、を有しており、被乾燥物層は、コンベア上に載置されており、開口部の導波管の中心軸方向の長さは、金属板から前記コンベアまでの距離より大きく、かつ、金属板からコンベアまでの距離と、導波管内を伝播するマイクロ波の管内波長の１／４に対応する距離との和よりも小さい、マイクロ波乾燥装置が提供される。 In order to solve the above-described problem, according to another aspect of the present invention, a microwave drying apparatus used for drying an object to be dried by a metal conveyor, which oscillates a microwave. A microwave oscillator, and a waveguide that is inserted into a layer to be dried made of a material to be dried and that guides the microwave oscillated from the microwave oscillator. A metal plate that is provided at the tip and closes the tip of the waveguide, and an opening provided on a side surface of the waveguide, and the layer to be dried is placed on the conveyor The length of the opening in the central axis direction of the waveguide is larger than the distance from the metal plate to the conveyor, and the distance from the metal plate to the conveyor and the wavelength of the microwave propagated through the waveguide smaller than the sum of the distance corresponding to 1/4 of the microphone Wave drying apparatus is provided.
自由空間中での前記マイクロ波の波長をλ０とし、前記導波管を前記中心軸に対して直交する方向に切断した断面における長辺の長さをａとした際に、当該導波管内を伝播する前記マイクロ波の管内波長λは、下記式１の関係式を満足し、かつ、前記コンベアからの前記マイクロ波の反射率が所定の閾値未満となるように前記長辺の長さａに基づいて算出される上限値未満となることが好ましい。
When the wavelength of the microwave in free space is λ 0 and the length of the long side in a cross section obtained by cutting the waveguide in a direction perpendicular to the central axis is a, the inside of the waveguide The in-tube wavelength λ of the microwave propagating through the length of the long side satisfies the relational expression of the
また、上記課題を解決するために、本発明の更に別の観点によれば、被乾燥物を金属製のコンベアにより搬送する際に乾燥させるために用いられるマイクロ波乾燥方法であって、マイクロ波発振器を用いて、マイクロ波を発振する工程と、マイクロ波を、被乾燥物からなる被乾燥物層の内部に挿入された導波管を用いて導波する工程と、を備え、導波管は、導波管の先端に設けられ、当該導波管の先端を閉塞する金属板と、導波管の側面に設けられた開口部と、を有しており、被乾燥物層は、コンベア上に載置されており、金属板から開口部上端までに、導波管の中心軸方向において導波管内の磁場強度が極大となる位置を含み、導波管内の磁場強度が極小となる位置を含まない、マイクロ波乾燥方法が提供される。
また、上記課題を解決するために、本発明の更に別の観点によれば、被乾燥物を金属製のコンベアにより搬送する際に乾燥させるために用いられるマイクロ波乾燥装置であって、マイクロ波発振器を用いて、マイクロ波を発振する工程と、マイクロ波を、被乾燥物からなる被乾燥物層の内部に挿入された導波管を用いて導波する工程と、を備え、導波管は、導波管の先端に設けられ、当該導波管の先端を閉塞する金属板と、導波管の側面に設けられた開口部と、を有しており、被乾燥物層は、コンベア上に載置されており、開口部の前記導波管の中心軸方向の長さは、金属板から前記コンベアまでの距離より大きく、かつ、金属板からコンベアまでの距離と、導波管内を伝播する前記マイクロ波の管内波長の１／４に対応する距離との和よりも小さい、マイクロ波乾燥方法。
Further, in order to solve the above problem, according to still another aspect of the present invention, there is provided a microwave drying method used to dry in transporting the material to be dried by a metallic conveyor, microwave A step of oscillating a microwave using an oscillator, and a step of guiding the microwave using a waveguide inserted in a layer to be dried made of a material to be dried. Has a metal plate which is provided at the tip of the waveguide and closes the tip of the waveguide, and an opening provided on the side surface of the waveguide. The position where the magnetic field strength in the waveguide is maximized in the direction of the central axis of the waveguide and the magnetic field strength in the waveguide is minimized from the metal plate to the upper end of the opening. There is provided a microwave drying method that does not contain
In order to solve the above problems, according to still another aspect of the present invention, there is provided a microwave drying apparatus used for drying an object to be dried by a metal conveyor, the microwave drying apparatus comprising: A step of oscillating a microwave using an oscillator, and a step of guiding the microwave using a waveguide inserted in a layer to be dried made of a material to be dried. Has a metal plate which is provided at the tip of the waveguide and closes the tip of the waveguide, and an opening provided on the side surface of the waveguide. The length of the opening in the central axis direction of the waveguide is greater than the distance from the metal plate to the conveyor, and the distance from the metal plate to the conveyor and the inside of the waveguide From the sum of the distance corresponding to ¼ of the in-tube wavelength of the microwave that propagates Small, microwave drying method.
以上説明したように本発明によれば、マイクロ波を利用して乾燥炉内に装入された被乾燥物の下層部位を、選択的かつより効率的に加熱することが可能となる。 As described above, according to the present invention, it is possible to selectively and more efficiently heat a lower layer portion of an object to be dried charged in a drying furnace using a microwave.
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。 Exemplary embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the accompanying drawings. In addition, in this specification and drawing, about the component which has the substantially same function structure, duplication description is abbreviate | omitted by attaching | subjecting the same code | symbol.
（還元鉄の製造工程について）
本発明の実施形態に係る乾燥炉について説明するに先立ち、まず、図１を参照しながら、還元鉄の製造工程について、詳細に説明する。図１は、還元鉄の製造工程を説明するための説明図である。
(About manufacturing process of reduced iron)
Prior to describing the drying furnace according to the embodiment of the present invention, first, the manufacturing process of reduced iron will be described in detail with reference to FIG. Drawing 1 is an explanatory view for explaining the manufacturing process of reduced iron.
まず、製鉄ダスト（酸化鉄粉）及び鉄鉱石、粉鉱石などの酸化鉄原料と、石炭、コークス、微粒カーボン等の還元材とは、予めホッパー１等に格納されている。酸化鉄原料及び還元材は、予め設定された配合比となるように配合されて、粉砕機２に装入される。
First, iron oxide raw materials such as iron dust (iron oxide powder), iron ore, and powder ore, and reducing materials such as coal, coke, and fine carbon are stored in the
ボールミル等の振動ミルに代表される粉砕機２は、装入された酸化鉄原料及び還元材を、混合しながら所定の粒径まで粉砕する。粉砕後の酸化鉄原料及び還元材の粒径は、還元鉄の製造に用いられる回転炉床炉、流動床炉、シャフト炉等の固体還元炉に適した値とすることができる。粉砕後の酸化鉄原料及び還元材からなる混合物は、混練機３に運搬される。
A
混練機３は、粉砕機２により所定の粒径に粉砕された混合物を混練する。また、混練機３は、混合物の混練に際して、還元鉄の製造に用いる固体還元炉に適した水分量となるまで混合物に加水を行う調湿処理を施してもよい。混練機３の一例として、例えば、ミックスマーラー等を挙げることができる。混練機３によって混練された混合物は、成型機４に搬送される。
The
パンペレタイザー（皿型造粒機）、ダブルロール圧縮機（ブリケット製造機）、押し出し成型機等の成型機４は、酸化鉄原料及び還元材を含む混合物を成型し、例えばペレットのような塊成化物とする。ここで、塊成化物とは、ペレット、ブリケット、押し出し成型して裁断した成型品、粒度調整された塊状物等の粒状物・塊状物をいう。成型機４は、後述する乾燥・加熱還元後、例えば熱間にて溶解炉７に装入する際、炉内上昇ガス流で飛散しない程度の粒径以上の大きさとなるように、上記混合物を塊成化する。生成された塊成化物は、乾燥炉５へと装入される。
A
乾燥炉５は、塊成化物を乾燥して、後述する加熱還元工程に適した水分含有率（換言すれば、還元鉄の製造に用いる固体還元炉ごとに適した水分含有率：例えば、１％以下）となるようにする。所定の水分含有率となった塊成化物は、後述する固体還元炉６へと搬送される。
The drying
例えば回転炉床炉（Ｒｏｔａｒｙ Ｈｅａｒｔｈ Ｆｕｒｎａｃｅ：ＲＨＦ）、流動床炉、シャフト炉等のような固体還元炉６は、装入された塊成化物を、ＬＮＧバーナーやＣＯＧバーナー等の加熱雰囲気で加熱して還元させ、還元鉄とする。固体還元炉は、塊成化物を例えば１０００〜１３００℃程度まで加熱して塊成化物の還元処理を行い、還元鉄を製造する。製造された還元鉄は、溶解炉７に搬送される。溶解炉７では、固体還元炉６で製造された還元鉄を溶解し、溶銑を生成する。生成された溶銑は、脱硫／脱炭工程、二次精錬工程、連続鋳造工程、圧延工程等を経て、各種鉄鋼製品へと加工されることとなる。
For example, the
（マイクロ波を用いた乾燥方法の概略）
以上のような還元鉄の製造工程において、通常、乾燥炉５は、熱風を用いて被乾燥物である塊成化物を乾燥させるトンネル状の炉が用いられる。この乾燥炉５の内部には、通常、ブリケット等の塊成化物が例えば高さ２５０ｍｍ程度となるまで装入され、炉内を網目状の金属コンベアで搬送される。搬送される個々の塊成化物は、還元炉や溶解炉の型式等によって様々な大きさのものがあるが、例えば１０ｍｍφ〜２０ｍｍφ程度の概球形状のものや、３０ｍｍφ〜５０ｍｍφ×厚み２５ｍｍ程度の大きさのものである。このような塊成化物が高さ２５０ｍｍ程度まで積層されることで、網目状の金属コンベアには、約３００ｋｇ／ｍ２（２９４０Ｐａ）の荷重がかかる。この搬送の過程で、熱風によって塊成化物中の水分が除去され、塊成化物の水分含有率が所望の値となるように制御される。また、先だって説明したように、塊成化物中に含まれる炭材成分の発火を防止するために、使用する熱風は約２００℃以下とする制約がある。
(Outline of drying method using microwaves)
In the process for producing reduced iron as described above, the drying
本発明者らが乾燥炉内の水分の残存状況を調査した結果、図２に模式的に示したように、上方からの熱風による乾燥では、塊成化物層の上層部位は乾燥するものの、下層部位（網目状コンベアに近い部位）では水分の残留量が大きく、下層部位の塊成化物は、乾燥不良となっていることが多いことが明らかとなった。一方で、生産増強の必要性から、下層への伝熱が十分進行する程の乾燥時間を取るわけにはいかないという事情もある。そのため、下層部位の塊成化物は乾燥不良となったまま炉外へ排出されることとなる。その結果、乾燥が十分ではない塊成化物は強度が不足し、歩留まりが低下してしまう。 As a result of investigating the remaining state of moisture in the drying furnace by the present inventors, as schematically shown in FIG. 2, in the drying with hot air from above, the upper layer portion of the agglomerate layer is dried, but the lower layer It was revealed that the amount of moisture remaining was large at the site (the site close to the mesh conveyor), and the agglomerated material at the lower site was often poorly dried. On the other hand, due to the necessity for production enhancement, there is also a situation that it is not possible to take a drying time so that the heat transfer to the lower layer sufficiently proceeds. Therefore, the agglomerated material in the lower layer part is discharged out of the furnace while being poorly dried. As a result, the agglomerated product that is not sufficiently dried is insufficient in strength and the yield is lowered.
以上のような乾燥不良のため、塊成化物層の下層部位に対してマイクロ波を選択的に照射することが求められる。 Due to the poor drying as described above, it is required to selectively irradiate the lower layer portion of the agglomerated layer with microwaves.
ところで、物質に吸収される単位体積あたりのマイクロ波のエネルギーＰａｂｓは、以下の式１１のように表される。以下の式１１を参照するとわかるように、加熱される物質（被加熱物質）に吸収される単位体積あたりのマイクロ波のエネルギーＰａｂｓは、被加熱物質の導電率、誘電率及び透磁率に依存している。従って、下記式１１で表されるＰａｂｓは、被加熱物質のマイクロ波の吸収効率に関係する量であるともいえる。マイクロ波は、誘電損失により物質に吸収されると、マイクロ波のエネルギーが熱に変換され、結果的にマイクロ波を吸収した物質が加熱されることとなる。 By the way, the microwave energy P abs per unit volume absorbed by the substance is expressed as the following Expression 11. As can be seen by referring to Equation 11 below, the microwave energy P abs per unit volume absorbed by the substance to be heated (substance to be heated) depends on the conductivity, dielectric constant and permeability of the substance to be heated. doing. Therefore, it can be said that P abs represented by the following formula 11 is an amount related to the microwave absorption efficiency of the heated material. When the microwave is absorbed by the material due to dielectric loss, the energy of the microwave is converted into heat, and as a result, the material that has absorbed the microwave is heated.
ここで、上記式１１において、
σ ：被加熱物質の導電率 ［Ｓ／ｍ］
ｆ ：マイクロ波の周波数 ［Ｈｚ］
ε０：真空中の誘電率 ［Ｆ／ｍ］
ε”：被加熱物質の比誘電率の虚数部
μ０：真空中の透磁率 ［Ｈ／ｍ］
μ”：被加熱物質の比透磁率の虚数部
Ｅ ：マイクロ波により形成される電場強度 ［Ｖ／ｍ］
Ｈ ：マイクロ波により形成される磁場強度 ［Ａ／ｍ］
π ：円周率
である。
Here, in Equation 11 above,
σ: Conductivity of heated material [S / m]
f: Microwave frequency [Hz]
ε 0 : dielectric constant in vacuum [F / m]
ε ″: Imaginary part of relative permittivity of heated material μ 0 : Permeability in vacuum [H / m]
μ ”: Imaginary part of relative permeability of material to be heated E: Electric field strength formed by microwave [V / m]
H: Magnetic field intensity formed by microwaves [A / m]
π: Pi ratio.
以下に、塊成化物の原料となる酸化鉄及び炭素材（還元材）と、一般的に使用される耐火炉材とについて、比誘電率の虚数部ε”の値をまとめて示す。 The values of the imaginary part ε ″ of the relative dielectric constant are collectively shown below for the iron oxide and carbon material (reducing material) that are the raw materials of the agglomerated material and the refractory furnace materials that are generally used.
比誘電率の虚数部ε”
・代表的な耐火炉材であるアルミナ：０．００４〜０．０１
・粉状の炭素粉：１０〜５０
・酸化鉄：０．１〜１０
Imaginary part of dielectric constant ε ”
Alumina, which is a typical refractory furnace material: 0.004 to 0.01
・ Powdered carbon powder: 10-50
・ Iron oxide: 0.1-10
上記より明らかなように、塊成化物の原料となる酸化鉄及び炭素材は、乾燥炉等において一般的に使用される耐火炉材に対して比誘電率の虚数部ε”の値が大きく、酸化物及び炭素材（還元材）にマイクロ波のエネルギーをより多く吸収させることが可能である。 As is clear from the above, the iron oxide and carbon material used as the raw material for the agglomerate have a large value of the imaginary part ε ″ of the relative dielectric constant relative to the refractory furnace material generally used in a drying furnace or the like, It is possible to absorb more microwave energy in the oxide and the carbon material (reducing material).
このように、マイクロ波は、酸化物及び炭素材を含む塊成化物を乾燥させるために有用な手段であるが、上記特許文献２に開示されているような技術には、下記のような問題があった。
As described above, the microwave is a useful means for drying an agglomerate containing an oxide and a carbon material. However, the technique disclosed in
すなわち、乾燥炉の床面は、金属を用いた格子間隔が２０ｍｍ程度の網目状のコンベアとなっているため、図３に模式的に示すように、上記特許文献２に則してコンベアの下方からマイクロ波を照射したとしても、照射したマイクロ波が金属製のコンベアで反射されてしまい、塊成化物を加熱することはできない。また、コンベアの材質を、例えばテフロンやナイロンのようにマイクロ波の吸収が少ない材質に変更することも考えられるが、このような材質は約３００ｋｇ／ｍ２（２９４０Ｐａ）という塊成化物層の荷重に耐えることができない。また、マイクロ波を上方から照射する場合であっても、塊成化物層の上下を乾燥炉内で反転させることで以前は下層に位置していた塊成化物を加熱することができるかもしれないが、このような上下反転を実施してしまうと、塊成化物が互いに衝突することにより砕けてしまい、塊成化物が粉化してしまうという問題が生じうる。 That is, the floor surface of the drying furnace is a mesh-like conveyor having a grid interval of about 20 mm using metal. Therefore, as schematically shown in FIG. Even if it irradiates with a microwave, the irradiated microwave will be reflected with a metal conveyor, and an agglomerate cannot be heated. It is also conceivable to change the material of the conveyor to a material that absorbs less microwaves, such as Teflon or nylon, but such a material has an agglomerated layer load of about 300 kg / m 2 (2940 Pa). Can't withstand In addition, even when microwaves are irradiated from above, the agglomerate previously located in the lower layer may be heated by inverting the agglomerate layer in the drying furnace. However, if such an upside down is carried out, the agglomerated product may be crushed by colliding with each other, and the agglomerated product may be pulverized.
図４に模式的に示すように、塊成化物層上方からマイクロ波を照射した場合、マイクロ波による加熱が及ぶ範囲は、せいぜい最表層から２層目までであるため、結局のところ塊成化物層の上層部位のみが加熱され、塊成化物層の下層部位の乾燥には寄与しない。 As schematically shown in FIG. 4, when microwaves are irradiated from above the agglomerate layer, the range of heating by the microwave is at most from the outermost layer to the second layer. Only the upper part of the layer is heated and does not contribute to the drying of the lower part of the agglomerate layer.
図５に模式的に示すように、上記特許文献３には、塊成化物の下層までマイクロ波の導波管を挿入し、塊成化物の下層に対してマイクロ波を照射する技術が開示されている。この技術に関して本発明者らが詳細な検討を行った結果、以下のように、金属製の網目状コンベアから導波管先端までの距離によっては、網目状コンベアによるマイクロ波の反射強度が増大し、塊成化物の下層を効率良く加熱できない場合が生じうることが明らかとなった。以下、図６Ａ〜図１１を参照しながら、本発明者らによる検討結果について、詳細に説明する。
As schematically shown in FIG. 5,
＜導波管内の電磁場分布について＞
一般的に、工業用加熱に用いられるマイクロ波としては、真空中での周波数が２．４５ＧＨｚであるものが用いられる。マイクロ波を伝送するために、断面が矩形である金属製の中空管が、導波管として用いられ、マイクロ波は、ＴＥ１０モードでかかる導波管内を伝播する（例えば、上記非特許文献１を参照。）。
<Distribution of electromagnetic field in waveguide>
Generally, as a microwave used for industrial heating, a microwave having a frequency of 2.45 GHz in vacuum is used. In order to transmit the microwave, a metal hollow tube having a rectangular cross section is used as a waveguide, and the microwave propagates in the waveguide in the TE 10 mode (for example, the above-mentioned non-patent document). 1).
ここで、マイクロ波が放射される矩形導波管の末端部は閉塞されていない開放端となっているが、かかる先端部を金属板で閉塞してショートさせた場合、矩形導波管は、ＴＥ１０１モードの矩形空洞共振器となる（例えば、上記非特許文献１を参照。）。以下では、図６Ａ〜図６Ｄを参照しながら、先端部を金属板でショートさせた矩形導波管における電磁場の分布について、詳細に説明する。図６Ａ〜図６Ｄは、先端部を金属板でショートさせた矩形導波管について説明するための説明図である。
Here, the end portion of the rectangular waveguide from which microwaves are radiated is an open end that is not closed, but when the tip is closed with a metal plate, the rectangular waveguide is This is a TE 101 mode rectangular cavity resonator (see, for example,
図６Ａに示したような座標系を便宜的に採用し、矩形導波管のｘｙ断面において、長辺の長さをａとし、短辺の長さをｂとし、矩形導波管の中心軸方向（ｚ軸方向）の長さをｃとする。マイクロ波は、面ＥＦＧＨの側から伝播してくるものとし、矩形導波管の先端部（すなわち、面ＡＢＣＤ）は、金属板によって閉塞されているものとする。また、図６Ａ〜図６Ｄにおいて、矩形導波管の長さｃは、マイクロ波の管内波長をλとし、ｃ＝λ／２として図示している。 For convenience, a coordinate system as shown in FIG. 6A is used, and in the xy section of the rectangular waveguide, the length of the long side is a, the length of the short side is b, and the central axis of the rectangular waveguide Let c be the length in the direction (z-axis direction). It is assumed that the microwave propagates from the side of the surface EFGH, and the front end portion of the rectangular waveguide (that is, the surface ABCD) is blocked by a metal plate. 6A to 6D, the length c of the rectangular waveguide is illustrated by assuming that the in-tube wavelength of the microwave is λ and c = λ / 2.
図６Ｂ〜図６Ｄは、図６Ａに示した先端部を金属板でショートさせた矩形導波管における電磁場の分布の様子を示している。まず、図６Ｂ〜図６Ｄにおいて実線で示した電場の分布に着目すると、図６Ｃから明らかなように、ｚ軸方向（すなわち、導波管の中心軸方向）の電場の分布は、ｃ／２の位置で電場強度が腹となり、管内波長λの１／２の間隔で腹と節とが繰り返される定在波が生じていることがわかる。マイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚであるとすると、（１／２．４５）×１０−９秒の周期で正弦的に反転する。 FIGS. 6B to 6D show the distribution of the electromagnetic field in a rectangular waveguide in which the tip shown in FIG. 6A is short-circuited with a metal plate. First, focusing on the electric field distribution indicated by the solid line in FIGS. 6B to 6D, as is apparent from FIG. 6C, the electric field distribution in the z-axis direction (that is, the central axis direction of the waveguide) is c / 2. It can be seen that the electric field strength becomes antinode at the position of, and a standing wave is generated in which the antinode and the node are repeated at intervals of ½ of the guide wavelength λ. If the microwave frequency is 2.45 GHz, the frequency is inverted sinusoidally at a period of (1 / 2.45) × 10 −9 seconds.
また、図６Ｂから明らかなように、ｘ軸方向の電場の分布においても、ａ／２の位置で電場強度が腹となることがわかる。従って、ｘｚ平面における電場の分布は、図６Ｄに示したようなものとなる。 Further, as is clear from FIG. 6B, it can be seen that the electric field strength becomes antinode at the position a / 2 even in the electric field distribution in the x-axis direction. Therefore, the electric field distribution in the xz plane is as shown in FIG. 6D.
一方、磁場の分布は、図６Ｂ〜図６Ｄに示したようなものとなり、その結果、導波管先端の金属板で磁場強度が腹となり、管内波長λの１／２の間隔で腹と節とが繰り返される定在波が生じることとなる。磁場に関する定在波の様子を、図７に示した。電場強度の場合と同様に、磁場強度は、マイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚであるとすると、（１／２．４５）×１０−９秒の周期で正弦的に反転する。 On the other hand, the distribution of the magnetic field is as shown in FIGS. 6B to 6D. As a result, the magnetic field strength becomes antinodes at the metal plate at the tip of the waveguide, and antinodes and nodes are spaced at intervals of ½ of the guide wavelength λ. A standing wave in which the above is repeated is generated. The state of the standing wave related to the magnetic field is shown in FIG. As in the case of the electric field strength, the magnetic field strength is inverted sinusoidally at a period of (1 / 2.45) × 10 −9 seconds when the microwave frequency is 2.45 GHz.
次に、図５に示したように、先端部が開口となっている導波管を金属製の網目状コンベアに近付けていくことを考える。網目状コンベアと導波管先端との間の離隔距離が管内波長λ以下となり両者が互いに近接した場合、先端部が開口となっている導波管であっても、金属製の網目状コンベアが、見かけ上図６Ａ等に示した金属板と同様の働きをしてしまう。その結果、図５に示したような乾燥炉の内部では、図８に示したような定在波が生じることとなる。この場合、金属製の網目状コンベアの表面で磁場強度が腹となり、導波管の上流側（−ｚ方向）に向かって、管内波長λの１／２の間隔で、腹と節とが交互に繰り返されることとなる。 Next, as shown in FIG. 5, let us consider approaching a waveguide having an opening at the front end to a metal mesh conveyor. When the separation distance between the mesh conveyor and the waveguide tip is equal to or less than the guide wavelength λ and the two are close to each other, even if the waveguide has an opening at the tip, the metal mesh conveyor is Apparently, it works the same as the metal plate shown in FIG. As a result, a standing wave as shown in FIG. 8 is generated inside the drying furnace as shown in FIG. In this case, the magnetic field strength becomes antinode on the surface of the metal mesh conveyor, and the antinodes and nodes alternate at intervals of ½ of the in-tube wavelength λ toward the upstream side (−z direction) of the waveguide. Will be repeated.
マイクロ波を外部に放射する際、図９に模式的に示したように、磁場のつくる定在波が腹となる部分を含む高さに導波管の先端を設けた場合（換言すれば、導波管が途切れた部分（先端）のｚ軸正方向側のすぐ外側に、磁場のつくる定在波が腹となる部分が位置する場合）に、放射効率が最大となる。これは、磁場により導波管に管壁電流が生じ、導波管の開口で管壁電流が遮られることにより開口の縁に電荷の偏りが生じ、かかる電荷の偏りにより導波管の外部に電場が生じ、電磁波として放射されるエネルギーが支配的となるためである。 When the microwave is radiated to the outside, as schematically shown in FIG. 9, when the tip of the waveguide is provided at a height including the portion where the standing wave generated by the magnetic field becomes an antinode (in other words, The radiation efficiency is maximized at a portion where the waveguide is interrupted (when the portion where the standing wave generated by the magnetic field is antinode is located just outside the positive z-axis direction side). This is because a tube wall current is generated in the waveguide by the magnetic field, and the tube wall current is blocked by the opening of the waveguide, thereby causing a bias of charge at the edge of the opening. This is because an electric field is generated and energy emitted as electromagnetic waves becomes dominant.
従って、図５に示したように、塊成化物層の下部までマイクロ波の導波管を挿入し、塊成化物に対してマイクロ波を照射する場合、図９に示したように、磁場のつくる定在波の腹を含むように導波管の先端を設置することで、マイクロ波の放射効率を最大にすることができる。換言すれば、かかる設置とすることで、マイクロ波のコンベアによる反射率を最小にし、より多くのエネルギーを塊成化物に与えることが可能となる。 Accordingly, as shown in FIG. 5, when a microwave waveguide is inserted to the bottom of the agglomerate layer and the agglomerate is irradiated with microwaves, as shown in FIG. By setting the tip of the waveguide so as to include the antinode of the standing wave to be created, the radiation efficiency of the microwave can be maximized. In other words, with such an installation, it is possible to minimize the reflectivity of the microwave conveyor and to give more energy to the agglomerate.
網目状コンベアの表面（床面）が定在波の腹となることを考えると、ｚ軸負方向側において次に定在波の腹が存在する位置は、図９に示したように、網目状コンベアの表面からλ／２だけ上方（ｚ軸負方向側）に離隔した位置となる。２．４５ＧＨｚのマイクロ波の伝送に一般的に用いられる、長辺ａ＝１０９ｍｍの矩形導波管の内部では、かかるマイクロ波の管内波長λは１４８ｍｍ程度となる。従って、マイクロ波の反射率を最小とし、マイクロ波の放射率を最大にしようとすれば、網目状コンベアの表面から７４ｍｍの位置が導波管先端のすぐ外側となるように、導波管を設置することとなる。 Considering that the surface (floor surface) of the mesh conveyor becomes an antinode of the standing wave, the position where the antinode of the standing wave exists next on the negative z-axis side is as shown in FIG. The position is separated from the surface of the conveyor by λ / 2 upward (z-axis negative direction side). In a rectangular waveguide having a long side a = 109 mm, which is generally used for transmission of 2.45 GHz microwaves, the in-tube wavelength λ of such microwaves is about 148 mm. Therefore, to minimize the microwave reflectivity and maximize the microwave emissivity, the waveguide should be placed so that the position 74 mm from the mesh conveyor surface is just outside the waveguide tip. Will be installed.
しかしながら、図２に示したような乾燥不良の塊成化物は、網目状コンベアの表面近傍に位置しており、また、一般的に操業に用いられる塊成化物の厚みは上記のように２５ｍｍ程度である。従って、これらの内容を考慮すると、上記のような位置に導波管の先端を設置した場合には、塊成化物層の最下層に多くのマイクロ波エネルギーを供給することはできない。逆に、網目状コンベアの近傍まで導波管の先端を下げた場合には、マイクロ波の反射率が増大し、効率良く加熱を行うことが出来なくなってしまう。 However, the poorly dried agglomerated material as shown in FIG. 2 is located in the vicinity of the surface of the mesh conveyor, and the agglomerated material generally used for operation has a thickness of about 25 mm as described above. It is. Therefore, in consideration of these contents, when the tip of the waveguide is installed at the position as described above, much microwave energy cannot be supplied to the lowermost layer of the agglomerated layer. On the other hand, when the tip of the waveguide is lowered to the vicinity of the mesh conveyor, the microwave reflectivity increases, and heating cannot be performed efficiently.
本発明者らは、上記のような知見を確認するために、図９に示した網目状コンベアの表面から導波管下端までの距離ｓに対するマイクロ波の反射率Ｒの関係を、市販のアプリケーションを利用した有限要素法による電磁場解析で求めた。かかる電磁場解析では、２．４５ＧＨｚのマイクロ波に着目し、矩形導波管の長辺の長さａは、１０９ｍｍに設定した。得られた結果を、図１０に示した。 In order to confirm the above-mentioned knowledge, the present inventors show the relationship between the reflectance R of the microwave and the distance s from the surface of the mesh conveyor shown in FIG. It was obtained by electromagnetic field analysis by the finite element method using. In this electromagnetic field analysis, attention was paid to the microwave of 2.45 GHz, and the length a of the long side of the rectangular waveguide was set to 109 mm. The obtained results are shown in FIG.
図１０から明らかなように、反射率Ｒは、距離ｓが４５ｍｍのときに極大となった後減少していき、距離ｓが７５ｍｍの時に最小となっていることがわかる。また、距離ｓを大きくしていくと、距離ｓ＝１０５ｍｍのときに再度極大となり、その後減少していくが、かかる周期性は、定在波の腹と節とが交互に現れることに起因していると考えられる。 As can be seen from FIG. 10, the reflectance R decreases after reaching a maximum when the distance s is 45 mm, and is minimum when the distance s is 75 mm. Further, when the distance s is increased, it becomes maximum again when the distance s = 105 mm, and then decreases, but this periodicity is caused by the appearance of standing wave antinodes and nodes alternately. It is thought that.
また、上記のような３０ｍｍφ〜５０ｍｍφ×厚み２５ｍｍ程度の大きさの塊成化物が層状に積み重なっているモデルを採用し、図９に示した距離ｓを４５ｍｍとした場合、及び、７５ｍｍとした場合の双方について、上記と同様な有限要素法による電磁場解析により、塊成化物各層におけるマイクロ波のエネルギー吸収の割合を求めた。得られた結果を、図１１に示した。
In addition, when a model in which agglomerates having a size of about 30 mmφ to 50 mmφ ×
図１１から明らかなように、距離ｓ＝４５ｍｍとした場合には、最下層である第１層に最も多くのエネルギーを吸収させることが可能であり、層が上方になるほど吸収されるエネルギー量は小さくなっていく。また、距離ｓ＝７５ｍｍとした場合には、最下層である第１層と第２層に対してもエネルギーを吸収させることは可能であるが、第３層が最も多くエネルギーを吸収することがわかる。 As is clear from FIG. 11, when the distance s = 45 mm, the first layer, which is the lowest layer, can absorb the most energy, and the amount of energy absorbed as the layer becomes higher is It gets smaller. In addition, when the distance s = 75 mm, the energy can be absorbed also by the first layer and the second layer which are the lowest layers, but the third layer can absorb the energy most. Recognize.
図１０及び図１１に示した知見を総合すると、ｓ＝７５ｍｍの場合、反射率Ｒは極小となるものの、最下層へのエネルギー吸収が減少する。逆に、ｓ＝４５ｍｍの場合、最下層に最も多くのエネルギーを供給可能であるが、反射率Ｒがｓ＝７５ｍｍの場合に比べて増大する。従って、上記特許文献３に開示されている、図５に示した方法では、反射率の最小化と被乾燥物層最下層の加熱はトレードオフの関係にあり、両立できないことが明らかになった。
When the findings shown in FIGS. 10 and 11 are combined, when s = 75 mm, the reflectivity R is minimized, but the energy absorption to the lowermost layer is reduced. Conversely, when s = 45 mm, the most energy can be supplied to the lowermost layer, but the reflectance R increases as compared with the case where s = 75 mm. Therefore, in the method shown in FIG. 5 disclosed in
そこで、本発明者らは、金属製のコンベアからの反射率の最小化と、被乾燥物最下層の加熱とを両立可能なマイクロ波の照射方法について鋭意検討を重ねた結果、以下で説明するマイクロ波乾燥装置及びマイクロ波乾燥方法に想到したのである。 Therefore, as a result of earnestly examining the microwave irradiation method capable of achieving both the minimization of the reflectance from the metal conveyor and the heating of the bottom layer of the object to be dried, the following will be described. The inventors have come up with a microwave drying apparatus and a microwave drying method.
（実施形態）
以下では、図１２〜図１７を参照しながら、本発明の実施形態に係るマイクロ波乾燥装置及びマイクロ波乾燥方法について、詳細に説明する。図１２は、本実施形態に係るマイクロ波乾燥装置の構成を示した説明図であり、図１３は、本実施形態に係るマイクロ波照射導波管の構成を模式的に示した説明図である。図１４〜図１７は、本実施形態に係るマイクロ波照射導波管について説明するための説明図である。
(Embodiment)
Hereinafter, the microwave drying apparatus and the microwave drying method according to the embodiment of the present invention will be described in detail with reference to FIGS. FIG. 12 is an explanatory diagram showing the configuration of the microwave drying apparatus according to the present embodiment, and FIG. 13 is an explanatory diagram schematically showing the configuration of the microwave irradiation waveguide according to the present embodiment. . 14-17 is explanatory drawing for demonstrating the microwave irradiation waveguide which concerns on this embodiment.
＜使用するマイクロ波について＞
まず、本発明の実施形態に係るマイクロ波乾燥装置及びマイクロ波乾燥方法に用いられるマイクロ波について、簡単に説明する。
<About the microwave used>
First, the microwave used for the microwave drying apparatus and the microwave drying method concerning embodiment of this invention is demonstrated easily.
マイクロ波は、一般的には、波長１ｍｍ〜１ｍ、周波数３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚの電磁波をいう。しかしながら、本実施形態に係る塊成化物の加熱方法で着目しているように、マイクロ波を加熱手段として用いる（いわゆるマイクロ波加熱を行う）場合には、マイクロ波とは、いわゆるＩＳＭ（Ｉｎｄｕｓｔｒｙ−Ｓｃｉｅｎｃｅ−Ｍｅｄｉｃａｌ）バンドに属する周波数帯域の電磁波を指す。 The microwave generally refers to an electromagnetic wave having a wavelength of 1 mm to 1 m and a frequency of 300 MHz to 300 GHz. However, as noted in the method for heating an agglomerate according to the present embodiment, when microwaves are used as heating means (so-called microwave heating is performed), microwaves are so-called ISM (Industry- Science-Medical) refers to an electromagnetic wave in a frequency band belonging to the band.
以下で説明する本発明の実施形態では、電磁波の周波数は特に限定されず、例えば、ＩＳＭバンドである２．４５ＧＨｚ帯（２．４０ＧＨｚ〜２．５０ＧＨｚ）、５．８ＧＨｚ帯（５．７２５ＧＨｚ〜５．８７５ＧＨｚ）、及び、２４ＧＨｚ帯（２４．０ＧＨｚ〜２４．２５ＧＨｚ）に属する周波数、又は、北米におけるＩＳＭバンドである９１５ＭＨｚ帯（９０２ＭＨｚ〜９２８ＭＨｚ）等を適宜選択することが可能である。しかしながら、マイクロ波の被加熱物内部への浸透は、以下で説明するようにマイクロ波の波長に比例するため、上記のマイクロ波では、９１５ＭＨｚ帯、２．４５ＧＨｚ帯の浸透深さδが大きく、したがって数少ない導波管の本数で、乾燥炉全幅にわたって原料の加熱を行うことができる。また、９１５ＭＨｚ、２．４５ＧＨｚという周波数のマイクロ波は、装置が安価である点や、発振器１台で数十ｋＷまでの大出力の放射が可能である点などから、ｋＷクラスの大出力が求められる本発明の設備コストとしても、安価に導入することができる。このため、本発明に用いるマイクロ波装置としては、９１５ＭＨｚ、又は、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を発振可能なものが好ましい。 In the embodiment of the present invention described below, the frequency of the electromagnetic wave is not particularly limited. For example, the ISM band is 2.45 GHz band (2.40 GHz to 2.50 GHz), 5.8 GHz band (5.725 GHz to 5). .875 GHz) and 24 GHz band (24.0 GHz to 24.25 GHz), or a 915 MHz band (902 MHz to 928 MHz), which is an ISM band in North America, can be selected as appropriate. However, since the penetration of the microwave into the object to be heated is proportional to the wavelength of the microwave as will be described below, the penetration depth δ of the 915 MHz band and the 2.45 GHz band is large in the above microwave, Therefore, the raw material can be heated over the entire width of the drying furnace with a small number of waveguides. Also, microwaves with a frequency of 915 MHz and 2.45 GHz are required to have a high output of kW class because of the low cost of the device and the ability to radiate a high output up to several tens of kW with one oscillator. As the equipment cost of the present invention, it can be introduced at low cost. For this reason, as the microwave device used in the present invention, a device capable of oscillating 915 MHz or 2.45 GHz microwave is preferable.
＜マイクロ波乾燥装置の構成について＞
以下では、図１２を参照しながら、本実施形態に係る乾燥炉の構成について、詳細に説明する。図１２は、本実施形態に係る乾燥炉の構成を模式的に説明するための説明図である。
<About the configuration of the microwave dryer>
Below, the structure of the drying furnace which concerns on this embodiment is demonstrated in detail, referring FIG. FIG. 12 is an explanatory diagram for schematically explaining the configuration of the drying furnace according to the present embodiment.
本実施形態に係る乾燥炉に対して設置されるマイクロ波乾燥装置は、粉体又は小塊状の原料（被乾燥物）を金属製の網目状コンベアで搬送する過程で、この原料の上方から熱風を吹き付けて当該熱風を原料の上方から下方へと通過させることにより、原料中に含まれる水分を低減させる熱風式のトンネル乾燥炉に対して利用されるものである。 The microwave drying apparatus installed in the drying furnace according to the present embodiment is a process in which powder or small block raw material (substance to be dried) is transported by a metal mesh conveyor in a hot air from above the raw material. This is used for a hot-air type tunnel drying furnace that reduces the moisture contained in the raw material by passing the hot air from above to below the raw material.
本実施形態に係るマイクロ波乾燥装置１０は、図１２に示したように、マイクロ波発振器１０１と、サーキュレータ１０３と、自動整合器１０７とを主に備え、これらの機器が導波管により接続されている。乾燥炉内の原料の上方には、これらの機器に接続されており、原料層に対してマイクロ波を照射するためのマイクロ波照射導波管１０９（以下、単に、導波管１０９ともいう。）が設置されている。
As shown in FIG. 12, the
マイクロ波発振器１０１は、周波数３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚのマイクロ波を発振する機器である。このマイクロ波発振器１０１は、ｋＷクラスの出力を有するマイクロ波を発振可能な機器であることが好ましい。このマイクロ波発振器１０１により、例えば９１５ＭＨｚや２．４５ＧＨｚ帯に属する周波数のマイクロ波が、被乾燥物である原料が積層している原料層に対してマイクロ波を照射するための導波管１０９へと出力されることとなる。このマイクロ波発振器１０１は、公知のものを適宜選択して使用することが可能である。
The
サーキュレータ１０３は、例えば磁石を利用したマイクロ波の進行制御を行うことで、サーキュレータに入力されるマイクロ波を、マイクロ波発振器１０１から出力された入射波と、後述する自動整合器１０７側から戻ってきた反射波とに分離する。サーキュレータ１０３は、分離した入射マイクロ波を後述する自動整合器１０７側へと導波するとともに、反射マイクロ波を、アイソレータ１０５の側へと導波する。これにより、反射マイクロ波は、アイソレータ１０５内に設けられたダミー負荷（例えば、水など）に吸収され、マイクロ波発振器１０１側に戻らないようにすることができる。このようなサーキュレータ１０３を設けることにより、本実施形態に係るマイクロ波乾燥装置１０では、安定したマイクロ波の出力を行うことができる。このサーキュレータ１０３は、公知のものを適宜選択して使用することが可能である。
The
自動整合器１０７は、入射側のインピーダンスと、負荷側（すなわち、塊成化物からなる被乾燥物層側）のインピーダンスとの整合を取ることで負荷側からの反射波を低減し、反射波をほぼゼロとする機器である。この自動整合器１０７は、反射電界の位相及び強度を測定し、インピーダンス整合を自動で行うことで、上記のような反射波の低減を実現する。
The
本実施形態に係るマイクロ波乾燥装置１０の乾燥対象は、乾燥炉５内を搬送されている塊成化物等の小塊原料である。そのため、移動している小塊原料の状況が変化し、負荷側のインピーダンスが変動する場合、マイクロ波の照射効率は変動することとなる。この場合には、マイクロ波を照射するための導波管１０９から、マイクロ波エネルギーを安定して効率良く被乾燥物層に照射するために、自動整合器１０７を設けて負荷側のインピーダンスにあわせた自動整合処理を行っても良い。
The object to be dried by the
なお、上記のような各機器を接続している導波管は、マイクロ波を導波して所望の箇所へと導く金属の中空管である。この導波管の形状については、マイクロ波の導波特性等を考慮して適宜決定すればよく、導波管自体についても、使用するマイクロ波の周波数や出力強度等に応じて、公知のものを適宜選択することができる。 In addition, the waveguide which connects each above apparatuses is a metal hollow tube which guides a microwave and guides it to a desired location. The shape of the waveguide may be determined as appropriate in consideration of the waveguide characteristics of the microwave, and the waveguide itself is also known depending on the frequency and output intensity of the microwave used. A thing can be selected suitably.
マイクロ波照射導波管１０９は、熱風式の乾燥炉５において塊成化物等の被乾燥物からなる被乾燥物層の下層部位を選択的に加熱するために、マイクロ波を被乾燥物層の下層部位へと照射する部材である。このマイクロ波照射導波管１０９について、図１３を参照しながら説明する。
The
導波管１０９は、マイクロ波発振器１０１から発振されたマイクロ波を、被乾燥物層の下層部位へと放射するために用いられる金属の中空管である。かかる導波管１０９の断面形状（図１３におけるｘｙ切断面での断面形状）は特に限定されるものではないが、図１３に例示したように、断面が矩形状となる矩形導波管を用いることが好ましい。
The
かかる導波管１０９の被乾燥物層へと挿入される側の先端部は、図１３に模式的に示したように、金属板１２１によって閉塞されている。金属板１２１に用いる金属は、導電率が高く、非磁性のものであれば特に限定されるものではないが、加工の容易さを考慮すると、導波管１０９の本体と同様の金属を用いて形成することが好ましい。
The tip of the
また、導波管１０９の側壁の一部には、図１３に模式的に示したように、マイクロ波が放射される開口部１２３が形成されている。開口部１２３が形成される側壁については特に限定されるものではないが、放射されるマイクロ波と被乾燥物との作用時間がなるべく長くなるような面に、開口部１２３が形成されることが好ましい。
Further, as schematically shown in FIG. 13, an
例えば、導波管１０９が図６Ａ〜図６Ｄ等に示した矩形導波管である場合に、矩形導波管を被乾燥物が搬送されている乾燥炉内に装入すると、矩形導波管は、被乾燥物の流れから抵抗を受けることとなる。従って、矩形導波管を乾燥炉内に設置する際には、被乾燥物の流れに起因する抵抗がなるべく少なくなることが好ましい。具体的には、被乾燥物の流れの方向に対向する矩形導波管の面積をなるべく少なくしたいため、矩形導波管の短辺に対応する面（例えば図６Ａでは、面ＡＤＨＥに相当する面、図１３では、ｙｚ平面に平行な面）が被乾燥物の流れの方向に対向するように、矩形導波管が設置されることとなる。この場合、被乾燥物とマイクロ波との作用時間が長くなる面は、被乾燥物の流れに対して平行となる面、すなわち、長辺ａに対応する面（例えば図６Ａでは、面ＡＢＦＥに相当する面、図１３では、ｘｚ平面に平行な面）である。従って、かかる場合には、開口部１２３は、長辺ａに対応する面に形成されることが好ましい。なお、被乾燥物とマイクロ波との作用時間を長くするという観点から、開口部１２３は、長辺ａに対応する２つの側面（例えば図６Ａでは、面ＡＢＦＥと面ＤＣＧＨに相当する面）に形成されることがより好ましい。
For example, when the
なお、導波管１０９の側面における開口部１２３のより詳細な構成については、以下で改めて詳細に説明する。
A more detailed configuration of the
かかる導波管１０９は、図１４に模式的に示したように、被乾燥物層の内部に対して、導波管１０９から放射されたマイクロ波によって被乾燥物が加熱される加熱範囲が、被乾燥物層の最下層を含む深さまで挿入されることが好ましい。より詳細には、導波管１０９は、金属製の網目状コンベアと導波管先端との間の離隔距離が、導波管１０９内を伝播するマイクロ波の管内波長λ以下となるように、乾燥炉中に挿入されることが好ましい。
As schematically shown in FIG. 14, the
ところで、マイクロ波が誘電損失により物質に吸収されると、マイクロ波のエネルギーは熱に変換されて、結果的にマイクロ波を吸収した物質が加熱されることとなる。この際、マイクロ波がどのくらいまで物質の内部に浸透するかは、以下の式１２で算出することが可能である。 By the way, when the microwave is absorbed by the material due to dielectric loss, the energy of the microwave is converted into heat, and as a result, the material that has absorbed the microwave is heated. At this time, how much the microwave penetrates into the substance can be calculated by the following equation 12.
ここで、上記式１２において、
δ（左辺） ：マイクロ波の浸透深さ ［ｃｍ］
λ ：自由空間におけるマイクロ波の波長 ［ｃｍ］
ε’ ：物質の比誘電率（実部）
ｔａｎ δ：物質の誘電正接
である。
Here, in the above equation 12,
δ (left side): Microwave penetration depth [cm]
λ: wavelength of microwave in free space [cm]
ε ': relative permittivity of the substance (real part)
tan δ: the dielectric loss tangent of the substance.
また、上記式１２のうちｔａｎ δは、物質の誘電率εｒ’及び誘電損失係数εｒ”を用いて、（εｒ”／εｒ’）で算出することが可能である。 In the above equation 12, tan δ can be calculated as (ε r ″ / ε r ′) using the dielectric constant ε r ′ and the dielectric loss coefficient ε r ″ of the substance.
本発明者らによる検討の結果、乾燥炉に装入される被乾燥物であるブリケットは３０ｍｍφ〜５０ｍｍφ×厚み２５ｍｍの塊状であって、各ブリケットの間に空隙を持っており、搬送中のブリケットでは各ブリケットの間の空隙の状態が変化するため、マイクロ波加熱範囲が拡大し、上記式１２で求めた浸透深さδの１０倍までの範囲が実効的な加熱範囲（以下、δｅｆｆとも表記する。）であることが明らかとなった。一般的な操業に用いられるブリケットの物性値から上記浸透深さδを算出すると、その大きさは、約０．５ｃｍ程度となるため、マイクロ波加熱による実効的な加熱範囲δｅｆｆは、約５ｃｍ程度となる。
As a result of the study by the present inventors, the briquette which is the material to be dried inserted into the drying furnace is a lump of 30 mmφ to 50 mmφ ×
従って、導波管１０９は、金属製の網目状コンベアと導波管先端（より詳細には、導波管１０９の先端に設けられた金属板１２１）との間の離隔距離が、導波管１０９内を伝播するマイクロ波の管内波長λ以下となるように乾燥炉中に挿入されることが好ましく、マイクロ波加熱による実効的な加熱範囲δｅｆｆより小さくなるように乾燥炉中に挿入されることが更に好ましい。
Therefore, the
なお、乾燥炉５の炉幅が広く、単一の導波管１０９のみでは被乾燥物を乾燥炉５の炉幅方向に均一に加熱できない場合、被乾燥物を乾燥炉５の炉幅方向に均一に加熱するため、例えば図１５に示したように、複数本の導波管１０９のうち少なくとも２本は、乾燥炉の炉幅方向の互いに異なる位置に配置することが好ましい。
If the oven width of the drying
また、図１５に示したように、各導波管１０９により加熱される範囲（加熱範囲）が乾燥炉５の炉幅方向全体を覆うような間隔で、導波管１０９を配置することが好ましい。なお、図１５に示したように、導波管１０９の側面のうち開口部１２３が存在している面が主な加熱範囲となるが、導波管１０９を伝播しているマイクロ波の波長が長いために、マイクロ波が開口部１２３で回折したり塊成化原料で反射したりして回り込みが発生する。その結果、図１５に示したように、導波管１０９の側面のうち開口部１２３が存在していない面についても、加熱が行われることとなる。この際に、各導波管１０９の加熱範囲が互いに重畳するように、導波管１０９の配置間隔を決定することが好ましい。
Further, as shown in FIG. 15, it is preferable to arrange the
複数の導波管の間隔が上記で決定される間隔よりも大きい場合は、炉幅方向に対して塊成化原料の加熱ムラができるため、原料の乾燥ムラにつながって好ましくない。しかしながら、マイクロ波により加熱が行われた部分については原料の乾燥が改善されるため、挿入した導波管の本数に応じて、原料全体としてみた平均値としての乾燥は改善される。 When the interval between the plurality of waveguides is larger than the interval determined above, uneven heating of the agglomerated raw material is generated in the furnace width direction, which leads to uneven drying of the raw material. However, since the drying of the raw material is improved in the portion heated by the microwave, the drying as the average value of the entire raw material is improved according to the number of inserted waveguides.
また、乾燥炉の特性として炉幅方向における原料層の厚みが異なる、あるいは熱風の風量に分布があり熱風乾燥の効率が炉幅方向で異なる場合も起こりうる。この際には、原料層が厚い炉幅方向位置、もしくは、風量が小さく乾燥効率が劣位で塊成化原料に残留している水分量の多い炉幅方向位置ほど、他の位置と比較して塊成化原料に残留している水分量が多くなると考えられる。そこで、原料層が厚い炉幅方向位置、もしくは、風量が小さく乾燥効率が劣位で塊成化原料に残留している水分量の多い炉幅方向位置等の塊成化原料に残留している水分量が多い炉幅方向位置ほど、多くの本数の導波管１０９を炉長方向に沿って直列に設置し、マイクロ波を照射することも有効である。
In addition, as the characteristics of the drying furnace, the thickness of the raw material layer in the furnace width direction may be different, or the hot air flow rate may be distributed and the efficiency of hot air drying may be different in the furnace width direction. At this time, the position in the furnace width direction where the raw material layer is thick, or the position in the furnace width direction where the air volume is small and the drying efficiency is inferior and the moisture content remaining in the agglomerated raw material is large, compared to other positions. It is considered that the amount of water remaining in the agglomerated raw material increases. Therefore, the moisture remaining in the agglomerated raw material such as the position in the furnace width direction where the raw material layer is thick, or the position in the furnace width direction where the air volume is small and the drying efficiency is inferior and the water content remaining in the agglomerated raw material is large. It is also effective to install a larger number of
また、どのように各導波管１０９を配置するかについては、特に限定されるわけではなく、例えば、乾燥炉５の残留水分の偏り状況に関する知見等に基づき、この偏りを解消可能なように導波管の配設位置を決定すればよい。従って、例えば図１５に示すように、炉幅方向の同一の領域に複数個の導波管１０９が配設されていてもよい。
Further, how to arrange each of the
また、乾燥炉５の内部では、被乾燥物層の上方から吹き込まれる熱風によって、被乾燥物層の上方が粉塵環境となっている。また、炉内は約８０℃以上の温度を有し、約１００％に近い湿度を有する高温多湿状態にあり、このような状況下で被乾燥物である塊成化物が移動している。そのため、導波管１０９の内部に粉塵が侵入することによるアーキングの発生を防止するとともに、導波管１０９の内部への湿気の侵入を防止するために、乾燥空気や乾燥窒素や乾燥アルゴン等の防塵ガスを中空の導波管内部に導入して、導波管１０９に正圧がかかっている状態とすることが好ましい。
Moreover, in the inside of the drying
また、図１６に例示したように、マイクロ波を照射するための導波管１０９に設けられた開口部１２３に対し、セラミックスカバーとして、セラミックスからなる防塵板１２５を設け、この防塵板１２５を通してマイクロ波が放射されるようにしてもよい。
Further, as illustrated in FIG. 16, a dust-
防塵板１２５は、加熱源であるマイクロ波の吸収が少なく、高温多湿状態でも利用可能である無機材料セラミックスを用いて形成されることが好ましい。防塵板１２５に用いられる無機材料セラミックスは、マイクロ波の吸収特性に関与する誘電損失係数εｒ”が、０．０２未満であることが好ましい。誘電損失係数εｒ”を０．０２未満とすることで、マイクロ波吸収による無機材料セラミックスの自己発熱を抑制することが可能となる。
The
このような無機材料セラミックスの例として、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、サイアロン（ＳｉＡｌＯＮ、化学式：Ｓｉ３Ｎ４・Ａｌ２Ｏ３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化ホウ素（ＢＮ）等がある。これらの無機材料セラミックスを単独で使用して防塵板１２５を製造してもよく、これらの無機材料セラミックスを混合して防塵板１２５を製造してもよい。
Examples of such inorganic material ceramics include alumina (Al 2 O 3 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), sialon (SiAlON, chemical formula: Si 3 N 4 · Al 2 O 3 ), aluminum nitride (AlN), Examples include boron nitride (BN). The
［開口部の構成について］
次に、図１７を参照しながら、本実施形態に係る導波管１０９に設けられた開口部１２３について、より詳細に説明する。
[About the configuration of the opening]
Next, the
先だって説明したように、導波管１０９の先端部と金属製の網目状コンベアとの間の離隔距離は、導波管１０９内を伝播しているマイクロ波の管内波長λ以下となっている。そのため、導波管側面の開口から放射されたマイクロ波は、金属製の網目状コンベアに到達する。これは、例えば２．４５ＧＨｚのマイクロ波の波長が自由空間で１２３ｍｍとなるようにマイクロ波の波長が長いため、マイクロ波は、開口があれば回折して側面から放射されるからである。
As described above, the separation distance between the tip of the
また、金属製の網目状コンベアと導波管１０９の先端が近接しており、開口から放射されたマイクロ波が完全に減衰する前に網目状コンベアに到達するため、コンベア面が反射面となり、図８等を参照しながら説明した場合と同様に、見かけ上、網目状コンベアと導波管１０９とは、網目状コンベアをショート板とする矩形空洞共振器として働く。また、導波管１０９の先端に設けられた金属板１２１は、空洞共振器中に存在する金属板として機能する。その結果、金属板１２１の表面に渦電流が生じ、渦電流が磁場を発生することで、図１７に示すような定在波が発生する。
In addition, the metal mesh conveyor and the tip of the
このとき、先だって説明したように、金属製の網目状コンベアの表面は、磁場のつくる定在波の腹となり、磁場の分布は、金属板１２１を鏡面とした分布となる。その結果、導波管１０９の内部に生じる磁場の腹は、「網目状コンベアから導波管１０９の先端の金属板１２１までの距離Ｌ１」と等距離だけ、マイクロ波発振器側に戻った点となる。すなわち、磁場の腹は、「網目状コンベアから導波管１０９先端の金属板１２１までの距離Ｌ１」と同じだけ、金属板１２１の位置から上方（ｚ軸負方向側）にずれることとなる。
At this time, as described above, the surface of the metallic mesh conveyor is an antinode of the standing wave generated by the magnetic field, and the distribution of the magnetic field is a distribution with the
また、導波管１０９の先端から距離Ｌ１だけ遡った点から、更に、マイクロ波の管内波長λの１／４だけ遡った点が、磁場のつくる定在波の節となる。以降、上記の定在波の腹の位置からλ／２だけ遡るごとに定在波の腹の位置が現れ、定在波の節の位置からλ／２だけ遡るごとに定在波の節の位置が現れる。
Further, from a point going back from the tip of the
本実施形態に係る導波管１０９では、開口部１２３は、導波管の中心軸方向（ｚ軸方向）において導波管内の定在波の腹（すなわち、磁場強度が極大となる位置）を含み、定在波の節（すなわち、磁場強度が極小となる位置）を含まないように、導波管１０９の側面に設けられる。かかる条件は、「導波管の側面に設けた開口部１２３の高さ（開口部１２３の中心軸方向の長さ）ｈ」が、「金属板から網目状コンベアまでの距離Ｌ１より大きく、かつ、金属板から網目状コンベアまでの距離Ｌ１と、導波管１０９内を伝播するマイクロ波の管内波長の１／４に対応する距離（λ／４）との和（Ｌ１＋λ／４）よりも小さい」と言い換えることができる。かかる記載からも明らかなように、本実施形態に係る導波管１０９では、金属板から網目状コンベアまでの距離Ｌ１と、マイクロ波の管内波長λとにのみ基づいて、開口部１２３の高さｈを一義的に決定することができる。
In the
このように、磁場のつくる定在波の腹を含み、かつ、節を含まないように、導波管１０９の側面に開口を設けることで、網目状コンベアからの反射率を最小化するとともに、放射効率を最大化することが可能となる。
In this way, by providing an opening on the side surface of the
また、網目状コンベアの表面が定在波の腹となり、金属板１２１を鏡面とする磁場の分布が発生することからも明らかなように、距離Ｌ１を変更することで、乾燥炉内の任意の高さに磁場のつくる定在波の腹を発生させることができる。そのため、開口部１２３の高さｈに対応する位置が、磁場のつくる定在波の腹を含み、かつ、節を含まないという関係さえ満たしていれば、反射率を最小としたまま、炉内の任意の位置でマイクロ波を最も強く放射することが可能となる。なお、磁場のつくる定在波の腹が開口部１２３に含まれていない場合、開口部１２３からマイクロ波は放射されず、導波管１０９内で反射することとなる。
Further, as is clear from the fact that the surface of the mesh conveyor becomes an antinode of the standing wave and the magnetic field distribution with the
従って、用いる導波管１０９の長辺の長さａとマイクロ波の自由空間での波長λ０（換言すれば、マイクロ波の周波数）によって決定される管内波長λに合わせて、開口部１２３の高さｈを変更することも可能である。
Therefore, in accordance with the in-tube wavelength λ determined by the length a of the long side of the
例えば、開口部１２３の導波管中心方向の上端（ｚ軸負方向側の端部）から網目状コンベアの表面までの距離（図１７における距離Ｌ２）が、マイクロ波の自由空間での波長λ０の４分の１以上（Ｌ２≧λ０／４）となる場合において、更に、開口部１２３の高さｈに対応する位置が、磁場のつくる定在波の腹を含み、かつ、節を含まないという関係を満たすように開口部１２３を設けることで、反射率を最小としたまま、マイクロ波を最も強く放射することができる。逆に、Ｌ２≧λ０／４という条件を満足する場合であっても、開口部１２３の高さｈに対応する位置が磁場のつくる定在波の節を含んでしまう場合には、反射率を最小としたまま、マイクロ波を最も強く放射することはできない。
For example, the distance (distance L 2 in FIG. 17) from the upper end (end on the negative z-axis side) of the
また、例えば、開口部１２３の導波管中心方向の上端（ｚ軸負方向側の端部）から網目状コンベアの表面までの距離（図１７における距離Ｌ２）が、マイクロ波の自由空間での波長λ０の４分の１未満（Ｌ２＜λ０／４）となる場合においても、開口部１２３の高さｈに対応する位置が、磁場のつくる定在波の腹を含み、かつ、節を含まないという関係を満たしさえすれば、反射率を最小としたまま、マイクロ波を最も強く放射することができる。前述したように、上方からの熱風による乾燥では、塊成化物層の上層部位は乾燥するものの、下層部位（網目状コンベアに近い部位）では水分の残留量が大きい。Ｌ２が小さいほど下層に絞ってマイクロ波を供給することができるため、被乾燥物の乾燥により効果的である。
Further, for example, the distance from the upper end (end on the negative side of the z-axis) of the
ここで、マイクロ波の管内波長λは、マイクロ波の自由空間での波長λ０及び矩形導波管の長辺の長さａと、以下の式１３のような関係が成立しており、マイクロ波が導波管１０９によって伝送されるためには、導波管の長辺ａに対して、以下の式１４で表される伝送条件（ＴＥ１０モードでの伝送条件）を満たすことが求められる。
Here, the in-tube wavelength λ of the microwave has a relationship of the following equation 13 with the wavelength λ 0 in the free space of the microwave and the length a of the long side of the rectangular waveguide. In order for the wave to be transmitted by the
従って、上記式１３及び式１４より、管内波長λの下限を規定する値は、式１４において導波管の長辺ａが自由空間での波長λ０となるときであり、ａ＝λ０を式１３に代入することで、下記式１５で表される関係式を得ることができる。
Therefore, from the above formulas 13 and 14, the value defining the lower limit of the guide wavelength λ is when the long side a of the waveguide is the wavelength λ 0 in free space in formula 14, and a = λ 0 is set. By substituting into Equation 13, a relational expression represented by the following
管内波長の上限値は、網目状コンベアからのマイクロ波の反射率が所定の閾値未満となるように、導波管の長辺の長さａに基づいて算出される上限値未満となる。かかる反射率の閾値は、例えば、図１２に示したようなサーキュレータ１０３や自動整合器１０７において不具合が生じることなく処理可能な反射率の値に設定することができる。例えば、サーキュレータ１０３や自動整合器１０７において不具合が生じることなく処理可能な反射率の値が１０％である場合には、導波管の長辺の長さａに基づいて反射率が１０％未満となるように算出された管内波長λの値が、上限値となる。このような値は特に限定されるものではないが、例えば、λ＜３０．５×λ０としてもよい。
The upper limit value of the guide wavelength is less than the upper limit value calculated based on the length a of the long side of the waveguide so that the reflectance of the microwave from the mesh conveyor is less than a predetermined threshold value. Such a threshold value of the reflectance can be set to a reflectance value that can be processed without causing any trouble in the
また、ＩＳＭバンドに属する周波数のマイクロ波は、周波数変動が所定の閾値以内（例えば、ｆ０±５０ＭＨｚ（ただし、ｆ０は中心周波数））に収まることが好ましいとされている。そのため、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を利用することを想定する場合、用いるマイクロ波の周波数を２．４０ＧＨｚ〜２．５０ＧＨｚの帯域に含まれるものとすることが好ましい。従って、マイクロ波の管内波長λは、自由空間での波長λ０と導波管の長辺の長さａに基づいて式１３から算出される管内波長の値からの変動値が、上記周波数変動の閾値に対応する波長の長さ以下となることが好ましい。例えば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を利用し、導波管の長辺の長さａを１０９ｍｍとする場合には、管内波長λは、以下の関係式１６を満たすことが好ましい。すなわち、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を利用し、導波管の長辺の長さａを１０９ｍｍとする場合、±５０ＭＨｚに対応する波長は、下記式１６に示したように、５ｍｍに相当する。 In addition, it is considered that the frequency of the microwave belonging to the ISM band preferably falls within a predetermined threshold (for example, f 0 ± 50 MHz (where f 0 is the center frequency)). Therefore, when it is assumed that a microwave of 2.45 GHz is used, the frequency of the microwave to be used is preferably included in the band of 2.40 GHz to 2.50 GHz. Therefore, the in-tube wavelength λ of the microwave has a fluctuation value from the value of the in-tube wavelength calculated from Expression 13 based on the wavelength λ 0 in free space and the length a of the long side of the waveguide, and the frequency fluctuation It is preferable that the length is equal to or shorter than the wavelength corresponding to the threshold value. For example, when a 2.45 GHz microwave is used and the length a of the long side of the waveguide is 109 mm, the in-tube wavelength λ preferably satisfies the following relational expression 16. That is, when a microwave of 2.45 GHz is used and the length a of the long side of the waveguide is 109 mm, the wavelength corresponding to ± 50 MHz corresponds to 5 mm as shown in the following Expression 16.
｜λ−１４８ｍｍ｜≦５ｍｍ ・・・（式１６） | Λ-148 mm | ≦ 5 mm (Expression 16)
同様に、９１５ＭＨｚ帯のマイクロ波を利用することを想定する場合についても、マイクロ波の管内波長λは、自由空間での波長λ０と導波管の長辺の長さａに基づいて式１３から算出される管内波長の値からの変動値が、周波数変動の閾値に対応する波長の長さ以下となることが好ましい。 Similarly, in the case where it is assumed that a microwave in the 915 MHz band is used, the in-tube wavelength λ of the microwave is expressed by Equation 13 based on the wavelength λ 0 in free space and the length a of the long side of the waveguide. It is preferable that the fluctuation value calculated from the value of the guide wavelength is equal to or less than the wavelength length corresponding to the frequency fluctuation threshold.
以上説明したように、本実施形態に係るマイクロ波乾燥装置及びマイクロ波乾燥方法によれば、金属製の網目状コンベアから任意の高さに存在する被乾燥物に対して、マイクロ波を高効率で照射して加熱することが可能となる。これにより、乾燥炉内の下層に位置する被乾燥物の強度が上昇し、歩留まりが向上することとなる。また、被乾燥物を形成する際に添加されるバインダーの量や、炉内に供給されるマイクロ波の出力を抑えることが可能となるため、製造コストの削減を図ることが可能となる。 As described above, according to the microwave drying apparatus and the microwave drying method according to the present embodiment, microwaves are highly efficiently applied to an object to be dried existing at an arbitrary height from a metal mesh conveyor. It is possible to heat by irradiation. Thereby, the intensity | strength of the to-be-dried object located in the lower layer in a drying furnace rises, and a yield will improve. In addition, since it is possible to suppress the amount of binder added when forming an object to be dried and the output of microwaves supplied to the furnace, manufacturing costs can be reduced.
以上、図１２〜図１７を参照しながら、本実施形態に係るマイクロ波乾燥装置及びマイクロ波乾燥方法について、詳細に説明した。 The microwave drying apparatus and the microwave drying method according to the present embodiment have been described in detail above with reference to FIGS.
以下に、実施例を示しながら、本発明の実施形態に係るマイクロ波乾燥装置及びマイクロ波乾燥方法について、具体的に説明する。なお、以下に示す実施例は、本発明の実施形態に係るマイクロ波乾燥装置及びマイクロ波乾燥方法のあくまでも一例であって、本発明の実施形態に係るマイクロ波乾燥装置及びマイクロ波乾燥方法が下記の例に限定されるわけではない。 Hereinafter, the microwave drying apparatus and the microwave drying method according to the embodiment of the present invention will be specifically described with reference to examples. The examples shown below are merely examples of the microwave drying apparatus and the microwave drying method according to the embodiment of the present invention, and the microwave drying apparatus and the microwave drying method according to the embodiment of the present invention are described below. It is not necessarily limited to the example.
（実施例１：電磁場解析による検証）
まず、市販のアプリケーションを利用した有限要素法による電磁場解析により、図１２〜図１７に示した本発明の実施形態に係るマイクロ波乾燥装置の検証を行った。
(Example 1: Verification by electromagnetic field analysis)
First, the microwave drying apparatus according to the embodiment of the present invention shown in FIGS. 12 to 17 was verified by electromagnetic field analysis by a finite element method using a commercially available application.
かかる検証に際して、マイクロ波の周波数を２．４５ＧＨｚとし、導波管の長辺の長さａ＝１０９ｍｍとした上で、網目状コンベアから金属板までの距離Ｌ１、及び、開口部１２３の高さｈの組み合わせを、下記の表１に示すように６通り準備し、解析を行った。電磁場解析のモデルを、図１８に示した。図１８に示したように、このモデルでは、導波管１０９の先端部における電磁場の挙動をシミュレートし、開口部１２３の周囲に実際の操業で用いられる塊成化原料と同等の誘電率及び誘電損失を有する球状の物体を配して、金属製の網目状コンベアを模した平面からの反射率を算出している。
In this verification, the microwave frequency is 2.45 GHz, the long side length a of the waveguide is a = 109 mm, the distance L 1 from the mesh conveyor to the metal plate, and the height of the
着目しているマイクロ波の周波数が２．４５ＧＨｚであるため、管内波長λは１４８ｍｍとなる。従って、λ／４＝３７ｍｍである。下記の表１から明らかなように、パターンＡ，Ｂ，Ｄ，Ｅにおいては、Ｌ１＜ｈ＜Ｌ１＋λ／４となっており、磁場のつくる定在波の腹を含み、節を含まないという条件を満足していることがわかる。逆に、パターンＣにおいては、ｈ＞Ｌ１＋λ／４、パターンＦにおいては、ｈ＜Ｌ１となっており、磁場のつくる定在波の腹を含み、節を含まないという条件を満足していない。 Since the microwave frequency of interest is 2.45 GHz, the in-tube wavelength λ is 148 mm. Therefore, λ / 4 = 37 mm. As is clear from Table 1 below, in patterns A, B, D, and E, L 1 <h <L 1 + λ / 4, which includes antinodes of standing waves created by magnetic fields, and includes nodes It can be seen that the above condition is satisfied. Conversely, in pattern C, h> L 1 + λ / 4, and in pattern F, h <L 1 , which satisfies the condition that it includes the antinodes of the standing wave generated by the magnetic field and does not include the nodes. Not.
得られた反射率を、上記表１にあわせて示した。なお、自由空間における周波数２．４５ＧＨｚのマイクロ波の波長λ０は、１２３ｍｍであり、λ０／４＝３１ｍｍである。参考のため、パターンＡ〜Ｆにおいて、金属板１２１の厚みを５ｍｍとして開口部１２３の導波管中心方向の上端から網目状コンベアの表面までの距離Ｌ２の値も併せて表１に示す。また、６通りの組み合わせのそれぞれについて、塊成化物層の各層におけるマイクロ波エネルギー吸収の割合を算出し、図１９に示した。
The obtained reflectance was shown together with the said Table 1. The wavelength lambda 0 of the microwave frequency 2.45GHz in free space is 123 mm, which is λ 0/4 = 31mm. For reference, in the pattern to F, shown in Table 1 together the value of the distance L 2 of the thickness of the
表１から明らかなように、パターンＡ，Ｂ，Ｄ，Ｅにおいては、マイクロ波の反射率を１０％未満とできることが明らかになった。また、図１９から明らかなように、最下層〜最下層から２番目に位置する塊成化物に対して、多くのマイクロ波エネルギーを供給できることがわかった。逆に、パターンＣ，Ｆにおいては、最下層に位置する塊成化物に対してマイクロ波エネルギーを与えることはできるものの、反射率が２０％以上と大きくなることがわかった。 As is clear from Table 1, in the patterns A, B, D, and E, it became clear that the reflectance of the microwave can be less than 10%. Further, as is clear from FIG. 19, it was found that a large amount of microwave energy can be supplied to the agglomerate located second from the lowest layer to the lowest layer. On the contrary, in the patterns C and F, it was found that although the microwave energy can be given to the agglomerated material located in the lowermost layer, the reflectance becomes as large as 20% or more.
（実施例２）
次に、網目状コンベアから金属板までの距離をＬ１とし、金属板１２１（導波管と同一の材質のもの）の厚みを５ｍｍとし、開口部の高さｈを、下記の表２に示すように４通り選択し、矩形導波管（長辺ａ＝１０９ｍｍ）を、実際の操業で用いられる塊成化物による層厚２５０ｍｍの塊成化物層に挿入し、塊成化物に２．４５ＧＨｚのマイクロ波を照射して、パワーモニタにより測定される反射率を測定した。また、矩形導波管近傍に位置する塊成化物に予め熱電対を挿入しておき、実験前後の塊成化物の温度差から、塊成化物の各層に吸収されたエネルギーを求め、層毎の吸収割合を算出した。
(Example 2)
Then, the distance from the reticulated conveyor to the metal plate and L 1, the thickness of the metal plate 121 (of the same material as the waveguide) and 5 mm, the height h of the opening, in Table 2 below As shown, four choices are made, and a rectangular waveguide (long side a = 109 mm) is inserted into the agglomerate layer with a layer thickness of 250 mm from the agglomerate used in the actual operation, and 2.45 GHz is added to the agglomerate. The reflectance measured by the power monitor was measured by irradiating the microwave. In addition, a thermocouple is inserted in advance in the agglomerate located in the vicinity of the rectangular waveguide, and the energy absorbed in each layer of the agglomerate is obtained from the temperature difference of the agglomerate before and after the experiment. The absorption rate was calculated.
ここで、パターンＧ，Ｉは、磁場のつくる定在波の腹を含み、節を含まない条件を満たしている。また、パターンＨは、磁場のつくる定在波の腹及び節の双方を含む条件となっている。 Here, the patterns G and I include the antinodes of the standing wave generated by the magnetic field, and satisfy the condition not including the nodes. The pattern H is a condition including both the antinodes and nodes of the standing wave generated by the magnetic field.
得られた反射率を、下記の表２に示した。また、塊成化物各層のエネルギー吸収割合を、図２０に示した。なお、参考のため、表１と同様、パターンＧ〜Ｊにおいて、Ｌ２の値も併せて表２に示す。 The obtained reflectance is shown in Table 2 below. Moreover, the energy absorption ratio of each layer of the agglomerated material is shown in FIG. For reference, similar to Table 1, in the pattern G-J, shown in Table 2 together with the value of L 2.
上記表２から明らかなように、パターンＧ，Ｉの開口部を備える導波管を用いた方が、パターンＨ，Ｊの開口部を備える導波管を用いた場合よりも反射率が小さくなっており、塊成化物に対してより多くのマイクロ波エネルギーを供給できたことがわかる。 As apparent from Table 2 above, the reflectivity is smaller when the waveguide having the openings of the patterns G and I is used than when the waveguide having the openings of the patterns H and J is used. It can be seen that more microwave energy could be supplied to the agglomerates.
また、図２０を参照すると、パターンＧ，Ｉの開口部を備える導波管を用いた場合は、最下層〜最下層から２層目（層の番号＝３）に位置する塊成化物に対して、マイクロ波エネルギーを供給出来ていることがわかる。一方、パターンＨの開口部を備える導波管を用いた場合は、最下層から２層目〜３層目（層の番号＝３〜４）に対してマイクロ波のエネルギーが多く吸収されていることがわかる。パターンＨ，Ｊの導波管の場合、反射率が７０％以上であることから、実際にマイクロ波発振機から供給されたエネルギーの２５％しか、塊成化物にエネルギーが吸収されていない。その２５％のエネルギーのうち、最下層〜最下層から２層目に吸収されたエネルギーは、１０％未満であり、ｈ＝６０ｍｍとした場合には、最下層の塊成化物を加熱できていないことが明らかとなった。 Referring to FIG. 20, when a waveguide having openings of patterns G and I is used, the agglomerates located in the second layer (layer number = 3) from the lowest layer to the lowest layer are used. It can be seen that microwave energy can be supplied. On the other hand, when a waveguide having an opening of the pattern H is used, much microwave energy is absorbed from the lowest layer to the second to third layers (layer number = 3 to 4). I understand that. In the case of the waveguides of patterns H and J, the reflectivity is 70% or more, so that only 25% of the energy actually supplied from the microwave oscillator is absorbed by the agglomerated material. Of the 25% energy, the energy absorbed in the second layer from the bottom layer to the bottom layer is less than 10%, and when h = 60 mm, the agglomerated material in the bottom layer cannot be heated. It became clear.
以上の結果からも、本発明の実施形態に係るマイクロ波乾燥装置及びマイクロ波乾燥方法を用いることで、より効率的に被乾燥物層の下層を加熱できることが明らかとなった。 From the above results, it became clear that the lower layer of the material to be dried can be heated more efficiently by using the microwave drying apparatus and the microwave drying method according to the embodiment of the present invention.
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。 The preferred embodiments of the present invention have been described in detail above with reference to the accompanying drawings, but the present invention is not limited to such examples. It is obvious that a person having ordinary knowledge in the technical field to which the present invention pertains can come up with various changes or modifications within the scope of the technical idea described in the claims. Of course, it is understood that these also belong to the technical scope of the present invention.
１０ マイクロ波乾燥装置
１０１ マイクロ波発振器
１０３ サーキュレータ
１０５ アイソレータ
１０７ 自動整合器
１０９ マイクロ波照射導波管（導波管）
１２１ 金属板
１２３ 開口部
１２５ 防塵板
DESCRIPTION OF
121
Claims (6)
マイクロ波を発振するマイクロ波発振器と、
前記被乾燥物からなる被乾燥物層の内部に挿入され、前記マイクロ波発振器から発振された前記マイクロ波を導波する導波管と、
を備え、
前記導波管は、
前記導波管の先端に設けられ、当該導波管の先端を閉塞する金属板と、
前記導波管の側面に設けられた開口部と、
を有しており、
前記被乾燥物層は、前記コンベア上に載置されており、
前記金属板から前記開口部上端までに、前記導波管の中心軸方向において導波管内の磁場強度が極大となる位置を含み、導波管内の磁場強度が極小となる位置を含まない、マイクロ波乾燥装置。 A microwave drying device used for drying an object to be dried by a metal conveyor ,
And micro-wave oscillator for oscillating a microwave,
Wherein the material to be dried consists of is inserted into the material to be dried layer, waveguide for guiding the microwave oscillated from the microwave oscillator,
With
The waveguide is
A metal plate provided at the tip of the waveguide and closing the tip of the waveguide;
An opening provided on a side surface of the waveguide;
Have
The layer to be dried is placed on the conveyor,
Wherein the metal plate to the opening upper end, includes a position where the magnetic field strength of the waveguide is maximum in the central axis direction of the waveguide, not including the position where the magnetic field strength in the waveguide is minimized, micro Wave drying equipment.
マイクロ波を発振するマイクロ波発振器と、
前記被乾燥物からなる被乾燥物層の内部に挿入され、前記マイクロ波発振器から発振された前記マイクロ波を導波する導波管と、
を備え、
前記導波管は、
前記導波管の先端に設けられ、当該導波管の先端を閉塞する金属板と、
前記導波管の側面に設けられた開口部と、
を有しており、
前記被乾燥物層は、前記コンベア上に載置されており、
前記開口部の前記導波管の中心軸方向の長さは、前記金属板から前記コンベアまでの距離より大きく、かつ、前記金属板から前記コンベアまでの距離と、前記導波管内を伝播する前記マイクロ波の管内波長の１／４に対応する距離との和よりも小さい、マイクロ波乾燥装置。 A microwave drying device used for drying an object to be dried by a metal conveyor,
A microwave oscillator that oscillates microwaves;
A waveguide that is inserted into a layer to be dried made of the material to be dried and guides the microwave oscillated from the microwave oscillator;
With
The waveguide is
A metal plate provided at the tip of the waveguide and closing the tip of the waveguide;
An opening provided on a side surface of the waveguide;
Have
The material to be dried layers are placed on the conveyor,
The length of the opening in the central axis direction of the waveguide is larger than the distance from the metal plate to the conveyor, and the distance from the metal plate to the conveyor and the inside of the waveguide propagates. smaller than the sum of the distance corresponding to 1/4 of the guide wavelength of the microwave, microwave drying apparatus.
当該導波管内を伝播する前記マイクロ波の管内波長λは、下記式１の関係式を満足し、かつ、前記コンベアからの前記マイクロ波の反射率が所定の閾値未満となるように前記長辺の長さａに基づいて算出される上限値未満となる、請求項３に記載のマイクロ波乾燥装置。
The in-tube wavelength λ of the microwave propagating in the waveguide satisfies the relational expression 1 below, and the long side so that the reflectivity of the microwave from the conveyor is less than a predetermined threshold value. The microwave drying apparatus according to claim 3 , wherein the microwave drying apparatus is less than an upper limit value calculated on the basis of a length a.
マイクロ波発振器を用いて、マイクロ波を発振する工程と、
前記マイクロ波を、被乾燥物からなる被乾燥物層の内部に挿入された導波管を用いて導波する工程と、
を備え、
前記導波管は、
前記導波管の先端に設けられ、当該導波管の先端を閉塞する金属板と、
前記導波管の側面に設けられた開口部と、
を有しており、
前記被乾燥物層は、前記コンベア上に載置されており、
前記金属板から前記開口部上端までに、前記導波管の中心軸方向において導波管内の磁場強度が極大となる位置を含み、導波管内の磁場強度が極小となる位置を含まない、マイクロ波乾燥方法。 A microwave drying method used for drying an object to be dried by a metal conveyor,
Using a microwave oscillator to oscillate microwaves;
A step of guiding the microwave using a waveguide inserted in a layer to be dried made of a matter to be dried;
With
The waveguide is
A metal plate provided at the tip of the waveguide and closing the tip of the waveguide;
An opening provided on a side surface of the waveguide;
Have
The layer to be dried is placed on the conveyor,
From the metal plate to the upper end of the opening, includes a position where the magnetic field strength in the waveguide is maximum in the central axis direction of the waveguide, and does not include a position where the magnetic field strength in the waveguide is minimum . Microwave drying method.
マイクロ波発振器を用いて、マイクロ波を発振する工程と、Using a microwave oscillator to oscillate microwaves;
前記マイクロ波を、被乾燥物からなる被乾燥物層の内部に挿入された導波管を用いて導波する工程と、A step of guiding the microwave using a waveguide inserted in a layer to be dried made of a matter to be dried;
を備え、With
前記導波管は、The waveguide is
前記導波管の先端に設けられ、当該導波管の先端を閉塞する金属板と、A metal plate provided at the tip of the waveguide and closing the tip of the waveguide;
前記導波管の側面に設けられた開口部と、An opening provided on a side surface of the waveguide;
を有しており、Have
前記被乾燥物層は、前記コンベア上に載置されており、The layer to be dried is placed on the conveyor,
前記開口部の前記導波管の中心軸方向の長さは、前記金属板から前記コンベアまでの距離より大きく、かつ、前記金属板から前記コンベアまでの距離と、前記導波管内を伝播する前記マイクロ波の管内波長の１／４に対応する距離との和よりも小さい、マイクロ波乾燥方法。The length of the opening in the central axis direction of the waveguide is larger than the distance from the metal plate to the conveyor, and the distance from the metal plate to the conveyor and the inside of the waveguide propagates. A microwave drying method that is smaller than the sum of the distance corresponding to 1/4 of the in-tube wavelength of the microwave.
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