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JP7657538B2 - Heat generating unit, heat treatment device, and heater design method for heat treatment device - Google Patents

Heat generating unit, heat treatment device, and heater design method for heat treatment device Download PDF

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JP7657538B2 JP2019028584A JP2019028584A JP7657538B2 JP 7657538 B2 JP7657538 B2 JP 7657538B2 JP 2019028584 A JP2019028584 A JP 2019028584A JP 2019028584 A JP2019028584 A JP 2019028584A JP 7657538 B2 JP7657538 B2 JP 7657538B2
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Description

この発明は、被加熱部を加熱するための発熱部と熱処理装置に関し、特に、チャンバ内に収納された被加熱物を、マイクロ波とヒータの二つの加熱手段でハイブリッド加熱を行う熱処理装置及び熱処理装置のヒータ設計方法に関する。 This invention relates to a heat generating unit and a heat treatment device for heating a heated part, and in particular to a heat treatment device that performs hybrid heating of a heated object stored in a chamber using two heating means, microwaves and a heater, and a heater design method for the heat treatment device.

被加熱部を加熱する一般的な発熱部は、例えば、チャンバ内に設けたヒータである。このようなヒータはチャンバ内の被加熱部を外部より直接的に加熱するものである。 A typical heat generating part that heats the heated part is, for example, a heater installed inside the chamber. Such a heater directly heats the heated part inside the chamber from the outside.

また、ヒータに代えてチャンバ内に置かれた被加熱物をマイクロ波で加熱する装置では、マイクロ波が被加熱物の内部まで浸透するため、加熱処理時間の短縮化と省エネルギー化が実現可能とされている。 In addition, in a device that uses microwaves to heat an object placed in a chamber instead of a heater, the microwaves penetrate deep into the object, making it possible to shorten the heating process time and save energy.

しかしながら、被加熱物をマイクロ波のみで加熱すると、被加熱物からの放熱が大きく、被加熱物の内部と外部の温度差が出来てしまい、被加熱物の品質低下を招く恐れがある。 However, if an object is heated using only microwaves, a large amount of heat is dissipated from the object, creating a temperature difference between the inside and outside of the object, which may result in a deterioration in the quality of the object.

そこで、マイクロ波と他の加熱源とのハイブリッド加熱を行う熱処理装置が提案されている(特許文献1)。 Therefore, a heat treatment device has been proposed that performs hybrid heating using microwaves and other heating sources (Patent Document 1).

例えば、特許文献1に示されるハイブリッド加熱の熱処理装置では、他の加熱源としてマイクロ波により加熱されるサセプタをチャンバ内に設け、マイクロ波により被加熱物を内部から加熱する一方、マイクロ波により加熱されたサセプタで被加熱物を外部から加熱するようにして被加熱物の均一加熱を図っている。 For example, in the hybrid heating heat treatment device shown in Patent Document 1, a susceptor heated by microwaves as another heating source is provided in the chamber, and the object to be heated is heated from the inside by microwaves, while the susceptor heated by microwaves heats the object from the outside, thereby achieving uniform heating of the object to be heated.

また、特許文献2に示されるハイブリッド加熱の熱処理装置では、他の加熱源としてマイクロ波により加熱されるマイクロ波吸収体をチャンバ内の側壁に設け、マイクロ波により被加熱物を内部から加熱する一方、マイクロ波により加熱されたマイクロ波吸収体で被加熱物を外部から加熱するようにして被加熱物の均一加熱を図っている。 In addition, in the hybrid heating heat treatment device shown in Patent Document 2, a microwave absorber that is heated by microwaves as another heating source is provided on the side wall inside the chamber, and the object to be heated is heated from the inside by microwaves, while the microwave absorber heated by microwaves heats the object from the outside, thereby achieving uniform heating of the object to be heated.

特表2015-536434号公報Special table 2015-536434 publication 特開2004-352595号公報JP 2004-352595 A

しかしながら、上記の特許文献1、2に示される装置では、マイクロ波による加熱と間接加熱(マイクロ波によりチャンバ内に配置されているマイクロ波吸収体を加熱することで、間接的に被加熱物を加熱する)を行うことになるため、マイクロ波照射装置の容量が大きくなり、高コスト化を避けられない。 However, in the devices shown in Patent Documents 1 and 2, microwave heating and indirect heating (heating the object indirectly by heating a microwave absorber placed in the chamber with microwaves) are performed, so the capacity of the microwave irradiation device becomes large, and high costs are unavoidable.

この発明は、加熱部の構成を工夫することで加熱効率を高めることを目的とする。また、被加熱物の昇温ばらつきを抑制し、加熱効率を向上する熱処理装置の提供を目的とする。 The purpose of this invention is to improve the heating efficiency by improving the configuration of the heating section. It also aims to provide a heat treatment device that suppresses the variation in temperature rise of the heated object and improves the heating efficiency.

この発明の発熱部は、配置パターンが周期的にターンする蛇行パターンであって、マイクロ波の照射によりエネルギーを吸収することを特徴とする。 The heat generating portion of this invention is characterized by a meandering pattern in which the arrangement turns periodically, and absorbs energy when exposed to microwaves.

発熱部の配置パターンが周期的にターンする蛇行パターンであって、マイクロ波を照射したときに、蛇行パターンのためにマイクロ波のエネルギーを吸収可能となる。発熱部は蛇行パターンという形状によってマイクロ波のエネルギーを吸収し発熱可能であるため、エネルギーを吸収するためのサセプタ等の構造を別途設けなくても良い。また、発熱部を電気ヒータ等で構成することも容易であるため、そのように構成した場合は、発熱部をヒータとマイクロ波の両方で加熱することが出来る。また、蛇行パターンという形状によって、マイクロ波のエネルギーの吸収を抑えることが出来、これにより被加熱物の加熱にマイクロ波を効率よく用いることができる。 The arrangement pattern of the heat generating parts is a serpentine pattern that turns periodically, and when microwaves are irradiated, the serpentine pattern allows the heat generating parts to absorb microwave energy. Because the heat generating parts are able to absorb microwave energy and generate heat due to their serpentine pattern shape, there is no need to provide a separate structure such as a susceptor for absorbing energy. In addition, the heat generating parts can easily be configured with electric heaters, etc., and in such a configuration, the heat generating parts can be heated by both the heater and microwaves. Furthermore, the serpentine pattern shape makes it possible to suppress absorption of microwave energy, which allows microwaves to be used efficiently to heat the heated object.

このように、マイクロ波の吸収量の調整により、加熱効率の向上を図ることができる。 In this way, the heating efficiency can be improved by adjusting the amount of microwave absorption.

被加熱物に対してハイブリッド加熱を行うことにより、被加熱部の昇温ばらつきを抑制することが出来る。 By performing hybrid heating on the object to be heated, it is possible to suppress variations in temperature rise in the heated area.

以下の理由から、蛇行パターンの形状を工夫することでマイクロ波によるヒータ加熱の課題を解決すること、つまり、ヒータに対するマイクロ波の誘電加熱による損失を抑制することが可能である。これにより、加熱効率がさらに良くなる。 For the following reasons, by devising the shape of the meandering pattern, it is possible to solve the problem of heater heating by microwaves, that is, to suppress the loss due to dielectric heating of microwaves in the heater. This further improves the heating efficiency.

すなわち、後に記載しているように、様々なシミュレーションを行った結果、放射されるマイクロ波の波長(周波数)とヒータの発熱に相関があることがわかった。また、同一波長のマイクロ波に対してヒータの形状とヒータの発熱にも相関があることがわかった。つまり、ヒータはマイクロ波に対してアンテナとして挙動することが推測される。照射されるマイクロ波に対しアンテナとしての性能が高いと、マイクロ波エネルギーがヒータの発熱として消費され、アンテナとしての性能が低いと、その消費が小さくなることとなる。 In other words, as described later, various simulations were performed and it was found that there is a correlation between the wavelength (frequency) of the radiated microwaves and the heat generated by the heater. It was also found that there is a correlation between the shape of the heater and the heat generated by the heater for microwaves of the same wavelength. In other words, it is presumed that the heater behaves as an antenna for microwaves. If the performance as an antenna for the radiated microwaves is high, the microwave energy will be consumed as heat generated by the heater, and if the performance as an antenna is low, this consumption will be small.

この発明では、ヒータの配置パターンが蛇行パターンであるため、メアンダ形状のアンテナとして挙動するものと考えられる。そこで、蛇行パターンの形状を工夫することでアンテナとしての性能を低下させ、マイクロ波エネルギーがヒータの発熱として消費されることを防止し、マイクロ波エネルギーの被加熱物に対する照射効率を高くすること、すなわちマイクロ波エネルギーの被加熱物に対する加熱効率を高くすることが出来る。 In this invention, the heater is arranged in a meandering pattern, and is therefore thought to behave as a meandering antenna. By devising the shape of the meandering pattern, it is possible to reduce the antenna performance, prevent microwave energy from being consumed as heat generated by the heater, and increase the irradiation efficiency of microwave energy to the heated object, i.e., increase the heating efficiency of microwave energy to the heated object.

この発明の熱処理装置は、チャンバ内の被加熱物に対してマイクロ波を照射するマイクロ波照射部と、上記発熱部を含むヒータとを備え、マイクロ波とヒータにより被加熱物に対するハイブリッド加熱を行う。前記ヒータの発熱部は前記チャンバ内に配置されている。 The heat treatment device of the present invention includes a microwave irradiation unit that irradiates microwaves to an object to be heated in a chamber, and a heater that includes the heat generating unit, and performs hybrid heating of the object to be heated using microwaves and the heater. The heat generating unit of the heater is disposed in the chamber.

また、ヒータの発熱部がチャンバの内に配置されていることから、ヒータの発熱部による被加熱物に対する加熱効率が良くなる。 In addition, since the heater's heat generating part is located inside the chamber, the heating efficiency of the heater's heat generating part on the heated object is improved.

また、ヒータの発熱部の配置パターンを蛇行パターンにすることで、ヒータ配線が最も高密度となるパターンとなる。ヒータ出力はヒータの長さによって決まるため、目的とする出力密度を容易に得られる。蛇行パターンは、チャンバ内の壁面の寸法、形状に合わせて調整し、配設することが可能である。これにより、チャンバ内の構造の複雑化を避けることが出来る。そして、ヒータ配線が高密度となることにより、所望のヒータ出力を備えたヒータを省スペースで設けることができる。さらに、マイクロ波とヒータとでハイブリッド加熱を行う場合、マイクロ波によりヒータが加熱されないようにすることが課題となるが、この発明では、ヒータの発熱部の配置パターンが蛇行パターンであるため、以下の理由から、蛇行パターンの形状を工夫することでマイクロ波によるマイクロ波エネルギー吸収量の調整ができない課題を解決すること、つまり、ヒータに対するマイクロ波の誘電加熱による損失を抑制することが可能である。これにより、加熱効率がさらに良くなる。 In addition, by making the arrangement pattern of the heating parts of the heater a meandering pattern, the heater wiring becomes the pattern with the highest density. Since the heater output is determined by the length of the heater, the desired output density can be easily obtained. The meandering pattern can be adjusted and arranged according to the dimensions and shape of the wall surface inside the chamber. This makes it possible to avoid complicating the structure inside the chamber. And, by making the heater wiring dense, a heater with the desired heater output can be installed in a small space. Furthermore, when performing hybrid heating using microwaves and a heater, it is an issue to prevent the heater from being heated by the microwaves. In this invention, since the arrangement pattern of the heating parts of the heater is a meandering pattern, for the following reason, it is possible to solve the issue of not being able to adjust the amount of microwave energy absorption by the microwaves by devising the shape of the meandering pattern, that is, it is possible to suppress the loss due to dielectric heating of the microwaves in the heater. This further improves the heating efficiency.

以上のように、この発明では、ハイブリッド加熱により、被加熱部の昇温ばらつきを抑制することが出来る。また、ヒータの発熱部をチャンバ内に配置させたことにより、ヒータの発熱部による被加熱物に対する加熱効率が良くなる。また、ヒータの配置パターンを蛇行パターンとすることで、その形状を工夫することでマイクロ波エネルギーがヒータの発熱として消費されることを防止出来、加熱効率をさらに高くすることが出来る。また、ヒータをマイクロ波から隔離する機構が不要となり、目的とする出力密度も容易に得られ、熱処理装置の構造を簡易化できる利点もある。 As described above, in this invention, hybrid heating can suppress variations in temperature rise in the heated area. In addition, by arranging the heat generating part of the heater inside the chamber, the heating efficiency of the heat generating part of the heater for the heated object is improved. In addition, by making the heater arrangement pattern a serpentine pattern, it is possible to prevent microwave energy from being consumed as heat generated by the heater by devising the shape, and it is possible to further increase the heating efficiency. In addition, there is an advantage that a mechanism for isolating the heater from microwaves is not required, the desired output density can be easily obtained, and the structure of the heat treatment device can be simplified.

この発明では、ヒータの一つのターン部の長さに一つの直線部の長さを加えた1ターン分長さLは、前記ヒータによる前記マイクロ波のエネルギー吸収量が一定の範囲以下になる長さに設定してある。 In this invention, the length L of one turn of the heater, calculated by adding the length of one straight section to the length of one turn, is set to a length that keeps the amount of microwave energy absorbed by the heater within a certain range.

ヒータの配置パターンが蛇行パターンである場合、ヒータ線の全部の長さ(面積)を減らさずにヒータによるマイクロ波のエネルギー吸収量を減らすには、どの部分の形状を工夫するかが課題となる。シミュレーションをした解析結果によれば、ヒータの一つのターン部の長さに一つの直線部の長さを加えた1ターン分長さLを調整することで、同エネルギー吸収量が変動することが分かった。そこで、1ターン分長さLを、ヒータによる前記マイクロ波のエネルギー吸収量が一定の範囲以下になる長さに設定する。 When the heater arrangement pattern is a meandering pattern, the challenge is to determine which part of the shape should be devised to reduce the amount of microwave energy absorbed by the heater without reducing the total length (area) of the heater wire. According to the results of a simulation analysis, it was found that the amount of energy absorbed can be varied by adjusting the length of one turn L, which is the sum of the length of one straight section and the length of one turn of the heater. Therefore, the length of one turn L is set to a length that keeps the amount of microwave energy absorbed by the heater below a certain range.

この発明では、前記1ターン分長さLは、マイクロ波の波長をλとした場合に、L/λが0.5を中心とする一定の範囲内になる長さに設定することが好ましい。 In this invention, it is preferable that the length L of one turn is set to a length such that L/λ is within a certain range centered around 0.5, where λ is the wavelength of the microwave.

より詳細には、前記1ターン分長さLは、L/λが0.35~0.7の範囲内になる長さに設定することが望ましい。好ましくは、L/λが0.4~0.6、さらに好ましくはL/λが0.4~0.55の範囲内になる長さに設定するのが良い。 More specifically, it is desirable to set the length L of one turn to a length such that L/λ is in the range of 0.35 to 0.7. It is more preferable to set the length to a length such that L/λ is in the range of 0.4 to 0.6, and even more preferable to set the length to a length such that L/λ is in the range of 0.4 to 0.55.

この発明によれば、発熱部の配置パターンが周期的にターンする蛇行パターンであるために、マイクロ波を照射したときに、そのエネルギーを吸収可能となる。発熱部は蛇行パターンという形状によってマイクロ波のエネルギーを吸収し発熱可能であるため、エネルギーを吸収するためのサセプタ等の構造を別途設けなくても良く、小型化でき発熱効率が良くなる。また、発熱部を電気ヒータ等で構成することも容易であるため、そのように構成した場合は、発熱部をヒータとマイクロ波の両方で加熱することが出来る。 According to this invention, the arrangement pattern of the heat generating portion is a meandering pattern that turns periodically, so that when microwaves are irradiated, the energy can be absorbed. Because the heat generating portion is capable of absorbing microwave energy and generating heat due to its meandering pattern shape, there is no need to provide a separate structure such as a susceptor for absorbing energy, which allows for miniaturization and improves heat generation efficiency. In addition, the heat generating portion can easily be configured with an electric heater, etc., so in such a configuration, the heat generating portion can be heated by both a heater and microwaves.

ハイブリッド加熱により、被加熱部の昇温ばらつきを抑制することが出来る。また、ヒータの発熱部を内に配置させたことにより、ヒータの発熱部による被加熱物に対する加熱効率が良くなる。 Hybrid heating can suppress variations in temperature rise in the heated area. In addition, by placing the heater's heat generating part inside, the heating efficiency of the heater's heat generating part on the heated object is improved.

また、配置パターンを蛇行パターンとしたので、その形状を工夫することでマイクロ波エネルギーがヒータの発熱として消費されることを防止出来、加熱効率がさらに良くなる In addition, the arrangement is a serpentine pattern, and by devising the shape, it is possible to prevent microwave energy from being consumed as heat by the heater, further improving heating efficiency.

この発明の実施形態である熱処理装置の概略構造図である。1 is a schematic structural diagram of a heat treatment apparatus according to an embodiment of the present invention; メアンダ形状のヒータの配置パターンの一部を示す。1 shows a part of the arrangement pattern of meander-shaped heaters. 広域周波数でのシミュレーション結果を示す。Simulation results over a wide frequency range are shown. ヒータの4種類の形状についてのシミュレーション結果を示す。Simulation results for four different heater shapes are shown. ヒータの別の3種類の形状についてのシミュレーション結果を示す。Simulation results for three different heater geometries are shown. ヒータのさらに別の4種類の形状についてのシミュレーション結果を示す。Simulation results for four additional heater geometries are presented. マイクロ波の吸収の程度と発熱量についてのシミュレーション結果を示す。The simulation results for the degree of microwave absorption and the amount of heat generated are shown below.

図1は、この発明の実施形態である熱処理装置の概略構造図である。同図(A)は、熱処理装置の正面断面図、(B)はヒータの配置パターン図である。 Figure 1 is a schematic diagram of a heat treatment device according to an embodiment of the present invention. Figure 1 (A) is a front cross-sectional view of the heat treatment device, and (B) is a diagram of the heater arrangement pattern.

熱処理装置1は、断面が中空の箱型形状となるように成形した、材質がセラミック等の断熱材2と、断熱材2の周囲を覆った金属カバー3とで構成されるチャンバ4を備えている。チャンバ4内には被加熱物5が配置されている。被加熱物5は、マイクロ波を吸収することにより加熱される処理品であって材質は限定されない。また、チャンバ4内の被加熱物5に対しマイクロ波を照射するマイクロ波照射装置6がチャンバ4の外側に配置され、マイクロ波照射装置6とチャンバ4とは、導波管7で連結されている。 The heat treatment device 1 is equipped with a chamber 4 composed of a heat insulating material 2 made of a material such as ceramic, and a metal cover 3 surrounding the heat insulating material 2, which is formed so that the cross section is a hollow box shape. An object to be heated 5 is placed inside the chamber 4. The object to be heated 5 is a processing item that is heated by absorbing microwaves, and the material of the object to be heated 5 is not limited. In addition, a microwave irradiation device 6 that irradiates microwaves to the object to be heated 5 inside the chamber 4 is placed outside the chamber 4, and the microwave irradiation device 6 and the chamber 4 are connected by a waveguide 7.

なお、図示する例では、チャンバ4内に、被加熱物5を載置、且つ紙面に向かって前後方向に搬送するための搬送ローラ8を設けている。搬送ローラ8は、被加熱物5を連続処理する場合に、紙面に向かって前方又は後方に設けられる別のチャンバに被加熱物を搬送する手段として使用される。搬送ローラ8を設けずに、チャンバ4内で被加熱物5を単独で処理することも可能である。 In the illustrated example, the chamber 4 is provided with transport rollers 8 on which the object 5 to be heated is placed and transported in the forward and backward directions toward the paper surface. The transport rollers 8 are used as a means for transporting the object 5 to another chamber provided in front or behind the paper surface when the object 5 to be heated is continuously processed. It is also possible to process the object 5 to be heated alone in the chamber 4 without providing the transport rollers 8.

熱処理装置1のチャンバ4の内壁には、電気ヒータ(以下、ヒータ)9が設けられている。ヒータ9の発熱部であるヒータ素線は材質がカンタルやニクロム等の金属で構成される。この例では、ヒータ9は、図1においてチャンバ4の上側内壁と左右側の内壁に前記ヒータ素線を配置することで構成され、図示しない、外部の電力源から電力が供給され、発熱する。以下、このヒータ素線を単にヒータ9と称する。また、図1(B)に示すように、ヒータ9は、1本のヒータ素線を全体として複数列となるように配置し、各列で蛇行させている。このようにヒータ9の配置パターンを複数列の蛇行パターンとすることで、その密度を高くしている。 An electric heater (hereinafter, heater) 9 is provided on the inner wall of the chamber 4 of the heat treatment apparatus 1. The heater wire, which is the heat generating part of the heater 9, is made of a metal such as Kanthal or Nichrome. In this example, the heater 9 is configured by arranging the heater wire on the upper inner wall and the left and right inner walls of the chamber 4 in FIG. 1, and generates heat by being supplied with power from an external power source (not shown). Hereinafter, this heater wire will be simply referred to as the heater 9. Also, as shown in FIG. 1(B), the heater 9 is a single heater wire arranged in multiple rows as a whole, and each row is made to meander. By making the arrangement pattern of the heater 9 into a multiple-row meandering pattern in this way, the density is increased.

ヒータ9は、その材質としてカンタルやニクロム等以外に、SiC,MoSi2等のセラミックを使用することも可能である。 The heater 9 can be made of ceramics such as SiC and MoSi2, in addition to Kanthal and Nichrome.

なお、ヒータ9に代えて、外部の熱源(電力、ガス等)に接続されて発熱し、チャンバ内に露出する部分の材質が金属またはセラミックである他のヒータ、例えば、シーズヒータやリジェネラジアントチューブバーナー等を使用することも可能である。この場合も、その発熱部がチャンバ4の上側内壁と左右側の内壁に配置される。 In place of heater 9, it is also possible to use other heaters that generate heat by being connected to an external heat source (electricity, gas, etc.) and whose exposed parts inside the chamber are made of metal or ceramic, such as sheath heaters or regenerative radiant tube burners. In this case too, the heating parts are placed on the upper inner wall and the left and right inner walls of chamber 4.

以上の構成で、ヒータ9により、チャンバ内の雰囲気温度を所定の温度にすることで被加熱物5をその外部から加熱し、マイクロ波照射装置6から照射されるマイクロ波により、被加熱物5をその内部から加熱する。これにより、被加熱物5の内部と外部の温度差がなくなり、被加熱物を均一に加熱し、被加熱部の昇温ばらつきを抑制することが出来る。また、ヒータ9をニクロム等で構成される金属系の電気ヒータで構成することで、その出力はヒータ9の抵抗値、すなわちヒータ9の長さによって決まるため、目的とする出力密度を容易に得られる。また、ヒータ9の配置パターンを複数列の蛇行パターンとすることで、ヒータ配線が高密度となり被加熱物に対する加熱効率が良くなる。そして、チャンバ4の上側内壁と左右側の内壁に発熱部であるヒータ9を配置することで、ヒータの発熱部をマイクロ波から隔離しなくても良く、マイクロ波が照射される空間にヒータ9が配置される構造となる。したがって、この構造上の観点からも被加熱物に対する加熱効率が良くなる。 In the above configuration, the heater 9 heats the object 5 from the outside by setting the atmospheric temperature in the chamber to a predetermined temperature, and the microwave irradiated from the microwave irradiator 6 heats the object 5 from the inside. This eliminates the temperature difference between the inside and outside of the object 5, uniformly heats the object, and suppresses the temperature rise variation of the heated part. In addition, by configuring the heater 9 as a metal-based electric heater made of nichrome or the like, the output is determined by the resistance value of the heater 9, i.e., the length of the heater 9, so the desired output density can be easily obtained. In addition, by making the heater 9 arrangement pattern into a meandering pattern of multiple rows, the heater wiring becomes high density and the heating efficiency for the object to be heated is improved. And by arranging the heater 9, which is the heat generating part, on the upper inner wall and the left and right inner walls of the chamber 4, it is not necessary to isolate the heat generating part of the heater from the microwave, and the heater 9 is arranged in the space irradiated with the microwave. Therefore, from the viewpoint of this structure, the heating efficiency for the object to be heated is improved.

本実施形態では、ヒータ9はマイクロ波が吸収されないよう、その形状が最適化されている。上述したように、配置パターンが蛇行パターンのヒータ9は、照射されるマイクロ波に対してメアンダ形状のアンテナとして挙動することが推測される。照射されるマイクロ波に対しアンテナとしての性能が高いと、マイクロ波エネルギーがヒータ9の発熱として消費され、アンテナとしての性能が低いと、その消費が小さくなることとなる。 In this embodiment, the shape of the heater 9 is optimized so that microwaves are not absorbed. As described above, the heater 9, which has a meandering arrangement pattern, is presumed to behave as a meandering antenna for the irradiated microwaves. If the heater 9 has high performance as an antenna for the irradiated microwaves, microwave energy is consumed as heat generation by the heater 9, and if the heater 9 has low performance as an antenna, the consumption is reduced.

ヒータ9の形状の最適化は、上記のように、ヒータ9がマイクロ波に対してメアンダ形状のアンテナとして挙動することを前提として行う。すなわち、以下のように検討した結果、1ターン分長さL(以下、単にターン長Lと称することがある)を調整することで、ヒータによるマイクロ波のエネルギー吸収量が変動することが分かった。そこで、ターン長Lを、ヒータによるマイクロ波のエネルギー吸収量が一定の範囲以下になる長さに設定する。 The shape of the heater 9 is optimized on the premise that the heater 9 behaves as a meander-shaped antenna for microwaves, as described above. That is, as a result of the following considerations, it was found that the amount of microwave energy absorbed by the heater varies by adjusting the length L of one turn (hereinafter sometimes simply referred to as the turn length L). Therefore, the turn length L is set to a length that keeps the amount of microwave energy absorbed by the heater within a certain range.

図2は、メアンダ形状のヒータの配置パターンの一部を示す。図において、ターン長Lは、一つのターン部の長さL1と、長さL1に接続する上下二つの直線部の長さL2、L3を足した長さに等しい。L2、L3は、それぞれ、ターン部の長さL1に接続する一つの直線部L4の半分の長さである。ここでは、便宜的に、以下、ターン長Lを、ターン部の長さL1に一つの直線部L4の長さを足した長さとする。 Figure 2 shows a portion of the arrangement pattern of meander-shaped heaters. In the figure, the turn length L is equal to the length L1 of one turn portion plus the lengths L2, L3 of two straight portions above and below that connect to length L1. L2 and L3 are each half the length of one straight portion L4 that connects to length L1 of the turn portion. For convenience, hereafter, the turn length L will be defined as the length L1 of the turn portion plus the length of one straight portion L4.

以下、ターン長Lを、ターン部の長さL1に一つの直線部L4の長さを足した長さとしてシミュレーションした内容を具体的に示す。シミュレーションは、図1の構成でヒータに電流を流さない条件で行った。 The following is a detailed simulation of the turn length L, which is the sum of the length of the turn section L1 and the length of one straight section L4. The simulation was performed with no current flowing through the heater in the configuration shown in Figure 1.

最初に、図3に示すように広域周波数でのシミュレーションを行った。 First, we performed a wide frequency simulation as shown in Figure 3.

図3(A)は、蛇行パターンのテスト用のヒータ素線(ターン長L=174mm)に対して、マイクロ波を照射し、マイクロ波の周波数をスイープして、VSWRのピークが出る位置を調べた。この調査により、一つ目のピークが最大となることがわかった。なお、VSWRの値は、その値が大きいほど、ヒータのマイクロ波の吸収が悪い、すなわちアンテナ性能が悪くなることを示す。図3(A)から、一つ目のピークの位置は約0.8GHz(λ=375mm)である。このとき、L/λ=174/375=0.5である。図3(B)は、横軸をL/λにして周波数をスイープしたときのVSWRのピークが出る位置を示している。同図からも、一つ目のピークが最大となる位置はL/λ=0.5である。 In Fig. 3(A), microwaves were irradiated onto a test heater wire (turn length L = 174 mm) with a meandering pattern, and the microwave frequency was swept to investigate the position where the VSWR peak appeared. This investigation revealed that the first peak was the maximum. Note that the higher the VSWR value, the worse the heater's microwave absorption, i.e., the worse the antenna performance. From Fig. 3(A), the position of the first peak is approximately 0.8 GHz (λ = 375 mm). At this time, L/λ = 174/375 = 0.5. Fig. 3(B) shows the position where the VSWR peak appears when the frequency is swept with L/λ on the horizontal axis. From the same figure, the position where the first peak is the maximum is L/λ = 0.5.

図3(A)では、L=174mmとしているが、Lを変更しても、L/λ=0.5としたときのピークが最大となった。 In Figure 3(A), L = 174 mm, but even when L was changed, the peak was greatest when L/λ = 0.5.

以上から、L/λ=0.5となるターン長Lを決めることで、VSWRの値を最大に出来る。 From the above, the VSWR value can be maximized by determining the turn length L such that L/λ = 0.5.

次に、ターン長Lの形状を決めるために、L1とL4(=L2+L3)をパラメータとして図4、図5のようにシミュレーションを行った。なお、ターン部L1は便宜的に間隔L5とし、直線部L4は列幅L4と称する。 Next, to determine the shape of the turn length L, a simulation was performed as shown in Figures 4 and 5 with L1 and L4 (= L2 + L3) as parameters. For convenience, the turn portion L1 is referred to as the interval L5, and the straight portion L4 is referred to as the row width L4.

図4、図5は、4種類の形状(1)(26)(79)(13){数値は形状Noを示し、特に意味はない。}について、マイクロ波の周波数をスイープしたときのVSWR値を示している。また、図4(B)は、4種類の形状(1)(26)(79)(13)について、横軸をL/λにして周波数をスイープしたときのVSWR値を示している。 Figures 4 and 5 show the VSWR values when the microwave frequency is swept for four types of shapes (1), (26), (79), and (13) (numbers indicate the shape number and have no particular meaning). Also, Figure 4 (B) shows the VSWR values when the frequency is swept with the horizontal axis set to L/λ for four types of shapes (1), (26), (79), and (13).

図4(A)において、形状(1)(26)(79)(13)のVSWR値から、ターン長Lが長くなると、VSWRのピーク位置が周波数の低い方へ移動することが分かる。 In Figure 4 (A), from the VSWR values of shapes (1), (26), (79), and (13), it can be seen that as the turn length L increases, the VSWR peak position moves toward lower frequencies.

図4(A)(B)において、形状(26)(79)のVSWR値から、同じターン長Lでは間隔L5が小さい方のVSWR値が大きい。 In Figures 4(A) and (B), the VSWR values for shapes (26) and (79) show that for the same turn length L, the smaller spacing L5 has a higher VSWR value.

図4(A)(B)において、形状(1)(79)(13)のVSWR値から、同じ間隔L5では、列幅L4が大きい方のVSWRのピーク値が大きい。また、列幅L4が大きい方のVSWRのピーク値は周波数の低い方へ移動する。 In Figures 4(A) and (B), the VSWR values for shapes (1), (79), and (13) show that for the same spacing L5, the VSWR peak value is larger when the row width L4 is larger. Also, the VSWR peak value for the larger row width L4 shifts toward lower frequencies.

また、別の3種類の形状(5)(9)(12)について、追加的に同じターン長でのシミュレーションを図5(A)(B)のように行った。この例でも、同じターン長では間隔L5が小さい方のVSWR値が大きい。 In addition, simulations were performed for three other shapes (5), (9), and (12) with the same turn length, as shown in Figures 5(A) and (B). In this example, too, the VSWR value is higher for the smaller spacing L5 with the same turn length.

さらに、別の4種類の形状(23)(17)(24)(25)について、追加的に同じ間隔L4でのシミュレーションを図6(A)(B)のように行った。この例でも、図4(A)(B)と同様に、同じ間隔では列幅L4方が大きい方のVSWRのピーク値が大きく、また、列幅L4が大きい方のVSWRのピーク値は周波数の低い方へ移動する。 Furthermore, simulations were performed for four other types of shapes (23), (17), (24), and (25) at the same interval L4, as shown in Figures 6(A) and (B). In this example, as in Figures 4(A) and (B), at the same interval, the VSWR peak value is larger for the larger row width L4, and the VSWR peak value for the larger row width L4 shifts toward lower frequencies.

以上のシミュレーション結果より、マイクロ波周波数が2.45GHzの場合、マイクロ波の吸収を防ぐ形状は、図4の4種類中では、形状(79)が好ましいことが分かる。また、図5の3種類では、形状(5)が好ましく、図6の4種類では、形状(24)または(25)が好ましい。 The above simulation results show that when the microwave frequency is 2.45 GHz, shape (79) is preferable among the four types in FIG. 4 for preventing microwave absorption. Furthermore, shape (5) is preferable among the three types in FIG. 5, and shapes (24) or (25) are preferable among the four types in FIG. 6.

また、図4(B)、図5(B),図6(B)から、1ターン分長さLは、L/λが0.5を中心として0.35~0.7の範囲内になる長さにすることで、好ましくは、0.4~0.6、さらに好ましくは、0.4~0.55の範囲内になる長さにすることで、マイクロ波の吸収が防がれる。すなわち、マイクロ波周波数が2.45GHzの場合、λ=122mmであるから、1ターン分長さLは、42.7mm~85.4mm、好ましくは、48.8mm~73.2mm、さらに好ましくは、48.8mm~67.1mmにするのが望ましい。また、図4、図5から、間隔L5は、小さい方が良い。実際は、ヒータ線の曲げ加工性の点から、ターン部の半径は10mm程度にするのが良い。 Also, from Fig. 4(B), Fig. 5(B) and Fig. 6(B), it is seen that the length L per turn is set to a length such that L/λ is in the range of 0.35 to 0.7 with 0.5 as the center, preferably 0.4 to 0.6, and more preferably 0.4 to 0.55, to prevent absorption of microwaves. That is, when the microwave frequency is 2.45 GHz, λ=122 mm, so it is desirable that the length L per turn is 42.7 mm to 85.4 mm, preferably 48.8 mm to 73.2 mm, and more preferably 48.8 mm to 67.1 mm. Also, from Fig. 4 and Fig. 5, it is better that the interval L5 is small. In practice, from the viewpoint of bending workability of the heater wire, it is better to set the radius of the turn portion to about 10 mm.

間隔L5又はターン部の半径が小さい方が良い理由は、ターン部に接続する上下の直線部L2とL3に生じる磁界の方向がそれぞれ逆であるため、間隔L5又はターン部の半径が小さいほど、L2とL3の直線部間の距離が小さくなり、それらの磁界のキャンセルがしやすくなる、すなわちアンテナ効率が低下すると思われるからである。実際には、ヒータ線の曲げ加工性から、ターン部の半径が10mm程度、好ましくは、9mm~12mm程度が良い。 The reason why it is better for the distance L5 or the radius of the turn portion to be small is that the directions of the magnetic fields generated in the upper and lower straight portions L2 and L3 connected to the turn portion are opposite to each other, so the smaller the distance L5 or the radius of the turn portion, the smaller the distance between the straight portions L2 and L3, making it easier to cancel out these magnetic fields, i.e., the antenna efficiency is thought to decrease. In practice, from the perspective of the bending workability of the heater wire, the radius of the turn portion should be around 10 mm, and preferably around 9 mm to 12 mm.

1ターン分長さLは、上記のように42.7mm~85.4mmの範囲内で選ばれることから、ターン部の半径、すなわちターン部の長さL1が決まると、L=L4+L1から、間隔L4が決まる。 The length L of one turn is selected within the range of 42.7 mm to 85.4 mm as described above, so once the radius of the turn portion, i.e., the length L1 of the turn portion, is determined, the spacing L4 is determined from L = L4 + L1.

図7は、図4に示す形状(1)と形状(79)について、マイクロ波の吸収の程度(同図(A))と発熱量(同図(B))を示すシミュレーション結果である。なお、マイクロ波の周波数は2.45GHzである。 Figure 7 shows the results of a simulation showing the degree of microwave absorption (Figure 7(A)) and the amount of heat generated (Figure 7(B)) for the shapes (1) and (79) shown in Figure 4. The microwave frequency is 2.45 GHz.

同図から、周波数は2.45GHzの場合、形状(1)のVSWR値が5であるのに対して、形状(79)のVSWR値は80となり、形状(1)の発熱量に対して、形状(79)の発熱量は極小値となる結果となっている。 As can be seen from the figure, when the frequency is 2.45 GHz, the VSWR value of shape (1) is 5, while the VSWR value of shape (79) is 80, resulting in the amount of heat generated by shape (79) being the smallest value compared to the amount of heat generated by shape (1).

このように、この発明では、ヒータ9の形状をマイクロ波の吸収が小さくなるように最適化することで、ヒータ9においてマイクロ波照射装置6から出力されるエネルギーの消費を防ぐことが出来るから、加熱効率の良い熱処理装置を構成することが可能となる。また、ヒータ9をマイクロ波から隔離する構造にする必要性もない。 In this way, in this invention, by optimizing the shape of the heater 9 so as to reduce microwave absorption, it is possible to prevent the heater 9 from consuming energy output from the microwave irradiation device 6, making it possible to configure a heat treatment device with good heating efficiency. In addition, there is no need to design a structure that isolates the heater 9 from microwaves.

1-熱処理装置
2-断熱材
3-金属カバー
4-チャンバ
5-被加熱物
6-マイクロ波照射装置
9-ヒータ
1-Heat treatment device 2-Insulating material 3-Metal cover 4-Chamber 5-Heated object 6-Microwave irradiation device 9-Heater

Claims (6)

電源または熱源に接続されて発熱し、配置パターンが周期的にターンする蛇行パターンであって、
前記蛇行パターンは、
前記蛇行パターンの一つのターン部の長さにこのターン部に接続された一つの直線部の長さを加えた1ターン分長さLが、マイクロ波の照射時に前記マイクロ波の波長をλとした場合に、L/λが0.35~0.7の範囲内となる形状に設定されたことを特徴とする発熱部。
A meandering pattern that is connected to a power source or heat source to generate heat and has a periodically turning arrangement pattern,
The meandering pattern is
A heat generating portion characterized in that a length L of one turn, which is the sum of the length of one turn portion of the meandering pattern and the length of one straight portion connected to this turn portion, is set in a shape such that L/λ is within a range of 0.35 to 0.7, when the wavelength of the microwave during microwave irradiation is λ.
前記1ターン分長さLは、L/λが0.4~0.6の範囲内になる長さに設定した請求項記載の発熱部。 2. The heat generating portion according to claim 1 , wherein the length L of one turn is set to a length such that L/.lambda. falls within a range of 0.4 to 0.6. 前記1ターン分長さLは、L/λが0.4~0.55の範囲内になる長さに設定した請求項記載の発熱部。 2. The heat generating portion according to claim 1 , wherein the length L of one turn is set to a length such that L/λ falls within a range of 0.4 to 0.55. 発熱部分は電気ヒータである請求項1~のいずれかに記載の発熱部。 The heat generating portion according to any one of claims 1 to 3 , wherein the heat generating portion is an electric heater. 被加熱物を収容するチャンバと、
前記チャンバ内の前記被加熱物に対してマイクロ波を照射するマイクロ波照射部と、
前記請求項1~のいずれかに記載の発熱部を含むヒータとを備え、
前記ヒータの発熱部を前記チャンバの内に配置したことを特徴とする熱処理装置。
A chamber that accommodates an object to be heated;
A microwave irradiation unit that irradiates microwaves onto the object to be heated in the chamber;
a heater including the heat generating portion according to any one of claims 1 to 4 ,
A heat treatment apparatus, characterized in that a heat generating portion of the heater is disposed within the chamber.
被加熱物を収容するチャンバと、
前記チャンバ内の前記被加熱物に対してマイクロ波を照射するマイクロ波照射部と、
ヒータとを備え、
前記ヒータの発熱部が、その配置パターンが周期的にターンする蛇行パターンとなるように前記チャンバの内に配置された熱処理装置において、
前記発熱部の一つのターン部の長さに、このターン部に接続された一つの直線部の長さを加えた1ターン分長さLをパラメータとして、前記マイクロ波の周波数に対する前記ヒータのエネルギー吸収量をシミュレーションで求め、このエネルギー吸収量が所定の範囲内まで減少するターン部の長さを決定することを特徴とする、熱処理装置のヒータ設計方法。
A chamber that accommodates an object to be heated;
A microwave irradiation unit that irradiates microwaves onto the object to be heated in the chamber;
A heater.
In a heat treatment apparatus, the heating parts of the heaters are arranged in the chamber in a meandering pattern that periodically turns,
a length of one turn of the heat generating part plus a length of one straight section connected to the turn part, the length of the turn part being used as a parameter to determine an amount of energy absorption by the heater for the frequency of the microwave through a simulation, and to determine a length of the turn part at which the amount of energy absorption is reduced to within a predetermined range.
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Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008243774A (en) 2007-03-29 2008-10-09 Seiko Epson Corp Device with surface heater
JP2009150589A (en) 2007-12-19 2009-07-09 Panasonic Corp Cooker
JP2017506915A (en) 2014-02-28 2017-03-16 アルトリア クライアント サービシーズ リミテッド ライアビリティ カンパニー Electronic cigarette device and its parts

Family Cites Families (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS4815982B1 (en) * 1970-10-09 1973-05-18
JPS5115619B2 (en) * 1971-11-11 1976-05-18
US4320274A (en) * 1980-01-14 1982-03-16 Rte Corporation Cooking utensil for uniform heating in microwave oven
JPH0789512B2 (en) * 1985-04-25 1995-09-27 昇 吉村 Far infrared heater
KR100550118B1 (en) * 2003-12-10 2006-02-08 삼성전자주식회사 microwave
JP2012134029A (en) * 2010-12-22 2012-07-12 Panasonic Corp Microwave heating device
KR20130017202A (en) * 2011-08-10 2013-02-20 주식회사 대우일렉트로닉스 Multi-function microwave oven
JP2016050737A (en) * 2014-09-01 2016-04-11 シャープ株式会社 Cooker

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2008243774A (en) 2007-03-29 2008-10-09 Seiko Epson Corp Device with surface heater
JP2009150589A (en) 2007-12-19 2009-07-09 Panasonic Corp Cooker
JP2017506915A (en) 2014-02-28 2017-03-16 アルトリア クライアント サービシーズ リミテッド ライアビリティ カンパニー Electronic cigarette device and its parts

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