(57)【要約】      （修正有）【課題】被加熱物の熱処理時に、供給するガスと被加熱物とが充分に反応するマイクロ波加熱装置を提供する。【解決手段】被加熱物１０１を貯留するドラム容器と、ドラム容器を回転させる回転機構１１１と、ドラム容器内にマイクロ波を照射するマイクロ波発生器９９と、ドラム容器内にガスを供給するガス供給機構と、を備え、ガス供給機構は、ドラム容器の内壁と対向して設けられるガス噴出口を有する。【選択図】図１
2014207195.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加熱物を貯留するドラム容器と、
該ドラム容器を回転させる回転機構と、
前記ドラム容器内にマイクロ波を照射するマイクロ波発生器と、
前記ドラム容器内にガスを供給するガス供給機構と、を備え、
前記ガス供給機構は、前記ドラム容器の内壁と対向して設けられるガス噴出口を有することを特徴とするマイクロ波加熱装置。
【請求項２】
前記ガス噴出口は、前記ドラム容器内に位置する
請求項１に記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項３】
前記ガス噴出口は、前記ドラム容器内の前記被加熱物に接触している
請求項１又は２に記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項４】
前記ガス噴出口は、前記ドラム容器内の前記被加熱物に埋没している
請求項１〜３のいずれか記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項５】
前記ガス供給機構は、前記ドラム容器の底部から突出して設けられている
請求項１〜４のいずれか記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項６】
前記ドラム容器内に前記被加熱物を攪拌するためのフィンが設けられ、
前記ガス供給機構は、前記フィンに沿って配置されている
請求項１〜５のいずれか記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項７】
前記ガス供給機構から供給されるガスを冷却する冷却機構を備える
請求項１〜６のいずれか記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項８】
前記冷却機構は、前記ガス供給機構を冷却する
請求項７に記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項９】
前記ガス供給機構は、マイクロ波を透過させる物質で構成される
請求項１〜８のいずれか記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項１０】
前記ガス供給機構は、石英で構成される
請求項１〜９のいずれか記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項１１】
前記ドラム容器の開口部の下方を覆う蓋を更に備える
請求項１〜１０のいずれか記載のマイクロ波加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波加熱装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波加熱技術は、食品を温める技術として発展し、日本における電子レンジの世帯普及率は、２００９年で９７．５％（二人以上の世帯；総務省による全国消費実態調査）となっており、我々の生活に欠かせない技術の一つとなっている。
【０００３】
マイクロ波加熱は、従来の遠赤外線や熱風等による一般的な加熱に比べると、
・物質を内部から直接加熱するため、加熱効率が良く、高速加熱が可能である。
【０００４】
・マイクロ波を吸収しやすい極性物質等の材料に対し、選択的加熱が可能である。
【０００５】
・材料内部からの加熱であるため、物質の均一加熱が可能である。
【０００６】
・電磁波によるエネルギー伝達手段であるため、作業環境を害することなく衛生的である。等の特徴を有している。
【０００７】
現在、上記のような特徴から、工業的には、木材等の乾燥、殺菌、セラミックなどの焼結、高分子材料の合成など幅広い分野で利用されている。その中で、廃棄物の焼却処理に利用された例を用いてマイクロ波加熱装置を説明する。（例えば、特許文献１参照。）
図５は、特許文献１に記載のマイクロ波加熱装置の構成を示す説明図である。ケーシング２内に、回転可能なドラム体１０と支持ローラ１１とが設けられている。ドラム体１０の内側には、攪拌羽１９が複数枚設置されており、ドラム体１０内に投入された廃棄物４０が攪拌される。ケーシング２の下部にはガス供給系としての導入口３１、ケーシング２の上部には排ガス浄化手段３５が接続される。マグネトロン２１から放射されたマイクロ波は、ドラム体１０内の被加熱物である廃棄物４０に照射される。これにより廃棄物４０を加熱できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１８３９８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述の従来の構成では、ガス供給系の導入口が、被加熱物に向けて設けられていないため、被加熱物に対しては間接的なガス供給となり、結果として、被加熱物と供給ガスとの反応が不充分という課題を有している。
【００１０】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、被加熱物と供給ガスとの反応が充分なマイクロ波加熱装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明のマイクロ波加熱装置は、被加熱物を貯留するドラム容器と、該ドラム容器を回転させる回転機構と、前記ドラム容器内にマイクロ波を照射するマイクロ波発生器と、前記ドラム容器内にガスを供給するガス供給機構と、を備え、前記ガス供給機構は、前記ドラム容器の内壁と対向して設けられるガス噴出口を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように、本発明によれば、被加熱物と供給ガスとの反応が充分なマイクロ波加熱装置を提供することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】実施の形態１におけるマイクロ波加熱装置の断面概略図
【図２】実施の形態１の他の例におけるマイクロ波加熱装置の断面概略図
【図３】実施の形態１の更に他の例におけるマイクロ波加熱装置の断面概略図
【図４】シリコンウェハの製造およびシリコンリサイクルを示す工程図
【図５】特許文献１に記載の従来のマイクロ波加熱装置の概略図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。
【００１５】
（実施の形態１）
図１は、実施の形態１におけるマイクロ波加熱装置の断面概略図である。図１において、オーブン１０２内には、被加熱物１０１を貯留するためのドラム容器１０３がその開口部を上方に向けて斜めに設置される。ドラム容器１０３には回転機構１１１が接続されており、回転可能である。また、ドラム容器１０３には、被加熱物１０１を攪拌するためのフィン１１６が設置されている。
【００１６】
オーブン１０２には、マイクロ波発生器９９が接続されており、導波管１０７を通してマイクロ波が照射される。また、オーブン１０２には、加熱処理中に発生するガス等の流れを良くするため、給気口１１８と排気口１１９が設置されている。さらに、被加熱物１０１の温度を測定する（放射）温度計１２０が設置される。
【００１７】
ガス供給機構１２１は、ガスを噴出すためのガス噴出口１２１ａが、ドラム容器１０３内で、かつ、ドラム容器１０３の内壁に対向する位置となるように設置される。
【００１８】
このマイクロ波加熱装置にて被加熱物１０１の加熱処理を行なうには、まず、オーブン１０２に設置されたドラム容器１０３内に、被加熱物１０１を収納し、回転機構１１１によりドラム容器１０３を最適な速度で回転させる。これにより、被加熱物１０１は、フィン１１６を有するドラム容器１０３の中で攪拌・混合される。
【００１９】
次に、必要なガス種、ガス流量および流速を設定し、ガス供給機構１２１から、ドラム容器１０３内にガスを供給する。
【００２０】
そして、マイクロ波発生器９９で発生させたマイクロ波（電力）を、導波管１０７を通して、オーブン１０２（厳密にはドラム容器１０３）内に照射することで、被加熱物１０１の加熱処理が開始される。
【００２１】
本実施の形態１では、ドラム容器１０３内にガス噴出口１２１ａが設置されているため、被加熱物１０１への直接的なガス供給が可能となり、効率的な反応を促進できる。
【００２２】
また、供給するガスの流速を適度に調整することで、回転とフィン１１６のみの作用と比較して、被加熱物１０１の攪拌・混合がより促進される。
【００２３】
なお、実施の形態１においては、ガス供給機構１２１を１本のパイプ状として図示したが、複数本であってもかまわない。また、その形状もブロック状ユニットに複数のガス噴出口１２１ａを設けたシャワープレート形状であってもかまわない。
【００２４】
さらに、実施の形態１においては、大気中で大気圧にて加熱処理を実施したが、減圧下で実施してもかまわない。
【００２５】
さらに、ガス噴出口１２１ａからのガスによる被加熱物１０１の冷却効果（温度制御：過加熱防止）により、マイクロ波吸収性の良い物質と悪い物質とが混在する被加熱物１０１に対して、マイクロ波吸収性の良い物質を優先的に加熱できるといった、より高い選択性を示す加熱処理が可能となる。
【００２６】
ここで、より具体的に、主な不純物として炭素及び水を含む粉体もしくは粒状のシリコンから炭素及び水を除去する目的で、本実施の形態１におけるマイクロ波加熱装置を適用する例について説明する。なお、炭素及び水はマイクロ波吸収性の良い物質、粉状もしくは粒状のシリコンはマイクロ波吸収性の悪い物質である。
【００２７】
まず、太陽電池や半導体用のシリコンウェハ製造工程について図１を用いて説明する。最初に、シリコン材料準備工程（Ｓ１１０）にて不純物の少ない初期シリコンを準備し、次に、インゴット作製工程（Ｓ１２０）にてインゴットを作製する。インゴットは、チョクラルスキー（ＣＺ）法等で作製される。作製されたインゴットをインゴット加工・接着工程（Ｓ１３０）で加工し、ビーム材に接着固定する。ビーム材に接着固定されたインゴットをスライス加工工程（Ｓ１４０）でワイヤーソーを用いてスライス加工する。その後、ウェハ洗浄工程（Ｓ１５０）を経てシリコンウェハが製造される。
【００２８】
次にシリコンリサイクル工程（Ｓ２００）を説明する。シリコンリサイクル工程（Ｓ２００）とは、スライス加工工程（Ｓ１４０）で副産物として生成されたシリコンスラッジを、回収工程（Ｓ２１０）にて回収し、マイクロ波加熱工程（Ｓ２２０）、溶融・凝固工程（Ｓ２３０）を経て、リサイクル用シリコンを作製し、インゴット作製工程（Ｓ１２０）に戻す一連の工程である。
【００２９】
スライス加工工程（Ｓ１４０）では、インゴットを加工するときに発生するシリコンの切り屑が、インゴットを接着したビーム材料や、クーラント（有機系）を含む水と混ざってシリコンスラッジとして大量に排出される。このシリコンスラッジを回収工程（Ｓ２１０）にて、例えばフィルタープレスによって、粉状のシリコンスラッジとして回収する。この粉状のシリコンスラッジには、残留クーラント成分である有機系炭素成分や、ビーム材の材料であるグラファイト、あるいはワイヤーソーの砥粒等の無機系炭素成分が含まれており、また、水成分の含有率も全体の４０％〜６０％程度である。
【００３０】
本実施の形態に係るマイクロ波加熱装置は、この回収した粉状のシリコンスラッジから、マイクロ波加熱工程（Ｓ２２０）にて、水成分除去と、炭素成分低減とを図る手段である。ここでは、シリコンスラッジに含まれる有機および無機の炭素成分並びに水成分は、シリコン粒子と比較して、非常にマイクロ波吸収性の良い物質であり、マイクロ波により瞬時に加熱される特性を利用する。
【００３１】
まず、回収したシリコンスラッジ（被加熱物１０１）を図１のドラム容器１０３に１〜５キログラムとして投入し、回転機構１１１によりドラム容器１０３を３〜２０ｒｐｍの回転速度で回転させる。このとき、異常放電現象や部分的過加熱を抑制するため、解砕器にてシリコンスラッジを５ｍｍ以下の顆粒状に解砕した後に、ドラム容器１０３内に投入している。
【００３２】
次に、酸素を含むガスの流量と流速を所望の値に設定し、ドラム容器１０３内に収納したシリコンスラッジに向けてガス供給機構１２１からガスを直接噴出する。
【００３３】
ここで、マイクロ波発生器９９にて発生させたマイクロ波（電力）を、導波管１０７を通して、オーブン１０２（厳密にはドラム容器１０３）内に照射することで、被加熱物１０１であるシリコンスラッジの加熱処理が開始される。
【００３４】
加熱処理が開始されると、シリコンスラッジ中の水成分や炭素成分がマイクロ波を吸収して加熱され、まず、水蒸気が発生して排気口１１９からオーブン１０２の外へと排出される。その後、シリコンスラッジ中の水成分が無くなると、シリコンスラッジ中の炭素成分が加熱される。
【００３５】
この時、マイクロ波を吸収して高温となった炭素成分は、ガス噴出口１２１ａより噴出される酸素を含むガスと効率よく燃焼反応を起こし、ＣＯあるいはＣＯ2を含む有機系ガスを発生させる。発生した有機系ガスは、ドラム容器１０３の回転とフィン１１６の作用に加え、ガス噴出口１２１ａから噴出されたガスによる適度な流速の効果とあいまって、排気口１１９からオーブン１０２の外へと効率よく排出される。
【００３６】
一方、シリコンは、マイクロ波吸収性が悪いため、マイクロ波による直接加熱での温度上昇は小さいが、マイクロ波を吸収した高温状態の炭素との接触により、間接的な温度上昇による酸化の促進が懸念される。これに対し、本実施の形態においては、高温の炭素を効率的にドラム容器１０３から排出できるため、シリコンとの接触機会を減少させることができる。更に、ガス噴出口１２１ａからのガスをシリコンスラッジに直接噴出させることによる冷却効果により、シリコンの温度上昇を効果的に抑制することが可能となり、シリコンの酸化を抑えて高品質なリサイクル用シリコンを取得できる。
【００３７】
以上の工程を数分間から数十分間行なうことにより、シリコンスラッジ中のシリコンの酸化の進行を数パーセント程度に抑制しつつ、炭素濃度を０．１ａｔ％程度まで低減することが可能となる。
【００３８】
また、シリコンのようなマイクロ波吸収性の悪い物質においても、物質温度の上昇に伴い、マイクロ波を吸収しやすくなり、結果として加熱現象を引き起こすことが懸念されるが、本実施の形態に係るマイクロ波加熱装置によれば、ガス噴出口１２１ａにより、被加熱物１０１に直接ガスを噴出できる構成となっているため、マイクロ波吸収性の悪い物質を低温に保持できる。
【００３９】
なお、サファイヤ、窒化ガリウム（ＧａＮ）、あるいは、ガリウム砒素（ＧａＡｓ）等の基板作製時に発生するスラッジにおいても、本マイクロ波加熱装置を用いることで、同様のリサイクルが可能であり、リサイクル材料の加熱を抑制しつつ、炭素等のマイクロ波吸収性の良い不純物の効率的な除去が可能となる。
【００４０】
なお、マイクロ波吸収性の良い物質（第１物質）とは、極性物質、誘電体損失角（Ｔａｎ  δ）が０．０１以上の物質、または導電率が１０-2以上１０4以下である物質を示す。また、マイクロ波吸収性の悪い物質（第２物質）とは、上記のいずれとも異なる物質を示す。上記のいずれかの第１物質と、第２物質との両方を含む被加熱物が、本実施の形態に係るマイクロ波加熱装置で処理するのに好適である。この場合、第２物質に熱ダメージを与えることなく第１物質のみを加熱できる。
【００４１】
なお、ガス供給機構１２１からドラム容器１０３に供給されるガスを冷却する冷却機構１４０を更に備えることが望ましい。シリコン等のマイクロ波吸収性の悪い物質の温度上昇を更に抑制できるからである。本実施の形態では、冷却機構１４０は、ガス供給機構１２１に導入されるガスを冷却する機能を有する。なお、冷却機構１４０は、ガスのみならずガス供給機構１２１自体を冷却するのがより好ましい。ガス供給機構１２１自体の温度上昇を防止してマイクロ波の吸収を抑制し、被加熱物１０１の効率的な加熱を促進できるからである。
【００４２】
ここで、ガス供給機構の他の例について説明する。図２（ａ）は、他の例におけるドラム容器２０３とガス供給機構２２１とを示す断面概略図、図２（ｂ）は、その平面概略図である。図１と同じ構造には同じ符号を付して説明を省略する。
【００４３】
本例の特徴は、ガス供給機構２２１をドラム容器２０３の底部に配置したことにある。具体的には、ドラム容器２０３の回転軸の内部にガス供給機構２２１におけるガス経路としてのパイプを配置し、このパイプをドラム容器２０３の底部から突出させ、パイプの先端をドラム容器２０３内の所望の位置で内壁に向けて屈曲させ、ガス噴出口２２１ａをドラム容器２０３内の被加熱物１０１に接触させるように構成する。
【００４４】
本例において、被加熱物１０１に接してガス噴出口２２１ａが設置されているため、被加熱物１０１とガスとの反応がより効率的に促進される。更に、被加熱物１０１の攪拌・混合がより効率的に促進される。その上、マイクロ波吸収性の良い物質と悪い物質とが混在する被加熱物１０１に対して、マイクロ波吸収性の悪い物質の温度上昇をより抑制できる。この場合、ガス噴出口２２１ａが被加熱物１０１に埋没して配置されるのが好適である。被加熱物１０１の内部からガスを噴出することが可能となり、上述の効果をより一層高めることができる。
【００４５】
また、ガス供給機構２２１がドラム容器２０３の底部に配置されているため、ドラム容器２０３の開口を広くとれ、被加熱物１０１の投入／回収を行なう作業性が向上するという利点を有する。
【００４６】
なお、図２においては、ガス供給機構２２１を１本のパイプ状として図示したが、複数本であってもかまわない。また、その形状もブロック状ユニットに複数の噴出孔を設けたシャワープレート形状であってもかまわない。また、ガス供給機構２２１のパイプの屈曲の角度と方向を、それぞれ、９０度、下向きとしたが、それ以外の角度、方向であってもかまわない。
【００４７】
ここで、ガス供給機構の更なる他の例について説明する。図３（ａ）は、更なる他の例におけるドラム容器３０３とガス供給機構３２１とを示す断面概略図、図３（ｂ）は、その平面概略図である。ここでは図１と同じ構造には同じ符号を付して説明を省略する。
【００４８】
本例の特徴は、ガス供給機構３２１を、フィン３１６に沿って配置したことにある。具体的には、ドラム容器３０３の回転軸の内部にガス供給機構３２１のガスの経路であるパイプを配置し、パイプをドラム容器３０３内の底部から突出させ、そして、底部及びフィン３１６の側面に沿うようにパイプを配置する。更に、フィン３１６の途中の位置で、パイプを屈曲させ、パイプの先端であるガス噴出口３２１ａがドラム容器３０３の中心を向くように配置する。
【００４９】
この特徴により、フィン３１６によって持ち上げられた被加熱物１０１に、ガス噴出口３２１ａからのガスが直接噴出されるため、被加熱物１０１とガスとの反応がより効率的に促進される。
【００５０】
また、噴出するガスの流速を適度に調整することで、フィン３１６のみの作用と比較して、被加熱物１０１の攪拌・混合がより効率的に促進される。その上、マイクロ波吸収性の良い物質と悪い物質とが混在する被加熱物１０１に対して、マイクロ波吸収性の悪い物質の温度上昇をより抑制できる。また、本例においてもドラム容器３０３の開口を広くとれ、被加熱物１０１の投入／回収を行なう作業性が向上するという利点を有する。
【００５１】
なお、ガス噴出口３２１ａを１枚のフィン３１６あたり３個として図３に示したが、設置可能であれば数に制限はない。また、ガス供給機構３２１のパイプの屈曲の角度をフィン３１６の長軸方向に対し９０度としたが、それ以外の角度であってもかまわない。
【００５２】
なお、ガス供給機構３２１（１２１、２２１）を石英等のマイクロ波を透過させる物質で構成するのが望ましい。ガス供給機構３２１（１２１、２２１）をドラム容器３０３（１０３、２０３）内に配置した場合であっても、ガス供給機構３２１に遮蔽されずに、マイクロ波発生器９９からのマイクロ波を効率的に被加熱物１０１に照射できるからである。
【００５３】
なお、本実施の形態において、ガス供給機構３２１（１２１、２２１）からのガスが、被加熱物１０１に直接噴射されるため、被加熱物１０１の飛び散りが生じ、ドラム容器３０３（１０３、２０３）からの飛び出しが懸念される。これを防止するため、ドラム容器３０３（１０３、２０３）の開口部に、蓋を設けるのが好ましい。この蓋は、開口部の下半分を覆うように設置するのが、被加熱物１０１の飛び出し防止に有効である。
【産業上の利用可能性】
【００５４】
本発明は、太陽電池や半導体等の材料リサイクル工程や、機能性材料や高分子材料の合成等、様々な工業分野における熱処理工程での利用が可能である。
【符号の説明】
【００５５】
９９    マイクロ波発生器
１０１  被加熱物
１０２  オーブン
１０３、２０３、３０３  ドラム容器
１０７  導波管
１１１  回転機構
１１６、３１６  フィン
１１８  給気口
１１９  排気口
１２０  温度計
１２１、２２１、３２１  ガス供給機構
１２１ａ、２２１ａ、３２１ａ  ガス噴出口
１４０  冷却機構
【図１】
2014207195.tif 000003
【図２】
2014207195.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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