(57)【要約】【課題】、導電性薄膜あるいは磁性薄膜を含むシート状被加熱物を高効率でかつ均一に加熱する新しい手段を提供すること。【解決手段】  TM110モードの電磁界を発生する空胴共振器４内に、導電性薄膜あるいは磁性薄膜を含むシート状被加熱物１を挿入し、導電性薄膜あるいは磁性薄膜内に発生する電界と電流を利用して、これを直接又は間接的に加熱する。薄膜の表面抵抗の大きさに応じて空胴共振器４内への挿入位置を変更できるように構成する。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
薄い基板２上に1層または複数層の薄膜３が形成され、この薄膜３のうちの少なくとも1層が導電性又は磁性の薄膜であるシート状被加熱物１の加熱方法であって、
第１ないし第６の６つの側壁４ａ・・・４ｆを有する直方体状空胴共振器４の互いに対向する第５，第６の2側壁４ｅ，４ｆにほぼ垂直で、残りの4側壁４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄにほぼ平行なマイクロ波電界を発生させる工程と、
前記空胴共振器４内における前記マイクロ波電界にほぼ平行な第３，第４の側壁４ｃ，４ｄから任意の距離だけ離れた位置において、当該側壁４ｃ，４ｄに対して平行に、空胴共振器４内に前記シート状被加熱物１を通過させる工程と、
前記空胴共振器４内に発生する電磁界で前記シート状被加熱物１を加熱する工程と、を含むことを特徴とするマイクロ波によるシート状被加熱物の加熱方法。
【請求項２】
薄い基板２上に1層または複数層の薄膜３が形成され、この薄膜３のうちの少なくとも1層が導電性又は磁性薄膜であるシート状被加熱物１に、マイクロ波を照射してこれを加熱するための装置であって、
第１ないし第６の６つの側壁４ａ・・・４ｆを有し、互いに対向する第５，第６の2側壁４ｅ，４ｆにほぼ垂直で、残りの4側壁４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄにほぼ平行なマイクロ波電界を内部に発生させる直方体状空胴共振器４を具備し、
この空胴共振器４における前記マイクロ波電界にほぼ平行な相対向する第１，第２の両側壁４ａ，４ｂには、前記マイクロ波電界にほぼ平行に伸びる細長の挿入用開口６が対向位置に設けられ、
前記挿入用開口を通して前記空胴共振器内に前記シート状被加熱物１を通過させ、空胴共振器内に発生する電磁界で加熱することを特徴とするマイクロ波によるシート状被加熱物の加熱装置。
【請求項３】
薄い基板２上に1層または複数層の薄膜３が形成され、この薄膜３のうちの少なくとも1層が導電性又は磁性薄膜であるシート状被加熱物１に、マイクロ波を照射してこれを加熱するための装置であって、
第１ないし第６の６つの側壁４ａ・・・４ｆを有し、互いに対向する第５，第６の2側壁４ｅ，４ｆにほぼ垂直で、残りの4側壁４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄにほぼ平行なマイクロ波電界を内部に発生させる直方体状空胴共振器４を具備し、
この空胴共振器４における前記マイクロ波電界にほぼ平行な相対向する第１，第２の両側壁４ａ，４ｂには、前記マイクロ波電界にほぼ平行に伸びる細長の挿入用開口６が、マイクロ波電界にほぼ平行な他の対向一対の第３，第４の側壁４ｃ、４ｄからの距離を段階的に異ならせて複数設けられ、
前記複数の挿入用開口６は、選択的に開閉可能に構成され、
選択的に開放された対向一対の前記挿入用開口６を通して前記空胴共振器４内に前記シート状被加熱物１を通過させ、空胴共振器４内に発生する電磁界で加熱することを特徴とするマイクロ波によるシート状被加熱物の加熱装置。
【請求項４】
前記空胴共振器４の前記マイクロ波電界にほぼ平行な相対向する第１，第２の両側壁４ａ，４ｂの一部が複数の短冊状の開口開閉部材７ａ，７ｂ，・・・で構成され、これら各開口開閉部材７ａ，７ｂ，・・・は、空胴共振器４に対して着脱自在であることを特徴とする請求３に記載のマイクロ波によるシート状被加熱物の加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、マイクロ波を照射することにより、シート状の被加熱物を加熱する方法と装置に係り、特に、基板上に導電性薄膜あるいは磁性薄膜を重ねた複合多層膜シートをマイクロ波により高効率で、均一に加熱できる加熱方法とその装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波は、電子レンジを始め、産業用加熱炉の熱源として広く利用されている。マイクロ波は、物質に含まれる水を加熱するだけでなく、極性を持った誘電物質に作用してこれを直接、かつ選択的に加熱できるので、従来の加熱手段のように外部から試料を加熱する装置に比較して、短時間で効率よく加熱できる特徴を持っている。
近年、シート状被加熱物に対しマイクロ波を用いて選択的かつ均一に加熱したいという要求が、太陽電池、光触媒、シート状医薬品、印刷、電子デバイス等の分野で高まりつつある。その要求は、単なる乾燥から、熱処理、活性化など、多岐に及んでいる。このような要求の流れの中で、マイクロ波は単なる誘電体加熱の域を越え、導電性薄膜、磁性薄膜をも含めた要求に応える必要に迫られている。
通常、マイクロ波は金属表面で反射し、金属内には進入できないとされている。しかしながら、金属の厚さがnmやサブミクロンオーダになると電磁波が透過するので、特に薄膜の世界で、従来対象外とされたマイクロ波の利用が開かれようとしている。
マイクロ波によるシート状物の加熱装置として、かつて導波管を何度も折り曲げて構成した折り曲げ線路型の装置が開発され、さらに、電界を強くする目的でリング共振器内にこの折れ曲げ線路を取り込む案などが考案されたが、電界が弱いこと、効率が低いことなどの問題があって、限られた範囲でしか利用されなかった。
直方体共振器を用いTM110モードの共振をとると、導波管型に比較してきわめて強い均一な電磁界を発生できる。この装置を用いて薬剤乾燥、印刷物乾燥等が検討され、今日に至っているが、先述のように、シート加熱は単なる誘電体加熱の範囲を超え、導電性薄膜などの加熱に応え得る見通しがあって、加熱試験が進められる状況にある。
米国では粉末冶金に関連して、純磁界、純電界によるマイクロ波処理が提案されている（特許文献3）。これは標準導波管の両端を短絡した系にマイクロ波を結合させTE103を共振させて、この共振器内に両端を除いて電界がゼロで磁界が最大になる点２ヶ所と、電界が最大で磁界がゼロになる点1ヶ所を、それぞれ等間隔で作り、電界が最大になる点と磁界が最大になる点に被加熱物を挿入して特徴のある加熱成果を得ようとするものである。しかしながら、マイクロ波加熱は純電界、純磁界による加熱に限らず、電界と磁界が適当な割合で存在する空間で行われるのが普通で、特許文献３のような提案は学問上、興味のある比較ではあるが、実際的な利用とは言えない。また、この文献で説明されているTE103モード以外にもいろいろな共振があり、その共振で純電界、純磁界を生じる位置があるのはごく一般的に知られた事象である。マイクロ波加熱したい対象に対し最適なモードを適切に利用することは、現状、十分に開拓されていない。したがって、そのような観点に立って、対象物に合う加熱装置を開発し、また加熱方法を考察することは、均一加熱、高効率加熱上、必要でかつ急務である。
【特許文献１】米国特許第６，３６５，８８５号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この発明は、上記のような背景と要求のもとになされたものであり、マイクロ波によってシート状被加熱物、特に導電性又は磁性の薄膜を含むシートを高効率で均一に加熱する新しい手段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】
【０００４】
請求項１に記載された発明においては、上記課題を解決するため、直方体状の空胴共振器内にTM110モードの電界を発生させ、導電性薄膜又は磁性薄膜を含むシート状被加熱物を、この空胴共振器内に通過させ、高効率でほぼ均一な加熱を行う方法を提供する。
【０００５】
請求２，３，４に記載された発明は、請求項1に記載のシート状被加熱物の加熱方法を実施するためのマイクロ波加熱装置を提供する。請求項３，４に記載の発明は、特にシートの挿入口を任意に選択できるマイクロ波加熱装置を提供する。
【発明の効果】
【０００６】
この発明においては、導電性又は磁性薄膜を有するシート状被加熱物を高効率で均一に加熱できるようにした。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００７】
図面を参照してこの発明の一実施形態を説明する。図1はこの発明における加熱対象であるシート、即ち、基板上に導電性又は磁性薄膜を形成したシートの基本構造を示す簡略化した部分断面図、図２は加熱対象であるシートを空胴共振器に通過させる状態を示したマイクロ波加熱装置の斜視図、図3は加熱対象であるシートを装置に挿入、通過させる位置を任意に選択するための開口を備えたマイクロ波加熱装置の斜視図である。
【０００８】
シート１は、誘電体基板２の上に1層又は複数層の薄膜が形成され、うち少なくとも１層が導電性又は磁性の薄膜３であるような形態をとる。図1には、代表的に、シート１が、誘電体基板２と、その上に形成された1層の導電性薄膜３からなるもっとも単純な例を示す。導電性薄膜３は、マイクロ波加熱によって溶融することにより導電性薄膜の形態となる層状のものを含むほか、紫外線等の照射によって導電性を持つ薄膜を含む。例えば、誘電体基板２としてのガラスや樹脂シートの上に、導電性薄膜をスパッタリングや蒸着等の手段でコーティングしたもの、あるいは、導電性物質(通常微粉末)を溶剤等の補助材で溶いて塗工したものである。この薄膜３が空胴共振器４内でマイクロ波の照射を受けて加熱される。なお、以上の説明で基板を誘電体としたが、極端な場合として基板自身が導電性を持つ場合がある。
空胴共振器４は、直方体空胴からなり、直交するｘ，ｙ，ｚ軸方向にそれぞれ互いに平行に対向する３対６つの導電体側壁４ａ・４ｂ，４ｃ・４ｄ，４ｅ，４ｆを持つ。側壁４ｃの中央にマイクロ波発振器（図示せず）につながる導波管５が結合され、空胴共振器４内にマイクロ波が導入される。側壁４ａ，４ｂの対向位置に、側壁４ｃと平行に伸びる細長い開口６が設けられる。シート１は、開口６を通して空胴共振器４内を通過する。
シート１の導電性薄膜３の表面抵抗が大きいとき、例えば数百Ω/□ないしｋΩ/□のときは、空胴内の比較的電界の強いところに挿入され、小さいとき、すなわち数Ω/□ないし数10Ω/□のときは比較的電界の弱いところに挿入される。TM110の電界はシート１の幅方向（ｚ方向）に向かっていて、これと直角な方向（ｘ，y方向）に対し正弦波状に強さが変化し、側壁４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの壁面でゼロ、壁面間の中心で最大になる。磁界はこの電界を取り巻くような形で発生していてシートの幅方向（ｚ方向）の成分はなく、側壁４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄの壁面で強さが最大、空胴共振器の中心でゼロとなる。したがって、シートに作用させる電界、あるいは磁界の強さは、空胴共振器４にシートを挿入する位置を選ぶことによって任意に決めることができる。薄膜３の表面抵抗が大きい場合は、主として空胴内のマイクロ波電界の作用を受けて誘電加熱され、小さい場合は主として磁界の作用を受け、新たな電界が薄膜３内とその近傍に発生する結果、薄膜３内の電界あるいは起電力によって流れる電流により加熱される。挿入位置を偏らせる極端な例では、シート１をごく側壁４ｄに近い位置に挿入する。実際上、側壁４ｄの存在によって物理的に純磁界の位置におくことはできず、側壁４ｄからある適切な距離をとっておくことになる。また、誘電体基板２のマイクロ波吸収が大きく、しかもなるべくこれを加熱したくないときは、基板２を側壁４ｄになるべく近い位置に挿入する。
【０００９】
薄膜３が磁性薄膜の場合は通常、共振器の側壁４ｄの近くに挿入される。ただし、この場合でも、磁性薄膜の表面抵抗や、その導磁率と厚さにより、適切な挿入位置を選択することが必要で、通常、実験的に最適な位置を決めることになる。
【００１０】
導電性薄膜、磁性薄膜を電界が強い位置に挿入したときは、通常の誘電体加熱と同様、膜内で電界の向きは同じであるが、これを磁界の強い位置に置いた場合、磁性薄膜が導電性を持たないときは膜内で電界の向きが逆転し、導電性薄膜、導電性を持つ磁性薄膜のとき、電流は表皮電流の形で流れ、向きが裏表で逆転している。表皮電流であるため、導電性がかなり高い場合でもかなり効率のよい加熱が可能である。
【００１１】
図２で被加熱物であるシート１は、空胴共振器４内を矢印で示すｘ方向に通過する。マイクロ波は導波管５を介して空胴に励振され、TM110モードの電磁界を発生している。このモードの電界の強さはシート１の幅方向（ｚ方向）で変化せず移動方向（ｘ方向）に対して正弦波状に変化しているが、シート１をｘ方向へ移動させることにより、均一に加熱することができる。
【００１２】
図３では、側壁４ａ，４ｂの一部が複数の短冊状の開口開閉部材７ａ，７ｂ，７ｃ，７ｄ・・・で構成されている。開閉部材７は、空胴共振器４に対して着脱自在である。対向する1対の開閉部材７を外せば、それがシート１の挿入、移動のための開口６となる。必要に応じ、取り外す開閉部材７を複数にしても、それが互いに離れた位置にある限り、特に開口の幅が広くならないので問題は生じない。また、開口の両端部のみ小さい金属片を付加して両端部が庇状に塞がれた開口とすることも電波漏洩の見地からよい結果を与える場合がある。
【００１３】
直方体空胴のTM110モードの壁面電流は電界と平行な方向に流れていて、シート挿入ための開口６に対し平行である。このため、開口６の幅と側壁４ａ，４ｂの壁厚を適切に決めれば殆ど電波漏れを生じない。以上、述べた方法により、容易に開口６の位置を変えることができる。
【産業上の利用可能性】
【００１４】
この発明は、例えば、太陽電池、光触媒、シート状医薬品、印刷、電子デバイス等の分野で、シート状被加熱物に対しマイクロ波を用いて選択的かつ均一に加熱したいという要求に応じることができる。誘電体加熱の域を越え、導電性薄膜、磁性薄膜をも含めたマイクロ波加熱の要求に応えることができる。加熱の目的は、単なる乾燥から、熱処理、活性化など、多岐に及ぶ。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】この発明の方法により加熱するシートの基本構造を示す断面図である。
【図２】この発明の実施形態に係るマイクロ波によるシートの加熱装置の斜視図である。
【図３】この発明の他の実施形態に係るマイクロ波によるシートの加熱装置の斜視図である。
【符号の説明】
【００１６】
１  複合多層膜シート
２  基板
３  薄膜
４  空胴共振器
４ａ・・・４ｆ  側壁
５  導波管
６  開口
７ａ・・・開口開閉部材  
【図１】
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【図２】
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【図３】
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