(57)【要約】【課題】シングルモードタイプの加熱炉において、リング状の大型試料を加熱（焼結、焼鈍）する際の加熱ムラを抑制する。【解決手段】被加熱体５が収容される内部空間を有する加熱部１３と、前記内部空間へマイクロ波を照射するマグネトロン１とを備えたマイクロ波加熱炉において、前記加熱部１３は、金属製の円筒形状の外側導体３と、前記内部空間を介して前記外側導体３の内部に設けられた金属製の円柱又は円筒形状の内側導体４とを備えることを特徴とする。【選択図】  図１
2013093148.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加熱体が収容される内部空間を有する加熱部と、前記内部空間へマイクロ波を照射するマグネトロンとを備えたマイクロ波加熱炉において、
前記加熱部は、金属製の円筒形状の外側導体と、前記内部空間を介して前記外側導体の内部に設けられた金属製の円柱又は円筒形状の内側導体とを備えることを特徴とするマイクロ波加熱炉。
【請求項２】
請求項１において、前記内側導体の中心軸は、前記外側導体の中心軸と同軸となるように配置されることを特徴とするマイクロ波加熱炉。
【請求項３】
請求項１において、前記外側導体の内径Ｄと前記内側導体の外径ｄとのＤ／ｄ比が１.０５〜３.３３であることを特徴とするマイクロ波加熱炉。
【請求項４】
請求項１において、前記マグネトロンと反対側になる前記加熱部の端部に反射体を備え、前記反射体が前記加熱部の軸方向に移動可能であることを特徴とするマイクロ波加熱炉。
【請求項５】
請求項１において、入力される前記マイクロ波がＴＭモード又はＴＥＭモードであることを特徴とするマイクロ波加熱炉。
【請求項６】
請求項１において、前記加熱部は、アルミナ又はシリカを主成分とする支持冶具を備えることを特徴とするマイクロ波加熱炉。
【請求項７】
請求項１に記載のマイクロ波加熱炉で焼結され、密度が９０％以下であることを特徴とするリング状の多孔質体。
【請求項８】
請求項１に記載のマイクロ波加熱炉で焼鈍されたことを特徴とするリング状の軟磁性圧粉コア材料。
【請求項９】
請求項７において、前記軟磁性圧粉コア材料が、結晶、非晶質、結晶と非晶質との混合物の何れかであることを特徴とするリング状の軟磁性圧粉コア材料。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波加熱炉及びこの炉により製造される多孔質体、軟磁性圧粉コア材料に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波加熱は従来、電子レンジに代表されるように、水分を含む食品の急速加熱・急速乾燥に主に用いられてきた。これまで、電子レンジにより加熱できるのは、誘電体のみと考えられてきたが、近年、金属なども粉末であれば加熱できることが解ってきた。マイクロ波による金属粉末加熱のメカニズムは主として、誘導加熱と磁性損失と磁気共鳴によるものである。通常の電子レンジタイプの炉の場合、金属粉末の加熱では、マイクロ波加熱の特徴である高速加熱ができないことがある。これは、大部分の金属粉末はマイクロ波の磁場によって加熱されやすく、電子レンジに代表されるマルチモードタイプの炉では、炉内の電磁界分布がランダムで、試料に充分な磁場が印加されない場合があるためである。
【０００３】
一方、シングルモードタイプの炉では、炉内で特定の電磁界モードのみのマイクロ波を伝搬させる。そのため、炉内に強電界域あるいは強磁界域を作ることができ、殆どの金属粉末を高速に加熱することができる。シングルモードタイプの炉は、金属粉末の加熱において極めて有用なツールである。しかしながら、一般に使用可能なマイクロ波の周波数は２.４５ＧＨｚであるため、従来のシングルモードタイプの炉は小型のサンプルの処理にしか対応できない。例えば特許文献１には、１０００ＭＨｚ前後の周波数の低いマイクロ波源を用いることで、より広いワークゾーンを確保できることが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−４５７８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし上記特許文献のものでは、大型試料を加熱しようとして１０００ＭＨｚ前後の炉を使用する場合、設備も大規模化する。しかも単純に設備を大きくしても、大型試料が同程度の強度の電磁界域に収まるように電磁界の強度分布を広げることは困難である。特に複雑な形状であるリング状の試料を大型化する場合に、強い電磁場域から試料の一部がはみ出ることで加熱ムラが生じ易いという課題がある。
【０００６】
本発明の目的は、リング状の大型試料を加熱する際の加熱ムラを抑制することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
被加熱体が収容される内部空間を有する加熱部と、前記内部空間へマイクロ波を照射するマグネトロンとを備えたマイクロ波加熱炉において、前記加熱部は、金属製の円筒形状の外側導体と、前記内部空間を介して前記外側導体の内部に設けられた金属製の円柱又は円筒形状の内側導体とを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、リング状の大型試料を加熱する際の加熱ムラを抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】マイクロ波加熱炉の概略図。
【図２】マイクロ波の電波モードの電界（磁界）分布図。
【図３】炉内の試料（被加熱体）の構造図。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
導波管によって導波される電磁界は、ＴＥＭ（transverse electromagnetic）モード、ＴＥ（transverse electric）モード、ＴＭ（transverse magnetic）モードに分けることができる。マイクロ波の伝搬方向をｚ方向とすると、各モードにおける電界Ｅzと磁界Ｈzは次のようになる。  
ＴＥＭモード：Ｅz＝Ｈz＝０
ＴＥモード：Ｅz＝０，Ｈz≠０
ＴＭモード：Ｅz≠０，Ｈz＝０
【００１１】
従来のシングルモードタイプの炉では、一般に矩形導波管を用い、例えばＴＥ10モードにより形成される強磁界域あるいは強電界域を試料の加熱に利用する。例えば断面積８０mm×８０mmの導波管で形成される強磁界域あるいは強電界域を利用すると、加熱ムラを抑制しながら処理できる試料の大きさはおよそ２０mm×２０mm×２０mm程度である。
【００１２】
本発明では、従来、マイクロ波の伝送方法として利用されている同軸ケーブルのケーブル内に分布する電磁界を加熱炉として応用する。同軸ケーブルは従来、受信アンテナなどの信号の送電線などに用いられ、加熱炉などの大出力のエネルギ送電に用いられることは無い。一般の同軸ケーブルは、中心導線の周りにそれを支持するポリエチレンなどの絶縁物で覆われ、さらにその外部が導体で覆われている。
【００１３】
本発明では、例えば２.４５ＧＨｚのシングルモードタイプの定在波炉で、外側導体３と内側導体４の各々の中心軸が同軸となるようにこれらの導体を配置することで、内側導体４に対して軸対称に発生する強磁界域あるいは強電界域の何れかを試料の加熱に利用する。電磁界の強度分布は軸対称になり、リング状の試料であっても電磁界が集中するトロイダル状の領域に試料を収容することができるので、加熱ムラを抑制しつつ迅速に加熱することができる。試料を大きくする場合は、外側導体３と内側導体４の径方向寸法を調節することで、試料が同程度の電磁界域に配置されるように調節することができる。これによれば、従来の矩形導波管を用いたシングルモード炉では処理できなかった複雑なリング状の大型試料であっても加熱ムラを抑制しつつ迅速に加熱することができる。
【００１４】
なお、本発明において、リング状とは試料が必ずしも周方向につながっていなくてもよく、試料の中心軸を通る断面で試料を切断した際の試料の断面積が場所によって異なっていても良い。また、加熱とは、粉体を成型するための焼結や、成型体の歪みを除去する焼鈍等を示す。
【００１５】
加熱炉の概略を図１に示す。本加熱炉のマイクロ波供給源は２.４５ＧＨｚのマグネトロン１である。加熱部１３は外側導体３、内側導体４、反射体６等から構成される。マグネトロン１から加熱部１３まで、マイクロ波をＴＭ又はＴＥＭモードで伝送する。マグネトロン１から発振されたマイクロ波は、接続導波管２を経由し、加熱部１３に供給される。一般に、情報通信に使用される同軸ケーブルは円筒形状の外側導体がφ５mm程度、内部導体がφ１.５mm程度であるが、本発明の炉は、外側導体３がφ１００mm以上の外径を有する。円筒形状の外側導体３の内部に、外側導体３よりも径の小さい円柱又は円筒形状の内側導体４が設けられ、両者の間は試料（被加熱体）５を設置するため自由空間となっている。外側導体３と内側導体４は共に金属製であり、電気的に絶縁されている。内側導体４はアタッチメントとして、処理する試料５の寸法によりその径を任意に変更することが可能である。外側導体３の内径Ｄと内側導体４の外径ｄの比（内径Ｄ／外径ｄ）は、試料５の支持冶具８や断熱材スペース、炉内電磁界分布を勘案し、１.０５〜３.３３の範囲で与えられる。
【００１６】
ＴＥ、ＴＭ、ＴＥＭモードの電界（磁界）分布を図２（ａ）〜（ｃ）に示す。（ａ）ＴＥモードと（ｂ）ＴＭモードについては、Ｚ軸に沿って導体中央を切断した断面の電界（磁界）分布を示し、（ｃ）ＴＥＭモードについては、導体の斜視図における電界（磁界）分布を示す。図中の破線内が最も電界（磁界）の強度が高い。電界と磁界とは導体中の同じ位置で強度が大きくならず、Ｚ方向にいくらかシフトするが、強度分布は同様の傾向を示す。加熱炉内では、マイクロ波の電波モードはＴＭモードあるいはＴＥＭモードとする。ＴＥモードでは、内側導体の近傍の電磁界の強度が大きくなり、外側導体に近づくほど強度が弱くなるので、試料５に効率的にマイクロ波を照射することができない。ＴＭ又はＴＥＭモードにすることで電磁界の分布はトロイダル状になり、外側導体３と内側導体４間の試料５を強電場あるいは強磁場域に置くことができる。
【００１７】
炉内の電磁界分布は、試料５および断熱材１０、炉壁の誘電率、電気抵抗等に影響を受ける。マイクロ波を照射すると、試料５および断熱材１０、炉壁の誘電率も変化するため、炉内の電磁界分布も変化する。電磁界分布が変化した場合、試料５が所望の強電界域あるいは強磁界域から外れ、効率的な加熱ができない場合がある。この場合、炉終端部の反射体６を、筒形状の加熱部１３の軸方向に移動させる。これにより、炉内の空間の体積を増減させて電磁界分布も移動させることができ、試料５を強電界域あるいは強磁界域に置くことができる。反射体６の移動ストロークは、炉内に形成される定在波の１／８以上、好ましくは１／４波長以上とすることで、ほぼ実用的な加熱温度範囲において電磁界分布が変化しても、その分布を補正することが可能となる。
【００１８】
マイクロ波中では、熱電対は先端に電界集中して放電しやすいため、マイクロ波プロセスでの温度測定に熱電対は不適である。マイクロ波プロセスでは、放射温度計により試料５の温度が測定される。反射体６には、放射温度計測用ポート９が設けられている。反射体６は炉の中心軸を回転軸として、円周方向に自由に回転できるように構成されることで、試料５の任意の位置の温度を計測することができる。なお、粉末を焼結したい場合は後述するように試料５を容器として試料内に粉末をセットする。炉の設置方向を反射体６が炉上部になる方向に設置すると、粉末をこぼさずに粉末表面の温度を放射温度計で直接測定することができる。
【００１９】
炉は同心円状であり、電磁界も同心円状に発生させることができるため、例えば、圧粉コア材料などのリング状の製品を効率的に加熱することができる。特に、非晶質材などでは加熱により結晶化した際、電界あるいは磁界の振動方向に対して配向するように組織を制御することが可能である。
【００２０】
一般に強磁性体に電磁界が印加されると、渦電流損失とヒステリシス損失による発熱が生じるが、ＧＨｚ帯の電磁界では磁壁の移動が追随しないため、ヒステリシス損失の影響は非常に小さくなる。しかし、ＧＨｚ帯であっても材料系と周波数によっては、磁気共鳴が生じ発熱する場合がある。磁気共鳴周波数は材料の微細構造の影響を受ける。特にひずみが加わり結晶構造の対称性が大きく変化した個所では、磁気共鳴が集中し、局所加熱が起きる可能性がある。鉄系の圧粉コア材料をプレス成形した後に、ひずみ除去するために本発明の炉を用いると、上記のようなヒータ加熱とは異なるメカニズムにより製品が加熱されるため、従来のヒータ加熱よりも優れた磁気特性を発現する。
【００２１】
以下、本発明の実施例について説明する。
【実施例１】
【００２２】
本実施例では、鋳鉄粉末の多孔質体を焼結した。粉末の平均粒径を１５０μｍ程度とした。炉の外側導体３の内径をφ１００mmとし、内側導体４の外径をφ７０mmとした。ここで試料（被加熱体）５は、断熱材１０と、断熱材１０上面の溝に充填された鋳鉄粉末１１と、蓋１２から構成される。断熱材１０はＣを０.５％含む低密度Ａｌ2Ｏ3で形成され、外径φ９５mm／内径φ６５mm×厚さ２０mmである。この上面に、外径φ８５mm、内径φ７５mm、深さ７mmの溝が形成され、この溝に鋳鉄粉末１１をタッピングにより充填した。溝に充填された鋳鉄粉末１１の見掛け密度はおよそ３ｇ／mm3である。粉末を焼結する場合は、試料５と支持冶具８とが粉末の支持部材となる。
【００２３】
図３は炉内の試料５の構造を説明する図であり、粉末を試料５内に充填し、試料５を炉内にセッティングした状態を示す。鋳鉄粉末１１を充填した断熱材１０には、断熱材１０と同材質の断熱材を蓋１２として載せた。試料温度を放射温度計で測定する際に、放射温度計の視野を確保するため、蓋１２には約３０°間隔で放射温度計測用の貫通穴７を設けた。
【００２４】
焼結条件は、雰囲気をＮ2ガス、目標温度を１０５０〜１０６０℃とした。また、初期マイクロ波出力を１ｋＷとし、加熱状況を見ながら出力を調整した。試料５には強電場が印加されるよう初期位置を反射体の初期位置を調整した。温度の測定は放射温度計により行い、設定放射率は１.０とした。加熱処理中、温度上昇が緩慢になった場合は反射体６を移動し、昇温速度が最大となるよう制御した。１０００℃以上に加熱されたとき、反射体６を周方向に回転させ、１２点の試料位置で温度を測定し、温度差が±２０℃程度であることを確認した。また、比較のため、同様の断熱材にセッティングした鋳鉄粉末を通常のマルチモード炉により焼結した。
【００２５】
焼結時の加熱時の昇温状況と、焼結結果を表１に示す。一般のマルチモード炉での加熱と比較すると、本実施例の炉は１.０ｋＷの低い出力でも目標温度に達し、一般のマルチモード炉の約５倍の加熱速度を得た。本実施例の炉で焼結したリングは、焼結による収縮が殆どなく、ほぼ充填した形状のまま焼結させることができた。加熱後の試料は充分ハンドリングでき、リング全周にわたり良好な焼結状態であった。一方、マルチモード炉で焼結した試料では加熱ムラが激しく、試料の一部は溶融により凝集し、リング状の製品が得られなかった。本実験により、本実施例の炉は低出力でかつ効率的に粉末を焼結することができることが確認された。
【００２６】
マイクロ波で粉末を焼結させると、粉末の接触部分のみ反応するため、焼結させても体積が減少しにくい。つまり、粉末間の空隙が残ったままの多孔質焼結体を生成することができるので、その焼結体に金属等を含侵させる場合は含侵率を高めることができる。
【００２７】
【表１】
2013093148.tif 000003
【実施例２】
【００２８】
本実施例では、鉄系の圧粉コアを焼鈍した。試料原料は純鉄粉末とし、その表面にリン酸コートを施し、圧粉成形圧を１２００ＭＰａとして外径φ８０mm／内径φ６０mm×厚さ５mmの圧粉コアを作製した。作製した軟磁性圧粉コア材料は、本実施例の炉と通常のヒータ加熱炉により焼鈍処理をし、それぞれ磁性特性を評価した。
【００２９】
焼鈍条件は、雰囲気を大気中、ヒータ加熱では目標温度を５５０℃、保持時間を１０minとした。マイクロ波加熱では目標温度５００℃、保持時間０minとした。マイクロ波加熱では放射温度計で温度を測定し、放射率は１.０とした。本実施例のマイクロ波で加熱する際は、断熱材１０は使用せず、ＳｉＯ2製の支持冶具８の上に圧粉コアを直接置いた。圧粉コアには強磁場が印加されるよう初期位置を調整した。マイクロ波の出力は約５００Ｗとし、目標温度に到達後に直ちに出力を切り炉を冷却した。本実施例の炉の外側導体の内径はφ１００mmとし、内部導体の外径はφ７０mmとした。コア材料は、鉄系結晶材料または非晶質材料、あるいは結晶と非晶質が混ざりあったものでも良い。
【００３０】
マイクロ波およびヒータ加熱後の各圧粉コアの（４００Ｈｚにおける）磁気特性評価結果を表２に示す。渦電流損（渦損）の比較では、マイクロ波加熱とヒータ加熱に大きな差は認められないが、ヒステリシス損（ヒス損）の比較では、マイクロ波加熱の方が損失は小さかった。マイクロ波を用いて磁場中で加熱すると、従来のヒータ加熱と異なるメカニズムで加熱されるため、ひずみ除去効果が発揮される。また、本実施例の炉を使用した場合、焼鈍処理に要する時間は約３分程度であり、ヒータ加熱の１／１０以下であり、処理工程の短縮においても有効である。
【００３１】
【表２】
2013093148.tif 000004
【符号の説明】
【００３２】
１  マグネトロン
２  接続導波管
３  外側導体
４  内側導体
５  試料（被加熱体）
６  反射体
７  貫通穴
８  支持冶具
９  放射温度計測用ポート
１０  断熱材
１１  鋳鉄粉末
１２  蓋
１３  加熱部
【図１】
2013093148.tif 000005
【図２】
2013093148.tif 000006
【図３】
2013093148.tif 000007