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ミリ波加熱入門編

1.ミリ波とは
 マイクロ波とは電磁波の中で、周波数が 300MHz〜300GHz(波長 1m〜 1mm)までの電磁波の総称です。
 そのうちで、周波数が約30GHz〜300GHzのものは、波長が数mmであることから、特にミリ波と呼ばれます。
 (すなわち波長 15mm〜1mm の電磁波ということになります。)

マイクロ波・ミリ波加熱は自己発熱
誘電体(被加熱物)にマイクロ波を照射すると、マイクロ波の電場によって誘電体(被加熱物)自身が発熱します。
これが外部加熱方式との大きな違いです。
外部熱源よりの輻射や熱伝導で試料を昇温するのではなく、試料自身が発熱するため、省エネルギ−に役立ちます。
また、試料内部の温度分布が試料自身の熱伝導に依存しないため、温度分布が良く、急速昇温が可能です。

発熱効率が高いミリ波
誘電体(被加熱物)の発熱量は周波数に比例するため、同じマイクロ波でも、周波数が高いミリ波帯域になるほど発熱効率が高くなります。
また、電界分布の均一帯(外部加熱方式の均熱帯)は周波数を高くするほど大きくなりますので、小さなアプリケ−タで大容積の加熱が可能となります。

金属も加熱できるミリ波!
 2.45GHz のマイクロ波と 28GHz のミリ波の一番大きな違いは、ミリ波では金属も加熱できる事です。
金属に 2.45GHz のマイクロ波を照射致しますとア−クが発生しますが、28GHz のミリ波ではア−クの発生も無く、均一に加熱が可能です。


2.加熱の原理

 誘電体(被加熱物)にマイクロ波を照射したとき、正負の双極子の集合体である誘電体は、双極子が激しく振動回転する、すなわち誘電体物質の内部に侵入したマイクロ波の電場によって分子振動が起こり、その振動摩擦によって誘電体が発熱します。

この時の単位体積当たり発熱量P は、次のように表されます。

f:周波数、ε0:真空の誘電率、εr:誘電体の比誘電率
tanδ:誘電体の誘電正接(損失角)、E:マイクロ波電界の強さ

式中の ε0εrtanδ を材料の誘電損率と呼び、温度と周波数によって変化します。
一般的にセラミックスでは、周波数が高いほど誘電損率が高く、
周波数が同じであれば温度が高いほど誘電損率が高くなります。

電子レンジの周波数である 2450MHzでは石英ガラス、アルミナ、窒化珪素などの誘電損率の低い材料を加熱するのは困難ですが、周波数を高く(例えば 28GHz) にすれば、材料の誘電損率が高くなるうえ、発熱量は周波数に比例するので容易に加熱することができます。
誘電体中でマイクロ波エネルギ−は熱に変換されますので、マイクロ波は誘電体の中を進むに従って指数関数的に減衰します。

 マイクロ波エネルギ−が半分に減衰する距離Dを電力の半減深度と呼び、マイクロ波の誘電体中の伝播係数を求めることにより次式で表されます。


周波数が高く、tanδが大きいほど、電力の半減深度は浅くなります。

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