困らない!マイクロ波サイエンスとエンジニアリング 〜加熱・乾燥・化学・材料のノウハウ集〜


1 マイクロ波加熱の歴史
1-1    マイクロ波とは
1-2    電磁波の産業応用とその発達
1-2-1   電磁波加熱の歴史
1-2-2   マイクロ波技術の初期開発
1-2-3   クライストロンおよび大出力マグネトロンの開発史
1-2-3-1  クライストロン開発
1-2-3-2  大出力マグネトロン開発
1-2-4   戦後の高周波・マイクロ波産業応用
1-2-4-1  マイクロ波領域の開拓
1-2-4-2  資料で読み解く発展の歴史
1-2-5   最後に

2 マイクロ波サイエンス
2-1    新学術領域としてのマイクロ波サイエンス
2-2    物質はなぜマイクロ波で加熱するのか?(種類・液体/固体)
2-2-1   「熱」とは
2-2-2   マイクロ波と原子/ 分子の振動数の違い
2-2-3   マイクロ波という電磁波と物質との相互作用
2-2-4   マイクロ波電場がおよぼす加熱メカニズム
2-2-5   電磁波と物質の関係
2-2-6   無機固体におけるマイクロ波加熱
2-2-7   マイクロ波磁場加熱のメカニズム
2-2-8   マイクロ波周波数の振動が熱に変わるメカニズム
2-3    電磁場シミュレーションの利用注意点
2-3-1   電磁場シミュレーションとは
2-3-2   FDTD法およびFEMに使われる方程式およびその特徴
2-3-3   解析における注意点
2-3-4   注意点と利用
2-3-5   FAQ(よく相談を受ける内容)とその解決
2-4    誘電率透磁率の測定法と注意点
2-4-1   はじめに
2-4-2   測定方法
2-4-3   測定結果
2-4-3-1  固体の複素誘電率
2-4-3-2  粉末の複素誘電率、透磁率
2-4-3-3  半導体(薄膜、基板)の複素誘電率
2-4-3-4  液体の複素誘電率
2-4-3-5  浸透深さと表皮深さ
2-4-4   データベースの重要性
2-4-5   まとめ
2-5    マイクロ波加熱の特徴と注意点-液体試料編
2-5-1   液体におけるマイクロ波加熱
2-5-2   利点
2-5-2-1  迅速加熱
2-5-2-2  加熱制御
2-5-2-3  選択加熱
2-5-2-4  省エネルギーと環境低負荷
2-5-3   マイクロ波加熱の問題点
2-5-3-1  放電現象
2-5-3-2  浸透深さ
2-5-3-3  不均一加熱
2-5-3-4  過熱(スーパーヒーティング)
2-5-3-5  不純物の影響
2-5-3-6  温度測定
2-5-3-7  電波漏えい
2-5-4   電磁波ならではの液体試料加熱
2-5-4-1  周波数効果
2-6    マイクロ波加熱の特徴と注意点-固体試料編
2-6-1   マイクロ波加熱に及ぼす影響は何か?
2-6-1-1  はじめに
2-6-1-2  固体のマイクロ波加熱性
2-6-1-3  非磁性金属粉末の磁気加熱
2-6-1-4  電界、磁界におけるSiC粉末のマイクロ波加熱
2-6-1-5  半導体材料の選択加熱
2-6-1-6  まとめ
2-6-2   セラミックスの加熱法とその注意点
2-6-2-1  陶磁器用バッチ式焼成炉と焼成実績
2-6-2-1-1 多層ブランケット均熱構造体と材料の選択例
2-6-2-1-2 試験炉の構成
2-6-2-1-3 焼成物と壁の温度の関係
2-6-2-1-4 実製品を用いた陶磁器焼結試験
2-6-2-1-5 まとめ
2-6-3   金属の加熱法とその注意点
2-6-3-1  はじめに
2-6-3-2  アプリケーターの種類と金属の加熱
2-6-3-3  金属粉体の加熱
2-6-3-4  金属薄膜の加熱
2-6-3-5  マイクロ波金属加熱の最適サイズ
2-6-3-6  燃焼合成
2-6-4   炭素材料のマイクロ波加熱とその注意点
2-6-4-1  はじめに
2-6-4-2  SiCのマイクロ波加熱
2-6-4-2-1 マイクロ波を利用したセラミックス多孔体の超高速加熱
2-6-4-2-2 SiC粉末/繊維の複素誘電率とマイクロ波加熱性の関係
2-6-4-3  カーボンのマイクロ波加熱
2-6-4-3-1 CFRP繊維のマイクロ波加熱機構
2-6-4-3-2 マイクロ波による微量カーボン粉末の検出
2-6-4-3-3 マイクロ波による炭素の高速加熱
2-6-4-4  まとめ
2-6-5   不純物が与える影響
2-6-5-1  はじめに
2-6-5-2  金属における合金元素と半導体におけるドーパント
2-6-5-3  セラミック材料における粒界層
2-6-6   固体試料・固体複合試料におけるマイクロ波加熱の注意点
2-6-6-1  マクロ的な温度分布と熱応力
2-6-6-2  ホットスポットと熱暴走
2-6-6-3  複合固体について
2-6-6-4  複合体のマイクロ波加熱における特殊現象

3 マイクロ波エンジニアリング
3-1    経験から学ぶマイクロ波エンジニアリング
3-2    マイクロ波発振器
3-2-1   マグネトロン式発振器
3-2-2   半導体式発振器
3-2-3   マグネトロン式および半導体式発振器の長所・短所の比較
3-3    導波管
3-3-1   導波管の種類と特徴
3-3-2   導波管と電磁場分布
3-3-3   その外の導波管
3-3-4   導波管内部の電場の励振方法
3-3-5   同軸線路
3-3-6   導波管類利用上の注意事項
3-4    アイソレーター
3-5    ダミーロード
3-6    パワーモニター
3-7    整合器(チューナー)
3-8    マイクロ波切り替え器
3-9    真空窓(気密保持機構)
3-10    照射部(アプリケーター)
3-10-1   はじめに
3-10-2   試料へのマイクロ波電力の結合
3-10-3   マルチモードアプリケーター
3-10-3-1  設計
3-10-3-2  電波漏洩防止器具
3-10-3-3  被加熱物搬送方法
3-10-4   シングルモードアプリケーター
3-10-4-1  設計
3-10-4-2  最大電場強度の生成方法
3-10-4-3  誘電体製パイプの組み込み
3-10-4-4  プラズマ用アプリケーター
3-10-4-5  短絡位置の調整方法
3-10-5   円形導波管式アプリケーター
3-10-6   特殊なマイクロ波加熱用アプリケーター
3-10-6-1  スロットアンテナ導波管給電
3-10-6-2  スロット導波管式アプリケーター
3-10-6-3  加圧式/減圧式アプリケーター
3-10-6-4  解凍処理過熱部の真空冷却(水の昇華熱の利用)
3-10-6-5  通常熱源/マイクロ波併用加熱装置
3-10-6-6  プレス装置内蔵式アプリケーター
3-10-6-7  局所加熱アプリケーター
3-10-6-8  アートボックス
3-10-6-9  油脂材溶融用アプリケーター
3-10-6-10 ガラスクロス中の金属検出装置
3-10-7   アプリケーターに使用する材料
3-10-7-1  構造部材
3-10-7-2  O-リング・パッキン類
3-10-7-3  金属の利用
3-10-8   節末解説付録
3-11    反応容器
3-11-1   化学反応容器の設計と注意点
3-11-1-1  マイクロ波化学と反応容器
3-11-1-2  反応容器
3-11-1-3  耐圧反応容器
3-11-2   トラブル回避法と坩堝(るつぼ)の選定
3-11-2-1  マイクロ波トラブルの基礎的教訓
3-11-2-2  坩堝の選定
3-11-2-3  坩堝と効率的マイクロ波エネルギー利用
3-11-3   断熱材のトラブル事例と問題点
3-11-3-1  なぜ問題が生じるのか?
3-11-3-2  断熱材の選定と性能評価
3-11-3-3  マイクロ波吸収量の実測法
3-12    最適照射法
3-12-1   マイクロ波の最良な照射方法
3-12-2   工学的視点におけるマッチング
3-12-2-1  発振器内部のマッチング
3-12-2-2  アプリケーター導入へのマッチング
3-12-2-3  アプリケーター内部へのマッチング
3-13    加熱と温度
3-13-1   マイクロ波の加熱効率と熱損失
3-13-1-1  はじめに
3-13-1-2  ガラス加熱と熱損失計算
3-13-1-3  加熱室(キャビティ)および加熱制御方法
3-13-1-4  シングルモードとマルチモードの比較
3-13-1-5  炭素粉末の急速、高温加熱の可能性
3-13-1-6  マイクロ波改質による水素製造
3-13-1-7  セルロース系バイオマスのマイクロ波糖化処理
3-13-1-8  まとめ
3-13-2   固体材料の高温加熱と温度測定法
3-13-2-1  はじめに
3-13-2-2  マイクロ波加熱の特徴と課題
3-13-2-3  機能性セラミックスの焼結
3-13-2-4  セラミックスの接合
3-13-2-5  電子レンジ内の温度分布、電界分布
3-13-2-6  マイクロ波加熱における温度測定
3-13-2-7  まとめ
3-14    マイクロ波化学
3-14-1   安全・効率的な液相系マイクロ波反応を行うための装置
3-14-1-1  マイクロ波加熱と化学反応装置
3-14-1-2  マイクロ波化学の利点
3-14-1-3  マイクロ波化学反応装置
3-14-1-4  マイクロ波液相反応装置の使用上の留意点
3-14-1-5  電子レンジ改造型液相反応装置
3-14-1-6  温度の計測方法
3-14-1-7  効率的な撹拌の方法および注意点
3-14-1-8  加圧反応および減圧反応
3-14-1-9  加熱されにくい液体や少量試料のマイクロ波加熱法
3-14-1-10 再現性向上
3-14-1-11 安全に対する注意点
3-14-2   スケールアップ、ナンバリングアップ、流通法の特徴
3-14-2-1  液相反応系のスケールアップ
3-14-2-2  液相反応系のナンバリングアップ
3-14-2-3  液相反応系の流通式反応装置(フロー型式応装置)
3-14-2-4  工業生産レベルのマイクロ波反応装置の設計と実例
3-14-3   液体被加熱物で発生する事故
3-14-3-1  突沸
3-14-3-2  密閉容器
3-14-4   事故に対する容器および治工具の材料選択
3-14-5   その他の注意事項
3-14-6   まとめ
3-15    マイクロ波材料プロセス
3-15-1   スケールアップ、ナンバリングアップ、連続法の特徴
3-15-1-1  工業用セラミックス(高純度アルミナ)の焼成炉
3-15-1-2  マイクロ波連続焼成炉 (Roller Hearth)
3-15-1-3  粉体や液体のマイクロ波加熱処理
3-15-2   固体被加熱物で発生する事故
3-15-2-1  プラズマ放電の移動
3-15-2-2  プラズマ放電の発生機構
3-15-2-3  プラズマ放電の検知方法と消滅方法
3-16    電波法
3-16-1   電波法におけるマイクロ波
3-16-2   安全上の許容漏洩量
3-16-3   電波妨害の許容値
3-16-4   ISM周波数
3-16-5   設備設置許可申請

付録1 誘電因子
付録2 既存の有機溶媒のtanδに対する温度依存性(20℃、50℃、80℃で測定)

 
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