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マイクロ波加熱解析

マイクロ波加熱は誘電損失(tanδ (タンデルタ))を応用した加熱方法で、周波数が300MHz~3THzの電磁波(マイクロ波)を被加熱物(誘電体)に照射し、被加熱物自身が発熱します。

マイクロ波加熱の原理はこちらへ

コンピューター上で行うシミュレーションは、実際に試作や実験をしなくても、さまざまな検証ができ、必要な現象を把握できます。
例えば、マイクロ波は被加熱物.全体に照射されますが、実際にどの程度均一に、どの程度まで内部に浸透しているか、実際に試作して測定すると、それなりの時間と費用が必要になります。
シミュレーションを活用することで、開発コストや開発期間を短縮することができ、製品の品質向上にもつながります。

マイクロ波加熱連成解析には、[F-WAVE-MH] があります。
これは、高周波電磁界解析ソフトウェア[ F-WAVE ]に、[ 熱伝導解析モジュール]をアドオン(追加)した製品です。
したがって、必要な時にいつでも[ 熱伝導解析モジュール]追加し、利用することができます。

マイクロ波加熱連成解析ソフトウェア F-WAVE-MH

[ F-WAVE-MH ]は以下のモジュールで構成され、発熱密度と熱伝導の計算機能があります。

プリ/ポスト・プロセッサ : Simcenter Femap ( Unisol 版 (Fシリーズ専用)

高周波電磁界ソルバー ( F-WAVE )

* 周波数応答解析

熱伝導ソルバー ( MH オプション )

* 過渡応答解析

[F-WAVE-MH] で、まず被加熱物の発熱密度分布を計算します。
下図のように、[ 比誘電率 ] と [ 誘電正接( tanδ)] を定義し、さらに周波数を設定して行います。

マイクロ波加熱連成解析ソフトウェア F-WAVE-MH

引き続き同じ [ F-WAVE-MH ] で、下図のように [ 比熱 ] と [ 熱伝導率 ] を定義して熱伝導解析を行ない、時間とともに変化する温度分布を求めます。

マイクロ波加熱連成解析ソフトウェア F-WAVE-MH

このマイクロ波加熱連成解析では、装置部材の形状寸法を自在に設定し、生じる現象を可視化できます。
したがって、実験試作では計測できなかった箇所の温度分布も把握できます。

[ F-WAVE-MH ]では、[セクションカット機能]により、解析対象モデルの任意の断面の計算結果を確認できます。
マイクロ波は被加熱物全体に照射されますが、実際にどの程度均一に、どの程度まで内部に浸透しているか解析結果を確認する必要があります。表示断面は任意の位置/角度で定義できます。

今回のコンター図は[カットモデル]機能で表示断面を作成しました。

ここで[ F-WAVE-MH]によるマイクロ波加熱解析の一例を紹介します。

被加熱体のモデルは下図の通りです。

まず[ F-WAVE-MH ] で周波数応答解析を行い、発熱密度分布を求めます。


電界分布コンター図 (モデル全体/単位:V/m)

電界分布コンター図 (YZ断面/単位:V/m)

発熱密度コンター図 (被加熱物/単位:W/m3)

発熱密度コンター図 (YZ断面/単位:W/m3)

次に同じ [ F-WAVE-MH ] で熱伝導解析を行い、時間とともに変化する温度分布を求めます。
今回使用した物性は以下の通りです

誘電体の熱伝導率 : 1.35 [W/(m K)]
誘電体の比熱 : 71 [J/kg℃]
誘電体の質量密度 : 2200 [Kg/m3]

解析結果として、時間経過後の温度分布は以下の様になりました。

マイクロ波加熱連成解析

発熱後30秒後の温度分布 (単位:℃)
マイクロ波加熱連成解析

発熱後1分後の温度分布 (単位:℃)
マイクロ波加熱連成解析

発熱後3分の温度分布 (単位:℃)

解析事例

マイクロ波加熱連成解析

マイクロ波加熱装置内の誘電加熱解析

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