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マイクロ波加熱解析

マイクロ波加熱は、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。

誘電体にマイクロ波を照射すると、誘電体は電気双極子なので、マイクロ波の周波数と同じ速さで、電場の変化に合わせて分極方向を変化させます。

誘電分極   マイクロ波加熱の原理

この時、速い速度(高い周波数)で電界の向きを変化させると、双極子は反転する時に周囲の分子との間で摩擦を受け、電界の変化の速度に追従できなくなります。
その結果、摩擦によるエネルギーが誘電体内部で消費され、それが誘電体内部で熱に変わります(誘電損失)。



図1


図2


図3


図4

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。
試作の代わりにPC上で必要なケースの解析モデルを作成し、計算するだけで、装置の形状、 導波管の数/位置、被加熱物の配置などの諸条件を、短時間/ローコストで最適化することができます。

発熱はマイクロ波誘電解析(誘電損解析)で、時間とともに変化する温度は熱伝導解析で求めます。
これはマイクロ波加熱連成解析と呼ばれます。

連成解析につきましてはこちらへ

お互いに関連づけながら行ないますので、この操作性の良し悪しが大きなポイントとなります。

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。

マイクロ波加熱連成解析は以下のステップで解析を行ないます。
①マイクロ波により生じた誘電損発熱(誘電発熱)を求めます 。
②発熱密度データを基に熱伝導解析を行ない、温度分布を求めます。

ここでマイクロ波加熱解析の一例を紹介します。下図のような3ケースのマイクロ波加熱モデルを想定します。
① 入力ポート:1個/被加熱体:1個
② 入力ポート:1個/被加熱体:2個
③ 入力ポート:2個/被加熱体:2個

被加熱体のモデルは下図の通りです。


[F-WAVE]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。

まず最初に、入力ポート1個に対して被加熱体も1個の場合です。

ソリッドモデルの読込み (入力ポート:1個/被加熱体:1個)


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、入力ポート1個に対して被加熱体が2個の場合です。

ソリッドモデルの読込み (入力ポート:1個/被加熱体:2個)


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 (ZX断面/単位:W/m3)

最後に、入力ポート2個に対して被加熱体が2個の場合です。

ソリッドモデルの読込み (入力ポート:2個/被加熱体:2個)


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 (ZX断面/単位:W/m3)

被加熱物の誘電率、透磁率に温度依存性がある場合には、温度分布計算後にそれらの物性を変更するかどうか、確認が必要になります。

[ F-WAVE-MH ]は温度計算を行う毎に物性の変更が必要かどうか確認し、必要があれば自動的に変更して計算を続けます (強連成解析機能)。

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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