高周波誘電加熱連成解析

( 誘電体内に十字形金属片 )

高周波誘電発熱は、交番電極間に誘電体が存在すると、誘電体を構成する各分子は回転・衝突・振動・摩擦などの 激しい運動が生じ、誘電体に誘電体損失(tanδ (タンデルタ))が発生し、内部が発熱します。

誘電加熱の原理はこちらへ

この誘電体の内部に微小な十字形金属片(導体)が含まれている場合、誘電体の発熱分布がどのように変化するのか、評価解析を行ないました。

電極間に生じている電界中に導体が存在すると、導体は浮き導体となり、電位は不明ですが、導体全体が等電位になります。
したがってその近傍の発熱分布／温度分布は周囲と異なる状態になります。

比較のため、誘電体の内部に金属片が全く含まれていない場合も解析しました。

この評価解析は、誘電加熱連成解析ソフトウェア[ F-VOLT-DH ]で行ないました。

最初に周波数応答解析機能で電界分布と発熱密度分布を計算しました。

引き続き熱伝導過渡応答解析を行ない、その発熱分布から時間的に変化する温度分布を求めました。

誘電体の内部に微小な十字形金属片が含まれていない場合のモデルは下図の通りです。

金属が被加熱体内部に含まれない場合

誘電体の内部に微小な十字形金属片が含まれている場合のモデルは下図の通りです。

被加熱体内部に微小な十字形金属片が含まれている場合

誘電体に[ 誘電率 ]と[ tanδ ]を設定して誘電解析を行ない、誘電損(発熱密度)を求めました。
電極には、交番電圧[ 6k(v) ]と[ 0(v) ] を印加しました。周波数は[ 15MHz ]としました。

解析結果は下図の通りです。

金属が被加熱体内部に含まれない場合の電界分布は下図の通りです。

電界分布コンター図 (単位：V/m)

電界分布コンター図 (単位：V/m) (下側半分)

被加熱体内部に微小な十字形の金属片が存在すると、電界分布は下図のようになります。
しかし、外観の電界分布からは、内部に微小な十字形の金属片が存在するかどうか判別がつきません。

電界分布コンター図 (単位：V/m)
(モデル全体)

しかし、以下の中間の断面で見ると、十字形金属周囲の電界分布の値が大きくなっていることがわかります。

電界分布コンター図 (単位：V/m) ( XY断面/下側半分)
電界分布コンター図 (単位：V/m) (XY断面/下側半分拡大図/金属片表示 )	電界分布コンター図 (単位：V/m) (XY断面/下側半分拡大図/金属片非表示

電界分布コンター図 (単位：V/m) ( YZ断面/片側半分)
電界分布コンター図 (単位：V/m) ( YZ断面/片側半分拡大図/金属片表示)	電界分布コンター図 (単位：V/m) (YZ断面/片側半分拡大図/金属片非表示)

電界分布コンター図 (単位：V/m) ( ZX断面/片側半分
電界分布コンター図 (単位：V/m) ( ZX断面/片側半分拡大図/金属片表示	電界分布コンター図 (単位：V/m) (ZX断面/片側半分拡大図/金属片非表示 )

発熱密度分布はそれぞれ下図の通りです。
発熱密度分布でも同じ傾向が見られます。
外観の発熱密度分布からは、内部に微小な十字形の金属片が存在するかどうか判別がつきません。

発熱密度分布コンター図 (単位：W/m³)
(モデル全体)

発熱密度分布でも、十字形金属周囲の値が高まっていることがわかります。

発熱密度分布コンター図 (単位：W/m3) ( XY断面/下側半分 )
発熱密度分布コンター図 (単位：W/m3) (XY断面/下側半分拡大図/金属片表示 )	発熱密度分布コンター図 (単位：W/m3) (XY断面/下側半分拡大図/金属片非表示 )

発熱密度分布コンター図 (単位：W/m3) (YZ断面/左側半分)
発熱密度分布コンター図 (単位：W/m3) (YZ断面/左側半分拡大図/金属片表示 )	発熱密度分布コンター図 (単位：W/m3) (YZ断面/左側半分拡大図/金属片非表示 )

発熱密度分布コンター図 (単位：W/m3) (ZX断面/後側半分)
発熱密度分布コンター図 (単位：W/m3) (ZX断面/後側半分拡大図/金属片表示 )	発熱密度分布コンター図 (単位：W/m3) (ZX断面/後側半分拡大図/金属片非表示 )

電極間に金属(導体)が存在すると、金属周囲の電界強度が高まり、発熱密度分布も高まることがわかります。

ここまで発熱密度分布を求めましたが、発熱の基となる[ 誘電損 ]を求める基礎理論式はこちらへ

ここでそれぞれの物性値を、熱伝導率、比熱、質量密度に変更し、発熱密度分布から時間とともに温度分布がどのように変化するか解析しました。

[ F-VOLT-DH ]は、物体表面の自然対流による放熱を考慮できますので、解析対象物表面の放熱現象を正確に計算できます。
したがって、時間とともに変化する解析対象物全体の正確な温度変化を解析することができます。
下のグラフは解析対象物の表面の自然対流境界条件で、上面、下面、側面の温度と熱伝達率の関係を示しており、温度依存性を考慮できます。

今回は評価解析ですので、上図の中から「上面の熱伝達率」をモデルの全周に設定しました。

時間とともに変化する温度分布は、以下のようになりました。

最初に、被加熱体内部に金属が含まれない場合です。

温度分布コンター図 (単位：℃) ( ３分後 )

温度分布コンター図 (単位：℃) ( ３分後／下側半分 )

誘電体内部に金属片が含まれていない場合、誘電体の温度は、3分で100℃位まで昇温しています。

しかし、誘電体の内部に微小な十字形の金属片が含まれている場合、金属片周辺の温度分布は以下の様になります。
30秒で、およそ80℃位まで昇温しています。

温度分布コンター図 (単位：℃) ( XY断面/下側半分)
温度分布コンター図 (単位： ℃) (XY断面/下側半分拡大図/金属片表示 )	温度分布コンター図 (単位： ℃) (XY断面/下側半分拡大図/金属片非表示 )

温度分布コンター図 (単位：℃) ( YZ断面/左側半分)
温度分布コンター図 (単位： ℃) (YZ断面/下側半分拡大図/金属片表示 )	温度分布コンター図 (単位： ℃) (YZ断面/下側半分拡大図/金属片非表示 )

温度分布コンター図 (単位：℃) ( ZX断面/後側半分)
温度分布コンター図 (単位： ℃) (ZX断面/下側半分拡大図/金属片表示 )	温度分布コンター図 (単位： ℃) (ZX断面/下側半分拡大図/金属片非表示 )

昇温後の温度分布も、電界分布、発熱密度分布と同じように、十字形の微小金属周囲の値が大きくなっていることがわかります。

電極間の誘電体の内部に金属等の導体が存在すると、その近傍の電界分布が高まり、存在しない領域に比べて、より昇温することがわかりました。

この評価解析は誘電加熱連成解析ソフトウェア F-VOLT-DH で行いました。

F-VOLT-DH につきましてこちらへ

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