微波加热装置及微波加热方法
【专利摘要】本发明的目的在于提供一种能够减少因热量造成的损伤并同时加热所期望的被处理物的微波加热装置及微波加热方法。本发明所涉及的微波加热装置的特征在于，具备：用于保持被处理物的滚筒；向所述滚筒内照射微波的微波照射装置；使所述滚筒旋转的旋转装置；设置在所述滚筒内的搅拌片；对所述滚筒进行冷却的冷却装置。
【专利说明】微波加热装置及微波加热方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及微波加热装置及微波加热方法。
【背景技术】
[0002] 微波加热技术作为加热食品的技术而不断发展。微波加热与借助红外线、热风等 进行的通常的加热相比，具有如下等特征：
[0003] 能够选择性地加热容易吸收微波的材料；
[0004] 加热效率高，加热时间短。
[0005] 目前，由于具有上述这样的特征，微波加热技术在工业上被应用于木材等的干燥、 杀菌、陶瓷等的烧结、高分子材料的合成等广泛的领域。其中，使用用在废弃物的焚烧处理 中的例子来对微波加热装置进行说明（例如参照专利文献1)。
[0006] 图5是表示专利文献1所记载的微波加热装置的结构的说明图。在外壳2内设有 能够旋转的滚筒体10和支承辊11。在滚筒体10的内侧设置有多片搅拌叶片19,来对投入 到滚筒体10内的废弃物40进行搅拌。在外壳2的下部连接有吸气机构31，在外壳2的上 部连接有废气净化机构35。从磁控管21放射出的微波照射到滚筒体10内的废弃物40上。 由此能够加热废弃物40。
[0007] 【专利文献1】日本特开2004-183989号公报
[0008] 然而，在被处理物为难以吸收微波的材料和容易吸收微波的材料的混合物时，期 望在不对难以吸收微波的材料造成热损伤的情况下仅使容易吸收微波的材料燃烧。
[0009] 然而，在以往的装置中，存在如下课题：来自容易吸收微波的材料的热量通过热传 导向难以吸收微波的材料传导，而对难以吸收微波的材料造成热损伤。
【发明内容】
[0010] 本发明用于解决上述课题，其目的在于提供一种减少对难以吸收微波的材料的热 损伤的微波加热装置及微波加热方法。
[0011] 为了实现上述目的，本发明的微波加热装置的特征在于，具备：用于保持被处理物 的滚筒；向所述滚筒内照射微波的微波照射装置；使所述滚筒旋转的旋转装置；设置在所 述滚筒内的搅拌片；对所述滚筒进行冷却的冷却装置。
[0012] 此外，本发明的微波加热方法通过向在滚筒内搅拌中的被处理物照射微波来加热 所述被处理物，其特征在于，在照射微波的同时冷却所述滚筒。
[0013] 【发明效果】
[0014] 如上所述，根据本发明，能够抑制被处理物的温度上升，减少在被处理物中产生热 损伤的现象。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 图1是表示硅再利用系统的工序图。
[0016] 图2是实施方式1所涉及的微波加热装置的剖面示意图。
[0017] 图3是实施方式1所涉及的微波加热装置的滚筒示意图。
[0018] 图4是实施方式1的其它示例所涉及的微波加热装置的剖视图。
[0019] 图5是表示专利文献1所记载的微波加热装置的结构的说明图。
[0020] 【符号说明】
[0021] 100、101微波加热装置
[0022] 300微波产生器
[0023] 310调谐器
[0024] 32〇导波管
[0025] 330金属腔室
[0026] 340旋转机构
[0027] 350 滚筒
[0028] 360 硅泥
[0029] 370搅拌片
[0030] 380冷却装置
[0031] 390水冷管
[0032] 391 空冷机构
[0033] 400 吸气口
[0034] 410 排气口
[0035] 420温度计
[0036] 430控制部
【具体实施方式】
[0037] 以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
[0038] (实施方式1)
[0039] 作为太阳能电池用硅晶片的制造工序的副产物，生成硅、水和碳的混合物即硅泥。 硅是难以吸收微波的材料，水和碳是容易吸收微波的材料。因此，如果能够在不对硅泥中的 硅造成热损伤的情况下实现水分的除去和碳的选择性燃烧，那么能够获得高品质的再利用 硅。
[0040] 在对硅泥照射了微波的情况下，难以吸收微波的硅虽然不容易因微波本身而被加 热，但由于来自容易吸收微波的水、碳的热传导，硅的温度有时会上升。与此相对地，本实施 方式所涉及的微波加热装置能够在抑制对难以吸收微波的材料的热损伤的同时选择性地 仅加热容易吸收微波的材料。因此，本微波加热装置对于从硅泥中获得再利用硅是有用的。 以下，使用适用于从硅泥中获得再利用硅的工序的示例来对本微波加热装置进行说明。
[0041] 首先，使用图1对太阳能电池用硅的晶片制造工序进行说明。最初，在硅材料准备 工序（S110)中准备杂质少的初始硅，接下来，在硅锭制成工序（S120)中制成硅锭。硅锭通 过切克劳斯基（CZ)法等制成。在硅锭加工、粘接工序（S130)中对制成的硅锭进行加工，将 该硅锭粘接固定于梁构件。在切片加工工序（S140)中使用线锯对粘接固定在梁构件上的 硅锭进行切片加工。然后，经由晶片清洗工序（S150)而制造出太阳能电池用硅晶片。
[0042] 接下来，说明硅再利用工序（S200)。硅再利用工序（S200)是指，将在切片加工工 序（S140)中作为副产物生成的硅泥通过分离、回收工序（S210)分离、回收，并经由碳、水分 除去工序（S220)、熔融、凝固工序（S230)制成再利用硅，然后返回硅锭制成工序（S120)的 一系列的工序。
[0043] 在切片加工工序（S140)中，对硅锭进行加工时产生的硅的切屑与粘接有硅锭的 梁构件材料、含有冷却液（有机系）的水混合而作为硅泥大量地排出。在分离、回收工序 (S210)中利用例如压滤机对该硅泥进行固态成分和液体成分的分离、回收。分离后的硅泥 的固态成分作为粉状的硅泥被回收。在该粉状的硅泥中含有残留冷却液成分的有机碳成 分、作为梁构件的材料的石墨、作为金刚石线锯的磨粒等残留物的无机碳成分。所含有的有 机的碳成分、无机的碳成分为粉状的硅泥整体的7at%左右。粉状的硅泥的水分含有率为整 体的50%?60%左右。
[0044] 将回收后的粉状的硅泥作为被处理物导入本实施方式所涉及的微波加热装置，进 行几分钟至几十分钟左右的加热处理来实施碳、水分除去工序（S220)。通过在该工序中抑 制硅的氧化并同时除去碳成分和水分，从而能够获得纯度高且热损伤低的再利用硅。
[0045] 在此，使用图2对本实施方式所涉及的微波加热装置100的详细情况进行说明。
[0046] 微波加热装置100具备微波产生器300、调谐器310、导波管320、金属腔室330、用 于保持被处理物（硅泥360)的滚筒350、作为滚筒350的旋转装置的旋转机构340、用于搅 拌硅泥360的搅拌片370、具有对滚筒350进行冷却的水冷管390的冷却装置380。此外， 微波加热装置100具备将空气或气体取入金属腔室330的吸气口 400、进行排气的排气口 410、计测温度的温度计420。
[0047] 金属腔室330以中心轴从水平方向倾斜30°的方式设置，从而容易搅拌被处理 物。在金属腔室330的内部设置有在旋转机构340的作用下向纸面进深方向旋转且由耐热 性的金属制成的滚筒350。
[0048] 由微波产生器300产生的微波通过导波管320而向保持在滚筒350内的硅泥360 照射。在此，作为微波照射装置的一例，举出组合微波产生器300、调谐器310、导波管320 而成的装置。
[0049] 在金属腔室330的下表面设置有从大气导入空气的吸气口 400。在金属腔室330 的上表面设置有将在加热硅泥360时产生的水蒸气或碳燃烧时产生的气体排出的排气口 410。通过吸气口 400和排气口 410能够进行吸气量、排出量的流量调整。
[0050] 在此，对滚筒350的详细情况进行说明。图3(a)是从横向观察滚筒350时的剖面 示意图，（b)是将滚筒350的开口放大后的示意图。在滚筒350的内侧面与滚筒350的旋 转轴平行地设置有搅拌片370,成为通过旋转滚筒350而能够搅拌被处理物的结构。搅拌 片370由具有耐热性的金属构成，作为一例可举出不锈钢的板。在此，示出了如下状态：搅 拌片370的深度（进深）为滚筒350的深度的约3 / 4倍，搅拌片370的高度（从滚筒350 的内侧面起的高度）为滚筒350的直径的约1 / 8倍，且搅拌片370在滚筒350的内侧面 以位于十字方向的方式设有4片。该配置能够减小不向被处理物照射微波的遮蔽部分，因 此对于进行均匀的处理是有用的。由于金属制的搅拌片370遮挡微波，容易产生遮蔽部分， 因此作为上述这样的配置能尽可能地减小遮蔽部分。
[0051] 通过该搅拌片370能够高效地搅拌被处理物，即使是粒径不同的粉状物为被处理 物，也不仅能在滚筒350的旋转方向（图中的进深方向）进行搅拌，还能在开口和里部方向 (图中的左右方向）进行搅拌。
[0052] 需要说明的是，优选搅拌片370由石英这样的具有耐热性且透射微波的材料构 成。这是因为，若由透射微波的材料构成搅拌片370,则不会形成不向被处理物照射微波的 遮蔽部分，能够提高处理效率。
[0053] 此外，在滚筒350的内侧壁、搅拌片370的内侧设有由金属覆盖的水冷管390 (水 冷机构）。即，冷却装置380 (图2)具有用冷却液来冷却搅拌片370的水冷机构。通过使冷 却液在水冷管390中流动，从而能够冷却滚筒350的内侧和搅拌片370。由此，能够有效地 冷却温度最高的滚筒350的中央附近，提高被处理物的冷却效率。进而，由于搅拌片370与 被处理物接触的机会较多，因此能够更高效地冷却被处理物。需要说明的是，作为冷却液可 以适用水或油脂等。
[0054] 在本实施方式中，为了抑制图2的硅泥360的微波加热时的异常放电、局部加热， 通过解碎机将娃泥360加工成5mm以下的粒状物。将几 kg的该娃泥360导入滚筒350,通 过旋转机构340使滚筒350以3?20rpm进行旋转。
[0055] 在微波加热装置100中具备控制部430。控制部430为计算机。控制部430进行 旋转机构340的驱动控制。进而，控制部430以在微波照射时也对滚筒350进行冷却的方 式控制冷却装置380。并且，控制部430与微波产生器300、（放射）温度计420连接，以使 处理中的娃泥360的表面温度成为600°C以下的方式控制冷却装置380和微波产生器300。 硅泥360的表面温度由温度计420测定。该表面温度与硅泥360借助微波加热而最大程度 升温的部分（中心部分）的温度不同。在最大程度升温的部分的温度上升至900°C左右时， 硅的氧化反应加剧，不适于硅再利用。实验的结果是，发明人等发现，若将表面温度保持在 600°C以下，则能够抑制硅泥360中的硅的氧化。
[0056] 在此，对图1的碳、水分除去工序（S220)进行详细说明。
[0057] 在碳、水分除去工序（S220)中，在进行图2的滚筒350内部的冷却的同时向硅泥 360照射例如3?9kW左右的微波。于是，硅泥360中的有机的碳成分、无机的碳成分、水分 吸收微波而被加热，首先，产生水蒸气，且产生的水蒸气从排气口 410向金属腔室330外排 出。然后，成为更高温的有机的碳成分、无机的碳成分蒸发或与大气中的氧发生燃烧反应， 产生有机系气体或C0 2。产生的有机系气体或C02也从排气口 410排出。如此，通过持续照 射微波，使硅泥360中的水分浓度、碳浓度降低。通过进行几分钟的微波的照射，从而能够 使硅泥360中的水分浓度降低至例如1.5%以下，且能够使碳浓度降低至例如0. lat%左 右。
[0058] 本来，由于硅粉是难以吸收微波的材料，因而难以通过微波直接加热，但由于来自 高温的碳的热传导，而可能使硅的温度上升。在对硅施加热量时，存在变质（因氧化引起的 氧浓度上升）和损伤蓄积而使再利用硅的品质降低的情况。因此，在本实施方式中，为了防 止硅的温度上升，在对滚筒350的内侧和搅拌片370进行冷却的同时，将硅泥360中的水 分、碳燃烧除去。由此，能够抑制硅的温度上升，能够减少硅的变质和热损伤。
[0059] 需要说明的是，优选构成为滚筒350的外侧的导热系数低于内侧的导热系数。更 详细而言，优选采用在滚筒350的内侧使用耐热性高且导热系数高的材料（例如，不锈钢等 金属材料，或者导热系数为15W · πΓ1 · Γ1以上且500W · πΓ1 · Γ1以下的材料）、在外侧使用 难以吸收微波且导热系数低的材料（例如石英、氧化锆、耐热板等）这样的双层结构。特别 是，优选滚筒350的内侧的导热系数为外侧的导热系数的2倍以上且100倍以下。通过使 滚筒350的内侧的导热系数为外侧的导热系数的2倍以上，从而还能够抑制包围滚筒350 的金属腔室330的温度上升。若温度上升，则金属可能会变得容易吸收微波，但通过抑制金 属腔室330的温度上升，由此能够减小被金属腔室330吸收的微波的能量。此外，由于在滚 筒350的内侧和外侧使用不同的材料，因此在它们之间（滚筒350的侧面）埋入水冷管390 的加工也变得容易，能够容易地制成滚筒350。通过将冷却装置380埋入滚筒350的侧面， 能够高效地实施冷却。
[0060] 此外，微波加热处理也可以在减压下实施。进而，也可以向金属腔室330内供给氧 气与不活泼气体（氮气、氩气等）的混合气体、或者氢气与不活泼气体的混合气体等。由此， 能够抑制硅的氧化。
[0061] 需要说明的是，本微波加热装置也可以适用于在蓝宝石基板、氮化镓（GaN)基板、 砷化镓（GaAs)基板等基板制作时产生的泥浆。在这些泥浆中也包含容易吸收微波的材料 和难以吸收微波的材料，本微波加热装置能够在不对难以吸收微波的材料造成热损伤的同 时执行微波加热处理。
[0062] 需要说明的是，容易吸收微波的材料（第一物质）表示极性物质、介质损耗角 (Tan δ )为〇. 〇1以上的物质、或者导电率为ΚΓ2以上且1〇4以下的物质中的任一种物质。而 且，难以吸收微波的材料（第二物质）表示与极性物质、介质损耗角Tan δ为〇. 〇1以上的 物质、或者导电率为1〇_2以上且1〇4以下的物质中的任一种均不同的物质。包含上述任一种 的第一物质和第二物质这两方的被处理物适于通过本实施方式所涉及的微波加热装置100 进行处理。这种情况下，能够在不对第二物质造成热损伤的情况下加热第一物质。
[0063] 在此，使用图4对本实施方式的其它示例所涉及的微波加热装置101进行说明。在 图4中，与图2相同的构成要素使用同一符号而省略说明。与图2的不同点在于，冷却装置 380具有向滚筒350喷射冷却气体的空冷机构391。空冷机构391形成为通过从吸气口 400 导入冷却后的冷却气体并将其喷到滚筒350的外侧面，由此对微波照射中的滚筒350进行 冷却的结构。需要说明的是，有时也将在图2中说明的用冷却液来冷却滚筒350的机构即 水冷管390记载为水冷机构。冷却气体使用空气、不活泼气体、促进碳的燃烧的氧气、或者 它们的混合气体。
[0064] 就水冷机构而言，冷却效率高，并且能够精确地进行温度控制，因此适用于使想要 加热的材料成为高温（600°C以上）的情况、或不想极力地升高材料的温度的情况等。然而， 为了在滚筒350中设置水冷机构，使得结构复杂化因而制造成本升高。另一方面，就空冷机 构391而言，虽然与水冷机构相比冷却效率下降，但能够简化滚筒350的结构，还能够将制 造成本抑制得低。因此，空冷机构391适用于想要在600°C以下比较低的温度中处理物质的 情况。
[0065] 但是，优选将水冷机构与空冷机构391组合配置。即，优选冷却装置380除了具有 水冷机构（水冷管390)以外还具有空冷机构391。由此，能够提高冷却效率，因此能够极力 抑制难以吸收微波的材料的温度上升。此外，由于还能够降低金属腔室330整体的温度，因 此还能够减少被金属腔室330吸收的微波，能高效地加热被处理物。
[0066] 进而，通过利用控制部430对冷却装置380所具备的两系统（水冷机构和空冷机 构391)冷却机构进行控制，从而能够实现快速冷却。具体而言，在使来自微波产生器300的 微波照射硅泥360的同时使水冷机构或空冷机构391中的任一方进行冷却。这种情况下， 控制部430以使硅泥360的表面温度成为600°C以下的方式控制微波产生器300和冷却装 置380。在硅泥360中的水分完全蒸发之前的期间，由于水分的蒸发夺取热量，因此几乎不 存在硅泥360的温度上升，容易保持在600°C以下。但是，在水分完全蒸发后的阶段，硅泥 360的温度急剧上升。此时，仅通过水冷机构或空冷机构391中一系统的冷却无法应对急剧 的温度上升，存在硅泥360中的温度上升的危险性。因此，在硅泥360的温度急剧上升的同 时，以并用水冷机构和空冷机构391来实施快速冷却的方式进行控制。通过并用两者来进 行快速冷却，从而在发生了急剧的温度变化的情况下，也能够将被处理物的温度维持为期 望的温度。这种情况下，控制部430在滚筒350内的温度（硅泥360的温度）成为预先设 定的温度时使水冷机构（水冷管390)和空冷机构391这两方进行冷却。就预先设定的温 度而言，在被处理物为硅泥的情况下例如为500度，且被预先存储在控制部430中。
[0067] 【工业实用性】
[0068] 本发明可以利用于太阳能电池或半导体等的材料再利用工序、功能性材料或高分 子材料的合成等各种工业领域的热处理工序中。
【权利要求】
1. 一种微波加热装置，其特征在于，具备： 用于保持被处理物的滚筒； 向所述滚筒内照射微波的微波照射装置； 使所述滚筒旋转的旋转装置； 设置在所述滚筒内的搅拌片； 对所述滚筒进行冷却的冷却装置。
2. 根据权利要求1所述的微波加热装置，其特征在于， 所述冷却装置具有用冷却液来冷却所述滚筒的水冷机构。
3. 根据权利要求2所述的微波加热装置，其特征在于， 所述水冷机构埋入到所述滚筒的侧面。
4. 根据权利要求2所述的微波加热装置，其特征在于， 所述水冷机构以供所述冷却液通过的管设于所述搅拌片的方式构成。
5. 根据权利要求2所述的微波加热装置，其特征在于， 所述冷却装置还具有向所述滚筒喷射冷却气体的空冷机构。
6. 根据权利要求5所述的微波加热装置，其特征在于，具备： 温度计，其对所述滚筒内的温度进行测定； 控制部，其在使所述微波照射装置照射微波的同时使所述水冷机构或所述空冷机构中 的任一方进行冷却，当所述滚筒内的温度成为预先设定的温度时使所述水冷机构和所述空 冷机构这两方进行冷却。
7. 根据权利要求1所述的微波加热装置，其特征在于， 所述滚筒以外侧的导热系数低于内侧的导热系数的方式构成。
8. 根据权利要求1所述的微波加热装置，其特征在于， 具备在使所述微波照射装置照射微波的同时使所述冷却装置进行冷却的控制部。
9. 根据权利要求1所述的微波加热装置，其特征在于， 所述搅拌片由透射微波的材料构成。
10. 根据权利要求1至9中任一项所述的微波加热装置，其特征在于， 所述被处理物包含第一物质和第二物质， 所述第一物质是极性物质、介质损耗角Tan δ为〇. 〇1以上的物质、或者导电率为ΚΓ2 以上且104以下的物质中的任一种， 所述第二物质与极性物质、介质损耗角Tan δ为〇. 〇1以上的物质、或者导电率为ΚΓ2 以上且104以下的物质中的任一种均不同。
11. 一种微波加热方法，向在滚筒内搅拌中的被处理物照射微波来加热所述被处理物， 其特征在于， 在照射微波的同时冷却所述滚筒。
12. 根据权利要求11所述的微波加热方法，其特征在于， 所述滚筒的冷却通过冷却设置于所述滚筒上的搅拌片来进行。
13. 根据权利要求11所述的微波加热方法，其特征在于， 所述滚筒的冷却使用冷却液来进行。
14. 根据权利要求13所述的微波加热方法，其特征在于， 所述滚筒的冷却还使用冷却气体来进行。
15. 根据权利要求14所述的微波加热方法，其特征在于， 所述滚筒的冷却在照射微波的同时使用所述冷却液或所述冷却气体中的任一种来进 行，当所述滚筒内的温度成为预先设定的温度时使用所述冷却液和所述冷却气体这两方来 进行。
16. 根据权利要求11至15中任一项所述的微波加热方法，其特征在于， 所述被处理物包含第一物质和第二物质， 所述第一物质是极性物质、介质损耗角Tan δ为〇. 〇1以上的物质、或者导电率为ΚΓ2 以上且104以下的物质中的任一种， 所述第二物质与极性物质、介质损耗角Tan δ为〇. 〇1以上的物质、或者导电率为ΚΓ2 以上且104以下的物质中的任一种均不同。
【文档编号】F24C7/02GK104105239SQ201410100661
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年3月18日 优先权日:2013年4月9日
【发明者】永井久雄, 山西齐, 谷本宪司 申请人:松下电器产业株式会社