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蒸留水と電解液のマルチモード加熱シミュレーション

Abstract

電磁波解析ソフトKeyFDTDを使用して蒸留水とNaCl水溶液のマルチモード加熱をシミュレートした。水のマイクロ波帯における物性はDebye型の分散を示す。一方、電解液のNaCl水溶液はDebye型の分散に加えある周波数以下で導電性があるため、DebyeモデルとDrudeモデルによって近似する。2.45[GHz]と5.8[GHz]で蒸留水と電解液をマルチモード加熱し、SAR(Specifications Absorption Rate)の分布を比較した。

 

1. 解析概要

蒸留水はマイクロ波帯においてDebye型の分散を示す誘電体である。蒸留水に電解質のNaClを溶解したNaCl水溶液は、Debye型の分散に加え、ある周波数以下で高い導電性を示す。本レポートでは、0.6mol/L NaCl水溶液と蒸留水のマルチモード加熱を複数周波数でシミュレートした結果を報告する。

2.解析条件

Fig.1にシミュレーションモデルを示す。モデルは周波数によって導波管及び励振源をWR-159、WR-430の寸法に変更した。蒸留水または電解液はビーカー($\varepsilon^*=4.05+j0.004$)に入っている。蒸留水の複素誘電率は2.45[GHz]で$\varepsilon^*=75.9+j10.1$、5.8[GHz]で$\varepsilon^*=70.4+j23.1$とした。電解液の複素誘電率はDebyeモデルとDrudeモデル(eq.1)で近似した。

解析モデル

Fig.1 Simulation model

$$ \varepsilon^*(\omega) = \varepsilon_\infty+\frac{\Delta\varepsilon} {1+j\omega\tau_0} + \frac{\omega^2_{p}}{\omega(j\nu_c-\omega)}・・・(eq.1)$$ 分散パラメータは$\varepsilon_\infty = 12.4$、$\Delta\varepsilon = 72.8$、$\tau_0 = 1.36\times10^{-11}[sec]$、$\omega_p = 1.46\times10^{11}[rad/sec]$、$\nu_c = 3.64\times10^{10}[rad/sec]$とした。Table.1の解析条件で、電磁波解析ソフトKeyFDTDTRを用いて蒸留水と電解液のマルチモード加熱をシミュレートし、1波長積算したSAR分布を導出した。

Table.2 Analysis condition
Incident wave $ TE10, 2.45, 5.8 [GHz], 1[W] $
Boundary condition $ x-min:MUR1, x-max:PEC,$
$y,z:PEC $
Computational domain $225\times225\times150[mm]$
Mesh size $0.62[mm]=λ/84~199$
Timestep $1.03×10^{-12}[sec]$
 

3.解析結果

Fig.2、3に液体中心断面におけるxz平面、xy平面のSAR分布を示す。液体部を黒線で囲って示した。Fig.2が2.45[GHz]、Fig.3が5.8[GHz]、(a)が蒸留水、(b)が電解液の解析結果である。2.45[GHz]では、蒸留水は中心部、電解液は外縁部で吸収率が高い。5.8[GHz]ではどちらも外縁部で吸収率が高い。蒸留水と電解液のSAR分布変化の差は電解液中のイオンによる伝導性に起因すると考えられる。各xz平面のSAR最大値は、蒸留水では2.45[GHz]が1.69×105[W/m3]、5.8[GHz]が1.57×105[W/m3]、電解液では2.45[GHz]が1.99×105[W/m3]、5.8[GHz]が2.80×105[W/m3]であった。電解質を加えることによって同じ周波数でも局所的な吸収率が増大する傾向が得られた。

蒸溜水(2.45GHz)

(a)H2O

電解液(2.45GHz)

(b)NaCl(aq)

Fig.2 SAR distribution (2.45GHz)
蒸留水(5.8GHz)

(a)H2O

電解液(5.8GHz)

(b)NaCl(aq)

Fig.3 SAR distribution (5.8GHz)

4.まとめ

電磁波解析ソフトKeyFDTDを用いて金、銀、銅の可視光~近赤外の反射スペクトルを導出した。これにより今回解析に用いた分散パラメータと、KeyFDTDの多極分散性物質に対する解析の2つの妥当性を確認できた。

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