真空マイクロ波乾燥（VMD）における真空度、温度、回転速度の精密制御
要旨：現在現地の真空マイクロ波乾燥技術研究と設備に注目すると、その欠点は制御設備が簡単で、真空度制御効果が悪く、製品の品質が低いことである。本論文では、FCシリーズ空気圧比例流量制御弁を使用した真空マイクロ波乾燥の対応策と統合を提案する。タイプの真空度、温度、速度制御器を導入し、ガス流量調整用のステッピングモーターで駆動する耐腐食性空気圧比例流量制御弁を導入し、真空マイクロ波乾燥工程を精確に制御することができます。

1.質問
真空マイクロ波乾燥は、マイクロ波加熱技術と真空技術を組み合わせた新型のマイクロ波エネルギー応用技術である。材料の乾燥工程では、乾燥温度範囲は一般的に30~60℃、真空度範囲は一般的に0.01~95kPaで、乾燥出力が高く、品質が良く、処理コストが低く、エネルギー消費量が少ないという利点がある。また、低温低圧で乾燥する場合、酸素濃度が低く、乾燥材料の酸化反応が弱まり、遅くなるため、材料の風味、外観、色を確保し、熱に敏感な材料を乾燥しやすく、特に漢方エキス、肉食品、化学原料、果物や農産物の低温乾燥に独特の利点がある。
真空マイクロ波乾燥技術は、低圧下で水の沸点を下げる原理を利用しているため、マイクロ波加熱の迅速、均質、低エネルギー消費の特性を兼ね備えています。真空マイクロ波乾燥技術の応用では、真空度、温度、回転速度の3つが重要な制御パラメータとなります。現在、真空マイクロ波乾燥技術の現地応用では、一般的に制御設備が粗く、真空度制御効果が悪く、製品品質が低いなどの問題があり、主に次のような面に反映されている。
(1) 材料が異なると、乾燥工程で必要な真空度、温度、回転速度が全く異なる。真空度の変動幅は0.01kPa～95kPaと非常に広いため、広い範囲での正確な測定・計測が必要です。真空度が異なれば、制御方法も異なります。
(2）真空度の変化は蒸発温度に重大な影響を及ぼし、マイクロ波加熱後の温度変化は真空度の急激な上昇を引き起こします。真空度と温度は、互いに影響し合う変数の集合体である。製品の品質を確保するために、真空度制御には高速応答性が求められ、乾燥工程での真空度は常に一定で温度変化の影響を受けず、恒常性維持後の真空度の変動率は小さくなります。空気圧式比例流量制御弁を使用することで、所期の効果が得られることが実験により証明されています。
(3) マイクロ波加熱材料の安定性を確保するために、真空度と温度（マイクロ波加熱パワー）を同時に制御する必要があることに加え、回転速度の選択と制御が必要であること。
(4) 材料によってPID制御パラメータやプロセスパラメータが異なるため、乾燥工程全体の自動化レベルを向上させるため、工程中にいつでも簡単に呼び出せるマルチプログラム・マルチパラメータ記憶機能がコントローラに求められています。

2.真空マイクロ波乾燥制御方式
真空マイクロ波乾燥工程では、真空度、温度、ターンテーブルの速度を精密に制御する必要があります。現在、台湾で一般的に使用されている制御方式は、一般的に比較的単純なものです。今回提案する改良型制御方式を図1に示します。

図1に示す真空度制御システムでは、従来の真空度制御方式とは異なる方法、すなわち、真空槽に吸気路を追加し、数値制御の電動ニードルバルブ、いわゆる空気圧流量制御バルブと、応答速度の速い高精度マルチチャンネルコントローラを用いている。このプログラムには2つの優れた特徴があります。
(1) それは ±1% よりより少し変動率の 0.01~95kPa の範囲の真空の程度の精密な制御に、達することができます。特定の実施は真空の程度が 10torr よりより少しとき、制御が上流モードを採用することです。真空度が10torrより大きい場合、制御はダウンストリームモードを採用します。同時に、高速応答のバルブとコントロールにより、温度変化による真空度への影響を最小限に抑えています。
(2）真空の程度、温度および回転盤の速度の同時制御に達することができる 2 チャネルによって統合される PID のコントローラーと装備されている。2 つの独立したチャネルは真空および温度の測定、制御および表示のために使用され、回転モーターの回転盤または開始停止の速度を制御するのに警報出力チャネルが使用することができます。

3.24ビット高精度マルチファンクションコントローラ
真空マイクロ波乾燥の真空度、温度、回転速度の精密制御を達成するために、KaoLuは図2に示すように、FCシリーズ24ビット高精度プログラマブルPIDユニバーサルコントローラを開発しました。このシリーズのPIDコントローラは、非常に便利でコスト効率が良い。

VPCシリーズコントローラの主な性能指標は次のとおりです。
(1) 精度：A/D24bit、D/A16bit。
(2) 最大サンプリング速度：50ms。
(3)多彩な入力パラメータ。47種類の入力信号（熱電対、熱抵抗、直流電圧）を各種温度・真空センサーに接続し、測定・表示・制御が可能です。
(4) 各種出力形態：16BITアナログ信号、2A（AC250V）リレー、22V/20mAソリッドステートリレー、3A/250VAC SCR。
(5）多チャネル: 独立した 1 チャネルか 2 チャネルの出力。2 つのチャネルは温度および真空の程度の同時測定そして制御に達することができ回転モーターの開始停止を制御するのに警報出力チャネルが使用することができます。
(6) 多機能：前進・後退・正逆双方向制御、暖房・冷房制御。
(7) PIDプログラム制御。改良された PID のアルゴリズムは PV の差動および差動前進制御を支えます。それは PID の 20 グループを貯え、20 のプログラム カーブ（50 の区分それぞれ）を支えることができます。
(8) 通信二線式RS485、標準MODBUS RTU通信プロトコル。
(9) 表示モード：デジタルホール、IPS TFTトゥルーカラー液晶。
(10) ソフトウェア。コントローラーおよびデータ収集および貯蔵の操作はソフトウェア コンピュータを通した達することができます。
(11)寸法。96×96×87mm（穴サイズ92×92mm）。

4.ステッピングモーター駆動の耐腐食性高速ニードルバルブ
KaoLuは、真空度制御の過程で高精度な調整を達成するために、図2に示すように、ステッピングモータを使用したニードルバルブをベースに、異なる流量の空気圧比例流量制御弁のシリーズを開発しました。本シリーズは電磁弁に比べ磁気ヒステリシスが非常に小さく、1秒以内の高速応答が可能である。特に、FKMシール技術の採用により、耐腐食性に優れたバルブとなっています。詳細な技術指標は図4に示すとおりである。

モデル	FC-20	FC-120	FC-300	FC-1000
バルブタイプ	ニードルバルブ
スプールドリフト径	0.9mm	2.25mm	2.75mm	4.10mm
アクチュエーター	バイポーラステッピングモータ制御
応答速度	0.8秒(開→閉)
標準サイズ	G1/8"			G3/8"
フルード	不活性ガス・液体
お問い合わせ先	ステンレススチール
圧力範囲	-1～7 気圧			-1～5 気圧
最大流量	50L/min @7bar	240L/min @7bar	290L/分 @7bar	600L/分 @7bar

 

リニアリティ	±2%	±0.1 ~ 1%	±0.2 ~ 5%	±11%
再現性 (フルスケール)	±0.1%
流量分解能（ステップ長）	0.1L/分	0.1〜0.2L/min	0.2〜0.75L/min	1L/分
シフト分解能（ステップ長）	12.7um		25.4um
動作温度範囲	0 ~ 84°c
シール	標準的なFKMや他のシールも選択可能
制御信号	DC：0〜10V（または4〜20mA）
電源	DC: 24V (12W)

(図4 KaoLu社FC電子ニードルバルブのテクニカル指標）

詳細については、以下をご覧ください。 https://www.genndih.com/proportional-flow-control-valve/mid-flow-proportional-valve-0-130L-min.html

FC空気式比例制御弁にはステッピングモータ駆動回路モジュールが搭載されており、FC空気式比例制御弁に必要な電源と制御信号を供給し、DC信号をバイポーラステッピングモータのステップ制御に変換し、シリアル通信のRS485直接制御も可能である。その仕様と寸法を図5に示す。

真空マイクロ波乾燥に空気圧式比例流量制御弁を使用する場合、電動ボール弁の代わりに真空ポンプ前段にニードル弁を設置し、排気流量を調整することで真空度を制御するオープンループ制御方式もありますが、このオープンループ制御方式は安定性が悪いという欠点があります。より高い安定性の要求に到達することは困難である。そこで、一般的には図1のような閉ループ制御方式、すなわち真空チャンバーに吸気制御弁を追加し、吸気流量と排気流量を同時に調整することにより、精密な真空度制御を実現することが推奨されます。