(57)【要約】【課題】  円筒状の空胴共振器を用い、この空胴共振器の中心部を流れるかあるいは中心部に収容されている試料をマイクロ波で加熱し、その化学反応を促進する新しい手段を提供する。【解決手段】  金属製の円筒状側壁７と、この側壁の軸方向の両端を電磁波的に閉じる金属製の端部側壁８とで空胴共振器１を構成する。空胴共振器内に同軸的に電磁波透過性誘電体からなる円管２または円筒容器を配設し、その内部に試料を収容する。空胴共振器１の円筒状側壁７に軸方向に沿って設けられた結合スロット４により外部からマイクロ波を結合する。空胴共振器１内に、大きさが円周に沿って一定で、半径方向に対しては円筒状側壁を含めて2または3箇所で大きさが実質的にゼロとなるように変化するマイクロ波電界を発生させ、試料を加熱して化学反応を促進する。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製の円筒状側壁と、この側壁の軸方向の両端を電磁波的に閉じる金属製の端部側壁とで構成される空胴共振器と、
この空胴共振器内に同軸的に配設され、内部に試料を収容する電磁波透過性誘電体からなる円管または円筒容器を具備し、
前記空胴共振器の円筒状側壁に軸方向に沿って設けられた結合スロットにより外部からマイクロ波が結合され、
前記空胴共振器内に、大きさが円周に沿って一定で、半径方向に対しては円筒状側壁を含めて2または3箇所で大きさが実質的にゼロとなるように変化するマイクロ波電界を発生させ、前記試料を加熱して化学反応を促進することを特徴とするマイクロ波化学反応装置。
【請求項２】
前記空胴共振器内に棒状の誘電体または金属小片を出入り自在に挿入し、それによって前記空胴共振器の共振周波数を調整することを特徴とする請求項1に記載のマイクロ波化学反応装置。
【請求項３】
前記空胴共振器の壁面にカプラーを設けて空胴内に発生している電磁界の一部を取り出し、この電磁界の強さがほぼ最大となるように空胴の共振周波数を変化させることを特徴とする請求項1又は２に記載のマイクロ波化学反応装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、マイクロ波を照射することにより化学反応を促進する化学反応装置に係り、空胴共振器を用いるにもかかわらず、液体、気体、粉体等の被加熱物(以下「試料」という。)の温度変化に伴う試料の比誘電率、tanδ等の誘電体特性の変化に対して共振周波数を調整する必要が殆どないか、その必要性を大幅に軽減したマイクロ波化学反応装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波は、電子レンジを始め、産業用加熱炉の熱源として広く利用されている。マイクロ波は、物質に含まれる水を加熱するだけでなく、極性を持った誘電物質に作用してこれを直接、かつ選択的に加熱できるので、従来の加熱手段のように外部から試料を加熱する装置に比較して、短時間で効率よく試料を加熱できる特徴を持っている。
近年、化学反応を行わせたい物質にマイクロ波を照射すると、反応を大幅に促進できる現象が見出され、単なる加熱装置に留まらず、短時間で化学反応を行う化学反応装置としての用途が大きく開けつつある。
マイクロ波化学反応装置には、大別して、終端に整合負荷を接続した整合導波管型、終端を短絡した短絡導波管型、空胴共振器を用いる空胴共振器型がある。
一般に化学反応は、これらの方式の装置内に試料を置いて行われる。整合導波管型は殆ど調整を要しないので、使用上、簡便ではあるが、装置の構成上から、終端に向かって伝播するマイクロ波電力しか利用できないという問題があって効率があまり高くないという欠点を持っている。しかしながら、そのような問題があっても、化学反応を相応に大幅に早めることができる能力を持つので、使用上の簡便さから、利用が広まっている。この装置に対し、短絡導波管型は、反射して戻ってくるマイクロ波も反応に利用することができるもので、進行および反射するマイクロ波の位相を試料の位置で同相になるように調整することにより効率を改善できる特徴を持つが、試料の誘電体特性の差や変化に対応して短絡位置を多少、調整しなければならないという欠点を持っている。空胴共振器型は、マイクロ波を空胴壁で多重反射させて試料に何度も照射させるもので、効率が極めて高くなるという利点を持つが、試料の特性の差や変化に対応して共振周波数を調整し常に同調を取る必要があるという欠点を持っている。したがって、短絡導波管型や空胴共振器型の高効率特性を持ち、整合導波管型の簡便さを持つ装置の開発要求が高まっている。すなわち、調整を全く要しないか、あるいは、簡便な方法で、調整が可能な装置の開発が要求されている。
化学反応のもうひとつの重要な要件は反応の均一性である。この要件を満たすには、試料に均等な強さを持つマイクロ波を照射することである。特に、
化学反応に触媒を用いる場合、触媒とその近傍にある試料にほぼ均一なマイクロ波を照射し、この部分のみを選択的に等しい温度に加熱することが望ましい。マイクロ波を化学反応に用いることが広まっているが、将来は、現在、あまり考慮されていない均一照射の要求も高まってくると思われる。
空胴共振器を用いて化学反応の効率を大きく速める技術として、例えば、特許文献１に示す装置が提案されている。この方法は、導波管を伝播するマイクロ波を環状の導波路に導き、この環状導波路の内側に同軸的に円筒状の空間を設け、前記導波路とこの円筒状空間との隔壁に設けられ軸方向に向かう少なくとも3個のスロットから放射されるマイクロ波を、円筒状空間の中心部に配設した試料に照射して化学反応を行わせるものである。試料の誘電体特性が温度上昇に伴って変化しても複数のスロットからマイクロ波が照射され自動的に同調されて、外部から補償する必要がないと説明されている。しかしながら、この方式は装置構成が複雑であり、電磁波的にも複雑な結合になるだけでなく、円筒状空間の中心部で電界が相殺されてゼロになるので、したがって、必ずしも的確な方法とは言えない。 
【特許文献１】米国特許第6,713,739号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この発明は、上記のような背景と要求のもとになされたものであり、マイクロ波によって化学反応を促進する新しい手段を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００４】
請求項1に記載された発明においては、上記課題を解決するため、導波管から結合スロットを介して円筒状の空胴共振器内にマイクロ波を結合し、厳密な周波数同調を必要とせずに、円筒空胴の中心部に配した試料の化学反応を促進させるマイクロ波化学反応装置を構成する。
【０００５】
請求項2に記載された発明は、請求項1に記載のマイクロ波化学反応装置において、簡便な方法でおおまかな周波数同調を行うことを可能とする手段を提供する。
【０００６】
請求項3に記載された発明は、請求項1又は２に記載されたマイクロ波化学反応装置において、自動的に周波数同調を行うことを可能とする手段を提供する。
【発明の効果】
【０００７】
請求項1に記載された発明においては、加熱中の誘電体の特性変化に対し周波数同調の必要がないようにした。
【０００８】
請求項２に記載された発明においては、誘電体の違いによる大きい誘電体特性の差に対して同調を確保できるようにした。
【０００９】
請求項3に記載された発明においては、誘電体特性の変化に対し電気機械的な帰還手段を利用して同調を確保できるようにした。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１０】
図面を参照してこの発明の一実施形態を説明する。図1は本発明の基本構造を示す断面図、図2は空胴と導波管の結合法を説明する外観図、図3は本発明の構成によって得られる広帯域性を説明する特性図、図4は図3の構成と協働して同調の要求度合いを軽減する共振器のQ特性に関する説明図、図5は、共振周波数を比較的大きく変化させる手段を示す斜視図、図６は誘電体棒を差し込んだ部分からの電磁波の漏洩を防ぐ方法の一実施例を示す部分断面図である。
【００１１】
図1において、1は円筒状の空胴共振器で、円筒状の側壁７と、軸線方向両端の端部側壁８とを有する。２はこの空胴と同心的に配設され、内部に化学反応を起させる試料を流す円管である。この円管２は、例えば石英のようなマイクロ波の損失が少なく断熱特性が優れた材料で作られ、マイクロ波はこの円管を透過して内部に流れている試料を加熱し、その化学反応を促進する。この円管２は、空胴とほぼ同軸的に配設される限り、必要に応じて、内部に試料を収容する試験管等の円筒状容器で置き換えてもよい。以下簡単のため、円管の場合を取り上げて説明する。図2に示すごとく、円筒状空胴共振器の側壁７には、軸方向のほぼ中心に中心軸に直角な方向から導波管３が接続される。導波管３の終端の短絡板５は、中心部に空胴共振器１の軸方向に向かうスロット状の結合孔４を持つ。この短絡板３は、空胴共振器１の側壁と部分的に共通となっている。この結合孔４により、導波管３から空胴共振器１内に、TM020またはTM030モードの電磁波が励起される。この電磁波の電界は、円周に沿って変化せず、軸方向に一定で、径方向には、空胴共振器１の側壁を含め、2または3ヶ所でゼロとなるように分布をしている。このゼロとなる位置より内側と外側の電界の向きが互いに逆になっている。軸方向の分布は空胴内に何も入っていないときは一定であるが、マイクロ波を吸収する試料が挿入されているときには、軸の両端に向かうにつれ多少弱くなるような傾向を持つ。軸方向の均一性は、容器の場合のほうが円管の場合より悪くなる。
【００１２】
図3はTM010、TM020、TM030、TM040モードを励起したときの比誘電率に対する共振周端数の変化を示している。なお、図では便宜上、モードを示す記号の最後の0を省略して記載している。空胴の半径は、誘電率が比較的大きいとき、TM020、TM030、TM040に対して、ほぼ2,300ないし2,600MHzで共振するような値に選んである。すなわち、この計算では、誘電体の半径を１０mmとし、これらのモードに対して、空胴半径を、それぞれ80、120、180mmとしている。TM010 に対する空胴半径はで45mmである。図から、誘電率に対するTM010の周波数変化は大きいが、TM020以上のモードでは共振周端数の変化が小さいことが判る。なお、高次のモードになるほど、空胴の直径が大きくなって、実用的でなくなるので、TM020、TM030あたりを選ぶのが賢明である。
【００１３】
図４は空胴のQ特性である。円管２内に何も収容しないとき、Qは4,000ないし5,000程度の極めて高い値をとる。このように、Qが高い値をとるときは、極めて帯域が狭くなって、周波数が共振から少しずれると空胴に発生する電界が急激に弱くなる。Qが10程度の低い値になると、周波数が共振から120MHz程度ずれても、電界強度が半分程度に弱まるだけである。化学反応を行わせる試料がマイクロ波をよく吸収する場合はQが低くなるので、同調を厳密に取る必要がなくなる。
【００１４】
化学反応を起す試料に対し水やエチレングリコールなどの比較的、マイクロ波吸収の大きい溶媒を用いると、装入量にもよるが、Qが十分低くなり、共振特性がブロードになる。この結果、温度変化あるいは化学反応の進行に伴って誘電特性がある程度変化しても、非同調でマイクロ波電力の大部分を吸収できるようになる。
【００１５】
試料にエタノールのような溶媒を使うときは、上記の溶媒に比較し、誘電率が小さいので、例えば、水に共振する構造のまま、溶剤をエタノールに切り変えるとかなり共振から外れる。その場合は、図5に示すような方法を採用する。ここでは、4本の誘電体製の調整棒６が空胴共振器１の中心軸と直交する端部側壁８に、出入り自在に挿入されている。4本の調整棒６は、空胴共振器１の同軸円周に沿って、中心軸に平行となるように配置される。必要に応じ本数を増やしてよい。この調整棒６の誘電率の効果により、共振周波数が下がるので、同調が取れるようになる。
【００１６】
共振周波数を高くするには、誘電体の代わりに金属製の調整棒６を用いればよい。適当な本数、直径、材料を選ぶことによってかなりの試料に対し共振周波数を合わせることができる。通常、Qはそれほど高くならないので、厳密に共振周波数を調整する必要はない。しかもこの方法は単に適当な数の調整棒を入れたり、抜いたりするだけであるので、容易に同調の目的を達成することができる。温度上昇、反応の進行によって誘電率が変化するので、その変化の度合いを相殺できるようにあらかじめ同調を少し外しておくなどの手法をとれば、さらに広い範囲で同調を確保できる。
【００１７】
なお、上記に比較的簡易な方法で同調をとる方法を示したが、特にQが高かったり、あるいは、かなり厳密に同調の確保を望んだりする場合は、カプラーを用いて空胴に発生する電磁波をピックアップし、この値が最大となるように自動制御できる周波数調整手段を使用すればよい。空胴の共振周波数を変える手段としては、上記のような誘電体または金属製の調整棒６の挿入量を変化させる手段を用いるほか、円筒面に誘電体あるいは金属からなる小片を挿入する方法を用いることもできる。本発明では共振モードをTM02０またはTM030としているので、比誘電率の変化に対する共振周波数の変化が小さくなっており、その結果、自動制御の場合でも、調整幅が小さくなるという有利を生じている。Qが極めて高い場合はこのような自動共振機構を採用することが必要であるが、通常の化学反応装置ではその必要がない場合が多い。
【００１８】
空胴共振器１の端部側壁７に調整棒６を差し込むと、挿入孔から電磁波が漏れる可能性がある。図６は調整棒６を挿入する場合の電波漏れ対策の一実施例である。図6の金属円管９は、内径がマイクロ波に対しカットオフとなる値となっている。金属円管８の長さは、漏れが十分少なくなるような値になっている。調整棒６が金属製の場合は、端部側壁８と金属棒6との間で放電する可能性があるので、両者を完全に接触させるか、あるいは少し隙間を空けるようにする。この場合、金属円管９と同軸線を形成することになるので、端部で金属円管９と金属棒６が完全に短絡するようにする。
【００１９】
空胴共振器１内に試料を挿入すると、空胴のインピーダンスが変化し、導波管３との整合が悪くなる。この問題に対しては、3スタブチューナのような整合器を使用する。整合は試料の違いや特性変化によっても変化する。しかし、代表的な条件に対して整合を取っておけば、いちいち整合をとらなくても、ある程度の要求を満たすことができる。常に完全に整合を取りたい場合は、自動整合できる整合器があるのでそれを使用してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２０】
この発明は、空胴の中心部に配設した円管内を流れる試料にマイクロ波を照射することによって高効率な化学反応装置にすることができるほか、円周方向に均一な電界を発生しているので比較的均一に化学反応を促進でき、産業上広い応用展開が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】この発明の実施形態に係る化学反応装置の断面図である。
【図２】この発明の実施形態に係る化学反応装置の外観図である。
【図３】この発明の実施形態に係る共振特性の説明図である。
【図４】この発明の実施形態に係る共振特性の説明図である。
【図５】この発明の実施形態に係る化学反応装置の斜視図である。
【図６】この発明の実施形態に係る化学反応装置の一部の断面図である。
【符号の説明】
【００２２】
１  空胴共振器
２  円管
３  導波管
４  結合孔
５  短絡板
６  調整棒
７  端部側壁
８  金属円管
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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