(57)【要約】【課題】  セラミック担体を低消費電力で急速且つ均一に加熱できるマイクロ波加熱方法及びマイクロ波加熱装置を提供すること。【解決手段】  本発明のマイクロ波加熱方法は、空胴共振器内に配置されたマイクロ波吸収体１３にマイクロ波Ｗを照射して、マイクロ波吸収体１３を担持したセラミック担体１４を加熱するマイクロ波加熱方法であって、マイクロ波吸収体１３として、炭化ケイ素系複合酸化物を含むマイクロ波吸収体を用い、且つ空胴共振器として、単一モードの直方体型空胴共振器１１０を用いることを特徴とする。【選択図】  図１
2006140063.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空胴共振器内に配置されたマイクロ波吸収体にマイクロ波を照射して、前記マイクロ波吸収体を担持したセラミック担体を加熱するマイクロ波加熱方法であって、
前記マイクロ波吸収体として、炭化ケイ素系複合酸化物を含むマイクロ波吸収体を用い、且つ前記空胴共振器として、単一モードの直方体型空胴共振器を用いることを特徴とするマイクロ波加熱方法。
【請求項２】
前記セラミック担体が、流体を流通させるための多数の貫通孔を有し、前記マイクロ波吸収体が前記貫通孔を形成する壁面に担持されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波加熱方法。
【請求項３】
前記セラミック担体の加熱中に、前記直方体型空胴共振器内の共振が維持されるように、前記マイクロ波を導入する導入口の大きさ、及び、前記直方体型空胴共振器内の空胴の大きさを調節す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加熱方法。
【請求項４】
前記炭化ケイ素系複合酸化物が、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｃ及びＯの元素で構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のマイクロ波加熱方法。
【請求項５】
前記炭化ケイ素系複合酸化物が、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃ及びＯの元素で構成されることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載のマイクロ波加熱方法。
【請求項６】
前記炭化ケイ素系複合酸化物の誘電損率が２以上であることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載のマイクロ波加熱方法。
【請求項７】
前記セラミック担体の誘電損率が０．１以下であることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載のマイクロ波加熱方法。
【請求項８】
前記マイクロ波吸収体が、前記直方体型空胴共振器内で電界強度が最大となる位置を含むように配置され、進行方向が前記直方体空胴共振器内の電界ベクトルの方向と平行となるように且つ前記セラミック担体と接触するように流体を流通させて加熱することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項に記載のマイクロ波加熱方法。
【請求項９】
空胴共振器内に配置されたマイクロ波吸収体にマイクロ波を照射して、前記マイクロ波吸収体を担持したセラミック担体を加熱するマイクロ波加熱装置であって、
前記マイクロ波吸収体は、炭化ケイ素系複合酸化物を含み、前記空胴共振器が単一モードの直方体型空胴共振器であることを特徴とするマイクロ波加熱装置。
【請求項１０】
前記セラミック担体が、流体を流通させるための多数の貫通孔を有し、前記マイクロ波吸収体が前記貫通孔を形成する壁面に担持されていることを特徴とする請求項９に記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項１１】
前記直方体型空胴共振器が、開閉可能なマイクロ波導入口を有し、
前記マイクロ波導入口の大きさを調節する導入口調節手段と、
前記直方体型空胴共振器内の空胴の大きさを調節する空胴調節手段と、
前記セラミック担体の加熱中に前記直方体型空胴共振器内の共振が維持されるように前記導入調節手段及び／又は前記空胴調節手段を制御する制御手段とを更に備えることを特徴とする請求項９又は１０に記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項１２】
前記炭化ケイ素系複合酸化物が、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｃ及びＯの元素で構成されることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一項に記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項１３】
前記炭化ケイ素系複合酸化物が、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃ及びＯの元素で構成されることを特徴とする請求項９〜１１のいずれか一項に記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項１４】
前記炭化ケイ素系複合酸化物の誘電損率が、２以上であることを特徴とする請求項９〜１３のいずれか一項に記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項１５】
前記セラミック担体の誘電損率が、０．１以下であることを特徴とする請求項９〜１４のいずれか一項に記載のマイクロ波加熱装置。
【請求項１６】
前記直方体型空胴共振器が、流体を移送させるための流体移送管を備えており、
前記流体移送管は、前記流体の進行方向が前記直方体型空胴共振器内の電界ベクトルの方向と平行となるように配置されており、
前記流体移送管内には、前記マイクロ波吸収体が担持された前記セラミック担体が、前記直方体型空胴共振器内の電界強度が最大となる位置を含むように配置されていることを特徴とする請求項９〜１５のいずれか一項に記載のマイクロ波加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波エネルギーを用いて、ガス、液体等の流体を加熱するマイクロ波加熱方法及びマイクロ波加熱装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ディーゼルエンジン、ガソリンエンジン等の内燃機関において発生する排ガスには、環境保全の観点から浄化処理が行われるのが一般的であり、浄化処理は排ガス浄化触媒を用いて行われる。ところが、内燃機関の始動時においては、暖機されていない状態では排ガス浄化触媒の触媒活性温度よりも、排ガス及び排ガス浄化装置内の温度が低いため、十分に排ガスを浄化することができず、暖機状態である定常運転時と比較し、高い濃度のＮＯＸ、ＨＣ等が排出される、いわゆるコールドエミッションが生じる場合がある。環境保全の観点から、このコールドエミッションを防止する対策が検討されている。
【０００３】
コールドエミッションを防止する対策として、排ガス等の温度を急速に上昇させる方法がある。従来から通電加熱又は電気ヒータが用いられているが、このような方法は装置全体を加熱するため大電力を必要とし、小型、軽量化できないという問題があった。
【０００４】
そのため、このような問題を解決する方法として、マイクロ波エネルギーを用いて必要な部分のみを加熱する方法が提案されている。例えば、マイクロ波吸収材を担持した排ガス浄化装置を加熱室に用い、マイクロ波でマイクロ波吸収材を触媒活性温度付近まで急速加熱する方法が知られている。例えば、特許文献１には、電磁波吸収発熱体であるＬａ１−ｘＳｒｘＣｏＯ３などのペロブスカイト型複合酸化物と金属触媒粒子を直接接触させた発熱体にマイクロ波を照射することによって、発熱体を急速加熱する方法が記載されている。
【０００５】
また、マイクロ波吸収材と排ガス浄化触媒を別々に配置する方法も知られている。即ち排ガス浄化触媒が担持されている排ガス浄化装置の手前にマイクロ波吸収材を設置し、マイクロ波により加熱されたマイクロ波吸収材と排ガスとを接触させ、排ガスの温度を排ガス浄化触媒の活性温度程度まで昇温させる方法である。排ガス浄化装置の手前に配置されるマイクロ波吸収材として、例えば、特許文献２にはＳｉＣウィスカー、非特許文献１にはＳｉＣ繊維を用いる方法が記載されている。
【特許文献１】特開平７−４９０２４号公報
【特許文献２】特開平６−２５３５号公報
【非特許文献１】ＳＡＥ  Ｐａｐｅｒ  １９９９−０１−２２４５
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、上述特許文献１に記載の発熱方法においては、マイクロ波吸収材と金属触媒を直接接触させているため、金属触媒の粒子が粗大化し、触媒活性が低下する可能性がある。また、特許文献１では、加熱室として円筒形の空胴共振器を使用すると、円筒形の空胴共振器内においては、多数の電界モードが存在する多重モードが発生するため、空胴共振器内の共振の制御が難しく、十分な急速加熱を実現するためには消費電力が大きくなるという問題があった。更に、円筒形の空胴共振器内における多重モードにより、空胴共振器内の場所によって電界強度が異なり、被加熱体の温度分布を十分に均一にすることができない。
【０００７】
また、上述特許文献２及び非特許文献１に記載の加熱方法においても、加熱室として円筒形の空胴共振器を用いると、空胴共振器内で多重モードが発生するため、上述した特許文献１に記載の方法と同様な問題があった。
【０００８】
本発明は、上記従来技術の有する課題に鑑みてなされたものであり、セラミック担体を低消費電力で急速且つ均一に加熱できるマイクロ波加熱方法及びマイクロ波加熱装置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】
【０００９】
上記課題を解決するため、本発明のマイクロ波加熱方法は、空胴共振器内に配置されたマイクロ波吸収体にマイクロ波を照射して、前記マイクロ波吸収体を担持したセラミック担体を加熱するマイクロ波加熱方法であって、前記マイクロ波吸収体として、炭化ケイ素系複合酸化物を含むマイクロ波吸収体を用い、且つ、前記空胴共振器として、単一モードの直方体型空胴共振器を用いることを特徴とする。
【００１０】
本発明のマイクロ波加熱方法によれば、直方体型空胴共振器内に配置されるセラミック担体には、マイクロ波の吸収特性が高い炭化ケイ素系複合酸化物を含むマイクロ波吸収体が担持されているため、マイクロ波の照射によってマイクロ波吸収体の温度が急速に且つ低消費電力で昇温される。これによって、セラミック担体を急速に加熱することができる。また、本発明においては、空胴共振器が単一モードの直方体型空胴共振器（より好ましくはTE１０ｎ（nは整数）単一モードの直方体型空胴共振器）を用いているため、空胴共振器内の共振を十分に維持することができる。またマイクロ波吸収体の材質や形状が変化しても直方体型空胴共振器内の電磁界モードは変わることがなく、且つセラミック担体内の電磁界分布を一様とすることができるため、セラミック担体を均一に加熱することが可能である。従って、本発明のマイクロ波加熱方法によれば、低消費電力で急速且つ均一にセラミック担体を加熱することができ、かかるセラミック担体に流体を接触させることで、流体を急速且つ均一に加熱することができる。
【００１１】
本発明のマイクロ波加熱方法においては、前記セラミック担体が、流体を流通させるための多数の貫通孔を有し、前記マイクロ波吸収体が前記貫通孔を形成する壁面に担持されていることが好ましい。
【００１２】
多数の貫通孔を有するセラミック担体を使用することによって、排ガス等の流体とマイクロ波吸収体が担持されたセラミック担体表面との接触面積を十分に確保しつつ、排ガス等の流体の流通による圧力損失の増加を防止することができる。
【００１３】
また、前記セラミック担体の加熱中に、前記直方体型空胴共振器内の共振が維持されるように、前記マイクロ波を導入する導入口の大きさ、及び、前記直方体型空胴共振器内の空胴の大きさを調節することが好ましい。
【００１４】
これにより、温度上昇に伴ってマイクロ波吸収体、セラミック担体及び流体のマイクロ波吸収特性が変化しても、マイクロ波導入口の大きさ及び／又は直方体型空胴共振器内の空胴の大きさを調整することによって直方体空胴共振器内の共振を常時十分に維持することができる。
【００１５】
本発明において、マイクロ波吸収体に含まれる炭化ケイ素系複合酸化物は、マイクロ波吸収特性の観点から、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｃ及びＯの元素で構成される複合酸化物、又は、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃ及びＯの元素で構成される複合酸化物であることが好ましい。
【００１６】
また、マイクロ波吸収特性を表す指標に誘電損率があるが、炭化ケイ素系複合酸化物の誘電損率は２以上であることが好ましい。
【００１７】
誘電損率が大きい炭化ケイ素系複合酸化物を含むマイクロ波吸収体をセラミック担体に担持することで、低消費電力でより急速且つ均一にセラミック担体を加熱することができる。
【００１８】
ここで、誘電損率は比誘電率と誘電正接の積で定義される値であり、温度、周波数等によって変化する。そこで、本明細書において、誘電損率とは、温度２５℃、周波数２．４５ＧＨｚの条件において測定された誘電体の誘電損率をいうものとする。この誘電損率は、マイクロ波吸収体及びセラミック担体のマイクロ波吸収特性を表す指標として用いられ、誘電損率の値が大きいほど、マイクロ波吸収特性が高くなり、誘電損率の値が小さいほど、マイクロ波吸収特性が低くなる。
【００１９】
一方、上記セラミック担体の誘電損率は、０．１以下であることが好ましい。
【００２０】
誘電損率が小さいセラミック担体を用いること、即ち、セラミック担体でのマイクロ波の吸収を抑制することによって、マイクロ波吸収体における吸収エネルギーを大きくすることができ、セラミック担体に対して、より急速且つ均一な加熱が可能となる。
【００２１】
また、上記マイクロ波加熱方法においては、前記マイクロ波吸収体が、前記直方体型空胴共振器内で電界強度が最大となる位置を含むように配置され、進行方向が前記直方体空胴共振器内の電界ベクトルの方向と平行となるように且つ前記セラミック担体と接触するように流体を流通させて加熱することが好ましい。
【００２２】
このように電界強度が最大となる位置を含むようにマイクロ波吸収体が担持されたセラミック担体を配置することにより、マイクロ波がマイクロ波吸収体により効率よく吸収され、セラミック担体がより急速に加熱される。また、このように配置されたセラミック担体に、直方体型空胴共振器内の電界ベクトルの方向と進行方向が平行となるように流体を流通させることにより、マイクロ波の照射方向と流体の進行方向とを直交させることができ、流体の進行方向に反射板を設置する必要がなくなる。このため、圧力損失の増加が防止される。
【００２３】
本発明のマイクロ波加熱装置は、空胴共振器内に配置されたマイクロ波吸収体にマイクロ波を照射して、前記マイクロ波吸収体を担持したセラミック担体を加熱するマイクロ波加熱装置であって、前記マイクロ波吸収体は、炭化ケイ素系複合酸化物を含み、前記空胴共振器が単一モードの直方体型空胴共振器であることを特徴とする。
【００２４】
本発明のマイクロ波加熱装置によれば、直方体型空胴共振器内に配置されるセラミック担体には、マイクロ波の吸収特性が高い炭化ケイ素系複合酸化物を含むマイクロ波吸収体が担持されているため、マイクロ波の照射によってマイクロ波吸収体の温度が急速に且つ低消費電力で昇温される。これによって、セラミック担体を急速に加熱することができる。また、本発明においては、空胴共振器が単一モードの直方体型空胴共振器（より好ましくはTE１０ｎ（nは整数）単一モードの直方体型空胴共振器）を用いているため、空胴共振器内の共振を十分に維持することができる。またマイクロ波吸収体の材質や形状が変化しても直方体型空胴共振器内の電磁界モードは変わることがなく、且つセラミック担体内の電磁界分布を一様とすることができるため、セラミック担体を均一に加熱することが可能である。従って、本発明のマイクロ波加熱装置によれば、低消費電力で急速且つ均一にセラミック担体を加熱することができ、かかるセラミック担体に流体を接触させることで、流体を急速且つ均一に加熱することができる。
【００２５】
本発明のマイクロ波加熱装置においては、前記セラミック担体が、流体を流通させるための多数の貫通孔を有し、前記マイクロ波吸収体が前記貫通孔を形成する壁面に担持されていることが好ましい。
【００２６】
多数の貫通孔を有するセラミック担体を使用することによって、排ガス等の流体とマイクロ波吸収体が担持されたセラミック担体表面との接触面積を十分に確保しつつ、排ガス等の流体の流通による圧力損失の増加を防止することができる。
【００２７】
また、本発明のマイクロ波加熱装置は、前記直方体型空胴共振器が、開閉可能なマイクロ波導入口を有し、前記マイクロ波導入口の大きさを調節する導入口調節手段と、前記直方体型空胴共振器内の空胴の大きさを調節する空胴調節手段と、前記セラミック担体の加熱中に前記直方体型空胴共振器内の共振が維持されるように前記導入口調節手段及び／又は前記空胴調節手段を制御する制御手段とを更に備えることが好ましい。
【００２８】
これにより、温度上昇に伴ってマイクロ波吸収体、セラミック担体及び流体のマイクロ波吸収特性が変化しても、制御手段により導入口調節手段及び／又は前記空胴調節手段をセラミック担体の加熱中に前記直方体型空胴共振器内の共振が維持されるように制御することで、マイクロ波導入口の大きさ及び／又は直方体型空胴共振器内の空胴の大きさを調整して直方体空胴共振器内の共振を常時十分に維持することができる。
【００２９】
本発明において、マイクロ波吸収体に含まれる炭化ケイ素系複合酸化物としては、マイクロ波吸収特性の観点から、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｃ及びＯの元素で構成される複合酸化物、又は、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃ及びＯの元素で構成される複合酸化物であることが好ましい。
【００３０】
また炭化ケイ素系複合酸化物の誘電損率は２以上であることが好ましい。
【００３１】
誘電損率が大きい炭化ケイ素系複合酸化物を含むマイクロ波吸収体をセラミック担体に担持することで、低消費電力でより急速且つ均一にセラミック担体を加熱することができる。
【００３２】
一方、上記セラミック担体の誘電損率は、０．１以下であることが好ましい。
【００３３】
誘電損率が小さいセラミック担体を用いること、即ち、セラミック担体でのマイクロ波の吸収を抑制することによって、マイクロ波吸収体における吸収エネルギーを大きくすることができ、セラミック担体に対して、より急速且つ均一な加熱が可能となる。
【００３４】
また、上記マイクロ波加熱装置においては、流体を移送させる流体移送管を備えており、前記流体移送管は、前記流体の進行方向が前記直方体型空胴共振器内の電界ベクトルの方向と平行となるように配置されており、前記流体移送管内には、前記マイクロ波吸収体が担持された前記セラミック担体が、前記直方体型空胴共振器内の電界強度が最大となる位置を含むように配置されていることが好ましい。
【００３５】
このように電界強度が最大となる位置を含むようにマイクロ波吸収体が担持されたセラミック担体を配置することにより、マイクロ波がマイクロ波吸収体により効率よく吸収され、セラミック担体がより急速に加熱される。また、このように配置されたセラミック担体に、直方体型空胴共振器内の電界ベクトルの方向と進行方向が平行となるように流体を流通させることにより、マイクロ波の照射方向と流体の進行方向とを直交させることができ、流体の進行方向に反射板を設置する必要がなくなる。このため、圧力損失の増加が防止される。
【発明の効果】
【００３６】
本発明のマイクロ波加熱方法及びマイクロ波加熱装置によれば、セラミック担体を低消費電力で急速且つ均一に加熱することができ、これにより排ガス等の流体を急速且つ均一に加熱することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、図面を参照しつつ本発明のマイクロ波加熱方法及びマイクロ波加熱装置の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、図面中、同一又は相当部分には同一符号を付することとする。
【００３８】
図１は、本発明のマイクロ波加熱装置の好適な一実施形態の基本構成を概略的に示す模式図であり、図２は、図１に示すマイクロ波加熱装置の空胴共振器を示す斜視図であり、図３は、図２に示す空胴共振器のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。
【００３９】
図１〜３に示すように、本実施形態のマイクロ波加熱装置１００は、直方体型空胴共振器１１０と、直方体型空胴共振器１１０内にマイクロ波Ｗを供給するマイクロ波供給手段１２０と、直方体型空胴共振器１１０を貫通するように設けられ、排ガスＦを移送させるガス移送管１３０と、直方体型空胴共振器１１０内であってガス移送管１３０内に配置されて排ガスＦを加熱する発熱体１４０とを主として備えている。
【００４０】
直方体型空胴共振器１１０は、マイクロ波Ｗの共振器として使用される直方体形状の金属製マイクロ波導入管１であり、図１〜３に示すものはエネルギー集中型の単一モードの直方体型空胴共振器であり、ＴＥ１０ｎ（Transverse Electric Wave、図示したものはｎ＝１）モードのものである。そして、この単一モードの直方体型空胴共振器１１０は、その空胴内にマイクロ波Ｗの進行方向と垂直な２つの方向にそれぞれ１／２波長の定在波Ｓが発生するように設計されている。
【００４１】
マイクロ波導入管１は金属で構成されていればよく、かかる金属としては、例えばステンレス、アルミニウム、銅、黄銅等が好適に使用される。
【００４２】
マイクロ波導入管１の一端には一対の可変結合窓２が図２の矢印Ａ方向に沿ってスライド可能に設けられており、一対の可変結合窓２とマイクロ波導入管１とによりマイクロ波導入口３が形成されている。一対の可変結合窓２間の距離を調節することによりマイクロ波導入口３の大きさを調節することが可能となっている。可変結合窓２には、当該可変結合窓２を図２の矢印Ａ方向に沿って移動させる結合窓駆動部（例えばモータ）４が接続されている。可変結合窓２の具体的な構成は特に限定されないが、可変結合窓２には、マイクロ波導入管１と同様の材料からなる金属板、例えば、ステンレス、アルミニウム、銅、黄銅等が好適に使用される。
【００４３】
更に、マイクロ波導入管１内には、可変結合窓２とは反対側に、可動短絡部材５が、マイクロ波導入管１の長手方向（図２の矢印Ｂ方向）にスライド可能に設けられている。可動短絡部材５が図２の矢印Ｂ方向にスライドすることにより、直方体型空胴共振器１１０内の空胴の大きさが調節されるようになっている。可動短絡部材５の具体的な構成も特に限定されないが、可動短絡部材５には、マイクロ波導入管と同様の材料からなる金属板、例えば、ステンレス、アルミニウム、銅、黄銅等が好適に使用される。可動短絡部材５には、可動短絡部材５を図２の矢印Ｂ方向に移動させる短絡部材駆動部６（例えばモータ）が接続されている。
【００４４】
結合窓駆動部（例えばモータ）４は、制御装置（制御手段）７に接続されており、短絡部材駆動部６は制御装置７に接続されている。ここで、制御装置７は、排ガスＦの種類、流量、温度等に合わせて最適な結合状態が得られるように、結合窓駆動部４を介して可変結合窓２の移動量を調節すると共に、短絡部材駆動部６を介して可動短絡部材５の図２の矢印Ｂ方向に沿った移動量を調節する。具体的には、制御装置７は、後述するセラミック担体の加熱中に直方体型空胴共振器１１０内で最適な共振状態が維持されるように、可変結合窓２及び可動短絡部材５の移動量を適宜制御する。
【００４５】
なお、一対の可変結合窓２、結合窓駆動部４及び制御装置７により本発明に用いる導入口調節手段が構成されている。また可動短絡部材５、短絡部材駆動部６及び制御装置７により、本発明に用いる空胴調節手段が構成されている。
【００４６】
マイクロ波供給手段１２０は、マイクロ波Ｗを発振するマイクロ波発振器８と、マイクロ波発振器８で発振されたマイクロ波Ｗを伝送する同軸ケーブル９と、導波管による電力の伝送を同軸ケーブル９に変換する同軸−導波管変換器１０と、方向性結合器１１を有している。
【００４７】
なお、本発明において、マイクロ波とは、０．３〜３０ＧＨｚ帯（波長１０ｍｍ〜１ｍ）の電波をいい、いわゆるセンチ波及び極超短波といわれる電波をも含むものである。マイクロ波発振器８は、上記の周波数帯のマイクロ波を発振するものであればよく、通常はマグネトロン、クライストロン、ガン・ダイオード等が用いられる。
【００４８】
同軸−導波管変換器１０は、直方体型空胴共振器１１０のマイクロ波導入口３に接続され、更に途中に方向性結合器１１が設置されている同軸ケーブル９を介してマイクロ波発振器８が接続されている。そして、方向性結合器１１は制御装置７に接続されており、方向性結合器１１によって測定される直方体型空胴共振器１１０からのマイクロ波反射率｛（反射電力／入射電力）×１００｝が最小になるように可変結合窓２と可動短絡部材５とが制御装置７によって制御されるように構成されている。マイクロ波を高出力で使用する場合には、マイクロ波発振器８とマイクロ波導入口３とが、同軸−導波管変換器１０及び同軸ケーブル９の替わりに、方向性結合器１１が設置されている導波管で接続されていることが好ましい。なお、直方体型空胴共振器１１０からのマイクロ波反射率は１０％以下に維持されることが好ましい。
【００４９】
ガス移送管１３０は、直方体型共振器１１０を構成するマイクロ波導入管１を貫通している。具体的には、ガス移送管１３０はマイクロ波Ｗの進行方向と直交する方向に延びている。ガス移送管１３０は、排ガスＦが加熱される加熱管１３０ａと、加熱管１３０ａの両側に接続される金属管１３０ｂとで構成されており、直方体型空胴共振器１１０内のマイクロ波が外部に漏れない構造となっている。加熱管１３０ａには、マイクロ波Ｗを吸収して発熱し、排ガスＦを加熱する発熱体１４０が収納されている。金属管１３０ｂは、排ガスＦを加熱管１３０ａに導入し、又は加熱管１３０ａ内で加熱された排ガスＦを流通させるためのものであり、かかる金属管１３０ｂを構成する金属としては、例えばステンレス、アルミニウム、銅等が使用される。更に、加熱管１３０ａと金属管１３０ｂとの間には排ガスＦが漏れないようにシール（図示せず）が施されている。
【００５０】
このような加熱管１３０ａは、マイクロ波を透過し易くかつ耐熱性が高い材料で構成されることが好ましく、高純度アルミナ、ムライト、コージェライト、ジルコニア、マグネシア、窒化ホウ素等のセラミックス製の管が好適に用いられる。また、ガス移送管１３０の周囲は断熱材１２で覆われており、このような断熱材１２もマイクロ波を透過し易いものが好ましく、耐熱用アルミナファイバー等のセラミックス繊維製の断熱材が好適に用いられる。
【００５１】
ガス移送管１３０は、可変結合窓２と可動短絡部材５との間であって、後述する発熱体１４０が可変結合窓２から定在波Ｓの１／４波長の位置を含むように配置されていることが好ましい。
【００５２】
発熱体１４０について図４を用いて説明する。図４は、発熱体１４０の部分断面図である。
【００５３】
図４に示すように、発熱体１４０は、マイクロ波吸収体１３と、マイクロ波吸収体１３を担持するセラミック担体１４とで構成されている。
【００５４】
セラミック担体１４は、繊維状の材料からなる織布又は不織布であってもよいが、多孔質体や多数の貫通孔１５を有する構造であることが好ましい。本実施形態では、セラミック担体１４はモノリス形状となっている。即ちセラミック担体１４は、排ガスを流通させるための多数の貫通孔１５を有している。貫通孔１５は、排ガスＦが通過し易く圧力損失ができるだけ小さくするために加熱管１３０ａの延び方向と平行な方向に延びている。そして、貫通孔１５を形成する壁面にマイクロ波吸収体１３が担持されている。
【００５５】
ここで、マイクロ波吸収体１３は炭化ケイ素系複合酸化物を含有している。炭化ケイ素系複合酸化物は、無機酸化物に炭化ケイ素が固溶した複合酸化物である。炭化ケイ素系複合酸化物は、優れたマイクロ波吸収特性を有する観点から、Ｓｉ、Ｚｒ、Ｃ及びＯの元素で構成される複合酸化物、又は、Ｓｉ、Ｔｉ、Ｃ及びＯの元素で構成される複合酸化物であることが好ましい。また、マイクロ波吸収体１３は、２種以上の炭化ケイ素系複合酸化物を含んでいてもよく、１種又は２種以上の炭化ケイ素系複合酸化物及び炭化ケイ素を含んでいてもよい。
【００５６】
Ｓｉ、Ｚｒ、Ｃ及びＯの元素で構成される複合酸化物は、下記組成式：
ＳｉｘＺｒｙＣｚＯｗ
で表され、ｘは５０〜６０であることが好ましく、ｙは０．５〜５であることが好ましく、ｚは３０〜４０であることが好ましく、ｗは５〜２０であることが好ましい。
【００５７】
またＳｉ、Ｔｉ、Ｃ及びＯの元素で構成される複合酸化物は、下記組成式：
ＳｉｘＴｉｙＣｚＯｗ
で表され、ｘは５０〜６０であることが好ましく、ｙは０．５〜５であることが好ましく、ｚは３０〜４０であることが好ましく、ｗは５〜２０であることが好ましい。
【００５８】
炭化ケイ素系複合酸化物の誘電損率は２以上であることが好ましく、５以上であることがより好ましい。炭化ケイ素系複合酸化物の誘電損率が２より小さい場合は、マイクロ波エネルギーの吸収が不十分となり、十分に急速に昇温されない傾向となる。炭化ケイ素系複合酸化物の誘電損率は、３０以下であることが好ましい。
【００５９】
マイクロ波吸収体１３の形状は、セラミック担体１４に担持することができれば、特に限定されないが、セラミック担体１４にマイクロ波吸収体１３を担持させる工程において、マイクロ波吸収体１３を含有するスラリー状の溶液用いることが一般的である点から、粉末であることが好ましい。
【００６０】
炭化ケイ素系複合酸化物の誘電損率が２以上である場合、マイクロ波吸収体１３を担持するセラミック担体１４の誘電損率は、０．１以下であることが好ましく、０．０２以下であることがより好ましい。本実施形態のようにセラミック担体１４がモノリス形状となっている場合には、マイクロ波吸収体１３はセラミック担体１４の内部に存在することとなる。従って、セラミック担体１４の誘電損率が０．１を超える場合は、セラミック担体１４のマイクロ波透過性が低く、照射されたマイクロ波エネルギーがセラミック担体１４の一部分に吸収されるため、マイクロ波吸収体１３で吸収されるマイクロ波エネルギーが過度に小さくなる傾向がある。
【００６１】
またセラミック担体１４は、マイクロ波吸収体１３により急速に加熱されるため耐熱性を有する材料で構成されることが好ましい。セラミック担体１４は、低マイクロ波吸収特性及び耐熱性を有する材料であれば特に限定されないが、マグネシア、アルミナ、シリカ、コージェライト、ムライト又はこれらを複数混合して用いた複合体材料で構成されることが好ましく、この中でもコージェライト、ムライトで構成されることが特に好ましい。
【００６２】
次に、上述したマイクロ波加熱装置１００を用いたマイクロ波加熱方法について説明する。
【００６３】
はじめに、マイクロ波加熱装置１００においてマイクロ波発振器８を作動させる。すると、マイクロ波発振器８でマイクロ波Ｗが発生し、マイクロ波Ｗは同軸ケーブル９を通って伝送され、同軸−導波管変換器１０でモード変換された後、マイクロ波導入口３から直方体型空胴共振器１１０内に導入される。そして、マイクロ波導入口３から可動短絡部材５の方向に向かう進行波と、可動短絡部材５からマイクロ波導入口３へ向かう反射波とにより、直方体型空胴共振器１１０の空胴内にマイクロ波Ｗの進行方向と垂直な２つの方向にそれぞれ１／２波長の定在波Ｓが発生する。
【００６４】
このとき、直方体型空胴共振器１１０内であってガス移送管１３０の加熱管１３０ａ内に収納されている発熱体１４０にマイクロ波Ｗが照射される。
【００６５】
このとき、マイクロ波Ｗは、セラミック担体１４を透過してマイクロ波吸収体１３に照射される。ここで、マイクロ波吸収体１３は、従来のＳｉＣに比べてマイクロ波吸収特性に優れた炭化ケイ素系複合酸化物を含んでいる。このため、マイクロ波Ｗを効率的に吸収して熱変換し、マイクロ波の照射によってマイクロ波吸収体１３の温度が急速に且つ低消費電力で昇温される。これにより、セラミック担体１４を急速且つ均一に加熱することができる。また、マイクロ波加熱装置１００においては、空胴共振器が単一モードの直方体型空胴共振器１１０を用いているため、直方体型空胴共振器１１０内の共振を十分に維持することができる。またマイクロ波吸収体１３の材質や形状が変化しても直方体型空胴共振器１１０内の電磁界モードは変わることがなく、且つセラミック担体１４内の電磁界分布を一様とすることができるため、セラミック担体１４を均一に加熱することが可能である。従って、マイクロ波加熱装置１００によれば、低消費電力で急速且つ均一にセラミック担体１４を加熱することができる。
【００６６】
よって、ガス移送管１３０内に排ガスを流通させると、排ガスが発熱体１４０の貫通孔を通過することにより、排ガスＦがマイクロ波吸収体１３に接触し、排ガスＦが急速且つ均一に加熱されることになる。
【００６７】
従って、マイクロ波加熱装置１００を自動車等のエンジンに適用し、ガス移送管１３０を排気管とした場合、発熱体１４０の下流側に触媒１５０を配置すると（図３参照）、この排ガスが急速且つ均一に触媒活性温度以上の温度にまで加熱される。このため、自動車等における暖気運転の初期段階において生じるコールドエミッション等の現象を十分に抑えることができ、環境保全に資することができる。
【００６８】
またマイクロ波加熱装置１００においては、ガス移送配管１４０は、可変結合窓２と可動短絡部材５との間であって、発熱体１４０が可変結合窓２から定在波Ｓの１／４波長の長さだけ離れた位置を含むように配置されている。このため、マイクロ波吸収体１３が直方体型空胴共振器１１０内の電界Ｅの強度が最大の位置を含むように配置されることとなる。従って、マイクロ波Ｗがマイクロ波吸収体１３に効率良く吸収され、エネルギー効率の向上が達成される。
【００６９】
また、ガス移送管１３０は、マイクロ波Ｗの進行方向と直交する方向に延びているため、排ガスＦの進行方向が直方体型空胴共振器１１０内の電界Ｅの方向と略一致する。従って、排ガスＦの進行方向に反射板を設置する必要がなくなる。このため、圧力損失の増加を防止することができる。
【００７０】
更に、本実施形態のマイクロ波加熱装置１００においては、方向性結合器１１によって直方体型空胴共振器１１０からのマイクロ波反射率｛（反射電力／入射電力）×１００｝が測定され、そのマイクロ波反射率が最小になるように制御装置７によって可変結合窓２と可動短絡部材５とが制御される。すなわち、温度上昇に伴ってマイクロ波吸収体１３及び被加熱排ガスＦの誘電特性が変化して直方体型空胴共振器１１０内の共振がとれなくなる（変動する）と直方体型空胴共振器１１０から反射されるマイクロ波が増えてマイクロ波反射率が増加する。そのため、方向性結合器１１でマイクロ波反射率を測定することによって直方体型空胴共振器１１０内の共振の状態がモニターされ、そのマイクロ波反射率が最小となるように可変結合窓２と可動短絡部材５を制御してマイクロ波導入口の大きさ及び／又は空胴共振器内の空胴の大きさを調節することにより、直方体型空胴共振器１１０内の共振が常時最適の状態に維持される。
【００７１】
以上、本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではない。
【００７２】
即ち、上記実施形態においては空胴共振器としてＴＥ１０１単一モードの直方体型空胴共振器でマイクロ波の進行方向に１／２波長の定在波が発生するように設計されているものを用いたが、これに限定されるものではなく、マイクロ波の進行方向に複数の定在波が存在するＴＥ１０ｎモードであってもよい。
【００７３】
また、上記実施形態では、排ガスＦの種類、流量、温度等に合わせて、直方体型空胴共振器１１０内の最適な共振状態が維持されるように、制御手段によって導入口調節手段及び／又は空胴調節手段を制御しているが、必ずしも導入口調節手段及び空胴調節手段、並びに制御手段が必要ではない。直方体型空胴共振器１１０内に配置されているマイクロ波吸収体１３、セラミック担体１４のマイクロ波吸収特性、及び加熱する排ガスＦのマイクロ波吸収特性、並びに加熱条件に合わせて、マイクロ波導入口の大きさ及び直方体型空胴共振器１１０内の空胴の大きさを最適化して固定することによって、導入口調節手段、空胴調節手段及びこれらを制御する制御手段を具備せずとも、直方体型空胴共振器１１０内において十分に共振を維持することができる。
【００７４】
また上記実施形態では、流体として排ガスを用いているが、排ガスに代えて液体を用いてもよい。この場合は、液体を急速且つ均一に加熱することが可能となる。
【実施例】
【００７５】
以下、実施例及び比較例に基づいて本発明をより具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
【００７６】
（実施例１）
炭化ケイ素系複合酸化物の粉末は、有機ケイ素系ポリマーを前駆体としたポリカルボシランから合成した。ポリカルボシランにＺｒを含んだ金属アルコキシドを加え、約２２０℃で反応させて、ポリメタロカルボシランを重合させた。その後、大気中約１８０℃にて不融化処理を行い、さらに不活性ガス中１３００〜１５００℃で焼成することによって製造した。このようにして元素の組成比がＳｉ５５Ｚｒ１Ｃ３５Ｏ９で表される炭化ケイ素系複合酸化物の粉末（以下、「Ｓｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ粉末」と呼ぶ）を得た。Ｓｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ粉末が上記の元素組成比の炭化ケイ素系複合酸化物であることを赤外吸収による化学分析法で確認した。
【００７７】
一方、セラミック担体として、直径５０ｍｍ、長さ１０ｍｍの円筒形状であり、誘電損率が０．０１であるコージェライト製モノリスを用意し、以下の方法にてＳｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ粉末をモノリスの貫通孔を形成するセル壁面に担持した。まず、Ｓｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ粉末にバインダーを混合してスラリー状にし、このスラリーにモノリスを浸漬させ、モノリスのセル壁面にＳｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ粉末を含むスラリーを均一に塗布した。なお、モノリスの外周面にはマスキングを施し、スラリーが塗布されないようにした。スラリーがセル壁面に塗布されたモノリスを１１０℃で２４時間乾燥後、５００℃で１時間焼成し、Ｓｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ粉末が担持されたモノリス（以下、「発熱体」と呼ぶ）を得た。
【００７８】
（誘電損率測定）
上記のようにして得られたＳｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ粉末の誘電損率を以下のように測定した。即ち誘電損率は、摂動法を用いて測定し、直方体型空胴共振器１１０内試料を挿入したときの共振波形の半値幅の変化から求めた。結果を表１に示す。
【００７９】
（モノリスのマイクロ波加熱特性評価試験）
次に、上記のようにして得られた発熱体を図１〜３に示すマイクロ波加熱装置の直方体型空胴共振器１１０内に配置した。より具体的には、円筒形である発熱体１４０を加熱管１３０ａ内に挿入し、直方体型空胴共振器１１０内の電界強度が最大となる位置と発熱体１４０の断面円の中心とが一致するように、且つ、モノリスの貫通孔１５の貫通方向と直方体型空胴共振器１１０内の電界ベクトルの方向とが平行になるように、発熱体１４０及び加熱管１３０ａを直方体型空胴共振器１１０内に配置した。そして、マイクロ波発振器８を作動させ、発熱体１４０に対してマイクロ波を照射し、このときのセラミック担体の温度上昇プロファイルを測定することにより、モノリスのマイクロ波加熱特性を評価した。結果を図５に示す。ここで、マイクロ波加熱特性評価試験においては、温度はモノリスの内部における温度とした。なお、図５には、マイクロ波加熱特性試験結果として、マイクロ波出力が５００Ｗの場合におけるセラミック担体の温度上昇プロファイルを示した。また表１には、マイクロ波加熱特性試験結果として、マイクロ波出力が３００Ｗ、５００Ｗのそれぞれの場合につき、発熱体を構成するセラミック担体を室温２５℃から５００℃まで加熱するのに要する時間を示した。
【００８０】
なお、発熱体１４０以外のマイクロ波加熱装置の構成要素は以下の通りとした。
・空胴共振器：ＴＥ１０１単一モード直方体型空胴共振器、銅製、空胴寸法１１０ｍｍ×５５ｍｍ×７５ｍｍ；
・加熱管：高純度アルミナ管（純度９９．６％）、内径５０ｍｍ、長さ５５ｍｍ
・断熱材：アルミナファイバー製
・マイクロ波発生手段：マグネトロン発振器、周波数２．４５ＧＨｚ
・同軸−波導管変換器
・方向性結合器
・制御回路：反射率が０になるようにパーソナルコンピュータで自動制御
・可変結合窓：黄銅製
・可変短絡板：黄銅製
【００８１】
（実施例２）
Ｚｒを含んだ金属アルコキシドの代わりに、Ｔｉを含んだ金属アルコキシドを用いたこと以外は実施例１と同様にして、元素の組成比がＳｉ５２Ｔｉ２Ｃ３０Ｏ１６で表される炭化ケイ素系複合酸化物の粉末（以下、「Ｓｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏ粉末」と呼ぶ）を得た。Ｓｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏ粉末が上記の元素組成比の炭化ケイ素系複合酸化物であることを赤外吸収による化学分析法で確認した。
【００８２】
そして、実施例１と同様にしてＳｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏ粉末の誘電損率を測定した。結果を表１に示す。また、Ｓｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ粉末に代えてＳｉ−Ｔｉ−Ｃ−Ｏ粉末を用いたこと以外は実施例１と同様にして発熱体を得た。こうして得られた発熱体について実施例１と同様にしてセラミック担体の温度上昇プロファイルを測定することにより、モノリスのマイクロ波加熱特性を評価した。結果を図５に示す。なお、図５には、実施例１と同様に、マイクロ波加熱特性試験結果として、マイクロ波出力が５００Ｗの場合におけるセラミック担体の温度上昇プロファイルを示した。また表１には、実施例１と同様に、マイクロ波加熱特性試験結果として、マイクロ波出力が３００Ｗ、５００Ｗのそれぞれの場合につき、発熱体を構成するセラミック担体を室温２５℃から５００℃まで加熱するのに要する時間を示した。
【００８３】
（比較例１）
マイクロ波吸収体として、Ｓｉ−Ｚｒ−Ｃ−Ｏ粉末に代えて、市販のＳｉＣ粉末を用いたこと以外は実施例１と同様にして発熱体を得た。上記のようにして得られた発熱体について実施例１と同様にしてセラミック担体の温度上昇プロファイルを測定することにより、モノリスのマイクロ波加熱特性を評価した。結果を図５に示す。
【００８４】
市販のＳｉＣ粉末の誘電損率は、表１に示す通りであった。
【００８５】
なお、図５には、実施例１と同様に、マイクロ波加熱特性試験結果として、マイクロ波出力が５００Ｗの場合におけるセラミック担体の温度上昇プロファイルを示した。また表１には、実施例１と同様に、マイクロ波加熱特性試験結果として、マイクロ波出力が３００Ｗ、５００Ｗのそれぞれの場合につき、発熱体を構成するセラミック担体を室温２５℃から５００℃まで加熱するのに要する時間を示した。
【表１】
2006140063.tif 000003
【００８６】
表１に示すように、実施例１及び２のモノリスを２５℃から排ガス浄化触媒などの触媒活性温度付近である５００℃まで加熱するのに要した時間は、マイクロ波出力が５００Ｗの場合、それぞれ５秒、１１秒であり、極めて急速にモノリスを加熱することができた。一方、ＳｉＣ粉末が担持された比較例１のモノリスを用いた場合は、同条件において要した時間は１９秒であった。
【００８７】
また、図５にプロットした温度上昇プロファイルのグラフは、グラフの傾きが直線的であるほど、マイクロ波吸収体の誘電損率の温度による変化が小さくなっていることからモノリス内外部における加熱むら及び局部的な過熱、いわゆる温度暴走が発生せず、モノリス全体が均一に加熱されていることが分かった。実施例１及び２の温度上昇プロファイルのグラフは、全温度測定範囲、即ち実施例１では２５℃から約８９０℃まで、実施例２では２５℃から約７８０℃までの範囲で直線的であり、モノリス全体が均一に加熱されていることが分かった。一方、比較例１の温度上昇プロファイルのグラフは、２５℃から約４００℃までの範囲では直線的であるが、４００℃を超えるとグラフの傾きが立ち上がる傾向が見られたことから、モノリスの内外部に加熱むら及び温度暴走が発生した。
【００８８】
以上の結果より、本発明のマイクロ波加熱方法及びマイクロ波加熱装置によれば、セラミック担体を低消費電力で急速且つ均一に加熱することができることが確認された。従って、本発明のマイクロ波加熱方法及びマイクロ波加熱装置を用いることにより、排ガス等の流体の急速且つ均一な加熱が期待できる。
【図面の簡単な説明】
【００８９】
【図１】本発明のマイクロ波加熱装置の好適な一実施形態の基本構成を示す模式図である。
【図２】図１に示すマイクロ波加熱装置を構成する空胴共振器を示す斜視図である。
【図３】図２に示す空胴共振器のＩＩＩ−ＩＩＩ線に沿った断面図である。
【図４】マイクロ波吸収体が担持されたセラミック担体の一実施形態を示す部分断面図である。
【図５】実施例１、２及び比較例１のマイクロ波出力５００Ｗでの加熱特性評価試験における加熱特性を示すグラフである。
【符号の説明】
【００９０】
１…マイクロ波導入管、２…可変結合窓（導入口調節手段）、３…マイクロ波導入口、４…結合窓駆動部（導入口調節手段）、５…可動短絡板（空胴調節手段）、６…短絡板駆動部（空胴調節手段）、７…制御装置（制御手段）、１３…マイクロ波吸収体、１４…セラミック担体、１１０…直方体型空胴共振器、１３０ａ…加熱管（流体移送管）、Ｗ…マイクロ波、Ｆ…排ガス（流体）、Ｅ…電界ベクトル。
【図１】
2006140063.tif 000004
【図２】
2006140063.tif 000005
【図３】
2006140063.tif 000006
【図４】
2006140063.tif 000007
【図５】
2006140063.tif 000008