(57)【要約】【課題】大量の加熱対象物に有効な加熱を行うことが容易であり、加熱対象物を配置する場所の制約が小さく、システムが簡潔な加熱装置を提供する。【解決手段】加熱装置１は、マイクロ波供給装置１０と、箱状のマイクロ波電界部材２１と、平面状の基板２５と、電磁波放射素子３５の複数個が基板２５の表面上に互いに離間しかつ環状に配置されてなる電磁波放射素子群３０と、電磁波放射素子３５に給電される各マイクロ波に位相差を生じさせることにより、マイクロ波電界空間４０内において、強電界マイクロ波部位４７が給電時間の経過に伴いマイクロ波電界空間４０内の異なる部分に形成されるマイクロ波である強電界遍在マイクロ波４５を発生させる位相制御部５０と、マイクロ波電界空間４０内に配置された管状体６５を有し、管状体６５内を、強電界遍在マイクロ波４５により加熱する反応部６０Ａと、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波を発振するマイクロ波供給装置と、
箱状のマイクロ波電界部材と、
前記マイクロ波電界部材内に配置される平面状の基板と、
前記マイクロ波供給装置から給電されたマイクロ波により電界を形成する電磁波放射素子の複数個が、前記基板の表面上に互いに離間しかつ環状に配置されてなる電磁波放射素子群と、
前記電磁波放射素子群を構成する複数個の前記電磁波放射素子に給電される各マイクロ波に位相差を生じさせることにより、前記マイクロ波電界部材内かつ前記電磁波放射素子群から離間して形成されたマイクロ波電界空間内において、電界強度が相対的に高いマイクロ波からなる部位である強電界マイクロ波部位と電界強度が相対的に低いマイクロ波からなる部位である弱電界マイクロ波部位とを含み、かつ前記強電界マイクロ波部位が給電時間の経過に伴い前記マイクロ波電界空間内の異なる部分に形成されるマイクロ波である強電界遍在マイクロ波を発生させる位相制御部と、
前記マイクロ波電界空間内に配置された管状体を有し、前記管状体内を、前記強電界遍在マイクロ波により加熱する反応部と、
を備える加熱装置。
【請求項２】
前記マイクロ波電界空間は、前記電磁波放射素子群を含む面に平行でかつ前記電磁波放射素子群から離間した面であるマイクロ波電界空間底面を底面として含み、
前記マイクロ波電界空間底面は、前記電磁波放射素子群の外接円をこの外接円の垂直方向に前記マイクロ波電界空間底面に投影して得られる外接円投影面を少なくとも含む形状である、請求項１に記載の加熱装置。
【請求項３】
前記電磁波放射素子群は、前記基板の表面上に互いに離間しかつ環状に８個配置される電磁波放射素子からなる、請求項１又は２に記載の加熱装置。
【請求項４】
前記強電界遍在マイクロ波の前記強電界マイクロ波部位は、給電時間の経過に伴い、前記マイクロ波電界空間内のうちの前記マイクロ波電界空間底面に平行な断面において、異なる部分に形成される、請求項２又は３に記載の加熱装置。
【請求項５】
前記強電界遍在マイクロ波の前記強電界マイクロ波部位は、給電時間の経過に伴い、前記マイクロ波電界空間内のうちの前記マイクロ波電界空間底面に平行な断面において、渦を描くように異なる部分に形成される、請求項２〜４のいずれか１項に記載の加熱装置。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の加熱装置と、
前記反応部の管状体にアンモニアガスを供給するアンモニアガス供給部と、
前記反応部の管状体内に配置され、前記アンモニアガスを分解して水素ガスを製造する水素製造用触媒と、
を備える水素製造装置。
【請求項７】
マイクロ波を発振するマイクロ波供給装置と、
箱状のマイクロ波電界部材と、
前記マイクロ波電界部材内に配置される平面状の基板と、
前記マイクロ波供給装置から給電されたマイクロ波により電界を形成する電磁波放射素子の複数個が、前記基板の表面上に互いに離間しかつ環状に配置されてなる電磁波放射素子群と、
前記電磁波放射素子群を構成する複数個の前記電磁波放射素子に給電される各マイクロ波に位相差を生じさせることにより、前記マイクロ波電界部材内かつ前記電磁波放射素子群から離間して形成されたマイクロ波電界空間内において、電界強度が相対的に高いマイクロ波からなる部位である強電界マイクロ波部位と電界強度が相対的に低いマイクロ波からなる部位である弱電界マイクロ波部位とを含み、かつ前記強電界マイクロ波部位が給電時間の経過に伴い前記マイクロ波電界空間内の異なる部分に形成されるマイクロ波である強電界遍在マイクロ波を発生させる位相制御部と、
前記マイクロ波電界空間内に配置された管状体を有し、前記管状体内に、前記強電界遍在マイクロ波を透過させる反応部と、
を備える反応装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加熱装置、水素製造装置及び反応装置に関する。詳しくは、本発明は、マイクロ波を用いる加熱装置、水素製造装置及び反応装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
水素は燃焼による熱エネルギーの生成時や燃料電池等による電力の生成時に、環境汚染の原因となる有害物質や地球温暖化の原因となる二酸化炭素等の有害物質を排出しない。このため、近年、クリーンエネルギーとして、水素利用技術に関する研究開発が盛んに進められている。
【０００３】
しかし、水素ガスは天然にはほとんど存在しない。このため、貯蔵輸送性に優れたアンモニア等の水素原子含有物質を輸送・貯蔵し、必要な場所で水素ガスに転換することが検討されている。
【０００４】
例えば、特許文献１には、反応器内の触媒層に、空胴共振器を用いマイクロ波を照射して該触媒層を加熱するマイクロ波加熱装置を備えた触媒反応装置が開示されている。また、特許文献２には、触媒反応により窒化水素系ガス燃料を分解して水素を生成する燃料改質装置であって、特定の改質触媒と、改質触媒に、空胴共振器を用いマイクロ波を照射して加熱するマイクロ波照射手段と、を備える燃料改質装置が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００７−０００７７４号公報
【特許文献２】特開２００９−２７４８８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１及び２に記載された加熱装置及び改質装置は、空胴共振器を用い単一モードで加熱するため、空胴共振器内の断面方向における加熱範囲が狭いという問題がある。すなわち、空胴共振器を用い単一モードで加熱する場合、通常、空胴共振器内の断面方向における有効な加熱範囲は、中央部近辺のみとなり、空胴共振器内の周辺部では有効な加熱を行うことができない。このため、特許文献１及び２に記載された加熱装置及び改質装置では、大量の触媒に有効な加熱を行うことが困難であり、触媒を配置する場所の制約が大きくなる。また、空胴共振器を用い単一モードで加熱する場合、システムが複雑化する。このように、特許文献１及び２に記載された加熱装置及び改質装置には、大量の触媒に有効な加熱を行うことが困難であり、触媒を配置する場所の制約が大きく、システムが複雑化するという問題があった。
【０００７】
本発明は、このような従来技術が有する課題に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、大量の触媒に有効な加熱を行うことが容易であり、触媒を配置する場所の制約が小さく、システムが簡潔な加熱装置、水素製造装置及び反応装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の態様に係る加熱装置は、マイクロ波を発振するマイクロ波供給装置と、
箱状のマイクロ波電界部材と、前記マイクロ波電界部材内に配置される平面状の基板と、前記マイクロ波供給装置から給電されたマイクロ波により電界を形成する電磁波放射素子の複数個が、前記基板の表面上に互いに離間しかつ環状に配置されてなる電磁波放射素子群と、前記電磁波放射素子群を構成する複数個の前記電磁波放射素子に給電される各マイクロ波に位相差を生じさせることにより、前記マイクロ波電界部材内かつ前記電磁波放射素子群から離間して形成されたマイクロ波電界空間内において、電界強度が相対的に高いマイクロ波からなる部位である強電界マイクロ波部位と電界強度が相対的に低いマイクロ波からなる部位である弱電界マイクロ波部位とを含み、かつ前記強電界マイクロ波部位が給電時間の経過に伴い前記マイクロ波電界空間内の異なる部分に形成されるマイクロ波である強電界遍在マイクロ波を発生させる位相制御部と、前記マイクロ波電界空間内に配置された管状体を有し、前記管状体内を、前記強電界遍在マイクロ波により加熱する反応部と、を備える。
【０００９】
本発明の第２の態様に係る加熱装置は、第１の態様の加熱装置に関し、前記マイクロ波電界空間は、前記電磁波放射素子群を含む面に平行でかつ前記電磁波放射素子群から離間した面であるマイクロ波電界空間底面を底面として含み、前記マイクロ波電界空間底面は、前記電磁波放射素子群の外接円をこの外接円の垂直方向に前記マイクロ波電界空間底面に投影して得られる外接円投影面を少なくとも含む形状である。
【００１０】
本発明の第３の態様に係る加熱装置は、第１又は第２の態様の加熱装置に関し、前記電磁波放射素子群は、前記基板の表面上に互いに離間しかつ環状に８個配置される電磁波放射素子からなる。
【００１１】
本発明の第４の態様に係る加熱装置は、第１〜第３のいずれかの態様の加熱装置に関し、前記強電界遍在マイクロ波の前記強電界マイクロ波部位は、給電時間の経過に伴い、前記マイクロ波電界空間内のうちの前記マイクロ波電界空間底面に平行な断面において、異なる部分に形成される。
【００１２】
本発明の第５の態様に係る加熱装置は、第１〜第４のいずれかの態様の加熱装置に関し、前記強電界遍在マイクロ波の前記強電界マイクロ波部位は、給電時間の経過に伴い、前記マイクロ波電界空間内のうちの前記マイクロ波電界空間底面に平行な断面において、渦を描くように異なる部分に形成される。
【００１３】
本発明の第６の態様に係る水素製造装置は、第１〜第５のいずれかの態様の加熱装置と、前記反応部の管状体にアンモニアガスを供給するアンモニアガス供給部と、前記反応部の管状体内に配置され、前記アンモニアガスを分解して水素ガスを製造する水素製造用触媒と、を備える。
【００１４】
本発明の第７の態様に係る反応装置は、マイクロ波を発振するマイクロ波供給装置と、箱状のマイクロ波電界部材と、前記マイクロ波電界部材内に配置される平面状の基板と、前記マイクロ波供給装置から給電されたマイクロ波により電界を形成する電磁波放射素子の複数個が、前記基板の表面上に互いに離間しかつ環状に配置されてなる電磁波放射素子群と、前記電磁波放射素子群を構成する複数個の前記電磁波放射素子に給電される各マイクロ波に位相差を生じさせることにより、前記マイクロ波電界部材内かつ前記電磁波放射素子群から離間して形成されたマイクロ波電界空間内において、電界強度が相対的に高いマイクロ波からなる部位である強電界マイクロ波部位と電界強度が相対的に低いマイクロ波からなる部位である弱電界マイクロ波部位とを含み、かつ前記強電界マイクロ波部位が給電時間の経過に伴い前記マイクロ波電界空間内の異なる部分に形成されるマイクロ波である強電界遍在マイクロ波を発生させる位相制御部と、前記マイクロ波電界空間内に配置された管状体を有し、前記管状体内に、前記強電界遍在マイクロ波を透過させる反応部と、を備える。
【発明の効果】
【００１５】
本発明に係る加熱装置によれば、大量の加熱対象物に有効な加熱を行うことが容易であり、加熱対象物を配置する場所の制約が小さく、システムが簡潔な加熱装置が得られる。
【００１６】
本発明に係る水素製造装置によれば、大量の触媒に有効な加熱を行うことが容易であり、触媒を配置する場所の制約が小さく、システムが簡潔な水素製造装置が得られる。
【００１７】
本発明に係る反応装置によれば、大量の反応対象物に強電界遍在マイクロ波を有効に照射することが容易であり、反応対象物を配置する場所の制約が小さく、システムが簡潔な反応装置が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】第1の実施形態に係る加熱装置の一例を示す断面図である。
【図２】図１の一部を示す斜視図である。
【図３】図１の一部を示す他の斜視図である。
【図４】図３のＡ−Ａ線に沿った断面図である。
【図５】マイクロ波電界空間内で発生する強電界遍在マイクロ波の一例である。
【図６】マイクロ波電界空間内で発生する強電界非遍在マイクロ波の一例である。
【図７】第１の実施形態に係る加熱装置の反応部の第１の変形例を示す断面図である。
【図８】第１の実施形態に係る加熱装置の反応部の第２の変形例を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を用いて実施形態に係る加熱装置、水素製造装置及び反応装置について詳細に説明する。なお、図面の寸法比率は説明の都合上誇張されており、実際の比率とは異なる場合がある。
【００２０】
［第1の実施形態］
（加熱装置）
図１は、第1の実施形態に係る加熱装置の一例を示す断面図である。図２は、図１の一部を示す斜視図である。具体的には、図２は、図１に示すマイクロ波電界部材２１、並びにマイクロ波電界部材２１の内部に配置される基板２５及び電磁波放射素子群３０について示している。
【００２１】
また、図３は、図１の一部を示す他の斜視図である。図４は、図３のＡ−Ａ線に沿った断面図である。具体的には、図３は、図１に示す基板２５及び反応部６０Ａについて示している。なお、図３及び４では、基板２５上に配置される電磁波放射素子群３０の記載を省略して示している。
【００２２】
図１及び図２に示すように、第1の実施形態に係る加熱装置１は、マイクロ波供給装置１０と、マイクロ波電界部材２１と、基板２５と、電磁波放射素子群３０と、位相制御部５０と、反応部６０Ａと、を備える。また、図３及び図４に示すように、反応部６０Ａは、基板２５の上方に配置される。
【００２３】
本実施形態の加熱装置１は、電磁波放射素子群３０と位相制御部５０とにより、マイクロ波電界部材２１内のマイクロ波電界空間４０に、強電界遍在マイクロ波４５が発生する。ここで、強電界遍在マイクロ波４５とは、電界強度の高いマイクロ波の部位である強電界マイクロ波部位４７が給電時間の経過に伴いマイクロ波電界空間４０内の異なる部分に形成されるマイクロ波である。このため、加熱装置１によれば、反応部６０Ａの管状体６５内に配置される大量の物質、例えば、大量の水素製造用触媒７５に有効な加熱を行うことが容易であり、水素製造用触媒７５を配置する場所の制約が小さく、システムが簡潔な加熱装置が得られる。以下において、各構成要素の説明を行う。
【００２４】
なお、加熱装置１は、反応部６０Ａの管状体６５内において強電界遍在マイクロ波４５により加熱対象物としての水素製造用触媒７５と、水素製造用触媒７５にアンモニアガスを供給するアンモニアガス供給部７０と、をさらに備えると水素製造装置となる。このため、図１及び２には、この水素製造装置２も併せて示す。
【００２５】
（マイクロ波供給装置）
マイクロ波供給装置１０は、マイクロ波を発振する装置である。加熱装置１において、マイクロ波供給装置１０は、マイクロ波発振器１１と、マイクロ波増幅器１２と、を含む。なお、マイクロ波供給装置１０は、マイクロ波を発振することができるものである限り、図１に示す構成以外の構成とすることができる。
【００２６】
マイクロ波発振器１１は、所定の周波数を有するマイクロ波を発振させる。マイクロ波供給装置１０から発振されるマイクロ波の周波数は、特に限定されず、例えば０．３ＧＨｚ〜３０００ＧＨｚの周波数を使用することができる。マイクロ波の周波数は、０．９ＧＨｚ〜２６ＧＨｚであることが好ましく、工業的に使用が許可されているＩＳＭバンドとして工業的に使用が許可されている周波数を使用することがより好ましい。
【００２７】
マイクロ波発振器１１は、周波数が調整できるものに限定され、例えば電圧制御発振器（ＶＣＯ：Ｖｏｌｔａｇｅ  Ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｄ  Ｏｓｃｉｌｌａｔｏｒ）や位相同期回路（ＰＬＬ：Ｐｈａｓｅ  Ｌｏｃｋ  Ｌｏｏｐ）等を用いることが出来る。
【００２８】
マイクロ波増幅器１２は、マイクロ波発振器１１から発振されたマイクロ波の出力を増幅する装置である。マイクロ波増幅器１２は、例えば、水素製造用触媒７５の温度が３００℃〜６００℃となるように、マイクロ波の出力を増幅することができる。
【００２９】
マイクロ波増幅器１２から出力されたマイクロ波は、位相制御部５０及び給電線１４を経て基板２５表面上に配置された各電磁波放射素子３５に給電される。位相制御部５０については後述する。
【００３０】
（マイクロ波電界部材）
マイクロ波電界部材２１は、箱状になっている。マイクロ波電界部材２１は、内部に、電磁波放射素子群３０が配置された基板２５と、基板２５の表面上に配置された電磁波放射素子群３０から離間して形成されたマイクロ波電界空間４０と、反応部６０Ａと、を備える。マイクロ波電界空間４０は、強電界遍在マイクロ波４５が発生する空間である。
【００３１】
（基板）
基板２５は、銅等からなる回路が表面又は内部に形成された平面状の基板である。基板２５の表面には、マイクロ波電界空間４０に強電界遍在マイクロ波４５を発生させるための電磁波放射素子群３０が実装される。基板２５の表面又は基板２５中には回路が形成され、この回路を介して、位相制御部５０で位相が制御されたマイクロ波が、電磁波放射素子群３０を構成する各電磁波放射素子３５に給電されるようになっている。
【００３２】
（電磁波放射素子群）
電磁波放射素子群３０は、マイクロ波供給装置１０から給電されたマイクロ波により電界を形成する電磁波放射素子３５の複数個が、基板２５の表面上に互いに離間しかつ環状に配置されたものである。図２に示すように、電磁波放射素子群３０は、基板２５の表面上に互いに離間しかつ環状に８個配置される電磁波放射素子３５からなる。
【００３３】
なお、電磁波放射素子群３０は、電磁波放射素子３５の複数個が、基板２５の表面上に互いに離間しかつ環状に配置されていればよく、電磁波放射素子３５の個数は、図２に示す８個に限られるものでない。電磁波放射素子３５の個数は、例えば、４〜１２個にすることができる。
【００３４】
電磁波放射素子３５は、いわゆるアンテナである。電磁波放射素子３５としては、例えば、平面アンテナが用いられる。電磁波放射素子３５は、マイクロ波が給電されると、電磁波放射素子３５の上面に楕円球状の電界が発生する。
【００３５】
各電磁波放射素子３５の上面に生じた、楕円球状の電界は、各電磁波放射素子３５に給電されるマイクロ波の位相が位相制御部５０で制御されると、隣接する電磁波放射素子３５がそれぞれ形成している電界同士が干渉する。このように隣接する電磁波放射素子３５の電界同士が干渉すると、強電界遍在マイクロ波４５が電磁波放射素子群３０から離間して発生する。
【００３６】
電磁波放射素子群３０は、環状に配置された各電磁波放射素子３５が等間隔で配置されることが好ましい。ここで、環状に配置された各電磁波放射素子３５が等間隔であるとは、マイクロ波の給電により電磁波放射素子３５から発生した電界の中心部同士が等間隔であることを意味する。
【００３７】
電磁波放射素子群３０は、隣接する電磁波放射素子３５の距離は、例えば、給電されるマイクロ波の周波数が２．４７ＧＨｚの場合は、通常９〜１１ｍｍ、好ましくは１０ｍｍである。隣接する電磁波放射素子３５の距離が、上記範囲内にあると、強電界遍在マイクロ波４５が発生しやすいため好ましい。
【００３８】
強電界遍在マイクロ波４５は、少なくとも、図１に示す、マイクロ波電界空間４０内において生成される。図１に示すように、マイクロ波電界空間４０は、電磁波放射素子群３０から離間して形成され、マイクロ波電界空間底面４１を底面として含む形状である。マイクロ波電界空間底面４１は、電磁波放射素子群３０を含む面に平行でかつ電磁波放射素子群３０から離間した面である。また、マイクロ波電界空間４０は、マイクロ波電界空間底面４１から、マイクロ波電界空間厚み４２の厚さを有する空間である。
【００３９】
図１に示すマイクロ波電界空間底面４１は、図２に示す、電磁波放射素子群３０の外接円３７をこの外接円３７の垂直方向にマイクロ波電界空間底面４１に投影して得られる外接円投影面３８、を少なくとも含む。すなわち、マイクロ波電界空間４０は、少なくとも電磁波放射素子群３０の全体を覆うマイクロ波電界空間底面４１と、マイクロ波電界空間厚み４２とを有する空間になっている。強電界遍在マイクロ波４５は、隣接する電磁波放射素子３５の電界同士が干渉して生じるため、このような形状及び大きさのマイクロ波電界空間４０内において、特に効率よく生成する。
【００４０】
マイクロ波電界空間底面４１は、電磁波放射素子群３０の表面から離間した位置に形成される。マイクロ波電界空間底面４１の、電磁波放射素子群３０の表面からの離間距離は、例えば、給電されるマイクロ波の周波数が２．４７ＧＨｚの場合は、通常１〜３ｍｍ、好ましくは２ｍｍである。ここで、電磁波放射素子群３０の表面からの離間距離とは、電磁波放射素子群３０を構成する各電磁波放射素子３５の表面とマイクロ波電界空間底面４１との離間距離の平均値である。強電界遍在マイクロ波４５は、電磁波放射素子群３０の表面から上記離間距離を超えた位置に存在するマイクロ波電界空間４０内において、効率よく生成する。
【００４１】
また、マイクロ波電界空間厚み４２は、例えば、給電されるマイクロ波の周波数が２．４７ＧＨｚの場合は、通常２０〜４０ｍｍ、好ましくは２５〜３５ｍｍ、より好ましくは３０ｍｍである。強電界遍在マイクロ波４５は、上記数値範囲内のマイクロ波電界空間厚み４２を有するマイクロ波電界空間４０内において、効率よく生成する。
【００４２】
すなわち、強電界遍在マイクロ波４５は、電磁波放射素子群３０の表面から上記離間距離を超えた位置に存在するマイクロ波電界空間底面４１と、上記数値範囲内のマイクロ波電界空間厚み４２と、を有するマイクロ波電界空間４０内において、効率よく生成する。
【００４３】
上述のように、強電界遍在マイクロ波４５とは、強電界マイクロ波部位４７と弱電界マイクロ波部位４９とを含み、かつ強電界マイクロ波部位４７が給電時間の経過に伴いマイクロ波電界空間４０内の異なる部分に形成されるマイクロ波を意味する。ここで、強電界マイクロ波部位４７とは、電界強度が相対的に高いマイクロ波からなる部位である。また、弱電界マイクロ波部位４９とは、電界強度が相対的に低いマイクロ波からなる部位である。
強電界遍在マイクロ波４５について図面を参照して説明する。
【００４４】
図５は、マイクロ波電界空間４０内で発生する強電界遍在マイクロ波４５の一例である。図５は、マイクロ波電界空間底面４１の大きさ及び形状が、基板２５の外形の大きさ及び形状と、一致する条件でシミュレーションを行ったときの、ある時刻において、マイクロ波電界空間４０内で発生した、強電界遍在マイクロ波４５の一例である。すなわち、図５は、基板２５の外形の大きさ及び形状と同一のマイクロ波電界空間底面４１を含むマイクロ波電界空間４０内で発生した強電界遍在マイクロ波４５を、ある時刻において、基板２５の垂直方向から観察した電界強度のデータである。
【００４５】
図５に示すように、強電界遍在マイクロ波４５は、ある時刻において、強電界マイクロ波部位４７と、中電界マイクロ波部位４８と、弱電界マイクロ波部位４９とを有するマイクロ波になっている。具体的には、強電界遍在マイクロ波４５は、ある時刻において、幅広なバナナ状の複数個の強電界マイクロ波部位４７と、細長い円弧状の複数個の弱電界マイクロ波部位４９と、を有するマイクロ波になっている。また、強電界遍在マイクロ波４５は、強電界マイクロ波部位４７と弱電界マイクロ波部位４９との間に中電界マイクロ波部位４８を有するマイクロ波になっている。ここで、強電界マイクロ波部位４７とは、電界強度が相対的に高いマイクロ波からなる部位であり、弱電界マイクロ波部位４９とは、電界強度が相対的に低いマイクロ波からなる部位である。また、中電界マイクロ波部位４８とは、電界強度が、強電界マイクロ波部位４７よりも相対的に低くかつ弱電界マイクロ波部位４９よりも相対的に高いマイクロ波からなる部位である。なお、図５の元のデータであるシミュレーション結果は、マイクロ波の部位の電界強度の区分が１７段階あるが、図５では説明の便宜のためあえて電界強度を３段階にして示した。
【００４６】
図５に示す強電界遍在マイクロ波４５は、強電界マイクロ波部位４７、中電界マイクロ波部位４８、及び弱電界マイクロ波部位４９の形状から、マイクロ波が図中、右回りの渦を形成していると推測される。このため、図５に示す強電界遍在マイクロ波４５は、強電界マイクロ波部位４７が、給電時間の経過に伴い、マイクロ波電界空間４０内の異なる部分に形成されるマイクロ波であると推測される。すなわち、図５に示す強電界遍在マイクロ波４５は、強電界マイクロ波部位４７が、給電時間の経過に伴い、渦の回転に伴いマイクロ波電界空間４０内の異なる部分に移動するマイクロ波であると推測される。このため、強電界遍在マイクロ波４５によれば、マイクロ波電界空間４０内の広い部分において、電界強度の高い部位を形成することができるため、全体として加熱等の効率が高くなる。以後、図５に示す強電界遍在マイクロ波４５のような渦状のマイクロ波を、渦状マイクロ波ともいう。
【００４７】
強電界遍在マイクロ波４５の強電界マイクロ波部位４７は、給電時間の経過に伴い、マイクロ波電界空間４０内のうちのマイクロ波電界空間底面４１に平行な断面において、異なる部分に形成されることが好ましい。すなわち、強電界マイクロ波部位４７は、給電時間の経過に伴い、電磁波放射素子群３０から離間しかつ電磁波放射素子群３０に平行な断面において、異なる部分に形成されることが好ましい。
【００４８】
図５に示す渦状マイクロ波は、強電界マイクロ波部位４７が、給電時間の経過に伴い、電磁波放射素子群３０から離間しかつ電磁波放射素子群３０に平行な断面において、異なる部分に形成されると推測される。このため、図５に示す渦状マイクロ波は、好ましい。なお、図５に示す渦状マイクロ波は、強電界遍在マイクロ波４５の強電界マイクロ波部位４７が、給電時間の経過に伴い、マイクロ波電界空間４０内のうちのマイクロ波電界空間底面４１に平行な断面において、渦を描くように異なる部分に形成されるものである。このため、強電界遍在マイクロ波４５の強電界マイクロ波部位４７が、給電時間の経過に伴い、マイクロ波電界空間４０内のうちのマイクロ波電界空間底面４１に平行な断面において、渦を描くように異なる部分に形成されると、好ましい。
【００４９】
図５に示す強電界遍在マイクロ波４５は、位相制御部５０を用いて、電磁波放射素子群３０を構成する複数個の電磁波放射素子３５に給電される各マイクロ波に位相差を生じさせることにより生成する。
【００５０】
（位相制御部）
位相制御部５０は、電磁波放射素子群３０を構成する複数個の電磁波放射素子３５に給電される各マイクロ波に位相差を生じさせることにより、マイクロ波電界部材２１内のマイクロ波電界空間４０内において、強電界遍在マイクロ波４５を発生させる部位である。なお、図１に示す給電線１４は、位相制御部５０と複数個の各電磁波放射素子３５とを個別に電気的に接続し、電磁波放射素子群３０を構成する複数個の電磁波放射素子３５に給電される各マイクロ波に位相差を生じさせることが可能になるように設けられる。
【００５１】
電磁波放射素子群３０を構成する各電磁波放射素子３５は、マイクロ波に位相差が生じない通常の状態でマイクロ波が給電された場合、電磁波放射素子３５の上面に楕円球状の電界が発生する。
【００５２】
これに対し、位相制御部５０を用い、電磁波放射素子群３０を構成する複数個の電磁波放射素子３５に給電される各マイクロ波に位相差を生じさせると、隣接する電磁波放射素子３５の電界同士が干渉することにより、強電界遍在マイクロ波４５が生成する。強電界遍在マイクロ波４５としては、例えば、図５に示すような渦状マイクロ波が挙げられる。
【００５３】
電磁波放射素子群３０から離間して形成されたマイクロ波電界空間４０内に強電界遍在マイクロ波４５を発生させるための位相差は、電磁波放射素子群３０を構成する電磁波放射素子３５の個数や配置により異なる。例えば、電磁波放射素子群３０が、図２に示すような、基板２５の表面上に互いに離間しかつ環状に８個配置される電磁波放射素子３５からなる場合、隣接する電磁波放射素子３５に給電されるマイクロ波の位相差は、４５度とすることが好ましい。
【００５４】
なお、電磁波放射素子群３０が、基板２５の表面上に互いに離間しかつ環状に８個配置される電磁波放射素子３５からなる場合、隣接する電磁波放射素子３５に給電されるマイクロ波の位相差は、４５度に限らない。この場合、隣接する電磁波放射素子３５に給電されるマイクロ波の位相差は、例えば、１５〜７５度、好ましくは３０〜６０度とすることができる。
【００５５】
なお、図２に示す電磁波放射素子群３０を用いても、隣接する電磁波放射素子３５に給電されるマイクロ波の位相差が０度であると、マイクロ波電界空間４０内に強電界遍在マイクロ波４５は発生せず、強電界非遍在マイクロ波が発生する。ここで、強電界非遍在マイクロ波とは、強電界遍在マイクロ波４５以外のマイクロ波を意味する。
【００５６】
図６は、マイクロ波電界空間４０内で発生する強電界非遍在マイクロ波４６の一例である。図６は、マイクロ波電界空間底面４１の大きさ及び形状が、基板２５の外形の大きさ及び形状と、一致する条件でシミュレーションを行ったときの、ある時刻において、マイクロ波電界空間４０内で発生した、強電界非遍在マイクロ波４６の一例である。すなわち、図６は、基板２５の外形の大きさ及び形状と同一のマイクロ波電界空間底面４１を含むマイクロ波電界空間４０内で発生した強電界非遍在マイクロ波４６を、ある時刻において、基板２５の垂直方向から観察した電界強度のデータである。
【００５７】
図６に示すように、強電界非遍在マイクロ波４６は、ある時刻において、強電界マイクロ波部位４７と、中電界マイクロ波部位４８と、弱電界マイクロ波部位４９とを有するマイクロ波になっている。具体的には、強電界非遍在マイクロ波４６は、ある時刻において、１個の楕円状の強電界マイクロ波部位４７と、この周囲に形成された１個のドーナツ状の中電界マイクロ波部位４８と、を有するマイクロ波になっている。また、強電界非遍在マイクロ波４６は、中電界マイクロ波部位４８の外部に形成された弱電界マイクロ波部位４９と、を有するマイクロ波になっている。なお、図６の元のデータであるシミュレーション結果は、マイクロ波の部位の電界強度の区分が１７段階あるが、図６では説明の便宜のためあえて電界強度を３段階にして示した。
【００５８】
図６に示す強電界非遍在マイクロ波４６は、強電界マイクロ波部位４７、中電界マイクロ波部位４８、及び弱電界マイクロ波部位４９の形状から、図中、中央部に、安定的な移動しない強電界マイクロ波部位４７が形成されているものと推測される。すなわち、図６に示す強電界非遍在マイクロ波４６は、強電界マイクロ波部位４７が、給電時間の経過に伴い、マイクロ波電界空間４０内の異なる部分に形成されるマイクロ波でないと推測される。このため、図６に示す強電界非遍在マイクロ波４６によれば、マイクロ波電界空間４０内の中央部の狭い部分以外は、電界強度が低いため、全体として加熱等の効率が低くなる。
【００５９】
（反応部）
反応部６０Ａ（６０）は、マイクロ波電界空間４０内に配置された管状体６５を有し、管状体６５内を、マイクロ波電界空間４０内で発生した強電界遍在マイクロ波４５により加熱する部位である。図１に示すように、反応部６０Ａは、基板２５と基板２５の表面に配置される電磁波放射素子群３０と、の上方に配置される管状体６５を含む。また、図３及び４に示すように、反応部６０Ａは、複数本の断面形状が円形の管状体６５が複数本並列に配置された構造を有する。
【００６０】
反応部６０Ａを構成する管状体６５は、マイクロ波を透過する材質からなる。また、管状体６５は、耐熱性の高い材質であることが好ましい。このようなマイクロ波を透過し、耐熱性の高い材質としては、例えば、石英ガラス、アルミナ、ムライト、コージェライト、ジルコニア、マグネシアからなる群より選択される少なくとも１種が用いられる。なお、管状体６５の周囲は、断熱材で被覆されていてもよい。断熱材としては、例えば、マイクロ波を透過しやすいアルミナファイバー等が用いられる。また、管状体６５の損傷を抑制するため、グラスファイバー等の補強材又はスポンジ等のクッション材で管状体６５を被覆することが好ましい。
【００６１】
反応部６０Ａを構成する管状体６５の形状は、管状である限り特に限定されない。管状体６５の断面形状は、図３及び４に示す円形以外に、矩形とすることができる。また、管状体６５の断面形状が円形の場合、管状体６５の内径は、例えば４ｍｍ〜４０ｍｍである。管状体６５の内径を上記範囲内にすると管状体６５内の電界強度のムラの発生が抑制される。また、管状体６５の厚みは、例えば、０．５ｍｍ〜１０ｍｍである。管状体６５の厚みが上記範囲内にあると、十分な強度を有し、かつ、誘電損失の少ない管状体６５が得られる。
【００６２】
加熱装置１の反応部６０Ａでは、マイクロ波電界空間４０内に配置された管状体６５内が、マイクロ波電界空間４０内で発生した強電界遍在マイクロ波４５により加熱される。加熱対象物としては特に限定されないが、例えば、水素製造用触媒を用いることができる。図１には、加熱対象物が水素製造用触媒７５である様子を示す。なお、上述のように、加熱装置１において、管状体６５内で加熱対象物が水素製造用触媒７５であり、かつ、水素製造用触媒７５にアンモニアガスを供給するアンモニアガス供給部７０と、をさらに備えると水素製造装置２となる。以下、水素製造装置２について説明する。
【００６３】
（水素製造装置）
水素製造装置２は、加熱装置１と、アンモニアガス供給部７０と、反応部６０Ａの管状体６５内に配置され、アンモニアガスを分解して水素ガスを製造する水素製造用触媒７５と、を備える。
【００６４】
（アンモニアガス供給部）
アンモニアガス供給部７０は、反応部６０Ａの管状体６５にアンモニアガスを供給する手段である。アンモニアガス供給部７０としては、例えば、公知の水素製造用触媒にアンモニアガスを供給する公知の手段が用いられる。
【００６５】
（水素製造用触媒）
水素製造用触媒７５は、反応部６０Ａの管状体６５内に配置され、管状体６５内のアンモニアガスを分解して水素ガスを製造する触媒である。管状体６５に導入されたアンモニアガス（ＮＨ３）は、強電界遍在マイクロ波４５により加熱された水素製造用触媒７５により効率よく分解されて、水素ガス（Ｈ２）を生成する。なお、水素ガス（Ｈ２）を生成する際には、通常、窒素（Ｎ２）も生成される。
【００６６】
水素製造用触媒７５は、通常、金属粒子と、金属粒子を担持する担体と、を含む。金属粒子としては、例えば、貴金属及び遷移金属の少なくともいずれか一方が用いられる。貴金属としては、例えば、白金、ルテニウム、パラジウム及びロジウムからなる群より選択される少なくとも１種が用いられる。遷移金属としては、コバルト、ニッケル、鉄、タングステン、モリブデン、バナジウム、クロム、マンガン及び銅からなる群より選択される少なくとも１種が用いられる。これらの遷移金属の中では、水素製造効率が高いため、コバルト、ニッケル及び鉄からなる群より選択される少なくとも１種であることが好ましい。なお、本実施形態においては、強電界遍在マイクロ波４５により水素製造用触媒７５が効率的に加熱されるため、貴金属を含まず遷移金属のみを含む金属粒子を用いることができる。また、金属粒子は、表面に酸化物が存在しない状態で用いることが好ましい。
【００６７】
担体としては、例えば、酸化アルミニウム（γ−Ａｌ２Ｏ３）、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）、イットリア安定ジルコニア（ＹＳＺ）、ＮａＹ型ゼオライト、超安定化Ｙ型ゼオライト（ＵＳＹ型ゼオライト）、ルチル型酸化チタン（ルチル型ＴｉＯ２）、アナターゼ型酸化チタン（アナターゼ型ＴｉＯ２）、及びルチル−アナターゼ混晶型酸化チタン（Ｐ２５ＴｉＯ２）からなる群より選択される少なくとも１種の金属酸化物が用いられる。なお、担体は、マイクロ波の照射で加熱されやすい。このため、担体は、熱の放出が容易な、酸化アルミニウム、イットリア安定ジルコニア及びＮａＹ型ゼオライトからなる群より選択される少なくとも１種の多孔質酸化物であることが好ましい。
【００６８】
担体への金属粒子の担持量は、担体と金属粒子との合計量を１００質量％としたときに、金属粒子が、好ましくは０．１〜３０質量％であり、より好ましくは０．５〜２０質量％であり、さらに好ましくは１〜１５質量％である。担体への金属粒子の担持量が、上記範囲内にあると、水素製造用触媒７５がマイクロ波の照射で加熱しやすい。
【００６９】
水素製造用触媒７５には、例えば、マイクロ波の誘電損失係数が小さい炭化ケイ素等の加熱助剤を添加してもよい。水素製造用触媒７５に加熱助剤が添加されたものを、以下、水素製造用触媒混合物という。加熱助剤を用いることで、金属粒子や担体の加熱効率が不十分な場合であっても、水素製造用触媒７５を所望の到達温度とすることができる。水素製造用触媒混合物に用いられる加熱助剤の添加量は、水素製造用触媒７５の合計１００質量％に対して、０．１〜３０質量％であることが好ましく。１〜１５質量％とすることがさらに好ましい。加熱助剤の添加量をこのような範囲とすることにより、必要なマイクロ波出力を低下させ、かつ、水素製造用触媒７５の触媒効果を高くすることができる。
【００７０】
（作用）
加熱装置１及び水素製造装置２の作用について説明する。なお、加熱装置１の作用と水素製造装置２の作用との相違点は、反応部６０Ａの管状体６５内の加熱対象物が水素製造用触媒７５に限定されるか否かの点と、管状体６５内にアンモニアガスが供給されるか否かの点にあり、本質的な作用に大きな相違点はない。このため、以下では、説明の便宜のため、より限定された構成を有する水素製造装置２の作用について説明する。
【００７１】
マイクロ波供給装置１０が発振し、給電線１４を介して、電磁波放射素子群３０を構成する各電磁波放射素子３５に給電される各マイクロ波は、給電線１４中に設けられた位相制御部５０により、位相差が形成される。例えば、図１に示す各電磁波放射素子３５に給電される各マイクロ波は、位相制御部５０により、隣接する電磁波放射素子３５に給電されるマイクロ波の位相差が４５度になるように給電される。なお、マイクロ波の位相差は、電磁波放射素子群３０を構成する各電磁波放射素子３５の配置等に鑑み、適宜設定される。
【００７２】
位相制御部５０により、各電磁波放射素子３５に給電されるマイクロ波の位相差が適切に形成されると、マイクロ波電界空間４０内に、例えば、図５に示すような強電界遍在マイクロ波４５が生成する。強電界遍在マイクロ波４５に含まれる強電界マイクロ波部位４７は、給電時間の経過に伴い、マイクロ波電界空間４０内の異なる部分に形成される。このため、給電時間の経過を考慮すると、マイクロ波電界空間４０内の全体には、強電界マイクロ波部位４７が実質的に一様に存在することになる。
【００７３】
マイクロ波電界空間４０内に生成された強電界遍在マイクロ波４５は、マイクロ波電界空間４０内に配置された反応部６０Ａの管状体６５内に配置された、加熱対象物である水素製造用触媒７５を効率的に加熱する。このとき、アンモニアガス供給部７０から反応部６０Ａの管状体６５内にアンモニアガスを供給すると、アンモニアガスが水素製造用触媒７５で反応し、水素ガスと、窒素ガスとが生成される。強電界遍在マイクロ波４５は、図１中の電磁波放射素子群３０の上方に広い範囲で形成されたマイクロ波電界空間４０に生成する。このため、図３及び４に示すように広い範囲に配置された各管状体６５内の大量の水素製造用触媒７５は効率的に加熱される。したがって、水素製造装置２によれば、効率的に大量の水素ガスを生成することができる。
【００７４】
加熱装置１の作用は、上記水素製造装置２の作用において、アンモニアガス供給部７０から反応部６０Ａの管状体６５内にアンモニアガスを供給しない点、及び水素製造用触媒７５に代えて加熱対象物７５を配置する点、以外は同じである。すなわち、加熱装置１の作用は、水素製造装置２の作用に比較して、反応部６０Ａの管状体６５内にアンモニアガスが供給されず、かつ加熱対象物７５が水素製造用触媒７５に限定されないこと以外は、同じである。このため、加熱装置１の作用の説明を省略する。
【００７５】
（効果）
加熱装置１によれば、大量の加熱対象物７５に有効な加熱を行うことが容易であり、加熱対象物７５を配置する場所の制約が小さく、システムが簡潔な加熱装置が得られる。
【００７６】
水素製造装置２によれば、大量の水素製造用触媒７５に有効な加熱を行うことが容易であり、水素製造用触媒７５を配置する場所の制約が小さく、システムが簡潔な水素製造装置が得られる。
【００７７】
なお、加熱装置１は、管状体６５内を、強電界遍在マイクロ波４５により加熱する反応部６０Ａに代えて、管状体６５内に、強電界遍在マイクロ波４５を透過させる反応部６０Ａ、を備えると反応装置となる。この反応装置３は、加熱装置１において、反応部６０Ａ内の反応を加熱反応に限定しないものであり、装置構成自体は加熱装置１とほぼ同じである。このため、図１及び２には、この反応装置３も併せて示す。
【００７８】
（反応装置）
反応装置３の反応部６０Ａは、マイクロ波電界空間４０内に配置された管状体６５を有し、管状体６５内に、強電界遍在マイクロ波４５を透過させるものである。反応装置３の反応部６０Ａは、加熱装置１の反応部６０Ａに比較して、反応部６０Ａ内の反応を加熱反応に限定しないものであり、その構造は加熱装置１の反応部６０Ａとほぼ同じである。ただ、反応装置３と加熱装置１とは、加熱装置１の反応部６０Ａが、耐熱性の高い材質からなることが好ましいのに対し、反応装置３の反応部６０Ａでは耐熱性の高い材質からなる必要はない点で、異なる。なお、反応装置３の反応部６０Ａは、加熱装置１の反応部６０Ａと同様に、耐熱性の高い材質からなっていてもよい。反応装置３と加熱装置１とは、反応部６０Ａを構成する材質の点で異なる以外は同じであるため、反応装置３のその他の構成及びその作用についての説明を省略する。
【００７９】
（作用）
反応装置３の作用について説明する。なお、反応装置３の作用と加熱装置１の作用との相違点は、反応部６０Ａの管状体６５内の反応が加熱に限定されるか否かの点、すなわち、反応部６０Ａでの作用にあり、他の作用は同じである。このため、以下では、反応部６０Ａでの作用についてのみ説明する。
【００８０】
反応装置３の反応部６０Ａでの作用は、管状体６５内に、強電界遍在マイクロ波４５を透過させるものである。すなわち、反応装置３の反応部６０Ａでの作用は、管状体６５内に、強電界遍在マイクロ波４５を透過させることによる作用を全て含み、管状体６５内に導入又は配置された処理対象物が加熱以外の作用を受けてもよいものである。加熱以外の作用としては、例えば、一部の反応における反応促進作用が挙げられる。
（効果）
反応装置３によれば、大量の反応対象物７５に強電界遍在マイクロ波４５を有効に照射することが容易であり、反応対象物７５を配置する場所の制約が小さく、システムが簡潔な反応装置が得られる。
【００８１】
［反応部の変形例］
第１の実施形態に係る加熱装置の反応部６０Ａは、他の構成とすることが可能である。図７は、第１の実施形態に係る加熱装置の反応部の第１の変形例を示す断面図である。図８は、第１の実施形態に係る加熱装置の反応部の第２の変形例を示す断面図である。
【００８２】
図７に示す反応部の第１の変形例６０Ｂ（６０）は、図１に示す第１の実施形態の加熱装置１の反応部６０Ａにおいて、管状体６５を、基板２５から離間する方向、すなわち図７中の上下方向に２列配置したものである。加熱装置１のマイクロ波電界空間４０は、基板２５から離間する方向に、上記数値範囲内のマイクロ波電界空間厚み４２を有するため、反応部６０Ｂのように管状体６５を、基板２５から離間する方向に２列配置することが可能である。
【００８３】
図８に示す反応部の第２の変形例６０Ｃ（６０）は、図１に示す第１の実施形態の加熱装置１の反応部６０Ａにおいて、管状体６５を、大きな断面積を有する矩形の断面を有する角筒状の管状体６５としたものである。加熱装置１のマイクロ波電界空間４０は、基板２５から離間する方向に、上記数値範囲内のマイクロ波電界空間厚み４２を有するため、反応部６０Ｃのように管状体６５を、高さの大きい角筒状にすることが可能である。
【００８４】
第１の実施形態の加熱装置１の反応部６０Ａを反応部６０Ｂ又は６０Ｃに代えた場合の作用及び効果は、加熱装置１の作用及び効果と同様であるため説明を省略する。
【００８５】
以上、本発明を実施例及び比較例によって説明したが、本発明はこれらに限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形が可能である。
【符号の説明】
【００８６】
１  加熱装置
２  水素製造装置
３  反応装置
１０  マイクロ波供給装置
１１  マイクロ波発振器
１２  マイクロ波増幅器
１４  給電線
２１  マイクロ波電界部材
２５  基板
３０  電磁波放射素子群
３５  電磁波放射素子
３７  電磁波放射素子群の外接円
３８  外接円投影面
４０  マイクロ波電界空間
４１  マイクロ波電界空間底面
４２  マイクロ波電界空間厚み
４５  強電界遍在マイクロ波
４６  強電界非遍在マイクロ波
４７  強電界マイクロ波部位
４８  中電界マイクロ波部位
４９  弱電界マイクロ波部位
５０  位相制御部
６０、６０Ａ、６０Ｂ、６０Ｃ  反応部
６５  管状体
７０  アンモニアガス供給部
７５  水素製造用触媒（加熱対象物、反応対象物）
【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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【図７】
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【図８】
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