(57)【要約】【課題】  小型簡易で、加熱効率が高く、安価に得られるマイクロ波加熱装置を提供する。【解決手段】  マイクロ波加熱装置１は、導波管６の途上に被加熱物を収容する加熱槽８を受け入れる加熱部９を有する。導波管６は、加熱部９を包含する加熱導波管ユニット１０と、接続導波管１２，１３とを具備する。加熱導波管ユニット１０は、両端の接続管部１４，１５と、中間部の加熱部９と、両者間のテーパ管１６，１７とを具備する。接続管部１４，１５は、導波管１２，１３と同一口形、テーパ管１６，１７は、その高さ寸法が加熱部９に向かって漸減し、加熱部９の高さが導波管１２，１３の高さより小さい。導波管６の一部である加熱部９は、相対的に高さ寸法が小さいから、そこでマイクロ波電界が強まり、これによって、加熱槽８内の試料に吸収されるマイクロ波電力が増大する。  【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発振器と、マイクロ波の良好な整合負荷である無反射終端器と、前記マイクロ波発振器と無反射終端器とを接続しマイクロ波発振器から無反射終端器へマイクロ波を伝送する導波管とを具備し、この導波管の途上に被加熱物を収容する加熱槽を受け入れる加熱部を具備するマイクロ波加熱装置において、
前記導波管は、前記加熱部を包含する加熱導波管ユニットと、それのマイクロ波伝送方向両側に接続される接続導波管とを具備し、
前記加熱導波管ユニットは、前記接続導波管へ接続するために両端に設けられた当該接続導波管と同一口形の接続管部と、中間部に設けられた前記接続導波管より高さ寸法が小さい前記加熱部と、この加熱部と前記接続管部との間に設けられた高さ寸法が前記加熱部に向かって漸減するテーパ管とを具備することを特徴とする導波管型マイクロ波加熱装置。
【請求項２】
マイクロ波を発振するマイクロ波発振器と、このマイクロ波発振器の制御装置と、マイクロ波の無反射終端器とを内蔵する本体と、
ほぼＵ字状に屈曲して前記本体内のマイクロ波発振器と無反射終端器とを接続し、マイクロ波発振器から無反射終端器へマイクロ波を伝送する導波管とを具備し、
前記導波管は、その途上に被加熱物を収容する加熱槽を受け入れる加熱部を具備することを特徴とする導波管型マイクロ波加熱装置。
【請求項３】
前記導波管は、前記加熱部を包含する加熱導波管ユニットと、それのマイクロ波伝送方向両側に接続される接続導波管とを具備し、
前記加熱導波管ユニットは、前記接続導波管へ接続するために両端に設けられた接続導波管と同一口形の接続管部と、中間部に設けられた前記接続導波管より高さ寸法が小さい前記加熱部と、この加熱部と前記接続管部との間に設けられた高さ寸法が前記加熱部に向かって漸減するテーパ管とを具備することを特徴とする請求項２に記載の導波管型マイクロ波加熱装置。
【請求項４】
前記導波管の加熱部における電界方向の対向側壁の一方に、加熱部内の加熱槽を導波管の外部から観察するための観察窓が、他方に、採光窓が設けられていることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の導波管型マイクロ波加熱装置。
【請求項５】
前記導波管内のマイクロ波電界の方向が水平方向であり、前記加熱部における上部側壁に前記加熱槽を受け入れる開口が設けられ、加熱部内に配置された加熱槽の上部開口内へアクセス可能に構成されていることを特徴とする請求項１ないし３の何れかに記載の導波管型マイクロ波加熱装置。
【請求項６】
前記本体から前記導波管の加熱部に沿ってその上方に伸びるように支持棒が突設され、この支持棒に機器支持用のクランプが装着されていることを特徴とする請求項２ないし５の何れかに記載の導波管型マイクロ波加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、試料にマイクロ波を照射し、これを加熱することによって化学反応を促進したりする作業に適用できるマイクロ波加熱装置に係り、特にその加熱の効率化と装置の小型化に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般に化学反応は温度を高めることによって促進される。マイクロ波加熱はこの目的を短時間で効率良く達成できる有効かつ強力な手段であり、近年、特にマイクロ波加熱による化学反応装置の利用が盛んになっている。また、マイクロ波を用いると、単なる昇温だけでは説明がつかないような短い時間で反応が進むとの学術報告もある。
マイクロ波加熱による化学反応装置として、比較的容積の大きい炉を用いるものが製品化されている。代表的な製品は家庭用の電子レンジとほぼ同レベルの大きさである。しかしながら、特に化学反応を実験室レベルで多くの試料に対して効率良く行う場合を想定すると、オーブン方式は必ずしも適当な手段といえない。特に化学反応を起こさせる試料の量が少ないのが普通であるので、もっと加熱槽を小さくし、これを加熱する炉も小型化することが望まれる。
このような観点から、できるだけ小型簡易で比較的安価なマイクロ波加熱による化学反応装置を要求する声が高まっている。この要求に応え、マイクロ波電力を比較的低いレベルに抑えるとともに、装置を構成するコンポーネントの種類も必要最小限に抑え、試験管のような小型の加熱槽を受け入れる炉部分を導波管そのものとした装置が特許文献１に記載されている。しかしながら、この装置では、加熱槽を試験管とし、試料をその中に入れ、溶媒として、最も代表的な水を採用した場合、加熱効率が小さく、加熱槽に向かって導波管に伝送される電力の１０%程度しか加熱に利用されない。
効率を高める手段として、加熱槽を通過した電力を反射させ、再び加熱槽に入射させたり、加熱槽収容部を共振空胴としたりすることが考えられるが、これでは一般に加熱槽や共振空胴からのマイクロ波の反射が大きくなって、チューナやサーキュレータを付設することが必要になり、大型複雑化してしまうという問題点がある。
【特許文献１】特開２００２−７９０７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
この発明は、以上のような従来技術における不都合を解決し、小型簡易な構成で、加熱効率を向上させることができ、安価に得られる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】
【０００４】
請求項１に記載された発明は、導波管６の途上に被加熱物を収容する加熱槽８を受け入れる加熱部９を具備するマイクロ波加熱装置１において、導波管６には、加熱部９を包含する加熱導波管ユニット１０と、それのマイクロ波伝送方向両側に接続される接続導波管１２，１３とを具備させる。加熱導波管ユニット１０には、接続導波管１２，１３へ接続するために両端に設けられた接続管部１４，１５と、中間部に設けられた加熱部９と、この加熱部９と接続管部１４，１５との間に設けられたテーパ管１６，１７とを具備させる。接続管部１４，１５は、接続導波管１２，１３と同一口形とし、テーパ管１６，１７は、その高さ寸法が加熱部９に向かって漸減し、加熱部９の高さが導波管１２，１３の高さより小さくなるようにした。導波管６の一部である加熱部９は、相対的に高さ寸法が小さいから、そこでマイクロ波電界が強まり、これによって、加熱槽８内の試料に吸収されるマイクロ波電力が増大する。
【０００５】
請求項２に記載された発明は、マイクロ波を発振するマイクロ波発振器３と、このマイクロ波発振器３の制御装置４と、マイクロ波の無反射終端器５とを内蔵する本体２と、ほぼＵ字状に屈曲して本体２内のマイクロ波発振器３と無反射終端器５とを接続し、マイクロ波発振器３から無反射終端器５へマイクロ波を伝送する導波管６とを具備させて導波管型マイクロ波加熱装置を構成する。導波管６の途上には、被加熱物を収容する加熱槽８を受け入れる加熱部９を設ける。これにより小型のマイクロ波加熱装置１を提供する。
【０００６】
請求項３に記載された発明は、請求項２に記載された発明を前提とし、そこにおける導波管６に、加熱部９を包含する加熱導波管ユニット１０と、それのマイクロ波伝送方向両側に接続される接続導波管１２，１３とを具備させる。加熱導波管ユニット１０には、接続導波管１２，１３へ接続するために両端に設けられた接続管部１４，１５と、中間部に設けられた加熱部９と、この加熱部９と接続管部１４，１５との間に設けられたテーパ管１６，１７とを具備させる。接続管部１４，１５は、接続導波管１２，１３と同一口形とし、加熱部９は、接続導波管１２，１３より高さ寸法を小さくし、テーパ管１６，１７は、その高さ寸法が加熱部９に向かって漸減し、加熱部９の高さが導波管１２，１３より小さくなるようにした。この場合、装置が小型である上、相対的に高さ寸法が小さい加熱部９で強化されたマイクロ波電界により、加熱槽８内の試料を効率的に加熱できる。
【０００７】
請求項４に記載された発明は、請求項１ないし３に記載された発明を前提とし、そこにおける導波管６の加熱部９の電界方向一方の対向側壁１８に、加熱槽８を外部から観察するための観察窓２０を設け、他方の対向側壁１９に採光窓２１を設けた。
【０００８】
請求項５に記載された発明は、請求項１ないし３に記載された発明を前提とし、そこにおける導波管６内のマイクロ波電界の方向を水平方向とし、加熱部９における上部側壁２２に加熱槽８を受け入れる開口２３を設け、加熱部９内に配置された加熱槽８の上部開口内へアクセス可能に構成した。
請求項６に記載された発明は、請求項２ないし５に記載された発明を前提とし、そこにおける本体２から導波管の加熱部９に沿ってその上方に伸びるように支持棒２６を突設し、この支持棒２６に機器支持用のクランプ２８を装着した。
【発明の効果】
【０００９】
請求項１に記載された発明においては、加熱部導波管９の高さ寸法が相対的に小さいから、そこでマイクロ波電界が強まり、これによって、加熱槽８内の試料を効率的に加熱することができる。
【００１０】
請求項２に記載された発明においては、マイクロ波発振器３とマイクロ波の無反射終端器５とを内蔵する本体２と、マイクロ波発振器３と無反射終端器５とを接続するＵ字状に屈曲した導波管６とで、小型で簡易な導波管型マイクロ波加熱装置１を構成できる。
【００１１】
請求項３に記載された発明においては、加熱槽８内の試料を強化された電界により効率的に加熱できる小型で簡易な導波管型マイクロ波加熱装置１を提供できる。
【００１２】
請求項４に記載された発明においては、観察窓２０、採光窓２１により、導波管の加熱部９における試料の変化を導波管の外部からよく観察することができる。
【００１３】
請求項５に記載された発明においては、加熱部９内に配置された加熱槽８の上部開口内へ外部からアクセスして温度測定その他の操作を行うことができる。
【００１４】
請求項６に記載された発明においては、支持棒２６にクランプ２８を介して種々の実験用機器を支持して実験を効率的に行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
図面を参照してこの発明の一実施形態を説明する。図１はこの発明の実施形態に係るマイクロ波加熱装置の平面図、図２は同マイクロ波加熱装置の正面図、図３は同マイクロ波加熱装置の側面図、図４は同マイクロ波加熱装置の一部の正面図、図５は同マイクロ波加熱装置の一部の平面図、図６は図４におけるVI−VI断面図、図７はこの発明の実施形態に係るマイクロ波加熱装置の斜視図である。
【００１６】
図において、マイクロ波加熱装置１の本体２は、平面視Ｌ型に屈折したケース内に、マイクロ波を発振するマイクロ波発振器３と、このマイクロ波発振器３を制御する制御装置４と、マイクロ波の無反射終端器５とを内蔵する。
ほぼＵ字状に屈曲した導波管６が、マイクロ波発振器３と無反射終端器５との間を接続し、マイクロ波発振器３から無反射終端器５へマイクロ波を伝送する。導波管６で伝播されるマイクロ波はＴＥ０,１モードであり、電界の方向は図１の矢印７で示される水平方向である。
【００１７】
導波管６の途上には，被加熱物を収容する試験管のような加熱槽８を受け入れる加熱部９が設けられる。導波管６は、加熱部９を包含する加熱導波管ユニット１０と、それのマイクロ波伝送方向（矢印１１）の両側に接続される接続導波管１２，１３とを具備する。接続導波管１２，１３は、幅と高さの比率が２：１の標準矩形導波管（一般に矩形導波管において、寸法の大なる方を幅、小なる方を高さという）である。
【００１８】
加熱導波管ユニット１０は、接続導波管１２，１３へ接続するために両端に設けられた接続管部１４，１５と、中間部に設けられた加熱部９と、この加熱部９と接続管部１４，１５との間に設けられたテーパ管１６、１７とを具備する。接続管部１４，１５は、それぞれ接続される接続導波管１２，１３と同一口形である。加熱部９は、接続導波管１２，１３より高さ寸法が小さい（図示の実施形態において幅と高さの比率が４：１）矩形の直管である。テーパ管１６、１７は、それぞれ接続管部１４，１５から加熱部９に向かって高さ寸法が漸減する。なお、加熱導波管ユニット１０は、適用する加熱槽８（例えば各種試験管、フラスコ等）の形状に応じて異なる高さのものを数種用意し、用途に応じて交換可能である。
【００１９】
図５，６に示すように、加熱部９における電界方向（矢印７）の対向側壁１８，１９の一方に、加熱部９内の加熱槽８を導波管の外部から観察するための観察窓２０が、他方に、採光窓２１がそれぞれ電磁波シールドされて設けられている。
【００２０】
図示の実施形態において、加熱槽８は試験管であり、加熱部９の上壁２２に形成された挿入孔２３を通して加熱部９内に挿入される。加熱槽８の底部は、加熱部９の底壁から所定距離離れるように、加熱部９内に設けられたテフロン（登録商標）のようなマイクロ波低損失の素材からなる支持台２４上に支持される。挿入孔２３の中心Ａは、加熱部９の中心軸線Ｂに対して距離Ｃだけ電界方向にずれた位置に配置される。これは、側壁に近づけた方が側壁の影響を受けて被加熱物内の電界がより強くなる現象が生じ、加熱効率が高くなるためである。挿入孔２３の外周上部には支持筒２５が設けられている。加熱槽８内にはマイクロ波電力により加熱される試料が入っている。
【００２１】
本体２の側面から導波管の加熱部９に沿って伸びるように支持棒２６が突設されている。この支持棒２６は中空で、この中に熱電対２７のリード線２７ａが通っている。リード線２７ａは、本体２内の制御装置４に接続される。熱電対２７は、金属シース２７ｂに被覆されたもので、長手方向と電界の方向７とが互いにほぼ直角となるように加熱槽８内に挿入される。熱電対２７は制御装置４につながっており、加熱槽８内の試料の温度に基づいて制御装置４によって、発振器３の出力が制御される。リード線２７ａの途上は、クランプ２８を介して支持棒２６に支持される。支持棒２６は、その他の必要な実験機材を任意位置で支持するのに用いられる。
【００２２】
マイクロ波電力は本体２内のマイクロ波発振器３で励起され、導波管１２を介して、加熱槽８を収容する加熱部９に伝播され、一部が加熱槽８内の試料の加熱に使われる。残りのマイクロ波電力は導波管１３を介して、本体２内の無反射終端５に伝播され、そこで消費される。
【００２３】
試料の溶媒が水の場合について説明する。水の誘電率εは比較的高いので、試料の寸法は実効的に
【数１】
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された長さになる。加熱槽８を挿入する前の導波管加熱部９内の電界は、図2の矢印７の方向、あるいはその逆の方向に時間的に順次向かいながら振動している。加熱槽８を挿入すると、水の誘電率の影響で電界が加熱槽８の内部に集中した形態の分布となる。加熱槽８を加熱部９の中心先鋭に挿入したとき、電界は対称的な形態をとるが、偏芯して挿入したときは複雑な集中の形態をとる。加熱槽８の内部だけでなく加熱槽外の電磁界も大幅に変化する。集中部の電界の強さは、中心に挿入した場合に比べ、側壁近傍の偏芯した位置の方がおよそ2倍になる。このことは試料に吸収されるマイクロ波電力がおよそ４倍に高められることを意味する。加熱効率は、溶媒によって値が変化するが、改善の割合はほぼ同じである。
【００２４】
化学反応では、試料を一定の温度に維持することが重要である。そのために、熱電対２７で温度を計測し、これをマイクロ波発振器３に帰還して出力を制御する。
【産業上の利用可能性】
【００２５】
この発明は、試料にマイクロ波を照射し、これを加熱することによって化学反応を促進する小型卓上の化学反応装置に利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】この発明の実施形態に係るマイクロ波加熱装置の平面図である。
【図２】この発明の実施形態に係るマイクロ波加熱装置の正面図である。
【図３】この発明の実施形態に係るマイクロ波加熱装置の側面図である。
【図４】この発明の実施形態に係るマイクロ波加熱装置の一部の正面図である。
【図５】この発明の実施形態に係るマイクロ波加熱装置の一部の平面図である。
【図６】図４におけるVI−VI断面図である。
【図７】この発明の実施形態に係るマイクロ波加熱装置の斜視図である。
【符号の説明】
【００２７】
１    マイクロ波加熱装置
２    本体
３    マイクロ波発振器
４    制御装置
５    無反射終端器
６    導波管
７    マイクロ波電界の方向
８    加熱槽
９    加熱部
１０  加熱導波管ユニット
１１  マイクロ波伝送方向
１２  接続導波管
１３  接続導波管
１４  接続管部
１５  接続管部
１６  テーパ管
１７  テーパ管
１８  対向側壁
１９  対向側壁
２０  観察窓
２１  採光窓
２２  上壁
２３  挿入孔
２４  支持台
２５  支持筒
２６  支持棒
２７  熱電対
２７ａ  リード線
２７ｂ  金属シース
２８  クランプ
【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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