(57)【要約】【課題】  反応物質の処理量を低減させることなく、反応率の向上を図ることが可能な化学反応炉を提供する。【解決手段】  当該化学反応炉１０は、気体、液体及び粉体のうち少なくとも何れか１種を含む反応物質にマイクロ波を照射し、該反応物質の化学反応を促進させるものである。該化学反応炉１０は、筒状の外殻体１１と、該外殻体１１の内側に収容された筒状の隔壁体１２とを備えている。前記外殻体１１と前記隔壁体１２との間に形成される空間は、反応室１３とされ、前記反応物質が収納されている。前記隔壁体１２は、マイクロ波を透過する透過材料で形成されている。マイクロ波は、入射導波管４３から隔壁体１２の内側に照射されており、該隔壁体１２を介して反応室１３の反応物質に照射される。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
気体、液体及び粉体のうち少なくとも何れか１種を含む反応物質にマイクロ波を照射し、該反応物質の化学反応を促進させる化学反応炉であって、
筒状の外殻体と、該外殻体の内側に収容された筒状の隔壁体とを備え、前記外殻体と前記隔壁体との間に形成される空間を反応室として該反応室に前記反応物質を収納するとともに、マイクロ波を透過する透過材料で前記隔壁体を形成し、該隔壁体の内側にマイクロ波を照射する照射手段を配設し、該照射手段から該隔壁体を介して前記反応物質にマイクロ波を照射することを特徴とする化学反応炉。
【請求項２】
前記外殻体又は前記隔壁体には、前記反応室と連通する導入路及び排出路を設け、該導入路から前記反応物質を導入しつつ該反応物質を該排出路から排出することにより、該反応物質を前記反応室で流通させるとともに、前記外殻体の内面又は前記隔壁体の外面には、該反応物質の流通方向を一定方向に案内するガイド部を設けたことを特徴とする請求項１に記載の化学反応炉。
【請求項３】
前記外殻体の内面又は前記隔壁体の外面には、前記反応物質の化学反応を促進する触媒を収容する触媒収容部を設けたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の化学反応炉。
【請求項４】
前記隔壁体の内側又は前記反応室の内部で発生した光を検出する光検出手段と、該光検出手段による検出結果に応じてマイクロ波の照射を停止する停止手段とを設けたことを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の化学反応炉。
【請求項５】
前記反応室の内部で発生した音波を検出する音波検出手段と、該音波検出手段による検出結果に応じてマイクロ波の照射を停止する停止手段とを設けたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の化学反応炉。
【請求項６】
前記外殻体、前記隔壁体及び前記反応物質で前記マイクロ波を伝送する導波管を構成するものとして、該導波管は、基本モードのマイクロ波のみを伝送するものであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の化学反応炉。
【請求項７】
前記外殻体、前記隔壁体及び前記反応物質で前記マイクロ波を伝送する導波管を構成するものとし、真空条件下におけるマイクロ波の波長を基準波長として、該導波管は、該基準波長の２倍以上の波長を有するマイクロ波を伝送するものであることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の化学反応炉。
【請求項８】
前記外殻体及び前記隔壁体との間に仕切材を設け、該仕切材で前記反応室を複数の反応室に区画するとともに、該該仕切材をマイクロ波を透過する透過材料で形成したことを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の化学反応炉。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波の照射によって反応物質の化学反応を促進させる化学反応炉に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、被照射物にマイクロ波を照射することにより、該被照射物に含まれる分子を振動させて当該分子同士に摩擦熱を発生させたり、当該分子同士の反応を促進させたり等することで該被照射物を加熱可能であることが知られている。このため、様々な被照射物をマイクロ波により加熱する提案がなされている。
【０００３】
例えば、特許文献１にはマイクロ波により油脂を加熱する油脂加熱装置が記載されている。この油脂加熱装置は、四角箱状をなす外殻体と、該外殻体を貫通する流通管とを備えている。前記外殻体には、該外殻体の内部にマイクロ波を導入するためのマイクロ波導入口が透設されている。前記流通管の内側には油脂が流通されている。そして、当該油脂加熱装置は、前記マイクロ波導入口から導入されたマイクロ波を前記流通管の外側から照射することにより、該流通管の内側の油脂を均一に加熱するよう構成されている。
【０００４】
特許文献２には、流動性のある液体や薬液等の液体を加熱する液体加熱装置が記載されている。この液体加熱装置は、四角箱状をなす３つの外殻体と、これら外殻体を貫通する移送管とを備えている。該移送管は、その内側で前記液体を流通させることにより、各外殻体へ移送するものである。各外殻体は、それぞれ加熱部、冷却部及び加圧部とされている。該加熱部は、マイクロ波を前記移送管の外側から照射し、液体の加熱を行うものである。そして、当該液体加熱装置は、加圧状態下の前記液体を加熱し、直ちに冷却することで、該液体の組成を変化させることなく加熱殺菌するように構成されている。
【０００５】
特許文献３には、被照射物として反応物質を用い、該反応物質にマイクロ波を照射することで該反応物質の化学反応を促進させる方法が記載されている。該反応物質は、アルカリ性水溶液と、廃プラスチックとからなる。該廃プラスチックにはマイクロ波吸収特性に優れた原料粉末と、アルカリ性水溶液に接することで水素を発生させる金属粉末とが担持されている。この発生した水素によって廃プラスチックの脱塩素化を行うとともに、マイクロ波の照射により該脱塩素化を促進するようになっている。また、この方法では、箱状をなす外殻体が用いられる。そして、該外殻体の内部にアルカリ性水溶液を貯留するとともに、廃プラスチックを収容し、マイクロ波を照射するよう構成されている。
【特許文献１】特開平７−１２３９１８号公報
【特許文献２】特開平１０−２７６８５号公報
【特許文献３】特開２００３−２１３０３４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
ところで、上記従来の加熱装置等は、マイクロ波を被照射物が収容される流通管等の外側から、あるいは被照射物に直接的に照射していた。ここで、該従来の加熱装置等を化学反応炉として転用し、被照射物を反応物質として、マイクロ波の照射によって該反応物質の化学反応を促進させる場合、該反応物質は、例えば有機溶媒等のように極性を有するものが多く、大半がマイクロ波に対して高い吸収特性を示す。このような反応物質においては、高い吸収特性によりマイクロ波を照射部分の表面のみで吸収してしまうため、マイクロ波が内奥（中心）まで達しにくい。従って、当該化学反応炉は、マイクロ波が照射された表面では化学反応が促進されるものの、反応物質の内奥（中心）では化学反応が促進されておらず、反応率の低下を招くものとなる。一方、当該化学反応炉においては、流通管等の径を細くしたり、反応物質を少量としたり等することで、マイクロ波が反応物質の内奥（中心）まで達するように構成することが可能となる。しかし、このような場合には、反応率は向上するものの、反応物質の処理量の低減が避け難いものとなっていた。
【０００７】
本発明は、このような従来技術に存在する問題点に着目してなされたものである。その目的とするところは、反応物質の処理量を低減させることなく、反応率の向上を図ることが可能な化学反応炉を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の目的を達成するために、請求項１に記載の化学反応炉の発明は、気体、液体及び粉体のうち少なくとも何れか１種を含む反応物質にマイクロ波を照射し、該反応物質の化学反応を促進させる化学反応炉であって、筒状の外殻体と、該外殻体の内側に収容された筒状の隔壁体とを備え、前記外殻体と前記隔壁体との間に形成される空間を反応室として該反応室に前記反応物質を収納するとともに、マイクロ波を透過する透過材料で前記隔壁体を形成し、該隔壁体の内側にマイクロ波を照射する照射手段を配設し、該照射手段から該隔壁体を介して前記反応物質にマイクロ波を照射することを要旨とする。
【０００９】
上記構成によれば、反応物質を収納する反応室は、筒状の外殻体と筒状の隔壁体との間に形成される空間によって形成されている。そして、外殻体の内径と隔壁体の外径との差、つまり反応室の高さを調整することで、反応物質にマイクロ波を吸収させつつ、一部のマイクロ波が該反応物質を透過するように構成することが可能となる。従って、マイクロ波が反応物質の表面のみで吸収されることを抑制することが可能である。一方、反応物質の処理量は、外殻体の内径と隔壁体の外径とを任意に調整することで増減させることが可能である。また、処理量の増加又は軽減に伴って隔壁体の外径を拡大又は縮小した場合、外径の拡大又は縮小に応じて隔壁体の内面の面積、つまりマイクロ波の照射面積も拡大又は縮小されるため、処理量の増減によるマイクロ波の照射量への影響は、無視可能な程度の極僅かなものとなる。従って、反応物質の処理量を低減させることなく、反応率の向上を図ることが可能な化学反応炉を提供することができる。
【００１０】
請求項２に記載の化学反応炉の発明は、請求項１に記載の発明において、前記外殻体又は前記隔壁体には、前記反応室と連通する導入路及び排出路を設け、該導入路から前記反応物質を導入しつつ該反応物質を該排出路から排出することにより、該反応物質を前記反応室で流通させるとともに、前記外殻体の内面又は前記隔壁体の外面には、該反応物質の流通方向を一定方向に案内するガイド部を設けたことを要旨とする。
【００１１】
請求項３に記載の化学反応炉の発明は、請求項１又は請求項２に記載の発明において、前記外殻体の内面又は前記隔壁体の外面には、前記反応物質の化学反応を促進する触媒を収容する触媒収容部を設けたことを要旨とする。
【００１２】
上記構成によれば、反応物質を流通させることにより、該反応物質の一部で局所的にマイクロ波が吸収されることを抑制することができる。さらに、反応物質の流通方向を一定方向とすることで、マイクロ波を反応物質全体に均一に吸収させることができる。また、反応物質を触媒に接触させることで、該反応物質の一部が未反応となることを抑制することができる。その結果、反応物質の化学反応を均質に促進させることが可能である。
【００１３】
請求項４に記載の化学反応炉の発明は、請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の発明において、前記隔壁体の内側又は前記反応室の内部で発生した光を検出する光検出手段と、該光検出手段による検出結果に応じてマイクロ波の照射を停止する停止手段とを設けたことを要旨とする。
【００１４】
請求項５に記載の化学反応炉の発明は、請求項１から請求項４のいずれか一項に記載の発明において、前記反応室の内部で発生した音波を検出する音波検出手段と、該音波検出手段による検出結果に応じてマイクロ波の照射を停止する停止手段とを設けたことを要旨とする。
【００１５】
上記構成によれば、反応物質の沸騰、突沸等による加熱、マイクロ波の局所集中等によるアーク放電等のような光の発生を伴う異常は、光検出手段によって検出することができる。また、反応物質の沸騰、突沸等のような音の発生を伴う異常は、音波検出手段によって検出することができる。そして、これら光検出手段又は音波検出手段の検出結果に応じ、マイクロ波の照射を停止する停止手段を設けたことにより、異常が生じた際には反応物質の加熱を迅速に停止することができる。その結果、反応物質を安定して加熱することが可能である。
【００１６】
請求項６に記載の化学反応炉の発明は、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の発明において、前記外殻体、前記隔壁体及び前記反応物質で前記マイクロ波を伝送する導波管を構成するものとして、該導波管は、基本モードのマイクロ波のみを伝送するものであることを要旨とする。
【００１７】
上記構成によれば、外殻体、前記隔壁体及び前記反応物質からなる導波管を共鳴型のものとすることができる。その結果、マイクロ波を共鳴させることができ、該マイクロ波の減衰又は損失を抑制することが可能である。
【００１８】
請求項７に記載の化学反応炉の発明は、請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の発明において、前記外殻体、前記隔壁体及び前記反応物質で前記マイクロ波を伝送する導波管を構成するものとし、真空条件下におけるマイクロ波の波長を基準波長として、該導波管は、該基準波長の２倍以上の波長を有するマイクロ波を伝送するものであることを要旨とする。
【００１９】
上記構成によれば、外殻体、前記隔壁体及び前記反応物質からなる導波管が非共鳴型のものとなり、高次モードのマイクロ波を好適に伝送することができる。その結果、マイクロ波を隔壁体の内面全体に散乱させることができる。
【００２０】
請求項８に記載の化学反応炉の発明は、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の発明において、前記外殻体と前記隔壁体との間に仕切材を設け、該隔壁材で前記反応室を複数の反応室に区画するとともに、該該隔壁材をマイクロ波を透過する透過材料で形成したことを要旨とする。
【００２１】
上記構成によれば、反応室を複数とすることで、単位時間当たりの処理量を増加させたり、処理に係る時間の短縮化等を図ることができる。その結果、処理効率の向上を図ることが可能である。
【発明の効果】
【００２２】
以上詳述したように、本発明によれば、反応物質の処理量を低減させることなく、反応率の向上を図ることが可能な化学反応炉を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、本発明を具体化した一実施形態について説明する。
この実施形態における化学反応炉は、反応物質の化学反応を促進させるためのものである。この反応物質は、気体、液体及び粉体のうち少なくとも何れか１種を含むものである。すなわち、反応物質は、気体、液体又は粉体のみからなる単体、あるいは液体及び粉体、気体及び粉体、液体及び気体等からなる混合体である。また、当該反応物質は、極性を有する分子を含んでおり、マイクロ波を吸収する性質を有している。そして、当該反応物質は、マイクロ波を吸収することによって発熱し、化学合成、化学分解等の化学反応を起こす。なお、反応物質が混合体である場合、その混合体を構成する少なくとも何れか１つがマイクロ波を吸収する性質を有するものであればよい。また、マイクロ波とは、周波数が３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚであり、波長が１ｍｍ〜１ｍの電磁波である。
【００２４】
図１は、当該化学反応炉１０の側断面図である。当該化学反応炉１０は、外殻体１１と、該外殻体１１の内側に収容された隔壁体１２とを備えている。これら外殻体１１及び隔壁体１２は、それぞれ円筒状に形成されている。外殻体１１は、その内径が前記隔壁体１２の外径よりも大きくなるように形成されている。また、該隔壁体１２は、外殻体１１に対し、それぞれの軸線が一致するように、同心状に配設されている。従って、外殻体１１と隔壁体１２との間には、一定の高さとなるように空間が形成されている。そして、当該空間を反応室１３とし、前記反応物質は該反応室１３に収納されている。
【００２５】
前記外殻体１１において、一端（図１中で右端）の外面には、導入管２１が接続されている。この導入管２１は、円筒状に形成されており、その内部が導入路２２とされている。一方、外殻体１１において、他端（図１中で左端）の外面には、排出管２３が接続されている。この排出管２３は、円筒状に形成されており、その内部が排出路２４とされている。該導入路２２及び排出路２４は、前記反応室１３と連通されている。そして、前記反応物質は、導入路２２から反応室１３へ導入されつつ、該反応室１３を介して排出路２４から外方へ排出されることにより、該反応室１３で流通されている。なお、前記外殻体１１は、前記該導入管２１が下向きに、前記排出管２３が上向きとなるように配設される。これは、排出管２３を下向きとした場合、万有引力等の影響により、反応物質の排出時の流速が導入時に比べて速くなり、反応室１３内で気泡等が形成されてしまうおそれがあるためである。
【００２６】
前記外殻体１１の内面には、ガイド部としての案内溝３１が設けられている。この案内溝３１は、螺旋状をなすように複数が平行に形成されている。前記反応物質は、この案内溝３１により、その流通方向が一定方向となるように案内されている。また、これら案内溝３１の内側には、前記反応物質の化学反応を促進するための図示しない触媒が収容されている。つまり、当該案内溝３１は、反応物質の流通方向を案内するガイド部としての機能と、触媒を収容する触媒収容部としての機能とを兼ね備えている。そして、反応物質は、当該案内溝３１によって流通方向を案内される際、触媒へ接触することにより、その化学反応が促進されるよう構成されている。
【００２７】
当該化学反応炉１０は、前記外殻体１１及び隔壁体１２をそれぞれ複数連結することによって構成されている。この実施形態では、各２つの外殻体１１及び隔壁体１２をそれぞれ複数連結することにより、化学反応炉１０が形成されている。前記外殻体１１は、マイクロ波を反射可能な反射材料で形成されている。当該反射材料としては、鉄、アルミニウム、銅等の金属、ステンレス鋼、ジュラルミン等の合金が挙げられる。前記隔壁体１２は、マイクロ波を透過可能な透過材料で形成されている。当該透過材料としては、ガラス等の無機材料、陶器、磁器、セラミックス等の焼成体等が挙げられる。また、該隔壁体１２は、マイクロ波によって自己発熱可能な自己発熱材料で形成することが好ましい。これは、反応物質がマイクロ波の照射のみならず、隔壁体１２の自己発熱によっても加熱されるためである。この自己発熱材料として、マグネシア、ジルコニア、酸化鉄等の金属酸化物、炭化ケイ素等の無機材料、ムライト系材料、窒化ケイ素系材料、アルミナ等が挙げられる。
【００２８】
当該化学反応炉１０において、両端の開口は蓋体４１によってそれぞれ閉塞されている。これら蓋体４１のうち、他端側の蓋体４１の中心部には入射孔４２が透設されている。この他端側の蓋体４１の外面において、前記入射孔４２と対応する位置には、入射導波管４３が接続されている。また、一端側の蓋体４１の内面には、反射体４４が取着されている。この反射体４４は、前記反射材料により、円錐状に形成されている。
【００２９】
前記入射孔４２、入射導波管４３、反射体４４等により、照射手段が構成されている。この照射手段において、前記入射導波管４３は、図示しないマイクロ波発振器（例えば、マグネトロン等）から出力されたマイクロ波を前記入射孔４２を介して隔壁体１２の内側に照射するものである。また、前記反射体４４は、化学反応炉１０の一端側に達したマイクロ波を前記隔壁体１２の内面へと反射するものである。そして、入射導波管４３から照射された又は反射体４４によって反射されたマイクロ波は、隔壁体１２を透過して前記反応室１３に達することにより、反応物質に照射されるよう構成されている。なお、反応物質を透過したマイクロ波は、外殻体１１で反射されることにより、反応物質に照射されるよう構成されている。
【００３０】
前記外殻体１１には、音波検出手段を構成する沸騰センサ５１が取着されている。この沸騰センサ５１は、前記反応室１３において、反応物質の沸騰を検知するものである。すなわち、反応物質は、マイクロ波の照射により加熱された際、沸騰又は突沸する場合がある。このように反応物質が沸騰又は突沸した場合、該沸騰又は突沸した箇所にマイクロ波の電界が集中したり、該箇所が局所的に加熱されたり、アーク放電が生じたり等することで、前記隔壁体１２が破損してしまうおそれがある。そこで、当該沸騰センサ５１は、反応室１３内の音波及び圧力を検出し、沸騰を検知するよう構成されている。
【００３１】
具体的に、当該沸騰センサ５１は、圧力を検出するピエゾ素子及び音波を検出するマイクロフォンを備えている。前記ピエゾ素子は、沸騰又は突沸による前記隔壁体１２への衝撃圧力の上昇を検出するものである。マイクロフォンは、沸騰又は突沸時に発生する気泡又は蒸気による反応物質の流音の大小又は高低の変化を検出するものである。
【００３２】
前記反射体４４には、光検出手段を構成する光センサ５２が取付けられている。この光センサ５２は、前記隔壁体１２の内側、すなわち該隔壁体１２の内面及び反射体４４の表面で発生した光を検出するものである。この光は、隔壁体１２が局所的に加熱されたり、アーク放電が発生したり等することによって生じるものである。
【００３３】
上記の沸騰センサ５１及び光センサ５２は、図示しない制御部に電気的に接続されている。この制御部は、停止手段を構成するものであり、前記マイクロ波発振器に電気的に接続されている。すなわち、当該制御部には、沸騰センサ５１及び光センサ５２からの検出結果が出力されている。そして、該制御部は、これらの検出結果から反応物質の沸騰、アーク放電等が検知された場合、マイクロ波発振器へ停止信号を出力し、マイクロ波の照射を停止するよう構成されている。
【００３４】
なお、反応物質の沸騰に対する限界値を高めるためには、反応物質を乱流境界層をもつように流通させることが好ましい。この乱流境界層をもつ流通をレイノルズ数で評価した場合、レイノルズ数が２０００以上の流通である。そして、当該化学反応炉１０において反応物質は、前記案内溝３１により、レイノルズ数が２０００以上となるように流通されている。
【００３５】
当該化学反応炉１０においては、各１つの外殻体１１及び隔壁体１２と、これらの間に存在する反応物質とで１基のモジュール６０を構成している。この実施形態では２基のモジュール６０で化学反応炉１０が構成されている。そして、各モジュール６０の間には、略板状の仕切材５３が介装されている。この仕切材５３は、前記隔壁体１２の内側に照射されたマイクロ波を遮蔽することのないよう、前記透過材料によって形成されている。また、当該仕切材５３は、各モジュール６０毎に反応室１３を区画しており、当該化学反応炉１０は、複数の反応室１３を有している。
【００３６】
前記モジュール６０は、マイクロ波を伝送する導波管として機能している。この実施形態で当該モジュール６０は、基本モード（ＴＥ11）のマイクロ波のみを伝送する共鳴管型の導波管として機能している。そして、該モジュール６０は、マイクロ波を共鳴させながら、各モジュール６０同士で伝送しあうことにより、マイクロ波は減衰又は損失することなく各モジュール６０の隔壁体１２へ好適に照射されている。
【００３７】
前記モジュール６０を共鳴管型の導波管として機能させる場合、前記反応物質によるマイクロ波の減衰を考慮して、化学反応炉１０の寸法形状が設定される。この設定においては、マイクロ波の周波数及び波長と、反応物質の誘電率及び誘電損失係数と、隔壁体１２の誘電率及び誘電損失係数と、反応物質の処理量、処理速度及び処理温度とが基礎の数値とされる。当該化学反応炉１０においては、外殻体１１、反応物質及び隔壁体１２から構成される三層構造の断面を有する有限の長さの空間中にマイクロ波が放射される。一般的には、該三層構造を境界条件として、マクスウェルの電磁波動方程式の数値解析によって当該化学反応炉１０の寸法形状が設定される。
【００３８】
ここで、前記反応物質がマイクロ波の吸収に優れたものであることから、当該化学反応炉１０においては、外殻体１１の外面上で電磁界がほぼゼロとなるまで減衰しているものと仮定することができる。そこで、当該化学反応炉１０では、自由空間に放射される波動の解を利用することで、概略設計を行うことが可能となる。
【００３９】
波動の伝搬は、Ｆ（Ｘ）×ｅｘｐ（−Ｋｉ×Ｘ）×Ｓｉｎ（ωｔ＋Ｋｒ×Ｘ）の形状となる。なお、ωは角周波数、Ｋｒは波数ベクトルの実数部、Ｋｉは波数ベクトルの虚数部、Ｘは位置ベクトルを示す。実際には、自由空間ではなく、円筒状の外殻体１１と反応物質とが存在する空間ではあるが、基本モード（ＴＥ11）のマイクロ波であれば、波数ベクトルの実数部、すなわち伝搬の方向と波長が大きく変化することはない。従って、波数ベクトルの虚数部により、マイクロ波のエネルギーの減衰が決定される。そして、当該化学反応炉１０は、波数ベクトルの虚数部が１／ｅの近似値となるように、その長さが設定される。
【００４０】
具体的に、当該化学反応炉１０においては、反応物質の流量が５〜５０Ｌ／ｍｉｎであり、導入時の最大圧力が１０ｋｇ／ｃｍ2（０．９８ＭＰａ）である。マイクロ波は、強度が１．５ｋＷであり、２．４５ＧＨｚである。外殻体１１の寸法形状は、内径が直径で２２５ｍｍ、長さが４４０ｍｍである。隔壁体１２の寸法形状は、内径が直径で９０ｍｍ、長さが４４０ｍｍである。反応室１３の高さは、（２２５−９０）÷２で６７．５ｍｍである。そして、化学反応炉１０の全長が９４１ｍｍである。この際、反射体４４におけるマイクロ波の反射率は２％以下となる。
【００４１】
なお、反応室１３の高さは、反応物質に対するマイクロ波の浸透深さ以下とすることが好ましい。この浸透深さとは、反応物質の表面から内奥までマイクロ波が達することが可能な深さをいう。なお、この浸透深さは、マイクロ波の周波数又は温度に応じて変化する数値である。例えば、反応物質が水を含む場合、常温の水に対する２．４５ＧＨｚのマイクロ波の浸透深さは、１ｃｍである。従って、反応物質が水を含む場合には、反応室１３の高さを１ｃｍ以下とすることが好ましい。
【００４２】
次に、前記化学反応炉１０の作用について以下に記載する。
さて、当該化学反応炉１０においては、マイクロ波が入射導波管４３から隔壁体１２の内側に照射される。このマイクロ波は、外殻体１１、隔壁体１２及び反応室１３の反応物質で構成されるモジュール６０で共鳴することにより、基本モード（ＴＥ11）のみが伝送される。そして、基本モード（ＴＥ11）のマイクロ波は、前記隔壁体１２を透過し、反応室１３内で反応物質に照射される。該反応物質は、照射されたマイクロ波を吸収することにより、加熱され、化学反応が促進される。反応物質に吸収されず、該反応物質を透過したマイクロ波は、外殻体１１の内面で反射され、再び反応物質に照射され、吸収される。また、再び反応物質を透過したマイクロ波は、隔壁体１２を透過した後、該隔壁体１２の対向側で隔壁体１２を透過して反応物質に吸収される。さらに、化学反応炉１０の内奥まで達したマイクロ波は、反射体４４によって隔壁体１２の内側へ反射されることにより、上記と同様に反応物質に吸収される。従って、マイクロ波は、化学反応炉１０の内部から外部へ漏れ出すことはなく、ほぼ全てが反応物質に吸収される。
【００４３】
前記の実施形態によって発揮される効果について、以下に記載する。
・  実施形態の化学反応炉１０によれば、隔壁体１２の内側に照射されたマイクロ波は、化学反応炉１０の内部から外部へ漏れ出すことはなく、ほぼ全てが反応物質に吸収される。加えて、当該化学反応炉１０は、反応物質によるマイクロ波の減衰を考慮した上で、各モジュール６０が導波管として機能するように寸法形状が設定されている。従って、マイクロ波の一部が反応物質を確実に透過するようになっており、該反応物質の表面でのみ化学反応が促進されることはない。このため、反応率の向上を図ることができる。
【００４４】
・  また、反応物質によるマイクロ波の減衰が考慮されていることから、処理量の増減によるマイクロ波の照射量への影響を、ほぼ皆無とすることができる。
・  また、隔壁体１２を透過材料であるセラミックスで形成した場合、該セラミックスは圧縮応力に強く、引っ張り応力に弱いという性質を有している。従来例のようにセラミックス製の隔壁体１２の内側に反応物質を流通させた場合には、反応物質の突沸、沸騰等によって内圧が高まれば、該内圧により隔壁体１２の内面に引っ張り応力が加わり、隔壁体１２が破損してしまうおそれがある。しかし、当該化学反応炉１０によれば、反応物質が隔壁体１２の外面上を流通することから、突沸、沸騰等により隔壁体１２に加わる応力は、圧縮応力となる。従って、隔壁体１２の破損を抑制することができる。
【００４５】
・  また、外殻体１１の内面に凹設された案内溝３１により、反応物質は外殻体１１の周面に沿って螺旋状をなすように軸線方向へ流通されている。また、案内溝３１の内側には触媒が収容されており、この案内溝３１に反応物質が接触する際、触媒により化学反応が促進されている。従って、反応物質の化学反応を均質に促進させることができる。
【００４６】
・  また、当該化学反応炉１０は、沸騰センサ５１及び光センサ５２が異常を検出した際、マイクロ波の照射を迅速に停止するよう構成されている。従って、反応物質を安定して加熱することができる。
【００４７】
・  また、各モジュール６０を共鳴型の導波管として機能するよう構成することで、該マイクロ波の減衰又は損失を抑制することができる。
・  また、当該化学反応炉１０は、２つの反応室１３を備えることで処理効率の向上を図ることができる。
【００４８】
なお、本実施形態は、次のように変更して具体化することも可能である。
・  図２に示すように、化学反応炉１０を構成する各モジュール６０は、真空条件下におけるマイクロ波の波長を基準波長として、該基準波長の２倍以上の波長を有するマイクロ波を伝送する導波管として機能させてもよい。図２に示す化学反応炉１０は、図１に示す化学反応炉１０と寸法のみが異なる。具体的には、反応物質の流量が３００Ｌ／ｍｉｎであり、導入時の最大圧力が１０ｋｇ／ｃｍ2（０．９８ＭＰａ）である。マイクロ波は、強度が２００ｋＷであり、８４ＧＨｚである。外殻体１１の寸法形状は、内径が直径で２２５ｍｍ、長さが２１２．５ｍｍである。隔壁体１２の寸法形状は、内径が直径で１９０ｍｍ、長さが２１２．５ｍｍである。反応室１３の高さは、（２２５−１９０）÷２で１７．５ｍｍである。そして、化学反応炉１０の全長が４８６．１ｍｍである。この際、反射体４４におけるマイクロ波の反射率は０．３％以下となる。そして、当該構成によれば、各モジュール６０は非共鳴型の導波管として機能し、高次モードのマイクロ波を好適に伝送することが可能となる。そして、高次モードのマイクロ波を使用した場合には、該マイクロ波を隔壁体１２の内面全体に広く散乱させることができる。
【００４９】
・  反射体４４に代え、反射物質から形成された複数枚の羽根を有するスターラーファン等としてもよい。
・  前記仕切材５３を省略し、各モジュール６０の反応室１３同士を連通させることにより、当該化学反応炉１０が１つの大きな反応室１３を備えるよう構成してもよい。
【００５０】
・  実施形態では２基のモジュール６０を連結して化学反応炉１０を構成したが、１基のモジュール６０のみで化学反応炉１０を構成してもよい。１基のモジュール６０で化学反応炉１０を構成する場合、当該モジュール６０の他端に入射導波管４３を接続し、一端に反射体４４を取着する。また、３基以上のモジュール６０を連結して化学反応炉１０を構成してもよい。３基以上のモジュール６０で化学反応炉１０を構成する場合、該化学反応炉１０の他端に位置するモジュール６０に入射導波管４３を接続し、該化学反応炉１０の一端に位置するモジュール６０に反射体４４を取着する。
【００５１】
・  前記モジュール６０は、必ずしも導波管としての機能を有する必要はなく、各モジュール６０同士でマイクロ波を伝送しあわないよう構成してもよい。
・  前記沸騰センサ５１は、マイクロフォンのみで構成し、音波のみを検出するよう構成してもよい。また、沸騰センサ５１は、反応物質の沸騰を検出可能であれば、隔壁体１２に設けてもよい。
【００５２】
・  前記光センサ５２を省略してもよい。あるいは、光センサ５２を隔壁体１２の内面、外殻体１１の内面等に設けてもよい。
・  前記触媒は案内溝３１に収容されることに限らず、反応室１３で反応物質の流路上に案内溝３１とは別に触媒収容部を設けてもよい。例えば、網体の内部に触媒を収容し、これを反応室１３内に配設したり等してもよい。
【００５３】
・  前記案内溝３１は、外殻体１１の内面に設けることに限らず、隔壁体１２の外面に設けてもよい。また、ガイド部は、案内溝３１に限らず、外殻体１１又は隔壁体１２の軸線方向に延びるものとしたり、あるいは突条等で形成してもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】実施形態の化学反応炉を示す断面図。
【図２】別形態の化学反応炉を示す断面図。
【符号の説明】
【００５５】
１０…化学反応炉、１１…外殻体、１２…隔壁体、１３…反応室、２２…導入路、２４…排出路、３１…ガイド部としての案内溝、４３…照射手段を構成する入射導波路、４４…照射手段を構成する反射体、５１…音波検出手段を構成する沸騰センサ、５２…光検出手段を構成する光センサ。
【図１】
2005169324.tif 000003
【図２】
2005169324.tif 000004