(57)【要約】      （修正有）【課題】反応物質の衝突を熱運動に委ねている化学反応は、衝突確率が低いため反応効率も低い。低い衝突確率を補うために高温高圧とするケースも見受けられる。したがって衝突確率と反応効率を上昇させる。【解決手段】下記の手段１で衝突確率を、手段２で反応効率を上昇させる。１定在波を導入する。定在波のフシは反応物質粒子を捕獲するので反応物質の衝突は確実に起こる。衝突確率は飛躍的に上昇する。２ラセン型振動子を使用する。振動子を循環して加振することにより、定在波を連続的に一定の向きに移動さすことができる。この現象により、生成物を連続的に反応装置外に排出することが可能になる。したがって、反応はスムーズに進行する。これに上記１で衝突後、直ちに反応に進行する効果が加算される。両効果が加算されて、反応効率は格段に向上する。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に定在波が発生し、かつ該定在波の伝搬媒質が充満した容器に、反応物体を投入し、前記定在波のフシが該反応物体を捕捉し、捕捉された該反応物体同士が該フシの近傍または内部で衝突かつ反応することを特徴とする化学反応の原理
【請求項２】
請求項１の原理で化学反応が進行する環境にあり、かつ、定在波が波形を変えることなく一定方向に常時移動する設備を備え、さらに、前記定在波の進行元側に反応物の投入口を、進行先側に、該定在波のフシが誕生した反応生成物を捕捉し、捕捉したまま該生成反応物を装置外部に排出する取出し口を設備した反応装置
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、反応物質同士の衝突とその直後に発生する反応の両過程が、高効率に進行することを保証する、化学反応の原理と装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  例えば、マメ科の根粒菌は常温常圧のもとで、窒素固定化反応を実現しているのに対し、ハーバー・ボッシュ法では、同じ反応が、温度４００〜６００度Ｃ・圧力２００〜１２００気圧の環境下でないと進行しない。
この例のように、現行の化学プラントの中には、反応自体には不要な条件を与えて、はじめて反応が完結する例が見受けられる。【０００３】  現行の化学プラントでは、反応の前段階である反応物質同士の衝突を達成する原理は、熱運動である。しかし、この方式（以後「熱運動方式」と称する）では、次の二要因が相乗的に作用して、衝突→反応にまで至る確率は、格段に低くならざるを得ない。
要因１  反応物質が衝突する確率が低いこと。
要因２  衝突しても反応に至る確率が低いこと。
そこで、低い衝突確率の向上を目的として、高温高圧で操業を選択するのである。【０００４】  この少ない衝突機会を向上させる方策としては、高温、高圧以外にも、反応物質の濃度を上げるなどの対策もある。
しかし、たとえ、どのような対策を追加しても、衝突の原理を熱運動に頼る以上、反応物質が出会うチャンスは偶然に委ねるしかないのだから、衝突確率および反応確率を飛躍的に向上することは期待できない
こう主張する理由を＜０００６＞および＜０００７＞で述べる。【０００５】  説明に入る前に、言葉の使い方について、注釈を加えておきたい。
本文で、確率が「低い」とか「広い」空間というような文言を使用するが、これは、本発明を成立させるための基本手段である「定在波」方式を基準にした表現である。
「定在波」方式の舞台は、フシという幾何学的「点」近傍の、微小空間である。
定在波方式では、反応粒子の出会い・接触・衝突、引き続いて起こる反応などは、全て、その微小空間内で生起する。
また、一連の現象は、短時間に、淀みなく、かつ、殆んど”落ちこぼれ”なく、進行する。
定在波方式を主張する小生の感覚では、反応空間は微小、反応は迅速かつ確実に進行することがあたりまえで、その状態が「基準」である。
したがって、空間の広さの基準としては「微小空間」を、確率の高低の基準としては「１００％」を採用することとした。【０００６】  衝突確率が低いこと（要因１）の説明。
熱運動では、粒子は、三次元空間内を、速度分布則に則った速さで、あらゆる方向に動き回っている。
粒子の接触が実現するのは、二個の粒子の進行の向きが適切である時だけだ。（図１）
接触した粒子のうち、衝突まで至るのは、相対速度が一定の条件（図２）を満たしたものだけだ。
衝突が実現するのは、この二条件の両方を、クリアした粒子だけである。
図１および２から推定できるように、両条件とも、かなり厳しい制約である。
これが、熱運動方式で、粒子の衝突頻度が低い原因である。この現象は、熱運動方式の、原理的・本質的な性質に起因している。
さらに、次の事情が追い打ちをかける。
化学プラントの舞台である反応塔は、粒子にとっては広大な空間である。これは、粒子が、出会う・衝突にとっては不利な条件である。
以上の条件が重なって、衝突確率は低くなる。【０００７】  反応に至る確率が低いこと（要因２）の説明。
熱運動方式の化学反応では、以下に述べる事情により、衝突した粒子が、全て、反応にまで到達するのではない。
反応物質同士で衝突はしたが、連動・合体することなく、分離してしまったり（図３（ａ））、合体したものの、活性化エネルギーを乗り越えるだけのエネルギーを保有していなかったり（図３（ｂ））、というようなケースである。
以上が、＜０００４＞で、反応確率を飛躍的に向上することは期待できないと、主張した根拠である。【０００８】  熱運動方式では、原理上、反応にまで至る確率は、低くならざるを得ない。
したがって、熱運動方式には、以下の＜０００９＞〜＜００１１＞に例示する問題点が付随することは避けられない。【０００９】  反応物質全部が反応を完了するまでには、時間が長くかかり、生産効率を低下させる結果となる。【００１０】  反応自体には不要であるにもかかわらず、衝突する頻度を向上する目的で、高温高圧で操業することは、やむを得ない対策ではある。
しかし、無用なエネルギーを消費するのだから、省エネの観点から好ましくない。【００１１】  高温高圧で操業するために、反応塔、配管・バルブ・測定器など関連する設備は、耐熱・耐圧構造にせざるを得ず、設備のコスト高を招いている。
更に、付随して、厳重・細心なメンテナンスや、それに伴う管理コストが固定経費として加算されて、高い操業コストとして跳ね返ってくる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】ＰＣＴ／ＪＰ２０１１／０６７５７１
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】石川統、湯島誠ほか「新編生物Ｉ」平成１９年２月１０日、東京書籍株式会社、２６頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】  中心課題は、反応物質同士の衝突確率が低いことである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】  課題解決のポイントは、低い衝突確率を向上させることである。
本発明では、低い衝突確率を向上させる手段として、次の現象を採用する。
「定在波のフシには微小粒子を捕捉する能力がある」（図４）。【００１６】  この現象を具体化する反応装置として、以下に説明する反応装置（図５）を使用する。
反応装置ＲＶは円筒形で、内部には定在波の伝達媒体（図示してない）が充満している。
反応装置ＲＶの一端（図では左端）には、一本あるいは複数本（図では二本）の反応物投入管ＩＮ（Ｎ）（図ではＩＮ（１）およびＩＮ（２））が、他端中央には、生成物取出し管ＥＸが設置されている。
生成物取出し管ＥＸは、反応装置ＲＶの外部で生成物収蔵庫Ｓに接続している。
反応装置ＲＶの両端にはラセン振動子Ｖ（ＩＮ）とＶ（ＯＵＴ）が配置される
ラセン振動子の概略図を図６に示す。図６に例示したラセン振動子は、４踏み段のブロック５個で構成されている。なお、ラセン構造を明示するため、中央の円孔は、誇張（拡大）して描いてある。
反応装置ＲＶの内部には、両ラセン振動子が発する、互いに対向する向きに進行する振動波（図示してない）の干渉によって、定在波ＳＷが存在し、かつ、定在波ＳＷは、常時、生成物取出し管ＥＸの方向に向かって移動している。【００１７】  次項（＜００１８＞）以降で、本発明の基本原理「定在波のフシが持つ微小粒子を捕捉する能力」（＜００１５＞）の効用を、衝突・反応過程を用いて説明する。
説明に使用する反応として
反応：○＋△→□
を想定する。すなわち、○と△が反応して、□が生成されるもの仮定する。【００１８】  衝突・反応過程の説明に入る。
反応物質粒子○と△を、反応物投入管ＩＮ（１）およびＩＮ（２）より反応装置ＲＶに投入する。
反応物質粒子○と△は、両粒子とも、投入管ＩＮ（１）およびＩＮ（２）に最も近いフシＮに向かって突き進む。（図７（ａ）の点線で示す経路）
反応装置ＲＶの内部での力学は、定在波が支配しているので、その振動作用により、すべての微粒子は、フシに吸引されるからである。（＜００１５＞参照）【００１９】  両粒子○と△は、共通の目的地であるフシＮに向かって進行するので、両粒子は、必ず、フシＮの近傍で出会い、接触に至る。（図７（ｂ））
両粒子が出会う頃には、両粒子の相対距離は小さくなっているから、両粒子の運動を規制する定在波の条件は、非常に類似している。
すなわち、両粒子の進行方向、速さ、振動の位相の全てが、ほぼ同一となる。
このことは、今まで、お互いに独立して動いていた両粒子が、揃った動きを見せ始めたことを意味する。【００２０】  定在波は、両粒子に、さらにフシＮに接近するよう要求する。
フシに接近するにつれて、定在波の作用範囲は縮小・凝縮するから、両粒子の進行方向、速さ、振動の位相の一致度は、更に高まる。
連動の程度が高まる結果、両粒子は、あたかも合体したかのように見える。
この状況は、粒子○か△の、どちらかが、フシＮにと到着するまで続く。（図７（ｃ））【００２１】  フシＮに到着した。
このことは、「衝突」が完結し、粒子がフシに「捕獲」されたことを意味する。
「衝突」の完結から説明する。
Ｎに到着した粒子は、粒子○としよう。
フシＮは静止点だから、粒子○（の重心）は静止する。
しかし、粒子△はフシＮから外れているから、定在波の影響を受けて、粒子△には、なおも、フシＮに向かう力が働く。すなわち、粒子○との距離を縮めようとする作用を受け続ける（図８（ａ））。
この作用により、粒子○と△の合体化は更に強化され、束縛が極大（局部最大）になって、粒子△の粒子○へ向かう動作は終了し、粒子△も停止する。（図８（ｂ））
この、両粒子○および△の動きがフシで静止した状態が、「衝突」であり、同時に、フシに「捕獲」された状態でもある。
投入から衝突に至る過程では、定在波は、終始、両粒子が連動・合体化するように作用し続ける。
すなわち、定在波場では、同じタイミングで投入された粒子は必ず衝突して、最寄りのフシに捕獲されて安定化することが、力学的に保証されているのだ。
「捕獲」された状態が、安定であることの説明に移る。
上に述べたように、フシＮには、連動する粒子（の片方）が居る
何らかの理由により、新生合体粒子が、フシＮから外れた事態を想定しよう。
フシＮから外れた粒子には、＜００２０＞の作用が働くから、一瞬にして、フシＮに引き戻される。つまり、一旦、フシＮに落ち着いた粒子は、フシＮから抜け出せないのだ。
すなわち、フシが粒子を捕獲する力は、強力なのだ。【００２２】  以上＜００１８＞から＜００２１＞にかけて、反応物粒子が装置に投入されてから、接触、衝突に至るまでの、粒子の挙動を説明した。
注目すべきは、以上の一連の現象が、極めて短時間で生起することだ。
各現象の駆動源は、定在波の振動作用であるから、各現象は定在波の単位振動周期の時間内で生起する。
具体的には、振動周波数が、ＭＨｚオーダーならマイクロ秒程度、ＫＨｚオーダーならミリ秒程度である。
日常生活の感覚では、一瞬という表現が適切だ。【００２３】  粒子○と△は、相対間隔およびフシＮとの位置・距離関係は、ともに安定した。
しかし、エネルギー的には、不安定だ。
なぜなら、両粒子（エネルギーレベルは図９の▲１▼）は、反応装置に投入されて以来、強制的に、定在波の振動に従わされ続けて、フシＮに到着して、ようやく安定したが、その途中で、定在波から得た振動エネルギーは、内部エネルギーとして保存、蓄積されているからである。（図９の▲２▼）
高いエネルギーを持っている粒子○と粒子△は、よりエネルギーレベルの低い準位を探がし求めて安定化しようとする。
高いエネルギーを持っていれば、そのエネルギーを放出して、より安定な準位に遷移するのは、自然界の大原則だ。【００２４】  エネルギーの使い先として、「反応：○＋△→□」がある。
蓄積していたエネルギーは放出されて、反応の活性化エネルギーを乗り越えるのに消費される。（図９の▲３▼）
こうして、「反応：○＋△→□」は進行し完結する。すなわち、反応粒子○、△および暫定的に存在した合体粒子などは全て消滅して、生成物粒子□が誕生する。【００２５】  「反応：○＋△→□」は進行すると仮定したので、生成物粒子□は化学的に安定である。
すなわち、その後、定在波由来のフシＮ近傍に存在する微小な振動を受けても、逆反応が起こることはない。【００２６】  以上（［００１８］〜［００２５］）で、一連の「出会い・衝突→反応」の変化が、確実に進行することを説明した。
確実に進行することは、次の作用ないしは原則によって保証される。
すなわち、出会い・衝突過程では、力学的メカニズム（＜００２１＞）が、反応過程では、エネルギー安定化原則（＜００２３＞）が、安定的かつ確実な進行を保証する。
これが、本発明の名称に「衝突・反応保証」を冠した根拠である。
定在波方式では＜００２２＞の事実を加味すると、「投入→出会い→衝突→反応」の過程は、確実（１００％）に、しかも一瞬のうちに進行することが保証されている。【００２７】  今後、「確実に」の語の後ろに「ほぼ１００％」の文言を付加することがあるが、その意味を説明する。
再三指摘したように、出会い、衝突、反応などの現象は、原則的には１００％の確率で進行する。しかし、現状の技術水準では、化学量論通りに反応物質を投入することは、特に化学プラントでは、困難であろう。したがって、投入量が化学量論量からずれた場合には、未反応物質が発生し、その場合には１００％は達成できない。
このような場合を想定して、「ほぼ１００％」と言う表現を使用する。
【発明の効果】
【００２８】  本発明の効果は、
「迅速かつ確実に衝突および反応が完結すること」
である。【００２９】  この効果に付随して、下に列挙するように、様々な効果が派生する。
＊高い生産性
＊省エネルギー
＊低廉な設備および運転コスト
＊（物量的にもエネルギー的にも）理論的限界値に近い操業
などである。
項目ごとの説明は＜００３１＞で行う。【００３０】  個別の効果の説明に入る前に、その根底にある効果「高確率な衝突・反応完結」（＜００２８＞）を説明する。
以下に、衝突と反応に分けて、両者が、ともに迅速かつ確実（ほぼ１００％で）達成されることを証明する。
「衝突の確実性」
定在波「場」のポテンシャルは、フシで極小値（局部最小値）となる。（図１０）
したがって、定在波場に投入された粒子は、必然的にフシに吸引される。平たく言えば、フシ以外に行くところがないのだ。
つまり、「フシでポテンシャル極小」が、反応粒子の、フシでの出会い・衝突・連動・合体化を保証する。
「反応の確実性」
衝突・合体した粒子は、蓄積した内部エネルギーを放出して、低エネルギーの粒子□に変身する。すなわち、反応○＋△→□を進行させる。
この反応は、低エネルギーレベルへ推移する現象であり、確実に生起する
こうして、定在波を活用すれば、衝突・反応過程とも、確実（ほぼ１００％）に達成される、と結論できる。【００３１】  定在波を利用すれば、現行の化学プラントでの反応に較べて、衝突確率の格段の向上が可能なことを説明した。
これに伴い現行の化学プラントの持つ問題点が一挙に解決することを述べる。
これらの問題点は、「発明の効果」（＜００２９＞）の裏返しである。
以下に問題点ごとに説明する。
「低生産効率」
現行の化学プラントは、熱運動方式で操業されるから、時間当たりの衝突、反応頻度とも、極めて少なく、投入した全ての反応物質が反応を完了するのには、長時間を要する。
それに対し、定在波方式では、反応完結までに要する時間は、熱運動方式に較べれば、格段に短かい。
定在波方式では、投入された反応粒子は、一瞬のうちに、フシへの吸引→衝突→反応へと進行する。すなわち、時間当たりの生成量ははるかに多く、反応物質全量が反応を終えるまでに要する時間ははるかに短い。
しかも、投入量のコントロールを厳格に行えば、未反応物の発生を大幅に減らすことが可能であり、反応式に近い歩留りが期待できる。
定在波方式の生産効率は、圧倒的に高い。
「不必要なエネルギー消費」
熱運動方式では、反応粒子の衝突確率が低いから、それを補う目的で、高温高圧操業を実施する。
これに対し、定在波方式は、反応粒子の衝突確率が非常に高いので、別の手段を援用までして、衝突のチャンスを向上させる必要性が存在しない。
したがって、化学プラントで実施されている、衝突確率向上を目的とした、本来、化学反応自体には必要のない、高温高圧条件は不要である。
すなわち、定在波方式では、莫大な省エネが実現する。
「高い設備および運転コスト」
定在波方式では、高温高圧操業が不要である。
したがって、設備にも、運転上も、高温高圧対策は不要である。
その分コストが削減できる。【００３２】  前項では、個別の要素について、効果／問題点を、検証した。
しかし、化学工学あるいは化学工業への影響という観点からすると、本発明の本当の効果は、「理論的限界値に近い操業が可能」ということなのかもしれない。
現在の反応速度論では、暗黙のうちに熱運動を前提としているため、反応粒子の衝突は確率事象として扱われている。現状の化学プラントでの操業を客観的に観察すれば、この認識は適切である。
しかし、定在波方式では、反応粒子は確実に衝突するのだから、定在波導入以後の反応速度論は、化学プラントでの操業まで含めて、衝突確率１００％として、書き換えられるべきである。
定在波方式の導入は、プラントでも、化学反応式どおりの反応、換言すれば、理論的限界値に近い反応の実現に向けて、大きな一歩を踏み出した。
これが、定在波導入の、化学工学あるいは化学工業に与えるインパクトである。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】反応粒子が接触する状況を説明する図
【図２】接触後衝突に至る条件を説明する図
【図３】衝突したが反応に至らない状況を説明する図
【図４】定在波のフシが粒子を捕獲することを説明する図
【図５】反応装置の模式図
【図６】ラセン振動子を示す図
【図７】反応粒子がフシに捕獲される状況を説明する図
【図８】フシに粒子が捕獲される際に定在波の役割を示す図
【図９】反応前後の粒子のエネルギーレベルを示す図
【図１０】フシで定在波ポテンシャルが極小になることを示す図
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００３４】  振動子を、ラセン階段型にしたことにより、反応生成物を、常時・連続的に、系外（反応装置外）に排出することが可能になり、これにより、高い生産性（単位時間当たりの生成物量）が達成できる。【００３５】  ラセン振動子を、循環的に切り替えながら加振すると、装置内部の定在波は、形状を一定に保ったまま、常時、出口方向へ移動することが可能になる。（［特許文献１］）
この作用により、定在波のフシに捕獲された反応生成物は、定在波の移動に伴って、連続的に反応系外（反応装置外）に排出される。
生成物は、生成の都度、直ちに系外に排出されるので、反応は常時進行する。
生産性が極めて高い、新型の反応装置である。
【実施例２】
【００３６】  他の反応源…例えば、紫外線／赤外線、マイクロウェーブの照射、レーザー冷却など…を併用することにより、多彩な、高付加価値を持った生成物の製造を可能にする。【００３７】  本方式の反応を終えた粒子に、他の反応源の作用を付加することにより、より付加価値の高い生成物を製造することが期待される。
反応物の投入を厳格にコントロールすれば、入り口側の数個（入り口に一番近いフシ一個が普通）のフシで、反応を完結することは可能である。
したがって、設計段階で、反応装置ＲＶの後半部分に、使用する反応源が設置できるだけのスペースを設けておけば、実現する。
【産業上の利用可能性】
【００３８】  本発明の原理は、化学反応を利用している産業…通常の化学産業に留まらず、薬品製造、水処理など広範囲の産業を含む…で活用可能である。
主要反応，基幹反応を本原理で再構築することにより、生産性の向上、コストの削減などで大きなメリットを生み出す。
また、反応促進が目的で、高温高圧操業を実施しているプラントでは、それらを全廃できので、莫大な省エネが達成できる。
【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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【図９】
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【図１０】
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