JP2006130385A - Microwave chemical reactor - Google Patents
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Description
この発明は、マイクロ波を照射することにより化学反応を促進する化学反応装置に係り、空胴共振器を用いるにもかかわらず、液体、気体、粉体等の被加熱物(以下「試料」という。)の温度変化に伴う試料の比誘電率、tanδ等の誘電体特性の変化に対して共振周波数を調整する必要が殆どないか、その必要性を大幅に軽減したマイクロ波化学反応装置に関する。 The present invention relates to a chemical reaction apparatus that promotes a chemical reaction by irradiating a microwave, and despite using a cavity resonator, an object to be heated (hereinafter referred to as a “sample”) such as a liquid, a gas, or a powder. This is related to a microwave chemical reaction apparatus in which there is almost no need to adjust the resonance frequency with respect to changes in dielectric properties such as the relative dielectric constant and tan δ of the sample accompanying temperature changes, or the necessity is greatly reduced.
マイクロ波は、電子レンジを始め、産業用加熱炉の熱源として広く利用されている。マイクロ波は、物質に含まれる水を加熱するだけでなく、極性を持った誘電物質に作用してこれを直接、かつ選択的に加熱できるので、従来の加熱手段のように外部から試料を加熱する装置に比較して、短時間で効率よく試料を加熱できる特徴を持っている。
近年、化学反応を行わせたい物質にマイクロ波を照射すると、反応を大幅に促進できる現象が見出され、単なる加熱装置に留まらず、短時間で化学反応を行う化学反応装置としての用途が大きく開けつつある。
マイクロ波化学反応装置には、大別して、終端に整合負荷を接続した整合導波管型、終端を短絡した短絡導波管型、空胴共振器を用いる空胴共振器型がある。
一般に化学反応は、これらの方式の装置内に試料を置いて行われる。整合導波管型は殆ど調整を要しないので、使用上、簡便ではあるが、装置の構成上から、終端に向かって伝播するマイクロ波電力しか利用できないという問題があって効率があまり高くないという欠点を持っている。しかしながら、そのような問題があっても、化学反応を相応に大幅に早めることができる能力を持つので、使用上の簡便さから、利用が広まっている。この装置に対し、短絡導波管型は、反射して戻ってくるマイクロ波も反応に利用することができるもので、進行および反射するマイクロ波の位相を試料の位置で同相になるように調整することにより効率を改善できる特徴を持つが、試料の誘電体特性の差や変化に対応して短絡位置を多少、調整しなければならないという欠点を持っている。空胴共振器型は、マイクロ波を空胴壁で多重反射させて試料に何度も照射させるもので、効率が極めて高くなるという利点を持つが、試料の特性の差や変化に対応して共振周波数を調整し常に同調を取る必要があるという欠点を持っている。したがって、短絡導波管型や空胴共振器型の高効率特性を持ち、整合導波管型の簡便さを持つ装置の開発要求が高まっている。すなわち、調整を全く要しないか、あるいは、簡便な方法で、調整が可能な装置の開発が要求されている。
化学反応のもうひとつの重要な要件は反応の均一性である。この要件を満たすには、試料に均等な強さを持つマイクロ波を照射することである。特に、
化学反応に触媒を用いる場合、触媒とその近傍にある試料にほぼ均一なマイクロ波を照射し、この部分のみを選択的に等しい温度に加熱することが望ましい。マイクロ波を化学反応に用いることが広まっているが、将来は、現在、あまり考慮されていない均一照射の要求も高まってくると思われる。
空胴共振器を用いて化学反応の効率を大きく速める技術として、例えば、特許文献1に示す装置が提案されている。この方法は、導波管を伝播するマイクロ波を環状の導波路に導き、この環状導波路の内側に同軸的に円筒状の空間を設け、前記導波路とこの円筒状空間との隔壁に設けられ軸方向に向かう少なくとも3個のスロットから放射されるマイクロ波を、円筒状空間の中心部に配設した試料に照射して化学反応を行わせるものである。試料の誘電体特性が温度上昇に伴って変化しても複数のスロットからマイクロ波が照射され自動的に同調されて、外部から補償する必要がないと説明されている。しかしながら、この方式は装置構成が複雑であり、電磁波的にも複雑な結合になるだけでなく、円筒状空間の中心部で電界が相殺されてゼロになるので、したがって、必ずしも的確な方法とは言えない。
In recent years, when microwaves are radiated on a substance to be subjected to a chemical reaction, a phenomenon that can greatly accelerate the reaction has been found, and the use as a chemical reaction apparatus that performs a chemical reaction in a short time is not limited to a simple heating device. Opening up.
Microwave chemical reaction devices are roughly classified into a matching waveguide type in which a matching load is connected to the terminal, a short-circuited waveguide type in which the terminal is short-circuited, and a cavity resonator type using a cavity resonator.
In general, a chemical reaction is performed by placing a sample in an apparatus of these types. The matching waveguide type requires almost no adjustment, so it is simple in use, but there is a problem that only the microwave power propagating toward the end can be used due to the configuration of the device, and the efficiency is not so high. Have drawbacks. However, even if there is such a problem, it has the ability to accelerate the chemical reaction correspondingly considerably, so that its use is widespread because of its convenience in use. In contrast to this device, the short-circuited waveguide type can use microwaves reflected and returned for reaction, and the phase of the traveling and reflected microwaves is adjusted to be in phase at the sample position. However, it has the disadvantage that the short-circuit position must be adjusted to some extent according to the difference or change in the dielectric properties of the sample. The cavity resonator type is designed to irradiate the sample multiple times with multiple reflections of the microwaves on the cavity wall, which has the advantage of extremely high efficiency, but responds to differences and changes in sample characteristics. It has the disadvantage that it is necessary to adjust the resonance frequency to always tune. Therefore, there is an increasing demand for development of a device having high efficiency characteristics such as a short-circuited waveguide type and a cavity resonator type and a simple matching waveguide type. That is, there is a demand for development of an apparatus that does not require any adjustment or that can be adjusted by a simple method.
Another important requirement for chemical reactions is reaction uniformity. Satisfying this requirement is to irradiate the sample with microwaves of equal strength. In particular,
When a catalyst is used for a chemical reaction, it is desirable to irradiate the catalyst and a sample in the vicinity thereof with a substantially uniform microwave and selectively heat only this portion to an equal temperature. The use of microwaves for chemical reactions has become widespread, but in the future, the demand for uniform irradiation, which is not much considered at present, will increase.
As a technique for greatly increasing the efficiency of chemical reaction using a cavity resonator, for example, an apparatus shown in
この発明は、上記のような背景と要求のもとになされたものであり、マイクロ波によって化学反応を促進する新しい手段を提供することを目的とする。 The present invention has been made based on the background and requirements as described above, and an object thereof is to provide a new means for promoting a chemical reaction by microwaves.
請求項1に記載された発明においては、上記課題を解決するため、導波管から結合スロットを介して円筒状の空胴共振器内にマイクロ波を結合し、厳密な周波数同調を必要とせずに、円筒空胴の中心部に配した試料の化学反応を促進させるマイクロ波化学反応装置を構成する。
In the invention described in
請求項2に記載された発明は、請求項1に記載のマイクロ波化学反応装置において、簡便な方法でおおまかな周波数同調を行うことを可能とする手段を提供する。
The invention described in
請求項3に記載された発明は、請求項1又は2に記載されたマイクロ波化学反応装置において、自動的に周波数同調を行うことを可能とする手段を提供する。
The invention described in
請求項1に記載された発明においては、加熱中の誘電体の特性変化に対し周波数同調の必要がないようにした。
In the invention described in
請求項2に記載された発明においては、誘電体の違いによる大きい誘電体特性の差に対して同調を確保できるようにした。
In the invention described in
請求項3に記載された発明においては、誘電体特性の変化に対し電気機械的な帰還手段を利用して同調を確保できるようにした。
In the invention described in
図面を参照してこの発明の一実施形態を説明する。図1は本発明の基本構造を示す断面図、図2は空胴と導波管の結合法を説明する外観図、図3は本発明の構成によって得られる広帯域性を説明する特性図、図4は図3の構成と協働して同調の要求度合いを軽減する共振器のQ特性に関する説明図、図5は、共振周波数を比較的大きく変化させる手段を示す斜視図、図6は誘電体棒を差し込んだ部分からの電磁波の漏洩を防ぐ方法の一実施例を示す部分断面図である。 An embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a cross-sectional view showing the basic structure of the present invention, FIG. 2 is an external view for explaining a coupling method of a cavity and a waveguide, and FIG. 3 is a characteristic diagram for explaining the broadband property obtained by the configuration of the present invention. 4 is an explanatory diagram relating to the Q characteristic of the resonator that reduces the degree of tuning required in cooperation with the configuration of FIG. 3, FIG. 5 is a perspective view showing a means for changing the resonance frequency relatively large, and FIG. 6 is a dielectric. It is a fragmentary sectional view which shows one Example of the method of preventing the leakage of the electromagnetic waves from the part which inserted the stick | rod.
図1において、1は円筒状の空胴共振器で、円筒状の側壁7と、軸線方向両端の端部側壁8とを有する。2はこの空胴と同心的に配設され、内部に化学反応を起させる試料を流す円管である。この円管2は、例えば石英のようなマイクロ波の損失が少なく断熱特性が優れた材料で作られ、マイクロ波はこの円管を透過して内部に流れている試料を加熱し、その化学反応を促進する。この円管2は、空胴とほぼ同軸的に配設される限り、必要に応じて、内部に試料を収容する試験管等の円筒状容器で置き換えてもよい。以下簡単のため、円管の場合を取り上げて説明する。図2に示すごとく、円筒状空胴共振器の側壁7には、軸方向のほぼ中心に中心軸に直角な方向から導波管3が接続される。導波管3の終端の短絡板5は、中心部に空胴共振器1の軸方向に向かうスロット状の結合孔4を持つ。この短絡板3は、空胴共振器1の側壁と部分的に共通となっている。この結合孔4により、導波管3から空胴共振器1内に、TM020またはTM030モードの電磁波が励起される。この電磁波の電界は、円周に沿って変化せず、軸方向に一定で、径方向には、空胴共振器1の側壁を含め、2または3ヶ所でゼロとなるように分布をしている。このゼロとなる位置より内側と外側の電界の向きが互いに逆になっている。軸方向の分布は空胴内に何も入っていないときは一定であるが、マイクロ波を吸収する試料が挿入されているときには、軸の両端に向かうにつれ多少弱くなるような傾向を持つ。軸方向の均一性は、容器の場合のほうが円管の場合より悪くなる。
In FIG. 1, 1 is a cylindrical cavity resonator, which has a
図3はTM010、TM020、TM030、TM040モードを励起したときの比誘電率に対する共振周端数の変化を示している。なお、図では便宜上、モードを示す記号の最後の0を省略して記載している。空胴の半径は、誘電率が比較的大きいとき、TM020、TM030、TM040に対して、ほぼ2,300ないし2,600MHzで共振するような値に選んである。すなわち、この計算では、誘電体の半径を10mmとし、これらのモードに対して、空胴半径を、それぞれ80、120、180mmとしている。TM010 に対する空胴半径はで45mmである。図から、誘電率に対するTM010の周波数変化は大きいが、TM020以上のモードでは共振周端数の変化が小さいことが判る。なお、高次のモードになるほど、空胴の直径が大きくなって、実用的でなくなるので、TM020、TM030あたりを選ぶのが賢明である。 FIG. 3 shows the change in the resonant peripheral edge with respect to the relative permittivity when the TM010, TM020, TM030, and TM040 modes are excited. In the figure, for the sake of convenience, the last 0 of the symbol indicating the mode is omitted. The cavity radius is chosen to resonate at approximately 2,300 to 2,600 MHz for TM020, TM030, and TM040 when the dielectric constant is relatively large. That is, in this calculation, the radius of the dielectric is 10 mm, and the cavity radius for these modes is 80, 120, and 180 mm, respectively. The cavity radius for TM010 is 45mm. From the figure, it can be seen that the frequency change of TM010 with respect to the dielectric constant is large, but the change in the resonance peripheral number is small in the mode of TM020 or higher. Note that the higher the mode, the larger the cavity diameter becomes impractical, so it is advisable to choose around TM020, TM030.
図4は空胴のQ特性である。円管2内に何も収容しないとき、Qは4,000ないし5,000程度の極めて高い値をとる。このように、Qが高い値をとるときは、極めて帯域が狭くなって、周波数が共振から少しずれると空胴に発生する電界が急激に弱くなる。Qが10程度の低い値になると、周波数が共振から120MHz程度ずれても、電界強度が半分程度に弱まるだけである。化学反応を行わせる試料がマイクロ波をよく吸収する場合はQが低くなるので、同調を厳密に取る必要がなくなる。
FIG. 4 shows the Q characteristics of the cavity. When nothing is accommodated in the
化学反応を起す試料に対し水やエチレングリコールなどの比較的、マイクロ波吸収の大きい溶媒を用いると、装入量にもよるが、Qが十分低くなり、共振特性がブロードになる。この結果、温度変化あるいは化学反応の進行に伴って誘電特性がある程度変化しても、非同調でマイクロ波電力の大部分を吸収できるようになる。 When a relatively large microwave absorption solvent such as water or ethylene glycol is used for a sample that causes a chemical reaction, the Q is sufficiently low and the resonance characteristics are broad, depending on the amount of charge. As a result, even if the dielectric characteristics change to some extent as the temperature changes or the chemical reaction proceeds, most of the microwave power can be absorbed non-tuned.
試料にエタノールのような溶媒を使うときは、上記の溶媒に比較し、誘電率が小さいので、例えば、水に共振する構造のまま、溶剤をエタノールに切り変えるとかなり共振から外れる。その場合は、図5に示すような方法を採用する。ここでは、4本の誘電体製の調整棒6が空胴共振器1の中心軸と直交する端部側壁8に、出入り自在に挿入されている。4本の調整棒6は、空胴共振器1の同軸円周に沿って、中心軸に平行となるように配置される。必要に応じ本数を増やしてよい。この調整棒6の誘電率の効果により、共振周波数が下がるので、同調が取れるようになる。
When a solvent such as ethanol is used for the sample, the dielectric constant is smaller than that of the above-mentioned solvent. For example, when the solvent is switched to ethanol while maintaining a structure that resonates with water, it is considerably out of resonance. In that case, a method as shown in FIG. 5 is adopted. Here, four
共振周波数を高くするには、誘電体の代わりに金属製の調整棒6を用いればよい。適当な本数、直径、材料を選ぶことによってかなりの試料に対し共振周波数を合わせることができる。通常、Qはそれほど高くならないので、厳密に共振周波数を調整する必要はない。しかもこの方法は単に適当な数の調整棒を入れたり、抜いたりするだけであるので、容易に同調の目的を達成することができる。温度上昇、反応の進行によって誘電率が変化するので、その変化の度合いを相殺できるようにあらかじめ同調を少し外しておくなどの手法をとれば、さらに広い範囲で同調を確保できる。
In order to increase the resonance frequency, a
なお、上記に比較的簡易な方法で同調をとる方法を示したが、特にQが高かったり、あるいは、かなり厳密に同調の確保を望んだりする場合は、カプラーを用いて空胴に発生する電磁波をピックアップし、この値が最大となるように自動制御できる周波数調整手段を使用すればよい。空胴の共振周波数を変える手段としては、上記のような誘電体または金属製の調整棒6の挿入量を変化させる手段を用いるほか、円筒面に誘電体あるいは金属からなる小片を挿入する方法を用いることもできる。本発明では共振モードをTM020またはTM030としているので、比誘電率の変化に対する共振周波数の変化が小さくなっており、その結果、自動制御の場合でも、調整幅が小さくなるという有利を生じている。Qが極めて高い場合はこのような自動共振機構を採用することが必要であるが、通常の化学反応装置ではその必要がない場合が多い。
In addition, the method of tuning by the comparatively simple method was shown above. However, especially when Q is high or when it is desired to ensure the tuning fairly strictly, the electromagnetic wave generated in the cavity using a coupler. It is sufficient to use a frequency adjusting means that can automatically control the value so as to maximize the value. As a means for changing the resonance frequency of the cavity, a means for changing the insertion amount of the dielectric or
空胴共振器1の端部側壁7に調整棒6を差し込むと、挿入孔から電磁波が漏れる可能性がある。図6は調整棒6を挿入する場合の電波漏れ対策の一実施例である。図6の金属円管9は、内径がマイクロ波に対しカットオフとなる値となっている。金属円管8の長さは、漏れが十分少なくなるような値になっている。調整棒6が金属製の場合は、端部側壁8と金属棒6との間で放電する可能性があるので、両者を完全に接触させるか、あるいは少し隙間を空けるようにする。この場合、金属円管9と同軸線を形成することになるので、端部で金属円管9と金属棒6が完全に短絡するようにする。
When the adjusting
空胴共振器1内に試料を挿入すると、空胴のインピーダンスが変化し、導波管3との整合が悪くなる。この問題に対しては、3スタブチューナのような整合器を使用する。整合は試料の違いや特性変化によっても変化する。しかし、代表的な条件に対して整合を取っておけば、いちいち整合をとらなくても、ある程度の要求を満たすことができる。常に完全に整合を取りたい場合は、自動整合できる整合器があるのでそれを使用してもよい。
When a sample is inserted into the
この発明は、空胴の中心部に配設した円管内を流れる試料にマイクロ波を照射することによって高効率な化学反応装置にすることができるほか、円周方向に均一な電界を発生しているので比較的均一に化学反応を促進でき、産業上広い応用展開が可能である。 In addition to being able to make a highly efficient chemical reaction device by irradiating a sample flowing in a circular tube disposed in the center of the cavity with a microwave, this invention can generate a uniform electric field in the circumferential direction. Therefore, the chemical reaction can be promoted relatively uniformly, and a wide range of industrial applications are possible.
1 空胴共振器
2 円管
3 導波管
4 結合孔
5 短絡板
6 調整棒
7 端部側壁
8 金属円管
DESCRIPTION OF
Claims (3)
この空胴共振器内に同軸的に配設され、内部に試料を収容する電磁波透過性誘電体からなる円管または円筒容器を具備し、
前記空胴共振器の円筒状側壁に軸方向に沿って設けられた結合スロットにより外部からマイクロ波が結合され、
前記空胴共振器内に、大きさが円周に沿って一定で、半径方向に対しては円筒状側壁を含めて2または3箇所で大きさが実質的にゼロとなるように変化するマイクロ波電界を発生させ、前記試料を加熱して化学反応を促進することを特徴とするマイクロ波化学反応装置。 A cavity resonator composed of a metal cylindrical side wall and a metal end side wall that electromagnetically closes both axial ends of the side wall;
Coaxially disposed in the cavity resonator, and includes a circular tube or a cylindrical container made of an electromagnetic wave transmitting dielectric material that accommodates a sample therein,
The microwave is coupled from the outside by a coupling slot provided along the axial direction on the cylindrical side wall of the cavity resonator,
In the cavity resonator, the size is constant along the circumference, and the size changes so that the size becomes substantially zero in two or three locations including the cylindrical side wall in the radial direction. A microwave chemical reaction device that generates a wave electric field and heats the sample to promote a chemical reaction.
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