JP2006302721A - マイクロ波による高圧加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 超臨界条件を満足する高圧室内にマイクロ波を導入する新しい手段を提供する。
【解決手段】 高圧室２の開口３ａを、比誘電率が大きく、マイクロ波を透過し、かつ、熱的にも機械的にも強固な誘電体製の仕切窓４で封止する。誘電体製の仕切窓４により、比較的断面積の小さい開口３ａでマイクロ波を高圧室２内に導入できるようにした。この手段を用いて、高圧室２の径に応じて共振する横共振器型、この高圧室２と外部の調整空胴１５とで形成され全体の長さＬに応じて共振する縦共振型、高圧室２に１対の仕切窓を設け、これを伝送線に取り込んだ伝送線型の３種のマイクロ波導入法がある。
【選択図】 図３

Description

この発明は、加圧された試料にマイクロ波を照射することにより試料の物理化学反応を促進する装置に係り、試料が収容された高圧状態にある容器内にマイクロ波を効率よく導入して、試料を高温高圧下で反応させるマイクロ波による高圧加熱装置に関する。

温度と圧力が臨界点を超えた流体は一般に超臨界流体と呼ばれる。この状態で流体は分子間力を自在に制御できるようになり、抽出、分離、反応、材料製造に適した液体でも気体でもない新規の溶媒となるので、その応用が、近年、注目を集めている。
一方、マイクロ波は、電子レンジをはじめ、産業用加熱炉の熱源として広く利用されてきたが、化学反応を行わせたい物質にマイクロ波を照射すると、化学反応を大幅に促進できる現象が見出され、マイクロ波効果が注目されている。
超臨界状態にある試料にマイクロ波を照射すると、活性がさらに大きく高まると期待され、そのような状態にある試料にマイクロ波を照射したいという要求が高まっている。この要求に応えるための方法として、いくつかの試みがなされている。
圧力がそれほど高くない場合は、マイクロ波が存在する場にマイクロ波を透過する誘電体材料で形成された強固な耐圧容器を置くことで目的を達成できる。
さらに圧力と温度が高くなる場合に対して特許文献１に記載された高温高圧容器が提案されている。この高温高圧容器は、耐圧容器と反応容器で構成される。耐圧容器の内側に耐熱、耐食性の密閉式反応容器が設けられる。耐圧容器と反応容器の内圧は制御できる、好ましくは両者の内圧が等しくなるように制御される。耐圧容器に、反応促進用マイクロ波を供給するための導波管が結合される。耐圧容器に接続される導波管の開口部には仕切窓が設置される。
この方法では、マイクロ波を導入するための導波管の開口の大きさを低減する試みを含んでいないため、適用に限界がある。
例えば、水を超臨界状態にするには、およそ50Mpa、500℃の高圧、高温が必要とされる。このような高圧、高温に耐えるためには、金属でもハステロイのような特殊な材料を選択する必要がある。一般によく使われるマイクロ波の周波数は2,450MHzである。このマイクロ波の波長は122mmであり、マイクロ波を導入する開口はこの波長に応じた大きさにする必要がある。例えば、方形導波管のTE10モードを使用する場合は、長方形状開口の長辺の長さを61mm程度以上に、円形導波管のTM01 モードの場合は、開口直径を93mmよりも大きくする必要がある。開口を大きくすれば、耐圧性を確保することが困難である。開口を小さくしても圧力容器の壁が十分薄い場合は、圧力容器内にマイクロ波を導入することができるが、耐圧性を持たせるために壁厚もある程度以上にする必要があるから、結局、遮断状態になってマイクロ波の導入が困難になる。
この壁を乗り越えるには、新たな工夫が必要になる。すなわち、超臨界媒体を扱うことと、マイクロ波効果を利用すること、の2つの要求を満たすことができる新しい装置の開発が求められる。
特開 ２００２−１１３３５０号公報

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、超臨界状態にある試料にマイクロ波を導入する新しい手段を提供することを目的とする。

この発明においては、上記課題を解決するため、以下の手段を採用した。
（１）高圧室２内にマイクロ波が遮断状態にならないような仕切窓４を設けこの窓を通して効率的に高圧室２内にマイクロ波を導入する手段を提供する。すなわち、この発明のマイクロ波による高圧加熱装置は、開口３ａを有する金属壁で包囲された高圧室２を具備する。高圧室２内に開口３ａを介してマイクロ波が導入され、内部に収容された高圧の試料Ａにマイクロ波が照射される。金属壁の開口３ａの断面積は、当該開口にマイクロ波を伝送する導波管６の断面積より小さく設定される。開口３ａは、比誘電率が６以上である誘電体を開口に充填する形態の仕切窓４で気密に封止される。金属壁および仕切窓４は、高圧室２内の圧力を10Mpa以上に設定可能な耐圧強度を有する。
（２）好ましくは、高圧室に仕切窓４を介して隣接するように、金属壁で包囲された共振空胴５が設けられる。この共振空胴５に導波管６が結合される。共振空胴５は、マイクロ波の共振周波数が高圧室２の共振周波数と一致するように設定される。共振空胴５と高圧室２が、仕切窓４を介して互いに結合する２つの共振器を構成する。
（３）また好ましくは、高圧室２内に、周波数調整片７が気密に出入り自在に挿入されると共に、共振空胴５に別の周波数調整片８が出入り自在に挿入され、２つの周波数調整片７，８の一方または双方の高圧室２内および／または共振空胴５への突出量の調整によって、マイクロ波の同調を取るように構成される。
（４）高圧室２に仕切窓４を介して隣接するように、金属壁で包囲された調整空胴１５が設けられる。この調整空胴１５は、開口３ａよりも断面積が大きい主体部１５ａと、断面積が高圧室２に向かって漸減する縮小部１５ｂを有する。調整空胴１５に導波管６が結合され、調整空胴１５から仕切窓４を介して高圧室２内にマイクロ波が伝送され、それによって、調整空胴１５と高圧室２が一体となって単一の共振器となるように構成される。
（５）好ましくは、調整空胴１５に、高圧室２と一体となった単一の共振器としての共振周波数を調整する手段が設けられる。
（６）この調整空胴１５の共振周波数調整手段は、調整空胴１５と高圧室２の並び方向の寸法を変更可能な構造とすることによって、あるいは調整空胴１５内に出入り自在に設けられた周波数調整片によって構成される。
（７）あるいは、円筒形高圧室２の軸方向の両端側に仕切窓４が設けられ、それぞれ仕切窓４を介して隣接するように、高圧室２と同軸の円形導波管１０，１１が結合される構成をとりうる。これらの円形導波管１０，１１は、開口３ａよりも断面積が大きく設定され、円錐管部１０ａ、１１ａを介して仕切窓４に結合される。一方の円形導波管１０，１１は、方形導波管を介してマイクロ波発振器に結合され、他方の円形導波管１１，１０は、方形導波管を介して無反射終端で終結する。この場合、円形導波管１０，１１と高圧室２が全体としてマイクロ波の伝送線を形成する。
（８）好ましくは、仕切窓あるいはこれに隣接する誘電体が、高圧室２の開口３ａから調整空胴１５または導波管１０，１１側へ突出し、突出部４ａが先細りに形成される。それによりマイクロ波が遮断状態となることなく高圧室２内へ導入される。
（９）さらに好ましくは、高圧室２を形成する金属壁の内側に、誘電体円筒が挿入される。

この発明は、上記の手段により、以下の効果を有する。
（１）高圧室２の小さい開口３ａを通してマイクロ波を高圧室２内に効果的に導入できる。
（２）高圧室２を共振器として、高圧室２内に強く均一なマイクロ波を励起できる。
（３）周波数調整片７，８により、高圧室２内と共振空胴５の共振周波数の同調を容易に行うことができる。
（４）開口３ａよりも内径の大きい調整空胴１５を縮小部１５ｂ、仕切窓４を介して高圧室２に結合し、調整空胴１５と高圧室を単一の共振器となるように構成する場合には、共振は大気圧状態の調整空胴１５のみの調整ですみ、高圧室２における共振周波数調整は不要とすることができる。導波管６の寸法に対応する内径の大きな調整空胴１５に効率的にマイクロ波を導入し、そのまま縮小部１５ｂおよび仕切窓４を介して高圧室２に結合することができる。
（５）調整空胴１５における高圧室並びの長さを変更可能な構造とするか、調整空胴１５内に出入り自在に周波数調整片を設ければ、容易に共振周波数調整を行うことができる。
（６）小径の高圧室２の両側に仕切窓４、円錐筒部１０ａ、１１ａを介して大径の導波管１０，１１を結合した場合には、高圧室２がマイクロ波の伝送線内に組み込まれることになり、共振周波数の同調をとる必要がない。
（７）仕切窓４を高圧室２の開口３ａから外側へ突出させ、突出部４ａを先細りに形成すれば、開口３ａでマイクロ波が遮断されることを抑止できて、大径の調整空胴１５または導波管１０から小径の高圧室２へのマイクロ波の伝送を効率的に行うことができる。
（８）高圧室２を包囲する金属壁の内側に誘電体棒あるいは誘電体円筒９を挿入することにより高圧室２を小径に構成することができ、高圧室２の耐圧性を容易に高めることができる。

図面を参照してこの発明の一実施形態を説明する。図１は本発明に係る高圧加熱装置の基本構造を示す断面図、図２は高圧室を囲む金属壁の内側に誘電体製の円筒を挿入した本発明の他の実施形態に係る高圧加熱装置の基本構造を示す断面図、図３は高圧室に隣接してこれよりも大径の調整空胴を設けた他の実施形態に係る高圧加熱装置の基本構造を示す断面図、図４は導波管の途上に導波管より小径の高圧室を取り込んだ伝送線型の高圧加熱装置の基本構造を示す断面図である。

図１において、高圧加熱装置１は、円筒状の金属壁で包囲された高圧室２を具備する。高圧室２の軸方向一端側の金属壁３は開口３ａを有する。開口３ａは、比誘電率が６以上である誘電体からなる仕切窓４で開口３ａを充填する形態で、気密に封止される。高圧室２の金属壁３に隣接して、円筒状の金属壁で包囲された共振空胴５が設けられる。共振空胴５には、マイクロ波を伝送する導波管６が結合される。
高圧室２内に、共振空胴５と開口３ａを介してマイクロ波が導入され、高圧室２内に収容された試料Ａにマイクロ波が照射される。開口３ａの断面積は、導波管６の断面積より小さく設定される。

仕切窓４は誘電率が比較的高く耐熱性がよく、機械的に強固な物質、例えばサファイアや高純度アルミナ等で作られる。仕切窓４は、これに外接する金属壁３に、気密に、機械的に強固に保持される。高圧室２は空胴共振器を兼ねている。共振周波数は周波数調整片７の挿入位置を調整することにより調整される。共振空胴５の中は大気圧である。共振空胴５の共振周波数は例えば板状金属からなる周波数調整片８により調整される。

図１の実施形態では、高圧室２と共振空胴５はほぼ同じ径の円筒状になっており、共振周波数がほぼ等しくなるように設計されている。すなわち複共振器構造になっている。実際には、高圧室２内は高圧、高温になるので等価的な比誘電率は1を超えている。このため、高圧室２と共振空胴５の共振周波数が同じ場合、それに対応する分だけ高圧室２の径が小さくなる。設計ではこの分を見込んで寸法を決める。等価的な比誘電率は温度や圧力の関数になるので、動作中に設計値からずれる可能性がある。その場合、調整片７，８の挿入位置をそれぞれ調節して両者の共振周波数がともに信号周波数に等しくなるように調整される。マイクロ波は導波管６により共振空胴５に結合される。共振モードは、実施例において、TM010である。共振空胴５に励起されたマイクロ波は仕切窓４を通って、高圧室２内に結合され、同じく強いTM010が励起される。

この方式の問題点は共振空胴５と高圧室２の2つの空胴の共振周波数を一致させる必要があることである。特に高圧室２側の調整片７は通常、周波数可変幅が狭いので、時には同調が取れない可能性が起きる。マイクロ波源の信号周波数が可変の場合は、まず、マイクロ波の周波数を高圧室２の共振周波数に優先的に一致させ、つづいて、共振空胴５の周波数調整片８を調整して両空胴の共振をとる。

次に、仕切窓４の材料をサファイアや高純度アルミナ等にする理由について説明する。マイクロ波の周波数が2,450MHzの場合、一般に開口３ａがマイクロ波に対してカットオフとならないためには、およそ93mmを超える開口径である必要がある。高圧室２にそのような大きい開口を設けることは耐圧構造上適切でない。そこで仕切窓４の材料として、比誘電率が大きいものを選択した。この比誘電率が大きい窓４は、開口３ａを充填する形で構成されているので、マイクロ波が遮断される窓径は比誘電率の平方根分の１となる。すなわち、サファイアや高純度アルミナの比誘電率はおよそ９程度なので、窓径は約31mmまで小さくできる。窓４がマイクロ波を透過させる必要があるので、設計では、これより若干、大きい窓径（開口径）を選択する。この方法により、マイクロ波は、遮断されることなく、小さい窓４を透過できるようになる。窓が小さいため圧力に対する強度も高まる。

図２は高圧室内1を囲む金属壁の内周側に誘電体円筒９を挿入した状態を示している。円筒９を挿入しない場合、高圧室２の内径は最小でも93mmで、かなり大きい容器となる。このような大きさの高圧室２を作ることは不可能ではないが、設計的見地からもう少し小さいものが望まれる。そこで、誘電体円筒９を挿入し、その効果により高圧室２の内径が小さくなるようにする。例えば、誘電体円筒９として、内径32mm、外径40mmのアルミナ円筒を挿入すると、高圧室２の内径を40mmに設計できる。

上記円筒状の高圧室２や共振空胴５の共振は、基本的にはそれぞれの内径で決定される。周波数調整片７，８は、あくまで周波数を補助的に同調させるための手段に過ぎない。したがって周波数の同調範囲は自ずと限定されたものになる。特に高圧室２は、内部に挿入される細い棒状の調整片７で調整するので、気密性を保ちながらこれを動かすこと自体それなりに手がかかるだけでなく、また周波数の調整範囲がさらに狭くなるという問題を擁している。

図３の実施形態は、高圧室２を個別の共振器とせずにマイクロ波を導入する方法の一例である。この場合、仕切窓４は、図に示すように右方へ突出４ａした構造にする。仕切窓４を介して隣接する調整空胴１５は、その内径が仕切り窓４より大きく設定されており、仕切窓４に接続される左側の部分が、縮小するテーパを持った円錐部１５ａになっている。単に円錐状に径を縮小するとこの部分でマイクロ波が遮断されてしまうが、前記のような突出した仕切り窓４を用いると遮断状態に入るという問題を解消できる。仕切り窓４自体を突出させる代わりに、必要に応じ仕切り窓４に比誘電率の高い円錐状の誘電体部品を付加して突出させてもよい。また、誘電体円筒９を挿入して高圧室２の内径も小さくしてある。このような構造で。高圧室２は、調整空胴１５を含めた全体として１つの共振器１６となる。調整空胴１５の内径は、2,450MHzで共振する寸法より若干大きく、例えば、110mm程度に設計される。したがって、高圧室２の内径は、これよりかなり小さい。調整空胴１５、高圧室２を一体化した共振器１６の長さＬを調整することにより共振周波数の同調をとることができる。この調整は大気圧部分の長さの変更により行えるので、調整範囲も広くでき調整自体が容易である。

図１の方法では、共振周波数が内径で決まったが、図３の方法では内径ではなく長さ方向で決まる点が大きい相違点である。調整空胴１５を形成する円筒状金属壁は軸方向に長さ変更できるように摺動自在に設計されている。左右の両部を摺動調整することにより、一体化された共振器の長さＬを調整することができる。また摺動部の接触不良により発生する問題を避ける目的でチョークを採用してもよい。図２の実施形態との大きい違いは、共振器がひとつに統合されている点と、周波数の同調が高圧室２の外の寸法を変えることによって行われる点である。また共振は径で共振周波数が決まる横共振から長さ方向の寸法で決まる縦共振に変わっている。すなわち、仕切窓４を調整空胴１５側へ突出させ、この突出部４ａを先細りとしたことにより、円錐部１５ａのみではマイクロ波が遮断領域に入ってしまうという問題が解消される。調整空胴１５に円錐部１５ａを設け仕切窓４を突出させたことにより、マイクロ波がスムーズに高圧室２に結合され、高圧室２と調整空胴１５が一体になってひとつの共振器を構成する。したがって、高圧室２に共振のための独立の調整片を設ける必要がない。共振周波数の調整は大気圧である調整空胴１５のみで行える点に大きいメリットが生じる。なお、高圧室２内の電界分布の均一性は、図1のものに比較して、若干、低下している。仕切窓４に突出部４ａがなく、調整空胴１５に円錐部１５ａがない場合は、調整空胴１５の内径と仕切窓４の外径の差が大きすぎるため、調整空胴１５のみで、共振してしまうという問題を生じる。

図４に示す実施形態では、圧力室２の軸方向両端側に、開口３ａ，３ｂおよび仕切窓４，１４を介して、それぞれ円形導波管１０，１１が接続されている。仕切窓４，１４は、それぞれ一端側が導波管１０，１１側へ突出し、突出部４ａ，１４ａは先細りに形成される。導波管１０は、図示しない円形−方形導波管変換器および方形導波管を介してマイクロ波発振源に結合され、導波管１１は、同様に方形導波管を介して無反射終端で終結する。この実施形態の装置は、全体としてマイクロ波の伝送線を形成している。マイクロ波は、例えば右のTM01モード円形導波管１０から入射し、仕切窓４を通った後、中間の高圧室２を透過して仕切窓１４を経て、左側のTM01モード円形導波管１１から出射される。高圧室２内には超臨界状態の媒体と試料が混在した流体が収容されており、マイクロ波はこの部分で吸収され、試料Ａの反応を進行させる。この場合、マイクロ波は透過中に吸収されるだけなので、マイクロ波の効率は図3の実施形態より低くなる。マイクロ波が不十分の場合はマイクロ波出力を強めて対応する。同調機構をまったく要しないという大きい利点がある。

以上の説明で、高圧室２の外壁を比較的薄く描いたが、これは構造の概念を示すためであって、実際には圧力に耐えるのに十分な厚さを持っている。また、高圧室内の温度を測るために温度計測素子が、また、圧力を測るために圧力計が高圧室内に挿入または連結される。さらに内部を加圧するための加圧機構につながる細管が高圧室に接続される。また、安全のための逃がし弁のような圧力制限機構も使用される。また必要に応じ、追加の加熱手段が高圧室外に設けられ、外部に対する必要な熱遮蔽も行われる。

この発明は、高温高圧の超臨界状態において高圧室内の試料にマイクロ波を照射して試料の反応を促進させる産業用または実験用の装置として利用できる。

本発明に係る高圧加熱装置の基本構造を示す断面図である。 高圧容器内に誘電性の円筒を挿入した本発明の他の実施形態に係る高圧加熱装置の基本構造を示す断面図である。 高圧容器に隣接してこれよりも大径の調整空胴を設け高圧容器とこの調整空胴とを一体化して単一の共振器とした他の実施形態に係る高圧加熱装置の基本構造を示す断面図である。 導波管の途上に導波管より小径の高圧容器を取り込んだ伝送線型の高圧加熱装置の基本構造を示す断面図である。

符号の説明

１ 高圧加熱装置
２ 高圧室
２ａ 円錐部
３ 金属壁
３ａ 開口
４ 仕切窓
４ａ 突出部
５ 共振空胴
６ 導波管
７ 周波数調整片
８ 周波数調整片
９ 誘電体円筒
１０ 円形導波管
１０ａ 円錐管部
１１ 円形導波管
１１ａ 円錐管部
１４ 仕切窓
１４ａ 突出部
１５ 調整空胴
１５ａ 円錐部
１６ 共振器
Ｌ 一体化して構成した共振器の長さ

Claims (10)

1. 一部に開口を有する金属壁で包囲された高圧室を具備し、当該高圧室内に、前記開口を介してマイクロ波が導入され、高圧室内に収容された高圧の試料にマイクロ波を照射できるように構成された装置であって、
   前記金属壁の開口が、比誘電率が６以上である誘電体からなる仕切窓で充填されることによって気密に封止され、
   前記金属壁の開口の断面積が、当該開口にマイクロ波を伝送する導波管の断面積より小さく設定され、
   前記金属壁および仕切窓が、前記高圧室内の圧力を10Mpa以上に設定可能な耐圧強度を有することを特徴とするマイクロ波による高圧加熱装置。
2. 金属壁で包囲された共振空胴に前記導波管が結合され、
   前記共振空胴の共振周波数が前記高圧室の共振周波数と一致するように設定され、
   前記共振空胴と前記高圧室が、前記開口を充填する仕切窓を介して互いに結合されることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波による高圧加熱装置。
3. 前記高圧室内に、周波数調整片が気密に出入り自在に挿入されると共に、前記共振空胴に別の周波数調整片が出入り自在に挿入され、２つの周波数調整片の一方または双方の高圧室内および／または共振空胴への突出量の調整によって、マイクロ波の同調を取るように構成されることを特徴とするマイクロ波による高圧加熱装置。
4. 前記開口を充填する仕切窓を介して前記高圧室に結合するように、金属壁で包囲された調整空胴が設けられ、
   この調整空胴は、前記開口の断面積より大きい断面積を有する主体部と、断面積が高圧室に向かって漸減する縮小部とを有し、
   前記調整空胴に前記導波管が結合され、当該調整空胴から前記仕切窓を介して前記高圧室内にマイクロ波が伝送され、
   それによって、前記調整空胴と前記高圧室が一体となって単一の共振器となるように構成されることを特徴とする請求項1に記載のマイクロ波による高圧加熱装置。
5. 前記調整空胴と前記高圧室が一体となった単一の共振器としての共振周波数を調整調整するための手段が、前記調整空胴に設けられることを特徴とする請求項４に記載のマイクロ波による高圧加熱装置。
6. 前記共振周波数を調整する手段が、前記調整空胴と前記高圧室の並び方向の寸法を変更可能な構造であることを特徴とする請求項５に記載のマイクロ波による高圧加熱装置。
7. 前記調整空胴の共振周波数調整手段が、当該調整空胴内に出入り自在に設けられた周波数調整片であることを特徴とする請求項５に記載のマイクロ波による高圧加熱装置。
8. 前記高圧室が円筒形に構成され、前記開口およびこれを充填する仕切窓がこの高圧室の軸方向の両端に設けられ、
   この高圧室の軸方向両端に、それぞれ前記仕切窓を介して隣接するように、当該高圧室と同軸の円形導波管が結合され、
   これらの円形導波管は、前記開口の断面積より断面積が大きく設定され、円錐管接続部を介して仕切窓に結合され、
   それによって、１対の前記円形導波管、円錐管接続部、仕切窓および前記高圧室が全体としてマイクロ波の伝送線を形成していることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波による高圧加熱装置。
9. 前記仕切窓またはこれと隣接する誘電体が、前記高圧室の開口から外側へ突出し、突出部が先細りに形成されていることを特徴とする請求項４または８に記載のマイクロ波による高圧加熱装置。
10. 前記高圧室を包囲する前記金属壁の内側に誘電体が挿入されることを特徴とする請求項４または８に記載のマイクロ波による高圧加熱装置。

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