JP2013098626A

JP2013098626A - マイクロ波処理方法

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Publication number: JP2013098626A
Application number: JP2011237330A
Authority: JP
Inventors: Shohei Nanko; 正平南光; Takashi Fujiritsu; 隆史藤立
Original assignee: Nissin Co Ltd
Current assignee: Nissin Co Ltd
Priority date: 2011-10-28
Filing date: 2011-10-28
Publication date: 2013-05-20

Abstract

【課題】高圧容器内でもマイクロ波処理を行うことができるマイクロ波処理方法を提供することを目的とする。
【解決手段】中心導体２Ａおよびそれを外部から囲む外部導体２Ｂからなる同軸導波管２を用いて、同軸導波管２におけるマイクロ波の伝送の下流先端側に誘電体製の部材（石英加工物３）を高圧容器１内に取り付けた状態で、マイクロ波を伝送してマイクロ波処理を行う。同軸導波管２を用いることで導入口の径が従来の中空導波管の導入口の径よりも小さくなり、かつ、どのような周波数の電磁波でも遮断周波数の制限がかかることなく伝送できる。さらに、同軸導波管２におけるマイクロ波の伝送の下流先端側に誘電体製の部材（石英加工物３）を高圧容器１内に取り付ければ、高圧容器１の誘電体にかかる圧力が軽減される。その結果、高圧容器１内でもマイクロ波処理を行うことができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、内部圧力が大気圧より高い容器（以下、高圧容器）中へマイクロ波を伝送して当該高圧容器中の処理物に対してマイクロ波処理を行うマイクロ波処理方法に関する。

上記の“内部圧力が大気圧より高い圧力”とは、２，３気圧〜３０気圧程度の圧力のことを言う。従来、高圧容器中へマイクロ波を伝送して当該高圧容器中の処理物に対してマイクロ波処理を行う際には中空導波管が用いられ、中空導波管を通して高圧容器内にマイクロ波を供給する（例えば、特許文献１参照）。

この種の装置として、例えば、図３に示すように、方形導波管１０１とテーパ導波管１０２と円形導波管１０３と石英板１０４と高圧容器１０５とを備えている。マイクロ波の伝送の上流から下流に向かって、方形導波管１０１，テーパ導波管１０２，円形導波管１０３および石英板１０４の順に取り付けられ、石英板１０４を介して円形導波管１０３と高圧容器１０５とが取り付けられている。これらの導波管１０１，１０２，１０３は上述したように中空となっており、図示を省略するマイクロ波発生器からマイクロ波を、方形導波管１０１，テーパ導波管１０２，円形導波管１０３の順に伝送する。

現在、３０気圧の高圧容器へマイクロ波を導入する際には、９０φ（直径９０ｍｍ）の石英板を介して、８０φ（直径８０ｍｍ）の円形導波管にて行っている。マイクロ波の周波数としては、例えば２．４５ＧＨｚが用いられる。

特開２０００−２３２３０３号公報

しかしながら、３０気圧程度のような圧力状態では、９０φの石英板には約15,000[N]（ニュートン）の力がかかり、石英板の厚みを分厚くしないと割れてしまう危険性がある。分厚くすると、石英内のマイクロ波損失も無視できない程の大きさとなり、かつ価格も高価となってしまう。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであって、高圧容器内でもマイクロ波処理を行うことができるマイクロ波処理方法を提供することを目的とする。

発明者らは、上記の問題を解決するために鋭意研究した結果、次のような知見を得た。

すなわち、単純に考えると、石英板にかかる圧力を小さくするには、その石英板の径を小さくすればよい。しかし、石英板の径を小さくすれば、必然的に円形導波管の径も小さくなってしまう。円形導波管の径（直径）をφ：７１．８ｍｍ以下にしてしまうと、２．４５ＧＨｚのマイクロ波を伝送できなくなってしまう（伝送できない周波数を「遮断周波数」と呼ぶ）。よって、その径以下の導波管を用いることができない。

そこで、中空導波管に替わるものとして、信号の伝送やアンテナなどに用いられる同軸導波管やリッジ(ridge)導波管に着目してみた。同軸導波管は、電圧が印加される中心導体およびそれを外部から囲む外部導体からなるものであって、中心導体と外部導体との間には空気が介在され、外部導体は接地される。リッジ導波管は、伝送方向に直交した幅方向に窪み(ridge)を設けた導波管である。

WX-39D（マイクロ波伝送部品の規格で外径φ＝３８．８ｍｍ）なる同軸導波管を用いると、導入口の径も３８．８φとなり、高圧容器の誘電体（例えば石英板）にかかる圧力が軽減されることが判明した。さらに、従来の高圧容器の外壁に取り付けられた石英板の替わりに、同軸導波管におけるマイクロ波の伝送の下流先端側に誘電体製の部材（例えば半球状の石英加工物）を高圧容器内に取り付ければ、さらに圧力に耐えることができることが判明した。さらに、同軸導波管はどのような周波数の電磁波（例えば周波数９１５ＭＨｚ程度の電磁波）でも伝送することができるという特徴も合わせ持つ。

一方、円形のリッジ導波管を用いると遮断周波数を下げることができ、リッジ導波管の径を小さくすることに伴って、高圧容器の外壁に取り付けられた誘電体（例えば石英板）の径を小さくして、石英板にかかる圧力が軽減されるという知見を得た。例えば、５４．６φのリッジ導波管でも２．４５ＧＨｚのマイクロ波を伝送させることができ、この径の導波管なら、石英板の径も小さくする（例えば６５φにする）ことができる。

このような知見に基づく本発明は、次のような構成をとる。
すなわち、本発明に係るマイクロ波処理方法は、内部圧力が大気圧より高い高圧容器中へマイクロ波を伝送して前記高圧容器中の処理物に対してマイクロ波処理を行うマイクロ波処理方法であって、中心導体およびそれを外部から囲む外部導体からなる同軸導波管を用いて、前記同軸導波管におけるマイクロ波の伝送の下流先端側に誘電体製の部材を前記高圧容器内に取り付けた状態で、マイクロ波を伝送してマイクロ波処理を行うことを特徴とするものである。

［作用・効果］本発明に係るマイクロ波処理方法（前者の発明）によれば、同軸導波管を用いることで導入口の径が従来の中空導波管の導入口の径よりも小さくなり、かつ、どのような周波数の電磁波でも遮断周波数の制限がかかることなく伝送できる。さらに、同軸導波管におけるマイクロ波の伝送の下流先端側に誘電体製の部材を高圧容器内に取り付ければ、高圧容器の誘電体にかかる圧力が軽減される。その結果、高圧容器内でもマイクロ波処理を行うことができる。

また、上述した発明に係るマイクロ波処理方法（前者の発明）とは別のマイクロ波処理方法は、内部圧力が大気圧より高い高圧容器中へマイクロ波を伝送して高圧容器中の処理物に対してマイクロ波処理を行うマイクロ波処理方法であって、伝送方向に直交した幅方向に窪みを設けたリッジ導波管を用いてマイクロ波を伝送してマイクロ波処理を行うことを特徴とするものである。

［作用・効果］本発明に係るマイクロ波処理方法（後者の発明）によれば、リッジ導波管を用いることで遮断周波数を下げることができ、リッジ導波管の径を小さくすることで、高圧容器の誘電体（例えば石英板）の径を小さくでき、それにかかる圧力が軽減される。その結果、高圧容器内でもマイクロ波処理を行うことができる。

本発明に係るマイクロ波処理方法によれば、同軸導波管あるいはリッジ導波管を用いることで、遮断周波数の制限がない、あるいは遮断周波数を下げた状態で径が小さくなって高圧容器の誘電体にかかる圧力が軽減される。その結果、高圧容器内でもマイクロ波処理を行うことができる。

実施例１に係るマイクロ波処理装置の概略図であり、（ａ）は同軸導波管の概略断面図、（ｂ）はマイクロ波処理装置の概略測断面図である。実施例２に係るマイクロ波処理装置の概略図であり、（ａ）はリッジ導波管の概略断面図、（ｂ）はリッジ導波管の概略斜視図、（ｃ）はマイクロ波処理装置の概略斜視図、（ｄ）はリッジ導波管および方形導波管の概略測断面図である。従来のマイクロ波処理装置の概略斜視図である。

以下、図面を参照して本発明の実施例１を説明する。
図１は、実施例１に係るマイクロ波処理装置の概略図であり、図１（ａ）は同軸導波管の概略断面図であり、図１（ｂ）は、マイクロ波処理装置の概略測断面図である。

図１に示すように、マイクロ波処理装置は高圧容器１を備えている。高圧容器１内には、例えば液体などの処理物が収容されており、当該処理物に対してマイクロ波処理を行う。高圧容器１はタンク状である。高圧容器１内は、内部圧力が大気圧より高い状態であり、２，３気圧〜３０気圧程度の圧力である。もちろん、可能であれば、３０気圧以上の高圧であってもよい。高圧容器１は、本発明における高圧容器に相当する。

上述したように、従来の装置では、３０気圧の高圧容器へマイクロ波を導入する際には、９０φの石英板を介して、８０φの円形導波管にて行っている。通常のマイクロ波伝送はWRJ-2規格（１０９．２ｍｍ×５４．６ｍｍの方形導波管）であるので、WRJ-2-80φ円形導波管のテーパ導波管が取り付けられている。しかし、石英板が８０φであるので、最大でも３０気圧までしか高圧容器内の圧力を上げることができない。

そこで、本実施例１では、これらの中空導波管（方形導波管、テーパ導波管および円形導波管）の替わりに、同軸導波管２を用いている。同軸導波管２はWX-39D規格であって、図１（ａ）に示すように、電圧が印加される中心導体２Ａおよびそれを外部から囲む外部導体２Ｂからなるものであって、中心導体２Ａと外部導体２Ｂとの間には空気が介在され、外部導体２Ｂは接地される。外軸導体２Ｂの直径（外径）φ_１は、上述したように３８．８ｍｍである。中心導体２Ａの直径（内径）φ_２は、１６．９ｍｍである。同軸導波管２は、本発明における同軸導波管に相当する。

従来の中空導波管では、方形導波管、テーパ導波管および円形導波管と少なくとも３点の構成点数が必要である。これに対して、本実施例１の同軸導波管２の場合には、マイクロ波発生器（図示省略）と高圧容器１とを同軸導波管２のみで直接的につなげればよいので、構成点数が少ないという利点もある。

この他に、高圧容器１の同軸導波管２側外壁１Ａには、図１（ｂ）に示すように、取付部１Ｂが取り付けられ、高圧容器１の同軸導波管２側外壁１Ａと取付部１Ｂとがネジ止め（図示省略）される。また、取付部１Ｂと同軸導波管２の外部導体２Ｂともネジ止めされる（図示省略）ことで、高圧容器１に同軸導波管２が取り付けられる。取付部１Ｂを取り付けたのは、処理物などの高圧容器１内の中の物を邪魔しないように出っ張りを設けるためである。もちろん、高圧容器１内の中の物を邪魔しないのであれば、取付部１Ｂを必ずしも備える必要はない。取付部１Ｂは、ステンレス鋼や銅等に代表される金属で形成されている。

同軸導波管２におけるマイクロ波の伝送の下流先端側に半球状の石英加工物３を高圧容器１の取付部１Ｂ内に取り付ける。具体的には、図１（ｂ）に示すように、同軸導波管２の中心導体２Ａを取付部１Ｂ内に進入させた状態で半球状の石英加工物３で覆うことで同軸導波管２を取り付ける。石英加工物３が半球状であるので、圧力にも強いという利点がある。上述したように取付部１Ｂを備えない場合には、高圧容器１に同軸導波管２が直接的に取り付けられて、同軸導波管２の中心導体２Ａを高圧容器１内に進入させた状態で半球状の石英加工物３で覆う。（半球状の）石英加工物３は、直径φ＝６３．５ｍｍの球を半分に割ったものである。（半球状の）石英加工物３は、本発明における誘電体製の部材に相当する。

かかるマイクロ波処理装置を用いてマイクロ波処理を行う場合には、以下のようにして行う。すなわち、中心導体２Ａおよびそれを外部から囲む外部導体２Ｂからなる同軸導波管２を用いて、同軸導波管２におけるマイクロ波の伝送の下流先端側に誘電体製の部材（図１では石英加工物３）を高圧容器１内に取り付けた状態で、マイクロ波を伝送してマイクロ波処理を行う。

本実施例１に係るマイクロ波処理方法によれば、同軸導波管２を用いることで導入口の径（本実施例１では３８．８φ）が従来の中空導波管の導入口の径よりも小さくなり、かつ、どのような周波数の電磁波（例えば周波数９１５ＭＨｚ程度の電磁波）でも遮断周波数の制限がかかることなく伝送できる。さらに、同軸導波管２におけるマイクロ波の伝送の下流先端側に誘電体製の部材（図１では石英加工物３）を高圧容器１内に取り付ければ、高圧容器１の誘電体にかかる圧力が軽減される。その結果、高圧容器１内でもマイクロ波処理を行うことができる。

次に、図面を参照して本発明の実施例２を説明する。
図２は、実施例２に係るマイクロ波処理装置の概略図であり、図２（ａ）は、リッジ導波管の概略断面図であり、図２（ｂ）は、リッジ導波管の概略斜視図であり、図２（ｃ）は、マイクロ波処理装置の概略斜視図であり、図２（ｄ）は、リッジ導波管および方形導波管の概略測断面図である。

上述した実施例１と同様に、図２に示すように、マイクロ波処理装置は高圧容器１を備えている。本実施例２においても、高圧容器１は、本発明における高圧容器に相当する。

本実施例２では、従来の中空導波管（方形導波管、テーパ導波管および円形導波管）の替わりに、リッジ導波管１２を用いている。リッジ導波管１２は、図２（ａ）および図１２（ｂ）に示すように、伝送方向に直交した幅方向に窪み(ridge)１２Ａを設けた導波管である。リッジ導波管１２の直径をφ_３とし、窪み１２Ａ以外の長さをφ_４とすると、上述したようにφ_３＝５４．６ｍｍである。窪み１２Ａ以外の長さφ_４は、１５ｍｍ程度である。なお、窪み１２Ａ以外の長さφ_４については特に限定されないが、ある程度小さいと放電が生じるので、５４．６φのリッジ導波管１２（φ_３＝５４．６ｍｍのリッジ導波管１２）の場合には１０ｍｍ程度が限界である。リッジ導波管１２は、本発明におけるリッジ導波管に相当する。

この他に、図２（ｃ）に示すように、高圧容器１の外壁には、図３と同様に石英板１３が取り付けられ、石英板１３にリッジ導波管１２が取り付けられる。なお、図２（ｃ）と図３との各サイズ（の縮尺比）については正確なものでなく、あくまで概略図であることに留意されたい。石英板１３については、導入口が小さくなった分、小さくすることができ、本実施例２では６５φ（直径６５ｍｍ）にすることができる。

一方、リッジ導波管１２の伝送の上流には、図２（ｃ）に示すように方形導波管１４が取り付けられている。図２（ｃ）の場合には、図３と相違し、方形導波管１４のリッジ導波管１２側は、リッジ導波管１２の形状（幅）に合わせるためにテーパ部１４Ａとなっている。

具体的には、方形導波管１４はWRJ-2規格（１０９．２ｍｍ×５４．６ｍｍ）である。構造的に不連続部があると、反射電力が生じる。それを低減させるために、幅方向及び高さ方向にテーパ部を設ける。まず幅方向に関しては、方形導波管１４の幅は伝送の上流から下流に向かって、幅１０９．２ｍｍから幅５４．６ｍｍ（直径：５４．６ｍｍ）に絞り込まれるようなテーパ部１４Ａとなっている。高さ方向に関しては、図２（ｃ）や図２（ｄ）に示すように、テーパ部１５を備えるのが好ましい。テーパ部１５は、三角柱の形状となっており、リッジ導波管１２の接触部分では、窪み１２Ａの高さに一致するような形状となっている。テーパ部１５は、ステンレス鋼や銅等に代表される金属で形成されている。

かかるマイクロ波処理装置を用いてマイクロ波処理を行う場合には、以下のようにして行う。すなわち、伝送方向に直交した幅方向に窪み１２Ａを設けたリッジ導波管１２を用いてマイクロ波を伝送してマイクロ波処理を行う。

本実施例２に係るマイクロ波処理方法によれば、リッジ導波管１２を用いることで遮断周波数を下げることができ、リッジ導波管１２の径を小さくすることで、高圧容器１の誘電体（本実施例２では石英板１３）の径を小さくでき、それにかかる圧力が軽減される。例えば、５４．６φのリッジ導波管１２でも２．４５ＧＨｚのマイクロ波を伝送させることができ、この径の導波管なら、石英板１３の径も小さくする（本実施例２では６５φにする）ことができる。その結果、高圧容器１内でもマイクロ波処理を行うことができる。

本発明は、上記実施形態に限られることはなく、下記のように変形実施することができる。

（１）上述した各実施例では、処理物は液体であったが、マイクロ波処理を行う対象であれば、液体に限定されず固体や粉体などであってもよい。

（２）上述した実施例１では、同軸導波管２のサイズは、外径が３８．８ｍｍ、内径が１６．９ｍｍであったが、これに限定されない。

（３）上述した実施例１では、誘電体製の部材は、半球状の石英加工物３であったが、形状については特に限定されず、平板状であってもよい。ただし、圧力に強い形状であることを鑑みれば、球状あるいは半球状がより好ましい。また、誘電体製の部材は、石英に限定されず、セラミックに例示されるように誘電体であれば、特に限定されない。

（４）上述した実施例２では、リッジ導波管１２のサイズは、直径が５４．６ｍｍ、窪み１２Ａ以外の長さが１５ｍｍ程度であったが、これに限定されない。

（５）上述した実施例２では、石英板１３を取り付けたが、形状や物質については特に限定されない。セラミックに例示されるように誘電体であれば、特に限定されない。

（６）上述した実施例２では、マイクロ波の電力損失を低減させるために、テーパ部１５を備えたが、電力損失が小さい場合には必ずしもテーパ部１５を備える必要はない。また、テーパ部１５の形状についても、特に限定されない。

１ … 高圧容器
２ … 同軸導波管
２Ａ … 中心導体
２Ｂ … 外部導体
３ … （半球状の）石英加工物
１２ … リッジ導波管
１２Ａ … 窪み

Claims

内部圧力が大気圧より高い高圧容器中へマイクロ波を伝送して前記高圧容器中の処理物に対してマイクロ波処理を行うマイクロ波処理方法であって、
中心導体およびそれを外部から囲む外部導体からなる同軸導波管を用いて、
前記同軸導波管におけるマイクロ波の伝送の下流先端側に誘電体製の部材を前記高圧容器内に取り付けた状態で、マイクロ波を伝送してマイクロ波処理を行うことを特徴とするマイクロ波処理方法。
内部圧力が大気圧より高い高圧容器中へマイクロ波を伝送して前記高圧容器中の処理物に対してマイクロ波処理を行うマイクロ波処理方法であって、
伝送方向に直交した幅方向に窪みを設けたリッジ導波管を用いてマイクロ波を伝送してマイクロ波処理を行うことを特徴とするマイクロ波処理方法。