JP4461290B2 - 誘電加熱に適合させたエネルギーアプリケータ - Google Patents

Description

本発明は、エネルギーアプリケータの構想とその使用に関するものであり、より詳細には、その誘電率に関わらず、いっさいの化合物の誘電加熱に適合させた形状と寸法の空洞共振器とダクトの構想とその使用に関するものである。

通常のマイクロ波および高周波アプリケータは、従来のダクトを備えており、該ダクトは高密度の電力で加工するとアーク放電のおそれがある。当業者が使用するダクトの目的は、導波管の外部への電磁波の漏洩を防止しながら、生成物（液体、固体、気体又はこれら三状態の混合物）を静的又は動的に、電磁波にかけることである。従来の形状、好適には円筒状のダクトでは所望レベルの温度に急速に達したり、および／又はアーク放電のおそれなしにもっと大量の生成物を処理したりすることができない。エネルギー伝達が最適になる極性又は分極分子とは反対に、低い誘電率を特徴とする電磁波を、ほとんど吸収しない化合物を加熱するには高密度の電力が必要であることが明らかになる。

したがって、「絶縁破壊」又はアーク放電のおそれ、およびそれらの工業的結果によって課された、技術的に重大な問題が存在し、本書に示すように工業的応用が重大なので、それは工業的に大きな課題にあたる。本発明は同時に、生成物処理時間を大幅に短縮し、それによって工業的効率を向上させることを可能にする。

本出願人は数々の試みを経て、アーク放電又は「絶縁破壊」のおそれなしに大きな電力密度で静的又は動的に、マイクロ波周波数又は高周波の下であらゆる種類の生成物の加熱を可能にするダクトの新規な形状又は幾何学的形状、とくに円錐形状又は幾何学的形状のダクトを発見した。

本発明は、極性又は分極化合物に対するのと同じように電磁波をほとんど吸収しない化合物に対して効率的で迅速な熱処理の実現を可能にする。時間とエネルギーの利得は、より低い投資コストと組み合わされて、誘電加熱の下の用途がより迅速かつより経済的になることを確立することができる。

本発明はとくに、（不飽和か否かを問わず）脂肪酸エステル、（不飽和か否かを問わず）炭化水素、芳香族化合物およびこれらの誘導体の処理に関するものであるが、それに限定されない。しかしながら、それは電磁波を多く吸収する生成物にも同じように有利であるが、それは所与の系（脂肪族又は非脂肪族アルコール、カルボン酸、アミン、など）の生産能力の増加を可能にするからである。

本発明は触媒の有無を問わず、またプロセスガス又は「加工程」ガスの有無を問わず、単独の反応体又は可変の比率の反応体混合物を関与させる全ての熱印加に関するものである。熱印加として、非制限的な例として、エステル化、エステル交換反応、エポキシ化、硫酸塩化、亜リン酸化、水素添加、過酸化、異性化、脱水、４元素化、アミド化、重合反応、縮重合反応、と脱色、脱臭および他の揮発性化合物除去のシステムなどのような、すべての通常の処理を挙げることができる。

実際、本発明はとくに「脂肪化学」のすべての反応に適用され、電磁波をほとんど吸収しない生成物の場合、とくに顕著な利益がある。

この革新的技術は、例えば、マイクロ波下での誘電加熱を用いて不飽和脂肪酸、不飽和脂肪酸エステル、不飽和炭化水素又はこれらの生成物の誘導体の重合体の合成を可能にする。この主題に関して本出願人は、仏国特許出願第９８ １３７７０号明細書および国際公開第００／２６２６５号パンフレット（ＰＣＴ／ＦＲ９９／０２６４６）を出願した。
仏国特許出願第９８ １３７７０号明細書 国際公開第００／２６２６５号パンフレット

本発明の技術分野は、輻射をほとんど吸収しない化合物および誘電率の高い化合物に対する熱印加のための、マイクロ波又は高周波の電磁波の利用に関するものである。

マイクロ波周波数ＭＯは、約３００ＭＨｚと約３０ＧＨｚの間に含まれ、好適には９１５ＭＨｚ（許容差１．４％の周波数）、又は２．４５ＧＨｚ（許容差２％の周波数）である。

高周波ＨＦは、約３ＭＨｚと約３００ＭＨｚの間に含まれ、好適には１３．５６ＭＨｚ（許容差０．０５％の周波数）又は２７．１２ＭＨｚ（許容差０．６％の周波数）である。

ＨＦ又はＭＯ処理を受ける材料によって吸収される電力（Ｗ）は、下式で与えられる：

Ｐａ＝ｋｆε”Ｅ^２Ｖ

この式において：
Ｐａ： 吸収電力（Ｗ）
Ｅ： 材料内に発生した電界（Ｖ／ｃｍ）
ｆ： 電磁波の周波数
Ｋ： 定数（Ｍ．Ｋ．Ｓ．Ａ）＝５．５６．１０^−１３
Ｖ： 材料の体積（ｃｍ^３）
ε”： 材料の損失率＝ε’ｔａｎδ
ε’： 材料の真の比誘電率＝ε_０ ^＊ε_ｒ
ε_０： 真空の誘電率
ε_Ｒ： 比誘電率
ｔａｎδ： 誘電体損失角

ε’は電界の中で配向する材料の適性を表し、ｔａｎδはその放熱能力を表している。

註：空気又は真空について、ε’＝１（ε’の最小値）またｔａｎδ＝０、すなわちε”＝０。

所与の周波数に対応する電磁波を伝播するために設計された導波管を含む、システムを考える。加熱される生成物は、電磁波を吸収しない材料製（パイレックス（登録商標）、石英、・・・）の反応炉内に置かれる。この反応炉は、導波管の方向に輻射にそって発射周波数に共振する、単一モード空洞共振器で形成されたアプリケータ内に位置づけられる。マイクロ波アプリケータは、使用される反応炉の形状に合わせるために伝統的に円筒状であるダクトを備えている（図１、図２、図３参照）。これらのダクトの目的は、導波管の外部への電磁波の漏洩を防止することである。絶縁破壊現象は、処理される生成物が含まれる管が絶縁破壊電圧を受ける、すなわちエネルギーが蓄積されて、媒質のイオン化（電気火花）が発生する区域内に生じる。電界は、二点を隔てる距離の上の二点の間の電圧の間の比によって特性化される。絶縁破壊のおそれは、電界が集中しすぎている区域内に生じる。

反応炉は、電磁波伝播方向に垂直に、あるいは電磁波の方向に平行に導波管を貫く（図２と図１２とを比較参照）。当業者は、これら二つの位置だけが可能な配置ではなく、本発明はすべての他の中間位置に関するものであることを理解するだろう。

反応体：
本発明について、一つ又は複数の反応体は、一つ又は複数の触媒、あるいは吸収率の高いあるいは低い添加剤および／又はプロセスガスの添加の有無を問わず、電磁波をほとんど吸収しない生成物、又は多く吸収する生成物又は両者の混合物から選択される。

吸収率の高い生成物の中で、脂肪族あるいは非脂肪族アルコール、脂肪族又は非脂肪族アミン、カルボン酸、アセタール、ケトン、エノール、過酸、エポキシド、および、もっと一般的に、極性又は分極基を含む化合物、とくに、
−アルコールとしては：ソルビトール、グリセロール、マンニトール、グリコール、ビタミン（例えば、トコフェロール、アスコルビン酸、レチノール）、ポリフェノール、ステロール（とりわけ植物ステロール）および類似体、さらに
−アミンとしては、アンモニア、第一級、第二級、第三級アルキルアミン（例：メチルアミン；ジメチルアミン；トリメチルアミン；ジエチルアミン）、脂肪アミン（例：オレインアミン；ココナッツ油のアルキルアミン）、アミノアルコール（例：モノエタノールアミンＭＥＡ；ジエタノールアミンＤＥＡ；トリエタノールアミンＴＥＡ；３−アミノ−１，２−プロパンジオール；１−アミノ−２−プロパノール）、エトキシアミン（２，２’−アミノエトキシエタノール；アミノ−１−メトキシ−３−プロパン）、
を意味するものとする。

これらすべてのアミンは飽和又は不飽和、直鎖又は枝分れ状とすることができる。

触媒又は添加剤の中で、非制限的な例として、通常の酸性触媒（パラトルエンスルホン酸、硫酸、リン酸、過塩素酸など）、通常の塩基性触媒（水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アルカリ金属およびアルカリ土類金属のアルコラート、酢酸ナトリウム、トリエチルアミン、ピリジン誘導体、など）、Ａｍｂｅｒｌｉｔｅ（登録商標）、Ａｍｂｅｒｌｙｓｔ（登録商標）、Ｐｕｒｏｌｉｔｅ（登録商標）、Ｄｏｗｅｘ（登録商標）、Ｌｅｗａｔｉｔ（登録商標）型の酸性および／又は塩基性樹脂、ゼオライト、酵素、カーボンブラック、および活性炭素繊維を意味するものとする。

ほとんど吸収しない生成物の中で、動物性又は植物性の油脂、およびそのいくつかが前記油脂から得られたものであるポリテルペンを意味するものとする。

動物性油脂
動物性油脂としては、とりわけマッコウクジラ油、イルカ油、鯨油、アザラシ油、鰯油、鰊油、鮫油、肝油、牛脚油、牛、豚、馬、羊の脂（獣脂）を挙げることができる。

植物性油
植物性油としては、とりわけ、菜種油、ひまわり油、落花生油、オリーブ油、クルミ油、トウモロコシ油、大豆油、亜麻油、ベニバナ油、杏仁油、甘扁桃油、大麻油、グレープシード油、コプラ油、パーム油、綿実油、ババス油、ホホバ油、ゴマ油、アルガン油、アザミ油、パンプキンシード油、ラズベリー油、カランジャ油、ニーム油、ナデシコ油、ブラジルナッツ油、ヒマシ油、脱水ヒマシ油、へーゼルナッツ油、小麦胚芽油、ルリヂサ油、月見草油、キリ油、トール油などを挙げることができる。

動物性又は植物性油の成分
同様に、動物性又は植物性油の成分、例えば植物性油（オリーブ油、落花生油、菜種油、トウモロコシ胚油、木綿油、亜麻油、小麦胚芽油、米糠油）の不鹸化物から抽出した、あるいは鮫油に大量に含まれているスクアレンを用いることもできる。

これらの動物性又は植物性の油と油脂、ならびにその誘導体は、その反応性を高めるか、反対に低下させるための事前処理にかけることができる。本発明は、単体の反応体、ならびに二つ以上の成分を有する反応混合物にも関するものである。これらの反応混合物は、それぞれの成分を同じ比率で有することもできるし、特定の成分比率を大きくすることもできる。

不飽和炭化水素
不飽和炭化水素として、単体又は混合物で、かつ非制限的な例として、アルケン、例えば、一つ又は複数のテルペン炭化水素、すなわち一つ又は複数のイソプレン重合体、あるいはイソブテン、スチレン、エチレン、ブタジエン、イソプレン、プロペンの一つ又は複数の重合体、あるいはこれらのアルケンの一つ又は複数の共重合体を挙げることができる。

エネルギーアプリケータの種類
エネルギーアプリケータの種類の選択は、使用される技術（高周波又はマイクロ波）、処理される生成物の寸法特性、およびその処理態様に依存する。

エネルギー伝播が最適である極性又は分極分子の場合、実証された通常のアプリケータがいくつか存在する。

高周波アプリケータについては、主として以下のことが問題である：
−その間に発生器の高周波電圧が印加されるコンデンサの、二つの電極で形成される容量性のアプリケータである。それらは、材料の体積が辺の一つが十分厚い（＞１０ｍｍ）平行四辺形を構成する材料の熱処理に使用される。
−管状又は棒状の電極から成る、平坦な材料のための格子状アプリケータ。それらは材料の体積が辺の一つが十分厚くない（＜１０ｍｍ）平行四辺形を構成する材料の熱処理に使用される。
−ループで形成された、線状材料のためのアプリケータ。

マイクロ波アプリケータとしては、下記のものを挙げることができる：
−局部電界アプリケータ：単一モード空洞共振器
−拡散電界アプリケータ：多モード空洞共振器
−近傍電界アプリケータ：放射アンテナ導波管

ほとんど吸収しない分子の場合、アプリケータの選択はより複雑である。実際、アプリケータは、アーク放電を防止しながら加熱できるように、生成物に多くの電磁気エネルギーを伝達しなければならない。

マイクロ波周波数での加熱は、絶縁破壊のおそれがもっと大きい高周波より望ましい。なぜなら、損失率ε”と周波数は、この場合、より低いものだからである。同等の吸収電力の場合、上述の公式によれば、電界が増加し、それによって絶縁破壊の可能性が高くなる。

マイクロ波下で共振するシステムが、推奨される：これは局部電界、又は拡散電界のアプリケータであることができる。しかしながら、導波管の方向に輻射にそって発射周波数で共振する単一モード空洞共振器で形成された「単一モード」系（局部電界）が、「多モード」系（拡散電界）より好適である。単一モード系は、電界の非均質分布と高温点の存在を回避する。同様にして、この種の反応炉は、曝露された生成物の安定性を助長する。

当業者には理解できるものであるが、電磁波をほとんど吸収しない化合物の誘電加熱は、単一モードマイクロ波システムに限定されない。しかしながら、このシステムはアーク放電のおそれを減少させ、熱処理のよりよい制御を可能にする。

単一モードアプリケータで通常使用されるダクトは、通常使用される反応炉の形状によりよくなじませるために直線、円筒状である。（図３参照）

ダクトは、動的試験の際に、外部への電磁波漏洩を防止するために、導波管の両側に配置されている（図２参照）。各ダクトの長さは、電磁波のいっさいの漏洩を排除するように決定されるともに、人員と電気通信手段とに関わる安全措置を遵守するように決定される。フランス規格は現在、英国、ドイツおよび米国規格と同一である。これらの規格は、一般的にマイクロ波ＭＯより高周波ＨＦの方が厳しくない：装置から１インチあたり１０ｍＷ／ｃｍ^２と５ｍＷ／ｃｍ^２。通常の円筒状のダクトについて、経験的関係式によって、高さは、材料の誘電率と反応炉の直径とに結び付けられる。

簡易化のために、また空洞共振器をよりよく制御するために、導波管の両側に配置されたダクトは、同一形状である。

この先行発明は、通常の円筒状ダクトを備えた単一モードアプリケータが、すべての通常のアプリケータの中で、ほとんど吸収しない分子に最も適しているが、絶縁破壊のおそれなしに高い電力密度で作業することができないということを示している。

ほとんど吸収しない化合物に関わる問題を解消するための回避手段は、エネルギー伝達仲介役を演じ、それによって必要な電力密度を減じるように、水などの極性化合物を反応媒質内に導入するものである。しかしながら、この代替案は、不所望の二次反応が起きる可能性があり、反応の終わりに生成物を精製するために中和、洗浄、乾燥又は濾過などの追加処理が必要になるかもしれないので満足できるものではない。

ほとんど吸収しない化合物に関わる問題を解消するための代替案は、静電気が反応炉の外壁に形成されるにつれてそれを除去することから成る。電磁波をほとんど吸収しない生成物について、所与の入射電力Ｐｉに対し、吸収電力Ｐａは、減少し、損失、とくに静電気損失が増加する。

なぜなら：

Ｐｉ＝Ｐａ＋損失

この式で：
Ｐｉ＝入射電力（Ｗ）
Ｐａ＝吸収電力（Ｗ）
損失＝熱損失＋静電気

静電気は、空気分子のイオン化に反映される。該静電気は、反応炉の非伝導性の外壁に堆積して、アーク放電形成にいたる。静電気を除去するためには、湿潤空気あるいは誘電率レベルが類似した他の気体（例：１バールの六フッ化硫黄ＳＦ６）による十分な気体通流を促進する（第一の解決法）か、あるいはダクトが換気されるようにダクトの形状を適合させる（第二の解決法）必要がある。第一の解決法は、設備の複雑さ、安全性とコストの面で有利だとは思われない。

したがって、既知のエネルギーアプリケータを改善し、とくにそれを、非限定的に、本発明の工程と反応体の分野に適合させる、大きな必要があることは明らかである。

本出願人は、アーク放電又は「絶縁破壊」のおそれなしに大きな電力密度で静的又は動的に、マイクロ波周波数又は高周波の下であらゆる種類の生成物の加熱を可能にするダクトの新規な形状又は幾何学的形状、とくに円錐形のダクトを発見した。

より一般的に、本出願人は、生成物の処理のために導波管の周囲に延長する空洞共振器の実現（すなわち導波管の中に存在しているものの周囲に「追加」空洞共振器を作ること）、またとくに、対象生成物の処理のために、好適には同一幾何学的形状の、また導波管の周囲に延長するような空洞共振器の形成に適合させた、導波管の周囲又はそれぞれの側の、一つ又は複数のダクトの実現が望ましいことを発見した。

本発明は、したがって一般的に
・導波管と側面ダクトを有するタイプの、その誘電率にかかわらず、アーク放電又は「絶縁破壊」のおそれなしに、通常のアプリケータのものを超える相対電力密度で、静的又は動的に、マイクロ波周波数又は高周波の下での、いっさいの化合物の誘電加熱のためのエネルギーアプリケータにおいて、生成物の処理のために、導波管の周囲に延長する少なくとも一つの空洞共振器を有することを特徴とする、エネルギーアプリケータ
に関するものである。

本発明はより詳細には、
・導波管と側面ダクトを有するタイプの、その誘電率にかかわらず、アーク放電又は「絶縁破壊」のおそれなしに、通常のアプリケータのものを超える相対電力密度で、静的又は動的に、マイクロ波周波数又は高周波の下での、いっさいの化合物の誘電加熱のためのエネルギーアプリケータにおいて、対象生成物の処理のために、導波管の周囲に空洞共振器を形成するのに適合させた幾何学的形状の少なくとも一つのダクトを有することを特徴とするエネルギーアプリケータ、
に関するものである。

・この空洞共振器が、導波管の各側面に形成されていることを特徴とする、上述のアプリケータ。

・この空洞共振器が、一つ又は複数のダクトによって導波管の周囲に形成されていることを特徴とする、上述のアプリケータ。

・一つ又は複数のダクトが、空洞共振器の周囲で、導波管の各側面に配置されたことを特徴とする、上述のアプリケータ。

・ダクトの幾何学的形状が、同一であることを特徴とする、上述のアプリケータ。

注意すべきことには、この点に関して、上述の幾何学的形状は、現状技術において一致して認められているものよりも広い区域で、すなわち恒常的な先行技術が綿密に作業を避けていた区域で、有効に作業する（すなわち生成物を処理する）ことができる、驚くべきコンセプトを反映しているものである。この原理の発見によって、一方では、これは第一の目的であったのだが、絶縁破壊を防止しながら、新規かつ独創的幾何学的形状を作り出し、他方では、同じく意外なことに、処理時間と投資の大きな利得を得ることが可能になった。試験において示されたように、「区域」又は本発明による拡張キャビティ内での生成物６０ｍｌの処理時間は、坩堝内での生成物３３ｍｌの処理に必要な時間と等しかった。

これらの新規ダクトの特徴は、その形状に由来する。該ダクトは、二つの主要部分で構成される：外部への電磁波の漏洩を防止するために反応炉にできるだけ近づけなければならない上部と、アーク放電を本発明に従って減少させ、導波管の周囲に、上述の追加の空洞共振器を作り出すために導波管に向かって広げられた形状の下部である。

当業者には理解できるものであるが、導波管の周囲の、すなわち、導波管内に通常すでに存在する（そして現行技術が厳密に限定される）空洞共振器の周囲の、追加された前記空洞共振器の形状と寸法は、所期の用途と装置に応じて完全に変えることができるものである。

とくに対称形、またとくに少なくとも円錐の底から成る形状、球形、楕円又は類似の体積の形状、いずれの場合にも一番広い部分が導波管内に開いている形状が挙げられるものである。

これらの新規ダクトの上部は、電磁波の漏洩防止のために反応炉にできるだけ接近しなければならない。この部分は、非制限的な例として、円形、長方形又は正方形の断面の円筒形などの各種の形状をとることができる。それはまた、連続する異なる形状を含むこともできる。しかしながら、最も一般的に用いられる形状は、反応炉の形状にできる限りなじみ、アーク放電を助長するような角の存在を回避するために円形断面の円筒形状である。ダクトのこの部分の高さは、いっさいの電磁波の漏洩を排除するように決定される。

当業者には理解できるものであるが、この上部は完全シールドシステムの場合には存在しないこともできる。この構成タイプにおいて、外部への電磁波漏洩の問題は事実上消滅するが、この場合にはシステム全体が空洞共振器になるからである。

これらのダクトの下部は、導波管の部位でのアーク放電を防止するように広がった形状でなければならない。このために、非制限的な例として、垂直に対する角度が可変の、円錐形および／又は球形、底が正方形又は長方形の四角錐形状が挙げられる。先の場合と同様に、ダクトのこの部分は、これらの異なる形状の組合せを呈することができる。考慮に入れなければならない主要パラメータは、これらの広がった形状の底の直径である：それは、導波管の幅を超えてはならない。直径が選択されたら、広がった部分の高さと開角度は、使用電力に応じて固定される。

２４５０ＭＨｚの、単一モードアプリケータの場合、ＴＥ０．１モード（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｑｕｅ）に留まるために推奨される導波管の幅は、約７０ｍｍと１００ｍｍの間に位置する。ＴＥ０．１励起基本モードは、電磁波が単一のアーチにそって伝播することを可能にする。

７０ｍｍ未満では、電磁波は伝播しない（切断周波数）。

１００ｍｍを超えると、モードは電界の二つの最大値でＴＥ０．２に変化し、加熱の均質性が低下することになる。

当業者には理解できるものであるが、本発明は他のマイクロ波と高周波にも適用され、すべてのこれらの周波数について類似の推論が成り立つものである。

すべての幾何形状とその組合せが考えられるが、単純さとコストの理由から、好適には導波管の両側で同一の形状と寸法のダクトで、ならびに、それらの間のそれぞれについて最小の組合せで加工するのが望ましい。

以下の説明と、下記の非制限的な実施例を読むことによって、本発明をいっそう良く理解することができるものである。

付属の図１から図１５において、符号は次の意味を持つ：
ＭＷ ミリワット計
ＳＲ’ 冷却システム
Ｉ 「アイリス」（調節自在なダイヤフラムの一種）
ＡＰ ダクト付きアプリケータ
Ｐ 短絡ピストン
ＢＣ バイカップラ
ＳＡ 自動「スタブ」システム（下向き可動ネジ）
Ｃ 安全装置（サーキュレータ）
ＳＲ 冷却システム
ＴＭＯ マイクロ波ヘッド
Ｇ マグネトロン発生器
ＧＯ 導波管
Ｒ 電磁波をかけられる反応炉
ＣＨ ダクト
ＰＳ ダクト上部
ＰＩ ダクト下部
Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４ 容積（図１６）

下記の実施例は、本発明の利点、ならびのその変型を示すものであり、当業者は他の寸法および／又は幾何学的形状を容易に想定することができるものであるが、それをもって本発明の範囲を逸脱することはできない。

全く制限的ではない以下の実施例は、本発明の利益を示している。それらは、通常のマイクロ波および高周波アプリケータがすべての生成物に、とくにほとんど吸収しない生成物に適合していないことを示している。絶縁破壊の可能性なしにこれらの生成物の加熱ができるためには、これらのアプリケータのダクトの形状を変更することが望ましい。

さらに実施例は、本発明の実施において、次々と遭遇した困難を示している。

Ｉ−使用機器
このマイクロ波装置には、様々な要素が含まれる：
（参照：図１）

・マイクロ波システム、この要素は、最大６ｋＷの電力で、２４５０ＭＨｚ（λ＝１２ｃｍ）の周波数で動作するマグネトロン発生器Ｇで構成される。

・このマグネトロン発生器、この要素は、エネルギーをマイクロ波ヘッドＴＭＯに伝達し、該マイクロ波ヘッドは、高電圧をマイクロ波エネルギーに変換する。

・サーキュレータＣ、この要素は、入射波を通過させ、反射波を水の充填の方に迂回させて、電磁波を吸収する安全装置であり、それによって水温が上がる。

・バイカップラＢＣ、この要素は、ミリワット計ＭＷによって反射電力および入射電力を知ることを可能にする。

・自動「スタブ」システムＳＡ、この要素は、システムの反射電力の減衰を可能にする導波管内の、４本の下向きネジで構成されている。

・アイリスＩと短絡ピストンＰ、これら二要素は、マイクロ波システムを、処理される物質に適合させることができる。言い換えれば、発生器から発射された電力の物質によってよりよい吸収を助長するために、電界は、解決部位すなわち電磁波がかけられる反応炉で最大でなければならず、それは、これら二要素を適切に調節することによって実現するものである。

・マイクロ波システム、この要素は、いっさいの過熱を回避するために、二つの冷却システムＳＲを備えている。

・物質、この要素は、単一モード空洞共振器で形成されたアプリケータＡＰの中に配置され、該単一モード空洞共振器は、導波管の方向の輻射にそって発射周波数で共振する。

導波管の電界内に位置づけられた、電磁波がかけられる反応炉により、試験は、静的又は動的に実施されることができる。

ＩＩ−結果：
試験は、周波数２４５０ＭＨｚで作動する、６ｋＷのマグネトロン発生器によって実行される。単一モードアプリケータは、幅８６ｍｍ、高さ４３ｍｍの長方形の導波管の基部の上に実現される。このタイプのアプリケータにおいて、電界の分布は局部化され、反応炉Ｐｙｒｅｘ（登録商標）は、短絡ピストンによって後者と最大相互作用して配置される。発生器とアプリケータの間に配置された、インピーダンス整合装置も、処理される生成物内のエネルギーの最適伝達に必要な調整を確保する。

試験は、静的および動的に実施される。

二つのタイプのダクトＣＨは、二つのタイプの生成物で試験される：
・円筒状の、通常のダクト。（図３を参照のこと）
・円錐状ダクト。（図４を参照のこと）
・水：誘電特性が高い、極性分子
・菜種油：誘電特性が低い分子

これらの生成物の誘電特性値を、下表に示した：

１．５ｋｇの生成物で実行した実験は、これらの新規ダクトの有効性を示している：

III-実行した試験
全ての試験は、菜種油で実行した。

ａ−高さ９５ｍｍと６５ｍｍの二つの通常のダクト（先行技術）と、直径３０ｍｍのマイクロ波反応炉での試験。
図５を参照のこと。
この試験は、内径３０ｍｍ、高さ１ｍの管を用いて菜種油で実施した。

アーク放電が形成されたとき、温度は２４０℃であった。アーク放電によってガラスは破壊されなかったが、変形した。衝撃は、上部のダクトのちょうど開始部で発生した。
図６を参照のこと。

最もアーク放電を受けやすい反応炉の箇所は、導波管−反応炉−ダクトの距離が最も短い箇所である、
図７を参照のこと。

これらのアーク放電は、強すぎる電界に起因する。したがって、電界に曝露される生成物の容積を増加させようとした。

ｂ−構成の変更
導波管は、より大きな容積を電界に曝露するように、変更した。

従来の構成：
従来の構成において、反応炉は、電磁波の伝播方向に垂直に導波管を貫く。
図８を参照のこと。
図９と図１０を参照のこと。
全長＝７７．８６ｃｍ
よって、λｇ／２＝８．６６
８（λｇ／２）＝６９．２８
９（λｇ／２）＝７７．９４
９つの半周期が、アイリスとピストンの間で計数された。

新規の構成：
新規な構成において、反応炉は、電磁波の伝播方向に平行に導波管を貫く。
図１１と図１２を参照のこと。
全長＝６３ｃｍ
７（λｇ／２）＝６０．６２
８（λｇ／２）＝６９．２８

７つ半強の半周期が、アイリスとピストンの間で計数された。

電力印加試験は、菜種油を満たした反応炉で実施した。

５ｋＷで、アーク放電は５分間で発生する。２ｋＷでは、アーク放電は、３６分後に現れる。いずれの場合にも、到達温度は所望の温度レベルを超えていない。

アーク放電の衝撃は、ここでも、反応炉−ダクト−導波管の接合部に位置する。
図１３を参照のこと。

アーク放電の出現を抑制するために、反応炉は、導波管に近づきすぎてはならないことになる。

旧形状（縦配置）は、よりよい結果をもたらす。次の試験は、この第一の形状だが、ダクトの新規形状で実現される。

ｃ−円錐形ダクトの使用
二つの基準を考慮に入れなければならない：
１−電界に対する曝露容積
２−反応炉と導波管−ダクト間の距離

これら二つの基準を満たすために、新規ダクトが設計される。それらは、円錐型と呼ばれる。より正確には、それらは導波管部位に、通常の円筒形部分と円錐形部分とを含む。それらは直線、円筒状のダクトに代わるものである。
図３と図４を比較参照のこと。

このとき、マイクロ波反応炉は、異なる形をとることができる：
図１４と図１５を参照のこと。
近似的に：
Ｖ１＝４．３３ ^＊ Π ^＊ Ｘ^２／４
Ｖ２＝９．９５ ^＊ Π ^＊ ３^２／４＝７０．３３ｃｍ^２
Ｖ３＋Ｖ４＝９．９５ ^＊ Π ^＊ （Ｘ−３）^２／４

ｘ＝３ｃｍのとき、Ｖｔｏｔａｌ＝１７１．２ｃｍ^２
ｘ＝５ｃｍのとき、Ｖｔｏｔａｌ＝２８２ｃｍ^２
ｘ＝６ｃｍのとき、Ｖｔｏｔａｌ＝３９４．３ｃｍ^２

電力試験は、直径５０ｍｍ（ｘ＝５ｃｍ）と３０ｍｍ（ｘ＝３ｃｍ）の反応炉で、４ｋＷで実施した。

５０ｍｍの反応炉の場合、６分後にアーク放電が発生する。反応炉は、導波管に近すぎる。

反対に、直径３０ｍｍの反応炉（直線反応炉）では、いっさいアーク放電が発生しない。発生の可能性がある唯一のアーク放電は、反応炉の心出し不良の場合にしか起こらない。

ｄ−湿潤空気による気体流通
新規ダクトで得られた結果を、さらにもう少し最適化するために、補足試験を実施した。

試験は、円錐形ダクトと直径３０ｍｍの直線反応炉で実行する（よりよい条件、ＩＩ−ｃを参照のこと。）。

静電気を排除するために、湿潤空気又はその誘電率レベルが類似した別の気体（例：１バールのＳＦ６）による十分な気体通流を促進する必要がある。この場合、水蒸気をアプリケータの部位に投入した。反応炉の壁に水蒸気が結露するのを回避するために、ダクト出口に吸気を付加する必要がある。

吸気が弱いと、２８２℃、Ｐｉ＝５ｋＷでアーク放電が発生する。

吸気が強いとき、２８４℃、Ｐｉ＝６ｋＷでアーク放電が発生する。しかし、５ｋＷではアーク放電は、いっさい発生しない。

したがって、湿潤空気による気体通流は結果を向上させる。しかしながら、実質効果をねらうためには、気体通流は十分高めなければならない。

これらの試験の結論：
２４５０ＭＨｚで実行したこれらの試験は、「円錐」形のダクトシステムが、高い発射電力（通常のダクトで２ｋＷの代わりに４ｋＷ）でのアーク放電を回避することを、最終的に可能にすることを示している。そのような電力で作業することで、所望の温度レベル（４００℃まで）は、きわめて迅速に、すなわち生成物１ｋｇの処理の場合、１５分より短い時間で、達することができる。

全く有利には、非制限的に、現時点で本発明の最良の実施態様を示す、図４に示された寸法と形状を使用するものである。図に見るごとく、これは下部が円錐形で、上部が円筒状のダクトである。

本発明はまた、当業者が本出願書を読み、自己の知識と、場合によっては通常の簡単な試験によって直接入手することができることとなる、全ての実施態様と全ての応用に及ぶものである。

本発明に係るエネルギーアプリケータを適用するマイクロ波誘電加熱の構成概略図 従来のアプリケータの概略図 従来のダクトの断面図 本発明に係る円錐状ダクトの断面図 従来のダクトによる試験の部分図解 従来のダクトによる試験の部分図解 従来のダクトにおけるアーク放電の発生個所の図解 従来のダクトの概略図 従来のダクトの動作の図解 従来のダクトの動作の図解 本発明に係るアプリケータの概略構成図 本発明に係るアプリケータの部分構成図 本発明に係るマイクロ波反応炉の概略図 本発明に係るマイクロ波反応炉の概略断面図 本発明に係るマイクロ波反応炉の形状と容積説明図

符号の説明

ＭＷ ミリワット計
ＳＲ’ 冷却システム
Ｉ アイリス（調節自在なダイヤフラムの一種）
ＡＰ ダクト付きアプリケータ（単数又は複数）
Ｐ 短絡ピストン
ＢＣ バイカップラ
ＳＡ 自動「スタブ」システム（下向き可動ネジ）
Ｃ 安全装置（サーキュレータ）
ＳＲ 冷却システム
ＴＭＯ マイクロ波ヘッド
Ｇ マグネトロン発生器
ＧＯ 導波管
Ｒ 電磁波をかけられる反応炉
ＣＨ ダクト
ＰＳ ダクト上部
ＰＩ ダクト下部
Ｖ１、Ｖ２、Ｖ３、Ｖ４ 容積

Claims (18)

1. 導波管と該導波管の側面方向に接続された側方ダクトとを有するタイプのエネルギーアプリケータであって、対象の化合物の誘電率のいかんにかかわらず、アーク放電又は「絶縁破壊」のおそれなしに、必要な値の相対電力密度で、静的又は動的に、マイクロ波周波数又は高周波の電磁波下での、いっさいの化合物の誘電加熱のために前記導波管の内部から前記側方ダクトの内部を貫通する反応炉に電磁波エネルギーを印加するエネルギーアプリケータにおいて、
   前記導波管の周囲に伸延する少なくとも一つの空洞共振器を有するとともに、
   前記側方ダクトが、外部への電磁波の漏洩を防止するために電磁波がかけられる前記反応炉にできるだけ近づけなければならない上部と、アーク放電を回避するために前記導波管に向かって広げられた形状の下部の、二つの主要部分で構成され、
   前記空洞共振器が、前記導波管の各側面に形成され、
   前記空洞共振器が、一つ又は複数の前記側方ダクトによって前記導波管の周囲に形成され、
   前記側方ダクトが、前記空洞共振器の周囲で、前記導波管の各側面に配置されていることを特徴とする、エネルギーアプリケータ。
2. 前記導波管の周囲に形成された前記空洞共振器の形状が、
   ・対称形、
   ・一番広い部分が前記導波管内に開いている、少なくとも円錐の底から成る形状、球形、楕円の容積の形状：
   の中から選択されることを特徴とする、請求項１に記載のエネルギーアプリケータ。
3. 同一幾何学的形状の複数の前記側方ダクトを有することを特徴とする、請求項１又は請求項２に記載のエネルギーアプリケータ。
4. 前記側方ダクトの上部が、電磁波の漏洩を防止するために電磁波がかけられる前記反応炉にできるだけ近づけなければならず、また円形、長方形又は正方形の断面の筒形を取ることができることを特徴とする、請求項１に記載のエネルギーアプリケータ。
5. 前記側方ダクトが、連続する異なる形状から成る幾何学的形状を有することを特徴とする、請求項４に記載のエネルギーアプリケータ。
6. 前記側方ダクトの上部が、電磁波がかけられる前記反応炉の形状にできる限りなじみ、アーク放電を助長するような角の存在を回避するために、円形断面の円筒形状を呈することを特徴とする、請求項４又は請求項５に記載のエネルギーアプリケータ。
7. 前記側方ダクトの下部、すなわち前記導波管に近い部分が、広がった形状であることを特徴とする、請求項４又は請求項５に記載のエネルギーアプリケータ。
8. 前記広がった形状が、垂直軸に対する角度が可変の、円錐形又は球形、底が正方形又は長方形の四角錐形状の中から選択されることを特徴とする、請求項７に記載のエネルギーアプリケータ。
9. 前記広がった形状の底の直径が、前記導波管の幅を超えないことを特徴とする、請求項７又は請求項８に記載のエネルギーアプリケータ。
10. 前記マイクロ波の周波数が２４５０ＭＨｚの、単一モードマイクロ波の下のアプリケータであり、ＴＥ０．１モード（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｑｕｅ）に留まるために推奨される前記導波管の幅が、約７０ｍｍと１００ｍｍの間に位置し、ＴＥ０．１励起基本モードが単一のアーチにそって電磁波が伝播することを可能にすることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一つに記載のエネルギーアプリケータ。
11. 前記マイクロ波周波数が、３００ＭＨｚと３０ＧＨｚの間に含まれ、前記高周波が、３ＭＨｚと３００ＭＨｚの間に含まれることを特徴とする、請求項１〜９のいずれか一つに記載のエネルギーアプリケータ。
12. 前記側方ダクトが、前記導波管の方向に配設された、上側の通常円筒状部分と下側の円錐状部分とを含むことを特徴とする、請求項１〜１１のいずれか一つに記載のエネルギーアプリケータ。
13. 請求項１〜１２のいずれか一つに記載のエネルギーアプリケータを用いて、輻射をほとんど吸収しない化合物および、誘電率の高い化合物（ε’＞５とε‘’＞０．５）に対する熱印加のための、マイクロ波又は高周波の電磁波を印加するための、エネルギーアプリケータの使用。
14. 電磁波をほとんど吸収しない化合物、又は、極性あるいは分極化合物に対する熱処理を実現するための、請求項１３に記載のエネルギーアプリケータの使用。
15. 所与の系（脂肪族又は非脂肪族アルコール、カルボン酸、アミン、など）の生産能力の増加のための（不飽和か否かを問わず）脂肪酸エステル、（不飽和か否かを問わず）炭化水素、芳香族化合物およびこれらの誘導体、そして電磁波を吸収する生成物の処理、ならびに脂肪酸あるいは一価又は多価不飽和脂肪酸エスエル、又は蝋、そしてとくにヒマシ油の異性化などの電磁波をほとんど吸収しない生成物の場合にとくに顕著な利益がある「脂肪化学」の全ての反応に対する、請求項１３又は請求項１４に記載のエネルギーアプリケータの使用。
16. エステル化、エステル交換反応、エポキシ化、硫酸塩化、亜リン酸化、アミド化、重合反応、縮重合反応、脱色、脱臭および揮発性化合物除去システムなどの、単独の反応体又は可変の比率の反応体混合物を関与させる全ての熱利用を実現することを特徴とする、請求項１３〜１５のいずれか一つに記載のエネルギーアプリケータの使用。
17. マイクロ波下での誘電加熱を用いて、不飽和脂肪酸、不飽和脂肪酸エステル、不飽和炭化水素、又はこれらの生成物の誘導体の重合体の合成のための、請求項１３〜１６のいずれか一つに記載のエネルギーアプリケータの使用。
18. 下記の中から選択された化学薬剤を使用することを特徴とする、請求項１３〜１７のいずれか一つに記載のエネルギーアプリケータの使用：
    反応体：
    ・触媒、あるいは吸収率の高いあるいは低い添加剤の添加の有無を問わず、電磁波をほとんど吸収しない生成物、又は多く吸収する生成物又は両者の混合物：
    ・吸収率の高い生成物：脂肪族あるいは非脂肪族アルコール、脂肪性又は非脂肪性アミン、カルボン酸、アセタール、ケトン、エノール、過酸、エポキシド、および極性基又は分極基を含む化合物、
    −アルコールとしては：ソルビトール、グリセロール、マンニトール、グリコール、ビタミン（例えば、トコフェロール、アスコルビン酸、レチノール）、ポリフェノール、ステロール（とりわけ植物ステロール）および、
    −アミンとしては、飽和又は不飽和、直鎖又は枝分れ状の、アンモニア、第一級、第二級、第三級アルキルアミン（メチルアミン；ジメチルアミン；トリメチルアミン；ジエチルアミン）、脂肪アミン（オレインアミン；ココナッツ油のアルキルアミン）、アミノアルコール（モノエタノールアミンＭＥＡ；ジエタノールアミンＤＥＡ；トリエタノールアミンＴＥＡ；３−アミノ−１，２−プロパンジオール； １−アミノ−２−プロパノール）、エトキシアミン（２，２’−アミノエトキシエタノール； アミノ−１−メトキシ−３−プロパン）、
    ・触媒又は添加剤：パラトルエンスルホン酸、硫酸、リン酸、過塩素酸）などの酸性触媒、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、アルカリ金属およびアルカリ土類金属のアルコラート、酢酸ナトリウム、トリエチルアミン、ピリジン誘導体、などの塩基性触媒、Ａｍｂｅｒｌｉｔｅ（登録商標）、Ａｍｂｅｒｌｙｓｔ（登録商標）、Ｐｕｒｏｌｉｔｅ（登録商標）、Ｄｏｗｅｘ（登録商標）、Ｌｅｗａｔｉｔ（登録商標）型の酸性および／又は塩基性樹脂、ゼオライト、酵素、およびカーボンブラック。
    ・ほとんど吸収しない生成物：動物性又は植物性の油脂および前記油脂から得られたものであるポリテルペンを意味するものとする。
    動物性油脂：マッコウクジラ油、イルカ油、鯨油、アザラシ油、鰯油、鰊油、鮫油、肝油、牛脚油、牛、豚、馬、羊の脂（獣脂）。
    植物性油：植物性油としては、とりわけ、菜種油、ひまわり油、落花生油、オリーブ油、クルミ油、トウモロコシ油、大豆油、亜麻油、大麻油、グレープシード油、コプラ油、パーム油、綿実油、ババス油、ホホバ油、ゴマ油、ヒマシ油、脱水ヒマシ油、へーゼルナッツ油、小麦胚芽油、ルリヂサ油、月見草油、トール油。
    動物性又は植物性油の成分：植物性油（オリーブ油、落花生油、菜種油、トウモロコシ胚油、木綿油、亜麻油、小麦胚芽油、米糠油）の不鹸化物から抽出したスクアレン、あるいは鮫油に含まれているスクアレン。
    ＊その反応性を高めるか低下させるための事前処理にかけることができる、前記動物性又は植物性油脂、ならびにその誘導体
    不飽和炭化水素：アルケン、例えば、一つ又は複数のテルペン炭化水素、すなわち、一つ又は複数のイソプレン重合体、あるいはイソブテン、スチレン、エチレン、ブタジエン、イソプレン、プロペンの一つ又は複数の重合体、あるいは単体又は混合物の、これらのアルケンの一つ又は複数の共重合体、
    脂肪酸、あるいは、一価又は多価不飽和脂肪酸エスエル、蝋、ヒマシ油。

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