JP5963976B2 - マイクロ波加熱照射装置 - Google Patents

Description

この発明は、試料にマイクロ波を照射して加熱するマイクロ波加熱照射装置に関するものである。

マイクロ波伝送技術の分野においては、例えば太陽発電衛星（ＳＰＳ：Ｓｏｌａｒ Ｐｏｗｅｒ Ｓａｔｅｌｌｉｔｅ）の実現に向けて、高効率伝送技術やアクティブフェーズドアレーアンテナ（ＡＰＡＡ：Ａｃｔｉｖｅ Ｐｈａｓｅｄ Ａｒｒａｙ Ａｎｔｅｎｎａ）によるビーム制御技術などに関する様々な研究開発が行われている。

また、これらのマイクロ波伝送技術を工業用のアプリケーションに応用する動向もみられる。例えば特許文献１，２には、原料にマイクロ波を照射して加熱することで溶融銑鉄を製造する製鉄システムが開示されている。また、非特許文献１，２には、マイクロ波を用いた製鉄システムにおいて、マイクロ波放射源をフェーズドアレーアンテナで構成する技術について開示されている。さらに、最近では、マイクロ波を化学反応に応用することで化学反応時間を短縮する技術も注目されている。
現状、マイクロ波伝送技術は小規模な装置に適用される例が多い。しかしながら、例えば製鉄システムのように、大規模かつ大電力の装置の開発も求められている。

国際公開第２０１０／０８７４６４号「竪型マイクロ波製鉄炉」 特開２０１３−１１３８４号公報「マイクロ波加熱炉」

佐藤、永田、篠原、三谷、樫村、「フェーズドアレーアンテナを使った工業用マイクロ波アプリケーターの概念設計」、第５回日本電磁波エネルギー応用学会シンポジウム，講演要旨集2B07(2011). 瀧川、本間、佐々木、稲沢、小西、「マイクロ波製鉄システムへのマイクロ波伝送技術の応用に関する一検討」、２０１３年電子情報通信学会総合大会、講演要旨集B-1-13 (2013).

特許文献１，２及び非特許文献１，２に開示された従来のマイクロ波加熱システムは、反応炉の周囲にマイクロ波放射源を円周状に配列している。このため、特定のマイクロ波放射源（以下「第１マイクロ波放射源」という）が放射したマイクロ波のうち、加熱対象の試料で吸収されなかったマイクロ波は、この試料で反射されて、反応炉を介して第１マイクロ波放射源と対峙したマイクロ波放射源（以下「第２マイクロ波放射源」という）に照射される。これにより、第２マイクロ波放射源の故障が発生する課題があった。また、投入する試料の状態は、固体、液体、気体、粉末状と、生成物によってことなるため、反応炉に蓋がない状態では、試料が反応炉から漏れ出てしまう課題があった。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、マイクロ波と試料を反応炉内に閉じ込めることができるマイクロ波加熱照射装置を提供することを目的としている。

この発明に係るマイクロ波加熱照射装置は、開口部を有し、開口部からマイクロ波が照射されることで内部に収められた試料を加熱させる反応炉と、反応炉の外側に配置され、マイクロ波を照射する１つ以上のマイクロ波放射源と、反応炉の上方に配置され、マイクロ波放射源により照射されたマイクロ波を、反応炉の開口部に反射する回転楕円鏡と、反応炉の開口部に設けられ、少なくとも回転楕円鏡で反射されたマイクロ波の照射箇所が誘電体で形成され、当該マイクロ波を反応炉の内部に透過させる蓋と、蓋の形成面のうち、反応炉の内側に対向する面の、回転楕円鏡からのマイクロ波の照射箇所以外の箇所に設けられ、当該マイクロ波を乱反射させる凹凸部とを備え、蓋における誘電体で形成されたマイクロ波の照射箇所への、回転楕円鏡で反射されたマイクロ波の入射角が誘電体のブリュースター角となるように、マイクロ波放射源と回転楕円鏡が配置されたものである。

この発明によれば、上記のように構成したので、マイクロ波と試料を反応炉内に閉じ込めることができる。

この発明の実施の形態１に係るマイクロ波加熱照射装置の構成を示す図であり、（ａ）上面図であり、（ｂ）側断面図である。 この発明の実施の形態２に係るマイクロ波加熱照射装置の構成を示す図であり、（ａ）上面図であり、（ｂ）側断面図である。 この発明の実施の形態３に係るマイクロ波加熱照射装置の構成を示す側断面図である。 この発明の実施の形態４に係るマイクロ波加熱照射装置の構成を示す側断面図である。 この発明の実施の形態５に係るマイクロ波加熱照射装置の構成を示す側断面図である。 この発明の実施の形態６に係るマイクロ波加熱照射装置の構成を示す側断面図である。 この発明の実施の形態７に係るマイクロ波加熱照射装置の構成を示す側断面図である。

以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るマイクロ波加熱照射装置の構成を示す図である。
マイクロ波加熱照射装置は、図１に示すように、反応炉１、誘電体板（蓋）２、マイクロ波放射源３及び回転二次曲面鏡４から構成される。

反応炉１は、マイクロ波が照射されることで、内部に収められた試料５０を反応させて加熱させるものであり、上方（回転二次曲面鏡４側）に開口部を有する筐体である。なお、反応炉１の形状については、反応させる試料５０の形態、特性によって適宜選択してよい。また図１に示す例では、反応炉１の形状を矩形としているが、これに限定されるものではなく、例えば円形など任意の形状でよい。

誘電体板２は、反応炉１の開口部に配置されたものである。なお、誘電体板２としては、例えばガラスなどマイクロ波を透過するものであればよく、構成材料は適宜選択してよい。また図１では、誘電体板２の形状を矩形としているが、これに限定されるものではなく、例えば円形など任意の形状でよい。

マイクロ波放射源３は、反応炉１の外側に配置され、試料５０を反応させるためのマイクロ波を照射するものである。図１に示す実施の形態１では、マイクロ波放射源を１つ備えた場合を示している。なお、マイクロ波放射源３の種類、照射するマイクロ波の周波数等は、適宜選択してよい。また、マイクロ波放射源３の放射方向は、回転二次曲面鏡４の方向である。

回転二次曲面鏡４は、反応炉１の上方に配置され、マイクロ波放射源３により照射されたマイクロ波を、誘電体板２を介して反応炉１に反射するものである。ここで、マイクロ波放射源３（第１の焦点１０１）から放射されたマイクロ波は、入射波１０２のように回転二次曲面鏡４に入射される。その後、回転二次曲面鏡４で反射されたマイクロ波は、入射波１０３のように誘電体板２（第２の焦点１０４）で集束される。すなわち、回転二次曲面鏡４は、マイクロ波放射源３と誘電体板２の位置にそれぞれ第１，２の焦点１０１，１０４を有するものである。なお図１では回転楕円鏡として図示している。
なお、反応炉１及び回転二次曲面鏡４の構成材料は適宜選択してよい。

ここで、屈折率の異なる物質の境界面にマイクロ波が入射すると、そのマイクロ波の一部は境界面で反射し、残りは透過していく。一方、境界面に入射するマイクロ波が入射面（境界面に垂直な面）に平行な電界成分をもつ場合（ＴＭ波と呼ばれる）のみ、無反射で全てのマイクロ波が透過する入射角が存在する。この入射角はブリュースター角と呼ばれ、誘電体の電気特性で決まる。

そこで、本発明では、誘電体板２へのマイクロ波の入射角（第２の焦点１０４から回転二次曲面鏡４を見込む立体角の中心線１０７と誘電体板２の法線１０８のなす角）が、当該誘電体板２のブリュースター角１０６に一致するようにマイクロ波放射源１と回転二次曲面鏡４を配置する。ただし、誘電体板２へのマイクロ波の入射角が当該誘電体板２のブリュースター角１０６に厳密に一致せずとも、これら２つの角度が近い値であればマイクロ波の大部分は誘電体板２を透過する。よって、必ずしも上記２つの角度は一致していなくてもよい（上記マイクロ波の入射角が、当該マイクロ波の特定の偏波が誘電体板２を透過する入射角となればよい）。

なお図１では、反応炉１の開口部全体を誘電体板２で覆っているが、これに限定されるものではなく、反応炉１の開口部を覆う部材全体が誘電体板２でなくともよい。すなわち、マイクロ波が透過する部分だけ（例えば穴状に）マイクロ波を透過する誘電体（ガラスなど）で構成し、他の部分はマイクロ波を反射して透過しない材質で構成した蓋を用いてもよい。

次に、上記のように構成されたマイクロ波加熱照射装置の動作について説明する。
マイクロ波放射源３からマイクロ波が照射されると、このマイクロ波は、回転二次曲面鏡４を介して誘電体板２に向かって入射する。本発明では、上述のように誘電体板２へのマイクロ波の入射角が当該誘電体板２のブリュースター角１０６に一致しているので、試料５０への入射波１０３は無反射で全て誘電体板２を透過し、反応炉１内の試料５０に向けて照射する。そして、試料５０に照射されたマイクロ波のうちの一部は、試料５０での反応により熱となって吸収される。一方、吸収されなかったマイクロ波は、反射波１０５となって、試料５０への入射方向とは逆方向に反射する。この際、試料５０の配置の仕方や散乱特性により、マイクロ波の電界成分の向きが回転し、また反射方向が分散する。そして、本発明では反応炉１に誘電体板２を配置しているため、この誘電体板２によってマイクロ波が反射されて、再び、試料５０に照射される。これにより、効率的に試料５０を加熱することができる。

なお、誘電体板２から漏れ出ていくマイクロ波は非常に少なく、また仮に漏れ出たとしても、装置内の伝搬損失から考えれば小さいものであり、マイクロ波放射源３を壊すことはない。さらに、誘電体板２により物理的に反応炉１が密封されていることから、試料５０が反応炉１から外に出ていく心配もなくなる。

以上のように、この実施の形態１によれば、回転二次曲面鏡４を用い、少なくとも回転二次曲面鏡４で反射されたマイクロ波の照射箇所を誘電体で形成し、当該マイクロ波を反応炉１の内部に透過させる蓋（誘電体板２）を反応炉１の開口部に設けて、蓋の誘電体で形成されたマイクロ波の照射箇所において、回転二次曲面鏡４で反射されたマイクロ波の偏波が透過する入射角になるように、マイクロ波放射源３と回転二次曲面鏡４を配置したので、マイクロ波と試料５０を反応炉１内に閉じ込めることができる。その結果、マイクロ波放射源３の故障を防止し且つ試料５０の漏えいを防止することができる。さらに、反応炉１内にマイクロ波を閉じ込めることができるため、試料５０から反射されたマイクロ波を反応炉１内で有効活用して、再び試料５０へ照射することができ、エネルギーの効率化の効果が得られる。

実施の形態２．
図２はこの発明の実施の形態２に係るマイクロ波加熱照射装置の構成を示す図である。図２に示す実施の形態２に係るマイクロ波加熱照射装置は、図１に示す実施の形態１に係るマイクロ波加熱照射装置のマイクロ波放射源３及び回転二次曲面鏡４を４系統設けたものである。なお図では、各系統を区別するため、各構成の符号に接尾記号（ａ〜ｄ）を付して示している。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。

ここで、第１の焦点１０１は各系統のマイクロ波放射源３の位置とし、第２の焦点１０４を誘電体板２の位置に設定し、且つ誘電体板２へのマイクロ波の入射角が当該誘電体板２のブリュースター角１０６に一致するようにマイクロ波放射源１と回転二次曲面鏡４を配置する。ただし、誘電体板２へのマイクロ波の入射角が当該誘電体板２のブリュースター角１０６に厳密に一致せずとも、これら２つの角度が近い値であればマイクロ波の大部分は誘電体板２を透過する。よって、必ずしも上記２つの角度は一致していなくてもよい（上記マイクロ波の入射角が、当該マイクロ波の特定の偏波が誘電体板２を透過する入射角となればよい）。

なお図２に示す例では、マイクロ波放射源３及び回転二次曲面鏡４を４系統設けた場合を示しているが、少なくとも２系統以上設ければよく、その数を限定するものではない。
また図２では、それぞれの試料５０への入射波１０３に対して第２の焦点１０４が異なる位置にあるが、これらの第２の焦点１０４の位置は一致していてもよく、焦点の位置を限定するものではない。

以上のように、この実施の形態２によれば、マイクロ波放射源３及び回転二次曲面鏡４を複数系統設けても、実施の形態１と同様の効果が得られる。

実施の形態３．
図３はこの発明の実施の形態３に係るマイクロ波加熱照射装置の構成を示す図である。
図３に示す実施の形態３に係るマイクロ波加熱照射装置は、図１に示す実施の形態１に係るマイクロ波加熱照射装置の蓋の形成面の裏面（反応炉１の内側と対向する面）に凹凸部２１を設けたものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。

凹凸部２１は、蓋の形成面の裏面の、回転二次曲面鏡４からのマイクロ波の照射箇所以外の箇所に設けられ、反応炉１内で反射したマイクロ波を乱反射させるものである。すなわち、図３に示すように、反応炉１の開口部の全面に誘電体板２を設け、誘電体板２の中央にマイクロ波を照射する場合には、この誘電体板２の裏面の中央より外側部分に凹凸部２１が設けられる。また、反応炉１の開口部に対し、一部を誘電体で構成し、その他の部分を誘電体板２以外の材質で構成した蓋を用いる場合には、この誘電体以外の部分に凹凸部２１を設ければよい。この凹凸部２１の材料、形状、種類は、適宜選択してよい。この凹凸部２１を設けることで、図１に示す実施の形態１の構成に対して、試料５０からのマイクロ波の反射波１０５がより複雑に反応炉１内で多重反射し、誘電体板２から漏れ出ていくマイクロ波を軽減させる効果が得られる。

以上のように、この実施の形態３によれば、蓋の形成面の裏面の、回転二次曲面鏡４からのマイクロ波の照射箇所以外の箇所に凹凸部２１を設けることで、実施の形態１の効果に対し、試料５０へのより効率的な加熱効果と、マイクロ波の誘電体板２からの漏えいをより軽減する効果が得られる。

なお上記では、図１に示す実施の形態１の構成に対して凹凸部２１を適用した場合を示したが、図２に示す実施の形態２の構成に対しても同様に適用可能であり、同様の効果を得ることができる。

実施の形態４．
図４はこの発明の実施の形態４に係るマイクロ波加熱照射装置の構成を示す図である。
図４に示す実施の形態４に係るマイクロ波加熱照射装置は、図１に示す実施の形態１に係るマイクロ波加熱照射装置の反応炉１の内側の側壁に凹凸部１１を設けたものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。

凹凸部１１は、反応炉１の内側の側壁に設けられ、反応炉１内で反射したマイクロ波を乱反射させるものである。この凹凸部１１の材料、形状、種類は、適宜選択してよい。この凹凸部１１を設けることで、図１に示す実施の形態１の構成に対して、試料５０からのマイクロ波の反射波１０５がより複雑に反応炉１内で多重反射し、誘電体板２から漏れ出ていくマイクロ波を軽減させる効果が得られる。

以上のように、この実施の形態４によれば、反応炉１の内側の側壁に凹凸部１１を設けることで、実施の形態１の効果に対し、試料５０へのより効率的な加熱効果と、マイクロ波の誘電体板２からの漏えいをより軽減する効果が得られる。

なお上記では、図１に示す実施の形態１の構成に対して凹凸部１１を適用した場合を示したが、図２に示す実施の形態２の構成に対しても同様に適用可能であり、同様の効果を得ることができる。

実施の形態５．
図５はこの発明の実施の形態５に係るマイクロ波加熱照射装置の構成を示す図である。
図５に示す実施の形態５に係るマイクロ波加熱照射装置は、図１に示す実施の形態１に係るマイクロ波加熱照射装置の蓋の形成面の裏面（反応炉１の内側と対向する面）に凹凸部２１を設け、反応炉１の内側の側壁に凹凸部１１を設けたものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。

凹凸部２１は、蓋の形成面の裏面の、回転二次曲面鏡４からのマイクロ波の照射箇所以外の箇所に設けられ、反応炉１内で反射したマイクロ波を乱反射させるものである。また、凹凸部１１は、反応炉１の内側の側壁に設けられ、反応炉１内で反射したマイクロ波を乱反射させるものである。この凹凸部１１，２１の材料、形状、種類は、適宜選択してよい。この凹凸部１１，２１を設けることで、図１に示す実施の形態１の構成に対して、試料５０からのマイクロ波の反射波１０５がより複雑に反応炉１内で多重反射し、誘電体板２から漏れ出ていくマイクロ波を軽減させる効果が得られる。

以上のように、この実施の形態５によれば、誘電体板２の形成面の裏面の、回転二次曲面鏡４からのマイクロ波の照射箇所以外の箇所に凹凸部２１を設け、反応炉１の内側の側壁に凹凸部１１を設けることで、実施の形態１の効果に対し、試料５０へのより効率的な加熱効果と、マイクロ波の誘電体板２からの漏えいをより軽減する効果が得られる。

なお上記では、図１に示す実施の形態１の構成に対して凹凸部１１，２１を適用した場合を示したが、図２に示す実施の形態２の構成に対しても同様に適用可能であり、同様の効果を得ることができる。

また、実施の形態３〜５において、凹凸部１１，２１は、例えば三角柱を並べたような面の形状でもよいし、三角錐、四角錐、半球を並べたような面の形状でもよい（すなわち、拡散反射の効果が得られる形状であればよい）。

実施の形態６．
図６はこの発明の実施の形態６に係るマイクロ波加熱照射装置の構成を示す図である。
図６に示す実施の形態６に係るマイクロ波加熱照射装置は、図１に示す実施の形態１に係るマイクロ波加熱照射装置に加熱部５を設けたものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。

加熱部５は、反応炉１の外部に設けられ、当該反応炉１を加熱するものである。この加熱部５の方法や装置の種類は、適宜選択してよい。このように、試料５０をマイクロ波で加熱することに加えて、加熱部５により反応炉１自体を加熱することで、反応炉１内の温度が上昇し、試料５０の反応速度を高めることができる。

以上のように、この実施の形態６によれば、反応炉１に熱を加える加熱部５を設けることで、実施の形態１の効果に対し、試料５０へのより効率的な加熱効果が得られる。

なお上記では、図１に示す実施の形態１の構成に対して加熱部５を適用した場合を示したが、図２〜５に示す実施の形態２〜５の構成に対しても同様に適用可能であり、同様の効果を得ることができる。

実施の形態７．
図７はこの発明の実施の形態７に係るマイクロ波加熱照射装置の構成を示す図である。
図７に示す実施の形態７に係るマイクロ波加熱照射装置は、図１に示す実施の形態１に係るマイクロ波加熱照射装置のマイクロ波放射源３をアクティブフェーズドアレーアンテナ６としたものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。

アクティブフェーズドアレーアンテナ６は、アンテナ素子毎、もしくは複数のアンテナ素子で構成するサブアレーアンテナ毎に増幅器及び移相器を備えたものである。そして、各々の増幅量及び移相量を最適化することで、試料５０に照射されるマイクロ波の照射分布をフレキシブルに制御することができる。なお、目的とする照射分布を達成するため、増幅量と移相量の調整は適宜選択してよい。

以上のように、この実施の形態７によれば、マイクロ波放射源３として、放射するマイクロ波の振幅及び位相を調整自在なアクティブフェーズドアレーアンテナ６を用いたので、実施の形態１の効果に対し、試料５０への照射分布をフレキシブルに制御できる効果が得られる。

なお上記では、図１に示す実施の形態１の構成にアクティブフェーズドアレーアンテナ６を適用した場合を示したが、図２〜６に示す実施の形態２〜６の構成に対しても同様に適用可能であり、同様の効果を得ることができる。

また実施の形態１〜７において、第２の焦点１０４の位置を、誘電体板２の位置に厳密に合わせなくてもよい。すなわち、第２の焦点１０４の位置が、誘電体板２の上又は下の位置となったとしても、入射されるマイクロ波が誘電体板２内に収まればよい。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

この発明に係るマイクロ波加熱照射装置は、開口部からマイクロ波を照射し内部に収められた試料を加熱する反応炉と、反応炉の外側に配置されたマイクロ波放射源と、反応炉の上方に配置された回転二次曲面鏡と、開口部に設けられ、回転二次曲面鏡で反射されたマイクロ波の照射箇所を誘電体で形成し、当該マイクロ波を反応炉の内部に透過させる蓋とを備え、マイクロ波の照射箇所において、回転二次曲面鏡で反射されたマイクロ波の偏波が透過する入射角になるように、マイクロ波放射源と回転二次曲面鏡を配置したので、マイクロ波と試料を反応炉内に閉じ込めることができ、試料の加熱に好適である。

１ 反応炉、２ 誘電体板、３，３ａ〜３ｄ マイクロ波放射源、４，４ａ〜４ｄ 回転二次曲面鏡、５ 加熱部、６ アクティブフェーズドアレーアンテナ、１１ 凹凸部、２１ 凹凸部、５０ 試料、１０１，１０１ａ，１０１ｂ 第１の焦点、１０２，１０２ａ，１０２ｂ 入射波、１０３，１０３ａ，１０３ｂ 入射波、１０４，１０４ａ，１０４ｂ 第２の焦点、１０５ 反射波、１０６，１０６ａ，１０６ｂ ブリュースター角、１０７，１０７ａ，１０７ｂ 中心線、１０８，１０８ａ，１０８ｂ 法線。

Claims (2)

1. 開口部を有し、前記開口部からマイクロ波が照射されることで内部に収められた試料を加熱させる反応炉と、
   前記反応炉の外側に配置され、マイクロ波を照射する１つ以上のマイクロ波放射源と、
   前記反応炉の上方に配置され、前記マイクロ波放射源により照射されたマイクロ波を、前記反応炉の開口部に反射する回転楕円鏡と、
   前記反応炉の開口部に設けられ、少なくとも前記回転楕円鏡で反射されたマイクロ波の照射箇所が誘電体で形成され、当該マイクロ波を前記反応炉の内部に透過させる蓋と、
   前記蓋の形成面のうち、前記反応炉の内側に対向する面の、前記回転楕円鏡からのマイクロ波の照射箇所以外の箇所に設けられ、当該マイクロ波を乱反射させる凹凸部とを備え、
   前記蓋における誘電体で形成されたマイクロ波の照射箇所への、前記回転楕円鏡で反射されたマイクロ波の入射角が前記誘電体のブリュースター角となるように、前記マイクロ波放射源と前記回転楕円鏡が配置された
   ことを特徴とするマイクロ波加熱照射装置。
2. 前記マイクロ波放射源は、アレーアンテナであることを特徴とする請求項１記載のマイクロ波加熱照射装置。

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