JP6024066B2

JP6024066B2 - 低エネルギー電磁波反応装置

Info

Publication number: JP6024066B2
Application number: JP2012210875A
Authority: JP
Inventors: 司近田; 義裕野崎; 友彦三谷; 直輝長谷川; 真毅篠原; 渡辺　隆司; 隆司渡辺
Original assignee: Japan Chemical Engineering and Machinery Co Ltd; Kyoto University
Current assignee: Japan Chemical Engineering and Machinery Co Ltd; Kyoto University
Priority date: 2012-09-25
Filing date: 2012-09-25
Publication date: 2016-11-09
Anticipated expiration: 2032-09-25
Also published as: JP2014064980A

Description

本発明は、幅広い周波数帯の低エネルギー電磁波を効果的に照射可能な低エネルギー電磁波反応装置に関するものである。

マイクロ波はＸ線や紫外線と同様に電磁波の一種であるが、赤外線(波長０．７μｍ〜１ｍｍ）よりもエネルギー準位が低く、取り扱いが容易であるために、携帯電話や衛星放送の通信手段として広く利用されている。また、このマイクロ波のような低エネルギー電磁波は、加熱作用を有するために加熱源としての利用が可能であり、例えば電子レンジは既に広く一般家庭にまで普及、使用されている。一方、工業的に低エネルギー電磁波を加熱源として利用しようとする試みも活発化しており、例えば特許文献１ではマイクロ波加熱を用いた真空、乾燥・濃縮装置が開示されている。

特開２００８−１２４５１号公報

ところで、通常の加熱ではガスや重油等の直火、スチーム、抵抗加熱あるいはＩＨ(誘導加熱)等が加熱源として一般的に用いられる。これらの通常加熱では、いずれの場合も加熱源が高温であり、この熱が伝熱によって低温の加熱対象物に伝えられることになる。この伝熱による加熱では、熱伝達係数等の制約から加熱対象物の昇温スピードには限界があり、また加熱源と加熱対象物間あるいは加熱対象物内の顕著な温度勾配発現を回避することも容易ではない。一方、低エネルギー電磁波の場合には、照射される低エネルギー電磁波自身は冷たいのであるが、加熱対象物がこの低エネルギー電磁波を吸収すると、吸収したエネルギーが加熱対象物内で直接熱に変換され、速やかに発熱、昇温することになる。そのため、低エネルギー電磁波加熱では昇温速度が非常に大きく、また加熱対象物全体が一斉に発熱するので対象物内の温度が相対的に均一化し易い特徴を有している。

このように低エネルギー電磁波加熱は、加熱原理あるいはその特性が通常加熱とは異なっており、その結果としてこれらに起因すると想定される種々の効果(例えば、反応時間の顕著な短縮や製品品質の向上等)が数多くの反応で生起することが認められている。

エネルギー準位は低いにも拘らず、低エネルギー電磁波を加熱源とした場合には通常加熱と比較して反応時間の大幅短縮や製品品質の向上等種々の効果が期待される。しかしながら、何故このような効果が発現するのかについては、未だに明確な機構は明らかになってはいない。但し、効果の大部分は、反応場において発生するミクロスポット的過加熱状態が担っていると予想される。即ち、低エネルギー電磁波加熱の場合には、各物質はその分子構造に基づいて加熱状況が異なるため、同じ反応系の中でも非常に加熱され易い部分と逆に加熱され難い部分とが出現する。したがって、反応系全体としての平均温度は低いにもかかわらず、局所的に高温部分が発現し、この部分において反応が加速されるので従来加熱と比較して大きな効果が生まれていることが想定される。

ところで、赤外線よりもエネルギー準位が低い周波数０．０３〜３００ＧＨｚ程度の低エネルギー電磁波の中で、加熱源として利用される低エネルギー電磁波の周波数は、これまでのところほぼ２．４５ＧＨｚに限定されている。このように周波数が固定されているのは、経済性すなわち２．４５ＧＨｚの低エネルギー電磁波発振器(マグネトロン)が最も安価であるということが最大の理由である。さらに、この価格に関しては、２．４５ＧＨｚのマグネトロンは大量に生産されているので安い、という言わばニワトリと卵的な関係が成立している。言い換えれば、他の周波数の発振器についても、その生産台数が増加すれば２．４５ＧＨｚの場合と同様の低価格が実現することが期待される。

さて、低エネルギー電磁波加熱を化学反応等に用いた場合の効果が基礎実験等で次々と明らかになり、これを実際に産業活用しようとする機運も益々高まっている。このような機運の中で、２．４５ＧＨｚとは異なる周波数への関心が同時に高まっている。即ち、これまでほぼ専ら使用されてきた２．４５ＧＨｚの低エネルギー電磁波の加熱特性については種々調査、検討され、その長所短所が相当程度明らかにされたことに伴い、新たに２．４５ＧＨｚよりも低周波数あるいは高周波数の低エネルギー電磁波の加熱効果が予想、期待されることとなった。ところが、既に述べた通り、２．４５ＧＨｚ以外の周波数の発振器を備えた低エネルギー電磁波加熱反応装置を入手、使用することは、現状容易ではない。

本発明は、前述のような問題点に鑑みてなされたもので、幅広い周波数帯の低エネルギー電磁波を反応原料に効果的に照射可能な低エネルギー電磁波反応装置を提供することを目的とするものである。

前記目的を達成するために、本発明による低エネルギー電磁波反応装置は、
低エネルギー電磁波を反応原料に照射してその反応原料を加熱反応させる低エネルギー電磁波反応装置であって、
０．０３〜３００ＧＨｚ帯の全部または一部の帯域の周波数の低エネルギー電磁波を出力する低エネルギー電磁波周波数可変型の低エネルギー電磁波発振ユニットと、
前記低エネルギー電磁波発振ユニットから出力された低エネルギー電磁波を伝送する低エネルギー電磁波伝送ユニットと、
反応原料を充填するための反応原料充填スペースを有し、この反応原料充填スペースに充填された反応原料に対し、前記低エネルギー電磁波伝送ユニットからの低エネルギー電磁波を照射する低エネルギー電磁波照射ユニットとを備え、
前記低エネルギー電磁波照射ユニットは、同軸構造を呈する内部導体と外部導体とを有し、これら内部導体と外部導体との間隙に反応原料が充填され、
前記低エネルギー電磁波照射ユニットにおける内部導体と外部導体との間隙に、円錐状もしくは半球状のインピーダンス調整ブロックが挿入されることを特徴とするものである（第１発明）。

本発明において、前記低エネルギー電磁波照射ユニットの内部に、１個以上の小孔を有し、低エネルギー電磁波を反射する低エネルギー電磁波反射板が布置されるのが好ましい（第２発明）。

本発明においては、低エネルギー電磁波発振ユニットから出力された０．０３〜３００ＧＨｚ帯の全部または一部の帯域の周波数の低エネルギー電磁波が低エネルギー電磁波伝送ユニットを介して低エネルギー電磁波照射ユニットへと伝送される。低エネルギー電磁波照射ユニットにおいては、反応原料充填スペースに充填された反応原料に対し、低エネルギー電磁波伝送ユニットを介して伝送された低エネルギー電磁波が照射される。したがって、幅広い周波数帯の低エネルギー電磁波を反応原料に効果的に照射することができる。
また、幅広い周波数範囲の低エネルギー電磁波を低エネルギー電磁波照射ユニットの内部に確実に導入することができ、内部導体と外部導体との間隙に充填された反応原料に対しより効率良く低エネルギー電磁波を照射することができる。
さらに、低エネルギー電磁波が円滑に反応原料側に伝送、吸収されることになり、反射波の増大等の低エネルギー電磁波照射不良を抑制することができる。

第２発明の構成を採用することにより、低エネルギー電磁波照射不良を引き起こすことなく、低エネルギー電磁波照射ユニット内の圧力の異常上昇を未然に防ぐことができる。

本発明の第１の実施形態に係る低エネルギー電磁波反応装置を模式的に表わす図で、（ａ）は要部縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線断面図である。本発明の第２の実施形態に係る低エネルギー電磁波反応装置を模式的に表わす図で、（ａ）は要部縦断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線断面図である。本発明の第３の実施形態に係る低エネルギー電磁波反応装置を模式的に表わす要部縦断面図である。低エネルギー電磁波反応装置のシミュレーションの装置条件を説明する図で、（ａ）はインピーダンス調整ブロックがない場合の装置条件説明図、（ｂ）はインピーダンス調整ブロックがある場合の装置条件説明図である。低エネルギー電磁波反応装置のシミュレーション結果を説明する図で、（ａ）は反射率を比較するグラフ、（ｂ）は電界強度の分布図である。

次に、本発明による低エネルギー電磁波反応装置の具体的な実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。

〔第１の実施形態〕
＜低エネルギー電磁波反応装置の概略説明＞
図１（ａ）に示されるように、本実施形態に係る低エネルギー電磁波反応装置１は、低エネルギー電磁波を反応原料に照射してその反応原料を加熱反応させるものであって、低エネルギー電磁波周波数可変型の低エネルギー電磁波発振ユニット２と、低エネルギー電磁波を反応系に導くための低エネルギー電磁波伝送ユニット３と、反応原料に低エネルギー電磁波を照射する耐圧型の低エネルギー電磁波照射ユニット４とを備えて構成されている。

＜低エネルギー電磁波発振ユニットの説明＞
低エネルギー電磁波発振ユニット２は、０．０３〜３００ＧＨｚ帯の全部または一部の帯域の周波数の低エネルギー電磁波を出力するものであって、この低エネルギー電磁波を出力するための低エネルギー電磁波発生器としては、マグネトロン、クライストロン等の発振管方式や各種半導体方式が存在するが、いずれの方式を用いることも可能である。但し、出力される低エネルギー電磁波の可変周波数帯域を広く取ることが可能な半導体方式は、特に好ましい。なお、出力される低エネルギー電磁波の周波数の可変帯域は特に限定はされないが、０．５ＧＨｚ程度以上の帯域幅を出力制御できることが好ましい。
この低エネルギー電磁波発振ユニット２において、可変周波数帯域の中の任意の周波数に設定制御された低エネルギー電磁波は、低エネルギー電磁波伝送ユニット３を通じて低エネルギー電磁波照射ユニット４に伝送される。

＜低エネルギー電磁波伝送ユニットの説明＞
低エネルギー電磁波伝送ユニット３は、低エネルギー電磁波発振ユニット２から出力された低エネルギー電磁波を実質的に減衰することなく低エネルギー電磁波照射ユニット４まで伝送できることが肝要であり、そのための伝送路として導波管あるいは同軸線路が一般的である。いずれの伝送方法を用いるかは特に限定されないが、導波管の場合には物理的に伝送不可能となるカットオフ周波数が存在するために伝送できる周波数が限定されるが、同軸線路ではこの制約が無いので低エネルギー電磁波伝送ユニット３として、より好ましい。

＜低エネルギー電磁波照射ユニットの説明＞
低エネルギー電磁波照射ユニット４は、上下方向に延設される円筒状の外部導体５と、この外部導体５の中心部で上下方向に延設される丸棒状の内部導体６とよりなる同軸構造を呈し、これによって幅広い周波数範囲の低エネルギー電磁波を当該低エネルギー電磁波照射ユニット４内へ導入可能とされている。
外部導体５の下部における内周面は、下方に向かって径方向内向きに傾く傾斜面部７と、この傾斜面部７から下方に延びて内部導体６と一定の間隙を存する円筒面部８とを有し、円筒面部８と内部導体６との間の開口部を含む部分が低エネルギー電磁波伝送ユニット接続口９とされ、この低エネルギー電磁波伝送ユニット接続口９に低エネルギー電磁波伝送ユニット３が接続されている。
外部導体５の下部において、内部導体６との間隙に例えばフッ素樹脂等を典型とする適当形状の絶縁体１０が充填されている。
外部導体５の上端部には、内部導体６の上端面から所定の間隙を存してエンドプレート１１が装着されている。

＜反応原料充填スペースの説明＞
低エネルギー電磁波照射ユニット４において、絶縁体１０の上方における内部導体６と外部導体５との間隙空間が、反応原料を充填するための反応原料充填スペース１２とされる。

＜インピーダンス調整ブロックの説明＞
反応原料の充填に際しては、絶縁体１０と反応原料との境界面の形状に起因する低エネルギー電磁波照射不良が生起する可能性がある。そこで、このような不都合を回避、抑制するために、絶縁体１０と同一もしくは近似した材料からなる円錐状あるいは半球状のインピーダンス調整ブロック１３を絶縁体１０上に布置することが好ましい。このインピーダンス調整ブロック１３の配置により、低エネルギー電磁波が円滑に反応原料側に伝送、吸収されることになり、絶縁体１０と反応材料との境界面での反射波の増大等の照射不良が抑制されることになる。

＜低エネルギー電磁波照射ユニットでの反応例の説明＞
低エネルギー電磁波伝送ユニット３を通じて伝送された低エネルギー電磁波は、反応原料が充填された低エネルギー電磁波照射ユニット４内に導かれ、反応原料に照射されることになる。ここで実施される反応の種類は特に限定されることは無く任意である。但し、水あるいは有機溶媒等を用いた各種溶液反応、またはこれらの溶媒中に固形物が混在したスラリー反応等は、特に好ましい反応例である。これらの反応においては、低エネルギー電磁波の照射によって温度が上昇すると、溶媒の蒸気圧が上昇して蒸発が活発化する。このような蒸発による溶媒の散逸を抑止するため、低エネルギー電磁波照射ユニット４は耐圧型の気密構造を有する。低エネルギー電磁波照射ユニット４の耐圧即ち使用できる最高圧力は例えば１ＭＰａ以上であることが好ましく、１０ＭＰａであれば更に好ましい。

低エネルギー電磁波照射ユニット４内の反応原料充填スペース１２へは、空隙が少なくなるように原料を可能な限り多く充填することが望ましい。なぜなら、空気等で構成される気相空間の増大は、低エネルギー電磁波照射不良を引き起こす恐れがあるからである。したがって、低エネルギー電磁波照射の面からは気相空間をゼロもしくは小さくすることが肝要である。ところが、反応操作の面からは、この気相空間が無いもしくは小さいことは非常に好ましくない。なぜなら、低エネルギー電磁波照射によって反応原料が昇温すると、それに伴って熱膨張あるいは蒸気発生等が生起する結果、低エネルギー電磁波照射ユニット４内の圧力が上昇するのは不可避である。この場合、気相空間が小さいほど圧力上昇が大きくなる、即ち低エネルギー電磁波照射ユニット４内の圧力が過剰に高くなる恐れがある。このような過剰圧力に至る状況を回避するためには、低エネルギー電磁波照射ユニット４内の気相空間をなるべく大きくとることが肝要である。結局、気相空間の大きさは低エネルギー電磁波照射面と反応操作面とで矛盾する結果となり、このままでは適正な形状が存在しないことになってしまう。

＜低エネルギー電磁波反射板の説明＞
そこで、本実施形態では、低エネルギー電磁波照射ユニット４の内部に低エネルギー電磁波反射板１４が布置されている。
低エネルギー電磁波反射板１４は、低エネルギー電磁波全量を反射させる機能を有するものであり、ステンレス鋼等の金属材料でここでは円盤状のものが用いられる。
低エネルギー電磁波反射板１４は、低エネルギー電磁波伝送ユニット接続口９とエンドプレート１１との間の任意の位置に設置可能である。但し、低エネルギー電磁波反射板１４の効果を十分に発揮させるためには、反応原料の充填面とこの低エネルギー電磁波反射板１４との位置が極力近い方が好ましい。すなわち、低エネルギー電磁波照射ユニット４において、低エネルギー電磁波反射板１４より下側の部分が実質的に反応原料の充填された液相部、そして低エネルギー電磁波反射板１４より上側の部分が気相部という状況が好ましい。そして、このとき、液相部と気相部との圧力を同一に保つために、低エネルギー電磁波反射板１４には、図１（ｂ）に示されるように、小孔１５が複数開けられる。なお、小孔１５については、低エネルギー電磁波反射板１４の上側に低エネルギー電磁波が漏洩することが無いように、適宜、その大きさ、位置、個数等が決定される。

＜作用効果の説明＞
以上に述べたように構成される低エネルギー電磁波反応装置１においては、低エネルギー電磁波発振ユニット２で０．０３〜３００ＧＨｚの周波数範囲の任意の低エネルギー電磁波が発生、増幅される。ここで発生された低エネルギー電磁波が低エネルギー電磁波伝送ユニット３を通じて低エネルギー電磁波照射ユニット４に伝送される。この低エネルギー電磁波照射ユニット４において、反応原料は、反応原料充填スペース１２に充填されるが、インピーダンス調整ブロック１３あるいは低エネルギー電磁波反射板１４の効果によって、低エネルギー電磁波がより効果的に反応原料に照射されることになる。一方、低エネルギー電磁波反射板１４とエンドプレート１１との間の空間は気相部であり、この気相部は低エネルギー電磁波反射板１４に穿設された複数の小孔１５を通じて反応原料液相部と連通している。そのため、反応原料部が昇温して圧力上昇が生起してもこの気相部が圧力バッファとしての緩衝機能を発揮し、低エネルギー電磁波照射ユニット４内の急激な圧力上昇等を回避することができる。

〔第２の実施形態〕
図２には、本発明の第２の実施形態に係る低エネルギー電磁波反応装置を模式的に表わす図で、要部縦断面図（ａ）および（ａ）のＢ−Ｂ線断面図（ｂ）がそれぞれ示されている。
なお、本実施形態において、第１の実施形態と同一または同様のものについては図に同一符号を付すに留めてその詳細な説明を省略することとし、以下においては本実施形態に特有の部分を中心に説明することとする（第３の実施形態についても同様）。

本実施形態のマイクロ波反応装置１Ａにおいては、低エネルギー電磁波照射ユニット４の下部に、反応原料充填スペース１２へ反応原料を供給するための反応原料供給管１６が設けられるとともに、低エネルギー電磁波照射ユニット４の上部に、反応原料充填スペース１２から反応原料を抜き出すための反応原料抜出管１７が設けられている。

本実施形態の低エネルギー電磁波反応装置１Ａによれば、反応原料供給管１６を介して反応原料充填スペース１２に反応原料が供給され、低エネルギー電磁波照射ユニット４で所定の周波数の低エネルギー電磁波が照射された後、加熱反応後の反応原料が反応原料充填スペース１２から反応原料抜出管１７を介して外部へと抜き出されるので、低エネルギー電磁波照射ユニット４に対して反応原料を連続的に給排することができ、より効率良く反応物質を得ることができる。

〔第３の実施形態〕
図３には、本発明の第３の実施形態に係る低エネルギー電磁波反応装置を模式的に表わす要部縦断面図が示されている。

本実施形態の低エネルギー電磁波反応装置１Ｂにおいては、低エネルギー電磁波照射ユニット４の下部に、反応原料充填スペース１２へ反応原料を供給するための反応原料供給管１６が設けられるとともに、低エネルギー電磁波照射ユニット４の上端部に装着されたエンドプレート１１に反応原料充填スペース１２から反応原料を抜き出すための反応原料抜出管１７が設けられている。
また、先の各実施形態では設けられていた低エネルギー電磁波反射板１４が省略されて、低エネルギー電磁波反射板１４とエンドプレート１１との間に設けられていた気相部が設けられていない。
また、本実施形態では、内部導体６がエンドプレート１１に当接される位置まで延設されている。

本実施形態の低エネルギー電磁波反応装置１Ｂによれば、反応原料供給管１６を介して反応原料充填スペース１２に反応原料が供給され、低エネルギー電磁波照射ユニット４で所定の周波数の低エネルギー電磁波が照射された後、加熱反応後の反応原料が反応原料充填スペース１２から反応原料抜出管１７を介して外部へと抜き出されるので、第２の実施形態と同様の作用効果を得ることができる。
さらに、本実施形態の低エネルギー電磁波反応装置１Ｂによれば、エンドプレート１１に反応原料抜出管１７が設けられているので、この反応原料抜出管１７を含む下流側部分が圧力バッファとしての緩衝機能を発揮し、先の各実施形態では低エネルギー電磁波反射板１４によってエンドプレート１１との間に区画形成されていた気相部を設けなくても、低エネルギー電磁波照射ユニット４内の急激な圧力上昇等を回避することができ、装置の簡素化を図ることができる。

以上、本発明の低エネルギー電磁波反応装置について、複数の実施形態に基づいて説明したが、本発明は上記実施形態に記載した構成に限定されるものではなく、各実施形態に記載した構成を適宜組み合わせる等、その趣旨を逸脱しない範囲において適宜その構成を変更することができるものである。

次に、本発明による低エネルギー電磁波反応装置の具体的な実施例について、図面を参照しつつ説明する。
図４には、低エネルギー電磁波反応装置のシミュレーションの装置条件を説明する図で、インピーダンス調整ブロックがない場合（ａ）およびインピーダンス調整ブロックがある場合（ｂ）がそれぞれ示されている。また、図５には、低エネルギー電磁波反応装置のシミュレーション結果を説明する図で、反射率を比較するグラフ（ａ）および電界強度の分布図（ｂ）がそれぞれ示されている。

図４（ａ）（ｂ）に示される装置条件で、反応原料として蒸留水とマレイン酸の混合溶液を用い、低エネルギー電磁波反応装置のシミュレーションを行った。
図５（ａ）に示されるように、周波数１．１ＧＨｚ〜２．７ＧＨｚにおいて、インピーダンス調整ブロック１３がない場合には、反射率Ｓ_１１が５０％程度であるのに対し、インピーダンス調整ブロック１３がある場合には、反射率Ｓ_１１が１０％以下であり、同図（ｂ）に示されるように、インピーダンス調整ブロック１３がない場合と比べてインピーダンス調整ブロック１３がある場合の方が、低エネルギー電磁波がより円滑に反応原料側に伝送、吸収されており、インピーダンス調整ブロック１３を設けることにより、反射率Ｓ_１１を大幅に低減することができて、絶縁体１０と反応原料との境界面での反射波の増大等の照射不良を抑制することができる。

本発明の低エネルギー電磁波反応装置は、幅広い周波数帯の低エネルギー電磁波を反応原料に効果的に照射することができるという特性を有していることから、低エネルギー電磁波加熱による種々の化学反応等の用途に好適に用いることができる。

１低エネルギー電磁波反応装置
２低エネルギー電磁波発振ユニット
３低エネルギー電磁波伝送ユニット
４低エネルギー電磁波照射ユニット
５外部導体
６内部導体
９低エネルギー電磁波伝送ユニット接続口
１０絶縁体
１１エンドプレート
１２反応原料充填スペース
１３インピーダンス調整ブロック
１４低エネルギー電磁波反射板
１５小孔
１６反応原料供給管
１７反応原料抜出管

Claims

低エネルギー電磁波を反応原料に照射してその反応原料を加熱反応させる低エネルギー電磁波反応装置であって、
０．０３〜３００ＧＨｚ帯の全部または一部の帯域の周波数の低エネルギー電磁波を出力する低エネルギー電磁波周波数可変型の低エネルギー電磁波発振ユニットと、
前記低エネルギー電磁波発振ユニットから出力された低エネルギー電磁波を伝送する低エネルギー電磁波伝送ユニットと、
反応原料を充填するための反応原料充填スペースを有し、この反応原料充填スペースに充填された反応原料に対し、前記低エネルギー電磁波伝送ユニットからの低エネルギー電磁波を照射する低エネルギー電磁波照射ユニットとを備え、
前記低エネルギー電磁波照射ユニットは、同軸構造を呈する内部導体と外部導体とを有し、これら内部導体と外部導体との間隙に反応原料が充填され、
前記低エネルギー電磁波照射ユニットにおける内部導体と外部導体との間隙に、円錐状もしくは半球状のインピーダンス調整ブロックが挿入されることを特徴とする低エネルギー電磁波反応装置。
前記低エネルギー電磁波照射ユニットの内部に、１個以上の小孔を有し、低エネルギー電磁波を反射する低エネルギー電磁波反射板が布置される請求項１に記載の低エネルギー電磁波反応装置。