JP7220442B2 - 被加熱体の加熱領域制御方法、化学反応方法、及びマイクロ波照射システム - Google Patents
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Description
マイクロ波加熱にシングルモードの定在波を形成可能な空胴共振器を使用すると、共振器内に固有の、一定の電界強度分布を形成することができる。したがって、例えば電界強度の極大となる部分に加熱対象とする被加熱体を配することにより、被加熱体がマイクロ波吸収の小さなものであっても効率的な加熱が可能になる。
このシングルモードの定在波を利用した化学反応システムが知られている。特許文献1には、空胴共振器内に形成されるシングルモード定在波の電界強度が極大となる部分に沿って流通管を配し、流通管内に流体を流通させることにより当該流体を加熱する流通型マイクロ波利用化学反応システムが記載されている。
また、特許文献2には、排気浄化装置としてDPFフィルターをマイクロ波加熱する手段が示されている。特許文献2には、空胴導波管内に定在波を発生させるとともに、導波管内に突起物を機械的に挿入・引き出しを行うことで、伝播モードを制御し定在波のパターンを切り替え、加熱部位を制御する排気浄化方法が記載されている。
導波管内に機械的な手法で突起物を挿入・引き出す方法では、構造が複雑化することによる大型化、故障要因の増大、メンテナンスの必要性、高コスト化が危惧される。
本発明はこれらの知見に基づきさらに検討を重ね、完成されるに至ったものである。
〔1〕
内部に被加熱体を配した空胴共振器に対し、該空胴共振器内に定在波を形成できる周波数のマイクロ波を、該空胴共振器に設けられた2つ以上のマイクロ波供給口から同時にかつ位相を調整して供給し、該空胴共振器内に定在波を形成することを含む、被加熱体の加熱領域制御方法。
〔2〕
前記空胴共振器に供給される前記マイクロ波の周波数が、該空胴共振器内にTMmnp(mは1以上の整数、nは1以上の整数、pは0以上の整数)モードの定在波、又はTEmnp(mは0以上の整数、nは0以上の整数、pは1以上の整数)モードの定在波を形成できる周波数である、〔1〕記載の被加熱体の加熱領域制御方法。
〔3〕
前記空胴共振器内に形成した定在波による前記被加熱体の加熱中に、各マイクロ波供給口から供給している各マイクロ波のうち、少なくとも1つのマイクロ波供給口から供給しているマイクロ波の位相を切り替え、この位相の切り替えにより前記空胴共振器内に形成される定在波の電界強度分布を変化させて非加熱体の加熱領域を切り替える、〔1〕又は〔2〕記載の被加熱体の加熱領域制御方法。
〔4〕
前記空胴共振器内に、該空胴共振器の中心軸方向に沿って電界強度分布が一定の、ドーナツ状に電界集中領域を形成することを含む、〔1〕~〔3〕のいずれかに記載の被加熱体の加熱領域制御方法。
〔5〕
前記空胴共振器がマイクロ波供給口を2つ有し、前記空胴共振器に供給される前記マイクロ波の周波数が、TM110モードの定在波を形成できる周波数である、〔1〕~〔4〕のいずれかに記載の被加熱体の加熱領域制御方法。
〔6〕
前記被加熱体がハニカム構造体である、〔1〕~〔5〕のいずれかに記載の被加熱体の加熱領域制御方法。
〔7〕
前記被加熱体が触媒である、〔1〕~〔6〕のいずれかに記載の被加熱体の加熱領域制御方法。
〔8〕
〔1〕~〔7〕のいずれかに記載の被加熱体の加熱領域制御方法により該被加熱体を加熱し、この加熱により化学反応を生じさせることを含む、化学反応方法。
〔9〕
マイクロ波供給口を2つ以上有する空胴共振器と、
該空胴共振器に対し、該空胴共振器内に定在波を形成できる周波数のマイクロ波を、前記の各マイクロ波供給口から位相を調整して供給するマイクロ波供給手段と
を有するマイクロ波照射システム。
〔10〕
前記マイクロ波照射システムが、前記空胴共振器内に配された被加熱体を、該空胴共振器内に形成した定在波により加熱するマイクロ波加熱システムである、〔9〕記載のマイクロ波照射システム。
〔11〕
前記マイクロ波照射システムが、前記空胴共振器内に配された被加熱体を、該空胴共振器内に形成した定在波により加熱し、この加熱により化学反応を生じさせるマイクロ波化学反応システムである、〔9〕記載のマイクロ波照射システム。
〔12〕
前記被加熱体が触媒である、〔10〕又は〔11〕記載のマイクロ波照射システム。
また、本発明の化学反応方法によれば、化学反応にかかわる被加熱体を、シングルモード定在波を利用して所望の加熱状態へと調整することができ、また、この加熱状態を経時的に切り替えることもでき、これにより化学反応を制御することができる。
また、本発明のマイクロ波照射システムは、上記加熱領域制御方法ないし化学反応方法の実施を可能とする。
本発明の被加熱体の加熱領域制御方法(以下、「本発明の加熱制御方法」とも称す。)について、好ましい実施形態を説明する。
本発明の加熱制御方法において、空胴共振器に設けられた2つ以上のマイクロ波供給口から同時に供給される各マイクロ波は、互いの位相を調整して供給される。この位相の調整により、空胴共振器内に形成される定在波の電界強度分布を所望の分布状態に制御することができる。つまり、被加熱体の加熱の状態を制御することが可能になる。
なお、マイクロ波供給口から供給されるマイクロ波の周波数は、一のマイクロ波供給口から単独で供給された場合に、空胴共振器内に特定のシングルモード定在波を形成することができるものであるが、このマイクロ波を複数の供給口から同時に供給した場合に空胴共振器内に形成される定在波は、上記の特定のシングルモードとは異なるモードでもよい。
本発明の加熱制御方法の構成について、順に説明する。
本発明に用いる空胴共振器(キャビティー)の形状は、マイクロ波供給口を2つ以上有し、マイクロ波を供給した際にシングルモードの定在波を形成できるものであれば特に制限はない。例えば、円筒形又は角筒形の空胴共振器を用いることができる。本明細書において円筒形の空胴共振器とは、中心軸に垂直な断面が円形であるものの他、当該断面が楕円形であるものを含む意味に用いる。また、角筒形の空胴共振器は、中心軸に垂直な断面が多角形であるものを意味し、当該断面が4~10角形であることが好ましい。また、多角形の角が、丸みを帯びた形状であってもよい。
空胴共振器の大きさは目的に応じて適宜に設計することができる。空胴共振器は通常は金属製である。
2つ以上のマイクロ波供給口の位置関係に特に制限はなく、形成する目的の定在波の種類に応じて適宜に設計すればよい。
例えば、空胴共振器内にTM110モードの定在波を形成できる周波数のマイクロ波を供給する場合には、空胴共振器の中心軸と並行な壁面又はその近傍にマイクロ波供給口を2箇所設け、各供給口と中心軸とを結ぶ2つの直線がなす角度が90°程度となるようにする。こうすることで、各供給口から供給するマイクロ波の位相を0°~360°の範囲でずらすように調整することにより、複数の定在波パターンの切り替えが可能になる。また、TM210モードの定在波を形成できる周波数のマイクロ波を供給する場合には、上記の角度を60°程度とすることができ、TM310モードの定在波を形成できる周波数のマイクロ波を供給する場合には、上記の角度を30°程度とすることができる。また、空胴共振器内にTM110モードの定在波を形成できる周波数のマイクロ波を供給する場合に、空胴共振器の中心軸と並行な壁面又はその近傍にマイクロ波供給口を3箇所設け、互いに隣接する供給口と中心軸とを結ぶ2つの直線がなす角度が120°程度となるようにすることも好ましい。ただし、これらの形態は例示に過ぎず、本発明は、本発明で規定すること以外はこれらの形態に限定して解釈されるものではない。
本発明の加熱制御方法において、マイクロ波はマイクロ波発振器から発振され、空胴共振器に設けられたマイクロ波供給口から空胴共振器内へと供給される。このマイクロ波発振器としては、マグネトロン等のマイクロ波発振器や、半導体固体素子を用いたマイクロ波発振器を用いることができる。周波数制御性の観点からは、半導体固体素子を用いたマイクロ波発振器を用いることが好ましい。
また、本発明の加熱制御方法では、各マイクロ波供給口から供給している各マイクロ波の位相を調整する。この位相の調整は、位相器を用いたり、マイクロ波発信器からマイクロ波供給口までのケーブルの長さを調整したり、ケーブルに用いる誘電体の誘電率を調整したり、ケーブルの中心導体径と外部導体径を調整したり、導波管内に誘電体を挿入したり、導波管の長さを調整したりすることにより行うことができる。
TMmnpモードはTMmn0モードが好ましく、この定在波の具体例としては、TM110、TM210、TM310、TM410、TM120、又はTM220のモードの定在波を挙げることができる。
本発明において、空胴共振器に設けられた2つ以上のマイクロ波供給口から同時に供給されるマイクロ波の周波数は同じとする。例えば、マイクロ波を1つのマイクロ波供給口のみから供給した場合に、空胴共振器内にTM110モードの定在波を形成できる周波数のマイクロ波を、空胴共振器に設けられた2つ以上のマイクロ波供給口から同時に供給したり、マイクロ波を1つのマイクロ波供給口のみから供給した場合に、空胴共振器内にTM210モードの定在波を形成できる周波数のマイクロ波を、空胴共振器に設けられた2つ以上のマイクロ波供給口から同時に供給したりする形態が挙げられる。
本発明の加熱制御方法では、被加熱体は空胴共振器内部に配され、空胴共振器内に形成された定在波の電界強度が極大の部分を中心に加熱される。被加熱体を局所的に加熱したい場合には、加熱したい部分が電界強度の極大部分又はその近傍となるように、マイクロ波供給口から供給するマイクロ波の位相を調整して所望の電界強度分布の定在波を形成させたり、空胴共振器内における被加熱体の配置を設計したりする。
なお、本発明においてドーナツ状という場合、中心に空洞がある形態であれば特に制限されない。すなわち、輪郭が円形の他、例えば、輪郭が楕円形や角形であってもよく、角が丸みを帯びた角形であってもよい。
被加熱体をハニカム構造体とした場合には、本発明の加熱制御方法は、ハニカム構造体を通過するガス状物質の温度制御をするために用いることができる。また、被加熱体を触媒とした場合には、本発明の加熱制御方法は、後述するように、触媒の作用による化学反応を生じさせるために用いることができる。触媒は、ハニカム構造体に担持させた形態とすることも好ましい。
本発明の化学反応方法は、本発明の加熱制御方法により被加熱体を加熱し、この加熱により化学反応を生じさせることを含む。本発明の化学反応方法に用いる被加熱体は、代表的には触媒である。
上記触媒としては金属触媒を挙げることができ、例えば、白金、パラジウム、ルテニウム、ロジウム、銀、金、クロム、ニッケル、コバルト、銅、セシウム、亜鉛、カルシウム、マグネシウム、リン、硫黄、チタン、バナジウム、マンガン、鉄、イットリウム、ルビジウム、タングステン、モリブデン、ストロンチウム、バリウム、イリジウム、ナトリウム、カリウム、及びコバルトから選ばれる1種又は2種以上を含むものが挙げられる。これらの金属、金属酸化物、金属錯体等を各種担体に担持した担持触媒も好ましい。担体の種類としては、酸化ケイ素、酸化チタン、酸化アルミニウム、酸化マグネシウム、酸化セリウム、酸化ジルコニウム、イットリア安定化ジルコニア、カーボン、ゼオライト、メソポーラスシリカ、層状ケイ酸塩、粘土などが挙げられる。
上記触媒は、ハニカム担体に担持された状態で、空胴共振器内に配設されることも好ましい。
化学反応の具体例を挙げると、揮発性有機物質を酸化分解する反応、窒素酸化物を窒素と酸素に還元する反応、含硫黄化学物質からの脱硫反応、硫黄酸化物をカルシウムに固定化する反応、石油留分を軽質化する反応、シェールガスの改質反応による低級炭化水素の製造、天然ガスからの合成ガス(一酸化炭素および水素の混合ガス)製造、炭化水素を原料とした合成ガスの製造、石炭および石炭から製造した成分からの合成ガス製造、石油類からの合成ガス製造に関する反応、合成ガスからのアルコール、アルデヒド、カルボン酸、エーテル、アルカン等の製造、二酸化炭素を化学品に変換する反応、炭化水素の部分酸化による含酸素化合物の製造、飽和炭化水素の変換による不飽和炭化水素の製造、芳香環同士あるいは芳香環と脂肪族を繋ぐカップリングによる液晶化合物、発光材料等の製造に関する反応、水素を重水素に置換した標識化合物等の製造に関する製造、不飽和炭化水素を含むモノマーからのオリゴマーおよびポリマー製造に関する重合反応、無機金属化合物の還元による金属微粒子製造に関する無機反応などを挙げることができる。
C2H4+3O2 → 2CO2+2H2O
上記エチレン分解反応の実施には、例えば、コージェライト性のハニカム構造体に触媒を担持したものを用いることができる。より具体的には、コージェライト性のハニカム構造体にパラジウムを無電解メッキ法で担持させ、次いでエタノール中に分散させたSiC粉末をディップ法でハニカム触媒上へ付着させたものを、エチレン分解触媒として用いることができる。この触媒を加熱(例えば200°以上に加熱)することにより、空気中に存在するエチレンを分解することができる。
本発明のマイクロ波照射システムは、上述した本発明の加熱制御方法を実施するのに好適なシステムである。本発明のマイクロ波照射システムは、マイクロ波供給口を2つ以上有する空胴共振器と、該空胴共振器に対し、該空胴共振器内に定在波を形成できる周波数のマイクロ波を、前記の各マイクロ波供給口から位相を調整して供給するマイクロ波供給手段とを有する。
本発明のマイクロ波照射システムを構成する空胴共振器の構成は、上述の、本発明の加熱制御方法で説明したものと同じである。
上記マイクロ波供給手段としては、例えば、位相を調整する機構を有するマイクロ波発振器を挙げることができる。マイクロ波発振器としては、マグネトロン等のマイクロ波発振器や、半導体固体素子を用いたマイクロ波発振器を用いることができる。マイクロ波の位相は、発振器の設定、位相器の配設等によって制御することができる。また、マイクロ波発振器から発せられたマイクロ波を空胴共振器のマイクロ波供給口まで伝送するケーブルの長さを調整することによっても制御することができる。
マイクロ波発振器から発せられたマイクロ波を2つのアンテナ(2、3)から空胴共振器内に供給するに当たり、2つのアンテナから供給されるマイクロ波の位相を0°~360°の範囲で互いにずらして供給することにより、空胴共振器内に形成される定在波の電界強度分布を制御することが可能となる。
図1の形態において、2つのアンテナから空胴共振器内に供給するマイクロ波の周波数は同じである。この定在波の周波数は、空胴共振器内に定在波を形成できれば特に制限はなく、例えば、1つのアンテナのみからマイクロ波を供給した場合に、空胴共振器内に上述したTMmn0モードの定在波が形成される周波数とすることができる。
また図1に示す形態において、アンテナのかわりに導波管を用いたマイクロ波供給口を設置した形態とすることもできる。供給するマイクロ波の周波数を伝送できる矩形導波管あるいは円筒導波管と空胴共振器とを適切な開口部を有したアイリスを介して接続することで、マイクロ波発振器からの電磁波エネルギーを空洞共振器に導入することができる。
なお、上記の各形態は、本発明のマイクロ波照射システムの一例を模式的に示すものであり、本発明のマイクロ波照射システムは、本発明で規定すること以外は、上記の形態に何ら限定されるものではない。
図19に示す化学反応システムにおいては、空胴共振器の内壁を反応管外壁としているが、空胴共振器内にマイクロ波を透過する材料(例えば、石英等のガラス材料、テフロン等の樹脂材料、アルミナ等のセラミック材料)からなる反応管を設置し、この反応管の一端が反応原料供給口と連なり、他端が反応生成物排出口と連なる形態とすることもできる。
反応原料は供給口に設けたポンプにより導入することができ、また、排出口に吸引ポンプ等を設けて吸引することにより、反応原料供給口から原料を吸引する形態とすることもできる。
また、化学反応システムを、上述した空気清浄器のように、周囲にある空気を取り込むような形態に適用する場合、図19に示すような反応原料供給口を1つ設けた形態とはせずに、例えば、空胴共振器外壁に複数の反応原料供給口を設け、反応生成物排出口に取り付けた吸引ポンプから反応生成物を排出する構造とすることも好ましい。
化学反応システムを用いて触媒反応を行わせる場合には、目的の触媒を、空胴共振器やその内部に配した反応管内に一様に充填させてもよい。また、図19に網目構造として示されるような、触媒を担持したハニカム構造体を配することも好ましい。また、触媒は、空胴共振器内に形成された電界強度分布の極大部分等、目的に合わせて所望の位置に配することができる。例えば、ドーナツ状に電界集中領域を形成する場合には、当該ドーナツ状の部分に沿って触媒を配することにより、マイクロ波加熱時の反応効率をより高めることが可能となる。
図1に示すマイクロ照射システム(10)を用いて、空胴共振器内に、マイクロ波供給口からTM110の定在波を形成できる周波数のマイクロ波を供給し、空胴共振器内に形成される電界強度分布を調べた。以下詳説する。
基準アンテナ(2)に加え、基準アンテナ(2)と同様にして補助アンテナ(3)を配置した。補助アンテナ(3)は、基準アンテナ(2)と空胴共振器(1)の中心軸とを結ぶ直線と、補助アンテナ(3)と空胴共振器(1)中心軸とを結ぶ直線とがなす角度が、90°となるように配置した。また、補助アンテナ(3)の電力供給側(図1に示された補助アンテナ(3)の上側)には周波数fで電圧V2の高周波を印加でき、反対側(図1に示された補助アンテナ(3)の下側)は、空胴共振器(1)の内壁に電気的に接続してグランド電位となるように配線した。
こうしてマイクロ波照射システム(10)を構築した。
このように、マイクロ波供給口(高周波を印加するアンテナ)を切り替えることにより定在波の電界強度分布を切り替えることができる。
円筒型空胴共振器の内径147mm、高さ20mmとしたこと以外は参考例1と同様の構成のマイクロ照射システムを用いた。空胴共振器内に、厚さ0.1mmの上質紙を試験片として挿入し、基準アンテナ(2)から周波数f=2.495GHz、40Wのマイクロ波を30秒間、空胴共振器内に供給し(このとき補助アンテナ(3)はグランド電位とした)、空胴共振器内にTM110モードの定在波を形成させた。試験片の温度分布を、サーモグラフィー(Testo社製868)を用いて測定した結果を図4に示す。図4において、マイクロ波は図4の左側から供給されている。
また、補助アンテナから周波数f=2.495GHz、40Wのマイクロ波を30秒間、空胴共振器内に供給し(このとき基準アンテナはグランド電位とした)、空胴共振器内にTM110モードの定在波を形成させた場合の試験片の温度分布を図5に示す。図5において、マイクロ波は図5の上側から供給されている。
図4及び5に示されるように、試験片が、電界強度分布と一致して加熱されていることがわかる。
参考例1と同じサイズ、構成のマイクロ照射システムを用いて、マイクロ波供給口(アンテナ)からTM110の定在波を形成できる周波数のマイクロ波を供給し、各マイクロ波の位相のずれと、空胴共振器内に形成される電界強度分布との関係を調べた。以下に詳説する。
V1=Vcos(wt) 式1
V2=Vcos(wt+φ) 式2
内径150mmの円筒型空洞共振器に対し、基準アンテナ(2)から高周波電圧V1を供給し、高周波電圧V2を補助アンテナ(3)に印加した場合の、空胴共振器内の電界強度分布を図6に示す。V1、V2として周波数f=2.4377GHzの高周波を供給した場合、図6に示すように、空胴共振器内には2つの位相を合成した定在波が形成されることがわかる。より具体的には、位相差φ=0°の場合、基準アンテナと補助アンテナの中間の位置と、円筒軸を回転軸として当該位置を180°回転した位置の2箇所に電界強度の極大領域が形成される。そして、位相差φを0~180°の範囲内で変化させると、位相差に応じて電界強度分布が切り替わり、位相差φ=180°のときには、位相差φ=0°のときに対して、円筒軸を回転軸として90°回転させた状態の電界強度分布となることがわかる。
また、位相差φ=90°のときは、電界強度極大領域がドーナツ状に広がった定在波が形成されることがわかる。
参考例2と同じサイズ、構成のマイクロ照射システムを用いて、実施例1Aと同様に位相を調整して空胴共振器内にマイクロ波を供給した。このときのマイクロ波電力は10Wとし、10秒間マイクロ波を供給した状態における、空胴共振器内に配した試験片(上質紙)の発熱パターンを調べた。結果を図7に示す。試験片の発熱パターンと電界強度分布とが一致していた。
なお、位相差φ=90°の場合、図7に示すようにドーナツ状の電界強度極大領域にそって、試験片の温度が高くなっており、中心部分の温度は低い。しかし、マイクロ波供給時間を10秒よりも長くして、マイクロ波を5分間供給した状態の加熱パターンを調べると、ドーナツの中心部分にあたる領域もドーナツ状の部分と同等のレベルまで十分に加熱することができた。これは、ドーナツ状の高温部から中心への熱伝導においては、すべての方向から中心部へのエネルギー輸送が生じるためである。すなわち、ドーナツ状の電界強度分布を形成することにより、被加熱体の広範な範囲を均一に加熱することが可能となる。
空胴共振器として内径150mmで高さが20mmの円筒型空胴共振器を用い、基準アンテナと補助アンテナの各アンテナと、円筒中心軸とを結ぶ2つの直線のなす角を45°としたこと以外は、図1に示す構成のマイクロ波照射システムと同様の構成のマイクロ波照射システムを用いて、基準アンテナと補助アンテナの両マイクロ波供給口から、周波数f=3.2675GHzの高周波を、互いの位相をずらして印加した。周波数f=3.2675GHzの高周波は、空胴共振器内にTM210モードの定在波を形成できるマイクロ波である。結果を図8に示す。
図8に示されるように、位相差φを切り替えることにより、電界強度分布を切り替えることができる。
空胴共振器として内径150mmで高さが20mmの円筒型空胴共振器を用い、基準アンテナと補助アンテナの各アンテナと、円筒中心軸とを結ぶ2つの直線のなす角を30°としたこと以外は、図1に示す構成のマイクロ波照射システムと同様の構成のマイクロ波照射システムを用いて、基準アンテナと補助アンテナの両マイクロ波供給口から、周波数f=4.0595GHzの高周波を、互いの位相をずらして印加した。周波数f=4.0595GHzの高周波は、空胴共振器内にTM310モードの定在波を形成できるマイクロ波である。結果を図9に示す。
図9に示されるように、位相差φを切り替えることにより、電界強度分布を切り替えることができる。
空胴共振器として内径150mmで高さが20mmの円筒型空胴共振器を用い、基準アンテナと補助アンテナの各アンテナと、円筒中心軸とを結ぶ2つの直線のなす角を30°としたこと以外は、図1に示す構成のマイクロ波照射システムと同様の構成のマイクロ波照射システムを用いて、基準アンテナと補助アンテナの両マイクロ波供給口から、周波数f=4.8284GHzの高周波を、互いの位相をずらして印加した。周波数f=4.8284GHzの高周波は、空胴共振器内にTM410モードの定在波を形成できるマイクロ波である。結果を図10に示す。
図10に示されるように、位相差φを切り替えることにより、電界強度分布を切り替えることができる。
空胴共振器として内径150mmで高さが20mmの円筒型空胴共振器を用い、基準アンテナと補助アンテナの各アンテナと、円筒中心軸とを結ぶ2つの直線のなす角を90°としたこと以外は、図1に示す構成のマイクロ波照射システムと同様の構成のマイクロ波照射システムを用いて、基準アンテナと補助アンテナの両マイクロ波供給口から、周波数f=4.4639GHzの高周波を、互いの位相をずらして印加した。周波数f=4.4639GHzの高周波は、空胴共振器内にTM120モードの定在波を形成できるマイクロ波である。結果を図11に示す。
図11に示されるように、位相差φを切り替えることにより、電界強度分布を切り替えることができる。
空胴共振器として内径150mmで高さが20mmの円筒型空胴共振器を用い、基準アンテナと補助アンテナの各アンテナと、円筒中心軸とを結ぶ2つの直線のなす角を45°としたこと以外は、図1に示す構成のマイクロ波照射システムと同様の構成のマイクロ波照射システムを用いて、基準アンテナと補助アンテナの両マイクロ波供給口から、周波数f=5.3565GHzの高周波を、互いの位相をずらして印加した。周波数f=5.3565GHzの高周波は、空胴共振器内にTM220モードの定在波を形成できるマイクロ波である。結果を図12に示す。
図12に示されるように、位相差φを切り替えることにより、電界強度分布を切り替えることができる。
空胴共振器として直方体空胴共振器(幅150mm、奥行き150mm、厚さ20mm)を用い、図13に示すように、幅方向中央と奥行き方向中央に基準アンテナと補助アンテナを設置し、マイクロ波照射システムを構築した。基準アンテナのみから周波数f=2.2346GHzの高周波を印加したときに形成される定在波の電界強度分布を図14に、補助アンテナのみから周波数f=2.2346GHzの高周波を印加したときに形成される定在波の電界強度分布を図15に示す。これらの定在波はTE102モードである。
上記参考例3において、基準アンテナと補助アンテナの両マイクロ波供給口から、周波数f=2.2346GHzの高周波を、互いの位相をずらして印加した。結果を図16に示す。
図16に示されるように、位相差φを切り替えることにより、電界強度分布を切り替えることができる。
図17に示すように、円筒型空胴共振器(内径150mm、厚さ20mm)に基準アンテナ(2)、補助アンテナA(3a)、補助アンテナB(3b)を設置した構造のマイクロ波照射システムを構築した。互いに隣接する2つのアンテナと中心軸とを結ぶ2つの直線がなす角度を120°とした。
周波数f=2.4377GHzの高周波を基準アンテナに印加し、補助アンテナAと補助アンテナBには、下記式を満たすように、基準アンテナに印加した高周波に対する位相差をそれぞれφと2φとして、周波数f=2.4377GHzの高周波を印加した。
基準アンテナに印加する高周波V1=V*cos(wt)
補助アンテナAに印加する高周波V2=V*cos(wt+φ)
補助アンテナBに印加する高周波V3=V*cos(wt+φ+φ)
空胴共振器内に形成される定在波の電界強度分布を図18に示す。
図18に示されるように、位相差φを切り替えることにより、電界強度分布を切り替えることができる。
1 空胴共振器
2 基準アンテナ(マイクロ波供給口)
3 補助アンテナ(マイクロ波供給口)
4 伝送ケーブル
5 伝送ケーブル
Claims (10)
- 内部に被加熱体を配した空胴共振器に対し、該空胴共振器内に定在波を形成できる周波数のマイクロ波を、該空胴共振器に設けられた2つ以上のマイクロ波供給口から、該マイクロ波供給口に設けられたアンテナにマイクロ波を印加することにより同時にかつ位相を調整して供給し、該空胴共振器内に定在波を形成することを含む、被加熱体の加熱領域制御方法であって、
前記の2つ以上のマイクロ波供給口を、供給するマイクロ波の周波数に応じて次の(a)~(h)の通りに設置する、被加熱体の加熱領域制御方法。
(a)空胴共振器内にTM110モードの定在波を形成できる周波数のマイクロ波を供給する場合には、空胴共振器の中心軸と平行な壁面又はその近傍にマイクロ波供給口を2箇所設け、各供給口と中心軸とを結ぶ2つの直線がなす角度が90°となるようにする。
(b)空胴共振器内にTM210モードの定在波を形成できる周波数のマイクロ波を供給する場合には、空胴共振器の中心軸と平行な壁面又はその近傍にマイクロ波供給口を2箇所設け、各供給口と中心軸とを結ぶ2つの直線がなす角度が45°又は60°となるようにする。
(c)空胴共振器内にTM310モードの定在波を形成できる周波数のマイクロ波を供給する場合には、空胴共振器の中心軸と平行な壁面又はその近傍にマイクロ波供給口を2箇所設け、各供給口と中心軸とを結ぶ2つの直線がなす角度が30°となるようにする。
(d)空胴共振器内にTM410モードの定在波を形成できる周波数のマイクロ波を供給する場合には、空胴共振器の中心軸と平行な壁面又はその近傍にマイクロ波供給口を2箇所設け、各供給口と中心軸とを結ぶ2つの直線がなす角度が30°となるようにする。
(e)空胴共振器内にTM120モードの定在波を形成できる周波数のマイクロ波を供給する場合には、空胴共振器の中心軸と平行な壁面又はその近傍にマイクロ波供給口を2箇所設け、各供給口と中心軸とを結ぶ2つの直線がなす角度が90°となるようにする。
(f)空胴共振器内にTM220モードの定在波を形成できる周波数のマイクロ波を供給する場合には、空胴共振器の中心軸と平行な壁面又はその近傍にマイクロ波供給口を2箇所設け、各供給口と中心軸とを結ぶ2つの直線がなす角度が45°となるようにする。
(g)空胴共振器内にTE102モードの定在波を形成できる周波数のマイクロ波を供給する場合には、空胴共振器の中心軸と平行な壁面又はその近傍にマイクロ波供給口を2箇所設け、各供給口と中心軸とを結ぶ2つの直線がなす角度が90°となるようにする。
(h)空胴共振器内にTM110モードの定在波を形成できる周波数のマイクロ波を供給する場合には、空胴共振器の中心軸と平行な壁面又はその近傍にマイクロ波供給口を3箇所設け、互いに隣接する供給口と中心軸とを結ぶ2つの直線がなす角度が120°となるようにする。 - 前記空胴共振器内に形成した定在波による前記被加熱体の加熱中に、各マイクロ波供給口から供給している各マイクロ波のうち、少なくとも1つのマイクロ波供給口から供給しているマイクロ波の位相を切り替え、この位相の切り替えにより前記空胴共振器内に形成される定在波の電界強度分布を変化させて被加熱体の加熱領域を切り替える、請求項1記載の被加熱体の加熱領域制御方法。
- 前記空胴共振器内に、該空胴共振器の中心軸方向に沿って電界強度分布が一定の、ドーナツ状に電界集中領域を形成することを含む、請求項1又は2記載の被加熱体の加熱領域制御方法。
- 前記被加熱体がハニカム構造体である、請求項1~3のいずれか1項記載の被加熱体の加熱領域制御方法。
- 前記被加熱体が触媒である、請求項1~4のいずれか1項記載の被加熱体の加熱領域制御方法。
- 請求項1~5のいずれか1項記載の被加熱体の加熱領域制御方法により該被加熱体を加熱し、この加熱により化学反応を生じさせることを含む、化学反応方法。
- マイクロ波供給口を2つ以上有する空胴共振器と、
該空胴共振器に対し、該空胴共振器内に定在波を形成できる周波数のマイクロ波を、前記の各マイクロ波供給口から、該マイクロ波供給口に設けられたアンテナにマイクロ波を印加することにより位相を調整して供給するマイクロ波供給手段と
を有するマイクロ波照射システムであって、
前記の2つ以上のマイクロ波供給口を、供給するマイクロ波の周波数に応じて次の(a)~(h)の通りに設置する、マイクロ波照射システム。
(a)空胴共振器内にTM110モードの定在波を形成できる周波数のマイクロ波を供給する場合には、空胴共振器の中心軸と平行な壁面又はその近傍にマイクロ波供給口を2箇所設け、各供給口と中心軸とを結ぶ2つの直線がなす角度が90°となるようにする。
(b)空胴共振器内にTM210モードの定在波を形成できる周波数のマイクロ波を供給する場合には、空胴共振器の中心軸と平行な壁面又はその近傍にマイクロ波供給口を2箇所設け、各供給口と中心軸とを結ぶ2つの直線がなす角度が45°又は60°となるようにする。
(c)空胴共振器内にTM310モードの定在波を形成できる周波数のマイクロ波を供給する場合には、空胴共振器の中心軸と平行な壁面又はその近傍にマイクロ波供給口を2箇所設け、各供給口と中心軸とを結ぶ2つの直線がなす角度が30°となるようにする。
(d)空胴共振器内にTM410モードの定在波を形成できる周波数のマイクロ波を供給する場合には、空胴共振器の中心軸と平行な壁面又はその近傍にマイクロ波供給口を2箇所設け、各供給口と中心軸とを結ぶ2つの直線がなす角度が30°となるようにする。
(e)空胴共振器内にTM120モードの定在波を形成できる周波数のマイクロ波を供給する場合には、空胴共振器の中心軸と平行な壁面又はその近傍にマイクロ波供給口を2箇所設け、各供給口と中心軸とを結ぶ2つの直線がなす角度が90°となるようにする。
(f)空胴共振器内にTM220モードの定在波を形成できる周波数のマイクロ波を供給する場合には、空胴共振器の中心軸と平行な壁面又はその近傍にマイクロ波供給口を2箇所設け、各供給口と中心軸とを結ぶ2つの直線がなす角度が45°となるようにする。
(g)空胴共振器内にTE102モードの定在波を形成できる周波数のマイクロ波を供給する場合には、空胴共振器の中心軸と平行な壁面又はその近傍にマイクロ波供給口を2箇所設け、各供給口と中心軸とを結ぶ2つの直線がなす角度が90°となるようにする。
(h)空胴共振器内にTM110モードの定在波を形成できる周波数のマイクロ波を供給する場合には、空胴共振器の中心軸と平行な壁面又はその近傍にマイクロ波供給口を3箇所設け、互いに隣接する供給口と中心軸とを結ぶ2つの直線がなす角度が120°となるようにする。 - 前記マイクロ波照射システムが、前記空胴共振器内に配された被加熱体を、該空胴共振器内に形成した定在波により加熱するマイクロ波加熱システムである、請求項7記載のマイクロ波照射システム。
- 前記マイクロ波照射システムが、前記空胴共振器内に配された被加熱体を、該空胴共振器内に形成した定在波により加熱し、この加熱により化学反応を生じさせるマイクロ波化学反応システムである、請求項8記載のマイクロ波照射システム。
- 前記被加熱体が触媒である、請求項8又は9記載のマイクロ波照射システム。
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