JPH10128104A

JPH10128104A - 化学反応制御装置

Info

Publication number: JPH10128104A
Application number: JP32581796A
Authority: JP
Inventors: Hiroshige Yamada; 廣成山田
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-10-30
Filing date: 1996-10-30
Publication date: 1998-05-19

Abstract

(57)【要約】【目的】特定波長の赤外・遠赤外線を用いて熱化学反応
を選択的あるいは非可逆に起こさせる方法と手段を提供
し、熱化学反応装置の経済性を高め、かつ新しい化学物
質の合成及び分解に道を開く。【構成】高輝度の赤外・遠赤外線を発生させる光蓄積リ
ングと赤外・遠赤外線の輸送ラインと赤外・遠赤外線分
光装置で単一波長またはバンド幅のせまい赤外・遠赤外
線を生成して、赤外・遠赤外線を反射するミラー仕様の
内面を持つ反応槽に導き、熱化学反応を選択的あるいは
非可逆的にに起こさせる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】化学反応を制御して化学物質の生
成及び分解を促進又は遅延させる化学反応の利用分野に
関する。

【０００２】

【従来の技術】化学反応の制御は、温度のコントロール
で行うのが従来の方法である。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】温度をコントロールす
る従来の化学反応の制御法は、反応槽全体の温度をコン
トロールをしなければならず、設備に費用がかかり、し
かも多くの場合に反応が可逆的に起こったりあるいは複
数の反応が同時におこるために目的物の生産効率がきわ
めて悪い。

【０００４】

【課題を解決するための手段】課題を解決するための本
発明の手段は、化学反応の制御を温度で行うかわりに、
特定波長の赤外・遠赤外線で行うことにより、反応を選
択的にしかも非可逆的に行うものである。

【０００５】それは、化学物質の生成・分解のために、
赤外・遠赤外線の波長を選択して反応物質に照射して化
学反応を促進又は遅延させることを特徴とする化学反応
制御方法である。

【０００６】それはまた、赤外・遠赤外線発生装置と前
記発生装置から発生する赤外・遠赤外線で反応物質を照
射するために赤外・遠赤外線を透過する窓を有する反応
槽と概赤外・遠赤外線発生装置から概反応槽まで赤外・
遠赤外線を輸送するための輸送ラインを有することを特
徴とする化学反応制御装置である。

【０００７】それはまた、前記化学反応制御装置に於い
て、概赤外・遠赤外線が単色光ではない場合に赤外・遠
赤外線を分光する赤外・遠赤外線分光装置を付加したこ
とを特徴とする化学反応制御装置である。

【０００８】また、前記化学反応制御装置に於いて、赤
外・遠赤外線発生装置が光蓄積リング又は自由電子レー
ザーであることを特徴とする化学反応制御装置である。

【０００９】また、化学反応制御装置に於いて、赤外・
遠赤外線の輸送ラインに水分を除去したドライ窒素を充
填したことを特徴とする化学反応制御装置である。

【００１０】また、化学反応制御装置に於いて、赤外・
遠赤外線の輸送ラインを真空にしたことを特徴とする化
学反応制御装置である。

【００１１】それはまた、化学反応制御装置に於いて、
反応物質を照射するための窓が、赤外・遠赤外線を透過
する物質でできていることを特徴とする化学反応装置で
ある。そのような材質として、ポリエチレン、ＺｎＳ
ｅ、溶融石英、ダイヤモンド、Ｓｉ、又はＧｅを使用し
たものである。

【００１２】また、化学反応制御装置に於いて、赤外・
遠赤外線の輸送ラインに作動排気システムを取り付けた
ことを特徴とする化学反応制御装置である。

【００１３】それはまた、化学反応制御装置において、
概反応槽の内面を赤外・遠赤外線を反射するようにした
ことを特徴とする化学反応制御装置である。

【００１４】さらにまた、概反応槽の内面を白金、金、
銀、又はＳｉでコートしたことと、ミラー研磨したこと
を特徴とする化学反応制御装置である。

【００１５】さらにまた、化学反応制御装置において概
反応槽を冷却して所定以外の熱化学反応が起きないよう
にしたことを特徴とする化学反応制御装置である。

【００１６】

【作用】化学物質は、様々な分子結合でできている。分
子を結合したり切断するのが化学反応である。特定の分
子は特定の結合状態にある。特定の分子を生成または分
離するために熱を用いるが、これは分子状態を励起して
分離しやすくしたり、生成しやすくするものである。励
起するためのエネルギーは、結合状態により異なるが、
それは、特定の値であり、光の特定の波長に対応してい
る。反応を制御するために反応物質を熱浴にいれて温度
を制御するが、温度の意味は、熱浴が赤外・遠赤外線を
放射し化学反応物質がこれを吸収するものである。この
とき放射される赤外・遠赤外線のスペクトルは幅広いボ
ルツマン分布をしている。即ち、特定の化学物質の生成
・分離に必要な波長以外も含いんでいる。このため、熱
によるコントロールは、必要な化学反応以外をも促進あ
るいは遅延させる。

【００１７】本発明は、赤外・遠赤外線発生装置で、特
定波長の赤外・遠赤外線を発生させて、これを熱源の代
わりに使用するものであり、結果として特定の化学反応
を選択的にかつ非可逆におこさせる作用がある。すなわ
ち必要な熱化学反応をきわめて効率よく行わせる作用が
ある。

【００１８】赤外・遠赤外線の発生装置としては、光蓄
積リング［応用物理、ｖｏｌ．６５、１９９６、ｐｐ４
１−４８］が適切であるが、それは、光蓄積リングが高
輝度の赤外・遠赤外線を連続的に発生するためである。
また、光蓄積リングには、波長の選択機構があるためで
ある。しかし、化学反応によっては、バンド幅のさらに
狭い赤外・遠赤外線が要求されることもあり、そのため
には分光器を赤外・遠赤外線輸送ライン（以下、単に輸
送ラインとうする）に組み込むのが良い。あるいは、バ
ンドパスフィルターを組み込むのが良い。もちろん自由
電子レーザーのような他の高輝度赤外・遠赤外線光源を
使うこともできる。

【００１９】赤外・遠赤外線を、発生装置から反応槽に
輸送するに際しては、赤外・遠赤外線が、空気や水に強
く吸収されるために、特別な輸送システムが必要であ
る。吸収をさけるために、輸送ラインを真空にするか、
またはドライ窒素を充填するのが対策である。

【００２０】赤外・遠赤外線の輸送における別の問題
は、反応槽と輸送ラインの接続である。接続には赤外・
遠赤外線の吸収が少ない物質を窓材として使用する。そ
のような材質としては、例えばポリエチレン、ＺｎＳ
ｅ、溶融石英、ダイヤモンド、Ｓｉ、Ｇｅの薄膜を用い
る。しかしながら、化学反応によっては、このような材
質を使用できない場合もあり、そのような場合は作動排
気システムをにする。

【００２１】反応槽は、投入した赤外・遠赤外線が反応
槽の壁で吸収されるのを避けるために壁をミラー状に
し、赤外・遠赤外線を反射するようにするのが良い。そ
のために、内壁を、白金、金、銀、Ｓｉ等でコートし、
鏡面仕上げをする。但し、材質によっては、化学反応に
影響を与えるものがあるので選択をする。例えば銀は反
応の触媒として利用されることがある。

【００２２】化学反応によっては、発熱があり、反応槽
の温度を変えることがあり、必要な化学反応以外を促進
させることがあるために、反応槽を冷却するのが良い。

【００２３】

【実施例】本発明の一つの実施例を、図１を参照しなが
ら詳細に述べる。本発明の化学反応制御装置は、光蓄積
リング（１）と反応槽（２）と赤外・遠赤外線輸送ライ
ン（３）で構成される。図１は装置全体の平面模式図で
あり、枠内には、反応槽と赤外・遠赤外線輸送ラインの
側面模式図を示す。光蓄積リングは、赤外・遠赤外線の
領域で、波長あたり平均キロワットの出力がある。本実
施例では、光蓄積リングの電子入射器として円形加速器
であるマイクロトロン（４）を使用しているが、ライナ
ックや他の静電加速器も使用できる。

【００２４】本実施例では、赤外・遠赤外線輸送ライン
に分光器（５）を挿入しているが、光蓄積リングをレー
ザー発振モードで使用する場合には不要な場合もある。
分光素子として、本実施例では、金属ワイヤーメッシュ
によるグレーチング（６）を使用しているが、もちろん
刻線方式のグレーチングでも、他の方式、例えば多層膜
によるものでもかまわない。波長の選択は、グレーチン
グを回転して行うが、光軸がずれるのを避けるために、
Ｘ線の２結晶分光器で使用している方式を採用して波長
を連続的にスキャンできるようにする。波長領域の選択
に当たっては、ピッチの異なるメッシュを何種類か用意
する。グレーチングの面積は、１０ｘ１０ｃｍ^２ほどで
ある。また、分光素子は、フィルターで代用する場合も
有る。赤外・遠赤外線輸送ラインには、収束ミラー
（７）を用いている。以上のビーム輸送系は、最もシン
プルなケースであり、反応槽と光蓄積リングを離して設
置する場合には、さらに複雑な光学系が必要である。使
用するオプティクスは一般的なものであるから、ここで
は特に詳述しない。なお、波長のスキャンニング機構
は、不必要な場合もある。

【００２５】次に、実施例を示す図１中の（８）は、差
動排気のためのターボポンプであるが、ここでは１００
０リットル／分のものを２台使用している。作動排気を
効率的におこなうために、アイリス（９）を複数箇所に
設置している。アイリスの位置で、光ビームが最も細く
なるようなオプティクスを採用している。アイリスの穴
の径は約１ｍｍである。光蓄積リングの真空度は、約１
０^−７Ｔｏｒｒに保たれる。一方、反応槽は、加圧する
場合もあるので、差動排気が困難な場合は、ポリエチレ
ン、ＺｎＳｅ、あるいは溶融石英等の薄膜で出来た窓を
とりつけて反応槽を分離することもある。作動排気ポン
プの高圧側をパイプ（１０）により反応槽に接続してい
るのは、反応ガスを回収するためである。

【００２６】次に、反応槽（２）は、その内面を赤外・
遠赤外線を反射しやすい材質でつくっているのが特長で
ある。ここでは、ステンレスに白金をコーティングし
て、鏡面仕上げをしている。もちろん金や銅等もすぐれ
たコーティング材料であるし、反応物質により選択する
必要がある。実施例の化学反応制御装置は、典型的な場
合として溶液とガスを反応させる場合である。従って、
ガスを注入するポート（１１）、溶液と粉末の触媒を注
入するポート（１２）を取り付けている。ガスは、ポー
ト（１３）を介して循環するシステムとしている。もち
ろん、反応により新たなガスの生成があるので、別途分
離器を設置しているが、本発明の本質的な部分ではない
ので省略している。ポート（１４）は、生成物取り出し
のためのポートである。反応槽には、攪拌装置（１５）
を取り付けていて、これも白金でコートして反射率を上
げている。この、攪拌装置は、反応槽が小さいために、
必ずしも必要ではない。さらに、反応槽には、水冷の冷
却装置を取り付けている。これは、多くの反応が発熱反
応であるので、熱の除去に必要である。反応槽の温度が
上がり、目的の反応以外の熱化学反応が起こるのを避け
るためである。図には、化学反応に必要な、その他多く
のものが描かれていないが、本発明のエッセンシャルな
部分ではないので、省略している。

【００２７】次に、赤外・遠赤外線の波長の選択法につ
いて述べる。それは、熱化学反応で使用する最適温度に
対応するものである。温度と波長には、ｋＴ＝ｈνの関
係がある。ここで、ｋはボルツマン常数、Ｔは絶対温
度、ｈはプランク常数、νは光の振動数であり、ν＝Ｃ
／λの関係で波長λと結ばれている。Ｃは光速度であ
る。例えば、１０００度Ｋは、波長１４．４ミクロンに
対応している。こうして、およその波長を決めることが
できるが、さらに最適の波長は、その周辺をスキャンニ
ングして決める。

【００２８】以上の実施例は、原料が溶液とガスである
場合を述べたものであるが、溶液同士の場合も、固体を
原料として使う場合も基本的には、同じである。原料の
注入方法を変更するだけである。固体の場合は、粉末に
して溶媒と混合して注入するのが良いが、固体をそのま
ま反応槽に入れても良い。溶媒を使用する場合は、原料
と同じ吸収波長をもつ溶媒を避けるのが良い。本発明
は、生成反応と限らず分解反応にも使用することができ
る。本発明は、化学工業プロセスの中の従来の熱化学反
応に関する全てに適用することができる。即ち本発明の
反応槽には、色んなバリエーションがあり、ポートの数
や原料注入方式もさまざまであり、それらを本発明から
除外するものではない。

【００２９】さらに、本発明の化学反応制御装置は、生
化学反応にも使用することが可能である。生化学反応
は、各種アミノ酸の触媒作用により各種蛋白質を生産す
るものであり、これらの反応は熱化学反応である。従っ
て、生化学反応を特定の赤外・遠赤外線で促進すること
ができる。この場合、化学反応制御装置は、生化学反応
制御装置であるが、基本的な構造は、本実施例と同じで
あり、試料の設置法と、試料を置く環境が異なるのみで
ある。生体に照射して、生化学反応を促進したり、生体
の有害老廃物を分解することも可能である。即ち、本装
置の基本は、医学治療にも適用することができる。従っ
て、本発明は生化学反応や、医療を目的とする赤外・遠
赤外線の照射を除外するものではない。

【００３０】

【発明の効果】本発明の化学反応制御装置は、熱化学反
応をヒーターを用いずに赤外・遠赤外線の単一波長を用
いて行うことにより、特定の反応だけを非可逆的に起こ
させ、反応の生成効率を増大させ、反応時間を短縮する
ことに効果がる。このことにより、熱化学反応装置を小
型化することができ、生産コストを押さえることができ
る。また、反応が非可逆におきることや反応を選択でき
ることから、複数のプロセスを同じ反応槽で順次波長を
変えて起こさせることができるために、装置を大幅に縮
小することができる。

【００３１】また、本発明の化学反応制御装置を用いる
と、従来不可能であった化学反応を制御し、新しい物質
を生産することを可能にする。同じ意味で、生化学反応
に適用し、各種蛋白質を生産することができる。また、
生体内の有害物質を分解したり、生化学反応を制御する
ことにより、医学治療にも役立たせることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を示す、化学反応制御装置の全
体構成図である。

【符号の説明】

１赤外・遠赤外線発生装置である光蓄積リング。２反応槽３赤外・遠赤外線輸送ライン４光蓄積リングのための入射器マイクロトロン５分光器６グレーチング７収束ミラー８差動排気のためのターボポンプ９アイリス１０反応ガスを回収して反応槽にもどすためのライン１１原料ガスを注入するポート１２原料液体と触媒を注入するポート１３原料ガスを循環するシステム１４生成物取り出しポート１５攪拌装置１６反射ミラー１７冷却器機構

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】化学物質の生成・分解のために、赤外・遠
赤外線の波長を選択して反応物質に照射して化学反応を
促進又は遅延させることを特徴とする化学反応制御方
法。
【請求項２】赤外・遠赤外線発生装置と前記発生装置か
ら発生する赤外・遠赤外線で反応物質を照射するために
赤外・遠赤外線を透過する窓を有する反応槽と概赤外・
遠赤外線発生装置から概反応槽まで赤外・遠赤外線を輸
送するための輸送ラインを有することを特徴とする化学
反応制御装置。
【請求項３】請求項２の化学反応制御装置に於いて、概
赤外・遠赤外線が単色光ではない場合に赤外・遠赤外線
を分光する赤外・遠赤外線分光装置またはフィルターを
付加したことを特徴とする化学反応制御装置。
【請求項４】請求項２及び３の化学反応制御装置に於い
て、赤外・遠赤外線発生装置が光蓄積リング又は自由電
子レーザーであることを特徴とする化学反応制御装置。
【請求項５】請求項２及び３の化学反応制御装置に於い
て、赤外・遠赤外線の輸送ラインに水分を除去したドラ
イ窒素を充填したことを特徴とする化学反応制御装置。
【請求項６】請求項２及び３の化学反応制御装置に於い
て、赤外・遠赤外線の輸送ラインを真空にしたことを特
徴とする化学反応制御装置。
【請求項７】請求項２及び３の化学反応制御装置に於い
て、概反応槽の窓が、赤外・遠赤外線を透過するポリエ
チレン、ＺｎＳｅ、溶融石英、ダイヤモンド、Ｓｉ、又
はＧｅで出来ていることを特徴とする化学反応制御装
置。
【請求項８】請求項２及び３の化学反応制御装置に於い
て、赤外・遠赤外線の輸送ラインに作動排気システムを
取り付けたことを特徴とする化学反応制御装置。
【請求項９】請求項２及び３の化学反応制御装置におい
て、概反応槽の内面を赤外・遠赤外線を反射するように
したことを特徴とする化学反応制御装置。
【請求項１０】請求項９の反応槽において、概反応槽の
内面を白金、金、銀、又はＳｉでコートしたことと、鏡
面仕上げしたことを特徴とする化学反応制御装置。
【請求項１１】請求項２及び３の化学反応制御装置にお
いて概反応槽を冷却して所定以外の熱化学反応が起きな
いようにしたことを特徴とする化学反応制御装置。