JPWO2016017218A1 - マイクロ波加熱照射装置 - Google Patents

Abstract

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）を加熱させる反応炉（１）と、反応炉（１）に設けられた偏波グリッド（２）と、反応炉（１）の外側に配置され、直線偏波のマイクロ波を照射する１つのマイクロ波放射源（３）と、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、偏波グリッド（２）を介して反応炉（１）に反射する反射鏡（４）とを備え、マイクロ波放射源（３）は、偏波グリッド（２）の向きに対して入射されるマイクロ波の偏波方向が直交するよう配置された。

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、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、反応炉に設けられた偏波グリッドと、反応炉の外側に配置され、直線偏波のマイクロ波を照射する１つ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、偏波グリッドを介して反応炉に反射する反射鏡とを備え、マイクロ波放射源は、偏波グリッドの向きに対して当該偏波グリッドに入射されるマイクロ波の偏波方向が直交するよう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。

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、偏波グリッド２、マイクロ波放射源３及び反射鏡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（反射鏡４側）に開口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。また、試料５０の反応炉１への出し入れの手段等は適宜選択してよい。

偏波グリッド２は、反応炉１の開口に配置されたものである。なお、偏波グリッド２としては、例えば銅やアルミ等の導電性媒質が用いられる。この偏波グリッド２の境界面に直線偏波のマイクロ波が入射した場合、偏波グリッド２と平行方向の偏波は反射し、直交方向の偏波は透過する。なお図１では、偏波グリッド２が反応炉１の中空に配置されているが、これに限定されるものではなく、マイクロ波を透過する媒質内に配置されていればよい。

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直線偏波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、反射鏡４の方向である。また、マイクロ波放射源３は、偏波グリッド２の向きに対して当該偏波グリッド２に入射されるマイクロ波の偏波方向（図１の符号１０４）が直交するように配置される。

反射鏡４は、反応炉１の上方に配置され、マイクロ波放射源３により照射された直線偏波のマイクロ波を、偏波グリッド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から放射された直線偏波のマイクロ波は、入射波１０１のように反射鏡４に入射される。その後、反射鏡４で反射された直線偏波のマイクロ波は、入射波１０２のように反応炉１の上部の偏波グリッド２を介して試料５０へ入射される。なお図１では、反射鏡４として回転楕円鏡を図示しているが、これに限定されるものではなく、マイクロ波を反射可能なものであればよい。

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から直線偏波のマイクロ波が照射されると、このマイクロ波は、反射鏡４を介して偏波グリッド２に向かって入射する。本発明ではマイクロ波の偏波方向が偏波グリッド２の方向に対して直交しているので、試料５０への入射波１０２はすべて偏波グリッド２を透過し、反応炉３内の試料５０に向けて発散されながら照射する。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１０３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する。そして、本発明では反応炉１に偏波グリッド２が配置されているため、この偏波グリッド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、偏波グリッド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。

以上のように、この実施の形態１によれば、偏波グリッド２を反応炉１に設け、マイクロ波の偏波方向を偏波グリッド２の方向に対して直交するようにマイクロ波放射源３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及び反射鏡４を２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，ｂ）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、各系統のマイクロ波放射源３は、偏波グリッド２の方向に対して当該偏波グリッド２に入射されるマイクロ波の偏波方向が直交するように配置される。
なお図２に示す例では、マイクロ波放射源３及び反射鏡４を２系統設けた場合を示しているが、３系統以上設けてもよく、その数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及び反射鏡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１０３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。
なお、凹凸部１１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）。

以上のように、この実施の形態３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４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２，３に示す実施の形態２，３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５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２〜４に示す実施の形態２〜４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。

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、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、反応炉に設けられた偏波グリッドと、反応炉の外側に配置され、直線偏波のマイクロ波を照射するマイクロ波放射源と、反応炉の上方に配置され、マイクロ波を偏波グリッドを介して反応炉に反射する反射鏡とを備え、マイクロ波放射源を偏波グリッドの向きに対して当該偏波グリッドに入射されるマイクロ波の偏波方向が直交するように配置したので、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 偏波グリッド、３，３ａ，３ｂ マイクロ波放射源、４，４ａ，４ｂ 反射鏡、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、５０ 試料、１０１，１０１ａ，１０１ｂ 入射波、１０２，１０２ａ，１０２ｂ 入射波、１０３ 反射波、１０４ マイクロ波の偏波方向。

この発明に係るマイクロ波加熱照射装置は、上方に開口を有し、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、反応炉の開口に配置された偏波グリッドと、反応炉の外側に配置され、直線偏波のマイクロ波を照射する１つ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、偏波グリッドを介して反応炉に入射するように偏波グリッドに向けて反射する反射鏡とを備え、マイクロ波放射源は、偏波グリッドの向きに対して当該偏波グリッドに入射されるマイクロ波の偏波方向が直交するよう配置されたものである。

Claims (8)

1. 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、
   前記反応炉に設けられた偏波グリッドと、
   前記反応炉の外側に配置され、直線偏波のマイクロ波を照射する１つ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、前記偏波グリッドを介して前記反応炉に反射する反射鏡とを備え、
   前記マイクロ波放射源は、前記偏波グリッドの向きに対して当該偏波グリッドに入射されるマイクロ波の偏波方向が直交するよう配置された
   ことを特徴とするマイクロ波加熱照射装置。
2. 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、
   前記反応炉に設けられた偏波グリッドと、
   前記反応炉の外側に配置され、マイクロ波を照射する複数のマイクロ波放射源と、
   前記複数のマイクロ波放射源に対応して前記反応炉の上方に複数配置され、対応する当該マイクロ波放射源により照射されたマイクロ波を、前記偏波グリッドを介して前記反応炉に反射する反射鏡とを備え、
   前記各マイクロ波放射源は、前記偏波グリッドの向きに対して当該偏波グリッドに入射されるマイクロ波の偏波方向が直交するよう配置された
   ことを特長とするマイクロ波加熱照射装置。
3. 前記反応炉の内側の側壁に設けられ、マイクロ波を乱反射させる凹凸部を備えた
   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。
4. 前記反応炉の内側の側壁に設けられ、マイクロ波を乱反射させる凹凸部を備えた
   ことを特徴とする請求項２記載のマイクロ波加熱照射装置。
5. 前記反応炉の外部に設けられ、当該反応炉を加熱する加熱部を備えた
   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。
6. 前記反応炉の外部に設けられ、当該反応炉を加熱する加熱部を備えた
   ことを特徴とする請求項２記載のマイクロ波加熱照射装置。
7. 前記マイクロ波放射源は、照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。
8. 前記マイクロ波放射源は、照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である
   ことを特徴とする請求項２記載のマイクロ波加熱照射装置。

Images