WO2012043753A1 - マイクロ波装置とその流通管 - Google Patents

Abstract

　シングルモードの空胴共振器を使用したマイクロ波装置に関し、被処理液の流量を多くして均一に効率良く処理可能にする。本発明の一態様に係るマイクロ波装置は、四角柱状空胴又は円柱状空胴とした照射室を有するシングルモードの空胴共振器と、前記照射室内に生じる電界方向に対し軸線を沿わせて前記照射室に設置される流通管と、前記流通管を通して流す被処理液とは異なる誘電率を有し、前記流通管内に収容されて前記被処理液の流れを乱す障害手段と、を含んで構成される。

Description

マイクロ波装置とその流通管

　マイクロ波を照射して加熱や化学反応促進などの処理を物質に施すための装置に関する技術が以下に開示される。

　近年、マイクロ波が物質の化学反応を促進することが見出され、バイオケミストリーなどの分野において、マイクロ波を利用した化学反応装置への関心が高まっている。このような化学反応促進や加熱のためのマイクロ波装置は、試験管やフラスコ等に被処理液を収容して処理する、いわゆる電子レンジタイプのバッチ式装置が現在主流である。しかし、バッチ式では処理能力に限界があるため、流通路を形成してこれに被処理液を流しながらマイクロ波を照射して処理するフロー式の装置が検討されている（特許文献１参照）。

特開２００６－２７２０５５号公報

　特許文献１のマイクロ波装置は、方形導波管内に流通路を配設したものであるが、空胴共振器を用いたほうが被処理液によるマイクロ波の吸収効率が高まり、結果として処理の効率は良い。特に、シングルモードの空胴共振器に流通路を形成した装置とすると、反応の再現性に優れ、また、共振時に空胴共振器内に発生する電磁界が強いので処理時間を短縮することができる。ただし、空胴共振器を用いたマイクロ波装置の場合、空胴共振器とマイクロ波の同調をとる仕組みが難しいとされている。

　シングルモードの空胴共振器では、電磁界が強いことが逆に災いとなって、被処理液の吸収するマイクロ波が大きすぎることが、同調を難しくしている原因と言える。すなわち、空胴共振器に蓄えられるマイクロ波エネルギーに対し、被処理液に吸収される単位時間当りのエネルギーが大きすぎ、これら２つの量の比（前記マイクロ波エネルギー／前記単位時間当りのエネルギー）に角周波数を乗じた式で定義される共振の“Ｑ”が低くなってしまう。Ｑが低くなると、共振器としての特長を失うばかりか、共振を維持するために必要な共振周波数に対して同調を取ること自体、難しくなる。

　現状では、流通路の断面積をできるだけ小さくし、空胴共振器内に存在する被処理液の容積が、空胴容積に比較して極力小さくなるようにして、被処理液に吸収される単位時間当りのエネルギーを減らす、といった対処で回避が図れている。すなわち、一般的に円筒直管である流通路の径を極力小さくして、流通路を流れる被処理液の時間あたりの液量、つまり、空胴共振器内に存在する被処理液の容積を抑えるということである。この対処法でＱを適切な値に留めるためには、現在一般的なマイクロ波の周波数２，４５０ＭＨｚで動作する空胴共振器の場合、流通路は、径が１．０ｍｍ以下の細いものにせざるを得ない。これでは、実用化に向けて十分な処理能力があるとは言い難い。

　上記のような背景に鑑みて本発明は、シングルモードの空胴共振器を使用したマイクロ波装置に関し、被処理液の流量を多くして均一に効率良く処理可能にすることを目的とする。

　本発明の第１の態様に係るマイクロ波装置は、
　四角柱状空胴又は円柱状空胴とした照射室を有するシングルモードの空胴共振器と、
　前記照射室内に生じる電界方向に対し軸線を沿わせて前記照射室に設置される流通管と、
　前記流通管を通して流す被処理液とは異なる誘電率を有し、前記流通管内に収容されて前記被処理液の流れを乱す障害手段と、
　を含んで構成される。

　本発明の第２の態様に係るマイクロ波装置は、
　四角柱状空胴又は円柱状空胴とした照射室を有するシングルモードの空胴共振器と、
　前記照射室の両底面の中心を互いに結んだ中心軸を取り巻いて伸延する螺旋状として前記照射室に設置される流通管と、
　を含んで構成される。

　本発明の第３の態様に係る流通管は、
　四角柱状空胴又は円柱状空胴とした照射室を有するシングルモードの空胴共振器を含んで構成されるマイクロ波装置で使用可能な流通管であって、
　当該流通管を通して流す被処理液とは異なる誘電率を有すると共に前記被処理液の流れを乱す障害手段を収容してあり、
　前記照射室内に生じる電界方向に対し軸線を沿わせて前記照射室に設置される。

　本発明の第４の態様に係る流通管は、
　四角柱状空胴又は円柱状空胴とした照射室を有するシングルモードの空胴共振器を含んで構成されるマイクロ波装置で使用可能な流通管であって、
　前記照射室に設置されたときに、前記照射室の両底面の中心を互いに結んだ中心軸を取り巻いて伸延する螺旋状に形成される。

　本発明の一態様に係る流通管は、被処理液の誘電率と異なる誘電率をもち、被処理液の流れを乱す障害手段を収容している。この流通管を、マイクロ波装置の照射室（共振空胴）に設置すると、被処理液を流す流通管内において電界分布が一様ではなくなり、平均的な電界の強さを軽減する作用を生じる結果、被処理液によるマイクロ波の吸収が抑制される。その結果、流通管の径を従来より太くして、照射室内に存在する被処理液の容積を多くしても、共振周波数の低減率が抑制されるため、各種の被処理液に対する共振周波数を所定の帯域、例えばＩＳＭ（Industry-Science-Medical）帯域内に納めることが容易になり、さらにＱの低下が抑えられて同調をとりやすくなり、照射室内に存在する被処理液の容積を増やして処理効率を向上させることが可能となる。

　また、本発明の別の態様に係るマイクロ波装置は、空胴共振器の照射室（共振空胴）において、中心軸に平行な電界が発生する。そして、この照射室内で流通管は、照射室の中心軸を取り巻く螺旋状に設けられているので、当該流通管を流れる被処理液は、電界を横切る方向に流動する。この構造により、被処理液、つまり誘電体の境界が電界を横切る方向となるので、単位時間当りに被処理液に吸収されるエネルギーが少なくなり、Ｑの低下が抑制される。したがって、従来よりも太い流通管を使用して被処理液の流量を多くしても、Ｑの低下は格段に緩やかとなって適切値に留めることができる。また、流通管を螺旋状としたことにより、直管式流通管の場合に比べて、照射室内での被処理液流動距離が長くなって、被処理液の受けるマイクロ波の強さを一定に保ちつつ照射室内滞留時間を稼ぐことができる。以上の結果、シングルモード空胴共振器による均一で効率の良い処理が可能となる。

図１は、マイクロ波装置の全体構成の第１例を示すブロック図である。 図２は、空胴共振器の第１実施形態を示し、図２Ａは図１と同じ側面から見た正面図、図２Ｂは左側面図、図２Ｃは平面図である。 図３は、図２の空胴共振器における流通管配置状態を示し、図３Ａは側面壁を取り外して照射室内を見せた正面図、図３Ｂは上側の底面壁を取り外して照射室内を見せた平面図、図３Ｃは下側の底面壁を取り外して照射室内を見せた底面図である。 図４は、流通管の第１実施形態を示す図である。 図５は、流通管の第２実施形態を示す図である。 図６は、流通管及び支持棒の治具を示し、図６Ａは正面図、図６Ｂは左側面図、図６Ｃは右側面図、図６Ｄは平面図、図６Ｅは底面図である。 図７は、空胴共振器の第２実施形態を示し、図７Ａは図１と同じ側面から見た正面図、図７Ｂは左側面図、図７Ｃは平面図である。 図８は、第１実施形態に係る空胴共振器内の電界に関して中心軸周りの円周方向電界変化シミュレーション結果を示す図である。 図９は、被処理液の流動方向と電界の関係を説明する図である。 図１０は、第２実施形態（又は第１実施形態）に係る空胴共振器内の電界に関して中心軸方向のシミュレーション結果を示す図である。 図１１は、流通管に被処理液を流す流動機構の第１例を示す図である。 図１２は、マイクロ波装置の全体構成の第２例を示すブロック図である。 図１３は、空胴共振器の第３実施形態を示し、図１３Ａは図１２と同じ側面から見た正面図、図１３Ｂは左側面図、図１３Ｃは平面図である。 図１４は、空胴共振器の第４実施形態を示し、図１４Ａは図１２と同じ側面から見た正面図、図１４Ｂは左側面図、図１４Ｃは平面図である。 図１５は、流通管の第３実施形態を示す図である。 図１６は、第３実施形態に係る流通管を説明する拡大図である。 図１７は、障害手段を入れた流通管における電界シミュレーション結果を示す図である。 図１８は、第１実施形態に係る流通管の実験結果を示す図である。 図１９は、流通管の第４実施形態を示す図１６相当の図である。 図２０は、流通管の第５実施形態を示す図１６相当の図である。 図２１は、流通管の第６実施形態を示す図である。 図２２は、流通管の第７実施形態を示す図である。 図２３は、流通管に被処理液を流す流動機構の第２例を示す図である。

　以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について説明する。

　まず、図１に、マイクロ波装置の全体構成に関して第１例を示す。図示のマイクロ波装置は、空胴共振器１０に導波管２０及びマイクロ波発生器３０を組み付け、パーソナルコンピュータ等による制御器４０で制御するようにした構成である。

　マイクロ波発生器３０は、可変周波数発振器３１及び可変増幅器３２を含んでいる。可変周波数発振器３１により周波数が可変（例えば２．４ＧＨｚ～２．５ＧＨｚ）のマイクロ波が出力され、可変増幅器３２により該マイクロ波のパワーが可変増幅される。可変周波数発振器３１の周波数と可変増幅器３２のパワーは、制御器４０に従い制御される。マイクロ波発生器３０から出力されたマイクロ波は、同軸ケーブルでつながったアイソレータ３３、方向性結合器３４などを介して同軸導波管変換器２１に送られる。同軸導波管変換器２１を経て導波管２０により導波されるマイクロ波は、図２に示すアイリス１１を通して、空胴共振器１０内に形成された照射室１２へ導入される。

　照射室１２にマイクロ波が導入されると、中心軸方向へ離間設置した２本のアンテナ５０（例えばループ形のアンテナ）により磁界の強度が検知され、該検知結果が制御器４０へ入力される。また、後述の図１１に示すように被処理液の温度を計測した結果も制御器４０へ入力され得る。制御器４０は、これら入力に従ってマイクロ波発生器３０を制御する。

　マイクロ波照射開始の操作が行われると、制御器４０は、マイクロ波発生器３０によりマイクロ波出力を開始し、周波数制御過程を実行する。周波数制御過程は、アンテナ５０による検知結果に従って、マイクロ波発生器３０から出力されるマイクロ波の周波数を、照射室１２の共振周波数に同調させる制御である。周波数制御過程を実行する制御器４０は、可変周波数発振器３１の周波数を掃引しつつアンテナ５０による検出結果から同調周波数を判断する。このとき、制御器４０は、可変増幅器３２によるパワーについて、アンテナ５０による検出に支障ない範囲で最低限の微弱パワーにするとよい。照射室１２へ導入するマイクロ波の出力パワーを弱くすることで、周波数制御過程の実行中に被処理液へ与え得る影響を抑制することができる。

　この場合の微弱パワーは、例えば次の値とする。可変増幅器３２は、一般的に可変減衰部＋増幅部の組み合わせで構成されるので、その可変減衰部の減衰率を最大値（９９％等）としたときの可変増幅器３２の出力パワーを、微弱パワーとすることができる。一例としては、微弱パワーは１００ｍＷ以下とすることが可能である。

　制御器４０は、周波数制御過程による同調に続いて、マイクロ波のパワーを制御するパワー制御過程を実行する。パワー制御過程は、マイクロ波照射開始前にオペレーターにより設定された条件に従ってマイクロ波発生器３０の可変増幅器３２を制御し、マイクロ波のパワーを制御する過程である。パワー制御過程において制御器４０は、アンテナ５０による検知結果（又は被処理液の温度計測結果）に従って、マイクロ波発生器３０から出力されるマイクロ波のパワーを調整する。正確性を追求したければ、アンテナ５０の検知結果及び温度計測結果の両方を使用するのがよい。

　制御器４０は、一例として、マイクロ波の照射開始にあたって最初に周波数制御過程を実行した後、パワー制御過程を実行し、当該パワー制御過程実行中に一定の間隔で周波数制御過程を割り込ませ、実行する。そして、その周波数制御過程において制御器４０は、可変増幅器３ｂを制御して上述の微弱パワーでマイクロ波を出力させつつ、可変周波数発振器３１を制御して周波数の同調を図る。

　以上のようなマイクロ波装置における空胴共振器１０の第１実施形態が図２に示されている。

　第１実施形態の空胴共振器１０は、図中では上下に示す２枚の対向する底面壁１３，１４がほぼ正方形で、当該ほぼ正方形の底面壁１３，１４の各辺に、長方形の側面壁１５，１６，１７，１８をボルト等で固定することにより、構成されている。第１実施形態の場合、４枚の側面壁１５，１６，１７，１８のうち、図２Ｂに示す１枚の側面壁１５は、導波管２０を接続するために、導波管２０のフランジ２２に対応させて面積が広げられており、その拡張部分が底面壁１３，１４の端からはみ出している。また、４枚の側面壁１５，１６，１７，１８のうち、図２Ａに示す１枚の側面壁１８は、底面壁１３，１４へ当接する端部に開けられた流通管挿通口１８ａ，１８ｂを有する。

　これら底面壁１３，１４及び側面壁１５，１６，１７，１８を組み立てて形成される直方体の空胴共振器１０の中には、底面壁１３，１４によるほぼ正方形の底面及び側面壁１５，１６，１７，１８による長方形の側面を有した正四角柱状空胴の照射室１２が形成される。この照射室１２にマイクロ波を導入するアイリス１１は、照射室側面を形成する側面壁１５の中央部位に、矩形開口として開けられる。第１実施形態のアイリス１１は長方形で、その長軸が、照射室底面の中心どうし、すなわち第１実施形態では底面壁１３，１４の中心どうしを結んだ中心軸Ｃと平行に伸延する。

　導波管２０から結合スリットであるアイリス１１を通して正四角柱状空胴の照射室１２に導入されたマイクロ波は、共振時、中心軸Ｃの方向に沿ったシングルモードの電界を発生する。厳密に言えば、空胴共振器１０内に何も入っていなければ、ＴＭ１１０モードの電磁界が励起される。したがって、おおよそＴＭ１１０モードの電磁界分布に従った分布の電磁界が照射室１２に発生することになる。

　照射室１２に関し、その底面のなすほぼ正方形の１辺の長さをＬとする。なお、Ｌについての±数％程度の寸法差は許容され得る。加熱等に一般的なマイクロ波の周波数２，４５０ＭＨｚの場合、照射室１２内に何も無いときのＬは８６．５ｍｍである。しかし実際には、照射室１２には誘電体となる被処理液が存在するので、その影響を受けて照射室１２の共振周波数は下がる。そこで、照射室１２のＬは、空のときの寸法より小さく設計し、照射室１２内に被処理液が有って共振周波数が下がったときに共振できる値とするのがよい。また、Ｌを長めにとった場合、予定したシングルモードでの共振に加えて、その近傍の周波数において高次モードで共振する、モード競合のような不具合を生じ得る。これらの条件を勘案してシミュレーションなどの試行を重ねた結果、照射室１２において底面のなすほぼ正方形の１辺の長さＬは、照射室１２に導入するマイクロ波の波長の７５％以下に設計するのが適している。なお、照射室１２において各側面のなす長方形の長辺の長さＨ（正四角柱の高さ）は、電界が中心軸Ｃの方向に生じることから、適宜、必要な長さを設計すればよい。

　導波管２０から空胴共振器１０へマイクロ波を結合するアイリス１１は、照射室１２に励起される電磁界を、予定したシングルモード（ＴＭ１１０、あるいは後述のＴＭ０１０）のみとすることに関与する。図２Ｂに示すアイリス１１においては、その長辺（側縁）においてマイクロ波による電流が中心軸Ｃの方向に流れ、当該電流に起因して、中心軸Ｃを囲繞する磁界と中心軸Ｃに平行な電界が発生する。アイリス１１の幅（中心軸Ｃと直交する方向）は、シミュレーション及び実験により最適値を求めることができる。空胴共振器１０はＴＥモードを発生する可能性があるが、ＴＥモードが発生すると想定外の現象が起き得るので、ＴＥモードは極力抑制する必要がある。図２の導波管２０及びアイリス１１の関係においては、中心軸Ｃに関し構造的対称性が保たれる限り、図中の横方向の電界が存在しないので、ＴＥモードを抑制することが可能である。

　図３に、このような照射室１２に設ける流通管６０の配置状態を示す。
　図３Ａは、正面の側面壁１８を取り外して照射室１２の中を示した図、図３Ｂは、上側の底面壁１３を取り外して照射室１２の中を示した図、そして、図３Ｃは、下側の底面壁１４を取り外して照射室１２の中を示した図である。

　流通管６０は、１本のフレキシブル管を螺旋状に巻いて形成され、その材料には、マイクロ波の吸収が少なく比誘電率（実数部）が小さいもの、例えばＰＴＦＥやＰＰが使用される。螺旋状に巻いた流通管６０の巻き径の中心は、照射室１２の中心軸Ｃにほぼ一致（見た目に一致している程度でよく、例えば数ｍｍ程度の誤差は許容される）させてある。したがって、被処理液を流す流通管６０は、中心軸Ｃを取り巻いて延伸する螺旋状に設けられている。螺旋状に巻いた流通管６０は、図２に示す流通管挿通口１８ａ，１８ｂから両端が取り出され、被処理液の流動機構に接続される。この流通管６０及び該流通管６０を螺旋状に設けるために使用する支持棒６１の第１実施形態について、図４に示す。

　第１実施形態に係る支持棒６１は、流通管６０と同じくＰＴＦＥやＰＰなどのマイクロ波を吸収し難い素材からなる円柱で、その軸を中心軸Ｃに沿わせて照射室１２内に配置される。図３の場合、支持棒６１の中心軸が照射室１２の中心軸Ｃにほぼ一致するようにして配置されている。この支持棒６１の周面に螺旋溝６１ａが一筋、全長にわたり凹設されており、該螺旋溝６１ａをガイドにして、流通管６０が支持棒６１の周囲に巻き付けられる。螺旋溝６１ａの形成により、流通管６０を一定のピッチｐで巻き付けることができ且つ巻き付けた流通管６０のずれが防止される。

　図５に、流通管６０及び支持棒６１’の第２実施形態を示す。第２実施形態に係る支持棒６１’も第１実施形態と同じくＰＴＦＥやＰＰからなる円柱であり、第１実施形態同様に照射室１２内へ配置されるが、その周面に形成される螺旋溝６１ａ’のピッチが第１実施形態よりも大きく、流通管６０のピッチｐが第１実施形態に比べて広くなる設計である。流通管６０のピッチｐが違えば、被処理液が照射室１２内に留まる時間が変わり、したがってマイクロ波の照射時間が変わる。また、ピッチｐの違いにより、図中右に示すように、流通管６０の螺旋の傾きが変化し、照射室１２内の軸方向の電界に対する被処理液流動方向の軸方向成分が増減する。すなわち、マイクロ波中の誘電体である被処理液の誘電体境界の向きが、電界の方向に対し、直交と平行の間で変化する。これにより、被処理液のマイクロ波エネルギー吸収を変化させることができる（後述）。

　支持棒６１，６１’は、マイクロ波損失が少なく且つ熱伝導特性に優れたアルミナ（酸化アルミニウム）で形成することもできる。アルミナ製の支持棒６１，６１’とした場合、その熱伝導の良さから、流通管６０下流の被処理液の熱を上流の被処理液へ伝えることが可能で、流通管６０を流れる被処理液の均温性を向上させることができる。マイクロ波照射に伴う加熱で、被処理液の温度は下流へ行くほどに高くなるが、その熱を支持棒６１，６１’を介して上流側へ伝導することにより、化学反応に要求される均温性を改善することができる。第２実施形態の支持棒６１’の場合、さらに、軸方向に貫通する流路６１ｂ’が内部に形成され、ここに冷媒として気体や液体を流すことができるようにしてある。マイクロ波吸収の少ない冷媒として、例えばフロリナート（フッ素系不活性液体）があげられる。冷媒は、被処理液の流動方向とは逆向きに流し、例えば、図５中で下から上に被処理液が流れる場合は、冷媒を上から下へ（矢示）流す。これにより、均温性をより向上させられる。また、マイクロ波による熱反応処理では、強いマイクロ波を照射しながら、被処理液の温度は許容レベル内に抑えることを要求される場合がある。この場合、従来の装置では、被処理液の温度が上がるとマイクロ波出力を下げることにより対応していたが、支持棒６１，６１’の熱伝導や冷媒作用を利用すれば、マイクロ波出力を従来ほど下げずに済むこととなる。

　このような支持棒６１，６１’に巻回した螺旋状流通管６０を、照射室１２内の定位置へ配置するための治具６２について、図６に示す。治具６２は、やはりＰＴＦＥやＰＰにより形成され、照射室１２の底面に相当するほぼ正方形（１辺がほぼＬ）で互いに同形状の２枚の底面板６２ａと、照射室１２の側面の長辺に相当する長さ（ほぼＨ）の４本の支柱６２ｂと、を含み、対向する底面板６２ａの四隅に支柱６２ｂを固定して組み立てられている。支柱６２ｂの固定は、例えばエンジニアリングプラスチック製のネジによるねじ止めで行える。底面板６２ａは板厚が５ｍｍ程度で、正方形の中心部位に、支持棒６１，６１’の端部６１ｂ，６１ｃ’を嵌め込むための嵌合孔６２ｃが開けられている。ここに支持棒６１，６１’を嵌め込んで固定することで、治具６２を照射室１２に挿入すると、中心軸Ｃに沿って支持棒６１，６１’が配置され、且つ中心軸Ｃの周りに螺旋状流通管６０が配置されることになる。

　底面板６２ａには、さらに、治具６２を照射室１２に対し出し入れするときに取っ手となる把持孔６２ｄが２箇所に開けられている。また、底面板６２ａには、空胴共振器１０の側面壁１８に開けられた流通管挿通口１８ａ，１８ｂに対応する部位に、流通孔６０を引き出すための切欠６２ｅが形成される。このような治具６２は、支持棒６１（又は支持棒６１’）の端部６１ｂを嵌合孔６２ｃに嵌め込んで固定し、当該支持棒６１に流通管６０を巻き付けてその端を切欠６２ｅを介し引き出した状態にして、照射室１２に挿入される。治具６２を使用して流通管６０を巻回した支持棒６１を照射室１２に挿入する方式とすることにより、照射室１２内において流通管６０を常に定位置に配置することが可能であり、処理の再現性に優れる。また、治具６２の交換によって、流通管６０を容易に交換することができることになる。

　図７に、空胴共振器の第２実施形態を示す。
　第２実施形態の空胴共振器１０’は、円柱状空胴の照射室１２’を有し、照射室１２’の直径がＬとされる。

　円柱状空胴の照射室１２’は、正四角柱状の胴部材を円形にくりぬき（削り出し）、その両端に正方形の底面壁１３’，１４’をボルト止めすることで形成される。そして、照射室１２’の側面（つまり胴部材内周面）を形成する側面壁の１箇所、第２実施形態の場合、胴部材の外側面１５’，１６’，１７’，１８’のうちの外側面１５’に、第１実施形態同様のアイリス１１’が開口する。すなわち、このアイリス１１’も、照射室１２’の両底面の中心を互いに結んだ中心軸Ｃ’と平行に長軸が伸延する矩形開口である。さらに、外側面１５’，１６’，１７’，１８’のうち、図７Ａに示す１つの外側面１８’は、底面壁１３’，１４’へ当接する端部に開けられた流通管挿通口１８ａ’，１８ｂ’を有する。また、アイリス１１’を介してマイクロ波を結合する導波管２０のフランジ２２を固定するために、外側面１５’に対して鍔部１５ａ’が拡張形成されている。

　このような円柱状空胴の照射室１２’の中に、上記同様の流通管６０及び支持棒６１（６１’）が配置される。第１実施形態の空胴共振器１０同様に、螺旋状に巻いた流通管６０の巻き径の中心は、照射室１２’の中心軸Ｃ’にほぼ一致させてあり、したがって流通管６０は、中心軸Ｃ’を取り巻いて延伸する螺旋状に設けられる。また支持棒６１も、その軸を中心軸Ｃに沿わせて照射室１２’内に配置される。

　導波管２０からアイリス１１’を通して照射室１２’に導入されたマイクロ波は、共振時、中心軸Ｃ’の方向に沿ったシングルモードの電界を発生する。照射室１２’が円柱状空胴なので、第２実施形態の場合、空胴共振器１０’内に何も入っていなければＴＭ０１０モードの電磁界が励起される。共振するマイクロ波の周波数を２，４５０ＭＨｚとする場合、照射室１２’内に何も無いときの直径Ｌは９３．７ｍｍである。なお、第１実施形態の空胴共振器１０同様、Ｌについての±数％程度の寸法差は許容され得る。

　第１実施形態の空胴共振器１０と同様に、照射室１２’には誘電体となる被処理液が存在するので、その影響を受けて照射室１２’の共振周波数は下がる。そこで、照射室１２’のＬも、空のときの寸法より小さく設計する。また、上述したように、Ｌを長めにとった場合は高次モードで共振するモード競合のような不具合を生じ得るので、これらの条件を勘案して、照射室１２’において底面のなす円形の直径Ｌは、照射室１２’に導入するマイクロ波の波長の８０％以下に設計するのが適している。なお、照射室１２’の側面の軸方向長さＨ（円柱の高さ）は、電界が中心軸Ｃ’の方向に生じることから、適宜、必要な長さを設計すればよい。

　第１実施形態の空胴共振器１０と第２実施形態の空胴共振器１０’とを比べると、第１実施形態の方が、６枚の板材を互いに組み付けるだけで制作でき、導波管２０の取り付けもより容易なため、作りやすいという利点をもつ。

　いずれの実施形態の空胴共振器１０，１０’においても、支持棒６１（６１’）の断面直径は、流通管６０の螺旋巻き径ｄ１を決める要素であるが、そのｄ１は、次のように設定する。
　第１実施形態に係る空胴共振器１０の場合、照射室１２の横断面がほぼ正方形なので、電界は、中心軸Ｃを中心に回る円周方向において場所により変化する。つまり、流通管６０の流れの方向に沿って電界は変化する。この様子をシミュレーションしたのが図８である。図８のグラフは、横軸に円周方向の角度をとって示した電界変化のグラフであり、同図を参照すると分かる通り、Ｌに対してｄ１が大きくなるほど、すなわち、中心軸Ｃから流通管６０の中心（内径中心）までの距離（ｄ１／２）が長くなるほど、流通管６０に沿った電界の変化は大きくなる。したがって、処理の均一性を考えると、ｄ１は、その変化の影響を受けない程度の大きさまでに抑えた方がよい。シミュレーション結果から考えると、ｄ１／Ｌ≦０．５であれば電界はほぼ一定とみなすことができるので、ｄ１は、照射室１２の底面のなすほぼ正方形の１辺Ｌの５０％以下に設定、すなわち、中心軸Ｃから流通管６０の中心までの距離であるｄ１／２は、２５％以下に設定するのが好ましい。

　照射室１２（１２’）内を流れる被処理液に対する電界の方向に関し、図９及び図１０を参照して説明する。図９Ａは、流通管の流動方向が照射室１２の中心軸Ｃと平行な場合を示し、図９Ｂは、本実施形態のように、流通管６０の流動方向が中心軸Ｃを横切る方向である場合を示す。電界の向きは、上述のように、照射室１２において中心軸Ｃと平行である。流通管を流れる被処理液は誘電体と見なせるので、図９Ａの場合は誘電体境界が電界と平行であり、図９Ｂの場合は誘電体境界が電界を横切ることになる。電界と誘電体境界が平行な場合、誘電体の内外で電界の強さが同じになる。一方、電界を誘電体境界が横切る場合、電界の強さは、誘電体の中で比誘電率分の１（厳密には１／εｒ′）に弱まる。すなわち、被処理液の流動方向によって、被処理液内で電界が変化する。

　誘電体が吸収するマイクロ波電力（単位時間当りのエネルギー）は次式で与えられる。

　式中、ωは角周波数、ε_０は真空の誘電率で８．８５４×１０^－１２（Coulomb／ｍ）である。比誘電率（複素数）εｒは、εｒ＝εｒ′－ｊεｒ″で定義される。
　水を例にとると、水のεｒ′は８０（常温）、εｒ″は１０程度であるから、図９Ｂの場合は、図９Ａの場合に比べて電界が１／８０になる。
　すなわち、流通管に水を流したとすると、中心軸Ｃに沿って水が流れる図９Ａの場合はマイクロ波の吸収が非常に多いが、中心軸Ｃを螺旋状に取り巻いて水が流れる図９Ｂの場合は、マイクロ波の吸収は大幅に減少する。

　水を流す「直管」の流通管６０を中心軸Ｃに配設（すなわち管の軸＝中心軸Ｃ）して第１実施形態の空胴共振器１０により実験を行った結果、当該直管の内径を１．５ｍｍと細くしても、Ｑが１００程度に下がってしまうことが実測された。Ｑが小さいと、共振をとることが難しくなり、また、たとえ共振がとれたとしても、照射室１２内に蓄えられるマイクロ波のエネルギーが少なくなって強い電界を発生できなくなり、共振器としての利点を失ってしまう。

　第２実施形態（又は第１実施形態）の空胴共振器１０’の照射室１２’における電界をシミュレーションした結果を図１０に示す。照射室１２’には、支持棒６１に巻き付けた螺旋状の流通管６０が配置されていると仮定している（図中の○）。ただし、計算の都合上、流通管６０はそれぞれ直径ｄ１の環状になっているものとした。また、被処理液として水を想定し、流通管６０自体の誘電率は水の誘電率に比較して十分に小さいので省略した。図１０の縦軸が中心軸Ｃ’の方向の距離、横軸が中心軸Ｃ’から半径方向（中心軸直交方向）への距離である。なお、図１０に示す領域は、図３Ａ中に示す１／４領域Ｗに相当する。

　図１０中に表された縦線が電気力線で、電界の包絡線であり、電界はこの線に沿っている。電気力線や電界は水（○で示す）の近傍で僅かながら乱れるが、ほぼ中心軸Ｃ’に平行な直線になる。すなわち、電界は、中心軸Ｃ’に平行であり、軸方向において変化しない。図中に示すように、Ｌ＝９３．７ｍｍで計算しているので、空胴共振器１０’は、照射室１２’に何も入っていなければ２，４５０ＭＨｚで共振するが、螺旋状の水が入ると、共振周波数が３６ＭＨｚだけ低下する。しかし、この低下程度は、中心軸Ｃ’上に直径１ｍｍの水柱がある場合に比べても小さい。また、これと同じ内径の螺旋状流通管６０を照射室１２’に入れた場合、照射室１２’内に滞留する水の量は４０倍になる。

　上式から分かるように、螺旋状の流通管６０を照射室１２’に配置した場合、被処理液の単位体積当りのマイクロ波エネルギー吸収量が大幅に低下するので、総合的なマイクロ波エネルギーの吸収量は、中心軸Ｃ’に沿った「直管」の流通管のときに比べて十分に少なく、したがって、高いＱを得ることができる。

　以上のように、上記に示したマイクロ波装置は、空胴共振器の照射室において中心軸に平行な電界が発生し、そして、螺旋状の流通管を流れる被処理液は、電界を横切る方向に流動する。この構造により、被処理液、つまり誘電体の境界が電界を横切る方向となるので、単位時間当りに被処理液に吸収されるエネルギーが少なくなり、Ｑの低下が抑制される。したがって、従来よりも径ｄ２の太い流通管（一例としてｄ２＝３ｍｍ）を使用して被処理液の流量を多くしても、Ｑの低下は格段に緩やかとなって適切値に留めることができる。また、流通管を螺旋状としたことにより、直管式流通管の場合に比べて、照射室内での被処理液流動距離が長くなって、被処理液の受けるマイクロ波の強さを一定に保ちつつ照射室内滞留時間を稼ぐことができる。これらの結果、シングルモード空胴共振器による均一で効率の良い処理が可能となる。

　流通管６０に被処理液を流す流動機構の一例を図１１に示している。なお、図示の例に限らず、送液ポンプを用いて送液系を構成した流動機構なども可能である。
　第１実施形態の空胴共振器１０が設置されており、その照射室１２中に螺旋状の流通管６０が上記の通り収められている。流通管挿通口１８ａ，１８ｂから引き出された流通管６０の両端は、下側から引き出された方が処理前の被処理液を貯留した容器７０へ、上側から引き出された方が処理後の被処理液を貯留する容器８０へ、それぞれ接続される。処理前の容器７０は、注出口に流量制御コック７１を備え、また、上下位置を調整可能になっている。処理後の容器８０は、下端部位から被処理液が流入し、上端部位の注出口に達すると、ビーカー等へ処理後の被処理液が排出される。この流動機構は、照射室１２内の流通管６０において下から上へ被処理液を流す仕組みで、容器７０の高さ及び流量制御コック７１を調整することにより、被処理液の流れを制御する。処理前の容器７０中の液面高さまで、処理後の被処理液を容器８０内に溜めることができる。

　流通管挿通口１８ａ，１８ｂから引き出された流通管６０内の被処理液温度を計測する非接触式温度計を設けて処理前と処理後の温度計測を行い、図１の制御器４０へ提供することができる。

　次に、マイクロ波装置の全体構成に関する第２例を図１２に示して説明する。図示のマイクロ波装置は、上記第１例同様、空胴共振器１１０に導波管１２０及びマイクロ波発生器１３０を組み付け、パーソナルコンピュータ等による制御器１４０で制御するようにした構成である。

　マイクロ波発生器１３０は、可変周波数発振器１３１及び可変増幅器１３２を含んでいる。可変周波数発振器１３１により周波数が可変（例えば２．４ＧＨｚ～２．５ＧＨｚ）のマイクロ波が出力され、可変増幅器１３２により該マイクロ波のパワーが可変増幅される。可変周波数発振器１３１の周波数と可変増幅器１３２のパワーは、制御器１４０に従い制御される。マイクロ波発生器１３０から出力されたマイクロ波は、同軸ケーブルでつながったアイソレータ１３３、方向性結合器１３４などを介して同軸導波管変換器１２１に送られる。同軸導波管変換器１２１を経て導波管１２０により導波されるマイクロ波は、図１３（又は図１４）に示すアイリス１１１（１１１’）を通して、空胴共振器１１０（１１０’）内に形成された共振空胴の照射室１１２（１１２’）へ導入される。

　照射室１１２（１１２’）にマイクロ波が導入されると、中心軸方向へ離間設置した２本のアンテナ１５０（例えばループ形のアンテナ）により磁界の強度が検知され、該検知結果が制御器１４０へ入力される。例えば、２つのアンテナ出力の一方は観測用に、他方は制御用に利用される。ただし、２本のアンテナ設置が必須ということではない。後述するように制御器１４０には、被処理液の温度を計測した結果も入力され得る。制御器１４０は、これら入力に従ってマイクロ波発生器１３０を制御する。

　マイクロ波照射開始の操作が行われると、制御器１４０は、マイクロ波発生器１３０によりマイクロ波出力を開始し、周波数制御過程を実行する。周波数制御過程は、アンテナ１５０による検知結果に従って、マイクロ波発生器１３０から出力されるマイクロ波の周波数を、照射室１１２（１１２’）の共振周波数に同調させる制御である。周波数制御過程を実行する制御器１４０は、可変周波数発振器１３１の周波数を掃引しつつアンテナ１５０による検出結果から同調周波数を判断する。このとき、制御器１４０は、可変増幅器１３２によるパワーについて、アンテナ１５０による検出に支障ない範囲で最低限の微弱パワーにするとよい。照射室１１２（１１２’）へ導入するマイクロ波の出力パワーを弱くすることで、周波数制御過程の実行中に被処理液へ与え得る影響を抑制することができる。

　この場合の微弱パワーは、例えば次の値とする。可変増幅器１３２は、一般的に可変減衰部＋増幅部の組み合わせで構成されるので、その可変減衰部の減衰率を最大値（９９％等）としたときの可変増幅器１３２の出力パワーを、微弱パワーとすることができる。一例としては、微弱パワーは１００ｍＷ以下とすることが可能である。

　制御器１４０は、周波数制御過程による同調に続いて、マイクロ波のパワーを制御するパワー制御過程を実行する。パワー制御過程は、マイクロ波照射開始前にオペレーターにより設定された条件に従ってマイクロ波発生器１３０の可変増幅器１３２を制御し、マイクロ波のパワーを制御する過程である。パワー制御過程において制御器１４０は、アンテナ１５０による検知結果（又は被処理液の温度計測結果）に従って、マイクロ波発生器１３０から出力されるマイクロ波のパワーを調整する。正確性を追求したければ、アンテナ１５０の検知結果及び温度計測結果の両方を使用するのがよい。

　制御器１４０は、一例として、マイクロ波の照射開始にあたって最初に周波数制御過程を実行した後、パワー制御過程を実行し、当該パワー制御過程実行中に一定の間隔で周波数制御過程を割り込ませ、実行する。そして、その周波数制御過程において制御器１４０は、可変増幅器１３２を制御して上述の微弱パワーでマイクロ波を出力させつつ、可変周波数発振器１３１を制御して周波数の同調を図る。

　以上のようなマイクロ波装置における空胴共振器の第３実施形態が図１３に示されている。

　第３実施形態に係る空胴共振器１１０は、図中では上下に示す２枚の対向する底面壁１１３，１１４がほぼ正方形で、当該ほぼ正方形の底面壁１１３，１１４の各辺に、長方形の側面壁１１５，１１６，１１７，１１８をボルト等で固定することにより、構成されている。この実施形態の場合、４枚の側面壁１１５，１１６，１１７，１１８のうち、図１３Ｂに示す１枚の側面壁１１５は、導波管１２０を接続するために、導波管１２０のフランジ１２２に対応させて面積が広げられており、その拡張部分が底面壁１１３，１１４の端からはみ出している。

　これら底面壁１１３，１１４及び側面壁１１５，１１６，１１７，１１８を組み立てて形成される直方体の空胴共振器１１０の中には、底面壁１１３，１１４によるほぼ正方形の底面及び側面壁１１５，１１６，１１７，１１８による長方形の側面を有した四角柱状（正四角柱状）空胴の照射室１１２が形成される。この照射室１１２にマイクロ波を導入するアイリス１１１は、照射室側面を形成する側面壁１１５の中央部位に、矩形開口として開けられる。第３実施形態のアイリス１１１は長方形で、その長軸が、照射室底面の中心どうし、すなわちこの例では底面壁１１３，１１４の中心どうしを結んだ中心軸Ｃと平行に伸延する。

　導波管１２０から結合スリットであるアイリス１１１を通して四角柱状空胴の照射室１１２に導入されたマイクロ波は、共振時、中心軸Ｃの方向に沿ったシングルモードの電界を発生する。厳密に言えば、空胴共振器１１０内に何も入っていなければ、ＴＭ１１０モードの電磁界が励起される。したがって、おおよそＴＭ１１０モードの電磁界分布に従った分布の電磁界が照射室１１２に発生することになる。

　照射室１１２に関し、その底面のなすほぼ正方形の１辺の長さをＬとする。なお、Ｌについての±数％程度の寸法差は許容され得る。加熱等に一般的なマイクロ波の周波数２，４５０ＭＨｚの場合、照射室１１２内に何も無いときのＬは８６．５ｍｍである。しかし実際には、照射室１１２には誘電体となる被処理液が存在することになるので、その影響を受けて照射室１１２の共振周波数は下がる。そこで、照射室１１２のＬは、空のときの寸法より小さく設計し、照射室１１２内に被処理液が有って共振周波数が下がったときに共振できる値とするのがよい。また、Ｌを長めにとった場合、予定したシングルモードでの共振に加えて、その近傍の周波数において高次モードで共振する、モード競合のような不具合を生じ得る。これらの条件を勘案してシミュレーションなどの試行を重ねた結果、照射室１１２において底面のなすほぼ正方形の１辺の長さＬは、照射室１１２に導入するマイクロ波の波長の７５％以下に設計するのが適している。なお、照射室１１２において各側面のなす長方形の長辺の長さＨ（正四角柱の高さ）は、電界が中心軸Ｃの方向に生じることから、適宜、必要な長さを設計すればよい。

　導波管１２０から空胴共振器１１０へマイクロ波を結合するアイリス１１１は、照射室１１２に励起される電磁界を、予定したシングルモード（ＴＭ１１０、あるいは後述のＴＭ０１０）のみとすることに関与する。図１３Ｂに示すアイリス１１１においては、その長辺（側縁）においてマイクロ波による電流が中心軸Ｃの方向に流れ、当該電流に起因して、中心軸Ｃを囲繞する磁界と中心軸Ｃに平行な電界が発生する。アイリス１１１の幅（中心軸Ｃと直交する方向）は、シミュレーション及び実験により最適値を求めることができる。空胴共振器１１０はＴＥモードを発生する可能性があるが、ＴＥモードが発生すると想定外の現象が起き得るので、ＴＥモードは極力抑制する必要がある。図１３の導波管１２０及びアイリス１１１の関係においては、中心軸Ｃに関し構造的対称性が保たれる限り、図中の横方向の電界が存在しないので、ＴＥモードを抑制することが可能である。

　図１４に、空胴共振器の第４実施形態を示す。
　第４実施形態の空胴共振器１１０’は、円柱状空胴の照射室１１２’を有し、照射室１１２’の直径がＬとされる。

　円柱状空胴の照射室１１２’は、正四角柱状の胴部材を円形にくりぬき（削り出し）、その両端に正方形の底面壁１１３’，１１４’をボルト止め等することで形成される。そして、照射室１１２’の側面（つまり胴部材内周面）を形成する側面壁の１箇所、この例の場合、胴部材の外側面１１５’，１１６’，１１７’，１１８’のうちの外側面１１５’に、第３実施形態の空胴共振器１１０の場合と同様のアイリス１１１’が開口する。すなわち、このアイリス１１１’も、照射室１１２’の両底面の中心を互いに結んだ中心軸Ｃ’と平行に長軸が伸延する矩形開口である。また、アイリス１１１’を介してマイクロ波を結合する導波管１２０のフランジ１２２を固定するために、外側面１１５’に対して鍔部１１５ａ’が拡張形成されている。

　導波管１２０からアイリス１１１’を通して照射室１１２’に導入されたマイクロ波は、共振時、中心軸Ｃ’の方向に沿ったシングルモードの電界を発生する。照射室１１２’が円柱状空胴なので、第４実施形態の場合、空胴共振器１１０’内に何も入っていなければＴＭ０１０モードの電磁界が励起される。共振するマイクロ波の周波数を２，４５０ＭＨｚとする場合、照射室１１２’内に何も無いときの直径Ｌは９３．７ｍｍである。なお、第３実施形態の空胴共振器１１０同様、Ｌについての±数％程度の寸法差は許容され得る。

　第３実施形態の空胴共振器１１０と同様に、照射室１１２’には誘電体となる被処理液が存在することになるので、その影響を受けて照射室１１２’の共振周波数は下がる。そこで、照射室１１２’のＬも、空のときの寸法より小さく設計する。また、上述したように、Ｌを長めにとった場合は高次モードで共振するモード競合のような不具合を生じ得るので、これらの条件を勘案して、照射室１１２’において底面のなす円形の直径Ｌは、照射室１１２’に導入するマイクロ波の波長の８０％以下に設計するのが適している。なお、照射室１１２’の側面の軸方向長さＨ（円柱の高さ）は、電界が中心軸Ｃ’の方向に生じることから、適宜、必要な長さを設計すればよい。

　第３実施形態の空胴共振器１１０と第４実施形態の空胴共振器１１０’を比べると、第３実施形態の方が、６枚の板材を互いに組み付けるだけで制作でき、導波管１２０の取り付けもより容易なため、作りやすいという利点をもつ。

　上記第３及び第４実施形態に係る空胴共振器１１０，１１０’の照射室１１２，１１２’に設置される流通管の第３実施形態について、図１５及び図１６に示し、説明する。

　第３実施形態の流通管１６０は、マイクロ波吸収の比較的少ない（もしくは吸収の無い）材質、一例として石英ガラス製で、照射室１１２，１１２’を貫通する長さの直管とされる。この流通管１６０は、その軸線Ｃ１を照射室１１２，１１２’の電界方向である中心軸Ｃ，Ｃ’に沿わせて、特に本実施形態の場合は軸線Ｃ１を中心軸Ｃ，Ｃ’とほぼ一致させて（数ｍｍの誤差は許容される）、照射室１１２，１１２’に設置される。上述のように、照射室１１２，１１２’の中心軸Ｃ，Ｃ’は電界方向に一致し且つ電界が最も強い所であるから、当該中心軸Ｃ，Ｃ’に軸線Ｃ１をほぼ一致させて流通管１６０を設置することで、最も効率良く被処理液を処理することができる。このように中心軸Ｃ，Ｃ’に軸線Ｃ１をほぼ一致させて流通管１６０を設置する仕組みについて、図１５の断面図に示している。

　空胴共振器１１０，１１０’を構成する底面壁１１３，１１４（１１３’，１１４’）の中央部位には、照射室１１２，１１２’内に発生するマイクロ波を外へ逃がすことなく流通管１６０を保持するために、５０ｍｍ程度の高さの円筒部材１１９が外へ向けて立設されている。円筒部材１１９は、直径が２０ｍｍ程度（流通管１６０のサイズに応じて適宜設計）で裾部分にフランジ１１９ａが周設されており、底面壁１１３，１１４（１１３’，１１４’）の外側面に設けられた相応形状の凹部にフランジ１１９ａが受容され、六角穴付ボルト等により締め付けることで固定される。固定された円筒部材１１９の内部空間は、底面壁１１３，１１４（１１３’，１１４’）の凹部中央に設けられた貫通孔１１３ａ，１１４ａ（１１３’ａ，１１４’ａ）と連通する。また、固定された円筒部材１１９の中心軸は、照射室１１２，１１２’の中心軸Ｃ，Ｃ’とほぼ一致する。

　流通管１６０の一端側所定部位には、金属製、あるいは天然樹脂や合成樹脂製の円板形とした蓋部材１６１を装着してある。当該蓋部材１６１は、本実施形態の場合、底面壁１１３，１１３’の側の円筒部材１１９と嵌合する。すなわち、蓋部材１６１の内側面に、円筒部材１１９の内径に相応する直径の膨出部１６１ａが形成されており、該膨出部１６１ａが円筒部材１１９に嵌合することで、蓋部材１６１が固定され、該蓋部材１６１を装着した流通管１６０が円筒部材１１９に保持される。なお、蓋部材１６１は、円筒部材１１９にねじ込む方式とすることも可能である。

　一端側に蓋部材１６１を装着した流通管１６０は、他端側を先（図中下向き）にして、図中で上に位置する底面壁１１３，１１３’の円筒部材１１９を通し照射室１１２，１１２’内に挿入する。挿入された流通管１６０の他端側は、照射室１１２，１１２’を通り過ぎて、反対側に位置する底面壁１１４，１１４’の円筒部材１１９内へ進入する。該円筒部材１１９の先端側部位内には、流通管１６０の他端側を貫通させて位置決めするための位置保持部材１６２がねじ込み等で固定されている。位置保持部材１６２は円板形で中央に流通管１６０の外径に相応する直径の貫通孔が開けられており、該貫通孔に流通管１６０の他端側を刺し通すことで、中心軸Ｃ，Ｃ’と軸線Ｃ１とがほぼ一致するように位置決めされたうえで、流通管１６０の他端側が外へ突出する。これにより、一端側が蓋部材１６１により保持されて円筒部材１１９を通り照射室１１２，１１２’内に垂下し、他端側が反対側の円筒部材１１９を通り位置保持部材１６２から外へ突出するようにして、流通管１６０が照射室１１２，１１２’に設置される。空胴共振器１１０，１１０’の外方へ煙突状に突出する円筒部材１１９を利用して流通管１６０を設置することにより、照射室１１２，１１２’から外へのマイクロ波漏洩が防止される。

　このように、蓋部材１６１を装着した流通管１６０を円筒部材１１９を通して挿入する方式とすることにより、径の異なる流通管１６０を交換して設置することが可能となる。すなわち、単位時間あたりの処理量等に応じ適切な直径の流通管１６０を選択して交換し、マイクロ波処理を実施可能である。

　照射室１１２，１１２’に設置される流通管１６０の中には、図１６に示すように、障害手段１６３が収容される。障害手段１６３は、例えば流通管１６０の両端（又は下端のみ）に脱脂綿や不織布等のフィルタ材１６４を詰め込んで蓋をすることにより、流通管１６０の中に保持される。この図１６に示す障害手段１６３は、流通管１６０内に収容された同一材料の多数の粒体（球体として説明するが、球体以外もあり得る）１６３であり、当該障害手段１６３が在ることにより、流通管１６０内を流れる被処理液の流れが乱される。すなわち、障害手段１６３は、単に流通管１６０内の被処理液容積を減少させているのではなく、以下の重要な機能をもつ。

　流通管１６０内に何も無ければ、該流通管１６０を通って流れる被処理液は層流となるが、障害手段１６３が存在することにより、被処理液に乱流が生じる。障害手段１６３で乱流とすることにより、被処理液の攪拌作用が生じ、被処理液の化学反応が促進される結果を得ることができる。

　また、障害手段１６３は、被処理液とは異なる誘電率の材料から形成される。本実施形態の障害手段１６３は、被処理液に比べ低誘電率でマイクロ波吸収の少ない（又は吸収の無い）材料、例えば、アルミナ（酸化アルミニウム）、フッ素樹脂、石英やホウケイ酸ガラスから形成されている。上記の乱流に加えて、被処理液と障害手段１６３の誘電率が異なることから、被処理液の流れる流通管１６０内において電界分布が一様ではなくなると共に、電界の強さが平均的に減少する。

　詳述すると、第一に、被処理液の反応を加速するためには、次の２つの事項を考慮する必要がある。
（１）適切な活性化エネルギーを被処理液へ迅速に与えることを考える必要がある。ただし、部分的に与えすぎると副生成物発生要因になる。したがって、照射室内の被処理液に対して活性化エネルギーを短時間で均一に与える必要がある。
（２）被処理液内で反応する物質相互の接触機会を増やすことを考える必要がある。すなわち、均一加熱が実現されても、流通管内を被処理液が層流で流れるのであれば、反応の十分な加速には至らない。したがって、流通管内で被処理液の乱流を意図的に発生させる工夫が必要である。

　第二に、活性化エネルギーを均一且つ迅速に与えるためには、照射室内の電界の強い部分に被処理液を配置することを考慮する必要がある。例えば、照射室の中心軸Ｃ，Ｃ’に沿って流通管を配置する等である。しかし、この場合、水等のマイクロ波吸収の大きい被処理液ではＱの低下が進んでしまい、共振周波数が大幅に低下して、所定の帯域、例えばＩＳＭ帯域から外れるというリスクが生じる。

　これら、乱流の意図的生成、Ｑの低下抑制、ＩＳＭ帯域の維持という３つの観点に対し、障害手段１６３が適切に機能する。なお、障害手段１６３には化学反応のための触媒（固体触媒）を担持させることもでき、また、障害手段１６３をサセプタとして利用することもできる。

　上記機能に関して図１７に、障害手段１６３を収容した石英製の流通管１６０に、被処理液として水を流したときの電界シミュレーションの一例を示す。図１７Ａは、障害手段１６３をアルミナ粒体として、水に対する比誘電率を低くした場合の結果を示し、図１７Ｂは、障害手段１６３の比誘電率が水に等しい場合の結果を示す。水の比誘電率は８０とし、アルミナ粒体の比誘電率は１０として計算した。被処理液としての水は、比誘電率が大きいため、共振周波数を低下させる現象が顕著であり、マイクロ波吸収が大きく、Ｑを大幅に下げる特徴を有する。このため、従来技術では、流通管の内径を１ｍｍ以下に制限する必要があった。

　図１７Ａに示されるように、上記の機能を発揮する障害手段１６３が存在することによって、流通管１６０内で電界分布が乱れて一様ではなくなり、特に、水中の電界の強さが平均的に弱くなる。そして、電界の二乗に比例するマイクロ波吸収が減少し、Ｑの低下が抑えられる。一方の図１７Ｂの場合は電界分布に変化がなく強いままであるため、共振周波数とＱの低下をもたらすことが分かる。すなわち、被処理液と異なる誘電率の障害手段１６３を流通管１６０に収容して流れを乱すことにより、共振周波数の低下及びＱの低下が抑制され、ＩＳＭ帯域内において共振をとることが容易となり、装置の設計上極めて有利である。

　図１８Ａは、外径３ｍｍと４ｍｍ（内径１．６ｍｍと２．４ｍｍ）のガラス製流通管１６０を用意して、この中に直径０．５ｍｍと１ｍｍのアルミナ粒体障害手段１６３を収容し、ＴＭ１１０の図１３に示す空胴共振器１１０に入れて実験を行った結果の図である。縦軸は照射室１１２内のマイクロ波周波数であり、横軸には条件１～７をふってある。条件１は照射室１１２に何も入っていない条件、条件２は空の流通管１６０を照射室１１２にセットした条件、条件３は１ｍｍ径の障害手段１６３を収容した流通管１６０を照射室１２にセットし且つ被処理液（水）を流さない条件、条件４は０．５ｍｍ径の障害手段１６３を収容した流通管１６０を照射室１１２にセットし且つ被処理液（水）を流さない条件、条件５は１ｍｍ径の障害手段１６３を収容した流通管１６０を照射室１１２にセットし且つ被処理液（水）を流した条件、条件６は０．５ｍｍ径の障害手段１６３を収容した流通管１６０を照射室１１２にセットし且つ被処理液（水）を流した条件、条件７は障害手段１６３を収容していない空の流通管１６０を照射室１１２にセットし且つ被処理液（水）を流した条件である。条件７では、ＩＳＭ帯域を大きく外れるほどに周波数が低下しているが、これに比べて条件５及び条件６では、ＩＳＭ帯域内で制御可能な程度に周波数の低下が軽減されることが分かる。すなわち、何も無いときの条件１での周波数に対し、条件５，６の周波数低下範囲が１００ＭＨｚ内に収まり、容易に制御可能であることが読み取れる。

　障害手段の無い流通管におけるＱの計算例を図１８Ｂに示す。一般にはＱの値が１００以下になると共振を探すのが困難となるが、例えば水の場合、流通管内径が１ｍｍを超えるとＱが落ち込み、同調制御が困難になることが分かる。このＱの低下が、障害手段１６３を収容することで抑制され、流通管１６０を太くすることが可能となる。

　以上のように、被処理液に吸収されるマイクロ波が抑制される結果、流通管１６０の径を従来より太く、例えば３ｍｍや４ｍｍ（内径１．５ｍｍ以上）として、被処理液の流量を多くしても、Ｑの低下が抑えられて同調をとりやすくなる。すなわち、被処理液の流量を増やして処理効率を向上させることができる。

　図１９に、流通管の第４実施形態を示す。この実施形態の流通管１７０は、一例として石英ガラス製で、内側流路１７１と該内側流路１７１を囲繞する外側流路１７２とを有する二重管構造である。その内側流路１７１の周囲を取り囲む外側流路１７２に、第３実施形態の流通管１６０同様で径の小さい多数の粒体の障害手段１７３を収容してある。内側流路１７１の内径は１．５ｍｍ以下として流量を抑え、中を流れる液体によるマイクロ波の吸収を抑制する。外側流路１７２は、上述の作用をもつ障害手段１７３を収容してあるので、径を太くして被処理液の流量を多くすることができる。外側流路１７２の両端には、脱脂綿や不織布等のフィルタ体１７４を詰めて蓋をする。この第４実施形態によれば、内側流路１７１に被処理液とは別の、例えばフロリナート等の冷却液を流すことも可能である。

　図２０は、流通管の第５実施形態を示す。この実施形態の流通管１８０は、一例として石英ガラス製で、例えば内径３ｍｍ以上の直管である。この流通管１８０の中に、第３実施形態の流通管１６０と同様の材料からなり、螺旋に巻いた線状の障害手段１８１が収容されている。流通管１８０の両端は、脱脂綿や不織布等のフィルタ体１８２を詰め込んで、障害手段１８１が抜け落ちないように蓋をしてある。このような螺旋状の障害手段１８１であっても、流通管１８０内を流れる被処理液に乱流を起こすことができ、第３実施形態の流通管１６０と同様の機能を発揮可能である。障害手段１８１は、螺旋に巻く他にも、網状に組むなど層流を阻害するその他の形状を採用可能である。

　以上の他、流通管は三重管構造とすることも可能であり、この場合、最も内側の流路を上記流路１７１とし、最も外側の流路を上記流路１７２として使用することができる。そして、これらの間の中間流路に、図２０の第５実施形態のような螺旋状の障害手段を収容する例が可能である。この例において、螺旋状障害手段が十分に太ければ、中間流路内において被処理液を螺旋状態に流すことができる。

　図２１には、流通管の第６実施形態を示す。この実施形態は、第３実施形態の流通管１６０において両端に熱収縮チューブ１６５を装着したもので、これら熱収縮チューブ１６５の先端に後述のジョイントが取り付けられる。図２１Ｂに示すように、第６実施形態の場合、両端に熱収縮チューブ１６５が装着されるので、蓋部材１６１及び位置保持部材１６２の両方を予め流通管１６０に通しておいて、両端に装着する熱収縮チューブ１６５にて抜け落ちないように保持してある。この流通管１６０は、位置保持部材１６２の方を下にして上側円筒部材１１９を通し照射室１１２，１１２’へ挿入される。そして、照射室１１２，１１２’内に垂下した流通管１６０の先端側にある熱収縮チューブ１６５及び位置保持部材１６２を下側円筒部材１１９内へ挿入し、熱収縮チューブ１６５を円筒部材１１９から外へ突出させるようにしてセットされる。位置保持部材１６２は円筒部材１１９の中に留まり、第３実施形態の流通管１６０の場合同様、流通管１６０の先端側位置をキープする。つまり、流通管１６０をセットした後の状態は、第３実施形態同様である。

　図２２には、流通管の形状を変えた第７実施形態を示す。この実施形態の流通管１９０は、材質は上記実施形態と同じく石英やホウケイ酸ガラス等であるが、蓋部材１６１及び位置保持部材１６２を通す両端の直管部分以外の中間部分が、螺旋管として形成されている。ただし、上記実施形態の流通管同様に螺旋式の流通管１９０も、蓋部材１６１、位置保持部材１６２、円筒部材１１９を使用して、その螺旋中心の軸線Ｃ１が中心軸Ｃ，Ｃ’とほぼ一致するように設置される。

　流通管１９０において、両端の直管部分と螺旋管部分との境界部位（両端における螺旋管部分始まり部位）は、流通管１９０を照射室１１２，１１２’に設置したときに、当該境界部位が円筒部材１１９の中に位置するように形成される。つまり、螺旋管部分の形成長さは照射室１１２，１１２’（長さＨ）よりも長く、円筒部材１１９の中まで螺旋管部分が達する長さに形成される。この螺旋式流通管１９０の中に、上記各実施形態の流通管同様の障害手段が収容される。

　第７実施形態の場合、流通管１９０の螺旋の巻き数（ピッチ）を多くすると管長が長くなって処理時間が増え、反対に螺旋の巻き数を少なくすると管長が短くなって処理時間が減る。したがって、被処理液に応じて適切な巻き数、太さの流通管１９０を選択して交換し、マイクロ波処理を行うことができる。なお、螺旋式流通管の場合、被処理液が流れる方向に関し、照射室内電界方向を横切る方向の流れが加わるので、障害手段を収容しない場合もあり得る（上記第１及び第２実施形態の流通管参照）。

　第７実施形態に係る流通管１９０の螺旋巻き径ｄ１については、第１及び第２実施形態の流通管同様、次の設定とする。
　第３実施形態に係る空胴共振器１１０の場合、照射室１１２の横断面がほぼ正方形なので、電界は、中心軸Ｃを中心に回る円周方向において場所により変化する。つまり、流通管１９０の流れの方向に沿って電界は変化する。この様子のシミュレーションは図８に示した通りである。図８に関連して上述したように、照射室１１２のＬに対してｄ１が大きくなるほど、すなわち、中心軸Ｃから流通管１９０の内径中心までの距離（ｄ１／２）が長くなるほど、流通管１９０に沿った電界の変化は大きくなる。したがって、処理の均一性を考えると、ｄ１は、その変化の影響を受けない程度の大きさまでに抑えた方がよい。シミュレーション結果から考えると、ｄ１／Ｌ≦０．５であれば電界はほぼ一定とみなすことができるので、ｄ１は、照射室１１２の底面のなすほぼ正方形の１辺Ｌの５０％以下に設定、すなわち、中心軸Ｃから流通管１９０の内径中心までの距離であるｄ１／２は、２５％以下に設定するのが好ましい。

　上記第３～第７実施形態の流通管１６０，１７０，１８０，１９０に被処理液を流す流動機構の第２例を図２３に示している。なお、図示の例に限らず、送液ポンプを用いて送液系を構成した流動機構なども可能である。
　第３実施形態に係る空胴共振器１１０が設置されており、その照射室１１２の中に、上記実施形態のいずれかに係る流通管１６０，１７０，１８０，１９０が円筒部材１１９を使用して上記の通り収められている。円筒部材１１９から引き出されている流通管１６０，１７０，１８０，１９０の両端には、第６実施形態（図２１）に示した熱収縮チューブ１６５が装着されている。両端の熱収縮チューブ１６５のうち、下側から出ている方が処理前の被処理液を貯留した容器１００の送液チューブ１０１へ、また、上側から出ている方が処理後の被処理液を貯留する容器１０２の送液チューブ１０３へ、それぞれジョイント１０４を介して接続される。

　処理前の容器１００は、注出口に流量制御コック１０５を備え、また、上下位置を調整可能になっている。処理後の容器１０２は、下端部位から被処理液が流入し、上端部位の注出口に達すると、ビーカー等へ処理後の被処理液が排出される。この流動機構は、照射室１１２内の流通管１６０，１７０，１８０，１９０において下から上へ被処理液を流す仕組みで、容器１００の高さ及び流量制御コック１０５を調整することにより、被処理液の流れを制御する。処理前の容器１００中の液面高さまで、処理後の被処理液を容器１０２内に溜めることができる。

　処理後の容器１０２とつながる送液チューブ１０３は、Ｔ字管継手１０６を経由してジョイント１０４と接続されている。Ｔ字管継手１０６は、ジョイント１０４へ連結される１つの流入口と２つの流出口とを備え、２つの流出口の一方が送液チューブ１０３に連結される。Ｔ字管継手１０６の他方の流出口は、熱電対等による温度計測器１０７が固定されて塞がれている。温度計測器１０７は、マイクロ波処理後の被処理液温度を計測し、図１２の制御器１４０へ提供する。

１０，１０’　空胴共振器
１１，１１’　アイリス
１２，１２’　照射室
２０　導波管
６０　流通路
６１，６１’　支持棒
Ｃ，Ｃ’　中心軸
１１０，１１０’　空胴共振器
１１２，１１２’　照射室
１１９　円筒部材
１１９ａ　フランジ
１６０，１７０，１８０，１９０　流通管
１６１　蓋部材
１６１ａ　膨出部
１６２　位置保持部材
１６３，１７３，１８１　障害手段
１６４，１７４，１８２　フィルタ体
１７１　内側流路
１７２　外側流路
Ｃ１　軸線

Claims (13)

1. 　四角柱状空胴又は円柱状空胴とした照射室を有するシングルモードの空胴共振器と、
   　前記照射室内に生じる電界方向に対し軸線を沿わせて前記照射室に設置される流通管と、
   　前記流通管を通して流す被処理液とは異なる誘電率を有し、前記流通管内に収容されて前記被処理液の流れを乱す障害手段と、
   　を含んで構成されるマイクロ波装置。
2. 　前記空胴共振器の前記照射室は、底面がほぼ正方形且つ側面が長方形の正四角柱状空胴であり、
   　この照射室を有する前記空胴共振器は、前記照射室側面を形成する側面壁の１つに設けられ、前記照射室の両底面の中心を互いに結んだ中心軸と平行に長軸が伸延する矩形開口のアイリスを有し、このアイリスから前記照射室内にマイクロ波が導入されるように構成される、
   　請求項１記載のマイクロ波装置。
3. 　前記照射室底面のなすほぼ正方形の１辺が、当該照射室に導入するマイクロ波の波長の７５％以下に設計される、請求項２記載のマイクロ波装置。
4. 　前記空胴共振器の前記照射室は、円柱状空胴であり、
   　この照射室を有する前記空胴共振器は、前記照射室の側面を形成する側面壁に１箇所設けられ、前記照射室の両底面の中心を互いに結んだ中心軸と平行に長軸が伸延する矩形開口のアイリスを有し、このアイリスから前記照射室内にマイクロ波が導入されるように構成される、
   　請求項１記載のマイクロ波装置。
5. 　前記流通管が交換可能である、請求項１記載のマイクロ波装置。
6. 　四角柱状空胴又は円柱状空胴とした照射室を有するシングルモードの空胴共振器と、
   　前記照射室の両底面の中心を互いに結んだ中心軸を取り巻いて伸延する螺旋状として前記照射室に設置される流通管と、
   　を含んで構成されるマイクロ波装置。
7. 　前記空胴共振器の前記照射室は、底面がほぼ正方形且つ側面が長方形の正四角柱状空胴であり、
   　この照射室を有する前記空胴共振器は、前記照射室側面を形成する側面壁の１つに設けられ、前記照射室の両底面の中心を互いに結んだ中心軸と平行に長軸が伸延する矩形開口のアイリスを有し、このアイリスから前記照射室内にマイクロ波が導入されるように構成される、
   　請求項６記載のマイクロ波装置。
8. 　前記照射室底面のなすほぼ正方形の１辺が、当該照射室に導入するマイクロ波の波長の７５％以下に設計される、請求項７記載のマイクロ波装置。
9. 　前記中心軸から前記流通管の中心までの距離が、前記照射室底面のなすほぼ正方形の１辺の２５％以下に設定される、請求項７記載のマイクロ波装置。
10. 　前記空胴共振器の前記照射室は、円柱状空胴であり、
    　この照射室を有する前記空胴共振器は、前記照射室の側面を形成する側面壁に１箇所設けられ、前記照射室の両底面の中心を互いに結んだ中心軸と平行に長軸が伸延する矩形開口のアイリスを有し、このアイリスから前記照射室内にマイクロ波が導入されるように構成される、
    　請求項６記載のマイクロ波装置。
11. 　前記流通管が交換可能である、請求項６記載のマイクロ波装置。
12. 　四角柱状空胴又は円柱状空胴とした照射室を有するシングルモードの空胴共振器を含んで構成されるマイクロ波装置で使用可能な流通管であって、
    　当該流通管を通して流す被処理液とは異なる誘電率を有すると共に前記被処理液の流れを乱す障害手段を収容してあり、
    　前記照射室内に生じる電界方向に対し軸線を沿わせて前記照射室に設置される流通管。
13. 　四角柱状空胴又は円柱状空胴とした照射室を有するシングルモードの空胴共振器を含んで構成されるマイクロ波装置で使用可能な流通管であって、
    　前記照射室に設置されたときに、前記照射室の両底面の中心を互いに結んだ中心軸を取り巻いて伸延する螺旋状に形成される、流通管。

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