マイクロ波装置とその流通管
【課題】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。
【解決手段】被処理液とは異なる誘電率を有すると共に被処理液の流れを乱す障害手段６３を収容してあり、照射室内に生じる電界方向に対し軸線を沿わせて、空胴共振器の照射室に設置される流通管６０を提案する。この流通管をマイクロ波装置の照射室に設置すると、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、被処理液に吸収されるマイクロ波が抑制され、Ｑの低下が抑えられて同調が外れにくくなるので、被処理液の流量を増やすことができる。
【解決手段】被処理液とは異なる誘電率を有すると共に被処理液の流れを乱す障害手段６３を収容してあり、照射室内に生じる電界方向に対し軸線を沿わせて、空胴共振器の照射室に設置される流通管６０を提案する。この流通管をマイクロ波装置の照射室に設置すると、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、被処理液に吸収されるマイクロ波が抑制され、Ｑの低下が抑えられて同調が外れにくくなるので、被処理液の流量を増やすことができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２７２０５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
こ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手法を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
当課題に対して提案するのは、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マイクロ波装置である。
【０００９】
すなわち、四角柱状空胴又は円柱状空胴とした照射室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、が提案される。
【発明の効果】
【００１０】
上記提案に係る流通管は、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。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】マイクロ波装置の全体構成例を示すブロック図。
【図２】空胴共振器の第１の例を示し、（Ａ）は図１と同じ側面から見た正面図、（Ｂ）は左側面図、（Ｃ）は平面図。
【図３】空胴共振器の第２の例を示し、（Ａ）は図１と同じ側面から見た正面図、（Ｂ）は左側面図、（Ｃ）は平面図。
【図４】流通管の第１実施形態を示す空胴共振器の断面図。
【図５】第１実施形態に係る流通管を説明する拡大図。
【図６】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。
【図７】第１実施形態に係る流通管の実験結果を示す図。
【図８】流通管の第２実施形態を示す図５相当の図。
【図９】流通管の第３実施形態を示す図５相当の図。
【図１０】流通管の第４実施形態を示す空胴共振器の断面図。
【図１１】流通管の第５実施形態を示す空胴共振器の断面図。
【図１２】図１１に示した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。
【図１３】流通管に被処理液を流す流動機構の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
まず、図１に、マイクロ波装置の全体構成に関して一例を示す。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。
【００１３】
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や図３に示すアイリス１１，１１’を通して、空胴共振器１０内に形成された共振空胴の照射室１２，１２’へ導入される。
【００１４】
照射室１２，１２’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）により電界又は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。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４０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。
【００１５】
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１２，１２’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１２，１２’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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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の例が図２に示されている。
【００２０】
第１の例に係る空胴共振器１０は、図中では上下に示す２枚の対向する底面壁１３，１４が正方形で、当該正方形の底面壁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。この例の場合、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。
【００２１】
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四角柱状（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の例のアイリス１１は長方形で、その長軸が、照射室底面の中心どうし、すなわちこの例では底面壁１３，１４の中心どうしを結んだ中心軸Ｃと平行に伸延する。
【００２２】
導波管２０から結合スリットであるアイリス１１を通して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。
【００２３】
照射室１２に関し、その底面のなす正方形の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ことになるので、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。
【００２４】
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。
【００２５】
図３に、空胴共振器１０の第２の例を示す。
第２の例の空胴共振器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。
【００２６】
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’をボルト止め等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、この例の場合、胴部材の外側面１５’，１６’，１７’，１８’のうちの外側面１５’に、第１の例同様のアイリス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。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。
【００２７】
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の例の場合、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実施形態同様、Ｌについての±数％程度の寸法差は許容され得る。
【００２８】
第１の例と同様に、照射室１２’には誘電体となる被処理液が存在することになるので、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。
【００２９】
第１の例と第２の例の空胴共振器１０を比べると、第１の例の方が、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。
【００３０】
上記第１及び第２の例に係る空胴共振器１０の照射室１２，１２’に設置される流通管の第１実施形態について、図４及び図５に示し、説明する。
【００３１】
第１実施形態の流通管６０は、一例として石英ガラス製で、照射室１２，１２’を貫通する長さの直管とされる。この流通管６０は、その軸線Ｃ’を照射室１２，１２’の電界方向である中心軸Ｃに沿わせて、特に本実施形態の場合は軸線Ｃ’を中心軸Ｃとほぼ一致させて（数ｍｍの誤差は許容される）、照射室１２，１２’に設置される。上述のように、照射室１２，１２’の中心軸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に軸線Ｃ’をほぼ一致させて流通管６０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に軸線Ｃ’をほぼ一致させて流通管６０を設置する仕組みについて、図４の断面図に示している。
【００３２】
空胴共振器１０を構成する底面壁１３，１４（１３’，１４’）の中央部位には、照射室１２，１２’内に発生するマイクロ波を外へ逃がすことなく流通管６０を保持するために、５０ｍｍ程度の高さの円筒部材１９が外へ向けて立設されている。円筒部材１９は、直径が２０ｍｍ程度（流通管６０のサイズに応じて適宜設計）で裾部分にフランジ１９ａが周設されており、底面壁１３，１４（１３’，１４’）の外側面に設けられた相応形状の凹部にフランジ１９ａ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１９の内部空間は、底面壁１３，１４（１３’，１４’）の凹部中央に設けられた貫通孔１３ａ，１４ａ（１３’ａ，１４’ａ）と連通する。また、固定された円筒部材１９の中心軸は、照射室１２，１２’の中心軸Ｃとほぼ一致する。
【００３３】
流通管６０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６１を装着してある。当該蓋部材６１は、本実施形態の場合、底面壁１３，１３’の側の円筒部材１９と嵌合する。すなわち、蓋部材６１の内側面に、円筒部材１９の内径に相応する直径の膨出部６１ａが形成されており、該膨出部６１ａが円筒部材１９に嵌合することで、蓋部材６１が固定され、該蓋部材６１を装着した流通管６０が円筒部材１９に保持される。なお、蓋部材６１は、円筒部材１９にねじ込む方式とすることも可能である。
【００３４】
一端側に蓋部材６１を装着した流通管６０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１３，１３’の円筒部材１９を通し照射室１２，１２’内に挿入する。挿入された流通管６０の他端側は、照射室１２，１２’を通り過ぎて、反対側に位置する底面壁１４，１４’の円筒部材１９内へ進入する。該円筒部材１９の先端側部位内には、流通管６０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６２がねじ込み等で固定されている。位置保持部材６２は円板形で中央に流通管６０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６０の他端側を刺し通すことで、中心軸Ｃと軸線Ｃ’とがほぼ一致するように位置決めされたうえで、流通管６０の他端側が外へ突出する。これにより、一端側が蓋部材６１により保持されて円筒部材１９を通り照射室１２，１２’内に垂下し、他端側が反対側の円筒部材１９を通り位置保持部材６２から外へ突出するようにして、流通管６０が照射室１２，１２’に設置される。空胴共振器１０の外方へ煙突状に突出する円筒部材１９を利用して流通管６０を設置することにより、照射室１２，１２’から外へのマイクロ波漏洩が防止される。
【００３５】
このように、蓋部材６１を装着した流通管６０を円筒部材１９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６０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６０を選択して交換し、マイクロ波処理を実施可能である。
【００３６】
照射室１２，１２’に設置される流通管６０の中には、図５に示すように、障害手段６３が収容される。障害手段６０は、例えば流通管６０の両端（又は下端のみ）に脱脂綿や不織布等のフィルタ材６４を詰め込んで蓋をすることにより、流通管６０の中に保持される。この図５に示す障害手段６３は、流通管６０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）６３であり、当該障害手段６３が在ることにより、流通管６０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６３は、単に流通管６０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。
【００３７】
流通管６０内に何も無ければ、該流通管６０を通って流れる被処理液は層流となるが、障害手段６３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６３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。
【００３８】
また、障害手段６３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６３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６３の誘電率が異なることから、被処理液の流れる流通管６０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。
【００３９】
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。
【００４０】
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ＩＳＭ帯域から外れるというリスクが生じる。
【００４１】
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６３が適切に機能する。なお、障害手段６３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６３をサセプタとして利用することもできる。
【００４２】
上記機能に関して図６に、障害手段６３を収容した石英製の流通管６０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６（Ａ）は、障害手段６３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６（Ｂ）は、障害手段６３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。
【００４３】
図６（Ａ）に示されるように、上記の機能を発揮する障害手段６３が存在することによって、流通管６０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６（Ｂ）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６３を流通管６０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。
【００４４】
図７（Ａ）は、外径３ｍｍと４ｍｍ（内径１．６ｍｍと２．４ｍｍ）のガラス製流通管６０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６３を収容し、ＴＭ１１０の図２に示す空胴共振器１０に入れて実験を行った結果の図である。縦軸は照射室１２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１２に何も入っていない条件、条件２は空の流通管６０を照射室１２にセットした条件、条件３は１ｍｍ径の障害手段６３を収容した流通管６０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６３を収容した流通管６０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５は１ｍｍ径の障害手段６３を収容した流通管６０を照射室１２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６３を収容した流通管６０を照射室１２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６３を収容していない空の流通管６０を照射室１２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。
【００４５】
障害手段の無い流通管におけるＱの計算例を図７（Ｂ）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１．５ｍｍ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６３を収容することで抑制され、流通管６０を太くすることが可能となる。
【００４６】
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６０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。
【００４７】
図８に、流通管の第２実施形態を示す。この実施形態の流通管７０は、一例として石英ガラス製で、内側流路７１と該内側流路７１を囲繞する外側流路７２とを有する二重管構造である。その内側流路７１の周囲を取り囲む外側流路７２に、第１実施形態同様で径の小さい多数の粒体の障害手段７３を収容してある。内側流路７１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７２は、上述の作用をもつ障害手段７３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７２の両端には、脱脂綿や不織布等のフィルタ体７４を詰めて蓋をする。この第２実施形態によれば、内側流路７１に被処理液とは別の、例えば水等の冷却液を流すことも可能である。
【００４８】
図９は、流通管の第３実施形態を示す。この実施形態の流通管８０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８０の中に、第１実施形態と同様の材料からなり、螺旋に巻いた線状の障害手段８１が収容されている。流通管８０の両端は、脱脂綿や不織布等のフィルタ体８２を詰め込んで、障害手段８１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８１であっても、流通管８０内を流れる被処理液に乱流を起こすことができ、第１実施形態と同様の機能を発揮可能である。障害手段８１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。
【００４９】
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７１とし、最も外側の流路を上記流路７２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９の第３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。
【００５０】
図１０には、流通管の第４実施形態を示す。この実施形態は、第１実施形態の流通管６０において両端に熱収縮チューブ６５を装着したもので、これら熱収縮チューブ６５の先端に後述のジョイントが取り付けられる。図１０（Ｂ）に示すように、第４実施形態の場合、両端に熱収縮チューブ６５が装着されるので、蓋部材６１及び位置保持部材６２の両方を予め流通管６０に通しておいて、両端に装着する熱収縮チューブ６５にて抜け落ちないように保持してある。この流通管６０は、位置保持部材６２の方を下にして上側円筒部材１９を通し照射室１２，１２’へ挿入される。そして、照射室１２，１２’内に垂下した流通管６０の先端側にある熱収縮チューブ６５及び位置保持部材６２を下側円筒部材１９内へ挿入し、熱収縮チューブ６５を円筒部材１９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６２は円筒部材１９の中に留まり、第１実施形態同様、流通管６０の先端側位置をキープする。つまり、流通管６０をセットした後の状態は、第１実施形態同様である。
【００５１】
図１１には、流通管の形状を変えた第５実施形態を示す。この実施形態の流通管９０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６１及び位置保持部材６２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、上記実施形態同様に螺旋式の流通管９０も、蓋部材６１、挿通部材６２、円筒部材１９を使用して、その螺旋中心の軸線Ｃ’が中心軸Ｃとほぼ一致するように設置される。
【００５２】
流通管９０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９０を照射室１２，１２’に設置したときに、当該境界部位が円筒部材１９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１２，１２’（長さＨ）よりも長く、円筒部材１９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９０の中に、上記各実施形態同様の障害手段が収容される。
【００５３】
第５実施形態の場合、流通管９０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９０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。
【００５４】
第５実施形態に係る流通管９０の螺旋巻き径ｄ１については、次の設定とする。
第１の例に係る空胴共振器１０の場合、照射室１２の横断面が正方形なので、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９０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１２である。図１２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、照射室１２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９０の内径中心までの距離（ｄ１／２）が長くなるほど、流通管９０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９０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。
【００５５】
上記各実施形態の流通管６０，７０，８０，９０に被処理液を流す流動機構の一例を図１３に示している。
第１の例に係る空胴共振器１０が設置されており、その照射室１２の中に、上記実施形態のいずれかに係る流通管６０，７０，８０，９０が円筒部材１９を使用して上記の通り収められている。円筒部材１９から引き出されている流通管６０，７０，８０，９０の両端には、第４実施形態（図１０）に示した熱収縮チューブ６５が装着されている。両端の熱収縮チューブ６５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。
【００５６】
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１２内の流通管６０，７０，８０，９０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。
【００５７】
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１の制御器４０へ提供する。
【符号の説明】
【００５８】
１０ 空胴共振器
１２，１２’ 照射室
１９ 円筒部材
１９ａ フランジ
６０，７０，８０，９０ 流通管
６１ 蓋部材
６１ａ 膨出部
６２ 挿通部材
６３，７３，８１ 障害手段
６４，７４，８２ フィルタ体
７１ 内側流路
７２ 外側流路
Ｃ 中心軸
Ｃ’ 軸線
【技術分野】
【０００１】
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。
【背景技術】
【０００２】
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）。
【０００３】
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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−２７２０５５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
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。
【０００６】
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。
【０００７】
こ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手法を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
当課題に対して提案するのは、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マイクロ波装置である。
【０００９】
すなわち、四角柱状空胴又は円柱状空胴とした照射室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、が提案される。
【発明の効果】
【００１０】
上記提案に係る流通管は、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。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】マイクロ波装置の全体構成例を示すブロック図。
【図２】空胴共振器の第１の例を示し、（Ａ）は図１と同じ側面から見た正面図、（Ｂ）は左側面図、（Ｃ）は平面図。
【図３】空胴共振器の第２の例を示し、（Ａ）は図１と同じ側面から見た正面図、（Ｂ）は左側面図、（Ｃ）は平面図。
【図４】流通管の第１実施形態を示す空胴共振器の断面図。
【図５】第１実施形態に係る流通管を説明する拡大図。
【図６】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。
【図７】第１実施形態に係る流通管の実験結果を示す図。
【図８】流通管の第２実施形態を示す図５相当の図。
【図９】流通管の第３実施形態を示す図５相当の図。
【図１０】流通管の第４実施形態を示す空胴共振器の断面図。
【図１１】流通管の第５実施形態を示す空胴共振器の断面図。
【図１２】図１１に示した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。
【図１３】流通管に被処理液を流す流動機構の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
まず、図１に、マイクロ波装置の全体構成に関して一例を示す。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。
【００１３】
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や図３に示すアイリス１１，１１’を通して、空胴共振器１０内に形成された共振空胴の照射室１２，１２’へ導入される。
【００１４】
照射室１２，１２’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）により電界又は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。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４０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。
【００１５】
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１２，１２’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１２，１２’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。
【００１６】
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。
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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の例が図２に示されている。
【００２０】
第１の例に係る空胴共振器１０は、図中では上下に示す２枚の対向する底面壁１３，１４が正方形で、当該正方形の底面壁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。この例の場合、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。
【００２１】
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四角柱状（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の例のアイリス１１は長方形で、その長軸が、照射室底面の中心どうし、すなわちこの例では底面壁１３，１４の中心どうしを結んだ中心軸Ｃと平行に伸延する。
【００２２】
導波管２０から結合スリットであるアイリス１１を通して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。
【００２３】
照射室１２に関し、その底面のなす正方形の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ことになるので、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。
【００２４】
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。
【００２５】
図３に、空胴共振器１０の第２の例を示す。
第２の例の空胴共振器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。
【００２６】
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’をボルト止め等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、この例の場合、胴部材の外側面１５’，１６’，１７’，１８’のうちの外側面１５’に、第１の例同様のアイリス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。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。
【００２７】
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の例の場合、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実施形態同様、Ｌについての±数％程度の寸法差は許容され得る。
【００２８】
第１の例と同様に、照射室１２’には誘電体となる被処理液が存在することになるので、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。
【００２９】
第１の例と第２の例の空胴共振器１０を比べると、第１の例の方が、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。
【００３０】
上記第１及び第２の例に係る空胴共振器１０の照射室１２，１２’に設置される流通管の第１実施形態について、図４及び図５に示し、説明する。
【００３１】
第１実施形態の流通管６０は、一例として石英ガラス製で、照射室１２，１２’を貫通する長さの直管とされる。この流通管６０は、その軸線Ｃ’を照射室１２，１２’の電界方向である中心軸Ｃに沿わせて、特に本実施形態の場合は軸線Ｃ’を中心軸Ｃとほぼ一致させて（数ｍｍの誤差は許容される）、照射室１２，１２’に設置される。上述のように、照射室１２，１２’の中心軸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に軸線Ｃ’をほぼ一致させて流通管６０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に軸線Ｃ’をほぼ一致させて流通管６０を設置する仕組みについて、図４の断面図に示している。
【００３２】
空胴共振器１０を構成する底面壁１３，１４（１３’，１４’）の中央部位には、照射室１２，１２’内に発生するマイクロ波を外へ逃がすことなく流通管６０を保持するために、５０ｍｍ程度の高さの円筒部材１９が外へ向けて立設されている。円筒部材１９は、直径が２０ｍｍ程度（流通管６０のサイズに応じて適宜設計）で裾部分にフランジ１９ａが周設されており、底面壁１３，１４（１３’，１４’）の外側面に設けられた相応形状の凹部にフランジ１９ａ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１９の内部空間は、底面壁１３，１４（１３’，１４’）の凹部中央に設けられた貫通孔１３ａ，１４ａ（１３’ａ，１４’ａ）と連通する。また、固定された円筒部材１９の中心軸は、照射室１２，１２’の中心軸Ｃとほぼ一致する。
【００３３】
流通管６０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６１を装着してある。当該蓋部材６１は、本実施形態の場合、底面壁１３，１３’の側の円筒部材１９と嵌合する。すなわち、蓋部材６１の内側面に、円筒部材１９の内径に相応する直径の膨出部６１ａが形成されており、該膨出部６１ａが円筒部材１９に嵌合することで、蓋部材６１が固定され、該蓋部材６１を装着した流通管６０が円筒部材１９に保持される。なお、蓋部材６１は、円筒部材１９にねじ込む方式とすることも可能である。
【００３４】
一端側に蓋部材６１を装着した流通管６０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１３，１３’の円筒部材１９を通し照射室１２，１２’内に挿入する。挿入された流通管６０の他端側は、照射室１２，１２’を通り過ぎて、反対側に位置する底面壁１４，１４’の円筒部材１９内へ進入する。該円筒部材１９の先端側部位内には、流通管６０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６２がねじ込み等で固定されている。位置保持部材６２は円板形で中央に流通管６０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６０の他端側を刺し通すことで、中心軸Ｃと軸線Ｃ’とがほぼ一致するように位置決めされたうえで、流通管６０の他端側が外へ突出する。これにより、一端側が蓋部材６１により保持されて円筒部材１９を通り照射室１２，１２’内に垂下し、他端側が反対側の円筒部材１９を通り位置保持部材６２から外へ突出するようにして、流通管６０が照射室１２，１２’に設置される。空胴共振器１０の外方へ煙突状に突出する円筒部材１９を利用して流通管６０を設置することにより、照射室１２，１２’から外へのマイクロ波漏洩が防止される。
【００３５】
このように、蓋部材６１を装着した流通管６０を円筒部材１９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６０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６０を選択して交換し、マイクロ波処理を実施可能である。
【００３６】
照射室１２，１２’に設置される流通管６０の中には、図５に示すように、障害手段６３が収容される。障害手段６０は、例えば流通管６０の両端（又は下端のみ）に脱脂綿や不織布等のフィルタ材６４を詰め込んで蓋をすることにより、流通管６０の中に保持される。この図５に示す障害手段６３は、流通管６０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）６３であり、当該障害手段６３が在ることにより、流通管６０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６３は、単に流通管６０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。
【００３７】
流通管６０内に何も無ければ、該流通管６０を通って流れる被処理液は層流となるが、障害手段６３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６３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。
【００３８】
また、障害手段６３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６３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６３の誘電率が異なることから、被処理液の流れる流通管６０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。
【００３９】
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。
【００４０】
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ＩＳＭ帯域から外れるというリスクが生じる。
【００４１】
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６３が適切に機能する。なお、障害手段６３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６３をサセプタとして利用することもできる。
【００４２】
上記機能に関して図６に、障害手段６３を収容した石英製の流通管６０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６（Ａ）は、障害手段６３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６（Ｂ）は、障害手段６３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。
【００４３】
図６（Ａ）に示されるように、上記の機能を発揮する障害手段６３が存在することによって、流通管６０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６（Ｂ）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６３を流通管６０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。
【００４４】
図７（Ａ）は、外径３ｍｍと４ｍｍ（内径１．６ｍｍと２．４ｍｍ）のガラス製流通管６０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６３を収容し、ＴＭ１１０の図２に示す空胴共振器１０に入れて実験を行った結果の図である。縦軸は照射室１２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１２に何も入っていない条件、条件２は空の流通管６０を照射室１２にセットした条件、条件３は１ｍｍ径の障害手段６３を収容した流通管６０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６３を収容した流通管６０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５は１ｍｍ径の障害手段６３を収容した流通管６０を照射室１２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６３を収容した流通管６０を照射室１２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６３を収容していない空の流通管６０を照射室１２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。
【００４５】
障害手段の無い流通管におけるＱの計算例を図７（Ｂ）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１．５ｍｍ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６３を収容することで抑制され、流通管６０を太くすることが可能となる。
【００４６】
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６０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。
【００４７】
図８に、流通管の第２実施形態を示す。この実施形態の流通管７０は、一例として石英ガラス製で、内側流路７１と該内側流路７１を囲繞する外側流路７２とを有する二重管構造である。その内側流路７１の周囲を取り囲む外側流路７２に、第１実施形態同様で径の小さい多数の粒体の障害手段７３を収容してある。内側流路７１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７２は、上述の作用をもつ障害手段７３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７２の両端には、脱脂綿や不織布等のフィルタ体７４を詰めて蓋をする。この第２実施形態によれば、内側流路７１に被処理液とは別の、例えば水等の冷却液を流すことも可能である。
【００４８】
図９は、流通管の第３実施形態を示す。この実施形態の流通管８０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８０の中に、第１実施形態と同様の材料からなり、螺旋に巻いた線状の障害手段８１が収容されている。流通管８０の両端は、脱脂綿や不織布等のフィルタ体８２を詰め込んで、障害手段８１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８１であっても、流通管８０内を流れる被処理液に乱流を起こすことができ、第１実施形態と同様の機能を発揮可能である。障害手段８１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。
【００４９】
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７１とし、最も外側の流路を上記流路７２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９の第３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。
【００５０】
図１０には、流通管の第４実施形態を示す。この実施形態は、第１実施形態の流通管６０において両端に熱収縮チューブ６５を装着したもので、これら熱収縮チューブ６５の先端に後述のジョイントが取り付けられる。図１０（Ｂ）に示すように、第４実施形態の場合、両端に熱収縮チューブ６５が装着されるので、蓋部材６１及び位置保持部材６２の両方を予め流通管６０に通しておいて、両端に装着する熱収縮チューブ６５にて抜け落ちないように保持してある。この流通管６０は、位置保持部材６２の方を下にして上側円筒部材１９を通し照射室１２，１２’へ挿入される。そして、照射室１２，１２’内に垂下した流通管６０の先端側にある熱収縮チューブ６５及び位置保持部材６２を下側円筒部材１９内へ挿入し、熱収縮チューブ６５を円筒部材１９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６２は円筒部材１９の中に留まり、第１実施形態同様、流通管６０の先端側位置をキープする。つまり、流通管６０をセットした後の状態は、第１実施形態同様である。
【００５１】
図１１には、流通管の形状を変えた第５実施形態を示す。この実施形態の流通管９０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６１及び位置保持部材６２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、上記実施形態同様に螺旋式の流通管９０も、蓋部材６１、挿通部材６２、円筒部材１９を使用して、その螺旋中心の軸線Ｃ’が中心軸Ｃとほぼ一致するように設置される。
【００５２】
流通管９０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９０を照射室１２，１２’に設置したときに、当該境界部位が円筒部材１９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１２，１２’（長さＨ）よりも長く、円筒部材１９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９０の中に、上記各実施形態同様の障害手段が収容される。
【００５３】
第５実施形態の場合、流通管９０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９０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。
【００５４】
第５実施形態に係る流通管９０の螺旋巻き径ｄ１については、次の設定とする。
第１の例に係る空胴共振器１０の場合、照射室１２の横断面が正方形なので、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９０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１２である。図１２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、照射室１２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９０の内径中心までの距離（ｄ１／２）が長くなるほど、流通管９０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９０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。
【００５５】
上記各実施形態の流通管６０，７０，８０，９０に被処理液を流す流動機構の一例を図１３に示している。
第１の例に係る空胴共振器１０が設置されており、その照射室１２の中に、上記実施形態のいずれかに係る流通管６０，７０，８０，９０が円筒部材１９を使用して上記の通り収められている。円筒部材１９から引き出されている流通管６０，７０，８０，９０の両端には、第４実施形態（図１０）に示した熱収縮チューブ６５が装着されている。両端の熱収縮チューブ６５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。
【００５６】
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１２内の流通管６０，７０，８０，９０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。
【００５７】
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１の制御器４０へ提供する。
【符号の説明】
【００５８】
１０ 空胴共振器
１２，１２’ 照射室
１９ 円筒部材
１９ａ フランジ
６０，７０，８０，９０ 流通管
６１ 蓋部材
６１ａ 膨出部
６２ 挿通部材
６３，７３，８１ 障害手段
６４，７４，８２ フィルタ体
７１ 内側流路
７２ 外側流路
Ｃ 中心軸
Ｃ’ 軸線
【特許請求の範囲】
【請求項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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
内側流路と該内側流路を囲繞する外側流路とを有する二重管構造とされ、その外側流路に前記障害手段を収容してある、請求項３記載の流通管。
【請求項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。
【請求項２】
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。
【請求項３】
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。
【請求項４】
内側流路と該内側流路を囲繞する外側流路とを有する二重管構造とされ、その外側流路に前記障害手段を収容してある、請求項３記載の流通管。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１３】
【図６】
【図７】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１３】
【図６】
【図７】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−３７８８２（Ｐ２０１３−３７８８２Ａ）
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１７２９２６（Ｐ２０１１−１７２９２６）
【出願日】平成２３年８月８日（２０１１．８．８）
【出願人】（３０７０４６８６６）株式会社サイダ・ＦＤＳ (4)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年２月２１日（２０１３．２．２１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年８月８日（２０１１．８．８）
【出願人】（３０７０４６８６６）株式会社サイダ・ＦＤＳ (4)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]