マイクロ波装置
【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、被処理物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】底面が正方形且つ側面が長方形の正四角柱状空胴の照射室１２と、照射室側面を形成する側面壁１５に設けられ、照射室１２の中心軸Ｃと平行に長軸が伸延する矩形開口のアイリスと、を有する空胴共振器１０を含んだマイクロ波装置とする。その空胴共振器１０は、アイリスから照射室１２内にマイクロ波が導入されるシングルモードの空胴共振器である。照射室１２内において、被処理物を流動させる流通路６０を、中心軸Ｃを取り巻いて伸延する螺旋状に設けてあり、そして、照射室底面（１３，１４）のなす正方形の１辺が、照射室１２に導入するマイクロ波の波長の７５％以下に設計される。
【解決手段】底面が正方形且つ側面が長方形の正四角柱状空胴の照射室１２と、照射室側面を形成する側面壁１５に設けられ、照射室１２の中心軸Ｃと平行に長軸が伸延する矩形開口のアイリスと、を有する空胴共振器１０を含んだマイクロ波装置とする。その空胴共振器１０は、アイリスから照射室１２内にマイクロ波が導入されるシングルモードの空胴共振器である。照射室１２内において、被処理物を流動させる流通路６０を、中心軸Ｃを取り巻いて伸延する螺旋状に設けてあり、そして、照射室底面（１３，１４）のなす正方形の１辺が、照射室１２に導入するマイクロ波の波長の７５％以下に設計される。
【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物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物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、被処理物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、被処理物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物の容積が、空胴容積に比較して極力小さくなるようにして、被処理物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、被処理物の流量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１．５ｍｍ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、被処理物の流量を多くして均一に効率良く処理可能にする手段を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題に対して提案するマイクロ波装置の一態様は、底面が正方形且つ側面が長方形の正四角柱状空胴の照射室と、前記照射室側面を形成する側面壁の１つに設けられ、前記照射室底面の中心どうしを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と、を有する空胴共振器を含んで構成される。その空胴共振器は、前記アイリスから前記照射室内にマイクロ波が導入されるシングルモードの空胴共振器である。
本マイクロ波装置は、前記照射室内において、被処理物を流動させる流通路を、前記中心軸を取り巻いて伸延する螺旋状に設けてあり、そして、前記照射室底面のなす正方形の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。
【０００９】
上記課題に対して提案するマイクロ波装置の別の態様は、円柱状空胴の照射室と、該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と、を有する空胴共振器を含んで構成される。その空胴共振器は、前記アイリスから前記照射室内にマイクロ波が導入されるシングルモードの空胴共振器である。
本マイクロ波装置は、前記照射室内において、被処理物を流動させる流通路を、前記中心軸を取り巻いて伸延する螺旋状に設けてあり、そして、前記照射室底面のなす円形の直径が、当該照射室に導入するマイクロ波の波長の８０％以下に設計される。
【発明の効果】
【００１０】
上記提案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路は、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、当該流通路を流れる被処理物は、電界を横切る方向に流動する。この構造により、被処理物、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物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路を使用して被処理物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、流通路を螺旋状としたことにより、直管式流通路の場合に比べて、照射室内での被処理物流動距離が長くなって、被処理物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実施形態を示し、（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】図２の空胴共振器における流通路配置状態を示し、（Ａ）は側面壁を取り外して照射室内を見せた正面図、（Ｂ）は上側の底面壁を取り外して照射室内を見せた平面図、（Ｃ）は下側の底面壁を取り外して照射室内を見せた底面図。
【図４】螺旋状の流通路及びこれを巻き付ける支持棒の第１例を示す図。
【図５】螺旋状の流通路及びこれを巻き付ける支持棒の第２例を示す図。
【図６】流通路及び支持棒の治具を示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は左側面図、（Ｃ）は右側面図、（Ｄ）は平面図、（Ｅ）は底面図。
【図７】空胴共振器の第２実施形態を示し、（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８】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。
【図９】被処理物の流動方向と電界の関係を説明する図。
【図１０】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。
【図１１】流通路に被処理物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。
【００１４】
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。また、後述の図１１に示すように被処理物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。
【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物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（又は被処理物の温度計測結果）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実施形態が図２に示されている。
【００２０】
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。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路挿通口１８ａ，１８ｂを有する。
【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。
【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。
【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物が存在するので、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内に被処理物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、このような照射室１２に設ける流通路６０の実施形態を示す。
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。
【００２６】
流通路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路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い）させてある。したがって、被処理物を流動させる流通路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路６０は、図２に示す流通路挿通口１８ａ，１８ｂから両端が取り出され、被処理物の流動機構に接続される。この流通路６０を螺旋状に設けるために使用する支持棒の第１例について、図４に示す。
【００２７】
第１例に係る支持棒６１は、流通路６０と同じくＰＴＦＥやＰＰなどのマイクロ波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、流通路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、流通路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路６０のずれが防止される。
【００２８】
図５に、第２例の支持棒６１’を示す。第２例に係る支持棒６１’も第１例と同じくＰＴＦＥやＰＰからなる円柱であり、第１例同様に照射室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例よりも大きく、流通路６０のピッチｐが第１例に比べて広くなる設計である。流通路６０のピッチｐが違えば、被処理物が照射室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、流通路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物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物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、被処理物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）。
【００２９】
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、流通路６０下流の被処理物の熱を上流の被処理物へ伝えることが可能で、流通路６０を流れる被処理物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、被処理物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例の支持棒６１’の場合、さらに、軸方向に貫通する流路６１ｂ’が形成され、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、被処理物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物が流れる場合は、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、被処理物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、被処理物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。
【００３０】
このような支持棒６１，６１’に巻回した螺旋状流通路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ＰＴＥＦやＰＰにより形成され、照射室１２の底面に相当する正方形（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路６０が配置されることになる。
【００３１】
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に開けられた流通路挿通口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に流通路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を使用して流通路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内において流通路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。
【００３２】
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。
【００３３】
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路挿通口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。
【００３４】
このような円柱状空胴の照射室１２’の中に、上記同様の流通路６０及び支持棒６１（６１’）が配置される。第１実施形態同様に、螺旋状に巻いた流通路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、したがって流通路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。
【００３５】
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実施形態同様、Ｌについての±数％程度の寸法差は許容され得る。
【００３６】
第１実施形態と同様に、照射室１２’には誘電体となる被処理物が存在するので、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。
【００３７】
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。
【００３８】
いずれの実施形態においても、支持棒６１（６１’）の断面直径は、流通路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、流通路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から流通路６０の中心（内径中心）までの距離（ｄ１／２）が長くなるほど、流通路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から流通路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。
【００３９】
照射室１２（１２’）内を流れる被処理物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、流通路６０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、流通路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。流通路６０を流れる被処理物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、被処理物の流動方向によって、被処理物内で電界が変化する。
【００４０】
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。
ＰＬ＝（１／２）・Ｖ∫ωε０εｒ″Ｅ２ｄｖ
式中、ωは角周波数、ε０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、流通路６０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。
【００４１】
水を流す「直管」の流通路６０を中心軸Ｃに配設（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。
【００４２】
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路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、流通路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、被処理物として水を想定し、流通路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。
【００４３】
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路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。
【００４４】
上式から分かるように、螺旋状の流通路６０を照射室１２’に配置した場合、被処理物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」の流通路６０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。
【００４５】
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、螺旋状の流通路を流れる被処理物は、電界を横切る方向に流動する。この構造により、被処理物、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物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の太い流通路（一例としてｄ２＝３ｍｍ）を使用して被処理物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、流通路を螺旋状としたことにより、直管式流通路の場合に比べて、照射室内での被処理物流動距離が長くなって、被処理物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。
【００４６】
流通路６０に被処理物を流す流動機構の一例を図１１に示している。
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中に螺旋状の流通路６０が上記の通り収められている。流通路挿通口１８ａ，１８ｂから引き出された流通路６０の両端は、下側から引き出された方が処理前の被処理物を貯留した容器７０へ、上側から引き出された方が処理後の被処理物を貯留する容器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物が流入し、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物が排出される。この流動機構は、照射室１２内の流通路６０において下から上へ被処理物を流す仕組みで、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、被処理物の流れを制御する。処理前の容器７０中の液面高さまで、処理後の被処理物を容器８０内に溜めることができる。
【００４７】
流通路挿通口１８ａ，１８ｂから引き出された流通路６０内の被処理物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。
【符号の説明】
【００４８】
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
【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物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物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、被処理物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、被処理物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物の容積が、空胴容積に比較して極力小さくなるようにして、被処理物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、被処理物の流量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１．５ｍｍ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、被処理物の流量を多くして均一に効率良く処理可能にする手段を提案する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題に対して提案するマイクロ波装置の一態様は、底面が正方形且つ側面が長方形の正四角柱状空胴の照射室と、前記照射室側面を形成する側面壁の１つに設けられ、前記照射室底面の中心どうしを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と、を有する空胴共振器を含んで構成される。その空胴共振器は、前記アイリスから前記照射室内にマイクロ波が導入されるシングルモードの空胴共振器である。
本マイクロ波装置は、前記照射室内において、被処理物を流動させる流通路を、前記中心軸を取り巻いて伸延する螺旋状に設けてあり、そして、前記照射室底面のなす正方形の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。
【０００９】
上記課題に対して提案するマイクロ波装置の別の態様は、円柱状空胴の照射室と、該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と、を有する空胴共振器を含んで構成される。その空胴共振器は、前記アイリスから前記照射室内にマイクロ波が導入されるシングルモードの空胴共振器である。
本マイクロ波装置は、前記照射室内において、被処理物を流動させる流通路を、前記中心軸を取り巻いて伸延する螺旋状に設けてあり、そして、前記照射室底面のなす円形の直径が、当該照射室に導入するマイクロ波の波長の８０％以下に設計される。
【発明の効果】
【００１０】
上記提案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路は、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、当該流通路を流れる被処理物は、電界を横切る方向に流動する。この構造により、被処理物、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物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路を使用して被処理物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、流通路を螺旋状としたことにより、直管式流通路の場合に比べて、照射室内での被処理物流動距離が長くなって、被処理物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実施形態を示し、（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】図２の空胴共振器における流通路配置状態を示し、（Ａ）は側面壁を取り外して照射室内を見せた正面図、（Ｂ）は上側の底面壁を取り外して照射室内を見せた平面図、（Ｃ）は下側の底面壁を取り外して照射室内を見せた底面図。
【図４】螺旋状の流通路及びこれを巻き付ける支持棒の第１例を示す図。
【図５】螺旋状の流通路及びこれを巻き付ける支持棒の第２例を示す図。
【図６】流通路及び支持棒の治具を示し、（Ａ）は正面図、（Ｂ）は左側面図、（Ｃ）は右側面図、（Ｄ）は平面図、（Ｅ）は底面図。
【図７】空胴共振器の第２実施形態を示し、（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８】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。
【図９】被処理物の流動方向と電界の関係を説明する図。
【図１０】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。
【図１１】流通路に被処理物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。
【００１４】
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。また、後述の図１１に示すように被処理物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。
【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物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（又は被処理物の温度計測結果）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実施形態が図２に示されている。
【００２０】
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。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路挿通口１８ａ，１８ｂを有する。
【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。
【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。
【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物が存在するので、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内に被処理物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、このような照射室１２に設ける流通路６０の実施形態を示す。
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。
【００２６】
流通路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路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い）させてある。したがって、被処理物を流動させる流通路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路６０は、図２に示す流通路挿通口１８ａ，１８ｂから両端が取り出され、被処理物の流動機構に接続される。この流通路６０を螺旋状に設けるために使用する支持棒の第１例について、図４に示す。
【００２７】
第１例に係る支持棒６１は、流通路６０と同じくＰＴＦＥやＰＰなどのマイクロ波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、流通路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、流通路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路６０のずれが防止される。
【００２８】
図５に、第２例の支持棒６１’を示す。第２例に係る支持棒６１’も第１例と同じくＰＴＦＥやＰＰからなる円柱であり、第１例同様に照射室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例よりも大きく、流通路６０のピッチｐが第１例に比べて広くなる設計である。流通路６０のピッチｐが違えば、被処理物が照射室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、流通路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物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物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、被処理物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）。
【００２９】
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、流通路６０下流の被処理物の熱を上流の被処理物へ伝えることが可能で、流通路６０を流れる被処理物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、被処理物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例の支持棒６１’の場合、さらに、軸方向に貫通する流路６１ｂ’が形成され、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、被処理物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物が流れる場合は、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、被処理物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、被処理物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。
【００３０】
このような支持棒６１，６１’に巻回した螺旋状流通路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ＰＴＥＦやＰＰにより形成され、照射室１２の底面に相当する正方形（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路６０が配置されることになる。
【００３１】
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に開けられた流通路挿通口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に流通路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を使用して流通路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内において流通路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。
【００３２】
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。
【００３３】
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路挿通口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。
【００３４】
このような円柱状空胴の照射室１２’の中に、上記同様の流通路６０及び支持棒６１（６１’）が配置される。第１実施形態同様に、螺旋状に巻いた流通路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、したがって流通路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。
【００３５】
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実施形態同様、Ｌについての±数％程度の寸法差は許容され得る。
【００３６】
第１実施形態と同様に、照射室１２’には誘電体となる被処理物が存在するので、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。
【００３７】
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。
【００３８】
いずれの実施形態においても、支持棒６１（６１’）の断面直径は、流通路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、流通路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から流通路６０の中心（内径中心）までの距離（ｄ１／２）が長くなるほど、流通路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から流通路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。
【００３９】
照射室１２（１２’）内を流れる被処理物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、流通路６０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、流通路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。流通路６０を流れる被処理物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、被処理物の流動方向によって、被処理物内で電界が変化する。
【００４０】
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。
ＰＬ＝（１／２）・Ｖ∫ωε０εｒ″Ｅ２ｄｖ
式中、ωは角周波数、ε０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、流通路６０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。
【００４１】
水を流す「直管」の流通路６０を中心軸Ｃに配設（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。
【００４２】
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路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、流通路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、被処理物として水を想定し、流通路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。
【００４３】
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路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。
【００４４】
上式から分かるように、螺旋状の流通路６０を照射室１２’に配置した場合、被処理物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」の流通路６０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。
【００４５】
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、螺旋状の流通路を流れる被処理物は、電界を横切る方向に流動する。この構造により、被処理物、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物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の太い流通路（一例としてｄ２＝３ｍｍ）を使用して被処理物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、流通路を螺旋状としたことにより、直管式流通路の場合に比べて、照射室内での被処理物流動距離が長くなって、被処理物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。
【００４６】
流通路６０に被処理物を流す流動機構の一例を図１１に示している。
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中に螺旋状の流通路６０が上記の通り収められている。流通路挿通口１８ａ，１８ｂから引き出された流通路６０の両端は、下側から引き出された方が処理前の被処理物を貯留した容器７０へ、上側から引き出された方が処理後の被処理物を貯留する容器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物が流入し、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物が排出される。この流動機構は、照射室１２内の流通路６０において下から上へ被処理物を流す仕組みで、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、被処理物の流れを制御する。処理前の容器７０中の液面高さまで、処理後の被処理物を容器８０内に溜めることができる。
【００４７】
流通路挿通口１８ａ，１８ｂから引き出された流通路６０内の被処理物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。
【符号の説明】
【００４８】
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
【特許請求の範囲】
【請求項１】
底面が正方形且つ側面が長方形の正四角柱状空胴の照射室と、
前記照射室側面を形成する側面壁の１つに設けられ、前記照射室底面の中心どうしを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と、
を有し、前記アイリスから前記照射室内にマイクロ波が導入され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あって、
前記照射室内において、被処理物を流動させる流通路を、前記中心軸を取り巻いて伸延する螺旋状に設けてあり、
前記照射室底面のなす正方形の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、マイクロ波装置。
【請求項２】
前記中心軸から前記流通路の中心までの距離が、前記照射室底面のなす正方形の１辺の２５％以下に設定される、請求項１記載のマイクロ波装置。
【請求項３】
円柱状空胴の照射室と、
該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と、
を有し、前記アイリスから前記照射室内にマイクロ波が導入され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あって、
前記照射室内において、被処理物を流動させる流通路を、前記中心軸を取り巻いて伸延する螺旋状に設けてあり、
前記照射室底面のなす円形の直径が、当該照射室に導入するマイクロ波の波長の８０％以下に設計される、マイクロ波装置。
【請求項４】
前記流通路が、前記中心軸に沿って配置した支持棒の周囲に巻き付けられている、請求項１〜３のいずれかに記載のマイクロ波装置。
【請求項５】
前記支持棒は、軸方向に貫通する流路を有する、請求項４記載のマイクロ波装置。
【請求項１】
底面が正方形且つ側面が長方形の正四角柱状空胴の照射室と、
前記照射室側面を形成する側面壁の１つに設けられ、前記照射室底面の中心どうしを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と、
を有し、前記アイリスから前記照射室内にマイクロ波が導入され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あって、
前記照射室内において、被処理物を流動させる流通路を、前記中心軸を取り巻いて伸延する螺旋状に設けてあり、
前記照射室底面のなす正方形の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、マイクロ波装置。
【請求項２】
前記中心軸から前記流通路の中心までの距離が、前記照射室底面のなす正方形の１辺の２５％以下に設定される、請求項１記載のマイクロ波装置。
【請求項３】
円柱状空胴の照射室と、
該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と、
を有し、前記アイリスから前記照射室内にマイクロ波が導入され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あって、
前記照射室内において、被処理物を流動させる流通路を、前記中心軸を取り巻いて伸延する螺旋状に設けてあり、
前記照射室底面のなす円形の直径が、当該照射室に導入するマイクロ波の波長の８０％以下に設計される、マイクロ波装置。
【請求項４】
前記流通路が、前記中心軸に沿って配置した支持棒の周囲に巻き付けられている、請求項１〜３のいずれかに記載のマイクロ波装置。
【請求項５】
前記支持棒は、軸方向に貫通する流路を有する、請求項４記載のマイクロ波装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１１】
【図８】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図９】
【図１１】
【図８】
【図１０】
【公開番号】特開２０１２−７５９９６（Ｐ２０１２−７５９９６Ａ）
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２２１５６７（Ｐ２０１０−２２１５６７）
【出願日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【出願人】（３０７０４６８６６）株式会社サイダ・ＦＤＳ (4)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年４月１９日（２０１２．４．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年９月３０日（２０１０．９．３０）
【出願人】（３０７０４６８６６）株式会社サイダ・ＦＤＳ (4)
【Ｆターム（参考）】
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