簡易形冷却式マイクロ波化学反応装置
【課題】 従来の冷却式マイクロ波化学反応装置には、冷媒の冷却と循環機能を備えた冷却装置が必要で、また、冷却剤及び冷媒のメンテナンスに手間がかかり、システム全体が複雑で高価となり、また、ランニングコストも高くなっていた。
【解決手段】 本発明の簡易形冷却式マイクロ波化学反応装置は冷媒を人体に無害な炭酸ガス又は冷却空気とすることにより、冷媒の冷却と循環を行う冷却装置を省き、冷媒をそのまま空気中に排出する方式とした。これにより、システムが簡単となって、取扱いが容易で、より安価になり、ランニングコストも安くできる。
【解決手段】 本発明の簡易形冷却式マイクロ波化学反応装置は冷媒を人体に無害な炭酸ガス又は冷却空気とすることにより、冷媒の冷却と循環を行う冷却装置を省き、冷媒をそのまま空気中に排出する方式とした。これにより、システムが簡単となって、取扱いが容易で、より安価になり、ランニングコストも安くできる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はマイクロ波を利用した化学反応装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、マイクロ波はレーダや電子レンジを中心に用いられ、その中でも、マイクロ波を用いた加熱装置ではマイクロ波による加熱機構が外部からの熱伝導による加熱とは異なる特徴を持っており、水の加熱に例えるとマイクロ波のエネルギーが印加されると、水分子の電気双極子が回転運動を起こし、周囲の水分子どうしと摩擦することにより発熱が生じると言われている。マイクロ波による加熱方式は熱伝導による加熱方式に対して内部加熱と呼ばれ、反応速度が著しく早く、合成効率が高く、副産物が少なく、触媒を減らしたり触媒を用いない反応も可能で、通常の条件では起きない合成反応が生じることがある旨報告されている。この反応促進効果を化学反応装置に応用したのが、マイクロ波化学反応装置である。
【０００３】
マイクロ波化学反応装置において、化学合成反応の促進効果を最大限に得るには、被反応物の温度を、反応の課程で生じる不要な副産物の発生がより少ない温度を予め調べておき、マイクロ波を照射しながら、被反応物をその温度に維持するのが望ましい。加熱時の被反応物の設定温度が室温より十分高い場合は、マイクロ波の照射量を調整することで、被反応物を一定の温度に維持できる。さらに、マイクロ波の照射量を増やしたり、被反応物を室温より低い温度で加熱したい場合には被反応物を冷却する機能が必要となる。
【０００４】
この冷却機能を持ったマイクロ波化学反応装置として、特許文献１，特許文献２がある。冷却機能を実現する構造としては、被反応物の入った反応容器を囲み中空の構造の冷却部を設け、冷却部には冷媒循環用の注入口と排出口を設けている。冷却方法としては、低温に冷却した冷媒を、前記、冷却部内に循環させることにより、反応容器を介し被反応物を冷却する方法を用いている。また、冷媒の冷却と循環は別に設けた冷却装置が行い、冷却装置は低温の冷却剤の入った液槽内に、冷媒を循環させて冷却する装置とポンプにより冷媒を環流させる装置より成る。
【０００５】
従来の冷却式マイクロ波化学反応装置として、図１は特許文献１の冷却式マイクロ波化学反応装置の構成図である。図１に示すとおり、特許文献１の冷却式マイクロ波化学反応装置はアプリケータ部８４と、冷却装置９４とそれらを接続するフッ素系樹脂チューブ９５とから構成される。冷却装置９４は、冷媒液が貯留される液槽９２と冷媒液を送り出すためのポンプ９３とから構成される。ポンプ９３から送出された冷媒液の流量は、計測器８８と連動する流速制御ボックス８９が電磁弁８７を制御することにより自動調整される。なお、冷媒液の流量は、流量調節用バルブ８６により手動で調節することもできる。
【０００６】
冷却部８０は中空構造となっており、冷媒液を循環させるための冷媒液循環部８２が設けられている。冷却部８０は、マイクロ波透過性のガラス材で作られており、冷媒液はマイクロ波透過性の無極性油液を利用している。反応容器８１内には、被反応物８５が入れられており、被反応物８５の温度は被反応物内に挿入された光ファイバ温度計９１により測定され、計測器８８に記憶される。
【０００７】
アプリケータ部８４は電子レンジの筐体のようにマイクロ波を反射するチャンバーであり、マイクロ波透過性の反応容器８１を透過することにより高い加熱効果を奏するものである。すなわち、アプリケータ部８４の外部から照射されたマイクロ波はアプリケータ部８４内で反射され、上下左右から反応容器８１を透過しながら反応物を加熱するのである。
【０００８】
従来の冷却式マイクロ波化学反応装置として、図２は特許文献２のマイクロ波支援有機化学合成を低温（２５℃以下の意）で実行するための器具１０の部分概略断面図である。反応容器２０は、マイクロ波透過材料で作られた反応容器壁２１を有する試験管状の装置であり、マイクロ波支援反応のための内部反応チャンバー１７を画定している。
【０００９】
冷却ジャケット２２は、これも同様にマイクロ波透過材料で形成され容器壁２１を概ね取り囲んでいる冷却ジャケット壁２８内の空間で画定されている。冷却ジャケット２２は、マイクロ波エネルギー２５を内容物２４へ印加している間、容器２０と容器の内容物２４（即ち、組成物）を冷却するために、反応容器２０を直接取り囲んでいる。容器２０は、流体冷却剤として用いられるマイクロ波透過媒体が冷却ジャケット２２内にあるときに冷却される。この様にして、反応容器を取り囲んでいる冷却ジャケット２２は、反応容器２０とその内容物２４に対し吸熱器として作用する。言い換えると、冷却ジャケット２２は、内部反応チャンバー１７内の低温を維持する役を果たす。
【００１０】
冷却ジャケット２２は、冷却ジャケット２２及び冷却剤リザーバ５９と物理的に連通している供給管１８として示されている、流体冷却剤を冷却ジャケット２２に供給するための機構を含んでいる。供給管１８は、冷却剤入口管２３経由で冷却ジャケット２２に供給する。冷却剤入口管２３は、冷却剤が最初に冷却ジャケット２２従って反応容器２０の底部近くに送られるように、冷却ジャケット２２の底部へとその近くに突き出ている。これによって、冷却剤は、最初に望ましい位置、即ち内部反応チャンバー１７内の内容物２４の近くに送り込まれる。
【００１１】
冷却剤は、冷却ジャケット２２に流れ込んでその空間を占め、次いで排出機構経由で冷却ジャケット２２を出る。排出機構は、概略的に１９で示している排出管を含んでいる。排出管１９は、冷却剤出口管２７を介して冷却ジャケット２２と、そして冷却剤リザーバー５９と、物理的に連通している。リザーバー５９は、更に、ポンプ６１と物理的に連通している。ポンプ６１は、流体冷却剤を、流体冷却剤リザーバー５９から冷却ジャケット２２を経由して、反応容器２０の回りに循環させる。流体冷却剤の流れを促すためのこの他の代替策には、重力供給冷却剤リザーバー（図示せず）、又はポンプインゼクタ（図示せず）の様な容積移送式機構がある。
【００１２】
マイクロ波透過媒体は、冷却剤リザーバー５９から、供給管１８と冷却剤入口管２３を通って、反応容器２０を取り囲んでいる冷却ジャケット２２へと流れる。その後、冷却剤は、冷却ジャケット２２を、冷却剤出口管２７と排出管１９を通って出る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】Ｗ０２００５／１１３１３３ 冷却式マイクロ波化学反応装置／独立行政法人産業技術総合研究所、四国計測工業
【特許文献２】公開２００６−７５８２４ 低温マイクロ波支援有機化学合成のための方法および器具／シーイーエム・コーポレーション
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従来の装置の特許文献１，特許文献２は、冷却機能を実現するため、主要な構成として、被反応物の入った反応容器を囲み中空の構造で冷媒を循環して用いる冷却部、液槽により冷媒を冷却する機能とポンプにより冷媒を強制循環させる機能を持つ冷却装置、より成る。特に、冷媒の温度を低く維持し、冷却効果を高める必要があることから、冷却剤を溜めておく液槽、冷媒を循環するポンプ、冷媒を循環するパイプは低温に耐え、ポンプの圧力にも耐えうる構造とする必要がある。また、冷却剤は極低温の材料とする必要があることから、ランニングコストも高くなる。また、メンテナンスの上では、液層の冷却剤及び冷媒は絶えず補充（場合によっては交換）が必要である。このようなことから、従来の冷却式マイクロ波化学反応装置は複雑でメンテナンスに手間がかかり、且つ、冷却剤等の維持費用が必要なため、装置全体では高価となっていた。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明に係る簡易形冷却式マイクロ波化学反応装置は、被反応物の入った反応容器の周りを囲む様に中空の構造を持つ冷却部内に、冷媒として人体に無害な気体を用い、また、冷媒は被反応物の冷却に使用の後、循環せず、そのまま、排気とする方式とした。上記条件に適合する冷媒として、低温の炭酸ガス（液化炭酸ガスが大気中に放出時に気化し生成する低温の炭酸ガス）や低温の圧縮空気（ボルテックスチューブを用いて圧縮空気より生成する低温の空気）を使用する。また、冷媒に用いている炭酸ガスや空気（気体）及び炭酸ガス生成時に希に発生するドライアイス（固体）もマイクロ波を吸収しないため、マイクロ波加熱に影響を及ぼさない。また、冷媒の冷却と循環を行う冷却装置を設ける必要が無いことによりその費用が不要となるほか、冷却剤のメンテナンスは液化炭酸ガスボンベの交換のみとなり、より簡単になる。ゆえに、システム全体の構成要素が減って、メンテナンスや操作が簡単で安価で扱いやすいシステムが実現できる。更に、冷媒の流れを工夫することにより冷却効果を上げることが期待できる。
【００１６】
下記に、本発明の簡易型冷却式マイクロ波化学反応装置を実現するための一例としてその内容を示す。
（１） キャビティー内にアンテナを設け被反応物に照射する構造であって、少なくとも、冷媒として気体を用い、マイクロ波信号源、キャビティー、温度センサ、温度制御装置、反応容器で構成する簡易型冷却式マイクロ波化学反応装置のキャビティー内に、反応容器を取り囲む空洞の冷却部を持ち、冷却部はマイクロ波透過性の材料より成る。本発明では冷媒として、液化炭酸ガスを大気中に放出した際に生成される低温で高圧の炭酸ガスを用い、冷却に用いた冷媒の気体は人体に無害なので、そのまま空気中に排出する構造とする。冷却部において、冷媒を注入して効果的に反応容器（被反応物）の温度を下げる方法として、冷媒を注入するノズルを設ける。その向きは、冷媒の噴射速度が落ちない様に反応容器と冷却部パイプの間に向け、且つ、ノズルの角度は冷媒が反応容器の表面全体をできるだけ広く、かつ最大限の速度で通る角度に設定する。この冷却部内の冷媒の流れを図４に示す。冷媒は反応容器と冷却部パイプの間の空間を渦を巻くように螺旋状に回りながら、冷却部の排出口に至る。
（２） 冷媒として、炭酸ガスを用いる場合、冷媒の温度が極低温（−７０℃以下）のため、条件によっては、反応容器内の被反応物に対して冷却能力が過剰すぎ勿体ない場合がある。この問題を解決するため、適温に設定できる冷媒として、ボルテックスチューブにより生成される冷却した空気も使用可能である。ボルテックスチューブは圧縮空気によるボルテックス効果により、高温と低温の空気に分離する機能を持つ。生成される冷却した空気の温度はボルテックスチューブの調整（調整ネジ等）でも可変できるので、任意の温度に設定できる。また、ボルテックスチューブに入力する圧縮空気はコンプレッサー等を用いる。冷却に用いた冷却空気はそのまま空気中に排出する構造とする。
（３） 冷媒はキャビティー上部（冷却部上ブロック）又は下部（冷却部下ブロック）よりノズルを介して注入するいずれの構造でもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の簡易型冷却式マイクロ波化学反応装置においては下記特徴と効果がある。
・ 冷媒の気体は人体に無害なものを使用。
・ 冷媒の気体はマイクロ波を吸収せず、マイクロ波加熱に影響を及ぼさない。
・ 冷媒の冷却及び冷媒循環装置が不要で費用がかからない。
・ 冷媒を注入するノズルの向きと角度は冷却効果の高い向きと角度に設定し、冷却効率を上げている。
・ 冷媒はキャビティーの上部又はキャビティー下部よりノズルを介して冷却部に注入。
・ 冷媒は、高い冷却効果が必要な場合は炭酸ガス、冷却効果が低くて良い場合は冷却空気と選択可能。
・ 冷媒の気体のランニングコストが安い。
・ キャビティー内のアンテナより被反応物を加熱。
これらの事から、本発明の簡易形冷却式マイクロ波化学反応装置は冷媒を気体とすることで、冷却装置及び冷媒の循環を無くせるため、従来より簡単なシステム構成で従来と同等の機能を実現でき、初期費用やランニングコストを共に安価にでき、操作やメンテナンスが容易で冷却効率の良いシステムとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】特許文献１の実施例１に係る冷却式マイクロ波化学反応装置の構成図
【図２】特許文献２の反応容器及び反応空洞の部分概略断面図
【図３】本発明の実施例１に係る簡易形冷却式マイクロ波化学反応装置の部分概略断面図
【図４】本発明の実施例１、実施例２に係る冷却部内の冷媒の流れの図
【図５】本発明の実施例１、実施例２に係るノズルの位置を冷却部下ブロックに設けた例の部分概略断面図（温度センサは省略）
【図６】本発明の実施例２に係る簡易形冷却式マイクロ波化学反応装置の部分概略断面図
【図７】本発明の実施例１に係る冷却のみ加えた時の温度特性
【図８】本発明の実施例１に係る水を温度設定２０℃にした時の温度特性
【図９】本発明の実施例１に係るアルコールを温度設定０℃、１０℃にした時の温度特性
【図１０】本発明の実施例１、実施例２に係る冷却部のノズルの角度を変えて冷却効果を比較した図
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１９】
図３は本発明の実施例１に係る簡易形冷却式マイクロ波化学反応装置の構成図である。冷却剤として液化炭酸ガスを用いた例である。マイクロ波化学反応装置はマイクロ波を反射する材料でできたキャビティー１０１、液化炭酸ガスボンベ（サイホン管付き容器）１１３と流量を制御する電磁弁１１４、被反応物１０４の温度を測定する温度計１１２、電磁弁１１４の開閉制御を行う温度制御装置１１５、他、この図には記載していないがマイクロ波信号源より成る。被反応物の加熱は、マイクロ波信号源から入力したマイクロ波をキャビティー１０１内のアンテナ１２１より、マイクロ波透過性の材料でできた冷却部パイプ１０８と反応容器１０３を透過して、被反応物１０４に照射することによる。
【００２０】
一方、被反応物の冷却は、冷却剤の入った液化炭酸ガスボンベ（サイホン管付き容器）１１３より液化炭酸ガスを流量を調節する働きの電磁弁１１４を経由して冷却部上ブロック１０６のノズル１１０より冷却部内に液体の形で注入する。注入した際、液化炭酸ガスは液体から気化し、膨張して、５〜６気圧の極低温の炭酸ガスとなる。この気体を反応容器１０３に当てることにより、被反応物１０４からの熱を吸収し、その結果、被反応物１０４が冷却される。上記冷媒の炭酸ガスはノズル１１０より反応容器１０３と冷却部パイプ１０８との間に向けて、最適の角度で高圧で注入されるので、冷媒は図４に示すように、反応容器１０３と冷却部パイプ１０８の隙間を渦を巻くようにして、反応容器１０３の外面全体にわたって高速に流れるので効果的に冷却し、その後排気口１０９から流出する。被反応物１０４の冷却温度を一定に保つには電磁弁１１４を開閉し炭酸ガスの流量を制御する。また、ノズルの角度は冷却部の大きさ（主として高さと内径）により異なるが、冷却部の高さ５０ｍｍ、内径φ２２ｍｍ程度の場合、図１０に示す様に、ノズル１１０の最適な角度としては３０°〜４５°の時が良い冷却効率が得られた。
【００２１】
また、反応容器内の温度のむらを無くすため、図示しないが、キャビティーの下側にスターラを設け、反応容器内に撹拌子を挿入して、被反応物の撹拌を行ってもかまわない。
【００２２】
図３ではノズル１１０は冷却部上ブロック側に設けているが、図５に示すように、冷却部下ブロック側にノズル１１０を設け、冷却部上ブロック側に排気しても構わない。
【００２３】
図３で、被反応物に挿入した温度センサ１１１により温度計１１２は被反応物１０４の温度を測定し、測定した値を温度制御装置１１５に送る。温度制御装置１１５は、測定した温度を記憶し、設定された被反応物の温度となる様に、マイクロ波加熱（図示していないマイクロ波信号源からのマイクロ波出力を制御）と上述の冷却（電磁弁１１４による冷媒流量の制御）のいずれか一方を一定量として他方を制御、または同時に加熱と冷却の双方の制御を行う。
【００２４】
なお、本発明は、上述した実施の形態に示した構成に限定されない。例えばマイクロ波は高周波と置き換えることができる。また、用途を化学反応として説明したが、加熱と冷却を行う装置であれば化学反応以外にも適用できる。
【００２５】
図７のグラフは水１２ｃｃを８０℃に加熱した後、加熱を止めて、冷却のみで電磁弁１１４の開閉時間を変えて２０℃まで下がる時間を比較した特性を示す。電磁弁１１４の開閉時間の比率と温度の降下時間とは相関関係にあり、電磁弁１１４の開閉時間により冷却制御が可能と分かる。
【００２６】
図８のグラフは室温２５〜２７℃の時、水１２ｃｃを設定温度２０℃とし、マイクロ波出力を２０、３０、４０Ｗ一定にそれぞれ設定して加熱しつつ炭酸ガスによる冷却を制御したときの温度制御特性を示す。いずれの場合も設定温度に到達後は±１℃以内に制御できた。
【００２７】
図９のグラフは室温２７〜２８℃の時、アルコール１２ｃｃを設定温度０℃と１０℃としてマイクロ波出力を１５Ｗ一定で加熱しつつ炭酸ガスによる冷却を制御したときの温度制御特性を示す。１０℃設定時は設定温度に対し±１℃以内、０℃設定時は設定温度に対し＋１／−２℃以内に制御できている。
【実施例２】
【００２８】
図６は実施例２に係る簡易形冷却式マイクロ波化学反応装置の構成図である。冷媒として圧縮空気より冷却した空気が生成できるボルテックスチューブを用いた例である。マイクロ波化学反応装置はマイクロ波を反射する材料でできたキャビティー１０１、圧縮空気を生成するコンプレッサ−１１６、圧縮空気の流量を制御する圧力制御弁又は電磁弁１１９、圧縮空気から、冷却した空気を生成するボルテックスチューブ１１８、被反応物１０４の温度を測定する温度計１１２、圧力制御弁又は電磁弁１１９の制御を行う温度制御装置１１５、他、この図には記載していないがマイクロ波信号源より成る。被反応物の加熱に関しては、本発明の実施例１と同様にキャビティー１０１内のアンテナ１２１からのマイクロ波をマイクロ波透過性の材料でできた冷却部パイプ１０８と反応容器１０３を透過して、被反応物１０４に照射することによる。
【００２９】
被反応物１０４の冷却に関しては、コンプレッサー１１６で生成した圧縮空気を圧力制御弁又は電磁弁１１９により、圧力又は流量を制御した後、ボルテックスチューブ１１８に送り、そこで、高圧の冷却した空気が生成される。この冷却した空気を冷却部上ブロック１０６の冷却部内にノズル１１７を介して冷却部へ注入し、反応容器１０３に当てることにより、被反応物からの熱を吸収し、その結果、被反応物が冷却される。上記冷媒の冷却空気はノズル１１７より反応容器１０３と冷却部パイプ１０８との間に向けて、最適の角度で高圧で注入されるので、本発明の実施例１と同様に冷媒は図４に示すように、反応容器１０３と冷却部パイプ１０８の隙間を渦を巻くように流れ、反応容器１０３が効果的に冷却できる。
【００３０】
また、反応容器内の温度のむらを無くすため、キャビティーの下側にスターラを設け、反応容器内に撹拌子を挿入して、被反応物の撹拌を行っても構わない。
【００３１】
図６ではノズル１１７は冷却部上ブロック１０６側に設けているが、本発明実施例１同様に冷却部下ブロック１０７側にノズルを設け、冷却部上ブロック１０６側に排気しても構わない。
【００３２】
被反応物に挿入した温度センサ１１１により温度計１１２は被反応物１０４の温度を測定し、測定した値を温度制御装置１１５に送る。温度制御装置１１５は、測定した温度を記憶し、設定された被反応物の温度となる様に、加熱（マイクロ波出力制御）と冷却（圧力制御弁又は電磁弁制御）のいずれか一方を一定とし他方を制御、または双方の制御を行う。
【００３３】
なお、本発明は、上述した実施の形態に示した構成に限定されない。例えばマイクロ波は高周波と置き換えることができる。また、化学反応装置以外にも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明はマイクロ波加熱を利用した反応装置に冷媒としての気体を利用して安価で取り扱いやすい冷却も可能としたもので、被反応物の加熱と冷却の一方または両方を行うことの出来る簡易型冷却式マイクロ波化学反応装置であり、例えば化学反応やバイオなどの簡便な実験装置や小規模なシステムに適用ができる。
【符号の説明】
【００３５】
１０１ キャビティー
１０２ マイクロ波
１０３ 反応容器
１０４ 被反応物
１０５ 冷却部内部空間
１０６ 冷却部上ブロック
１０７ 冷却部下ブロック
１０８ 冷却部パイプ
１０９ 排気口
１１０ ノズル
１１１ 温度センサ
１１２ 温度計
１１３ 液化炭酸ガスボンベ（サイホン管付き容器）
１１４ 電磁弁
１１５ 温度制御装置
１１６ コンプレッサー
１１７ ノズル
１１８ ボルテックスチューブ
１１９ 圧力制御弁又は電磁弁
１２０ 冷媒の流れ
１２１ アンテナ
１５ 感知器
２９ 冷却ジャケットの上部
３９ 空洞
５０ 反応容器の上部
５４ 冷却ジャケットすりガラス接合部
５５ 環状キャップ
６２ 反応容器すりガラス接合部
なお、図中の同一の番号は、同一または相当する部分を示す。
【技術分野】
【０００１】
本発明はマイクロ波を利用した化学反応装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、マイクロ波はレーダや電子レンジを中心に用いられ、その中でも、マイクロ波を用いた加熱装置ではマイクロ波による加熱機構が外部からの熱伝導による加熱とは異なる特徴を持っており、水の加熱に例えるとマイクロ波のエネルギーが印加されると、水分子の電気双極子が回転運動を起こし、周囲の水分子どうしと摩擦することにより発熱が生じると言われている。マイクロ波による加熱方式は熱伝導による加熱方式に対して内部加熱と呼ばれ、反応速度が著しく早く、合成効率が高く、副産物が少なく、触媒を減らしたり触媒を用いない反応も可能で、通常の条件では起きない合成反応が生じることがある旨報告されている。この反応促進効果を化学反応装置に応用したのが、マイクロ波化学反応装置である。
【０００３】
マイクロ波化学反応装置において、化学合成反応の促進効果を最大限に得るには、被反応物の温度を、反応の課程で生じる不要な副産物の発生がより少ない温度を予め調べておき、マイクロ波を照射しながら、被反応物をその温度に維持するのが望ましい。加熱時の被反応物の設定温度が室温より十分高い場合は、マイクロ波の照射量を調整することで、被反応物を一定の温度に維持できる。さらに、マイクロ波の照射量を増やしたり、被反応物を室温より低い温度で加熱したい場合には被反応物を冷却する機能が必要となる。
【０００４】
この冷却機能を持ったマイクロ波化学反応装置として、特許文献１，特許文献２がある。冷却機能を実現する構造としては、被反応物の入った反応容器を囲み中空の構造の冷却部を設け、冷却部には冷媒循環用の注入口と排出口を設けている。冷却方法としては、低温に冷却した冷媒を、前記、冷却部内に循環させることにより、反応容器を介し被反応物を冷却する方法を用いている。また、冷媒の冷却と循環は別に設けた冷却装置が行い、冷却装置は低温の冷却剤の入った液槽内に、冷媒を循環させて冷却する装置とポンプにより冷媒を環流させる装置より成る。
【０００５】
従来の冷却式マイクロ波化学反応装置として、図１は特許文献１の冷却式マイクロ波化学反応装置の構成図である。図１に示すとおり、特許文献１の冷却式マイクロ波化学反応装置はアプリケータ部８４と、冷却装置９４とそれらを接続するフッ素系樹脂チューブ９５とから構成される。冷却装置９４は、冷媒液が貯留される液槽９２と冷媒液を送り出すためのポンプ９３とから構成される。ポンプ９３から送出された冷媒液の流量は、計測器８８と連動する流速制御ボックス８９が電磁弁８７を制御することにより自動調整される。なお、冷媒液の流量は、流量調節用バルブ８６により手動で調節することもできる。
【０００６】
冷却部８０は中空構造となっており、冷媒液を循環させるための冷媒液循環部８２が設けられている。冷却部８０は、マイクロ波透過性のガラス材で作られており、冷媒液はマイクロ波透過性の無極性油液を利用している。反応容器８１内には、被反応物８５が入れられており、被反応物８５の温度は被反応物内に挿入された光ファイバ温度計９１により測定され、計測器８８に記憶される。
【０００７】
アプリケータ部８４は電子レンジの筐体のようにマイクロ波を反射するチャンバーであり、マイクロ波透過性の反応容器８１を透過することにより高い加熱効果を奏するものである。すなわち、アプリケータ部８４の外部から照射されたマイクロ波はアプリケータ部８４内で反射され、上下左右から反応容器８１を透過しながら反応物を加熱するのである。
【０００８】
従来の冷却式マイクロ波化学反応装置として、図２は特許文献２のマイクロ波支援有機化学合成を低温（２５℃以下の意）で実行するための器具１０の部分概略断面図である。反応容器２０は、マイクロ波透過材料で作られた反応容器壁２１を有する試験管状の装置であり、マイクロ波支援反応のための内部反応チャンバー１７を画定している。
【０００９】
冷却ジャケット２２は、これも同様にマイクロ波透過材料で形成され容器壁２１を概ね取り囲んでいる冷却ジャケット壁２８内の空間で画定されている。冷却ジャケット２２は、マイクロ波エネルギー２５を内容物２４へ印加している間、容器２０と容器の内容物２４（即ち、組成物）を冷却するために、反応容器２０を直接取り囲んでいる。容器２０は、流体冷却剤として用いられるマイクロ波透過媒体が冷却ジャケット２２内にあるときに冷却される。この様にして、反応容器を取り囲んでいる冷却ジャケット２２は、反応容器２０とその内容物２４に対し吸熱器として作用する。言い換えると、冷却ジャケット２２は、内部反応チャンバー１７内の低温を維持する役を果たす。
【００１０】
冷却ジャケット２２は、冷却ジャケット２２及び冷却剤リザーバ５９と物理的に連通している供給管１８として示されている、流体冷却剤を冷却ジャケット２２に供給するための機構を含んでいる。供給管１８は、冷却剤入口管２３経由で冷却ジャケット２２に供給する。冷却剤入口管２３は、冷却剤が最初に冷却ジャケット２２従って反応容器２０の底部近くに送られるように、冷却ジャケット２２の底部へとその近くに突き出ている。これによって、冷却剤は、最初に望ましい位置、即ち内部反応チャンバー１７内の内容物２４の近くに送り込まれる。
【００１１】
冷却剤は、冷却ジャケット２２に流れ込んでその空間を占め、次いで排出機構経由で冷却ジャケット２２を出る。排出機構は、概略的に１９で示している排出管を含んでいる。排出管１９は、冷却剤出口管２７を介して冷却ジャケット２２と、そして冷却剤リザーバー５９と、物理的に連通している。リザーバー５９は、更に、ポンプ６１と物理的に連通している。ポンプ６１は、流体冷却剤を、流体冷却剤リザーバー５９から冷却ジャケット２２を経由して、反応容器２０の回りに循環させる。流体冷却剤の流れを促すためのこの他の代替策には、重力供給冷却剤リザーバー（図示せず）、又はポンプインゼクタ（図示せず）の様な容積移送式機構がある。
【００１２】
マイクロ波透過媒体は、冷却剤リザーバー５９から、供給管１８と冷却剤入口管２３を通って、反応容器２０を取り囲んでいる冷却ジャケット２２へと流れる。その後、冷却剤は、冷却ジャケット２２を、冷却剤出口管２７と排出管１９を通って出る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】Ｗ０２００５／１１３１３３ 冷却式マイクロ波化学反応装置／独立行政法人産業技術総合研究所、四国計測工業
【特許文献２】公開２００６−７５８２４ 低温マイクロ波支援有機化学合成のための方法および器具／シーイーエム・コーポレーション
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
従来の装置の特許文献１，特許文献２は、冷却機能を実現するため、主要な構成として、被反応物の入った反応容器を囲み中空の構造で冷媒を循環して用いる冷却部、液槽により冷媒を冷却する機能とポンプにより冷媒を強制循環させる機能を持つ冷却装置、より成る。特に、冷媒の温度を低く維持し、冷却効果を高める必要があることから、冷却剤を溜めておく液槽、冷媒を循環するポンプ、冷媒を循環するパイプは低温に耐え、ポンプの圧力にも耐えうる構造とする必要がある。また、冷却剤は極低温の材料とする必要があることから、ランニングコストも高くなる。また、メンテナンスの上では、液層の冷却剤及び冷媒は絶えず補充（場合によっては交換）が必要である。このようなことから、従来の冷却式マイクロ波化学反応装置は複雑でメンテナンスに手間がかかり、且つ、冷却剤等の維持費用が必要なため、装置全体では高価となっていた。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記課題を解決するために、本発明に係る簡易形冷却式マイクロ波化学反応装置は、被反応物の入った反応容器の周りを囲む様に中空の構造を持つ冷却部内に、冷媒として人体に無害な気体を用い、また、冷媒は被反応物の冷却に使用の後、循環せず、そのまま、排気とする方式とした。上記条件に適合する冷媒として、低温の炭酸ガス（液化炭酸ガスが大気中に放出時に気化し生成する低温の炭酸ガス）や低温の圧縮空気（ボルテックスチューブを用いて圧縮空気より生成する低温の空気）を使用する。また、冷媒に用いている炭酸ガスや空気（気体）及び炭酸ガス生成時に希に発生するドライアイス（固体）もマイクロ波を吸収しないため、マイクロ波加熱に影響を及ぼさない。また、冷媒の冷却と循環を行う冷却装置を設ける必要が無いことによりその費用が不要となるほか、冷却剤のメンテナンスは液化炭酸ガスボンベの交換のみとなり、より簡単になる。ゆえに、システム全体の構成要素が減って、メンテナンスや操作が簡単で安価で扱いやすいシステムが実現できる。更に、冷媒の流れを工夫することにより冷却効果を上げることが期待できる。
【００１６】
下記に、本発明の簡易型冷却式マイクロ波化学反応装置を実現するための一例としてその内容を示す。
（１） キャビティー内にアンテナを設け被反応物に照射する構造であって、少なくとも、冷媒として気体を用い、マイクロ波信号源、キャビティー、温度センサ、温度制御装置、反応容器で構成する簡易型冷却式マイクロ波化学反応装置のキャビティー内に、反応容器を取り囲む空洞の冷却部を持ち、冷却部はマイクロ波透過性の材料より成る。本発明では冷媒として、液化炭酸ガスを大気中に放出した際に生成される低温で高圧の炭酸ガスを用い、冷却に用いた冷媒の気体は人体に無害なので、そのまま空気中に排出する構造とする。冷却部において、冷媒を注入して効果的に反応容器（被反応物）の温度を下げる方法として、冷媒を注入するノズルを設ける。その向きは、冷媒の噴射速度が落ちない様に反応容器と冷却部パイプの間に向け、且つ、ノズルの角度は冷媒が反応容器の表面全体をできるだけ広く、かつ最大限の速度で通る角度に設定する。この冷却部内の冷媒の流れを図４に示す。冷媒は反応容器と冷却部パイプの間の空間を渦を巻くように螺旋状に回りながら、冷却部の排出口に至る。
（２） 冷媒として、炭酸ガスを用いる場合、冷媒の温度が極低温（−７０℃以下）のため、条件によっては、反応容器内の被反応物に対して冷却能力が過剰すぎ勿体ない場合がある。この問題を解決するため、適温に設定できる冷媒として、ボルテックスチューブにより生成される冷却した空気も使用可能である。ボルテックスチューブは圧縮空気によるボルテックス効果により、高温と低温の空気に分離する機能を持つ。生成される冷却した空気の温度はボルテックスチューブの調整（調整ネジ等）でも可変できるので、任意の温度に設定できる。また、ボルテックスチューブに入力する圧縮空気はコンプレッサー等を用いる。冷却に用いた冷却空気はそのまま空気中に排出する構造とする。
（３） 冷媒はキャビティー上部（冷却部上ブロック）又は下部（冷却部下ブロック）よりノズルを介して注入するいずれの構造でもよい。
【発明の効果】
【００１７】
本発明の簡易型冷却式マイクロ波化学反応装置においては下記特徴と効果がある。
・ 冷媒の気体は人体に無害なものを使用。
・ 冷媒の気体はマイクロ波を吸収せず、マイクロ波加熱に影響を及ぼさない。
・ 冷媒の冷却及び冷媒循環装置が不要で費用がかからない。
・ 冷媒を注入するノズルの向きと角度は冷却効果の高い向きと角度に設定し、冷却効率を上げている。
・ 冷媒はキャビティーの上部又はキャビティー下部よりノズルを介して冷却部に注入。
・ 冷媒は、高い冷却効果が必要な場合は炭酸ガス、冷却効果が低くて良い場合は冷却空気と選択可能。
・ 冷媒の気体のランニングコストが安い。
・ キャビティー内のアンテナより被反応物を加熱。
これらの事から、本発明の簡易形冷却式マイクロ波化学反応装置は冷媒を気体とすることで、冷却装置及び冷媒の循環を無くせるため、従来より簡単なシステム構成で従来と同等の機能を実現でき、初期費用やランニングコストを共に安価にでき、操作やメンテナンスが容易で冷却効率の良いシステムとすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】特許文献１の実施例１に係る冷却式マイクロ波化学反応装置の構成図
【図２】特許文献２の反応容器及び反応空洞の部分概略断面図
【図３】本発明の実施例１に係る簡易形冷却式マイクロ波化学反応装置の部分概略断面図
【図４】本発明の実施例１、実施例２に係る冷却部内の冷媒の流れの図
【図５】本発明の実施例１、実施例２に係るノズルの位置を冷却部下ブロックに設けた例の部分概略断面図（温度センサは省略）
【図６】本発明の実施例２に係る簡易形冷却式マイクロ波化学反応装置の部分概略断面図
【図７】本発明の実施例１に係る冷却のみ加えた時の温度特性
【図８】本発明の実施例１に係る水を温度設定２０℃にした時の温度特性
【図９】本発明の実施例１に係るアルコールを温度設定０℃、１０℃にした時の温度特性
【図１０】本発明の実施例１、実施例２に係る冷却部のノズルの角度を変えて冷却効果を比較した図
【発明を実施するための形態】
【実施例１】
【００１９】
図３は本発明の実施例１に係る簡易形冷却式マイクロ波化学反応装置の構成図である。冷却剤として液化炭酸ガスを用いた例である。マイクロ波化学反応装置はマイクロ波を反射する材料でできたキャビティー１０１、液化炭酸ガスボンベ（サイホン管付き容器）１１３と流量を制御する電磁弁１１４、被反応物１０４の温度を測定する温度計１１２、電磁弁１１４の開閉制御を行う温度制御装置１１５、他、この図には記載していないがマイクロ波信号源より成る。被反応物の加熱は、マイクロ波信号源から入力したマイクロ波をキャビティー１０１内のアンテナ１２１より、マイクロ波透過性の材料でできた冷却部パイプ１０８と反応容器１０３を透過して、被反応物１０４に照射することによる。
【００２０】
一方、被反応物の冷却は、冷却剤の入った液化炭酸ガスボンベ（サイホン管付き容器）１１３より液化炭酸ガスを流量を調節する働きの電磁弁１１４を経由して冷却部上ブロック１０６のノズル１１０より冷却部内に液体の形で注入する。注入した際、液化炭酸ガスは液体から気化し、膨張して、５〜６気圧の極低温の炭酸ガスとなる。この気体を反応容器１０３に当てることにより、被反応物１０４からの熱を吸収し、その結果、被反応物１０４が冷却される。上記冷媒の炭酸ガスはノズル１１０より反応容器１０３と冷却部パイプ１０８との間に向けて、最適の角度で高圧で注入されるので、冷媒は図４に示すように、反応容器１０３と冷却部パイプ１０８の隙間を渦を巻くようにして、反応容器１０３の外面全体にわたって高速に流れるので効果的に冷却し、その後排気口１０９から流出する。被反応物１０４の冷却温度を一定に保つには電磁弁１１４を開閉し炭酸ガスの流量を制御する。また、ノズルの角度は冷却部の大きさ（主として高さと内径）により異なるが、冷却部の高さ５０ｍｍ、内径φ２２ｍｍ程度の場合、図１０に示す様に、ノズル１１０の最適な角度としては３０°〜４５°の時が良い冷却効率が得られた。
【００２１】
また、反応容器内の温度のむらを無くすため、図示しないが、キャビティーの下側にスターラを設け、反応容器内に撹拌子を挿入して、被反応物の撹拌を行ってもかまわない。
【００２２】
図３ではノズル１１０は冷却部上ブロック側に設けているが、図５に示すように、冷却部下ブロック側にノズル１１０を設け、冷却部上ブロック側に排気しても構わない。
【００２３】
図３で、被反応物に挿入した温度センサ１１１により温度計１１２は被反応物１０４の温度を測定し、測定した値を温度制御装置１１５に送る。温度制御装置１１５は、測定した温度を記憶し、設定された被反応物の温度となる様に、マイクロ波加熱（図示していないマイクロ波信号源からのマイクロ波出力を制御）と上述の冷却（電磁弁１１４による冷媒流量の制御）のいずれか一方を一定量として他方を制御、または同時に加熱と冷却の双方の制御を行う。
【００２４】
なお、本発明は、上述した実施の形態に示した構成に限定されない。例えばマイクロ波は高周波と置き換えることができる。また、用途を化学反応として説明したが、加熱と冷却を行う装置であれば化学反応以外にも適用できる。
【００２５】
図７のグラフは水１２ｃｃを８０℃に加熱した後、加熱を止めて、冷却のみで電磁弁１１４の開閉時間を変えて２０℃まで下がる時間を比較した特性を示す。電磁弁１１４の開閉時間の比率と温度の降下時間とは相関関係にあり、電磁弁１１４の開閉時間により冷却制御が可能と分かる。
【００２６】
図８のグラフは室温２５〜２７℃の時、水１２ｃｃを設定温度２０℃とし、マイクロ波出力を２０、３０、４０Ｗ一定にそれぞれ設定して加熱しつつ炭酸ガスによる冷却を制御したときの温度制御特性を示す。いずれの場合も設定温度に到達後は±１℃以内に制御できた。
【００２７】
図９のグラフは室温２７〜２８℃の時、アルコール１２ｃｃを設定温度０℃と１０℃としてマイクロ波出力を１５Ｗ一定で加熱しつつ炭酸ガスによる冷却を制御したときの温度制御特性を示す。１０℃設定時は設定温度に対し±１℃以内、０℃設定時は設定温度に対し＋１／−２℃以内に制御できている。
【実施例２】
【００２８】
図６は実施例２に係る簡易形冷却式マイクロ波化学反応装置の構成図である。冷媒として圧縮空気より冷却した空気が生成できるボルテックスチューブを用いた例である。マイクロ波化学反応装置はマイクロ波を反射する材料でできたキャビティー１０１、圧縮空気を生成するコンプレッサ−１１６、圧縮空気の流量を制御する圧力制御弁又は電磁弁１１９、圧縮空気から、冷却した空気を生成するボルテックスチューブ１１８、被反応物１０４の温度を測定する温度計１１２、圧力制御弁又は電磁弁１１９の制御を行う温度制御装置１１５、他、この図には記載していないがマイクロ波信号源より成る。被反応物の加熱に関しては、本発明の実施例１と同様にキャビティー１０１内のアンテナ１２１からのマイクロ波をマイクロ波透過性の材料でできた冷却部パイプ１０８と反応容器１０３を透過して、被反応物１０４に照射することによる。
【００２９】
被反応物１０４の冷却に関しては、コンプレッサー１１６で生成した圧縮空気を圧力制御弁又は電磁弁１１９により、圧力又は流量を制御した後、ボルテックスチューブ１１８に送り、そこで、高圧の冷却した空気が生成される。この冷却した空気を冷却部上ブロック１０６の冷却部内にノズル１１７を介して冷却部へ注入し、反応容器１０３に当てることにより、被反応物からの熱を吸収し、その結果、被反応物が冷却される。上記冷媒の冷却空気はノズル１１７より反応容器１０３と冷却部パイプ１０８との間に向けて、最適の角度で高圧で注入されるので、本発明の実施例１と同様に冷媒は図４に示すように、反応容器１０３と冷却部パイプ１０８の隙間を渦を巻くように流れ、反応容器１０３が効果的に冷却できる。
【００３０】
また、反応容器内の温度のむらを無くすため、キャビティーの下側にスターラを設け、反応容器内に撹拌子を挿入して、被反応物の撹拌を行っても構わない。
【００３１】
図６ではノズル１１７は冷却部上ブロック１０６側に設けているが、本発明実施例１同様に冷却部下ブロック１０７側にノズルを設け、冷却部上ブロック１０６側に排気しても構わない。
【００３２】
被反応物に挿入した温度センサ１１１により温度計１１２は被反応物１０４の温度を測定し、測定した値を温度制御装置１１５に送る。温度制御装置１１５は、測定した温度を記憶し、設定された被反応物の温度となる様に、加熱（マイクロ波出力制御）と冷却（圧力制御弁又は電磁弁制御）のいずれか一方を一定とし他方を制御、または双方の制御を行う。
【００３３】
なお、本発明は、上述した実施の形態に示した構成に限定されない。例えばマイクロ波は高周波と置き換えることができる。また、化学反応装置以外にも適用できる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明はマイクロ波加熱を利用した反応装置に冷媒としての気体を利用して安価で取り扱いやすい冷却も可能としたもので、被反応物の加熱と冷却の一方または両方を行うことの出来る簡易型冷却式マイクロ波化学反応装置であり、例えば化学反応やバイオなどの簡便な実験装置や小規模なシステムに適用ができる。
【符号の説明】
【００３５】
１０１ キャビティー
１０２ マイクロ波
１０３ 反応容器
１０４ 被反応物
１０５ 冷却部内部空間
１０６ 冷却部上ブロック
１０７ 冷却部下ブロック
１０８ 冷却部パイプ
１０９ 排気口
１１０ ノズル
１１１ 温度センサ
１１２ 温度計
１１３ 液化炭酸ガスボンベ（サイホン管付き容器）
１１４ 電磁弁
１１５ 温度制御装置
１１６ コンプレッサー
１１７ ノズル
１１８ ボルテックスチューブ
１１９ 圧力制御弁又は電磁弁
１２０ 冷媒の流れ
１２１ アンテナ
１５ 感知器
２９ 冷却ジャケットの上部
３９ 空洞
５０ 反応容器の上部
５４ 冷却ジャケットすりガラス接合部
５５ 環状キャップ
６２ 反応容器すりガラス接合部
なお、図中の同一の番号は、同一または相当する部分を示す。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともマイクロ波信号源、キャビティー、温度センサ、温度制御装置、反応容器を備えたマイクロ波化学反応装置において、キャビティー内に反応容器とマイクロ波透過性の冷却部パイプに挟まれた空洞を備え、冷却した気体を冷媒として空洞の一方に設けたノズルからその空洞に注入するとともに螺旋状に流入させ、反応容器及び反応容器内の被反応物を冷却した後、空洞の他方に設けた排気口から空気中に排出することを特徴とする簡易型冷却式マイクロ波化学反応装置。
【請求項２】
冷却した気体は液化炭酸ガスボンベから得て気化し生成した低温高圧の炭酸ガスであることを特徴とする特許請求項１の簡易型冷却式マイクロ波化学反応装置。
【請求項３】
冷却した気体はボルテックスチューブを用いて圧縮空気より生成した低温高圧の空気であること特徴とする特許請求項１に記載の簡易型冷却式マイクロ波化学反応装置。
【請求項４】
ノズルに制御弁を備え、一定電力のマイクロ波を照射して反応容器内の被反応物の温度を温度センサで測定すると共に、温度制御装置から所期の設定温度になるように制御弁にて冷媒量を制御することを特徴とする特許請求項１の簡易型冷却式マイクロ波化学反応装置。
【請求項５】
一定量の冷媒を注入させつつ反応容器内の被反応物の温度を温度センサで測定すると共に、温度制御装置から所期の設定温度になるようにマイクロ波信号源の出力を制御することを特徴とする特許請求項１の簡易型冷却式マイクロ波化学反応装置。
【請求項６】
ノズルの設定角度は冷却パイプの穴の面を基準とし、その基準から３０〜４５度冷却部パイプの内側へ傾いた角度であることを特徴とする特許請求項１から５の簡易型冷却式マイクロ波化学反応装置。
【請求項１】
少なくともマイクロ波信号源、キャビティー、温度センサ、温度制御装置、反応容器を備えたマイクロ波化学反応装置において、キャビティー内に反応容器とマイクロ波透過性の冷却部パイプに挟まれた空洞を備え、冷却した気体を冷媒として空洞の一方に設けたノズルからその空洞に注入するとともに螺旋状に流入させ、反応容器及び反応容器内の被反応物を冷却した後、空洞の他方に設けた排気口から空気中に排出することを特徴とする簡易型冷却式マイクロ波化学反応装置。
【請求項２】
冷却した気体は液化炭酸ガスボンベから得て気化し生成した低温高圧の炭酸ガスであることを特徴とする特許請求項１の簡易型冷却式マイクロ波化学反応装置。
【請求項３】
冷却した気体はボルテックスチューブを用いて圧縮空気より生成した低温高圧の空気であること特徴とする特許請求項１に記載の簡易型冷却式マイクロ波化学反応装置。
【請求項４】
ノズルに制御弁を備え、一定電力のマイクロ波を照射して反応容器内の被反応物の温度を温度センサで測定すると共に、温度制御装置から所期の設定温度になるように制御弁にて冷媒量を制御することを特徴とする特許請求項１の簡易型冷却式マイクロ波化学反応装置。
【請求項５】
一定量の冷媒を注入させつつ反応容器内の被反応物の温度を温度センサで測定すると共に、温度制御装置から所期の設定温度になるようにマイクロ波信号源の出力を制御することを特徴とする特許請求項１の簡易型冷却式マイクロ波化学反応装置。
【請求項６】
ノズルの設定角度は冷却パイプの穴の面を基準とし、その基準から３０〜４５度冷却部パイプの内側へ傾いた角度であることを特徴とする特許請求項１から５の簡易型冷却式マイクロ波化学反応装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【公開番号】特開２０１１−１５６５２４（Ｐ２０１１−１５６５２４Ａ）
【公開日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−３４０７０（Ｐ２０１０−３４０７０）
【出願日】平成２２年１月２８日（２０１０．１．２８）
【出願人】（５０３２３１４０２）コーナン電子株式会社 (4)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月１８日（２０１１．８．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月２８日（２０１０．１．２８）
【出願人】（５０３２３１４０２）コーナン電子株式会社 (4)
【Ｆターム（参考）】
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