JP5433870B2 - マイクロ波照射装置、及び連結型マイクロ波照射装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波の照射によって大量の被照射材料の処理を可能にするマイクロ波照射装置、及びこれを組み合わせてなる連結型マイクロ波照射装置に関する。

所定の物質にマイクロ波を照射すると該物質の分子の運動が活発化する。このマイクロ波を照射する処理はさまざまな効果を有することが知られている。そこで、マイクロ波処理は有機化学や無機化学、バイオ等の分野で、物質の加熱、殺菌、乾燥、抽出や、有機合成など、幅広い用途で利用されている。

従来のマイクロ波照射装置としては図５に示すようなものが用いられてきた（特許文献１参照）。具体的には、まず被照射材料はポンプ４０２によりセラミック等の誘電性材料からなる反応管４０４へと送られる。また、マイクロ波はマイクロ波照射源４０６で発生し、導波管４０８内を通過して反応管４０４の周囲に設けられた加熱装置４１０に至る。その結果、マイクロ波は誘電性材料を透過し、反応管４０４内に存在する被照射材料はマイクロ波による照射を受ける。さらにマイクロ波は加熱装置４１０内で乱反射するため、被照射材料に均一に照射されることとなる。

また、高温高圧下での反応を可能とした別の構成のマイクロ波照射装置も存在する（特許文献２及び特許文献３参照）。
特開昭６１−０１９０９８号公報 特開２００２−１１３３４９号公報 特開２００７−３２６０１３号公報

しかしながら、従来のマイクロ波照射装置の構造は複雑であり、定期的に行うメンテナンスに多大な負担を要していた。特に、マイクロ波を透過するために用いられる誘電性材料の交換には多大な時間とコストを要していた。また、メンテナンス中はマイクロ波照射装置を使用することはできず、実施工程全体が中断してしまう不都合があった。誘電性材料からなる管をマイクロ波照射装置に用いる場合には、反応時の温度・圧力には上限を設けることにより前記問題を解決せざるをえない実情があった。したがって、高温や高圧、減圧、真空などの厳しい条件の下での反応の実行が可能であり、前記メンテナンスの問題を解消するマイクロ波照射装置の提供が望まれていた。

特許文献２及び特許文献３に示されたマイクロ波照射装置は、誘電性材料をマイクロ波が透過する部分に用いている。マイクロ波照射装置の前記部分が故障した場合には、装置を分解して修理しなければならなかったため、修理はたいへん困難であった。また、反応容器と導波管は一体のものとして製造されているため、マイクロ波の透過性を変更することは容易ではなく、例えばユーザがマイクロ波の透過量を変更して反応条件を最適化したいと望むときに対応できないことがあった。

また、ユーザがマイクロ波処理量を増やしたいと希望する場合には、新たなマイクロ波照射装置全体を購入するしか選択肢がなく、経済的ではなかった。

以上の問題点に鑑みて、本発明のマイクロ波照射装置は、高温や高圧、減圧、真空などの厳しい条件の下でのマイクロ波処理を実現し、短時間でのメンテナンス、マイクロ波透過性の最適化、マイクロ波照射装置の増設等、ユーザの多様なニーズに柔軟かつ迅速に対応することが可能なマイクロ波照射装置を提供することを目的とする。

本発明のマイクロ波照射装置は、マイクロ波照射源を含む照射手段と、被照射材料を受容させる容器を備えている。この容器は、被照射材料を容器へ供給する供給手段と被照射材料を容器から排出する排出手段と照射手段から照射されたマイクロ波を誘電性材料を介して容器内へと透過させるマイクロ波受波部とを有している。容器内部と外部雰囲気との間には、非誘電性材料により構成される層が少なくとも１つ配設される。さらに、照射手段と容器とが着脱可能に接続する。

また、本発明のマイクロ波照射装置は、誘電性材料と板状部材とが、容器のマイクロ波受波部の開口方向に積層する。

また、本発明のマイクロ波照射装置は、少なくとも２枚以上の板状部材で前記誘電性材料を挟持し、マイクロ波の透過量を調整する。

また、本発明のマイクロ波照射装置は、誘電性材料は石英ガラス、テフロン、セラミックス、アルミナ、サファイア及びダイヤモンドからなる群より選ばれた１種若しくは２種以上の物質から構成することができ、並びに／又は非誘電性材料はステンレス、アルミニウム、チタン、ニッケル、金及び銀からなる群より選ばれた１種若しくは２種以上の物質から構成することができる。

また、本発明の連結型マイクロ波照射装置は、本発明のマイクロ波照射装置を２つ以上組み合わせてなるものであって、前記２つ以上のマイクロ波照射装置のうち一のマイクロ波照射装置における排出手段と該マイクロ波照射装置に隣接する他のマイクロ波照射装置における供給手段とが相互に着脱可能な構造を有し、排出手段と供給手段とが連結されたときにそれぞれのマイクロ波照射装置の容器が一体として被照射材料の流路を形成するものである。

本発明のマイクロ波照射装置は、反応が起こる容器内部と外部雰囲気との間に非誘電性材料により構成される層を少なくとも１つ配設されており、マイクロ波が外部雰囲気へ漏れることを防いでいる。また、高温や高圧、減圧、真空などの厳しい条件の反応にも耐えることができるため、従来のマイクロ波照射装置よりも幅の広い用途に適応することが可能である。また、誘電性材料を有するマイクロ波受波部のメンテナンスは、容器から照射手段を取り外すことで容易かつ迅速に行うことができる。

また、本発明のマイクロ波照射装置のマイクロ波受波部は、誘電性材料と板状部材とが積層して構成されることで、一体型のマイクロ波受波部に比べ容易に製造することができる。また、板状部材の透過性を調整することで、被照射材料が受けるマイクロ波の透過量の変更が容易となる。さらに、さまざまな性質を持つ板状部材を予め準備しておけば、板状部材を交換するだけで反応条件を最適化することができるため、ユーザの要求に柔軟に対応することができる。板状部材の交換は、容器から照射手段を取り外すことで容易かつ迅速に行うことが可能である。

さらに、本発明のマイクロ波照射装置は、少なくとも２枚以上の板状部材を用いることで、マイクロ波の透過性の精密な調整が可能になる。さらに、板状部材で誘電性材料を挟持することで、照射手段と容器との着脱に際し、前記誘電性材料を傷つける危険性は少なくなる。

また、本発明の連結型マイクロ波照射装置では、ユーザのさまざまなニーズに合わせた装置の提供が可能になる。特に、既に本発明のマイクロ波照射装置を使用しているユーザがマイクロ波の処理量を増やしたいと考えた場合、必要な数のマイクロ波照射装置を追加して購入し、これを連結するだけでよく、装置全体を買い換える必要がないため、非常に経済的である。さらに、各装置同士は着脱可能に連結されているため、メンテナンス時であっても、メンテナンスの対象となる装置だけを取り外しその代わりに新しい装置を連結すれば、装置全体を継続して使用することができる。

次に、本発明を実施するための最良の形態について説明する。以下、図面において示す参照番号は、同一の番号は同一のものを示している。図１は本発明のマイクロ波照射装置１０の略断面図である。マイクロ波照射手段は、概ねマイクロ波照射源１１と導波管１２からなり、導波管１２は容器１４に着脱可能な手段により接続している。また、容器１４は図１紙面上方にマイクロ波受波部１６を有し、このマイクロ波受波部１６は誘電性材料１８により遮蔽されている。さらに、誘電性材料１８は２枚の板状部材２０により挟まれている。そして、容器１４は供給手段としての供給口２２と排出手段としての排出口２４を備える。

ここで、マイクロ波とは電磁波のうち波長の短い部分にあるものをいい、より具体的には周波数３００ＭＨｚ〜３０ＧＨｚにあるものをいう。しかし、マイクロ波とは前記周波数帯に限定されるものではなく、それ以外の周波数のものであってもよい。

マイクロ波照射源１１とはマイクロ波を発生させるものをいい、具体的にはクライストロンやマグネトロン、インパットダイオード、ガンダイオード等を用いることができる。マイクロ波照射源１１は、図１のように導波管１２を介して容器１４のマイクロ波受波部１６に接続していることもあるが、導波管１２を介すことなく直接容器１４のマイクロ波受波部１６に接続することも可能である。

導波管１２とは、マイクロ波照射源で発生したマイクロ波を内部通過させるための管である。導波管１２は、マイクロ波を外部に漏らさないよう、マイクロ波が透過しにくい非誘電性材料で構成されていることが望ましい。導波管１２を構成する材料としては、ステンレス、アルミニウム、チタン、ニッケル、金、銀等を用いることができる。

マイクロ波照射源１１と導波管１２とを主な構成とするマイクロ波照射手段は、容器１４に着脱可能に接続している。この接続方法としては、圧力クランプ等を用いることができる。

容器１４はマイクロ波導波方向（図１紙面上方）にマイクロ波受波部１６を有している。マイクロ波受波部は、誘電性材料１８を介してマイクロ波を容器１４内へと透過させるものである。具体的には、マイクロ波受波部１６は、容器１４のマイクロ波導波方向に設けられた開口を誘電性材料１８で遮蔽するものが挙げられる。

誘電性材料１８とはマイクロ波を透過しやすい性質を持った材料をいい、具体的には、石英ガラス、フッ素樹脂、セラミックス、アルミナ、サファイア、ダイヤモンド等を用いることができる。したがって、導波管１２を通過したマイクロ波は、誘電性材料１８を透過することができるため、マイクロ波受波部１６から容器１４内へ進入する。誘電性材料１８の材質や形状は、マイクロ波照射装置を使用する目的に応じて使用者が自由に選択することができる。導波管１２と容器１４とは着脱可能に接続しているため、誘電性材料１８を最適なものに交換することは容易である。

誘電性材料１８は板状部材２０で挟み込まれている。板状部材２０は、誘電性材料で構成されても非誘電性材料で構成されてもよい。誘電性材料としては石英ガラス、フッ素樹脂、セラミックス、アルミナ、サファイア、ダイヤモンド等を用いることができる。ここで、非誘電性材料からなる板状部材２０は、孔など、マイクロ波が透過できる構成を有している必要がある。板状部材２０を構成する材料は、誘電性材料１８を保護する必要があることから、誘電性材料１８よりも強度に優れるものであることが好ましい。板状部材２０は、誘電性材料１８の片面に積層してもよく、誘電性材料１８を挟持するものであってもよい。しかし、誘電性材料１８を挟持することで誘電性材料１８が保護されるため、マイクロ波照射装置の製造やメンテナンスが容易になる場合がある。また、板状部材２０の材質や形状は、マイクロ波照射装置を使用する目的に応じて使用者が自由に選択することができる。導波管１２と容器１４は着脱可能に接続しているため、板状部材２０を最適なものに交換することは容易である。

容器１４は、内部と外部雰囲気との間に非誘電性材料により構成される層が少なくとも１つ配設されており、マイクロ波の漏れを防ぐ構造を有している。ここで、非誘電性材料とはマイクロ波を透過しにくい性質を持った材料をいい、具体的にはステンレス、アルミニウム、チタン、ニッケル、金、銀等を用いることができる。非誘電性材料により構成される層は少なくとも１つ配設されていればよく、容器１４の外殻は非誘電性材料で構成される層の内部側又は外部雰囲気側に別の層を有する多層構造であってもよい。また、誘電性材料により構成された容器１４の外殻表面に、非誘電性材料により構成される層を被膜することにより配設するものであってもよい。

マイクロ波受波部１６の誘電性材料１８を透過して容器内１４へと侵入したマイクロ波は、被照射材料と接触すると、被照射材料に吸収される。また、被照射材料に接触しなかったマイクロ波は、容器１４の内壁で反射し、容器１４内を進行する。上記のように容器１４は非誘電性材料で構成された層が配設されているため、マイクロ波は容器１４の外部に漏れることはほとんどなく、エネルギーの損失は少ない。

容器１４は供給手段としての供給口２２、及び排出手段としての排出口２４を備える。被照射材料は、ポンプの圧力等によって供給口２２から容器１４内へ供給され、マイクロ波の照射を受けた後で、排出口２４から容器１４外へ排出される。また、供給口２２及び排出口２４の数は限定されず、使用目的に応じた数だけ備えることができる。例えば、２種類以上の被照射材料を混合して用いる場合には、被照射材料の種類と同数の供給口２２を備えておくと被照射材料の混合の割合を供給量により管理することが可能である。また、排出口２４もマイクロ波照射後の処理に応じて、複数備えてもよい。

本発明の連結型マイクロ波照射装置は、前記マイクロ波照射装置１０を着脱可能な手段により連結したものである。着脱可能な連結手段として圧力クランプ等を用いることができる。また、連結するマイクロ波照射装置の数は、ユーザが求めるマイクロ波処理量に応じて自由に設定することができる。

連結型マイクロ波照射装置において、複数のマイクロ波照射源１１からマイクロ波を照射する場合、マイクロ波同士が打ち消しあわないように、マイクロ波照射源１１やマイクロ波受波部を遮蔽する誘電性材料１８等を最適化することが好ましい。

本発明のマイクロ波照射装置及び連結型マイクロ波照射装置は、例えば、有機化学反応の促進や高収率化、穀物残渣や廃木等のバイオマス原料の前処理、食品や医薬品の殺菌、物質の抽出、乾燥など、多彩な用途に用いることができる。

次に、本発明のマイクロ波照射装置及び連結型マイクロ波照射装置を、一例を図２、図３及び図４を参照して、より詳細に説明する。図２は本発明の連結型マイクロ波照射装置１００及びその周辺機器を示したものである。この連結型マイクロ波照射装置１００は本発明のマイクロ波照射装置を３台、すなわち１０ａ、１０ｂ及び１０ｃを連結してなるものである。また、図３は、前記連結型マイクロ波照射装置１００における部分断面図（紙面垂直方向視）である。また、図４は、前記連結型マイクロ波照射装置１００の中央に設けられたマイクロ波照射装置１０ｂにおける部分断面図（紙面垂直方向視）である。

まず、図２を参照し、マイクロ波照射手段に該当する部分の構成を説明する。マイクロ波照射源１１は導波管１２の一端１２ａに接続している。導波管１２の他端１２ｂは容器１４ｂに接続している。また、導波管１２にはパワーモニタ１１８が備え付けられており、導波管１２内に進入したマイクロ波の電力の測定を行う。

ここで、図４を参照し、導波管１２と容器１４ｂとの接続部分を説明する。導波管１２は容器側端１２ｂにエッジ３０２を有する。エッジ３０２は径方向に突出する形状であり、導波管１２の一部として一体に形成されている。一方、容器１４ｂもマイクロ波受波部１６の上方にエッジ３０６を有している。エッジ３０６も径方向に突出する形状である。ここで、導波管１２側エッジ３０２は接合部３０３を有し、一方で容器１４ｂ側エッジ３０６も接合部３０７を有しており、両エッジは接合部同士が嵌合可能に形成されている。また、容器１４ｂ側のエッジ３０６の接合部３０７には溝３０９が設けられ、この溝３０９には環状の弾性部材３０８、例えばＯリングが挿入されている。このようにして、エッジ３０２、３０６同士を組み合わせたときに生ずる僅かな隙間を塞ぎ、マイクロ波が装置外部へ漏れ出すことを防いでいる。また、エッジ３０２、３０６同士を組み合わせる際には、さらに外側から圧力クランプ３１０をエッジの外側突出部３１１に嵌め込む。その結果、エッジ３０２、３０６が上下方向に当接し、導波管１２と容器１４ｂとが固定されることとなる。また、圧力クランプ３１０は容易に取り外すことができるため、導波管１２と容器１４ｂとの接続は着脱可能であるといえる。

容器１４ｂのマイクロ波受波部１６は誘電性材料であるガラス１８により遮蔽されている。容器１４ｂはガラスハウジング部３１３を有し、ガラス１８はガラスハウジング部３１３内に収められている。さらに、ガラス１８は、板状部材であるポリテトラフルオロエチレン製のガスケット２０ａ、２０ｂにより挟み込まれている。ここで、マイクロ波受波部１６は突出部３１５を有しているため、マイクロ波受波部１６の径は、ガラス１８及びガスケット２０ａ、２０ｂの径よりも小さい。したがって、突出部３１５がガラス１８及びガスケット２０ａ、２０ｂを担持する。その結果、ガラス１８及びガスケット２０ａ、２０ｂが容器１４ｂ内へ落下することを防止している。

また、ガラス１８の上側にあるガスケット２０ａにはスペーサ３１６が接触している。導波管１２と容器１４ｂを固定する圧力はスペーサ３１６を介して上側ガスケット２０ａ、ガラス１８、下側ガスケット２０ｂに伝えられる。一方、下側ガスケット２０ｂは突出部３１５に接触しているため、前記圧力に対する反作用力が、下側ガスケット２０ｂ、ガラス１８、上側ガスケット２０ａに伝えられる。したがって、ガラス１８とガスケット２０ａ、２０ｂとは、特別な接着手段を用いなくとも上下方向に固定される。また、マイクロ波処理が高圧又は減圧、真空等の厳しい条件下で行われる場合であっても、容器１４ｂ側又は導波管１２側からの圧力に耐えることができる。さらに、ガスケット２０ａ、２０ｂはガラス１８よりも強度に優れるため、ガラス１８はガスケット２０ａ、２０ｂにより保護されている。

また、ガラスハウジング部３１３の内壁には、周囲方向に溝３１７が設けられている。溝３１７には環状の弾性部材３１８が挿入されており、マイクロ波の漏れを防止している。

容器１４ｂは供給口２２ｂと排出口２４ｂをそれぞれ１つずつ備えている。供給口２２ｂはエッジ３２１を有する。エッジ３２１は径方向に突出する形状である。一方、図４の紙面上では左側のマイクロ波照射装置１０ａの排出口２４ａもエッジ３２５を有している。エッジ３２５も、径方向に突出する形状である。ここで、供給口２２ｂ側エッジ３２１は接合部３２０を有し、一方で排出口２４ａ側エッジ３２５は接合部３２３を有しており、両エッジは接合部同士で嵌合可能に形成されている。また、排出口２４ａのエッジ３２５の接合部３２３には溝３２７が設けられ、この溝３２７には環状の弾性部材３２６、例えばＯリングが挿入されている。このようにして、エッジ３２１、３２５同士を組み合わせたときに生ずる僅かな隙間を塞ぎ、マイクロ波及び被照射材料が容器１４ａ、１４ｂ外部に漏れ出すことを防いでいる。また、エッジ３２１、３２５同士を組み合わせる際には、さらに外側から圧力クランプ３２８をエッジの外側突出部３２９に嵌め込む。その結果、エッジ３２１、３２５が左右方向に当接し、容器１４ａと容器１４ｂとが固定されることとなる。また、圧力クランプ３２８は容易に取り外すことができるため、容器１４ａと容器１４ｂとの連結は着脱可能であるといえる。

排出口２４ｂは、図４の紙面上では右のマイクロ波照射装置１０ｃの供給口２２ｃと連結している。すなわち、排出口２４ｂは、マイクロ波照射装置１０ａの排出口２４ａに相当し、供給口２２ｃは、マイクロ波照射装置１０ｂの供給口２２ｂに相当する。したがって、排出口２４ｂと供給口２２ｃは、排出口２４ａと供給口２２ｂとの前記連結方法と同様の方法により着脱可能に連結されている。

ここで、再び図２を参照し、被照射材料を供給する構造について詳細に説明する。被照射材料は原料槽１０２に投入される。さらに、被照射材料は原料槽１０２内で原料撹拌器１０４により均一に混合された後で供給ポンプ１０６へ送られる。さらに、供給ポンプ１０６へ送られた被照射材料は、供給管１０８を通り、反応管２０２内部に到達する。

ここで、図３を参照し、被照射材料にマイクロ波を照射する段階について詳細に説明する。反応管２０２は、反応前室２０４と３台のマイクロ波照射装置の容器１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、及び反応後室２０５で構成されている。供給管１０８を通過した被照射材料は、反応前室２０４に到達する。また、反応管２０２内部の軸方向には反応撹拌棒２１０が配置されている。この反応撹拌棒２１０には軸方向に複数の羽根が配列されている。これらの羽根は、反応撹拌棒２１０を回転したときにスクリュー効果を発揮するものである。そのため、反応撹拌器１１０のモーターにより反応撹拌棒２１０を回転させると、被照射材料は均一に混合されながら、図３の紙面上で左から右へと搬送される。３台のマイクロ波照射装置１０ａ、１０ｂ、１０ｃのマイクロ波照射手段からマイクロ波が照射される。容器１４ａ、１４ｂ、１４ｃには温度計が備え付けられており、反応管２０２内部の温度が逐次管理されている。マイクロ波照射を受けた被照射材料は反応後室２０５へと送られる。

ここで、再び図２を参照し、被照射材料が連結型マイクロ波照射装置１００から排出される段階について詳細に説明する。反応後室２０５へ送られた被照射材料はコントロール弁２０４から装置外部へ排出される。コントロール弁２０４には、圧力調整器２１４が接続しており、反応管２０２内の空気圧を調整する。

さらに、図２を参照して、連結型マイクロ波照射装置１００全体の制御について概説する。連結型マイクロ波照射装置の制御は、システム制御パネル１２０とマイクロ波制御パネル１２２が担っている。システム制御パネル１２０は、原料撹拌機１０４、供給ポンプ１０６、反応撹拌機１１０、及び圧力調整器２１４の制御を行う。反応管内の温度は温度計により測定され、その結果はシステム制御パネル１２０に伝えられる。また、マイクロ波制御パネル１２２は、マイクロ波照射源１１の制御を行う。パワーモニタ１１８の測定結果は、マイクロ波制御パネル１２２に伝えられる。システム制御パネル１２０とマイクロ波制御パネル１２２は相互に情報を交換し、連結型マイクロ波照射装置が適切に作動するように制御する。

以上、本発明のマイクロ波照射装置、及び連結型マイクロ波照射装置についての実施形態を説明してきたが、ここで示された実施形態は本発明の一例に過ぎず、特許請求の範囲の精神及び教示を逸脱しない範囲で他の実施形態が存在することは当業者に容易に理解できよう。例えば、連結型マイクロ波照射装置が３台以上のマイクロ波照射装置から構成されてもよく、各マイクロ波照射装置の導波管を用いずマイクロ波照射源と容器とが直接接続されているものであってもよい。

本発明のマイクロ波照射装置の略断面図である。 本発明の連結型マイクロ波照射装置及びその周辺機器の概略図である。 図２に示された連結型マイクロ波照射装置の部分断面図である。 図２に示された連結型マイクロ波照射装置を構成するマイクロ波照射装置のうち、中央に設けられたマイクロ波照射装置の部分断面図である。 従来のマイクロ波照射装置の概略図である。

１０：マイクロ波照射装置
１１：マイクロ波照射源
１２：導波管
１４：容器
１６：マイクロ波受波部
１８：誘電性材料
２０：板状部材
２２：供給口
２４：排出口
１００：連結型マイクロ波照射装置

Claims (3)

1. マイクロ波の照射によって被照射材料を処理するマイクロ波照射装置であって、
   マイクロ波照射源を含む照射手段と、
   被照射材料を受容させる容器とを備え、
   前記容器が、被照射材料を前記容器へ供給する供給手段と
   被照射材料を前記容器から排出する排出手段と
   前記照射手段から照射されたマイクロ波を誘電性材料を介して前記容器内へと透過させるマイクロ波受波部とを有し、
   さらに、前記容器内部と外部雰囲気との間に非誘電性材料により構成される層が少なくとも１つ配設され、
   前記照射手段と前記容器とが着脱可能に接続し、
   前記誘電性材料と板状部材とが、マイクロ波導波方向に積層し、少なくとも２枚以上の前 記板状部材で前記誘電性材料を挟持し、前記マイクロ波の透過量を調整する、
   ことを特徴とするマイクロ波照射装置
2. 前記誘電性材料が石英ガラス、フッ素樹脂、セラミックス、アルミナ、サファイア及びダイヤモンドからなる群より選ばれた１種若しくは２種以上の物質から構成され、並びに／又は前記非誘電性材料がステンレス、アルミニウム、チタン、ニッケル、金及び銀からなる群より選ばれた１種若しくは２種以上の物質から構成される、
   ことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波照射装置
3. 請求項１又は２に記載のマイクロ波照射装置を２つ以上組み合わせてなり、
   前記２つ以上のマイクロ波照射装置のうち一のマイクロ波照射装置における排出手段と、該マイクロ波照射装置に隣接する他のマイクロ波照射装置における供給手段とが、
   相互に着脱可能な構造を有し、
   前記排出手段と前記供給手段とが連結されたときに
   それぞれのマイクロ波照射装置の容器が一体として被照射材料の流路を形成する、
   連結型マイクロ波照射装置

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