マイクロ波加熱装置・誘電率の樫村研究室
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マイクロ波加熱装置の概念図
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マイクロ波加熱装置
仙台に建造されたアスベスト無害化炉(120 kg /hour)
講義資料


近年、SDGsへの取り組みが化学・鉄鋼産業でも高い関心を得ています。
自然と人間の調和的な共生を可能にする新しい科学・技術および社会には、現在の化石資源依存型から光エネルギー依存型への変革が必要です。
特に、素材製造業は二酸化炭素排出量の9割を占めており、これは人類にとって早急に解決しなければならない問題です。

当研究室では、誘電率測定や電磁界シミュレーションをベースとし、
これらの素材製造分野を光エネルギー依存型へ変革することを目的としています。
具体的には、「工業分野でのエネルギー供給問題」に対して化石燃料による火炎からのマイクロ波加熱・光等の電磁場エネルギーへの転換を採用することで解決し、人類が繁栄する上で必須となる基礎素材開発(金属、セラミクス、乾燥、焼結、触媒反応、有機物合成、冶金、焼却灰、バイオマス、燃料電池、炭素材料、薄膜、リサイクル、マイクロ波炉・マイクロ波焼成炉設計、etc.)へ応用を研究しています。
マイクロ波加熱に伴う特殊な連成場(熱場・電場・磁場・流体場)と化学反応場を理解し、
原理究明を持って、プロセス課題の実用化への道筋を示します。
これは、宇宙太陽光発電、核融合などにより得られたクリーンなエネルギー吸収による、環境調和型プロセスの最適化です。

また、再生可能な光エネルギーは電気技術との相性がとても良く、
高い効率で電気エネルギーへと変換する手法が次々と報告されています。
しかし、高いエクセルギーを持つ電気エネルギーを、化学エネルギ―に変換する試みは不充分であるように感じています。
電磁波のもつ高いエクセルギーを有効に利用し、
従来の金属・セラミクス製造法が抱える課題である劣質原料の再利用を解決し、
低温で低炭素排出な新しい素材製造プロセスが提案したいと考えます。
素材製造分野における二酸化炭素排出量を大幅に削減することで、人類の発展に貢献したい。
その上で、プロセスの基礎となる物質とエネルギーの変換ダイナミックスの原理解明にとりくみたい。
そんな志を持って、マイクロ波加熱・電磁プロセシング・吸収の原理究明(特に、マイクロ波効果)に関する研究を推進しています。

環境調和型プロセスイメージ 従来の素材製造プロセスを太陽エネルギー依存型プロセスへ変革することを提案したい。

青矢印は本研究で提案する新しいプロセスへの寄与を示します。これにより全産業の9割を示す素材製造分野における二酸化炭素排出量を大幅に削減できます。

(例えば、製鉄分野における二酸化炭素の理論削減値は、マイクロ波加熱を用いることでおおよそ50%へ削減できます。)

マイクロ波加熱の特徴として, 一般に急速(迅速)加熱, 選択加熱の二つが挙げられます。

例えば, 電子レンジで紅茶を温めた際, 我々は速やかに紅茶を温めることができ、
この急速に物を温められる点は、マイクロ波の持つ特徴のひとつとして広く知られています(急速加熱)。
これを上手に化学反応へ利用すれば、熱伝導率が悪い大きな耐火物でも、
内部まで迅速に温めることができます。

電子レンジで加熱された紅茶はその器となるカップと異なる温度になります(私の経験では, カップの温度は紅茶よりも低いのです)。
これは紅茶の方がカップよりマイクロ波のエネルギーを吸収するために生じる現象です。
これを上手に化学産業に利用すれば、
加熱された物質も内部にμmオーダーの微小な領域に数十〜数百度もの温度差を形成することができます。
これまで, この非平衡温度場は, プロセス設計におけるデメリットとして認識されてきました。
しかし, 1999年, この非平衡場を用いた革新的な金属焼結がRoyらのグループより報告され、
この報告を皮切りに微小領域での非平衡状態が広く注目されるようになりました。

現在では, 我が国においても, こうしたマイクロ波のもつ特徴(急速加熱・選択加熱性)が学術原理として広く認識され,
 積極的に材料プロセスに応用していく流れが形成されつつあります。
電磁加熱を用いた化学・高温プロセスが次々と報告されている機運が生まれつつあります。
当研究室では、これらの高温プロセスに材料屋の視点で貢献したいと考えています。
 

マイクロ波加熱装置にも大きな進歩がありました。
発振器では、従来のマグネトロン方式から半導体方式への転換が試みられています。
電磁設計では、加熱に適したマイクロ波照射が研究・報告されています。
周波数では、材料吸収やプロセス構築に適した周波数選択が試みられています。
当研究室では、化学反応の原理究明から発振器、加熱容器、プロセス構築までを行ってきました。

私たちのラボではマイクロ波加熱による化学合成に適した装置を開発してきました。
現在、マイクロ波加熱装置の価格は減少傾向にあります。
この価格の減少は、安価な半導体発振器の登場によるところが大きいのですが、
それでも、およそ200-400万程度の予算が必要です。
私たちはこれを低価格にする装置の改造・自作技術を研究してきました。
高温における誘電率や透磁率の取得し、
対象となる化学反応の原理を究明し、
計算科学を有効に利用することで、
装置改造のコストダウンを試みます。
スケールアップへ挑戦するために、化学反応への最適化研究にも多く従事してきました。

マイクロ波加熱プロセスにおける全工程の研究を、
一つの研究室が実行することで、
各工程を考慮した要素開発が可能になります。
その結果、様々なマイクロ波加熱装置のスケールアップ研究を達成してきました。

マイクロ波製鉄で採用されたマイクロ波加熱装置
建造されたマイクロ波製鉄炉です。
日産160 kgのスケールで銑鉄を製造できます。
この炉は30kW クライストロン 4基で大出力の電磁照射を実現しています。
誘電率の温度特性を計測することで、合理的なマイクロ波照射を達成しました。

詳細は以下。
K. Kashimura et al.: Chemical Engineering & Processing, 76 (2014) 1– 5
K. Nagata et al.: Journal of the Technical Association of Refractories Japan, 34 [2] (2014) 66-73
マイクロ波加熱装置


当研究室では、誘電率測定や電磁界シミュレーションをベースとし、
熱プラズマ・電磁波を「エネルギー」として取り入れて金属・セラミクス製造分野へ応用し、 工業化を見通せる大型の原理実証を行い、各分野の炭酸ガス排出量の削減・循環型資源によるプロセス構築を行なってきました。
誘電率から算出される計算工学をベースに、高温プロセスを実現できるマイクロ波加熱装置を設計してきました。

排出量割合の大きい鉄鋼、化学工業、廃棄処理などに焦点を絞り、それぞれの低炭素排出化、省資源・省エネルギー化、高速化等の工学的解を得ています。
太陽光由来の再生可能エネルギーを利用するためには、電気を化学プラントの熱源とする研究が必要不可欠です。
電磁、マイクロ波加熱は有力な候補であるので、
これら新しい火力の適切な化学・高温プロセス開発(金属、セラミクス、触媒反応、乾燥、焼結、有機物合成、冶金、焼却灰、バイオマス、燃料電池、炭素材料、薄膜、リサイクル、マイクロ波炉・マイクロ波焼成炉設計、etc.)への運用法を研究しています。


各分野における二酸化炭素排出量(H.19 環境省発表資料)。

この図から、製鉄分野・化学工業の炭酸ガス排出量が多いことが特徴として読み取れるので、
これらを半減すれば、我が国の二酸化炭素排出を大幅に削減することができることがわかります。
マイクロ波加熱を用いることで、冶金・化学・材料分野の酸素放出量を削減することが当研究室のモチベーションです。

マイクロ波加熱による化学・高温プロセスを構築するために、
原理(特に、マイクロ波効果)を究明し、
必要な物性値(吸収、誘電率、透磁率、etc.)の計測、産業化へ直結する装置開発へ発展させる、
これら一連の研究に取り組んでいます。
我が国のCO2排出の内訳


中部大学 准教授 / 樫村京一郎


愛知県春日井市松本町 1200
TEL 0568-51-8420 E-Mail kashimura (アットマーク) isc.chubu.ac.jp
http://www.isc.chubu.ac.jp/kashimura/

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