(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-04-20
(45)【発行日】2022-04-28
(54)【発明の名称】赤外線処理装置
(51)【国際特許分類】
B01J 19/12 20060101AFI20220421BHJP
H05B 3/10 20060101ALI20220421BHJP
H05B 3/44 20060101ALI20220421BHJP
【ＦＩ】
B01J19/12 C
H05B3/10 B
H05B3/44
【請求項の数】
9
(21)【出願番号】P 2019527720
(86)(22)【出願日】2018-07-03
(86)【国際出願番号】 JP2018025204
(87)【国際公開番号】W WO2019009288
(87)【国際公開日】2019-01-10
【審査請求日】2020-04-16
(31)【優先権主張番号】P 2017131628
(32)【優先日】2017-07-05
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】000004064
【氏名又は名称】日本碍子株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】110000017
【氏名又は名称】特許業務法人アイテック国際特許事務所
(72)【発明者】
【氏名】青木 道郎
【審査官】河野 隆一朗
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１６－０３１８１６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－１９８０６３（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１５／０２２８５７（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開２０１５－１６９８０２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００８－０８２５７１（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００９－０９９２５９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開昭６２－０６１２８６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１３－２０６６０６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１７－０５４６６４（ＪＰ，Ａ）
【文献】国際公開第２０１７／１６３９８６（ＷＯ，Ａ１）
【文献】特開昭６３－０７１８０５（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｂ０１Ｊ １９／００
Ｂ０１Ｊ １９／１２
Ｈ０５Ｂ ３／１０
Ｈ０５Ｂ ３／４４
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
発熱体と、前記発熱体から熱エネルギーを入力すると非プランク分布の最大ピークを有し且つ該最大ピークのピーク波長が２μｍ以上７μｍ以下である赤外線を放射可能なメタマテリアル構造体と、を備えた赤外線ヒータと、前記赤外線ヒータを囲んでおり、Ｃ－Ｆ結合を有するフッ素系材料を含み、前記ピーク波長の赤外線を透過する内管と、
前記内管を囲み、前記内管との間に処理対象物が流通可能な対象物流路を形成する外管と、
を備えた赤外線処理装置。
【請求項2】
前記Ｃ－Ｆ結合を有するフッ素系材料は、フッ素樹脂である、請求項１に記載の赤外線処理装置。
【請求項3】
請求項１又は２に記載の赤外線処理装置であって、前記発熱体から見て前記外管よりも外側に配設され、前記ピーク波長の赤外線を反射する反射体、
を備え、
前記外管は、前記ピーク波長の赤外線を透過する、
赤外線処理装置。
【請求項4】
前記反射体は、前記外管の外周面に配設されている、請求項３に記載の赤外線処理装置。
【請求項5】
前記外管は、内周面の少なくとも一部が前記ピーク波長の赤外線を反射する反射面となっているか、又は該内周面の少なくとも一部に前記ピーク波長の赤外線を反射する反射体を有する、請求項１～４のいずれか１項に記載の赤外線処理装置。
【請求項6】
前記内管は、前記発熱体の配置された内部空間が減圧可能である、請求項１～５のいずれか１項に記載の赤外線処理装置。
【請求項7】
請求項１～６のいずれか１項に記載の赤外線処理装置であって、前記外管の内側に配設され前記内管を囲み、Ｃ－Ｆ結合を有するフッ素系材料とフッ化カルシウムとの少なくともいずれかを含み、前記ピーク波長の赤外線を透過する透過管、
を備え、
前記対象物流路は、前記透過管と前記外管との間に形成されており、
前記内管と前記透過管との間には、冷媒が流通可能な冷媒流路が形成されている、
赤外線処理装置。
【請求項8】
前記最大ピークの前記ピーク波長が３．５μｍ超過７μｍ以下である、請求項１～７のいずれか１項に記載の赤外線処理装置。
【請求項9】
前記メタマテリアル構造体は、前記発熱体側から順に、第１導体層と、該第１導体層に接合された誘電体層と、各々が前記誘電体層に接合され互いに離間して周期的に配置された複数の個別導体層を有する第２導体層と、を備える、請求項１～８のいずれか１項に記載の赤外線処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、赤外線処理装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、紫外線ランプと、紫外線ランプを囲む石英ガラス製の保護管と、保護管を囲む外周容器と、を備えた殺菌装置が知られている（例えば、特許文献１）。この殺菌装置は、保護管と外周容器との間を流れる水溶液に紫外線を供給して、水溶液の殺菌を行う。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【文献】特開２００８－１６８２１２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
発明者は、赤外線を放射して処理対象物の赤外線処理を行うにあたり、上記のような紫外線を用いた殺菌装置の構成を利用することを考えた。しかし、特許文献１では保護管として石英ガラスが使用されている。石英ガラスは波長３．５μｍを超える赤外線を吸収してしまうため、赤外線処理に適さない場合があった。
【0005】
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、処理対象物の赤外線処理を効率よく行うことを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明は、上述した主目的を達成するために以下の手段を採った。
【0007】
本発明の赤外線処理装置は、
発熱体と、前記発熱体から熱エネルギーを入力すると非プランク分布の最大ピークを有し且つ該最大ピークのピーク波長が２μｍ以上７μｍ以下である赤外線を放射可能なメタマテリアル構造体と、を備えた赤外線ヒータと、
前記赤外線ヒータを囲んでおり、Ｃ－Ｆ結合を有するフッ素系材料とフッ化カルシウムとの少なくともいずれかを含み、前記ピーク波長の赤外線を透過する内管と、
前記内管を囲み、前記内管との間に処理対象物が流通可能な対象物流路を形成する外管と、
を備えたものである。
発熱体と、前記発熱体から熱エネルギーを入力すると非プランク分布の最大ピークを有し且つ該最大ピークのピーク波長が２μｍ以上７μｍ以下である赤外線を放射可能なメタマテリアル構造体と、を備えた赤外線ヒータと、
前記赤外線ヒータを囲んでおり、Ｃ－Ｆ結合を有するフッ素系材料とフッ化カルシウムとの少なくともいずれかを含み、前記ピーク波長の赤外線を透過する内管と、
前記内管を囲み、前記内管との間に処理対象物が流通可能な対象物流路を形成する外管と、
を備えたものである。
【0008】
この赤外線処理装置では、メタマテリアル構造体を備えた赤外線ヒータが、非プランク分布の最大ピークを有し、且つその最大ピークのピーク波長が２μｍ以上７μｍ以下である赤外線を放射する。そして、この赤外線が対象物流路内を流通する処理対象物に放射されることで、この赤外線処理装置は処理対象物の赤外線処理を行う。そして、赤外線ヒータと対象物流路との間に配設された内管は、Ｃ－Ｆ結合を有するフッ素系材料とフッ化カルシウムとの少なくともいずれかを含んでおり、最大ピークのピーク波長の赤外線を透過する。Ｃ－Ｆ結合は、波長２μｍ～７μｍ付近に赤外線の吸収ピークがないため、Ｃ－Ｆ結合を有するフッ素系材料は、最大ピークのピーク波長の赤外線の吸収率が比較的低い。また、フッ化カルシウムは、波長２μｍ～７μｍの範囲では赤外線の透過率が比較的高いため、最大ピークのピーク波長の赤外線の吸収率が比較的低い。そのため、内管は最大ピーク付近の波長の赤外線の処理対象物への到達を妨げにくい。したがって、この赤外線処理装置は、処理対象物の赤外線処理を効率よく行うことができる。ここで、「赤外線処理」は、赤外線を用いた処理対象物の処理であればよく、例えば加熱処理，化学反応させる処理などを含む。また、「処理対象物」は、対象物流路内を流通可能な物体であればよく、基本的には流体である。処理対象物は、液体でもよいし気体でもよい。処理対象物は、対象物流路内を流通可能であれば、固体の粒子を含む流体（液体又は気体）であってもよい。
【0009】
本発明の赤外線処理装置において、前記内管が前記ピーク波長の赤外線を透過する赤外線透過部材を備えており、該赤外線透過部材がＣ－Ｆ結合を有するフッ素系材料とフッ化カルシウムとの少なくともいずれかを含んでいてもよい。すなわち、本発明の赤外線処理装置において、Ｃ－Ｆ結合を有するフッ素系材料とフッ化カルシウムとの少なくともいずれかを含んでいるのが内管全体である必要はなく、内管の一部の部材であってもよい。
【0010】
本発明の赤外線処理装置において、前記内管は、Ｃ－Ｆ結合を有するフッ素系材料を主成分としてもよい。前記内管は、Ｃ－Ｆ結合を有するフッ素系材料と不可避的不純物とで構成されていてもよい。前記内管は、Ｃ－Ｆ結合を有するフッ素系材料のみで構成されていてもよい。前記内管は、前記メタマテリアル構造体の最大ピークのピーク波長の赤外線の透過率が７５％以上であることが好ましく、８０％以上であることがより好ましく、８５％以上であることがさらに好ましく、９０％以上であることが一層好ましい。
【0011】
本発明の赤外線処理装置において、前記Ｃ－Ｆ結合を有するフッ素系材料は、フッ素樹脂であってもよい。フッ素樹脂は、エーテル結合を有してもよいし、エーテル結合を有さなくてもよい。フッ素樹脂は、Ｃ，Ｆ，Ｈ，及びＯ以外の原子を有さなくてもよいし、Ｃ，Ｆ，及びＨ以外の原子を有さなくてもよいし、Ｃ及びＦ以外の原子を有さなくてもよい。フッ素樹脂の具体例としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、及びエチレン四フッ化エチレン共重合体（エチレン－テトラフルオロエチレン共重合体，ＥＴＦＥ）などが挙げられる。
【0012】
本発明の赤外線処理装置は、前記発熱体から見て前記外管よりも外側に配設され、前記ピーク波長の赤外線を反射する反射体、を備え、前記外管は、前記ピーク波長の赤外線を透過してもよい。こうすれば、反射体が、赤外線ヒータから放射されて内管，処理対象物，及び外管を透過したピーク波長の赤外線を処理対象物側に反射するため、赤外線処理をより効率よく行うことができる。この場合において、前記反射体は、前記外管の外周面に配設されていてもよい。
【0013】
本発明の赤外線処理装置において、前記外管は、内周面の少なくとも一部が前記ピーク波長の赤外線を反射する反射面となっているか、又は該内周面の少なくとも一部に前記ピーク波長の赤外線を反射する反射体を有していてもよい。こうすれば、外管が、赤外線ヒータから放射されて内管及び処理対象物を透過したピーク波長の赤外線を処理対象物側に反射するため、赤外線処理をより効率よく行うことができる。
【0014】
本発明の赤外線処理装置において、前記内管は、前記発熱体の配置された内部空間が減圧可能であってもよい。こうすれば、内部空間が減圧された状態で赤外線処理を行うことで、例えば内部空間が常圧の場合と比較して、赤外線ヒータから内部空間内への対流熱伝達が少なくなり、対流損失を抑制できる。したがって、赤外線処理をより効率よく行うことができる。
【0015】
本発明の赤外線処理装置は、前記外管の内側に配設され前記内管を囲み、Ｃ－Ｆ結合を有するフッ素系材料とフッ化カルシウムとの少なくともいずれかを含み、前記ピーク波長の赤外線を透過する透過管、を備え、前記対象物流路は、前記透過管と前記外管との間に形成されており、前記内管と前記透過管との間には、冷媒が流通可能な冷媒流路が形成されていてもよい。こうすれば、冷媒流路に冷媒を流すことにより、処理対象物，内管及び透過管の少なくともいずれかの過熱を抑制できる。
【0016】
本発明の赤外線処理装置において、前記最大ピークの前記ピーク波長が３．５μｍ超過７μｍ以下であってもよい。メタマテリアル構造体が放射する赤外線の最大ピークのピーク波長が３．５μｍ超過である場合、内管として例えば石英ガラスを用いると効率よく赤外線処理を行うことができない。そのため、内管としてＣ－Ｆ結合を有するフッ素系材料を用いる意義が高い。この場合において、前記最大ピークの前記ピーク波長は、４μｍ以上としてもよいし、５μｍ以上としてもよいし、６μｍ以上としてもよい。また、前記最大ピークの前記ピーク波長は、６μｍ以下としてもよいし、５μｍ以下としてもよい。
【0017】
本発明の赤外線処理装置において、前記メタマテリアル構造体は、前記発熱体側から順に、第１導体層と、該第１導体層に接合された誘電体層と、各々が前記誘電体層に接合され互いに離間して周期的に配置された複数の個別導体層を有する第２導体層と、を備えていてもよい。
【0018】
本発明の赤外線処理装置において、前記メタマテリアル構造体は、少なくとも表面が導体からなり互いに離間して周期的に配置された複数のマイクロキャビティを備えていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【0019】
【図1】赤外線処理装置１０の説明図。
【図3】第１メタマテリアル構造体３０ａの部分底面図。
【図4】ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の赤外線透過スペクトルの一例を示すグラフ。
【図5】変形例の赤外線処理装置１１０の断面図。
【図6】変形例の赤外線処理装置２１０の断面図。
【図7】変形例の赤外線処理装置３１０の断面図。
【図8】変形例の赤外線ヒータ２０の部分断面図。
【図9】変形例の第１メタマテリアル構造体４３０ａの部分底面斜視図。
【図10】ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）フィルムの赤外線透過スペクトルを示すグラフ。
【図11】パーフルオロアルコキシアルカン（ＰＦＡ）フィルムの赤外線透過スペクトルを示すグラフ。
【図12】輻射型ヒータから放射されＰＴＦＥフィルムを透過した後の赤外線の放射強度を示すグラフ。
【図13】輻射型ヒータから放射されＰＦＡフィルムを透過した後の赤外線の放射強度を示すグラフ。
【図14】輻射型ヒータから放射されポリエチレンテレフタラート（ＰＥＴ）フィルムを透過した後の赤外線の放射強度を示すグラフ。
【図15】輻射型ヒータから放射されポリイミド（ＰＩ）フィルムを透過した後の赤外線の放射強度を示すグラフ。
【図16】変形例の赤外線処理装置５１０の説明図。
【発明を実施するための形態】
【0020】
次に、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。図１は、本発明の一実施形態である赤外線処理装置１０の説明図である。図２は、図１のＡ－Ａ断面図である。図３は、第１メタマテリアル構造体３０ａの部分底面図である。本実施形態において、上下方向，左右方向及び前後方向は、図１～３に示した通りとする。
【0021】
赤外線処理装置１０は、赤外線ヒータ２０と、赤外線ヒータ２０を囲む内管４０と、内管４０を囲む外管５０と、外管５０の外周面に配設された反射体５５と、外管５０の前後の両端に気密に嵌め込まれた有底筒状のキャップ６０，６０と、を備えている。また、赤外線処理装置１０は、内管４０の内側に形成された内部空間４２と、内管４０と外管５０との間に形成された対象物流路５２と、を備えている。赤外線処理装置１０は、対象物流路５２を流通する処理対象物に対して赤外線ヒータ２０からの赤外線を放射して、処理対象物の赤外線処理を行う。
【0022】
赤外線ヒータ２０は、内管４０の内部空間４２内に配置されている。赤外線ヒータ２０は、本実施形態では長手方向が前後方向に沿った略直方体形状をしている。赤外線ヒータ２０は、図１の拡大図に示すように、発熱部２２と、発熱部２２の上方及び下方にそれぞれ配置された第１，第２支持基板２５ａ，２５ｂと、第１，第２メタマテリアル構造体３０ａ，３０ｂを有するメタマテリアル構造体３０と、を備えている。
【0023】
発熱部２２は、いわゆる面状ヒーターとして構成されており、長手方向が前後方向に沿った平板状の形状をしている。発熱部２２は、線状の部材をジグザグに湾曲させた発熱体２３と、発熱体２３に接触して発熱体２３の周囲を覆う絶縁体である保護部材２４とを備えている。発熱体２３の材質としては、例えばＷ，Ｍｏ，Ｔａ，Ｆｅ－Ｃｒ－Ａｌ合金及びＮｉ－Ｃｒ合金などが挙げられる。保護部材２４の材質としては、例えばポリイミドなどの絶縁性の樹脂やセラミックス等が挙げられる。発熱体２３の両端には一対の電気配線５７が取り付けられている。電気配線５７は、キャップ６０を貫通して気密に赤外線処理装置１０の外部へ引き出され、図示しない電力供給源に接続される。発熱部２２は、絶縁体にリボン状の発熱体を巻き付けた構成の面状ヒーターとしてもよい。発熱体２３は、ジグザグに湾曲されず赤外線ヒータ２０の長手方向（ここでは前後方向）に一直線に延びる形状としてもよい。
【0024】
第１支持基板２５ａは、発熱部２２の上側に配置された平板状の部材である。第１支持基板２５ａの材質としては、例えばＳｉウェハ、ガラスなどのように、平滑面が維持しやすく、耐熱性が高く、熱反りが低い素材が挙げられる。本実施形態では、第１支持基板２５ａはＳｉウェハとした。第１支持基板２５ａは、本実施形態のように発熱部２２の上面に接触していてもよいし、接触せず空間を介して発熱部２２と上下に離間して配設されていてもよい。第１支持基板２５ａと発熱部２２とが接触している場合には両者は接合されていてもよい。第２支持基板２５ｂは、発熱部２２の下側に配置されている点以外は第１支持基板２５ａと同様であるため、詳細な説明を省略する。
【0025】
メタマテリアル構造体３０は、発熱体２３及び第１支持基板２５ａの上方に配設された板状の第１メタマテリアル構造体３０ａと、発熱体２３及び第２支持基板２５ｂの下方に配設された板状の第２メタマテリアル構造体３０ｂと、を備えている。第１，第２メタマテリアル構造体３０ａ，３０ｂは、第１，第２支持基板２５ａ，２５ｂと直接接合されていてもよいし、図示しない接着層を介して接合されていてもよい。第１メタマテリアル構造体３０ａは、発熱体２３側から上方に向かって、第１導体層３１ａと、誘電体層３３ａと、複数の個別導体層３６ａを有する第２導体層３５ａと、をこの順に備えている。第１メタマテリアル構造体３０ａが有する各層間は、直接接合されていてもよいし、接着層を介して接合されていてもよい。個別導体層３６ａ及び誘電体層３３ａの上面露出部は酸化防止層（図示せず、例えばアルミナで形成される）で被覆されていてもよい。第２メタマテリアル構造体３０ｂは、発熱体２３側から下方に向かって、第１導体層３１ｂと、誘電体層３３ｂと、複数の個別導体層３６ｂを有する第２導体層３５ｂと、をこの順に備えている。第１メタマテリアル構造体３０ａと第２メタマテリアル構造体３０ｂとは、発熱体２３を挟んで上下対称に配置されており同様の構成を有するため、以下では第１メタマテリアル構造体３０ａの構成要素について説明する。
【0026】
第１導体層３１ａは、第１支持基板２５ａから見て発熱体２３とは反対側（上側）で接合された平板状の部材である。第１導体層３１ａの材質は例えば金属などの導体（電気伝導体）である。金属の具体例としては、金，アルミニウム（Ａｌ），又はモリブデン（Ｍｏ）などが挙げられる。本実施形態では、第１導体層３１ａの材質は金とした。第１導体層３１ａは、図示しない接着層を介して第１支持基板２５ａに接合されている。接着層の材質としては、例えばクロム（Ｃｒ）、チタン（Ｔｉ）、ルテニウム（Ｒｕ）などが挙げられる。なお、第１導体層３１ａと第１支持基板２５ａとが直接接合されていてもよい。
【0027】
誘電体層３３ａは、第１導体層３１ａから見て発熱体２３とは反対側（上側）で接合された平板状の部材である。誘電体層３３ａは、第１導体層３１ａと第２導体層３５ａとの間に挟まれている。誘電体層３３ａの材質としては、例えば、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3），シリカ（ＳｉＯ2）などが挙げられる。本実施形態では、誘電体層３３ａの材質はアルミナとした。
【0028】
第２導体層３５ａは、導体からなる層であり、誘電体層３３ａの上面に沿った方向（前後左右方向）に周期構造を有する。具体的には、第２導体層３５ａは複数の個別導体層３６ａを備えており、この個別導体層３６ａが誘電体層３３ａの上面に沿った方向（前後左右方向）に互いに離間して配置されることで、周期構造を構成している（図３参照）。複数の個別導体層３６ａは、左右方向（第１方向）に間隔Ｄ１ずつ離れて互いに等間隔に配設されている。また、複数の個別導体層３６ａは、左右方向に直交する前後方向（第２方向）に間隔Ｄ２ずつ離れて互いに等間隔に配設されている。個別導体層３６ａは、このように格子状に配列されている。なお、本実施形態では図３に示すように四方格子状に個別導体層３６ａを配列したが、例えば個別導体層３６ａの各々が正三角形の頂点に位置するように六方格子状に個別導体層３６ａを配列してもよい。複数の個別導体層３６ａの各々は、上面視で円形をしており、厚さｈ（上下高さ）が径Ｗよりも小さい円柱形状をしている。第２導体層３５ａの周期構造の周期は、横方向の周期Λ１＝Ｄ１＋Ｗ、縦方向の周期Λ２＝Ｄ２＋Ｗである。本実施形態では、Ｄ１＝Ｄ２とし、したがってΛ１＝Λ２とした。第２導体層３５ａ（個別導体層３６ａ）の材質は、例えば金属などの導体であり、上述した第１導体層３１ａと同様の材質を用いることができる。第１導体層３１ａ及び第２導体層３５ａの少なくとも一方が金属であってもよい。本実施形態では、第２導体層３５ａの材質は第１導体層３１ａと同じ金とした。
【0029】
このように、第１メタマテリアル構造体３０ａは、第１導体層３１ａと、周期構造を有する第２導体層３５ａ（個別導体層３６ａ）と、第１導体層３１ａ及び第２導体層３５ａに挟まれた誘電体層３３ａとを有している。これにより、第１メタマテリアル構造体３０ａは、発熱体２３から熱エネルギーを入力すると非プランク分布の最大ピークを有する赤外線を放射可能になっている。なお、プランク分布とは、横軸を右にいくほど長くなる波長とし、縦軸を輻射強度としたグラフ上において、特定のピークを有した山型の分布であり、ピークよりも左側の傾斜が急で、ピークよりも右側の傾斜がなだらかな形状を有する曲線である。通常の材料はこの曲線（プランク放射曲線）に従って放射をする。非プランク放射（非プランク分布の最大ピークを有する赤外線の放射）とは、その放射の最大ピークを中心とした山型の傾斜が、前記のプランク放射に比べて急峻であるような放射である。すなわち、第１メタマテリアル構造体３０ａは、最大ピークがプランク分布のピークよりも急峻な放射特性を有する。なお、「プランク分布のピークよりも急峻」は、「プランク分布のピークよりも半値幅（FWHM：full width at half maximum）が狭い」ことを意味する。これにより、第１メタマテリアル構造体３０ａは、赤外線の全波長領域（０．７μｍ～１０００μｍ）のうち、特定の波長の赤外線を選択的に放射する特性を有するメタマテリアルエミッターとして機能する。この特性は、マグネティックポラリトン（Magnetic polariton）で説明される共鳴現象によるものと考えられている。なお、マグネティックポラリトンとは、上下２枚の導体（第１導体層３１ａ及び第２導体層３５ａ）に反平行電流が励起され，その間の誘電体（誘電体層３３ａ）内において強い磁場の閉じ込め効果が得られる共鳴現象のことである。これにより、第１メタマテリアル構造体３０ａでは、第１導体層３１ａおよび個別導体層３６ａで局所的に強い電場の振動が励起されることからこれが赤外線の放射源となり、赤外線が周囲環境（ここでは特に上方）に放射される。また、この第１メタマテリアル構造体３０ａでは、第１導体層３１ａ，誘電体層３３ａ及び第２導体層３５ａの材質や、個別導体層３６ａの形状及び周期構造を調整することで、共鳴波長を調整することができる。これにより、第１メタマテリアル構造体３０ａの第１導体層３１ａおよび個別導体層３６ａから放射される赤外線は、特定の波長の赤外線の放射率が高くなる特性を示す。すなわち、第１メタマテリアル構造体３０ａは、半値幅が比較的小さく放射率が比較的高い急峻な最大ピークを有する赤外線を放射する特性を有する。なお、本実施形態では、Ｄ１＝Ｄ２としたが、間隔Ｄ１と間隔Ｄ２とが異なっていてもよい。周期Λ１及び周期Λ２についても同様である。なお半値幅は周期Λ１及び周期Λ２を変更することで制御できる。
【0030】
第１，第２メタマテリアル構造体３０ａ，３０ｂは、所定の放射特性における上述した最大ピークのピーク波長が２μｍ以上７μｍ以下の範囲内になるように、共鳴波長が調整されている。ピーク波長は３．５μｍ超過７μｍ以下の範囲内にあってもよい。ピーク波長は、４μｍ以上としてもよいし、５μｍ以上としてもよいし、６μｍ以上としてもよい。ピーク波長は、６μｍ以下としてもよいし、５μｍ以下としてもよい。ピーク波長は２．５μｍ以上３．５μｍ以下の範囲内にあってもよいし、４．５μｍ以上５．５μｍ以下の範囲内にあってもよいし、５．５μｍ以上６．５μｍ以上の範囲内にあってもよい。第１，第２メタマテリアル構造体３０ａ，３０ｂの各々は、最大ピークの立ち上がりから立ち下がりまでの波長領域以外の波長領域における赤外線の放射率が値０．２以下であることが好ましい。第１，第２メタマテリアル構造体３０ａ，３０ｂの各々は、最大ピークの半値幅が１．０μｍ以下であることが好ましい。第１，第２メタマテリアル構造体３０ａ，３０ｂの放射特性は、最大ピークを中心にして略左右対称形状を有していてもよい。また、第１，第２メタマテリアル構造体３０ａ，３０ｂの最大ピークの高さ（最大輻射強度）は、上述したプランク放射の曲線を上回ることはない。メタマテリアル構造体３０から放射される赤外線の最大ピークのピーク波長の値は、以下のように測定する。まず、メタマテリアル構造体３０に対して、ＦＴ－ＩＲ装置（フーリエ変換赤外分光光度計）の光源からの光を垂直入射し、反射光を積分球で計測してメタマテリアル構造体３０の半球反射率を求める。また、金プレート（反射率０．９５）に対して同様の方法で測定された半球反射率をバックグランドとする。次に、メタマテリアル構造体３０の半球反射率とバックグラウンドとを比較することで、メタマテリアル構造体３０の反射スペクトルを求める。そして、求めた反射スペクトルにおけるボトム波長（反射率が最小となる谷部分の波長）を、メタマテリアル構造体３０から放射される赤外線の最大ピークのピーク波長とする。
【0031】
なお、このような第１メタマテリアル構造体３０ａは、例えば以下のように形成することができる。まず、第１支持基板２５ａの表面（図１では上面）にスパッタリングにより接着層及び第１導体層３１ａをこの順に形成する。次に、第１導体層３１ａの表面（図１では上面）にＡＬＤ法（atomic layer deposition：原子層堆積法）により誘電体層３３ａを形成する。続いて、誘電体層３３ａの表面（図１では上面）に所定のレジストパターンを形成してからヘリコンスパッタリング法により第２導体層３５ａの材質からなる層を形成する。そして、レジストパターンを除去することにより、第２導体層３５ａ（複数の個別導体層３６ａ）を形成する。なお、第１メタマテリアル構造体３０ａの各構成要素と第２メタマテリアル構造体３０ｂの各構成要素とは材質が同じでもよいし、一部の材質が異なっていてもよい。
【0032】
内管４０は、赤外線ヒータ２０を囲む管状部材であり、本実施形態では円筒状の部材とした。内管４０の内側の内部空間４２内に赤外線ヒータ２０が配置されている。内部空間４２は外管５０の内側の対象物流路５２とは連通しないように構成されており、本実施形態では内部空間４２は封止されている。内部空間４２は、少なくとも赤外線処理装置１０の使用時に減圧状態にすることが可能であることが好ましく、本実施形態では内部空間４２は予め空気雰囲気且つ減圧雰囲気とした状態で外部空間との間が封止されているものとした。ただし、内部空間４２は不活性ガス雰囲気であってもよい。また、内部空間４２は、減圧されずに常圧雰囲気であってもよい。内部空間４２の減圧状態の圧力は、１００Ｐａ以下としてもよい。内部空間４２の減圧状態の圧力は、０．０１Ｐａ以上としてもよい。内管４０及び赤外線ヒータ２０は、両者が長手方向の両端で固定されて一体化されていてもよい。この場合、キャップ６０を取り外すことで内管４０及び赤外線ヒータ２０が一体的に交換可能になっていてもよい。
【0033】
内管４０は、Ｃ－Ｆ結合を有するフッ素系材料を含んでいる。内管４０は、メタマテリアル構造体３０の最大ピークのピーク波長の赤外線を透過する。Ｃ－Ｆ結合は、波長８μｍ付近に赤外線の吸収ピークを有するが、波長２μｍ～７μｍ付近には赤外線の吸収ピークがない。そのため、Ｃ－Ｆ結合を有するフッ素系材料は、メタマテリアル構造体３０の最大ピークのピーク波長の赤外線の吸収率が比較的低い。したがって、内管４０は最大ピーク付近の波長の赤外線の処理対象物への到達を妨げにくい。内管４０は、Ｃ－Ｆ結合を有するフッ素系材料を主成分としてもよい。主成分とは、最も多く含まれる成分のことをいい、例えば質量割合が最も高い成分のことをいう。内管４０は、Ｃ－Ｆ結合を有するフッ素系材料と不可避的不純物とで構成されていてもよい。内管４０は、Ｃ－Ｆ結合を有するフッ素系材料のみで構成されていてもよい。内管４０は、Ｃ－Ｆ結合を有するフッ素系材料を１種類のみ含んでいてもよいし、２種以上含んでいてもよい。Ｃ－Ｆ結合を有するフッ素系材料は、フッ素樹脂であってもよい。Ｃ－Ｆ結合を有するフッ素系材料は、エーテル結合を有してもよいし、エーテル結合を有さなくてもよい。Ｃ－Ｆ結合を有するフッ素系材料は、Ｃ，Ｆ，Ｈ，及びＯ以外の原子を有さなくてもよいし、Ｃ，Ｆ，及びＨ以外の原子を有さなくてもよいし、Ｃ及びＦ以外の原子を有さなくてもよい。内管４０は、メタマテリアル構造体３０の最大ピーク付近に赤外線の吸収ピークを有する結合が少ない材料を用いることが好ましい。例えば、Ｏ－Ｈ結合及びＮ－Ｈ結合は、波長２．８μｍ～３．２μｍに吸収ピークを有する。そのため、メタマテリアル構造体３０の最大ピークのピーク波長が波長２．８μｍ～３．２μｍ付近（例えば波長２．５μｍ以上３．５μｍ以下）である場合には、Ｏ－Ｈ結合及びＮ－Ｈ結合の少なくともいずれかの結合が少ない材料が好ましく、これらのいずれの結合も有さない材料がより好ましい。フッ素樹脂の具体例としては、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、パーフルオロアルキルビニルエーテル共重合体（ＰＦＡ）、ヘキサフルオロプロピレン共重合体（ＦＥＰ）、及びエチレン四フッ化エチレン共重合体（エチレン－テトラフルオロエチレン共重合体，ＥＴＦＥ）などが挙げられる。本実施形態では、内管４０の材質はポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）とした。内管４０の耐熱性は、対象物流路５２を流通する処理対象物の温度にもよるが、例えば１００℃以上としてもよく、２００℃以上が好ましい。上述したフッ素樹脂の具体例のうち、耐熱性の観点からは、ＰＴＦＥ又はＰＦＡが好ましい。
【0034】
内管４０は、メタマテリアル構造体３０の最大ピークのピーク波長の赤外線の透過率が７５％以上であることが好ましく、８０％以上であることがより好ましく、８５％以上であることがさらに好ましく、９０％以上であることが一層好ましい。内管４０は、メタマテリアル構造体３０の最大ピークの半値幅領域のいずれの波長の赤外線についても透過率が７５％以上であることが好ましく、８０％以上であることがより好ましく、９０％以上であることがさらに好ましい。内管４０は、波長２μｍ以上７μｍ以下の範囲内のいずれの波長の赤外線も透過してもよい。内管４０は、波長２μｍ以上７μｍ以下の範囲内のいずれの波長の赤外線についても透過率が７５％以上であってもよい。内管４０は、波長３．５μｍ超過７μｍ以下の範囲内のいずれの波長の赤外線も透過してもよく、その透過率が７５％以上であってもよい。内管４０は、波長５μｍ以上７μｍ以下の範囲内のいずれの波長の赤外線も透過してもよく、その透過率が７５％以上であってもよい。
【0035】
図４は、本実施形態の内管４０の材質であるポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の赤外線透過スペクトルの一例を示すグラフである。図４に示すように、ＰＴＦＥは、８μｍ付近において赤外線透過率が最小となっている（すなわち、吸収ピーク波長が８μｍ付近である）が、波長２．５μｍ以上７μｍ以下の範囲内のいずれの波長の赤外線についても透過率が比較的高い。また、図示は省略しているが、ＰＴＦＥは、波長２．０μｍ以上波長２．５μｍ以下の範囲内のいずれの波長の赤外線についても透過率が比較的高い。そのため、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）で内管４０を構成することで、メタマテリアル構造体３０の最大ピークのピーク波長が２μｍ以上７μｍ以下のいずれであっても、内管４０はそのピーク波長の赤外線を透過することができる。なお、図４に示したのはポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）の赤外線透過スペクトルであり、内管４０の実際の赤外線透過スペクトルにおける透過率の値は、例えば内管４０の厚さによっても変化する。内管４０の厚さは、例えば０．５ｍｍ以上３ｍｍ以下としてもよい。内管４０の透過率の値は、内管４０と同じ材質及び厚さの平板状のサンプル（５０ｍｍ×５０ｍｍ）に対してＦＴ－ＩＲ装置（フーリエ変換赤外分光光度計）を用いて得られる赤外線透過スペクトルに基づいて測定される値とする。内管４０の厚さは、例えば０．０１ｍｍ以上０．５ｍｍ以下としてもよい。内管４０の厚さは０．０５ｍｍ以上としてもよい。内管４０の厚さは０．１ｍｍ以下としてもよい。
【0036】
外管５０は、赤外線ヒータ２０からみて内管４０よりも外側に位置し、内管４０を囲む管状部材である。外管５０は、本実施形態では円筒状の部材とした。外管５０は、メタマテリアル構造体３０の最大ピークのピーク波長の赤外線を透過する材料で形成されている。外管５０の材質としては、上述した内管４０と同じく、Ｃ－Ｆ結合を有するフッ素系材料が挙げられる。外管５０の材質としては、上述した内管４０の種々の材質が適用可能である。また、外管５０の赤外線の透過率は、内管４０に関して上述した種々の内容を適用できる。本実施形態では、外管５０の材質は、内管４０と同じくポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）とした。外管５０と内管４０との間には対象物流路５２が形成されている。対象物流路５２は、本実施形態では、外管５０の内周面と内管４０の外周面とで囲まれた空間である。この対象物流路５２には、処理対象物が流通可能である。
【0037】
反射体５５は、発熱体２３から見て外管５０よりも外側に配設されている。本実施形態では、反射体５５は、外管５０の外周面に配置された反射層として形成されている。反射体５５は、図２に示すように、外管５０の長手方向に垂直な断面において外管５０の周囲を全て覆うように設けられている。反射体５５は、メタマテリアル構造体３０の最大ピークのピーク波長の赤外線を反射する赤外線反射材料で形成されている。赤外線反射材料としては、例えば金，白金，アルミニウムなどが挙げられる。反射体５５は、外管５０の表面に塗布乾燥、スパッタリングやＣＶＤ、溶射といった成膜方法を用いて赤外線反射材料を成膜することで形成されている。
【0038】
キャップ６０，６０は、外管５０の両端に配設され、外管５０の前後の両端がそれぞれキャップ６０，６０内にはめ込まれている。また、赤外線ヒータ２０及び内管４０は、キャップ６０の内部に配置されたホルダ６４に両端が支持されている。これらにより、キャップ６０，６０は、赤外線ヒータ２０，内管４０及び外管５０を支持している。各キャップ６０は、対象物出入口６６を有している。対象物出入口６６の一方には、図示しない対象物供給源から処理対象物が供給される。一方の対象物出入口６６からキャップ６０内に流入した処理対象物は、対象物流路５２を流通して他方の対象物出入口６６から流出するようになっている。
【0039】
次に、こうして構成された赤外線処理装置１０の使用時の動作について説明する。まず、図示しない電力供給源から電気配線５７を介して発熱体２３の両端に電力を供給する。また、対象物供給源から対象物流路５２に処理対象物を流通させる。電力の供給は、例えば発熱体２３の温度が予め設定された温度（特に限定するものではないが、ここでは３２０℃とする）になるように行う。所定の温度に達した発熱体２３からは、伝導・対流・放射の伝熱３形態のうち主に伝導により周囲にエネルギーが伝達され、メタマテリアル構造体３０が加熱される。その結果、メタマテリアル構造体３０は所定温度（ここでは例えば３００℃とする）に上昇し、放射体となって、赤外線を放射するようになる。このとき、第１，第２メタマテリアル構造体３０ａ，３０ｂが、上述したように第１導体層３１ａ，３１ｂ、誘電体層３３ａ，３３ｂ、及び第２導体層３５ａ，３５ｂをそれぞれ有することで、赤外線ヒータ２０は、非プランク分布の最大ピークを有し且つその最大ピークのピーク波長が２μｍ以上７μｍ以下となっている赤外線を放射する。より具体的には、赤外線ヒータ２０は、第１，第２メタマテリアル構造体３０ａ，３０ｂの第１導体層３１ａ，３１ｂ及び個別導体層３６ａ，３６ｂから、特定の波長領域の赤外線（最大ピークのピーク波長及びその付近の波長領域の赤外線）を選択的に放射する。そして、この特定の波長領域の赤外線は、内管４０を透過して、対象物流路５２内を流通する処理対象物に放射される。これにより、赤外線処理装置１０は、対象物流路５２内の処理対象物に対して、特定の波長領域の赤外線を選択的に放射することができる。そのため、赤外線処理装置１０は、例えばこの特定の波長領域の赤外線の吸収率が比較的高い処理対象物に対して、効率よく赤外線を放射して、加熱処理，化学反応させる処理などの赤外線処理を行うことができる。しかも、内管４０はメタマテリアル構造体３０の最大ピークのピーク波長の赤外線を透過するため、内管４０は最大ピーク付近の波長の赤外線の処理対象物への到達を妨げにくい。したがって、赤外線処理装置１０は、処理対象物の赤外線処理をより効率よく行うことができる。なお、赤外線処理が完了するまで処理対象物が対象物流路５２内を流通し続けるように、他方の対象物出入口６６から流出した処理対象物を一方の対象物出入口６６に再び流入するようにして、処理対象物を循環させてもよい。
【0040】
赤外線処理の例について説明する。例えば、処理対象物が水などの水素結合を有する物質である場合には、最大ピークのピーク波長が３μｍ付近であるようなメタマテリアル構造体３０を用いることで、水素結合に効率よくエネルギーを投入して処理対象物を効率よく加熱処理できる。処理対象物がシアノ基を含む物質である場合には、最大ピークのピーク波長が４．８μｍ付近であるようなメタマテリアル構造体３０を用いることで、シアノ基に効率よくエネルギーを投入して処理対象物の置換反応などを効率よく促進できる。処理対象物がカルボニル基を含む物質である場合には、最大ピークのピーク波長が５．９μｍ付近であるようなメタマテリアル構造体３０を用いることで、カルボニル基に効率よくエネルギーを投入して処理対象物の置換反応などを効率よく促進できる。特にこれに限定するものではないが、赤外線処理装置１０は、例えば有機合成や医薬品の製造などの分野において、処理対象物を効率よく反応させるために用いることができる。
【0041】
以上詳述した本実施形態の赤外線処理装置１０では、メタマテリアル構造体３０を備えた赤外線ヒータ２０が、非プランク分布の最大ピークを有し、且つその最大ピークのピーク波長が２μｍ以上７μｍ以下である赤外線を放射する。また、赤外線ヒータ２０と対象物流路５２との間に配設された内管４０は、Ｃ－Ｆ結合を有するフッ素系材料を含んでおり、メタマテリアル構造体３０の最大ピークのピーク波長の赤外線を透過する。そのため、内管４０は最大ピーク付近の波長の赤外線の処理対象物への到達を妨げにくい。したがって、この赤外線処理装置１０は、処理対象物の赤外線処理を効率よく行うことができる。
【0042】
また、赤外線処理装置１０は、発熱体２３から見て外管５０よりも外側に配設されメタマテリアル構造体３０の最大ピークのピーク波長の赤外線を反射する反射体５５を備えている。そして、外管５０は、最大ピークのピーク波長の赤外線を透過する。これにより、反射体５５が、赤外線ヒータ２０から放射されて内管４０，処理対象物，及び外管５０を透過したピーク波長の赤外線を処理対象物側に反射するため、赤外線処理装置１０は赤外線処理をより効率よく行うことができる。
【0043】
さらに、内管４０は、発熱体２３の配置された内部空間４２が減圧可能になっている。そのため、内部空間４２が減圧された状態で赤外線処理を行うことで、例えば内部空間４２が常圧の場合と比較して、赤外線ヒータ２０から内部空間４２内への対流熱伝達が少なくなり、対流損失を抑制できる。したがって、赤外線処理をより効率よく行うことができる。
【0044】
さらにまた、メタマテリアル構造体３０の最大ピークのピーク波長が３．５μｍ超過７μｍ以下であってもよい。メタマテリアル構造体３０が放射する赤外線の最大ピークのピーク波長が３．５μｍ超過である場合、内管４２として例えば石英ガラスを用いると効率よく赤外線処理を行うことができない。そのため、内管４２としてＣ－Ｆ結合を有するフッ素系材料を用いる意義が高い。
【0045】
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
【0046】
例えば、上述した実施形態では、対象物流路５２は外管５０の内周面と内管４０の外周面とで囲まれた空間としたが、対象物流路５２は内管４０と外管５０との間の空間であればよい。例えば、内管４０と外管５０との間に他の部材が存在してもよい。図５は、この場合の変形例の赤外線処理装置１１０の断面図である。この赤外線処理装置１１０は、内管４０と外管５０との間に内管４０を囲む透過管４５が配設されている。透過管４５は、内管４０と同様に、メタマテリアル構造体３０の最大ピークのピーク波長の赤外線を透過する。透過管４５は、Ｃ－Ｆ結合を有するフッ素系材料を含んでいる。透過管４５の材質としては、上述した内管４０の種々の材質が適用可能である。また、透過管４５の赤外線の透過率は、内管４０に関して上述した種々の内容を適用できる。内管４０と透過管４５とは同じ材質であってもよい。赤外線処理装置１１０では、対象物流路５２は透過管４５の外周面と外管５０の内周面との間の空間として形成されている。また、赤外線処理装置１１０には、内管４０の外周面と透過管４５の内周面とで囲まれた空間として、冷媒流路４７が形成されている。なお、内管４０と透過管４５とが共にＣ－Ｆ結合を有するフッ素系材料を含んでおりメタマテリアル構造体３０の最大ピークのピーク波長の赤外線を透過する場合、透過管４５を本発明の赤外線処理装置の「内管」とみなすこともできる。赤外線処理装置１１０では、この冷媒流路４７に冷媒を流通させることにより、処理対象物，内管４０及び透過管４５の少なくともいずれかの過熱を抑制できる。外部と冷媒流路４７との間の冷媒の流出入は、例えばキャップ６０，６０に配設された図示しない冷媒出入口を介して行ってもよい。冷媒流路４７を流通させる冷媒としては、メタマテリアル構造体３０からの最大ピークのピーク波長の赤外線の透過率の高い材料が好ましい。例えば、冷媒は空気であってもよい。また、例えばメタマテリアル構造体３０からの最大ピークのピーク波長が５μｍ～７μｍである場合には、冷媒として水を用いてもよい。例えばメタマテリアル構造体３０からの最大ピークのピーク波長が２μｍ～５μｍである場合には、冷媒としてＣ－Ｆ結合を有するフッ素系材料を含んだ液体を用いてもよい。冷媒に用いるフッ素系材料の具体例としては、例えばヘプタフルオロシクロペンタンが挙げられる。
【0047】
上述した実施形態では、反射体５５は外管５０の外周面に形成されていたが、これに限られない。例えば、図６の変形例の赤外線処理装置２１０の断面図に示すように、反射体５５は外管５０から離間した独立した部材であってもよい。
【0048】
上述した実施形態において、赤外線処理装置１０は反射体５５を備えなくてもよい。この場合、外管５０はメタマテリアル構造体３０の最大ピークのピーク波長の赤外線を透過しない材質であってもよい。例えば、外管５０は石英ガラスや金属で構成されていてもよい。
【0049】
上述した実施形態において、外管５０は、内周面の少なくとも一部にメタマテリアル構造体３０の最大ピークのピーク波長の赤外線を反射する反射体を有していてもよい。図７は、この場合の変形例の赤外線処理装置３１０の断面図である。この赤外線処理装置３１０では、反射体５５は、外管５０の外側ではなく外管５０の内周面に形成されている。この赤外線処理装置３１０においても、外管５０が有する反射体５５が、赤外線ヒータ２０から放射されて内管４０及び処理対象物を透過したピーク波長の赤外線を処理対象物側に反射するため、赤外線処理をより効率よく行うことができる。また、外管５０が内周面に反射体５５を備える場合に限らず、外管５０の内周面の少なくとも一部がメタマテリアル構造体３０の最大ピークのピーク波長の赤外線を反射する反射面となっていてもよい。例えば、外管５０が金属であり、外管５０の内周面が研磨されて反射面となっていてもよい。この場合も、赤外線処理装置３１０と同様の効果が得られる。外管５０が反射体５５を有する場合や外管５０の内周面が反射面となっている場合は、外管５０はメタマテリアル構造体３０の最大ピークのピーク波長の赤外線を透過しない材質であってもよい。
【0050】
上述した実施形態では、内部空間４２は予め減圧された状態で封止されていたが、これに限らず、使用時に減圧状態にできるように構成されていてもよい。例えば、キャップ６０と内管４０との少なくとも一方に取り付けられた図示しない配管を用いて、赤外線処理装置１０の使用時に真空ポンプにより内部空間４２を減圧雰囲気にしてもよい。
【0051】
上述した実施形態において、内部空間４２は対象物流路５２と連通していなければよく、内部空間４２は外部空間と連通していてもよい。例えば内管４０の両端がキャップ６０，６０を前後方向に貫通していることで、内部空間４２が外部空間と連通していてもよい。
【0052】
上述した実施形態において、赤外線ヒータ２０は、第１，第２支持基板２５ａ，２５ｂの少なくとも一方を備えなくてもよい。この場合、メタマテリアル構造体３０は発熱部２２に接合されていてもよい。
【0053】
上述した実施形態では、メタマテリアル構造体３０は、上方に赤外線を放射する第１メタマテリアル構造体３０ａと、下方に赤外線を放射する第２メタマテリアル構造体３０ｂとを備えていたが、特にこれに限られない。例えば、第１，第２メタマテリアル構造体３０ａ，３０ｂの一方を省略してもよい。あるいは、メタマテリアル構造体３０は、左右に赤外線を放射する第１メタマテリアル構造体３０ａと同様の構成を有していてもよい。また、メタマテリアル構造体３０は、赤外線ヒータ２０の長手方向に垂直な断面（例えば図２に示す断面）において発熱部２２の周囲を囲むようにそれぞれ環状に形成された第１導体層，誘電体層及び第２導体層を有していてもよい。
【0054】
上述した実施形態では、１つの赤外線処理装置１０で処理対象物の赤外線処理を行う場合について説明したが、複数の赤外線処理装置１０を組み合わせて赤外線処理を行ってもよい。例えば、メタマテリアル構造体３０の最大ピークのピーク波長が互いに異なる２以上の赤外線処理装置１０を用意し、この複数の赤外線処理装置１０の各々の対象物流路５２内に順番に処理対象物を流通させて、処理対象物に対して異なる赤外線処理を順次行うようにしてもよい。
【0055】
上述した実施形態では、メタマテリアル構造体３０は第１導体層と誘電体層と第２導体層とを有していたが、これに限られない。メタマテリアル構造体３０は、発熱体２３から熱エネルギーを入力すると非プランク分布の最大ピークを有し且つその最大ピークのピーク波長が２μｍ以上７μｍ以下である赤外線を放射可能な構造体であればよい。例えば、メタマテリアル構造体は、複数のマイクロキャビティを有するマイクロキャビティ形成体として構成されていてもよい。図８は、変形例の赤外線ヒータ２０の部分断面図である。図９は、変形例の第１メタマテリアル構造体４３０ａの部分底面斜視図である。図９の赤外線ヒータ２０は、メタマテリアル構造体３０を備えない代わりに、メタマテリアル構造体４３０を備えている。メタマテリアル構造体４３０は、発熱体２３の上側に配設された第１メタマテリアル構造体４３０ａと、発熱体２３の下側に配設された第２メタマテリアル構造体４３０ｂとを有している。第１メタマテリアル構造体４３０ａは、少なくとも表面（ここでは側面４３８ａ及び底面４３９ａ）が導体層４３５ａからなり前後左右方向の周期構造を構成する複数のマイクロキャビティ４３７ａを有している。第１メタマテリアル構造体４３０ａは、赤外線ヒータ２０の発熱体２３側から上方に向かって、本体層４３１ａと、凹部形成層４３３ａと、導体層４３５ａと、をこの順に備えている。本体層４３１ａは、例えばガラス基板などからなる。凹部形成層４３３ａは、例えば樹脂や、セラミックス及びガラスなどの無機材料などからなり、本体層４３１ａの上面に形成されて円柱状の凹部を形成している。凹部形成層４３３ａは、上述した第２導体層３５ａ，３５ｂと同じ材料であってもよい。導体層４３５ａは、第１メタマテリアル構造体４３０ａの表面（上面）に配設されており、凹部形成層４３３ａの表面（上面及び側面）と、本体層４３１ａの上面（凹部形成層４３３ａが配設されていない部分）とを覆っている。導体層４３５ａは導体からなり、材質としては、例えば金，ニッケルなどの金属や導電性樹脂などが挙げられる。マイクロキャビティ４３７ａは、この導体層４３５ａの側面４３８ａ（凹部形成層４３３ａの側面を覆う部分）と、底面４３９ａ（本体層４３１ａの上面を覆う部分）とで囲まれ、上方に開口した略円柱形状の空間である。マイクロキャビティ４３７ａは、図９に示すように、前後左右に並べて複数配設されている。なお、第１メタマテリアル構造体４３０ａの上面が対象物に赤外線を放射する放射面４３６ａとなっている。具体的には、第１メタマテリアル構造体４３０ａが発熱体２３からのエネルギーを吸収すると、底面４３９ａと側面４３８ａとで形成される空間内での入射波と反射波との共振作用により、放射面４３６ａから上方の対象物に向けて特定の波長の赤外線が強く放射される。これにより、第１メタマテリアル構造体４３０ａは、第１メタマテリアル構造体３０ａと同様に、非プランク分布の最大ピークを有し且つその最大ピークのピーク波長が２μｍ以上７μｍ以下である赤外線を放射可能になっている。なお、複数のマイクロキャビティ４３７ａの各々の円柱の直径及び深さを調整することで、第１メタマテリアル構造体４３０ａの放射特性を調整することができる。マイクロキャビティ４３７ａは円柱に限らず多角柱形状でもよい。マイクロキャビティ４３７ａの深さは、例えば１．５μｍ以上１０μｍ以下としてもよい。第１メタマテリアル構造体４３０ａは、例えば以下のように形成することができる。まず、本体層４３１ａの上面となる部分に周知のナノインプリントにより凹部形成層４３３ａを形成する。そして、凹部形成層４３３ａの表面及び本体層４３１ａの表面を覆うように、例えばスパッタリングにより第１導４３５ａを形成する。第２メタマテリアル構造体４３０ｂは、上下対称である点以外は第１メタマテリアル構造体４３０ａと同様の構成をしているため、第２メタマテリアル構造体３０ｂの構成要素については末尾をａからｂに変更した点以外は第１メタマテリアル構造体４３０ａの構成要素と同じ符号を付して、詳細な説明を省略する。このような変形例の赤外線ヒータ２０を有する赤外線処理装置１０においても、上述した実施形態と同様に、対象物流路５２内を流通する処理対象物の赤外線処理を効率よく行うことができる。
【0056】
Ｃ－Ｆ結合を有するフッ素系材料の具体例として、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオルエチレン）フィルムとＰＦＡ（パーフルオロアルコキシアルカン）フィルムとを用意し、これらのフィルムについて赤外線の透過性能を評価した。各々の材質のフィルムについて、１．０ｍｍ、０．５ｍｍ、０．１ｍｍ、０．０５ｍｍの４種類の厚さのフィルムを用意して測定対象とした。測定には、日本分光株式会社製のＦＴ／ＩＲ－６１００型フーリエ変換赤外分光光度計（以下、分光計）を使用した。まずフィルムの赤外線透過スペクトルを測定した。フィルムを５０ｍｍ×５０ｍｍに切り出し、分光計の試料室に入れて測定した。その結果を図１０と図１１に示す。図１０，１１からわかるように、ＰＴＦＥフィルムとＰＦＡフィルムとのいずれにおいても、図４に示したと同様に波長８μｍ近傍で吸収が著しいが、波長３．３μｍ以上（波数３０００ｃｍ-1以下）７μｍ以下の範囲内のいずれの波長の赤外線についても透過率が比較的高かった。また、図示は省略しているが、ＰＴＦＥフィルム及びＰＦＡフィルムのいずれも、波長２．０μｍ以上波長３．３μｍ未満の範囲内のいずれの波長の赤外線についても透過率が比較的高い。ただし、波長３．７μｍ超過４．４μｍ未満では透過率がやや低下する傾向が見られた。またＰＴＦＥフィルムとＰＦＡフィルムとのいずれにおいても、厚さが薄いほど透過率が高くなる傾向が見られた。なお、上述した図４は、図１０と比較して波長３．７μｍ超過４．４μｍ未満の範囲の透過率の低下がごくわずかであるが、これは図４に用いたＰＴＦＥの方が厚さが薄いためである。次に、メタマテリアル構造体を備えない輻射型ヒータを使用し、輻射型ヒータから放射され上記のフィルムを透過した後の赤外線の放射強度を測定した。まず、上述した分光計に外部光取り込み部をオプションとして付属させ、日本分光株式会社製の黒体炉ＭＯＤＥＬ ＬＳ１２１５ １００を１０００℃で均熱させた状態で黒体炉の内部放射を分光計に取り込み、分光計を校正した。輻射型ヒータは日本ガイシ株式会社製のインフラクイックヒータ（インフラクイックは登録商標）とし、設定温度を６００℃とした。次に、輻射型ヒータと外部光取り込み部の中間に上記のフィルムを載置し、フィルムを透過した後の放射光の放射強度を分光計で測定した。比較対象として、フィルムが無い状態、及びＰＥＴ（ポリエチレンテレフタラート）フィルム及びＰＩ（ポリイミド）フィルムを用いた場合についても測定した。ＰＥＴフィルムは０．２ｍｍ、０．１ｍｍ、０．０３ｍｍの３種類の厚さのフィルムを用意してそれぞれ測定を行った。ＰＩフィルムは０．１３ｍｍ、０．０８ｍｍ、０．０３ｍｍの３種類の厚さのフィルムを用意してそれぞれ測定を行った。その結果を図１２～図１５に示す。図中の「フィルムなし」は、フィルムがない状態での輻射型ヒータの放射強度であり、図１２～図１５のいずれも同じグラフである。放射強度が「フィルムなし」の状態に近いほど、フィルムが赤外線をあまり吸収しておらず、フィルムが処理対象物への赤外線の到達を妨げにくいことを意味する。図１２～１５からわかるように、ＰＴＦＥフィルム及びＰＦＡフィルムのいずれも、ＰＥＴフィルムやＰＩフィルムと比較して放射強度が高い傾向にあり、赤外線をあまり吸収せず透過できていることがわかる。また、図１２，１３から、フッ素系フィルム（ＰＴＦＥ、ＰＦＡ）は波長２～７μｍの範囲の一部（波長３．７μｍ超過４．４μｍ未満の範囲）で比較的大きい吸収が見られるが、特に厚さが０．１ｍｍ、０．０５ｍｍであれば２～７μｍの範囲で吸収が少なく、フィルムの無い状態と遜色ない透過が維持されていることが分かった。これら図１０～１５の結果から、ＰＴＦＥ又はＰＦＡを内管に用いる場合には、厚さ０．１ｍｍ以下が好ましく、厚さ０．０５ｍｍ以下がより好ましいと考えられる。内管の厚さを薄くする場合、内管の表面をエンボス加工したり、Ｃ－Ｆ結合を有するフッ素系材料を使用した骨組み構造などを内管に採用したりすることで内管の強度を高めて、内管の円筒形状を維持しやすくしてもよい。また、図１０～１５の結果から、ＰＴＦＥ又はＰＦＡを内管に用いる場合には、メタマテリアル構造体から放射される赤外線の最大ピークのピーク波長が波長３．７μｍ超過４．４μｍ未満の範囲内にないことが好ましいと考えられる。すなわち、ピーク波長が２μｍ以上３．７μｍ以下の範囲内のいずれか又は４．４μｍ以上７μｍ以下の範囲内のいずれかであることが好ましいと考えられる。
【0057】
上述した実施形態では、内管４０はＣ－Ｆ結合を有するフッ素系材料を含んでいたが、フッ素系材料に加えて又は代えて、フッ化カルシウムを含んでいてもよい。すなわち、内管４０は、Ｃ－Ｆ結合を有するフッ素系材料とフッ化カルシウムとの少なくともいずれかを含んでいてもよい。フッ化カルシウムも、波長２μｍ～７μｍの範囲では赤外線の透過率が比較的高いため、メタマテリアル構造体３０の最大ピークのピーク波長の赤外線の処理対象物への到達を妨げにくい。そのため、フッ化カルシウムも内管４０の材質として適している。内管４０は、フッ化カルシウムを主成分としてもよいし、フッ化カルシウムと不可避的不純物とで構成されていてもよい。内管４０の材質としてフッ化カルシウムを用いる場合、内管４０の厚さは例えば１ｍｍ以上２ｍｍ以下としてもよい。
【0058】
上述した実施形態では、内管４０は１つの部材であったが、これに限らず内管４０が複数の部材を備えていてもよい。このような場合、内管を構成する複数の部材の全てがＣ－Ｆ結合を有するフッ素系材料とフッ化カルシウムとの少なくともいずれかを含んでいる必要はなく、一部の部材がＣ－Ｆ結合を有するフッ素系材料とフッ化カルシウムとの少なくともいずれかを含んでいてもよい。図１６は、変形例の赤外線処理装置５１０の説明図であり、図１７は、図１６のＢ－Ｂ断面図である。以下、赤外線処理装置５１０について説明する。
【0059】
赤外線処理装置５１０は、赤外線ヒータ５２０と、赤外線ヒータ５２０を囲む内管５４０と、内管５４０を囲む外管５５０と、外管５５０の前後の両端に配設された蓋部５６０，５６０と、を備えている。赤外線ヒータ５２０は、発熱部２２と、メタマテリアル構造体３０と、第１，第２支持基板２５ａ，２５ｂ（図示省略）と、を備えている。赤外線ヒータ５２０は、図１６に示すように発熱部２２がメタマテリアル構造体３０よりも前後に長く延びている点以外は、赤外線ヒータ２０と同じ構成をしている。
【0060】
内管５４０は、赤外線ヒータ５２０を囲む角管状の部材であり、赤外線透過部材５４１と、枠体５４３と、ヒータ支持部材５４４と、を備えている。赤外線透過部材５４１は、内管５４０の上面を構成する板状又はフィルム状の第１赤外線透過部材５４１ａと、内管５４０の下面を構成する板状又はフィルム状の第２赤外線透過部材５４１ｂと、を備えている。第１，第２赤外線透過部材５４１ａ，５４１ｂは、Ｃ－Ｆ結合を有するフッ素系材料とフッ化カルシウムとの少なくともいずれかを含んでいる。ここでは、第１，第２赤外線透過部材５４１ａ，５４１ｂはいずれもフッ化カルシウム製の板状部材とした。第１，第２赤外線透過部材５４１ａ，５４１ｂの厚さは、上述した内管４０の厚さと同じ数値範囲を適用できる。枠体５４３は、上面視で四角形の４辺を構成する角柱を備えた枠状部材である。枠体５４３の上面及び下面には、ガスケット５４３ｂ及び図示しない接着材を介して第１，第２赤外線透過部材５４１ａ，５４１ｂが取り付けられている。内管５４０は、赤外線透過部材５４１及び枠体５４３で囲まれた内部空間５４２を有しており、この内部空間５４２内に赤外線ヒータ５２０が配置されている。内部空間５４２には、枠体５４３の内側に取り付けられたヒータ支持部材５４４，５４４が前後に配置されている。このヒータ支持部材５４４，５４４上に発熱部２２の前端及び後端が取り付けられることで、赤外線ヒータ５２０は内管５４０内で支持及び固定されている。枠体５４３の後部には電線導出管５４３ａが取り付けられている。この電線導出管５４３ａを介して発熱部２２の両端の一対の電気配線５７（前端側の電気配線５７は図示省略）が内部空間５４２内から外部に引き出されている。
【0061】
外管５５０は、内管５４０を囲む角管状の部材である。外管５５０は、角管状の本体部５５１ａと、本体部５５１ａの前後の両端に配設されたフランジ部５５１ｂ，５５１ｂとを備えている。本体部５５１ａの底部の上には、複数（例えば４個）の内管支持部材５６４が配設されている。内管５４０は、この内管支持部材５６４の上に配置されることで、本体部５５１ａの内周面から離間している。外管５５０の内周面と内管５４０の外周面とで囲まれた空間が、対象物流路５５２となっている。
【0062】
蓋部５６０，５６０は、外管５５０の前後の両端に配設されて、外管５５０の前後の開口を塞いでいる。蓋部５６０とフランジ部５５１ｂとの間にはガスケット５６１が配設されており、蓋部５６０とガスケット５６１とで対象物流路５５２と外部空間との間を封止している。前側の蓋部５６０は、対象物出入口５６６，５６６を有している。図示しない対象物供給源から供給される処理対象物は、下側に位置する対象物出入口５６６から対象物流路５５２に流入する。対象物流路５５２内に流入した処理対象物は、赤外線ヒータ５２０からの赤外線で赤外線処理された後、上側の対象物出入口５６６から流出する。電線導出管５４３ａは、後側の蓋部５６０を前後に貫通している。赤外線ヒータ５２０及び内管５４０は、外管５５０から蓋部５６０を取り外すことで外管５５０内から取り出し可能である。これにより、赤外線ヒータ５２０及び内管５４０を一体的に交換したり、外管５５０の内周面や内管５４０の表面を容易に洗浄したりできる。枠体５４３，電線導出管５４３ａ，ヒータ支持部材５４４，外管５５０，内管支持部材５６４，蓋部５６０，及び対象物出入口５６６は、いずれも可視光を透過可能な材質（ここでは石英ガラス）とした。これにより、対象物流路５５２や赤外線ヒータ５２０などの赤外線処理装置５１０内部の様子を作業者が観察しやすくなる。ただし、これらの部材の１以上について他の材質を用いてもよい。例えば外管５５０及び蓋部５６０を金属製としてもよい。
【0063】
こうして構成された赤外線処理装置５１０においても、上述した実施形態と同様に、赤外線ヒータ５２０から放射される赤外線が対象物流路５５２内を流通する処理対象物に放射されることで、処理対象物の赤外線処理を行うことができる。そして、内管５４０が備える赤外線透過部材５４１はメタマテリアル構造体３０が放射する赤外線の最大ピーク付近の波長の赤外線の処理対象物への到達を妨げにくいため、処理対象物の赤外線処理を効率よく行うことができる。
【0064】
赤外線処理装置５１０に対して、上述した実施形態及びその種々の変形例の態様を適用してもよい。例えば、外管５５０の本体部５５１ａは内周面又は外周面に反射体を有していてもよい。内部空間５４２が減圧可能であってもよい。外管５５０と内管５４０との間に透過管を配設して内管５４０と透過管との間に冷媒流路を形成してもよい。透過管についても、Ｃ－Ｆ結合を有するフッ素系材料とフッ化カルシウムとの少なくともいずれかを含んでいればよい。また、透過管についても、内管と同様に、透過管を構成する複数の部材の全てがＣ－Ｆ結合を有するフッ素系材料とフッ化カルシウムとの少なくともいずれかを含んでいる必要はない。例えば、透過管が内管５４０の赤外線透過部材５４１と同様の部材を備えていてもよい。上述した実施形態に対して、赤外線処理装置５１０について説明した態様を適用してもよい。
【0065】
上述した赤外線処理装置５１０を実際に製作して、処理対象物の赤外線処理ができることを確認した。この赤外線処理装置５１０では、発熱体２３の材質はＦｅ－Ｃｒ－Ａｌ－Ｃｏ合金とし、具体的にはサンドビック株式会社製のカンタルＡＦ（カンタルは登録商標）とした。第１，第２支持基板２５ａ，２５ｂは厚さ０．５μｍの石英板とし、メタマテリアル構造体３０の最大ピークのピーク波長は５．８８μｍとした。第１，第２赤外線透過部材５４１ａ，５４１ｂはいずれも厚さ１ｍｍのフッ化カルシウム製の板状部材とした。対象物出入口５６６，５６６の外部には循環冷却器を接続して、処理対象物を冷却しながら循環させる（対象物流路５５２内を繰り返し流通させる）ようにした。また、対象物流路５５２内が空の状態で赤外線ヒータ５２０が発熱している場合などに生じる赤外線透過部材５４１の過熱を検知できるように、赤外線透過部材５４１には図示しない過熱検知センサーを設置した。この赤外線処理装置５１０において、発熱体２３に通電してメタマテリアル構造体３０が赤外線を放射している状態で、処理対象物としてエーテル基を持つ医薬原料の水溶液を対象物流路５５２内に流通させたところ、赤外線によりエステル化反応が促進されて処理対象物に安息香酸が生じており、赤外線処理が行われたことが確認された。第１，第２赤外線透過部材５４１ａ，５４１ｂの材質を厚さ０．１ｍｍのＰＦＡフィルムに変更した場合においても、同様の赤外線処理が可能であることが確認された。
【産業上の利用可能性】
【0066】
本発明は、対象物の加熱処理や化学反応させる処理などの赤外線処理を行う必要のある産業に利用可能である。
【0067】
本出願は、２０１７年７月５日に出願された日本国特許出願第２０１７－１３１６２８号を優先権主張の基礎としており、引用によりその内容の全てが本明細書に含まれる。
【符号の説明】
【0068】
１０，１１０，２１０，３１０ 赤外線処理装置、２０ 赤外線ヒータ、２２ 発熱部、２３ 発熱体、２４ 保護部材、２５ａ，２５ｂ 第１，第２支持基板、３０ メタマテリアル構造体、３０ａ，３０ｂ 第１，第２メタマテリアル構造体、３１ａ，３１ｂ 第１導体層、３３ａ，３３ｂ 誘電体層、３５ａ，３５ｂ 第２導体層、３６ａ，３６ｂ 個別導体層、４０ 内管、４２ 内部空間、４５ 透過管、４７ 冷媒流路、５０ 外管、５２ 対象物流路、５５ 反射体、５７ 電気配線、６０ キャップ、６４ ホルダ、６６ 対象物出入口、４３０ メタマテリアル構造体、４３０ａ，４３０ｂ 第１，第２メタマテリアル構造体、４３１ａ，４３１ｂ 本体層、４３３ａ，４３３ｂ 凹部形成層、４３５ａ，４３５ｂ 導体層、４３６ａ，４３６ｂ 放射面、４３７ａ，４３７ｂ マイクロキャビティ、４３８ａ，４３８ｂ 側面、４３９ａ，４３９ｂ 底面、５１０ 赤外線処理装置、５２０ 赤外線ヒータ、５４０ 内管、５４１ 赤外線透過部材、５４１ａ，５４１ｂ 第１，第２赤外線透過部材、５４２ 内部空間、５４３ 枠体、５４３ａ 電線導出管、５４３ｂ ガスケット、５４４ ヒータ支持部材、５５０ 外管、５５１ａ 本体部、５５１ｂ フランジ部、５５２ 対象物流路、５６０ 蓋部、５６１ ガスケット、５６４ 内管支持部材、５６６ 対象物出入口。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】