JP2008166092A - マイクロ波加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の回転アンテナ相互間の距離を最適化することで、食品の集中加熱を可能にする。
【解決手段】マグネトロン２と、導波管３と、加熱室４と、被加熱物を載置する載置台５と、アンテナ空間６と、加熱室４にマイクロ波を放射するために加熱室４の横方向の中心に対して対称の位置に配置された回転アンテナ８、９と、回転アンテナ８、９を駆動するモータ１０ａ・１０ｂと、モータ１０ａ・１０ｂの回転、停止を制御する制御手段１１を備えて構成する。導波管３は、加熱室４の中心から管内波長の１／４（略４４ｍｍ）に相当する位置で分岐し、マグネトロン２から回転アンテナ８、９に至る各距離に管内波長の１／４（略４４ｍｍ）に相当する差が生じるようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、被加熱物をマイクロ波で加熱するマイクロ波加熱装置に関する。

代表的なマイクロ波加熱装置である電子レンジは、代表的な被加熱物である食品を直接加熱できるので、鍋や釜を準備する必要がないという簡便さがあり、生活する上で不可欠ともいうべき調理器具になっている。これまでの電子レンジは、マイクロ波が放射される加熱室の食品を収納する空間の大きさが、幅方向および奥行き方向に３００〜４００ｍｍ、高さ方向に凡そ２００ｍｍであるものが一般に普及している。

近年、食品を収納する空間の底面をフラットにし、さらに幅方向の寸法を４００ｍｍ以上として奥行き寸法よりも比較的大きくし、食品を同時に複数個並べて加熱できるようにした利便性の高い製品が実用化されている。

ところで、電子レンジで使用するマイクロ波の波長は約１２０ｍｍであり、加熱室内には強弱の電界分布が生じ、更には被加熱物の形状やその物理特性の影響が相乗されて加熱むらが発生することが知られている。この加熱むらはできるだけ少ないことが望ましいが、特に幅方向の寸法が大きい加熱室の場合は、複数の食器に入れた食品を同時に加熱するために、加熱の均一性を一層高める必要がある。

従来、この種のマイクロ波加熱装置は、一つの放射アンテナを備え、そのアンテナを回転駆動させるものであったが、近年、加熱の均一性を高める方法として複数の放射アンテナを備えるもの、或いは複数の高周波攪拌手段を備えるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

しかし、加熱室内部が広くても常に大量の食品を同時に加熱するとは限らず、例えば、マグカップ一杯の牛乳を温めるなどの時は、加熱室内部の全体を均一に加熱しなくても牛乳のみに集中して加熱させる方が効率的である。

また、複数の食品を同時に加熱する場合でも、例えば、冷凍食品と室温の食品とを同時に加熱する場合のように、食品の温める前の温度に差があれば、低温の食品のみを集中的に加熱したい場合がある。更に、幕の内弁当のように、一つの容器に漬物やサラダ、デザートなど加熱しない食品と、ごはんやおかずなど加熱する食品が含まれている場合に、加熱する食品のみを集中的に加熱したいという場合がある。

このような場合は、加熱室内部の全体を均一に加熱するのではなく、局所のみを集中加熱できる機能が必要となる。これを実現するものとして、複数の回転アンテナを切り替えるとともに、停止位置の制御を行うことによって集中加熱を可能にするものが提案されている（例えば、特許文献２参照）。

特開２００４−２５９６４６号公報 特許第３６１７２２４号公報

上記従来の構成においては、局所への集中加熱について、例えば図５に示す電子レンジ２１のように、同一形状の回転アンテナ２７ａと回転アンテナ２７ｂとを加熱室２４の中心に対して対称に配置し、回転アンテナ２７ａの指向性の強い部分２９ａと回転アンテナ２７ｂの指向性の強い部分２９ｂとをそれぞれ局所加熱したい方向に向けて停止させることで集中加熱を実現できるとしている。

しかしながら、実際に、回転アンテナ２７ａの指向性の強い部分２９ａと回転アンテナ２７ｂの指向性の強い部分２９ｂとを互いに向き合わせて、回転アンテナ２７ａと回転アンテナ２７ｂとの間に置いた被加熱物を集中加熱することができるか実験を行ってみたところ、局所への集中加熱という点では十分な結果が得られなかった。これは、互いに向き合った回転アンテナ２７ａと回転アンテナ２７ｂとの間では、両方向から放射された電波が反発、又は干渉することが原因であると考えられ、局所への集中加熱を実現するには、この問題を解決する必要があると思量された。

一方、通信用のアンテナでは、開放空間でアンテナから十分離れた遠方から見た指向性について、アンテナの長さが半波長である場合は垂直方向に強い指向性があり、波長と等しい場合は前後各方向に同等の強い指向性を持つことが知られている。しかしながら、これを電子レンジに応用しようとしても、電子レンジの加熱室は密閉空間であるため、電波が反射して定在波になり、また、アンテナから被加熱物までの距離が近いことなどによって、通信用のアンテナを単純に応用するというわけにはいかない。

本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたもので、複数の回転アンテナ相互間の距離を最適化することにより、回転アンテナの間に置いた被加熱物を集中加熱することのできるマイクロ波加熱装置を提供することを目的とする。

本発明のマイクロ波加熱装置は、所定波長のマイクロ波を発生するマイクロ波発生手段と、前記マイクロ波発生手段から前記マイクロ波を伝播する導波管と、前記マイクロ波で加熱する被加熱物を収納する加熱室と、前記導波管から前記加熱室に前記マイクロ波を放射する第１のアンテナと、前記導波管から前記加熱室に前記マイクロ波を放射する第２のアンテナと、前記第１及び第２のアンテナをそれぞれ駆動する駆動手段と、前記駆動手段を制御して前記アンテナの向きを制御する制御手段と、を有し、前記マイクロ波発生手段と前記第１のアンテナとの間の距離と、前記マイクロ波発生手段と前記第２のアンテナとの間の距離の差が、前記マイクロ波の前記導波管を伝播する管内波長の１／２の整数倍の値とは異なる構成としたものである。

この構成により、互いに向き合った際の第１及び第２のアンテナから放射されるマイクロ波の位相が半波長ずれることで、マイクロ波の腹と節で互いに打ち消し合って強さが弱められることを回避できるので、第１及び第２のアンテナの間に置いた被加熱物への集中加熱が可能となる。

また、本発明の一態様として、上記のマイクロ波加熱装置において、前記マイクロ波発生手段と前記第１のアンテナとの間の距離と、前記マイクロ波発生手段と前記第２のアンテナとの間の距離の差が、前記管内波長の略１／４の奇数倍の値である構成としたものも含まれる。

この構成により、互いに向き合った際の第１及び第２のアンテナから放射されるマイクロ波の位相が半波長ずれることがないので、マイクロ波の腹と節で互いに打ち消し合うことがなく、第１及び第２のアンテナの間に置いた被加熱物への集中加熱が可能となる。

さらに、本発明の一態様として、上記のマイクロ波加熱装置において、前記導波管は、前記マイクロ波を伝播する方向に、Ｔ字型に分岐した形状である構成としたものも含まれる。

この構成により、互いに向き合った際の第１及び第２のアンテナから放射されるマイクロ波の位相が半波長ずれることがないので、マイクロ波の腹と節で互いに打ち消し合うことがなく、第１及び第２のアンテナの間に置いた被加熱物への集中加熱が可能となる。

また、本発明の一態様として、上記のマイクロ波加熱装置において、前記導波管は、前記マイクロ波を伝播する方向に、直線状である構成としたものも含まれる。

この構成により、互いに向き合った際の第１及び第２のアンテナから放射されるマイクロ波の位相が半波長ずれることがないので、マイクロ波の腹と節で互いに打ち消し合うことがなく、第１及び第２のアンテナの間に置いた被加熱物への集中加熱が可能となる。

また、本発明の一態様として、上記のマイクロ波加熱装置において、前記導波管は、幅方向の寸法を略８５ｍｍとし、前記マイクロ波発生手段と前記第１のアンテナとの間の距離と、前記マイクロ波発生手段と前記第２のアンテナとの間の距離との差を、１１０ｍｍ以上、１５０ｍｍ以下とする構成としたものも含まれる。

この構成により、互いに向き合った際の第１及び第２のアンテナから放射されるマイクロ波の位相が半波長ずれることがないので、マイクロ波の腹と節で互いに打ち消し合うことがなく、第１及び第２のアンテナの間に置いた被加熱物への集中加熱が可能となる。

本発明によれば、複数のアンテナ相互間の距離を最適化することにより、各アンテナの間に置いた被加熱物を集中加熱することのできるマイクロ波加熱装置を提供できる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施形態によって本発明が限定されるものではない。

（第１の実施形態）
本発明の第１の実施形態では、Ｔ字型に分岐した形状の導波管を用いたマイクロ波加熱装置である電子レンジを例示する。図１は、本発明の第１の実施形態における電子レンジの概略構成を示す図であり、（ａ）は正面から見た正断面図、（ｂ）は上方から見た平断面図である。

図１（ａ）、（ｂ）において、本実施形態の電子レンジ１は、代表的なマイクロ波発生手段であるマグネトロン２と、マグネトロン２から放射されるマイクロ波を伝播する導波管３と、導波管３の上部に接続された加熱室４と、加熱室４内に固定されて被加熱物１３を載置する載置台５と、載置台５より下方に形成されたアンテナ空間６と、加熱室４の横方向の中心に対して対称の底面に設けた略円形の結合孔７ａ、７ｂと、載置台５上に配されて結合孔７ａを中心に回転可能な第１の回転アンテナ８と、結合孔７ｂを中心に回転可能であり、概ね第１の回転アンテナ８と同一形状の第２の回転アンテナ９と、嵌合させた駆動軸を介して第１の回転アンテナ８を駆動するモータ１０ａと、第２の回転アンテナ９を駆動するモータ１０ｂと、モータ１０ａ・モータ１０ｂの回転、停止を制御する制御手段１１とを備える構成である。

また、本実施形態の電子レンジ１は、加熱室４の正面に設定手段１２を備え、使用者が食品や調理内容に応じて調理メニューを選択することができる。そして、この選択結果に基づき、制御手段１１はマグネトロン２を制御してマイクロ波の発生や停止を行うとともに、モータ１０ａ・１０ｂを制御して回転アンテナ８、９の回転や停止を制御する。これにより、載置台５に載置された食品１３の加熱、調理を行うことができる。

第１の回転アンテナ８は、長手方向を有する導電性材料から成る放射部８１と、結合孔７ａを貫通し、放射部８１の長手方向に偏心して電気的及び機械的に一体化された略円筒状の導電性材料から成る結合部８２から構成されている。

第２の回転アンテナ９は、長手方向を有する導電性材料から成る放射部９１と、結合孔７ｂを貫通し、放射部９１の長手方向に偏心して電気的及び機械的に一体化された略円筒状の導電性材料から成る結合部９２から構成されている。第１の回転アンテナ８及び第２の回転アンテナ９は、後述する図２に示すように、加熱室４の横方向の中心に対して対称の位置にピッチ１５５ｍｍで配置されている。これにより、放射部８１及び放射部９１は、回転の方向に対して形状が変化し、長手方向に長い側の端部の向きに指向性の強いマイクロ波を放射させるものである。

導波管３は、上から見て略逆Ｔ字型をなし、後述する図２に示すように、幅が略８５ｍｍであるとともに、加熱室４の横方向にマイクロ波の管内波長λｇの１／４（略４４ｍｍ）シフトした位置で分岐した形状である。この形状により、マグネトロン２から結合部８２までの距離とマグネトロン２から結合部９２までの距離との間に、管内波長λｇの１／４（略４４ｍｍ）に相当する差が生じ、第１の回転アンテナ８及び第２の回転アンテナ９からそれぞれ放射されるマイクロ波は、位相が１／４波長ずれたものとなる。

これらの構成により、第１の回転アンテナ８及び第２の回転アンテナ９の回転を制御手段１１で制御し、放射部８１及び放射部９１の長手方向に長い側の端部同士を向かい合わせて停止させることで、載置台５の中央に載置した食品１３を集中加熱することができる。

図２は、放射部８１及び放射部９１の長手方向に長い側の端部同士を向かい合わせた際に、マグネトロン２から結合部８２までの距離とマグネトロン２から結合部９２までの距離との間に、管内波長λｇの１／４に相当する差があれば、放射指向性を強くすることのできる検証結果を示すものである。

図２（ａ）、図２（ｂ）は、比較のために用意した従来の左右対称に分岐した導波管２３を用いて行った評価結果を示すものである。マグネトロン２２から第１の回転アンテナ２７ａまでの距離とマグネトロン２２から第２の回転アンテナ２７ｂまでの距離とは等しい。このため、互いに向かい合った第１の回転アンテナ２７ａ及び第２の回転アンテナ２７ｂからは、位相が揃ったマイクロ波が放射される。符号２８ａは、結合孔を貫通し、回転アンテナ２７ａと電気的及び機械的に一体化された略円筒状の導電性材料から成る結合部を示している。また、符号２８ｂは、結合孔を貫通し、回転アンテナ２７ｂと電気的及び機械的に一体化された略円筒状の導電性材料から成る結合部を示している。

図２（ｂ）に示す白黒写真は、互いに向かい合った第１の回転アンテナ２７ａと第２の回転アンテナ２７ｂとの間に置いた負荷（のり）の加熱分布を示したものである。図２（ｂ）に示すように、加熱されて温度が上昇したことを示す白濁部Ｗは左右に分散している。従って、左右対称に分岐した導波管２３では、集中加熱を実現することが困難であることが分かる。なお、白黒写真中、黒の部分は、のりが透明の状態から変化しなかったことを意味している。

これに対して、図２（ｃ）、図２（ｄ）は、マグネトロン２から結合部８２までの距離とマグネトロン２から結合部９２までの距離との間に、管内波長λｇの１／４に相当する差がある場合の評価結果を示すものである。

図２（ｃ）において、導波管２は、加熱室４の横方向に管内波長λｇの１／４（略４４ｍｍ）シフトした位置で分岐した構成である。これにより、マグネトロン２から結合部８２までの距離とマグネトロン２から結合部９２までの距離との間に、管内波長λｇの１／４（略４４ｍｍ）に相当する差が生じる。このため、互いに向かい合った第１の回転アンテナ８及び第２の回転アンテナ９からは、位相が波長λの１／４（略３０ｍｍ）ずれたマイクロ波が放射される。

図２（ｄ）示す白黒写真は、互いに向かい合った第１の回転アンテナ８と第２の回転アンテナ９との間に置いた負荷（のり）の加熱分布を示したものである。加熱されて温度が上昇したことを示す白濁部が中央に集中している。これにより、マグネトロン２から結合部８２までの距離とマグネトロン２から結合部９２までの距離との間に、管内波長λｇの１／４に相当する差がある場合は、集中加熱が可能であることが実証された。

なお、互いに向かい合った第１の回転アンテナ８及び第２の回転アンテナ９において、位相が波長λの１／４ずれたマイクロ波が放射されるのは、これに限るものではなく、マグネトロン２から結合部８２までの距離とマグネトロン２から結合部９２までの距離との間に、管内波長の１／４の奇数倍に相当する差が生じる場合も同様である。

以上説明したように、このような本発明の第１の実施形態に係るマイクロ波加熱装置によれば、略Ｔ字型をなす導波管において、分岐位置のずれによってマグネトロンから第１及び第２の回転アンテナまでの距離に管内波長λｇの１／４の奇数倍に相当する差が生じる場合に、第１の回転アンテナ及び第２の回転アンテナから管内波長の１／４波長ずれた位相のマイクロ波が放射される。

これにより、第１及び第２の回転アンテナを互いに向かい合わせた位置で停止するように回転を制御することで、載置台の中央に置いた食品を集中加熱することができる。

（第２の実施形態）
本発明の第２の実施形態では、直線状の導波管を用いるマイクロ波加熱装置の電子レンジを例示する。図３は、本発明に係る実施形態の電子レンジの概略構成を示す図であり、（ａ）は正面から見た正断面図、（ｂ）は上方から見た平断面図である。図１と同じ構成要素については同一の符号を付して説明を省略する。

図３（ａ）、（ｂ）において、本実施形態の電子レンジ２０は、略Ｉ型をした平板状の第１の回転アンテナ１８及び第２の回転アンテナ１９と、マグネトロン２から放射されるマイクロ波を伝播する直線状の導波管３１とを備える構成である。

第１の回転アンテナ１８及び第２の回転アンテナ１９は、図４に示す模式図のように、マグネトロン３１からの距離がそれぞれＬ１、Ｌ２の位置に配置され、距離の差、すなわち相互の距離である（Ｌ１−Ｌ２）が、導波管３１を伝播するマイクロ波の管内波長λｇの１／４の奇数倍、例えば、管内波長の３／４として構成されている。

この構成により、第１の回転アンテナ１８及び第２の回転アンテナ１９からは、１／４波長位相がずれたマイクロ波が放射される。従って、前述した第１の実施形態と同様に、第１の回転アンテナ１８と第２の回転アンテナ１９とを互いに向かい合わせた位置で停止するように回転を制御することで、載置台の中央に置いた特定の食品を集中加熱することが可能となる。なお本実施の形態の具体的な寸法について説明を加える。導波管の幅方向の寸法を略８５ｍｍとした場合、管内波長は約１７５ｍｍとなり、管内波長の３／４は約１３３ｍｍである。しかし実際には丁度１３３ｍｍでなくても、管内波長の１／２の整数倍から遠く、かつ１／４の奇数倍に近ければ効果を発揮できると考えられる。つまり、管内波長の１／２の８８ｍｍや管内波長の２／２の１７５ｍｍから遠く、かつ管内波長の３／４の１３３ｍｍに近ければ効果があると考えられ、実際の構成として１２０ｍｍ、１３０ｍｍなどの寸法で効果を確認した。実効的には、１１０ｍｍ以上、１５０ｍｍ以下とすればかなりの効果が期待できると考えられる。

以上説明したように、このような本発明の第２の実施形態に係るマイクロ波加熱装置によれば、直線状をなす導波管において、マグネトロンから第１及び第２の回転アンテナまでの距離に管内波長の１／４の奇数倍に相当する差が生じる場合に、第１及び第２の回転アンテナから管内波長の１／４波長ずれた位相のマイクロ波が放射される。

これにより、第１及び第２の回転アンテナを互いに向かい合わせた位置で停止するように回転を制御することで、載置台の中央に置いた食品を集中加熱することができる。

本発明のマイクロ波加熱装置は、複数の回転アンテナ相互間の距離を最適化することにより、回転アンテナの間に置いた被加熱物を集中加熱することができる効果を有し、マイクロ波を使用する調理器具としての電子レンジ、オーブンレンジ、各種誘電体の加熱、解凍装置であるとか、マイクロ波を使用する半導体装置、乾燥装置などの工業分野での加熱装置、陶芸加熱、焼結あるいは生体化学反応等の用途等に有用である。

（ａ）本発明の第１の実施形態におけるマイクロ波加熱装置の概略構成を示す正断面図 （ｂ）本発明の第１の実施形態におけるマイクロ波加熱装置の概略構成を示す平断面図 （ａ）従来のマイクロ波加熱装置の概略構成図 （ｂ）従来のマイクロ波加熱装置の実験結果を示す図 （ｃ）本発明の第１の実施形態におけるマイクロ波加熱装置の概略構成図 （ｄ）本発明の第１の実施形態におけるマイクロ波加熱装置の実験結果を示す図 （ａ）本発明の第２の実施形態におけるマイクロ波加熱装置の概略構成を示す正断面図 （ｂ）本発明の第２の実施形態におけるマイクロ波加熱装置の概略構成を示す平断面図 本発明の第２の実施形態におけるマイクロ波加熱装置のマグネトロンと回転アンテナとの位置関係を示す模式図 従来のマイクロ波加熱装置の概略構成を示す平断面図

符号の説明

１、２０ 電子レンジ（マイクロ波加熱装置）
２ マグネトロン（マイクロ波発生手段）
３ Ｔ字分岐状導波管
４ 加熱室
５ 載置台
６ アンテナ空間
７ａ、７ｂ 結合孔
８、９、１８、１９ 回転アンテナ
１０ａ、１０ｂ モータ
１１ 制御手段
１２ 設定手段
３１ 直線状導波管

Claims (5)

1. 所定波長のマイクロ波を発生するマイクロ波発生手段と、
   前記マイクロ波発生手段から前記マイクロ波を伝播する導波管と、
   前記マイクロ波で加熱する被加熱物を収納する加熱室と、
   前記導波管から前記加熱室に前記マイクロ波を放射する第１のアンテナと、
   前記導波管から前記加熱室に前記マイクロ波を放射する第２のアンテナと、
   前記第１及び第２のアンテナをそれぞれ駆動する駆動手段と、
   前記駆動手段を制御して前記各アンテナの向きを制御する制御手段と、
   を有し、
   前記マイクロ波発生手段と前記第１のアンテナとの間の距離と、前記マイクロ波発生手段と前記第２のアンテナとの間の距離の差が、前記マイクロ波の前記導波管を伝播する管内波長の１／２の整数倍の値とは異なる構成としたマイクロ波加熱装置。
2. 前記マイクロ波発生手段と前記第１のアンテナとの間の距離と、前記マイクロ波発生手段と前記第２のアンテナとの間の距離の差が、前記管内波長の略１／４の奇数倍の値である構成とした請求項１に記載のマイクロ波加熱装置。
3. 前記導波管は、前記マイクロ波を伝播する方向に、Ｔ字型に分岐した形状である構成とした請求項２に記載のマイクロ波加熱装置。
4. 前記導波管は、前記マイクロ波を伝播する方向に、直線状である構成とした請求項２に記載のマイクロ波加熱装置。
5. 前記導波管は、幅方向の寸法を略８５ｍｍとし、
   前記マイクロ波発生手段と前記第１のアンテナとの間の距離と、前記マイクロ波発生手段と前記第２のアンテナとの間の距離との差を、１１０ｍｍ以上、１５０ｍｍ以下とする構成とした請求項３又は請求項４に記載のマイクロ波加熱装置。