JP3728294B2 - マイクロ波を均一に分散する装置及びこれを用いる加熱システム - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
(技術分野)
本発明は、マイクロ波を均一に分散する装置及びこれを用いる加熱システムに関する。より詳しくは、マイクロ波の発生手段より出力される所定の周波数のマイクロ波を均一に分散させることができるマイクロ波を均一に分散する装置と上記均一分散装置で加熱システムの加熱室を形成することにより、加熱室内にマイクロ波を均一に分散させ均一な電場を形成し、加熱室内に内蔵した所定の被加熱物を均一に加熱及び乾燥させるマイクロ波を均一に分散する装置及びこれを用いる加熱システムに関する。
【0002】
【従来の技術】
(背景の技術)
一般に所定の周波数のマイクロ波を用いて所定の飲食物を加熱する電子レンジや木材、スラッジ、ごみ、穀物及びゴム等を乾燥させるマイクロ波の乾燥装置などの加熱システムはマグネトロン等の発振手段を用いるマイクロ波の発生手段より2.45GHZまたは915MHZのマイクロ波を発生させ、この発生されたマイクロ波を加熱室の内部に伝送し、加熱室に収納された所定の被加熱物を加熱及び乾燥させている。
【0003】
上記マイクロ波は所定の長さの波長を有している。例えば、マイクロ波の周波数が2.45GHZであると仮定する場合にマイクロ波の波長は下記の数1になる。
【数1】
【0004】
ここで、λgはマイクロ波の波長であり、cは光の速度である3×108m/secであり、fはマイクロ波の周波数である。上記マイクロ波を用いて被加熱物を加熱及び乾燥させる加熱システム等は通常的に加熱室の内壁面と、上面及び底面が全部平面で形成されている。
【0005】
従って、上記マイクロ波の発生手段より出力されるマイクロ波が加熱室に伝送される場合にそのマイクロ波は図1 に図示したように加熱室の内壁面と上面及び底面等の平面(10)に衝突した後反射されるため、マイクロ波は均一に分散されずに偏向的に反射される。
【0006】
上記マイクロ波が偏向的に反射されることにより、加熱室の内にはマイクロ波が均一に分布しなくなる。従って、加熱室に収納された所定の被加熱物は均一に加熱されなく、最大加熱地点及び最小加熱地点が生じる。即ち、上記被加熱物は上記マイクロ波の波長の間隔により最大加熱地点及び最小加熱地点が交代に形成され、被加熱物の最大加熱地点では加熱すぎであり、最小加熱地点では加熱されないという不均一な加熱が発生されるようなる。
【0007】
かかる問題点を解決するため、従来の加熱システムは加熱室の上部に分散ファン等のような電波の撹拌機を装着し、その電波の撹拌機を回転させながらマイクロ波を均一に分散させる、及び/または所定の被加熱物を回転させ被加熱物が均一に加熱されるようにする。
【0008】
しかし、上記電波の撹拌機を使用しまた、被加熱物を回転させることは回転動力を発生するための別個の駆動モーターとこの駆動モーターの回転力を伝達するための動力伝達機構等を必要とすることであって、構成が複雑であり、製品の生産費用が上昇し、多くの電力が消耗される等の問題点があった。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
(発明の開示)
本発明は、所定の周波数のマイクロ波を均一に分散させて、所定の周波数を有するマイクロ波を均一に分散する装置を提供することを目的とする。
本発明は、上記マイクロ波を均一に分散する装置で加熱室を形成しマイクロ波を均一に分散させて加熱室の内部の被加熱物を均一に加熱できる加熱システムを提供することを他の目的とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
このような本発明の目的を達成するための本発明のマイクロ波を均一に分散する装置はマイクロ波を反射する材質からなり、上面は水平に形成されると共に側面が垂直に形成された複数の反射部等を具備するボディからなる。上記複数の反射部の幅(W)はマイクロ波の波長λgの1/n(ここで、nは1、2、3、・・・である)倍に設定することができるが、より効果的にはマイクロ波の波長λgの1/4n(例えば、λg/4、λg/8、λg/12、・・・である)倍に設定することである。また、複数の反射部の深さは底面から反射部の幅に素数(prime number)−1を掛けた値に該当する高さを基準面とし素数の最小原始根(primitive root)に対する自然数の累乗を素数で割った残りの値に反射部の幅をかけた値に設定するか、また、底面を基準面とし自然数の二乗を素数で割った残りの値に反射部の幅(W)をかけた値に設定する。 また、本発明の加熱システムは上記したボディを連続的に繰り返して連結し加熱室の上面、下面及び内壁面を形成し、ドアの内側面に設置することであって、マイクロ波の発生手段から発生し加熱室に伝送されるマイクロ波が加熱室内のボディにより均一に分散されマイクロ波の均一な電場を形成し、所定の被加熱物を均一に加熱及び乾燥させる。
【0011】
【発明の実施の形態】
(発明を実施するための最良の形態)
以下、本発明の好ましい実施の形態を図2ないし図8を参照してマイクロ波を均一に分散する装置及びこれを用いる加熱システムを詳しく説明する。図2は本発明によるマイクロ波を均一に分散する装置の構成を示した斜視図である。ここで、符号20は本発明の均一分散装置のボディ20である。上記均一分散装置のボディ20は、マイクロ波を反射する材質からなる。例えば、上記ボディ20はアルミニウム薄板等からなる。また、上記ボディ20は、耐熱性の合成樹脂で形成され、その耐熱性の合成樹脂の表面にマイクロ波を反射させることができるアルミニウム等の反射物質をコーティングしてなる。
【0012】
上記ボディ20は、ドイツのManfred R. SchroederとAT&T Bell Lab.のMurray Hillが研究し発表した分散機の形状からなることであって、複数の反射部22を具備する。上記複数の反射部22等は上面221が各々水平になり、側面223は垂直になる。
【0013】
また、上記複数の反射部22の上面221は全部同一の幅Wで形成される。例えば、複数の反射部22の上面221の幅はマイクロ波の波長λgに対し1/n倍(ここで、nは1、2、3、・・・である)に設定することもできるが、マイクロ波の波長λgに対し1/4n倍(例えば、λg/4、 λg/8、λg/12、・・・)の幅に形成することがより効果的である。また、上記複数の反射部22の上面221は底面から反射部の幅に素数−1を掛けた分の高さを基準面とし各々相違する深さDKを有するように形成される。
【0014】
例えば、下記式(2−1)、(2−2)のような素数pの最小原始根gに対する自然数nの累乗を素数pで割った残りの値に上記設定した反射部の幅Wをかけた値で複数の反射部22の上面221の深さDKを形成する。
D=gnmodulep (2−1)
DK=D・W (2−2)
【0015】
ここで、pは素数であり、gは素数pの最小原始根であり、nは1、2、3、・・・の自然数であり、gnmodule pはgn をpで割った残りの値を意味する。例えば、素数pが7であり、素数pの最小原始根gが3であると仮定する場合複数の反射部22の上面(221;221a〜221f)の深さ(DK;D1〜D6)は基準面を基準とし以下の通りである。
【0016】
【表1】
【0017】
即ち、複数の反射部22の上面(221a〜221f)は図3に示したように基準面即ち、上記反射部の幅Wに上記素数pの値である7で1を減算した高さの6を掛けた6Wの高さを基準面として、各々3W、2W、6W、4W、5W及び1Wの深さ(DK;D1〜D6)に形成される。これを表に示すと表2の通りである。
【0018】
【表2】
【0019】
上記基準面を基準とする反射部22の複数の上面(221a〜221f)の深さ(DK;D1〜D6)は底面を基準とする高さ(HK;H1〜H6)に変換すると以下の通りである。
【0020】
【表3】
【0021】
即ち、底面を基準とし上面221(221a〜221f)の高さ(HK;H1〜H6)は各々3W、4W、0、2W、1W及び5Wに形成される。また、上記反射部22の上面221の高さHKは上記した方法以外に他の方法で設定することもできる。例えば、底面を基準面として上記反射部22の上面221の高さ(HK)は下記の式(3−1)(3−2)のように0及び自然数の二乗を素数pで割った残りの値に設定することもできる。
H=N2modulep (3−1)
HK=H・W (3−2)
【0022】
ここで、Nは0、1、2、・・・であり、pは素数であり、N2module pはN2をpで割った残りの値を意味する。例えば、素数pが5である場合、複数の反射部22の上面221(221a〜221f)の高さ(HK)は以下の通り設定される。
【0023】
【表4】
【0024】
上記各々の残りの値に反射部の幅をかけた値即ち、0、1W、4W、4W、1W及び0が底面から上記複数の反射部22の上面(221a〜221f)の高さ(H1〜H6)になる。計算結果は以下の表5の通りである。
【0025】
【表5】
【0026】
このように本発明の均一分散装置のボディ20はマイクロ波の波長に比例する幅Wと、上記した式(2−1)、(2−2)と式(3−1)、(3−2)により各々相違する深さ(DK)または高さ(HK)を有する複数の反射部22で形成される。
【0027】
このような本発明の均一分散装置のボディ20は図2に示した複数のボディ20を連続的に連結されるように製造及び使用できることであって、均一分散装置のボディ20に図4に示したようにマイクロ波が入射される場合にはそのマイクロ波を均一に分散させながら反射させて、均一な電場を形成されることができる。従って、所定の被加熱物を回転させず、停止された状態においても均一に分散されるマイクロ波により均一に加熱及び乾燥される。
【0028】
一方、上記ボディ20を加熱システム等の壁面に設置する時、ボディ20の左右両端部程の長さを有すると上面と底面に接近して接触せずにそれらの場所で発生されて開放されていると、その開放された両端部によりマイクロ波が漏洩される虞がある。従って、このような場合に両端部をボディ20と同一な材質の隔板24で開放部を密封しマイクロ波が漏洩されないようにすることが望ましい。
【0029】
一方、上記した実施態様ではボディ20が6個の反射部22を具備することであると説明した。本発明では反射部22の個数が限定されずに、ボディ20を設置する加熱システムの加熱室の大きさ等により必要な素数を選択し、その選択した素数による複数の反射部22を具備することができる。
【0030】
勿論、このような場合にもボディ20を構成する反射部22の幅(W)は上記した実施態様と同じ方法によるマイクロ波の波長λgに対し1/n倍に設定することもできるが、より効果的な方法はマイクロ波の波長λgに対し1/4n倍(即ち、λg/4、λg/8、λg/12、・・・)の幅に形成することである。また、本発明の均一分散装置のボディ20で加熱システムの加熱室を形成する場合にマイクロ波を均一に分散し加熱室の内部に均一な電場を形成することができる。
【0031】
図5は本発明の均一分散装置のボディで加熱室を形成した加熱システムを示した一つの実施例として、図5aは加熱システムのドアを開けた状態を示した斜視図であり、図5bは加熱システムの断面図である。ここで、符号50は加熱システムの本体である。上記本体50の内部の一側にはマグネトロン等の発振手段を用いてマイクロ波を発生するマイクロ波の発生手段51が具備され、本体50の他側には上記マイクロ波の発生手段51から発生したマイクロ波で所定の被加熱物52を加熱及び乾燥させる加熱室53が具備される。
【0032】
また、上記マイクロ波の発生手段51と加熱室53の間には 上記マイクロ波の発生手段51から発生されたマイクロ波を上記加熱室53に伝送するための導波管等のマイクロ波の伝送手段54が具備される。上記加熱室53の上面、底面及び内周壁は上記均一分散装置のボディ20を連続的に繰り返してからなり、上記加熱室53の前面には使用者の操作により加熱室53を開閉させるドア55が具備され、上記ドアの内面にも透視窓56だけを除外した全ての部分は上記の均一分散装置のボディ20が連続的に繰り返して設置される。この時、ボディ20の反射部22の上面221は加熱室53の内部を向かうように設置される。
【0033】
上記加熱室53の上面、底面及び内周壁を構成する上記均一分散装置のボディ20にはドア55を閉じて加熱室53を密閉させた状態でマイクロ波により被加熱物52を加熱及び乾燥させる場合に発生される水蒸気を吸入し排気口57に排出するための複数の通孔58が所定の間隔をおいて形成される。この時、上記通孔等によりマイクロ波が漏洩されないようにするため通孔58等の半径をマイクロ波が漏洩されない大きさ、例えば半径が0.6〜0.8mmの範囲以内になるようにすることが望ましい。
【0034】
このように構成される本発明の加熱システムは所定の被加熱物52を加熱及び乾燥させる場合に先ずドア55を開けて、加熱室53内に被加熱物52を入れた後、上記ドアを閉じて加熱システムを動作させる。上記加熱システムを動作させると、マイクロ波の発生手段51が動作してマイクロ波を発生し、発生したマイクロ波はマイクロ波の伝送生手段54により加熱室53に伝送される。
【0035】
このように加熱室53に伝送されたマイクロ波は加熱室53の上面、底面及び内周壁を形成すると共にドア55の内側に設置される均一分散装置のボディ20の反射部22により均一に分散されながら反射されるのであって、加熱室53内のマイクロ波は均一な電場で形成され、これにより被加熱物52が均一に加熱及び乾燥される。この時、上記被加熱物52が加熱及び乾燥されながら、発生される水蒸気及び匂い等はボディ20に形成されている通孔58を通って吸入された後排気口57により外部に排出される。
【0036】
図6a及び図6bは本発明の加熱システムで均一分散装置のボディ20が配列される他の実施例等を示した図面である。図示したように、所定の長さを有する数個のボディ20を連続的に形成し約正四角形になる基本ボディ60を形成し、複数の基本ボディ60を 図6aに図示したように反射部22が垂直及び水平になるようにジグザグに配列し、加熱システムの加熱室53の上面、底面及び内壁面を形成し、また、ドア55の内壁面に設置することができる。また、上記複数の基本ボディ60を反射部22が所定の角度で傾くようにするためジグザグに配列することもできる。
【0037】
図7a、7bは加熱システムに本発明の均一分散装置を設置した状態を示す一つの他の実施例として、図7aは加熱システムのドアを開けた状態を示した斜視図であり、図7bは加熱システムの断面図である。図示されたように、加熱システムの他の実施例には上記加熱室53を構成するボディ20の内側にマイクロ波が透過できるテフロン(登録商標)等からなる被加熱物の収納室70を具備する。上記被加熱物の収納室70の各面は上記ボディ20の反射部22の一番高い上面に接触される程度の大きさに形成することができる。
【0038】
また、ドア55の内壁面に付着されているボディ20にもマイクロ波が透過できるテフロン(登録商標)等からなる開閉板72を具備してドアを閉じる場合に被加熱物の収納室70の前方が上記開閉板72により閉じるようになる。このように加熱室53内に別途の被加熱物の収納室70を具備することは所定の被加熱物52を加熱及び乾燥させた後、内部の掃除等を容易にするためである。ここで、上記被加熱物の収納室70にも複数の通孔74を形成し被加熱物52を加熱及び乾燥させる場合に発生される水蒸気や匂い等を排気口57により外部に排出できるようにすることが望ましい。
【0039】
このような本発明の加熱システムで加熱室53の内部の底面から3cmの高さに0.7cmの厚さのテフロン(登録商標)板を設置し、そのテフロン(登録商標)板に複数のチーズを互いに接触されるように配列し、マイクロ波の発生手段51が2kWの出力でマイクロ波を発生するようにし、この発生したマイクロ波をマイクロ波の伝送手段54を通って加熱室53に伝送し、上記チーズを加熱した後1分経過される時にチーズの各部位の温度を測定した結果、図8に図示されたような温度の等高線を得た。
【0040】
上記図8で本発明の加熱システムはチーズの各部位の温度が26.1〜29.9℃に分布された。最高に加熱される部位と、最小に加熱される部位の温度の差が3.8℃であって、チーズが均一に加熱されることが分かる。
【0041】
一方、上記した実施態様では加熱システムの加熱室及び被加熱物の収納室70に作業者が直接所定の被加熱物52を入れて、加熱及び乾燥させることを説明したが、本発明はこれに限らず、いろんなマイクロ波の加熱システムに適用することができる。例えば、左右両側を開放させコンベヤー(図面に図示しない)等により、所定の被加熱物を自動的に移送し、その開放された部位でマイクロ波が外部に漏出されないようにする加熱システムに本発明のボディ20を設置し、マイクロ波を均一に分散及び被加熱物を均一に加熱及び乾燥することもできる。
【0042】
産業上の利用分野
上述したように、本発明によると、マイクロ波を全ての反射角を均一に伝搬させる分散の特性を有することとして所定の被加熱物を均一に加熱及び乾燥させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 マイクロ波が平面入射される場合の反射特性を説明するための図面である。
【図2】 本発明の均一分散装置の構成を示す斜視図である。
【図3】 本発明の均一分散装置の構成を示す側面図である。
【図4】 本発明の均一分散装置にマイクロ波が入射する場合の反射特性を説明するための図面である。
【図5】 本発明の均一分散装置のボディ(20)で加熱室を形成した加熱システムを示す一つの実施例を示す図面であり、(a)は加熱システムのドアを開けた状態を示す斜視図であり、(b)は加熱システムの断面図である。
【図6】 (a)(b)は本発明の加熱システムで均一分散装置のボディが配列される他の実施例等を示す図面である。
【図7】 本発明の均一分散装置のボディで形成した加熱室内に被加熱物の収納室を設置した実施例を示す図面であり、(a)は加熱システムのドアを開けた状態を示す斜視図であり、(b)は加熱システムの断面図である。
【図8】 本発明の加熱システムにチーズを入れて、2kWのマイクロ波を出力で1分加熱した後温度を測定した結果を示す温度の等高線である。
Claims (13)
- マイクロ波を反射する材質からなり、上記マイクロ波の波長に比例し、全部同一の大きさの幅を有し、底面から反射部の幅に素数−1を掛けた分の高さを基準面とし各々相違する深さを有する複数の反射部を具備するボディからなり、 上記複数の反射部の幅(W)は上記マイクロ波の波長λgの1/n(ここで、nは1、2、3、・・・である)倍に設定し、上記反射部の深さ(DK)は上記基準面を基準として下記式(1)により各々設定されるマイクロ波を均一に分散する装置。
D=g1 module p、g2module p、・・・gp−1module p、DK =D・W-------------(1)
ここで pは素数であり,gは素数pの最小原始根でありgn module pはgnをpで除した殘りを意味する。 - 上記複数の反射部の上面は水平になり、側面は垂直になることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- 上記複数の反射部の幅は上記マイクロ波の波長λgの1/(4n)倍に設定されることを特徴とする請求項1に記載の装置。
- マイクロ波を反射する材質からなり、マイクロ波の波長に比例し全部同一の大きさの幅を有し、底面を基準面とし各々相違する高さを有する複数の反射部を具備するボディからなり、
上記複数の反射部の幅(W)はマイクロ波の波長λgの1/n(ここで、nは1、2、3、・・・である)倍に設定され、
底面を基準とし複数の反射部の高さ(HK)は下記式(2)により各々設定されるマイクロ波を均一に分散する装置。
H=N2module p、HK=H・W --------(2)
ここで、Nは0、1、2、・・・、pであり、pは素数であり、N2module pはN2をpで割った残りの値を意味する。 - 上記複数の反射部の上面は水平になり、側面は垂直になることを特徴とする請求項4に記載の装置。
- 上記複数の反射部の幅はマイクロ波の波長λgの1/(4n)倍に設定されることを特徴とする請求項4に記載の装置。
- マイクロ波を発生するマイクロ波の発生手段と;
上記マイクロ波の発生手段から発生するマイクロ波を伝送するマイクロ波の伝送手段と;
上記マイクロ波の伝送手段により伝送するマイクロ波を分散させ被加熱物を加熱及び乾燥させる加熱室と;
上記加熱室の前方に開閉可能に設置されたドア;及び、
上記加熱室の上面、底面及び内壁面はマイクロ波を反射する材質からなり、マイクロ波の波長Wに比例し、同一の大きさの幅を有し、基準面(または底面)を基準とし各々相違する深さ(または高さ)を有する複数の反射部等を具備するボディが連続的に繰り返して形成され、
上記ボディは;
上記複数の反射部の幅(W)がマイクロ波の波長λg の1/n倍に設定され、底面から反射部の幅に素数−1を掛けた分の高さを基準とし複数の反射部の深さ(DK)が下記式(3)により各々設定されることを特徴とするマイクロ波を均一に分散する装置を用いる加熱システム。
D=g1 module p、g2module p、・・・gp−1module p、DK =D・W-------------(3)
ここで pは素数であり,gは素数pの最小原始根でありgnmodule pはgnをpで除した殘りを意味する。 - 上記ボディは;
上記複数の反射部の幅(W)がマイクロ波の波長λgの1/n倍に設定され、底面を基準とし複数の反射部の高さ(HK)が下記式(4)により各々設定されることを特徴とする請求項7に記載の加熱システム。
H=N2module p、HK=H・W --------(4)
ここで、Nは0、1、2、・・・、pであり、pは素数であり、N2module pはN2をpで割った残りの値を意味する。 - 上記ボディは;
垂直及び水平になるようにジグザグに配列されて設置されることを特徴とする請求項7に記載の加熱システム。 - 上記ボディは;
上記反射部が傾く状態に垂直及び水平になるようにジグザグに配列されて設置されることを特徴とする請求項7に記載の加熱システム。 - 上記ボディには;
マイクロ波は漏洩されずに、被加熱物が加熱及び乾燥されながら発生される水蒸気及び匂いを排出することができる大きさの複数の通孔が所定の間隔をおいて形成されていることを特徴とする請求項7ないし請求項10のいずれの一項に記載の加熱システム。 - 上記ボディからなる加熱室の内側にマイクロ波が透過することができる材質からなる被加熱物の収納室を有することを特徴とする請求項7ないし請求項10のいずれか一項に記載の加熱システム。
- 上記ドアの内側にマイクロ波を反射する材質からなり、マイクロ波の波長に比例し、同一の大きさの幅を有し、基準面を基準とし各々相違する深さを有する複数の反射部等からなるボディが具備されることを特徴とする請求項7に記載の加熱システム。
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