JP4832315B2

JP4832315B2 - 高周波加熱装置

Info

Publication number: JP4832315B2
Application number: JP2007000025A
Authority: JP
Inventors: 哲男窪田; 満本間; 貴紀安部
Original assignee: Hitachi Appliances Inc
Current assignee: Hitachi Appliances Inc
Priority date: 2007-01-04
Filing date: 2007-01-04
Publication date: 2011-12-07
Anticipated expiration: 2027-01-04
Also published as: JP2008166221A

Description

本発明は、回転アンテナを用いて高周波エネルギーを加熱室内に放射し、食品などを高周波加熱する高周波加熱装置に関するものである。

従来のこの種の高周波加熱装置は、図６に示すように、加熱室２１と、その下部に高周波エネルギーを加熱室２１内に供給するための高周波供給室２３とを備え、高周波供給室２３内には図７に示す回転アンテナ２６が設けられている。

高周波供給室２３には、底面に結合穴２５が設けられ、この結合穴２５には導波管２４が接続され、導波管２４の他端部には高周波エネルギーを発生するマグネトロン２８が接続されていて、高周波エネルギーは導波管２４を伝送し結合穴２５を介して高周波供給室２３内に供給される。

回転アンテナ２６は、結合穴２５を通して高周波供給室２３外に設けた駆動装置２９と接続され回転させられる。

被加熱物である食品は、高周波供給室２３の上方に備えられた誘電体からなる被加熱物載置板２２の上に載せられ、回転アンテナ２６の回転により加熱室２１内の各方向に散乱された高周波エネルギーにより高周波加熱させられる。

回転アンテナ２６は、図７に示すように金属製円板を円形状や、長方形状，扇形状などに切り抜いたスリット２７で構成したものである（例えば、特許文献１参照）。

特開２００２−２８６２２９号公報

しかしながら、上記の従来技術において、回転アンテナ２６から加熱室２１内に放射される高周波エネルギーは、加熱室２１の形状により被加熱物載置板２２に載置された食品などの被加熱物の中心部が弱く、外周部が強かったり、逆に中心部が強く、外周部が弱いというような加熱むらが発生するという問題点があった。

また、回転アンテナ２６の形状、特にスリット２７の形状や設置位置などにより、マグネトロン２８から効率よく高周波エネルギーが発生しなかったり、高周波エネルギーが伝送する伝送路における反射電力増大などのミスマッチングにより、被加熱物が効率よく加熱されないという問題点があった。

本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、被加熱物を収容する加熱室と、この加熱室の底面に設けられた誘電体からなる被加熱物載置板と、この被加熱物載置板の下方に設けられた高周波供給室と、この高周波供給室の底面に設けられ高周波エネルギーを前記高周波供給室に供給するための結合穴と、高周波エネルギーを発生するマグネトロンと、このマグネトロンが取り付けられ、前記結合穴に接続されて高周波エネルギーを供給する導波管と、前記結合穴を貫通して前記高周波供給室内へ略垂直に臨んで設けられた内導体と、この内導体の一端に前記高周波供給室内に略水平に連結された金属製平板の回転アンテナと、前記内導体の前記導波管内で連結された誘電体軸と、この誘電体軸を回転駆動する駆動部とを備え、前記回転アンテナに中心部を始点とし外周側に向かって渦巻状のスリットを２個対称に設け、前記スリットの幅は中心部より外周側を広くし、前記渦巻状のスリットのそれぞれの始点と始点，終点と終点間の間隔をそれぞれ前記マグネトロンの発振周波数の１／２波長と、１波長にしたものである。

また、前記渦巻状のスリットの幅は外周側へ行くに従い連続的に広くしたものである。

本発明の高周波加熱装置は、上記のように構成したことにより、回転アンテナから放射される高周波エネルギーが均一に放射されるため、被加熱物全体に高周波エネルギーが照射され、加熱むらの少ない高周波加熱装置を提供することが出来る。

また、回転アンテナに対し高周波エネルギーの結合度が増大するため、反射される高周波エネルギーが減少して加熱室内に高周波エネルギーが効率よく放射されることにより、被加熱物が短時間で加熱される。

以下、本発明の一実施例を図１〜図５を参照して説明する。

図１は本発明の一実施例を示す高周波加熱装置の要部縦断面図である。被加熱物を収容する加熱室１は、底面に誘電体からなる例えば結晶化ガラスで構成された被加熱物載置板２が備えられ、この被加熱物載置板２の下方には高周波供給室３が設けられ、この高周波供給室３内には回転アンテナ８が設けられている。

高周波供給室３の底面中央部には、高周波エネルギーを高周波供給室３に供給するための結合穴６が設けられ、この結合穴６に接続された導波管５と、導波管５の他端に接続された高周波エネルギーを供給するマグネトロン４により、高周波供給室３内に高周波エネルギーが供給される。

結合穴６には、この結合穴６を貫通して高周波供給室３内に略垂直に臨んだ内導体７を有し、この内導体７の一端には高周波供給室３内の回転アンテナ８が略水平に連結されている。

内導体７の導波管５内に臨む他端には、誘電体で構成された誘電体軸９の一端が連結され、誘電体軸９の他端は導波管５に開けられた穴１０を通して導波管５の下部に設けられた駆動部１１に連結されていて、この駆動部１１により誘電体軸９と内導体７を介して回転アンテナ８は回転させられる。

被加熱物である食品１２は、被加熱物載置板２の上に載せられ、高周波供給室３内に供給されて回転アンテナ８の回転により加熱室１内の各方向に散乱させられた高周波エネルギーにより高周波加熱させられる。

図２は回転アンテナ８の平面図である。回転アンテナ８は、アルミニウム等の良導電性の金属製平板で厚さ１mm，直径１９０mmの円板に中心部から外周側に向かって左巻きの渦巻状のスリット８ａを２個対称に設けるとともに、中心部のスリット幅をＷ１とし、外周側のスリット幅をＷ２とし、スリット８ａの幅を中心部から外周側にいくに従い連続的に広くして、中心部が狭く外周側が広くなるように設けられている。なお、スリット８ａの幅は中心部から外周側にいくに従い連続的に広くするのではなく、段階的に広くしても良い。

このように渦巻き状のスリット８ａを設けた回転アンテナ８は一般的にスパイラルアンテナと呼ばれ、このようなスパイラルアンテナの放射特性はスリット幅に変化がなく、一定の幅であればアンテナ中心部の放射が強く、これを加熱に用いた場合、アンテナの真上の被加熱物載置板２上の食品などの被加熱物は、アンテナの中心部に位置した部分が強く外周部が弱く加熱される傾向にある。

そこで、本発明では回転アンテナ８に設けたスリット８ａの幅を、中心部が狭く、外周側を広くし、さらには中心部から外周側に行くにつれて連続的に広くして回転アンテナ８からの高周波エネルギーがスリット８ａ全体から均一に放射されるように制御している。

すなわち、本実施例では図２に示す回転アンテナ８の中心部のスリット幅Ｗ１は１２mm、外周部のスリット幅Ｗ２は２４mmとしている。

また、対称に２個設けた渦巻状のスリット８ａのそれぞれの始点と始点，終点と終点間の間隔Ｐ１，Ｐ２は、およそマグネトロン４の発振周波数の１／２波長と、１波長に設定し、回転アンテナ８に供給される高周波エネルギーの電界最大点となる位置にスリット
８ａの始点と、終点が位置するように設けたことにより高周波エネルギーの結合が増大するようにしている。本実施例では、マグネトロン４の発振周波数を２４５０ＭＨｚとし、図２に示す回転アンテナ８の渦巻状のスリット８ａのそれぞれの始点と始点，終点と終点の間隔Ｐ１，Ｐ２はおよそ６０mmと、１２０mmとにしている。

次に、以上の構成による作用を説明する。

マグネトロン４から発生した高周波エネルギーは、導波管５を伝播し高周波供給室３の底面中央部に設けられた結合穴６と内導体７との同軸結合により高周波供給室３に伝播する。

高周波供給室３内で、左巻きにスリット８ａが形成された回転アンテナ８を駆動部１１により右回転させると、渦巻き状のスリット８ａが回転につれて徐々に外周部に移動していくので、これに伴ってスリット８ａ部から放射される高周波エネルギーが外周部に移動して拡散し、散乱され、被加熱物１２の加熱むらを改善する。

この加熱むらの改善の効果を調べるため次のような試験を行った。

まず、図３に示すような回転アンテナ１３の２個対称に設けられた渦巻状のスリット
１３ａのスリット幅を、図２に示す本発明の実施例の回転アンテナ８に設けられた渦巻き状のスリット幅Ｗ１とＷ２の中間の値である１８mmとし、このスリット幅を中心部の始点から外周部の終点まで一定としたものと、図２に示す本発明の実施例の回転アンテナ８を用いて、被加熱物載置板２の上に載置された被加熱物１２がどのような温度分布で加熱されるかをＴＬＭ法を用いた電磁界解析手法でコンピュータで計算して求めた。なお、スリット１３ａのそれぞれの始点間と、終点間の間隔は図２に示す実施例の回転アンテナ８と同じとした。

このときの解析条件は、被加熱物１２の直径が３３０mmで厚みが１０mmの冷凍ビザパイを想定し、解析時の物理定数は比誘電率４.４，導電率０.０７２２ｓ／ｍ，密度７９４kg／ｍ³とした。

また、解析方法はこの被加熱物を１７４,０００個のセルに分解してその各々の温度上昇値を解析により計算し、図１に示されたように被加熱物１２の１／２の厚みにおけるＡ−Ａ′で見たｘ−ｚ面の温度分布を図４に示すように明暗で表示した。なお、明るい部分は温度上昇が高く、暗い部分は温度上昇が低いことを示している。また、各セルの温度上昇値から変動係数を求め、加熱むらの評価を行った。

その結果、図４（ａ）に示すスリット１３ａの幅が一定の回転アンテナ１３の場合の被加熱物１２の加熱温度分布は、被加熱物１２の中央部すなわちｈ１部分が周辺部すなわちｈ２部分より明るくなっており、中央部の温度が高い温度分布となっている。それに対し図４（ｂ）に示すスリット幅が中心部が狭く外周側が広くなるように設けられた本実施例の回転アンテナ８の場合の被加熱物１２の加熱温度分布は、中央部のｈ３と周辺部のｈ４の明るさが同程度であり、さらに、被加熱物１２は全体的に温度が上昇している。

また、このときの図４（ｂ）の結果による各セルの温度上昇値から求めた変動係数は
０.３９であり、図４（ａ）の変動係数は０.５１であった。変動係数は数値が小さいほど加熱むらが小さいことから、スリット幅を中心部から外周側に行くにつれて連続的に広くして、中心部が狭く外周側が広くなるように設けられた本実施例の回転アンテナ８を用いることにより、大幅な加熱むらの改善が確かめられた。

このように、回転アンテナ８から放射される高周波エネルギーが均一に放射されるようになるため、被加熱物１２全体に高周波エネルギーが照射され加熱むらの少ない高周波加熱装置を提供することが出来る。

次に、図５に示すように本発明の実施例の回転アンテナ８を用いた場合について、被加熱物載置板２の上に載置された被加熱物１２がどのような電力密度分布となるかをＴＬＭ法を用いた電磁界解析手法でコンピュータにより計算して求めた。なお、明るい部分は電力密度が大きく、暗い部分は電力密度が小さいことを示している。図５では本実施例の回転アンテナ８に対応して解析で得られた電力密度分布を記載している。その結果、各々１／２波長，１波長と対称に設けた渦巻状のスリット８ａそれぞれの始点，終点部の部分は明るくなっており電力密度が大きいことがわかる。このことは回転アンテナ８に供給された高周波エネルギーの電界最大点となる位置にスリット８ａの始点と終点が位置することを示している。

したがって、対称に設けた渦巻状のスリット８ａのそれぞれの始点と始点，終点と終点までの間隔を各々１／２波長，１波長に選ぶことにより、高周波エネルギーの結合が増大し、回転アンテナ８で反射される高周波エネルギーが減少して加熱室１内に高周波エネルギーが効率よく導入され、被加熱物１２が短時間で加熱できる高周波加熱装置を提供することができる。

このように、回転アンテナ８から放射される高周波エネルギーが均一に放射されるようになるため、被加熱物１２全体に高周波エネルギーが照射され、加熱むらの少ない高周波加熱装置を提供することが出来る。

また、回転アンテナ８に対し高周波エネルギーの結合度が増大するため、反射される高周波エネルギーが減少して加熱室１内に高周波エネルギーが効率よく放射されることにより、被加熱物１２が短時間で加熱される。

なお、上記実施例で説明した回転アンテナ８の直径やスリット幅Ｗ１，Ｗ２の寸法は上記の値に限定されるものではなく、同等の効果を奏する範囲内に設定すれば良い。

また、回転アンテナ８の形状も円板平板である必要はなく、また、スリット８ａの巻き方も右巻きであってもかまわない。

本発明の一実施例を示す高周波加熱装置の要部縦断面図である。同じく、回転アンテナの平面図である。スリット幅一定の回転アンテナの平面図である。（ａ）スリット幅一定の回転アンテナを用いた場合の被加熱物の温度分布を解析した結果を示す図である。（ｂ）本実施例における回転アンテナを用いた場合の被加熱物の温度分布を解析した結果を示す図である。本実施例の回転アンテナ８を用いた場合について被加熱物載置板２の上に載置された被加熱物１２の電力密度分布解析結果を示す図である。従来の高周波加熱装置の要部縦断面図である。従来の高周波加熱装置の回転アンテナの平面図である。

符号の説明

１加熱室
３高周波供給室
４マグネトロン
５導波管
６結合穴
７内導体
８回転アンテナ
８ａスリット
９誘電体軸
１１駆動部

Claims

被加熱物を収容する加熱室と、この加熱室の底面に設けられた誘電体からなる被加熱物載置板と、この被加熱物載置板の下方に設けられた高周波供給室と、この高周波供給室の底面に設けられ高周波エネルギーを前記高周波供給室に供給するための結合穴と、高周波エネルギーを発生するマグネトロンと、このマグネトロンが取り付けられ、前記結合穴に接続されて高周波エネルギーを供給する導波管と、前記結合穴を貫通して前記高周波供給室内へ略垂直に臨んで設けられた内導体と、この内導体の一端に前記高周波供給室内に略水平に連結された金属製平板の回転アンテナと、前記内導体の前記導波管内で連結された誘電体軸と、この誘電体軸を回転駆動する駆動部とを備え、前記回転アンテナに中心部を始点とし外周側に向かって渦巻状のスリットを２個対称に設け、前記スリットの幅は中心部より外周側を広くし、
前記渦巻状のスリットのそれぞれの始点と始点，終点と終点間の間隔をそれぞれ前記マグネトロンの発振周波数の１／２波長と、１波長にしたことを特徴とする高周波加熱装置。
請求項１において、前記渦巻状のスリットの幅は外周側へ行くに従い連続的に広くしたことを特徴とする高周波加熱装置。