JP4888221B2 - マイクロ波加熱装置 - Google Patents

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策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す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ときに、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９に示す電子レンジのように、同一形状の二つの回転アンテナ１９、１９を加熱室２０の中心に対して対称に配置し、各アンテナ１９、１９の指向性が強い端部２１、２１を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。たとえば図９（ａ）、図９（ｂ）の向きでは加熱室の真ん中に置かれた食品の中心を集中的に加熱することができる。しかしアンテナの指向性が高くなるほどアンテナの先端に電界が集中しやすくなり、図９のように回転駆動されるアンテナにおいてはアンテナの軌跡が円になるため、アンテナ先端が通過する領域がリング状に強く加熱されることになり、たまたまその領域に配置された食品が局部的にオーバークックになる可能性がある。特に図９のような複数のアンテナの場合、中央を加熱するためにアンテナが互いに向き合う位置で停止させることが考えられるため、その近傍すなわちアンテナ間の近傍にオーバークックが生じる可能性がある。また電子レンジの加熱室はマイクロ波が閉じ込められる空洞共振器であり、定在波も起こるので、定在波が強い場所でかつアンテナ先端も通過するような場所が最もオーバークックになりやすい。

本発明は、上記従来の事情に鑑みてなしたもので、複数のアンテナの向きにより加熱分布を制御するマイクロ波加熱装置において、複数のアンテナ間におけるアンテナ通過領域近傍のオーバークックを防ぐことを目的とする。

本発明のマイクロ波加熱装置は、マイクロ波を発生するマイクロ波発生部と、前記マイクロ波発生部から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複数の回転アンテナと、前記回転アンテナを駆動する駆動部と、前記駆動部を制御して前記回転アンテナの向きを制御する制御部と、前記複数の回転アンテナ間で前記加熱室壁面上に一体化された導電性材料からなる整合板を有する構成としたものである。

この構成により、複数のアンテナ間に整合板を配置したので、アンテナが向き合う時のマイクロ波の少なくとも一部を反射させることができ、結果としてアンテナ先端近傍の電界集中を分散させて、食品の局部的なオーバークックを防止することができる。

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、整合板は回転アンテナの外周に対して接線方向に配置される構成としたものも含まれる。

この構成により、整合板が回転アンテナに対向することになり、回転アンテナから放射されるマイクロ波を効果的に反射させることができ、アンテナ先端近傍の電界集中を分散させて、食品の局部的なオーバークックを防止することができる。

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、整合板は回転アンテナ側を向く先端部を有する構成としたものも含まれる。

この構成により、より一層整合板の効果を高めることができる。

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、制御部は、回転アンテナの指向性の強い向きを整合板に向けて停止させるよう制御する構成としたものも含まれる。

この構成により、最も整合板の効果を高めることができる。

本発明によれば、複数のアンテナ間に整合板を配置したので、アンテナが向き合う時のマイクロ波の少なくとも一部を反射させることができ、結果としてアンテナ先端近傍の電界集中を分散させて、食品の局部的なオーバークックを防止することができる。

第１の発明のマイクロ波加熱装置は、マイクロ波を発生するマイクロ波発生部と、前記マイクロ波発生部から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複数の回転アンテナと、前記回転アンテナを駆動する駆動部と、前記駆動部を制御して前記回転アンテナの向きを制御する制御部と、前記複数の回転アンテナ間で前記加熱室壁面上に一体化された導電性材料からなる整合板を有する構成としたものであり、複数のアンテナ間に整合板を配置したので、アンテナが向き合う時のマイクロ波の少なくとも一部を反射させることができ、結果としてアンテナ先端近傍の電界集中を分散させて、食品の局部的なオーバークックを防止することができる。

第２の発明のマイクロ波加熱装置は、整合板は回転アンテナの外周に対して接線方向に配置される構成としたものも含まれ、この構成により、整合板が回転アンテナに対向することになり、回転アンテナから放射されるマイクロ波を効果的に反射させることができ、アンテナ先端近傍の電界集中を分散させて、食品の局部的なオーバークックを防止することができる。

第３の発明のマイクロ波加熱装置は、整合板は回転アンテナ側を向く先端部を有する構成としたものも含まれ、この構成により、より一層整合板の効果を高めることができる。

第４の発明のマイクロ波加熱装置は、制御部は、回転アンテナの指向性の強い向きを整合板に向けて停止させるよう制御する構成としたものも含まれ、この構成により、最も整合板の効果を高めることができる。

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。

（実施の形態１）
図１、図２は、本発明に係る実施形態のマイクロ波加熱装置である電子レンジの概略構成を示す図であり、図１は上方から見た平断面図、図２は正面から見た正断面図である。

図１において、本実施形態の電子レンジは、代表的なマイクロ波発生部であるマグネトロン１と、マグネトロン１から放射されるマイクロ波を伝播する導波管２と、導波管２の上部に接続された加熱室３と、加熱室３内に固定されて代表的な被加熱物である食品４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３の中心から略等距離の底面に設けた２つの結合孔７、７と、アンテナ空間６内に配されて結合孔７、７を中心に回転可能な回転アンテナ８、８と、嵌合させた駆動軸を介して回転アンテナ８、８を駆動する駆動部としてのモータ９、９と、モータ９、９の回転、停止を制御する制御部１０を備える構成である。

また、本実施形態の電子レンジは、設定手段１１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、制御部１０はマグネトロン１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９を制御して回転アンテナ８、８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４の加熱、調理を行うことができる。

回転アンテナ８は、略Ｌ字型をしたパッチアンテナであり、Ｌ字形に沿う長手方向を有する平板状の導電性材料から成る放射部８１と、結合孔７を貫通し、放射部８１と電気的及び機械的に一体化された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。

図３は、放射部８１の具体的な形状を例示する平面図である。

図３において、放射部８１の結合部８２の中心からＬ字形に沿う長辺８１ａの長手方向の端部８４までの長さは５０ｍｍである。一方、長辺の幅３０ｍｍの中心線である一点鎖線（以下、基準線という）に沿って結合部８２の中心から３５ｍｍの位置で角度８３．６２°をなしてＬ字状に曲がり、そこから４５ｍｍ行ったところの放射部８１のＬ字形に沿う短辺８１ｂの端部８３の沿面が、結合部８２を中心とする半径６０ｍｍからなる円弧の一部をなすように構成されている。

放射部８１の平面視全体形状をＬ字型と把握した場合、長辺８１ａは、結合部８２と結合した第１の部分として定義づけられ、一方、短辺８１ｂは、当該第１の部分と交差した第２の部分として定義づけられる。尚、放射部の各部分（第１の部分、第２の部分）の長手方向の長さは、上述したように、放射部の幅方向の中心に位置した一点鎖線で示した基準線の長手方向の長さによって定義づけることができる。

この形状によると、結合部８２を中心とする放射部８１の回転直径は１２０ｍｍとなり、これはマイクロ波の波長（一波長）に相当し、加熱室４の広さからアンテナが回転する際の直径がマイクロ波の一波長以下に制限される場合であっても、使用することが可能な寸法である。

すなわち、本実施形態において、放射部８１は、第１の部分（長辺８１ａ）と第２の部分（短辺８１ｂ）という互いに交差する二つの部分を有しているため、回転直径で制約された狭い空間でも、単なる回転直径または回転半径よりも、実質的に大きな長さ（基準線に沿った長さ）が確保されている。具体的には図３において、回転半径は６０ｍｍだが、半径に対応した実質的な放射部の長さは３５＋４５ｍｍ＝８０ｍｍである。従って狭い空間でも、指向性の強いマイクロ波を放射することが可能となると考えられる。

ただし放射部８１はＬ字型のために、放射部全体としての指向性は長手方向からは少し曲げられて、実矢線８５のような向きとなる。

次に整合板１２の構成について説明する。特に図１の実矢線１３の方向から見た図を図４に示すが、図４では右側の回転アンテナ８の放射部８１の端部８３が最も整合板１２に接近している場合を示す。

整合板１２は、ステンレスや鉄あるいはメッキされた鋼板など導電性材料の板体からなり、加熱室底面３１上にスポットあるいはカシメなどによって一体化されている。整合板１２の配置は、図１に示すように複数の回転アンテナ８、８間に位置するもので、特に図１右側のアンテナ８の外周（すなわち端部８３の駆動領域）の軌跡を破線１４であらわしたときに、その接線方向に長手方向（３０ｍｍ）を向けて配置している。

整合板１２の形状は、図４の通り、加熱室底面３１上に一体化された底部１２１、鉛直方向の中央部１２２、右側の回転アンテナ８の放射部８１側に向けて折り曲げられた先端部１２３から構成されている。ここで放射部８１が加熱室底面３１から１０ｍｍの距離にあり、中央部１２２の高さが１４ｍｍ、先端部１２３の曲げ寸法が５ｍｍ、先端部１２３から放射部８１までの水平方向の距離を４ｍｍ、また図１に示したように長手方向を３０ｍｍとしている。

次に整合板１２の効果について説明する。図５は冷凍しゅうまい１５個を８００Ｗ出力で３分間加熱したときの温度データを示し、図５（ａ）は整合板１２が無い状態、図５（
ｂ）は整合板１２が有る状態での結果を示している。図に示した数値は加熱終了後の各しゅうまいの中心部分の温度であり、１５個の最高から最低までの温度差が、図５（ａ）では３１Ｋ、図５（ｂ）では２２Ｋとなり、整合板１２によって温度むらが改善した。さらに図５（ａ）の整合板１２無しの時は右奥のしゅうまい二つがオーバークックでくっついて斜線部１５の部位が少し硬くなったが、図５（ｂ）の整合板１２有りの時はそういうことは起こらなかった。つまり整合板１２によってしゅうまいの局部的なオーバークックが解消された。ちなみにしゅうまい、回転アンテナ８、８、外周１４、整合板１２の位置関係を重ねて記載してみると図６のようになり、図５（ａ）で示したオーバークックの斜線部１５はまさに外周１４上となり右側の回転アンテナ８の端部８３が通る場所であるとわかる。よってこの近傍に整合板１２を配置することでマイクロ波の少なくとも一部を反射させ、電界集中を回避することにより、局部的なオーバークックを防止することができたと考えられる。ちなみに回転アンテナ８の端部８３の外周１４はほかのしゅうまいの近傍も通るし、さらに左側のアンテナの外周でオーバークックが起こっても不思議ではない。それなのに斜線部１５だけがオーバークックになった理由を考察すると、これは回転アンテナだけで決まるのではなく、電子レンジの加熱室がマイクロ波が閉じ込められる空洞共振器であり、定在波も起こるので、定在波が強い場所でかつアンテナ先端も通過するような場所が最もオーバークックになりやすいと考えられる。

以上まとめると、本実施の形態において、複数の回転アンテナ８、８間に整合板１２を配置したので、回転アンテナ８、８が向き合う時のマイクロ波の少なくとも一部を反射させることができ、結果として回転アンテナ８、８の端部８３近傍の電界集中を分散させて、しゅうまいの局部的なオーバークックを防止することができる。

特に、整合板１２は右側の回転アンテナ８の外周１４に対して接線方向に配置したので、整合板１２が右側の回転アンテナ８に対向することになり、右側の回転アンテナ８から放射されるマイクロ波を効果的に反射させることができ、右側の回転アンテナ８の端部８３近傍の電界集中を分散させて、しゅうまい右奥の局部的なオーバークックを防止することができる。

また、整合板１２は右側の回転アンテナ８側を向く先端部１２３を有する構成としたことにより、より一層整合板１２の効果を高めることができる。これは回転アンテナ８の端部８３から放射されたマイクロ波が整合板１２の中央部(立壁部)１２２で反射されてそのまま上に向かう反射波を抑制、及び回転アンテナ８の端部８３から直接斜め上方に向けて放射されるマイクロ波の一部を抑制するためと推察される。

さらに、制御部が、右側の回転アンテナ８の指向性の強い向きを整合板１２に向けて停止させるよう制御する構成により、最も整合板１２の効果を高めることができる。

なお、整合板１２を複数の回転アンテナ８、８間に配置する、という意味は、図１の配置を含むもので、整合板１２が一方のアンテナから見て他方のアンテナ側にあれば、ある程度効果があると考えられる。

また、回転アンテナ８、８が向き合う、という意味は、たとえば図１のような向きに代表されるが、アンテナの指向性は実矢線８５の向きに強いとは言うもののある程度幅を持ってマイクロ波を放射することになるので、図１の向きだけに限定されるものではなく、直角方向（実矢線８５が図１の上向きまたは下向き）よりも他のアンテナ側を向いていれば向き合っているものとし、ある程度効果があると考えられる。特にパッチアンテナの場合、長手方向に指向性が強くなるので、おおむね長手方向が直角よりも他のアンテナ側を向けば効果があると考えられる。

図７は、回転アンテナの放射部の変形例を示す平面図であり、（ａ）は鎌状に形成した短辺を有することにより、短辺端部の沿面長さを大きくして、端部先端側から放射されるマイクロ波の指向性を強くしたものである。また、（ｂ）はＴ字形に沿う短辺を形成することで、短辺端部の沿面長さを更に大きくし、端部先端側から放射されるマイクロ波の指向性を強くしたものである。（ｃ）は短辺をピッケル状に形成することにより、短辺端部の沿面長さを大きくするとともに、短辺の幅を細身にしてマイクロ波の電界を集中させ、放射指向性を高めようとするものである。

（実施の形態２）
図８は、本発明に係る実施形態のマイクロ波加熱装置である電子レンジの概略構成を示す図であり、上方から見た平断面図である。

図８の電子レンジは、導波管２をＴ字型に分岐させた構成で、回転アンテナ１６、１６は円盤状の外形を為し主として抜き穴１７側に強い指向性を持たせてマイクロ波を放射するもの（スロットアンテナ）である。整合板１８は、加熱室底面３１上に一体化された２つの底部１８１と鉛直方向の中央部１８２がへの字型を為し、実施の形態１とは異なり先端部は有さない構成としている。また整合板１８は、両方のアンテナに影響を与えるよう左右対称形状を為し、両方のアンテナから等距離に配置した構成である。

以上、本発明の各種実施形態を説明したが、本発明は前記実施形態において示された事項に限定されず、明細書の記載、並びに周知の技術に基づいて、当業者がその変更・応用することも本発明の予定するところであり、保護を求める範囲に含まれる。

特に、アンテナについて、複数のアンテナが異なる構成でも良いし、回転導波管で構成しても良い。また整合板を複数個配置することなども容易に考えられる。

本発明のマイクロ波加熱装置は、複数の回転アンテナの向きにより加熱分布を制御する場合に局部的なオーバークックを防ぐ効果を有し、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。

本発明の実施形態１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 同、マイクロ波加熱装置の概略構成を示す正断面図 同、マイクロ波加熱装置の回転アンテナの形状を示す平面図 同、マイクロ波加熱装置の整合板の形状を示す正面図 （ａ）従来のマイクロ波加熱装置のしゅうまいの温度分布を示す特性図（ｂ）本発明の実施形態におけるマイクロ波加熱装置のしゅうまいの温度分布を示す特性図 回転アンテナ、整合板、しゅうまいの配置を示す平面図 （ａ）（ｂ）（ｃ）は本発明の他の実施の形態におけるマイクロ波加熱装置の回転アンテナ構成を示す平面図 本発明の実施形態２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を示す正断面図（ｂ）、（ｃ）は同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 マグネトロン（マイクロ波発生部）
２ 導波管
３ 加熱室
４ 食品（被加熱物）
８、１６ 回転アンテナ
９ モータ（駆動部）
１０ 制御部
１２、１８ 整合板
１２３ 先端部

Claims (4)

1. マイクロ波を発生するマイクロ波発生部と、前記マイクロ波発生部から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複数の回転アンテナと、前記回転アンテナを駆動する駆動部と、前記駆動部を制御して前記回転アンテナの向きを制御する制御部と、前記複数の回転アンテナ間で前記加熱室壁面上に一体化された導電性材料からなる整合板を有する構成としたマイクロ波加熱装置。
2. 整合板は回転アンテナの外周に対して接線方向に配置される構成とした請求項１記載のマイクロ波加熱装置。
3. 整合板は回転アンテナ側を向く先端部を有する構成とした請求項１記載のマイクロ波加
   熱装置。
4. 制御部は、回転アンテナの指向性の強い向きを整合板に向けて停止させるよう制御する
   構成とした請求項１記載のマイクロ波加熱装置。