JP5102486B2 - 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、日常生活において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、食品を均一に加熱するために、食品を載せた円形のターンテーブルを回転させるターンテーブル方式が主流であったが、円形のターンテーブルを無駄なスペースがないように配置するためには、加熱室の底面を略正方形に設計する必要があった。

しかし、近年は、食品を収納する空間の底面をフラットにするとともに、さらに横幅を広くして、食品を入れた食器を複数個並べて同時に加熱することが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。

これは、従来のターンテーブル方式に対して回転アンテナ方式と呼ばれているもので、食品を置く台の下側でアンテナを回転させてマイクロ波の放射方向を変更することにより、食品を加熱する構成である。特に最近では、加熱の均一性を高めるために、複数のアンテナを備えるものが提案されている（例えば、特許文献１、２参照）。

特開２００４−４７３２２号公報 特開２００３−１７３８６７号公報

上記従来の特許文献１に記載の電子レンジは、図５に正断面図で示すように、マグネトロン２１がドア２４の反対側に設置されるとともに、底板２５の下方に放射アンテナ２６とその回転軸２７がドア２４から見て左右方向に並ぶように二つ設けられている。導波管２２は、二つの回転軸２７を収容できるように、マグネトロン２１から加熱室２３に向けて逆Ｔ字状に分岐する構成（以下、Ｔ型導波管という）である。

また、導波管２２の端部から回転軸２７までの距離ＬＥは、マイクロ波の波長λの１／４とされているが、放射されるマイクロ波の左右のバランスは、放射アンテナ２６の配置が左右対称であるためにほぼ均一である。

しかしながら、このようなＴ型導波管２２を用いる電子レンジ２０では、アンテナ２６の回転スペースを確保すること、及びマグネトロン２１を奥側へ配置する必要があることのために、奥行き方向の寸法が大きくなるという問題点がある。

一方、特許文献２に記載の電子レンジは、図６に平断面図で示すように、マグネトロン３１が加熱室３３の右側、つまり、加熱室３３に対して右端側に設置されるとともに、底板３５の下方に放射アンテナ３６とその回転軸３７が左右方向に並ぶように二つ設けられている。導波管３２は、二つの回転軸３７を収容できるように、マグネトロン３１から加熱室３３に延設して直線状に設ける構成（以下、Ｉ型導波管という）である。

しかしながら、このようなＩ型導波管３２を用いる電子レンジ３０では、二つの放射アンテナ３６のマグネトロン３２からの距離が異なるので、放射されるマイクロ波の出力も均等ではなくなり、このため被加熱物を均一に加熱することができないという問題点がある。

本発明は、上記従来の事情に鑑みてなされたもので、奥行き方向の大きさを抑制するとともに、Ｉ型導波管と複数の回転アンテナを用いて被加熱物を均一に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延設して、マイクロ波を伝播する直線状の導波管と、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、前記導波管に配置され、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アンテナと、前記アンテナを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、前記複数のアンテナは、それぞれ、前記加熱室内において前記マイクロ波を放射する放射部と、長手方向の一方が前記導波管内に突出し、他方が前記放射部に結合して、前記導波管から前記マイクロ波を伝播する給電部と、を有し、前記給電部の長さは、前記導波管内に突出する長さであり、前記マイクロ波発生手段に近い側の前記給電部を短い構成としたものである。

この構成により、複数のアンテナから放射されるマイクロ波のバランスを最適化させることが可能となり、奥行き方向の寸法を大きくすることなく、被加熱物を均一に加熱できる。また、この構成により、複数のアンテナにおける給電部の導波管内に突出する長さをそれぞれ異ならせることで、各アンテナの放射部から放射されるマイクロ波のバランスを最適化させることが可能となり、被加熱物を均一に加熱することができる。さらに、この構成により、マイクロ波発生手段に近いことで放射部からマイクロ波が強く放射される場合にこれを抑制することができるので、複数の放射部から放射されるマイクロ波のバランスを最適化させることが可能となり、被加熱物を均一に加熱することができる。

本発明によれば、奥行き方向の大きさを抑制するとともに、Ｉ型導波管と複数の回転アンテナを用いて被加熱物を均一に加熱することが可能なマイクロ波加熱装置を提供できる。

（実施の形態１）
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。

図１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、（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、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Ｉ型導波管３と、導波管３の上部に配設された加熱室４と、加熱室４内に固定されて被加熱物１３を載せる載置台５と、載置台５の直下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二つの結合孔７ａ，７ｂと、載置台５上に配設されて結合孔７ａ，７ｂを中心に回転可能な第１及び第２の回転アンテナ８，９と、嵌合させた駆動軸を介して第１及び第２の回転アンテナ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を備える構成である。

また、電子レンジ１は、使用者が食品やその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設定手段１２を備えている。そして、調理メニュー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の回転や停止を行う。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、略Ｉ型をしたパッチアンテナであり、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、放射部８１の長手方向に偏心して電気的及び機械的に接続された所定の長さＬ１を有する略円筒状の導電性材料から成る給電部８２から構成されている。

また、第２の回転アンテナ９は、放射部８１と同様の放射部９１と、第１の回転アンテナ８の給電部８２とは異なる長さＬ２を有する給電部９２から構成されている。

導波管３は、後述する図２の模式図に示すように、一端に接続されたマグネトロン２から横方向直線状に延設し、例えば、伝播するマイクロ波の管内波長の略１／２の奇数倍の位置に第２の回転アンテナ９の給電部９２を貫通するための結合孔７ｂが形成され、更に、マイクロ波の管内波長の略１／４の奇数倍の延伸する位置に、第１の回転アンテナ８の給電部８２を貫通するための結合孔７ａが形成されている。

以上の構成により、マグネトロン２で発振され導波管３で励起されたマイクロ波は、まずその量の略半分が第２の回転アンテナ９の給電部９２に伝播され、放射部９１から加熱室４に放射される。次いで、残り略半分の量のマイクロ波が第１の回転アンテナ８の給電部８２に伝播され、放射部８１から放射される。

このとき、載置台５に載置した被加熱物１３を均一に加熱するには、第１及び第２の回転アンテナ８、９によってそれぞれ加熱室４に放射されるマイクロ波のバランスが最適化されている必要がある。しかしながら、部品の精度ばらつき等により、第１及び第２の回転アンテナ８、９の各給電部８２、９２それぞれに対し、導波管３から同じ量のマイクロ波が伝播されるとは限らない。また、同じ量のマイクロ波が伝播されたとしても放射部８１から加熱室４に置かれた被加熱物に向かってマイクロ波のバランスが最適化されて放射されるとは限らない。

これらのことを鑑み、本発明の実施形態では、部品の精度ばらつき等があったとしても、第１及び第２の回転アンテナ８、９の各給電部８２、９２に対して導波管３からマイクロ波の同じ量を伝播することができるとともに、放射部８１、９１から加熱室４にマイクロ波のバランスを最適化して放射することを可能にするために、第１の回転アンテナ８の給電部８２の長さと、第２の回転アンテナ９の給電部９２の長さを異なる構成としている。

図２は、本発明の実施形態におけるマイクロ波加熱装置の機能を説明するための要部構成図である。なお、図１と同じ構成要素については、同一符号を付してある。

図２において、導波管３のマグネトロン２からの距離がマイクロ波の管内波長λｇの略１／２の整数倍（本図では、１倍）である位置に第２の回転アンテナ９が配設され、更に、管内波長λｇの略１／４の奇数倍（本図では、３倍）である位置に第１の回転アンテナ８が配設された構成である。

ここで、第２の回転アンテナ９の給電部９２の長さＬ２は、第１の回転アンテナ８の給電部８２の長さＬ１より短い構成である。

これらの構成により、導波管３から第２の回転アンテナ９の給電部９２に伝播されるマイクロ波の量を減ずることができる。従って、第２の回転アンテナ９から放射されるマイクロ波の量が第１の回転アンテナ８から放射されるマイクロ波の量より多い場合に、給電部９２の長さＬ２を給電部８２の長さＬ１より短い構成とすることで、第１及び第２の回転アンテナ８、９から加熱室４に放射されるマイクロ波のバランスを最適化することが可能となり、載置台５に載置した被加熱物１３を均一に加熱することができる。

なお、本実施形態のこれまでの説明では、マグネトロン２に近く、又は、マグネトロン２からの距離が導波管３を伝播するマイクロ波の管内波長λｇの１／２の整数倍に近い第２の回転アンテナ９の給電部９２を短くする構成としたが、これに限定されるものではなく、例えば、導波管３の端面との距離が管内波長λｇの１／４の奇数倍に近い回転アンテナ、又は、加熱室４の中央に近い回転アンテナ、更には、放射部の長さが長い回転アンテナの給電部を短くする構成としてもよい。

また、図２では、給電部の長さをモータ１０の駆動軸と嵌合する放射部直下からの長さ（軸長）として示したが、導波管内に突出する部分の長さとしてもよい。

次に、以上説明したように、二つの回転アンテナの給電部の長さを異なるものとして構成することにより、それぞれの回転アンテナによるマイクロ波の放射に差異が生じることの検証について説明する。

図３は、評価装置の概略構成と評価方法を示す図であり、（ａ）は評価装置の平面図、（ｂ）は評価装置の正断面図、（ｃ）は評価に用いる負荷の配置図である。

図３（ａ）に示す評価装置１００において、マグネトロン１０２で発振されたマイクロ波は、８５ｍｍの幅を有する導波管１０１(この場合、管内波長は略１７５mm)を介して伝播され、加熱室１０５の中央に対して対称の位置に配置された左右のＬ字型アンテナ１０３，１０４から放射される。

また、マグネトロン１０２から左アンテナ１０３までの距離は、図３（ｂ）に示すように、マイクロ波の管内波長の略１／２である８５ｍｍ（４０＋４５）とし、左右アンテナのピッチは管内波長の略１／４の３倍に相当する１３０ｍｍとする構成である。また、右アンテナ１０４から導波管１０１の端面までは２０ｍｍとした。

更に、右アンテナ１０４の給電部の長さ（軸長）は２０ｍｍであり、左アンテナ１０３の給電部の長さはパラメータとして２０ｍｍ、１６ｍｍ、１２ｍｍに可変できるように構成した。

評価は、図３（ｃ）に示すように、加熱室１０５の中央に対して対称の位置に水温が概ね常温である水２００ｃｃからなる２個の負荷（左負荷１０６、右負荷１０７）を配置し、出力を８００Ｗに調節したマグネトロン１０２で２０秒間加熱した際の各負荷の水温を測定した。これを、左アンテナ１０３の給電部の長さ２０ｍｍ、１６ｍｍ、１２ｍｍ毎に繰り返した。

図４は評価結果を示すデータであり、（ａ）は左アンテナ１０３の給電部の長さを変えた場合における各負荷の温度上昇、（ｂ）は同温度差である。

図４（ａ）を参照すると、左アンテナの給電部の長さが２０ｍｍから１６ｍｍ、１２ｍｍと短くなるに従って、左負荷の温度上昇は小さくなり、右負荷の温度上昇は大きくなることが判る。

図４（ｂ）を参照すると、左アンテナ１０３の給電部の長さが短くなるに従って、左右負荷の温度差が小さくなることが判る。

これらの評価データから、左右アンテナの給電部の長さ（軸長）を変えることによって、左右負荷の温度上昇を均等にできることが判明した。従って、本実施形態において、第２のアンテナ９の給電部９２の長さを短くすることにより、被加熱物の均一な加熱ができるという本発明の効果が証明された。

以上説明したように、このような本発明の実施形態に係るマイクロ波加熱装置によれば、Ｉ型導波管のマグネトロンから直線状に延設する横方向に第１の回転アンテナと第２の回転アンテナを備え、第２の回転アンテナの給電部の長さを短い構成とすることで、それぞれの放射部から放射されるマイクロ波のバランスを最適化することができ、奥行き方向の大きさを抑制しながら、被加熱物を均一に加熱することが可能となる。

本発明のマイクロ波加熱装置は、奥行き方向の大きさを抑制するとともに、Ｉ型導波管と複数の回転アンテナを用いて被加熱物を均一に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に有用である。

（ａ）本発明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 本発明の実施形態におけるマイクロ波加熱装置の機能を説明するための要部構成図 （ａ）本発明の実施形態におけるマイクロ波加熱装置の効果を検証する評価装置の概略構成を示す平面図 （ｂ）同評価装置の概略構成を示す正面図 （ｃ）同評価装置における負荷の配置を示す平面図 （ａ）評価結果を示すデータの各負荷の温度上昇を示す図 （ｂ）評価結果を示すデータの各負荷の温度差を示す図 Ｔ型導波管を用いる従来のマイクロ波加熱装置の概略構成を示す正断面図 Ｉ型導波管を用いる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 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 導波管
４ 加熱室
５ 載置台
６ アンテナ空間
８ 第１の回転アンテナ
９ 第２の回転アンテナ
１０ａ，１０ｂ モータ
１１ 制御手段
８１、９１ 放射部
８２、９２ 給電部

Claims (1)

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延設して、マイクロ波を伝播する直線状の導波管と、
   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、
   前記導波管に配置され、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アンテナと、
   前記アンテナを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、
   前記複数のアンテナは、それぞれ、
   前記加熱室内において前記マイクロ波を放射する放射部と、
   長手方向の一方が前記導波管内に突出し、他方が前記放射部に結合して、前記導波管から前記マイクロ波を伝播する給電部と、
   を有し、
   前記給電部の長さは、
   前記導波管内に突出する長さであり、
   前記マイクロ波発生手段に近い側の前記給電部を短い構成としたマイクロ波加熱装置。