JP5400885B2 - マイクロ波加熱装置 - Google Patents
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Description
電子レンジに用いられているマグネトロンは、自身の構造によって発振周波数が決定され、その決定された周波数を故意に可変調整することはできない構造である。マグネトロンに対して周波数可変機能を付帯させる技術は存在するが、そのような技術を付帯したマグネトロンは高価であり、一般大衆向けの製品に搭載することは困難である。
周波数可変機能を有するマイクロ波発生部と、
被加熱物を収納する加熱室と、
前記マイクロ波発生部が発生したマイクロ波を前記加熱室に供給する複数の給電部と、
前記加熱室から前記複数の給電部のそれぞれを介して前記マイクロ波発生部側に反射するマイクロ波反射量を検出する複数の電力検出部と、
前記複数の電力検出部が検出した検出信号に基づいて前記マイクロ波発生部の動作を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記被加熱物を加熱する加熱周波数で前記マイクロ波発生部を動作させてマイクロ波電力を前記複数の給電部から前記加熱室に供給するよう制御し、前記複数の電力検出部が検出したマイクロ波反射量の検出レベルにおける単位時間当たりの増減変化状態に基づいて被加熱物の加熱状態を推定するよう構成されており、
前記制御部は、前記複数の電力検出部が検出したマイクロ波反射量の検出レベルにおける単位時間当たりの増減変化が全て同一傾向になった時点において、少なくとも一つの前記マイクロ波反射量の前記増減変化量と所定の閾値とを比較し、前記少なくとも一つの前記マイクロ波反射量の前記増減変化量が前記所定の閾値以上の時には被加熱物の加熱動作終了までの各種の加熱条件の処理を実行して加熱動作を終了するよう構成されている。このように構成された第1の観点のマイクロ波加熱装置において、複数の給電部からの反射電力情報に基づいて、被加熱物を所望の状態に均一加熱することができる。
前記複数の電力検出部からの少なくとも一つのマイクロ波反射量における単位時間当たりの増減変化状態に基づいて被加熱物の加熱分布状態を推定し、前記複数の電力検出部からの全てのマイクロ波反射量における単位時間当たりの増減変化状態に基づいて被加熱物の加熱状態を推定して、前記給電部から前記加熱室に供給するマイクロ波電力および加熱周波数を制御する。このように構成された本発明に係る一態様のマイクロ波加熱装置は、複数の給電部にそれぞれ対応した複数の電力検出部から得られるマイクロ波反射量の時間的増減変化を検出する中で、いずれか一つのマイクロ波反射量が他のマイクロ波反射量の時間増減変化と異なることを検出すると被加熱物が不均一な加熱状態にあると推定してマイクロ波発生部の発振周波数の更新を実行し、被加熱物の均一加熱を促進することが可能となる。また、本発明に係る一態様のマイクロ波加熱装置は、マイクロ波反射量の時間的増減変化に基づき、被加熱物の加熱状態を推定し、マイクロ波発生部の動作終了タイミングを判断してそのタイミングに到達すると動作を停止させることにより、過加熱を抑制し、良好な加熱仕上がりを実行させることができる。
検出されたマイクロ波反射量の総和の検出レベルが最小値を示す発振周波数を加熱周波数として選択するステップ、
選択された加熱周波数でマイクロ波電力を前記給電部から前記加熱室に供給する状態において、マイクロ波反射量の検出レベルにおける単位時間当たりの増減変化状態に基づいて被加熱物の加熱状態を推定し、前記給電部から前記加熱室に供給するマイクロ波電力および加熱周波数を制御するステップ、を有する。このように構成された本発明に係る一態様のマイクロ波加熱制御方法において、複数の給電部からの反射電力情報に基づいて、被加熱物を所望の状態に均一加熱することができる。
マイクロ波反射量が規定値を超えた場合には、被加熱物の加熱分布状態および加熱状態の推定に優先して、被加熱物を加熱する発振周波数を選択する前記スイープ動作を再度行い、選択した発振周波数を被加熱物の加熱周波数として更新して被加熱物を加熱してもよい。このように構成された本発明に係る一態様のマイクロ波加熱制御方法は、マイクロ波発生部側に反射するマイクロ波電力によってマイクロ波発生部の構成部品が熱破壊することを抑制することができるとともに、被加熱物に供給するマイクロ波電力量を最大化させることにより加熱の短時間化および省電力化を図ることができる。
図1は、本発明に係る実施の形態1のマイクロ波加熱装置における加熱室内部を一部切欠いて示した図である。図1において、加熱室の開閉を行う開閉扉は正面側に設けられているが、この開閉扉は省略されている。図2は、本発明に係る実施の形態1のマイクロ波加熱装置の構成を示すブロック図である。図3は、本発明に係る実施の形態1のマイクロ波加熱装置において加熱室の底壁面に設けられた複数の給電部の構成を示す図である。
実施の形態1のマイクロ波加熱装置は、被加熱物を収納する略直方体構造を有する加熱室100を含み、加熱室100は金属材料で形成された左壁面101、右壁面102、底壁面103、上壁面104、奥壁面105および被加熱物を収納するために開閉する開閉扉106(図3参照)を有して、供給されたマイクロ波を内部に閉じ込めるように構成されている。そして、マイクロ波発生手段であるマイクロ波発生部10(図2参照)において形成されたマイクロ波を加熱室100内に放射供給する4つの給電部20a,20b,20c,20dが加熱室100を構成する底壁面103に配置されている。これらの給電部20a,20b,20c,20dは、底壁面103の略中央C0を点対称(図3参照)として底壁面103にそれぞれ配置されている。
マイクロ波発生部10の発振部11は、2400MHzから2500MHzの周波数を発生する周波数可変機能を備えている。
次に、以上のように構成された実施の形態1のマイクロ波加熱装置について、その加熱動作について説明する。
加熱室100内に供給されたマイクロ波電力が被加熱物において100%吸収されると、加熱室100からマイクロ波発生部10側に伝送する反射電力は発生しない。しかし、被加熱物の種類、形状、量により被加熱物を含む加熱室100の電気的特性が決定されるため、供給されたマイクロ波電力の全てが被加熱物に吸収されることはなく、マイクロ波発生部10の出力インピーダンスと加熱室100のインピーダンスとに基づいて、加熱室100からマイクロ波発生部10側に伝送される反射電力が生じる。
まず、以上のように構成された本発明に係る実施の形態1のマイクロ波加熱装置における周波数選択動作について図4を参照して説明する。
図4は、実施の形態1のマイクロ波加熱装置における電力検出部18a,18b,18c,18dにより検出された各検出信号に基づく特性曲線の一例を示すグラフである。図4において、横軸は発振周波数[MHz]を示し、縦軸はマイクロ波発生部10から各給電部20a,20b,20c,20dを介して加熱室100側に伝送するマイクロ波電力(マイクロ波供給量:sw)の総和(SW)に対する、加熱室100から各給電部20a,20b,20c,20dを介してマイクロ波発生部10側に戻るマイクロ波電力(マイクロ波反射量:rw)の総和(RW)の比率である反射比率(RW/SW)を示している。実施の形態1のマイクロ波加熱装置においては、マイクロ波供給量およびマイクロ波反射量が電力検出部18a,18b,18c,18dにより検出されて、それぞれの検出信号に基づいて制御部21において反射比率(RW/SW)が算出されるよう構成されている。
図4に示す反射比率特性曲線G110においては、3つの発振周波数f1,f2,f3が、反射比率(RW/SW)が極小値を示している。制御部21は、反射比率特性曲線G110に示すような反射比率特性を認識した場合、反射比率が最小となる発振周波数(例えば、f1)を当該被加熱物に対する本格加熱動作における加熱周波数として選定する。
次に、ステップS120における制御内容について図9を参照しながらさらに具体的に説明する。図9は、被加熱物として特定の被加熱物Aを実施の形態1のマイクロ波加熱装置により本格加熱処理を行ったときの特性曲線である。図9において、横軸は加熱時間[sec]、縦軸は各電力検出部18a,18b,18c,18dが検出したマイクロ波反射量(rw)を示す。また、図9においては、各電力検出部18a,18b,18c,18dが検出したそれぞれの特性曲線には、それぞれに対応する給電部20a,20b,20c,20dの番号を付与している。なお、図10以降の特性曲線においても同様に、各電力検出部18a,18b,18c,18dが検出したそれぞれの特性曲線には、それぞれに対応する給電部20a,20b,20c,20dの番号を付与している。
それぞれのマイクロ波反射量の時間的増減量変化状態がいずれか一つでも他と異なる傾向(逆傾向の状態)の場合には、ステップS122において、本格加熱動作の加熱時間の積算を停止して、ステップS112(図5参照)に戻る。この場合には、ステップS112からステップS115までの一連のステップにおいて、前述の同期スイープ動作を行って本格加熱動作時に使用するべき新たな発振周波数を選択して更新処理を行う。この更新処理を行った後、ステップS116において第2の出力電力に設定され、ステップS117において本格加熱動作が開始される(本格加熱処理)。図6に示すステップS118においては、本格加熱動作の加熱時間の積算が開始されて、ステップS119に進む。
次に、ステップS121において実行される比較および判定の具体的な動作について、具体的な特性曲線の一例を示す図10および図11を用いて詳細に説明する。
図10は、被加熱物として特定の被加熱物Bを実施の形態1のマイクロ波加熱装置により本格加熱処理を行ったときのマイクロ波反射量(rw)の経時変化特性曲線である。図10において、横軸は加熱時間[sec]を示し、縦軸は各電力検出部18a,18b,18c,18dが検出したマイクロ波反射量[W]を示す。また、図10においては、各電力検出部18a,18b,18c,18dが検出したそれぞれの経時変化特性曲線には、それぞれに対応する給電部20a,20b,20c,20dの番号を付与している。
ステップS125における加熱条件処理が実行されて、ステップS126に進み、前述の加熱動作終了の条件をひとつでも満たすことにより本格加熱動作は終了する。
次に、ステップS120においてマイクロ波反射量(rw)が規定値を超えた場合のステップS200以降(図8参照)の制御内容について説明する。
図8に示すフローチャートにおいて、ステップS200では本格加熱動作の加熱時間の積算を停止し、ステップS201に進む。ステップS201では、制御部21が発振部11の発振周波数を初期発振周波数の2400MHzに設定し、またマイクロ波発生部10のマイクロ波電力を第1の出力電力に設定する制御信号を出力する。次に、ステップS202においては、発振部11の発振周波数を初期発振周波数の2400MHzから1MHzピッチ(例えば、10ミリ秒で1MHzのスイープ速度)で高い周波数の方へ変化させ、周波数可変範囲の上限である2500MHzまで変化させる(全周波数帯域に対する同期スイープ動作)。この周波数可変動作である同期スイープ動作において、1MHzピッチ毎に電力検出部18a,18b,18c,18dから得られるマイクロ波供給量(sw)とマイクロ波反射量(rw)をそれぞれ記憶し、ステップS203に進む。
ステップS206においては、ステップS204で更新された加熱周波数により第2の出力電力で本格加熱動作が開始され、ステップS207に進む。
以下、本発明に係る実施の形態2のマイクロ波加熱装置について添付の図12から図19を用いて説明する。実施の形態2のマイクロ波加熱装置においては、前述の実施の形態1において説明した図6のフローチャートにおけるステップS121とステップS121、および図7のフローチャートのステップS123とステップS124における判定が、マイクロ波反射量の代わりにマイクロ波供給量とマイクロ波反射量の両方の値に基づいて算出したVSWR(電圧定在波比)の値に基づいて行うものである。実施の形態2のマイクロ波加熱装置において前述の実施の形態1のマイクロ波加熱装置と異なる点は、上記の制御内容であり、構成に関しては同じである。したがって、実施の形態2においては、実施の形態1と異なる制御内容についてのみ説明し、その他の動作および構成に関しては実施の形態1における説明を援用し、実施の形態2の説明において前述の実施の形態1と同じ機能、構成を有するものには同じ符号を付して、その説明は実施の形態1における説明を適用する。
前述の実施の形態1のマイクロ波加熱装置においては、図6に示したフローチャートにおけるステップS120とステップS121、および図7のフローチャートのステップS123とステップS124では、マイクロ波反射量(rw)およびこのマイクロ波反射量の単位時間当たりの増減変化状態を検知して判定処理を行っていた。実施の形態2のマイクロ波加熱装置においては、上記の判定処理をマイクロ波供給量(sw)とマイクロ波反射量(rw)の両方の値に基づき、VSWR(電圧定在波比)を算出して、このVSWRの経時変化特性および単位時間当たりの増減変化特性に基づいて、それぞれのステップS120,S121,S123,S124の判定処理を行うものである。実施の形態2のマイクロ波加熱装置におけるその他のステップは、実施の形態1のマイクロ波加熱装置と同じである。
図12に示すVSWRの経時変化特性曲線において、加熱途中でマイクロ波反射量が規定値を越えるような状態は生じていない。また、図12に示すように、殆どの経時変化特性曲線が増加傾向を示している。図13に示すVSWRの単位時間当たりの増減変化特性曲線において、給電部20bに接続された電力検出部18bにより検出された検出信号(特に、加熱時間が50秒未満の状態)に関しては、増加(ブラス領域)と減少(マイナス領域)を繰り返す特性を示している。このように、短時間で増減を繰り返して、時間的に継続して増加あるいは減少の傾向を示していない特性の場合には、制御部21は、ステップ121Aにおいて、検出信号(20b)の特性を傾向が異なる変化状態(逆傾向)であるとは判定せずに、逆傾向ではなく同様の傾向であると仮判定して加熱動作を継続する。そして、ステップS121AからステップS123A(図15参照)に進む。ステップS123Aにおいては、各VSWRの単位時間当たりの増減変化状態が同一傾向にあると確実に判断できるか否かを再度判定する。ステップS123Aにおいて、マイクロ波反射量の時間的増減変化状態が同一傾向であると判定された場合には、ステップS124Aに進む。一方、ステップS123Aにおいて、各VSWRの時間的増減変化状態が同一傾向であると確実に判定できない場合には、ステップS118(図14参照)に戻る。
図16において、ステップS200からステップ206における各ステップの動作は、前述の実施の形態1において図8のフローチャートを用いて説明した動作と同じである。
ステップS207Aにおいては、算出された各VSWRが規定値(3.0)以下であるか否かが判定される。算出された各VSWRが規定値を越えていない場合には、ステップS118(図14参照)に戻る。一方、各VSWRにおいていずれか一つでも規定値を越えている場合には、ステップS208に進む。
11 発振部
12a 初段電力分配部
12b,12c 次段電力分配部
13a,13b,13c,13d 初段増幅部
14a,14b,14c,14d マイクロ波送信路
15a,15b,15c,15d 主増幅部
16a,16b,16c,16d 出力部
17a,17b,17c,17d マイクロ波伝送路
18a,18b,18c,18d 電力検出部
20a,20b,20c,20d 給電部
21 制御部
24 載置皿
100 加熱室
101 左壁面
102 右壁面
103 底壁面
104 上壁面
105 奥壁面
106 開閉扉
Claims (6)
- 周波数可変機能を有するマイクロ波発生部と、
被加熱物を収納する加熱室と、
前記マイクロ波発生部が発生したマイクロ波を前記加熱室に供給する複数の給電部と、
前記加熱室から前記複数の給電部のそれぞれを介して前記マイクロ波発生部側に反射するマイクロ波反射量を検出する複数の電力検出部と、
前記複数の電力検出部が検出した検出信号に基づいて前記マイクロ波発生部の動作を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、前記被加熱物を加熱する加熱周波数で前記マイクロ波発生部を動作させてマイクロ波電力を前記複数の給電部から前記加熱室に供給するよう制御し、前記複数の電力検出部が検出したマイクロ波反射量の検出レベルにおける単位時間当たりの増減変化状態に基づいて被加熱物の加熱状態を推定するよう構成されており、
前記制御部は、前記複数の電力検出部が検出したマイクロ波反射量の検出レベルにおける単位時間当たりの増減変化が全て同一傾向になった時点において、少なくとも一つの前記マイクロ波反射量の前記増減変化量と所定の閾値とを比較し、前記少なくとも一つの前記マイクロ波反射量の前記増減変化量が前記所定の閾値以上の時には被加熱物の加熱動作終了までの各種の加熱条件の処理を実行して加熱動作を終了するよう構成されたマイクロ波加熱装置。 - 前記複数の給電部のそれぞれは、加熱室を形成する同一壁面においてその壁面の中央を中心として点対称に配置された請求項1に記載のマイクロ波加熱装置。
- 前記制御部が、前記複数の電力検出部からの複数のマイクロ波反射量におけるいずれかのマイクロ波反射量が予め設定した規定値を超えた場合には、加熱周波数の選択を再度行うよう構成された請求項1に記載のマイクロ波加熱装置。
- 前記制御部が、前記複数の電力検出部からの複数のマイクロ波反射量における単位時間当たりの増減変化状態に基づいて被加熱物の加熱状態を推定する場合において、少なくとも一つのマイクロ波反射量の増減変化状態が他と異なる傾向を示したとき、加熱周波数の選択を再度行うよう構成された請求項1に記載のマイクロ波加熱装置。
- 前記制御部が、前記複数の電力検出部からの全てのマイクロ波反射量における単位時間当たりの増減変化状態に基づいて被加熱物の加熱状態を推定する場合において、全てのマイクロ波反射量の増減変化状態が同一傾向を示したとき本格加熱動作を継続するよう構成された請求項1に記載のマイクロ波加熱装置。
- 前記制御部が、前記複数の電力検出部からの全てのマイクロ波反射量における単位時間当たりの増減変化状態に基づいて被加熱物の加熱状態を推定する場合において、全てのマイクロ波反射量の増減変化状態が同一傾向を示し、かつ少なくとも一つのマイクロ波反射量の増減変化状態の検出レベルが判定指標となる閾値を越えたとき、当該被加熱物の温度が60℃〜70℃の範囲内にあると推定して、本格加熱動作の終了時間を算出するよう構成された請求項1に記載のマイクロ波加熱装置。
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