JP5816820B2 - マイクロ波加熱装置 - Google Patents
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Description
させるとかアンテナを回転させるなどの構成)に比べて均一性が劣るためである。
の定在波安定手段を有し、前記定在波安定手段は複数とし、伝送方向に管内波長の略1/2の間隔で配置し、伝送方向に管内波長の略1/2の間隔で配置した少なくとも二つの定在波安定手段(導波管の終端部側から数えて第一の定在波安定手段、第二の定在波安定手段)と、伝送方向に管内波長の略1/3の間隔で配置した少なくとも四つのマイクロ波放射部(導波管の終端部側から数えて第一のマイクロ波放射部、第二のマイクロ波放射部、第三のマイクロ波放射部、第四のマイクロ波放射部)を有し、第一の定在波安定手段と第二の定在波安定手段の間に第二のマイクロ波放射部と第三のマイクロ波放射部を配置している。
また、一般にマイクロ波放射部が増えると導波管内のマイクロ波が外部へ放射されやすくなり、マイクロ波が次々と放射されることで導波管内の定在波を維持しにくくなり定在波の状態が不安定になっていき、その結果それぞれのマイクロ波放射部に対向するマイクロ波の位相が狙いの位相からシフトしてしまうことが考えられるが、定在波安定手段を有することで定在波の乱れを抑制し、複数のマイクロ波放射部に狙い通りの位相で定在波を対向させることができ、それぞれのマイクロ波放射部から狙い通りの位相のマイクロ波を加熱室内に向けて放射させることができるため、複数のマイクロ波放射部を並べるだけで駆動部を用いなくても加熱室内の被加熱物を均一に加熱することができる。
また、一般に管内定在波が生じるときには管内波長の1/2の整数倍毎に同じ振幅が繰り返されるはずであるが、定在波安定手段を複数として伝送方向に管内波長の略1/2の整数倍の間隔で配置することで確実に管内定在波の周期性を持たせることができ、定在波の乱れを抑制し、複数のマイクロ波放射部に狙い通りの位相で定在波を対向させることができ、それぞれのマイクロ波放射部から狙い通りの位相のマイクロ波を加熱室内に向けて放射させることができるため、複数のマイクロ波放射部を並べるだけで駆動部を用いなくても加熱室内の被加熱物を均一に加熱することができる。
さらに、管内波長の略1/2の間隔でそれぞれ節を生じさせる二つの定在波安定手段(第一の定在波安定手段と第二の定在波安定手段)の丁度中央には一つの腹が生じる。また同じ二つの定在波安定手段(第一の定在波安定手段と第二の定在波安定手段)の間に管内波長の略1/3の間隔の二つのマイクロ波放射部(第二のマイクロ波放射部と第三のマイクロ波放射部)を配置するから、二つのマイクロ波放射部(第二のマイクロ波放射部と第三のマイクロ波放射部)は節でもなく腹でもない位相にそれぞれ配置されることになるが、どちらかと言えば節に近くなる。なぜならば二つのマイクロ波放射部(第二のマイクロ波放射部と第三のマイクロ波放射部)を二つの定在波安定手段(第一の定在波安定手段と第二の定在波安定手段)に対して均等(センター振り分け)に配置したと仮定すると、マイクロ波放射部から節までの距離は((管内波長の略1/2)−(管内波長の略1/3)
)/2≒管内波長の1/12となり、マイクロ波放射部から腹までの距離は(管内波長の略1/3)/2≒管内波長の1/6となり、腹までの距離よりも節までの距離のほうが半分くらいに近い距離になる。一方、同様に計算すると、第一のマイクロ波放射部と第四のマイクロ波放射部はほぼ同位相の腹になる。なぜならば、たとえば第一の定在波安定手段による節位置を基準に考えると、第二のマイクロ波放射部から基準の節までは管内波長の1/12と先ほど求めた通りであり、第二のマイクロ波放射部から第一のマイクロ波放射部までは管内波長の1/3であることから、基準の節から第一のマイクロ波放射部までは(管内波長の略1/3)−(管内波長の略1/12)≒管内波長の1/4となり、基準の節からみてこれは丁度腹となる位置関係である。また同様に第四のマイクロ波放射部も腹になり、特に第一のマイクロ波放射部と第四のマイクロ波放射部の距離は、管内波長の略1/3×3≒管内波長、であるから両者は同位相になる。以上により、第二のマイクロ波放射部と第三のマイクロ波放射部はいずれも節に近く、第一のマイクロ波放射部と第四のマイクロ波放射部は同位相でいずれも腹に近く、四つのマイクロ波放射部をこれらのセンターから見て、伝送方向に対称な位相関係にでき、その結果伝送方向に均等に放射できる可能性を高めることができる。
の略1/3の間隔で配置する構成としている。これにより、確実に第一の発明の効果が得られる。即ち、本発明では複数のマイクロ波放射部を管内波長の略1/3の間隔で配置することで、隣接するマイクロ波放射部に対向する定在波は逆位相の関係(管内波長の略1/2の奇数倍の間隔)にはならないので、その結果、隣接するマイクロ波放射部から加熱室内に向けて放射されるマイクロ波も逆位相にならず、互いのマイクロ波放射部の間が弱くなるようないわゆる干渉による打消し合いを防ぐことができ、複数のマイクロ波放射部を並べるだけで駆動部を用いなくても加熱室内の被加熱物を均一に加熱することができる。さらに第一の発明では隣接しない離れた二つのマイクロ波放射部に着目したときには逆位相の関係になる恐れがあり、それは距離が離れているので可能性は低いとはいうものの打消し合う危険性が残る。一方、第二の発明では、たとえ隣接しないどんなに離れたマイクロ波放射部の間隔を見てもどこにも逆位相の関係は存在せず、絶対に打消し合わないようにできる。なぜならば、マイクロ波放射部が四つ以上ある場合、一つ目と二つ目の間隔はλg/3、一つ目と三つ目の間隔は2λg/3、一つ目と四つ目の間隔はλgとなり丁度一波長分の間隔となって、四つ目は一つ目と完全に同じ位相に戻ることになり、以降は同様の位相関係を繰り返すからである。よってどこにも管内波長の略1/2の奇数倍の間隔は起こらない。
図1、図2は、本発明の実施の形態1におけるマイクロ波加熱装置の説明図である。図1は全体構成を示す斜視図、図2(a)は上から見た断面図、図2(b)は正面から見た断面図である。
開口105a,105b,105c,105dが庫内に露出しないように塞ぎつつ、上面をフラットにして使用者が食品(図示せず)の出し入れがしやすいとか、汚れがついたときにふき取りやすくしている。ここで載置台107は、開口105からのマイクロ波を加熱室102内に放射させるため、ガラスやセラミックなどマイクロ波が透過しやすい材料で構成する。導波管104と加熱室102の接続は、導波管104のマイクロ波の伝送方向を加熱室102の幅方向に向けて接続する。開口105は、長孔を交差させたX字状の形状により円偏波を放射できる開口とし、導波管104の幅方向の中央(管軸)108にはかからないように幅方向に対称に配置している。また管軸108は加熱室102の底面109の前後方向の中心と一致させ、八つの開口105a,105b,105c,105dは加熱室102の底面109の左右方向の中心110に対して対称に配置し、以上により加熱室102の底面109に対して、開口105a,105b,105c,105dは前後・左右とも対称に配置される。また開口105a,105b,105c,105dは、導波管104の伝送方向に管内波長λgの略1/3の間隔で配置している。また導波管104内には管内定在波が生じるが、これはマグネトロン103の発振周波数と導波管104の形状によって決まる管内波長λgの1/2ごとに腹と節を繰り返すもので、導波管104の終端部111は必ず節となる。ここで図2(b)には導波管104内に管内定在波のイメージを図示している。定在波安定手段112a,112b,112cは導波管104内に突出する導電性材料からなり、いわゆる整合素子として知られるスタブチューナーなどとよく似た構成であり、管内定在波の節の位置、即ち終端部111から管内波長λgの略1/2ずつの間隔で合計3個配置され、終端部111側から数えて第一の定在波安定手段112a,第二の定在波安定手段112b,第三の定在波安定手段112cとする。また、開口105a,105b,105c,105dも、同様に終端部111側から数えて第一の開口105a,第二の開口105b,第三の開口105c,第四の開口105dとする。このとき加熱室102の底面109の左右方向の中心110に対して、第一の定在波安定手段112aと第二の定在波安定手段112bが対称になるように導波管104を構成しており、その結果、図2(b)のように管内定在波の腹が中心110に位置することになる。また第一の開口105aは終端部111と第一の定在波安定手段112aの間の管内定在波の腹に位置し、第四の開口105dは第二の定在波安定手段112bと第三の定在波安定手段112cの間の管内定在波の腹に位置し、第二の開口105bと第三の開口105cは管内定在波の腹にも節にもならない位置に位置することになる。また図1のように、開閉可能なドア116を有し、ドア116を閉めることで、マイクロ波は導波管104と加熱室102で閉空間を形成し、閉じ込められたマイクロ波は必ず何らかの定在波を生じるものである。
段112a,112b,112cを配置しているので、管内定在波の節位置を固定させることができ、その結果それぞれの開口位置での振幅や位相も固定できる。また開口105a,105b,105c,105dの構成により、マイクロ波は加熱室102内に円偏波として放射される。円偏波は、開口105a,105b,105c,105dを中心として周方向に電界を回転させながら放射されるもので、図2(a)に示す通り開口105a,105b,105c,105dは加熱室102の底面109に対して前後方向にも左右方向にも対称に配されているので、前後にも左右にも均等にマイクロ波が放射され、周囲に均一に放射される。
である。定在波安定手段134,135は円筒形状でアルミやステンレスなどの導電性材料からなり、導波管104のH面126の幅方向の中央に溶接あるいはビス留め等により接続固定されるものである。このような構成の定在波安定手段134,135は、導波管104内の突出部としてマイクロ波の伝送を一部妨げるものと思われるが、結果として、定在波安定手段134,135の位置で定在波の節になりやすいとわかってきた。よって逆に、定在波の節にしたい位置に定在波安定手段134,135のような突出部を設けることで、定在波の位置を変化させず安定させる効果がある。この定在波安定手段134,135の構成は、いわゆる整合素子として知られるスタブチューナーなどとよく似た構成であり、形(特に高さ)と位置を微調整することで、定在波の節を確定させつつ整合もできるというような、二つの機能を併せ持つことも可能と思われる。図5では定在波安定手段134のほうが定在波安定手段135よりも高さが高い例を示しているが、特に限定されるものではなく形状については適宜最適化すればよい。また図5では、定在波安定手段134,135の距離を、管内波長λgを用いて(λg/2)×nとし、nは整数とすることで、二か所に節を作ることができ、特に定在波安定手段134,135の間にはきれいな定在波が存在する。たとえばn=1では、定在波安定手段134,135が節で両者の中央が腹となり、n=2では、定在波安定手段134,135が節で両者の中央も節となる。よってnを整数とすれば定在波安定手段134,135の間にきれいな定在波をたてることができる。
間のピッチPによる特性の違いを説明するものであり、(a)電磁界解析のモデルイメージ図、(b)P=λg/2での解析結果のコンタ図(図8の別の形態に相当)、(c)P=λg/3での解析結果のコンタ図(図8の本発明の実施の形態に相当)である。(b)ではやはり開口139a,139bの間が弱いらしく、特に開口から紙面の上下方向に離れるにしたがって互いに反対方向に拡散していくように見える。一方(c)では開口139a,139bのピッチがλg/3と狭いにも関わらず、(b)ほどの干渉は見られないどころか一体化(図9(c)で開口間が繋がっているように見える)して放射されているようである。よって単に距離が近いから干渉するのではなく、管内定在波の位相との関係で干渉していると考えられる。この理由を考察すると、ピッチがλg/2では、開口139a,139bが管内定在波の同じ大きさの位置ではあるものの向きが逆向きの位置であるために、間が弱くなるような干渉(打ち消しあい)が起こっていると考えられる。一方ピッチがλg/3では、開口139a,139bが逆向きの位置ではないために、間が弱くなるような干渉(打ち消しあい)が起こらないと考えられる。
の間に管内波長の略1/3の間隔の二つのマイクロ波放射部(第二の開口105b、第三の開口105c)を配置するから、二つのマイクロ波放射部(第二の開口105b、第三の開口105c)は節でもなく腹でもない位相にそれぞれ配置されることになるが、どちらかと言えば節に近くなる。なぜならば二つのマイクロ波放射部(第二の開口105b、第三の開口105c)を二つの定在波安定手段(第一の定在波安定手段112a、第二の定在波安定手段112b)に対して均等(センター振り分け)に配置したと仮定すると、開口から節までの距離は((管内波長の略1/2)−(管内波長の略1/3))/2≒管内波長の1/12となり、開口から腹までの距離は(管内波長の略1/3)/2≒管内波長の1/6となり、腹までの距離よりも節までの距離のほうが半分くらいに近い距離になる。一方、同様に計算すると、第一の開口105aと第四の開口105dはほぼ同位相の腹になる。なぜならば、たとえば第一の定在波安定手段112aによる節位置を基準に考えると、第二の開口105bから基準の節までは管内波長の1/12と先ほど求めた通りであり、第二の開口105bから第一の開口105aまでは管内波長の1/3であることから、基準の節から第一の開口105aまでは(管内波長の略1/3)−(管内波長の略1/12)≒管内波長の1/4となり、基準の節からみてこれは丁度腹となる位置関係である。また同様に第四の開口105dも腹になり、特に第一の開口105aと第四の開口105dの距離は、管内波長の略1/3×3≒管内波長、であるから両者は同位相になる。以上により、第二の開口105bと第三の開口105cはいずれも節に近く、第一の開口105aと第四の開口105dは同位相でいずれも腹に近く、四つの開口105a,105b,105c,105dをこれらのセンターから見て、伝送方向に対称な位相関係にでき、その結果伝送方向に均等に放射できる可能性を高めることができる。
ことができるため、複数の開口105a,105b,105c,105dを並べるだけで駆動部を用いなくても加熱室102内の被加熱物を均一に加熱することができる。
大あるいは最小が0に、0が最大あるいは最小にまで変化することになり、大きな変化と考えられる。しかしその半分に相当する、波長の1/8程度なら大小関係の入れ替わりはほとんど無く、同じ傾向が維持されると考えられるからである。管内波長λgはλg=λ0/√(1−(λ0/(2×a))^2)であり、自由空間の波長λ0は前述の通り120〜125mm、本実施の形態の導波管の幅a=100mmとした場合、管内波長λgは150mm(2.5GHz)から160mm(2.4GHz)となり、その1/8は、18.75〜20mmである。よって伝送方向に管内波長λgの略1/2というのは、丁度管内波長λgの1/2(≒75〜80mm)を基準として、管内波長λgの1/8のさらに1/2のずれまでを許容範囲とする。具体的には、ずれの許容範囲は9.375〜10mmである。よってずれの許容範囲を考慮すると、管内波長λgの1/2は、最小65mm〜最大90mmとなる。
図10は、本発明の実施の形態2におけるマイクロ波加熱装置の説明図である。図10(a)は上から見た断面図、図10(b)は正面から見た断面図である。前述の実施の形態と同等の構成や機能については、発明のポイントでないものは説明を省略する。
を放射できる開口とし、導波管203のセンターである管軸211にはかからないように配置している。
図11は、本発明の実施の形態3におけるマイクロ波加熱装置のマイクロ波放射部を示す関係説明図、図12は、本発明の実施の形態3におけるマイクロ波加熱装置のマイクロ波放射部の課題を説明するための本実施の形態3を用いない場合の被加熱物載置における課題説明図、図13は、本発明の実施の形態3におけるマイクロ波加熱装置の加熱室へ被加熱物を載置した時の関係説明図である。
得られた定在波位置に合うように対称軸601を設定すれば、加熱基準負荷に合わせた対称軸601を設定することもできる。
図14は、本発明の実施の形態4におけるマイクロ波加熱装置のマイクロ波放射部を示す関係説明図、図15は、本発明の実施の形態4におけるマイクロ波放射部の電流遮断有効幅を説明する模式図である。
熱室の中央における加熱効率を向上できるように、加熱室中央に加熱基準としたい負荷量の被加熱物302(例えば直径19センチの円柱容器に入れた1Lの水)を載置した状態で、導波管306内の電界分布を測定することで導波管306内の定在波状態を特定し、得られた定在波位置に合うように対称軸601を設定すれば、加熱基準負荷に合わせた対称軸601を設定することもできる。
図16は、本発明の実施の形態5におけるマイクロ波加熱装置のマイクロ波放射部を示す関係説明図である。以下、その動作、作用を説明する。なお、図面において、(実施の形態1)〜(実施の形態4)と同一動作を示す部分は同一番号を付与している。また、(実施の形態5)における基本的な動作は(実施の形態1)〜(実施の形態4)と同様である。
導波管の出力部、1809は第1のマイクロ波放射部1803からマイクロ波が直接放射される放射位置、1810は第2のマイクロ波放射部1804から放射されたマイクロ波が第2の導波管の出力部1807へ向けて進行しマイクロ波放射部1803への到達する到達位置、1811は第2のマイクロ波放射部1804からマイクロ波が直接放射される放射位置、1810は第2のマイクロ波放射部1804から放射されたマイクロ波が第2の導波管の出力部1808へ向けて進行しマイクロ波放射部1804へ到達する到達位置である。
いった場合でも、マイクロ波放射部の間隔を対称軸601に隣接するマイクロ波放射部301の間隔を均等配置間隔よりも、4分の1波長にできる限り近づけるよう狭く設定した状態とすることで、図16(d)のように加熱室中央にじゃがいものような小さい塊状の被加熱物302が載置した際に、被加熱物302下部への加熱集中を緩和できることが実験的にも確認できている。
図20は、本発明の実施の形態6におけるマイクロ波加熱装置の開口形状を説明する模式図である。
102,128,202 加熱室
103,201 マグネトロン(マイクロ波発生手段)
104,130,203,306,419 導波管
105a 第一の開口(マイクロ波放射部)
105b 第二の開口(マイクロ波放射部)
105c 第三の開口(マイクロ波放射部)
105d 第四の開口(マイクロ波放射部)
108,211,421,901 幅方向の中央(管軸)
111,131,212 終端部
112a 第一の定在波安定手段
112b 第二の定在波安定手段
112c 第三の定在波安定手段
129,139a,139b,204,205,206,207,301,411,412,413,414,415,416,417 開口(マイクロ波放射部)
134,135,136,213 定在波安定手段
302 被加熱物
Claims (9)
- 被加熱物を収納する加熱室と、
マイクロ波を発生させるマイクロ波発生手段と、
マイクロ波を伝送する導波管と、
前記導波管から前記加熱室内にマイクロ波を放射する複数のマイクロ波放射部とを有し、前記導波管内には定在波を生じ、前記複数のマイクロ波放射部は、前記導波管の伝送方向に管内波長の1/4を超えて1/2に満たない間隔で配置し、隣接する前記複数のマイクロ波放射部に対向する定在波が逆位相の関係にならないよう構成し、
前記導波管内の定在波位置を安定させるための定在波安定手段を有し、
前記定在波安定手段は複数とし、伝送方向に管内波長の略1/2の間隔で配置し、
伝送方向に管内波長の略1/2の間隔で配置した少なくとも二つの定在波安定手段(導波管の終端部側から数えて第一の定在波安定手段、第二の定在波安定手段)と、伝送方向に管内波長の略1/3の間隔で配置した少なくとも四つのマイクロ波放射部(導波管の終端部側から数えて第一のマイクロ波放射部、第二のマイクロ波放射部、第三のマイクロ波放射部、第四のマイクロ波放射部)を有し、第一の定在波安定手段と第二の定在波安定手段の間に第二のマイクロ波放射部と第三のマイクロ波放射部を配置する構成としたマイクロ波加熱装置。 - 複数のマイクロ波放射部は、伝送方向に管内波長の略1/3の間隔で配置する構成とした請求項1記載のマイクロ波加熱装置。
- 定在波安定手段は、導波管内に定在波の節を生じさせる構成とし、導波管の終端部まで伝送方向に管内波長の略1/2の整数倍の距離に配置する構成とした請求項1または2記載のマイクロ波加熱装置。
- 第二の定在波安定手段から伝送方向に管内波長の略1/2の間隔で配置した第三の定在波安定手段を有し、導波管の終端部と第一の定在波安定手段との間に第一のマイクロ波放射部を配置し、第二の定在波安定手段と第三の定在波安定手段の間に第四のマイクロ波放射部を配置する構成とした請求項1ないし3のいずれか1項に記載のマイクロ波加熱装置。
- 第一のマイクロ波放射部と第四のマイクロ波放射部を管内定在波の略腹の位置に配置し、
第二のマイクロ波放射部と第三のマイクロ波放射部を管内定在波の腹にも節にもならない位置に配置する構成とした請求項1ないし4のいずれか1項に記載のマイクロ波加熱装置。 - 複数のマイクロ波放射部は、導波管の幅方向の中央(管軸)にかからない開口で構成し、管軸の少なくとも片側に配置する構成とした請求項1ないし5のいずれか1項に記載のマイクロ波加熱装置。
- 複数のマイクロ波放射部は、管軸の両側に対称に配置する構成とした請求項6記載のマイクロ波加熱装置。
- マイクロ波放射部は、円偏波を放射する構成とした請求項1ないし7のいずれか1項に記載のマイクロ波加熱装置。
- 円偏波を放射するマイクロ波放射部は、二つの長孔が交差する略X字状の構成とした請求項8記載のマイクロ波加熱装置。
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