JP6671005B2 - マイクロ波加熱装置 - Google Patents
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Description
本開示は、食品などの被加熱物をマイクロ波によりマイクロ波加熱する電子レンジなどのマイクロ波加熱装置に関するものである。
代表的なマイクロ波加熱装置である電子レンジにおいては、代表的なマイクロ波生成部であるマグネトロンにより生成されたマイクロ波を金属製の加熱室の内部に供給し、加熱室内に載置された被加熱物をマイクロ波加熱する。
近年、加熱室内の平坦な底面全体が載置台として利用可能な電子レンジが実用化されている。このような電子レンジにおいては、載置台全体にわたって被加熱物を均一に加熱するために、載置台の下方に回転アンテナが設けられる(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に開示された回転アンテナは、マグネトロンからのマイクロ波を伝搬する導波管に磁界結合された導波管構造を有する。
図12は、特許文献1に開示された電子レンジ100の構成を示す正面断面図である。図12に示すように、電子レンジ100において、マグネトロン101により生成されたマイクロ波は、導波管102を伝搬して結合軸109に到達する。
回転アンテナ103は、上方からの平面視で扇形状を有し、結合軸109により導波管102と連結され、モータ105に駆動されて回転する。結合軸109は、導波管102内を伝搬してきたマイクロ波を導波管構造の回転アンテナ103に結合するとともに、回転アンテナ103の回転中心として機能する。
回転アンテナ103は、マイクロ波を放射する放射口107と低インピーダンス部106とを有する。放射口107から放射されたマイクロ波は、加熱室104内に供給され、加熱室104の載置台108上に載置された被加熱物(図示せず)をマイクロ波加熱する。
回転アンテナ103を載置台108の下方で回転させて、加熱室104内の加熱分布の均一化が図られている。
加熱室内の全体を均一に加熱する機能(均一加熱)とは別に、例えば、冷凍の食品と室温の食品とが加熱室内に載置された場合において、これらの食品に対する加熱を同時に完了させるためには、冷凍食品が載置された領域に対して局所的かつ集中的にマイクロ波を放射する機能(局所加熱)が必要である。
局所加熱を実現するために、赤外線センサで検出した加熱室内の温度分布に基づき、回転アンテナの停止位置を制御する電子レンジが提案される(例えば、特許文献2参照)。
図13は、特許文献2に開示された電子レンジ200の構成を示す正面断面図である。図13に示すように、電子レンジ200において、マグネトロン201により生成されたマイクロ波は、導波管202を介して導波管構造の回転アンテナ203に到達する。
回転アンテナ203は、上方からの平面視において、その一辺に形成されてマイクロ波を放射する放射口207と、その他の三辺に形成された低インピーダンス部206とを有する。放射口207から放射されたマイクロ波は、給電室209を経由して加熱室204
内に供給され、加熱室204内に載置された被加熱物をマイクロ波加熱する。
内に供給され、加熱室204内に載置された被加熱物をマイクロ波加熱する。
特許文献2に開示された電子レンジは、加熱室204内の温度分布を検出するために赤外線センサ210を有する。制御部211は、赤外線センサ210により検出された温度分布に基づいて、回転アンテナ203の回転と位置、および、放射口207の向きを制御する。
特許文献2に開示された回転アンテナ203は、モータ205により加熱室204の載置台208の下方に形成された給電室209の内部を回転しながら円弧状の軌道上を移動するように構成される。電子レンジ200によれば、回転アンテナ203の放射口207が回転しつつ移動して、赤外線センサ210により検出された被加熱物の低温部分を集中的に加熱することができる。
特許文献1に開示された電子レンジ100においては、回転アンテナ103が、載置台108の下方に配置された結合軸109を中心に回転するように構成される。マイクロ波は、回転アンテナ103の先端の放射口107から放射される。
この構成により、載置台108の中央領域に載置された被加熱物に対しては、直接的にマイクロ波を照射することができず、必ずしも均一加熱が可能ではなかった。
特許文献2に開示された電子レンジ200によれば、被加熱物に対する均一加熱と局所加熱とが可能である。しかしながら、本構成は、回転アンテナ203を載置台208の下方で回転させながら移動させるための機構を必要とするため、構造が複雑になり、装置が大型化するという問題を有していた。
本開示は、上記従来の問題点を解決するものであり、加熱室内の載置面、特にその中央領域に載置された被加熱物に対する均一加熱が可能な、より小型のマイクロ波加熱装置を提供することを目的とする。
本開示の一態様のマイクロ波加熱装置は、被加熱物を収納する加熱室と、マイクロ波を生成するマイクロ波生成部と、導波管構造部を規定する天井面および側壁面を有し、天井面と接合され、マイクロ波を導波管構造部の内部空間に結合させる結合部を有する。
導波管構造部は、天井面に形成された少なくとも一つのマイクロ波吸出し開口を有して、マイクロ波吸出し開口から加熱室内に円偏波を放射する。結合部と導波管構造部との接合部分は、管軸方向の長さが、管軸方向に直交する方向の長さより短く構成される。
本態様によれば、加熱室内の載置面、特にその中央領域に載置された被加熱物に対して均一加熱が可能な、より小型のマイクロ波加熱装置を構成することができる。
本開示の第1の態様のマイクロ波加熱装置は、被加熱物を収納する加熱室と、マイクロ波を生成するマイクロ波生成部と、導波管構造部を規定する天井面および側壁面、ならびに前方開口を有し、マイクロ波を前方開口から加熱室に放射する導波管構造アンテナと、を備える。導波管構造部は、天井面と接合され、マイクロ波を導波管構造部の内部空間に結合させる結合部を有する。
導波管構造部は、天井面に形成された少なくとも一つのマイクロ波吸出し開口を有して、マイクロ波吸出し開口から加熱室内に円偏波を放射する。結合部と導波管構造部との接合部分は、管軸方向の長さが、管軸方向に直交する方向の長さより短く構成される。
本態様によれば、加熱室内の載置面、特にその中央領域に載置された被加熱物に対して均一に加熱することが可能な、より小型のマイクロ波加熱装置を構成することができる。
第2の態様のマイクロ波加熱装置は、第1の態様に加えて、導波管構造アンテナを回転
させる駆動部をさらに備える。結合部は結合軸とフランジとを有する。結合軸は、駆動部に連結され、導波管構造アンテナの回転中心を含む。フランジは、結合軸の周りに設けられ、接合部分を構成する。フランジは、管軸方向に直交する方向の長さより短い管軸方向の長さを有する。
させる駆動部をさらに備える。結合部は結合軸とフランジとを有する。結合軸は、駆動部に連結され、導波管構造アンテナの回転中心を含む。フランジは、結合軸の周りに設けられ、接合部分を構成する。フランジは、管軸方向に直交する方向の長さより短い管軸方向の長さを有する。
本態様によれば、載置面の中央領域に載置された被加熱物をより均一に加熱することが可能となる。
第3の態様のマイクロ波加熱装置は、第1の態様に加えて、導波管構造アンテナを回転させる駆動部をさらに備える。結合部は、駆動部に連結され、導波管構造アンテナの回転中心を含む結合軸を有する。接合部分における結合部の断面は、管軸方向に直交する方向の長さより短い管軸方向の長さを有する。
本態様によれば、載置面の中央領域に載置された被加熱物をより均一に加熱することが可能となる。
第4の態様のマイクロ波加熱装置によれば、第1から第3の態様のいずれかに加えて、マイクロ波吸出し開口が、二つのスリットが交差するクロススロット形状を有し、管軸からずれた位置に設けられたものである。本態様によれば、マイクロ波吸出し開口からより確実に円偏波を放射することが可能となる。
第5の態様のマイクロ波加熱装置によれば、第1から第4の態様のいずれかに加えて、導波管構造部が、管軸に関して対称な少なくとも二つのマイクロ波吸出し開口を有し、結合部の付近の領域における二つのマイクロ波吸出し開口の距離が、結合部から離間した領域における二つのマイクロ波吸出し開口の距離より長い。
本態様によれば、マイクロ波吸出し開口から放射される円偏波により加熱室内をより均一に加熱することが可能となる。
第6の態様のマイクロ波加熱装置によれば、第1から第5の態様のいずれかに加えて、導波管構造部の天井面が、接合部分に設けられた凹部を有する。本態様によれば、載置面の中央領域に載置された被加熱物をより均一に加熱することができる。
以下、本開示に係るマイクロ波加熱装置の好適な実施の形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
以下の実施の形態において、本開示に係るマイクロ波加熱装置の一例として電子レンジを用いるが、これに限定されるものではなく、マイクロ波加熱を利用した加熱装置、生ゴミ処理機、あるいは半導体製造装置などを含むものである。本開示は、以下の実施の形態に示す具体的な構成に限定されるものではなく、同様の技術的思想に基づく構成を含む。
なお、以下の図面において、同一または同等の箇所には同一の符号を付し、重複する説明を省略することがある。
図1は、本開示の実施の形態に係る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正面断面図である。以下の説明において、電子レンジの左右方向とは図1における左右方向を意味し、前後方向とは図1における奥行き方向を意味する。
図1に示すように、本実施の形態に係る電子レンジ1は、加熱室2aと、給電室2bと、マグネトロン3と、導波管4と、回転アンテナ5と、載置台6とを備える。載置台6は
、食品などの被加熱物(図示せず)を載置するための平坦な上面を有する。加熱室2aは載置台6の上側空間であり、給電室2bは載置台6の下側空間である。
、食品などの被加熱物(図示せず)を載置するための平坦な上面を有する。加熱室2aは載置台6の上側空間であり、給電室2bは載置台6の下側空間である。
載置台6は、回転アンテナ5が設けられた給電室2bを覆って、加熱室2aと給電室2bとを区画するとともに加熱室2aの底面を構成する。載置台6の上面(載置面6a)が平坦であるため、被加熱物の出し入れが容易であり、載置面6aに付着した汚れなどがふき取りやすい。
載置台6には、ガラス、セラミックなどのマイクロ波が透過しやすい材料が用いられるため、回転アンテナ5から放射されたマイクロ波は、載置台6を透過して加熱室2aに供給される。
マグネトロン3は、マイクロ波を生成するマイクロ波生成部の一例である。導波管4は、給電室2bの下方に設けられ、マグネトロン3により生成されたマイクロ波を結合部7まで伝える伝搬部の一例である。回転アンテナ5は、給電室2bの内部空間に設けられ、導波管4と結合部とにより伝えられたマイクロ波を前方開口13から給電室2b内に放射する。
回転アンテナ5は、その内部空間をマイクロ波が伝搬する箱形の導波管構造を有する導波管構造部8と、導波管4内のマイクロ波を導波管構造部8の内部空間と結合させる結合部7とを有する導波管構造アンテナである。結合部7は、駆動部であるモータ15に連結された結合軸7aと、導波管構造部8と結合部7とを接合するフランジ7bとを有する。
モータ15は、制御部17からの制御信号に応じて駆動され、回転アンテナ5を、結合部7の結合軸7aを中心に回転させ、所望の方向に停止させる。これにより、回転アンテナ5からのマイクロ波の放射方向が変更される。結合部7には、アルミメッキ鋼板などの金属が用いられ、結合部7に連結されるモータ15の連結部分には、例えば、フッ素樹脂が用いられる。
結合部7の結合軸7aは、導波管4と給電室2bとを連通する開口を貫通し、結合軸7aは、貫通する開口との間に所定(例えば、5mm以上)のクリアランスを有する。結合軸7aにより、導波管4と、回転アンテナ5の導波管構造部8の内部空間とが結合され、マイクロ波が導波管4から導波管構造部8に効率よく伝搬する。
加熱室2aの側面上部には、赤外線センサ16が設けられる。赤外線センサ16は、加熱室2a内の温度、すなわち、載置台6に載置された被加熱物の表面温度を被加熱物の状態として検出する状態検出部の一例である。赤外線センサ16は、仮想的に複数に区分された加熱室2aの各領域の温度を検出し、それらの検出信号を制御部17に送信する。
制御部17は、赤外線センサ16の検出信号に基づき、マグネトロン3の発振制御およびモータ15の駆動制御を行う。
本実施の形態は、状態検出部の一例として赤外線センサ16を有するが、状態検出部は、これに限定されるものではない。例えば、被加熱物の重量を検出する重量センサや、被加熱物の画像を撮影する画像センサなどを状態検出部として用いてもよい。状態検出部を設けない構成において、予め記憶されたプログラムと使用者による選択とに応じて、制御部17がマグネトロン3の発振制御およびモータ15の駆動制御を行ってもよい。
図2Aは、載置台6が取り除かれた状況における給電室2bを示す斜視図である。図2Bは、図2Aと同じ状況における給電室2bを示す平面図である。
図2Aおよび図2Bに示すように、加熱室2aの下方に配置され、載置台6により加熱室2aと区分される給電室2bには、回転アンテナ5が設けられる。回転アンテナ5における結合軸7aの回転中心Gは、給電室2bの前後方向および左右方向の中心、すなわち、載置台6の前後方向および左右方向の中心の下方に位置する。
給電室2bは、その底面11と載置台6の下面とにより構成される内部空間を有する。給電室2bの内部空間は、結合部7の回転中心Gを含み、給電室2bの左右方向の中心線J(図2B参照)に関して対称な形状を有する。給電室2bの内部空間における側壁面には、内側に突出する凸部18が形成される。凸部18は、左側の側壁面に設けられた凸部18aと、右側の側壁面に設けられた凸部18bとを含む。
凸部18bの下方には、マグネトロン3が設けられる。マグネトロン3のアンテナ3aから放射されたマイクロ波は、給電室2bの下方に設けられた導波管4内を伝搬し、結合部7により導波管構造部8に伝えられる。
給電室2bの側壁面2cは、回転アンテナ5から水平方向に放射されたマイクロ波を、上方の加熱室2aに向けて反射するための傾斜を有する。
図3は、回転アンテナ5の具体例を示す分解斜視図である。図3に示すように、導波管構造部8は、その内部空間を規定する天井面9と側壁面10a、10b、10cとを有する。
天井面9は、三つの直線状の縁部と、一つの円弧状の縁部と、結合部7が接合された凹部9aとを含み、載置台6に対向して配置される(図1参照)。天井面9の三つの直線状の縁部からは、側壁面10a、10b、10cがそれぞれ下方に折曲して形成される。
円弧状の縁部には側壁面は設けられず、その下方に開口が形成される。この開口は、導波管構造部8の内部空間を伝搬したマイクロ波を放射する前方開口13として機能する。すなわち、側壁面10bは前方開口13と対向して設けられ、側壁面10a、10cは互いに対向して設けられる。
側壁面10aの下縁部には、導波管構造部8の外方かつ側壁面10aに対して垂直方向に延在する低インピーダンス部12が設けられる。低インピーダンス部12は、給電室2bの底面11と、わずかな間隙を隔てて平行に形成される。低インピーダンス部12により、側壁面10aに対して垂直方向に漏洩するマイクロ波が抑制される。
給電室2bの底面11との間の一定の間隙を確保するために、低インピーダンス部12の下面に絶縁樹脂製スペーサ(図示せず)を装着するための保持部19が形成されてもよい。
低インピーダンス部12には、複数のスリット12aが一定間隔で周期的に側壁面10aから垂直方向に延出するように設けられる。複数のスリット12aにより、側壁面10aに平行な方向のマイクロ波の漏洩が抑制される。スリット12a間の間隔は、導波管構造部8を伝搬する波長に応じて適宜決定される。
側壁面10bおよび側壁面10cに関しても同様に、下縁部に複数のスリット12aを有する低インピーダンス部12がそれぞれ設けられる。
本実施の形態に係る回転アンテナ5は、円弧状に形成された前方開口13を有するが、
本開示はこの形状に限定されるものではなく、直線状または曲線状の前方開口13を有してもよい。
本開示はこの形状に限定されるものではなく、直線状または曲線状の前方開口13を有してもよい。
図3に示すように、天井面9は、複数のマイクロ波吸出し開口14、すなわち、第1開口14aと、第1開口14aより小さな開口を有する第2開口14bとを含む。導波管構造部8の内部空間を伝搬してきたマイクロ波は、前方開口13と複数のマイクロ波吸出し開口14から放射される。
結合部7に形成されたフランジ7bは、導波管構造部8の天井面9の下面に、例えば、カシメ、スポット溶接、ビス締め、または、溶接などにより接合され、回転アンテナ5が結合部7と固着される。
本実施の形態では、回転アンテナ5が後述するような導波管構造部8を有するため、載置台6に載置された被加熱物に対する均一加熱が可能となる。特に、回転アンテナ5の回転中心G(図2A、図2B参照)の上方に位置する載置面6aの中央領域において、効率よく、かつ、均一に加熱可能である。以下、本実施の形態における導波管構造について詳細に説明する。
[導波管構造]
まず、導波管構造部8の特徴を理解するために、図4を用いて、一般的な導波管300について説明する。図4に示すように、最も単純で一般的な導波管300は、幅aと高さbとを有する長方形の断面303と、導波管300の管軸Vに沿った奥行きとを有する方形導波管である。管軸Vは、断面303の中心を通り、マイクロ波の伝送方向Zに延在する導波管300の中心線である。
まず、導波管構造部8の特徴を理解するために、図4を用いて、一般的な導波管300について説明する。図4に示すように、最も単純で一般的な導波管300は、幅aと高さbとを有する長方形の断面303と、導波管300の管軸Vに沿った奥行きとを有する方形導波管である。管軸Vは、断面303の中心を通り、マイクロ波の伝送方向Zに延在する導波管300の中心線である。
自由空間におけるマイクロ波の波長をλ0としたときに、幅aおよび高さbを、λ0>a>λ0/2、および、b<λ0/2の範囲内から選択すると、導波管300内をTE10モードでマイクロ波が伝搬することが知られている。
TE10モードとは、導波管300内においてマイクロ波の伝送方向Zに、磁界成分は存在し電界成分は存在しない、H波(TE波;電気的横波伝送(Transverse Electric Wave))における伝送モードを指す。
自由空間におけるマイクロ波の波長λ0は、式(1)により求められる。
式(1)において、光の速度cは約2.998×108[m/s]であり、発振周波数fは、電子レンジの場合には2.4〜2.5[GHz](ISMバンド)である。発振周波数fは、マグネトロンのばらつきや負荷条件によって変動するため、自由空間における波長λ0は、最小120[mm](2.5GHz時)から最大125[mm](2.4GHz時)の間で変動する。
電子レンジに用いる導波管300の場合、自由空間における波長λ0の範囲などを考慮して、導波管300の幅aは80〜100mm、高さbは15〜40mmの範囲で設計されることが多い。
一般的に、図4に示した導波管300において、その上面および下面である幅広面301を、磁界が平行に渦巻く面という意味でH面といい、左右の側面である幅狭面302を、電界に平行な面という意味でE面という。簡単のため、以下に示す平面図において、管軸VがH面上に投影されたH面上の直線を管軸Vと呼ぶことがある。
マグネトロンからのマイクロ波の波長を波長λ0、導波管内を伝搬するときのマイクロ波の波長を管内波長λgとそれぞれ規定すると、λgは式(2)で求められる。
従って、管内波長λgは、導波管300の幅aによって変化するが、高さbには無関係である。TE10モードにおいては、導波管300の幅方向Wの両端(E面)、すなわち、幅狭面302で電界が0、幅方向Wの中央で電界が最大となる。
本実施の形態では、図1および図3で示す回転アンテナ5に対して、図4に示す導波管300と同様の原理を適用する。回転アンテナ5において、天井面9と給電室2bの底面11とがH面となり、側壁面10a、10cがE面となる。
側壁面10bは、回転アンテナ5内のマイクロ波を前方開口13の方向へ全て反射させるための反射端となる。本実施の形態では、具体的には、導波管300の幅aは106.5mmである。
天井面9には、複数のマイクロ波吸出し開口14が形成される。マイクロ波吸出し開口14は、二つの第1開口14aと二つの第2開口14bとを含む。二つの第1開口14aは、回転アンテナ5の導波管構造部8の管軸Vに関して対称である。同様に、二つの第2開口14bは管軸Vに関して対称である。第1開口14aおよび第2開口14bは、管軸Vをまたがないように形成される。
第1開口14aおよび第2開口14bが、導波管構造部8の管軸V(正確には、管軸Vを天井面9に投影した天井面9上の直線)からずれた位置に配置された構造により、マイクロ波吸出し開口14からより確実に円偏波を放射することができる。円偏波のマイクロ波が放射されることにより、載置面6aの中央領域に対する均一加熱が可能となる。
なお、第1開口14aおよび第2開口14bを管軸Vの左右いずれの領域に設けるかにより電界の回転方向、すなわち、右旋偏波(CW:Clockwise)または左旋偏波(CCW:Counterclockwise)が決定される。
本実施の形態では、マイクロ波吸出し開口14の各々が、管軸Vをまたがないように設けられる。しかし、本開示はこれに限るものではなく、これらの開口の一部分が管軸Vをまたぐ構成においても、円偏波を放出することは可能である。この場合、歪んだ円偏波が発生する。
[円偏波]
次に、円偏波について説明する。円偏波は、移動通信および衛星通信の分野で広く用いられている技術である。身近な使用例としては、例えば、ETC(Electronic
Toll Collection System)、すなわち、ノンストップ自動料金収受システムが挙げられる。
次に、円偏波について説明する。円偏波は、移動通信および衛星通信の分野で広く用いられている技術である。身近な使用例としては、例えば、ETC(Electronic
Toll Collection System)、すなわち、ノンストップ自動料金収受システムが挙げられる。
円偏波は、電界の偏波面が進行方向に対して時間に応じて回転するマイクロ波であり、電界の方向は時間に応じて変化し続け、電界強度の大きさは変化しないという特徴を有する。
この円偏波をマイクロ波加熱装置に適用すれば、従来の直線偏波によるマイクロ波加熱と比較して、特に円偏波の周方向に関して、被加熱物を均一に加熱することが期待できる。なお、右旋偏波および左旋偏波のいずれであっても、同様の効果が得られる。
円偏波はもともと通信の分野での利用が主であり、開放空間への放射を対象とすることから、反射波のない、いわゆる進行波で論じられるのが一般的である。一方、本実施の形態では、閉空間である加熱室2a内で反射波が発生し、発生した反射波と進行波とが合成されて定在波が発生する可能性がある。
しかし、食品がマイクロ波を吸収することで反射波も減少するのに加えて、マイクロ波吸出し開口14からマイクロ波が放射される瞬間に定在波のバランスがくずれ、再び定在波が発生するまでの間は進行波が発生すると考えられる。従って、本実施の形態によれば、前述の円偏波の特長を利用することが可能となり、加熱室2a内の均一加熱が可能となる。
ここで、開放空間における通信の分野と、閉空間における誘電加熱の分野とにおける相違点を説明する。
通信分野では、的確な情報の送受信のため、右旋偏波か左旋偏波のどちらか一方が用いられ、受信側では、それに適した指向性を有する受信アンテナが用いられる。
一方、マイクロ波加熱の分野では、指向性を有する受信アンテナの代わりに、食品などの指向性のない被加熱物がマイクロ波を受けるため、マイクロ波が被加熱物全体に対して照射されることが重要となる。従って、マイクロ波加熱の分野においては、右旋偏波か左旋偏波かは重要ではなく、たとえ右旋偏波と左旋偏波とが混在する状態でも問題ない。
[マイクロ波の吸出し効果]
ここで、本実施の形態の特徴である回転アンテナからのマイクロ波の吸出し効果について説明する。本実施の形態において、マイクロ波の吸出し効果とは、食品などの被加熱物が近くにある場合、マイクロ波吸出し開口14から導波管構造内のマイクロ波が吸出されることをいう。
ここで、本実施の形態の特徴である回転アンテナからのマイクロ波の吸出し効果について説明する。本実施の形態において、マイクロ波の吸出し効果とは、食品などの被加熱物が近くにある場合、マイクロ波吸出し開口14から導波管構造内のマイクロ波が吸出されることをいう。
図5Aは、直線偏波を発生するための開口が設けられたH面を有する導波管400の平面図である。図5Bは、円偏波を発生するための開口が設けられたH面を有する導波管500の平面図である。図5Cは、導波管400または500と被加熱物22との位置関係を示す正面図である。
図5Aに示すように、開口401は、導波管400の管軸Vに交差するように設けられた長方形スリットである。開口401は直線偏波のマイクロ波を放射する。図5Bに示すように、二つの開口501はそれぞれ、直角に交差する二つの長方形スリットで構成されたクロススロット(Cross slot)形状の開口である。二つの開口501は、導波管500の管軸Vに関して対称である。
いずれの開口も、導波管の管軸Vに関して対称であり、幅が10mm、長さがLmmである。これらの構成において、被加熱物22が配置されない「負荷無し」の場合と、被加熱物22が配置された「負荷有り」の場合とについて、CAEを用いて解析した。
「負荷有り」の場合、図5Cに示すように、一定の被加熱物22の高さ30mmと、2種類の被加熱物22の底面積(100mm角、200mm角)と、3種類の被加熱物22の材質(冷凍牛肉、冷蔵牛肉、水)とにおいて、導波管400、500から被加熱物22の底面までの距離Dをパラメータとして測定した。
「負荷無し」の場合における開口からの放射電力を基準とするために、「負荷無し」の場合における開口の長さと放射電力との関係を、図6Aおよび図6Bに示す。
図6Aは、図5Aに示す開口401の場合の特性を表し、図6Bは、図5Bに示す開口501の場合の特性を表す。図6Aおよび図6Bにおいて、横軸は、開口の長さL[mm]であり、縦軸は、導波管内を伝搬する電力を1.0Wとしたときの、開口401、501からそれぞれ放射されるマイクロ波の電力[W]である。
「負荷有り」の場合と比較するために、「負荷無し」の場合に放射電力が0.1Wとなる長さL、すなわち、図6Aに示すグラフにおいては長さLが45.5mmの場合を選択し、図6Bに示すグラフにおいては長さLが46.5mmの場合を選択した。
図7は、長さLが上記長さ(45.5mm、46.5mm)、および、「負荷有り」の場合において、2種類の底面積(100mm角、200mm角)を有する3種類の食品(冷凍牛肉、冷蔵牛肉、水)に対して行った解析結果を示す六つのグラフを含む。
図7に含まれた各グラフにおいて、横軸は、被加熱物22から導波管までの距離D[mm]であり、縦軸は、「負荷無し」時の放射電力を1.0としたときの相対的な放射電力である。すなわち、「負荷無し」の場合と比較して、「負荷有り」の場合、被加熱物22がどの程度のマイクロ波を導波管400、500から吸出すかを示すものである。
図7に示す各グラフにおいて、破線が直線形状(I字形状)の開口401の場合の特性(図中の「I」で示す)を示し、実線が二つのクロススロット形状(X字形状)の開口501の場合の特性(図中の「2X」で示す)を示す。
六つのグラフのいずれにおいても、開口401より開口501の方が放射電力が多く、特に、距離Dが20mm以下という、実際の電子レンジの場合と同等の距離において、2倍程度の差があると認識できる。従って、被加熱物22の種類や底面積に関わらず、円偏波を発生させる開口の方が、直線偏波を発生させる開口よりマイクロ波の吸出し効果が高いことは明らかである。
詳細に検討すると、被加熱物22の種類については、特に、距離Dが10mm以下では、誘電率および誘電損失がより小さい冷凍牛肉の方が吸出し効果が大きく、誘電率および誘電損失がより大きい水の方が吸出し効果は小さい。
冷蔵牛肉または水の場合、距離Dが大きくなると、特に、直線偏波では放射電力が1以下に落ち込んでいる。これは、被加熱物22からの反射電力により、放射電力が相殺されたことが原因と考えられる。被加熱物22の底面積については、100mm角と200mm角で放射電力がほとんど同じであるため、マイクロ波の吸出し効果に対する影響は少ないと考えられる。
発明者らは、いろいろな開口形状を用いた実験により、円偏波を放射できる開口の条件について検討した。その結果、以下の結論に至った。円偏波を発生させる好ましい条件は、開口を導波管の管軸Vからずらして配置すること、および、開口形状がクロススロット形状の開口を含むことである。円偏波のマイクロ波を最も効率よく放射する、すなわち、吸出し効果が高いのは、クロススロット形状を有する開口である。
図8Aおよび図8Bは、本実施の形態における吸出し効果を模式的に示す断面図である。回転アンテナ5の前方開口13は、図8Aおよび図8Bの両方において、図中の左方向を向いている。被加熱物22は、図8Aでは結合部7の上方に配置され、図8Bでは載置面6aの左隅に載置される。つまり、図8Aおよび図8Bに示す二つの状態では、結合部7から被加熱物22までの距離が異なる。
図8Aに示す状態においては、被加熱物22がマイクロ波吸出し開口14、特に第1開口14aに近接し、第1開口14aからの吸出し効果が発生すると考えられる。その結果、結合部7から前方開口13に向かって進行するマイクロ波の大部分が、第1開口14aから円偏波のマイクロ波となって被加熱物22に対して放射され、被加熱物22を加熱する。
一方、図8Bに示す状態においては、被加熱物22がマイクロ波吸出し開口14から離間するため、マイクロ波吸出し開口14からの吸出し効果はあまり発生しないと考えられる。その結果、結合部7から前方開口13に向かって進行するマイクロ波の大部分が、直線偏波のマイクロ波のまま前方開口13から被加熱物22に対して放射され、被加熱物22を加熱する。
以上のように、本実施の形態に係るマイクロ波吸出し開口14により、マイクロ波吸出し開口14に近接して食品が配置された時には放射電力が多くなり、マイクロ波吸出し開口14から離間した位置に食品が配置された時には放射電力が少なくなるという特殊な現象を引き起こすと考えられる。
[導波管構造部による均一加熱]
以下、本実施の形態に係る導波管構造部による均一加熱について説明する。発明者らは、各種形状の導波管構造を有する回転アンテナを用いて実験を行い、均一加熱に最適な導波管構造を見出した。
以下、本実施の形態に係る導波管構造部による均一加熱について説明する。発明者らは、各種形状の導波管構造を有する回転アンテナを用いて実験を行い、均一加熱に最適な導波管構造を見出した。
図9A、図9B、図9Cは、実験で用いられた回転アンテナの三つの例の平面形状をそれぞれ示す模式図である。
図9Aに示すように、導波管構造部600は、二つの第1開口614aと二つの第2開口614bとを有する。第1開口614aは、クロススロット形状を有し、各長方形スリットが、導波管構造部600の管軸Vに対して45度の角度をなすように、結合部7の近傍に設けられる。第2開口614bは、第1開口614aより小さく、結合部7から離間して設けられる。
図9Bに示すように、導波管構造部700は、導波管構造部600と異なり、第1開口614aと同様のクロススロット形状を有する一つの第1開口714aを有する。
図9Cに示すように、導波管構造部800は、導波管構造部600と異なり、T字形状を有する二つの第1開口814aを有する。すなわち、第1開口814aは、第1開口614aと異なり、二つの長方形スリットの一方において交差部分から結合部7の方向に延在する部分を有しない。
図9A〜図9Cに示す導波管構造部に共通するのは、複数のクロススロット形状のマイクロ波吸出し開口が設けられること、および、同様の大きさの第1開口が同様の場所に設けられ、同様の大きさの第2開口が同様の場所に設けられることである。特に、第2開口614bと第2開口714bと第2開口814bとは同一である。
図9A〜図9Cに示す導波管構造を有する回転アンテナを用いて、載置面6aの中央領域に載置された冷凍お好み焼きを用いて同じ加熱条件下で実験を行い、CAEにより検証した。お好み焼きとは、様々な材料を含んだ練り粉を焼いたパンケーキ状の料理である。
図9Aに示す導波管構造部600の場合、これらの開口から出力される円偏波が干渉して、結合部7上方の載置面6aの中央領域に位置する被加熱物の部分の温度が、その周囲の部分に比べて異常に上がらないという現象(以下、結合部7付近の温度低下という)が起こることが分かった。
図9Bに示す導波管構造部700の場合、結合部7付近の温度低下を抑制することができた。図9Cに示す導波管構造部800の場合でも、同様に、結合部7の近傍における温度低下を抑制することができた。
以上のように、結合部7の近傍には開口が設けられない、または、結合部7の近傍に一つの開口のみが設けられた導波管構造により、結合部7付近の温度低下を抑制し、加熱室2a内における均一加熱が可能であることが確認できた。
さらに、発明者らは、マイクロ波吸出し開口の形状について実験を行い、加熱分布のさらなる均一化が可能な導波管構造を見出した。
図9Cに示す導波管構造部800の第1開口814aによれば、クロススロット形状の開口により形成される円形状の円偏波とは異なる、いわば歪んだ円偏波を放射するため、加熱室2aにおける均一加熱という観点では好ましい結果が得られなかった。
そこで、二つの円偏波の干渉を抑制するとともに、可能な限り円に近い形状の円偏波を形成するために、図10A、図10Bに示す形状を有する第1開口914aについて検討した。
以下、第1開口914aを有する導波管構造部について、図面を用いて詳述する。
図10A、図10Bは、上述した第1開口914aが設けられた導波管構造部900A、導波管構造部900Bの平面形状をそれぞれ示す模式図である。
図10A、図10Bに示すように、導波管構造部900A、900Bは、ともに同一の第1開口914aおよび第2開口914bを有する。
第1開口914aは、二つの長方形スリットの一方において、交差部分から結合部7の方向に延在する部分が、交差部分から結合部7の反対方向に延在する部分より短い長さを有するクロススロット形状を有する。検討の結果、第1開口914aによれば、二つの円偏波の干渉を抑制して均一加熱が可能となるのに加えて、図9Cに示す第1開口814aに比べて前述の吸出し効果も高くなることが確認できた。
第1開口914aにおける、交差部分から結合部7の方向に延在する部分の長さについては、二つの円偏波の干渉が発生しないように、仕様に応じて適宜設定される。
導波管構造部900Aは全体的に平坦な天井面を有する。一方、導波管構造部900Bは、フランジ7bが天井面に接合される接合部分に、下方にへこむ凹形状の接合領域(段差領域である凹部909a)が形成される(例えば図3参照)。そのため、導波管構造部900Bの天井面において、接合領域と載置台との距離は他の部分に比べて長い。
上記導波管構造を有する回転アンテナを用いて、同様に、載置面6aの中央領域に載置された冷凍お好み焼きを用いて同じ加熱条件下で実験を行い、CAEにより検証した。
その結果、導波管構造部900Aは、第1開口914aが実質的にクロススロット形状を有するため、二つの円偏波の干渉を抑制するとともに、円に近い形状の円偏波を発生させることができた。
また、第1開口914aにより、吸出し効果が高くなり、結合部7付近の温度低下を抑制することができた。その上、導波管構造部900Bの天井面に形成された凹形状の接合領域により、結合部7付近の温度低下を抑制できることが分かった。
[本実施の形態に係る導波管構造部]
上記のような各種実験からの知見に基づく、本実施の形態に係る回転アンテナの具体的構成例について以下に説明する。上記の知見に基づき、マイクロ波加熱装置の仕様などに応じて各種の変形例が利用可能である。
上記のような各種実験からの知見に基づく、本実施の形態に係る回転アンテナの具体的構成例について以下に説明する。上記の知見に基づき、マイクロ波加熱装置の仕様などに応じて各種の変形例が利用可能である。
図11は、本実施の形態に係る導波管構造部8を有する回転アンテナを示す平面図である。
図11に示すように、導波管構造部8は、天井面9に設けられた複数のマイクロ波吸出し開口14を有する。複数のマイクロ波吸出し開口14は、第1開口14aと、第1開口14aより小さな開口を有する第2開口14bとを含む。第1開口14aおよび第2開口14bは、実質的にクロススロット形状を有する。
第1開口14aの中心点P1および第2開口14bの中心点P2が、導波管構造部8の管軸Vからずれた位置に配置された構造により、マイクロ波吸出し開口14は円偏波を放射することができる。ここで、第1開口14aの中心点P1および第2開口14bの中心点P2は、それぞれ第1開口14aおよび第2開口14bを形成する二つのスリットの交差領域の中心点である。
本実施の形態においては、第1開口14aおよび第2開口14bが、導波管構造部8の管軸Vをまたがないように配置される。第1開口14a、第2開口14bの各長方形スリットの長手方向は、管軸Vに対して実質的に45℃の傾斜を有する。
図11に示すように、第1開口14aは、天井面9の凹部9aに近接して形成される。凹部9aは、第1開口14aから放射されるマイクロ波の進行方向と反対方向(下方向)に、天井面9から突出するように設けられた段差領域である(図3参照)。二つの第1開口14aは、管軸Vに関して対称である。
第2開口14bは、第1開口14aより結合部7から離間して、前方開口13の近傍に形成される。第1開口14aと同様、二つの第2開口14bは管軸Vに関して対称である。
第1開口14aは、二つのスロットにおいて、中心点P1から管軸Vに向かう方向に延
在する部分の長さが、中心点P1から側壁面10aの方向に延在する部分の長さより短いという特徴を有する。
在する部分の長さが、中心点P1から側壁面10aの方向に延在する部分の長さより短いという特徴を有する。
図3に示すように、結合部7に設けられたフランジ7bは、マイクロ波の伝送方向Zの長さが、導波管構造部8の幅方向Wの長さがより短い形状を有する。すなわち、結合部7は、マイクロ波の伝送方向Zの長さが、伝送方向Zに直交する方向の長さより短い。フランジ7bによれば、中心点P1から結合部7に向かって延在するスリットの先端を、より結合部7の近くに形成することが可能となる。
本実施の形態においては、凹部9aの裏側にフランジ7bが接合されるため、凹部9aは、例えば、TOXカシメの突き出し、溶接痕、ビス、ナットの頭など、フランジ7bの接合により凹部9aの表側に生じる突起の高さより深くなるように構成される。本実施の形態によれば、突起が載置台6の下面に接触するなどの問題が生じない。
図11に示す導波管構造部8は、結合部7の上方の天井面9に設けられた凹部9aを有し、図10Bに示す導波管構造部900Bと同様の構成を有する。図11に示す導波管構造部8によれば、導波管構造部900Bと同様に、結合部7近傍の温度低下を抑制することができる。その理由として、次の二つのことが考えられる。
一つ目として、第1開口14aの上方に被加熱物が載置された場合、第1開口14aから放射され円偏波となったマイクロ波の一部が被加熱物で反射される。反射したマイクロ波は、凹部9aの上面と載置台6の下面との間に形成された空間において反射を繰り返し、その結果、被加熱物をより強く加熱する。
二つ目として、本実施の形態では、凹部9aが形成された部分の導波管構造部8の内部空間は、他の部分より狭い。結合軸7aから導波管構造部8内に伝搬するマイクロ波の大部分が、凹部9a付近の狭い空間から、凹部9aから離間した広い空間に向かって進行する際、吸出し効果により第1開口14aから放射され、載置面6aの中央領域に載置された被加熱物を強く加熱する。
以下、本実施の形態における第1開口14aの形状について詳述する。
図11に示すように、第1開口14aは、スリット20a、20bを含み、これらが中心点P1で交差するクロススロット形状を有する。第1開口14aの各スリットの長軸は、管軸Vに対して45度の角度を有する。
スリット20aは、中心点P1の右下から左上まで延在し、中心点P1から右下の先端までの第1長さAと、中心点P1から左上の先端までの第3長さCとを有する。スリット20aの右下の先端は、結合部7に向けられて凹部9aに近接する。
スリット20bは、中心点P1の左下から右上まで延在し、中心点P1から左下の先端までの第2長さBと、中心点P1から右上の先端までの第4長さDとを有する。すなわち、第1長さAは、中心点P1からスリット20a、20bの先端までの長さのうち、結合部7に最も近い先端までの長さである。
第3長さCと第4長さDとは同じであり、これらは、導波管構造部8内を伝搬するマイクロ波の波長の実質的に1/4に相当する。第2長さBは、第3長さCおよび第4長さDより短く、第1長さAはこれらの中で最も短い。
また、スリット20aと管軸Vとの距離Xは、スリット20bと管軸Vとの距離Yより
長い。すなわち、天井面9は、二つの第1開口14aの間の、凹部9a付近の領域が、凹部9aから離間した領域に比べて広い。
長い。すなわち、天井面9は、二つの第1開口14aの間の、凹部9a付近の領域が、凹部9aから離間した領域に比べて広い。
二つの第1開口14aの間の領域が平坦でない場合、導波管構造部8内に乱れた電磁界が発生して、円偏波の形成に悪影響を及ぼすため、二つの第1開口14aの間に、より広い平坦な領域を設けることが好ましい。本実施の形態によれば、二つの第1開口14aの間に設けられたより広い平坦な領域により、乱れの少ない円偏波が形成されて、高い吸い出し効果が得られる。
本実施の形態では、二つの第1開口14aの間の距離は、導波管構造部8内を伝搬するマイクロ波の波長の1/8以上である。発明者らの実験らによれば、二つの第1開口14aが、結合軸7aの軸径(18mm)に実質的に一致した距離を有するとき、好ましい結果が得られた。
一方、第2開口14bは、二つの同じ長さを有するスリットが、それぞれの中心で直交したクロススロット形状を有する。第2開口14bの各スリットの長軸は、管軸Vに対して45度の角度を有する。本実施の形態では、第2開口14bの各スリットの長軸の長さは、第1開口14aの第3長さCおよび第4長さDと同等の長さである。
本実施の形態に係る結合部7は上記形状のフランジ7bを有するが、フランジ7bの形状は、これに限定されるものではなく、仕様などに応じて適宜変更可能である。
例えば、フランジ7bの、管軸Vに沿った方向の部分をより短くすれば、第1開口14aを結合部7により近接させて設けることが可能である。第1開口14aとの間に切り欠きを有するフランジ7bを用いるなど、フランジ7bの形状により、第1開口14aを結合部7により近接して設けることも可能である。
フランジ7bの形状を工夫すれば、接合部分の面積を小さくすることなく、結合部7と導波管構造部8との接合を強化することが可能となり、製品のばらつきを抑制することができる。
結合軸7aが、例えば、半円、楕円、長方形の断面を有する場合、または、このような断面形状を有する結合軸7aを、導波管構造部8に直接的に接合する場合でも、本実施の形態と同様の効果が得られる。フランジ7bを設けない構成によれば、第1開口14aを形成するためのスペースをさらに広げることができる。
本実施の形態によれば、高い吸出し効果が得られることにより、結合部7付近の温度低下を抑制し、載置面6aの中央領域における均一加熱が可能となる。
本実施の形態では、マイクロ波吸出し開口がクロススロット形状を有するが、本開示のマイクロ波吸出し開口はこれに限定されるものではない。マイクロ波吸出し開口がクロススロット状以外でも、円偏波を発生させることができる形状であればよい。
実験の結果、導波管構造部から円偏波を発生させるための必須条件は、管軸からずれた位置に、概ね細長い二つの開口を組み合わせて配置することであると推察される。
マイクロ波吸出し開口14を構成するスリットは、長方形に限定されるものではない。例えば、角に丸みのある開口や楕円形の開口の場合でも、円偏波を発生させることが可能である。
むしろ、電界の集中を抑制するためには、開口の角が丸みをおびていることが好ましい。本実施の形態では、図3、図9A〜図9C、図10A、図10B、図11に示すように、第1開口14aおよび第2開口14bに含まれるスリットは、先端および交差部分に丸みをおびた角を有する。すなわち、マイクロ波吸出し開口14に含まれる二つのスリットは、端部付近の幅より広い交差部分付近の幅を有する。
本実施の形態では、凹部9aが、天井面9の結合部7の上方に形成されるが、本開示の導波管構造部8はこれに限定されるものではない。
例えば、開口から放射されたマイクロ波の伝搬状況などを考慮して、マイクロ波吸出し開口14と導波管構造部8の回転中心との間に凹部9aを設けてもよい。マイクロ波吸出し開口14より導波管構造部8の回転中心に近い側の天井面9に、導波管構造部8の内部空間に突出する凸部を設けてもよい。
すなわち、導波管構造部8が、マイクロ波吸出し開口14より結合部7に近い側の天井面9の一部分に設けられ、天井面9の他の部分より高さが低い段差領域を有すればよい。
本開示は、電子レンジの他に、乾燥装置、陶芸用加熱装置、生ゴミ処理機、半導体製造装置などの各種工業用途のマイクロ波加熱装置において利用可能である。
1,100,200 電子レンジ
2a,104,204 加熱室
2b,209 給電室
2c,10a,10b,10c 側壁面
3,101,201 マグネトロン
3a アンテナ
4,102,202,400,500 導波管
5,103,203 回転アンテナ
6,108,208 載置台
6a 載置面
7 結合部
7a,109 結合軸
7b フランジ
8,600,700,800,900A,900B 導波管構造部
9 天井面
9a,909a 凹部
11 底面
12,106,206 低インピーダンス部
12a,20a,20b スリット
13 前方開口
14 マイクロ波吸出し開口
14a,614a,714a,814a,914a 第1開口
14b,614b,714b,814b,914b 第2開口
15,105,205 モータ
16,210 赤外線センサ
17,211 制御部
18,18a,18b 凸部
19 保持部
22 被加熱物
107,207 放射口
300 導波管
301 幅広面
302 幅狭面
303 断面
401,501 開口
2a,104,204 加熱室
2b,209 給電室
2c,10a,10b,10c 側壁面
3,101,201 マグネトロン
3a アンテナ
4,102,202,400,500 導波管
5,103,203 回転アンテナ
6,108,208 載置台
6a 載置面
7 結合部
7a,109 結合軸
7b フランジ
8,600,700,800,900A,900B 導波管構造部
9 天井面
9a,909a 凹部
11 底面
12,106,206 低インピーダンス部
12a,20a,20b スリット
13 前方開口
14 マイクロ波吸出し開口
14a,614a,714a,814a,914a 第1開口
14b,614b,714b,814b,914b 第2開口
15,105,205 モータ
16,210 赤外線センサ
17,211 制御部
18,18a,18b 凸部
19 保持部
22 被加熱物
107,207 放射口
300 導波管
301 幅広面
302 幅狭面
303 断面
401,501 開口
Claims (6)
- 被加熱物を収納する加熱室と、
マイクロ波を生成するマイクロ波生成部と、
導波管構造部を規定する天井面および側壁面を有し、前記天井面と接合され、前記マイクロ波を前記導波管構造部の内部空間に結合させる結合部を有する導波管構造アンテナと、を備え、
前記導波管構造部は、前記天井面に形成された少なくとも一つのマイクロ波吸出し開口を有して、前記マイクロ波吸出し開口から前記加熱室内に円偏波を放射し、
前記結合部と前記導波管構造部との接合部分は、前記導波管構造部の管軸方向の長さが、前記管軸方向に直交する方向の長さより短く構成されたマイクロ波加熱装置。 - 前記導波管構造アンテナを回転させる駆動部をさらに備え、
前記結合部が、前記駆動部に連結され、前記導波管構造アンテナの回転中心を含む結合軸と、前記結合軸の周りに設けられ、前記接合部分を構成するフランジと、を有し、
前記フランジが、前記管軸方向に直交する方向の長さより短い前記管軸方向の長さを有する請求項1に記載のマイクロ波加熱装置。 - 前記導波管構造アンテナを回転させる駆動部をさらに備え、
前記結合部が、前記駆動部に連結され、前記導波管構造アンテナの回転中心を含む結合軸を有し、
前記接合部分における前記結合部の断面が、前記管軸方向に直交する方向の長さより短い前記管軸方向の長さを有する請求項1に記載のマイクロ波加熱装置。 - 前記マイクロ波吸出し開口が、二つのスリットが交差するクロススロット形状を有し、前記管軸からずれた位置に設けられた請求項1に記載のマイクロ波加熱装置。
- 前記導波管構造部が、前記管軸に関して対称な少なくとも二つのマイクロ波吸出し開口を有し、
前記結合部の付近の領域における前記二つのマイクロ波吸出し開口の距離が、前記結合部から離間した領域における前記二つのマイクロ波吸出し開口の距離より長い請求項1に記載のマイクロ波加熱装置。 - 前記天井面が、前記接合部分に設けられた凹部を有する請求項1に記載のマイクロ波加熱装置。
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