WO2018037696A1

WO2018037696A1 - 高周波加熱装置

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Publication number: WO2018037696A1
Application number: PCT/JP2017/023008
Authority: WO
Inventors: 大森　義治; 岡島　利幸; 吉野　浩二; 上島　博幸; 貴紀廣部
Original assignee: パナソニックＩｐマネジメント株式会社
Priority date: 2016-08-22
Filing date: 2017-06-22
Publication date: 2018-03-01
Also published as: JPWO2018037696A1

Abstract

高周波加熱装置（１）は、マイクロ波発生部（２）と表面波変換部（５）と表面波伝播部（６）と載置部（９）とを有する。マイクロ波発生部（２）はマイクロ波を発生する。表面波変換部（５）はマイクロ波を表面波に変換する。表面波伝播部（６）は、表面波を伝播させるために、同一平面上に設けられ、マイクロ波の伝播方向に周期的に配置された実質的に同じ構成を有する複数の伝播スタブ（１１）を有する。載置部（９）は、被加熱物（７）を載置するために、表面波伝播部（６）に近接して設けられる。複数の伝播スタブ（１１）の各々の同一平面からの高さはマイクロ波の波長の１／４以下である。本態様によれば、スタブ周期構造を用いた集中度の高い表面波伝播により、少ない消費電力で被加熱物に所望の焦げ目を付けることができる。

Description

高周波加熱装置

　本開示は、周期構造を用いた表面波伝送線路を備えた高周波加熱装置に関する。

　電子レンジは、マイクロ波を用いて被加熱物を加熱する装置の一例である。電子レンジは、被加熱物を短時間で均一に加熱することができる一方、被加熱物に焦げ目を付けることができない。

　この欠点を解決する手段の一つが、マイクロ波の表面波モード伝播を利用した表面波加熱により、被加熱物に焦げ目を付ける加熱装置である（例えば、特許文献１～３参照）。表面波加熱は、表面波伝送線路の近傍に集中するマイクロ波エネルギーにより被加熱物に焦げ目を付ける加熱方式である。

　表面波伝送線路を表面波モードで伝播するマイクロ波エネルギーは、表面波伝送線路から離れるに従って指数関数的に減衰するため、被加熱物は表面波伝送線路の近傍に配置する必要がある。

特開昭４９－１６９４４号公報特開平５－６６０１９号公報特開平８－２１０６５３号公報

　表面波加熱を行う高周波加熱装置は、マイクロ波発生部により発生されたマイクロ波を導波管により表面波伝送線路に供給し、表面波伝送線路の近傍にマイクロ波エネルギーを集中させる。このため、マイクロ波エネルギーが、表面波伝送線路のより近傍に集中した表面波として伝播するようにして、表面波伝送線路の近傍に配置された被加熱物に所望の焦げ目が付けることが望まれている。

　本開示は、より集中度の高い表面波伝播を行うことにより、より少ない消費電力で被加熱物に所望の焦げ目を付けることができる高周波加熱装置の提供を目的とする。

　本開示に係る一態様の高周波加熱装置は、マイクロ波発生部と表面波変換部と表面波伝播部と載置部とを有する。

　マイクロ波発生部は、マイクロ波を発生する。表面波変換部は、マイクロ波を表面波に変換する。表面波伝播部は、表面波を伝播させるために、同一平面上に設けられ、マイクロ波の伝播方向に周期的に配置された実質的に同じ構成を有する複数の伝播スタブを有する。載置部は、表面波伝播部に近接して設けられ、被加熱物を載置する。複数の伝播スタブの各々の同一平面からの高さが、マイクロ波の波長の１／４以下である。

　本態様によれば、集中度の高い表面波伝播により、より少ない消費電力で被加熱物に所望の焦げ目を付けることが可能な高周波加熱装置を提供することができる。

図１は、本開示の実施の形態に係る高周波加熱装置の構成を模式的に示す断面図である。図２は、実施の形態に係る高周波加熱装置における表面波伝送線路の構成を示す透過斜視図である。図３は、実施の形態に係る高周波加熱装置におけるスタブ周期構造の高さ、間隔、間隙、厚さを示す図である。図４は、実施の形態に係る高周波加熱装置における最適化シミュレーションで用いられた解析モデルを示す図である。図５は、実施の形態に係る高周波加熱装置における最適化シミュレーションの結果を示す図である。図６は、実施の形態に係る高周波加熱装置における最適化シミュレーションにより得られたＳパラメータの周波数特性を示す図である。図７は、実施の形態の変形例に係る高周波加熱装置における表面波伝送線路の構成を示す斜視図である。

　本開示に係る第１の態様の高周波加熱装置は、マイクロ波発生部と表面波変換部と表面波伝播部と載置部とを有する。

　本開示の第２の態様によれば、第１の態様において、表面波変換部は、マイクロ波の伝播方向に周期的に配置された複数の変換スタブを有する。複数の変換スタブの同一平面からの高さは、マイクロ波の伝播方向に沿って増加する。

　本開示の第３の態様によれば、第１の態様において、複数の伝播スタブが、マイクロ波の波長の１／８以下の間隔で周期的に配置される。

　本開示の第４の態様によれば、第１の態様において、複数の伝播スタブが、マイクロ波の波長の１／８以下の間隙をもって周期的に配置される。

　本開示の第５の態様によれば、第１の態様において、複数の伝播スタブの各々の高さＨの２倍と、複数の伝播スタブの間隔ｐの正の整数倍との和が、マイクロ波の波長の１／２に等しい。

　本開示の第６の態様によれば、第１の態様において、複数の伝播スタブの各々が、２７ｍｍ以下の高さを有する。

　本開示の第７の態様によれば、第１の態様において、複数の伝播スタブが、１４ｍｍ以下の間隔で周期的に配置される。

　本開示の第８の態様によれば、第１の態様において、複数の伝播スタブが、１４ｍｍ以下の間隙をもって周期的に配置される。

　以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。以下の説明において、同じ要素には同じ参照符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。図面は、理解を容易にするために、各構成要素を模式的に示す。本実施の形態で示される数値、形状、構成などは例示であり、本開示を限定するものではない。

　図１は、本実施の形態に係る高周波加熱装置１の構成を模式的に示す断面図である。図１に示すように、高周波加熱装置１は、マイクロ波発生部２とアンテナ３と導波管４と加熱室８と載置台９と表面波伝送線路１２とを有する。

　マイクロ波発生部２は、被加熱物７の加熱に適した所望の周波数のマイクロ波を発生する。マイクロ波発生部２は、マグネトロンとインバータ回路とにより構成してもよく、固体発振器と電力増幅器とにより構成してもよい。

　マイクロ波発生部２の出力端であるアンテナ３は、導波管４の内部に突出するよう形成される。

　加熱室８の底面には、マイクロ波を低損失で透過させる材料（例えばガラス、樹脂）で構成された載置台９が設けられる。載置台９上には被加熱物７が載置される。載置台９は載置部に相当する。加熱室８の前面開口部分には、扉（図示せず）が設けられる。

　表面波伝送線路１２は、導波管４に接続され、載置台９に近接するように加熱室８の下方に設けられる。マイクロ波発生部２により発生されたマイクロ波は、アンテナ３を介して導波管４内に放射され、導波管４内を伝播して、表面波伝送線路１２に到達する。

　表面波伝送線路１２は、いずれも導電体で構成された表面波変換部５と表面波伝播部６とを有する。表面波変換部５は、導波管４と表面波伝播部６との間に設けられ、導波管４の内部を空間伝播するマイクロ波を表面波伝播に変換する。表面波伝播部６は、表面波変換部５により変換された表面波を載置台９の近傍で伝播させる。

　図２は、高周波加熱装置１に設けられた表面波伝送線路１２の構成を示す透視斜視図である。図２に示すように、表面波伝送線路１２は複数の金属平板を有する。複数の金属平板は、表面波伝送線路１２の内壁面上に垂直に、かつ、所定間隔で周期的に配置される。本実施の形態において、金属平板をスタブといい、この構造をスタブ周期構造という。

　表面波変換部５において、高さが異なる複数の金属平板である変換スタブ１０が、所定間隔で周期的に配置される。変換スタブ１０の高さは、マイクロ波の伝播方向（図２における右から左への方向）に沿って徐々に増加する。

　表面波変換部５は、マイクロ波の伝播方向における始端（図２では右端）に位置する始端変換スタブ１０ａと、マイクロ波の伝播方向における終端（図２では左端）に位置する終端変換スタブ１０ｂとを有する。始端変換スタブ１０ａは高さＨａを有し、終端変換スタブ１０ｂは高さＨｂを有する。

　表面波伝播部６において、複数の金属平板である伝播スタブ１１が所定間隔で周期的に配置される。伝播スタブ１１の各々は、同じ形状、構成、高さを有する。このため、伝播スタブ１１の上端部は、載置台９に平行かつ近接する同一平面に含まれる。伝播スタブ１１の高さＨは、終端変換スタブ１０ｂの高さＨｂと同じである。

　表面波変換部５の変換スタブ１０は、表面波伝播部６の伝播スタブ１１と同じ幅（Ｗ）を有する。幅（Ｗ）は、変換スタブ１０および伝播スタブ１１の、マイクロ波の伝播方向に垂直な方向の長さである。変換スタブ１０は第１のスタブに相当し、伝播スタブ１１は第２のスタブに相当する。

　周期的に配置された複数の変換スタブ１０を含む表面波変換部５のスタブ周期構造は第１のスタブ周期構造に相当する。周期的に配置された複数の伝播スタブ１１を含む表面波伝播部６のスタブ周期構造を第２のスタブ周期構造に相当する。

　図１および図２に示すように、伝播スタブ１１の先端と載置台９との間には隙間が設けられる。

　以下、スタブ周期構造の最適な構成を、最適化シミュレーションにより検討した結果について説明する。この最適化シミュレーションは、解析モデルにマイクロ波を供給した場合の、スタブの先端から５０ｍｍ離れた位置における漏洩電力の平均値［Ｐave］および最大値（ピーク値）「Ｐmax」を算出する。

　図３は、最適化シミュレーションで用いられる第２のスタブ周期構造における高さＨ、間隔ｐ、間隙ｄ、厚さｔを示す。

　図３において、上述のように、高さＨは、伝播スタブ１１の表面波伝送線路１２の内壁面（本実施の形態では底面）からの高さである。間隔ｐは、周期的に配置された伝播スタブ１１の間隔（ピッチ）である。間隙ｄは、隣接する二つの伝播スタブ１１の間の間隙である。厚さｔは、伝播スタブ１１の厚さである。

　本実施の形態では、伝播スタブ１１の高さＨの２倍と、伝播スタブ１１の間隔ｐの正の整数倍との和が、マイクロ波の波長の１／２に等しい。

　図４は、最適化シミュレーションにおける基本の解析モデルを示す。図４に示す解析モデルは、両端にそれぞれ設けられたポートＡ、Ｂと、中央に設けられた表面波伝播部６と、ポートＡ、Ｂにそれぞれ接して設けられた二つの導波管とを有する。

　この解析モデルはさらに、表面波伝播部６と左側の導波管との間に、左から右に向かって変換スタブ１０の高さが増加するように設けられた表面波変換部５と、表面波伝播部６と右側の導波管との間に、左から右に向かって変換スタブ１０の高さが減少するように設けられたもう一つの表面波変換部５を有する。すなわち、二つの表面波変換部５が、表面波伝播部６を挟んで反対向きに設けられる。

　表面波変換部５の長さは１２０ｍｍ、表面波伝播部６の長さは３００ｍｍである。この解析モデルにおける基準位置（（ｘ，ｙ，ｚ）＝（０，０，０））は、表面波伝播部６の最も中央の伝播スタブ１１の上端部に位置する。この最適化シミュレーションは、ポートＡから解析モデルにマイクロ波が供給された場合に、基準位置の上方５０ｍｍの位置における漏洩電力の平均値［Ｐave］および最大値「Ｐmax」を算出する。

　図５は、その最適化シミュレーションの結果を示す。図５のグラフ（ａ）は、高さＨが２０～２７ｍｍの範囲に設定された場合の、漏洩電力の平均値［Ｐave］および最大値「Ｐmax」をプロットしたものである。

　図５のグラフ（ｂ）は、間隔ｐが６～１４ｍｍの範囲に設定された場合の、漏洩電力の平均値［Ｐave］および最大値「Ｐmax」をプロットしたものである。図５のグラフ（ｃ）は、間隙ｄを２～４ｍｍの範囲に設定された場合の、漏洩電力の平均値［Ｐave］および最大値「Ｐmax」をプロットしたものである。

　スタブ周期構造を最適化すると、スタブの先端に電界が集中し、スタブの先端から離れるにつれて指数関数的に急激に減少する。一定距離（最適化シミュレーションでは５０ｍｍ）だけ離れたスタブの近傍の電力が小さいほど、スタブの先端における電力の集中度が高い。

　図５に示す最適値は、グラフ（ａ）～（ｃ）における漏洩電力の平均値［Ｐave］および最大値「Ｐmax」に基づいて、各条件における漏洩電力の集中度を検討した結果である。この最適化シミュレーションでは、入力マイクロ波電力（Ｐin）を８００Ｗに設定した。

　図５のグラフ（ａ）に示すように、高さＨが２３～２７ｍｍの範囲内で集中度はほぼ同等レベルとなり、高さＨが２５ｍｍの場合に集中度は最大となる。

　図６は、同様のシミュレーションにより算出されたＳパラメータの周波数特性を示す。図６において、実線がＳパラメータの反射特性Ｓ１１を示し、破線がＳパラメータの透過特性Ｓ２１を示す。透過特性Ｓ２１は、ポートＡから供給されたマイクロ波に対する、表面波伝送線路を表面波伝播してポートＢに到達したマイクロ波の比率を示す。

　図６に示すように、透過特性Ｓ２１は、ある周波数（図６では約２．４８ＧＨｚ）以上の周波数帯で急激に減少する。この周波数以上の周波数帯では、マイクロ波の表面波伝播は困難である。この周波数が、使用可能な範囲の上限周波数となる。

　この上限周波数は、高さＨが高くなるにつれて低域方向にずれる。高さＨ＝２７ｍｍは、ＩＳＭの２．４５ＧＨｚ周波数帯が使用範囲に入る限界の寸法である。従って、図５のグラフ（ａ）に示した結果も踏まえて、高さＨの実質上限は、マイクロ波の波長λの１／４を僅かに下回る２７ｍｍとなる。

　図５のグラフ（ｂ）に示すように、間隔ｐが６ｍｍの場合に集中度が最大となり、間隔ｐがこれより大きくなるにつれ集中度は徐々に低下する。しかし、間隔ｐが１４ｍｍ以下であれば、漏洩電力の平均値［Ｐave］はあまり増加しない。

　生産性と製造コストを考慮すると、６ｍｍが実質的に間隔ｐの狭い側の限界である。従って、間隔ｐの実質的最適値は６ｍｍとなる。以上より、間隔ｐのより好ましい範囲の上限は、マイクロ波の波長λの１／８を僅かに下回る１４ｍｍとなる。

　図５のグラフ（ｃ）に示すように、間隙ｄが４ｍｍの場合に集中度が最大となる。間隙ｄは、間隔ｐから厚さｔを差し引いたものである。厚さｔの実質的な限界は、強度などにより０．３ｍｍ程度であることを勘案すると、間隙ｄの好ましい範囲の上限は、マイクロ波の波長λの１／８となる。

　本実施の形態では、表面波変換部５および表面波伝播部６が、周期的に配置された複数の金属平板を含むスタブ周期構造を有する。しかし、本開示は本構成に限らない。

　図７は、表面波伝送線路１２の変形例を示す透視斜視図である。図７に示すように、変形例に係る表面波伝送線路１２は、その内壁面に設けられ、その内壁面に垂直な円柱状または角柱状（図７では角柱状）の複数の棒状部材を有する。

　複数の棒状部材は、マイクロ波の伝播方向およびマイクロ波の伝播方向に垂直な方向に所定間隔で周期的に配置されている。複数の棒状部材において、マイクロ波の伝播方向の所定間隔は、図２に示す構成における変換スタブ１０の間隔および伝播スタブ１１の間隔と等しい。

　本変形例では、マイクロ波の伝播方向に垂直な方向に所定間隔で周期的に配置された棒状部材の集合体が、一つの変換スタブ１０および一つの伝播スタブ１１に相当する。すなわち、図７において、変換スタブ１０に相当する棒状部材の高さは、マイクロ波の伝播方向（図７における右から左への方向）に沿って徐々に増加する。伝播スタブ１１に相当する棒状部材の高さＨは、終端変換スタブ１０ｂの高さＨｂと同じである。

　本実施の形態では、伝播スタブ１１の先端と載置台９との間には隙間が設けられる。本開示は、この構成に限るものではなく、隣接する領域と異なる誘電率を有し、境界面を持つ誘電体を、この隙間に設ける構成を含む。

　本実施の形態によれば、スタブ周期構造を用いた集中度の高い表面波伝播により、スタブの先端に電力が集中される。その結果、少ない消費電力で被加熱物に所望の焦げ目を確実に付けることが可能となる。

　上述したように、本開示の高周波加熱装置は、調理器に適用可能である。

　１　高周波加熱装置
　２　マイクロ波発生部
　３　アンテナ
　４　導波管
　５　表面波変換部
　６　表面波伝播部
　７　被加熱物
　８　加熱室
　９　載置台（載置部）
　１０　変換スタブ
　１０ａ　始端変換スタブ
　１０ｂ　終端変換スタブ
　１１　伝播スタブ
　１２　表面波伝送線路

Claims

　マイクロ波を発生するマイクロ波発生部と、
　前記マイクロ波を表面波に変換するように構成された表面波変換部と、
　同一平面上に設けられ、前記マイクロ波の伝播方向に周期的に配置された実質的に同じ構成を有する複数の伝播スタブを有し、前記表面波を伝播させるように構成された表面波伝播部と、
　前記表面波伝播部に近接して設けられ、被加熱物を載置するように構成された載置部と、を備え、
　前記複数の伝播スタブの各々の前記同一平面からの高さが、前記マイクロ波の波長の１／４以下である高周波加熱装置。
　前記表面波変換部が、前記同一平面上に設けられ、前記マイクロ波の伝播方向に周期的に配置された複数の変換スタブを有し、
　前記複数の変換スタブの前記同一平面からの高さが、前記マイクロ波の伝播方向に沿って増加する請求項１に記載の高周波加熱装置。
　前記複数の伝播スタブが、前記マイクロ波の波長の１／８以下の間隔で周期的に配置された請求項１に記載の高周波加熱装置。
　前記複数の伝播スタブが、前記マイクロ波の波長の１／８以下の間隙をもって周期的に配置された請求項１に記載の高周波加熱装置。
　前記複数の伝播スタブの各々の高さＨの２倍と、前記複数の伝播スタブの間隔ｐの正の整数倍との和が、前記マイクロ波の波長の１／２に等しい請求項１に記載の高周波加熱装置。
　前記複数の伝播スタブの各々が、２７ｍｍ以下の高さを有する請求項１に記載の高周波加熱装置。
　前記複数の伝播スタブが、１４ｍｍ以下の間隔で周期的に配置された請求項１に記載の高周波加熱装置。
　前記複数の伝播スタブが、１４ｍｍ以下の間隙をもって周期的に配置された請求項１に記載の高周波加熱装置。