CN110892789B - 微波处理装置 - Google Patents

Abstract

微波处理装置具有处理室、微波供给部以及谐振部。处理室由多个壁面围成，收纳被加热物。微波供给部向处理室提供微波。谐振部设置于多个壁面中的一个壁面，在微波的频带中具有谐振频率。根据本方式，通过对提供到处理室的频率进行控制，能够使谐振部的表面的阻抗发生变化。由此，能够对处理室内的驻波分布、即处理室内的微波能量分布进行控制。其结果是，在对多个被加热物同时进行加热的情况下，能够对各被加热物实施期望的介电加热。

Description

微波处理装置

技术领域

本公开涉及对食品等被加热物进行介电加热的微波处理装置(Micro wavetreatment apparatus)。

背景技术

微波炉是微波处理装置的代表性的例子。在微波炉中，由微波产生放射部即磁控管产生的微波被提供到由金属制的壁面围成的处理室内。载置在处理室内的被加热物通过微波而被介电加热。

微波在处理室内的壁面上反复反射。有时在壁面上还配置有能够封闭微波的较小的孔。在这种壁面的情况下，被壁面反射的微波与照射在壁面上的微波具有180度的相位差。

当将与壁面垂直的线作为基准线时，作为基准线与入射波之间的角度的入射角与作为反射波与基准线之间的角度的反射角相同。

通常，处理室的大小与微波的波长(在微波炉中约为120mm)相比足够大。因此，通过在壁面产生的入射波与反射波的动作，在处理室内产生驻波。

电场在驻波的波腹处始终较强，电场在驻波的波节处始终较弱。因此，被加热物在载置于相当于驻波的波腹的位置时被较强地加热，在载置于相当于驻波的波节的位置时不太被加热。即，根据被加热物的载置位置，被加热物被不同地加热。这是在微波炉中产生加热不均的主要原因。

用于防止加热不均的实用化方法包括使载置被加热物的工作台旋转的所谓的旋转工作台方式、使放射微波的天线旋转的所谓的旋转天线方式。在这些方法中，虽然无法消除驻波，但这些方法被用作实施食品的均匀加热的方法。

与均匀加热相反，正在开发积极地实施局部加热的微波加热装置(例如，参照非专利文献1)。

该装置具有使用GaN半导体元件构成的多个微波产生部。该装置从不同的位置向处理室提供由各个微波产生部产生的微波，并且对这些微波的相位进行控制，以使微波集中于被加热物以便进行局部加热。

现有技术文献

非专利文献

非专利文献1：国立研究开发法人新能源·产业技术综合开发机构等“开发以GaN放大器模块为加热源的产业用微波加热装置”2016年1月25日

发明内容

但是，在上述现有的微波处理装置中，为了进行局部加热，需要从多个部位向处理室提供微波，存在装置复杂且大型化的问题。

例如，在对多个被加热物同时进行加热的情况下，即便使微波集中于一个被加热物，该被加热物也不会吸收所有的微波。未被该被加热物吸收的微波入射到另一个被加热物。因此，在上述现有的微波处理装置中，在对多个被加热物同时进行加热时，难以提高局部加热的集中度。

为了解决上述现有的问题，本公开的目的在于，提供能够通过对处理室内的驻波分布进行控制而对多个被加热物分别实施期望的介电加热的微波处理装置。

本公开的一个方式的微波处理装置具有处理室、微波供给部以及谐振部。处理室由多个壁面围成，收纳一个或多个被加热物。微波供给部向处理室提供微波。谐振部设置于多个壁面中的一个壁面，在微波的频带中具有谐振频率。谐振部由各自具有电介质和导体的一个以上的贴片谐振器构成。一个以上的贴片谐振器具有如下特性：照射在导体上的微波与被导体反射的微波之间的相位差即反射相位依赖于照射在导体上的微波的频率。微波供给部具有：微波产生部，其构成为产生微波；以及控制部，其构成为控制微波产生部以调整微波的振荡频率，通过控制微波的振荡频率，使谐振部的反射相位变化，以控制处理室内的驻波分布。控制部根据输入信息使微波产生部将振荡频率改变为用于对多个被加热物中的至少一个被加热物更重点地进行加热的频率、用于对多个被加热物均等地进行加热的频率、或者用于进行使一个被加热物的中央部相比一个被加热物的周边部更强或更弱的加热的频率。

根据本公开，通过对提供到处理室的频率进行控制，能够使谐振部的表面的阻抗发生变化。由此，能够对处理室内的驻波分布(即，处理室内的微波能量分布)进行控制。其结果是，在对多个被加热物同时进行加热的情况下，能够对各被加热物实施期望的介电加热。

附图说明

图1是实施方式1的微波处理装置的框图。

图2是示出谐振部的结构的俯视图。

图3是示出由贴片谐振部产生的反射相位的频率特性的图。

图4是示出在处理室中收纳有两个被加热物的状态的、实施方式1的微波处理装置的纵剖视图。

图5是示出收纳在处理室中的两个被加热物所吸收的电力之比的频率特性的图。

图6A是示出图4的处理室内的电场分布的图。

图6B是示出在图4中未设置谐振部的情况下的处理室内的电场分布的图。

图7A是示出微波的频率为2.40GHz的情况下的处理室内的电场分布的图。

图7B是示出微波的频率为2.44GHz的情况下的处理室内的电场分布的图。

图7C是示出微波的频率为2.45GHz的情况下的处理室内的电场分布的图。

图7D是示出微波的频率为2.46GHz的情况下的处理室内的电场分布的图。

图7E是示出微波的频率为2.50GHz的情况下的处理室内的电场分布的图。

图8是实施方式2的微波处理装置的框图。

图9是示出图8所示的情况下的处理室内电场分布的图。

图10A是示出实施方式3的微波处理装置的谐振部的配置位置的图。

图10B是示出实施方式3的微波处理装置的谐振部的配置位置的图。

图10C是示出实施方式3的微波处理装置的谐振部的配置位置的图。

图11是示出实施方式3的微波处理装置的处理室内的电场分布的图。

具体实施方式

本公开的第1方式的微波处理装置具有处理室、微波供给部以及谐振部。处理室由多个壁面围成，收纳被加热物。微波供给部向处理室提供微波。谐振部设置于多个壁面中的一个壁面，在微波的频带中具有谐振频率。

在本公开的第2方式的微波处理装置中，除了第1方式之外，谐振部由一个以上的贴片谐振器构成。

在本公开的第3方式的微波处理装置中，除了第2方式之外，一个以上的贴片谐振器以贴片面朝向处理室的内侧的方式配置，与贴片面相反的一侧的面具有与处理室的壁面相同的电位。

在本公开的第4方式的微波处理装置中，除了第2方式之外，一个以上的贴片谐振器呈矩阵状地配置。

在本公开的第5方式的微波处理装置中，除了第2方式之外，一个以上的贴片谐振器全部设置于多个壁面中的一个壁面。

在本公开的第6方式的微波处理装置中，除了第5方式之外，谐振部配置在对多个壁面中的一个壁面进行了等分的情况下的一个分割区域中。

在本公开的第7方式的微波处理装置中，除了第1方式之外，微波供给部具有供电部，该供电部设置于多个壁面中的一个壁面，构成为向处理室提供微波，谐振部配置于多个壁面中的与供电部对置的另一壁面。

在本公开的第8方式的微波处理装置中，除了第1方式之外，微波供给部具有微波产生部和控制部。微波产生部产生微波。控制部控制微波产生部调整微波的振荡频率。

以下，参照附图对本公开的微波处理装置的优选实施方式进行说明。

(实施方式1)

图1是示出本实施方式的微波处理装置20A的框图。如图1所示，微波处理装置20A具有：处理室1，其由金属制的多个壁面围成；以及微波供给部13，其构成为向处理室1提供微波。

微波供给部13具有微波传输部2、供电部3、微波产生部4以及控制部5。微波传输部2具有矩形形状的截面，以TE10模式传输微波。供电部3是设置于处理室1的下壁面的矩形开口。供电部3的中心位于处理室1的下壁面的中央、即处理室1的左右方向的中心线L1与前后方向的中心线L2的交点。

微波产生部4能够对所产生的微波的振荡频率进行调整。控制部5根据所输入的信息来控制微波产生部4，以便将由微波产生部4产生的微波的振荡频率和输出电力调整为期望的值。振荡频率的可控频带为2.4GHz～2.5GHz。分辨率例如为1MHz。

在处理室1内的与供电部3对置的上壁面设置有谐振部6。谐振部6在左右方向上设置在上壁面的右端，在前后方向上设置在上壁面的中央。

图2是示出谐振部6的结构的俯视图。如图2所示，谐振部6具有九个贴片谐振器6a。九个贴片谐振器6a呈矩阵状排列。在本实施方式中，九个贴片谐振器6a呈三行三列(3×3)排列。以下，将该矩阵状的结构称为分段结构。

贴片谐振器6a在由微波产生部4产生的微波的频带内具有谐振频率。贴片谐振器6a具有电介质6b和导体6c。电介质6b是具有规定的介电特性的电介质基板。导体6c是设置在电介质6b上的圆形的板状的导体。

贴片谐振器6a以设置有导体6c的面朝向处理室1的内侧的方式设置于处理室1的上壁面。设置有导体6c的面的相反侧的面(即电介质6b的背面)与处理室1的壁面直接接触，具有与处理室1的壁面相同的电位。以下，将设置有导体6c的面称为谐振部6的贴片面。

贴片谐振器6a具有如下的特性：照射在导体6c上的微波与被导体6c反射的微波之间的相位差依赖于所照射的微波的频率。以下，将该相位差称为反射相位。

图3示出了由贴片谐振器6a产生的反射相位的频率特性。如图3所示，贴片谐振器6a的反射相位在2GHz的情况下大致为180度，在3GHz的情况下大致为-180度。贴片谐振器6a的反射相位在2.4GHz到2.5GHz的频带内从+180度附近到-180度附近大幅变化。

以下，以在处理室1中收纳有两个被加热物8、9的情况为例对微波处理装置20A的功能和特性进行说明。

图4是示出在处理室1中收纳有两个被加热物的状态的、微波处理装置20A的纵剖视图。在图4中，被加热物8、9分别配置在处理室1内的左侧、右侧。

如图4所示，在处理室1内，由低介电损耗材料构成的载置板7以覆盖供电部3的方式配置在供电部3的上方。被加热物8、9载置在载置板7上。在该状态下，微波产生部4提供规定的频率的微波10。

图5示出了被加热物8、9所吸收的电力之比的频率特性。具体来说，所吸收的电力之比是指被加热物8所吸收的电力与被加热物9所吸收的电力之比。

如图5所示，当将所提供的微波的频率设定为2.45GHz时，被加热物8所吸收的电力为被加热物9所吸收的电力的2.5倍以上。

为了阐明该现象，图6A、图6B示出了实验结果。图6A示出了图4的处理室1内的电场分布。图6B示出了在图4中未设置谐振部6的情况下的处理室1内的电场分布。

如图6A所示，在收纳有被加热物8的处理室1内出现了谐振部6附近的电场弱的偏转的驻波分布。

如图3所示，在2.45GHz的微波下，贴片谐振器6a的反射相位大致为0度。如果考虑到通常的壁面上的入射波与反射波的相位差为180度，则可以理解为在配置有谐振部6的场所的附近形成了与通常不同的驻波分布。

反射相位大致为0度是指阻抗无限大。因此，流过贴片面的高频电流被抑制，微波从谐振部6附近的空间远离。其结果是，谐振部6附近的电场减弱。

即，如图6A所示，能够通过谐振部6使处理室1内的驻波分布发生偏转。其结果是，与未设置谐振部6的情况(参照图6B)相比，在处理室1内形成更强的电场。通过该电场，能够使被加热物8所吸收的电力成为被加热物9所吸收的电力的约2.5倍。

图7A～图7E示出了使提供到处理室1的微波的频率发生变化时的处理室1内的电场分布。图7A～图7E示出了微波的频率分别为2.40GHz、2.44GHz、2.45GHz、2.46GHz、2.50GHz的情况下的处理室1内的电场分布。

如图7A～图7E所示，要想使处理室1内的电场分布更大地变化，优选将使得贴片面上的反射相位接近0度的频率的微波提供到处理室1(参照图3)。

除了上述结构和作用之外，还附加以下内容。

由于谐振部6使用贴片谐振器6a来构成，所以可以是扁平的构造体。因此，能够在处理室1内部几乎不占用空间地配置谐振部6。

通过将所有贴片谐振器6a设置于一个壁面，与将贴片谐振器6a设置于多个壁面的情况相比，能够更容易地预测由谐振部6引起的驻波分布的变化。由此，能够容易地对被加热物8、9的加热进行控制。

通过在与供电部3对置的处理室1的壁面配置谐振部6，能够使微波能量分布向供电部3的附近靠近。其结果是，能够与来自供电部3的能量相结合而高效地对被加热物8、9进行加热。

通过对微波的频率进行控制而使谐振部6的反射相位发生变化，能够对处理室1内的驻波分布(即，微波能量分布)进行控制。因此，例如，在对被加热物8、9同时进行加热的情况下，能够对被加热物8、9所分别吸收的微波能量进行控制。

在提供2.46GHz的微波的情况下，与提供2.45GHz的微波的情况相比，能够使两个被加热物所吸收的电力之比反转。由此，能够对被加热物8、9实施不同的加热。

例如，当重点对在图4中配置于左侧的被加热物8进行加热的情况下，提供频率为2.45GHz的微波。当重点对在图4中配置于右侧的被加热物9进行加热的情况下，提供频率为2.46GHz的微波。

在想要对两者进行均匀加热的情况下，只要提供频率为2.40GHz或弱于2.50GHz(约2.495GHz)的微波即可。微波的振荡频率只要具有1MHz的分辨率就足够了。

根据本实施方式，通过对提供到处理室1的频率进行控制，能够使谐振部6的表面的阻抗发生变化。由此，能够对处理室1内的驻波分布(即，处理室1内的微波能量分布)进行控制。其结果是，在同时对多个被加热物进行加热的情况下，能够对各被加热物实施期望的介电加热。

(实施方式2)

参照图8、图9对本公开的实施方式2的微波处理装置20B进行说明。在以下的说明中，对与实施方式1相同或相应的部分标注相同的标号，并省略重复的说明。

图8是示出本实施方式的微波处理装置20B的框图。图9示出了向与图4同样地收纳两个被加热物的处理室1提供2.45GHz的微波的情况下的、处理室1内的电场分布。

如图8所示，谐振部11在左右方向上设置在上壁面的右端，在前后方向上设置在上壁面的中央。谐振部11具有贴片谐振器11a、贴片谐振器11b以及贴片谐振器11c。贴片谐振器11a、11b、11c在左右方向上排成一列。即，谐振部11具有一行三列(1×3)的分段结构。

贴片谐振器11a、11b、11c分别与实施方式1的贴片谐振器6a相同，省略其说明。

图9示出了在微波处理装置20B中收纳有被加热物8、9的情况下的、处理室1内的电场分布。

如图9所示，根据本实施方式，使用具有1×3的分段结构的谐振部11来得到与实施方式1大致相同的电场分布(参照图6A)。被加热物8、9所吸收的电力之比也与实施方式1相同。即，根据本实施方式，能够使谐振器的结构更紧凑。

(实施方式3)

参照图10A～图10C、图11对本公开的实施方式3的微波处理装置20C进行说明。在以下的说明中，对与实施方式1、2相同或相应的部分标注相同的标号，并省略重复的说明。

图10A～图10C示出了微波处理装置20C的谐振部12的配置位置。

如图10A～图10C所示，微波处理装置20C与微波处理装置20A、20B不同，具备具有一个贴片谐振器12a的谐振部12。

在图10A所示的微波处理装置20C中，在图8中的贴片谐振器11a的配置位置处配置有贴片谐振器12a。在图10B所示的微波处理装置20C中，在图8中的贴片谐振器11b的配置位置处配置有贴片谐振器12a。在图10C所示的微波处理装置20C中，在图8中的贴片谐振器11c的配置位置处配置有贴片谐振器12a。

图11示出了向与图4同样地收纳两个被加热物的处理室1提供2.45GHz的微波的情况下的、处理室1内的电场分布。

表1汇总了相对于谐振部的分段结构和谐振部的配置位置的、谐振部的面积比率和两个被加热物所吸收的电力之比。谐振部的面积比率是指谐振部相对于处理室1的上壁面的面积所占的比例。

【表1】

从表1可知如下情况。基于所吸收的电力之比，谐振部的最佳的分段结构是1×3或3×3。

如果2.0：1左右的所吸收的电力之比是容许的，则也可以选择一行一列(1×1)的分段结构。

在1×1的分段结构中，需要将谐振部12配置在最佳的位置。但是，从部件个数少和安装面积小的观点来看，1×1的分段结构具有实用价值。

为了参考，表1示出了五行四列(5×4)的分段结构(未图示)的特性。根据表1可知，即使贴片谐振器的数量增加，对于所吸收的电力之比的提高也是无效的。当贴片谐振器的数量增加时，部件个数和面积比率增加，因此实用价值下降。

参照表1可知，当最多设置9个贴片谐振器以使面积比率为上壁面的9/81以下时，可得到良好的结果。

各贴片谐振器的谐振频率也可以不相同。也可以通过使贴片谐振器的谐振频率一点一点地变化，根据所提供的微波的频率来依次切换要进行谐振的贴片谐振器。

在本实施方式中，在3×3的分段结构的情况下，在对处理室1的上壁面等分地进行了分割(在左右方向上分割为3个、在前后方向上分割为3个)时的一个分割区域(左右方向的右侧且前后方向的中央)中配置谐振部。但是，也可以在其他分割区域中配置谐振部。

例如，当在各分割区域中配置谐振频率不同的谐振部而对提供的微波的频率进行控制时，不仅是左右方向，还有可能会使驻波分布在前后方向上偏转。并且，例如当将比较大的被加热物载置于处理室1的中央时，有可能会使被加热物的中央部比周边部更强地被加热，或者更弱地被加热。

在本实施方式中，仅在处理室1的上壁面配置谐振部。但是，例如，也可以在右侧壁面配置谐振部。如果在右侧壁面配置谐振部，则认为右驻波向左偏转。因此，为了仅对图4所示的被加热物8进行加热而不对被加热物9进行加热，也可以不在上壁面而在右侧壁面配置谐振部。

如果在处理室1的上壁面和右侧壁面配置谐振部，则有可能由于协同效应而得到2.7：1以上的比率。

作为一例，在宽度410mm、进深315mm、高度225mm的处理室1的上壁面配置3×3的分段结构的谐振部6的情况下，例如，当将电介质基板的厚度设为0.6mm、相对介电常数设为3.5、tanδ设为0.004、导体6c的半径设为19.16mm时，能够得到图3所示的特性。

当然，当所提供的微波的能量增大时，则有可能产生发热或者在相邻的贴片谐振器之间产生火花。因此，本实施方式在化学反应处理等能量小的情况下特别有效。

在本实施方式中，导体6c具有圆形的形状。但是，导体6c也可以具有椭圆或四边形的形状。在导体6c具有圆形的形状的情况下，只要调整半径就能够容易地调整谐振频率。

也有可能增大所提供的微波的频带内的反射相位变化，即，相对于频率有可能得到高的Q值。

产业上的可利用性

本公开的微波处理装置具体来说是微波炉。但是，本实施方式并不限定于微波炉，也可以应用于利用了介电加热处理的加热处理装置、化学反应处理装置或者半导体制造装置等微波处理装置。

标号说明

1：处理室；2：微波传输部；3：供电部；4：微波产生部；5：控制部；6、11、12：谐振部；6a、11a、11b、11c、12a：贴片谐振器；6b：电介质；6c：导体；7：载置板；8、9：被加热物；10：微波；13：微波供给部；20A、20B、20C：微波处理装置。

Claims (6)

1.一种微波处理装置，其中，该微波处理装置具有：

处理室，其由多个壁面围成，构成为收纳一个被加热物或多个被加热物；

微波供给部，其构成为向所述处理室提供微波；以及

谐振部，其设置于所述多个壁面中的一个壁面，并且在所述微波的频带中具有谐振频率，

所述谐振部由一个以上的贴片谐振器构成，每个所述贴片谐振器各自具有电介质和导体，

所述一个以上的贴片谐振器具有如下特性：照射在所述导体上的微波与被所述导体反射的微波之间的相位差即反射相位依赖于照射在所述导体上的所述微波的频率，

所述微波供给部具有：

微波产生部，其构成为产生所述微波；以及

控制部，其构成为控制所述微波产生部以调整所述微波的振荡频率，通过控制所述微波的所述振荡频率，使所述谐振部的所述反射相位变化，以控制所述处理室内的驻波分布，

并且所述控制部根据输入信息使所述微波产生部将所述振荡频率改变为用于对所述多个被加热物中的至少一个被加热物更重点地进行加热的频率，或者用于对所述多个被加热物均等地进行加热的频率，或者用于进行使所述一个被加热物的中央部相比该被加热物的周边部更强或更弱的加热的频率。

2.根据权利要求1所述的微波处理装置，其中，

所述一个以上的贴片谐振器呈矩阵状地配置。

3.根据权利要求1所述的微波处理装置，其中，

所述一个以上的贴片谐振器全部设置于所述多个壁面中的一个壁面。

4.根据权利要求3所述的微波处理装置，其中，

所述谐振部配置在对所述多个壁面中的一个壁面进行了等分的情况下的一个分割区域中。

5.根据权利要求1所述的微波处理装置，其中，

所述微波供给部具有供电部，该供电部设置于所述多个壁面中的一个壁面，并且构成为向所述处理室提供所述微波，

所述谐振部配置于所述多个壁面中的与所述供电部对置的另一壁面。

6.根据权利要求1所述的微波处理装置，其中，

所述控制部构成为根据所述被加热物的配置使所述振荡频率在2.40GHz至2.50GHz的范围内改变。

Images