JP2005190909A5 - - Google Patents

Description

高周波加熱装置

本発明は、被加熱物を誘電加熱する高周波加熱装置に関するものである。

高周波加熱装置の代表である電子レンジは、被加熱物を直接的に加熱できるので、なべ釜を準備する必要がない簡便さでもって生活上の不可欠な機器になっている。また、この電子レンジのマイクロ波加熱の特徴は加熱エネルギを食品内部にまで供給できることであり、この特徴を冷凍食品の解凍に利用するということで冷凍食品が大量に流通してきた。

電子レンジは、被加熱物を収納する加熱室の大きさが大概、幅寸法および奥行き寸法がそれぞれ３０〜４０ｃｍ、高さ寸法が２０ｃｍ前後である。一方使用しているマイクロ波の波長は約１２ｃｍであり、加熱室内には強弱の電界分布が必ず生じ、さらには被加熱物の形状やその物理特性の影響が相乗されて局所加熱が発生することがある。特に、冷凍食品の解凍においては、氷が解けて水になった領域に加熱エネルギが集中するので局所加熱現象が顕著に現れ、部分煮えと未解凍とが共存してしまう問題を有している。

この局所加熱を抑制する方法としては、被加熱物を回転させる方式、庫内の電波を攪拌するスターラー方式あるいは電波を放射するアンテナを回転させる方式などが考案され実用されているが、被加熱物が多岐に亘る高周波加熱装置においては局所加熱の抑制に対してのさらなる要望がある。

一方、高周波加熱装置にスチームを取り入れたものがある。従来のこの種の高周波加熱装置は、水を霧状にして噴霧する手段を備え、霧状の水が被加熱物の表面に達する間にマイクロ波によって加熱されるような構成としている（特許文献１）。また、加熱室に収納できる調理物収納容器に貯水部を有し、この貯水部の水をマイクロ波によって加熱沸騰させて生じる蒸気を利用して加熱調理するものもある（特許文献２）。
特開平６−２７２８６６号公報 特開平８−２９６８５５号公報

しかしながら、前記従来の構成では、被加熱物に霧あるいは蒸気を当てることで被加熱物を加湿したり、加熱したりするものであり、たとえば冷凍ケーキや肉類などの解凍のように被加熱物の加湿が不要な加熱の場合には利用することができない課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、加熱室内に供給する水粒子により加熱室内の電波分布を変化させて被加熱物の加熱の均一化を達成する使い勝手の良い高周波加熱装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の高周波加熱装置は、被加熱物を収納する加熱室内へ水を粒子状とした水粒子を供給することにより加熱室内の電波分布を変化させるものである。

これによって、水粒子を存在させた加熱室内の空間の比誘電率を大きくし、見掛け上加熱室の形状を大きくしたように作用させて加熱室内の電波分布を変化させることで、水粒子の有無に応じて加熱室内の定在波分布を変え、被加熱物の加熱の均一化を促進させることができる。

また、本発明の高周波加熱装置は、前記加熱室に供給する蒸気を発生する蒸気発生手段と、前記加熱室の上下方向の中央より上部に設けた吸排気部と、前記吸排気部を開閉する開閉手段とを備えたものである。

これによって、加熱室の上部に蒸気を滞留させたり、またその蒸気を排気させることで加熱室内の形状を見掛け上変化させて加熱室内の電波分布を時間的に変化させ、被加熱物の加熱の均一化をさらに促進させることができる。

本発明の高周波加熱装置は、水粒子が存在させてその空間の比誘電率を大きくし見掛け上の加熱室内の形状を大きくすることで加熱室内の電波分布を水粒子の有無に応じて変化させ、被加熱物の加熱の均一化を促進する使い勝手の良い高周波加熱装置を提供することができる。

第１の発明は、被加熱物を収納する加熱室内へ蒸気を供給し拡散滞留することにより加熱室内の定在波分布を変えて被加熱物を加熱することにより、蒸気を存在させた加熱室内の空間の比誘電率を大きくし、見掛け上加熱室の形状を大きくしたように作用させて加熱室内の電波分布を変化させることで、水粒子の有無に応じて加熱室内の定在波分布を変え、被加熱物の加熱の均一化を促進させることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の高周波加熱装置の加熱室の上下方向において、上部側の蒸気の空間密度を大きくしたことにより、加熱室下部に置かれる被加熱物への水粒子の拡散を抑制し、結露することが好ましくない被加熱物の加熱に使用できる利便性を備えた装置を提供できる。

第３の発明は、被加熱物を収納する加熱室と、前記加熱室に供給する蒸気を発生する蒸気発生手段と、前記加熱室の上下方向の中央より上部に設けた吸排気部と、前記吸排気部を開閉する開閉手段とを備え、前記加熱室の上部に蒸気を滞留させたり、またその蒸気を排気させることで加熱室内の形状を見掛け上変化させて被加熱物を加熱することにより、加熱室上部空間の蒸気密度を時間的に制御することができ、電波分布の時間的に変化させて被加熱物の加熱の均一化をより促進させることができる。

第４の発明は、特に、第３の発明の高周波加熱装置は被加熱物の表面温度を検知する赤外線温度検知手段用の開孔を吸排気部としたことにより、加熱室上部から蒸気を追い出したかどうかを赤外線温度検知手段の検知信号に基づいて判定できるので、電波分布の制御性を保証させることができる。

第５の発明は、被加熱物を収納する加熱室の上部を空間的に仕切る仕切手段と、前記加熱室の上部空間に供給する霧を発生する霧化手段とを備えたことにより、噴霧した霧が被加熱物に落下することは無く、また霧化手段により霧の発生は瞬時に行うことができるので、電波分布の可変制御を容易にかつ利便性高くできる。

第６の発明は、特に、第５の発明の仕切手段は、使用する高周波に対して低誘電損失の材料としたことにより、仕切手段で囲まれた加熱室上部空間内に存在する霧の密度に応じた空間の比誘電率の変化を加熱室全体の電波作用空間に確実に作用させることができる。

第７の発明は、特に、第５の発明の霧化手段は、２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚで振動する超音波振動子を備えたことにより、発生させる霧の大きさが約２５μｍ〜１００μｍの霧を供給することで電波との作用を確保し、電波分布の可変を確実に行うことが出来る。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における高周波加熱装置の正面断面図、図２は図１の右側より見た断面構成図である。

図１〜図２において、被加熱物を収納する加熱室１０は、マイクロ波を閉じ込めることができる金属材料の境界面である左壁面１１，右壁面１２，底壁面１３、上壁面１４、奥壁面１５および加熱室内を透視できるパンチング板を有する開閉扉１６とで構成し、加熱室１０内には被加熱物を載置する誘電材料からなる載置板１７を配置している。載置板１７の下方にはマイクロ波を放射するアンテナ１８、マイクロ波を伝搬する導波管１９を配する。導波管１９の一端にはマイクロ波発生手段（図示していない）を配する。このマイクロ波発生手段が発生するマイクロ波は、導波管１９を伝搬して、アンテナ１８に導かれる。アンテナ１８は、モータ２０の出力軸に嵌合組立しており、モータ２０を動作させることでアンテナ１８を回転駆動する。

また本装置は蒸気発生手段を設けている。この蒸気発生手段の構成は以下の通りである。加熱室１０の底の奥側には凹状に絞り加工した蒸発部２１を配する。装置の左側には貯水部、貯水部の水を送水する送水手段および送水管（いずれも図示していない）を収納しており、送水手段を動作することで注水口２２から蒸発部２１に水を注水する。また蒸発部２１の下方には蒸発部に注水された水を蒸発部２１の金属板を介して加熱する加熱手段２３を配する。

また本装置は加熱室１０内で熱風を循環させる手段を設けている。この手段は、加熱室１０の奥壁面１５に設けた吹出穴２４および吸込穴２５、奥壁面１５の裏側に配した回転翼２６、回転翼２６の周囲に配した熱放射手段２７および回転翼２６を回転駆動するモータ２８などから構成している。

さらに本装置は、被加熱物の表面温度を開孔２９を介して検知する赤外線温度検知手段３０を配する。また開孔２９の孔を開閉するシャッター３１を配する。シャッター３１はモータ３２によりスライド動作させている。この開孔２９は、本発明の加熱室の上下方向の中央より上部に設けた吸排気部を兼ねている。

以上の各構成要素は制御部（図示していない）からの出力信号により動作させている。

以上のような構成において、加熱室１０内に蒸気を供給した時の加熱室内の空間の特性を図３に示す。図３は、庫内容積３０リットルの加熱室１０において蒸発量を毎分２０ｃｃとした時の加熱室１０の上部および底部の空間の比誘電率特性をそれぞれ特性４１および特性４２で示す。この特性から以下のことが認められる。（１）毎分２０ｃｃの蒸気を供給した場合、加熱室１０の底部に蒸気が拡散し始めるのは２分３０秒以降である。（２）加熱室内の蒸気密度の傾斜は非常に大きい。

加熱室１０内の蒸気拡散状態を図示すると図４のようになる。すなわち、蒸発部２１で蒸発した蒸気の大部分は奥壁面１５に沿って上昇し、加熱室上壁面１４に沿ってドア１６側に拡散する（図中で蒸気拡散滞留領域４５で示す）。加熱室上壁面１４は、この蒸気により加熱されるので上壁面での結露は生じない。また加熱室１０の上部に拡散滞留している蒸気は、上壁面からの輻射熱、連続供給される蒸気熱により、９０℃以上を維持する。一方加熱室の左右側壁面１１、１２は蒸気温度に対して壁面温度が低いのでこれら側壁面では、若干の結露が生じることになる。

このような加熱室内の蒸気拡散滞留状態に対して、被加熱物は加熱室底面に載置するので、加熱室内に供給する蒸気の量を制御することで被加熱物への蒸気の付着を回避させることができる。

次にこのような蒸気拡散の装置を用いて加熱室内の電波分布の挙動を調べた結果を図５に示す。図５は、被加熱物として冷凍牛スライス肉３００ｇを用い、マイクロ波出力３００Ｗの下で、（ａ）は被加熱物中央表面の電界強度を蒸気有り無しをパラメータとした特性５１、５２であり、（ｂ）は蒸気有りの下で被加熱物中央表面の電界強度と中央部近傍2箇所の被加熱物内部温度５３、５４の特性を示している。

図５（ａ）において、蒸気有りは特性５１で示し、蒸気無しを特性５２で示す。なお、蒸気は６０秒時点から供給した。蒸気が存在する場合、電界強度の変化に極小値が存在していることが認められる。また、図５（ｂ）において、被加熱物の温度変化５３、５４に着目すると、電界強度が極小値を採る約１４０秒以降に温度変化が変化していることが認められる。

また、これらの現象に基づいて、加熱室庫内の電波分布をＣＡＥ解析したところ、図４に示すような蒸気拡散において、電波分布が大きく変化することも確認した。

すなわち、これらより、マイクロ波に作用する粒子の大きさの水粒子を庫内空間に存在させることで、加熱室内の電波分布を変化させることができた。また、この水粒子の存在空間を加熱室の上部にすることで被加熱物への蒸気の結露を抑制でき、加湿が必要でない被加熱物の加熱に対しても、蒸気の供給を制御することで、電波分布を変化させ被加熱物の加熱の均一化を促進させることができる。

つまり、加熱室内への水粒子の供給により、水粒子を存在させた加熱室内の空間の比誘電率を大きくし、見掛け上加熱室の形状を大きくしたように作用させて加熱室内の電波分布が変化する。その結果、水粒子の有無に応じて加熱室内の定在波分布を変えることで、被加熱物の加熱の均一化を促進させることができる。

また、加熱室の上下方向において、上部側の水粒子の空間密度を大きくしたことにより、加熱室下部に置かれる被加熱物への水粒子の拡散を抑制し、結露することが好ましくない被加熱物の加熱に使用できる利便性を備えた装置を提供できる。

また水粒子は、蒸気としたことにより、水粒子の径が大きいので水粒子を存在させる空間の比誘電率を密度に応じて容易に変化させることができ、加熱室内の電波分布を大きく変化させることができ、加熱の均一化を促進できる。

また前記加熱室に供給する蒸気を発生する蒸気発生手段と、前記加熱室の上下方向の中央より上部に設けた吸排気部と、前記吸排気部を開閉する開閉手段とを備えたことにより、加熱室上部空間の蒸気密度を時間的に制御することができ、電波分布の時間的に変化させて被加熱物の加熱の均一化をより促進させることができる。

さらには、被加熱物の表面温度を検知する赤外線温度検知手段用の開孔を吸排気部としたことにより、加熱室上部から蒸気を追い出したかどうかを赤外線温度検知手段の検知信号に基づいて判定できるので、電波分布の制御性を保証させることができる。

なお、本発明の主目的は水粒子を存在させることで加熱室内の電波分布を変化させ被加熱物の加熱の均一化を図るものであり、上記に示した蒸発量が毎分２０ｃｃの蒸気発生手段を使用する場合、蒸気発生の動作時間は長くても２分とし、再度使用する場合は庫内の蒸気を排気させる。この排気処理に当っては、熱風の循環手段を利用する。

また、被加熱物の加湿あるいは蒸し調理の場合は、加熱初期工程においてマイクロ波を併用させることで被加熱物の加熱の均一化を促進させることができる。

（実施の形態２）
図６は、本発明の第２の実施の形態における高周波加熱装置の正面断面図である。

実施の形態２が実施の形態１と相違する構成は、水粒子を霧状に供給する構成とした点である。

すなわち、図６において、加熱室６１の上部を低誘電損失材料からなる仕切板６２で仕切り、この空間に霧を供給する構成としている。この霧発生手段は、超音波振動子６３、貯水タンク６４、霧噴射口６５および水受けタンク６６で構成している。

超音波振動子６３は、霧の大きさをマイクロ波に作用できるように数１０ミクロン以上とし、２０ｋＨｚから１００ｋＨｚの範囲の振動子を利用している。また、加熱室６１の上部内に噴霧した霧は結露するので仕切板６２を霧発生手段側に傾斜させている。これにより、結露水は、仕切板６２の上を伝って加熱室61の壁面に設けた孔を経て水受けタンク６６に流れ落ちるようにしている。

超音波振動子の最大の利点は、水を加熱する必要なく水粒子を発生させることができる点であり、欠点は、水に含まれるさまざまな成分も同時に水粒子に含まることである。

本第二の装置は、上記欠点を解消するために仕切板６２で閉じた空間に霧を拡散させる構成とし、その利点を最大限に活用して、加熱の所定タイミング時に直ちに霧を噴霧して加熱室内の電波分布を変化させるものである。

すなわち、水粒子は、霧状としたことにより、水を加熱することなく必要なタイミングに霧を発生させることで、加熱室内の電波分布の制御性を高めることが出来る。

また、被加熱物を収納する加熱室の上部を空間的に仕切る仕切手段と、前記加熱室の上部空間に供給する霧を発生する霧化手段とを備えたことにより、噴霧した霧が被加熱物に落下することは無く、また霧化手段により霧の発生は瞬時に行うことができるので、電波分布の可変制御を容易にかつ利便性高くできる。

また、仕切手段は、使用する高周波に対して低誘電損失の材料としたことにより、仕切手段で囲まれた加熱室上部空間内に存在する霧の密度に応じた空間の比誘電率の変化を加熱室全体の電波作用空間に確実に作用させることができる。

さらにまた、霧化手段は、２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚで振動する超音波振動子を備えたことにより、発生させる霧の大きさが約２５μｍ〜１００μｍの霧を供給することで電波との作用を確保し、電波分布の可変を確実に行うことが出来る。

なお、以上に示した実施の形態はさまざまに組み合わせて実施できるものである。

以上のように、本発明にかかる高周波加熱装置は、水粒子によりマイクロ波加熱を制御することが可能になるので、食品加熱、解凍装置、陶芸加熱装置、乾燥装置あるいは生体化学反応装置等の用途に適用できる。

本発明の実施の形態１の高周波加熱装置の正面断面図 同高周波加熱装置の右側から見た断面図 同高周波加熱装置の蒸気を存在させた時の加熱室内の比誘電率の特性図 同高周波加熱装置の加熱室内の蒸気拡散状態を示す図 （ａ）は同高周波加熱装置の蒸気有り無しにおける加熱室内の電界強度特性図（ｂ）は同高周波加熱装置の電界強度および被加熱物内部温度の特性図 本発明の実施の形態２の高周波加熱装置の正面断面図

符号の説明

１０、６１ 加熱室
２１ 蒸発部（蒸気発生手段）
２２ 注水口（蒸気発生手段）
２３ 加熱手段（蒸気発生手段）
２９ 開孔（吸排気部）
３０ 赤外線温度検知手段
３１ シャッター（開閉手段）
６２ 仕切板
６３ 超音波振動子（霧化手段）
６４ 貯水タンク（霧化手段）
６５ 霧噴射口（霧化手段）

Claims (7)

1. 被加熱物を収納する加熱室内へ蒸気を供給し拡散滞留することにより加熱室内の定在波分布を変えて被加熱物を加熱する高周波加熱装置。
2. 加熱室の上下方向において上部側の蒸気の空間密度を大きくした請求項１に記載の高周波加熱装置。
3. 被加熱物を収納する加熱室と、前記加熱室に供給する蒸気を発生する蒸気発生手段と、前記加熱室の上下方向の中央より上部に設けた吸排気部と、前記吸排気部を開閉する開閉手段とを備え、前記加熱室の上部に蒸気を滞留させたり、またその蒸気を排気させることで加熱室内の形状を見掛け上変化させて被加熱物を加熱する高周波加熱装置。
4. 被加熱物の表面温度を検知する赤外線温度検知手段用の開孔を吸排気部とした請求項３に記載の高周波加熱装置。
5. 被加熱物を収納する加熱室の上部を空間的に仕切る仕切手段と、前記加熱室の上部空間に供給する霧を発生する霧化手段とを備えた高周波加熱装置。
6. 仕切手段は、使用する高周波に対して低誘電損失の材料とした請求項５に記載の高周波加熱装置。
7. 霧化手段は、２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚで振動する超音波振動子を備えた請求項５に記載の高周波加熱装置。