JP2010272216A

JP2010272216A - マイクロ波処理装置

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Publication number: JP2010272216A
Application number: JP2009120587A
Authority: JP
Inventors: Kenji Yasui; 健治安井; Tomotaka Nobue; 等隆信江; Yoshiharu Omori; 義治大森; Makoto Mihara; 誠三原
Original assignee: Panasonic Corp
Current assignee: Panasonic Corp
Priority date: 2009-05-19
Filing date: 2009-05-19
Publication date: 2010-12-02

Abstract

【課題】加熱動作に伴う反射電力の増加による加熱効率の低下を防止し、冷凍物の解凍を実現すること。
【解決手段】発振部２、電力増幅部３、被加熱物８を収納する加熱室４、加熱室４の壁面に配置されマイクロ波発生部の出力が伝送されそのマイクロ波を加熱室４内に放射供給する給電部５、給電部５から電力増幅部３に反射される電力を検出する電力検出部６を備え、反射電力が増加すると加熱周波数の選択動作を再度実行する構成とした。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体素子を用いて構成したマイクロ波発生部を備えたマイクロ波処理装置に関するものである。

従来から、マイクロ波発生装置として一般的に用いられるマグネトロンに代えて、半導体素子を用いたマイクロ波発生装置が提案されてきた。このような半導体素子を用いたマイクロ波発生装置によれば、小型で安価な構成でマイクロ波の周波数を容易に調整することができる（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１の高周波加熱装置においては、所定の周波数帯域でマイクロ波の周波数が掃引され、反射電力が最小値を示すときのマイクロ波の周波数が記憶される。記憶された周波数のマイクロ波が加熱室内のアンテナから放射され、対象物が加熱されることにより、電力変換効率が向上する。

特開昭５６−９６４８６号公報

加熱室内に供給されるマイクロ波電力が被加熱物に１００％吸収されると、加熱室からの反射電力は０Ｗになるが、被加熱物の種類、形状、量、載置位置により被加熱物を含む加熱室の電気的特性が決定され、マイクロ波発生部の出力インピーダンスと加熱室のインピーダンスとに基づいて、加熱室側からマイクロ波発生部側に伝送する反射電力が生じる。

この特性は周波数によっても変化し、最も効率よくマイクロ波を吸収させられる周波数は載置された被加熱物によって変化する。このため加熱効率を向上させるためには最も適した周波数で加熱動作することが求められる。

また、半導体素子は放熱部材が接触した状態で用いられる。反射電力により半導体素子が発熱した場合、放熱部材により放熱が行われる。

特に複数の給電部からマイクロ波を照射する場合、それぞれの給電部と被加熱物との位置関係が異なるため、周波数掃引時における反射電力の特性は各々異なった特性を示す。このため、加熱効率を向上させるためには各々の給電部における反射電力の特性から加熱効率を改善できる条件の選択が必要となる。

被加熱物が冷凍の状態である場合、加熱動作によって解凍が進行し被加熱物が部分的に解凍された状態になると、氷と水ではマイクロ波に対するインピーダンスが大きく異なるため、給電部からみた加熱室のインピーダンスが大きく変化してしまい、マイクロ波を効率よく被加熱物に吸収させられる周波数が異なる。このため、冷凍状態で選択した周波数で加熱動作を継続すると反射電力が増加し、電力増幅部の発熱量が増加するとともに、加熱の効率も悪化する可能性がある。

本発明の目的は、反射電力によるマイクロ波発生装置の破損を防止し、冷凍された被加
熱部の加熱を高い加熱効率で実現できるマイクロ波処理装置およびマイクロ波処理方法を提供することである。

前記従来の課題を解決するために、本発明のマイクロ波処理装置は、被加熱物を収容する加熱室と、発振部と、前記発振部の出力を電力増幅する電力増幅部と、前記電力増幅部の出力を前記加熱室に供給する給電部と、前記給電部から前記電力増幅部に反射する電力および前記電力増幅部から前記給電部に供給される入射電力を検出する電力検出部と、前記発振部の発振周波数と前記電力増幅部を制御する制御部とを備え、前記給電部は前記加熱室を構成する壁面に配置するとともに、前記制御部は加熱動作開始前に前記電力増幅部を低出力で動作させ、所定の周波数範囲において前記発振部の発振周波数を変化させて前記電力検出部によって検出される反射電力が最小となる条件を探索し、前記探索した条件で加熱動作へ移行する構成とするとともに前記制御部は加熱動作と加熱動作停止とを繰り返し、加熱動作停止中に前記探索動作を行って加熱周波数を再設定し、加熱動作に移行する構成としたものである。

これによって、加熱動作前の周波数掃引動作によって最小反射電力の動作条件を選択し、加熱動作へ移行するので、過大な反射電力によるマイクロ波発生部の破損を防止できると共に高い加熱効率を実現することができる。

本発明のマイクロ波処理装置によれば、周波数掃引動作によって反射電力が最小となる動作条件を探索できるので、過大な反射電力によるマイクロ波発生部の破損を防止できるとともに、高い加熱効率を実現することができる。

本発明の実施の形態１におけるマイクロ波処理装置の構成図電力検出部６が検出した反射電力の周波数特性図をグラフ化した一例を示す図本発明の実施の形態２におけるマイクロ波処理装置の構成図

第１の発明は、被加熱物を収容する加熱室と、発振部と、前記発振部の出力を電力増幅する電力増幅部と、前記電力増幅部の出力を前記加熱室に供給する給電部と、前記給電部から前記電力増幅部に反射する電力および前記電力増幅部から前記給電部に供給される入射電力を検出する電力検出部と、前記発振部の発振周波数と前記電力増幅部を制御する制御部とを備え、前記給電部は前記加熱室を構成する壁面に配置するとともに、前記制御部は加熱動作開始前に前記電力増幅部を低出力で動作させ、所定の周波数範囲において前記発振部の発振周波数を変化させて前記電力検出部によって検出される反射電力が最小となる条件を探索し、前記探索した条件で加熱動作へ移行する構成とするとともに前記制御部は加熱動作と加熱動作停止とを繰り返し、加熱動作停止中に前記探索動作を行って加熱周波数を再設定し、加熱動作に移行するものである。

これにより、加熱動作前に周波数掃引動作によって反射電力が最小となる動作条件を探索できるので、加熱動作によって電力増幅器に過大な反射電力が反射されることを未然に防止して、反射電力による発熱により電力増幅器が損傷するのを防ぎ、高効率な加熱動作を実現できる。

また、被加熱物の解凍によって加熱室のインピーダンスが大きく異なった場合でも、加熱動作停止中に再度最適な過熱周波数の設定を行うので、被加熱物の状態に依存せず、常
に高効率な加熱動作を実現することができる。

第２の発明は、特に第１の発明において、制御部によって繰り返される加熱動作と加熱動作停止は所定の時間比によって定めるものである。これにより、加熱動作前に周波数掃引動作によって反射電力が最小となる動作条件を探索できるので、加熱動作によって電力増幅器に過大な反射電力が反射されることを未然に防止して、反射電力による発熱によって電力増幅器が損傷するのを防ぎ、高効率な加熱動作を実現できる。

また、被加熱物の解凍によって加熱室のインピーダンスが大きく異なった場合でも、加熱動作停止中に再度最適な過熱周波数の設定を行うので、被加熱物の状態に依存せず、常に高効率な加熱動作を実現することができる。

第３の発明は、特に第１の発明において、制御部によって繰り返される加熱動作と加熱停止動作は電力検出部によって検出される反射電力が所定値以上となったときに加熱動作を停止するものである。

これにより、給電部の反射電力が極端に大きな条件を排除して反射電力が小さくなる動作条件を選択できるので、加熱動作によって電力増幅器に過大な反射電力が反射されることを未然に防止して、反射電力による発熱によって電力増幅器が損傷するのを防ぎ、高効率な加熱動作を実現できる。

第４の発明は、特に第３の発明において、所定の時間内に電力検出部によって検出される反射電力が所定値以上にならなった場合、あらかじめ定めた時間加熱動作を一旦停止する構成とするものである。

これにより、給電部の反射電力が極端に大きな条件を排除して反射電力が小さくなる動作条件を選択できるので、加熱動作によって電力増幅器に過大な反射電力が反射されることを未然に防止でき、反射電力による発熱によって電力増幅器が損傷するのを防ぎ、高効率な加熱動作を実現できる。

第５の発明は、被加熱物を収容する加熱室と、発振部と、前記発振部の出力を複数に分配する電力分配部と、前記電力分配部の出力を各々電力増幅する複数の電力増幅部と、前記複数の電力増幅部の出力を前記加熱室に供給する複数の給電部と、前記複数の給電部から前記複数の電力増幅部に反射する電力および前記複数の電力増幅部から前記複数の給電部に供給される入射電力を検出する複数の電力検出部と、前記発振部の発振周波数と前記複数の電力増幅部を制御する制御部とを備え、前記複数の給電部は前記加熱室を構成する壁面に配置するとともに、前記制御部は加熱動作開始前に前記複数の電力増幅部を低出力で動作させ、所定の周波数範囲において前記発振部の発振周波数を変化させて前記電力検出部によって検出される反射電力が最小となる条件を探索し、前記探索した条件で加熱動作へ移行するとともに、前記制御部は加熱動作と加熱動作停止とを繰り返し、加熱動作停止中に前記探索動作を行って加熱周波数を再設定し、加熱動作に移行する構成とするものである。

これにより、加熱動作前に周波数掃引動作によって反射電力が最小となる動作条件を探索できるので、加熱動作によって電力増幅器に過大な反射電力が反射されることを未然に防止して、反射電力による発熱により電力増幅器が損傷するのを防ぎ、高効率な加熱動作を実現する。

第６の発明は、特に第５の発明において、電力分配部のいずれか一方の出力に挿入され前記電力分配部が出力するマイクロ波の位相差を制御する位相制御部を設け、加熱動作中は前記位相制御部によって電力増幅部に入力されるマイクロ波の位相差を制御するものである。

第７の発明は、特に第５または第６の発明において、制御部によって繰り返される加熱動作と加熱動作停止は所定の時間比によって定めるものである。

第８の発明は、特に第５または第６の発明において、制御部によって繰り返される加熱動作と加熱停止動作は電力検出部によって検出される反射電力が所定値以上となったときに加熱動作を停止する構成とするものである。

これにより、加熱動作前に周波数掃引動作によって反射電力が最小となる動作条件を探索できるので、加熱動作によって電力増幅器に過大な反射電力が反射されることを未然に防止して、反射電力による発熱によって電力増幅器が損傷するのを防ぎ、高効率な加熱動作を実現できる。

第９の発明は、特に第８の発明において、所定の時間内に電力検出部によって検出され
る反射電力が所定値以上にならなった場合、あらかじめ定めた時間加熱動作を一旦停止するものである。

また、被加熱物の解凍によって加熱室のインピーダンスが大きく異なった場合でも加熱動作停止中に再度最適な過熱周波数の設定を行うので、被加熱物の状態に依存せず、常に高効率な加熱動作を実現することができる。

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、本発明の実施の形態１におけるマイクロ波処理装置の構成図である。

図１において、マイクロ波発生部１は、半導体素子を用いて構成した発振部２と、発振部２の出力を電力増幅する半導体素子を用いて構成した電力増幅部３と、電力増幅部３によって増幅されたマイクロ波出力を加熱室４内に放射する給電部５と、電力増幅部３と給電部５を接続するマイクロ波伝送路に挿入され給電部５から電力増幅部３へ反射する電力および電力増幅部３から給電部５へ供給される入射電力を検出する電力検出部６と、電力検出部６によって検出された入射電力および反射電力によってマイクロ波発生部１を制御する制御部７とで構成されている。

また、本実施の形態におけるマイクロ波処理装置は、被加熱物８を収納する略直方体構造からなる加熱室４を有し、加熱室４は、金属材料からなる左壁面、右壁面、底壁面、上壁面、奥壁面および被加熱物８を収納するために開閉する開閉扉（不図示）と、被加熱物８を載置する載置台９から構成され、供給されるマイクロ波を内部に閉じ込めるように構成されている。

そして、マイクロ波発生部１の出力が伝送され、そのマイクロ波を加熱室４内に放射供給する給電部５が加熱室４を構成する壁面に配置されている。本実施の形態では、給電部５は加熱室４の底面に配置した図を示しているが、この給電部の配置は本実施の形態に拘束されるものではなく、加熱室４を構成するいずれかの壁面に配置してもかまわない。

電力増幅部３は、低誘電損失材料から構成した誘電体基板の片面に形成した導電体パターンにて回路を構成し、増幅素子である半導体素子を良好に動作させるべく各半導体素子の入力側と出力側にそれぞれ整合回路を配している。

各々の機能ブロックを接続するマイクロ波伝送路は、誘電体基板の片面に設けた導電体パターンによって、特性インピーダンスが略５０Ωの伝送回路を形成している。

また、電力検出部６は、加熱室４側から電力増幅部３側に伝送するいわゆる反射波の電力および電力増幅部３側から加熱室４側に伝送するいわゆる入射電力を抽出するものであり、電力結合度をたとえば約−４０ｄＢとし、反射電力および入射電力の約１／１００００の電力量を抽出する。

この電力信号はそれぞれ、検波ダイオード（不図示）で整流化し、コンデンサ（不図示
）で平滑処理し、その出力信号を制御部７に入力させている。

制御部７は、使用者が直接入力する被加熱物８の加熱条件あるいは加熱中に被加熱物８の加熱状態から得られる加熱情報と電力検出部６よりの検知情報とに基づいて、マイクロ波発生部１の構成要素である発振部２と電力増幅部３のそれぞれに供給する駆動電力を制御し、加熱室４内に収納された被加熱物８を最適に加熱する。

また、マイクロ波発生部１には、主に電力増幅部３に備えた半導体素子の発熱を放熱させる放熱手段（不図示）を配する。

以上のように構成されたマイクロ波処理装置について、以下その動作、作用を説明する。

まず、被加熱物８を加熱室４に収納し、その加熱条件を操作部（不図示）から入力し、加熱開始キーを押す。加熱開始信号を受けた制御部７の制御出力信号によりマイクロ波発生部１が動作を開始する。制御部７は、駆動電源（不図示）を動作させて発振部２に電力を供給する。この時、発振部２の初期の発振周波数は、たとえば２４００ＭＨｚに設定する電圧信号を供給し、発振が開始する。

発振部２を動作させると、以降、駆動電源を制御して電力増幅部３を動作させる。

マイクロ波電力信号は、電力増幅部３、電力検出部６を経て給電部５に出力され加熱室４内に放射される。このときの電力増幅部３の出力電力はそれぞれ１００Ｗ未満、たとえば５０Ｗのマイクロ波電力を出力する。

加熱室４内に供給されるマイクロ波電力が被加熱物８に１００％吸収されると、加熱室４からの反射電力は０Ｗになるが、被加熱物８の種類、形状、量、載置位置が被加熱物を含む加熱室４の電気的特性を決定し、給電部５の出力インピーダンスと加熱室４のインピーダンスとに基づいて、加熱室４側から給電部５側に伝送する反射電力が生じる。

電力検出部６は、マイクロ波発生部１側に伝送する反射電力を検出し、その反射電力量に比例した信号を検出するものであり、その検出信号を受けた制御部７は、反射電力が極小値となる発振周波数の選択を行う。

この周波数の選択に対して、制御部７は、発振部２の発振周波数を初期の２４００ＭＨｚから例えば１ＭＨｚピッチで高い周波数側に変化させ、周波数可変範囲の上限である２５００ＭＨｚに到達する。

この操作を行うことで、制御部７は発振部２の発振周波数に対する反射電力の配列を得ることができる。図２は電力検出部６が検出した反射電力の周波数特性図をグラフ化した一例を示す図である。

制御部７は、この反射電力が最も小さくなる発振部２の発振周波数の条件（動作周波数は図中のｆ＿ｏｐｔ）で制御するとともに、発振出力を入力された加熱条件に対応した出力が得られるように制御する。これにより、電力増幅部３は所定のマイクロ波電力を出力する。そして、その出力は給電部５に伝送され加熱室４内に放射される。

このように、反射電力が最小である条件を求めることによって、所定の電力を出力する加熱動作時における反射電力を小さくして加熱動作することができるため、効率的に被加熱物にマイクロ波のエネルギーを吸収させることができ加熱時間を短縮することができる
ようになる。

また、制御部７は加熱動作中の反射電力の変化も時々刻々計測している。特に、被加熱物８が冷凍食品のような冷凍状態にあった場合、加熱開始前には被加熱物８中の水分は氷の状態になっている。マイクロ波を照射して加熱動作をすることによって、被加熱物８中の氷が融解し水の状態に遷移する。

マイクロ波に対する氷と水のインピーダンスを鑑みると、氷に対して水の方がインピーダンスは非常に大きいので、被加熱物８が冷凍された状態で測定した加熱室４のインピーダンスの周波数特性と、加熱が進行し被加熱物８が融解し始めた状態での加熱室４のインピーダンスの周波数特性とは大きく異なることが予想される。このため、加熱動作の進行に伴って電力検出部６によって検出される反射電力が大きく変化する。

したがって、加熱動作中の反射電力が大きくなり、高効率での加熱動作を維持できなくなってしまうが、本実施の形態によれば、電力検出部６によって検出される反射電力が、所定の閾値を超えると一旦加熱動作を中断し、前述の周波数選択動作をするので、再び最適な加熱動作の周波数を選択しなおすことができ、常に高効率にマイクロ波を供給することが可能になる。

また、加熱動作をいったん中断するタイミングは上述のように電力検出部６によって検出される反射電力の増加によって判断してもよいし、制御部７において所定の時間加熱動作をした後に加熱動作を中断し、周波数特性を再度測定するようにしてもよい。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２におけるマイクロ波処理装置の構成図である。

実施の形態１との相違点は、発振部２の出力を電力分配部１０によって複数に分配し、一方の出力に位相制御部１１を設けお互いのマイクロ波の位相差を制御できるように構成するとともに、電力増幅部、給電部、電力検出部を複数設けた点である。すなわち、本実施の形態は、電力増幅部３１、３２と、給電部５１、５２と、電力検出部６１、６２とを有する。

加熱動作前に加熱周波数を選択する動作については、前述の実施の形態１と同様であるので、ここでは詳細な説明については割愛する。

本実施の形態においては、位相制御部１１によって給電部５から放射されるマイクロ波の位相差を制御することができるので、加熱室４内でマイクロ波が干渉する位置を変化させることができ、電界が強くなる位置を変えることができるので、被加熱物８を強く加熱する位置を変えることができる。このため、加熱の仕上がり具合を均一に仕上げることができるという効果を奏することができる。

以上のように、本発明にかかるマイクロ波処理装置によれば、加熱前に低出力で反射電力が小さくなる動作周波数条件を検索する動作をするので、加熱効率のよいマイクロ波処理装置とすることができる。したがって、電子レンジで代表されるような誘電加熱を利用した加熱装置や生ゴミ処理機、あるいは半導体製造装置であるプラズマ電源のマイクロ波電源などの用途に適用できる。

１マイクロ波発生部
２発振部
３、３１、３２電力増幅部
４加熱室
５、５１、５２給電部
６、６１、６２電力検出部
７制御部
８被加熱物
９載置台
１０電力分配部
１１位相制御部

Claims

被加熱物を収容する加熱室と、発振部と、前記発振部の出力を電力増幅する電力増幅部と、前記電力増幅部の出力を前記加熱室に供給する給電部と、前記給電部から前記電力増幅部に反射する電力および前記電力増幅部から前記給電部に供給される入射電力を検出する電力検出部と、前記発振部の発振周波数と前記電力増幅部を制御する制御部とを備え、前記給電部は前記加熱室を構成する壁面に配置するとともに、前記制御部は加熱動作開始前に前記電力増幅部を低出力で動作させ、所定の周波数範囲において前記発振部の発振周波数を変化させて前記電力検出部によって検出される反射電力が最小となる条件を探索し、前記探索した条件で加熱動作へ移行する構成とするとともに前記制御部は加熱動作と加熱動作停止とを繰り返し、加熱動作停止中に前記探索動作を行って加熱周波数を再設定し、加熱動作に移行する構成としたマイクロ波処理装置。
制御部によって繰り返される加熱動作と加熱動作停止は所定の時間比によって定めた請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
制御部によって繰り返される加熱動作と加熱停止動作は電力検出部によって検出される反射電力が所定値以上となったときに加熱動作を停止する構成とした請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
所定の時間内に電力検出部によって検出される反射電力が所定値以上にならなった場合、あらかじめ定めた時間加熱動作を一旦停止する構成とした請求項３に記載のマイクロ波処理装置。
被加熱物を収容する加熱室と、発振部と、前記発振部の出力を複数に分配する電力分配部と、前記電力分配部の出力を各々電力増幅する複数の電力増幅部と、前記複数の電力増幅部の出力を前記加熱室に供給する複数の給電部と、前記複数の給電部から前記複数の電力増幅部に反射する電力および前記複数の電力増幅部から前記複数の給電部に供給される入射電力を検出する複数の電力検出部と、前記発振部の発振周波数と前記複数の電力増幅部を制御する制御部とを備え、前記複数の給電部は前記加熱室を構成する壁面に配置するとともに、前記制御部は加熱動作開始前に前記複数の電力増幅部を低出力で動作させ、所定の周波数範囲において前記発振部の発振周波数を変化させて前記電力検出部によって検出される反射電力が最小となる条件を探索し、前記探索した条件で加熱動作へ移行するとともに、前記制御部は加熱動作と加熱動作停止とを繰り返し、加熱動作停止中に前記探索動作を行って加熱周波数を再設定し、加熱動作に移行する構成としたマイクロ波処理装置。
電力分配部のいずれか一方の出力に挿入され前記電力分配部が出力するマイクロ波の位相差を制御する位相制御部を設け、加熱動作中は前記位相制御部によって電力増幅部に入力されるマイクロ波の位相差を制御する構成とした請求項５に記載のマイクロ波処理装置。
制御部によって繰り返される加熱動作と加熱動作停止は所定の時間比によって定めた請求項５または６に記載のマイクロ波処理装置。
制御部によって繰り返される加熱動作と加熱停止動作は電力検出部によって検出される反射電力が所定値以上となったときに加熱動作を停止する構成とした請求項５また６に記載のマイクロ波処理装置。
所定の時間内に電力検出部によって検出される反射電力が所定値以上にならなった場合、あらかじめ定めた時間加熱動作を一旦停止する構成とした請求項８に記載のマイクロ波処理装置。