JP2012009238A - 高周波加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱する複数個の被加熱物のうち、各々の被加熱物任意の被加熱物の集中加熱と、複数個の被加熱物を加熱処理することを可能にする電子レンジを提供する。
【解決手段】被加熱物を収容する加熱室と、加熱室の底面に固着された被加熱物載置板と、波長λの高周波エネルギーを発生させるマグネトロンと、マグネトロンで発生した高周波エネルギーを伝える導波管と、前記被加熱物載置板の下に設けられ、前記導波管から伝えられた高周波エネルギーを拡散させる回転アンテナと、回転アンテナを回転駆動する駆動部と、前記マグネトロンと、前記駆動を制御する制御回路と、を備えた高周波加熱装置であって、前記回転アンテナには、３／４λ（λ：１２２mm）の長さのストリップ導体を有するストリップアンテナと、ストリップアンテナの軸方向に沿った高周波電流整列用スリットを設ける。
【選択図】 図２

Description

本発明は、回転アンテナを用いて高周波エネルギーを加熱室内に放射して食品などを加熱する高周波加熱装置に関するものである。

従来の所謂ターンテーブルレス高周波加熱装置は、加熱室内の被加熱物載置板の下に回転アンテナを備え、マグネトロンから供給される高周波を回転アンテナで散乱させて加熱室内に放射し、被加熱物載置板に載置された被加熱物を高周波加熱するものである。

そして、複数の被加熱物に異なる量の高周波エネルギーを供給するための回転アンテナとして、使用波長の１／２よりも長い辺を持った放射口を回転アンテナに設け、ほとんど減衰することなく高周波エネルギーを加熱室内に向けて放射する高周波加熱装置が知られている（例えば、特許文献１の図２，図３など参照）。

特開２００３−８６３４８号公報

特許文献１の図２の回転アンテナを用いると、放射口９ｂの真上方向に高周波エネルギーが集中するので、仕上がり温度が高い被加熱物の下に放射口９ｂを位置付ける時間を長くし、仕上がり温度が低い被加熱物の下に放射口９ｂを位置付ける時間を短くすることで、各々の被加熱物に適した仕上がり温度にすることができる。

しかし、放射口９ｂの真上方向に高周波エネルギーが集中するという特許文献１の回転アンテナの特性のため、仕上がり温度を調整できるのは、被加熱物載置板のうち、放射口９ｂの投影面が通過する狭い領域だけであり、放射口９ｂの内周側や、外周側など、放射口９ｂの投影面が通過しない領域に置かれた被加熱物の仕上がり温度を制御するのは、非常に難しかった。また、加熱室を広くしたい場合、回転アンテナおよび放射口９ｂも大きくしない限り、仕上がり温度を調整できる領域を広げることができないという問題もあった。

前記課題は、被加熱物を収容する加熱室と、該加熱室の底面に設けられた誘電体からなる被加熱物載置板と、該被加熱物載置板の下方で前記加熱室の底面中央部に設けられた高周波供給室と、波長λ（λ＝１２２mm）の高周波エネルギーを発生するマグネトロンと、該マグネトロンを取り付ける導波管と、該導波管に導かれた高周波エネルギーを前記高周波供給室に放射するために高周波供給室底面中央部に設けられた結合穴と、該結合穴を貫通して前記高周波供給室内へ略垂直に臨んで設けられた内導体と、該内導体の一端の前記高周波供給室内に略水平に連結された金属製平板の回転アンテナと、前記内導体の前記導波管内で連結された誘電体軸と、該誘電体軸を回転駆動する駆動部と、を備え、前記回転アンテナには、
３／４λの長さのストリップ導体を有するストリップアンテナと、該ストリップアンテナに軸方向に沿って設けられた、高周波電流整列用スリットと、を設けた高周波加熱装置によって解決できる。

本発明により、回転アンテナに高周波エネルギーの拡散に鋭い指向性をもたせることができ、複数の被加熱物の各々に対して任意の時間だけ指向性のある高周波エネルギーを照射することが容易となり、複数の被加熱物を異なる仕上がり温度になるように加熱することが容易になる。

一実施例の高周波加熱装置の要部縦断面図。 一実施例の回転アンテナの平面図。 電流整列用スリットのない回転アンテナのマイクロ波エネルギーの放射特性を示す図。 電流整列用スリットを設けた回転アンテナのマイクロ波エネルギーの放射特性を示す図。 解析用高周波加熱装置を示す図。 解析用被加熱物のモデルを示す図。 解析モデルを用いて回転アンテナの回転角度α＝０°，９０°，１８０°で解析した被加熱物の温度分布結果を示す。 一実施例の高周波加熱装置の要部斜視図。

以下、図１から図８を参照して本発明の一実施例を説明する。

図８は、一実施例の高周波加熱装置５０の、ドア５３を開いた状態を示す図である。なお、内部構造を説明するため、上部カバーおよび側面カバーの表示を省略している。図８において、１は被加熱物を収容する加熱室である。２は被加熱物を載置する被加熱物載置板であり、例えば結晶化ガラスなどの誘電体で構成され、加熱室１の底面に載置されている。４は波長λ（λ＝１２２mm）の高周波エネルギーを発生させるマグネトロンである。８はアルミニウム等の良導電性金属の円板で構成された回転自在の回転アンテナである。５１はマグネトロン４に駆動電力を供給するインバータ電源である。５２はマグネトロン４や回転アンテナ８の回転を制御する制御回路である。

図１は、図８で示した高周波加熱装置５０の要部縦断面図である。図１において、１２は加熱室１に収容された被加熱物である。３は被加熱物載置板２の下方に設けられた高周波供給室である。５は一端がマグネトロン４に接続され他端が高周波供給室３に開口する導波管であり、マグネトロン４で発生した高周波エネルギーが導波管５を経由して内導体７に導かれる。内導体７に導かれた高周波エネルギーは同軸結合により回転アンテナ８に伝わり、回転アンテナ８によって高周波供給室３内に拡散され、被加熱物載置板２を通過して加熱室１に放射される。６は導波管５の高周波供給室３側の開口にある結合穴で、高周波供給室３の底面の略中央に位置する。回転アンテナ８は誘電体軸９と内導体７を介して駆動部１１から与えられる駆動力によって回転駆動される。なお、図１に示すように、結合穴６を貫通する位置に略垂直に設けられた内導体７の上端に回転アンテナ８が水平に固着されている。また、内導体７の下端と誘導体軸９が導波管５内で連結されており、誘導体軸９は導波管５に設けられた穴１０を通して駆動部１１に連結される。

次に、図２を用いて本実施例の回転アンテナ８の詳細を説明する。図２の上図は回転アンテナ８を上から見た平面図であり、下図は回転アンテナ８の断面図である。８ｂは円板状の回転アンテナ８にハの字型に設けられたスロットアンテナであり、その長さをλ／２（約６１mm）以上、その幅をλ／１２〜λ／１０（約１０〜１２mm）に設定する。ここで、スロットアンテナ８ｂの長さをλ／２以上としたのは、λ／２未満に設定した場合に生じる、マイクロ波エネルギーの遮断を回避するためである。また、スロットアンテナ８ｂの幅をλ／１２〜λ／１０としたのは、負荷とのインピーダンス整合が容易で、高周波エネルギーをほとんど減衰させることなく加熱室内に向けて放射することができるからである。また、スロットアンテナ８ｂが互いに平行とならないようハの字型に配置しているのは、各々のスリットの長手方向と垂直に発生する電界ベクトルの向きが互いに平行となるのを防ぎ、お互いの電界ベクトル同士が打ち消されることがないようにするためであり、各々のスロットアンテナ８ｂから放射された高周波エネルギーが合成されて効率よく加熱室１内に放射されるためである。

また、スロットアンテナ８ｂの反対側には、ストリップアンテナ８ａのアンテナ軸が内導体７の中心から外方向に向けて設けられている。ストリップアンテナ８ａは、長さが３／４λ（約９２mm）であり、幅がλ／４（約３０mm）以下で構成される。ここで、ストリップアンテナ８ａの長さを３／４λとしたのは、ストリップアンテナ８ａの開放終端（先端部）での電界を最大とするためである。また、ストリップアンテナ８ａの幅をλ／４以下としたのは、ストリップアンテナ８ａの軸方向と直角の方向、すなわち、ストリップアンテナ８ａの側面端から漏れる放射マイクロ波エネルギーを抑えるためである。

さらに、ストリップアンテナ８ａには、マイクロ波伝送方向に沿って電流整列用スリット８ｃが設けられている。電流整列用スリット８ｃは、回転アンテナ８に略垂直に設置された内導体７の中心からストリップアンテナ８ａの幅の中点Ｋに向かって延長した線上に平行に設置されたものであり、その長さは、ストリップアンテナ８ａの長さ（約９２mm）の５０％以上（約４６mm以上）であることが好ましく（より好ましくは、約７４mm以上）、その幅は、２〜５mmが最適である。

電流整列用スリット８ｃを設けたのは、ストリップアンテナ８ａに流れる高周波電流の向きをストリップアンテナ８ａの軸方向に整列させ、ストリップアンテナ８ａの側面端からの放射マイクロ波エネルギーを抑制するためである。また、電流整列用スリット８ｃの幅を、２〜５mmという狭い幅としたのは、ストリップアンテナ８ａを長手方向に流れる表面電流をできるだけ遮断しないようにし、電流整列用スリット８ｃからのマイクロ波エネルギーの放射を抑制することで、ほとんどのマイクロ波エネルギーをストリップアンテナ８ａの開放終端部（先端部）から放射するためである。

なお、本実施例では、ストリップアンテナ８ａの開放終端（先端部）を分離しない形状としたが、電流整列用スリット８ｃをさらに延長し、ストリップアンテナ８ａの開放終端（先端部）を分離した叉状としても良い。この場合、電界が最大となるストリップアンテナ８ａの開放終端（先端部）部において、スパークが発生する場合があるが、ストリップアンテナ８ａの開放終端（先端部）に丸みを付けることによって、スパークを抑制することができる。

以上で説明したように、ストリップアンテナ８ａの軸方向に沿った電流整列用スリット８ｃを設けることによって、ストリップアンテナ８ａの指向性を更に鋭くすることができる。また、ストリップアンテナ８ａの反対側に、指向性の穏やかなスロットアンテナ８ｂを設けることによって、放射マイクロ波エネルギーを集中させて被加熱物を加熱することも、拡散させて加熱することも、何れも可能な回転アンテナ８を実現することができる。

次に、電流整列用スリット８ｃを設けない場合と、設けた場合の回転アンテナ８の放射特性を、図３，図４に示す、電磁界解析手法の一種であるＴＬＭ法（Transmission Line Modeling Method）による演算結果を用いて説明する。

図３，図４に示すように、回転アンテナ８の平面上の回転中心を原点に定める。ｘ軸は、原点から見たときに、ストリップアンテナ８ａと方向を同じくする軸であり、ｙ軸は、回転アンテナ８の平面上に設けられた、ｘ軸に垂直な軸である。また、ｚ軸は、ｘ軸，ｙ軸の何れにも垂直な軸であり、高さ方向を正方向とする。

図３に示すように、電流整列用スリット８ｃがない場合の放射特性は、特定の方向に鋭い指向性はなく平均したものとなっている。一方、図４に示すように、電流整列用スリット８ｃがある場合は、ｘｚ平面の右上側、すなわち、ｘ軸のプラス方向により強い放射が見られた。

次に、図５，図６を用いて、被加熱物１２を加熱したときの温度分布を、ＴＬＭ法を用いて説明する。まず、図６を用いて、解析に用いた被加熱物１２を説明する。図６に示すように、ここで用いられる被加熱物１２は、直径２２５mm，厚み１５mmのテフロン（登録商標）製の円柱ブロック１２ａであり、直径１５mm，深さ１０mmの円筒の容器が２mm間隔で１５１個加工される。この１５１個の容器に、水温２５℃の水を約１.７６ｍｌ満たし、図５に示すように、横３４４mm×縦３２２mm×奥行２４０mmの加熱室１の加熱物載置板２上の中央に、円柱ブロック１２ａを設置する。回転アンテナの回転角度αが０°，９０°，１８０°の各々の場合につき、円柱ブロック１２ａの容器内の水の温度の変化を確認した。

図７に、被加熱物１２の温度分布を計算した結果を示す。解析時の被加熱物１２の物理定数は比誘電率７.３，導電率１.６４１２（ｓ／ｍ），tanδ＝０.１５７，密度１０００（kg／ｍ³⁾とした。

図７のＡは、回転アンテナ８の回転角度が０°のときの、被加熱物１２の温度分布図、Ｂは、回転アンテナ８の回転角度が９０°のときの、被加熱物１２の温度分布図、Ｃは、回転アンテナ８の回転角度が１８０°のときの、被加熱物１２の温度分布図である。なお、各々の温度分布図は、被加熱物１２の高さの中央部（図５のＳ−Ｓ′）における温度分布図であり、明るい部分は温度が高く、暗い部分は温度が低いことを示している。

図７から分かるように、ストリップアンテナ８ａの開放終端部（先端部）方向の温度上昇が高く、強く加熱されていることが確認でき、これは、図４の回転アンテア８の放射特性と一致する。なお、実際の電子レンジを用い、８００Ｗの出力を、２０秒間行った場合にも、同様の傾向を確認することができた。

このように、電流整列用スリット８ｃのあるストリップアンテナ８ａの開放終端（先端部）側に置いた被加熱物１２がより強く加熱されるので、加熱室１内に複数の被加熱物が載置されたときであって、重点的に加熱したい被加熱物があるときには、その被加熱物の方向にストリップアンテナ８ａを向ける時間を長くすることで、任意の被加熱物を重点的に加熱することができる。一方、加熱室１内に複数の被加熱物が載置されたときであって、複数の被加熱物の加熱むらを抑制したいときには、回転アンテナ８を一定速度で回転させることで複数の被加熱物の加熱むらを防ぐことができる。

以上で説明したように、３／４λ（λ：１２２mm）の長さのストリップ導体を有するストリップアンテナ８ａと、λ／２以上の長さを有するスリットからなるスロットアンテナ８ｂを、内導体を挟んで対称に設置し、さらに、ストリップアンテナ８ａの軸方向に沿って電流整列用スリット８ｃを設けた回転アンテナを用いることにより、高周波加熱装置の回転アンテナにより強い指向性を持たせることができ、複数個の非加熱物に対して任意の被加熱物を狙って集中的にマイクロ波の放射ができる。

１ 加熱室
２ 被加熱物載置板
３ 高周波供給室
４ マグネトロン
５ 導波管
６ 結合穴
７ 内導体
８ 回転アンテナ
８ａ ストリップアンテナ
８ｂ スロットアンテナ
８ｃ 電流整列用スリット
９ 誘電体軸
１１ 駆動部

Claims (4)

1. 被加熱物を収容する加熱室と、
   該加熱室の底面に設けられた誘電体からなる被加熱物載置板と、
   該被加熱物載置板の下方で前記加熱室の底面中央部に設けられた高周波供給室と、
   波長λ（λ＝１２２mm）の高周波エネルギーを発生するマグネトロンと、
   該マグネトロンを取り付ける導波管と、
   該導波管に導かれた高周波エネルギーを前記高周波供給室に放射するために高周波供給室底面中央部に設けられた結合穴と、
   該結合穴を貫通して前記高周波供給室内へ略垂直に臨んで設けられた内導体と、
   該内導体の一端の前記高周波供給室内に略水平に連結された金属製平板の回転アンテナと、
   前記内導体の前記導波管内で連結された誘電体軸と、
   該誘電体軸を回転駆動する駆動部と、を備え、
   前記回転アンテナには、
   ３／４λの長さのストリップ導体を有するストリップアンテナと、
   該ストリップアンテナに軸方向に沿って設けられた、高周波電流整列用スリットと、
   を設けたことを特徴とする高周波加熱装置。
2. 請求項１に記載の高周波加熱装置において、
   前記回転アンテナには、さらに、λ／２以上の長さを有するスリットからなるスロットアンテナが、前記内導体を挟んで前記ストリップアンテナと対称に設置され、
   前記スロットアンテナの複数のスリットは互いにハの字型に配置され、平行に配置されていないことを特徴とする高周波加熱装置。
3. 請求項１に記載の高周波加熱装置において、
   前記被加熱物載置板に載置する被加熱物の一部を重点的に加熱したいときには、前記ストリップアンテナを、重点的に加熱したい方向に向ける時間を長くして加熱することを特徴とする高周波加熱装置。
4. 請求項１に記載の高周波加熱装置において、
   前記被加熱物載置板に載置する被加熱物の加熱むらを抑制したいときには、前記回転アンテナを、一定速度で回転させて加熱することを特徴とする高周波加熱装置。

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