JP2013120711A - 加熱装置および冷蔵庫 - Google Patents

Abstract

【課題】マイクロ波発生手段と加熱空間の接続距離が長延化した際に、伝送路である同軸ケーブル長のばらつきや敷設条件に依存して個体毎の電気長がばらつくため、従来の固定長伝送路におけるアイソレータレス化の手法が採用できず、磁気回路であるアイソレータ部品が必要不可欠であった。
【解決手段】加熱空間１０で反射され、第１および第２のマイクロ波放射手段７ａ、７ｂを介して分岐手段５に再入射するマイクロ波を相互に干渉させることにより、マイクロ波発生手段１に向けた反射波の伝播を抑制し、反射波によるマイクロ波発生手段１を保護するとともに安定動作を確保する。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波により食材を誘電加熱する加熱装置に関し、詳しくは、半導体電力増幅素子を具備するマイクロ波発生手段を備えた加熱装置に関するものである。

従来から、高周波加熱装置のマイクロ波発生機構には、発振用真空管であるマグネトロンが広く用いられている。また、近年では、マグネトロンに比較して、小規模で構成でき、且つ、発振周波数や電力の制御性に優れるという特徴から、半導体電力増幅素子を用いた高周波加熱装置も提案されている（例えば、特許文献１参照）。

これらの半導体電力増幅素子を用いた加熱装置では、加熱空間内のアンテナからの強い反射波が素子に再入射した場合に、素子そのものが破壊されることが問題となる。この為、素子とアンテナとの間に、非可逆な伝播特性を有するアイソレータ部品を配置し、反射波に対するマイクロ波発生手段の性能安定化や保護を図っている。

一方、経済性や効率の観点からアイソレータ部品の省略、即ち、アイソレータレス化の要望は高く、例えば、携帯端末や電子レンジなど、マイクロ波発生機構とアンテナを一体化し、両者の間を基板パターンや導波管等の固定電気長伝送路で接続できる場合には、アンテナ端における負荷変動や反射位相の制限を行うと共に、半導体電力増幅素子の出力整合回路の最適化を図ることにより、アイソレータレス化が実現されている。

特開昭５６−９６４８６号公報

通常、これらの加熱装置では半導体電力増幅素子の熱損失による発熱が大きく、例えば、冷蔵庫内の食材を誘電加熱するような冷却加熱システムに適用した場合には、不要熱源である半導体電力増幅素子、或いは該素子の放熱部品の近傍に配置される食材への温度影響により、食材の品質が著しく損なわれることが懸念される。また、該熱源からの輻射による庫内温度の上昇を抑制する為に、冷蔵庫本体の冷却能力を高める必要が生じる等、電力的な無駄が生じることも予想される。この為、半導体電力増幅素子を庫外に配する等、熱源である素子と加熱空間を分離して配置することが必須となる。

しかしながら、冷蔵庫内に配線を行う場合には、冷蔵庫の断熱性能に影響を及ぼさないように庫内の壁内に伝送路である同軸ケーブルを埋設する必要があり、迂回経路を含めると、実際の接続距離は１〜２ｍ程度と長延化する。この為、ケーブルの敷設条件やケーブル長の固体ばらつきにより、個体毎の電気長の調整が必要となる等、従来のアイソレータレス化の手法は実用的ではなかった。

本発明の目的は、加熱空間と半導体電力増幅素子を分離配置し、両者の接続距離が長延化した加熱システムを、磁気回路であるアイソレータ部品を省いた構成で実現し、反射波による素子の破壊保護を行うと共に、素子の安定動作を確保した加熱装置を提供することを目的とする。

従来の課題を解決するために、被加熱物が収納される加熱空間と、マイクロ波を供給するマイクロ波発生手段と、マイクロ波発生手段の出力を伝播する伝送路と、前記伝送路の出力を２分岐する分岐手段と、分岐手段の一方の分岐出力を遅延する第１の遅延手段を介して、加熱空間内へマイクロ波を放射する第１のマイクロ波放射手段と、他方の分岐出力を遅延する第２の遅延手段を介して、前記加熱空間内へマイクロ波を放射する第２のマイクロ波放射手段とを備え、加熱空間から第１および第２のマイクロ波放射手段を介して伝送路に再入射する反射波を、分岐手段で相互干渉させ、マイクロ波発生手段に向けた反射波の伝播を抑制する。

本発明の加熱装置によれば、熱的な事由や配置上の制限により、マイクロ波発生手段と加熱空間の接続距離が長延化した場合においても、磁気回路であるアイソレータ部品をレス化した加熱装置を実現することができる。

本発明の実施の形態１における加熱装置のブロック図 本発明の実施の形態１における分岐手段の一例を示す図 進行波および反射波の伝播経路の説明図 本発明の実施の形態２における冷蔵庫の縦断面図

第１の発明は、被加熱物が収納される加熱空間と、マイクロ波を供給するマイクロ波発生手段と、マイクロ波発生手段の出力を伝播する伝送路と、前記伝送路の出力を２分岐する分岐手段と、分岐手段の一方の分岐出力を遅延する第１の遅延手段を介して、加熱空間内へマイクロ波を放射する第１のマイクロ波放射手段と、他方の分岐出力を遅延する第２の遅延手段を介して、前記加熱空間内へマイクロ波を放射する第２のマイクロ波放射手段とを備える。これにより、熱的な事由や配置上の制限等により、マイクロ波発生手段と加熱空間を物理的に分離配置した場合においても、磁気回路であるアイソレータ部品をレス化でき、経済性に優れる加熱装置を実現できる。

第２の発明は、特に第１の発明において、分岐手段を、基板上のストリップライン（基板パターン）で簡易に構成できる、はしご型ハイブリッドとすることにより、マイクロ波発生手段に向けた反射波の伝播抑制を安価に実現できる。

第３の発明は、第１または第２の発明におけるマイクロ波を放射する第１および第２のマイクロ波放射手段を、被加熱物の収納位置を規定した領域の中央に対向する面内で、収納位置に対して対象に配置したものであり、被加熱物にマイクロ波を直接入射させることで、被加熱物での損失量を大きくし、加熱空間全体を伝搬するマイクロ波のエネルギ量を減少させるとともに、各マイクロ波放射手段と非加熱物との空間距離を略等しくすることにより、分岐手段における反射波／進行波の分離精度を向上することができる。

第４の発明は、第３の発明において、加熱空間から反射する反射波の電力を検出する電力検出手段を備え、該反射電力の信号に基づいてマイクロ波発生手段の動作周波数を規定制御する制御手段を有するものであり、加熱開始初期に規定の帯域で周波数を掃引させて得られるマイクロ波反射電力が最小の周波数を加熱時の動作周波数に選定し加熱を継続することで、マイクロ波発生手段の発生電力を最も効率よく被加熱物に供給させることができる。この機能により、発生電力を小さくしたマイクロ波発生手段が利用でき、加熱装置全体のコンパクト化構成を促進できる。

第５の発明は、特に第３の発明の第１および第２のマイクロ波放射手段の各々をパッチ
アンテナ構成としたものであり、加熱空間の内壁面のごく近傍にアンテナを配設でき、加熱空間内のフリー空間を大きく採ることができる。

第６の発明は、第５の発明において、二つのパッチアンテナの偏波面を互いに直交関係となるよう給電点を定めたものであり、物理的な制限でアンテナ間が近接するような場合においても、アンテナ間のアイソレーションを高く保つことができる為、良好に反射波を抑制できる。

第７の発明は、加熱空間を冷却する冷却手段を有し、請求項１から６のいずれか一項に記載の加熱装置を備えた冷蔵庫であり、冷却と誘電加熱を同時に実現する経済性に優れた冷蔵庫を実現できる。

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この発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１において、加熱装置は、供給されるマイクロ波を閉じ込める金属材料で構成した加熱空間１０、マイクロ波発振器２およびマイクロ波発振器２の出力を増幅する増幅器３とで構成されるマイクロ波発生手段１、マイクロ波が伝播する伝送路４、マイクロ波を分岐する分岐手段５、分岐手段５の各分岐出力を等しく遅延する遅延手段６ａ，６ｂ、加熱空間１０内にマイクロ波を放射するマイクロ波放射手段７ａ、７ｂ、マイクロ波の電力を検出する電力検出手段８、および、マイクロ波発生手段１の動作を制御する制御手段９を備える。

分岐手段５は、図２に示す様なマイクロ波の性質を利用した４端子のはしご型ハイブリッドであり、端子ａに投入したマイクロ波は、端子ｂおよび端子ｃから、互いに９０°の位相差で、等分配出力される。また、ハイブリッド内を伝播する波の相互干渉により、端子ａから信号を入力した場合、端子ｄへの出力は現れない。この種のはしご型ハイブリッドは基本設計が容易であるとともに、ストリップライン（基板パターン）で低コストに実現できる。

なお、はしご型ハイブリッドの概観は正方形である必要はなく、円形その他に変形したものでも構わない。また、分岐手段５をはしご型ハイブリッドと同様の機能を有するラットレース回路で構成しても構わない。

マイクロ波放射手段７ａ、７ｂは、空気層を利用したいわゆるパッチアンテナ構成とし、加熱空間１０の左右方向の中央軸に対象で、且つ、収納容器１１に指定した被加熱物２０を載置する領域の中心に対向する加熱空間１０の上壁面側に配設するとともに、双方のパッチアンテナの偏波面が、互いに直交関係となるよう、給電点の位置を定めている。またマイクロ波放射手段７ａ、７ｂは、低誘電損失材料から構成したアンテナカバー（図示せず）で囲っている。

また、高周波加熱装置の分野に於いては、食材の加熱ムラを抑制するという観点から、加熱空間内に存在しうる全てのモードを励振することが望まれる。本実施例のように、加熱空間へのマイクロ波の供給を複数のアンテナで行うことにより、単一アンテナの場合に比較して、加熱空間内のモード励振をより有効に行うことができるため、温度ムラを抑制した良好な加熱性能が期待できる。

マイクロ波発生手段１から出力されるマイクロ波は、伝送路４を介して、加熱空間１０側に伝播される。以下、図３を用いて、伝送路４から加熱空間１０に向けた進行波の伝播
経路、および、加熱空間１０で反射され伝送路４に向けて伝播する反射波の伝播経路を説明する。

先ず、伝送路４から加熱空間１０に向けて伝播する進行波（電力：Ｐｉｎ）は、分岐手段５の端子ａに投入され、端子ｂと端子ｃから等分配出力される。各分岐出力（電力：Ｐｉｎ／２）は、遅延手段６ａ、６ｂおよびマイクロ波放射手段７ａ、７ｂを介して、加熱空間１０に投入されるとともに、加熱空間１０内で電力合成され（電力：Ｐｉｎ／２＋Ｐｉｎ／２）、加熱空間内に収納された被加熱物２０に供給される。

次に、加熱空間１０で反射されたマイクロ波の伝播経路を説明する。加熱空間１０で反射されたマイクロ波は、それぞれマイクロ波放射手段７ａ、７ｂに再入射し、進行波と逆向きに遅延手段６ａ、６ｂを伝播し、分岐手段の端子ｂおよび端子ｃに投入される。

ここで、加熱空間１０内へマイクロ波を放射するマイクロ波放射手段７ａ、７ｂを、被加熱物２０の収納位置を規定した領域の中央に対向する面内に対象配置したことにより、それぞれマイクロ波放射手段７ａ、７からみた見た加熱空間内の負荷条件（例えば、被加熱物２０の物理距離等）を略対象と見なすことができる。したがって、進行波と逆向きに、加熱空間から各々のマイクロ波放射手段７ａ、７ｂを介して出力される反射波の電力（Ｐｒ２，Ｐｒ３）は互いに略均しく、且つ、相互の位相差（９０°）が保持される。この２系統の反射波が遅延手段６ａ、６ｂを各々通過した後、分岐手段５の端子ｂ、および端子ｃに伝播される。

分岐手段５に於いて、端子ｂに再入射した反射波は端子ａと端子ｄに分配されるとともに、端子ｃに再入射した反射も同様に端子ａと端子ｄに分配される。この時、伝送路４と接続された端子ａでは、端子ｂと端子ｃから入力した反射波が分岐手段５内において逆相で合成され、結果として端子ａからの出力は十分抑圧される。一方、端子ｄでは、端子ｂと端子ｃから入力した反射波が分岐手段５内において同相で合成されることから、加熱空間１０からの反射電力の殆どが端子ｄに出力される。

上述の動作により、マイクロ波発生手段１に向かう逆方向の反射波が抑圧できるため、マイクロ波発生手段１の安定動作および破壊保護を実現することができる。

なお、本実施例では遅延手段６ａ，６ｂを等長としているが、加熱空間からの２系統の反射波間の位相差が、固定的に９０°からずれている場合には、予め、遅延手段６ａ、６ｂにより、位相差が９０°近傍となるよう調整しても構わない。

また、マイクロ波放射手段７ａ、７ｂ間の物理的な距離が十分に確保できない等の制約により、マイクロ波放射手段７ａ、７ｂ間で十分なアイソレーションが得られない場合、はしご型ハイブリッドの外側に加熱空間内を含む干渉ループが新たに形成され、分岐手段５での分岐性能に影響を及ぼすことが懸念される。本実施例では、二つのパッチアンテナの偏波面が、互いに直交関係となるよう、給電点の位置を定めていることにより、マイクロ波放射手段７ａ、７ｂ間のアイソレーションを高く保つことができるため、良好な反射分離特性が期待できる。

次に以上の構成からなる本発明の加熱装置の動作と作用について説明する。

制御手段９は、操作部（図示せず）から入力される被加熱物の加熱条件および加熱開始指令を受け取ることで、マイクロ波発生手段１の動作を開始させる。

分岐手段５の端子ｄに配設された電力検出手段８は、加熱空間１０からの反射波を合成
したマイクロ波反射電力を検出する。制御手段９は、被加熱物の本加熱前にマイクロ波発生手段１の出力周波数を規定した帯域に亘って周波数掃引させ、各周波数におけるマイクロ波反射電力に相当する信号を電力検出手段８より取り込む。そして、マイクロ波反射電力が最小を呈する周波数を抽出し、その周波数を加熱周波数としてマイクロ波発生手段１に設定し、入力された加熱条件に該当するマイクロ波出力で被加熱物２０の本加熱を開始させる。そして、所定の加熱条件を満たすようにマイクロ波出力を制御し、所望の条件（温度、加熱時間など）が満たされることによりマイクロ波発生手段１の動作を停止して加熱を終了する。

上述の動作により、加熱開始初期に規定の帯域で周波数を掃引させて得られるマイクロ波反射電力が最小の周波数を加熱時の動作周波数に選定し加熱を継続することで、マイクロ波発生手段の発生電力を最も効率よく被加熱物に供給させることができる。この機能により、発生電力を小さくしたマイクロ波発生手段が利用でき、加熱装置全体のコンパクト化構成を促進できる。

（実施の形態２）
図４は、本発明の実施の形態１における冷蔵庫の縦断面図である。

図４に示すように、１００は冷蔵庫本体の断熱箱体を示しており、主に鋼板を用いた外箱と、ＡＢＳなどの樹脂で成形された内箱と、外箱と内箱の空間に断熱材が設けられた構造により、周囲と断熱となっている。冷蔵庫１００は、複数の室に断熱区画されており、最上部に冷蔵室１０１、冷蔵室１０１の下部に貯蔵室１０２、野菜室１０３、そして最下部に冷凍室１０４が配置され、各室の前面には外気と区画するため、冷蔵庫本体の前面開口部に各々、扉が構成されている。

冷蔵庫１００は、圧縮機１０５と凝縮器（図示せず）と減圧器（図示せず）と蒸発器（図示せず）とを備えて一連の冷媒流路を形成した冷凍サイクルである冷却手段を備えており、この冷却手段の動作により低温冷気が生成される。冷却手段の動作時に、送風手段（図示せず）、通風窓であるダンパからなる冷気送風手段を連動させ、該低温冷気を庫内の各室内を循環することにより、各室の冷却を行う。この冷却手段と冷気送風手段の運転状態を、外気温度や庫内温度等の種々の検知結果に応じて制御することにより、庫内を適温に保冷する。

冷蔵庫１００の背面には、マイクロ波発生手段１およびマイクロ波発生手段１の動作を制御する制御手段９が配設されている。

また、貯蔵室１０２内には、供給されるマイクロ波を閉じ込める金属材料で構成した加熱空間１０が配設されており、加熱空間１０内にマイクロ波を放射するマイクロ波放射手段７ａ、７ｂが設けられている。また、貯蔵室１０２の上壁面内で加熱空間の近傍に、分岐手段５、および、遅延手段６ａ、６ｂが埋設されており、分岐手段５とマイクロ波発生手段１を接続する伝送路４が冷蔵庫の断熱性能に影響を及ぼさないように庫内の壁内に埋設されている。

以上の構成により、冷蔵庫外にマイクロ波発生手段を配置することにより、不要熱源であるマイクロ波発生手段や該放熱部品の近傍に配置される食材への温度影響により、食材の品質が著しく損なわれることを回避することができ、冷蔵庫本体による冷却性能と、加熱装置による加熱性能を共に備え、適温保冷中にある収容物を誘電加熱する冷蔵庫を実現することができる。

以上のように、本発明にかかる加熱装置によれば、加熱空間とマイクロ波発生手段の接続距離が長延化したシステムを、アイソレータをレス化した構成で実現することができる為、誘電加熱を利用した業務用の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 マイクロ波発生手段
２ マイクロ波発振器
３ 増幅器
４ 伝送路
５ 分岐手段
６ａ、６ｂ 遅延手段
７ａ、７ｂ マイクロ波放射手段
８ 電力検出手段
９ 制御手段
１０ 加熱空間
１１ 収納容器
２０ 被加熱物
１００ 冷蔵庫
１０１ 冷蔵室
１０２ 貯蔵室
１０３ 野菜室
１０４ 冷凍室
１０５ 圧縮機

Claims (7)

1. 被加熱物が収納される加熱空間と、
   マイクロ波を供給するマイクロ波発生手段と、
   マイクロ波発生手段の出力を伝播する伝送路と、
   前記伝送路の出力を２分岐する分岐手段と、
   前記分岐手段の一方の分岐出力を遅延する第１の遅延手段を介して、前記加熱空間内へマイクロ波を放射する第１のマイクロ波放射手段と、
   他方の分岐出力を遅延する第２の遅延手段を介して、前記加熱空間内へマイクロ波を放射する第２のマイクロ波放射手段とを備えることを特徴とする加熱装置。
2. 分岐手段を、はしご型ハイブリッドで構成することを特徴とした請求項１に記載の加熱装置。
3. 第１および第２のマイクロ波放射手段は、加熱空間内に於いて被加熱物の収納位置を規定した領域に対向する面内で対称に配置するとした請求項１、２に記載の加熱装置。
4. 加熱空間から反射される反射電力の一部を検出する電力検出手段を備え、前記電力検出手段の検出結果に基づいてマイクロ波発生手段の動作周波数を制御する制御手段を有する請求項３に記載の加熱装置。
5. 第１および第２のマイクロ波放射手段を、各々パッチアンテナ構成とした請求項３に記載の加熱装置。
6. 第１および第２のパッチアンテナの偏波面が直交関係にあることを特徴とする請求項５に記載の加熱装置。
7. 加熱空間を冷却する冷却手段を有し、請求項１から６のいずれか一項に記載の加熱装置を備えたことを特徴とする冷蔵庫。