JP2013254609A - 進行波型加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】商用電子レンジでは、対象となる被加熱物が多岐に及ぶとともに、その形状・種類・量に依存して、加熱の分布（ムラ）が形成される為、ターンテーブル、回転輻射アンテナを用いても、十分な仕上がり品質が得られないという課題があった。
【解決手段】送電手段２から受電手段３に伝播する電磁波を処理手段４で消費することにより、作用空間２０内での定在波モードの形成を抑制するので、作用空間２０内の進行波の加熱領域において被加熱物３０の所定部位を加熱できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、被加熱物を収容する作用空間にマイクロ波を供給して被加熱物を加熱処理するマイクロ波加熱装置に関する。

電子レンジに代表されるマイクロ波加熱装置では、被加熱物を収容する筐体内にマイクロ波を供給し、筐体内に生じる電界により被加熱物を誘電加熱する。この種の加熱装置の筐体内部は、一般にマイクロ波帯に於いて閉空間であることから、加熱動作時は、供給したマイクロ波の進行波成分と、筐体内に閉じ込められ、筐体内の内壁や被加熱物等で多重に反射した反射波成分との重ね合わせにより形成される定在波モードにより、筐体内部に電界の強弱スポットが発生することが知られている。この電界の強弱スポットにより、被加熱物には “局所的に過加熱となる領域”や“加熱されない領域”が生じる。このような被加熱物に生じる加熱のムラは、商用電子レンジでは、食品の仕上がり品質の低下に直結する為、重要な課題となる。この為、通常、被加熱物を均一に加熱するための工夫として、被加熱物を回転移動させる手法や、回転輻射アンテナを用いる手法が広く採用されている（例えば、特許文献１参照）。

特開平５−０５４９６５号公報

しかしながら、商用電子レンジでは、対象となる被加熱物が多岐に及ぶとともに、その形状・種類・量により電界の強弱スポットが変化するため、従来の工夫のみでは、依然として、十分な仕上がり品質が得られないという課題があった。

また、加熱ムラを解消する方法として、被加熱物の加熱状況に応じ、被加熱物の加熱部位を個別に制御することが期待されるが、電界の強弱スポットの発生位置を外部から制御することが難しく、被加熱物が多様である商用電子レンジでの実現は困難であった。

本発明は、上述した従来の課題を解決するもので、被加熱物の所定部位の加熱制御を可能にし、食品の仕上がり品質を向上する進行波型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、本発明の進行波型加熱装置は、作用空間内に収容される被加熱物を加熱する加熱装置であって、電磁波を生成する電磁波生成手段と、電磁波を作用空間に送電する送電手段と、送電手段に対応付けられ、送電手段から送電された電磁波を作用空間を介して選択的に受電する受電手段と、電磁波を消費する処理手段とを備え、電磁波生成手段の出力を送電手段に導くと共に、受電手段の出力を処理手段に導くものである。

これによって、送電手段から受電手段に伝播する電磁波を処理手段で消費することにより、作用空間内での定在波モードの形成を抑制するので、作用空間内の進行波の加熱領域において被加熱物の所定部位を加熱することができる。

本発明の進行波型加熱装置によれば、作用空間内の進行波の加熱領域において、被加熱物の所定部位を加熱するものであり、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物の所定部位を加熱できる新規な加熱装置を提供することができる。

本発明の実施の形態１における進行波型加熱装置の機能ブロック図 本発明の実施の形態１における進行波型加熱装置の動作説明図 本発明の実施の形態２における進行波型加熱装置の機能ブロック図 本発明の実施の形態２における進行波型加熱装置の動作説明図 本発明の実施の形態３における進行波型加熱装置の機能ブロック図 本発明の実施の形態３における進行波型加熱装置の動作説明図

第１の発明は、作用空間内に収容される被加熱物を加熱する加熱装置であって、電磁波を生成する電磁波生成手段と、電磁波を作用空間に送電する送電手段と、送電手段に対応付けられ、送電手段から送電された電磁波を作用空間を介して選択的に受電する受電手段と、電磁波を消費する処理手段とを備え、電磁波生成手段の出力を送電手段に導くとともに、受電手段の出力を処理手段に導くものである。

これによって、送電手段から受電手段に伝播する電磁波を処理手段で消費することにより、加熱ムラの要因である作用空間内での定在波モードの形成を抑制するので、作用空間内の進行波の加熱領域において被加熱物の所定部位を加熱することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、送電手段および受電手段を各々複数備え、電磁波生成手段の出力を複数の送電手段の一つに導くとともに、複数の受電手段の一つの出力を処理手段に導き、且つ、複数の受電手段の残りの出力を複数の送電手段に導くものである。

これによって、受電手段を介して作用空間から取り出された電磁波を、送電手段から作用空間内に再供給（送電）することにより、電磁波を被加熱物の加熱に再利用するので、被加熱物を効率良く加熱できる。

第３の発明は、特に、第２の発明において、前記複数の送電手段により前記作用空間に送電される電磁波が、互いに直交関係にあるものである。

これによって、作用空間を伝播する電磁波間の干渉を抑圧し、夫々の進行波の加熱領域で、被加熱物の複数部位を加熱することができる。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明において、前記送電手段および前記受電手段は、夫々、平行する面内に対向して配置されるとともに、前記送電手段は、平面の鉛直方向に電磁波を送電するものである。

これによって、送電手段に対向する受電手段に電磁波の進行波成分を効率的に送電することができるので、進行波の加熱領域において、被加熱物の所定部位を効率良く加熱できる。

第５の発明は、特に、第１〜４のいずれか１つの発明において、前記送電手段と前記受電手段の間の空間距離が、使用する電磁波の１／２波長以下とするものである。

これによって、送電手段と、送電手段に対応付けられた受電手段との間を伝播する電磁
波の進行波成分が、作用空間内に散逸することを抑制できるので、進行波の加熱領域において、被加熱物の所定部位を効率良く加熱できる。

第６の発明は、特に、第１〜５のいずれか１つの発明において、前記送電手段から前記受電手段に向けて伝播する電磁波を遮る位置に被加熱部を配置し、前記送電手段と前記被加熱物の間の空間距離と、前記受電手段と前記被加熱物の間の空間距離が略等しいものである。

これによって、送電手段と、送電手段に対応付けられた受電手段との間を伝播する電磁波の進行波成分が、作用空間内に散逸することを抑制できるので、進行波の加熱領域において、被加熱物の所定部位を効率良く加熱できる。

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、本発明の第１の実施の形態における進行波型加熱装置の機能ブロック図である。図２は、同実施の形態における進行波型加熱装置の動作説明図である。

図１および図２において、進行波型加熱装置は、被加熱物３０を収容する作用空間２０、発振器１ａおよび発振器１ａの出力を増幅する増幅器１ｂで構成される電磁波生成手段１、電磁波生成手段１に接続され電磁波を作用空間２０に送電する送電手段２、作用空間２０から電磁波を受電する受電手段３、および、受電手段３から出力される電磁波を消費する処理手段４で構成されている。

図２に示す様に、作用空間２０内には、被加熱物３０および被加熱物３０を載置するトレイ２１が収容されており、被加熱物３０は、トレイ２１上で、送電手段２と受電手段３の略中間となる位置に配置されている。

送電手段２および受電手段３は、夫々、平行する面内に対向して配置されており、例えば、図２に示す様に、被加熱物３０を挟んで、作用空間２０の上壁面側および下壁面側に配設されている。

この送電手段２および受電手段３は、空気層を利用したいわゆるパッチアンテナ構成であり、送電手段２は、パッチアンテナの放射面に対し鉛直方向（図２において、上壁面から下壁面に向けた方向）に電磁波を送出する。また、通常、アンテナの送電性能と受電性能は可逆であることから、受電手段３は、パッチアンテナの放射面に対し鉛直方向（図２において、上壁面から下壁面に向けた方向）から入射する電磁波を選択的に受電する。この種のアンテナは基本設計が容易であるとともに、誘電体基板上に形成したストリップライン（基板パターン）で低コストに実現できる。

なお、送電手段２により送出される電磁波１０は、パッチアンテナの持つ指向性により有限の拡がりを持ったビームとなる為、対向して配置される受電手段３との空間距離を無制限に選んだ場合には、送電手段２から送出される電磁波１０の一部は、受電手段３で十分受電されず、作用空間２０内に散逸されてしまう。この為、実施の形態１では、送電手段２と受電手段３の空間距離を制限し、該距離を使用する電磁波の１／２波長以下に選び、送電手段２から送出される電磁波１０を、受電手段３に効率良く導くものとしている。

なお、実施の形態１では、送電手段２および受電手段３の夫々をパッチアンテナ構成としたが、送電手段２から送出された電磁波１０を受電手段３に効率良く導くために、例え
ば、送電手段および受電手段の夫々を、ホーンアンテナ等の指向性の高いアンテナとし、双方の開口面を対向して配置する構成としてもかまわない。

以上のように構成された進行波型加熱装置について、以下その動作、作用を説明する。

電磁波生成手段１では、発振器１ａで発生した電磁波を増幅器１ｂで電力増幅し、被加熱物３０を加熱するために必要な所定電力の電磁波を生成する。送電手段２では、電磁波生成手段１で生成した電磁波を作用空間２０に向けて送出する。作用空間２０に送出された電磁波１０は、作用空間２０内に収容された被加熱物３０に入射し、被加熱物３０内を伝播する。この際、電磁波１０が伝播する被加熱物３０内部の領域３１では、電磁波１０の一部が被加熱物３０に吸収され熱に変換される。被加熱物３０を伝播した電磁波は、受電手段３で受電された後、処理手段４で消費され熱に変換される。

ここで、処理手段４は、受電手段３の出力インピーダンスと等しいインピーダンス特性を有する負荷であり、受電手段３の出力に当該負荷を接続することにより、受電手段３から該負荷に入射する電磁波は、該負荷において無反射で消費（吸収）される。この処理手段４は、例えば、マイクロ波帯での受電手段の出力インピーダンスが５０Ωの場合、５０Ωの抵抗負荷で構成できる。

従って、送電手段２から受電手段３に伝播する電磁波を処理手段４で消費し、処理手段４で生じる反射波を抑制することにより、受電手段３を介して作用空間２０内を逆方向に伝播する電磁波を抑制できるので、作用空間内での定在波モードの形成を回避することができる。この動作により、作用空間２０内の電磁波１０の進行波成分が伝播する領域３１で、被加熱物３０の所定部位を選択的に加熱することができる。

以上説明した様に、本実施の形態１の進行波型加熱装置によれば、電磁波の進行波成分により被加熱物の所定部位を加熱制御できるので、食品の仕上がり品質を向上した新規な加熱装置を提供できる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の第２の実施の形態における進行波型加熱装置の機能ブロック図である。図４は、同実施の形態における進行波型加熱装置の動作説明図である。

本実施の形態２では、実施の形態１の進行波型加熱装置において、送電手段を第１の送電手段５と第２の送電手段７で構成するとともに、受電手段を第１の受電手段６と第２の受電手段８で構成する。

図４に示す様に、第１の送電手段５と第１の受電手段６は、夫々、平行する面内に対向して配置されるとともに、第２の送電手段７と第２の受電手段８は、夫々、平行する面内に対向して配置される。また、第１の送電手段５と第２の送電手段７は、夫々、直交する平面内に配置されている。

以上のように構成された進行波型加熱装置について、以下その動作、作用を説明する。

電磁波生成手段１で生成した電磁波は第１の送電手段５に入力され、作用空間２０に向けて送出される。第１の送電手段５から送出された電磁波１０は作用空間２０内に収容された被加熱物３０に入射し、被加熱物３０内部を伝播する。この際、電磁波１０が伝播する被加熱物３０内部の領域３２では、電磁波１０の一部が被加熱物３０に吸収され熱に変換される。

被加熱物３０を伝播した電磁波は、第１の受電手段６で受電された後、第２の送電手段７に導かれ再び作用空間２０に送出される。第２の送電手段７から送出された電磁波１１は作用空間２０内に収容された被加熱物３０に入射し、被加熱物３０内部を伝播する。

この際、電磁波１１が伝播する被加熱物３０内部の領域３３では、電磁波１１の一部が被加熱物３０に吸収され熱に変換される。この構成により、第１の受電手段６で受電した電磁波を、被加熱物３０の異なる領域の加熱に再利用することが可能となるので、エネルギーを有効利用することができる。

このとき、作用空間２０内には、第１の送電手段５および第２の送電手段７から送電された電磁波１０および電磁波１１が共存している。ここで、電磁波１０および電磁波１１の伝播方向が作用空間２０内で空間的に直交する関係にあるため、第１の送電手段５から送電される電磁波１０は、第１の送電手段５に対向配置された第１の受電手段６で選択的に受電される。同様にして、第２の送電手段７から送電される電磁波１１は、第２の送電手段７に対向配置された第２の受電手段８で選択的に受電され、その後、処理手段４において消費され熱に変換される。

この動作により、第１の送電手段５、第１の受電手段６、第２の送電手段７、及び第２の受電手段８を経由した電磁波を、最終的に処理手段４で無反射で終端（消費）し、該経路を逆方向に伝播する反射波を抑制するので、作用空間２０内の定在波モードの形成を回避することができる。

これにより、作用空間２０内では、第１の送電手段５から第１の受電手段６に向かう電磁波１０の進行波成分と、第２の送電手段７から第２の受電手段８に向かう電磁波１１の進行波成分が夫々伝播する領域で、被加熱物３０を選択的に加熱することができる。

以上説明した様に、本実施の形態２の進行波型加熱装置によれば、複数の電磁波の進行波成分により被加熱物の複数部位を選択的に加熱できるので、食品の仕上がり品質を向上した新規な加熱装置を提供できる。さらに、加熱に用いた電磁波を再利用するので、被加熱物を効率よく加熱できる新規な加熱装置を提供できる。

なお、本実施の形態２では、送電手段を第１の送電手段と第２の送電手段で構成し、受電手段を第１の受電手段と第２の受電手段で構成した場合を示したが、送電手段および受電手段の数量はこれに限定されるものではなく、対象とする被加熱物の大きさや作用空間の範囲に応じ、適宜、最適な数量で構成することができる。

なお、本実施の形態２では、作用空間内に送出された複数の電磁波を、電磁波の伝播経路の空間的な直交性により分離しているが、特にこれに拘るものではなく、電磁波の偏波面の直交性を利用して分離しても構わない。

（実施の形態３）
図５は、本発明の第３の実施の形態における進行波型加熱装置の機能ブロック図である。図６は、同実施の形態における進行波型加熱装置の動作説明図である。

本実施の形態３では、実施の形態１の進行波型加熱装置において、電磁波生成手段１、送電手段２、受電手段３および処理手段４の接続関係を切替える切替え手段９を更に付加した構成となっている。

以下、図５および図６を用いて、その動作、作用を説明する。

図５に示す様に、切替え手段９は、電磁波生成手段１、送電手段２、受電手段３および処理手段４に接続されるとともに、外部からの制御信号に基づいて、同図Ａ側の接点またはＢ側の接点に切り替えるスイッチ９ａ、および、スイッチ９ｂを具備している。

図６（Ａ）は、外部からの制御信号によりスイッチ９ａおよびスイッチ９ｂが接点Ａに接続された際の接続関係を示しており、この場合、電磁波生成手段１から出力された電磁波は、送電手段２により、作用空間２０内に送出され、電磁波１０は作用空間２０内に収容される被加熱物３０内を伝播する。被加熱物３０を伝播した電磁波は、受電手段３により受電され、処理手段４で消費される。

また、図６（Ｂ）は、外部からの制御信号によりスイッチ９ａおよびスイッチ９ｂが接点Ｂに接続された際の接続関係を示しており、この場合、電磁波生成手段１から出力された電磁波は、受電手段３に入力される。

ここで、通常、アンテナの送電性能と受電性能は可逆であることから、受電手段３に入力した電磁波は、受電手段３により作用空間２０に、電磁波１０の伝播方向と対峙する方向に送出される。

この動作により、受電手段３により送出された電磁波は、作用空間２０内を電磁波１０と逆方向に伝播し、作用空間２０内に収容される被加熱物３０内を介して、送電手段２により受電され処理手段４で消費される。

以上の動作により、外部からの制御信号により、作用空間内の電磁波の進行方向を切り替えることができるので、被加熱物の特定部位を両面から加熱制御できる進行波型加熱装置が実現できる。

以上のように、本発明にかかる進行波型加熱装置は、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物の特定部位を選択的に加熱できる為、業務用の加熱装置などの用途に有効である。

１ 電磁波生成手段
１ａ 発振器
１ｂ 増幅器
２ 送電手段
３ 受電手段
４ 処理手段
５ 第１の送電手段
６ 第１の受電手段
７ 第２の送電手段
８ 第２の受電手段
９ 切替え手段
９ａ スイッチ
９ｂ スイッチ
１０ 電磁波
１１ 電磁波
２０ 作用空間
２１ トレイ
３０ 被加熱物
３１ 領域
３２ 領域
３３ 領域

Claims (6)

1. 作用空間内に収容される被加熱物を加熱する加熱装置であって、
   電磁波を生成する電磁波生成手段と、
   電磁波を前記作用空間に送電する送電手段と、
   前記送電手段に対応付けられ、前記送電手段から送電された電磁波を前記作用空間を介して選択的に受電する受電手段と、
   電磁波を消費する処理手段とを備え、
   前記電磁波生成手段の出力を前記送電手段に導くとともに、前記受電手段の出力を前記処理手段に導く進行波型加熱装置。
2. 送電手段および受電手段を各々複数備え、
   前記電磁波生成手段の出力を前記複数の送電手段の一つに導くとともに、前記複数の受電手段の一つの出力を前記処理手段に導き、且つ、前記複数の受電手段の残りの出力を前記複数の送電手段に導く請求項１に記載の進行波型加熱装置。
3. 前記複数の送電手段により前記作用空間に送電される電磁波が、互いに直交関係にある請求項２に記載の進行波型加熱装置。
4. 前記送電手段および前記受電手段は、夫々、平行する面内に対向して配置されるとともに、前記送電手段は、平面の鉛直方向に電磁波を送電する請求項１から３のいずれか１項に記載の進行波型加熱装置。
5. 前記送電手段と前記受電手段の間の空間距離が、使用する電磁波の１／２波長以下である請求項１から４のいずれか１項に記載の進行波型加熱装置。
6. 前記送電手段から前記受電手段に向けて伝播する電磁波を遮る位置に被加熱部を配置し、前記送電手段と前記被加熱物の間の空間距離と、前記受電手段と前記被加熱物の間の空間距離が略等しい請求項１から５のいずれか１項に記載の進行波型加熱装置。