JP2017037817A - マイクロ波加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小型のマイクロ波加熱装置を提供する。
【解決手段】被加熱体に近接して設置されたスロットアンテナと、前記スロットアンテナにマイクロ波を供給するマイクロ波発生源と、を有し、前記スロットアンテナは、誘電体層の一方の面には開口部を有する接地電極層が形成されており、他方の面には伝送線路が形成されており、前記マイクロ波は、マイクロ波発生源から前記伝送線路に供給されるものであって、前記マイクロ波は、前記被加熱体が加熱される周波数のマイクロ波であることを特徴とするマイクロ波加熱装置により上記課題を解決する。
【選択図】 図５

Description

本発明は、マイクロ波加熱装置に関するものである。

電子レンジ等の電磁波としてマイクロ波を用いたマイクロ波加熱装置では、マイクロ波加熱装置の加熱室に被加熱体を置き、加熱室内にマイクロ波を放射することにより、マイクロ波を被加熱体が吸収し加熱される。加熱される被加熱体には水が含まれており、被加熱体に照射されるマイクロ波は水の吸収波長帯の電磁波であるため、このようなマイクロ波を照射することにより被加熱体が加熱される。電子レンジ等のマイクロ波を用いたマイクロ波加熱装置においては、加熱室内に放射されたマイクロ波は、加熱室内において反射を繰り返しながら、被加熱体に吸収されて、被加熱体が加熱される。

特開平１０−１７２７５０号公報 特開２００４−２１３９７６号公報

上述した電子レンジ等のマイクロ波加熱装置は、加熱室内に置かれている被加熱体に、マイクロ波を放射し加熱するものであるため、加熱室内に様々な大きさの被加熱体を入れることができるように、比較的大きく作られている。従って、マイクロ波加熱装置は、比較的大型なものとなる。

このため、被加熱体を加熱することが可能の小型のマイクロ波加熱装置が求められている。

本実施の形態の一観点によれば、被加熱体に近接して設置されたスロットアンテナと、前記スロットアンテナにマイクロ波を供給するマイクロ波発生源と、を有し、前記スロットアンテナは、誘電体層の一方の面には開口部を有する接地電極層が形成されており、他方の面には伝送線路が形成されており、前記マイクロ波は、マイクロ波発生源から前記伝送線路に供給されるものであって、前記マイクロ波は、前記被加熱体が加熱される周波数のマイクロ波であることを特徴とする。

開示のマイクロ波加熱装置によれば、マイクロ波加熱装置を小型化することができる。

開口部が１つのスロットアンテナの構造図 開口部が３つ形成されているスロットアンテナ及び接地電極層に開口部が形成されていない構造のものの構造図 スロットアンテナの反射特性図（１） スロットアンテナの反射特性図（２） 第１の実施の形態におけるマイクロ波加熱装置の構造図 開口部が３つのスロットアンテナの構造図 スロットアンテナの反射特性図（３） 第２の実施の形態におけるマイクロ波加熱装置の構造図

実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。

〔第１の実施の形態〕
本実施の形態におけるマイクロ波加熱装置について図１に基づき説明する。本実施の形態におけるマイクロ波加熱装置は、加熱室を有しておらず、小型化可能なものである。尚、図１（ａ）は、本実施の形態におけるマイクロ波加熱装置を形成するスロットアンテナの斜視図であり、図１（ｂ）は、底面図である。

本実施の形態におけるマイクロ波加熱装置は、図１に示されるような、スロットアンテナ１０を有している。このスロットアンテナ１０は、誘電体層２０の一方の面に接地電極層３０が形成されており、他方の面に伝送線路４０が形成されている。

誘電体層２０は、ポリイミドやＰＥＴ（Polyethyleneterephthalate）等の絶縁性を有するフレキシブルで柔軟性のある樹脂材料により形成されている。本実施の形態においては、誘電体層２０は、厚さｔａが５００μｍ、幅Ｗａが約３ｍｍのポリイミド（ε＝３．４）により形成されている。

接地電極層３０は、誘電体層２０の一方の面に、開口部３１を有する金属膜等により形成されており、接地電位に接続されている。本実施の形態においては、接地電極層３０は、全体が厚さｔｂが２００μｍのＣｕ膜により形成されており、中央には長方形の開口部３１が形成されている。また、接地電極層３０の開口部３１は、Ｘ軸方向における幅Ｗｂが５００μｍ、Ｙ軸方向における長さＬｂが６．８ｍｍとなるように形成されており、開口部３１の長手方向がＹ軸方向となっている。

電子レンジ等のマイクロ波加熱装置では、周波数が２．４５ＧＨｚのマイクロ波が用いられており、このマイクロ波の空気中における波長は約１２２．５ｍｍである。水中の比誘電率を約８０とすると、このマイクロ波の水中における波長λ_ｗは約１３．７ｍｍとなる。開口部３１におけるＹ軸方向における長さＬｂは、この水中における波長λ_ｗの約半分、即ち、λ_ｗ／２程度であることが好ましい。また、開口部３１におけるＸ軸方向における幅Ｗｂは、開口部３１の長さＬｂの１／１０程度、若しくは、それ以下で形成されていることが好ましい。

尚、本実施の形態において使用されるマイクロ波の周波数は、２．４ＧＨｚ以上、２．５ＧＨｚ以下である。この範囲の周波数は、電子レンジや工業用マイクロ波加熱装置に用いられるＩＭＳ（Industry-Science-Medical）バンドである。このような周波数のマイクロ波を被加熱体に照射することにより、被加熱体に含まれる水を加熱することができる。

伝送線路４０は、誘電体層２０の他方の面に、Ｃｕ等の金属材料により形成されている。本実施の形態においては、誘電体層２０の他方の面に形成されている伝送線路４０は、厚さｔｃが３．５μｍ、幅Ｗｃが１１４０μｍであり、開口部３１の長手方向と直交する方向となるＸ軸方向に沿って形成されている。尚、伝送線路４０は、他方の面において、開口部３１に対応する領域を横切るように形成されており、図１（ｂ）に示す場合では、伝送線路４０は、開口部３１に対応する領域の中央部分を横切るように形成されている。

次に、本実施の形態におけるマイクロ波加熱装置に用いられるスロットアンテナについて電磁界解析を行った結果について説明する。具体的には、図２（ａ）に示される開口部３１が３つ設けられているスロットアンテナ、図１（ｂ）に示される開口部３１が１つ設けられているスロットアンテナについて電磁界解析を行った。尚、図２（ａ）に示されるスロットアンテナは、開口部３１と開口部３１の間隔Ｗｋは５００μｍとなるように形成されている。また、比較のため、図２（ｂ）に示すように開口部が設けられておらず、全面に接地電極層９３０が形成されているものについても電磁界解析を行った。この電磁界解析においては、接地電極層に水が接しているモデルを用い、伝送線路４０の一方から信号を供給し、他方を解放（Open）にした状態で行った。

図３は、周波数を変化させた場合の反射Ｓ１１の特性を示す。反射Ｓ１１は、アンテナ等に供給されたマイクロ波が、アンテナ等において反射されたエネルギーを示している。特性３Ａは、図２（ａ）に示される開口部３１が３つ設けられているスロットアンテナの特性を示し、特性３Ｂは、図１（ｂ）に示される開口部３１が１つ設けられているスロットアンテナ１０の特性を示す。特性３Ｃは、図２（ｂ）に示される開口部が設けられておらず、全面に接地電極層９３０が形成されているものの特性を示す。尚、反射Ｓ１１が高いと、アンテナ等において反射されるマイクロ波が高く、アンテナ等から放射されるマイクロ波は少ない。また、反射Ｓ１１が低いと、アンテナ等において反射されるマイクロ波が少なく、アンテナ等から放射されるマイクロ波は多い。

図３において、特性３Ａに示される図２（ａ）の開口部３１が３つ設けられているスロットアンテナでは、約４．３ＧＨｚにおいてマイクロ波の反射Ｓ１１が低くなり、ボトムが−１５ｄＢ以下となり、この分のマイクロ波が放射される。

また、特性３Ｂに示される図１（ｂ）の開口部３１が１つ設けられているスロットアンテナ１０では、約３．５ＧＨｚにおいてマイクロ波の反射Ｓ１１が低くなり、ボトムが−１０ｄＢ以下となり、この分のマイクロ波が放射される。

これに対し、特性３Ｃに示される図２（ｂ）の開口部が形成されておらず全面に接地電極層９３０が形成されているものでは、マイクロ波の反射は０〜−３ｄＢであり、入力エネルギの半分以上が反射される。このため、この場合におけるマイクロ波の放射は、特性３Ａ及び３Ｂと比べて極めて低い。

尚、特性３Ａ及び特性３Ｂに示されるように、スロットアンテナにおける開口部３１の数によりボトムとなる周波数を変えることができる。よって、開口部３１の数や、開口部３１における幅Ｗｂ等を調整することにより、ボトムとなる周波数を２．４５ＧＨｚにすることが可能であり、これにより、被加熱体に含まれる水を効率よく加熱することができる。

次に、図４は、図２（ａ）に示される開口部３１が３つ設けられているスロットアンテナの接地電極層３０の側に、水が存在している場合と、水が存在していない場合（空気が存在している場合）とにおける反射Ｓ１１の特性を示す。特性３Ａは、接地電極層３０の側に、水が存在している場合の特性を示し、特性４Ａは、接地電極層３０の側に、水が存在していない場合の特性（空気が存在している場合の特性）を示す。

図４において、特性３Ａに示される接地電極層３０の側に水が存在している場合には、特性４Ａに示される水が存在していない場合よりも反射Ｓ１１が低い。従って、図２（ａ）に示される開口部３１が３つ設けられているスロットアンテナでは、接地電極層３０が設けられている側に、水が存在していると、マイクロ波は放射されるが、水が存在していないと、マイクロ波は反射されるため放射されない。このように、本実施の形態においては、被加熱体に含まれている水を選択的に、加熱することができる。

次に、本実施の形態におけるマイクロ波加熱装置について説明する。本実施の形態におけるマイクロ波加熱装置は、図１や図２（ａ）に示されるスロットアンテナを複数有しており、被加熱体に巻き付けて使用する。被加熱体としては、例えば、ペットボトルに入っている水や飲み物等が挙げられ、具体的には、図５に示されるように、円筒形の容器１０１に被加熱体１００として水が入れられているものが挙げられる。

本実施の形態におけるマイクロ波加熱装置は、スロットアンテナ１０ａ、１０ｂ、１０ｃとマイクロ波発生源５０とを有している。スロットアンテナ１０ａ、１０ｂ、１０ｃの各々には、図１や図２（ａ）に示されるように、複数の開口部３１が形成されている接地電極層３０と、伝送線路４０が設けられており、各々の伝送線路４０と接地電極層３０は、マイクロ波発生源５０に接続されている。尚、マイクロ波発生源５０は、マイクロ波を発生させるためのマグネトロンやＧａＮ等の半導体材料により形成された高周波半導体素子を備えている。

本実施の形態におけるマイクロ波加熱装置は、スロットアンテナ１０ａ、１０ｂ、１０ｃが、円筒形の容器１０１の周囲において、円筒形の容器１０１の円周方向に伝送線路４０が沿うように巻かれている。具体的には、円筒形の容器１０１の下側から上側に向かって、円筒形の容器１０１の円周方向に沿って、スロットアンテナ１０ａ、スロットアンテナ１０ｂ、スロットアンテナ１０ｃの順に巻かれている。スロットアンテナ１０ａ、１０ｂ、１０ｃは、各々の接地電極層３０が、円筒形の容器１０１の側となっており、円筒形の容器１０１に接している。本実施の形態におけるマイクロ波加熱装置は、このような状態で、被加熱体に設置される。

図５に示される状態では、円筒形の容器１０１には、被加熱体１００となる水が、スロットアンテナ１０ａ、スロットアンテナ１０ｂが位置している部分までは入れられているが、スロットアンテナ１０ｃが位置している部分には存在していない。従って、円筒形の容器１０１の被加熱体１００となる水が存在している領域に巻かれているスロットアンテナ１０ａ、１０ｂからは、マイクロ波発生源５０より供給されたマイクロ波が放射され、被加熱体１００となる水が加熱される。一方、円筒形の容器１０１の被加熱体１００となる水が存在していない領域に巻かれているスロットアンテナ１０ｃでは、マイクロ波が反射されるため、マイクロ波が放射されることはない。これにより、スロットアンテナ１０ａ、１０ｂにより、円筒形の容器１０１内に存在している被加熱体１００となる水を選択的に加熱することができる。

次に、スロットアンテナの接地電極層３０に形成される開口部３１の間隔と反射Ｓ１１との関係について説明する。具体的には、図２（ａ）に示される開口部３１の間隔Ｗｋが５００μｍの場合と、図６に示される開口部３１の間隔Ｗｋが５ｍｍの場合について、周波数と反射Ｓ１１との関係を図７に示す。図７において、特性７Ａは、図６に示される間隔Ｗｋが５ｍｍで開口部３１が３つ設けられているスロットアンテナの特性を示し、比較のため特性３Ａ及び３Ｃも併せて示す。

図７において、特性７Ａに示されるように、開口部３１の間隔Ｗｋを５ｍｍにすることにより、マイクロ波は、約４．３ＧＨｚにおいて反射Ｓ１１が低くなり、ボトムが−２０ｄＢ以下となる。この値は、特性３Ａに示される間隔Ｗｋが５００μｍで開口部３１が３つ設けられているスロットアンテナの反射Ｓ１１よりも低い値である。

〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態について説明する。本実施の形態におけるマイクロ波加熱装置は、図８に示されるように、スロットアンテナが伝送線路４０が円筒形の容器１０１の母線方向に沿うように設置されている。具体的には、被加熱体１００である水が入れられている円筒形の容器１０１の周囲に、円筒形の容器１０１の母線方向に伝送線路４０が沿うように、スロットアンテナ１０ｄ、１０ｅ、１０ｆ等が設置されている。尚、スロットアンテナ１０ｄ、１０ｅ、１０ｆは、接地電極層３０が形成されている面が、円筒形の容器１０１と接するように設置されている。スロットアンテナ１０ｄ、１０ｅ、１０ｆにおける伝送線路４０及び接地電極層３０は、マイクロ波発生源５０と各々配線により接続されている。

被加熱体１００となる水は、円筒形の容器１０１の途中まで入れられている。スロットアンテナ１０ｄ、１０ｅ、１０ｆからは、被加熱体１００となる水が入れられている領域においては、マイクロ波は放射されるが、被加熱体１００となる水が入れられていない領域においては、マイクロ波は反射され放射されない。よって、本実施の形態におけるマイクロ波加熱装置は、被加熱体１００の周囲に巻かれているマイクロ波加熱装置より放射されたマイクロ波を吸収することにより加熱される。

尚、上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。

以上、実施の形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。

上記の説明に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
被加熱体に近接して設置されたスロットアンテナと、
前記スロットアンテナにマイクロ波を供給するマイクロ波発生源と、
を有し、
前記スロットアンテナは、誘電体層の一方の面には開口部を有する接地電極層が形成されており、他方の面には伝送線路が形成されており、
前記マイクロ波は、マイクロ波発生源から前記伝送線路に供給されるものであって、
前記マイクロ波は、前記被加熱体が加熱される周波数のマイクロ波であることを特徴とするマイクロ波加熱装置。
（付記２）
前記スロットアンテナを複数有しており、
各々の前記スロットアンテナは、前記被加熱体に接して巻かれていることを特徴とする付記１に記載のマイクロ波加熱装置。
（付記３）
前記誘電体層は、絶縁性を有する樹脂材料により形成されていることを特徴とする付記１または２に記載のマイクロ波加熱装置。
（付記４）
前記接地電極層に設けられている開口部は複数であることを特徴とする付記１から３のいずれかに記載のマイクロ波加熱装置。
（付記５）
前記マイクロ波の周波数は、２．４ＧＨｚ以上、２．５ＧＨｚ以下であることを特徴とする付記１から４のいずれかに記載のマイクロ波加熱装置。
（付記６）
前記被加熱体は、円柱状または円筒形の容器に入れられているものであって、
前記スロットアンテナは、前記伝送線路が前記被加熱体または円筒形の前記容器の円周方向または母線方向に沿うように巻かれていることを特徴とする付記１から５のいずれかに記載のマイクロ波加熱装置。

１０ スロットアンテナ
２０ 誘電体層
３０ 接地電極層
３１ 開口部
４０ 伝送線路
５０ マイクロ波発生源
１００ 被加熱体
１０１ 容器

Claims (5)

1. 被加熱体に近接して設置されたスロットアンテナと、
   前記スロットアンテナにマイクロ波を供給するマイクロ波発生源と、
   を有し、
   前記スロットアンテナは、誘電体層の一方の面には開口部を有する接地電極層が形成されており、他方の面には伝送線路が形成されており、
   前記マイクロ波は、マイクロ波発生源から前記伝送線路に供給されるものであって、
   前記マイクロ波は、前記被加熱体が加熱される周波数のマイクロ波であることを特徴とするマイクロ波加熱装置。
2. 前記接地電極層に設けられている開口部は複数であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波加熱装置。
3. 前記誘電体層は、絶縁性を有する樹脂材料により形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロ波加熱装置。
4. 前記スロットアンテナを複数有しており、
   各々の前記スロットアンテナは、前記被加熱体に接して巻かれていることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のマイクロ波加熱装置。
5. 前記マイクロ波の周波数は、２．４ＧＨｚ以上、２．５ＧＨｚ以下であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載のマイクロ波加熱装置。

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