JP4134473B2 - 高周波加熱装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被加熱物を誘電加熱する高周波加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の高周波加熱装置では、被加熱物の加熱むらを防ぐため、加熱室内のマイクロ波を金属製のスターラーで攪拌する方法やターンテーブルを用いて被加熱物を回転させて被加熱物の特定領域が局所加熱されることを抑制する方法が採られている。さらに、加熱室を形成する金属壁面に凹凸を設けて金属壁面でのマイクロ波の反射方向を変化させて被加熱物の加熱むらを解消する方法もある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、マイクロ波を攪拌する方法は、加熱室内にマイクロ波を乱反射することによって被加熱物へのマイクロ波の入射位置を変化させ、被加熱物の加熱の均一化を図っているが、入射位置をまんべんなく分散させることが難しく、また被加熱物の加熱領域を規定することはできない。
【０００４】
また、ターンテーブルを用いた方法は、被加熱物は特定の電界分布の中を周回しながら加熱されるので、被加熱物の加熱領域は同心状に発生するが、加熱室内の電界分布を大きく変化させることができず、加熱領域を規定することができない。
【０００５】
さらに、加熱室内の金属壁面に凹凸を設けた方法は、加熱室内のマイクロ波を金属壁面の凹凸によって乱反射させる効果を有するが、加熱室内のマイクロ波が定常状態になると定在波が生じ、結果的に被加熱物の加熱領域が特定化されるという問題点がある。
【０００６】
さらにまた、仮にマイクロ波を均一に被加熱物に照射したとしても、被加熱物の誘電特性の違いによって発熱傾向は異なるため、加熱むらは生じてしまうので、加熱されにくい箇所にマイクロ波を集中させる等の制御が必要となる。しかし、上記のすべての方法は、加熱室に給電されたマイクロ波を被加熱物上に分散させるものである。したがって、被加熱物の特定領域を選択的に加熱することが困難である。
【０００７】
本発明は、加熱室内を伝搬するマイクロ波の流れを変化させて加熱室内の電界分布を変化させて被加熱物の加熱領域を特定化するとともに、時間的に加熱領域を変化させて加熱むらの解消もできる高周波加熱装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明の高周波加熱装置は、被加熱物を収納する加熱室と、前記加熱室に供給するマイクロ波を発生する高周波発生手段と、前記高周波発生手段から発生したマイクロ波を前記加熱室に給電する前記加熱室の上面あるいは下面に配設した給電手段と、前記給電手段をはさんでこの給電手段を配設した前記加熱室を形成する金属壁面と同一壁面に配設した開孔部と、前記開孔部におけるインピーダンスを可変するインピーダンス可変手段とを備えた高周波加熱装置において、加熱室を形成する金属壁面に配設した開孔部と、前記開孔部におけるインピーダンスを可変するインピーダンス可変手段と、前記開孔部のインピーダンスを変化させて前記金属壁面の高周波電流の流れを制御することで前記高周波発生手段から前記加熱室内に供給されたマイクロ波を加熱室内の特定領域に集中させる制御手段とを備えるものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の高周波加熱装置は請求項１記載のように、被加熱物を収納する加熱室と、前記加熱室に供給するマイクロ波を発生する高周波発生手段と、前記高周波発生手段から発生したマイクロ波を前記加熱室に給電する前記加熱室の上面あるいは下面に配設した給電手段と、前記給電手段をはさんでこの給電手段を配設した前記加熱室を形成する金属壁面と同一壁面に配設した開孔部と、前記開孔部におけるインピーダンスを可変するインピーダンス可変手段とを備えた高周波加熱装置において、加熱室を形成する金属壁面に配設した開孔部と、前記開孔部におけるインピーダンスを可変するインピーダンス可変手段と、前記開孔部のインピーダンスを変化させて前記金属壁面の高周波電流の流れを制御することで前記高周波発生手段から前記加熱室内に供給されたマイクロ波を加熱室内の特定領域に集中させる制御手段とを備えるものである。
【００１０】
そして、制御手段によってマイクロ波を加熱室の特定領域に集中させることにより、被加熱物の特定領域を選択加熱することができ、またインピーダンス可変手段によって金属壁面のインピーダンスを変化させて、金属壁面でのマイクロ波の反射特性を変化させマイクロ波を加熱室の特定の領域に集中制御させることにより、被加熱物の特定領域を選択加熱したり、マイクロ波の集中領域を変化させて被加熱物を均一に加熱することができる。そして、給電手段を加熱室内の上面に配設することによって基本的に被加熱物にマイクロ波をバランスよく照射し、インピーダンス可変手段によってマイクロ波を特定方向に制御することにより、被加熱物の誘電特性の違いによる発熱傾向の違いに対応した加熱制御により被加熱物の加熱むらを解消することができる。また、給電手段を加熱室の下面に配設することによって給電手段から放射されたマイクロ波の被加熱物へ直接照射する割合を大きくすることにより、被加熱物の誘電加熱を促進し加熱時間を短縮することができる。
【００１２】
さらに、二つのインピーダンス可変手段によって給電手段から給電されたマイクロ波を加熱室の異なる２方向に集中制御できるので、加熱室内に収納した被加熱物のより広範囲の異なる特定領域を選択加熱したり、マイクロ波の集中領域を変化させて被加熱物の加熱むらを解消することができる。
【００１３】
また本発明の高周波加熱装置は請求項２記載のように、前記開孔部は、前記給電手段を中心として前記加熱室内に生じる定在波の節と節との寸法より大きい寸法間隔をもって配設する構成とするものである。
【００１４】
そして、二つの開孔部の配設位置を規定することによって、給電手段に発生する定在波を中心として２方向に発生する定在波をより効果的に変化させることができ、加熱室内の特定領域にマイクロ波をより効果的に集中させたり分散させたりすることができる。
【００１９】
また本発明の高周波加熱装置は請求項３記載のように、前記加熱室は幅方向あるいは奥行き方向の少なくとも１つの方向に４以上かつ偶数の定在波の山の数が発生する構成とするものである。
【００２０】
そして、加熱室に発生する定在波の山の数を規定し、加熱室内の電界分布を実用上効果的に可変できる複数の開孔部の配設を可能にし、インピーダンス可変手段によって開孔部のインピーダンスを変化させ、マイクロ波を様々な方向へ制御することにより、被加熱物の特定領域の選択加熱あるいは被加熱物の加熱むらを解消することができる。
【００２１】
また本発明の高周波加熱装置は請求項４記載のように、前記開孔部の形状は長方形とし、その長軸寸法は前記加熱室に供給されたマイクロ波の波長の２分の１より大きい寸法とした構成とするものである。
【００２２】
そして、加熱室壁面や被加熱物の表面から反射して開孔部に入射するマイクロ波の入射角度の幅広い角度に対して開孔部のインピーダンスを作用させることができ、被加熱物の加熱むらをより効果的に解消することができる。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明の実施例について添付図面を用いて説明する。
【００２４】
（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例を示す高周波加熱装置の概略構成図である。
【００２５】
図１において、１０は被加熱物を収納する加熱室で、加熱室１０の壁面は金属で構成されている。１１はマイクロ波を発生するマグネトロン（高周波発生手段）、１２はマグネトロン１１からのマイクロ波を加熱室１０へ伝送する導波管で、１３は導波管１２からのマイクロ波を加熱室１０へ給電する給電口（給電手段）である。１４は加熱室１０の壁面１５に設けた開孔部、１６は開孔部１４のインピーダンスを可変するインピーダンス可変手段であり、開孔部１４を一端とする金属によって構成された溝部１７と誘電体板１７ａとで構成される。誘電体板１７ａは好ましくは比誘電率が５以上の低誘電損失材料（例えばガラス系、セラミックス系、樹脂系など）で構成され、それぞれの両端に突起を設け、溝部１７に設けた孔に突起をはめ込んで回転支持されている。
【００２６】
次に、上記構成において動作を説明する。被加熱物を加熱する際には、加熱ボタン等（図示していない）の信号により、マグネトロン１１が作動し、給電口１３から加熱室１０へマイクロ波が給電される。
【００２７】
溝部１７の溝の深さと高さおよび誘電体板１７ａの配設位置は、誘電体板１７ａが開孔部１４に対して水平（この時の回転角度を０゜とする。）のときに、開孔部１４に生じるインピーダンスが極めて小さい値（理想的にはゼロ）になるように決めている。一方、誘電体板１７ａが開孔部１４に対して垂直（この時の回転角度を９０゜とする。）のときに開孔部１４に生じるインピーダンスは、極めて大きい値（理想的には無限大）としている。図１では誘電体板１７ａの回転角度は０゜を示している。
【００２８】
誘電体板１７ａの回転角度が０゜の時は開孔部１４のインピーダンスが極めて小さい値であり、加熱室１０の金属壁面には高周波電流が流れ、加熱室１０内のマイクロ波への作用は開孔部１４を設けない場合と同じである。しかし、誘電体板１７ａの回転角度が０゜以外になると、加熱室１０壁面のインピーダンスが変化し、開孔部１４のまわりの高周波電流の流れが阻害される。そのため、誘電体板１７ａの回転角度を０゜以外に変化させると、その領域にはマイクロ波が行きにくくなり、結果的に加熱室１０内の電界分布は変化する。そして、誘電体板１７ａの回転角度を０゜から９０゜に変化させるに従い、給電口１３から加熱室１０へ放射されるマイクロ波の放射角度が変化する。そのため、給電されたマイクロ波を加熱室１０の特定の場所に集中させることができる。
【００２９】
本実施例では、給電口１３とインピーダンス可変手段１６は加熱室１０の上面に設けられているが、給電口１３とインピーダンス可変手段１６は加熱室１０のどの壁面に設けてもかまわない。
【００３０】
なお、インピーダンス可変手段１６は、誘電体１７ａを回転駆動させるモータ（図示していない）を備えている。誘電体板１７ａの回転角度や回転速度を制御する場合には、ステッピングモータを使用してもよいし、誘電体板１７ａの回転角度や回転速度を検出する検出手段やモータ制御手段を付帯させてもかまわない。また本実施例では図示していないが、開孔部１４のインピーダンスを変化させる制御信号として加熱室内に設けた蒸気センサの信号や被加熱物の温度を測定する温度センサ等を用いてもかまわない。
【００３１】
図２はアドヘアのり２００ｇを１００ｍｍ角の容器に入れ、被加熱物として加熱したときに、誘電体板１７ａの回転角度と被加熱物の高温部の関係を示した図である。使用した加熱室の形状は、幅３００ｍｍ、奥行き３２０ｍｍ、高さ２１５ｍｍであり、被加熱物は加熱室の略中央、底壁から２５ｍｍの高さに収納載置した。誘電体板１７ａの回転角度は０゜、９０゜とした。この図では、白い部分ほど高温であることを示している。誘電体板１７ａの回転角度が０゜のときにはアドヘアのりの周囲が高温部となっているが、誘電体板１７ａの回転角度が９０゜になると高温部の大部分は被加熱物の右側一方向に集中した。
【００３２】
以上のように、インピーダンスが可変制御できる開孔部１４を配設することでマイクロ波を加熱室の特定領域に集中させることができるので、被加熱物の特定領域を選択加熱することができる。
【００３３】
（実施例２）
図３は、本発明の第２の実施例を示す高周波加熱装置の概略構成図である。本実施例に用いた加熱室内に発生する定在波を電気力線（図中破線）で示している。
【００３４】
本発明の実施例２が実施例１と相違する点を説明する。
【００３５】
図３において、開孔部１４と開孔部１８は給電口１３を中心として、加熱室１０内に生じる定在波の節と節の寸法の約２倍の寸法間隔で給電口１３と同一面に配設されている。１９は開孔部１８のインピーダンスを可変するインピーダンス可変手段であり、開孔部１８を一端とする金属によって構成された溝部２０と回転駆動される誘電体板２０ａとで構成される。
【００３６】
次に上記構成における作用について説明する。導波管１２を伝送してきたマイクロ波により、給電口１３に生じる電気力線は、加熱室の形状に依存しないが、給電口１３から加熱室１０内へ放射したマイクロ波は加熱室１０の金属壁面で反射をくり返すので、最終的には加熱室１０内に特定の定在波分布が生じる。図３の場合、幅方向に４、高さ方向に２の定在波の山の数である。ここで生じた定在波分布において、最もエネルギーが大きいのは給電口１３に生じる電気力線であり、この電気力線に隣接した電気力線も大きなエネルギーを有する。したがって、給電口１３の両側に発生する定在波に対応させて開孔部１４と開孔部１８を配設し、それら開孔部のインピーダンスを変化させて壁面の高周波電流の流れを制御すると加熱室１０内の定在波分布を変化させる作用を大きくできる。
【００３７】
なお、開孔部の配設位置は定在波の腹の位置が高周波電流の流れの制御効果が最大となるので、本実施例では給電口１３から定在波の節と節の寸法の約２倍離して開孔部を配設した。
【００３８】
図４はアドヘアのり２００ｇを１００ｍｍ角の容器に入れ被加熱物として加熱したときに、誘電体板１７ａと誘電体板２０ａの回転角度と被加熱物の高温部の関係を示した図である。誘電体板１７ａ、誘電体板２０ａの回転角度はそれぞれ０゜、９０゜の組合せとした。誘電体板１７ａと誘電体板２０ａの回転角度がそれぞれ０゜のときにはアドヘアのりの周囲が高温部となっている。誘電体板１７ａの回転角度が９０゜、誘電体板２０ａの回転角度が０゜のときは誘電体板２０ａ側に加熱領域が移動し、誘電体板１７ａの回転角度が９０゜、誘電体板２０ａの回転角度が０゜のときは誘電体板１７ａ側に加熱領域が移動している。誘電体板１７ａと誘電体板２０ａの回転角度がともに９０゜のときには、中心が加熱できる。
【００３９】
次に、上述した本実施例の高周波加熱装置の実用上の効用について述べる。第１の例として加熱されやすい被加熱物と加熱されにくい被加熱物を同時に加熱するときには、加熱されにくい被加熱物にマイクロ波が集中するようにそれぞれの誘電体板の回転角度を組み合わせることで被加熱物の加熱むらが解消できる。なお、この場合、被加熱物の温度を検出することで誘電体板の回転角度を自動的に制御させることができる。
【００４０】
また、第２の例として、量が異なる同じ種類の被加熱物を加熱する場合は、量の多い側にマイクロ波を集中させることでそれぞれを同じ温度に加熱することができる。
【００４１】
以上のように、給電口１３を中心に開孔部１４と開孔部１８を定在波の節と節の約２倍の寸法間隔で配設したことにより、マイクロ波を加熱室の異なる２方向に制御することができるので被加熱物の特定領域を選択加熱することができる。
【００４２】
また、上記した実用上の効用を有効化するために、加熱室１０は幅方向あるいは奥行き方向の少なくとも一方に４以上かつ偶数の定在波の山が発生するように設計する。本実施例では幅方向に４、奥行き方向に１、高さ方向に２、定在波の山が発生するように加熱室１０を設計した。給電口１３、開孔部１４、開孔部１８は加熱室１０のどの壁面に設けてもかまわないが、開孔部を有さない加熱室の基本の電界分布（以下、基本の電界分布とする。）において左右あるいは前後方向に被加熱物に照射されるマイクロ波のバランスをとるには、給電口１３は加熱室１０の上面あるいは下面に配設する方が好ましい。
【００４３】
また、給電口１３を下面に配設すると給電口１３と被加熱物の距離が近くなり、給電口１３から被加熱物へ直接照射されるマイクロ波の割合が増加するため、液体やできるだけ底から加熱したい被加熱物の加熱に適している。
【００４４】
また、複数個の被加熱物を加熱する際には、被加熱物を左右に並べて加熱することが一般的であるため、本実施例に示したように開孔部１４、開孔部１８は給電口１３をはさんで左右に配設した構成が便利である。
【００４５】
なお、加熱室の奥行き方向の定在波の山の数は好ましくは奇数がよく、高さ方向の定在波の山の数は１以上を選択するのが実用上有益である。なぜならば、奥行き方向の定在波の山の数を奇数にすることで、加熱室の前後方向の略中央に電界の強い領域を形成できる。また、高さ方向の定在波の山の数を１以上にすることで厚みを有する被加熱物の内部を強く加熱することを可能にできる。従って、本発明の趣旨に基づく加熱室設計として、選択される定在波の例としては、加熱室の幅方向、奥行方向および高さ方向に生じる定在波の山の数がそれぞれ４，１，２（以下＜４１２＞と表記する）とした上述の実施例以外に、＜４１１＞，＜１４１＞、＜４３１＞，＜３４１＞、＜１４２＞、＜４３２＞，＜３４２＞、＜６１１＞，＜１６１＞、＜６３１＞，＜３６１＞等を選択することができる。また、定在波の山の数が６の場合、本発明の内容に基づく開孔部の配設位置としては複数の選択が可能になる。従ってこの場合には給電口を中心として加熱室内に生じる定在波の節と節との寸法の３倍あるいは４倍の寸法間隔でもって開孔部を配設する選択もできる。
【００４６】
（実施例３）
次に、本発明の第３の実施例について説明する。
【００４７】
図５は本発明の第３の実施例を示す高周波加熱装置であり、加熱室の上面に発生する高周波電流分布および開孔部の大きさとその配設位置を示す図、図６は図５のＡＢ断面矢視図である。
【００４８】
本発明の実施例３が実施例２と相違する点を説明する。
【００４９】
図５と図６において、２１と２２は加熱室１０壁面に給電口１３をはさんで設けた開孔部、２３は開孔部２１のインピーダンスを可変するインピーダンス可変手段である。インピーダンス可変手段２３は、開孔部２１を一端とする金属で構成された溝部２４と誘電体板２４ａとで構成している。開孔部２１と開孔部２２の長軸方向の大きさは、給電口１３の長軸と平行に加熱室１０に生じる定在波の節と節の幅に設計してある。図５および図６ではマグネトロン１１と導波管１２は省略した。
【００５０】
開孔部のインピーダンスを可変することによって加熱室の異なる方向、例えば左右のどちらか一方にマイクロ波を効果的に集中させるためには、加熱室の壁面の高周波電流の流れをより完全に遮断する必要がある。そのためには開孔部の形状は長方形で、その長軸寸法は少なくとも加熱室に給電されたマイクロ波の波長の２分の１より大きくなるように設計しなければならない。マイクロ波の波長の２分の１より開孔部の長軸寸法が短い場合は、開孔部を一端として構成したインピーダンス可変手段の構成要素である溝部の電波的作用が不安定になるため開孔部のインピーダンス可変制御が不安定になり、高周波電流の流れを制御する効果は減少する。図５のような高周波電流分布（図５は開孔部のインピーダンスが極めて小さい（理想的にはゼロ）の場合の高周波電流分布を示す）の場合、高周波電流を完全に遮断するには開孔部２１と開孔部２２は加熱室１０上面の奥行き方向の寸法とほぼ同じ寸法に設計するのが望ましい。これにより、開孔部のインピーダンスを非常に大きく（理想的には無限大）した場合に、その開孔部を介して流れていた高周波電流をほぼ完全に遮断することができる。この結果、加熱室１０に生じていた定在波を完全に崩してマイクロ波の特定領域の集中をさらに強めることができる。
【００５１】
また、開孔部を大きくすることは、加熱室１０壁面から反射して開孔部に入射するマイクロ波はもとより、様々な形状、種類の被加熱物表面で反射して開孔部に入射するマイクロ波に対し、開孔部に入射するマイクロ波の開孔部への入射角度の幅広い角度に対して開孔部のインピーダンスを作用させることができ、加熱室内のマイクロ波の流れをより強く変化させることができ、被加熱物の加熱むらをより効果的に解消することができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば以下の効果を奏する。
【００５３】
また、本発明の高周波加熱装置によれば、加熱室の上面あるいは下面に配設した給電手段をはさんでこの給電手段と同一の金属壁面に設けた開孔部のインピーダンスをインピーダンス可変手段によって変化させて、金属壁面でのマイクロ波の反射特性を変化させマイクロ波を加熱室の特定領域に集中制御させることにより、被加熱物の特定領域を選択加熱したり、マイクロ波の集中領域を変化させて様々な種類、量、形状の被加熱物を均一に加熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施例の高周波加熱装置の概略構成を示す図
【図２】 本発明の第１の実施例の誘電体板の回転角度と被加熱物の高温部を示す図
【図３】 本発明の第２の実施例の高周波加熱装置の概略構成図
【図４】 本発明の第２の実施例の誘電体板の回転角度と被加熱物の高温部を示す図
【図５】 本発明の第３の実施例を示す高周波加熱装置の加熱室上面構成図
【図６】 図５のＡＢ断面矢視図
【符号の説明】
１０ 加熱室
１１ マグネトロン（高周波発生手段）
１２ 導波管
１３ 給電口（給電手段）
１４、１８、２１、２２ 開孔部
１６、１９、２３ インピーダンス可変手段
１７、２０、２４ 溝部（インピーダンス可変手段）
１７ａ、２０ａ、２４ａ 誘電体板（インピーダンス可変手段）
【発明の属する技術分野】
本発明は、被加熱物を誘電加熱する高周波加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の高周波加熱装置では、被加熱物の加熱むらを防ぐため、加熱室内のマイクロ波を金属製のスターラーで攪拌する方法やターンテーブルを用いて被加熱物を回転させて被加熱物の特定領域が局所加熱されることを抑制する方法が採られている。さらに、加熱室を形成する金属壁面に凹凸を設けて金属壁面でのマイクロ波の反射方向を変化させて被加熱物の加熱むらを解消する方法もある。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、マイクロ波を攪拌する方法は、加熱室内にマイクロ波を乱反射することによって被加熱物へのマイクロ波の入射位置を変化させ、被加熱物の加熱の均一化を図っているが、入射位置をまんべんなく分散させることが難しく、また被加熱物の加熱領域を規定することはできない。
【０００４】
また、ターンテーブルを用いた方法は、被加熱物は特定の電界分布の中を周回しながら加熱されるので、被加熱物の加熱領域は同心状に発生するが、加熱室内の電界分布を大きく変化させることができず、加熱領域を規定することができない。
【０００５】
さらに、加熱室内の金属壁面に凹凸を設けた方法は、加熱室内のマイクロ波を金属壁面の凹凸によって乱反射させる効果を有するが、加熱室内のマイクロ波が定常状態になると定在波が生じ、結果的に被加熱物の加熱領域が特定化されるという問題点がある。
【０００６】
さらにまた、仮にマイクロ波を均一に被加熱物に照射したとしても、被加熱物の誘電特性の違いによって発熱傾向は異なるため、加熱むらは生じてしまうので、加熱されにくい箇所にマイクロ波を集中させる等の制御が必要となる。しかし、上記のすべての方法は、加熱室に給電されたマイクロ波を被加熱物上に分散させるものである。したがって、被加熱物の特定領域を選択的に加熱することが困難である。
【０００７】
本発明は、加熱室内を伝搬するマイクロ波の流れを変化させて加熱室内の電界分布を変化させて被加熱物の加熱領域を特定化するとともに、時間的に加熱領域を変化させて加熱むらの解消もできる高周波加熱装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために本発明の高周波加熱装置は、被加熱物を収納する加熱室と、前記加熱室に供給するマイクロ波を発生する高周波発生手段と、前記高周波発生手段から発生したマイクロ波を前記加熱室に給電する前記加熱室の上面あるいは下面に配設した給電手段と、前記給電手段をはさんでこの給電手段を配設した前記加熱室を形成する金属壁面と同一壁面に配設した開孔部と、前記開孔部におけるインピーダンスを可変するインピーダンス可変手段とを備えた高周波加熱装置において、加熱室を形成する金属壁面に配設した開孔部と、前記開孔部におけるインピーダンスを可変するインピーダンス可変手段と、前記開孔部のインピーダンスを変化させて前記金属壁面の高周波電流の流れを制御することで前記高周波発生手段から前記加熱室内に供給されたマイクロ波を加熱室内の特定領域に集中させる制御手段とを備えるものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の高周波加熱装置は請求項１記載のように、被加熱物を収納する加熱室と、前記加熱室に供給するマイクロ波を発生する高周波発生手段と、前記高周波発生手段から発生したマイクロ波を前記加熱室に給電する前記加熱室の上面あるいは下面に配設した給電手段と、前記給電手段をはさんでこの給電手段を配設した前記加熱室を形成する金属壁面と同一壁面に配設した開孔部と、前記開孔部におけるインピーダンスを可変するインピーダンス可変手段とを備えた高周波加熱装置において、加熱室を形成する金属壁面に配設した開孔部と、前記開孔部におけるインピーダンスを可変するインピーダンス可変手段と、前記開孔部のインピーダンスを変化させて前記金属壁面の高周波電流の流れを制御することで前記高周波発生手段から前記加熱室内に供給されたマイクロ波を加熱室内の特定領域に集中させる制御手段とを備えるものである。
【００１０】
そして、制御手段によってマイクロ波を加熱室の特定領域に集中させることにより、被加熱物の特定領域を選択加熱することができ、またインピーダンス可変手段によって金属壁面のインピーダンスを変化させて、金属壁面でのマイクロ波の反射特性を変化させマイクロ波を加熱室の特定の領域に集中制御させることにより、被加熱物の特定領域を選択加熱したり、マイクロ波の集中領域を変化させて被加熱物を均一に加熱することができる。そして、給電手段を加熱室内の上面に配設することによって基本的に被加熱物にマイクロ波をバランスよく照射し、インピーダンス可変手段によってマイクロ波を特定方向に制御することにより、被加熱物の誘電特性の違いによる発熱傾向の違いに対応した加熱制御により被加熱物の加熱むらを解消することができる。また、給電手段を加熱室の下面に配設することによって給電手段から放射されたマイクロ波の被加熱物へ直接照射する割合を大きくすることにより、被加熱物の誘電加熱を促進し加熱時間を短縮することができる。
【００１２】
さらに、二つのインピーダンス可変手段によって給電手段から給電されたマイクロ波を加熱室の異なる２方向に集中制御できるので、加熱室内に収納した被加熱物のより広範囲の異なる特定領域を選択加熱したり、マイクロ波の集中領域を変化させて被加熱物の加熱むらを解消することができる。
【００１３】
また本発明の高周波加熱装置は請求項２記載のように、前記開孔部は、前記給電手段を中心として前記加熱室内に生じる定在波の節と節との寸法より大きい寸法間隔をもって配設する構成とするものである。
【００１４】
そして、二つの開孔部の配設位置を規定することによって、給電手段に発生する定在波を中心として２方向に発生する定在波をより効果的に変化させることができ、加熱室内の特定領域にマイクロ波をより効果的に集中させたり分散させたりすることができる。
【００１９】
また本発明の高周波加熱装置は請求項３記載のように、前記加熱室は幅方向あるいは奥行き方向の少なくとも１つの方向に４以上かつ偶数の定在波の山の数が発生する構成とするものである。
【００２０】
そして、加熱室に発生する定在波の山の数を規定し、加熱室内の電界分布を実用上効果的に可変できる複数の開孔部の配設を可能にし、インピーダンス可変手段によって開孔部のインピーダンスを変化させ、マイクロ波を様々な方向へ制御することにより、被加熱物の特定領域の選択加熱あるいは被加熱物の加熱むらを解消することができる。
【００２１】
また本発明の高周波加熱装置は請求項４記載のように、前記開孔部の形状は長方形とし、その長軸寸法は前記加熱室に供給されたマイクロ波の波長の２分の１より大きい寸法とした構成とするものである。
【００２２】
そして、加熱室壁面や被加熱物の表面から反射して開孔部に入射するマイクロ波の入射角度の幅広い角度に対して開孔部のインピーダンスを作用させることができ、被加熱物の加熱むらをより効果的に解消することができる。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明の実施例について添付図面を用いて説明する。
【００２４】
（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例を示す高周波加熱装置の概略構成図である。
【００２５】
図１において、１０は被加熱物を収納する加熱室で、加熱室１０の壁面は金属で構成されている。１１はマイクロ波を発生するマグネトロン（高周波発生手段）、１２はマグネトロン１１からのマイクロ波を加熱室１０へ伝送する導波管で、１３は導波管１２からのマイクロ波を加熱室１０へ給電する給電口（給電手段）である。１４は加熱室１０の壁面１５に設けた開孔部、１６は開孔部１４のインピーダンスを可変するインピーダンス可変手段であり、開孔部１４を一端とする金属によって構成された溝部１７と誘電体板１７ａとで構成される。誘電体板１７ａは好ましくは比誘電率が５以上の低誘電損失材料（例えばガラス系、セラミックス系、樹脂系など）で構成され、それぞれの両端に突起を設け、溝部１７に設けた孔に突起をはめ込んで回転支持されている。
【００２６】
次に、上記構成において動作を説明する。被加熱物を加熱する際には、加熱ボタン等（図示していない）の信号により、マグネトロン１１が作動し、給電口１３から加熱室１０へマイクロ波が給電される。
【００２７】
溝部１７の溝の深さと高さおよび誘電体板１７ａの配設位置は、誘電体板１７ａが開孔部１４に対して水平（この時の回転角度を０゜とする。）のときに、開孔部１４に生じるインピーダンスが極めて小さい値（理想的にはゼロ）になるように決めている。一方、誘電体板１７ａが開孔部１４に対して垂直（この時の回転角度を９０゜とする。）のときに開孔部１４に生じるインピーダンスは、極めて大きい値（理想的には無限大）としている。図１では誘電体板１７ａの回転角度は０゜を示している。
【００２８】
誘電体板１７ａの回転角度が０゜の時は開孔部１４のインピーダンスが極めて小さい値であり、加熱室１０の金属壁面には高周波電流が流れ、加熱室１０内のマイクロ波への作用は開孔部１４を設けない場合と同じである。しかし、誘電体板１７ａの回転角度が０゜以外になると、加熱室１０壁面のインピーダンスが変化し、開孔部１４のまわりの高周波電流の流れが阻害される。そのため、誘電体板１７ａの回転角度を０゜以外に変化させると、その領域にはマイクロ波が行きにくくなり、結果的に加熱室１０内の電界分布は変化する。そして、誘電体板１７ａの回転角度を０゜から９０゜に変化させるに従い、給電口１３から加熱室１０へ放射されるマイクロ波の放射角度が変化する。そのため、給電されたマイクロ波を加熱室１０の特定の場所に集中させることができる。
【００２９】
本実施例では、給電口１３とインピーダンス可変手段１６は加熱室１０の上面に設けられているが、給電口１３とインピーダンス可変手段１６は加熱室１０のどの壁面に設けてもかまわない。
【００３０】
なお、インピーダンス可変手段１６は、誘電体１７ａを回転駆動させるモータ（図示していない）を備えている。誘電体板１７ａの回転角度や回転速度を制御する場合には、ステッピングモータを使用してもよいし、誘電体板１７ａの回転角度や回転速度を検出する検出手段やモータ制御手段を付帯させてもかまわない。また本実施例では図示していないが、開孔部１４のインピーダンスを変化させる制御信号として加熱室内に設けた蒸気センサの信号や被加熱物の温度を測定する温度センサ等を用いてもかまわない。
【００３１】
図２はアドヘアのり２００ｇを１００ｍｍ角の容器に入れ、被加熱物として加熱したときに、誘電体板１７ａの回転角度と被加熱物の高温部の関係を示した図である。使用した加熱室の形状は、幅３００ｍｍ、奥行き３２０ｍｍ、高さ２１５ｍｍであり、被加熱物は加熱室の略中央、底壁から２５ｍｍの高さに収納載置した。誘電体板１７ａの回転角度は０゜、９０゜とした。この図では、白い部分ほど高温であることを示している。誘電体板１７ａの回転角度が０゜のときにはアドヘアのりの周囲が高温部となっているが、誘電体板１７ａの回転角度が９０゜になると高温部の大部分は被加熱物の右側一方向に集中した。
【００３２】
以上のように、インピーダンスが可変制御できる開孔部１４を配設することでマイクロ波を加熱室の特定領域に集中させることができるので、被加熱物の特定領域を選択加熱することができる。
【００３３】
（実施例２）
図３は、本発明の第２の実施例を示す高周波加熱装置の概略構成図である。本実施例に用いた加熱室内に発生する定在波を電気力線（図中破線）で示している。
【００３４】
本発明の実施例２が実施例１と相違する点を説明する。
【００３５】
図３において、開孔部１４と開孔部１８は給電口１３を中心として、加熱室１０内に生じる定在波の節と節の寸法の約２倍の寸法間隔で給電口１３と同一面に配設されている。１９は開孔部１８のインピーダンスを可変するインピーダンス可変手段であり、開孔部１８を一端とする金属によって構成された溝部２０と回転駆動される誘電体板２０ａとで構成される。
【００３６】
次に上記構成における作用について説明する。導波管１２を伝送してきたマイクロ波により、給電口１３に生じる電気力線は、加熱室の形状に依存しないが、給電口１３から加熱室１０内へ放射したマイクロ波は加熱室１０の金属壁面で反射をくり返すので、最終的には加熱室１０内に特定の定在波分布が生じる。図３の場合、幅方向に４、高さ方向に２の定在波の山の数である。ここで生じた定在波分布において、最もエネルギーが大きいのは給電口１３に生じる電気力線であり、この電気力線に隣接した電気力線も大きなエネルギーを有する。したがって、給電口１３の両側に発生する定在波に対応させて開孔部１４と開孔部１８を配設し、それら開孔部のインピーダンスを変化させて壁面の高周波電流の流れを制御すると加熱室１０内の定在波分布を変化させる作用を大きくできる。
【００３７】
なお、開孔部の配設位置は定在波の腹の位置が高周波電流の流れの制御効果が最大となるので、本実施例では給電口１３から定在波の節と節の寸法の約２倍離して開孔部を配設した。
【００３８】
図４はアドヘアのり２００ｇを１００ｍｍ角の容器に入れ被加熱物として加熱したときに、誘電体板１７ａと誘電体板２０ａの回転角度と被加熱物の高温部の関係を示した図である。誘電体板１７ａ、誘電体板２０ａの回転角度はそれぞれ０゜、９０゜の組合せとした。誘電体板１７ａと誘電体板２０ａの回転角度がそれぞれ０゜のときにはアドヘアのりの周囲が高温部となっている。誘電体板１７ａの回転角度が９０゜、誘電体板２０ａの回転角度が０゜のときは誘電体板２０ａ側に加熱領域が移動し、誘電体板１７ａの回転角度が９０゜、誘電体板２０ａの回転角度が０゜のときは誘電体板１７ａ側に加熱領域が移動している。誘電体板１７ａと誘電体板２０ａの回転角度がともに９０゜のときには、中心が加熱できる。
【００３９】
次に、上述した本実施例の高周波加熱装置の実用上の効用について述べる。第１の例として加熱されやすい被加熱物と加熱されにくい被加熱物を同時に加熱するときには、加熱されにくい被加熱物にマイクロ波が集中するようにそれぞれの誘電体板の回転角度を組み合わせることで被加熱物の加熱むらが解消できる。なお、この場合、被加熱物の温度を検出することで誘電体板の回転角度を自動的に制御させることができる。
【００４０】
また、第２の例として、量が異なる同じ種類の被加熱物を加熱する場合は、量の多い側にマイクロ波を集中させることでそれぞれを同じ温度に加熱することができる。
【００４１】
以上のように、給電口１３を中心に開孔部１４と開孔部１８を定在波の節と節の約２倍の寸法間隔で配設したことにより、マイクロ波を加熱室の異なる２方向に制御することができるので被加熱物の特定領域を選択加熱することができる。
【００４２】
また、上記した実用上の効用を有効化するために、加熱室１０は幅方向あるいは奥行き方向の少なくとも一方に４以上かつ偶数の定在波の山が発生するように設計する。本実施例では幅方向に４、奥行き方向に１、高さ方向に２、定在波の山が発生するように加熱室１０を設計した。給電口１３、開孔部１４、開孔部１８は加熱室１０のどの壁面に設けてもかまわないが、開孔部を有さない加熱室の基本の電界分布（以下、基本の電界分布とする。）において左右あるいは前後方向に被加熱物に照射されるマイクロ波のバランスをとるには、給電口１３は加熱室１０の上面あるいは下面に配設する方が好ましい。
【００４３】
また、給電口１３を下面に配設すると給電口１３と被加熱物の距離が近くなり、給電口１３から被加熱物へ直接照射されるマイクロ波の割合が増加するため、液体やできるだけ底から加熱したい被加熱物の加熱に適している。
【００４４】
また、複数個の被加熱物を加熱する際には、被加熱物を左右に並べて加熱することが一般的であるため、本実施例に示したように開孔部１４、開孔部１８は給電口１３をはさんで左右に配設した構成が便利である。
【００４５】
なお、加熱室の奥行き方向の定在波の山の数は好ましくは奇数がよく、高さ方向の定在波の山の数は１以上を選択するのが実用上有益である。なぜならば、奥行き方向の定在波の山の数を奇数にすることで、加熱室の前後方向の略中央に電界の強い領域を形成できる。また、高さ方向の定在波の山の数を１以上にすることで厚みを有する被加熱物の内部を強く加熱することを可能にできる。従って、本発明の趣旨に基づく加熱室設計として、選択される定在波の例としては、加熱室の幅方向、奥行方向および高さ方向に生じる定在波の山の数がそれぞれ４，１，２（以下＜４１２＞と表記する）とした上述の実施例以外に、＜４１１＞，＜１４１＞、＜４３１＞，＜３４１＞、＜１４２＞、＜４３２＞，＜３４２＞、＜６１１＞，＜１６１＞、＜６３１＞，＜３６１＞等を選択することができる。また、定在波の山の数が６の場合、本発明の内容に基づく開孔部の配設位置としては複数の選択が可能になる。従ってこの場合には給電口を中心として加熱室内に生じる定在波の節と節との寸法の３倍あるいは４倍の寸法間隔でもって開孔部を配設する選択もできる。
【００４６】
（実施例３）
次に、本発明の第３の実施例について説明する。
【００４７】
図５は本発明の第３の実施例を示す高周波加熱装置であり、加熱室の上面に発生する高周波電流分布および開孔部の大きさとその配設位置を示す図、図６は図５のＡＢ断面矢視図である。
【００４８】
本発明の実施例３が実施例２と相違する点を説明する。
【００４９】
図５と図６において、２１と２２は加熱室１０壁面に給電口１３をはさんで設けた開孔部、２３は開孔部２１のインピーダンスを可変するインピーダンス可変手段である。インピーダンス可変手段２３は、開孔部２１を一端とする金属で構成された溝部２４と誘電体板２４ａとで構成している。開孔部２１と開孔部２２の長軸方向の大きさは、給電口１３の長軸と平行に加熱室１０に生じる定在波の節と節の幅に設計してある。図５および図６ではマグネトロン１１と導波管１２は省略した。
【００５０】
開孔部のインピーダンスを可変することによって加熱室の異なる方向、例えば左右のどちらか一方にマイクロ波を効果的に集中させるためには、加熱室の壁面の高周波電流の流れをより完全に遮断する必要がある。そのためには開孔部の形状は長方形で、その長軸寸法は少なくとも加熱室に給電されたマイクロ波の波長の２分の１より大きくなるように設計しなければならない。マイクロ波の波長の２分の１より開孔部の長軸寸法が短い場合は、開孔部を一端として構成したインピーダンス可変手段の構成要素である溝部の電波的作用が不安定になるため開孔部のインピーダンス可変制御が不安定になり、高周波電流の流れを制御する効果は減少する。図５のような高周波電流分布（図５は開孔部のインピーダンスが極めて小さい（理想的にはゼロ）の場合の高周波電流分布を示す）の場合、高周波電流を完全に遮断するには開孔部２１と開孔部２２は加熱室１０上面の奥行き方向の寸法とほぼ同じ寸法に設計するのが望ましい。これにより、開孔部のインピーダンスを非常に大きく（理想的には無限大）した場合に、その開孔部を介して流れていた高周波電流をほぼ完全に遮断することができる。この結果、加熱室１０に生じていた定在波を完全に崩してマイクロ波の特定領域の集中をさらに強めることができる。
【００５１】
また、開孔部を大きくすることは、加熱室１０壁面から反射して開孔部に入射するマイクロ波はもとより、様々な形状、種類の被加熱物表面で反射して開孔部に入射するマイクロ波に対し、開孔部に入射するマイクロ波の開孔部への入射角度の幅広い角度に対して開孔部のインピーダンスを作用させることができ、加熱室内のマイクロ波の流れをより強く変化させることができ、被加熱物の加熱むらをより効果的に解消することができる。
【００５２】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば以下の効果を奏する。
【００５３】
また、本発明の高周波加熱装置によれば、加熱室の上面あるいは下面に配設した給電手段をはさんでこの給電手段と同一の金属壁面に設けた開孔部のインピーダンスをインピーダンス可変手段によって変化させて、金属壁面でのマイクロ波の反射特性を変化させマイクロ波を加熱室の特定領域に集中制御させることにより、被加熱物の特定領域を選択加熱したり、マイクロ波の集中領域を変化させて様々な種類、量、形状の被加熱物を均一に加熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の第１の実施例の高周波加熱装置の概略構成を示す図
【図２】 本発明の第１の実施例の誘電体板の回転角度と被加熱物の高温部を示す図
【図３】 本発明の第２の実施例の高周波加熱装置の概略構成図
【図４】 本発明の第２の実施例の誘電体板の回転角度と被加熱物の高温部を示す図
【図５】 本発明の第３の実施例を示す高周波加熱装置の加熱室上面構成図
【図６】 図５のＡＢ断面矢視図
【符号の説明】
１０ 加熱室
１１ マグネトロン（高周波発生手段）
１２ 導波管
１３ 給電口（給電手段）
１４、１８、２１、２２ 開孔部
１６、１９、２３ インピーダンス可変手段
１７、２０、２４ 溝部（インピーダンス可変手段）
１７ａ、２０ａ、２４ａ 誘電体板（インピーダンス可変手段）
Claims (4)
- 被加熱物を収納する加熱室と、前記加熱室に供給するマイクロ波を発生する高周波発生手段と、前記高周波発生手段から発生したマイクロ波を前記加熱室に給電する前記加熱室の上面あるいは下面に配設した給電手段と、前記給電手段をはさんでこの給電手段を配設した前記加熱室を形成する金属壁面と同一壁面に配設した開孔部と、前記開孔部におけるインピーダンスを可変するインピーダンス可変手段とを備えた高周波加熱装置において、前記開孔部のインピーダンスを変化させて前記金属壁面の高周波電流の流れを制御することで前記高周波発生手段から前記加熱室に供給されたマイクロ波を加熱室内の特定領域に集中させる高周波加熱装置。
- 前記開孔部は、前記給電手段を中心として前記加熱室内に生じる定在波の節と節との寸法より大きい寸法間隔をもって配設する構成とした請求項１に記載の高周波加熱装置。
- 前記加熱室は幅方向あるいは奥行き方向の少なくとも１つの方向に４以上かつ偶数の定在波の山の数が発生する構成とした請求項１記載の高周波加熱装置。
- 前記開孔部の形状は長方形とし、その長軸寸法は前記加熱室に供給されたマイクロ波の波長の２分の１より大きい寸法とした請求項１記載の高周波加熱装置。
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