JP4813837B2 - マイクロ波加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波加熱装置に係り、特に、マイクロ波を透過しやすいペットボトル等の容器内に収納されている飲料水等の液体の加熱に用いる加熱装置、例えば自動販売機等におけるマイクロ波加熱装置に関する。

従来のマイクロ波加熱装置は、マグネトロンが発生したマイクロ波を効率よくアプリケータ（マイクロ波照射室）に供給するため、２．４５ＧＨｚ用導波管を介して行なう。マイクロ波が供給されるアプリケータは、そのサイズが当該マイクロ波で加熱される被照射物よりも大きく、アプリケータ内にその被照射物全体を格納して加熱を行なう。このようなマイクロ波加熱装置は、所謂電子レンジとして広く知られているものである。

導波管を介してアプリケータに供給されたマイクロ波には、被照射物に直接吸収されるものと、直接吸収されないものとがある。直接吸収されないものは、アプリケータの壁面で反射した後、被照射物に吸収されることになるが、結果的には被照射物の略々全表面からマイクロ波が吸収されて当該被照射物の内部まで加熱されることになる。

被照射物の全面からマイクロ波を吸収させるための従来技術として、アプリケータ内のマイクロ波を撹拌させるためのスターラ（電波撹拌羽根）、もしくは被照射物を回転させるターンテーブルを設けることが一般的である。この種のマイクロ波加熱装置を開示したものとしては、例えば特許文献１、特許文献２等を挙げることができる。
特開２００４−３２７２７３号公報 特開平０１−１２３１７４号公報

特許文献１に開示されたように、スターラもしくターンテーブルを用いて被照射物の全面にマイクロ波を照射することで被照射物の均一加熱性は改善される。このようなスターラもしくターンテーブルを用いたマイクロ波加熱装置は、被照射物の性質において、特に、当該被照射物が略平面的で且つ表面積が比較的大きなものや、熱伝導性の悪いものを均一に加熱する場合に有効である。

熱伝導性が良く、且つ体積が比較的大きい被照射物、例えば市販されているワンカップ酒、ペットボトル飲料水等の容器に収納された液体が被照射物となる場合は、その容器全面からの均一加熱のための上記と同様の構成でのマイクロ波の均一照射は可能である。しかし、このような容器入り液体の均一加熱を行うマイクロ波加熱装置では、複数のマグネトロンとそれらから発生させたマイクロ波をそれぞれ被照射物に向けて照射するマイクロ波給電口をアプリケータ内に設けたり、一つのマグネトロンから発生させたマイクロ波を複数のマイクロ波給電口から被照射物に向けて照射する複数のマイクロ波給電口を設けるような構成としている。そのため、マイクロ波加熱装置の構造は複雑となっていた。

なお、特許文献２に開示された高周波加熱装置では、マイクロ波の均一照射で加熱ムラを改善する構造として、複数個のマイクロ波給電口の開口面積を各々異なるようにし、照射するマイクロ波電力を調整している。

本発明の目的は、簡素化したマイクロ波照射構造により容器に収納した液体等の被照射物を均一に加熱可能としたマイクロ波加熱装置を提供することにある。

本発明のマイクロ波加熱装置は、マグネトロンから発生したマイクロ波を導波管を介してアプリケータに収容した被照射物の一部に照射する構造として、被照射物全体を均一に加熱する。

また、本発明は、マイクロ波の電磁界分布がシングルモードのアプリケータについて、導波管のＨ面の片面の一部を開口し、導波管高さを被照射物容器高さより低くし、開口部に被照射物を収納してマイクロ波加熱を行なうようにした。

また、本発明は、被照射物の受台となる導波管のＨ面開口部の他面側を、該受台の高さを導波管の高さ方向に変化できるようにした。

また、本発明は、被照射物がボトル形である場合には、そのボトルの注ぎ口方向が導波管のＨ面開口部の他面側になるよう収納し、マイクロ波加熱を行なうようにした。

また、本発明は、被照射物の温度上昇を被照射物の底面または上面または側面から赤外線放射温度計、もしくは熱電対等で測定できる機能を持たせた。

被照射物の一部にマイクロ波を照射する方法として、被照射物容器をマイクロ波照射部よりも上方に配置して容器の一部に照射することにより、被照射物容器内の飲料物に効率よく対流を起こさせ、均一な加熱性が得られる。また、被照射物の容器の位置を自由に変化させ被照射物容器の形状、容量の差で生じる被照射物の均一な加熱性を得るためのマイクロ波照射位置を制御する。

一方、別の均一な加熱方法としてボトル形被照射物のボトル注ぎ口方向を下面として、被照射物容器の注ぎ口であるくびれ部分にマイクロ波を集中させることにより、効率よく被照射物容器内飲料物の対流を導き、均一な加熱性を得る。

以上方法により均一な加熱性を得られた被照射物を、赤外線放射温度計、もしくは熱電対等で被照射物の温度測定位置にかかわらず測定可能となる。これにより被照射物が所要の温度に達したときマイクロ波照射を停止できる機構を提供できるようになる。

ここでは、容器に収納された飲料等の液体を被加熱物として説明する。すなわち、加熱される対象は容器に収納した液体である。しかし、液体の加熱は容器の加熱も伴い、液体が所定温度に加熱された状態では、容器自身も同様に加熱されているものと見做される。

本発明の実施例１を図１から図１６を参照して説明する。図１は、本発明のマイクロ波加熱装置を組み込むマイクロ波加熱装置の一例である自動販売機の構成を説明する図である。図１において、符号１は自動販売機本体、２は自動販売機の前面扉、３は自動販売機で販売される飲料物のサンプルで、ガラス瓶又はペットボトル等の容器に収納されている状態を示す。符号４は飲料物選択ボタン、５は飲料物購入用の貨幣投入口、６は飲料物取り出し口である。なお、容器入りの飲料を、単に飲料物と称する場合もある。

図２は、図１に示した自動販売機の内部に設置されるマイクロ波加熱装置の説明図である。本実施例のマイクロ波加熱装置７は、図１に示した自動販売機本体１の前面扉２の内側に設置される。図２の符号７ａはマイクロ波加熱装置７を駆動する電源である。この自動販売機は、飲料物購入者が貨幣投入口５より貨幣等を投入し、飲料物選択ボタン４を押下することで、マイクロ波被照射物であるサンプル３と同じの飲料物を収容した容器がマイクロ波加熱装置７に送出され、所要の温度にマイクロ波加熱される。

飲料物の加熱完了後、マイクロ波加熱装置７より飲料物が取り出される。飲料物は図１の飲料物取り出し口６に送られる。これにより、所要の温度に加熱されたサンプル３と同じ飲料物を購入者が手にすることができる。

図３から図７を用いて本実施例のマイクロ波加熱装置７のアプリケータ部を説明する。図３は、アプリケータの上面図、図４は、マイクロ波を発生するマグネトロンの側面図、図５は、飲料物としてのペットボトル形飲料物の側面図、図６は、アプリケータの側面図、図７は、アプリケータの縦断面図である。ここでは、飲料物をペットボトル形飲料物として説明する。

図３乃至図７において、符号８は被照射物である図５に示したペットボトル形飲料物１２を挿入する筒（実際のマイクロ波照射室となる）、９は図４に示したマグネトロン１０のアンテナ１１が挿入される穴である。図６の側面図において、符号１４は筒８のマイクロ波漏洩防止用蓋であり、１５はマグネトロン１０のアンテナ１１より放出されたマイクロ波を伝播する導波管である。

図７の断面図において、導波管１５のＨ面（導波管の水平上板面）１６にはマグネトロン１０のアンテナ１１より放出されたマイクロ波を効率よく飲料物１２に入射させるための整合器であるスタブ１７が取り付けられている。本実施例では、導波管１５のＨ面１６の片面側に開口部１８を設けて筒８とを接続させたアプリケータ構造とした。この開口部１８には飲料物１２が格納される。飲料物１２の高さは様々であるが、ここで取り扱われる最も小サイズの飲料物１２に関して、例えば、導波管１５の高さｈは飲料物１２の高さＬに対し、０.１×Ｌ≦ｈ≦０.８×Ｌとするのが望ましい。本実施例では、飲料物１２を挿入する筒８を円筒状としたが、円筒以外の楕円や多角形等でもかまわない。

次に、飲料物１２の容器全体に均一な加熱性を得るための手法を図８から図１２を用いて説明する。図８は、本発明の実施例１におけるアプリケータにマグネトロンを取り付けたマイクロ波加熱装置に飲料を格納しようとする状態の説明図、図９は、マイクロ波加熱装置に飲料を格納した状態を説明する断面図、図１０は、図９の状態で加熱を実施した飲料の容器表面の温度を測定する箇所の説明図、図１１は、筒８内での飲料容器の高さ調整の説明図、図１２は、図１１における高さ調整構造を説明する断面図である。

図８には、導波管１５にマグネトロン１０を取付け、筒８に飲料物１２の高さ調整用の受台１９と飲料物１２、蓋１４をセットする直前の状態を示している。図９には筒８に飲料物１２を格納した状態を示す。図９において、受台１９の材質はマイクロ波吸収の少ないテフロン等を用いることが望ましい。このようにすると、マイクロ波を飲料物１２容器の底面にも照射される構造となる。

受台１９の有り無しによる飲料物１２の図１０に示した測定箇所毎の温度分布特性を表１にまとめて示した。

図１０では、飲料物１２として２８０ｍＬ（ミリリットル）ペットボトルに水道水を入れ、受台無し、受台有りでその高さが８ｍｍの場合、１５ｍｍの場合の３仕様に変化させ、ペットボトル内の水道水初期温度５℃から加熱終了温度５５℃程度まで加熱した後に図１０に示した測定箇所毎の温度分布を測定した結果を表１にまとめて示した。

表１の温度測定結果は、温度測定点を図１０に示したように、ペットボトルの上部、中央部、下部の３箇所とし、ペットボトル上部の温度を基準に規格化した値である。表１に示すごとく受台１９の高さを高くするに従い、ペットボトルの上部、中央部、下部の温度が大略均一となることが分かった。

ところで、容器全体に均一な温度を得るための受台１９高さの最適値は、当該容器（ペットボトル）の形状、収納容量によって変わってくることを実験で確認した。このため受台１９の高さを自由に変化させることを目的とした構造を図１１、図１２に示す。図１２の符号２０は調整棒、２１は置き台であり、導波管１５のＨ面１６の開口部１８（図７参照）の底面には、調整棒２０を出し入れすることのできる挿入穴２２を開口してある。調整棒２０と置き台２１の材質はマイクロ波吸収の少ないテフロン等を用いることが望ましい。挿入穴２２の位置は、導波管１５のＨ面中心軸上にあるのが望ましく、挿入穴２２の大きさは約φ１０ｍｍ以下とすることでマイクロ波漏洩対策となる。本実施例では、容器であるペットボトルの下部から調整棒２１により高さを調整する方法を説明したがペットボトル上部より吊り上げる方法でもかまわない。

実施例１により、筒８内に格納される被照射物である容器（ここでは、ペットボトル）の高さを変え、マイクロ波を該被照射物の一部に照射する構造とすることで、被照射物容器内飲料物の対流を効率よく導くことが可能となり、被照射物容器に収納された飲料全体を均一に加熱することができる。

本発明の実施例２を図１３から図１５を参照して説明する。図１３は、容器の注ぎ口方向を下面として加熱するときの図８と同様の説明図、図１４は、容器の注ぎ口方向を下面として加熱するときの図９と同様の断面図である。図１５は、図１４の状態で加熱を実施した飲料の容器表面の温度を測定する箇所の説明図である。実施例２では、筒８に飲料物１２の容器（ペットボトル）の注ぎ口１３の方向を下面として挿入（倒立挿入）する。この時の飲料物１２はボトル形のように注ぎ口１３がくびれた形がよい。このようにすると、マイクロ波を飲料物１２の容器のくびれた注ぎ口１３近傍に照射できる。

図１５では、飲料物１２として２８０ｍＬと３５０ｍＬの２種類のペットボトルに水道水を入れ、ペットボトル内の水道水の初期温度５℃から加熱終了温度５５℃程度まで加熱した結果を表２にまとめて示した。

表２に示した温度測定結果は、温度測定点を図１５に示したように、ペットボトルの上部、中央部、下部の３箇所とし、ペットボトル上部の温度を基準に規格化した値である。表２に示されたごとく、ペットボトル２８０ｍＬと３５０ｍＬの容量の違いによらず、ペットボトル上部、中央部、下部の温度がほぼ均一となることがわかった。

実施例２によれば、ボトル形の被照射物の注ぎ口方向を導波管のＨ面に形成された開口部の他面側になるよう収納してマイクロ波加熱を行なうようにすることでも、被照射物容器内飲料物の対流を効率よく導くことが可能となり、被照射物容器に収納された飲料全体を均一に加熱することができる。

本発明の実施例３を、図１６を参照して説明する。図１６は、本発明の実施例３を説明するマグネトロン加熱装置の断面図である。実施例３は図１４で説明したマグネトロン加熱装置を二つ組み合わせたもので、マグネトロンを２個使用した構成例である。このように、飲料物１２へ複数方向からマイクロ波を照射する構造とすることで、より短時間で加熱を行うことが可能となる。なお、マグネトロンをさらに増設して導波管を星型配置してさらに高エネルギーで加熱を行うようにすることもできる。

図１７は、赤外線温度計による飲料の温度測定を説明する図である。図１７に示したように、飲料物１２の温度上昇を飲料物１２の容器（ここでは、ペットボトル）の底面もしくは飲料物（１２）上面（注ぎ口側）に赤外線放射温度計２３もしくは２４を設置して測定する。筒８の蓋１４および導波管１５の飲料物を設置する下底には赤外線放射温度計２３もしくは２４で測定する時の赤外線２７もしくは２８が通る測定穴２５もしくは２６を開口してある。

測定穴２５開口位置は、蓋１４を設置する筒８の中心軸上にあり、その大きさは約φ１０ｍｍ以下とすることでマイクロ波の漏洩を防止できる。測定穴２６位置は、導波管１５のＨ面の中心軸上にあるのが望ましく、測定穴２６の大きさは約φ１０ｍｍ以下とすることでマイクロ波の漏洩を防止できる。なお、本例では温度測定器として赤外線放射温度計を用いたが、飲料物１２の容器に熱電対を直接接触させた測定構造としてもよい。

以上方法により均一な加熱性を得られた被照射物を、赤外線放射温度計、もしくは熱電対等で被照射物の温度測定位置にかかわらず測定可能となり、被照射物が所要の温度に達したときマイクロ波照射を停止できる機構組み込んで加熱を制御することができる。

本発明のマイクロ波加熱装置を組み込むマイクロ波加熱装置の一例である自動販売機の構成を説明する図である。 図１に示した自動販売機の内部に設置されるマイクロ波加熱装置の説明図である。 アプリケータの上面図である。 マイクロ波を発生するマグネトロンの側面図である。 飲料物としてのペットボトル形飲料物の側面図である。 アプリケータの側面図である。 アプリケータの縦断面図である。 本発明の実施例１におけるアプリケータにマグネトロンを取り付けたマイクロ波加熱装置に飲料を格納しようとする状態の説明図である マイクロ波加熱装置に飲料を格納した状態を説明する断面図である。 図９の状態で加熱を実施した飲料の容器表面の温度を測定する箇所の説明図である。 筒内での飲料容器の高さ調整の説明図である。 図１１における高さ調整構造を説明する断面図である。 本発明の実施例２を説明する容器の注ぎ口方向を下面として加熱するときの図８と同様の説明図である。 本発明の実施例２を説明する容器の注ぎ口方向を下面として加熱するときの図９と同様の断面図である。 図１４の状態で加熱を実施した飲料の容器表面の温度を測定する箇所の説明図である。 本発明の実施例３を説明するマグネトロン加熱装置の断面図である。 赤外線温度計による飲料の温度測定を説明する図である。

符号の説明

１・・・自動販売機本体、２・・・自動販売機の前面扉、３・・・飲料物のサンプル、４・・・飲料物選択ボタン、５・・・貨幣投入口、６・・・飲料物取り出し口、７・・・マイクロ波加熱装置、７ａ・・・電源、８・・・筒、９・・・穴、１０・・・マグネトロン、１１・・・アンテナ、１２・・・飲料物（容器）、１３・・・注ぎ口、１４・・・蓋、１５・・・導波管、１６・・・導波管Ｈ面、１７・・・スタブ、１８・・・開口部、１９・・・受台、２０・・・調整棒、２１・・・置き台、２２・・・挿入穴、２３,２４・・・赤外線放射温度計、２５,２６・・・測定穴、２７，２８・・・赤外線。

Claims (2)

1. マイクロ波を発生するマグネトロンと、
   液体を収納した容器を格納する筒と、
   前記マグネトロンと前記筒を連結して、前記マグネトロンから発生したマイクロ波を前記筒に供給する前記筒が接続される開口部が水平上面板に設けてある導波管とを具備し、
   前記筒の内部に格納した前記容器に収納した液体を前記マイクロ波により加熱するマイクロ波加熱装置であって、
   前記容器の受台となる前記導波管の水平上面開口部の他面側は、該受台の高さを前記導波管の高さ方向に変化できるようにしたことを特徴とするマイクロ波加熱装置。
2. マイクロ波を発生するマグネトロンと、
   液体を収納した容器を格納する筒と、
   前記マグネトロンと前記筒を連結して、前記マグネトロンから発生したマイクロ波を前記筒に供給する前記筒が接続される開口部が水平上面板に設けてある導波管とを具備し、
   前記筒の内部に格納した前記容器に収納した液体を前記マイクロ波により加熱するマイクロ波加熱装置であって、
   前記容器の注ぎ口はくびれた形であり、前記容器の注ぎ口方向を、前記導波管の水平上面開口部で構成される前記筒の他面側に向けて格納してマイクロ波加熱を行うことを特徴とするマイクロ波加熱装置。
   
   
   

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