JP6597199B2 - 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関するものである。

マイクロ波加熱装置は、加熱対象となる被加熱物をマイクロ波加熱装置の加熱室内に設置し、マイクロ波発生源において発生させたマイクロ波を被加熱物に照射し吸収させることにより、被加熱物を加熱する装置である。

家庭用の電子レンジをはじめとする加熱用途のマイクロ波加熱装置では、通常、ＩＳＭ帯（Industrial-scientific-medical band）と呼ばれる、電波漏洩に対する規制が他のバンドに比べて緩和されている周波数帯域が用いられる。国内では特に２４００ＭＨｚから２５００ＭＨｚの周波数の範囲が主に用いられる。

マイクロ波加熱装置では、一般的にマグネトロンを用いたマイクロ波発生源においてマイクロ波を発生させているが、マイクロ波発生源に窒化ガリウム等により構成されたパワー半導体素子を用いることにより、マイクロ波発生源を小型で軽量にすることができる。しかしながら、マイクロ波加熱装置の全体を小型化するためには、マイクロ波発生源のみならず、被加熱物が入れられる加熱室を小型化することが求められる。

特開２００６−１２８０７５号公報 特開２００４−３４９１１６号公報

ところで、マイクロ波加熱装置における加熱室は、マイクロ波が加熱室の外に漏れることを防ぐため、加熱室は金属壁に覆われた構造となっている。現在のマイクロ波加熱装置は、加熱室の内寸は、小さくとも１辺が１５ｃｍ程度あり、幅、奥行きが３０ｃｍを超えるものもある。

２４００ＭＨｚから２５００ＭＨｚの周波数の範囲では、周囲の空間が空気である場合には、このマイクロ波の波長λは、およそ１２．５ｃｍから１２ｃｍとなる。マイクロ波加熱装置では、加熱室内に放射されたマイクロ波は、加熱室の金属壁において多重反射し定在波を形成し、加熱室内の空間において、電場及び磁場の振幅が大きな領域と小さな領域の分布が生じる。

加熱室内において許容される電磁波の分布をモードと呼び、それぞれのモードは、ある周波数と対応している。許容されるモードと異なる周波数のマイクロ波を放射しようとすると、そのマイクロ波は加熱室内に入射することなく反射されるため、被加熱物の加熱に寄与しないばかりか、反射されたマイクロ波により、マイクロ波発生源が破損されてしまう場合がある。

加熱室が小さくなると、特定の周波数帯の範囲内で許容されるモードの数が減少する。マイクロ波を加熱室内に放射した場合、加熱室内が放射されたマイクロ波の波長に比べ十分に大きければ、加熱室内で許容されるモードは多く存在する。しかしながら、加熱室内をマイクロ波の波長程度にまで小さくすると、許容されるモードは数個程度にまで減少する。更に、加熱室内をマイクロ波の半波長程度にまで小さくすると、許容されるモードは存在しなくなり、すべての周波数のマイクロ波が、加熱室内に入ることなく反射される。例えば、２４００ＭＨｚから２５００ＭＨｚの周波数のマイクロ波を用いる場合、加熱室の一辺の寸法がおよそ６ｃｍを下回る加熱装置を作ることは困難である。

従って、加熱室を小型化した場合においても、被加熱物を加熱することのできる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、マイクロ波を発生させるマイクロ波発生部と、被加熱物が設置される加熱室と、加熱室内に設置されており、前記マイクロ波発生部と接続されているアンテナと、前記加熱室内において、前記アンテナと前記被加熱物との間に設置された誘電体部材と、を有し、前記誘電体部材は、袋の中に複数の誘電体粒子が入れられているものであって、前記誘電体粒子は、酸化シリコンまたはアルミナの微粒子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、加熱室を小型化した場合においても、被加熱物を加熱することができる。

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（１） 誘電体部材を有していないマイクロ波加熱装置の構造図 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（２） シミュレーションにより得られた誘電体部材における比誘電率とマイクロ波の反射率との相関図 誘電体部材の説明図 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〕
第１の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に示すように、加熱室１０、アンテナ２０、誘電体部材３０、マイクロ波発生部４０等を有している。加熱室１０の筐体は、金属材料により形成されており、アンテナ２０及び誘電体部材３０は、加熱室１０内に設置されている。アンテナ２０は加熱室１０の筐体に設置されており、アンテナ２０の上に誘電体部材３０が置かれており、誘電体部材３０の上に被加熱物１００が置かれている。アンテナ２０は、例えば、パッチアンテナが用いられており、アンテナ２０は、加熱室１０の外側に設置されたマイクロ波発生源となるマイクロ波発生部４０と接続されている。マイクロ波発生部４０において発生したマイクロ波は、アンテナ２０より加熱室１０内に放射され、誘電体部材３０の内部を通り被加熱物１００に吸収される。このように、本実施の形態におけるマイクロ波加熱装置においては、加熱室１０内において、アンテナ２０と被加熱物１００との間に、誘電体部材３０が設置されている。

誘電体部材３０は、例えば、酸化シリコンやアルミナ等の誘電体材料により形成されている。誘電体部材３０は、誘電損失の比較的小さな材料であって、比誘電率の高い材料が好ましい。尚、酸化シリコンの比誘電率は、２〜４であり、アルミナの比誘電率は約９である。

マイクロ波は、誘電体部材３０の内部を通る際には、波長が短くなる。このように、本実施の形態においては、アンテナ２０と被加熱物１００との距離を短くすることができるため、加熱室１０を小さくすることができ、マイクロ波加熱装置を小型にすることができる。

具体的には、比誘電率ε_ｒの物質等の内部においては、周波数ｆのマイクロ波の波長λは、数１に示される式により表される。尚、ｃは光速である。

アンテナ２０と被加熱物１００との間に空気しか存在していない場合には、空気の比誘電率は略１であるため、周波数ｆのマイクロ波の波長λは、ｃ／ｆである。これに対し、比誘電率ε_ｒの物質等の内部においては、周波数ｆのマイクロ波の波長λは、ｃ／（ｆ×ε_ｒ ^１／２）となる。従って、比誘電率ε_ｒの誘電体部材３０を設置することにより、アンテナ２０と被加熱物１００との距離を１／ε_ｒ ^１／２短くすることができ、この分マイクロ波加熱装置を小型にすることができる。

言い換えるならば、図２に示されるように、誘電体部材３０が設置されていない場合には、加熱室１０が小さいと、上述したように、マイクロ波発生部４０において発生させたマイクロ波は、アンテナ２０において反射されマイクロ波発生部４０に戻ってしまう。このため、加熱室１０内に設置された被加熱物１００を加熱することができない。また、この場合、マイクロ波発生部４０が窒化ガリウム等の半導体素子により構成されていると、マイクロ波発生部４０に戻ったマイクロ波により半導体素子が破壊されてしまう。このため、図２に示す構造のマイクロ波加熱装置において、アンテナ２０からマイクロ波を加熱室１０内に放射させるためには、加熱室１０内を大きくする必要がある。これに対し、本実施の形態におけるマイクロ波加熱装置は、アンテナ２０と被加熱物１００との間に、誘電体部材３０を設置することにより、小さな加熱室１０であっても、被加熱物１００を加熱することが可能となる。

ところで、被加熱物１００と誘電体部材３０とは、できるだけ密着していることが好ましい。即ち、図３に示すように、被加熱物１００の底面１００ａの形状に対応した形状で、誘電体部材３０の被加熱物１００側の上面３０ａが形成されていることが好ましい。このように、被加熱物１００と誘電体部材３０との間において、空気等の隙間をなくすことにより、即ち、被加熱物１００と誘電体部材３０との間の全面において接することにより、比誘電率の低い領域を減らし、より一層小型にすることができる。尚、アンテナ２０より放射されたマイクロ波は、比誘電率の高い領域、即ち、誘電体部材３０の内部を優先的に通る傾向にある。また、加熱室１０と誘電体部材３０との間には、僅かに隙間等が設けられていてもよい。

次に、図３に示されるマイクロ波加熱装置についてシミュレーションを行った結果について説明する。シミュレーションのモデルは、加熱室１０は円筒形の金属により形成されており、加熱室１０の内側の底面の内径は７４ｍｍ、高さ１４０ｍｍである。アンテナ２０は、パッチアンテナであり、加熱室１０の内側の底面に設置されている。

誘電体部材３０は、アンテナ２０の上に設置されており、誘電体部材３０の上には、被加熱物１００が設置されている。被加熱物１００は、直径４０ｍｍ、高さ約３０ｍｍの底面がペットボトルのような形状の容器に水が入れられているものを想定している。誘電体部材３０の被加熱物１００側の上面３０ａは、この被加熱物１００の底面１００ａに対応する形状により形成されている。

図４は、誘電体部材３０における比誘電率ε_ｒを変化させた場合において、周波数が２５００ＭＨｚのマイクロ波が、アンテナ２０において反射される反射率のシミュレーションの結果を示す。尚、比誘電率ε_ｒが１の場合は、誘電体部材３０が存在していない場合に相当する。図４に示されるように、誘電体部材３０における比誘電率ε_ｒを高くすることにより、アンテナ２０における反射率を低くすることができる。アンテナ２０における反射率が低くなるということは、アンテナ２０から放射されるマイクロ波が増加することを意味しており、これに伴い、被加熱物１００における加熱も促進される。

マイクロ波は、そのマイクロ波の波長の半分よりも狭い幅の空間を伝播することはできない。従って、本実施の形態におけるマイクロ波加熱装置においては、誘電体部材３０は、誘電体部材３０のアンテナ２０側の底面の形状が長方形である場合、長方形の長辺Ｌは、数２に示される式を満たすように形成されている。また、誘電体部材３０は、誘電体部材３０のアンテナ２０側の底面の形状が円形である場合、円の直径Ｄは、数３に示される式を満たすように形成されている。

ところで、誘電体部材３０が硬い固体等である場合、被加熱物１００の底面１００ａの形状に対応して、形状を変形させることができない。即ち、被加熱物１００の底面１００ａの形状が常に同じであるならば問題はないが、被加熱物１００は様々な形状のものが存在しており、被加熱物１００の底面１００ａの形状も様々である。従って、誘電体部材３０と被加熱物１００との間の隙間をなくすためには、被加熱物１００の底面１００ａの形状に対応して、誘電体部材３０の形状を変化させることができるものが好ましい。

具体的には、図５（ａ）に示されるように、誘電体部材３０は、樹脂材料等により形成された袋３１に複数の誘電体粒子３２が入れられているものであってもよい。このような誘電体部材３０は容易に形状を変形させることができるため、被加熱物１００の形状に対応して、誘電体部材３０と被加熱物１００との間に隙間を生じさせることなく接触させることができる。誘電体粒子３２としては、酸化シリコンやアルミナ等のセラミックスの微粒子等が用いられ、平均粒径が１００μｍ以上、１０ｍｍ以下であり、丸みを帯びている形状のものが好ましい。誘電体粒子３２が、尖った形状のものである場合、電界集中が起こりやすく、局所的に過熱される場合があるからである。

誘電体粒子３２の形状が、略同一直径の球形である場合には、袋３１の内部の容積に対し、誘電体粒子３２の占める体積の比率が７０％以下であれば、誘電体部材３０の形状を容易に変化させることができる。尚、誘電体粒子３２を様々な大きさのものにより形成した場合には、袋３１の内部の容積に対し、誘電体粒子３２の占める体積の比率は７０％以上であってもよい。

また、図５（ｂ）に示すように、誘電体部材３０は、袋３１の中に複数の誘電体粒子３２とともにデカリン等の無極性分子の液体３３を入れたものであってもよい。極性分子の液体では、誘電損失が大きく、極性分子の液体自体が発熱する懸念があるため、誘電体部材３０を形成する袋３１の中に入れられる液体は、無極性分子の液体３３が好ましい。尚、デカリンの比誘電率ε_ｒは、２．１５である。このように、袋３１の中に複数の誘電体粒子３２とともに無極性分子の液体３３を入れることにより、誘電体粒子３２において生じる電界集中を無極性分子の液体３３により緩和させることができる。

また、図５（ｃ）に示すように、誘電体部材３０は、袋３１の中にデカリン等の無極性分子の液体３３を入れたものであってもよい。更には、図示はしないが、誘電体部材３０は、ゲル状であってもよい。この場合、ゲルを形成する材料に誘電体粒子が含まれていてもよい。

〔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。本実施の形態は、図６に示されるように、加熱室１０内において、アンテナ２０の上に、第２の誘電体部材１３２と第１の誘電体部材１３１を順に積層し、第１の誘電体部材１３１の上に、被加熱物１００を設置したものであってもよい。本実施の形態においては、第２の誘電体部材１３２を形成している誘電体材料は、第１の誘電体部材１３１を形成している誘電体材料よりも、比誘電率が低い材料により形成されている。このように、アンテナ２０と第１の誘電体部材１３１との間に、第１の誘電体部材１３１よりも比誘電率の低い第２の誘電体部材１３２を設けることにより、被加熱物１００の大きさや比誘電率等が変化しても、アンテナ２０の特性の変動を抑制することができる。第２の誘電体部材１３２は、例えば、発泡スチロールやテフロン（登録商標）等により形成してもよく、第１の誘電体部材１３１は、第１の実施の形態における誘電体部材３０と同じ材料により形成してもよい。

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）
マイクロ波を発生させるマイクロ波発生部と、
被加熱物が設置される加熱室と、
加熱室内に設置されており、前記マイクロ波発生部と接続されているアンテナと、
前記加熱室内において、前記アンテナと前記被加熱物との間に設置された誘電体部材と、
を有することを特徴とするマイクロ波加熱装置。
（付記２）
前記被加熱物と前記誘電体部材とが接する面では、前記被加熱物の面と前記誘電体部材の面とが、全面において接し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）
前記誘電体部材は、前記被加熱物の形状に対応して変形させることができるものであ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）
前記誘電体部材は、袋の中に複数の誘電体粒子が入れられているもの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）
前記袋の容積に対する前記誘電体粒子の占める体積は、７０％以下であることを特徴とする付記４に記載のマイクロ波加熱装置。
（付記６）
前記誘電体部材には、アルミナが含ま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。
（付記７）
前記誘電体部材は、袋の中に無極性分子の液体が入れられているものであることを特徴とする付記１から６のいずれかに記載のマイクロ波加熱装置。
（付記８）
前記誘電体部材は、第１の誘電体部材であって、前記アンテナと前記第１の誘電体部材との間には、第２の誘電体部材が設けられており、
前記第２の誘電体部材の比誘電率は、前記第１の誘電体部材の比誘電率よりも小さいことを特徴とする付記１から７のいずれかに記載のマイクロ波加熱装置。

１０ 加熱室
２０ アンテナ
３０ 誘電体部材
３０ａ 上面
３１ 袋
３２ 誘電体粒子
３３ 無極性分子の液体
４０ マイクロ波発生部
１００ 被加熱物
１００ａ 被加熱物の底面

Claims (5)

1. マイクロ波を発生させるマイクロ波発生部と、
   被加熱物が設置される加熱室と、
   加熱室内に設置されており、前記マイクロ波発生部と接続されているアンテナと、
   前記加熱室内において、前記アンテナと前記被加熱物との間に設置された誘電体部材と、
   を有し、
   前記誘電体部材は、袋の中に複数の誘電体粒子が入れられているものであって、
   前記誘電体粒子は、酸化シリコンまたはアルミナの微粒子であることを特徴とするマイクロ波加熱装置。
2. 前記被加熱物と前記誘電体部材とが接する面では、前記被加熱物の面と前記誘電体部材の面とが、全面において接してい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. 前記誘電体部材は、前記被加熱物の形状に対応して変形させることができるものであ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. 前記袋の容積に対する前記誘電体粒子の占める体積は、７０％以下であ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. 前記誘電体部材は、第１の誘電体部材であって、前記アンテナと前記第１の誘電体部材との間には、第２の誘電体部材が設けられており、
   前記第２の誘電体部材の比誘電率は、前記第１の誘電体部材の比誘電率よりも小さい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。

Images