JP6967707B2 - 高周波加熱装置 - Google Patents

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Description

本開示は、電子レンジなどの高周波加熱装置に関する。
従来、表面波伝送線路にマイクロ波を供給して、食品などの加熱対象物を加熱する高周波加熱装置が開発されている。
例えば、特許文献1は、表面波伝送線路に直接的にマイクロ波を供給することで、表面波伝送線路に載置された冷凍寿司を解凍する高周波加熱装置を開示する。
特開平8−166133号公報
高周波加熱装置の分野では、加熱対象物を効率的に加熱することが長年の課題である。本開示は、上記課題の解決に寄与する高周波加熱装置を提供することを目的とする。
本開示の一態様の高周波加熱装置は、生成部と表面波励振体と第1結合部と再利用部とを備える。
生成部はマイクロ波を生成する。表面波励振体は、周期構造体を有し、マイクロ波を表面波モードで伝播させて加熱対象物を加熱する。第1結合部は、表面波励振体の一つの端部に設けられる。第1結合部を介して、生成部により生成されたマイクロ波が表面波励振体に供給される。
再利用部は、表面波励振体の一つの端部からマイクロ波の伝播方向に位置する表面波励振体の別の端部に到達した表面波モードのマイクロ波を、加熱対象物の加熱のために再利用する。
本態様によれば、加熱対象物に吸収されなかったマイクロ波を、加熱対象物の加熱のために再利用することができる。その結果、マイクロ波のエネルギーの利用効率を向上させることができる。
図1は、実施の形態1に係る高周波加熱装置の構成を模式的に示す縦断面図である。 図2は、実施の形態1に係る高周波加熱装置の構成を模式的に示す横断面図である。 図3は、実施の形態2に係る高周波加熱装置の構成を模式的に示す横断面図である。 図4は、実施の形態3に係る高周波加熱装置の構成を模式的に示す横断面図である。 図5は、実施の形態3に係る表面波励振体の構成を示す斜視図である。 図6は、実施の形態3に係る表面波励振体の構成を示す斜視図である。 図7は、実施の形態4に係る高周波加熱装置の構成を模式的に示す横断面図である。
本開示の第1の態様の高周波加熱装置は、態様の高周波加熱装置は、生成部と表面波励振体と第1結合部と再利用部と整合部とを備える。
生成部はマイクロ波を生成するように構成される。表面波励振体は、周期構造体を有し、マイクロ波を表面波モードで伝播させて加熱対象物を加熱するように構成される。第1結合部は、表面波励振体の一つの端部に設けられる。第1結合部を介して、生成部により生成されたマイクロ波が表面波励振体に供給される。
再利用部は、表面波励振体の一つの端部からマイクロ波の伝播方向に位置する表面波励振体の別の端部に到達した表面波モードのマイクロ波を、加熱対象物の加熱のために再利用するように構成される。
再利用部は、表面波励振体の別の端部に設けられ、整合部は、別の端部に到達した表面波モードのマイクロ波を、インピーダンス整合によりモード変換するように構成される。
本開示の第2の態様の高周波加熱装置は、生成部と表面波励振体と第1結合部と再利用部とを備え、生成部はマイクロ波を生成するように構成される。表面波励振体は、周期構造体を有し、マイクロ波を表面波モードで伝播させて加熱対象物を加熱するように構成される。第1結合部は、表面波励振体の一つの端部に設けられる。第1結合部を介して、生成部により生成されたマイクロ波が表面波励振体に供給される。再利用部は、表面波励振体の一つの端部からマイクロ波の伝播方向に位置する表面波励振体の別の端部に到達した表面波モードのマイクロ波を、加熱対象物の加熱のために再利用するように構成される。周期構造体は、水平方向に周期的に配置された複数の柱状のピンを有する。
本開示の第の態様の高周波加熱装置によれば、第1または第2の態様において、再利用部は、表面波励振体の別の端部に設けられ、表面波励振体の別の端部に到達したマイク
ロ波を反射するように構成された反射部を含む。
本開示の第の態様の高周波加熱装置によれば、第の態様において、反射部は、表面波励振体の別の端部を覆う導波管である。
本開示の第5の態様の高周波加熱装置は、第の態様に加えて、直流電力を蓄える蓄電部をさらに備える。再利用部は、整合部によりモード変換されたマイクロ波を直流電力に変換し、直流電力を蓄電部に供給するように構成された変換部をさらに含む。
本開示の第6の態様の高周波加熱装置によれば、第の態様において、再利用部は、表面波励振体のいずれかの端部に設けられた第2結合部と、整合部と第2結合部とを接続するマイクロ波伝送線とをさらに含む。
本開示の第7の態様の高周波加熱装置によれば、第1または2の態様において、表面波励振体は、第1結合部を介して供給されたマイクロ波から得られた表面波を伝播させる第1部分と、第1部分に接続され、表面波の伝播方向を変更するように構成された第2部分と、第2部分に接続され、変更された伝播方向に表面波を伝播させる第3部分と、を含む。本態様において、再利用部は第2部分および第3部分である。
以下、本開示に係る高周波加熱装置の好適な実施の形態について、添付の図面を参照しながら説明する。本開示の高周波加熱装置は、具体的には電子レンジである。しかし、本開示の高周波加熱装置はこれに限定されるものではなく、誘電加熱を利用した加熱装置、生ゴミ処理機、半導体製造装置などを含む。
以下の説明において、同一または同等の構成要素には同じ参照符号を付し、重複する説明を省略する。
(実施の形態1)
<全体構成>
図1、図2はそれぞれ、本開示の実施の形態1に係る高周波加熱装置1aの構成を模式的に示す縦断面図、横断面図である。
図1、図2に示すように、高周波加熱装置1aは、加熱室2と生成部8と表面波励振体10と結合部12と反射部14と制御部16とを備える。高周波加熱装置1aは、載置台4の上に載置された加熱対象物6を、表面波励振体10の表面を表面波モードで伝播するマイクロ波によって加熱するように構成される。
なお、図2は、表面波モードのマイクロ波が表面波励振体10を伝播する様子、および、載置台4(図2では不図示)上の加熱対象物6の載置位置を模式的に示している。
以下、各構成要素について説明する。
<生成部>
生成部8は、マグネトロンとインバータとを有し、制御部16の制御の下、マイクロ波を生成するように構成される。固体発振器と電力増幅器とが生成部8を構成してもよい。
<表面波励振体>
表面波励振体10は、載置台4の下方に設けられる。表面波励振体10は、マイクロ波を表面波モードで伝播させて、載置台4に載置された加熱対象物6を加熱する。
表面波励振体10は、金属周期構造体であるスタブ型表面波励振体である。表面波励振体10は、金属板13上に所定間隔で配置された複数の金属板11を有する。
表面波励振体10は、スタブ型表面波励振体ではなく、金属板を交差指状に打ち抜いたインターデジタル型表面波励振体でもよい。表面波励振体10は、金属周期構造体ではなく、アルミナ板、ベークライト板などの誘電体板で構成されてもよい。
表面波励振体10の励振周波数は、材料、寸法などに依存する。スタブ型表面波励振体の場合、金属板11の高さ、間隔などを適切に選択することで、励振周波数を所望の値に設定することができる。一般的に、表面波励振体10の励振周波数は、金属板11の高さが低いほど高く、金属板11の間隔が狭いほど高い。
金属板11の各々は、互いに平行に配置される。表面波励振体10は、金属板11に垂直な方向、すなわち金属板11の配列方向に表面波を伝播させる。表面波励振体10上を、表面波モードで伝播するマイクロ波の伝播方向は、金属板11の配列方向と一致する。
<結合部>
表面波励振体10の一つの端部(図1、図2では表面波励振体10の左端)である給電辺15に、結合部12が設けられる。生成部8で生成されたマイクロ波は、結合部12を介して給電辺15から表面波励振体10に供給される。本実施の形態では、結合部12は方形導波管である。結合部12は第1結合部に相当する。
<反射部>
終端辺17を覆うように、反射部14が設けられる。終端辺17は、給電辺15から伝播方向D1に位置する表面波励振体10の別の端部(図1、図2では表面波励振体10の右端)である。反射部14は、表面波励振体10の表面を伝播した表面波モードのマイクロ波を終端辺17で全反射する。本実施の形態では、反射部14は方形導波管である。
<表面波励振体の作用>
表面波励振体10の作用について、図2を用いて説明する。
図2に示すように、生成部8により生成されたマイクロ波は、結合部12を介して給電辺15から表面波励振体10に供給される。
マイクロ波の供給により、表面波励振体10の表面を伝播する表面波S1が発生する。表面波S1は、伝播方向D1(図では左から右への方向)に伝播し、加熱対象物6を下方から加熱する。
表面波S1のうちの一部である表面波S2は、加熱対象物6に吸収されずに、表面波励振体10の表面を伝播方向D1にさらに伝播し、表面波励振体10の終端辺17に到達する。反射部14は、表面波S2を終端辺17で反射し、表面波S2の伝播方向を反転させる。表面波S2の伝播方向は、伝播方向D1から伝播方向D2(図では右から左への方向)に変更される。
反射部14により反射された表面波S2は、表面波励振体10の表面を終端辺17から給電辺15に向かって伝播し、加熱対象物6を下方から加熱する。
従来の高周波加熱装置は、加熱対象物6に吸収されずに表面波励振体の終端辺に到達した表面波モードのマイクロ波を空間に放射していた。空間に放射されたマイクロ波は加熱対象物6の加熱に寄与しないため、マイクロ波のエネルギーの利用効率は低下する。
本実施の形態では、表面波S1だけでなく、反射部14により反射された表面波S2によっても、加熱対象物6が加熱される。このようにして、高周波加熱装置1aは、加熱対象物に吸収されなかったマイクロ波を、加熱対象物の加熱のために再利用することができる。その結果、マイクロ波のエネルギーの利用効率を向上させることができる。
すなわち、本実施の形態では、反射部14が、加熱対象物6に吸収されずに表面波励振体の終端辺に到達したマイクロ波を再利用するように構成された再利用部に相当する。
(実施の形態2)
本開示の実施の形態2に係る高周波加熱装置1bについて、実施の形態1との相違点を中心に説明する。図3は、高周波加熱装置1bの構成を模式的に示す横断面図である。図3は、表面波モードのマイクロ波が表面波励振体10を伝播する様子、および、載置台4(図3では不図示)上の加熱対象物6の載置位置を模式的に示している。
実施の形態1では、表面波励振体10の終端辺17に到達した表面波S2を反射することで、マイクロ波の再利用が行われる。一方、実施の形態2では、インピーダンス整合により、表面波モードのマイクロ波を別のモードのマイクロ波に変換することで、マイクロ波の再利用が行われる。
図3に示すように、高周波加熱装置1bは、反射部14の代わりに、整合部22と変換部24とを備える。本実施の形態では、整合部22と変換部24とが再利用部に相当する。高周波加熱装置1bはさらに蓄電部26を備える。
整合部22は、表面波励振体10の終端辺17に接続される。変換部24は、マイクロ波伝送線23を介して整合部22に接続され、直流電力伝送線25を介して蓄電部26に接続される。蓄電部26は生成部8に接続され、生成部8に電力を供給する。
整合部22は、マイクロ波に対してインピーダンス整合を行うように構成されたインピーダンス整合器である。インピーダンス整合により、表面波モードのマイクロ波を同軸モードのマイクロ波または導波管モードのマイクロ波に変換することができる。以下、これをインピーダンス整合によるモード変換という。
表面波モードのマイクロ波を導波管モードへ変換する場合には、整合部22が、階段状のスタブ構造を有してもよい。表面波モードのマイクロ波を同軸モードのマイクロ波に変換する場合には、整合部22が、表面波モードのマイクロ波を導波管モードのマイクロ波に変換し、その後、同軸モードのマイクロ波に変換する2段階の構成を有してもよい。整合部22はこれらに限らず、種々の構成を採り得る。
マイクロ波伝送線23は、例えば、同軸線路または導波管路により構成することができる。本実施の形態によれば、整合部22により、表面波モードのマイクロ波が同軸モードまたは導波管モードに変換される。このため、マイクロ波伝送線23を介して、別の構成要素である変換部24にマイクロ波を伝送することができる。
変換部24は、交流電力であるマイクロ波を直流電力に変換する部材である。変換部24には、例えばレクテナ(Rectifying antenna)を用いてもよい。
上記構成において、結合部12を介して供給されたマイクロ波から得られた表面波S1によって加熱対象物6が加熱される。加熱対象物6に吸収されずに表面波励振体10を伝播した表面波S2が終端辺17に到達する。
整合部22は、終端辺17に到達した表面波モードのマイクロ波(表面波S2)を、インピーダンス整合によりモード変換し、同軸モードまたは導波管モードのマイクロ波を生成する。整合部22は、モード変換されたマイクロ波を、マイクロ波伝送線23を介して変換部24に伝送する。
変換部24は、そのマイクロ波を直流電力に変換し、直流電力伝送線25を介して直流電力を蓄電部26に伝送する。蓄電部26は、直流電力を生成部8に供給する電力として蓄える。
以上のように、高周波加熱装置1bは、加熱対象物6に吸収されなかったマイクロ波を、整合部22および変換部24を用いて直流電力に変換する。その直流電力は蓄電部26に蓄えられ、必要な場合に生成部8に供給される。
このようにして、高周波加熱装置1bは、加熱対象物に吸収されなかったマイクロ波を、加熱対象物の加熱のために再利用することができる。その結果、マイクロ波のエネルギーの利用効率を向上させることができる。
(実施の形態3)
本開示の実施の形態3に係る高周波加熱装置1cについて、実施の形態2との相違点を中心に説明する。図4は、高周波加熱装置1cの構成を模式的に示す横断面図である。図4は、表面波モードのマイクロ波が表面波励振体20を伝播する様子、および、載置台4(図4では不図示)上の加熱対象物6の載置位置を模式的に示している。
図4に示すように、高周波加熱装置1cは、変換部24と蓄電部26とを備えず、その代わりに結合部32を備える。高周波加熱装置1cは、表面波励振体10の代わりに表面波励振体20を備える。表面波励振体20は、実施の形態2に係る表面波励振体10の構成と異なる構成を有する。結合部32は第2結合部に相当する。
高周波加熱装置1cは、結合部12に加えて結合部32を有する。結合部32は、給電辺15および終端辺17以外の表面波励振体20の端部である給電辺33に設けられる。本実施の形態では、表面波励振体20は、平面視で略正方形の形状を有し、結合部32は、給電辺15に直交する給電辺33に設けられる。結合部32は、マイクロ波伝送線31を介して整合部22に接続される。
このように構成において、結合部12を介して供給されるマイクロ波から得られた表面波S1によって、加熱対象物6が加熱される。表面波S1のうちの一部である表面波S2は、加熱対象物6に吸収されずに表面波励振体10を伝播し、終端辺17に到達する。
整合部22は、終端辺17に到達した表面波モードのマイクロ波(表面波S2)をインピーダンス整合によりモード変換し、同軸モードまたは導波管モードのマイクロ波を生成する。整合部22は、モード変換されたマイクロ波を、マイクロ波伝送線31を介して結合部32に伝送する。
このマイクロ波は、結合部32を介して、給電辺33から表面波励振体20に供給される。このマイクロ波から、表面波S1、S2の伝播方向D1と直交する伝播方向D3に伝播する表面波S3が生じる。表面波S3によっても加熱対象物6が加熱される。すなわち、本実施の形態では、整合部22と結合部32とが再利用部に相当する。
本実施の形態に係る表面波励振体20は、ピン型スタブ構造を有する。ピン型スタブ構
造とは、水平方向に周期的に配置された複数の柱状のピンを有する周期構造体である。
図5、図6は、ピン型スタブ構造の例を示している。図5に示す表面波励振体20は、四角柱形状のピン20aを有する。図6に示す表面波励振体20は、円柱形状のピン20bを有する。表面波励振体20では、ピンの配列方向に沿って、すなわち、ピンが配置された水平面に平行な任意の方向に表面波が伝播することができる。
以上のように、高周波加熱装置1cは、加熱対象物6に吸収されなかったマイクロ波を、結合部32を介して表面波励振体20に供給し直す。このようにして、高周波加熱装置1cは、加熱対象物に吸収されなかったマイクロ波を、加熱対象物の加熱のために再利用することができる。その結果、マイクロ波のエネルギーの利用効率を向上させることができる。
(実施の形態4)
本開示の実施の形態4に係る高周波加熱装置1dについて、実施の形態1との相違点を中心に説明する。図7は、高周波加熱装置1dの構成を模式的に示す横断面図である。図7は、表面波モードのマイクロ波が表面波励振体30を伝播する様子、および、載置台4(図7では不図示)上の加熱対象物6の載置位置を模式的に示している。
高周波加熱装置1dは、再利用部である反射部14を備えず、その形状により加熱対象物6に吸収されなかったマイクロ波を再利用することが可能な表面波励振体30を備える。
図7に示すように、表面波励振体30は、平面視においてU字状に湾曲した形状を有する。具体的には、表面波励振体30は、直線部30aと、湾曲部30bと、直線部30cとを有する。加熱対象物6は直線部30a、30cにまたがるように、載置台4(不図示)に載置される。直線部30a、湾曲部30b、直線部30cは、第1部分、第2部分、第3部分にそれぞれ相当する。
直線部30aは、平面視において直線状に延在し、結合部12を介して供給されたマイクロ波から得られた表面波S1を伝播方向D1に伝播させる。表面波S1の一部である表面波S2は、加熱対象物6に吸収されずに直線部30aをさらに伝播し、直線部30aの終端に到達する。
湾曲部30bは、平面視において中心角が180度の扇形形状を有し、直線部30aと直線部30cを接続する。直線部30aから湾曲部30bに伝播方向D1に伝播した表面波S2は、湾曲部30bから直線部30cに伝播方向D2に伝播する。すなわち、湾曲部30bは、表面波S2の伝播方向を変更する。本実施の形態では、表面波S2の伝播方向は反転する。
直線部30cは、湾曲部30bに接続されて平面視において直線状に延在する。直線部30cは、湾曲部30bにより伝播方向が反転された表面波S2を伝播方向D2に伝播させる。
上記構成によれば、結合部12を介して供給されたマイクロ波が直線部30aを伝播することで得られた表面波S1によって、加熱対象物6が加熱される。それに加えて、湾曲部30bにより反転された伝播方向に直線部30cを伝播する表面波S2によっても、加熱対象物6が加熱される。
本実施の形態では、再利用部は、実施の形態1、2のように反射部14、整合部22な
どの別部材により構成されない。表面波励振体30に含まれた湾曲部30bおよび直線部30cが再利用部として機能する。
以上のように、高周波加熱装置1dは、加熱対象物6に吸収されなかったマイクロ波を、再度、加熱対象物6の加熱のために用いる。このようにして、高周波加熱装置1dは、加熱対象物に吸収されなかったマイクロ波を、加熱対象物の加熱のために再利用することができる。その結果、マイクロ波のエネルギーの利用効率を向上させることができる。
以上、実施の形態1〜4について説明したが、本開示はこれらの実施の形態に限定されるものではない。
例えば、実施の形態1では、反射部14が、表面波励振体10の終端辺17を覆うように設けられる。しかし、表面波を反射させることができれば、他の構成も適用可能である。例えば、反射部14が表面波励振体10の全体を覆うようにしもよい。
実施の形態1では、表面波励振体10に含まれた金属板11が全て同じ高さを有する。しかし、例えば、反射部14に覆われた金属板11が、終端辺17に近づくにつれて段階的に低くなる高さを有してもよい。この構成により、表面波をより精度良く反射することができる。
実施の形態2では、変換部24の例としてレクテナが挙げられる。しかし、マイクロ波を直流電力に変換することができれば、これに限定されるものではない。
実施の形態3では、結合部32は、給電辺15および終端辺17以外の表面波励振体20の端部である給電辺33に設けられる。しかし、給電辺15または終端辺17に給電辺33が設けられてもよい。
本開示では、実施の形態3に係る表面波励振体20だけがピン型スタブ構造を有する。しかし、実施の形態1,2に係る表面波励振体10、実施の形態4に係る表面波励振体30がピン型スタブ構造を有してもよい。
実施の形態4では、表面波励振体30はU字形状を有する。しかし、表面波励振体30を伝播した表面波S2の伝播方向を変更するものであれば、表面波励振体30の形状は、これに限るものではない。
本開示は、電子レンジ、乾燥装置、陶芸用加熱装置、生ゴミ処理機、半導体製造装置などに適用可能である。
1a,1b,1c,1d 高周波加熱装置
4 載置台
6 加熱対象物
8 生成部
10,20,30 表面波励振体
12 結合部(第1結合部)
14 反射部(再利用部)
15 給電辺(表面波励振体の一つの端部)
16 制御部
17 終端辺(表面波励振体の別の端部)
20a,20b ピン
22 整合部(再利用部)
23,31 マイクロ波伝送線
24 変換部(再利用部)
25 直流電力伝送線
26 蓄電部
30a 直線部(第1部分)
30b 湾曲部(第2部分)
30c 直線部(第3部分)
32 結合部(第2結合部、再利用部)
33 給電辺

Claims (7)

  1. マイクロ波を生成するように構成された生成部と、
    周期構造体を有し、前記マイクロ波を表面波モードで伝播させて加熱対象物を加熱するように構成された表面波励振体と、
    前記表面波励振体の一つの端部に設けられ、前記生成部により生成された前記マイクロ波が前記表面波励振体に供給される第1結合部と、
    前記表面波励振体の前記一つの端部から前記マイクロ波の伝播方向に位置する前記表面波励振体の別の端部に到達した表面波モードの前記マイクロ波を、前記加熱対象物の加熱のために再利用するように構成された再利用部と、を備え
    前記再利用部が、前記表面波励振体の前記別の端部に設けられ、前記別の端部に到達した表面波モードの前記マイクロ波を、インピーダンス整合によりモード変換するように構成された整合部を含む高周波加熱装置。
  2. マイクロ波を生成するように構成された生成部と、
    周期構造体を有し、前記マイクロ波を表面波モードで伝播させて加熱対象物を加熱するように構成された表面波励振体と、
    前記表面波励振体の一つの端部に設けられ、前記生成部により生成された前記マイクロ波が前記表面波励振体に供給される第1結合部と、
    前記表面波励振体の前記一つの端部から前記マイクロ波の伝播方向に位置する前記表面波励振体の別の端部に到達した表面波モードの前記マイクロ波を、前記加熱対象物の加熱のために再利用するように構成された再利用部と、を備え、
    前記周期構造体が、水平方向に周期的に配置された複数の柱状のピンを有する高周波加熱装置。
  3. 前記再利用部が、前記表面波励振体の前記別の端部に設けられ、前記表面波励振体の前記別の端部に到達した前記マイクロ波を反射するように構成された反射部を含む請求項1または2に記載の高周波加熱装置。
  4. 前記反射部が、前記表面波励振体の前記別の端部を覆う導波管である請求項に記載の高周波加熱装置。
  5. 直流電力を蓄える蓄電部をさらに備えた高周波加熱装置であって、
    前記再利用部が、前記整合部によりモード変換された前記マイクロ波を直流電力に変換し、前記直流電力を前記蓄電部に供給するように構成された変換部をさらに含む請求項に記載の高周波加熱装置。
  6. 前記再利用部が、前記表面波励振体のいずれかの端部に設けられた第2結合部と、前記整合部と前記第2結合部とを接続するマイクロ波伝送線と、をさらに含む請求項に記載の高周波加熱装置。
  7. 前記表面波励振体が、前記第1結合部を介して供給された前記マイクロ波から得られた表面波を伝播させる第1部分と、前記第1部分に接続され、前記表面波の伝播方向を変更するように構成された第2部分と、前記第2部分に接続され、変更された伝播方向に前記表面波を伝播させる第3部分と、を含み、
    前記再利用部が前記第2部分および前記第3部分である請求項1または2に記載の高周波加熱装置。
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