JP7178557B2 - 高周波加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、表面波伝送線路を備えた高周波加熱装置に関するものである。

従来、この種の高周波加熱装置は、表面波線路に対して高周波電力を給電し、表面波線路上に励振される表面波を用いて焦げ目付けなどの加熱を行っていた（例えば、特許文献１参照）。また、食品など、被加熱物の両面を加熱したい場合は２つの表面波線路で被加熱物を挟み込む構成としていた（例えば、特許文献２参照）。

特開昭４９－１６９４４号公報 特開平６－２６０２７６号公報

しかしながら、被加熱物の両面に単に表面波線路を設置し挟み込んで加熱する構成では、向かい合う表面波線路上を伝送するエネルギーが干渉し、表面波線路間で電力が飛び移ってしまい、所望の加熱具合にならないという課題を有していた。

また、干渉を防止する方法として、各々の表面波線路へ給電する高周波の周波数を変えることが考えられるが、発振回路が複数必要であり、商品化の上でコストの問題が発生する。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、向かい合う表面波線路の配置を工夫することにより、表面波線路間の電力の干渉を極力減らし、食品を所望の出来具合に加熱することのできる高周波加熱装置を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明に関する高周波加熱装置は、マイクロ波を発生させる高周波電力発生部と、被加熱物を挟み込むように配置した少なくとも２つの表面波線路と、前記高周波電力発生部からの電力を前記表面波線路へ伝える給電部と、を備え、前記２つの表面波線路は平面視で交差している構成とした。

本発明の高周波加熱装置によれば、被加熱物の両面を加熱する際、表面波線路間の電力の干渉を極力減らし、所望の火力で独立して加熱することができる。

本発明の実施の形態１における高周波加熱装置の構成図 本発明の実施の形態１における高周波加熱装置の斜視図 本発明の実施の形態１における他の高周波加熱装置の平面図 本発明の実施の形態１における高周波加熱装置と比較した参考例を示す構成図 本発明の実施の形態１における表面波線路の斜視図 本発明の実施の形態１における他の表面波線路の斜視図 本発明の実施の形態１における表面波線路の断面図 本発明の実施の形態１における表面波線路どうしの交差角度θと干渉度を示すグラフ

第１の発明は、マイクロ波を発生させる高周波電力発生部と、被加熱物を挟み込むように配置した少なくとも２つの表面波線路と、前記高周波電力発生部からの電力を前記表面波線路へ伝える給電部と、を備え、前記２つの表面波線路は平面視で交差している構成であり、これにより表面波線路間で電力の干渉が低減し、被加熱物の両面で所望の加熱を行うことができる。

第２の発明は、第１の発明において、前記２つの表面波線路の交差角度は平面視で４５°以上９０°以内の角度となる交差角度を有することにより、表面波線路間で電力の干渉が低減し、被加熱物の両面で所望の加熱を行うことができる。

第３の発明は、第１または第２の発明において、前記２つの表面波線路の表面波の伝送方向が平面視で交差していることにより、表面波線路間で電力の干渉が低減し、被加熱物の両面で所望の加熱を行うことができる。

第４の発明は、第３の発明において、前記２つの表面波線路の表面波の伝送方向の交差角度は平面視で４５°以上９０°以内の角度となる交差角度を有することにより、表面波線路間で電力の干渉が低減し、被加熱物の両面で所望の加熱を行うことができる。

第５の発明は、第１～第４のいずれかの発明において、前記表面波線路は導電性材料からなる周期構造体であることにより、被加熱物を挟み込む表面波線路間で電力の干渉が低減し、出来栄えが良くなる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１における高周波加熱装置の構成図である。図１において、マイクロ波などの高周波は高周波電力発生部１にて励振され、同軸線などの接続手段を含む給電部２ａ，２ｂに伝送される。なお、高周波電力発生部１は、電子レンジ等で一般的に使用されるマグネトロンであっても、半導体であってもよいものとする。

給電部２ａ，２ｂを介して表面波線路３ａ，３ｂに給電された高周波電力は、表面波線路３ａ，３ｂの近傍空間に集中する。被加熱物５は、下側の表面波線路３ｂの上方でかつ近傍に設けられた載置台４の上に載置され、上側の表面波線路３ａと下側の表面波線路３ｂの近傍に集中させた高周波により被加熱物５は加熱される。

なお本実施の形態では、被加熱物５、表面波線路３ａ，３ｂ、及び載置台４は加熱室６の中に設置されているが、電波漏洩や感電などの危険性がない構成があれば、必ずしも加熱室６の中に設置する必要はない。

また、本実施の形態においては、表面波線路３ａ，３ｂの形状は導電性材料を周期的に並べたスタブ型周期構造体としているが、これに限られるものではなく、表面波線路の形状は、針型、インターディジタル型などであってもよい。

また、高周波電力発生部１は複数設置して給電部２ａ，２ｂを介して表面波線路３ａ，３ｂに高周波電力を供給する構成であってもよい。

図２は、本発明の実施の形態１における高周波加熱装置の斜視図である。図２において、表面波線路３ａ，３ｂは互いに被加熱物を挟み込む形で向かい合っている。表面波線路３ｂは、表面波線路３ａを表面波線路の中心を軸にθ方向に９０°回転させている。すなわち表面波線路３ａ，３ｂは平面視で交差させており、表面波線路３ａ，３ｂの交差角度θは９０°としている。

図２において、高周波電力発生部１から給電部２ａ,２ｂを通じて表面波線路３ａ，３ｂに高周波電力が給電され、それぞれ表面波が発生する。表面波線路３ａ，３ｂは平面視で交差（直交）しているため各々の線路上に励起される表面波の伝送方向も平面視で交差（直交）しており、互いに極力干渉することがなく表面波線路上をエネルギーが伝送して被加熱物５を加熱することができる。

ここで、表面波線路３ａ，３ｂを平面視で表面波の伝送方向を交差させた状態とは、図２のように被加熱物５を上下の表面波線路３ａ，３ｂで挟み込む際に上側の表面波線路３ａを伝送する電磁エネルギー伝送方向Ａと、下側の表面波線路３ｂを伝送する電磁エネルギー伝送方向Ｂのなす交差角度θが、少なくともＸＺ面において平行で有限の値を持っている状態を意味する。θは、表面波線路３ｂの中心を軸としたときのＸＺ面において表面波線路３ａを回転した角度としての意味もある。

図３は本発明の実施の形態１における図２とは異なる高周波加熱装置の上面図である。図３では表面波線路３ａ，３ｂは被加熱物５を上下から挟み込む位置にあり、表面波線路３ｂに対して表面波線路３ａは平面視４５°の角度で交差している。図３で被加熱物の両面を加熱可能な範囲は図３で斜線を引いた範囲であり、被加熱物５のサイズに応じて表面波線路の幅や長さを変えることで加熱範囲は変えることができる。図３では、上下に配した表面波線路３ａ，３ｂは平面視で４５°の角度で交差しているため各々の線路上に励起される表面波の伝送方向も平面視で４５°の角度で交差しており、互いに極力干渉することがなく表面波線路上をエネルギーが伝送して被加熱物５を加熱することができる。

上述のとおり、上下に配した表面波線路３ａ，３ｂは平面視で４５°以上９０°以内の角度で交差させ、各々の線路上に励起される表面波の伝送方向も平面視で４５°以上９０°以内の角度で交差させれば、干渉を低減させることができる。

ここで、本発明を用いない場合、被加熱物がどのように加熱されるかについて述べる。

図４は、本発明の実施の形態１における高周波加熱装置と比較した参考例を示す構成図であり、被加熱物５を挟み込む表面波線路がそれぞれ交差しておらず、向きが同一（電磁エネルギーの伝送方向が同方向）の構成である。

図４において、上側の表面波線路３ａのみに給電した場合、表面波線路３ａ，３ｂを伝送する表面波の方向が等しいため、表面波線路３ａの表面上を伝送する途中でエネルギーの一部が下側の表面波線路３ｂに移ってしまい、表面波線路３ｂ上にもエネルギーが伝送する。被加熱物５は上側の加熱が所望の加熱具合に届かず、被加熱物５の下側も加熱されてしまう。

同様に、下側の表面波線路３ｂのみに給電した場合も表面波線路３ａ，３ｂを伝送する表面波の方向が等しいため、表面波線路３ｂの表面上を伝送する途中でエネルギーの一部が上側の表面波線路３ａに移ってしまい、表面波線路３ａ上にもエネルギーが伝送する。被加熱物５は下側の加熱が所望の加熱具合に届かず、被加熱物５の上側も加熱されてしまう。

また、被加熱物５の上面を強く加熱し、被加熱物５の下面を弱く加熱したい場合に、上下の表面波線路３ａ，３ｂに異なる大きさの電力を給電したとしても、上下それぞれの表面波線路を伝送途中で互いにエネルギーの一部が移ってしまい、所望の加熱具合にならない場合がある。このような表面波線路３ａ，３ｂ間のエネルギーの干渉を防止するには、それぞれの表面波線路に給電する高周波電力の周波数を変えるなどの方法をとらなければならず、複数の発振回路を必要としていた。

しかしながら本実施の形態において、表面波線路３ａ，３ｂを平面視で交差させて配置することで、エネルギーの伝送方向が異なるため、給電した電力が表面波線路３ａ，３ｂ間で干渉することを極力減らしてそれぞれ独立してエネルギーを伝送し、一つの発振回路から同じ周波数の高周波電力を表面波線路３ａ，３ｂに給電しても所望の加熱を行うことが可能である。

図５は本発明の実施の形態１における高周波加熱装置のスタブ型表面波線路７の斜視図である。アルミ板などの金属板７ａを周期的に並べた周期構造体のスタブ型表面波線路である。上述した図２や図３の構成では、このスタブ型表面波線路７を上下に被加熱物５を挟み込むように配置して、金属板７ａが上下で交差するように配置されている例を示したものである。

スタブ型表面波線路７に高周波電力を給電すると、ある金属板７ａと隣の金属板７ａの間に電界が生じる。金属板を流れる電流と金属板の周りを巻く磁界による電磁誘導によって、Ｚ方向へ表面波として電磁エネルギーが伝送していく。電界は金属板上端から＋Ｙ方向に向かって指数関数的に減少する。

図６は、本発明の実施の形態１における高周波加熱装置のインターディジタル型表面波線路８の斜視図である。インターディジタル型表面波線路８は櫛型の金属板を交互に組み合わせた形状をしている。開放端部から高周波電力を給電することにより櫛型の金属板の間に電界が生じ、表面波が励起される。

図６のようなＸ方向に長い線路の場合はＺ方向の電界成分が最も大きい。インターディジタル型表面波線路８とスタブ型表面波線路７のような、異なる形状の表面波線路で被加熱物５を挟み込む場合でも電界結合により電力が干渉するが、同様にどちらか一方をＸＺ面に平行にθ（平面視４５°～９０°の範囲で）回転させて交差させれば干渉を低減させることができる。

図７は本発明の実施の形態１における高周波加熱装置の表面波線路の断面図である。実施例として、スタブ型表面波線路７を金属板７ａの上端が向かい合うように配置し、発明者らは一方の表面波線路に給電した電力がどれだけ他方の表面波線路に移るかを解析により検証した。

モデルのスタブには導電性材料としてアルミを用い、アルミ板のサイズは幅１００ｍｍ、高さ２５ｍｍ、厚さ２ｍｍ、間隔４ｍｍとし、上下の表面波線路の向かい合う上端間の間隔は２０ｍｍで、一方のスタブ型表面波線路７に２４００ＭＨｚの交流電圧を印加した。

表面波線路の中心からの回転角度をθ（上下の表面波線路が交差する角度θ）としたとき、一方の表面波線路に印加した電力の内、他方の表面波線路へ移った電力の割合を干渉度として図８に示す。

図８のグラフの横軸は上下の表面波線路が交差する角度θ、縦軸は一方の表面波線路から他方の表面波線路へ移った電力の割合（干渉度）である。印加電力に対して、０°のとき（例えば上記図４の状態）は移った電力の割合が８割以上（８割５分程度）であるが、約２２．５°の回転で干渉度はおよそ半分となり、約４５°以上回転させると電力の干渉度は１割以下となり電力の干渉がほとんどなくなる。

上下に配した表面波線路が平行だと線路上を伝送する方向が同じであるため、電力の干渉が起こり、一方の表面波線路から他方の表面波線路へ電力が移ってしまう。伝送方向が異なることによって干渉が小さくなって電力の干渉が小さくなり、表面波線路間の電力の移りがなくなる。表面波線路同士の交差角度を４５°以上とすることによって被加熱物の両面を各々の表面波線路への給電量に応じた所望の加熱を行うことができる。

以上のように、本発明にかかる高周波加熱装置は被加熱物を表面波伝送線路によって挟み込み、その際平行方向に交差させることにより、極力電力の干渉がなく、それぞれ所望の加熱が可能な装置を提供できるので、オーブン加熱調理などにも応用できる。

１ 高周波電力発生部
２ａ，２ｂ 給電部
３ａ，３ｂ 表面波線路
４ 載置台
５ 被加熱物
６ 加熱室
７ スタブ型表面波線路
７ａ 金属板（アルミ板）
８ インターディジタル型表面波線路

Claims (4)

1. マイクロ波を発生させる高周波電力発生部と、
   被加熱物を挟み込むように配置した少なくとも２つの表面波線路と、
   前記高周波電力発生部からの電力を前記表面波線路へ伝える給電部と、を備え、
   前記２つの表面波線路を平面視で交差させ、
   前記２つの表面波線路上に励起される表面波が互いに干渉することを減少させるように、前記２つの表面波線路上に励起される表面波の伝送方向が平面視で交差することを特徴とする高周波加熱装置。
2. 前記２つの表面波線路の交差角度は平面視で４５°以上９０°以内の角度となる交差角度を有することを特徴とする請求項１記載の高周波加熱装置。
3. 前記２つの表面波線路の表面波の伝送方向の交差角度は平面視で４５°以上９０°以内の角度となる交差角度を有することを特徴とする請求項２記載の高周波加熱装置。
4. 前記表面波線路は導電性材質からなる周期構造体であることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の高周波加熱装置。

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