JPWO2017022713A1 - 電磁波加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】水蒸気を用いた電磁波加熱装置の小型化を実現する。電磁波加熱装置は、加熱室と、加熱室の第１壁面に配備され、加熱室内の被加熱物を加熱するための電磁波を放射する平面アンテナと、加熱室の第１壁面とは異なる第２壁面に配備され、電磁波の共振構造により高電圧を発生して放電プラズマを発生させる放電装置と、半導体素子により形成され、電磁波を出力する発振器を備え、発振器から出力される電磁波が、平面アンテナと放電装置とに供給されるように構成される。【選択図】図１

Description

本発明は、電子レンジ等の電磁波加熱装置に関する。特に、マイクロ波等の電磁波を放射するアレーアンテナと放電装置を用いて食品を加熱するものに関する。

近年、マグネトロンに代わり、半導体素子によるマイクロ波発生装置を用いた電子レンジが検討されている（例えば特許文献１）。

また、近年、過熱水蒸気を利用して調理を行う加熱調理器が開発され、実用化されている。例えば、特許文献２では、タンクに貯水した水をヒータで加熱して沸騰した水蒸気を発生させ、この水蒸気をファンで加熱室に送出すると共に、水蒸気を過熱して過熱水蒸気を生成するための第２のヒータへも送出する。そして第２のヒータにより生成された過熱水蒸気も加熱室に送られ、この水蒸気と過熱水蒸気とを用いて加熱調理が行われる。

国際公開第２０１０／０３２３４５号 特開２００９−９２３７６号公報

特許文献２では、水蒸気を加熱室に送出するための大型のファン、タンクの水をヒータに供給するためのポンプ、２つのヒータを必要とするので、水蒸気により加熱を行う加熱調理器の小型化が困難である。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものである。

本発明の電磁波加熱装置は、加熱室と、加熱室の第１壁面に配備され、加熱室内の被加熱物を加熱するための電磁波を放射する平面アンテナと、加熱室の第１壁面とは異なる第２壁面に配備され、電磁波の共振構造により高電圧を発生して放電プラズマを発生させる放電装置と、半導体素子により形成され、電磁波を出力する発振器を備え、発振器から出力される電磁波が、平面アンテナと放電装置に供給されるように構成される。

本発明の電磁波加熱装置によれば、通常の電磁波加熱に加え、低温プラズマによる加熱ができるので、卵料理など、精密な加熱制御を必要とする調理に利用できる。また、電磁波共振構造の放電装置を用いて低温プラズマを発生するので、電磁波加熱用の平面アンテナと発振器を共通化できる。従って、電磁波加熱装置の大型化を伴うことなく、低温プラズマによる加熱を行うことができる。

第１実施形態に係る電子レンジの概略構成図である。 第１実施形態に係る電子レンジの平面アンテナの概略構成図である。 第１実施形態に係る平面アンテナの正面図である。（ａ）は表面側基板の構成、（ｂ）は裏面側基板の構成である。 第１実施形態に係る放電装置の概略構成図である。 第２実施形態に係る放電／噴射装置の概略構成図である。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、以下の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。

（第１の実施形態）
図１を参照して、本発明に係る電磁波加熱装置の一例である電子レンジ１０は、被加熱物を収容する加熱室２と、加熱室の左右の壁面、及び下面にそれぞれ配置される平面アンテナ１Ａ〜１Ｃと、放電装置３と、マイクロ波を生成する発振器７と、発振器７から入力されたマイクロ波の供給先を切り替える切替器４と、発振器７及び切替器４を制御する制御装置５と、切替器４と各平面アンテナ１を接続する同軸線路６を備える。

図２を参照して、各平面アンテナ１は、１６個の小型アンテナ１１Ａ〜１１Ｐが、４列×４行のアレイ状に配置される。それぞれの小型アンテナ１１は、切替器４からの距離が等しくなるように配置される。

図３を参照して、平面アンテナ１は、前面側の第１基板１２と背面側の第２基板１３からなる。

第１基板１２はセラミック等の絶縁性の基板あり、その表面には渦巻き状の金属パターンが１６個形成されている。金属パターンのそれぞれは１つの小アンテナ１６を形成する。

背面側の第２基板１３には、切替器４からのマイクロ波を受ける給電点１４が下辺に形成される。そして給電点１４からそれぞれの小アンテナ１１にマイクロ波を伝送するための金属パターンが表面に形成される。

各小アンテナ１１は、マイクロ波が入力される受電端１１ａを中心に渦巻き状に形成され、受電端１１ａから開放端１１ｂの距離がマイクロ波のおおよそ４分の１波長となるように形成される。また、第１基板１２には、各小アンテナ１１の受電端１１ａの位置において貫通孔が形成されている。この貫通孔にはビアが充填され、このビアを介して第１基板１２の金属パターンと第２基板１３の金属パターンが接続される。

給電点１４から１６個のアンテナ１１の受電端１１ａまでの距離は等しくなるよう配置される。従って、原理的には１６個のアンテナには同位相のマイクロ波が供給されるので、発振器３からの出力パターンに応じて１６個のアンテナが同時にＯＮ又はＯＦＦとなる。

図３を参照して、放電装置３の構成の詳細を説明する。放電装置３は、同軸線路６からのマイクロ波が入力される入力部３ａ、同軸線路と放電装置３とのインピーダンス整合を行う結合部３ｂ、及びマイクロ波共振構造によりマイクロ波を昇圧する昇圧部３ｃからなる。昇圧部３ｃの先端には放電電極３６が配備される。導電性のケース３１は、内部の各部材を収容する。

入力部３ａの入力端子３２から入力されたマイクロ波は第１中心電極３３により結合部３ｂへ伝送する。第１中心電極３３とケース３１の間にはセラミック等の誘電体３９ａが設けられる。

結合部３ｂは、同軸線路（例えば５０Ωのインピーダンスを有する）と、昇圧部３ｃ（一例として、マイクロ波の周波数帯において１０Ω程度）とのインピーダンス整合を行う部分である。第２中心電極３４は、増幅／放電部分３ｃ側に底部を有する筒状構成であり、筒状部が第１中心電極３３を囲む。棒状の第１中心電極３３と筒状の第２中心電極３４の筒部内壁は対向しており、この対向部分において第１中心電極３３からのマイクロ波が容量結合により第２中心電極３４へ伝送される。第２中心電極３４の筒状部分には、セラミック等の誘電体３９ｂが充填され、第２中心電極３４とケース３１の間にもセラミック等の誘電体３９ｃが設けられる。これら各部材の長さや部材間の距離を適切に設計することにより、所望のインピーダンス整合を行うことが可能となる。

増幅／放電部分３ｃの第３中心電極３５は、第２中心電極３４と接続し、第２中心電極３４のマイクロ波を伝送する。第３中心電極３５は、長さが実質的にマイクロ波のおおよそ４分の１波長となるように設計されている。そこで、第３中心電極３５と第２中心電極３４の間に位置にマイクロ波の節が来るように設計すれば、第３中心電極３５の先端、即ち放電電極３６にはマイクロ波の腹が位置することとなり電位が最大となる。第３中心電極３５とケース３１の間には、部分的に誘電体３９ｄ（セラミック）が充填される。ここで、放電装置３の機械的な強度確保の観点からはセラミックを充填した方が良いが、放電装置３の電位（いわゆるＱ値）を高める目的であれば、セラミックは充填しない方が良い。そこで、放電装置３は、これらのトレードオフを考慮し、部分的にセラミックを充填している。

係る放電装置３によれば、１ｋＷのマイクロ波を入力部３ａから供給した場合、放電電極３６とケース３１の間に数十ＫＶの高電圧が発生し、放電電極３６とケース３１の間で放電が起きる。この放電により放電プラズマを発生させることができるので、この放電装置３を電子レンジ１０に利用することにより、低温プラズマによる食品の加熱調理が可能となる。

なお、この放電装置３は、マイクロ波の共振構造を用いた放電装置であり、連続的な放電を行うことができる。この点で、スパークプラグ等、間欠的な放電しか行えない多くの放電装置とは相違するので、この放電装置３は電子レンジ等の加熱調理器に適していると言える。

また、放電装置３は発振器７で生成されたマイクロ波を利用して高電圧を発生させるものである。また、発振器７は、平面アンテナ１から放射されるマイクロ波の電源としても機能する。従って、単一の発振器７により、低温プラズマの発生と、マイクロ波加熱の両方を実現することができる。

（第２の実施形態）
上記の放電装置３に代えて、図５で示す、噴射／放電装置４０を用いることもできる。この噴射／放電装置４０は、噴射管４２と、噴射管４２の先端に設けた環状突起４１と、噴射管４２を包む筒状部材４３を有する。噴射管４２は先端部に設けた噴射口４２ａから水蒸気を噴射する。噴射管４２の外側にはマイクロ波共振構造が形成され、放電装置３と同様、発振器７からのマイクロ波が昇圧される。噴射管４２の表面に形成されるマイクロ波共振回路はマイクロ波の４分の１波長の長さを有しており、環状突起４１が設けられた部分においてマイクロ波の腹が位置するように設計される。そして、所定の電力以上のマイクロ波を発振器７から噴射／放電装置４０に与えた場合、環状突起４１と筒状部材４３の間の電位差が高まり、そこで絶縁破壊（放電）が生じる。

この噴射／放電装置４０と上述の平面アンテナ１を併用することにより、以下の調理方法が考えられる。まず、マイクロ波加熱により、被加熱物である食品と、食品が置かれる加熱室内の温度を温める。この状況下で噴射管４２から水蒸気を噴射すると共に、更に放電プラズマを生成することにより、例えば微妙な火加減を必要とする、卵・乳製品に適した加熱を行うことができる。

以上説明したように、本発明は、電子レンジ等の電磁波加熱装置について有用である。

１ 平面アンテナ
２ 加熱室
３ 放電装置
４ 切替器
５ 制御装置
６ 同軸線路
７ 発振器
１１ 小型アンテナ
１２ 第１基板
１３ 第２基板
１４ 給電点

Claims (1)

1. 加熱室と、
   加熱室の第１壁面に配備され、加熱室内の被加熱物を加熱するための電磁波を放射する平面アンテナと、
   加熱室の第１壁面とは異なる第２壁面に配備され、電磁波の共振構造により高電圧を発生して放電プラズマを発生させる放電装置と、
   半導体素子により形成され、電磁波を出力する発振器を備え、
   発振器から出力される電磁波が、平面アンテナと放電装置とに供給されるように構成されたことを特徴とする、電磁波加熱装置。
   

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