JPWO2017081855A1 - マイクロ波加熱装置 - Google Patents

Abstract

マイクロ波加熱装置は、被加熱物（４）を収容する加熱室（１）と、指定された周波数を有するマイクロ波を生成するマイクロ波生成部（２）と、マイクロ波を加熱室に供給する給電部（３）と、加熱室（１）の壁面の少なくとも一部の二次元領域に設けられた電磁界分布調整装置（５）と、マイクロ波生成部（２）に対して複数の周波数を指定する制御部（９）とを備える。電磁界分布調整装置（５）は、上記二次元領域に設けられた接地導体と、接地導体に平行に二次元的かつ周期的に配列された複数の金属片とを有する。本態様のマイクロ波加熱装置は、供給されるマイクロ波の周波数に応じて、電磁界分布調整装置（５）のインピーダンスを変化させることができる。これにより、電磁界分布調整装置（５）で反射して発生した定在波の節および腹の位置を移動させることができる。その結果、加熱むらを低減することができる。

Description

本開示は、電磁界分布調整装置を備えたマイクロ波加熱装置に関する。

特許文献１および２に記載された技術は、電子レンジなどのマイクロ波加熱装置の分野において、被加熱物を均一に加熱するための代表的な技術である。

図７は、特許文献１に記載された電子レンジの断面図である。図７に示すように、加熱室２１内にターンテーブル２５が設置される。ターンテーブル２５が回転すると、ターンテーブル２５上の被加熱物２４も回転する。マグネトロン２２により生成されたマイクロ波は、導波管２３により加熱室２１内に供給される。

図８は、特許文献２に記載された電子レンジの断面図である。図８に示すように、回転アンテナ２６が、被加熱物２４が載置された載置台の下方に配置される。マグネトロン２２により生成されたマイクロ波は、導波管２３内を伝播し、回転アンテナ２６に到達する。回転アンテナ２６は、回転しながらマイクロ波を加熱室２１内に放射する。

これらの従来技術は、被加熱物またはアンテナを回転させて、マイクロ波を被加熱物に均等に供給することで、被加熱物を均一に加熱することを意図したものである。

実公昭５８−００５８４２号公報 特開昭５３−０９２９３９号公報

しかしながら、特許文献１に記載の構成では、加熱室内に定在波が発生する。被加熱物は同じところを繰り返し通過するので、定在波により同心円状に加熱むらが生じる。

特許文献２に記載の構成では、アンテナに近い場所では加熱が強く、アンテナから遠い場所では加熱が弱く、その結果、加熱むらが生じる。回転アンテナにより、加熱室内に定在波が発生することを完全に防止するのは困難である。

従来のマイクロ波加熱装置は、加熱が不均一であるという問題を有する。

上記従来の問題を解決するために、本開示の一態様のマイクロ波加熱装置は、被加熱物を収容する加熱室と、指定された周波数を有するマイクロ波を生成するマイクロ波生成部と、マイクロ波を加熱室に供給する給電部と、加熱室の壁面の少なくとも一部の二次元領域に設けられた電磁界分布調整装置と、マイクロ波生成部に対して複数の周波数を指定する制御部とを備える。

電磁界分布調整装置は、加熱室の壁面の少なくとも一部の二次元領域に設けられた接地導体と、接地導体に平行に二次元的かつ周期的に配列された複数の金属片とを有する。

電磁界分布調整装置は、所定の周波数を有するマイクロ波が供給されると、その近傍において実質的に無限大のインピーダンスを有する。電磁界分布調整装置は、別の所定の周波数を有するマイクロ波が供給されると、その近傍において実質的にゼロのインピーダンスを有する。

本態様のマイクロ波加熱装置は、供給されるマイクロ波の周波数に応じて、電磁界分布調整装置のインピーダンスを変化させることができる。これにより、電磁界分布調整装置で反射して発生した定在波の節および腹の位置を移動させることができる。その結果、加熱むらを低減することができる。

図１は、実施の形態１に係るマイクロ波加熱装置の斜視図である。 図２は、実施の形態１に係るマイクロ波加熱装置の断面図である。 図３Ａは、実施の形態１に係る電磁界分布調整装置の一部分を示す斜視図である。 図３Ｂは、実施の形態１の変形例に係る電磁界分布調整装置の一部分を示す斜視図である。 図４Ａは、電磁界分布調整装置による反射波の位相のずれに関する周波数特性を示す図である。 図４Ｂは、電磁界分布調整装置による誘電損失に関する周波数特性を示す図である。 図５Ａは、電気壁として機能する電磁界分布調整装置で反射されて発生した定在波を示す図である。 図５Ｂは、磁気壁として機能する電磁界分布調整装置で反射されて発生した定在波を示す図である。 図６Ａは、実施の形態２に係る電磁界分布調整装置の一部分を示す斜視図である。 図６Ｂは、実施の形態２の変形例に係る電磁界分布調整装置の一部分を示す斜視図である。 図７は、従来の電子レンジの断面図である。 図８は、従来の電子レンジの断面図である。

本開示の第１の態様のマイクロ波加熱装置は、被加熱物を収容する加熱室と、指定された周波数を有するマイクロ波を生成するマイクロ波生成部と、マイクロ波を加熱室に供給する給電部と、加熱室の壁面の少なくとも一部の二次元領域に設けられた電磁界分布調整装置と、マイクロ波生成部に対して複数の周波数を指定する制御部とを備える。

電磁界分布調整装置は、加熱室の壁面の少なくとも一部の二次元領域に設けられた接地導体と、接地導体に平行に二次元的かつ周期的に配列された複数の金属片とを有する。

電磁界分布調整装置は、所定の周波数を有するマイクロ波が供給されると、その近傍において実質的に無限大のインピーダンスを有する。電磁界分布調整装置は、別の所定の周波数を有するマイクロ波が供給されると、その近傍において実質的にゼロのインピーダンスを有する。

本態様のマイクロ波加熱装置は、供給されるマイクロ波の周波数に応じて、電磁界分布調整装置のインピーダンスを変化させることができる。これにより、電磁界分布調整装置で反射して発生した定在波の節および腹の位置を移動させることができる。その結果、加熱むらを低減することができる。

本開示の第２の態様のマイクロ波加熱装置によれば、第１の態様において、制御部が、電磁界分布調整装置の共振周波数以外の周波数を指定するように構成される。本態様によれば、加熱効率の低下を抑制することができる。

本開示の第３の態様のマイクロ波加熱装置によれば、第１の態様において、電磁界分布調整装置が、複数の金属片における隣り合う二つの金属片の間にそれぞれ設けられた複数のスイッチをさらに有する。

本態様のマイクロ波加熱装置は、供給されたマイクロ波の周波数に関係なく、複数のスイッチの開閉に応じて、電磁界分布調整装置のインピーダンスを変化させることができる。

本開示の第４の態様のマイクロ波加熱装置によれば、第１の態様において、電磁界分布調整装置が、複数の金属片の各々と接地導体とをそれぞれ接続する複数の金属柱をさらに有する。本態様のマイクロ波加熱装置は、供給されるマイクロ波の周波数に応じて、電磁界分布調整装置のインピーダンスを変化させることができる。

本開示の第５の態様のマイクロ波加熱装置によれば、第１の態様において、電磁界分布調整装置が、複数の金属片と接地導体との間に設けられた誘電体をさらに有する。本態様のマイクロ波加熱装置は、供給されるマイクロ波の周波数に応じて、電磁界分布調整装置のインピーダンスを変化させることができる。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１、図２はそれぞれ、本開示の実施の形態１に係るマイクロ波加熱装置である電子レンジの斜視図、断面図である。

図１、図２に示すように、加熱室１の天面の上方に発振器２が設置される。発振器２は、マグネトロンまたは固体発振素子で構成され、所定の周波数帯域における任意の周波数のマイクロ波を生成することができる。

制御部９は、二つの所定の周波数（第１の周波数（ｆ１）および第２の周波数（ｆ２））を指定する。発振器２は、制御部９により指定された周波数のマイクロ波を生成するように構成される。

アンテナ３は、加熱室１内の天面付近に設置され、発振器２により生成されたマイクロ波を加熱室１内に供給する。本実施の形態では、発振器２がマイクロ波生成部に、アンテナ３が給電部にそれぞれ相当する。

電磁界分布調整装置５は、加熱室１の底面に設けられる。被加熱物４は、電磁界分布調整装置５の上に載置される。電磁界分布調整装置５は、その表面のインピーダンスを変化させて、その近傍の電界分布を変化させることができる。これにより、被加熱物４の加熱分布を変化させ、被加熱物４を均一に加熱することができる。

図３Ａは、本実施の形態に係る電磁界分布調整装置５の一部分を示す斜視図である。図３Ａに示すように、電磁界分布調整装置５は、金属片１０と金属柱１１と接地導体１２とを備え、図１に示す加熱室１内の所定の二次元領域に設けられる。

本実施の形態では、所定の二次元領域は加熱室１の底面全体である。しかしながら、所定の二次元領域が底面ではなく他の壁面（例えば側壁）でもよく、全体ではなく一部であってもよい。

接地導体１２は、加熱室１の底面に平行に設けられる（図１、図２参照）。接地導体１２は、電磁界分布調整装置５の底面に相当し、基準電位を有する。

金属片１０は、接地導体１２と平行に二次元的かつ周期的に配列された複数の金属片を含む。金属片１０の各金属片は、一辺が、例えば、マイクロ波加熱のための動作周波数を有する電磁波の波長の半分以下の長さを有する四角形の金属平板である。二次元的かつ周期的に配列するとは、複数の同一構造体を縦横ともに一定間隔に配列することを意味する。

金属柱１１は、金属片１０の各金属片を接地導体１２にそれぞれ接続する複数の金属柱を含む。一つの金属片と一つの金属柱の組み合わせは、マッシュルーム（Mushroom）構造のユニットセル（Unit cell）と呼ばれる。本実施の形態において、電磁界分布調整装置５は、多数のユニットセルが二次元的かつ周期的に配列されたメタマテリアル（Meta-material）を構成する。

電磁界分布調整装置５が、所定の周波数を有するマイクロ波に対して磁気壁（Magnetic wall）として機能するように、金属片１０の各々の一辺の長さおよび金属柱１１の高さなどの寸法が適切に設計される。

図３Ｂは、本実施の形態の変形例に係る電磁界分布調整装置５の一部分を示す斜視図である。本変形例に係る電磁界分布調整装置５は、図３Ａに示す電磁界分布調整装置５と異なり、金属柱１１の代わりに、金属片１０と接地導体１２との間に誘電体１５が配置される。

図４Ａは、電磁界分布調整装置５による反射波の位相のずれに関する周波数特性を示す。図４Ｂは、電磁界分布調整装置５による誘電損失に関する周波数特性を示す。

図４Ａに示すように、共振周波数ｆｒを有するマイクロ波の場合、反射波の位相は元のマイクロ波の位相と変わらない。この場合、電磁界分布調整装置５は、実質的に無限大のインピーダンスを有する磁気壁として機能する。

共振周波数ｆｒとは異なる周波数ｆ１を有するマイクロ波の場合、反射波の位相は元のマイクロ波の位相とからほぼ１８０度ずれる。この場合、電磁界分布調整装置５は、実質的にゼロのインピーダンスを有する電気壁（Electric wall）として機能する。

電磁界分布調整装置５は、供給されるマイクロ波の周波数を切り替えることにより、磁気壁または電気壁として機能する。

図５Ａは、電気壁として機能する電磁界分布調整装置５で反射して発生した定在波１４ａを示す。図５Ａに示すように、マイクロ波は、金属片１０の表面に節（Node）を有する定在波（Standing wave）を形成する。図５Ｂは、磁気壁として機能する電磁界分布調整装置５で反射して発生した定在波１４ｂを示す。図５Ｂに示すように、マイクロ波は、金属片１０の表面に腹（Antinode）を有する定在波を形成する。

しかしながら、図４Ｂに示すように、電磁界分布調整装置５による誘電損失は、マイクロ波の周波数に応じて変化し、共振周波数ｆｒにおいて最大となる。

本実施の形態によれば、周波数ｆ２として、ｆ１、ｆｒのいずれとも異なり、ｆｒに近い周波数が選択される（図４Ｂ参照）。これにより、電磁界分布調整装置５は、加熱効率の低下を抑制することができる。電磁界分布調整装置５はさらに、不完全ではあるが磁気壁として機能して、反射波の位相のずれを抑制することができる。

以上のように、本実施の形態によれば、供給されるマイクロ波の周波数に応じて、電磁界分布調整装置５のインピーダンスを変化させることができる。これにより、電磁界分布調整装置５で反射して発生した定在波の節および腹の位置を移動させることができる。その結果、加熱むらを低減することができる。

（実施の形態２）
図６Ａは、本開示の実施の形態２に係る電磁界分布調整装置５の一部分を示す斜視図である。

図６Ａに示すように、図３Ａに示す構成に加えて、本実施の形態に係る電磁界分布調整装置５はスイッチ１３を有する。スイッチ１３は、金属片１０における隣り合う二つの金属片の間にそれぞれ設けられ、例えばトランジスタで構成された複数のスイッチを含む。

スイッチ１３を開けると、電磁界分布調整装置５は、多数のマッシュルーム構造のユニットセルが二次元的かつ周期的に配列されたメタマテリアルを構成する。電磁界分布調整装置５は、図３Ａに示す構成と同様、周波数ｆ１を有するマイクロ波に対して電気壁として機能し、共振周波数ｆｒを有するマイクロ波に対して磁気壁として機能する。

スイッチ１３を閉じると、スイッチ１３と金属片１０とを含む平面が短絡面（Short-circuit plane）を構成する。電磁界分布調整装置５は、短絡面の近傍において実質的にゼロのインピーダンスを有する電気壁として機能する。

本実施の形態によれば、供給されたマイクロ波の周波数に関係なく、スイッチ１３の開閉に応じて電磁界分布調整装置５の近傍のインピーダンスを変化させることができる。これにより、電磁界分布調整装置５で反射して発生した定在波の節および腹の位置を移動させることができる。

スイッチ１３は、例えば、ツェナーダイオードなどの降伏電圧特性を有する素子であってもよい。スイッチ１３が降伏電圧特性を有する素子である場合、スイッチ１３の各スイッチの近傍に到来した電磁波により、一つのスイッチの両端に接続された二つの金属片に予め決められたしきい値（降伏電圧）より大きな電位差が発生したとき、スイッチが開状態から閉状態に切り替わる。

従って、電磁界分布調整装置５は、電磁界が強い部分において自動的にインピーダンスを実質的にゼロに切り替えることで、この部分に定在波の節を発生させ、電磁界を弱める。これにより、加熱むらを自動的に抑制することができる。

図６Ｂは、本実施の形態の変形例に係る電磁界分布調整装置５の一部分を示す斜視図である。本変形例に係る電磁界分布調整装置５は、図６Ａに示す電磁界分布調整装置５と異なり、金属柱１１の代わりに、金属片１０と接地導体１２との間に誘電体１５が配置される。

以上のように、本開示に係る電磁界分布調整装置は、生ごみ処理機など、誘電加熱を利用した他の加熱装置にも適用可能である。

１，２１ 加熱室
２ 発振器
３ アンテナ
４，２４ 被加熱物
５ 電磁界分布調整装置
９ 制御部
１０ 金属片
１１ 金属柱
１２ 接地導体
１３ スイッチ
１４ａ，１４ｂ 定在波
１５ 誘電体
２２ マグネトロン
２３ 導波管
２５ ターンテーブル
２６ 回転アンテナ

Claims (5)

1. 被加熱物を収容する加熱室と、
   指定された周波数を有するマイクロ波を生成するマイクロ波生成部と、
   前記マイクロ波を前記加熱室に供給する給電部と、
   前記加熱室の壁面の少なくとも一部の二次元領域に設けられた電磁界分布調整装置であって、前記二次元領域に設けられた接地導体と、前記接地導体に平行に二次元的かつ周期的に配列された複数の金属片と、を有する電磁界分布調整装置と、
   前記マイクロ波生成部に対して複数の周波数を指定する制御部と、
   を備えたマイクロ波加熱装置。
2. 前記制御部が、前記電磁界分布調整装置の共振周波数以外の周波数を指定するように構成された請求項１に記載のマイクロ波加熱装置。
3. 前記電磁界分布調整装置が、前記複数の金属片における隣り合う二つの金属片の間にそれぞれ設けられた複数のスイッチをさらに有する請求項１に記載のマイクロ波加熱装置。
4. 前記電磁界分布調整装置が、前記複数の金属片の各々と前記接地導体とをそれぞれ接続する複数の金属柱をさらに有する請求項１に記載のマイクロ波加熱装置。
5. 前記電磁界分布調整装置が、前記複数の金属片と前記接地導体との間に設けられた誘電体をさらに有する請求項１に記載のマイクロ波加熱装置。