KR101495378B1

KR101495378B1 - 마이크로파 가열 장치

Info

Publication number: KR101495378B1
Application number: KR20107006920A
Authority: KR
Inventors: 겐지 야스이; 도모타카 노부에; 요시하루 오오모리; 마코토 미하라
Original assignee: 파나소닉 주식회사
Priority date: 2007-10-18
Filing date: 2008-10-16
Publication date: 2015-02-24
Also published as: WO2009050893A1; CN101828427A; RU2010119699A; US20100224623A1; JPWO2009050893A1; EP2205043A4; RU2483495C2; KR20100068409A; EP2205043B1; EP2205043A1; JP5280372B2

Abstract

가열실 내에 수납(收納)되는 형상, 종류, 크기, 양이 다른 여러 가지 피가열물에 대하여, 마이크로파 공급 수단으로부터 방사(放射)된 마이크로파의 반사 전력을 작게 해서, 여러 가지 피가열물에 대하여 효율이 높은 가열을 실행할 수 있는 마이크로파 가열 장치를 제공하기 위해서, 마이크로파 발생부가, 발진부(2a, 2b), 전력 분배부(3a, 3b), 전력 증폭부(5a∼5d), 피가열물을 수납하는 가열실(10), 및 가열실의 벽면에 배치되어 마이크로파를 가열실 내에 공급하는 복수의 급전부(8a∼8d, 9a∼9b)를 구비하고 있으며, 제어적으로 쌍이 되는 급전부로부터 출력되는 마이크로파의 위상차(位相差) 및 발진 주파수를 가변(可變) 제어하도록 구성되어 있다.

Description

마이크로파 가열 장치{MICROWAVE HEATING DEVICE}

본 발명은, 고체 소자(素子)인 반도체 소자를 이용해서 구성한 마이크로파 발생부를 구비한 마이크로파 가열 장치에 관한 것이다.

마이크로파에 의해 피가열물(被加熱物)을 가열 처리하는 마이크로파 가열 장치의 대표적인 장치로서는 전자레인지가 있다. 전자레인지에 있어서는, 마이크로파 발생부에서 발생한 마이크로파가 금속제의 가열실 내부에 방사(放射)되어, 가열실 내부의 피가열물이 방사된 마이크로파에 의해 가열 처리된다.

종래의 전자레인지에 있어서의 마이크로파 발생부에는, 마그네트론이 이용되고 있었다. 마그네트론에 의해 생성된 마이크로파는, 도파관(導波管)을 통해서 가열실 내부에 공급되어, 피가열물에 방사되어서, 피가열물에 대한 가열 처리가 실행되고 있었다.

마이크로파를 발생시키는 마이크로파 발생부로서는, 최근, 고체 소자인 반도체 소자를 이용해서 구성한 것이 주목받고 있다.

이 종류의 마이크로파 발생부로서는, 반도체 발진부와, 반도체 발진부의 출력을 복수로 분배하는 분배부와, 분배된 출력을 각각 증폭하는 복수의 증폭부와, 증폭부의 출력을 재합성하는 합성부를 구비하고, 분배부와 증폭부와의 사이에 위상기(位相器)를 설치한 것이 있다. 이러한 마이크로파 발생부를 이용한 마이크로파 가열 장치에는, 예를 들면, 일본국의 특개소 56-132793호 공보에 개시된 전자레인지가 있다.

일본국 특개소 56-132793호 공보에 개시된 전자레인지에 있어서는, 위상기가 다이오드의 온/오프 특성에 의해 마이크로파의 전송 선로의 길이를 전환하는 구성이다. 이 전자레인지에 있어서, 합성기로서 90도 및 180도 하이브리드를 이용함으로써 2개의 출력을 형성하고 있다. 이 종래의 전자레인지에 있어서는, 위상기를 제어함으로써 2개의 출력의 전력비를 변화시켜서, 2개의 출력 간의 위상을 동상(同相) 혹은 역상(逆相)에 설정하고 있다. 이러한 위상기를 구비한 종래의 전자레인지에 있어서는, 합성기의 2개의 출력으로부터 방사되는 마이크로파는, 위상기에 의해 동상 또는 역상으로 전환됨으로써 2개의 방사 안테나로부터의 방사되는 전력비와 위상차(位相差)를 변화시키고 있다.

일본국 특개소 56-132793호 공보

전자레인지로 대표되는 마이크로파 가열 장치에 있어서, 마이크로파가 공급되는 가열실 내에는, 형상, 종류, 크기, 양이 상이한 다양한 피가열물이 수납된다. 가열실 내에 있어서는, 수납된 피가열물에 대하여 마이크로파가 방사되지만, 피가열물의 형상, 종류, 크기, 양 등에 따라서 크기가 다른 반사 전력이 발생한다. 발생한 반사 전력이 클 경우는, 가열 효율이 떨어져, 피가열물을 효율 높게 원하는 상태로 가열하지 못하고 있는 것을 나타내고 있다. 따라서, 마이크로파가 공급되는 가열실 내에 수납된 형상, 종류, 크기, 양이 다른 여러 가지 피가열물에 대하여, 피가열물을 사용자가 소망하는 상태로 가열할 때에 반사 전력을 가능한 한 작게 해서, 가열 효율을 높이는 것은 이 분야에 있어서의 달성해야 할 중요한 과제이었다.

본 발명은, 종래의 마이크로파 가열 장치에 있어서의 상기의 과제를 달성하는 것이며, 가열실 내에 수납되는 형상, 종류, 크기, 양이 다른 여러 가지 피가열물에 대하여, 마이크로파 공급 수단으로부터 방사된 마이크로파의 가열실 측에서의 반사 전력을 작게 해서, 여러 가지 피가열물에 대하여 효율이 높은 가열을 실행할 수 있는 마이크로파 가열 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은, 복수의 마이크로파 공급 수단을 가열실의 다른 벽면에 최적으로 배치하여, 가열실 내부의 마이크로파의 전자계 분포를 균일, 혹은 피가열물에 따라서 적절하게 가열하는 것을 가능하게 하고, 또한 소형화가 가능한 마이크로파 가열 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 상기 목적을 달성하는 것이며, 마이크로파를 방사하는 기능을 가진 복수의 마이크로파 공급 수단인, 제1급전부를 가열실이 구성되는 벽면에 배치하는 동시에, 제1급전부가 받은 반사 전력을 가열실에 재방사하는 제2급전부를 설치함으로써, 형상, 종류, 크기, 양이 다른 여러 가지 피가열물에 의해 생기는 반사 전력을 작게 해서, 피가열물을 효율 높게 원하는 상태로 가열하는 마이크로파 가열 장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 관련하는 제1관점의 마이크로파 가열 장치는, 피가열물을 수용하는 가열실과, 발진부와, 상기 발진부의 출력을 복수로 분배해서 출력하는 전력 분배부와, 상기 전력 분배부의 출력을 각각 전력 증폭하는 복수의 전력 증폭부와, 상기 전력 증폭부의 출력을 상기 가열실에 공급하는 복수의 제1급전부와, 상기 제1급전부에 입력된 반사 전력을 상기 가열실에 공급하는 복수의 제2급전부와, 상기 제1급전부로부터의 반사 전력을 상기 제2급전부에 공급하는 순환형의 비가역 회로를 구비하고,

상기 제1급전부와 상기 제2급전부는, 상기 가열실에 공급하는 마이크로파의 여진(勵振) 방향이 다르도록 구성되어 있다.

상기한 바와 같이 구성된 제1관점의 마이크로파 가열 장치는, 제1급전부가 받은 마이크로파의 반사 전력을 제2급전부에 의해 가열실에 재방사하는 구성이기 때문에, 전력 증폭부가 출력하는 마이크로파를 효율적으로 피가열물에 흡수시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 있어서는, 마이크로파 방사를 다른 복수의 급전부에서 실행함으로써, 다른 방향에서 피가열물에 대하여 직접적으로 마이크로파를 효율 높게 조사(照射)할 수 있다.

본 발명에 관련하는 제2관점의 마이크로파 가열 장치는, 상기 제1관점에 있어서의 상기 발진부, 상기 전력 분배부, 상기 전력 증폭부, 상기 제1급전부, 상기 제2급전부 및 상기 비가역 회로에 의해 구성된 마이크로파 발생부를 적어도 2조(組) 이상 구비하는 구성으로 해도 좋다. 이렇게 구성된 제2관점의 마이크로파 가열 장치는, 마이크로파 방사를 다른 방향에서 피가열물에 대하여 직접적으로 조사할 수 있기 때문에, 형상, 종류, 크기, 양이 다른 여러 가지 피가열물을 원하는 상태로 효율 높게 가열할 수 있다.

본 발명에 관련하는 제3관점의 마이크로파 가열 장치는, 상기 제2관점에 있어서의 상기 제1급전부와 상기 제2급전부가 상기 가열실을 구성하는 벽면에 있어서의 동일 벽면에 배치되는 구성으로 해도 좋다. 이렇게 구성된 제3관점의 마이크로파 가열 장치는, 제1급전부와 제2급전부 간의 물리적인 거리를 최소화해서 양쪽 급전부 간에서의 전송로에 의한 전송 손실을 대폭적으로 저감하여, 전력 증폭부가 출력하는 마이크로파를 효율 높게 가열실 내에 방사할 수 있다.

본 발명에 관련하는 제4관점의 마이크로파 가열 장치는, 상기 제2관점에 있어서의 복수의 상기 제1급전부가 상기 가열실을 구성하는 벽면에 있어서의 동일 벽면에 배치되는 구성으로 해도 좋다. 이렇게 구성된 제4관점의 마이크로파 가열 장치는, 마이크로파 발생부에 있어서 각각의 구성 요소 간을 접속하는 전송로를 물리적으로 최소 거리로 구성하는 것이 가능하게 되어, 전송로에 의한 전송 손실을 최소화하고, 전력 증폭부가 출력하는 마이크로파를 효율 높게 가열실 내에 방사할 수 있다.

본 발명에 관련하는 제5관점의 마이크로파 가열 장치는, 상기 제2관점에 있어서의 복수의 상기 제1급전부가 상기 가열실을 구성하는 벽면에 있어서의 다른 벽면에 배치되는 구성으로 해도 좋다. 이렇게 구성된 제5관점의 마이크로파 가열 장치는, 다른 방향에서 피가열물에 대하여 직접적으로 마이크로파를 조사할 수 있어, 여러 가지 형상, 종류, 크기, 양이 다른 피가열물이 가열실 내에 탑재되었을 경우에서도 가열실 내에 방사된 마이크로파를 효율적으로 피가열물에 흡수시켜서, 반사 전력을 최소로 억제해서 피가열물의 가열을 효과적으로 실행하여, 단시간에서의 가열을 실현하는 것이 가능하게 된다.

본 발명에 관련하는 제6관점의 마이크로파 가열 장치는, 상기 제2관점에 있어서의 복수의 상기 발진부가 동일한 주파수로 발진하도록 구성해도 좋다. 이렇게 구성된 제6관점의 마이크로파 가열 장치는, 마이크로파 가열 장치를 구성하는 각각의 마이크로파 발생부의 발진기를 공용으로 이용할 수 있어, 마이크로파 가열 장치의 소형화가 가능하게 된다.

본 발명에 관련하는 제7관점의 마이크로파 가열 장치는, 상기 제2관점에 있어서의 복수의 상기 발진부가 상이한 주파수로 발진하도록 구성해도 좋다. 이렇게 구성된 제7관점의 마이크로파 가열 장치는, 각각의 마이크로파 발생부에 있어서 반사 전력이 최소가 되는 주파수를 각각 독립으로 선택할 수 있기 때문에 여러 가지 형상, 종류, 크기, 양이 다른 피가열물이 가열실에 탑재되었을 경우에서도 가열실 내에 방사된 마이크로파를 효율적으로 피가열물에 흡수시켜서, 반사 전력을 최소로 억제하여 피가열물의 가열을 효과적으로 실행해서, 단시간에서의 가열을 실현하는 것이 가능하게 된다.

본 발명에 관련하는 제8관점의 마이크로파 가열 장치는, 상기 제2관점에 있어서의 상기 마이크로파 발생부가, 상기 전력 분배부의 출력에 접속되어, 상기 전력 분배부의 출력 위상(位相)을 가변(可變)하는 위상 가변부와, 제어부를 갖는 구성으로 해도 좋다. 이렇게 구성된 제8관점의 마이크로파 가열 장치는, 제1급전부에서 방사되는 마이크로파를 피가열물이 배치된 위치에서 간섭시킬 수 있어, 가열실 내에 방사된 마이크로파를 효율적으로 피가열물에 흡수시켜서, 반사 전력을 최소로 억제해서 피가열물의 가열을 효과적으로 실행하여, 단시간에서의 가열을 실현하는 것이 가능하게 된다.

본 발명에 관련하는 제9관점의 마이크로파 가열 장치는, 상기 제8관점에 있어서의 복수의 상기 위상 가변부의 각각이 독립 위상량(位相量)을 가변 제어하는 구성으로 해도 좋다. 이렇게 구성된 제9관점의 마이크로파 가열 장치는, 각각의 마이크로파 발생부에 있어서의 위상량을 독립해서 제어할 수 있어, 여러 가지 형상, 종류, 크기, 양이 다른 피가열물이 가열실에 탑재되었을 경우에서도, 가열실 내에 방사된 마이크로파를 효율적으로 피가열물에 흡수시켜서, 반사 전력을 최소로 억제해서 피가열물의 가열을 효과적으로 실행하여, 단시간에서의 가열을 실현하는 것이 가능하게 된다.

본 발명에 관련하는 제10관점의 마이크로파 가열 장치는, 상기 제1관점에 있어서의 상기 마이크로파 발생부가, 상기 전력 증폭부에 가열실 내부로부터의 반사 전력을 검출하는 전력 검출부와, 제어부를 갖추고, 상기 전력 증폭부에의 반사 전력이 최소가 되는 주파수가 되도록 발진부의 발진 주파수를 제어하도록 구성해도 좋다. 이렇게 구성된 제10관점의 마이크로파 가열 장치는, 여러 가지 형상, 종류, 크기, 양이 다른 피가열물이 가열실에 탑재되었을 경우에서도 과대한 반사 전력에 의해 증폭부에 치명적인 손상을 입히는 일 없이, 피가열물의 가열을 효율적으로 실행할 수 있다.

본 발명에 관련하는 제11관점의 마이크로파 가열 장치는, 상기 제10관점에 있어서의 상기 전력 검출부가 검출하는 반사 전력이 소정의 값 이상이 되면 상기 전력 증폭부가 출력하는 전력을 소정의 비율로 감하는 구성으로 해도 좋다. 이렇게 구성된 제11관점의 마이크로파 가열 장치는, 여러 가지 형상, 종류, 크기, 양이 다른 피가열물이 가열실에 탑재되었을 경우에서도 과대한 반사 전력에 의해 증폭부에 치명적인 손상을 입히는 일 없이 피가열물의 가열을 효율적으로 실행할 수 있는 동시에, 가열 중에도 상시(常時) 소정의 반사 전력 이하가 되는 위상차 및 발진 주파수를 유지할 수 있기 때문에, 피가열물의 온도 상승에 의해 전파의 흡수 및 반사 상태가 변화되어도 항상 효율적으로 피가열물의 가열을 실행할 수 있다.

본 발명에 관련하는 제12관점의 마이크로파 가열 장치는, 상기 제10관점에 있어서의 가열 동작의 초기 상태에 있어서, 상기 제어부가, 사용 가능한 주파수 대역에서 상기 전력 검출부가 검출한 반사 전력에 관한 주파수 특성으로부터 반사 전력이 최소가 되는 주파수를 탐색하는 최소 반사 전력 탐사 동작을 실행하도록 구성해도 좋다. 이렇게 구성된 제12관점의 마이크로파 가열 장치는, 여러 가지 형상, 종류, 크기, 양이 다른 피가열물이 가열실에 탑재되었을 경우에서도, 반사 전력을 최소로 억제해서 피가열물의 가열을 효과적으로 실행할 수 있다.

본 발명에 관련하는 제13관점의 마이크로파 가열 장치는, 상기 제12관점에 있어서의 상기 제어부가, 상기 최소 반사 전력 탐사 동작을 실행할 때, 상기 전력 증폭부의 출력을 저하시키고, 상기 최소 반사 전력 탐사 동작이 종료해서 반사 전력이 최소가 되는 주파수에 의해 가열 동작을 실행할 때에 상기 전력 증폭부의 출력을 상승시키도록 구성해도 좋다. 이렇게 구성된 제13관점의 마이크로파 가열 장치는, 여러 가지 형상, 종류, 크기, 양이 다른 피가열물이 가열실에 탑재되었을 경우에서도 과대한 반사 전력에 의해 증폭부에 치명적인 손상을 입히는 일 없이 피가열물의 가열을 효율적으로 실행할 수 있다.

본 발명에 관련하는 제14관점의 마이크로파 가열 장치는, 상기 제10관점에 있어서의 가열 동작에 있어서, 상기 제어부가, 상기 전력 검출부가 순차적으로 검출한 반사 전력에 있어서, 더욱 작은 값이 되는 주파수를 선택해서 가열 동작을 계속시키는 극소 반사 전력 추미(追尾) 동작을 실행하도록 구성해도 좋다. 이렇게 구성된 제14관점의 마이크로파 가열 장치는, 가열 동작 중에 있어서도, 반사 전력을 최소화하여, 피가열물의 가열을 효과적으로 실행할 수 있다.

본 발명에 관련하는 제15관점의 마이크로파 가열 장치는, 상기 제14관점에 있어서의 상기 제어부가, 상기 극소 반사 전력 추미 동작에 있어서, 상기 전력 검출부가 검출한 반사 전력의 값이 소정의 값을 초과하였을 경우에는 상기 전력 증폭부의 출력을 저하시키도록 구성해도 좋다. 이렇게 구성된 제15관점의 마이크로파 가열 장치는, 가열 동작 중에 있어서, 과대한 반사 전력에 의해 증폭부에 치명적인 손상을 입히는 일 없이 피가열물의 가열을 효율적으로 실행할 수 있다.

본 발명에 관련하는 제16관점의 마이크로파 가열 장치는, 상기 제14관점에 있어서의 상기 제어부가, 상기 극소 반사 전력 추미 동작에 있어서, 상기 전력 검출부가 검출한 반사 전력의 값이 소정의 값을 초과하였을 경우에는, 가열 동작을 정지하고, 상기 최소 반사 전력 탐사 동작을 실행해서 반사 전력이 최소가 되는 주파수를 탐색하도록 구성해도 좋다. 이렇게 구성된 제16관점의 마이크로파 가열 장치는, 가열 동작 중에 있어서, 과대한 반사 전력에 의해 증폭부에 치명적인 손상을 입히는 일 없어, 신뢰성이 높은 장치가 된다.

본 발명에 의하면, 마이크로파를 방사하는 기능을 갖는 복수의 마이크로파 공급 수단인 급전부를 가열실이 구성되는 벽면에 최적으로 배치하는 동시에 제1급전부에서 방사된 마이크로파의 반사 전력을 제2급전부에서 가열실 내에 재방사하도록 구성함으로써, 형상, 종류, 크기, 양이 다른 여러 가지 피가열물을 효율 높게 원하는 상태로 가열하는 마이크로파 가열 장치를 제공할 수 있다.

도 1은 본 발명에 관련하는 제1실시형태의 마이크로파 가열 장치의 구성을 나타내는 모식도.
도 2는 제1실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서의 급전부의 배치 예를 나타내는 도면.
도 3A는 제1실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서의 제1급전부의 지배적인 여진 방향을 나타내는 도면.
도 3B는 제1실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서의 제2급전부의 지배적인 여진 방향을 나타내는 도면.
도 4는 제1실시형태의 마이크로파 가열 장치의 위상차 및 발진 주파수의 제어 예를 나타내는 플로차트.
도 5는 제1실시형태의 마이크로파 가열 장치의 최소 반사 전력 탐사 동작을 나타내는 플로차트.
도 6은 도 5에 나타내는 최소 반사 전력 탐사 동작에 있어서의 주파수 특성의 일례(一例)를 나타내는 도면.
도 7은 제1실시형태의 마이크로파 가열 장치의 극소 반사 전력 추미 동작을 나타내는 플로차트.
도 8A는 도 7에 나타내는 극소 반사 전력 추미 동작을 설명하는 도면.
도 8B는 도 7에 나타내는 극소 반사 전력 추미 동작의 이상(異常) 시(時)의 동작을 나타내는 도면.
도 9는 마이크로파 가열 장치에 있어서, 위상차 조정에 의한 가열실 내부의 전자계 분포의 실험에 이용한 가열실을 위쪽에서 본 평면 단면도.
도 10은 마이크로파 가열 장치에 있어서, 위상차 0도인 가열실 내부의 전자계 분포의 실험 결과를 나타내는 등온선 도면.
도 11은 마이크로파 가열 장치에 있어서, 위상차 40도인 가열실 내부의 전자계 분포의 실험 결과를 나타내는 등온선 도면.
도 12는 마이크로파 가열 장치에 있어서, 위상차 80도인 가열실 내부의 전자계 분포의 실험 결과를 나타내는 등온선 도면.
도 13은 마이크로파 가열 장치에 있어서, 위상차 120도인 가열실 내부의 전자계 분포의 실험 결과를 나타내는 등온선 도면.
도 14는 마이크로파 가열 장치에 있어서, 위상차 160도인 가열실 내부의 전자계 분포의 실험 결과를 나타내는 등온선 도면.
도 15는 마이크로파 가열 장치에 있어서, 위상차 200도인 가열실 내부의 전자계 분포의 실험 결과를 나타내는 등온선 도면.
도 16은 마이크로파 가열 장치에 있어서, 위상차 240도인 가열실 내부의 전자계 분포의 실험 결과를 나타내는 등온선 도면.
도 17은 마이크로파 가열 장치에 있어서, 위상차 280도인 가열실 내부의 전자계 분포의 실험 결과를 나타내는 등온선 도면.
도 18은 마이크로파 가열 장치에 있어서, 위상차 320도인 가열실 내부의 전자계 분포의 실험 결과를 나타내는 등온선 도면.
도 19는 본 발명에 관련하는 제2실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서의 급전부의 배치 예를 나타내는 도면.
도 20은 본 발명에 관련하는 제3실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서의 최소 반사 전력 탐사 동작을 설명하는 도면.
도 21은 제3실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서의 최소 반사 전력 탐사 동작을 설명하는 도면.

이하에, 본 발명에 관련하는 마이크로파 가열 장치의 매우 적당한 실시형태에 대해서, 첨부 도면을 참조하면서 설명한다. 또한 이하의 실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서는 전자레인지에 대해서 설명하지만, 전자레인지는 하나의 예시이며, 본 발명의 마이크로파 가열 장치는, 전자레인지에 한정되는 것은 아니고, 유전(誘電) 가열을 이용한 가열 장치, 생활 쓰레기 처리기, 혹은 반도체 제조 장치 등의 마이크로파 가열 장치를 포함하는 것이다. 또한, 본 발명은, 이하의 실시형태의 구체적인 구성에 한정되는 것은 아니고, 동일한 기술적 사상에 근거하는 구성이 본 발명에 포함된다.

(제1실시형태)

도 1은 본 발명에 관련하는 제1실시형태의 마이크로파 가열 장치의 구성을 나타내는 모식도이다. 특히, 도 1에 있어서는 제1실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서의 마이크로파 발생 수단인 마이크로파 발생부의 구성을 블록도로 나타내고 있다.

도 1에 있어서, 제1실시형태의 마이크로파 발생부는, 반도체 소자를 이용해서 구성한 2개의 발진부(2a, 2b), 각 발진부(2a, 2b)의 출력을 2 분배하는 전력 분배부(3a, 3b), 분배부(3a, 3b)의 각각의 출력을 증폭하는 전력 증폭부(5a, 5b, 5c, 5d), 전력 증폭부(5a, 5b, 5c, 5d)에 의해 증폭된 마이크로파 출력을 가열실(10)의 내부에 방사하는 제1급전부(8a, 8b, 8c, 8d), 및, 제1급전부(8a, 8b, 8c, 8d)가 받아들인 반사 전력을 순환형의 비가역 회로(7a, 7b, 7c, 7d)를 통해서 가열실 내부에 재방사하는 제2급전부(9a, 9b, 9c, 9d)를 구비하고 있다.

순환형의 비가역 회로(7a, 7b, 7c, 7d)는 3개의 입출력 포트(port)를 가지고 있으며, 제1포트로부터 입력된 마이크로파 전력은 제2포트에 인도되고, 제3포트에는 나타나지 않는다. 또한, 제2포트로부터 입력된 마이크로파 전력은 모두 제3포트에 인도되고, 제1포트에는 나타나지 않도록 동작한다. 일반적으로, 이렇게 동작하는 순환형의 비가역 회로를 서큘레이터(circulator)라고 칭하고 있다. 이하의 본 명세서에 있어서는, 비가역 회로(7a, 7b, 7c, 7d)를 서큘레이터라고 칭해서 설명한다.

또한, 제1실시형태의 마이크로파 발생부는, 전력 분배부(3a, 3b)와 전력 증폭부(5a, 5b, 5c, 5d)를 접속하는 마이크로파 전송로에 삽입되어, 전력 증폭부(5a, 5b, 5c, 5d)에의 출력에 임의의 위상차를 발생시키는 위상 가변부(4a, 4b, 4c, 4d)와, 전력 증폭부(5a, 5b, 5c, 5d)와 제1급전부(8a, 8b, 8c, 8d)를 접속하는 마이크로파 전송로에 삽입되어, 제2급전부(9a, 9b, 9c, 9d)가 받은 가열실 내부로부터의 반사 전력을 검출하는 전력 검출부(6a, 6b, 6c, 6d)와, 전력 검출부(6a, 6b, 6c, 6d)로부터의 검출 신호가 입력되어, 발진부(2a, 2b)와 위상 가변부(4a, 4b, 4c, 4d)와 전력 증폭부(5a, 5b, 5c, 5d)를 구동 제어하는 제어부(12)를 구비하고 있다.

전력 검출부(6a, 6b, 6c, 6d)와 제1급전부(8a, 8b, 8c, 8d)와의 사이에 삽입된 서큘레이터(7a, 7b, 7c, 7d)는, 제1급전부(8a, 8b, 8c, 8d)가 받은 반사 전력을 제2급전부(9a, 9b, 9c, 9d)에 인도하고 있다. 제어부(12)는, 전력 검출부(6a, 6b, 6c, 6d)에 의해 검출된 반사 전력에 따라서 발진부(2a, 2b)의 발진 주파수와, 위상 가변부(4a, 4b, 4c, 4d)의 위상량, 및 전력 증폭부(5a, 5b, 5c, 5d)의 증폭률을 제어한다.

제1실시형태의 마이크로파 가열 장치는, 피가열물(11)을 수납하는 대략 직방체 구조로서 이루어지는 가열실(10)을 구비하고, 가열실(10)은 금속 재료로서 이루어지는 좌 벽면, 우 벽면, 바닥 벽면, 위 벽면, 안쪽 벽면, 및 피가열물(11)을 수납하기 위해서 개폐하는 개폐문(도 1에 있어서는 앞쪽이며, 도시 생략)으로 구성되어 있다. 상기한 바와 같이 구성된 가열실(10)은, 개폐문이 닫힌 상태에 있어서, 가열실 내에 공급된 마이크로파를 내부에 가두어, 마이크로파가 누설되지 않도록 구성되어 있다. 또한, 가열실 내에는 피가열물(11)을 탑재하기 위한 탑재대(13)가 설치되어 있다.

또한, 제1실시형태의 마이크로파 가열 장치는, 마이크로파 발생부의 출력이 전송되어서, 그 마이크로파를 가열실 내에 방사 공급하는 2조의 급전부인, 제1급전부(8a, 8b, 8c, 8d) 및 제2급전부(9a, 9b, 9c, 9d)가 가열실(10)을 구성하는 각각의 벽면에 배치되어 있다.

제1실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서는, 제어적으로 쌍이 되는 급전부가 대향하는 벽면에 배치되어 있다. 즉, 좌 벽면 및 우 벽면의 대략 중앙에는, 제1전력 분배부(3a)에 의해 분배된 마이크로파가 공급되는 제어적으로 쌍이 되는 제1급전부(8a, 8b)가 각각 배치되어 있다. 또한, 좌 벽면 및 우 벽면에는, 제어적으로 쌍이 되는 제1급전부(8a, 8b)가 받은 반사 전력을 서큘레이터(7a, 7b)를 통해서 출력하는, 제어적으로 쌍이 되는 제2급전부(9a, 9b)가 각각 배치되어 있다.

제1실시형태에 있어서, 제1급전부(8a, 8b)는, 좌 벽면 및 우 벽면의 대략 중앙에 배치된 예를 나타내고 있지만, 그것들의 마이크로파 방사 방향이 완전히 대향하지 않도록 어긋나서 배치되어 있다. 또한, 제2급전부(9a, 9b)에 있어서도, 좌 벽면 및 우 벽면에 배치된 예를 나타내고 있지만, 그것들의 마이크로파 방사 방향이 완전히 대향하지 않도록 어긋나서 배치되어 있다. 제2급전부(9a, 9b)의 각각은, 각각 제1급전부(8a, 8b)의 아래쪽에 배치되어 있으며, 탑재대(13) 상의 피가열물(11)에 대하여 확실하게 마이크로파가 조사되는 위치에 배치되어 있다.

제1실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서는, 가열실(10)의 위 벽면과 바닥 벽면의 대략 중앙에 제어적으로 쌍이 되는 제1급전부(8c, 8d)를 배치하고, 마찬가지로 가열실(10)의 위 벽면과 바닥 벽면에 제2급전부(9c, 9d)를 배치한 구성을 나타내고 있다. 그러나 본 발명의 마이크로파 가열 장치의 구성은, 제1실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서의 각 급전부의 배치에 구속되는 것은 아니고, 각종 대응이 가능하다. 예를 들면, 어느 쪽인가 1개의 벽면에 복수의 제1급전부를 설치해도 좋고, 대향면이 아닌 벽면, 예를 들면 우 벽면과 바닥 벽면과 같은 인접하는 벽면에 제어적으로 쌍이 되는 급전부를 설치한 구성도 가능하다.

반도체 소자를 가지고 구성된 전력 증폭부(5a, 5b, 5c, 5d)는, 저유전 손실 재료에 의해 형성된 유전체 기판의 한쪽 면에 형성한 도전체(導電體) 패턴으로 회로를 구성하고, 각 전력 증폭부(5a, 5b, 5c, 5d)의 증폭 소자인 반도체 소자를 양호하게 동작 시키기 위해서, 각 반도체 소자의 입력 측과 출력 측에 각각 정합(整合) 회로를 배치하고 있다.

각각의 기능 블록을 접속하는 마이크로파 전송로는, 유전체 기판의 한쪽 면에 설치된 도전체 패턴에 의해 특성 임피던스가 대략 50Ω의 전송 회로가 형성되어 있다.

제1전력 분배부(3a) 및 제2전력 분배부(3b)는, 예를 들면 윌킨슨형 분배기와 같은 출력 간에 위상차를 발생하지 않는 동상(同相) 분배기이어도 좋고, 브랜치 라인형이나 래트 레이스형과 같은 출력 간에 위상차를 발생하는 분배기이어도 좋다. 제1전력 분배부(3a)는, 제1발진부(2a)로부터 입력된 마이크로파 전력의 대략 1/2의 전력을 2개의 위상 가변부(4a, 4b)에 각각 출력한다. 또한, 제2분배부(3b)는, 제2발진부(2b)로부터 입력된 마이크로파 전력의 대략 1/2의 전력을 2개의 위상 가변부(4c, 4d)에 각각 출력한다.

또한, 각 위상 가변부(4a, 4b, 4c, 4d)는, 인가 전압에 따라서 용량이 변화되는 용량 가변 소자를 이용해서 구성되어 있으며, 각 위상 가변부(4a, 4b, 4c, 4d)의 위상 가변 범위는, 0도로부터 대략 180도의 범위이다. 따라서, 각 위상 가변부(4a, 4b, 4c, 4d)로부터 출력되는 마이크로파 전력의 위상차는, 0도로부터 ±180도의 범위 내에서 제어하는 것이 가능하다.

전력 검출부(6a, 6b, 6c, 6d)는, 가열실(10) 측으로부터 제2급전부(9a, 9b, 9c, 9d)가 받아, 서큘레이터(7a, 7b, 7c, 7d)를 통해서 전력 증폭부(5a, 5b, 5c, 5d)에 전송되는, 소위 반사파의 전력을 추출하는 것이다. 전력 검출부(6a, 6b, 6c, 6d)의 전력 결합도는, 예를 들면 약 40dB이며, 반사 전력의 약 1/10000의 전력량을 추출한다. 전력 검출부(6a, 6b, 6c, 6d)에 의해 검출된 전력 신호는 각각, 검파 다이오드(도시 생략)로써 정류하여, 콘덴서(도시 생략)로써 평활 처리하고, 그 평활된 신호가 제어부(12)에 입력된다.

제어부(12)는, 사용자가 직접 입력하는 피가열물의 가열 조건 혹은 가열 중에 피가열물의 가열 상태에서 얻어지는 가열 정보, 및 전력 검출부(6a, 6b, 6c, 6d)에 의해 검출된 전력 신호인 반사 전력의 정보 등에 기초하여, 마이크로파 발생부의 구성 요소인 제1발진부(2a), 제2발진부(2b), 및 전력 증폭부(5a, 5b, 5c, 5d)의 각각에 공급하는 구동 전력의 제어, 및 위상 가변부(4a, 4b, 4c, 4d)에 공급하는 전압을 제어해서, 가열실(10) 내에 수납된 피가열물(11)을 사용자가 소망하는 상태가 되도록 최적으로 가열한다. 또한, 마이크로파 발생부에는 주로 전력 증폭부(5a, 5b, 5c, 5d)에 설치된 반도체 소자의 발열을 방열시키기 위한 방열 수단(도시 생략)이 설치되어 있다.

또한, 제1급전부(8a, 8b, 8c, 8d)로부터 방사하는 마이크로파의 지배적인 여진 방향은, 제2급전부(9a, 9b, 9c, 9d)로부터 방사하는 마이크로파의 지배적인 여진 방향과 일치하지 않도록, 제1급전부(8a, 8b, 8c, 8d) 및 제2급전부(9a, 9b, 9c, 9d)가 아래와 같이 구성되어 있다.

제1실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서, 가열실(10)의 각 벽면에 설치된 제1급전부(8a, 8b, 8c, 8d) 및 제2급전부(9a, 9b, 9c, 9d)는, 개구부가 안테나가 되는 개구형의 급전부이다. 도 2는 제1급전부(8a, 8b, 8c, 8d) 및 제2급전부(9a, 9b, 9c, 9d)의 개구부의 형상의 일례를 나타내고 있다. 개구형의 급전부에 있어서는, 마이크로파를 가열실 내에 방사하는 안테나인 개구부의 형상이, 마이크로파의 지배적인 여진 방향을 결정한다.

제1급전부(8a, 8b, 8c, 8d) 및 제2급전부(9a, 9b, 9c, 9d)의 구성은, 효율적으로 마이크로파를 개구부로부터 가열실 내에 방사하기 위해서, 개구부에 있어서의 임피던스와 가열실 내의 공간의 임피던스를 정합(整合)시킬 필요가 있다. 구체적으로는, 가열실 내의 개방 공간에 대하여 개구부에 있어서의 반사가 -20dB 이하가 되도록 개구부의 임피던스를 설계한다면, 개구부에 대하여 공급하는 전력의 99%가 개구부로부터 방사되게 된다.

또한, 제1급전부(8a, 8b, 8c, 8d) 및 제2급전부(9a, 9b, 9c, 9d)의 각 개구부는, 소위 안테나로서 기능을 하기 때문에, 각 급전부에 마이크로파를 인도하는 도파로 내에 있어서 단일 모드의 마이크로파가 존재하도록 설정하면 임피던스의 설계가 용이하게 된다. 전자파의 전파 형태로서는, TE 모드(Transverse Electric Mode), TM 모드(Transverse Magnetic Mode), 및 TEM 모드(Transverse Electromagnetic Mode)의 3 형태가 있다. 예를 들면, 방사하는 마이크로파의 주파수가 전자레인지에서 사용되고 있는 2450MHz±50MHz의 주파수 대역이며, 장방형 형상의 개구부에 있어서의 긴 변과 짧은 변의 길이의 비가 2:1인 구(矩) 형상의 도파관을 이용하였을 경우, 짧은 변에 수직인 방향에 전계가 이루어지는 TE₁₀ 모드로 마이크로파를 전파시키기 위해서는, 개구부의 긴 변의 길이가 110mm이고, 짧은 변의 길이가 55mm의, 소위 WR-430 도파관(EIA 규격명)이 이용된다. 이때의 관 내 파장 λg는 약 148mm로 되고, 개구부의 짧은 변의 길이를 λg/4 정도로 설계해 두면, 개구부로부터 효율적으로 마이크로파가 방사된다.

제1실시형태의 마이크로파 가열 장치의 구성에 있어서는, 발명자가 각종 실험을 실행해 검토한 결과, 급전부의 각 개구부에 있어서의 짧은 변의 길이를 30mm, 긴 변의 길이를 80mm로 설정하였다. 이 설정한 길이는, 엄밀하게는 관 내 파장의 1/4과는 상위(相違)하고 있지만, 이 정도의 상위는 본 발명의 효과를 손상하는 것이 아니다.

도 3A 및 도 3B는, 가열실(10)의 좌 벽면에 설치된 제1급전부(8a) 및 제2급전부(9a)의 각 개구부로부터 방사되는 마이크로파의 지배적인 여진 방향을 나타내는 도면이다. 도 3A는 제1급전부(8a)의 개구부에 있어서의 여진 방향(도 3A에 있어서는 상하 방향)을 화살표로써 나타내고 있으며, 도 3B는 제2급전부(9a)의 개구부에 있어서의 여진 방향(도 3B에 있어서는 좌우 방향)을 화살표로써 나타내고 있다.

제1실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서는, 좌 벽면의 제1급전부(8a), 우 벽면의 제1급전부(8b), 바닥 벽면의 제1급전부(8c), 및 위 벽면의 제1급전부(8d)가 각각 방사하는 마이크로파의 지배적인 여진 방향은, 거의 일치하도록 구성되어 있다. 또한, 좌 벽면의 제2급전부(9a), 우 벽면의 제2급전부(9b), 바닥 벽면의 제2급전부(9c), 및 위 벽면의 제2급전부(9d)가 방사하는 마이크로파의 지배적인 여진 방향은, 거의 일치하도록 구성되어 있다. 그러나 제1급전부(8a, 8b, 8c, 8d) 및 제2급전부(9a, 9b, 9c, 9d)의 각 개구부는, 도 2에 나타낸 바와 같이 배치되어 있기 때문에, 제1급전부(8a, 8b, 8c, 8d)가 방사하는 마이크로파와, 제2급전부(9a, 9b, 9c, 9d)가 방사하는 마이크로파의 지배적인 여진 방향은, 일치하지 않는 것으로 되어 있다.

도 2에 나타낸 바와 같이, 제1실시형태에 있어서는, 예를 들면 좌 벽면의 제1급전부(8a)의 개구부와 제2급전부(9a)의 개구부에 있어서의 각각의 길이 방향이 직교하도록 구성한 예로 설명하였지만, 본 발명은 이 예에 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, 제1급전부(8a)의 개구부의 길이 방향과 제2급전부(9a)의 개구부의 길이 방향이 이루는 각도를, 90도 이외에, 30도, 45도 등의 임의의 각도에 설정하는 것이 가능하다.

도 3A 및 도 3B에 나타낸 바와 같이, 각 개구부로부터 방사되는 마이크로파의 지배적인 여진 방향은, 개구부의 길이 방향에 대하여 수직인 짧은 변 방향이며, 이 짧은 변 방향에 지배적인 마이크로파가 여진되어서, 개구부로부터 방사되고 있다. 따라서, 개구부에 있어서 지배적인 방향으로 진동하는 마이크로파는, 이 마이크로파가 방사되는 개구부에 있어서는 용이하게 통과하는 것에 대해서, 그 개구부의 짧은 변 방향과 다른 방향(예를 들면, 짧은 변 방향에서 90도 회전한 길이 방향)으로 진동하는 마이크로파는, 그 개구부를 통과하는 것이 곤란하게 된다. 이것 때문에, 제1급전부(8a, 8b, 8c, 8d)의 각 개구부로부터 방사된 마이크로파가, 제2급전부(9a, 9b, 9c, 9d)의 개구부 내에 직접적으로 전송되는 것이 극히 적고, 대부분의 마이크로파는 가열실 내에 방사되어서, 피가열물(11)을 가열한다.

[가열 동작]

이어서, 이상과 같이 구성된 제1실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서의 가열 동작에 대해서 설명한다.

도 4는 제1실시형태의 마이크로파 가열 장치에서 실행되는 가열 동작을 나타내는 플로차트이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 제1실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서는, 실제로 소정의 출력으로 가열 동작(본 가열 동작)을 실행하기 전의 가열 동작 초기 상태에 있어서, 가열실(10) 내에 피가열물(11)이 배치된 상태에서, 피가열물(11)로부터의 반사 전력이 최소가 되는 주파수를 탐사하는 최소 반사 전력 탐사 동작이 실행된다(단계 1). 이 최소 반사 전력 탐사 동작에 있어서는, 마이크로파 출력은 낮게 억제되어 있다. 단계 1에서 검지된 최소 반사 전력인 때의 주파수로 제1발진부(2a) 및 제2발진부(2b)를 발진시켜서, 실제의 소정의 출력으로 가열하는 본 가열 동작이 개시된다(단계 2). 이 본 가열 동작에 있어서는, 극소 반사 전력 추미 동작이 실행된다(단계 3). 극소 반사 전력 추미 동작은, 사용자가 설정한 가열 조건을 만족한 시점(예를 들면, 설정 시간, 설정 온도 등을 만족한 시점)인 가열 동작 종료까지 실행된다(단계 4). 제1실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서의 최소 반사 전력 탐사 동작 및 극소 반사 전력 추미 동작의 상세에 대해서는, 후술한다.

우선 처음에, 사용자가 피가열물(11)을 가열실 내에 배치하고, 그 피가열물(11)에 관한 가열 조건을 조작부(도시하지 않음)에서 입력한다. 사용자가 가열 개시 키(key)를 누름으로써, 가열 개시 신호가 생성되어서, 그 가열 개시 신호가 제어부(12)에 입력된다. 가열 개시 신호가 입력된 제어부(12)는 제어 출력 신호를 생성하고, 마이크로파 발생부는 동작을 시작한다. 제어부(12)는, 구동 전원(도시 생략)을 가동하고, 제1발진부(2a) 및 제2발진부(2b)에 전력을 공급한다. 이때, 제어부(12)는, 제1발진부(2a) 및 제2발진부(2b)에 대하여, 초기의 발진 주파수, 예를 들면 2400MHz에 설정되는 신호를 공급해서, 제1발진부(2a) 및 제2발진부(2b)에 있어서의 발진을 개시시킨다.

제1발진부(2a) 및 제2발진부(2b)가 발진 동작을 시작하면, 각각의 출력은 제1전력 분배부(3a) 및 제2전력 분배부(3b)에 있어서, 각각 대략 1/2로 분배되어서, 4개의 마이크로파 전력 신호가 형성된다. 분배된 마이크로파 전력 신호는, 각 위상 가변부(4a, 4b, 4c, 4d)를 통해서 전력 증폭부(5a, 5b, 5c, 5d)에 각각 입력된다. 제어부(12)는, 구동 전원을 제어해서, 각 전력 증폭부(5a, 5b, 5c, 5d)의 출력을 제어한다.

제1전력 분배부(3a) 및 제2전력 분배부(3b)에서 분배되어서 형성된 마이크로파 전력 신호는, 위상 가변부(4a, 4b, 4c, 4d), 병렬 동작하는 전력 증폭부(5a, 5b, 5c, 5d), 그리고 전력 검출부(6a, 6b, 6c, 6d)를 경유해서 4개의 제1급전부(8a, 8b, 8c, 8d)로부터 마이크로파 전력으로서 출력되어서, 가열실(10) 내에 방사된다. 본 가열 동작 전의 가열 동작 초기 상태에 있어서의 최소 반사 전력 탐사 동작에 있어서는, 각 전력 증폭부(5a, 5b, 5c, 5d)는 각각 100W 미만, 예를 들면 50W의 낮은 마이크로파 전력을 출력한다. 최소 반사 전력 탐사 동작에 있어서는, 반사 전력에 의해 각 증폭부(5a, 5b, 5c, 5d)의 발열량이 방열 가능한 열량을 초과하지 않도록, 낮은 마이크로파 전력이 안테나로부터 가열실(10) 내에 방사되도록 구성되어 있다.

가열실(10) 내에 공급된 마이크로파 전력이 피가열물(11)에 100% 흡수되면 가열실(10)로부터의 반사 전력은 0W가 된다. 그러나 가열실(10) 내에 수납되는 피가열물(11)은, 종류, 형상, 크기, 및 양이 그때마다 다르기 때문에, 항상 마이크로파 전력이 피가열물(11)에 100% 흡수되는 일은 없고, 가열실(10)에 있어서는 반사 전력이 발생한다. 피가열물(11)의 종류, 형상, 크기, 및 양에 의해, 피가열물(11)을 포함하는 가열실(10)의 전기적 특성이 다르게 되고 있다. 이것 때문에, 피가열물(11)에 의해 결정되는 전기적 특성에 근거하는 마이크로파 발생부의 출력 임피던스와 가열실(10)의 임피던스에 따른 반사 전력이 발생한다. 그 반사 전력은 가열실(10) 내부로부터 마이크로파 발생부 측에 전송된다.

제1실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서는, 서큘레이터(7a, 7b, 7c, 7d)는, 제1급전부(8a, 8b, 8c, 8d)가 받은 가열실(10) 내부로부터 반사된 마이크로파 전력(반사 전력)을 제2급전부(9a, 9b, 9c, 9d)에 인도하여, 제2급전부(9a, 9b, 9c, 9d)로부터 가열실(10) 내부에 재방사하도록 구성되어 있다.

전술한 바와 같이, 제1실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서는, 제1급전부(8a, 8b, 8c, 8d)와 제2급전부(9a, 9b, 9c, 9d)의 마이크로파의 여진 방향이 상이하도록 구성되어 있기 때문에, 제1급전부(8a, 8b, 8c, 8d)로부터 직접적으로 제2급전부(9a, 9b, 9c, 9d)에 전송되는 마이크로파 전력의 양은 매우 낮게 억제되어 있다. 또한, 동일한 이유에 의해, 제2급전부(9a, 9b, 9c, 9d)로부터 직접적으로 제1급전부(8a, 8b, 8c, 8d)에 전송되는 마이크로파 전력의 양은 매우 낮게 억제되어 있다. 이것 때문에, 전력 증폭부(5a, 5b, 5c, 5d)가 각각 출력하는 마이크로파 전력은, 제1급전부(8a, 8b, 8c, 8d) 및 제2급전부(9a, 9b, 9c, 9d)로부터 가열실(10) 내부에 확실하게 방사되어서, 반사 전력의 저감이 도모되고 있으며, 피가열물(11)을 효율적으로 가열한다.

전력 증폭부(5a, 5b, 5c, 5d)와 서큘레이터(7a, 7b, 7c, 7d)와의 사이에 설치된 전력 검출부(6a, 6b, 6c, 6d)는, 검출 대상 주파수 대역(예를 들면, 2400MHz∼2500MHz)에 있어서, 가열실(10) 내부로부터 마이크로파 발생부 측에 전송되어 온 반사 전력량을 검출하고, 그 반사 전력량에 비례한 검출 신호를 추출하는 것이다. 그 반사 전력량에 비례한 검출 신호를 받은 제어부(12)는, 검출 대상 주파수 대역(예를 들면, 2400MHz∼2500MHz)에 있어서, 반사 전력이 최솟값이 되는 발진 주파수의 선택을 실행한다. 이 발진 주파수의 선택 동작에 있어서, 제어부(12)는, 위상 가변부(4a, 4b, 4c, 4d)에 의해, 제어적으로 쌍이 되는 제1급전부(8a와 8b), 및 제1급전부(8c와 8d)에서 생기는 위상차를 0도의 상태로 제1발진부(2a) 및 제2발진부(2b)의 발진 주파수를 초기의 2400MHz로부터, 예를 들면 1MHz 피치 간격으로 서서히 높은 주파수 측으로 변화시켜서, 주파수 가변 범위의 상한인 2500MHz까지 변화시켜 간다. 이때의 반사 전력이 전력 검출부(6a, 6b, 6c, 6d)에 의해 검지되어서, 그 검지 신호가 제어부(12)에 입력된다.

이렇게 제어부(12)가 발진 주파수에 대한 최소 반사 전력 탐사 동작을 실행함으로써, 제어부(12)는 제1발진부(2a) 및 제2발진부(2b)의 발진 주파수에 대한 반사 전력의 변동 상태를 인식한다. 제어부(12)에 있어서는, 검출 대상 주파수 대역에 있어서 반사 전력이 가장 작아지는 발진 주파수를 출력하도록 제1발진부(2a) 및 제2발진부(2b)를 제어하는 동시에, 사용자가 입력한 피가열물(11)에 대한 가열 조건에 대응한 가열 출력을 얻을 수 있도록, 제1발진부(2a), 제2발진부(2b), 및 각 전력 증폭부(5a, 5b, 5c, 5d)를 구동 제어한다. 구동 제어된 각 전력 증폭부(5a, 5b, 5c, 5d)의 출력인 원하는 마이크로파 전력 신호는, 전력 검출부(6a, 6b, 6c, 6d) 및 서큘레이터(7a, 7b, 7c, 7d)를 통해서 제1급전부(8a, 8b, 8c, 8d)에 공급된다. 제1급전부(8a, 8b, 8c, 8d)는 입력된 마이크로파 전력을 가열실(10) 내의 피가열물(11)에 출력하고, 제1급전부(8a, 8b, 8c, 8d)가 받은 반사 전력을 서큘레이터(7a, 7b, 7c, 7d)를 통해서 제2급전부(9a, 9b, 9c, 9d)에 공급한다. 제2급전부(9a, 9b, 9c, 9d)는 반사 전력의 마이크로파 전력을 가열실(10) 내부에 방사하여, 피가열물(11)을 가열한다.

[최소 반사 전력 탐사 동작]

이어서, 제1실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서 실제로 소정의 출력으로 가열하는 본 가열 동작 전에 실행되는 최소 반사 전력 탐사 동작에 대해서 상세히 설명한다. 도 5는, 도 4에 나타낸 마이크로파 가열 장치의 가열 동작에서 실행되는 최소 반사 전력 탐사 동작을 나타내는 플로차트이다.

최소 반사 전력 탐사 동작은, 사용자가 가열 개시 키를 누름으로써 시작한다. 단계 101에 있어서는, 제어적으로 쌍이 되는 급전부(예를 들면, 제1급전부(8a와 8b))로부터 출력되는 마이크로파의 위상차(φ)를 0에 고정한 상태로, 또한 발진 주파수(F(m))를 검출 대상 주파수 대역의 최저 주파수(Fmin, 예를 들면, 2400MHz)에 설정해서 가열실 측으로부터의 반사 전력을 검출한다(단계 102). 이어서, 최저 주파수로부터 최고 주파수(Fmax, 예를 들면, 2500MHz)에 변화 폭 ΔF만큼 서서히 m회 상승시켜 간다(ｍ은 정(正)의 정수(整數)). 이때, 가열실 측으로부터의 반사 전력을 순차적으로 검출해 간다(단계 102). 이 반사 전력 검출 동작을 검출 대상 주파수 대역의 최고 주파수까지 계속한다(단계 102∼단계 104). 반사 전력 검출 동작에서 검출된 반사 전력에 대한 주파수 특성에 근거하여, 최소 반사 전력 값을 나타낸 주파수를 검출하고, 그 주파수를 본 가열 동작 시의 제1발진부(2a) 및 제2발진부(2b)의 발진 주파수로 한다(단계 105). 또한 제1실시형태의 마이크로파 가열 장치의 제어부(12)에 있어서는, 각 전력 검출부(6a, 6b, 6c, 6d)로부터 입력되는 반사 전력에 관한 주파수 특성 정보가 합성되어서 1개의 주파수 특성 곡선을 산출해서 최소 반사 전력을 나타내는 주파수를 검출하고 있다.

이상이 제1실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서 본 가열 동작 전에 실행되는 최소 반사 전력 탐사 동작이다. 도 6은, 최소 반사 전력 탐사 동작에 있어서, 최저 주파수(2400MHz)로부터 최고 주파수(2500MHz)까지의 주파수에서 소인(掃引) 동작을 실행하여, 반사 전력의 변동을 측정한 주파수 특성의 일례를 나타내는 도면이다. 도 6에 있어서의 반사 전력 곡선의 최솟값이 최소 반사 전력 주파수(fop)가 된다.

또한 본 발명에 관련하는 제1실시형태에 있어서, 최소 반사 전력 탐사 동작은 검출 대상 주파수 대역의 최저 주파수로부터 최고 주파수까지의 단일 방향만 실행하는 예로 설명하였지만, 검출 대상 주파수 대역의 최고 주파수로부터 최저 주파수까지의 단일 방향에서도 좋고, 또는 왕복 동작으로 탐사 동작을 실행해도 좋다.

상기한 바와 같이 최소 반사 전력 탐사 동작을 실행함으로써, 여러 가지 형상, 크기, 양 등이 다른 피가열물(11)에 대하여 반사 전력이 가장 작아지는 조건으로 가열을 시작할 수 있으며, 전력 증폭부(5a, 5b, 5c, 5d)에 구비된 반도체 소자가 반사 전력에 의해 과잉으로 발열하는 것을 방지할 수 있어 열적인 파괴를 회피할 수 있다.

[극소 반사 전력 추미 동작]

이어서, 제1실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서, 가열 동작 중의 본 가열 동작에서 실행되는 극소 반사 전력 추미 동작에 대해서 설명한다. 극소 반사 전력 추미 동작이라는 것은, 본 가열 동작 중에 실행되는 반사 전력의 극소치를 순차적으로 추미하는 동작이다.

전술한 최소 반사 전력 탐사 동작에 의해 검출된 주파수에 의한 본 가열 동작 중에 있어서는, 반사 전력이 극소치가 되도록 극소 반사 전력 추미 동작이 실행된다. 이하의 극소 반사 전력 추미 동작의 설명에 있어서, 가열 동작 중에 있어서의 제1발진부(2)의 발진 주파수, 및 제1발진부(2)로부터의 출력이 입력되어, 제어적으로 쌍이 되어 있는 위상 가변부(4a, 4b)의 위상차에 관한 제어에 대해서 설명한다. 다른 쌍인 위상 가변부(4c, 4d)에 있어서도, 위상 가변부(4a, 4b)와 마찬가지의 제어가 실행되기 때문에, 여기서는 대표해서 한쪽의 제어적으로 쌍인 위상 가변부(4a, 4b)의 제어에 대해서만 설명하고, 위상 가변부(4c, 4d)의 제어에 대해서는 생략한다.

도 7은, 제1실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서, 본 가열 동작 시에 실행되는 극소 반사 전력 추미 동작의 플로차트이며, 제1발진부(2)의 발진 주파수 및 위상 가변부(4a, 4b)의 위상차를 제어해서, 시시각각 변화되는 발진 주파수 부근의 반사 전력의 극소치를 추미하는 것이다.

제1실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서는, 위상 가변부(4a, 4b, 4c, 4d)가 가열 개시로부터 소정의 변화량(φ)으로 서서히 그 위상을 변화시키고 있다. 위상 가변부(4a, 4b)에 의해 위상을 변화시킴으로써 가열실 내부에 있어서 제1급전부(8a, 8b)가 방사하는 마이크로파의 간섭하는 위치를 변화시킬 수 있다. 이것 때문에, 가열실(10) 내에 탑재된 피가열물(11)의 위치에 따라서 위상을 제어해서 간섭 위치를 변동시킴으로써, 피가열물(11)을 균등 혹은 국부적으로 가열하는 것이 가능하게 된다.

제1실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서의 가열 동작 중에 있어서는, 위상 가변부(4a, 4b)에 있어서의 위상차(φ(n))(n은 정의 정수)를 일정한 시간 간격으로, 일정한 변화 폭 Δφ, 예를 들면 10도마다 변화시킨다(Ｓ301). 이때, 제1발진부(2a)는, 위상 가변부(4a, 4b)가 위상차를 변경하는 시간 간격과 동일한 간격으로 일정한 변화 폭 Δf, 예를 들면 0.1MHz마다 발진 주파수를 변화시켜 간다(Ｓ302). 상기한 바와 같이, 위상 가변부(4a, 4b)의 위상차 및 제1발진부(2a)의 발진 주파수를 변경할 때마다 전력 검출부(6a, 6b)에서 반사 전력(Pr(n))을 검출한다(Ｓ303).

단계 303에 있어서 검출된 반사 전력(Pr(n))이 미리 설정한 소정의 값 X보다 클 것인가 아닌가의 여부가 판단된다(단계 304). 검출된 반사 전력(Pr(n))이 소정의 값 X보다 클 경우(Pr(n)>X)에는, 가열실(10) 내의 피가열물(11) 등에 있어서 초기 상태와 크게 다른 상태가 생겼다고 판단하고, 본 가열 동작을 일단 중지해서(단계 305), 마이크로파 가열 장치에 있어서 본 가열 동작의 직전에 실행한 최소 반사 전력 탐사 동작이 다시 실행된다(단계 306). 이 최소 반사 전력 탐사 동작은, 전술한 바와 같이 위상차를 0도에 설정하고, 검출 대상 주파수 대역의 최저 주파수(예를 들면, 2400MHz)로부터 일정한 변화 폭(예를 들면, 0.1MHz)마다 상승시켜서, 변화시킬 때마다 반사 전력을 검출하는 것이다. 최소 반사 전력 탐사 동작이 실행되는 것에 의해, 피가열물(11)을 수납하는 상기 가열실에 있어서의 반사 전력에 관한 주파수 특성이 검출된다. 제어부(12)는, 검출한 주파수 특성에 근거해서, 최소 반사 전력이 되는 주파수를 검출하고, 그 주파수로 발진하도록, 제1발진부(2a) 및 제2발진부(2b)를 제어한다. 이하에, 도 4에 나타낸 단계 2 이후가 실행된다.

한편, 단계 304에 있어서, 검출된 반사 전력(Pr(n))이 소정의 값 X보다 작을 경우(Pr(n)≤X)에는, 단계 307에 이행한다. 제어부(12)는 이번 검출된 반사 전력(Pr(n))과 전회 검출된 반사 전력(Pr(n-1))과를 비교하고, 이번 검출된 반사 전력이 감소하고 있으면(Pr(n)≤Pr(n-1)), 현재의 발진 주파수를 유지한다(단계 308). 그리고, 변화 폭 Δf의 부호(+)를 그대로 유지하고(단계 309), 다음 단계 301에 이행한다. 이때, 상기 피가열물(11)에 대한 가열 조건이 만족되어 있으면, 이 가열 동작은 종료가 되고, 동시에 극소 반사 전력 추미 동작도 종료된다(단계 312).

한편, 단계 307에 있어서, 이번 검출된 반사 전력이 증대하고 있으면 (Pr(n)>Pr(n-1)), 현재의 발진 주파수를 전회의 발진 주파수로 변경한다(단계 310). 그리고, 변화 폭 Δf의 부호를 반대(-)로 변경하고(단계 311), 다음의 단계 301에 이행한다. 이때, 상기 피가열물(11)에 대한 가열 조건이 만족되어 있으면, 이 가열 동작은 종료가 되고, 동시에 극소 반사 전력 추미 동작도 종료된다(단계 312).

상기의 극소 반사 전력 추미 동작을 본 가열 동작 중에서 반복함으로써, 위상차 및 발진 주파수를 서서히 변화시켜 가면서, 상기 가열실(10)로부터의 반사 전력을 항상 극소치를 향하도록 제어할 수 있다.

또한, 제1실시형태의 마이크로파 가열 장치에서는, 검출된 반사 전력(Pr(n))이 미리 설정한 소정의 값 X보다 클 경우(Pr(n)>X)에는, 본 가열 동작을 일단 중지하고, 최소 반사 전력 탐사 동작을 다시 실행하는 설정으로 하고 있다(단계 306). 그러나, 본 가열 동작을 일단 정지하면, 조리 등에 있어서 문제가 생길 경우가 있기 때문에, 예를 들면 전력 증폭부(5a, 5b, 5c, 5d)가 출력하는 전력을 소정의 비율로 감해 가는 구성으로 해도 좋다.

도 8A 및 도 8B는, 극소 반사 전력 추미 동작을 나타내는 반사 전력에 대한 주파수 특성도이다. 도 8A에 있어서, (a)가 전술한 도 6에 나타낸 본 가열 동작 전에 검출한 주파수 특성도이고, (b)가 본 가열 동작 중에 있어서 변화된 주파수 특성에 있어서 극소치가 변화된 상태를 나타내고 있다. 도 8A의 (b)에 있어서, 파선이 본 가열 동작 전의 주파수 특성 곡선이며, 실선이 본 가열 동작 중의 주파수 특성 곡선이다. 제1실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서의 가열 동작 중의 극소 반사 전력 추미 동작에 의해, 반사 전력의 극소치를 추미해서 항상 효율이 높은 가열이 가능하게 된다.

단, 도 8B에 나타낸 바와 같이, 가열 동작 중의 주파수 특성 곡선이 크게 변화되었을 경우에는, 즉 도 7의 단계 304에 있어서 반사 전력 값(Pr(n))이 소정의 값 X보다 커졌을 경우에는, 극소 반사 전력 추미 동작에서는 극소치를 추미할 수 없기 때문에, 일단 본 가열 동작을 정지해서 최소 반사 전력 탐사 동작을 실행한다. 도 8B에 있어서, (a)가 전술한 도 6에 나타낸 본 가열 동작 전에 검출한 주파수 특성도이고, (b)가 본 가열 동작 중에 있어서 크게 변화된 주파수 특성 곡선을 나타내고 있다. 도 8의 (b)에 있어서, 파선이 본 가열 동작 전의 주파수 특성 곡선이며, 실선이 본 가열 동작 중에 있어서 크게 변화된 주파수 특성 곡선이다.

상기한 바와 같이, 극소 반사 전력 추미 동작에 있어서는 위상 가변부(4a, 4b)가 일정한 변화 폭 Δφ(예를 들면, 위상차 10도)로 위상차 φ를 시시각각 변화시키고 있다. 이 위상 가변부(4a, 4b)에 의해 생기는 위상차 φ를 변화시킴으로써 가열실(10) 내에서의 마이크로파의 간섭 위치가 변화되기 때문에 피가열물(11)을 균등하게 가열하는 것이 가능하게 된다. 한편, 위상차 φ를 특정한 값에 고정함으로써, 가열실(10) 내에서의 마이크로파의 간섭 위치를 일정하게 해서, 피가열물(11)을 국소적으로 가열하는 것이 가능하게 된다.

제1실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서는, 상기한 바와 같이 가열 동작을 제어함으로써, 가열 동작 중에 있어서도 전력 검출부(6a, 6b)가 가열실(10)로부터의 반사 전력을 검출하는 구성이기 때문에, 제어부(12)가 반사 전력의 상태를 항상 인식하고, 발진 주파수를 시시각각 미조정해서, 가열실 내부를 항상 반사 전력이 낮은 상태로 유지할 수 있다. 또한, 제1실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서는, 위상차를 변경하는 구성이기 때문에, 반사 전력의 상태를 고려하고, 위상차를 시시각각 미조정해서, 가열실 내부를 항상 반사 전력이 낮은 상태로 유지하는 것이 가능하다.

따라서, 제1실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서는, 반도체 소자의 발열을 낮게 억제하는 것이 가능하게 되어, 가열 효율을 높게 유지할 수 있기 때문에, 단시간에서의 가열을 도모하는 것이 가능하다.

또한, 제1실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서는, 허용 가능한 반사 전력 값을 소정의 값으로서 정하고, 그 허용 가능한 반사 전력 값까지의 범위 내에 있어서, 제어부(12)가 시간적으로 위상 가변부(4a, 4b)의 위상차와, 제1발진부(2a)와 제2발진부(2b)의 발진 주파수를 변화시키는 구성으로 하는 것도 가능하다. 이렇게 위상차와 발진 주파수를 변화시킴으로써, 가열실(10) 내에서의 마이크로파의 전파(傳播) 상태를 시간적으로 변화시킬 수 있으므로, 피가열물(11)의 국소 가열을 해소하여, 가열의 균일화를 도모하는 것이 가능하다.

또한, 상기의 설명에 있어서는, 제1전력 분배부(3a) 및 제2전력 분배부(3b)의 각각의 출력에 대하여, 2개의 위상 가변부(4a, 4b, 및 4c,4d)를 삽입한 예로 설명하였지만, 제1전력 분배부(3a) 및 제2전력 분배부(3b)의 어느 한쪽 출력에만 위상 가변부를 삽입하고, 그 위상 변화 폭을 0도로부터 360도가 되도록 조정하는 것도 가능하다.

[위상 제어 동작]

제1실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서는, 제어부(12)로부터의 제어 신호에 의해 위상 가변부(4a, 4b, 4c, 4d)가 대향해서 배치된 제어적으로 쌍이 되는 2개의 제1급전부(8a와 8b), 및 2개의 제1급전부(8c와 8d)의 각각으로부터 방사되는 마이크로파의 위상차를 자유롭게 변화시키는 구성을 이루고 있다. 이렇게 위상 가변부(4a, 4b, 4c, 4d)에 의해, 가열실(10)에 있어서 대향하는 위치로부터 공급되는 마이크로파의 위상을 조정함으로써, 가열실 내부에 원하는 전자파 분포를 형성하는 것이 가능하게 된다. 제1실시형태에 있어서의 위상 가변부(4a, 4b, 4c, 4d)는, 인가 전압에 따라서 정전 용량이 변화되는 정전 용량 가변 소자를 이용해서 구성되어 있으며, 위상 가변 범위가 0도∼180도의 범위이다. 또한, 제어적으로 쌍인 제1급전부(8a와 8b), 및 제1급전부(8c와 8d)를 대향하는 위치가 아니고, 대향하지 않는 위치, 예를 들면 동일 벽면에 있어서의 다른 위치나, 인접하는 벽면에 있어서의 위치에 배치하였을 경우이어도, 위상을 조정함으로써 가열실(10) 내의 전자파 분포를 변경할 수 있다.

상기한 바와 같이, 제1실시형태의 마이크로파 가열 장치의 가열 동작 시에 있어서는, 안테나로 되는 제1급전부(8a, 8b, 8c, 8d)에 있어서 제어적으로 쌍인 제1급전부(8a와 8b), 및 제1급전부(8c와 8d)로부터 방사되는 마이크로파의 위상차가, 제어부(12)에 의한 위상 제어에 의해 변화되도록 구성되어 있다.

이하에, 이렇게 제어부(12)에 의해 위상 제어를 실행함으로써 피가열물(11)을 균등, 혹은 국부적으로 가열하는 것이 가능하게 되는 이유에 대해서 설명한다.

우선, 마이크로파 가열 장치에 있어서, 가열실(10)을 구성하는 벽면에 대향해서 배치된 급전부인 안테나로부터 방사되는 마이크로파에 있어서 위상차를 변화시킴으로써, 가열실 내부의 전자계 분포가 어떤 변화가 되는지에 대해서, 본 발명자가 실험을 실행하였으므로 이하에 설명한다.

도 9는, 실험에 이용한 가열실(10)을 위쪽에서 본 평면 단면도이다. 이 실험에서는, 도 9에 나타낸 바와 같이, 처음에 가열실(10)의 내부에 소정량의 물이 들어간 복수의 컵(도 9에 있어서는 CU로서 표시)을 정렬 배치하였다. 그때의 각각의 컵(CU) 내의 중앙부(도 9에 있어서 점 P로 표시)에 있어서의 물의 온도를 측정하였다.

그리고, 가열실(10)이 대향하는 벽면에 배치된 안테나(A1, A2)로부터 위상을 변화시킨 마이크로파를 방사시켰다. 그 후, 소정의 시간 경과 후에 마이크로파의 방사를 정지하고, 각 컵(CU) 내의 중앙부의 위치(P)에 있어서, 마이크로파 방사에 의한 물의 온도 상승 값을 측정하였다.

안테나(A1)로부터 방사되는 마이크로파와 안테나(A2)로부터 방사되는 마이크로파와의 사이에서 복수의 위상차를 설정하고, 설정한 위상차마다 복수 회의 마이크로파를 방사하였다. 또한, 본 실험에서는, 위상차를 0도∼320도의 범위에서 40도마다 변경해서 측정하였다.

상기한 바와 같이, 마이크로파 가열 장치의 가열실 내부의 수평면 내에 배치된 물의 온도 상승 값을 측정함으로써, 가열실 내부에 있어서의 마이크로파의 전자계 분포를 조사하였다. 본 실험에 의하면, 물의 온도 상승 값이 높은 영역에서는 전자계 분포가 강하다고 판정할 수 있고, 물의 온도 상승 값이 낮은 영역에서는 전자계 분포가 약하다고 판정할 수 있다.

도 10은, 안테나(A1)로부터 방사되는 마이크로파와 안테나(A2)로부터 방사되는 마이크로파의 위상차를 0도에 설정하였을 경우의 실험 결과를, 물의 온도 상승 값에 근거하는 등온선에 의해 나타낸 것이다. 마찬가지로, 도 11∼도 18은, 안테나(A1)로부터 방사되는 마이크로파와 안테나(A2)로부터 방사되는 마이크로파의 위상차를 40도로부터 320도의 범위에서 40도마다 변경해서 측정하였을 경우의 실험 결과를 등온선으로 나타내고 있다. 또한, 도 11∼도 18에 나타낸 각 위상차는, 안테나(A2)로부터 방사되는 마이크로파의 위상을 기준으로 해서, 안테나(A1)로부터 방사되는 마이크로파의 지연 위상을 나타내고 있다.

도 10∼도 18에 나타나는 실험 결과에 의하면, 물의 온도 상승 값은, 가열실 내부에 있어서 크게 흩어져 있다. 또한, 도 13 및 도 14에 나타낸 바와 같이, 설정된 위상차가 120도 및 160도의 경우에는, 가열실(10)의 한쪽 측면(좌 벽면)에 가까운 영역(도 13 및 도 14에 있어서 HR1로 표시)에서 온도 상승 값이 대단히 높아져 있다.

또한, 도 17 및 도 18에 나타낸 바와 같이, 설정된 위상차가 280도 및 320도의 경우에는, 가열실(10)의 다른 쪽 측면(우 벽면)에 가까운 영역(도 17 및 도 18에 있어서 HR2로 표시)에서 온도 상승 값이 대단히 높아져 있다.

이상의 실험 결과로부터, 본 발명자는, 가열실 내의 전자계 분포가, 다른 위치에 배치된 2개의 안테나(A1, A2)로부터 방사되는 마이크로파의 위상차에 상응해서 변화되는 것에 착목(着目)하였다. 본 발명자는, 예를 들면, 대향하는 벽면 등의 다른 배치된 안테나(A1, A2)로부터 방사된 마이크로파의 위상차를 변화시킴으로써, 가열실 내부의 피가열물을 균일하게 가열하는 것이 가능한 것, 및 피가열물의 특정한 부분을 집중적으로 가열하는 것이 가능한 것을 발견하였다.

따라서, 다른 위치에 배치된 안테나(A1, A2)로부터 방사되는 마이크로파의 위상차를 변화시킴으로써, 가열실 내부의 전자파 분포를 원하는 상태로 변화시킬 수 있는 것을 이해할 수 있다. 이것 때문에, 가열 불균일을 해소하기 위해서, 종래 실행하고 있었던 가열실 내부에 배치된 피가열물을 가열실 내부에서 이동시키는 것 같은 기구는 필요가 없어지게 된다. 또한, 상기한 바와 같이 위상차를 변화시킴으로써, 가열실 내부의 전자파 분포를 변화시킬 수 있기 때문에, 종래 실행하고 있었던 마이크로파를 방사하는 안테나를 이동시키는 것 같은 기구는 필요가 없어지게 된다.

또한, 상기의 실험 결과로부터 명확한 바와 같이, 대향해서 방사된 마이크로파의 충돌에 기인한 현상이 전자계 분포의 변화로서 나타나 있기 때문에, 안테나(A1)와 안테나(A2)의 각각으로부터 방사되는 마이크로파의 방사 방향이 교차하도록 안테나(A1, A2)를 배치해도 동일한 현상이 발생한다. 이것은, 예를 들면 인접하는 가열실 벽면에 안테나(A1, A2)를 배치하는 구성에 있어서도 실현할 수 있다.

따라서, 본 발명에 관련하는 제1실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서는, 전자계 분포를 원하는 분포로 만들기 때문에, 피가열물 또는 안테나를 이동시키기 위한 기구가 필요하지 않고, 가열실 내부에 피가열물 또는 안테나의 이동용 공간을 확보할 필요가 없다. 그 결과, 제1실시형태의 마이크로파 가열 장치의 구성은, 저비용화 및 소형화를 실현할 수 있다.

이상과 같이, 본 발명에 관련하는 제1실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서는, 마이크로파를 방사하는 기능을 갖는 복수의 마이크로파 공급 수단인 급전부를 가열실이 구성되는 벽면에 최적으로 배치하는 동시에, 제1급전부로부터 방사된 마이크로파의 반사 전력을 제2급전부에서 가열실 내에 재방사하도록 구성함으로써, 형상, 종류, 크기, 양이 다른 여러 가지 피가열물을 효율 높게 원하는 상태로 가열할 수 있다.

(제2실시형태)

도 19는 본 발명에 관련하는 제2실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서의 가열실의 급전부의 구성을 나타내는 모식도이다. 제2실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서, 전술한 제1실시형태의 마이크로파 가열 장치와 상이한 점은, 가열실의 벽면에 배치된 안테나인 급전부의 구성이다.

도 19에 나타낸 바와 같이, 제2실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서는, 가열실(210)을 구성하는 바닥 벽면에만 복수의 급전부가 설치되어 있다. 제2실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서, 제1실시형태의 마이크로파 가열 장치의 구성과 상이한 점은, 급전부의 배치이며, 도 1에 나타낸 마이크로파 발생부의 구성은 동일하기 때문에, 제2실시형태에 있어서는 상이한 점에만 대해서 설명한다.

도 19에 있어서, 가열실(210)의 바닥 벽면에는, 4개의 제1급전부(208a, 208b, 208c, 208d) 및 4개의 제2급전부(209a, 209b, 209c, 209d)가 설치되어 있다. 도 19에 나타낸 바와 같이, 제어적으로 쌍이 되는 제1급전부(208a와 208b)의 각 개구부는, 그 길이 방향이 좌우 방향으로 되고, 직선상의 소정의 간격을 가지고 배치되어 있다. 또한, 제1급전부(208c와 208d)의 각 개구부는, 그 길이 방향이 전후 방향으로 되고, 직선상의 소정의 간격을 가지고 배치되어 있다. 4개의 제1급전부(208a, 208b, 208c, 208d)는, 피가열물이 배치되는 가열 영역의 대략 중심축을 중심으로 해서, 90도의 각도를 가지고 방사상으로 배치되어 있다.

한편, 제어적으로 쌍이 되는 제2급전부(209a와 209b)의 각 개구부의 길이 방향은, 병행으로 배치되어 있으며, 바닥 벽면에 있어서, 피가열물이 배치되는 가열 영역의 대략 중심축으로부터 동일한 거리에 설치되어 있다. 제2실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서는, 제2급전부(209a)가 제1급전부(208a와 208d)의 사이에서, 각각에 대하여 45도의 각도로 형성되어 있다. 마찬가지로, 제2급전부(209b)가 제1급전부(208b와 208c)와의 사이에서, 각각에 대하여 45도의 각도로 형성되어 있다. 또한, 제어적으로 쌍이 되는 제2급전부(209c와 209d)의 각 개구부의 길이 방향은, 병행으로 배치되어 있으며, 바닥 벽면에 있어서, 피가열물이 배치되는 가열 영역의 대략 중심축으로부터 동일한 거리에 설치되어 있다. 제2실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서는, 제2급전부(209c)가 제1급전부(208a와 208c)의 사이에서, 각각에 대하여 45도의 각도로 형성되어 있다. 마찬가지로, 제2급전부(209d)가 제1급전부(208b와 208d)의 사이에서, 각각에 대하여 45도의 각도로 형성되어 있다.

상기한 바와 같이, 4개의 제1급전부(208a, 208b, 208c, 208d)는 피가열물이 배치되는 가열 영역의 대략 중심축을 중심으로 해서 방사상으로 배치되어 있으며, 4개의 제2급전부(209a, 209b, 209c, 209d)는, 바닥 벽면에 있어서, 피가열물이 배치되는 가열 영역의 대략 중심축으로부터 동일한 거리에 대향하도록 배치되어 있다. 제2실시형태에 있어서는, 급전부를 상기한 바와 같이 배치된 예로 설명하지만, 제어적으로 대한 쌍이 되는 급전부가 동일한 여진 방향이 되도록 배치되어, 제1급전부로부터의 마이크로파가 제2급전부에 전송되지 않도록 구성하는 것이라면 본 발명에 포함되며, 동일한 효과를 나타내는 것이다.

상기한 바와 같이 제2실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서는, 바닥 벽면에 모든 급전부가 설치되어 있기 때문에, 전술한 도 1에 나타낸 마이크로파 발생부의 구성을 마이크로파 가열 장치에 있어서의 저부(底部)에 집중적으로 배치할 수 있다. 제2실시형태의 마이크로파 가열 장치는, 마이크로파 발생부가 집중적으로 배치되어 있기 때문에, 마이크로파 전송로를 짧게 할 수 있어, 마이크로파 전송로에 있어서의 손실을 대폭적으로 저감할 수 있다.

마이크로파 전송로로서는, 예를 들면 기판 상에 설치한 마이크로 스트립 선로, 세미리지드 케이블(semi-rigid coaxial cable)과 같은 동축(同軸) 선로, 또는 도파관이 이용된다. 마이크로 스트립 선로에는, 일반적으로는 프린트 기판을 가공해서 선로를 형성한 것이 이용되지만, 제2실시형태에 있어서는 유전체 시트의 한쪽 면에 선로가 되는 도체를 설치하고, 다른 쪽 면에 접지가 되는 도체 막을 붙여서 구성한 것을 이용하였다. 또한 유전체 시트로서는 폴리테트라플루오로 에틸렌 등의 고주파에 있어서도 저손실인 재료가 이용된다. 또한, 마이크로파 전송로로서 이용되는 동축 선로로서는, 유전체의 내부에 선로가 되는 도체 선이 매설되어, 케이블 형상의 유전체의 외면에 접지가 되는 외각(外殼) 도체가 설치되어 있는 것이 일반적으로 이용된다. 상기한 바와 같이, 마이크로파 전송로로서 이용되는 마이크로 스트립 선로와 동축 선로는, 유전체와 도체에 의해 구성되어 있기 때문에, 유전체에 있어서의 유전체 손실 및 도체에 있어서의 옴(ohm) 손실이 발생한다.

또한, 일반적으로 이용되는 도파관은, 금속제의 관(일반적으로는 단면이 구(矩) 형상의 관)이며, 손실은 적지만 형상이 커진다고 하는 불리한 점을 갖는다. 예를 들면, 2450MHz 정도의 주파수를 도파관으로 전송하기 위해서는, 110mm×55mm 정도의 단면 형상을 갖는 구 형상의 도파관이 필요하게 된다. 이것 때문에, 도파관의 사용은 마이크로파 발생부의 점유 공간이 큰 것으로 된다.

제2실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서는, 마이크로파 발생부를 집중적으로 배치해서, 마이크로파 전송로의 길이를 짧게 하고 있다. 이것 때문에, 마이크로파 전송로에 있어서의 손실이 대폭적으로 저감되어, 효율이 높은 가열이 가능하게 된다.

(제3실시형태)

이하에, 본 발명에 관련하는 제3실시형태의 마이크로파 가열 장치에 대해서 첨부된 도 20 및 도 21을 이용해서 설명한다. 제3실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서, 전술한 제1실시형태의 마이크로파 가열 장치와 상이한 점은, 마이크로파 발생부에 있어서의 제어부의 제어 동작이다. 따라서, 제3실시형태의 마이크로는 가열 장치에 있어서 다른 제1실시형태, 제2실시형태와 상이한 점에 대해서 설명하고, 부호는 제1실시형태의 설명에서 이용한 부호를 참조한다.

도 20은, 가열 동작의 초기 단계에서 실행되는 최소 반사 전력 탐사 동작에 있어서 4개의 전력 검출부(6a, 6b, 6c, 6d)가 검출한 반사 전력의 주파수 특성 곡선의 일례이다. 도 20에 있어서, 부호 A가 제2급전부(9a)가 가열실(10) 측으로부터 받은 반사 전력을 서큘레이터(6a)를 통해서 검출한 반사 전력의 주파수 특성 곡선이다. 부호 B가 제2급전부(9b)가 가열실 측으로부터 받은 반사 전력을 서큘레이터(6b)를 통해서 검출한 주파수 특성 곡선이다. 제2급전부(9a와 9b)는, 제어적으로 쌍인 제1급전부(8a와 8b)에 대응하는 것이다. 마찬가지로, 부호 C가 제2급전부(9c)가 가열실(10) 측으로부터 받은 반사 전력을 서큘레이터(6c)를 통해서 검출한 반사 전력의 주파수 특성 곡선이다. 부호 D가 제2급전부(9d)가 가열실 측으로부터 받은 반사 전력을 서큘레이터(6d)를 통해서 검출한 주파수 특성 곡선이다. 제2급전부(9c와 9d)는, 제어적으로 쌍인 제1급전부(8c와 8d)에 대응하는 것이다.

도 20의 주파수 특성 곡선 A, B, C, D의 일례로 나타내는 바와 같이, 전력 검출부(6a, 6b, 6c, 6d)의 각각이 검출하는 반사 전력은, 반드시 동일한 특성 곡선을 나타내고, 동일한 주파수에서 최솟값을 나타내는 것은 아니다. 이것은, 가열실 내부에 수납된 피가열물의 형상이 대칭 형상이 아닌 것 등에 기인하는 것이며, 각각의 급전부에서 본 가열실 내의 임피던스는 다르게 되어 있다.

제3실시형태의 마이크로파 가열 장치의 제어부(12)(도 1 참조)에 있어서는, 각 전력 검출부(6a, 6b, 6c, 6d)로부터 입력된 반사 전력에 관한 주파수 특성을 제어적으로 쌍이 되는 주파수 특성 A와 B, 및 C와 D를 각각 합성한다.

도 21은 도 20의 주파수 특성 곡선 A와 B, 및 주파수 특성 곡선 C와 D를 합성한 주파수 특성 곡선이다. 도 21에 있어서, 주파수 특성 곡선 Y가 도 20의 주파수 특성 곡선 A와 B를 합성해서 형성된 것이다. 또한, 주파수 특성 곡선 Z가 도 20의 주파수 특성 곡선 C와 D를 합성해서 형성된 것이다.

도 21에 나타낸 바와 같이, 주파수 특성 곡선 A와 B가 합성되어서 형성된 주파수 특성 곡선 Y에 있어서는 주파수 f1에서 최소 반사 전력이 되고, 주파수 특성 곡선 C와 D가 합성되어서 형성된 주파수 특성 곡선 Z에 있어서는 주파수 f2에서 최소 반사 전력이 된다. 따라서, 제어적으로 쌍이 되는 제1급전부(8a와 8b)로부터 주파수 f1의 마이크로파가 출력되어서 반사 전력이 적은 효율적인 가열이 실행된다. 마찬가지로, 제어적으로 쌍이 되는 제1급전부(8c와 8d)로부터 주파수 f2의 마이크로파가 출력되어서 반사 전력이 적은 효율적인 가열이 실행된다.

상기한 바와 같이, 제3실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서는, 제어적으로 쌍이 되어 있는 각각의 급전부에 있어서, 반사 전력이 적은 주파수를 검출하고, 그 주파수에 의해 가열 처리를 실행하도록 구성되어 있다. 따라서, 본 발명에 관련하는 제3실시형태의 마이크로파 가열 장치에 의하면, 가열 시스템 전체로서, 반사 전력이 적은 상태에서 가열할 수 있어, 최적인 가열 주파수에 의한 가열 시스템을 구축할 수 있다.

본 발명의 마이크로파 가열 장치에 의하면, 피가열물의 가열 시에 있어서, 제어적으로 쌍이 되는 급전부로부터 방사되는 마이크로파의 위상차를 변화시킴으로써, 가열실 내의 전자파 분포를 변화시켜서, 가열실 내에 배치된 가열물을 균일, 혹은 국부적으로 가열하는 것이 가능하게 된다.

본 발명의 마이크로파 가열 장치에 있어서는, 위상차를 변화시킴으로써 가열실 내의 전자파 분포를 변화시킬 수 있기 때문에, 가열실 내에 배치된 피가열물을 가열실 내에서 회전 등의 이동 동작을 실행하는 일 없이, 피가열물의 균일 가열, 혹은 국부 가열을 실행하는 것이 가능하게 된다.

또한, 본 발명의 마이크로파 가열 장치에 있어서는, 피가열물의 균일 가열을 실행하고, 전자파 분포를 변화시키기 위해서, 마이크로파를 방사하는 급전부인 안테나를 이동시킬 필요가 없다. 따라서, 본 발명의 마이크로파 가열 장치는, 피가열물 및 안테나를 이동시키기 위한 기구를 필요로 하지 않기 때문에, 가열실 내에 피가열물 및 안테나를 이동시키기 위한 공간을 확보할 필요가 없어, 마이크로파 가열 장치의 저비용화 및 소형화를 실현할 수 있다.

전술한 제1실시형태의 마이크로파 가열 장치에 있어서는, 제어부가 위상차를 연속적 또는 단계적으로 변화시키는 제어 동작을 실행하고 있지만, 위상차를 단계적으로 변화시킬 경우에는, 위상차를, 예를 들면 40도마다 변화시켜도 좋고, 45도마다 변화시켜도 좋다. 이 경우, 1단계당 변화시키는 위상차의 값은 상기의 수치에 한정되는 것이 아니고, 될 수 있는 한 작은 값으로 설정하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 피가열물을 더욱 균일하게 가열하고, 불균일한 가열을 더욱 저감할 수 있다.

또한, 본 발명의 마이크로는 가열 장치에 있어서는, 위상차의 변화의 주기를, 미리 고정적으로 설정해도 좋고, 사용자에 의해 수동으로 임의로 설정하는 구성으로 해도 좋다. 위상차의 변화의 주기를 고정적으로 설정할 경우, 예를 들면 30초에서 0도로부터 360도까지 변화되도록 설정해도 좋고, 10초에서 0도로부터 360도까지 변화되도록 설정해도 좋다.

또한, 위상차의 변화의 범위는, 반드시 0도로부터 360도까지의 범위의 전부일 필요는 없다. 예를 들면, 미리 복수의 위상차의 값과 그 위상차의 값에 대응하는 전자계 분포와의 관계를 제어부의 내장 메모리에 기억시켜 두고, 제어부가 피가열물의 가열 상태에 따라서 복수의 위상차의 값을 선택적으로 설정해도 좋다. 구체적으로는, 가열실 내에 복수의 온도 센서를 배치해서, 가열실의 가열 처리 영역의 온도를 검지하는 구성으로 한다. 이 경우, 피가열물의 온도를 복수의 부위에서 측정할 수 있어, 피가열물의 온도 분포를 알 수 있다.

이때, 제어부는, 내장 메모리에 기억된 위상차와 전자계 분포와의 관계에 근거해서, 균일 가열해야 할 피가열물에 있어서의 저온도 부분에서 전자계가 강해지도록 위상차를 설정한다. 이렇게 위상차를 조정함으로써, 피가열물을 더욱 균일하고 효율 높게 가열할 수 있다.

본 발명에 관련하는 마이크로파 가열 장치는, 마이크로파를 방사하는 복수의 급전부를 전환하여 제어하고, 동작 중의 급전부 간의 마이크로파의 위상차를 변화시킴으로써 효율이 높은 가열 처리가 가능하게 되므로, 전자레인지로 대표되는 바와 같은 유전 가열을 이용한 가열 장치나 생활쓰레기 처리기, 혹은 반도체 제조 장치인 플라즈마 전원(電源)의 마이크로파 전원 등의 각종 용도에 적용할 수 있다.

Claims

피가열물을 수용하는 가열실과,
발진부와,
상기 발진부의 출력을 복수로 분배해서 출력하는 전력 분배부와,
상기 전력 분배부의 출력에 접속되어, 상기 전력 분배부의 출력 위상(位相)을 각각 가변(可變)하는 위상 가변부와,
상기 위상 가변부의 출력을 각각 전력 증폭하는 복수의 전력 증폭부와,
상기 전력 증폭부의 출력을 상기 가열실에 공급하는 복수의 제1급전부와,
상기 제1급전부가 받은 마이크로파의 반사 전력을 상기 가열실에 재방사하는 복수의 제2급전부,
및 상기 제1급전부가 받은 마이크로파의 반사 전력을 상기 제2급전부에 공급하는 순환형의 비가역 회로를 구비하고,
상기 제2급전부를 통해서 상기 전력 증폭부에 전송된 반사 전력을 검출하는 전력 검출부와,
상기 전력 검출부가 검출한 반사 전력 정보에 기초하여, 상기 발진부, 상기 전력 증폭부 및 상기 위상 가변부를 제어하는 제어부를 구비하고,
반사 전력이 상기 비가역 회로를 통해서 공급되어 쌍으로 되는 상기 제1급전부와 상기 제2급전부는, 상기 가열실을 구성하는 동일 벽면에 설치되고, 상기 가열실로 마이크로파를 방사하는 개구부 갖는 동시에, 상기 개구부로부터 방사되는 마이크로파의 지배적인 여진 방향이 상이하도록 구성되고,
상기 위상 가변부에 의해 쌍으로 해서 위상 제어되는 적어도 2개의 상기 제1급전부가 상기 가열실의 대향하는 벽면의 각각에 설치되며,
상기 제어부는, 상기 전력 검출부에서 검출된 반사 전력이 최소로 되도록 상기 발진부의 발진 주파수 및 상기 위상 가변부의 위상량을 제어하도록 구성된 마이크로파 가열 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 발진부, 상기 전력 분배부, 상기 위상 가변부, 상기 전력 증폭부, 상기 제1급전부, 상기 제2급전부, 상기 전력 검출부 및 상기 비가역 회로에 의해 구성된 마이크로파 발생부를 적어도 2조(組) 이상 구비한 마이크로파 가열 장치.
청구항 2에 있어서,
상기 제1급전부와 상기 제2급전부가 상기 가열실을 구성하는 벽면에 있어서의 동일 벽면에 배치된 마이크로파 가열 장치.
청구항 2에 있어서,
복수의 상기 제1급전부가 상기 가열실을 구성하는 벽면에 있어서의 동일 벽면에 배치된 마이크로파 가열 장치.
청구항 2에 있어서,
복수의 상기 제1급전부가 상기 가열실을 구성하는 벽면에 있어서의 다른 벽면에 배치된 마이크로파 가열 장치.
청구항 2에 있어서,
복수의 상기 발진부가 동일한 주파수로 발진하도록 구성한 마이크로파 가열 장치.
청구항 2에 있어서,
복수의 상기 발진부가 상이한 주파수로 발진하도록 구성한 마이크로파 가열 장치.
청구항 2에 있어서,
복수의 상기 위상 가변부의 각각이 독립 위상량(位相量)을 가변 제어하는 구성으로 된 마이크로파 가열 장치.
청구항 1에 있어서,
상기 전력 검출부가 검출하는 반사 전력이 소정의 값 이상이 되면 상기 전력 증폭부가 출력하는 전력을 소정의 비율로 감하는 구성으로 된 마이크로파 가열 장치.
청구항 1에 있어서,
가열 동작의 초기 상태에 있어서, 상기 제어부는, 사용 가능한 주파수 대역에 있어서 상기 전력 검출부가 검출한 반사 전력에 관한 주파수 특성으로부터 반사 전력이 최소로 되는 주파수를 탐색하는 최소 반사 전력 탐사 동작을 실행하도록 구성한 마이크로파 가열 장치.
청구항 10에 있어서,
상기 제어부는, 상기 최소 반사 전력 탐사 동작을 실행할 때, 상기 전력 증폭부의 출력을 저하시켜, 상기 최소 반사 전력 탐사 동작이 종료되어 반사 전력이 최소로 되는 주파수에 의해 가열 동작을 실행할 때에 상기 전력 증폭부의 출력을 상승시키도록 구성한 마이크로파 가열 장치.
청구항 10에 있어서,
가열 동작에 있어서, 상기 제어부는, 상기 전력 검출부가 순차적으로 검출한 반사 전력에 있어서, 더욱 작은 값이 되는 주파수를 선택해서 가열 동작을 계속시키는 극소 반사 전력 추미(追尾) 동작을 실행하도록 구성한 마이크로파 가열 장치.
청구항 12에 있어서,
상기 제어부는, 상기 극소 반사 전력 추미 동작에 있어서, 상기 전력 검출부가 검출한 반사 전력의 값이 소정의 값을 초과하였을 경우에는 상기 전력 증폭부의 출력을 저하시키도록 구성한 마이크로파 가열 장치.
청구항 12에 있어서,
상기 제어부는, 상기 극소 반사 전력 추미 동작에 있어서, 상기 전력 검출부가 검출한 반사 전력의 값이 소정의 값을 초과하였을 경우에는, 가열 동작을 정지하고, 상기 최소 반사 전력 탐사 동작을 실행해서 반사 전력이 최소로 되는 주파수를 탐색하도록 구성한 마이크로파 가열 장치.
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