WO2018037803A1 - 高周波加熱装置 - Google Patents

Abstract

高周波加熱装置（１ａ）は、第１生成部（８）と表面波励振体（９）と第１結合部（１２）とを備える。第１生成部（８）はマイクロ波を生成する。表面波励振体（９）は、マイクロ波の伝播方向に所定間隔で周期的に配置された複数の金属板（１１）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（６）を加熱する。第１結合部（１２）は、第１生成部（８）により生成されたマイクロ波が第１結合部（１２）を介して表面波励振体（９）に供給されるように、マイクロ波の伝播方向（Ｄ）における表面波励振体（９）の中間部に設けられる。本態様によれば、加熱対象物をより均一に加熱することができる。

Description

高周波加熱装置

　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、加熱対象物をより均一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、第１生成部と表面波励振体と第１結合部とを備える。第１生成部はマイクロ波を生成する。表面波励振体は、マイクロ波の伝播方向に所定間隔で周期的に配置された複数の金属板を有し、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、第１生成部により生成されたマイクロ波が第１結合部を介して表面波励振体に供給されるように、マイクロ波の伝播方向における表面波励振体の中間部に設けられる。

　本開示の高周波加熱装置によれば、加熱対象物をより均一に加熱することができる。

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、図２に示す横断面図上において、表面波モードのマイクロ波が表面波励振体を伝播する様子を模式的に示す図である。 図４は、本開示の実施の形態２に係る表面波伝送線路の構成を示すブロック図である。 図５は、本開示の実施の形態３に係る表面波伝送線路の構成を示すブロック図である。 図６は、本開示の実施の形態４に係る表面波伝送線路の構成を示すブロック図である。

　本開示の第１の態様の高周波加熱装置は、第１生成部と表面波励振体と第１結合部とを備える。

　第１生成部はマイクロ波を生成する。表面波励振体は、マイクロ波の伝播方向に所定間隔で周期的に配置された複数の金属板を有し、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、第１生成部により生成されたマイクロ波が第１結合部を介して表面波励振体に供給されるように、マイクロ波の伝播方向における表面波励振体の中間部に設けられる。

　本開示の第２の態様の高周波加熱装置は、第１の態様に加えて、第２結合部と第３結合部とを備える。第２結合部は、マイクロ波の伝播方向における表面波励振体の一方の端部に設けられる。第３結合部は、マイクロ波の伝播方向における表面波励振体の他方の端部に設けられる。

　本開示の第３の態様の高周波加熱装置は、第２の態様に加えて、分配器をさらに備える。分配器は、第１生成部により生成されたマイクロ波を、第１結合部と第２結合部と第３結合部とに分配する。

　本開示の第４の態様の高周波加熱装置は、第２の態様に加えて、第２生成部と第３生成部とをさらに備える。第２生成部は、第１生成部により生成されたマイクロ波とは異なる周波数を有するマイクロ波を生成し、第２結合部に供給する。第３生成部は、第１生成部により生成されたマイクロ波とは異なる周波数を有するマイクロ波を生成し、第３結合部に供給する。

　本開示の第５の態様の高周波加熱装置によれば、第４の態様において、第２生成部により生成されたマイクロ波が、第３生成部により生成されたマイクロ波と異なる周波数を有する。

　本開示の第６の態様の高周波加熱装置は、第２の態様に加えて、第２生成部と分配器とをさらに備える。第２生成部は、第１生成部により生成されたマイクロ波とは異なる周波数を有するマイクロ波を生成する。分配器は、第２生成部により生成されたマイクロ波を、第２結合部と第３結合部とに分配する。

　本開示の第７の態様の高周波加熱装置によれば、第６の態様において、第２生成部により生成されたマイクロ波が、第１生成部により生成されたマイクロ波と異なる周波数を有する。

　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９と結合部１２と制御部１４とを備える。表面波励振体９は、中間部に設けられた結合部１２と、結合部１２を挟んで設けられた表面波励振体９ａと表面波励振体９ｂとを含む。

　高周波加熱装置１ａは、表面波励振体９の表面を表面波モードで伝播するマイクロ波を用いて、載置台４の上に載置された加熱対象物６（本実施の形態では加熱対象物６ａ、６ｂ）を加熱するように構成される。

　以下、それぞれの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１４に制御されてマイクロ波を生成するように構成される。生成部８は、マグネトロンとインバータとの代わりに、例えば、固体発振器と電力増幅器とを有してもよい。本実施の形態において、生成部８は第１生成部に相当する。

　なお、図２は、表面波モードのマイクロ波が表面波励振体９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。

　＜表面波励振体＞
　表面波励振体９は、載置台４の下方に設けられる。表面波励振体９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９は、周期構造を有するスタブ型表面波励振体である。表面波励振体９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９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９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９ａ、９ｂ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９ａ、９ｂ上を、表面波モードで伝播するマイクロ波の伝播方向Ｄ（図中の左右方向）は、金属板１１の配列方向と一致する。

　＜結合部＞
　表面波励振体９ａ、９ｂの間には間隙が設けられる。その間隙に、表面波励振体９ａ、９ｂにマイクロ波を供給するための結合部１２が設けられる。表面波励振体９ａ、９ｂの間の間隙は、マイクロ波の伝播方向Ｄにおける表面波励振体９の中間部に位置する。

　本実施の形態では、結合部１２が設けられた中間部は、マイクロ波の伝播方向Ｄにおける表面波励振体９のちょうど真ん中に位置する。しかし、中間部は、マイクロ波の伝播方向Ｄにおける表面波励振体９全体の端部を除く部分であればよい。本実施の形態において、結合部１２は第１結合部に相当する。

　本実施の形態では、マイクロ波は、結合部１２を介して表面波励振体９ａの右端と表面波励振体９ｂの左端とに供給される。

　図１、図２は、箱形状の形状を有する結合部１２を示す。しかし、表面波励振体９にマイクロ波を供給できるものであれば、結合部１２の形状は任意である。

　＜表面波励振体の作用＞
　表面波励振体９の作用について、図３を用いて説明する。図３は、図２に示す横断面図において、表面波モードのマイクロ波が表面波励振体９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。

　図３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を介して表面波励振体９ａ、９ｂに供給される。

　表面波励振体９ａは、表面波励振体９ｂから離れる方向（伝播方向Ｄ１）に、表面波Ｓ１を伝播させる。表面波励振体９ｂは、表面波励振体９ａから離れる方向（伝播方向Ｄ２）に表面波Ｓ２を伝播させる。すなわち、伝播方向Ｄ１、Ｄ２は互いに反対方向である。

　マイクロ波の伝播方向Ｄにおける表面波励振体９の中間部にマイクロ波を供給することにより、互いに離れる方向に伝播する二つの表面波Ｓ１、Ｓ２が発生する。

　表面波励振体９ａを伝播する表面波Ｓ１が、表面波励振体９ａに近接して載置された加熱対象物６ａを加熱する。表面波励振体９ｂを伝播する表面波Ｓ２が、表面波励振体９ｂに近接して載置された加熱対象物６ｂを加熱する。

　表面波Ｓ１、Ｓ２の一部が加熱対象物６に吸収されたり、結合部１２からの距離が遠くなったりすることで、表面波Ｓ１、Ｓ２の強度は低下する。しかし、基本的に表面波Ｓ１、Ｓ２は略同程度の強度分布を有し、加熱対象物６ａ、６ｂを同程度に加熱する。

　従来の高周波加熱装置は、マイクロ波の伝播方向における表面波励振体の端部のみからマイクロ波を供給する構成を有する。従来の構成では、表面波は伝播方向に進むにつれて、マイクロ波の強度は指数関数的に低下し、加熱ムラが大きくなる。

　この現象は、大きな加熱対象物を加熱する場合、および、図１、図２に示すような複数の加熱対象物を同時に加熱する場合に顕著である。

　本実施の形態では、マイクロ波の伝播方向Ｄにおける表面波励振体９の中間部に、結合部１２が設けられる。表面波励振体９は、マイクロ波が結合部１２を介して供給されると、中間部から一方の端部に伝播する表面波Ｓ１と、中間部から他方の端部に伝播する表面波Ｓ２とを生成する。

　本実施の形態によれば、表面波励振体９の一方の端部のみからマイクロ波を供給する場合に比べて、表面波Ｓ１、Ｓ２により加熱対象物６ａ、６ｂをより均一に加熱することができる。

　（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４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４は、表面波モードのマイクロ波が表面波励振体９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１ｂは、実施の形態１の構成に加えて、結合部２２、２４と分配器２６とをさらに備える。

　結合部２２、２４は、生成部８により生成されたマイクロ波が表面波励振体９に供給されるように、マイクロ波の伝播方向Ｄにおける表面波励振体９の両端にそれぞれ設けられる。本実施の形態において、結合部２２、２４は第２、３結合部にそれぞれ相当する。

　具体的には、結合部２２は、マイクロ波が表面波励振体９ａに供給されるように、表面波励振体９ａの表面波励振体９ｂと反対側の端部に設けられる。結合部２４は、マイクロ波が表面波励振体９ｂに供給されるように、表面波励振体９ｂの表面波励振体９ａと反対側の端部に設けられる。

　結合部２２を介して供給されたマイクロ波は、表面波励振体９ａ上を表面波励振体９ａの左端から結合部１２に向かう伝播方向Ｄ２に伝播する表面波Ｓ３となる。結合部２４を介して供給されたマイクロ波は、表面波励振体９ｂ上を表面波励振体９ｂの右端から結合部１２に向かう伝播方向Ｄ１に伝播する表面波Ｓ４となる。

　分配器２６は、生成部８により生成されたマイクロ波を分配する。図４に示すように、分配器２６はマイクロ波を分配し、結合部１２、２２、２４に供給する。すなわち、結合部１２、２２、２４には、同一周波数のマイクロ波が供給される。分配器２６の具体例には、ウィルキンソン型分配器、ハイブリッドカプラ、抵抗分配器などが含まれる。

　本実施の形態によれば、表面波Ｓ１、Ｓ３により加熱対象物６ａが加熱され、表面波Ｓ２、Ｓ４により加熱対象物６ｂが加熱される。その結果、加熱対象物６ａ、６ｂは、実施の形態１に比べて、より均一に加熱される。

　本実施の形態では、生成部８により生成されたマイクロ波が、結合部１２、２２、２４を介して表面波励振体９に供給される。このため、一つの結合部に専用の生成部が設けられる場合に比べて構成を簡素化することができ、製造コストを低減することができる。

　（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との相違点のみ説明する。図５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５は、表面波モードのマイクロ波が表面波励振体９を伝播する様子、および、載置台４（図５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５に示すように、高周波加熱装置１ｃは、生成部３２と生成部３４とをさらに備える。高周波加熱装置１ｃは、制御部１４の代わりに、生成部８、３２、３４を制御するように構成された制御部３６を備える。

　高周波加熱装置１ｃは、分配器２６を備えず、生成部３２と生成部３４とにそれぞれ接続された結合部２２、２４を備える。本実施の形態において、生成部３２、３４は第２、第３生成部にそれぞれ相当する。

　本実施の形態によれば、結合部１２を介して供給されたマイクロ波に由来する表面波Ｓ１、Ｓ２に加え、結合部２２、２４を介して供給されたマイクロ波に由来する表面波Ｓ３、Ｓ４により、加熱対象物６ａ、６ｂが加熱される。

　本実施の形態では、生成部８、３２、３４が、結合部１２、２２、２４にそれぞれ接続される。このため、生成部８、３２、３４により生成された互いに異なる周波数のマイクロ波を、結合部１２、２２、２４にそれぞれ供給することができる。表面波Ｓ３は、表面波Ｓ１、Ｓ２とは異なる周波数を有することができ、表面波Ｓ４は、表面波Ｓ１、Ｓ２とは異なる周波数を有することができる。

　これにより、表面波Ｓ１と表面波Ｓ３とは互いに干渉を起こさず、定在波の発生が抑制される。表面波Ｓ２と表面波Ｓ４とは互いに干渉を起こさず、定在波の発生が抑制される。各周波数における加熱特性が合成されて、加熱対象物６をより効率的に加熱する加熱特性を得ることができる。

　（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３との相違点のみ説明する。図６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６は、表面波モードのマイクロ波が表面波励振体９を伝播する様子、および、載置台４（図６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６に示すように、高周波加熱装置１ｄは、生成部３２、３４の代わりに生成部４２を備える。高周波加熱装置１ｄは、制御部３６の代わりに、生成部８、４２を制御するように構成された制御部４６を備える。

　高周波加熱装置１ｄは、生成部４２により生成されたマイクロ波を分配し、結合部２２，２４に供給するように構成された分配器４４を備える。本実施の形態において、生成部４２は第２生成部に相当する。

　本実施の形態によれば、結合部１２により供給されたマイクロ波に由来する表面波Ｓ１、Ｓ２に加え、結合部２２、２４により供給されたマイクロ波に由来する表面波Ｓ３、Ｓ４により、加熱対象物６ａ、６ｂが加熱される。

　本実施の形態では、生成部８が結合部１２に接続され、生成部４２が、分配器４４を介して結合部２２、２４に接続される。このため、生成部８、４２により生成された互いに異なる周波数のマイクロ波を、結合部１２と、結合部２２、２４とにそれぞれ供給することができる。表面波Ｓ３、Ｓ４は、表面波Ｓ１、Ｓ２とは異なる周波数を有することができる。

　これにより、表面波Ｓ１と表面波Ｓ３とは互いに干渉を起こさず、定在波の発生が抑制される。表面波Ｓ２と表面波Ｓ４とは互いに干渉を起こさず、定在波の発生が抑制される。各周波数における加熱特性が合成されて、加熱対象物６をより効率的に加熱する加熱特性を得ることができる。

　本実施の形態では、結合部１２に対応して生成部８が設けられ、結合部２２、２４に対応して生成部４２が設けられる。このため、一つの結合部に専用の生成部が設けられる場合に比べて構成を簡素化することができ、製造コストを低減することができる。

　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。

　実施の形態１～４では、マイクロ波の伝播方向Ｄにおける表面波励振体９の中間部に、結合部１２が設けられる。しかし、複数の結合部が、表面波励振体９の中間部に設けられてもよい。

　実施の形態１～４では、表面波励振体９が、その中間部の間隙に設けられた結合部１２を有する。しかし、結合部１２が表面波励振体の中間部に設けられさえすれば、表面波励振体９は、必ずしも中間部に間隙を有する必要はない。

　実施の形態２～４では、結合部２２、２４が、表面波励振体９の両端にそれぞれ設けられる。しかし、一つの結合部が、表面波励振体９の片側の端部のみに設けられてもよい。

　実施の形態３では、生成部８、３２、３４が、互いに周波数の異なるマイクロ波を生成する。しかし、これらのマイクロ波が同一の周波数を有する場合もあり得る。

　上述の通り、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
　２　加熱室
　４　載置台
　６，６ａ，６ｂ　加熱対象物
　８　生成部（第１生成部）
　９，９ａ，９ｂ　表面波励振体
　１１，１３　金属板
　１２　結合部（第１結合部）
　１４，３６，４６　制御部
　２２　結合部（第２結合部）
　２４　結合部（第３結合部）
　２６，４４　分配器
　３２　生成部（第２生成部）
　３４　生成部（第３生成部）
　４２　生成部（第２生成部）

Claims (7)

1. 　マイクロ波を生成するように構成された第１生成部と、
   　前記マイクロ波の伝播方向に所定間隔で周期的に配置された複数の金属板を有し、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、
   　前記第１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ように、前記マイクロ波の伝播方向における前記表面波励振体の中間部に設けられた第１結合部と、を備えた高周波加熱装置。
2. 　前記マイクロ波の伝播方向における前記表面波励振体の一方の端部に設けられた第２結合部と、
   　前記マイクロ波の伝播方向における前記表面波励振体の他方の端部に設けられた第３結合部と、をさらに備えた請求項１に記載の高周波加熱装置。
3. 　前記第１生成部により生成された前記マイクロ波を、前記第１結合部と前記第２結合部と前記第３結合部とに分配するように構成された分配器をさらに備えた請求項２に記載の高周波加熱装置。
4. 　前記第１生成部により生成された前記マイクロ波とは異なる周波数を有するマイクロ波を生成し、前記第２結合部に供給するように構成された第２生成部と、
   　前記第１生成部により生成された前記マイクロ波とは異なる周波数を有するマイクロ波を生成し、前記第３結合部に供給するように構成された第３生成部と、をさらに備えた請求項２に記載の高周波加熱装置。
5. 　前記第２生成部により生成された前記マイクロ波が、前記第３生成部により生成された前記マイクロ波と異なる周波数を有する請求項４に記載の高周波加熱装置。
6. 　前記第１生成部により生成された前記マイクロ波とは異なる周波数を有するマイクロ波を生成する第２生成部と、
   　前記第２生成部により生成された前記マイクロ波を、前記第２結合部と前記第３結合部とに分配するように構成された分配器と、をさらに備えた請求項２に記載の高周波加熱装置。
7. 　前記第２生成部により生成された前記マイクロ波が、前記第１生成部により生成された前記マイクロ波と異なる周波数を有する請求項６に記載の高周波加熱装置。

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