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1. (WO2018037696) HIGH-FREQUENCY HEATING DEVICE
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明 細 書

発明の名称 高周波加熱装置

技術分野

0001  

背景技術

0002   0003   0004  

先行技術文献

特許文献

0005  

発明の概要

0006   0007   0008   0009   0010  

図面の簡単な説明

0011  

発明を実施するための形態

0012   0013   0014   0015   0016   0017   0018   0019   0020   0021   0022   0023   0024   0025   0026   0027   0028   0029   0030   0031   0032   0033   0034   0035   0036   0037   0038   0039   0040   0041   0042   0043   0044   0045   0046   0047   0048   0049   0050   0051   0052   0053   0054   0055   0056   0057   0058  

産業上の利用可能性

0059  

符号の説明

0060  

請求の範囲

1   2   3   4   5   6   7   8  

図面

1   2   3   4   5   6   7  

明 細 書

発明の名称 : 高周波加熱装置

技術分野

[0001]
 本開示は、周期構造を用いた表面波伝送線路を備えた高周波加熱装置に関する。

背景技術

[0002]
 電子レンジは、マイクロ波を用いて被加熱物を加熱する装置の一例である。電子レンジは、被加熱物を短時間で均一に加熱することができる一方、被加熱物に焦げ目を付けることができない。
[0003]
 この欠点を解決する手段の一つが、マイクロ波の表面波モード伝播を利用した表面波加熱により、被加熱物に焦げ目を付ける加熱装置である(例えば、特許文献1~3参照)。表面波加熱は、表面波伝送線路の近傍に集中するマイクロ波エネルギーにより被加熱物に焦げ目を付ける加熱方式である。
[0004]
 表面波伝送線路を表面波モードで伝播するマイクロ波エネルギーは、表面波伝送線路から離れるに従って指数関数的に減衰するため、被加熱物は表面波伝送線路の近傍に配置する必要がある。

先行技術文献

特許文献

[0005]
特許文献1 : 特開昭49-16944号公報
特許文献2 : 特開平5-66019号公報
特許文献3 : 特開平8-210653号公報

発明の概要

[0006]
 表面波加熱を行う高周波加熱装置は、マイクロ波発生部により発生されたマイクロ波を導波管により表面波伝送線路に供給し、表面波伝送線路の近傍にマイクロ波エネルギーを集中させる。このため、マイクロ波エネルギーが、表面波伝送線路のより近傍に集中した表面波として伝播するようにして、表面波伝送線路の近傍に配置された被加熱物に所望の焦げ目が付けることが望まれている。
[0007]
 本開示は、より集中度の高い表面波伝播を行うことにより、より少ない消費電力で被加熱物に所望の焦げ目を付けることができる高周波加熱装置の提供を目的とする。
[0008]
 本開示に係る一態様の高周波加熱装置は、マイクロ波発生部と表面波変換部と表面波伝播部と載置部とを有する。
[0009]
 マイクロ波発生部は、マイクロ波を発生する。表面波変換部は、マイクロ波を表面波に変換する。表面波伝播部は、表面波を伝播させるために、同一平面上に設けられ、マイクロ波の伝播方向に周期的に配置された実質的に同じ構成を有する複数の伝播スタブを有する。載置部は、表面波伝播部に近接して設けられ、被加熱物を載置する。複数の伝播スタブの各々の同一平面からの高さが、マイクロ波の波長の1/4以下である。
[0010]
 本態様によれば、集中度の高い表面波伝播により、より少ない消費電力で被加熱物に所望の焦げ目を付けることが可能な高周波加熱装置を提供することができる。

図面の簡単な説明

[0011]
[図1] 図1は、本開示の実施の形態に係る高周波加熱装置の構成を模式的に示す断面図である。
[図2] 図2は、実施の形態に係る高周波加熱装置における表面波伝送線路の構成を示す透過斜視図である。
[図3] 図3は、実施の形態に係る高周波加熱装置におけるスタブ周期構造の高さ、間隔、間隙、厚さを示す図である。
[図4] 図4は、実施の形態に係る高周波加熱装置における最適化シミュレーションで用いられた解析モデルを示す図である。
[図5] 図5は、実施の形態に係る高周波加熱装置における最適化シミュレーションの結果を示す図である。
[図6] 図6は、実施の形態に係る高周波加熱装置における最適化シミュレーションにより得られたSパラメータの周波数特性を示す図である。
[図7] 図7は、実施の形態の変形例に係る高周波加熱装置における表面波伝送線路の構成を示す斜視図である。

発明を実施するための形態

[0012]
 本開示に係る第1の態様の高周波加熱装置は、マイクロ波発生部と表面波変換部と表面波伝播部と載置部とを有する。
[0013]
 マイクロ波発生部は、マイクロ波を発生する。表面波変換部は、マイクロ波を表面波に変換する。表面波伝播部は、表面波を伝播させるために、同一平面上に設けられ、マイクロ波の伝播方向に周期的に配置された実質的に同じ構成を有する複数の伝播スタブを有する。載置部は、表面波伝播部に近接して設けられ、被加熱物を載置する。複数の伝播スタブの各々の同一平面からの高さが、マイクロ波の波長の1/4以下である。
[0014]
 本開示の第2の態様によれば、第1の態様において、表面波変換部は、マイクロ波の伝播方向に周期的に配置された複数の変換スタブを有する。複数の変換スタブの同一平面からの高さは、マイクロ波の伝播方向に沿って増加する。
[0015]
 本開示の第3の態様によれば、第1の態様において、複数の伝播スタブが、マイクロ波の波長の1/8以下の間隔で周期的に配置される。
[0016]
 本開示の第4の態様によれば、第1の態様において、複数の伝播スタブが、マイクロ波の波長の1/8以下の間隙をもって周期的に配置される。
[0017]
 本開示の第5の態様によれば、第1の態様において、複数の伝播スタブの各々の高さHの2倍と、複数の伝播スタブの間隔pの正の整数倍との和が、マイクロ波の波長の1/2に等しい。
[0018]
 本開示の第6の態様によれば、第1の態様において、複数の伝播スタブの各々が、27mm以下の高さを有する。
[0019]
 本開示の第7の態様によれば、第1の態様において、複数の伝播スタブが、14mm以下の間隔で周期的に配置される。
[0020]
 本開示の第8の態様によれば、第1の態様において、複数の伝播スタブが、14mm以下の間隙をもって周期的に配置される。
[0021]
 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。以下の説明において、同じ要素には同じ参照符号を付し、重複する説明を省略する場合がある。図面は、理解を容易にするために、各構成要素を模式的に示す。本実施の形態で示される数値、形状、構成などは例示であり、本開示を限定するものではない。
[0022]
 図1は、本実施の形態に係る高周波加熱装置1の構成を模式的に示す断面図である。図1に示すように、高周波加熱装置1は、マイクロ波発生部2とアンテナ3と導波管4と加熱室8と載置台9と表面波伝送線路12とを有する。
[0023]
 マイクロ波発生部2は、被加熱物7の加熱に適した所望の周波数のマイクロ波を発生する。マイクロ波発生部2は、マグネトロンとインバータ回路とにより構成してもよく、固体発振器と電力増幅器とにより構成してもよい。
[0024]
 マイクロ波発生部2の出力端であるアンテナ3は、導波管4の内部に突出するよう形成される。
[0025]
 加熱室8の底面には、マイクロ波を低損失で透過させる材料(例えばガラス、樹脂)で構成された載置台9が設けられる。載置台9上には被加熱物7が載置される。載置台9は載置部に相当する。加熱室8の前面開口部分には、扉(図示せず)が設けられる。
[0026]
 表面波伝送線路12は、導波管4に接続され、載置台9に近接するように加熱室8の下方に設けられる。マイクロ波発生部2により発生されたマイクロ波は、アンテナ3を介して導波管4内に放射され、導波管4内を伝播して、表面波伝送線路12に到達する。
[0027]
 表面波伝送線路12は、いずれも導電体で構成された表面波変換部5と表面波伝播部6とを有する。表面波変換部5は、導波管4と表面波伝播部6との間に設けられ、導波管4の内部を空間伝播するマイクロ波を表面波伝播に変換する。表面波伝播部6は、表面波変換部5により変換された表面波を載置台9の近傍で伝播させる。
[0028]
 図2は、高周波加熱装置1に設けられた表面波伝送線路12の構成を示す透視斜視図である。図2に示すように、表面波伝送線路12は複数の金属平板を有する。複数の金属平板は、表面波伝送線路12の内壁面上に垂直に、かつ、所定間隔で周期的に配置される。本実施の形態において、金属平板をスタブといい、この構造をスタブ周期構造という。
[0029]
 表面波変換部5において、高さが異なる複数の金属平板である変換スタブ10が、所定間隔で周期的に配置される。変換スタブ10の高さは、マイクロ波の伝播方向(図2における右から左への方向)に沿って徐々に増加する。
[0030]
 表面波変換部5は、マイクロ波の伝播方向における始端(図2では右端)に位置する始端変換スタブ10aと、マイクロ波の伝播方向における終端(図2では左端)に位置する終端変換スタブ10bとを有する。始端変換スタブ10aは高さHaを有し、終端変換スタブ10bは高さHbを有する。
[0031]
 表面波伝播部6において、複数の金属平板である伝播スタブ11が所定間隔で周期的に配置される。伝播スタブ11の各々は、同じ形状、構成、高さを有する。このため、伝播スタブ11の上端部は、載置台9に平行かつ近接する同一平面に含まれる。伝播スタブ11の高さHは、終端変換スタブ10bの高さHbと同じである。
[0032]
 表面波変換部5の変換スタブ10は、表面波伝播部6の伝播スタブ11と同じ幅(W)を有する。幅(W)は、変換スタブ10および伝播スタブ11の、マイクロ波の伝播方向に垂直な方向の長さである。変換スタブ10は第1のスタブに相当し、伝播スタブ11は第2のスタブに相当する。
[0033]
 周期的に配置された複数の変換スタブ10を含む表面波変換部5のスタブ周期構造は第1のスタブ周期構造に相当する。周期的に配置された複数の伝播スタブ11を含む表面波伝播部6のスタブ周期構造を第2のスタブ周期構造に相当する。
[0034]
 図1および図2に示すように、伝播スタブ11の先端と載置台9との間には隙間が設けられる。
[0035]
 以下、スタブ周期構造の最適な構成を、最適化シミュレーションにより検討した結果について説明する。この最適化シミュレーションは、解析モデルにマイクロ波を供給した場合の、スタブの先端から50mm離れた位置における漏洩電力の平均値[Pave]および最大値(ピーク値)「Pmax」を算出する。
[0036]
 図3は、最適化シミュレーションで用いられる第2のスタブ周期構造における高さH、間隔p、間隙d、厚さtを示す。
[0037]
 図3において、上述のように、高さHは、伝播スタブ11の表面波伝送線路12の内壁面(本実施の形態では底面)からの高さである。間隔pは、周期的に配置された伝播スタブ11の間隔(ピッチ)である。間隙dは、隣接する二つの伝播スタブ11の間の間隙である。厚さtは、伝播スタブ11の厚さである。
[0038]
 本実施の形態では、伝播スタブ11の高さHの2倍と、伝播スタブ11の間隔pの正の整数倍との和が、マイクロ波の波長の1/2に等しい。
[0039]
 図4は、最適化シミュレーションにおける基本の解析モデルを示す。図4に示す解析モデルは、両端にそれぞれ設けられたポートA、Bと、中央に設けられた表面波伝播部6と、ポートA、Bにそれぞれ接して設けられた二つの導波管とを有する。
[0040]
 この解析モデルはさらに、表面波伝播部6と左側の導波管との間に、左から右に向かって変換スタブ10の高さが増加するように設けられた表面波変換部5と、表面波伝播部6と右側の導波管との間に、左から右に向かって変換スタブ10の高さが減少するように設けられたもう一つの表面波変換部5を有する。すなわち、二つの表面波変換部5が、表面波伝播部6を挟んで反対向きに設けられる。
[0041]
 表面波変換部5の長さは120mm、表面波伝播部6の長さは300mmである。この解析モデルにおける基準位置((x,y,z)=(0,0,0))は、表面波伝播部6の最も中央の伝播スタブ11の上端部に位置する。この最適化シミュレーションは、ポートAから解析モデルにマイクロ波が供給された場合に、基準位置の上方50mmの位置における漏洩電力の平均値[Pave]および最大値「Pmax」を算出する。
[0042]
 図5は、その最適化シミュレーションの結果を示す。図5のグラフ(a)は、高さHが20~27mmの範囲に設定された場合の、漏洩電力の平均値[Pave]および最大値「Pmax」をプロットしたものである。
[0043]
 図5のグラフ(b)は、間隔pが6~14mmの範囲に設定された場合の、漏洩電力の平均値[Pave]および最大値「Pmax」をプロットしたものである。図5のグラフ(c)は、間隙dを2~4mmの範囲に設定された場合の、漏洩電力の平均値[Pave]および最大値「Pmax」をプロットしたものである。
[0044]
 スタブ周期構造を最適化すると、スタブの先端に電界が集中し、スタブの先端から離れるにつれて指数関数的に急激に減少する。一定距離(最適化シミュレーションでは50mm)だけ離れたスタブの近傍の電力が小さいほど、スタブの先端における電力の集中度が高い。
[0045]
 図5に示す最適値は、グラフ(a)~(c)における漏洩電力の平均値[Pave]および最大値「Pmax」に基づいて、各条件における漏洩電力の集中度を検討した結果である。この最適化シミュレーションでは、入力マイクロ波電力(Pin)を800Wに設定した。
[0046]
 図5のグラフ(a)に示すように、高さHが23~27mmの範囲内で集中度はほぼ同等レベルとなり、高さHが25mmの場合に集中度は最大となる。
[0047]
 図6は、同様のシミュレーションにより算出されたSパラメータの周波数特性を示す。図6において、実線がSパラメータの反射特性S11を示し、破線がSパラメータの透過特性S21を示す。透過特性S21は、ポートAから供給されたマイクロ波に対する、表面波伝送線路を表面波伝播してポートBに到達したマイクロ波の比率を示す。
[0048]
 図6に示すように、透過特性S21は、ある周波数(図6では約2.48GHz)以上の周波数帯で急激に減少する。この周波数以上の周波数帯では、マイクロ波の表面波伝播は困難である。この周波数が、使用可能な範囲の上限周波数となる。
[0049]
 この上限周波数は、高さHが高くなるにつれて低域方向にずれる。高さH=27mmは、ISMの2.45GHz周波数帯が使用範囲に入る限界の寸法である。従って、図5のグラフ(a)に示した結果も踏まえて、高さHの実質上限は、マイクロ波の波長λの1/4を僅かに下回る27mmとなる。
[0050]
 図5のグラフ(b)に示すように、間隔pが6mmの場合に集中度が最大となり、間隔pがこれより大きくなるにつれ集中度は徐々に低下する。しかし、間隔pが14mm以下であれば、漏洩電力の平均値[Pave]はあまり増加しない。
[0051]
 生産性と製造コストを考慮すると、6mmが実質的に間隔pの狭い側の限界である。従って、間隔pの実質的最適値は6mmとなる。以上より、間隔pのより好ましい範囲の上限は、マイクロ波の波長λの1/8を僅かに下回る14mmとなる。
[0052]
 図5のグラフ(c)に示すように、間隙dが4mmの場合に集中度が最大となる。間隙dは、間隔pから厚さtを差し引いたものである。厚さtの実質的な限界は、強度などにより0.3mm程度であることを勘案すると、間隙dの好ましい範囲の上限は、マイクロ波の波長λの1/8となる。
[0053]
 本実施の形態では、表面波変換部5および表面波伝播部6が、周期的に配置された複数の金属平板を含むスタブ周期構造を有する。しかし、本開示は本構成に限らない。
[0054]
 図7は、表面波伝送線路12の変形例を示す透視斜視図である。図7に示すように、変形例に係る表面波伝送線路12は、その内壁面に設けられ、その内壁面に垂直な円柱状または角柱状(図7では角柱状)の複数の棒状部材を有する。
[0055]
 複数の棒状部材は、マイクロ波の伝播方向およびマイクロ波の伝播方向に垂直な方向に所定間隔で周期的に配置されている。複数の棒状部材において、マイクロ波の伝播方向の所定間隔は、図2に示す構成における変換スタブ10の間隔および伝播スタブ11の間隔と等しい。
[0056]
 本変形例では、マイクロ波の伝播方向に垂直な方向に所定間隔で周期的に配置された棒状部材の集合体が、一つの変換スタブ10および一つの伝播スタブ11に相当する。すなわち、図7において、変換スタブ10に相当する棒状部材の高さは、マイクロ波の伝播方向(図7における右から左への方向)に沿って徐々に増加する。伝播スタブ11に相当する棒状部材の高さHは、終端変換スタブ10bの高さHbと同じである。
[0057]
 本実施の形態では、伝播スタブ11の先端と載置台9との間には隙間が設けられる。本開示は、この構成に限るものではなく、隣接する領域と異なる誘電率を有し、境界面を持つ誘電体を、この隙間に設ける構成を含む。
[0058]
 本実施の形態によれば、スタブ周期構造を用いた集中度の高い表面波伝播により、スタブの先端に電力が集中される。その結果、少ない消費電力で被加熱物に所望の焦げ目を確実に付けることが可能となる。

産業上の利用可能性

[0059]
 上述したように、本開示の高周波加熱装置は、調理器に適用可能である。

符号の説明

[0060]
 1 高周波加熱装置
 2 マイクロ波発生部
 3 アンテナ
 4 導波管
 5 表面波変換部
 6 表面波伝播部
 7 被加熱物
 8 加熱室
 9 載置台(載置部)
 10 変換スタブ
 10a 始端変換スタブ
 10b 終端変換スタブ
 11 伝播スタブ
 12 表面波伝送線路

請求の範囲

[請求項1]
 マイクロ波を発生するマイクロ波発生部と、
 前記マイクロ波を表面波に変換するように構成された表面波変換部と、
 同一平面上に設けられ、前記マイクロ波の伝播方向に周期的に配置された実質的に同じ構成を有する複数の伝播スタブを有し、前記表面波を伝播させるように構成された表面波伝播部と、
 前記表面波伝播部に近接して設けられ、被加熱物を載置するように構成された載置部と、を備え、
 前記複数の伝播スタブの各々の前記同一平面からの高さが、前記マイクロ波の波長の1/4以下である高周波加熱装置。
[請求項2]
 前記表面波変換部が、前記同一平面上に設けられ、前記マイクロ波の伝播方向に周期的に配置された複数の変換スタブを有し、
 前記複数の変換スタブの前記同一平面からの高さが、前記マイクロ波の伝播方向に沿って増加する請求項1に記載の高周波加熱装置。
[請求項3]
 前記複数の伝播スタブが、前記マイクロ波の波長の1/8以下の間隔で周期的に配置された請求項1に記載の高周波加熱装置。
[請求項4]
 前記複数の伝播スタブが、前記マイクロ波の波長の1/8以下の間隙をもって周期的に配置された請求項1に記載の高周波加熱装置。
[請求項5]
 前記複数の伝播スタブの各々の高さHの2倍と、前記複数の伝播スタブの間隔pの正の整数倍との和が、前記マイクロ波の波長の1/2に等しい請求項1に記載の高周波加熱装置。
[請求項6]
 前記複数の伝播スタブの各々が、27mm以下の高さを有する請求項1に記載の高周波加熱装置。
[請求項7]
 前記複数の伝播スタブが、14mm以下の間隔で周期的に配置された請求項1に記載の高周波加熱装置。
[請求項8]
 前記複数の伝播スタブが、14mm以下の間隙をもって周期的に配置された請求項1に記載の高周波加熱装置。

図面

[ 図 1]

[ 図 2]

[ 図 3]

[ 図 4]

[ 図 5]

[ 図 6]

[ 図 7]