(57)【要約】【課題】被加熱物の形状に対応して加熱室内に高周波電界の強い領域を空間的に形成しその高周波電界を利用して被加熱物を加熱する新規なマイクロ波処理装置を提供する。【解決手段】円筒形状で低次のＴＥモードを生じさせる加熱室１０、その一端に蒸気発生部１４を内蔵した開閉部１１、加熱室底壁面１０ａには、ループ面は底壁面中央を向くように配設した位相差１８０度の給電部１２ａ、１２ｂ、加熱室１０に内蔵させた誘電体容器１３を配する。加熱室１０には周波数可変機能を有するマイクロ波発振部１０１を有するマイクロ波発生部１００から給電部１２ａ、１２ｂを介してマイクロ波を供給する。そして周波数可変の機能により、形状・種類の異なる被加熱物に対してマイクロ波を効率よく供給でき、加熱室１０内に所望の分布であって高い電界強度を有する高周波電界を形成でき、被加熱物を所望の状態に加熱処理させることができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加熱物を収納する開閉部を一端に配する円筒形状の加熱室と、前記円筒形状加熱室の他端に配し円筒管軸方向に生じる磁界と結合する給電部と、前記給電部に供給するマイクロ波を発生するマイクロ波発生部と、前記給電部から前記マイクロ波発生部側に戻るマイクロ波量を検出する電力検知部と、前記マイクロ波発生部から発生されるマイクロ波の周波数を制御する制御部とを備えたマイクロ波処理装置。
【請求項２】
前記加熱室が、ＴＥ２１ｎまたはＴＥ０１ｐ（ｎおよびｐは整数）を生じる構造体である請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
【請求項３】
前記給電部が、前記加熱室の底壁面の中心を点対称として２個設けられ、前記２個の給電部間の位相差が略１８０度である請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
【請求項４】
前記給電部がループ形状を有し、前記ループ形状におけるループ面が対向する請求項３に記載のマイクロ波処理装置。
【請求項５】
前記加熱室内には、着脱自在な低損失誘電体材料からなり円筒形状の誘電体容器が設けられる請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
【請求項６】
前記誘電体容器が、円筒の直径形状が異なる誘電体容器を備え、最大直径の誘電体容器内に全てが収納できる請求項５に記載のマイクロ波処理装置。
【請求項７】
前記最大直径の誘電体容器が容器底壁面を有し、前記容器底壁面が前記加熱室の底壁面と所定の間隔を保つように前記容器底壁面の略中央に設けられる中空の支持部を有し、前記支持部の先端が前記加熱室の底壁面に設けた開孔に挿入装着される請求項６に記載のマイクロ波処理装置。
【請求項８】
前記開閉部が蒸気発生部を有し、前記加熱室内に蒸気を供給する供給口が配置される請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
【請求項９】
前記蒸気発生部が前記開閉部から着脱できる請求項８に記載のマイクロ波処理装置。
【請求項１０】
前記制御部が、前記被加熱物の加熱開始時に前記蒸気発生部の動作を開始させ、前記蒸気発生部の動作を停止させた後に前記マイクロ波発生部の動作を開始させる請求項８に記載のマイクロ波処理装置。
【請求項１１】
前記制御部が、前記マイクロ波発生部から発生される周波数を所定の帯域に亘ってスイープさせて得られる前記電力検知部からの信号に基づいて、前記被加熱物の種類を推定し、加熱を実行するかどうかを判定する請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
【請求項１２】
前記制御部が、前記マイクロ波発生部から発生される周波数を所定の帯域に亘ってスイープさせて得られる前記電力検知部からの信号と、予め記憶させた前記被加熱物の種類に対応する加熱時間データとを照合し、前記被加熱物の種類を推定して加熱時間を決定する請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発振周波数を制御できるマイクロ波発生部を備えたマイクロ波処理装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来のマイクロ波処理装置は、一般には電子レンジに代表されるようにマイクロ波発生部にマグネトロンと称される真空管を用いている。
【０００３】
電子レンジに用いられているマグネトロンは、自身の構造によって発振周波数が決定され、その決定された周波数を故意に可変することはできない。マグネトロンに周波数可変機能を搭載する技術は存在するが、高価であり、一般大衆向けの製品に搭載することは難しい。
【０００４】
近年の半導体技術の進歩により、マグネトロンの性能に匹敵あるいはその性能を凌駕するマイクロ波発生部の実用化が可能になってきた。
【０００５】
半導体素子を用いてマイクロ波発生部を構成する時の主要な課題は、第一はスピード加熱を実践できる大電力化、第二は供給可能な商用電源電力の下で大電力動作をさせるための高効率動作、第三は一般消費者に購入および使用して頂ける価値の提供である。
【０００６】
第一の課題に対しては、複数給電方式が提案されている。例えば、加熱室を６面以上の多面体に形成し、各面の一部あるいは全部の面から放射アンテナを加熱室内に突出して配置したものがある（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
そして、互いの放射アンテナを異なる面に配したことで互いの干渉を防止できるとしている。さらには放射アンテナがそれぞれ異なる方向を向いているので放射された電波は加熱室内のあらゆる方向に伝搬し、壁面にて反射して散乱するため、加熱室内で電波は均一に分布するとしている。
【０００８】
また、マイクロ波発生部を複数の出力を有する構成としその出力を加熱室壁面に分散配置し、これらの発生部のうち少なくとも二つの壁面に配した発生部の出力を時分割動作させるものがある（例えば、特許文献２参照）。
【０００９】
そして、動作させるために選択したマイクロ波発生部を時分割動作させることで干渉による発生部の破壊を防止し同時動作させることができるとしている。また、直交関係にある壁面に配置した発生部は加熱室と発生部との結合を適当に選ぶことで互いに干渉しないように励振させることができ同時発振が可能であるとしている。
【００１０】
また、第二の課題に対しては、ＳｉやＧａＡｓに対してバンドギャップが大きく高電圧高温動作が可能なＳｉＣやＧａＮを用いた半導体素子の進化があげられる。
さらには、第三の課題に対して、均一加熱の促進や被加熱物が受けるマイクロ波の受熱効率の向上をベースとした省エネルギ化がある。
【００１１】
また受熱効率向上に対しては、被加熱物を収納した加熱室からマイクロ波発生部側に戻ってくる反射電力を検出し、その反射電力信号に基づいて、例えば反射電力が最小になる発振周波数を追尾させるものがある（例えば、特許文献３参照）。
【００１２】
さらに、円筒形状の加熱室を用いこの加熱室内に加熱室と同軸状に配置させた円管内の流体を加熱するものがある（例えば、特許文献４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１３】
【特許文献１】特開昭５２−１９３２４２号公報
【特許文献２】特開昭５３−００５４４５号公報
【特許文献３】特開昭５６−０９６４８６号公報
【特許文献４】特開２００５−３２２５８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかしながら、特許文献１から３に記載される従来の技術は、加熱室内に供給するマイクロ波エネルギを大きくするという視点の技術である。すなわち、マグネトロンと比べて耐熱性が低く、半導体素子ひとつ当りからの出力が小さいことを補うために複数の給電構成を採ったり、バンドギャップの大きい材料を用いて高温領域での動作を可能にした半導体素子によって大電力動作をさせたり、または、反射電力の最小となる周波数を加熱周波数に選定して加熱室内に供給できるマイクロ波エネルギを高効率に利用したりするものであった。
【００１５】
また、特許文献４に記載される技術は、円管あるいは円管に接する流体を均一に加熱するという視点の技術である。
【００１６】
一方、マイクロ波発生部の出力が供給される加熱室において、マイクロ波の電界強度を空間的に集中させて被加熱物を加熱処理するという技術は、上記先行技術には記載されていない。
【００１７】
本発明は、マイクロ波エネルギの新しい利用の提供を第一義とし、被加熱物の形状に対応して加熱室内に高周波電界の強い領域を空間的に形成するとともに、その高周波電界を利用して被加熱物を加熱する新規なマイクロ波処理装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１８】
前記従来の課題を解決するために、本発明のマイクロ波処理装置は、被加熱物を収納する開閉部を一端に配する円筒形状の加熱室と、前記円筒形状加熱室の他端に配し円筒管軸方向に生じる磁界と結合する給電部と、前記給電部に供給するマイクロ波を発生するマイクロ波発生部と、前記給電部から前記マイクロ波発生部側に戻るマイクロ波量を検出する電力検知部と、前記マイクロ波発生部の発生周波数を制御して動作させる制御部とから構成したものである。
【００１９】
ここで、円筒形状の加熱室の管軸方向に生じる磁界と結合する給電部により加熱室内にＴＥモードの高周波電界を加熱室内空間に形成させる構造体にするとともに、マイクロ波発生部の発生周波数を制御して得られる電力検知部の信号に基づき、被加熱物に応じた加熱動作周波数を選択し、被加熱物の形状に応じた高周波電界を加熱室内に形成し被加熱物を集中加熱することで、形状・種類の異なる被加熱物を効率よく加熱処理させることができる。
【発明の効果】
【００２０】
本発明のマイクロ波処理装置は、円筒形状の加熱室において、マイクロ波発生部の発生周波数を制御して加熱室内の高周波電界を被加熱物の形状に応じて空間的に形成し、形状・種類の異なる被加熱物を所望の状態に加熱処理するマイクロ波処理装置を提供すること
ができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の実施の形態にかかるマイクロ波処理装置の全体構成図
【図２】本発明の実施の形態にかかるマイクロ波処理装置の主要構成図
【図３】本発明の実施の形態にかかるマイクロ波処理装置におけるマイクロ波発生部まわりの構成図
【図４】本発明の実施の形態にかかるマイクロ波処理装置における加熱室の電磁界分布の説明図
【図５】本発明の実施の形態にかかるマイクロ波処理装置における加熱室の他の電磁界分布の説明図
【図６】本発明の実施の形態にかかるマイクロ波処理装置におけるペットボトル処理に関する構成図
【図７】図６のマイクロ波処理装置を用いた制御フローチャート
【発明を実施するための形態】
【００２２】
第１の発明は、被加熱物を収納する開閉部を一端に配する円筒形状の加熱室と、前記円筒形状加熱室の他端に配し円筒管軸方向に生じる磁界と結合する給電部と、前記給電部に供給するマイクロ波を発生するマイクロ波発生部と、前記給電部から前記マイクロ波発生部側に戻るマイクロ波量を検出する電力検知部と、前記マイクロ波発生部から発生されるマイクロ波の周波数を制御する制御部とを備えたものである。
【００２３】
ここで、円筒形状の加熱室の管軸方向に生じる磁界と結合する給電部により加熱室内にＴＥモードの高周波電界を加熱室内空間に形成させる構造体にするとともに、マイクロ波発生部の発生周波数を制御して得られる電力検知部の信号に基づき、被加熱物に応じた加熱動作周波数を選択し、被加熱物の形状に応じた高周波電界を加熱室内に形成し被加熱物を集中加熱することで、形状・種類の異なる被加熱物を効率よく加熱処理させることができる。
【００２４】
第２の発明は、特に第１の発明において、前記加熱室が、ＴＥ２１ｎまたはＴＥ０１ｐ（ｎおよびｐは整数）を生じる構造体であるものである。これにより、加熱室内には低次の電磁界モードを発生させることで、高周波エネルギを凝縮し、高い高周波電界を形成させることができる。
【００２５】
第３の発明は、特に第１の発明において、前記給電部が、前記加熱室の底壁面の中心を点対称として２個設けられ、前記２個の給電部間の位相差が略１８０度であるものである。これにより、加熱室内に低次のモードを確実に発生させることができる。
【００２６】
第４の発明は、特に第３の発明において、前記給電部がループ形状を有し、前記ループ形状におけるループ面が対向するものである。これにより、加熱室内には低次の高い高周波電界を形成しうるＴＥモードをより確実に発生させることができる。
【００２７】
第５の発明は、特に第１の発明において、前記加熱室内には、着脱自在な低損失誘電体材料からなり円筒形状の誘電体容器が設けられるものである。これにより、加熱室の半径方向のマイクロ波から見える実質的な大きさを大きくできるので、現実の加熱室の半径方向をコンパクトな形状にすることができる。
【００２８】
第６の発明は、特に第５の発明において、前記誘電体容器が、円筒の直径形状が異なる誘電体容器を備え、最大直径の誘電体容器内に全てが収納できるものである。これにより、同一形状の加熱室において、被加熱物の形状に応じた誘電体容器を選択使用して、被加
熱物に高周波電界を集中させることができる。
【００２９】
第７の発明は、特に第６の発明において、前記最大直径の誘電体容器が容器底壁面を有し、前記容器底壁面が前記加熱室の底壁面と所定の間隔を保つように前記容器底壁面の略中央に設けられる中空の支持部を有し、前記支持部の先端が前記加熱室の底壁面に設けた開孔に挿入装着されるものである。
【００３０】
これにより、加熱室の一端壁面に設けた給電部と被加熱物とを所定の間隔に保つことで給電部から放射されるマイクロ波により加熱室内に所定の高周波電界分布を確実ら形成させることができる。また開孔配置により被加熱物の加熱過程において発生する水分を開孔を介して加熱室外に排出し加熱室内での水分の影響による高周波電界の乱れを解消させることができる。
【００３１】
第８の発明は、特に第１の発明において、前記開閉部が蒸気発生部を有し、前記加熱室内に蒸気を供給する供給口が配置されるものである。これにより、被加熱物の加熱において発生する酸化に伴う異臭を抑制できる。
【００３２】
第９の発明は、特に第８の発明において、前記蒸気発生部が前記開閉部から着脱できるものである。これにより、蒸気発生部の清掃を容易に実施できる。
【００３３】
第１０の発明は、特に第８の発明において、前記制御部が、前記被加熱物の加熱開始時に前記蒸気発生部の動作を開始させ、前記蒸気発生部の動作を停止させた後に前記マイクロ波発生部の動作を開始させるものである。これにより、マイクロ波加熱に伴う被加熱物からの異臭の発生を抑制する環境を形成した後、被加熱物を所望の状態に加熱処理させることができる。
【００３４】
第１１の発明は、特に第１の発明において、前記制御部が、前記マイクロ波発生部から発生される周波数を所定の帯域に亘ってスイープさせて得られる前記電力検知部からの信号に基づいて、前記被加熱物の種類を推定し、加熱を実行するかどうかを判定するものである。
【００３５】
これにより、被加熱物が予め規定した以外のものに対してその被加熱物が異常加熱されることを防止でき、装置が本来対象とする被加熱物のみを加熱することで、使用上の安全および安心度合が高い装置を提供することができる。
【００３６】
第１２の発明は、特に第１の発明において、前記制御部が、前記マイクロ波発生部から発生される周波数を所定の帯域に亘ってスイープさせて得られる前記電力検知部からの信号と、予め記憶させた前記被加熱物の種類に対応する加熱時間データとを照合し、前記被加熱物の種類を推定して加熱時間を決定するものである。これにより、被加熱物の過加熱を防止し被加熱物を所望の状態に加熱処理させることができる。
【００３７】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００３８】
図１は、本発明の実施の形態におけるマイクロ波処理装置の構成図、図２は図１の加熱室まわりの断面構成図、図３は図１のマイクロ波発生部の詳細構成図である。
【００３９】
図１から図３において、加熱室１０は、円筒形状構成からなり一端には加熱室１０内に被加熱物を収納するための開閉部１１が設けられ、他端である加熱室底壁面１０ａが閉じられた形状を有している。
【００４０】
加熱室底壁面１０ａには、加熱室１０内にマイクロ波を供給するための給電部１２が設けられる。給電部１２は、底壁面中央を点対称として半径の略１／２の位置に２個設けられ、加熱室１０内の円筒管軸方向に生じる高周波磁界と結合するループ形状を有している。
【００４１】
給電部１２ａ、１２ｂのループ面は底壁面中央を向くように設けられ、これにより給電部１２ａ、１２ｂのループ面は対向した構成となっている。また加熱室１０内に誘電体容器１３が設けられる。誘電体容器１３は一端が開口となっており、他端がテーパー形状で閉じられている。
【００４２】
この他端のテーパー形状の中央には、加熱室底壁面１０ａの略中央に設けた開孔１０ｂに挿入される中空筒体１３ａが設けられ、筒体１３ａの外周の一部を大きな形状として加熱室底壁面１０ａに支持される支持部１３ｂが設けられている。
【００４３】
開閉部１１は、加熱室１０の側壁面１０ｂと対向する領域に電波シール機構１１ａを有する。電波シール機構１１ａと加熱室１０の側壁面１０ｂとが形成される空間により、加熱室１０内に供給されたマイクロ波が開閉部１１側に漏洩することを抑制している。
【００４４】
また、開閉部１１は、開閉部１１の上部蓋を開けると、蒸気発生部１４が着脱自在に組み込めるようになっている。蒸気発生部１４は、貯水部と蒸発部とで構成し蒸発部で蒸発した蒸気を加熱室１０内に吹出す蒸気供給口１４ａを有する。蒸気供給口１４ａは、開閉部１１の加熱室１０を臨む領域の略中央部に設けた開孔に嵌合させて開閉部１１に装着するようになっている。蒸気発生部１４への電力供給には、着脱自在な電力接続としてマグネット式コネクタを用いる。
【００４５】
加熱室１０内に供給するマイクロ波は、マイクロ波発生部１００によって発生させる。マイクロ波発生部１００は、周波数可変機能を有するマイクロ波発振部１０１とマイクロ波発振部１０１の出力をそれぞれ増幅するマイクロ波増幅部１０２、１０３とで構成している。マイクロ波増幅部１０２、１０３の出力部１５ａ、１５ｂは同軸伝送路１６ａ、１６ｂを介して給電部１２ａ、１２ｂとそれぞれ接続されている。
【００４６】
水受けタンク１７は、装置本体から着脱できるようになっており、加熱室１０内に装着した誘電体容器１３の中空筒体１３ａの下方に配置される。送風ファン１８ａは、放熱部１０２ａを冷却することで、マイクロ波増幅部１０２、１０３の半導体素子の損失熱を放熱させる（マイクロ波増幅部１０３の放熱部および送風ファンは図示せず）。開閉部１１は支持軸１９を回転の中心として開閉される。
【００４７】
次に、マイクロ波発生部１００について説明する。
【００４８】
マイクロ波発生部１００は、半導体素子を用いて構成されたマイクロ波発振器１１１と、発振器１１１の出力信号を電力分配する電力分配器１１２と、電力分配器１１２のそれぞれの出力を、後段の半導体素子を用いて構成された初段マイクロ波増幅器１１３ａ、１１３ｂに導くマイクロ波伝送路１１４ａ、１１４ｂと、初段マイクロ波増幅器１１３ａ、１３ｂのそれぞれの出力をさらに増幅する、半導体素子を用いて構成された主マイクロ波増幅器１１５ａ、１１５ｂと、主マイクロ波増幅器１１５ａ、１１５ｂの出力をマイクロ波増幅部１０２、１０３のそれぞれの出力部１５ａ、１５ｂに導くマイクロ波伝送路１１７ａ、１１７ｂと、マイクロ波伝送路１１４ｂに挿入配置した位相可変器１１８と、マイクロ波伝送路１１７ａ、１１７ｂに挿入配置した少なくとも反射電力を検出する電力検知部１１９ａ、１１９ｂとで構成される。
【００４９】
初段マイクロ波増幅器１１３ａ，１１３ｂおよび主マイクロ波増幅器１１５ａ、１１５ｂは、低誘電損失材料から構成した誘電体基板の片面に形成した導電体パターンにて回路が構成され、各マイクロ波増幅器の増幅素子である半導体素子を良好に動作させるべく各半導体素子の入力側と出力側にそれぞれ整合回路が設けられる。主マイクロ波増幅器１１５ａ、１１５ｂの半導体素子には、ＧａＮ材料を利用した電界効果トランジスタが用いられる。
【００５０】
マイクロ波伝送路１１４ａ、１１４ｂ、１１７ａ、１１７ｂは、誘電体基板の片面に設けた導電体パターンによって特性インピーダンスが略５０Ωの伝送回路を形成している。
【００５１】
電力分配器１１２は、３ｄＢブランチラインカプラー構成とし、特性インピーダンス５０Ωでその電気長λ／４（λは使用周波数帯の中央周波数の実効波長）からなるマイクロストリップ線路１１２ａ、１１２ｄと、特性インピーダンス３５．３５Ωで電気長λ／４のマイクロストリップ線路１１２ｂ、１１２ｃで構成している。
【００５２】
この構成により、マイクロ波発振器１１１の出力電力は、電力分配器１１２により略１／２ずつ分配された出力を生じる。マイクロ波伝送路１１４ａを伝送するマイクロ波信号を基準にするとマイクロ波伝送路１１４ｂを伝送するマイクロ波信号は、９０度位相が遅れた信号として伝送する。
【００５３】
位相可変器１１８は、略１８０度の位相遅延を行うもので、これにより初段マイクロ波増幅器１１３ａ、１１３ｂのそれぞれに入力するマイクロ波の位相差は、最大略２７０度を形成できる。この位相可変器１１８は、給電部１２ａ、１２ｂから放射されるマイクロ波の位相差を略逆位相（略１８０度）に調整するために用いられる。
【００５４】
マイクロ波発生部１００のマイクロ波発振器１１１は周波数可変機能を備え、２４００ＭＨｚから２５００ＭＨｚの周波数を発生する。マイクロ波発生部１００を構成するマイクロ波増幅部１０２、１０３のそれぞれの出力１５ａ、１５ｂと給電部１２ａ、１２ｂとは同軸伝送路１６ａ、１６ｂで接続されている。
【００５５】
マイクロ波増幅器１１３ａ、１１５ａおよび１１３ｂ、１１５ｂは、それぞれ増幅回路が一体的に設けられ、熱伝導が大きい金属材料で構成した放熱部１０２ａ（マイクロ波増幅部１０３の放熱部は図示していない）とともにユニット化され加熱室１０の下方に配置される。放熱部１０２ａには、冷却風を送風する送風ファン１８が設けられる。
【００５６】
駆動電源部１２０は、主マイクロ波増幅器１１５ａ、１１５ｂを動作させる駆動電力を供給する。初段マイクロ波増幅器、マイクロ波発振器などの駆動電源部については、図示も説明も省略する。駆動電源部１２０は、主マイクロ波増幅器１１５ａ、１１５ｂに用いる電界効果トランジスタに対して、ドレイン電圧Ｖｄ１、Ｖｄ２およびゲート電圧Ｖｇ１、Ｖｇ２を供給し、その半導体素子の動作電力を検出する駆動電力検出部１２１ａ、１２１ｂを備える。ゲート電圧Ｖｇ１、Ｖｇ２はマイナス電圧である。
【００５７】
制御部２０は、マイクロ波発生部１００の動作を制御する。この制御部２０は、マイクロ波発生部１００の電力検知部１１９ａ、１１９ｂ、駆動電力検出部１２１ａ、１２１ｂが検出した信号を受け取り、各種の処理を行った後、マイクロ波発振器１１１の発振周波数の可変制御と、駆動電源部１２０により主マイクロ波増幅器１１５ａ、１１５ｂのそれぞれに供給される駆動電圧制御と、送風ファン１８および蒸気発生部１４の動作制御とを行う。
【００５８】
電力検知部１１９ａ、１１９ｂは、結合度が約４０ｄＢの方向性結合器で構成し、反射電力の約１／１００００の電力量を抽出する。この電力信号はそれぞれ、検波ダイオード（図示していない）で整流化しコンデンサ（図示していない）で平滑処理し、その出力信号を制御部２０に入力させている。
【００５９】
次に、本発明のマイクロ波処理装置の加熱室に発生させる電磁波モードについて、その動作と作用とを図４、５を参照しながら説明する。
【００６０】
図４は、加熱室１０内にＴＥ２１２モードを発生させる場合の電磁界分布を示し、図５は加熱室１０内にＴＥ０１２モードを発生させる場合の電磁界分布を示す。
【００６１】
それぞれの図において、実線の矢印が高周波電界、波線の矢印が高周波磁界を示す。円筒形状の加熱室１０において、加熱室１０の管軸に対して垂直方向に高周波電界を生じるモードはＴＥモードと称されている。ＴＥモードの中で最も低次のモードはＴＥ１０ｓ、ここでｓは整数、であり、ＴＥ２１ｎやＴＥ０１ｐ、ここでｎ、ｐは整数、はその次に低次のモードである。
【００６２】
図４、５は、加熱室１０の管軸方向の長さを限定させて、ｎおよびｐの値が２を採るように寸法を決めている。それぞれの図において、給電部１２ａ、１２ｂをループ形状がわかるように図示しているが、実際はそれぞれのループ面は対向するように設けられている。
【００６３】
図４においては高周波磁界２１ａ、２１ｂが、図５においては高周波磁界２３ａ、２３ｂが、それぞれ給電部１２ａ、１２ｂのループ内を貫通する。マイクロ波発生部１００は、マイクロ波増幅部１０２、１０３の出力の位相が逆位相に調整されて給電部に伝送されるので、給電部１２ａ、１２ｂから放射されるマイクロ波と加熱室１０内に生じようとする高周波磁界とが効果的に結合し図４においては高周波磁界２１ａ〜２１ｄと高周波電界２２ａ〜２２ｄ、図５においては高周波磁界２３ａ〜２３ｄと高周波電界２４ａ〜２４ｄをそれぞれ生じさせることができる。
【００６４】
図４、５に示すように、ＴＥ２１ｎ、ＴＥ０１ｐのモードは同じ給電部構成から形成させることができる。これらのどちらかを選択する必要がある場合には、モード抑制フィルタを加熱室壁面に設けたり、給電部の数を増し各給電部間の位相差を限定させたりする方法などがあるが、本発明においては、いずれのモードが生じても装置としての機能を満たすことができるので、これらの対処は不要である。
【００６５】
なお、ＴＥ２１ｎとＴＥ０１ｐを比べるとＴＥ２１ｎモードの方が低次であり、出現しやすい。
【００６６】
本発明が必要とする機能は、加熱室内に収納される被加熱物を高い電界強度に曝して加熱する点であり、電界強度の分散を抑制できる低次モードを発生させることで機能実現ができる。
【００６７】
次に、本発明のマイクロ波処理装置の具体的な被加熱物に対する処理構成について、図６を用いて説明する。
【００６８】
図６は、本発明のマイクロ波処理装置を用いた実施例として被加熱物をペットボトルとした場合の構成図である。図６が図２と相違する点は、第二の誘電体容器２５を誘電体容器１３の内部に配置し、その内部に被加熱物であるペットボトル２６を収納した点である。
【００６９】
本発明のマイクロ波処理装置は、被加熱物のペットボトルをマイクロ波で加熱し熱変形させて圧縮相当の形状変形処理を行うものである。この加熱処理を効果的に行うために、第二の誘電体容器２５は中空の円筒部２５ａと、その円筒の一端には誘電体容器１３内に収納可能な形状のフランジ部２５ｂを一体的に成形した形状としている。
【００７０】
フランジ部２５ｂによって、第二の誘電体容器２５を加熱室１０内に加熱室の円筒形状と略同心配置させている。この第二の誘電体容器２５の材質は、ペットボトルに使用される樹脂材料に比して耐熱性がある低誘電損失材料、例えば、フッ素樹脂、ポリフェニレンサルファイド樹脂などが用いられ、被加熱物であるペットボトル２６の最大径より少し大きい内径形状としている。円筒部２５ａの肉厚さは２ｍｍ以上としている。
【００７１】
第二の誘電体容器２５の円筒部２５ａと被加熱物であるペットボトル２６の容器とは近接した状態で配置される。加熱室１０内に発生させた高周波電界は、第二の誘電体容器２５とペットボトル２６のそれぞれが有する誘電特性により高周波電界を集中化させることで、ペットボトル２６の容器を高周波電界の高い領域に曝すことができる。図６内に、加熱室１０内の高周波電界２７ａ〜２７ｄと被加熱物との空間的な関係を示す。
【００７２】
加熱室１０に収納した被加熱物であるペットボトル２６は、高い高周波電界によって加熱されて昇温し、軟化して変形を始めるが、ペットボトル自身の重量により、加熱室１０の下方側に圧縮した状態に変形していく。
【００７３】
なお、この第二の誘電体容器２５は、容量が異なるペットボトルの形状に合わせて複数備えさせることができる。この複数の誘電体容器は、円筒部の内径の最小ものを中央においてより大きな内径の誘電体容器を順次組立てた後、最大径の誘電体容器１３内に収納できる形状構成としている。複数の誘電体容器の円筒部内径は、一般家庭でよく利用される飲用水のペットボトルから化粧品用のペットボトルが収納できる内径形状として限定することができる。
【００７４】
以上のように構成されたマイクロ波処理装置について、以下その動作と作用を、図７を参照しながら説明する。
【００７５】
誘電体容器１３と第二の誘電体容器２５を加熱室１０内にセットし被加熱物であるペットボトルを第二の誘電体容器２５内に収納して、操作部（図示せず）の「ボトル処理」キー（図示せず）を押す（ステップ（Ｓ１１））。
【００７６】
加熱開始信号を受けた制御部２０の制御出力信号により、マイクロ波発生部１００を第１の出力電力、例えば１００Ｗ未満、に設定して動作を開始する（ステップ（Ｓ１２））。このとき制御部２０は、マイクロ波発振器１１１の初期の発振周波数は、例えば２４５０ＭＨｚに設定する信号を供給し、発振を開始させる。
【００７７】
以降、所定の駆動電源電圧を初段マイクロ波増幅器１１３ａ、１１３ｂに供給し、初段マイクロ波増幅器を動作させ、次に主マイクロ波増幅器１１５ａ、１１５ｂに所定駆動電圧を供給し主マイクロ波増幅器を動作させる。
【００７８】
このときの各主マイクロ波増幅器に供給する駆動電圧は主マイクロ波増幅器のそれぞれは、例えば５０Ｗ未満のマイクロ波電力を出力する電圧である。また、位相可変器１１８は、給電部１２ａ、１２ｂから放射されるマイクロ波の位相差が発振周波数２４５０ＭＨｚにおいて逆位相になるように調整されている。
【００７９】
次にステップ（Ｓ１３）では、マイクロ波発振器１１１の発振周波数を初期の２４５０ＭＨｚから０．１ＭＨｚピッチ（例えば、１０ミリ秒で１ＭＨｚ）で低い周波数側に変化させ、周波数可変範囲の下限である２４００ＭＨｚに到達すると１ＭＨｚピッチで周波数を高く変化させ、２４５０ＭＨｚに到達すると再び０．１ＭＨｚピッチで周波数可変範囲の上限である２５００ＭＨｚまで変化させる。この周波数可変の中で電力検知部１１９ａ、１１９ｂから得られる反射電力を記憶し、ステップ（Ｓ１４）に進む。
【００８０】
ステップ（Ｓ１４）では、各周波数に対する電力検知部１１９ａ、１１９ｂから得た反射電力の合計値の特性から反射電力が極小となる周波数群を抽出する。そして、この反射極小周波数群の個数と分布（例えば、２４００ＭＨｚから２４５０ＭＨｚと２４５０ＭＨｚから２５００ＭＨｚのそれぞれの周波数帯域に存在する極小周波数の数）を予め記憶させた対照となる反射極小周波数群データと比較する。
【００８１】
この比較により、被加熱物の形状（例えば、５００ｍｌのペットボトル、２５０ｍｌのペットボトル、化粧品用ペットボトルなど）を推定し、加熱可能な被加熱物であるかどうかを判定する（ステップ（Ｓ１５））。加熱可能な被加熱物の場合は、ステップ（Ｓ１６）に進み、加熱対象外と判定した場合は、ステップ（Ｓ１７）に進んで加熱できない旨の報知をして加熱動作を終了させる。
【００８２】
ステップ（Ｓ１６）では、ステップ（Ｓ１３）において取り込んだ二つの電力検知部１１９ａ、１１９ｂから得た反射電力の合計値が最小となる周波数（ｆ１）を選定する。
【００８３】
反射電力最小の周波数における各給電部が受ける反射電力値に基づいて被加熱物を加熱実行する時に生じるマイクロ波増幅部のそれぞれの電力損失量（予め既定した駆動電圧および検出した反射電力量に対応して流れるであろう、駆動電流の推定値に基づいて計算）を演算し第１の規定値と比較する。
【００８４】
この第１の規定値は、マイクロ波発生部に組み込まれた放熱構成に基づいて決定したマイクロ波増幅部の半導体素子が許容する最大熱損失量としている。なお、この規定値は、絶対値とする方法と、マイクロ波増幅部の出力に対する相対比率値とする方法のいずれでも構わない。
【００８５】
そして、各給電部の反射電力値に基づいて演算した加熱動作時の半導体素子の電力損失値と第１の規定値との比較において、第１の規定値以下の場合はステップ（Ｓ１９）に進む。第１の規定値を超過している場合は、ステップ（Ｓ１８）に進む。
【００８６】
ステップ（Ｓ１８）では、第１の規定値以下になる各主マイクロ波増幅器１１５ａ、１１５ｂに供給する駆動電圧を抽出する。この抽出にあたり、駆動電圧は、マイクロ波発生部１００の定格出力に対して、１００％、９０％、７５％、６０％、１５％（これは第１の出力電力の発生時に使用する）の５段階の駆動電圧群を用意しており、この駆動電圧群の中から第１の規定値を超過することなく最大出力を発生できる駆動電圧が抽出される。
【００８７】
なお、主マイクロ波増幅器ごとに駆動電圧は最適選択する。第１の規定値を超過した対象のマイクロ波増幅器の駆動電圧を制御し、半導体素子が被る電力損失量を低減させる駆動電圧に設定し、この駆動電圧の抽出処理を終えるとステップ（Ｓ１９）に進む。
【００８８】
ステップ（Ｓ１９）では、蒸気発生部１４に所定時間電力を供給する。この供給電力により、蒸気発生部１４内に注水された水が蒸発し、蒸気吹出口１４ａから加熱室１０内に蒸気が噴出する。
【００８９】
所定時間としては、加熱室１０内が蒸気で充満する時間を目安としている。この所定時間を経過すると蒸気発生部１４への供給電力を停止させてステップ（Ｓ２０）に進む。これにより、加熱室１０内を低酸素濃度状態にして被加熱物であるペットボトルが加熱される過程で発生する酸化に伴う異臭を抑制している。
【００９０】
ステップ（Ｓ２０）では、二つの電力検知部１１９ａ、１１９ｂから得た反射電力の合計値が最小となる周波数（ｆ１）を発振周波数に設定し、マイクロ波発生部１００を定格出力（または低減させた出力）である第二の出力電力を発生するように各マイクロ波増幅器の駆動電圧を設定し、マイクロ波発生部１００の動作を開始させる。
【００９１】
なお、低減させた出力とは、ステップ（Ｓ１８）を経由した場合、ステップ（Ｓ１８）で抽出された駆動電圧を主マイクロ波増幅器１１５ａ、１１５ｂにそれぞれ供給して、マイクロ波発生部１００が動作させた時の出力である。
【００９２】
ステップ（Ｓ２１）では、加熱動作の下で各主マイクロ波増幅器の電力損失値が上述の第１の規定値以下かどうかを判定する。第１の規定値以下の場合はステップ（Ｓ２２）に進む。第１の規定値を超過している場合は、ステップ（Ｓ２３）に進み、第１の規定値以下になるように対象の主マイクロ波増幅器の駆動電圧を最適な駆動電圧に変更し、ステップ（Ｓ２２）に進む。
【００９３】
ステップ（Ｓ２２）では、被加熱物の圧縮化程度を加熱時間に基づいて判定する。この加熱時間は、ペットボトルの種類、供給する第二の出力電力に応じて予め規定している。そして、規定の加熱時間に到達しているかどうかを比較判定する。加熱時間が未達の場合は、ステップ（Ｓ２１）に戻る。加熱時間に到達した時にはマイクロ波発生部１００の動作を停止させて加熱を終了する。
【００９４】
なお、２４００ＭＨｚから２５００ＭＨｚの全帯域に亘って給電部１２ａ、１２ｂの間の位相差を逆位相（例えば、１８０度±５度）に設定するように、位相可変器１１８の位相可変量を発振周波数に応じて制御させてもよい。
【００９５】
以上、加熱制御内容について説明したが、この制御における作用について以下に述べる。
【００９６】
周波数を変化させることにより、各給電部１２ａ、１２ｂから被加熱物が収納された加熱室１０側を見たときの負荷インピーダンスを変化させることができる。そして、最適な周波数を選択することで各給電部からマイクロ波発生部１００側を見たときの電源インピーダンスに負荷インピーダンスを近づけることで各給電部への反射電力を低減できる。
【００９７】
この周波数可変の機能により、形状・種類の異なる被加熱物に対してマイクロ波を効率よく供給でき、加熱室１０内に所望の分布であって高い電界強度を有する高周波電界を形成できる。その結果、被加熱物の形状に応じた高周波電界を加熱室内に形成し被加熱物を集中加熱して被加熱物であるペットボトルを昇温させ熱変形させて形状を縮退させることができる。縮退したペットボトルは、廃棄されるまで保管するが、この保管空間が小さく済ませることができ、ペットボトルの回収に寄与できるものである。
【００９８】
また、最適な発振周波数を抽出した後に、さらにマイクロ波増幅器の損失電力を見積もり、半導体素子を熱破壊から保護する中での最大出力電力を加熱室に供給して高速加熱を実現させている。
【００９９】
マイクロ波発生部１００の出力可変は、主マイクロ波増幅器１１５ａ、１１５ｂの駆動
電圧を可変制御させる構成からなり、反射電力が第１の規定値を超過の場合は駆動電圧を低減して増幅器出力電力を低減し、増幅動作に伴う熱損失量を減少させるとともに加熱室へ供給される電力が低減されることに付随して反射電力も低減させることで増幅器の半導体素子が被る熱損失を許容最大値以下にして装置の信頼性を確保することができる。
【０１００】
加熱室１０は、ＴＥ２１ｎまたはＴＥ０１ｐ（ｎおよびｐは整数）を生じる構造体としたことにより、加熱室内に低次の電磁界モードを確実に発生させることができ、高周波エネルギを被加熱物に凝縮供給させることができる。
【０１０１】
給電部は、加熱室底壁面の中心を点対称として２個配置構成とし、給電部間の位相差を略１８０度としたことにより加熱室内に低次のモードを確実に発生させることができる。
【０１０２】
また給電部は、ループ形状とし、ループ面が対向するように配置したことにより、加熱室内には低次の高い高周波電界を形成しうるＴＥモードをより確実に発生させることができる。
【０１０３】
加熱室１０内には、着脱自在な低損失誘電体材料からなり円筒形状の誘電体容器を備える構成としたことにより、加熱室の半径方向のマイクロ波から見える実質的な大きさを大きくできるので、現実の加熱室の半径方向をコンパクトな形状にすることができる。
【０１０４】
誘電体容器は、円筒の直径形状が異なる誘電体容器を備え、最大直径の誘電体容器内に全てが収納できる形状構成としたことにより、同一形状の加熱室において、被加熱物の形状に応じた誘電体容器を選択使用して、被加熱物に高周波電界を集中させることができる。
【０１０５】
最大直径の誘電体容器は、容器底壁面を有し、この容器底壁面が加熱室底壁面と所定の間隔を保つように中空の支持部を容器底壁面の略中央に設け、前記支持部の先端が加熱室底壁面に設けた開孔に挿入装着される構成からなるものであり、これにより加熱室の一端壁面に設けた給電部と被加熱物とを所定の間隔に保つことで給電部から放射されるマイクロ波により加熱室内に所定の高周波電界分布を確実ら形成させることができる。
【０１０６】
また、開孔配置により被加熱物の加熱過程において発生する水分を、開孔を介して加熱室外に排出し加熱室内での水分の影響による高周波電界の乱れを解消させることができる。蒸気発生部は、開閉部から着脱できる構成とした構成からなるものである。これにより蒸気発生部の清掃を容易に実施できる。
【０１０７】
制御部２０は、被加熱物の加熱開始時に蒸気発生部を所定動作させ、蒸気発生部の動作を停止後にマイクロ波発生部の動作を開始することとした構成からなるものであり、これによりマイクロ波加熱に伴う被加熱物からの異臭の発生を抑制する環境を形成した後、被加熱物を所望の状態に加熱処理させることができる。
【０１０８】
また制御部２０は、マイクロ波発生部が発生する周波数を既定した帯域全体に亘ってスイープし、個々の周波数に対して得られる電力検知部からの信号に基づいて、被加熱物の種類を推定し、加熱実行有無を判定することとした構成からなるものである。
【０１０９】
これにより、被加熱物が予め規定した以外のものに対してその被加熱物が異常加熱されることを防止でき、装置が本来対象とする被加熱物のみを加熱することで、使用上の安全および安心度合が高い装置を提供することができる。
【０１１０】
さらに、制御部２０は、マイクロ波発生部が発生する周波数を既定した帯域全体に亘っ
てスイープし、個々の周波数に対して得られる電力検知部からの信号を予め記憶させた被加熱物の種類に対応する加熱時間データに照合し、被加熱物の種類を推定してその加熱時間を決定することとした構成からなるものである。これにより被加熱物の過加熱を防止し被加熱物を所望の状態に加熱処理させることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１１】
以上のように、本発明にかかるマイクロ波処理装置は、円筒形状の加熱室において、マイクロ波発生部の発生周波数を制御して加熱室内の高周波電界を被加熱物の形状に応じて空間的に形成し、形状・種類の異なる被加熱物を所望の状態に加熱処理するマイクロ波処理装置を提供することができるので、電子レンジで代表されるような誘電加熱を利用した加熱装置や生ゴミ処理機、あるいは乾燥装置などの用途にも適用できる。
【符号の説明】
【０１１２】
１０  加熱室
１１  開閉部
１２、１２ａ、１２ｂ  給電部
１３  誘電体容器
１３ａ  誘電体容器の中空筒体
１３ｂ  誘電体容器の支持部
１４  蒸気発生部
１４ａ  蒸気供給口
２０  制御部
２１ａ〜２１ｄ  ＴＥ２１２モードの高周波磁界
２２ａ〜２２ｄ  ＴＥ２１２モードの高周波電界
２３ａ〜２３ｄ  ＴＥ０１２モードの高周波磁界
２４ａ〜２４ｄ  ＴＥ０１２モードの高周波電界
２５  第二の誘電体容器
２６  ペットボトル（被加熱物）
１００  マイクロ波発生部
１０１  マイクロ波発振部
１０２、１０３  マイクロ波増幅部
１１９ａ、１１９ｂ  電力検知部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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