(57)【要約】【課題】マイクロ波分布自体を変化させ、局所加熱を抑制して加熱の均一化をはかり、特に解凍時の出来栄えの良い高周波加熱装置を提供する。【解決手段】誘電率変更手段１４、１６、２６により、マイクロ波空間３内のスチームによる誘電率分布を変化させ、誘電率を大きくして広く見せたり、誘電率を小さくして狭く見せたりした結果、マイクロ波分布を変化させて被加熱物の加熱分布を均一化する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロ波放射手段と、前記マイクロ波放射手段から放射されたマイクロ波が伝播可能なマイクロ波空間と、前記マイクロ波空間の少なくとも一部に設けられて被加熱物を収納できる加熱室と、前記マイクロ波空間の少なくとも一部の誘電率を変更できる誘電率変更手段と、前記誘電率変更手段を制御することで前記マイクロ波空間の誘電率分布を制御する制御手段とを有し、前記マイクロ波空間の誘電率分布変化にともなうマイクロ波分布の変化により前記被加熱物の加熱分布を均一化する高周波加熱装置。
【請求項２】
誘電率変更手段は、マイクロ波空間外部から内部へ誘電体を投入する誘電体投入手段を有する構成とした請求項１記載の高周波加熱装置。
【請求項３】
誘電率変更手段は、マイクロ波空間内部から外部へ誘電体を排出する誘電体排出手段を有する構成とした請求項１または２記載の高周波加熱装置。
【請求項４】
誘電率変更手段は、マイクロ波空間内部の誘電体を加熱する誘電体加熱手段を有する構成とした請求項１ないし３のいずれか１項に記載の高周波加熱装置。
【請求項５】
誘電率変更手段は、マイクロ波空間内部の誘電体を攪拌する誘電体攪拌手段を有する構成とした請求項１ないし４のいずれか１項に記載の高周波加熱装置。
【請求項６】
被加熱物を冷凍食品とし、誘電体を水で構成した請求項２ないし５のいずれか１項に記載の高周波加熱装置。
【請求項７】
マイクロ波を攪拌するマイクロ波攪拌手段を有する構成とした請求項１ないし６のいずれか１項に記載の高周波加熱装置。
【請求項８】
被加熱物を回転させる被加熱物回転手段を有する構成とした請求項１ないし７のいずれか１項に記載の高周波加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被加熱物を誘電加熱する高周波加熱装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
代表的な高周波加熱装置の電子レンジは、代表的な被加熱物である食品の主成分の水分子を直接加熱することができる。水分子はわずかに極性を持つので、電子レンジのマイクロ波が周波数２４５０ＭＨｚで電界の向きを変えるのに合わせて、水分子の向きも変えられる。このときの水分子同士の摩擦により発熱するものと考えられている。また水分子の発熱のしやすさは、液体の時に最も効率的に発熱するが、この原因は水分子の運動の自由度と分子間の距離によるところが大である。固体（氷）の場合は、分子間の結合が強く運動の自由度が少ないため、マイクロ波にさらされても向きを変えにくいので摩擦熱が発生しにくい。気体（水蒸気）の場合は、隣接する分子間の距離が極めて遠く、運動の自由度は大きいが、摩擦自体が生じにくく発熱しにくい。よって運動の自由度がありかつ分子間の距離が近い、液体の場合に最も効率的に発熱することになる。もちろん固体と液体、液体と気体の境界では、もう少し複雑な中間領域があると思われる。このことは水だけに限らず、あらゆる誘電体がそれぞれ固有の特性を持つものであり、一般的に誘電率の虚数部分（誘電損失）として表されている。誘電損失が大きいと発熱しやすく、誘電損失が小さいと発熱しにくいということになる。
【０００３】
以上、電子レンジでは、食品の細胞に含まれる水を直接加熱するので加熱効率がよく、鍋釜を準備する必要がない簡便さでもって生活上の不可欠な機器になっている。また、この電子レンジのマイクロ波加熱の特徴は、輻射や伝導によって加熱するヒータと比べて、加熱エネルギーを食品内部にまで供給できることであり、この特徴を冷凍食品の解凍に利用するということで冷凍食品が大量に流通してきた。
【０００４】
電子レンジは、被加熱物を収納する加熱室の大きさが大概、幅寸法および奥行き寸法がそれぞれ３０〜４０ｃｍ、高さ寸法が２０ｃｍ前後である。一方使用しているマイクロ波の波長は約１２ｃｍであり、加熱室内で共振して定在波となるので強弱の電界分布が必ず生じ、さらには被加熱物の形状やその物理特性の影響が相乗されて局所加熱が発生することがある。特に、冷凍食品の解凍においては、氷が溶けて水になった領域は誘電損失が急激に大きくなり、加熱エネルギーが集中するのでより一層温度が上がっていく。つまり氷の部分の加熱が遅く、溶けた部分の加熱が早いという状態で、ますます温度差が拡大する傾向がある。よって局所加熱現象が顕著に現れ、部分煮えと未解凍とが共存してしまう問題を有している。
【０００５】
この局所加熱を抑制する方法としては、被加熱物を回転させることにより電界分布に対する相対位置を変化させるいわゆるターンテーブルや、マイクロ波を攪拌することにより電界分布を変化させるいわゆるスターラー方式、回転アンテナ方式などが考案され実用されている。しかし、被加熱物が多岐に亘る高周波加熱装置においては局所加熱の抑制に対してのさらなる要望がある。その中でも特に解凍の出来栄え向上が望まれている。現在の電子レンジの解凍の場合は、ターンテーブルやスターラーや回転アンテナを用いている場合であっても、あえてマイクロ波の出力を下げたり、マイクロ波を出さない時間を途中に設けるなどにより、食品内部の熱伝導による温度の平均化を待つことによって出来栄えを向上させている。このため、たとえば３００ｇの肉の解凍に１０分前後かかることがある。これは、ごはん二杯で約３００ｇのあたために１分かかるのと比べると１０倍もの時間を費やすものである。
【０００６】
一方、高周波加熱装置に水粒子を取り入れたものがある。従来のこの種の高周波加熱装置は、水を霧状にして噴霧する手段を備え、霧状の水自体が被加熱物の表面に達する間にマイクロ波によって加熱されるような構成としている（例えば、特許文献１参照）。
【０００７】
また、加熱室に収納できる調理物収納容器に貯水部を有し、この貯水部の水をマイクロ波によって加熱沸騰させて生じる蒸気を利用して加熱調理するものもある（例えば、特許文献２参照）。
【０００８】
これら過去の文献によると、電子レンジにおける水、とりわけ霧状の水（ミスト）、蒸気（スチーム）の効果としては、大きくは三つあると考えられる。
【０００９】
一つは加湿である。マイクロ波によって加熱される食品は、内部の水分が表面から湯気となって出て行くので、表面が乾燥しやすい。これはたとえば肉まんなどの食品のあたため時によく見られる傾向であり、水分の抜けた表面は固くなることがある。このとき、ミストやスチームを用いると食品表面の水分を補う効果がある。
【００１０】
二つ目は表面からの加熱である。マイクロ波によって加熱される食品は、食品の内部を加熱することができるが、食品が小さくなってくると食品のあらゆる方向から内部を加熱するために表面よりも内部のほうが温度が高くなるものがある。たとえばしゅうまいなどの食品のあたため時によく見られる傾向である。このときスチームを用いると食品表面を加熱することができるので、マイクロ波との組み合わせで食品内部と食品表面の温度を近づける効果がある。
【００１１】
三つ目はマイクロ波エネルギーの低減である。マイクロ波を水、ミスト、スチームなどの加熱に使ってしまうことによって、食品に入るマイクロ波の割合を減らすものである。これは解凍に関するところで述べた、あえてマイクロ波の出力を下げたり、マイクロ波を出さない時間を途中に設けるのと同様の効果がある。マイクロ波エネルギーを低減することにより、食品内部の熱伝導による温度の平均化を待って出来栄えを向上させるということである。この三つ目は、マイクロ波のメリットともいえるスピードを犠牲にすることと引き換えに、できばえを向上させるものなので、厳密には効果とは言えないかもしれない。
【特許文献１】特開平６−２７２８６６号公報
【特許文献２】特開平８−２９６８５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、前記従来の構成では、被加熱物にミストやスチームを当てることで被加熱物を加湿したり、加熱したりするものであり、肉まんやしゅうまいなどの蒸し物やあたため用途で出来栄えを良くすることができるが、解凍ではメリットが少ないものであった。たとえば冷凍ケーキや肉類などの解凍の場合、氷が水になるだけでは水分が失われることは無いから、表面から水分を与えて表面を濡らすことは本来したくない余計なことであり、利用しにくいものと考えられた。
【００１３】
また水、ミスト、スチームなどにマイクロ波エネルギーを吸収させて、食品に入るマイクロ波の割合を下げることに関しても、もともと解凍時にはマイクロ波出力を下げたりマイクロ波を出さない制御を実施しており、わざわざ水、ミスト、スチームなどを持ち込んでも効果は少ないと考えられた。
【００１４】
よって、電子レンジに代表される高周波加熱装置においては、特有の局所加熱を抑制して加熱の均一化をはかり、できばえを向上することが課題であり、その中でも特に冷凍品の解凍の出来栄え向上が課題であった。
【００１５】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、マイクロ波分布自体を変化させ、局所加熱を抑制して加熱の均一化をはかり、特に解凍時の出来栄えの良い高周波加熱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】
【００１６】
前記従来の課題を解決するために、本発明の高周波加熱装置は、マイクロ波放射手段と、前記マイクロ波放射手段から放射されたマイクロ波が伝播可能なマイクロ波空間と、前記マイクロ波空間の少なくとも一部に設けられて被加熱物を収納できる加熱室と、前記マイクロ波空間の少なくとも一部の誘電率を変更できる誘電率変更手段と、前記誘電率変更手段を制御することで前記マイクロ波空間の誘電率分布を制御する制御手段とを有し、前記マイクロ波空間の誘電率分布変化にともなうマイクロ波分布の変化により前記被加熱物の加熱分布を均一化するものである。
【００１７】
これによって、制御手段が誘電率変更手段を制御して、マイクロ波空間の誘電率を変更すると、マイクロ波は誘電率が高いところほど波長が短くなるので、あたかもマイクロ波空間の形状が変化したように作用する。ごく簡単に言えば、マイクロ波空間の誘電率を大きくして広く見せたり、誘電率を小さくして狭く見せたりすることができる。一方マイクロ波の電界分布はマイクロ波空間の形状によって変化する。このことから、誘電率を変更することによってマイクロ波空間の形状が変化したかのように作用させ、その結果電界分布を変更することができ、さらにその結果被加熱物の加熱分布を変更することができる。従来のように加熱分布が一定の場合には局所加熱が生じるが、加熱分布を変更すれば局所加熱が抑制されて均一化が促進でき、できばえを向上させることができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明の高周波加熱装置は、制御手段が誘電率変更手段を制御して、マイクロ波空間の誘電率を変更すると、マイクロ波は誘電率が高いところほど波長が短くなるので、あたかもマイクロ波空間の形状が変化したように作用する。ごく簡単に言えば、マイクロ波空間の誘電率を大きくして広く見せたり、誘電率を小さくして狭く見せたりすることができる。一方マイクロ波の電界分布はマイクロ波空間の形状によって変化する。このことから、誘電率を変更することによってマイクロ波空間の形状が変化したかのように作用させ、その結果電界分布を変更することができ、さらにその結果被加熱物の加熱分布を変更することができる。従来のように加熱分布が一定の場合には局所加熱が生じるが、加熱分布を変更すれば局所加熱が抑制されて均一化が促進でき、できばえを向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
第１の発明の高周波加熱装置は、マイクロ波放射手段と、前記マイクロ波放射手段から放射されたマイクロ波が伝播可能なマイクロ波空間と、前記マイクロ波空間の少なくとも一部に設けられて被加熱物を収納できる加熱室と、前記マイクロ波空間の少なくとも一部の誘電率を変更できる誘電率変更手段と、前記誘電率変更手段を制御することで前記マイクロ波空間の誘電率分布を制御する制御手段とを有し、前記マイクロ波空間の誘電率分布変化にともなうマイクロ波分布の変化により前記被加熱物の加熱分布を均一化するものである。
【００２０】
これによって、制御手段が誘電率変更手段を制御して、マイクロ波空間の誘電率を変更すると、マイクロ波は誘電率が高いところほど波長が短くなるので、あたかもマイクロ波空間の形状が変化したように作用する。ごく簡単に言えば、マイクロ波空間の誘電率を大きくして広く見せたり、誘電率を小さくして狭く見せたりすることができる。一方マイクロ波の電界分布はマイクロ波空間の形状によって変化する。このことから、誘電率を変更することによってマイクロ波空間の形状が変化したかのように作用させ、その結果電界分布を変更することができ、さらにその結果被加熱物の加熱分布を変更することができる。従来のように加熱分布が一定の場合には局所加熱が生じるが、加熱分布を変更すれば局所加熱が抑制されて均一化が促進でき、できばえを向上させることができる。
【００２１】
第２の発明の高周波加熱装置は、特に、第１の発明の高周波加熱装置において、誘電率変更手段は、マイクロ波空間外部から内部へ誘電体を投入する誘電体投入手段を有する構成としている。
【００２２】
これによって、マイクロ波空間内部のうち誘電体が投入された部位の誘電率は誘電体の誘電率となるので、投入する誘電体の種類や量によって容易にマイクロ波空間の誘電率を変更することができる。
【００２３】
第３の発明の高周波加熱装置は、特に、第１または第２の発明の高周波加熱装置において、誘電率変更手段は、マイクロ波空間内部から外部へ誘電体を排出する誘電体排出手段を有する構成としている。
【００２４】
これによって、マイクロ波空間内部のうち誘電体がなくなった部位の誘電率は空気の誘電率になるので、排出する誘電体の種類や量によって容易にマイクロ波空間の誘電率を変更することができる。
【００２５】
第４の発明の高周波加熱装置は、特に、第１ないし第３の発明の高周波加熱装置において、誘電率変更手段は、マイクロ波空間内部の誘電体を加熱する誘電体加熱手段を有する構成としている。
【００２６】
これによって、誘電体の温度特性により誘電率を変更することができる。特に、固体の誘電体を加熱して液体に変えるとか、液体の誘電体を加熱して気体に変えるなどによっては、誘電率の変化を大きくすることができる。
【００２７】
第５の発明の高周波加熱装置は、特に、第１ないし第４の発明の高周波加熱装置において、誘電率変更手段は、マイクロ波空間内部の誘電体を攪拌する誘電体攪拌手段を有する構成としている。
【００２８】
これによって、マイクロ波空間内部の誘電体の位置を変えることができるので、マイクロ波空間の誘電率分布を変更することができる。
【００２９】
第６の発明の高周波加熱装置は、特に、第２ないし第５の発明の高周波加熱装置において、被加熱物を冷凍食品とし、誘電体を水で構成している。
【００３０】
これによって、冷凍食品は冷凍なので誘電損失が小さく、マイクロ波が入りにくい（マイクロ波にとって小さい負荷と考えられる）ので、相対的に誘電体の影響を大きくすることができる。つまり誘電体を用いて誘電率を変更したときの加熱分布の変化を大きくすることができる。また誘電体を水で構成すれば、その誘電率が、固体や気体で小さく、液体で大きいという特性を持ち、ダイナミックに変化させることが可能である。よってマイクロ波空間の誘電率分布を変更させることが容易であり、加熱分布の変化を大きくすることができる。
【００３１】
第７の発明の高周波加熱装置は、特に、第１ないし第６の発明の高周波加熱装置において、マイクロ波を攪拌するマイクロ波攪拌手段を有する構成としている。
【００３２】
これによって、マイクロ波空間の誘電率分布変化に加えて、マイクロ波自体を攪拌して局所加熱を抑制するので、より均一化が促進でき、できばえを向上させることができる。
【００３３】
第８の発明の高周波加熱装置は、特に、第１ないし第７の発明の高周波加熱装置において、被加熱物を回転させる被加熱物回転手段を有する構成としている。
【００３４】
これによって、マイクロ波空間の誘電率分布変化に加えて、マイクロ波の分布に対する被加熱物の相対位置を変えることができるので、回転の方向に関して同心円状に加熱分布を平均化することができ、より均一化が促進でき、できばえを向上させることができる。
【００３５】
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。
【００３６】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における高周波加熱装置の正面断面図、図２は図１の右側より見た断面構成図である。
【００３７】
図１〜図２において、図示しないマイクロ波放射手段から放射されたマイクロ波は、導波管１に導かれ、導波管１と結合した代表的なマイクロ波攪拌手段の回転アンテナ２からマイクロ波空間３に放射される。回転アンテナ２は、モータ４の出力軸に嵌合組立しており、モータ４を動作させることで回転アンテナ２を回転駆動する。
【００３８】
マイクロ波空間３は、マイクロ波を閉じ込めることができる金属材料の境界面である左壁面５、右壁面６、底壁面７、上壁面８、奥壁面９および加熱室内を透視できるパンチング板を有する開閉扉１０とで構成し、マイクロ波空間３の下側に図示しない被加熱物を載置する誘電材料からなる載置板１１を配置し、結果として載置板１１の上側に被加熱物を収納できる加熱室１２を形成している。
【００３９】
また本装置は蒸し調理などに用いることが可能なスチーム発生手段を設けており、その構成は以下の通りである。マイクロ波空間３の左側外部に図示しない貯水部、貯水部の水を送水する図示しない送水手段および図示しない送水管を収納しており、送水手段を動作することで注水口１３から蒸発部１５に水を注水する。ここで、貯水部、送水手段、送水管、注水口１３は、マイクロ波空間３の外部から内部へ誘電体である水を投入する誘電体投入手段１４を形成している。誘電体投入手段１４は、外部から水を投入することでマイクロ波空間３内部の誘電率を変更することができるので、一種の誘電率変更手段と考えられる。また金属板を凹状に絞り加工して形成した蒸発部１５の下方には、蒸発部１５に注水された水を加熱するヒータ（誘電体加熱手段）１６を配している。ヒータ１６により蒸発部１５内の水を蒸発させてスチームを発生させるものである。ヒータ１６は、マイクロ波空間内部の誘電体である水を加熱して蒸発させることによって、誘電率分布を変更することができるので、一種の誘電率変更手段と考えられる。
【００４０】
また本装置は加熱室１２内で熱風を循環させる手段を設けている。この手段は、加熱室１２の奥壁面９に設けた吹出穴１７および吸込穴１８、奥壁面９の裏側に配した回転翼１９、回転翼１９の周囲に配した熱放射手段２０および回転翼１９を回転駆動するモータ２１などから構成している。
【００４１】
さらに本装置は、被加熱物の表面温度を開孔２２を介して検知する赤外線温度検知手段２３を配する。また開孔２２の孔を開閉するシャッター２４を配する。シャッター２４はモータ２５によりスライド動作して開孔２２を開閉するものである。また開孔２２は、加熱室１２内のスチームを外部に排出する排気部を兼ねている。スチームを排出する場合は、モータ２５によってシャッター２４を開くとともに、モータ２１によって回転翼１９を回転させるものである。よってモータ２５、シャッター２４、開孔２２、モータ２１、回転翼１９により、加熱室１２内部からマイクロ波空間３の外部へスチームを排出する誘電体排出手段２６を構成している。誘電体排出手段２６は、内部のスチームを外部へ排出することで、マイクロ波空間３内部の誘電率を変更することができるので、一種の誘電率変更手段と考えられる。
【００４２】
さらに、以上の各構成要素のうち、水の投入のために誘電体投入手段１４の送水手段を制御するとか、水をスチームに変えるためにヒータ（誘電体加熱手段）１６を制御するとか、スチームの排出のために誘電体排出手段２６のモータ２１とモータ２５を制御するとか、このような制御については図示しない制御手段により所望の誘電率分布が得られるように制御させている。
【００４３】
以上のような構成において、加熱室１２内にスチームを供給した時の加熱室内の空間の特性を図３に示す。図３は、庫内容積３０リットルの加熱室１２において蒸発量を毎分２０ｃｃとした時の加熱室１２の上部および底部の空間の比誘電率（誘電率の実数部）特性をそれぞれ特性２７および特性２８で示す。この特性から以下のことが認められる。（１）毎分２０ｃｃの蒸気を供給した場合、加熱室１０の底部に蒸気が拡散し始めるのは２分３０秒以降である。（２）加熱室内の蒸気密度の傾斜は非常に大きい（上部と底部の差が大）。
【００４４】
また、加熱室１２内のスチーム拡散状態を図示すると図４のようになる。すなわち、蒸発部１５で蒸発したスチームの大部分は奥壁面９に沿って上昇し、加熱室上壁面８に沿って開閉扉１０側に拡散する（図中でスチーム滞留領域２９で示す）。ちなみに加熱室上壁面８は、このスチームにより加熱されるので上壁面での結露は生じない。また加熱室１２の上部に拡散滞留しているスチームは、上壁面８からの輻射熱、連続供給されるスチームの熱により、９０℃以上を維持する。一方加熱室の左右側壁面５、６はスチーム温度に対して壁面温度が低いのでこれら側壁面では、若干の結露が生じることになる。
【００４５】
このような加熱室内のスチーム拡散滞留状態に対して、被加熱物は加熱室底面に載置するので、加熱室内に供給する蒸気の量を制御することで被加熱物への蒸気の付着を回避させることができる。
【００４６】
次にこのようなスチーム拡散の装置を用いて、加熱室１２内のマイクロ波の挙動を調べた結果を図５に示す。図５は、被加熱物として冷凍牛スライス肉３００ｇを用い、マイクロ波出力３００Ｗの下で、（ａ）は被加熱物中央表面の電界強度をスチーム有り無しをパラメータとした特性３０、３１であり、（ｂ）はスチーム有りの下で被加熱物中央表面の電界強度と中央部近傍２箇所の被加熱物内部温度３２、３３の特性を示している。
【００４７】
図５（ａ）において、スチーム有りは特性３０で示し、スチーム無しを特性３１で示す。なおスチームは、マイクロ波加熱開始後６０秒時点から供給した。スチームが存在する場合、特性３０から明らかなように約１４０秒後に電界強度の極小値が存在していることが認められる。
【００４８】
また、図５（ｂ）において、被加熱物の温度変化の特性３２、３３に着目すると、電界強度の特性３０が極小値を採る約１４０秒前後に温度変化の傾向が大きく変わっていることが認められる。この現象について以下に詳細に説明する。
【００４９】
まず加熱開始直後からスチーム供給までの時間（０〜６０秒）は、特性３２は特性３３よりも傾きが急なので、より強い電界にさらされていると考えられる。またいずれの特性も０℃近傍で傾きが寝ているが、これはマイクロ波のエネルギーが同じでも、氷が溶けて水に変わるときの融解熱として消費されるために温度上昇しにくくなるためと考えられる。
【００５０】
そしてスチームを投入して以降もしばらくのあいだ（６０〜約１２０秒）は電界分布の変化は認められず、特性３２の方が温度上昇が早い傾向を維持している。約８０秒後に特性３２が急激に温度上昇するのは、これは氷が完全に溶けて水になり、誘電損失が劇的に大きくなったためマイクロ波が入りやすくなったものと考えられる。そしてもし、以降もこのままの電界分布であれば、特性３２はどんどん温度上昇し、特性３３は凍ったままというのが経験上容易に想像できる結果である。
【００５１】
しかし１２０秒後以降、傾向が変わり始める。それまで温度上昇を続けていた特性３２が寝始めるのである。この温度帯で水の誘電損失が急激に下がることは無いので、明らかに電界自体が弱くなっていると考えられる。そして１４０秒以降は完全に横ばいとなり、ほとんど電界にさらされなくなったと考えられる。逆に特性３３を見ると１４０秒以降に急激に温度上昇を開始し、２４０秒時点では特性３２との差が縮まっていくようである。つまり特性３３の方が強い電界にさらされるようになったと考えられる。
【００５２】
以上により、スチーム発生前とスチーム発生後では、電界分布が逆転していることがわかった。これはスチームの有無によってマイクロ波の電界分布が変更できることを意味している。さてここで、スチーム投入から電界分布が変化するのに要した時間は、正確にはわからないが、６０秒後から多く見積もって１８０秒後までとすると、トータルで２分程度である。一方、図３を振り返ると、２分程度では、被加熱物がさらされる環境（加熱室底部）では誘電率の変化は少なく、被加熱物の無い上部の誘電率変化が大きいことがわかっている。即ち、被加熱物近傍の誘電率が変わらなくても、マイクロ波空間のどこかで誘電率が変われば、被加熱物にかかる電界分布が変化して加熱分布を変更できると考えられる。
【００５３】
また、これらの現象を裏付けるために、マイクロ波空間内の電界強度分布をＣＡＥ解析したところ、図６に示すような等電界強度線図が得られた。図６（ａ）はスチーム無しの場合、図６（ｂ）は上部のみスチーム有りの場合、図６（ｃ）は全体にスチーム有りの場合を示している。すべて分布が異なっているということに加えて、図６（ｂ）の底部にはスチームが無いにも関わらず図６（ａ）の底部とは明らかに異なっていることがわかる。これは図３について述べたのと同様、被加熱物近傍の誘電率が変わらなくても、マイクロ波空間のどこかで誘電率が変われば、被加熱物にかかる電界分布が変化して加熱分布を変更できると考えられる。
【００５４】
また本実施例においては、誘電体投入手段１４によって任意に誘電体の水を投入でき、ヒータ（誘電体加熱手段）１６によって任意に水をスチームに変えることができ、誘電体排出手段２６によって任意にスチームを排出することができるので、マイクロ波空間内の誘電率分布を自在にコントロールすることができる。
【００５５】
また、スチームを加熱室１２の上部に滞留させることで被加熱物への結露を防ぐことも可能となった。よって結露することが好ましくない被加熱物（解凍）に関しても、スチームの供給を制御することで、マイクロ波分布を変化させて加熱の均一化を促進させることができた。
【００５６】
これはつまり、マイクロ波空間３内へのスチームの供給により、スチームが存在する空間の比誘電率を大きくし、見掛け上マイクロ波空間３全体の形状を大きくしたように作用するので、マイクロ波の定在波分布を変化させることが可能となったものである。その結果、スチームの有無に応じて加熱室内の定在波分布を変えることで、被加熱物の加熱の均一化を促進させることができる。
【００５７】
また、被加熱物の表面温度を検知する赤外線温度検知手段２３用の開孔２２を吸排気部としたことにより、加熱室１２上部から蒸気を追い出したかどうかを赤外線温度検知手段２３の検知信号に基づいて判定（たとえば全体が高温であればスチーム温度を検知しているので、まだスチームがあると判定するとか）できるので、誘電率変更を精度良く制御することができる。
【００５８】
なお、上記に示した蒸発量が毎分２０ｃｃのスチーム発生手段を使用する場合、スチーム発生の動作時間はせいぜい２分程度で充分と考えられる。
【００５９】
以上により、本実施例の高周波加熱装置は、マイクロ波放射手段と、マイクロ波放射手段から放射されたマイクロ波が伝播可能なマイクロ波空間３と、マイクロ波空間３の一部に設けられて被加熱物を収納できる加熱室１２と、マイクロ波空間３の少なくとも一部の誘電率を変更できる誘電率変更手段１４、１６、２６と、誘電率変更手段１４、１６、２６を制御することでマイクロ波空間３の誘電率分布を制御する制御手段とを有し、マイクロ波空間３の誘電率分布変化にともなうマイクロ波分布の変化により被加熱物の加熱分布を均一化するものである。
【００６０】
これによって、制御手段が誘電率変更手段１４、１６、２６を制御して、マイクロ波空間３の誘電率を変更すると、マイクロ波は誘電率が高いところほど波長が短くなるので、あたかもマイクロ波空間の形状が変化したように作用する。ごく簡単に言えば、マイクロ波空間３の誘電率を大きくして広く見せたり、誘電率を小さくして狭く見せたりすることができる。一方マイクロ波の電界分布はマイクロ波空間３の形状によって変化する。このことから、誘電率を変更することによってマイクロ波空間３の形状が変化したかのように作用させ、その結果電界分布を変更することができ、さらにその結果被加熱物の加熱分布を変更することができる。従来のように加熱分布が一定の場合には局所加熱が生じるが、加熱分布を変更すれば局所加熱が抑制されて均一化が促進でき、できばえを向上させることができる。
【００６１】
また、誘電率変更手段として、マイクロ波空間３の外部から内部へ誘電体である水を投入する誘電体投入手段１４を有する構成としている。
【００６２】
これによって、マイクロ波空間３内部のうち水が投入された部位の誘電率は水の誘電率となるので、投入する水の量によって容易にマイクロ波空間３の誘電率を変更することができる。
【００６３】
また、誘電率変更手段として、マイクロ波空間３内部から外部へ誘電体であるスチームを排出する誘電体排出手段２６を有する構成としている。
【００６４】
これによって、マイクロ波空間３内部のうちスチームがなくなった部位の誘電率は空気の誘電率になるので、排出するスチームの量によって容易にマイクロ波空間３の誘電率を変更することができる。
【００６５】
また、誘電率変更手段として、マイクロ波空間３内部の誘電体である水を加熱してスチームにする誘電体加熱手段１６を有する構成としている。
【００６６】
これによって、液体の水と気体のスチームの誘電率の違いによってマイクロ波空間３内部の誘電率分布を変更することができる。特に、水をスチームに変えることによってスチームが上部に拡散して滞留するので、誘電率分布を大きく変化させることができる。
【００６７】
また、被加熱物を冷凍食品とし、誘電体を水（液体の水と気体のスチーム）で構成している。
【００６８】
これによって、冷凍食品は冷凍なので誘電損失が小さく、マイクロ波が入りにくい（マイクロ波にとって小さい負荷と考えられる）ので、相対的に水の影響を大きくすることができる。つまり水からスチームへの変化のような誘電率や誘電率分布を変更したときの加熱分布の変化を大きくすることができる。また誘電体を水で構成すれば、その誘電率が、固体や気体で小さく、液体で大きいという特性を持ち、ダイナミックに変化させることが可能である。よってマイクロ波空間３の誘電率分布を変更させることが容易であり、加熱分布の変化を大きくすることができる。
【００６９】
また、マイクロ波を攪拌するマイクロ波攪拌手段として回転アンテナ２を有する構成としている。
【００７０】
これによって、マイクロ波空間３の誘電率分布変化に加えて、マイクロ波空間に放射されるマイクロ波自体を攪拌して局所加熱を抑制するので、より均一化が促進でき、できばえを向上させることができる。
【００７１】
（実施の形態２）
図７は、本発明の第２の実施の形態における高周波加熱装置の正面断面図である。実施の形態２では、誘電体として水粒子の霧状のミストを用いている。
【００７２】
図７において、代表的なマイクロ波放射手段であるマグネトロン３４から放射されたマイクロ波は導波管３５を介してマイクロ波空間３６内に導かれる。マイクロ波空間３６の上部を低誘電損失材料からなる仕切板３７で仕切り、上部空間３８にミストを供給する構成としている。そして仕切板３７の下部は、被加熱物を出し入れ可能な加熱室３９となる。そして、超音波振動子４０、貯水タンク４１、噴射口４２および水受けタンク４３などにより、ミスト発生手段４４を構成している。超音波振動子４０は、ミストの大きさを数１０ミクロン以上とし、２０ｋＨｚから１００ｋＨｚの範囲の振動子を利用している。また、上部空間３８内に噴霧したミストは結露するので、仕切板３７をミスト発生手段側に傾斜させ、結露水が仕切板３７の上を伝って上部空間３８の壁面に設けた孔４５を経て水受けタンク４３に流れ落ちるようにしている。
【００７３】
ここでミスト発生手段４４は、マイクロ波空間３６の外部から内部へミストを投入する誘電体投入手段であり、マイクロ波空間３６のうちの上部空間３８の誘電率をミストの量によって変更できる誘電率変更手段となる。
【００７４】
また仕切板３７と孔４５は、マイクロ波空間３６の内部から外部へ結露水を排出する誘電体排出手段４６であり、上部空間３８の誘電率を空気だけの誘電率（＝１）にまで低減させる誘電率変更手段とも言える。
【００７５】
またターンテーブル４７は、被加熱物を載せて回転させる被加熱物回転手段であり、モータ４８により回転駆動されるものである。
【００７６】
ここで、超音波振動子の最大の利点は、水を加熱する時間が必要なく水粒子を発生させることができる点であり、欠点は、水に含まれるさまざまな成分も同時に水粒子に含まることである。
【００７７】
本第２の実施例の高周波加熱装置は、上記欠点を解消するために仕切板３７で閉じた空間にミストを拡散させる構成とし、その利点を最大限に活用して、加熱の所定タイミング時に直ちにミストを噴霧してマイクロ波空間内のマイクロ波の電界分布を変化させるものである。
【００７８】
すなわち、水粒子は、霧状のミストとしたことにより、水を加熱することなく必要なタイミングでミストを発生させることで、マイクロ波分布の制御性を高めることができる。
【００７９】
また、被加熱物を収納する加熱室３９と上部空間３８を空間的に仕切る仕切板３７と、上部空間３８に供給するミストを発生するミスト発生手段４４とを備えたことにより、噴霧したミストが被加熱物（たとえば濡らしたくない冷凍ケーキ）に落下することは無く、また霧化手段によりミストの発生は瞬時に行うことができるので、マイクロ波分布の可変制御を容易にかつ利便性高くできる。
【００８０】
また、仕切板３７は、使用するマイクロ波に対して低誘電損失の材料としたことにより、仕切板３７で区切られた上部空間３８内に存在するミストの密度に応じた空間の誘電率の変化をマイクロ波空間３６全体の作用空間に確実に作用させることができる。
【００８１】
さらにまた、ミスト発生手段４４は、２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚで振動する超音波振動子４０を備えたことにより、発生させる霧の大きさが約２５μｍ〜１００μｍの霧を供給することでマイクロ波への作用を充分確保し、分布の可変を確実に行うことができる。
【００８２】
以上により、本実施の形態の高周波加熱装置は、マイクロ波放射手段３４と、マイクロ波放射手段３４から放射されたマイクロ波が伝播可能なマイクロ波空間３６と、マイクロ波空間３６の一部に設けられて被加熱物を収納できる加熱室３９と、マイクロ波空間３６の上部空間３８の誘電率を変更できる誘電率変更手段４４、４６と、誘電率変更手段４４、４６を制御することでマイクロ波空間３６の誘電率分布を制御する図示しない制御手段とを有し、マイクロ波空間３６の誘電率分布変化にともなうマイクロ波分布の変化により被加熱物の加熱分布を均一化するものである。
【００８３】
これによって、制御手段が誘電率変更手段４４、４６を制御して、マイクロ波空間３６の誘電率を変更すると、マイクロ波は誘電率が高いところほど波長が短くなるので、あたかもマイクロ波空間３６の形状が変化したように作用する。ごく簡単に言えば、ミストの投入によってマイクロ波空間３６の誘電率を大きくして広く見せたり、結露水の排出によって誘電率を小さくして狭く見せたりすることができる。一方マイクロ波の電界分布はマイクロ波空間３６の形状によって変化する。このことから、誘電率を変更することによってマイクロ波空間３６の形状が変化したかのように作用させ、その結果電界分布を変更することができ、さらにその結果被加熱物の加熱分布を変更することができる。従来のように加熱分布が一定の場合には局所加熱が生じるが、加熱分布を変更すれば局所加熱が抑制されて均一化が促進でき、できばえを向上させることができる。
【００８４】
また、誘電率変更手段として、マイクロ波空間３６外部から内部へ誘電体のミストを投入するミスト発生手段（誘電体投入手段）４４を有する構成としている。
【００８５】
これによって、マイクロ波空間３６内部のうち誘電体が投入された部位の誘電率はミストの誘電率となるので、投入するミストの量によって容易にマイクロ波空間３６の誘電率を変更することができる。
【００８６】
また、誘電率変更手段として、マイクロ波空間３６内部から外部へ結露水を排出する誘電体排出手段４６を有する構成としている。
【００８７】
これによって、マイクロ波空間３６内部のうち結露水がなくなった部位の誘電率は空気の誘電率になるので、任意に制御はできないものの容易にマイクロ波空間３６の誘電率を変更することができる。
【００８８】
被加熱物を冷凍ケーキとし、誘電体をミストで構成している。
【００８９】
これによって、冷凍ケーキは冷凍なので誘電損失が小さく、マイクロ波が入りにくい（マイクロ波にとって小さい負荷と考えられる）ので、相対的に誘電体の影響を大きくすることができる。つまり誘電体を用いて誘電率を変更したときの加熱分布の変化を大きくすることができる。また誘電体をミストで構成すれば、誘電率は基本的に液体の水と同じなので誘電率が大きい（≒８０）という特性を持ち、ミストのある無しでダイナミックに変化させることが可能である。よってマイクロ波空間３６の誘電率分布を変更させることが容易であり、加熱分布の変化を大きくすることができる。
【００９０】
また、被加熱物を回転させるターンテーブル（被加熱物回転手段）４７を有する構成としている。
【００９１】
これによって、マイクロ波空間３６の誘電率分布変化に加えて、マイクロ波の分布に対する被加熱物の相対位置を変えることができるので、回転の方向に関して同心円状に加熱分布を平均化することができ、より均一化が促進でき、できばえを向上させることができる。
【００９２】
（実施の形態３）
図８は、本発明の第３の実施の形態における高周波加熱装置の正面断面図である。
【００９３】
図８において、代表的なマイクロ波放射手段であるマグネトロン４９から放射されたマイクロ波は導波管５０を介してマイクロ波空間５１内に導かれる。本実施例ではマイクロ波空間が加熱室と一致している。マイクロ波空間５１の天面中央には絶縁体の軸５２の周囲に金属製のスターラー（マイクロ波攪拌手段）５３が回転自在に装着されており、マグネトロン４９を冷却するためのファン５４からの風の一部を、孔５５を介して受けることによって回転させるものである。
【００９４】
また、天面左側には水タンク５６を配置し、バルブ５７の開閉によって水を滴下させる構成である。そして、底面には、ヒータ５８によって加熱されるベース５９があり、滴下した水滴が接触すると一気に蒸発させることが可能である。よってヒータ５８は水滴を加熱する誘電体加熱手段と考えられる。この時に発生するスチームは天面に上昇するが、スターラー（マイクロ波攪拌手段）５３を回転させることでスチームを攪拌することができる。よってスターラー５３は、マイクロ波攪拌手段であると同時に誘電体攪拌手段とも考えられる。
【００９５】
制御手段６０は、マグネトロン４９からのマイクロ波の放射と、ファン５４の回転（およびその結果としてのスターラー５３の回転）と、ヒータ５８の加熱と、バルブ５７の開閉とを制御するものである。
【００９６】
ここで、スターラー５３は誘電体攪拌手段であり、マイクロ波空間５１内の誘電率分布を変更できるので、誘電率変更手段と考えることもできる。またヒータ５８は誘電体加熱手段であり、水滴をスチームに変化させるので、やはり誘電率変更手段と考えることができる。さらに水タンク５６とバルブ５７は、マイクロ波空間５１外部から内部へ水を滴下させるので、誘電体投入手段６１を構成していると考えられ、これもやはりマイクロ波空間５１の誘電率を変更できる誘電率変更手段と考えることができる。
【００９７】
以上、本実施の形態の高周波加熱装置は、マイクロ波放射手段５４と、マイクロ波放射手段５４から放射されたマイクロ波が伝播可能なマイクロ波空間５１と、マイクロ波空間５１の少なくとも一部の誘電率を変更できる誘電率変更手段５３、５８、６１と、誘電率変更手段５３、５８、６１を制御することでマイクロ波空間５１の誘電率分布を制御する制御手段６０とを有し、マイクロ波空間５１の誘電率分布変化にともなうマイクロ波分布の変化により被加熱物の加熱分布を均一化するものである。
【００９８】
これによって、制御手段６０が誘電率変更手段５３、５８、６１を制御して、マイクロ波空間５１の誘電率を変更すると、マイクロ波は誘電率が高いところほど波長が短くなるので、あたかもマイクロ波空間の形状が変化したように作用する。ごく簡単に言えば、マイクロ波空間の誘電率を大きくして広く見せたり、誘電率を小さくして狭く見せたりすることができる。一方マイクロ波の電界分布はマイクロ波空間５１の形状によって変化する。このことから、誘電率を変更することによってマイクロ波空間５１の形状が変化したかのように作用させ、その結果電界分布を変更することができ、さらにその結果被加熱物の加熱分布を変更することができる。従来のように加熱分布が一定の場合には局所加熱が生じるが、加熱分布を変更すれば局所加熱が抑制されて均一化が促進でき、できばえを向上させることができる。
【００９９】
また、誘電率変更手段として、マイクロ波空間５１外部の水タンク５６から内部へ水滴を投入する誘電体投入手段６１を有する構成としている。
【０１００】
これによって、マイクロ波空間５１内部のうち水滴が投入された部位の誘電率は水滴の誘電率となるので、投入する水滴の量によって容易にマイクロ波空間５１の誘電率を変更することができる。
【０１０１】
また、誘電率変更手段として、マイクロ波空間５１内部の水滴を加熱するヒータ（誘電体加熱手段）５８を有する構成としている。
【０１０２】
これによって、水滴の温度特性により誘電率を変更することができる。特に、液体の水滴を加熱して気体のスチームに変えることによって、誘電率の変化を大きくすることができるとともに、底面位置の水滴を天面側のスチームとして移動させることもできる。
【０１０３】
また、誘電率変更手段として、マイクロ波空間５１内部のスチームを攪拌するスターラー（誘電体攪拌手段）を有する構成としている。
【０１０４】
これによって、マイクロ波空間５１内部のスチームの位置を変えることができるので、マイクロ波空間の誘電率分布を変更することができる。特に、スターラーを停止させるとスチームは天面に滞留させることができ、スターラーを回転させるとスチームを天面から底面まで均一に分布させることも可能である。
【０１０５】
また、マイクロ波を攪拌するマイクロ波攪拌手段としてスターラー５３を有する構成としている。
【０１０６】
これによって、マイクロ波空間５１の誘電率分布変化に加えて、マイクロ波自体を攪拌して局所加熱を抑制するので、より均一化が促進でき、できばえを向上させることができる。
【０１０７】
特に本実施の形態は、一つのスターラー５３が、マイクロ波攪拌手段と誘電体攪拌手段の二つの機能を兼ねさせることができる。
【０１０８】
（実施の形態４）
図９は、本発明の第４の実施の形態における高周波加熱装置の正面断面図である。本実施の形態では、誘電体としてセラミックを用いている。
【０１０９】
図９において、代表的なマイクロ波放射手段であるマグネトロン６２から放射されたマイクロ波は導波管６３を介してマイクロ波空間６４内に導かれる。マイクロ波空間６４の左上部に誘電率は高くて良いが誘電損失の少ないセラミック棒６５を回転あるいは停止させるなど位置制御する構成である。セラミック棒の位置によって誘電率分布が変化することになるので、誘電率変更手段と考えることができる。
【０１１０】
なお、セラミックに限定しなくても、たとえば樹脂でも良いし、ガラスでも良い。
【０１１１】
特に内部を空洞として水を入れる構成なども考えられる。この構成にすれば誘電率を高くすることが可能である。
【０１１２】
以上、本実施の形態の高周波加熱装置は、マイクロ波放射手段６２と、マイクロ波放射手段６２から放射されたマイクロ波が伝播可能なマイクロ波空間６４と、マイクロ波空間６４の少なくとも一部の誘電率を変更できる誘電率変更手段６５と、誘電率変更手段６５を制御することでマイクロ波空間６４の誘電率分布を制御する図示しない制御手段とを有し、マイクロ波空間６４の誘電率分布変化にともなうマイクロ波分布の変化により被加熱物の加熱分布を均一化するものである。
【０１１３】
これによって、制御手段がセラミック棒６５を制御して、マイクロ波空間６４の誘電率を変更すると、マイクロ波は誘電率が高いところほど波長が短くなるので、あたかもマイクロ波空間６４の形状が変化したように作用する。ごく簡単に言えば、マイクロ波空間の誘電率を大きくして広く見せたり、誘電率を小さくして狭く見せたりすることができる。より具体的には、セラミック棒がある位置のみ広く見えることになる。一方マイクロ波の電界分布はマイクロ波空間６４の形状によって変化する。このことから、誘電率を変更することによってマイクロ波空間６４の形状が変化したかのように作用させ、その結果電界分布を変更することができ、さらにその結果被加熱物の加熱分布を変更することができる。従来のように加熱分布が一定の場合には局所加熱が生じるが、加熱分布を変更すれば局所加熱が抑制されて均一化が促進でき、できばえを向上させることができる。
【０１１４】
なお、以上に示した実施の形態はさまざまに組み合わせて実施できるものである。
【産業上の利用可能性】
【０１１５】
以上のように、本発明にかかる高周波加熱装置は、誘電率分布の変更によりマイクロ波分布を変化させて被加熱物の加熱分布を均一化できるので、食品などの各種誘電体の加熱、解凍、陶芸加熱、乾燥、焼結あるいは生体化学反応等の用途に適用できる。
【図面の簡単な説明】
【０１１６】
【図１】本発明の実施の形態１の高周波加熱装置の正面断面図
【図２】同高周波加熱装置の右側から見た断面図
【図３】同高周波加熱装置のスチームを存在させた時の加熱室内の比誘電率の特性図
【図４】同高周波加熱装置のスチームの拡散状態を示す図
【図５】（ａ）同高周波加熱装置のスチーム有り無しにおける加熱室内の電界強度特性図（ｂ）同高周波加熱装置の電界強度および被加熱物内部温度の特性図
【図６】（ａ）同高周波加熱装置のスチーム無しの等電界強度線図（ｂ）同高周波加熱装置の上側にのみスチームがある場合の等電界強度線図（ｃ）同高周波加熱装置の全体にスチームがある場合の等電界強度線図
【図７】本発明の実施の形態２の高周波加熱装置の正面断面図
【図８】本発明の実施の形態３の高周波加熱装置の正面断面図
【図９】本発明の実施の形態４の高周波加熱装置の正面断面図
【符号の説明】
【０１１７】
３、３６、５１、６４  マイクロ波空間
２  回転アンテナ（マイクロ波攪拌手段）
１２、３９  加熱室
１４、６１  誘電体投入手段（誘電率変更手段）
１６、５８  ヒータ（誘電体加熱手段）（誘電率変更手段）
２６、４６  誘電体排出手段（誘電率変更手段）
３４、４９、６２  マグネトロン（マイクロ波放射手段）
４４  ミスト発生手段（誘電体投入手段）（誘電率変更手段）
４７  ターンテーブル（被加熱物回転手段）
５３  スターラー（マイクロ波攪拌手段）（誘電体攪拌手段）（誘電率変更手段）
６０  制御手段
６５  セラミック棒（誘電率変更手段）
【図１】
2005251404.tif 000003
【図２】
2005251404.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
2005251404.tif 000007
【図６】
2005251404.tif 000008
【図７】
2005251404.tif 000009
【図８】
2005251404.tif 000010
【図９】
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