(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波発生手段が発生する高周波電力を２分配する分配手段と、分配したそれぞれの高周波を伝搬する導波手段と、前記それぞれの導波手段の高周波を位相差略９０度で略直交放射する加熱空間とを備え、前記それぞれの導波手段の終端と前記加熱空間の中心との距離は前記それぞれの導波手段の伝搬波長の略１／４とした高周波加熱装置。
【請求項２】
高周波によって加熱される発熱手段を収納した加熱空間と、前記加熱空間に直交して設けた第一および第二の放射手段と、高周波発生手段と、前記高周波発生手段が発生する高周波電力を２分配する分配手段と、分配したそれぞれの高周波を位相差略９０度で前記第一および第二の放射手段に供給する導波手段とを備え、前記それぞれの導波手段の終端と前記加熱空間の中心との距離は前記それぞれの導波手段の伝搬波長の略１／４とした高周波加熱装置。
【請求項３】
発熱手段は多孔質に構成した請求項２記載の高周波加熱装置。
【請求項４】
発熱手段に通風する送風手段を付加した請求項２記載の高周波加熱装置。
【請求項５】
貯水手段を配した加熱空間と、前記加熱空間に直交して設けた第一および第二の放射手段と、高周波発生手段と、前記高周波発生手段が発生する高周波電力を２分配する分配手段と、分配したそれぞれの高周波を位相差略９０度で前記第一および第二の放射手段に供給する導波手段とを備え、前記それぞれの導波手段の終端と前記加熱空間の中心との距離は前記それぞれの導波手段の伝搬波長の略１／４とした高周波加熱装置。
【請求項６】
貯水手段は高周波によって加熱される発熱手段で構成した請求項５記載の高周波加熱装置。
【請求項７】
高周波発生手段は、ＩＳＭ帯のひとつである５８００ＭＨｚ帯を用いた請求項２または５記載の高周波加熱装置。
【請求項８】
被加熱物を収納する加熱室と、高周波発生手段と、前記加熱室の底壁面の略中央部に底壁面に対する相対位置角度が略４５度で設けかつ互いが直交配置の第一および第二の放射手段と、前記高周波発生手段が発生する高周波を位相差略９０度で前記第一および第二の放射手段に供給する導波手段と、被加熱物を前記第一および第二の放射手段の上方に載置する載置台とを備えた高周波加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、円偏波を用いた高周波加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
電波伝搬は、垂直偏波と円偏波とに大別できる。垂直偏波は特定位置での電界強度が時間的に変化するのに対し、円偏波は電界強度は時間的に変化せず電界ベクトルの方向が変化する。
【０００３】
従来の高周波加熱装置は、垂直偏波が用いられ加熱空間に生じた定在波の影響を受けて被加熱物には加熱ムラが生じる。この加熱ムラの抑制対策として、被加熱物を回転移動させたり、回転アンテナを用いて電波の放射方向を時間的に変化させたりしている。
【０００４】
一方、円偏波を利用する高周波加熱装置として、特開平１０−１３４９５５号公報、特開平１１−３７７４号公報、特開２０００−４８９４６号公報などの先行技術がある。特開平１０−１３４９５５号公報は導波管内部に実効波長λｇに対してλｇ／４の長さの仕切板を設けて直線偏波を円偏波に変換させるものが示されており、変換した円偏波を被加熱物に供給することで、被加熱物自身が内部に有する電気双極子の方向に関係なく被加熱物を均一に加熱することができることを謳っている。
【０００５】
また、特開平１１−３７７４号公報は、２つの導波管のＨ面がそれぞれ直交するように接続した接続部に加熱室を形成したものである。この公報の場合、それぞれの導波管に個別に高周波発生手段を設けている。
【０００６】
また、特開２０００−４８９４６号公報は、スパイラル形状の給電口や放射アンテナによって直線偏波を円偏波に変換するものである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の円偏波を利用した高周波加熱技術およびその装置において、特開平１０−１３４９５５号公報に開示されたものは、導波管内部で直線偏波を円偏波に変換する技術は公知であり、特開２０００−４８９４６号公報をも併せて、閉じた空間である加熱室の構造に何らかの工夫を凝らさなければ円偏波による加熱が実行できるとは言いがたい。また特開平１１−３７７４号公報は、それぞれの導波管に個別に高周波発生手段を備えた構成であり、高周波発生手段の位相を制御するには高価で大型の構造が必要であり、そのような構造を付帯しない場合、直交接続部でのそれぞれの高周波を位相差９０度で結合させ円偏波を発生させることに大変な困難さを有していた。
【０００８】
また、従来の技術は、円偏波による加熱の実態を直線偏波による加熱実態と比較してその差を明確化させたものとは言いがたく、実用上の効果と特長が不明確であった。
【０００９】
本発明は上記課題を解決するもので、円偏波の供給構成とそれを授受する被加熱物に円偏波加熱の実用的効果を与えることができる加熱空間を備えた高周波加熱装置を提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明の高周波加熱装置は上記課題を解決するために、高周波発生手段が発生する高周波電力を２分配する分配手段と、分配したそれぞれの高周波を伝搬する導波手段と、前記それぞれの導波手段の高周波を位相差略９０度で略直交放射する加熱空間とを備え、前記それぞれの導波手段の終端と前記加熱空間の中心との距離は前記それぞれの導波手段の伝搬波長の略１／４とした構成としている。
【００１１】
上記発明によれば、分配手段は高周波電力を確実に２分配するとともに分配したそれぞれの高周波の位相差を０度あるいは１８０度に規定することができる。そしてこの分配したそれぞれの高周波に対してそれぞれの高周波が伝搬する経路の長さを規定することでそれぞれの放射位置において位相差略９０度を確実に形成できる。これにより、ほぼ等量でかつ位相差９０度の高周波による円偏波を確実に発生させることができる。そして、この円偏波を利用して高周波エネルギの利用効率を高めるとともに加熱の均一化を促進することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、高周波発生手段が発生する高周波電力を２分配する分配手段と、分配したそれぞれの高周波を伝搬する導波手段と、前記それぞれの導波手段の高周波を位相差略９０度で略直交放射する加熱空間とを備え、前記それぞれの導波手段の終端と前記加熱空間の中心との距離は前記それぞれの導波手段の伝搬波長の略１／４としたものであり、分配手段は高周波電力を確実に２分配するとともに分配したそれぞれの高周波の位相差を０度あるいは１８０度に規定することができる。そしてこの分配したそれぞれの高周波に対してそれぞれの高周波が伝搬する経路の長さを規定することでそれぞれの放射位置において位相差略９０度を確実に形成できる。これにより、ほぼ等量でかつ位相差９０度の高周波による円偏波を確実に発生させることができる。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、高周波によって加熱される発熱手段を収納した加熱空間と、前記加熱空間に直交して設けた第一および第二の放射手段と、高周波発生手段と、前記高周波発生手段が発生する高周波電力を２分配する分配手段と、分配したそれぞれの高周波を位相差略９０度で前記第一および第二の放射手段に供給する導波手段とを備え、前記それぞれの導波手段の終端と前記加熱空間の中心との距離は前記それぞれの導波手段の伝搬波長の略１／４としたものであり、分配手段は高周波電力を確実に２分配するとともに分配したそれぞれの高周波の位相差を０度あるいは１８０度に規定することができる。そしてこの分配したそれぞれの高周波に対してそれぞれの高周波が伝搬する経路の長さを規定した導波手段によって第一および第二の放射手段に供給する高周波は位相差略９０度を確実に形成できる。そして第一および第二の放射手段は直交させているので円偏波が確実に発生する。
【００１４】
また、加熱空間に収納した発熱手段は円偏波にて伝搬する高周波を効率よく吸収するので加熱空間を飛び交う高周波は極めて少なく、放射された高周波は自由空間に放射されたごとくに確実に円偏波伝搬をする。これにより、発熱手段は発熱手段の全体が均一に加熱されるとともに高周波エネルギを有効に吸収するので、発熱手段自体が熱応力の発生に伴う機械的な破損を抑制された状態で短時間に数百℃の高温に加熱される。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、特に、請求項２記載の発熱手段を多孔質に構成したものであり、これにより発熱手段の熱容量を小さくして加熱に伴う温度上昇速度をより速めることができる。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、特に、請求項２記載の発熱手段に通風する送風手段を付加したものであり、これにより発熱手段の発生熱を適当な場所に送ることができる。また、送風することにより、導波手段の構造物を冷却でき構造自体のコンパクト化が図れるとともに本装置をユニットとし他の装置への実装性を高めることができる。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、貯水手段を配した加熱空間と、前記加熱空間に直交して設けた第一および第二の放射手段と、高周波発生手段と、前記高周波発生手段が発生する高周波電力を２分配する分配手段と、分配したそれぞれの高周波を位相差略９０度で前記第一および第二の放射手段に供給する導波手段とを備え、前記それぞれの導波手段の終端と前記加熱空間の中心との距離は前記それぞれの導波手段の伝搬波長の略１／４としたものであり、分配手段と導波手段とによって第一および第二の放射手段に供給する高周波は位相差略９０度を確実に形成できる。そして第一および第二の放射手段は直交させているので円偏波が確実に発生する。
【００１８】
また、加熱空間に収納した貯水手段は円偏波にて伝搬する高周波を効率よく吸収するので加熱空間を飛び交う高周波は極めて少なく、放射された高周波は自由空間に放射されたごとくに確実に円偏波伝搬をする。これにより、貯水手段の中の水は全体が均一に加熱されるとともに高周波エネルギを有効に吸収するので、短時間に昇温するとともにすばやく蒸気化させることもできる。
【００１９】
請求項６に記載の発明は、特に、請求項５記載の貯水手段は高周波によって加熱される発熱手段で構成したものであり、発熱手段は蓄熱手段として作用し、高周波の断続供給に対しても水の連続的な蒸発を促進できる。
【００２０】
請求項７の発明は、特に、請求項２または５記載の高周波発生手段は、ＩＳＭ帯のひとつである５８００ＭＨｚ帯を用いたものであり、分配手段あるいは導波手段をコンパクトに構成できるとともに、高い周波数を使うことで加熱の均一化を促進するとともに少ない高周波電力で所望の発熱あるいは加熱性能を達成することができる。
【００２１】
請求項８に記載の発明は、被加熱物を収納する加熱室と、高周波発生手段と、前記加熱室の底壁面の略中央部に底壁面に対する相対位置角度がに対して略４５度で設けかつ互いが直交配置の第一および第二の放射手段と、前記高周波発生手段が発生する高周波を位相差略９０度で前記第一および第二の放射手段に供給する導波手段と、被加熱物を前記第一および第二の放射手段の上方に載置する載置台とを備えたものであり、二つの放射手段に位相差略９０度の高周波を供給することで生じた円偏波を加熱室内に確実に放射することができる。これにより、被加熱物の加熱に寄与するエネルギ利用効率を高めるとともに加熱室内の定在波発生を解消することで被加熱物の加熱の均一化を図ることができる。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明の実施例について図面を用いて説明する。
【００２３】
（実施例１）
本発明の実施例１を図１〜図４を用いて説明する。図１は本発明の実施例１を示す高周波加熱装置の外観構成図、図２（ａ）、（ｂ）はそれぞれ図１および従来の高周波加熱装置の比較構成図、図３は図２の各高周波加熱装置の加熱分布の比較特性図、図４は図２の各高周波加熱装置の加熱電力の比較特性図である。
【００２４】
図１および図２（ａ）において、１０は高周波発生手段（図示していない）を装着する結合穴１１を有する導波管、１２は高周波発生手段が発生した高周波を２分配する分配手段であるＥ面Ｔ分岐分配部、１３および１４はそれぞれ２分配された高周波を伝搬する導波手段、１５は加熱空間である。加熱空間１５は各導波手段１３、１４を直交させた領域に構成している。
【００２５】
また、各導波手段１３、１４は加熱空間１５を通してさらに延長させた領域１６、１７を有する。この領域１６、１７の終端と加熱空間１５の中心との距離は導波手段の伝搬波長の略１／４の長さとしている。また各導波手段１３、１４のＥ面Ｔ分岐分配部１２から加熱空間１５に至る長さは導波手段の伝搬波長の略１／４の長さの差としている。
【００２６】
これにより、高周波発生手段が発生した高周波は、電力的には２分配され、位相的には略９０度の位相差となって直交状態にて加熱空間１５に導かれる。
【００２７】
一方、図２（ｂ）は従来の導波管構成を示す。すなわち、高周波発生手段（図示していない）を装着する導波管２０と、その導波管に接続した断面形状が同一の導波手段２１とで構成している。導波手段２１の終端２２から導波手段の伝搬波長の略１／４の長さの位置を中心として加熱空間２３を設けている。
【００２８】
また、導波手段１３、１４および２１の中には高周波発生手段が発生する高周波を加熱空間１５および２３に対して効率よく伝送させるための整合手段１８、１９および２４を設けている。
【００２９】
次に本発明の実施例１の加熱特性の実態を図３および図４を用いて従来構成との比較の説明をする。図３は被加熱物としてアドヘア合成糊を用い加熱分布特性を比較したものである。
【００３０】
なお、図３は、左から右に向かって加熱時間を長くした場合の加熱進行状態を示している。図３より、ほぼ等量の電力でかつ位相差略９０度の高周波を直交給電した場合（図３（ａ））、導波管の両端側から加熱が始まり、その後中心部も加熱されて被加熱物のほぼ全域が高周波によって加熱されることが認められる。一方、従来構成の場合（図３（ｂ））、導波管の中心部が加熱されるだけで、その熱の伝導が導波管の両端側に伝わっている。この場合、加熱領域が中央だけであり、加熱ムラは大変大きい。
【００３１】
また、図４は、被加熱物として水を用いた時の水温上昇値から加熱電力を算出した特性を示す。容器はアクリル材を用いた。ほぼ等量の電力でかつ位相差略９０度の高周波を直交給電した場合の特性を実線で示し、従来構成の特性を破線で示す。直交給電の場合、従来比の１３０％程度の加熱効率向上が認められた。
【００３２】
以上のように導波管を直交させた構成と、その直交領域を加熱空間としこの加熱空間にほぼ等量の電力および位相差９０度の高周波を直交供給する構成により、円偏波を確実に発生させることができるとともに加熱分布の均一化や加熱効率のアップを図ることができた。すなわち、高周波発生手段を一つとして、分配手段および導波手段を配することで電力の２分配および加熱空間への位相差略９０度の供給を確実に行うことができる。
【００３３】
（実施例２）
次に、本発明の実施例２について、図５を用いて説明する。図５において、高周波を伝送する導波管３０は、伝送方向の途中から導波管３０の高さ方向を略２等分する仕切板３１を設け、二つの導波路３２、３３を形成している。導波路３２には被加熱物である高周波によって加熱する発熱手段３４を配設している。この発熱手段３４が当接あるいは対面する仕切板３１の位置には開口部３５を設けている。仕切板３１の始まり位置から発熱材料３４の壁面までの距離は、導波路３２と導波路３３とで位相差９０度を形成するための構成を導波路３３に設けている。すなわち、延長導波路３６により、導波路３３の実効距離を導波管を伝送する高周波の波長の略１／４の長さ分だけ延長させている。
【００３４】
また、各導波路３２、３３の終端は、発熱材料の中心からの距離が導波管を伝送する高周波の波長の略１／４の長さとし、導波路３２の終端には通風穴３７を設けている。
【００３５】
３８は高周波発生手段（図示していない）の出力アンテナを挿入して高周波発生手段を導波管３０に装着させる結合穴である。また導波管３０の結合穴３８側の終端にも通風穴３９を配設している。
【００３６】
以上の構成からなる実施例２の高周波加熱装置によれば、高周波発生手段から発生した高周波は仕切板３１によって導波路３２と導波路３３とに電力２等分され、それぞれの導波路を伝送する。各導波路の長さの差を導波路内の伝搬波長の１／４の長さとすることで、発熱手段３４に供給するそれぞれの高周波は位相差略９０度となる。これにより、発熱材料３４は全体が均一に加熱されるとともに高周波エネルギを有効に吸収するので、熱応力の発生に伴う発熱材料の機械的な破損が抑制された状態で短時間に数百℃の高温に加熱することができる。
【００３７】
この装置において、発熱材料３４を多孔質で構成し、送風手段（図示していない）を付加して通風穴３９を流入側とし通風穴３７を排出側とすることで高温の空気流を発生する装置に展開できる。この場合、多孔質とすることで発熱材料の熱容量を小さくして加熱に伴う温度上昇速度をよく速めることができる。
【００３８】
なお、この場合の発熱材料としては、数百℃の発熱が可能な材料として、ポーラスＳｉＣや無機材料をベースとし蜂の巣状の穴を構成した基材に酸化スズとか金属酸化物を蒸着させたものを用いることができる。そして、このような高温発熱する発熱材料３４に対して導波管内に空気を送風することで導波管の構成部材を冷却することができ、構造自体のコンパクト化が図れるとともに本装置をユニットとし他の装置への実装性を高めることができる。
【００３９】
また、高周波発生手段は、ＩＳＭ帯（工業・科学・医療用に利用が許可された周波数帯）のひとつである５８００ＭＨｚ帯を出力するもの用いれば、分配手段あるいは導波手段をさらにコンパクトに構成できるとともに、高い周波数を使うことで加熱の均一化を促進でき、さらには少ない高周波電力で所望の発熱あるいは加熱性能を達成することができる。
【００４０】
（実施例３）
次に、本発明の実施例３について図６を用いて説明する。実施例３が実施例２と相違する点は、被加熱物を貯水手段４０としたことである。高周波伝送に関する動作および作用は実施例２と同様であるので説明は省略する。
【００４１】
図６において、貯水手段４０は、高周波を透過させる材料で構成している。またこの貯水手段４０に注水するための注水用穴４１を導波管壁面に付帯させている。
【００４２】
貯水手段４０内に注水された水は広範囲に加熱が促進され短時間に昇温するとともにすばやく蒸気化させることができる。
【００４３】
実施例２と同様に導波路３２の終端に通風穴３７を設けることで、蒸気を導波管外に噴出させることができる。
【００４４】
また、貯水手段４０を高周波によって加熱する発熱材料で構成することで、発熱手段を蓄熱手段として作用させ、高周波の断続供給の下でも水の連続的な蒸発を促進させることができる。
【００４５】
実施例３においても、高周波発生手段は、ＩＳＭ帯のひとつである５８００ＭＨｚ帯を出力することで実施例２にて説明したことと同様の作用効果をえることができる。
【００４６】
（実施例４）
次に、本発明の実施例４について図７を用いて説明する。実施例４は、実施例２や実施例３で示した高周波加熱装置を熱風発生ユニットや蒸気発生ユニットとして使用するものである。すなわち、図７において、高周波加熱装置５０は、被加熱物を収納する加熱室５１、被加熱物を載置する載置台５２、加熱室５０内に供給する高周波を発生する高周波発生手段５３、高周波発生手段５３が発生した高周波を伝送する導波管５４、高周波を加熱室５０に放射する回転式のアンテナ５５、アンテナ５５を回転駆動するモータ５６、および熱風発生ユニット（あるいは蒸気発生ユニット）５７を備えている。５８は熱風あるいは蒸気を加熱室５１内に導くガイドである。
【００４７】
このような構成により、被加熱物を高周波発生手段５３が発生する高周波によって高周波加熱することに加えて、高周波発生手段５９を動作させることによって生じる熱風による乾燥あるいはオーブン調理、さらには蒸気による調理などを実現させることができる。このような装置において、高周波発生手段５３、５９を駆動する電源部を共用化できるのでコンパクトな構成が採れるとともに商用電源の容量限界内での自由な制御が可能である。
【００４８】
なお、高周波発生手段５３および５９は、ＩＳＭ帯のひとつである５８００ＭＨｚを出力するものを用いることができる。
【００４９】
（実施例５）
次に、本発明の実施例５について図８を用いて説明する。実施例５は空間容積が被加熱物の大きさに対して略１０倍以上の広さを有する閉空間の加熱室に対して被加熱物を効果的に円偏波によって加熱する実用構成を示すものである。
【００５０】
図８において、被加熱物を収納する加熱室６０の底壁面６１の略中央部に円偏波放射部６２を設けている。この円偏波放射部６２は、加熱室の底壁面６１に対する相対位置角度が略４５度で、互いが直交配置の第一および第二の放射手段６３、６４とで構成している。
【００５１】
また、それぞれの放射手段６３、６４に高周波を供給する導波手段は、導波管６５の中に導波管高さ方向の略中央部を仕切る仕切板６６を設け、二つの導波路６７と導波路６８とを形成している。導波路６７は、高周波発生手段６９から略直線上の伝送経路であり、導波路６８は、導波管６５の終端部で折返して放射手段６４に至る伝送経路である。これら導波路６７、６８は導波路の長さの差が導波管を伝搬する高周波の伝搬波長の１／４の長さ分としている。そして、高周波発生手段６９が発生する高周波を電力的には２等分し位相的には略９０度の差として第一および第二の放射手段６３、６４に供給している。これにより、円偏波を確実に発生させることができる。７０は被加熱物を載置する載置台である。被加熱物は円偏波放射部６２の上方に収納する構成としたことにより、放射部６２から伝搬する円偏波を被加熱物が効率的に吸収し、被加熱物の全体が効率的に加熱されることになる。
【００５２】
実施例５においても、高周波発生手段は、ＩＳＭ帯のひとつである５８００ＭＨｚ帯を出力することで上述したことと同様の作用効果を得ることができる。
【００５３】
なお、以上の説明において導波路の長さは位相差略９０度を形成させるように構成するものであり、上述した伝搬波長の１／４の長さの差に限らずたとえば、伝搬波長の３／４、５／４などの長さの差であっても構わない。この場合、円偏波での回転方向が右旋回か左旋回かに変化するだけで加熱性能は同様である。
【００５４】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、高周波発生手段が発生する高周波電力を２分配する分配手段と、分配したそれぞれの高周波を位相差略９０度で直交放射する放射手段とを備えた構成とすることにより、ほぼ等量でかつ位相差９０度の高周波によって円偏波を確実に発生させることができる。そして、被加熱物の高周波加熱においてこの円偏波を利用することで、高周波エネルギの利用効率を高めるとともに加熱の均一化を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明の実施例１の高周波加熱装置の外観構成図
【図２】  （ａ）同高周波加熱装置の平面構成図
（ｂ）従来の高周波加熱装置の平面構成図
【図３】  図２（ａ）、（ｂ）に示す高周波加熱装置の加熱分布の比較特性図
【図４】  図２（ａ）、（ｂ）に示す高周波加熱装置の加熱電力の比較特性図
【図５】  本発明の実施例２の高周波加熱装置の断面構成図
【図６】  本発明の実施例３の高周波加熱装置の断面構成図
【図７】  本発明の実施例４の高周波加熱装置の断面構成図
【図８】  本発明の実施例５の高周波加熱装置の断面構成図
【符号の説明】
１２  Ｅ面Ｔ分岐部（分配手段）
１３、１４、３２、３３、６７、６８  導波手段
１５  加熱空間
３１、６６  仕切板（分配手段）
３４  発熱手段（多孔質の発熱手段）
３７、３９  通風穴
４０  貯水手段（発熱手段で構成）
５１、６０  加熱室
５３、５９、６９  高周波発生手段（５８００ＭＨｚ帯）
６１  加熱室の底壁面
６３、６４  第一および第二の放射手段
【図１】
0003925281.tif 000002
【図２】
0003925281.tif 000003
【図３】
0003925281.tif 000004
【図４】
0003925281.tif 000005
【図５】
0003925281.tif 000006
【図６】
0003925281.tif 000007
【図７】
0003925281.tif 000008
【図８】
0003925281.tif 000009