(57)【要約】【課題】凍結体の内部を加熱することが可能な加熱方法などを提供する。【解決手段】加熱装置（１０）は、電磁波（１３）を発生する電磁波照射部（１１）を備え、上記電磁波により対象物（１００）を加熱する加熱装置であって、上記電磁波の周波数は、０．０５ＴＨｚ以上、かつ５ＴＨｚ以下であり、上記電磁波を少なくとも一部が氷（１０１）である対象物に照射し、上記凍結体の内部を加熱する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波を発生する電磁波源を備え、
上記電磁波により対象物を加熱する加熱装置であって、
上記電磁波の周波数は、０．０５ＴＨｚ以上、かつ５ＴＨｚ以下であり、
上記電磁波を少なくとも一部が凍結体である対象物に照射し、上記凍結体の内部を加熱することを特徴とする加熱装置。
【請求項２】
上記電磁波を集束させる光学系を備え、
上記光学系により上記電磁波を上記凍結体の内部に集束させることを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
【請求項３】
上記電磁波の周波数とは異なる周波数を有する第２の電磁波を発生する第２電磁波源をさらに備え、
上記電磁波および上記第２の電磁波を用いて上記対象物を加熱することを特徴とする請求項１または２に記載の加熱装置。
【請求項４】
上記対象物を冷却する冷却部を備え、
上記冷却部により対象物を冷却するとともに、上記電磁波により凍結体内部を加熱することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の加熱装置。
【請求項５】
上記電磁波が上記対象物により反射、透過、または散乱された電磁波である第３の電磁波の強度を検出する検出器と、
上記検出器が検出した上記強度に基づいて上記対象物の状態を判定する判定部とを備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の加熱装置。
【請求項６】
上記判定部が判定した上記対象物の状態に基づいて上記電磁波源の動作を制御する制御部をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の加熱装置。
【請求項７】
上記制御部は、上記電磁波を上記対象物に照射する照射工程において、上記検出器により上記第３の電磁波の強度を検出するときに上記電磁波が上記対象物に与える単位時間当たりのエネルギーを、上記第３の電磁波を検出するとき以外の上記照射工程において上記電磁波が上記対象物に与える単位時間当たりのエネルギーより小さくするように上記電磁波源を制御することを特徴とする請求項６に記載の加熱装置。
【請求項８】
上記電磁波の周波数は、０．０５ＴＨｚ以上、かつ１ＴＨｚ以下であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の加熱装置。
【請求項９】
電磁波により対象物を加熱する加熱方法であって、
上記電磁波の周波数は、０．０５ＴＨｚ以上、かつ５ＴＨｚ以下であり、
上記電磁波を少なくとも一部が凍結体である対象物に照射し、上記凍結体の内部を加熱することを特徴とする加熱方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、加熱装置および加熱方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
物体を加熱する装置の一例として、電磁波を用いた加熱装置が、従来技術として知られている。
【０００３】
特許文献１には、周波数が５．８ＧＨｚであるマイクロ波により対象物を加熱する電子レンジが記載されている。また、特許文献１には、従来技術として、周波数が２．４５ＧＨｚであるマイクロ波により対象物を加熱する電子レンジが記載されている。
【０００４】
特許文献２には、波長が３μｍまたは６μｍの赤外線を放射することにより対象物を加熱する、赤外線放射無水加熱装置が記載されている。ここで、赤外線の波長が３μｍまたは６μｍである場合、当該赤外線の周波数はそれぞれ１００ＴＨｚまたは５０ＴＨｚである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平３−２０３１９１号公報（１９９１年９月４日公開）
【特許文献２】特開平１−１０９６７６号公報（１９８９年４月２６日公開）
【特許文献３】特開２００６−１７４１８号公報（２００６年１月１９日公開）
【特許文献４】特開２０１０−２５６２５４号公報（２０１０年１１月１１日公開）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、電磁波を凍結体に対して照射することで凍結体の内部を加熱しようとする場合、上記の従来技術には、以下のような問題点が存在する。
【０００７】
特許文献１に記載されている電子レンジは、上述した通り、周波数が５．８ＧＨｚであるマイクロ波を対象物に対して照射する。上記周波数のマイクロ波について、氷の吸収係数は、水の吸収係数より低い。しかし、上記周波数のマイクロ波については、水の吸収係数もまた、効率よく加熱を行えるほどには高くない。そのため、水を透過したマイクロ波を反射し、再び水に入射させるための反射板が必要になる。また、上記周波数のマイクロ波は、より高い周波数の電磁波と比較してエネルギー密度が低いため、マイクロ波の出力を高くする必要がある。
【０００８】
一方、特許文献２に記載されている装置は、上述した通り、周波数が１００ＴＨｚまたは５０ＴＨｚである赤外線を対象物に対して放射する。しかし、上記周波数の赤外線についての水の吸収係数と氷の吸収係数とは、ほとんど差がない。したがって、上記周波数の赤外線を氷越しに水に対して放射した場合、当該赤外線により氷も同程度加熱され、溶けることとなる。したがって、特許文献２に記載されている装置によって、氷を溶かすことなく水を加熱することは困難である。
【０００９】
上記の説明では、特許文献１および２について、加熱する対象物が水および氷を含む場合について説明した。しかし、上記対象物が水以外の液体および当該液体の凍結体を含む場合であっても、上記の問題は同様に存在する。
【００１０】
本発明は、上述の課題に鑑み、凍結体の内部を加熱することが可能な加熱方法および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】
【００１１】
上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る加熱装置は、電磁波を発生する電磁波源を備え、上記電磁波により対象物を加熱する加熱装置であって、上記電磁波の周波数は、０．０５ＴＨｚ以上、かつ５ＴＨｚ以下であり、上記電磁波を少なくとも一部が凍結体である対象物に照射し、上記凍結体の内部を加熱することを特徴とする。
【００１２】
また、本発明の一態様に係る加熱方法は、電磁波により対象物を加熱する加熱方法であって、上記電磁波の周波数は、０．０５ＴＨｚ以上、かつ５ＴＨｚ以下であり、上記電磁波を少なくとも一部が凍結体である対象物に照射し、上記凍結体の内部を加熱することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の一態様によれば、凍結体の内部を加熱することが可能な加熱装置および加熱方法を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態１に係る加熱装置の構成を示す概略図である。
【図２】電磁波の周波数と、氷および水の吸収係数との関係を示す表である。
【図３】電磁波の周波数と、氷および水の吸収係数との関係を示すグラフである。
【図４】本発明の実施形態２に係る加熱装置の構成を示す概略図である。
【図５】本発明の実施形態３に係る加熱装置の構成を示す概略図である。
【図６】本発明の実施形態３に係る加熱装置の使用例を示す概略図である。
【図７】本発明の実施形態４に係る加熱装置の構成を示す概略図である。
【図８】本発明の実施形態４の変形例２に係る加熱装置の構成を示す概略図である。
【図９】本発明の実施形態５に係る加熱装置の構成を示す概略図である。
【図１０】本発明の実施形態５の変形例に係る加熱装置の構成を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
〔実施形態１〕
以下、本発明の実施形態について、図１〜図３に基づいて詳細に説明する。本実施形態では、氷越しに水に対して電磁波を照射し、氷をほとんど溶かすことなく水を効率よく加熱することが可能な加熱方法および加熱装置について説明する。
【００１６】
（加熱装置１０の構成）
図１は、本実施形態に係る加熱装置１０および加熱装置１０により電磁波を照射される対象物１００の構成を示す概略図である。図１に示すように、加熱装置１０は、電磁波照射部１１（電磁波源）と、支持台１２とを備える。対象物１００は、氷１０１（凍結体）と水１０２とを含む。加熱装置１０は、対象物１００に対して電磁波を照射することで、氷１０１の内部の水を加熱する。図１において、電磁波１３が照射される範囲を模式的に点線で示す。
【００１７】
電磁波照射部１１は、対象物１００に含まれる水１０２に対して氷１０１越しに電磁波１３を照射する部材である。電磁波１３の周波数範囲は、０．０５ＴＨｚ以上、かつ５ＴＨｚ以下である。また、上記周波数範囲は、０．０５ＴＨｚ以上、かつ１ＴＨｚ以下であることが好ましい。
【００１８】
電磁波１３の出力は、水１０２を所望の温度に加熱することが可能な値であれば、特に限定されない。本実施形態では、電磁波１３の出力は、１Ｗ以上である。１Ｗという出力は、水１ｇの温度を１分で１４℃上昇させることができる出力である。
【００１９】
電磁波照射部１１を構成するデバイスは、上記した周波数範囲の電磁波１３を照射可能なものであれば特に限定されない。電磁波照射部１１を構成するデバイスとして、例えば、ガンダイオード、インパットダイオード、タンネットダイオード、共鳴トンネルダイオード（ＲＴＤ、Resonant Tunneling Diode）、ヘテロ接合バイポーラトランジスタ（ＨＢＴ、Heterojunction Bipolar Transistor）、高電子移動度トランジスタ（ＨＥＭＴ、High Electron Mobility Transistor）、量子カスケードレーザ（ＱＣＬ、Quantum Cascade Laser）、モノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ、Monolithic Microwave Integrated Circuit）、逓倍器、または光の差周波により電磁波を発生させる単一走行キャリアフォトダイオード（ＵＴＣ-ＰＤ、Uni-Traveling-Carrier Photo Diode）などを用いることができる。
【００２０】
電磁波照射部１１を構成するデバイスとして、ガンダイオード、インパットダイオード、またはタンネットダイオードを用いる場合の利点としては、比較的安価であり、かつ小型である点などが挙げられる。
【００２１】
電磁波照射部１１を構成するデバイスとしてＲＴＤを用いる場合の利点としては、比較的高周波の電磁波を発生させることが可能であり、かつ小型である点などが挙げられる。
【００２２】
電磁波照射部１１を構成するデバイスとして、ＨＢＴ、ＨＥＭＴ、ＱＣＬまたはＭＭＩＣを用いる場合の利点としては、比較的高出力の電磁波を発生させることが可能であり、かつ小型である点などが挙げられる。
【００２３】
電磁波照射部１１を構成するデバイスとして、逓倍器またはＵＴＣ−ＰＤを用いる場合の利点としては、電磁波１３の設定周波数の自由度が高い点などが挙げられる。
【００２４】
支持台１２は、対象物１００を支持する台である。支持台１２の構造および材料などについては、対象物１００を支持することが可能であれば特に制限されない。また、電磁波照射部１１は、支持台１２に埋め込まれている。
【００２５】
（加熱の制御）
加熱装置１０による加熱を制御する方法は、特に制限されない。例えば、加熱装置１０は、電磁波照射部１１からの電磁波１３の照射のオンおよびオフを切り替えるスイッチを備えていてもよい。この場合、加熱装置１０を用いた水１０２の加熱は、ユーザによる上記スイッチの切り替えにより制御される。
【００２６】
また、加熱装置１０は、電磁波照射部１１からの電磁波１３の照射を制御する制御部を備えていてもよい。制御部は、例えば、電磁波１３の出力および加熱時間から水１０２の温度を推定して、加熱を制御（出力および加熱時間を決定）してもよい。この場合、水１０２の温度を測定するためのセンサが不要であるため、加熱装置１０の製造コストを削減することができる。
【００２７】
また、加熱装置１０は、水１０２の温度を検出するセンサを備えていてもよい。この場合、制御部は、当該センサにより検出された水１０２の温度に基づいて、水１０２の加熱を制御することができる。
【００２８】
水１０２の温度を検出するセンサは、例えば画像センサであってよい。この場合、画像センサは、水１０２の画像を取得し、取得した画像に基づき水１０２が沸騰しているか否かを判定する。これにより、画像センサは水１０２の温度を検出する。制御部は、画像センサが検出した結果から、水１０２が沸騰しているか否かを正確に認識することができる。
【００２９】
また、水１０２の温度を検出するセンサは、赤外線センサであってもよい。赤外線センサは、測定対象の温度を非接触で検出可能なセンサである。この場合、制御部は、水１０２を任意の温度に加熱するように、加熱装置１０を制御できる。
【００３０】
加熱装置１０による加熱の停止についても、特に制限はされない。例えば、手動で加熱を停止できるように構成してもよいし、所定の温度に到達した場合に加熱を停止するように構成してもよい。また、後者の場合には、加熱装置１０は、加熱を停止する温度を手動で設定できるように構成されていてもよい。
【００３１】
（加熱装置１０の効果）
図２は、電磁波の周波数と氷および水の吸収係数との関係を示す表である。図３は、電磁波の周波数と氷および水の吸収係数との関係を示すグラフである。図３におけるマーカーの位置は、図２に示すデータに対応する。また、図３における破線は、周波数の高い方から順に、５ＴＨｚ、１ＴＨｚ、および０．０５ＴＨｚを示す。図２および図３に示すように、電磁波に対する水の吸収係数は、電磁波の周波数が０．０５ＴＨｚより低い領域では、０．０５ＴＨｚ以上の領域と比較して急激に低下する。
【００３２】
また、電磁波の周波数が０．０５ＴＨｚより小さい領域では、当該電磁波に対する水の吸収係数は、反射板を用いることなく水を効率よく加熱可能な吸収係数の下限値である６０ｃｍ−１より小さくなる。６０ｃｍ−１という値は、電磁波が物体中を１ｍｍ進む間に、当該電磁波が有するエネルギーの９９％以上が物体に吸収される値である。したがって、電磁波の周波数が０．０５ＴＨｚより小さい場合、当該電磁波によって水を効率よく加熱するためには反射板が必要となる。
【００３３】
一方、電磁波の周波数が５ＴＨｚより大きい場合、図２および図３に示すように、電磁波に対する水の吸収係数と氷の吸収係数とは、差がほとんどなくなるか、または氷の吸収係数の方が水の吸収係数より高くなったりし得る。この場合、氷越しに水に対して電磁波を照射すると、当該電磁波により氷も同程度加熱されることとなる。したがって、電磁波の周波数が５ＴＨｚより大きい場合、氷を溶かすことなく水を加熱することはできない。
【００３４】
これに対し、本実施形態の加熱装置１０において、電磁波１３の周波数は、０．０５ＴＨｚ以上、かつ５ＴＨｚ以下である。この周波数範囲内の周波数を有する電磁波は、図２および図３に示すように、水の吸収係数が氷の吸収係数より著しく高く、かつ水の吸収係数が６０ｃｍ−１以上である。
【００３５】
このため、加熱装置１０は、氷１０１越しに水１０２に対して電磁波１３を照射することにより、氷１０１をほとんど溶かすことなく（氷の状態を維持したまま）、水１０２を効率よく加熱することができる。また、電磁波１３によって水１０２を加熱するために、水を透過した電磁波を反射して再び水に入射させる反射板を用いる必要がない。
【００３６】
また、加熱装置１０が用いる電磁波１３は、周波数が０．０５ＴＨｚ未満の電磁波と比較して、エネルギー密度が高い。したがって、比較的低出力で水１０２を加熱でき、省エネに繋がる。
【００３７】
また、電磁波１３の周波数は、０．０５ＴＨｚ以上、かつ１ＴＨｚ以下であることが好ましい。この場合、図２および図３に示す通り、氷の吸収係数は、水の吸収係数の１／５０より小さくなる。
【００３８】
電磁波に対する媒質の吸収係数は、吸収係数をα、吸収前の電磁波強度をＩ０、吸収後の電磁波強度をＩ、媒質の厚さをｘとした場合、以下の式（１）により表される。
【００３９】
式（１）：α＝−（ｌｎ（Ｉ／Ｉ０））／ｘ      （ｌｎは自然対数）
この式により計算すると、氷の吸収係数が水の吸収係数の１／５０より小さい場合、電磁波のエネルギーを９９％吸収する水の厚さと同じ厚さの氷に当該電磁波を照射したとき、当該電磁波は氷に１０％以下しか吸収されない。
【００４０】
つまり、電磁波１３の周波数が０．０５ＴＨｚ以上、かつ１ＴＨｚ以下であれば、電磁波１３は、より氷１０１に吸収されにくくなる。したがって、氷１０１越しに水１０２に対して電磁波１３を照射した場合に、より効率的に水１０２を加熱することができる。
【００４１】
図２および図３から読み取れる、水と氷との吸収係数の差は、分子間の振動モードまたは緩和モードによる吸収が、液体と固体とで異なることに起因している。よって、加熱する対象物が水以外の液体を含む場合でも、周波数が０．０５ＴＨｚ以上かつ５ＴＨｚ以下、特に０．０５ＴＨｚ以上かつ１ＴＨｚ以下である電磁波は、当該液体に吸収されやすく、その凍結体である固体に吸収されにくい。加熱する対象物が水に別の物質を混合した水溶液であれば、当該水溶液に含まれる水により、図２および図３に示したデータにほぼ準ずる吸収係数の差が現れる。また、内部に水を含む食品または細胞を含むサンプルについても同様である。
【００４２】
（加熱装置１０の他の構成）
図１に示した加熱装置１０は、単一の電磁波照射部１１を備えている。しかし、加熱装置１０は、電磁波照射部１１を複数備えていてもよい。その場合、複数の電磁波照射部１１は、水１０２の同じ領域に電磁波１３を照射してもよく、異なる領域に電磁波１３を照射してもよい。
【００４３】
複数の電磁波照射部１１が、水１０２の同じ領域に電磁波１３を照射する場合、当該領域に向けて照射される電磁波１３の出力の総和は、単一の電磁波照射部１１が照射する電磁波１３の出力より大きくなる。したがって、水１０２が所望の温度に到達するまでに要する加熱時間を短縮することができる。
【００４４】
一方、複数の電磁波照射部１１が水１０２の異なる領域に向けて電磁波１３を照射する場合、それぞれの電磁波照射部１１から電磁波１３が照射される領域の総和は、単一の電磁波照射部１１から電磁波１３が照射される領域より広くなる。したがって、水１０２を広範囲にわたって加熱することができる。
【００４５】
また、加熱装置１０において、対象物１００を支持台１２に載置する時に電磁波照射部１１を損傷させることのないよう、電磁波照射部１１を保護するための保護部材を設けてもよい。ただし、保護部材を設けた場合、電磁波１３は、当該保護部材を経由して水１０２に照射されることになる。したがって、当該保護部材は、電磁波１３に対して透明であることが好ましい。
【００４６】
また、加熱装置１０は、支持台１２に対象物１００が載置されていることを検出するセンサを備えていてもよい。この場合、加熱装置１０は、支持台１２に対象物１００が載置されていることが上記センサにより検出されている場合にのみ、電磁波照射部１１から電磁波１３を照射することができるように構成される。センサの具体的な例としては、支持台１２の、対象物１００が載置される面に設けられた、接触センサが挙げられる。
【００４７】
このように構成すれば、支持台１２に対象物１００が載置されていない場合に、誤動作などにより電磁波照射部１１から電磁波１３が照射される虞が低減される。したがって、エネルギーの無駄な消費を抑制することができる。
【００４８】
また、上述した０．０５ＴＨｚ以上、かつ５ＴＨｚ以下の周波数範囲内においては、電磁波１３の周波数が大きくなると、電磁波１３に対する氷１０１の吸収係数も大きくなる。すなわち、氷１０１が電磁波１３から吸収するエネルギーが増加する。このため、氷１０１を溶かすことなく水１０２を加熱するのに最適な電磁波１３の周波数は、氷１０１の厚さによって変動する。
【００４９】
このため、加熱装置１０は、電磁波１３の周波数を調整する周波数調整機構を備えていてもよい。例えば、周波数調整機構は、電磁波１３の周波数について、加熱装置１０を使用するユーザからの入力を受け付け、電磁波１３の周波数を、入力された周波数に調整してもよい。または、周波数調整機構は、対象物１００に含まれる氷１０１の厚さについて、ユーザからの入力を受け、入力された氷１０１の厚さに基づいて電磁波１３の周波数を調整するものであってもよい。この場合、周波数調整機構は、入力された氷１０１の厚さが厚いほど、電磁波１３の周波数を低く設定する。
【００５０】
例えば、厚さが５ｍｍの氷１０１越しに電磁波１３を照射する場合、電磁波１３の適切な周波数は、電磁波１３が氷を９０％以上透過する、０．２ＴＨｚ以下が考えられる。また、氷１０１の厚さをユーザが選択できるのであれば、電磁波１３の周波数に応じた適切な厚さを選択することが好ましい。
【００５１】
また、加熱装置１０は、電磁波照射部１１が支持台１２に埋め込まれている構成となっている。しかし、本発明の一態様に係る加熱装置は、ペンの形状に構成された電磁波照射部を備えてもよい。電磁波照射部は、ペンの先から電磁波が照射されるように構成される。この場合、ユーザが加熱装置を手などで保持することにより、対象物に対して任意の位置および方向から電磁波を照射することが可能となる。また、ユーザは、加熱装置を容易に持ち運び、使用することが可能となる。
【００５２】
加熱装置１０の利用方法の例を、以下に説明する。ただし、本発明の利用方法は、以下の例に限られるものではない。加熱装置１０は、例えば、調理器具として用いることができる。この用途について、具体的な例を、別の実施形態として後述する。また、大きさが数ｍｍ〜数ｃｍの氷の中にスープなどの液体を封じ込めた固形物に対して本実施形態の加熱方法を用いることができる。これにより、外側の氷を溶かすことなく（スープを封じ込める氷を維持したまま）中のスープを加熱することができる。この場合、外側は冷たい氷であり、内部は高温のスープであるような料理を提供することができる。また、この場合、氷は１個であっても複数個であってもよい。
【００５３】
〔実施形態２〕
本発明の他の実施形態について、図４に基づいて説明すれば、以下の通りである。本実施形態では、加熱装置１０の構成に加えて、さらに保冷部を有する加熱装置について説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
【００５４】
図４は、本実施形態に係る加熱装置２０の構成を示す概略図である。図４に示すように、加熱装置２０は、加熱装置１０と同様に、水１０２に向けて氷１０１越しに電磁波１３を照射する電磁波照射部１１と、氷１０１および水１０２を含む対象物１００を支持する支持台１２とを備える。また、加熱装置２０は、保冷部２１をさらに備える。
【００５５】
保冷部２１は、氷１０１を保冷するための部材である。加熱装置２０は、保冷部２１により、氷１０１を保冷しながら、電磁波１３によって水１０２を加熱する。ここでは、保冷部２１は、氷１０１を囲っている。保冷部２１の構成は、氷１０１の温度上昇を抑制できるものであれば、特に限定されない。
【００５６】
例えば、保冷部２１は、氷１０１を冷却するものであってよい。この場合、保冷部２１の具体的な構成の例としては、内部に保冷剤を収納可能な容器が挙げられる。また、保冷部２１は、ペルチェ素子などを用いて電気的に氷点下を維持できる構成であってもよい。
【００５７】
また、保冷部２１は、外部から氷１０１への熱の流入を抑制する構成であってもよい。この場合、保冷部２１の具体的な構成の例としては、真空断熱構造の容器などが挙げられる。
【００５８】
図４に示した加熱装置２０においては、保冷部２１は、氷１０１の側面に配されている。しかし、保冷部２１が配置される位置は、特に限定されない。保冷部２１は、例えば氷１０１の上部または下部に配されてもよい。また、保冷部２１は、氷１０１の上部、下部および側面といった、氷１０１の周囲全体を囲むように配されてもよい。
【００５９】
ただし、保冷部２１は、電磁波１３が水１０２に向けて照射されることを妨げないように配されることが好ましい。例えば、保冷部２１の、電磁波１３が通過する領域に、孔を設けることが考えられる。
【００６０】
上述した通り、電磁波１３は、氷１０１に吸収されにくい周波数を有する。しかし、電磁波１３による氷１０１の加熱を完全に防ぐことは不可能である。また、氷１０１は、外部環境から熱を吸収することによっても温度が上昇する。
【００６１】
加熱装置２０は、保冷部２１を備え、当該保冷部により氷１０１を保冷する。具体的には、保冷部２１は、氷１０１を冷却し、または外部から氷１０１への熱の流入を抑制する。したがって、加熱装置２０は、氷１０１の融解を抑制しながら、水１０２を加熱することができる。
【００６２】
〔実施形態３〕
本発明の他の実施形態について、図５および図６に基づいて説明すれば、以下の通りである。本実施形態では、加熱装置１０の構成において、支持台１２の代わりに容器３１を備える加熱装置について説明する。本実施形態に係る加熱装置は、調理器具として用いられる。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
【００６３】
図５は、本実施形態に係る加熱装置３０の構成を示す概略図である。図５に示すように、加熱装置３０は、電磁波１３を照射する電磁波照射部１１と、容器３１とを備える。容器３１は、液体を保持可能な容器である。また、電磁波照射部１１は、容器３１の内側の領域に電磁波１３を照射する。
【００６４】
加熱装置３０を使用するに当たっては、まず、容器３１にスープ２００を入れる。ここで、スープとは、エキス成分または栄養成分などが溶け込んだ水のことである。
【００６５】
次に、容器３１を冷凍庫に入れて、スープ２００を凍結させる。このとき、容器３１の上部だけを冷凍庫から出した状態で冷凍するなどの方法により、容器３１の上方におけるスープ２００の凍結を抑制する。
【００６６】
図６は、加熱装置３０の使用例を示す概略図であり、上記の方法により、容器３１内のスープ２００を部分的に凍結させた状態を示す図である。上記の方法によれば、図６に示すように、スープ２００は、容器３１の中央上部以外の領域においては凍結して氷２０１となる。一方、容器３１の中央上部においては、液体状態のスープ２０２が、凍結することなく存在する。
【００６７】
このとき、氷２０１には、エキス成分および栄養成分は、ほとんど含まれない。したがって、スープ２０２には、スープ２００に溶け込んでいたエキス成分および栄養成分のほとんどが、高濃度に濃縮された状態で溶け込んでいることとなる。
【００６８】
このようなスープ２０２に対し、電磁波照射部１１から氷２０１越しに電磁波１３を照射すると、氷２０１をほとんど加熱および融解させることなく、スープ２０２を高温の状態にすることができる。したがって、スープ２０２を飲む人は、氷２０１に囲まれ、しかも加熱された状態のスープ２０２を飲むことができる。
【００６９】
また、容器３１内のスープ２００を凍結させる段階において、容器３１の上方におけるスープ２００の凍結を抑制せず、スープ２００全体を均等に凍結させてもよい。ただし、スープ２００の全体が完全に凍結する前に冷凍をやめるものとする。
【００７０】
この場合、容器３１内において中央以外の領域に位置するスープ２００は、すべて凍結して氷２０１となる。そして、液体状態のスープ２０２は、容器３１内の中心領域に、周囲全域を氷２０１に囲まれた状態で存在することとなる。
【００７１】
このようなスープ２０２を飲む時には、氷２０１の上部に穴を開けて飲むことが考えられる。この場合、加熱装置３０によりスープ２０２を加熱するタイミングは、氷２０１に穴を開けた後であってもよく、氷２０１に穴を開ける前であってもよい。いずれの場合においても、スープ２０２を飲む人は、氷２０１に囲まれた熱々のスープ２０２を飲むことができる。
【００７２】
また、氷２０１に穴を開ける前にスープ２０２を加熱する場合、加熱されたスープ２０２を飲む人が氷２０１の上部に穴を開けると、氷２０１の中から高濃度に濃縮された高温のスープ２０２が出てくることとなる。これにより、スープ２０２を飲む人に対して、驚きまたは高揚感を提供することができる。
【００７３】
また、加熱装置３０は、スープ２０２を飲む人がスープ２０２を飲んでいる最中にも、スープ２０２を加熱してもよい。その場合、スープ２０２は、周囲を氷２０１に囲まれているにも関わらず、常に高温の状態に維持される。
【００７４】
また、全体が凍結したスープ２０２（氷２０１）に水を加えてから、加熱装置３０によって加熱を行ってもよい。凍結したスープ２０２に凹みを作っておき、凹みに水を加えてもよい。この場合、加熱装置３０によって水を加熱することで、水に接する部分が溶かされる。これにより、凍結したスープを部分的に溶かすことができる。
【００７５】
〔実施形態４〕
本発明の他の実施形態について、図７に基づいて説明すれば、以下の通りである。本実施形態に係る加熱装置は、対象物に対して照射された電磁波を当該対象物の一部に集束させる光学系を有する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
【００７６】
図７は、本実施形態に係る加熱装置４０の構成を示す概略図である。図７に示すように、加熱装置４０は、電磁波照射部１１と、支持台１２と、光学系４１とを備える。光学系４１は、電磁波１３を対象物１００の中の一部に集束させる光学系である。加熱装置４０は、光学系４１を備えることで、対象物１００に含まれる水１０２の一部分だけを、局所的に加熱することができる。
【００７７】
上述した通り、電磁波１３の周波数は、０．０５ＴＨｚ以上、かつ５ＴＨｚ以下の範囲である。一般に、電磁波を集束させる場合、焦点位置においては当該電磁波の波長と同程度のオーダーまで集束させることができる。例えば、周波数が０．１ＴＨｚ、すなわち波長が３ｍｍの電磁波であれば、直径数ｍｍ程度まで集束させることが可能である。
【００７８】
加熱装置４０の用途の例としては、氷１０１の内部を加工することが挙げられる。加工の手順の例を、以下に説明する。
【００７９】
まず、（ｉ）加熱装置４０は、光学系４１により、電磁波１３を対象物１００の一部に集束させ、水１０２の一部を加熱する。すると、氷１０１の、水１０２の加熱された領域に接する部分が溶ける。
【００８０】
次に、（ｉｉ）水１０２が存在する領域に対する、電磁波１３が集束する位置が変更される。上記変更は、例えば支持台１２上で氷１０１を移動させることで実現されてもよい。また、光学系４１が、電磁波１３を集束させる位置を移動させる機能を備えている場合には、当該機能により、上記変更が実現されてもよい。加熱装置４０は、光学系４１に含まれる光学素子（レンズ、ミラーまたはプリズム等）の位置または向きを変化させることにより、電磁波１３を集束させる位置を変更してもよい。
【００８１】
上記（ｉ）および（ｉｉ）を繰り返すことで、任意の形状の、氷１０１が溶けた領域を、氷１０１の内部に形成することができる。
【００８２】
（変形例１）
本実施形態の変形例について、以下に説明する。本変形例において、対象物１００ａは、加熱の開始時点では氷１０１（図１等参照）のみからなる。この場合、電磁波１３の周波数は、氷１０１にも吸収され、かつ水の吸収係数が氷の吸収係数より高い範囲から選択すればよい。
【００８３】
電磁波１３を氷１０１のみからなる対象物１００ａに集束させると、その焦点位置近傍では電磁波１３のエネルギー密度が高まり、氷１０１の温度が高くなる。例えば氷の融解熱（３３３．５Ｊ/ｃｍ3）を超えるまで長時間照射すれば氷１０１を溶かすことができる。対象物１００ａの一部が溶けて氷１０１から水１０２（図１等参照）になると、その部分では図２および図３に示したとおり、電磁波１３がより強く吸収される。よって、内部の水１０２に対して電磁波１３を継続して集光すると、内部の水１０２を急激に温めることができ、当該水１０２の外周部の氷１０１を内側から溶かすことができる。
【００８４】
電磁波１３、光学系４１および対象物１００ａは、相対的な位置を固定したままでもよいし、上述の通り、電磁波１３が照射される位置を相対的に変えてもよい。また、光学系４１に例えばビームエキスパンダを組み込んでおけば、これを調整して、電磁波１３の集光度を変えることができる。集光度を変えることにより、電磁波１３が集束する部分（集光部）、および電磁波１３が集光部に到達するまでに通過する対象物１００ａ内の範囲でのエネルギー密度が変わる。したがって、集光度を変えることで、電磁波が対象物１００ａに与えるエネルギー分布を変えることができる。これらの方法により、対象物１００ａを均等に溶かすことができる。
【００８５】
対象物１００ａの一部が溶けて氷１０１から水１０２に相変化すると、電磁波１３は、水１０２と氷１０１との界面で吸収され、電磁波１３の波長程度より長くは水１０２の内部に侵入できない。したがって、対象物１００ａの一部が氷１０１から水１０２に相変化する過程において、水１０２の電磁波１３の進行方向に平行な方向の厚みが波長以上になれば、電磁波１３の集光部の位置を、厚み方向に沿って水１０２と氷１０１の界面にずらしていくことによって、より速く、対象物１００ａの表面から水１０２までの距離（厚み）を縮めることができる。
【００８６】
氷は水より密度が小さいため、氷１０１内に生じた水１０２の相は負圧になり、溶けにくくなる。しかし、氷１０１に水１０２の通路ができ、水１０２が外部（大気）と接することができるようになると、水１０２の容積が氷１０１から相変化した領域に限定されなくなる。したがって、水１０２の相が正圧になり、対象物１００ａが溶けやすくなる。また、水１０２と氷１０１との界面の面積を増やすことによっても、対象物１００ａの氷１０１を溶けやすくすることができる。
【００８７】
以上、対象物１００ａが加熱の開始時点において氷１０１のみである場合について主に説明したが、対象物１００ａが冷凍食品や冷凍サンプルなどの凍結体であっても、同様の方法によって凍結部分を液体に相変化させることができる。冷凍サンプルとは、例えば人工授精用の精子、移植用臓器、ＤＮＡ、ＲＮＡ、または細菌のような、医療・バイオ分野で用いられるものなどが挙げられる。特に冷凍食品や冷凍した測定サンプルなどの場合、対象物１００ａ内部に空隙などがあると、その部分は他の部分に比べて融解しやすいため、対象物１００ａを内側から温めやすくなる。
【００８８】
これにより、対象物１００ａが冷凍食品である場合には、内部が解凍されていない、冷たいといった問題、または外部が熱くなりすぎる、熱で変質するといったことがなくなり、ユーザが満足する状態で、食品を提供することができる。あるいは、外周部が熱で変質することなく冷凍サンプルを短時間で解凍でき、正確な測定や適切な活用することができる。
【００８９】
（変形例２）
本実施形態の別の変形例について、図８を用いて説明する。なお、説明の便宜上、上記実施形態にて説明した部材と同じ機能を有する部材については、同じ符号を付記し、その説明を省略する。
【００９０】
図８は、本変形例の加熱装置４０ａ、および加熱装置４０ａにより加熱される対象物１００ａの構成を示す概略図である。本変形例の加熱装置４０ａは、図８に示すように、第１の電磁波照射部１１ａ（電磁波源）、第２の電磁波照射部１１ｂ（第２電磁波源）、および支持台１２ａを備える。支持台１２ａは、電磁波照射部１１（図１参照）が埋め込まれていない点を除いて、支持台１２と同じである。対象物１００ａは、例えば冷凍食品であり、加熱の開始時には全体が凍結した状態の凍結体である。
【００９１】
第１の電磁波照射部１１ａおよび第２の電磁波照射部１１ｂは、それぞれ第１の電磁波１３ａ（電磁波）および第２の電磁波１３ｂを発生させる。第１の電磁波照射部１１ａおよび第２の電磁波照射部１１ｂは、図８に示すように互いに対向して設けられていてもよく、または互いに隣接していてもよい。
【００９２】
第１の電磁波１３ａの波長（周波数）は、上述した電磁波１３の周波数と同様であってよい。一方、第２の電磁波１３ｂは、第１の電磁波１３ａとは周波数が異なる電磁波である。例えば、第２の電磁波１３ｂとして、周波数が２．４ＧＨｚ以上、かつ２．５ＧＨｚ以下であるマイクロ波を用いてもよい。または、第２の電磁波１３ｂとして、９００ＭＨｚ帯のマイクロ波を用いてもよい。これらの周波数帯は、ＩＳＭ（Industry Science Medical）バンドに含まれ、従来の電子レンジにおいて加熱に用いられている電磁波の周波数帯である。
【００９３】
図３から示唆される通り、従来の電子レンジで用いられているマイクロ波は、純水を凍らせた氷には吸収されない。しかし、上記マイクロ波は食塩などを含む水には吸収される。これにより、従来の電子レンジは冷凍食品を温めることができる。しかし、従来の電子レンジによる加熱では、冷凍食品は外周部から温められ、内部が冷たいままの状態になるといった問題がある。
【００９４】
本変形例の加熱装置４０ａにおいては、まず、第１の電磁波１３ａを第１の電磁波照射部１１ａから対象物１００ａへ照射することで、対象物１００ａを構成する凍結体の一部を液体に変化させ、当該液体を加熱する。第１の電磁波１３ａによる加熱を開始してから一定時間の後、第２の電磁波１３ｂを第２の電磁波照射部１１ｂから対象物１００ａへ照射することで、外側の凍結体を加熱し、解凍する。すなわち、第１の電磁波１３ａにより対象物１００ａの中心部を加熱し、第２の電磁波１３ｂにより外周部の凍結体を加熱することにより、対象物１００ａの内部および外周部を均等に加熱することができる。また、第２の電磁波１３ｂの対象物１００ａに与えるエネルギーが、第１の電磁波１３ａの液体に与えるエネルギーより大きければ、変形例１よりも速く対象物１００ａ全体を加熱できる。
【００９５】
なお、第１の電磁波１３ａおよび第２の電磁波１３ｂを同時に照射する場合、対象物１００ａの外周部にある凍結体の表面が第２の電磁波１３ｂにより溶けてくると、第１の電磁波１３ａが対象物１００ａの表面で吸収され、内部を温めることができなくなる。変形例２では、先に第１の電磁波１３ａを照射してから第２の電磁波１３ｂを照射することで、対象物１００ａの外周および内部を均等に温めることができる。
【００９６】
第２の電磁波１３ｂによる加熱動作は、市販の電子レンジなどによる加熱動作と同様である。すなわち、本変形例の加熱装置４０ａは、市販の電子レンジに第１の電磁波１３ａにより対象物１００ａの中心部を加熱する機能が付いているものと考えてもよい。
【００９７】
第２の電磁波１３ｂによる加熱を始めるタイミングは、対象物１００ａの大きさ、および第１の電磁波１３ａと第２の電磁波１３ｂが対象物１００ａに与えられるエネルギーの比にも依存するため、これらを考慮の上、決定すればよい。
【００９８】
第２の電磁波１３ｂによる加熱開始後、第１の電磁波１３ａによる加熱を続けると、第１の電磁波１３ａは対象物１００ａの表面の水分で吸収されるため、対象物１００ａの表面に焦げを作ることができる。表面を焦げなどで変質させたくない場合には、第２の電磁波１３ｂによる加熱開始後、第１の電磁波１３ａによる加熱を止めればよい。
【００９９】
以上、対象物１００ａが加熱開始時点で氷のみである場合について主に説明したが、上述の変形例１と同様、対象物１００ａが冷凍食品や冷凍サンプルなどであっても、同様の方法を用いることができる。
【０１００】
〔実施形態５〕
本発明の他の実施形態について、図９に基づいて説明すれば、以下の通りである。本実施形態の加熱装置５０ａにおいては、対象物１００ａにより反射された電磁波１４（第３の電磁波）により、対象物１００ａの状態が判定される（対象物１００ａに含まれる凍結体の内部の液体が評価される）。
【０１０１】
図９は、本実施形態に係る加熱装置５０ａ、および加熱装置５０ａにより加熱される対象物１００ａの構成を示す概略図である。図９に示すように、本実施形態の加熱装置５０ａは、対象物１００ａを収容する容器３１ａと、対象物１００ａへ電磁波１３を照射する電磁波照射部１１と、対象物１００ａにより反射された電磁波１４を検出する検出器５１と、制御部５３ａ（判定部、制御部）とを備える。
【０１０２】
制御部５３ａは、検出器５１が検出した電磁波の強度に基づいて対象物１００ａの状態を判定する。また、制御部５３ａは、判定した対象物１００ａの状態に基づいて電磁波照射部１１の動作を制御する。制御部５３ａは、集積回路（ＩＣチップ）等に形成された論理回路（ハードウェア）によって実現してもよいし、ＣＰＵ（Central Processing Unit）を用いてソフトウェアによって実現してもよい。
【０１０３】
制御部５３ａによる対象物１００ａの状態の判定について、以下に説明する。対象物１００ａ内に液体が存在する場合、対象物１００ａに入射した電磁波１３は、凍結体の表面（または凍結体と容器３１ａとの界面）、および凍結体と液体との界面で反射される。このため、電磁波１４は２つの反射波の重ね合わせとなり、凍結体内部で干渉した波となっている。したがって、干渉縞の有無により対象物１００ａ内に液体が存在するか否かという状態を判定することができる。また、干渉縞の間隔から、対象物１００ａの表面から液体までの凍結体の厚みを判定することができる。
【０１０４】
また、制御部５３ａは、電磁波１３の吸収係数を算出してもよい。凍結体が過冷却の状態でない場合には、温度の上昇、すなわち加熱時間の経過に伴って電磁波１３の吸収係数が大きくなる。一方、凍結体が過冷却の状態である場合には、加熱時間の経過に伴う電磁波１３の吸収係数の変化が小さくなる。したがって、制御部５３ａは、吸収係数の変化から凍結体が過熱状態になっているか否かという状態を判定することができる。
【０１０５】
図９に示す加熱装置５０ａでは、検出器５１は電磁波１３の反射波を検出するものである。しかし、本実施形態の加熱装置５０ａにおいて、検出器５１は、対象物１００ａを透過した電磁波、または対象物１００ａにより散乱された電磁波を検出するものであってもよい。
【０１０６】
例えば対象物１００ａを透過した電磁波を検出器５１が検出する場合において、対象物１００ａが凍結体のみの場合、電磁波１３は対象物１００ａを透過することができる。しかし、凍結体の一部が液体に変化すると、対象物１００ａによる電磁波１３の吸収率が高くなる。したがって、対象物１００ａ内に液体が存在する場合には、電磁波１３が液体で吸収される分、検出器５１により検出される電磁波の強度が弱くなる。これにより、制御部５３ａは、対象物１００ａの内部に液体が存在するか否かという状態を判定することができる。
【０１０７】
対象物１００ａ内部の液体が十分少量である場合には、対象物１００ａを透過した透過波を検出することが可能である。この場合、途中で反射されることなく対象物１００ａを透過した電磁波と、対象物１００ａの出射側の表面（界面）および凍結体と液体との界面において２回反射された電磁波との干渉縞が発生する。このため、制御部５３ａは、検出器５１が反射波を検出する場合と同様に、凍結体の厚みを判定することできる。また、対象物１００ａにおいて液体の凍結が電磁波の集光部から等方的に進む場合には、凍結体の厚みの変化を用いて、対象物１００ｂ内における液体の容積の変化、すなわち凍結体が融解する速度を検出することもできる。また、対象物１００ａ内に液体が存在しなければ、途中で反射されることなく対象物１００ａを透過した電磁波と、対象物１００ａの出射側の表面（界面）および入射側の表面（界面）において２回反射された電磁波との干渉縞が発生する。上記干渉縞の間隔から、対象物１００ａの厚みを測定することができる。
【０１０８】
加熱装置５０ａにおいて、実施形態４において説明したように、電磁波１３を集束させ、その焦点位置が凍結体の表面または凍結体と液体との界面にある場合に電磁波１４の検出強度が強くなるように、レンズ可動部を含む光学系を構成してもよい。上記の構成によれば、レンズ可動部により電磁波１３の焦点位置を移動させ、電磁波１４の強度が強くなる焦点位置を検出することで、凍結体の厚みの変化を検出することができる。また、上記の光学系は、非点収差法またはナイフエッジ法を用いた光学系であってもよく、共焦点光学系であってもよい。
【０１０９】
これらの方法により、凍結体の厚みの変化を測定することで、対象物１００ａが加熱により解凍されるスピードを算出できる。
【０１１０】
制御部５３ａは、これらの判定結果を元に、電磁波照射部１１を制御する。具体的には、電磁波１３の強度の増減、またはパルス波の時間幅（電磁波が照射される時間）などを最適化する。例えば、対象物の解凍スピードが所望のスピードより速い場合には、制御部５３ａは、電磁波１３の強度を減少させるか、またはパルス波の時間幅を短くする。
【０１１１】
また、制御部５３ａは、電磁波１３を対象物１００ａに照射する照射工程において、検出器５１により電磁波１４の強度を検出するときに上記電磁波が上記対象物に与える単位時間当たりのエネルギーを、電磁波１４を検出するとき以外の照射工程において電磁波１３が上記対象物に与える単位時間当たりのエネルギーより小さくするように電磁波照射部１１を制御してもよい。電磁波１３が対象物に与えるエネルギーを小さくする方法としては、電磁波１３の強度を小さくすることが挙げられる。また、電磁波１３がパルス波である場合には、パルス波の時間幅を小さくしてもよい。すなわち、制御部５３ａは、電磁波１４を検出する期間であるか否かに応じて、電磁波照射部１１の単位時間当たりの平均出力を変化させてもよい。これにより、電磁波１４を検出する時に電磁波１３が対象物１００ａへ与える影響が小さくなり、検出器５１により検出される電磁波１４の強度が安定する。
【０１１２】
図９に示した加熱装置５０ａでは、制御部５３ａが電磁波照射部１１を制御する構成となっている。しかし、本実施形態に係る加熱装置は、上記の測定結果から対象物１００ａが凍結するスピードや液体が過熱になっているかどうかの情報を表示する表示部、および電磁波照射部１１を制御するスイッチを備えていてもよい。この場合、表示部に表示される情報に基づいて、加熱装置のユーザが加熱装置５０ａの電源のＯＮ／ＯＦＦ、または電磁波１３の強度の調整を行い、所望の解凍を行うことができる。
【０１１３】
（変形例）
本実施形態に係る加熱装置の別実施形態について、図１０を参照して説明する。本変形例の加熱装置５０ｂは、液体を凍結させる過程において凍結体を加熱する装置である。
【０１１４】
図１０は、本変形例に係る加熱装置５０ｂ、および加熱装置５０ｂにより加熱される対象物１００ｂの構成を示す概略図である。図１０に示すように、加熱装置５０ｂは、加熱装置５０ａの構成に加えて冷却部５２を備えるとともに、制御部５３ａに代えて制御部５３ｂを備える。
【０１１５】
対象物１００ｂは、液体である。冷却部５２は、対象物１００ｂを冷却して凍結させる。制御部５３ｂは、電磁波照射部１１および冷却部５２を制御する。制御部５３ｂは、制御部５３ａと同様、集積回路等に形成された論理回路によって実現してもよいし、ＣＰＵを用いてソフトウェアによって実現してもよい。
【０１１６】
一般に、液体を凍結させる場合には、気泡などにより氷が白く濁ること、および氷の粗大結晶が成長することによる食品の細胞組織およびサンプルの組織の破壊が問題となる。上記の問題を解決し、透明な氷を作るには、ゆっくりとした時間をかける必要があることなどが、特許文献３および４に記載されている。
【０１１７】
本変形例の加熱装置５０ｂは、電磁波１３を用いて、対象物１００ｂを冷却し、凍結させる過程での、凍結スピード、および液体が過冷却になっているかどうかを判定しながら加熱する加熱装置を開示する。
【０１１８】
液体を凍らせる際、液体を入れた初期状態では、容器３１ａの温度が最も低い状態となり、容器３１ａに接した部分の液体から凍結が始まる。すると、対象物１００ｂの外周部が凍結して凍結体となり、内部が液体のままの状態になる。このような対象物１００ｂに対して電磁波１３を照射し、凍結体と液体との界面からの透過波、反射波、または散乱波などを検出器５１により検出することで、制御部５３ｂは、対象物１００ｂが冷凍される過程における対象物１００ｂの状態を判定することができる。
【０１１９】
対象物１００ｂの冷却過程における、制御部５３ｂによる状態の判定は、制御部５３ａによる状態の判定と概ね同様である。ただし、電磁波１３の周波数によっては、制御部５３ｂは液体が過冷却状態であるか否かについても判定を行ってもよい。液体が過冷却の状態でない場合には、液体の温度の低下に伴って、電磁波１３の吸収係数が小さくなる。これに対し、液体が過冷却の状態である場合には、電磁波１３の周波数によっては液体の温度が低下しても電磁波１３の吸収係数が略一定となる。液体が過冷却の状態であるか否かを判定するために好適な、電磁波１３の具体的な周波数（液体が過冷却の状態である場合に液体の温度が低下しても吸収係数が略一定となる周波数）については、予め加熱装置５０ｂの製造者が液体を冷却しながら電磁波１３の吸収係数を測定して確認すればよい。
【０１２０】
また、対象物１００ｂの冷却過程で、凍結体に氷の粗大結晶が生じた場合、凍結体と液体との界面が粗大結晶の大きさで凹凸を持つ。このため、電磁波１３は当該界面において強く散乱される。この散乱波を用いて、界面の凹凸を測定し、凍結体の結晶状態を判断することもできる。
【０１２１】
電磁波１３は、実施形態１〜４に記載の通り、液体を加熱することができる。制御部５３ｂは、冷却部５２により外部から対象物１００ｂを冷却する速度と、電磁波１３による加熱速度とを制御することで、対象物の冷却過程において凍結体と液体との界面温度を制御し、気泡の発生を抑制できる。また、凍結体の一部に粗大結晶が成長しつつあることを検出した場合には、対象物１００ｂに含まれる細胞の細胞壁が粗大結晶により破壊される前に、電磁波１３により当該粗大結晶の周囲を加熱し、当該粗大結晶を溶かすこともできる。
【０１２２】
これにより、対象物１００ｂが内部に気泡を含んだまま凍結することなく、透明な凍結体を作成することができる。または、凍結体が氷の粗大結晶を含まないため、食品やサンプルの細胞が破壊されることがなく、解凍時のドリップの低減などにより、凍結前と同等の食品やサンプルを得ることができる。
【０１２３】
〔まとめ〕
本発明の態様１に係る加熱装置（１０など）は、電磁波（１３）を発生する電磁波源（電磁波照射部１１）を備え、上記電磁波により対象物（１００など）を加熱する加熱装置であって、上記電磁波の周波数は、０．０５ＴＨｚ以上、かつ５ＴＨｚ以下であり、上記電磁波を少なくとも一部が凍結体（氷１０１）である対象物に照射し、上記凍結体の内部を加熱する。
【０１２４】
上記の構成によれば、少なくとも一部が凍結体である対象物に対し、周波数が０．０５ＴＨｚ以上、かつ５ＴＨｚ以下である電磁波が照射される。この周波数範囲の電磁波は、凍結体の吸収係数と比較して、当該凍結体が融解した液体の吸収係数が著しく高い。したがって、対象物に対して電磁波を照射することで、凍結体の凍結状態を維持したまま、凍結体の内部に存在する液体を加熱することができる。
【０１２５】
本発明の態様２に係る加熱装置は、上記態様１において、上記凍結体は、氷であることが好ましい。
【０１２６】
本発明の加熱装置は、凍結体が氷である対象物の加熱に好適に用いることができる。
【０１２７】
本発明の態様３に係る加熱装置は、上記態様２において、上記対象物は、上記氷の内部に水を有し、上記電磁波を上記氷越しに上記水に対して照射することにより、上記凍結体の内部の上記水を加熱することが好ましい。
【０１２８】
上記電磁波は、水の吸収係数が氷の吸収係数と比較して高い。したがって、上記電磁波を氷越しに水に対して照射することで、凍結体の内部を効率よく加熱することができる。
【０１２９】
本発明の態様４に係る加熱装置は、上記態様１から３のいずれかにおいて、上記電磁波の周波数は、０．０５ＴＨｚ以上、かつ１ＴＨｚ以下であることが好ましい。
【０１３０】
上記の構成によれば、上記電磁波に対する氷の吸収係数は、上記電磁波に対する水の吸収係数の１／５０より小さくなる。この場合、電磁波のエネルギーを９９％吸収する水の厚さと同じ厚さの氷に当該電磁波を照射した場合、当該電磁波は氷に１０％以下しか吸収されない。したがって、上記電磁波は、より氷を透過しやすく、かつ水に吸収されやすくなり、より効率的に水を加熱することができる。
【０１３１】
本発明の態様５に係る加熱装置は、上記態様１から４のいずれかにおいて、電磁波を集束させる光学系（４１）を備え、上記光学系により上記電磁波を上記凍結体の内部に集束させることが好ましい。
【０１３２】
上記の構成によれば、凍結体の内部に電磁波のエネルギーを集中させることで、効率よく加熱することができる。
【０１３３】
本発明の態様６に係る加熱装置は、上記態様１から５のいずれかにおいて、上記電磁波（第１の電磁波１３ａ）とは異なる周波数を有する第２の電磁波（１３ｂ）を発生する第２電磁波源（第２の電磁波照射部１１ｂ）をさらに備え、上記電磁波および上記第２の電磁波を用いて上記対象物を加熱することが好ましい。
【０１３４】
上記の構成によれば、電磁波および第２の電磁波を用いることで、対象物を加熱するときに、対象物の外部は温かいが内部が冷たいといったことがない均一な加熱を素早く行うことができる。
【０１３５】
本発明の態様７に係る加熱装置は、上記態様１から６のいずれかにおいて、上記対象物を冷却する冷却部（５２）を備え、上記冷却部により対象物（１００ｂ）を冷却するとともに、上記電磁波により凍結体内部を加熱することが好ましい。
【０１３６】
上記の構成によれば、冷却部により対象物を冷却しながら電磁波により対象物を加熱することで、対象物の冷却過程において凍結体と液体との界面温度を制御して気泡の発生を抑制できる。また、粗大結晶の発生を検出した場合に当該結晶を加熱して溶かすことができる。
【０１３７】
本発明の態様８に係る加熱装置は、上記態様１から７のいずれかにおいて、上記電磁波が上記対象物により反射、透過、または散乱された電磁波である第３の電磁波（電磁波１４）の強度を検出する検出器（５１）と、上記検出器が検出した上記強度に基づいて上記対象物の状態を判定する判定部（制御部５３ａ、５３ｂ）とを備えることが好ましい。
【０１３８】
上記の構成によれば、加熱装置は、対象物により反射、透過、または散乱された電磁波である第３の電磁波の強度を検出器により検出し、検出した上記強度に基づいて判定部により対象物の状態を判定することができる。具体的には、例えば対象物の加熱の速度、または対象物が過熱状態になっているか否かなどを検出することができる。
【０１３９】
本発明の態様９に係る加熱装置は、上記態様８において、上記判定部が判定した上記対象物の状態に基づいて上記電磁波源の動作を制御する制御部をさらに備えることが好ましい。
【０１４０】
上記の構成によれば、制御部は、検出器により検出された電磁波の強度に基づいて電磁波源の動作、例えば対象物の加熱速度などを制御することができる。
【０１４１】
本発明の態様１０に係る加熱装置は、上記態様９において、上記制御部は、上記電磁波を上記対象物に照射する照射工程において、上記検出器により上記第３の電磁波の強度を検出するときに上記電磁波が上記対象物に与えるエネルギーを、上記第３の電磁波を検出するとき以外の上記照射工程において上記電磁波が上記対象物に与えるエネルギーより小さくするように上記電磁波源を制御することが好ましい。
【０１４２】
上記の構成によれば、照射工程において第３の電磁波を検出するときに電磁波が対象物へ与える影響が小さくなり、検出器により検出される第３の電磁波の強度が安定する。
【０１４３】
本発明の態様１１に係る加熱方法は、電磁波により対象物を加熱する加熱方法であって、上記電磁波の周波数は、０．０５ＴＨｚ以上、かつ５ＴＨｚ以下であり、上記電磁波を少なくとも一部が凍結体である対象物に照射し、上記凍結体の内部を加熱する。
【０１４４】
上記の構成によれば、態様１と同様の効果を奏する。
【０１４５】
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。さらに、各実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を組み合わせることにより、新しい技術的特徴を形成することができる。
【符号の説明】
【０１４６】
１０、２０、３０、４０、４０ａ、５０ａ、５０ｂ  加熱装置
１１  電磁波照射部（電磁波源）
１１ａ  第１の電磁波照射部（電磁波源）
１１ｂ  第２の電磁波照射部（第２電磁波源）
１３  電磁波
１３ａ  第１の電磁波（電磁波）
１３ｂ  第２の電磁波
１４  電磁波（第３の電磁波）
４１  光学系
５１  検出器
５２  冷却部
５３ａ、５３ｂ  制御部（判定部、制御部）
１００、１００ａ、１００ｂ  対象物
１０１  氷（凍結体）
【図１】
2017026300.tif 000003
【図２】
2017026300.tif 000004
【図３】
2017026300.tif 000005
【図４】
2017026300.tif 000006
【図５】
2017026300.tif 000007
【図６】
2017026300.tif 000008
【図７】
2017026300.tif 000009
【図８】
2017026300.tif 000010
【図９】
2017026300.tif 000011
【図１０】
2017026300.tif 000012
【手続補正書】
【提出日】平成28年10月18日(2016.10.18)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波を発生する電磁波源を備え、
上記電磁波により、水を含む対象物を加熱する加熱装置であって、
上記電磁波の周波数は、０．０５ＴＨｚ以上、かつ５ＴＨｚ以下であり、
上記電磁波を少なくとも一部が上記水の凍結体である対象物に照射し、上記凍結体の内部を加熱することを特徴とする加熱装置。
【請求項２】
上記電磁波を集束させる光学系を備え、
上記光学系により上記電磁波を上記凍結体の内部に集束させることを特徴とする請求項１に記載の加熱装置。
【請求項３】
電磁波を発生する電磁波源を備え、
上記電磁波により対象物を加熱する加熱装置であって、
上記電磁波の周波数は、０．０５ＴＨｚ以上、かつ５ＴＨｚ以下であり、
上記電磁波を少なくとも一部が凍結体である対象物に照射し、上記凍結体の内部を加熱し、
上記電磁波の周波数とは異なる周波数を有する第２の電磁波を発生する第２電磁波源をさらに備え、
上記電磁波および上記第２の電磁波を用いて上記対象物を加熱することを特徴とする加熱装置。
【請求項４】
上記対象物を冷却する冷却部を備え、
上記冷却部により対象物を冷却するとともに、上記電磁波により凍結体内部を加熱することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の加熱装置。
【請求項５】
上記電磁波が上記対象物により反射、透過、または散乱された電磁波である第３の電磁波の強度を検出する検出器と、
上記検出器が検出した上記強度に基づいて上記対象物の状態を判定する判定部とを備えることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の加熱装置。
【請求項６】
上記判定部が判定した上記対象物の状態に基づいて上記電磁波源の動作を制御する制御部をさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の加熱装置。
【請求項７】
電磁波を発生する電磁波源を備え、
上記電磁波により対象物を加熱する加熱装置であって、
上記電磁波の周波数は、０．０５ＴＨｚ以上、かつ５ＴＨｚ以下であり、
上記電磁波を少なくとも一部が凍結体である対象物に照射し、上記凍結体の内部を加熱し、
上記電磁波が上記対象物により反射、透過、または散乱された電磁波である第３の電磁波の強度を検出する検出器と、
上記検出器が検出した上記強度に基づいて上記対象物の状態を判定する判定部と、
上記判定部が判定した上記対象物の状態に基づいて上記電磁波源の動作を制御する制御部とを備え、
上記制御部は、上記電磁波を上記対象物に照射する照射工程において、上記検出器により上記第３の電磁波の強度を検出するときに上記電磁波が上記対象物に与える単位時間当たりのエネルギーを、上記第３の電磁波を検出するとき以外の上記照射工程において上記電磁波が上記対象物に与える単位時間当たりのエネルギーより小さくするように上記電磁波源を制御することを特徴とする加熱装置。
【請求項８】
上記電磁波の周波数は、０．０５ＴＨｚ以上、かつ１ＴＨｚ以下であることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の加熱装置。
【請求項９】
電磁波により、水を含む対象物を加熱する加熱方法であって、
上記電磁波の周波数は、０．０５ＴＨｚ以上、かつ５ＴＨｚ以下であり、
上記電磁波を少なくとも一部が上記水の凍結体である対象物に照射し、上記凍結体の内部を加熱することを特徴とする加熱方法。