JP2018186019A - キャビティが分離可能なモジュール化ハイブリッドマイクロ波加熱システム - Google Patents

Abstract

【課題】生産ラインのモジュール数量を柔軟に増減できるモジュール化ハイブリッドマイクロ波加熱システムの提供。
【解決手段】上下２部分に分離でき被加熱物を内部に収容するマイクロ波共振キャビティを備え、上半部のマイクロ波セミキャビティ３０がマイクロ波導入装置を備え、マイクロ波をキャビティ内に導入し、下半部が伝導セミキャビティ４０であり、従来の熱源加熱による熱を受け取ることができ、上下を結合したときマイクロ波共振キャビティが構成され、被加熱物が密封容器に装填された後マイクロ波共振キャビティ内に配置され、マイクロ波が被加熱物に対して加熱を行い、密封容器が被加熱物の加熱による膨張の拡張圧力に抵抗することができるマイクロ波共振キャビティが独立したモジュール化構造とした。
【選択図】図２

Description

本発明は被加熱物の加工に関し、特に、キャビティが分離可能なモジュール化ハイブリッドマイクロ波加熱システムに関する。

加熱は基本的な食品と工業の加工手段であり、その原理に基づき接触加熱（火加熱、電熱管加熱、セラミック加熱）、マイクロ波加熱、（電磁）誘導加熱等がある。接触加熱は従来の加熱方式であり、被加熱物の温度が外部から上昇を開始し、徐々に内部まで伝導され、必要な加熱時間が比較的長い。マイクロ波は電磁波の一種であり、特定周波数のマイクロ波が被加熱物の分子（例えば水）に共振を発生させ、その内部から迅速に加熱を開始するが、マイクロ波が被加熱物に作用するときの強度分布が異なるマイクロ波生成器、共振キャビティ及び被加熱物等の要因の相互作用により変化が発生し、局部的位置の加熱が不均等になる現象が生じやすい。

マイクロ波の加熱均一度を高めるため、かつ連続生産または殺菌の用途のために、多くの特許が熱流体（熱水、熱風）を補助加熱媒体として使用しており（ＵＳ７１１９３１３Ｂ２、４９６２２９８）、被加熱物を事前に密封容器内に装填し、密封容器を高圧流体が充填されたマイクロ波キャビティ内に入れると、密封容器内の被加熱物がマイクロ波および包み込んでいる流体と一緒に加熱され、密封容器内の被加熱物の温度が上昇したとき、内部の蒸気と体積が膨張して生じる外側への拡張圧力により、密封容器に破損を生じる可能性があるため、マイクロ波キャビティ内を加圧してキャビティ内の圧力と密封容器の拡張圧力を相殺する必要があるが、加熱初期の密封容器内は膨張圧力がないため、キャビティ圧力が過大になるとまだ加熱されていない密封容器がつぶれてしまうが、キャビティ圧力が小さすぎても密封容器の加熱後の拡張圧力に抵抗するには不十分となり、密封容器に漏洩が発生してしまう。このことから分かるように、このようなシステムの操作温度と圧力は相互に影響し合い、加熱プロセスの設計に顕著な制限を形成しており、同時にこのようなシステムは大型のマイクロ波共振キャビティが必要で、このキャビティは流体の高圧に耐えられなければならず、密封容器がキャビティを出入りするとき、適切な加減圧手順が必要となり、隨意にキャビティから出して温度測定やモニタリングを行うことができず、また加熱時は被加熱物が高圧熱水または熱蒸気中に置かれ、マイクロ波電磁?に暴露されるため、やはり一般の従来の計器と方法で被加熱物の温度と品質の変化を容易に測定することができない。このためプロセスの調整が困難で、柔軟性に欠けるだけでなく、このようなシステムは運用時の熱水と熱蒸気が廃熱汚染と工率の損失を引き起こしやすい。

接触加熱の作用条件は熱エネルギーが被加熱物に伝導されるように被加熱物が熱源に接していなければならず、マイクロ波加熱は被加熱物を入れる適切な共振キャビティを用意し、マイクロ波がこのキャビティ内で被加熱物に対して加熱作用を生じることができるようにする必要がある。多くの特許がすでに以上の２つの加熱方式を複合的に使用しているが（ＵＳ４９００８８４、ＵＳ６８６４４６８Ｂ２、ＵＳ５５４８１０１、ＵＳ５１７７３３３）、そのキャビティはいずれも固定構造であり、その接触加熱方式は単に常圧で被加熱板または被加熱皿内に置かれているだけであり、被加熱物を熱源にしっかり接触させるための特別な手段は講じられていない。

マイクロ波の連続加熱機構における応用はすでに多くの公開技術（ＵＳ２００９／０２３０１２４Ａ１、ＵＳ２０１２／０１０３９７６Ａ１）があり、その機構はマイクロ波を複数の加熱空間内に導入し、被加熱物を連続して加熱機構に出入させることができるが、キャビティ自体は固定されており、被加熱物は事前に密封されておらず、また伝導加熱の実施も考慮されていない。

米国特許第７１１９３１３Ｂ２号明細書 米国特許第４９６２２９８号明細書 米国特許第４９００８８４号明細書 米国特許第６８６４４６８Ｂ２号明細書 米国特許第５５４８１０１号明細書 米国特許第５１７７３３３号明細書 米国特許第２００９／０２３０１２４Ａ１号明細書 米国特許第２０１２／０１０３９７６Ａ１号明細書

以上の説明を総合すると分かるように、現有のマイクロ波加熱システムには次の技術的特徴がある。一、固定構造の共振キャビティは、モジュール化して増減することはできない。二、補助加熱媒体を使用しないと、密封容器が伝導熱源にしっかり接触されず、熱伝導効率が低下する。三、補助加熱媒体を使用するとき加圧キャビティを使用する必要があり、キャビティ圧力、加熱温度、密封容器耐圧程度が相互に影響し合い、加工条件が制限される。四、システムの設計がマイクロ波環境中で被加熱物の温度変化を測定しにくくなっており、これに基づいて被加熱物の加熱過程における温度と時間の変化関係を調整することができず、このため食品の調理や殺菌など多くの特定の加熱プロセスの要件を満たすことができない。

本発明の主な目的は、システムを常圧で操作し、別途蒸気または水等で構成された高圧キャビティを必要とせず、同時にキャビティがモジュール化されており、上下に分離できる設計となっているため、加熱、保温、冷却等の工率の大きさと時間の長さを柔軟に調整できるとともに、即時に被加熱物の品質を測定し、各種加熱プロセスのニーズを満たすことができる、キャビティが分離可能なモジュール化ハイブリッドマイクロ波加熱システムを提供することにある。

本発明は、マイクロ波セミキャビティと、伝導セミキャビティと、伝導加熱ユニットと、マイクロ波加熱ユニットと、密封容器を含み、そのうち、前記伝導加熱ユニットが接触熱源を提供し、前記マイクロ波加熱ユニットがマイクロ波を提供し、前記密封容器に被加熱物が装填され、前記マイクロ波セミキャビティと前記伝導セミキャビティが上下に組み立てられて密閉されたマイクロ波共振キャビティを形成し、加工したい前記被加熱物が前記密封容器内に密封された後、さらに前記マイクロ波共振キャビティに入れられ、前記マイクロ波セミキャビティがマイクロ波導入装置（例えば導波管等）を備え、前記マイクロ波加熱ユニットが発生したマイクロ波を前記マイクロ波共振キャビティ内に導入し、マイクロ波に前記密封容器内の被加熱物を加熱させることができ、前記伝導セミキャビティがマイクロ波を透過させることができる伝導セミキャビティ上蓋を備え、前記密封容器を前記伝導セミキャビティ内に緊密に当接させて、前記密封容器をその内壁に緊密に貼付させるために用いられ、前記伝導セミキャビティが熱伝導性に優れた材質で成り、前記伝導加熱ユニットによる加熱を受けて、熱エネルギーが伝導方式で前記密封容器内の被加熱物を加熱し、被加熱物が加熱により発生した熱蒸気または体積膨張により前記密封容器に外側への拡張圧力を形成させ、前記伝導セミキャビティ上蓋と前記伝導セミキャビティが充分な機械強度を備え、前記密封容器の構造変形に抵抗し、漏洩を回避することができる。

本発明のシステムは、マイクロ波と従来の加熱方式を別々に、または同時に使用して被加熱物を加熱することができ、マイクロ波の加熱で前記密封容器内の被加熱物の温度を迅速に上昇させ、かつ体積の膨張を生じさせて前記伝導セミキャビティに緊密に貼付させることができるため、伝導加熱効率を大幅に高め、前記伝導加熱ユニットにより被加熱物を効果的に加熱することができ、前記密封容器の外側への拡張圧力に抵抗する手段が従来の高圧水または水蒸気等と異なるため、常圧の設計が可能であり、かつこの圧力抵抗設計で前記密封容器が未加熱で膨張していないときはそれに対して圧力が加えられないため、未加熱の前記密封容器に変形が生じることがなく、かつ圧力抵抗強度が機械構造に由来するため、圧力抵抗強度を高めることができ、このため加熱温度を大幅に高め、殺菌やその他加熱プロセスのニーズを満たすことができる。

プロセス中前記伝導セミキャビティと前記マイクロ波セミキャビティを結合したときマイクロ波加熱共振キャビティが形成され、分離したとき前記伝導セミキャビティが前記密封容器とともにマイクロ波環境を離れるため、一般的な設備で前記密封容器内の被加熱物の温度や色等の品質を測定でき、動態的に加熱プロセスをモニタリング、記録、調整することができる。前記伝導セミキャビティと前記マイクロ波セミキャビティが分離可能なモジュール化設計となっているため、後続の保温、冷却等のプロセスを柔軟に手配し、加工ニーズを満たすことができる。

本発明のキャビティ構造の分解図である。 本発明のシステムの立体分解図である。 本発明のシステムの組み立て後立体外観図である。 本発明の連続循環加熱を示す概略図である。

本発明の詳細説明と技術内容について、以下で説明する。

図１、図２、図３に示すように、本発明の実施例１において、キャビティが分離可能なモジュール化ハイブリッドマイクロ波加熱システムは、被加熱物（図示しない）に対して加熱加工を行うために用いられ、システムが、マイクロ波セミキャビティ３０、伝導セミキャビティ４０、伝導加熱ユニット２０、マイクロ波加熱ユニット７０、密封容器１０を含み、そのうち、前記密封容器１０に前記被加熱物が装填され、前記伝導加熱ユニット２０は電磁加熱、ガス加熱、赤外線ランプ、電熱線等のいずれかから選択することができ、前記伝導セミキャビティ４０を加熱できればよい。好ましくは電磁誘導加熱で、高周波電磁波により前記伝導セミキャビティ４０の伝導セミキャビティ本体４１を誘導加熱することができ、前記伝導加熱ユニット２０の加熱工率は伝導加熱工率コントローラ８０により調整することができる。

前記伝導セミキャビティ４０は伝導セミキャビティ本体４１と、伝導セミキャビティ上蓋４２を含み、そのうち、前記伝導セミキャビティ本体４１が伝導セミキャビティ内壁４１１と、前記伝導セミキャビティ内壁４１１で構成される収容空間４１２と、伝導セミキャビティ外壁４１３を備え、前記伝導セミキャビティ上蓋４２がマイクロ波を透過させることができる材質で成り、前記伝導セミキャビティ上蓋４２と前記伝導セミキャビティ本体４１が可動的なロック構造を備え、前記伝導セミキャビティ上蓋４２を前記伝導セミキャビティ本体４１上で繰り返しロックおよび開放させることができる。

前記密封容器１０は前記収容空間４１２に配置され、前記伝導セミキャビティ上蓋４２が前記密封容器１０に緊密に当接され、被加熱物が加熱によって体積の膨張または蒸気を発生すると、前記密封容器１０の体積もそれに伴って膨張し、前記伝導セミキャビティ内壁４１１に緊密に貼付される。前記密封容器１０の体積膨張圧力は前記伝導セミキャビティ上蓋４２と前記伝導セミキャビティ本体４１の機械強度により押さえられ、破損や漏洩を生じる恐れがないため、大幅に加熱温度を高めることができる。

前記伝導セミキャビティ本体４１の材質は金属が好ましく、その材質はマイクロ波（例えば２.４５ＧＨｚ、９１５ＭＨｚ等のマイクロ波）を透過させることができず、かつ良好な強磁性金属材質で構成され、高周波電磁波に対して渦電流を発生し、誘導加熱することができる（例えば１０ＫＨｚ〜２００ＫＨｚ）。前記伝導セミキャビティ４０は前記伝導加熱ユニット２０上に配置され、従来の熱源を受け取って前記伝導セミキャビティ本体４１を加熱する。

前記マイクロ波セミキャビティ３０は、導波管３１とマイクロ波セミキャビティスリーブ３２、マイクロ波セミキャビティ本体３３を含み、前記マイクロ波セミキャビティスリーブ３２が前記伝導セミキャビティ外壁４１３に被着され、その組み立て後の構造の外観は図３に示すとおりである。このとき、前記マイクロ波セミキャビティ本体３３内部と前記収容空間４１２が完全なマイクロ波共振キャビティを形成し、前記マイクロ波共振キャビティ内に被加熱物を入れた前記密封容器１０と前記伝導セミキャビティ上蓋４２が収容され、前記伝導セミキャビティ上蓋４２と前記密封容器１０がいずれもマイクロ波を透過可能な材質で成るため、前記マイクロ波共振キャビティ内で実際にマイクロ波を受け取り、加熱されるのは前記密封容器１０内に入れられた被加熱物のみである。またマイクロ波の外部への漏洩を防ぐために、前記マイクロ波セミキャビティスリーブ３２と前記伝導セミキャビティ外壁４１３を相互に連結するインターフェイスに絶縁金属リングまたはマイクロ波減衰構造等の従来のマイクロ波漏洩防止装置または構造を設置することができる。

前記マイクロ波加熱ユニット７０はマイクロ波発生装置であり、マイクロ波熱源を提供し、かつ前記導波管３１を介してマイクロ波を前記マイクロ波共振キャビティ内へ導入する。前記マイクロ波加熱ユニット７０はマイクロ波強度調整機能を備え、動態的にマイクロ波加熱工率の時間と大きさを調整することができる。

かつ加熱加工の均一度を高めるために、本発明はさらに前記伝導セミキャビティ４０を積載して回動する自転回転盤５０と、自転モーター５１を含んでもよく、前記自転回転盤５０は外環歯車５０１を備え、前記自転モーター５１は歯車５２を前記外環歯車５０１に噛合することで前記自転回転盤５０を回動させ、前記伝導セミキャビティ４０を自転させることができる。これにより、前記被加熱物を装填した前記密封容器１０を自転させ、従来のマイクロ波の加熱が不均一になる問題を改善することができる。

本発明のシステムの実際の実施例を図４に示す。そのうち、前記マイクロ波加熱ユニット７０、前記マイクロ波セミキャビティ３０、前記伝導加熱ユニット２０、前記伝導加熱工率コントローラ８０、前記自転回転盤５０、前記自転モーター５１が共同で１セットの複合加熱モジュール６０として組み立てられる。本実施例は複数の前記複合加熱モジュール６０が旋回装置６１上に環状に配列して設置される。前記旋回装置６１は回転盤または円形に配置されたコンベアベルトとすることができ、被加熱物を前記密封容器１０に装填した後、前記密封容器１０が前記伝導セミキャビティ４０内に入れられ、ロックされる。前記密封容器１０が入れられた前記伝導セミキャビティ４０は、一側から順に対応する前記複合加熱モジュール６０に入れられ、かつ前記マイクロ波セミキャビティ３０と上下に結合されて前記マイクロ波共振キャビティが形成される。前記複合加熱モジュール６０が前方へ回動される過程において、前記マイクロ波加熱ユニット７０及び前記伝導加熱工率コントローラ８０の出力工率を適宜調整し、被加熱物に対して加熱を行う。加熱プロセスの完了後、前記伝導セミキャビティ４０が他方の一側から順に前記複合加熱モジュール６０内より取り出され、取り出された後の前記伝導セミキャビティ４０はすでにマイクロ波環境にないため、測定システムがマイクロ波の干渉または影響を受けることなく、被加熱物に対して必要な品質（例えば温度、色等）の測定を簡単に行うことができる。このほか、前記密封容器１０前記伝導セミキャビティ４０は必要に応じて再加熱、保温または冷却等のプロセスを実施でき、被加熱物の違いやプロセスの必要性に応じて生産ラインを柔軟に調整し、例えば食品の調理や殺菌等、産業の加工ニーズを満たすことができる。

上述のように、従来の技術と比較して、本発明には次のような利点がある。

１.より高い加熱温度：密封容器が機械強度で伝導セミキャビティ内に押さえられるため、より高い膨張圧力に抵抗することができ、被加熱物をより高い温度まで加熱することができる。
２.高効率の伝導加熱：従来技術は高圧熱水または熱蒸気等の流体を補助熱源として使用しないと、伝導加熱効率が優れないが、本発明は加熱の初期段階からマイクロ波で密封容器内の被加熱物に直接作用し、密封容器の体積が膨張して伝導セミキャビティ内壁に緊密に貼付されると、伝導加熱ユニットの伝導セミキャビティ本体に作用する熱工率をより高い効率で被加熱物に伝導させることができる。
３.常圧キャビティの構築と操作コストが低い：従来の熱水または熱蒸気補助加熱媒体を用いる高圧キャビティの設計と異なり、本発明はより高い加熱温度で操作できる一方で常圧キャビティを使用すればよく、廃熱損失等の問題もないため、システムの構築と操作コストを大幅に抑えることができる。
４.モジュール化キャビティ設計で生産ラインを柔軟に形成できる：従来の固定されたキャビティマイクロ波加熱システムは、生産ラインのキャパシティを変えるためには往々にしてキャビティ体積を変動する必要があり、その際マイクロ波共振分布とパラメータをすべて設計しなおさなければならないが、本発明の複合加熱モジュールはモジュール化設計であるため、各モジュールがすべて独立したキャビティで、相互に影響しないため、その数量を生産ラインに基づいて適宜増減でき、システムのマイクロ波キャビティ設計に影響しない。
５.連続式生産に適しており、バッチ作業の必要がない：本発明の回転盤式生産ラインの設計は、密封容器を装填した伝導セミキャビティを連続出入させ、連続生産の目的を達することができ、バッチごとにキャビティを出入させる必要がない。
６.プロセス中で被加熱物をマイクロ波環境から離脱させて品質測定を行うことができる：大部分の電子計測機器と部件はマイクロ波干渉で焼きついたり動作できなくなったりするため、マイクロ波キャビティ内で一般の計器を用いて被加熱物の品質測定を行うことが困難であるが、本システムは密封容器を装填した伝導セミキャビティを容易に、かつ繰り返し複合加熱モジュールに出入させることができるため、加熱プロセスを複数のセクションに分けることができ、各セクション間では密封容器を装填した伝導セミキャビティがマイクロ波キャビティをすでに離脱しているため、一般的な計器と部材で被加熱物の品質特性を測定することができ、かつそれに基づいて後続セクションの加熱工率等を調整し、被加熱物の最終的な加工品質を確約することができる。
７.マイクロ波加熱と伝導加熱のハイブリッド加熱プロセスを柔軟に組み合わせることができる：従来のマイクロ波加熱方法は冷点と熱点の温度差を生じやすく、従来の伝導加熱は冷点と熱点の温度の問題はないが、加熱効率が悪く、加熱時間が長い。本発明は被加熱物の特性に応じてマイクロ波加熱と伝導加熱の使用時間を適宜調整できる。
８.キャビティは自転機能を備え、温度の均一性を高めることができる：本発明は自転回転盤等の機構を装備しており、被加熱物がマイクロ波キャビティ内で自転してマイクロ波加熱が円周方向において生じる温度差を低減することができる。

１０ 密封容器
２０ 伝導加熱ユニット
３０ マイクロ波セミキャビティ
３１ 導波管
３２ マイクロ波セミキャビティスリーブ
３３ マイクロ波セミキャビティ本体
４０ 伝導セミキャビティ
４１ 伝導セミキャビティ本体
４１１ 伝導セミキャビティ内壁
４１２ 収容空間
４１３ 伝導セミキャビティ外壁
４２ 伝導セミキャビティ上蓋
５０ 自転回転盤
５０１ 外環歯車
５１ 自転モーター
５２ 歯車
６０ 複合加熱モジュール
６１ 旋回装置
７０ マイクロ波加熱ユニット
８０ 伝導加熱工率コントローラ

Claims (6)

1. 被加熱物に対して加熱加工を行うために用いるキャビティが分離可能なモジュール化複合マイクロ波加熱システムであって、伝導加熱ユニットと、マイクロ波加熱ユニットと、密封容器と、伝導セミキャビティと、マイクロ波セミキャビティと、を含み、
   前記伝導加熱ユニットが接触熱源を提供し、
   前記マイクロ波加熱ユニットがマイクロ波を提供し、
   前記密封容器に前記被加熱物が充填され、
   前記伝導セミキャビティが、伝導セミキャビティ内壁を備えた伝導セミキャビティ本体と、前記伝導セミキャビティ内壁で構成された収容空間と、マイクロ波を透過可能な材質で成り、かつ前記収容空間を被覆する伝導セミキャビティ上蓋を含み、前記収容空間に前記密封容器が収容され、かつ前記伝導セミキャビティ内壁、前記伝導セミキャビティ上蓋が前記密封容器に緊密に当接され、前記伝導セミキャビティ本体の前記伝導セミキャビティ上蓋から遠い一面が前記接触熱源に接触され、
   前記マイクロ波セミキャビティが、導波管と、マイクロ波セミキャビティスリーブと、マイクロ波セミキャビティ本体を含み、前記マイクロ波セミキャビティが前記伝導セミキャビティと上下に緊密に閉じ合わされてマイクロ波共振キャビティを形成し、前記マイクロ波加熱ユニットが発生するマイクロ波が前記導波管を介して前記マイクロ波共振キャビティ内に導入され、前記マイクロ波を前記被加熱物に作用させる、
   ことを特徴とする、キャビティが分離可能なモジュール化ハイブリッドマイクロ波加熱システム。
2. 前記マイクロ波セミキャビティ本体が強磁性金属材質で構成されることを特徴とする、請求項１に記載のキャビティが分離可能なモジュール化ハイブリッドマイクロ波加熱システム。
3. 前記伝導加熱ユニットが、電磁誘導、ガス加熱、電熱モジュールのいずれかから選択されることを特徴とする、請求項１に記載のキャビティが分離可能なモジュール化ハイブリッドマイクロ波加熱システム。
4. さらに、前記マイクロ波共振キャビティを積載して回動する自転回転盤を含むことを特徴とする、請求項１に記載のキャビティが分離可能なモジュール化ハイブリッドマイクロ波加熱システム。
5. さらに自転モーターを含み、前記自転回転盤が外環歯車を備え、前記自転モーターが歯車を介して前記外環歯車に噛合されることを特徴とする、請求項４に記載のキャビティが分離可能なモジュール化ハイブリッドマイクロ波加熱システム。
6. 前記伝導加熱ユニットの加熱工率が、伝導加熱工率コントローラにより調整され、前記マイクロ波加熱ユニット、前記マイクロ波セミキャビティ、前記伝導加熱ユニット、前記伝導加熱工率コントローラ、前記自転回転盤、前記自転モーターが共同で１セットの複合加熱モジュールとして組み立てられ、前記複合加熱モジュールと前記伝導セミキャビティが複数あり、前記複数の複合加熱モジュールが旋回装置上に環状に配列して設置され、前記複数の伝導セミキャビティが順に前記複数の複合加熱モジュール上に出入されることを特徴とする、請求項５に記載のキャビティが分離可能なモジュール化ハイブリッドマイクロ波加熱システム。