WO2021166563A1 - マイクロ波処理装置 - Google Patents

Abstract

本開示の一態様のマイクロ波処理装置は、加熱室と、マイクロ波発生部と、増幅部と、給電部と、検出部と、記憶部と、制御部とを備える。マイクロ波発生部は、所定の周波数帯域における任意の周波数を有するマイクロ波を発生する。増幅部は、マイクロ波を増幅し、増幅されたマイクロ波を入射電力として出力する。給電部は、入射電力を加熱室に供給する。検出部は、入射電力と加熱室から給電部に戻る反射電力とを検出する。記憶部は、入射電力と反射電力とを、マイクロ波の周波数と加熱の開始からの経過時間とに関連付けて記憶する。制御部は、マイクロ波発生部に、所定の周波数帯域にわたって周波数掃引を行わせる。制御部は、周波数掃引の間に検出された入射電力および反射電力に基づいてマイクロ波発生部および増幅部を制御する。本態様によれば、加熱の均一性を向上させることができる。

Description

マイクロ波処理装置

　本開示は、マイクロ波発生部を備えたマイクロ波処理装置（Microwave treatment device）に関する。

　従来、半導体発振素子を有し、マイクロ波の周波数および出力レベルを制御して被加熱物をより均一に加熱しようとするマイクロ波処理装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。

　従来のマイクロ波処理装置は、マイクロ波の入射波と反射波との差に基づいて、各周波数における被加熱物に吸収されたマイクロ波電力の量を算出する。従来のマイクロ波処理装置は、この情報に基づいて各周波数におけるマイクロ波の出力レベルおよび発振時間を調整することで、加熱の均一化を図るものである。

　マイクロ波の周波数が変わると、加熱室内のマイクロ波分布、すなわち、被加熱物に対する加熱パターンが変わる。このため、従来のマイクロ波処理装置では、各周波数における被加熱物に吸収された電力を同等にすることを重要視している。

　従来のマイクロ波処理装置は、マイクロ波の入射波と反射波との差が被加熱物に吸収された電力の量であると推定し、各周波数における被加熱物に吸収された電力が同等になるようにマイクロ波の周波数、出力レベル、および、発振時間を制御する。

　従来の技術は、マイクロ波の伝送経路、および、加熱室の壁面におけるマイクロ波の散逸を考慮する。これにより、各周波数における被加熱物に吸収された電力の推定における精度を改善することができる。

特表２００９－５２７８８３号公報

　しかしながら、特許文献１に記載の技術を電子レンジに適用しても、実際の調理において十分な加熱の均一性を達成することは難しい。

　電子レンジで食品を加熱すると、温度変化に伴って食品の誘電率は変化する。特に、冷凍食品の場合、温度上昇によりその一部分が融解すると、その融解部分の誘電率は急激に上昇する。このため、マイクロ波の周波数および出力レベルを制御しても、冷凍食品の融解部分へのマイクロ波の集中を抑制することは困難である。その結果、加熱ムラが発生する。

　電子レンジの加熱室において、マイクロ波は、給電部に近い被加熱物の部分には他の部分よりも集中する傾向が強い。このため、マイクロ波の周波数および出力レベルを制御しても、冷凍食品の融解部分へのマイクロ波の集中を抑制することは困難である。その結果、加熱ムラが発生する。

　本開示の目的は、被加熱物をより均一に加熱することができるマイクロ波処理装置を提供することである。

　本開示の一態様のマイクロ波処理装置は、被加熱物を収容するための加熱室と、マイクロ波発生部と、増幅部と、給電部と、検出部と、制御部と、記憶部と、を備える。

　マイクロ波発生部は、所定の周波数帯域における任意の周波数を有するマイクロ波を発生する。増幅部は、マイクロ波を増幅し、増幅されたマイクロ波を入射電力として出力する。給電部は、入射電力を加熱室に供給する。検出部は、入射電力と加熱室から給電部に戻る反射電力とを検出する。記憶部は、入射電力と反射電力とを、マイクロ波の周波数と加熱の開始からの経過時間とに関連付けて記憶する。

　制御部は、マイクロ波発生部に、所定の周波数帯域にわたって周波数掃引を行わせる。制御部は、周波数掃引の間に検出された入射電力および反射電力に基づいてマイクロ波発生部および増幅部を制御する。

　本態様によれば、加熱の均一性を向上させることができる。

図１は、本開示の実施の形態に係るマイクロ波処理装置の一例を示す概略構成図である。 図２Ａは、実施例１による周波数と出力レベルと停止時間との時間的変化の一例を模式的に示す図である。 図２Ｂは、実施例１による周波数ごとに設定される停止時間の一例を示す図である。 図３は、（ａ）反射波率の周波数特性の一例を示す図、および、（ｂ）実施例２による周波数ごとに設定される停止時間の一例を示す図である。 図４は、（ａ）反射波率の周波数特性と設定された閾値との一例を示す図、および、（ｂ）閾値を考慮した場合の周波数ごとに設定される停止時間の一例を示す図である。 図５Ａは、実施例４による周波数と出力レベルとデューティ比との時間的変化の一例を示す図である。 図５Ｂは、実施例４による周波数ごとに設定されるデューティ比の一例を示す図である。 図６は、（ａ）反射波率の周波数特性の一例を示す図、および、（ｂ）実施例５による周波数ごとに設定されるデューティ比の一例を示す図である。 図７は、（ａ）反射波率の周波数特性の一例を示す図、および、（ｂ）閾値を考慮した場合の周波数ごと設定されるデューティ比の一例を示す図である。 図８は、実施例７による周波数と反射波率との時間的変化の一例を示す図である。 図９は、実施例８による周波数と反射波率との時間的変化の一例を示す図である。 図１０は、実施例９による周波数と反射波率との時間的変化の一例を示す図である。 図１１は、反射波率の周波数特性と設定された閾値との一例を示す図である。 図１２は、加熱室内の各温度における反射波率の周波数特性の一例を示す図である。

　（本開示の基礎となった知見）
　上記従来の技術では、被加熱物に吸収された電力を指標として、マイクロ波の周波数、出力レベル、および、発振時間を制御する。しかし、従来の技術では、加熱の均一性に対する効果は限定的であり、マイクロ波の局所的集中を大幅に抑制するものではない。

　被加熱物の種類、形状、大きさ、および、置き場所に所定の制限を設ければ、加熱の均一性に対して一定の効果を奏する可能性はある。しかし、従来の技術を、電子レンジによる実際の調理に適用するのは困難である。

　被加熱物をより均一に加熱するには、いかにして加熱中の食品内の温度差を抑制するかが重要である。発明者らは、以下の発明を想い到った。この発明は、被加熱物の熱伝導と被加熱物の表面からの熱放射とに基づいて、マイクロ波の周波数、出力レベル、および、発振時間を制御するものである。これにより、局所的な温度上昇、および、局所的な誘電率の変化を抑制し、その結果、被加熱物をより均一に加熱することができる。

　本開示の第１態様のマイクロ波処理装置は、被加熱物を収容するための加熱室と、マイクロ波発生部と、増幅部と、給電部と、検出部と、制御部と、記憶部と、を備える。

　マイクロ波発生部は、所定の周波数帯域における任意の周波数を有するマイクロ波を発生する。増幅部は、マイクロ波を増幅し、増幅されたマイクロ波を入射電力として出力する。給電部は、入射電力を加熱室に供給する。検出部は、入射電力と加熱室から給電部に戻る反射電力とを検出する。記憶部は、入射電力と反射電力とを、マイクロ波の周波数と加熱の開始からの経過時間とに関連付けて記憶する。

　制御部は、マイクロ波発生部に、所定の周波数帯域にわたって周波数掃引を行わせる。制御部は、周波数掃引の間に検出された入射電力および反射電力に基づいてマイクロ波発生部および増幅部を制御する。

　本開示の第２態様のマイクロ波処理装置において、第１態様に基づきながら、制御部は、マイクロ波の周波数を変化させる際に、マイクロ波の出力を停止する停止時間を設定する。制御部は、マイクロ波の周波数に応じて停止時間を変化させる。

　本開示の第３態様のマイクロ波処理装置において、第２態様に基づきながら、制御部は、周波数掃引における周波数の各々に関する入射電力に対する反射電力の割合である反射波率を算出する。制御部は、停止時間を反射波率が低いほど長く設定する。

　本開示の第４態様のマイクロ波処理装置において、第２態様に基づきながら、制御部は、周波数掃引における周波数の各々に関する入射電力に対する反射電力の割合である反射波率を算出する。制御部は、反射波率が所定の値を超えた周波数のマイクロ波には停止時間を設定しない。

　本開示の第５態様のマイクロ波処理装置において、第２態様に基づきながら、制御部は、周波数に応じてマイクロ波の出力におけるデューティ比を変更する。

　本開示の第６態様のマイクロ波処理装置において、第５態様に基づきながら、制御部は、周波数掃引における周波数の各々に関する入射電力に対する反射電力の割合である反射波率を算出する。制御部は、反射波率が高いほどデューティ比を高く設定する。

　本開示の第７態様のマイクロ波処理装置において、第５態様に基づきながら、制御部は、周波数掃引における周波数の各々に関する入射電力に対する反射電力の割合である反射波率を算出する。制御部は、反射波率が所定値を超えた周波数のマイクロ波にはデューティ比を１００％に設定する。

　本開示の第８態様のマイクロ波処理装置において、第１態様に基づきながら、制御部は、マイクロ波発生部に、入射電力に対する反射電力の割合である反射波率がより高い周波数のマイクロ波と、反射波率がより低い周波数のマイクロ波とを交互に発生させる。

　本開示の第９態様のマイクロ波処理装置において、第８態様に基づきながら、制御部は、マイクロ波発生部に、反射波率がより高い周波数の場合は周波数の高い順にマイクロ波を発生させる。制御部は、マイクロ波発生部に、反射波率がより低い周波数の場合は周波数の低い順にマイクロ波を発生させる。

　本開示の第１０態様のマイクロ波処理装置において、第１態様に基づきながら、制御部は、周波数掃引における周波数の各々に関する入射電力に対する反射電力の割合である反射波率を算出する。制御部は、マイクロ波発生部に、反射波率の最も高い周波数から順にマイクロ波を発生させる。

　本開示の第１１態様のマイクロ波処理装置において、第１態様に基づきながら、制御部は、周波数掃引における周波数の各々に関する入射電力に対する反射電力の割合である反射波率を算出する。制御部は、マイクロ波発生部に、反射波率が所定の値を超えた周波数のマイクロ波のみを発生させる。

　本開示の第１２態様のマイクロ波処理装置において、第１１態様に基づきながら、制御部は、マイクロ波発生部に、反射波率が所定の値を超えた周波数のマイクロ波のみを加熱の開始から終了まで発生させる。

　本開示の第１３態様のマイクロ波処理装置において、第１１態様に基づきながら、制御部は、加熱の開始から終了までの時間の最初の半分が経過するまでに、反射波率を算出する。

　本開示の第１４態様のマイクロ波処理装置において、第１態様から第１３態様のいずれか一つに基づきながら、制御部は、加熱室内の温度に基づいて、マイクロ波発生部に周波数掃引を行なわせ、マイクロ波の発振条件であるマイクロ波の周波数および出力レベルを再設定する。

　本開示の第１５態様のマイクロ波処理装置において、第１４態様に基づきながら、制御部は、加熱室内の温度が所定値だけ変化するたびに、マイクロ波発生部に周波数掃引を行なわせ、マイクロ波の発振条件を再設定する。

　本開示の第１６態様のマイクロ波処理装置において、第１４態様に基づきながら、制御部は、加熱室の温度が所定温度を通過するたびに、マイクロ波発生部に周波数掃引を行なわせ、マイクロ波の発振条件を再設定する。

　このような構成により、加熱室内の温度変化に伴う加熱室内の共振周波数の変化の影響を減少し、一定の条件下で再設定のタイミングを定めることで、安定してより均一な加熱が可能となる。

　以下、本開示の実施の形態について、添付の図面を参照しながら説明する。

　図１は、本開示の実施の形態に係るマイクロ波処理装置の一例を示す概略構成図である。図１に示すように、本実施の形態に係るマイクロ波処理装置は、加熱室１と、マイクロ波発生部３と、増幅部４と、給電部５と、検出部６と、制御部７と、記憶部８とを備える。

　加熱室１は、負荷である食品などの被加熱物２を収容する。マイクロ波発生部３は半導体素子で構成される。マイクロ波発生部３は、所定の周波数帯域における任意の周波数のマイクロ波を発生することができ、制御部７により指定された周波数のマイクロ波を発生する。

　増幅部４は半導体素子で構成される。増幅部４は、マイクロ波発生部３により発生されたマイクロ波を制御部７の指示に応じて増幅し、増幅されたマイクロ波を出力する。

　給電部５はアンテナとして機能し、増幅部４により増幅されたマイクロ波を入射電力として加熱室１に供給する。すなわち、給電部５は、マイクロ波発生部３により発生されたマイクロ波に基づく入射電力を加熱室１に供給する。入射電力のうち、被加熱物２などにより消費されない電力は、加熱室１から給電部５に戻る反射電力となる。

　検出部６は例えば方向性結合器で構成される。検出部６は入射電力および反射電力の量を検出し、その情報を制御部７に通知する。すなわち、検出部６は、入射電力検出部および反射電力検出部の両方として機能する。

　検出部６は、例えば約－４０ｄＢの結合度を有し、入射電力および反射電力の約１／１００００程度の電力を抽出する。抽出された入射電力および反射電力は検波ダイオード（図示せず）で整流化され、コンデンサ（図示せず）で平滑化されて、入射電力および反射電力に応じた情報に変換される。制御部７は、これらの情報を受信する。

　記憶部８は半導体メモリなどで構成され、制御部７からのデータを記憶し、記憶したデータを読み出して制御部７に送信する。特に、記憶部８は、検出部６により検出された入射電力および反射電力の量を、マイクロ波の周波数と加熱の開始からの経過時間とともに記憶する。

　制御部７は、ＣＰＵ（Central processing unit）を含むマイクロプロセッサで構成される。制御部７は、検出部６および記憶部８からの情報に基づいて、マイクロ波発生部３および増幅部４を制御して、マイクロ波処理装置における調理制御を実行する。

　制御部７は、マイクロ波発生部３に周波数掃引を行わせる。周波数掃引とは、所定の周波数帯域にわたって周波数を所定の周波数間隔で順に変えるマイクロ波発生部３の動作である。本実施の形態では、所定の周波数帯域は２４００ＭＨｚ～２５００ＭＨｚである。

　制御部７は、周波数掃引の後に、被加熱物２の加熱に用いる周波数を所定の周波数帯域から選択する。具体的には、制御部７は、周波数掃引の間に検出された入射電力および反射電力の値に基づいて、入射電力に対する反射電力の割合（％）である反射波率を算出する。制御部７は、反射波率に基づいて、マイクロ波発生部３におけるマイクロ波の発振周波数と、増幅部４におけるマイクロ波の増幅率とを制御して、加熱のための周波数のマイクロ波を加熱室１に供給する。

　加熱室１の内壁は、加熱室１に供給されたマイクロ波を繰り返し反射する。この際に生じるマイクロ波間の干渉によって、加熱室１内の被加熱物２に対する加熱パターンが決まる。

　マイクロ波の波長は、周波数に応じて変化する。マイクロ波の波長の変化は、マイクロ波によって強く加熱される場所と、弱く加熱される場所とを変化させる。このため、反射を繰り返すマイクロ波間の干渉が変化し、それに伴って加熱パターンも変化する。すなわち、マイクロ波の周波数および出力レベルを適切に制御すると、被加熱物２をより均一に加熱することができる。

　以下、本実施の形態における制御部７による種々の制御方法を、実施例１～実施例１１として説明する。互いに矛盾しなければ、下記実施例のうちの少なくとも二つを任意に組み合わせてもよい。

　（実施例１）
　本実施の形態の実施例１について説明する。図２Ａは、実施例１によるマイクロ波の周波数と出力レベルと停止時間との時間的変化の一例を模式的に示す。図２Ｂは、実施例１によるマイクロ波の周波数ごとに設定される停止時間の一例を示す。

　図２Ａに示すように、実施例１では、マイクロ波の周波数を切り替える際に、制御部７は、マイクロ波発生部３によるマイクロ波の出力を停止する。本実施の形態では、マイクロ波発生部３がマイクロ波を出力する期間を出力時間と呼び、マイクロ波発生部３がマイクロ波の出力を停止する期間を停止時間と呼ぶ。

　具体的には、例えば、図２Ａに示すように、出力時間ＯＴ１～ＯＴ５はすべて１２秒である。停止時間ＳＴ１、ＳＴ２、ＳＴ３、ＳＴ４はそれぞれ、６秒、１０秒、２秒、１５秒である。周波数Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５はそれぞれ、２４０５ＭＨｚ、２４１４ＭＨｚ、２４３０ＭＨｚ、２４３８ＭＨｚ、２４４５ＭＨｚである。

　この方法によれば、停止時間において被加熱物２内に熱が伝わり、被加熱物２の表面から熱が放射される。従って、直前の周波数のマイクロ波での加熱パターンにより生じた加熱ムラを減少させることができる。

　このようにして、次の周波数のマイクロ波を供給し始める前に、加熱ムラにより生じた被加熱物２における誘電率のムラを低減させることができる。その結果、誘電率の上昇した被加熱物２の部分へのマイクロ波の集中を抑制することができ、加熱の均一性を向上させることができる。

　周波数によって加熱パターンと加熱ムラとは変化する。加熱ムラを低減させるための停止時間は周波数毎に異なる。

　図２Ｂに示すように、マイクロ波の周波数に応じて停止時間を変更することで、加熱の均一性を向上させることができる。実施例１において、必要最小限の停止時間を設定すれば、調理時間が必要以上に長くならないようにすることができる。停止時間の代わりに、マイクロ波の出力レベルを大幅に低下させる低出力時間を設けてもよい。

　（実施例２）
　本実施の形態の実施例２について説明する。図３の（ａ）は、反射波率の周波数特性の一例を示す。図３の（ｂ）は、実施例２によるマイクロ波の周波数ごとに設定される停止時間の一例を示す。上記の通り、反射波率とは、入射電力に対する反射電力の割合（％）である。

　図３の（ａ）に示すように、一般的に反射波率は周波数によって異なる。マイクロ波発生部３に戻らないマイクロ波の大部分は、被加熱物２において散逸される。しかし、一部のマイクロ波は、被加熱物２以外のマイクロ波処理装置の部品においても散逸される。

　その部品には、例えば、加熱室１の内壁、加熱室１内に配置されたヒータ、ドアガラスなどの加熱室１内の部品、導波管およびアンテナ（これらは給電部５に相当する）などが含まれる。

　反射波率が低下するにつれて、被加熱物２におけるマイクロ波の散逸は大きくなる。しかし、被加熱物２全体において、マイクロ波は必ずしも均一に散逸するわけではない。すなわち、反射波率が低下すると、被加熱物２の加熱ムラは大きくなる傾向がある。

　このため、図３の（ａ）および図３の（ｂ）に示すように、実施例２では、制御部７は、図３の（ｂ）のグラフの形状が図３の（ａ）のグラフの形状と上下逆になるように、すなわち、停止時間が反射波率に反比例するように、停止時間を設定する。実施例２によれば、加熱の均一性を向上させることができる。

　（実施例３）
　本実施の形態の実施例３について説明する。図４の（ａ）は、反射波率の周波数特性と設定された閾値との一例を示す。図４の（ｂ）は、図４の（ａ）に示す閾値を考慮した場合のマイクロ波の周波数ごとに設定される停止時間の一例を示す。

　反射波率が高くなるにつれて、被加熱物２におけるマイクロ波の散逸は減少する。被加熱物２全体におけるマイクロ波の散逸が減少すれば、被加熱物２の温度が部分的に上昇することもない。すなわち、反射波率が高くなると、被加熱物２の加熱ムラは減少する傾向がある。このため、反射波率が一定の値を超えると停止時間を設ける必要がなくなる。

　実施例３では、制御部７は、閾値を設定し（図４の（ａ）参照）、その閾値より反射波率が高い周波数では、制御部７は停止時間をゼロに設定する（図４の（ａ）および図４の（ｂ）参照）。実施例３によれば、加熱の均一性を向上させるとともに、調理時間が必要以上に長くならないようにすることができる。

　この閾値は、被加熱物の種類および大きさ、並びに、マイクロ波の出力レベルにより異なる値に設定する必要がある。マイクロ波の出力レベルが例えば２５０Ｗの場合、反射波率の所定範囲内（４０％～９０％、実施例３では４０％）に閾値を設定すると、加熱の均一性が向上することが実験において示されている。

　周波数および被加熱物２は不変の場合において、マイクロ波の出力レベルを増加させると加熱ムラが大きくなる。加熱ムラを抑制するためには、反射波率のより大きい周波数のマイクロ波のみを使用する必要がある。従って、制御部７は、出力レベルに比例して反射波率の閾値を大きく設定する。

　（実施例４）
　本実施の形態の実施例４について説明する。図５Ａは、実施例４によるマイクロ波の周波数と出力レベルとデューティ比との時間的変化の一例を模式的に示す。図５Ｂは、実施例４によるマイクロ波の周波数ごとに設定されるデューティ比の一例を示す。デューティ比とは、出力時間と停止時間との合計に対する出力時間の比率（％）である。

　実施例４では、制御部７は、各周波数に対してあらかじめ定められた出力時間および停止時間が設定されたデューティ制御を行う。デューティ制御とは、所定または可変のデューティ比でのマイクロ波の出力のオンオフ制御である。

　例えば、図５Ａに示すように、周波数Ｆ２のマイクロ波に対するデューティ比は、周波数Ｆ１のマイクロ波に対するデューティ比よりも大きく設定される。周波数Ｆ３のマイクロ波に対するデューティ比は、周波数Ｆ１のマイクロ波に対するデューティ比よりも小さく設定される。

　具体的には、周波数Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３はそれぞれ、２４０５ＭＨｚ、２４１４ＭＨｚ、２４３０ＭＨｚである。周波数Ｆ２のマイクロ波の大きさは、周波数Ｆ１と同じに設定され、周波数Ｆ３のマイクロ波の大きさは、周波数Ｆ１よりも大きく設定されてもよい。

　この方法によれば、周波数を切り替える際の停止時間において、被加熱物２内に熱が伝わり、被加熱物２の表面から熱が放射される。従って、直前の周波数のマイクロ波での加熱パターンにより生じた加熱ムラを減少させることができる。

　このようにして、次の周波数のマイクロ波を供給し始める前に、加熱ムラにより生じた被加熱物２における誘電率のムラを低減させることができる。その結果、被加熱物２の誘電率の上昇した部分へのマイクロ波の集中を抑制することができ、加熱の均一性を向上させることができる。

　周波数によって加熱パターンと加熱ムラとは変化する。加熱ムラを低減させるためのデューティ比は周波数毎に異なる。実施例４によれば、図５Ｂに示すように、周波数に応じてデューティ比を変更することで、加熱の均一性を向上させることができる。必要以上にデューティ比を下げないようにすることで、調理時間が必要以上に長くならないようにすることができる。

　デューティ制御の代わりに、制御部７は、マイクロ波発生部３に、同一周波数を有する、高出力レベルのマイクロ波とゼロに近いより低出力レベルのマイクロ波とを所定の時間比で交互に発生させてもよい。

　（実施例５）
　本実施の形態の実施例５について説明する。図６の（ａ）は、反射波率の周波数特性の一例を示す。図６の（ｂ）は、実施例５によるマイクロ波の周波数ごとに設定されるデューティ比の一例を示す。

　図６の（ａ）に示すように、一般的に反射波率は周波数によって異なる。反射波率が低下するにつれて、被加熱物２におけるマイクロ波の散逸は大きくなり、被加熱物２の加熱ムラが大きくなる傾向がある。

　実施例５では、図６の（ａ）および図６の（ｂ）に示すように、制御部７は、図６の（ｂ）のグラフの形状が図６の（ａ）のグラフの形状と同じになるように、すなわち、デューティ比が反射波率に比例するように、デューティ制御を行う。実施例５によれば、加熱ムラを低減させ、加熱の均一性を向上させることができる。

　（実施例６）
　本実施の形態の実施例６について説明する。図７の（ａ）は、反射波率の周波数特性と設定された閾値との一例を示す。図７の（ｂ）は、図７の（ａ）に示す閾値を考慮した場合のマイクロ波の周波数ごとに設定されるデューティ比の一例を示す。

　反射波率が高くなるにつれて、被加熱物２におけるマイクロ波の散逸は減少する。被加熱物２全体におけるマイクロ波の散逸が減少すれば、被加熱物２の温度が部分的に上昇することもない。すなわち、反射波率が高くなると、加熱ムラが減少する傾向がある。実施例６では、制御部７は、閾値を設定し、反射波率がその閾値を超えると、デューティ制御を止めて常にマイクロ波発生部３にマイクロ波を出力させ続ける。

　設定された閾値（図７の（ａ）参照）より反射波率が高い周波数に対して、制御部７はデューティ比を１００％に設定する（図７の（ａ）および図７の（ｂ）参照）。実施例６によれば、加熱の均一性を向上させるとともに、調理時間が必要以上に長くならないようにすることができる。

　この閾値は、被加熱物の種類および大きさ、並びに、マイクロ波の出力レベルにより異なる値である必要がある。しかしながら、マイクロ波の出力レベルが例えば２５０Ｗの場合、反射波率の所定範囲内（４０％～９０％、実施例６では４０％）に閾値を設定すると、加熱の均一性が向上することが実験において示されている。

　周波数および被加熱物２は不変の場合において、マイクロ波の出力レベルを増加させると加熱ムラが大きくなる。加熱ムラを抑制するためには、反射波率のより大きい周波数のマイクロ波のみを使用する必要がある。従って、制御部７は、出力レベルに比例して反射波率の閾値を大きく設定する。

　（実施例７）
　本実施の形態の実施例７について説明する。図８は、実施例７によるマイクロ波の周波数と反射波率との時間的変化の一例を模式的に示す。

　反射波率が低下するにつれて、被加熱物２におけるマイクロ波の散逸が大きくなり、被加熱物２の加熱ムラが大きくなる傾向がある。反射波率が高くなるにつれて、マイクロ波の散逸は小さくなり、加熱ムラが減少する傾向がある。

　図８に示すように、実施例７では、制御部７は、周波数Ｆ１のマイクロ波による加熱開始後、マイクロ波発生部３に、反射波率が低下するように発振周波数を周波数Ｆ２に切り替えさせる。その後、制御部７は、マイクロ波発生部３に、反射波率が上昇するように発振周波数を周波数Ｆ３に切り替えさせる。制御部７は、マイクロ波発生部３にこの動作を繰り返し実行させる。

　すなわち、周波数Ｆ２のマイクロ波は、周波数Ｆ１のマイクロ波よりも反射波率が低い。周波数Ｆ３のマイクロ波は、周波数Ｆ２のマイクロ波よりも反射波率が高い。周波数Ｆ４のマイクロ波は、周波数Ｆ３のマイクロ波よりも反射波率が低い。

　周波数Ｆ５のマイクロ波は、周波数Ｆ４のマイクロ波よりも反射波率が高い。周波数Ｆ６のマイクロ波は、周波数Ｆ５のマイクロ波よりも反射波率が低い。周波数Ｆ７のマイクロ波は、周波数Ｆ６のマイクロ波よりも反射波率が高い。周波数Ｆ８のマイクロ波は、周波数Ｆ７のマイクロ波よりも反射波率が低い。

　具体的には、周波数Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５、Ｆ６、Ｆ７、Ｆ８はそれぞれ、２４０５ＭＨｚ、２４１４ＭＨｚ、２４３０ＭＨｚ、２４３８ＭＨｚ、２４４５ＭＨｚ、２４５９ＭＨｚ、２４８３ＭＨｚ、２４９９ＭＨｚである。

　実施例７によれば、反射波率の高い周波数のマイクロ波による加熱の際に、被加熱物２内に熱が伝わり、被加熱物２の表面から熱が放射される。その結果、反射波率の低い周波数のマイクロ波による加熱で生じた加熱ムラを減少させることができる。すなわち、加熱の均一性が向上する。

　実施例１～３に記載のように、周波数を切り替える際に停止時間を設定することで、加熱の均一性が向上する。一方、実施例７は均一加熱だけでなく、加熱時間の短縮にも効果的である。

　（実施例８）
　本実施の形態の実施例８について説明する。図９は、実施例８によるマイクロ波の周波数と反射波率との時間的変化の一例を模式的に示す。

　実施例８では、図９に示すように、制御部７は、実施例７と同様に、反射波率が交互に増減するようにマイクロ波発生部３にマイクロ波の周波数を切り替えさせる。

　それに加えて、反射波率がより高い周波数に関しては、制御部７は、マイクロ波発生部３に、最も高い周波数から順にマイクロ波を発生させる。反射波率がより低い周波数に関しては、制御部７は、マイクロ波発生部３に、最も低い周波数から順にマイクロ波を発生させる。

　すなわち、制御部７は、マイクロ波発生部３に次のような動作を実行させる。マイクロ波発生部３は、反射波率が最も低い周波数Ｆ１のマイクロ波を発生させ、次に、反射波率が最も高い周波数Ｆ２のマイクロ波を発生する。その後、マイクロ波発生部３は、反射波率が２番目に低い周波数Ｆ３のマイクロ波を発生させ、次に、反射波率が２番目に高い周波数Ｆ４のマイクロ波を発生する。

　その後、マイクロ波発生部３は、反射波率が３番目に低い周波数Ｆ５のマイクロ波を発生させ、次に、反射波率が３番目に高い周波数Ｆ６のマイクロ波を発生する。その後、マイクロ波発生部３は、反射波率が４番目に低い周波数Ｆ７のマイクロ波を発生させ、次に、反射波率が４番目に高い周波数Ｆ８のマイクロ波を発生する。

　具体的には、周波数Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５、Ｆ６、Ｆ７、Ｆ８はそれぞれ、２４０５ＭＨｚ、２４１４ＭＨｚ、２４３０ＭＨｚ、２４３８ＭＨｚ、２４４５ＭＨｚ、２４５９ＭＨｚ、２４８３ＭＨｚ、２４９９ＭＨｚである。

　実施例８によれば、制御を簡素化しつつ、加熱の均一性を向上させることができる。制御の簡素化とは、各周波数におけるマイクロ波の出力レベルおよび発振時間、並びに、発生する周波数の順番などを決定するのに必要なパラメータの数を減らすことを意味する。

　この方法では、加熱ムラの大きい加熱と加熱ムラの小さい加熱とが、その度合いの順に交互に行われる。これにより、例えば、全ての周波数で同じ出力レベルのマイクロ波を用いる場合に、各周波数における加熱時間を同一にすることができる。その結果、制御をより簡素化することができる。

　（実施例９）
　本実施の形態の実施例９について説明する。図１０は、実施例９によるマイクロ波の周波数と反射波率との時間的変化の一例を模式的に示す。図１０に示すように、制御部７は、マイクロ波発生部３に、反射波率がより高い周波数のマイクロ波から順に発生させる。

　実施例９では、周波数Ｆ１～周波数Ｆ７のマイクロ波は、この順で、反射波率が高く、加熱ムラが少ない。すなわち、周波数Ｆ１～周波数Ｆ４に対する反射波率は、周波数Ｆ５～周波数Ｆ７のそれよりも高い。加熱ムラがより小さい周波数のマイクロ波での加熱の際に、被加熱物２内に熱が伝わり、被加熱物２の表面から熱が放射される。

　具体的には、周波数Ｆ１、Ｆ２、Ｆ３、Ｆ４、Ｆ５、Ｆ６、Ｆ７はそれぞれ、２４０５ＭＨｚ、２４１４ＭＨｚ、２４３０ＭＨｚ、２４３８ＭＨｚ、２４４５ＭＨｚ、２４５９ＭＨｚ、２４８３ＭＨｚである。

　その結果、反射波率の低い周波数のマイクロ波による加熱で生じた加熱ムラが、反射波率の高い周波数のマイクロ波による加熱時に減少する。すなわち、加熱の均一性が向上する。

　実施例１～３に記載のように、周波数を切り替える際に停止時間を設定する制御方法よりも、実施例９では１周波数当りの加熱時間を短く設定する。これにより、加熱の均一性が向上する傾向がある。

　これは、１周波数当りの加熱時間が長いほど、反射波率がより小さい周波数のマイクロ波による加熱において加熱ムラが大きくなり、局所的にタンパク質が変性したことによる。

　（実施例１０）
　本実施の形態の実施例１０について説明する。図１１は、反射波率の周波数特性と設定された閾値との一例を示す。

　図１１に示すように、実施例１０では、制御部７は、反射波率が所定の閾値より高い周波数帯（周波数帯ＦＢ１、ＦＢ２、ＦＢ３、ＦＢ４）の周波数のマイクロ波のみを使用する。これは、加熱ムラが比較的小さい周波数のマイクロ波のみを使用することである。従って、この制御をより長く行なえば、その分、加熱の均一性が向上する。

　この閾値は、被加熱物の種類および大きさ、並びに、マイクロ波の出力レベルにより異なる値に設定する必要がある。しかしながら、マイクロ波の出力レベルが例えば２５０Ｗの場合、反射波率の所定範囲内（４０％～９０％、実施例１０では４０％）に閾値を設定すると、加熱の均一性が向上することが実験において示されている。

　周波数および被加熱物２は不変の場合において、マイクロ波の出力レベルを増加させると加熱ムラが大きくなる。加熱ムラを抑制するためには、反射波率のより大きい周波数のマイクロ波のみを使用する必要がある。従って、制御部７は、出力レベルに比例して反射波率の閾値を大きく設定する。

　制御部７は、マイクロ波発生部３の動作開始から終了まで、すなわち、加熱の開始から終了まで、閾値より反射波率が高い周波数のマイクロ波のみを使用する。これにより、さらに加熱の均一性が向上する。

　加熱の開始から終了まで閾値より反射波率が高い周波数のマイクロ波のみを使用して、加熱前半の少なくともいずれかの時間にこの制御が行われると、加熱の均一性が向上する。

　これは、加熱終了時の加熱ムラへの影響が大きい加熱の初期段階において、加熱ムラを抑制することができるからである。加熱の初期段階で加熱ムラが大きいと、加熱終了までの長い期間、誘電率の高い被加熱物２の部分にマイクロ波が局所的に集中する。

　（実施例１１）
　本実施の形態の実施例１１について説明する。図１２は、加熱室１内の各温度における反射波率の周波数特性の一例を示す。

　図１２に示すように、反射波率の周波数特性は、加熱室１の温度によって変化する。具体的には、加熱室１の温度が上昇するにつれ、反射波率の周波数特性は、その波形をほぼ維持したまま周波数のより低い左側にシフトする。

　これは、加熱室１内の温度が上昇するにつれて、加熱室１におけるマイクロ波の共振周波数が低下することによる。この現象が生じる一つの理由は、加熱室１の壁面の金属が膨張し、加熱室１内の体積が僅かに増加することである。他の理由は、ドアガラスの誘電率の上昇により、ドアガラス内でのマイクロ波の波長の圧縮率が上昇することである。

　例えば、マイクロ波とは別に、輻射加熱および対流加熱を用いたオーブン加熱などにおいて、このような状態が発生する。

　従って、制御部７は、加熱室１の温度に基づいて周波数掃引を行ない、反射波率の周波数特性を再取得する。制御部７は、反射波率の周波数特性に基づいてマイクロ波の発振条件を再設定する。

　発振条件とは、マイクロ波の周波数および出力レベルを意味する。制御部７は、マイクロ波発生部３にマイクロ波の周波数を変更させ、増幅部４にマイクロ波の出力レベルを変更させて、発振条件を再設定する。これにより、加熱の均一性を向上させることができる。

　図１２に示す三つのグラフにおいて、加熱室１内の温度上昇幅はほぼ同じであり、その温度上昇に応じて反射波率の周波数特性はほぼ同じ周波数だけ左側にシフトしている。従って、制御部７は、加熱室１の温度が所定値だけ変化するたびに周波数掃引を行ない、反射波率の周波数特性を再取得し、マイクロ波の発振条件を再設定する。これにより、加熱の均一性を向上させることができる。

　反射波率の周波数特性を再取得するべきタイミングを示す加熱室１の温度変化の程度は、加熱室１の形状および壁面の材質、並びに、被加熱物２の種類および大きさなどに依存する。図１２に示す周波数特性の測定条件は次の三つである。（１）加熱室１の容積は５０リットルである。（２）壁面は琺瑯処理をした鋼板である。（３）加熱室１に被加熱物２が置かれていない。

　図１２に示す周波数特性の場合、シフトの程度を考慮して、最大で１００℃ごとに、好ましくは２０℃ごとに反射波率の周波数特性を再取得するべきである。

　制御部７は、加熱室１内の温度が所定温度を超え、または、下回った場合、都度、反射波率の周波数特性を再取得し、マイクロ波の発振条件を再設定してもよい。換言すると、加熱室１内の温度が所定温度を超え、または、下回った場合とは、加熱室１内の温度が所定温度を通過した場合である。

　再設定のタイミングを示す条件を明確に定義することにより、加熱室１内の温度変化に伴う加熱室１内の共振周波数の変化の影響を低減させることができる。その結果、より均一な加熱を安定的に行うことができる。

　反射波率の周波数特性の再取得を行なうべき加熱室１の温度は、輻射加熱および対流加熱を用いたオーブン加熱における設定温度の半分に設定するのが望ましい。上記温度は、その設定温度と室温との差の半分の温度でもよい。

　実施例１～実施例１１において、制御部７は、反射波率の代わりに加熱室１におけるマイクロ波の散逸率を用いてもよい。加熱室１におけるマイクロ波の散逸率とは、入射電力に対する入射電力と反射電力との差の割合（％）である。

　制御部７は、加熱室１の内壁、ヒータ、ドアガラスなどの加熱室１内の部品、伝送経路などにおけるマイクロ波の散逸を推定し、その数値に基づいて反射波率を補正してもよい。

　制御部７は、赤外線センサなどを用いて得られた被加熱物２の温度に基づいて、被加熱物２におけるマイクロ波の散逸を推定し、その数値を反射波率の代わりに使用してもよい。

　本開示に係るマイクロ波処理装置は、上記の加熱調理器の他に、乾燥装置、陶芸用加熱装置、生ゴミ処理機、半導体製造装置、化学反応装置などに適用可能である。

　１　加熱室
　２　被加熱物
　３　マイクロ波発生部
　４　増幅部
　５　給電部
　６　検出部
　７　制御部
　８　記憶部

Claims (16)

1. 　被加熱物を収容するように構成された加熱室と、
   　所定の周波数帯域における任意の周波数を有するマイクロ波を発生するように動作可能なマイクロ波発生部と、
   　前記マイクロ波を増幅し、増幅された前記マイクロ波を入射電力として出力するように動作可能な増幅部と、
   　前記入射電力を前記加熱室に供給するように構成された給電部と、
   　前記入射電力と前記加熱室から前記給電部に戻る反射電力とを検出するように動作可能な検出部と、
   　前記マイクロ波発生部および前記増幅部を制御するように動作可能な制御部と、
   　前記入射電力および前記反射電力を、前記マイクロ波の前記周波数および加熱の開始からの経過時間とともに記憶するように動作可能な記憶部と、を備え、
   　前記制御部は、前記マイクロ波発生部に、前記所定の周波数帯域にわたって周波数掃引を行わせるように動作可能であり、前記周波数掃引の間に検出された前記入射電力および前記反射電力に基づいて前記マイクロ波発生部および前記増幅部を制御するように動作可能である、マイクロ波処理装置。
2. 　前記制御部は、前記マイクロ波の前記周波数を変化させる際に、前記マイクロ波の出力を停止する停止時間を設定し、前記マイクロ波の前記周波数に応じて前記停止時間を変化させるように動作可能である、請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
3. 　前記制御部は、前記周波数掃引における前記周波数の各々に関する前記入射電力に対する前記反射電力の割合である反射波率を算出し、前記停止時間を前記反射波率が低いほど長く設定するように動作可能である、請求項２に記載のマイクロ波処理装置。
4. 　前記制御部は、前記周波数掃引における前記周波数の各々に関する前記入射電力に対する前記反射電力の割合である反射波率を算出し、前記反射波率が所定の値を超えた前記周波数の前記マイクロ波には前記停止時間を設定しないように動作可能である、請求項２に記載のマイクロ波処理装置。
5. 　前記制御部は、前記周波数に応じて前記マイクロ波の出力におけるデューティ比を変更するように動作可能である、請求項２に記載のマイクロ波処理装置。
6. 　前記制御部は、前記周波数掃引における前記周波数の各々に関する前記入射電力に対する前記反射電力の割合である反射波率を算出し、前記反射波率が高いほど前記デューティ比を高く設定するように構成された、請求項５に記載のマイクロ波処理装置。
7. 　前記制御部は、前記周波数掃引における前記周波数の各々に関する前記入射電力に対する前記反射電力の割合である反射波率を算出し、前記反射波率が所定の値を超えた前記周波数の前記マイクロ波には前記デューティ比を１００％に設定するように動作可能である、請求項５に記載のマイクロ波処理装置。
8. 　前記制御部は、前記マイクロ波発生部に、前記入射電力に対する前記反射電力の割合である反射波率がより高い前記周波数の前記マイクロ波と、前記反射波率がより低い前記周波数の前記マイクロ波とを交互に発生させるように動作可能である、請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
9. 　前記制御部は、前記マイクロ波発生部に、前記反射波率がより高い前記周波数の場合は前記周波数の高い順に前記マイクロ波を発生させ、前記反射波率がより低い前記周波数の場合は前記周波数の低い順に前記マイクロ波を発生させるように動作可能である、請求項８に記載のマイクロ波処理装置。
10. 　前記制御部は、前記周波数掃引における前記周波数の各々に関する前記入射電力に対する前記反射電力の割合である反射波率を算出し、前記マイクロ波発生部に、前記反射波率の最も高い周波数から順に前記マイクロ波を発生させるように動作可能である、請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
11. 　前記制御部は、前記周波数掃引における前記周波数の各々に関する前記入射電力に対する前記反射電力の割合である反射波率を算出し、前記マイクロ波発生部に、前記反射波率が所定の値を超えた前記周波数の前記マイクロ波のみを発生させるように動作可能である、請求項１に記載のマイクロ波処理装置。
12. 　前記制御部は、前記マイクロ波発生部に、前記反射波率が前記所定の値を超えた前記周波数の前記マイクロ波のみを前記加熱の開始から終了まで発生させるように動作可能である、請求項１１に記載のマイクロ波処理装置。
13. 　前記制御部は、前記加熱の開始から終了までの時間の最初の半分が経過するまでに、前記反射波率を算出するように動作可能である、請求項１１に記載のマイクロ波処理装置。
14. 　前記制御部は、前記加熱室の温度に基づいて、前記マイクロ波発生部に前記周波数掃引を行なわせ、前記マイクロ波の発振条件である前記マイクロ波の前記周波数および出力レベルを再設定するように動作可能である、請求項１～１３のいずれか１項に記載のマイクロ波処理装置。
15. 　前記制御部は、前記加熱室の温度が所定値変化するたびに、前記マイクロ波発生部に前記周波数掃引を行なわせ、前記マイクロ波の前記発振条件を再設定するように動作可能である、請求項１４に記載のマイクロ波処理装置。
16. 　前記制御部は、前記加熱室の温度が所定温度を通過するたびに、前記マイクロ波発生部に前記周波数掃引を行なわせ、前記マイクロ波の前記発振条件を再設定するように動作可能である、請求項１４に記載のマイクロ波処理装置。

Images