JP6859635B2

JP6859635B2 - マイクロ波加熱装置

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Publication number: JP6859635B2
Application number: JP2016178429A
Authority: JP
Inventors: 雅之細田; 川野　陽一; 陽一川野; 大介岩井
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2016-09-13
Filing date: 2016-09-13
Publication date: 2021-04-14
Anticipated expiration: 2036-09-13
Also published as: JP2018045813A

Description

本発明は、マイクロ波加熱装置に関するものである。

マイクロ波加熱装置は、加熱対象となる被加熱物を加熱室内に載置し、マイクロ波発生源において発生させたマイクロ波を被加熱物に照射して、吸収させることにより、被加熱物を加熱する装置である（例えば、特許文献１）。このようなマイクロ波加熱装置においては、加熱室内に放射されたマイクロ波は、加熱室の壁面等において反射を繰り返し、被加熱物に照射される。

一般的には、マイクロ波加熱装置には、マイクロ波発生源として真空管の一種であるマグネトロンが用いられているが、マグネトロンの代わりに半導体素子を用いることにより、マイクロ波加熱装置を小型軽量化することができ、出力制御性を向上させることができる。このような半導体素子としては、例えば、高周波領域においても高耐圧で大電流を流すことが可能な窒化ガリウム等を用いた半導体素子が挙げられる。

特開２００９−１６１４９号公報特開平１０−１７２７５０号公報特開２００７−２８０９７１号公報

マイクロ波加熱装置においては、通常、被加熱物を均一に加熱することを目的としているが、被加熱物の一部だけを加熱したい場合がある。例えば、食品であるサラダ、ご飯、肉等が入った弁当を暖める場合、ご飯と肉は暖めたいが、サラダは暖めたくない場合等がある。この場合、マイクロ波加熱装置において弁当全体を均一に加熱すると、暖めたくないサラダまで温まってしまう。

よって、被加熱物を加熱する際、被加熱物の一部を部分的に加熱することのできるマイクロ波加熱装置が求められている。

１つの態様では、マイクロ波加熱装置は、被加熱物が載置される加熱室と、前記加熱室に設けられた第１の凹部及び第２の凹部と、前記第１の凹部の中に入れられた第１のアンテナと、前記第２の凹部の中に入れられた第２のアンテナと、前記第１のアンテナに接続された第１のマイクロ波発生部と、前記第２のアンテナに接続された第２のマイクロ波発生部と、前記第１のマイクロ波発生部及び前記第２のマイクロ波発生部を制御する制御部と、を有し、前記第１の凹部は、前記第１のアンテナより放射されたマイクロ波を反射し、前記第２の凹部は、前記第２のアンテナより放射されたマイクロ波を反射することを特徴とする。

１つの側面として、マイクロ波加熱装置において、被加熱物を加熱する際、被加熱物の一部を部分的に加熱することができる。

第１の実施の形態におけるマイクロ波加熱装置の構造図マイクロ波加熱装置に用いられる半導体装置の構造図第１の実施の形態におけるマイクロ波加熱装置の変形例１の構造図第１の実施の形態におけるマイクロ波加熱装置の変形例２の説明図第１の実施の形態におけるマイクロ波加熱装置のマイクロ波発生部の説明図第２の実施の形態におけるマイクロ波加熱装置の構造図第２の実施の形態におけるマイクロ波加熱装置の変形例の構造図

実施するための形態について、以下に説明する。尚、同じ部材等については、同一の符号を付して説明を省略する。

〔第１の実施の形態〕
第１の実施の形態におけるマイクロ波加熱装置について、図１に基づき説明する。本実施の形態におけるマイクロ波加熱装置は、被加熱物１００が入れられる加熱室１１０、第１のマイクロ波発生部１２１、第２のマイクロ波発生部１２２、第１のアンテナ１３１、第２のアンテナ１３２、制御部１４０等を有している。第１のアンテナ１３１は、第１のマイクロ波発生部１２１に接続されており、第２のアンテナ１３２は、第２のマイクロ波発生部１２２に接続されており、第１のマイクロ波発生部１２１及び第２のマイクロ波発生部１２２は、制御部１４０に接続されている。尚、本実施の形態においては、第１のマイクロ波発生部１２１及び第２のマイクロ波発生部１２２等のマイクロ波発生部において発生させるマイクロ波の周波数は、２．４５ＧＨｚである。

本実施の形態においては、加熱室１１０の底面１１０ａには、第１の凹部１１１と、第２の凹部１１２が形成されており、第１のアンテナ１３１は第１の凹部１１１の中に入れられており、第２のアンテナ１３２は第２の凹部１１２の中に入れられている。

第１の凹部１１１及び第２の凹部１１２はマイクロ波を反射する金属等の材料により形成されている。従って、第１のアンテナ１３１より放射されたマイクロ波の一部は被加熱物１００に直接照射されるとともに、他の一部は第１の凹部１１１において反射されて、被加熱物１００に照射される。また、第２のアンテナ１３２より放射されたマイクロ波の一部は被加熱物１００に直接照射されるとともに、他の一部は第２の凹部１１２において反射されて、被加熱物１００に照射される。

従って、第１のアンテナ１３１を覆う第１の凹部１１１は、マイクロ波を反射するミラーとして機能するものであり、第２のアンテナ１３２を覆う第２の凹部１１２は、マイクロ波を反射するミラーとして機能するものである。よって、第１の凹部１１１及び第２の凹部１１２は、マイクロ波を反射するマイクロ波反射部である。

本実施の形態においては、被加熱物１００は加熱室１１０の載置台１５０の上に載置されている。載置台１５０はマイクロ波を透過する誘電体により形成されており、第１の凹部１１１及び第２の凹部１１２の上を覆っている。被加熱物１００は、被加熱物１００の第１の領域１０１が、第１のアンテナ１３１の直上に、被加熱物１００の第２の領域１０２が、第２のアンテナ１３２の直上となるように載置されている。尚、本実施の形態においては、第１のアンテナ１３１は、底面１１０ａよりも奥の第１の凹部１１１の中に設置されており、第２のアンテナ１３２は、底面１１０ａよりも奥の第２の凹部１１２の中に設置されている。よって、第１のアンテナ１３１は、第１の凹部１１１と載置台１５０により囲まれた領域に設置されており、第２のアンテナ１３２は、第２の凹部１１２と載置台１５０により囲まれた領域に設置されている。

本実施の形態では、被加熱物１００の第１の領域１０１のみを加熱し、第２の領域１０２は加熱したくない場合には、制御部１４０により、第１のアンテナ１３１よりマイクロ波を放射するが、第２のアンテナ１３２からはマイクロ波が放射されない制御を行う。これにより、被加熱物１００の第２の領域１０２を加熱することなく、第１の領域１０１のみを加熱することができる。また、被加熱物１００の第２の領域１０２のみを加熱し、第１の領域１０１は加熱したくない場合には、制御部１４０により、第２のアンテナ１３２よりマイクロ波を放射するが、第１のアンテナ１３１からはマイクロ波が放射されない制御を行う。これにより、被加熱物１００の第１の領域１０１を加熱することなく、第２の領域１０２のみを加熱することができる。

また、被加熱物１００において第１の領域１０１と第２の領域１０２との双方を加熱する場合であっても、均一に加熱するのではなく、第１の領域１０１における温度と第２の領域における温度とが異なる温度となるように加熱したい場合がある。このような場合には、各々の領域が所望の温度となるように、制御部１４０の制御により、第１のアンテナ１３１より放射されるマイクロ波の強度と、第２のアンテナ１３２より放射されるマイクロ波の強度とが異なるマイクロ波を放射する。

例えば、第１のマイクロ波発生部１２１で発生させるマイクロ波の強度を第２のマイクロ波発生部１２２で発生させるマイクロ波の強度よりも高くする。これにより、第１のマイクロ波発生部１２１に接続されている第１のアンテナ１３１から放射されるマイクロ波の強度は、第２のマイクロ波発生部１２２に接続されている第２のアンテナ１３２から放射されるマイクロ波の強度よりも高くなる。従って、被加熱物１００は、第１の領域１０１が、第２の領域１０２よりも高い温度となるように加熱することができる。このように、本実施の形態においては、制御部１４０における制御により、被加熱物１００の第１の領域１０１と第２の領域１０２の各々が所望の温度となるように加熱することができる。

また、本実施の形態においては、第１のアンテナ１３１は、第１の凹部１１１の中に入れられており、第２のアンテナ１３２は第２の凹部１１２の中に入れられている。従って、第１のアンテナ１３１と第２のアンテナ１３２との間には、第１の凹部１１１の側面１１１ａと第２の凹部１１２の側面１１２ａが存在しており隔てられている。従って、第１のアンテナ１３１より放射されたマイクロ波は、被加熱物１００の第１の領域１０１に照射されるため、効率よく第１の領域１０１を加熱することができる。同様に、第２のアンテナ１３２より放射されたマイクロ波は、被加熱物１００の第２の領域１０２に照射されるため、効率よく第２の領域１０２を加熱することができる。

ところで、アンテナが複数設けられている場合には、一方のアンテナから放射されたマイクロ波が、他方のアンテナに入射する場合があり、この場合、他方のアンテナに接続されているマイクロ波発生部が破壊されてしまう場合がある。しかしながら、本実施の形態においては、第１のアンテナ１３１と第２のアンテナ１３２との間には、第１の凹部１１１の側面１１１ａと第２の凹部１１２の側面１１１ａが存在しており隔てられている。従って、第１のアンテナ１３１より放射されたマイクロ波は、第１の凹部１１１の側面１１１ａで反射されるため、第２のアンテナ１３２に入射することはない。また、第２のアンテナ１３２より放射されたマイクロ波は、第２の凹部１１２の側面１１２ａで反射されるため、第１のアンテナ１３１に入射することはない。従って、一方のアンテナより放射されたマイクロ波により、他方のアンテナに接続されているマイクロ波発生部が破壊されることはない。

本実施の形態においては、第１のマイクロ波発生部１２１及び第２のマイクロ波発生部１２２は、高い出力のマイクロ波を発生させるため、半導体素子が用いられている。具体的には、窒化物半導体を用いたＨＥＭＴ（High Electron Mobility Transistor）等が用いられている。窒化物半導体を用いたＨＥＭＴは、図２に示されるように、ＳｉＣ等の基板２１０の上に、窒化物半導体層を積層することにより形成されている。即ち、基板２１０の上に、ＡｌＮやＧａＮ等により形成されたバッファ層２１１、電子走行層２１２、電子供給層２１３が順に積層されている。電子走行層２１２は、ＧａＮにより形成されており、電子供給層２１３は、ＡｌＧａＮまたはＩｎＡｌＮにより形成されている。これにより、電子走行層２１２において、電子供給層２１３との界面近傍には２ＤＥＧ（two dimensional electron gas）２１２ａが生成される。ゲート電極２３１、ソース電極２３２、ドレイン電極２３３は、電子供給層２１３の上に形成される。

また、本実施の形態におけるマイクロ波加熱装置では、アンテナが３つ以上設けられていてもよい。具体的には、図３に示されるように、加熱室１１０の底面１１０ａには、第３の凹部１１３が形成されており、第３のアンテナ１３３は第３の凹部１１３の中に入れられている。第３のマイクロ波発生部１２３と第３のアンテナ１３３とは接続されており、第３のマイクロ波発生部１２３は、制御部１４０に接続されているものであってもよい。

第３の凹部１１３もマイクロ波を反射する材料により形成されているため、第３のアンテナ１３３より放射されたマイクロ波の一部は被加熱物１００に直接照射されるとともに、他の一部は第３の凹部１１３において反射されて、被加熱物１００に照射される。従って、第３のアンテナ１３３を覆う第３の凹部１１３は、マイクロ波を反射するミラーとして機能するものであり、マイクロ波反射部である。

図３に示されるマイクロ波加熱装置では、被加熱物１００の第１の領域１０１が、第１のアンテナ１３１の直上に、第２の領域１０２が、第２のアンテナ１３２の直上に、第３の領域１０３が、第３のアンテナ１３３の直上となるように載置する。このマイクロ波加熱装置では、被加熱物１００の第１の領域１０１、第２の領域１０２、第３の領域１０３のうちの加熱したい領域の直下のアンテナからはマイクロ波を放射するが、加熱したくない領域の直下のアンテナからはマイクロ波が放射されない制御を行う。これにより、被加熱物１００において、第１の領域１０１、第２の領域１０２、第３の領域１０３のうち、所望の領域以外は加熱することなく、所望の領域のみを加熱することができる。尚、上記の制御は、制御部１４０において行われる。

また、本実施の形態は、図４に示されるように、４つ以上のアンテナを設け、アンテナを２次元状に配置したものであってもよい。このマイクロ波加熱装置では、加熱室１１０は、底面１１０ａとカバー１１０ｂにより形成されている。尚、図４（ａ）では、載置台１５０が点線で示されており、図４（ｂ）では、載置台１５０と加熱室１１０のカバー１１０ｂが点線で示されている。

具体的には、このマイクロ波加熱装置は、図４に示されるように、第１のアンテナ１３１、第２のアンテナ１３２、第３のアンテナ１３３、第４のアンテナ１３４を有しており、これら４つのアンテナが２次元的に配列されている。第１のアンテナ１３１には第１のマイクロ波発生部１２１が接続されており、第２のアンテナ１３２には第２のマイクロ波発生部１２２が接続されている。第３のアンテナ１３３には第３のマイクロ波発生部１２３が接続されており、第４のアンテナ１３４には第４のマイクロ波発生部１２４が接続されている。第１のマイクロ波発生部１２１、第２のマイクロ波発生部１２２、第３のマイクロ波発生部１２３、第４のマイクロ波発生部１２４は、制御部１４０に接続されている。

このようなマイクロ波加熱装置では、載置台１５０の上に載置されている被加熱物１００の４分割した領域のうち、加熱したくない領域を加熱することなく、加熱したい領域のみを加熱することができる。

また、本実施の形態におけるマイクロ波発生部は、図５に示されるように、第１のマイクロ波発生部１２１、第２のマイクロ波発生部１２２、第３のマイクロ波発生部１２３は、直流電源１７０に接続されていてもよい。図５では、一例として、アンテナが３つ設けられている場合を示すが、アンテナの数は、複数であればよい。このマイクロ波発生装置では、制御部１４０における制御に基づき第１のマイクロ波発生部１２１、第２のマイクロ波発生部１２２、第３のマイクロ波発生部１２３における半導体素子をスイッチングさせることによりマイクロ波を発生させることができる。

〔第２の実施の形態〕
次に、第２の実施の形態について説明する。本実施の形態におけるマイクロ波加熱装置は、図６に示されるように、第１のアンテナ１３１と第２のアンテナ１３２との間に、一方のアンテナより放射されたマイクロ波が他方のアンテナに入射しないように、隔壁部２６１を設けた構造のものである。

本実施の形態におけるマイクロ波加熱装置は、加熱室１１０の底面１１０ａには、凹部１１５が形成されており、第１のアンテナ１３１及び第２のアンテナ１３２は凹部１１５に入れられている。また、凹部１１５の内部には、第１のアンテナ１３１と第２のアンテナ１３２との間に、隔壁部２６１が設けられており、第１のアンテナ１３１と第２のアンテナ１３２とが隔てられている。

隔壁部２６１はマイクロ波を反射等する材料により形成されているため、一方のアンテナより放射されたマイクロ波が他方のアンテナに入射することはなく、また、他方のアンテナより放射されたマイクロ波が一方のアンテナに入射することはない。従って、本実施の形態では、被加熱物１００における第１の領域１０１及び第２の領域１０２を選択して加熱することができ、また、一方のアンテナより放射されたマイクロ波により、他方のアンテナに接続されているマイクロ波発生部が破壊されることはない。

また、本実施の形態は、図７に示すように、アンテナを３つ以上設けてもよい。この場合、加熱室１１０の底面１１０ａに設けられた凹部１１５に、第３のアンテナ１３３が入れられており、第２のアンテナ１３２と第３のアンテナ１３３との間には隔壁部２６２が設けられている。隔壁部２６２は、隔壁部２６１と同様の機能を有している。

上記以外の内容については、第１の実施の形態と同様である。

以上、実施の形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。

上記の説明に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
被加熱物が載置される加熱室と、
前記加熱室に設けられた第１の凹部及び第２の凹部と、
前記第１の凹部の中に入れられた第１のアンテナと、
前記第２の凹部の中に入れられた第２のアンテナと、
前記第１のアンテナに接続された第１のマイクロ波発生部と、
前記第２のアンテナに接続された第２のマイクロ波発生部と、
前記第１のマイクロ波発生部及び前記第２のマイクロ波発生部を制御する制御部と、
を有し、
前記第１の凹部は、前記第１のアンテナより放射されたマイクロ波を反射し、
前記第２の凹部は、前記第２のアンテナより放射されたマイクロ波を反射することを特徴とするマイクロ波加熱装置。
（付記２）
前記第１の凹部及び第２の凹部を覆う誘電体により形成された載置台が設けられており、
前記被加熱物は、前記載置台に載置されていることを特徴とする付記１に記載のマイクロ波加熱装置。
（付記３）
被加熱物が載置される加熱室と、
前記加熱室の中に設けられた第１のアンテナ及び第２のアンテナと、
前記第１のアンテナに接続された第１のマイクロ波発生部と、
前記第２のアンテナに接続された第２のマイクロ波発生部と、
前記第１のマイクロ波発生部及び前記第２のマイクロ波発生部を制御する制御部と、
前記第１のアンテナと前記第２のアンテナとの間に設けられたマイクロ波を反射する材料により形成された隔壁部と、
を有することを特徴とするマイクロ波加熱装置。
（付記４）
前記第１のアンテナと前記第２のアンテナは、前記加熱室に設けられた凹部の中に入れられており、
前記隔壁部は、前記凹部の中において、前記第１のアンテナと前記第２のアンテナとの間に設けられていることを特徴とする付記３に記載のマイクロ波加熱装置。
（付記５）
前記被加熱物は、前記第１のアンテナ及び前記第２のアンテナの直上の位置に載置されており、
前記制御部は、前記被加熱物の第１の領域を加熱する場合には、前記第１のマイクロ波発生部よりマイクロ波を発生させ、前記第１のアンテナよりマイクロ波を放射して、前記被加熱物の第１の領域を加熱し、
前記被加熱物の第２の領域を加熱する場合には、前記第２のマイクロ波発生部よりマイクロ波を発生させ、前記第２のアンテナよりマイクロ波を放射して、前記被加熱物の第２の領域を加熱することを特徴とする付記１から４のいずれかに記載のマイクロ波加熱装置。
（付記６）
前記第１のマイクロ波発生部及び前記第２のマイクロ波発生部は、窒化物半導体により形成された半導体素子を含むものであることを特徴とする付記４または５に記載のマイクロ波加熱装置。
（付記７）
前記第１のマイクロ波発生部及び前記第２のマイクロ波発生部には、直流電源が接続されており、前記第１のマイクロ波発生部及び前記第２のマイクロ波発生部において、前記半導体素子をスイッチングさせることによりマイクロ波を発生させることを特徴とする付記６に記載のマイクロ波加熱装置。
（付記８）
被加熱物が載置される加熱室と、
前記加熱室の中に設けられた第１のアンテナ及び第２のアンテナと、
前記第１のアンテナに接続された第１のマイクロ波発生部と、
前記第２のアンテナに接続された第２のマイクロ波発生部と、
を有することを特徴とするマイクロ波加熱装置。

１００被加熱物
１０１第１の領域
１０２第２の領域
１１０加熱室
１１１第１の凹部
１１２第２の凹部
１１５凹部
１２１第１のマイクロ波発生部
１２２第２のマイクロ波発生部
１３１第１のアンテナ
１３２第２のアンテナ
１４０制御部
１５０載置台
１７０直流電源
２６１隔壁部

Claims

被加熱物が載置される加熱室と、
前記加熱室に設けられた第１の凹部及び第２の凹部と、
前記第１の凹部の中に入れられた第１の放射アンテナと、
前記第２の凹部の中に入れられた第２の放射アンテナと、
前記第１の放射アンテナに接続された第１のマイクロ波発生部と、
前記第２の放射アンテナに接続された第２のマイクロ波発生部と、
前記第１のマイクロ波発生部及び前記第２のマイクロ波発生部を制御する制御部と、
を有し、
前記第１の凹部は、前記第１の放射アンテナより放射されたマイクロ波を反射し、
前記第２の凹部は、前記第２の放射アンテナより放射されたマイクロ波を反射し、
前記第１の凹部と前記第２の凹部は、前記第１の放射アンテナと前記第２の放射アンテナを隔てる側面を有し、前記第１の放射アンテナと前記第２の放射アンテナの一方から放射されたマイクロ波が他方の放射アンテナに入射することを防止することを特徴とするマイクロ波加熱装置。
被加熱物が載置される加熱室と、
前記加熱室の中に設けられた第１の放射アンテナ及び第２の放射アンテナと、
前記第１の放射アンテナに接続された第１のマイクロ波発生部と、
前記第２の放射アンテナに接続された第２のマイクロ波発生部と、
前記第１のマイクロ波発生部及び前記第２のマイクロ波発生部を制御する制御部と、
前記第１の放射アンテナと前記第２の放射アンテナとの間に設けられたマイクロ波を反射する材料により形成された隔壁部と、
を有し、
前記第１の放射アンテナと前記第２の放射アンテナは、前記加熱室の同一面に設けられた凹部に配置され、前記隔壁部は前記凹部の中で前記第１の放射アンテナと前記第２の放射アンテナを隔てて、前記第１の放射アンテナと前記第２の放射アンテナの一方から放射されたマイクロ波が他方の放射アンテナに入射することを防止することを特徴とするマイクロ波加熱装置。
前記被加熱物は、前記第１の放射アンテナ及び前記第２の放射アンテナの直上の位置に載置されており、
前記制御部は、前記被加熱物の第１の領域を加熱する場合には、前記第１のマイクロ波発生部よりマイクロ波を発生させ、前記第１の放射アンテナよりマイクロ波を放射して、前記被加熱物の第１の領域を加熱し、
前記被加熱物の第２の領域を加熱する場合には、前記第２のマイクロ波発生部よりマイクロ波を発生させ、前記第２の放射アンテナよりマイクロ波を放射して、前記被加熱物の第２の領域を加熱することを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロ波加熱装置。
前記第１のマイクロ波発生部及び前記第２のマイクロ波発生部は、窒化物半導体により形成された半導体素子を含むものであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のマイクロ波加熱装置。
前記第１のマイクロ波発生部及び前記第２のマイクロ波発生部には、直流電源が接続されており、前記第１のマイクロ波発生部及び前記第２のマイクロ波発生部において、前記半導体素子をスイッチングさせることによりマイクロ波を発生させることを特徴とする請求項４に記載のマイクロ波加熱装置。