JPH11506864A - 円筒状マイクロ波アプリケータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ほぼ円筒状のマイクロ波閉じ込め室と、マイクロ波エネルギー源と、マイクロ波エネルギー源を閉じ込め室に接続する供給構造体とを含むマイクロ波アプリケータ。閉じ込め室の直径は、各々が特有の管内波長を有する実質的に２つだけの横磁界モードを有するマイクロ波パターンのサポートを考慮することのみを必要とする処理に従って設計され、その際、一のモードの管内波長は他のモードの管内波長の２倍に実質的に等しい。更に、横磁界モードの次数を最小にする内径が選択され得る。アプリケータの供給構造体には、好適な実施形態では９０度である、それぞれの開口部を介して導入されるマイクロ波の電気的位相シフト角度に等しい物理的角度だけ、アプリケータの円筒軸の回りで物理的に離隔させられている、少なくとも２つの供給開口部を含む。

Description

【発明の詳細な説明】 円筒状マイクロ波アプリケータ 発明の分野 本発明は、マイクロ波アプリケータに関する。より詳細には、本発明は、漏れ の少ない特別の大きさのマイクロ波閉じ込め室と負荷を均一に加熱するための可 動部のない回転電磁界を供給する供給装置とを有する高効率でほぼ円筒状のマイ クロ波アプリケータに関する。 発明の背景 周知のように、電磁波はエネルギーを対象物即ち負荷に運んで供給することが できる。３００ＭＨｚ〜３００ＧＨｚの周波数範囲の電磁波を使用するマイクロ 波アプリケータは、一般に、マイクロ波エネルギー源、マイクロ波閉じ込め室、 及びエネルギー源をマイクロ波閉じ込め室に結合するマイクロ波供給構造体を含 んでいる。 本発明に好適なマイクロ波エネルギー源は２４５０ＭＨｚで動作するマグネト ロンであるが、９１５ＭＨｚが定評のあるマイクロ波調理及び加熱の周波数であ るので、本発明は９１５ＭＨｚ及び本発明の教示により望ましい任意の他のマイ クロ波周波数での動作に適合可能である。 マイクロ波閉じ込め室内の容積空間は、その中に負荷（加熱される対象物即ち 物質）が配置されるキャビティである。 従来技術のマイクロ波アプリケータに関連する最大の問題の１つは、負荷中の 不均一な熱の分布である。不均一な加熱は、主として、モードに起因するホット スポット及びコールドスポット、端部の過熱、及び下側の不十分な加熱という３ つの原因による。 各モードはそれぞれの垂直管内波長λ_gを有する。装置に損失があってもモー ドが互いに結合しないように装置内のモードが励起され得るとき、そのモードは 直交モードと呼ばれる。 従来技術では、ホットスポット及びコールドスポットはアプリケータのキャビ ティ内のモードに特有の不均一なエネルギーの分布によって発生した。モードの 電磁界の形状は動作周波数とキャビティの寸法とに依存する。 横磁界（ＴＭ）モードと横電界（ＴＥ）モードという２つの別個の種類のモー ドが存在する。ＴＥモードは伝播の方向に電界成分即ちＥ界成分を有さず、ＴＭ モードは伝播の方向に磁界成分即ちＨ界成分を有さない。 ＴＥモード及びＴＭモードはＴＥ_mn及びＴＭ_mnとして分類される。矩形導波管 について、添字は広い壁（ｍ）と狭い壁（ｎ）とに平行な経路に沿った主に横方 向の界ベクトルの半周期の変化の数を示す。直交座標システムでは、ｍとｎの添 字は慣用的にｘとｙの軸に関連し、伝播はｚ軸に沿って起こる。 円筒状キャビティでは、極座標システムを使用するのが便利である。本発明で は、伝播の方向は円筒状キャビティの縦の円筒軸に平行なｚ軸に沿っている。円 形断面の導波管又はキャビティでは、即ち、導波管又はキャビティ内のマイクロ 波エネルギーの伝播の方向と同心のほぼ円形の壁を有するものでは、添字即ち次 数ｍは、壁と同心の円形の経路に沿った横界ベクトルの全周期の変化の数を示す 。添字即ち次数ｎは、キャビティ内の半径方向の経路に沿った同じベクトルの反 転数に１を足した数を示す。 モードに関連するホットスポット及びコールドスポットを避けるための従来の 解決法は、加熱中にキャビティに対する負荷の位置を移動させる機械的装置（例 えば、ターンテーブル）を使用するか、キャビティ内のモード・パターンを連続 的に変更する「モード撹拌機」を使用するかのどちらかであった。モード撹拌機 は、通常、キャビティ内部かキャビティに隣接する別体の開いた覆い内かのどち らかに配置された金属性の羽根を有するファン状の機械的に回転する構造体であ る。複数の供給装置又は回転アンテナといった装置を使用してホットスポット及 びコールドスポットを減少させようと試みた設計もある。 利便性及び信頼性の高い、マイクロ波加熱の時間平均均一性を提供する、効率 の良いマイクロ波アプリケータの必要性は、依然として存在している。 縁部の過熱（負荷の縁部におけるホットスポット）は、負荷の縁部と平行なＥ 界成分の直接結合によって発生し、負荷が高い誘電率を有すると、より大きくな る。 大部分の電子レンジでは、食品などの負荷は一般に誘電体で、比較的高い比誘 電率εを有する。マイクロ波モードは高いε負荷と相互作用し、エネルギーを負 荷に移送する。 負荷におけるＨ界強度と加熱パターンとが直接関係することを理解することは 重要である。マクスウェルの式は、負荷のエネルギー吸収は一般に電Ｅ界による ということを示している。従来技術のアプリケータはＥ界及びＨ界を最大にする ことでエネルギーの移送を最大にし、調理時間を最小にしようとしている。しか しながら、そのようにすると、従来技術のアプリケータは、縁部の過熱とマイク ロ波の漏れの可能性とを増大させる。 マイクロ波加熱のもう１つの問題は、平坦な負荷の「下側」の低い即ち不十分 な加熱である。充分なパワーが平坦な負荷を貫通しないので、平坦で水平な負荷 の下側は普通不完全で不均一にしか加熱されない。負荷の下側にマイクロ波の供 給がない、「下側」の加熱は、負荷がキャビティの全断面を超えて広がらないこ とを要求する。 概要 本発明は、比較的平坦な負荷を均一に加熱し、ホットスポット及びコールドス ポット並びに縁部の過熱によって示される不均一な加熱を実質的に除去するマイ クロ波アプリケータである。このアプリケータは、キャビティ内のモードであっ て、周波数を広帯域にし、負荷中の調理エネルギーを最大にし、マイクロ波の漏 れを最小にし、且つ負荷の縁部の過熱の減少と負荷の下側の加熱の増大との両方 を同時に行うことにより、高効率を提供するものを使用する。アプリケータは、 供給構造体であって、キャビティ・モードと共に動作して可動部品なしにエネル ギーを負荷に均一に分配するものを含んでいる。 アプリケータは、マイクロ波閉じ込め室、マイクロ波エネルギー源、及びマイ クロ波エネルギー源を閉じ込め室に接続する供給構造とを含んでいる。アプリケ ータは、マイクロ波エネルギー源を制御する電子制御装置を含むこともある。 マイクロ波エネルギー源は、好適には、所定の周波数（２４５０ＭＨｚ又は他 の実施形態では９１５ＭＨｚ）のマイクロ波を発生するマグネトロンである。供 給構造体はマイクロ波をエネルギー源から閉じ込め室に導く。 閉じ込め室は、マイクロ波を反射する材料で形成され、閉じ込め室の外側の環 境へのマイクロ波エネルギーの漏れを防止するように設計される。閉じ込め室は 上部壁、下部壁及び側壁を有する。側壁（好適には、円筒形である）は、上部壁 と下部壁との間に延在し、キャビティを取り囲み（且つ画成し）、縦軸と整合さ せられる。在来の電子レンジのキャビティとは対照的に、閉じ込め室は縦軸に垂 直なほぼ円形の断面を有する。しかしながら、キャビティの断面が円形に近けれ ば、少なくとも５つの辺を有する多角形のような、別の閉平面の形状に造形され 得るということを理解されたい。上部壁及び下部壁は、縦軸を中心とする回転面 によって好適に特徴付けられており、好適には平面である。 閉じ込め室は、室の断面の実際の又は平均の直径に対応する内径と、上部壁及 び下部壁の間の距離に等しい内部高さとを有する。本発明の実施においては、内 径は、室内の望ましいマイクロ波界をサポートする横磁界モードのみを考慮する 方法に従って設計される。設計の基準はＴＭ即ち横磁界モードのみを包含するが 、この設計技術を使用する結果としてのキャビティ内に存在する実際のモードは 、同じ又は同様のλ_gを有する同時ＴＥ及びＴＭモードからなることを意味する 、より複雑な混成モード型のものであるということが観察されている。 それにも拘わらず、本発明の実施においては、一のモードの管内波長が他の即 ち第２モードの管内波長の２倍に実質的に等しい特有の管内波長を各々が有する 、２つの横磁界モードだけを有するマイクロ波界をサポートできるキャビティを 設計するための、本明細書中に示されている技術を使用することは適切であると いうことが、判明している。好適に、内径は、室の設計で使用されるＴＭモード の次数を最小にするように寸法を定められ又は選択される。 第１好適実施形態では、閉じ込め室の内径は第１モードとしてのＴＭ₀₂モード 及び第２モードとしてのＴＭ₁₁モードを生成するように設計される。所定の周波 数２４５０ＭＨｚでは、この実施形態の内径は、好適に、約９．１７インチ（２ ３３ｍｍ）であり、負荷の頂部までの負荷高さ（ｈ）は、好適に、約６．２８イ ンチ（１６０ｍｍ）である。 本発明のマイクロ波アプリケータは、好適に、負荷を支持するための棚（ホウ 珪酸ガラス、ガラスセラミック又は他の同様のマイクロ波に対して透明な材料で 作られている）をも含んでいる。棚は閉じ込め室の内部に配置され、縦軸にほぼ 垂直である。棚は、好適に、負荷が第２（短い方の）モードの管内波長の整数倍 に実質的に等しい距離だけ上部壁から離れて置かれるようにして、上部壁から隔 置される。 マイクロ波アプリケータの側壁は、好適に、負荷挿入開口部と、開口部を選択 的に閉じる可動扉とを有する。一の実施形態では、摺動可能な引き出しが扉に取 り付けられ得、負荷を閉じ込め室に挿入すべくなされている。引き出しが使用さ れる場合、棚は、好適には、引き出しの一部であるか、又は引き出しによって運 ばれる。 本発明のマイクロ波アプリケータの供給構造体は、主導波管、１つ又は２つ以 上の接続部、及び複数の導波管供給部を含んでいる。導波管供給部は、各々が一 端において閉じ込め室の供給開口部に取り付けられ、他端において接続部（接続 部は両方の導波管供給部に共通であるか、又は各導波管についての別々の接続部 ）で主導波管に取り付けられる短い導波管である。供給開口部は上部壁又は側壁 の上部に位置させられ得る。供給開口部即ちポートは、マイクロ波が、それらが キャビティに入る際に変位させられる電気的位相角に等しい物理的角度（縦軸に 関して）に位置させられるべきである。好適実施形態では、第１導波管供給部は 第１供給開口部に接続し、第２導波管は第２供給開口部に幾何学的直角位相で接 続する。即ち、縦軸に垂直な平面内で測定すると、第２供給開口部は第１供給開 口部から物理的に９０度離れて位置させられている。 更に、この実施形態では、供給構造体は、第１導波管供給部から閉じ込め室に 入るマイクロ波の電気的位相を、第２導波管供給部から閉じ込め室に入るマイク ロ波の電気的位相から９０度離れるようにシフトする移相構造体が含む。この方 法で、マイクロ波エネルギーの２つの流れが提供され、各流れは、それらが閉じ 込め室に入るとき、互いに他方から物理的に位相が９０度分離され、且つ電気的 に位相が９０度分離されている。 移相構造体は第１及び第２導波管供給部の間で９０度の移相を達成する任意の 在来の手段であってよい。主導波管との接続部（又は、それぞれの別個の接続部 の位置）からそれぞれの供給開口部までの導波管供給部の長さは、第２導波管供 給部の位相が第１導波管供給部から閉じ込め室に入るマイクロ波に対して９０度 シフトするように異なっている。あるいは、移相構造体は、誘電位相器又はフェ ライト移相器又は当業技術分野で周知の別の移相器を使用することもできる。幾 何学的直角位相と９０度移相とが組み合わされた効果は、回転するマイクロ波パ ターンをキャビティ内に生成し、これにより、供給構造体中に物理的に回転又は 移動する部分がなくても、より均一な加熱をもたらす。 図面の簡単な説明 図１は、本発明によるマイクロ波アプリケータの斜視図である。 図２は、図１のマイクロ波アプリケータの引き出しの斜視図である。 図３は、図２の引き出しの側面図である。 図４は、本発明によるマイクロ波アプリケータの他の実施形態の分解斜視図で ある。 図５は、２４５０ＭＨｚのマイクロ波界についての、いくつかのモードの管内 波長と導波管の直径との間の関係を表すグラフである。 図６は、本発明による供給構造体の第１実施形態の斜視図である。 図７は、本発明による供給構造体の第２実施形態の斜視図である。 図８は、本発明による供給構造体の第３実施形態の斜視図である。 図９は、本発明のある側面を示し、１対のマイクロ波供給部の入り口の軸を示 している、マイクロ波閉じ込め室の上部の簡略化した平面図である。 図１０は、棚と負荷とを想像線で示す、図９のマイクロ波閉じ込め室の簡略化 した側断面図である。 図１１は、本発明の実施の際に有用な、側壁アイリス供給開口部の部分拡大斜 視図である。 図１２は、導波管供給部の一部が欠切されている、上部壁アイリス供給開口部 の部分拡大斜視図である。 図１３は、ＴＭ₁₁モードを示す、本発明の実施の際に有用なキャビティの簡略 化した平面及び側面図である。 図１４は、ＴＭ₀₂モードを示す、図１３のキャビティの簡略化した平面及び側 面図である。 図１５は、本発明の第１電気的位相状態でＴＭ₁₁モードのキャビティの界を示 す、閉じ込め室及び導波管供給部の簡略化した平面図である。 図１６は、図１５に示されるものと類似であるが、ＴＭ₁₁モードのキャビティ の界がそこから電気的に９０度進んだ第２電気的位相状態で示されている簡略化 した平面図である。 図１７は、図１６から電気的に９０度進んでおり、従って図１５から電気的に １８０度進んでいること以外は図１５と類似の図である。 図１８は、更に電気的に９０度進んでおり、従って図１５から電気的に２７０ 度進んでいること以外は図１７と類似の図である。 詳細な説明 本発明はホットスポット及びコールドスポットを実質的に除去することによっ て効率が良くて均一な加熱を負荷に提供するためのマイクロ波アプリケータであ る。更に、本発明のアプリケータは縁部の過熱を実質的に除去し、マイクロ波エ ネルギーの漏れを減少させ、且つ効率の高いキャビティ・モードを使用する。 図１は、本発明によるマイクロ波アプリケータ１０を示す。アプリケータ１０ は、マイクロ波閉じ込め室２０、エネルギー源５０、及びエネルギー源５０を閉 じ込め室２０に結合する供給構造体６０を含んでいる。エネルギー源５０は、最 も普通には２４５０ＭＨｚ又は９１５ＭＨｚのどちらかである所定の周波数のマ イクロ波を発生するように設計されたマグネトロン又は他のエネルギー源である 。電子制御装置９０は、ユーザがマグネトロンの作動時間とマグネトロンの出力 設定との両方を制御することを可能にする。異なった出力設定は、普通マグネト ロンの周期的なオン／オフ・デューティサイクルによって達成される。 ここで図９及び図１０をも参照するに、マイクロ波閉じ込め室２０は、負荷８ ０（加熱される物質）が配置されるキャビティを囲む、金属等のマイクロ波反射 性材料製の容器即ちエンクロージャである。本発明のマイクロ波アプリケータの 通常の好適な負荷８０（図１０に示されている）は、ピザ、サンドイッチのよう に性質上平坦で水平に広がっている。本発明のアプリケータで平坦でない負荷も 加熱され得るが、本発明の利点は比較的平坦な負荷に対して最も良く達成され得 るということを理解されたい。室２０は円筒縦軸ｚ、ほぼ円筒形の側壁２２、上 部壁２４、及び下部壁２６を有する。 マイクロ波アプリケータ１０は、また、負荷８０を支持するためのマイクロ波 に対して透明な棚１２を含んでいる。棚１２は閉じ込め室２０の内部に位置し、 上部壁２４にほぼ平行である。好適実施形態では、棚１２はホウ珪酸ガラス、ガ ラスセラミック又は他のマイクロ波に対して透明な材料で作られている。 マイクロ波閉じ込め室２０は内径Ｄ、内部高さＨ及び負荷高さｈを有している 。直径Ｄは、図１０で最も良く見られるように、キャビティの縦軸ｚに垂直な断 面の直径である。高さＨは上部壁２４と下部壁２６との間の距離であり、上部壁 又は下部壁が平面でない場合、Ｈは「有効」高さであるということを理解された い。負荷高さｈは上部壁２４から負荷８０までの距離である。 ここで再び図１〜図４を参照するに、側壁２２及び閉じ込め室２０は直円柱を 形成している。他の実施形態では、側壁２４は、他の閉平面曲線又は高次多角形 即ち５以上の辺を有する多角形として造形される、縦軸ｚに垂直な断面を有し得 る。本発明のある利点を得るためには、こうした多角形の実施形態はある程度円 に近似していなければならないということを理解されたい。更に、アプリケータ の断面として多角形が選択される場合、正多角形（即ち辺の長さが等しいもの） が好適であるが、不均整な多角形でも同様に本発明のある利点を得ることが可能 であるということも理解されたい。 閉じ込め室２０は側壁２２に負荷挿入開口部２８を有している。開口部は一般 に四辺形又は矩形で縦軸ｚにほぼ垂直である。可動扉３０は、開口部２８と一致 し、選択的に開口部を閉じ、マイクロ波の漏れに対して開口部を密閉する。一実 施形態では、負荷８０を閉じ込め室２０に挿入するための摺動可能な引き出し３ ２が、扉３０に取り付けられるか、又は閉じ込め室２０内に別個に配置される。 棚１２が引き出し３２上に配置されても良い。他の実施形態は別の扉要素を含み 得、例えば、図４に示される実施形態は、ピアノヒンジ４０によって下部ハウジ ング３６に固定された平面の扉３０’を有している。棚は引き出し自体の一部と するか、又はキャビティ内の選択された位置に置くことができる。 本発明の実施において、室２０の内径Ｄは、縦軸ｚに垂直な任意の平面に存在 する横磁界モードのみを有する室２０内のマイクロ波界を生じるよう企図された 技術を使用して設計される。より具体的には、閉じ込め室２０は、第１ＴＭモー ドが第２ＴＭモードの管内波長の２倍に実質的に等しい管内波長を有する、第１ ＴＭモード及び第２ＴＭモードのみを有するマイクロ波界をサポートすることを 考慮することだけが必要な設計に従って寸法が決められる。閉じ込め室２０は、 また、好適に、第１及び第２横磁界モードの次数を最小にするように寸法が決め られる。ここでも、設計のプロセスはＴＭモードのみを生成することに向けられ るが、実際には、室２０のキャビティ内の界は、本発明の利益を達成しつつ、混 成モードを存在させ得るということが強調されるべきである。一の実施形態では 、閉じ込め室２０の直径Ｄは９．１７インチ（２３３ｍｍ）に実質的に等しい。 閉じ込め室２０の内部高さＨは約７．００インチ（１７８ｍｍ）である。この実 施形態では、室２０の内径Ｄは、所定の周波数２４５０ＭＨｚで第１モードとし てＴＭ₀₂モードを生成し、第２モードとしてＴＭ₁₁モードを生成するよう寸法決 めされる。第１（ＴＭ₀₂）モードは第２（ＴＭ₁₁）モードの管内波長λ_g2の２倍 に実質的に等しい管内波長λ_g1を有する。モードは有利で相補的な界のパターン を有する。 閉じ込め室２０内には、棚１２が配置され、上部壁２４から負荷８０までの６ ．２８インチ（１６０ｍｍ）の距離ｈを提供する。第２ＴＭモードの管内波長の 整数倍に実質的に等しい上部壁２４と負荷８０の上部（平坦で水平に広がってい る負荷について）との距離ｈに負荷８０を置くのが好適であるということが分か っている。従って、他の実施形態は、整数倍の関係が望ましいことを考慮すれば 、種々の厚さの負荷を適合させるべく、棚を異なった位置（又は、「平均的」な 固定位置）に配置することができる。 図５は種々のモードの管内波長λ_gとほぼ円形の導波管の直径Ｄとの間の関係 を示す。図５では、管内波長が縦座標即ち垂直軸に沿って（インチで）示されて おり、直径（インチ）が横座標即ち水平軸に沿って示されている。ＴＭ₀₂モード は逆三角形によって示されている曲線で表され、ＴＭ₂₁モードは「ｘ」で表され ている。上向き三角形はＴＥ₀₁及びＴＭ₁₁モードの両方を表し、菱形はＴＥ₂₁モ ードを表し、正方形はＴＥ₁₁モードを表している。「＋」（菱形と正方形との間 ）はＴＭ₀₁モードを表している。本発明の設計の要求がλ_g1＝λ_g2であるとすれ ば、ある直径Ｄの大きさと第１及び第２ＴＭモード対のみが選択され得ることが 分かる。整合しているモードとの直径及び高さの情報が表の形で表１に示されて いる。 理解され得るように、他の第１及び第２モードをサポートする異なった直径と 高さとを有する他の実施形態が存在する。すべての実施形態で、第１ＴＭモード の管内波長は第２ＴＭモードの管内波長の２倍に実質的に等しい。 閉じ込め室のキャビティの寸法を決める本発明の方法論の使用は、「純粋」な 形態又は混成の形態のどちらでも存在するＴＭモードのある利益により、調理効 率を向上させ且つ縁部の過熱を低減させることができる。 ＴＥモードは自由空間インピーダンスη₀より高いインピーダンスを有するが 、ＴＭモードはη₀より低いインピーダンスを有する。境界越しにインピーダン スが等しいときにはその境界における波の反射はゼロになるので、ＴＭモードは 加熱の目的にはより有利であり、食品のような一般的な負荷のインピーダンスに 整合するのにより適している。強い定在波は形成される必要がなく、閉じ込め室 が共振時に効率良くなるための、キャビティ高さ及び結合係数の決定は、ＴＥモ ード の場合ほど厳密ではない。アプリケータの全水平断面を実質的に占める比較的厚 い負荷への反射のない伝送のための条件が確立され得る。マグネトロンの方向に 反射して戻されるエネルギーはアプリケータの効率を低下させるので、反射のな い伝送は非常に望ましい。 ＴＭモードのみを生成するように閉じ込め室２０の大きさを決めることにより 、マイクロ波アプリケータ１０は、特に負荷８０の縁部付近で、高い水平Ｅ界成 分を避けるように設計される。キャビティ内に存在するモードは、ＴＭモードで あろうと混成モードであろうと、Ｅ界成分を欠いているということが理解される 。負荷８０の縁部に平行なＥ界成分を除去する（又は、最小にする）マイクロ波 界パターンを設計することにより、縁部の過熱が回避される。この状態は失われ るＥ界成分が円周方向に向けられるときに達成され、例えばＴＭ₀₂のように、最 初にゼロの次数０を有する「支配的な」モード即ち、強く結合されるモードを選 択することによって完成される。この場合の付加的な利益は、存在するＥ界がす べて扉開口部２８に垂直なので、漏れが減少するということである。ＴＭ₀₂モー ドの単独での使用は、キャビティ内の加熱パターンの、中心及び同心の輪即ち環 内に、許容できない「コールド」スポットをもたらすことがある。これを矯正す るために、キャビティの中心に「ホット」スポットを有する別のモードが、ＴＭ₀₂ モードと共に使用すべく選択される。ＴＭ₁₁モードの使用は、結果としての加 熱パターンにおける「コールド」スポットを除去する。そして、以下により詳細 に説明されるように、直角位相供給を使用すると、ＴＭ₁₁モードは回転させられ 、パターンを円周方向に平均又は積分することにより、単純なＴＭ₁₁モードに起 因する加熱パターンと結び付いている、方位角の方向に変移させられる「ホット 」スポット及び「コールド」スポットを除去する。 図４は、上部壁２４’、円筒形の側壁２２’及び下部壁２６’を有するマイク ロ波アプリケータ２０’の他の実施形態の分解図を示す。図面においては、対応 する構造体には同じ参照番号又はプライム（スポストロフィ）を付し参照番号が 付されている。この実施形態では、矩形の下部ハウジング３６が提供され、ピア ノヒンジ４０によってハウジング３６に固定された棚１２’と扉３０’とを支持 している。比較的低い（即ち、ｈの約１５％未満）矩形断面の下部ハウジング３ ６はこの実施形態における本発明の性能に大きな悪影響を及ぼさないということ が見出されている。寸法Ｈは円筒形の壁２２’の高さ４０に下部ハウジング３６ の高さ４４を足したものからなるということを留意されたい。このようなアプロ ーチは負荷を収容する領域、特に蓋又は扉３０’の設計を簡単にする。 ここで図６、図７及び図８を参照するに、全体的な供給構造体１６０は、主導 波管１６１と、接続部１６３で主導波管１６１から延出する第１導波管供給部１ ６２と、接続部１６３で主導波管１６１及び第１導波管供給部１６２から二叉に 分かれる第２導波管供給部１６４とを含んでいる。このバージョンでは、主導波 管１６１は上部壁１２４の上面にほぼ平行であり、図６に示すように閉じ込め室 １２０から半径方向に延出するか、又は図１に想像線で示すように、室の円筒形 の側壁に沿って延在する。図６に示すように、第１導波管供給部１６２は上部壁 １２４の上面を横切るようにして主導波管１６１から縦に延出している。しかし ながら、供給開口部が室１２０に対して適切に位置していれば、主導波管１６１ （及び導波管供給部１６２、１６４）は室１２０に対して望ましいように配置さ れ得るということを理解されたい。この実施形態では、第２導波管供給部１６４ は、９０度の夾角１９０で上部壁１２４の上面を横切るようにして第１導波管供 給部１６２から垂直に延出している。 第１及び第２導波管供給部１６２及び１６４は、閉じ込め室１２０の上面の上 部供給開口部又はアイリス１６８として図１２に示されているような種類の供給 開口部を介して閉じ込め室１２０に結合されている。第１マイクロ波供給部１６ ２と結び付いている第１供給開口部は、第２マイクロ波供給部１６４と結び付い ている第２供給開口部から９０度（角度１９０及び軸１９２、１９４によって示 されている）の位置に置かれている。この９０度変位させられた供給開口部の配 置が幾何学的直角位相と呼ばれている。供給開口部の軸９２、９４は図９に最も 明瞭に見られる。 全体的な供給構造体１６０は、また、第２導波管供給部１６４から室に入るマ イクロ波を第１導波管供給部１６２から室に入るマイクロ波に対して９０度移相 する移相構造体を含んでいるということを理解されたい。供給構造体１６０にお いて、移相構造体は接続部１６３、第１導波管供給部１６２及び第２導波管供給 部１６４を含み、導波管供給部１６２及び１６４の各々の、接続部１６３からそ れぞれの供給開口部１６６及び１６８までの距離は、第２導波管供給部１６４が 第１導波管１６２から室１２０に入るマイクロ波に対してマイクロ波を電気的に ９０度移相するような寸法になされている。この方法で、２つの導波管供給部１ ６２及び１６４は、物理的にも電気的にも互いに他方から９０度変位させられて いるマイクロ波を閉じ込め室１２０に結合する。直交モードのベクトル付加特性 のために、結果として生じる直線偏波モードは、図１５〜図１８に関してより詳 細に説明されるように常に回転している。 図７は供給構造体２６０の第２実施形態を示す。供給構造体２６０は、軸２９ ２に沿って位置する第１導波管供給部２６２と軸２９４に沿って位置する第２導 波管供給部２６４との二叉に分かれる接続部２６３を有する主導波管２６１を含 んでいる。第１及び第２導波管供給部２６２及び２６４は、必須ではないが、上 部壁２２４にほぼ平行に延在してる。第１及び第２導波管供給部２６２、２６４ はそれぞれ供給開口部２６６、２６８に接続されており、これらの供給開口部は 、軸２９２及び２９４の間の直角２９０によって示されているように、互いに幾 何学的直角位相の関係で上部壁２２４上に配置されている（各供給開口部は、エ ネルギーを室２２０に結合する、図１２のアイリス１６８に相当する開口部を好 適に有している）。更に、第１及び第２導波管供給部２６２及び２６４は、第２ 導波管供給部２６４からのマイクロ波が第１導波管供給部２６２から室２２０に 入るマイクロ波に対して位相が電気的に９０度ずれるような寸法になされている 。 図８は、供給構造体３６０の第３実施形態を示している。全体的な供給構造体 ３６０は主導波管３６１、接続部３６３、第１導波管供給部３６２及び第２導波 管供給部３６４を含んでいる。第１及び第２導波管供給部は各々第１及び第２導 波管開口部３６６及び３６８にそれぞれ接続し、第１及び第２導波管開口部は幾 何学的直角位相に（即ち、軸３９２及び３９４の間の角３９０によって示されて いるように、機械的に即ち幾何学的に９０度離れて）側壁３２２に配置され、各 供給開口部の詳細は図１１のアイリス３６８に一致している。 主導波管３６１は縦軸ｚにほぼ垂直で、閉じ込め室３２０の側壁３２２から半 径方向に突出している。接続部３６３では、第１導波管供給部３６２が主導波管 ３６１から内側に半径方向に延出している。第２導波管供給部３６４は主導波管 ３６１から延出し、第２供給開口部３６８に接続する。 第１及び第２導波管３６２及び３６４は長さが十分に異なっており、第２導波 管供給部３６４からのマイクロ波は、第１導波管供給部３６２から室３２０に入 るマイクロ波に対して位相が電気的に９０度ずれている。 直角位相に供給開口部を有する供給構造体（図示せず）の他の実施形態、例え ば誘電移相器又はフェライト移相器を含む移相構造体が使用されることもある。 それぞれのマイクロ波供給部から閉じ込め室にマイクロ波エネルギーを結合す るための開口部は、図１１及び図１２に示されているものの代わりに、他の周知 の形態（図示せず、例えば、キャビティ内に突出したプローブ）を取り得るとい うことを理解されたい。 ここで図１３及び図１４を参照するに、界の線が非常に単純化された形で図式 的に示され、平面図が磁界の線を示し、側面図が電界の線を示す、ＴＭ₁₁モード を含むキャビティの平面図４００と側面図４０２とが見られる。同様に、図１４ を参照するに、ＴＭ₀₂モードの平面図４０４と側面図４０６とが見られる。 ここで図１５及び図１６を参照するに、回転する界の動作が平面図４０８及び ４１０で示されており、これらは、所定の周波数での９０度の電気的位相シフト に対応する、異なった時点でのＴＭ₁₁モードを表しているものと理解されるべき である。明らかなように、マイクロ波供給部の直角位相供給は、キャビティ内の 界を回転させ、磁界ループ４１２は図１５に示されている位置でスタートし、そ して磁界ループ４１２は、連続する図の間で連続的に９０度ずつ増える電気的な 位相変化に対応する、図１５〜図１８で示されている「スナップショット」間の 時間と共に、図１６、図１７及び図１８に示されている位置に移動する（また、 図示されている時間の連続における磁界ループ４１４、４１６、４１８及び４２ ０によっても示されている）。図１５のパターンは図１８に示されているパター ンの時点の９０度後に現れ、このシーケンスはマグネトロンが動作する限り繰り 返されるということも理解されたい。 本発明は従来技術に対して大きな利点を有する。設計の過程でＴＭモードを使 用することにより、（特に、ピザやピーターブレッド・サンドイッチのような 「円形の」負荷における縁部の過熱を除去すべく、円周方向のＥ界成分を有さな い場合）本アプリケータは（ＴＭ型モードは食品のような負荷にＴＥ型モードよ りもより良く適合するので）調理の効率を向上させる。選択されたＴＭモードの 使用（この場合、ＴＭモード対は、縮退、即ち管内波長の２倍の関係を有する） は、直角移相供給構造体と共に、均一な時間平均エネルギー分布を生じ、ホット スポット及びコールドスポットを実質的に除去する。本発明の移相構造体は可動 部品を有さないので、機械的により有効で信頼性が高い。最後に、本発明のアプ リケータはマイクロ波の漏れを最小にすることによって安全性を向上させる。 要約した形における円筒状キャビティの寸法を決定するための手順は以下の通 りである。 １．均一な加熱及び電子的な撹拌のために利用され得る回転対称性の要求に合 う環状円筒状モード対の型を選択する。 ２．効率の増大及び縁部の過熱の低下をもたらす、特有の高い結合係数の故に 、ＴＭモードだけを選択する。ＴＭ_mnモードについてｍ＝０に設定すると、円周 方向のＥ界成分を有しないパターンを生じるが、これは、縁部の過熱を除去する ためには有利であるが、そのようなパターン（それ自体）が望ましくない「コー ルド」領域を有しているということにおいて不利である。例えば、ＴＭ₀₂モード は中心の「コールド」スポットと同心円の「コールド」リング形状領域とを有す る。選択されるべき第２モードは、「コールド」スポット又は領域を好適に「充 填」すべく、第１モードと「相補的な」加熱パターンを有すべきものである。例 えばＴＭ₁₁モードは「ホット」中心領域を有し、回転させられると、縁部の過熱 を招くことなく均一な加熱パターンを提供する。 ３．関心を持っているマイクロ波周波数（普通２４５０ＭＨｚ）についての自 由空間波長を決定し、前に選択した環状対称ＴＭモード型用の望ましいキャビテ ィ直径を包含する直径の範囲について、その周波数における管内波長を決定する 。 ４．使用される第１モードについて望ましいモード次数を選択する。この場合 、図５に示すように、低いモード次数（０〜４）が好適である。何故ならば、そ れらは周波数の関数としての管内波長において最も急速な変化を示すからである 。ＴＭ₀₂モードは、磁界における環状の対称性を有し、周縁領域に強い加熱を提 供 するので好適である。 ５．使用される第２モードについて望ましいモード次数を選択する。この場合 、第２モードは、ＴＭモード型であり、受容され得るキャビティ直径において選 択された第１モードの管内波長の２分の１に等しい管内波長を有する。例えば、 直径が９．１７４６５インチのとき、ＴＭ₀₂モードは１２．５５７０８インチの 管内波長を有し、ＴＭ₁₁モードは６．２７８５４インチの管内波長を有する。 ６．共振設計のために、上記のステップ４で選択された第１モードの管内波長 に等しいキャビティ高さを選択する。この場合、第１モードがキャビティ内で垂 直方向に半管内波長を有する一方、第２モードがキャビティ内で垂直方向に全管 内波長の界分布を有するので、２つの選択されたモードは、縮退する、即ち、同 じキャビティに同時に存在することが可能になる。 キャビティの寸法が上記のようにして決定されると、供給装置が以下の追加ス テップに従って決定され得る。 ７．キャビティに直角位相供給装置を提供する。この場合、キャビティ内の供 給ポートは、上部壁上又はその近く（即ち短い方のモードの管内波長のλ_g／４ 未満）の上部壁又は側壁に、縦軸に垂直な平面内で測定すると、一の供給ポート が他の供給ポートから９０度の角度に位置するように配置され、また、一の供給 ポートから他の供給ポートへの９０度の電気的移相をもたらす。結果としての回 転方向における変化を伴う、正又は負の移相が使用され得るということを理解さ れたい。 本発明の変更及び変形が本発明の精神又は範囲から離れることなくなされ得る ので、本発明はその詳細のすべてに限定されるものとして受け取られるべきでは ない。例えば（しかし限定としてではなく）、負荷の挿入はその蓋と共に移動す る棚を備えた下部壁内の開口部によることもある。別の例としては、供給ポート の間隔を９０度以外にすること（但し機械的角度と電気的角度とは等しい）も本 発明の範囲内である。更に別の例としては、一の壁（例えば、下部壁）が隣接す る壁（例えば、側壁）から離れている開口式アプリケータを利用することも、側 壁と下部壁との間からの漏れを塞ぐ手段が含まれているならば、本発明の範囲内 である。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．負荷を加熱するマイクロ波アプリケータであって、 ａ）マイクロ波を閉じ込めるマイクロ波閉じ込め室であって、上部壁、下部壁 、及び上部壁に接続されるほぼ円筒状の側壁を有し、閉じ込め室は内径を有する ものと、 ｂ）所定の周波数でマイクロ波を発生するマイクロ波エネルギー源と、 ｃ）マイクロ波エネルギー源と閉じ込め室との間に接続される供給構造体であ って、マイクロ波をエネルギー源から閉じ込め室に接続するものと、 を具備し、 閉じ込め室の直径は、各モードがそれぞれの管内波長を有する、第１及び第２ 横磁界モードのみを有するマイクロ波界をサポートするように寸法を定められて おり、且つ、第１モードの管内波長は第２モードの管内波長の２倍に実質的に等 しい、 マイクロ波アプリケータ。 ２．円筒状の側壁が、円筒縦軸と、縦軸に垂直なほぼ円形の断面とを有する請 求項１に記載のマイクロ波アプリケータ。 ３．円筒状の側壁が、縦軸と、軸に垂直な少なくとも５つの辺を有する多角形 断面とを有する請求項１に記載のマイクロ波アプリケータ。 ４．室の内径が、第１及び第２横モードの次数を最小にするように選択される 請求項１に記載のマイクロ波アプリケータ。 ５．室の内径が、所定の周波数でＴＭ₀₂モードを第１モードとして且つＴＭ₁₁ モードを第２モードとして生成するように寸法を定められている請求項１に記載 のマイクロ波アプリケータ。 ６．所定の周波数が、２４５０ＭＨｚに実質的に等しい請求項１に記載のマイ クロ波アプリケータ。 ７．内径が、約９．１７インチである請求項６に記載のマイクロ波アプリケー タ。 ８．円筒状の側壁が、約６．２８インチの内部高さを有する請求項６に記載の マイクロ波アプリケータ。 ９．閉じ込め室の内部に位置させられる負荷を支持する、マイクロ波に対して 透明な棚であって、上部壁にほぼ平行なものを更に具備する請求項１に記載のマ イクロ波アプリケータ。 １０．棚が、上部壁から離れて配置され、もって、負荷が上部壁から第２モー ドの管内波長の整数倍に実質的に等しい距離にある請求項９に記載のマイクロ波 アプリケータ。 １１．棚が、ホウ珪酸ガラスで作られている請求項９に記載のマイクロ波アプ リケータ。 １２．棚が、ガラスセラミックで作られている請求項９に記載のマイクロ波ア プリケータ。 １３．円筒状の側壁が、開口部を有し且つアプリケータが円筒状の側壁の開口 部に一致し且つ選択的にそれを閉じる可動扉を更に具備する請求項１に記載のマ イクロ波アプリケータ。 １４．扉に取り付けられる摺動可能な引き出しであって、負荷を閉じ込め室に 挿入するものを更に具備する請求項１３に記載のマイクロ波アプリケータ。 １５．下部壁が、閉じ込め室の円筒縦軸を中心とする回転面を有するように形 成されている請求項１に記載のマイクロ波アプリケータ。 １６．内径が、円筒縦軸に関する横電界を実質的に欠いている室内のマイクロ 波界をサポートするように選択されている請求項１５に記載のマイクロ波アプリ ケータ。 １７．室内のマイクロ波界が、円周方向における横電界成分を欠いている請求 項１６に記載のマイクロ波アプリケータ。 １８．供給構造体が、第１導波管供給部と第２導波管供給部とを具備し、各々 が、閉じ込め室に接続されていると共に、閉じ込め室に入る位置で、閉じ込め室 に入るそれぞれの位置におけるマイクロ波間の電気的位相角の差に等しい、互い に他方に対する物理的角度で実質的に離れて位置させられている請求項１に記載 のマイクロ波アプリケータ。 １９．導波管供給部間の物理的及び電気的な位相シフト角度が、各々９０度に 等しい請求項１８に記載のマイクロ波アプリケータ。 ２０．各導波管供給部が更に、上部壁上に位置させられている供給開口部を更 に具備する請求項１８に記載のマイクロ波アプリケータ。 ２１．供給構造体が、第１及び第２導波管供給部に接続された主導波管と、上 部壁に配置された１対の供給開口部とを具備する請求項１８に記載のマイクロ波 アプリケータ。 ２２．第１導波管供給部が、側壁上で第１供給開口部に接続し、且つ、第２導 波管供給部が、第１供給開口部から９０度の物理的角度で側壁に配置される第２ 供給開口部に接続する請求項１８に記載のマイクロ波アプリケータ。 ２３．供給構造体が、第２導波管供給部から室に入るマイクロ波を、第１導波 管供給部から室に入るマイクロ波に対して９０度電気的に移相する移相構造体を 更に具備する請求項２２に記載のマイクロ波アプリケータ。 ２４．移相構造体が、第１及び第２導波管供給部を接続する接続部と、第２導 波管供給部が第２導波管供給部から室に入るマイクロ波を第１導波管供給部から 室に入るマイクロ波から９０度移相するような第１及び第２導波管供給部の間の 異なった長さとを具備する請求項２３に記載のマイクロ波アプリケータ。 ２５．移相構造体が、誘電移相器を具備する請求項２３に記載のマイクロ波ア プリケータ。 ２６．移相構造体が、フェライト移相器を具備する請求項２３に記載のマイク ロ波アプリケータ。 ２７．負荷を加熱するマイクロ波アプリケータ用のマイクロ波閉じ込め室であ って、 ａ）上部壁と、 ｂ）下部壁と、 ｃ）上部壁に接続され、マイクロ波を閉じ込めるべく十分密閉されており、内 径を有するほぼ円筒状の側壁と、 を具備し、 円筒状の側壁の内径は第１及び第２横磁界モードを有し且つ横電界モードの不 在によって特徴付けられているマイクロ波界をサポートするような寸法に定めら えれており、各横磁界モードは、それぞれの管内波長を有し、且つ、第１横磁界 モードの管内波長は、第２横磁界モードの管内波長の実質的に２倍である、 マイクロ波閉じ込め室。 ２８．負荷を加熱するマイクロ波アプリケータであって、 ａ）連続的な側壁と、ほぼ平面の上部壁と、下部壁とを有するほぼ円筒状のマ イクロ波閉じ込め室であって、側壁は、上部壁と下部壁とを接続し、上部壁、下 部壁及び側壁は、密閉され且つ固定されてマイクロ波エネルギーを閉じ込め、閉 じ込め室は、内径を有するものと、 ｂ）２４５０メガヘルツに実質的に等しい周波数でマイクロ波エネルギーを発 生するマイクロ波エネルギ源と、 ｃ）マイクロ波エネルギー源と閉じ込め室との間に接続される供給構造体であ って、エネルギー源からのマイクロ波エネルギーを閉じ込め室に接続するための ものと、 を具備し、 閉じ込め室の内径は、９．１７インチに十分近く、もって、各モードがそれぞ れの管内波長を有するＴＭ₀₂第１横磁界モード及びＴＭ₁₁第２横磁界モードのみ を有するマイクロ波界がサポートされ、且つ第１モードの管内波長が、第２モー ドの管内波長の２倍に実質的に等しい、 マイクロ波閉じ込め室。 ２９．マイクロ波アプリケータ用のマイクロ波閉じ込め室を製造する方法であ って、 ａ）マイクロ波を閉じ込めるのに十分な導電性材料のほぼ円筒状の側壁を形成 するステップであって、側壁は、その縦方向縁部に２つの開いた領域を有すると 共に、内径を有しており、側壁を形成するステップは、所定の周波数のマイクロ 波の環状の円筒状の側壁への導入が、各々がそれぞれの管内波長を有する第１及 び第２横磁界モードを有するマイクロ波界であって、第１及び第２モードの組み 合わせが実質的に均一な加熱パターンを提供するように、第１モードは第２モー ドの２倍の管内波長を有するものを生成するように、側壁の内径を選択するステ ップを含む、ものと、 ｂ）マイクロ波を閉じ込めるのに十分な導電性材料の下部壁と上部壁とを用意 するステップであって、下部壁及び上部壁は側壁の開いた領域を閉じるのに少な くとも十分な寸法を有する、ものと、 ｃ）上部壁を、側壁の開いた領域のうちの一方に、上部壁が一方の開いた領域 を閉じるように接続し、且つ、下部壁を、側壁の開いた領域のうちの他方に、下 部壁が他方の開いた領域を閉じるように接続するステップであって、上部壁、下 部壁及び側壁は縁部の閉じたほぼ円筒状の室を共同で形成する、ものと、 を具備する方法。 ３０．側壁の内径を選択するステップが、第１及び第２モードの次数を最小に するステップを更に具備する請求項２９に記載の製造方法。 ３１．側壁の内径を選択するステップが、ＴＭ₀₂第１横磁界モードとＴＭ₁₁第 ２横磁界モードとを有するマイクロ波界を生成するように内径の寸法を定めるこ とを含む請求項２９に記載の製造方法。 ３２．ステップａ）が、内径を９．１７インチに実質的に等しい寸法にするこ とを含む請求項２９に記載の製造方法。 ３３．側壁を形成するステップが、ほぼ円形の、軸に垂直な断面輪郭を有する 側壁を提供することを含む請求項２９に記載の製造方法。 ３４．側壁を形成するステップが、ほぼ高次多角形として造形される、軸に垂 直な断面輪郭を有する円筒状の側壁を提供することを含む請求項２９に記載の製 造方法。 ３５．下部壁を用意するステップが、閉じ込め室の縦軸を中心とする回転面を 有する下部壁を造形するステップを更に含む請求項２９に記載の製造方法。 ３６．負荷を支持するための、マイクロ波に対して透明な棚を用意するステッ プと、閉じ込め室の内部に且つ上部壁にほぼ平行に棚を位置させるステップとを 更に含む請求項２９に記載の製造方法。 ３７．棚を位置させるステップが、第２モードの管内波長の整数倍に実質的に 等しい上部壁からの距離に負荷を支持するように棚を配置することを含む請求項 ３６に記載の製造方法。 ３８．側壁に開口部を形成するステップと、開口部を覆う寸法になされている 扉を用意するステップと、扉が選択的に開口部を閉じるように扉をマイクロ波ア プリケータに取り付けるステップとを更に含む請求項２９に記載の製造方法。 ３９．ｄ）側壁に開口部を形成するステップと、 ｅ）引き出しに接続される扉を用意するステップであって、開口部を覆うよう に扉の寸法を決定することと、開口部を介して嵌合するように引き出しの寸法を 決定することとを含むものと、 ｆ）扉が選択的に開口部を閉じるように、引き出しを開口部内で摺動可能に受 容するステップと、 を更に含む請求項２９に記載の製造方法。 ４０．請求項２９の方法によって製造されるマイクロ波アプリケータ用のマイ クロ波閉じ込め室。