JP2005315487A - マイクロ波加熱方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 マイクロ波加熱特有の局所加熱を抑制して、被加熱物の加熱均一化を図り、加熱後の出来映えを向上させること。
【解決手段】被加熱物を載置する加熱室１１内にマイクロ波を供給して該被加熱物を加熱するマイクロ波加熱方法であって、加熱室１１へマイクロ波を供給して被加熱物を加熱するとともに、被加熱物の温度を測定して被加熱物の温度分布に所定の温度差を生じたかを検出し、所定の温度差が生じた場合に加熱室１１内に水の微粒子を供給して加熱室１１内の誘電率分布状態を変更することにより加熱室１１に供給されたマイクロ波による電界の分布を変化させる
【選択図】 図１

Description

本発明は、被加熱物を誘電加熱するマイクロ波加熱方法及びその装置に関するものである。

マイクロ波加熱装置の代表例である電子レンジでは、マグネトロンから出射されるマイクロ波を加熱室に導波管を通じて伝送して、加熱室内で定在波を形成させ、この定在波の電界成分と被加熱物の誘電損失に応じて被加熱物を発熱させている。被加熱物の単位体積当たりの吸収される電力Ｐ［Ｗ／ｍ³］は、加えられる電界の強さＥ［Ｖ／ｍ］、周波数ｆ［Ｈｚ］、及び被加熱物の比誘電率（誘電率の実数部分）εr、誘電正接ｔａｎδにより、下式により表わされる（ここで、εr・ｔａｎδが誘電損失に相当する）。
Ｐ ＝ (5/9)εr・ｔａｎδ・ｆ・Ｅ² ×１０^-10 ［Ｗ/ｍ3］

また、電子レンジは、被加熱物を収納する加熱室の大きさが大概、幅寸法及び奥行き寸法がそれぞれ３０〜４０ｃｍ、高さ寸法が２０ｃｍ前後である。一方使用しているマイクロ波の波長は約１２ｃｍであり、加熱室内で共振して定在波となるので強弱の電界分布が必ず生じ、さらには被加熱物の形状やその物理特性の影響が相乗的に作用して局所的な加熱が発生することがある。特に、冷凍食品の解凍においては、氷が溶けて水になった領域は誘電損失が急激に大きくなり、加熱エネルギーが集中するので、周囲と比較して温度上昇速度が高くなる。つまり、被加熱物の氷の部分の加熱が遅い反面、氷が溶けた部分の加熱が早まるといった状態で、ますます温度差が拡大する傾向がある。よって被加熱物に局所的な加熱現象が顕著に現れ、部分煮えと未解凍とが共存してしまう問題を有していた。

この局所的な加熱を抑制する方法としては、被加熱物を回転させることにより電界分布に対する相対位置を変化させるいわゆるターンテーブルや、マイクロ波を攪拌することにより電界分布を変化させるいわゆるスターラ方式、回転アンテナ方式等を用いる方法がある。しかし、これらの方法を用いても、特に冷凍品を解凍する場合には必ずしも出来映えが良くなるとは限らず、加熱条件によっては温度分布が大きくなり、上述した部分煮え等の不具合が生じることとなる。そのため、現在の電子レンジの解凍処理では、あえてマイクロ波の出力を下げたり、マイクロ波を出さない時間を加熱途中に設ける等により、食品内部の熱伝導による温度の平均化を待つことによって出来映えを向上させている。

一方、マイクロ波加熱装置に水粒子を取り入れることで、水粒子によっても被加熱物を加熱するものがある。例えば、水を霧状にして噴霧する手段を備えたマイクロ波加熱装置が特許文献１に、貯水部の水をマイクロ波によって加熱沸騰させて、発生する水蒸気を利用して加熱調理するマイクロ波加熱装置が特許文献２に記載されている。
特開平６−２７２８６６号公報 特開平８−２９６８５５号公報

しかしながら、従来の加熱調理器にあっては、被加熱物に霧や水蒸気を当てることで被加熱物を加湿したり加熱したりするものであって、肉まんやしゅうまい等の蒸し物やあたため用途では出来映えを良くすることができても、冷凍品の解凍時に局所的な加熱を抑えることはできなかった。従って、解凍に関しては、水粒子を供給するメリットが十分には活かされていなかった。
本発明は、このような従来の問題を鑑みてなされたもので、マイクロ波加熱特有の局所加熱を抑制して、被加熱物の加熱均一化を図り、加熱後の出来映えを向上させることのできるマイクロ波加熱方法及びその装置を提供することを目的とし、特に冷凍品を解凍する場合にその出来映えを向上させることを可能にするものである。

本発明の上記目的は、下記構成により達成される。
（１） 被加熱物を載置する加熱室内にマイクロ波を供給して該被加熱物を加熱するマイクロ波加熱方法であって、前記加熱室へマイクロ波を供給して前記被加熱物を加熱するとともに、前記被加熱物の温度を測定して該被加熱物の温度分布に所定の温度差を生じたかを検出し、前記所定の温度差が生じた場合に前記加熱室内に水の微粒子を供給して該加熱室内の誘電率分布状態を変更することにより前記加熱室に供給されたマイクロ波による電界の分布を変化させることを特徴とするマイクロ波加熱方法。

このマイクロ波加熱方法によれば、所定の温度差が生じた場合に加熱室内に水の微粒子を供給して加熱室内の誘電率分布状態を変更することにより加熱室に供給されたマイクロ波による電界の分布を変化させ、マイクロ波加熱特有の局所加熱を抑制して、被加熱物の加熱均一化を図り、加熱後の出来映えを向上させることができる。

（２） 前記マイクロ波による電界の分布を細かく変化させることを特徴とする（１）記載のマイクロ波加熱方法。

このマイクロ波加熱方法によれば、電界の分布が細かくされることで、局所的な加熱が抑えられ、被加熱物を均一に加熱する効果が高まる。

（３） 前記水の微粒子が、前記加熱室内に供給された水蒸気からなることを特徴とする（１）又は（２）記載のマイクロ波加熱方法。

このマイクロ波加熱方法によれば、水の微粒子として水蒸気を用いることにより、水蒸気による熱伝達と誘電率の変更とを同時に行うことができ、加熱効率が向上する。

（４） 前記水の微粒子が、前記加熱室内に供給された霧状の水滴からなることを特徴とする（１）又は（２）記載のマイクロ波加熱方法。

このマイクロ波加熱方法によれば、水の微粒子として霧状の水滴を用いることにより、迅速な水の供給が可能となり、電界制御の応答性が高められる。

（５） 被加熱物を載置する加熱室内にマイクロ波を供給して該被加熱物を加熱するマイクロ波加熱方法であって、前記加熱室へマイクロ波を供給して得られる電界の強弱（腹と節）のうち、電界の強い部位（腹）が前記加熱室内に複数個が存在する第１の状態で前記被加熱物をマイクロ波加熱し、その後、前記加熱室内に水の微粒子を供給して該加熱室内の誘電率分布状態を変更し、前記電界の強い部位（腹）の数を前記第１の状態より増加させた第２の状態で前記被加熱物をマイクロ波加熱することを特徴とするマイクロ波加熱方法。

このマイクロ波加熱方法によれば、電界の強い部位が加熱室内に複数個が存在する第１の状態で被加熱物をマイクロ波加熱した後、加熱室内に水の微粒子を供給して加熱室内の誘電率分布状態を変更し、電界の強い部位の数を第１の状態より増加させることにより、電界の強い部位が特定の位置だけに生じることなく、被加熱物の全体に満遍なく発生させることができ、被加熱物の加熱均一性が高められる。

（６） 前記第１の状態から前記第２の状態への切り替えを、前記被加熱物の温度を測定して該被加熱物の温度分布に所定の温度差を生じた場合に行うことを特徴とする（５）記載のマイクロ波加熱方法。

このマイクロ波加熱方法によれば、被加熱物の温度分布に所定の温度差が発生したときに電界の状態を変更することにより、温度差が低減して均一にされる。

（７） 被加熱物を載置する加熱室内にマイクロ波を供給して該被加熱物を加熱するマイクロ波加熱装置であって、マイクロ波を前記加熱室に供給するマイクロ波発生部と、前記加熱室内の温度分布を測定する温度測定手段と、前記加熱室内に水の微粒子を供給することにより前記加熱室内の誘電率分布状態を変更する誘電率変更手段と、（１）〜（６）のいずれか１項記載のマイクロ波加熱方法に基づいて前記誘電率変更手段を制御する加熱制御手段とを備えたことを特徴とするマイクロ波加熱装置。

このマイクロ波加熱装置によれば、マイクロ波発生部から加熱室にマイクロ波を供給する一方、温度測定手段により加熱室内の温度分布を測定して、所定のタイミングで加熱室内に水の微粒子を供給することにより、加熱室に供給されたマイクロ波による電界の分布を変化させ、マイクロ波加熱特有の局所加熱を抑制して、被加熱物の加熱均一化を図り、加熱後の出来映えを向上させることができる。

（８） 前記誘電率変更手段が、貯水タンクと、前記加熱室内に配設した蒸発皿と、前記貯水タンクから所定量の水を前記蒸発皿に供給する送水ポンプと、前記蒸発皿を加熱して該蒸発皿から水蒸気を発生させる蒸発皿加熱手段とを備えたことを特徴とする（７）記載のマイクロ波加熱装置。

このマイクロ波加熱装置によれば、貯水タンクの水を送水ポンプにより所定量湯を蒸発皿に供給し、蒸発皿加熱手段により加熱することで、所望の蒸気量を発生させることができる。また、蒸発皿が加熱室内にあることで清掃が容易となり加熱室内を衛生的に保つことができる。

（９） 前記誘電率変更手段が、前記加熱室内に霧状の水滴を供給するミスト供給手段を備えたことを特徴とする（７）記載のマイクロ波加熱装置。

このマイクロ波加熱装置によれば、ミスト供給手段から霧状の水滴を加熱室内に一気に供給できるので、強電界の分布を迅速に変更することができる。

（１０） 被加熱物を載置する加熱室内にマイクロ波を供給して該被加熱物を加熱するマイクロ波加熱装置であって、マイクロ波を前記加熱室に供給するマイクロ波発生部と、貯水タンクと、前記加熱室に配設した蒸発皿と、前記貯水タンクから所定量の水を前記蒸発皿に供給する給水手段と、前記蒸発皿を加熱して水蒸気を発生させる蒸発皿加熱手段とを備え、前記蒸発皿に水を供給した後に蒸発皿を加熱して水蒸気を発生させる第１の誘電率分布状態、及び前記蒸発皿を加熱した後に水を供給しすぐに水蒸気を発生させる第２の誘電率分布状態を有する誘電率変更手段と、該誘電率変更手段を制御する加熱制御手段とを備えたことを特徴とするマイクロ波加熱装置。

このマイクロ波加熱装置によれば、誘電率変更手段により、蒸発皿に水を供給した後に蒸発皿を加熱して水蒸気を発生させた第１の誘電率分布状態、蒸発皿を加熱した後に水を供給しすぐに水蒸気を発生させる第２の誘電率分布状態とをそれぞれ生成して、これらの状態を加熱制御手段により制御することにより、加熱室の電界分布状態が変化して、被加熱物を均一に加熱することができる。

本発明のマイクロ波加熱方法及びその装置によれば、加熱室内に水の微粒子を供給して加熱室内の誘電率分布状態を変更することにより加熱室に供給されたマイクロ波による加熱室内の電界の分布を変化させ、マイクロ波加熱特有の局所加熱を抑制して、被加熱物の加熱の均一化を図り、加熱後の仕上がり状態を向上させることができる。

以下、本発明に係るマイクロ波加熱方法及びその装置の好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。
図１は本発明に係るマイクロ波加熱装置の開閉扉を開けた状態を示す正面図、図２はマイクロ波加熱装置の基本動作説明図、図３は蒸気供給部への給水経路を示す説明図、図４はマイクロ波加熱装置を制御するための制御系のブロック図である。

このマイクロ波加熱装置（以下、加熱調理器と称する）１００は、図１に示すように、被加熱物を収容する加熱室１１に、マイクロ波（マイクロ波）と水蒸気Ｓとの少なくともいずれかを供給して被加熱物を加熱処理する加熱調理器であって、マイクロ波を発生するマイクロ波発生部１２としてのマグネトロン１３と、加熱室１１内で水蒸気Ｓを発生し誘電率変更手段として機能する蒸気供給部１５と、加熱室１１の上方に配置された上部加熱ヒータ１６と、加熱室１１内の空気を撹拌・循環させる循環ファン１７と、加熱室１１内を循環する空気を加熱するコンベクションヒータ１９とを備えている。また、加熱調理器１００は、加熱室１１の壁面に設けた検出用孔を通じて加熱室１１内の被加熱物の温度を測定する温度測定手段としての赤外線センサ１８と、加熱室１１の壁面に配置されて加熱室１１の温度を測定するサーミスタ２０と、加熱室１１の底面から所定間隔を空けた上方に着脱自在に配置され、加熱室１１を上下に分割する仕切板としてのトレイ２２とを備えている。

図１及び図２に示すように、加熱室１１は、前面開放の箱形の本体ケース１０内部に形成されており、本体ケース１０の前面に、加熱室１１の被加熱物取出口を開閉する透光窓２１ａ付きの開閉扉２１が設けられている。開閉扉２１は、下端が本体ケース１０の下縁にヒンジ結合されることで、上下方向に開閉可能となっている。

マグネトロン１３は、例えば加熱室１１の下側の空間に配置されており、マグネトロン１３から発生したマイクロ波を受ける位置には電波撹拌手段としてのスタラー羽根３３（或いは回転アンテナ等）が設けられている。そして、マグネトロン１３からのマイクロ波を、回転するスタラー羽根３３に照射することにより、該スタラー羽根３３によってマイクロ波を加熱室１１内に撹拌しながら供給するようになっている。なお、マグネトロン１３やスタラー羽根３３は、加熱室１１の底部に限らず、加熱室１１の上面や側面側に設けることもできる。

図２に示すように、加熱室１１の奥側の空間には、循環ファン１７及びその駆動モータ２３を収容した循環ファン室２５が配置されており、加熱室１１の後面の壁が、加熱室１１と循環ファン室２５とを画成する奥側壁面２７となっている。奥側壁面２７には、加熱室１１側から循環ファン室２５側への吸気を行う吸気用通風孔２９と、循環ファン室２５側から加熱室１１側への送風を行う送風用通風孔３１とが形成エリアを区別して設けられている（図１参照）。これら各通風孔２９，３１は、多数のパンチ孔として形成されている。

熱風発生部１４は、循環ファン１７とコンベクションヒータ１９とによって構成されている。循環ファン室２５内には、この循環ファン１７を取り囲むようにして矩形環状のコンベクションヒータ１９が設けられ、吸気用通風孔２９は循環ファン１７の前面に配置され、送風用通風孔３１は矩形環状のコンベクションヒータ１９に沿った位置に配置されている。これにより、循環ファン１７を回転駆動すると、加熱室１１内の空気が、吸気用通風孔２９を通して循環ファン１７のあるコンベクションヒータ１９の中心位置に吸い込まれ、放射状に拡散し、コンベクションヒータ１９の近傍を通過して加熱され、送風用通風孔３１から加熱室１１内に送り出される循環風となる。

また、蒸気供給部１５は、加熱により水蒸気Ｓを発生する水溜凹所３５ａを有した蒸発皿３５と、蒸発皿３５の下側に配設され、蒸発皿３５を加熱する蒸発皿加熱ヒータ３７とを有して構成している。蒸発皿３５は、例えばステンレス製の板材に凹部を形成した細長形状のもので、加熱室１１の被加熱物取出口とは反対側の奥側底面に、長手方向を奥側壁面２７に沿わせた向きで配設されている。なお、蒸発皿加熱ヒータ３７としては、図示は省略するが、シーズヒータ等の発熱体を埋設したアルミダイカスト製のヒートブロックを蒸発皿３５に接触させた構成としている。この他にも、ガラス管ヒータ、シーズヒータによる輻射熱で蒸発皿３５を加熱してもよく、プレートヒータ等を蒸発皿３５に貼り付けた構成としてもよい。

また、図１、図３に示すように、本体ケース１０内には、蒸発皿３５に供給する水を貯留する貯水タンク３８、貯水タンク３８内の水を送水する送水ポンプ３９、及び吐出口４１が蒸発皿３５に対向して配置された給水管路４３とが配設されている。貯水タンク３８内の水は、送水ポンプ３９によって給水管路４３を通して蒸発皿３５へ所望の水量を適宜供給可能にされている。なお、貯水タンク３８は、加熱調理器１００にジョイント部４５を介して組み込んだときに大型化しないように、本体ケース１０の比較的高温になりにくい側壁部にコンパクトに埋設してある。

上部加熱ヒータ１６は、グリル調理のための加熱や加熱室１１を予熱する例えばマイカヒータ等のプレートヒータであって、加熱室１１の上方に配置される。また、プレートヒータの代わりにシーズヒータで構成することもできる。

サーミスタ２０は、加熱室１１の壁面に設けられており、加熱室１１内の温度を検出するようになっている。加熱室１１の壁面には更に、複数箇所（例えば８箇所）の温度を同時に測定可能な赤外線センサ１８が揺動自在に配置されている。赤外線センサ１８を揺動させるスキャン動作により、加熱室１１内の複数の測定点の温度を測定することができ、さらに、測定点の温度を経時的に監視することで被加熱物Ｍの載置位置を知ることもできる。

トレイ２２は、加熱室１１の側壁面１１ａ，１１ｂに形成した係止部２６に着脱自在に支持される。係止部２６は、加熱室１１の複数の高さ位置でトレイ２２を支持可能に複数段設けられている。係止部２６にトレイ２２を係止させることにより、加熱室１１は上側空間１１Ａと下側空間１１Ｂとに２分割される。

図４は、加熱調理器１００の制御系のブロック図であり、この制御系は、例えばマイクロプロセッサを備えてなる加熱制御手段としての制御部５１を中心に構成されている。制御部５１は、主に入力操作部５３、表示パネル５５、マイクロ波発生部１２、蒸気供給部１５、熱風発生部１４、上部加熱ヒータ１６、温度センサ１８，２０等との間で信号の授受を行い、これら各部を制御する。

入力操作部５３には、スタートキー、加熱方法の切換キー、自動調理キー等の各種キーが備えられており、表示パネル５５で確認しながら、加熱内容に応じて適宜キー操作して加熱調理を行う。

次に、加熱調理器１００の基本動作について説明する。
図２に示すように、先ず、被加熱物Ｍである食品を皿等に載せて加熱室１１内に入れ、開閉扉２１を閉じる。入力操作部５３を操作して加熱方法、加熱時間、加熱温度等の諸設定を行い、スタートボタンを押下すると、制御部５１の動作によって自動的に加熱調理が行われる。
例えば、「蒸気発生＋循環ファンＯＮ」のモードが選択された場合には、蒸発皿加熱ヒータ３７がＯＮされることで、蒸発皿３５の水が加熱され水蒸気Ｓが発生する。蒸発皿３５から上昇する水蒸気Ｓが加熱室１１を循環することによって、被加熱物Ｍに均等に水蒸気Ｓが吹き付けられる。

この際、コンベクションヒータ１９をＯＮにすることによって、加熱室１１内の水蒸気Ｓを加熱できるので、加熱室１１内を循環する水蒸気Ｓの温度をさらに高温に設定することができる。従って、いわゆる過熱蒸気が得られて、被加熱物Ｍの表面に焦げ目を付けた加熱調理も可能となる。また、マイクロ波加熱を行う場合は、マグネトロン１３をＯＮにし、スタラー羽根３３を回転することで、マイクロ波を加熱室１１内に均一に撹拌しながら供給して、ムラの少ないマイクロ波加熱調理を行うことができる。

以上のように、本加熱調理器１００では、マグネトロン１３、熱風発生部１４、蒸気供給部１５、上部加熱ヒータ１６を夫々単独で、或いは組み合わせて用いることにより、調理に最適な加熱方法で被加熱物Ｍ（食品）を加熱することが可能となる。

なお、上記した調理時の加熱室１１内の温度は、赤外線センサ１８やサーミスタ２０によって測定されており、この測定結果に基づいて制御部５１がマグネトロン１３、上部加熱ヒータ１６、コンベクションヒータ１９等を適宜制御する。

本発明に係る加熱調理器１００は、上記の基本的な構成要素の制御に加えて、次に示すマイクロ波による加熱理制御を行っている。
図５は加熱室の底面を上から見た平面図である。
説明を簡単にするためにスタラー羽根の代わりに加熱室１１の底面中央にマイクロ波を供給するための電波開口部６０が存在すると仮定すると、この電波開口部の付近では、強磁界６１（破線矢印）により、同一方向の強磁界６３，６５（それぞれ破線矢印）が起こりやすくなる。すると、マイクロ波が加熱室１１内に入ることにより加熱室１１内でマイクロ波が共振を起こす。共振状態では、導波管内のような伝送状態とは異なり、磁界と電界の位相は９０゜ずれるので、強磁界６３，６５とは位相のずれた強電界６７，６９（実線矢印）が電波開口部を挟み込むように生じる。

共振状態は被加熱物が無い状態では、加熱室形状と電波開口部の位置によって決まり、本実施形態においては、強磁界６３，６５とは位相のずれた強電界６７，６９が加熱室１１の底面に対して垂直に立ち、同時に強電界６７と同方向（図５の奥向き）に強電界７１が立ち、強電界６９と同方向（図５の手前向き）に強電界７３が立つとする。勿論、２．４５ＧＨｚのスピードで、それぞれ向きが反転するものである。ここで図５中の斜線部は、加熱室１１の底面に生じる電界のうち、ある程度以上に電界が強い領域を示しており、加熱室の奥行き方向（ｘ方向）に三つ、幅方向に（ｙ方向）に四つ、強電界が生じている。これは共振状態となったために加熱室１１内に電磁波が定在波として分布することによって起こる電界の腹であり、この腹の数をモードと呼ぶ。通常、加熱室形状を三次元で表し、各方向の寸法をｘ、ｙ、ｚとするとき、それぞれの方向に電界の腹がｒ、ｓ、ｔ個だけあれば、そのモードは（ｒ ｓ ｔ）であるという。図示した場合では、ｒ＝３かつｓ＝４である。

図６は図５に示した強電界のモードをより簡略化してｒ＝２，ｓ＝２かつｔ＝３として３次元的に表示した例である。図中の斜線部は、加熱室１１の壁面上に生じる電界のうち、ある程度以上に電界が強い領域を示しており、向かい合う壁面は対称な電界分布を示している。斜線部で示す強電界７５の数（電界の腹）を数えると、ｘ方向に２個（ｒ＝２）、ｙ方向に２個（ｓ＝２）、ｚ方向に３個（ｔ＝３）立っており、モード（２２３）ということがわかる。

ここで、被加熱物が加熱室１１内に存在しない状態で、加熱室１１が直方体である場合には、加熱室１１の寸法と電波開口部の位置により、立ちうるモードを解析的に求めることができる。いま、加熱室１１の寸法をｘ、ｙ、ｚとし、各方向に立つモードの数は（１）式を満たすｒ、ｓ、ｔの組合せとなる。（ｘ、ｙ、ｚはmm単位、ｒ、ｓ、ｔは整数、λはマイクロ波の波長であって約１２２ｍｍ）
１／λ²＝（ｒ／（２ｘ））²＋（ｓ／（２ｙ））²＋（ｔ／（２ｚ））²
・・・（１）

一方、被加熱物が加熱室１１内に存在する場合は、被加熱物の誘電率による波長圧縮の影響等で（１）式からずれが生じる。しかし、被加熱物が加熱室１１内にあっても、電波開口部付近では（１）式を満たすモードが立とうとしており、電波開口部から離れた位置でモードが乱されることが多いことが実験的にわかってきている。よって、波長λ≒１２２ｍｍとして（１）式に基づき所望のモードが得られるように加熱室１１の寸法を決定すれば、概ね任意のモードを発生させることが可能となる。また、スタラー羽根３３を有する場合は、回転により電波開口部６０の位置を連続的に変化させるものと考えられるので、ある程度モードを変更することができる。

さらに、マイクロ波の波長λを変化させることでモードを変更することができる。具体的には、加熱室１１内に誘電体である水の微粒子を供給することにより、マイクロ波の波長が変化する。ここで、変化後の波長をλa、加熱室１１内の誘電率をεとすると、変化後の波長λaは（２）式で表される。

λa＝λ／√ε ・・・（２）

誘電率εは、空気の場合は１で、水蒸気では３前後となる。つまり、前述した蒸気供給部１５から加熱室１１内に水蒸気を供給することにより、加熱室１１内の誘電率が変化し、これにより、（２）式の関係からマイクロ波の波長が短波長側にシフトする。すると、（１）式によって決定される強電界のモードが変化する。
図７は加熱室の壁面上に発生する強電界のバリエーションを示す図である。表示された強電界７５が加熱室底面の強電界の位置だとすると、（ａ）はｒ＝２，ｓ＝２のモードであり、図６に示した強電界の状態と同じである。（ａ）の状態から加熱室１１内に水の微粒子を供給することにより、例えば（ｂ），（ｃ），（ｄ）に示すような状態に遷移する。（ｂ）はｒ＝５，ｓ＝１のモード、（ｃ）はｒ＝３，ｓ＝３のモード、（ｄ）はｒ＝４，ｓ＝４のモードであり、強電界の状態が変化する。

図８は加熱室１１に水の微粒子を供給しない場合（ａ）と供給した場合（ｂ）のマイクロ波の状態を概念的に示す説明図である。
図８（ａ）の水の微粒子を供給しない場合、マイクロ波の波長λは約１２２ｍｍでマイクロ波加熱がなされる。一方、（ｂ）の水の微粒子を供給した場合は、加熱室１１内の誘電率が大きくなり、マイクロ波の波長が短波長化される。その結果、加熱室１１内におけるマイクロ波による定在波の分布が細かくなり、被加熱物に対して均一な加熱効果が得られるようになる。また、マイクロ波の波長が短くなることで、被加熱物に対するマイクロ波の浸透深さが浅くなり、被加熱物の表面が特に加熱されるようになる。

次に、従来出来映え良く加熱することが困難であった冷凍品の解凍に対して、上述したように加熱室１１内のマイクロ波の状態を変化させることで、加熱状態を良好に改善することについて説明する。
図９に冷凍品の解凍処理におけるマイクロ波加熱と水蒸気供給のシーケンスの一例を示した。
冷凍品を解凍するには、図９（ａ）に示すように、まず、マイクロ波発生部１２により発生させるマイクロ波の出力を最初の所定時間（例えば２分）連続してＯＮとする。その際に、赤外線センサ１８により加熱室１１内の温度分布も測定する。

ここで、赤外線センサ１８による被加熱物の温度測定を図１０を用いて説明する。
図１０（ａ）に示すように、赤外線センサ１８は一度に複数点（ｎ点）の温度を同時に検出しながら赤外線センサ１８自体を揺動させることで、図中矢印方向にスキャンしつつ加熱室１１内を複数の測定点（スキャン方向にｍ点）に対する温度測定を行う。従って、赤外線センサ１８の１スキャンで、図１０（ｂ）に示すｎ×ｍ点の測定点全ての温度が検出される。被加熱物Ｍに対する温度は、連続的に検出される各測定点における温度の経過時間に対する上昇率に基づいて被加熱物Ｍの載置位置を求め、この載置位置における検出温度を被加熱物Ｍの温度として扱う。

図１１に、赤外線センサによるスキャンを連続的に複数回行ったときの図１０（ｂ）におけるＬ線位置の温度分布を示した。図１１において、１スキャン幅内で温度が特に変化している温度分布のピーク位置（谷の位置）は、図１０（ｂ）におけるＬ線上の被加熱物Ｍの位置に対応する。従って、加熱室１１における被加熱物Ｍの位置は、この温度分布のピーク存在位置から求められる。ここで、この被加熱物Ｍの位置に対応する温度を、加熱初期時或いは温度測定開始時まで遡って求めることにより、被加熱物Ｍの初期温度を判定することができる。また、図１１における温度分布曲線のピーク同士を連結する線（図１１における点線）の勾配から被加熱物Ｍの温度上昇率ΔＴを求めることにより、被加熱物Ｍの分量を推定することができる。これは、図１２に示すように、同じ初期温度で重量の異なる２つの被加熱物Ｍ１、Ｍ２を同じ条件で加熱すると、その重量に応じて温度上昇率ΔＴが異なり、分量の少ない被加熱物Ｍ１を加熱した場合には温度上昇率がΔＴＬとなり、分量が多い被加熱物Ｍ２を加熱した場合には温度上昇率がΔＴＬより小さなΔＴＭとなるためである。上記の被加熱物Ｍの初期温度の判定及び温度上昇率ΔＴから被加熱物Ｍの分量を推定することで、冷凍品の解凍処理終了時間を設定する。

再び図９に戻り、マイクロ波加熱により被加熱物の温度が所定温度に達したら、図９（ｂ）に示すように蒸気供給部１５によって加熱室１１内に水蒸気を所定時間（ここでは１分）供給する。すると、加熱室１１内の比誘電率（誘電率の実数部分）は、図１３に示すように徐々に増加して、加熱室１１内の電界の分布が変化する。そして、比誘電率が増加するとマイクロ波の波長が短くなり、その結果、図８（ａ）に示す第１の状態から図８（ｂ）に示す第２の状態に遷移して、図７（ｂ），（ｃ），（ｄ）に例示するように強電界のモードが細かい分布のモードとなる。なお、水蒸気の供給した後のマイクロ波加熱は、適宜なデューティ比の断続制御とされる。

これにより、図１４に被加熱物の加熱状態を概念的に示すように、マイクロ波加熱の初期においては、（ａ）のように被加熱物の内部Ｍinが特に強く加熱され、その後に水蒸気を供給することによって強電界が細かく分布するモードに変わり、（ｂ）のように被加熱物の表面Ｍoutが特に強く加熱されて、最終的に、（ｃ）のように内部Ｍinと表面Ｍoutとが均一に加熱された状態に仕上がる。
そして、マイクロ波加熱時間が、予め被加熱物の重量から求めた解凍処理終了時間に達したらマイクロ波加熱の出力を停止する。

このような冷凍品の解凍処理におけるマイクロ波加熱と水蒸気供給のシーケンスによれば、加熱室１１へマイクロ波を供給して得られる電界の強弱（腹と節）のうち、電界の強い部位（腹）が加熱室１１内に複数個が存在する第１の状態で被加熱物をマイクロ波加熱し、その後、加熱室１１内に蒸気供給部１５から水の微粒子を供給して該加熱室１１内の誘電率分布状態を変更し、電界の強い部位（腹）の数を第１の状態より増加させた第２の状態として、被加熱物をマイクロ波加熱することにより、異なる二種類の状態でマイクロ波加熱することで、局所的なマイクロ波加熱が仕上がりに影響することを抑制し、被加熱物を加熱ムラのない良好な状態に仕上げることができる。

ここで、上述した強電界の変化の現象を裏付けるために、マイクロ波空間内の電界強度分布をCAE解析したところ、図１５，図１６に示すような等電界強度線図が得られた。図１５は加熱室内の誘電率を空気相当の１とした場合、図１６は加熱室全体の誘電率を水蒸気相当の３とした場合を示している。双方を比較すると、全体的に強電界の分布が明らかに異なっており、図１５では比較的大きな電界の強い部位が点在しているのに対して、図１６では電界の強い部位が細かく散在している。従って、加熱室１１への水蒸気の供給によって、被加熱物をマイクロ波加熱する主要な加熱点（強電界を生じる位置）を増加させることができ、局所的な加熱が抑制されて被加熱物を温度ムラの少ない仕上がり状態にできる。

また、図１７にCAE解析による被加熱物の内部における等電界強度線図を示した。図１７（ａ）は図１５に対応する加熱室内の誘電率を空気相当の１として加熱した場合、（ｂ）は図１６に対応する加熱室全体の誘電率を水蒸気相当の３として加熱した場合を示している。図示のように、水蒸気の供給の有無により被加熱物の内部においても強電界の分布が明らかに異なり、（ａ）のマイクロ波加熱の場合よりも（ｂ）の水蒸気を供給した場合の加熱の方が細かい強電界の分布となっている。

つまり、被加熱物を中心に考えると、水蒸気の供給のないマイクロ波による加熱開始時には、図１８（ａ）に示すように被加熱物内部Ｍｉｎにマイクロ波が浸透し、内部から加熱され、その後、水蒸気の供給によって被加熱物の表面に結露Ｓ_Lが生じ、この結露した水にマイクロ波の加熱エネルギーが集中し、図１８（ｂ）に示すように被加熱物の外側から加熱が進むようになる。上記（ｂ）に示すような所謂「蒸気加熱による被加熱物の均一加熱効果」は、主に被加熱物の外側からの加熱が生じることを利用している。一方、本願発明における加熱室内へ水蒸気を供給する目的は、図１９に被加熱物内の強電界をモデル化して示すように、（ａ）の単にマイクロ波で加熱した場合の強電界の分布より、（ｂ）の水蒸気を供給して加熱した場合の強電界の分布を細かくすることにある。この強電界分布の細分化により、加熱ポイント（強電界の発生位置）が散在化されて、被加熱物が均一に昇温するようになる。さらに加熱が進んで被加熱物の表面に結露が生じた後は、上述の蒸気による均一加熱効果も作用して、これらの相乗効果によって被加熱物は、より一層の均一な加熱が実現される。

また本実施形態においては、蒸気供給部１５によって任意に誘電体である水の微粒子を加熱室１１内に投入して、加熱室１１内の誘電率を変更するものであるが、実際には蒸発皿３５に水を入れることによっても加熱室１１内の誘電率が変化する。従って、強電界の分布の変化は、蒸気発生前の蒸発皿３５に水を供給したときから始まり、強電界の分布の切り替えが迅速に行える。

また、発生する水蒸気を加熱室１１の上部に自然滞留させることで、加熱室１１の底面に載置する被加熱物への結露を防ぐことも可能となる。よって、結露することが好ましくない被加熱物（解凍）に対しても、水蒸気の供給を制御することで、強電界の分布を変化させて加熱の均一化を促進させることができる。

換言すると、マイクロ波が供給される仮想的なマイクロ波空間内へ水蒸気を供給することにより、空間内の誘電率が大きくなり、マイクロ波空間全体の形状を実際の加熱室１１よりも見かけ上大きくすることができる。この作用により、マイクロ波の強電界の分布を変化させることができ、その結果、水蒸気の有無に応じて加熱室１１内の強電界の分布を変えて、被加熱物の加熱の均一化を促進させることが可能となる。

次に、本発明に係るマイクロ波加熱方法の変形例を説明する。
本変形例のマイクロ波加熱方法では、加熱室内のマイクロ波の強電界を変化させる際に、強電界のモードを前述の水蒸気供給前の第１の状態と、水蒸気供給後の第２の状態とで、できるだけ互いに異なる位置に強電界が発生するようにしている。
図２０は第１の状態と第２の状態における強電界の位置の例を示した説明図である。図示のように、例えば第１の状態においてｒ＝２，ｓ＝２のモード（ｒ，ｓ，ｔのうちいずれか２つが２であるモード）である場合には、第２の状態において、第１の状態で強電界７５が生じなかった位置に強電界７５が発生するように、補完すべき位置を含むように強電界を発生させている。
このように、第２の状態において補完すべき位置に強電界７５を発生させるためには、加熱室１１内に供給する水蒸気の量を調整して、所望のモードとなる誘電率に設定したり、例えばスタラー羽根３３の向きを変更することで行える。

この強電界の位置制御により、被加熱物を一層ムラなく均一にマイクロ波加熱することができ、加熱後の出来映えがさらに良好となる。

次に、本発明に係るマイクロ波加熱装置の第２実施形態を説明する。
図２１に第２実施形態のマイクロ波加熱装置の概略構成図を示した。
本実施形態のマイクロ波加熱装置２００は、蒸気供給部１５を、蒸発皿３５で発生させた水蒸気を一旦加熱室外に導き、庫外パイプ８１を通じて加熱室１１の上方から再度加熱室１１内に吹き出す構成としている。また、加熱室１１には、マイクロ波を透過するセラミック或いは樹脂やガラス等からなるトレイ８３が取り付けられ、加熱室１１内の空間を上下に分割している。

この構成によれば、加熱室１１の上側空間１１Ａに水蒸気が供給されて、この上側空間１１Ａだけが水蒸気で充満される。すると、マグネトロン１３から放射されるマイクロ波は、誘電率が高いところほど波長が短くなるので、あたかもマイクロ波の供給された空間の形状が変化したように作用する。つまり、仮想的なマイクロ波空間（ここでは加熱室１１内の実際の空間とは区別して呼称する）８５を見かけ上大きくすることができ、もって強電界の分布も変化させることができる。これにより、被加熱物への加熱効果を変化させることが可能となり、被加熱物の加熱の均一化を促進させることができる。

なお、水蒸気の発生手段としては、第１実施形態の構成を含めて蒸発皿３５を加熱する電力加熱式に限らず、例えばボイラ式であってもよい。ただし、水に含まれる不純物の影響やメンテナンス性を考慮すると、加熱室１１内に蒸発皿３５を表出させて配置した構成が好ましく、蒸気発生する際に付着するスケールを容易に払拭することができ、衛生上優れる。また、給水路のバルブを開いて加熱体に水滴を滴下して蒸気を発生させる滴下式であってもよく、その場合も蒸発皿３５の場合と同様の効果が得られる。
また、異なる方式の水蒸気発生手段を組み合わせて電界の分布を変更することもできる。例えば、蒸発皿３５に水を供給した後に蒸発皿３５を加熱して水蒸気を発生させる第１の誘電率分布状態と、蒸発皿３５を加熱した後に水を供給しすぐに水蒸気を発生させる第２の誘電率分布状態とをそれぞれ個別或いは同時に発生させることにより、電界分布が変更される。

次に、本発明に係るマイクロ波加熱装置の第３実施形態を説明する。
図２２に第３実施形態のマイクロ波加熱装置の概略構成図を示した。
本実施形態のマイクロ波加熱装置３００は、蒸気供給部１５を、水を加熱して得られる水蒸気を用いる構成に代えて、加熱室１１内に霧状の水滴を供給するミスト供給手段８７を備えた構成としている。これにより、加熱室１１内に霧状の微小サイズの水滴（ミスト）が供給されることとなる。ミストのサイズが大きいほどマイクロ波の電界分布を変更する効果が大きいと考えられる。よって、一般的な３μｍよりも、できれば１０μｍ以上、好ましくは２５μｍ〜１００μｍとすることで、マイクロ波への作用を十分確保し、電界分布の変化を確実に引き起こすことができる。

ミスト供給手段８７としては、一般的には１．６〜２．４ＭＨｚの超音波振動子を用いることが多いが、ミストサイズを大きくするためには、２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚで振動する超音波振動子を備えた超音波式噴霧器が利用できる他、例えば高圧スプレーや、遠心式等の噴霧器等も利用できる。また、本実施形態においては、ミストが被加熱物に付着すると、水に含まれる不純物等の影響を受けることから、第２実施形態と同様に、加熱室をトレイ８３により上下２分割して、上側空間１１Ａにのみミストを供給している。
上記構成によれば、加熱室１１の上側空間１１Ａにミストが供給されて、この上側空間１１Ａだけがミストで充満される。すると、第２実施形態と同様に、マイクロ波の供給された空間の形状が変化したように作用して、強電界の分布を変化させることができる。これにより、被加熱物への加熱効果を変化させることが可能となり、被加熱物の加熱の均一化を促進させることができる。

本発明に係るマイクロ波加熱装置の開閉扉を開けた状態を示す正面図である。 マイクロ波加熱装置の基本動作説明図である。 蒸気供給部への給水経路を示す説明図である。 マイクロ波加熱装置を制御するための制御系のブロック図である。 加熱室の底面を上から見た平面図である。 図５に示した強電界のモードをより簡略化してｒ＝２，ｓ＝２かつｔ＝３として３次元的に例示した説明図である。 加熱室の壁面上に発生する強電界のバリエーション（ａ），（ｂ），（ｃ），（ｄ）を示す説明図である。 加熱室に水の微粒子を供給しない場合（ａ）と供給した場合（ｂ）のマイクロ波の状態を概念的に示す説明図である。 冷凍品の解凍処理におけるマイクロ波加熱（ａ）と水蒸気供給（ｂ）のシーケンスの一例を示すタイムチャートである。 赤外線センサによる被加熱物の温度測定を示す図で（ａ）はスキャンの様子を（ｂ）はスキャンにより得られるデータを示す説明図である。 赤外線センサによるスキャンを連続的に複数回行ったときの図１０（ｂ）におけるＬ線位置の温度分布を示すグラフである。。 同じ初期温度で重量の異なる２つの被加熱物Ｍ１、Ｍ２を同じ条件で加熱する場合の温度変化の様子を示すグラフである。 蒸気供給を開始した後の加熱室内の比誘電率の変化の様子を示すグラフである。 被加熱物の加熱状態を概念的に示す説明図である。 マイクロ波空間内の電界強度分布をCAE解析した結果で加熱室内の誘電率を空気相当の１とした場合の結果を示す図である。 マイクロ波空間内の電界強度分布をCAE解析した結果で加熱室全体の誘電率を水蒸気相当の３とした場合の結果を示す図である。 CAE解析による被加熱物の内部における等電界強度線図であって（ａ）は加熱室内の誘電率を空気相当の１として加熱した場合、（ｂ）は加熱室全体の誘電率を水蒸気相当の３として加熱した場合を示す図である。 被加熱物の加熱パターンを示す図で、（ａ）は水蒸気の供給のないマイクロ波による加熱開始時、（ｂ）は水蒸気を供給した後の加熱の様子を示す説明図である。 被加熱物内の強電界をモデル化して示す図で（ａ）は単にマイクロ波で加熱した場合の強電界の分布、（ｂ）は水蒸気を供給して加熱した場合の分布を示す説明図である。 第１の状態と第２の状態における強電界の位置の例を示した説明図である。 第２実施形態のマイクロ波加熱装置の概略構成図である。 第３実施形態のマイクロ波加熱装置の概略構成図である。

符号の説明

１０ 本体ケース
１１ 加熱室
１１Ａ 上側空間
１２ マイクロ波発生部
１３ マグネトロン
１４ 熱風発生部
１５ 蒸気供給部
１７ 循環ファン
１８ 赤外線センサ
１９ コンベクションヒータ
２０ サーミスタ
３３ スタラー羽根
３５ 蒸発皿
３５ａ 水溜凹所
３７ 蒸発皿加熱ヒータ
３８ 貯水タンク
３９ 送水ポンプ
５１ 制御部
５３ 入力操作部
５５ 表示パネル
６１ 強磁界
６３，６５ 強磁界
６７，６９，７１，７３ 強電界
８７ ミスト供給手段
１００，２００，３００ マイクロ波加熱装置
Ｍ 被加熱物
Ｓ 水蒸気
ε 誘電率
εr 比誘電率
λ 波長

Claims (10)

1. 被加熱物を載置する加熱室内にマイクロ波を供給して該被加熱物を加熱するマイクロ波加熱方法であって、
   前記加熱室へマイクロ波を供給して前記被加熱物を加熱するとともに、前記被加熱物の温度を測定して該被加熱物の温度分布に所定の温度差を生じたかを検出し、前記所定の温度差が生じた場合に前記加熱室内に水の微粒子を供給して該加熱室内の誘電率分布状態を変更することにより前記加熱室に供給されたマイクロ波による電界の分布を変化させることを特徴とするマイクロ波加熱方法。
2. 前記マイクロ波による電界の分布を細かく変化させることを特徴とする請求項１記載のマイクロ波加熱方法。
3. 前記水の微粒子が、前記加熱室内に供給された水蒸気からなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のマイクロ波加熱方法。
4. 前記水の微粒子が、前記加熱室内に供給された霧状の水滴からなることを特徴とする請求項１又は請求項２記載のマイクロ波加熱方法。
5. 被加熱物を載置する加熱室内にマイクロ波を供給して該被加熱物を加熱するマイクロ波加熱方法であって、
   前記加熱室へマイクロ波を供給して得られる電界の強弱（腹と節）のうち、電界の強い部位（腹）が前記加熱室内に複数個が存在する第１の状態で前記被加熱物をマイクロ波加熱し、
   その後、前記加熱室内に水の微粒子を供給して該加熱室内の誘電率分布状態を変更し、前記電界の強い部位（腹）の数を前記第１の状態より増加させた第２の状態で前記被加熱物をマイクロ波加熱することを特徴とするマイクロ波加熱方法。
6. 前記第１の状態から前記第２の状態への切り替えを、前記被加熱物の温度を測定して該被加熱物の温度分布に所定の温度差を生じた場合に行うことを特徴とする請求項５記載のマイクロ波加熱方法。
7. 被加熱物を載置する加熱室内にマイクロ波を供給して該被加熱物を加熱するマイクロ波加熱装置であって、
   マイクロ波を前記加熱室に供給するマイクロ波発生部と、
   前記加熱室内の温度分布を測定する温度測定手段と、
   前記加熱室内に水の微粒子を供給することにより前記加熱室内の誘電率分布状態を変更する誘電率変更手段と、
   請求項１〜請求項６のいずれか１項記載のマイクロ波加熱方法に基づいて前記誘電率変更手段を制御する加熱制御手段とを備えたことを特徴とするマイクロ波加熱装置。
8. 前記誘電率変更手段が、貯水タンクと、前記加熱室内に配設した蒸発皿と、前記貯水タンクから所定量の水を前記蒸発皿に供給する送水ポンプと、前記蒸発皿を加熱して該蒸発皿から水蒸気を発生させる蒸発皿加熱手段とを備えたことを特徴とする請求項７記載のマイクロ波加熱装置。
9. 前記誘電率変更手段が、前記加熱室内に霧状の水滴を供給するミスト供給手段を備えたことを特徴とする請求項７記載のマイクロ波加熱装置。
10. 被加熱物を載置する加熱室内にマイクロ波を供給して該被加熱物を加熱するマイクロ波加熱装置であって、
    マイクロ波を前記加熱室に供給するマイクロ波発生部と、
    貯水タンクと、
    前記加熱室に配設した蒸発皿と、
    前記貯水タンクから所定量の水を前記蒸発皿に供給する給水手段と、
    前記蒸発皿を加熱して水蒸気を発生させる蒸発皿加熱手段とを備え、
    前記蒸発皿に水を供給した後に蒸発皿を加熱して水蒸気を発生させる第１の誘電率分布状態、及び前記蒸発皿を加熱した後に水を供給しすぐに水蒸気を発生させる第２の誘電率分布状態を有する誘電率変更手段と、該誘電率変更手段を制御する加熱制御手段とを備えたことを特徴とするマイクロ波加熱装置。

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