食物快速烹饪能手：家用微波炉专利技术分析（专利技术分析简报）

微波是一种频率为300MHZ~300GHZ的电磁波，其在遇到金属材料时会反射，遇到玻璃、塑料、陶瓷等绝缘材料时会穿透，遇到含有水分的蛋白质、脂肪等介质时会被吸收，导致水、蛋白质、脂肪等介质内的极性分子以每秒24.5亿次的频率高速振动并产生高热，这就是食物被微波加热的原理。

微波炉的基本构造包括炉腔、炉门、电气电路、定时器、功率分配器、连锁微动开关和热断路器。电气电路分为低压电路、控制电路和高压电路三部分，高压电路包括磁控管、高压电容器、高压变压器和高压二极管，其中磁控管是微波炉的心脏，其在高压变压器、高压电容器和高压二极管构成的倍压整流电路提供的工作电压下产生微波，微波通过波导管传入炉腔内。炉腔是一个微波谐振腔，主要是使炉腔内的食物可以均匀加热，通常炉腔底部设有旋转工作台，使被加热食物通过旋转而与炉腔内的高频电磁场作相对运动，以此达到均匀加热的目的。

世界上第一台微波炉可以追溯至雷声（Raytheon）公司在1947年推出的“雷达微波（Radarange）”。该发明源自于雷声（Raytheon）公司的工程师珀西.斯潘塞（Percy L.Spencer）在研究雷达装置上的磁控管时，意外发现磁控管发出的微波对食物的加热作用，并经过实验成功发明出微波炉。雷声（Raytheon）公司在1947年申请的美国专利“食品制品及其制作方法（申请号：US73817247A）”将玉米置于微波炉中进行实验，只需要20-45秒，即完成了爆米花的制备。由图1可见，该专利中的微波炉结构较为简单，除了磁控管外，最主要的特征是耦合在一个孔洞里的空心波导（如图1中的FIG2的5）和一个铰链门（如图1中的FIG2的8），没有后来的微波炉产品具有可以使食物均匀加热等结构。且刚开始生产的微波炉是使用了1700W的水冷式磁控管，因此显得笨重，能够制备的食物也很少。

图1 美国专利US73817247A的附图

家用微波炉起步于20世纪60年代。由图2可知，家用微波炉的全球专利申请肇始于1960年以后，可以分为三个阶段：

图2 全球家用微波炉专利申请态势

第一个阶段：缓慢发展期（1961-1985年）。该阶段家用微波炉专利申请量增长缓慢，在这个阶段及之前，主要是针对微波炉的磁控管进行技术改进。在第一台微波炉诞生后，雷声公司和美国泰潘（Tappan）公司合作，共同研制改进应用于微波炉的磁控管，使微波炉的体积、重量和价格不断降低，在1955年时泰潘公司推出了第一台电压为220V的微波炉。日本生产商从20世纪60年代开始研发微波炉，夏普、松下等日本大型企业加入微波炉行业，1964年日本无线电公司小仓庆志设计出了一种更加简单小巧、效率更高的风冷式磁控管，该磁控管逐渐成为此后的主流磁控管结构，70年代末起日本磁控管制造商也纷纷对磁控管结构进行优化，如夏普公司在70年代末和80年代初申请的日本专利JP1804278A、JP2881080A，均是针对磁控管的改进。与此同时，三星、LG等韩国企业也加入了微波炉行业的磁控管大规模自动化生产，日韩企业的进场加快促进了微波炉的家用化。

第二个阶段：快速发展期（1986-1996年）。自1986年起，家用微波炉全球专利申请量快速增长，1996年时达到顶峰，年申请量超过1000件。该阶段由于控制技术和传感技术的不断发展和应用，加上市场上的消费者对微波炉功能多样化的需求，家用微波炉依托变频技术和模糊控制技术实现控制自动化、功能多样化。微波炉变频技术在80年代诞生于日本，东芝、夏普、松下等日本大型企业相继研发出变频微波炉，且长期将微波炉变频技术垄断。如东芝公司在1989年和1991年分别申请的家用微波炉专利JP30577989A和JP7693991A即应用了变频器，而早在1983年时就已经申请了JP17311883A、JP19998883A、JP19998783A、JP11037083A等与微波变频器相关的系列专利，在推出变频微波炉产品前即进行专利布局。

第三个阶段：成熟期（1997年至今）。该阶段自1997年开始，整体呈现下降趋势，经过三个小的上升期又回归下降趋势。且由图3可知，1993-1998年申请人数量保持增长趋势，1998年以后申请人数量有所下降，直到2003年申请人数量才重新上升，但2004年以后申请人数量又下降，此后每年申请人数量都不超过2004年的申请人数量，其区间主要维持在150-250内。该阶段可能由于技术的成熟，属于围绕关键技术进行小幅度的技术改进时期，进入家用微波炉行业的申请人数量增长开始趋缓，专利申请量增长速度变慢。但该阶段的家用微波炉全球行业呈现出更多样的产品，除了仍然作为主流之一的变频微波炉外，还有光波微波炉、蒸汽微波炉、智能微波炉等产品，如中国微波炉行业龙头企业格兰仕在2000年申请的专利“带光波加热的多功能微波炉（CN00114175.9）”、2014年申请的专利“基于手环控制的微波炉（CN201420825725.X）”，美的在2009年申请的专利“一种带蒸汽功能的微波炉（CN200920185932.2）”、2012年申请的专利“蒸汽微波炉（CN201210114885.9）”，广东志高空调有限公司在2012年申请的专利“一种带云功能的微波炉（CN201210363211.2）”。

图3 家用微波炉全球专利技术生命周期

综上所述，家用微波炉专利申请自20世纪60年代开始发展起来，在早期的时候主要以改进微波炉的核心部件磁控管为主，在20世纪80年代开始随着控制技术和传感技术的不断发展和应用，家用微波炉领域引入了变频技术和模糊控制技术，在20世纪末以后可能由于技术的成熟，创新主体主要是根据快速发展期的关键技术进行小幅度的技术改进，专利申请量总体呈现下降态势，但在市场上呈现出更加多样化的微波炉产品。

图4 全球和中国家用微波炉专利申请态势

由图4可知，家用微波炉中国专利申请起步于1985年，在1985-1993年期间专利申请量变化不大，处于萌芽阶段，1993年以后专利申请量缓慢发展，2001年起专利申请量快速增长，在2005年以后有所下降，但在2007年以后基本上保持稳步增长的状态，在2011年以后每年申请量都超过200件，2021年和2022年由于相关专利申请的公开延后，因此显示的数据比实际数据要少。

中国从20世纪80年代开始引进并生产微波炉，从90年代开始家用微波炉主要生产区域从日韩地区转移到中国地区，并且由于中国大陆九十年代优惠的开放政策、低廉的资源成本吸引了众多外国微波炉制造商，松下、夏普、三星、大宇等日韩企业纷纷在华建厂并在中国布局相关专利。而中国微波炉制造企业格兰仕也在1992年投资300万美元引进当时最先进水平的微波炉生产线，并在当年推出第一台“格兰仕”微波炉，从1995年起通过大规模宣传推广和“价格战”加快了微波炉在中国的普及，并扩大了中国微波炉市场的容量，1993年时中国微波炉产销达20多万台，2000年时已经达到产销1000万台的规模，2001年时格兰仕在国内的微波炉市场占有率已经达到76%。因此家用微波炉中国专利申请量从1994年开始增长幅度有所明显提升。

美的集团从1999年开始进入微波炉行业，与日本东芝公司展开合作，引进技术，培训专门的微波炉工人，逐渐成为中国家用微波炉行业的龙头制造商，为家用微波炉专利申请量带来了新的增长“动力”，促使2001年以后中国家用微波炉专利申请量快速增长。

自21世纪以来，中国家用微波炉行业主要由格兰仕、美的等国内微波炉龙头制造商引领。2010年上半年，格兰仕、美的家用微波炉产量占据国内市场90%以上。在技术层面上，格兰仕2001年首创全球第一台光波微波组合性微波炉（CN00227196.6、CN01258581.5），打破了外国家用微波炉龙头企业的技术垄断，并在2010年时在传统变频微波炉的基础上开发出光波变频技术（CN201020661539.9）；美的在变频微波炉领域从引进到自主研发，其家用变频电源微波炉关键技术（CN201510428913.8、CN201510427507.X）及其产业项目通过了轻工业联合会2015年的技术鉴定并入选国内微波炉行业首个国家级科研项目（2015年度国家火炬计划项目），2016年时已推出第四代变频技术。