JP2004253210A

JP2004253210A - 高周波加熱装置

Info

Publication number: JP2004253210A
Application number: JP2003041087A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiko Asada; 和彦麻田; Kenji Yasui; 健治安井; Koji Yoshino; 浩二吉野; Tomotaka Nobue; 等隆信江
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2003-02-19
Filing date: 2003-02-19
Publication date: 2004-09-09

Abstract

【課題】高周波電源の半導体素子の温度上昇を抑え、信頼性を確保する高周波加熱装置を提供することを目的とする。
【解決手段】電極１３０に接続した整合回路１４０、高周波電源１５０を有し、整合回路１４０は、コイル１６０と、離散値の静電容量を持つコンデンサ１７０を有し、十分な整合状態を確保して、高効率運転と信頼性確保をする。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被解凍物の誘電加熱を行わせる業務用や一般家庭用の高周波加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の高周波加熱装置はすでに知られている（例えば、特許文献１参照）。これは、図８に示すように、加熱室１内の上部電極板２と下部電極板３の間に、高圧電源５および高周波電源６によって高周波の高電圧を供給し、両電極板２、３の間に高周波電界を生じさせることによって、被解凍物４の誘電加熱を行わせるものである。そして、インピーダンス整合回路としては、図９に示すように、共振コンデンサ５１、共振用可変コイル５２を直列に接続し、その上に高周波トランス５３を設けて構成した直列共振回路の構成となっている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平８−２５５６８２号公報（第２−５頁、第１図、第１２図）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の構成の高周波加熱装置では、インピーダンス整合回路の構成要素である共振用可変コイル５２と共振コンデンサ５１が直列接続された構成により、両者が有する正負のリアクタンス分を相互に打ち消し合わせるものとなることから、ムダが多い構成であって、装置の構成が大となるとともに、効率も低いものとなり、また高周波トランス５３の端子切換と共振用可変コイル５２の調整方法は不明である。したがって、整合状態の維持が不完全である状態で運転を継続した場合、解凍動作が進行しないだけでなく、時として高周波電源の構成要素の損失が増大して、ひどい場合には故障につながることがあるという課題があった。
【０００５】
本発明は、上記従来の課題を解決するもので、整合状況を良好に保ち、高周波電源の構成要素の温度上昇を抑え、十分な信頼性が確保できる高周波加熱装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の高周波加熱装置は、電極に接続した整合回路は、電極に直列接続したコイルと、電極とコイルの直列回路の両端に接続され離散値の静電容量を持つコンデンサを有する構成とするものである。
【０００７】
これにより、十分に整合がとれた状態で解凍を開始することができ、また解凍動作中の整合状況も良好に保つことができ、高周波電源の構成要素の温度上昇を抑え、十分な信頼性を確保するものである。
【０００８】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、電極と、電極に接続した整合回路と、整合回路に電力を供給する高周波電源とを有し、前記整合回路は、前記電極に直列接続したコイルと、前記電極と前記コイルの直列回路の両端に接続され離散値の静電容量を持つコンデンサを有する高周波加熱装置とすることにより、十分に整合がとれた状態で解凍を開始することができ、また解凍動作中の整合状況も良好に保つことができ、高周波電源の構成要素の温度上昇を抑え、十分な信頼性を確保するものである。
【０００９】
請求項２に記載の発明は、コンデンサは、開閉手段を有する請求項１に記載の高周波加熱装置とすることにより、開閉手段により構成が簡単で信頼性が高く、かつ良好な整合状況が得られるものである。
【００１０】
請求項３に記載の発明は、コイルは、連続的にインダクタンスを可変する請求項１または２に記載の高周波加熱装置とすることにより、整合状態に関与する要素の大きいインダクタンス値の微調整が可能となり、良好な整合状態が得られるものとなる。
【００１１】
請求項４に記載の発明は、コイルは、ソレノイドと、前記ソレノイドの内側に設けて可動する磁性体コアを有する請求項３に記載の高周波加熱装置とすることにより、信頼性が十分に高く、比較的簡単な構成で良好な整合状態を得ることができる。
【００１２】
請求項５に記載の発明は、コイルは、２００以上のＱ値を有する請求項１に記載の高周波加熱装置とすることにより、コイルでの損失と温度上昇を問題のない範囲に抑え、高効率の装置の実現を図るものである。
【００１３】
請求項６に記載の発明は、高周波電源と整合回路の間に検知回路を有し、加熱期間の初期に探査期間を有し、前記探査期間にコンデンサの静電容量を変化させ、前記検知回路の出力から前記コンデンサの静電容量を決定する請求項１に記載の高周波加熱装置とすることにより、比較的簡単な構成で、解凍開始時に良好な整合状態が得られ、解凍性能も高い装置の実現が可能となる。
【００１４】
請求項７に記載の発明は、検知回路は入射電力検知回路と反射電力検知回路を有する請求項６に記載の高周波加熱装置とすることにより、整合状態の検知が適切に行われ、良好な整合状態が実現できるものとなる。
【００１５】
請求項８に記載の発明は、探査期間にコイルはインダクタンスを可変する請求項６または７に記載の高周波加熱装置とすることにより、とりわけ整合状態に影響の大きいインダクタンス値の調整がより高精度で行うことができ、良好な整合状態に持ち込むことができる。
【００１６】
請求項９に記載の発明は、探査期間内に、高周波電源の出力パワーを探査期間後の出力パワーよりも小とする低出力期間を設けた請求項６〜８のいずれか１項に記載の高周波加熱装置とすることにより、探査期間中に生ずる整合状態が悪い状況下での高周波電源の発熱を抑え、十分な信頼性を確保しながら、良好な整合状態で解凍を開始させることができる。
【００１７】
請求項１０に示す発明は、高周波電源は、静電容量を変化させる期間に、出力を略零とする発振停止期間を有する請求項１〜９のいずれか１項に記載の高周波加熱装置とすることにより、静電容量が変化する際に生ずる高周波電源への悪影響を無くし、信頼性の高い装置の実現が図られるものとなる。
【００１８】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図面を参照して説明する。
【００１９】
（実施例１）
図１〜図５は本発明の実施例１における高周波加熱装置を示している。
【００２０】
図１に示すように、冷凍食品などの被解凍物１００を挟み込むように、金属材料から成る２枚の電極板１１０、１２０が上下に配置されている。２枚の電極板１１０、１２０は電極１３０を構成している。
【００２１】
電極１３０には整合回路１４０が接続されており、整合回路１４０に１３．５６メガヘルツの高周波の電力を供給する高周波電源１５０が設けられている。
【００２２】
整合回路１４０は、電極１３０に直列接続したコイル１６０と、電極１３０とコイル１６０の直列回路の両端に接続されたコンデンサ１７０を有している。
【００２３】
本実施例では、コンデンサ１７０は、固定コンデンサ１８０、１９０、２００、およびリレーによって実現した開閉手段２１０、２２０によって構成しており、開閉手段２１０、２２０のオンオフを行うことによって、離散値の静電容量を持つものとなっている。
【００２４】
特に、本実施例においては、固定コンデンサ１８０を６８０ピコファラッド、固定コンデンサ１９０を２２０ピコファラッド、固定コンデンサ２００を４４０ピコファラッドとしていることから、開閉手段２１０、２２０のオンオフの制御によって、６８０ピコファラッド、９００ピコファラッド、１１２０ピコファラッド、１３４０ピコファラッドというように４段階の離散値の静電容量が実現できるものとなっている。
【００２５】
高周波電源１５０と整合回路１４０の間には、検知回路２３０を有している。制御回路２４０は、検知回路２３０から入射電力と反射電力の値に応じて出力されるアナログ電圧信号を受けて、整合の状態を検知するとともに、コイル１６０に対してインダクタンスを連続的に可変する制御を行い、またコンデンサ１７０に用いられている開閉手段２１０、２２０のオンオフ制御、および高周波電源１５０に対して、発振／発振停止の信号と出力パワーの高／低の指令信号を出力するものとなっている。
【００２６】
コイル１６０の制御を行うため、制御回路２４０は、コイル１６０がインダクタンス最小にされた位置で信号Ｓｓを受けるものとなっており、本実施例では装置に電源が投入された時点で、自動的に一旦インダクタンスが最小の位置まで制御されてＳｓ信号が制御回路２４０に入力された時、インダクタンスの制御の原点を定めるものとなっている。
【００２７】
本実施例においては、高周波電源１５０は、内部の直流電圧を加減することにより、出力パワーが高の場合には３００Ｗを出力し、低の場合には５０Ｗを出力するものとなっている。
【００２８】
図２は、本実施例の検知回路２３０の詳細を示している。
【００２９】
図において、トロイダル形のフェライトコアに１次側リード線と２次側エナメル線を巻いて構成した電流トランス２８０、および入射電力検知回路２９０、反射電力検知回路３００を有している。
【００３０】
入射電力検知回路２９０と反射電力検知回路３００は、ほぼ同じ回路構成となっており、負荷となる５０オームの抵抗３１０、３２０、ゲルマニウム形のダイオード３３０、３４０、分圧作用を行うコンデンサ３５０、３６０、３７０、３８０、高周波分を取り除いた直流電圧を得るためのフィルタとして設けた抵抗３９０、４００、コンデンサ４１０、４２０、出力のアナログ電圧信号の負荷とする抵抗４３０、４４０、４５０が設けられ、出力としてＰｆとＰｒが得られるものとなっている。なお、抵抗４３０、４４０の和は抵抗４５０と等しく、同等の負荷として作用するものとなっている。
【００３１】
一般に入射電力は、反射電力よりも大きい値となるが、本実施例では、入射電力検知回路２９０においては、抵抗４３０、４４０により、１／２に分圧を行う構成としていることにより、制御回路２４０に出力されるアナログ電圧は、過大となることがなく、また反射電力検知回路３００においては分圧されない電圧がそのまま出力されることから、精度の高い反射電力値の計測が可能となる。
【００３２】
図３は、コイル１６０の詳細な構成を示したもので、図３（ア）はインダクタンスが小の状態、図３（イ）は大の状態を示している。
【００３３】
ソレノイド５００は、直径２．５ミリメートルのエナメル線を２０ターン巻いて構成し、この内側にニッケル亜鉛系のフェライト製の磁性体コア５１０がラックギア５２０、ビニオン５３０、ステッピングモータ５４０によって出し入れする構成となっている。（イ）に示されるように磁性体コア５１０が中まで入った状態においては、インダクタンスの値は（ア）よりも大きいものとなり、ステッピングモータ５４０が制御回路２４０によって制御することによって、連続的にインダクタンスが可変できるものとなっている。特に、本実施例では高周波においても損失が小さい磁性体コアを使用していることから、Ｑ値は２００以上とすることができるものとなっている。
【００３４】
発明者らの検討によれば、Ｑ値が２００以上であれば、一般家庭などで良く用いられる冷凍食品の量を解凍する際には、コイル１６０での損失が高周波電源１５０の出力に対して３０パーセント程度以下に抑えられることから、電力のムダの少ない装置の実現が可能となるものである。
【００３５】
マイクロスイッチ５５０は、磁性体コア５１０が最も引き出された（ア）の位置にまで来た時にラックギア５２０の端で押され、制御回路２４０に信号Ｓｓが送られることにより、原点を定めるものである。
【００３６】
図４は、本実施例の高周波加熱装置における加熱期間の初期部分の動作を示したもので、図４（ア）は高周波電源１５０の出力パワー、図４（イ）はコイル１６０のインダクタンスの値、図４（ウ）は開閉手段２１０のオンオフ状態、図４（エ）は開閉手段２２０のオンオフ状態を示している。なお、（ア）の出力パワーは、制御回路２４０から発せられる２つの信号によって制御されるものである。
【００３７】
なお、装置に電源が投入された直後には、制御回路２４０によって自動的にステッピングモータ５４０が時計方向に回転され、マイクロスイッチ５５０が押されてＳｓ信号が制御回路２４０に伝えられ、ここで制御回路２４０は原点を検知し、その後のコイル１６０の制御に使用する変数をリセットするが、その動作は既に完了されているものとなっている。
【００３８】
負荷１００が電極１３０に設置された状態で、時刻Ｔ１にて加熱期間が開始されると、初期に設けた探査期間に入り、まずコイル１６０とコンデンサ１７０の状態を順次変化させて最適条件を確定するものとなる。すなわち、Ｔ１からＴ２の期間は高周波電源１５０出力パワーが５０Ｗで、これは探査期間の後に来る本加熱期間における出力パワーである３００Ｗよりも小とした、低出力期間となっている。
【００３９】
Ｔ１からＴ２の間にコイル１６０は、ステッピングモータ５４０が反時計方向に回転することにより、磁性体コア５１０がソレノイド５００内に入って行き、インダクタンスが増加するものとなる。この間、検知回路２３０は、入射電力検知回路２９０と反射電力検知回路３００の出力値を制御回路２４０に出力し続け、制御回路２４０は、検知回路２３０の両出力から入射電力に対する反射電力の大きさの最小値と、その時のコイル１６０の制御値を記憶しておく。
【００４０】
Ｔ２においては、発振停止信号が制御回路２４０から高周波電源１５０に出力されることにより、出力パワーは略零に落ちた発振停止期間となる。そして、Ｔ３において開閉手段２１０がオンとなって、コンデンサ１７０の静電容量の変化が起こる。
【００４１】
その後、Ｔ４において、再び低出力期間となって５０Ｗの高周波電源１５０出力パワーに設定されて動作が開始されるが、コンデンサ１７０の静電容量の変化時刻には高周波電源１５０が停止状態であるため、電気的なショックなどにより、例えば高周波電源１５０に使用されているＭＯＳＦＥＴなどの半導体素子に高電圧が印加されるなどということが起こらないため、信頼性の十分な確保が実現されるものとなる。
【００４２】
Ｔ４からＴ５の期間にもＴ１からＴ２の期間と同様に、制御回路２４０は入射電力に対する反射電力の大きさの最小値、およびその時のコイル１６０の制御値を記憶するものとなる。この後、同様に、Ｔ５において発振停止期間に入り、Ｔ６において、開閉手段２１０、２２０のオンオフ状態変更によるコンデンサ１７０の静電容量変化が起こり、Ｔ７において低出力期間となる。その後、同様にして動作が繰り返される結果、探査期間内にコンデンサ１７０の静電容量が４段階に離散値で変化され、それぞれの静電容量値に対する入射電力に対する反射電力の大きさの最小値が最も小さくなるコンデンサ１７０の静電容量が決定される。
【００４３】
以上のようにして探査期間が終了すると、初期設定期間に入るが、これは上記探査期間に選定した、コイル１６０のインダクタンス値に設定され、コンデンサ１７０の静電容量値は上記の決定された値となるように開閉手段２１０、２２０のオンオフがなされる。
【００４４】
Ｔ１３において、本加熱期間に入るが、ここでは３００Ｗの出力パワーで高周波電源１５０が動作し、ハイパワーによる効率的な解凍動作が実現されるものとなる。なお、本加熱期間中においても、解凍動作の進行とともに負荷１００の特性が変化していくので、制御回路２４０は入射電力に対する反射電力の大きさが最小になるように、コイル１６０を制御するという動作を継続することにより、高効率での動作が可能となり、高周波電源１５０の構成部品の発熱なども抑えることができるものとなり、信頼性に富んだ装置の実現が可能となる。
【００４５】
なお、本実施例においては、探査期間内にコンデンサ１７０の静電容量を４段階すべてに変化させ、かつそれぞれの静電容量値についてコイル１６０のインダクタンス値も最大と最小の間をすべて変化させているが、必ずしもこのような方法でなくてもよく、例えばコイル１６０のインダクタンス値を変化させて入射電力に対する反射電力の値の最小値が過ぎたところで、他の静電容量値に変化させても良いし、静電容量についても十分整合がとれる条件が見つかった時点で終了させてもよい。
【００４６】
図５は、本実施例のコンデンサ１７０の静電容量値を４段階に変化させた場合について、横軸に電極１３０の等価直列抵抗をとり、縦軸には整合回路１４０の入力におけるＶＳＷＲ（電圧定在波比）の値を取ったものである。ＶＳＷＲは、一般に整合の程度を示すのに良く用いられる値であり、入射電力に対する反射電力の比率が低いほど、１に近い値となる。
【００４７】
特に、ＭＯＳＦＥＴを用いて高周波電源１５０を構成した場合、整合状態が悪い条件下で動作させると発熱による素子の破壊が起こる心配があり、また過電圧が発生して素子の破壊を起こすなど、信頼性面での制限が発生するものであり、破線で示しているＶＳＷＲ＞２の条件でも問題なく動作するものにしようとするならば、高周波専用に設計された高価なＭＯＳＦＥＴを使用する必要があり、非常に高価なものとなってしまう。
【００４８】
本実施例においては、負荷１００を解凍する時には、基本的にＶＳＷＲ＜２という条件で高周波電源１５０を働かせるものとし、さらに大抵の負荷においては、ＶＳＷＲ＜１．５で働かせることが可能であり、高周波電源１５０の出力パワーを３００Ｗの設計において、ＭＯＳＦＥＴが低価格のものでも使用できるなど、非常に大きなコストダウン効果が得られるものとなっている。また、ＶＳＷＲ＞２の場合には出力パワーを１００Ｗに低下させ、高周波電源１５０に使用されるＭＯＳＦＥＴなどの発熱を抑えるものとなっている。なお、このような出力パワーの加減は、高周波電源１５０内部に設けた直流電源の電圧を可変することにより実現されている。
【００４９】
一般の冷凍食品は、例えばセ氏−２０度から解凍を始めた場合、電極１３０の等価直列抵抗値Ｒｓは、一旦増加した後に減少することがよく起こる。本実施例では、本加熱期間に入った後にはコンデンサ１７０の静電容量は変化させないが、ＶＳＷＲの値は、解凍終了までに変化してもＶＳＷＲ＜２の範囲に収まっていることから、高周波電源１５０の動作も十分な効率が確保され、連続で加熱が行われることから、解凍の性能も良いものが得られる。
【００５０】
ただし、何らかの原因で本加熱期間中にＶＳＷＲ＞２となった場合には、制御回路２４０は、高周波電源１５０の出力パワーを１００Ｗの低出力期間とし、高周波電源１５０の信頼性を確保することができるものとなっている。
【００５１】
負荷１００によって、解凍中の等価直列抵抗Ｒｓの変化が大きいものに対応するためには、本加熱期間中においても、再度コンデンサ１７０の静電容量の最適値を決め直してもよく、その際には静電容量を変化させる時にも、必要に応じて高周波電源１５０を発振停止期間に入れておけば、静電容量の変化に伴う電気的ショックなどにより、高周波電源１５０に与える悪影響も防ぐことができるものとなる。
【００５２】
（実施例２）
図６は、本発明の実施例２における高周波加熱装置のコンデンサの回路を示している。
【００５３】
図においては、コンデンサ６００は、固定コンデンサ６１０、６２０と、固定コンデンサ６２０の両端に接続したリレーによる開閉手段６３０が接続されている。
【００５４】
本実施例でコンデンサ６００は、実施例１のコンデンサ１７０の代わりとして構成されるものであり、コンデンサ６００以外の構成は、実施例１と全く同等である。
【００５５】
本実施例では、制御回路２４０によって開閉手段６３０がオンされると、固定コンデンサ６２０が短絡されて、コンデンサ６１０の静電容量がそのままコンデンサ６００のコンデンサの静電容量となり、開閉手段６３０が制御回路２４０によってオフされた状態では、固定コンデンサ６１０、６２０の直列の静電容量となる。したがって、コンデンサ６００は２段階の離散値となる。
【００５６】
なお、コンデンサ６２０の短絡時にスパークなどが発生する場合には、必要に応じて開閉手段６３０と直列に小さな抵抗値の抵抗器、あるいはパワーサーミスタなどを接続しても良い。
【００５７】
（実施例３）
図７は、本発明の実施例３における高周波加熱装置のコンデンサの回路を示している。
【００５８】
図においては、コンデンサ７００は、固定コンデンサ７１０、７２０、可変容量ダイオード７３０、直流電源７４０、切換スイッチ７５０、コイル７６０を有しており、可変容量ダイオード７３０は、切換スイッチ７５０がＡとなった場合に、直流電源７４０からの直流電圧が逆阻止電圧として印加されるため、静電容量が小さくなり、コンデンサ７００としても静電容量が小となる。
【００５９】
一方、切換スイッチ７５０がＢとなった場合には、直流電源７４０の電圧は切り離され、可変容量ダイオード７３０への直流バイアス電圧が断たれるため、静電容量が大となり、コンデンサ７００としても静電容量が大となって作用するものとなる。
【００６０】
このように実施例１、実施例２のように固定コンデンサに開閉手段を直接接続する構成で無く、本実施例のような電子的な制御によってコンデンサが静電容量値を離散値で変化させるものであっても良い。その場合にも、連続的に変化させる場合と比較して、制御が簡単であり、例えばマイクロコンピュータの１つのデジタル出力ポートをハイとローに切り換えるだけで済むというものとなる。
【００６１】
なお、本実施例においてもコンデンサ７００は、実施例１のコンデンサ１７０の代わりとして構成されるものであり、コンデンサ７００以外の構成は、実施例１と全く同等である。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の高周波加熱装置は、加熱中の整合状態を十分に確保し、高周波電源の構成要素の温度上昇を抑え、十分な信頼性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における高周波加熱装置の回路図
【図２】同高周波加熱装置の検知回路の詳細を示す回路図
【図３】（ア）同高周波加熱装置のコイル状態（インダクタンス小）を示す構成図
（イ）同高周波加熱装置のコイル状態（インダクタンス大）を示す構成図
【図４】同高周波加熱装置の加熱期間の初期における各部のタイムチャート
【図５】同高周波加熱装置における電極の等価直列抵抗ＲｓとＶＳＷＲの特性図
【図６】本発明の実施例２における高周波加熱装置のコンデンサの回路図
【図７】本発明の実施例３における高周波加熱装置のコンデンサの回路図
【図８】従来例を示す高周波加熱装置の回路図
【図９】同高周波加熱装置の整合回路の回路図
【符号の説明】
１３０電極
１４０整合回路
１５０高周波電源
１６０コイル
１７０、６００、７００コンデンサ
２１０、２２０、６３０開閉手段
５００ソレノイド
５１０磁性体コア
２３０検知回路
２９０入射電力検知回路
３００反射電力検知回路

Claims

電極と、電極に接続した整合回路と、整合回路に電力を供給する高周波電源とを有し、前記整合回路は、前記電極に直列接続したコイルと、前記電極と前記コイルの直列回路の両端に接続され離散値の静電容量を持つコンデンサを有する高周波加熱装置。
コンデンサは、開閉手段を有する請求項１に記載の高周波加熱装置。
コイルは、連続的にインダクタンスを可変する請求項１または２に記載の高周波加熱装置。
コイルは、ソレノイドと、前記ソレノイドの内側に設けて可動する磁性体コアを有する請求項３に記載の高周波加熱装置。
コイルは、２００以上のＱ値を有する請求項１に記載の高周波加熱装置。
高周波電源と整合回路の間に検知回路を有し、加熱期間の初期に探査期間を有し、前記探査期間にコンデンサの静電容量を変化させ、前記検知回路の出力から前記コンデンサの静電容量を決定する請求項１に記載の高周波加熱装置。
検知回路は入射電力検知回路と反射電力検知回路を有する請求項６に記載の高周波加熱装置。
探査期間にコイルはインダクタンスを可変する請求項６または７に記載の高周波加熱装置。
探査期間内に、高周波電源の出力パワーを探査期間後の出力パワーよりも小とする低出力期間を設けた請求項６〜８のいずれか１項に記載の高周波加熱装置。
高周波電源は、静電容量を変化させる期間に、出力を略零とする発振停止期間を有する請求項１〜９のいずれか１項に記載の高周波加熱装置。