JP2007026814A - 通電加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 より効率が高く、より消費電力が少ない通電加熱装置を提供する。
【解決手段】 加熱電源１００は、三相交流を整流するための三相全波整流回路１０４、三相全波整流回路１０４によって整流された波形を平滑する一次側抵抗１０６と一次側キャパシタ１０８を備える。整流回路の後段には、パワーモジュール１１０、還流ダイオード１１２、二次側インダクタ１１４および二次側キャパシタ１１６から構成される降圧チョッパ回路１０９を備える。降圧チョッパ回路１０９の後段には、ＩＧＢＴと帰還ダイオードとからなる４つのパワーモジュール１２８，１３０，１３２，１３４による単相インバータ１１８を備えている。単相インバータ１１８は、方形パルスのデューティファクタを変動させてＰＷＭ制御を行うことによって、任意の出力電圧を出力することができるようにされている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、被加熱物に電流を流して加熱する通電加熱装置に関するものである。

一般市場で提供される食品には、冷凍保存したものを再加熱することにより提供されるものがある。電子レンジやオーブンのような加熱方式では、乾熱だけで食品の中心部まで加熱するため水分が蒸発し、味覚の悪さにより商品の価値が低下することがある。そこで、食品等の被加熱物に電流を流し、抵抗発熱を利用して被加熱物を加熱する通電加熱（ジュール加熱）が行われている。

例えば、特許文献１に記載された通電加熱装置では、入力交流電圧を一旦スライダックで降圧し、整流回路により整流することによって、所定の電圧レベルの直流電圧を形成する。また特許文献１の装置では、発信回路により所定の周波数の交流信号を発生させる。そして特許文献１の装置では、パワードライブ回路によって、整流回路により整流された直流電圧を電源電圧として、発信回路により発生させた交流信号を増幅し、所定の電圧レベルの交流電圧を出力する。特許文献１の装置では、このパワードライブによって出力された交流電圧を被加熱物に印加することにより、当該被加熱物を加熱する。
特開２０００−１８２７５３号公報

しかしながら、上記のような通電加熱装置の電源装置は、効率が低く消費電力が大きいものであった。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、より効率が高く、より消費電力が少ない通電加熱装置を提供することにある。

本発明は、被加熱物に電流を流して加熱する通電加熱装置であって、方形パルスを正負交互に出力可能な出力回路と、出力回路から出力された方形パルスを被加熱物に印加する通電加熱手段とを備えたことを特徴とする。

この構成によれば、出力回路が方形パルスを正負交互に出力可能であるので、出力回路は、ＯＮ（オン）またはＯＦＦ（オフ）のいずれかの信号を出力することになり、ＯＦＦのときの電力消費はなく、ＯＮのときもパワートランジスタ等のスイッチング素子を飽和領域で使用するので、より効率が高く、より消費電力が少ないものとすることができる。

この場合、出力回路は、出力する方形パルスのデューティーファクタを変更自在であることが好適である。この構成によれば、出力回路は、出力する方形パルスのデューティーファクタ（パルス幅Ｔ_Dとパルス繰返し周期Ｔ_Ｐとの比）を変更自在であるので、ＰＷＭ（pulsewidth modulation）制御が可能となり、被加熱物に印加する電力を自在に制御できる。

この場合、交流電圧入力を整流して直流電圧を出力する整流回路と、整流回路から出力された直流電圧を制御して出力回路に供給するチョッパ回路と、を備えることが好適である。この構成によれば、整流回路により交流電圧入力を一旦整流してから、当該整流回路から出力された直流電圧をチョッパ回路により降圧して出力回路に供給するので、スライダックによる変圧が不要となり、より効率が高く、より消費電力が少ないものとすることができる。また、電源装置をより小さくすることができる。

この場合、チョッパ回路が出力回路に供給する直流電圧を制御することにより、出力回路が出力するそれぞれの方形パルスの振幅を変動自在であることが好適である。この構成によれば、出力する方形パルスの振幅を変調するＰＡＭ（pulseamplitude modulation）制御が可能となる。

この場合、出力回路から出力された方形パルスの電圧および電流を変動させて通電加熱手段に供給する変圧器を備えることが好適である。この構成によれば、変圧器が出力回路から出力された方形パルスの電圧および電流を変動させて通電加熱手段に供給するので、被加熱物に印加するパルスの電圧および電流を変更できる。

本発明の通電加熱装置によれば、より効率が高く、より消費電力が少ない通電加熱装置が提供される。

以下、本発明の実施の形態に係る通電加熱装置について添付図面を参照して説明する。なお、同一の構成要素は同一の符号で示し、重複する説明は省略する。

図１は、本発明の実施形態に係る通電加熱装置の構成を示す図である。本実施形態の通電加熱装置１０は、被加熱物である食品Ｗを搬送させつつパルスを印加することによって通電加熱する装置として構成されている。本実施形態の通電加熱装置１０は、電解液を食品Ｗに塗布する塗布部１２と、食品Ｗを搬送する搬送部２０とを備える。塗布部１２には、搬送される食品Ｗに接触する柔軟な多数の上部電極３０が備えられ、搬送部２０の上部には上部電極３０と対向し、かつ食品Ｗの下部に接触するように下部電極３４が備えられている。さらに、上部電極３０と下部電極３４との間にパルスを印加する加熱電源１００が設けられている。加熱電源１００には、商用三相交流電源１０２が接続されており、三相交流を加熱電源１００に供給する。

塗布部１２は、電解液を食品Ｗに噴霧して食品Ｗに電解液の薄膜を形成するもので、塩水からなる電解液を熱交換器１４で昇温させた後、ポンプ１６によりノズル１８から散水する。搬送部２０は、チェーンコンベア等のコンベア２２と、コンベア２２により搬送される導電性のトレイ２４とによって構成され、トレイ２４上に載置された食品Ｗを搬送するよることが可能とされている。

上部電極３０は、導電性が良好で柔軟な部材、例えば、チタンやアルミニウム、鉄、白金、ステンレス等の金属箔からなり、このような金属箔をフレーム３２上から多数垂下したものによって構成されている。塗布部１２の電解液は上部電極３０の金属箔間の空隙を介して食品Ｗに塗布される。下部電極３４は、搬送部２０のコンベア２２上に帯状に設けられ、搬送時に導電性のトレイ２４を介して食品Ｗと通電し、食品Ｗにパルスを印加する。これらの上部電極３０および下部電極３４が本発明の通電加熱手段に相当する。

図２は、本発明の第１実施形態に係る加熱電源の回路構成を示す図である。本実施形態の加熱電源１００は、外部の商用三相交流電源１０２から三相交流を供給される。加熱電源１００は、入力段に商用三相交流電源１０２から供給された三相交流を整流するための三相全波整流回路１０４を備えている。また、三相全波整流回路１０４の後段に、三相全波整流回路１０４によって整流された波形を平滑する、一次側抵抗１０６と一次側キャパシタ１０８を備える。一次側キャパシタ１０８の両端には、直流電圧Ｖ_１が出力される。三相全波整流回路１０４が、本発明の整流回路に相当する。

整流回路の後段には、パワーモジュール１１０、還流ダイオード１１２、二次側インダクタ１１４および二次側キャパシタ１１６から構成される降圧チョッパ回路１０９を備える。降圧チョッパ回路１０９は、直流電圧Ｖ_１を制御して降圧し、任意の大きさの直流電圧Ｖ_２を出力する。このパワーモジュール１１０等から構成される降圧チョッパ回路１０９が、本発明のチョッパ回路に相当する。なお、本実施形態においては、チョッパ回路は降圧チョッパ回路１０９として構成されているが、昇圧チョッパ回路として構成することも可能である。

図３は、本発明の第１実施形態に係る降圧チョッパ回路の回路構成を示す図である。降圧チョッパ回路１０９は、ＩＧＢＴ（Insurated Gate Bipolar Transistor）と、帰還ダイオードとが組み合わされてなるパワーモジュール１１０を備える。還流ダイオード１１２は、パワーモジュール１１０によるＯＮ・ＯＦＦで二次側インダクタ１１４に蓄えられたエネルギーを放出し、ＩＧＢＴを保護する。二次側インダクタ１１４、二次側キャパシタ１１６は、出力される波形を平滑にする。二次側キャパシタ１１６の両端には、直流電圧Ｖ_２が出力される。直流電圧Ｖ_２は電圧検出回路１２２により検出され、電圧指令値演算部１２４は検出された直流電圧Ｖ_２から、所定の電圧指令値を演算する。ＰＭＷ制御部１２６は、電圧指令値演算部１２４が演算した電圧指令値から制御信号を形成し、ドライブ回路１２０はＰＭＷ制御部１２６からの制御信号を受信して、動作信号（ＰＭＷ−ＯＮ信号）を、パワーモジュール１１０のＩＧＢＴのゲートに与える。なお、チョッパ回路は、パワーモジュールやドライブ回路を全て一緒のパックとしたＩＰＭ（Intelligent Power Module）の形式で構成することもできる。

図２に戻り、降圧チョッパ回路１０９の後段には、ＩＧＢＴと帰還ダイオードとからなる４つのパワーモジュール１２８，１３０，１３２，１３４による単相インバータ１１８を備えており、単相インバータ１１８が本発明の出力回路に相当する。それぞれのパワーモジュール１２８，１３０，１３２，１３４のＩＧＢＴのゲートには、上述の降圧チョッパ回路におけるドライブ回路１２０と同等の不図示のドライブ回路が接続されている。単相インバータ１１８は、パワーモジュール１２８とパワーモジュール１３４、パワーモジュール１３０とパワーモジュール１３２とをそれぞれ一対として交互にスィッチングすることにより、直流電圧Ｖ_２から方形パルスを正負交互に出力するようになっている。スィッチングのタイミングを変化させることにより、方形パルスのデューティファクタを変動させるＰＷＭ制御を行うことによって、任意の出力電圧を出力することができるようにされている。

なお、降圧チョッパ回路１０９におけるドライブ回路１２０と、単相インバータ１１８におけるドライブ回路とは、互いに同期している。このため、単相インバータ１１８が出力する各々の方形パルス毎に、方形パルスの振幅を変動可能となっている。このため、降圧チョッパ回路１０９によってＰＡＭ制御を行い、単相インバータ１１８によってＰＷＭ制御を行うことができるようになっている。

以下、本実施形態に係る通電加熱装置の動作について説明する。通電加熱装置１０により加熱物である食品Ｗを通電加熱する際には、塗布部１２はノズル１８から電解液を放出し、搬送部２０はコンベア２２上のトレイ２４に載置された食品Ｗを搬送する。

加熱電源１００は、商用三相交流電源１０２からの三相交流を三相全波整流回路１０４により整流し、一次側抵抗１０６と一次側キャパシタ１０８により平滑する。一次側キャパシタ１０８の両端には、直流電圧Ｖ_１が現れる。

図４は、本発明の第１実施形態に係る降圧チョッパ回路における各箇所の電圧波形または電流波形を示す図である。図４に示すように、降圧チョッパ回路１０９において、パワーモジュール１１０のＩＧＢＴがＯＮのときには、パワーモジュール１１０のＩＧＢＴに流れる電流Ｉ_Ｔｒは、（Ｖ_１−Ｖ_２）・ｔ／Ｌで増加する。ここで、Ｌは二次側インダクタ１１４のインダクタンスである。この場合のピーク値Ｉ_ｐは、パワーモジュール１１０のＩＧＢＴがＯＮである時間ｔ_Ｔｒに対して、Ｉ_ｐ＝（Ｖ_１−Ｖ_２）・ｔ_Ｔｒ／Ｌとなる。

パワーモジュール１１０のＩＧＢＴがＯＦＦのときには、二次側インダクタ１１４に蓄えられていたエネルギーが還流ダイオード１１２を通じて放出される。このとき、還流ダイオード１１２に流れる電流Ｉ_Ｄは、図４に示すように、Ｉ_Ｄ＝Ｉ_ｐ−（Ｖ_２・ｔ／Ｌ）となる。

直流電圧Ｖ_２は、パワーモジュール１１０のＩＧＢＴがＯＮである時間ｔ_Ｔｒと、スイッチング周期Ｔとの比である、Ｖ_２＝（ｔ_Ｔｒ／Ｔ）・Ｖ_１で決定される。したがって、パワーモジュール１１０のＩＧＢＴがＯＮである時間を変化させて直流電圧Ｖ_２を制御することができる。

単相インバータ１１８は、直流電圧Ｖ_２の波高値をパルスの振幅としてＰＷＭ制御を行う。図５は、本発明の第１実施形態に係る加熱電源の出力パルスを示す図である。図５に示すように、一対のパワーモジュール１２８，１３４と、パワーモジュール１３０，１３２とがそれぞれ交互にスィッチングされることにより、直流電圧Ｖ_２を振幅とする方形パルスが正負交互に出力される。

パルス幅Ｔ_Dとパルス繰返し周期Ｔ_Ｐとの比であるデューティーファクタは、任意に変更可能であるので、被加熱物に印加する電力を自在に変更できる。また、上述したように降圧チョッパ１０９により、直流電圧Ｖ_２は各々のパルス毎に変更自在であるため、ＰＡＭ制御も併せて行うことができる。このようなパルスが上部電極３０と下部電極３４との間に印加されることにより、食品Ｗには通電による抵抗発熱が生じ、食品Ｗを加熱することができる。食品Ｗのインピダンスに合わせて印加する電圧を調整することによって、食品Ｗに任意の電流を流すことができる。

本実施形態の通電加熱装置１０は、ＯＮまたはＯＦＦのいずれかの信号である方形パルスを出力することによりＯＦＦのときの電力消費はなくなり、ＯＮのときもＩＧＢＴを飽和領域で使用するので、高効率で低消費電力の通電加熱装置とでき、低コスト化が図れる。また、出力電圧はＰＷＭ制御によりデューティーファクタを変更することで自在に変更できる。また、降圧チョッパ回路１０９により、電力源である商用交流を降圧するため、加熱電源１００を小型で高効率なものとできる。さらに、降圧チョッパ回路１０９でＰＡＭ制御を行うことによって、被加熱物である食品Ｗに最も適したパルスを印加することができる。

以下、本発明の第２実施形態について説明する。図６は、本発明の第２実施形態に係る加熱電源の回路構成を示す図である。本実施形態の通電加熱装置２００は、電力変換用の変圧器２０２を備えている点が、上述の第１実施形態と異なっている。単相インバータ１１８から出力された方形パルスの電圧および電流は変圧器２０２により変動されて、上部電極３０と下部電極３４との間に印加される。例えば、変圧器２０２の一次側のコイル巻数と二次側のコイル巻数との比を変更することによって、単相インバータ１１８から出力された低電流・高電圧のパルスを、高電流・低電圧にパルスに変換することができる。これにより、高電流出力が可能となる。このため食品Ｗに最適な大きさの電流を流すことができ、より効率の良い通電加熱が可能となる。

尚、本発明の通電加熱装置は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば、上記実施形態においては、コンベア上で搬送される食品を通電加熱する態様を主に示したが、本発明はこれに限定されることはなく、例えば台上に固定された被加熱物を通電加熱する通電加熱装置にも適用可能である。

本発明の第１実施形態に係る通電加熱装置の構成を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る加熱電源の回路構成を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る降圧チョッパ回路の回路構成を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る降圧チョッパ回路における各箇所の電圧波形または電流波形を示す図である。 本発明の第１実施形態に係る加熱電源の出力パルスを示す図である。 本発明の第２実施形態に係る加熱電源の回路構成を示す図である。

符号の説明

１０…通電加熱装置、１２…塗布部、１４…熱交換器、１６…ポンプ、１８…ノズル、２０…搬送部、２２…コンベア、２４…トレイ、２６…ブラシ洗浄機、２８…洗浄用温水ポンプ、３０…上部電極、３２…フレーム、３４…下部電極、１００…加熱電源、１０２…商用三相交流電源、１０４…三相全波整流回路、１０６…一次側抵抗、１０８…一次側キャパシタ、１０９…降圧チョッパ回路、１１０…パワーモジュール、１１２…還流ダイオード、１１４…二次側インダクタ、１１６…二次側キャパシタ、１１８…単相インバータ、１２０…ドライブ回路、１２２…電圧検出回路、１２４…電圧指令値演算部、１２６…ＰＷＭ制御部、１２８，１３０，１３２，１３４…パワーモジュール、２００…加熱電源、２０２…変圧器、Ｗ…食品。

Claims (5)

1. 被加熱物に電流を流して加熱する通電加熱装置であって、
   方形パルスを正負交互に出力可能な出力回路と、
   前記出力回路から出力された方形パルスを被加熱物に印加する通電加熱手段と、
   を備えた通電加熱装置。
2. 前記出力回路は、出力する方形パルスのデューティーファクタを変更自在である、
   請求項１に記載の通電加熱装置。
3. 交流電圧入力を整流して直流電圧を出力する整流回路と、
   前記整流回路から出力された直流電圧を制御して前記出力回路に供給するチョッパ回路と、
   を備えた請求項１または２に記載の通電加熱装置。
4. 前記チョッパ回路が前記出力回路に供給する直流電圧を制御することにより、前記出力回路が出力するそれぞれの方形パルスの振幅を変動自在である、
   請求項３に記載の通電加熱装置。
5. 前記出力回路から出力された方形パルスの電圧および電流を変動させて前記通電加熱手段に供給する変圧器を備えた請求項１ないし４のいずれか１項に記載の通電加熱装置。

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