JP2023153587A - Electrode for dielectric heating, high-frequency dielectric heating device, and method - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、誘電加熱用電極、高周波誘電加熱装置並びに方法に係り、特にMHz帯域の高周波電界を冷凍食品に印加し、誘電加熱により冷凍食品を解凍する誘電加熱用電極、高周波誘電加熱装置並びに方法に関する。 The present invention relates to a dielectric heating electrode, a high-frequency dielectric heating device, and a method, and particularly to a dielectric heating electrode, a high-frequency dielectric heating device, and a method for applying a high-frequency electric field in the MHz band to frozen food to thaw the frozen food by dielectric heating. Regarding.
食品の加工工場等では、冷凍状態の食材を解凍して食品を加工する場合がある。食品加工工場等で使用する解凍機の一種として、対向する電極間に配置した冷凍食品に、MHz帯域の高周波電界を印加し、誘電加熱により冷凍食品を解凍する高周波誘電加熱装置(高周波解凍装置)が知られている。 In food processing factories, frozen foodstuffs are sometimes thawed and processed into foods. A high-frequency dielectric heating device (high-frequency thawing device), which is a type of thawing machine used in food processing factories, applies a high-frequency electric field in the MHz band to the frozen food placed between opposing electrodes, and thaws the frozen food by dielectric heating. It has been known.
高周波誘電加熱とは、被加熱物である誘電体に高周波電圧を印加し、被加熱物を構成する極性分子の振動等に起因する自己発熱(誘電損失)により、被加熱物を内部から加熱する技術である。電子レンジによるマイクロ波(GHz帯域)による誘電加熱では氷と水の発熱差が大きいため、食品表層部の融解した部分が著しく発熱することで加熱ムラが生じる。しかしながら、マイクロ波よりも低い周波数帯域を使用する高周波誘電加熱では、エネルギーの浸透深度がマイクロ波よりも深く、また、氷と水の発熱量の差も小さいため、加熱ムラが生じ難いという利点があることが一般に知られている。 High-frequency dielectric heating refers to applying a high-frequency voltage to a dielectric object, which is the object to be heated, and heating the object from within through self-heating (dielectric loss) caused by vibrations of polar molecules that make up the object. It's technology. In dielectric heating using microwaves (GHz band) in a microwave oven, there is a large difference in heat generation between ice and water, so the melted portion of the surface layer of the food generates significant heat, resulting in uneven heating. However, high-frequency dielectric heating, which uses a lower frequency band than microwaves, has the advantage that uneven heating is less likely to occur because the energy penetrates deeper than microwaves and the difference in calorific value between ice and water is small. It is generally known that there is.
図17に、例えば特許文献1により実現されるMHz帯域の高周波電界を用いた誘電加熱の一例を示す。図17の高周波解凍装置10は、ISMバンドである13.56MHz、27.12MHz、40.68MHzなどのMHz帯を出力する高周波電源1、反射電力検知回路16、整合回路11、上部電極3、下部電極6より構成され、さらに、整合回路11は可変コンデンサC12、C13および可変コイルL10より構成されている。
FIG. 17 shows an example of dielectric heating using a high frequency electric field in the MHz band, which is realized by, for example,
高周波電源1からのMHz帯の高周波信号(RF信号)は反射電力検知回路16を介して整合回路11により、上部電極3と下部電極6の間に置かれた被加熱物7の等価インピーダンスと整合を図り、高周波電源1からの電力を効率よく伝送させることで被解凍物7の解凍を行うものである。
A high frequency signal (RF signal) in the MHz band from the high
なお、高周波誘電加熱では、解凍時に冷凍食材の誘電率が変わって電極間のインピーダンスが変動するとインピーダンス整合がずれて加熱効率が劣化するため、特許文献1には、反射電力検知回路16において、電極への入射電力と反射電力を検知し、これら比率で求まるVSWR(Voltage Standing Wave Ratio、電圧定在波比)を差算出することで整合状態を判定し、整合が取れるように整合回路11を調整することが記載されている。
In addition, in high-frequency dielectric heating, if the dielectric constant of the frozen food changes during thawing and the impedance between the electrodes changes, the impedance matching will shift and the heating efficiency will deteriorate. The matching state is determined by detecting the incident power and the reflected power, and calculating the difference in VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) obtained from these ratios, and adjusting the
また、特許文献2には、比較的小さいパワー定格の送電アンプを複数個使用し、その出力を電力合成回路で合成することにより、それらの送電アンプの出力が合成されたものを解凍パワーとすることができることから、解凍パワーが大となって解凍に要する時間の短縮ができ、さらに、送電アンプに適合するインピーダンスよりも低いインピーダンス整合の入力インピーダンスを得ることができることから、インピーダンス整合回路の構成も簡単となると記載されている。
Furthermore, in
特許文献2の記載を図17において例えるならば、高周波電源1に内蔵された送電アンプを複数並列動作構成とすることでアンプの出力インピーダンスが下がるため中間インピーダンスを50Ωよりも低い値にできるので、整合回路11の入力インピーダンスを低くすることができる。なお、電極間の等価直列抵抗も50Ωに対し低い値であることから、整合回路11のインピーダンス変換比が小さくできるので、整合回路の簡略化や比較的低耐圧の回路部品の使用が可能となる。
If we compare the description of
図17で示した特許文献1では、上部電極3と下部電極6の平行平板電極を用いた誘電加熱では、解凍時間短縮のため、出力電力を上げると加熱ムラが起き難いといわれるMHz帯の誘電加熱であっても被解凍物の端部に電界が集中することで中央部よりも尖端部の解凍が進み端部の温度が必要以上に上昇してしまう加熱ムラが発生する。
In
また、整合回路11の可変コイルC13と上部電極3と下部電極6の間に発生する電圧の位相は180°異なって打ち消しあう共振現象が発生することから、これらの両端には数1000V以上の大きな電圧が発生する。これにより電極と筐体間の寄生容量を介して数アンペア以上の大きな電流が流れ、これが損失となって加熱効率を劣化させてしまうこと、さらに、高い電圧が発生することで可変コンデンサC12およびC13には高耐圧、高コストの真空バリコンや高耐圧リレー等を使う必要があるため、回路部品が大型かつ高コストになってしまうという課題があった。
Furthermore, since the phases of the voltages generated between the variable coil C13 of the
一方、特許文献2のように、送電アンプを複数並列に合成して高出力化を図って出力インピーダンスを下げるとともに、可変整合回路のインピーダンスを下げることで小型、低コスト化を狙った場合、電極間の整合状態を検知するための反射電力や入射電力を精度よく測定することができない問題が発生する。
On the other hand, as in
これは、図17において、反射電力および入射電力を検知する電力検知回路16は、入射および反射電力を基準抵抗と比較することで検知するため、特許文献2では、低インピーダンス化を図ったことにより、冷凍食材の解凍状態によって電極間のインピーダンスも変動した場合、反射電力の検知精度が低下し加熱効率が劣化する。
This is because the
以上のことから、本発明においては、小型、低コストで加熱効率に優れ、加熱ムラが少ない誘電加熱用電極、高周波誘電加熱装置並びに方法とすることを目的とする。 In view of the above, an object of the present invention is to provide a dielectric heating electrode, a high frequency dielectric heating device, and a method that are small, low cost, have excellent heating efficiency, and have little heating unevenness.
以上のことから本発明においては、「平行平板の上部電極および下部電極間に高周波電圧を印加することで上部電極および下部電極間に発生する電界により被加熱物を誘電加熱する誘電加熱用電極であって、上部電極の下面および下部電極の上面のいずれか一方、または双方にスパイラル状の電極を設け、スパイラル状の電極はその外周端側が平行平板の電極に接続され、その内周端側がオープン端とされていることを特徴とする誘電加熱用電極」としたものである。 From the above, in the present invention, "a dielectric heating electrode that dielectrically heats the object to be heated by the electric field generated between the upper electrode and the lower electrode by applying a high frequency voltage between the upper electrode and the lower electrode of a parallel plate. A spiral electrode is provided on one or both of the lower surface of the upper electrode and the upper surface of the lower electrode, and the outer peripheral end of the spiral electrode is connected to the parallel plate electrode, and the inner peripheral end is open. ``A dielectric heating electrode characterized by having an edge.''
また本発明においては、「高周波電源からの高周波電圧を、インピーダンスを可変に調整する整合回路を介して平行平板の上部電極および下部電極間に印加することで上部電極および下部電極間に発生する電界により被加熱物を誘電加熱する高周波誘電加熱装置であって、上部電極の下面および下部電極の上面のいずれか一方、または双方にスパイラル状の電極を設け、スパイラル状の電極はその外周端側が平行平板の電極に接続され、その内周端側がオープン端とされていることを特徴とする高周波誘電加熱装置」としたものである。 In addition, in the present invention, an electric field is generated between the upper electrode and the lower electrode by applying a high frequency voltage from a high frequency power supply between the upper electrode and the lower electrode of the parallel plate through a matching circuit that variably adjusts the impedance. This is a high-frequency dielectric heating device that dielectrically heats an object to be heated, and a spiral electrode is provided on either or both of the lower surface of the upper electrode and the upper surface of the lower electrode, and the outer peripheral edge of the spiral electrode is parallel. A high-frequency dielectric heating device characterized in that it is connected to a flat plate electrode and that its inner peripheral end is an open end.
また本発明においては、「高周波電源からの高周波電圧を、インピーダンスを可変に調整する整合回路を介して平行平板の上部電極および下部電極間に印加することで上部電極および下部電極間に発生する電界により被加熱物を誘電加熱する高周波誘電加熱方法であって、上部電極の下面および下部電極の上面のいずれか一方、または双方にスパイラル状の電極を設け、スパイラル状の電極はその外周端側が平行平板の電極に接続され、その内周端側がオープン端とされているとともに、スパイラル状の電極の外周端側の複数個所で複数のスイッチ回路を介して平行平板の電極に接続可能とされており、高周波電源からの高周波電圧または高周波電力を検知し、被加熱物の温度に応じて整合回路のインピーダンスおよび複数のスイッチ回路のいずれか一方または双方を制御することを特徴とする高周波誘電加熱方法」としたものである。 In addition, in the present invention, an electric field is generated between the upper electrode and the lower electrode by applying a high frequency voltage from a high frequency power supply between the upper electrode and the lower electrode of the parallel plate through a matching circuit that variably adjusts the impedance. A high-frequency dielectric heating method for dielectrically heating an object to be heated, in which a spiral electrode is provided on either or both of the lower surface of the upper electrode and the upper surface of the lower electrode, and the outer peripheral edge of the spiral electrode is parallel. It is connected to a flat plate electrode, and its inner peripheral end is an open end, and it can be connected to a parallel plate electrode via multiple switch circuits at multiple locations on the outer peripheral end of the spiral electrode. , a high-frequency dielectric heating method characterized by detecting a high-frequency voltage or high-frequency power from a high-frequency power supply and controlling the impedance of a matching circuit and one or both of a plurality of switch circuits according to the temperature of the object to be heated. That is.
本発明の高周波誘電加熱装置により、小型低コストで加熱効率に優れ、加熱ムラの少ない高周波誘電加熱装置が得られる。 The high-frequency dielectric heating device of the present invention provides a high-frequency dielectric heating device that is small, low cost, has excellent heating efficiency, and has little heating unevenness.
以下、図面を用いて、本発明の実施例について説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
なお高周波誘電加熱装置は、被加熱物の加熱場面で広く適用することができるが、特に解凍に特化して使用する場合にはこれを高周波解凍装置ということがあり、以下の実施例では高周波解凍装置について説明する。 The high-frequency dielectric heating device can be widely used in heating objects to be heated, but when used specifically for thawing, it is sometimes referred to as a high-frequency thawing device. The device will be explained.
また、本発明の実施例においては、コンビニエンスストアやスーパーマーケット等の小売店のバックヤード等に高周波誘電加熱装置を設置し、入店する客数に応じて貯蔵している冷凍状態の弁当や惣菜等の冷凍食品を解凍し、店舗内の陳列棚にチルド品として並べる場合や、解凍した食品を客に提供する場合等を想定している。 In addition, in an embodiment of the present invention, a high-frequency dielectric heating device is installed in the backyard of a retail store such as a convenience store or a supermarket to store frozen lunch boxes, prepared foods, etc. according to the number of customers entering the store. It is assumed that frozen foods will be thawed and displayed as chilled items on store shelves, or that thawed foods will be provided to customers.
ただし、以下の説明は、本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものでは無く、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において、当業者による様々な変更および修正が可能である。 However, the following explanations show specific examples of the content of the present invention, and the present invention is not limited to these explanations, and the present invention is not limited to these explanations. Various changes and modifications may be made by the manufacturer.
図1は、本発明の実施例1に係る高周波解凍装置の概略構成例を示す図である。高周波解凍装置10は、ISMバンドである13.56MHz、27.12MHz、40.68MHzなどのMHz帯を出力する高周波電源1、筐体2、上部平板電極3、下部平板電極6、上部スパイラル4、下部スパイラル5より構成され、冷凍食材7を解凍する。また、上部スパイラル4および下部スパイラル5の長さ(総延長)は高周波電源1の出力周波数のλ/4付近の長さとなっており、上部スパイラル4の外周端は上部平板電極3と接続され、内周端はオープン状態となっており、同様に、下部スパイラル5の外周端は下部平板電極6と接続され、内周端はオープン状態となっている。
FIG. 1 is a diagram showing a schematic configuration example of a high frequency decompression device according to a first embodiment of the present invention. The high-
なお、図1の例では、上部電極の下面と下部電極の上面の双方にスパイラル状の電極を設けているが、これは上部電極の下面および下部電極の上面のいずれか一方にもうけたものであってもよい。また、スパイラル4、5の長さ(総延長)は高周波電源1の出力周波数のλ/4もしくはλ/4の整数倍の長さとされることが最良であるが、λ/4付近の長さであっても本発明の効果を奏することができることから、本発明の以下の説明においてはλ/4付近の長さを含めて、λ/4として扱うものとする。
In the example of FIG. 1, spiral electrodes are provided on both the lower surface of the upper electrode and the upper surface of the lower electrode, but these are not provided on either the lower surface of the upper electrode or the upper surface of the lower electrode. There may be. In addition, it is best for the length (total extension) of the
概略が上記の全体構成において、図1の高周波電源1からのMHz帯の高周波電力が上部平板電極3と下部平板電極4間に印加されることにより平板電極内に電界が発生する。この電界により、上部スパイラル4は下部平板電極6との電位差、下部スパイラル5は上部平板電極3との電位差により各スパイラルが励振され定在波が発生し、スパイラル4、5の外周端よりもオープン端である電極中央部に電界が集中する。これにより冷凍食材7は、中央部がより加熱されることで端部に発生する加熱ムラが発生しにくい電極構成を得ることができる。
In the overall configuration roughly described above, MHz band high frequency power from the high
なお本発明においては、上部平板電極3、下部平板電極6、上部スパイラル4、下部スパイラル5の組み合わせを総称して、誘電加熱用電極というものとする。誘電加熱用電極は、平板電極とスパイラルを含む電極である。
In the present invention, the combination of the upper
図2aは、図1の高周波解凍装置においてλ/4のスパイラル上に発生する定在波と電界の分布を示した図である。 FIG. 2a is a diagram showing the distribution of standing waves and electric fields generated on a λ/4 spiral in the high-frequency decompression device of FIG.
図2aの上段には、上下のスパイラル4、5のうち、下部スパイラル5を例示し、ている。図2aの上段において、下部スパイラル5の長さlを波長λの4分の1にするとともに外周端を下部平板電極6と接続(ショート)し、内周端をオープン状態とすることで、下部スパイラル5には上部平板電極3との電位差によりλ/4のオープンショートの定在波が励振され、下部平板電極6と接続されていて下部平板電極6と同電位となる外周端よりもオープン状態の内周端の電位が定在波の振幅分だけ高くなることから、中央部の電界Eがより高くなる。
The
図2aの中段には、スパイラル5の内周端から外周端までの距離rとスパイラル電極近傍の電解E関係を示しており中央部の電界Eがより高くなることが示されている。また図2aの下段には、スパイラルを伸ばした時の位置と、その位置におけるスパイラル電極の電圧Vと電流Iの関係を示している。外周端から遠方位置にあるほど電圧が上昇し、電流が減少する傾向が表れている。
The middle part of FIG. 2a shows the relationship between the distance r from the inner circumferential end to the outer circumferential end of the
なお、図2aでは下部平板電極6に下部スパイラル5を接続する構成であるが、上部平板電極3側も同様であり、さらに上下平板電極3、6ともスパイラル4、5を接続することでより電界集中効果を得ることができる。
In addition, in FIG. 2a, the
このとき、上下スパイラル4、5の巻き方向で流れる電流により発生する磁束が同じ方向と逆方向で等価的なλ/4の長さが異なる。図1では上下スパイラル4、5の巻き方向が逆の場合は、発生する磁束が同じ方向となって強め合うため、上下スパイラルを相互結合分だけ若干短くする。一方、上下スパイラルの巻き方向が同じで磁束が逆の方向であれば相互結合分だけスパイラルの長さを長くする必要がある。
At this time, the equivalent length of λ/4 is different depending on whether the magnetic flux generated by the current flowing in the winding direction of the upper and
また、図2bには、スパイラルの配置の他の一例を示したもので、下部スパイラルとして5aと5bを備えたものである。下部スパイラル5a、5bは下部平板電極6とそれぞれ外周端が接続され、内周端がオープン状態となっており、これらスパイラル上には複数の冷凍食材7a、7bが置かれている。図2bのように、スパイラルは複数配置しても同様の効果が得られるため、複数の食材や部分的に加熱を促進させたい場合の解凍も可能となる。さらに、スパイラルの長さもλ/4よりも短い場合であっても電界の集中効果は小さくなるが加熱ムラの低減は可能である。
Further, FIG. 2b shows another example of the spiral arrangement, which includes
図3aは図1の高周波解凍装置の誘電加熱用電極を示した断面構成図であり、図3bはその等価回路を示したものである。それぞれ図1と重複する部分は同じ番号を付し説明を省略する。これらの図を用いて電極間のインピーダンス特性と整合方法について説明する。 FIG. 3a is a cross-sectional configuration diagram showing a dielectric heating electrode of the high-frequency thawing device shown in FIG. 1, and FIG. 3b shows an equivalent circuit thereof. Parts that overlap with those in FIG. 1 are given the same numbers and explanations are omitted. The impedance characteristics and matching method between electrodes will be explained using these figures.
図3aにおいて、上部平板電極3と冷凍食材7間の静電容量C1、下部平板電極6と冷凍食材7間の静電容量C2、上部スパイラル4と冷凍食材7間の静電容量C3、下部スパイラル5と冷凍食材7間の静電容量C4が生じる。さらに、下部平板電極6は、GND接続された筐体と接続されることから、上部平板電極3と筐体2間に寄生の静電容量C5が生じる構成となる。
In FIG. 3a, the capacitance C1 between the upper
また、図3bは、図3aで示した構成の等価回路を示した図であり、冷凍食材7は、等価直列容量C6と等価直列抵抗R6で表している。図3bにおいて、静電容量C1およびC2が冷凍食材7の両端に生じるともに上部スパイラル5側には筐体との寄生の静電容量C5が生じる。さらに、上部スパイラル5のインダクタL1と静電容量C3、等価静電容量C6、等価直列抵抗R6、静電容量C4、下部スパイラル6のインダクタL2により直列共振回路が形成される。
Further, FIG. 3b is a diagram showing an equivalent circuit of the configuration shown in FIG. 3a, and the
このため、送電周波数に近い周波数帯に共振周波数が近い場合には、電極間インピーダンスが直列共振のため、インピーダンスが下がり整合が取りやすくなる。さらに、インピーダンスが下がることで平板電極間に加わる電圧も低くできるので、筐体との寄生の静電容量C5に流れる電流も小さくなるため、筐体と電極の結合による損失も減少し加熱効率が向上する。 Therefore, when the resonant frequency is close to a frequency band close to the power transmission frequency, the impedance between the electrodes is series-resonant, so the impedance decreases and matching becomes easier. Furthermore, by lowering the impedance, the voltage applied between the flat electrodes can be lowered, so the current flowing through the parasitic capacitance C5 with the housing is also reduced, reducing loss due to the coupling between the housing and the electrodes, increasing heating efficiency. improves.
また、スパイラル間の距離が大きくなった場合、静電容量C3、C4が小さくなるため、共振回路の損失の状態を示すQ値は、インダクタンスをL、容量値をC、抵抗値をRとすると、Q=ωL/R=1/(ωCR)で求められることから大きくなって等価的に共振回路の損失は小さくなる。このため、スパイラル間の距離が大きくなると共振回路のQ値が大きくなることで距離が広がった場合の加熱効率の低下を小さくすることができる。 In addition, when the distance between the spirals increases, the capacitances C3 and C4 become smaller, so the Q value, which indicates the state of loss in the resonant circuit, is calculated by setting the inductance to L, the capacitance to C, and the resistance to R. , Q=ωL/R=1/(ωCR), so the loss of the resonant circuit becomes equivalently smaller. For this reason, as the distance between the spirals increases, the Q value of the resonant circuit increases, so that it is possible to reduce the decrease in heating efficiency when the distance increases.
図4aは、公知技術の一例として、GND平面上に形成されたλ/4の長さの2つのスパイラル電極を対向させ、これらスパイラルの外周端同士を接続、内周端の一端をオープン状態とし、他端から高周波電源を印加して、スパイラル間に配置した冷凍食材を解凍する構成の電極のインピーダンスの電磁界解析結果を示し、図4bに図1で示した実施例1の高周波解凍機の電極構成のインピーダンスの電磁界解析結果を示す。 FIG. 4a shows an example of a known technique in which two spiral electrodes with a length of λ/4 formed on a GND plane are opposed to each other, the outer circumferential ends of these spirals are connected, and one inner circumferential end is in an open state. Figure 4b shows the electromagnetic field analysis results of the impedance of the electrode configured to thaw the frozen food placed between the spirals by applying a high frequency power source from the other end. The electromagnetic field analysis results of the impedance of the electrode configuration are shown.
解析はどちらもスパイラル間の距離40mmと80mmで行い、スパイラルの大きさは、250mm×185mmで巻き数は3.5ターン、パターン幅は15mmでパターン厚は0.3mm、周波数は40.68MHzで解析した。また、冷凍食材として200mm×100mm、高さ25mmの疑似食材を-20℃まで冷凍したものを解析モデルとして用いた。 Both analyzes were conducted with a distance between the spirals of 40 mm and 80 mm, the size of the spiral was 250 mm x 185 mm, the number of turns was 3.5 turns, the pattern width was 15 mm, the pattern thickness was 0.3 mm, and the frequency was 40.68 MHz. Analyzed. In addition, as a frozen food material, a simulated food material measuring 200 mm x 100 mm and 25 mm in height that was frozen to -20°C was used as an analytical model.
図4aの公知技術では、λ/4のスパイラル同士を接続してλ/2の長さとなるため、反射波が同相となって送電周波数付近ではインピーダンスが非常に大きくなるが、距離40mmでは冷凍食材の解凍に消費される分だけ等価的にインピーダンスが下がっており、整合回路を用いた整合は可能と考えられる。しかし、80mmの場合は、冷凍食材への加熱効率が悪くなり電極インピーダンスが非常に高くなるため整合は困難である。 In the known technique shown in Fig. 4a, spirals of λ/4 are connected to each other to have a length of λ/2, so the reflected waves are in phase and the impedance becomes very large near the transmission frequency, but at a distance of 40 mm, the frozen food The impedance is equivalently reduced by the amount consumed for decompression, and matching using a matching circuit is considered possible. However, in the case of 80 mm, matching is difficult because the efficiency of heating the frozen food becomes poor and the electrode impedance becomes extremely high.
これに対し、図4bの本発明の電極構造は直列共振動作となるため、インピーダンスが低くなっており、さらに、スパイラル間距離が離れても共振回路のQ値が上がるため、インピーダンスの変化は小さく、80mmの距離でも高周波電源で一般的に用いられる50Ωとのインピーダンス整合は従来技術に比べ取り易いと言える。 On the other hand, the electrode structure of the present invention shown in Fig. 4b has a series resonant operation, so the impedance is low, and even if the distance between the spirals is large, the Q value of the resonant circuit increases, so the change in impedance is small. It can be said that even at a distance of 80 mm, impedance matching with 50Ω, which is generally used in high frequency power sources, is easier to achieve than with the conventional technology.
図5aは、図17で示した公知技術により疑似食材を加熱した場合の食材内部の発熱分布を、図5bは図1で示した実施例1の誘電加熱用電極で加熱した場合の発熱分布を電磁界解析により求めた結果を示す。 Figure 5a shows the heat generation distribution inside the food when the simulated food is heated using the known technique shown in Figure 17, and Figure 5b shows the heat generation distribution when heated with the dielectric heating electrode of Example 1 shown in Figure 1. The results obtained by electromagnetic field analysis are shown.
図5aの公知技術では、平板電極として300mm×260mm、電極間距離40mm、疑似食材として200mm×150mm、高さ25mmの疑似食材を-20℃まで冷凍したものを解析モデルとして用いた。 In the known technique of FIG. 5a, a pseudo food material with a plate electrode of 300 mm x 260 mm, a distance between electrodes of 40 mm, a pseudo food material of 200 mm x 150 mm, and a height of 25 mm frozen to -20 ° C. was used as an analysis model.
また、図5bで示した実施例1の電極構造は平板電極として300mm×260mm、スパイラル電極250mm×185mmで巻き数は3.5ターン、パターン幅は15mmでパターン厚は0.3mmとし、冷凍食材は公知技術と同じ形状のものを用いた。周波数はどちらも40.68MHzで解析した。 In addition, the electrode structure of Example 1 shown in FIG. 5b is a flat plate electrode of 300 mm x 260 mm, a spiral electrode of 250 mm x 185 mm, the number of turns is 3.5 turns, the pattern width is 15 mm, the pattern thickness is 0.3 mm, and the frozen food The same shape as the known technique was used. Both frequencies were analyzed at 40.68 MHz.
これらを比較すると、公知技術の平行平板電極では疑似食材の端部の発熱が促進されるのに対し、平板にスパイラルを接続した構成のほうが食材の中心部の発熱がより促進されるため、端部の加熱ムラを低減することが可能となる。 Comparing these, it is found that the parallel plate electrode of the known technology promotes heat generation at the edges of the pseudo food material, whereas the structure in which a spiral is connected to the flat plate promotes heat generation at the center of the food material, This makes it possible to reduce uneven heating of the parts.
以上の実施例1の構成では、中心部に電界が集中することで加熱ムラが低減できることに加え、平板電極と筐体との結合による損失が低減できるとともに、電極間距離が離れても整合の取り易い誘電加熱用電極を得ることができる。さらに、加熱ムラが抑えられることで高出力化による解凍時間の短縮も可能となる。 In the configuration of Example 1 above, in addition to reducing heating unevenness by concentrating the electric field at the center, it is also possible to reduce loss due to coupling between the flat electrode and the casing, and it is possible to maintain alignment even if the distance between the electrodes is large. A dielectric heating electrode that is easy to remove can be obtained. Furthermore, by suppressing heating unevenness, it is possible to shorten the thawing time by increasing the output.
図6は本発明の実施例2に係る高周波解凍装置の概略を示す構成図である。高周波解凍装置10は、整合回路11、可変容量C12、制御回路13、スイッチ回路SW1~SW3、温度センサ17からなり、その他、図1で示した高周波解凍装置の実施例1と重複する部分には同じ番号を付し説明を省略する。
FIG. 6 is a block diagram schematically showing a high frequency decompression device according to a second embodiment of the present invention. The high-
図6は図1で示した実施例1の高周波解凍装置10と比較して、高周波電源1と電極間に可変容量C12からなる整合回路11を接続するとともに、下部スパイラル5の外周端側と、GND接続の筐体2に接続された下部平板電極6間に複数のスイッチ回路SW1~SW3を接続し、制御回路13により、スイッチ回路SW1~SW3をオンオフすることで下部スパイラル6のスパイラル長を調整できるようにした点が相違している。
In comparison with the high
このような構成とすることで、例えば、温度センサ17により冷凍食材7の解凍状態を検知し、制御回路13によりスイッチ回路SW1~SW3を切り替えることで、解凍により変化する誘電率による電極間のインピーダンスの変動に対し、整合を取れるようにした。また、スイッチ回路SW1~SW3の切り替えで整合が取れない場合は、整合回路11の可変容量C12によっても調整できるようにした。
With this configuration, for example, the
以上の構成とすることで図1に示した実施例1と同様の効果が得られる上に、下部スパイラル5の外周端のGND電位に近い部分を切り替えるため、耐圧が数1000V以上の高耐圧リレーを用いなくてもよく、さらに、上部平板電極3も電圧振幅が数100V程度となることから、可変容量C12に高耐圧な真空バリコンなどを用いる必要がなくなるため、整合回路11の低コスト化が図れる。
With the above configuration, the same effect as in the first embodiment shown in FIG. In addition, since the voltage amplitude of the upper
図7は、図6で示したスイッチ回路SW1~SW3の代わりにMOS FETを用いた場合の回路構成を示したものである。図7において、スイッチ回路SWは、MOS FET 75、76のソースを共通接続し、両ドレイン端子72、73を下部スパイラル5の外周端付近と下部平板電極6間に接続する。また、各ゲートは、ゲート保護用抵抗R7、R8を介し制御端子74から制御回路13に接続される。スイッチ回路SW1~SW3に図7に示すMOS FETを用いることで、さらに小型で低コストを図ることができる。
FIG. 7 shows a circuit configuration when MOS FETs are used in place of the switch circuits SW1 to SW3 shown in FIG. 6. In FIG. 7, the switch circuit SW connects the sources of
図8は本発明の実施例3に係る高周波解凍装置の概略を示す構成図である。高周波解凍装置10は、13.56MHz、27.12MHz、40.68MHzなどのMHz帯を出力するRF信号源80、減衰器82、送電アンプ81、ローパスフィルタ回路85、反射電力検知回路16、可変整合回路11、電源回路14、制御回路13により構成され、その他、図1で示した高周波解凍装置の実施例1と重複する部分には同じ番号を付し説明を省略する。
FIG. 8 is a block diagram schematically showing a high frequency decompression device according to a third embodiment of the present invention. The high-
図8の高周波解凍装置では、高周波電源1を、RF信号源80、減衰器82、送電アンプ81、ローパスフィルタ85により構成するとともに、整合回路11として可変整合回路、電力検知回路として反射電力検知回路16が適用され、付加された点が図1と相違している。
In the high-frequency decompression device shown in FIG. 8, the high-
図8の送電アンプ81は、分配回路815、増幅素子816、合成回路817、電源端子812から構成され、RF信号入力端子811より入力されたRF信号を増幅し、RF信号出力端子813、814に出力する。また、ローパスフィルタ85は、送電アンプ81で発生する高調波を減衰させる構成となっている。
The
反射電力検知回路16は、電極との整合状態により発生する反射電力量を検知して制御回路13に出力する。
The reflected
可変整合回路11は、GND接地の可変容量C12と直列接続の可変容量C13により構成される。なお、上部および下部スパイラル4、5は、冷凍食材7の解凍状態によるインピーダンス変化を考慮し、λ/4よりも若干長くして電極間インピーダンスを誘導性とし、可変容量のみで構成される可変整合回路11で整合可能としている。
The
以上の構成では、送電アンプ81により増幅されたRF信号により、上下スパイラル4、5間に置かれた冷凍食材7を誘電加熱により解凍するものであるが、冷凍食材の種類や大きさ、解凍の状態により変わる電極間インピーダンスに対し整合状態を反射電力検知回路16により検知し、制御回路13により可変整合回路11の可変容量C12、C13を調整して整合を図ることで効率よく解凍を行うものである。また、解凍の完了は、温度センサ17により冷凍食材7の温度を計測することで判定するものである。
In the above configuration, the
本発明は、概略上記構成の高周波解凍装置10において、小型低コストで加熱効率に優れ、加熱ムラの少ない高周波解凍装置10を得るために、送電アンプ81の高出力、低コスト化、可変整合回路11などの回路の小型化と低コスト化の両立、高出力化で顕著となる加熱ムラの低減を図る平板平板電極3、6へのスパイラル4、5の接続といった各点において工夫がされたものである。
In the high-
以下の説明では、これらの工夫による構成がもたらす効果について各部構成要件ごとに説明する。まず短時間の解凍を可能とするための高出力化の観点から構成されている送電アンプ81は、RF信号源80からのRF信号は減衰器82を介してRF信号入力端子811から入力され、入力されたRF信号は分配回路815により各増幅素子816に入力され、増幅されたRF信号が合成回路817により合成されRF信号出力端子813、814間に出力される。
In the following explanation, the effects brought about by the configuration based on these ideas will be explained for each component component. First, the
以上の構成では、4素子増幅する構成のプッシュプル増幅回路とすることで、出力電力の向上が図れるとともに、増幅素子に求められる耐圧も低くすることができるため、増幅素子の低コスト化を図ることができる。 In the above configuration, by using a push-pull amplifier circuit with a four-element amplification configuration, the output power can be improved and the withstand voltage required for the amplification element can be lowered, so the cost of the amplification element can be reduced. be able to.
可変整合回路11は、電極のスパイラル4、5の長さをλ/4よりも長くすることで電極間のインピーダンスを誘導性として可変容量C12、C13の容量成分のみで整合が取れるようにした。これにより、上部平板電極3、下部平板電極6間と整合用のインダクタにより平板電極の電圧上昇が発生しないため、上部平板電極3と筐体2間の容量結合による損失が低減されるため加熱効率が向上する。
In the
図9aは図17で示した公知技術の上部平板電極3の電圧分布を電磁界解析した結果を、図9bは図8で示した実施例3の上部平板電極3の電圧分布の解析結果を示したものである。
9a shows the result of electromagnetic field analysis of the voltage distribution of the
なお、解析は、図5a、図5bで示した疑似食材の発熱解析と同様に、図9aは、平板電極として300mm×260mm、電極間距離40mm、疑似食材として200mm×150mm、高さ25mmの疑似食材を-20℃まで冷凍したものを用い、図9bは平板電極として300mm×260mm、スパイラル電極250mm×185mmで巻き数は3.5ターン、パターン幅は15mmでパターン厚は0.3mmとした。周波数はどちらも40.68MHzである。 The analysis is similar to the heat generation analysis of the pseudo food material shown in FIGS. 5a and 5b. In FIG. Foods frozen to -20°C were used, and in Figure 9b, the plate electrode was 300 mm x 260 mm, the spiral electrode was 250 mm x 185 mm, the number of turns was 3.5, the pattern width was 15 mm, and the pattern thickness was 0.3 mm. Both frequencies are 40.68 MHz.
図9aの公知技術の場合、整合回路11にインダクタを用いているため、上部平板電極3の電圧は比較的高いのに対し、図9bの平行平板電極にスパイラルを接続した図8の実施例3では整合回路11にインダクタを用いない構成であるため、上部平板電極3の電圧が低いことが分かる。
In the case of the known technique shown in FIG. 9a, since an inductor is used in the
以上の構成とすることで、実施例1と同様の効果が得られるのに加え、送電アンプの高出力、低コスト化が図れ、さらに、整合回路11に用いられる可変容量C12、C13の高耐圧バリコンの使用が不要となり一般的なエアバリコンやコンデンサとリレーによる容量切り替え等を用いることができるため整合回路の低コスト化が可能となる。
With the above configuration, in addition to obtaining the same effects as in Example 1, the power transmission amplifier can achieve high output and low cost, and furthermore, the variable capacitors C12 and C13 used in the
なお、下部スパイラル5に図6で示した実施例2の切り替えスイッチ回路SWを付加した構成の電極を用いても同様の効果が得られる。この場合、等価的に直列接続されたインダクタンス値を調整することになるため、直列接続された可変容量C13を省略することが可能となる。
Note that the same effect can be obtained by using an electrode having a configuration in which the changeover switch circuit SW of the second embodiment shown in FIG. 6 is added to the
図10は発明の実施例4に係る高周波解凍装置の概略構成例を示す図である。高周波解凍装置10は、ローパスフィルタを兼ねた電流源変換回路85A、可変整合回路11A、電圧検波回路16Aを有し、その他、図6で示した実施例2および図8で示した高周波解凍装置の実施例3と重複する部分には同じ番号を付し説明を省略する。
FIG. 10 is a diagram showing a schematic configuration example of a high frequency decompression device according to a fourth embodiment of the invention. The high-
図10の高周波解凍装置を図8の高周波解凍装置と対比して示すと、ローパスフィルタ85がローパスフィルタを兼ねた電流源変換回路85A、反射電力検知回路16が電圧検波回路16A、可変整合回路11が可変整合回路11Aとして構成され、さらに、下部スパイラル5にスイッチ回路SW1~SW3が付加されている点が図8と相違している。
When the high-frequency decompression device of FIG. 10 is shown in comparison with the high-frequency decompression device of FIG. 8, the low-
図10のローパスフィルタを兼ねた電流源回路85AはコンデンサC21、C22とインダクタL21によるπ型のフィルタにより構成されており、コンデンサC21、C22の容量値Cは等しく、インダクタL21をL、送電周波数をf(ω=2πf)、送電アンプ81の出力電圧をVとし、送電周波数におけるリアクタンスをXとすると、X=jωL=-j1/(ωC)の関係が成り立つように、コンデンサCとインダクタLの値を設定すると、電流源出力端子1012から出力される電流Iは、I=-jV/Xとなり、出力電圧VとリアクタンスXで求まる定電流源とすることができる。このとき、Xの値を送電アンプ81の特性インピーダンスZ0(一般的には50Ω)と等しくすれば、特性インピーダンスと等しい負荷条件の場合、電圧源駆動と電流源駆動は等価となる。
The
可変整合回路11Aは、直列接続された可変容量C13で構成されている。電圧検波回路16Aは、検波ダイオードD1、コンデンサC23、抵抗R10、R11より構成され、可変整合回路11Aの入力端子1021に印加される電圧を検波し、制御回路13において整合状態を検知する。
The
以上の構成では、送電アンプ81の出力電圧はローパスフィルタを兼ねた電流源変換回路85Aにより定電流源に変換され、可変整合回路11Aおよびスイッチ回路SW1~SW3により整合を図り、上下スパイラル4、5間に置かれた冷凍食材7を誘電加熱により解凍するものであるが解凍の状態により変わる電極間インピーダンスに対し、整合状態を電圧検波回路16Aにより検知し、制御回路13により可変整合回路11Aの可変容量C13を調整して整合を取ることで効率よく解凍を行うものである。
In the above configuration, the output voltage of the
本発明は、概略上記構成の高周波誘電加熱装置10において、小型低コストで加熱効率に優れ、加熱ムラの少ない高周波誘電加熱装置を得るために、ローパスフィルタを兼ねた電流源変換回路85Aの付加による制御の簡略化、可変整合回路11A、電圧検波回路16Aによる回路の小型低コスト化といった各点において工夫がされたものある。
The present invention is based on the addition of a current
以下の説明では、これらの工夫による構成がもたらす効果について各部構成要件ごとに説明する。 In the following explanation, the effects brought about by the configuration based on these ideas will be explained for each component component.
まず、制御の簡略化の観点から構成されている電流源変換回路85Aは、解凍に伴う電極間のインピーダンス変化に対する送電アンプ81の出力制御を簡略化するものである。電極間インピーダンスは、上下スパイラルの接続により図4bで示すように比較的低いインピーダンスとなっている。
First, the current
一方、送電アンプ81も複数の増幅素子の並列接続となっており出力インピーダンスも低くなっていることから、一般的な特性インピーダンスである50Ωに一旦上げてから整合回路11で下げる必要があり整合回路11が複雑となる。
On the other hand, since the
このため、送電アンプ81の低インピーダンスで直接電極を駆動したほうが回路の簡略化を図ることができる。しかし、この場合、冷凍食材7の等価抵抗値は、温度が-20℃では40Ω、-5℃では、20Ω程度となり解凍が進むにつれて抵抗値が小さくなる。このため、送電アンプ81が電圧源Vの場合の加熱電力は、-20℃が、V2/40、-5℃がV2/20となるため、解凍がほぼ終了となる-5℃のときに最も消費電力が高くなってしまう。
Therefore, the circuit can be simplified by directly driving the electrodes with the low impedance of the
これに対し、電流源Iとした場合、加熱電力は、-20℃が、I2×40、-5℃がI2×20となるため、解凍開始時の最も加熱電力が必要なときに高くなり、解凍が進むにつれて徐々に加熱電力が小さくなることから、送電アンプ81の出力制御の簡略化が可能となる。
On the other hand, when current source I is used, the heating power is I 2 × 40 at -20°C and I 2 × 20 at -5°C, so the heating power is high at the time when the most heating power is needed at the start of thawing. Since the heating power gradually decreases as the defrosting progresses, output control of the
可変整合回路11Aは、直列接続された可変容量C13により下部スパイラル5に接続された切り替えスイッチ回路SW1~SW3で調整できない場合に整合を図るものであり、電極間のインピーダンスも含め直列共振で整合を図ることで低インピーダンスでの駆動を可能にするものであり、さらに可変整合回路11Aは、図11に示すように、常時接続の直列コンデンサC31に対して並列コンデンサC32、C33を設置し、これを切り替えスイッチSW4、SW5により容量値を切り替えることでも整合は可能となる。
The
電圧検波回路16Aは、図3bで示したスパイラル接続時の等価回路より直列共振の低インピーダンス回路となるため、決まったインピーダンスを基準として検知を行う反射電力検知回路16では検知精度が劣化する。
Since the
図12aに電流源駆動時の直列共振回路における端子間電圧Vを求めた結果を示す。図では、冷凍食材含めた電極間インピーダンスを等価インダクタL、等価容量Cおよび冷凍食材の解凍で主に消費される抵抗分を等価抵抗Rrsとした場合、端子間電圧Vは、共振時にインピーダンスはRrsと等しくなり、この時最も低くなる。このため、電圧検波回路1030を付加して電圧が最も低くなる点が整合していると判断することができる。 FIG. 12a shows the results of determining the inter-terminal voltage V in the series resonant circuit when driven by a current source. In the figure, when the impedance between electrodes including frozen food is equivalent inductor L, equivalent capacitance C, and the resistance mainly consumed by thawing frozen food is equivalent resistance Rrs, the voltage between terminals V, and the impedance at resonance is Rrs. It becomes equal to and becomes the lowest at this time. Therefore, by adding the voltage detection circuit 1030, it can be determined that the point where the voltage is the lowest is matched.
図12bには、送電アンプ81、電流源変換回路85A、可変整合回路11Aおよび冷凍食材7も含めた電極間インピーダンスと等価な負荷を接続し、可変整合回路11Aの可変容量を変化させた場合のシミュレーションを行った結果を、横軸に誘導性あるいは容量性のインピーダンス、縦軸に電圧振幅を取って示したものである。図の結果から、共振時(整合時)に最も端子電圧が低くなっていることが分かる。
FIG. 12b shows a case where a load equivalent to the interelectrode impedance including the
図13は、図10で示した実施例4に係る高周波誘電加熱装置10において、冷凍食材7を解凍するまでの流れを示したフローであり、図10を参照して説明する。このフローは、計算機を用いて実現される図10の制御回路13による処理の流れを示している。
FIG. 13 is a flowchart showing the process of thawing the
この処理では下部スパイラル5の長さを調整して整合を図るが、スパイラルの長さで整合が取れない場合は、可変容量C13を調整することで整合を図るものである。
In this process, matching is attempted by adjusting the length of the
まず処理ステップS1において、制御回路13は上部スパイラル4および下部スパイラル5間に置かれた冷凍食材7に対し、減衰器82を調整して送電アンプ81から出力されるRF信号電力を通常の解凍に必要な電力よりも低い電力で送電を開始する。
First, in processing step S1, the
次に処理ステップS2において、制御回路13は下部スパイラル5の切り替えスイッチSW1~SW3をすべてオフ状態としてスパイラルの長さを最も長くするとともに、可変整合回路11Aの可変容量コンデンサC13の容量値を最も大きい状態とする。このとき電圧検波回路16Aは可変整合回路入力端子1021の電圧振幅に対応した検波電圧を測定し、さらに、処理ステップS3において下部スパイラル5の切り替えスイッチSWを1ステップ小さい値に設定した状態での検波電圧を測定する。
Next, in processing step S2, the
制御回路13は処理ステップS4、S5において、下部スパイラルの長さが最も短くなっている場合は、可変容量C13を1ステップ小さい値に設定し、処理ステップS6において、前後の検波電圧結果を比較し、検波電圧が下がっている場合は、処理ステップS3に戻り、下部スパイラル5の長さを1段短くし、その時の検波電圧を測定する。もし、処理ステップS6において、検波電圧が上昇した場合は処理ステップS7において、前段の処理が下部スパイラル5の長さを一段短くしたのであれば、スパイラルの長さを1段長くし、可変容量C13の容量値を1ステップ小さい値にしたのであれば、1ステップ大きい値に戻し通常の送電を開始する。
In processing steps S4 and S5, if the length of the lower spiral is the shortest, the
そして処理ステップS8において、温度センサ17の温度が解凍完了の温度設定値に達したか判定し、設定温度に達していない場合は処理ステップS11、処理ステップS9、処理ステップS8のループにより検波電圧が高くなるまで連続して加熱を続け、検波電圧化が高くなった場合は処理ステップS12において電極のインピーダンスの虚部が容量性から誘導性となったため、送電電力を下げて、処理ステップS3のステップに戻り、虚部を打ち消す状態まで下部スパイラル5の長さを短くもしくは可変容量C13の容量値を下げて高い電力で送電を開始する。処理ステップS10では、これらを設定温度に達するまで繰り返し、設定値に達した場合は送電をストップし、解凍が終了したことを報知して終了する。
Then, in processing step S8, it is determined whether the temperature of the
このように可変整合回路入力の電圧振幅を測定することで整合状態の検知ができることで比較的簡単な制御で冷凍食材の解凍が可能となる。 By measuring the voltage amplitude of the input of the variable matching circuit in this manner, the matching state can be detected, making it possible to thaw frozen foods with relatively simple control.
以上の構成とすることで、実施例4に係る高周波解凍装置では図8で示した高周波解凍装置の実施例3と同様の効果が得られる上に、電流源変換回路85Aにより制御の簡略化と、電圧検波回路を用いることで反射電力検知回路を簡略化することができる。 With the above configuration, the high-frequency decompressing device according to the fourth embodiment can obtain the same effects as the high-frequency decompressing device according to the third embodiment shown in FIG. By using a voltage detection circuit, the reflected power detection circuit can be simplified.
図14は本発明の実施例5に係る高周波解凍装置の構成例を示す概略側面図であり、図8を参照して本発明の実施例5の構成を説明する。 FIG. 14 is a schematic side view showing a configuration example of a high-frequency decompression device according to a fifth embodiment of the present invention, and the configuration of the fifth embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 8.
図8は、高周波解凍装置の主として電気回路構成を示しているが、図14は図8の電気回路を収納する筐体内の構造を示した側面図である。なお、図8で示した実施例3に係る高周波誘電加熱装置と重複する部分には同じ符号を付し説明を省略する。 FIG. 8 mainly shows the electric circuit configuration of the high-frequency defrosting device, and FIG. 14 is a side view showing the structure inside the casing that houses the electric circuit of FIG. 8. Note that the same reference numerals are given to the same parts as those of the high-frequency dielectric heating device according to the third embodiment shown in FIG. 8, and the explanation thereof will be omitted.
図14において、筐体2内には、反射電力検知回路16、送電アンプ81、蓋142、GNDシールド板143、実装基板144、放熱板145、放熱フィン146、引き出し口147、ケーブル148、149、絶縁体板141、ファン1411などが図示の位置に配置され、構成されている。
In FIG. 14, inside the
図において、送電アンプ81を構成する分配回路815、増幅素子816および合成回路817は、実装基板144上に実装され、実装基板144の裏面には放熱板145が取り付けられ、さらに放熱板145には放熱フィン146およびファン1411が放熱板145に実装されている。
In the figure, a
また、これら送電アンプ81および放熱板145は、高周波解凍機の筐体2の背面奥に立て掛けるように搭載することで、背面から放熱し易くするとともに、GNDシールド板143の引き出し口147を介して上下平板電極3、4にケーブル148、149を用いて短い距離で接続できることから、ケーブルの損失を小さくすることができる。
In addition, by mounting the
また、下部スパイラル6の上部には電極と冷凍食材7との距離を確保するための絶縁板141が敷かれており、下部電極の中心部付近には温度センサ17が設置されるとともに、送電アンプ81の下部には電源回路14が搭載されている。
In addition, an insulating
図15は、図14の本発明の実施例5に係る高周波解凍装置の背面側の構造例を示す背面図である。図において、図14で示した実施例5に係る高周波解凍装置と重複する部分には同じ符号を付し説明を省略する。 FIG. 15 is a rear view showing an example of the structure on the back side of the high frequency defrosting device according to the fifth embodiment of the present invention shown in FIG. In the figure, parts that overlap with those of the high-frequency decompression device according to the fifth embodiment shown in FIG. 14 are given the same reference numerals, and their explanation will be omitted.
図15において151は電源コンセントであり、筐体2の背面側は、放熱板145、放熱フィン146およびファン1411の搭載部分が切り欠かかれており、送電アンプの放熱性の向上を図っている。また、送電アンプ81の下部には電源回路14を配置するとともに、操作パネル側(向かって左側)に制御回路13を配置し、その反対側のGNDシールド板143よりも奥側に可変整合回路11を配置し、可変整合回路出力端子1022からケーブルにより引き出し口を介して上部平板電極3に接続する構成となっている。
In FIG. 15,
図16は、図14の本発明の実施例5に係る高周波解凍装置の表面及び庫内の構造例を示す概略斜視図である。図において、図8で示した実施例3に係る高周波解凍装置と重複する部分には同じ符号を付し説明を省略する。 FIG. 16 is a schematic perspective view showing an example of the structure of the surface and interior of the high-frequency thawing device according to the fifth embodiment of the present invention shown in FIG. In the figure, the same reference numerals are given to the same parts as those of the high-frequency decompression apparatus according to the third embodiment shown in FIG. 8, and the explanation thereof will be omitted.
図16によれば、表面及び庫内には棚受け1601、1602、表示パネル1603、押しボタン1604、1605、調整つまみ1606が図示の位置に配置されている。さらに、上下平板電極3、4間に印加される電圧による他回路への影響や外部への放射電磁界を低減するため設けられたGNDシールド板143には、電極と接続するケーブル148、149を引き出すための引き出し口147が空けられ、GNDシールド板143の両サイドには樹脂製の絶縁された棚受け1601、1602(向かって右側の棚受けは図示せず)が取り付けられている。
According to FIG. 16, shelf supports 1601 and 1602, a
この棚受けは、上下平板電極3、6および絶縁板141(図14参照)を支える構造となっており、棚受けの位置を変えることで高さの変更が可能となっている。また、正面の表示パネル1603には現在の解凍状況や温度設定値などを表示することが可能となっており、さらに、加熱の開始や停止を操作するためのボタン1604、1605や解凍完了の温度等を設定する調整つまみ1606を設けるとともに、これら操作パネルの奥には制御回路13が搭載されている。
This shelf support has a structure that supports the upper and lower
以上の構成とすることで、送電アンプの高出力化に伴い増加する発熱に対し、放熱性が優れ、かつ、送電アンプから上下電極間のケーブルの長さを短くすることで伝送損失が低減できるとともに、電極の高さが変えられる構造とすることで、高さの異なる冷凍食材に対しても解凍で可能な高周波解凍装置を得ることができる。 With the above configuration, heat dissipation is excellent against the heat generation that increases with the increase in output power of the power transmission amplifier, and transmission loss can be reduced by shortening the length of the cable between the power transmission amplifier and the upper and lower electrodes. In addition, by adopting a structure in which the height of the electrode can be changed, it is possible to obtain a high-frequency thawing device that can thaw frozen foodstuffs of different heights.
以上、実施例1から実施例5を通じて、加熱ムラの低減、高出力化と小型化、低コスト化の工夫を述べてきたが、これらのうちの主な工夫点を整理、列挙するならば、以下のようである。 Above, through Examples 1 to 5, we have described measures to reduce heating unevenness, increase output and size, and reduce costs.If we were to organize and enumerate the main points of these measures, we would like to summarize them as follows: It is as follows.
第1点は、平行平板上にλ/4の長さのスパイラルを形成し、外周端を平板に接続することで中心部に電界が集中するため、端部加熱ムラが低減できる。さらに、平板電極に発生する電圧が低減されるため、平板電極と筐体間の結合による損失が低減できるため、加熱効率が向上する。 The first point is that by forming a spiral with a length of λ/4 on a parallel flat plate and connecting the outer peripheral end to the flat plate, the electric field is concentrated in the center, so that uneven heating at the end can be reduced. Furthermore, since the voltage generated at the flat electrode is reduced, loss due to coupling between the flat electrode and the casing can be reduced, and heating efficiency is improved.
第2点は、GND接地側のスパイラルの外周端にスイッチ回路によりスパイラルの長さを切り替えることで整合を図る構成とした。これにより、低耐圧MOS FETを使用することができるため、低コスト、整合回路の小型化が図れる。 The second point is a configuration in which matching is achieved by switching the length of the spiral using a switch circuit at the outer peripheral end of the spiral on the GND grounding side. This allows the use of low-voltage MOS FETs, resulting in lower costs and miniaturization of the matching circuit.
第3点は送電アンプに関し、その出力に高調波を抑圧するローパスフィルタ(LPF)を兼ねた定電流源変換回路を付加する構成とした。これにより、解凍時に冷凍食材の等価直列抵抗が解凍温度とともに減少する傾向に対し、解凍開始時に発熱量が大きく、次第に発熱量が小さくなる送電アンプ出力特性とすることができるため、解凍状態を検知して出力を制御する検知制御の簡略化を図った。 The third point relates to the power transmission amplifier, which has a configuration in which a constant current source conversion circuit that also serves as a low-pass filter (LPF) for suppressing harmonics is added to the output of the power transmission amplifier. As a result, while the equivalent series resistance of frozen food tends to decrease with the thawing temperature during thawing, the power transmission amplifier output characteristic can be set such that the amount of heat generated is large at the start of thawing and gradually decreases, so the thawing state can be detected. The detection control that controls the output has been simplified.
第4点は、可変整合回路に関する。解凍時に変化する電極間のインピーダンス整合を図る可変整合回路に、従来、電極インピーダンスの実部と虚部の整合には2つの可変素子を用いる必要があったが、可変整合回路を電極と直列に接続し、電極の虚部のみを打ち消す構成として可変整合素子を1素子にすることで小型化と低コスト化を図った。なお、1素子可変とすることで電極間の冷凍食材の比較的低い値の等価抵抗が直接見える構成となるが、送電アンプは複数の増幅素子出力が合成されて出力インピーダンスが下がるため、電極間の低い等価直列抵抗を直接する駆動するのに適した構成とすることができる。 The fourth point relates to the variable matching circuit. Conventionally, it was necessary to use two variable elements to match the real and imaginary parts of the electrode impedance in the variable matching circuit that matches the impedance between the electrodes, which changes during thawing. By connecting the variable matching element to one element and canceling out only the imaginary part of the electrode, we achieved miniaturization and cost reduction. By making one element variable, it becomes possible to directly see the relatively low equivalent resistance of the frozen food between the electrodes. The structure can be suitable for directly driving a low equivalent series resistance.
第5点は、反射電力の測定に関する。従来、整合状態を検知するため、送電アンプと可変整合回路(入力側)間に反射電極検知回路により入射電力量と反射電力量を検知してこれらの電圧振幅比から求められるVSWRを求め、整合状態を判定する閾値としていたが、上述の電極間インピーダンスの虚部のみを打ち消す構成では、実部となる冷凍食材の直列等価抵抗は解凍状態により変化するため、基準抵抗値と比較して測定する方向性結合器によるVSWR測定では、整合状態を把握することができない。これに対し、上述の虚部のみを打ち消す構成とした場合、可変整合回路の入力端の電圧振幅は、電極インピーダンスの虚部が打ち消されたときに最も低くなることから、可変整合回路の入力端の電圧振幅を検波する検波回路を付加することで整合状態の検知を可能とするとともに、従来必要だった方向性結合器が不要になることで回路の簡略化、低コスト化を図った。 The fifth point concerns measurement of reflected power. Conventionally, in order to detect the matching state, a reflective electrode detection circuit is used between the power transmission amplifier and the variable matching circuit (input side) to detect the amount of incident power and the amount of reflected power, and the VSWR determined from the voltage amplitude ratio of these is determined. This was used as a threshold value for determining the state, but in a configuration that cancels only the imaginary part of the interelectrode impedance mentioned above, the series equivalent resistance of the frozen food, which is the real part, changes depending on the thawing state, so it is measured by comparing it with the reference resistance value. The matching state cannot be determined by measuring VSWR using a directional coupler. On the other hand, if the configuration is such that only the imaginary part mentioned above is canceled, the voltage amplitude at the input end of the variable matching circuit becomes the lowest when the imaginary part of the electrode impedance is canceled. By adding a detection circuit that detects the voltage amplitude of , it is possible to detect the matching state, and the directional coupler that was previously required is no longer necessary, simplifying the circuit and reducing costs.
1:高周波電源
2:筐体
3:上部平板電極
4:上部スパイラル
5、5A、5B:下部スパイラル
6:下部平板電極
7、7a、7b:冷凍食材
10:高周波解凍装置
11、11A:整合回路(可変整合回路)
13:制御回路
14:電源回路
16:反射電力検知回路
17:温度センサ
72、73:ドレイン端子
74:制御端子
75、76:MOS FET
80:RF信号源
81:送電アンプ
82:減衰器
85:ローパスフィルタ
85A:電流源変換回路
142:蓋
143:GNDシールド板
144:実装基板
145:放熱板
146:フィン
147:引き出し口
148、149:ケーブル
141:絶縁板
811:RF信号入力端子
812:電源端子
813、814:RF信号出力端子
815:分配回路
816:増幅素子
817:合成回路
821、1011、1021、1031:入力端子
822、1012、1022:出力端子
16A、1030:電圧検波回路
R10、R11:抵抗
D1:検波ダイオード
1411:ファン
151:コンセント
1601、1602:棚受け
1603:表示パネル
1604、1605:押しボタン
1606:調整つまみ
C1、C2、C3、C4、C5:静電容量
C6:等価直列容量
C12、C13:可変容量
C21、C22、C23:コンデンサ
L1、L2、L21:インダクタ
R6:等価直列抵抗
R7、R8:ゲート保護抵抗
SW1~SW5:スイッチ回路
1: High frequency power supply 2: Housing 3: Upper plate electrode 4:
13: Control circuit 14: Power supply circuit 16: Reflected power detection circuit 17:
80: RF signal source 81: Power transmission amplifier 82: Attenuator 85:
Claims (12)
前記上部電極の下面および前記下部電極の上面のいずれか一方、または双方にスパイラル状の電極を設け、前記スパイラル状の電極はその外周端側が前記平行平板の電極に接続され、その内周端側がオープン端とされていることを特徴とする誘電加熱用電極。 A dielectric heating electrode that dielectrically heats an object to be heated by an electric field generated between an upper electrode and a lower electrode by applying a high frequency voltage between an upper electrode and a lower electrode of a parallel plate,
A spiral electrode is provided on one or both of the lower surface of the upper electrode and the upper surface of the lower electrode, and the outer peripheral end of the spiral electrode is connected to the parallel plate electrode, and the inner peripheral end thereof is connected to the parallel plate electrode. A dielectric heating electrode characterized by having an open end.
前記スパイラル状の電極の長さは、前記高周波電圧の波長λの1/4の長さもしくはλ/4の整数倍の長さ付近であることを特徴とする誘電加熱用電極。 The dielectric heating electrode according to claim 1,
The dielectric heating electrode is characterized in that the length of the spiral electrode is approximately 1/4 of the wavelength λ of the high-frequency voltage or an integral multiple of λ/4.
前記上部電極および下部電極に設けた前記スパイラル状の電極は、巻き方向が逆で互いのスパイラル電極から発生する磁束が同じ方向の場合は、相互結合分だけ等価的にスパイラルの長さをλ/4の整数倍より短くしたことを特徴とする誘電加熱用電極。 The dielectric heating electrode according to claim 1 or 2,
When the spiral electrodes provided on the upper electrode and the lower electrode are wound in opposite directions and the magnetic fluxes generated from both spiral electrodes are in the same direction, the length of the spiral is equivalently λ/ by the amount of mutual coupling. A dielectric heating electrode characterized by being shorter than an integral multiple of 4.
前記上部電極および下部電極に設けた前記スパイラル状の電極は、巻き方向が同じで互いのスパイラル電極から発生する磁束が逆方向の場合は、相互結合分だけ等価的にスパイラルの長さをλ/4の整数倍より長くしたことを特徴とする誘電加熱用電極。 The dielectric heating electrode according to claim 1 or 2,
When the spiral electrodes provided on the upper electrode and the lower electrode have the same winding direction and the magnetic fluxes generated from the spiral electrodes are in opposite directions, the length of the spiral is equivalently λ/ by the amount of mutual coupling. A dielectric heating electrode characterized in that the length is longer than an integral multiple of 4.
前記スパイラル状の電極の外周端側の複数個所で複数のスイッチ回路を介して前記平行平板の電極に接続可能とすることで、段階的に前記スパイラル状の電極の長さを調整することを特徴とする誘電加熱用電極。 The dielectric heating electrode according to claim 1,
The length of the spiral electrode is adjusted in stages by connecting the spiral electrode to the parallel plate electrode via a plurality of switch circuits at a plurality of locations on the outer peripheral end side of the spiral electrode. dielectric heating electrode.
前記スイッチ回路は、リレーもしくはMOS FETを用いたことを特徴とする誘電加熱用電極。 The dielectric heating electrode according to claim 5,
The dielectric heating electrode is characterized in that the switch circuit uses a relay or a MOS FET.
前記上部電極の下面および前記下部電極の上面のいずれか一方、または双方にスパイラル状の電極を設け、前記スパイラル状の電極はその外周端側が前記平行平板の電極に接続され、その内周端側がオープン端とされていることを特徴とする高周波誘電加熱装置。 The object to be heated is dielectrically heated by the electric field generated between the upper and lower electrodes by applying a high-frequency voltage from a high-frequency power supply between the upper and lower electrodes of a parallel plate through a matching circuit that variably adjusts the impedance. A high frequency dielectric heating device, comprising:
A spiral electrode is provided on one or both of the lower surface of the upper electrode and the upper surface of the lower electrode, and the outer peripheral end of the spiral electrode is connected to the parallel plate electrode, and the inner peripheral end thereof is connected to the parallel plate electrode. A high frequency dielectric heating device characterized by having an open end.
前記スパイラル状の電極の外周端側の複数個所で複数のスイッチ回路を介して前記平行平板の電極に接続可能とすることで、段階的に前記スパイラル状の電極の長さを調整することを特徴とする高周波誘電加熱装置。 The high frequency dielectric heating device according to claim 7,
The length of the spiral electrode is adjusted in stages by connecting the spiral electrode to the parallel plate electrode via a plurality of switch circuits at a plurality of locations on the outer peripheral end side of the spiral electrode. High frequency dielectric heating device.
前記高周波電源からの高周波電圧または高周波電力を検知し、被加熱物の温度に応じて前記整合回路のインピーダンスおよび前記複数のスイッチ回路のいずれか一方または双方を制御する制御回路を備えることを特徴とする高周波誘電加熱装置。 The high frequency dielectric heating device according to claim 8,
It is characterized by comprising a control circuit that detects a high frequency voltage or high frequency power from the high frequency power supply and controls the impedance of the matching circuit and one or both of the plurality of switch circuits according to the temperature of the heated object. High frequency dielectric heating device.
前記高周波電源は、電流源であることを特徴とする高周波誘電加熱装置。 The high frequency dielectric heating device according to any one of claims 7 to 9,
A high frequency dielectric heating device, wherein the high frequency power source is a current source.
前記上部電極の下面および前記下部電極の上面のいずれか一方、または双方にスパイラル状の電極を設け、前記スパイラル状の電極はその外周端側が前記平行平板の電極に接続され、その内周端側がオープン端とされているとともに、
前記スパイラル状の電極の外周端側の複数個所で複数のスイッチ回路を介して前記平行平板の電極に接続可能とされており、
前記高周波電源からの高周波電圧または高周波電力を検知し、被加熱物の温度に応じて前記整合回路のインピーダンスおよび前記複数のスイッチ回路のいずれか一方または双方を制御することを特徴とする高周波誘電加熱方法。 The object to be heated is dielectrically heated by the electric field generated between the upper and lower electrodes by applying a high-frequency voltage from a high-frequency power supply between the upper and lower electrodes of a parallel plate through a matching circuit that variably adjusts the impedance. A high frequency dielectric heating method comprising:
A spiral electrode is provided on one or both of the lower surface of the upper electrode and the upper surface of the lower electrode, and the outer peripheral end of the spiral electrode is connected to the parallel plate electrode, and the inner peripheral end thereof is connected to the parallel plate electrode. It is said to have an open end, and
The spiral electrode can be connected to the parallel plate electrode via a plurality of switch circuits at a plurality of locations on the outer peripheral end side,
High-frequency dielectric heating characterized in that a high-frequency voltage or high-frequency power from the high-frequency power supply is detected, and the impedance of the matching circuit and one or both of the plurality of switch circuits are controlled according to the temperature of the object to be heated. Method.
前記前記複数のスイッチ回路を調整後に、前記整合回路のインピーダンスを調整することを特徴とする高周波誘電加熱方法。 The high frequency dielectric heating method according to claim 11,
A high frequency dielectric heating method, comprising adjusting the impedance of the matching circuit after adjusting the plurality of switch circuits.
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