JP5292611B2 - 加熱電極及びそれを用いた被加熱材の加熱方法 - Google Patents

Description

本発明は、加熱電極及びそれを用いた被加熱材の加熱方法、特に、不定形な被加熱材を均一に加熱することができ、且つ加熱電極による被加熱材の加熱・保持搬送を安定して行うことができる加熱電極及びそれを用いた被加熱材の加熱方法に関する。

被加熱材、例えば食材を電気的に加熱する方法としては、通電加熱方法、誘電加熱法、誘導加熱法が広く知られている。その中で通電加熱法と誘電加熱法は、被加熱物自身（食材）の発熱により加熱が成される点で、誘電電流（うず電流）により金属容器内部に発生したジュール熱を利用して加熱が成される誘導加熱法とは大きく異なっている。通電加熱法の場合は、食材に直に電流を流すため、上下電極は食材に接する必要がある。その際、食材の厚みが一様でない場合は、食材の表面に電極が当接しない部位と当接する部位が生じるため、その非当接部位は十分に加熱されない不均一な加熱となる一方、その当接部位は過度に加熱される過加熱となる虞がある。誘電加熱法の場合は、食材に直に電流を流さないが、食材の厚みが一様でない場合は、電極に近接する部位と非近接部位との間で、電界強度や誘電率が著しく異なることとなり、やはり通電加熱法と同様な問題を招来する。そこで、そのような厚みが一様でない不定形の食材を均一に加熱するために、電解液を食材の表面に噴霧して電解液の薄膜を形成し、上部電極として材質が良導電性かつ柔軟な部材、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成り且つその形状がフレームから垂下したすだれ状に形成されたフレキシブル電極を採用し、並びにその上部電極を上下に昇降可能とし、その上部電極の高さを調節することによって食材の厚肉部と薄肉部を均一な加熱状態にすることができる通電加熱装置が知られている（例えば、特許文献１を参照。）。また、同様な通電加熱装置として、上部通電部（上部電極）が電解液を供給する供給槽とこの供給槽から垂下するフレキシブルなすだれ状の導電性ブラシから成り、電解液がそのブラシを伝わって食品に滴下又は流下するように構成されている食品の通電加工装置が知られている（例えば、特許文献２を参照。）。また、固形食材を包装材で密着包装し包装体を形成し、その包装体を流動体と共に圧力可変容器の内部に配置し、その容器に高周波電界を印加することで、包装体を誘電加熱する殺菌済固形食材の製造方法が知られている（例えば、特許文献３を参照。）。

特開２００３−４７４１３号公報 特許第３３５２３８８号 特許第３６０４１０９号

上記通電加熱装置の場合、不定形食材の均一加熱を実現するために、その食材を搬送してすだれ状の上部電極を通過させる「通常の通電加熱処理」の前に、食材の厚肉部にのみにその上部電極を当接し、この状態を数十秒間保持した後、さらに上部電極を厚肉部と薄肉部の双方に当接し、この状態を数十秒間保持し加熱する特別な「前処理」を実施する必要がある。
しかし、上部電極はすだれ状のフレキシブル電極であり、電極による保持搬送ができないため、その「前処理」を実施している間は、コンベアによる食材の搬送は一時的に停止させる必要があると考えられる。また、一般に電解液を塗布あるいは滴下させて不定形の食材の表面に電解液の一様な薄膜を形成することは、ほとんど不可能であり、従って、その電解液の薄膜を介しての通電による加熱では不定形の食材に対する安定した均一加熱は難しいという問題がある。
また、上記包装体を流動体と一緒に容器に封入しその容器に高周波電界を印加して加熱する殺菌済固形食材の製造方法の場合、極板間隔は容器の場所に依らず一定であるが、容器内部の流動体の厚みは容器の場所によって異なる。従って、容器の場所によっては誘電率が異なり、加熱ムラが生じる虞があり、同じく安定した均一加熱が難しいという問題がある。
そこで、本発明は、かかる従来技術の問題点に鑑みなされたものであって、その目的は、不定形な被加熱材を均一に加熱することができ、且つ加熱電極による被加熱材の加熱・保持搬送を安定して行うことができる加熱電極及びそれを用いた被加熱材の加熱方法を提供することにある。

前記目的を達成するために請求項１に記載の加熱電極は、対向して配置され被加熱材を電気的に加熱する加熱電極であって、該加熱電極の少なくとも一方の電極は複数の導電性ピンから成るピン電極の集合体であると共に該ピン電極は軸方向に伸縮可能であり、
前記ピン電極を軸方向に摺動可能に支持するピン支持手段と、前記ピン電極を該ピン支持手段に対し軸方向に相対変位させるピン変位手段とを備え、
前記ピン支持手段は、前記ピン電極が摺動可能な複数の貫通穴を具備した導電性基盤から成り、
前記ピン変位手段は、前記導電性基盤に結合した圧力可変ガスチャンバから成り、該ガスチャンバの内圧を変えることにより前記貫通穴に圧力勾配を形成し、前記ピン電極を軸方向に相対変位させることを特徴とするものである。

上記加熱電極では、少なくとも一方の加熱電極が複数の導電性ピンから成るピン電極の集合体であり、しかも各ピン電極は軸方向に伸縮可能であるため、各ピン電極が被加熱材の形状に追従し、結果として各ピン電極が被加熱材の表面に満遍なく当接して電気的作用を及ぼすことが可能となる。これにより、被加熱材の形状に依存しない安定した均一加熱が可能となる。更に、ピン電極の被加熱材に当接する押圧が制御可能の場合は、押圧を適度に設定することにより加熱電極により被加熱材を保持することが可能となる。従って、例えばコンベアによる被加熱材の搬送を停止させることなく、加熱電極により被加熱材を加熱・保持した状態での被加熱材の位置決め搬送が可能となる。
また、導電性ピンはピン支持手段に摺動可能であるため、外部から電気または熱の供給を受けながら被加熱材の形状に追従することができるようになる。また、ピン変位手段によりピン電極はピン支持手段に対し軸方向に相対変位にするため、例えばピン電極に伸縮機構を与えずにピン電極の機構を簡素化することができる。
また、導電性基盤にピン電極が摺動可能な貫通穴を設けることにより、相対変位するピン電極に電気または熱を確実に通電または伝熱することができる。また、ピン電極に対する電気および熱的接点が極めてシンプルな構造なため、加熱電極としての信頼性が向上する。
さらに、上記加熱電極では、貫通穴の一の開口端部は被加熱材に開口する一方、他の開口端部は上記ガスチャンバに開口する。従って、貫通穴の被加熱材側開口端部の圧力（出口圧）は不変であるため、上記ガスチャンバの内圧を変えることにより、貫通穴に圧力勾配が形成されるようになる。そして、貫通穴の入口圧＞出口圧の場合は、導電性ピンを導電性基盤から押し出すようにガスが作用し、他方、貫通穴の入口圧＜出口圧の場合は、導電性ピンを導電性基盤へ引っ込めるようにガスが作用することになる。特に、前者の場合は、導電性ピンの被加熱材に対する押圧は、その圧力勾配に比例するため、圧力勾配を大きく確保することにより電極で被加熱材を加熱・保持しながらの被加熱材の位置決め搬送が可能となる。

請求項２に記載の加熱電極では、電気または熱は前記導電性基盤に印加された後に前記貫通穴の内壁を介して前記ピン電極に電通または伝熱されることとした。
上記加熱電極では、導電性ピンは貫通穴を摺動するように配設されているため、導電性基盤に電気または熱を印加することにより、導電性ピンに電気または熱を好適に通電または伝熱することができるようになる。

請求項３に記載の加熱電極では、前記導電性基盤の内部に前記貫通穴間を縦貫する温調水の流路が形成されていることとした。
上記加熱電極では、例えば被加熱材の加熱温度を下げたい場合に温調水として冷却水を流すことにより、貫通穴の内壁を介して被加熱材から熱を奪い被加熱材の過加熱を防止する一方、被加熱材の加熱温度を上げたい場合に温調水として熱水を流すことにより、貫通穴の内壁を介して被加熱材に熱を供給し被加熱材の温度を所望の温度に調整する。つまり、上記温調水の流路を貫通穴の間を縦貫させ温調水を流すことにより、被加熱材に対する過加熱や加熱不良を防止するだけでなく、高周波電源の周波数や出力調整では温度調整が難しい被加熱材に対する加熱温度の微調整が可能となる。

請求項４に記載の加熱電極では、対向する他方の電極が前記被加熱材の外面形状の一部を型取った凹み形状を有する電極であることとした。
上記加熱電極では、例えば、被加熱材がカップやトレーなどのようなリジットな容器を含む場合に、対向する電極の内面形状をその容器の外面形状（底部形状）に嵌合する形状とすることにより、効率よく加熱することが可能となり、さらには、加熱時の内容物による容器の膨張を抑制することが可能となる。

請求項５に記載の加熱電極を用いた被加熱材の加熱方法では、請求項１から４の何れかに記載の加熱電極により被加熱材を加熱・保持し又は該加熱電極に対し相対移動させながら該被加熱材を加熱することを特徴とする。
上記加熱方法では、上記加熱電極を用いることにより、各ピン電極が軸方向に相対変位して被加熱材の形状に追従することができ、更にピン電極の被加熱材に対する押圧を制御することができるため、被加熱材が複数のピン電極により保持された位置決め状態を作り、その状態で加熱・保持搬送する、いわゆる電極による被加熱材の位置決め搬送が可能となる。また、被加熱材をピン電極に当接させながら相対移動させて加熱する加熱搬送も可能となる。更に、ピン電極が摺動可能に配設された導電性基盤は温度制御機能を備えるため、高周波電源の周波数や出力調整では温度調整が難しい被加熱材に対する加熱温度の微調整が可能となる。従って、上記加熱電極を用いることにより、被加熱材に対する安定した均一加熱が可能となる。

請求項６に記載の加熱電極を用いた被加熱材の加熱方法では、前記被加熱材の加熱又は保持を、包材を介した状態でおこなうことを特徴とすることとした。
上記加熱方法では、包材を介した状態で被加熱材を加熱・保持搬送することができるため、ピン電極と被加熱材が直接当接することがなく衛生的な加熱・保持搬送が可能となる。

本発明の加熱電極及びそれを用いた加熱方法によれば、加熱電極の少なくとも一方の電極は複数の導電性ピンから成るピン電極の集合体であり、各ピン電極が導電性基盤の貫通穴に摺動可能に配設され、更にその導電性基盤は圧力可変ガスチャンバに結合されている。これにより、圧力可変ガスチャンバの内圧に応じて各ピン電極はその導電性基盤に対し相対変位することが可能となる。その結果、各ピン電極が被加熱材の形状に追従し被加熱材に当接し満遍なく電気的作用を及ぼすことが可能となる。それに加えて、ピン電極が被加熱材に当接した状態で圧力可変ガスチャンバの内圧を適度に設定することにより、ピン電極の被加熱材に対する押圧を調整することが可能となる。従って、圧力可変ガスチャンバの内圧を適度に調整することにより加熱電極により被加熱材を加熱・保持搬送することが可能となる。また、導電性基盤の貫通穴間に温調水用流路が縦貫して配設されているため、導電性ピンを介して被加熱材への熱の供給または冷却が可能となる。これにより、厚みが一様でない不定形な被加熱材に対する安定した均一加熱が可能となる。

本発明の加熱電極に係る加熱ピン電極を示す要部断面説明図である。 本発明の加熱電極に係る加熱ピン電極による食材の加熱例を示す説明図である。 実施例１に係るピン支持台を示す要部断面説明図である。 実施例２に係るピン電極を示す説明図である。 実施例３に係る加熱ピン電極を用いた加熱方法を示す説明図である。 実施例４に係る加熱ピン電極および加熱電極を用いた加熱方法を示す説明図である。

符号の説明

１０ ピン電極
１１ ピンヘッド
１２ ロッド
１３ ピンキャップ
１４ バネ
２０ ピン支持台
２１ 貫通穴
３０ 圧力可変ガスチャンバ
３１ インナースペース
３２ チャンネル
３３ ガスポート
３４ 圧縮機
３５ 真空ポンプ
３６ 三方弁
１００ 加熱ピン電極

以下、図に示す実施の形態により本発明をさらに詳細に説明する。

図１は、本発明の加熱電極に係る加熱ピン電極１００を示す要部断面説明図である。なお、加熱される被加熱材としては食材を用いた。
この加熱ピン電極１００は、食材に当接し電気的または熱的作用を及ぼす複数のピン電極１０と、各ピン電極１０を摺動可能に支持すると共にピン電極１０に対する電源または熱源となる導電性基盤としてのピン支持台２０と、ピン電極１０をピン支持台２０に対し相対変位させる圧力可変ガスチャンバ３０とを具備して構成される。

ピン電極１０は、食材に直に当接するピンヘッド１１と、ピンヘッド１１に結合しピン支持台２０との電気的または熱的接点となりピン電極１０のピン支持台２０に対する移動量（ストローク）を規定するロッド１２と、ピンヘッド１１の端位置を規定すると共にストッパーとして機能するピンキャップ１３とから成る。

ピンヘッド１１は、例えば半球部と円筒部が組み合わされた形状を成し、ロッド１２は例えば細長円筒形状を成し一方の端部をピンヘッド１１と反対側の端部をピンキャップ１３とネジ結合している。また、ロッド１２は、後述の貫通穴２１に挿通されピン支持台２０との電気的または熱的接点となる。

なお、ピンヘッド１１とロッド１２の結合については、食材の形状に応じてピンヘッドの交換をすることが可能なネジ結合が好ましいが、切削や溶接など一体に形成してあっても良い。または、ロッド１２とピンキャップ１３を切削、溶接、加締めなどにより一体に形成してピンヘッド１１とロッド１２をネジ結合としても良い。

また、ピンヘッド１１、ロッド１２およびピンキャップ１３の材質としては、アルミ、銅、カーボン、チタン、白金等の導電材である。

ピン支持台２０には、ピン電極１０が摺動しながら相対変位する貫通穴２１がピン電極１０ごとに別個独立に設けられている。この貫通穴２１の内径は、ピン電極１０のロッド１２の外径より僅かに大きい程度である。これにより、各ピン電極１０はピン支持台２０と通電または伝熱しながらピン支持台２０に対し軸方向に別個独立に相対変位し、食材の形状に好適に追従することが可能となる。

ところで、ピン電極１０の駆動は、後述するように、圧力可変ガスチャンバ３０の内圧を変えることにより行われる。従って、ロッド１２と貫通穴２１とのクリアランスはピン電極１０の駆動に影響を与えるとも考えられるが、上述した通りこのクリアランスは極僅かであるため、圧力可変ガスチャンバ３０からこのクリアランスを通じてのガスリーク量は極微量であるため、その結果圧力可変ガスチャンバ３０の圧力変動は極僅かとなり、結果としてこのクリアランスはピン電極１０の駆動にほとんど影響を与えない。なお、ピン電極１０の駆動は、圧力可変ガスチャンバ以外に、バネやゴムなどの弾性工具を用いることでも容易に実現できる。

また、ピン支持台２０はピン電極１０に対する電源または熱源となるため、その材質としては、ピン電極１０と同等か若しくはそれ以上の導電率および熱伝導率を有する材質が好ましい。

また、ピン支持台２０の形状は平板の他、曲面を有する複合形でもあっても良い。

圧力可変ガスチャンバ３０は、ガスを貯めるインナースペース３１と、ガスの流路となるチャンネル３２と、外部の高圧ガス源（圧縮機）または（真空）ポンプと連結するガスポート３３とから成る。インナースペース３１の圧力調整は、チャンネル３２を介してガスを供給し又は排気することにより行われる。ここで、インナースペース３１の圧力P_inが外気P_outよりも高い場合は、貫通穴２１の入口と出口において圧力勾配が生じピン電極１０がインナースペース３１のガス圧により押し下げられ下方に相対変位することとなる。一方、インナースペース３１の圧力P_inが外気P_outよりも低い場合は、それとは逆向きの圧力勾配が生じピン電極１０が外気によって押し上げられ上方に相対変位することとなる。このように、インナースペース３１の圧力を調整することにより、ピン電極１０をピン支持台２０に対し相対変位させることが可能となる。また、ピン電極１０が食材に当接した状態でインナースペース３１の圧力を調整することにより、ピン電極１０が食材に当接する押圧を変えることが可能となる。従って、ピン電極１０が食材に当接した状態でインナースペース３１の圧力を調整することにより、複数のピン電極１０により食材を加熱・保持することが可能となる。従って、この加熱ピン電極１００に搬送手段を具備させることにより、電極による食材の加熱・保持搬送を安定して行うことが可能となる。

なお、使用されるガスについては、例えば清浄な空気および窒素等の不活性ガスである。

図２は、本発明の加熱電極に係る加熱ピン電極１００による食材の加熱例を示す説明図である。
この加熱例では、包材５０に包まれた食材５１が、上下（垂直方向）に対向して配置された加熱ピン電極１００,１００によって加熱・保持され、電極板間における位置が決められた状態で、誘電加熱されながら図示せぬ搬送手段によって搬送されている。

圧力可変ガスチャンバ３０の圧力調整は、例えば圧縮機３４と真空ポンプ３５を三方弁３６を介して圧力可変ガスチャンバ３０に結合させて加圧の場合は圧縮機３４側に三方弁をスイッチし減圧の場合は真空ポンプ３５側に三方弁をスイッチすることにより行われる。

また、高周波電源４０の周波数は、例えば、数ＫＨｚから数百ＭＨｚまたは３ＭＨｚから１００ＭＨｚである。

また、包材５０の材質は、例えばＰＥ（ポリエチレン）、ＰＰ（ポリプロピレン）、ＰＥＴ（ポリエチレンテレフタレート）等の樹脂、鉄やアルミ等の金属、紙、ガラス、その組み合わせからなる複合材等からなり、包装形態はフィルム、トレー、カップ状の容器など特に規定されるものではない。また、これら容器に塗料や蒸着処理など各種表面処理が施されてあっても良い。

なお、本加熱例では、２つの加熱ピン電極１００,１００を用いた誘電加熱例を示したが、これに限らず、加熱ピン電極１００と通常の平板電極との組み合わせによる誘電加熱であっても良い。また、電極の配置についても、垂直方向だけでなく水平方向であっても良い。さらに、包装形態がトレーやカップ形状等の容器の場合は、後述する実施例のように、他方の対向電極を容器の底部形状に合わせた電極としても良い。

図３は、実施例１に係るピン支持台２０を示す要部断面説明図である。
このピン支持台２０では、貫通穴２１,２１間に温度調整用水（以下、「温調水」という。）が流れる水路２２が縦貫している。従って、ピン電極１０が食材に当接している状態で温調水を流すことより、温調水とピン電極１０との間で熱交換が行われるのと同時に、ピン電極１０と食材との間でも熱交換が行われるため、結果として食材の表面が間接的に加熱または冷却される。従って、温度上昇が鈍い加熱不良の場合は温調水として熱水を流すことにより、逆に温度上昇が急峻で目標温度を超えそうな過加熱の場合は温調水として冷却水を流すことにより、食材に対する精度の良い温度制御が可能となる。このように、ピン支持台２０の内部に水路２２を形成し温調水を流すことにより、雰囲気全体を空調するより食材に対する効率的な温度制御が可能となる。また、高周波電源４０の周波数や出力調整では温度調整が難しい食材に対する加熱温度の微調整が可能となる。

図４は、実施例２に係るピン電極１０aを示す説明図である。
このピン電極１０aは、バネ１４を備えている。例えば、ピン電極１０を戻す場合に圧力可変ガスチャンバ３０の内圧を真空ポンプ３５により負圧にする必要があるが、バネ１４を備えることにより、加圧状態の圧力可変ガスチャンバ３０をブローオフさせるだけでピン電極はバネ１４の弾性力によって元の位置に戻るようになる。すなわち、バネ１４を備えることにより、ピン電極は自動復元機能を有し、その結果、真空ポンプ３５が不要となり、ピン電極の駆動機構が簡素化される。他方、圧力可変ガスチャンバ３０を加圧してピン電極を押し出す場合に、バネ１４の弾性力によってピン電極の初期動作が穏やかになる。このように、バネ１４を備えることにより、相対変位に係る駆動機構を簡素化すると共にピン電極の伸縮（相対変位）動作を安定させる。

図５は、実施例３に係る加熱ピン電極１００,１００を用いた加熱方法を示す説明図である。なお、説明の都合上、ピン電極１０およびピン支持台２０のみを描き、その他の構成部品については省略してある。
この加熱電極は、ピン電極１０の軸方向がコンベアＣの搬送面に平行かつ搬送方向に直交するように水平対向に配設されている。従って、食材５１はコンベアＣにより搬送されながらその加熱ピン電極間を通過することにより、ピン電極１０から誘電加熱を受けて加熱殺菌される。なお、コンベアＣを一定時間停止し、食材５１が集中的に誘電加熱を受けて加熱殺菌されるようにしても良い。

図６は、実施例４に係る加熱ピン電極２００および加熱電極３００を用いた加熱方法を示す説明図である。
この加熱方法は、被加熱材が非密閉状態でトレー又はカップ等の容器５３に充填された食材５１（食品）である場合の加熱方法を示している。電極の一方は、上方に配され食材５１の凹凸形状に好適に追従して食材５１を加熱する加熱ピン電極２００であり、他方は下方に配され容器５３の底部形状を型取った凹部形状３００aを有し食材５１を加熱する加熱電極３００である。但し、加熱ピン電極２００は、上記加熱ピン電極１００の構成に加えて、食品接触による汚染、食品加熱時に食品中から発生する蒸気、あるいは雰囲気環境による腐食からピンを好適に保護するカバー５２を備えている。また、カバー５２の材質としては、柔軟性がありピン動作を損なわなければ特に限定されることはなく、例えば、厚み０．３ｍｍ〜５ｍｍ程度のシリコンゴムやフッ素ゴム、厚み０．０５ｍｍ〜０．２ｍｍ程度のＰＰ、ＰＥ、ＰＥＴ等の熱可塑性樹脂フィルム、又はこれらの複合材であり、アルミ、銅、カーボン、チタン、白金等の導電性金属箔又は導電性箔であっても良い。また、加熱電極３００は、容器５３の底部形状を型取った凹形状に加工されたアルミ材に高耐食性表面処理としてテフロンコート、ダイクロンコート、無電解ニッケルメッキ等を施したものであり、他にも銅、カーボン、チタン、白金等の導電性材料であってもよい。

なお、上記実施例においては、被加熱材として食材を用いたが、本発明に係る被加熱材としては、食材だけに限定されず、加熱ピン電極１００が当接することが出来る全ての被加熱材が含まれる。

本発明の加熱電極及びそれを用いた被加熱材の加熱方法は、特に、不定形の被加熱材の加熱に好適に適用することが可能である。

Claims (6)

1. 対向して配置され被加熱材を電気的に加熱する加熱電極であって、該加熱電極の少なくとも一方の電極は複数の導電性ピンから成るピン電極の集合体であると共に該ピン電極は軸方向に伸縮可能であり、
   前記ピン電極を軸方向に摺動可能に支持するピン支持手段と、前記ピン電極を該ピン支持手段に対し軸方向に相対変位させるピン変位手段とを備え、
   前記ピン支持手段は、前記ピン電極が摺動可能な複数の貫通穴を具備した導電性基盤から成り、
   前記ピン変位手段は、前記導電性基盤に結合した圧力可変ガスチャンバから成り、該ガスチャンバの内圧を変えることにより前記貫通穴に圧力勾配を形成し、前記ピン電極を軸方向に相対変位させることを特徴とする加熱電極。
2. 電気または熱は前記導電性基盤に印加された後に前記貫通穴の内壁を介して前記ピン電極に電通または伝熱される請求項１に記載の加熱電極。
3. 前記導電性基盤の内部に前記貫通穴間を縦貫する温調水の流路が形成されている請求項１又は２に記載の加熱電極。
4. 対向する他方の電極が前記被加熱材の外面形状の一部を型取った凹み形状を有する電極である請求項１から３の何れかに記載の加熱電極。
5. 請求項１から４の何れかに記載の加熱電極により被加熱材を加熱・保持し又は該加熱電極に対し相対移動させながら該被加熱材を加熱することを特徴とする加熱電極を用いた被加熱材の加熱方法。
6. 前記被加熱材の加熱又は保持を、包材を介した状態でおこなうことを特徴とする請求項５に記載の加熱電極を用いた被加熱材の加熱方法。

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