JP6838290B2

JP6838290B2 - 高周波誘電加熱装置

Info

Publication number: JP6838290B2
Application number: JP2016111797A
Authority: JP
Inventors: 友樹丸山; 真司山田
Original assignee: Toyo Seikan Group Holdings Ltd
Current assignee: Toyo Seikan Group Holdings Ltd
Priority date: 2015-07-03
Filing date: 2016-06-03
Publication date: 2021-03-03
Anticipated expiration: 2036-06-03
Also published as: JP2017017003A

Description

本発明は、対向する電極の間に配置された被加熱物を高周波誘電加熱によって加熱する高周波誘電加熱装置に関し、特に、冷凍食材を高周波誘電加熱によって解凍する高周波誘電加熱装置に関する。

従来、高周波誘電加熱によって被加熱物を加熱する高周波誘電加熱装置として、対向する電極の間に配置された被加熱物を高周波誘電加熱によって加熱する高周波誘電加熱装置が知られている（例えば、特許文献１を参照）。高周波誘電加熱とは、被加熱物（誘電体）に高周波電圧を印加し、被加熱物を構成する各分子の極性を高周波で変化させ、それに伴う分子の回転・衝突・振動・摩擦等に起因する内部発熱によって被加熱物を加熱する加熱方法のことである。

被加熱物を配した電極インピーダンスは、被加熱物の形状、種類、加熱又は解凍温度によって大きく変化する。このとき、高周波電源の出力インピーダンスと被加熱物を配した電極インピーダンスに差がある状態、すなわちインピーダンス整合されていない状態では、反射電力が生じ、加熱又は解凍効率の低下、回路素子の破壊や劣化に至ることがある。
これを防ぐために、電力増幅回路と電極の間に整合器が挿入されており、その構成要素である、例えば、コンデンサやコイルを設けることでインピーダンス整合を維持するようになっている。

一般的に、高周波誘電加熱により食材等の被加熱物を加熱や解凍する際には、構造がシンプルで回路素子の耐熱温度が高く、反射電力耐性に優れた真空管式高周波電源が用いられている。しかし、真空管式高周波電源は、電力増幅の特性上、大型であり、共振周波数が被加熱物を配した電極インピーダンスによって任意に変化してしまうといった課題がある。特に、電源周波数は、様々な形状を有する食材を加熱又は解凍する際の均一性（電力半減深度）に影響するため、共振周波数がその時々の状況で任意に変化することは好ましくない。また、電波法における周波数規定を遵守するためにも、所定の周波数変動幅に収めることが好ましい。

一方、半導体を高速スイッチング制御することにより電力増幅をおこなう半導体式高周波電源は、高分解能な自動整合器と組み合わせることにより、システムとして小型、高効率を特徴とし、従来からプラズマ放電等の用途に用いられてきた。
整合器の構成要素である可変コンデンサや可変コイルの値を逐次変化させることでインピーダンス整合状態を維持するようになっているが、負荷が食材のように大容量であり、その形状、種類、温度によって電極インピーダンスが大きく変化する場合、整合状態を維持するためには大きなインピーダンス調整幅をコンデンサやコイルに持たせる必要があり、その結果、整合器が大型でありコストが高くなるといった問題が生じる。

整合器大型化の問題を回避する高周波誘電加熱装置として、整合回路が、可変コイルとコンデンサを有し、切り替え手段によりコンデンサの容量を増加させることが可能な高周波誘電加熱装置が知られている（例えば、特許文献２を参照）。

特許文献２に記載の高周波誘電加熱装置では、高周波電源に反射する電力を反射電力検知手段によって検知し、反射電力検知手段の検出信号を基に、可変コイルとコンデンサの値を適宜組み合わせて、インピーダンスの整合を図り、反射電力を最小に維持する。

特開平０８−２５５６８２号公報特開２００５−５６７８１号公報

特許文献２に記載の高周波誘電加熱装置では、コンデンサやコイルの容量を変化させることでインピーダンス調整を図るように構成されているが、特に、食材の解凍のようにインピーダンスの変化が大きい場合、結局、コイルやコンデンサによるインピーダンス調整幅を大きくする必要があり、整合器の小型化を図ることができない。

そこで、本発明は、これらの問題点を解決するものであり、食材の形状、種類、加熱又は解凍温度など電極インピーダンスの変化に応じて、逐次インピーダンス整合をおこなうことにより、高周波電源の発振効率を向上し、電源の小型化を図る。更に、電源周波数を所定の範囲で可変に構成させることにより、インピーダンス調整機能を担わせ、整合器の簡素化、小型化を図る。このように、小型、安価であり、様々な食材に対して高品質な加熱又は解凍が可能な高周波誘電加熱装置を提供することを目的とするものである。

本発明は、半導体式高周波電源と、対向して配置された一対の電極と、前記電極と前記半導体式高周波電源との間に接続され被加熱物の加熱で生じる反射電力を検出する反射電力検出手段と、反射電力を調整するインピーダンス整合器からなり、対向する前記電極の間に配置された冷凍食材を高周波誘電加熱によって解凍する高周波誘電加熱装置であって、前記整合器は、前記半導体式高周波電源と並列に接続された第１コンデンサと、前記電極に直列に接続された少なくともリアクタンス調整可能な第２コンデンサまたはコイルの少なくとも一方と、前記第１コンデンサまたは前記第２コンデンサの少なくとも一方の容量を多段切り替えもしくは連続変化させる可変手段と、前記電極と並列に接続された第３コンデンサとを備え、前記半導体式高周波電源は、周波数を可変に構成されていることにより、前記課題を解決するものである。

本請求項１に係る発明によれば、被加熱物の加熱又は解凍で生じる反射電力を反射電力検出手段で検出し、逐次インピーダンス整合をおこなうことにより高周波電源の発振効率を向上させ、電源の小型化が図れる。また、インピーダンス整合器が、高周波電源と並列に接続されたコンデンサと、電極に直列に接続された少なくともリアクタンス調整可能なコンデンサまたはコイルの少なくとも一方を備え、高周波電源が周波数を可変に構成されていることにより、電源の周波数を変化させることで、電極に直列に接続されたコンデンサまたはコイルの少なくとも一方のリアクタンスを高分解能に調整することが可能であり、整合器の簡素化、小型化を図りつつ、インピーダンス調整を高精度かつ容易に達成することができる。

本請求項１に係る発明によれば、高周波電源として半導体式高周波電源を用いることによって、高効率、小型軽量、低コストという効果を享受しつつも、応答性に優れたインピーダンス整合可能であり、電源の損傷を俊敏かつ良好に抑制することができる。
本請求項１に係る発明によれば、整合器が、高周波電源と並列に接続されたコンデンサまたは電極と直列に接続されたコンデンサの少なくとも一方の容量を多段切り替えもしくは連続変化させる可変手段を備えることにより、電源の周波数を変化させたことによるリアクタンス調整幅を、電極インピーダンス近傍に設定することが可能であり、インピーダンス整合による反射電力の抑制をより短時間におこなうことができる。また、高周波電源の周波数可変幅を小さく設定することができるため、整合器の簡素化、小型化を図りながらも、食材の加熱や解凍品質を常に良好に保つことができる。
本請求項１に係る発明によれば、整合器が電極と並列に接続されたコンデンサを有することにより、加熱又は解凍に伴う電極インピーダンスの変化率を小さくすることが可能である。その結果、高周波電源の周波数可変幅を小さく設定することができるため、整合器の簡素化、小型化を図りながらも、食材の加熱や解凍品質を常に良好に保つことができる。
特に、高効率解凍を目的とし電極を食材や食品包装体に接触又は形状追従させる場合など、解凍に伴う電極インピーダンスの変化率が大きい場合に有効である。
本請求項２に係る発明によれば、整合器のインピーダンス情報出力部から食材インピーダンスの正確な情報を簡単に得ることが可能になり、対象とする被加熱物に絞り込んだ整合器のパラメータを設定したり、その結果に基づき整合器の簡素化を図ることができる。

本発明の一実施形態に係る高周波誘電加熱装置を示す回路図。第３コンデンサを設けない場合および設けた場合の第２コンデンサの変化量を示す表。実験例における周波数および反射率の測定結果を示すグラフ。

以下に、本発明の一実施形態に係る高周波誘電加熱装置１０について、図面に基づいて説明する。

高周波誘電加熱装置１０は、図１に示すように、高周波電源２０と、一対の電極３０と、電極３０と高周波電源２０との間に接続され高周波電源２０とインピーダンス整合をとる整合器４０と、高周波電源２０に反射する電力を検知する反射電力検知部（図示しない）と、各部を制御する制御部（図示しない）とを備え、対向配置された一対の電極３０間に配置された冷凍食材を高周波誘電加熱によって解凍するものである。

高周波電源２０は、周波数を可変に構成された可変周波数半導体式高周波電源として構成されている。また、高周波電源２０は、反射電力検知部によって検知された反射率が所定の閾値を超えると保護機能により高周波出力を抑制又は停止するように構成されている。

整合器４０は、図１に示すように、電極３０に直列に接続されたリアクタンス回路５０と、リアクタンス回路５０と高周波電源２０との間で電極３０と並列に接続された第１コンデンサＣ１と、電極３０とリアクタンス回路５０との間で電極３０と並列に接続された第３コンデンサＣ３とを含んでいる。

リアクタンス回路５０は、電極３０に直列に接続された少なくとも１つのリアクタンス素子を含むものであり、本実施形態では、図１に示すように、高周波電源２０に直列に接続された第２コンデンサＣ２およびコイルＬを備えている。

図２は、高周波電源の周波数を１３．５６ＭＨｚ、第１コンデンサＣ１の容量を１５００ｐＦ、コイルＬのインダクタンスを１．８μＨとし、各種食材の解凍をおこない、反射電力検知部による反射電力が常に最小になるように、第２コンデンサＣ２の容量調整をおこなったときの値（容量％）を示したものである。
図２から分かる通り、第３コンデンサＣ３を配置しなかった場合では、食材の種類や個数によって、解凍開始での第２コンデンサＣ２の容量％はそれぞれ異なり、更に、解凍終了で第２コンデンサＣ２の容量％は大きく減少方向に変化している。
第３コンデンサＣ３を配置した場合では、解凍開始、解凍終了での食材の種類や個数による第２コンデンサＣ２の容量％の変化は小さい。この結果から、第３コンデンサＣ３を配置することにより、食材解凍に伴う電極インピーダンスの変化率を小さくすることが可能であり、高周波電源２０の周波数可変幅を小さく設定することができる。

整合器４０は、高周波電源２０と並列に接続された第１コンデンサＣ１の容量を多段切り替えもしくは連続変化させる、リレー等の接点手段から成る可変手段（図示しない）もしくはバリコン等を備えている。
なお、可変手段の具体的態様については、上記に限定されず、第１コンデンサＣ１の容量を多段切り替えもしくは連続変化させるものであれば如何なるものでもよく、また、可変手段によって、電極３０と直列に接続されたコンデンサの容量を多段切り替えもしくは連続変化させてもよい。

制御部は、反射電力検知部によって検知された反射率を基に、被加熱物の解凍状態に応じて、第１コンデンサＣ１の容量を減少方向に切り替えるとともに、高周波電源２０の周波数を調整し、インピーダンス整合を図るように設計されている。

以下に、本発明の実験例について説明する。

本実験例では、リアクタンス回路５０の第２コンデンサＣ２の容量を９３ｐＦ、コイルＬのインダクタンスを１．８μＨとし、リアクタンス回路５０のインピーダンス調整を、高周波電源２０の周波数を調整することで行った。また、第３コンデンサＣ３の容量を４００ｐＦとした。また、高周波電源２０は、反射電力検知部によって検知された反射率が４０％を超えると保護機能により高周波出力が停止するように構成されている。また、一対の電極３０間に配置される被解凍物（被加熱物）としては、冷凍柿（４個）を用いた。

図３は、解凍開始後、１分毎に周波数と反射率を測定した結果である。

解凍に伴う整合調整をしない場合として、第１コンデンサＣ１の容量を１５００ｐＦに設定し、高周波電源２０の周波数を１３．５６ＭＨｚに固定して解凍を行った場合、３分程度で反射率が閾値（４０％）を超え、高周波電源２０の高周波発振が停止し、解凍が中断された。

また、第１コンデンサＣ１の容量の切り替え、および、高周波電源２０の周波数を調整することによるリアクタンス回路５０のインピーダンス調整を行った場合、第１コンデンサＣ１の容量を１５００ｐＦに設定して解凍を開始すると、解凍に伴い周波数が変化（１３．５３ＭＨｚ→１３．４８ＭＨｚ）することで反射率が閾値（４０％）に達するまで７分かかり、周波数調整しない場合に比べて反射が閾値に到達するまでの時間を長くすることができた。
反射率が閾値に達したところで第１コンデンサＣ１の容量を１２７０ｐＦに切り替えることで、反射率が約１５％に低減し、同時に、周波数は変化（１３．４８ＭＨｚ→１３．５５ＭＨｚ）し、解凍開始時の周波数１３．５３ＭＨｚまでほぼ回復した。同様に、第１コンデンサＣ１の容量を１０３０ｐＦ、９７０ｐＦ、８８０ｐＦと反射率に応じ適宜減少方向に切り替えることで、反射率を閾値以下に維持した状態で高周波印加が可能となり、解凍終了した。

以上より、高周波誘電加熱装置１０は、高周波電源２０の周波数を可変調整することによるリアクタンス回路５０のインピーダンス調整と、整合器４０にリレー等の多段切り替えによって安価にインピーダンス整合を図ることができることが確認された。更に、整合器４０におけるコンデンサ容量調整にバリコンを用いることにより、より高精度なインピーダンス調整を容易に達成することも可能である。また、高周波電源２０の周波数を可変調整する際、整合器４０におけるコンデンサ容量調整を併用することで、周波数可変幅を小さくすることが可能である。

以上、本発明の実施形態を詳述したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明を逸脱することなく種々の設計変更を行なうことが可能である。

例えば、上述した実施形態では、高周波誘電加熱装置が、冷凍食材を高周波誘電加熱によって解凍するものとして説明したが、高周波誘電加熱装置の用途は、被加熱物を加熱するものであればよく、冷凍食材の解凍に限定されない。

また、上述した実施形態に加えて、整合器のインピーダンス情報（例えば、第１コンデンサの状態など）を監視モニタなどに出力するインピーダンス情報出力部を設けてもよい。この場合、整合器のインピーダンス情報出力部から食材インピーダンスの正確な情報を簡単に得ることが可能になり、対象とする被加熱物に絞り込んだ整合器のパラメータを設定したり、その結果に基づき整合器の簡素化を図ることができる。

本発明の半導体式高周波誘電加熱装置は、冷凍食品等の急速解凍に好適であるばかりでなく、工業用の誘電加熱装置としても広く適用でき、また、家庭用または業務用の卓上型解凍装置（電子レンジ）や冷蔵庫等に組み込んで用いることもできる等、産業上の利用可能性が高い。

１０・・・高周波誘電加熱装置
２０・・・高周波電源
３０・・・電極
４０・・・整合器
５０・・・リアクタンス回路
Ｃ１・・・第１コンデンサ
Ｃ２・・・第２コンデンサ
Ｃ３・・・第３コンデンサ
Ｌ・・・コイル

Claims

半導体式高周波電源と、対向して配置された一対の電極と、前記電極と前記半導体式高周波電源との間に接続され被加熱物の加熱で生じる反射電力を検出する反射電力検出手段と、反射電力を調整するインピーダンス整合器からなり、対向する前記電極の間に配置された冷凍食材を高周波誘電加熱によって解凍する高周波誘電加熱装置であって、
前記整合器は、前記半導体式高周波電源と並列に接続された第１コンデンサと、前記電極に直列に接続された少なくともリアクタンス調整可能な第２コンデンサまたはコイルの少なくとも一方と、前記第１コンデンサまたは前記第２コンデンサの少なくとも一方の容量を多段切り替えもしくは連続変化させる可変手段と、前記電極と並列に接続された第３コンデンサとを備え、
前記半導体式高周波電源は、周波数を可変に構成されていることを特徴とする高周波誘電加熱装置。
前記高周波誘電加熱装置に整合器のインピーダンス情報を出力するインピーダンス情報出力部を備える請求項１に記載の高周波誘電加熱装置。