JP7576010B2 - 高周波誘電加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、高周波誘電加熱装置に係り、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高周波誘電加熱装置に関する。

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解凍装置が知られている。

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。

ＭＨｚ帯域の高周波電界を用いた解凍技術に関して、例えば、特許文献１の要約書には、「高周波解凍装置は、加熱室１と、加熱室１内に平行に配置され、間に被解凍物３が挿入される上部電極２ａおよび下部電極２ｂと、上部電極２ａと下部電極２ｂとの間に高周波電圧を印加する高周波電源４および整合回路６と、印加された高周波電圧の反射電力を検知する電力検知回路５と、電力検知回路５の検知信号の解凍開始時からの変化に基づいて被解凍物の進捗状態を推定して解凍の完了を判定し、判定に基づいて高周波電源４を制御する制御装置７と、を備える。」との記載があり、また、同文献の段落０００２には、「ＭＨｚ以上の高周波を印加して、誘電加熱にて冷凍された食品等の被解凍物を解凍する高周波解凍装置が知られている（例えば、特許文献１、２）。高周波解凍装置は、加熱室内に上部電極と下部電極とを備え、高周波電源から両電極間に高周波電界を与え、被解凍物の誘電損失により解凍を行う。誘電加熱方式は、平行電界が冷凍食品の内部に均等に到達するため、電子レンジによるマイクロ波を用いた解凍に比べて、大型の被解凍物の解凍に適している。」との記載がある。すなわち、特許文献１の高周波解凍装置では、ＭＨｚ帯域の高周波電界を使用することにより、マイクロ波（ＧＨｚ帯域の高周波電界）を使用する電子レンジでの解凍に比べ、被解凍物の内部をほぼ均等に解凍することができる。

また、特許文献２の要約書には、「高周波を発振する発振部３、増幅部６ａ～６ｂ、給電部９ａ、９ｂ、伝送線路７を備え、前記伝送線路７は、増幅部６ａ、６ｂからの給電位相により、放射部８ａ、８ｂ、８ｃへの高周波伝送を選択制御する構成としてある。」との記載があり、続いて同文献の要約書には、「高周波を、伝送線路上で合成し、選択した放射部８ａ、８ｂ、８ｃより放射して、さまざまな形状・種類・量の異なる被加熱物を所望の状態に短時間で加熱することができる。」との記載がある。

また、同文献の実施の形態１における高周波処理装置の構成図である図１では、放射部８ａ、８ｂ、８ｃが被加熱物２の下側に配置される構成が示されている。また、同文献の段落００３５には、「放射部をパッチアンテナで構成」との記載がある。

すなわち、特許文献２の高周波処理装置では、例えばパッチアンテナで構成される放射部から、高周波電界を被加熱物の下側から放射し、被加熱物を誘電加熱する構成が示されている。なお、パッチアンテナとは、マイクロストリップアンテナとも呼ばれ、誘電体基板上に配線された導体（放射素子）と基板裏面のグランド板を構成要素とする平面アンテナの一種である。

特開２０２０―１４５１１４号公報 特開２０１９－２０４５７１号公報

しかしながら、特許文献１のように、加熱室内に上部電極と下部電極とを備え、両電極間に配置された食品に高周波電源から高周波電界を与えて解凍を行う平行電極方式では、平行電界が食品内部にほぼ均等に到達するため、食品の端部、角部、突起部などに電界が集中してしまい、食品の一部が過加熱されてしまう。過加熱に伴う温度ムラは、食品の解凍品質の低下に直接繋がることから、過加熱の抑制が課題となっている。

また、特許文献２のように、放射部（パッチアンテナ等）が被加熱物の下方に位置するように配置される場合、発明者らによる電磁界解析により、被加熱物の加熱ムラが大きいことが分かっている。なお、被加熱物の加熱ムラの詳細について、図４にて後述する。

そこで、本発明においては、ＭＨｚ帯域の高周波電界を印加して冷凍食品を解凍する高周波誘電加熱装置において、食品の端部や角部、突起部などの過加熱を低減し、食品の解凍品質を向上することを目的とする。

上記課題を解決するための本発明は、「ＭＨｚ帯域の高周波電力を出力する高周波電源と、被加熱物を収納し、誘電加熱するための電極を備える加熱部とを備え、加熱部が備える電極は、直列接続された渦巻状の２組の電極が形成する２組の電極面が対向配置され、直列接続された一方電極の中心端が高周波電源の給電点とされ、他方電極の一端が開放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。

本発明の高周波誘電加熱装置により、冷凍食品の端部や角部、突起部などの過加熱を低減し、食品の解凍品質の向上が可能となる。

本発明の実施例１に係る高周波誘電加熱装置の概略構成例を示す図。 本発明の実施例１に係る高周波誘電加熱装置の加熱部の内部構成例を示す図。 線状電極上に生じる電圧定在波を示した概略説明図。 解凍時の食材の発熱密度分布を、電磁界解析により計算した結果を示す図。 本発明の実施例１の変形例に係る高周波誘電加熱装置の概略構成例を示す図。 本発明の実施例２に係る高周波誘電加熱装置の概略構成例を示す図。 本発明の実施例２に係る高周波誘電加熱装置の加熱部の内部構成例を示す図。 実施例２における、線状電極の巻線方向を示した概略説明図。

以下、図面を用いて、本発明の実施例について説明する。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。

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。

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。

まず、図１から図５を用いて、本発明の実施例１に係る高周波解凍装置１００（高周波誘電加熱装置）を説明する。図１は、本実施例の高周波解凍装置１００の概略構成図であり、特に加熱部１０の内部を立体的に図示している。図２は、本実施例の高周波解凍装置１００の加熱部１０を平面的に図示した概略構成図である。また、図３は、本実施例の高周波解凍装置１００における、線状電極上に生じる電圧の定在波を示すための概略説明図である。

図１、図２の構造に示すように、高周波解凍装置１００は、筐体１０１内に主たる構成要素として、加熱部１０と、高周波電源２０と、インピーダンス変換器３０と、加熱室４０と、加熱室４０の壁面に少なくとも一対に対向して配置される電極５０を備えて構成されている。また加熱部１０内には、グランド電極１２、基板１１、電極５０を備えている。

ここで、電極５０は、加熱室４０の壁面に、少なくとも一対に対向して配置される。図１の例では、加熱室４０の底面１１ａおよび天井面１１ｂを形成する基板１１上に、互いに対向するように電極５０ａ、５０ｂが配置されており、いずれの電極５０ａ、５０ｂも導電性の線材により渦巻状に形成された線状電極である。ここで、底面１１ａを形成する基板１１上に形成される線状電極５０ａを第１の電極、天井面１１ｂを形成する基板１１上に形成される線状電極５０ｂを第２の電極と称し、第１の電極５０ａの渦巻中心を６０ａ、第１の電極５０ａの渦巻の外周端を６０ｂとし、第２の電極５０ｂの渦巻中心を６０ｃ、第２の電極５０ｂの渦巻の外周端を６０ｄとする。また、グランド電極１２は、加熱室４０を囲むように基板１１の外側に形成されている。

このとき、第１の電極５０ａの渦巻の外周端６０ｂと、第２の電極５０ｂの渦巻の外周端６０ｄは、加熱室４０の側面１１ｃ（あるいは１１ｄ）を形成する基板１１上に配置される導電性を有する接続線５３により直列に接続される。また、第１の電極５０ａの渦巻中心６０ａは、インピーダンス変換器３０を介して、高周波電源２０からの出力電力を給電する給電線５４と接続され、線状電極５０ａへの給電位置（給電点）となっている。また、第２の電極５０ｂの渦巻中心６０ｃは、線状電極５０ｂの開放端となっている。そして、グランド電極１２は、グランド線１３を介して高周波電源２０の他方端と接続される。

図２に示すように、高周波解凍装置１００で冷凍食品７０を解凍する際は、食品７０は第１の電極５０ａ上に配置される載置台４１上に置かれる。載置台４１の構成部材は、セラミックスや耐熱樹脂などの非金属製である。また、食品７０を出し入れするため、加熱室４０の開口を開閉するためにドア（図示せず）を備えている。

なお、誘電加熱による食品７０の解凍中は、解凍の進行に伴う冷凍食品７０の誘電損失の変化により、冷凍食品７０を含む負荷側のインピーダンスが大きく変化する。そこで、高周波電源２０の出力インピーダンスと、被解凍物である食品７０を含む負荷側のインピーダンスを略同一にすることで、高周波電源２０に戻る反射電力（反射波）を無くして食品７０の加熱効率を向上させる必要があり、高周波電源２０と電極５０の間にインピーダンス変換器３０を備えている。

また、高周波電源２０は、電子レンジで使用するマイクロ波（ＧＨｚ帯域の高周波電界）より低い周波数のＭＨｚ帯域の高周波電力を発振し、インピーダンス変換器３０を介して電極５０に電力を供給する電源である。上記したように、ＭＨｚ帯域の高周波電界は、マイクロ波（ＧＨｚ帯域の高周波電界）に比べ、冷凍食品７０の内部に到達しやすいという特性があるため、本実施例の高周波電源２０を利用することで、冷凍食品７０の解凍を促進することが出来る。

このとき、第１の電極５０ａと第２の電極５０ｂと接続線５３の総長さは、高周波電源２０から供給される高周波電力の周波数に応じた特定の長さを有しており、例えば、高周波電力の波長の１／２（半波長）であることが望ましい。

図３は、横軸に給電点（第１の電極５０ａの渦巻き中心６０ａ）から接続線５３を経由して開放端（第２の電極５０ｂの渦巻中心６０ｃ）に至る各点を示し、縦軸に各点における電圧の大きさを示している。この場合、図３に示すように、第１の電極５０ａの渦巻中心６０ａ（給電点）と、第２の電極５０ｂの渦巻中心６０ｃ（開放端）の電圧定在波の振幅が最大となるため、第１の電極５０ａおよび第２の電極５０ｂの渦巻中心の領域の電界強度が強くなる。よって、食品７０の中心領域の電界強度が強くなり、食品７０の加熱ムラを低減することが可能となる。

図４に、解凍時の食材の発熱密度分布を、電磁界解析により計算した結果を示す。図４の下段（ｃ）には、例えば冷凍された食品７０として、縦横高さ方向の大きさが図示の長さのマグロ赤身を示している。図４の上段（ａ）には本発明により上下に電極５０を配置した構成例の時の食品７０の解凍状況を、図４の中段（ｂ）には従来手法として下にのみ電極５０を配置した構成例の時の食品７０の解凍状況を示している。なお、解凍状況は、図４下段の検査断面におけるものを示している。

このようにこの図では、上記の実施例で示した形態と従来の形態における、食材の中心断面（図中斜線で表示している検査断面）の発熱密度分布を色の濃淡で示している。ここで、従来の形態とは、渦巻状の線状電極を食材の下側に１個設けた場合（単一電極）であり、渦巻の外周端６０ａから給電し、渦巻中心６０ｃは開放端となっているものを例示している。対象とした食材７０はマグロの赤身（誘電率６程度）である。

中段（ｂ）に示した従来（単一電極）の場合、食材の厚さ方向、長手方向共に加熱ムラが生じているが、上段（ａ）に示した実施例では、食材の中心から周囲に渡り比較的均一に加熱されており、加熱ムラが低減されているのが分かる。

このように、第１の電極５０ａの渦巻中心６０ａを給電点とし、第２の電極５０ｂの渦巻中心６０ｃを開放端とし、第１の電極５０ａと第２の電極５０ｂと接続線５３の総長さを、高周波電力の波長の１／２（半波長）とすることで、電極５０の渦巻中心（６０ａおよび６０ｃ）の電圧振幅が最大となるため、食品７０の中心領域の電界強度が強くなり、食品７０の加熱ムラを低減することが出来る。

なお、本実施例では、第１の電極５０ａの渦巻の外周端６０ｂと、第２の電極５０ｂの渦巻の外周端６０ｄを接続線５３により直列に接続し、第１の電極５０ａの渦巻中心６０ａを給電点とし、第２の電極５０ｂの渦巻中心６０ｃを開放端としたが、図５に示すように、第１の電極５０ａの渦巻の外周端６０ｂと、第２の電極５０ｂの渦巻中心６０ｃを接続線５３により直列に接続し、第１の電極５０ａの渦巻中心６０ａを給電点とし、第２の電極５０ｂの渦巻の外周端６０ｄを開放端とした場合であってもよい。

また、本実施例では、一対に対向して配置される渦巻状の電極５０を、加熱室４０の底面１１ａおよび天井面１１ｂに配置する構成としたが、側面１１ｃおよび側面１１ｄに配置する構成であってもよい。また、二対以上の複数の電極対が、加熱室４０の壁面に配置される構成であってもよい。また、電極５０は基板１１上に形成されるとしたが、電極５０とグランド電極１２の間は、基板１１の代わりに空気層であってもよい。

要するに、渦巻状の２組の電極５０ａ、５０ｂが直列接続されて、その総延長が高周波電力の波長の１／２（半波長）とされ、渦巻状の２組の電極５０ａ、５０ｂが形成する２組の電極面が対向配置され、直列接続された一方電極の中心端が高周波電源の給電点とされ、他方電極の一端が開放端とされたものである。ここでは渦巻状の２組の電極５０ａ、５０ｂの左右回り方向であることを問わない。

図６から図８を用いて、本発明の実施例２に係る高周波解凍装置１００について説明する。なお、以下では、実施例１との共通点については重複説明を省略する。

図６は、本実施例の高周波解凍装置１００の概略構成図であり、特に加熱部１０の内部を立体的に図示している。また、図７は、本実施例の高周波解凍装置１００の加熱部１０を平面的に図示した概略構成図である。

実施例１で示したように、高周波解凍装置１００は、主に、加熱部１０と、高周波電源２０と、インピーダンス変換器３０と、加熱室４０と、加熱室４０の壁面を構成する基板１１上に少なくとも一対に対向して配置される渦巻状の線状電極５０ａ（第１の電極）および渦巻状の線状電極５０ｂ（第２の電極）を備えており、本実施例ではさらに、導電性の線材により渦巻状に形成された線状電極５０ｃを有するトレイ８０を備えている。

渦巻状の線状電極５０ｃは基板８２上に形成されており、ここでは第３の電極と称す。第３の電極５０ｃの渦巻中心６０ｅ、および、渦巻の外周端６０ｆは、いずれも線状電極の開放端である。また、第３の電極５０ｃの上側には、食品７１を載せるための載置台４２が備わっている（図７）。載置台４２の構成部材は、載置台４１と同様にセラミックスや耐熱樹脂などの非金属製である。なお、図６では、電極５０ａ、５０ｂ、５０ｃの構成を明示するため、敢えて載置台４１および載置台４２の記載を省略している。

実施例２では、第１の電極５０ａと第２の電極５０ｂの巻線方向を、互いに反転させている。この点について実施例１では、第１の電極５０ａと第２の電極５０ｂの巻線方向を特に限定していない。

図８に、高周波解凍装置１００を上側からみた場合の、第１の電極５０ａと第２の電極５０ｂの巻線方向を図示している。本実施例では、第１の電極５０ａの巻線方向を時計回りとし、第２の電極５０ｂの巻線方向を反時計回りとしている。こうすることで図６に示すように、本実施例の場合、第１の電極５０ａおよび第２の電極５０ｂ共に、電流が流れる方向（７２ａおよび７２ｂ）が時計回りで同一となり、発生する磁界の方向が一致する。本実施例の場合、第１の電極５０ａ、第２の電極５０ｂ共に、磁界の方向（７３ａおよび７３ｂ）は下向きとなる。

この状態で、第３の電極５０ｃが備わるトレイ８０を図６のように加熱室４０内に挿入すると、電極５０ｃに上記の磁界（７３ａおよび７３ｂ）を打ち消す方向に、磁界７３ｃが発生し、電極５０ｃに誘導電流７２ｃが流れる（レンツの法則）。よって、誘導電流７２ｃによって生じる電界により、トレイ８０に載置した食品７１を加熱することが可能となる。磁界でエネルギーを伝えて、誘導電流によって生じる電界により加熱をするものであり、電磁誘導を利用した加熱方式である。

こうすることにより、食品の高さが低い場合であっても、図７で示すように食品と電極が近接し、効率的に食品を加熱することが出来る。

なお、以上の実施例は、食品以外を対象とした高周波誘電加熱装置にも適用できるものである。

１００：高周波解凍装置
１０１：筐体
１０：加熱部
１１：基板
１１ａ：底面
１１ｂ：天井面
１１ｃ、１１ｄ、１１ｅ：側面
１２：グランド電極
１３：グランド線
２０：高周波電源
３０：インピーダンス変換器
４０：加熱室
４１、４２：載置台
５０：電極
５０ａ：線状電極（第１の電極）
５０ｂ：線状電極（第２の電極）
５０ｃ：線状電極（第３の電極）
５３：接続線
５４：給電線
６０ａ、６０ｃ渦巻の中心
６０ｂ、６０ｄ：渦巻の外周端
７０、７１：食品
７２ａ、７２ｂ、７２ｃ：電流
７３ａ、７３ｂ、７３ｃ：磁界
８０：トレイ
５０ｃ：線状電極（第３の電極）
８２：基板

Claims (5)

1. ＭＨｚ帯域の高周波電力を出力する高周波電源と、被加熱物を誘電加熱するための電極を備える加熱部とを備え、
   前記加熱部が備える前記電極は、直列接続された渦巻状の２組の電極が形成する２組の電極面が対向配置され、直列接続された一方電極の中心端が高周波電源の給電点とされ、他方電極の一端が開放端とされていることを特徴とする高周波誘電加熱装置。
2. 請求項１に記載の高周波誘電加熱装置であって、
   前記加熱部が備える前記電極は、対向する基板内壁に前記２組の渦巻状の電極をそれぞれ配置し、基板外壁からグランド電極を介して前記高周波電源の他方端に接続していることを特徴とする高周波誘電加熱装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の高周波誘電加熱装置であって、
   対向配置された前記渦巻状の２組の電極の電極面間に、中心端及び終端が開放端とされた第３の渦巻状の電極を配置するとともに、
   前記渦巻状の２組の電極の巻線方向は互いに相違する方向とされていることを特徴とする高周波誘電加熱装置。
4. 請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の高周波誘電加熱装置であって、
   渦巻状の電極の間に前記被加熱物を収納することを特徴とする高周波誘電加熱装置。
5. 請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の高周波誘電加熱装置であって、
   ２組の渦巻状の電極の総延長が高周波電力の波長の半波長とされることを特徴とする高周波誘電加熱装置。

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