JP7618525B2 - 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。

図２１に周知技術により実現されるＭＨｚ帯域の高周波電界を用いた誘電加熱装置の一例を示す。図の高周波誘電加熱装置は、ＩＳＭバンドである１３．５６ＭＨｚ、２７．１２ＭＨｚ、４０．６８ＭＨｚなどのＭＨｚ帯を出力する信号源１、電力増幅する送電アンプ２、インピーダンス変換回路３、制御回路４、方向性結合器２０、可変整合回路１１、上部電極１２、下部電極１３から構成され、さらに、方向性結合器２０は、接地コンデンサ５、１０、検波ダイオード６、９、基準抵抗７、８より構成されている。

信号源１からのＭＨｚ帯の高周波信号（ＲＦ信号）は、送電アンプ３により増幅され、インピーダンス変換回路３により、５０Ω等の中間インピーダンスに変換後、可変整合回路１１により、上下電極１２、１３間に置かれた冷凍食材１３の等価インピーダンスと整合を図り、送電アンプ２からの電力を効率よく伝送させることで冷凍食材１３の解凍を行うものである。

高周波誘電加熱において、解凍時には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しインピーダンス整合がずれて加熱効率が劣化することに関連して特許文献１には、方向性結合器２０で入射電力と反射電力を検知して、これら比率で求まるＶＳＷＲ（Ｖｏｌｔａｇｅ Ｓｔａｎｄｉｎｇ Ｗａｖｅ Ｒａｔｉｏ、電圧定在波比）を制御回路４において算出することで整合状態を判定し、整合が取れるように可変整合回路１１を調整することが記載されている。

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。

特許文献２の記載を図２１において例えるならば、送電アンプ２の複数並列動作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、可変整合回路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、可変整合回路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。

特開２０２０ー１０２４３９号公報 特開２００３ー１７２３８号公報

特許文献１では、５０Ω等の中間インピーダンスに変換してから、可変整合回路を介して等価直列抵抗の小さい電極間のインピーダンスに変換するため、変換比率が高なってしまうことから、可変整合回路１１の電圧振幅が高くなる。このため、可変整合回路１１には高耐圧部品が必要となり、回路部品が大型かつ高コストとなってしまうという課題があった。

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。

これは、図２１において、反射電力および入射電力を検知する方向性結合器２０は、入射電力を基準抵抗７、反射電力を基準抵抗８の抵抗値を基準として検知するため、中間インピーダンスが５０Ωであれば、基準抵抗７、８の抵抗値を５０Ωにする必要がある。

しかしながら、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するため、これに合わせて基準抵抗７、８の値を変える必要がある。さらに、解凍パワーを上げて解凍時間を短くする場合、食材の端部は電界が集中することにより、中心部より加熱が促進されて食材端部の温度が上がる加熱ムラの傾向がより強くなる。

以上のことから、本発明においては、短時間の解凍が可能で小型で低コストの高周波誘電加熱装置とすることを目的とする。

以上のことから本発明においては、「ＭＨｚ帯域の高周波信号を増幅する送電アンプの出力を、可変整合回路を介して上下に対向配置された電極に与え、電極間に電界を発生させて電極間に置かれた冷凍食材を解凍するとともに、反射電力を測定する反射電力測定回路と制御回路を備えた高周波誘電加熱装置であって、反射電力測定回路は、送電アンプと可変整合回路との間の電圧振幅を検知する電圧検波回路であって、制御回路は、電圧検波回路の検波電圧により可変整合回路のインピーダンスを調整して電極とのインピーダンス整合を図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、短時間の解凍が可能で小型で低コストの高周波誘電加熱装置が得られる。

本発明の実施例１に係る高周波誘電加熱装置の回路構成例を示す概略ブロック図。 ＡＢ級プッシュプル構成の送電アンプの一例を示す回路図。 Ｅ級プッシュプル構成の送電アンプの他の一例を示す回路図。 定電流源変換回路に定電圧源を接続した場合の一例を示す図。 図４ａの等価回路を示す図。 Ｔ型のローパスフィルタで構成した定電流源回路の一例を示す回路図。 ３次のπ型フィルタで構成した定電流源回路の一例を示す回路図。 容量切り替えによる可変容量構成の可変整合回路の一例を示す回路図。 電流源変換回路により電流源に変換するとともに、可変整合回路により電極の虚部を打ち消す構成の等価回路を示す図。 可変整合回路の容量値を振った時の可変整合入力端子の電圧の値を回路シミュレーションにより計算した結果を示す図。 凸形状電極の形状を示した正面図。 凸形状電極の形状を示した斜視図。 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本発明の結果を示す図。 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従来の結果を示す図。 食材の解凍時の温度に対する実部誘電率の一例を示した特性図。 食材の解凍時の温度に対する虚部誘電率の一例を示した特性図。 冷凍食材の電極間の等価直列抵抗値を計算した結果の一例を示した特性図。 冷凍食材の電極間の等価直列の静電容量値を計算した結果の一例を示した特性図。 本発明の実施例１に係る高周波誘電加熱装置の誘電加熱開始から終了までの流れを示したフローチャート。 本発明の実施例２に係る高周波誘電加熱装置の回路構成例を示す概略ブロック図。 本発明の実施例３に係る高周波誘電加熱装置の構成例を示す概略断面図。 本発明の実施例３に係る高周波誘電加熱装置の表面及び庫内の構成例を示す概略斜視図。 本発明の実施例３に係る高周波誘電加熱装置の背面側の構成例を示す図。 本発明の実施例４に係る高周波誘電加熱装置の構造例を示す概略断面図。 従来技術による高周波誘電加熱装置の回路構成例を示すブロック図。

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。

図１は、本発明の実施例１に係る高周波誘電加熱装置１００の概略回路構成を示すブロック図である。高周波誘電加熱装置１００は、ＩＳＭバンドである１３．５６ＭＨｚ、２７．１２ＭＨｚ、４０．６８ＭＨｚなどのＭＨｚ帯を出力するＲＦ信号源１、減衰器１０１、送電アンプ１１０、ローパスフィルタを兼ねた電流源変換回路１２０、電圧検波回路１３０、可変整合回路１４０、上部電極１２、下部電極１３、温度センサ１０４、電源回路１０２、制御回路１０３より構成されて冷凍食材１４を解凍する。

上記全体構成において、図１の送電アンプ１１０は、分配回路１１５、増幅素子１１６、合成回路１１７から構成され、ＲＦ信号入力端子１１１から入力されたＲＦ信号は分配回路１１５により各増幅素子１１６に入力され、増幅されたＲＦ信号が合成回路１１７により合成されＲＦ信号出力端子１１３、１１４間に出力される。

電流源変換回路１２０は、コンデンサ１２３、１２５とインダクタ１２４によるπ型のローパスフィルタ構成となっており、電流源変換端子１２１に接続される送電アンプ出力を電流源回路に変換し、電流源変換端子１２２より出力される。なお、コンデンサ１２３、１２５の容量値とインダクタ１２４のインダクタンス値は、ＲＦ信号周波数においてリアクタンス値が等しく、かつ特性インピーダンスとも等しくなるように定数を定めることで電流源変換を可能としている。

可変整合回路１４０は、可変容量コンデンサ１４３と整合用インダクタ１４４より構成され、可変整合出力端子１４２に接続される電極のインピーダンスの虚部を可変整合入力端子１４１から見て打ち消す構成としている。このため、整合用インダクタ１４４は電極間に食材がなく最も容量値が小さい場合に誘導性となるようにインダクタンスの値を定めておけば、これと直列接続される可変容量コンデンサを用いることで虚部の打ち消しが可能となる。

電圧検波回路１３０は、可変整合回路入力端子１４１の近くに接続されており、抵抗１３３、１３５、接地コンデンサ１３２、検波ダイオード１３４より構成され、電圧振幅入力端子１３１の電圧振幅を検波ダイオード１３４と抵抗１３３および接地コンデンサ１３２により、電圧振幅に対応する検波電圧を制御回路１０３に出力する。

上部電極１２と下部電極１３は対向して凸構造電極が構成され、この間に置かれた冷凍食材１４に対して誘電加熱による解凍が行われる。また、下部電極はＧＮＤ接続されるとともに凸構造電極近くには温度センサ１０４が設置され冷凍食材の温度測定が可能となっている。

また図１の制御回路１０３は、温度センサ１０４の出力に応じて、減衰器１０１、可変整合回路１４０を調整している。

本発明は、概略上記構成の高周波誘電加熱装置１００において、短時間の解凍が可能で、小型で低コストな高周波誘電加熱装置を得るために、送電アンプ１１０の高出力化、可変整合回路１４０、温度センサ１０４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電極１２、１３の構造、電流源変換回路１２０、並びに電圧検波回路１３０の採用といった各点において工夫がされたものである。

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１１０について、図２、図３を用いて説明する。

図２、図３は送電アンプ１１０の内部回路の一例を示したものである。図２はＡＢ級プッシュプル構成であり、アマチュア無線などの送信機に用いられるリニアアンプの構成を示したもので、バイアス回路８０１、接地コンデンサ８０２、８１４、入力整合用インダクタ８０４、８０５、８０６、８０７、ＭＯＳ ＦＥＴの増幅素子８１０、８１１、８１２、８１３からなり、さらに、分配回路１１５は中間タップ付きのトランス８０３、合成回路１１７は、利得改善用コンデンサ８１５、８１７、中間タップ付きのトランス８１６より構成される。また、増幅素子８１０、８１１はパッケージ８０８に、増幅素子８１２、８１３はパッケージ８０９に収められている。

図２においてＲＦ信号入力端子１１１より入力された信号は分配回路１１５により、差動信号に変換され、差動信号の片側が入力整合用インダクタ８０４と８０６を介して増幅素子８１０と８１２のゲートに入力され、逆相となるもう一方の差動信号は、入力整合用インダクタ８０５と８０７を介して増幅素子８１１と８１３のゲートに入力される。

なお、入力整合用インダクタは、増幅素子のゲートの入力容量と入力されるＲＦ信号周波数において共振する値として増幅素子のゲートに印加されるゲート振幅電圧が最も高くなるようにしている。そしてこれら入力されたＲＦ信号は増幅素子８１０と８１２のドレインと増幅素子８１１と８１３のドレインより互いに逆相となる信号で増幅し、合成回路１１７により電力合成されてＲＦ信号出力端子１１３、１１４より出力される。

２つの増幅素子が１つのパッケージに集積された増幅素子を２つ用いる場合、パッケージ毎にゲートとドレインを共通にするとパッケージ間のデバイスのバラツキによりプッシュプル動作の際に左右で偏りが生じ、効率が劣化する恐れがあるため、図２のように、たすき掛けの構成にすることで左右のアンバランスによる効率低下を低減することができる。

なお、合成回路１１７は電力合成の他に電源端子１１２から電源電圧を中間タップ付きトランス８１６により各増幅素子のドレインに供給するとともに、トランス間の結合時の漏れ磁束による利得の低下をトランスの１次側および２次側で並列に接続された利得改善用コンデンサ８１５、８１７で補償している。また、分配回路１１５も入力信号を分配する他に、バイアス回路８０１は、トランス８０３の中間タップから各増幅素子のゲートにバイアス電圧を供給する。

以上の構成では、従来、２つの増幅素子によるプッシュプル構成を４素子で構成することが可能となるため、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、比較的低コストな増幅素子を用いることができる。

図３は、図１で示した送電アンプ１１０の他の一例としてＥ級プッシュプル構成のスイッチングアンプの内部回路を示したものである。図の送電アンプは、入力整合用インダクタ９０３、９０４、９０５、９０６、バイアス抵抗９０７、９０８、９０９、９１０、ＭＯＳ ＦＥＴの増幅素子９１１、９１２、９１３、９１４、共振コンデンサ、９１５、９１６、９１７、９１８、共振インダクタ９１９、９２０、９２１、９２２からなり、さらに、分配回路１１５は入力整合用コンデンサ９０１が１次側に並列に接続されたトランス９０２により構成され、合成回路１１７は、電源端子１１２の電源がチョークコイル９２４を介して中間タップから供給される構成のトランス９２３からなる。

図３の送電アンプは図２の送電アンプと比較して異なる点は、増幅素子のゲートがバイアス抵抗９０７～９１０によりＧＮＤに接続されるため、無信号時はドレイン電流が流れないゼロバイアス回路となり、さらに、増幅素子出力のドレインは、共振コンデンサ９１５～９１８と共振インダクタ９１９～９２２によるＲＦ信号周波数で共振する共振回路構成となっている。電源端子１１２に印加された電圧は、チョークコイル９２４を介して増幅素子がオン状態のときに流れるドレイン電流により、トランス９２３にエネルギーが蓄えられる。そして、ドレインがオフとなると、電源電圧とトランス９２３に蓄えられたエネルギーにより電源電圧の２倍の電圧で共振コンデンサと共振インダクタによる共振回路に共振電流が流れ、これをトランス９２３により電力合成してＲＦ信号出力端子１１３、１１４より出力される。

以上の送電アンプ１１０は出力に共振回路があるため、固定の周波数となるが、図２のＡＥ級アンプと同様の効果が得られるのに加え、電源効率が１０％程度高くなるため、電源効率を向上することができ、従って高出力化できるとともに、送電アンプの放熱に用いられる放熱ファンなども小型化することが可能となる。

次に電流源変換回路１２０について説明する。まず、電流源変換回路１２０において電流変換させる理由について、図４ａ、図４ｂを用いて説明する。

図４ａは定電流源変換回路に定電圧源を接続した場合の一例を示したもので、ＲＦ信号周波数ｆ、電圧Ｖで出力される電圧源５０１に図１で示した電流源変換回路１２０が接続され、さらに負荷５０２が接続されている。また、周波数ｆにおいて、コンデンサ１２３、１２５とインダクタ１２４のリアクタンス値が等しいことから、ωＬ＝１／ωＣ＝Ｘとした場合、電圧源５０１から見たインピーダンスＺａは、Ｚａ＝Ｘ^２／Ｚとなり、負荷Ｚに反比例する特性となる。

ここで、Ｘが特性インピーダンスＺ０と等しくすれば、負荷ＺがＺ０のとき、Ｚａ＝Ｚ０となり特性インピーダンスと等しくなる。また、負荷Ｚに流れる電流ＩＬを計算すると、ＩＬ＝－ｊＶ／Ｘとなり、負荷Ｚによらず一定の電流が流れることから電流源と見なすことができる。

これを等価回路にしたものが図４ｂの回路であり、電流源５０３に負荷５０２が接続されている構成となり、図１で示した電流源変換回路１２０により電流源変換が可能であることが分かる。

なお、図１ではπ型のローパスフィルタ構成であったが、図５に示すように、インダクタ６０１とインダクタ６０２の接続点と接地間にコンデンサ６０３が接続されるＴ型のローパスフィルタであっても同様の効果が得られ、このときもインダクタ１２０、１２２とコンデンサ６０３のリアクタンス値と特性インピーダンスの値が等しくなるような定数とすればよい。さらに、図１ではπ型の３次のフィルタであったが、π型３次のフィルタを奇数段接続しても同様の効果が得られるとともに、次数を増やすことでより急峻なフィルタ特性が得られる。

図６では３次のπ型フィルタを３段接続した７次の例を示す。インダクタ７０２、７０４、７０６の接続点と接地間にコンデンサ７０１、７０３、７０５、７０７が接続された構成となっているが、コンデンサ７０３およびコンデンサ７０５は隣り合うコンデンサが合成されるため、２倍の容量となる。また、偶数段接続の場合は電流電源ではなく電圧源に変換される。

次に、小型化の観点から工夫された可変整合回路１４０について説明する。なお可変整合回路１４０で使用される可変容量コンデンサ１４１は、扇形の金属板の対向面積を金属板が固定されている軸を機械的に回転させて変えることで容量値を増減させるバリアブルコンデンサが一般的には用いられるが、軸を回転させるための機体的機構が必要となり、形状が大きく高コストとなるので可変素子数を減らすか別の可変手段を用いることが望ましい。

図７は、容量切り替えによる可変容量構成を示したもので、コンデンサ２０１、２０２、２０３とリレーなどによるスイッチ回路２０４、２０５と整合用インダクタ１４４からなり、コンデンサ２０２、２０３とこれらと直列に接続されたスイッチ回路２０４、２０５をオンオフすることでこれらコンデンサの合成の容量値が増減するため、段階的な調整が可能となる。

次に、新たに工夫された電圧検波回路１３０について説明する。ここで従来は、方向性結合器を用いて反射電力と入射電力を測定し、ＶＳＷＲを計算することで整合状態を検知していたのに対し、実施例１の電圧検波回路１３０によれば電圧振幅だけで整合状態を検知できる理由を図８ａ、図８ｂにより説明する。

図８ａは、電流源変換回路により電流源に変換するとともに、可変整合回路により電極の虚部を打ち消す構成の等価回路を示し、図８ｂは図８ａの等価回路を回路シミュレーションにより計算した結果を示したものである。

図８ａの等価回路において、可変整合回路のインダクタンス値をＬ、電極間の等価直列容量と可変容量コンデンサとの合成容量をＣ、電極間の等価直列抵抗をＲｒｓとした場合の端子間の電圧Ｖは（１）式で求められる。

（１）式においてＲｒｓが一定の場合、端子電圧ＶはωＬ－１／ωＣ＝０のとき、すなわち、電極の虚部を可変整合回路で打ち消した状態のときに最小となる。このため、電圧検波回路を用いて可変整合入力端子の電圧が最小となるように可変容量の値を調整すればよい。

また図８ｂは図１で示した誘電加熱装置において、可変整合回路の容量値を振った時の可変整合入力端子の電圧の値を回路シミュレーションにより計算した結果を示す。送電アンプの周波数は１３．５６ＭＨｚであり、電源電圧の値は６５ＶでＡＢ級のプッシュプル回路とし、電極の等価直列抵抗の値は２０Ωとし、電流源回路のインダクタやコンデンサのリアクタンスも２０Ωとして計算した。

図のシミュレーション結果は、横軸が可変整合回路と電極間を含めたインピーダンスＺの絶対値と電極の等価直列抵抗Ｒｒｓとの比であり、この値が１のとき、虚部が打ち消された状態となる。また、縦軸は、可変整合入力端子のピーク電圧である。図の特性から、虚部が打ち消しの状態である｜Ｚ｜／Ｒｒｓ＝１のとき電圧振幅が最小となることが分かる。このため、この端子電圧を電圧検波回路により検波することで整合の状態検知が可能となる。

次に、高出力化で顕著となる加熱ムラの低減を図る電極１２、１３の構造について説明する。

図９ａ、図９ｂは図１で示した凸構造電極の一例を示した正面図と斜視図を示す。これらの図において、上部電極１２、下部電極１３はともに３００ｍｍ×２６０ｍｍの大きさで電極間距離は９５ｍｍとなっており、これら電極間には底面が１３０ｍｍ×１９５ｍｍ、上面が１２０ｍｍ×１８０ｍｍ、高さ２０ｍｍの凸構造電極が対向する構造となっている。なお、下部電極から高さ１０ｍｍの位置に一般的な弁当サイズである１７０ｍｍ×２３０ｍｍ×３５ｍｍの冷凍食材１４が置かれることを想定しており、凸構造電極の上部面積は、想定している冷凍食材の大きさよりも若干小さいサイズとして冷凍食材の中央部の電界を高くすることで、食材端部への電界集中による加熱ムラを抑える構成としている。

図１０ａ、図１０ｂは、図９で示した電極を用いて加熱時の冷凍食材の発熱分布を電磁界解析により計算した結果を示す。冷凍食材の例として、１７０ｍｍ×２３０ｍｍ×３５ｍｍの大きさのマグロの赤身を図９で示した電極構造による場合の解凍状況を図１０ａに示し、比較として、従来の平行平板（３００ｍｍ×２６０ｍｍ）での解凍状況を図１０ｂに示す。

なお、従来の平行平板では冷凍食材との距離を５ｍｍとしたが、凸構造電極では、凸部上面の面積が小さく、より電界が集中することから、凸部上面と冷凍食材の距離を１０ｍｍとした。これらの計算結果から、従来の平行平板では、中心部よりも食材周囲の発熱が高く、食材周囲から解凍が進むため、加熱ムラが発生し易いことが分かる。これに対し、凸構造電極は、冷凍食材周囲の発熱が若干進む部分も見られるが、食材中央部の電界が高くなる構造であるため、中心部の発熱が最も進むことが分かる。また、凸構造電極では中心部の加熱が進むことから、食材中央部付近の温度を計測しておけば、食材の大きさに関係なく解凍状況の把握が可能となる。

図１１は、図１０ａ、図１０ｂの電磁界解析に用いたマグロの赤身の温度（横軸）に対する比誘電率の実部εｒ‘（縦軸）を、図１２は比誘電率の虚部εｒ’‘の一例を示したものである。

これらの図から、実際に解凍を行う－２０℃から－５℃程度の温度範囲では、比誘電率の実部εｒ‘は５から１８程度、虚部は２から１２程度、温度上昇に伴いどちらも増加することが分かる。

また、図１３に、図１０ｂで示した平行平板電極にマグロの赤身が置かれた場合の温度（横軸）に対する電極間の等価直列抵抗（縦軸）を、図１４に電極間の等価直列容量値（縦軸）を計算した結果を示す。周波数は、１３．５６ＭＨｚである。図１３より、－２０℃から－５℃程度の温度範囲では等価直列抵抗は、４０Ωから２０Ω程度まで減少し、図１４から等価直列容量は２８ｐＦから３８ｐＦまで増加することが分かる。

ここで、図１３では、解凍が始まる－２０℃付近は解凍を進めたいため、発熱量を大きくし、解凍が終わりとなる－５℃付近では発熱量を小さくする必要がある。しかし、従来の定電圧源タイプの送電アンプでは、発熱量はＶ^２／Ｒとなり、等価直列抵抗に反比例するため、解凍が終わりかける－５℃付近は直列等価抵抗が小さくなって発熱が高くなることから、送電アンプの出力電力を下げるなどの制御が必要となる。

これに対し、図１で示した高周波誘電装置は、電流源変換回路１２０の付加で発熱量はＩ^２Ｒとなって等価直列抵抗に比例するため、最も発熱が必要となる－２０℃で最大となる。そして徐々に解凍が進むにつれて発熱が小さくなっていくことから、温度検知などの検知手段も含め送電アンプの制御が簡略化できるため低コスト化が図れる。なお、図１４の直列等価容量は解凍が進むにつれて容量値が大きくなるため、図１で示した高周波誘電装置の可変制御回路１４０の可変容量コンデンサ１４３は解凍開始から徐々に容量値を減らしていけばよいことが分かる。

図１５は、図１で示した実施例１に係る高周波誘電加熱装置１００において、冷凍食材１４を解凍するまでの流れを示したフローであり、図１５および図１を用いて説明する。このフローは、計算機を用いて実現される図１の制御回路１０３による処理の流れを示している。

この処理ではまず、上部電極１２および下部電極１３間に置かれた冷凍食材１４に対し、制御回路１０３は処理ステップＳ１０１において減衰器１０１を調整して送電アンプ１１０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。

次に、制御回路１０３は処理ステップＳ１０２において可変整合回路１４０の可変容量コンデンサ１４３の容量値を最も大きい状態とし、このとき電圧検波回路１３０は可変整合回路入力端子１４１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Ｓ１０３において可変容量コンデンサ１４３の容量値を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。

制御回路１０３は処理ステップＳ１０４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Ｓ１０３に戻り、可変容量コンデンサの１４３の容量値を減らし、その時の検波電圧を測定する。

検波電圧が上昇した場合は処理ステップＳ１０５において、電極のインピーダンスの虚部が可変整合回路１４０により打ち消され、さらに、容量性から若干、誘導性となったと考えられるため、可変容量コンデンサ１４３の容量値を１段増やして通常の送電を開始する。

そして処理ステップＳ１０６において、温度センサ１０４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Ｓ１０６、処理ステップＳ１０７、処理ステップＳ１０８、処理ステップＳ１０６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、検波電圧が高くなった場合は処理ステップＳ１０９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Ｓ１０３のステップに戻り、虚部を打ち消す状態まで可変容量コンデンサ１４３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Ｓ１１０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。

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。

以上の実施例１に係る高周波誘電加熱装置では、送電アンプの高出力化が図れる上に小型、低コストで加熱ムラの少ない高周波誘電加熱装置が得られる。

図１６は、本発明の実施例２に係る高周波誘電加熱装置１００の概略回路構成のブロック図であり、図１６を用いて本発明の実施例２の構成および動作を説明する。

図１６は、図１で示した実施例１と比較し、差動信号で電極に印加される点が異なる構成となっており、図１で示した実施例１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。

図１６の構成は、電流源変換回路１２０が１５１０のように構成され、電圧検波回路１３０が１５３０のように構成され、可変整合回路１４０が１５４０、１５５０のように構成された点で、図１とは相違している。

このうち電流源変換回路１５１０は、コンデンサ１５１５、１５１６、１５１９、１５２０、インダクタ１５１７、１５１８より構成され、コンデンサ１５１５、インダクタ１５１７およびコンデンサ１５１９により構成されるπ型の電流変換回路とコンデンサ１５１６、インダクタ１５１８およびコンデンサ１５２０で構成されるπ型の電流源変換回路が折り返して送電アンプ１１０のＲＦ信号出力端子１１３、１１４と電流源変換端子１５１１、１５１２が接続される構成となっているため、電流源変換端子１５１１、１５１２間に入力される差動の定電圧源を定電流源に変換して電流源変換端子１５１３、１５１４より出力する構成となる。なお、差動信号となることで電流源変換回路のコンデンサとインダクタのリアクタンス値は特性インピーダンスの２分の１の大きさで定数を定めればよい。

また、電圧検波回路１５３０は、可変整合回路入力端子１５４１、１５４２の両端の電圧振幅に対し、抵抗１５３７、１５３８を介して検波ダイオード１５３３、１５３４、１５３５、１５３６によるブリッジ回路と抵抗１５１２と接地コンデンサ１５３１により検波出力する構成となっている。

また、可変整合回路１５４０、１５５０は、それぞれ対称構成の整合用インダクタ１５４４、可変容量コンデンサ１５４３と、整合用インダクタ１５５４、可変容量コンデンサ１５５３より構成され、可変整合出力端子１５４２、１５５２より上部電極１２および下部電極１３に接続される。

以上の実施例２に係る高周波誘電加熱装置は、実施例１に係る高周波誘電加熱装置と同様の効果が得られるのに加え、差動構成とすることで電流源変換回路１５１０や整合回路１５４０、１５５０に加わる電圧が下がるため、耐圧の低い小型で低コストの回路部品が使えるとともに、電極と筐体ＧＮＤ間の電界も下がるため、電極と筐体ＧＮＤ間の距離も近づけることができるので、より小型化、低コスト化が可能となる。

図１７は本発明の実施例３に係る高周波誘電加熱装置１００の構成例を示す概略断面図であり、図１７～図１９および図１を用いて本発明の実施例３の構成を説明する。

図１は、高周波誘電加熱装置の主として電気回路構成を示しているが、図１７は図１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１で示した実施例１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。

図１７において、筐体１６０１内には、蓋１６０２、ＧＮＤシールド板１６０３、実装基板１６０４、放熱板１６０５、放熱フィン１６０６、引き出し口１６０７、ファン１６０８、絶縁体板１６０９などが図示の位置に配置され、構成されている。

図において、送電アンプ１１０を構成する分配回路１１５、増幅素子１１６および合成回路１１７は、実装基板１６０４上に実装され、実装基板１６０４の裏面には放熱板１６０５が取り付けられ、さらに放熱板１６０５には放熱フィン１６０６およびファン１６０８が放熱板に実装されている。

また、これら送電アンプ１１０および放熱板１６０５は、高周波誘電加熱装置の筐体１６０１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１６０３の引き出し口１６０７を介して上下電極１２、１３にケーブル１６１０、１６１１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。

また、下部電極１３の上部には電極と冷凍食材１４との距離を確保するための絶縁板１６０９が敷かれており、下部電極の中心部付近には温度センサ１０４が設置されるとともに、送電アンプ１１０の下部には電源回路１０２が搭載されている。

図１８は、図１７の本発明の実施例３に係る高周波誘電加熱装置１００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１７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。

図１８によれば、表面及び庫内には棚受け１７０１、１７０２、表示パネル１７０３、押しボタン１７０４、１７０５、調整つまみ１７０６が図示の位置に配置されている。さらに、上下電極１２、１３間に印加される電界による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１６０３には、電極と接続するケーブル１６１０、１６１１を引き出すための引き出し口１６０７が空けられ、ＧＮＤシールド板１６０３の両サイドには樹脂製の絶縁された棚受け１７０１、１７０２（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。

この棚受けは、上下電極１２、１３および絶縁板１６０９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、正面には表示パネル１７０３が設けられ、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１７０４、１７０５や解凍完了の温度等を設定する調整つまみ１７０４を設けるとともに、これら操作パネルの奥には制御回路１０３が搭載されている。

図１９は、図１７の本発明の実施例３に係る高周波誘電加熱装置１００の背面側の構造例を示す背面図である。図において、図１７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。

図１９において１８０１は電源コンセントであり、筐体１６０１の背面側は、放熱板１６０５、放熱フィン１６０６およびファン１６０８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、送電アンプの下部には電源回路１０２を配置するとともに、操作パネル側に制御回路１０３を配置し、その反対側のＧＮＤシールド板１６０３よりも奥側に可変整合回路１４０を配置し、可変整合回路出力端子１４２からケーブル１６１０により引き出し口１６０７を介して上部電極１２に接続する構成となっている。

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誘電加熱装置を得ることができる。

図２０は本発明の実施例４に係る高周波誘電加熱装置１００の構成例を示す側面図であり、本図を用いて本発明の実施例４の構成を説明する。

図２０は、図１７で示した実施例３の高周波誘電加熱装置と比較して、上部電極１２の上側に絶縁板１９０１を設け、その上に冷凍食材１９０２を置くことを可能とした。上部電極１２とＧＮＤシールド板１６０３間で生じる寄生容量が大きい場合、冷凍食材１４を介さずに寄生容量を介して高周波電流が流れて加熱効率が低下してしまうため、上部電極１２とＧＮＤシールド板１６０３間にはある程度距離を離す必要がある。このため、この空間も他の冷凍食材を置くことで、並行して複数の食材の解凍が可能となる。

以上、実施例１から実施例４を通じて、高出力化と小型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。

第１点は、送電アンプに関し、少なくとも２素子以上の増幅素子にＭＨｚ帯のＲＦ信号を分配する分配回路を用いて各増幅素子に入力するとともに、増幅されたＲＦ信号を合成回路により合成して出力するプッシュプル増幅回路とした。これにより、比較的耐圧が低く、低コストの増幅素子を用いることができるので、高出力化に伴うコスト増が抑えられる構成とした。

第２点も送電アンプに関し、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。

第３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、送電アッ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。

第４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）間に方向性結合器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。

さらに第５点として、冷凍食材の周囲形状に対し、若干小さい形状の凸構造の電極を用いることで食材の内側部分の電界強度を高くする構成とすることで、高出力化に伴い顕著となる食材端部の加熱ムラを抑える構成とした。

１：ＲＦ信号源
２、１１０：送電アンプ
３：インピーダンス変換回路
４、１０３：制御回路
５、１０、１３２、８０２、８１４、９２５：接地コンデンサ
６、９、１３４、１５３３、１５３４、１５３５、１５３６：検波ダイオード
７、８：基準抵抗
１１、１４０、１５４０、１５４１：可変整合回路
１２：上部電極
１３；下部電極
１４：冷凍食材
１０１：減衰器
１０２：電源回路
１０４：温度センサ
１１１：ＲＦ信号入力端子
１１２：電源端子
１１３、１１４：ＲＦ信号出力端子
１１６、８１０、８１１、８１２、８１３：増幅素子
１１７：合成回路
１２０：電流源変換回路
１２１、１２２、１５１１、１５１２、１５１３、１５１４：電流源変換端子
１２３、１２５、６０３、７０１、７０３、７０５、７０７、１５１５、１５１６、１５１９、１５２０：コンデンサ
１２４、２０１、２０２、２０３、６０１、６０２、７０２、７０４、７０６、１５１７、１５１８：インダクタ
１３０、１５３０：電圧検波回路
１３１：電圧振幅入力端子
１３３、１３５：抵抗
１４１、１５４１、１５４２：可変整合入力端子
１４２、１５４２、１５５２：可変整合出力端子
１４３、１５４３、１５５３：可変容量コンデンサ
１４４、１５４４、１５５４：整合用インダクタ
２０４、２０５；スイッチ回路
５０１：電圧源
５０２：負荷抵抗
５０３：電流源
８０１：バイアス回路
８０３、８１６、９０２、９２３：トランス
８０４、８０５、８０６、８０７、９０３、９０４、９０５、９０６：入力整合用インダクタ
９０７、９０８、９０９、９１０：バイアス抵抗
８０８、８０９：パッケージ
８１５、８１７、９０１：入力整合用コンデンサ
９１５、９１６、９１７、９１８：共振コンデンサ
９１９、９２０、９２１、９２２：共振インダクタ
９２４：チョークコイル
１６０１：筐体
１６０２：蓋
１６０３：ＧＮＤシールド板
１６０４：実装基板
１６０５：放熱板
１６０６：フィン
１６０７：引き出し口
１６０８：ファン
１６０９、１６１０：ケーブル
１７０１、１７０２：棚受け
１７０３：表示パネル
１７０４、１７０５：押しボタン
１７０６：調整つまみ

Claims (9)

1. ＭＨｚ帯域の高周波信号を増幅する送電アンプの出力を、可変整合回路を介して上下に対向配置された電極に与え、電極間に電界を発生させて前記電極間に置かれた冷凍食材を解凍するとともに、反射電力を測定する反射電力測定回路と制御回路を備えた高周波誘電加熱装置であって、
   前記反射電力測定回路は、前記送電アンプと可変整合回路との間の電圧振幅を検知する電圧検波回路であって、前記制御回路は、前記電圧検波回路の検波電圧により前記可変整合回路のインピーダンスを調整して前記電極とのインピーダンス整合を図るものであり、
   前記送電アンプの出力側に高調波を抑圧するローパスフィルタを兼ねた電流源変換回路を付加するとともに、
   前記電流源変換回路は、π型もしくはＴ型の３次ローパスフィルタであって、前記ローパスフィルタの各素子のリアクタンスの大きさが送電周波数で互いに等しくかつ特性インピーダンスと等しい値とした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、
   前記送電アンプは、入力に分配回路、出力に合成回路を備えた少なくとも２つの増幅素子からなるプッシュプル構成であることを特徴とする高周波誘電加熱装置。
3. 請求項１に記載の高周波誘電加熱装置であって、
   前記可変整合回路はインダクタと可変容量コンデンサからなり、前記電極と直列に接続され、前記制御回路は、前記可変整合回路の可変容量コンデンサを可変して前記電極間の等価インピーダンスの虚部を打ち消すように調整することを特徴とする高周波誘電加熱装置。
4. 請求項３に記載の高周波誘電加熱装置であって、
   前記可変容量コンデンサは、コンデンサとスイッチ回路が直列に接続された直列接続体を複数並列に接続し、前記スイッチ回路をオンオフすることで容量値を可変する構成であることを特徴とする高周波誘電加熱装置。
5. 請求項１に記載の高周波誘電加熱装置であって、
   前記ローパスフィルタは、３次ローパスフィルタを３段もしくは５段直列に接続した５次あるいは７次のローパスフィルタであることを特徴とする高周波誘電加熱装置。
6. ＭＨｚ帯域の高周波信号を増幅する送電アンプの出力を、可変整合回路を介して上下に対向配置された電極に与え、電極間に電界を発生させて前記電極間に置かれた冷凍食材を解凍するとともに、反射電力を測定する反射電力測定回路と制御回路を備えた高周波誘電加熱装置であって、
   前記反射電力測定回路は、前記送電アンプと可変整合回路との間の電圧振幅を検知する電圧検波回路であって、前記制御回路は、前記電圧検波回路の検波電圧により前記可変整合回路のインピーダンスを調整して前記電極とのインピーダンス整合を図るものであり、
   前記送電アンプは、ＡＢ級のプッシュプル構成のリニアアンプか、Ｅ級のプッシュプル送電アンプを用いたものであり、
   前記送電アンプの増幅素子は、第１と第２の電界効果トランジスタが１つのパッケージに集積され、同様に、第３と第４の電界効果トランジスタが１つのパッケージに集積され、前記第１と第３の電界効果トランジスタのゲートとドレインがそれぞれ接続されるとともに、前記第２と第４の電界効果トランジスタのゲートとドレインがそれぞれ接続されたプッシュプル構成のＡＢ級アンプであることを特徴とする高周波誘電加熱装置。
7. 請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の高周波誘電加熱装置であって、
   前記高周波誘電加熱装置は、略四角形状の筐体であり、
   前記送電アンプを実装する基板を放熱板の上に配置した送電アンプモジュールを前記高周波誘電加熱装置の背面側に立て掛けて実装し、前記送電アンプの発熱を前記放熱板により前記高周波誘電加熱装置の背面から放熱するとともに、上下電極を前記送電アンプの放熱板と反対側に実装したことを特徴とする高周波誘電加熱装置。
8. 請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載の高周波誘電加熱装置であって、
   上下電極の周囲を接地されたシールド板によりシールドする構成であって、上下電極間で発生する電界と、前記シールド板と部電極の上部で発生する電界の両方で冷凍食材を同時に加熱できるようにしたことを特徴とする高周波誘電加熱装置。
9. 請求項３に記載の高周波誘電加熱装置であって、
   前記送電アンプは、加熱開始時には前記可変容量コンデンサの容量値を最大にして送電を開始し、前記電圧検波回路の検波電圧が最小となるように前記可変容量コンデンサの容量値を小さくしていくことでインピーダンス整合を図るインピーダンス調整方法を用いたことを特徴とする高周波誘電加熱装置。

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