JP6838291B2 - 半導体式高周波誘電加熱装置 - Google Patents
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Description
これを防ぐために、高周波電源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。
図1(a)は、高周波電源20と並列に接続された第1コンデンサC1と、電極30に直列に接続された第2コンデンサC2とコイルLを備えており、第1コンデンサC1と第2コンデンサC2を容量可変とし、その値をリアルタイムに逐次変化させることでインピーダンス整合をおこなう構成である。
ここで、高周波電源20の出力インピーダンスと整合器40の合成インピーダンスをZとすると、
Z=R/(1+ω2R2C1 2)+j{(ωL−1/ωC2)−ωR2C1/(1+ω2R2C1 2)}であり、
その複素共役Z’が容量可変コンデンサC1、C2によるインピーダンス整合範囲として示される。このとき、Z’の抵抗R/(1+ω2R2C1 2)は電源の出力インピーダンスRより大きくなることはないため、例えば、食材のように大きな抵抗やインピーダンスを有する負荷に対してはインピーダンス整合を適切におこなうことはできない。
ここで、上記式中の各記号は、ω:角周波数、R:電源の出力インピーダンス、L:コイルのリアクタンス、C1:容量可変第1コンデンサの容量、C2:容量可変第2コンデンサの容量である。
しかし、第3コンデンサC3を容量可変とし、その値を逐次変化させる構成では、電極インピーダンスもそれに応じて逐次変化するため、特に、電極30間の負荷が食材のように大容量であり、しかも、形状、種類、加熱又は解凍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、その変化は助長されることになり、インピーダンス整合を安定しておこない続けることは困難である。そして、電極インピーダンスが安定しない状態でインピーダンス整合を維持するためには、大きなインピーダンス調整幅を第1コンデンサC1に持たせる必要があり、整合器40が大型でコストが高くなるといった問題が生じる。
特許文献1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、可変コンデンサと可変コイル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。
このように、インピーダンス整合範囲を食材の解凍に特化させることにより、整合器の簡素化、小型化を図ることができる。また、インピーダンス整合時間の短縮により、反射電力から機器の損傷や劣化を防ぎ、信頼性を向上させることができる。
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。
Z=1/[{(1/R+jωC1)−1+j(ωL−1/ωC2)}−1+jωC3]
上記式中の各記号は、ω:角周波数、R:電源の出力インピーダンス(同軸ケーブルの抵抗)、L:コイルのリアクタンス、C1:容量可変の第1コンデンサの容量、C2:容量可変の第2コンデンサの容量、C3:第3コンデンサの容量である。
ここで、合成インピーダンスZの複素共役をZ’とすると、第1コンデンサC1又は第2コンデンサC2の容量可変幅で得られるZ’の範囲が、インピーダンス整合範囲であり、ω、R、L、C1、C2、C3の値によって、自由に設定可能である。
そして、第3コンデンサC3を所定の値に設定することによって、高周波電源20の出力インピーダンスと整合器40によって形成されるインピーダンス整合範囲の少なくとも抵抗は、前記出力インピーダンスより大きく(出力インピーダンスより大きい部分を含み)、リアクタンスの範囲は正より負が大となる。
第3コンデンサC3を接続しない場合、解凍開始でのC2容量%は食材の種類や個数によってそれぞれ異なっており、解凍終了でのC2容量%は減少方向に大きく変化している。すなわち、第2コンデンサC2の容量可変幅を大きくしなければ、インピーダンス整合をおこなうことは困難であり、整合器40の簡素化、小型化を図ることはできない。
図3(b)は、上記回路構成に加えて電極30と並列に容量400pFの第3コンデンサC3を接続し、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。第2コンデンサC2の容量%を大きく変化させることなく、各種食材の解凍が可能であり、第2コンデンサC2の容量可変幅を小さくした整合器40の簡素化、小型化を図ることができる。
ただし、角周波数ω=13.56MHz、高周波電源20の出力インピーダンスR=50Ω、コイルLのリアクタンスL=1.8μH、容量可変の第1コンデンサC1の容量C1=150〜1500pF、容量可変の第2コンデンサC2の容量C2=25〜250pFとする。
Z’で得られるインピーダンス整合範囲は、高周波電源20の出力インピーダンスR=50Ω(規格化インピーダンス1)より小さい範囲に限定されており、それより大きな抵抗負荷に対してはインピーダンス整合不能である。
ただし、角周波数ω=13.56MHz、電源の出力インピーダンスR=50Ω、コイルLのリアクタンスL=1.8μH、容量可変の第1コンデンサC1の容量C1=150〜1500pF、容量可変の第2コンデンサC2の容量C2=25〜250pF、第3コンデンサC3の容量C3=50pF、200pF、400pF、600pFとする。
電極30と並列に第3コンデンサC3を接続し、その値を増加することによって、前述した図5に示す例のZ’で得られるインピーダンス整合範囲は、反時計周りに回転し、Z’の抵抗は電源の出力インピーダンスR=50Ω(規格化インピーダンス1)より大きい範囲に拡大した。リアクタンスの範囲は、第3コンデンサC3の容量C3=200pF、400pFでは正より負が大きく、C3=600pFでは正より負が小さくなった。このように、電極30と並列に第3コンデンサC3を接続することによって、冷凍食材の解凍に特化した整合範囲を得ることができる。
第3コンデンサC3が接続されていない状態では、解凍に伴いバリコンC1、C2の値は大きく減少変化しているが、第3コンデンサC3を接続することによりバリコンC1、C2の変化は抑制され、C3=200pFよりC3=400pFの方がバリコンC1、C2の変化抑制の効果は大きかった。
第3コンデンサC3が接続されていない状態では、解凍に伴いバリコンC1、C2の値は大きく減少変化しているが、C3=200pFを接続した状態では、バリコンC1、C2の変化は抑制されている。C3=400pFを接続した状態では、自動インピーダンス整合できなかった。
このとき、第3コンデンサC3のコンデンサ容量の値が大きい方が、電極インピーダンスの変化抑制に効果的であるが、冷凍食材が厚肉の場合、整合が困難になることもあるため、食材に応じて、最適なC3の値を設定することが好ましい。
20 ・・・ 高周波電源
30 ・・・ 電極
40 ・・・ 整合器
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 (2)
- 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、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半導体式高周波誘電加熱装置であって、
前記整合器は、前記高周波電源と並列に接続された第1コンデンサと、前記電極と並列に接続された第3コンデンサと、前記第1コンデンサと前記第3コンデンサの間に直列に接続されたコイルおよび第2コンデンサと、制御部とを備え、
前記第1コンデンサ又は前記第2コンデンサの少なくとも一方は、容量可変手段を備え、
前記制御部は、前記冷凍食材の解凍中に、前記第3コンデンサの容量を可変調整することはなく、前記第1コンデンサ又は前記第2コンデンサの少なくとも一方の容量を変化させることで、インピーダンス整合を行うように設定され、
前記高周波電源の出力インピーダンスと前記整合器によって形成されるインピーダンス整合範囲について、前記整合範囲の抵抗は前記出力インピーダンスより大きい部分を含み、且つ、リアクタンスの範囲は正より負が大になるように設定されていることを特徴とする半導体式高周波誘電加熱装置。 - 前記半導体式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に記載の半導体式高周波誘電加熱装置。
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