JP7415101B1 - 高周波誘電加熱装置 - Google Patents

Abstract

高周波誘電加熱装置は、高周波信号を発生する高周波信号源（１）と、対向するように配置された２つの電極を有する少なくとも１つの電極対（３２ａ～３４ａ、３２ｂ～３４ｂ）であって、前記少なくとも１つの電極対の電極面積を可変できる少なくとも１つの電極対（３２ａ～３４ａ、３２ｂ～３４ｂ）と、固定コイルおよび固定コンデンサを備え、前記高周波信号源と前記少なくとも１つの電極対とのインピーダンスを整合する整合回路（２）と、前記整合回路と前記少なくとも１つの電極対との間に配置され、前記少なくとも１つの電極対からの反射信号を取り出す方向性結合器（５）と、前記方向性結合器から取り出される反射信号の電力を測定する検波回路（６）と、前記検波回路により測定される反射電力が閾値以下となるように前記少なくとも１つの電極対の電極面積を制御する制御回路（７Ａ；７Ｂ；７Ｃ；７Ｄ）と、を備える。

Description

本開示は、高周波による誘電加熱によって対象物を加熱する高周波誘電加熱装置に関する。

誘電加熱では、加熱する対象物である被加熱物の温度上昇に伴って被加熱物の誘電率が変化する。誘電率の変化により、固定の整合回路を用いた誘電加熱では、高周波信号源と被加熱物のインピーダンス整合が維持できず加熱効率が低下する。このような加熱効率の低下に対処するため、特許文献１には、整合回路からの反射電力を測定し、その反射電力の値が閾値を超えると整合回路の可変キャパシタのキャパシタンスまたは可変インダクタのインダクタンスを単調増加させて整合状態を維持する方法が開示されている。

特開２００５－５６７８１号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、整合回路が可変とされているため、整合回路の動作に起因する電力損失が発生するという課題がある。

本開示は、このような課題の認識を契機としてなされたものであり、固定の整合回路を用いつつ、高周波信号源と被加熱物のインピーダンス整合を維持できる高周波誘電加熱装置を提供することを目的とする。

本開示の実施形態による高周波誘電加熱装置は、高周波信号を発生する高周波信号源と、対向するように配置された２つの電極を有する少なくとも１つの電極対であって、前記少なくとも１つの電極対の電極面積を可変できる少なくとも１つの電極対と、固定コイルおよび固定コンデンサを備え、前記高周波信号源と前記少なくとも１つの電極対とのインピーダンスを整合する整合回路と、前記整合回路と前記少なくとも１つの電極対との間に配置され、前記少なくとも１つの電極対からの反射信号を取り出す方向性結合器と、前記方向性結合器から取り出される反射信号の電力を測定する検波回路と、前記検波回路により測定される反射電力が閾値以下となるように前記少なくとも１つの電極対の電極面積を制御する制御回路と、を備える。

本開示の実施形態による高周波誘電加熱装置によれば、固定の整合回路を用いつつ、高周波信号源と被加熱物のインピーダンス整合を維持できる。

実施の形態１による高周波誘電加熱装置の構成図である。 実施の形態２による高周波誘電加熱装置の構成図である。 実施の形態３による高周波誘電加熱装置の構成図である。 実施の形態４による高周波誘電加熱装置の構成図である。

以下、添付の図面を参照して、本開示における種々の実施形態について詳細に説明する。なお、図面において同一または類似の符号を付された構成要素は、同一または類似の構成または機能を有するものであり、そのような構成要素についての重複する説明は省略する。

実施の形態１．
＜構成＞
図１を参照して、本開示の実施の形態１による高周波誘電加熱装置について説明する。図１は、実施の形態１の高周波誘電加熱装置を示す構成図である。図１に示されているように、実施の形態１の高周波誘電加熱装置は、高周波信号源１、整合回路２、加熱部３、方向性結合器５、検波回路６、および制御回路７Ａを備える。

（高周波信号源）
高周波信号源１は、高周波信号を生成する回路である。高周波信号源１として、水晶発振器、ルビジウム発振器、電圧制御発振器（ＶＣＯ）、ダイレクトデジタルシンセサイザ（ＤＤＳ）、またはフェーズロックループ（ＰＬＬ）回路を用いることができる。

（整合回路）
整合回路２は、高周波信号源１と加熱部３のインピーダンス整合を行う回路である。整合回路２は、インダクタンス値が固定された少なくとも１つの固定コイル、およびキャパシタンス値が固定された少なくとも１つの固定コンデンサを備える。一例として、整合回路２は、固定コイルと固定コンデンサを備える２つのＬＣ回路を備え、２つのＬＣ回路が直列に接続された構成を有する。

（加熱部）
加熱部３は、複数の電極対３１～３４を備える。各電極対は、高周波信号を出力する電極３１ａ～３４ａと、接地された電極３１ｂ～３４ｂとを備え、被加熱物４を挟むように対向して配置されている。各電極は板状の形状を有する。また、加熱部３は複数のスイッチにより構成されるスイッチ群３５を備え、スイッチ群３５は、電極３２ａ～３４ａのそれぞれと高周波信号が伝送される線路との接続を切り替えるスイッチ３２ｃ～３４ｃを備える。なお、本開示において、「被加熱物」との用語は、解凍または加熱の対象である対象物を意味するものとして用いる。

（方向性結合器）
方向性結合器５は、加熱部３からの反射信号を取り出す回路である。方向性結合器５は、整合回路２と加熱部３の間に配置される。方向性結合器５は、取り出した反射信号を検波回路６へ出力する。

（検波回路）
検波回路６は、方向性結合器５により取り出された反射信号の電力（以下、単に「反射電力」と称する場合がある。）を測定する回路である。検波回路６は、測定した反射電力を制御回路７Ａへ出力する。

（制御回路）
制御回路７（７Ａ）は、検波回路６により測定される反射電力が閾値以下となるように、スイッチ３２ｃ～３４ｃで構成されるスイッチ群３５を制御することにより、電極対３２～３４の内の少なくとも１つの電極対の電極面積を制御する。実施の形態１では、制御回路７Ａは、スイッチ３２ｃ～３４ｃで構成されるスイッチ群３５を、反射電力に応じて制御する。制御回路７Ａは、例えば、マイクロコンピュータにより実現される。

＜動作＞
次に動作について説明する。高周波信号源１から出力された高周波信号は、整合回路２を介して加熱部３に入力される。加熱部３に入力される信号のうち、反射した信号は方向性結合器５によって取り出され、反射した信号の電力が検波回路６によって測定され、反射信号の電力を示す測定結果が制御回路７Ａに入力される。

制御回路７Ａは、反射電力が閾値以上となった場合に、スイッチ群３５の各スイッチを制御することで被加熱物４を挟む電極の電極面積を電気的に制御し、高周波信号源１と加熱部３のインピーダンス整合を維持する。例えば、加熱開始時においては、スイッチ群３５の全てのスイッチをオフとし、電極３１ａと３１ｂの間でのみ電界が発生し、インピーダンス整合がとれた状態になるとする。このとき、反射電力は閾値以下となるが、被加熱物４の温度が上昇すると被加熱物４の誘電率が変化し、整合状態が維持できずに反射電力が閾値を超える。反射電力が閾値を超えた場合、制御回路７Ａは反射電力が閾値以下となるように、例えば３２ｃのスイッチをオンにして電極３２ａと３２ｂの間にも電界を発生させ、電気的に電極面積を制御し、整合状態を維持する。

＜動作＞
以上のように、温度によって変化する反射電力に応じて電極面積を制御するようにしているため、電力損失の小さい固定の整合回路を用いつつ整合状態を維持することができる。可変整合回路を用いていないので、可変整合回路の動作に起因する電力損失が発生せず、加熱効率を改善することができる。

実施の形態２．
＜構成＞
次に、図２を参照して、本開示の実施の形態２による高周波誘電加熱装置について説明する。実施の形態１による高周波誘電加熱装置は反射電力に応じて電極面積を制御するが、実施の形態２による高周波誘電加熱装置は温度に応じて電極面積を制御する。

図２は、実施の形態２の高周波誘電加熱装置を示す構成図である。実施の形態２の高周波誘電加熱装置は、実施の形態１の高周波誘電加熱装置に対して、被加熱物４の温度を測定する温度センサ８が追加された構成を備える。温度センサ８は、測定した温度を、制御回路７Ｂへ出力する。

制御回路７Ｂは、被加熱物４の温度と、検波回路６で測定した反射電力が閾値以下となる電極対の電極面積との対応を記録した制御テーブルを保持する。すなわち、事前に高周波誘電加熱装置により加熱の動作を行い、ある電極面積において反射電力が閾値を超えるときの温度センサ８で測定した温度と、その温度において電極面積を変化させて反射電力が閾値以下となるときの電極面積とを記録し、温度と反射電力が閾値以下となるための電極面積とを対応させた温度制御テーブルを作成する。そして、作成された温度制御テーブルは、制御回路７Ｂに保持される。

＜動作＞
次に動作について説明する。実施の形態２の高周波誘電加熱装置は、実際の加熱動作時には反射電力の測定は行わず、温度センサ８で被加熱物４の温度を測定し、制御回路７Ｂが温度制御テーブルを参照して、測定された温度に対応する電極面積となるようにスイッチ群３５を制御し、加熱を行う。

以上のように、事前に作成した被加熱物の温度に対する反射量が閾値以下となる電極面積の温度制御テーブルを用いることで、実際の加熱時に温度に応じて電極面積を制御するようにしているため、電力損失の小さい固定の整合回路を用いつつ整合状態を維持することができる。可変整合回路を用いていないので、可変整合回路の動作に起因する電力損失が発生せず、加熱効率を改善することができる。また、実施の形態２では、事前に作成した制御テーブルを用いるため、温度によって様々に変化する誘電率に対して最適な電極面積に瞬時に制御でき、短時間で被加熱物の温度を上昇させることができるといった効果も奏する。

実施の形態３．
＜構成＞
次に、図３を参照して、本開示の実施の形態３による高周波誘電加熱装置について説明する。実施の形態２による高周波誘電加熱装置は、被加熱物の温度に対応する電極面積の制御テーブルを参照して、測定温度に応じて電極面積を制御する。これに対して、実施の形態３による高周波誘電加熱装置は、被加熱物の容量値に対応する電極面積の制御テーブルを参照して、測定される容量値に応じて電極面積を制御する。なお、「被加熱物の容量値」とは、容量センサ９により被加熱物を測定した場合に容量センサ９が示す値を意味する。

図３は、実施の形態３の高周波誘電加熱装置を示す構成図である。実施の形態３の高周波誘電加熱装置は、実施の形態２の温度センサ８を被加熱物４の容量値を測定する容量センサ９に置き換えた構成を有する。容量センサ９は、測定した容量値を、制御回路７Ｃへ出力する。

制御回路７Ｃは、被加熱物４の容量値と、検波回路６で測定した反射電力が閾値以下となる電極対の電極面積との対応を記録した制御テーブルを保持する。すなわち、事前に高周波誘電加熱装置により加熱の動作を行い、ある電極面積において反射電力が閾値を超えるときの容量センサ９で測定した容量値と、その容量値において電極面積を変化させて反射電力が閾値以下となるときの電極面積とを記録し、容量値と反射電力が閾値以下となるための電極面積とを対応させた容量制御テーブルを作成する。そして、作成された容量制御テーブルは、制御回路７Ｃに保持される。

＜動作＞
次に動作について説明する。実施の形態３の高周波誘電加熱装置は、実際の加熱動作時には反射電力の測定は行わず、容量センサ９で被加熱物４の容量値を測定し、制御回路７Ｃが容量制御テーブルを参照して、測定された容量値に対応する電極面積となるようにスイッチ群３５を制御し、加熱を行う。

以上のように、実施の形態２の温度センサ８の代わりに容量センサ９を用いることで、加熱時の容量値に応じて電極面積を制御するようにしているため、電力損失の小さい固定の整合回路を用いつつ整合状態を維持することができる。可変整合回路を用いていないので、可変整合回路の動作に起因する電力損失が発生せず、加熱効率を改善することができる。また、実施の形態３においても実施の形態２と同様に、短時間で被加熱物の温度を上昇させることができるといった効果も奏する。

実施の形態４．
＜構成＞
次に、図４を参照して、本開示の実施の形態４による高周波誘電加熱装置について説明する。実施の形態３の高周波誘電加熱装置では、制御回路７Ｄは容量制御テーブルを保持する。これに対し、実施の形態４の高周波誘電加熱装置では、制御回路７Ｄは容量制御テーブルを保持しないで、加熱時の容量値に応じて電極面積を制御する。

図４は、実施の形態４の高周波誘電加熱装置を示す構成図である。実施の形態４の高周波誘電加熱装置は、実施の形態３の高周波誘電加熱装置から方向性結合器５と検波回路６を取り除いた構成を備える。

次に動作について説明する。実施の形態４では、加熱時の温度変化による被加熱物４の容量値を容量センサ９で測定する。ここで、被加熱物４の容量値はεＳ／ｄ（ε：誘電率、Ｓ：電極面積、ｄ：電極間隔）に従って変化する。そこで、制御回路７Ｄは、測定された容量値に反比例するように、スイッチ群３５のスイッチを切り替えて電極面積を制御する。

このように、容量センサ９で測定された容量値に反比例するように電極面積を制御するようにしているため、電力損失の小さい固定の整合回路を用いつつ整合状態を維持することができる。可変整合回路を用いていないので、可変整合回路の動作に起因する電力損失が発生せず、加熱効率を改善することができる。また、実施の形態４においても、温度によって様々に変化する誘電率に対して最適な電極面積に瞬時に制御でき、短時間で被加熱物の温度を上昇させることができるといった効果を奏する。

＜付記＞
以上で説明した種々の実施形態のいくつかの側面について、以下のとおりまとめる。

（付記１）
付記１の高周波誘電加熱装置は、高周波信号を発生する高周波信号源（１）と、対向するように配置された２つの電極を有する少なくとも１つの電極対（３２ａ～３４ａ、３２ｂ～３４ｂ）であって、前記少なくとも１つの電極対の電極面積を可変できる少なくとも１つの電極対（３２ａ～３４ａ、３２ｂ～３４ｂ）と、固定コイルおよび固定コンデンサを備え、前記高周波信号源と前記少なくとも１つの電極対とのインピーダンスを整合する整合回路（２）と、前記整合回路と前記少なくとも１つの電極対との間に配置され、前記少なくとも１つの電極対からの反射信号を取り出す方向性結合器（５）と、前記方向性結合器から取り出される反射信号の電力を測定する検波回路（６）と、前記検波回路により測定される反射電力が閾値以下となるように前記少なくとも１つの電極対の電極面積を制御する制御回路（７Ａ；７Ｂ；７Ｃ；７Ｄ）と、を備える。

（付記２）
付記２の高周波誘電加熱装置は、付記１に記載された高周波誘電加熱装置であって、前記制御回路（７Ａ）は、前記検波回路により測定される反射電力に応じて、前記少なくとも１つの電極対の電極面積を制御する。

（付記３）
付記３の高周波誘電加熱装置は、付記１に記載された高周波誘電加熱装置であって、被加熱物の温度を測定する温度センサ（８）、を更に備え、前記制御回路（７Ｂ）は、前記被加熱物の温度と反射電力が閾値以下となる前記少なくとも１つの電極対の電極面積との対応が記録された温度制御テーブルを保持し、前記温度制御テーブルを参照して、前記少なくとも１つの電極対を、前記温度センサにより測定される温度に対応した電極面積となるように制御する。

（付記４）
付記４の高周波誘電加熱装置は、付記１に記載された高周波誘電加熱装置であって、被加熱物の容量値を測定する容量センサ（９）、を更に備え、前記制御回路（７Ｃ）は、前記被加熱物の容量値と反射電力が閾値以下となる前記少なくとも１つの電極対の電極面積との対応が記録された容量制御テーブルを保持し、前記容量制御テーブルを参照して、前記少なくとも１つの電極対を、前記容量センサにより測定される容量値に対応した電極面積となるように制御する。

（付記５）
付記５の高周波誘電加熱装置は、高周波信号を発生する高周波信号源（１）と、対向するように配置された２つの電極を有する少なくとも１つの電極対（３２ａ～３４ａ、３２ｂ～３４ｂ）であって、前記少なくとも１つの電極対の電極面積を可変できる少なくとも１つの電極対（３２ａ～３４ａ、３２ｂ～３４ｂ）と、固定コイルおよび固定コンデンサを備え、前記高周波信号源と前記少なくとも１つの電極対とのインピーダンスを整合する整合回路（２）と、被加熱物の容量値を測定する容量センサ（９）と、前記容量センサにより測定される容量値に反比例するように、前記少なくとも１つの電極対の電極面積を制御する制御回路（７Ｄ）と、を備える。

（付記６）
付記６の高周波誘電加熱装置は、付記１から５のいずれか１つに記載された高周波誘電加熱装置であって、前記少なくとも１つの電極対は、互いに並列に接続された２以上の電極対であり、前記２以上の電極対に対応して設けられ、対応する電極対の一端と高周波信号が伝送される線路との導通を切り替える２以上のスイッチ、を更に備え、前記制御回路は、前記２以上のスイッチを制御して、高周波信号が伝送される電極の数を変更する。

なお、実施形態を組み合わせたり、各実施形態を適宜、変形、省略したりすることが可能である。

本開示の高周波誘電加熱装置は、高周波による誘電加熱によって誘電体を加熱する装置として用いることができる。

１ 高周波信号源、２ 整合回路、３ 加熱部、４ 被加熱物、５ 方向性結合器、６ 検波回路、７Ａ～７Ｄ 制御回路、８ 温度センサ、９ 容量センサ、３１～３４ 電極対、３１ａ～３４ａ 電極、３１ｂ～３４ｂ 電極、３２ｃ～３４ｃ スイッチ、３５ スイッチ群。

Claims (6)

1. 高周波信号を発生する高周波信号源と、
   対向するように配置された２つの電極を有する少なくとも１つの電極対であって、前記少なくとも１つの電極対の電極面積を可変できる少なくとも１つの電極対と、
   固定コイルおよび固定コンデンサを備え、前記高周波信号源と前記少なくとも１つの電極対とのインピーダンスを整合する整合回路と、
   前記整合回路と前記少なくとも１つの電極対との間に配置され、前記少なくとも１つの電極対からの反射信号を取り出す方向性結合器と、
   前記方向性結合器から取り出される反射信号の電力を測定する検波回路と、
   前記検波回路により測定される反射電力が閾値以下となるように前記少なくとも１つの電極対の電極面積を制御する制御回路と、
   を備える、高周波誘電加熱装置。
2. 前記制御回路は、前記検波回路により測定される反射電力に応じて、前記少なくとも１つの電極対の電極面積を制御する、
   請求項１に記載された、高周波誘電加熱装置。
3. 被加熱物の温度を測定する温度センサ、
   を更に備え、
   前記制御回路は、前記被加熱物の温度と反射電力が閾値以下となる前記少なくとも１つの電極対の電極面積との対応が記録された温度制御テーブルを保持し、前記温度制御テーブルを参照して、前記少なくとも１つの電極対を、前記温度センサにより測定される温度に対応した電極面積となるように制御する、
   請求項１に記載された、高周波誘電加熱装置。
4. 被加熱物の容量値を測定する容量センサ、
   を更に備え、
   前記制御回路は、前記被加熱物の容量値と反射電力が閾値以下となる前記少なくとも１つの電極対の電極面積との対応が記録された容量制御テーブルを保持し、前記容量制御テーブルを参照して、前記少なくとも１つの電極対を、前記容量センサにより測定される容量値に対応した電極面積となるように制御する、
   請求項１に記載された、高周波誘電加熱装置。
5. 高周波信号を発生する高周波信号源と、
   対向するように配置された２つの電極を有する少なくとも１つの電極対であって、前記少なくとも１つの電極対の電極面積を可変できる少なくとも１つの電極対と、
   固定コイルおよび固定コンデンサを備え、前記高周波信号源と前記少なくとも１つの電極対とのインピーダンスを整合する整合回路と、
   被加熱物の容量値を測定する容量センサと、
   前記容量センサにより測定される容量値に反比例するように、前記少なくとも１つの電極対の電極面積を制御する制御回路と、
   を備える、高周波誘電加熱装置。
6. 前記少なくとも１つの電極対は、互いに並列に接続された２以上の電極対であり、
   前記２以上の電極対に対応して設けられ、対応する電極対の一端と高周波信号が伝送される線路との導通を切り替える２以上のスイッチ、
   を更に備え、
   前記制御回路は、前記２以上のスイッチを制御して、高周波信号が伝送される電極の数を変更する、
   請求項１から５のいずれか１項に記載された高周波誘電加熱装置。

Images