(57)【要約】【課題】高周波電源の半導体素子の温度上昇を抑え、信頼性を確保する。【解決手段】直列接続した２個の半導体素子２５０、２６０の温度を検知する温度検知手段３２０の出力差によって、整合回路１４０を制御することにより、半導体素子２５０、２６０の温度上昇を抑えて、高効率運転を可能とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極と、前記電極に接続した整合回路と、高周波電源を有し、前記高周波電源は、直列接続した２個の半導体素子と、各半導体素子の温度を検知する温度検知手段を備え、前記２つの温度検知手段の出力差によって、前記整合回路を制御する高周波加熱装置。
【請求項２】
高周波電源は、複数の半導体素子の温度を検知する温度検知手段を有し、電極に接続した整合回路は前記温度検知手段の内最も高い出力値によって前記整合回路を制御する高周波加熱装置。
【請求項３】
整合回路は、リアクタンス可変素子を有し、温度検知手段から得られる出力に基づいてリアクタンス可変素子の定数を可変制御する請求項１または２に記載の高周波加熱装置。
【請求項４】
整合回路は、電極に接続したコイルと、前記電極と前記コイルの直列回路に並列接続したコンデンサを有し、前記コイルと前記コンデンサの少なくとも一方はリアクタンス可変素子を含む構成とした請求項１から３のいずれか１項に記載の高周波加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、業務用や一般家庭用として使用される高周波加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種の高周波加熱装置としては、（例えば、特許文献１参照）に記載されているようなものがあった。図９は、前記公報に記載された従来の高周波加熱装置を示すものである。
【０００３】
図９において、高圧電源５および高周波電源６によって、加熱室１内の上部電極板２と下部電極板３の間に高周波の高電圧を供給し、両電極板の間に高周波電界を生じさせることによって、被解凍物の誘電加熱を行わせるものであった。
【０００４】
また、インピーダンス整合回路としては、図１０に従来の技術として示されている共振コンデンサ５１、共振用可変コイル５２を直列に接続し、その上に高周波トランス５３を設けて構成した直列共振回路の構成を、実施例においても使用するものとし、その上で共振用可変コイル５２の損失を低減させつつ、電極５４に電力を供給するという効果をあげることが効果として述べられているものであった。
【０００５】
【特許文献１】
特開平８−２５５６８２号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の構成の高周波加熱装置では、インピーダンス整合回路の調整の仕方についての記述がなく、様々な被解凍物において、解凍の開始以後に発生する被解凍物温度および状態変化に対応し、整合状態の維持をいかにして行っていくかについては、不明確なものであった。
【０００７】
整合状態の維持が不完全である場合には、加熱電力の変動の他、時として高周波電源の構成要素の損失が増大して、ひどい場合には故障につながることがあるという課題があった。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明の高周波加熱装置は、電極と、前記電極に接続した整合回路と、高周波電源を有し、前記高周波電源は、直列接続した２個の半導体素子と、各半導体素子の温度を検知する温度検知手段を備え、前記２つの温度検知手段の出力差によって、前記整合回路を制御する構成することにより、解凍中の整合状態を十分に維持して高周波電源の構成要素の温度上昇を抑え、十分な信頼性を確保するものである。
【０００９】
【発明の実施の形態】
請求項１に示す発明は、電極と、前記電極に接続した整合回路と、高周波電源を有し、前記高周波電源は、直列接続した２個の半導体素子と、各半導体素子の温度を検知する温度検知手段を備え、前記２つの温度検知手段の出力差によって、前記整合回路を制御する構成とすることにより、解凍中の整合状態を十分に維持し、高周波電源の構成要素の温度上昇を抑え、十分な信頼性を確保するものである。
【００１０】
請求項２に示す発明は、高周波電源は複数の半導体素子の温度を検知する温度検知手段を有し、電極に接続した整合回路は前記温度検知手段の内最も高い出力値によって前記整合回路を制御する構成とすることにより、解凍中の整合状態を十分に維持し、高周波電源の構成要素となる複数の半導体素子のすべてにおいて温度上昇が規定値以下に抑えることができ、十分な信頼性を確保するものである。
【００１１】
請求項３に示す発明は、特に請求項１または請求項２に記載の高周波加熱装置の整合回路が、リアクタンス可変素子を有し、温度検知手段から得られる出力に基づいてリアクタンス可変素子の定数を可変制御する構成とすることにより、整合回路の電力損失が少なく、かつ解凍中に適正な整合状態が実現できるものとすることができる。
【００１２】
請求項４に示す発明は、特に整合回路は、請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の高周波加熱装置の電極に接続したコイルと、前記電極と前記コイルの直列回路に並列接続したコンデンサを有し、前記コイルと前記コンデンサの少なくとも一方はリアクタンス可変素子を含む構成としたことにより、比較的簡単な構成により、整合回路の損失が少なく、高効率の装置の実現が可能となるものである。
【００１３】
【実施例】
次に、本発明の具体例を説明する。
【００１４】
（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例における高周波加熱装置の回路図を示している。
【００１５】
図１において、冷凍食品などの被解凍物１００を挟み込むように、上下に配置された金属材料から成る２枚の電極板１１０、１２０により構成した電極１３０が設けられている。
【００１６】
電極１３０には整合回路１４０が接続されており、整合回路１４０に１３．５６メガヘルツの高周波の電力を供給する高周波電源１５０、および高周波電源１５０に直流電圧を供給する直流電源１６０が設けられている。
【００１７】
直流電源１６０は、例えば１００ボルト６０ヘルツの交流電源の出力を４本のブリッジ接続されたダイオードで整流し、出力電圧を安定化するコンデンサなどを用いた構成で実現されるもので、２００Ｖの直流電圧が出力される。
【００１８】
整合回路１４０は、電極１３０に直列接続したコイル１７０を設け、さらに電極１３０とコイル１７０との直列回路にコンデンサ１８０が並列接続で設けられている。
【００１９】
本実施例では、コイル１７０は、インダクタンスが固定の固定コイル１９０と、コイル長を伸縮させることによりインダクタンス値を可変する、リアクタンス可変素子２００の直列回路により実現されており、コイル１７０のインダクタンスＬ値は可変となる。
【００２０】
リアクタンス可変素子２００は、固定コイル１９０と比較して構造が複雑となるが、特に本実施例においては、グランドに対してより高電圧が印加される電極１１０に近い側に固定コイル１９０を配置し、それよりも低電位となる側にリアクタンス可変素子２００を配していることにより、リアクタンス可変素子２００の絶縁構造を極力簡単とし、装置の小形が実現されるものとなっている。
【００２１】
ドライバ２３０は、ギア内蔵のステッピングモータを有し、リアクタンス可変素子２００を可変制御するもので、入力端子ＤＩＲがハイの場合にはＬ値が増大、ローであればＬ値が減少する方向になるように向きが設定され、入力端子ＳＴＥＰの論理がローからハイに立ち上がる度に、ステッピングモータの１−２相励磁パターンを１つずつ進めていって定数の可変制御を行っていくものとなっている。
【００２２】
高周波電源１５０は、直列に接続した２個の半導体素子２５０、２６０を有しており、本実施例ではＭＯＳＦＥＴで構成している。
【００２３】
半導体素子２５０、２６０のゲート端子とソース端子には、オンオフ動作をさせるための駆動回路２７０が接続されており、１３．５６メガヘルツの周波数で、半導体素子２５０、２６０が交互にオンする動作がなされるものである。
【００２４】
２個の半導体素子２５０、２６０の直列回路の両端には、直流電源１６０の出力が接続されており、本実施例では特にコンデンサ２８０が、高電位側の半導体素子２５０のドレイン端子とグランド間に接続されているため、安定した直流電圧が高周波電源１５０に供給されるものとなっている。
【００２５】
また２個の半導体素子２５０、２６０同士の接続点から、高調波歪みを低減するため、コンデンサ２９０、３００とコイル３１０を設け、高周波電源の出力端子の電圧波形は、正弦波に近いものとなっている。
【００２６】
このように、比較的簡単な構成で高周波電源が実現でき、かつスイッチング動作で半導体素子２５０、２６０を動作させていることから、効率も高いものとすることができるものとなっている。
【００２７】
高周波電源１５０は、さらに温度検知手段３２０を有している。
【００２８】
温度検知手段３２０は、直流電源３３０、半導体素子２５０に取り付けられたサーミスタ３４０、抵抗３５０、コンデンサ３６０、半導体素子２６０に取り付けられたサーミスタ３７０、抵抗３８０、コンデンサ３９０、マイクロコンピュータ４００を備えている。
【００２９】
図２は、駆動回路２７０の詳細回路図を示している。
【００３０】
水晶発振子を用いた１３．５６メガヘルツの発振回路４１０から、ＭＯＳＦＥＴを用いたスイッチング素子４２０が接続され、スイッチング素子４２０のドレイン端子は、コイル４３０を通じて２４ボルトの直流電源４４０に接続されると共に、コンデンサ４５０、４６０、４７０を経て、駆動トランス４８０の一次巻線４９０に接続されている。
【００３１】
駆動トランス４８０の二次巻線５００は、高電位側の半導体素子２５０のゲートとソース端子に接続され、二次巻線５１０は、低電位側の半導体素子２６０のゲートとソース端子に接続されている。
【００３２】
また、二次巻線５００、５１０は、逆極性でかつバイファイラ巻きで巻かれている。
【００３３】
図３は、半導体素子２５０、２６０の各ゲート・ソース間電圧波形図を示している。
【００３４】
（ア）は高電位側の半導体素子２５０のゲート・ソース間電圧Ｖｇ１、（イ）は低電位側の半導体素子２６０のゲート・ソース間電圧Ｖｇ２を示している。
【００３５】
図３に見られるように、Ｖｇ１とＶｇ２は、ちょうど交互に正の電圧が印加されることになり、交互にオンオフがなされるものとなる。
【００３６】
図４は、（ア）に高周波電源１５０の低電位側の半導体素子２６０のドレイン・ソース間電圧Ｖｄｓ２を示し、（イ）に高周波電源１５０の出力電圧Ｖｏｕｔの波形を示している。
【００３７】
本実施例においては、半導体素子２５０、２６０をスイッチングで動作させているため、両半導体素子の損失が小さく、高効率の装置とすることができるものとなる。
【００３８】
ただし、（ア）のままの波形を整合回路１４０に出力すると、高調波に対する対策が整合回路１４０に必要となることがあるので、本実施例においては、前述のようにコンデンサ２９０、３００、およびコイル３１０によるフィルタ作用を持たせることによって、高周波電源１５０の出力における電圧Ｖｏｕｔの波形は、（イ）に示されるように、ほぼ正弦波に近いものとして、高調波分をほとんど除去した形としている。
【００３９】
図５は、本実施例の整合回路１４０の入力端子から見たインピーダンスをスミスチャートでとっており、その上に解凍動作中における、半導体素子２５０のケース温度Ｔｃ１、および半導体素子２６０のケース温度Ｔｃ２を、細い破線で示しているものである。
【００４０】
図５において、太い破線は、Ｔｃ１＝Ｔｃ２、すなわち上下の半導体素子２５０、２６０の温度が等しくなる線を示しており、その線よりも右上ではＴｃ２＞Ｔｃ１、すなわち半導体素子２６０の方が温度が高くなり、逆に線から左下になると、Ｔｃ１＞Ｔｃ２、すなわち半導体素子２５０の方が温度が高くなるという特性となっている。
【００４１】
本実施例においては、マイクロコンピュータ４００は、温度検知手段３２０によって、半導体素子２５０、２６０の温度をそれぞれＴｃ１、Ｔｃ２として検知するが、その結果Ｔｃ１＞Ｔｃ２の場合には、Ｅ端子をローとして、Ｆ端子から所定のパルス数を出力するものとし、逆に、Ｔｃ１＜Ｔｃ２の場合には、Ｅ端子はハイとして、同様にＦ端子から所定のパルス数を出力する。
【００４２】
図６は、本実施例のコイル１７０のインダクタンス値（Ｌ値）の増減した場合の整合回路１４０の入力インピーダンスの変化を示している。
【００４３】
なお、図６はＡ点、すなわち５０オーム＋ｊ０オーム点を起点として、Ｌの増減による変化を示しているが、Ａ点から多少ずれた点からＬを増減しても、やはりほぼ上下にインピーダンスが変化するものとなる。
【００４４】
よって、本実施例においては、Ｔｃ１＞Ｔｃ２である場合、Ｌ減となる方向で定数の可変がなされて、結果Ｔｃ１＝Ｔｃ２に近づくものとなり、逆にＴｃ１＜Ｔｃ２である場合、Ｌ増となる方向で定数の可変がなされて、やはり結果Ｔｃ１＝Ｔｃ２に近づくものとなり、常にほぼＴｃ１＝Ｔｃ２の状態、すなわち図５の太い破線上で運転がなされるものとなる。
【００４５】
発明者らの実験によれば、直列に接続した２個の半導体素子２５０、２６０を交互にオンオフさせる場合、両者の損失をほぼ均等とし、温度上昇が近い値になるように整合回路１４０の入力インピーダンス条件を設定することにより、冷却条件の制限条件下において、最も大きな加熱パワーが得られ、また効率も高いものが実現できるという状況が確認されており、逆に一方の半導体素子に損失が集中するような整合回路１４０入力インピーダンス条件での運転は、温度上昇が大きい側の冷却がさらに必要となり、例えば冷却ファンの回転速度のアップなどが必要となるが、そのようにしても効率面では不利なものとなることが確認されているものである。
【００４６】
また、温度が高くなる方の半導体素子の温度が既定値に収まるように、例えば直流電源１６０の電圧を低下させた場合は、加熱パワーの低下がほぼ直流電源１６０の電圧の２乗に比例して顕著に見られ、解凍に時間がかかるなどの不具合が生じ、効率面も決して良くはならない。
【００４７】
本実施例においては、可変の要素はコイル１７０のインダクタンスだけであるので、図６のＡ点にピタリと合わせることまではできないものとなり、加熱パワーの変動は多少生ずるものとなるが、高周波電源１５０の動作としては、上下の半導体素子２５０、２６０の負担はほぼ等しい状態で、片方の半導体素子に損失が集中することがなく、スイッチングによる動作、すなわちインバータ回路としては、良好な動作が確保でき、効率も高いものとなる。
【００４８】
（実施例２）
図７は、本発明の第２の実施例における高周波加熱装置の回路図を示している。
【００４９】
図７においては、整合回路５３０と高周波電源５５０の構成が、一部実施例１とはことなるものとなっている。
【００５０】
本実施例においては、コンデンサ６１０が、静電容量が固定の固定コンデンサ６２０と、電極の対向面積を可変することにより静電容量値を可変する、リアクタンス可変素子６３０の並列回路により実現されており、本実施例では、コイル１７０のインダクタンス値とコンデンサ６１０の静電容量値が、いずれも可変とする構成となっている。
【００５１】
ドライバ６４０は、ドライバ２３０と同様で、ギア内蔵のステッピングモータを有し、リアクタンス可変素子６３０を可変制御するものであり、入力端子ＤＩＲがハイの場合にはＣ値が増加し、ローであればＣ値が減少する方向になるように向きが設定され、入力端子ＳＴＥＰの論理がローからハイに立ち上がる度に、ステッピングモータの１−２相励磁パターンを１つずつ進めていって定数の可変制御を行っていくものとなっている。
【００５２】
なお、整合回路５３０内のその他の構成要素に関しては、実施例１と同等のものとなっている。
【００５３】
高周波電源５５０については、温度検知手段６５０の構成の一部が実施例１とは異なったものとなっている。
【００５４】
すなわちマイクロコンピュータ６６０は、サーミスタ３４０、３７０により、２個の半導体素子２５０、２６０、それぞれの温度Ｔｃ１とＴｃ２を検知するというところまでは、実施例１と変わることはなく、またその温度差によって出力端子ＥとＦよりドライバ２３０に出力し、コイル１７０の定数を可変制御し、Ｔｃ１とＴｃ２がほぼ等しくなるように制御する点についてのプログラムはやはり入っており、２秒間隔でこの制御が行われている。
【００５５】
さらに、その上本実施例においてはＴｃ１とＴｃ２の高い方の温度を規定値であるセ氏８０℃以上に成りそうな場合には、Ｇ端子とＨ端子より、ドライバ６４０に対して信号を出力するという機能を備えているものとなっている。
【００５６】
すなわち本実施例においては、Ｔｃ１とＴｃ２の高い方の値が、８０℃にまで上昇してきた場合には、出力端子Ｇをハイとして、出力端子Ｈからパルスを出力することにより、コンデンサ６１０のＣ値が増大するものとなり、この制御を１２秒間隔で行っている。
【００５７】
図８は、本実施例において、コイル１７０とコンデンサ６１０のそれぞれの定数、すなわちＬ値とＣ値の増減によって、整合回路５３０の入力インピーダンスの変化を示したものである。
【００５８】
ただし、Ｃ値の増減に関しては、常にほぼＴｃ１＝Ｔｃ２と成るようにコイル１７０の制御がなされている場合の話であり、単にＣ値のみの増減による方向を示したものではない。
【００５９】
概してＬ値を整合回路５３０の入力インピーダンスの虚数部がほぼ零になるように常に調節しながら、Ｃ値を増大させると、被解凍物１００によって生じる電極１３０の等価直列抵抗の値に対する整合回路５３０入力のインピーダンス（実数部）が増大するものとなるが、その場合の半導体素子２５０、２６０の温度は、図５に見られるように、ほぼどちらも高く成る方向になり、同時に加熱パワーも増大するという傾向が、本実施例においては、観測されている。
【００６０】
すなわち、本実施例においては、常にＴｃ１とＴｃ２の温度差を無くすようにコイル１７０のＬ値を増減する制御が行われるとともに、Ｔｃ１とＴｃ２の高い方の温度が８０℃以上に成ろうとした場合には、Ｃ値が減少する制御が追加して行われ、半導体素子２５０、２６０の温度は、ともに規定値であるセ氏８０℃以下に保たれ、加熱パワーもほぼ２００ワット程度に制限されるものとなる。
【００６１】
なお、本実施例においては、コンデンサ６１０の可変制御が行われる際のＴｃ１とＴｃ２の差は、コイル１７０制御を併用している結果、ほぼ５℃以下に収まるものとなっている。
【００６２】
したがって、本実施例においては、上下の半導体素子２５０、２６０の損失をほぼ均等として、高効率な運転を行うとともに、半導体素子２５０、２６０の温度上昇が過大となることを防ぐこともでき、半導体素子２５０、２６０の性能をムダなく発揮させるとともに、信頼性の確保も行えるものとなる。
【００６３】
なお、図５に示したＴｃ１とＴｃ２の変化特性、図６、図８に示したリアクタンス可変素子２００、６３０を増減した場合の変化の方向は、装置の設計によって変化する。
【００６４】
また、これらの特性は、例えば装置内の配線に使用される同軸ケーブルの長さや、電極１３０の面積や形状、被解凍物１００の種類などが変わっても幾分変動し、また高周波電源５５０内でフィルタ動作を行うコンデンサ２９０、３００、コイル３１０の定数の決め方によっても変化する。
【００６５】
本発明の主旨は、２個の半導体素子２５０、２６０の温度を等しくするための制御、あるいはその内の高い温度となっている素子の温度を抑える制御方法を提供するものであり、コイルとコンデンサのいずれを可変させるかは、それらの装置の詳細な設計によって、本実施例の場合とは異なる特性のものにも適用できる。
【００６６】
また、本実施例では、２個の半導体素子２５０、２６０を用いた構成で、高周波電源５５０を構成しているが、更に大きな加熱パワーを必要とする場合には、もっと多数の半導体素子を用いたものとしてもよい。
【００６７】
例えば２個あるいは３個の半導体素子を並列接続としたものを、本実施例の半導体素子２５０と半導体素子２６０のそれぞれの位置に設けるもの、あるいは一般にフルブリッジなどと呼ばれるように、Ｈ形の回路構成で４個の半導体素子を設け、その対角の位置にある半導体素子を同時にオンオフするものなど、様々な回路構成にも適用できる。
【００６８】
その場合に、それぞれの半導体素子の温度を検知するよう温度検知手段を設けておいて、その内の最も高温となるものが規定値の温度条件を超えないように、整合回路を制御するというものとしても、信頼性の確保が可能であり、有効である。
【００６９】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の高周波加熱装置は、解凍中の整合状態を十分に維持して、高周波電源の構成要素の温度上昇を抑え、十分な信頼性を確保することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例における高周波加熱装置の回路図
【図２】同、駆動回路２７０の詳細回路図
【図３】同、駆動回路２７０の動作波形図
【図４】同、高周波電源１５０要部の動作波形図
【図５】同、運転時の半導体素子２５０、２６０の温度変化を示す図
【図６】同、コイル１７０のＬ値変化による整合回路１４０入力インピーダンス変化を示す図
【図７】本発明の第２の実施例における高周波加熱装置の回路図
【図８】同、Ｌ値とＣ値の変化による整合回路１４０入力インピーダンス変化を示す図
【図９】従来の技術における高周波加熱装置の回路図
【図１０】同、整合回路の回路図
【符号の説明】
１３０  電極
１４０、５３０  整合回路
１５０、５５０  高周波電源
２５０、２６０  半導体素子
３２０、６５０  温度検知手段
２００、６３０  リアクタンス可変素子
１７０  コイル
１８０、６１０  コンデンサ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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