(57)【要約】  本開示の一態様に係る高周波加熱装置は、加熱室と、電極と、高周波電源と、少なくとも一つの整合素子と、制御部とを備える。加熱室は加熱対象物を収容する。高周波電源は、電極に高周波電圧を印加する。整合器は、可変の整合定数を有する少なくとも一つの整合素子を含む。制御部は、少なくとも一つの整合素子の整合定数における時間変化に基づいて、高周波電源を停止させて加熱を終了させる。本態様によれば、加熱対象物を効率良く加熱することができる。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
加熱対象物を収容するように構成された加熱室と、
電極と、
前記電極に高周波電圧を印加するように構成された高周波電源と、
可変の整合定数を有する少なくとも一つの整合素子を含む整合器と、
前記少なくとも一つの整合素子の前記整合定数における時間変化に基づいて、前記高周波電源を停止させて加熱を終了させるように構成された制御部と、を備えた高周波加熱装置。
【請求項２】
前記少なくとも一つの整合素子が、可変の電気容量を有する可変キャパシタ、可変のインダクタンスを有する可変インダクタの少なくとも一方を含む、請求項１に記載の高周波加熱装置。
【請求項３】
前記少なくとも一つの整合素子が、複数のキャパシタを含み、
前記整合器が、前記複数のキャパシタの接続を切り替えることによって、前記整合定数を変化させる、請求項１に記載の高周波加熱装置。
【請求項４】
前記少なくとも一つの整合素子が、複数のインダクタを含み、
前記整合器が、前記複数のインダクタの接続を切り替えることによって、前記整合定数を変化させる、請求項１に記載の高周波加熱装置。
【請求項５】
前記整合器が、前記電極に直列に接続される少なくとも一つの整合素子と、前記電極に並列に接続される少なくとも一つの整合素子と、を有する、請求項１に記載の高周波加熱装置。
【請求項６】
前記少なくとも一つの整合素子が、前記電極に直列に接続された、請求項１に記載の高周波加熱装置。
【請求項７】
前記少なくとも一つの整合素子が、前記電極に並列に接続された、請求項１に記載の高周波加熱装置。
【請求項８】
前記整合器が、加熱開始から終了まで前記少なくとも一つの整合素子の前記整合定数を変化させて、前記電極から前記高周波電源への反射波を抑制する、請求項１に記載の高周波加熱装置。
【請求項９】
前記制御部が、前記整合定数における時間変化率が所定の閾値以下の場合、前記高周波電源を停止させる、請求項１に記載の高周波加熱装置。
【請求項１０】
前記制御部は、２０秒以上、または、加熱を行っている時間の１／１０以上の間、前記整合定数に変化がない場合、前記高周波電源を停止させる、請求項１に記載の高周波加熱装置。
【請求項１１】
前記制御部は、前記整合定数の時間変化から加熱の終了時間を推定し、前記終了時間よりも早く前記高周波電源を停止させるように構成された、請求項１に記載の高周波加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、高周波加熱装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高周波加熱装置として、例えば、特許文献１に記載の解凍システムが知られている。【０００３】
特許文献１に記載の解凍システムでは、順方向ＲＦ電力測定値（Forward RF power measurement）および反射ＲＦ電力測定値（Reflected RF power measurement）に基づいて、計算された変化率を繰り返し決定し、計算された変化率を閾値変化率と繰り返し比較する。【０００４】
特許文献１の解凍システムは、計算された変化率が閾値変化率と比較して勝っている場合、解凍動作が完了するまで、ＲＦ（Radio frequency）信号を電極に提供し続ける。解凍動作が完了すると、この解凍システムは、ＲＦ信号の供給を停止させる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１８−２２６７７号公報
【発明の概要】
【０００６】
しかしながら、特許文献１の装置には、加熱対象物を効率良く加熱するという点で未だ改善の余地がある。
【０００７】
本開示の一態様の高周波加熱装置は、加熱室と、電極と、高周波電源と、少なくとも一つの整合素子と、制御部とを備える。加熱室は加熱対象物を収容する。高周波電源は、電極に高周波電圧を印加する。整合器は、可変の整合定数を有する少なくとも一つの整合素子を含む。制御部は、少なくとも一つの整合素子の整合定数における時間変化に基づいて、高周波電源を停止させて加熱を終了させる。
【０００８】
本態様によれば、加熱対象物を効率良く加熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本開示の実施の形態に係る高周波加熱装置の構成を示す概略図である。
【図２】図２は、実施の形態における高周波電源の構成を示す概略図である。
【図３】図３は、実施の形態における整合器を含む回路モデルの構成を示す概略図である。
【図４】図４は、実施の形態における検出部の構成を示す概略図である。
【図５】図５は、加熱時の、実施例１〜３における第１可変キャパシタＶＣ１の電気容量の時間変化を示すグラフである。
【図６】図６は、加熱時の、実施例４〜６における第２可変キャパシタＶＣ２の電気容量の時間変化を示すグラフである。
【図７Ａ】図７Ａは、第１変形例の整合器を含む回路モデルを示す概略図である。
【図７Ｂ】図７Ｂは、第２変形例の整合器を含む回路モデルを示す概略図である。
【図７Ｃ】図７Ｃは、第３変形例の整合器を含む回路モデルを示す概略図である。
【図７Ｄ】図７Ｄは、第４変形例の整合器を含む回路モデルを示す概略図である。
【図７Ｅ】図７Ｅは、第５変形例の整合器を含む回路モデルを示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（本開示の基礎となった知見）
上記従来の解凍システムは、順方向ＲＦ電力測定値と反射ＲＦ電力測定値とから算出される変化率が、加熱室内に配置された加熱対象物に対して予め決定された閾値以上になった場合に、加熱終了を判定する。
【００１１】
この判定処理では、反射ＲＦ電力の増大に基づいて判定を行うため、加熱の終了に近づくと、高周波電源と負荷側の電極との間にインピーダンス整合のずれが生じる。このため、加熱の終了に近づくほど、加熱効率が低下する。
【００１２】
加熱対象物の位置、形状および質量にばらつきがある場合、任意の固定の閾値を用いると、加熱の終了を適切に判定することができない場合がある。加熱対象物の位置、形状および質量のばらつきに応じて、適切な閾値を設定することは困難である。
【００１３】
本発明者らは、整合器の整合定数に基づいて、加熱終了を判定できることを見出した。
【００１４】
本開示の第１の態様の高周波加熱装置は、加熱室と、電極と、高周波電源と、少なくとも一つの整合素子と、制御部とを備える。加熱室は加熱対象物を収容する。高周波電源は、電極に高周波電圧を印加する。整合器は、可変の整合定数を有する少なくとも一つの整合素子を含む。制御部は、少なくとも一つの整合素子の整合定数における時間変化に基づいて、高周波電源を停止させて加熱を終了させる。
【００１５】
本開示の第２の態様の高周波加熱装置において、第１の態様に加えて、少なくとも一つの整合素子は、可変の電気容量を有する可変キャパシタ、可変のインダクタンスを有する可変インダクタの少なくとも一方を含む。
【００１６】
本開示の第３態様の高周波加熱装置において、第１の態様に加えて、少なくとも一つの整合素子は、複数のキャパシタを含む。整合器は、複数のキャパシタの接続を切り替えることによって、整合定数を変化させる。
【００１７】
本開示の第４態様の高周波加熱装置において、第１の態様に加えて、少なくとも一つの整合素子は、複数のインダクタを含む。整合器は、複数のインダクタの接続を切り替えることによって、整合定数を変化させる。
【００１８】
本開示の第５態様の高周波加熱装置において、第１の態様に加えて、整合器は、電極に直列に接続される少なくとも一つの整合素子と、電極に並列に接続される少なくとも一つの整合素子とを有する。
【００１９】
本開示の第６態様の高周波加熱装置において、第１の態様に加えて、少なくとも一つの整合素子は、電極に直列に接続される。
【００２０】
本開示の第７態様の高周波加熱装置において、第１の態様に加えて、少なくとも一つの整合素子は、電極に並列に接続される。
【００２１】
本開示の第８態様の高周波加熱装置において、第１の態様に加えて、整合器は、加熱開始から終了まで少なくとも一つの整合素子の整合定数を変化させて、電極から高周波電源への反射波を抑制する。
【００２２】
本開示の第９態様の高周波加熱装置において、第１の態様に加えて、制御部は、整合定数における時間変化率が所定の閾値以下の場合、高周波電源を停止させる。
【００２３】
本開示の第１０態様の高周波加熱装置において、第１の態様に加えて、制御部は、２０秒以上、または、加熱を行っている時間の１／１０以上の間、高周波電源を停止させる。
【００２４】
本開示の第１１態様の高周波加熱装置において、第１の態様に加えて、制御部は、整合定数の時間変化から加熱の終了時間を推定し、当該終了時間よりも早く高周波電源を停止させる。
【００２５】
以下、本開示の実施の形態について、添付の図面を参照しながら説明する。
【００２６】
［全体構成］
図１は、本実施の形態に係る高周波加熱装置１の構成を示す概略図である。図１に示すように、高周波加熱装置１は、第１電極１１と、第２電極１２と、加熱室１３と、位置調整部２０と、高周波電源３０と、整合器４０と、検出部５０と、制御部６０とを備える。
【００２７】
本実施の形態では、第１電極１１と第２電極１２と位置調整部２０とは、加熱室１３内に配置される。加熱対象物９０は、第１電極１１と第２電極１２との間の、第２電極１２上に配置される。加熱対象物９０は、厚さの均一な誘電体、例えば、食材である。
【００２８】
本実施の形態では、高周波加熱装置１は位置調整部２０を備える。しかし、位置調整部２０は、本実施の形態に必須ではない。
【００２９】
高周波加熱装置１は、第１電極１１に高周波電圧を印加することによって、第１電極１１と第２電極１２との間に電界を発生させ、第１電極１１と第２電極１２との間に配置された加熱対象物９０を誘電加熱する。これにより、高周波加熱装置１は、加熱対象物９０の加熱または解凍を行う。
【００３０】
＜第１電極＞
第１電極１１は、加熱室１３内の上部に配置された、矩形形状を有する平板状の電極である。
【００３１】
＜第２電極＞
第２電極１２は、矩形形状を有する平板状の電極である。第２電極１２は、加熱室１３の底面上に第１電極１１に対向して配置される。
【００３２】
＜位置調整部＞
位置調整部２０は、加熱室１３の天井に配置される。位置調整部２０は、制御部６０の指示に応じて、第１電極１１と第２電極１２との間の距離を調整する。
【００３３】
位置調整部２０は、例えば、加熱室１３の天井に配置されたモータと、モータと第１電極１１とを接続する接続部材を有する。モータが回転すると、接続部材は第１電極１１を上下に移動させる。接続部材は、例えば、棒状部材、または、ワイヤである。
【００３４】
＜高周波電源＞
高周波電源３０は、整合器４０および検出部５０を介して第１電極１１に接続され、第１電極１１と第２電極１２との間に高周波電圧を印加する。図２は、高周波電源３０の構成を示す概略図である。図２に示すように、高周波電源３０は、高周波発振器３１と増幅器３２と増幅器３３とを備える。
【００３５】
高周波発振器３１は、ＨＦ〜ＶＨＦ帯域の周波数を有する電圧信号を発振させる。増幅器３２は、高周波発振器３１により発振された電圧信号を増幅する。増幅器３３は、増幅器３２により増幅された電圧信号をさらに増幅する。これにより、高周波電源３０は、所望の高周波電圧を発生させることができる。
【００３６】
高周波電源３０は、第１電極１１と第２電極１２との間に高周波電圧を印加することによって、第１電極１１と第２電極１２との間に電界を発生させる。この電界により、第１電極１１と第２電極１２との間に配置された加熱対象物９０が誘電加熱される。
【００３７】
＜整合器＞
図１に示すように、整合器４０は、第１電極１１と高周波電源３０との間に配置され、高周波電源３０と加熱室１３とのインピーダンス整合を行う。整合器４０は、例えば、電気回路で構成される。
【００３８】
図３は、整合器４０を含む回路モデルの構成を示す概略図である。図３に示すように、整合器４０は、可変の整合定数を有する複数の整合素子を有する。整合素子とは、例えば、可変の電気容量を有する可変キャパシタおよび可変のインダクタンスを有する可変インダクタの少なくとも一方である。
【００３９】
整合定数とは、インピーダンス整合を行うために調整される整合素子の定数である。例えば、整合素子が可変キャパシタである場合、整合定数は電気容量である。整合素子が可変インダクタである場合、整合定数はインダクタンスである。
【００４０】
本実施の形態では、整合器４０は、整合素子として、第１可変キャパシタＶＣ１および第２可変キャパシタＶＣ２を有する。整合器４０はさらに、インダクタＬ１を有する。
【００４１】
第１可変キャパシタＶＣ１は、第１電極１１に直列に接続される。第２可変キャパシタＶＣ２は第１電極１１と第２電極１２とに並列に接続される。インダクタＬ１は、第１可変キャパシタＶＣ１と第１電極１１とに直列に接続される。
【００４２】
制御部６０は、第１可変キャパシタＶＣ１および第２可変キャパシタＶＣ２の電気容量を変化させる。これにより、整合器４０はインピーダンス整合を行う。
【００４３】
本実施の形態では、制御部６０は、検出部５０により検出される反射波が小さくなるように、第１可変キャパシタＶＣ１および第２可変キャパシタＶＣ２の電気容量を変化させる。反射波は、第１電極１１および第２電極１２を含む加熱室１３内のインピーダンスと、高周波電源３０のインピーダンスとのインピーダンス整合がとれていない場合に生じる。
【００４４】
例えば、高周波電源３０の出力インピーダンスが５０Ωである場合、整合器４０のインピーダンスと加熱室１３内のインピーダンスとの合成インピーダンスを５０Ωに近づける必要がある。一方、加熱の進行に伴って加熱対象物９０の状態が変化するため、加熱室１３内のインピーダンスが変化する。
【００４５】
制御部６０は、加熱室１３内のインピーダンスの変化に応じて、第１可変キャパシタＶＣ１および第２可変キャパシタＶＣ２の電気容量を変化させる。これにより、整合器４０のインピーダンスと加熱室１３内のインピーダンスとの合成インピーダンスが維持される。その結果、反射波が極小化される。
【００４６】
加熱室１３内の電気容量について説明する。加熱室１３内の電気容量は、第１電極１１と第２電極１２とによって構成される並行平板コンデンサの電気容量と、加熱室１３の壁面と第１電極１１との間に寄生する電気容量などから計算できる。すなわち、加熱室１３内の電気容量Ｃは次式で表される。
【００４７】
Ｃ＝Ｃ０＋（Ｃｇ×Ｃｆ）／（Ｃｇ＋Ｃｆ）
ここで、Ｃ０は、加熱室１３の壁面と第１電極１１との間に寄生する電気容量であり、Ｃｇは、第１電極１１と加熱対象物９０との間の空間における電気容量であり、Ｃｆは、加熱対象物９０の電気容量である。
【００４８】
さらに、加熱対象物９０の電気容量Ｃｆは次式で表される。
【００４９】
Ｃｆ＝ε×Ｓ／ｄ
ここで、Ｃｆは加熱対象物９０の電気容量［Ｆ］であり、εは誘電率［Ｆ／ｍ］であり、Ｓは電極面積［ｍ２］であり、ｄは電極間距離［ｍ］である。誘電率は、真空誘電率と比誘電率との掛け算で計算することができる。
【００５０】
上記式に示すように、加熱室１３内の電気容量は、加熱対象物９０の電気容量Ｃｆに応じて変化する。氷の比誘電率は約３であり、水の比誘電率は約７０〜８０である。このため、冷凍された加熱対象物９０を解凍する場合、加熱開始から終了までの間に、加熱対象物９０の誘電率は約２５倍に変化する。
【００５１】
このため、加熱対象物９０の加熱中、加熱室１３内の電気容量は、誘電率の変化に伴い大きく変化する。加熱対象物９０の解凍が終了すると、誘電率は安定し、加熱室１３内の電気容量は安定する。
【００５２】
制御部６０は、整合器４０のインピーダンスと加熱室１３内のインピーダンスとの合成インピーダンスを変化させないように、第１可変キャパシタＶＣ１および第２可変キャパシタＶＣ２の電気容量を変化させる。
【００５３】
すなわち、加熱室１３内の電気容量が変化すると、第１可変キャパシタＶＣ１および第２可変キャパシタＶＣ２の電気容量は変化する。加熱室１３内部の電気容量が安定すると、第１可変キャパシタＶＣ１および第２可変キャパシタＶＣ２の電気容量は安定する。
【００５４】
次に、整合器４０のインピーダンスと加熱室１３内のインピーダンスとの合成インピーダンスは次式で表わされる。ここでは、合成インピーダンスを、インピーダンスの逆数であるアドミタンスで表す。
【００５５】
ＹＴＯＴＡＬ
＝ｊω(ＣＶＣ２＋(１／((１／ＣＶＣ１)＋(１／Ｃ)−(ω２×Ｌ１))))
ここで、ＹＴＯＴＡＬは、整合器４０のアドミタンスと加熱室１３内のアドミタンスとの合成アドミタンス[Ｓ]であり、ＣＶＣ１は、第１可変キャパシタＶＣ１の電気容量［Ｆ］であり、ＣＶＣ２は、第２可変キャパシタＶＣ２の電気容量［Ｆ］であり、Ｌ１は、固定インダクタのインダクタンス[Ｈ]であり、Ｃは、加熱室１３内部の電気容量［Ｆ］である。
【００５６】
上記式に示すように、加熱対象物９０の解凍が進んで電気容量Ｃｆが大きくなると、加熱室１３内部の電気容量Ｃが大きくなる。そこで、制御部６０は、第１可変キャパシタＶＣ１の電気容量ＣＶＣ１を小さくしたり、第２可変キャパシタＶＣ２の電気容量ＣＶＣ２を小さくしたりする。
【００５７】
制御部６０は、第１可変キャパシタＶＣ１および第２可変キャパシタＶＣ２の両方の電気容量を同時に調整してもよい。これにより、加熱対象物９０における電気抵抗成分、各ブロック間を繋ぐ配線の抵抗などの影響を含めて、整合器４０のインピーダンスと加熱室１３内のインピーダンスとの合成インピーダンスを５０Ωの近傍に維持することができる。その結果、第１電極１１から高周波電源３０への反射波が極小化され、加熱対象物９０を効率良く加熱することができる。
【００５８】
なお、上記の場合、第１可変キャパシタＶＣ１の電気容量ＣＶＣ１と、第２可変キャパシタＶＣ２の電気容量ＣＶＣ２の値とが相互に影響する。このため、加熱室１３内の電気容量Ｃが大きくなった場合、電気容量ＣＶＣ１、ＣＶＣ２の変化は一意には決まらない。
【００５９】
＜検出部＞
検出部５０は、第１電極１１から高周波電源３０への反射波を検出する。検出部５０は、例えば、電気回路で構成される。整合器４０において加熱室１３と高周波電源３０とのインピーダンス整合がとれていない場合、一部の電力が加熱室１３に供給されず、高周波電源３０に向かって反射される。検出部５０は、この反射電力を検出する。
【００６０】
図４は、検出部５０の構成を示す概略図である。図４に示すように、本実施の形態では、検出部５０は、容量性結合（Ｃ）と誘導性結合（Ｍ）とを組合せて構成されるＣＭ方向性結合器である。
【００６１】
検出部５０は、トランスＴ１、キャパシタＣ１、キャパシタＣ２、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２を備える。トランスＴ１は、中央に配置される。キャパシタＣ１、Ｃ２は、トランスＴ１の両側に配置される。抵抗Ｒ１、Ｒ２は、キャパシタＣ１、Ｃ２にそれぞれ直列に接続される。
【００６２】
図４において、進行波が左から右へ、反射波が右から左へ流れると定義すると、トランスＴ１は、進行波に応じた電流Ｉｍｆ、反射波に応じた電流Ｉｍｒを発生させる。キャパシタＣ１、Ｃ２は、電流Ｉｃ１と電流Ｉｃ２とを発生させる。
【００６３】
抵抗Ｒ１の両端電圧Ｖｆ、抵抗Ｒ２の両端電圧Ｖｒは次式で表される。
【００６４】
Ｖｆ＝Ｒ１×（Ｉｃ１＋Ｉｍｆ−Ｉｍｒ）
Ｖｒ＝Ｒ２×（Ｉｃ２＋Ｉｍｒ−Ｉｍｆ）
Ｉｃ１がＩｍｒと等しくなり、Ｉｃ２がＩｍｆと等しくなるように各部品の定数を選定すると、図４に示す回路は方向性結合器として機能する。検出部５０は、基板パターン上に配置された分布定数線路によって構成されてもよい。
【００６５】
＜制御部＞
制御部６０は、整合器４０に含まれた整合素子の整合定数における時間変化が安定した場合、加熱終了を判定する。例えば、制御部６０は、整合定数における時間変化率が所定の閾値以下である場合、高周波電源３０を停止させて加熱を終了させる。時間変化率とは、所定時間（例えば、２０秒）当たりの変化の割合を意味する。
【００６６】
この閾値は、整合定数の変化が安定していると判定するための設定値であり、例えば、０％以上、０．５％以下に設定される。この閾値は、０％以上、０．１％以下に設定されるのが好ましい。
【００６７】
本実施の形態では、制御部６０は、第１可変キャパシタＶＣ１および第２可変キャパシタＶＣ２の電気容量の時間変化に基づいて、高周波電源３０を停止させて加熱を終了させる。
【００６８】
制御部６０は、整合器４０と検出部５０とに電気的に接続される。制御部６０は、検出部５０により検出された反射波に基づいて、整合器４０に含まれる整合素子の整合定数を制御する。これにより、整合器４０はインピーダンス整合を行う。
【００６９】
制御部６０は、位置調整部２０に電気的に接続される。制御部６０は、位置調整部２０を制御し、加熱対象物９０の高さ寸法に応じて、第１電極１１の位置を調整する。
【００７０】
制御部６０は、例えば、プログラムを記憶したメモリと、ＣＰＵ（Central processing unit）を含むプロセッサに対応する処理回路（図示せず）を備える。例えば、制御部６０においては、プロセッサがメモリに記憶されたプログラムを実行する。
【００７１】
［動作］
本実施の形態に係る高周波加熱装置１における動作について、実施例１〜３および実施例４〜６を用いて説明する。実施例１〜３においては、制御部６０は、第１可変キャパシタＶＣ１の電気容量の時間変化に基づいて加熱の終了を判定する。実施例４〜６においては、制御部６０は、第２可変キャパシタＶＣ２の電気容量の時間変化に基づいて加熱の終了を判定する。
【００７２】
実施例１〜３および実施例４〜６では、加熱対象物９０として、冷凍牛肉のミンチが用いられる。実施例１および４では、加熱対象物９０は、寸法が横幅１６０ｍｍ×奥行１１５ｍｍ×高さ２５ｍｍで、重さが３００ｇである。実施例２および５では、加熱対象物９０は、寸法が横幅１９５ｍｍ×奥行１４５ｍｍ×高さ２５ｍｍで、重さが５００ｇである。実施例３および６では、加熱対象物９０は、寸法が横幅２２０ｍｍ×奥行１５０ｍｍ×高さ３５ｍｍで、重さが１０００ｇである。
【００７３】
制御部６０は、第１可変キャパシタＶＣ１および第２可変キャパシタＶＣ２の電気容量を同時に変化させる。これにより、整合器４０はインピーダンス整合を行う。
【００７４】
図５は、加熱時の、実施例１〜３における第１可変キャパシタＶＣ１の電気容量の時間変化を示す。図５には、実施例１〜３における加熱終了の時点が示される。
【００７５】
正確には、図５の縦軸は、第１可変キャパシタＶＣ１の最大電気容量に対する、制御部６０により設定された第１可変キャパシタＶＣ１の電気容量の割合（％）を示す。図５に示すように、実施例１〜３において、加熱対象物９０の解凍が進むと、第１可変キャパシタＶＣ１の電気容量は安定する。換言すると、第１可変キャパシタＶＣ１の電気容量の時間変化率は小さくなる。
【００７６】
実施例１〜３では、制御部６０は、第１可変キャパシタＶＣ１の電気容量の時間変化率がほぼ０％、具体的には０．１％以下になると、加熱終了を判定する。図５に示すように、実施例１では、加熱開始から約３３０秒経過した時点ｔ１で、第１可変キャパシタＶＣ１の電気容量の時間変化率がほぼ０％である。時点ｔ１において、制御部６０は加熱終了を判定する。
【００７７】
実施例２では、加熱開始から約４２０秒経過した時点ｔ２で第１可変キャパシタＶＣ１の電気容量の時間変化率がほぼ０％である。時点ｔ２において、制御部６０は加熱終了を判定する。実施例３では、加熱開始から約６４０秒経過した時点ｔ３で第１可変キャパシタＶＣ１の電気容量の時間変化率がほぼ０％である。時点ｔ３において、制御部６０は加熱終了を判定する。
【００７８】
このように、制御部６０は、第１電極１１に直列に接続される第１可変キャパシタＶＣ１の電気容量の時間変化率に基づいて、高周波電源３０を停止させて加熱を終了させる。なお、実施例１〜３において、制御部６０は、時点ｔ１、ｔ２、ｔ３の少し前の時点で加熱終了を判定してもよい。
【００７９】
図６は、加熱時の、実施例４〜６における第２可変キャパシタＶＣ２の電気容量の時間変化を示す。図６には、実施例４〜６における加熱終了の時点が示される。
【００８０】
正確には、図６の縦軸は、第２可変キャパシタＶＣ２の最大電気容量に対する、制御部６０により設定された第２可変キャパシタＶＣ２の電気容量の割合（％）を示す。図６に示すように、実施例４〜６において、加熱対象物９０の解凍が進むと、第２可変キャパシタＶＣ２の電気容量は安定する。換言すると、第２可変キャパシタＶＣ２の電気容量の時間変化率は小さくなる。
【００８１】
実施例４〜６では、制御部６０は、第２可変キャパシタＶＣ２の電気容量の時間変化率がほぼ０％、具体的には０．１％以下になると、加熱終了を判定する。図６に示すように、実施例４では、加熱開始から約８７０秒経過した時点ｔ４で、第２可変キャパシタＶＣ２の電気容量の時間変化率がほぼ０％である。時点ｔ４において、制御部６０は加熱終了を判定する。
【００８２】
実施例５では、加熱開始から約１１３０秒経過した時点ｔ５で第２可変キャパシタＶＣ２の電気容量の時間変化率がほぼ０％である。時点ｔ５において、制御部６０は加熱終了を判定する。実施例６では、加熱開始から約１３１０秒経過した時点ｔ６で第２可変キャパシタＶＣ２の電気容量の時間変化率がほぼ０％である。時点ｔ６において、制御部６０は加熱終了を判定する。
【００８３】
このように、制御部６０は、第１電極１１に並列に接続される第２可変キャパシタＶＣ２の電気容量の時間変化率に基づいて、高周波電源３０を停止させて加熱を終了させる。なお、実施例４〜６において、制御部６０は、時点ｔ３、ｔ４、ｔ６の少し前の時点で加熱終了を判定してもよい。
【００８４】
［効果］
本実施の形態に係る高周波加熱装置１は、以下の効果を奏することができる。
【００８５】
高周波加熱装置１は、整合器４０に含まれる整合素子の整合定数における時間変化に基づいて加熱を終了させる。具体的には、制御部６０は、整合素子の整合定数における時間変化率が安定すると、加熱終了を判定する。例えば、制御部６０は、整合定数が所定の閾値以下の場合に、高周波電源３０を停止させて加熱を終了させる。
【００８６】
本実施の形態によれば、高周波加熱装置１は、加熱対象物９０の加熱開始から終了するまで、整合器４０を用いてインピーダンス整合を行うことができる。これにより、電極から高周波電源３０への反射波を抑制しつつ、加熱終了を判定することができる。その結果、加熱開始から終了まで、加熱対象物９０を効率良く加熱することができる。
【００８７】
高周波加熱装置１は、加熱対象物９０の位置、形状および質量にばらつきがある場合でも、整合素子の整合定数における時間変化に基づいて加熱終了を判定することで、適切な時点で加熱を終了させることができる。
【００８８】
高周波加熱装置１は、整合器４０に含まれる整合素子の整合定数における時間変化を加熱終了の判定基準としている。このため、加熱終了を容易に判定することができる。加熱対象物９０の位置、形状および質量にばらつきがある場合でも、閾値を容易に設定することができる。
【００８９】
本実施の形態では、第１電極１１は、矩形形状を有する平板状の電極である。しかし、第１電極１１の形状はこれに限定されない。例えば、第１電極１１は、円形、楕円形または多角形の形状を有してもよい。第１電極１１は、その表面に多少の凹凸を有してもよく、その周囲に折り曲げられた部分を有してもよく、孔の空いた板であってもよい。
【００９０】
本実施の形態では、第２電極１２は、第１電極１１の下方に配置される。しかし、本開示はこれに限定されない。第１電極１１と第２電極１２とが、互いに対向するように配置されていればよい。例えば、第２電極１２が、第１電極１１の上方に配置されてもよい。第１電極１１および第２電極１２が、左右方向に対向するように配置されてもよい。
【００９１】
本実施の形態では、第１電極１１、第２電極１２および位置調整部２０は、加熱室１３内に配置される。しかし、本開示はこれに限定されない。位置調整部２０が、加熱室１３の外に配置されてもよい。
【００９２】
本実施の形態では、位置調整部２０は、第１電極１１を上下に移動させる。しかし、本開示はこれに限定されない。位置調整部２０が、第２電極１２を上下に移動させてもよい。位置調整部２０が、第１電極１１と第２電極１２との両方を上下に移動させてもよい。
【００９３】
本実施の形態では、高周波電源３０は、図２に示すように、高周波発振器３１と、増幅器３２、３３とを備える。しかし、高周波電源３０は、高周波電圧を印加することができるものであれば、本実施の形態に限定されない。
【００９４】
本実施の形態では、高周波加熱装置１が位置調整部２０および検出部５０を備える。しかし、高周波加熱装置１は、位置調整部２０および検出部５０を備えなくてもよい。
【００９５】
本実施の形態では、第１可変キャパシタＶＣ１および第２可変キャパシタＶＣ２の両方の電気容量を変化させて、高周波電源３０と加熱室１３とのインピーダンス整合を行う。しかし、本開示はこれに限定されない。第１可変キャパシタＶＣ１、第２可変キャパシタＶＣ２のいずれか一方の電気容量を固定し、他方の電気容量のみを変化させることによって、インピーダンス整合を行ってもよい。
【００９６】
本実施の形態では、整合器４０は、図３に示すように、整合素子として第１可変キャパシタＶＣ１および第２可変キャパシタＶＣ２を有する。しかし、本開示はこれに限定されない。
【００９７】
整合器４０が、加熱室１３と高周波電源３０とのインピーダンス整合を行うために整合定数を変化させる少なくとも一つの整合素子を有すればよい。少なくとも一つの整合素子は、可変の整合定数を有する素子であればよい。例えば、少なくとも一つの整合素子は、可変キャパシタおよび可変インダクタの少なくとも一方を含んでいればよい。以下、図７Ａ〜７Ｅを用いて、変形例の整合器を説明する。
【００９８】
図７Ａは、第１変形例の整合器４０ａを含む回路モデルを示す概略図である。図７Ａに示すように、整合器４０ａは、可変キャパシタＶＣ１１、インダクタＬ１１およびキャパシタＣ１１を有する。整合器４０ａでは、可変キャパシタＶＣ１１が整合素子として使用される。
【００９９】
可変キャパシタＶＣ１１は、例えば、真空可変キャパシタである。可変キャパシタＶＣ１１は、第１電極１１に直列に接続される。キャパシタＣ１１は、可変キャパシタＶＣ１１と高周波電源３０とに直列に接続される。インダクタＬ１１は、第１電極１１に並列に接続される。
【０１００】
制御部６０は、可変キャパシタＶＣ１１の電気容量を変化させる。これにより、整合器４０ａは、加熱室１３と高周波電源３０とのインピーダンス整合を行う。
【０１０１】
図７Ｂは、第２変形例の整合器４０ｂを含む回路モデルを示す概略図である。図７Ｂに示すように、整合器４０ｂは、可変キャパシタＶＣ２１、可変キャパシタＶＣ２２、インダクタＬ２１、インダクタＬ２２を有する。整合器４０ｂでは、可変キャパシタＶＣ２１、ＶＣ２２が整合素子として使用される。
【０１０２】
可変キャパシタＶＣ２１、ＶＣ２２は、例えば、真空可変キャパシタである。可変キャパシタＶＣ２１は、第１電極１１に直列に接続される。可変キャパシタＶＣ２２は、第１電極１１に並列に接続される。インダクタＬ２１は、可変キャパシタＶＣ２１と第１電極１１とに直列に接続される。インダクタＬ２２は、可変キャパシタＶＣ２１と高周波電源３０とに直列に接続される。
【０１０３】
制御部６０は、可変キャパシタＶＣ２１およびＶＣ２２の少なくとも一方の電気容量を変化させる。これにより、整合器４０ｂは、加熱室１３と高周波電源３０とのインピーダンス整合を行う。
【０１０４】
図７Ｃは、第３変形例の整合器４０ｃを含む回路モデルを示す概略図である。図７Ｃに示すように、整合器４０ｃは、可変キャパシタＶＣ３１、インダクタＬ３１、Ｌ３２、Ｌ３３を有する。整合器４０ｃでは、可変キャパシタＶＣ３１が整合素子として使用される。
【０１０５】
可変キャパシタＶＣ３１は、例えば、スイッチトキャパシタ（Switched capacitor）である。スイッチトキャパシタは、並列に接続された複数のキャパシタと、それぞれが各キャパシタに直列に接続された複数のスイッチとを有する。複数のスイッチにより複数のキャパシタの接続を切り替えると、スイッチトキャパシタの電気容量が変化する。
【０１０６】
可変キャパシタＶＣ３１は、第１電極１１に直列に接続される。インダクタＬ３１は、高周波電源３０と可変キャパシタＶＣ３１とに直列に接続される。インダクタＬ３２およびインダクタＬ３３は、第１電極１１に並列に接続される。インダクタＬ３２、Ｌ３３は、互いに並列に接続される。
【０１０７】
制御部６０は、スイッチトキャパシタの複数のキャパシタの接続を切り替えることにより、可変キャパシタＶＣ３１の電気容量を変化させる。これにより、整合器４０ｃはインピーダンス整合を行う。
【０１０８】
図７Ｄは、第４変形例の整合器４０ｄを含む回路モデルを示す概略図である。図７Ｄに示すように、整合器４０ｄは、可変インダクタＶＬ４１、キャパシタＣ４１、インダクタＬ４１、Ｌ４２を有する。整合器４０ｄでは、可変インダクタＶＬ４１が整合素子として使用される。
【０１０９】
可変インダクタＶＬ４１は、並列に接続された複数のインダクタと、それぞれが各インダクタに直列に接続された複数のスイッチとを有する。複数のスイッチにより複数のインダクタの接続を切り替えると、可変インダクタＶＬ４１のインダクタンスが変化する。
【０１１０】
可変インダクタＶＬ４１は、第１電極１１に直列に接続される。キャパシタＣ４１は、高周波電源３０と可変インダクタＶＬ４１とに直列に接続される。インダクタＬ４１、インダクタＬ４２は、第１電極１１に並列に接続される。インダクタＬ４１、Ｌ４２は、互いに並列に接続される。
【０１１１】
制御部６０は、複数のインダクタの接続を切り替えることによって、可変インダクタＶＬ４１のインダクタンスを変化させる。これにより、整合器４０ｄはインピーダンス整合を行う。
【０１１２】
図７Ｅは、第５変形例の整合器４０ｅを含む回路モデルを示す概略図である。図７Ｄに示すように、整合器４０ｅは、可変キャパシタＶＣ５１、インダクタＬ５１、Ｌ５２を有する。整合器４０ｅでは、可変キャパシタＶＣ５１が整合素子として使用される。
【０１１３】
可変キャパシタＶＣ５１は、例えば、スイッチトキャパシタである。可変キャパシタＶＣ５１は、第１電極１１に並列に接続される。インダクタＬ５１、インダクタＬ５２は、高周波電源３０と可変キャパシタＶＣ５１とに直列に接続される。インダクタＬ５１、Ｌ５２は、第１電極１１に直列に接続される。インダクタＬ５１、Ｌ５２は、互いに並列に接続される。
【０１１４】
制御部６０は、スイッチトキャパシタの複数のキャパシタの接続を切り替えることによって、可変キャパシタＶＣ５１の電気容量を変化させる。これにより、整合器４０ｅはインピーダンス整合を行う。
【０１１５】
整合器４０ａ〜４０ｅを有する高周波加熱装置は、高周波加熱装置１と同様の効果を得ることができる。
【０１１６】
本実施の形態では、制御部６０は、整合素子の整合定数における時間変化率が所定の閾値以下である場合、高周波電源３０を停止させて加熱を終了させる。しかし、本開示はこれに限定されない。例えば、制御部６０は、２０秒以上、または、加熱を行っている時間の１／１０以上の間、整合定数に変化がない場合、高周波電源３０を停止させてもよい。これにより、加熱終了をより正確に判定することができる。
【０１１７】
本実施の形態では、制御部６０は、整合素子の整合定数における時間変化から加熱の終了時間を推定し、当該終了時間よりも早く高周波電源３０を停止させてもよい。例えば、加熱の終了時間は、整合定数の時間変化から最小二乗法などによって推定してもよい。
【０１１８】
これにより、加熱対象物９０の加熱状態を制御することができる。例えば、加熱対象物９０が完全に解凍される前に加熱を終了させて、加熱対象物９０を扱い易い状態に仕上げることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１１９】
本開示に係る高周波加熱装置は、例えば、解凍機などの調理機器に適用可能である。
【符号の説明】
【０１２０】
１  高周波加熱装置
１１  第１電極
１２  第２電極
１３  加熱室
２０  位置調整部
３０  高周波電源
３１  高周波発振器
３２、３３  増幅器
４０、４０ａ、４０ｂ、４０ｃ、４０ｄ、４０ｅ  整合器
５０  検出部
６０  制御部
９０  加熱対象物
【図１】
2020110546.tif 000003
【図２】
2020110546.tif 000004
【図３】
2020110546.tif 000005
【図４】
2020110546.tif 000006
【図５】
2020110546.tif 000007
【図６】
2020110546.tif 000008
【図７Ａ】
2020110546.tif 000009
【図７Ｂ】
2020110546.tif 000010
【図７Ｃ】
2020110546.tif 000011
【図７Ｄ】
2020110546.tif 000012
【図７Ｅ】
2020110546.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】令和3年4月28日(2021.4.28)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６１】
検出部５０は、トランスＴ１、キャパシタＣ１、キャパシタＣ２、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２を備える。トランスＴ１は、中央に配置される。キャパシタＣ１、Ｃ２は、トランスＴ１の両側にそれぞれ配置される。抵抗Ｒ１、Ｒ２は、キャパシタＣ１、Ｃ２にそれぞれ直列に接続される。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８３】
このように、制御部６０は、第１電極１１に並列に接続される第２可変キャパシタＶＣ２の電気容量の時間変化率に基づいて、高周波電源３０を停止させて加熱を終了させる。なお、実施例４〜６において、制御部６０は、時点ｔ４、ｔ５、ｔ６の少し前の時点で加熱終了を判定してもよい。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０５】
可変キャパシタＶＣ３１は、例えば、スイッチトキャパシタ（Switched capacitor）である。スイッチトキャパシタは、並列に接続された複数のキャパシタと、それぞれが、複数のキャパシタのうちの対応する一つに直列に接続された複数のスイッチとを有する。複数のスイッチにより複数のキャパシタの接続を切り替えると、スイッチトキャパシタの電気容量が変化する。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１０９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１０９】
可変インダクタＶＬ４１は、並列に接続された複数のインダクタと、それぞれが、複数のインダクタのうちの対応する一つに直列に接続された複数のスイッチとを有する。複数のスイッチにより複数のインダクタの接続を切り替えると、可変インダクタＶＬ４１のインダクタンスが変化する。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０１１２
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０１１２】
図７Ｅは、第５変形例の整合器４０ｅを含む回路モデルを示す概略図である。図７Ｅに示すように、整合器４０ｅは、可変キャパシタＶＣ５１、インダクタＬ５１、Ｌ５２を有する。整合器４０ｅでは、可変キャパシタＶＣ５１が整合素子として使用される。
【国際調査報告】
2020110546.tif 000014
2020110546.tif 000015