(57)【要約】【課題】通電加熱の原理に基づく加熱システムに高電力密度を付与し、よりコンパクトで且つより経済的な加熱システムを提供する。【解決手段】流体の通電加熱のシステムは、流体を収容する少なくとも１つのチャンバ（１）と、少なくとも１つの電極（４ａ，４ｂ）をそれぞれ含む、少なくとも２つのユニット（６ａ，６ｂ）と、当該少なくとも２つの電極ユニット（６ａ，６ｂ）に電気的に接続された、少なくとも２つの電極ユニット（６ａ，６ｂ）を動作させる少なくとも１つの周波数インバータ（１０）とを備える。少なくとも１つの電極の各々は、少なくとも１つのガルバニック絶縁手段（５ａ，５ｂ，５ｃ）と対応付けられている。２つのユニット（６ａ，６ｂ）の各々における電極（４ａ，４ｂ）は、チャンバ（１）において互いに離間して配置されており、ガルバニック絶縁手段（５ａ，５ｂ，５ｃ）は、チャンバ（１）外に配置されている。【選択図】図２Ｂ
2020516046.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体を通電加熱するためのシステムであって、
−前記流体を収容する少なくとも１つのチャンバ（１）と、
−少なくとも１つの電極（４ａ，４ｂ）をそれぞれ含む、少なくとも２つのユニット（６ａ，６ｂ）であって、前記少なくとも１つの電極の各々が、少なくとも１つのガルバニック絶縁手段（５ａ，５ｂ，５ｃ）と対応付けられている、少なくとも２つのユニット（６ａ，６ｂ）と、
を備え、前記２つのユニット（６ａ，６ｂ）の各々における前記電極（４ａ，４ｂ）が、前記チャンバ（１）において互いに離間して配置されており、前記ガルバニック絶縁手段（５ａ，５ｂ，５ｃ）が、前記チャンバ（１）外に配置されており、
−当該少なくとも２つの電極ユニット（６ａ，６ｂ）に電気的に接続された、前記少なくとも２つの電極ユニット（６ａ，６ｂ）を動作させる少なくとも１つの周波数インバータ（１０）が設けられている、
システム。
【請求項２】
請求項１に記載のシステムにおいて、前記少なくとも１つのガルバニック絶縁手段（５ａ，５ｂ，５ｃ）が、少なくとも１つのコンデンサ（５ａ，５ｂ）または少なくとも１つの絶縁トランス（５ｃ）であることを特徴とする、システム。
【請求項３】
請求項２に記載のシステムにおいて、前記少なくとも１つのコンデンサ（５ａ，５ｂ）が、安全コンデンサ（クラスＸ又はクラスＹコンデンサとも称される）であることを特徴とする、システム。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記電極−ガルバニック絶縁手段ユニットのうちの一つ又は各々に、追加の素子が設けられていることを特徴とする、システム。
【請求項５】
請求項４に記載のシステムにおいて、追加の素子として、少なくとも１つの追加のコンデンサが、好ましくは直列接続又は並列接続で、共振ネットワークを形成するように設けられていることを特徴とする、システム。
【請求項６】
請求項４に記載のシステムにおいて、追加の素子として、少なくとも１つのコイルが、直列接続又は並列接続で、共振ネットワークを形成するように設けられていることを特徴とする、システム。
【請求項７】
請求項４に記載のシステムにおいて、追加の素子として、スイッチング挙動を最適化するセンサが、受取り電力または前記流体の温度を測定するように設けられていることを特徴とする、システム。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか一項に記載のシステムにおいて、複数の電極対が設けられていることを特徴とする、システム。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一項に記載のシステムにおいて、冷却ユニットが、当該加熱システムの効率を最大限に高めるように設けられていることを特徴とする、システム。
【請求項１０】
本発明にかかるシステムにおいて、前記少なくとも１つの周波数インバータ（１０）が、少なくとも１つのブリッジ回路を有することを特徴とする、システム。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記少なくとも１つの周波数コンバータ（１０）が、少なくとも２つのスイッチ（２）と少なくとも１つのセンタータップ（７）との少なくとも１つのスイッチング配置構成を含む、少なくとも１つのブリッジ回路を有しており、前記少なくともセンタータップ（７）が、少なくとも１つの電極−ガルバニック絶縁手段ユニット（６ａ，６ｂ）に接続されていることを特徴とする、システム。
【請求項１２】
請求項１１に記載のシステムにおいて、前記少なくとも１つのスイッチング配置構成が、特にはフルブリッジの場合に、少なくとも４つのスイッチ（２）を有することを特徴とする、システム。
【請求項１３】
請求項１１または１２に記載のシステムにおいて、前記スイッチング配置構成の電子スイッチ（２）のそれぞれが、少なくとも１つの制御ユニット（３）に接続されていることを特徴とする、システム。
【請求項１４】
請求項１３に記載のシステムにおいて、前記少なくとも１つの制御ユニット（３）が、マイクロコントローラであることを特徴とする、システム。
【請求項１５】
請求項１から１４のいずれか一項に記載のシステムにおいて、
前記少なくとも１つの周波数インバータ（１０）のための少なくとも１つの電圧供給部（８）、
を備えることを特徴とする、システム。    
【請求項１６】
請求項１５に記載のシステムにおいて、前記少なくとも１つの電圧供給部（８）が、整流器（９）、特にはダイオード整流器を有することを特徴とする、システム。
【請求項１７】
請求項１から１６のいずれか一項に記載のシステムにおいて、前記少なくとも１つのチャンバ（１）が、前記流体の少なくとも１つの入口と少なくとも１つの出口とをそれぞれ有する、収容体、容器、またはチューブであることを特徴とする、システム。
【請求項１８】
請求項１から１７のいずれか一項に記載のシステムの、少なくとも１種の流体の通電加熱のための使用。
【請求項１９】
請求項１から１７のいずれか一項に記載のシステムの電子部品のための冷却ユニットにおいて、加熱対象の流体が冷却流体として使用されることを特徴とする、冷却ユニット。
【請求項２０】
請求項１から１７のいずれか一項に記載のシステムで流体を通電加熱する方法において、
−少なくとも１つの電圧供給部によって電圧を前記少なくとも１つの周波数インバータ（１０）に供給する過程と、
−前記少なくとも２つの電極−ガルバニック絶縁手段ユニット（６ａ，６ｂ）間で電圧の極性が交互に切り替わるように、前記少なくとも１つの周波数インバータを制御する過程と、
を備えることを特徴とする、方法。
【請求項２１】
請求項２０に記載の方法において、５０〜６０Ｈｚの周波数ｆｎｅｔを有する１１０〜２４０Ｖの整流された電圧Ｕｎｅｔが、前記少なくとも１つの周波数インバータ（１０）に印加されることを特徴とする、方法。
【請求項２２】
請求項２０または２１に記載の方法において、前記電圧の極性が、前記少なくとも１つの制御ユニット（３）により制御されることを特徴とする、方法。
【請求項２３】
請求項２０から２２のいずれか一項に記載の方法において、前記電圧の極性は、３ＭＨｚ以下のパルス周波数が達成されるように制御されることを特徴とする、方法。
【請求項２４】
請求項２０から２３のいずれか一項に記載の方法において、パルス周波数が、加熱性能を制御するように継続的に調節されることを特徴とする、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体を通電加熱するシステム、およびこのシステムを用いて流体を通電加熱する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
電気加熱の方法はよく知られている。電気加熱システム及び方法は、抵抗加熱、アーク加熱、誘導加熱、誘電加熱、赤外線加熱、外部加熱、レーザ加熱、及びこれらの組合せに細分することができる。
【０００３】
通電加熱の場合、２つの電極により電気ポテンシャルが液体に印加されて当該液体中に電流（電子流）が生じる。液体中を流れる電子が当該液体の原子核と衝突し、自身の運動エネルギーを受け渡す。これにより、原子核の運動エネルギー（温度）が増加するので、液体の温度も増加する。
【０００４】
流体系の通電加熱（すなわち、ジュール加熱）は、既に確立された方法である。例えば特許文献１には、加熱対象の導電性流体中に電極が浸漬されて、この電気回路内での当該流体の抵抗を利用して熱を生成するという流体加熱器が記載されている。電気エネルギーは、一対の電気接点によって段階的に且つ断続的に供給される。これらの接点のうちの一方は、加熱器内の通常水面から水中へと大幅に潜り込んだ箇所に固定されており、かつ、電極の一つと電気的に接続されている。他方の接点は、１つめの接点と接触中の水の水面よりも下になる位置と、加熱器のハウジング内の液体の液面よりも上方に保たれている空気ポケット又は別の非導電性気体のポケット内の第２の位置との間で移動可能とされている。
【０００５】
今日の通電加熱用途では、主に下記の難しい問題が生じる。第一に、大きな変圧損失を伴うことなく流体の通電加熱用の十分なエネルギーを供給するため、典型的には商用電源電圧が電極へと直接印加される。しかし、この場合には、処理対象の流体が（アースに接続された）接地状態の物体に接触すると漏れ電流が発生する。これにより、装置の漏電ブレーカー又は漏電遮断器がトリガされ得るか、あるいは、それらが無い場合には人間に対しての致命的な電気ショックとなり得る。第二に、十分な加熱性能を有する小さくてコンパクトな通電加熱装置を実現するには、高電力密度の構成が必要となる。このような設計を実現するには、流体に高いエネルギーをかける必要があるものの、高いエネルギーは電極を腐食させて流体を変質させることから、商用電源電圧を用いたときには味の劣化や危険な副生成物の形成が発生する。第三に、印加される加熱電力に対して、流体を所望の出口温度に到達させるような制御が行われる。最後に、通電加熱過程にとって最も重量なパラメータは、流体の導電率である。しかし、この物性は、流体の温度および当該流体の具体的な組成に依存する。このため、同じ種類の流体であっても導電率には大きなばらつきがある。例えば、水道水の導電率は、地理学的な場所が変わるだけで１０分の１にもなる。実用的な通電加熱装置を構築するには、そのようなばらつきに対処できるものでなければならない。
【０００６】
今日の通電加熱用途のほとんどが食品加工産業であり、かつ、大規模なものが見受けられる。この産業環境では、低電力密度の大型の機械が用いられたり、処理対象の流体に人間が触れないものとされたりしている。さらに、加工される食品は予め判明しているのが普通であり、機械はその特定の用途に合わせて構築されている。そのため、前述した問題は、産業用途では問題とならない。
【０００７】
しかし、通電加熱をより小規模な非産業用途に用いる場合には、上記の問題を考慮する必要がある。今日、これらの問題は以下のようにして対処されている。
【０００８】
（漏れ電流）
装置から漏れ電流が流出するのを阻止又は抑制するために、様々な方法が提案されている。例えば特許文献２には、装置の入口と出口に配置された接地電極が記載されている。これらの電極は、装置に流入する液体と装置から流出する液体とを確実に接地電位とすることで電気ショックを防ぐように電気的接地に接続されている。この方法の短所は、接地電流を確実に抑えるためにそれらの接地電極を加熱電極から十分に離して設置しなければならないという点である。電気的規則に確実に準拠するため、装置が大型化する。特許文献３では、電極の代わりに、出口チューブ及び入口チューブ（好ましくは、金属製）をアースストラップで電気的接地に接続することが提案されているが、同様の短所を有している。
【０００９】
特許文献４には、液体を加熱電極から機械的に絶縁することで、流れ出る液体と当該加熱電極との接続を遮断して電気ショックや漏れ電流を防止するという別のアプローチが記載されている。例えば、出口にある２つの追加の収容部が、交互に開閉する２つのバルブによって絶縁されていることで、電気的に中性な水を送達する。提案されているその他の概念は、高速で開閉するインラインバルブからなるものであり、これによって電気的に中性な水を送達する。これらの方法の短所は、断続的な流れを発生させるという点と、追加の機械部品が必要になるという点である。
【００１０】
（流体の変質および腐食）
流体の変質や電極の腐食を減らすため、特許文献４には、流体及び電極中の電流密度を適宜小さく抑えるということが提案されている。これは、加熱電極の導通面積を十分に広く維持することによって達成される。同特許には、電極間に印加される電圧を、電圧供給部と当該電極との間に配置されたトランスによって２倍に昇圧するという２つめのアプローチも記載されている。加わる電流は加熱電力と印加電圧との割合に比例することから、これにより、同じ倍率だけ電流密度が減少する。導通電極の面積を可能な限り広くするという要件は、比較的大型な装置に繋がる。記載のとおり電圧トランスを用いる場合には、大型で高価なトランスが必要となる。
【００１１】
（加熱電力の制御および導電率の対処）
加熱電力の制御、および流体の導電率のばらつきに対する対処は、ほぼ同じ方法で行われる。特許文献２及び特許文献５には、個別に通電されることで活性導通面積を制御することが可能な複数の電極を備えるという共通の概念が提案されている。活性導通面積を増やすことにより、低下した導電率を補償してこれまでと同じ加熱電力を維持したり、導電率が同じままの場合にはそれによって加熱電力を上げたりすることができる。逆に、活性導通面積を減らすことにより、増加した導電率を補償したり印加加熱電力を下げたりすることができる。
【００１２】
特許文献４には、さらに、加熱電力を制御したり導電率の変化に対抗したりする別の手段として、電圧を上げることによって導電率の低下の補償や加熱電力の増加を行う（その逆も然り）可変電圧供給部を、商用電源と電極との間に設けるということが提案されている。商用電源電圧を電源として直接使用することができる場合には、複数の電極を使用するのが経済的な方法である。しかし、この構成には広いスペースが必要となる。電圧変換器を追加で使用すれば必要な電極の数を減らせるが、高価な電圧変換器が増えることになる。
【００１３】
まとめると、前述した問題に対処するには、電流密度を小さく抑えるのに且つ導電率のばらつきの発生に対処するのに十分に大きい通電加熱ベースの瞬間液体加熱器を構築するか、あるいは、大型で高価な部品を追加で使用する必要がある。
【００１４】
つまり、流体を電気的に加熱するための既知の方法及び装置の短所は、大型の構造、高コスト、ならびに当該方法及び装置に結び付いた加熱過程のエネルギー強度である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】米国特許第３０５３９６４号明細書
【特許文献２】米国特許出願公開第２０１１／０２３６００４号明細書
【特許文献３】欧州特許第１４１７４４４号明細書
【特許文献４】米国特許第６５２２８３４号明細書
【特許文献５】国際公開第２００９／１００４８６号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
したがって、本発明の目的の一つは、通電加熱の原理に基づく瞬間水加熱器などの加熱システムに高電力密度を付与すること、つまり、よりコンパクトで且つより経済的なものにすることであった。
【課題を解決するための手段】
【００１７】
この目的は、請求項１に記載されているとおり流体を通電加熱するシステム、および請求項２０に記載されているとおり当該システムを用いて流体を通電加熱する方法によって解決される。
【００１８】
つまり、流体を通電加熱するシステムであって、
−前記流体を収容する少なくとも１つのチャンバと、
−少なくとも１つの電極をそれぞれ含む、少なくとも２つのユニットであって、前記少なくとも１つの電極の各々が、少なくとも１つのガルバニック絶縁手段と対応付けられている、少なくとも２つのユニットと、
を備え、前記２つのユニットの各々における前記電極が、前記チャンバにおいて互いに離間して配置されており、前記ガルバニック絶縁手段が、前記チャンバ外に配置されており、
−当該少なくとも２つの電極ユニットに電気的に接続された、少なくとも２つの電極ユニットを動作させる少なくとも１つの周波数インバータが設けられているシステムが提供される。
【００１９】
本発明のシステムの基礎をなす思想は、リアクタンス電気素子（コンデンサやコイルやトランス）の特性をガルバニック絶縁手段として利用するというものである。前記インバータは、商用電源電圧の５０〜６０Ｈｚの周波数を２００ｋＨｚ超ないし３ＭＨｚ以下のより高い周波数へと変換するのに用いられる。前記リアクタンス素子は、液体をガルバニック絶縁し、かつ、発揮される加熱性能を調節するのに使用される。これは、前記インバータの周波数を調整することによって実現される。加熱性能の調節に加えて、電気コンダクタンスの変化も考慮することができる。これには、（特許文献４で提案されているような）電圧変換が不要となり、かつ、広い動作範囲をカバーするにあたって電極の数を劇的に減らすことができるという利点である。また、前記リアクタンス素子のガルバニック絶縁により漏れ電流が十分に抑えられるため、液体を機械的に絶縁したり接地電極を使用したりする必要性がなくなる。さらに、腐食／電気分解は電流密度だけでなく印加される電圧／電流の周波数にも依存することから、液体中及び電極中の電流密度を増加させることが可能となる。このように、リアクタンス素子を使用する利点は、経済的に且つコンパクトに高エネルギー密度を構築できるということである。
【００２０】
本発明にかかるシステムは、周波数インバータを用いて当該周波数インバータにより商用電源電圧を複数の高周波部分にチョッピングすることで電圧の周波数を上げるとともに、例えばコンデンサ等の適切なガルバニック絶縁手段によって電極を分離又は分断させている、流体（水、ミルク、任意の他の適切な流体など）の電気加熱システムとしても説明することが可能である。また、このようなシステムであって異なる電極間距離を有するものを複数、カスケード配置する（すなわち、順次連続的に配置する）ことにより、加熱チャンバを通過する流体の導電率範囲として、より広い範囲をカバーすることも可能である。
【００２１】
各々の又は複数の電極が、一つのガルバニック絶縁手段と対応付けられて（例えば、接続されて）おり、それぞれ電極−ガルバニック絶縁手段ユニット（例えば、電極−コンデンサユニット等）を形成している。電極−ガルバニック絶縁手段ユニットは、さらに、少なくとも２つの電極−ガルバニック絶縁手段ユニットを動作させる周波数インバータ（すなわち、周波数チョッパー）に電気的に接続されている。
【００２２】
本発明の文脈では、周波数インバータが、入力電圧の振幅および／または周波数を変更することが可能で且つ出力電力を制御することが可能な素子として定義される。つまり、前記周波数インバータは、出力電圧の周波数や振幅を変えることにより電力出力を変化させる。
【００２３】
周波数インバータは、周波数コンバータとも称される。周波数インバータは、内部のパワー半導体のオン／オフ挙動によって商用電源電力（例えば、５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）を別の周波数電力に変換する電力変換器である。前記周波数インバータは、整流器（交流から直流へ）、フィルタ、インバータ（直流から交流へ）、検出部、制御回路が電力回路を制御するマイクロプロセッシングユニットなどで構成され得る。整流回路が交流電力を直流電力へと変換し、直流中間回路が整流回路の出力を平滑化した後、インバータ回路が直流電流を交流電流へと再び戻す。
【００２４】
本発明にかかるシステムは、ガルバニック絶縁と加熱対象の流体の電気分解の防止又は抑制とにより、高電力密度な装置の構築を可能にする。
【００２５】
商用電源電圧は、接地電位に対して常にリンクする。このため、例えば地面に立っている人間の場合等のように、接地電位にリンクした別の物体が商用電源電圧に接触すると、電流が発生する。商用電源電圧を接地電位から分離させて接触時の電流を阻止するには、典型的にガルバニック絶縁が利用される。現在、典型的に用いられるガルバニック絶縁手段は、電力網周波数（net frequency）で動作するものになると高価で、大きく、高重量となるため、今日の通電加熱システムには採用されていない。
【００２６】
本発明にかかるシステムは、それよりも遥かに高い周波数で動作する周波数インバータを使用するため、経済的で且つコンパクトなガルバニック絶縁手段を使用することが可能となる。結果として得られるシステムは、今日の加熱システムとは違って、よりコンパクトで且つ経済的であり、しかも、ガルバニック絶縁されている。
【００２７】
前述したように、流体と接触した電極に対して電圧が一定の極性のまま印加されると、電気分解によって分子の分離が引き起こされる。この作用は、流体中のエネルギー流が増加すると高速で生じる。この過程に対抗するには、電圧の極性を反転させるという可能性がある。国にもよるが５０〜６０Ｈｚの周波数の商用電源電圧の場合には、電気分解を避けるために流体中のエネルギー密度を十分に小さくする必要がある。しかし、このような低い周波数の電圧であると、必要なエネルギーを流体に伝達させるには、複数の電極や広い電極面積の使用が必要となる。対照的に、必要量のエネルギーを伝達させるのに本発明では、電力網周波数をより高い周波数へと増大させる又はチョッピングすることで、複数の電極や広い電極面積の使用を回避している。
【００２８】
前記加熱器（特には、加熱チャンバ）の寸法は、加熱対象の流体と最大性能とに合わせて適合化される。各々の液体は相異なる導電率値σを有しており、当該導電率値σにより、加熱チャンバ内の流体の平均抵抗Ｒを式１に従って求めることができる。抵抗Ｒは、電極間平均距離ｄと電極面積Ａとに依存する。
【００２９】
【数１】
2020516046.tif 000003
【００３０】
発揮される加熱性能ＰＨｅａｔは、液体中を流れる電流の実効値Ｉと、抵抗Ｒまたは電圧Ｕの印加実効値とを用いて求めることができる。
【００３１】
【数２】
2020516046.tif 000004
【００３２】
加熱チャンバの入口と出口との間での液体（質量流量ｍ、比熱容量Ｃｖ）の温度変化は、発揮される加熱性能に基づいて算出することができる。
【００３３】
【数３】
2020516046.tif 000005
【００３４】
出力温度Ｔｏｕｔは、入力電流Ｉを測定する電流センサ、および加熱チャンバ前後にあって入力温度Ｔｉｎ、出力温度Ｔｏｕｔを測定する温度センサを用いて調節され得る。
【００３５】
【数４】
2020516046.tif 000006
【００３６】
使用者や他の装置を漏れ電流から保護するために、リアクタンス性の結合素子（すなわち、ガルバニック絶縁手段）によって漏れ電流が制限される。
【００３７】
さらなる実施形態として、各ユニットにおける少なくとも１つの電極が少なくとも１つのガルバニック絶縁手段（例えば、コンデンサ等）と対応付けられた実施形態、あるいは、各ユニットにおける複数の電極が共通の一つのガルバニック絶縁手段（例えば、トランス等）と対応付けられた実施形態が提供される。
【００３８】
つまり、本発明のシステムの一実施形態では、少なくとも１つのガルバニック絶縁手段が、少なくとも１つのコンデンサまたは少なくとも１つの絶縁トランスである。コンデンサが使われた場合、当該コンデンサは安全コンデンサ（クラスＸ又はクラスＹコンデンサとも称される）とされ得る。トランスがガルバニック絶縁及び電力制御に使われた場合、当該トランスの電圧比は、特許文献４に記載されているような１：２の比を有する倍電圧器とは違って１：１の電圧比とされるのが好ましく、空間利用が最適なものになる。
【００３９】
（ガルバニック絶縁手段としてのコンデンサ）
以下では、整流済みの商用電源電圧を供給電圧にして静電容量Ｃのコンデンサを用いた場合のシステムの機能について説明する。
【００４０】
加熱性能ＰＨｅａｔは、式（５）を用いて算出することができる。
【００４１】
【数５】
2020516046.tif 000007
【００４２】
（式中、Ｒは流体の抵抗であり、Ｕｎｅｔは商用電源電圧であり、ｆｐはパルス周波数であり、Ｘｃは容量性リアクタンスであり、Ｃｅｑ＝Ｃ／２は直列に接続された２つのコンデンサの等価静電容量である。）
【００４３】
流れ得る最大漏れ電流は、式（６）を用いて求めることができる。
【００４４】
【数６】
2020516046.tif 000008
【００４５】
（式中、ｆｎｅｔは電力網周波数であり、Ｃはカップリングコンデンサの静電容量である。）
【００４６】
式（６）によれば、加熱性能ＰＨｅａｔは、パルス周波数を変えて容量性リアクタンスＸｃを用いて電流を制御することによって変化させることができる。これにより、導電率値σの変化に応答したり加熱性能自体を変更したりすることができる。特定の安全コンデンサ（クラスＸ又はクラスＹコンデンサ）を使用するのが有利である。
【００４７】
（ガルバニック絶縁手段としてのトランス）
以下で説明するように、整流済みの商用電源電圧を供給電圧にしてトランスを用いた場合にも、システムの機能は同様となる。実際に使用するトランスの挙動は、２つのインダクタＬ１，Ｌ２と理想トランスＴとの等価回路（図２Ｈを参照のこと）によって完全に記述することができる。これらのコイルのインダクタンスは、そのトランスの構造及び形状により決まる。伝達比１：１であるとき、加熱性能は式（７）を用いて求めることができる。式中、Ｒは流体の抵抗である。
【００４８】
【数７】
2020516046.tif 000009
【００４９】
トランスの漏れ電流は、その構造に関連した、通常無視できるほど十分に小さい寄生容量で発生する。式（７）によれば、加熱性能は、パルス周波数ｆｐを制御することで調整可能であり、また、流体の導電率の変化に対応させることも可能である。
【００５０】
リアクタンス素子を結合素子やガルバニック絶縁手段として使用した場合、伝達される加熱性能に制限が生じる。この挙動を改善するには、共振結合を形成するリアクタンス性のさらなる部品（又は追加の素子）を用いてその結合部を拡張することが可能である。
【００５１】
これらの追加の素子は、並列又は直列に配置され得て、かつ、下記の少なくとも１つであり得る：
−ガルバニック絶縁にコンデンサが使われた場合には、当該コンデンサに少なくとも１つの誘導性素子（例えば、コイル、トランス等）が対応付けられているのが好ましい。
−ガルバニック絶縁にトランスが使われた場合には、追加のコンデンサおよび／または誘導コイルを直列接続又は並列接続で使用することによって伝達挙動を最適化するのが好ましい。
【００５２】
つまり、前記システムの一実施形態では、リアクタンス性の複数の部品が、共振挙動を実現させてリアクタンス素子の伝達特性を向上させるように組み合わせられ得る。これには、前記インバータが流体のみを負荷抵抗として認識し、伝達効率を低下させるリアクタンス素子を負荷抵抗として全く認識しないという利点がある。これを実現するには、共振周波数付近でその共振結合が惹起される必要がある。
【００５３】
（コンデンサにインダクタを付けて用いた場合の共振結合）
コンデンサによる結合は、インダクタンスＬを有する複数のコイルを直列に接続して共振結合とすることによって拡張することができる。共振結合による変換後の加熱性能は、式（８）を用いて求めることができる。式中、Ｌｅｑ＝２Ｌは直列に接続された２つのコイルの等価インダクタンス値であり、Ｃｅｑ＝Ｃ／２は直列に接続された２つのコンデンサの等価静電容量である。
【００５４】
【数８】
2020516046.tif 000010
【００５５】
パルス周波数をちょうど共振周波数ｆＲに選択することにより（式９を参照のこと）、リアクタンス素子のリアクタンスがＸＬ＝ωＬｅｑ、Ｘｃ＝１／ωＣｅｑとなって互いに相殺し合い、加熱性能を式（１０）によって求めることができるようになる。
【００５６】
【数９】
2020516046.tif 000011
【００５７】
【数１０】
2020516046.tif 000012
【００５８】
最大漏れ電流は、式（１１）を用いて求めることができる。
【００５９】
【数１１】
2020516046.tif 000013
【００６０】
式（１０）によれば、共振結合が形成されることで、リアクタンス素子によって加熱性能が制限されることがなくなる。しかも、周波数ｆｐにより、加熱性能を導電率の変化に対応させるようにも当該加熱性能自体を制御するようにも操作することが可能となる。
【００６１】
（トランスをコンデンサと共に用いた場合の共振結合）
トランスを用いた結合の場合にも、加熱性能に制限が生じる（式（７）を参照のこと）。伝達率を改善するには、インバータとトランスとの間に、静電容量ＣＲを有する追加のコンデンサが、共振結合を形成するように直列で配置され得る。トランスの伝達比が１：１である場合、加熱性能は式（１２）に従って求めることができる。
【００６２】
【数１２】
2020516046.tif 000014
【００６３】
パルス周波数を式（１３）に従って共振周波数に選択すると、
【００６４】
【数１３】
2020516046.tif 000015
【００６５】
リアクタンス素子が互いに相殺し合って、加熱性能が以下のように簡略化される。
【００６６】
【数１４】
2020516046.tif 000016
【００６７】
式（１４）から、共振結合を生成することにより、リアクタンス素子によって加熱性能が制限されなくなることが分かる。しかも、加熱性能が、流体の導電率の変化に対応するように周波数ｆｐによって調整され得る。
【００６８】
さらなる他の実施形態では、前記システムが高い信頼度で動作する導電率範囲をなおいっそう拡げるために、複数の電極対を追加したり、例えば電気機械式リレーなどのスイッチ等で分割された分割電極対を追加したりすることが可能である。複数の電極対の場合には、一つ一つの電極対が絶縁部によって互いに電気的に絶縁されている。分割電極対の場合には、一方の電極のみが分割されており、他方の電極は分割されておらず途切れや欠けが無いものとされている。
【００６９】
例えば、２つめの同等の電極対もオンにすることにより、流体の抵抗Ｒｅｆｆを半分にすることができる（式１５を参照のこと）。これにより、流体の抵抗の動作範囲が過度に拡がりそうになった場合に、当該抵抗を元の動作範囲内に調節し直すことが可能となる。様々な電極面積Ａｉや距離ｄｉを実現することにより、流体の抵抗をさらに分解することも可能である。
【００７０】
【数１５】
2020516046.tif 000017
【００７１】
他の実施形態では、パルス時間を短縮することによって加熱性能を調節及び制御することも可能である。これは、トリガパルスの駆動時間Ｔｏｎを変化させることにより行うことができる。これにより、パルス周波数のパルスの時間ＴＰ＝１／ｆｐの総量は一定のままとなる。
【００７２】
パルスの全体は、４つの段階で構成される。まず、電圧が時間Ｔｏｎのあいだ一方向に印加される。次に、待機時間ＴＰ／２−Ｔｏｎを経てから、電圧が再び時間Ｔｏｎのあいだ反対方向に印加される。そして、総時間ＴＰが経過するまでさらなる待機時間が設けられた後、新たなパルスが印加される。
【００７３】
本発明のシステムのさらなる他の実施形態では、冷却ユニットが、加熱システムの効率を最大限に高めるように設けられている。電子部品の当該冷却ユニットは、前記システムの特性を利用して効率を最適化する。
【００７４】
高性能・高周波数のときには、動作損失が生じて熱が発生し、部品が過熱することでシステム不良を引き起こす可能性があるので、電子部品の冷却が一般的に必要となる。これらの部品を冷却するには、当該部品が、熱を放散させるための広い面積を有する冷却体上に設置される。この熱は、典型的に、空気による対流又は強制対流によって放散される。強制対流の場合は、ファンによって空気が前記冷却体から放散されることで放熱が向上する。
【００７５】
また、冷却液を使用して放熱をなおいっそう向上させることも可能である。本発明のシステムの一実施形態では、加熱対象の低温の流体がまず前記冷却ユニットを通過することで予備加熱されてから加熱チャンバに進入するように、前記冷却ユニット又は冷却体が加熱チャンバの前方に配置されている。この原理は、電子部品の効果的な冷却と同時に、流体の予備加熱も可能にする。これにより、熱（電力損失）が環境中に放出されずに加熱対象の流体中へと放たれるので、前記システム全体の効率が向上する。
【００７６】
本発明にかかるシステムの一実施形態において、前記少なくとも１つのチャンバ（すなわち、加熱チャンバ）は、流体の少なくとも１つの入口と少なくとも１つの出口とをそれぞれ有する、収容体、容器、またはチューブである。流体は、前記チャンバ内を連続して流れるものであるのが好ましい。また、本発明のシステムは、滞留する又は流れない流体にも使用されてよい。ただし、これは、流体の過熱に繋がり得る。
【００７７】
前述したように、電流が流れることが可能な一定の導電率を有する流体であれば、どのような流体も本発明にかかるシステムにより加熱され得る。加熱対象の流体が導電性を有するものであるということが、本発明のシステムの適用の必要条件である。
【００７８】
前記システムのさらなる実施形態では、前記チャンバにおいて少なくとも１つの陽極および少なくとも１つの陰極が設けられており、陽極と陰極とが時間的に交互に切り替わる。電極対の数は、様々な数にされてよく、加熱対象の流体に依存する。電極の材料は、アルミニウムなどの任意の適切な導電性材料とされ得る。
【００７９】
好ましい他の実施形態では、前記少なくとも１つの周波数インバータが少なくとも１つのブリッジ回路を有し、当該少なくとも１つのブリッジ回路にはフルブリッジまたはハーフブリッジが指定され得る。
【００８０】
特に好ましくは、前記少なくとも１つの周波数変換器が、少なくとも２つのスイッチと少なくとも１つのセンタータップとの少なくとも１つのスイッチング配置構成を含む、少なくとも１つのブリッジ回路を有しており、前記少なくともセンタータップが、少なくとも１つの電極−ガルバニック絶縁手段ユニットに接続されている。
【００８１】
つまり、本発明の通電加熱システムの特定の一変形例では、各々の電極−ガルバニック絶縁手段ユニットが、２つの電子スイッチ間に位置した又は配置された一つのセンタータップに接続又は結合している。
【００８２】
前記少なくとも１つのスイッチング配置構成は、特にはフルブリッジの場合に、少なくとも４つのスイッチを有し得る。ハーフブリッジの場合には、２つのスイッチが設けられている。
【００８３】
前記電子スイッチは、ＦＥＴスイッチまたはＩＧＢＴスイッチであり得る。４つの電子スイッチの場合には、２つのスイッチ間毎に一つのセンタータップが配置されている。
【００８４】
本発明の通電加熱システムのさらなる他の実施形態では、各々の電子スイッチが制御ユニットに接続されて且つ当該制御ユニットにより制御される。好ましくは、少なくとも１つの前記制御ユニットは、マイクロコントローラである。前記制御ユニットは、前記センタータップ及び前記電極−ガルバニック絶縁手段ユニットにおいて電圧の極性が変化するように前記電子スイッチを制御することができる。これにより、高い周波数の電圧が生成される。つまり、前記制御ユニットを制御し、その後、前記電気スイッチを制御することにより、周波数を変化させることができる。
【００８５】
本発明の通電加熱システムのさらなる実施形態では、少なくとも１つの電圧供給部が、前記少なくとも１つの周波数インバータに対して設けられている。
【００８６】
好ましくは、前記少なくとも１つの電圧供給部は、整流器、特にはダイオード整流器を有する。前記少なくとも１つの電圧供給部は、５０〜６０Ｈｚの周波数ｆｎｅｔを有する１１０〜２４０Ｖの整流された電圧Ｕｎｅｔを供給する。
【００８７】
本発明にかかるシステムは、
−少なくとも１つの電圧供給部によって電圧を前記少なくとも１つの周波数インバータに供給する過程と、
−前記少なくとも２つの電極−ガルバニック絶縁手段ユニットにおいて電圧の極性が交互に切り替わるように、前記少なくとも１つの周波数インバータを制御する過程と、
を備える、流体を通電加熱する方法で使用される。
【００８８】
具体的に述べると、前記少なくとも１つの電圧供給部により、電圧が前記少なくとも１つのブリッジ回路に供給される。前記スイッチング配置構成の前記電子スイッチは、２つの前記センタータップ（したがって、前記電極−ガルバニック絶縁手段ユニット）において電圧の極性が交互に切り替わるように前記少なくとも１つの制御ユニットにより制御される。ハーフブリッジの場合には、前記センタータップが少なくとも２つの異なる電位間で切り替えられる。
【００８９】
つまり、前記センタータップ及び前記電極−ガルバニック絶縁手段ユニットにおいて電圧の極性を変化させる又は交互に切り替えることで高い周波数の電圧を発生させることによって流体を加熱するという方法が提供される。
【００９０】
一実施形態では、少なくとも１つのブリッジ回路からなる前記周波数インバータに印加される電圧が、５０〜６０Ｈｚの周波数ｆｎｅｔを有する１１０〜２４０Ｖの整流された電圧Ｕｎｅｔである。
【００９１】
好ましくは、前記電極−ガルバニック絶縁手段ユニットに印加される電圧の極性は、３ＭＨｚ以下のパルス周波数が達成されるように制御される。３ＭＨｚ以下の周波数範囲内でのこのような極性の再形成（re-polarization）や極性変化により、流体の電気分解が阻止される。好ましい一実施形態では、約３００ｋＨｚのパルス周波数が達成される。
【００９２】
ただし、印加される周波数は、加熱対象の流体と加熱システムの性能とに依存し、各流体および構造に対して個別に決められる。好ましくは、パルス周波数は、加熱性能を制御するように継続的に調節される。
【００９３】
以下では、本発明について、後述の例を用いて下記の図面を参照しながら詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００９４】
【図１】抵抗加熱器（通電加熱器）の基本的機能の概略図である。
【図２Ａ】本発明にかかるシステムの基本的機能の一般概略図である。
【図２Ｂ】本発明にかかるシステムの第１の実施形態の概略図である。
【図２Ｃ】本発明にかかるシステムの第２の実施形態の概略図である。
【図２Ｄ】本発明にかかるシステムの第３の実施形態の概略図である。
【図２Ｅ】本発明にかかるシステムの第４の実施形態の概略図である。
【図２Ｆ】本発明にかかるシステムの第５の実施形態の概略図である。
【図２Ｇ】本発明にかかるシステムの第６の実施形態の概略図である。
【図２Ｈ】本発明にかかるシステムの第７の実施形態の概略図である。
【図２Ｉ】本発明にかかるシステムの第８の実施形態の概略図である。
【図２Ｊ】本発明にかかるシステムの第９の実施形態の概略図である。
【図２Ｋ】冷却ユニットを備えた本発明にかかるシステムの一実施形態の概略図である。
【図３Ａ】図２Ｂのシステムを構成するフルブリッジの概略図である。
【図３Ｂ】図２Ｃのシステムを構成するフルブリッジの概略図である。
【図４】図２Ｂのシステムを構成するハーフブリッジの概略図である。
【図５】電圧供給部の概略図である。
【図６】制御ユニットの概略図である。
【図７】本発明にかかるシステムにより生成及び印加されるパルス周波数の一例を示す図である。
【図８】ミルク加熱構成での本発明にかかるシステムの使用を示す図である。
【図９】ブースター用途での本発明にかかるシステムの使用を示す図である。
【図１０】連続流加熱器構成での本発明にかかるシステムの使用を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００９５】
実施形態で説明するどの用途においても、汎用的な電圧源が使用できるものと理解されたい。
【００９６】
図１に、抵抗加熱器（通電加熱器）の基本原理を示す。加熱対象の流体が、加熱チャンバ１内を連続流として案内される。導電性の２つのプレート（チャンバ１に設けられた電極４ａ，４ｂ）が、流体と接触する。その後、電極４ａ，４ｂに電圧が供給される。これにより、加熱対象の流体（例えば、水等）中に電流が発生する。流体は電気抵抗を示し、電力損失又は電力消費を引き起こす。この電力損失は、流体中で熱に変換される。つまり、流体は発熱体として機能し、当該流体中に熱が直接生成される。
【００９７】
図２Ａに、本発明のシステムの基本原理を示す。商用電源電圧が周波数インバータ１０によって複数の高周波部分にチョッピングされることにより、電圧の周波数が上げられる。電極４ａ，４ｂは、ガルバニック絶縁手段５によって分離又は分断されている。商用電源電圧を印加すると、流体がチャンバ１内を流れた後に当該流体が加熱されている。また、このようなシステムを複数、電極間距離を様々にしてカスケード配置する（すなわち、交互に配置する）ことにより、前記加熱チャンバを通過する流体の導電率範囲として、より広い範囲をカバーすることができる。
【００９８】
図２Ｂの実施形態では、ガルバニック絶縁手段５がコンデンサ５ａ，５ｂとして設けられている。電極４ａとコンデンサ５ａとが電極−コンデンサユニット６ａを形成しており、電極４ｂとコンデンサ５ｂとが電極−コンデンサユニット６ｂを形成している。
【００９９】
また、ガルバニック絶縁手段５は、絶縁トランス５ｃ（図２Ｃを参照のこと）として設けられてもよい。
【０１００】
コンデンサには、トランスに対して、より小さく、軽量かつ安価で、生じる電力損失が少ないという利点がある。しかし、短所としては、コンデンサのほうがトランスに比べて漏れ電流（すなわち、地絡の場合に流れる電流）が大きいという点が挙げられる。
【０１０１】
図２Ｄに示す実施形態では、電極−コンデンサ経路に、追加の素子１１が配置されている。追加の素子１１は、容量性リアクタンスを補償して液体中へと変換される電力を増やすコイルであり得る。これにより、無効電力が抑えられる。
【０１０２】
また、図２Ｅに示す実施形態によれば、追加の素子１１が並列にも直列にも配置されてよい。
【０１０３】
図２Ｆの実施形態には、コンデンサがコイルに接続されて共振結合するシステムが示されており、図２Ｇの実施形態には、トランスがインダクタ−コンデンサネットワークに接続されて共振結合するシステムが示されている。このようにして、伝達挙動を最適化することができる。
【０１０４】
図２Ｈの実施形態には、実際のトランスの挙動を表すための、インダクタンスＬ１．Ｌ２を有する２つの誘導コイルと理想トランスＴとを用いた等価回路図が示されている。これらのコイルのインダクタンスは、その実際のトランスの構造及び形状により決まる。クランプＫ１はインバータに接続されて、クランプＫ２は前記加熱チャンバの電極に接続される。
【０１０５】
図２Ｉの実施形態では、複数の加熱チャンバを並列で動作させることが可能である。
【０１０６】
図２Ｊの実施形態では、前記システムが高い信頼度で動作する導電率範囲をなおいっそう拡げるために、例えば電気機械式リレーなどのスイッチ等を用いて複数の電極対が前記システムに追加されている。
【０１０７】
図２Ｋに、冷却ユニットを備えたシステムの一例を示す。ここでは、電気部品の排熱が、加熱対象の流体を予備加熱するのに利用される。これらの部品は冷却体１２へと熱的に接続されている。そして、流れ込んでくる（incoming）流体によって冷却体１２が冷却される。その後、予備加熱された流体が加熱チャンバ１内へと流入し、そこで当該流体が所望の最終温度へと加熱される。
【０１０８】
図３Ａ及び図３Ｂに、周波数インバータとしてのフルブリッジ配置構成を示す。ここでは、ガルバニック絶縁手段としてのコンデンサ５ａ，５ｂ（図３Ａ）またはガルバニック絶縁手段としての絶縁トランス５ｃ（図３Ｂ）が電極４ａ，４ｂに各自接続されて、電極−コンデンサユニット６ａ，６ｂまたはトランス−電極対ユニットを形成している。
【０１０９】
それぞれの電極−コンデンサユニット６ａ，６ｂ（又はトランス−電極対ユニット）は、さらに、２つのスイッチ間毎に一つのセンタータップ７を有する、４つのスイッチ２を具備したスイッチング配置構成に接続されて且つ当該スイッチング配置構成により制御される。スイッチ２は、全スイッチに対して個別にＳ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４で接続された制御ユニット３（図６を参照のこと）により制御される。
【０１１０】
上記回路への商用電源電圧は、電圧供給部８（図５を参照のこと）により供給される。この商用電源電圧は、ダイオード整流器の形態の整流器９を用いることで整流される。
【０１１１】
図４に、周波数インバータとしてのハーフブリッジ配置構成を示す。このようなハーフブリッジ配置構成は、フルブリッジ配置構成とは違ってスイッチを２つしか具備していない。センタータップ７は、電圧の交互切替えや周波数チョッピングを行うように低電位、高電位の一方に配置される。
【実施例】
【０１１２】
（実施例１）
本発明にかかる周波数インバータは、ＦＥＴ、例えばＩＧＢＴ、その他などといった４つの電子スイッチ（Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４）を含むブリッジ回路で構成される（図３を参照のこと）。ブリッジ回路は、フルブリッジとしてもハーフブリッジとしても実現され得る。
【０１１３】
２つのスイッチ間毎にセンタータップが存在し、すなわち、スイッチＳ１，Ｓ２間に一つのセンタータップ、スイッチＳ３，Ｓ４間に２つめのセンタータップが存在する。
【０１１４】
５０〜６０Ｈｚの電力網周波数を有する１１０〜２４０Ｖの商用電源電圧が回路に印加される。この商用電源電圧は、ダイオード整流器の形態の整流器を用いることで整流される。
【０１１５】
それらの電子スイッチは、前記センタータップにおいて電圧の極性が交互に切り替わるようにマイクロコントローラによって制御される。これにより、商用電源電圧と同じ振幅でありながら周波数が増加した電圧が生成される。
【０１１６】
その周波数は、前記マイクロコントローラを制御することによって変化させることができる。２００ｋＨｚ超、好ましくは３００ｋＨｚ超の周波数ｆｐ（図６、図７）が通電加熱用に印加されて極性再形成を引き起こすことにより、電気分解を阻止する。ただし、印加される周波数は、液体と加熱器の性能とに依存し、新しいセットアップ毎に決定される必要がある。
【０１１７】
電極およびコンデンサ（又はトランス）が、前記ブリッジ回路の前記センタータップに接続されている。電極は、例えばアルミニウム等の任意の適切な材料からなり得る。
【０１１８】
（実施例２：コーヒーマシンへの通電加熱装置の適用）
最新のコーヒーマシンでは、必要な液体を加熱したりスチームを生成したりするのに様々な加熱メカニズムが利用されている。これらのメカニズムには、ガスボイラ、電気ボイラ、蒸気注入、異なる２つの温度の液体同士の混合などがある。
【０１１９】
本発明にかかる通電加熱技術に基づく新しい連続流加熱装置により、水、ミルク、ミルクフォーム、シロップなどの各種液体を加熱するための新たな選択肢が利用可能となる。加えられるミルクから４種類のミルク（コールド／ホットミルク、コールド／ホットミルクフォーム）を単一のシステムで調製するには、ミルクをコールド状態でフォームすることが可能であるか又は図８に示すようにコールドミルクを単に送達するだけのミルク処理ユニットの後方に、前記通電加熱装置を採用することが可能である。
【０１２０】
前記通電加熱装置は、必ずしもコーヒーマシン内に配置される必要はなく、前記ミルク処理ユニットの後方であれば何処に配置されてもよい。つまり、上記の構成によれば、２つのモジュール部をオンとオフの様々な組合せにすることで、４種類全てのミルク加工物を生成することができる。これにより、最新のソリューションで要求されるように加熱装置を迂回したり蒸気注入機構を用いたりする必要なく単純かつ簡略化された構成で、必要なミルク加工物を送達することができるという利点が生じる。
【０１２１】
今日、コーヒー、茶水、スチーム、粉末物などの各種加工物をコーヒーマシンが送達するうえで必要とされる、様々な温度の水を供給するのに、ボイラ、流体加熱器、高温水と低温水の混合、またはこれらの調製方法の組合せが利用されている。
【０１２２】
本発明にかかる通電加熱装置によれば、当該通電加熱装置を図９に示すように従来のボイラの後方のブースター段として使用したり図１０に示すように自律型の連続流加熱器として使用したりすることにより、水の調製を簡略化することができる。
【０１２３】
水を加熱するうえで今日のソリューションではなく前記通電加熱装置を使用する利点として、正確な出口温度を設定する能力、出口温度の瞬時変更、スタンドバイ状態の電力消費がない点、および加熱装置の規模が劇的に縮小したことによる保守の少なさが挙げられる。
【０１２４】
また、前記通電加熱装置を用いた前述の構成は、水を過熱し、当該水が大気圧中に放出されたときに当該水が蒸気に変化することでスチームを生成するように使用されることも可能である。
【図１】
2020516046.tif 000018
【図２Ａ】
2020516046.tif 000019
【図２Ｂ】
2020516046.tif 000020
【図２Ｃ】
2020516046.tif 000021
【図２Ｄ】
2020516046.tif 000022
【図２Ｅ】
2020516046.tif 000023
【図２Ｆ】
2020516046.tif 000024
【図２Ｇ】
2020516046.tif 000025
【図２Ｈ】
2020516046.tif 000026
【図２Ｉ】
2020516046.tif 000027
【図２Ｊ】
2020516046.tif 000028
【図２Ｋ】
2020516046.tif 000029
【図３Ａ】
2020516046.tif 000030
【図３Ｂ】
2020516046.tif 000031
【図４】
2020516046.tif 000032
【図５】
2020516046.tif 000033
【図６】
2020516046.tif 000034
【図７】
2020516046.tif 000035
【図８】
2020516046.tif 000036
【図９】
2020516046.tif 000037
【図１０】
2020516046.tif 000038
【国際調査報告】
2020516046.tif 000039
2020516046.tif 000040