特開 2024-157865 高周波解凍装置及びプラズマ発生装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024157865

(43)【公開日】2024-11-08

(54)【発明の名称】高周波解凍装置及びプラズマ発生装置

(51)【国際特許分類】

   H05B 6/56 20060101AFI20241031BHJP

【ＦＩ】

H05B6/56

【審査請求】未請求

【請求項の数】12

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023072488

(22)【出願日】2023-04-26

(71)【出願人】

【識別番号】399048917

【氏名又は名称】日立グローバルライフソリューションズ株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000350

【氏名又は名称】ポレール弁理士法人

(72)【発明者】

【氏名】市川 勝英

(72)【発明者】

【氏名】藤本 貴行

(72)【発明者】

【氏名】堀内 敬介

【テーマコード（参考）】

3K090

【Ｆターム（参考）】

3K090AA20

3K090AB03

3K090BA03

3K090DA08

3K090PA06

(57)【要約】

【課題】小型、低コストに優れ、食材の差材や形状によらず解凍温度差の小さい解凍が可能な高周波解凍装置を提供する。
【解決手段】本発明の高周波解凍装置１００は、高周波電源１が出力する電力により冷凍食材１０を誘電加熱する電極と、高周波電源１と前記電極との間に配置され、高周波電源１とのインピーダンス整合を調整するアンテナチューナ２と、を備える。前記電極は、上部平板電極４と、下部平板電極５と、上部スパイラル電極６と、下部スパイラル電極７と、を備える。上部スパイラル電極６及び下部スパイラル電極７は、高周波電源１が出力する出力周波数の波長の１／４の整数倍の長さであって、外周部を上部平板電極４、下部平板電極５と接続し、内周端を開放状態とした。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

高周波電源と、前記高周波電源が出力する電力により被加熱物を誘電加熱する電極と、前記高周波電源と前記電極との間に配置され、前記高周波電源とのインピーダンス整合を調整する調整回路と、前記被加熱物及び前記電極を収容する筐体と、を備えた高周波解凍装置であって、
前記電極は、上部平板電極と、前記上部平板電極に対向して配置された下部平板電極と、前記上部平板電極と前記下部平板電極とが対向する側に位置し、前記上部平板電極もしくは前記下部平板電極の少なくとも何れか一方と接続されたスパイラル電極と、を備え、
前記スパイラル電極は、前記高周波電源が出力する出力周波数の波長の１／４の整数倍の長さであって、前記スパイラル電極の外周部を前記上部平板電極もしくは前記下部平板電極の少なくとも何れか一方と接続し、前記スパイラル電極の内周端を開放状態としたことを特徴とする高周波解凍装置。

【請求項2】

請求項１に記載の高周波解凍装置おいて、
前記高周波電源と前記調整回路との間に配置され前記調整回路に入力する入射電力と反射電力を測定する方向性結合器と、前記方向性結合器が測定した結果を入力し、前記反射電力が小さくなるように前記調整回路を制御する制御回路と、を備えたことを特徴とする高周波解凍装置。

【請求項3】

請求項１又は２に記載の高周波解凍装置おいて、
前記調整回路は、リレーによりコンデンサの容量値とインダクタンス値を切り替える構成のアンテナチューナであることを特徴とする高周波解凍装置。

【請求項4】

請求項１又は２に記載の高周波解凍装置おいて、
前記調整回路は、対向する平板の有効面積を可変できる構成の可変容量コンデンサとインダクタから構成されたアンテナチューナであることを特徴とする高周波解凍装置。

【請求項5】

請求項１又は２に記載の高周波解凍装置おいて、
前記被加熱物と前記スパイラル電極との間には、前記スパイラル電極の中心部と容量結合する電界拡散板を配置したことを特徴とする高周波解凍装置。

【請求項6】

請求項５に記載の高周波解凍装置おいて、
前記電界拡散板は、Ｕ字状に形成され開放側を隙間を設けて対向させた２つの枠部と、前記２つの枠部の中央部同士を接続する接続部と、前記接続部の中央位置に形成した中心電極板から構成したことを特徴とする高周波解凍装置。

【請求項7】

請求項６に記載の高周波解凍装置おいて、
前記筐体の庫内の両側であって前記庫内の内側に向かって突出した複数の棚受けと、前記電界拡散板を取り付けた第１樹脂板と、を備え、
前記第１樹脂板は前記棚受けに載置したことを特徴とする高周波解凍装置。

【請求項8】

請求項７に記載の高周波解凍装置おいて、
前記被加熱物を載置する第２樹脂板を備え、
前記第２樹脂板は前記棚受けに載置したことを特徴とする高周波解凍装置。

【請求項9】

請求項１又は２に記載の高周波解凍装置おいて、
前記電極と前記調整回路との間に配置され、前記調整回路から出力された電力を平衡信号変換するバランを備えたことを特徴とする高周波解凍装置。

【請求項10】

請求項１又は２に記載の高周波解凍装置おいて、
前記スパイラル電極の最外周を、前記上部平板電極もしくは前記下部平板電極の反対向側に位置させたことを特徴とする高周波解凍装置。

【請求項11】

高周波電源と、前記高周波電源が出力する電力により被処理物にプラズマ処理を行う電極と、前記被処理物及び前記電極を収容すると共に原料ガスを導入するチャンバと、を備えたプラズマ発生装置であって、
前記電極は、上部平板電極と、前記上部平板電極に対向して配置された下部平板電極と、前記上部平板電極と前記下部平板電極とが対向する側に位置し、前記上部平板電極もしくは前記下部平板電極の少なくとも何れか一方と接続されたスパイラル電極と、を備え、
前記スパイラル電極は、前記高周波電源が出力する出力周波数の波長の１／４の整数倍の長さであって、前記スパイラル電極の外周部を前記上部平板電極もしくは前記下部平板電極の少なくとも何れか一方と接続し、前記スパイラル電極の内周端を開放状態としたことを特徴とするプラズマ発生装置。

【請求項12】

請求項１１に記載のプラズマ発生装置において、
前記高周波電源と前記電極との間に配置され、前記高周波電源とのインピーダンス整合を調整する調整回路を備えたことを特徴とするプラズマ発生装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、高周波解凍装置及びプラズマ発生装置に関する。

【背景技術】

【0002】

食品の加工工場等では、冷凍状態の食材を解凍して食品を加工する場合がある。食品加工工場等で使用する解凍機の一種として、対向する電極間に配置した冷凍食品に、ＭＨｚ帯域の高周波電界を印加し、誘電加熱により冷凍食品を解凍する高周波解凍装置が知られている。

【0003】

高周波誘電加熱とは、被加熱物である誘電体に高周波電圧を印加し、被加熱物を構成する極性分子の振動等に起因する自己発熱（誘電損失）により、被加熱物を内部から加熱する技術である。電子レンジによるマイクロ波（ＧＨｚ帯域）による誘電加熱では氷と水の発熱差が大きいため、食品表層部の融解した部分が著しく発熱することで加熱ムラが生じる。しかしながら、マイクロ波よりも低い周波数帯域を使用する高周波誘電加熱では、エネルギーの浸透深度がマイクロ波よりも深く、また、氷と水の発熱量の差も小さいため、加熱ムラが生じ難いという利点があることが一般に知られている。

【0004】

ＭＨｚ帯域の高周波電界を用いた誘電加熱の従来技術として、例えば特許文献１に記載の技術がある。特許文献１には、高周波電源からのＭＨｚ帯域の高周波電力により電極間に置かれた被加熱物を加熱する場合に、被加熱物の温度上昇に伴うインピーダンス変化を反射電力検知手段により検知して可変インダクタとコンデンサからなる整合回路の定数を切り替えて整合状態を維持する構成の高周波加熱装置が記載されている。電極は、平行平板電極が用いられる。

【0005】

また、特許文献２には、半導体のドライエッチングや薄膜形成などのプラズマ処理で用いられるＭＨｚ帯域の高周波電源印加装置が記載されている。その構成を図１６に示す。図１６に示すように高周波電力印加装置は、高周波電源１６０１、整合回路１６０２、チャンバ１６０３、第２の高周波電源１６０８より構成されている。チャンバ１６０３内にはコイル１６０４、被処理物１６０５、下部電極１６０６、絶縁体１６０７が配置されている。

【0006】

高周波電源１６０１からのＭＨｚ帯の高周波信号（ＲＦ信号）は整合回路１６０２により、高周波電力の波長の１／４のほぼ整数倍の長さのコイル１６０４と下部電極１６０６間に置かれた被処理物１６０５に対してインピーダンス整合を図ることで電力を効率よく伝送させる。さらに、第２の高周波電源１６０８により、絶縁体１６０７上に配置された下部電極１６０６を介して被処理物１６０５に高周波電圧を印加することで被処理物１６０５に電力を効率よく伝送させ、プラズマ処理を行うものである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】特開２００５－５６７８１号公報

【特許文献2】特開平９－２９３６００号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

特許文献１の高周波加熱装置に特許文献２の高周波電力印加装置（図１６）を適用して誘電加熱による食材の解凍を行う場合、数１００Ｗ程度の電力が必要となるが、この場合、特許文献１の高周波加熱装置と同様に整合回路には、数１０００Ｖ以上の電圧が発生するため、可変容量コンデンサには、例えば、真空バリアブルコンデンサなどの高耐圧な素子が必要になることから、回路の小型化、低コスト化に課題があった。

【0009】

同様に特許文献２の高周波電源印加装置を用いてプラズマ処理を行う場合においても、高耐圧の整合回路が必要となり、回路の小型化、低コスト化が課題となっていた。

【0010】

さらに、コイル１６０４が高周波電力の波長λの１／４にほぼ等しい長さである場合、コイル１６０４には、給電される中心部の電界が最も高く、接地される最外周が最も低くなるような定在波が発生する。このため、食材がコイル１６０４に近い大きさになると食材の中心部の解凍は進むが、電界が低くなる食材の端部は加熱が不十分となり、食材中心部と端部での温度差が大きくなり均質解凍ができないという課題があった。

【0011】

なお、誘電加熱による解凍では、低い電力である程度時間をかけて解凍する場合は中心部の加熱が熱伝導により端部へ伝わるため、食材中心部と端部の温度差は小さくなるが、高い電力を用いて短時間で解凍しようとした場合、熱伝導による端部への伝導が間に合わず食材の中心部と端部温度差が大きくなってしまう。そして、この温度差は、高周波電力の大きさや食材の素材や形状などによって依存するという課題があった。

【0012】

本発明の目的は、上記課題を解決し、小型、低コストに優れ、食材の差材や形状によらず解凍温度差の小さい解凍が可能な高周波解凍装置及びプラズマ発生装置を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0013】

前記目的を達成するために本発明は、高周波電源と、前記高周波電源が出力する電力により被加熱物を誘電加熱する電極と、前記高周波電源と前記電極との間に配置され、前記高周波電源とのインピーダンス整合を調整する調整回路と、前記被加熱物及び前記電極を収容する筐体と、を備えた高周波解凍装置であって、前記電極は、上部平板電極と、前記上部平板電極に対向して配置された下部平板電極と、前記上部平板電極と前記下部平板電極とが対向する側に位置し、前記上部平板電極もしくは前記下部平板電極の少なくとも何れか一方と接続されたスパイラル電極と、を備え、前記スパイラル電極は、前記高周波電源が出力する出力周波数の波長の１／４の整数倍の長さであって、前記スパイラル電極の外周部を前記上部平板電極もしくは前記下部平板電極の少なくとも何れか一方と接続し、前記スパイラル電極の内周端を開放状態としたことを特徴とする。

【0014】

また本発明は、高周波電源と、前記高周波電源が出力する電力により被処理物にプラズマ処理を行う電極と、前記被処理物及び前記電極を収容すると共に原料ガスを導入するチャンバと、を備えたプラズマ発生装置であって、前記電極は、上部平板電極と、前記上部平板電極に対向して配置された下部平板電極と、前記上部平板電極と前記下部平板電極とが対向する側に位置し、前記上部平板電極もしくは前記下部平板電極の少なくとも何れか一方と接続されたスパイラル電極と、を備え、前記スパイラル電極は、前記高周波電源が出力する出力周波数の波長の１／４の整数倍の長さであって、前記スパイラル電極の外周部を前記上部平板電極もしくは前記下部平板電極の少なくとも何れか一方と接続し、前記スパイラル電極の内周端を開放状態としたことを特徴とする。

【発明の効果】

【0015】

本発明によれば、小型、低コストに優れ、食材の差材や形状によらず解凍温度差の小さい解凍が可能な高周波解凍装置及びプラズマ発生装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0016】

【図1】本発明の実施例１に係る高周波解凍装置１００の概略を示す構成図である。

【図2A】図１の高周波解凍装置１００においてλ／４のスパイラル電極上に発生する定在波による電界とスパイラル電極に流れる電流の分布を示した図である。

【図2B】下部電界拡散板９を用いた高周波解凍装置の斜視図である。

【図2C】電界拡散板を用いた高周波解凍装置の側面図である。

【図3A】図１で示した高周波解凍装置１００の上部平板電極４と下部平板電極５間のインピーダンス特性とリターンロス特性の電磁界解析結果の一例を示す図である。

【図3B】平行平板電極（従来技術）用いた高周波加熱装置の電極間における電磁界解析結果の一例を示す図である。

【図4A】アンテナチューナ２の構成の一例を示す図である。

【図4B】アンテナチューナ２の他の一例を示す図である。

【図5】本発明の実施例２に係る高周波解凍装置２００の概略を示す構成図である。

【図6】冷凍食材１０を解凍開始から終了するまでを示すフローチャートである。

【図7】本発明の実施例３に係る高周波解凍装置３００の概略を示す構成図である。

【図8】本発明の実施例４に係る高周波解凍装置４００の概略を示す構成図である。

【図9A】特許文献１で示した高周波印加装置により誘電加熱を行った場合の従来技術の解析結果を示す図である。

【図9B】図１で示した実施例１の高周波解凍装置１００での解析結果を示す図である。

【図9C】図８で示した実施例４の高周波解凍装置４００での解析結果を示す図である。

【図10】本発明の実施例５に係る高周波解凍装置５００の概略を示す構成図である。

【図11】本発明の実施例６に係る高周波解凍装置の構成例を示す概略側面図である。

【図12】図１１に示す高周波解凍装置の背面側の構造例を示す背面図である。

【図13】図１１に示す高周波解凍装置の表面及び庫内の構造例を示す概略斜視図である。

【図14】本発明の実施例７に係るプラズマ発生装置の概略を示す構成図である。

【図15】本発明の実施例８に係るプラズマ発生装置の概略を示す構成図である。

【図16】従来技術に関する高周波電力印加装置の概略を示す構成図である。

【発明を実施するための形態】

【0017】

以下、図面を参照して本発明の実施例について説明する。本発明の実施例に係る高周波解凍装置は、原理は高周波誘電加熱であり、被加熱物の加熱場面で広く適用することができるが、以下の実施例では解凍に特化して使用する場合について説明する。図中、矢印で示す方向を上下、前後、左右と定義する。

【0018】

また、本発明の実施例においては、コンビニエンスストアやスーパーマーケット等の小売店のバックヤードやレストラン等に高周波解凍装置を設置し、入店する客数に応じて貯蔵している冷凍状態の弁当や惣菜等の冷凍されている食品や食材を解凍し、店舗内の陳列棚にチルド品として並べる場合や、解凍した食材を調理して客に提供する場合等を想定している。

【0019】

ただし、以下の説明は、本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものでは無く、本明細書に開示される技術的思想の範囲内において、当業者による様々な変更および修正が可能である。

【実施例0020】

図１は、本発明の実施例１に係る高周波解凍装置１００の概略を示す構成図である。高周波解凍装置１００は、ＩＳＭバンド（産業科学医療用バンド、ＩＳＭ:Industrial, Scientific and Medical）である１３．５６ＭＨｚ、２７．１２ＭＨｚ、４０．６８ＭＨｚなどのＭＨｚ帯を出力する高周波電源１、アンテナチューナ２（調整回路）、筐体３、上部平板電極４、下部平板電極５、上部スパイラル電極６（スパイラル電極）、下部スパイラル電極７（スパイラル電極）、上部電界拡散板８（電界拡散板）、下部電界拡散板９（電界拡散板）より構成され、被加熱物である冷凍食材１０をこれら電極（上部平板電極４、下部平板電極５、上部スパイラル電極６、下部スパイラル電極７）で発生する電界による誘電加熱により解凍を行う。高周波電源１の一方はアンテナチューナ２を介して上部平板電極４に接続され、高周波電源１の他方は下部平板電極５に接続されている。また、下部平板電極５は筐体３に接続されている。筐体３はフレームグランド（ＦＧ）となっている。

【0021】

上部平板電極４および下部平板電極５は、例えば銅板で形成される。上部スパイラル電極６および下部スパイラル電極７は高周波電源１の出力周波数のλ／４の整数倍の長さとなっている。上部スパイラル電極６は上部平板電極４の下方に位置し、下部スパイラル電極７は下部平板電極５の上方に位置する。そして、上部スパイラル電極６および下部スパイラル電極７は対向するように配置される。上部スパイラル電極６の外周端は上部平板電極４と接続され、内周端は開放状態となっている。同様に、下部スパイラル電極７の外周端は下部平板電極５と接続され、内周端は開放状態となっている。また、上部スパイラル電極６および下部スパイラル電極７は、放熱性を考慮し、スパイラル状の銅板を積層して形成される。さらに、上部スパイラル電極６および下部スパイラル電極７は、上部平板電極４および下部平板電極５からそれぞれ１５ｍｍ程度離して設置されている。なお、上部スパイラル電極６および下部スパイラル電極７は、プリント基板上に銅箔、またはメッキ処理を施して形成するようにしても良い。

【0022】

上記全体構成において、図１の高周波電源１からのＭＨｚ帯の高周波電力が上部平板電極４と下部平板電極５間に印加されることにより平板電極内に電界が発生する。この電界により、上部スパイラル電極６は下部平板電極５との電位差、下部スパイラル電極７は上部平板電極４と電位差により各スパイラル電極が励振され定在波が発生し、各スパイラル電極の外周端よりも開放端である電極中央部に電界が集中する。

【0023】

図２Ａは、図１の高周波解凍装置１００においてλ／４のスパイラル電極上に発生する定在波による電界とスパイラル電極に流れる電流の分布を示した図である。図２Ａの図中、ｒは下部スパイラル電極２０１の外周端から内周端までの距離を示している。図２Ａにおいて、下部スパイラル電極２０１の長さを波長λの１／４にすると共に外周端を下部平板電極５と接続（ショート）し、内周端を開放状態とすることで、下部スパイラル電極２０１には上部平板電極４との電位差によりλ／４のオープンショートの定在波が励振される。これにより、平板電極と同電位となる外周端よりも内周端の電位が定在波の振幅分だけ高くなることから、中央部の電界レベルＥがより高くなる。

【0024】

これに対し、下部スパイラル電極２０１に流れる電流Ｉは、内周端が開放状態であるため内周端には電流は流れず、外周端が最も電流が流れる動作となる。換言すると、下部スパイラル電極２０１に流れる電流Ｉは、外周端が最も高く、外周端から内周端に向かって距離ｒが伸びるに従い電流Ｉが低下し、内周端で電流Ｉが０となる。

【0025】

なお、図２Ａでは下部平板電極５に下部スパイラル電極２０１を接続する構成を示したが、上部平板電極４側も同様であり、さらに上下平板電極ともスパイラル電極を接続することでより電界集中効果を得ることができる。このとき、上下スパイラル電極の巻き方向で流れる電流により発生する磁束が同じ方向と逆方向で等価的なλ／４の長さが異なる。図１では上下スパイラル電極の巻き方向が逆の場合は、発生する磁束が同じ方向となって強め合うため、上下スパイラル電極の長さを相互結合分だけ若干短くする。一方、上下スパイラル電極の巻き方向が同じで磁束が逆の方向であれば相互結合分だけ上下スパイラル電極の長さを長くする必要がある。

【0026】

図３Ａは、図１で示した高周波解凍装置１００の上部平板電極４と下部平板電極５間のインピーダンス特性とリターンロス特性の電磁界解析結果の一例を示す図である。図３Ｂは、平行平板電極（従来技術）用いた高周波加熱装置の電極間における電磁界解析結果の一例を示す図である。なお、リターンロス特性は横軸が周波数[ＭＨｚ]、縦軸はリターンロス[ｄＢ]である。解析は周波数４０.６８ＭＨｚで上部、下部平板電極は３０ｃｍ×３０ｃｍ、スパイラル長は約２００ｃｍ、食材は２０ｃｍ×２０ｃｍ×５ｃｍの大きさの模擬食材を－２０℃まで冷凍したものを用いており、周波数は１０ＭＨｚから１００ＭＨｚまで振った結果を示したものである。

【0027】

図３Ｂに示すように平行平板電極による解凍では、電極間インピーダンスは容量性を示し、リターンロス特性では、ほぼ全反射の特性であることが分かる。このため、整合回路を用いて整合を図った場合、送電電力が数１００Ｗ程度であれば電極間には整合用のインダクタと電極の直列共振により電極間には数１０００Ｖ以上の高い電圧が発生する。このため、従来の高周波解凍機には高耐圧の整合回路が必要となることから、回路が大型となり、コストが高くなるという問題を有していた。

【0028】

これに対して、図３Ａに示すようにスパイラル電極と平板電極を用いた本実施例では、スパイラル電極のインダクタ成分により平板電極および食材の容量成分と４０.６８ＭＨｚの送電周波数付近で直列共振による整合点が平板電極間に発生するため、平板電極間に発生する電圧は比較的低くなる。このため、食材の解凍状態に伴う誘電率変化による整合点のずれを一般的なアマチュア無線などで用いられる低耐圧なアンテナチューナにより調整が可能となることから、回路の小型化、低コスト化が図れる。

【0029】

しかし、食材がスパイラルインダクタ程度まで大きい場合、食材中心部に対し、端部の電界レベルが不十分となり、食材中心部に対し、端部の解凍が進まないという課題を有していた。このため、スパイラル電極の中心部に容量結合する金属板と食材の周囲付近に沿った形状の金属板を接続するとともに、食材周囲の金属板が閉ループとなって逆起電力による不要な電流が流れないように金属板を切り欠いた構成の上部電界拡散板８および下部電界拡散板９を上下スパイラル電極と食材間に配置した。これにより、食材端部の電界がスパイラル電極中心部とほぼ同等の大きさにできることから、均質解凍が可能な高周波解凍装置を得ることができる。

【0030】

なお、送電電力や食材の素材および形状により、食材中心部と端部の解凍状態に違いが出るため、これらの状態に応じて電界拡散板の大きさを変えることで、送電電力や様々な食材に対しても均質解凍が可能となる。

【0031】

図２Ｂは、下部電界拡散板９を用いた高周波解凍装置の斜視図である。図２Ｃは、電界拡散板を用いた高周波解凍装置の側面図である。図１と重複する部分については同じ番号を付し説明を省略する。

【0032】

下部電界拡散板９は、周囲を形成する枠部２０６，２０７と、枠部２０６，２０７の一部が切欠かれた切り欠き部２０３，２０４と、切り欠かれた枠部２０６，２０７を接続する接続部２０８と、接続部２０８の中央部に位置し、接続部２０８の幅より広く形成された中心電極板２０２を備えている。

【0033】

換言すると、下部電界拡散板９は、Ｕ字状に形成された２つの枠部２０６，２０７の開放側を隙間を設けて対向させ、枠部２０６と枠部２０７の中央部同士を接続部２０８で接続し、さらに接続部の中央位置に中心電極板２０２を備えている。

【0034】

下部スパイラル電極２０１の中心部と下部電界拡散板９の中心電極板２０２は、容量結合２０５により結合しているため、下部電界拡散板９の中央部には電界結合により発生した電界が発生すると共に、冷凍食材１０の外周部の金属板と接続されていることから、中心部の電界結合で発生した電界とほぼ同レベルの電界が下部電界拡散板９の全体で発生する。この時、下部電界拡散板９は図２Ｃに示すように下部スパイラル電極２０１と冷凍食材１０の間に配置することで冷凍食材１０のほぼ全体が同一の電界レベル（Ｅ，Ｅ’）で加熱されるため、均質解凍が可能となる。また、下部電界拡散板９の中心電極板２０２を大きくすると下部スパイラル電極２０１との容量結合２０５も大きくすることができるが、結合量が不足する場合は、下部スパイラル電極２０１の内周端の幅を変えることでも容量結合量を調整することが可能となる。

【0035】

なお、図２Ｂ、図２Ｃでは、下部平板電極５に下部スパイラル電極２０１、下部電界拡散板９を用いた例を示したが、上部平板電極４側も同様である。スパイラル電極、電界拡散板は、上部平板電極４もしくは下部平板電極５の少なくとも一方に配置すれば良い。

【0036】

また、電界拡散板の中心電極板２０２を２つに分割し、Ｅ字状の電界拡散板を水平方向に対向させる構成とすれば、互いの対向距離を変えることで異なる大きさの食材にも対応可能となる。この場合、異なる大きさの拡散板を複数用意することが不要となる。

【0037】

図４Ａは、アンテナチューナ２の構成の一例を示す図である。チューナ入力端子４０１とチューナ出力端子４０２には、インダクタ４０４，４０５，４０６が直列に接続されると共に、それぞれのインダクタの両端にはリレー４１０が並列に接続されており、接続端子４０３からの制御信号によりリレー４１０を切り替えることで直列のインダクタンス値を変えることが可能となる。

【0038】

また、チューナ端子とＧＮＤ間にはコンデンサ４０７、４０８、４０９がそれぞれリレー４１５を介して並列に接続されており、ＧＮＤへの接地容量値を切り替える構成となっている。この時、切り替え用のリレー４１１は、電極間インピーダンスが高周波電源１のインピーダンスより高い場合はチューナ入力端子側に、低い場合はチューナ出力端子側に切り替えることでインピーダンス整合を調整する構成となっている。リレー４１１，４１５はリレー４１０と同様、接続端子４０３からの制御信号により切り替え制御される。なお、本実施例では、電極間で主な整合が図れることから、アンテナチューナ２では、解凍による誘電率の変動による５００ｋＨｚ程度以下の微調整を行うため、これらの素子は耐圧が１０００Ｖ程度の比較的低コストの一般的な部品で構成可能である。

【0039】

図４Ｂは、アンテナチューナ２の他の一例を示す図である。チューナ入力端子４０１とチューナ出力端子４０２にはインダクタ４１２が接続され、チューナ入力端子４０１とＧＮＤ間、チューナ出力端子４０２とＧＮＤ間には、それぞれ低コストの可変容量コンデンサ４１３、４１４（バリアブルコンデンサ）が接続されている。図４Ｂでは、機械的な調整機構が必要となるが、対向する平板の有効面積を可変できる構成の可変容量コンデンサを用いることで連続的に整合点のずれを調整することが可能となる。

【0040】

本実施例によれば、小型、低コストに優れ、食材の差材や形状によらず解凍温度差の小さい解凍が可能な高周波解凍装置を提供することができる。

【実施例0041】

図５は、本発明の実施例２に係る高周波解凍装置２００の概略を示す構成図である。高周波解凍装置２００は、１３．５６ＭＨｚ、２７．１２ＭＨｚ、４０．６８ＭＨｚなどのＭＨｚ帯を出力するＲＦ信号源５０１（ＲＦ：Radio Frequency）、減衰器５０２、高周波電力増幅器５０３、電源回路５０４、方向性結合器５０５、制御回路５０６より構成され、さらに、高周波電力増幅器５０３は分配回路５１１、高周波アンプ５１２、合成回路５１３より構成されている。その他、図１で示した高周波解凍装置の実施例１と重複する部分には同じ番号を付し説明を省略する。

【0042】

図５に示す高周波解凍装置２００は、高周波電源１（図１）に代えて、ＲＦ信号源５０１、減衰器５０２、高周波電力増幅器５０３、電源回路５０４、方向性結合器５０５が適用され、電源回路５０４，制御回路５０６、温度センサ５０７が付加された点が図１と相違している。

【0043】

図５の高周波電力増幅器５０３は、ＲＦ信号源５０１からのＭＨｚ帯の高周波を減衰器５０２により所望の高周波電力に減衰した後、分配回路５１１により各高周波アンプ５１２に分配して電力増幅を行い、合成回路５１３により電力合成された数１００Ｗ程度の高周波電力を方向性結合器５０５およびアンテナチューナ２を介して電極に供給される構成となっている。

【0044】

方向性結合器５０５はアンテナチューナ２に入力する入射電力と反射電力を測定し、その結果を制御回路５０６に出力する。高周波電力を用いる装置では、電力を出力する側のインピーダンスと電力を消費する側のインピーダンスのバランスが不均衡のときに出力した電力が消費側で消費されずに反射されて出力側に戻ってくる。制御回路５０６は、方向性結合器５０５の反射電力が最小となるようにアンテナチューナ２の定数の最適化を行う構成となっている。また、制御回路５０６は温度センサ５０７からの冷凍食材１０の温度を測定し、目標の解凍温度に達した場合は送電を停止する。あるいは、温度状態により減衰器５０２により出力電力の調整を行う構成となっている。

【0045】

以上の構成では、高周波電力増幅器５０３により増幅されたＲＦ信号により上部スパイラル電極６、下部スパイラル電極７間に置かれた冷凍食材１０を誘電加熱により解凍を行うものであるが、冷凍食材１０の大きさや解凍状態により変わる電極間インピーダンスに対し、整合状態を方向性結合器５０５により検知し、制御回路５０６によりアンテナチューナ２の定数を調整して電極間で発生する整合周波数点の調整を行うことで効率よく解凍を行うものである。また、解凍の完了状態は、温度センサ５０７により冷凍食材の温度を計測することで判定するものである。

【0046】

本実施例は、冷凍食材１０がスパイラル電極程度まで大きい場合、均質解凍を行うため、上部スパイラル電極６と冷凍食材１０の間に上部電界拡散板８を、下部スパイラル電極７と冷凍食材１０の間に下部電界拡散板９を配置して端部の電界低下を抑えることで均質解凍が可能となること、小型で低コストの高周波解凍機を得るため市販のアンテナチューナを用いた各点において工夫されたものである。

【0047】

次に、図６を用いて冷凍食材１０を解凍開始から終了するまでの流れを説明する。図６は、冷凍食材１０を解凍開始から終了するまでを示すフローチャートである。

【0048】

図６では、冷凍食材１０の解凍が進むにつれて誘電率が変わることで電極間のインピーダンス整合点がずれるため、アンテナチューナより整合点の調整を行い加熱効率の良い状態を保ちつつ解凍を行う動作を中心に記載している。

【0049】

上部スパイラル電極６および下部スパイラル電極７間に冷凍食材１０をセットし、冷凍食材１０の解凍をスタートする（ステップＳ１００）。

【0050】

制御回路５０６は、アンテナチューナ２のリセットを実施し（ステップＳ１０１）、減衰器５０２を調整して高周波電力増幅器５０３から出力される高周波電力を通常の解凍に必要な電力よりも低い電力で送電を開始する（ステップＳ１０２）。

【0051】

次に、制御回路５０６は、方向性結合器５０５から入射電力量および反射電力量を測定し、反射電力が最小となるようにアンテナチューナ２を調整する（ステップＳ１０３）。

【0052】

制御回路５０６は、入射電力量と反射電力量で計算される整合状態を示すＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio）を計算し、ＶＳＷＲが整合状態であるしきい値以下か否かを判断する（ステップＳ１０４）。ステップＳ１０４において、ＶＳＷＲがしきい値以下であり整合が取れた状態である場合（ステップＳ１０４のＹｅｓ）、制御回路５０６は、高周波電力増幅器５０３から出力される高周波電力を解凍に必要な高い電力で送電を開始する（ステップＳ１０６）。

【0053】

一方、処理ステップＳ１０４において、ＶＳＷＲがしきい値以上であった場合（ステップＳ１０４のＮｏ）は、制御回路５０６は冷凍食材１０の位置や高さを変更するよう報知する。報知する手段としては、例えば音声発生装置のよる音声の発生、表示装置による文字での表示等を用いる。使用者は、報知内容を確認し、冷凍食材１０の位置や高さを変更する（ステップＳ１０５）。処理ステップＳ１０５において、冷凍食材１０の位置や高さを変更して調整後、再度処理ステップＳ１０１に戻り、制御回路５０６はアンテナチューナをリセットして再度チューニングを行う。

【0054】

ステップＳ１０６にて送電が開始された後、制御回路５０６は、温度センサ５０７により冷凍食材１０の温度を測定し、解凍終了となる目標の温度に達したか否かを判定する（ステップＳ１０７）。冷凍食材１０の温度が目標温度に達した場合は（ステップＳ１０７のＹｅｓ）、制御回路５０６は、冷凍食材１０の解凍が完了したことを報知し、処理を終了する（ステップＳ１１１）。

【0055】

冷凍食材１０の温度が目標温度に達していない場合は（ステップＳ１０７のＮｏ）、制御回路５０６は、方向性結合器５０５から入射電力量および反射電力量を測定する（ステップＳ１０８）。

【0056】

制御回路５０６は、入射電力量と反射電力量で計算される整合状態を示すＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio）を計算し、ＶＳＷＲが整合状態であるしきい値以下か否かを判断する（ステップＳ１０９）。

【0057】

ステップＳ１０９において、ＶＳＷＲがしきい値以下であり整合が取れた状態である場合（ステップＳ１０９のＹｅｓ）、制御回路５０６は、ステップＳ１０６に戻り、高周波電力増幅器５０３から出力される高周波電力を解凍に必要な高い電力で送電を開始する（ステップＳ１０６）。

【0058】

一方、処理ステップＳ１０９において、ＶＳＷＲがしきい値以上であった場合（ステップＳ１０９のＮｏ）は、制御回路５０６は高周波電力増幅器５０３から出力される高周波電力を下げてアンテナチューナ２により整合点を調整する（ステップＳ１１０）。その後、ステップＳ１０４の処理に戻り、ＶＳＷＲがしきい値以下であれば解凍に必要な電力を送電し、再度、冷凍食材１０の解凍を行う。

【0059】

このように可変整合回路入力の電圧振幅を測定することで整合状態の検知ができることで比較的簡単な制御で冷凍食材の解凍が可能となる。

【0060】

以上の構成とすることで、解凍により冷凍食材１０の誘電率が変化してもアンテナチューナを反射電力が最小となるように調整することで加熱効率の優れた高周波解凍機を得ることができる。