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JP6798703B2 - 誘電加熱装置 - Google Patents
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JP6798703B2 - 誘電加熱装置 - Google Patents

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Description

本発明は、対向電極間に高周波電力を供給し、誘電加熱によって被加熱物を用途に応じた加熱を行う誘電加熱装置に関する。
従来、高周波電力を印加して対象物を内部から誘電加熱することにより加熱処理する装置が提案されている。誘電加熱方式は、対象物を加熱することによって、用途に応じた乾燥、溶着、接着、殺菌、その他の処理に適用される。特許文献1には、高周波発振器から出力される所定の高周波電力を加熱用の対向電極間に供給して、対向電極間に配置された木材を加熱乾燥する木材乾燥装置が記載されている。ところで、木材は乾燥が進む(含水率が低下する)につれてインピーダンスが変化し、高周波発振器側から見た負荷側のインピーダンスが変化するため電源側と負荷側との整合状態がずれて加熱効率が低下する。そこで、この種の装置においては整合回路が設けられている。整合回路は、特許文献1に示すように、電源側とアース間に介設された可変コンデンサと、電源側と負荷との間に介設された、互いに直列接続された可変コンデンサ及び可変インダクタンスとから構成されている。特許文献1によれば、2個の可変コンデンサは、具体的には、立直された中央電極板と、中央電極板の右側に対向配置されたアースとなる右電極板と、同左側に対向配置された左電極板とから構成され、負荷インピーダンスの変化に応じて、左右電極板を個々のシリンダ等で個別に左右移動することで電極間距離を変更して、それぞれの容量を変化させている。
また、図6は、整合回路部を備えた従来の誘電加熱装置の概略図を示す。図6に示すように、誘電加熱装置は、床面等に設置された装置本体(図略)を備え、装置本体は、図の奥行き方向に被加熱物の出し入れ口が形成された筒状体を呈する炉体100と、その上部で筐体に内装された整合回路部200とを少なくとも配置している。炉体100は、上下方向の対向電極板(正極電極板101、負極電極板102)、及びその上部側の銅板のインダクタンス板材213が内装されている。インダクタンス板材213は、正極電極板101の上下移動によるストロークを吸収するべく湾曲形状とされている。
整合回路部200は、装置本体に水平に固設された給電電極板210と、給電電極板210の下側に対向配置された第1電極板211と、給電電極板210の上側に対向配置された第2電極板212とから構成される。第2電極板212は、リード板212aを介してアースに接続されている。この構成により、整合回路部200は、給電電極板210と第2電極板212とからかるCpコンデンサと、給電電極板210と第1電極板211とからなるCsコンデンサと、Csコンデンサに直接接続されたCsインダクタンスとから形成される。
整合回路部200は、図略のマッチングセンサで検出される、加熱処理に伴う負荷側インピーダンスのずれ量に応じて第1、第2電極板211,212を図略の各駆動部で個別に上下に移動することで、負荷側インピーダンスのずれを自動で抑制し、効率的な加熱処理を実現している。
特開2000−292058号公報
図6において、炉体100と整合回路部200との対向面の一部切欠部には、絶縁層材220が配置されている。インダクタンス板材213の上端は、絶縁層材220を介して上方に延設されて第1電極板211の下面に接続されている。インダクタンス板材213の上方への延長部分2131は、湾曲形状にされて、第1電極板211の上下移動によるストロークを吸収するべく湾曲形状にされている。整合回路部200におけるインダクタンス成分は、延長部分2131を有し、更に湾曲形状(より長尺)を採用していることで増大している。
ところで、従来、高周波加熱用として3〜30MHzの高周波が利用されていたが、加熱目的や加熱対象物によっては、より高い周波数(30〜100MHz)が利用される場合がある。より高い周波数を利用する場合、整合回路部のインダクタンス値は、LC値と共振周波数との関係から、より小さくすることが好ましい。例えば図6において、延長部分2131のインダクタンス成分を低減することが望まれる。
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、インダクタンス値をより低減し得る整合回路を備えた誘電加熱装置を提供するものである。
請求項1に記載の誘電加熱装置は、高周波発生部と対向電極板を備えた加熱部との間に接続され、かつ装置本体において前記加熱部に隣接して配置された整合回路部と、前記整合回路部の整合条件を調整する駆動部とを備えた誘電加熱装置において、前記整合回路部は、前記高周波発生部の出力部に接続された給電電極板及び前記給電電極板の一方面に対向配置された第1電極板からなる第1コンデンサと、前記給電電極板及び前記給電電極板の他方面に対向配置され、アースに接続された第2電極板とからなる第2コンデンサと、前記対向電極板の一方の電極板と前記第1電極板との間に並列接続されたインダクタンス部材とを備え、前記第1電極板は、前記装置本体に固設されてなり、前記駆動部は、前記給電電極板を法線方向に移動させる第1駆動部と、前記第2電極板を法線方向に移動させる第2駆動部とを備えたことを特徴とするものである。
従来のような第1電極板が移動する構造では、整合回路部内に移動可能に支持されるため、本来のL成分として機能するインダクタンス部材との中継用のインダクタンス部分が整合回路部内にさらに必要であったが、本発明のように、給電電極板を移動式として第1電極板を整合回路部内に固設する構造を採用することで、中継用のインダクタンス部分を設ける必要がなくなる。しかも、従来型では、このインダクタンス部分は第1電極板の移動ストローク分を吸収するべく湾曲させる必要があったため、インダクタンス成分がより大きなものとなっていたが、かかる課題も解消する。従って、インダクタンス分の低減が可能となることで、より高い高周波の利用に適したものとなる。また、中継用のインダクタンス部分がなくなる分、構造が簡素となる。
また、前記第1駆動部は、前記給電電極板と一体で前記第2電極板を移動させるものである。この構成によれば、給電電極板と一体で第2電極板が移動する態様としたので、第1コンデンサの静電容量が調整される間、第2コンデンサの静電容量は一定に維持される。かつ、第2コンデンサの静電容量のみが個別に調整可能となるので、給電電極板が移動するタイプであっても、整合条件の調整が容易となる。
また、前記装置本体は、前記加熱部の上部に前記インダクタンス部材の配設部を設け、その上部に前記整合回路部を配置する構造を有するもので、前記第1電極板は、前記整合回路部の底面部に固設されたものである。この構成によれば、第1電極板の下部からそのままインダクタンス部材が配置可能となり、構造が簡易となる。
また、本発明は、前記対向電極板の前記一方の電極板を法線方向に移動させる対向距離調整部を備えたものである。この構成によれば、被加熱物の高さ等のサイズ、インピーダンス、供給電力(パワー)に応じて電極板間距離を調整することが可能となる。
また、前記加熱部は、前記対向電極板間に電極面と平行な方向の搬送部を設けたものである。この構成によれば、加熱処理の効率化が図れる。
本発明によれば、インダクタンス値をより低減し得る整合回路を備えた誘電加熱装置が提供できる。
本発明に係る誘電加熱装置の一実施形態を示す回路構成図である。 誘電加熱装置の加熱部、整合回路部及び容量可変機構部を示す概略正面断面図である。 電極板昇降機構の一例を示す概略平面図である。 駆動力伝達機構部51A,52Aの一例を示す概略側断面図である。 整合回路部の各電極板のサイズの一例を示す平面図である。 従来の誘電加熱装置の整合回路部を主とした概略正面断面図である。
図1は、本発明に係る誘電加熱装置の一実施形態を示す回路構成図である。誘電加熱装置1は、所定周波数の高周波電力を出力する高周波発振器2、搬入された被加熱物Woを誘電加熱する加熱部3、及び高周波発振器2と加熱部3との間に介設された整合回路部4を備えている。また、誘電加熱装置1は、高周波発振器2と整合回路部4との間に介在された進行波・反射波電力センサ71、マッチングセンサ72、及びこれらのセンサ71,72に基づいて出力調整や整合回路部4に対する整合条件の調整を行う制御部73を備えている。高周波発振器2は、本実施形態では、40.68MHzの高周波電力を生成し、加熱部3に出力するものである。
加熱部3は、被加熱物Woを加熱処理する筒状の炉体30(図2参照)を備え、その内部に対向電極板が配設された構造を有する。対向電極板は、上下に対向配置され所定サイズの銅製等の導電性の金属からなる正極の上電極板31と負極の下電極板32とを有する。上電極板31と下電極板32との間に高周波発振器2からの高周波電力を印加供給することで、被加熱物Woを誘電加熱する。被加熱物Woは、誘電加熱によって所定の用途、例えば乾燥処理に供される。13.56MHzに比して、より高い高周波を適用することで、電極間電圧の抑制が可能となり、また加熱効率が上昇し、例えば均一かつ乾燥効率を一層高めることが期待される。なお、加熱部3は、バッチ式でもよいし、下電極板32を周回して、被加熱物Woを自動搬送するコンベア33(図2参照)を配置した態様でもよい。
整合回路部4は、高周波発振器2の出力部に接続される。整合回路部4は、高周波発振器2の出力部とアースとの間に介設される可変Cpコンデンサと、高周波発振器2の出力部とLsインダクタンスとの間に介設される可変Csコンデンサとを備え、さらにLsインダクタンスが可変Csコンデンサと上電極板31との間に介設されている。
整合回路部4は、モータドライバ5を備えている。モータドライバ5は、モータ51、モータ52、及び必要に応じて採用される、Lsインダンクタンス用のモータ53を駆動させる駆動信号を出力する。モータ51は、可変Csコンデンサの静電容量を調整する。モータ52は、可変Cpコンデンサの静電容量を調整する。必用に応じて採用されるモータ53は、Lsインダクタンスのインダクタンス値を調整する。本実施形態では、モータ51,52は、可変Cs,Cpコンデンサの対向する電極間の距離を変更することで各静電容量を調整している。なお、整合回路部4は、可変Cs,Cpコンデンサの対向する電極間の距離を変更する容量可変機構部6を含み、その一例は、図2以降にて説明する。
進行波・反射波電力センサ71は、入力電力及び反射電力をそれぞれ継続して検出し、検出結果を制御部73に出力する。制御部73は、損失としての反射電力が所要レベルを超えたとき、あるいは入力電力に対して所定の比を超えたとき、出力調整乃至停止の制御を行う。マッチングセンサ72は、公知のセンサであり、高周波線路を流れる電流、電圧を検出してインピーダンス整合状態を示すZ信号を出力するZ信号出力部と、2個の検出コイルで検出した高周波線路を流れる電流に対応する電圧を合成して、位相の整合状態を示すφ信号を出力するφ信号出力部とを備えたものである。制御部73は、かかる出力信号を受けて、モータドライバ5を介して可変Cs,Cpコンデンサの静電容量、すなわち整合条件をフィードバック制御によって整合状態を維持するよう調整する。
図2は、誘電加熱装置1の加熱部3、整合回路部4及び容量可変機構部6を示す概略正面断面図である。誘電加熱装置1は、図2に示すように、床面等に設置される、例えば枠体等から組み立てされた装置本体10と、装置本体10によって支持等される、下段側から加熱部3、整合回路部4及び容量可変機構部6を備えている。本実施形態では、加熱部3及び整合回路部4のLsインダクタンス材63は炉体30内に配置され、整合回路部4のCs,Cpコンデンサ、モータ51,52、容量可変機構部6は炉体30の上部に配置されている。また、本実施形態では、装置本体10は、2段構成の門型部11,12を備え、門型部11の上部に上電極板31の昇降を行う電極板昇降機構34が組み付けられている。
下部に配置された炉体30は、図面の奥行き方向に搬入出口を有する筒状をした筐体である。炉体30内の下半部には、典型的には略同一サイズの上電極板31と下電極板32とが上下方向に対向して水平に配置されている。コンベア33は、下電極板32の周囲を周回するように配置され、図略のモータ等の駆動源によって下電極板32の周囲を周回する。被加熱物Woは、コンベア33によって炉体30内を搬入口から搬出口に向けて搬送されつつ、あるいはバッチ処理にて加熱処理される。なお、搬送方向に所要台数の誘電加熱装置1を連続配置することで、所望時間での加熱処理が可能になると共に、加熱の進行によって被加熱物Woのインピーダンスが大きく変化する場合であっても各誘電加熱装置1での整合条件を個別に調整するようにして対応することが可能となる。
炉体30のうち、上電極板31の上部には、Lsインダクタンスを構成する銅製等の金属板からなるLsインダクタンス材63が配置されている。Lsインダクタンス材63は、図2に示すように、上電極板31と、整合回路部4の後述する筐体40の底面に穿設された開口に付設された銅製の中継板42との間に、上電極板31の昇降ストロークを吸収するべく湾曲形状で接続されている。炉体30と筐体40との境界部位には、中継板42を支持する形で絶縁層材401が敷設されている。なお、Lsインダクタンス材63は、インダクタンス成分を低減するべく、より幅広の板状とされ、また原理的には1枚でも機能するが、この例では図面の奥行き方向に沿って複数並列接続された構成とすることが好ましい。また、中継板42と上電極板31間の可変インダクタンスの構造の例としては、公知のバリL(バリアブルインダクタンス)構造が適用可能であり、例えば中継板42とLsインダクタンス材63との間にリード線材(図略)を介在させ、このリード線材を中継板42から上電極板31までの経路を長短可変するショートカット用として、モータ53でLsインダクタンス材63との接触位置を長手方向(図1では上下方向に相当)に移動可能にする構成にすればよい。
整合回路部4は、本実施形態では絶縁性で直方体形状の筐体40を備え、その内部には、図1に示す可変Cs,Cpコンデンサを構成するアルミニウム等の金属部材が配置されている。筐体40の上下方向の略中央には、長方形の給電電極板60が水平に配置されている。給電電極板60には高周波発振器2からの高周波電力が供給される。
筐体40の底面部位には、絶縁層材401を介して長方形のCs電極板61が水平姿勢で固設されている。筐体40の天井と給電電極板60との間には、長方形のCp電極板62が水平に配置されている。Cp電極板62の上面側の適所には、筐体40の天井適所に配置されたアース部材との間に介設される銅製のリード板62aが、後述するCp電極板62の昇降ストロークを吸収するべく湾曲形状を有して接続されている。また、Cs電極板61の下面と中継板42とは電気的に接続されている。なお、中継板42に代えてCs電極板61がその機能を果たす構成でもよい。
かかる構成よって、上面視において給電電極板60とCs電極板61との重畳する範囲で可変Csコンデンサが構成され、同じく上面視において給電電極板60とCp電極板62との重畳する範囲で可変Cpコンデンサが構成される。
容量可変機構部6は、給電電極板60とCp電極板62とを懸架構造で一体に支持し、かつモータ51で昇降させるCs昇降機構部601と、Cp電極板62を懸架構造で支持し、かつモータ52で、給電電極板60に対して相対昇降させるCp昇降機構部621とを備えている。なお、図2において、Cs昇降機構部601及びCp昇降機構部621は、支持及び昇降構造の原理を説明するための構成であって、実際には種々の形態が採用可能である。
まず、上電極板31の昇降を行う電極板昇降機構34の構造を、図2及び平面図である図3を用いて説明する。電極板昇降機構34は、昇降駆動力を出力するモータ340と、モータ340の昇降駆動力を上電極板31側に伝達する部位と、上電極板31を懸架する部位とから構成されている。具体的には、上電極板31を懸架すると共に昇降させる構造部とから構成される。図3において、昇降駆動力を上電極板31側に伝達する部位は、モータ340の回転軸342の回転力を直交する方向に分岐して伝達させる、2個の公知のベベルギアボックス341を備えている。2個の公知のベベルギアボックス341を用いることで、平面視コ字状に回転軸342が配置でき、それらの4隅の部位で、ネジが螺設された回転軸342の回転力を鉛直方向に変更するジャッキ部343が配置されている。各ジャッキ部343はそれぞれ鉛直のボールネジ344が内嵌されており、回転軸342と噛合して昇降する。なお、回転軸342の開放端(図3の左端部)は軸受345で支承されている。
ボールネジ344の下端には、図2に示すように枠状の昇降板346が取り付けられている。昇降板346の、例えば4隅には下方に向けて複数本の支柱311が立設され、下端でそれぞれ上電極板31を懸架支持している。かかる構造によって、モータ340が駆動されると、各ボールネジ344が昇降して、上電極板31が昇降する。これによって、被加熱物Woのサイズ等(特に高さ)に対応した上下電極板31,32間の間隙が設定可能となる。
次に、図2及び図4を用いて、駆動力伝達機構部51A,52A、Cs昇降機構部601及びCp昇降機構部621を説明する。
まず、Cs昇降機構部601は門型部602を備え、門型部602は、その上部のモータ51を含む駆動力伝達機構部51Aによって昇降可能に支持されている。本実施形態では、モータ51を含む駆動力伝達機構部51Aは、図4に示すように、モータ51から下方に延びる出力軸511と、出力軸511の途中にネジが螺設されたボールネジ部512と、出力軸511を外嵌する軸受513と、内面にネジが螺設されたナット部514とを備えている。軸受513はその適所513aで装置本体10側に係合され、上下方向での位置が維持されている。また、ナット部514の側面には径方向に延設された係合部材515が取り付けられている。係合部材515は、後述する被係合部材524を上下方向に支持する。被係合部材524の下部には門型部602が取り付けられており、さらに装置本体10との間に介設されたガイドレール6031とスライダ6032とから構成されるリニアスライダ603によって、門型部602の昇降動作の安定性及び回転が規制されるように構成されている。
この構成において、モータ51が回転すると、回転方向に応じてボールネジ部512の範囲内でナット部514が昇降し、これによって係合部材515が昇降し、さらに係合されている被係合部材524が昇降する。被係合部材524はモータ52を含む駆動力伝達機構部52Aと一体であることから、門型部602の昇降動作と共に門型部622の昇降動作も行う。その結果、モータ51の回転時には、給電電極板60及びCp電極板62が一体的に昇降される。
次に、Cp昇降機構部621は門型部622を備え、門型部622は、その上部のモータ52を含む駆動力伝達機構部52Aによって昇降可能に支持されている。本実施形態では、モータ52を含む駆動力伝達機構部52Aは、図4に示すように、モータ52から下方に延びる出力軸521と、出力軸521の途中にネジが螺設されたボールネジ部522と、出力軸521を外嵌する軸受523と、内面にネジが螺設されたナット部525とを備えている。軸受523は、その側面の一部に被係合部材524が取り付けられている。また、ナット部525の側面適所には支持部材526が係合されている。この支持部材526の下部には門型部622が取り付けられ、さらに門型部602との間に介設されたリニアスライダ623によって、昇降動作の安定性及び回転が規制されるように構成されている。
この構成において、モータ51の静止中にモータ52が回転すると、回転方向に応じてボールネジ部522の範囲内でナット部525が昇降し、これによって支持部材526が昇降し、門型部622が昇降する。その結果、モータ52の回転時には、Cp電極板62のみが昇降する。
この構成によれば、モータ51で給電電極板60とCs電極板61との距離が変更でき、Csコンデンサの静電容量が調整される。このとき、給電電極板60とCp電極板62との距離は一定であるため、Cpコンデンサの静電容量は変動を受けない。また、モータ52で給電電極板60とCp電極板62との距離が変更でき、Cpコンデンサの静電容量が調整される。このとき、給電電極板60とCs電極板61との距離は一定であるため、Csコンデンサの静電容量は変動を受けない。このようにすれば、モータ51を駆動して可変Csコンデンサの容量の変更動作を、可変Cpコンデンサの静電容量を一定に維持した状態で行えるので、整合処理の制御が容易となる。
なお、本発明は、門型部602の昇降時に門型部622が一体で昇降する構成に限定されず、Cs電極板61が固設されていれば、公知の構成を適用して個々に昇降動作を行う態様でもよい。
図5は、整合回路部の各電極板のサイズの一例を示す平面図である。図5において、給電電極板60は、被加熱物Woのサイズ、加熱時間、発振出力及び周波数等に応じて設計されたサイズを有する。Cp電極板62は、給電電極板60のサイズに対応したもので、多少小サイズである。平面視において、重畳する対向部分の面積が静電容量を決定する一要素となる。Cs電極板61は、幅方向に短く、一方、被加熱物の搬送方向に対して給電電極板60より長尺に設計されている。なお、Cs電極板61の給電電極板60との対向面積は、例えばCp電極板62と給電電極板60との対向面積と略同一に設計されている。このように、Cs電極板61を搬送方向に給電電極板60よりも長尺にすることで、所定幅に設定されたLsインダクタンス材63の配設枚数を増やすなどして適宜の枚数に設定でき、また、被加熱物Woの搬入から搬出までの加熱時間をより長く確保することが可能となり、加熱効率の向上が図れる。
また、前記実施形態では、上下方向に積層した構造を説明したが、これに限定されず、例えば横向き態様でも同様に適用可能である。また、前記実施形態では、高周波の場合で説明したが、本発明は、3〜30MHz、例えば13.56MHzの場合でも同様に適用可能である。
1 誘電加熱装置
10 装置本体
2 高周波発振器(高周波発生部)
3 加熱部
31 上電極板(対向電極板)
32 下電極板(対向電極板)
33 コンベア(搬送部)
34 電極板昇降機構(対向距離調整部)
4 整合回路部
5 モータドライバ(駆動部)
51 モータ(第1駆動部)
52 モータ(第2駆動部)
51A,52A 駆動力伝達機構部(第1駆動部、第2駆動部)
6 容量可変機構部
60 給電電極板
61 Cs電極板(第1電極板)
62 Cp電極板(第2電極板)
63 Lsインダクタンス材
Cs 可変Csコンデンサ(第1コンデンサ)
Cp 可変Cpコンデンサ(第2コンデンサ)

Claims (5)

  1. 高周波発生部と対向電極板を備えた加熱部との間に接続され、かつ装置本体において前記加熱部に隣接して配置された整合回路部と、前記整合回路部の整合条件を調整する駆動部とを備えた誘電加熱装置において、
    前記整合回路部は、前記高周波発生部の出力部に接続された給電電極板及び前記給電電極板の一方面に対向配置された第1電極板からなる第1コンデンサと、前記給電電極板及び前記給電電極板の他方面に対向配置され、アースに接続された第2電極板とからなる第2コンデンサと、前記対向電極板の一方の電極板と前記第1電極板との間に並列接続されたインダクタンス部材とを備え、
    前記第1電極板は、前記装置本体に固設されてなり、
    前記駆動部は、前記給電電極板を法線方向に移動させる第1駆動部と、前記第2電極板を法線方向に移動させる第2駆動部とを備えたことを特徴とする誘電加熱装置。
  2. 前記第1駆動部は、前記給電電極板と一体で前記第2電極板を移動させる請求項1に記載の誘電加熱装置。
  3. 前記装置本体は、前記加熱部の上部に前記インダクタンス部材の配設部を設け、その上部に前記整合回路部を配置する構造を有するもので、前記第1電極板は、前記整合回路部の底面部に固設されたものである請求項1又は2に記載の誘電加熱装置。
  4. 前記対向電極板の前記一方の電極板を法線方向に移動させる対向距離調整部を備えた請求項1〜3のいずれかに記載の誘電加熱装置。
  5. 前記加熱部は、前記対向電極板間に電極面と平行な方向の搬送部を設けた請求項1〜4のいずれかに記載の誘電加熱装置。
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