阅读说明：本技术 一种可变电感、射频加热和解冻设备及其加热和解冻方法 (Variable inductance and radio frequency heating and thawing equipment and heating and thawing method thereof ) 是由 张钊锋 于 2019-10-12 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种可变电感、射频加热和解冻设备及其加热和解冻方法,所述可变电感包括绕线电感或线圈电感结构、铁氧体磁心结构以及电机,所述绕线电感结构或线圈电感结构与所述铁氧体磁心结构构成可调电感结构,所述电机与所述铁氧体磁心结构驱动连接,驱动所述铁氧体磁心结构的位置相对于所述绕线电感或线圈电感结构的位置发生位移,从而改变所述绕线电感或线圈电感结构的导磁率,通过本发明,可实现一种电路原理和结构简单、成本低廉、工作稳定可靠、占地空间小、无噪音、应用范围广泛的射频解冻技术。(The invention discloses a variable inductor, radio frequency heating and unfreezing equipment and a heating and unfreezing method thereof, wherein the variable inductor comprises a winding inductor or coil inductor structure, a ferrite core structure and a motor, the winding inductor structure or coil inductor structure and the ferrite core structure form an adjustable inductor structure, the motor is in driving connection with the ferrite core structure, and the position of the ferrite core structure is driven to displace relative to the position of the winding inductor or coil inductor structure, so that the magnetic permeability of the winding inductor or coil inductor structure is changed.)

一种可变电感、射频加热和解冻设备及其加热和解冻方法

技术领域

本发明涉及解冻技术领域，特别是涉及一种可变电感、射频加热和解冻设备及其加热和解冻方法。

背景技术

对肉类等食品进行冷冻保存是保持其品质稳定的一种较好的方法，但传统的解冻方法存在解冻时间长、解冻不均匀等问题，导致解冻后的食品的品质受到很大影响，影响食品体验。

为此，申请号为201810799956.0的中国专利申请提供一种解冻设备及其操作方法，如图1所示，其采用多个开关来调节电感匹配电路中多个电感感值，从而调整射频电路负载使之能够维持射频匹配基本不变，然而，该专利申请仍存在如下问题：一、多个大功率射频开关成本高；二、在大功率运作情况下(射频解冻和加热应用都是在大功率射频条件下工作的)多个射频开关的温度会很高，直接影响电路的稳定性和寿命；三、基于多个射频开关的射频匹配调节电路属于分立状态调节，以不断试错的方式进行调节，不能达到连续调节的目的，有时会出现找不到匹配点的问题；四、多个大功率射频开关在工作时易产生噪音。

申请号为201910511180.2的中国专利申请也提供了一种可变电容、射频解冻设备及其解冻方法，如图2所示，其采用了可调并联电容来补偿加热和解冻腔内两极板间由于食材温度变化而导致的电容值的变化，从而调整射频电路负载使之能够维持射频匹配基本不变。然而，该专利申请也存在如下问题：一、电路结构复杂，需要的元器件数目多；二、需要能够在大功率下工作的电容结构件，使其成本高、物理尺寸大；三、在大功率下工作的电容结构件本身又消耗部分射频功率，使系统加热和解冻效率降低。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种可变电感、射频加热和解冻设备及其加热和解冻方法，以实现一种电路原理和结构简单、成本低廉、工作稳定可靠、占地空间小、无噪音、应用范围广泛的射频解冻技术。

为达上述及其它目的，本发明提出一种可变电感，所述可变电感包括绕线电感或线圈电感结构、铁氧体磁心结构以及电机，所述绕线电感结构或线圈电感结构与所述铁氧体磁心结构构成可调电感结构，所述电机与所述铁氧体磁心结构驱动连接，驱动所述铁氧体磁心结构的位置相对于所述绕线电感或线圈电感结构的位置发生位移，从而改变所述绕线电感或线圈电感结构的导磁率，进而导致所述绕线电感结构或线圈电感的电感值发生变化。

优选地，所述电机驱动所述铁氧体磁心结构直线运动或旋转运动，从而改变所述绕线电感或线圈电感结构在射频能量下形成的电磁感应磁力线或场经过所述铁氧体磁心结构的磁感应量。

优选地，所述电机通过伸缩转动轴与所述铁氧体磁心结构连接，从而驱动铁氧体磁心结构直线运动或者旋转运动。

为达到上述目的，本发明还提供一种包含上述可变电感的射频加热和解冻设备，包括：

射频功能模块，用于提供射频功率、提供射频回波检测以及射频负载匹配；

可变电感，连接射频功能模块，其电感值由所述电机驱动所述铁氧体磁心结构直线运动或旋转运动来改变所述绕线电感或线圈电感结构在射频能量下形成的电磁感应磁力线或场经过所述铁氧体磁心结构的磁感应量而改变；

组合可变电容，设置于加热解冻空间内，由第一电极板与第二电极板构成互不接触的平板电容结构，其电容容值随设置于其内的食材的温度变化而变化，所述组合可变电容与所述可变电感并联设置；

控制模块，用于获取所述射频功能模块的射频回波检测结果，以根据所述射频功能模块的射频回波检测结果控制所述可变电感的电机工作。

优选地，所述可变电感的绕线电感或线圈电感结构以及铁氧体磁心结构包含在所述加热解冻空间中，或放置在所述加热解冻空间外。

优选地，所述射频功能模块为包含射频源、射频放大器、射频检波电路、射频匹配电路的具备单端输出的射频模块，所述具备单端输出的射频模块的输出端与所述可变电感的一端连接，所述可变电感的另一端也接地。

优选地，所述射频功能模块为包含射频源、射频放大器、射频检波电路、射频匹配电路的具备差分输出的射频模块，所述具备差分输出的射频模块的两个输出端与所述可变电感两端并联连接。

优选地，将所述可变电感以串联或/和并联的连接方式在所述回波检测器与并联的所述组合可变电容与可变电感之间形成所述射频匹配电路，用来实现对加热和解冻过程中食材温度变化而导致的由第一电极板、第二电极板和食材共同形成的变化的组合可变电容以及可变或固定电感值的电感进行射频匹配。

为达到上述目的，本发明还提供一种上述射频加热和解冻设备的加热和解冻方法，在加热和解冻过程中，通过调整所述可变电感的感值，使所述射频功能模块检测到的射频回波幅度保持不变。

优选地，所述方法包括：

在加热解冻空间中未放置食材的情况下，预先记录下所述可变电感的感值，以及在每次将待加热解冻食材放入加热解冻空间时，调整所述可变电感的起始感值。

根据所述可变电感的感值、起始感值以及加热解冻过程中在所述射频功能模块中检测到的回波射频信号相对于所述射频功能模块的输出功率的功率变化速度或者变化量，在所述功率变化速度或者变化量到达一个预先设置的数值时停止工作。

与现有技术相比，本发明一种可变电感、射频加热和解冻设备及其加热和解冻方法通过采用由步进电机控制的铁氧体磁心在绕线电感中相对运动而引起的电感值变化来补偿食材在加热和解冻过程中由于食材温度变化导致食材介电常数变化从而引起的加热解冻空间的等效电容发生的变化，维持射频匹配电路负载基本不变，本发明中所用的其他射频匹配电路元器件值在加热和解冻过程中不需要调节，本发明具备电路原理和结构简单、成本低廉、工作稳定可靠、占地空间小、无噪音、应用范围广泛等优点，适用于各种形状、尺寸和位置的极板、解冻和加热空间的各种结构形状和大小。

附图说明

图1为一现有技术中射频解冻设备的结构示意图；

图2为另一现有技术中射频解冻设备的结构示意图；

图3为本发明一种射频加热和解冻设备的结构示意图；

图4a-图4d为本发明具体实施例中可变电感的绕线电感结构与铁氧体磁心结构相对运动示意图；

图5a、图5b分别为本发明具体实施例中采用射频单端输出、射频差分输出的系统示意图；

图6a、图6b为本发明具体实施例中将加热解冻空间中的电极板和食材等效为可变电容的采用射频单端输出、射频差分输出的系统示意图；

图7为本发明具体实施例中调节单端输出的射频匹配电路的系统示意图；

图8为本发明具体实施例中调节差分输出的射频匹配电路的系统示意图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图3为本发明一种射频加热和解冻设备的结构示意图。如图3所示，本发明一种射频加热和解冻设备，包括：射频功能模块1、可变电感2、加热解冻空间7以及组合可变电容3。

其中，射频功能模块1，由射频源、射频放大器、射频检波电路以及射频匹配电路组成，用于提供射频功率、提供射频回波检测以及射频负载匹配。

可变电感2，连接射频功能模块1，包括绕线电感或线圈电感结构、与所述绕线电感结构或线圈电感结构构成可调电感结构的铁氧体磁心结构以及与铁氧体磁心结构驱动连接的电机，其电感值由所述电机驱动所述铁氧体磁心结构直线运动或旋转运动来改变所述绕线电感或线圈电感结构在射频能量下形成的电磁感应磁力线(场)经过所述铁氧体磁心结构的磁感应量而改变。在本发明具体实施例中，所述可变电感2包括绕线电感或线圈电感结构20，铁氧体磁心结构21以及电机22，所述铁氧体磁心结构21放置在绕线电感或线圈电感20的中间，所述绕线电感或线圈电感结构20与所述铁氧体磁心结构21之间可以相互接触也可以相互不接触，由于铁氧体磁心结构21的导磁率大于空气的导磁率，在绕线电感或线圈电感结构20中放置铁氧体磁心结构21时会大大增加绕线电感或线圈电感结构的感值；所述电机22与所述铁氧体磁心结构21驱动连接，驱动所述铁氧体磁心结构21的位置相对于所述绕线电感或线圈电感结构20的位置发生位移，从而改变所述绕线电感或线圈电感结构20的导磁率，所述电机22可通过伸缩转动轴与所述铁氧体磁心结构21连接，从而驱动铁氧体磁心结构21直线运动或者旋转运动。需说明的是，本实施例中仅以铁氧体磁心结构21位于绕线电感或线圈电感结构20的中间示例，但应该可以理解的是，铁氧体磁心结构21并不一定限制设置于绕线电感或线圈电感结构20的中间，将其设置于绕线电感或线圈电感结构20的端口上移动也会引起电感量的变化，只要其设置位置相对于绕线电感或线圈电感结构20的位置发生位移时可改变所述绕线电感或线圈电感结构的导磁率即可，本发明并不以此为限。

在本发明中，所述电机22驱动所述铁氧体磁心结构21直线运动或旋转运动，绕线电感或线圈电感结构20的位置和铁氧体磁心结构21的位置可以相对移动，从而改变所述绕线电感结构或线圈电感结构20在射频能量下形成的电磁感应磁力线(场)经过所述铁氧体磁心结构21的磁感应量，具体地说，当绕线电感或线圈电感结构20在电感中心位置产生的磁力线(场)经过铁氧体磁心结构21越多时绕线电感或线圈电感结构20电感的感值就越大。如图4所示，图4中从a到b再到c，电感感值由小变大，图4d中展示了磁心结构中由于绕线电感或线圈电感结构20的电磁感应而产生的磁力线(场)200。

在本发明具体实施例中，所述绕线电感或线圈电感结构形状不限，只要有部分磁力线(场)能进入铁氧体磁心结构即可，绕线电感或线圈电感结构中的导体横截面形状可以是圆形、椭圆形、方形、长方形、三角形等各种几何形状；所述绕线电感或线圈电感结构环绕轴向所形成的横截面形状可以是圆形、椭圆形、方形、长方形、三角形等各种几何形状，形状不限，所述绕线电感结构或线圈电感结构围绕的或者相近的所述铁氧体磁心结构可以是长方体、立方体、球体、椭球体、圆台体、矩形梯形状台体、三角体、空心柱体等各种几何立体形状，形状不限，只要满足该铁氧体磁心结构相对于绕线电感或线圈电感结构移动时电感感值变化即可，本发明不以此为限。

组合可变电容3，与所述可变电感2并联，其包括第一电极板30、第二电极板31以及食材4，第一电极板30与第二电极板31平行设置于加热解冻空间7内，第一电极板30与第二电极板31之间为待解冻食材4的放置空间，通常加热解冻空间7的外壳接地。

一般来说，食材在温度变化的过程中其介电常数是变化的，例如通常情况下食材4从零下40度上升至室温时介电常数从低往上升，由此引起加热解冻空间7内放置有食材的第一电极板30和第二电极板31间电容值发生变化。

在以绕线电感或线圈电感结构20和铁氧体磁心结构21一同形成的电感和第一电极板30与第二电极板31之间电容并联形成的并联电路为负载的射频匹配电路中，当第一电极板30与第二电极板31之间电容的变化时可以采用调整电感的感值来维持射频匹配电路负载基本不变以使得待加热解冻的食材4获得最大的射频能量，当在第一电极板30与第二电极板31之间形成的并联电容值由于食材4介电常数变大而变大时，相应调小由绕线电感或线圈电感结构20和铁氧体磁心结构211一同形成的并联电感值。

具体地，食材4在加热解冻空间7中被加热或解冻之前，先把铁氧体磁心21放进绕线电感或线圈电感结构20中如图4-c所示，达到电感最大值；由于食材4在加热和解冻过程中随食材温度上升其介电常数变大导致加热解冻空间7中第一电极板30和第二电极板31间等效电容变大，此时可以利用连接铁氧体磁心结构21的步进电机22绕线电感或线圈电感结构20的铁氧体磁心结构21从绕线电感或线圈电感结构20移出，从而使得绕线电感或线圈电感结构20电感值因为铁氧体磁心结构中的感应磁力线(场)200逐步减小而变小，如图4-b和图4-c所示。

在本发明具体实施例中，所述第一电极板30和第二电极板31的位置不限于上下或者左右或者前后，形状也不局限于平板型、抛物面弧形、矩形条状形、网格状、圆环形等，其结构、形状、在加热解冻空间7中的位置只要满足第一电极板30和第二电极板31之间可形成足够大的电容值且食材4温度变化时其介电常数的变化可以导致第一电极板30和第二电极板31之间的电容值变化即可；所述食材4可以是单块食材，也可以是多块食材的组合；所述食材4的位置只要能够满足第一电极板30与第二电极板31之间形成电容容值随所述食材4的温度变化而变化即可；所述第一电极板30与第二电极板31，均可以是单个导体，也可以是多个不同形状、不同位置的导体的电学连接。

控制模块5，例如MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)，连接所述射频功能模块1，用于获取所述射频功能模块1的回波检测结果，以根据所述射频功能模块1的回波检测结果控制所述可变电感2的电机22工作。

在本发明中，所述射频功能模块1可以是单端输出射频模块10，也可以是差分输出射频模块11，上述并联的可变电感和电容电路，既可以用在包含单端输出射频模块的单端电路中，也可以用在包含差分输出射频模块11的差分结构的电路中。

如图5a和图6a所示，10为射频源、射频放大器、回波检波器、射频匹配电路等组合而成的、具有单端输出的射频功能模块，射频功率源提供射频功率，射频放大器用于将射频功率放大，射频匹配电路连接在射频放大器的输出端与可变电感2之间，回波检波器连接在射频放大器的输出端与射频匹配电路之间，回波检波器用来检测从射频功率源传向射频匹配电路的射频功率得到前向射频信号，以及检测从射频匹配电路反射回来的射频功率得到反向射频信号。可变电感2的一端(即绕线电感或线圈电感结构20的一端)连接所述单端输出射频模块10的输出端连接接收射频功率，另一端接地，所述组合可变电容3的第一电极板30与所述可变电感2的一端(即绕线电感或线圈电感结构20的一端)电学连接后接收从具有单端输出端的射频模块10来的射频输入，所述第二电极板31接地。

以下将配合图5a和图6a说明本发明之射频加热和解冻设备的工作流程：

从射频源、射频放大器、回波检波器、射频匹配电路等的射频功能模块10中射出的射频能量经由绕线电感或线圈电感结构20形成的跨接电感的一端后进入加热解冻空间7内与第一电极板30相连接，由此向食材4传输射频能；绕线电感或线圈电感结构20形成的跨接电感的另一端接地，加热解冻空间7内的第二电极板31也接地；随着食材4的温度升高，第一电极板30到地间等效电容值上升，导致绕线电感或线圈电感结构20以及铁氧体磁心结构21一同形成的电感与第一电极板30到地间形成的等效电容产生的并联电路变化，从而使得射频模块10的负载发生变化，负载的变化可以通过射频模块10中的回波检测器检测到，回波检测器的检测结果传送至控制模块5，由控制模块5控制步进电机22调节绕线电感或线圈电感结构20中铁氧体磁心结构21的位置以减少绕线电感或线圈电感结构21产生的磁力线(场)经过铁氧体磁心的量、达到降低绕线电感或线圈电感结构20以及铁氧体磁心结构21一同形成的电感的电感值、使得绕线电感或线圈电感结构20以及铁氧体磁心结构21一同形成的到地的电感以及第一电极板30到地的电容形成的并联电路负载回到先前正常值、从而恢复先前的射频匹配良好状态。

如图5b和图6b所示，11为射频功率源、回波检波器、射频匹配电路等组合而成的、具有差分输出的射频功能模块；射频功率源包括射频源及射频放大器，以提供射频功率，射频匹配电路连接在射频功率源的输出端与可变电感2之间，回波检波器连接在射频功率源的输出端与射频匹配电路之间，回波检波器用来检测从射频功率源传向射频匹配电路的射频功率得到前向射频信号，以及检测从射频匹配电路反射回来的射频功率得到反向射频信号。所述可变电感2的一端(即绕线电感或线圈电感结构20的一端)接收射频模块11一端输出的射频功率，同时电学连接所述第一电极板30；所述可变电感的另一端(即绕线电感或线圈电感结构20的另一端)接收射频模块11另一端输出的射频功率，同时电学连接所述第二电极板31。

以下将配合图5b和图6b说明本发明之射频加热和解冻设备的工作流程：

11为射频源、射频放大器、回波检波器、射频匹配电路等组合而成的、具有差分输出的射频功能模块。从射频源、射频放大器、回波检波器、射频匹配电路等的射频功能模块11中射出的射频能量经由绕线电感或线圈电感结构20形成的跨接电感的两端后进入加热解冻空间7内分别与第一电极板30和第二电极板31相连接，由此向食材4传输射频能。随着食材4的温度升高第一电极板30和第二电极板31间等效电容值上升，导致绕线电感或线圈电感结构20以及铁氧体磁心结构21一同形成的电感与两电极30和31间形成的等效电容产生的并联电路变化，从而使得射频模块11的负载发生变化，负载的变化可以通过射频模块11中的回波检测器检测到，其检测结果传送至控制模块5，控制模块5根据回波检测结果控制步进电机22调节绕线电感或线圈电感结构20中铁氧体磁心结构21的位置以减少绕线电感或线圈电感结构20产生的磁力线(场)经过铁氧体磁心的量、达到降低绕线电感或线圈电感结构20以及铁氧体磁心结构21一同形成的电感的电感值、使得绕线电感或线圈电感结构20以及铁氧体磁心结构21一同形成的电感与第一电极板30和第二电极板31间的等效电容一起形成并联电路负载回到先前正常值、从而恢复先前的射频匹配良好状态。

本发明中，所述单端输出射频模块10或者差分输出射频模块11中的射频匹配电路，只要保证射频匹配电路负载不变，就无需改变射频匹配电路。

在本发明具体实施例中，上述可变电感也可以以串联或/和并联的连接方式在射频功能模块的回波检测器与由第一电极板30、第二电极板31和食材4共同形成的变化的并联电容以及并联电感38之间形成射频匹配电路，如图7所示，用来实现对加热和解冻过程中食材温度变化而导致的由第一电极板30、第二电极板31和食材4共同形成的变化的并联电容以及并联电感38进行射频匹配，保证在位于射频功率源与射频匹配电路之间的回波检测器中检测到的回波幅度不变以保持射频匹配性能满足指标要求。由可变电感组成的射频匹配电路可以由单个或者多个上述可变电感组成，也可以由单个或者多个以上述可变电感与固定电感和/或电容串联和/或并联组成。

也就是说，由图4所示的绕线电感或线圈电感结构中间放置一块铁氧体磁心结构形成的可变电感结构也可以用在除与第一电极板30和第二电极板31、食材4所形成的电容并联的电感上外的射频匹配电路中。通过调节射频匹配电路中的可变串联和/或可变并联电感来实现在加热或解冻过程中食材介电常数变化导致第一电极板30和第二电极板31间电容值变化引起射频负载变化时的射频匹配，图7-图8示出了该应用的典型例子。在图7所示单端输出的射频匹配电路的系统图中，其中，101包括单端输出射频模块的射频源、射频放大器、回波检波器，该单端输出射频模块的射频匹配由绕线电感或线圈电感结构32、铁氧体磁芯结构33、步进电机34组成的并联可变电感以及由绕线电感或线圈电感结构35、铁氧体磁芯结构36、步进电机37组成的串联可变电感完成的。在图8所示差分输出的射频匹配电路的系统图中，110包括差分输出射频模块11的射频源、射频放大器、回波检波器，差分输出射频模块11的射频匹配电路由绕线电感或线圈电感结构42、铁氧体磁芯结构43、步进电机44组成的并联可变电感、由绕线电感或线圈电感结构45、铁氧体磁芯结构46、步进电机47组成的串联可变电感以及由绕线电感或线圈电感结构48、铁氧体磁芯结构49、步进电机50组成的串联可变电感共同完成的。

需说明的是，为简化图示，图5a、图5b、图6a、图6b以及图7、图8中均未示出MCU，但本领域技术人员应当可以理解，在此不予赘述。

本发明上述射频加热和解冻设备的加热和解冻方法，在加热和解冻过程中，通过调整可变电感的感值，使所述射频功能模块检测到的射频回波幅度保持不变。

由于根据两电极板之间形成的电容容值在从空腔变为满腔时的变化量可以大约估计出食材的大小，因此可以在加热和解冻过程中根据对不同的食材以及不同形状大小进行电容量变化速度或者变化量的测试并记录下数据，制作成经验数据表格，在实际操作过程中据此数据表格即可以实现自动停止解冻的功能。具体地，本发明之射频加热和解冻设备的加热和解冻方法，包括如下步骤：

步骤S1，在加热解冻空间中未放置食材的情况下，预先记录下所述可变电感的感值，以及在每次将待加热解冻食材放入加热解冻空间时，调整所述可变电感的起始感值。

步骤S2，根据所述可变电感的感值、起始感值以及加热和解冻过程中在所述射频功能模块中检测到的回波射频信号相对于所述射频功能模块的输出功率的功率变化速度或者变化量，在所述功率变化速度或者变化量到达一个预先设置的数值时停止工作，该预先设置的数值为根据经验数据设置。

具体地说，在采用具有单端输出的射频模块时，根据所述可变电感的感值、感值起始值以及加热和解冻过程中在所述射频模块中检测到的回波射频信号相对于具有单端输出端的射频模块的输出功率的功率变化速度或者变化量，在所述功率变化速度或者变化量到达一个预先设置的数值时停止工作。

在采用具有差分输出的射频模块时，根据所述可变电感的感值、感值起始值以及加热和解冻过程中在所述射频模块中检测到的回波射频功率相对于具有差分输出端的射频模块的输出功率的功率变化速度或者变化量，在所述功率变化速度或者变化量到达一个预先设置的数值时停止工作。

综上所述，本发明一种可变电感、射频加热和解冻设备及其加热和解冻方法通过采用由步进电机控制的铁氧体磁心在绕线电感中相对运动而引起的电感值变化来补偿食材在加热和解冻过程中由于食材温度变化导致食材介电常数变化从而引起的加热解冻空间的等效电容发生的变化，维持射频匹配电路负载基本不变，本发明中所用的其他射频匹配电路元器件值在加热和解冻过程中不需要调节，本发明具备电路原理和结构简单、成本低廉、工作稳定可靠、占地空间小、无噪音、应用范围广泛等优点，适用于各种形状、尺寸和位置的极板、解冻和加热空间的各种结构形状和大小。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。