ユーザー事例集

電子デバイスを「スマート」にするものは何でしょうか？確かに接続性は大きな要素であり, 現在では, Bluetooth® テクノロジー, ワイヤレスインターネット, または4G LTEおよび5Gプロトコルを使用して, 電話またはタブレットからコンピューターにシームレスに切り替えることは一般的です. スマート(場合によっては人工知能)のラベルを獲得するもう1つの兆候は, 日常のタスクをより簡単に実行できるようにするデバイスのコンピューティング機能です. 例えば, スマートホームのコンセプトを見てみましょう. 多くのデバイスの幅広いソフトウェア機能のおかげで, 消費者はロボット掃除機を使用したり, タイマーで照明と加熱の設定を調整したりすることで生活を自動化し, エネルギーコストを節約できるようになりました.

キッチンの中では, スマートな機能を備えた冷蔵庫, 食器洗い機, 電子レンジなどの電化製品が日常生活の一部になりつつあります. スマート家電は, プロのキッチンでも活躍しています. これらのプロフェッショナルスペース向けの最先端のスマートアプライアンスを設計することにより, 世界最大の商業用食品機器会社であるイリノイツールワークス(ITW)食品機器グループは, シェフが調理する方法, サービス中の時間を管理する方法, およびメニューを作成する方法に革命を起こしています.

ソリッドステートテクノロジーでマイクロ波を生成する

ITW は, ドリンクサービスの冷蔵から保温設備までの範囲の産業用アプライアンス製品を提供し, COMSOL Multiphysics® ソフトウェアを使用してシミュレーションアプリケーションを構築および配布し, 製造プロセスと設計を改善します. 彼らの最新の商用製品の1つであるIBEX(図1)は, プロのキッチン用に設計された電子レンジと対流式オーブンです. IBEX製品には多くのスマート機能が含まれており, 他のスマートコンビオーブンとは異なる方法で食品を加熱することにより, 食品の調理方法が変わります.

A photograph of the IBEX solid-state microwave oven developed by ITW.

Figure 1. The IBEX solid-state microwave/convection oven by ITW.

ITW のIBEXソリッドステートマイクロ波/対流式オーブン.

RFテクノロジーは, 調理に必要なさまざまな負荷条件で一貫したパフォーマンスを提供します. ITWのエンジニアは, RFエネルギーの力をソリッドステートRFパワーアンプとレシーバーで利用しています. これにより, 食品の種類や加熱する食品の量に応じて, 従来のマグネトロンよりもスマートで均一で効率的な方法でエネルギーを誘導できます. このテクノロジーは, コンビネーションオーブンの品質を実現しますが, オーブンの時間は急速です.

ターゲットを絞った暖房機能は, シェフや他のキッチンスタッフのタスクを自動化するのに役立ちます. IBEXオーブンは, 固体加熱の効率の他に, アルゴリズムを使用して, 専門家がレシピやカスタムメニューをプログラムしたり, 作業中に一般的な機能を実行したりするのに役立ちます. 接続性の要素がなければスマートデバイスは完成しません. IBEXにはUSBポートがあり, アップロードまたは転送を介してメニューを簡単に拡張できます.

スマートな機能を追加することで, キッチンの専門家は助かりますが, 機器の設計に役立つツールについてはどうでしょうか? 「マイクロ波/ RFエネルギーを使用して食品の加熱を最適化しようとする場合, シミュレーションを使用して, 何が予測されるかおおよそ理解することができます」と, ITW のRFシステムエンジニアであるChristopher Hopper氏は述べています. 「シミュレーションを使用して,ソリッドステートオーブンで利用可能な加熱パターンを理解することで, より情報に富んだ実験設定が可能になります.」

彼はまた, 実験の試行錯誤の実行が事実上ないため, チームは食糧と人件費も節約できると付け加えました. 事前にそれを実行して, アプライアンスと関連する実験の両方に最適な設計を見つけることができます.

シミュレーションと実験を組み合わせてスマートに作業する

最初に COMSOL® ソフトウェアとアドオンRFモジュールを使用して実験をセットアップすることで, Hopper氏と彼のチームが様々な負荷, 均一性, 食品のホットスポットなどを解析するのに役立ちます. 次に, LiveLink™ forMATLAB®を利用して, パラメトリックスイープと複雑な後処理を組み合わせることにより, 計算時間を短縮します. Hopper氏は, MATLAB® ソフトウェアを幅広く使用しているため, このインターフェース機能が特に有益であると考えています.

彼らの重要な実験の1つは, ソリッドステートRF IBEX設計の効率を考慮しています. Hopper氏と彼のチームは, オーブンがさまざまな容量と負荷分散を持つさまざまな食品容器の高効率を維持できるかどうかに興味を持っていたため, シミュレーションを使用して容器をテストし, 均一性の改善の余地がある場所を特定しました. 薄い層の立方体の配置と円柱状の負荷の配列が比較されました. コンテナのタイプごとに, ソリッドステートオーブンは負荷への非常に効率的なエネルギー供給を維持できていました.

現在市場に出回っている急速調理オーブンは, 位相, 周波数, 出力電力などのパラメータを調整できないため, 負荷量, 分布, およびアイテム数が変化すると, 効率が大きく変動します. または, 対流式オーブンまたはコンビオーブンの有効性は, 負荷の表面積に依存するため, アイテムの数を増やしても, 調理または再加熱に必要な時間が増加するわけではありません. 対照的に, IBEXオーブンの効率は多数の負荷構成で高いままであり, コンビ/対流式オーブンの品質と市販の急速調理オーブンの速度を組み合わせています.

ただし, 周波数, 位相, 出力電力を制御するだけでは, 非常に効率的なエネルギー供給を維持するには不十分です. 代わりに, 彼らは閉ループフィードバックシステムを頼り, 調理構成を改善する機会を探しました. 開ループタイプのオーブンとは対照的に, 閉ループでは, デバイスが初期条件を学習し, 特殊な加熱構成を適用し, 調理中の負荷の変化する物理的特性に適応できます. 制御の形式として閉ループを使用することにより, エンジニアはシステムで生成された出力をシステムにフィードバックできます.実際の出力を希望の出力と比較することにより, このタイプのシステムを設計して, エラー信号を介して出力の違いを自動的に検知および監視し, 負荷, 食品の特性, およびその他の条件を変更して調理プロセスを改善できます.

キャビティ/負荷システムからのフィードバックを使用して, テストを実行し, 調理構成を組み合わせて均一性と一貫したエネルギー供給(図2)を改善しながら, より少ない公称電力で同じ結果を達成できることを確認できます.

Four plots showing how uniformity improves when combining heating patterns.

Figure 2. The improved uniformity when combining different heating patterns.

異なる加熱パターンを組み合わせた場合の改善された均一性.

そこから, チームは引き続きテストを改善し, シミュレーション結果を確認および理解できます. 「COMSOL Multiphysics® のおかげで, 私たちのチームは, 食品材料または負荷の正確な電磁シミュレーションと熱シミュレーションを実行できます」とHopper氏は言います. 「これらの負荷の特性は温度と周波数によって変化します.ソフトウェアがこれらの変化を考慮に入れ, 加熱パターン, 電磁界の大きさ, 電力損失密度を適切に近似できることがわかりました.」

Two side-by-side plots comparing the electric field patterns for different cavity modes.

Figure 3. Electric field pattern comparison for loaded and unloaded cavity modes within a microwave oven.

電子レンジ内の負荷モードと無負荷キャビティモードの電界パターンの比較.

例えば, 荷重および非荷重キャビティモードのシミュレーションを作成するときに, チームはホットスポットが最もありそうな場所を確認することができます (図3). シミュレーションを使用して可能性のある加熱パターンと潜在的な空洞と調理器具の吸収を評価すると, 複数の周波数を使用して熱データと電磁データが収集される実験を構造化するのに役立ちます(図4). さらに, パンや卵などの食品間に意図的な温度差を作成することで, シミュレーション結果が正確であることを確認できます.

Simulation results showing the probe placement for the microwave oven and eggs being heated.

S-parameters comparing microwave ovens with and without a rack.

Figure 4. Left: The probe placement in the oven and eggs for collecting thermal and electromagnetic data. Right: S-parameters for an oven with and without a rack.

左：オーブンと卵にプローブを配置して, 熱データと電磁データを収集します.右：ラックあり/なしのオーブンのSパラメータ.

スマートアプライアンスデザインキッチンの料理人は多いほど良い

より複雑なシミュレーションに加えて, Hopper氏はシミュレーションアプリケーションを作成し, 同僚が周波数または位相応答, 温度と時間(レシピの作成に関して), サンプルサイズと場所の効果, 誘電特性などのパラメーターを変更することで設計と相互作用できるようにします.

組織内にアプリケーションを展開することには多くの利点があります. 「スキルレベルと背景が異なる多様なチームで作業しているときには, 個人の興味と職務に合わせてアプリケーションを調整すると, シミュレーションの専門家の作業負荷が軽減されることがわかりました」とHopper氏は言います.

彼はまた, シミュレーションアプリケーションの構築を, 教育の機会としてとらえています. 実際, IBEXオーブンのいくつかのアプリケーション(図5)は, 新しいチームメンバーとインターンに, 波の干渉, 誘電率と損失係数の依存性, およびRF加熱の基本を紹介するために特別に作成されました.

A screenshot showing the IBEX oven simulation application built in COMSOL Multiphysics.

Figure 5. User interface for an IBEX oven simulation application.

IBEXオーブンシミュレーションアプリケーションのユーザーインターフェース.

ソリッドステート調理装置は, 調理技術に多くの有望な進歩をもたらし, 対象とする食品の加熱はその１つにすぎません. シミュレーション, アプリケーション, 後処理ツールなどの重要な材料を使い続けることで, 食品機器業界のエンジニアとメーカーは, プロフェッショナルキッチンと家庭用キッチンの両方に, より効率的で信頼性の高いスマートアプライアンスを設計できます.

Bluetooth ワードマークは, Bluetooth SIG, Inc. が所有する登録商標です.
MATLAB は, The MathWorks, Inc. の登録商標です.

ダウンロード

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ITW_MS19.pdf - 0.68MB