JP2003151754A5 - - Google Patents

Description

【発明の名称】誘導加熱装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】断面積の異なる素線を集合したコイル導線を巻回した加熱コイルを備えた誘導加熱装置。
【請求項２】コイル導線を巻回してなる加熱コイルに高周波電流を流して被加熱体を誘導加熱するものにおいて、コイル導線を予め断面積の異なる素線もしくは断面積の異なる素線からなる集合線を撚り合わせたものをさらに複数撚り合わせるという撚り合わせを複数回行う多段階重ね撚り構造とした誘導加熱装置。
【請求項３】コイル導線を予め第１の断面積からなる素線もしくは第１の断面積からなる素線を用いた集合線の周囲に第１の断面積と異なる第２の断面積からなる素線もしくは第２の断面積からなる素線を用いた集合線を撚り合せて集合線を形成する構成とした請求項１または２に記載の誘導加熱装置。
【請求項４】加熱コイルに４０〜１００ｋＨｚの高周波電流を流して被加熱体を誘導加熱する構成とした請求項１〜３のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は誘導加熱装置に関し、特に、高周波電流による損失を低減した加熱コイルに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、誘導加熱装置の加熱できる金属は透磁率が高い鉄系のものだけであったが、近年、鉄以外の銅やアルミニウムといった金属の加熱も望まれている。とりわけ、加熱装置を調理器に応用した誘導加熱調理器は、近年鉄鍋以外に銅鍋やアルミニウム鍋なども使いたいという要望が高くなってきた。ところで、銅鍋やアルミニウム鍋を誘導加熱するには、透磁率が低いため鉄鍋に適した２０〜３０ｋＨｚよりも高い４０〜１００ｋＨｚの高周波電流を加熱コイルに流さなければならない。しかるに、周波数が高くなればなるほど、いわゆる表皮効果により高周波電流が導線の表面付近だけを流れるようになるため実効抵抗ははなはだしく増大する。そのため、表面積を増やし実効的に抵抗を減少する方法として、導線の径を細くし、例えば直径０．１ｍｍ以下の導線を数本ないし数十本束ねて用いる方法が行われてきた。しかし、この方法では、表皮効果による実効的な抵抗を下げることができても、導線を多数本用いているために近接作用が顕著となり必ずしも十分に抵抗を低減することができなかった。ここでいう近接作用とは、近接した導体に電流が流れるときに、磁界を介して相互に影響を与えあって、電流分布に偏りが生じる現象であり、導線表面の実効的な抵抗増大となる。近接作用は高周波電流の向きが導線間で揃っているほど、導線間の間隔が小さいほど大きくなる。
【０００３】
前記課題を解決する方法としては、例えば、特公平７−１１８３７７号公報に記載されているようなものがあった。同公報では、加熱コイルのコイル導線を、素線を束ねた集合線をさらに集合させる多段階集合構造と成すとともに、すくなくとも１の段階の集合線は編み上げにより形成することにより、集合線の向きが不揃いとなるとともに、相互に密着しなくなり、これにより近接効果を抑制できて加熱コイルの高周波電流に対するコイル抵抗を減少させ得るというものであった。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の構成では、加熱コイルの高周波電流に対するコイル抵抗を減少させることができるが、誘導加熱の効率をさらによくするためには、さらに高周波電流に対するコイル抵抗を低減する必要があった。
【０００５】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、近接作用の影響を少なくし、加熱コイルの高周波電流に対するコイル抵抗を減少させ、加熱コイルの自己発熱が小さく加熱効率の良い誘導加熱装置を提供することを目的とする。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明の誘導加熱装置は断面積の異なる素線からなる集合線を用いたコイル導線を巻回した加熱コイルを用いる構成とした。この構成により、断面積の大きい素線が断面積の小さい素線の間に入ることで、断面積の小さい素線と断面積の小さい素線との間の空間を広げることができ、近接作用による高周波抵抗の増大を低減できる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、断面積の異なる素線を集合したコイル導線を巻回した加熱コイルを備える構成とすることにより、断面積の大きい素線が断面積の小さい素線の間に入ることで、断面積の小さい素線と断面積の小さい素線との間の空間を広げることができ、近接作用による高周波抵抗の増大を低減でき、加熱コイルの自己発熱が小さくし、加熱効率を高めることができる。つまり、断面積の小さい素線は断面積の大きい素線に比べて、断面積当たりの高周波抵抗が小さく、断面積の小さい素線を主として高周波電流は流れることになる。一方、高周波電流の流れにくい断面積の大きい素線は、断面積の小さい素線間の空間を広げ、断面積の小さい素線どうしが近接作用によって高周波抵抗が増大することを低減できる。
【０００８】
請求項２に記載の発明は、コイル導線を巻回してなる加熱コイルに高周波電流を流して被加熱体を誘導加熱するものにおいて、コイル導線を予め断面積の異なる素線もしくは断面積の異なる素線からなる集合線を撚り合わせたものをさらに複数撚り合わせるという撚り合わせを複数回行う多段階重ね撚り構造とした。これにより、断面積の大きい素線が断面積の小さい素線の間に入ることで、断面積の小さい素線と断面積の小さい素線との間の空間を広げることができ、近接作用による高周波抵抗の増大を低減でき、加熱コイルの自己発熱が小さくし、加熱効率を高めることができる。
【０００９】
請求項３に記載の発明は、特に、請求項１または２に記載に構成において、コイル導線を予め第１の断面積からなる素線もしくは第１の断面積からなる素線を用いた集合線の周囲に第１の断面積と異なる第２の断面積からなる素線もしくは第２の断面積からなる素線を用いた集合線を撚り合せて集合線を形成する構成とした。これにより、断面積の大きい素線が断面積の小さい素線の間にバランスよく入ることで、断面積の小さい素線と断面積の小さい素線との間の空間を安定して広げることができ、近接作用による高周波抵抗の増大を安定して低減でき、加熱コイルの自己発熱が小さくし、加熱効率を高めることができる。
【００１０】
請求項４に記載の発明は、特に、請求項１〜３に記載の構成において、加熱コイルに４０〜１００ｋＨｚの高周波電流を流して被加熱体を誘導加熱する構成としたことにより、銅鍋およびアルミニウム鍋に適したものにすることができる。
【００１１】
【実施例】
以下、本発明の実施例については、誘導加熱装置の例として誘導加熱調理器をあげ、図面を参照しながら説明する。
【００１２】
（実施例１）
本実施例の特徴は、断面積の異なる素線を集合してコイル導線を作製し、このコイル導線を巻回して加熱コイルを設けたことを特徴としている。前述したように、銅鍋やアルミニウム鍋のように透磁率の低い加熱体を加熱するために４０〜１００ｋＨｚの高周波電流を加熱コイルに流すと、いわゆる表皮効果により加熱コイルの実効抵抗は増大する。そこで表皮効果の影響を低減するために断面積の小さい素線を用いるわけであるが、断面積の小さい素線を用いると巻線が密に、すなわち占有率が向上し素線間の実効的な間隔が小さくなり、近接作用による抵抗増大が顕著となる。本発明では、断面積の小さい素線を多く用いることにより表皮効果を低減するとともに、断面積の小さい素線と断面積の大きい素線とを混在させることにより、断面積の小さな素線間の間隔が実質的に大きくなり、近接作用による抵抗の増大を抑止することができ、加熱コイルの高周波抵抗を実質的に小さくし、加熱コイルの自己発熱を低減し、加熱効率を良くすることができる。以下、図面を用いて説明する。
【００１３】
まず、誘導加熱調理器の概略構成について図２を用いて説明する。１は誘導加熱調理器の外郭を構成する本体、２は本体１上に設けたトッププレート、３は本発明に関わるコイル導線を用いて巻回して作製した加熱コイル、４は加熱コイル３を制御する制御部であり、５は加熱コイル３に対応してトッププレート２に設けた加熱部に載置した鍋等の加熱体である。この構成において、加熱コイル３に高周波電流を流すと磁束が発生し、この磁束の渦電流損による発熱により加熱体５が加熱される。
【００１４】
以下、本実施例におけるコイル導線の構成について説明する。図１は本発明の実施例１における誘導加熱調理器に用いる加熱コイルの集合線の断面図である。図１において、集合線６は、断面積の小さい素線７、例えば直径０．０５ｍｍの素線と、断面積の大きい素線８、例えば直径０．１ｍｍの素線とを混在させて、これを束ねまたは撚り合わせて集合したものである。図１では、表皮効果を低減するために用いた断面積の小さい素線７の近接作用を低減するために、断面積の小さい素線７と断面積の大きい素線８とを無作為に混在させた状態を示している。これにより断面積の小さい素線７間の実効的な間隔を大きくすることができる。このように、断面積の大きい素線８の間に断面積の小さい素線７を必ず介在させるようにして断面積の小さい素線７間の間隔を実効的に大きくなるようにすると近接作用を低減できる。また、断面積の小さい素線７どうしおよび断面積の大きい素線８どうしが偏らないようにするとさらに効果的である。
【００１５】
このようにして得られた集合線を第１段階として数束撚り合わせて上位集合線とし、さらに必要に応じて第２段階としてこの上位集合線を数束撚り合わせ高次の集合線としていく。このように上位集合線を複数回撚り合わせる多段階重ね撚り構造としたコイル導線を巻回して加熱コイルを作製すると、４０〜１００ｋＨｚの高周波電流を流しても近接作用によって加熱コイルの高周波抵抗が増大することを抑制でき、加熱コイルの自己発熱を低減し、加熱効率のよい加熱コイルを得る事ができる。つまり、直径０．０５ｍｍの素線と直径０．１ｍｍの素線とを本数調整により断面積を同じにした場合、高周波抵抗は、直径０．０５ｍｍの素線の方が小さくなる。したがって、直径０．０５ｍｍの素線と直径０．１ｍｍの素線とが混在する場合には、直径０．０５ｍｍの素線を主に高周波電流が流れ、直径０．１ｍｍの素線にはあまり流れなくなる。ここで、直径０．１ｍｍの素線が直径０．０５ｍｍの素線の間に入ることで、直径０．０５ｍｍと直径０．０５ｍｍとの空間を広げ、近接作用で加熱コイルの高周波抵抗を増大することを防止することができる。
【００１６】
図３は本発明の実施例１における誘導加熱調理器に用いる他の例を示す加熱コイルの集合線の断面図である。図３において、断面積の小さい素線７を断面積の大きい素線８の周囲に、例えば０．０５ｍｍの素線９本を０．１ｍｍの素線の周囲に配し、これを集合線９として撚り合わせている。さらにこの集合線９を撚り合わせ上位集合線１０を形成している。このようにすることにより、バランス良く断面積の小さい素線７間の実効的な間隔を広げることができるので、近接作用による抵抗の増大をバランス良く抑えることができる。さらに必要に応じて、上位集合線１０を撚り合わせさらに上位集合線とし、さらに必要に応じてこの工程を繰り返すことにより多段階重ね撚り構造としたコイル導線を得ることができる。
【００１７】
また、図４は本発明の実施例１における誘導加熱調理器に用いる他の加熱コイルの集合線を示す断面図である。図４において、断面積の小さい素線７を撚り合わせ集合線１２とし、断面積の大きい素線８を撚り合わせた集合線１１の周囲に配し、これらを撚り合わせて上位集合線１３としている。例えば、図において、０．１ｍｍの断面積の大きい素線を４本より合わせ集合線とし、その周囲に０．０５ｍｍの断面積の小さい素線を７本撚り合わせた集合線を８束配して撚り合わせ上位集合線としている。このようにすることにより、バランス良く断面積の小さい素線間の実効的な間隔を広げることができるので、近接作用による高周波抵抗の増大を安定して抑えることができる。
【００１８】
なお、本実施例１においては図３、図４に示すように断面積の大きい素線の周囲に断面積の小さい素線を配置したが、逆に断面積の小さい素線の周囲に断面積の大きい素線を配置しても良い、要はバランス良く断面積の小さい素線と断面積の大きい素線とを配置すれば良い。
【００１９】
（参考例１）
本実施例は細い素線を撚り合わせた集合線を複数よりあわせたものをさらに複数撚り合わせる工程を必要に応じて複数回行って構成される多段階重ね撚り構造を有するコイル導線に関し、特に、コイル導線もしくは集合線の少なくとも一部に絶縁体を配し、線間の実効的な距離を大きくし近接作用による抵抗の増大を抑制したものである。以下図面により説明する。
【００２０】
図５は、本発明の参考例１における誘導加熱調理器のコイル導線の断面図である。図において、細い素線、例えば直径０．０５ｍｍの素線６０本を束ねた集合線１４を７束撚り合わせこれを上位集合線１５とし、さらにこの上位集合線１５を３束撚り合わせ多段階重ね撚り構造のコイル導線１６としている。このコイル導線１６に熱を加え、コイル導線１６自体に有している揮発成分を低減した後、コイル導線１６の外周の少なくとも一部に絶縁体１７を設ける構成としている。この構成のコイル導線１６を巻回して加熱コイルを作製したとき、コイル導線１６間の少なくとも一部には絶縁体が存在するので、コイル導線１６間の間隔が大きくなり、ひいては素線間の間隔が大きくなるので近接作用による高周波抵抗の増大を抑制することができる。また、コイル導線１６の全体に絶縁体を設ける構成にすると、巻回したときコイル導線１６間の全体の絶縁強度が増加し信頼性を高めることができる。また、コイル導線１６の巻回したターン間の電圧差は大きいため、結果として絶縁体１７をターン間に設けるこの方式は絶縁の信頼性が高い。さらに、本参考例のように素線の直径が０．０５ｍｍ程度になると素線自体の絶縁層を厚くすることが製造的に困難になりコスト高となる。したがって、この方式はコイル素線の直径が小さいもの（０．１ｍｍ以下のもの）を使用する場合に、特に絶縁の信頼性を確保し、低コスト化を実現するのに優れている。
【００２１】
また、図６は本参考例における誘導加熱調理器の他のコイル導線を示す断面図である。図６では、上位集合線１５に熱を加え、上位集合線１５自体に有している揮発成分を低減した後、上位集合線１５外周の少なくとも一部を絶縁体１７で覆う構成としている。そして絶縁体１７で覆った上位集合線１７を３束撚り合わせてコイル導線１８としている。この構成では上位集合線１５間の少なくとも一部には絶縁体が存在するので、上位集合線１５間の間隔が大きくなり、ひいては素線間の間隔が大きくなるので近接作用による抵抗の増大を抑制することができる。また、上位集合線１５の全体に絶縁体を設ける構成にしてコイル導線１８を作製しておくと、巻回したときコイル導線１８間に絶縁体が存在するので全体の絶縁強度が増加し信頼性を高めることができる。
【００２２】
コイル導線１６に絶縁体を設ける方法としては、コイル導線１６にテープ、または糸状体を巻回しても良いし、巻回時にフイルム状の絶縁体を挟み込むようにしても良い。また、液状物質を塗布し硬化するような方法を用いても良い。
【００２３】
絶縁体としては耐熱性を有する無機系としてガラス繊維、マイカ、有機系としてフッ素樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂などからなるテープまたはフイルムなどが用いられる。これらのうちガラステープは低価格であり、作業性が良いため適している。さらにガラステープは加熱コイルを作製後、樹脂を含浸し加熱コイル装置の形状を安定化するとき、樹脂が透過するので樹脂を内部まで含浸するのに適している。
【００２４】
樹脂含浸工程を省略する方法としては、図７に示す自己融着線を用いる方法が一般的に行われている。すなわち、導体１９の周囲に絶縁層２０を設けさらにその外側に融着層２１を設けた素線を用いて加熱コイルを作製し、その後加熱することにより融着層２１を溶融固化することにより、素線間を固着して加熱コイルの形状を安定に保持できるようにする方法である。
【００２５】
本参考例ではコイル導線の外周もしくは上位集合線の外周に絶縁体を設けているので、この絶縁体を利用することにより素線の融着層２１を用いないで加熱コイルの形状を安定に保持するようにすることができる。すなわち、絶縁体としてポリアミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂、ポリエステル樹脂、フッ素樹脂などの熱可塑性樹脂を用い、加熱コイルを作製の途中段階において、もしくは加熱コイルを巻回後、熱可塑性樹脂を加熱して溶融させ固化させることにより、絶縁体と絶縁体あるいは絶縁体と素線とを固着させ加熱コイルの形状を安定化させることができる。また、絶縁体を融点の異なる２種類の樹脂から構成し、融点の低い樹脂を融点の高い樹脂の外側に構成することで加熱接着性を向上することができる。例えば、絶縁体にフッ素樹脂を用い、外側に融点の低いフッ素樹脂（ＥＴＦＥやＦＥＰ）を用い、内側に融点の高いフッ素樹脂（ＰＦＡ）を用いると安定した絶縁性と加熱接着性を向上させることができる。
【００２６】
さらに、絶縁体として未硬化もしくは半硬化のゴムまたは熱硬化性の樹脂を用い、加熱コイルを作製の途中段階において、もしくは加熱コイルを巻回後、加熱固化させることにより、絶縁体と絶縁体あるいは絶縁体と素線とを固着させ加熱コイルの形状を安定化させることができる。なお、ゴムとしてはシリコン系、フッ素系などのものが、また、熱効果樹脂としてはエポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、フェノール樹脂などが用いられる。
【００２７】
また、絶縁体として未硬化もしくは半硬化のゴムまたは樹脂、特に半硬化のゴムまたは樹脂を織布もしくは不織布に塗布もしくは含浸し、前述のように加熱硬化させることにより加熱コイルの形状を安定化させることができる。特にテープ状の織布もしくは不織布を用いた場合、集合線もしくはコイル導線の外周の一部または全体を容易に巻回できるので取り扱いが容易であり、かつ安定した絶縁層を設けることができる。なお、ゴムまたは樹脂は上述のものと同種のものが一般に用いられる。
【００２８】
また、図８に示すように予め熱を加えコイル導線１６自体に有している揮発成分を低減した後、コイル導線１６の外周に絶縁体１７を設け、さらにその外側に接着層２２を設けるようにしてもよい。ここでいう接着層は融着層を含む。この構成のコイル導線１６を巻回後、加熱することによりコイル導線とコイル導線とが固着し形状の安定した加熱コイルを得ることができる。
【００２９】
この他、熱収縮テープを用いてもよい。すなわち、上位集合線もしくは／およびコイル導線に熱収縮テープを巻回後、加熱することによりテープが収縮し上位集合線もしくは／およびコイル導線を締め付け、加熱コイルを安定にした形状にすることができる。
【００３０】
以上述べた構成により、素線の融着層を用いないでも加熱コイルの形状を安定化することができる。ただし、融着層を用いないと素線間の間隔が小さくなり近接作用により抵抗増大が問題になることがある。このときは融着層に相当する分の絶縁厚みを増加すればよい。これにより素線の製造工程が簡略化され価格を低減することができる。
【００３１】
なお、絶縁材料の耐熱性は設計により必要とする耐熱区分の中から選択すればよい。
【００３２】
以上述べたように、本参考例によれば、近接作用による高周波抵抗の増大を抑制することができるとともに、絶縁性能が向上し信頼性を高めることができる。さらに接着性を有する絶縁構成にすることにより、コイル形状の安定性を図ることができる。また、コイル導線や上位集合線の揮発成分を熱で低減した後、コイル導線や上位集合線の外周に絶縁体を設けているので、使用時に加熱コイルに熱が加わった場合や絶縁体間の接着に際して加熱コイルに熱を加えた時、加熱コイル内部から発生する揮発成分が上位集合線と絶縁体との間やコイル導線と絶縁体との間に溜ることがなくなり、揮発成分が加熱コイルを変形させることを防止できる。
【００３３】
なお、実施例１および参考例１で述べたように、近接作用による高周波抵抗の増大を抑制するために、素線の断面積を大きくしたり、上位集合線またはコイル導線に絶縁体を設けたりすると効果的である。そこで、素線の断面積を変えたり、絶縁体の厚みおよび量を変えたりするなどの実験により加熱コイル全体での近接作用の影響を調べた。その結果、加熱コイルの外周に絶縁体を巻回したとき、外周の絶縁体を含まない絶縁体内の断面積、すなわち、加熱コイルとして占有する全空間断面積に対して素線の絶縁層部分を除く導体部体積が５０％を超えないような構成にすると近接作用による高周波抵抗の増大を抑えることができ、この比率が５０％を超えると近接作用による高周波抵抗が著しく増大してくるという結果が得られた。これにより、近接作用を考慮した設計がしやすくなるという効果が得られる。
【００３４】
また、実施例１および参考例１の効果は、銅鍋やアルミニウム鍋のような４０〜１００ｋＨｚの高周波電流で被加熱体を誘導加熱する場合に特に有効である。
【００３５】
なお、実施例１および参考例１は誘導加熱装置の例として誘導加熱調理器にて説明したが、その他各種誘導加熱装置においても同様の効果が得られる。
【００３６】
【発明の効果】
以上のように、本発明によれば、表皮効果および近接作用の影響を少なくし、高周波電流に対するコイル抵抗を減少させた加熱コイルを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における誘導加熱調理器に用いる加熱コイルの集合線の断面図
【図２】同誘導加熱調理器の構成断面図
【図３】同誘導加熱調理器に用いる加熱コイルの他の例における集合線の断面図
【図４】同誘導加熱調理器に用いる加熱コイルの他の例における集合線の断面図
【図５】本発明の参考例１における誘導加熱調理器に用いる加熱コイルの集合線の断面図
【図６】同誘導加熱調理器に用いる加熱コイルの他の例における集合線の断面図
【図７】素線の構成断面図
【図８】本発明の参考例１における誘導加熱調理器に用いる加熱コイルの他の例の集合線の断面図
【符号の説明】
３ 加熱コイル
６、９、１１、１２、１４ 集合線
７ 断面積の小さい素線
８ 断面積の大きい素線
１０、１３、１５ 上位集合線
１６、１８ コイル導線
１７ 絶縁体
２２ 接着層（接着部）