JP2004327054A - 誘導加熱装置 - Google Patents
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Abstract
【課題】加熱コイルに含まれる低周波磁界を減少させる誘導加熱装置を提供する。
【解決手段】負荷２と前記負荷と磁気的に結合する加熱コイル５と前記加熱コイルに電力を供給するインバータ回路１１と前記インバータに電力を供給する電源を備え、前記インバータ回路１１に一次側巻き線１３が接続され前記加熱コイルに二次側巻き線１４が接続される高周波トランス１２を接続することにより、低周波成分をカットすることができ、電源の周波数成分を持った電流が加熱コイルに印可されることを減少させることができる。
【選択図】 図１
【解決手段】負荷２と前記負荷と磁気的に結合する加熱コイル５と前記加熱コイルに電力を供給するインバータ回路１１と前記インバータに電力を供給する電源を備え、前記インバータ回路１１に一次側巻き線１３が接続され前記加熱コイルに二次側巻き線１４が接続される高周波トランス１２を接続することにより、低周波成分をカットすることができ、電源の周波数成分を持った電流が加熱コイルに印可されることを減少させることができる。
【選択図】 図１
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波磁界による誘導加熱を利用して被加熱物の加熱を行う電磁調理器などの誘導加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、誘導加熱装置について図面を用いて説明する。図８は、従来の誘導加熱装置（例えば、特許文献１参照）のものと同構成である。交流電源１は整流するダイオードブリッジ２に接続され、ダイオードブリッジ２は、平滑コンデンサ４に接続される。この平滑コンデンサ４は、電圧を平滑するとともにインバータ回路が高周波動作を行う際の直流電源としての役割を持つことになる。平滑コンデンサ４は直列に配置された加熱コイル５と第１の半導体スイッチ６の直列回路と接続され、加熱コイル５には並列に共振コンデンサ１０とクランプコンデンサ３と第２の半導体スイッチ７の直列回路が接続される。また、加熱コイル５は自身と磁気的に結合する負荷８が接続され、第１及び第２の半導体スイッチ６、７には、制御手段９が接続される構成をとる。
【０００３】
図９は図８の動作波形を示す図である。Ｉ６は第１の半導体スイッチ６を流れる電流を、Ｖ６はそのコレクタ−エミッタ間電圧を、Ｉ６は第２の半導体スイッチ７を流れる電流を、Ｖ７はそのコレクタ−エミッタ間電圧を、Ｉ５は加熱コイル５を流れる電流を示している。
【０００４】
続いて、図８及び図９を用いて従来の誘導加熱装置の動作を説明する。まず、制御手段９は第１の半導体スイッチ６を導通状態にすることで直流電源としての役割を持つ平滑コンデンサ４から加熱コイル５を通して加熱コイル５と磁気的に結合する負荷８に電力を供給する。この際、図９のＩ６に示すようにほぼ直線上に電流が流れることになる。
【０００５】
次に制御手段９は所定の時間で第１の半導体スイッチ６を非導通状態にする。すると加熱コイル５に貯えられたエネルギーはまず第３のコンデンサ１０を充電し、図９のＶ６に示すように第１の半導体スイッチ６のコレクタ電位は緩やかに上昇させる。そして第１の半導体スイッチ６のコレクタの電位がクランプコンデンサ３の電位と等しなった時に第２の半導体スイッチ７内の逆導通素子が導通状態になり、加熱コイル５のエネルギーはクランプコンデンサ３に蓄えられる。この逆導通素子が導通状態の時に第２の半導体スイッチ７を導通状態にしておくことで、今度は図９のＩ７に示すようにクランプコンデンサ３を電源として加熱コイル５と磁気的に結合する負荷９に電力を供給することになる。制御手段９は所定の時間が経過したところで、第２の半導体スイッチを非導通状態にする。すると加熱コイル５に蓄えられたエネルギー及び共振コンデンサ１０に蓄えられたエネルギーを第１の半導体スイッチ６に内蔵された逆導通素子を通して平滑コンデンサ４に回生する。この回生期間に第１の半導体スイッチ６を導通状態にすることで、再び平滑コンデンサ４から負荷８に電力が供給されることになる。この動作を２０〜５０ｋＨｚ程度で行うことで、Ｉ５に示すような電流が加熱コイル５に流れることで、加熱コイル５と磁気的に結合する負荷８に高周波磁界が発生し、その高周波磁界により負荷８の表層部に渦電流が生じ負荷８が加熱されることになる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−２６２６６６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしこのような従来の誘導加熱装置においては、図９のＩ５に示すように、加熱コイル５に流れる電流は、高周波成分に直流成分が重畳した形となる。そのため、商用電源１を整流した成分（商用電源の２倍成分）が、負荷８に必要な高周波成分以外に加熱コイル５に供給される。この商用電源成分は負荷８に吸収されないため加熱コイル５から外部に放射されることになる。このような不要な電磁界の放射は周囲に雑音などを発生させる原因となる可能性がある。
【０００８】
本発明は上記の課題を解決するもので、商用周波数成分の電磁界を加熱コイルから放射を減少させることができ、不要な雑音を減少させる誘導加熱装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、負荷と磁気的に結合する加熱コイルと、前記加熱コイルに電力を供給するインバータ、と前記インバータに電力を供給する電源とを備え、前記インバータに一次側巻き線が接続され前記加熱コイルに二次側巻き線が接続される高周波トランスを備えることを特徴とする誘導加熱装置としている。
【００１０】
これにより、加熱コイルを流れる電流は高周波トランスを介することで大幅に低周波成分が減少するため、加熱コイルから電源の周波数成分を持った磁界が外部に放射されることを減少させることが可能な誘導加熱装置を実現するものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、負荷と磁気的に結合する加熱コイルと、前記加熱コイルに電力を供給するインバータ、と前記インバータに電力を供給する電源とを備え、前記インバータに一次側巻き線が接続され前記加熱コイルに二次側巻き線が接続される高周波トランスを備える誘導加熱装置としている。
【００１２】
これにより、加熱コイルを流れる電流は高周波トランスを介することで大幅に低周波成分が減少するため、加熱コイルから電源の周波数成分を持った磁界が外部に放射されることを減少させることが可能な誘導加熱装置を実現するものである。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、上記に加え、高周波トランスは、磁性体コアと前記一次側巻き線と前記二次側巻き線を有し、前記磁性体コアは、空隙をなくし密結合させるとともに前記負荷と前記加熱コイル間に空隙を設けた誘導加熱装置としている。
【００１４】
これにより、加熱コイルを流れる電流は高周波トランスを介することで大幅に低周波成分が減少するため、加熱コイルから電源の周波数成分を持った磁界が外部に放射されることを減少させることが可能な誘導加熱装置を実現するものである。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、上記に加え、高周波トランスは、磁性体コアと前記一次側巻き線と前記二次側巻き線を有し、前記磁性体コアは、空隙を備えた誘導加熱装置としている。
【００１６】
これにより、負荷変動を吸収するために設けられている加熱コイルと負荷の空隙に自由度を持たせることが可能になり加熱コイルをトッププレート近傍に配置することが可能になり、負荷により多くの磁束を吸収させることが可能になり加熱効率の良い誘導加熱装置を実現できるものである。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、上記に加え、負荷を設置するプレートを備え、加熱コイルを前記プレートと略密着させる誘導加熱装置としている。
【００１８】
これにより、負荷変動を吸収するために設けられている加熱コイルと負荷の空隙に自由度を持たせることが可能になり加熱コイルをトッププレート近傍に配置することが可能になり、負荷により多くの磁束を吸収させることが可能になり加熱効率の良い誘導加熱装置を実現できるものである。
【００１９】
請求項５に記載の発明は、上記に加え、磁性体コアは、空隙を少なくとも４箇所有する誘導加熱装置としている。
【００２０】
これにより、負荷変動を吸収するために設けられている加熱コイルと負荷の空隙に自由度を持たせることが可能になり加熱コイルをトッププレート近傍に配置することが可能になり、負荷により多くの磁束を吸収させることが可能になり加熱効率の良い誘導加熱装置を実現できるものである。
【００２１】
請求項６に記載の発明は、上記に加え、一次側巻き線及び二次側巻き線は、空隙を覆うように配置する誘導加熱装置としている。
【００２２】
これにより、負荷変動を吸収するために設けられている加熱コイルと負荷の空隙に自由度を持たせることが可能になり加熱コイルをトッププレート近傍に配置することが可能になり、負荷により多くの磁束を吸収させることが可能になり加熱効率の良い誘導加熱装置を実現できるものである。
【００２３】
請求項７に記載の発明は、上記に加え、高周波トランスの外郭に磁性体を配置する誘導加熱装置としている。
【００２４】
これにより、負荷変動を吸収するために設けられている加熱コイルと負荷の空隙に自由度を持たせることが可能になり加熱コイルをトッププレート近傍に配置することが可能になり、負荷により多くの磁束を吸収させることが可能になり加熱効率の良い誘導加熱装置を実現できるものである。
【００２５】
請求項８に記載の発明は、上記に加え、高周波トランスは、電流検知用の巻き線を備えた誘導加熱装置としている。
【００２６】
これにより、加熱コイル電流を検出するカレントセンサを改めて配置する必要がなくなり、安価な構成で加熱コイル電流を使った制御をすることができる誘導加熱装置を実現できるものである。
【００２７】
請求項９に記載の発明は、上記に加え、高周波トランスの巻き線比を負荷に応じて切り替え可能な誘導加熱装置としている。
【００２８】
これにより、負荷に応じて加熱コイルに印可する電圧を変えることが可能となるため、負荷に適した加熱を行うことができ、インバータ回路の熱的負担、耐圧負担を抑制した誘導加熱装置を実現できるものである。
【００２９】
請求項１０に記載の発明は、上記に加え、高周波トランスの２次側コイルと加熱コイル間にコンデンサを接続する誘導加熱装置としている。
【００３０】
これにより、加熱コイルを流れる電流は高周波トランスを介することで大幅に低周波成分が減少させるとともにコンデンサが加熱コイルに直列に入ることでより低周波成分を減少させることができるため、加熱コイルから電源の周波数成分を持った磁界が外部に放射されることを減少させることが可能な誘導加熱装置を実現するものである。
【００３１】
【実施例】
（実施例１）
本発明の第１の実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項１に係わる。
【００３２】
図１は本実施例の誘導加熱装置の回路構成を示す図である。交流電源１は交流電力を高周波電力に変換するインバータ回路１１に接続される。インバータ回路１１には高周波トランス１２の一次巻き線１３が接続され、高周波トランス１２の二次次巻き線１４には加熱コイル５が接続される。加熱コイル５の直上には負荷８が加熱コイル５と磁気的に結合する形で配置される。
【００３３】
本実施例ではインバータ回路２は、交流電源１に接続され交流電圧を整流するダイオードブリッジ２と、ダイオードブリッジ２接続され整流された電圧を平滑するとともにインバータ回路が高周波動作を行う際の直流電源としての役割を持つ平滑コンデンサ４と、平滑コンデンサ４に直列に配置された第１の半導体スイッチ６と共振コンデンサ５の直列回路と、共振コンデンサ１０と並列に接続されたクランプコンデンサ３と第２の半導体スイッチ７の直列回路から構成されてる。この共振コンデンサ１０には高周波トランス１２の一次側巻き線１１が接続され、高周波トランス１２の２次側には加熱コイル５が接続される。
【００３４】
次に本実施例における動作を説明する。図２は本実施例の動作波形を示す図である。Ｉ６は第１の半導体スイッチ６を流れる電流を、Ｖ６はそのコレクタ−エミッタ間電圧を、Ｉ６は第２の半導体スイッチ７を流れる電流を、Ｖ７はそのコレクタ−エミッタ間電圧を、Ｉ１３は高周波トランス１２の一次巻き線を流れる電流を、Ｉ５は加熱コイル５を流れる電流を示している。
【００３５】
図示していない制御手段は第１の半導体スイッチ６を導通状態にすることで直流電源としての役割を持つ平滑コンデンサ４から高周波トランス１２を通して高周波トランスの２次側巻き線に接続された加熱コイル５に電力を供給し、更に加熱コイル５から加熱コイル５と磁気的に結合する負荷８に電力を供給する。この際、図２のＩ６に示すようにほぼ直線上に電流が流れることになる。
【００３６】
次に制御手段は所定の時間で第１の半導体スイッチ６を非導通状態にする。すると一次巻き線１３に貯えられたエネルギーはまず共振コンデンサ１０を充電し、図２のＶ６に示すように第１の半導体スイッチ６のコレクタ電位は緩やかに上昇させる。そして第１の半導体スイッチ６のコレクタの電位がクランプコンデンサ３の電位と等しなった時に第２の半導体スイッチ７内の逆導通素子が導通状態になり、一次巻き線１３のエネルギーはクランプコンデンサ３に蓄えられる。この逆導通素子が導通状態の時に制御手段は、第２の半導体スイッチ７を導通状態にすることで、図２のＩ７に示すようにクランプコンデンサ３を電源として、高周波トランス１２を通して高周波トランス１２の二次巻き線１４に接続された加熱コイル５に電力を供給し、更に加熱コイル５から加熱コイル５と磁気的に結合する負荷８に電力を供給する。制御手段は所定の時間が経過したところで、第２の半導体スイッチ７を非導通状態にする。すると一次巻き線１３に蓄えられたエネルギー及び共振コンデンサ１０に蓄えられたエネルギーを第１の半導体スイッチ６に内蔵された逆導通素子を通して平滑コンデンサ４に回生する。この回生期間に第１の半導体スイッチ６を導通状態にすることで、再び平滑コンデンサ４から負荷８に電力が供給されることになる。この動作を２０〜５０ｋＨｚ程度で繰り返し行うことで、Ｉ１３に示すような電流が一次巻き線に連続的に流れることになる。
【００３７】
また、Ｉ１３には第１の半導体スイッチ６が導通する際に交流電源１を整流した電圧がかかるため、電源周波数の２倍の成分を持った電流が流れる。但し、高周波トランス１２の２次側には低周波成分が大きく減衰した形で電力が供給されるために、二次巻き線１４及び加熱コイル５には高周波電流が伝達することになる。よって図２のＩ５に示すように加熱コイルに高周波電流が流れ、この高周波電流により生じる高周波磁界が負荷８に吸収され、負荷８自身がもつ高周波抵抗と高周波磁界により生じる渦電流により負荷８自身が発熱することになる。このような構成をとることで、加熱コイル５には直流成分（低周波成分）があまり流れず、加熱に必要とされる高周波成分のみが加熱コイル５に供給されており、不要な周波成分が外部に放射されることを防止することができる。ここで、高周波トランス１２の大きな空隙がある場合はそこから、漏れ磁束が発生する可能性があるため高周波トランス１２はトロイダルコアなどでギャップがないものが望ましく、また負荷８の変動を吸収するリーケージインダクタは加熱コイル５と負荷８の間に十分な空隙を設けることで対応させることができる。
【００３８】
なお、本実施例以外のインバータ回路２の構成としてはクランプコンデンサ３及び第２の半導体スイッチ７がない構成など、スイッチング素子が導通時に一次巻き線１３と交流電源１が短絡される構成があり、実施例と同様の効果が期待できる。
【００３９】
以上のように本実施例によれば、加熱コイル５を流れる電流は常にコンデンサを通過することになり、電源の周波数成分を持った電流が加熱コイル５に印可されることが減少するため、加熱コイル５から電源の周波数成分を持った磁界が外部に放射されることを減少させることが可能な誘導加熱装置を実現するものである。
【００４０】
（実施例２）
本発明の誘導加熱装置の第２の実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項３〜７に係わる。
【００４１】
図３は本実施例の高周波トランスの構成を示す図である。本実施例が実施例１の構成と異なるのは高周波トランス１２の磁性体コア１６のコア間に空隙１７を設けている点である。
【００４２】
本実施例における動作を説明する。高周波トランス１２に空隙を設けることで図４に示すように、加熱コイル５を負荷８を配置するプレート２０の近傍まで配置することが可能にある。このことにより、加熱コイル５と負荷８の間の空隙が大きい場合に生じる、加熱効率の低下を減少させることができる。また、負荷８の変動を吸収するためのリーケージインダクタは高周波トランス１２側で作られるため、インバータ回路１１から見た動作は実施例１と同様になる。
【００４３】
ここで、高周波トランス１３に空隙１７を設けることで漏れ磁束が発生することが懸念させる。そこで、図３に示すように空隙の箇所を複数箇所（４カ所）以上に分散させることで、漏れ磁束が複数箇所に分散し、漏れ磁束そのものも小さく抑えることが可能となる。また、空隙の上部に一次巻き線１３及び二次巻き線１４を配置することで、空隙から発生する漏れ磁束を抑えることができる。
【００４４】
更に一次巻き線１３及び二次巻き線１４の外周に磁性体シールド２１を巻くことにより、漏れ磁束を抑えることが可能となる。ここで、磁性体コア１６は高周波損失が少ないフェライトなどが望ましく、また磁性体シールド２１としては珪素鋼板やパーマロイなどがあるが特に限定するものではない。
【００４５】
以上本実施例によれば、高周波トランス１２の磁性体コア１６に空隙を設けることで、負荷変動を吸収するために設けられている加熱コイルと負荷の空隙に自由度を持たせることが可能になり加熱コイルをトッププレート近傍に配置することが可能になり、負荷により多くの磁束を吸収させることが可能になり加熱効率の良い誘導加熱装置を実現できるものである。
【００４６】
（実施例３）
本発明の誘導加熱装置の第３の実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項８に係わる。
【００４７】
図５は本実施例の高周波トランスの構成を示す図である。本実施例が実施例２の構成と異なるのは高周波トランス１２に第三の巻き線１８を設け、加熱コイル５に流れる電流を検出できる様な構成を取っている点である。
【００４８】
本実施例における動作を説明する。負荷８は鉄などの磁性体から非磁性ステンレスあるいはアルミなど様々な材質が置かれる可能性がある。その際、加熱コイル５の電流を検出することにより、負荷８を判別することが可能である。しかし、新たに加熱コイル５の電流検出用のカレントセンサを付けるとコストアップにつながることになる。そこで、磁性体コア１６に第三の巻き線１８を配置することで磁性体コア１６で発生する磁束を検出することで加熱コイル５に流れる電流を低コストで検出することが可能なる。
【００４９】
以上本実施例によれば、前記高周波トランスに電流検知用の巻き線を備えたことにより、加熱コイル５の電流を検出するカレントセンサを改めて配置する必要がなくなり、安価な構成で加熱コイル電流を使った制御をすることができる誘導加熱装置を実現できるものである。
【００５０】
（実施例４）
本発明の誘導加熱装置の第４の実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項９に係わる。
【００５１】
図６は本実施例の回路構成を示す図である。本実施例が実施例１の構成と異なるのは高周波トランス１２から巻き線比の異なる複数個の巻き線を設け、負荷８の種類に応じて切り替え手段２２により巻き線比を切り替える点である。
【００５２】
本実施例における動作を説明する。負荷８には鉄などの磁性体から非磁性ステンレスあるいはアルミなど様々な材質が置かれる可能性がある。その際、負荷８の種類に応じて切り替え手段２２により巻き線比を切り替える。こうすることにより、インバータ回路１１内の半導体スイッチの損失を防止することができる、あるいは発生電圧を抑制することができるなどのメリットを得ることがに可能になる。なお、切り替え手段２２はリレーや半導体スイッチなど特に限定するものではない。
【００５３】
以上本実施例によれば、高周波トランス１２の巻き線比を負荷に応じて切り替え手段２２により切り替えることにより、負荷８に応じて加熱コイル５に印可する電圧を変えることが可能となるため、負荷８に適した加熱を行うことができ、インバータ回路１１の熱的負担及び耐圧負担を抑えた誘導加熱装置を実現できるものである。
【００５４】
（実施例５）
本発明の誘導加熱装置の第５の実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項１０に係わる。
【００５５】
図７は本実施例の回路構成を示す図である。本実施例が実施例１の構成と異なるのは加熱コイル５と二次巻き線１４の直列回路の間に直流カットコンデンサ１５が配置している点である。
【００５６】
本構成における動作を説明する。本実施例の動作は実施例１と同様な動作を行うが、高周波トランス１２を介して加熱コイル５に高周波電流が流れる際に、確実に直流カットコンデンサを通ることからより低周波成分を減衰させることが可能になる。
【００５７】
以上のように本実施例によれば、加熱コイル５に並列に第３のコンデンサ１０を配置することで、半導体スイッチのターンオフ時の損失を大幅に軽減でき、冷却構成を簡易化でき、安価な誘導加熱装置を実現できるものである。
【００５８】
【発明の効果】
以上のように、請求項１〜１０に記載の本発明によれば、加熱コイルを流れる電流の低周波成分を大幅に減少させることができ、加熱コイルから電源の周波数成分を持った磁界が外部に放射されることを減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の誘導加熱装置の回路構成を示す図
【図２】本発明の第１の実施例の誘導加熱装置の動作波形を示す図
【図３】本発明の第２の実施例の誘導加熱装置の構成を示す図
【図４】本発明の第２の実施例の誘導加熱装置の構成を示す図
【図５】本発明の第３の実施例の誘導加熱装置の構成を示す図
【図６】本発明の第４の実施例の誘導加熱装置の回路構成を示す図
【図７】本発明の第５の実施例の誘導加熱装置の回路構成を示す図
【図８】従来の誘導加熱装置の回路構成を示す図
【図９】従来の誘導加熱装置の動作波形を示す図
【符号の説明】
１ 交流電源
２ ダイオードブリッジ
３ クランプコンデンサ
４ 平滑コンデンサ
５ 加熱コイル
６ 第１の半導体スイッチ
７ 第２の半導体スイッチ
８ 負荷
９ 制御手段
１０ 共振コンデンサ
１１ インバータ回路
１２ 高周波トランス
１３ 一次巻き線
１４ 二次巻き線
１５ 直流カットコンデンサ
１６ 磁性体コア
１７ 空隙
１８ 第三の巻き線
２０ プレート
２１ 磁性体シールド
２２ 切り替え手段
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波磁界による誘導加熱を利用して被加熱物の加熱を行う電磁調理器などの誘導加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、誘導加熱装置について図面を用いて説明する。図８は、従来の誘導加熱装置（例えば、特許文献１参照）のものと同構成である。交流電源１は整流するダイオードブリッジ２に接続され、ダイオードブリッジ２は、平滑コンデンサ４に接続される。この平滑コンデンサ４は、電圧を平滑するとともにインバータ回路が高周波動作を行う際の直流電源としての役割を持つことになる。平滑コンデンサ４は直列に配置された加熱コイル５と第１の半導体スイッチ６の直列回路と接続され、加熱コイル５には並列に共振コンデンサ１０とクランプコンデンサ３と第２の半導体スイッチ７の直列回路が接続される。また、加熱コイル５は自身と磁気的に結合する負荷８が接続され、第１及び第２の半導体スイッチ６、７には、制御手段９が接続される構成をとる。
【０００３】
図９は図８の動作波形を示す図である。Ｉ６は第１の半導体スイッチ６を流れる電流を、Ｖ６はそのコレクタ−エミッタ間電圧を、Ｉ６は第２の半導体スイッチ７を流れる電流を、Ｖ７はそのコレクタ−エミッタ間電圧を、Ｉ５は加熱コイル５を流れる電流を示している。
【０００４】
続いて、図８及び図９を用いて従来の誘導加熱装置の動作を説明する。まず、制御手段９は第１の半導体スイッチ６を導通状態にすることで直流電源としての役割を持つ平滑コンデンサ４から加熱コイル５を通して加熱コイル５と磁気的に結合する負荷８に電力を供給する。この際、図９のＩ６に示すようにほぼ直線上に電流が流れることになる。
【０００５】
次に制御手段９は所定の時間で第１の半導体スイッチ６を非導通状態にする。すると加熱コイル５に貯えられたエネルギーはまず第３のコンデンサ１０を充電し、図９のＶ６に示すように第１の半導体スイッチ６のコレクタ電位は緩やかに上昇させる。そして第１の半導体スイッチ６のコレクタの電位がクランプコンデンサ３の電位と等しなった時に第２の半導体スイッチ７内の逆導通素子が導通状態になり、加熱コイル５のエネルギーはクランプコンデンサ３に蓄えられる。この逆導通素子が導通状態の時に第２の半導体スイッチ７を導通状態にしておくことで、今度は図９のＩ７に示すようにクランプコンデンサ３を電源として加熱コイル５と磁気的に結合する負荷９に電力を供給することになる。制御手段９は所定の時間が経過したところで、第２の半導体スイッチを非導通状態にする。すると加熱コイル５に蓄えられたエネルギー及び共振コンデンサ１０に蓄えられたエネルギーを第１の半導体スイッチ６に内蔵された逆導通素子を通して平滑コンデンサ４に回生する。この回生期間に第１の半導体スイッチ６を導通状態にすることで、再び平滑コンデンサ４から負荷８に電力が供給されることになる。この動作を２０〜５０ｋＨｚ程度で行うことで、Ｉ５に示すような電流が加熱コイル５に流れることで、加熱コイル５と磁気的に結合する負荷８に高周波磁界が発生し、その高周波磁界により負荷８の表層部に渦電流が生じ負荷８が加熱されることになる。
【０００６】
【特許文献１】
特開平８−２６２６６６号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしこのような従来の誘導加熱装置においては、図９のＩ５に示すように、加熱コイル５に流れる電流は、高周波成分に直流成分が重畳した形となる。そのため、商用電源１を整流した成分（商用電源の２倍成分）が、負荷８に必要な高周波成分以外に加熱コイル５に供給される。この商用電源成分は負荷８に吸収されないため加熱コイル５から外部に放射されることになる。このような不要な電磁界の放射は周囲に雑音などを発生させる原因となる可能性がある。
【０００８】
本発明は上記の課題を解決するもので、商用周波数成分の電磁界を加熱コイルから放射を減少させることができ、不要な雑音を減少させる誘導加熱装置を提供することを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために本発明は、負荷と磁気的に結合する加熱コイルと、前記加熱コイルに電力を供給するインバータ、と前記インバータに電力を供給する電源とを備え、前記インバータに一次側巻き線が接続され前記加熱コイルに二次側巻き線が接続される高周波トランスを備えることを特徴とする誘導加熱装置としている。
【００１０】
これにより、加熱コイルを流れる電流は高周波トランスを介することで大幅に低周波成分が減少するため、加熱コイルから電源の周波数成分を持った磁界が外部に放射されることを減少させることが可能な誘導加熱装置を実現するものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、負荷と磁気的に結合する加熱コイルと、前記加熱コイルに電力を供給するインバータ、と前記インバータに電力を供給する電源とを備え、前記インバータに一次側巻き線が接続され前記加熱コイルに二次側巻き線が接続される高周波トランスを備える誘導加熱装置としている。
【００１２】
これにより、加熱コイルを流れる電流は高周波トランスを介することで大幅に低周波成分が減少するため、加熱コイルから電源の周波数成分を持った磁界が外部に放射されることを減少させることが可能な誘導加熱装置を実現するものである。
【００１３】
請求項２に記載の発明は、上記に加え、高周波トランスは、磁性体コアと前記一次側巻き線と前記二次側巻き線を有し、前記磁性体コアは、空隙をなくし密結合させるとともに前記負荷と前記加熱コイル間に空隙を設けた誘導加熱装置としている。
【００１４】
これにより、加熱コイルを流れる電流は高周波トランスを介することで大幅に低周波成分が減少するため、加熱コイルから電源の周波数成分を持った磁界が外部に放射されることを減少させることが可能な誘導加熱装置を実現するものである。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、上記に加え、高周波トランスは、磁性体コアと前記一次側巻き線と前記二次側巻き線を有し、前記磁性体コアは、空隙を備えた誘導加熱装置としている。
【００１６】
これにより、負荷変動を吸収するために設けられている加熱コイルと負荷の空隙に自由度を持たせることが可能になり加熱コイルをトッププレート近傍に配置することが可能になり、負荷により多くの磁束を吸収させることが可能になり加熱効率の良い誘導加熱装置を実現できるものである。
【００１７】
請求項４に記載の発明は、上記に加え、負荷を設置するプレートを備え、加熱コイルを前記プレートと略密着させる誘導加熱装置としている。
【００１８】
これにより、負荷変動を吸収するために設けられている加熱コイルと負荷の空隙に自由度を持たせることが可能になり加熱コイルをトッププレート近傍に配置することが可能になり、負荷により多くの磁束を吸収させることが可能になり加熱効率の良い誘導加熱装置を実現できるものである。
【００１９】
請求項５に記載の発明は、上記に加え、磁性体コアは、空隙を少なくとも４箇所有する誘導加熱装置としている。
【００２０】
これにより、負荷変動を吸収するために設けられている加熱コイルと負荷の空隙に自由度を持たせることが可能になり加熱コイルをトッププレート近傍に配置することが可能になり、負荷により多くの磁束を吸収させることが可能になり加熱効率の良い誘導加熱装置を実現できるものである。
【００２１】
請求項６に記載の発明は、上記に加え、一次側巻き線及び二次側巻き線は、空隙を覆うように配置する誘導加熱装置としている。
【００２２】
これにより、負荷変動を吸収するために設けられている加熱コイルと負荷の空隙に自由度を持たせることが可能になり加熱コイルをトッププレート近傍に配置することが可能になり、負荷により多くの磁束を吸収させることが可能になり加熱効率の良い誘導加熱装置を実現できるものである。
【００２３】
請求項７に記載の発明は、上記に加え、高周波トランスの外郭に磁性体を配置する誘導加熱装置としている。
【００２４】
これにより、負荷変動を吸収するために設けられている加熱コイルと負荷の空隙に自由度を持たせることが可能になり加熱コイルをトッププレート近傍に配置することが可能になり、負荷により多くの磁束を吸収させることが可能になり加熱効率の良い誘導加熱装置を実現できるものである。
【００２５】
請求項８に記載の発明は、上記に加え、高周波トランスは、電流検知用の巻き線を備えた誘導加熱装置としている。
【００２６】
これにより、加熱コイル電流を検出するカレントセンサを改めて配置する必要がなくなり、安価な構成で加熱コイル電流を使った制御をすることができる誘導加熱装置を実現できるものである。
【００２７】
請求項９に記載の発明は、上記に加え、高周波トランスの巻き線比を負荷に応じて切り替え可能な誘導加熱装置としている。
【００２８】
これにより、負荷に応じて加熱コイルに印可する電圧を変えることが可能となるため、負荷に適した加熱を行うことができ、インバータ回路の熱的負担、耐圧負担を抑制した誘導加熱装置を実現できるものである。
【００２９】
請求項１０に記載の発明は、上記に加え、高周波トランスの２次側コイルと加熱コイル間にコンデンサを接続する誘導加熱装置としている。
【００３０】
これにより、加熱コイルを流れる電流は高周波トランスを介することで大幅に低周波成分が減少させるとともにコンデンサが加熱コイルに直列に入ることでより低周波成分を減少させることができるため、加熱コイルから電源の周波数成分を持った磁界が外部に放射されることを減少させることが可能な誘導加熱装置を実現するものである。
【００３１】
【実施例】
（実施例１）
本発明の第１の実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項１に係わる。
【００３２】
図１は本実施例の誘導加熱装置の回路構成を示す図である。交流電源１は交流電力を高周波電力に変換するインバータ回路１１に接続される。インバータ回路１１には高周波トランス１２の一次巻き線１３が接続され、高周波トランス１２の二次次巻き線１４には加熱コイル５が接続される。加熱コイル５の直上には負荷８が加熱コイル５と磁気的に結合する形で配置される。
【００３３】
本実施例ではインバータ回路２は、交流電源１に接続され交流電圧を整流するダイオードブリッジ２と、ダイオードブリッジ２接続され整流された電圧を平滑するとともにインバータ回路が高周波動作を行う際の直流電源としての役割を持つ平滑コンデンサ４と、平滑コンデンサ４に直列に配置された第１の半導体スイッチ６と共振コンデンサ５の直列回路と、共振コンデンサ１０と並列に接続されたクランプコンデンサ３と第２の半導体スイッチ７の直列回路から構成されてる。この共振コンデンサ１０には高周波トランス１２の一次側巻き線１１が接続され、高周波トランス１２の２次側には加熱コイル５が接続される。
【００３４】
次に本実施例における動作を説明する。図２は本実施例の動作波形を示す図である。Ｉ６は第１の半導体スイッチ６を流れる電流を、Ｖ６はそのコレクタ−エミッタ間電圧を、Ｉ６は第２の半導体スイッチ７を流れる電流を、Ｖ７はそのコレクタ−エミッタ間電圧を、Ｉ１３は高周波トランス１２の一次巻き線を流れる電流を、Ｉ５は加熱コイル５を流れる電流を示している。
【００３５】
図示していない制御手段は第１の半導体スイッチ６を導通状態にすることで直流電源としての役割を持つ平滑コンデンサ４から高周波トランス１２を通して高周波トランスの２次側巻き線に接続された加熱コイル５に電力を供給し、更に加熱コイル５から加熱コイル５と磁気的に結合する負荷８に電力を供給する。この際、図２のＩ６に示すようにほぼ直線上に電流が流れることになる。
【００３６】
次に制御手段は所定の時間で第１の半導体スイッチ６を非導通状態にする。すると一次巻き線１３に貯えられたエネルギーはまず共振コンデンサ１０を充電し、図２のＶ６に示すように第１の半導体スイッチ６のコレクタ電位は緩やかに上昇させる。そして第１の半導体スイッチ６のコレクタの電位がクランプコンデンサ３の電位と等しなった時に第２の半導体スイッチ７内の逆導通素子が導通状態になり、一次巻き線１３のエネルギーはクランプコンデンサ３に蓄えられる。この逆導通素子が導通状態の時に制御手段は、第２の半導体スイッチ７を導通状態にすることで、図２のＩ７に示すようにクランプコンデンサ３を電源として、高周波トランス１２を通して高周波トランス１２の二次巻き線１４に接続された加熱コイル５に電力を供給し、更に加熱コイル５から加熱コイル５と磁気的に結合する負荷８に電力を供給する。制御手段は所定の時間が経過したところで、第２の半導体スイッチ７を非導通状態にする。すると一次巻き線１３に蓄えられたエネルギー及び共振コンデンサ１０に蓄えられたエネルギーを第１の半導体スイッチ６に内蔵された逆導通素子を通して平滑コンデンサ４に回生する。この回生期間に第１の半導体スイッチ６を導通状態にすることで、再び平滑コンデンサ４から負荷８に電力が供給されることになる。この動作を２０〜５０ｋＨｚ程度で繰り返し行うことで、Ｉ１３に示すような電流が一次巻き線に連続的に流れることになる。
【００３７】
また、Ｉ１３には第１の半導体スイッチ６が導通する際に交流電源１を整流した電圧がかかるため、電源周波数の２倍の成分を持った電流が流れる。但し、高周波トランス１２の２次側には低周波成分が大きく減衰した形で電力が供給されるために、二次巻き線１４及び加熱コイル５には高周波電流が伝達することになる。よって図２のＩ５に示すように加熱コイルに高周波電流が流れ、この高周波電流により生じる高周波磁界が負荷８に吸収され、負荷８自身がもつ高周波抵抗と高周波磁界により生じる渦電流により負荷８自身が発熱することになる。このような構成をとることで、加熱コイル５には直流成分（低周波成分）があまり流れず、加熱に必要とされる高周波成分のみが加熱コイル５に供給されており、不要な周波成分が外部に放射されることを防止することができる。ここで、高周波トランス１２の大きな空隙がある場合はそこから、漏れ磁束が発生する可能性があるため高周波トランス１２はトロイダルコアなどでギャップがないものが望ましく、また負荷８の変動を吸収するリーケージインダクタは加熱コイル５と負荷８の間に十分な空隙を設けることで対応させることができる。
【００３８】
なお、本実施例以外のインバータ回路２の構成としてはクランプコンデンサ３及び第２の半導体スイッチ７がない構成など、スイッチング素子が導通時に一次巻き線１３と交流電源１が短絡される構成があり、実施例と同様の効果が期待できる。
【００３９】
以上のように本実施例によれば、加熱コイル５を流れる電流は常にコンデンサを通過することになり、電源の周波数成分を持った電流が加熱コイル５に印可されることが減少するため、加熱コイル５から電源の周波数成分を持った磁界が外部に放射されることを減少させることが可能な誘導加熱装置を実現するものである。
【００４０】
（実施例２）
本発明の誘導加熱装置の第２の実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項３〜７に係わる。
【００４１】
図３は本実施例の高周波トランスの構成を示す図である。本実施例が実施例１の構成と異なるのは高周波トランス１２の磁性体コア１６のコア間に空隙１７を設けている点である。
【００４２】
本実施例における動作を説明する。高周波トランス１２に空隙を設けることで図４に示すように、加熱コイル５を負荷８を配置するプレート２０の近傍まで配置することが可能にある。このことにより、加熱コイル５と負荷８の間の空隙が大きい場合に生じる、加熱効率の低下を減少させることができる。また、負荷８の変動を吸収するためのリーケージインダクタは高周波トランス１２側で作られるため、インバータ回路１１から見た動作は実施例１と同様になる。
【００４３】
ここで、高周波トランス１３に空隙１７を設けることで漏れ磁束が発生することが懸念させる。そこで、図３に示すように空隙の箇所を複数箇所（４カ所）以上に分散させることで、漏れ磁束が複数箇所に分散し、漏れ磁束そのものも小さく抑えることが可能となる。また、空隙の上部に一次巻き線１３及び二次巻き線１４を配置することで、空隙から発生する漏れ磁束を抑えることができる。
【００４４】
更に一次巻き線１３及び二次巻き線１４の外周に磁性体シールド２１を巻くことにより、漏れ磁束を抑えることが可能となる。ここで、磁性体コア１６は高周波損失が少ないフェライトなどが望ましく、また磁性体シールド２１としては珪素鋼板やパーマロイなどがあるが特に限定するものではない。
【００４５】
以上本実施例によれば、高周波トランス１２の磁性体コア１６に空隙を設けることで、負荷変動を吸収するために設けられている加熱コイルと負荷の空隙に自由度を持たせることが可能になり加熱コイルをトッププレート近傍に配置することが可能になり、負荷により多くの磁束を吸収させることが可能になり加熱効率の良い誘導加熱装置を実現できるものである。
【００４６】
（実施例３）
本発明の誘導加熱装置の第３の実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項８に係わる。
【００４７】
図５は本実施例の高周波トランスの構成を示す図である。本実施例が実施例２の構成と異なるのは高周波トランス１２に第三の巻き線１８を設け、加熱コイル５に流れる電流を検出できる様な構成を取っている点である。
【００４８】
本実施例における動作を説明する。負荷８は鉄などの磁性体から非磁性ステンレスあるいはアルミなど様々な材質が置かれる可能性がある。その際、加熱コイル５の電流を検出することにより、負荷８を判別することが可能である。しかし、新たに加熱コイル５の電流検出用のカレントセンサを付けるとコストアップにつながることになる。そこで、磁性体コア１６に第三の巻き線１８を配置することで磁性体コア１６で発生する磁束を検出することで加熱コイル５に流れる電流を低コストで検出することが可能なる。
【００４９】
以上本実施例によれば、前記高周波トランスに電流検知用の巻き線を備えたことにより、加熱コイル５の電流を検出するカレントセンサを改めて配置する必要がなくなり、安価な構成で加熱コイル電流を使った制御をすることができる誘導加熱装置を実現できるものである。
【００５０】
（実施例４）
本発明の誘導加熱装置の第４の実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項９に係わる。
【００５１】
図６は本実施例の回路構成を示す図である。本実施例が実施例１の構成と異なるのは高周波トランス１２から巻き線比の異なる複数個の巻き線を設け、負荷８の種類に応じて切り替え手段２２により巻き線比を切り替える点である。
【００５２】
本実施例における動作を説明する。負荷８には鉄などの磁性体から非磁性ステンレスあるいはアルミなど様々な材質が置かれる可能性がある。その際、負荷８の種類に応じて切り替え手段２２により巻き線比を切り替える。こうすることにより、インバータ回路１１内の半導体スイッチの損失を防止することができる、あるいは発生電圧を抑制することができるなどのメリットを得ることがに可能になる。なお、切り替え手段２２はリレーや半導体スイッチなど特に限定するものではない。
【００５３】
以上本実施例によれば、高周波トランス１２の巻き線比を負荷に応じて切り替え手段２２により切り替えることにより、負荷８に応じて加熱コイル５に印可する電圧を変えることが可能となるため、負荷８に適した加熱を行うことができ、インバータ回路１１の熱的負担及び耐圧負担を抑えた誘導加熱装置を実現できるものである。
【００５４】
（実施例５）
本発明の誘導加熱装置の第５の実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項１０に係わる。
【００５５】
図７は本実施例の回路構成を示す図である。本実施例が実施例１の構成と異なるのは加熱コイル５と二次巻き線１４の直列回路の間に直流カットコンデンサ１５が配置している点である。
【００５６】
本構成における動作を説明する。本実施例の動作は実施例１と同様な動作を行うが、高周波トランス１２を介して加熱コイル５に高周波電流が流れる際に、確実に直流カットコンデンサを通ることからより低周波成分を減衰させることが可能になる。
【００５７】
以上のように本実施例によれば、加熱コイル５に並列に第３のコンデンサ１０を配置することで、半導体スイッチのターンオフ時の損失を大幅に軽減でき、冷却構成を簡易化でき、安価な誘導加熱装置を実現できるものである。
【００５８】
【発明の効果】
以上のように、請求項１〜１０に記載の本発明によれば、加熱コイルを流れる電流の低周波成分を大幅に減少させることができ、加熱コイルから電源の周波数成分を持った磁界が外部に放射されることを減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例の誘導加熱装置の回路構成を示す図
【図２】本発明の第１の実施例の誘導加熱装置の動作波形を示す図
【図３】本発明の第２の実施例の誘導加熱装置の構成を示す図
【図４】本発明の第２の実施例の誘導加熱装置の構成を示す図
【図５】本発明の第３の実施例の誘導加熱装置の構成を示す図
【図６】本発明の第４の実施例の誘導加熱装置の回路構成を示す図
【図７】本発明の第５の実施例の誘導加熱装置の回路構成を示す図
【図８】従来の誘導加熱装置の回路構成を示す図
【図９】従来の誘導加熱装置の動作波形を示す図
【符号の説明】
１ 交流電源
２ ダイオードブリッジ
３ クランプコンデンサ
４ 平滑コンデンサ
５ 加熱コイル
６ 第１の半導体スイッチ
７ 第２の半導体スイッチ
８ 負荷
９ 制御手段
１０ 共振コンデンサ
１１ インバータ回路
１２ 高周波トランス
１３ 一次巻き線
１４ 二次巻き線
１５ 直流カットコンデンサ
１６ 磁性体コア
１７ 空隙
１８ 第三の巻き線
２０ プレート
２１ 磁性体シールド
２２ 切り替え手段
Claims (10)
- 負荷と磁気的に結合する加熱コイルと、前記加熱コイルに電力を供給するインバータ、と前記インバータに電力を供給する電源とを備え、前記インバータに一次側巻き線が接続され前記加熱コイルに二次側巻き線が接続される高周波トランスを備える誘導加熱装置。
- 高周波トランスは、磁性体コアと前記一次側巻き線と前記二次側巻き線を有し、前記磁性体コアは、空隙をなくし密結合させるとともに前記負荷と前記加熱コイル間に空隙を設けた請求項１に記載の誘導加熱装置。
- 高周波トランスは、磁性体コアと前記一次側巻き線と前記二次側巻き線を有し、前記磁性体コアは、空隙を備えた請求項１に記載の誘導加熱装置。
- 負荷を設置するプレートを備え、加熱コイルを前記プレートと略密着させる請求項３に記載の誘導加熱装置。
- 磁性体コアは、空隙を少なくとも４箇所有する請求項３または４に記載の誘導加熱装置。
- 一次側巻き線及び二次側巻き線は、空隙を覆うように配置する請求項３〜５のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
- 高周波トランスの外郭に磁性体を配置する請求項３〜６のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
- 高周波トランスは、電流検知用の巻き線を備えた請求項１〜７のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
- 高周波トランスの巻き線比を負荷に応じて切り替え可能な請求項１〜８のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
- 高周波トランスの２次側コイルと加熱コイル間にコンデンサを接続する請求項１〜９のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
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| JP2003115543A JP2004327054A (ja) | 2003-04-21 | 2003-04-21 | 誘導加熱装置 |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP2003115543A JP2004327054A (ja) | 2003-04-21 | 2003-04-21 | 誘導加熱装置 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010053011A1 (ja) * | 2008-11-07 | 2010-05-14 | 株式会社Inax | 非接触給電装置付き誘導加熱装置及び暖房便座装置 |
| CN102331004A (zh) * | 2011-06-21 | 2012-01-25 | 太仓南极风能源设备有限公司 | 磁疗电磁炉 |
-
2003
- 2003-04-21 JP JP2003115543A patent/JP2004327054A/ja active Pending
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2010053011A1 (ja) * | 2008-11-07 | 2010-05-14 | 株式会社Inax | 非接触給電装置付き誘導加熱装置及び暖房便座装置 |
| JP2010113992A (ja) * | 2008-11-07 | 2010-05-20 | Inax Corp | 非接触給電装置付き誘導加熱装置及び暖房便座装置 |
| CN102331004A (zh) * | 2011-06-21 | 2012-01-25 | 太仓南极风能源设备有限公司 | 磁疗电磁炉 |
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