JP2005251454A - 電磁誘導加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱容器に入れた液状の被加熱物の加熱温度を正確に制御する。
【解決手段】加熱コイル２と、この加熱コイル２に高周波電流を供給する加熱電源８とを備えた誘導加熱器７を１個の加熱容器１に対して複数台設置するとともに、加熱容器１の底板中心部の温度を検出する温度検出器１８を設け、この温度検出器１８からの温度信号により複数台の誘導加熱器７の加熱力を共通に制御する。加熱容器１内の液状の被加熱物１９は加熱されると対流を生じ、この対流は加熱容器１の中心部で合流して、この部分の被加熱物温度は加熱容器１内の各部における被加熱物１９の平均温度を示すので、この平均温度を被加熱物１９の代表温度として検出し、この代表温度に基づいて各加熱電源８の加熱力を共通に制御することにより正確な温度制御が可能になる。
【選択図】 図４

Description

この発明は、加熱コイルの磁界により加熱容器を電磁誘導加熱し、この加熱容器に入れた被加熱物を加熱する電磁誘導加熱装置に関し、特に大型の加熱容器に適した電磁誘導加熱装置に関する。

電磁誘導加熱装置は一般に電磁調理器として知られているが、電磁調理用の加熱容器（鍋やプレート）は電磁調理器の加熱コイルが作る磁界により渦電流が誘起され、この渦電流に基づくジュール損により自己発熱する。加熱容器には磁束が有効に通る比透磁率の高い磁性金属が用いられている。この電磁調理器については、例えば特許文献１に記載されている。

近年、業務用の電磁誘導加熱装置においては加熱容器が大型化し、被加熱物の収容能力も例えば２ｔに及ぶものがあり、このような大型の加熱容器は汎用の小型電磁調理器を複数台使用して加熱している。その場合、従来は各電磁調理器に設けられた温度センサで加熱容器の温度をそれぞれ検出し、それらの温度が一定の目標温度になるように、各々の電磁調理器の温度制御回路により加熱力を個別に制御している。また、加熱容器が移動する場合には、赤外線を感知する方式の非接触温度センサにより、加熱容器の温度を検出している。
特開平７−３０７１９６号公報

大型の加熱容器を複数台の電磁調理器を用いて加熱する場合、従来は上述したように各電磁調理器の温度センサにより、それぞれの加熱場所の温度を個別に検出して加熱力を制御している。ところが、同一の目標温度で各電磁調理器の加熱力を制御しても、個々の電磁調理器の温度検出精度や温度制御特性により、同じ加熱容器でありながら場所によってある程度異なる温度に加熱されてしまうことが避けられない。ところが、例えばスープのような液状の被加熱物は加熱されると対流を生じるため、加熱容器の温度が場所により相違すると異常対流を起こして加熱ムラを発生するという問題があった。また、加熱容器の温度上昇率が場所により異なると、加熱容器自身に機械的な歪が生じる。

一方、赤外線を感知する方式の非接触温度センサは、光の反射率により検出温度が大幅に変わるため、加熱容器の表面に汚れがあると温度制御に誤差が生じるという問題があった。

この発明の課題は、液状の被加熱物を入れた加熱容器を複数台の加熱源で電磁誘導加熱する場合において、加熱温度の温度ムラを軽減して被加熱物を所望温度に正確に加熱できるようにし、また移動する加熱容器についても正確な加熱制御ができるようにすることにある。

加熱容器内の液状の被加熱物は加熱容器底部で加熱されると上昇し、液面付近で反転して下降するという対流を生じる。この対流は複数台の加熱源で加熱される加熱容器においては加熱源ごとに起こるが、これらの対流はやがて合流し互いに混合する。そのため、対流が合流する部分の被加熱物温度は、加熱容器内の各部における被加熱物の温度の平均温度を示すようになる。そこで、この発明は、加熱容器を複数台の加熱源で分散的に加熱する場合において、被加熱物の平均温度が捉えられる加熱容器内の特定場所の温度を被加熱物の代表温度として検出し、この代表温度に基づいて各加熱源の加熱力を共通に制御するものである。

このように、加熱容器の特定場所の温度を被加熱物の代表温度として捉え、この代表温度に基づいて各加熱源の温度制御を行うことにより、各加熱源の温度制御特性の相違が薄められ、加熱容器の場所による温度差が抑えられる。すなわち、この発明は、加熱コイルの磁界により加熱容器を電磁誘導加熱し、この加熱容器に入れた液状の被加熱物を加熱する電磁誘導加熱装置において、前記加熱コイルと、この加熱コイルに高周波電流を供給する加熱電源と、この加熱電源の出力を制御する制御回路とを備えた誘導加熱器を１個の前記加熱容器に対して複数台設置するとともに、前記加熱容器の特定場所の温度を検出する温度検出器を設け、この温度検出器からの温度信号により前記複数台の誘導加熱器の加熱力を共通に制御するようにするものである（請求項１）。

請求項１の発明は一般には、円筒状の前記加熱容器の下面に沿わせて複数台の前記加熱コイルを環状に配置するとともに、前記温度検出器により前記加熱容器の底板中心部を前記特定場所として、この底板中心部の温度を検出するようにするのがよい（請求項２）。

請求項１又は請求項２の発明において、前記温度検出器は、整磁合金板と非磁性金属板とを重ね合せた温調プレートと、前記整磁合金板と電磁結合させた温調コイルと、この温調コイルに高周波電流を供給する温調電源と、前記温調コイルの電流を検出し、前記整磁合金板の比透磁率が温度変化することによる前記温調コイルの電流の変化を温度信号として出力する検出部とにより構成し、前記温調プレートを前記非磁性金属板を内側にして前記加熱容器の特定場所に取り付けるようにするとよい（請求項３）。

一般に整磁合金の比透磁率（μ）が温度によって変化すると、この整磁合金と電磁結合する温調コイルのインダクタンス（Ｌ）は次の関係式から変わる。Ｌ＝ｋ（μ・Ａ／ｌ）
・Ｎ² ここで、ｋ：長岡係数その他の係数、μ：被加熱体の比透磁率、Ａ：被加熱体の磁路面積、ｌ：被加熱体の磁路長さ、Ｎ：温調コイルの巻き数である。次に、温調コイルのインピーダンス（Ｚ）は、Ｚ＝√（ｒ²＋ω²Ｌ²）となり（ここで、ｒ：被加熱体の電気抵抗、ω：角速度（２πｆ）とする。）、整磁合金の比透磁率（μ）により変化する。

従って、整磁合金を利用した温調プレートを加熱容器に取り付け、加熱容器の誘導加熱により温調プレートを温度上昇させて整磁合金の比透磁率（μ）を変化させると、整磁合金に電磁結合した温調コイルのインピーダンス（Ｚ）が変化し、温調コイルの電流が変化する。そこで、この温調コイルの電流の変化を温度信号として出力させることにより、整磁合金の温度変化、つまり加熱容器の温度変化を検出することができる。また、温調コイルを加熱容器に固定した温調プレートの整磁合金板と空間を介して電磁結合させることにより、移動する加熱容器の温度をその表面の汚れなどの影響を受けることなく検出することができる。

整磁合金の比透磁率（μ）の温度に対する変化特性は、例えば鉄（Ｆｅ），ニッケル（Ｎｉ），クロム（Ｃｒ），コバルト（Ｃｏ）の配合割合や熱処理温度により変えることができ、特定の温度の前後で比透磁率（μ）が急激に変化する特性や、温度変化に対して比透磁率（μ）がほぼ直線的に滑らかに変化する特性を持たせることができる。なお、整磁合金の加熱板を用いた電磁調理器用加熱容器については、特開２００１−３７６３３号公報及び特開２００１−１５５８４６号公報に記載されている。

請求項３の発明において、前記温度検出器の温調コイル及び温調電源として、前記誘導加熱器の加熱コイル及び加熱電源を利用することができる（請求項４）。温度検出器を構成する温調コイル及び温調電源は、加熱容器を加熱する誘導加熱器と別仕様のものを専用に設置することができるが、加熱容器を加熱する誘導加熱器に用いられているものと同じものを温度検出用として利用することも可能である。その場合、温調コイルには加熱作用を持たせ、温調プレートの整磁合金板を誘導加熱して加熱容器を補助的に加熱するようにすることもできる。

請求項３の発明において、前記温調コイルの電流変化に代えて、前記温調電源の出力電力（温調コイルの入力電力）の変化を温度信号として出力するようにすることもできる（請求項５）。

この発明によれば、加熱容器の特定場所の温度から液状の被加熱物の代表温度を検出し、この代表温度に基づいて複数台の誘導加熱器を共通に温度制御することにより、各誘導加熱器が個別に動作することによる加熱容器の場所による温度の相違を最小限に抑え、被加熱物の対流を整えて加熱品質を高めることができる。また、整磁合金の比透磁率（μ）の温度変化に伴う温調コイルの電流の変化を温度信号として用いることにより、移動する加熱容器の温度を表面の汚れなどに影響されることなく正確に把握することができる。

以下、図１〜図７に基づいて、この発明の実施の形態を説明する。まず、図１は加熱容器の下面に対する加熱コイルの配置図、図２は図１の加熱容器の要部縦断面図である。図１及び図２において、鉄あるいはステンレスからなる加熱容器１は底付円筒状の釜として構成されている。この加熱容器１の下面に隙間を介して平行に沿うように、複数個の加熱コイル２が環状に配置され、加熱容器１は加熱コイル２により底部外周部がほぼ均等に加熱されるようになっている。加熱コイル２は平板な渦巻形コイルからなり、加熱容器１の中心から放射状をなすようにやや長円状に形成され、それぞれ図示しない加熱電源から高周波電流を供給される。加熱容器１は図示しないコンベヤに支持されて複数のステーションを巡回する移動式で、前工程から移動して図示加熱ステーション上にセットされた加熱容器１は、加熱工程終了後、次工程へと移動する。

一方、図２に示すように、加熱容器１の底板中心部には正方形の温調プレート３が取り付けられている。図３は温調プレート３を拡大して示すもので、図３の（Ａ）は平面図、（Ｂ）は縦断面図である。図３において、温調プレート３は整磁合金板４とアルミニウムなどからなる非磁性金属板５とが重ね合わされて構成され、整磁合金板４と非磁性金属板５とは例えば圧接により接合されている。この温調プレート３は、図２に示すように、加熱容器１の底板中心部に形成された凹陥部に、非磁性金属板５が内側になるように、例えばねじ止めにより密接に貼り付けられている。そして、整磁合金板４と電磁結合するように、平板な渦巻形コイルからなる温調コイル６が、整磁合金板４と平行に隙間を介して配置されている。

図４は、図１の加熱容器１を加熱する電磁誘導加熱装置のシステム構成図である。図４において、複数個の加熱コイル２には、各々の誘導加熱器７から高周波電流が供給される。誘導加熱器７はトランジスタ（ＩＧＢＴ）を使用した高周波インバータからなる加熱電源８を備え、加熱電源８は制御回路９により位相制御を受けて加熱力が調整される。

一方、温調コイル６には、定電圧高周波電源からなる温調電源１０から高周波電流が供給される。温調コイル６を流れる電流は変流器からなる検出部１１で検出され、この電流の変化は温度信号として出力される。ここで、検出部１１からの電流信号はダイオード１２を通して抵抗１３により電圧信号に変換され、この電圧信号（温度信号）は比較器１４で温度設定器１５に設定された目標温度と比較される。そして、これら温度信号と目標温度との偏差に応じた温度制御信号がＰＩＤ制御信号変換器１６で生成され、この温度制御信号は制御信号分配器１７を介して各誘導加熱器７に出力される。上記した温調プレート３、温調コイル６、温調電源１０及び検出部１１は、電磁誘導加熱装置の温度検出器１８を構成する。

図６は、加熱コイル２により加熱容器１を加熱したときの液状の被加熱物（例えばスープ）１９の対流を示す図である。図６において、加熱コイル２に通電すると、各加熱コイル２に対応する加熱容器１の底板が渦電流により発熱し、この底板からの熱伝達により加熱容器底部の被加熱物１９が加熱される。この被加熱物１９は、矢印で示すように上昇し、液面付近で反転して加熱容器１の中心部を下降するという対流を生じる。この対流は複数個の加熱コイル２ごとに生じるが、これら複数の対流は加熱容器１の中心部で合流して互いに混合する。その結果、加熱容器１内の底部中心で被加熱物１９の温度は、加熱容器１内の各部における被加熱物１９の温度の平均温度となり、加熱容器１の底板の温度もほぼこの平均温度になる。この平均温度は、温調プレート３の非磁性金属板５を介して整磁合金板４（図２）に伝えられる。

図７は、整磁合金板４の温度変化に伴う比透磁率（μ）の変化及び温調電源１０の出力電流（温調コイル６の電流）及び出力電力の変化を示すものである。温調プレート３の温度、つまり整磁合金板４の温度が上昇すると、その比透磁率（μ）が低下し、温調コイル６のインダクタンス（Ｌ）、従ってインピーダンス（Ｚ）が減少して、温調コイル６の電流が増加する。図示の場合は、被加熱物１９の目標温度で比透磁率（μ）が急変するように整磁合金板４の特性が設定されている。なお、温調電源１０にＩＧＢＴを使用している場合、出力電流が増加すると電圧が絞られ、出力電力は図示の通り低下する。

上述したところから、図４において、誘導加熱器７は加熱コイル２の磁界により加熱容器１を電磁誘導加熱し、この加熱容器１に入れた液状の被加熱物１９を加熱する。加熱された被加熱物１９は図６に示すように対流を生じ、加熱容器１内の中心部で混合されて温度が平均化される。温調プレート３は加熱容器１の底板中心部で被加熱物１９の平均温度を捉え、整磁合金板４の温度を変化させる。

そこで、温度検出器１８は検出部１１により、整磁合金板４の比透磁率（μ）が図７に示すように温度変化することによる温調コイル６の電流の変化を検出し、温度信号として出力する。比較器１４はこの温度信号を温度設定器１３に設定された目標温度と比較し、その偏差に応じた温度制御信号（ＰＩＤ制御信号）を各誘導加熱器７における制御回路９の温調端子に出力する。これにより、複数台の誘導加熱器７は共通の検出温度（被加熱物１９の平均温度）と目標温度とに基づき、各加熱コイル２の加熱力を制御する。

図示電磁誘導加熱装置によれば、加熱容器１の特定場所（底板中心部）の温度を被加熱物１９の代表温度（平均温度）として捉え、この温度信号により複数台の誘導加熱器７を同時に動作させることにより、加熱容器１の全体の加熱動作を共通の代表温度で制御することができ、加熱容器１の場所による温度の相違が抑えられる。また、温調コイル６は加熱容器１側に取り付けられた整磁合金板４の温度変化を非接触で検出できるため、加熱容器表面の汚れなどの影響を受けることなく、移動する加熱容器１の温度を正確に把握することができる。なお、温調電源１０のスイッチング素子としてＩＧＢＴを用いる場合には、図７に示す温調電源１０の出力電力の変化を温度信号として加熱コイル２の加熱力を制御することも可能である。

図４の実施の形態は、加熱電源８の加熱力の調整をインバータの位相制御により行う例であるが、図５にインバータのオンオフ制御により加熱力を調整する実施の形態を示す。図５において、検出部１１から出力された温度信号が温度設定器１５に設定された目標温度を上回ると、比較器１４からの出力によりトランジスタ２０がオンする。これにより、リレー２１が励磁され、その常開接点ｘ1がオンしてリレー２２が励磁される。その結果、リレー２２の常閉接点ｘ２がオフし、このオフ信号は制御回路９の加熱オンオフ端子に加えられ、加熱電源８からの給電が停止される。検出部１１からの温度信号が目標温度を下回ると、上記と逆の制御で加熱電源８から給電される。

図示実施の形態において、温調電源１０からは温度信号の出力に必要十分な電流を温調コイル２に供給する例を示したが、温調コイル２に加熱能力を持たせ、温調コイル２の磁界で温調プレート３を誘導加熱することにより、加熱容器１の底板中心部を補助的に加熱するようにすることも可能である。また、その場合には、誘導加熱器７を増設し、その加熱コイル２を温調コイル６として利用し、加熱電源８を温調電源１０として利用することができる。一方、加熱容器１の特定場所の温度を検出する温度センサとしては、整磁合金と温調コイルを用いたものに限られることはなく、例えばサーミスタからなる一般の温度センサを用いることもできる。

この発明の実施の形態の電磁誘導加熱装置における加熱コイルの配置を示す加熱容器の下面図である。 図１における加熱容器の要部縦断面図である。 図２における温調プレートの拡大図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は縦断面図である。 図１の電磁誘導加熱装置のシステム構成図である。 この発明の異なる実施の形態を示す電磁誘導加熱装置のシステム構成図である。 図１の加熱容器の内部における被加熱物の対流を説明する縦断面図である。 図４における整磁合金板の比透磁率、温調コイルの電流及び温調電源の出力電力の温度変化を示す線図である。

符号の説明

１ 加熱容器
２ 加熱コイル
３ 温調プレート
４ 整磁合金板
５ 非磁性金属板
６ 温調コイル
７ 誘導加熱器
８ 加熱電源
１０ 温調電源
１１ 検出部
１８ 温度検出器
１９ 被加熱物

Claims (5)

1. 加熱コイルの磁界により加熱容器を電磁誘導加熱し、この加熱容器に入れた液状の被加熱物を加熱する電磁誘導加熱装置において、
   前記加熱コイルと、この加熱コイルに高周波電流を供給する加熱電源と、この加熱電源の出力を制御する制御回路とを備えた誘導加熱器を１個の前記加熱容器に対して複数台設置するとともに、前記加熱容器の特定場所の温度を検出する温度検出器を設け、この温度検出器からの温度信号により前記複数台の誘導加熱器の加熱力を共通に制御するようにしたことを特徴とする電磁誘導加熱装置。
2. 円筒状の前記加熱容器の下面に沿わせて複数台の前記加熱コイルを環状に配置するとともに、前記温度検出器により前記加熱容器の底板中心部の温度を検出するようにしたことを特徴とする請求項１記載の電磁誘導加熱装置。
3. 整磁合金板と非磁性金属板とを重ね合わせた温調プレートと、前記整磁合金板と電磁結合させた温調コイルと、この温調コイルに高周波電流を供給する温調電源と、前記温調コイルの電流を検出し、前記整磁合金板の比透磁率が温度変化することによる前記温調コイルの電流の変化を温度信号として出力する検出部とにより前記温度検出器を構成し、前記温調プレートを前記非磁性金属板を内側にして前記加熱容器の特定場所に取り付けたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の電磁誘導加熱装置。
4. 前記温度検出器の温調コイル及び温調電源として、前記誘導加熱器の加熱コイル及び加熱電源を利用したことを特徴とする請求項３記載の電磁誘導加熱装置。
5. 前記温調コイルの電流の変化に代えて、前記温調電源の出力電力の変化を温度信号として出力するようにしたことを特徴とする請求項３記載の電磁誘導加熱装置。
   
   

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