JP2006040833A - 誘導加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】新たに負荷温度検出手段を設けることなく確実に空焚きを検出し、コストアップを回避できることを目的とする。
【解決手段】交流電源からの入力電流を整流する整流回路と、整流回路の出力側に接続され入力電流を高周波電流に変換するインバータ回路３と、インバータ回路の出力側に接続され、高周波電流が供給されて負荷５を誘導加熱する加熱コイル４と、整流回路への入力電流又は前記整流回路からの入力電流を検出する入力電流検出手段６と、設定入力電力信号を生成する設定電力生成手段７と、設定電力生成手段が生成した設定入力電力信号と前記入力電流検出手段が検出した入力電流とに基づいてインバータ回路へ駆動信号を出力すると共に、入力電流検出手段が検出した入力電流の時間変化分が予め設定された値を超えた時にインバータ回路の出力を停止又は下降させる制御手段８とを備えてなる。
【選択図】 図１

Description

この発明は、誘導加熱調理器、誘導加熱給湯器等の誘導加熱装置の負荷温度検出に関するものである。

従来の誘導加熱装置の温度検出装置は、入力電流の変化から負荷温度を検出する際、入力電流検出手段の出力の所定電圧を差し引いた電圧を入力電流の変化部分として抽出する入力電流変化部分抽出手段を設け、入力電流変化部分抽出手段の出力を利用して負荷温度の検出を行っている（例えば、特許文献１参照。）。

特許第３０１４１８１号（第４頁、第３図）

従来の誘導加熱装置の温度検出装置では、入力電流の変化から負荷温度を検出するために、入力電流検出手段の出力の所定電圧を差し引いた電圧を入力電流の変化部分として抽出するという入力電流変化部分抽出手段が必要となるので、特別な回路構成の入力電流変化部分抽出手段を用意しなければならず、コストアップにつながるという問題があった。
また、入力電流変化部分抽出手段の出力を利用して負荷温度の検出を行っているが、空焚きの検出を目的とするものではないため、確実に空焚き検出することができるとはいえないという問題もあった。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、新たに負荷温度検出手段を設けることなく確実に空焚きを検出し、コストアップを回避できる誘導加熱装置を得ることを目的とするものである。

この発明に係る誘導加熱装置は、交流電源からの入力電流を整流する整流回路と、前記整流回路の出力側に接続され入力電流を高周波電流に変換するインバータ回路と、前記インバータ回路の出力側に接続され、高周波電流が供給されて負荷を誘導加熱する加熱コイルと、前記整流回路への入力電流又は前記整流回路からの入力電流を検出する入力電流検出手段と、設定入力電力信号を生成する設定電力生成手段と、前記設定電力生成手段が生成した設定入力電力信号と前記入力電流検出手段が検出した入力電流とに基づいて前記インバータ回路へ駆動信号を出力すると共に、前記入力電流検出手段が検出した入力電流の時間変化分が予め設定された値を超えた時に前記インバータ回路の出力を停止又は下降させる制御手段とを備えて構成したものである。

この発明の誘導加熱装置は、制御手段が設定電力生成手段が生成した設定入力電力信号と入力電流検出手段が検出した入力電流とに基づいてインバータ回路へ駆動信号を出力すると共に、入力電流検出手段が検出した入力電流の時間変化分が予め設定された値を超えた時にインバータ回路の出力を停止又は下降させるようにしたので、空焚き等による負荷の温度過昇状態を特異点検出という形で温度検出することとなり、誤検出無く確実に空焚きを防止できるという効果がある。
また、負荷温度検出を行うための入力電流検出手段は既存の入力電流を検出するものを用いているので、新たな負荷温度検出回路を設ける必要がなく、コストアップを回避できるという効果もある。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る誘導加熱装置の構成を示すブロック図、図２は同誘導加熱装置の動作を示すフローチャート、図３は同誘導加熱装置の負荷に管状ＳＵＳ４４０を用いて空焚き加熱を行った際の負荷温度と入力電流の実測データを示すグラフである。
図１において、交流電源１からの入力電流を整流回路２が整流し、整流回路２の出力側には平滑用コンデンサ１１とインバータ回路３が接続される。
インバータ回路３は一対のスイッチング素子３ａ、３ｂと、これらスイッチング素子３ａ、３ｂにそれぞれ駆動信号を出力するドライバ３ｃとで構成されている。インバータ回路３の出力側には加熱コイル４と共振コンデンサ１２から成る共振回路が接続され、加熱コイル４の近くに負荷５が配されている。

また、交流電源１からの入力電流値を検出するための入力電流検出手段６が交流電源１と整流回路２の間に設けられ、入力電流検出手段６の検出信号は制御手段８内に設けられた温度判定処理回路８ａと駆動信号制御回路８ｂとに入力される。また、温度判定処理回路８ａによる出力信号は同じく制御手段８内に設けられた駆動信号制御回路８ｂに入力され、駆動信号制御回路８ｂの出力信号がドライバ３ｃに入力される。
更に、誘導加熱装置使用者が設定する電力（火力）の情報は設定電力生成手段７から駆動信号制御回路８ｂに送られる。

次に、この発明の実施の形態１における誘導加熱装置の動作について図１と図２を用いて説明する。
インバータ回路３から出力される高周波電流は加熱コイル４と共振コンデンサ１２から成る共振回路により共振電流となって加熱コイル４を流れ、加熱コイル４の近くに配された金属で形成される負荷５を誘導加熱により加熱する。

この時の加熱出力は以下のようにして制御される。
まず、電源がオンとなると、制御手段８の駆動信号制御回路８ｂは起動信号をドライバ３ｃに出力する（ステップＳ１）。こうすることでインバータ回路３は動作を開始し、入力電流が流れ始める。そして、入力電流検出手段６は入力電流を検出し（ステップＳ２）、その入力電流は制御回路８の温度判定処理回路８ａと駆動信号制御回路８ｂに出力される。
次に、誘導加熱装置使用者による設定電力情報ＰＩに対し設定電力生成手段７は指令電圧ＩＡを生成し（ステップＳ３）、制御手段８の駆動信号制御回路８ｂとに出力する（ステップＳ４）。
駆動信号制御回路８ｂでは、入力電流検出手段６が検出した入力電流に基づき、その入力電流から変換した直流の検出電圧ＤＡが設定電力生成手段７の指令電圧ＩＡと一致しているかどうかを判断する（ステップＳ５）。

前記検出電圧ＤＡが前記指令電圧ＩＡと一致している場合には、駆動信号制御回路８ｂはインバータ回路３への出力を持続する。
また、前記検出電圧ＤＡが前記指令電圧ＩＡと一致していない場合には入力電流検出手段６による入力電流に基づく検出電圧ＤＡが設定電力生成手段７の指令電圧ＩＡと一致するようにインバータ回路３への出力を変化させることにより、所望の加熱出力を得るようにしている。

ここで、所望の加熱出力で負荷５が加熱されると負荷温度は上昇し、負荷温度上昇に伴い入力電流は若干減少する。これは金属で形成される負荷５の抵抗率が温度特性を持ち、温度上昇と共に抵抗率が増加することで負荷インピーダンスが増大することに起因する。
正常状態での加熱動作においては、負荷温度変化に対する入力電流変化は小さく（温度上昇１００ｄｅｇで入力電流１０％程度減少、特許文献１の第２頁参照）、従って、入力電流値から負荷温度を精度良く検出することは極めて困難である。

ところが、負荷５に対して空焚き状態で加熱動作が行われると、負荷温度は急上昇し、負荷材質が磁性体の場合、負荷材質で決定するキュリー温度（キュリー点）に負荷温度が達すると残留磁束密度はゼロとなり、磁性を完全に失うことから材料特性が大きく変化する。キュリー温度の一例を挙げると、アルニコ磁石で８５０℃、Ｂａ-フェライト磁石で４６０℃、サマリウム・コバルト磁石で８２０℃、ネオジウム磁石で３６０℃程度である。
このとき、負荷５の負荷インピーダンスは急峻に減少し、従って入力電流は急峻に増大
することになる。

図３に示すグラフは負荷５に管状ＳＵＳ４４０（磁性体のマルテンサイト系ステンレス）を用いて空焚き加熱を行った際の、負荷温度と入力電流の実測データである。
図３に示すように、インバータ回路３の動作開始により負荷温度は上昇し、負荷インピーダンスの増大に伴って入力電流は減少する（図３の経過時間約40secまで）。更に、負荷温度が上昇するとキュリー温度に達し、負荷５の材料特性が大きく変化することから負荷インピーダンスは急峻に減少し、従って入力電流は急峻に増大する（図３の経過時間約45sec以降）。

上述したように、入力電流検出手段６が検出した交流の入力電流は制御手段８の温度判定処理回路８ａに出力されている。温度判定処理回路８ａでは、入力電流検出手段６が検出した入力電流の時間変化分ΔIinが、予め温度判定処理回路８ａで設定された値Ｙ以上であるかどうかを判断する（ステップＳ６）。
その入力電流の時間変化分ΔIinが、予め温度判定処理回路８ａで設定された値Ｙを超えた時点をキュリー温度到達点とみなし、温度判定処理回路８ａは駆動信号制御回路８ｂの出力を変化させ（ステップＳ７）、インバータ回路３を出力停止又は下降させるものとする。

図３で言えば、例えば経過時間47sec〜49sec間（負荷温度約２２０℃）における入力電流の時間変化分ΔIinは、
ΔIin＝12.33-10.54/49.0-47.0＝0.895[A／sec]
であり、経過時間47sec以前と比較してΔIin値が急速に大きくなることから、入力電流検出手段６が検出する入力電流の時間変化分ΔIinも同様に急速に大きくなり、この時点をキュリー温度到達点とみなしてインバータ回路３を出力停止又は下降させる。

一旦、インバータ回路３の出力停止又は下降が行われた後、インバータ回路３の出力を復帰しても再びキュリー温度を超える危険性があるため、再復帰（電源オフで再び電源オン）させない限り、インバータ回路３の出力を復帰させないことが望ましい。

ここで、入力電流検出手段６の出力側は、駆動信号制御回路８ｂにも接続されていることから、負荷温度変化に基づく入力電流検出手段６の出力変化に応じて駆動信号制御回路８ｂの出力も変化しようとするが、前述のとおり負荷温度変化に対する入力電流変化は小さいため、入力電流検出手段６の出力（瞬時値）で、駆動信号制御回路８ｂの出力を変化させ、インバータ回路３の停止等の電力制御をすることは困難であることを付記しておく。

なお、図１での電気回路はスイッチング素子３ａ、３ｂのハーフブリッジ構成としたが、回路構成はこの限りではなく、フルブリッジ構成にしても同様の作用を有することは言うまでもない。

以上のように、入力電流検出手段６が検出した入力電流の時間変化分が予め温度判定処理回路８ａで設定された値を超えた時に、温度判定処理回路８ａは駆動信号制御回路８ｂの出力を変化させ、インバータ回路３の出力を停止又は下降させるようにしているので、空焚き等による負荷５の温度過昇状態をキュリー温度到達による特異点検出という形で温度検出できることとなり、誤検出無く確実に空焚きを防止でき、誘導加熱装置使用者の安全を図ることができるという効果がある。
また、誘導加熱装置に、既存の入力電流検出手段６を用いて入力電流値の時間変化分から負荷５の温度検出を行うため、新たに特別の検出回路を設ける必要がなく、コストアップを回避できるという効果もある。

実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２に係る誘導加熱装置の構成を示すブロック図、図２は同誘導加熱装置の動作を示すフローチャートである。
上記実施の形態１では、入力電流検出手段６が検出した入力電流値の時間変化を利用して負荷５の温度検出を行うようにしたものであるが、この実施の形態２は、実施の形態１に加え、インバータ回路３のスイッチング素子の温度を検出するようにしたものである。

図４において、インバータ回路３を構成するスイッチング素子３ａの放熱フィンにサーミスタ等の素子温度検出素子９ａが取り付けられ、素子温度検出素子９ａを有する素子温度検出手段９によりスイッチング素子３ａの温度を監視するようにしたものである。その他の構成は実施の形態１と同様であり、説明を省略する。なお、この実施の形態２では、素子温度検出素子９ａがスイッチング素子３ａに取り付けられているが、素子温度検出素子９ａをスイッチング素子３ｂに取り付けるようにしてもよい。

次に、この発明の実施の形態２に係る誘導加熱装置の動作について図５と図６を用いて説明する。
電源がオンされると素子温度検出手段９の動作が開始し、スイッチング素子３ａの温度を素子温度検出素子９ａが検出する（ステップＳ８）。素子温度検出素子９ａの温度検出信号は素子温度検出手段９でデジタル信号に変換されて制御手段８の温度判定処理回路８ａに出力される（ステップＳ４）。

温度判定処理回路８ａには予め素子温度の上限値が設定されており、温度判定処理回路８ａでは素子温度検出手段９が検出した素子温度が予め設定された素子温度の上限値以上かどうかを判断する（ステップＳ８）。
そして、素子温度検出手段９が検出した素子温度が予め設定された素子温度の上限値に達した場合、温度判定処理回路８ａは駆動信号制御回路８ｂの出力を変化させ（ステップＳ７）、インバータ回路３を出力停止又は下降させるものである。

この実施の形態２においても、インバータ回路３の出力停止又は下降が行われた後、インバータ回路出力を復帰しても再びスイッチング素子温度が上限値を超える危険性があるため、再復帰（電源オフで再び電源オン）させない限りインバータ回路３出力を復帰させないことが望ましい。
なお、図５のステップＳ１〜Ｓ６の動作については実施の形態１と同様であり、説明を省略する。

以上のように、この実施の形態２によれば、インバータ回路３のスイッチング素子３ａの素子温度を素子温度検出手段９で検出し、温度判定処理回路８ａでは検出した素子温度が予め設定された上限値に達したときに駆動信号制御回路８ｂの出力を変化させ、インバータ回路３を出力停止又は下降させるようにしているので、実施の形態１の効果に加え、インバータ回路３のスイッチング素子３ａの素子温度の過熱の防止の観点からもインバータ回路３の安全を図ることができる。

実施の形態３．
図６はこの発明の実施の形態３に係る誘導加熱装置の構成を示すブロック図、図７は同誘導加熱装置の動作を示すフローチャートである。
上記実施の形態２は、インバータ回路３のスイッチング素子３ａ（又は３ｂ）が予め設定された上限値の温度を超えないよう制御して誘導加熱装置の安全を図ったものであるが、この実施の形態３は実施の形態１に加え、負荷５が予め設定された上限値の温度を超えないよう制御して誘導加熱装置の安全を図ったものである。
この実施の形態３では、図６に示すように金属で形成される負荷５にサーミスタ等の負荷温度検出素子１０ａが取り付けられ、負荷温度検出素子１０ａを有する負荷温度検出手段１０により負荷５の温度を監視するようにしたものである。その他の構成は実施の形態１と同様であり、説明を省略する。

次に、この発明の実施の形態３に係る誘導加熱装置の動作について図６と図７を用いて説明する。
電源がオンされると負荷温度検出手段１０の動作が開始し、金属で形成される負荷５の温度を負荷温度検出素子１０ａが検出する（ステップＳ１０）。負荷温度検出素子１０ａの温度検出信号は負荷温度検出手段１０でデジタル信号に変換されて制御手段８の温度判定処理回路８ａに出力される（ステップＳ４）。

温度判定処理回路８ａには予め負荷温度の上限値が設定されており、温度判定処理回路８ａでは負荷温度検出手段１０が検出した負荷温度が予め設定された負荷温度の上限値以上かどうかを判断する（ステップＳ１１）。
そして、負荷温度検出手段１０が検出した負荷温度が予め設定された負荷温度に達した場合、温度判定処理回路８ａは駆動信号制御回路８ｂの出力を変化させ（ステップＳ７）、インバータ回路３を出力停止又は下降させるものである。

この実施の形態３においても、インバータ回路３の出力停止又は下降が行われた後、インバータ回路出力を復帰しても再び負荷温度が上限値を超える危険性がある為、再復帰（電源オフで再び電源オン）させない限りインバータ回路３出力を復帰させないことが望ましい。図７のステップＳ１〜Ｓ６の動作については実施の形態１と同様であり、説明を省略する。

以上のように、この実施の形態３によれば、負荷５の負荷温度を負荷温度検出手段１０で検出し、温度判定処理回路８ａでは検出した負荷温度が予め設定された上限値に達したときに駆動信号制御回路８ｂの出力を変化させ、インバータ回路３を出力停止又は下降させるようにしているので、実施の形態１の効果に加え、非磁性材質の負荷５であっても負荷温度を検出することができ、負荷５の空焚きを防止できることから誘導加熱装置使用者の安全を更に図ることができるという効果がある。

なお、実施の形態１に加え、実施の形態２における素子温度検出手段９と実施の形態３における負荷温度検出手段１０とを併用しても同様の効果を得られることはいうまでもない。

実施の形態４．
図８はこの発明の実施の形態４に係る誘導加熱装置の加熱コイル４と負荷５の部分を示す断面図である。
この実施の形態４は、誘導加熱装置として誘導加熱給湯器を模したものである。
上記実施の形態３では、負荷温度検出手段１０の取付位置や構造を任意としたが、この実施の形態４では、負荷温度検出手段１０の取付位置や構造を限定し、加熱コイル４に流す高周波電流が生成する交番磁束による誤検出を防止するようにしたものである。
この実施の形態４は、図８に示すように、負荷温度検出手段１０を負荷５の端部近傍で加熱コイル４の端部内側に取り付けて負荷温度を監視するようにしたものである。なお、誘導加熱装置の構成は実施の形態３と同様であり、説明を省略する。

次に、負荷温度検出手段１０の取り付け位置について図８を用いて説明する。
加熱コイル４の周囲には加熱コイル４に流す高周波電流により交番磁束が発生し、負荷５を通過することにより負荷５を誘導加熱させている。
ここで、加熱コイル４の端部は加熱コイル４の中心部付近と比較し交番磁束発生量が少なく（磁束密度が小さく）、故に加熱コイル４の端部付近に負荷温度検出手段１０を取り付けると、負荷温度検出手段１０自身の誘導加熱による誤検出を防止しやすくなる。

但し負荷５の加熱度合いは加熱コイル４の端部よりも中心部の方が大きく、加熱コイル４の端部への取り付けは負荷温度最大値を得られにくくなることから、加熱コイル４の端部に対し数ｍｍだけ内側で負荷５の端部近傍へ負荷温度検出手段１０を取り付けることが望ましい。
なお、負荷温度検出手段１０自身の誘導加熱による誤検出を防止するために負荷温度検出手段１０をシールド材で覆い、防磁構造としても良い。

以上のように、この実施の形態４によれば、負荷温度検出手段１０は負荷５の端部近傍で加熱コイル４の端部内側に取り付けられているので、負荷温度検出手段１０自身の誘導加熱による誤検出を防止し、負荷温度最大値が得られるため、負荷温度検出手段１０は負荷温度を検出精度良く検出することができる。
また、その負荷温度検出手段１０をシールド材で覆い、防磁構造とすることにより、負荷温度検出手段１０自身の誘導加熱による誤検出をより一層防止することができる。

上記実施の形態４では、誘導加熱装置として誘導加熱給湯器を挙げているが、誘導加熱調理器にも適用でき、上記実施の形態１〜３の誘導加熱装置も、誘導加熱給湯器や誘導加熱調理器に適用できることはいうまでもない。

この発明の実施の形態１に係る誘導加熱装置の構成を示すブロック図。 同誘導加熱装置の動作を示すフローチャート。 同誘導加熱装置の負荷に管状ＳＵＳ４４０を用いて空焚き加熱を行った際の負荷温度と入力電流の実測データを示すグラフ。 この発明の実施の形態２に係る誘導加熱装置の構成を示すブロック図。 同誘導加熱装置の動作を示すフローチャート。 この発明の実施の形態３に係る誘導加熱装置の構成を示すブロック図。 同誘導加熱装置の動作を示すフローチャート。 この発明の実施の形態４に係る誘導加熱装置の加熱コイル４と負荷５の部分を示す断面図。

符号の説明

１ 交流電源、２ 整流回路、３ インバータ回路、３ａ,３ｂ スイッチング素子、３ｃ ドライバ、４ 加熱コイル、５ 負荷、６ 入力電流検出手段、７ 設定電力生成手段、８ 制御手段、８ａ 温度判定処理回路、８ｂ 駆動信号制御回路、１１ 平滑コンデンサ、１２ 共振コンデンサ。

Claims (6)

1. 交流電源からの入力電流を整流する整流回路と、
   前記整流回路の出力側に接続され入力電流を高周波電流に変換するインバータ回路と、
   前記インバータ回路の出力側に接続され、高周波電流が供給されて負荷を誘導加熱する加熱コイルと、
   前記整流回路への入力電流又は前記整流回路からの入力電流を検出する入力電流検出手段と、
   設定入力電力信号を生成する設定電力生成手段と、
   前記設定電力生成手段が生成した設定入力電力信号と前記入力電流検出手段が検出した入力電流とに基づいて前記インバータ回路へ駆動信号を出力すると共に、前記入力電流検出手段が検出した入力電流の時間変化分が予め設定された値を超えた時に前記インバータ回路の出力を停止又は下降させる制御手段と
   を備えたことを特徴とする誘導加熱装置。
2. 前記制御手段は、前記設定電力生成手段が生成した設定入力電力信号から変換した指令電圧と前記入力電流検出手段が検出した入力電流から変換した検出電圧とに基づいて前記インバータ回路へ駆動信号を出力する駆動信号制御回路と、前記入力電流検出手段が検出した入力電流の時間変化分が予め設定された値を超えた時に前記駆動信号制御回路に前記インバータ回路の出力を停止又は下降させる指令を出力する温度判定処理回路とからなることを特徴とする請求項１記載の誘導加熱装置。
3. 前記インバータ回路を構成するスイッチング素子と、前記スイッチング素子の温度を検出する素子温度検出手段とを備え、
   前記温度判定処理回路は前記素子温度検出手段の出力が予め設定された値を超えた時に、前記駆動信号制御回路に前記インバータ回路の出力を停止又は下降させる指令を出力することを特徴とする請求項２記載の誘導加熱装置。
4. 前記加熱コイルが誘導加熱する負荷の温度を検出する負荷温度検出手段を備え、
   前記温度判定処理回路は前記負荷温度検出手段の出力が予め設定された値を超えた時に、前記駆動信号制御回路に前記インバータ回路の出力を停止又は下降させることを特徴とする請求項２記載の誘導加熱装置。
5. 前記負荷温度検出手段は、前記加熱コイルに流す高周波電流が生成する交番磁束の影響を受けない箇所に設けられていることを特徴とする請求項４記載の誘導加熱装置。
6. 前記負荷温度検出手段は、シールド材に覆われた防磁構造をしたことを特徴とする請求項４記載の誘導加熱装置。
   

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