JP2006164722A - 誘導加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】低透磁率かつ高電気伝導率の材料で形成された被加熱物を加熱することができるとともに、被加熱物に働く浮力を低減し、かつ損失の少ない誘導加熱装置を提供する。
【解決手段】加熱コイルと被加熱物との間に設けた電気導体７は、電気導体７内部に誘起される誘導電流の作用により、被加熱物に対して働く浮力を低減する浮力低減機能を有するとともに、前記電気導体７の過熱を制限する過熱制限手段９を有し、前記過熱制限手段９は前記加熱コイルの中心から放射状に設けた閉磁路を形成する磁性体４に対向する最内部から最外部に渡って構成した。これにより、被加熱物５に働く浮力を低減し、かつ損失の少ないものとすることができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、一般家庭やオフィス、レストラン、工場などで使用される誘導加熱装置に関するものであり、さらに詳しくは、被加熱物としてアルミニウムや銅などの低透磁率かつ高電気伝導率の材料からなる被加熱物を加熱可能とする誘導加熱装置に関するものである。

従来、この種の誘導加熱装置として、例えば、誘導加熱調理器に関して、加熱コイルの入力インピーダンスにおける等価直列抵抗（被加熱物および電気導体を加熱状態と同様の位置配置で、加熱コイル近傍の周波数を使用して測定した加熱コイルの入力インピーダンスにおける等価直列抵抗（以下、単に加熱コイルの等価直列抵抗と呼ぶ））を大きくする機能を有する電気導体を、加熱コイルとアルミニウムなどの低透磁率かつ高電気伝導率の材料でなる被加熱物の間に設けることにより、加熱コイルに流れる電流を小さくして被加熱物に作用する浮力を低減し、入力電力が大でも浮力による被加熱物のずれ、浮きを少なくする技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−２６４０５４号公報

しかしながら、前記従来の構成では、電気導体を用いた構成にすることにより、アルミニウムなどの高電気伝導率を有しかつ低透磁率材料からなる被加熱物を誘導加熱することが実用的に可能となったが、実際の使用にあたっては、被加熱物に働く浮力を全く無視することができず、被加熱物である鍋と調理物との合計重量が一定の重量より重くなるように制限していた。また、鍋は実際には底面が平面である場合は少なく、わずかな反りを有するのが普通である（鍋底が凹になっている、すなわち内側に対して凸になっているような凹反り鍋が用いられている）。反りが大きくなると、熱効率が低下し、調理性能が良くないため、反りの程度を制限するのが一般的であった。

前記浮力による重量制限を緩和し、さらに使いやすくするために、浮力低減作用を有する種々の構成のうち、電気導体の面積を大きくする、すなわち、加熱コイルの等価直列抵抗を大きくすることが実用的であると考えられる。

つまり、加熱コイルに対応する電気導体の中央部における開口部の大きさを、天板に当接してその温度を検知する温度検知手段に必要な空間だけにし、可能な限り電気導体の面積を大きく設計することで、浮力のさらなる低減は可能であると考えられる。

しかしながら、この構成において、反りのある鍋を用いた場合、加熱コイルから見て被加熱物が遠くなるために、加熱コイル中心付近では、被加熱物に磁束が到達しにくく、一方で、距離が近い電気導体の内周部分には変わらず磁束が到達するため、結果として、電気導体の内周部分の発熱が異常に早くなる。

さらに、凹反りのある部分は鍋底と天板との間に空間があるため、電気導体の熱が天板を介して鍋底に伝熱され難いため温度上昇が速くなる。

電気導体が高温になった場合、電気導体の発熱を抑えたり、電気導体の熱が加熱コイルなどに悪影響を及ぼさないよう、加熱コイルの出力を低減する制御を行ったりする。そのため、電気導体の温度上昇速度が速いと早い時点から加熱コイルの出力が制御されてしまい調理に時間がかかりすぎたり、あるいは調理ができなかったりするという問題が生じる。

以上のような理由により、電気導体の内周部分から所定の距離の間は電気導体を設けることができず、その分浮力を低減できないという問題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、アルミニウムのような高電気伝導率で低透磁率からなる被加熱物への浮力をさらに低減するとともに、凹反り鍋のような鍋底が凹となっているような被加熱物でも使用しやすくした、利便性の高い誘導加熱装置を提供することを目的としている。

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、加熱コイルと前記被加熱物との間に設けられた電気導体は、電気導体内部に誘起される誘導電流の作用により、被加熱物に対して働く浮力を低減する浮力低減機能を有するとともに、電気導体の過熱を制限する過熱制限手段を有し、過熱制限手段を加熱コイルの下方に設けた磁性体に対向する最内部から最外部に渡って構成したものである。

これによって、電気導体は、加熱コイルの等価直列抵抗を、電気導体のないときに比べて大きくするものである。そのため、同一出力を得る場合の加熱コイルに流れる電流を低減して、加熱コイルの発生する磁界により被加熱物に働く浮力を低減する浮力低減機能を有する。したがって、アルミニウム若しくは銅またはこれらと同等以上の電気伝導率を有し、かつ低透磁率材料からなる被加熱物を加熱した時に浮き上がったりずれたりするのを防止することができる。また、加熱コイル電流と略平行に流れる誘導電流の分布を制限し、電気導体の過熱を防止する過熱制限手段を備えているため、電気導体に発生する誘導電流による損失を効果的に低減することが可能である。さらに、過熱制限手段は、電気導体が加熱コイルに対向する最内部から最外部に渡って構成されているため、加熱コイルの直上に配置され、加熱コイル下方に設けた高透磁率の磁性体に対向することにより、特に大きな誘導電流が流れる部分の電気導体の損失、発熱を低減することが可能である。

本発明の誘導加熱装置は、低透磁率かつ高電気伝導率の材料で形成された被加熱物を加熱することができるとともに、被加熱物に働く浮力を低減し、かつ損失の少ない誘導加熱装置を提供することができる。

第１の発明は、外郭を構成する本体と、前記本体の上部に設け被加熱物を載置するトッププレートと、前記トッププレートの下方に設けられ前記被加熱物を誘導加熱する加熱コイルと、前記加熱コイルの下方に加熱コイルの中心から放射状に設けた閉磁路を形成する磁性体と、前記加熱コイルと前記被加熱物との間に設けられた電気導体とを備え、前記電気導体は、前記電気導体内部に誘起される誘導電流の作用により、被加熱物に対して働く浮力を低減する浮力低減機能を有するとともに、前記電気導体の過熱を制限する過熱制限手段を有し、前記過熱制限手段を前記磁性体に対向する最内部から最外部に渡って構成した誘導加熱装置とすることにより、電気導体は、加熱コイルの等価直列抵抗を、電気導体のないときに比べて大きくするものである。そのため、同一出力を得る場合の加熱コイルに流れる電流を低減して、加熱コイルの発生する磁界により被加熱物に働く浮力を低減する浮力低減機能を有する。したがって、アルミニウム若しくは銅またはこれらと同等以上の電気伝導率を有し、かつ低透磁率材料からなる被加熱物を加熱した時に浮き上がったりずれたりするのを防止することができる。また、加熱コイル電流と略平行に流れる誘導電流の分布を制限し、電気導体の過熱を防止する過熱制限手段を備えているため、電気導体に発生する誘導電流による損失を効果的に低減することが可能である。さらに、過熱制限手段は、電気導体が加熱コイルに対向する最内部から最外部に渡って構成されているため、加熱コイルの直上に配置され、加熱コイル下方に設けた高透磁率の磁性体に対向することにより、特に大きな誘導電流が流れる部分の電気導体の損失、発熱を低減することが可能である。

第２の発明は、特に、第１の発明において、電気導体の最外部は、磁性体の外径よりも大とすることにより、電気導体の最外部に、被加熱物の誘導加熱に寄与しない磁界を打ち消す方向に誘導電流が流れ、打ち消し磁界を発生するため、放射される磁界を低減することができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、磁性体上方に位置する電気導体の最外部を、磁性体間の中間に位置する電気導体の最外部よりも大とし、前記磁性体上方に位置する電気導体の最外部を加熱コイル方向に折り曲げた構成としたことにより、高温となる磁性体上方に位置する電気導体を効率よく冷却することができ、電気導体の過熱を防止することが可能となる。

第４の発明は、特に、第１または第２の発明において、過熱制限手段は、電気導体の中心より放射状に設ける構成としたことにより、加熱コイルにより誘導される誘導電流の大きな流れと略直角方向に配置されていることになる。したがって、誘導電流の流れを阻害し、電気導体の発熱量を抑制し電気導体の過熱を防止することが可能となる。

第５の発明は、特に、第１〜第４のいずれか１つの発明において、過熱制限手段は、少なくとも磁性体の個数よりも多く設けたことにより、電気導体の過熱を効果的に防止することが可能となる。

第６の発明は、特に、第１〜第５のいずれかの発明において、過熱制限手段は、電気導体の磁性体と対向する最内部から最外部に渡って設けたことにより、電気導体内で、加熱コイル電流の流れる方向と略平行に周回して流れる誘導電流の分布を制限し、加熱コイルから発生する磁界による誘導電流の向きおよび大きさを強制的に変更する。つまり、電気導体内に、加熱コイル電流と略平行に周回して流れる誘導電流を、簡易な構成で制限して電気導体に発生する発熱を低減することができる。

第７の発明は、特に、第１〜第６のいずれかの発明において、電気導体は、最外部を磁性体の外径よりも大とする局所過熱制限手段を備えたことにより、局所的に集中して電気導体に流れる誘導電流が制限され、電気導体の局所的な過熱防止を可能とするものである。

第８の発明は、第１〜第７のいずれかの発明において、磁性体の外径よりも大となる電気導体の最外部のうち少なくとも１箇所以上において、電気導体のリング構造をカットしたことにより、電気導体の周回電流を抑制し電気導体の発熱量を制限可能とするものである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態）
図１は、本発明の実施の形態における誘導加熱装置の一例として誘導加熱調理器を示している。

図に示すように、外郭を構成する本体１の上部に、絶縁体であり、耐熱セラミックス製のトッププレート２が設けられている。トッププレート２の下方には、素線を束ねた撚り線を多層にして平板上に巻回されて構成される加熱コイル３が備えられている。

加熱コイル３の概略寸法は、内径がφ８０ｍｍ、外径がφ１７０ｍｍとなっている。加熱コイル３の下方には、加熱コイル３の中心から放射状に設けた閉磁路を形成するフェライトよりなる高透磁率の磁性体４が１２本放射状に設けられている。棒状の磁性体４は、加熱コイル３面と略並行に配置されており、特に、その両端を、トッププレート２へ向けて上方垂直に折り曲げた形状となっている。

アルミニウム若しくは銅またはこれらと略同等以上の電気伝導率を有する低透磁率材料からなる鍋などの被加熱物５は、トッププレート２を挟んで加熱コイル３と対向するよう、トッププレート２上に載置される。

温度検知手段となるサーミスタ６は、トッププレート２の加熱コイル３側の面に当接されており、加熱コイル３のほぼ中心に位置するよう設けられている。サーミスタ６が当接するトッププレート２面は、後述する電気導体７の開口部８になっている。

電気導体７は、厚さが約１５μｍのアルミニウム塗膜で形成され、トッププレート２の加熱コイル３側の面へ転写により、接合されている。この電気導体７は、電気導体７内部に誘起される誘導電流の作用により、被加熱物５に対して働く浮力を低減する浮力低減機能を有する。

また、図示していないが、磁性体４上方に位置する電気導体７の最外部を、磁性体４間の中間に位置する電気導体７の最外部よりも大とし、前記磁性体４上方に位置する電気導体７の最外部を加熱コイル３方向に折り曲げた構成とすることにより、高温となる磁性体４上方に位置する電気導体７を、外郭を構成する本体１内部に設置された冷却ファンの冷却風で効率よく冷却することができ、電気導体７の過熱を防止することが可能となる。

図２は、加熱コイル３側から見た電気導体７を示すものである。電気導体７は、その最外部が磁性体４の外径より大きく、最内部は加熱コイル３の内径より小さく設定されており、具体的にはそれぞれ約φ２２０ｍｍ、約φ６０ｍｍとなっている。また、略ドーナツ状をしており、過熱制限手段９となる幅１ｍｍのスリットが電気導体７の中心より放射状に１２本以上、本実施の形態では４８本設けられている。

過熱制限手段９となるスリットは、電気導体７が加熱コイル３に対向する最内部となるφ８０ｍｍより小さく、電気導体７の最内部φ６０ｍｍに一方の端部を持っている。つまり、過熱制限手段９によって、電気導体７の最内部が分断されているような形状をしている。

また、過熱制限手段９は、電気導体７が磁性体４に対向する最外部となるφ２００ｍｍより大きく、φ２００ｍｍにもう一方の端部を持っている。つまり、スリットは、電気導体７が加熱コイル３に対向する最内部から最外部に渡って構成されている。

電気導体７は中央部に開口部８が設けられており、その外周は磁性体４内端よりも小さく設定されている。

電気導体７には、電気導体７から見て、加熱コイル３近傍に設けられた磁性体４に対向する部分近傍に、局部過熱制限手段１０となるスリットが配置されている。局部過熱制限手段１０のスリットは、電気導体７の最内部となるφ６０ｍｍからφ２１０ｍｍの位置にあり、幅１ｍｍとなっている。つまり、スリットの最外部は、磁性体４の外径よりも大としている。また、電気導体７は、磁性体４の外径よりも大となる電気導体７の最外部のうち少なくとも１箇所以上において、スリットにより電気導体７のリング構造をカットしたものとなっている。

電気導体７の一部からは、幅２ｍｍ程度と細く、他の部分に比べ熱抵抗大部分１１が延びており、導電性のシールなどでリード線１２と電気的に接続されている。さらにリード線１２は、コンデンサ１３を介して商用電源電位あるいは加熱コイル３に高周波電流を供給するインバータ（図示せず）の入力する商用電源を整流した電位あるいは大地に接続される。

以上の構成において、本実施の形態における誘導加熱調理器の動作を説明する。

加熱コイル３には、約７０ｋＨｚの高周波電流が供給される。加熱コイル３は、高周波電流が供給されると磁界を発生するが、加熱コイル３下方には高透磁率の磁性体４があり、磁界が磁性体４に集中するために、磁界が被加熱物５と反対側に膨らむのを防止できる。磁性体４は、複数のフェライトコアを組み合わせて構成することでも同様の効果が得られる。

一方、加熱コイル３上方へ出た磁界は、電気導体７に鎖交するため、電気導体７内部には誘導電流が誘起される。この時、誘導電流の周波数は約７０ｋＨｚであり、電気導体７がアルミニウム製である場合の誘導電流の浸透深さはδ＝約３００μｍである。本実施の形態では、電気導体７は、誘導電流の浸透深さよりも十分薄い約１５μｍであるため、加熱コイル３からの磁界を遮蔽することができず、電気導体７内部を磁界が浸透、通過して、被加熱物５方向へ導かれる。磁性体４の両端部分は、上方垂直に折り曲げられているため、上方の被加熱物５方向へ磁界を効率よく誘導する作用をもつ。

加熱コイル３上方へ出た磁界は、電気導体７を浸透、通過した磁界と、過熱制限手段９、局部過熱制限手段１０のスリットや開口部８を通過した磁界との合成磁界となって、被加熱物５に到達する。被加熱物５に誘起される誘導電流は、この合成磁界により発生するものである。そのため、電気導体７が介在することにより、電気導体７がない場合と比較し、誘導電流分布は変化する。

また、加熱コイル３から見て誘導加熱する総加熱面積は、電気導体７面積および加熱コイル３から見て電気導体７に覆われていない、過熱制限手段９、局部過熱制限手段１０のスリットや開口部８上部の被加熱物５面積に、さらに加熱コイル３から見て電気導体７に覆われている部分の被加熱物５面積が加わることになる。電気導体７は、加熱コイル３と被加熱物５との磁気結合を強める作用を有しているわけである。この加熱コイル３から見た総加熱面積の増加で、加熱コイル３の等価直列抵抗が大きくなり、同一出力を得る場合の加熱コイル３に流す電流を小さくすることができ、被加熱物５に作用する浮力が低減する。

図３に電気導体７の厚みと、加熱コイル３の等価直列抵抗の関係を、アルミニウム製の鍋を被加熱物５として加熱状態と同様の位置配置で測定した場合（図３（ａ）で示す）と、被加熱物５がない場合（図３（ｂ）で示す）について、測定結果の一例を示している。ただし、加熱コイル３の高周波電流周波数は約７０ｋＨｚである。

図３（ｂ）に示すように、被加熱物５がない場合、電気導体７の厚みが０（ない状態）から１０μｍまでは等価直列抵抗は単調増加し、電気導体７の厚みが１０μｍ以上では単調減少している。アルミニウムにおける誘導電流の浸透深さδ＝約３００μｍを越える領域では、等価直列抵抗はほぼ一定の値となっている。

これは、被加熱物５の代わりに電気導体７が加熱対象となっているためと考えられる。アルミニウム製の電気導体７の電気伝導率をσ、厚みをｔ、電気導体７における誘導電流の浸透深さをδとしたとき、電気導体７の厚みがδよりも小さい場合には、電気導体７の表皮に流れる誘導電流から見た高周波抵抗Ｒｓ（以下単に表皮抵抗と呼ぶ）は、Ｒｓ＝１／（ｔ・σ）で定義される。つまり、厚みｔに対して表皮抵抗は反比例の関係にある。また電気導体７の厚みがδよりも大きい場合には、Ｒｓ＝１／（δ・σ）で定義され、表皮抵抗は一定値となる。

電気導体７の厚みが０（ない状態）から１０μｍまでは、電気導体７の厚みが十分小さく、表皮抵抗が理論上非常に大きくなる。つまり、絶縁体に近い状態となり、加熱コイル３から発生する磁界も容易に通過するため、電気導体７がないのとほぼ同じ状態となる。加熱コイル３の等価直列抵抗は、被加熱物５および電気導体７がない状態の加熱コイル３自身の高周波抵抗と、近傍の磁性体４の高周波抵抗などとの合成抵抗とほぼ同じとなって小さい値となるが、電気導体７厚みを増すにつれ、単調増加する。電気導体７の厚みが１０μｍ以上３００μｍ以下の領域では、電気導体７の表皮抵抗減少の影響により、加熱コイル３の等価直列抵抗も電気導体７の厚みとほぼ反比例の関係で単調減少する。電気導体７の厚みが３００μｍ以上の領域では、電気導体７の表皮抵抗が一定となるため、加熱コイル３の等価直列抵抗もほぼ一定値となる。

一方、図３（ａ）に示すように被加熱物５がある場合には、電気導体７の厚みが０から１５μｍまでは等価直列抵抗は単調増加し、ピークをもつ。電気導体７の厚みが２００μｍになるまで等価直列抵抗は単調減少し、最小となる。電気導体７の厚みが１２００μｍまで等価直列抵抗は再度単調増加する。

電気導体７の厚み１５μｍで加熱コイル３の等価直列抵抗が持つピークは、被加熱物５がない場合の図３（ｂ）と同様に、電気導体７の厚みが十分小さく、電気導体７の表皮抵抗が大きい状態となってほぼ絶縁体と見なされる領域と、ある程度厚みが増加して電気抵抗表皮抵抗が減少する領域とのバランスによって生じると考えられる。

また、視点を変えると、先に述べたように、電気導体７を浸透、通過した磁界による、見かけの総誘導加熱面積の増加作用は、電気導体７の厚み１５μｍで最大になっていると言える。

また、電気導体７の厚み１５μｍ以上での領域については、電気導体７の厚みが増加するために、電気導体７の表皮抵抗が単調減少していく。さらに、電気導体７の内部に誘導電流が流れやすくなるため、加熱コイル３から発生する磁界をある程度遮蔽し、加熱コイル３から見た総加熱面積が減少する。つまり、加熱コイル３の等価直列抵抗が減少する。

その一方で、小さい表皮抵抗で誘導電流を流しやすい状態となる電気導体７が、加熱コイル３から見て近い位置に配置されているため、加熱コイル３と電気導体７の磁気結合は強く、加熱コイル３の等価直列抵抗を増加させる作用もあわせて生じる。十分厚い電気導体７は、加熱コイル３から発生する磁界を遮蔽するが、一部の磁界は、電気導体７を迂回して電気導体７の加熱コイル３と反対側面を誘導加熱するため、電気導体７の表皮深さ約３００μｍを越えても、加熱コイル３の等価直列抵抗は増加する。したがって、電気導体７の厚み２００μｍで加熱コイル３の等価直列抵抗は最小点を持つと推定される。ただし、電気導体７の厚みが一定以上となれば、加熱コイル３の等価直列抵抗はほぼ一定値となる。

発明者らは、詳細な検討の結果、電気導体７の厚み約１５μｍで、加熱コイル３の等価直列抵抗が最大となるポイントを見出した。そのため、同一出力を得る場合の加熱コイル３に流す電流を小さくすることができ、被加熱物５に作用する浮力が低減する。なお、発明者らの実験により、電気導体７が誘導電流の浸透深さより薄くても厚くても、加熱コイル３の等価直列抵抗が同じであれば、同様の加熱コイル３の電流低減効果、浮力低減効果が得られることは確認された。また、誘導加熱装置として目標とする浮力に対して、加熱コイル３の等価直列抵抗はほぼ一意に決定されるため、電気導体７の厚みを所定の加熱コイル３の等価直列抵抗を得るべく、変更することが可能である。従って、ある程度、被加熱物５に対して働く浮力が容認される場合には、本実施の形態の加熱構成では、電気導体７の厚みを１５μｍより小さくまたは大きく設定することで所定の浮力となる誘導加熱装置が得られる。

また、これまでは、誘導加熱を行う際に、被加熱物５と加熱コイル３間に誘導電流が流れ得る非常に薄い電気導体７を設けるという発想はなかった。これまでの発想では、漏れ電流を抑制するためとして、非常に薄い電気導体７を設けて定電位に接続する例がある。しかしながら、そのような場合、電気導体７に誘導電流を流すと発熱が発生することが分かっていたため、電気導体７内の誘導電流および発熱を抑制すべく、加熱コイル３の等価直列抵抗を変化させないよう、電気導体７の材質、形状などを設計していた。従って、これまでの発想の延長では、非常に薄く構成した電気導体７内に誘導電流を誘起させて、被加熱物５に流れる誘導電流分布を変える効果、または加熱コイル３の等価直列抵抗の増加効果、または被加熱物５に働く浮力の低減効果は得られなかった。

さらに、電気導体７が薄いため、加熱コイル３から発生した高周波磁界は電気導体７を浸透、通過する。つまり、加熱コイル３からの磁界を通過させないほどの反発磁界を発生させる大きなエネルギー、すなわち大きな誘導電流は、電気導体７内部には発生しないということであり、電気導体７の厚みが大きい場合に比べて、電気導体７の発熱による損失を低減し、加熱コイル３近傍の冷却を容易にすることができる。また、被加熱物５に伝達する電力を大きくし、加熱効率を向上させることが可能である。

また、電気導体７には、過熱制限手段９であるスリットを設けている。このスリットは、加熱コイル３から発生する磁界によって誘起され、加熱コイル３の周回方向に流れる電気導体７内部の誘導電流を抑制するものである。局所過熱防止手段１０であるスリットは、磁性体４の上方に誘起され局所的に電気導体７に流れる誘導電流を抑制するものである。

図４は、電気導体７内部に流れる誘導電流を示しており、過熱制限手段９であるスリットがない場合（図４（ａ）に示す）、スリットが１箇所ある場合（図４（ｂ）に示す）、スリットが電気導体７の最内部から最外部に渡って１箇所のみ構成されている場合（図４（ｃ）に示す）、スリットが電気導体７のφ９０ｍｍからφ１７０ｍｍに渡って２４ヶ所構成されている場合（図４（ｄ）に示す）、スリットが本実施の形態のように、電気導体７の最内部からφ２００ｍｍに渡って２４ヶ所構成されている場合（図４（ｅ）に示す）、スリットが電気導体７の最内周から加熱コイル３の最外径φ１７０ｍｍに渡って２４箇所構成されている場合（図４（ｆ）に示す）を表したものである。簡略化のため、本実施の形態における電気導体７とは異なり、過熱制限手段９であるスリットは局所過熱防止手段１０であるスリットと同様の形状で示している。図中、点線は加熱コイル３位置を示している。

図４（ａ）のように、スリットがない場合、加熱コイル３から発生する磁界によって、電気導体７内部に大きなループで、同心円状となる誘導電流が発生する。この誘導電流は、特に加熱コイル３の内周部と外周部との中間部分に大きく流れるよう分布し、大きな発熱を生じさせる。

また、図４（ｂ）の場合、１箇所のみ存在するスリットによって電気導体７が一部狭まっているような形状をしている。図４（ａ）と同様に、電気導体７内部の加熱コイル３直上に対向する部分では、細線矢印向きに大きな誘導電流が誘起される。加熱コイル３直上を流れようとする誘導電流は、スリットによって制限されるが、流れの向きを変え、スリットに沿うよう外周方向に流れる。流れの向きを変えた誘導電流は、スリットによって狭められた電気導体７の一部分に集中する。従って、スリットによって狭められた電気導体７部分の発熱が増加し、局部的に温度上昇が大きくなる。また、磁性体４の上方にも局所誘導電流が集中し磁性体４上方でも発熱が増加する。

図４（ｃ）の場合、加熱コイル３直上で誘起される大きな誘導電流は、スリットに沿うよう向きを変え、電気導体７内周および外周部分を細線矢印方向に流れる。結果として、電気導体７内周および外周部分に集中して誘導電流が流れるため、発熱が大きくなる。

また、電気導体７形状が、加熱コイル３よりも小さい、つまり電気導体７内径が加熱コイル３内径より大きい、または電気導体７外径が加熱コイル３外径より小さくても、電気導体７内周と外周で誘起される誘導電流の差によって、誘導電流の大きい方から小さい方へ流れるため、発熱は低減されない。また、電気導体７面積も小さくなり、加熱コイル３等価直列抵抗が低下し、被加熱物５に働く浮力が増加する。

図４（ｄ）の場合、スリットは複数配置されているため、誘起される誘導電流は小さくなるが、加熱コイル３直上で電気導体７は一部連続したリング形状をしているため、リング部分に誘導電流が集中して流れる。また磁性体４外径の上方にスリットが設けられていないため、磁性体４外径の上方で局所的に発熱量が増大する。従って、この場合も発熱が大きい。図４（ｅ）の場合も、図４（ｄ）と同様である。

図４（ｆ）ではスリットが加熱コイル３の最内周から最外周に渡って構成されているため、図４（ａ）から（ｅ）に示すように加熱コイル３上方に周回電流が流れない。このため周回電流による発熱は抑制可能であるが、加熱コイル３最外径よりも外部に位置する磁性体４上方に局所電流が集中して流れてしまうため、磁性体４の最外周の上方で発熱量が高い。

しかしながら、図２に示すように本実施の形態のような場合は、加熱コイル３および磁性体４直上の電気導体７が複数に分断されており、誘起される誘導電流量が少ない。また磁性体４のない部分のスリットを電気導体７の外周部まで設けると等価直列抵抗の低下の原因となってしまうため、磁性体４の存在しない電気導体７部分は加熱コイル外径φ１７０までのスリットとすることにより、等価直列抵抗を減少させることなく発熱を抑制することが可能となる。

また、加熱コイル３および磁性体４直上で連続したリングは形成されていないため、誘導電流の集中も生じない。

大きな誘導電流が誘起される加熱コイル３直上で対向する電気導体７部分に渡って、複数の過熱制限手段９となるスリットを形成し、誘導電流を抑制することで大きな発熱低減効果が得られる。また、このスリットは、周回する誘導電流に対して略直角となるよう、電気導体７中心から放射状に設けられているため、誘導電流の流れを阻害し、制限しやすく、電気導体７の発熱を低減することが可能となる。

電気導体７の中心近傍で過熱制限手段９のスリット幅は、本実施の形態では、それぞれ約１ｍｍとなっている。電気導体７幅が大きくなれば、周回方向に誘起される誘導電流量が大きくなり、発熱が大きくなる。また、スリット幅が大きくなれば、電気導体７面積が小さくなり、加熱コイル３の等価直列抵抗の低下、被加熱物５に働く浮力の増加となる。

発明者らは、実験により実用的には、電気導体７幅およびスリット幅を所定値に制限することで、発熱と浮力のバランスを取り、さらには安定したものづくりを実現できる条件としている。

また、本実施の形態では、電気導体７の中央部の開口部８からφ２００ｍｍに渡る過熱制限手段９のスリットが設けられているが、電気導体７の最外部において１箇所だけスリットが電気導体７の最内周から最外周まで設けてある。これにより、電気導体最外周に流れる周回電流も制限することが可能となり、電気導体７の発熱量を低減することが可能となる。

加熱コイル３から発生する磁界は、被加熱物５に向かう成分もあれば、被加熱物５の誘導加熱に寄与せず、それ以外の空中に放射される成分もある。被加熱物５の誘導加熱に寄与しない成分の磁界は、他機器への影響を与えるものとして、電波法などにより放射レベルを制限されている。

本実施の形態では、電気導体７の最外部の略リング形状部分に、被加熱物５の誘導加熱に寄与しない磁界を打ち消す方向に誘導電流が流れ、打ち消し磁界を発生するため、放射される磁界を低減することができる。

また、電気導体７が、連続したリング形状をしていて、かつリング形状部分が加熱コイル３と対向していた場合、被加熱物５の大きさによって大きく特性が変化する。例えば、被加熱物５を含む加熱コイル３のインダクタンスが、リング形状の電気導体７の影響を受けるため、被加熱物５の大きさによっては大きく変化し、インバータ設計が困難となる。

しかしながら、電気導体７の最外部の略リング形状部分は、スリットにより、加熱コイル３外径の外側になるために、被加熱物５を含む加熱コイル３のインダクタンスなどの特性に大きな影響を与えることはなく、防磁効果がほとんどで、インバータ設計への影響が少なく、設計が容易になる。

さらに、図２に示すように、電気導体７の外周部に局部過熱制限手段１０のスリットを設けている。磁性体４直上に相当する部分は、磁性体４の磁界集中効果によって、特に誘導加熱されやすい部分である。しかしながら、局部過熱制限手段１０となるスリットが設けられており、効果的に誘導電流の抑制がなされ、電気導体７の発熱が抑えられることになる。結果として、損失を少なく加熱効率を高めることが可能となる。

また、局所過熱制限手段１０となるスリットが設けられるのは、電気導体７の限られた部分であるため、加熱コイル３の等価直列抵抗の変化および被加熱物５に働く浮力の増加を抑制することができる。

また、電気導体７の一部からは、幅２ｍｍ程度と細く、他の部分に比べ熱抵抗大部分１１が延びており、導電性のシールなどでリード線１２と電気的に接続されている。さらにリード線１２は、コンデンサ１３を介して商用電源電位あるいは加熱コイル３に高周波電流を供給するインバータ（図示せず）の入力する商用電源を整流した電位あるいは大地に接続されるので、加熱コイル３から使用者に漏洩する漏れ電流を低減することができる。

浮力抑制の役割を持つ電気導体７を定電位に電気的に接続しているため、漏れ電流の抑制も同時に行うことが可能となる。また、漏れ電流抑制構成を、加熱コイル３−被加熱物５間に別途設ける必要がないために、加熱コイル３と被加熱物５間距離を縮めることができ、加熱効率向上も可能になる。さらに、電気導体７と定電位部分との接続は、熱抵抗が大部分１１を介して行われるため、電気導体７の発熱が他の部分へ与える影響を抑えることができる。

また、電気導体７は、トッププレート２の加熱コイル３側の面へ転写により、接合されている。そのため、電気導体７の発熱を熱伝導でトッププレート２に与えることは容易であるし、トッププレート２上部に載置された被加熱物５に対しても同様である。このように、電気導体７の発熱による損失の増加は、結果として被加熱物５に伝達され、電気導体７の温度を抑制し、被加熱物５の加熱効率を高めることができる。

なお、本実施の形態では、電気導体７をトッププレート２に転写する構成としたが、これに限るものではなく、厚み１ｍｍ程度の薄い非磁性板によって電気導体７を構成しても良い。また、例えば、溶射や蒸着によって電気導体７とトッププレート２を接合させても良い。また、電気導体７をアルミニウム製でなく銅製にして、トッププレート２にメッキ処理しても良い。さらにトッププレート２の表面加工により微少な凹凸を構成し、電気導体７とトッププレート２との接合性を高めても良い。物づくりが容易で、低コストとなる電気導体７材料を採用し、必要となる電気導体７の厚みとすべく、適切な接合手段を選択すればよい。電気導体７は、トッププレート２に接合されているため、工場などでの組立時の取り扱いが容易である。

なお、過熱制限手段９、局所過熱制限手段１０および電気導体７のリング構造カットのスリットに代えて、切り欠き、開口を用いてもよい。

以上のように、本発明にかかる誘導加熱装置は、低透磁率かつ高電気伝導率の材料で形成された被加熱物を加熱することができるとともに、被加熱物に働く浮力を低減し、かつ損失の少ないので、誘導加熱調理器としてはもちろんのこと、アルミニウムや銅などの高電気伝導率かつ低透磁率材料を加熱する誘導加熱式湯沸かし器、誘導加熱式アイロン、またはその他の誘導加熱式加熱装置としても有用である。

本発明の実施の形態における誘導加熱装置の要部構成の断面図 同誘導加熱装置の加熱コイル側から見た電気導体の平面図 同誘導加熱装置の電気導体厚みと加熱コイルの等価直列抵抗の相関を示す図 同誘導加熱装置を含む各種電気導体構成における電気導体内部に流れる誘導電流を示す図

符号の説明

１ 本体
２ トッププレート
３ 加熱コイル
４ 磁性体
５ 被加熱物
７ 電気導体
８ 開口部
９ 過熱制限手段
１０ 局所過熱制限手段

Claims (8)

1. 外郭を構成する本体と、前記本体の上部に設け被加熱物を載置するトッププレートと、前記トッププレートの下方に設けられ前記被加熱物を誘導加熱する加熱コイルと、前記加熱コイルの下方に加熱コイルの中心から放射状に設けた閉磁路を形成する磁性体と、前記加熱コイルと前記被加熱物との間に設けられた電気導体とを備え、前記電気導体は、前記電気導体内部に誘起される誘導電流の作用により、被加熱物に対して働く浮力を低減する浮力低減機能を有するとともに、前記電気導体の過熱を制限する過熱制限手段を有し、前記過熱制限手段を前記磁性体に対向する最内部から最外部に渡って構成した誘導加熱装置。
2. 電気導体の最外部は、磁性体の外径よりも大とする請求項１に記載の誘導加熱装置。
3. 磁性体上方に位置する電気導体の最外部を、磁性体間の中間に位置する電気導体の最外部よりも大とし、前記磁性体上方に位置する電気導体の最外部を加熱コイル方向に折り曲げた構成とした請求項１または２に記載の誘導加熱装置。
4. 過熱制限手段は、電気導体の中心より放射状に設け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。
5. 過熱制限手段は、少なくとも磁性体の個数よりも多く設けた請求項１〜４のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
6. 過熱制限手段は、電気導体の磁性体と対向する最内部から最外部に渡って設けた請求項１〜５のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
7. 電気導体は、最外部を磁性体の外径よりも大とする局所過熱制限手段を備えた請求項１〜６のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
8. 磁性体の外径よりも大となる電気導体の最外部のうち少なくとも１箇所以上において、電気導体のリング構造をカットした請求項１〜７のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。

Images