JP2007018788A - 誘導加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】赤外線センサなどを用いることなく、高周波インバータの保護動作が働いても、被加熱体の温度を検知することができる誘導加熱装置を実現することを目的とする。
【解決手段】高周波インバータ１の制御パラメータの変化によって被加熱体６の温度を検出するものであって、高周波インバータ１の保護動作によって加熱出力が制限された場合には、制御手段９の制御目標値を変更し、その制御手段９の制御量の時間変化に応じて高周波インバータ１の加熱出力を抑制または停止するものである。これによって、高周波インバータ１が保護動作によって入力電力を制限するような場合においても、高周波インバータ１の制御パラメータの変化によって被加熱体６の温度を検出することができるため、赤外線センサなどを用いることなく、被加熱体６の温度を検知することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般家庭やオフィス、レストランなどで使用される誘導加熱装置に関するものである。

従来から知られている誘導加熱装置は、高周波インバータに接続された誘導加熱コイルから高周波磁界が発生し、電磁誘導による渦電流のためにトッププレート上の鍋などの被加熱体が加熱されるものである。そして、被加熱体の温度検出の方法としては、サーミスタよりなる温度検知手段をトッププレート下面に密着させ、熱伝導により検知する方法（例えば、特許文献１参照）や、高周波インバータ１の制御パラメータの変化によって被加熱体の温度を検出する方法（例えば、特許文献２参照）が知られている。
特開２００４−２４７２３７号公報 特開２００４−１６５０８２号公報

しかしながら、前記従来の構成のうち、温度検知手段による方法では、トッププレートを介して被加熱体の温度を検知しているために熱応答が遅く、適切な制御が困難である。このため、検知精度を上げるためには高価な赤外線センサが必要であった。

一方、高周波インバータの制御パラメータの変化による方法では、赤外線センサなどを使用する必要はないが、被加熱体の材質や径などによっては高周波インバータの保護動作が働き、使用者の要求する入力電力が得られない場合がある。そのような場合には、高周波インバータの入力電力が制限されているため、高周波インバータの制御パラメータの変化がなくなる。このため、制御パラメータの変化度合いによって被加熱体の温度を検出することができなくなる。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、赤外線センサなど新たな温度検知手段を用いることなく、しかも高周波インバータの保護動作が働いても、被加熱体の温度を検知することができる、安全で使い勝手の良い誘導加熱装置を実現することを目的としたものである。

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、高周波インバータの制御パラメータの変化によって被加熱体の温度を検出するものであって、高周波インバータの保護動作によって加熱出力が制限された場合には、制御手段の制御目標値を変更し、その制御手段の制御量の時間変化に応じて高周波インバータの加熱出力を抑制または停止するものである。

これによって、高周波インバータが保護動作によって入力電力を制限するような場合においても、高周波インバータの制御パラメータの変化によって被加熱体の温度を検出することができるため、赤外線センサなど新たな温度検知手段を用いることなく、しかも高周波インバータの保護動作が働いても、被加熱体の温度を検知することができ、安全で使い勝手の良い誘導加熱装置を実現することができる。

本発明の誘導加熱装置は、赤外線センサなどを用いることなく、しかも高周波インバータの保護動作が働いても、被加熱体の温度を検知することができ、安全で使い勝手が良い。

第１の発明は、高周波インバータと、この高周波インバータに電力を供給する電源と、高周波インバータを構成するスイッチング素子、誘導加熱コイル、および共振コンデンサと、誘導加熱コイルにより加熱される被加熱体と、高周波インバータを構成する各部の電気的特性を検出する検出手段と、高周波インバータを制御する制御手段とを有し、前記高周波インバータの保護動作によって加熱出力が制限された場合には前記制御手段の制御目標値を変更し、その制御手段の制御量の時間変化に応じて高周波インバータの加熱出力を抑制または停止する誘導加熱装置とすることにより、高周波インバータが保護動作によって入力電力を制限するような場合においても、高周波インバータの制御パラメータの変化によって被加熱体の温度を検出することができるため、赤外線センサなど新たな温度検知手段を用いることなく、しかも高周波インバータの保護動作が働いても、被加熱体の温度を検知することができ、安全で使い勝手の良い誘導加熱装置を実現することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、制御手段の制御目標値の変更量は、検出手段によって検出された値によって変更する量を変えることにより、火力の強い使い勝手の良い誘導加熱装置を実現することができる。すなわち、高周波インバータの保護をしなければならない事由に応じて変更しなければならない制御目標値の変更量が異なる。このため、必要最低限の変更量とすることで一定の変更量とした場合よりも高周波インバータの加熱出力を大きくすることができ、火力の強い使い勝手の良いものとなる。

第３の発明は、特に、第１の発明において、制御手段の制御目標値の変更量は、制御手段の制御パラメータの値によって変えることにより、高周波インバータの保護動作が働いたときの制御パラメータの値が大きい場合は変化量が多いので、変更する制御目標値の値も大きくし、逆に小さい場合は変更する制御目標値の値も小さくすることで、必要最低限の制御変更値の量にすることができ、大きく火力が低下することをなくすことができる。

第４の発明は、特に、第１の発明において、高周波インバータの保護動作によって加熱出力が制限され加熱出力が低下した場合には、制御手段の制御量の時間変化を求める基準値を変更することにより、保護動作によって制御手段の制御量の時間変化が制限されてしまった場合でも、被加熱体の高温状態を検知できるレベルまで制御手段の制御量の時間変化を求める基準値を変更することにより、機器の安全性を高めることが可能となる。

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１）
図１は、本発明の実施の形態１における誘導加熱装置を示している。

図に示すように、本実施の形態における誘導加熱装置は、高周波インバータ１と、この高周波インバータ１に電力を供給する電源２と、高周波インバータ１を構成するスイッチング素子３、誘導加熱コイル４、および誘導加熱コイル４と直列に接続された共振コンデンサ５と、誘導加熱コイル４により加熱される鍋などの被加熱体６と、高周波インバータ１を構成する各部の電圧や電流などの電気的特性を検出する検出手段７と、高周波インバータ１に電力を供給する電源２における昇圧手段８と、高周波インバータ１および昇圧手段８を制御する制御手段９とを有している。なお、本実施の形態では昇圧手段８を示したが、昇圧手段８を持たない電源２であっても良く、また、高周波インバータ１に昇圧機能を持たせた構成であっても良い。また、昇圧手段８の場合、スイッチング素子３の導通比によって昇圧電圧が決定されるが、昇圧電圧は制御手段９によって制御される。

ここで、高周波インバータ１には通常、破壊防止のための保護機能を有している。保護動作が働く要因としては、高周波インバータ１に電力を供給する電源の電圧値や共振コンデンサ５にかかる電圧値、昇圧手段８を構成するスイッチング素子の導通比、高周波インバータ１を構成するスイッチング素子３の導通比などがある。これらが所定の値以上となると高周波インバータ１が破壊に至るので、保護動作によって入力電力を制限する。

しかしながら、このような検知方式の場合、高周波インバータ１を保護するための保護動作によって入力電力が制限されると、制御パラメータの時間的な変化が抑制されてしまうために制御パラメータの変化による被加熱体６の温度検出が困難となる。

そこで、本実施の形態では、高周波インバータ１の保護動作によって加熱出力が制限された場合には、制御手段９の制御目標値を変更し、その制御手段９の制御量の時間変化に応じて高周波インバータ１の加熱出力を抑制または停止するようにしている。

上記の構成において、誘導加熱装置の駆動について説明する。

電源２は、商用の単相１００Ｖまたは２００Ｖの交流電源をダイオードブリッジで直流化した直流電源を高周波インバータ１に供給する。通常、直流電源は昇圧コンバータなどの昇圧手段８で昇圧されたものを用いる場合が多いが、それに限定するものではないことは既述したとおりである。電源２の電圧を昇圧しておくことによって、高周波インバータ１に同電力を供給する場合に電流を減らすことが可能である。このため、高周波インバータ１を構成する各部品の部品定格を下げることが可能となり、部品の小型化と低コスト化を可能として、より安価で小型の製品とすることができる。よって、使用者に便益をもたらすためには、電源２の電圧は高い方が望ましい。

高周波インバータ１は、スイッチング素子３、誘導加熱コイル４、共振コンデンサ５で構成され、電源２によって供給された電力をスイッチング素子３によって電流経路を切り替えて誘導加熱コイル４に高周波電流を供給する。誘導加熱コイル４からは高周波磁界が発生し、被加熱体６内には電磁誘導による渦電流が流れ、そのジュール熱のために被加熱体６が加熱されるものである。

高周波インバータ１の制御としては、高周波インバータ１の入力電流などを検出手段７によって入力し、誘導加熱装置の使用者が設定した電力とするべく制御手段９がフィードバック制御を行っている。

また、誘導加熱装置は多くの場合、背景技術で示したように温度検知手段を有し、被加熱体６の温度に応じて制御手段９は高周波インバータ１の電力を制御する。例えば、揚げ物調理を行う場合には、被加熱体６の温度を２００度前後の温度で保つために温度検知手段で温度を計測し、制御手段９が高周波インバータ１の電力を制御する。または、被加熱体６である鍋に内容物が入っていない空焚きの状態の場合、被加熱体６の温度は急激に上昇して鍋が赤熱するといった危険な状態となる。そのような状態で鍋に油を落とすと、発火に至るために火災の原因となってしまう。このような状態を回避するため、誘導加熱装置には安全機能として温度検知手段によって計測された被加熱体６の温度が高温である場合には、制御手段９が高周波インバータ１の電力を抑制または停止する機能を有している場合が多い。しかしながら、既述したとおり被加熱体６を載置するトッププレートの熱容量などにより熱応答が遅く、適切な制御が困難で、高価な赤外線センサが必要であった。

本実施の形態では、赤外線センサなどの温度検知手段を用いることなく、被加熱体６の温度を検知するものである。図２は、高周波インバータ１の駆動周波数と入力電力の相関を、被加熱体６が低温時の時を実線で、被加熱体６が高温時の時を破線で示している。一般的に抵抗率は温度上昇に伴い上昇するため、誘導加熱コイル４を含む共振回路のインピーダンスが変化する。その結果、被加熱体６の温度によって駆動周波数との相関が変化し、高周波インバータ１の入力電力を維持するためには駆動周波数を徐々に低下させていく必要がある。

その結果を示したのが図３である。入力電力を増加させるために駆動周波数を徐々に低下させていき、時間Ｔ１となって入力電力が一定となる。被加熱体６の温度が一定であれば駆動周波数も一定となるが、既述のとおり被加熱体６の温度が上昇するに伴って抵抗値が変化するためにそれに応じて駆動周波数が低下していく。このＴ１以降の駆動周波数の時間的な変化により、被加熱体６の温度上昇を計測する。

例えば、被加熱体６である鍋に内容物が入っていない空焚きの場合は、被加熱体６の温度上昇が大きいため、それに伴って駆動周波数の時間的な変化も大となる。したがって、そのような場合は空焚きであると判定して高周波インバータ１の加熱出力を停止または抑制することによって温度上昇を抑え、危険な状態を回避することが可能となる。

以上は、駆動周波数の時間的な変化によって被加熱体６の温度上昇を判別する方法について説明したが、これは高周波インバータ１の駆動周波数によって高周波インバータ１の加熱出力を制御している場合であって、高周波インバータ１の加熱出力制御を、高周波インバータ１を構成するスイッチング素子３の導通割合を示す導通比や、電源２から高周波インバータ１に供給する電圧を制御する昇圧手段８の昇圧比によって制御する場合には、それぞれその制御パラメータの時間的な変化に表れるため、同様の検知が可能である。このため、駆動周波数の時間的な変化に限定するものではない。

しかしながら、このような検知方式の場合、高周波インバータ１を保護するための保護動作によって入力電力が制限されると（図４）、制御パラメータの時間的な変化が抑制されてしまうために制御パラメータの変化による被加熱体６の温度検出が困難となる。ところが、高周波インバータ１の保護動作によって加熱出力が制限された場合は、制御手段９の制御目標値を変更し、その後、制御手段９が加熱出力を一定に制御した際に、制御手段９の制御量の時間変化に応じて高周波インバータ１の加熱出力を抑制または停止する。このことによって、被加熱体６の材質や径などによっては高周波インバータ１の保護動作が働き、使用者の要求する入力電力が得られない場合でも、制御目標値を低く変更することで保護動作が働かない状態となるので、制御手段９は制御目標値に到達するよう制御パラメータを制御することができる状態となる。そのような状態であれば、制御パラメータの時間的な変化によって被加熱体６の高温状態を検出することができ、加熱出力を変更することによって被加熱体６が危険な温度とならない。したがって、安全に使用することのできる使い勝手の良い誘導加熱装置を提供することができる。

（実施の形態２）
次に、本発明の実施の形態２における誘導加熱装置について説明する。実施の形態１と基本構成は同一であるのでその説明を省略し、相違点についてのみ説明する。

実施の形態１に記載したように、高周波インバータ１の保護動作が働いた場合には制御目標値を変更して制御パラメータが変更可能な状態としておくことで被加熱体６の温度検出が可能となるが、高周波インバータ１の保護動作が働くような状況は被加熱体６の材質や径などによって異なる。そのため、制御目標値を変更する際に一定の値を変更すると変更量が大きすぎて通常の使用時に火力が弱くなってしまったり、変更量が小さすぎて再度保護動作が働いてしまったりするといった場合が生ずる。

そのような状態を回避するため、本実施の形態では、検出手段７によって検出された値によって制御目標値を変更する量を変えるようにしたものである。

これにより、保護動作が働く要因となった検出手段７によって検出された値に応じて変更しなければならない制御目標値の変更量を変えることができるため、必要最低限の変更量とすることで一定の変更量とした場合よりも高周波インバータ１の加熱出力を大きくすることができ、火力の強い使い勝手の良い誘導加熱装置を実現することができる。

（実施の形態３）
次に、本発明の実施の形態３における誘導加熱装置について説明する。実施の形態１と基本構成は同一であるのでその説明を省略し、相違点についてのみ説明する。

実施の形態２で説明したように、被加熱体６の材質や径などによって高周波インバータ１の保護動作が働いたときの状況が異なる。制御手段９によって制御される高周波インバータ１の制御パラメータについても同様で、保護動作が働く要因などによってそれまでに変化した制御パラメータの値などは様々である。

本実施の形態では、制御手段９の制御目標値の変更量は、制御手段９の制御パラメータの値によって変えるようにしたものである。

これにより、高周波インバータ１の保護動作が働いたときの制御パラメータの値が大きい場合は変化量が多いので、変更する制御目標値の値も大きくし、逆に小さい場合は変更する制御目標値の値も小さくすることで、必要最低限の制御変更値の量にすることができ、大きく火力が低下することをなくすことができる。

（実施の形態４）
次に、本発明の実施の形態４における誘導加熱装置について説明する。実施の形態１と基本構成は同一であるのでその説明を省略し、相違点についてのみ説明する。

高周波インバータ１の保護動作が働くと、使用者の設定した火力出力によらず火力出力が制限される。実施の形態１〜３で説明したように、そのような場合には、高周波インバータ１の制御パラメータが変化できなくなってしまうため、被加熱体６の温度検出が不可能な状態となる。これを回避するため、保護動作が働かないように制御目標値を変更することによって検出が可能な状態としている。

しかし、そのような場合でも火力出力が制限されていることには代わりがないため、高周波インバータ１の制御パラメータが被加熱体６の高温を検知するレベルまで制御パラメータが変化しない場合がある。

本実施の形態では、高周波インバータ１の保護動作によって加熱出力が制限され加熱出力が低下した場合には、制御手段９の制御量の時間変化を求める基準値を変更するようにしたものである。

これにより、保護動作によって制御手段９の制御量の時間変化が制限されてしまった場合でも、被加熱体６の高温状態を検知できるレベルまで制御手段９の制御量の時間変化を求める基準値を変更することにより、機器の安全性を高めることが可能となる。

以上のように、本発明にかかる誘導加熱装置は、赤外線センサなどを用いることなく、しかも高周波インバータの保護動作が働いても、被加熱体の温度を検知することができ、安全で使い勝手が良いので、誘導加熱調理器などとして適用することができる。

本発明の実施の形態１〜４における誘導加熱装置の構成図 同誘導加熱装置の駆動周波数−入力電力特性を表す図 同誘導加熱装置の被加熱体の温度と入力電力および駆動周波数の時間変化を示す図 同誘導加熱装置のリミッタ動作時における電力特性を表す図

符号の説明

１ 高周波インバータ
２ 電源
３ スイッチング素子
４ 誘導加熱コイル
５ 共振コンデンサ
６ 被加熱体
７ 検出手段
９ 制御手段
１２ トッププレート

Claims (4)

1. 高周波インバータと、この高周波インバータに電力を供給する電源と、高周波インバータを構成するスイッチング素子、誘導加熱コイル、および共振コンデンサと、誘導加熱コイルにより加熱される被加熱体と、高周波インバータを構成する各部の電気的特性を検出する検出手段と、高周波インバータを制御する制御手段とを有し、前記高周波インバータの保護動作によって加熱出力が制限された場合には前記制御手段の制御目標値を変更し、その制御手段の制御量の時間変化に応じて高周波インバータの加熱出力を抑制または停止する誘導加熱装置。
2. 制御手段の制御目標値の変更量は、検出手段によって検出された値によって変更する量を変える請求項１に記載の誘導加熱装置。
3. 制御手段の制御目標値の変更量は、制御手段の制御パラメータの値によって変える請求項１に記載の誘導加熱装置。
4. 高周波インバータの保護動作によって加熱出力が制限され加熱出力が低下した場合には、制御手段の制御量の時間変化を求める基準値を変更する請求項１に記載の誘導加熱装置。