JP2007157497A - 誘導加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 低磁性材の被加熱物を加熱するにあたり、十分な加熱電力を保ちながら、被加熱物１の浮力を低減させること。
【解決手段】 本発明は、被加熱物１が載置されるトッププレート２の下方に設けられ、被加熱物１を誘導加熱する加熱コイル３と、この加熱コイル３を駆動する高周波回路５とを備えた誘導加熱装置において、加熱コイル３は、トッププレート２に密着して配置され、線径がφ０．３ｍｍ以上の素線を巻き回してなることを特徴とするものである。
【選択図】 図１

Description

本発明は、誘導加熱装置に関し、特に、銅やアルミニウムなどの低磁性材からなる被加熱物の浮上を抑制する技術に関する。

一般に、誘導加熱装置は、調理鍋などの被加熱物を載せるトッププレートの下方に加熱コイルを配置して構成され、加熱コイルに高周波電流を流して高周波磁界を発生させることで、被加熱物に渦電流を生じさせ、誘導加熱によって効率的に加熱を行うものである。

従来、誘導加熱装置の被加熱物としては、鉄などの高磁性材が加熱できるだけであったが、近年では、アルミニウムや銅などの低磁性材についても加熱できるようになっている。ここで、低磁性材は、渦電流がジュール熱になりにくいことから、加熱の際は、加熱コイルに流れる電流を増加させ、磁力を大きくすることで、被加熱物を所定の温度に加熱するようにしている。

しかし、コイル電流を増加させると、加熱コイルに生じた高い磁力によって、被加熱物には反発力となる浮力が生じるため、例えば、調理鍋がトッププレートからずれたり振動を生じる場合がある。

このため、例えば、加熱開始時に電源電流と入力電力の変化を連続的に読み取ることにより、被加熱物のずれや浮きを検出し、これに応じて入力電力を低下させるようにした誘導加熱装置が知られている（特許文献１参照）。

特開２００１−３３２３７５号公報

しかしながら、特許文献１の技術は、被加熱物の浮力自体を低減させるものではなく、被加熱物のずれや浮きを検出してから入力電力を低下させるものであるため、例えば、規定以下の質量の調理鍋を用いると、十分な加熱能力が得られないおそれがある。

本発明は、低磁性材の被加熱物を加熱するにあたり、十分な加熱電力を保ちながら、被加熱物の浮力を低減させることを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明は、被加熱物が載置されるトッププレートと、このトッププレートの下方に設けられ、被加熱物を誘導加熱する加熱コイルと、この加熱コイルを駆動する高周波回路とを備えた誘導加熱装置において、加熱コイルは、トッププレートに密着して配置され、線径がφ０．３ｍｍ以上の素線を巻き回してなることを特徴としている。

このように、先ず、本発明では、表皮効果を利用してコイル抵抗の周波数依存性が高くなるように、加熱コイルの素線の線径を従来のものと比べて大きく設定している。これにより、コイル抵抗は、低磁性材の被加熱物を加熱する高周波数領域（例えば、６０〜１００ｋＨｚ）で大きくなる一方、低周波数領域（例えば、２０ｋＨｚ周辺）で小さくなる。このため、高周波数領域では、加熱コイルを流れる電流（以下、コイル電流という。）が減少し、被加熱物に渦電流を誘起する起磁力（巻数×コイル電流）が減少する。そして、加熱コイルは、トッププレートに密着して配置されるため、加熱コイルの発熱分はトッププレートを介して伝導し、被加熱物の加熱に寄与する。よって、このコイル電流の減少分に応じた熱量を被加熱物に付与することができるため、低磁性材の被加熱物を加熱する場合でも、十分な加熱能力を保ちながら、浮力を低減することができる。

また、本発明は、被加熱物を載置するトッププレートと、このトッププレートの下方に設けられ、被加熱物を誘導加熱する加熱コイルと、この加熱コイルを駆動するインバータ回路とを備えた誘導加熱装置において、加熱コイルは、複数段のコイルからなり、上段コイルはトッププレートに密着して配置され、上段コイルのコイル断面積は、他のコイルのコイル断面積よりも大きくなるように構成することを特徴としている。

このような構成によれば、上段コイルとその下方に配置される他のコイルには共振電流が通流し、両コイルから発生した磁力線は被加熱物に鎖交して渦電流を誘起する。ここで、上段コイルは、他のコイルと比べてコイル断面積が大きく形成されるため、他のコイルから発生した磁力線は上段コイルに鎖交し、上段コイル中に渦電流が生じやすくなる。また、上段コイルには、共振電流による導通損、自己電流による渦電流損が生じることから、発熱が促進されて他のコイルよりも発熱量が大きくなり、その発熱分は上段コイルからトッププレートを介して被加熱物に伝導される。すなわち、上段コイルの発熱量が大きくなる分、コイル電流を少なくできるため、十分な加熱能力を保ちながら、効率的に浮力を低減することができる。

この場合において、上段コイルは、例えば、素線の線径がφ０．３ｍｍ以上であることが好ましい。このように線径を所定以上の大きさに設定することで、表皮効果による発熱量が大きくなり、コイル電流を低下させ、より効果的に浮力を低減することができる。

また、上段コイルは、銅又はアルミニウムで形成され、素線を太くするだけでなく、例えば、コイル断面が矩形に形成されていることが好ましい。この構造によれば、上段コイルはトッププレートとの密着性が良くなるため、熱伝達率が高くなり、加えて、他のコイルの磁束による渦電流がより生じやすくなる。

また、トッププレートに密着された加熱コイルとトッププレートとの間に静電シールド板を設けるようにしてもよい。これによれば、例えば、加熱時にユーザーが被加熱体に触れることがあっても、人体に漏洩電流が流れることを抑制できる。

また、加熱コイルは、同心状に配置される複数のコイルにより構成されることが好ましい。これによれば、被加熱物が高磁性材料であるか、又は低磁性材料であるかによって、複数のコイルのうち稼動するコイルの位置や数を適宜切り換えることができるため、加熱効率を向上できる。

本発明によれば、低磁性材の被加熱物を加熱するにあたり、十分な加熱電力を保ちながら、被加熱物の浮力を低減させることができる。

以下、本発明の誘導加熱装置の第１の実施の形態について図を用いて説明する。図１は、本発明の実施の形態の誘導加熱装置の断面図である。

本実施形態の誘導加熱装置は、被加熱物となる調理鍋１と、調理鍋１の台板となるトッププレート２と、調理鍋１を誘導加熱する加熱コイル３と、加熱コイル３の磁力を調理鍋１へ磁気誘導する複数の断面Ｕ型あるいはＬ型のコア４と、加熱コイル３を駆動させる電力変換器５とを備えて構成される。

加熱コイル３は、複数の素線を束ねた線材（以下、コイル線ともいう）を巻き回して構成され、コイル抵抗に大きな周波数依存性をもたせるため、後述するように素線の線径を従来よりも大きくし、電流の周波数により生じる表皮効果を逆に利用するようにしている。ここで、加熱コイル３は、そのコイル線がトッププレート２に密着して配置されている。

上記構成において、例えば、調理鍋１がアルミニウムや銅と同程度以上の電気導電率をもつ低磁性材からなる場合、高周波数領域（例えば、６０〜１００ｋＨｚ）で駆動する加熱コイル３の磁力を調理鍋１へ印加して誘導加熱するとともに、加熱コイル３から発熱した熱を密着構造によりトッププレート２を介して調理鍋１へ伝導させる。

ここで、調理鍋１と加熱コイル３との合成抵抗となる等価直列抵抗は、加熱コイル３の抵抗が表皮効果により大きくなる分、加熱コイル３を流れる電流は少なくなるため、それに伴い、調理鍋１への渦電流を誘起する起磁力（巻数×コイル電流）が減少する。しかし、加熱コイル３の発熱量を調理鍋１へ伝導し、加熱することができるため、その分、コイル電流を低減することができ、十分な加熱能力を保ちながら、浮力を低減させることができる。

一方、調理鍋１が鉄などの高磁性材からなる場合、低い周波数（例えば、２０ｋＨｚ周辺）で駆動させるため、加熱コイル３の抵抗が小さく、損失も小さくなり、加熱コイル３の磁力は調理鍋１へほぼ印加される。このため、必要な加熱能力が得られるとともに、浮きやずれが生じない。

このように、本実施形態では、加熱コイル３において、コイル抵抗の周波数依存性による表皮効果を利用することで、低磁性材の被加熱物の浮力低減を図るとともに、加熱コイル３の熱損失を被加熱物によって回収することができる。

図２は、本実施形態の加熱コイル３の素線を束ねたコイル線の一例を示す断面図であり、素線の線径を太くして素線数を少なくした状態を示している。図３は、従来の加熱コイル３´の素線を束ねたコイル線の一例を示す断面図であり、素線の線径が図２よりも細く、素線数が多い状態を示している。

従来の加熱コイルで３´は、例えば、素線の線径がφ１．０以下、素線数が１０００本以上であるのに対し、本実施形態の加熱コイル３では、例えば、素線の線径がφ０．５、素線数が約３０本となっている。なお、加熱コイル３の素線は線径を太くして素線数を少なくした方が安価となる。

図４は、本実施形態の誘導加熱装置において、加熱コイル３の周波数（ｋＨｚ）に対するコイル抵抗の特性を示す線図である。本実施形態の加熱コイル３は、上記のように表皮効果による損失を抑えた従来の細線多数のものではなく、コイル抵抗の周波数依存性が高い、つまり表皮効果の損失の大きい太線少数の線材を用いている。図の周波数特性の傾き特性については、浮力の低減値、加熱コイル３の損失分の熱伝導、及びトッププレート２の温度上昇値などから適宜選択する。

調理鍋１への渦電流による銅線の浸透深さδは、例えば、周波数２０，６０，１００ｋＨｚのとき、それぞれ０．６７，０．２７，０．２１ｍｍ、電流密度が３７％となるため、素線の半径は、浸透深さδ、一束径における素線数、及び必要なコイル抵抗値などから適宜選択する。

図５は、加熱コイル３の誘導加熱における一般的な等価回路モデルの一例を示す図である。図において、Ｒｃは加熱コイル３の抵抗、Ｌｃは加熱コイル３のインダクタンス、Ｒｎは調理鍋１の抵抗、Ｌｎは調理鍋のインダクタンス、Ｖｉｎ（ｆ）は高周波電圧源、Ｃは共振コンデンサ、Ｒａは等価直接抵抗、Ｌａはその等価インダクタンスである。

図から明らかなように、Ｒａ等価抵抗内のコイル抵抗Ｒｃ分を表皮効果により大きくすることで、等価インダクタンスＬａを流れる電流が低減されるため、これに伴い、加熱コイル３に流れる電流を少なくできる。これにより、調理鍋１に印加する加熱コイル３の磁力が低減されるため、調理鍋１の浮力低減が可能になる。ここで、コイル抵抗Ｒｃによる熱損失分は熱伝導により回収される。

次に、本実施形態の加熱コイル３の素線の線径について具体的に説明する。

図６は、加熱コイル３の素線の線径と浮力との関係を示す線図である。図において、横軸は線径φ（ｍｍ）、縦軸は浮力Ｆをそれぞれ示しており、縦軸は、線径がφ０.１のときを１として表している。

図に示すように、線径を０．１φ（ｍｍ）から徐々に大きくしていくと、φ０．３付近を超えたあたりから、浮力Ｆが大きく減少していくことが判る。このことから、本実施形態の加熱コイル３の素線は、φ０．３以上、好ましくは、φ０．４以上、より好ましくは、φ０．７以上の線径に設定するものとする。但し、φ０．９程度以上に設定すると、例えば、鉄鍋の使用時に２０ｋＨｚとしても、銅表皮深さδが０．４６９ｍｍ（φ＜２δ）となり表皮効果による表皮抵抗が影響し加熱コイル損失が増大することから、この点を考慮して線径の上限を適宜設定する。

このように、本実施形態の誘導加熱装置によれば、簡単かつ安価な構成により、アルミニウムや銅と同程度以上の電気伝導率をもつ低磁性材の軽量被加熱物の浮上力を低減することができる。また、本実施形態では、加熱コイル３をトッププレート２に密着させて、被加熱物１にて熱回収させる構成のため、十分な加熱能力を保持するとともに、加熱コイル３の冷却が不要となり、装置をコンパクトな構成とすることができる。

図７は、本発明の誘導加熱装置の第２の実施形態を示す側断面図である。図において、図１と同一部分については同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態では、加熱コイル３は、静電シールド板６を介してトッププレート２と密着して構成される。例えば、低磁性材料の調理鍋１を加熱するとき、加熱コイル３に印加される電圧が所定以上となり、調理鍋１と加熱コイル３との間に電位差が生じた状態でユーザーが調理鍋１に触れると、所定以上の電流が人体に漏洩するおそれがある。このため、本実施形態では、加熱コイル３とトッププレート２との間に導電性の静電シールド板６を介在させている。これによれば、両者の間に設置した静電シールド板６の低電位化により加熱中に調理鍋１に人体が触れても漏洩がなく安全となる。ここで、加熱コイル３、静電シールド板６、トッププレート２は互いに密着して配置される。

なお、加熱コイル３の素線は、裸構成でもよく、絶縁や耐熱用としての被覆を施したものであってもよい。

図８は、本発明の誘導加熱装置の第３の実施形態を示す側断面図である。図において、図１と同一部分については同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態では、加熱コイル３は、同心状に配置された３連のコイルから構成され、加熱コイル３０の内周側には加熱コイル３１、外周側には加熱コイル３２が配置されている。そして、例えば、低磁性材の被加熱物を加熱する場合は、加熱コイル３０、又はすべての加熱コイル３０，３１，３２を稼動させ、高磁性材の被加熱物を加熱する場合は、加熱コイル３１，３２を稼動させるようにする。そして、加熱コイル３０又はすべての加熱コイル３０，３１，３２をトッププレート２の裏面に密着させる構成とする。

これによれば、調理鍋１が高磁性材料であるか、又は低磁性材料であるかによって、複数のコイルのうち稼動するコイルの位置や数を適宜切り換えることができ、加熱効率を向上できる。また、調理鍋１の浮力を検知し、加熱電力を制御する従来の機能を付加させるようにしてもよい。

図９は、本発明の誘導加熱装置の第４の実施形態を示す斜視図である。

図に示すように、本実施形態の誘導加熱装置は、トッププレート２、上段コイル１１、下段コイル１２、交流電源１３、整流回路１４、インバータ１５、共振コンデンサ１６を備えて構成される。図において、図１と同一部分については同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態の加熱コイルは、上段コイル１１とその下方の下段コイル１２が直列に接続されており、上段コイル１１はトッププレート２に密着させて配置されている。上段コイル１１は、銅やアルミニウムなどで形成される。下段コイル１２は、例えば、断面円形のリッツ線が用いられる。上段コイル１１のコイル線は、下段コイル１２のコイル線よりも断面積が大きくなるように形成されている。

インバータ１５は、上段コイル１１と下段コイル１２の直列体の両端に接続され、下段コイル１２との間には共振コンデンサ１６が接続されている。交流電源１３は、整流回路１４を経てインバータ１５に接続されている。

このような構成において、トッププレート２上に調理鍋１を置き、インバータ１５を上段コイル１１、下段コイル１２、調理鍋１、及び共振コンデンサ１６によって定まる共振周波数よりも高いスイッチング周波数で動作させると、上段コイル１１及び下段コイル１２に共振電流が流れる。これにより、上段コイル１１及び下段コイル１２から磁力が発生し、この磁力線がトッププレート２上に設置された調理鍋１に鎖交すると、鍋底に渦電流が誘起され、この渦電流によって調理鍋１が誘導加熱される。

このとき、下段コイル１２から発生した磁力線は、調理鍋１に鎖交する他、上段コイル１１にも鎖交し、上段コイル１１の中にも渦電流が流れる。また、上段コイル１１には共振電流による導通損及び自己電流による渦電流損も発生する。このため、上段コイル１１から発生した熱量は、下段コイル１２の熱量よりも大きくなり、その分温度上昇が大きくなる。この上段コイル１１から発生した熱は、密着したトッププレート２を介して調理鍋１に伝導し、調理鍋１の加熱に寄与する。

本実施形態では、上段コイル１１として断面矩形のコイル線を用いているが、これは、トッププレート２への密着性を向上させて熱伝達を向上させるためのものである。そして、このような形状において断面積を大きくすることで、熱伝達率が高くなり、加えて、下段コイル１２の磁束による渦電流損が生じやすくなる。

また、上段コイル１１のコイル線を構成する素線の線径は、下段コイル１２の素線よりも大きく形成され、例えば、線径がφ０．３ｍｍ以上に設定される。つまり、素線の線径を大きくすることで、表皮効果によるコイル抵抗の周波数依存性が高くなり、発熱量が大きくなる。

このように、共振電流による導通損及び自己電流による渦電流損に加えて、下段コイル１２の磁束による影響、及び素線の径大化による表皮効果の作用により、上段コイル１１の発熱は促進されるため、その発熱分を調理鍋１に付与するためのコイル電流を低減することができ、これにより、調理鍋１の浮力をより効果的に低減することができる。そして、本実施形態によれば、回路電流を小さくすることができるため、例えば、スイッチング素子の容量、容積、損失のいずれも小さくすることができる。

本実施形態では、上段コイル１１と下段コイル１２の二つのコイルを上下方向に配置しているが、このような構成に限定されず、例えば、さらに多くのコイルを上下方向に配置するようにしてもよい。また、本実施形態では、上段コイル１１と下段コイル１２を直列に接続し、その直列体にインバータを接続するようにしているが、この構成に限定されず、例えば、上段コイル１１と下段コイル１２を独立させて、それぞれ異なるインバータに接続するようにしてもよい。

図１０は、本発明の誘導加熱装置の第５の実施形態を示す回路図である。なお、図において、図９と同一構成については、同一符号を付して説明を省略する。

本実施形態は、整流回路１４とインバータ１５との間に昇圧コンバータ２１、降圧コンバータ２２を備えている点で、第４の実施形態と相違する。

昇圧コンバータ２１は入力電流を交流電源１３の正弦波と同じ位相にし、力率を改善する力率改善回路（ＰＦＣ）として動作する。この回路により、交流電源１３の持つ基本周波数（５０Ｈｚ又は６０Ｈｚ）がなくなり、直流電力に変換される。また、この回路により、例えば、低磁性材の調理鍋１の加熱時に発生するうなり音を抑制することができる。

昇圧コンバータ２１の後段に配置される降圧コンバータ２２は、例えば、アルミニウム製や銅製の調理鍋１を加熱する際の入力電力制御に用いられる。すなわち、これらの調理鍋１をハイパワーで加熱する際には、降圧コンバータ２２の出力電圧を高く制御する一方、パワーを絞る場合には、降圧コンバータ２２の出力電圧を低く制御する。一般に低磁性材の調理鍋１は共振のＱ値が高いため、周波数制御による出力コントロールが困難であるが、この降圧コンバータ２２の制御によれば、スイッチング周波数は共振周波数に追尾させた状態でパワーを制御することができる。

本発明の第１の実施の形態の誘導加熱装置の断面図である。 本発明の第１の実施の形態のコイル線の一例を示す断面図である。 従来のコイル線の一例を示す断面図である。 本発明の第１の実施の形態の加熱コイルの周波数に対するコイル抵抗特性を示す線図である。 加熱コイルの誘導加熱における一般的な等価回路モデルの一例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態の加熱コイルの素線の線径φと浮力Ｆとの関係を示す線図である。 本発明の誘導加熱装置の第２の実施の形態の側断面図である。 本発明の誘導加熱装置の第３の実施の形態の側断面図である。 本発明の誘導加熱装置の第４の実施の形態の斜視図である。 本発明の誘導加熱装置の第５の実施の形態を示す回路図である。

符号の説明

１ 調理鍋
２ トッププレート
３ 加熱コイル
４ コア
５ 電力変換器
６ 静電シールド板
１１ 上段コイル
１２ 下段コイル
１３ 交流電源
１５ インバータ
１６ 共振コンデンサ

Claims (6)

1. 被加熱物が載置されるトッププレートと、該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、該加熱コイルを駆動する高周波回路とを備えた誘導加熱装置において、
   前記加熱コイルは、前記トッププレートに密着して配置され、線径がφ０．３ｍｍ以上の素線を巻き回してなることを特徴とする誘導加熱装置。
2. 被加熱物を載置するトッププレートと、該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、該加熱コイルを駆動するインバータ回路とを備えた誘導加熱装置において、
   前記加熱コイルは、複数段のコイルからなり、上段コイルは前記トッププレートに密着して配置され、前記上段コイルのコイル断面積は、他のコイルのコイル断面積よりも大きく形成されてなることを特徴とする誘導加熱装置。
3. 前記上段コイルは、素線の線径がφ０．３ｍｍ以上であることを特徴とする請求項２に記載の誘導加熱装置。
4. 前記上段コイルは、コイル断面が矩形に形成されてなることを特徴とする請求項２に記載の誘導加熱装置。
5. 前記トッププレートに密着された前記加熱コイルと前記トッププレートとの間に静電シールド板が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の誘導加熱装置。
6. 前記加熱コイルは、同心状に配置される複数のコイルから構成されてなることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の誘導加熱装置。
   

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