JP2008010165A - 誘導加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】負荷の材質によらずより大きな加熱出力を得ることができる誘導加熱装置を提供すること。
【解決手段】負荷材質検知結果に応じて第１の切替手段または第２の切替手段を切り替えて共振回路の共振周波数を切り替えるとともにスイッチング素子の駆動周波数を共振回路の略共振周波数と共振回路の共振周波数の略１／ｎ倍（ｎは２以上の整数）とに切り替える構成とすることにより、高耐圧リレーを用いることなく高導電率から低導電率まで負荷の材質に応じて加熱モードを切り替えることができることからスイッチング素子損失をより小さくでき、より加熱出力を大きくすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、アルミ鍋のような高導電率かつ低透磁率の被加熱物を効率良く誘導加熱できるようにした誘導加熱調理器や、誘導加熱式の湯沸かし器、加湿器あるいはアイロンなどの誘導加熱装置に関するものである。

以下、従来の誘導加熱装置の例として、加熱コイルから高周波磁界を発生し、電磁誘導による渦電流によって鍋等の負荷を加熱する誘導加熱調理器について図５に基づいて説明する。

図５は従来の誘導加熱調理器の回路構成を示す図である。電源５１は低周波交流電源である２００Ｖ商用電源であり、ブリッジダイオードである整流回路５２の入力端に接続される。整流回路５２の出力端間に第１の平滑コンデンサ５３が接続される。整流回路５２の出力端間には、さらに、チョークコイル５４と第２のスイッチング素子５７の直列接続体が接続される。加熱コイル５９は被加熱物であるアルミニウム製の鍋６１と対向して配置されている。５０はインバータであり、第２の平滑コンデンサ６２の低電位側端子（エミッタ）は整流回路５２の負極端子に接続され、第２の平滑コンデンサ６２の高電位側端子は第１のスイッチング素子（ＩＧＢＴ）５５の高電位側端子（コレクタ）に接続され、第１のスイッチング素子（ＩＧＢＴ）５５の低電位側端子はチョークコイル５４と第２のスイッチング素子（ＩＧＢＴ）５７の高電位側端子（コレクタ）との接続点に接続される。加熱コイル５９と共振コンデンサ６０の直列接続体が第２のスイッチング素子５７に並列に接続される。第１のダイオード５６（第１の逆導通素子）は第１のスイッチング素子５７に逆並列に接続（第１のダイオード５６のカソードと第１のスイッチング素子５７のコレクタとを接続）され、第２のダイオード５８（第２の逆導通素子）は第２のスイッチング素子５７に逆並列に接続される。スナバコンデンサ６４は、第２のスイッチング素子５７に並列に接続される。補正用共振コンデンサ６５とリレー６６の直列接続体は共振コンデンサ６０に並列に接続されている。制御回路６３は、電源５１からの入力電流を検知するカレントトランス６７と、加熱コイル５９の電流を検知するカレントトランス６８の検知信号を入力するとともに、第１のスイッチング素子５５と第２のスイッチング素子５７のゲートとリレー６６の駆動コイル（図示せず）に信号を出力する。

以上のように構成された誘導加熱調理器において、以下動作を説明する。電源１は整流回路５２により全波整流され、整流回路５２の出力端に接続された第１の平滑コンデンサ５３に供給される。この第１の平滑コンデンサ５３はインバータに高周波電流を供給する供給源として働く。図６は上記回路における各部波形を示す図であり、図６（Ａ）は出力が大出力である２ｋＷの時のものである。同図（ａ）は第１のスイッチング素子５５及び第１のダイオード５６に流れる電流波形Ｉｃ１を、同図（ｂ）は第２のスイッチング素子５７及び第２のダイオード５８に流れる電流波形Ｉｃ２を、同図（ｃ）は第２のスイッチング素子５７のコレクタ−エミッタ間に生じる電圧Ｖｃｅ２を、同図（ｄ）は第１のスイッチング素子５５のゲートに加わる駆動電圧Ｖｇ１を、同図（ｅ）は第２のスイッチング素子５７のゲートに加わる駆動電圧Ｖｇ２を、同図（ｆ）は加熱コイル５９に流れる電流ＩＬをそれぞれ示している。出力が２ｋＷのとき（図６（Ａ））、制御回路６３は時点ｔ０から時点ｔ１まで（ｅ）に示すように第２のスイッチング素子５７のゲートに駆動期間がＴ２（約２４μ秒）であるオン信号を出力する。この駆動期間Ｔ２の間では第２のスイッチング素子５７及び第２のダイオード５８と、加熱コイル５９と、共振コンデンサ６０で形成される閉回路で共振し、鍋６１がアルミニウム製の鍋であるときの共振周期（１／ｆ）が駆動期間Ｔ２の約２／３倍（約１６μ秒）となるように加熱コイル５９の巻き数（４０Ｔ）と共振コンデンサ６０の容量（０．０４μＦ）と、駆動期間Ｔ２が設定されている。チョークコイル５４はこの第２のスイッチング素子５７の駆動期間Ｔ２において、平滑コンデンサ５３の静電エネルギーを磁気エネルギーとして蓄える。次に、第２のスイッチング素子５７に流れる共振電流の第２番目のピークと共振電流が次に零となる間のタイミングである時点ｔ１、すなわち第２のスイッチング素子５７の順方向にコレクタ電流が流れている時点で第２のスイッチング素子５７の駆動が停止される。すると、第２のスイッチング素子５７がオフするので、第２のスイッチング素子５７のコレクタと接続されたチョークコイル５４の端子の電位が立ち上がり、この電位が第２の平滑コンデンサ６２の電位を越えると、第１のダイオード５６を通して第２の平滑コンデンサ６２に充電して、チョークコイル５４に蓄えた磁気エネルギーを放出する。第２の平滑コンデンサ６２の電圧は整流器５２の直流出力電圧Ｖｄｃのピーク値（２８３Ｖ）よりも高くなるように昇圧される（本従来例では５００Ｖ）。昇圧されるレベルは第２のスイッチング素子５８の導通時間に依存し、導通時間が長くなると第２の平滑コンデンサ６２に発生する電圧が高くなる傾向にある。このように、第２の平滑コンデンサ６２−第１のスイッチング素子５５あるいは第１のダイオード５６−加熱コイル５９−共振コンデンサ６０で形成される閉回路で共振する際に直流電源として働く第２の平滑コンデンサ６２の電圧レベルが昇圧されることにより、図６（Ａ）の（ａ）に示す第１のスイッチング素子５５に流れる共振電流の尖頭値（ピーク値）、および共振経路を変えて、継続して共振する同図（ｂ）の第２のスイッチング素子５７に流れる共振電流の尖頭値が零とならないように、あるいは小さくならないようにして、アルミニウム製の鍋を高出力で誘導加熱し、かつ、出力を連続的に増減して制御するようにできる。そして、図６（Ａ）の（ｄ）及び（ｅ）で示すように、制御回路６３は、時点ｔ１から両スイッチング素子が同時に導通するのを防止するために設けた休止期間後の時点ｔ２において、第１のスイッチング素子５５のゲートに駆動信号を出力する。この結果、同図（ａ）示すように加熱コイル５９−共振コンデンサ６０−第１のスイッチング素子５５または第１のダイオード５６−第２の平滑コンデンサ６２とからなる閉回路に経路を変えて共振電流が流れることになる。この駆動信号の駆動期間Ｔ２は、この場合にはＴ１とほぼ同じ期間に設定されているので、第２のスイッチング素子５８が導通していた場合と同様に、駆動期間Ｔ１の約２／３の周期の共振電流が流れる。従って、加熱コイル５９に流れる電流ＩＬは、図６（Ａ）の（ｆ）に示すような波形となり、第１及び第２のスイッチング素子の駆動周期（Ｔ１とＴ２と休止期間の和）は共振電流の周期の約３倍となり、第１及び第２の駆動周波数が約２０ｋＨｚであれば、加熱コイル５９に流れる共振電流の周波数は約６０ｋＨｚとなる。次に起動時においては、制御回路６３はリレー６６はオフ状態にし、一定の周波数（約２１ｋＨｚ）で第１のスイッチング素子５５と第２のスイッチング素子５７を交互に駆動する。第１のスイッチング素子５５の駆動期間は共振電流の共振周期よりも短いモードで駆動し、駆動時間比を最小にして、最小の出力にしてから徐々に駆動時間比を増加し、その間に制御回路６３はカレントトランス６７の検知出力とカレントトランス６８の検知出力から、負荷鍋６１の材料を検知する。制御回路６３は負荷鍋６１の材料が鉄系のものであると判断すると、加熱を停止してからリレー６６を投入して、再度低出力で加熱を開始する。このとき、制御回路６３は第１のスイッチング素子５５と第２のスイッチング素子５７を一定の周波数（約２１ｋＨｚ）で再度最小駆動時間比で最小出力からスタートして所定の出力まで徐々に増加させる。一方、鉄系の負荷であると検知しない場合には、所定の駆動時間比に到達すると、図６（Ｂ）に示すような、第１のスイッチング素子５７の駆動期間より共振電流の周期の短いモードに移行する。このとき、出力は低出力状態になるように駆動期間が設定される。以上のように、加熱コイル５９の発生する磁界によりアルミニウムや銅など高導電率、低透磁率の負荷を加熱すると、第１のスイッチング素子５５、第１ダイオード５６を流れる加熱コイル５９と共振コンデンサ６０による共振電流は、両スイッチング素子それぞれの駆動期間（Ｔ１）より短い周期で共振してなるので、第１のスイッチング素子５５の駆動周波数より高い周波数（この実施の形態では１．５倍）の電流を加熱コイル５９に供給して加熱することができ、さらに、昇圧手段であるチョークコイル５４と平滑手段である第２の平滑コンデンサ６２を設けて、高周波電源である平滑コンデンサ６２の電圧を昇圧して平滑し、各駆動期間（Ｔ及びＴ’）において共振電流の振幅を大きくしているため、駆動開始後、共振電流が流れ始めてから１周期目が終了し、２周期目に到達して以降においても十分大きな振幅の共振電流を継続させることができるものである。また、制御回路６３は、最大出力設定時に、第１のスイッチング素子５５の駆動開始後、共振電流が２周期目以降であって第１のスイッチング素子５５に流れている期間内に第１のスイッチング素子５５の導通を遮断する信号を出力してなる、または、第２のスイッチング素子５７の駆動開始後共振電流が２周期目以降であって第２のスイッチング素子５７に流れている期間内に第２のスイッチング素子の導通を遮断する信号を出力してなるので、最大出力時の第２のスイッチング素子５７または第１のスイッチング素子５５のターンオン損失の増大を抑制することができる。また、起動時、第１のスイッチング素子５５と第２のスイッチング素子５７の駆動時間比を変え加熱出力を増加させ、途中から駆動周波数を変え加熱出力を増加させてなることにより、負荷の検知を行いやすくすることができる。すなわち、駆動時間比を変えることにより高導電率かつ低透磁率のアルミニウム等の材質の負荷でも鉄系の負荷でも低出力状態で単調に出力を変化させることができ、制御回路６３は負荷検知が正確にかつ低出力状態でできる。また、加熱コイル５９の発生する磁界により、鉄系の負荷または非磁性ステンレスの負荷６１を加熱すると共振電流は第１のスイッチング素子５５及び第２のスイッチング素子５７の導通期間より長い周期で共振してなり、鉄系の負荷または非磁性ステンレス製の負荷６１を最大出力で加熱する場合に第１のスイッチング素子５５及び第２のスイッチング素子５７に順方向に電流が流れているタイミングで前記スイッチング素子を遮断可能とするように補正用共振コンデンサ６５を共振コンデンサ６０に並列に接続して、高導電率かつ低透磁率の負荷を加熱する場合よりも大きい容量に切り替えてなるので、共振コンデンサ６０と補正用コンデンサ６４は加熱コイル５９と直列に接続されると共に容量を切り替え可能とし、鉄系の負荷または非磁性ステンレス製の負荷を加熱する場合に共振コンデンサ６０を、高導電率かつ低透磁率の負荷を加熱する場合よりも大きい容量に切り替えてなることにより、共振周波数が長くなるとともに電流が増え、さらにチョークコイル５４により直流電圧Ｖｄｃを昇圧しているので、共振電流の振幅が大きくなることから、スイッチング素子に順方向に電流が流れているタイミングでスイッチング素子を遮断可能な範囲で最大出力を設定してスイッチング素子のターンオン時のスイッチング損失の増大を抑制しようとする場合に、最大出力を従来の構成のものより大きくすることができる。また、アルミニウム系の鍋と、鉄系の鍋を同一のインバータで加熱しようとするときに、従来は加熱コイル５９の巻き数と共振コンデンサを同時に切り替えて共振周波数と被加熱物６１に放射する磁界の強さ（アンペアターン）を切り替えていたが、チョークコイル５４と第１のスイッチング手段５７の昇圧作用により前記のコイル巻き数切り替えの作用を置き換えることができ、同一の加熱コイル５９で共振コンデンサ６０の切り替えをすることで、広い範囲の材質の被加熱物を加熱できるという効果がある。また、補正用共振コンデンサ６５を共振コンデンサ６０に接続せずに起動し、すなわち、容量の小なる共振コンデンサ６０ので起動し、徐々に出力を増加させ、その途中で負荷６１が鉄系か、高導電率かつ低透磁率のものかを判定し、鉄系の負荷であると判定した場合には駆動停止後、リレー６０をオンして補正用共振コンデンサ６５を並列に接続して、すなわち、共振コンデンサ６０を容量が大となるよう切り変え、駆動周波数を低周波数で再駆動するので、共振周波数が長くなるとともに電流が増え、さらに昇圧手段であるチョークコイル５４と第２の平滑コンデンサ６２により直流電源電圧を昇圧しているので、共振電流値が増えることから、第１のスイッチング素子５５及びに順方向に電流が流れているタイミングでスイッチング素子を遮断可能な範囲で最大出力を設定してスイッチング素子５７のターンオン時のスイッチング損失の増大を抑制しようとする場合に、最大出力を従来の構成のものより大きくすることができる。また、高導電率、低透磁率の負荷であると判定した場合には継続して所定の駆動時間比または所定の出力まで出力を増加した後駆動時間比を固定して導通時間を変更して出力を所定の出力に到達させてなるので、いずれの負荷においても低出力で起動して負荷の判定をして、安定的に所定の出力値あるいはリミット値へと到達させるいわゆるソフトスタート動作が可能となる。

以上のように構成された誘導加熱調理器において、高導電率かつ低透磁率のアルミニウム等の材質の負荷でも鉄系の負荷でも負荷検知が正確にかつ低出力状態でできることからリレーのオンオフを切り替えることにより、共振コンデンサの切り替えを行い負荷の材質に応じた誘導加熱を可能としていた。
特許第３４６０９９７号公報

しかしながら、特許文献１に見られるような従来の構成では、高導電率かつ低透磁率のアルミニウム等の材質の負荷と鉄系の負荷との加熱を行うには高耐圧のリレーが必要であり、高出力化が困難であった。また高導電率かつ低透磁率のアルミニウム等の材質の負荷と鉄系の負荷との中間材質すなわち比較的厚い非磁性ステンレスや薄いステンレスの上にアルミニウムを組み合わせた複合材などにおいて充分な出力を得るにはスイッチング素子の駆動周波数を共振回路の共振周波数の略１／２倍とすれば共振コンデンサを切り替えせずにスイッチング損失を略共振周波数で駆動するよりは低減できるが略１／３倍で駆動するよりは大きくなり充分な出力を得ることが困難であるという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、容易な構成でアルミニウムや銅など高導電率から磁性を有する材質など低導電率まで負荷の材質によらずより大きな加熱出力を得ることができる誘導加熱装置を提供することを目的とする。

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、負荷を磁気結合させる加熱コイルと共振コンデンサを有する共振回路と、スイッチング素子を有し前記共振回路に電力を供給するインバータと、前記加熱コイルの加熱出力を制御する加熱出力制御手段と、商用交流を整流する整流手段と、前記負荷の材質を検知する負荷材質検知手段とを備え、前記共振コンデンサは少なくとも２つのコンデンサの直列回路からなり、前記第１のコンデンサに並列に第１の切替手段を接続し前記第２のコンデンサに並列に第３のコンデンサと第２の切替手段の直列回路を接続し、前記第３のコンデンサは第２のコンデンサより静電容量を大きくし、負荷材質検知結果に応じて第１の切替手段または第２の切替手段を切り替えて前記共振回路の共振周波数を切り替えるとともにスイッチング素子の駆動周波数を前記共振回路の略共振周波数と前記共振回路の共振周波数の略１／ｎ倍（ｎは２以上の整数）とに切り替える構成とした。この構成により、高耐圧リレーを用いない容易な構成でアルミニウムや銅など高導電率から磁性を有する材質など低導電率まで負荷の材質によらずより大きな加熱出力を得ることができる誘導加熱装置とすることができる。

本発明の誘導加熱装置は、容易な構成でアルミニウムや銅など高導電率から磁性を有する材質など低導電率まで負荷の材質によらずより大きな加熱出力を得ることができる。

第１の発明は、負荷を磁気結合させる加熱コイルと共振コンデンサを有する共振回路と、スイッチング素子を有し前記共振回路に電力を供給するインバータと、前記加熱コイルの加熱出力を制御する加熱出力制御手段と、商用交流を整流する整流手段と、前記負荷の材質を検知する負荷材質検知手段とを備え、前記共振コンデンサは少なくとも２つのコンデンサの直列回路からなり、前記第１のコンデンサに並列に第１の切替手段を接続し前記第２のコンデンサに並列に第３のコンデンサと第２の切替手段の直列回路を接続し、前記第３のコンデンサは第２のコンデンサより静電容量を大きくし、負荷材質検知結果に応じて第１の切替手段または第２の切替手段を切り替えて前記共振回路の共振周波数を切り替えるとともにスイッチング素子の駆動周波数を前記共振回路の略共振周波数と前記共振回路の共振周波数の略１／ｎ倍（ｎは２以上の整数）とに切り替える構成とすることにより、高耐圧リレーを用いない容易な構成でアルミニウムや銅など高導電率から磁性を有する材質など低導電率まで負荷の材質によらずより大きな加熱出力を得ることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、共振コンデンサは２つのコンデンサの直列回路とし、それぞれのコンデンサの静電容量は略同じとすることにより、容易な構成でアルミニウムや銅など高導電率から磁性を有する材質など低導電率まで負荷の材質によらずより大きな加熱出力を得ることができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明において、インバータはフルブリッジ回路を有することにより、容易な構成で負荷材質の適応範囲をより大きくすることができる。

第４の発明は、特に、第１〜第３の発明において、整流手段からの整流出力を昇圧してインバータに供給するとともに商用交流の力率を改善する力率改善手段を有し加熱出力に応じて力率改善手段の出力電圧を変化させる構成とすることにより、容易な構成でより熱効率をよくすることができる。

第５の発明は、特に、第１〜第４の発明において、負荷材質検知手段が負荷を高導電率かつ低透磁率の材質と検知した場合は第１の切替手段および第２の切替手段は開放し、ｎを３と切り替える構成とすることにより、高耐圧リレーを用いない容易な構成で高導電率かつ低透磁率の材質においてより大きな加熱出力を得ることができる。

第６の発明は、特に、第１〜第４の発明において、負荷材質検知手段が負荷を中間材質と検知した場合は第１の切替手段は短絡し第２の切替手段は開放し、ｎを３と切り替える構成とすることにより、容易な構成で中間材質でより大きな加熱出力を得ることができる。

第７の発明は、特に、第１〜第４の発明において、負荷材質検知手段が負荷を低電導率の材質と検知した場合は第１の切替手段および第２の切替手段は短絡し、スイッチング素子の駆動周波数を共振回路の略共振周波数とすることにより、容易な構成で低電導率の材質でより大きな加熱出力を得ることができる。

第８の発明は、特に、第１〜第７の発明において、負荷材質検知結果に応じてｎを変化させる構成とすることにより、容易な構成で負荷材質の適応範囲をより大きくすることができる。

第９の発明は、特に、第１〜第８の発明において、加熱出力に応じて力率改善手段の出力電圧を変化させる構成とすることにより、容易な構成でより熱効率をよくすることができる。

第１０の発明は、特に、第１〜第９の発明において、負荷材質検知結果に応じて力率改善手段の出力電圧を変化させる構成とすることにより、容易な構成でより熱効率をよくすることができる。

第１１の発明は、特に、第１〜第１０の発明において、負荷材質検知結果に応じて力率改善手段の昇圧機能を停止させる構成とすることにより、容易な構成でより熱効率のよい誘導加熱装置とすることができる。

第１２の発明は、特に、第１〜第１１の発明において、負荷材質検知手段は少なくとも、加熱出力に応じた出力をする加熱出力検知手段の出力と、共振コンデンサまたは加熱コイルの電圧または電流を検知する共振電圧検知手段の出力を入力とする構成とすることにより、容易な構成でアルミニウムや銅など高導電率から磁性を有する材質など低導電率まで負荷の材質によらずより大きな加熱出力を得ることができる。

第１３の発明は、特に、第１２の発明において、加熱出力検知手段は少なくとも入力電流、入力電圧、入力電力、共振回路電圧または共振回路電流のいずれか一つを検知するものとした構成とすることにより、容易な構成でアルミニウムや銅など高導電率から磁性を有する材質など低導電率まで負荷の材質によらずより大きな加熱出力を得ることができる誘導加熱装置とすることができる。

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は本発明の第１の実施の形態における誘導加熱装置である誘導加熱調理器の回路構成図である。

図１において、電源５１は２００Ｖ商用電源であり、ダイオードブリッジからなる整流手段５２と第１の平滑コンデンサ７８とチョークコイル７９とダイオード８０とＭＯＳＦＥＴ８１と力率改善制御手段８２からなる力率改善回路（力率改善手段）７１によって商用電源を昇圧した直流に変換し第２の平滑コンデンサ７３に蓄電しつつ商用電源の力率を１近くになるように制御を行う。インバータ７０により高周波に変換され、高周波磁界を加熱コイル５９に発生させる。加熱コイル５９と対向して負荷である図示してない鍋を設置する。共振コンデンサ６０は、加熱コイル５９とともに直列の共振回路を構成している。共振コンデンサ６０は第１のコンデンサ８５と第２のコンデンサ８６と第３のコンデンサ８７からなり第１の切替手段８３と第２の切替手段８４で本発明ではリレーとして開閉することにより共振コンデンサ６０の静電容量を変化させる。インバータ７０は前記共振回路を出力としたフルブリッジ回路となるよう第１のスイッチング素子７４および第２のスイッチング素子７５および第３のスイッチング素子７６および第４のスイッチング素子７７を接続している。スイッチング素子７４、７５、７６、７７はＩＧＢＴとＩＧＢＴに逆並列に接続したダイオードからなっている。加熱出力制御回路（加熱出力制御手段）６３により第１のスイッチング素子７４と第４のスイッチング素子７７または第２のスイッチング素子７５と第３のスイッチング素子７６を交互に駆動し、出力を増加させる場合にはスイッチング素子の駆動周波数が共振周波数に近づくように加熱出力制御回路６３によりスイッチング素子を駆動し、カレントトランスからなる加熱出力検知手段６７により加熱出力を検知して所定の加熱出力が得られるようにする周波数制御のインバータとしている。起動時においては、第１の切替手段８３および第２の切替手段８４はそれぞれ開放している。このときの共振回路の共振周波数は約９０ｋＨｚとしている。加熱出力制御回路６３は一定の周波数（約６０ｋＨｚ）で第１のスイッチング素子７４と第４のスイッチング素子７７または第２のスイッチング素子７５と第３のスイッチング素子７６を交互に駆動する。

以上のように構成された誘導加熱調理器において、以下その動作、作用を説明する。

図２は負荷材質検知手段７２の検知入力の特性図である。第１のスイッチング素子７４と第４スイッチング素子７７の駆動期間は共振電流の共振周期よりも短いモードで駆動し、駆動時間比を最小にして、最小の出力にしてから徐々に駆動時間比を増加し、その間に負荷材質検知手段７２はカレントトランス６７の検知出力と第２のカレントトランスからなる共振電圧検知手段６８の検知出力から、負荷の材質を検知する。

アルミニウム系の負荷であると検知した場合には、所定の駆動時間比に到達すると、第１のスイッチング素子７４と第４のスイッチング素子７７の駆動期間より共振電流の周期の短いモードに移行する。このとき、出力は低出力状態になるように駆動期間が設定される。スイッチング素子７４、７５、７６、７７の駆動周波数は共振回路の共振周波数の１／３である約３０ｋＨｚとなるようにしている。この時図４のような各部波形で動作する。また、力率改善回路７１は４００Ｖに昇圧しつつ商用電源の力率改善を行うよう動作している。このようにスイッチング素子７４、７５、７６、７７の損失を低減しつつ昇圧することでアルミニウムのような低透磁率かつ高導電率である金属も加熱できる高導電率材質モードで動作するようにしているものである。

さらにアルミニウム系と鉄系の中間材質すなわち非磁性ステンレスの厚板や薄非磁性ステンレス板材の上にアルミニウムや銅などの高導電率材を載置した複合材と検知した場合にはスイッチング素子７４、７５、７６、７７は図４のように駆動する。ただし第１の切替手段は短絡し、第２の切替手段は開放することで共振回路の共振周波数を約６６ｋＨｚとしている。駆動周波数は共振回路の共振周波数の１／３である約２２ｋＨｚとなるようにして第１のスイッチング素子７４と第４のスイッチング素子７７を駆動した後半周期の共振電流を流して第１のスイッチング素子７４と第４のスイッチング素子７７の駆動を停止し、第２のスイッチング素子７５と第３のスイッチング素子７６の駆動を開始した後、１周期半の共振電流を流して第２のスイッチング素子７５と第３のスイッチング素子７６の駆動を停止することを繰り返す中電導率材質モードで動作させる。この時、力率改善回路７１は４００Ｖに昇圧平滑するよう動作している。駆動周波数を高導電率材質モードより低下させることによりスイッチング損失を低減しつつ、共振回路に流れる電流の周波数は約６６ｋＨｚと高導電率材質モードより低いため、共振回路の等価直列抵抗は小さくなりインバータ電圧は同じであればより大きな加熱出力が得られるものである。

負荷材質検知手段７２は負荷の材料が鉄系など低電導率のものであると判断すると、第１の切替手段および第２の切替手段は短絡することで共振回路の共振周波数を約２０ｋＨｚとしている。駆動周波数は共振回路の略共振周波数となるようにして駆動周波数を下げ、再度低出力で加熱を開始する。スイッチング素子７４、７５、７６、７７の駆動周波数は共振回路の共振周波数である約２０ｋＨｚとなるようにして、最小出力からスタートして所定の出力まで徐々に増加させる低導電率材質モードで動作させる。この時図３のような各部波形で動作する。このとき力率改善回路７１は４５０Ｖに昇圧して十分な加熱出力を得ることができるものである。

以上述べたように、本実施の形態では共振コンデンサは少なくとも２つのコンデンサの直列回路からなり、第１のコンデンサに並列に第１の切替手段を接続し第２のコンデンサに並列に第３のコンデンサと第２の切替手段の直列回路を接続し、第３のコンデンサは第２のコンデンサより静電容量を大きくし、負荷材質検知結果に応じて第１の切替手段または第２の切替手段を切り替えて共振回路の共振周波数を切り替えるとともにスイッチング素子の駆動周波数を共振回路の略共振周波数と共振回路の共振周波数の略１／ｎ倍（ｎは２以上の整数）とに切り替える構成としているので、高耐圧リレーを用いることなく高導電率から低導電率まで負荷の材質に応じて加熱モードを切り替えることができることからスイッチング素子損失をより小さくでき、よってより加熱出力を大きくすることができる。

さらに、負荷材質検知手段７２を共振コンデンサ６０の電圧検知によるものとしてもスイッチング素子７４、７５、７６、７７の電流増大の検知は可能でありより容易な構成で負荷材質検知を行い加熱モードを切り替えることができる。

以上のように、本発明にかかる誘導加熱装置は、負荷の材質によらずより加熱出力を大きくすることが可能となるので、工業用誘導加熱等の用途にも適用できる。

本発明の実施の形態１における誘導加熱装置の回路構成図 同誘導加熱装置の負荷材質検知手段の検知入力の特性図 同誘導加熱装置の回路の各部波形を示す図 同誘導加熱装置の回路の各部波形を示す図 従来の誘導加熱装置の回路構成図 同誘導加熱装置の回路の各部波形を示す図

符号の説明

５９ 加熱コイル
６０ 共振コンデンサ
６３ 加熱出力制御回路（加熱出力制御手段）
７０ インバータ
７１ 力率改善回路（力率改善手段）
７２ 負荷材質検知手段
７４ 第１のスイッチング素子
７５ 第２のスイッチング素子
７６ 第３のスイッチング素子
７７ 第４のスイッチング素子
８３ 第１の切替手段
８４ 第２の切替手段
８５ 第１のコンデンサ
８６ 第２のコンデンサ
８７ 第３のコンデンサ

Claims (13)

1. 負荷を磁気結合させる加熱コイルと共振コンデンサを有する共振回路と、スイッチング素子を有し前記共振回路に電力を供給するインバータと、前記加熱コイルの加熱出力を制御する加熱出力制御手段と、商用交流を整流する整流手段と、前記負荷の材質を検知する負荷材質検知手段とを備え、前記共振コンデンサは少なくとも２つのコンデンサの直列回路からなり、前記第１のコンデンサに並列に第１の切替手段を接続し前記第２のコンデンサに並列に第３のコンデンサと第２の切替手段の直列回路を接続し、前記第３のコンデンサは第２のコンデンサより静電容量を大きくし、負荷材質検知結果に応じて第１の切替手段または第２の切替手段を切り替えて前記共振回路の共振周波数を切り替えるとともにスイッチング素子の駆動周波数を前記共振回路の略共振周波数と前記共振回路の共振周波数の略１／ｎ倍（ｎは２以上の整数）とに切り替えることを特徴とした誘導加熱装置。
2. 共振コンデンサは２つのコンデンサの直列回路とし、それぞれのコンデンサの静電容量は略同じとしたことを特徴とした請求項１に記載の誘導加熱装置。
3. インバータはフルブリッジ回路を有することを特徴とした請求項１〜２に記載の誘導加熱装置。
4. 整流手段からの整流出力を昇圧してインバータに供給するとともに商用交流の力率を改善する力率改善手段を有する請求項１〜３に記載の誘導加熱装置。
5. 負荷材質検知手段が負荷を高導電率かつ低透磁率の材質と検知した場合は第１の切替手段および第２の切替手段は開放し、ｎを３と切り替えることを特徴とした請求項１〜４に記載の誘導加熱装置。
6. 負荷材質検知手段が負荷を中間材質と検知した場合は第１の切替手段は短絡し第２の切替手段は開放し、ｎを３と切り替えることを特徴とした請求項１〜４に記載の誘導加熱装置。
7. 負荷材質検知手段が負荷を低電導率の材質と検知した場合は第１の切替手段および第２の切替手段は短絡し、スイッチング素子の駆動周波数を共振回路の略共振周波数としたことを特徴とした請求項１〜４に記載の誘導加熱装置。
8. 負荷材質検知結果に応じてｎを変化させる請求項１〜７に記載の誘導加熱装置。
9. 加熱出力に応じて力率改善手段の出力電圧を変化させる請求項１〜８に記載の誘導加熱装置。
10. 負荷材質検知結果に応じて力率改善手段の出力電圧を変化させる請求項１〜９に記載の誘導加熱装置。
11. 負荷材質検知結果に応じて力率改善手段の昇圧機能を停止させる請求項１〜１０に記載の誘導加熱装置。
12. 負荷材質検知手段は少なくとも、加熱出力に応じた出力をする加熱出力検知手段の出力と、共振コンデンサまたは加熱コイルの電圧または電流を検知する共振電圧検知手段の出力を入力とする請求項１〜１１に記載の誘導加熱装置。
13. 加熱出力検知手段は少なくとも入力電流、入力電圧、入力電力、共振回路電圧または共振回路電流のいずれか一つを検知するものとした請求項１２に記載の誘導加熱装置。

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