JP2008041282A - 誘導加熱調理器 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱効率の低下を回避し、また所定電力投入を容易にすることのできる誘導加熱調理器を得る。
【解決手段】直流電圧を変換して高周波の交流電圧を供給するインバータと、前記インバータの出力段に接続され、それぞれ略同心円状且つ略同一平面上に配設された複数の加熱コイルと、前記加熱コイルの下方に配設された高透磁率材料とを備えた誘導加熱調理器であって、前記各加熱コイルのインダクタンスをそれぞれ略一致させることを特徴とする。
【選択図】図６

Description

本発明は、複数の加熱コイルを有する誘導加熱調理器に関するものである。

従来、複数の加熱コイルを有する電気調理器に関する技術として、『ボディ内に着脱自在に収納される鍋１２の底面部を加熱する第１の加熱コイル１３と、前記鍋１２の底側面部を加熱する第２の加熱コイル１４とを備え、前記第１の加熱コイル１３と第２の加熱コイル１４を、各々独立に通電』し、『第１の加熱コイルと第２の加熱コイルは、その入力電力を略同一としてなる』というものが提案されている（特許文献１）。
また、加熱コイルと被加熱物との間のギャップを可変させ、インダクタンスを可変とする技術として、『直流電源と、前記直流電源の一端に接続される加熱コイルと、前記加熱コイルの他端と前記直流電源の他端に接続される第一スイッチング素子と、前記加熱コイルと共振回路を形成する第一共振コンデンサと、前記加熱コイルまたは前記第一共振コンデンサと並列接続される第二スイッチング素子と第二共振コンデンサの直列回路と、前記加熱コイルと負荷との間隙（以後、「ギャップ」と称する。）を変えるギャップ切替手段を有するインバータ回路と、前記インバータ回路を駆動・制御する駆動制御回路を備え、前記駆動制御回路は、前記両スイッチング素子を一定周波数で交互に導通するとともに、前記ギャップ切替手段は、前記加熱コイルにより加熱される負荷に応じてギャップを切替えてなる誘導加熱調理器。』というものが提案されている（特許文献２）。
また、『調理容器を載置するトッププレートと、前記トッププレートの下部に配設され前記調理容器を加熱する加熱コイルと、前記加熱コイル下方に磁性体を保持するとともに、前記加熱コイルを保持する加熱コイル保持部材とを有し、前記加熱コイル保持部材に絶縁板を載置し、絶縁板の厚みでトッププレートと加熱コイルとのギャップを所定の距離に維持した誘導加熱調理器。』というものも提案されている（特許文献３）。
さらには、有限要素法を用いて被加熱物とリターンヨークから加熱コイルのインダクタンス値を導出しているものもある（非特許文献１）。
特開平１０−１１３２７８号公報（要約、請求項４） 特開平１０−１５４５７５号公報（請求項４） 特開２００５−１２２９６４号公報（請求項１） ＡＮ ＩＮＶＥＳＴＩＧＡＴＩＯＮ ＯＦ ＴＨＥ ＡＮＡＬＹＴＩＣＡＬ ＣＯＭＰＵＴＡＴＩＯＮ ＯＦ ＩＮＤＵＣＴＡＮＣＥ ＡＮＤ ＡＣ ＲＥＳＩＳＴＡＮＣＥ ＯＦ ＴＨＥ ＨＥＡＴ−ＣＯＩＬ ＦＯＲ ＩＮＤＵＣＴＩＯＮ ＣＯＯＫＥＲＳ．（電磁調理器用加熱コイルのインダクタンスと交流抵抗の計算解析検討），ＩＥＥＥ（１９９３年）Ｐ．１１１３〜１１１９

略同心上且つ略同一平面上に配された径の異なる渦巻形状で形成される複数の加熱コイルを有する誘導加熱調理器において、インバータにより複数の加熱コイルに同時通電して被加熱物を誘導加熱する場合、各々の加熱コイル電流波形の間で位相差（以下、「コイル電流位相差」と称す）が生じ、交番磁束の打ち消し合いが起こることから加熱効率が低下する場合があるという課題があった。
また、加熱効率の低下を回避するためにコイル電流位相差を０に近づけると、加熱効率は向上するものの、コイル電流が減少し所定電力投入が困難となる場合があるという課題もあった。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、加熱効率の低下を回避し、また所定電力投入を容易にすることのできる誘導加熱調理器を得ることを目的とするものである。

本発明に係る誘導加熱調理器は、
直流電圧を変換して高周波の交流電圧を供給するインバータと、
前記インバータの出力段に接続され、それぞれ略同心円状且つ略同一平面上に配設された複数の加熱コイルと、
前記加熱コイルの下方に配設された高透磁率材料（以後、リターンヨークと呼ぶ）とを備えた誘導加熱調理器であって、
前記各加熱コイルのインダクタンスをそれぞれ略一致させることを特徴とする。

本発明に係る誘導加熱調理器によれば、加熱効率の低下を回避するとともに、所定電力投入を容易にすることができる。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る誘導加熱調理器の回路構成図を示すものである。
図１において、商用電源１からの電圧は、整流回路２および平滑回路３により直流電圧となり、アーム４ａ〜４ｃを有するインバータに供給される。
インバータのアーム４ａ〜４ｃは、それぞれスイッチング素子を有し、アーム４ｃを共通アームとして、アーム４ａとアーム４ｃで１つのフルブリッジインバータを構成するとともに、アーム４ｂとアーム４ｃでもう１つのフルブリッジインバータを構成する。
アーム４ａとアーム４ｃで構成されるフルブリッジインバータの出力段には、内側コイル（以下、「コイル５ａ」と称す）と共振コンデンサ６ａの直列共振回路が接続される。
アーム４ｂとアーム４ｃで構成されるフルブリッジインバータの出力段には、外側コイル（以下、「コイル５ｂ」と称す）と共振コンデンサ６ｂの直列共振回路が接続される。
コイル５ａとコイル５ｂは、その線材が略同心状且つ略同一平面上に配された径の異なる渦巻形状で形成されている。
制御手段７は、インバータの各アームの駆動を制御する信号を出力する。

図２は、本実施の形態１に係る誘導加熱調理器の加熱コイルの１／２断面図である。
図１のコイル５ａとコイル５ｂは、コイルベース１０により一体化固定されている。
また、コイル５ａとコイル５ｂの下方にはコイルベース１０を介して高透磁率材料（以下、「リターンヨーク９」と称す）が配されている。
コイル５ａ、コイル５ｂの上面には、天板１１を介して被加熱物８が載置される。
なお、本発明における「被加熱物載置手段」は、上記天板１１が該当する。

上記のように構成された加熱コイルにおいて天板１１の上面に被加熱物８が載置されると、コイル５ａとコイル５ｂはそれぞれ、被加熱物８とリターンヨーク９による磁界強度で決定するインダクタンス値Ｌａ、Ｌｂを有することになる。
コイル５ａは共振コンデンサ６ａ（容量Ｃａ）と直列共振回路を形成し、またコイル５ｂは共振コンデンサ６ｂ（容量Ｃｂ）と別の直列共振回路を形成している。

図３は、制御手段７が出力するアーム駆動用信号の波形を示すものである。
制御手段７からの出力信号によりアーム４ａとアーム４ｃで構成されるフルブリッジインバータが動作を始めることで、コイル５ａと共振コンデンサ６ａの直列共振回路が通電される。
また、アーム４ｂとアーム４ｃで構成されるフルブリッジインバータが動作を始めることでコイル５ｂと共振コンデンサ６ｂの直列共振回路が通電される。
これら同時通電により、コイル５ａとコイル５ｂの上面に載置された被加熱物８は誘導加熱される。

このとき、共通アーム４ｃを基準として、アーム４ａの駆動信号とアーム４ｂの駆動信号には、位相差が生じる場合がある（以下、「火力設定位相差」と称す）。
以下、この火力設定位相差に起因して生じる、各アームに流れる電流の変化と、入力電力の変化とについて説明する。

図４は、コイル５ａに流れる電流とコイル５ｂに流れる電流の波形を図示するものである。
図１のように、略同心上且つ略同一平面上に配された２つの加熱コイルにより被加熱物８を誘導加熱した時、コイル５ａ、５ｂと共振コンデンサ６ａ、６ｂからなる直列共振回路の定数（加熱コイルインダクタンスＬａ、Ｌｂ値と共振コンデンサ容量Ｃａ、Ｃｂ値）によっては、コイル５ａに流れる電流（以下、「内コイル電流」と称す）とコイル５ｂに流れる電流（以下、「外コイル電流」と称す）との間に図４（Ａ）に示すようなコイル電流位相差が生じる。
しかし、Ｌａ値とＬｂ値が略一致した加熱コイルを用いた場合は、図４（Ｂ）に示すようにコイル電流位相差≒０でコイル電流が増大し、インバータへの入力電力も増大することで所定電力投入が可能となる。そしてこの時加熱効率は最大値を得ることになる。

本発明者は、上記の裏づけとなる、Ｌａ値とＬｂ値が大きく異なった加熱コイルを用いた場合のコイル電流位相差や加熱効率等のデータ（後述の図５）を得ている。次に、このデータについて説明する。

図５は、制御手段７から出力されるアーム４ａとアーム４ｂの駆動信号（図３を参照）の位相差を様々に変化させた時のグラフである。
図５によると、火力設定位相差の変化に伴って、コイル電流やコイル電流位相差、インバータへの入力電力、加熱効率が変化していることが分かる。
加熱効率は、コイル電流位相差が大きくなるほど低下するが、これは交番磁束の打ち消し合いが起こり、コイル損失が増大することに起因する。
加熱効率を向上させるため、火力設定位相差を調整することでコイル電流位相差≒０とすると（図５の点線部）、加熱効率は向上する一方で、コイル電流が減少することによりインバータへの入力電力も減少してしまい、所定電力投入が困難となる問題が発生する。即ち、加熱効率の向上と所定電力投入とを両立させることが困難になるという課題が生ずる。

しかし、Ｌａ値とＬｂ値が略一致した加熱コイルを用いた場合は、先の図４（Ｂ）に示した通り、コイル電流位相差≒０でコイル電流が増大する。即ち、コイル電流位相差≒０でインバータへの入力電力も増大するので、コイル電流位相差≒０としたときであっても、所定電力を投入することが容易となる。
そして、コイル電流位相差≒０の時に加熱効率が最大値を得ることは、図５に示す通りである。
即ち、Ｌａ値とＬｂ値が略一致した加熱コイルを用いることにより、コイル電流位相差≒０とすることで加熱効率を最大化しながらも、所定電力投入を容易にすることを同時に達成できるのである。

そこで、本実施の形態１では、コイル５ａとコイル５ｂのいずれか一方、又は双方の線材巻数を調整することにより、Ｌａ≒Ｌｂとなるようにしている。
巻数調整方法としては、Ｌａ＞Ｌｂの場合はコイル５ａの巻数を減らす、又はコイル５ｂの巻数を増やすようにし、Ｌａ＜Ｌｂの場合はコイル５ａの巻数を増やす、又はコイル５ｂの巻数を減らすことで行うことができる。

本実施の形態１では、略同心上且つ略同一平面上に配された加熱コイル個数を２つとしているが、その限りでは無く、加熱コイル個数を３つ以上としても良い。３つ以上とする場合、スイッチング素子で構成されるアーム個数を加熱コイル個数に応じて増設することで実現可能である。
また、本実施の形態１では、インバータ構成と火力制御方法を、３アームによる２フルブリッジインバータ位相可変制御としているが、その限りでは無く、４アームによる２フルブリッジインバータ位相可変制御や、２アームによる２ハーフブリッジインバータデューティ可変制御等としても効果は同様であることを記しておく。

以上のように、本実施の形態１によれば、略同心上且つ略同一平面上に配された２つの加熱コイルのインダクタンス値を加熱コイル毎の巻数調整により略一致させるようにしているので、
コイル電流位相差をなくすことができ、加熱効率の低下を回避し、また所定電力投入を容易にすることができる。また、２つの加熱コイルは略同心上且つ略同一平面上としているため、非同心上且つ略同一平面上でインダクタンス値が略一致した２つの加熱コイルとした場合（左右に隣接させて設置、図示せず）と比較して、被加熱物底面の加熱むらがなくなり、均一加熱が可能となるという効果がある。

実施の形態２．
実施の形態１では、略同心上且つ略同一平面上に配された２つの加熱コイルのインダクタンス値Ｌａ、Ｌｂの関係をＬａ≒Ｌｂとするのに、加熱コイル毎に線材巻数を調整するようにした。
本発明の実施の形態２では、加熱コイルの線材と被加熱物との間隙（ギャップ）を加熱コイル毎に調整するようにしてインダクタンス値を略一致させる構成を示す。

図６は、本実施の形態２に係る誘導加熱調理器の加熱コイルの１／２断面図である。
図６において、コイルベース１０は加熱コイル毎に設けられており、コイル５ａ下面のコイルベース１０と、コイル５ｂ下面のコイルベース１０とは段差を有している。
従って、コイル５ａと被加熱物８（天板１１）との間のギャップは、コイル５ｂと被加熱物８（天板１１）との間のギャップと異なる構成となっている。
また、コイル５ａと被加熱物８との間のギャップは、制御手段７の出力信号に基づきコイルギャップ調整手段１２を機械的に上下方向へ可動させ、これに伴いコイルベースを上下方向に移動させることにより調整できる構成としている。
リターンヨークは、加熱コイル毎に設けられたコイルベースに対応して設けられ、個々のコイルベースの下方に固定されている。即ち、リターンヨークは加熱コイル毎に設けられていることになる。図６においては、コイル５ａに対応するリターンヨークをリターンヨーク９、コイル５ｂに対応するリターンヨークをリターンヨーク９’としている。
コイルギャップ調整手段１２が上下方向へ可動すると、コイルベースと、その下方に固定されたリターンヨークとが、これに伴って上下方向に移動する。
その他の加熱コイル構成やインバータ構成は実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。

次に、本実施の形態２に係る誘導加熱調理器の動作について説明する。
線材巻数で決定したインダクタンス値がＬａ＞Ｌｂの場合には、図６に示すようにコイル５ａと被加熱物８とのギャップを小さくすることにより被加熱物内の渦電流による反発磁界によってＬａ値は小さくなり、Ｌａ≒Ｌｂとすることが可能となる。
Ｌａ＜Ｌｂの場合には、コイル５ａと被加熱物８とのギャップを大きくすることにより被加熱物内の渦電流による反発磁界は弱められＬａ値は大きくなり、Ｌａ≒Ｌｂとすることが可能となる。
このようにすることで、コイル５ａとコイル５ｂのインダクタンス値を略一致させるに際し、物理的制約やコイル損失抑制（＝コイル電流抑制）の理由等によりコイル５ａとコイル５ｂの線材巻数調整が困難な場合にも、コイルベース形状の工夫と、コイルギャップ調整手段１２とにより、コイル５ａと被加熱物８とのギャップを変化させ、インダクタンスを略一致にすることができる。

また、加熱コイルの個体ばらつきによりＬａ＞Ｌｂとなった場合には、コイル５ａと被加熱物８とのギャップが小さくなるような信号を制御手段７からコイルギャップ調整手段１２に供給することで、Ｌａ≒Ｌｂ特性を有する加熱コイルを得ることが可能となる。
同様に、Ｌａ＜Ｌｂとなった場合には、コイル５ａと被加熱物８とのギャップが大きくなるような信号を制御手段７からコイルギャップ調整手段１２に供給することで、Ｌａ≒Ｌｂ特性を有する加熱コイルを得ることが可能となる。
このようにすることで、加熱コイル個体ばらつき（コイル電気特性のばらつき）が生じた時にもＬａ≒Ｌｂとすることができる。

本実施の形態２においては、コイル５ａと被加熱物８とのギャップを調整する（可変する）ようにしているが、この限りでは無く、コイル５ｂと被加熱物８とのギャップを調整する（可変する）ようにしても効果は同様であることを記しておく。
また、コイルが３つ以上ある場合は、例えばそれぞれの加熱コイル毎にコイルギャップ調整手段を設けることで、同様の効果が得られる。
なお、コイルギャップ調整手段１２を設けない場合であっても、製品製造時の段階において、あらかじめＬａ≒Ｌｂとなるようにギャップを調整しておくことにより、被加熱物８の材質・形状等が極端でなければ、同様の効果が得られる。
即ち、被加熱物８の径が極端に小さい（例えば小鍋）場合や、形状が長方形であるような場合を除けば、被加熱物８を天板１１に載置した後も、Ｌａ≒Ｌｂの状態を維持することができる。

以上のように、本実施の形態２によれば、加熱コイルと被加熱物とのギャップを加熱コイル毎に調整し、インダクタンスを略一致させているので、
物理的制約やコイル損失抑制（＝コイル電流抑制）の理由等によりコイル５ａとコイル５ｂの線材巻数調整が困難な場合にも２つの加熱コイルのインダクタンス値を略一致させることができ、コイル電流位相差をなくすことができることから加熱効率の低下を回避し、また所定電力投入を容易にすることができる。
また、加熱コイル工作上、コイル電気特性に個体ばらつきが生じても、コイルギャップ調整手段を用いることによりインダクタンス値を略一致させることが可能となり、加熱コイル個体ばらつきによる性能不具合を解消することができる。

実施の形態３．
本発明の実施の形態３に係る誘導加熱調理器は、複数の加熱コイルのインダクタンス値を略一致とするために調整を行う加熱コイルと被加熱物とのギャップを、最大で７ｍｍまでに限定したものである。
加熱コイル構成やインバータ構成は実施の形態２と同様であり説明を省略する。

図７は、本発明者が実験で得た、加熱コイル（コイル５ａとコイル５ｂ）と被加熱物８とのギャップを様々に変化させた時の加熱コイル損失と加熱効率のデータを示す説明図である。以下、図７のデータについて説明する。
加熱コイル（コイル５ａとコイル５ｂ）の線材と被加熱物８とのギャップを４．５ｍｍ〜１０．５ｍｍの範囲で変化させた時の加熱コイル損失と加熱効率を測定したところ、図７に示すように、ギャップ増加に伴い加熱コイル損失は増大するが、加熱効率は約７ｍｍまでは低下しないという結果であった。
コイル損失の増大は、インバータへの入力電力が一定である状態で、ギャップの増加に伴いコイル電流が増大するためであり、加熱効率の低下は、ギャップの増加に伴い被加熱物８への交番磁束が低減するためであるが、図７のデータから、交番磁束の低減割合はギャップ４．５ｍｍ〜７ｍｍ程度では変化が無いと言える。

ここで、本データでは天板１１の厚みを４ｍｍとしているため、「コイル線材と被加熱物とのギャップ７ｍｍ」時のコイル線材と天板１１下面との距離は３ｍｍであることに留意する。

以上のように、本実施の形態３によれば、加熱コイルの線材と被加熱物８とのギャップを７ｍｍ以下としているので、
ギャップ増加による加熱効率の低下を回避することができ、且つ複数の加熱コイルのインダクタンス値を略一致させることができ、高性能な誘導加熱調理器を提供することが可能となる。

実施の形態４．
実施の形態２では、略同心上且つ略同一平面上に配された２つの加熱コイルのインダクタンス値Ｌａ、Ｌｂの関係をＬａ≒Ｌｂとするのに、加熱コイルの線材と被加熱物との間隙（ギャップ）を加熱コイル毎に調整するようにしたものであるが、本発明の実施の形態４においては、加熱コイルの線材とリターンヨークとの間隙（ギャップ）を加熱コイル毎に調整するようにしてインダクタンス値を略一致させる構成を示す。

図８は、本実施の形態４に係る誘導加熱調理器の加熱コイルの１／２断面図である。
図８において、リターンヨークは加熱コイル毎に設けられており、コイル５ａ下面のリターンヨーク９と、コイル５ｂ下面のリターンヨーク９’とは段差を有している。
従って、コイル５ａとリターンヨーク９との間のギャップは、コイル５ｂとリターンヨーク９’との間のギャップと異なる構成となっている。
また、コイル５ａとリターンヨーク９とのギャップは、制御手段７の出力信号に基づきリターンヨークギャップ調整手段１３を機械的に上下方向へ可動させ、これに伴いリターンヨークを上下方向に移動させることにより調整できる構成としている。
その他の加熱コイル構成やインバータ構成は実施の形態２と同様であるので、説明を省略する。

次に、本実施の形態４に係る誘導加熱調理器の動作について説明する。
線材巻数で決定したインダクタンス値がＬａ＞Ｌｂの場合には，図８に示すようにコイル５ａとリターンヨーク９とのギャップを大きくすることにより線材の磁界強度が弱まることからＬａ値は小さくなり、Ｌａ≒Ｌｂとすることが可能となる。
Ｌａ＜Ｌｂの場合には、コイル５ａとリターンヨーク９とのギャップを小さくすることにより線材の磁界強度が強まることからＬａ値は大きくなり、Ｌａ≒Ｌｂとすることが可能となる。
このようにすることで、コイル５ａとコイル５ｂのインダクタンス値を略一致させるに際し、物理的制約やコイル損失抑制（＝コイル電流抑制）の理由等によりコイル５ａとコイル５ｂの線材巻数調整が困難な場合にも、コイルベース形状の工夫とリターンヨークギャップ調整手段１３により、コイル５ａとリターンヨーク９とのギャップを変化させ、インダクタンスを略一致させることができる。

また、加熱コイルの個体ばらつきによりＬａ＞Ｌｂとなった場合には、コイル５ａとリターンヨーク９とのギャップが大きくなるような信号を制御手段７からリターンヨークギャップ調整手段１３に供給することで、Ｌａ≒Ｌｂ特性を有する加熱コイルを得ることが可能となる。
同様に、個体ばらつきによりＬａ＜Ｌｂとなった場合には、コイル５ａとリターンヨーク９とのギャップが小さくなるような信号を制御手段７からリターンヨークギャップ調整手段１３に供給することで、Ｌａ≒Ｌｂ特性を有する加熱コイルを得ることが可能となる。
このようにすることで、加熱コイル個体ばらつき（コイル電気特性のばらつき）が生じた時にもＬａ≒Ｌｂとすることができる。

本実施の形態４においては、コイル５ａとリターンヨーク９とのギャップを調整するようにしているが、この限りでは無く、コイル５ｂとリターンヨーク９’とのギャップを調整するようにしても効果は同様であることを記しておく。
また、コイルが３つ以上ある場合は、例えばそれぞれの加熱コイル毎にリターンヨークギャップ調整手段を設けることで、同様の効果が得られる。
なお、リターンヨークギャップ調整手段１３を設けない場合であっても、製品製造時の段階において、あらかじめＬａ≒Ｌｂとなるようにギャップを調整しておくことにより、被加熱物８の材質・形状等が極端でなければ、同様の効果が得られる。
即ち、被加熱物８の径が極端に小さい（例えば小鍋）場合や、形状が長方形であるような場合を除けば、被加熱物８を天板１１に載置した後も、Ｌａ≒Ｌｂの状態を維持することができる。

以上のように、本実施の形態４によれば、加熱コイルとリターンヨーク９とのギャップを加熱コイル毎に調整し、インダクタンスを略一致させているので、
物理的制約やコイル損失抑制（＝コイル電流抑制）の理由等によりコイル５ａとコイル５ｂの線材巻数調整が困難な場合にも２つの加熱コイルのインダクタンス値を略一致させることができ、コイル電流位相差をなくすことができることから加熱効率の低下を回避し、また所定電力投入を容易にすることができる。
また、加熱コイル工作上、コイル電気特性に個体ばらつきが生じても、リターンヨークギャップ調整手段を用いることによりインダクタンス値を略一致させることが可能となり、加熱コイル個体ばらつきによる性能不具合を解消することができる。

実施の形態５．
実施の形態４では、略同心上且つ略同一平面上に配された２つの加熱コイルのインダクタンス値Ｌａ、Ｌｂの関係をＬａ≒Ｌｂとするのに、加熱コイルの線材とリターンヨークとの間隙（ギャップ）を加熱コイル毎に調整するようにした。
本発明の実施の形態５においては、リターンヨークの材質又はサイズを加熱コイル毎に異ならせるようにしてインダクタンス値を略一致させる構成を示す。

図９は、本実施の形態５に係る誘導加熱調理器の加熱コイルの１／２下面図である。
図９において、コイル５ａ下面のリターンヨーク９と、コイル５ｂ下面のリターンヨーク９’とは材質、サイズのいずれか一方又はその双方を異ならせた構成となっている。
その他の加熱コイル構成やインバータ構成は実施の形態４と同様であるので、説明を省略する。

次に、本実施の形態５におけるリターンヨーク９、９’について説明する。
線材巻数で決定したインダクタンス値がＬａ＞Ｌｂの場合には、リターンヨーク９の材質をリターンヨーク９’より低透磁率材料とする、又はリターンヨーク９のサイズをリターンヨーク９’よりも小さくすることによりＬａ値は小さくなり，Ｌａ≒Ｌｂとすることが可能となる。
Ｌａ＜Ｌｂの場合には、図９に示すようにリターンヨーク９の材質をリターンヨーク９’より高透磁率材料とする、又はリターンヨーク９のサイズをリターンヨーク９’よりも大きくすることによりＬａ値は大きくなり、Ｌａ≒Ｌｂとすることが可能となる。
このようにすることで、コイル５ａとコイル５ｂのインダクタンス値を略一致させるに際し、物理的制約やコイル損失抑制（＝コイル電流抑制）の理由等によりコイル５ａとコイル５ｂの線材巻数調整が困難な場合にも、リターンヨークの素材や大きさを工夫することで、Ｌａ≒Ｌｂとすることができる。

本実施の形態５においては、リターンヨーク９の材質や大きさを、リターンヨーク９’と比較して変更させているが、この限りではなく、リターンヨーク９’の材質や大きさを変更させても効果は同様であることを記しておく。
また、リターンヨークの材質、サイズのいずれか一方のみを変更することとしたが、材質とサイズの双方を変更させることとしても効果は同様である。

また、図９においては、加熱コイルの下方に、加熱コイルの同心円中心から放射状にリターンヨークが配設された例を示したが、これに限られるものではなく、リターンヨーク９とリターンヨーク９’の材質、サイズのいずれか一方又はその双方を加熱コイル毎に異ならせるようにするものであれば、リターンヨークの配置形状は問わない。

以上のように、本実施の形態５によれば、リターンヨーク９とリターンヨーク９’の材質、サイズのいずれか一方又はその双方を加熱コイル毎に異ならせ、インダクタンスを略一致させているので、
物理的制約やコイル損失抑制（＝コイル電流抑制）の理由等によりコイル５ａとコイル５ｂの線材巻数調整が困難な場合にも２つの加熱コイルのインダクタンス値を略一致させることができ、コイル電流位相差をなくすことができる。
これにより、加熱効率の低下を回避し、また所定電力投入を容易にすることができる。さらには、従来形状のコイルベース１０でインダクタンス値を略一致させることができるため、設計が容易で安価な加熱コイルを得ることができる。

実施の形態６．
実施の形態５では、略同心上且つ略同一平面上に配された２つの加熱コイルのインダクタンス値Ｌａ、Ｌｂの関係をＬａ≒Ｌｂとするのに、リターンヨークの材質、サイズのいずれか一方又はその双方を加熱コイル毎に異ならせるようにした。
本発明の実施の形態６においては、複数の加熱コイルそれぞれの巻回始めと巻回終わり間の距離（巻きピッチ）を加熱コイル毎に調整する、又は複数の加熱コイルのうち、内側加熱コイル外径と外側加熱コイル内径との距離（スペース）、即ち加熱コイルの配置間隔を調整することによりインダクタンス値を略一致させる構成を示す。

図１０は、本実施の形態６に係る誘導加熱調理器の加熱コイルの１／２断面図である。
図１０は、図２と比較してコイル５ａとコイル５ｂ夫々の巻きピッチを調整する、又はコイル５ａ外径とコイル５ｂ内径とのスペースを調整した場合であり、コイル損失抑制（＝コイル電流抑制）の理由からコイル５ａとコイル５ｂの線材巻数調整は行っておらずコイル５ａ、コイル５ｂ共に図２と巻数を同値としている。
その他の加熱コイル構成やインバータ構成は実施の形態１と同様であるので、説明を省略する。

次に、本実施の形態６における巻きピッチと加熱コイルスペースについて説明する。
コイル５ａとコイル５ｂのインダクタンス値を略一致させるに際し、コイル損失抑制（＝コイル電流抑制）の理由等によりコイル５ａとコイル５ｂの線材巻数調整が困難な場合には、以下のようにしてインダクタンスの調整を行う。

（１）巻きピッチの調整
コイル５ａとコイル５ｂ夫々の巻きピッチ（図１０の矢印部）を調整することでインダクタンスの調整を行う。これは線材の撚りピッチを大きくし、線材の巻きテンションを大きくして巻きピッチを小さくする、また線材の撚りピッチを小さくし、線材の巻きテンションを小さくして巻きピッチを大きくすることで調整可能である。
巻きピッチを小さくすると被加熱物８との重なり面積が減少するために被加熱物８と交錯する交番磁束が減少し、インダクタンス値は小さくなる。逆に巻きピッチを大きくすると被加熱物８との重なり面積が増加するために被加熱物８と交錯する交番磁束が増加し、インダクタンス値は大きくなる。
このようにして加熱コイルの線材巻数調整を行うことなく、インダクタンス値調整を行うことができる。
（２）加熱コイルの配置間隔の調整
コイル５ａ外径とコイル５ｂ内径とのスペース（図１０の矢印部）、即ち加熱コイルの配置間隔を調整することでインダクタンスの調整を行う。コイル５ａとコイル５ｂは被加熱物８を介して電磁的結合しているため、スペースを変えることのみでインダクタンス値調整が可能である。
このようにして加熱コイルの線材巻数調整を行うことなく、インダクタンス値調整を行うことができる。

本実施の形態６においては、加熱コイルの巻きピッチを加熱コイル毎に調整する、又はコイル５ａとコイル５ｂとの配置間隔を調整することとしたが、巻きピッチと配置間隔の双方を調整することとしても、同様の効果が得られることを付言しておく。
また、加熱コイルが３つ以上ある場合には、それぞれの加熱コイルの巻きピッチや配置間隔を調整することで、同様の効果が得られる。

以上のように，加熱コイルの巻きピッチを加熱コイル毎に調整する、又はコイル５ａ外径とコイル５ｂ内径とのスペースを調整するようにしているので、
実施の形態５と同様に物理的制約やコイル損失抑制（＝コイル電流抑制）の理由等によりコイル５ａとコイル５ｂの線材巻数調整が困難な場合にも２つの加熱コイルのインダクタンス値を略一致させることができ、コイル電流位相差をなくすことができる。
これにより、加熱効率の低下を回避し、また所定電力投入を容易にすることができる。さらには、従来形状のコイルベース１０でインダクタンス値を略一致させることができるため、設計が容易で安価な加熱コイルを得ることができる。

実施の形態７．
本発明の実施の形態７に係る誘導加熱調理器は、複数の加熱コイルのインダクタンス値を略一致とするために調整を行う内側加熱コイル外径と外側加熱コイル内径との距離（スペース）、即ち加熱コイル間の配置間隔を、４ｍｍ以上に限定したものである。
加熱コイル構成やインバータ構成は実施の形態６と同様であり説明を省略する。

図１１は、本発明者が実験で得た、コイル５ａとコイル５ｂ間スペースを様々に変化させた時のコイル５ａとコイル５ｂの結合係数を算出したデータを示す説明図である。以下、図１１のデータ説明を行う。
コイル５ａとコイル５ｂのスペースを０ｍｍ〜８ｍｍの範囲で変化させた時のコイル５ａとコイル５ｂの結合係数を有限要素シミュレーションで算出したところ、スペースの増加に伴い結合係数は低下するという結果であった。
これは、スペースの増加に伴いコイル５ａが発生する交番磁束がコイル５ｂを交錯しにくくなり、且つコイル５ｂが発生する交番磁束がコイル５ａを交錯しにくくなることに起因する。

ここで、図１に示すインバータにて径（サイズ）の小さい被加熱物８（以下、「小鍋」と称す）を誘導加熱する際、制御手段７からの出力信号によりアーム４ｂの動作を停止して、アーム４ａとアーム４ｃのみを動作させてコイル５ａのみ通電で加熱動作を行う（以下、「小鍋モード駆動」と称す）ことが可能である。天板１１上に小鍋が載置された場合に小鍋モード駆動とすることで、加熱効率の向上と漏洩磁束の低減を図ることができる。
しかし、コイル５ａとコイル５ｂのスペースが小さく、コイル５ａとコイル５ｂの結合係数が０．４以上となると、小鍋モード駆動時にコイル５ｂに“誘導電流”が多大に流れてしまい、漏洩磁束の増大につながる。
即ち、結合係数が０．４以下であれば“誘導電流”は少なく、漏洩磁束も低減されることから、結合係数を０．４以下とするのが望ましい。図１１に示すデータより、結合係数が０．４以下となるのは、コイル５ａとコイル５ｂのスペースが４ｍｍ以上の場合であることが分かる。

以上のように、コイル５ａとコイル５ｂのスペースを４ｍｍ以上としているので、
小鍋モード駆動時の漏洩磁束を低減することができ、且つ複数の加熱コイルのインダクタンス値を略一致させることができ、高性能な誘導加熱調理器を提供することが可能となる。

実施の形態８．
本発明の実施の形態８に係る誘導加熱調理器は、複数の加熱コイルに流れるコイル電流を加熱コイル毎に調整することによりインダクタンス値を略一致させるものである。
加熱コイル構成やインバータ構成は実施の形態１〜７と同様であり説明を省略する。

次に、本実施の形態８に係る誘導加熱調理器動作について説明する。
先述のとおり、図１に示すインバータは制御手段７からの出力信号（図３）を受けて動作を行うが、アーム４ｃ駆動信号に対するアーム４ａ駆動信号の位相や、アーム４ｃ駆動信号に対するアーム４ｂ駆動信号の位相（即ち、火力設定値）をそれぞれ可変することにより、内コイル電流値や外コイル電流値はそれぞれ変化する。
これら加熱コイル電流値とインダクタンス値との間には、下式（１）が成立する。

即ち、制御手段７にて内コイル電流値と外コイル電流値を可変することにより、コイル５ａとコイル５ｂのインダクタンス値がＬａ≒Ｌｂとなるように調整することができる。

以上のように、複数の加熱コイルに流れるコイル電流を加熱コイル毎に調整するようにしているので、
物理的制約の理由等によりコイル５ａとコイル５ｂの線材巻数調整が困難な場合にもインバータ制御方法の工夫で２つの加熱コイルのインダクタンス値を略一致させることができ、コイル電流位相差をなくすことができることから加熱効率の低下を回避し、また所定電力投入を容易にすることができる。

実施の形態９．
以上の実施の形態１〜８では、略同心上且つ略同一平面上に配された２つの加熱コイルのインダクタンス値Ｌａ、Ｌｂの関係をＬａ≒Ｌｂとするための調整手段について述べたものであるが、本発明の実施の形態９においては、複数の加熱コイルの線材撚り数を加熱コイル毎に異ならせる構成を示す。

図１２は、本実施の形態９に係る誘導加熱調理器の加熱コイルの１／２断面図である。
図１２において、コイル５ａとコイル５ｂには素線を複数撚り合わせたリッツ線材を使用している。その他の加熱コイル構成やインバータ構成は実施の形態１〜８と同様であり説明を省略する。

次に、本実施の形態９に係る誘導加熱調理器の動作と、加熱コイルの線材撚り数との関係について説明する。
実施の形態１〜８で示す調整手段によりコイル５ａとコイル５ｂのインダクタンス値を略一致させ、図１に示すインバータのアーム４ａ、４ｂ、４ｃを駆動させることでコイル５ａとコイル５ｂに通電させる。
この動作により加熱コイル上面に載置された被加熱物８は誘導加熱されるが、この時コイル５ａとコイル５ｂは各々に流れるコイル電流に応じて発熱するため、例えばコイルベース１０下方からコイル５ａとコイル５ｂの線材に向けて送風させることにより線材を冷却する必要がある。

しかしながら、必要冷却風量が得られないなどの場合はコイル線材を十分に冷却することができないため、リッツ線の最外円周を略同一としながら素線径を小さくして撚り数を多くする線材構造を採る。
例えば、加熱コイル内側（コイル５ａ近辺）の冷却能力が不足した場合、図１２に示すように、コイル５ａのリッツ線構造の最外円周を略同一としながら素線径を小さくして撚り数を多くすることでコイル５ａの巻線抵抗を小さくし（表皮効果による）、コイル５ａのコイル損失を低減させてコイル５ａ温度を低減する。
加熱コイル外側（コイル５ｂ近辺）の冷却能力が不足した場合は、コイル５ｂのリッツ線構造の最外円周を略同一としながら素線径を小さくして撚り数を多くすることでコイル５ｂの巻線抵抗を小さくし（表皮効果による）、コイル５ｂのコイル損失を低減させてコイル５ｂ温度を低減する。

ここで、巻数不変でリッツ線の最外円周を略同一としているため、素線径を小さくして撚り数を多くしてもインダクタンス値は略同一であり、故にコイル５ａとコイル５ｂのインダクタンス値の関係は略一致が保たれる。

以上のように、本実施の形態９によれば、複数の加熱コイルをリッツ線構造とし，リッツ線の最外円周を略同一としながら素線径を変えることで、加熱コイルの冷却能力に応じて線材撚り数を加熱コイル毎に異ならせるようにしているので、
コイル温度が高い側のコイル温度を低減できると共に、複数の加熱コイルのインダクタンス値は略一致が保たれるため、コイル電流位相差をなくすことができることから加熱効率の低下を回避し、また所定電力投入を容易にすることができる。
さらに、加熱コイルの冷却能力に応じて加熱コイル毎の撚り数を決定するようにしているので、冷却能力の高い側の加熱コイルについては撚り数を少なくでき，安価な加熱コイルを得ることができる。

実施の形態１０．
本発明の実施の形態１０に係る誘導加熱調理器では、インバータを構成する複数のスイッチング素子を１つのモジュール（パワーモジュール）に収める構成について説明する。

図１におけるインバータ用アーム４ａ〜４ｃを構成する６つのスイッチング素子（ＩＧＢＴ等により構成される）は、ディスクリート部品による構成ではなく、ＩＰＭ（Ｉｎｔｔｅｌｉｇｅｎｔ Ｐｏｗｅｒ Ｍｏｄｕｌｅ）として実装することができる。
ＩＰＭは、ＩＧＢＴなどのパワーデバイスと、その駆動回路や保護回路などを組み込んで構成したモジュールである。
図１におけるインバータ用アーム４ａ〜４ｃを構成する６つのスイッチング素子をＩＰＭに収めた構成とすることで、ノイズ耐性向上による信頼性の改善や、部品数削減による工作性の改善効果が得られる。

実施の形態１に係る誘導加熱調理器の回路構成図を示すものである。 実施の形態１に係る誘導加熱調理器の加熱コイルの１／２断面図である。 制御手段７が出力するアーム駆動用信号の波形を示すものである。 コイル５ａに流れる電流と、コイル５ｂに流れる電流との波形を図示するものである。 制御手段７から出力されるアーム４ａとアーム４ｂ駆動信号（図３を参照）のタイミングを様々に変化させた時のグラフである。 実施の形態２に係る誘導加熱調理器の加熱コイルの１／２断面図である。 加熱コイル（コイル５ａとコイル５ｂ）と被加熱物８とのギャップを様々に変化させた時の加熱コイル損失と加熱効率のデータを示す説明図である。 実施の形態４に係る誘導加熱調理器の加熱コイルの１／２断面図である。 実施の形態５に係る誘導加熱調理器の加熱コイルの１／２下面図である。 実施の形態６に係る誘導加熱調理器の加熱コイルの１／２断面図である。 コイル５ａとコイル５ｂ間スペースを様々に変化させた時のコイル５ａとコイル５ｂの結合係数を算出したデータを示す説明図である。 実施の形態９に係る誘導加熱調理器の加熱コイルの１／２断面図である。

符号の説明

１ 商用電源、２ 整流回路、３ 平滑回路、４ａ〜４ｃ インバータ用アーム、５ａ〜５ｂ 加熱コイル、６ａ〜６ｂ 共振コンデンサ、７ 制御手段、８ 被加熱物、９〜９’ リターンヨーク、１０ コイルベース、１１ 天板、１２ コイルギャップ調整手段、１３ リターンヨークギャップ調整手段。

Claims (17)

1. 直流電圧を変換して高周波の交流電圧を供給するインバータと、
   前記インバータの出力段に接続され、それぞれ略同心円状且つ略同一平面上に配設された複数の加熱コイルと、
   前記加熱コイルの下方に配設された高透磁率材料（以後、リターンヨークと呼ぶ）とを備えた誘導加熱調理器であって、
   前記各加熱コイルのインダクタンスがそれぞれ略一致するように、各加熱コイルの巻数を調整したことを特徴とする誘導加熱調理器。
2. 直流電圧を変換して高周波の交流電圧を供給するインバータと、
   前記インバータの出力段に接続され、それぞれ略同心円状且つ略同一平面上に配設された複数の加熱コイルと、
   前記加熱コイルの上方に配設された被加熱物載置手段と、
   前記加熱コイルの下方に加熱コイル毎に配設されたリターンヨークとを備えた誘導加熱調理器であって、
   前記被加熱物載置手段に被加熱物を載置した際に、前記各加熱コイルのインダクタンスがそれぞれ略一致するように、各加熱コイルと前記被加熱物載置手段との間のギャップを調整したことを特徴とする誘導加熱調理器。
3. 前記加熱コイルと前記被加熱物載置手段との間のギャップを調整するギャップ調整手段と、
   前記ギャップ調整手段の動作を指示する信号を出力する制御手段とを備えたことを特徴とする請求項２に記載の誘導加熱調理器。
4. 前記加熱コイルを下方より支持するコイルベースを加熱コイル毎に設け、
   前記コイルベースの下方に、当該コイルベースが支持する加熱コイルに対応して設ける前記リターンヨークを固定し、
   前記ギャップ調整手段は、前記制御手段の出力する信号に基づき、前記コイルベースを上下方向に可動させることを特徴とする請求項３に記載の誘導加熱調理器。
5. 前記加熱コイルと被加熱物との間のギャップの最大値を７ｍｍとしたことを特徴とする請求項２ないし請求項４のいずれかに記載の誘導加熱調理器。
6. 直流電圧を変換して高周波の交流電圧を供給するインバータと、
   前記インバータの出力段に接続され、それぞれ略同心円状且つ略同一平面上に配設された複数の加熱コイルと、
   前記加熱コイルの上方に配設された被加熱物載置手段と、
   前記加熱コイルの下方に加熱コイル毎に配設されたリターンヨークとを備えた誘導加熱調理器であって、
   前記被加熱物載置手段に被加熱物を載置した際に、前記各加熱コイルのインダクタンスがそれぞれ略一致するように、前記加熱コイルと前記リターンヨークとの間のギャップを調整したことを特徴とする誘導加熱調理器。
7. 前記加熱コイルと前記リターンヨークとの間のギャップを調整するリターンヨークギャップ調整手段と、
   前記リターンヨークギャップ調整手段の動作を指示する信号を出力する制御手段とを備えたことを特徴とする請求項６に記載の誘導加熱調理器。
8. 前記リターンヨークギャップ調整手段は、
   前記リターンヨークを下方より支持するとともに、
   前記制御手段が出力する信号に基づき、上下方向に可動することを特徴とすることを特徴とする請求項７に記載の誘導加熱調理器。
9. 直流電圧を変換して高周波の交流電圧を供給するインバータと、
   前記インバータの出力段に接続され、それぞれ略同心円状且つ略同一平面上に配設された複数の加熱コイルと、
   前記加熱コイルの下方に配設されたリターンヨークとを備えた誘導加熱調理器であって、
   前記各加熱コイルのインダクタンスがそれぞれ略一致するように、前記リターンヨークの材質を調整したことを特徴とする誘導加熱調理器。
10. 直流電圧を変換して高周波の交流電圧を供給するインバータと、
    前記インバータの出力段に接続され、それぞれ略同心円状且つ略同一平面上に配設された複数の加熱コイルと、
    前記加熱コイルの下方に配設されたリターンヨークとを備えた誘導加熱調理器であって、
    前記各加熱コイルのインダクタンスがそれぞれ略一致するように、前記リターンヨークのサイズを調整したことを特徴とする誘導加熱調理器。
11. 直流電圧を変換して高周波の交流電圧を供給するインバータと、
    前記インバータの出力段に接続され、それぞれ略同心円状且つ略同一平面上に配設された複数の加熱コイルと、
    前記加熱コイルの上方に配設された被加熱物載置手段と、
    前記加熱コイルの下方に配設されたリターンヨークとを備えた誘導加熱調理器であって、
    前記被加熱物載置手段に被加熱物を載置した際に、前記各加熱コイルのインダクタンスがそれぞれ略一致するように、各加熱コイルの巻きピッチを調整したことを特徴とする誘導加熱調理器。
12. 直流電圧を変換して高周波の交流電圧を供給するインバータと、
    前記インバータの出力段に接続され、それぞれ略同心円状且つ略同一平面上に配設された複数の加熱コイルと、
    前記加熱コイルの上方に配設された被加熱物載置手段と、
    前記加熱コイルの下方に配設されたリターンヨークとを備えた誘導加熱調理器であって、
    前記被加熱物載置手段に被加熱物を載置した際に、前記各加熱コイルのインダクタンスがそれぞれ略一致するように、各加熱コイルの配置間隔を調整したことを特徴とする誘導加熱調理器。
13. 前記配置間隔を４ｍｍ以上としたことを特徴とする請求項１２に記載の誘導加熱調理器。
14. 直流電圧を変換して高周波の交流電圧を供給するインバータと、
    前記インバータの出力段に接続され、それぞれ略同心円状且つ略同一平面上に配設された複数の加熱コイルと、
    前記加熱コイルの上方に配設された被加熱物載置手段と、
    前記加熱コイルの下方に配設されたリターンヨークとを備えた誘導加熱調理器であって、
    前記被加熱物載置手段に被加熱物を載置した際に、前記加熱コイルのインダクタンスが略一致するように、前記インバータから供給され前記加熱コイルに流れるコイル電流を加熱コイル毎に調整することを特徴とする誘導加熱調理器。
15. 前記加熱コイルをリッツ線構造とし、該リッツ線の最外円周を略同一としながら素線径を変えて、加熱コイル毎に線材撚り数を異ならせるようにしたことを特徴とする請求項１ないし請求項１４のいずれかに記載の誘導加熱調理器。
16. 前記各加熱コイルを冷却する冷却手段を設け、
    当該冷却手段の加熱コイル毎の冷却能力に応じて、各加熱コイルの線材撚り数を調整したことを特徴とする請求項１５に記載の誘導加熱調理器。
17. 前記インバータを構成する複数のスイッチング素子を１つのモジュールに収めたことを特徴とする請求項１ないし請求項１６のいずれかに記載の誘導加熱調理器。
    

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