JP2008117638A - 誘導加熱装置 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】誘導加熱装置は、高周波電流が流れて磁束を発生させる加熱コイルが複数の巻線で構成されており、複数の巻線のそれぞれが独立した巻線であり、同一の中心で、且つ実質的に同一平面上に配置され、加熱コイルの内側の巻線に流れる電流が、その外側の巻線に流れる電流以下となるよう構成されている。
【選択図】図1
Description
前記トッププレートの下方に配置され、複数の巻線を有する加熱コイルと、
前記加熱コイルに高周波電流を流す駆動回路と、
高周波電流を制御するための制御回路と、を備え、
前記加熱コイルの各巻線は、実質的に同一中心軸を有して内側と外側に分割配置されて、前記駆動回路により個別に通電状態が制御されるよう構成されており、
前記加熱コイルの内側に配置された小径の巻線と、前記加熱コイルの外側に配置された大径の巻線の両方を駆動するとき、内側の巻線に流れる電流が外側の巻線に流れる電流以下となるよう構成されている。このように構成された誘導加熱装置は、加熱コイル上に載置された被加熱物を電磁誘導により加熱するとき、構造的に放熱条件の良い外側の巻線に損失を負担させることにより、放熱の条件が悪い内側の巻線に熱が集中し巻線温度が上昇するのを回避できると共に、中心部への発熱の偏りを周辺部に分散することで被加熱物に対する加熱むらを抑制できる。
図1は本発明に係る実施の形態1の誘導加熱装置における加熱機構の構成を模式的に示した断面図である。図1において、誘導加熱装置の内部には高周波電流が流れて磁束を発生させる円形の加熱コイル10が設けられており、この加熱コイル10は小径の巻線4(以下、内コイル4)とその外側にある大径の巻線5(以下、外コイル5)により構成されている。加熱コイル10の内コイル4と外コイル5は、コイルベース3上に配置され、略同一の中心点を有する渦巻き状であり、且つ略同一平面上に配置されている。加熱コイル10の直上には平板で耐熱性を有するトッププレート2が配設されており、そのトッププレート2の加熱領域2Aには鍋等の被加熱物が載置されるよう構成されている。
なお、図3に示したコイルベースの底面形状は、実施の形態1の誘導加熱装置において用いた例示であり、本発明の誘導加熱装置におけるコイルベースの形状を限定するものではなく、同様の効果を奏する形状であれば各種形状が適応可能である。また、図4に示した誘導加熱装置の配置は一例であり、その用途や仕様等に応じて各種変形が可能であることは言うまでもない。
使用者が誘導加熱装置に具備された操作部(図示なし)を操作することにより、その操作内容に応じて、誘導加熱装置内に設けられた制御回路13が駆動回路6、7を制御する。駆動回路6は内コイル4へ所定の高周波電流を流し、駆動回路7は外コイル5へ所定の高周波電流を流して、その結果、加熱コイル10には磁界が発生する。この磁界により、加熱コイル10上に載置された被加熱物、例えば大鍋1の底に渦電流が発生し、大鍋1自体の抵抗分により大鍋1自身が発熱し、大鍋1内の調理物が加熱される。
実施の形態1においては、内コイル4と外コイル5が同じ透磁率であり、内コイル4の外径は外コイル5の外形より小さいため、比例定数がk1<k2の関係にあるとき、式(3)、(4)より、コイル電流がI1≦I2の関係となるためには、N1≧N2となる巻数を選択すればよい。即ち、内コイル4の巻数N1を外コイル5の巻数N2以上とすることにより、内コイル4に流れるコイル電流I1は外コイル5に流れるコイル電流I2以下となる。
一般的に加熱コイルによる加熱電力Pは次式で表せる。
ここで、内コイル4の巻数をN1、コイル電流をI1、外コイル5の巻数をN2、コイル電流をI2とし、鍋に関する定数及び加熱周波数fは内外コイル4で共通であるため、式(6)のようにKaに置き換えると、内コイル4と外コイル5の各々による電力P1、P2は下記の式(7)、(8)で表せる。
また、上記のように加熱コイル10を構成することにより、発熱部分がコイルの中心部に偏重するのを防止することができ、被加熱物である鍋底を均一に加熱する効果が期待できる。
以下、本発明に係る実施の形態2の誘導加熱装置について説明する。実施の形態2の誘導加熱装置は、前述の実施の形態1の誘導加熱装置における加熱コイルに流れる電流を制御するためにインピーダンスを調整する構成である。実施の形態2の誘導加熱装置の説明において、実施の形態1の誘導加熱装置と同じ機能、構成を有する要素には同じ符号を付しその説明は実施の形態1の説明を適用する。
内コイル4のインダクタンスをL1、内コイル4の巻数をN1、外コイル5のインダクタンスをL2、外コイル5の巻数をN2とするとき、巻数とインダクタンスとの関係は、簡易的に実施の形態1において説明した式(1)、(2)のように、下記式(14)、(15)で表せる。
コイルに電流Iが流れた時に生じる、コイルを貫通する磁界Hは次式で表せる。
N=n・lcとすれば、巻数Nの作る磁界は次式(20)で表せる。
今、コイルの作る磁界と加熱に寄与する加熱電力の関係は次式(24)で得られる。
上記の数値のうち、k、f、μr、lm・A、Qの値は、主に加熱負荷により決まる値であるため、内外コイルに対しては共通の値と仮定して次式(25)のようにKbに置き換えることができる。
但し、Kt=Kb・Kc2である。
そこで、内コイル4の巻線温度上昇を抑制するために内コイル4の電流I1を外コイル5の電流I2と同等又は小さくする。即ち、内コイル4と外コイル5の電流の関係をI1≦I2とすると、L1・I1=L2・I2の関係から下記式(38)の関係を有する。
また、上記のように加熱コイル10を構成することにより、発熱部分がコイルの中心部に偏重するのを防止することができ、被加熱物である鍋底を均一に加熱する効果が期待できる。
以下、本発明に係る実施の形態3の誘導加熱装置について説明する。実施の形態3の誘導加熱装置は、前述の実施の形態1の誘導加熱装置における加熱コイルに流れる電流を制御するために共振周波数を調整する構成である。実施の形態3の誘導加熱装置の説明において、実施の形態1の誘導加熱装置と同じ機能、構成を有する要素には同じ符号を付しその説明は実施の形態1の説明を適用する。
この考えを実施の形態3の誘導加熱装置に適用すると、内コイル4に接続された共振回路の共振コンデンサ8の駆動周波数fswと共振周波数f01との差Δf1(式(42))と、外コイル5に接続された共振回路の共振コンデンサ9の駆動周波数fswと共振周波数f02との差Δf2(式(43))は、Δf1≧Δf2、に設定される。ただし、駆動周波数fswと各共振周波数f01、f02との関係は、fsw>f01、及びfsw>f02)である。
以下、本発明に係る実施の形態4の誘導加熱装置について説明する。実施の形態4の誘導加熱装置は、加熱コイルに流れる電流を制御するために、内コイルと外コイルと被加熱物である大鍋1との距離を変えることにより、巻線のインピーダンスを調節する構成である。実施の形態4の誘導加熱装置の説明において、実施の形態1の誘導加熱装置と同じ機能、構成を有する要素には同じ符号を付しその説明は実施の形態1の説明を適用する。
図9は、実施の形態4の誘導加熱装置の加熱領域に大鍋1が載置された状態を模式的に示した断面図である。図10は実施の形態4の誘導加熱装置における加熱コイルを示す斜視図である。
以下、本発明に係る実施の形態5の誘導加熱装置について説明する。実施の形態5の誘導加熱装置は、前述の実施の形態1の誘導加熱装置における加熱コイルに流れる電流を制御するために、駆動回路の構成を変更したものである。実施の形態5の誘導加熱装置の説明において、実施の形態1の誘導加熱装置と同じ機能、構成を有する要素には同じ符号を付しその説明は実施の形態1の説明を適用する。
前述の実施の形態1〜4の誘導加熱装置において、例えば図1に示したように、加熱コイル10の内コイル4と外コイル5に高周波電流を通電する各駆動回路6,7がフルブリッジ構成を有し、加熱コイル10と共振コンデンサ8,9とともに共振回路を構成している。そして、実施の形態1〜4においては、駆動回路6が第1の直列体65と第2の直列体66が並列に接続され、各直列体65,66における各中間接続点が内コイル4の両端に接続されている。また、駆動回路7が第3の直列体75と第4の直列体76が並列に接続され、各直列体75,76における各中間接続点が外コイル5の両端に接続されている。なお、実施の形態1〜4においては、第2の直列体66の中間接続点と内コイル4との間に共振コンデンサ8が、また、第4の直列体76の中間接続点と外コイル5との間に共振コンデンサ9が設けられている。
図14に示したように、実施の形態5の誘導加熱装置においては、スイッチング素子の一部、ここではスイッチング素子81,82の直列体で構成された第3の直列体85を駆動回路6Aと7Aとで共用した構造である。
以下、本発明に係る実施の形態6の誘導加熱装置について説明する。実施の形態6の誘導加熱装置は、前述の実施の形態1の誘導加熱装置における共振回路に用いられていた共振コンデンサ8,9を共用化したものである。また、実施の形態6の誘導加熱装置は、前述の実施の形態5において説明したように一部を共用化した駆動回路6A、7Aが設けられている。実施の形態6の誘導加熱装置の説明において、実施の形態1及び実施の形態5の誘導加熱装置と同じ機能、構成を有する要素には同じ符号を付しその説明は実施の形態1及び実施の形態5の説明を適用する。
以下、本発明に係る実施の形態7の誘導加熱装置について説明する。前述の実施の形態1〜6の誘導加熱装置における駆動回路はフルブリッジ回路の構成で説明したが、実施の形態7の誘導加熱装置においてはハーフブリッジ回路で構成された駆動回路を用いている。
図18に示すように、内コイル4のための駆動回路は、スイッチング素子86,87を直列接続した第1の直列体91と、スイッチング素子93とにより構成されている。第1の直列体91における中間接続点は、内コイル4の一端に接続されており、スイッチング素子93の一端は、内コイル4の他端に接続されている。スイッチング素子93の他端は、第1の直列体91の下側スイッチング素子87の一端と共に接地側に接続されている。また、外コイル5のための駆動回路は、スイッチング素子88,89を直列接続した第2の直列体92と、スイッチング素子94とにより構成されている。第2の直列体92における中間接続点は、外コイル5の一端に接続されており、スイッチング素子94の一端は、外コイル5の他端に接続されている。スイッチング素子94の他端は、第2の直列体92の下側スイッチング素子87の一端と共に接地側に接続されている。
以下、本発明に係る実施の形態8の誘導加熱装置について説明する。実施の形態8の誘導加熱装置においては、前述の実施の形態7において説明したハーフブリッジ構成の駆動回路を用いており、且つ内コイル4と外コイル5のための駆動回路の一部を共有化した構成である。
図19に示すように、内コイル4のための駆動回路は、スイッチング素子95,96を直列接続した直列体97と、スイッチング素子98とにより構成されている。直列体97における中間接続点は、内コイル4の一端に接続されており、スイッチング素子98の一端は、共振コンデンサ8を介して内コイル4の他端に接続されている。スイッチング素子98の他端は、直列体97の下側スイッチング素子96の一端と共に接地側に接続されている。また、外コイル5のための駆動回路は、前述した直列体97と、スイッチング素子99とにより構成されている。直列体97における中間接続点は、外コイル5の一端に接続されており、スイッチング素子99の一端は、共振コンデンサ9を介して外コイル5の他端に接続されている。スイッチング素子99の他端は、直列体97の下側スイッチング素子96の一端と共に接地側に接続されている。
なお、本発明に係る各実施の形態においては、コイル10を支持するコイルベース3の開口孔形状を図3において開口孔3a、または変形例として開口孔3bの例で説明したが、開口孔形状は、たとえば任意に配置された小径円の開口孔が多数であってもよい。
Claims (12)
- 被加熱物を載置するためのトッププレートと、
前記トッププレートの下方に配置され、複数の巻線を有する加熱コイルと、
前記加熱コイルに高周波電流を流す駆動回路と、
前記高周波電流を制御するための制御回路と、を備え、
前記加熱コイルの各巻線は、実質的に同一中心軸を有して内側と外側に分割配置されて、前記駆動回路により個別に通電状態が制御されるよう構成されており、
前記加熱コイルの内側に配置された小径の巻線と、前記加熱コイルの外側に配置された大径の巻線の両方を駆動するとき、内側の巻線に流れる電流が外側の巻線に流れる電流以下となるよう構成された誘導加熱装置。 - 加熱コイルにおける内側の巻線の巻数が外側の巻線の巻数と等しいか、又は多くなるよう構成された請求項1に記載の誘導加熱装置。
- 加熱コイルの内側の巻線と外側の巻線による加熱領域に対して被加熱物が載置された状態において、内側の巻線によるインピーダンスが外側の巻線によるインピーダンスと同等、又は大きくなるよう構成された請求項1に記載の誘導加熱装置。
- 加熱コイルにおける内側の巻線と外側の巻線による加熱領域の全体に被加熱物が載置された状態において、内側の巻線による共振周波数が外側の巻線による共振周波数より低くなるように構成された請求項1に記載の誘導加熱装置。
- 加熱コイルにおいて、内側の巻線から被加熱物までの距離が、外側の巻線から被加熱物までの距離より長く設定されてインピーダンス調整が行われて構成された請求項3に記載の誘導加熱装置。
- 加熱コイルにおける内側の巻線に高周波電流を流す駆動回路と外側の巻線に高周波電流を流す駆動回路のそれぞれが、複数のスイッチング素子を有するフルブリッジ回路で構成された請求項1乃至5のいずれか一項に記載の誘導加熱装置。
- 加熱コイルにおける内側の巻線に高周波電流を流す駆動回路と外側の巻線に高周波電流を流す駆動回路のそれぞれが、複数のスイッチング素子を有するフルブリッジ回路で構成され、且つそれぞれのフルブリッジ回路の一部が共用された請求項1乃至5のいずれか一項に記載の誘導加熱装置。
- 加熱コイルにおける内側の巻線に高周波電流を流す駆動回路と外側の巻線に高周波電流を流す駆動回路のそれぞれが、複数のスイッチング素子を有するフルブリッジ回路で構成され、且つそれぞれのフルブリッジ回路の一部が共用されるとともに、
前記内側の巻線とともに共振回路を構成するコンデンサと、前記外側の巻線とともに共振回路を構成するコンデンサが共用された請求項1乃至5のいずれか一項に記載の誘導加熱装置。 - 加熱コイルにおける内側の巻線に高周波電流を流す駆動回路と外側の巻線に高周波電流を流す駆動回路のそれぞれが、複数のスイッチング素子を有するハーフブリッジ回路で構成された請求項1乃至5のいずれか一項に記載の誘導加熱装置。
- 加熱コイルにおける内側の巻線に高周波電流を流す駆動回路と外側の巻線に高周波電流を流す駆動回路のそれぞれが、複数のスイッチング素子を有するハーフブリッジ回路で構成され、且つそれぞれの前記ハーフブリッジ回路の一部が共用された請求項1乃至5のいずれか一項に記載の誘導加熱装置。
- 加熱コイルにおける内側の巻線と外側の巻線による加熱領域の全体に被加熱物が載置された状態において、内側の巻線と外側の巻線が同時に駆動されるよう構成された請求項1乃至5のいずれか一項に記載の誘導加熱装置。
- 加熱コイルにおける内側の巻線と外側の巻線による加熱領域の全体に被加熱物が載置された状態において、内側の巻線と外側の巻線が同一の周波数で駆動されるよう構成された請求項1乃至5のいずれか一項に記載の誘導加熱装置。
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