JP2009266506A - 誘導加熱調理器 - Google Patents

Abstract

【課題】
本発明は、トッププレート上の鍋の温度を、一つの素子で約５０℃から３００℃の広範囲で、高精度に、かつその温度変化をすばやく検出する鍋温度計測装置を備えた誘導加熱調理器を提供することを目的とする。
【解決手段】
本発明は、トッププレートの下方に熱型赤外線検出素子を設け、トッププレートと熱型赤外線検出素子の間に、２.７μｍ以下の領域と３μｍ以上５μｍ以下の領域においておのおの３０％以上の透過領域を持ち、かつ２.７μｍ以下の領域における透過率の最大値より、３μｍ以上５μｍ以下の領域おける透過率の最大値が小さい赤外線透過部材を設けることを特徴とする。
【選択図】図６

Description

本発明は、本体内に加熱コイルを備えた誘導加熱調理器に関するものである。

誘導加熱調理器は、本体の上面部に、鍋等が載置されるトッププレートを備え、本体内に環状の加熱コイルやその駆動回路が構成されている。誘導加熱調理器は、加熱コイルに高周波電流を流し、発生させた高周波磁界によって鍋に渦電流を発生させ、この渦電流によるジュール熱により、鍋自体を発熱させて調理を行う調理器である。

従来の誘導加熱調理器は鍋を載置するトッププレートの下面に接触させたサーミスタなどの感熱素子で鍋底の温度を検出していた。しかしトッププレートは、結晶化ガラスで出来ており、その熱伝導率は小さいため、鍋底の温度がトッププレートの下面に達するまでに時間遅れが発生し、鍋底の温度変化を高応答で検知することが出来なかった。

そのため、鍋底から放射される赤外線をトッププレート越しに直接赤外線センサで検出して鍋底の温度を検知するものが提案されている（特許文献１または特許文献２参照）。

特開２００４−９５３１３号公報 特開２００４−２２７９７６号公報

特許文献１または特許文献２に示される構成では、トッププレートを通過してくる鍋からの放射赤外線のうち、熱型赤外線センサが受光できる赤外線量が少ないため、ノイズに対して十分な強度の出力を得ることが困難であった。

また、トッププレートから放射される赤外線の影響により、鍋底から放射される赤外線を正確に検出することが困難であった。

本発明は、上記の問題に対処し、ノイズに対して十分な強度の出力を得ることができ、かつトッププレートから放射される赤外線の影響を受けにくい鍋温度検出装置を備えた誘導加熱調理器を提供することを目的とする。

本発明は、トッププレートの下方に熱型赤外線検出素子を設け、トッププレートと熱型赤外線検出素子の間に、２.７μｍ以下の領域と３μｍ以上５μｍ以下の領域においておのおの３０％以上の透過領域を持ち、かつ２.７μｍ以下の領域における透過率の最大値より、３μｍ以上５μｍ以下の領域おける透過率の最大値が小さい赤外線透過部材を設けることを特徴とする。

本発明によれば、トッププレート上の鍋の温度を、一つの素子で約５０℃から３００℃の広範囲で、高精度に、かつその温度変化をすばやく検出できる。

本発明の実施例について、図面を引用して説明する。

図１は本発明の誘導加熱調理器の外観斜視図である。図１において、１０１は誘導加熱調理器の本体、１０２は電源の入り切りや加熱の設定等を行う操作部、１０３は表示部、１０４は耐熱ガラス等からなり鍋等を載置するトッププレート、１０５，１０６はトッププレート１０４の下方に鍋等を誘導加熱する加熱コイルが配設された加熱領域、１０７はトッププレート１０４の下方に鍋等を加熱するラジエントヒーターが配設された加熱領域、１０８〜１１０は本実施例による赤外線センサが鍋温度を検知するために塗装等を施さない赤外線透過領域、１１１は回路等の冷却風の吸入口である。

図２はトッププレート１０４を外した状態での加熱領域１０６付近の上面図である。図２において２０１は加熱コイル、２０２は赤外線検出モジュール、２０３はトッププレート１０４の下面の温度を測定するサーミスタ（接触式温度センサ）である。

図３は、図１のＡ−Ａ′面の本体断面図である。図３において、３０１は冷却ファン、３０２は冷却ファン３０１を駆動するモーター、３０３〜３０５は加熱コイル２０１に所定の電力を供給する高周波電流供給装置、３０６は冷却ファン３０１により吸引される冷却風の流れを表す矢印である。

図４は、赤外線検出モジュール２０２の斜視図である。また、図５は、赤外線検出モジュール２０２のＢ−Ｂ′断面図である。図５において、５０１は受光した赤外線の昇温効果での温度が上昇する受光面、５０２は冷接合面、５０３は受光面５０１と冷接合面５０２との温度差により熱起電力を発生させる複数の熱電対、５０４は冷接合面５０２の温度を検出するサーミスタ（接触式温度センサ）、５０５は熱電対５０３による熱起電力を増幅し、サーミスタ５０４の出力により周囲温度補正を行う増幅装置、５０６は第１の赤外線透過部材、５０７は第２の赤外線透過部材、５０８は赤外線検出素子であるサーモパイルのパッケージ、５０９はサーモパイルの周囲温度の急峻な変化を抑えるための樹脂で構成された防風ケース、５１０は過熱コイルからの磁界によりサーモパイルが加熱されることを防ぐための磁性体金属で構成された磁気シールドケースである。

図６は、鍋加熱制御システムを示す機能ブロック図である。図６において、６０１は加熱対象である鍋、６０２は赤外線検出モジュール２０２とサーミスタ２０３からの出力により鍋６０１の温度を算出する温度算出装置、６０３は温度算出装置６０２の出力に応じて加熱コイル２０１に供給する電力を制御する制御装置である。

図７は、熱電対５０３による熱起電力を増幅し、サーミスタ５０４の出力により周囲温度補正を行う増幅装置５０５の回路図である。

次に，本実施例の動作を説明する。ユーザーがトッププレート１０４上に鍋６０１を置き、操作部１０２を操作して加熱を開始すると、制御装置６０３が高周波電流供給装置３０５を制御して加熱コイル２０１に所定の電力を供給する。加熱コイル２０１に高周波電流が供給されると、加熱コイル２０１から誘導磁界が発せられ、トッププレート１０４上の鍋が誘導加熱される。この誘導加熱によって鍋の温度が上昇し、鍋内の調理物が調理される。

物体はその温度に応じて自ら赤外線を放射する。この赤外線の強度と波長分布は物体の絶対温度の関数となる。これは式１に示すプランクの放射則として知られている。

Ｅλ＝Ｃ１／λ⁵（exp（Ｃ２／λＴ）−１ ・・・ （式１）
Ｔ：絶対温度（Ｋ）
Ｃ１：第１放射定数３.７４１×１０^-16（Ｗ・ｍ²）
Ｃ２：第２放射定数１.４３８×１０^-2（ｍ・Ｋ）
λ：波長（μｍ）
このプランクの放射則から導かれる、１００℃，２００℃と３００℃の黒体の放射エネルギーの波長分布を図９に示す。縦軸は対数である。

一般的に調理時の鍋の温度は、約５０℃〜２５０℃であり、また調理中の油の発火を防ぐためには、２５０℃〜３００℃の高温の検出も必要である。そのため、鍋温度検知範囲としては、約５０℃〜３００℃が求められる。この温度のピーク波長は式２に示すウィーンの変位則より約５μｍ〜９μｍの波長である。

λ_MAX＝２８９７.８／Ｔ（μｍ） ・・・ （式２）
Ｔ：絶対温度（Ｋ）
また、プランクの放射則を全波長域で積分することにより、物体の放射する全赤外線エネルギーが計算でき、これはその物体の絶対温度の４乗に比例するというステファン・ボルツマンの法則（式３）がある。

Ｗ＝σＴ⁴ ・・・ （式３）
Ｗ：単位面積当たりの放射量（Ｗ／cm²・μｍ）
σ：ステファン・ボルツマン定数＝５.６７×１０^-12（Ｗ／cm²・Ｋ⁴）
Ｔ：放射物体の絶対温度（Ｋ）
一般の赤外線検出素子を用いた非接触式の温度計測では、この放射赤外線量が、絶対温度の４乗に比例することを利用している。

しかし、誘導加熱調理器では、トッププレートに、要求される耐熱性と強度を満たすために、特殊組成のガラスを再加熱してガラス中に微細結晶を析出させた結晶化ガラスが用いられている。この透過特性は、図８に示すように、２.７μｍ以下の波長の赤外線は８０％以上透過し、３〜４μｍの波長の赤外線は５０％程度透過し、５μｍよりも長い波長の赤外線はほとんど通さない。

したがって、トッププレートを介して赤外線検出素子が検出できる鍋６０１からの放射赤外線量は、非常に少なくなる。そのため赤外線検出素子として、検出感度が高い量子型赤外線検出素子、たとえばフォトダイオードを用いることが提案されているが、量子型赤外線検出素子は検出感度波長依存性があり、たとえばシリコン製フォトダイオードでは、その検出できる赤外線波長帯域は、約０.８５μｍから１.０μｍの狭い帯域になる。

図９に示すように、この狭い帯域での赤外線量は、物体の温度の上昇に対して、急激に赤外線量が増大し、この割合はステファン・ボルツマンの法則の絶対温度の４乗よりもはるかに大きい。

そのため、フォトダイオードを用いて実際の鍋底の温度とフォトダイオードセンサの出力を測定してみると、図１０に示すように、約２２０℃から急激に上昇し、２９０℃で飽和してしまう。実際の調理では約５０℃から３００℃の温度範囲を計測できることが望ましいが、量子型赤外線検出素子を用いると、計測できる温度範囲が狭いので、一つの素子で要求される温度範囲を計測するのが困難であった。また、２２０℃より低い温度範囲を計測するために、検出波長が長いインジウム−ガリウム砒素を原料とするフォトダイオードを用いることも可能であるが、その場合もやはり計測できる温度範囲が狭いので、約８０℃から１５０℃までの温度計測しか出来ず、高温域の温度計測が出来なかった。また、インジウム−ガリウム砒素を原料とするフォトダイオードは希少金属を使用するため高価である。

そこで、実施例では、熱型赤外線検出素子としてサーモパイルを用いている。サーモパイルは受光した赤外線の昇温効果で受光面の温度が上がると、微小な受光面に配置された複数の熱電対から電圧が発生し、これを増幅して対象物の温度を検知するものである。このサーモパイルは、波長依存性が無いため、受光面の前面に取り付けた透過部材に波長透過特性を持たせる必要がある。本実施例では、この透過部材に、トッププレートと同一の素材をレンズ形状に加工したものを用いている。このためこの透過部材の波長透過特性は、図８に示すトッププレートとほぼ同一になる。そのため、トッププレートを通過してきた鍋からの放射赤外線は全て透過し、トッププレートが透過しない波長帯域の赤外線はカットできる。このトッププレートが透過しない波長帯域の赤外線は、鍋からの伝熱で過熱されたトッププレートから放射される赤外線であるので、この波長帯域をカットすることにより、トッププレートから放射される赤外線の影響を少なくでき、より正確に鍋からの赤外線量を測定できる。

また、鍋からの赤外線の波長帯域全てをサーモパイルで受光できるので、量子型センサに比べて受光感度が低い熱型赤外線検出素子でも、必要なＳ／Ｎ比を確保でき、鍋の温度を測定できる。また、本実施例では、サーモパイルの赤外線検出波長帯域が広く、かつ約５０℃〜３００℃温度のピーク波長である５μｍ〜９μｍにより近いので、鍋温度の上昇に対して、赤外線量の増大割合が、量子型センサに比べて小さく出来る。図１０に、実際の鍋底の温度とサーモパイルの出力を示す。図１０に示すように、約５０℃から３００℃までの温度範囲で計測可能である。

また、サーモパイルはその原理上、センサ周囲温度（冷接合面５０２）と、鍋からの放射赤外線の昇温効果での温度が上昇する受光面との温度差を計測しているので、センサ周囲温度が変化するとセンサ出力も変化してしまう。そのため、図７に示すように、冷接合面５０２の温度をサーミスタ５０４で計測し、補正する回路を搭載している。しかし、このサーミスタ５０４は、緩やかな温度変化には追従することが可能であるが、急激な温度変化には追従することが出来ない。そのため、サーモパイル周囲に風が当たると、それによる温度変化を検出してセンサ出力がふらつく現象がおきる。

この現象を抑えるために、本実施例では、図５に示すように、赤外線検出素子であるサーモパイルを熱伝導率の低い樹脂で構成された防風ケースで覆い、その防風窓に第２の赤外線透過部材５０７を用いることにより気密構図としている。この第２の赤外線透過部材５０７の透過特性は、図１１に示すように５μｍ以上の赤外線をカットする特性になっている。これは鍋からの伝熱によって温められたトッププレート１０４から放射される赤外線のうち昇温効果に優れた波長（５ミクロン以上）領域をカットすることにより、防風ケース内の温度上昇を抑えている。特に第１の赤外線透過部材５０６の温度が上昇すると、これから放射される赤外線を受光面５０１が検出してしまい、おおきな測定誤差となってしまう。そのため、第１の赤外線透過部材５０６とトッププレート１０４の間に５μｍ以上の赤外線をカットする第２の赤外線透過部材５０７を設けることが重要である。この第２の赤外線透過部材５０７には外部より冷却風を当てることにより、温度上昇を抑えることが可能である。

本実施例では、第１の赤外線透過部材５０６としてトッププレート１０４と同一の素材を用いたが、これは必ずしも同じ素材である必要はなく、たとえばシリコン素材にコーティングにより図１２に示すような、トッププレート１０４とほぼ同一の透過特性を持たせた透過部材を用いても良い。

この場合、重要なのは、図１２に示す２.７μｍ以下の領域１２１と３μｍ以上５μｍ以下の領域１２２の２つの透過領域を持つことである。これにより、トッププレート１０４を通過してきた鍋６０１からの放射赤外線を有効にサーモパイルが受光できる。また、図８および図９から分かるように、領域１２２の赤外線は、赤外線エネルギー量は少ないが、トッププレート１０４の放射赤外線の影響は小さい。領域１２３の赤外線は、赤外線エネルギー量は多いが、約５０％はトッププレート１０４の放射赤外線である。このため、領域１２２の赤外線のみをサーモパイルが受光すると、赤外線エネルギー量は少ないため、必要なＳ／Ｎ比を確保することが難しい。一方、領域１２３の赤外線のみをサーモパイルが受光すると、トッププレート１０４の放射赤外線の影響が大きく、鍋６０１からの赤外線量を正確に測定できない。

しかし、領域１２２および１２３両方の放射赤外線を透過し、かつ領域１２２の透過率より領域１２３の透過率を低くすることにより、トッププレート１０４の放射赤外線の影響を抑えつつ、鍋６０１からの赤外線量を多く受光できる。

以上述べた理由から、第１の赤外線透過部材５０６の透過特性は、図１３に示す透過特性でもよい。

また、第２の赤外線透過部材５０７としてトッププレート１０４と同一の素材を用いたり、図１２や図１３の透過特性を持たせ、第１の赤外線透過部材５０６の透過特性は、可視領域から２２μｍ以上までほぼ平坦な透過特性を持つ部材（たとえばコーティングなしシリコン）を用いても、同一の効果をもつ。

また、図３に示すように、赤外線検出モジュール２０２を効率的に冷却するために、加熱コイル２０１の上流側に設置する。

また、ユーザーが操作部１０２を操作して加熱動作を終了させたとき、すぐ冷却ファン３０１を停止させると、トッププレート１０４や加熱コイル２０１の余熱により、赤外線検出モジュール２０２の周囲温度が上昇してしまうので、加熱終了後も一定時間、冷却ファン３０１の運転を維持する。

また、トッププレート１０４下面のうち、赤外線検出モジュール２０２の上方に位置する領域は、冷却ファン３０１による冷却風があたる構造にする（冷却風を遮る部材を設けない）ことにより、トッププレート１０４下面のうちの赤外線検出モジュール２０２の上方に位置する領域の温度上昇を抑え、トッププレート１０４からの放射赤外線量を少なくすることが出来る。

また、本実施例では、熱型赤外線検出素子としてサーモパイルを例に説明したが、その他の熱型赤外線検出素子（たとえば、焦電素子，ゴーレイセル，ボロメータ等）を用いても同様な効果を得ることが出来る。

以上述べたように本発明によれば、トッププレート上の鍋の温度を、一つの素子で約５０℃から３００℃の広範囲で、高精度に、かつその温度変化をすばやく検出できる。

本発明による誘導加熱調理器の外観斜視図。 本発明による誘導加熱調理器の加熱コイル付近上面図。 本発明による誘導加熱調理器の加熱コイル付近断面図。 本発明による誘導加熱調理器の赤外線検出モジュールの斜視図。 本発明による誘導加熱調理器の赤外線検出モジュールの断面図。 本発明による誘導加熱調理器の鍋加熱制御システムを示す機能ブロック図。 本発明による誘導加熱調理器の増幅装置の回路図。 本発明による誘導加熱調理器のトッププレートの透過率特性図。 １００℃，２００℃と３００℃の黒体の放射エネルギーの波長分布図。 赤外線検出モジュールの出力温度特性図。 本発明による誘導加熱調理器の赤外線透過部材の透過率特性図。 本発明による誘導加熱調理器の赤外線透過部材の透過率特性図。 本発明による誘導加熱調理器の赤外線透過部材の透過率特性図。

符号の説明

１０４ トッププレート
２０１ 加熱コイル
２０２ 赤外線検出モジュール
５０６ 第１の赤外線透過部材
５０７ 第２の赤外線透過部材
６０１ 鍋

Claims (9)

1. 赤外線領域において透過性を有するトッププレートと、その下方に設置された加熱コイルとを備えた誘導加熱調理器において、
   前記トッププレートの下方に熱型赤外線検出素子を設け、前記トッププレートと前記熱型赤外線検出素子の間に、２.７μｍ以下の領域と３μｍ以上５μｍ以下の領域においておのおの３０％以上の透過領域を持ち、かつ２.７μｍ以下の領域における透過率の最大値より、３μｍ以上５μｍ以下の領域おける透過率の最大値が小さい赤外線透過部材を設けることを特徴とする誘導加熱調理器。
2. 請求項１記載の誘導加熱調理器において、
   前記加熱コイルの出力を前記熱型赤外線検出素子の出力に応じて制御することを特徴とする誘導加熱調理器。
3. 請求項１記載の誘導加熱調理器において、
   前記赤外線透過部材は、前記トッププレートと同一の素材であることを特徴とする誘導加熱調理器。
4. 請求項１記載の誘導加熱調理器において、
   前記トッププレートは、耐熱性を有する結晶化ガラスであることを特徴とする誘導加熱調理器。
5. 赤外線領域において透過性を有するトッププレートと、その下方に設置された加熱コイルとを備えた誘導加熱調理器において、
   前記トッププレートの下方に熱型赤外線検出素子を設け、前記熱型赤外線検出素子の周囲を熱容量が小さく熱伝達率が悪い材料で覆うための防風ケースを設け、かつ前記熱型赤外線検出素子と前記トッププレートとの間に５μｍ以下の赤外線を透過しない赤外線透過部材を設け、かつ、前記赤外線透過部材は、前記防風ケースの防風窓を兼ねることを特徴とする誘導加熱調理器。
6. 請求項１記載の誘導加熱調理器において、
   前記加熱コイルの出力を前記熱型赤外線検出素子の出力に応じて制御することを特徴とする誘導加熱調理器。
7. 請求項１記載の誘導加熱調理器において、
   前記赤外線透過部材は、前記トッププレートと同一の素材であることを特徴とする誘導加熱調理器。
8. 請求項１記載の誘導加熱調理器において、
   前記トッププレートは、耐熱性を有する結晶化ガラスであることを特徴とする誘導加熱調理器。
9. 赤外線領域において透過性を有するトッププレートと、その下方に設置された加熱コイルと、前記加熱コイルを冷却する送風機を備えた誘導加熱調理器において、
   前記トッププレートの下方に熱型赤外線検出素子を設け、かつ前記加熱コイルへの通電を終了した後でも一定時間前記送風機の運転を継続することを特徴とする誘導加熱調理器。

Images