JP2009289423A - 誘導加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の加熱コイルで１個の負荷を加熱する際に、各々の加熱コイルに流れる電流の向きを変えることで、加熱コイルから発生する磁界を変化させ、加熱分布を可変できる誘導加熱装置を提供する。
【解決手段】切替手段の状態に応じて半導体スイッチの動作タイミングを変えることで、それぞれの加熱コイルに流れる電流の向きがを変わることにより加熱分布を変えることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波磁界による誘導加熱を利用して被加熱物の加熱を行う誘導加熱装置に関するものである。

従来、この種の誘導加熱装置はインバータ回路を並列に配置している（例えば、特許文献１参照）。

図３は、特許文献１に記載された従来の誘導加熱装置の回路図を示すものである。図３に示すように、直流電源１と並列に第１の半導体スイッチ５と第２の半導体スイッチ６の直列体が接続され、第２の半導体スイッチ６には第１の加熱コイル３と第１の共振コンデンサ２の直列接続体と、第１のスナバコンデンサ７が接続されるとともに、同じく直流電源１と並列に第３の半導体スイッチ１５と第４の半導体スイッチ１６の直列体が接続され、第４の半導体スイッチ１６には第２の加熱コイル１３と第２の共振コンデンサ１２の直列接続体と、第２のスナバコンデンサ１７が接続される。第１〜第４の半導体スイッチは制御手段８により、第１の加熱コイル３及び第２の加熱コイル１３に磁気的に結合した鍋などの負荷に所定の電力が供給できる様に導通時間及び動作周波数を制御するように構成されている。

続いて本従来例の動作を説明する。なお、本動作説明は直流電源１、第１の半導体スイッチ５、第２の半導体スイッチ６、第１の加熱コイル３、第１の共振コンデンサ２、第１のスナバコンデンサ１７及び制御手段８で構成される回路の関して行うが、直流電源１、第３の半導体スイッチ１５、第４の半導体スイッチ１６、第２の加熱コイル１３、第２の共振コンデンサ１２、第２のスナバコンデンサ１７及び制御手段８で構成される回路に関しても同様に動作をするものである。

第１の半導体スイッチ５が導通すると第１の加熱コイル３に直流電源１と第１の共振コンデンサ２の電圧の差で決まる電流が供給される。

次に第１の半導体スイッチ５をオフ状態にすると、第１のスナバコンデンサ７に蓄えられた電荷が第１の加熱コイル３を通して第１の共振コンデンサ２に移動し、第１のスナバコンデンサ７の電荷がなくなった後は第２の半導体スイッチ６内の逆導通素子が導通することで、第１の加熱コイル３から第１の共振コンデンサ２に電流が流れることになる。

この逆導通素子が導通しているタイミングで、第２の半導体スイッチ６を導通状態としておくことで、第１の加熱コイル３の電力が第１の共振コンデンサ２に遷移した後、第１の共振コンデンサ２を電源として第１の加熱コイル３に電力を供給することになる。

さらに、所定時間が経過した後、第２の半導体スイッチ６を非導通状態にすると、第１のスナバコンデンサ７に電荷を蓄えた後、第１の半導体スイッチ５内の逆導通素子を通して第１の加熱コイル３に蓄えられた電力を直流電源１に回生することになる。

この回生期間に、再び第１の半導体スイッチ５を導通状態にすることで最初の動作に戻ることになる。この一連の動作を２０〜５０ｋＨｚ程度の周波数で行うことにより、第１の加熱コイル３に高周波電流が供給され、この高周波電流により発生する高周波磁界が第１の加熱コイル３と磁気的に結合する鍋など負荷に入り、この高周波磁界により負荷に渦電流が発生し、この渦電流と鍋自身の表皮抵抗により鍋自身が発熱することになる。

なお、第１のスナバコンデンサ７は第１の半導体スイッチ５及び第２の半導体スイッチ６が非導通状態になる際に電圧を緩やかに増加させることで、半導体スイッチのターンオフ時の損失を減少させる役割を担っている。

また、本従来例の誘導加熱装置は第１の共振コンデンサ２の容量を第１の加熱コイル３と第１の共振コンデンサ２で形成される共振回路の共振周波数の近傍に設定しなければ必要な電力が確保されず、一方、第１の加熱コイル３と磁気的に結合して配置される鍋などの種類によって共振周波数は大きく異なるため、制御手段８が駆動周波数を共振周波数の近くに併せる制御つまり駆動周波数を変化させて制御を行っている。

ここで、第１の加熱コイル３と第２の加熱コイル１２は一つの鍋の下部に配置され、一つの負荷を交互にあるいは同時に加熱することになる。
特開平５−１１４４７４号公報

しかしながら、前記従来の構成では、複数の加熱コイルを用いて同時に負荷を加熱する際には加熱コイルに流れる電流の向きを揃え一定に加熱分布が得られるようにしているため、加熱コイルに流れる電流の向きを変え加熱分布を変える配慮がなされていないという課題を有していた。

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、直流電源と、前記直流電源に並列に接続され前記直流電源の正極を第１の半導体スイッチに接続する第１及び第２の半導体スイッチの直列体と、前記直列電源に並列に接続され前記直流電源の正極を第３の半導体スイッチに接続する第３及び第４の半導体スイッチの直列体と、一端を前記第１及び第２の半導体スイッチの直列体の中点に接続した第１の加熱コイルと第１の共振コンデンサの直列回路で構成される第１の共振回路と、一端を前記第３及び第４の半導体スイッチの直列体の中点に他端を前記第１の共振コンデンサの他端と接続した第２の加熱コイルと第２の共振コンデンサの直列回路で構成される第２の共振回路と、一端を前記第１の共振回路と前記第２の共振回路の接続点と接続し他端を前記直流電源の一端と接続する切替手段と、前記第１〜第４の半導体スイッチの動作を制御する制御手段を備え、前記制御手段は前記第１及び第２半導体スイッチを交互に動作させ、前記第３と第４の半導体スイッチを交互に動作させるとともに前記第１と第３の半導体スイッチを同時に動作させ前記第２と第４の半導体スイッチを同時に動作させる際には前記切替手段を短絡状態とし、前記第１と第４の半導体スイッチを同時に動作させ前記第２と第３の半導体スイッチを同時に動作させる際には前記切替手段を開放状態としたものである。

これによって、複数の加熱コイルを流れる電流により発生する磁界を互いに干渉させることができるため、機器の使用状態に応じて加熱分布を使い分けることが可能となり、例えば調理メニューにあった加熱分布を得られる。

本発明の誘導加熱装置は、鍋などの負荷の形状や使用状態に応じて同期して動作している複数の加熱コイルに流れる電流の向きを簡単に変えることができるため、それぞれの条件に適した加熱分布を得ることができ、加熱分布が良くなるあるいは効率よく加熱できるなど使い勝手の良い誘導加熱装置を実現することができる。

第１の発明は、直流電源と、前記直流電源に並列に接続され前記直流電源の正極を第１の半導体スイッチに接続する第１及び第２の半導体スイッチの直列体と、前記直列電源に並列に接続され前記直流電源の正極を第３の半導体スイッチに接続する第３及び第４の半導体スイッチの直列体と、一端を前記第１及び第２の半導体スイッチの直列体の中点に接続した第１の加熱コイルと第１の共振コンデンサの直列回路で構成される第１の共振回路と、一端を前記第３及び第４の半導体スイッチの直列体の中点に他端を前記第１の共振コンデンサの他端と接続した第２の加熱コイルと第２の共振コンデンサの直列回路で構成される第２の共振回路と、一端を前記第１の共振回路と前記第２の共振回路の接続点と接続し他端を前記直流電源の一端と接続する切替手段と、前記第１〜第４の半導体スイッチの動作を制御する制御手段を備え、前記制御手段は前記第１及び第２半導体スイッチを交互に動作させ、前記第３と第４の半導体スイッチを交互に動作させるとともに前記第１と第３の半導体スイッチを同時に動作させ前記第２と第４の半導体スイッチを同時に動作させる際には前記切替手段を短絡状態とし、前記第１と第４の半導体スイッチを同時に動作させ前記第２と第３の半導体スイッチを同時に動作させる際には前記切替手段を開放状態とする誘導加熱装置とすることにより、複数の加熱コイルを流れる電流により発生する磁界を互いに干渉させることができるため、機器の使用状態に応じて加熱分布を使い分けることが可能となり、例えば調理メニューにあった加熱分布を得られるなど使い勝手の良い誘導加熱装置を実現することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の切替手段を、電磁開閉器を用いることにより、安価に回路方式の切替を実現することができる。

第３の発明は、特に、第１の発明の切替手段を半導体スイッチを用いることにより、切替の際の耐久性を格段に上げることができるため信頼性の高い誘導加熱装置を実現することができる。

第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明の第１及び第２の半導体スイッチの少なくとも一方及び第３及び第４の半導体スイッチの少なくとも一方の半導体スイッチに並列にコンデンサを接続することにより、半導体スイッチの損失を少なくしかつスイッチング動作時のノイズを少なくすることができるため、効率が良くノイズの少ない誘導加熱装置を実現することができる。

第５の発明は、特に、第１〜４のいずれか１つの発明の第１の加熱コイルと第１の共振コンデンサの構成される直列共振回路の共振周波数と第２の加熱コイルと第２の共振コンデンサで構成される直列共振回路の共振周波数を概同一とする請求項１〜４いずれか１項記載の誘導加熱装置とすることにより、第１及び第２の加熱コイル及び第１及び第２の共振コンデンサが直列の接続されフルブリッジ回路として動作する際と、切替手段が短絡状態の際の個別にハーフブリッジ回路を動作させる際に動作状態がほぼ同じとなるため制御回路を共通化できるため安価な構成の誘導加熱装置とすることができる。

第６の発明は、特に、第１〜５のいずれか１つの発明の第１及び第２の切替手段を動作させる際に、一定時間加熱を停止させることにより、第１及び第２の共振コンデンサに貯まった電荷がない状態で切替手段を切り替えることができるため、過電流が切替手段に発生しないため、信頼性の高い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の回路構成図を示すものであ
る。

図１において、直流電源１と並列に第１の半導体スイッチ５と第２の半導体スイッチ６の直列体と、第３の半導体スイッチ１５と第４の半導体スイッチ１６の直列体がそれぞれ接続される。第１の半導体スイッチ５と第２の半導体スイッチ６の中点と第３の半導体スイッチ１５と第４の半導体スイッチ１６の中点には、第１の加熱コイル３と第１の共振コンデンサ２が直列接続して形成される第１の共振回路９と第２の加熱コイル１３と第２の共振コンデンサ１２が直列接続して形成される第２の共振回路１９の直列回路が接続され、第１の共振回路９と第２の共振回路１９の接続点と直流電源１の一端には切替手段４が接続される。

第１〜第４の半導体スイッチは制御手段８により、第１の加熱コイル３及び第２の加熱コイル１３に磁気的に結合した鍋などの負荷に所定の電力が供給できる様に導通時間及び動作周波数を制御される。本実施の形態では、切替手段４は、リレーなどの電磁開閉器で構成している。

なお、第１〜第４の半導体スイッチは、通常ＩＧＢＴやＦＥＴなどの順方向の電流を制御する半導体スイッチと半導体スイッチに対して逆向きの電流を流す逆阻止ダイオードと並列回路で構成されるがこの構成に限定するものではない。

また、第１の半導体スイッチ５と第２の半導体スイッチの６の少なくとも一方と、第３の半導体スイッチ１５と第４の半導体スイッチの１６の少なくとも一方に第１のスナバコンデンサ７及び第２のスナバコンデンサ１７を並列に接続することで、第１〜第４の半導体スイッチがオフ状態になった際の電圧の立ち上がりを緩やかにすることができるためターンオフ時のスイッチング損失を少なくすることができるとともに、半導体スイッチから発生するノイズも低く抑えることができる。

ここで、第１の加熱コイル３及び第２の加熱コイル１３が同一の鍋などの負荷を加熱する際に、切替手段４の開閉状態により第１の加熱コイル３と第２の加熱コイル１３に流れる電流の向きを変えることができる。

そのため、第１の加熱コイル３と第２の加熱コイル１３から発生する磁界の向きを変えることが可能となり、負荷の流れる渦電流の分布が変わることから負荷の加熱状態を変えることができる。

以上のように構成された誘導加熱装置について、以下、その動作、作用を説明する。

図２は、本発明の第１の実施の形態における誘導加熱装置の回路動作を示す図である。

まず、切替手段４がＯＮ状態の時を説明する。

切替手段４がＯＮ状態の時には、第１の半導体スイッチ５と第２の半導体スイッチ６と第１の加熱コイル３及び第２の共振コンデンサ２で構成されるインバータ回路と第３の半導体スイッチ１５と第４の半導体スイッチ１６と第２の加熱コイル１３と第２の共振コンデンサ１２で構成されるインバータ回路の二つがある構成となる。

この際、制御手段８は第１の半導体スイッチ５と第３の半導体スイッチ１５を同時に動作させる。その結果、第１の半導体スイッチ５から第１の加熱コイル３と第１の共振コンデンサ２の経路と第３の半導体スイッチ１５から第２の加熱コイル１３と第２の共振コンデンサ１２の経路で電流が流れる（（Ａ）の状態）。

その後、制御手段８は所定の時間を経過した後、全ての半導体スイッチをＯＦＦ状態にした後、第２の半導体スイッチ６と第４の半導体スイッチ１６をＯＮ状態にする。

その結果、第１の共振コンデンサ２と第１の加熱コイル３及び第２の半導体スイッチ６の経路と、第２の共振コンデンサ１２と第２の加熱コイル１３及び第４の半導体スイッチ１６の経路で電流が流れる（（Ｂ）の状態）。その後、制御手段は、所定の時間が経過した後、全ての半導体スイッチをＯＦＦ状態にした後、（Ａ）の状態に戻る。

一方、切替手段４がＯＦＦ状態の時を説明する。切替手段４がＯＦＦ状態の時には、第１の半導体スイッチ５と第２の半導体スイッチ６と第３の半導体スイッチ１５と第４の半導体スイッチ１６と、第１の加熱コイル３と第２の共振コンデンサ２と第２の加熱コイル１３と第２の共振コンデンサ１２で構成されるインバータ回路が構成される。

この際、制御手段８は第１の半導体スイッチ５と第４の半導体スイッチ１６を同時に動作させる。その結果、第１の半導体スイッチ５から第１の加熱コイル３、第１の共振コンデンサ２、第２の共振コンデンサ１２、第２の加熱コイル１３の経路で電流が流れる（（Ｃ）の状態）。その後、制御手段８は所定の時間を経過した後、全ての半導体スイッチをＯＦＦ状態にした後、第２の半導体スイッチ６と第３の半導体スイッチ１５をＯＮ状態にする。

その結果、第１の共振コンデンサ２、第１の加熱コイル３、第２の共振コンデンサ１２と第２の加熱コイル１３の経路で電流が流れる（（Ｄ）の状態）。その後、制御手段は、所定の時間が経過した後、全ての半導体スイッチをＯＦＦ状態にした後、（Ｃ）の状態に戻る。

以上のような動作を行うことで、第１の加熱コイル３と第２の加熱コイル１３の電流の向きを切替手段４及び第１〜４の半導体スイッチの状態を制御することで、切り替えて動作させることが可能となる。

すなわち、この電流の方向の切替により、第１の加熱コイル３と第２の加熱コイル１３が互いに同方向電流を流すことと、互いに逆向きに電流を流すことができるため、磁界分布の強弱を変えることができ、例えば機器の使用状態により加熱分布を使い分けることができる。

なお、切替手段４にリレーを用いる場合は特にリレーが切り替わる際には、鍋などの負荷へ電力供給を所定時間停止した後、行うことがリレーの信頼性を高める点からも望ましい。

また、切替手段４にリレーを用いず半導体スイッチを用いることも可能であり、この構成を取ることで機械的接点の切替手段に比べ、使用回数に対する耐久性が向上するため信頼性を向上することができる。

更に、第１の加熱コイル３と第１の共振コンデンサ２で構成される共振回路の共振周波数と第２の加熱コイル１３と第２の共振コンデンサ１２で構成される共振回路の共振周波数を概同一とすることで、切替手段４の状態がＯＦＦの時にも第１〜第４の半導体スイッチを動作させる動作周波数をほぼ同じにすることができる。また、切替手段４がＯＮの状態の時においては、第１と第２半導体スイッチで構成されるインバータ回路と第３と第４の半導体スイッチで構成されるインバータ回路の動作周波数を同一にすることができる。

以上のように、本実施の形態においては、切替手段４の状態により、第１〜第４の半導体スイッチの動作を切替えて動作させることで第１の加熱コイル３と第２の加熱コイル１３に流れる電流の向きを切り替えることができ、その結果発生する磁界を互いに干渉させることができるため、機器の使用状態に応じて加熱分布を使い分けることが可能となり、調理メニューにあった加熱分布を実現できるなど使い勝手の良い誘導加熱装置を実現できるものである。

以上のように、本発明にかかる誘導加熱装置は、複数の加熱コイルを流れる電流により発生する磁界を互いに干渉させることができるため、機器の使用状態に応じて加熱分布を使い分けることが可能となり、誘導加熱調理器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 本発明の実施の形態１における誘導加熱装置の回路動作を示す図 従来の誘導加熱装置の回路図

符号の説明

１ 直流電源
２ 第１の共振コンデンサ
３ 第１の加熱コイル
４ 切替手段
５ 第１の半導体スイッチ
６ 第２の半導体スイッチ
７ 第１のスナバコンデンサ
８ 制御手段
９ 第１の共振回路
１２ 第２の共振コンデンサ
１３ 第２の加熱コイル
１５ 第３の半導体スイッチ
１６ 第４の半導体スイッチ
１７ 第２のスナバコンデンサ
１９ 第２の共振回路

Claims (6)

1. 直流電源と、前記直流電源に並列に接続され前記直流電源の正極を第１の半導体スイッチに接続する第１及び第２の半導体スイッチの直列体と、前記直列電源に並列に接続され前記直流電源の正極を第３の半導体スイッチに接続する第３及び第４の半導体スイッチの直列体と、一端を前記第１及び第２の半導体スイッチの直列体の中点に接続した第１の加熱コイルと第１の共振コンデンサの直列回路で構成される第１の共振回路と、一端を前記第３及び第４の半導体スイッチの直列体の中点に他端を前記第１の共振コンデンサの他端と接続した第２の加熱コイルと第２の共振コンデンサの直列回路で構成される第２の共振回路と、一端を前記第１の共振回路と前記第２の共振回路の接続点と接続し他端を前記直流電源の一端と接続する切替手段と、前記第１〜第４の半導体スイッチの動作を制御する制御手段を備え、前記制御手段は前記第１及び第２半導体スイッチを交互に動作させ、前記第３と第４の半導体スイッチを交互に動作させるとともに前記第１と第３の半導体スイッチを同時に動作させ前記第２と第４の半導体スイッチを同時に動作させる際には前記切替手段を短絡状態とし、前記第１と第４の半導体スイッチを同時に動作させ前記第２と第３の半導体スイッチを同時に動作させる際には前記切替手段を開放状態とする誘導加熱装置。
2. 切替手段は、電磁開閉器を用いる請求項１記載の誘導加熱装置。
3. 切替手段は、半導体スイッチを用いる請求項１記載の誘導加熱装置。
4. 第１及び第２の半導体スイッチの少なくとも一方及び第３及び第４の半導体スイッチの少なくとも一方の半導体スイッチに並列にコンデンサを接続する請求項１〜３いずれか１項記載の誘導加熱装置。
5. 第１の加熱コイルと第１の共振コンデンサの構成される直列共振回路の共振周波数と第２の加熱コイルと第２の共振コンデンサで構成される直列共振回路の共振周波数を概同一とする請求項１〜４いずれか１項記載の誘導加熱装置。
6. 切替手段を動作させる際に、一定時間加熱を停止させる請求項１〜５いずれか１項記載の誘導加熱装置。

Images