JP2010016004A - 誘導加熱装置用加熱コイル - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、かつ損失低減のできる安価な加熱コイルを実現し、小形かつ低コストの誘導加熱装置を提供することを目的としている。
【解決手段】電気導体１２を渦巻き状に巻回し、導体間に少なくとも比透磁率が１を超える電気絶縁材料１３を設けることにより、加熱コイルが発生する高周波磁界を電気絶縁材料１３に選択的に集中させることにより、電気導体１２間に発生する近接効果を大幅に低減し、電気導体１２に流れる高周波電流の分布を均一化して、損失低減を図り、簡素な構成で安価な誘導加熱装置用加熱コイルとしている。
【選択図】図１

Description

本発明は一般家庭及びレストラン、あるいは工場などで使用される誘導加熱装置に関するもので、さらに詳しくはその加熱コイルに関するものである。

従来の誘導加熱装置の加熱構造を、誘導加熱調理器を例に取り上げ、図２６〜２８を用いて説明する。図２６は従来の誘導加熱調理器の断面図で、１は加熱コイル２から発生する高周波磁界によって誘導加熱される被加熱物、２は被加熱物１を誘導加熱する加熱コイル、３は加熱コイル２に高周波電流を供給するインバータ回路で図には特に記載していないが、加熱コイル２と接続されている。４は被加熱物１がその上面に載置されるプレートでその材質はセラミックである。５は筐体、６は加熱コイル２を載置するコイル台、７はコイル台６に埋設されている磁性体で、材質はフェライトである。磁性体７は加熱コイル２から発生する高周波磁界を効率よく被加熱物１に供給させる目的で用いられている。８は冷却装置で、加熱コイル２の冷却のために加熱コイル２側面から軸流ファンなどを用いて強制空冷にて冷却している。

コイル台６を上から見た図を図２７に、また下から見た図を図２８に示す。図２８に示すように磁性体７は、複数の棒体からなり、コイル台６の下面に放射状に配置されている。

加熱コイル２のコイル線は、直径０．３ｍｍ〜０．５ｍｍ程度の素線を３０本程度撚り合わせたもので構成されている。素線の材質は銅で、その表面は絶縁物によって覆われており、それぞれの素線が電気的に接続されないようになっている。それぞれの素線は加熱コイル２の始端及び終端にて電気的に接続している。加熱コイル２のコイル線をこのような細い素線を用いている理由は、加熱コイル２に流れる周波数２０〜３０ｋＨｚ程度の高周波電流が、表皮効果によりコイル線表面に電流が集中するため、コイル線の表面積を大とする必要があるからである。また撚り合わせている理由は、加熱コイル２が発生する高周波磁界により加熱コイル２のコイル線間に作用する近接効果によって、コイル線に流れる電流分布が不均一となることを防ぐこと、及び加熱コイル２と被加熱物１との間に働く近接効果により、加熱コイル２の表面（被加熱物１側）に電流が集中することを防ぐためである。

このような素線を撚り合わせた構成を用いない場合、加熱コイル２の損失が大きくなり、温度上昇及び加熱効率面で問題である。コイル線温度が略１８０℃を越えると上記素線間及びコイル線間の絶縁が困難となり、この場合コイルとしての機能を果たすことが不可能となる。また図２７に示すコイルのターン数は簡易的に示したものであり、実際のターン数は約２０ターン以上である。

しかしながら、この様な従来の誘導加熱装置では、以下に示す課題があった。すなわち、上記したように加熱コイル及びコイル台あるいは、磁性体といった誘導加熱を行うための加熱構成が複雑で、その作製工数や部品コストが大きく、結果商品のコスト上昇をまねくという課題である。特に加熱コイルは複数の素線を撚り合わせる構成であり、その作製工数は極めて大きいものである。

こういった背景から近年加熱コイルの製造工程及び製造コストを低減し、安価な装置を提供するために、特許文献１あるいは特許文献２のように、導電板を渦巻き状に打ち抜く等の工法で、撚り線を用いない簡素なコイル線の加熱コイルが提案されている。また加熱
コイルを載置するコイル台に関しては、特許文献３に示すような棒状磁性体を加熱コイル中心から放射状に配置し、さらに樹脂で形成されるコイル台の内部に埋設するものが提案されている。

特開昭６０−２４３９９６号公報 特開平４−３３７６０６号公報 特開昭６１−７１５８１号公報

しかして、この様な撚り線を用いない誘導加熱装置用加熱コイルでは、加熱コイル自身が発生する高周波磁界により、加熱コイルの線間に作用する近接効果によって、コイル線に流れる電流分布が不均一となり、結果コイル損失が大きくなり、装置の効率低下や、加熱コイルの冷却機構が大型化するという課題がやはり存在する。コイル線断面を所定の角度で水平面に対して折曲するという提案も為されているが、加熱コイルから発生する磁界はやはり、コイル線を通過することから（コイル線は銅など透磁率が１の材質であり、コイル線間も透磁率１であることから、平等に磁界が透過する）原理的に近接効果を大幅に低減することは困難である。

また加熱コイルが載置されるコイル台においては、磁性体の厚みが大であり（棒状形態のため、その飽和磁束密度を考慮して、一般的に５ｍｍ程度）、その厚み分と樹脂厚みを足したものがコイル台の厚みとなって（一般的に１０ｍｍ弱程度）、加熱コイルの横面から冷却風を送風しても、加熱コイル下面の効率的な冷却が困難であり、この場合も装置の効率低下や、冷却機構の大型化を招くといった課題があった。（加熱コイル上面には被加熱物が載置されるプレートがあり、加熱コイルとプレート間は誘導加熱の原理上効率的な加熱のためには約５ｍｍ程度は必要であり、極めて薄いため、この面においての冷却も大幅には期待できない）。

本発明は上記従来の課題を解決し、簡素な構成で加熱コイル損失及び必要冷却を低減し、安価な誘導加熱装置を提供することを目的とするものである。

前記課題を解決するために本発明は、電気導体が渦巻き状に巻回された加熱コイルと、前記電気導体間に設けられた電気絶縁材料とを有する誘導加熱装置用加熱コイルであって、前記加熱コイルの内周部近傍に設けられた電気絶縁材料が、前記加熱コイルの外周部近傍に設けられた電気絶縁材料より大きな透磁率を有するものである。

本願発明によれば、内周部の導体近傍に設けた電気絶縁材料の透磁率を外周部近傍に設けた電気絶縁材料の透磁率より大としているので、より効率的な被加熱物の誘導加熱が可能となるものである。

本発明の第１の実施の形態である誘導加熱装置用加熱コイルの構成を示す図 同、加熱コイル下面に磁性体を配置した場合の形態の構成を示す図 同、加熱コイル中心部の電気絶縁体に空隙を設けた形態の構成を示す図 本発明の第２の実施の形態である誘導加熱装置用加熱コイルの構成を示す図 同、電気導体内にも電気絶縁材料を設けた形態の構成を示す図 本発明の第３の実施の形態である誘導加熱装置用加熱コイルの構成を示す図 本発明の第４の実施の形態である誘導加熱装置用加熱コイルの構成を示す図 本発明の第５の実施の形態である誘導加熱装置用加熱コイルの構成を示す図 本発明の第６の実施の形態である誘導加熱装置用加熱コイルの構成を示す図 本発明の第７の実施の形態である誘導加熱装置用加熱コイルの構成を示す図 本発明の第８の実施の形態である誘導加熱装置用加熱コイルの構成を示す図 本発明の第９の実施の形態である誘導加熱装置用加熱コイルの構成を示す図 本発明の第１０の実施の形態である誘導加熱装置用加熱コイルの構成を示す図 本発明の第１１の実施の形態である誘導加熱装置用加熱コイルの構成を示す図 本発明の第１２の実施の形態である誘導加熱装置用加熱コイルの構成を示す図 本発明の第１３の実施の形態である誘導加熱装置用加熱コイルの構成を示す図 本発明の第１４の実施の形態である誘導加熱装置用加熱コイルの構成を示す図 同異なる特性の電気絶縁材料を２つの部位に適用した形態の構成を示す図 本発明の第１５の実施の形態である誘導加熱装置用加熱コイルの構成を示す図 本発明の第１６の実施の形態である誘導加熱装置用加熱コイルの構成を示す図 本発明の第１７の実施の形態である誘導加熱装置用加熱コイルの構成を示す図 本発明の第１８の実施の形態である誘導加熱装置用加熱コイルの構成を示す図 本発明の第１９の実施の形態である誘導加熱装置用加熱コイルの構成を示す図 本発明の第２０の実施の形態である誘導加熱装置用加熱コイルの構成を示す図 本発明の第２１の実施の形態である誘導加熱装置用加熱コイルの構成を示す図 従来の誘導加熱装置の部品構成を示す断面図 同、加熱コイルを上から見た図 同、加熱コイルを下から見た図

第１の発明は、電気導体が渦巻き状に巻回された加熱コイルと、前記電気導体間に設けられた電気絶縁材料とを有する誘導加熱装置用加熱コイルであって、前記加熱コイルの内周部近傍に設けられた電気絶縁材料が、前記加熱コイルの外周部近傍に設けられた電気絶縁材料より大きな透磁率を有するものである。

本構成により、加熱コイルの発生する高周波磁界の密度は加熱コイル中心分すなわち内周部が高いことから、内周部の絶縁体の透磁率を大とする事によって、より効率的な被加熱物の誘導加熱が可能となるものである。

第２の発明は、第１の発明において、前記加熱コイルの最外周の電気導体の外側に電気
絶縁材料を設けたものである。

本構成により、加熱コイルの発生する高周波磁界の密度は加熱コイル中心分すなわち内周部が高くさらに内周部−外周部磁束密度よりも外周部近傍の磁束密度が高いことから、より効率的に被加熱物の誘導加熱が可能となるものである。

第３の発明は、第１または第２の発明において、前記最外周の電気導体の外側に設けられた電気絶縁材料が、前記加熱コイルの外周部近傍に設けられた電気絶縁材料より大きな透磁率を有するものである。本構成により、漏れ磁界が小さくなり、加熱効率の高い誘導加熱装置を得ることが可能となる。

（実施の形態１）
以下、本発明の第１の実施の形態について図１〜３を用いて説明する。図１は本発明の第１の実施の形態を示す図で、１１は誘導加熱される被加熱物、１２は、高周波電流が流れることにより、高周波磁界を発生する渦巻き状に巻回された電気導体で本実施の形態の場合は銅線を用いている。この渦巻きのターン数は、図１においては簡易的に図示するため４ターン程度であるが実際には２０〜５０ターン程度である。加熱コイルの内径はφ５０ｍｍ程度、外形は通常加熱する鍋の外形を鑑みてφ１８０〜２００ｍｍ程度である。ターン数が２０ターンの場合、電気導体の１２の幅は１ｍｍ程度で厚みは３ｍｍ程度、導体間は２ｍｍ程度になる。またターン数が５０ターン程度の場合、２０ターンの時と同じ幅とした場合、導体間は０．３ｍｍ程度となる。電気導体１２の幅を小とすると、断面積を同じにするために（損失を大としないために）その厚みを大とせざるを得ないが、厚みを大とすると、被加熱物１１との磁気的距離が大となり、結果磁気結合が悪くなって、加熱コイルの損失が大きくなるため、電気導体１２の幅を小とすることは困難である。１３は、電気導体１２の間に設けられた電気絶縁材料で、本実施の形態の場合、その透磁率は１００程度の樹脂フェライトを用いている。本発明の場合、渦巻き状に巻回された電気導体１２を加熱コイルと呼んでいる。

１４は、被加熱物１１を載置するためのプレートで、セラミックでできている。１５は加熱コイルを載置するためのコイル台で、樹脂でできている。

以上の構成により、電気導体１２の間に透磁率が大なる樹脂フェライトを設けているため、加熱コイルから発生する磁界は選択的に樹脂フェライトを通過することとなり、透磁率が１である電気導体１２には透過しないため、近接効果がおこらず、電気導体１２内に流れる高周波電流の分布の偏りが、近接効果によって発生することがないので、加熱コイルの損失を低減することが可能となる。近接効果による影響は特にターン数が大となるとき、すなわち電気導体１２間の距離が小となるときに大となるため、ターン数が大であればあるほど、本発明の効果は大きくなるものである。

電気絶縁材料１３の透磁率あるいは磁気飽和密度が小の場合は、図２に示すように磁性体１５をコイル台１５の下面に設けても良い。また透磁率あるいは磁気飽和密度が大であっても、磁性体１５を設けることにより、加熱コイルと被加熱物１１との磁気結合が大となり、加熱コイル損失小、また加熱効率が向上することは言うまでもない。

さらに、加熱コイル中心部に別部品（例えば被加熱物温度を間接的に検知するための樹脂に保持されたサーミスタなど）を設けるために図３のように電気絶縁材料１３に空隙を設けても良い。

（実施の形態２）
以下、本発明の第２の実施の形態について図４、５を用いて説明する。図４においては
電気絶縁材料２０は、電気導体１２の外周部外側に設けている。電気絶縁材料は第１の実施の形態と同様の材質である。

本構成により、電気導体１２から発生する高周波磁界は電気絶縁材料２０を介して被加熱物１１へ導かれるため、従来加熱コイル下面に設けられていた磁性体は不要となり、加熱コイルの厚みが小となって、冷却が容易となり小形安価な誘導加熱装置を実現することが可能となるものである。また電気導体１２から発生する高周波磁界は電気絶縁材料２０にて被加熱物１１へ導かれるため漏れ磁界も小となりより輻射ノイズ低減も可能となるものである。

さらに図５に示すように本発明の第１の実施の形態と組み合わせて電気導体１２の間にも電気絶縁材料２０あるいは１３を設けてもよい。この場合は第１及び第２の実施の形態両方のメリットが得られるものである。

（実施の形態３）
以下、本発明の第３の実施の形態について図６を用いて説明する。本実施の形態においては電気絶縁材料２１は加熱コイル下面にも一様に設けられ、第１の実施の形態あるいは第２の実施の形態にて必要であったコイル台１５は不要となる。電気絶縁材料２１の材質は第１の実施の形態と同様である。

以上より、加熱コイル下面にも磁性体を設けているので、さらに漏れ磁界が小となり、また磁気結合も大となるため、加熱コイルの損失や発生する輻射ノイズがが小となり、加熱効率が高く、磁気遮蔽のための装置の不要な低コストの誘導加熱装置を実現できるものである。また第１あるいは第２の実施の形態と比べて、同じ性能を得る場合、透磁率あるいは磁気飽和密度の小なる電気絶縁材料２１とすることが可能となりこの面においても低コスト化が可能となる。

（実施の形態４）
以下本発明の第４の実施の形態について図７を用いて説明する。

図７において電気絶縁材料２１の一部に貫通穴２２が設けられている。本構成とすることにより、冷却に寄与する面積が大となり、加熱コイルの必要冷却が緩和でき、低コスト小形の誘導加熱装置が実現できるものである。

（実施の形態５）
以下本発明の第５の実施の形態について図８を用いて説明する。図８において電気絶縁材料１５の厚みは部分的に異なるものとなっている。すなわち発熱の大なる電気導体１２の下面においては薄く、それ以外の部分については厚くしている。以上より発熱の大なる部分において電気絶縁材料１５の厚みを小としているため冷却が効率的にできるようになり、同じ冷却風においても加熱コイルの温度を低減することが可能となり、小形低コストの誘導加熱装置を可能とするものである。

（実施の形態６）
以下本発明の第６の実施の形態について図９を用いて説明する。図９において３０は第２の電気絶縁材料で、３１は第１の電気絶縁材料であり、第１の電気絶縁材料３１の透磁率または磁気飽和密度は第２の電気絶縁材料３０のそれより大としている。第２の電気絶縁材料３０の材質は第１の実施の形態で述べた内容と同様である。以上より、加熱コイル下面の電気絶縁材料の厚みを薄くすることが可能となり、冷却が容易となって、必要冷却の緩和が図れるようになるものである。

（実施の形態７）
以下本発明の第７の実施の形態について図１０を用いて説明する。図１０において電気絶縁材料１５の被加熱物１１に対して下面の表面面積は凹凸形状にすることによって大きくなっている。従って同じ冷却風でも第３の実施の形態と比べて必要冷却が小となり、低コスト小形の誘導加熱装置が実現できるものである。

（実施の形態８）
以下本発明の第８の実施の形態について図１１を用いて説明する。図１１において電気導体１２と電気絶縁材料１３の間には空隙４０が設けられている。以上の構成にすることにより、同じ冷却風でも第３の実施の形態と比べて必要冷却が小となり、低コスト小形の誘導加熱装置が実現できるものである。

（実施の形態９）
以下本発明の第９の実施の形態について図１２を用いて説明する。図１２において４１は本実施の形態の場合熱伝導のよいアルミでできた放熱板で、電気絶縁材料１３と接触されている。以上の構成にすることにより、同じ冷却風でも第３の実施の形態と比べて必要冷却が小となり、低コスト小形の誘導加熱装置が実現できるものである。

（実施の形態１０）
以下本発明の第１０の実施の形態について図１３を用いて説明する。図１３において電気絶縁材料１３の熱は高熱伝導体５０を介して放熱板４１に導かれることになる。以上より放熱板４１の載置自由度及び形状自由度が大となり小形低コストの誘導加熱装置を実現することが可能となるものである。

（実施の形態１１）
以下本発明の第１１の実施の形態について図１４を用いて説明する。図１４において内周部の電気絶縁材料１３を電気導体１２平面よりも被加熱物１１側に高く設けている。本構成により、加熱コイルと被加熱物１１の磁気結合が大となり、加熱コイルに流れる電流が小とできることから、加熱コイルの損失を低減することが可能となりものである。

（実施の形態１２）
以下本発明の第１２の実施の形態について図１５を用いて説明する。図１５において５１は、被加熱物１１の温度を間接的に検知する温度センサであり、電気絶縁材料１３用いてプレート１４に接触させたものである。本構成により、加熱コイルの低損失化と同時に被加熱物の温度をより正確に検知することが可能となるものである。

（実施の形態１３）
以下本発明の第１３の実施の形態について図１６を用いて説明する。図１６において５１は、被加熱物１１の温度を間接的に検知する温度センサであり、電気絶縁材料１３をプレート１４に接触させてしかもその内部に埋設されているものである。電気絶縁材１３は磁性体のため一般的な樹脂よりも約５倍以上の熱伝導率があるため、本実施の形態のように熱集約材料としても可能であることから本発明の構成によりより一層被加熱物１１の温度を正確に検知することが可能となるものである。

（実施の形態１４）
以下本発明の第１４の実施の形態について図１７、１８を用いて説明する。図１７において外周部の電気絶縁材料１３を電気導体１２平面よりも被加熱物１１側に高く設けている。本構成により、加熱コイルと被加熱物１１磁気結合が大となり、さらに加熱コイルからの漏れ磁界も低減できるようになり、加熱コイルの損失低減と、不要輻射の低減が可能となるものである。

さらに図１８に示すように第１の電気絶縁材料６０と第２の電気絶縁材料６１と２つに分けても良い。この場合は第２の電気絶縁材料６１の透磁率あるいは磁気飽和密度を大とすることにより加熱コイルの低損失化や低コスト化が可能となるものである。

（実施の形態１５）
以下本発明の第１５の実施の形態について図１９を用いて説明する。図１９において電気絶縁材料１３は、電気導体１２表面を除いて、加熱コイル上面全域に渡って電気導体１２平面よりも被加熱物１１側に高く設けている。この構成により、加熱コイルと被加熱物１１との結合がさらに良くなり、漏れ磁界の低減や加熱コイル電流の低減が可能となるものである。

（実施の形態１６）
以下本発明の第１６の実施の形態について、図２０を用いて説明する。図２０において７０は第１の電気絶縁材料であり、電気導体１２の外周部に設けられている。７１は第２の電気絶縁材料であり、電気導体１２の内周部に設けられている。

電気絶縁材料７１の透磁率は電気絶縁材料７０の透磁率よりも大としている。以上の構成により、加熱コイルの発生する高周波磁界の密度は加熱コイル中心分すなわち内周部が高いことから、内周部の絶縁体の透磁率を大とする事によって、より効率的な被加熱物の誘導加熱が可能となるものである。

（実施の形態１７）
以下本発明の第１７の実施の形態について図２１を用いて説明する。図２１において８０は第１の電気絶縁材料であり、電気導体１２の内周部と外周部の間に設けられている。８１は第２の電気絶縁材料であり、電気導体１２の内周部及び外周部に設けられている。

電気絶縁材料８１の透磁率は電気絶縁材料８０の透磁率よりも大としている。以上の構成により、加熱コイルの発生する高周波磁界の密度は加熱コイル中心分すなわち内周部が高くかつ、内周部−外周部磁束密度よりも外周部近傍の磁束密度が高いことから、より効率的に被加熱物の誘導加熱が可能となるものである。

（実施の形態１８）
以下本発明の第１８の実施の形態について図２２を用いて説明する。図２２において電気導体１２は本実施の形態の場合φ０．３ｍｍの素線を３５本撚り合わせたものとしている。以上の構成によって、高周波電流の表皮効果の影響による電流分布の偏りがなくなり、一層加熱コイルの損失低減が可能となるものである。

（実施の形態１９）
以下本発明の第１９の実施の形態について図２３を用いて説明する。図２３において電気導体１２は、間に電気絶縁体９０を挟んだ２層の構成（第１層の電気導体１２ａと第２層の電気導体１２ｂ）になっている。さらに第１層の電気導体１２ａと第２層の電気導体１２ｂは、反転部９１にて被加熱物１１に対して、上下の関係になっている。反転部９１にて、上下に反転しない場合、電気導体１２に流れる電流は鍋と加熱コイルとの近接効果により、鍋側の層に集中して流れるため、加熱コイルの損失大となるが、本構成のように巻回途中で上下反転することによりそれぞれの層に流れる電流が均一となり、鍋との近接効果の影響を回避できるものである。さらに複数の層にしていることから表皮効果の影響を避けることも可能となり、加えて電気導体間に透磁率の大なる電気絶縁材料１３を設けていることから、電気導体間の近接効果も低減でき、極めて損失の少ない加熱コイルを実現することが可能となる。

（実施の形態２０）
以下本発明の第２０の実施の形態について図２４を用いて説明する。図２４において電気導体１２の巻回ピッチは、内周部が大きくなっている。以上より磁束密度の高い部位の導体間隔を大としているので、より一層近接効果の低減を図ることが可能となり、加熱コイルの損失を低減できるものである。

（実施の形態２１）
以下本発明の第２１の実施の形態について図２５を用いて説明する。図２５において電気絶縁材料１３及び電気導体１２は被加熱物１１の面側でプレート１４に接触している。本構成により、加熱コイルと被加熱物１１との磁気結合は極めて密となり、加熱コイル電流を小とできるため、加熱コイル損失を低減することが可能となるものである。また従来の構成では加熱コイルの被加熱物１１側面の冷却が困難となり、たとえ加熱コイル損失が小となっても必要冷却が大となるが、本構成の場合加熱コイルの被加熱物１１と逆面の冷却が極めて大であることから可能となるものである。

以上のように、本発明によれば、簡素な構成で加熱コイル損失及び必要冷却を低減することができ、誘導加熱装置の用途に適用することができる。

１２ 電気導体
１３ 電気絶縁材料
２０ 電気絶縁材料
２１ 電気絶縁材料
２２ 貫通穴
３０ 第２の電気絶縁材料
３１ 第１の電気絶縁材料
４０ 空隙
４１ 放熱板
５０ 高熱伝導体
５１ 温度センサ

Claims (3)

1. 電気導体が渦巻き状に巻回された加熱コイルと、前記電気導体間に設けられた電気絶縁材料とを有する誘導加熱装置用加熱コイルであって、前記加熱コイルの内周部近傍に設けられた電気絶縁材料が、前記加熱コイルの外周部近傍に設けられた電気絶縁材料より大きな透磁率を有する誘導加熱装置用加熱コイル。
2. 前記加熱コイルの最外周の電気導体の外側に電気絶縁材料を設けた請求項１に記載の誘導加熱装置用加熱コイル。
3. 前記最外周の電気導体の外側に設けられた電気絶縁材料が、前記加熱コイルの外周部近傍に設けられた電気絶縁材料より大きな透磁率を有する請求項２に記載の誘導加熱装置用加熱コイル。

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