JP2010267423A - 誘導加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】装置の低損失化が可能であり、冷却設計が容易となる誘導加熱装置を提供すること。
【解決手段】互いに絶縁された複数導線の集合線からなる集合線部分１０６と単線導線からなる単線部分１０７との直列接続体により構成されトッププレート１０３の下方に設けられて被加熱物１０２を誘導加熱する加熱コイル１０４とを備え、単線部分１０７は互いに隣接する単線導線間に空間距離を設けて集合線部分１０６とトッププレート１０３の間に配置される構成とすることにより、被加熱物の過昇温などによって集合線部分の絶縁を劣化させることなく、被加熱物と加熱コイルとの距離を近付け、磁気結合を高めて誘導加熱効率を高めることが可能であり、同じ加熱電力に必要な加熱コイル電流を少なくすることで加熱コイル損失を低減出来て、誘導加熱装置の冷却設計が容易となる。
【選択図】図１

Description

本発明は、一般家庭やオフィス、レストラン、工場などで使用される誘導加熱調理器をはじめとする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、例えば、誘導加熱調理器に関して、アルミニウム若しくは銅またはこれらと略同等以上の電気伝導率を有する低透磁率材料からなる被加熱物を誘導加熱可能な加熱コイルと、加熱コイルと被加熱物の間に設けられた電気導体とを備え、加熱コイルの発生する磁界と被加熱物に誘導される誘導電流の作用により被加熱物に対して働く浮力を低減する浮力低減機能を有し、相互に間隔を設けて複数の電気導体を配置する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、例えば、加熱調理器に関して、誘導加熱コイルと誘導発熱体とを有し、誘導加熱コイルに高周波電流が供給されることにより誘導発熱体に発生する誘導電流を制御して加熱を行う技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。

図３は、特許文献２に記載された従来の加熱調理器本体の正面断面図を示す図である。また、図４は、特許文献２に記載された従来の加熱調理器の誘導発熱部１７を示す図である。また、図５は、特許文献２に記載された従来の加熱調理器の誘導発熱部１７の詳細構造を示すものであり、（ａ）は平面図、（ｂ）は正面断面図、（ｃ）はＡ部を拡大した正面断面図を示す図である。誘導発熱体１７は、被加熱調理器具がアルミや銅のような低抵抗金属材料の場合、端子１７ａと１７ｂを短絡させて閉ループを形成する。閉ループが形成されると、誘導加熱コイル６で発生する磁束により誘導発熱体１７に誘導電流が流れて発熱する。この誘導発熱体１７で発生するジュール熱は、熱伝導により被加熱調理器具を間接的に加熱する。また、被加熱調理器具が高抵抗金属材料の場合、端子１７ａと１７ｂを開放させるため、誘導発熱体１７に誘導電流はほとんど流れない。

特許第３８８８１９０号公報 特開２００７−２００７５２号公報

しかしながら、前記従来の構成では、閉ループを形成する誘導発熱体１７で発生するジュール熱によって被加熱調理器具を間接的に加熱するものであるため、熱伝達がうまくいかない場合には、加熱効率が低下したり、温度上昇による誘導発熱体１７の溶融、損傷が発生する恐れがあるという課題を有していた。

また、前記従来の構成は、特にアルミや銅のような低抵抗金属材料の被加熱調理器具を、誘導発熱体１７を利用して直接誘導加熱をしないで加熱することによって、鍋底に流れる誘導電流と磁束との相互作用による鍋浮きを発生させないことを目的としている。そのため、高抵抗金属材料の被加熱調理器具である場合には、誘導発熱体１７は機能を果たさないという課題を有していた。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、互いに絶縁された複数導線の集合線からなる集合線部分と、単線導線からなる単線部分との直列接続体で構成され、トッププレー
トの下方に設けられた加熱コイルを備え、単線部分は互いに隣接する単線導線間に空間距離を設けて集合線部分とトッププレートの間に配置することにより、誘導加熱効率を高めて加熱コイル損失を低減し、冷却設計が容易となる誘導加熱装置を提供することを目的とする。

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、外郭を構成する本体と、被加熱物を戴置する本体の上部に設けたトッププレートと、互いに絶縁された複数導線の集合線からなる集合線部分と単線導線からなる単線部分との直列接続体により構成され、トッププレートの下方に設けられて被加熱物を誘導加熱する加熱コイルとを備え、単線部分は互いに隣接する単線導線間に空間距離を設けて集合線部分とトッププレートの間に配置される構成としたものである。

これによって、被加熱物の過昇温などによって集合線部分の絶縁を劣化させることなく、被加熱物と加熱コイルとの距離を近付け、磁気結合を高めて誘導加熱効率を高めることが可能であり、同じ加熱電力に必要な加熱コイル電流を少なくすることで加熱コイル損失を低減出来て、誘導加熱装置の冷却設計が容易となる。

本発明の誘導加熱装置は、誘導加熱効率を高めて加熱コイル損失を低減し、冷却設計が容易となる。

本発明の実施の形態１における誘導加熱装置の概略構成図 本発明の実施の形態１における誘導加熱装置の加熱コイルの詳細構成図 従来の加熱調理器本体の正面断面図 従来の加熱調理器の誘導発熱部の構成を示す図 従来の加熱調理器の誘導発熱部の詳細構造図

第１の発明は、外郭を構成する本体と、被加熱物を載置する本体の上部に設けたトッププレートと、互いに絶縁された複数導線の集合線からなる集合線部分と単線導線からなる単線部分との直列接続体により構成されトッププレートの下方に設けられて被加熱物を誘導加熱する加熱コイルとを備え、単線部分は互いに隣接する単線導線間に空間距離を設けて集合線部分とトッププレートの間に配置される構成とする誘導加熱装置としたものである。

被加熱物を効率よく誘導加熱するためには、被加熱物と加熱コイルの磁気結合を高めることが有効である。磁気結合を高めるとは、一方の磁気エネルギーを効率よくもう一方へ伝達するという意味である。具体的な手段として、被加熱物と加熱コイルとの間の距離を近付けたり、誘導加熱に寄与せずに漏れていく漏れ磁束を少なくする構成にしたり、加熱コイルの巻数を増やして等価的に加熱コイルから見た被加熱物の面積を増やしたりする等の方法がある。

被加熱物と加熱コイルの磁気結合を高めることにより、効率よい誘導加熱を実現するとともに、被加熱物で発生する誘導加熱電力一定とするのに必要な加熱コイル電流を低減して、加熱コイル損失を低減することが可能である。

しかしながら、単に加熱コイルを被加熱物に近付けることは、トッププレートと加熱コイル間距離が近付くことにもなり、被加熱物で発生する熱が加熱コイルにも影響する。

例えば、野菜炒め等の調理において被加熱物（フライパン等）の底面は２００〜３００℃程度にまで上昇するため、トッププレートを介して加熱コイル温度を上昇させる。また、天ぷら等の揚げ物調理において油が少量であった場合は、油の過昇温が発生しやすく、同様に加熱コイル温度を上昇させる。

さらには、トッププレートと加熱コイル間の空間に流れていた冷却風の循環が阻害されることになって、十分な冷却を行うことが出来ず、加熱コイル温度が上昇する。

このような場合、加熱コイル温度が耐熱温度を超えると、加熱コイルのターン間絶縁被覆が劣化して絶縁が保てなくなり、加熱コイルや誘導加熱装置の破損に繋がる。

また、例えば、加熱コイル全体を、隣接する導線間に空間距離を設けた単線で構成した場合は、被加熱物からの過剰な熱伝達を受けても、隣接する導線間の絶縁劣化の心配はない。

しかしながら、誘導加熱に利用するような高周波電流（２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚ）を単線の加熱コイルに供給した場合、単線加熱コイルは複数の導線の集合線（例えばリッツワイヤ）で構成された加熱コイルに比べて高周波抵抗が非常に高いため、加熱コイル自身の損失、発熱が大きく、誘導加熱効率が低下する。

本発明では、集合線部分とトッププレートの間に加熱コイルの単線部分を設けているため、被加熱物と加熱コイルとの間の距離が近付くことになり、磁気結合を高まる効果を持つ。

また、集合線部分と単線部分は直列接続されており、加熱コイルの巻数を増加させているため、等価的に加熱コイルから見た被加熱物の面積を増やすことになり、磁気結合を高める効果を持つ。

したがって、本発明の構成によれば、効率よい誘導加熱を実現するとともに、被加熱物で発生する誘導加熱電力一定とするのに必要な加熱コイル電流を低減して、加熱コイル損失を低減することが可能である。

その一方で、単線部分は互いに隣接する単線導線間に空間距離を設けているため、例えば被加熱物からの熱伝達が過剰となり、単線部分の温度が上昇しても、隣接する単線導線間同士の絶縁劣化を生じることはない。

さらに、加熱コイルを集合線部分と単線部分で構成しているため、誘導加熱に必要となる加熱コイル巻数のうち、単位長さ当たりの損失が集合線部分に比べて大きい単線部分を冷却可能な損失に抑えるよう、巻数設計することは容易である。

したがって、本発明の構成によれば、効率よい誘導加熱を実現するとともに、誘導加熱装置の冷却設計が容易となる。

第２の発明は、特に第１の発明において、単線部分は集合線部分よりもインピーダンスが小さくなる構成とする誘導加熱装置としたものである。

加熱コイル損失に直接影響するインピーダンスの実数部分（抵抗分）が小さいほど加熱コイル損失は小さくなる。また、加熱コイル電流が一定の場合、インピーダンスの虚数部分（インダクタンス分）が小さいほど加熱コイル巻数が少ないため、加熱コイル損失が小
さくなる。

本発明の構成によれば、単線部分は集合線部分よりもインピーダンスが小さくなる構成としている。また、単線部分と集合線部分は直列接続されているため、両部分に流れる加熱コイル電流は一定である。したがって、集合線部分に比べて単線部分の損失が小さく、誘導加熱装置の冷却設計が容易となる。

第３の発明は、特に第１の発明において、単線部分は被加熱物と熱的に接続される構成とする誘導加熱装置としたものである。

単線部分は、互いに隣接する単線導線間に空間距離を設けているため、単線に使用する金属の融点を超えない限り、単線部分の温度が上昇しても誘導加熱装置としての動作に影響は及ぼさない。したがって、被加熱物が異常加熱されていない場合には、逆に単線部分で発生する熱を、単線部分と熱的に接続された被加熱物に伝達することにより、加熱効率を向上させることが可能となる。

単線部分と被加熱物とを熱的に接続させるとは、例えば、単線部分をトッププレートの加熱コイル側から押し当てる構成として、単線部分の発熱がトッププレートを介して被加熱物に伝達出来るようにすることである。

また、単線部分の発熱が被加熱物に伝達することにより、単線部分の温度上昇も緩和されるため、誘導加熱装置の冷却設計がさらに容易となる。

第４の発明は、特に第３の発明において、加熱コイルを支持する加熱コイル支持部と、加熱コイルの集合線部分と単線部分の間に位置すべく加熱コイル支持部に固定された絶縁部を備え、単線部分は絶縁体のトッププレート側に設ける構成とする誘導加熱装置としたものである。

単線部分を、例えばトッププレートの加熱コイル側から押し当てて、被加熱物と熱的に接続させる効果を向上するためには、単線部分をまんべんなくトッププレートに押し当てることが必要である。

本発明の構成によれば、単線部分は、加熱コイル支持部に固定された絶縁部のトッププレート側に設けられているため、たわみ等が生じない。そのため、単線部分をトッププレートにまんべんなく押し当てることが可能であり、単線部分からの被加熱物への熱伝達を向上させることが可能である。

さらに、単線部分と集合線部分の間に絶縁部が固定されるため、単線部分と集合線部分との間での電気絶縁の劣化の心配がなく、信頼性の高い誘導加熱装置とすることが出来る。

第５の発明は、特に第４の発明において、断熱部を備え、断熱部は単線部分と絶縁部の間に設ける構成とする誘導加熱装置としたものである。

本発明の構成によれば、単線部分から絶縁部、加熱コイル支持部、集合線部分へ伝達する熱量が制限され、よりトッププレート側へ伝達しやすくなる。したがって、単線部分からの被加熱物への熱伝達をさらに向上させることが可能である。

また、単線部分の発熱によって集合線部分への熱伝達、熱輻射が生じ、集合線部分の温度が上昇、絶縁が劣化する等といった心配がなく、信頼性の高い誘導加熱装置とすること
が出来る。

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概略構成図を示すものである。

図１において、誘導加熱装置の外郭を構成する本体１０１の上部には、被加熱物１０２を載置するトッププレート１０３が設けられている。トッププレート１０３の下方で、本体１０１の内側には、被加熱物１０２を誘導加熱する加熱コイル１０４が設けられている。

加熱コイル１０４には、インバータ１０５が接続されている。インバータ１０５は、内部にスイッチング素子等（図示せず）を有しており、供給された電源（図示せず）をスイッチングすることにより、加熱コイル１０４に２０ｋＨｚ〜１００ｋＨｚの高周波電流を供給する。加熱コイル１０４は、高周波電流によって高周波磁界を発生し、被加熱物１０２を誘導加熱する。

加熱コイル１０４は、互いに絶縁された複数導線の集合線である、リッツワイヤからなる集合線部分１０６と、平板状の銅線である、単線導線からなる単線部分１０７との直列接続体によって構成されている。

集合線部分１０６のトッププレート１０３側表面から被加熱物１０２底面までの距離は８ｍｍに、単線部分１０７のトッププレート１０３側表面から被加熱物１０２底面までの距離は４ｍｍになるよう配置されている。単線部分１０７のトッププレート１０３側表面から被加熱物１０２底面までの距離が４ｍｍであるのは、トッププレート１０３厚みが４ｍｍであり、後述するように単線部分１０７はトッププレート１０３の加熱コイル１０４側に当接されているからである。

加熱コイル１０４の集合線部分１０６は、加熱コイル１０４を支持する加熱コイル支持部１０８上に、シリコーン等の熱硬化性接着剤により固定されている。

加熱コイル支持部１０８の下面（トッププレート１０３の反対側面）には、放射状に磁性体である棒状のフェライト１０９が８本配置されている。このフェライト１０９は、加熱コイル１０４から発生する高周波磁界が、出来るだけ漏れずに被加熱物１０２に伝達し、被加熱物１０２以外の部分を誘導加熱したり、本体１０１外部へ漏洩するのを防止する目的で設けられている。

加熱コイル支持部１０８の外周部分には、一部にスリットが入った厚み１ｍｍのドーナツ状の絶縁部１１０の外周に設けられた端子部１１１が固定されている。絶縁部１１０は十分な耐熱を持つマイカで構成されている。絶縁部１１０は、加熱コイル１０４の集合線部分１０６と単線部分１０７の間に位置するよう固定されている。このスリットは、温度上昇によって絶縁部１１０であるマイカに生じる変形を吸収し、平面形状を保ちやすくするためのものである。

絶縁部１１０のトッププレート１０３側には、断熱効果を持つセラミックファイバーシートからなる厚み０．５ｍｍのドーナツ状の断熱部１１２が配置されている。

また、断熱部１１２のさらにトッププレート１０３側には、単線部分１０７が載置されており、加熱コイル支持部１０８、絶縁部１１０、断熱部１１２によって本体１０１内部よりトッププレート１０３の加熱コイル１０４側の面に押し当てられている。つまり、単線部分１０７は集合線部分１０６とトッププレート１０３の間に配置される構成となっている。

図２は、本発明の第１の実施の形態における加熱コイル１０４の詳細構成図を示すものである。

図２において、集合線部分１０６及び単線部分１０７は、それぞれドーナツ状に巻き回して加熱コイル１０４を形成している。巻数はそれぞれ集合線部分１０６が１２ターン、単線部分１０７が７ターンとなっており、単線部分１０７のインピーダンスが集合線部分１０６に比較して小さくなっている。単線部分１０７、集合線部分１０６の内径、外径はほぼ同一で、それぞれ５０ｍｍ、１８０ｍｍとなっている。

集合線部分１０６は、被加熱物１０２の発熱分布を均一化するために、同一円心の２つのドーナツ状部分から構成されている。２つのドーナツ状部分のそれぞれでは、隣接するターン間に空間隙間はない。

また、集合線部分１０６のリッツワイヤは、表面をエナメル被覆された直径０．３ｍｍの銅線が６０本撚り合わされた構成で、厚みは約５ｍｍとなっている。リッツワイヤを採用しているため、高周波電流が流れた際に発生する表皮効果、近接効果による抵抗増加を緩和することが可能である。

単線部分１０７は、幅２ｍｍ、厚み１ｍｍの平板状の銅線で構成されている。また、互いに隣接する単線導線間に、約７ｍｍの空間距離が設けられている。互いに隣接する単線導線間の絶縁が確保されているため、単線導線の表面被覆処理はされていない。

集合線部分１０６と単線部分１０７は、電気的に直列になるよう互いに接続されている。具体的には、集合線部分１０６の外周側端子と単線部分１０７の外周側端子はインバータ１０５に接続され、集合線部分１０６の内周側端子と単線部分１０７の内周側端子は互いに接続されており、インバータ１０５から見て集合線部分１０６と単線部分１０７が直列接続体となって、加熱コイル１０４を構成するようになっている。

また、集合線部分１０６と単線部分１０７に電流が流れる際、それぞれに流れる電流向きが同方向になるよう、巻き方向が調整されている。具体的には、加熱コイル１０４をトッププレート１０３側から見た際、集合線部分１０６は時計方向、単線部分１０７は反時計方向に巻き回されている。

以上のような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。

インバータ１０５は、供給された電源（図示せず）を整流した後、内包するスイッチング素子（図示せず）のオン、オフ動作によって高周波電圧に変換する。高周波電圧は、インバータ１０５に接続された加熱コイル１０４に供給されて高周波電流が流れる。加熱コイル１０４に流れる高周波電流によって、高周波磁界が発生し、加熱コイル１０４上方に載置された被加熱物１０２内部に渦電流を誘導し、ジュール熱によって被加熱物１０２を加熱する。

このとき、加熱コイル１０４の単線部分１０７は、トッププレート１０３の加熱コイル１０４側面に押し当てられており、被加熱物１０２との距離が極小になっている。そのた
め、単線部分１０７から発生した磁界は、無駄なく被加熱物１０２に到達することが容易であり、被加熱物１０２と単線部分１０７の磁気結合が高められており、効率よい誘導加熱を行うことが可能である。

また、単線部分１０７は、非常に融点の高い銅（例えば純銅で約１０００℃）を使用している。また、互いに隣接する単線導線間に空間距離を設けており、特別な絶縁被覆処理は設けていない。

被加熱物１０２が野菜炒め等の調理において底面が２００〜３００℃になったようなとき、或いは天ぷら等の揚げ物調理において油が少量で、油の過昇温が発生したようなとき等で、トッププレート１０３を介して被加熱物１０２の発熱によって単線部分１０７の温度が上昇したとする。集合線の場合は、互いに絶縁された複数の導線で構成されているため、高温時に絶縁被覆が劣化し、劣化した部分での局所発熱が顕著となる。その結果、導線の劣化、損傷等が発生する可能性がある。

しかしながら、単線の場合は、高温による絶縁被覆の劣化がなく、局所発熱が発生しないことにより導線の損傷も少ないため、十分な耐熱性を有しており、誘導加熱装置の動作への影響がない。

また、被加熱物１０２が湯沸かし、煮物調理等、底面温度がそれほど上昇しない場合には、単線部分１０７で発生した熱をトッププレート１０３を介して被加熱物１０２に伝達することにより、加熱効率を向上させることが出来る。さらに、単線部分１０７の集合線部分１０６側には、断熱部１１２が配置されているため、単線部分１０７の被加熱物１０２への熱伝達はより促進され、集合線部分１０６への熱影響は少なくなる。

また、単線部分１０７の発熱が被加熱物１０２に伝達することにより、単線部分１０７の温度上昇も緩和される。

加熱コイル１０４の集合線部分１０６と単線部分１０７は、直列に接続されているため、同電流が流れることになる。単線部分１０７は、単線導線であるため、表皮効果、近接効果による高周波抵抗の上昇が、集合線部分１０６に比べて大きい。しかしながら、巻数を少なく設定されているため、単線部分１０７は全体として集合線部分１０６に比べてインピーダンス（抵抗、インダクタンス）が小さく、損失が小さい。

また、加熱コイル１０４を集合線部分１０６と単線部分１０７で構成しているため、誘導加熱に必要となる加熱コイル１０４巻数のうち、単位長さ当たりの損失が集合線部分１０６に比べて大きい単線部分１０７を冷却可能な損失に抑えるよう、巻数設計することは容易である。

また、本実施の形態では、単線部分１０７を断熱部１１２を介して絶縁部１１０及び加熱コイル支持部１０８によってトッププレート１０３の加熱コイル１０４側面にたわみなく、まんべんなく押し当てる構成となっている。そのため、単線部分１０７の発熱は、効率よく被加熱物１０２に伝達する。

さらに、単線部分１０７と集合線部分１０６の間に絶縁部１１０が固定されるため、単線部分１０７と集合線部分１０６との間での十分な絶縁を確保することが容易である。また、絶縁部１１０と集合線部分１０６との間には、１．５ｍｍの空間が空いているため、冷却風が通ることが可能であり、集合線１０６の冷却が容易となる。

本実施の形態では、単線部分１０７を銅線としたが、これに限定するものではなく、被
加熱物１０２の異常時温度に比べて十分耐熱性を持つものであればよい。例えば、低抵抗非磁性金属であるアルミニウム等が例として挙げられる。また、銅の場合、表面がさびる可能性があるが、アルミニウムの場合は表面に自然酸化層が形成され、表面の変化が少なく、トッププレート１０３への高い接触度を維持出来る。また、アルミニウムは銅に比べて安価である。

また、単線部分１０７を複数の平板状導線を多層にしたものとしてもよい。この場合、平板状導線は打ち抜き工法によって高速に大量生産可能であるため、製作が容易となる。

また、単線部分１０７の発熱を被加熱物１０２にさらに伝熱するために、トッププレート１０３と単線部分１０７の間に高熱伝導材を挿入すれば、単線部分１０７のトッププレート１０３へのあたりムラを低減することが可能である。

以上のように、本発明にかかる誘導加熱装置は、装置の低損失化が可能であり、冷却設計が容易となる誘導加熱装置を提供することが出来るので、誘導加熱調理器としてはもちろんのこと、誘導加熱式湯沸かし器、誘導加熱式アイロン、またはその他の誘導加熱式加熱装置などの用途にも適用できる。

１０１ 本体
１０２ 被加熱物
１０３ トッププレート
１０４ 加熱コイル
１０６ 集合線部分
１０７ 単線部分
１０８ 加熱コイル支持部
１１０ 絶縁部
１１２ 断熱部

Claims (5)

1. 外郭を構成する本体と、被加熱物を載置する前記本体の上部に設けたトッププレートと、互いに絶縁された複数導線の集合線からなる集合線部分と単線導線からなる単線部分との直列接続体により構成され前記トッププレートの下方に設けられて前記被加熱物を誘導加熱する加熱コイルとを備え、前記単線部分は互いに隣接する単線導線間に空間距離を設けて前記集合線部分と前記トッププレートの間に配置される構成とした誘導加熱装置。
2. 単線部分は集合線部分よりもインピーダンスが小さくなる構成とした請求項１に記載の誘導加熱装置。
3. 単線部分は被加熱物と熱的に接続される構成とした請求項１に記載の誘導加熱装置。
4. 加熱コイルを支持する加熱コイル支持部と、前記加熱コイルの集合線部分と単線部分の間に位置すべく前記加熱コイル支持部に固定された絶縁部とを備え、前記単線部分は前記絶縁体の前記トッププレート側に設ける構成とした請求項３に記載の誘導加熱装置。
5. 断熱部を備え、前記断熱部は単線部分と絶縁部の間に設ける構成とした請求項４に記載の誘導加熱装置。

Images