JP2011113896A - 高周波加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】マグネトロンの起動時に、マグネトロンの発振するまでの時間を短縮する。
【解決手段】入力手段５にて設定された高周波出力をマグネトロン３１に発生させるための電源を供給するインバータ電源３０を備え、該インバータ電源３０は、昇圧トランス４６とスイッチング素子４４とからなるインバータ回路４８と、昇圧トランス４６の二次側コイル４６ｂに発生した電圧を倍電圧整流する倍電圧回路４７と、インバータ回路４８に流れる電流を検出する入力電流検出回路５２と、入力電流検出回路５２の検出値を基にスイッチング素子４４のＯＮ時間を決定するデータ信号を出力する制御手段５３とを有する制御回路５０を備え、制御手段５３は、マグネトロン３１の起動時に倍電圧回路４７の出力電圧が倍電圧回路４７を構成する高圧ダイオード４７ｂの定格電圧以下になるように、スイッチング素子４４のＯＮ時間を決定したデータ信号を発信する。
【選択図】 図４

Description

本発明は、マグネトロンを駆動するインバータ電源を備えた高周波加熱装置に関するものである。

従来のこの種の高周波加熱装置において、インバータ電源によりマグネトロンを駆動する制御方式では、マグネトロンの発振を短時間で可能にするように、マグネトロンの駆動開始時にインバータ電源の出力を最大出力で駆動させる制御方式としていた。

特許文献１に示すものは、マグネトロンを駆動するインバータ電源と、前記マグネトロンの高周波出力を任意に設定するための制御信号を前記インバータ電源に出力するマイクロコンピュータを備え、インバータ電源の動作開始時に前記マイクロコンピュータが最大の高周波出力に相当する制御信号を出力してマグネトロンを起動し、マグネトロンに流れる陽極電流値を監視して陽極電流値が一定値以上に流れた時に、設定された高周波出力になるように制御信号を出力することで、短時間でマグネトロンの発振を開始する制御方式である。

特開平２−２３４３８６号公報

特許文献１に示す制御方式は、出願当時の技術水準において、一般家庭用に販売されていた高周波加熱装置の最大出力は５００Ｗ前後であったが、現在は、機器の効率向上等、技術の進歩により最大出力は１０００Ｗまで増加している。

しかし、上記制御方式においては、マグネトロンの起動時に、マグネトロンが発振するまでの時間を短縮するために、最大出力である１０００Ｗでインバータ電源を印加すると、マグネトロンのヒータが温まっていないため安定した陽極電流が流れることができず、インバータ電源の高圧トランス（昇圧トランス）の二次側コイルに接続された倍電圧回路の出力電圧が高くなり、倍電圧回路を構成している高圧ダイオードの電気的定格を超え、部品の信頼性を低下させる事態が発生するという問題がある。

本発明は上記の問題を解決するためになされたものであり、請求項１では、高周波出力を発生するマグネトロンと、該マグネトロンで発生する高周波出力を設定する入力手段と、該入力手段にて設定された高周波出力を前記マグネトロンに発生させるための電源を供給するインバータ電源を備え、
該インバータ電源は、前記マグネトロンに供給する高周波出力の電源を生成するための昇圧トランスと該昇圧トランスへの通電をＯＮ，ＯＦＦし該昇圧トランスの一次側コイルに電圧を印加するスイッチング素子とからなるインバータ回路と、前記昇圧トランスの二次側コイルに発生した電圧を高圧コンデンサと高圧ダイオードによって倍電圧整流する倍電圧回路と、前記インバータ回路に流れる電流を検出する入力電流検出回路を有し、前記設定された高周波出力が得られるように前記入力電流検出回路の検出値を基に前記スイッチング素子のＯＮ時間を決定するデータ信号を出力する制御手段とを有する制御回路を備え、
前記制御手段は、前記マグネトロンの起動時に前記倍電圧回路の出力電圧が該倍電圧回路を構成する前記高圧ダイオードの定格電圧以下になるように、前記スイッチング素子のＯＮ時間を決定するデータ信号を発信し、前記マグネトロンが発振を開始した後に前記設定された高周波出力となるデータ信号を発信するものである。

請求項２では、前記制御手段は、前記マグネトロンの駆動時に前記昇圧トランスの二次側コイルに接続された倍電圧回路の出力電圧が前記高圧ダイオードの定格電圧以下になるように前記スイッチング素子の起動時のＯＮ時間を決定したデータ信号を発信し、前記マグネトロンが発振を開始し、前記入力電流検出回路の検出値が一定値以上になると、前記設定された高周波出力となるデータ信号を発信するものである。

本発明によれば、制御手段によりマグネトロンの起動時にマグネトロンの起動用のデータ信号を発生することで、昇圧トランスの二次側コイルに発生する電圧を自由に設定できるので、昇圧トランスの二次側コイルに接続されている部品の定格を満足し、部品の信頼性を確保しながらマグネトロンの発振開始までの時間を短縮することが可能である。

本実施例のマグネトロン駆動用の制御回路を搭載した高周波加熱装置の外観斜視図である。 図１のＡ−Ａ部の断面図である。 本実施例の高周波加熱装置の制御を説明するブロック図である。 本実施例のインバータ電源のブロック図である。 本実施例の制御ブロック図の主要部の電圧波形図である。 本実施例のインバータ電源の検出電流及び発生電圧と経過時間の説明図である。

以下、本発明の実施例を添付図面に従って説明する。

図１及び図２において、高周波加熱装置の本体１は、加熱室１７に加熱する食品を入れ、高周波エネルギーやヒータの熱を使用して食品を加熱調理する。

ドア２は、加熱室１７の内部に食品を出し入れするために開閉するもので、ドア２を閉めることで加熱室１７を密閉状態にし、食品を加熱する時に使用する高周波の漏洩を防止し、ヒータの熱を封じ込め、効率良く加熱することを可能とする。

取っ手７は、ドア２に取り付けられ、ドア２の開閉を容易にするもので、手で握りやすい形状になっている。

ガラス窓４は、調理中の食品の状態が確認できるようにドア２に取り付けられ、ヒータ等の発熱による高温に耐えるガラスを使用している。

入力手段５は、ドア２の前面下側の操作パネル４に設けた表示部５ａと操作部５ｂからなり、操作部５ｂは、高周波加熱やヒータ加熱等の加熱手段や加熱の強さや加熱する時間等の調理条件を入力するためのものであり、表示部５ａは、操作部５ｂから入力された内容や調理の進行状態を表示するものである。

排気口８は、部品を冷却した後の冷却風や食品を加熱した時に発生した蒸気を排出するところである。

機械室１８は、加熱室１７の下部に設けられた空間で、該空間内には、食品を加熱するためのマグネトロン３１，マグネトロン３１に接続された導波管２１，マグネトロン３１の電源を供給するインバータ電源３０が搭載されたインバータ基板，その他後述する各種部品、これらの各種部品を冷却する冷却手段６２等が取り付けられている。

加熱室１７の底面の略中央部は凹状に窪んでおり、その中に回転アンテナ１９が設置され、マグネトロン３１の発振により放射される高周波エネルギーは、導波管２１，回転アンテナ駆動手段２３の出力軸２３ａが貫通する結合穴２２を通して回転アンテナ１９の下面に流入し、該回転アンテナ１９で拡散されて加熱室１７内に放射される。回転アンテナ１９は、回転アンテナ駆動手段２３の出力軸２３ａに連結されている。

加熱室１７の後部には熱風ユニット１１が取り付けられ、熱風ユニット１１内には加熱室１７内の空気を効率良く循環させる熱風ファン１５と熱風ヒータ１４が取り付けられ、加熱室奥壁面には熱風の通り道となる孔が設けられている。

熱風ファン１５は、熱風ユニット１１の外側に取り付けられた熱風モータ１３の駆動により回転し、加熱室奥壁面に設けた孔を通して加熱室１７との間で空気を循環し、熱風ヒータ１４で循環する空気を加熱する。

加熱室１７の天面の裏側には、ヒータよりなるグリル加熱手段１２が取り付けられている。グリル加熱手段１２は、マイカ板にヒータ線を巻き付けて平面状に形成し、加熱室１７の天面裏側に押し付けて固定し、加熱室１７の天面を加熱して加熱室１７内の食品を輻射熱によって焼くものである。

温度検出手段１６は、各ヒータで加熱される加熱室１７の温度を検出するもので、検知手段としてサーミスター等が使用される。

テーブルプレート２０は、食品を載置するためのもので、ヒータ加熱と高周波加熱の両方に使用できるように耐熱性を有し、かつ、高周波の透過性が良く、衛生面でも問題がない磁器等の材料で成形されている。

つぎに、図３のブロック図について説明する。

４１は交流電源で、本体１の制御部や各電気部品を動作させるものである。

６０はレンジ加熱手段で、食品を高周波エネルギーで加熱するマグネトロン３１とインバータ電源３０とで構成され、主制御手段６によって入力手段５より入力された加熱の強さをパワー信号６ａに変換してインバータ電源３０の制御回路５０に送信する。

６１はオーブン加熱手段で、上記した熱風ユニット１１と熱風ユニット１１の外側に取り付けられた熱風モータ１３からなり、主制御手段６によって加熱室１７の温度が入力手段５から入力された温度になるように加熱室１７の温度を温度検出手段１６により検出し、熱風ヒータ１４の電力を調整する。

６２は冷却手段で、加熱動作時に自己発熱部品や発熱部品からの熱伝導によって熱的に不具合を発生する部品を冷却するもので、レンジ加熱手段６０が動作している時は、特にマグネトロン３１やインバータ電源３０を冷却するものである。

６は主制御手段で、入力手段５から入力された内容に従い、食品を加熱調理するように各加熱手段を動作させ、温度検出手段１６の検知温度に応じてオーブン加熱手段６１やグリル加熱手段１２のヒータの電力を調整するものである。

次に、マグネトロン３１とインバータ電源３０の動作について、図４のインバータ電源の制御ブロック図を用いて説明する。

４１は交流電源で、商用電源から供給される交流の電源である。

４２は整流回路で、電源４１から供給された交流の電源を直流化するものである。

４３は電源平滑回路で、整流回路４２で直流に変換された電源を平滑するものである。

４６は昇圧トランスで、一次側コイル４６ａに印加された電圧を昇圧して二次側コイル４６ｂに高い電圧を誘起させるものである。

４４はスイッチング素子で、昇圧トランス４６の一次側コイル４６ａに印加する電圧を高周波（２０Ｋ〜４０ＫＨｚ）でＯＮ，ＯＦＦするものであり、スイッチング素子４４のＯＮ時間の比率を変えることで昇圧トランス４６の二次側コイル４６ｂに発生する電圧を変化させる。

４５は共振コンデンサで、該共振コンデンサ４５と昇圧トランス４６の一次側コイル４６ａのインダクタンスによって、スイッチング素子４４がＯＮからＯＦＦした後も、昇圧トランス４６の一次側コイル４６ａに電流が交流的に流れ、昇圧トランス４６の二次側コイル４６ｂに電圧を誘起する。そして、スイッチング素子４４のＯＮ，ＯＦＦする時間の比率を調整することで二次側コイル４６ｂに発生する電圧の大きさを調節するものである。

以上説明した整流回路４２，電源平滑回路４３，スイッチング素子４４，共振コンデンサ４５，昇圧トランス４６によってインバータ回路４８を構成する。

４７は倍電圧回路で、高圧コンデンサ４７ａと高圧ダイオード４７ｂとで構成され、昇圧トランス４６の二次側コイル４６ｂに誘起した高周波電圧を倍電圧整流するものである。

３１はマグネトロンで、電気的構成としては、カソード（ヒータと兼用）３１ａとアノード３１ｂからなり、ヒータ３１ａに電流を流して発熱させ、該ヒータ３１ａが温まるとカソード３１ａとアノード３１ｂ間に陽極電流が流れ始め、マグネトロン３１は発振を開始して、高周波エネルギーを放射して食品を加熱するものである。

６ａはパワー信号で、主制御手段６によって操作部５ｂで入力された食品を加熱する強さをインバータ電源３０の制御手段５３に伝え、マグネトロン３１の高周波出力を設定するための信号である。

５１は電源同期タイミング検出回路で、交流電源４１の電圧を入力し、電圧がゼロボルトになるタイミングを検出するためのものである。

５２は入力電流検出回路で、マグネトロン３１を動作している時に流れる電流を検出するものである。該電流の測定は、抵抗５２ａの両端間に発生する電圧を測定し、抵抗５２ａの抵抗値から電流を算出するものである。抵抗５２ａは、抵抗自身で余分な電力を消費しないように小さな抵抗値の抵抗器を使用し、抵抗５２ａの両端に発生する微小電圧を増幅回路で増幅して後述する制御手段５３に出力し、制御手段５３で電流値を算出している。

そして、マグネトロン３１が発振している時の高周波出力と前記入力電流検出回路５２で検出した電流との相関関係を事前に確認しておくことで、制御手段５３はマグネトロン３１の発振している出力が主制御手段６からの要求に合致しているかどうかを認識できる。

５３は制御手段で、計時手段５３ａと記憶手段５３ｂとを備え、計時手段５３ａは、電源同期タイミング検出回路５１から送られてくるパルス信号のパルスと、該パルスの間隔の時間を測定して電源４１の周波数を判定し、該電源４１のゼロボルトを基準にしてパワー信号６ａに対応した高周波出力が得られるように、スイッチング素子４４を駆動するＯＮ，ＯＦＦの矩形波（データ信号ｃ）を出力する。

５４は、制御手段５３からのデータ信号ｃを平滑する平滑回路で、データ信号ｃのＯＮ時間の比率が大きければ、平滑後の平滑信号の電圧は大きくなり、ＯＮ時間の比率が小さければ、平滑後の平滑信号の電圧は小さくなる。

５５はＯＮタイミング検出回路で、スイッチング素子４４がＯＮからＯＦＦした後にスイッチング素子４４に印加されている電圧がゼロになるのを検知し、次にスイッチング素子４４がＯＮする事が可能となるタイミングの信号を出力するものである。

５６は基準発振回路で、ＯＮタイミング検出回路５５から出力された信号を基準に三角波を発信し、平滑回路５４によって変換された平滑信号と三角波を比較し、スイッチング素子４４のＯＮ時間とＯＦＦ時間を決定する。スイッチング素子４４のＯＮ，ＯＦＦする周期は、マグネトロン３１を効率良く発振させるために２０ＫＨｚ〜４０ＫＨｚの高周波としている。

５７は駆動回路で、基準発振回路５６からの信号でスイッチング素子４４を駆動できる信号に変換するものである。

本実施例は、以上の構成からなり、次に、マグネトロン３１の発生する高周波出力の可変方法について図５を用いて説明する。

マグネトロン３１の発生する高周波出力は、スイッチング素子４４のＯＮ時間とＯＦＦ時間の比率を可変することで決定し、ＯＮ時間がＯＦＦ時間に比べ長いほど高周波出力は大きくなる。また、マグネトロン３１に印加する電圧も同様にスイッチング素子４４のＯＮ時間がＯＦＦ時間に比べ長いほど大きくなる。

前記スイッチング素子４４のＯＮとＯＦＦの動作は、５−ａに示すようにＯＮタイミング検出回路５５より出力される信号ｆによってスイッチング素子４４のＯＮタイミングを出力する。この信号は、２０ＫＨｚ〜４０ＫＨｚの高周波で出力される。

マグネトロンの発生する高周波出力は、５−ｂに示すように制御手段５３より出力されるデータ信号ｃのＯＮ時間の比率によって決定される。

データ信号ｃは、次回路の平滑回路５４によって矩形波のデータ信号ｃを平滑化し、平滑信号ｇへと変換し、基準発信回路によってスイッチング素子４４のＯＮタイミングとＯＮ時間の比率を決定する。

例えば、データ信号ｃのＯＮ時間（イ）に示すように、データ信号ｃのＯＮ時間の比率が大きければ、平滑信号ｇの電圧レベルは平滑信号ｇ（イ）のように大きくなり、データ信号ｃのＯＮ時間の比率が小さければ、平滑信号ｇの電圧レベルは平滑信号ｇ（ロ）のように小さくなる。

そして、信号ｆと平滑信号ｇの二つの信号は、５−ｄに示すように、基準発信回路５６の内部の処理によって信号ｆのＯＮタイミングで三角波を発振し、その三角波と平滑信号ｇを比較してスイッチング素子４４をＯＮ，ＯＦＦさせるタイミングを出力ｅとして出力する。

ＯＮとＯＦＦの周期は信号ｆによって決定し、ＯＮ時間とＯＦＦ時間の比率は平滑信号ｇの電圧レベルの大きさによって決定する。

例えば、平滑信号ｇ（イ）のように電圧レベルが高いと、平滑信号ｇは三角波の頂点側に振れ、スイッチング素子４４をＯＮする時間は５−ｅに示すスイッチング素子ＯＮ時間（イ）のようにＯＮ時間は短くなり、平滑信号ｇ（ロ）のように電圧レベルが低いと、平滑信号ｇは三角波の底辺側に振れ、スイッチング素子４４をＯＮする時間は５−ｅに示すスイッチング素子ＯＮ時間（ロ）のようにＯＮ時間は長くなる。

次に起動開始時の動作について、高周波出力を７００Ｗ、加熱時間を１分にした場合について図６を用いて説明する。

図６の横軸は、加熱開始からの経過時間を示し、縦軸の検出電流は、入力電流検出回路の検出値を示し、発生電圧は、倍電圧回路４７の出力電圧の値を示す。

主制御手段６は、加熱を開始するために、操作部５ｂで入力された高周波出力を示すパワー信号６ａをインバータ電源３０の制御手段５３に送る。同時に、回転アンテナ駆動手段２３と冷却手段６２にも信号を送り、回転アンテナ１９を回転させて冷却風の送風を開始する。

パワー信号６ａを受けた制御手段５３は、初めにマグネトロン３１の起動用のデータ信号（ｃ）を記憶手段５３ｂから読み出し、出力する。

この起動用のデータ信号（ｃ）は、マグネトロン３１の発信開始を早くするための専用の出力信号で、具体的には、昇圧トランス４６の二次側コイル４６ｂに接続した倍電圧回路４７で出力する電圧値により、倍電圧回路４７を構成している高圧コンデンサ４７ａや高圧ダイオード４７ｂの電気的定格を満足する範囲で最大となるスイッチング素子４４のＯＮ時間の比率を決定するものである。

このＯＮ時間の比率は、各々のインバータ電源３０にて調整し、前記電気定格を越さない最大の電圧（Ｖｍａｘ）を発生できるようにしたものであり、そのために部品のバラツキの影響を受けることなく倍電圧回路４７を構成している高圧コンデンサ４７ａや高圧ダイオード４７ｂの電気的定格を満足した値となっている。

起動直後は、マグネトロン３１のヒータ３１ａはまだ温まっていないので発振することがなく、陽極電流もさほど流れない状態で、図６の起動初期に示すように、入力電流検出回路５２の検出電流値も小さい値を示す。

しかし、起動初期は、図６に示すようにデータ信号（ｃ）によってマグネトロン３１に高い電圧（Ｖｍａｘ）が印加され、短時間でヒータ３１ａの温度が上昇し始め、温度の上昇に比例して陽極電流が増加し、起動後期には入力電流検出回路５２の検出電流値も上昇し、マグネトロン３１は発振を開始する。

ヒータ３１ａが一定以上に温まり、急激に電流が流れるのを防止するために、起動後期では入力電流検出回路５２で入力電流を監視し、ヒータ３１ａがまだ完全に温まる前にデータ信号ｃのＯＮ時間の比率をスイッチング素子４４のＯＮ時間の比率を小さくように変更し、マグネトロン３１が温まった安定期には設定された高周波出力に相当するようにデータ信号ｃのＯＮ時間の比率を調整する。前記安定期までの時間は、概ね１〜２秒である。

ここでは、入力電流検出回路５２で検出値が電流換算で３Ａ以上を検出した時に、マグネトロン３１に印加する電圧を低下する方向に動作するデータ信号ｃを出力し、必要とする高周波出力７００Ｗに相当する電流値が得られるように、制御手段５３が動作する。

その後、加熱時間が１分間経過すると、主制御手段６より制御手段５３と各負荷に停止命令がでて、加熱を終了する合図と共に加熱を終了する。

以上説明したように、本実施例によれば、制御手段によりマグネトロンの起動用のデータ信号を発生することで、昇圧トランスの二次側コイルに発生する電圧を自由に設定できるので、昇圧トランスの二次側コイルに接続されている部品の定格を満足し、部品の信頼性を確保しながら、マグネトロンの発振開始までの時間を短縮することができるものである。

３０ インバータ電源
３１ マグネトロン
４４ スイッチング素子
４６ 昇圧トランス
４７ 倍電圧回路
５０ 制御回路
５１ 電源同期タイミング検出回路
５３ 制御手段
５３ａ 計時手段
５３ｂ 記憶手段

Claims (2)

1. 高周波出力を発生するマグネトロンと、
   該マグネトロンで発生する高周波出力を設定する入力手段と、
   該入力手段にて設定された高周波出力を前記マグネトロンに発生させるための電源を供給するインバータ電源を備え、
   該インバータ電源は、前記マグネトロンに供給する高周波出力の電源を生成するための昇圧トランスと該昇圧トランスへの通電をＯＮ，ＯＦＦし該昇圧トランスの一次側コイルに電圧を印加するスイッチング素子とからなるインバータ回路と、前記昇圧トランスの二次側コイルに発生した電圧を高圧コンデンサと高圧ダイオードによって倍電圧整流する倍電圧回路と、前記インバータ回路に流れる電流を検出する入力電流検出回路を有し、前記設定された高周波出力が得られるように前記入力電流検出回路の検出値を基に前記スイッチング素子のＯＮ時間を決定するデータ信号を出力する制御手段とを有する制御回路を備え、
   前記制御手段は、前記マグネトロンの起動時に前記倍電圧回路の出力電圧が該倍電圧回路を構成する前記高圧ダイオードの定格電圧以下になるように、前記スイッチング素子のＯＮ時間を決定するデータ信号を発信し、前記マグネトロンが発振を開始した後に前記設定された高周波出力となるデータ信号を発信することを特徴とした高周波加熱装置。
2. 前記制御手段は、前記マグネトロンの駆動時に前記昇圧トランスの二次側コイルに接続された倍電圧回路の出力電圧が前記高圧ダイオードの定格電圧以下になるように前記スイッチング素子の起動時のＯＮ時間を決定したデータ信号を発信し、前記マグネトロンが発振を開始し、前記入力電流検出回路の検出値が一定値以上になると、前記設定された高周波出力となるデータ信号を発信することを特徴とした請求項１記載の高周波加熱装置。

Images