JP2011253761A - 誘導加熱調理器 - Google Patents

Abstract

【課題】 被加熱物体が放射する赤外線を直接検出せずに、外部熱源からの影響に左右されず、被加熱物体の温度を迅速かつ正確に測定する誘導加熱調理器を提供する。
【解決手段】 本体１の上部に配置され、被加熱物である調理容器４を載置する天板２と、本体１の前面の上端部に配置され、各操作スイッチ（図示せず）が設けられた操作パネル３と、操作パネル３の近傍に配置され、機器のオン／オフや設定温度を表示する表示部５と、本体１内部に配置され被加熱物を誘導加熱する加熱コイル７と、加熱コイル７に通電する高周波の交番電流の大きさを制御し、調理容器４に流れる渦電流の大きさを制御する制御手段６と、天板２上に形成され、放射率の低い材質からなる白体層９と、天板２の下方で調理容器４の底面を臨むように配置され、調理容器４および天板２の温度を非接触で検知する赤外線センサ８とを備えている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、電磁誘導を利用して加熱調理を行う、誘導加熱調理器に関するものである。

誘導加熱調理器においては、その調理温度をいかに正確に測定できるかが重要な課題である。誘導加熱調理器の温度測定に関しては、耐久性に強く、応答速度の高い、非接触型の赤外線センサが多く使用されている。
従来、非接触型の赤外線センサにより被加熱物体の温度を検出する方法として、測定対象とする被加熱物体である加熱皿や鍋が放射する赤外線を直接検出することで温度を測定していた。それゆえ、被加熱物体自身の正確な温度を測定することは困難であった。

なぜならば、被加熱物体の温度をＴ、その赤外線の放射率をεとすると、赤外線センサを用いた場合には、この被加熱物体の温度はＴ×ε＾(１/４)（＾(１/４)は４乗根を示す）と測定されてしまうからである。温度誤差を調整する場合には、この放射率εの４乗根分だけ補正すればよいが、被加熱物体の材質により放射率εは異なるため、特定の材質の被加熱物体の放射率εに合わせて補正するよう定めてしまうと、異なる材質の被加熱物体が用いられた場合には、正確な温度が測定できないことになる。

そこで、被加熱物体が放射する赤外線を直接検出せずに正確に温度を検知する誘導加熱調理器として、以下の特許文献が知られている。
以下の特許文献に提示された誘導加熱調理器は、被加熱物体と被加熱物体が載置される天板との間に黒体層を設け、熱伝導により被加熱物体と同じ温度になった黒体層から放射される赤外線を検出し、それに応じた温度信号を出力する。黒体層の放射率は一定であるので、黒体層から発せられる赤外線を、赤外線を透過する天板を通して赤外線センサで検出することで、測定対象または被加熱物体の材質に左右されない高精度な温度測定が可能となる。

特開２００３−１２１２６１

しかしながら、黒体層を天板上に形成した場合、黒体層が照明や入射光などの外部熱源からの赤外線を多く吸収し、赤外線センサに向けて再放射してしまうため、外部熱源からの赤外線の影響を大きく受け、被加熱物の温度が正確に求められないという問題が生じていた。

本発明は、このような問題を解決し、被加熱物体の温度を外部熱源からの影響に左右されず、迅速かつ正確に測定する誘導加熱調理器を提供することを目的とする。

本発明の誘導加熱調理器は、被加熱物を加熱する誘導加熱手段と、被加熱物を載置する天板と、被加熱物および天板の温度を非接触で検知する温度測定手段と、温度測定手段の出力に基づいて被加熱物を誘導加熱する制御手段とを備え、前記天板上の領域を、赤外線を減衰する赤外線減衰層で覆ったものである。

本発明の誘導加熱調理器によれば、被加熱物が載置される天板上の領域を、赤外線を減衰する赤外線減衰層で覆ったため、対象被加熱物体の赤外線の放射率の違いによらずに、また、外部熱源からの影響も左右されずに、対象被加熱物体の温度を迅速かつ正確に測定することができる。

本発明の実施の形態１に係る誘導加熱調理器の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態１に係る誘導加熱調理器における放射温度計測を説明する図である。 本発明の実施の形態１に係る誘導加熱調理器における放射温度計測を説明する図である。 従来技術に係る誘導加熱調理器における放射温度計測を説明する図である。 本発明の実施の形態２に係る誘導加熱調理器の構成を示す断面図である。 本発明の実施の形態２に係る誘導加熱調理器における黒体の分光放射輝度を示すグラフである。 本発明の実施の形態２に係る誘導加熱調理器における天板の分光透過率を示すグラフである。 本発明の実施の形態２に係る誘導加熱調理器における天板下の分光放射輝度を示すグラフである。 本発明の実施の形態２に係る誘導加熱調理器における天板下の分光放射輝度を拡大して示すグラフである。 本発明の実施の形態２に係る誘導加熱調理器における光学フィルタの特性を示すグラフである。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る誘導加熱調理器の構成を示す断面図である。同図に示すように、実施の形態１に係る誘導加熱調理器は、本体１の上部に配置され、被加熱物である調理容器４を載置する天板２と、本体１の前面の上端部に配置され、各操作スイッチ（図示せず）が設けられた操作パネル３と、操作パネル３の近傍に配置され、機器のオン／オフや設定温度を表示する表示部５と、本体１内部に配置され被加熱物を誘導加熱する加熱コイル７と、加熱コイル７に通電する高周波の交番電流の大きさを制御し、調理容器４に流れる渦電流の大きさを制御する制御手段６と、天板２上に形成され、放射率の低い材質からなる白体層９と、天板２の下方で調理容器４の底面を臨むように配置され、調理容器４および天板２の温度を非接触で検知する赤外線センサ８とを備えている。
ここで、天板２は、ガラスやセラミックスなどの耐熱性材料から構成されている。また、操作パネル３に設けられた各操作スイッチには、機器のオン／オフスイッチや、天板２上に載置される調理容器４の加熱温度を設定するスイッチなどがある。

次に、動作について説明する。本体１に設けられた操作パネル３上のスイッチ入力を制御手段６が検知すると、加熱コイル７が駆動を開始し、天板２上の調理容器４を誘導加熱すると共に、表示部５に加熱オン状態である旨の表示を行う。誘導加熱された調理容器４から白体層９に熱伝導が起こり、温められた白体層で発生した赤外線が天板２を通して、赤外線センサ８に到達する。到達した赤外線量に応じて、制御手段６は、加熱コイル７の駆動制御を行う。
天板２上の定位置に調理容器４を載置した状態で、図２に示すように天板２と白体層９越しに調理容器４の底面を臨むように、赤外線センサ８は設置されている。このとき赤外線センサ８で受光する赤外線量に基づいて、調理容器４の温度が測定できる。

この測定は、以下に示す理論による。加熱コイル７の加熱によって、調理容器４の底面で発生した熱１０は、赤外線として放射されると同時に、白体層９の底部１１に向けて熱伝導する。調理容器４の底面から放射された赤外線は、放射率の低い（即ち赤外線反射率が高い）白体層９を通過できず、赤外線センサ８には到達しない。一方、白体層９の底部１１に向けた熱伝導によって、白体層９の底部１１は、調理容器４の底面で発生した熱１０とほぼ同じ温度まで上昇し、そこから一定の放射率で赤外線１２が放射される。この赤外線１２が天板２を通して、赤外線センサ８に到達する。このため、赤外線センサ８で受光する赤外線の単位面積当たりの赤外線量、即ち熱量Ｑ１は、下記の（１）の式となる。

ここで、容器温度Ｔｍと白体層９の温度とが等しいと仮定。
以上より、実際の赤外線センサ８の出力は（２）の式となり、

よって、白体層９の温度Ｔｍは、

となる。このように、白体層９の温度を求めることができる。

しかし、実際は外部熱源からの影響を受けるため、（３）式では正確な温度は求められない。そこで、外部熱源からの影響も考慮した調理容器４の温度の求め方とその理論について、図３を用いて説明する。
外部熱源１３から放射された単位面積あたり熱量Ｑｅ1を持つ赤外線１４が、白体層９表面の入射部１５に入射すると、この熱量Ｑｅ1の赤外線１４は白体層９で吸収され、熱量Ｑｅ２の熱１６に変換される。熱平衡時放射率と吸収率とは等しいことから、熱量Ｑｅ２は下記の（４）式となる。
Ｑｅ２＝εｗ・Ｑｅ１ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ ‥ （４）

放射率εの低い（通常０．２以下）白体層９では、熱量Ｑｅ１から熱量Ｑｅ２に吸収される割合が小さく、反射される割合が大きい。つまり放射率εｗの値が小さいため、外部熱源１３からの赤外線１４がほとんど吸収されない。吸収されたわずかの赤外線１４は、白体層９の入射部１５から底部１７に向けて熱伝導する。この熱伝導によって、白体層９の底部１１の温度が上昇し、そこから一定の放射率で赤外線１２が放射される。この赤外線１２が天板２を通して、赤外線センサ８に到達する。よって、白体層９の底部１７から放射される赤外線１８の単位面積当たりの熱量Ｑｅｗは、下記(５)式となる。

つまり、赤外線センサ８へ到達する全放射熱量Ｑ'は上記の（１）式と（５）式とが合計され、下記の（６）式となる。

（６）式から、実際の赤外線センサ８の出力は、

となることから、白体層９の温度Ｔｍは、（８）式のように求めることができる。

また、以上の式より、白体層９の温度Ｔｍは、白体層９の底部１７の温度Ｔｅｗの影響を受けることがわかる。しかし、本実施の形態の誘導加熱調理器は、天板２上に白体層９を設けているので、従来よりも外部熱源１３からの赤外線１４の影響を受け難くなっている。このことを、従来の黒体層の場合と比較して説明する。

従来の黒体層の場合も、調理容器４の底面からの熱に加え、外部熱源１３からの赤外線１４の影響を受ける。外部熱源１３からの赤外線量について、図４を用いて説明する。外部熱源１３から放射された赤外線１４が、黒体層１９の入射部２２に入射する。入射した赤外線１４は、放射率の高い（即ち赤外線吸収率の高い）黒体層１９を通過することができないため、黒体層１９で吸収され、熱２３に変換される。変換された熱２３は、黒体層１９の底部２４へ熱伝導され、黒体層１９の底部２４は、黒体層１９の入射部２２とほぼ同じ温度まで上昇する。この温度上昇によって、黒体層１９の底部２４から一定の放射率で赤外線２５が放射される。この赤外線２５が天板２を通して、赤外線センサ８に到達する。よって、黒体層１９の底部２４から放射される赤外線２５の単位面積あたりの熱量Ｑｅｂは、下記（９）の式であらわされる。

放射率εの高い（通常０．９５以上）黒体層１９は、黒体層１９の放射率εｂの値が大きいため、外部熱源１３からの赤外線の多くを吸収する。

よって、外部熱源１３からの赤外線１４の影響を白体層９の場合と黒体層１９の場合で比較すると、（５）式および（９）式から下記（１０）式となり、

天板２上に白体層９を形成した方が、天板２上に黒体層１９を形成した場合に比べ、放射率比分、赤外線センサ８に到達する赤外線の熱量が少ないことがわかる。つまり、天板２上に白体層９を形成した方が、外部熱源１３からの赤外線１４の多くを反射させるので、外部熱源１３からの赤外線１４がほとんど吸収されず、外部熱源１３に基づく赤外線１８は赤外線センサ８ではほとんど受光されない。このように、赤外線センサ８で検出できる赤外線のほとんどは、調理容器４の底面で発生した熱１０に基づく赤外線１２であるため、外部熱源１３からの影響に左右されずに、調理容器４の温度を正確に測定することができる。

実施の形態２．
次に、実施の形態２に係る誘導加熱調理器を説明する。図５は、実施の形態２に係る誘導加熱調理器の構成を示す断面図である。この実施の形態２が図１に示す実施の形態１と異なるのは、天板２上に白体層９ではなく黒体層１９が形成され、調理容器４が載置される領域を除く、天板２の底面が赤外線の特定波長帯を反射する光学フィルタ層２６で覆われている点である。その他の構成については実施の形態１と同一又は同等である。なお、実施の形態１と同一又は同等な構成部分については同一符号を付し、その説明は省略する。

次に、動作について説明する。本体１に設けられた操作パネル３上のスイッチ入力を制御手段６が検知すると、加熱コイル７が駆動を開始し天板２上の調理容器４を誘導加熱すると共に、表示部５に加熱オン状態である旨の表示を行う。誘導加熱によって調理容器４の底面で発生した熱１０は、黒体層１９の底部に熱伝導され、黒体層１９の底部は調理容器４とほぼ同じ温度まで上昇し、そこから一定の放射率で赤外線が下方に放射される。この赤外線が天板２を通して、赤外線センサ８に到達する。到達した赤外線量に応じて、制御手段６は、加熱コイル７の駆動制御を行う。ここで、調理容器４が載置される領域には光学フィルタ層２６が設けられていないので、黒体層１９の底部から天板２を通して放射される赤外線が光学フィルタ層２６の影響を受けることはない。

一方、外部熱源から放射された赤外線が黒体層１９に入射すると、この赤外線は黒体層１９に吸収され、熱に変換される。この熱が黒体層１９の底部へ熱伝導され、黒体層１９の底部から一定の放射率で赤外線が放射される。後述する天板２の特性により、黒体層１９の底部から放射された赤外線のうち特定波長帯の赤外線が天板２を通過する。しかしながら、天板２の底面には、赤外線の特定波長帯を反射する光学フィルタ層２６が設けられているため、天板２の底面に到達した特定波長帯の赤外線は天板２の底面で全て反射し、天板２を通過することはない。その結果、外部熱源に起因した赤外線が天板２を通過して赤外線センサ８に到達することを効果的に防止することができる。

光学フィルタ層２６が反射する赤外線の特定波長帯は、黒体層１９と天板２を経て赤外線センサ８に到達する赤外線の波長帯である。黒体層１９と天板２を通過する赤外線の波長帯について、図６〜９を用いて説明する。
図６に、黒体層１９の赤外線波長毎の分光放射輝度を示す。また、図７に天板２の透過率特性の例を示す。そして、図６の分光放射輝度と図７の透過率とを乗算した分光放射輝度が、黒体層１９と天板２を通過した後の分光放射輝度となる。黒体層１９と天板２を通過した後の分光放射輝度のグラフを図８に示し、その横軸を拡大させたグラフを図９に示す。図９より、黒体層１９と天板２を通過後の放射輝度は、１．７５〜４．２５μｍの範囲に分布している。これが、黒体層１９と天板２を通過する赤外線の波長帯である。

よって、図１０に示すように、１．７５〜４．２５μｍの範囲の波長帯の赤外線を反射しそれ以外の波長帯の赤外線を通過させる光学フィルタ層２６を、被加熱物が載置される領域を除く、天板２の底面に形成することで、外部熱源からの赤外線のうち、天板２を通過できる波長帯の赤外線は、光学フィルタ層２６で反射してしまう。このため、外部熱源からの赤外線がほとんど天板２を通過できず、外部熱源に基づく赤外線は赤外線センサ８ではほとんど受光されない。
このように、赤外線センサ８で検出できる赤外線のほとんどは、調理容器４の底面で発生した熱に基づく赤外線であるため、外部熱源からの影響に左右されずに、調理容器４の温度を正確に測定することができる。

なお、図６、図８、図９に示すように、分光放射輝度は黒体層１９の温度が高いほど増えているが、いずれの温度であっても光学フィルタ層２６が反射する赤外線の波長範囲内に収まっている。よって、黒体層の温度が何度であっても、外部熱源１３の影響を受けずに調理容器４の温度を正確に測定することができる。

また、本実施の形態では、黒体層１９と天板２が配置されている誘導加熱調理器の場合を例に示しているが、これに限定するものではなく、異なる材質の被加熱物体が載置されても一定の放射率で赤外線を発する層と、被加熱物を載置する天板が配置されている誘導加熱調理器であれば、それらの層を通過し赤外線センサ８に到達する赤外線の波長帯が透過しないように光学フィルタ層の透過率を設定することで、本実施の形態と同様に調理容器４の温度を正確に測定できる。

また、光学フィルタ層ではなく、塗装や遮蔽層を用いた場合も赤外線の反射を防ぐことは出来るが、赤外線を吸収するため、熱に変換されて赤外線として放射し、赤外線センサへ妨害を与えてしまうため、光学フィルタ層のような効果は得られない。さらに、塗装や遮蔽層の場合、赤外線の反射・透過・吸収がどの程度の割合で起こるかが明確でないため補正が困難であり、よって、光学フィルタ層のように、外部熱源からの影響に左右されずに、調理容器の温度を正確に測定することはできない。
一方、光学フィルタ層は赤外線を吸収せず、さらに、透過率を設定することで、必要のない赤外線をほとんど反射させるよう補正が可能なので、外部熱源からの影響に左右されずに、調理容器の温度を正確に測定することができる。

本発明の活用例として、誘導加熱を行う様々な装置の温度検出への適用が可能である。

１…本体、２…天板、３…操作パネル、４…調理容器、５…表示部、６…制御手段、７…加熱コイル、８…赤外線センサ、９…白体層、１０，１６，２３…熱、１１，１７，２０，２４…底部、１２，１４，１８，２１，２５…赤外線、１３…外部熱源、１５，２２…入射部、１９…黒体層、２６…光学フィルタ層

Claims (4)

1. 被加熱物を上面に載置する天板と、
   前記天板の下方に配置され、被加熱物を加熱する誘導加熱手段と、
   前記天板の下方に配置され、前記天板から放射される赤外線を検知する温度測定手段と、
   前記温度測定手段の出力に基づいて、前記誘導加熱手段を制御する制御手段と、
   前記天板の上面に形成され、赤外線を減衰させる赤外線減衰層とを備えることを特徴とする誘導加熱調理器。
2. 前記赤外線減衰層は、放射率０．２以下の物質で構成されていることを特徴とする請求項１記載の誘導加熱調理器。
3. 被加熱物を上面に載置する天板と、
   前記天板の下方に配置され、被加熱物を加熱する誘導加熱手段と、
   前記天板の下方に配置され、前記天板から放射される赤外線を検知する温度測定手段と、
   前記温度測定手段の出力に基づいて、前記誘導加熱手段を制御する制御手段と、
   前記天板の上面に形成され、前記被加熱物からの熱伝導による温度上昇に起因した赤外線を一定の放射率で下方に放射する赤外線放射層と、
   前記被加熱物が載置される領域を除く前記天板の底面を覆い、前記赤外線放射層および前記天板を通過する波長帯の赤外線を遮断させる光学フィルタ層とを備えることを特徴とする誘導加熱調理器。
4. 前記光学フィルタ層で遮断させる赤外線の波長帯は、１．７５〜４．２５μｍであることを特徴とする請求項３記載の誘導加熱調理器。

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