JP2012049046A - 高周波加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】昇圧トランスの二次巻線側の巻線間でレアショートが発生する前に、昇圧トランスの一次側コイルへの電力の供給を停止する高周波加熱装置を提供する。
【解決手段】マグネトロン３１と、インバータ回路４８と、制御回路５０と、入力手段５と、主制御手段６と、を備え、制御回路５０は、インバータ回路４８の入力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の出力より実効値を算出する実効値演算手段５３ｃと、入力電流検出回路５２の出力より最大値となるピーク値を選び出すピーク値検出手段５３ｂと、ピーク値を前記実効値で除算して波高率を得る波高率演算手段５３ｄと、を設け、前記波高率があらかじめ定められた閾値以下となった場合に昇圧トランス４６に電力の供給を停止する機能を備えたものである。
【選択図】 図４

Description

本発明は、マグネトロンを駆動する電源にインバータ電源を採用した高周波加熱装置に関するものである。

従来のマグネトロン駆動用の制御回路において、マグネトロン駆動用電源は、半導体スイッチ素子のオンオフによって高周波電圧を発生するインバータ回路と、インバータ回路の入力電流を検出する入力電流検出部と、出力指令部の信号によって目標波形を形成する目標波形発生部と、入力電流検出部と目標波形発生部との信号を入力し目標波形と入力電流波形の波形誤差を演算する誤差演算部と、入力電流波形が目標波形となるように調整するパルス幅変調部と、パルス幅変調部の出力信号によって半導体スイッチ素子を駆動する駆動部とを有するものである。

目標波形発生部は、商用電源の電圧を全波整流して目標波形を得る構成とし、出力指令部の信号によって振幅を可変する構成としたものである。これにより、目標波形を常にマグネトロン駆動用電源の入力電圧源と同期させることができ、確実に入力電流波形が略正弦波状となるような駆動パルスで半導体スイッチ素子を駆動するため、マグネトロンの状態によらず入力電流波形の歪みを抑制し、また、いかなる電流レベルであってもそれぞれの入力電流レベルに応じた駆動パルスで半導体スイッチ素子を駆動するため、入力電流レベルの変化によらず、常に高力率でインバータ回路を動作させることが可能となり、また、パルス幅変調部は、誤差演算部によって演算された誤差の値が正の場合はパルス幅を減じ、逆に誤差の値が負の場合はパルス幅を増加するように駆動部に与えるパルス列をパルス幅変調し、この結果、目標波形に対し入力電流波形が低い場合はより入力電流を増加させ、逆に入力電流が目標波形に対して大きい場合は入力電流を減ずることができ、入力電流波形を目標波形に整形する制御ができるものである。

特開２００６−６６１９４号公報

上記した特許文献１に示すものは、マグネトロンが正常に発振している時の入力電流を測定し、商用電源の電圧を全波整流して構成した目標波形に照らし合わせて、発生した誤差を補正するような動作をするものである。

しかし、高圧トランス（昇圧トランス）において、整列巻きした二次巻線側の巻線の一部が崩れ下位の層に段落ちした場合、下層と上層の層間距離が著しく近づき、二次巻線側のインピーダンスが変化する。そのため一次巻線側と二次巻線側のインピーダンス比が小さくなって二次巻線側の出力が低下する。

その低下した出力を目標波形に照らし合わせて補正しようと一次巻線側の入力電流を増加させると昇圧トランスの二次電圧が上昇し、最悪の場合に高圧トランスの巻線間でレアショートが発生して発煙に至る課題があった。

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、マグネトロンと、該マグネトロンに昇圧した電圧を供給するインバータ回路と、前記インバータ回路から前記マグネトロンへ供給する電圧を制御する制御回路と、レンジ加熱の加熱する強さと加熱する時間を入力する入力手段と、前記入力された加熱する強さを前記制御回路に入力する主制御手段と、を備え、前記制御回路は、前記インバータ回路の入力電流を検出する入力電流検出回路と、該入力電流検出回路の出力より実効値を算出する実効値演算手段と、前記入力電流検出回路の出力より最大値となるピーク値を選び出すピーク値検出手段と、前記ピーク値を前記実効値で除算して波高率を得る波高率演算手段と、を設け、前記波高率があらかじめ定められた閾値以下となった場合に前記インバータ回路内の昇圧トランスの一次側コイルに電力の供給を停止する機能を備えたものである。

本発明によれば、昇圧トランスの二次巻線側の上層と下層の層間距離が著しく近づいた場合でも巻線間でレアショートが発生する前に、昇圧トランスの一次側コイルへの電力の供給を停止してマグネトロンの駆動をも停止することができ安全性の向上が図れた。

一実施例のインバータ電源を搭載した高周波加熱装置の外観斜視図。 図１のＡ−Ａ断面図である。 一実施例の高周波加熱装置の制御を説明するブロック図。 一実施例のインバータ電源を説明するブロック図。

以下、本発明の実施例を添付図面に従って説明する。

図１は、一実施例のインバータ駆動用電源を搭載した高周波加熱装置の外観斜視図、図２は、図１のＡ−Ａ部の断面図、図３は高周波加熱装置の制御を説明するブロック図を示す。

図において、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、マグネトロンより発せられる高周波エネルギーによるレンジ加熱やヒータの熱を使用したヒータ加熱に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３に設けた表示部５ａと操作部５ｂからなり、操作部５ｂは、レンジ加熱やヒータ加熱等の加熱手段や加熱する強さ、加熱する時間等の調理条件を入力するためのもので、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下部に設けられた空間で、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に電力を供給する後述するインバータ電源３０が搭載されたインバータ基板３０ａ、入力手段５で設定された加熱を実効する後述する主制御手段６が搭載された制御基板６ｂ、各電気部品など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。

次に、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から構成し、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に送られる。６１はオーブン加熱手段で、前述した熱風ユニット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より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のインバータ電源を説明する制御ブロック図を用いて説明する。

初めに、インバータ電源３０について説明する。４１は商用電源から供給される交流電源である。４２は整流回路で、交流電源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はフィルタ回路である。４６は昇圧トランスで、一次側コイルに印加された電圧を昇圧して二次側コイル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、スイッチング素子４４は昇圧トランス４６の一次側コイルに流す電流を高周波（２０Ｋ〜４０ＫＨｚ）でＯＮ，ＯＦＦするものである。４５は共振コンデンサで、共振コンデンサ４５と昇圧トランス４６の一次側コイル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の一次側コイルに電流が交流的に流れ、昇圧トランス４６の二次側コイルに電圧を誘起する。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に発生する電圧の大きさを調節する。４７は高圧回路で、昇圧トランス４６の二次側コイルに誘起した高周波電圧を倍電圧整流するものである。

以上説明したフィルタ回路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，倍電圧回路４７によってインバータ回路４８を構成する。

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、カソード（ヒータ）３１ａに電流を流しヒータを発熱させ、ヒータが温まり、カソード３１ａとアノード３１ｂ間の電圧が発振電圧以上（約４ｋＶ）に達するとマグネトロン３１は発振を開始し、高周波エネルギーを放射して加熱室１７の食品を加熱するものである。

６ａはパワー信号で、操作部５ｂによって主制御手段６に入力された食品を加熱する強さをインバータ電源３０内の制御回路５０に伝え、マグネトロン３１の高周波出力を設定する信号である。

５１は電源同期タイミング検出回路で、交流電源４１の電圧がゼロボルトになるタイミングを検出するものである。実施例では、交流電源４１の電圧が一定の範囲内の時にパルスとなって出力するように設定されている。そして、後述する制御手段５３は、その出力されたパルス幅の中間を算出し、パルス幅の中点がゼロと認識するように設定されている。

但し、制御手段５３に電圧がゼロになったタイミングが検知できる、ゼロクロス検出手段を備えている場合は、電源同期タイミング検出回路５１に代わってゼロクロス検出手段を使用することも可能である。

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インバータ回路４８に流れる電流を検出するものである。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の抵抗値から算出する。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するので、抵抗５２ａの両端に発生する電圧は微小な値となるので、その電圧を増幅回路で増幅して検出値として制御手段５３に出力している。

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検出値との相関関係を事前に確認しておくことで、制御手段５３は入力電流検出回路５２の抵抗５２ａの両端に発生する電圧を検出することで、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ようになっている。入力電流検出回路５２からの検出値は交流電源４１の周波数の半サイクル内の複数点で検出するものとし、さらに、交流電源４１の周波数の半サイクルごとに各点の検出値を複数回検出し、その値を平均化することでノイズなどの影響を少なくしている。

５３は制御手段で、備えている計時手段によって、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幅を計時してパルス幅の中間を算出し、パルスとパルスの間隔の時間を測定して、接続されている電源４１の周波数を判定する。

また、入力電流検出回路５２から入力される交流電源４１の半サイクル毎に半サイクル内で測定した複数の検出値をピーク値検出手段５３ｂと実効値演算手段５３ｃに入力する。

ピーク値検出手段５３ｂでは入力された検出値から測定内の半サイクルの最大値であるピーク値を選び出し、実効値演算手段５３ｃでは入力された半サイクルの複数の検出値から実効値を算出し、波高率演算手段５３ｄではピーク値検出手段５３ｂで選び出されたピーク値と実効値演算手段５３ｃで算出された実効値から波高率が算出される。

制御手段５３では、この波高率を監視することによりインバータ回路４８が正常に動作しているかどうかを判断できるようになっている。波高率は、正弦波では約１.４１、方形波では１であり、算出された波高率が１.４１に対して著しく乖離した値であればインバータ回路４８に何らかの異常が発生したと判断される。

記憶手段５３ａには、マグネトロン３１が最大の高周波出力で発振できるインバータ電源３０の出力電圧のデータを記憶する。そのデータは、接続する交流電源４１の周波数によって異なり、日本国内で使用する場合は５０Ｈｚ用と６０Ｈｚ用の半サイクル分のデータを２種類記憶している。

記憶するデータは、交流電源４１の半サイクル分の複数個のパルスのＯＦＦ時間とＯＮ時間のデータで、その周波数は約１６ＫＨｚとなる。

そして、制御手段５３は、判定した周波数に対応したデータを記憶手段５３ａより呼び出し、次の平滑回路５４へと出力するデータ信号（ｃ）を作成する。そのデータ信号（ｃ）は、要求のある高周波出力に対応した電流が流れるように、入力電流検出回路５２から入力される検出値が小さい場合はマグネトロン３１に印加する電圧を高くするようにデータ信号（ｃ）のＯＮ時間の比率を大きくして、マグネトロン３１が発振する高周波出力を大きくするように動作する。また、前記検出値が大きい場合はマグネトロン３１に印加する電圧を小さくするようにデータ信号のＯＮ時間の比率を小さくして、マグネトロン３１が発振する高周波出力を小さくするように動作するものである。

５４は平滑回路で、制御手段５３から出力されたデータ信号（ｃ）を平滑した信号に変換するものである。データ信号（ｃ）のパルスのＯＮ時間の比率がＯＦＦ時間より短いほど平滑後の電圧値は低い値を示し、ＯＮ時間の比率がＯＦＦ時間より長いほど平滑後の電圧値は高い値を示す。

平滑回路５４は、データ信号（ｃ）のパルスのＯＮ時間とＯＦＦ時間の変更に追従して平滑後の電圧が変化できるように回路乗数の時定数を１ｍsec以下に決定している。

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ている。そして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で信号を出力している。同時に、前記の信号は、スイッチング素子４４を高速（周波数２０ＫＨｚ〜４０ＫＨｚ）で動作させるための信号である。

５６は基準発振回路で、基準発振回路５６は、制御手段５３で出力したデータ信号（ｃ）を平滑回路５４によって変換された信号とＯＮタイミング検出回路５５から出力された信号の波形を比較して、スイッチング素子４４のＯＮ時間とＯＦＦ時間の比率を決定するものである。

スイッチング素子４４のＯＮ時間とＯＦＦ時間の決定は、平滑回路５４によって平滑した信号の電圧値が高いとスイッチング素子４４のＯＮ時間の比率が小さくなりマグネトロン３１に印加される電圧は低くなる。逆に、平滑した信号の電圧値が低いとスイッチング素子４４のＯＮ時間の比率が大きくなりマグネトロン３１に印加される電圧は高くなる。

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、次に動作について説明する。

被調理物を温めるのに、その被調理物（図示無し）を加熱室１７のテーブルプレート２０に載置しドア２を閉める。ドア２を閉めた後、ドア２に設けられた操作パネル３の表示部５ａを見ながら操作部５ｂで高周波加熱を選択して、加熱強さを示す高周波出力と加熱時間を設定する。もしくは、自動加熱の温めを選択する。そして、操作部５ｂの加熱開始用スタートボタン（図示せず）を押して加熱を開始する。

以下の説明は、入力手段５より、高周波出力を７００Ｗ、加熱時間を１分と入力された場合について説明する。

主制御手段６は、加熱を開始するために、入力された高周波出力が７００Ｗであることを、パワー信号６ａをインバータ基板３０ａの制御手段５３に送って知らせる。

同時に主制御手段６は、回転アンテナ駆動手段２３に信号を送り、回転アンテナ１９を回転させ、冷却手段６２へも信号を送り冷却風の送風を開始する。

制御手段５３はパワー信号６ａを受けて、記憶手段５３ａに記憶してあるデータのうち、電源の周波数に対応した方のデータを呼び出してデータ信号（ｃ）を生成し出力する。なお、電源周波数の検出は製品が電源に接続された時に、接続した交流電源４１の周波数の検出を終了している。

加熱開始直後は、マグネトロン３１のヒータ３１ａは温まっていないので発振も無く電流もさほど流れないが、加熱開始時はマグネトロン３１に最大出力となる高い電圧が印加され、早期にヒータ３１ａの温度が上昇し始め（電圧の印加した約１秒後）次第に電流が流れ始める。これを起動と呼ぶ。

その後、必要とする高周波出力７００Ｗに見合った検出値が得られるように、データ信号（ｃ）のＯＮ時間とＯＦＦ時間の比率を変更する。ただし、本体に予め記憶させて検出値と比較するための高周波出力７００Ｗの目標の電圧に対して、検出値との差が大きいときはデータ信号（ｃ）のＯＮ時間の比率変更幅を大きく、差が小さくなるとデータ信号（ｃ）のＯＮ時間の比率変更幅も小さくしている。

起動を開始し検出値と本体に予め記憶させて検出値と比較するための高周波出力７００Ｗの目標の電圧とが合致するようデータ信号（ｃ）の制御が行われるようになった後は、常時波高率を監視する。本体にあらかじめ定められた閾値波高率１.２に対して波高率演算手段５３ｄで求めた波高率が１.２以下になった状態が１秒以上継続したかを、制御手段５３で判定する。波高率が１.２以下で１秒以上継続した場合はインバータ回路４８に異常が発生していると判断し即座にデータ信号（ｃ）を停止してスイッチング素子４４をＯＦＦして昇圧トランス４６への一次側コイルへの電力の供給を停止し加熱を終了させる。

以上説明したように、本実施例によれば、昇圧トランスの二次巻線の上層と下層の層間距離が著しく近づいた場合でも巻線間でレアショートが発生する前に、昇圧トランスの一次側コイルへの電力の供給を停止してマグネトロンの駆動をも停止することができ安全性の向上が図れた。

３０ インバータ電源
３１ マグネトロン
４４ スイッチング素子
５０ 制御回路
５１ 電源同期タイミング検出回路
５３ 制御手段
５３ｂ ピーク値検出手段
５３ｃ 実効値演算手段
５３ｄ 波高率演算手段

Claims (1)

1. マグネトロンと、該マグネトロンに昇圧した電圧を供給するインバータ回路と、前記インバータ回路から前記マグネトロンへ供給する電圧を制御する制御回路と、レンジ加熱の加熱する強さと加熱する時間を入力する入力手段と、前記入力された加熱する強さを前記制御回路に入力する主制御手段と、を備え、前記制御回路は、前記インバータ回路の入力電流を検出する入力電流検出回路と、該入力電流検出回路の出力より実効値を算出する実効値演算手段と、前記入力電流検出回路の出力より最大値となるピーク値を選び出すピーク値検出手段と、前記ピーク値を前記実効値で除算して波高率を得る波高率演算手段と、を設け、前記波高率があらかじめ定められた閾値以下となった場合に前記インバータ回路内の昇圧トランスの一次側コイルに電力の供給を停止する機能を備えたことを特徴とする高周波加熱装置。

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