JP2013020877A - 誘導加熱調理器 - Google Patents

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Abstract

【課題】加熱コイルを駆動する駆動回路の消費電力を低減する誘導加熱調理器を提供することを第1の目的としている。また、加熱コイルを駆動する駆動回路の経年劣化を抑制する誘導加熱調理器を提供することを第2の目的としている。
【解決手段】制御手段26は、第1電圧検出手段50、及び、第1電流検出手段45の検出結果に基づいて第1コイル40の負荷抵抗値を演算し、第2電圧検出手段51、及び、第2電流検出手段46の検出結果に基づいて第2コイル44の負荷抵抗値を演算し、第1コイル40、及び、第2コイル44のうち、負荷抵抗値の大きい方に対応するコイルに供給される交流電力が、負荷抵抗値の小さい方に対応するコイルに供給される交流電力に対して相対的に大きくなるように、インバータ回路14を制御する。
【選択図】図5

Description

本発明は、誘導加熱調理器に関し、特に、誘導加熱調理器の消費電力を低減させる制御に関するものである。
独立した小径加熱コイルと、この小径加熱コイルの外側に配置される大径加熱コイルとが同一平面に配置され、小径加熱コイル及び大径加熱コイルに入力する電流値、並びに小径加熱コイル及び大径加熱コイルより出力される電流値を検出し、該検出結果に基づいてトッププレート上の被加熱調理容器の有無を判別する誘導加熱調理器が提案されている(たとえば、特許文献1参照)。
特開2008−282609号公報(たとえば、明細書の段落[0032]参照)
特許文献1に記載の技術は、小径加熱コイル及び大径加熱コイルの双方におけるインピーダンスが同程度になるように形成し、双方のコイルに流れる電流値を同程度に調整している。しかしながら、誘導加熱調理を開始して双方のコイルに通電すると、小径加熱コイル及び大径加熱コイルのお互いが磁気干渉する。すなわち、小径加熱コイル及び大径加熱コイルの双方のインピーダンスは、相互インダクタンスの分だけ変化することになる。また、このコイル同士の干渉以外にも、駆動回路に電流を流すことによる発熱などにより、駆動回路の素子のインピーダンスが変化することになる。
ここで、インピーダンスが大きいコイルに電流を供給する方が、小さい電流量で所定の電力(火力)を得ることができる。すなわち、特許文献1に記載の技術は、駆動回路が、誘導加熱調理中(加熱調理開始時を含む)におけるインピーダンスの変化に応じた制御を実行しておらず、駆動回路の電力効率が低減してしまっていた。
また、特許文献1に記載の技術は、所定の電力(火力)を得るのに大きい電流が必要な分だけ、駆動回路に大きい電流が流れることになる。すなわち、大きい電流が駆動回路に流れる分だけ、各種素子やコイルの発熱損失が大きくなってしまい駆動回路の電力損失が大きくなってしまっていた。さらに、大きい電流が駆動回路に流れる分だけ、駆動回路が経年劣化してしまっていた。
本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、加熱コイルを駆動する駆動回路の消費電力を低減する誘導加熱調理器を提供することを第1の目的としている。
また、加熱コイルを駆動する駆動回路の経年劣化を抑制する誘導加熱調理器を提供することを第2の目的としている。
本発明に係る誘導加熱調理器は、1つの加熱口に設けられ、誘導磁界を発生させて調理容器を加熱する第1コイル及び第2コイルと、第1コイルに接続される第1共振コンデンサ、及び、第2コイルに接続される第2共振コンデンサと、直流電力を交流電力に変換し、第1コイル、及び、第2コイルに交流電力を供給するインバータ回路と、第1コイルに供給される電圧を検出する第1電圧検出手段と、第2コイルに供給される電圧を検出する第2電圧検出手段と、第1コイルに流れる電流を検出する第1電流検出手段と、第2コイルに流れる電流を検出する第2電流検出手段と、第1電流検出手段、第2電流検出手段、第1電圧検出手段、及び、第2電圧検出手段の検出結果に基づいて、インバータ回路を制御する制御手段と、を備え、制御手段は、第1電圧検出手段、及び、第1電流検出手段の検出結果に基づいて第1コイルの負荷抵抗値を演算し、第2電圧検出手段、及び、第2電流検出手段の検出結果に基づいて第2コイルの負荷抵抗値を演算し、第1コイル、及び、第2コイルのうち、負荷抵抗値の大きい方に対応するコイルに供給される交流電力が、負荷抵抗値の小さい方に対応するコイルに供給される交流電力に対して相対的に大きくなるように、インバータ回路を制御するものである。
本発明に係る誘導加熱調理器は、第1コイル及び第2コイルのうち、抵抗値の大きい方のコイルに供給される交流電力を大きくする制御を実施するものである。これにより、加熱コイルを駆動する駆動回路の消費電力を低減することができる。
本発明の実施の形態1に係る誘導加熱調理器の概要構成の一例を説明する斜視図である。 誘導加熱のための加熱コイルの駆動回路について説明する図である。 加熱コイルの概要構成図である。 図1に示すインバータ回路のスイッチング素子を駆動する信号の一例を説明する図である。 図1に示す誘導加熱調理器の消費電力を抑制するための制御(加熱出力制御処理)の一例について説明するフローチャートである。 シリコン半導体デバイスと、シリコンカーバイド半導体デバイスの耐電圧とオン抵抗について説明する図である。 本発明の実施の形態2に係る誘導加熱調理器の概要構成の一例を説明する斜視図である。
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
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100の概要構成の一例を説明する斜視図である。図1(a)はロースター102を閉じた状態の図であり、図1(b)がロースター102を開いた状態の図である。図2は、誘導加熱のための加熱コイル85の駆動回路について説明する図である。図3は、加熱コイル85の概要構成図である。
本実施の形態1に係る誘導加熱調理器100は、誘導加熱調理時における消費電力を抑制する制御方法(加熱出力制御処理)に改良が加えられたものである。
[誘導加熱調理器100の構成]
図1〜図3に示すように、誘導加熱調理器100は、上面以外の外郭を構成する筐体3、誘導加熱調理器100の上面を構成し、鍋などの調理容器を載置するトッププレート101、トッププレート101上に載置される鍋(被調理容器)などを誘導加熱する加熱コイル85、調理中に高温雰囲気となるロースター102、加熱コイル85に電力を供給する駆動回路90を有している。
筐体3は、誘導加熱調理器100のうち、上面以外を構成する外郭である。筐体3内には、加熱コイル85や駆動回路90などの各種機器が搭載されている。図1では、筐体3が、上面が開放された略箱形状であるものが図示されているが、特に、それに限定されるものではない。
トッププレート101は、筐体3の上面に配置され、鍋などの被調理容器が載置可能である。このトッププレート101と筐体3とで形成される空間であって、トッププレート101の下方には、内コイル40及び外コイル44が載置される空間が形成されている。トッププレート101は、たとえば耐熱ガラスなどで構成するとよい。
加熱コイル85は、トッププレート101上に載置される鍋などの被調理容器を加熱するものである。すなわち、加熱コイル85は、駆動回路90により制御されるもので、駆動回路90から電流が供給されることで、トッププレート101上の被調理容器を誘導加熱可能となっている。
図3に図示されるように、本実施の形態1では、この加熱コイル85が、1つの内コイル40、及び、内コイル40の外周に4つの外コイル44が配置されて構成されたものとして説明する。なお、4つの外コイル44は、図2に示すように直列に接続されて構成されている。また、内コイル40、及び、外コイル44の数は、それに限定されるものではない。
また、図1では、1つの加熱コイル85が、誘導加熱調理器100に搭載されたものが図示されているが、その数は特に限定されるものではない。
ロースター102は、調理中に高温雰囲気となり、直に食品を加熱して加熱調理をすることができるものである。このロースター102は、たとえばシーズヒーターなどの電気加熱体が設置され、その電気加熱体に電流が供給されることで高温雰囲気とすることができる。これにより、ロースター102内に載置された食品は、加熱調理される。また、ロースター102は、ロースター102の開閉により、筐体3に形成されるレール103上を摺動するトレーと、食品を載置する焼き網104を備えている。
[駆動回路90の構成]
駆動回路90は、加熱コイル85に電力を供給するものである。以下の説明において、図2を参照しながら誘導加熱調理器100の駆動回路90について詳しく説明する。
この駆動回路90は、直流電源1から供給される電流(電圧)を平滑するリアクトル2及び平滑コンデンサ16、加熱コイル85に高周波電力を供給するためのインバータ回路14、電流を検出する3つの電流検出手段11、45、46、電圧を検出する3つの電圧検出手段50〜52、上述の加熱コイル85、該加熱コイル85に接続される2つの共振コンデンサ41、43を有している。また、この駆動回路90には、インバータ回路14を制御する制御手段26が接続されている。
なお、直流電源1は、商用交流電源から整流回路を通して供給される直流電流を出力するものである。
リアクトル2及び平滑コンデンサ16は、直流電源1から供給される直流電流(直流電圧)を平滑するものである。リアクトル2は、インバータ回路14の正母線に対して直列に接続されている。また、平滑コンデンサ16は、一方がインバータ回路14の正母線に接続され、他方がインバータ回路14の負母線に接続されている。
インバータ回路14は、リアクトル2及び平滑コンデンサ16を介して直流電源1から供給される電力を高周波電力にするものである。このインバータ回路14は、フルブリッジのインバータ回路であり、内コイル40の一方及び外コイル44の一方に接続される共通アーム60、内コイル40の他方に接続される内コイル駆動用アーム61、及び、外コイル44の他方に接続される外コイル駆動用アーム62を有している。
共通アーム60、内コイル駆動用アーム61、及び、外コイル駆動用アーム62は、IGBTなどのスイッチング素子に、ダイオードを逆並列接続して構成したスイッチング素子31〜36が、直列に接続されて構成されている。ここで、スイッチング素子31とスイッチング素子32が直列に接続され、また、スイッチング素子33とスイッチング素子34が直列に接続され、さらに、スイッチング素子35とスイッチング素子36が直列に接続されている。6つのスイッチング素子31〜36は、制御手段26に接続され、オンオフ制御される。なお、IGBTとは、絶縁ゲートバイポーラトランジスタのことをさす。
そして、これらの共通アーム60、内コイル駆動用アーム61、及び、外コイル駆動用アーム62は、一方がインバータ回路14の正母線に接続され、他方がインバータ回路14の負母線に接続されている。
3つの電流検出手段11、45、46は、駆動回路90の所定の配線を流れる電流を検出するものである。電流検出手段11は負母線を流れる電流を検出するものである。すなわち、電流検出手段11(入力電流検出手段)は、インバータ回路14に入力する電流(以下、入力電流とも称する)を検出するものである。
また、電流検出手段45(第1電流検出手段)は、一方がスイッチング素子31のエミッタ側及びスイッチング素子32のコレクタ側に接続され、他方が内コイル40に接続される配線の電流を検出するものである。すなわち、電流検出手段45は、内コイル40に流れる電流(以下、内コイル40の出力電流とも称する)を検出するものである。
さらに、電流検出手段46(第2電流検出手段)は、一方がスイッチング素子31のエミッタ側及びスイッチング素子32のコレクタ側に接続され、他方が外コイル44に接続される配線の電流を検出するものである。すなわち、電流検出手段46は、外コイル44に流れる電流(以下、外コイル44の出力電流とも称する)を検出するものである。
3つの電圧検出手段50〜52は、駆動回路90の所定の配線間の電位差(電圧)を検出するものである。電圧検出手段50(入力電圧検出手段)は、正母線と負母線の電位差を検出するものである。すなわち、電圧検出手段50は、インバータ回路14に入力する電圧(以下、入力電圧とも称する)を検出するものである。
また、電圧検出手段51(第1電圧検出手段)は、内コイル40及び共振コンデンサ43の電位差(以下、内コイル40の出力電圧とも称する)を検出するものである。
さらに、電圧検出手段52(第2電圧検出手段)は、外コイル44及び共振コンデンサ41の電位差(以下、外コイル44の出力電圧とも称する)を検出するものである。
これらの3つの電流検出手段11、45、46、及び、3つの電圧検出手段50〜52は、制御手段26に接続されており、検出結果が制御手段26に出力されるようになっている。
なお、直流電源1からインバータ回路14に入力される直流電圧が一定である場合には、電圧検出手段50が設けられていなくともよい。つまり、この場合には、電流検出手段11(入力電力検出手段)の検出結果から入力電力を得ることができるということである。
加熱コイル85は、上述のように内コイル40(第1コイル)、及び、外コイル44(第2コイル)を有し、トッププレート101上に載置される鍋などの被調理容器を加熱するものである。内コイル40は、図3に示すように、略円形に巻回された加熱用のコイルである。そして、この内コイル40は、図2に示すように、一方がスイッチング素子31のエミッタ側及びスイッチング素子32のコレクタ側に接続され、他方が共振コンデンサ43に接続されている。また、外コイル44は、図3に示すように、内コイル40の外周に配置され、略小判形に巻回された加熱用のコイルである。そして、この外コイル44は、図2に示すように、一方がスイッチング素子31のエミッタ側及びスイッチング素子32のコレクタ側に接続され、他方が共振コンデンサ41に接続されている。
なお、大径鍋が載置された状態において、内コイル40と該大径鍋とにより形成されるインピーダンス値と、外コイル44と該大径鍋により形成されるインピーダンス値に差が生じるように、巻き数などが調整されている。なお、大径とは、内コイル40だけでなく外コイル44も調理時に用いられる程度の径である。
また、内コイル40及び外コイル44は、同一周回方向に巻回されているものとする。すなわち、図3に示す内コイル40が時計回りに巻回されて構成されている場合には、外コイル44の4つのコイル全てが、時計回りに巻回されて構成されているということである。これにより、内コイル40及び外コイル44から発生する磁束の向きが、同じ方向となるので、鍋全体を同一方向の磁束で効率よく、均一に加熱することができる。
2つの共振コンデンサ41、43は、加熱コイル85に接続され、共振回路を構成するものである。共振コンデンサ43(第1共振コンデンサ)は、一方が内コイル40に接続され、他方がスイッチング素子33のエミッタ側及びスイッチング素子34のコレクタ側に接続されている。また、共振コンデンサ41(第2共振コンデンサ)は、一方が外コイル44に接続され、他方がスイッチング素子35のエミッタ側及びスイッチング素子36のコレクタ側に接続されている。
制御手段26は、インバータ回路14を制御するものである。すなわち、制御手段26は、6つのスイッチング素子31〜36、3つの電流検出手段11、45、46、及び、3つの電圧検出手段50〜52に接続されている。また、この制御手段26は、後述の図5で説明する加熱出力制御処理における時間の計測を行うタイマカウンタ26aを有している。そして、制御手段26は、3つの電流検出手段11、45、46、及び、3つの電圧検出手段50〜52の検出結果と、タイマカウンタ26aの計測結果とに基づいて、スイッチング素子31〜36をオンオフ制御するものである。
なお、制御手段26は、駆動回路90に流れる電流が、駆動回路90に流れる電圧に対して遅れ位相で流れるように制御するものとする。そこで、制御手段26がスイッチング素子31〜36に出力する駆動信号の周波数は、鍋、内コイル40、及び、共振コンデンサ43により決定される共振周波数と、鍋、外コイル44、及び、共振コンデンサ41により決定される共振周波数の双方よりも高くする。
また、制御手段26は、ユーザーの各種操作を受け付ける操作部27、及び、該操作に対応する表示などをする表示部28に接続されている。
操作部27は、ユーザーからの指示(電源のON、OFF、火力の設定など)を受けつけるものである。この操作部27は制御手段26に接続されており、ユーザーから受けつけた指示が制御手段26に伝達される。
表示部28は、ユーザーの操作に対応する表示などを表示するものである。表示部28は制御手段26に接続されており、設定された火力などの情報が出力されるようになっている。
[誘導加熱調理器100の動作説明]
直流電源1から供給される直流電力は、リアクトル2及び平滑コンデンサ16によって平滑される。ここで、制御手段26は、6つのスイッチング素子31〜36を交互にオンオフ制御する(後述の[インバータ回路14の動作説明]参照)。このように、制御手段26が、スイッチング素子31〜36を、所定の周波数で交互にオンオフ制御することで、その所定の周波数に対応する高周波電流が加熱コイル85に流れる。これにより、加熱コイル85から高周波磁束が発生し、その磁束により調理容器である鍋に渦電流が発生して、鍋が加熱される。
[インバータ回路14の動作説明]
図4は、図1に示すインバータ回路14のスイッチング素子31〜36を制御する信号の一例を説明する図である。この信号は、内コイル40、及び、外コイル44の双方に高周波電力を出力するときの一例である。ここで、以下の説明において、スイッチング素子31、33、35を上スイッチ31、33、35、スイッチング素子32、34、36を下スイッチ32、34、36とも称するものとする。また、図2に図示される、スイッチング素子31とスイッチング素子32、スイッチング素子33とスイッチング素子34、及び、スイッチング素子35とスイッチング素子36との接続位置を、それぞれ出力点と称する。
制御手段26は、共通アーム60の上スイッチ31をオンさせている間は共通アーム60の下スイッチ32をオフにする(たとえば、タイミングT1)。また、制御手段26は、上スイッチ31をオフさせている間は下スイッチ32をオンにする(たとえば、タイミングT2)。内コイル駆動用アーム61の上スイッチ33、下スイッチ34、及び、外コイル駆動用アーム62の上スイッチ35、下スイッチ36においても、共通アーム60の上スイッチ31、下スイッチ32と同様に、それぞれを交互にオンオフする。また、制御手段26は、共通アーム60の上スイッチ31及び下スイッチ32に高周波の駆動信号を出力するとともに、その駆動信号より位相がθ進んだ駆動信号を内コイル駆動用アーム61の上スイッチ33及び下スイッチ34と、外コイル駆動用アーム62の上スイッチ35と下スイッチ36に出力する。なお、各アーム60〜62の駆動信号の周波数は、同一である。
そして、上スイッチ31、33、35と下スイッチ32、34、36のオンオフ状態に応じて、各アーム60〜62の出力点には直流電源回路の出力である正母線電位、あるいは負母線電位が高周波で切り替わって出力される。すなわち、内コイル40には共通アーム60の出力点と内コイル駆動用アーム61の出力点の電位差が印加され、外コイル44には共通アーム60の出力点と外コイル駆動用アーム62の出力点の電位差が印加される。したがって、制御装置26は、共通アーム60への駆動信号と、内コイル駆動用アーム61及び外コイル駆動用アーム62への駆動信号との位相差を増減することにより、内コイル40及び外コイル44に印加する高周波電圧の印加時間を調整することができる。また、これによって制御装置26は、内コイル40及び外コイル44に流れる電流を制御することができる。
これにより、内コイル40及び外コイル44に供給する電力(火力)は、上スイッチ31、下スイッチ32に出力する駆動信号と、上スイッチ33、下スイッチ34、及び、上スイッチ35、下スイッチ36に出力する駆動信号との位相差を増減することにより調整することができる。
つまり、図4に示すように、スイッチング素子31、32に出力する駆動信号と、スイッチング素子33、34に出力する駆動信号の位相θの差を大きくすると、内コイル40に長時間電流が供給されるので、内コイル40に供給される電力が大きくなる。
また、スイッチング素子31、32に出力する駆動信号と、スイッチング素子35、36に出力する駆動信号の位相θの差を大きくすると、外コイル44に長時間電流が供給されるので、外コイル44に供給される電力が大きくなる。
[負荷抵抗Rについて]
本実施の形態1に係る誘導加熱調理器100の制御において用いる負荷抵抗Rの算出方法について説明する。
電流検出手段45における出力電流の検出結果、及び、電圧検出手段51における出力電圧の検出結果に基づいて、内コイル40に対応する負荷抵抗Rを算出する。なお、内コイル40に対応する負荷抵抗Rとは、載値される鍋と内コイル40とで形成されるインダクタンスに対応する鍋負荷抵抗Rlと、内コイル40のコイル線抵抗Rcとからなる。
そして、電流検出手段45における出力電流の検出結果、及び、電圧検出手段51における出力電圧の検出結果のそれぞれを、離散フーリエ変換により、1次成分のみ抜き出す。そして、抜き出された出力電流を、1次成分電流(1次成分複素数)i1とし、抜き出された出力電圧を、1次成分電圧(1次成分複素数)v1とすると、以下の式1〜式3にこれらを代入することで、内コイル40に対応する負荷抵抗Rが得られる。
外コイル44に対応する負荷抵抗Rの算出方法も同様である。すなわち、電流検出手段46における出力電流の検出結果、及び、電圧検出手段52における出力電圧の検出結果に基づいて、外コイル44に対応する負荷抵抗Rを算出する。なお、外コイル44に対応する負荷抵抗Rとは、載値される鍋と外コイル44とで形成されるインダクタンスに対応する鍋負荷抵抗Rlと、外コイル44のコイル線抵抗とからなる。
そして、電流検出手段46における出力電流の検出結果、及び、電圧検出手段52における出力電圧の検出結果のそれぞれを、離散フーリエ変換により、1次成分のみ抜き出す。そして、抜き出された出力電流を、1次成分電流(1次成分複素数)i1とし、抜き出された出力電圧を、1次成分電圧(1次成分複素数)v1とすると、以下の式1〜式3にこれらを代入することで、外コイル44に対応する負荷抵抗Rが得られる。
求められた1次成分電流i1、及び、1次成分電圧v1から有効電力w1を求める式1を以下に示す。
Figure 2013020877
ここで、real()は()内の実部をとることを示し、conj()が()内の複素共役をとることを示す。
求められた1次成分電流i1から電流実効値I1を求める式2を以下に示す。
Figure 2013020877
ここで、il* は、ilの共役複素数である。
求められた有効電力w1と電流実効値I1から負荷抵抗Rを求める式3を以下に示す。
Figure 2013020877
ここで、Rlは鍋負荷抵抗であり、Rcがコイル線抵抗である。
次に、上述のように算出して得られる負荷抵抗Rを用いる本実施の形態1に係る誘導加熱調理器100の制御について説明する。
鍋の載置状況や加熱中の温度変化などにより内コイル40に対応する負荷抵抗Rと、外コイル44に対応する負荷抵抗Rには差が生じる。そこで、これらの負荷抵抗値の大小を比較し、負荷抵抗値の大きい方のコイルに負荷分担を多く割り振る。なお、コイル線抵抗Rcが非常に小さいので、本実施の形態1に係る誘導加熱調理器100においては、負荷抵抗R=Rlと近似するものとする。
図5は、図1に示す誘導加熱調理器100の消費電力を抑制するための制御(加熱出力制御処理)の一例について説明するフローチャートである。以下に、フローチャートの各ステップについて説明する。
(ステップ1)
制御手段26は、操作部27から加熱開始指示の入力が行われたか否か判断する。
加熱開始指示入力があった場合には、制御手段26はステップ2の制御に移行する。
加熱開始指示入力がなかった場合には、ステップ1の判断を繰り返す。
(ステップ2)
制御手段26はタイマカウンタ26aをクリア(初期化)し、タイマカウンタ26aに時間の計測を開始させる。
(ステップ3)
制御手段26は、共通アーム60のスイッチング素子31、32、及び、内コイル駆動用アーム61のスイッチング素子33、34に駆動信号を出力して、内コイル40を制御する。
(ステップ4)
制御手段26は、外コイル駆動用アーム62のスイッチング素子35、36に駆動信号を出力して、外コイル44を制御する。その後、ステップ5の制御に移行する。
(ステップ5)
制御手段26は、電流検出手段11、45、46、及び、電圧検出手段50〜52の出力を検出する。
(ステップ6)
制御手段26は、電流検出手段45の検出結果(出力電流)、及び、電圧検出手段51の検出結果(出力電圧)より、上述の式1〜式3に基づいて内コイル40に対応する負荷抵抗Rを演算する。
また、制御手段26は、電流検出手段46の検出結果(出力電流)、及び、電圧検出手段52の検出結果(出力電圧)より、上述の式1〜式3に基づいて外コイル44に対応する負荷抵抗Rを演算する。
そして、内コイル40に対応する負荷抵抗Rと外コイル44に対応する負荷抵抗Rの大小を比較する。
内コイル40に対応する負荷抵抗Rが、外コイル44に対応する負荷抵抗Rより大きい場合には、ステップ11の制御に移行する。
内コイル40に対応する負荷抵抗Rが、外コイル44に対応する負荷抵抗Rと同じである場合には、ステップ9の制御に移行する。
内コイル40に対応する負荷抵抗Rが、外コイル44に対応する負荷抵抗Rより小さい場合には、ステップ7の制御に移行する。
(ステップ7)
制御手段26は、共通アーム60の駆動信号と、内コイル駆動用アーム61の駆動信号の位相差を小さくする。これにより、内コイル40の出力(火力)を下げる。その後、ステップ8の制御に移行する。
(ステップ8)
制御手段26は、共通アーム60の駆動信号と、外コイル駆動用アーム62の駆動信号の位相差を大きくする。これにより、外コイル44の出力(火力)を上げる。その後、ステップ13の制御に移行する。
(ステップ9)
制御手段26は、共通アーム60の駆動信号と、内コイル駆動用アーム61の駆動信号の位相差を大きくする。これにより、内コイル40の出力(火力)を上げる。その後、ステップ10の制御に移行する。
(ステップ10)
制御手段26は、共通アーム60の駆動信号と、外コイル駆動用アーム62の駆動信号の位相差を大きくする。これにより、外コイル44の出力(火力)を上げる。その後、ステップ13の制御に移行する。
(ステップ11)
制御手段26は、共通アーム60の駆動信号と、内コイル駆動用アーム61の駆動信号の位相差を大きくする。これにより、内コイル40の出力(火力)を上げる。その後、ステップ12の制御に移行する。
(ステップ12)
制御手段26は、共通アーム60の駆動信号と、外コイル駆動用アーム62の駆動信号の位相差を小さくする。これにより、外コイル44の出力(火力)を下げる。その後、ステップ13の制御に移行する。
(ステップ13)
制御手段26は、ステップ2から実行しているタイマカウンタ26aの計測時間を検出する。そして、制御手段26は、その計測結果と、制御手段26に予め設定されている所定時間t1との大小を比較する。
タイマカウンタ26aの計測結果が所定時間t1以上である場合には、ステップ14の制御に移行する。
タイマカウンタ26aの計測結果が所定時間t1より小さい場合には、ステップ18の制御に移行する。
なお、所定時間t1は、たとえばステップ7〜12において、内コイル40及び外コイル44の出力を調整する際に、制御信号を変化させてから実際にコイルの出力が変化し、電流検出手段45、46、及び電圧検出手段50〜52の検出結果が安定するまでの時間を設定する。
(ステップ14)
制御手段26は、タイマカウンタ26aの計測結果をクリアする。その後、ステップ15に移行する。
(ステップ15)
制御手段26は、電流検出手段11、45、46、及び、電圧検出手段50〜52の出力を検出する。これにより、ステップ7及びステップ8、ステップ9及びステップ10、又はステップ11及びステップ12による内コイル40及び外コイル44の出力変化を検出する。
さらに、制御手段26は、電流検出手段45の検出結果(出力電流)、及び、電圧検出手段51の検出結果(出力電圧)より、上述の式1〜式3に基づいて内コイル40に対応する負荷抵抗Rを演算する。
また、制御手段26は、電流検出手段46の検出結果(出力電流)、及び、電圧検出手段52の検出結果(出力電圧)より、上述の式1〜式3に基づいて外コイル44に対応する負荷抵抗Rを演算する。
(ステップ16)
制御手段26は、ステップ15における、電流検出手段11の検出結果(入力電流)、及び、電圧検出手段50の検出結果(入力電圧)より、入力電力を演算する。
さらに、この入力電力と、ステップ1の加熱開始指示によって設定された火力(設定電力)とを比較する。
設定電力が、入力電力以下である場合には、ステップ18の制御に移行する。
設定電力が、入力電力より大きい場合には、ステップ17の制御に移行する。
(ステップ17)
制御手段26は、ステップ15の内コイル40および外コイル44のそれぞれに対応する負荷抵抗Rの演算の過程で算出された内コイル40および外コイル44のそれぞれの出力電力(有効電力w1)と、制御手段26に予め設定されている内コイル40および外コイル44のそれぞれの設定電力の上限値と、の大小を比較する。なお、出力電力(有効電力w1)とは、内コイル40および外コイル44のそれぞれの火力に対応するものである。
内コイル40および外コイル44のそれぞれに対応する設定電力の上限値が、内コイル40および外コイル44のそれぞれの出力電力以下である場合には、対応するコイルのオーバーフラグを立ててステップ15の制御に移行する。すなわち、この場合には上限値を優先し、オーバーフラグが立っているコイルの火力をそれ以上上げないようにするということである。
内コイル40および外コイル44のそれぞれに対応する設定電力の上限値が、内コイル40および外コイル44のそれぞれの出力電力より大きい場合には、オーバーフラグを立てずにステップ5の制御に移行する。
(ステップ18)
制御手段26は、操作部27から加熱停止指示の入力が行われたか否か判断する。
加熱停止指示入力があった場合には、制御手段26はステップ19の制御に移行する。
加熱停止指示入力がなかった場合には、ステップ13の制御に移行する。
(ステップ19)
制御手段26は、タイマカウンタ26aの計測結果をクリアする。その後、ステップ20に移行する。
(ステップ20)
制御手段26は、スイッチング素子31〜36に停止信号を出力して、内コイル40、及び、外コイル44への通電を停止する。その後、ステップ21に移行する。
(ステップ21)
制御手段26は、タイマカウンタ26aに時間の計測を停止させる。その後、ステップ1に移行する。
このように、誘導加熱調理器100の消費電力を抑制するための制御の一例について説明したが、以下に述べる機能を有しているとよい。
ここで、図5のステップ5〜13のループにおいて、内コイル40及び/又は外コイル44の出力を上げる制御となっているが、ステップ7〜12の制御によって、内コイル40及び外コイル44の出力が予め設定された電力を超える可能性がある。そこで、制御手段26は、内コイル40及び外コイル44のうち、出力が予め設定された電力を超えてしまったコイルの出力をこれ以上上げないため、それぞれにオーバーフラグを立てることができるものとする。このとき、入力電力が設定電力に満たない場合は、オーバーフラグを確認し、それ以上抵抗値の大きい方(オーバーフラグが立っている方)の出力を上げる事はせずに、抵抗値の小さい他のコイル(オーバーフラグが立っていない方)の出力を上げるようにする。
たとえば、ステップ15からステップ5に戻り、ステップ6に移行した場合には、ステップ6における負荷抵抗の大小よりも、そのオーバーフラグを優先するものとする。そして、内コイル40のオーバーフラグが立っている場合には、ステップ6からステップ7、8に移行し、外コイル44のオーバーフラグが立っている場合には、ステップ6からステップ11、12に移行する。
また、誘導加熱調理器100は、内コイル40の出力と外コイル44の出力との差を、所定の値以内に保つように制御することができるものとするとよい。すなわち、抵抗値の大きい方のコイルの出力を上げたことにより、出力差が所定の値を超えた場合には、抵抗値の小さい方のコイルの出力を上げて、出力差が所定の値以内に収まるように調整する。これにより、加熱むらが大きくなることを抑制することができる。
さらに、図5では抵抗値の大きい方のコイルの出力を上げ、小さい方のコイルの出力を下げているが、小さい方のコイルの出力はそのままにして、大きい方のコイルの出力だけ上げるようにしてもよい。たとえば、図5に図示されるステップ7、ステップ12は、内コイル40、外コイル44の出力を下げる制御となっているが、出力を下げないでそのままの出力を保つ制御とするとよい。
[誘導加熱調理器100の有する効果]
本実施の形態1に係る誘導加熱調理器100は、図5のステップ7、8、11、12に示すように、内コイル40及び外コイル44のそれぞれに対応する負荷抵抗R値に基づいて、内コイル40及び外コイル44の出力電力(火力)を設定するものである。すなわち、内コイル40及び外コイル44のうち、負荷抵抗R値の大きい方のコイルの火力を上げるように制御する。これにより、本実施の形態1に係る誘導加熱調理器100は、所定の火力を得るのに要する電流量を低減することができるので、駆動回路90の消費電力を低減することができる。
また、本実施の形態1に係る誘導加熱調理器100は、所定の火力を得るのに要する電流量を低減できるので、リアクトル2、平滑コンデンサ16、スイッチング素子31〜36、共振コンデンサ41、43、及び、加熱コイル85などの発熱損失を低減することができる。すなわち、駆動回路90の消費電力を低減することができる。
また、本実施の形態1に係る誘導加熱調理器100は、所定の火力を得るのに要する電流量を低減できるので、駆動回路90の発熱量を低減することができる。すなわち、駆動回路90の経年劣化を抑制することができる。
さらに、本実施の形態1に係る誘導加熱調理器100は、大径鍋が載置された状態において、内コイル40と該大径鍋とにより形成されるインピーダンス値と、外コイル44と該大径鍋により形成されるインピーダンス値にある程度の差が生じるように、巻き数などが調整されている。
この理由は次の通りである。つまり、ステップ1で設定される火力が小さい際には、内コイル40及び外コイル44の双方にそれほど電流が流れないので、内コイル40、及び、外コイル44の磁気干渉が弱まる。これにより、仮に、上記のインピーダンス値にある程度の差がないと、ステップ6からステップ9、10に移行する頻度が高くなり、駆動回路90の消費電力が低減されにくくなる。したがって、インピーダンス値にある程度の差が生じるようにして、図5のステップ6からステップ7、8に移行し、或いは、ステップ6からステップ11、12に移行するようにしている。
実施の形態2.
本実施の形態2に係る誘導加熱調理器100は、スイッチング素子31〜36の耐電圧、及び、オン抵抗についても考慮したものである。図6は、シリコン半導体デバイスと、シリコンカーバイド半導体デバイスの耐電圧とオン抵抗について説明する図である。図6の横軸は耐電圧を表し、縦軸がオン抵抗を表している。なお、以下の説明において、シリコン半導体デバイスはSiデバイスとも称し、シリコンカーバイド半導体デバイスはSiCデバイスとも称するものとする。また、本実施の形態2では、実施の形態1と同一部分には同一符号とし、実施の形態1との相違点を中心に説明するものとする。
図6に示すように、Siデバイスは耐電圧を大きくすると、オン抵抗が大きくなってしまうので、その分電力効率が低減してしまう。また、Siデバイスはオン抵抗を小さくすると、その分耐電圧性が低減してしまう。一方、ワイドギャップ半導体で構成されるSiCデバイスは、Siデバイスと比較すると、大幅に耐電圧とオン抵抗のトレードオフを改善できることがわかる。
そこで、スイッチング素子31〜36を、SiCデバイスで構成するとよい。これにより、実施の形態2に係る誘導加熱調理器100は、スイッチング素子31〜36の耐電圧性能とオン抵抗性能を両立することができる。
図7は、本発明の実施の形態2に係る誘導加熱調理器100の概要構成の一例を説明する斜視図である。
SiデバイスはSiCデバイスと比較すると耐熱性が劣る。すなわち、Siデバイスを各種素子に採用した誘導加熱調理器では、Siデバイスを冷却するための冷却装置や放熱ファンが必須である。しかし、本実施の形態2に係る誘導加熱調理器100は、スイッチング素子31〜36をSiCデバイスで構成するので、冷却装置や放熱フィンの小型化、或いはそれらを搭載しなくとも、動作信頼性が低減してしまうことが抑制される。また、冷却装置や放熱フィンの小型化、或いはそれらを搭載しなくともよいので、その分コストアップを抑制することができる。
なお、スイッチング素子31、32は、スイッチング素子33〜36と比較すると流れる電流量が大きい分、発熱量が大きい。そこで、スイッチング素子31、32のみを、Siと比較すると高価であるSiCデバイスで構成してもよい。これにより、コストアップを抑制しながら、耐電圧性能とオン抵抗性能を両立することができる。
また、加熱コイル85のように、内コイル40、及び、外コイル44からなる変形コイルが設けられているので、筐体3の空間内を占める容積が大きくなってしまう。しかし、本実施の形態2に係る誘導加熱調理器100は、スイッチング素子31〜36を、SiCデバイスで構成するので、冷却装置や放熱フィンの小型化、或いは搭載しなくともよい。これにより、筐体3の空間内が広くなるので、図7(a)に示すように加熱コイル85の下方に対応する位置に、ロースター102を配置することができる。
さらに、図7(b)に示すように、制御手段26などが設けられる基板105を、縦に並列配置した場合には、スイッチング素子31〜36の放熱がされにくかったり、冷却装置や放熱フィンが大きく筐体3内に収納できなくなってしまう可能性があった。しかし、SiCデバイスであるスイッチング素子31〜36は耐熱性が高く、放熱されにくかったり、冷却装置や放熱フィンが設けたりすることができなくとも、動作信頼性が低減してしまうことが抑制される。すなわち、本実施の形態2に係る誘導加熱調理器100は、図7に示すように、基板105を縦に並列配置することができるので、筐体3内の空間を有効に利用することができる。
なお、スイッチング素子31〜36は、耐熱性、及び耐電圧性が高いので、内コイル40及び外コイル44を同時に使用した場合のそれぞれの火力(出力電力)を大きく設定してもよい。具体的には、スイッチング素子31〜36がSiデバイスである場合における最大火力の倍の火力であっても、本実施の形態2に係る誘導加熱調理器100のスイッチング素子31〜36は、機能が低減したり、壊れてしまったりすることが抑制される。なお、スイッチング素子33〜36と比較すると発熱量が大きいスイッチング素子31、32のみを、SiCデバイスで構成した場合でも同様の効果を得ることができる。
実施の形態1、2に係る外コイル44は、コイルが4つ直列に接続されて構成されており、1個の外コイル駆動用アーム62によって制御していた。ここで、この外コイル44は、2つ直列に接続されたコイルを2組備えた構成としてもよい。この構成では、外コイル駆動用アーム62がそれぞれのコイルの組に1つずつ、計2つ設けられる。これにより、内コイル40、2組の外コイル44の計3組のコイルが備えられているので、任意の箇所を最適に加熱することができる。
また、この構成では、外コイル駆動用アーム62が2つに増えたことにより、共通アーム60のスイッチング素子31、32を流れる電流の変化が大きくなる。スイッチング素子31、32に流れる電流の変化が大きいとその分経年劣化しやすくなるが、スイッチング素子31、32をSiCデバイスで構成することで、スイッチング素子31、32は、機能が低減したり、壊れてしまったりすることが抑制される。
本実施の形態2では、スイッチング素子31〜36をSiCデバイスで構成する場合を例に説明してきたが、ダイヤモンドやガリウムナイトライド(GaN)などのワイドギャップ半導体デバイスを用いてもよい。
また、実施の形態1、2では、スイッチング素子31〜36にIGBTを採用した場合を例に説明しているが、それに限定されるものではない。つまり、スイッチング素子31〜36は、パワーMOSFET、その他の絶縁ゲート半導体装置、バイポーラトランジスタなどを採用してもよい。
なお、本実施の形態1では、図5のステップ7、8、ステップ9、10、及び、ステップ11、12に記載の制御のように、内コイル40、及び、外コイル44のうち、抵抗値の高い方に対応するコイルに供給される出力の大きさを増加させて、加熱コイル85の出力を増加させる制御を説明したが、それに限られるものではない。
たとえば、ユーザーに設定された出力まで加熱コイル85の出力(火力)が上昇すると、その後、調理容器の温度を定常的に保つ制御に移行することがある。このような制御に移行して、加熱コイル85に供給する出力を落とす場合には、抵抗値の高い方に対応するコイルではなく、抵抗値の低い方に対応するコイルの出力を落とすことで、駆動回路90の消費電力を低減することができる。
換言すれば、制御手段26は、内コイル40、及び、外コイル44のうち、負荷抵抗値の大きい方に対応するコイルに供給される交流電力(出力)が、負荷抵抗値の小さい方に対応するコイルに供給される交流電力(出力)に対して相対的に大きくなるように、インバータ回路を制御するということである。すなわち、制御装置26は、たとえば抵抗が大きい方のコイルに供給する交流電力を変化させずに、抵抗が小さい方のコイルに供給する交流電力を小さくしてもよいということである。
実施の形態1、2に記載の内容は、適宜組み合わせてよいことは言うまでもない。
1 直流電源、2 リアクトル、3 筐体、11 電流検出手段、14 インバータ回路、16 平滑コンデンサ、26 制御手段、26a タイマカウンタ、27 操作部、28 表示部、31〜36 スイッチング素子、40 内コイル、41、43 共振コンデンサ、44 外コイル、45、46 電流検出手段、50〜52 電圧検出手段、60 共通アーム、61 内コイル駆動用アーム、62 外コイル駆動用アーム、85 加熱コイル、90 駆動回路、100 誘導加熱調理器、101 トッププレート、102 ロースター、103 レール、104 焼き網、105 基板。

Claims (9)

  1. 1つの加熱口に設けられ、誘導磁界を発生させて調理容器を加熱する第1コイル及び第2コイルと、
    前記第1コイルに接続される第1共振コンデンサ、及び、前記第2コイルに接続される第2共振コンデンサと、
    直流電力を交流電力に変換し、前記第1コイル、及び、前記第2コイルに前記交流電力を供給するインバータ回路と、
    前記第1コイルに供給される電圧を検出する第1電圧検出手段と、
    前記第2コイルに供給される電圧を検出する第2電圧検出手段と、
    前記第1コイルに流れる電流を検出する第1電流検出手段と、
    前記第2コイルに流れる電流を検出する第2電流検出手段と、
    第1電流検出手段、第2電流検出手段、第1電圧検出手段、及び、第2電圧検出手段の検出結果に基づいて、前記インバータ回路を制御する制御手段と、
    を備え、
    前記制御手段は、
    前記第1電圧検出手段、及び、前記第1電流検出手段の検出結果に基づいて前記第1コイルの負荷抵抗値を演算し、
    前記第2電圧検出手段、及び、前記第2電流検出手段の検出結果に基づいて前記第2コイルの負荷抵抗値を演算し、
    前記第1コイル、及び、前記第2コイルのうち、前記負荷抵抗値の大きい方に対応するコイルに供給される前記交流電力が、前記負荷抵抗値の小さい方に対応するコイルに供給される前記交流電力に対して相対的に大きくなるように、前記インバータ回路を制御する
    ことを特徴とする誘導加熱調理器。
  2. 前記インバータ回路に入力される入力電力を検出する入力電力検出手段を備え、
    前記制御手段は、
    前記入力電力を前記制御手段に設定された設定電力とし、
    且つ、
    前記第1コイル、及び、前記第2コイルのうち、前記負荷抵抗値の大きい方に対応するコイルに供給される前記交流電力が、前記負荷抵抗値の小さい方に対応するコイルに供給される前記交流電力に対して相対的に大きくするように、前記インバータ回路を制御する
    ことを特徴とする請求項1に記載の誘導加熱調理器。
  3. 前記制御手段は、
    前記第1電圧検出手段、及び、前記第1電流検出手段の検出結果に基づいて、前記第1コイルの前記加熱のための出力電力を演算し、
    前記演算された前記第1コイルの前記出力電力を、前記制御手段に予め設定された前記第1コイルの設定電力より小さくし、
    且つ、
    前記第1コイル、及び、前記第2コイルのうち、前記負荷抵抗値の大きい方に対応するコイルに供給される前記交流電力が、前記負荷抵抗値の小さい方に対応するコイルに供給される前記交流電力に対して相対的に大きくなるように、前記インバータ回路を制御する
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載の誘導加熱調理器。
  4. 前記制御手段は、
    前記第2電圧検出手段、及び、前記第2電流検出手段の検出結果に基づいて、前記第2コイルの前記加熱のための出力電力を演算し、
    前記演算された前記第2コイルの前記出力電力を、前記制御手段に予め設定された前記第2コイルの設定電力より小さくし、
    且つ、
    前記第1コイル、及び、前記第2コイルのうち、前記負荷抵抗値の大きい方に対応するコイルに供給される前記交流電力が、前記負荷抵抗値の小さい方に対応するコイルに供給される前記交流電力に対して相対的に大きくなるように、前記インバータ回路を制御する
    ことを特徴とする請求項1〜3のいずれか一項に記載の誘導加熱調理器。
  5. 前記インバータ回路は、
    2つのスイッチング素子がそれぞれ直列接続された共通アーム、第1コイル駆動用アーム、及び、第2コイル駆動用アームを有し、
    前記第1コイルは、
    一方が前記共通アームの前記2つのスイッチング素子の間に接続され、他方が前記第1共振コンデンサを介して前記第1コイル駆動用アームの前記2つのスイッチング素子の間に接続され、
    前記第2コイルは、
    一方が前記共通アームの前記2つのスイッチング素子の間に接続され、他方が前記第2共振コンデンサを介して前記第2コイル駆動用アームの前記2つのスイッチング素子の間に接続された
    ことを特徴とする請求項1〜4のいずれか一項に記載の誘導加熱調理器。
  6. 前記制御手段は、
    前記共通アームに出力する駆動信号と前記第1コイル駆動用アームに出力する駆動信号の位相差を制御して、前記第1コイルに供給する前記交流電力を調整し、
    前記共通アームに出力する前記駆動信号と前記第2コイル駆動用アームに出力する駆動信号の位相差を制御して、前記第2コイルに供給する前記交流電力を調整する
    ことを特徴とする請求項5に記載の誘導加熱調理器。
  7. 前記制御手段は、
    前記第1コイルに供給する前記交流電力を上げる際、前記共通アームに出力する駆動信号と、前記第1コイル駆動用アームに出力する駆動信号の位相差を大きくし、
    前記第1コイルに供給する前記交流電力を下げる際、前記共通アームに出力する駆動信号と、前記第1コイル駆動用アームに出力する駆動信号の位相差を小さくし、
    前記第2コイルに供給する前記交流電力を上げる際、前記共通アームに出力する駆動信号と、前記第2コイル駆動用アームに出力する駆動信号の位相差を大きくし、
    前記第2コイルに供給する前記交流電力を下げる際、前記共通アームに出力する駆動信号と、前記第2コイル駆動用アームに出力する駆動信号の位相差を小さくする
    ことを特徴とする請求項6に記載の誘導加熱調理器。
  8. 前記スイッチング素子のうち、少なくとも前記共通アームの前記スイッチング素子が、ワイドギャップ半導体で構成された
    ことを特徴とする請求項5〜7のいずれか一項に記載の誘導加熱調理器。
  9. 前記第1コイルの前記負荷抵抗は、
    前記調理容器と前記第1コイルとで形成されるインダクタンスに対応する負荷抵抗と、第1コイルのコイル線抵抗とからなり、
    前記第2コイルの前記負荷抵抗は、
    前記調理容器と前記第2コイルとで形成されるインダクタンスに対応する負荷抵抗と、第2コイルのコイル線抵抗とからなる
    ことを特徴とする請求項1〜8のいずれか一項に記載の誘導加熱調理器。
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