JP2017162587A - 誘導加熱調理器 - Google Patents

Abstract

【課題】
デューティ制御でのスイッチング素子の損失を平均化する。
【解決手段】
本体の前面寄りに配置された２つの加熱コイルと、これら加熱コイル間の奥寄りに配置された１つの加熱コイルと、これら加熱コイルに電力を供給するスイッチング素子を備えた電流共振型インバータ手段と、記スイッチング素子には温度を検出する温度検出素子を有し、前記前面寄りに配置された２つの加熱コイル間の距離に対して少なくとも前面寄りの加熱コイルと奥寄りの加熱コイル間の距離が短く配置され、少なくとも前面寄りの加熱コイルを制御するインバータ手段は２つのスイッチング素子の駆動周波数の制御および駆動周波数を固定してデューティ比を制御する方法を有し、デューティ制御する際は前記スイッチング素子のどちらか一方の温度が特定の温度を超えた時に、２つのスイッチング素子のデューティ比を交互に切り替えるものである。
【選択図】 図８

Description

本発明は、誘導加熱調理器に関するものである。

誘導加熱調理器は、高周波電流を流す加熱コイルの近傍に配した金属負荷（鍋）に渦電流を発生させ、そのジュール熱によって負荷自体が自己発熱することで、効率よく加熱することができる。近年、ガスコンロや電熱ヒータによる調理器具に対して、安全性や温度制御性に優れた点によって、これらの置き換えが進んでいる。システムキッチンに組み込まれる調理器としては、ガラス製プレートの前面寄りに２つの加熱部、奥寄りに１つの加熱部を有するものが一般的である。当初は前面寄りの加熱部のみが誘導加熱方式で奥寄りの加熱部は電気ヒータ方式のものが多かったが、すべての加熱部が誘導加熱方式となっているものの割合が高くなってきている。

加熱コイルに高周波電流を流すためのインバータ電源は、いわゆる共振型インバータと呼ばれ、金属負荷を含めた加熱コイルのインダクタンスと、共振コンデンサを接続し、スイッチング素子を２０ｋＨｚ以上の周波数でオンオフする構成が一般的である。このインバータは、スイッチング素子の駆動周波数を変化させることにより加熱コイルに流す電流を変化させることができ、前記インダクタンスと共振コンデンサで決まる共振周波数に近い周波数で動作させると大きな電力が投入でき、それよりも周波数を高くしていくにしたがい、低い電力を設定できるという特徴がある。また、周波数を固定したままスイッチング素子のオンオフデューティ比を略５０％から変化させることによって、低い電力を設定するという方式も可能である。

誘導加熱調理器自体は、加熱コイルから発生した高周波の磁力線が金属の鍋底に作用して発生する渦電流によって鍋底自体が発熱するものであり、同時に電磁気的相互作用によって加熱コイルと金属鍋間に力が働くために、高周波の振動が発生している。この高周波振動は、加熱コイルに流れる電流の周波数と等しいために、可聴周波数域外の音波になる可能性があるが、使用者には認識できない。

しかしながら、複数の誘導加熱口を同時に使用する場合は、それぞれの電流の周波数差によってうなり成分が発生する。この成分が可聴周波数域に存在すると、使用者が認識できる音となり、干渉音となって耳障りに感じることがある。特に、システムキッチンに組み込まれる調理器の場合、調理器自体の前面横方向の寸法に対して奥側の寸法が短い長方形であり、３口の加熱部を有する場合は必然的に３口の加熱部は三角形に配置される。

これらの加熱部のうち、特に加熱コイル間の距離が短いと干渉音が発生するために、各種の回避技術がある。

特開２００３−２６４０５６号公報 特開２００５−１４９７３７号公報 特開２００８−２１４７７２号公報

システムキッチンに組み込まれる３口の誘導加熱調理器において加熱コイル間の距離が近い場合に、複数の鍋を同時に加熱すると、それぞれのインバータ駆動周波数の差によって干渉音が発生するが、距離が遠ければ発生しにくくなる。インバータ手段に用いる電流共振方式においては、直列に接続した２つのスイッチング素子の中点に加熱コイルと共振コンデンサの直列体を接続するものが基本であり、それぞれの素子は排他的に略５０％のデューティ比で駆動するとともに、そのオン時間を可変して電力を制御する。結果的に、オン時間が延びれば動作周波数は低下し、加熱コイル電流は増加するために加熱電力が増加し、逆に周波数が高くなれば電力は低下する。このとき、２つのスイッチング素子の損失はほぼ同じとなる。

しかし、特許文献１で開示されている周波数を固定してスイッチング素子のオンオフデューティ比を変化させて電力を変化させる方法では、低電力を投入する場合はデューティ比が５０％から大きくずれるため、一方のスイッチング素子に動作損失が集中し、周波数制御方式に比べて素子の温度定格を満足させる冷却構造は大きくなってしまい、装置の小型化に問題が生じる。

特許文献２で開示されている方法では、３つの誘導加熱部を同時に使用した場合、インバータ周波数の制御周波数範囲が狭くなり、十分な電力制御幅がとれなくなる恐れがある。

特許文献３で開示されている方法では、前面寄り加熱コイルで可能な最低電力よりも低い電力を投入する場合にオンオフ制御となるため、オンオフの際に異音が発生する恐れがある。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、請求項１の誘導加熱調理器は、本体の前面左寄りに配置された左加熱コイルと、本体の前面右寄りに配置された右加熱コイルと、本体の奥寄りに配置された奥寄り加熱コイルと、前記左加熱コイルに電力を供給する、２つのスイッチング素子を備えた第一の電流共振型インバータ手段と、前記右加熱コイルに電力を供給する、２つのスイッチング素子を備えた第二の電流共振型インバータ手段と、前記奥寄り加熱コイルに電力を供給する、２つのスイッチング素子を備えた第三の電流共振型インバータ手段と、前記スイッチング素子の温度を検出する温度検出素子と、を具備する誘導加熱調理器において、前記左加熱コイルと前記奥寄り加熱コイルの距離（Ｄ_ＬＣ）、および、前記右加熱コイルと前記奥寄り加熱コイルの距離（Ｄ_ＲＣ）は、前記左加熱コイルと前記右加熱コイルの距離（Ｄ_ＬＲ）よりも短く、前記第一または第二の電流共振型インバータ手段は、所定火力以上では２つのスイッチング素子の駆動周波数を制御することで火力を制御し、所定火力未満では２つのスイッチング素子のデューティ比を制御することで火力を制御するものであり、前記第一または第二の電流共振型インバータ手段の駆動周波数の上限は、前記第三の電流共振型インバータ手段のスイッチング素子の駆動周波数の下限よりも、可聴周波数以上低い周波数であり、前記第一または第二の電流共振型インバータ手段がデューティ比制御を行う場合、前記温度検出素子が検出する温度が所定の温度を超えると、前記２つのスイッチング素子のデューティ比を交互に切り替えるものである。

また、請求項２の誘導加熱調理器は、本体の前面寄りに配置された２つの加熱コイルと、これら加熱コイル間の奥寄りに配置された１つの加熱コイルと、これら加熱コイルの上面を覆い調理鍋を載せるプレートと、これら加熱コイルに電力を供給するスイッチング素子を備えた電流共振型インバータ手段と、前記スイッチング素子には温度を検出する温度検出素子を有し、前記前面寄りに配置された２つの加熱コイル間の距離に対して少なくとも前面寄りの加熱コイルと奥寄りの加熱コイル間の距離が短く配置され、少なくとも前面寄りの加熱コイルを制御するインバータ手段は２つのスイッチング素子の駆動周波数の制御および駆動周波数を固定してデューティ比を制御する方法を有し、奥寄り加熱コイル用のインバータ手段におけるスイッチング素子の駆動周波数の下限値に対して前面寄り加熱コイル用のインバータ手段の駆動周波数の上限を少なくとも可聴周波数差を持つだけ低い周波数とするとともに、前面寄り加熱コイルのインバータ手段の駆動周波数が前記上限周波数に達し、さらにその時の電力よりも低い電力を設定する場合には前記上限周波数以下でデューティ制御を行い、デューティ制御する際は前記スイッチング素子のどちらか一方の温度が特定の温度を超えた時に、２つのスイッチング素子のデューティ比を交互に切り替えるものである。

本発明によれば、前面寄りの加熱部と奥寄りの加熱部で同時に加熱動作を行う場合、前面寄りの加熱部の上限周波数と奥寄りの加熱部の下限周波数の周波数差が可聴周波数域外になるため、干渉音の発生を抑制することができ、デューティ制御時のスイッチング素子損失を平均化できるので、冷却構造を小型、低価格化でき、冷却構造に必要な電力も抑制できる。

一実施例の誘導加熱部の加熱コイル配置。 インバータ手段の回路構成（電流共振型）。 周波数制御におけるインバータ動作周波数に対する投入電力の特性を説明する図。 スイッチング素子の駆動波形例。 インバータ動作周波数を固定しデューティ比を変化させた場合の投入電力の特性を説明する図。 前面寄り及び奥寄りインバータ手段の動作周波数と投入電力の特性を説明する図。 インバータ動作周波数とデューティ比の組み合わせ制御例。 インバータ手段のスイッチング素子駆動出力例。 本実施例の誘導加熱部をシステムキッチン等に組み込んだ斜視図

図９は、本実施例の誘導加熱部をシステムキッチン等に組み込んだ斜視図であり、図１はこの誘導加熱部の本体２０を上面から見た図である。ここに示される通り、本体２０の前面寄りに左加熱部Ｌ、右加熱部Ｒがあり、奥寄りに中加熱部Ｃを配置し、それぞれの加熱部（円で示した箇所）の下方には、左加熱コイル、右加熱コイル、奥寄り加熱コイルを有している。

各加熱コイルの中心に対し各加熱コイル間の距離（左右間をＤ_ＬＲ、左中間をＤ_ＬＣ、右中間をＤ_ＲＣとする）は、左中間（Ｄ_ＬＣ）は左右間（Ｄ_ＬＲ）より短く、右中間（Ｄ_ＲＣ）も左右間（Ｄ_ＬＲ）より短くなる。

一般のシステムキッチンにおいては、組み込み調理器は横方向に長い長方形状であるため、使用者にとっての左右方向には距離を確保することが可能である。しかし、３口以上の加熱部を設けようとすると奥寄りにも加熱部を配置する必要がある。正三角形状の配置にすることは可能であるが、その場合は奥寄りの加熱部を使用するときに手前寄りの２つの加熱部を既に使用しているときに鍋等を扱いにくくなる。したがって、前面側左右の加熱部間の距離を離すとともに奥寄りの加熱部を前面側に近づける鈍角三角形状にすると使いやすくなるためである。

誘導加熱は加熱コイルに高周波電流を流して高周波磁束を発生させ、金属負荷（鍋）に渦電流を流して自己発熱させるものであり、鍋はその磁束により高周波振動を発生している。このため、同時に複数の鍋を個別の周波数で加熱すると、その差分周波数によって干渉音（うなり音）が生じる。

通常、干渉音の発生は鍋の距離を離すことで減少することから、高周波電流の周波数が同じ領域を使用することがあっても、距離を十分に確保すれば干渉音は小さくなり、使用者にとっては気が付きにくくなる。

図２は電流共振型インバータ方式の回路構成例である。交流電源１からの直流電圧を整流手段２で直流電圧に変換し、スイッチング素子３、４、環流ダイオード５、６の直列体に接続する。それぞれの中点に加熱コイル９と共振コンデンサ１０で構成する共振部の一端を接続し、他端を電源部に接続する。また、各スイッチング素子３、４にはスナバコンデンサ７、８を接続する。この構成において、スイッチング素子３、４を排他的にオンオフさせることによって共振部に高周波電流を流す。加熱コイル９は調理をする鍋を置くプレート３０（図１）の下面に配置し、鍋底に渦電流を発生させ自己発熱させる。

図３はスイッチング素子の駆動デューティ比を５０％に固定したままそれぞれのオン時間を変化させることにより周波数を変化させたときの投入電力の変化を示す。鍋と加熱コイルと共振コンデンサで構成される共振回路の共振周波数ｆ０でインバータを駆動した時に最大の電力が発生し、周波数がずれるにつれて電力は低下していく。誘導加熱部の定格電力Ｗｍａｘが発生する周波数は、ｆ０よりも高い周波数に設定し、ｆ０よりも高い周波数帯で電力制御を行う。

図４（ａ）にデューティ比が５０％の時のスイッチング素子駆動波形を示し、（ｂ）にデューティ比が５０％未満の時のスイッチング素子駆動波形を示す。スイッチング素子３の導通期間Ｔ２と発振周期Ｔ１の比をデューティ比とする。スイッチング素子３の導通期間を変更すると、スイッチング素子４の導通期間Ｔ３は必然的に（Ｔ１−Ｔ２）になるように制御する。

図５はスイッチング素子の駆動周波数を固定した状態でデューティ比を変化させた場合の電力の変化を示す。デューティ比が５０％のときに電力Ｗ１が投入されている。デューティ比を５０％からずらしていくと電力は低下していく。また、電力の低下量は５０％からのずれの量に比例するため、例えばデューティ比がＤｔ１の場合と（１−Ｄｔ１）の場合の電力は両方ともＷＤｔ１となる。このように周波数を固定しデューティ比を変化させる方法でも電力の制御は可能である。しかし、前述の通り、各スイッチング素子に発生する導通損失やスイッチング損失に偏りが発生するため、５０％からずれるほどその差が顕著となるため、最悪状態における素子冷却を考慮する必要がある。

図６は前面寄り加熱部と奥寄り加熱部を同時に使用する場合のインバータ駆動周波数と投入電力特性の例である。本例においては、前面寄り加熱部の駆動周波数をｆ_ＬＲ、奥寄り加熱部の駆動周波数をｆ_Ｃとする。

本例では前面寄り加熱部の動作周波数域は奥寄り加熱部の動作周波数域よりも低いが、逆でも同様の効果が得られる。

前面寄り加熱部の共振周波数ｆ_ＬＲ０において最大電力が発生し、周波数がずれていくにつれて電力は小さくなる。奥寄り加熱部も同様に共振周波数ｆ_Ｃ０において最大電力が発生し、周波数がずれていくにつれて電力が小さくなる。前述したように共振周波数より高い周波数で電力制御を行う。

このような電力特性で、前面寄り加熱部と奥寄り加熱部を前面寄り加熱部の電力が小さく、奥寄り加熱部の電力が大きい状態で同時に通電した場合、前面寄り加熱部の周波数と奥寄り加熱部の周波数の差が小さくなり、可聴周波数域内に入る可能性がある。可聴周波数差△ｆ_ｌｉｍを確保するために、前面寄り加熱部に上限周波数ｆ_{ＬＲｈｌｉｍ}を、奥寄り加熱部に下限周波数ｆ_{Ｃｌｌｉｍ}を設ける。前面寄り加熱部の上限周波数ｆ_{ＬＲｈｌｉｍ}は少なくとも定格電力Ｗ_{ＬＲｍａｘ}におけるインバータ駆動周波数ｆ_{ＬＲｍａｘ}よりも高く設定する。奥寄り加熱部の下限周波数ｆ_{Ｃｌｌｉｍ}は定格電力Ｗ_Ｃｍａｘにおけるインバータ駆動周波数ｆ_Ｃｍａｘよりも低く設定する。

このように前面寄り加熱部の駆動周波数ｆ_ＬＲに対して上限周波数を設け、奥寄り加熱部に下限周波数を設け、前面寄り加熱部と奥寄り加熱部の差分周波数が可聴周波数領域外となるようにすれば干渉音は抑制できる。前面寄り加熱部では周波数制御では上限周波数ｆ_{ＬＲｈｌｉｍ}以上の周波数が必要となる場合は、周波数を上限周波数ｆ_{ＬＲｈｌｉｍ}に固定し、デューティ制御による電力制御を用いる。

図７において前面寄り加熱部の制御の例を示す。図７（ａ）は前面寄り加熱部のインバータ周波数制御における電力特性を示し、（ｂ）はデューティ比デューティ制御による電力特性を示す。

前面寄り加熱部の上限周波数ｆ_{ＬＲｈｌｉｍ}における電力をＷ_{ＬＲｌｉｍ}とし、最低電力をＷ_ｍｉｎとする。

Ｗ_{ＬＲｌｉｍ}より小さい電力が必要な場合は駆動周波数をｆ_{ＬＲｌｉｍ}に固定し、デューティ比を変化させることで電力を制御する。Ｗ_{ＬＲｌｉｍ}より大きい電力が必要な場合はデューティ比を５０％に固定し周波数制御で電力を制御する。

しかし、前述したようにデューティ制御ではそれぞれのスイッチング素子の通電率が違うためスイッチング素子の片側にだけ損失が集中する。これを回避するために、通電中にスイッチング素子のデューティ比を交互に切り替える。図８にデューティ比切り替えの例を示す。

図５で示したようにデューティ制御ではデューティ５０％からのずれの量に比例して電力が低下するため、デューティ比Ｄｔ１と（１−Ｄｔ１）では電力は等しいため、デューティ比を切り替えても電力は一定に保たれる。また、スイッチング素子３とスイッチング素子４の損失も平均化することができる。デューティ比の切り替えは周期的に行っても、任意のタイミングで行ってもよい。また、スイッチング素子３とスイッチング素子４の温度を温度検出素子（図示無し）などで監視し、検出温度が特定の温度より高くなった時にスイッチング素子３とスイッチング素子４のデューティ比を切り替える事で、各素子のピーク温度を低く抑えながら各スイッチング素子の損失を平均化することができる。

このように、本実施例によれば、前面寄りの加熱部と奥寄りの加熱部を同時に通電する場合、前面寄りの加熱部の下限周波数と奥寄りの加熱部の上限周波数の周波数差が可聴周波数外になるため、干渉音の発生を抑制することができ、デューティ制御の際のスイッチング素子の損失を平均化することができるため、冷却構造を大型化する必要がなく、冷却構造に必要な電力も抑えることができる。

１・・・交流電源、２・・・整流手段、３、４・・・スイッチング素子
５、６・・・環流ダイオード、７、８・・・スナバコンデンサ
９・・・加熱コイル、１０・・・共振コンデンサ、２０・・本体
３０・・プレート、Ｌ・・・左加熱部、Ｒ・・・右加熱部、Ｃ・・・中加熱部

Claims (2)

1. 本体の前面左寄りに配置された左加熱コイルと、
   本体の前面右寄りに配置された右加熱コイルと、
   本体の奥寄りに配置された奥寄り加熱コイルと、
   前記左加熱コイルに電力を供給する、２つのスイッチング素子を備えた第一の電流共振型インバータ手段と、
   前記右加熱コイルに電力を供給する、２つのスイッチング素子を備えた第二の電流共振型インバータ手段と、
   前記奥寄り加熱コイルに電力を供給する、２つのスイッチング素子を備えた第三の電流共振型インバータ手段と、
   前記スイッチング素子の温度を検出する温度検出素子と、を具備する誘導加熱調理器において、
   前記左加熱コイルと前記奥寄り加熱コイルの距離（Ｄ_ＬＣ）、および、前記右加熱コイルと前記奥寄り加熱コイルの距離（Ｄ_ＲＣ）は、前記左加熱コイルと前記右加熱コイルの距離（Ｄ_ＬＲ）よりも短く、
   前記第一または第二の電流共振型インバータ手段は、所定火力以上では２つのスイッチング素子の駆動周波数を制御することで火力を制御し、所定火力未満では２つのスイッチング素子のデューティ比を制御することで火力を制御するものであり、
   前記第一または第二の電流共振型インバータ手段の駆動周波数の上限は、前記第三の電流共振型インバータ手段のスイッチング素子の駆動周波数の下限よりも、可聴周波数差以上低い周波数であり、
   前記第一または第二の電流共振型インバータ手段がデューティ比制御を行う場合、前記温度検出素子が検出する温度が所定の温度を超えると、前記２つのスイッチング素子のデューティ比を交互に切り替えることを特徴とする誘導加熱調理器。
2. 本体の前面寄りに配置された２つの加熱コイルと、
   これら加熱コイル間の奥寄りに配置された１つの加熱コイルと、
   これら加熱コイルの上面を覆い調理鍋を載せるプレートと、
   これら加熱コイルに電力を供給するスイッチング素子を備えた電流共振型インバータ手段と、
   前記スイッチング素子には温度を検出する温度検出素子を有し、
   前記前面寄りに配置された２つの加熱コイル間の距離に対して少なくとも前面寄りの加熱コイルと奥寄りの加熱コイル間の距離が短く配置され、
   少なくとも前面寄りの加熱コイルを制御するインバータ手段は２つのスイッチング素子の駆動周波数の制御および駆動周波数を固定してデューティ比を制御する方法を有し、
   奥寄り加熱コイル用のインバータ手段におけるスイッチング素子の駆動周波数の下限値に対して前面寄り加熱コイル用のインバータ手段の駆動周波数の上限を少なくとも可聴周波数差を持つだけ低い周波数とするとともに、
   前面寄り加熱コイルのインバータ手段の駆動周波数が前記上限周波数に達し、さらにその時の電力よりも低い電力を設定する場合には前記上限周波数以下でデューティ制御を行い、デューティ制御する際は前記スイッチング素子のどちらか一方の温度が特定の温度を超えた時に、２つのスイッチング素子のデューティ比を交互に切り替えることを特徴とする誘導加熱調理器。

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