JP2020095865A - 誘導加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】加熱コイルを用いた誘導加熱装置において、加熱効率を高める。【解決手段】誘導加熱装置Ａは、第１ノードＮ１に電力を供給するインバータ１と、インバータ１の電力供給を受けて加熱する加熱コイル３とを備えている。加熱コイル３は、第１ノードＮ１に対し巻線の巻回方向が互いに異なる第１加熱コイル３１と第２加熱コイル３２とを有する共振回路２を備える。【選択図】図１

Description

本発明は、加熱コイルを用いた誘導加熱装置に関するものである。

特許文献１には、共振回路を用いたインバータを備え、アルミニウム製などの非磁性の鍋の加熱に適用するための誘導加熱装置が開示されている。特許文献１のインバータにおける共振回路は、加熱コイルに直列に共振コンデンサを接続した第１の共振回路と、第１の共振回路と並列に接続される第２の共振コンデンサで構成される第２の共振回路と、第２の共振回路と直列に接続される共振用チョークコイルとを備えている。

特許文献２には、複数のスイッチング素子のオンオフ動作により交流信号を出力するインバータ回路と、複数のスイッチング素子を駆動制御する制御部と、被加熱物を誘導加熱する加熱コイルと共振コンデンサをそれぞれが含む複数の共振回路とを備える誘導加熱装置が示されている。

特開２０１８−３２６１９号公報 国際公開第２０１１／７０７８５号

しかしながら、特許文献１の技術では、第２の共振回路を構成する第２の共振コンデンサにも加熱コイルと同等の比較的大きな電流が流れるので、この第２の共振コンデンサにおいて損失が生じる。また、インバータのスイッチング素子に流れる電流を低減させるために、共振用チョークコイルにもある程度の電流を流す必要があり、共振用チョークコイルでも損失が生じる。特許文献２の技術では、加熱コイルに大きな電流を流すと、インバータにもその電流と同等の大きな電流が流れるという問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的は、加熱コイルを用いた誘導加熱装置において、加熱効率を高めることにある。

上記課題を解決するために、本発明の第１態様に係る誘導加熱装置は、スイッチング素子を有し、該スイッチング素子のスイッチング動作により第１ノードに電力を供給するインバータと、前記第１ノードを介して前記インバータの電力供給を受けて加熱する加熱コイルとを備える、前記加熱コイルは、それぞれの一端が前記第１ノードに接続され、前記第１ノードに対し巻線の巻回方向が互いに異なる第１加熱コイルと第２加熱コイルと、を有する共振回路を備えることを特徴とする。

上記態様によると、加熱コイルを分割することで得られた第１加熱コイル及び第２加熱コイルにより共振回路を構成するようにしている。すなわち、第１加熱コイル及び第２加熱コイルを共振回路のインダクタンス素子として兼用している。これにより、従来技術の構成と比較して、回路損失を低減することができる。例えば、特許文献１の構成では、共振回路に対して加熱コイルに加えて、共振用チョークコイルと、２つ共振コンデンサを用いており、それぞれで損失が発生するが、本願の構成にすることで、損失を低減し、加熱効率を高めることができる。

本発明の第２態様では、第１態様において、前記共振回路は、直列に接続された前記第１加熱コイルと第１コンデンサとが直列に接続された第１共振回路を有し、前記第２加熱コイルが前記第１共振回路と並列に接続されていることを特徴とする。

本発明の第３態様では、第１態様において、前記共振回路は、前記第１加熱コイル、前記第２加熱コイル及び第１コンデンサを直列に接続して形成された閉ループ回路であることを特徴とする。

第１加熱コイル、第２加熱コイル及び第１コンデンサで閉ループ回路を構成することで、インバータの出力電流を相対的に小さく抑制しつつ、閉ループ回路に相対的に大きな電流を流すことができる。

本発明の第４態様では、第２態様において、前記第１ノードは、前記第１加熱コイルと前記第２加熱コイルとの一端同士を接続しかつ前記第１加熱コイルと前記第２加熱コイルとを分割する、中間点を有することを特徴とする。

すなわち、第１加熱コイルと第２加熱コイルとで並列回路を構成している。これにより、インバータの出力電流を相対的に小さく抑制しつつ、閉ループ回路に相対的に大きな電流を流すことができる。

本発明の第５態様では、第４態様において、前記第１加熱コイルの巻線数が前記第２加熱コイルの巻線数より多いことを特徴とする。

インバータの出力電流は、中間点から見た場合に、中間点を境にして第１コイル及び第２コイルの双方に流れようとするが、本態様のような構成にすることにより、第１コイルから第２コイルに戻る電流をインバータの出力電流より大きいエネルギーとすることができる。これにより、インバータの出力電流を相対的に小さく抑制しつつ、閉ループ回路に相対的に大きな電流を流すことができる。

本発明の第６態様では、第２態様において、前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御することにより前記加熱コイルを流れる電流の周波数を制御する制御部を備え、前記制御部は、前記第１共振回路のインピーダンスの絶対値と、前記第２加熱コイルのインピーダンスの絶対値とが互いに等しくなるように、前記スイッチング素子を制御することを特徴とする。

上記態様の誘導加熱装置は、スイッチング素子に流れる電流を低減することができるので、加熱効率を高めることができる。

本発明の第７態様に係る誘導加熱装置は、スイッチング素子を有し、該スイッチング素子のスイッチング動作により第１ノードに電力を供給するインバータと、前記第１ノードを介して前記インバータの電力供給を受けて加熱する加熱コイルとを備え、前記加熱コイルは、それぞれの一端が前記第１ノードに接続され、前記第１ノードに対し巻線の巻回方向が互いに異なる第１加熱コイルと第２加熱コイルと、を有する共振回路を備え、前記共振回路では、前記第１加熱コイルと第１コンデンサとが直列に接続された第１共振回路と、前記第２加熱コイルと第２コンデンサとが直列に接続された第２共振回路とが並列に接続されていることを特徴とする。

上記態様によると、第１態様と同様に、誘導加熱装置において、第１加熱コイル及び第２加熱コイルを共振回路のインダクタンス素子として兼用している。これにより、従来技術の構成と比較して、回路損失を低減し、加熱効率を高めることができる。

本発明の第８態様では、第７態様において、前記第１共振回路のインピーダンスの絶対値と、前記第２共振回路のインピーダンスの絶対値とが互いに等しくなるように、前記スイッチング素子を制御して前記共振回路に流れる電流の周波数を制御する制御部を備えていることを特徴とする。

上記態様の誘導加熱装置は、スイッチング素子に流れる電流を低減することができるので、加熱効率を高めることができる。

本発明の第９態様では、第１態様または第７態様において、前記第１加熱コイルで発生する磁束の方向と前記第２コイルで発生する磁束の方向とが互いに等しいことを特徴とする。

上記態様によると、第１加熱コイルで発生する磁束と、第２加熱コイルで発生する磁束とが打ち消し合うことがないので、加熱効率の劣化を防ぐことができる。

本発明の第１０態様では、第１態様において、前記第１加熱コイルは環状のコイルであり、当該第１加熱コイルの内側に前記第２加熱コイルが配置されていることを特徴とする。

これにより、誘導加熱装置をコンパクトに構成することができる。

本発明の第１１態様では、第１態様において、前記第１ノードにインダクタが設けられている。

上記態様によると、軽負荷の場合における効率を向上させることができる。

本発明の第１２態様では、第１態様において、前記第１加熱コイルと前記第２加熱コイルとを直列に接続させて前記共振回路を直列共振回路とするか、前記第１加熱コイルと前記第２加熱コイルとを並列に接続させて前記共振回路を並列共振回路とするかを切り替える切替部を備えることを特徴とする。

これにより、被加熱物の種類に応じて回路方式を選択することができ、被加熱物の種類に適した加熱方式を採用することができる。

本発明の第１３態様では、第１２態様において、前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御することにより前記加熱コイルを流れる電流の周波数を制御する制御部を備え、前記制御部は、前記切替部を制御して前記共振回路を直列共振回路にしてから、前記加熱コイルで加熱する被加熱物の種類を判別する。

これにより、インバータのスイッチング素子に流れる電流を小さくすることができる。

本発明の第１４態様では、第２態様において、前記インバータの出力電流、前記スイッチング素子に流れる電流、または、前記第１加熱コイル及び前記第２加熱コイルのそれぞれに流れる電流、の少なくともいずれか１つを取得する電流取得部と、前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御することにより前記加熱コイルを流れる電流の周波数を制御する制御部を備え、前記制御部は、前記第１共振回路のインピーダンスの絶対値と、前記第２加熱コイルのインピーダンスの絶対値とを互いに近づくように、前記スイッチング素子のスイッチング周波数を変化させながら、前記電流取得部で取得される電流を減らす制御をすることを特徴とする。

これにより、制御の精度を高めることができる。

本発明によれば、加熱コイルを用いた誘導加熱装置において、損失を低減し、加熱効率を高めることができる。

第１実施形態に係る誘導加熱装置の構成の一例を示す図 図１の共振回路を拡大し、使用時の電流の流れを示す図 加熱コイルの構成例を示す平面図 図１において共振回路を等価回路に置き換えた図 図４の回路における各電流の波形及び位相の一例を示す図 図３の回路における各電流の位相ベクトルを示す図 本実施形態と従来技術との加熱効率の比較結果を示す図 第１実施形態に係る誘導加熱装置の他の構成例を示す図 第２実施形態に係る誘導加熱装置の構成の一例を示す図 図９において共振回路を等価回路に置き換えた図 図９の回路における各電流及び位相の周波数特性の一例を示す図 従来技術において、図１０相当の各電流の波形及び位相の一例を示す図 第３実施形態に係る誘導加熱装置の構成の一例を示す図（磁性鍋の場合） 第３実施形態に係る誘導加熱装置の構成の一例を示す図（非磁性鍋の場合） 図１３において共振回路を等価回路に置き換えた図 誘導加熱装置の周波数−電流特性を示す図

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。なお、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。

＜第１実施形態＞
図１は、本実施形態に係る誘導加熱装置Ａの構成の一例を示す図であり、図２は、共振回路２を拡大し、誘導加熱装置Ａの使用時の電流の流れを示した図である。また、図３は、加熱コイルの構成例を示す平面図である。

図１に示すように、誘導加熱装置Ａは、直流電源５から受けた直流電力を交流電力に変換して出力するインバータ１と、インバータ１から電力供給を受けて加熱する加熱コイル３を含む共振回路２と、制御部６とを備えている。

インバータ１の回路構成は、特に限定されるものではなく、従来から知られている構成を適用することができる。例えば、図１では、２対のアーム１１，１２が並列接続されたブリッジ構成のインバータ１の例を示している。図１において、２対のアーム１１，１２では、それぞれ、２つのスイッチング素子１３が直列接続されている。また、各スイッチング素子１３は、トランジスタと、該トランジスタに並列かつ逆方向に接続されたダイオードとの並列回路になっている。そして、インバータ１では、各スイッチング素子１３が、制御部６からの制御を受けてスイッチング動作をすることにより、直流電力が交流電力に変換されて出力される。以下の説明では、一方のアーム１１の両スイッチング素子１３の間の接続ノードを第１ノードＮ１と呼び、他方のアーム１２の両スイッチング素子１３の間の接続ノードを第２ノードＮ２と呼ぶものとする。

図２及び図３に示すように、加熱コイル３は、所定の一方向に向かって螺旋状に巻かれており、その中間に位置する中間点Ｐ１が、第１ノードＮ１に接続されている。すなわち、加熱コイル３は、中間点Ｐ１を境にして、第１加熱コイル３１と第２加熱コイル３２とに分割されている。第１加熱コイル３１と第２加熱コイル３２とは、第１ノードＮ１に対する巻線の巻回方向が互いに異なっている。

第１加熱コイル３１は、環状のコイルであり、その第１加熱コイル３１の内側に第２加熱コイルが配置されている。図３において、Ｐ２は、第１加熱コイル３１の中間点Ｐ１と反対側の端部（第１コンデンサＣ１との接続点）を示し、Ｐ３は、第２加熱コイル３１の中間点Ｐ１と反対側の端部（第２ノードＮ２との接続点）を示している。

なお、図１〜図３では、加熱コイル３は、螺旋状に巻かれている例を示しているが、加熱コイルの巻き方は、これに限定されるものではない。例えば、加熱コイル３として、同径の巻線を積み重ねて２層以上に構成したコイルを用いてもよい。また、２層以上で構成する場合に、層ごとに第１加熱コイル３１と第２加熱コイル３２とを分割するようにしてもよい。

図４は、図１の構成において、共振回路２を等価回路で示した図である。図２及び図４に示すように、共振回路２は、第１ノードＮ１と第２ノードＮ２との間に設けられ、前述の第１加熱コイル３１及び第２加熱コイル３２と、第１コンデンサＣ１とを含む。第１加熱コイル３１と第１コンデンサＣ１とは、第１ノードＮ１と第２ノードＮ２との間に直列に接続されており、第１共振回路２１（図４参照）を構成している。また、第１共振回路２１には、第２加熱コイル３２が並列に接続されている。換言すると、第１加熱コイル３１、第１コンデンサＣ１及び第２加熱コイル３２が直列に接続されて閉ループ回路２２（図４参照）が形成されている。

図２及び図４では、電流の方向を矢印で示している。本開示の構成にすることで、閉ループ回路２２にループ電流Ｉｐ（図４参照）が流れる。これにより、図２に示すように、第１加熱コイル３１に流れる電流（以下、第１電流Ｉ１という）によって発生される磁束の方向と、第２加熱コイル３２に流れる電流（以下、第２電流Ｉ２という）によって発生される磁束の方向とが同じになる。これにより、第１加熱コイル３１で発生する磁束と第２加熱コイル３２で発生する磁束とが打ち消し合って加熱効率が低下するのを防ぐことができる。なお、以下の説明では、第１ノードＮ１及び第２ノードＮ２に流れる電流を第３電流Ｉ３と呼ぶものとする。

制御部６は、ＣＰＵやメモリ等のハードウエアと、制御プログラム等のソフトウエアとで構成されており、誘導加熱装置Ａの動作を総合的に制御する。

例えば、制御部６は、インバータ１のスイッチング素子１３のスイッチング動作を制御することにより加熱コイル３（第１加熱コイル３１及び第２加熱コイル３２）に流れる電流の周波数Ｆを制御する機能を有する。

以下、具体的に説明する。

下式（１）は、第１共振回路２１のインピーダンスＺ_１の式であり、下式（２）は、第２加熱コイル３２のインピーダンスＺ_２の式である。

式（１），（２）において、ωは加熱コイル３に流れる電流の角周波数、Ｃ_１は第１コンデンサＣ１の容量値、Ｌ_１は第１加熱コイル３１のインダクタンス値、Ｌ_２は第２加熱コイル３２のインダクタンス値である。

制御部６は、第１共振回路２１のインピーダンスＺ_１の絶対値｜Ｚ_１｜と第２加熱コイル３２のインピーダンスＺ_２の絶対値｜Ｚ_２｜とが互いに等しくなるように、スイッチング素子１３を制御する。

ここで、インピーダンスＺ_１，Ｚ_２の絶対値が等しいとは、等しいことに加えて、実質的に等しい範囲（近傍値の範囲）まで含む概念である。すなわち、「制御部６が第１共振回路２１のインピーダンスＺ_１の絶対値｜Ｚ_１｜と、第２加熱コイル３２のインピーダンスＺ_２の絶対値｜Ｚ_２｜とが互いに等しくなるように、スイッチング素子１３を制御する」とは、インピーダンスＺ_１の絶対値｜Ｚ_１｜とインピーダンスＺ_２の絶対値｜Ｚ_２｜とが等しい場合に加えて、両絶対値が実質的に等しいとみなせる所定の範囲（例えば、互いの絶対値の差が３０％以内）に収まるように制御するものを含む概念である。以下の第２実施形態でも同様であり、インピーダンスＺ_１，Ｚ_３の絶対値が等しいとは、等しいことに加えて、実質的に等しい範囲（近傍値の範囲）まで含む概念であるものとする。

図５は、本実施形態の制御を行った場合における、第１電流Ｉ１（破線）、第２電流Ｉ２（一点鎖線）及び第３電流Ｉ３（実線）の波形例を示した図である。第１電流Ｉ１及び第２電流Ｉ２は、図５のＩ１、Ｉ２の電流方向において、ほぼ同相の電流である。図５に示すように、相対的に大きなループ電流Ｉｐを閉ループ回路２２に流した場合においても、インバータ１に流れる電流である第３電流Ｉ３を小さくすることができる。

式（１），（２）を用いて、インピーダンスＺ_１の絶対値｜Ｚ_１｜とインピーダンスＺ_２の絶対値｜Ｚ_２｜とが一致する周波数Ｆｏは、

で示すことができる。

図６は、本実施形態の制御を行った場合における、各電流Ｉ１〜Ｉ３の位相ベクトルを示している。図６に示すように、本実施形態の制御を行うことにより、第１電流Ｉ１の位相ベクトルと第２電流Ｉ２の位相ベクトルとが互いに略反対方向の位相関係にある。図６からも、第１電流Ｉ１と第２電流Ｉ２の合成電流である第３電流Ｉ３の値を小さくすることができることがわかる。すなわち、第１ノードＮ１に流れる電流を相対的に小さな値に保ちつつ、閉ループ回路２２に相対的に大きな電流を流すことができる。すなわち、誘導加熱装置Ａを高効率で動作させることができる。

図７は、本実施形態の誘導加熱装置Ａ（図７では「実施例」と記載）と、特許文献１に示されるような従来技術の誘導加熱装置（図７では「比較例」と記載）との効率の比較結果（実験データ）を示している。図７に示すように、本実施形態の構成にすることで、従来技術と比較して高効率の誘導加熱装置を実現することができる。

以上のように、本実施形態によると、加熱コイル３を分割することで得られた第１加熱コイル３１及び第２加熱コイル３２と第１コンデンサＣ１により共振回路２を構成するようにしている。すなわち、共振回路２を構成するインダクタンス素子を、分割した加熱コイル３１及び第２加熱コイル３２で兼用するようにしている。これにより、従来技術の構成と比較して、回路の構成要素、及び、回路損失を削減することができる。例えば、特許文献１の構成では、本願の閉ループ回路２２に相当する場所に２つのコンデンサを用いており、それぞれで損失が発生するが、本願の構成にすることで、損失を大幅に低減することができる。さらに、コンデンサを削減することができるので、小型化が実現できると共に、コストの削減にも寄与する。特に、閉ループ回路２２には、相対的に大きな電流が流れるので、より顕著な効果が得られる。

さらに、本実施形態では、制御部６が、第１共振回路２１のインピーダンスＺ_１の絶対値｜Ｚ_１｜と、第２加熱コイル３２のインピーダンスＺ_２の絶対値｜Ｚ_２｜とが等しくなるように、インバータ１のスイッチング素子１３を制御している。これにより、第１ノードＮ１や第２ノードＮ２に流れる電流を小さくすることができる。すなわち、インバータ１に流れる電流を小さくすることができる。また、本願の構成では、制御の際に考慮すべき素子の数が少ないので、加熱効率の最大化のための制御がしやすくなるという特徴がある。

具体的に、本実施形態の構成では、第１加熱コイル３１に流れる第１電流Ｉ１と、第２加熱コイル３２に流れる第２電流Ｉ２とが同程度（実質的に等しく）になるように制御することにより、第１ノードに流れる第３電流Ｉ３を最小化することができる。すなわち、部品の発熱等に関し、第１コンデンサＣ１を考慮すればよいことになる。一方で、従来技術（例えば、特許文献１）では、第１ノードＮ１に相当するノードに設けられた共振用チョークコイルと、閉ループ回路２２に相当する位置に設けられた２つの共振コンデンサの合計３個の素子を考慮する必要がある。具体的に、例えば、特許文献１では、共振用チョークコイルを流れる電流を最小化するために、２つの共振コンデンサに流れる電流を揃えるのが好ましい。しかしながら、例えば、加熱コイルと並列に接続されている共振コンデンサに相対的に大きな発熱が生じた場合に、その共振コンデンサの電流を減らす必要があり、そうすると、共振用チョークコイルの電流が増加することになる。このように、従来の構成では、回路バランスを取るのが非常に難しいが、本実施形態の構成ではそのようなことがない。

なお、上記実施形態において、図８に示すように、第１ノードＮ１にチョークコイル３３を配置するようにしてもよい。この場合においても、上記実施形態と同様の制御により同様の効果を得ることができる。さらに、第１ノードＮ１にチョークコイル３３を配置することにより、軽負荷において、各スイッチング素子１３の電流を低減可能なため、さらなる効率効果が見込める。また、図示しないが、第１ノードＮ１にコンデンサを配置するようにしてもよい。

＜第２実施形態＞
図９は、第２実施形態に係る誘導加熱装置の構成の一例を示す図であり、図１０は、図９の構成において、共振回路２を等価回路で示した図である。なお、図９及び図１０において、図１と共通の構成について同一の符号を付しており、ここでは共通の構成についての説明を省略する場合がある。

図９では、図１の構成と比較して共振回路２の構成が異なっている。具体的に、本実施形態の共振回路２では、図１と共通の第１共振回路２１と、第２共振回路２３とが並列に接続された構成になっている。第２共振回路２３は、前述の第２加熱コイル３２と、第２コンデンサＣ２との直列回路である。換言すると、第１加熱コイル３１、第１コンデンサＣ１、第２コンデンサＣ２及び第２加熱コイル３２により閉ループ回路２２（図１０参照）が形成されている。

第１実施形態の場合と同様に、閉ループ回路２２には、ループ電流Ｉｐ（図１０及び図２参照）が流れており、第１加熱コイル３１に流れる第１電流Ｉ１によって発生される磁束の方向と、第２加熱コイル３２に流れる第２電流Ｉ２によって発生される磁束の方向とが同じになっている。これにより、第１加熱コイル３１で発生する磁束と第２加熱コイル３２で発生する磁束とが打ち消し合って加熱効率が低下するのを防ぐことができる。

次に、制御部６によるインバータ１のスイッチング素子１３のスイッチング動作の制御について説明する。

第１共振回路２１のインピーダンスＺ_１の式は前述の式（１）と同じである。また、下式（４）は、第２共振回路２３のインピーダンスＺ_３の式である。

式（４）において、ωは加熱コイル３に流れる電流の角周波数、Ｌ_２は第２加熱コイル３２のインダクタンス値、Ｃ_２は第２コンデンサＣ２の容量値である。

そして、制御部６は、第１共振回路２１のインピーダンスＺ_１の絶対値｜Ｚ_１｜と第２共振回路２３のインピーダンスＺ_３の絶対値｜Ｚ_３｜とが互いに等しくなるように、スイッチング素子１３を制御する。

図１１は、上段が、本実施形態の制御を行った場合における、第１電流Ｉ１（破線）、第２電流Ｉ２（一点鎖線）及び第３電流Ｉ３（実線）の周波数特性を示した図であり、下段が第１〜第３電流Ｉ１〜Ｉ３の位相を示した図である。また、図１２は、比較例を示しており、特許文献２相当の構成を有する誘導加熱装置を用いて、図１１に対応する周波数で動作させた場合における振幅及び位相の周波数特性の一例を示している。

図１１において、制御部６が、インピーダンスＺ_１の絶対値｜Ｚ_１｜とインピーダンスＺ_３の絶対値｜Ｚ_３｜とが等しくなるように制御した場合における周波数範囲を破線の矩形領域Ｑ１で示している。図１１に示すように、相対的に大きな第１電流Ｉ１及び第２電流Ｉ２を共振回路２に流した場合においても、インバータ１に流れる電流である第３電流Ｉ３を小さくすることができる。

なお、式（１），（４）を用いて、インピーダンスＺ_１の絶対値｜Ｚ_１｜とインピーダンスＺ_３の絶対値｜Ｚ_３｜とが一致する周波数Ｆｏは、

で示すことができる。

図１２では、特許文献２の記載に相当する動作周波数の範囲を破線の矩形領域Ｑ２で示している。図１２に示すように、従来の技術では、動作周波数の範囲において、第３電流Ｉ３は、第１電流Ｉ１及び第２電流Ｉ２よりも大きく、第１電流Ｉ１や第２電流Ｉ２を大きくすれば、第３電流Ｉ３も大きくなる。このため、インバータ１等での損失が大きくなり、効率が下がる。また、インバータの耐圧を向上させるために、回路規模が大きくなったり、高コストになるおそれがある。

以上のように、本実施形態によると、第１実施形態と同様に、加熱コイル３を分割することで得られた第１加熱コイル３１及び第２加熱コイル３２、並びに、第１及び第２コンデンサＣ１，Ｃ２により共振回路２を構成するようにしている。これにより、従来技術の構成と比較して、回路損失を削減し加熱効率を高めることができる。また、共振回路を構成するインダクタンス素子を、分割した加熱コイル３（第１及び第２加熱コイル３１，３２）で兼用するようにしているので、回路規模を削減することができる。

＜第３実施形態＞
図１３及び図１４は、第３実施形態に係る誘導加熱装置の構成の一例を示す図であり、図１３と図１４とでは、後述するスイッチ３５〜３７のオンオフ状態が異なっている。図１３は、磁性鍋が検知された場合のスイッチ状態を示しており、図１４は、非磁性鍋が検知された場合のスイッチ状態を示している。また、図１５は、図１３の構成において、共振回路２を等価回路で示した図である。なお、図１３，図１４において、図１と共通の構成について同一の符号を付しており、ここでは共通の構成についての説明を省略する場合がある。

図１３及び図１４では、図１の構成と比較して、スイッチ３５〜３７が追加されている。スイッチ３５は、第１ノードＮ１に設けられている。スイッチ３６は、第２ノードＮ２と第１コンデンサＣ１との間に設けられている。スイッチ３７は、インバータ１とスイッチ３５とを接続するノードと、第１コンデンサＣ１とスイッチ３６とを接続するノードとの間を接続する第３ノードＮ３に設けられている。各スイッチ３５〜３７は、制御部６からの制御を受けて、線路の導通／遮断を切り替える機能を有している。以下の説明では、便宜上、それぞれのスイッチ３５〜３７がオンのときに線路が導通し、オフのときに線路が遮断されるものとする。

図１３及び図１５に示すようにスイッチ３５，３６がオフされ、スイッチ３７がオンされると、直列共振回路として動作する。一方で、図１４に示すように、スイッチ３５，３６がオンされ、スイッチ３７がオフされると、並列共振回路として動作する。並列共振回路の構成は、図１の構成と実質的に同じである。以下の説明において、図１３の回路状態にすることを、単に「直列共振回路にする」という場合がある。同様に、図１４の回路状態にすることを、単に「並列共振回路にする」という場合がある。

また、本実施形態では、制御部６は、加熱コイル３上に置かれた被加熱物の種類（例えば、材質）を判別し、その種類（例えば、材質）に基づいてスイッチ３５〜３７の導通／遮断を制御する機能を有している。例えば、制御部６は、被加熱物が鍋の場合に、非磁性材料(例えば、アルミニウム、銅系)の鍋（以下、非磁性鍋という）と、磁性材料(例えば、ＳＵＳ系製)の鍋（以下、磁性鍋という）とを判別し、スイッチ３５〜３７の導通／遮断を制御する。

以下、具体的に説明する。

まず、制御部６は、共振回路２を直列共振回路にし、インバータの駆動周波数を変化させ、電流ピークを持つ特性を有しているか否かを判断する。換言すると、共振周波数での電流値を測定することで、鍋の種類を判別する。

ここで、非磁性鍋は、インピーダンスが小さいため、図１６の細実線で示すように、共振点における電流値（ピーク電流値）が非常に大きくなる。一方で、磁性鍋は、インピーダンスが大きく、共振点でも電流が小さい。したがって、制御部６は、インバータ１の周波数を変化させながら、加熱コイルに流れる電流を計測し、その電流が所定のしきい値Ｉｔｈを超えるか否かで、鍋の種類の判別と、その共振周波数を判別することができる。

なお、並列共振回路においても、鍋の種類を判別することは可能ではある。並列共振回路における非磁性鍋の周波数特性は図１１のようになるので、図１１の領域Ｑ１のように、インバータ電流が最小となる周波数を探索すると、そこが共振周波数となる。一方で、磁性鍋はインピーダンスが大きいため、共振周波数での加熱コイルの電流が小さいので、鍋の種類の判別が可能となる。ただし、インバータ１の駆動周波数を変化させた場合におけるインバータ１のスイッチング素子に流れる電流を小さくする観点に基づくと、直列共振回路で鍋の判別をするのが望ましい。

次に、制御部６は、鍋の種類に応じてスイッチ３５〜３７を制御する。

具体的に、制御部６は、被加熱物が磁性鍋の場合、共振回路２を直列共振回路にする。なお、直列共振回路の制御方法は、既存の技術となるため、ここではその詳細説明を省略する。

一方で、制御部６は、被加熱物が非磁性鍋の場合、共振回路２を並列共振回路にする。そして、制御部６は、最大効率で動作させる観点から、第３電流Ｉ３を最小化しつつ、ループ電流Ｉｐが最大化するような制御を実行する。例えば、以下の１〜３のような制御を実行する。

１．制御部６は、インバータ１の駆動周波数を変動させながら、第３電流Ｉ３の電流が最小となるように、すなわち、共振回路２が共振周波数で動作するように、ＰＩ演算処理（比例積分演算処理）をおこなう。具体的には、第３電流Ｉ３が最小となる周波数で、インバータ１の出力を上げるように制御する。例えば、図１４において、第２ノードＮ２に対する第１ノードＮ１の電圧実効値を上げるように制御する。

２．制御部６は、第１電流Ｉ１及び第２電流Ｉ２を取得し、ＰＩ演算処理等を用いて、それぞれの電流値の実効値ばらつきが３０%以内の電流になるようにインバータ１の駆動周波数を制御する。

３．制御部６は、インバータ１の駆動周波数に対するインバータ１の出力回路のインピーダンスを予め演算しておき、インバータ１の出力に応じて、第１〜第３電流Ｉ１〜Ｉ３の電流が所定の範囲内に入るようにインバータ１の駆動周波数を変動させて制御する。

以上のように、本実施形態によると、第１実施形態と同様に、従来技術の構成と比較して、回路損失を削減し加熱効率を高めることができる。また、被加熱物の種類に応じて、直列共振回路と並列共振回路とを使い分けることができるようにしているので、被加熱物の種類に応じて回路方式を選択することができ、被加熱物の種類に適した加熱方式を採用することができる。

なお、上記１〜３の制御方法は、第１実施形態及び第２実施形態においても適用することが可能であり、各実施形態内で説明した制御方法に加えて、または、代えて用いるようにしてもよい。また、第３実施形態において、並列共振回路時の動作に、第１実施形態及び第２実施形態で説明した制御方法を適用するようにしてもよい。

以上説明したように、本発明は、加熱コイルを用いた誘導加熱装置において、加熱効率を高めることが可能であるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。

Ａ 誘導加熱装置
１ インバータ
１３ スイッチング素子
２ 共振回路
２１ 第１共振回路
２３ 第２共振回路
３ 加熱コイル
３１ 第１加熱コイル
３２ 第２加熱コイル
３５，３６，３７ スイッチ（切替部）
４ 第１コンデンサ
６ 制御部
Ｎ１ 第１ノード
Ｎ２ 第２ノード

Claims (14)

1. スイッチング素子を有し、該スイッチング素子のスイッチング動作により第１ノードに電力を供給するインバータと、
   前記第１ノードを介して前記インバータの電力供給を受けて加熱する加熱コイルとを備え、
   前記加熱コイルは、それぞれの一端が前記第１ノードに接続され、前記第１ノードに対し巻線の巻回方向が互いに異なる第１加熱コイルと第２加熱コイルとを有し、該第１及び第２加熱コイルが共振回路を構成していることを特徴とする誘導加熱装置。
2. 請求項１に記載の誘導加熱装置において、
   前記共振回路は、直列に接続された前記第１加熱コイルと第１コンデンサとが直列に接続された第１共振回路を有し、前記第２加熱コイルが前記第１共振回路と並列に接続されていることを特徴とする誘導加熱装置。
3. 請求項１に記載の誘導加熱装置において、
   前記共振回路は、前記第１加熱コイル、前記第２加熱コイル及び第１コンデンサを直列に接続して形成された閉ループ回路であることを特徴とする誘導加熱装置。
4. 請求項２に記載の誘導加熱装置において、
   前記第１ノードは、前記第１加熱コイルと前記第２加熱コイルとの一端同士を接続しかつ前記第１加熱コイルと前記第２加熱コイルとを分割する、中間点を有することを特徴とする誘導加熱装置。
5. 請求項４に記載の誘導加熱装置において、
   前記第１加熱コイルの巻線数が前記第２加熱コイルの巻線数より多いことを特徴とする誘導加熱装置。
6. 請求項２に記載の誘導加熱装置において、
   前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御することにより前記加熱コイルを流れる電流の周波数を制御する制御部を備え、
   前記制御部は、前記第１共振回路のインピーダンスの絶対値と、前記第２加熱コイルのインピーダンスの絶対値とが互いに等しくなるように、前記スイッチング素子を制御する
   ことを特徴とする誘導加熱装置。
7. スイッチング素子を有し、該スイッチング素子のスイッチング動作により第１ノードに電力を供給するインバータと、
   前記第１ノードを介して前記インバータの電力供給を受けて加熱する加熱コイルとを備え、
   前記加熱コイルは、それぞれの一端が前記第１ノードに接続され、前記第１ノードに対し巻線の巻回方向が互いに異なる第１加熱コイルと第２加熱コイルと、を有する共振回路を備え、
   前記共振回路では、前記第１加熱コイルと第１コンデンサとが直列に接続された第１共振回路と、前記第２加熱コイルと第２コンデンサとが直列に接続された第２共振回路とが並列に接続されている
   ことを特徴とする誘導加熱装置。
8. 請求項７に記載の誘導加熱装置において、
   前記第１共振回路のインピーダンスの絶対値と、前記第２共振回路のインピーダンスの絶対値とが互いに等しくなるように、前記スイッチング素子を制御して前記共振回路に流れる電流の周波数を制御する制御部を備えている
   ことを特徴とする誘導加熱装置。
9. 請求項１または請求項７に記載の誘導加熱装置において、
   前記第１加熱コイルで発生する磁束の方向と前記第２加熱コイルで発生する磁束の方向とが互いに等しい
   ことを特徴とする誘導加熱装置。
10. 請求項１に記載の誘導加熱装置において、
    前記第１加熱コイルは環状のコイルであり、当該第１加熱コイルの内側に前記第２加熱コイルが配置されている
    ことを特徴とする誘導加熱装置。
11. 請求項１に記載の誘導加熱装置において、
    前記第１ノードにインダクタが設けられている
    ことを特徴とする誘導加熱装置。
12. 請求項１に記載の誘導加熱装置において、
    前記第１加熱コイルと前記第２加熱コイルとを直列に接続させて前記共振回路を直列共振回路とするか、前記第１加熱コイルと前記第２加熱コイルとを並列に接続させて前記共振回路を並列共振回路とするかを切り替える切替部を備える
    ことを特徴とする誘導加熱装置。
13. 請求項１２に記載の誘導加熱装置において、
    前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御することにより前記加熱コイルを流れる電流の周波数を制御する制御部を備え、
    前記制御部は、前記切替部を制御して前記共振回路を直列共振回路にしてから、前記加熱コイルで加熱する被加熱物の種類を判別する
    ことを特徴とする誘導加熱装置。
14. 請求項２に記載の誘導加熱装置において、
    前記インバータの出力電流、前記スイッチング素子に流れる電流、または、前記第１加熱コイル及び前記第２加熱コイルのそれぞれに流れる電流、の少なくともいずれか１つを取得する電流取得部と、
    前記スイッチング素子のスイッチング動作を制御することにより前記加熱コイルを流れる電流の周波数を制御する制御部を備え、
    前記制御部は、前記第１共振回路のインピーダンスの絶対値と、前記第２加熱コイルのインピーダンスの絶対値とを互いに近づくように、前記スイッチング素子のスイッチング周波数を変化させながら、前記電流取得部で取得される電流を減らす制御をする
    ことを特徴とする誘導加熱装置。

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