JP2022034220A - 電磁誘導加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被加熱物に対して所望の電力を効率良く供給できるインバータ方式の電磁誘導加熱装置を提供する。【解決手段】２００Ｖまたは１００Ｖの商用交流電源から供給される交流電圧を整流し直流電圧を出力する直流電源１の正電極Ｐと負電極Ｎとの間には、スイッチング素子５ａと５ｂが直列に接続された第一の上下アーム５１と、スイッチング素子５ｃと５ｄが直列に接続された第二の上下アーム５２が直列に接続されている。【選択図】図１

Description

本発明は、被加熱物に対し所望の電力を供給して誘導加熱を行うインバータ方式の電磁誘導加熱装置に関するものである。

近年、火を使わずに鍋などの被加熱物を加熱するインバータ方式の電磁誘導加熱装置が広く用いられるようになってきている。電磁誘導加熱装置は、加熱コイルに高周波電流を流し、加熱コイルに近接して配置された金属製の被加熱物（鍋など）に渦電流を発生させ、被加熱物自体の電気抵抗により発熱させるものである。

加熱コイルを２つ備えた場合に加熱できる従来例として、特許文献１に開示される電磁誘導加熱装置がある。この電磁誘導加熱装置は、直流電源に直列接続された３つ半導体スイッチ（同文献の図１、符号Ｑ１ａ、Ｑ１ｂ、Ｑ１ｃ）を備え、２つの加熱コイル（同文献の図１、符号６、７）に同位相の電流を流して加熱したい場合は、Ｑ１ｂを常時オン状態にし、Ｑ１ａとＱ１ｃを交互にオンオフ（同文献の図３）して誘導加熱し、２つの加熱コイルに逆位相の電流を流して加熱したい場合は、同期してオンオフするＱ１ａとＱ１ｃに対し、Ｑ１ｂを排他的にオンオフ（同文献の図２４）して誘導加熱するものである。

国際公開第２０１４／０６４９３２号

特許文献１では、各半導体スイッチの制御方法を切り替えることで、２つの加熱コイルの電流の向きを同相または逆相に設定できるが、それぞれの直列回路に同じ電圧を印加した状態では加熱コイルの電流の向きを切り替えることができないため、被加熱物に対して適切な加熱制御が難しかった。また、各半導体スイッチには、電源電圧がそのまま印加されるタイミングがあるため、各半導体スイッチの耐圧を下げることができないという問題もあった。

本発明の目的は、上記の課題に対処することであり、各半導体スイッチの耐圧を下げつつ、被加熱物に対して所望の電力を効率良く供給できるインバータ方式の電磁誘導加熱装置を提供することである。

上記課題を達成するために、本発明の電磁誘導加熱装置は、１つの被加熱物を誘導加熱するために１つの環状加熱コイルを形成する複数の加熱コイルと、直流電源が出力する直流電圧を交流電圧に変換して前記複数の加熱コイルに供給するインバータ回路と、を備えた電磁誘導加熱装置であって、前記インバータ回路は、前記直流電源の正電極と負電極の間に、２個のスイッチング素子の直列体である上下アームを前記複数の加熱コイルと同数直列接続したものであり、前記インバータ回路の隣接する出力端子の間には、何れも、前記加熱コイルと共振コンデンサの直列体が接続されているものとした。

本発明によれば、オン抵抗の低い低圧スイッチング素子を適用でき、加熱コイルに流れる電流の向きを制御して鍋底の加熱部位を選択しながら被加熱物対して所望の電力を効率良く供給することができる。

一実施例の電磁誘導加熱装置の回路構成図。 一実施例の直流電源の回路構成図。 一実施例の加熱コイル電流が同位相時の動作波形。 一実施例の加熱コイル電流が逆位相時の動作波形。 一実施例の加熱コイル電流が同位相時の加熱コイルと上下アームの接続図。 一実施例の加熱コイル電流が逆位相時の加熱コイルと上下アームの接続図。

以下、本発明の実施例について、図面を用いながら説明する。なお、各図において、符号が同一のものは同一の構成要件あるいは類似の機能を備えた構成要件を示しており、適宜重複説明を省略している。

図１は、本発明の一実施例の電磁誘導加熱装置の回路構成図である。なお、本実施例の電磁誘導加熱装置は、金属筐体の上部に耐熱ガラス製のトッププレートを設置し、トッププレートの下方に配置した加熱コイルに高周波電流を供給することで、トッププレート上面の所定位置に載置した金属製の被加熱物を誘導加熱するものであるが、以下ではこのような周知構成の説明は省略する。

図１において、直流電源１は２００Ｖまたは１００Ｖの商用交流電源から供給される交流電圧を整流し直流電圧を出力する電源である。この直流電源１の正電極Ｐと負電極Ｎとの間には、パワー半導体スイッチング素子（以下、単に「スイッチング素子」と称する）５ａと５ｂが直列に接続された第一の上下アーム５１と、スイッチング素子５ｃと５ｄが直列に接続された第二の上下アーム５２が直列に接続されている。

スイッチング素子５ａ～５ｄのそれぞれにはダイオード６ａ～６ｄが逆方向に並列接続されており、また、スイッチング素子５ａ～５ｄのそれぞれにはコンデンサ７ａ～７ｄが並列に接続されている。このコンデンサ７ａ～７ｄは、スイッチング素子５ａ～５ｄのターンオフ時の遮断電流によって充電あるいは放電され、各スイッチング素子に印加される電圧の変化が低減することによりターンオフ損失を抑制するものである。また、スイッチング素子５ａ～５ｄのオフしているスイッチング素子に印加される電圧をバランスさせる役割がある。

ここで、スイッチング素子５ａ、５ｂの接続点を出力端子Ｏ_Ａ、スイッチング素子５ｂ、５ｃの接続点を出力端子Ｏ_Ｂ、スイッチング素子５ｃ、５ｄの接続点を出力端子Ｏ_Ｃと称することとする。

図１に示すように、第一の上下アーム５１の出力端子Ｏ_Ａには第一の加熱コイル１１の一端が接続され、第一の加熱コイル１１の他端と直流電源１の正電極Ｐの間には第一の共振コンデンサ２１ａが接続され、第一の加熱コイル１１の他端と出力端子Ｏ_Ｂの間には第一の共振コンデンサ２１ｂが接続されている。

同様に、第二の上下アーム５２の出力端子Ｏ_Ｃには第二の加熱コイル１２の一端が接続され、第二の加熱コイル１２の他端と出力端子Ｏ_Ｂの間には第二の共振コンデンサ２２ａが接続され、第二の加熱コイル１２の他端と直流電源１の負電極Ｎの間には第二の共振コンデンサ２２ｂが接続されている。

ここで、直流電源１は、例えば図２に示すような商用交流電源１００から供給される交流電圧をダイオード１０１ａ～１０１ｄで整流し、インダクタ１０２ａとコンデンサ１０３ａから構成されるノーマルフィルタを介した後、昇圧用のインダクタ１０２ｂとスイッチング素子１０５、ダイオード１０６ａ、平滑用のコンデンサ１０３ｂからなる昇圧チョッパにより直流電圧を出力する電源である。

本実施例の電磁誘導加熱装置では、第一の上下アーム５１と第二の上下アーム５２の駆動方法を変更することにより加熱コイル１１、１２に流れる電流の位相を同位相か逆位相かに変更し被加熱物を加熱する。なお、加熱コイル１１、１２に流れる電流ｉ_１１、ｉ_１２の向きは、図１に示す一点鎖線の矢印方向を正方向とし、以下では、加熱コイル１１、１２に同位相の電流を流す場合と、逆位相の電流を流す場合の制御の違いを説明する。

＜加熱コイルに同位相の電流を流す場合＞
まず、図３を用いて、加熱コイルに同位相の電流を流す制御を説明する。

図３は、加熱コイル１１、１２に同位相の電流が流れている場合の動作波形である。ここに示す波形は、上から順に、（ａ）スイッチング素子５ａ～５ｄのゲート駆動信号ｖｇ_５ａ～ｖｇ_５ｄ、（ｂ）スイッチング素子５ｂ、５ｄに印加される電圧ｖ_５ｂ、ｖ_５ｄ、加熱コイル１１、１２の電流ｉ_１１、ｉ_１２、（ｃ）共振コンデンサ２１ｂ、２２ｂの電圧ｖ_２１ｂ、ｖ_２２ｂ、（ｄ）上下アーム５１、５２の各素子の電流ｉ_５ａ～ｉ_５ｄ、ｉ_６ａ～ｉ_６ｄである。

本実施例では、加熱コイル１１、１２に同位相の電流ｉ_１１、ｉ_１２を流す場合は、図３（ａ）に示すように、第一の上下アーム５１と第二の上下アーム５２の上アーム同士（スイッチング素子５ａ、５ｃ）が同時にオンしている期間と、下アーム同士（スイッチング素子５ｂ、５ｄ）が同時にオンしている期間を設ける。これにより、スイッチング素子５ａと５ｃが同時にオンしている場合は、直流電源１からスイッチング素子５ａ、加熱コイル１１、第一の共振コンデンサ２１ｂ、スイッチング素子５ｃ、第二の加熱コイル１２と第二の共振コンデンサ２２ｂの経路で電流が流れる。また、第一の共振コンデンサ２１ａからスイッチング素子５ａ、第一の加熱コイル１１の環流経路と、第二の共振コンデンサ２２ａからスイッチング素子５ｃ、第二の加熱コイル１２の環流経路でコイル電流が流れる。したがって、図３（ｂ）に示すように、加熱コイル１１、１２の電流ｉ_１１、ｉ_１２は同位相になる。スイッチング素子５ａ～５ｄはダイオード６ａ～６ｄに電流が流れている期間にターンオンさせることが出来ており、スイッチング損失の少ないソフトスイッチング動作が可能となる。

ここで、スイッチング素子５ａと５ｃがオンしている期間、第一の加熱コイル１１と第一の共振コンデンサ２１ｂと第二の加熱コイル１２と第二の共振コンデンサ２２ｂの直列共振負荷回路には直流電源１の電圧Ｖ_１が印加される。この時、コンデンサ７ｂと７ｄの容量が同じであれば、図３（ｂ）に示すように、スイッチング素子５ｂと５ｄには、直流電源１の電圧Ｖ_１の約１／２の電圧がそれぞれ印加される。同様に、コンデンサ７ａと７ｃの容量が同じであれば、スイッチング素子５ｂと５ｄがオンしている期間にスイッチング素子５ａと５ｃに印加される電圧は直流電源１の電圧Ｖ_１の約１／２となる。

上記した特許文献１では、直流電源の電圧がスイッチング素子にそのまま印加されるため、スイッチング素子の耐圧を下げることは難しかったが、本実施例ではスイッチング素子５ａ～５ｄに印加される電圧は直流電源１の電圧Ｖ_１の約１／２になるため、スイッチング素子の耐圧を下げることができオン抵抗の低いスイッチング素子を適用できることから低損失化に効果的である。

＜加熱コイルに逆位相の電流を流す制御＞
次に、図４を用いて、加熱コイルに逆位相の電流を流す制御を説明する。

図４は、加熱コイル１１、１２に逆位相の電流を流れている場合の動作波形である。なお、図４のｖｇ_５ａ等の意味は図３と同等である。

本実施例では、加熱コイル１１、１２に逆位相の電流ｉ_１１、ｉ_１２を流す場合は、図４（ａ）に示すように、第一の上下アーム５１の上アーム（スイッチング素子５ａ）と第二の上下アーム５２の下アーム（スイッチング素子５ｄ）を同時にオンオフし、第一の上下アーム５１の下アーム（スイッチング素子５ｂ）と第二の上下アーム５２の上アーム（スイッチング素子５ｃ）を同時にオンオフする。これにより、スイッチング素子５ａと５ｄがオンしている場合は、直流電源１からスイッチング素子５ａ、第一の加熱コイル１１、第一の共振コンデンサ２１ｂ、第二の共振コンデンサ２２ａ、第二の加熱コイル１２、スイッチング素子５ｄの経路で電流が流れる。また、第一の共振コンデンサ２１ａからスイッチング素子５ａ、第一の加熱コイル１１の環流経路と、第二の共振コンデンサ２２ｂから加熱コイル１２、スイッチング素子５ｄの環流経路でコイル電流が流れる。したがって、図４（ｂ）に示すように、加熱コイル１１、１２の電流ｉ_１１、ｉ_１２は逆位相になる。スイッチング素子５ａ～５ｄはダイオード６ａ～６ｄに電流が流れている期間にターンオンさせることが出来ており、スイッチング損失の少ないソフトスイッチング動作が可能となる。

ここで、スイッチング素子５ａと５ｄがオンしている期間、第一の加熱コイル１１と第一の共振コンデンサ２１ｂと第二の共振コンデンサ２２ａと第二の加熱コイル１２の直列共振負荷回路には直流電源１の電圧Ｖ_１が印加される。この時、コンデンサ７ｂと７ｃの容量が同じであれば、図４（ｂ）に示すように、スイッチング素子５ｂと５ｃには、直流電源１の電圧Ｖ_１の約１／２の電圧がそれぞれ印加される。同様に、コンデンサ７ａと７ｄの容量が同じであれば、スイッチング素子５ｂと５ｃがオンしている期間にスイッチング素子５ａと５ｄに印加される電圧は直流電源１の電圧Ｖ_１の約１／２となる。

このように、本実施例は、第一の加熱コイル１１と第一の共振コンデンサ２１ａ、２１ｂと、第二の加熱コイル１２と第二の共振コンデンサ２２ａ、２２ｂの直列共振回路を負荷回路とするハーフブリッジ方式インバータ回路として機能する。以上で説明した制御を鍋底の加熱部位に応じて使い分けることで、電磁誘導加熱装置は、設定火力の実現に必要な所望の電力を被加熱物に供給することができる。

＜電磁誘導加熱装置における加熱コイルの具体的な配置＞
図５は、図１に示した加熱コイル１１、１２と上下アーム５１、５２の接続方法を、電磁誘導加熱装置における第一、第二の加熱コイル１１、１２の具体的な配置とともに示した構成図である。この電磁誘導加熱装置では、１つの被加熱物（金属鍋など）を誘導加熱するための１つの環状加熱コイルを、半月の輪郭のように半円状に巻回した第一の加熱コイル１１と第二の加熱コイル１２を組み合わせて形成しており、この加熱コイルと各上下アームを図示するように接続している。

本実施例では、第一の加熱コイル１１を電磁誘導加熱装置の奥側に、第二の加熱コイル１２を電磁誘導加熱装置の手前側に配置し、上下アーム５１の出力端子Ｏ_Ａを第一の加熱コイル１１の外周部に、第一の共振コンデンサ２１ａと２１ｂの接続点を第一の加熱コイル１１の内周部に、上下アーム５２の出力端子Ｏ_Ｃを第二の加熱コイル１２の外周部に、第二の共振コンデンサ２２ａと２２ｂの接続点を第二の加熱コイル１２の内周部に接続している。図５のように、第一の加熱コイル１１を外周から内周に向かって右巻に巻回し、第二の加熱コイル１２を外周から内周に向かって左巻に巻回すると、図３のように加熱コイル１１、１２に同位相の電流を流して加熱する場合は、図５の一点鎖線の矢印に示すように、各加熱コイルが対向する直線部における第一の加熱コイル１１の電流ｉ_１１と第二の加熱コイル１２の電流ｉ_１２は同位相となる。そのため、２つの加熱コイルが作る磁束によって、鍋の中央部にはその磁束を打ち消す方向に大きな渦電流が流れ所望の発熱量を得ることができる。

一方、加熱コイル１１、１２に図４のように逆位相の電流を流して加熱する場合は、図６の一点鎖線の矢印に示すように、各加熱コイルが対向する直線部における第一の加熱コイル１１の電流ｉ_１１と第二の加熱コイル１２の電流ｉ_１２は逆位相となる。そのため、磁束のキャンセルが生じて鍋の中央部の発熱量は抑えられ、鍋の外周部に所望の発熱量を得ることができる。

このように、加熱コイルの電流の位相を制御することで、鍋底の発熱箇所を変更できるため、鍋の材質や大きさ等に合わせて適切な加熱制御が可能となる。

本実施例では、加熱コイル１１、１２の電流が同位相の場合に、鍋底の中央部の発熱量を増やし、逆位相の場合に鍋底の外周部の発熱量を増やしたが、加熱コイル１１、１２の巻回方向と、上下アームおよび共振コンデンサとの接続を変更することにより、鍋底の発熱部位を変更することは容易である。

なお、図１から図６では、半円状の加熱コイルを２つ組み合わせて形成した環状の加熱コイルを用いて、１つの被加熱物を加熱する電磁誘導加熱装置を説明したが、３つ以上の加熱コイルを組み合わせて形成した環状の加熱コイルを用いて、１つの被加熱物を加熱する電磁誘導加熱装置としても良い。例えば、ｎ個の加熱コイルを組み合わせて環状の加熱コイルを形成する場合は、直流電源１の正電極Ｐと負電極Ｎの間にｎ個の上下アームを直列に接続し、各上下アームに対して図１の上下アーム５１、５２と同様に、２つのコンデンサ、１つの加熱コイル、２つの共振コンデンサを設ければ良い。

１ 直流電源、
２ インバータ
５ａ～５ｇ、１０５ スイッチング素子、
６ａ～６ｇ、１０１ａ～１０１ｄ、１０６ａ、１０６ｂ ダイオード、
７ａ～７ｇ、１０３ａ、１０３ｂ コンデンサ、
１１ 第一の加熱コイル、
１２ 第二の加熱コイル、
２１ａ、２１ｂ 第一の共振コンデンサ、
２２ａ、２２ｂ 第二の共振コンデンサ、
５１ 第一の上下アーム、
５２ 第二の上下アーム、
１００ 商用交流電源
１０２ａ、１０２ｂ インダクタ

Claims (5)

1. １つの被加熱物を誘導加熱するために１つの環状加熱コイルを形成する複数の加熱コイルと、
   直流電源が出力する直流電圧を交流電圧に変換して前記複数の加熱コイルに供給するインバータ回路と、
   を備えた電磁誘導加熱装置であって、
   前記インバータ回路は、
   前記直流電源の正電極と負電極の間に、２個のスイッチング素子の直列体である上下アームを前記複数の加熱コイルと同数直列接続したものであり、
   前記インバータ回路の隣接する出力端子の間には、何れも、前記加熱コイルと共振コンデンサの直列体が接続されていることを特徴とする電磁誘導加熱装置。
2. 請求項１に記載の電磁誘導加熱装置において、
   前記複数の加熱コイルとは２つの加熱コイルであり、
   前記インバータ回路は、
   ２個のスイッチング素子の直列体である第一の上下アームと、２個のスイッチング素子の直列体である第二の上下アームと、の直列体を備え、
   各スイッチング素子を駆動することで、ハーフブリッジ方式インバータとして動作するものであり、
   前記第一の上下アームの出力端子間には、第一の加熱コイルと第一の共振コンデンサの直列体が接続され、
   前記第二の上下アームの出力端子間には、第二の加熱コイルと第二の共振コンデンサの直列体が接続され、
   前記スイッチング素子にはスナバ用コンデンサ兼電圧バランス用コンデンサが並列に接続されていることを特徴とする電磁誘導加熱装置。
3. 請求項２に記載の電磁誘導加熱装置において、
   前記インバータ回路は、
   前記第一、第二の上下アームの上アーム同士がオンしている期間と、
   前記第一、第二の上下アームの下アーム同士がオンしている期間と、を設け、
   前記第一、第二の加熱コイルに流す電流の向きを同位相に制御しながら高周波電流を供給して、前記被加熱物を加熱することを特徴とする電磁誘導加熱装置。
4. 請求項２に記載の電磁誘導加熱装置において、
   前記インバータ回路は、
   前記第一の上下アームの上アームと前記第二の上下アームの下アームがオンしている期間と、
   前記第一の上下アームの下アームと前記第二の上下アームの上アームがオンしている期間と、を設け、
   前記第一、第二の加熱コイルに流す電流の向きを逆位相に制御しながら高周波電流を供給して、前記被加熱物を加熱することを特徴とする電磁誘導加熱装置。
5. 請求項２に記載の電磁誘導加熱装置において、
   前記第一、第二の加熱コイルは半円状に巻回した加熱コイルであり、
   前記第一、第二の加熱コイルを組み合わせて前記環状加熱コイルを形成するように、両加熱コイルが隣接して設置され、
   前記第一の上下アームの出力端子が前記第一の加熱コイルの外周側に接続されるとともに、前記第二の上下アームの出力端子が前記第二の加熱コイルの外周側に接続されることを特徴とする電磁誘導加熱装置。

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