JP2022175759A - 電磁誘導加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の加熱コイルに流れる電流を均等化し、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。【解決手段】直流電圧を出力する直流電源１と、直流電圧を交流電圧に変換するインバータ２と、交流電圧を用いて被加熱物を誘導加熱する加熱コイル１１、１２、１３、を備えた電磁誘導加熱装置であって、インバータは、直流電源の正電極Ｐと負電極Ｎの間に設けた、３個以上のスイッチング素子を直列接続したスイッチング素子直列体を備え、負電極には、第一スイッチング素子と第一加熱コイルと第一共振コンデンサを直列接続した第一直列体と、第一スイッチング素子と第二スイッチング素子と第一電源コンデンサと第二加熱コイルと第二共振コンデンサを直列接続した第二直列体と、が接続されており、第一スイッチング素子と第二スイッチング素子は、スイッチング素子直列体に含まれている電磁誘導加熱装置。【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、加熱コイルと被加熱物との磁気的な結合状態によって加熱コイルおよび被加熱物の抵抗を含む等価インピーダンスが異なる場合（例えば、被加熱物の材質や載置位置が異なる場合など）、２つの加熱コイルに流れる電流の大きさは各々の等価インピーダンスにより定まるためコイル電流は均等にならず加熱効率は低下する。

本発明の目的は、上記の課題に対処することであり、加熱コイルおよび被加熱物の抵抗を含む等価インピーダンスが異なる場合においても、複数の加熱コイルに流れる電流を均等化し、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、直流電圧を出力する直流電源と、前記直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、前記交流電圧を用いて被加熱物を誘導加熱する加熱コイルと、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設けた、３個以上のスイッチング素子を直列接続したスイッチング素子直列体を備え、前記負電極には、第一スイッチング素子と第一加熱コイルと第一共振コンデンサを直列接続した第一直列体と、前記第一スイッチング素子と第二スイッチング素子と第一電源コンデンサと第二加熱コイルと第二共振コンデンサを直列接続した第二直列体と、が接続されており、前記第一スイッチング素子と前記第二スイッチング素子は、前記スイッチング素子直列体に含まれているものとした。

本発明の電磁誘導加熱装置によれば、加熱コイルおよび被加熱物の抵抗を含む等価インピーダンスが異なる場合においても、複数の加熱コイルの電流を均等化し、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。

実施例１の電磁誘導加熱装置の回路構成図。 実施例１の電磁誘導加熱装置の動作波形。 実施例１のモードａ時の電流経路。 実施例１のモードｂ時の電流経路。 実施例１のモードｃ時の電流経路。 実施例１のモードｄ時の電流経路。 実施例２の電磁誘導加熱装置の回路構成図。 実施例２の電磁誘導加熱装置の動作波形。 実施例２の電磁誘導加熱装置の動作波形。 実施例３の電磁誘導加熱装置の回路構成図。 実施例３の電磁誘導加熱装置の回路構成図。

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。

まず、図１から図３Ｄを用いて、本発明の実施例１に係る電磁誘導加熱装置を説明する。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は、実施例１の電磁誘導加熱装置の回路構成図である。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、４個の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、５ｃ、５ｅ、５ｆが直列に接続されている。また、スイッチング素子５ａ、５ｃ、５ｅ、５ｆにはそれぞれ、ダイオード６ａ、６ｃ、６ｅ、６ｆが逆方向に並列接続されている。なお、図１では４個のスイッチング素子を直列接続した構成を例示しているが、３個以上のスイッチング素子の直列体を、正電極Ｐと負電極Ｎの間に配置した電磁誘導加熱装置であれば、本発明を適用することができる。

ここで、スイッチング素子５ａ、５ｃの接続点を出力端子Ａ、スイッチング素子５ｃ、５ｅの接続点を出力端子Ｃ、スイッチング素子５ｅ、５ｆの接続点を出力端子Ｅと称することとする。

図１に示すように、出力端子Ａには電源コンデンサ３１の一端が接続され、電源コンデンサ３１の他端と直流電源１の負電極Ｎの間には、加熱コイル１１と共振コンデンサ２１の直列体が接続されている。この構成は、負電極Ｎに、スイッチング素子５ｆ，５ｅ，５ｃ、電源コンデンサ３１、加熱コイル１１、共振コンデンサ２１の直列体が接続されていると見做すこともできる。尚、加熱コイル１１と共振コンデンサ２１の接続順は入れ替えても問題はない。

また、出力端子Ｃには電源コンデンサ３２の一端が接続され、電源コンデンサ３２の他端と直流電源１の負電極Ｎの間には、加熱コイル１２と共振コンデンサ２２の直列体が接続されている。この構成は、負電極Ｎに、スイッチング素子５ｆ，５ｅ、電源コンデンサ３２、加熱コイル１２、共振コンデンサ２２の直列体が接続されていると見做すこともできる。尚、加熱コイル１２と共振コンデンサ２２の接続順は入れ替えても問題はない。

更に、出力端子Ｅと直流電源１の負電極Ｎの間には、加熱コイル１３と共振コンデンサ２３の直列体が接続されている。この構成は、負電極Ｎに、スイッチング素子５ｆ、加熱コイル１３、共振コンデンサ２３の直列体が接続されていると見做すこともできる。尚、加熱コイル１３と共振コンデンサ２３の接続順は入れ替えても問題はない。

上記した回路構成の電磁誘導加熱装置において、スイッチング素子５ａ、５ｃ、５ｅ、５ｆを適切にオンオフすることにより、加熱コイル１１から１３に均等に電流を流す電流共振形インバータを実現することができる。

次に、図２および図３Ａから図３Ｄを用いて、本実施例の電磁誘導加熱装置が備える各スイッチング素子の具体的な制御方法を説明する。なお、加熱コイル１１、１２、１３に流れる電流ｉ_１１、ｉ_１２、ｉ_１３の向きは、図１に示す一点鎖線の矢印方向を正方向とする。

図２は、各部の動作波形であり、上から順に、（ａ）各スイッチング素子のゲート駆動信号ｖｇ_５ａ～ｖｇ_５f、（ｂ）各加熱コイルの電流ｉ_１１、ｉ_１２、ｉ_１３、（ｃ）各スイッチング素子および各ダイオードの電流ｉ_５ａ～ｉ_５ｆ、ｉ_６ａ～ｉ_６ｆである。

図２の下部に示すａ～ｄは、スイッチング素子５ａ～５ｆのオンオフにより規定される４つの動作モードである。以下、図３Ａから図３Ｄを用いて、各動作モードにおける電流経路を説明する。

＜モードａ＞
図３Ａに示すように、スイッチング素子５ａと５ｅがオン、スイッチング素子５ｃと５ｆがオフの期間には、直流電源１からスイッチング素子５ａ、電源コンデンサ３１、加熱コイル１１、共振コンデンサ２１の経路で電流が流れる。この電流によって、電源コンデンサ３１には電荷が蓄積される。なお、電源コンデンサ３１は、共振コンデンサ２１以上の容量を持ち、共振コンデンサ２１以上の電荷を蓄積できるものとする。また、後述するモードｃで充電された電源コンデンサ３２を電圧源として、スイッチング素子５ｅ、加熱コイル１３、共振コンデンサ２３、共振コンデンサ２２、加熱コイル１２の経路で電流が流れる。

＜モードｂ＞
次に、スイッチング素子５ａと５ｅがターンオフ、スイッチング素子５ｃと５ｆがターンオンすると、図３Ｂに示すように、加熱コイル１１と加熱コイル１２の蓄積エネルギーによって、加熱コイル１１、共振コンデンサ２１、共振コンデンサ２２、加熱コイル１２、電源コンデンサ３２、ダイオード６ｃ、電源コンデンサ３１の経路で電流が環流する。また、加熱コイル１３の蓄積エネルギーによって、加熱コイル１３、共振コンデンサ２３、ダイオード６ｆの経路で電流が環流する。

ここで、スイッチング素子５ｃと５ｆは、ダイオード６ｃと６ｆに電流が流れている期間にターンオンさせることにより、ゼロ電圧スイッチング動作とな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。

＜モードｃ＞
加熱コイル１１と加熱コイル１２の蓄積エネルギーがゼロになると、図３Ｃに示すように、電源コンデンサ３１を電圧源として、スイッチング素子５ｃ、電源コンデンサ３２、加熱コイル１２、共振コンデンサ２２、共振コンデンサ２１、加熱コイル１１の経路で電流が流れ、加熱コイル１１と加熱コイル１２の電流は負方向に切り替わる。このモードｃにより、電源コンデンサ３１の電荷が電源コンデンサ３２に移動する。なお、電源コンデンサ３２は、共振コンデンサ２２以上の容量を持ち、共振コンデンサ２２以上の電荷を蓄積できるものとする。また、加熱コイル１３の蓄積エネルギーがゼロになると、共振コンデンサ２３から加熱コイル１３、スイッチング素子５ｆの経路で電流が流れ、加熱コイル１３の電流も負方向に切り替わる。

＜モードｄ＞
次にスイッチング素子５ｃと５ｆがターンオフ、スイッチング素子５ａと５ｅがターンオンすると、図３Ｄに示すように、加熱コイル１１の蓄積エネルギーによって、加熱コイル１１、電源コンデンサ３１、ダイオード６ａ、直流電源１の経路で電流が還流する。また、加熱コイル１２と加熱コイル１３の蓄積エネルギーによって、加熱コイル１２、共振コンデンサ２２、共振コンデンサ２３、加熱コイル１３、ダイオード６ｅ、電源コンデンサ３２の経路で電流が環流する。

ここで、スイッチング素子５ａと５ｅは、ダイオード６ａと６ｅに電流が流れている期間にターンオンさせることにより、ゼロ電圧スイッチング動作とな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。

加熱コイル１１～１３の蓄積エネルギーがゼロになるとモードａに移行し加熱コイル１１～１３の電流は正方向に切り替わる。

以上のモードａ～ｄを繰り返すことにより、モードａにおいて加熱コイル１１に流れる電流が共振コンデンサ２１と電源コンデンサ３１を充電し、モードｃにおいて電源コンデンサ３１を電源として加熱コイル１２に流れる電流が共振コンデンサ２２と電源コンデンサ３２を充電し、モードａにおいて電源コンデンサ３２を電源して加熱コイル１３に流れる電流が共振コンデンサ２３を充電する。このように、電源コンデンサ３１と電源コンデンサ３２を用いることにより、電源コンデンサ３１と電源コンデンサ３２の電荷量が保存されながら加熱コイル１１～１３に電流が流れる。その結果、加熱コイルおよび被加熱物の抵抗を含む等価インピーダンスが異なる場合においても、加熱コイル１１～１３の電流は特別な制御を加えることなく自然とバランスする。なお、共振コンデンサ２１と共振コンデンサ２２を省略した構成でも、加熱コイル１１～１３の電流をバランスさせることができるが、共振コンデンサと電源コンデンサを別個に設けて直列接続することで耐圧を向上させることができる。

以上で説明したように、本実施例の電磁誘導加熱装置によれば、加熱コイルおよび被加熱物の抵抗を含む等価インピーダンスが異なる場合においても、複数の加熱コイルの電流を均等化し、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。

次に、図４から図６を用いて、本発明の実施例２に係る電磁誘導加熱装置を説明する。なお、実施例１との共通点については、重複説明を省略する。

図４に示す本実施例の回路構成は、概説すれば、図１に示す実施例１の回路構成に２つの並列スイッチング素子（スイッチング素子５ｂ、５ｄ）を付加したものである。図４において、電源コンデンサ３１と加熱コイル１１の接続点を出力端子Ｂと称すると、出力端子Ｂと直流電源１の負電極Ｎとの間にスイッチング素子５ｂが接続されている。また、電源コンデンサ３２と加熱コイル１２の接続点を出力端子Ｄと称すると、出力端子Ｄと直流電源１の負電極Ｎとの間にスイッチング素子５ｄが接続されている。また、スイッチング素子５ｂ、５ｄにはそれぞれダイオード６ｂ、６ｄが逆方向に並列接続されている。

本実施例では、追加したスイッチング素子５ｂがスイッチング素子５ａと相補にオンオフし、追加したスイッチング素子５ｄがスイッチング素子５ｃと相補にオンオフする。これにより、スイッチング素子５ａ、５ｂと電源コンデンサ３１、加熱コイル１１、共振コンデンサ２１が一段目のインバータを構成し、スイッチング素子５ｃ、５ｄと電源コンデンサ３２、加熱コイル１２、共振コンデンサ２２が二段目のインバータを構成し、スイッチング素子５ｅ、５ｆと加熱コイル１３、共振コンデンサ２３が三段目のインバータを構成する。以下、各インバータの使用方法の一例として、モードａとモードｃの特徴的な電流経路を説明する。

実施例１のモードａでは、図３Ａに示したように、電源コンデンサ３２を電圧源として、スイッチング素子５ｅ、加熱コイル１３、共振コンデンサ２３、共振コンデンサ２２、加熱コイル１２の経路で電流が流れていたが、本実施例のモードａでは、スイッチング素子５ｃと相補にオンオフするスイッチング素子５ｄがターンオンしているため、電源コンデンサ３２を電圧源として、スイッチング素子５ｅ、加熱コイル１３、共振コンデンサ２３、スイッチング素子５ｄの経路で、すなわち、加熱コイル１２を回避する経路で電流が流れる。このようにして、電源コンデンサ３２から加熱コイル１２に給電しない電流経路を形成することができる。

また、実施例１のモードｃでは、図３Ｃに示したように、電源コンデンサ３１を電圧源として、スイッチング素子５ｃ、電源コンデンサ３２、加熱コイル１２、共振コンデンサ２２、共振コンデンサ２１、加熱コイル１１の経路で電流が流れていたが、本実施例のモードｃでは、スイッチング素子５ａと相補にオンオフするスイッチング素子５ｂがターンオンしているため、電源コンデンサ３１を電圧源として、スイッチング素子５ｃ、電源コンデンサ３２、加熱コイル１２、共振コンデンサ２２の経路で、すなわち、加熱コイル１１を回避する経路で電流が流れる。このようにして、電源コンデンサ３１から加熱コイル１１に給電しない電流経路を形成することができる。

図５は、各部の動作波形であり、上から順に、（ａ）各スイッチング素子のゲート駆動信号ｖｇ_５ａ～ｖｇ_５f、（ｂ）各加熱コイルの電流ｉ_１１、ｉ_１２、ｉ_１３、（ｃ）各スイッチング素子および各ダイオードの電流ｉ_５ａ～ｉ_５ｆ、ｉ_６ａ～ｉ_６ｆである。

図５において、スイッチング素子５ａと５ｃと５ｅがオンしているタイミングをスイッチング周期内で１２０度ずつずらすことで、加熱コイル１１から１３の電流位相を１２０度ずつシフトさせながら電流をバランスさせることが可能である。

なお、インバータの段数を３段から４段に増やした場合は、９０度ずつずらすことで同様に加熱コイル電流の位相をシフトさせることが可能である。このように、複数の加熱コイルの電流位相をシフトさせながら電流をバランスさせることにより被加熱物をむらなく加熱することが可能となる。

また、実施例２の電磁誘導加熱装置において、加熱コイル電流の位相をシフトさせず加熱コイル１１から１３の電流を同位相で流す場合には、図６に示すようにスイッチング素子５ａと５ｄと５ｅがオンしているタイミングを合わせれば良い。

図７と図８は、実施例３の電磁誘導加熱装置の回路構成図である。実施例１や実施例２との共通点については重複説明を省略する。

図７に示す電磁誘導加熱装置は、概説すれば、図１に示す実施例１の加熱コイルと共振コンデンサを直流電源１の正電極Ｐ側に移動したものであり、実施例１と同様にスイッチング素子５ａ、５ｃ、５ｅ、５ｆを駆動することによって各加熱コイルの電流位相を制御するものである。

同様に、図８に示す電磁誘導加熱装置は、概説すれば、図４に示す実施例２の加熱コイルと共振コンデンサを直流電源１の正電極Ｐ側に移動したものであり、実施例２と同様にスイッチング素子５ａから５ｆを駆動することによって各加熱コイルの電流位相を制御するものである。

図７や図８のように、電磁誘導加熱装置を構成しても、実施例１や実施例２と同等の効果を得ることができる。

１ 直流電源、
２ インバータ、
５ スイッチング素子、
６ ダイオード、
１１～１３ 加熱コイル、
２１～２３ 共振コンデンサ、
３１、３２ 電源コンデンサ

Claims (9)

1. 直流電圧を出力する直流電源と、
   前記直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、
   前記交流電圧を用いて被加熱物を誘導加熱する加熱コイルと、
   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設けた、３個以上のスイッチング素子を直列接続したスイッチング素子直列体を備え、
   前記負電極には、
   第一スイッチング素子と第一加熱コイルと第一共振コンデンサを直列接続した第一直列体と、
   前記第一スイッチング素子と第二スイッチング素子と第一電源コンデンサと第二加熱コイルと第二共振コンデンサを直列接続した第二直列体と、
   が接続されており、
   前記第一スイッチング素子と前記第二スイッチング素子は、前記スイッチング素子直列体に含まれていることを特徴とする電磁誘導加熱装置。
2. 直流電圧を出力する直流電源と、
   前記直流電圧を交流電圧に変換するインバータ回路と、
   前記交流電圧を用いて被加熱物を誘導加熱する加熱コイルと、
   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設けた、３個以上のスイッチング素子を直列接続したスイッチング素子直列体を備え、
   前記正電極には、
   第一スイッチング素子と第一加熱コイルと第一共振コンデンサを直列接続した第一直列体と、
   前記第一スイッチング素子と第二スイッチング素子と第一電源コンデンサと第二加熱コイルと第二共振コンデンサを直列接続した第二直列体と、
   が接続されており、
   前記第一スイッチング素子と前記第二スイッチング素子は、前記スイッチング素子直列体に含まれていることを特徴とする電磁誘導加熱装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の電磁誘導加熱装置において、
   前記第一スイッチング素子をオフし、前記第二スイッチング素子をオンした期間には、前記第一電源コンデンサを電圧源として、前記第二スイッチング素子、前記第一加熱コイル、前記第一共振コンデンサ、前記第二共振コンデンサ、前記第二加熱コイルの経路で電流が流れることを特徴とする電磁誘導加熱装置。
4. 請求項１または請求項２に記載の電磁誘導加熱装置において、
   前記第二加熱コイルと前記第二共振コンデンサには並列に、第一並列スイッチング素子が接続されていることを特徴とする電磁誘導加熱装置。
5. 請求項１に記載の電磁誘導加熱装置において、
   前記負電極には、前記第一スイッチング素子と前記第二スイッチング素子と第三スイッチング素子と第二電源コンデンサと第三加熱コイルと第三共振コンデンサを直列接続した第三直列体が接続されており、前記第三スイッチング素子は、前記スイッチング素子直列体に含まれていることを特徴とする電磁誘導加熱装置。
6. 請求項２に記載の電磁誘導加熱装置において、
   前記正電極には、前記第一スイッチング素子と前記第二スイッチング素子と第三スイッチング素子と第二電源コンデンサと第三加熱コイルと第三共振コンデンサを直列接続した第三直列体が接続されており、前記第三スイッチング素子は、前記スイッチング素子直列体に含まれていることを特徴とする電磁誘導加熱装置。
7. 請求項５または請求項６に記載の電磁誘導加熱装置において、
   前記第二スイッチング素子をオフし、前記第三スイッチング素子をオンした期間には、前記第二電源コンデンサを電圧源として、前記第三スイッチング素子、前記第一電源コンデンサ、前記第二加熱コイル、前記第二共振コンデンサ、前記第三共振コンデンサ、前記第三加熱コイルの経路で電流が流れることを特徴とする電磁誘導加熱装置。
8. 請求項５または請求項６に記載の電磁誘導加熱装置において、
   前記第三加熱コイルと前記第三共振コンデンサには並列に、第二並列スイッチング素子が接続されていることを特徴とする電磁誘導加熱装置。
9. 請求項８に記載の電磁誘導加熱装置において、
   前記第一加熱コイル、前記第二加熱コイル、前記第三加熱コイルの電流位相が１２０度ずつシフトするように各スイッチング素子を制御することを特徴とする電磁誘導加熱装置。

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