JP4151608B2

JP4151608B2 - 誘導加熱装置

Info

Publication number: JP4151608B2
Application number: JP2004140783A
Authority: JP
Inventors: 敏弘慶島; 勝行相原
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2004-05-11
Filing date: 2004-05-11
Publication date: 2008-09-17
Anticipated expiration: 2024-05-11
Also published as: JP2005322561A

Description

本発明は被加熱物としてアルミニウムや銅などの低透磁率かつ高電気伝導率の材料からなる鍋を用いて調理する誘導加熱装置に関し、特に、被加熱物である鍋が高周波磁束により浮き上がるのを防止したものに関する。

誘導加熱コイルで高周波磁界を発生させ、電磁誘導による渦電流で鍋等の被加熱物を加熱する誘導加熱調理器において、アルミニウム製の被加熱物を加熱できるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図４は従来の誘導加熱調理器の断面図である。図のように、誘導加熱装置の外郭を構成する本体１と、本体１の上部に設けた例えば厚み４ｍｍのセラミック材または結晶ガラス等のような絶縁体でできたトッププレート２と、トッププレート２に載置される鍋等の被加熱物３と、トッププレート２の下部に設けた加熱コイル４を有する誘導加熱部５から構成されている。加熱コイル４はインバータを有した駆動回路６から高周波電流が供給されて高周波磁界を発生し、被加熱物３に高周波磁界を与え誘導加熱する。

このような従来の誘導加熱調理器では、被加熱物３の底部に誘起される電流と加熱コイル４の電流との相互作用で、被加熱物３の底部に加熱コイル４から遠ざかろうとする反発力が生じる。被加熱物３が鉄などの抵抗率がある程度大きい高透磁率材料で作られている場合には、所望の加熱出力を得るために必要な電流値が少なくてよいのでこの反発力は比較的小さい。また鉄などでは磁束が被加熱物３に吸収されるので、磁気的引力が働き、被加熱物３が浮き上がったりずれたりするおそれはない。

一方、被加熱物３がアルミニウムや銅といった低透磁率かつ高電気伝導率の材料で作られている場合には、所望の加熱出力を得るために加熱コイル４に流す電流を大きくして被加熱物３に大電流を誘起させる必要がある。その結果反発力が大きくなる。また、アルミニウムの被加熱物３には鉄などの高透磁率材料の場合のような磁気的引力が働かないので、加熱コイル４の磁界と誘起電流の磁界との作用により被加熱物３を加熱コイル４から遠ざける方向に大きな力が働く。この力は被加熱物３に浮力として働く。被加熱物３の重量が軽い場合には、被加熱物３がこの浮力によりトッププレート２の載置面から浮き上がって移動するおそれがある。この傾向は銅よりも比重の小さいアルミニウムを使用した被加熱物の場合に顕著にあらわれる。

図５（ａ）は加熱コイル４に流れる電流の向きを被加熱物３の側からみた図であり、図５（ｂ）は、加熱コイル４に流れる電流にもとづいて被加熱物３に誘導により生じて流れる渦電流を図５（ａ）と同じ方向から見た図である。図５に示すように被加熱物３を流れる渦電流は加熱コイル４に流れる電流と逆向きでかつ略同形状のループ状である。従って、この２つの環状の電流は加熱コイル４の面積と実質的に同じ断面積の２つの永久磁石が同種の極同士、例えばＮ極とＮ極とを対向して置いたのと同じ状態になる。その結果被加熱物３と加熱コイル４の間には大きな反発力が生じる。

この現象は、被加熱物３の材料がアルミニウムや銅という電気伝導率が高い物質である場合に顕著である。これに対して同じ低透磁率材料であっても、非磁性ＳＵＳはアルミニウムや銅よりも電気伝導率が低い材料であるから、加熱コイル４に流す電流が少なくても十分な発熱が得られる。したがって被加熱物３に流れる渦電流も小さく、それ故被加熱物３に誘導される磁界は小さい。

このように、誘導加熱調理器においてアルミニウム製の被加熱物３を加熱すると被加熱物３に浮力が働き、被加熱物３が浮き上がり、調理が十分にできないことがあった。そのため、浮きを検出する方法が考えられた。例えば、重量センサを用いて被加熱物３の浮きや移動を検出したり（例えば、特許文献２または３参照）、磁気センサを用いて被加熱物３の位置を検出したりしていた（例えば、特許文献４参照）。そして、被加熱物３に所定以上の浮力が作用したとき、あるいは被加熱物が浮いたり移動したことを検出した場合に、それ以上浮かないように、あるいは移動しないように加熱電力を抑制したり、あるいは加熱動作そのものを停止したりして、調理を行う方法が行われていた。
特開２００２−７５６２０号公報特開昭６１−１２８４９２号公報特開昭６２−２７６７８７号公報特開昭６１−７１５８２号公報

しかしながら、前記従来の構成では、アルミニウム製の被加熱物３に被調理物を収容し加熱調理を行っているとき、被加熱物の浮きを検出し加熱電力を抑制したのでは十分な火力が得られず、時には調理動作の継続が中断される状況に陥ってしまうという問題があった。

例えば、重量３００ｇのアルミニウム製の雪平鍋に２００ｃｃの水を入れた合計重量５００ｇの被加熱物を加熱する場合、図６によると、約８５０Ｗの入力電力で浮力が鍋と調理物（水）の合計重量５００ｇを上回る。そのため鍋が浮き上がってこれ以上の入力電力で加熱することが困難となる。上記の先行技術においては、例えばアルミ鍋を検知した場合に鍋の浮き上がる入力電力以下の、例えば８００Ｗに入力電力を抑制して鍋浮きが生じない様にする。しかし発明者らの実験によれば、８００Ｗの入力電力で加熱しても上記の３００ｃｃの水を沸騰状態にすることは困難であった。従って、アルミニウム製の鍋を加熱できる誘導加熱調理器としては加熱性能が極めて低いものとなってしまうという問題があった。

前記問題を解決するために、本発明に先立って、加熱コイルとトッププレートとの間にトッププレートに密着して電気導体を設ける構成を検討した。この構成では、加熱コイルから発生する磁界は電気導体と被加熱物とに鎖交するため両者に誘導電流が発生する。電気導体に誘導された誘導電流の発生する磁界と被加熱物に誘導された誘導電流の発生する磁界の作用により、加熱コイルの等価直列抵抗が大きくなる。等価直列抵抗が大きくなると少ない電流で同じ電力を被加熱物に供給することが可能となり、その結果浮力が低減する。この浮力低減効果は、電気導体の面積や厚さを大きくし、加熱コイルの等価直列抵抗を大きくすればするほど大きくなる。ここで等価直列抵抗とは、被加熱物および電気導体を加熱状態と同様の配置で、加熱周波数近傍の周波数を使用して測定した加熱コイルの入力インピーダンスを意味する。

以上述べたように、電気導体を用いた構成にすることにより、アルミニウムなどの高電気伝導率を有しかつ低透磁率材料からなる被加熱物を誘導加熱することが実用的に可能となった。

しかしながら、鉄製の被加熱物を加熱する場合に比べると加熱効率すなわち火力感が若干劣るという課題があった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、アルミニウムのような高電気伝導率で低透磁率からなる被加熱物の場合でも、熱効率をより高く、利便性の高い誘導加熱調理器を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の誘導加熱装置は、外郭を構成する本体と、アルミニウムなどの高電気伝導率を有し、かつ低透磁率材料からなる被加熱物を載置する前記本体の上部に設けたトッププレートと、前記トッププレートの下方に設けた前記被加熱物を誘導加熱する加熱コイルを有する誘導加熱部と、前記加熱コイルと前記トッププレートとの間に設け、前記加熱コイルの発生する磁界により前記被加熱物に与えられる浮力を低減する浮力低減機能を有する電気導体と、ばねで上方に付勢されながら前記誘導加熱部に固定され前記電気導体を支持する支持体とを備え、前記電気導体は、曲げ部を有し前記曲げ部が折り曲げしやすくなるようにするためのスリットを前記曲げ部に設け、前記曲げ部を、折り曲げ後に前記電気導体と前記曲げ部の折り曲げた部分とが前記支持体の両側に位置するように折り曲げて前記電気導体の移動量が電気特性上問題とならないように前記支持体に自由度を有して固定され、かつ前記加熱コイル側から前記トッププレートに表面が当接して前記被加熱物と熱的に接続されてなるとしたものである。

これによって、トッププレートに面一で当接している電気導体で発生した熱を最大限に有効に被加熱物に伝えると共に、発生熱の加熱コイル等への悪影響も低減でき、熱効率を向上することができる。

本発明の誘導加熱装置は、さらなる熱効率の向上を図ることができる。

第１の発明は、外郭を構成する本体と、アルミニウムなどの高電気伝導率を有し、かつ低透磁率材料からなる被加熱物を載置する前記本体の上部に設けたトッププレートと、前記トッププレートの下方に設けた前記被加熱物を誘導加熱する加熱コイルを有する誘導加熱部と、前記加熱コイルと前記トッププレートとの間に設け、前記加熱コイルの発生する磁界により前記被加熱物に与えられる浮力を低減する浮力低減機能を有する電気導体と、ばねで上方に付勢されながら前記誘導加熱部に固定され前記電気導体を支持する支持体とを備え、前記電気導体は、曲げ部を有し前記曲げ部が折り曲げしやすくなるようにするためのスリットを前記曲げ部に設け、前記曲げ部を、折り曲げ後に前記電気導体と前記曲げ部の折り曲げた部分とが前記支持体の両側に位置するように折り曲げて前記電気導体の移動量が電気特性上問題とならないように前記支持体に自由度を有して固定され、かつ前記加熱コイル側から前記トッププレートに表面が当接して前記被加熱物と熱的に接続されてなるので、加熱時、その力のため、トッププレートと面一で無くなる方向に熱変形することがなく、伝熱面積が減少しない。さらに、電気導体は常に圧縮力のみが作用した状態で加熱されるので、電気導体の表面形状がトッププレートに次第になじみ、効率よくトッププレートと当接するようになってくる。したがって、トッププレートに面一で当接している電気導体で発生した熱を最大限に有効に被加熱物に伝えると共に、発生熱の加熱コイル等への悪影響も低減でき、熱効率を向上することができる。また、自由度を有する構造に加工しやすい。

第２の発明は、外郭を構成する本体と、アルミニウムなどの高電気伝導率を有し、かつ低透磁率材料からなる被加熱物を載置する前記本体の上部に設けたトッププレートと、前記トッププレートの下方に設けた前記被加熱物を誘導加熱する加熱コイルを有する誘導加熱部と、前記加熱コイルと前記トッププレートとの間に設け、前記加熱コイルの発生する磁界により前記被加熱物に与えられる浮力を低減する浮力低減機能を有する電気導体と、ばねで上方に付勢されながら前記誘導加熱部に固定され前記電気導体を支持する支持体とを備え、前記電気導体は、くさび状の突起部を有し前記突起部を差し込んで前記電気導体が前記支持体に自由度を有して固定される穴部を前記支持体に設けることにより、前記加熱コイル側から前記トッププレートに表面が当接して前記被加熱物と熱的に接続されてなり、トッププレートに面一で当接している電気導体で発生した熱を最大限に有効に被加熱物に伝えると共に、発生熱の加熱コイル等への悪影響も低減でき、熱効率を向上することができる。

第３の発明は、突起部を差し込んで電気導体の移動量が電気特性上問題とならないように前記電気導体が支持体に自由度を有して固定される穴部を前記支持体に設けることに代え、前記突起部を差し込んでわずかに水平方向にスライドさせて前記電気導体が前記支持体に自由度を有して固定される穴部を前記支持体に設けてなり、トッププレートに面一で当接している電気導体で発生した熱を最大限に有効に被加熱物に伝えると共に、発生熱の加熱コイル等への悪影響も低減でき、熱効率を向上することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１、図２（ａ）（ｂ）（ｃ）は、本発明の第１の実施の形態における誘導加熱装置の断面図と電気導体の平面図、断面図とその矢視図を示すものである。図１のように、誘導加熱装置の外郭を構成する本体１１と、本体１１の上部に設けた例えば厚み４ｍｍのセラミック材または結晶ガラス等のような絶縁体でできたトッププレート１２と、トッププレート１２に載置される鍋等の被加熱物１３とトッププレート１２の下部に設けた加熱コイル１４を有する誘導加熱部１５から構成されている。加熱コイル１４はインバータを有した駆動回路１６から高周波電流が供給されて高周波磁界を発生し、被加熱物１３に高周波磁界を与え誘導加熱する。この被加熱物はアルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金など高電気伝導率で、低透磁率の材質である。図２（ａ）のように、電気導体１７は中央部に開口部１８を有する円環状の形状で対称に２分割されており、加熱コイル１４に対向してトッププレート１２の下面にこの円環の中心Ｏと加熱コイル１４の中心がほぼ一致するように配置する。また、電気導体１７は被加熱物１３と同様にアルミニウム、アルミニウム合金、銅、銅合金またはカーボンなどのような高電気伝導率で、低透磁率の材料から構成している。本実施例では厚みが１ｍｍのアルミニウムを用いている。これは、以下の理由からである。すなわち、加熱コイル１４からの磁束を遮蔽する場合に必要な厚みは浸透深さ以上必要であり、本実施の形態の場合加熱コイル１４に流れる電流の周波数は４０ｋＨｚ以上であり、材質をアルミニウムとした場合浸透深さはδ＝０．３ｍｍ程度（７０ｋＨｚの場合）となる。従って、電気導体１７の厚みを浸透深さ以上にすることにより、浮力低減の効果を大きくすることが可能となる。本発明者らは実験により、浸透深さよりもやや大きく約１ｍｍ程度にすると十分な浮力低減の効果が得られることを確認したからである。

図２（ｂ）（ｃ）のように、電気導体１７は曲げ部１９を有し、曲げ部１９にはスリット２０が設けてあり、折り曲げしやすくなっている。電気導体１７はマイカやセラミックファイバー等の断熱材２１を介して支持体２２の上に自由度をもって固定される。電気導体１７は自由度を有しているので、水平方向にわずかに移動するが、電気特性上問題となるような移動量にならないよう設計されている。支持体２２は誘導加熱部１５にばね２３ａで上方に付勢されながら固定されており、自由度をもって支持体２２に固定された電気導体１７はトッププレート１２に圧接される。

以上のように構成された誘導加熱装置について、以下その動作、作用を説明する。

トッププレート１２上に被加熱物１３を載置し、電源を投入すると加熱コイル１４からの磁束により被加熱物１３が誘導加熱される。このとき加熱コイル１４からの磁束は電気導体１７と鎖交し、電気導体１７にも誘導電流が発生する。

被加熱物１３に誘起された誘導電流は加熱コイル１４の発生する磁界分布と、電気導体１７に誘起された電流の発生する磁界分布の重畳した磁界分布が被加熱物１３に鎖交することにより発生するものである。このように、電気導体１７が介在することにより、被加熱物１３に誘導される電流分布が変化し、さらに電気導体１７に発生する電流分布が加わるということから、加熱コイル１４の等価直流抵抗が大きくなる。

等価直列抵抗が大きくなると、同じ加熱コイル電流でも被加熱物１３における発熱量が大きくなるので同一消費電力を得ようとする場合には加熱コイル電流を小さくすることができ、それに伴い浮力も低減することができる。

この時、電気導体１７も誘導加熱されるが、トッププレート１２に当接して被加熱物１３と熱的に接続されており、電気導体１７の発生熱の一部は被加熱物１３の加熱に利用される。電気導体１７は自由度をもって固定されているので、トッププレート１２への圧縮力以外の力はかかっておらず、特に支持体２２との固定部での熱変形が発生することはない。従って、トッププレート１２と面一に接触し、接触状態は良好で効率よく伝熱できる状態となる。逆にいうと、支持体２２と強く固定し、電気導体１７の自由度が失われると、支持体２２に電気導体１７が引っ張られる力が作用していることになるので、誘導加熱時、熱変形が発生しやすく、面接触の安定性が損なわれやすい。

以上のように、本実施の形態においては、前記電気導体は前記加熱コイル側から前記トッププレートに当接して前記被加熱物と熱的に接続されてなるとともに、前記電気導体に対して作用する力は、前記トッププレートに当接するときに生じる圧縮力のみとすることにより、電気導体に圧縮力以外の力が作用しておらず、つまり、電気導体がトッププレートに当接する以外の力が作用していないので、加熱時、その力のため、トッププレートと面一で無くなる方向に熱変形することがなく、伝熱面積が減少しない。さらに、電気導体は常に圧縮力のみが作用した状態で加熱されるので、電気導体の表面形状がトッププレートに次第になじみ、効率よくトッププレートと当接するようになってくる。したがって、トッププレートに面一で当接している電気導体で発生した熱を最大限に有効に被加熱物に伝えると共に、発生熱の加熱コイル等への悪影響も低減でき、熱効率を向上することができる。

（実施の形態２）
図３（ａ）（ｂ）は本発明の第２の実施の形態の電気導体の平面図と断面図である。電気導体１７は固定のためのくさび状の突起部２３を有し、支持体２２は前記突起部２３を差し込む穴部２４を設けている。このような形状にしているので、電気導体１７と支持体２２の固定は、電気導体１７を差し込むのみ、あるいは、差し込んでわずかに水平方向にスライドさせるのみで簡単であり、また、熱変形を誘発するような応力は発生しない。

以上のように、本発明にかかる誘導加熱装置は、熱効率の向上や浮力の低減が可能になるので、アルミニウムなどの高電気伝導率かつ低透磁率の材料からなる被加熱物を誘導加熱する全ての用途に適用できる。

本発明の実施の形態１における誘導加熱装置の断面図（ａ）本発明の実施の形態１におけるの電気導体の平面図（ｂ）本発明の実施の形態１における電気導体の断面図（ｃ）本発明の実施の形態１における電気導体の矢視図（ａ）本発明の実施の形態２における電気導体の平面図（ｂ）本発明の実施の形態２における電気導体の断面図従来の誘導加熱装置の断面図（ａ）従来の誘導加熱装置の加熱コイルに流れる電流を示す図（ｂ）従来の誘導加熱装置の被加熱物に流れる電流を示す図誘導加熱装置における入力電力と浮力との関係を示す特性図

符号の説明

１１本体
１２トッププレート
１３被加熱物
１４加熱コイル
１７電気導体
１９曲げ部
２０スリット
２２支持体
２４突起部
２５穴部

Claims

外郭を構成する本体と、アルミニウムなどの高電気伝導率を有し、かつ低透磁率材料からなる被加熱物を載置する前記本体の上部に設けたトッププレートと、前記トッププレートの下方に設けた前記被加熱物を誘導加熱する加熱コイルを有する誘導加熱部と、前記加熱コイルと前記トッププレートとの間に設け、前記加熱コイルの発生する磁界により前記被加熱物に与えられる浮力を低減する浮力低減機能を有する電気導体と、ばねで上方に付勢されながら前記誘導加熱部に固定され前記電気導体を支持する支持体とを備え、前記電気導体は、曲げ部を有し前記曲げ部が折り曲げしやすくなるようにするためのスリットを前記曲げ部に設け、前記曲げ部を、折り曲げ後に前記電気導体と前記曲げ部の折り曲げた部分とが前記支持体の両側に位置するように折り曲げて前記電気導体の移動量が電気特性上問題とならないように前記支持体に自由度を有して固定され、かつ前記加熱コイル側から前記トッププレートに表面が当接して前記被加熱物と熱的に接続されてなる誘導加熱装置。
外郭を構成する本体と、アルミニウムなどの高電気伝導率を有し、かつ低透磁率材料からなる被加熱物を載置する前記本体の上部に設けたトッププレートと、前記トッププレートの下方に設けた前記被加熱物を誘導加熱する加熱コイルを有する誘導加熱部と、前記加熱コイルと前記トッププレートとの間に設け、前記加熱コイルの発生する磁界により前記被加熱物に与えられる浮力を低減する浮力低減機能を有する電気導体と、ばねで上方に付勢されながら前記誘導加熱部に固定され前記電気導体を支持する支持体とを備え、前記電気導体は、くさび状の突起部を有し前記突起部を差し込んで前記電気導体が前記支持体に自由度を有して固定される穴部を前記支持体に設けることにより、前記加熱コイル側から前記トッププレートに表面が当接して前記被加熱物と熱的に接続されてなる誘導加熱装置。
突起部を差し込んで電気導体の移動量が電気特性上問題とならないように前記電気導体が支持体に自由度を有して固定される穴部を前記支持体に設けることに代え、前記突起部を差し込んでわずかに水平方向にスライドさせて前記電気導体が前記支持体に自由度を有して固定される穴部を前記支持体に設けた請求項２に記載の誘導加熱装置。