JP4196091B2 - 誘導加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、高周波磁界による誘導加熱を利用して被加熱物の加熱を行う電磁調理器などの誘導加熱装置に関するものである。

従来の誘導加熱装置において、加熱コイルの漏洩磁界低減した誘導加熱装置（例えば、特許文献１参照）について図面を用いて説明する。図８は、加熱コイルの漏洩磁界を低減した従来の誘導加熱装置である。本従来例では、加熱コイル１の外周部に電磁シールド環２を配置し、誘導加熱装置を構成している。この構成の誘導加熱装置では、加熱コイル１で生じた高周波磁界に誘導され電磁シールド環２に誘導電流が流れ、更にこの誘導電流により、電磁シールド環２には加熱コイル１から発生する高周波磁界とは逆向きの高周波磁界が発生する。この結果、電磁シールド環２から発生する高周波磁界が、加熱コイル１の外周部に発生する高周波磁界を打ち消す様に作用するため、加熱コイル１から漏洩する２０ｋ〜５０ｋＨｚ高周波漏洩磁界が減少する。なお、電磁シールド環２はアルミ板やリード線などを環状にしたものが知られている。

他の加熱コイルから発生する漏洩磁界を低減する誘導加熱装置（例えば、特許文献２参照）について説明する。図９は従来の漏洩磁界を低減した誘導加熱装置である。加熱コイル１の外周近傍に巻き線を施してインダクタンス５を構成するとともに、加熱コイル１から発生する高周波磁界と、インダクタンス５が発生する高周波磁界成分が互いに打ち消す方向に配置している。図１０に従来の誘導加熱装置の回路例を示す。図１０の誘導加熱装置は商用電源などで構成される電源部３と電源部３の電力を高周波電力に変換する高周波発振部１１と高周波発振部１１の電力を高周波磁界に変換する加熱コイル１と加熱コイル１からの磁界を受けて発熱する負荷１５で構成されており、高周波発振部１１は、商用電源を整流する整流手段４と整流手段４の出力を平滑化するインダクタ５及び平滑コンデンサ６と加熱コイル１への電力供給を制御する半導体スイッチ８及び半導体スイッチ８のスイッチング動作を滑らかにする共振コンデンサ７から構成されている。図１０の従来例ではインダクタ５を巻き線のみで構成していおり、インダクタンス５のコア材を不要とし装置の小型化を図るとともに高周波ノイズの低減効果を併せ持っている。
特開昭５７−１１５７９５号公報 特公昭６３−７６７２号公報

しかし、図８の様な従来の加熱コイルからの漏洩磁界を低減した誘導加熱装置においては、高周波の漏洩磁界は電磁シールド環２の効果により、減少させることができるが、加熱コイル１から発生する電源周波数または電源の２倍周波数の磁界（以下低周波磁界）は、電磁シールド環２では抑制できないので負荷１５にほとんど吸収されず外部に放出され、また電磁シールド環２は逆向きの磁界を十分発生させないので、低周波磁界が減少しない。

一方、図９の従来の誘導加熱装置においては、巻き線をインダクタンスとして動作させるため（数１００μＨ程度）、巻き線の巻き数が多くなることになる。この際、巻き線から放出される低周波磁界が加熱コイルから放出される低周波磁界より大きくなり、外部に放出する低周波磁界が増加する課題が生じることになる。また、従来の誘導加熱装置は高周波磁界を打ち消すことを目的としており、漏洩磁界低減用の巻き線は加熱コイルの最外周部の外側に限定され、配置の自由度がないという課題が生じることになる。

また、上記の様に従来の誘導加熱装置は高周波の漏洩磁界を低減させるもので、低周波の漏洩磁界の低減に着目してこなかった。しかし、低周波漏洩磁界を低減することにより、因果関係は明確ではないが一部の調査で懸念されている低周波磁界の人体への影響に対する機器使用者の不安を取り除くことができ、また機器の極近傍の電子機器の誤動作のリスクを排除することもできる。

本発明は上記の課題を解決するべく従来の誘導加熱装置に対策されてきた高周波漏洩磁界に加え、今まで認知されなかった低周波漏洩磁界にも焦点をあて対策するもので、低周波磁界が加熱コイルから放射されることを減少させ、かつ高周波成分の漏れ磁界も両立して抑制し、機器から発生する不要な電磁波を減少させる誘導加熱装置を提供することを目的としている。

上記課題を解決するために本発明は、電源部に接続され商用周波数の電力を整流し商用周波数の２倍の周波数の低周波成分を持った電力に変換する整流手段と、前記整流手段と直列に接続されるインダクタと平滑コンデンサの直列接続回路と、高周波磁界を発生し被加熱物を誘導加熱する加熱コイルと、前記低周波成分を持った電力を高周波電力に変換し前記加熱コイルに前記低周波成分と高周波成分が重畳した高周波電流を供給する高周波発振部と、環状の導体を前記加熱コイル外周部に配した電磁シールド環とを備え、前記高周波発振部内にあり前記低周波成分を持つ低周波電流が流れる前記直列接続回路の配線を、前記加熱コイル近傍にコイル状に施しかつ前記配線より発生する低周波磁界と前記加熱コイルより発生する低周波磁界が互いに打ち消す方向となるように配置しさらに外部に漏洩する前記低周波磁界を低減するように１回または複数回巻いて構成した低周波磁界打ち消し手段を有するとともに、前記電磁シールド環は前記低周波打ち消し手段の外周部に配置する誘導加熱装置としている。

これにより、高周波発振部内にあり前記加熱コイルに流れる電流の低周波成分と同じ周波数成分で前記加熱コイルと逆向きに電流が流れるように配置した低周波磁界打ち消し手段が、加熱コイルから発生する低周波漏洩磁界を大きく低減させるとともに、電磁シールド環を低周波磁界打ち消し手段の外周部に配置することで、更に低周波から高周波にわたり漏洩磁界を減少させることができるため、漏洩磁界の少ない誘導加熱装置を実現するものである。

以上のように請求項１〜５記載の本発明によれば、高周波発振部内にあり前記加熱コイルに流れる電流の低周波成分と同じ周波数成分で前記加熱コイルと逆向きに電流が流れるように配置した低周波磁界打ち消し手段が、加熱コイルから発生する低周波漏洩磁界を大きく低減させるとともに、電磁シールド環を低周波磁界打ち消し手段の外周部に配置することで、更に低周波から高周波にわたり漏洩磁界を減少させることができるため、漏洩磁界の少ない誘導加熱装置を実現するものである。

請求項１に係わる本発明は、電源部に接続され商用周波数の電力を整流し商用周波数の２倍の周波数の低周波成分を持った電力に変換する整流手段と、前記整流手段と直列に接続されるインダクタと平滑コンデンサの直列接続回路と、高周波磁界を発生し被加熱物を誘導加熱する加熱コイルと、前記低周波成分を持った電力を高周波電力に変換し前記加熱コイルに前記低周波成分と高周波成分が重畳した高周波電流を供給する高周波発振部と、環状の導体を前記加熱コイル外周部に配した電磁シールド環とを備え、前記高周波発振部内にあり前記低周波成分を持つ低周波電流が流れる前記直列接続回路の配線を、前記加熱
コイル近傍にコイル状に施しかつ前記配線より発生する低周波磁界と前記加熱コイルより発生する低周波磁界が互いに打ち消す方向となるように配置しさらに外部に漏洩する前記低周波磁界を低減するように１回または複数回巻いて構成した低周波磁界打ち消し手段を有するとともに、前記電磁シールド環は前記低周波打ち消し手段の外周部に配置する誘導加熱装置としている。

これにより、高周波発振部内にあり前記加熱コイルに流れる電流の低周波成分と同じ周波数成分で前記加熱コイルと逆向きに電流が流れるように配置した低周波磁界打ち消し手段が、加熱コイルから発生する低周波漏洩磁界を大きく低減させるとともに、電磁シールド環を低周波磁界打ち消し手段の外周部に配置することで、更に低周波から高周波にわたり漏洩磁界を減少させることができるため、漏洩磁界の少ない誘導加熱装置を実現するものである。

請求項２に係わる発明は、上記に加え、電磁シールド環はリード線を環状にして構成し、低周波磁界打ち消し手段はリード線をコイル状に構成した誘導加熱装置としている。

これにより、加熱コイルの外周部近傍に、低周波磁界打ち消し手段と電磁シールド環を近接して配置することができるため、低周波磁界打ち消し手段及び電磁シールド環が誘導加熱装置の形状に大きく影響を与えることなく配置することができ、従来の形状を保ったまま漏洩磁界を低減することができる誘導加熱装置を実現するものである。

請求項３に係わる発明は、上記に加え、電磁シールド環の外側に磁性体を配置した誘導加熱装置としている。

これにより、低周波磁界打ち消し手段及び電磁シールド環を用いて抑制できなかった漏洩磁界を磁性体に吸収させることで、周波数によらず漏洩磁界を更に低減させることができ、より漏洩磁界の少ない誘導加熱装置を実現できるものである。

請求項４に係わる発明は、上記に加え、２線を一体化したケーブルをコイル状に形成し、２線のうちの一方の線を低周波磁界打ち消し手段とし、他方は周回部で短絡して環状に結線し電磁シールド環とした誘導加熱装置としている。

これにより、低周波磁界打ち消し手段と電磁シールド環を一体化された１組の線を巻くことで構成することができるため、従来の誘導加熱装置からあまり形状を変えることなく、しかも低周波打ち消し手段と電磁シールド環を同時に扱えるため組み立て作業性が良く、簡易な構成で漏洩磁界を低減できる誘導加熱装置を実現できるものである。

請求項５に係わる発明は、上記に加え、シールドケーブルの信号線をコイル状に形成し、シールドケーブルの軸側の電線を低周波磁界打ち消し手段とし、シールド線側の電線は周回部で短絡して環状に結線し電磁シールド環とした誘導加熱装置としている。

これにより、低周波磁界打ち消し手段と電磁シールド環を一体化された１組の線を巻くことで構成することができるため、従来の誘導加熱装置からあまり形状を変えることなく、しかも低周波打ち消し手段と電磁シールド環を同時に扱えるため組み立て作業性が良く、簡易な構成で漏洩磁界を低減できる誘導加熱装置を実現できるものである。

（実施例１）
本発明の第１の実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項１に係わる。

図１は本実施例の誘導加熱装置の構成を示す図である。商用電源を含む電源部３は、高周波発振部１１に接続され、高周波発振部１１は加熱コイル１に接続される。加熱コイル１は上部に鍋などの負荷１５が加熱コイル１と磁気結合する形で設置され、下部には負荷１５との磁気結合を高める防磁フェライト１３が配置される。また、高周波発振部１１は電源部３に接続される整流手段４と、整流手段４と直列に接続されるインダクタ５と平滑コンデンサ６の直列接続と、平滑コンデンサ６に並列に接続される共振コンデンサ７と半導体スイッチ８の直列接続からなり、共振コンデンサ７は加熱コイル１と並列に接続される。一方、インダクタ５の配線は加熱コイルの外周部近傍でフェライトの下部に加熱コイル１の巻き方向とは逆に複数回巻かれ、低周波打ち消し手段を構成する。更に低周波打ち消し手段１２とほぼ同じ箇所または低周波打ち消し手段１２の外周部には、電磁シールド環２が配置される。この配置の一例を図２に示す。電磁シールド環２は、導電性の金属で表皮抵抗が小さいアルミなどが望ましく、アルミリングなどが使われる。

本実施例では、誘導加熱装置に用いられる一般的な回路構成を示しているが、加熱コイル１に低周波磁界成分が重畳する回路構成であれば特に限定するものではない。

次に本実施例に動作に関して説明する。図３はインバータ回路の各区間における電流経路を示した図である。Ｉ３は入力電流を、Ｉ５はインダクタ５及び低周波磁界打ち消し手段１２に流れる電流を、Ｉ１は加熱コイルに流れる電流を示している。電源部３は商用電源などで構成され、高周波発振部１１に商用周波数の電力を供給する。そのため、入力電流Ｉ３は、商用周波数成分を持つ電流になる。高周波発振部１１では整流手段４により商用電力を整流して商用電源の２倍の周波数成分を持った電力に変換し、更に半導体スイッチ８を用いて２０ｋ〜５０ｋＨｚ程度の高周波電力に変換される。そしてこの高周波電力は加熱コイル１に供給され、加熱コイル１から高周波磁界の形で負荷１５に供給される。負荷１５は、高周波磁界に従い表層部に渦電流が生じ、その結果発熱するに至る。そのため、インダクタ５及び低周波磁界打ち消し手段１２に流れる電流は商用周波数の２倍の周波数の電流Ｉ５が流れ、また加熱コイル１には半導体スイッチ８が導通状態になったときに電源部１→整流手段４→加熱コイル１→半導体スイッチ８のループで生じる商用周波数の２倍の成分をもつ低周波電流と、半導体スイッチ８の周波数に従って加熱コイル１に流れる高周波成分が重畳した電流Ｉ１１が流れる。よって加熱コイル１と低周波磁界打ち消し手段１２の低周波磁界が互いに打ち消すように配置することにより、加熱コイル１から発生する低周波磁界を打ち消すことができる。また、低周波磁界打ち消し手段１２は加熱コイル１が複数に分割されている場合などは外側に加熱コイル１の近傍に配置することが望ましく、また複数回巻いた方がより多くの打ち消し磁界を発生させることが可能になる。但し、低周波磁界打ち消し手段１２を複数回巻く場合においては、巻き数が多いと逆に低周波磁界打ち消し手段１２からの磁界が大きくなるため、加熱コイル１の巻き数の概１／２以下の巻き数で構成することになる。

一方、加熱コイル１と負荷１５の間は通常１０ｍｍ前後の空隙が存在する。そのため、加熱コイル１から発生する高周波磁界の内負荷１５に吸収されずに外部に放出される漏れ磁界が存在する。この漏れ磁界は外周部ほど多くなるため、最外部に周辺に逆向きの高周波磁界を発生させる方法が有効である。しかし、低周波漏れ磁界低減手段１２から発生する磁界は、低周波が大部分で高周波漏れ磁界の低減効果は少ない。そこで、加熱コイル１の外周部に電磁シールド環２を配置することで、加熱コイル１に対する打ち消し磁界を電磁シールド環２に発生させ、高周波漏れ磁界を低減させることができる。この際、高周波漏れ磁束への影響が少ない低周波漏れ磁界低減手段１２を加熱コイル１の外側の下方向に配置し、電磁シールド環２を加熱コイル１の外周部に配置することで、設置スペースを取らずまた、高周波磁界の分布を大きく乱すことなく漏れ磁界を低減することができる。

以上のように本実施例では、高周波発振部１１内にあり前記加熱コイル１に流れる電流の低周波成分と同じ周波数成分で前記加熱コイル１と逆向きに電流が流れるように配置した低周波磁界打ち消し手段１２が、加熱コイル１から発生する低周波漏洩磁界を大きく低減させるとともに、電磁シールド環２を低周波磁界打ち消し手段１２の外周部に配置することで、更に低周波から高周波にわたり漏洩磁界を減少させることができるため、漏洩磁界の少ない誘導加熱装置を実現するものである。

（実施例２）
本発明の第２の実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項２に係わる。

本実施例の構成を図４に示す。本実施例が実施例１と異なるのは、電磁シールド環を導線で構成している点である。

上記構成における動作について説明する。本実施例では図４に示すように、電磁シールド環２を導線で構成している。導線はリング上にしたものを複数本用いる場合もある。電磁シールド環２を導線で構成することにより、金属板で構成するときよりも電磁シールド環２の配置の自由度があるため、誘導加熱装置の筐体を小さくすることができる。また、低周波磁界低減手段１２と電磁シールド環２を近接して配置することが可能になるため、両者を一つの治具で止めることができるなど簡易なシールド構成を取ることが可能になる。

以上の様に本実施例によれば、加熱コイル１の外周部近傍に、低周波磁界打ち消し手段１２と電磁シールド環２を近接して配置することができるため、低周波磁界打ち消し手段１２及び電磁シールド環２が誘導加熱装置の形状に大きく影響を与えることなく配置することができ、従来の形状を保ったまま漏洩磁界を低減することができる誘導加熱装置を実現するものである。

（実施例３）
本発明の第３の実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項３に係わる。

本実施例の構成を図５に示す。本実施例が実施例１と異なるのは、電磁シールド環２の外周部に磁性体１４を配置している点である。

上記構成における動作について説明する。本実施例では図５に示すように、電磁シールド環２の外周部に磁性体１４が配置されている。そのため、磁性体１４が加熱コイル１からの漏れ磁束を吸収し、更に漏れ磁界を低減することができる。また、電磁シールド環２により大部分の磁界を打ち消しているため、磁性体１４自体の発熱も抑えられることになる。なお、磁性体１４としては、鉄、ステンレス及び珪素鋼板などがあり、特に限定するものではない。

以上の様に本実施例によれば、低周波磁界打ち消し手段１２及び電磁シールド環２を用いて抑制できなかった漏洩磁界を磁性体１４に吸収させることで、周波数によらず漏洩磁界を更に低減させることができ、より漏洩磁界の少ない誘導加熱装置を実現できるものである。

（実施例４）
本発明の第４の実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項４に係わる。

本実施例の構成を図６に示す。本実施例が実施例２と異なるのは、低周波磁界打ち消し手段１２及び電磁シールド環２を２線ケーブル１６で構成している点である。

本実施例の動作について説明する。本実施例では、２線ケーブル１６を加熱コイル１の近傍に１回もしくは複数回コイル状に巻き付ける。そして２線ケーブル１６は、１本を低周波磁界打ち消し手段１２として用いるため高周波発振部１１内にあり加熱コイル１の低周波成分と同じ成分をもつ配線と直列に接続され、残りの１本は電磁シールド環２として加熱コイル１を一周する毎に環状に短絡する構成をとる。このことにより、２線が加熱コイル１の近傍に簡易に配置することが可能になる。

以上の様に本実施例では、低周波磁界打ち消し手段１２と電磁シールド環２を一体化された１組の線を巻くことで構成することができるため、従来の誘導加熱装置からあまり形状を変えることなく、しかも低周波打ち消し手段１２と電磁シールド環２を同時に扱えるため作業性の良い構成をとることができ、簡易な構成で漏洩磁界を低減できる誘導加熱装置を実現できるものである。

（実施例５）
本発明の第５の実施例について図面を参照しながら説明する。本実施例は請求項５に係わる。

本実施例の構成を図７に示す。本実施例が実施例２と異なるのは、低周波磁界打ち消し手段１２及び電磁シールド環２をシールドケーブル１７で構成している点である。

本実施例の動作について説明する。本実施例では、シールドケーブル１７を加熱コイル１の近傍に１回もしくは複数回コイル状に巻き付ける。そしてシールドケーブル１７は、低周波磁界打ち消し手段１２として用いるため高周波発振部１１内にあり加熱コイル１の低周波成分と同じ成分をもつ配線と直列に接続さる。一方、シールド線は電磁シールド環２として用いるため加熱コイル１を一回りする毎に環状に短絡する。このことにより、低周波漏れ磁界及び高周波漏れ磁界対策用の対策を加熱コイル１の近傍に簡易に配置することが可能になる。

以上の様に本実施例では、低周波磁界打ち消し手段１２と電磁シールド環２を一体化された１組の線を巻くことで構成することができるため、従来の誘導加熱装置からあまり形状を変えることなく、しかも低周波打ち消し手段１２と電磁シールド環２を同時に扱えるため作業性の良い構成をとることができ、簡易な構成で漏洩磁界を低減できる誘導加熱装置を実現できるものである。

本発明の第１の実施例の誘導加熱装置の構成を示す図 本発明の第１の実施例の誘導加熱装置の構成を示す図 本発明の第１に実施例の誘導加熱装置の動作波形を示す図 本発明の第２の実施例の誘導加熱装置の構成を示す図 本発明の第３の実施例の誘導加熱装置の構成を示す図 本発明の第４の実施例の誘導加熱装置の構成を示す図 本発明の第５の実施例の誘導加熱装置の構成を示す図 従来の誘導加熱装置の構成を示す図 従来の誘導加熱装置の構成を示す図 従来の誘導加熱加熱装置の回路構成を示す図

符号の説明

１ 加熱コイル
２ 電磁シールド環
３ 電源部
４ 整流手段
５ インダクタ
６ 平滑コンデンサ
７ 共振コンデンサ
８ 半導体スイッチ
１１ 高周波発振部
１２ 低周波磁界打ち消し手段
１３ 防磁フェライト
１４ 磁性体
１５ 負荷
１６ ２軸ケーブル
１７ シールドケーブル

Claims (5)

1. 電源部に接続され商用周波数の電力を整流し商用周波数の２倍の周波数の低周波成分を持った電力に変換する整流手段と、前記整流手段と直列に接続されるインダクタと平滑コンデンサの直列接続回路と、高周波磁界を発生し被加熱物を誘導加熱する加熱コイルと、前記低周波成分を持った電力を高周波電力に変換し前記加熱コイルに前記低周波成分と高周波成分が重畳した高周波電流を供給する高周波発振部と、環状の導体を前記加熱コイル外周部に配した電磁シールド環とを備え、前記高周波発振部内にあり前記低周波成分を持つ低周波電流が流れる前記直列接続回路の配線を、前記加熱コイル近傍にコイル状に施しかつ前記配線より発生する低周波磁界と前記加熱コイルより発生する低周波磁界が互いに打ち消す方向となるように配置しさらに外部に漏洩する前記低周波磁界を低減するように１回または複数回巻いて構成した低周波磁界打ち消し手段を有するとともに、前記電磁シールド環は前記低周波打ち消し手段の外周部に配置する誘導加熱装置。
2. 電磁シールド環は、リード線を環状にして構成し、低周波打ち消し手段はリード線をコイル状に構成した請求項１に記載の誘導加熱装置。
3. 電磁シールド環の外側に磁性体を配置した請求項１または２に記載の誘導加熱装置。
4. ２線を一体化したケーブルをコイル状に形成し、２線のうちの一方の線を低周波磁界打ち消し手段とし、他方は周回部で短絡して環状に結線し電磁シールド環とした請求項２または３に記載の誘導加熱装置。
5. シールドケーブルの信号線をコイル状に形成し、シールドケーブルの軸側の電線を低周波打ち消し手段とし、シールド線側の電線は周回部で短絡して環状に結線し電磁シールド環とした請求項２または３に記載の誘導加熱装置。

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