JP4353522B2 - 電磁誘導加熱装置、電磁誘導加熱調理装置 - Google Patents

Description

本発明は、電磁誘導によって調理容器などを加熱する電磁誘導加熱装置及び調理容器を備えた電磁誘導加熱調理装置に関する。

従来の電磁誘導加熱装置としては、例えば図７に示すようなものがある。この図７は、電磁誘導加熱装置１０１Ａを用いた電磁誘導加熱調理装置１０１の回路図である。電磁誘導加熱装置１０１Ａは、コンデンサＣと共に直列共振回路を形成する誘導加熱コイルＬ（以下、ワークコイルＬと称す。）を備えている。ワークコイルＬには、高周波インバータ１０３により高周波電流が供給されるようになっている。高周波インバータ１０３は、４つのトランジスタで形成されたスイッチング素子Ｔr_１，Ｔr_２，Ｔr_３，Ｔr_４によって構成され、いわゆるフルブリッジ形である。

前記高周波インバータ１０３には、商用周波数の１次側電源ＡＣ、整流回路１０５、電圧調整回路１０７が順次接続されている。整流回路１０５は、１次側電源ＡＣを直流に整流し、電圧調整回路１０７へ出力する。電圧調整回路１０７は、出力調整用外部入力信号１０９からの信号によって電圧を調整し、高周波インバータ１０３に出力する。

前記電磁誘導加熱装置１０１Ａには、電圧検出器１１１と電流検出器１１３とが設けられている。電圧検出器１１１は、高周波インバータ１０３の出力電圧を検出し、電流検出器１１３は、ワークコイルＬに流れる電流をＣＴで検出するものである。

前記電圧検出器１１１及び電流検出器１１３の検出結果は、ＰＬＬ（位相同期回路）１１５に入力され、電流の周波数と電圧の周波数との同期が行われる。ＰＬＬ１１５からの位相の同期が図られた信号は、スイッチング素子Ｔr_１，Ｔr_４にゲート信号として交互に入力され、さらにＰＬＬ１１５の出力信号が反転器１１７で反転されてスイッチング素子Ｔr_２，Ｔr_３へ交互に入力されるようになっている。

前記１次側電源ＡＣは、整流回路１０５で直流に整流され、電圧制御回路１０７に入力される。電圧制御回路１０７では、出力調整用外部入力信号１０９からの信号によって、高周波インバータ１０３への入力電圧を変換させる。

前記ＰＬＬ１１５からの信号と反転器１１７からの信号とが、スイッチング素子Ｔr_１，Ｔr_４とスイッチング素子Ｔr_２，Ｔr_３とへ交互に入力されると、発熱コイルＬに交互に電流が流れ、交番磁界が発生して発熱コイルＬに対して配置された調理容器１１９に渦電流が発生し、調理容器を発熱させることができる。この発熱によって、調理容器内に投入された食材を加熱調理することができる。この場合、発熱コイルＬに供給される電圧及び電流は、その周波数が同期しているときに共振状態となって最も効率よく発熱する。この共振状態は、前記ＰＬＬ１１５の位相同期によって作り出すことができる。一方、発熱コイルＬでの発熱制御を行うために、前記電圧調整回路１０７での電圧調整が行われている。

しかしながら、このように電圧調整回路１０７を用いると、回路が複雑になると共に整流回路１０５側にもパワー素子を使用するため、回路が大型化すると共に回路上の熱損失が大きくなるため、ヒートシンクも大きくしなければならなかった。

木船弘康、山口功、畑中義博共著「ＰＬＬによらない新しい負荷追従制御機能を有する高周波インバータ」電気学会半導体電力変換研究会、２００３年９月１９日の発表会の予稿集

解決しようとする問題点は、回路が複雑になると共に大型化し、ヒートシンクも大きくしなければならないという点である。

本発明の電磁誘導加熱装置及び電磁誘導加熱調理装置は、位相同期手段の出力信号に基づく基準信号、該基準信号を反転させた反転基準信号、前記基準信号の位相を出力調整用レベル信号に基づきシフトさせた位相シフト信号、該位相シフト信号を反転させた反転位相シフト信号に基づいて前記高周波インバータの出力電力を調整する電力調整手段を備えたことを最も主要な特徴とする。

本発明の電磁誘導加熱装置は、簡単な構造で出力電力を調整することができ、全体として小型化を図るため、位相同期手段の出力信号に基づく基準信号、該基準信号を反転させた反転基準信号、前記基準信号の位相を出力調整用レベル信号に基づきシフトさせた位相シフト信号、該位相シフト信号を反転させた反転位相シフト信号に基づいて前記高周波インバータの出力電力を調整することができるので、出力調整用レベル信号に基づく出力電力の調整を簡単な構造で容易に行うことができる。

前記高周波インバータが、各組単位で交互に動作する２個一対の２組の第１，第４スイッチング素子及び第２，第３スイッチング素子を有するフルブリッジ形であり、前記電力調整手段は、前記第１，第４スイッチング素子に接続された第１アンド回路及び前記第２，第３スイッチング素子に接続された第２アンド回路を備え、前記基準信号及び位相シフト信号を前記第１アンド回路に、前記反転基準信号及び反転位相シフト信号を前記第２アンド回路に供給する場合は、フルブリッジ形の高周波インバータにおいて、出力調整用レベル信号に基づく出力電力の調整を簡単な構造で容易に行うことができる。

前記高周波インバータが、交互に動作する第１，第２スイッチング素子を有するハーフブリッジ形であり、前記電力調整手段は、前記第１，第２スイッチング素子に各別に接続された第１，第２アンド回路を備え、前記基準信号及び位相シフト信号を前記第１アンド回路に、前記反転基準信号及び反転位相シフト信号を前記第２アンド回路にそれぞれ交互に供給する場合は、ハーフブリッジ形の高周波インバータで出力調整用レベル信号に基づく出力電力の調整を簡単な構造で容易に行うことができる。

前記電力調整手段が、前記位相同期手段の出力信号をｎ倍する周波数逓倍器と、該周波数逓倍器の出力信号のカウント及びカウントリセットを繰り返すカウンタ回路と、カウンタ回路の出力信号を前記出力調整用レベル信号でスラッシュして前記位相シフト信号を作る場合は、位相を確実にシフトさせて出力調整用レベル信号に基づく出力電力の調整を簡単な構造で容易に行うことができる。

本発明の電磁誘導加熱調理装置は、前記電磁誘導加熱装置に前記加熱コイルで加熱する磁性体材料で形成された調理容器を設けたため、電磁誘導加熱装置によって調理容器を発熱させ、電磁誘導加熱により食材を容易に調理することができる。

本発明の電磁誘導加熱装置及び電磁誘導加熱調理装置は、出力調整用レベル信号に基づく電力調整を容易とし、小型化を可能とするという目的を、前記位相同期手段の出力信号に基づく基準信号、該基準信号を反転させた反転基準信号、前記基準信号の位相を出力調整用レベル信号に基づきシフトさせた位相シフト信号、該位相シフト信号を反転させた反転位相シフト信号に基づいて前記高周波インバータの出力電力を調整する電力調整手段により実現した。

図１は、本発明の電磁誘導加熱装置１Ａを用いた電磁誘導加熱調理装置１の回路図を示している。電磁誘導加熱装置１Ａの基本的な構成は図７に示したものと同様である。従って、コンデンサＣと共に直列共振回路を形成する誘導加熱コイルＬ（以下、ワークコイルＬと称す。）を備える他、高周波インバータ３を構成する第１，第２，第３，第４スイッチング素子Ｔr_１，Ｔr_２，Ｔr_３，Ｔr_４を備えている。また、１次側電源ＡＣを直流に整流して出力する整流回路５を備えている。本実施例では、位相シフトによって電力調整を行うため、図７の場合と異なり、電圧調整回路は設けられていない。整流回路５の出力は、電圧調整回路ではなく、平滑コンデンサＣ_ｆに出力されるようになっている。

前記ワークコイルＬに供給される電圧は、電圧検出回路１１で検出され、流れる電流はＣＴを介し電流検出回路１３で検出され、それぞれＰＬＬ１５に入力される。

また、本実施例では、ＰＬＬ１５の出力側に第１反転回路１７の他に位相シフト回路１９が接続されている。位相シフト回路１９にはさらに第２反転回路２１が接続されている。位相シフト回路１９には、出力調整用外部入力信号２３が入力されるようになっている。これら第１反転回路１７、位相シフト回路１９、第２反転回路２１、出力調整用外部入力信号２３は、前記位相同期手段としてのＰＬＬ１５の出力信号に基づく基準信号、該基準信号を反転させた反転基準信号、基準信号の位相をシフトさせた位相シフト信号、該位相シフト信号を反転させた反転位相シフト信号に基づいて、前記高周波インバータ３の出力電力を調整する電力調整手段２５を構成している。

前記電力調整手段２５は、さらに図２の要部回路図のように、第１アンド回路２７、第２アンド回路２９を備えている。

前記第１アンド回路２７の入力側は、前記ＰＬＬ１５の出力側と前記位相シフト回路１９の出力側とに接続され、該第１アンド回路２７の出力側は、第１，第４スイッチング素子Ｔr_１，Ｔr_４に接続されている。

前記第２アンド回路２９の入力側は、前記第１，第２反転回路１７，２１の出力側に接続され、該第２アンド回路２９の出力側は、第２，第３スイッチング素子Ｔr_２，Ｔr_３に接続されている。

前記位相シフト回路１９は、図３のようになっている。図３は、位相シフト回路を示す回路図である。位相シフト回路１９は、周波数逓倍器３１と、カウンタ回路３２と、カウンタリセット回路３３と、カウント比較回路３４と、Ａ／Ｄ変換器３５とを備えている。

前記周波数逓倍器３１は、前記ＰＬＬ１５の出力信号を入力し、該出力信号をｎ倍してカウンタ回路３２に入力するものである。前記カウンタ回路３２は、前記周波数逓倍器３１の出力信号のカウントを行うと共に、カウンタリセット回路３１からの信号によってカウントリセットを行い、カウント及びカウントリセットを繰り返して、カウント比較回路３４へ出力する。従って、カウンタ回路３２及びカウンタリセット回路３３は、本実施例においてカウント及びカウントリセットを繰り返すカウント手段を構成している。

前記カウント比較回路３４は、カウント比較手段を構成し、カウンタ回路３２からの出力信号をレベル信号でスラッシュし、位相シフト信号を作る。レベル信号は、Ａ／Ｄ変換器３５が出力調整用のアナログ信号を受けて、カウント比較回路３４へ送る信号である。

次に作用を説明する。図１のように、１次側電源ＡＣは、整流回路５で直流に整流され、平滑コンデンサＣ_ｆを介して高周波インバータ３に入力される。高周波インバータ３では、第１，第４スイッチング素子Ｔr_１，Ｔr_４と第２，第３スイッチング素子Ｔr_２，Ｔr_３とに交互にゲート電圧が加えられる。従って、高周波インバータ３では、第１スイッチング素子Ｔr_１、コンデンサＣ、ワークコイルＬ、第４スイッチング素子Ｔr_４の順に電流が流れる状態と、第２スイッチング素子Ｔr_２、ワークコイルＬ、コンデンサＣ、第３スイッチング素子Ｔr_３の順に電流が流れる状態が繰り返され、ワークコイルＬに交番磁界が発生し、調理容器１９に渦電流が発生する。この渦電流によって、調理容器１９が発熱し、内部の食材を加熱調理することができる。

このとき、ワークコイルＬの負荷電圧は電圧検出器１１で検出され、ワークコイルＬを流れる電流はＣＴから電流検出器１３で検出される。これら電圧検出器１１、電流検出器１３での検出信号は、ＰＬＬ１５に入力され、負荷電圧周波数が電流周波数と一致するように追従した周波数が、ＰＬＬ１５から出力される。このＰＬＬ１５の出力信号は、例えば図４（ａ）のようになっている。ＰＬＬ１５の出力信号は、基準信号Ｖ_Ｇ１として第１アンド回路２７に入力され、ＰＬＬ１５の出力が第１反転器１７で反転され、反転基準信号Ｖ_Ｇ２として第２アンド回路２９に入力される。

また、前記ＰＬＬ１５の出力は、図１の位相シフト回路１９に入力される。この位相シフト回路１９では、図３のように、ＰＬＬ１５からの出力周波数が周波数逓倍器３３でｎ倍されカウンタ回路３２へ入力される。カウンタ回路３２へ入力される信号は、例えば図４（ｂ）のようになっている。カウンタ回路３２では、入力された信号をカウントすると共に、カウンタリセット器３３からの信号によって、カウンタリセットを行い、図４（ｃ）で示す信号をカウント比較回路３４へ入力する。

前記カウント比較回路３４では、カウンタ回路３３からの信号を、前記レベル信号で図４（ｄ）のようにスラッシュする。前記スラッシュによって、図４（ｅ）のような位相シフト信号Ｖ_Ｇ４を得ることができる。この信号は、図４（ｄ）で示すスラッシュ位置を調整することによって任意にシフトすることができ、ＰＬＬ１５からの出力周波数に対し位相シフトを行うことができる。

また、カウント比較回路３４からの出力は、第２反転器２１を介して反転され、反転位相シフト信号Ｖ_Ｇ３として出力される。位相シフト信号Ｖ_Ｇ４は、図２の第１アンド回路２７に入力され、反転位相シフト信号Ｖ_Ｇ３は、図２の第２アンド回路２９に入力される。

前記第１アンド回路２７の出力信号Ｖ_Ｇ１４は、スイッチング素子Ｔr_１，Ｔr_４にゲート信号として入力され、第２アンド回路２９の出力信号Ｖ_Ｇ２３は、スイッチング素子Ｔr_２，Ｔr_３にゲート信号として入力される。

前記第１，第２アンド回路２７，２９の入出力電圧は、図５のようになっている。（ａ）は基準信号Ｖ_Ｇ１、（ｂ）は位相シフト信号Ｖ_Ｇ４、（ｃ）は反転基準信号Ｖ_Ｇ２、（ｄ）は反転位相シフト信号Ｖ_Ｇ３、（ｅ）は第１アンド回路２７の出力信号Ｖ_Ｇ１４、（ｆ）は第２アンド回路２９の出力信号Ｖ_Ｇ２３を示すグラフである。基準信号Ｖ_Ｇ１と位相シフト信号Ｖ_Ｇ４のアンドをとった信号が（ｅ）のＶ_Ｇ１４であり、反転基準信号Ｖ_Ｇ２及び反転位相シフト信号Ｖ_Ｇ３のアンドをとった信号が（ｆ）のＶ_Ｇ２３である。

従って、前記のようにＰＬＬ１５からの出力信号及び反転信号を高周波インバータ３にゲート信号として入力し、かつ、位相シフトによって図５（ｅ），（ｆ）のように導通時間を調整することができ、負荷変動追従制御を行うことができると共に、位相シフトによる導通時間の調整によって、高周波インバータ３の出力電力を容易に調整することができる。このため、直流電源側にパワー素子等を不要とし、簡単かつ小型に形成することができると共に、熱損失が小さく、ヒートシンクも小さくすることができる。

また、共振追従型となっているため、主回路の負荷として接続しているＬＣが変化しても常にＬＣ共振に追従しているので、調整が容易であると共に、電気的効率を最良の状態にすることができる。

図６は本発明の実施例２に係る電磁誘導加熱装置１Ｂの要部回路図を示している。この図６は、図２に対応し、対応する構成部分には同符号を付して説明する。

本実施例では、高周波インバータ３Ｂをハーフブリッジ形としたもので、２個の第１，第２スイッチング素子Ｔr_１，Ｔr_２と、２個のコンデンサＣ及びワークコイルＬとを備えている。電磁誘導加熱調理装置全体の構成は、図１に示すものと同様であり、図１を参照する。

本実施例においても、第１アンド回路２７の出力信号Ｖ_Ｇ１４をスイッチング素子Ｔr_１にゲート信号として入力し、第２アンド回路２９の出力信号Ｖ_Ｇ２３をスイッチング素子Ｔr_２にゲート信号として入力する。これによって実施例１同様に位相シフトによる出力電力の調整を行うことができると共に、共振追従によって電気的効率を最良の状態にすることができる。

なお、上記実施例は、調理装置として説明したが、調理装置以外の電磁誘導加熱が可能な全ての装置に適用することができる。

電磁誘導加熱装置を用いた電磁誘導加熱調理装置の回路図である（実施例１）。 電磁誘導加熱装置の要部回路図である（実施例１）。 位相シフト回路を示す回路図である（実施例１）。 （ａ）はＰＬＬの出力信号、（ｂ）は周波数逓倍器の出力信号、（ｃ）はカウンタ回路の出力信号、（ｄ）はカウント比較回路の処理信号、（ｅ）は位相シフト信号、（ｆ）は反転位相シフト信号である（実施例１）。 （ａ）は基準信号、（ｂ）は位相シフト信号、（ｃ）は反転基準信号、（ｄ）は反転位相シフト信号、（ｅ）は第１アンド回路の出力信号、（ｆ）は第２アンド回路の出力信号を示すグラフである（実施例１）。 電磁誘導加熱装置の要部回路図である（実施例２）。 従来の電磁誘導加熱装置を用いた電磁誘導加熱調理装置の回路図である。

符号の説明

１ 電磁誘導加熱調理装置
１Ａ，１Ｂ 電磁誘導加熱装置
３ 高周波インバータ
１１ 電圧検出器（電圧検出手段）
１３ 電流検出器（電流検出手段）
１５ ＰＬＬ（位相同期手段）
２５ 電力調整手段
２７ 第１アンド回路
２９ 第２アンド回路
３１ 周波数逓倍器
３２ カウンタ回路（カウント手段）
３３ カウンタリセット回路（カウント手段）
３４ カウント比較回路（カウント比較手段）
Ｃ コンデンサ
Ｌ ワークコイル（誘導加熱コイル）
１９ 調理容器
Ｔr_１，Ｔr_２，Ｔr_３，Ｔr_４ スイッチング素子

Claims (5)

1. コンデンサと共に直列共振回路を形成する誘導加熱コイルと、
   前記誘導加熱コイルに高周波電流を供給する高周波インバータと、
   前記高周波インバータの出力電圧を検出する電圧検出手段と、
   前記誘導加熱コイルに流れる電流を検出する電流検出手段と、
   前記電圧検出手段で検出された検出電圧と前記電流検出手段で検出された検出電流との位相を同期させるように前記高周波インバータへ出力する位相同期手段と、
   前記位相同期手段の出力信号に基づく基準信号、該基準信号を反転させた反転基準信号、前記基準信号の位相を出力調整用レベル信号に基づきシフトさせた位相シフト信号、該位相シフト信号を反転させた反転位相シフト信号に基づいて前記高周波インバータの出力電力を調整する電力調整手段と
   を備えたことを特徴とする電磁誘導加熱装置。
2. 請求項１記載の電磁誘導加熱装置であって、
   前記高周波インバータは、各組単位で交互に動作する２個一対の２組の第１，第４スイッチング素子及び第２，第３スイッチング素子を有するフルブリッジ形であり、
   前記電力調整手段は、前記第１，第４スイッチング素子に接続された第１アンド回路及び前記第２，第３スイッチング素子に接続された第２アンド回路を備え、
   前記基準信号及び位相シフト信号を前記第１アンド回路に、前記反転基準信号及び反転位相シフト信号を前記第２アンド回路に入力する
   ことを特徴とする電磁誘導加熱装置。
3. 請求項１記載の電磁誘導加熱装置であって、
   前記高周波インバータは、交互に動作する第１，第２スイッチング素子を有するハーフブリッジ形であり、
   前記電力調整手段は、前記第１，第２スイッチング素子に各別に接続された第１，第２アンド回路を備え、
   前記基準信号及び位相シフト信号を前記第１アンド回路に、前記反転基準信号及び反転位相シフト信号を前記第２アンド回路に入力する
   ことを特徴とする電磁誘導加熱装置。
4. 請求項１〜３の何れかに記載の電磁誘導加熱装置であって、
   前記電力調整手段は、前記位相同期手段の出力信号をｎ倍する周波数逓倍器と、該周波数逓倍器の出力信号のカウント及びカウントリセットを繰り返すカウント手段と、カウント手段の出力信号を前記出力調整用レベル信号でスラッシュして前記位相シフト信号を作るカウント比較手段と
   を備えたことを特徴とする電磁誘導加熱装置。
5. 請求項１〜４記載の何れかに記載の電磁誘導加熱装置であって、
   前記誘導加熱コイルで加熱する磁性体材料で形成された調理容器を設けた
   ことを特徴とする電磁誘導加熱調理装置。

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