JP4444068B2 - 誘導加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般家庭やオフィス、レストラン、工場などで使用される誘導加熱調理器、誘導加熱式湯沸かし器、誘導加熱式アイロン等の誘導加熱装置に関するものであり、さらに詳しくは、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被加熱物を加熱する誘導加熱装置に関するものである。

従来のこの種の誘導加熱装置として、例えば、誘導加熱調理器は、複数のスイッチング素子を有し、一方のスイッチング素子のオン期間中に周期の短い共振電流を加熱コイルに発生し、かつ平滑コンデンサから加熱コイルに電力を供給することにより、入力電圧の脈流による鍋鳴り音が発生せず、騒音の少ないアルミ鍋などを加熱する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。

また、加熱コイルの入力インピーダンスにおける等価直列抵抗（被加熱物及び電気導体を加熱状態と同様の位置配置で、加熱コイル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における等価直列抵抗（以下単に加熱コイルの等価直列抵抗と呼ぶ））を大きくする機能を有する電気導体を、加熱コイルとアルミニウムなどの低透磁率かつ高電気伝導率の材料でなる被加熱物の間に設けることにより、加熱コイルに流れる電流を小さくして被加熱物に作用する浮力を低減し、入力電力が大でも浮力による被加熱物のずれ、浮きが少なくする技術が知られている（例えば、特許文献２参照）。

以下に、上記特許文献２に開示された従来の誘導加熱装置について、図７〜１２を用いて説明する。図７は、従来の誘導加熱装置の加熱コイル及びその周辺の構成を示す斜視図、図８は、同誘導加熱装置の要部断面図である。

図７及び図８において、２１は加熱コイルであり、インバータ（図示せず）から供給された約７０ｋＨｚの高周波電流により磁界を発生し、天板２８上に載置された被加熱物２９を誘導加熱する。

電気導体２７は、厚さが略１ｍｍのアルミニウムの板で形成され、絶縁板３１と天板２８の間に設けられている。

加熱コイル２１の上部に出た磁界は、電気導体２７に鎖交するので、電気導体２７には誘導電流が誘起される。電気導体２７の厚みは約１ｍｍで、加熱コイル２１に流れる電流により誘導される高周波電流の浸透深さ（以下単に誘導電流の浸透深さと呼ぶ）以上の厚みを有するので、電気導体２７に鎖交した磁界の大部分はほとんど電気導体２７を通過せず、外周側または内周側に迂回してから被加熱物２９に到達する。

電気導体２７がない場合には、加熱コイル２１から発生した高周波磁界に対して、アルミニウム若しくは銅又はこれらと同等以上の電気伝導率を有し、かつ低透磁率材料からなる被加熱物２９の内部には、反発する方向に磁界を発生すべく、誘導電流が誘起される。この結果、被加熱物２９の内部の誘導電流から誘起される磁界と、加熱コイル２１から発生する磁界との交互作用により、被加熱物２９に浮力が生じる。

しかしながら、上記従来の技術では、加熱コイル２１と被加熱物２９との間に電気導体２７が設けられており、さらにその厚みが誘導電流の浸透深さよりも大なので、加熱コイル２１から発生する磁界は、電気導体２７と被加熱物２９に鎖交し、両者に誘導電流を発生することになる。これにより電気導体２７に誘導された誘導電流の発生する磁界と、被
加熱物２９に誘導された電流の発生する磁界の重畳磁界が、加熱コイル２１の発生する磁界の変化を妨げるように電気導体２７及び被加熱物２９に誘導電流が流れる。

つまり、被加熱物２９に誘導される電流分布が、電気導体２７に誘導電流が発生することにより変わることになる。この電流分布の変化で、加熱コイル２１の等価直列抵抗が大きくなり、同一出力を得る場合の加熱コイル２１に流す電流を小さくすることができ、被加熱物２９に作用する浮力が低減するとともに、電気導体２７が被加熱物２９に働くべき浮力の一部を分担することで、被加熱物２９に作用する浮力が低減できる。

図９は、被加熱物２９がアルミニウム製の鍋の場合の、アルミニウム製の電気導体２７がある場合（Ｂで示す）と電気導体２７がない場合（Ａで示す）の消費電力と浮力の関係を示している。また図１０は、電気導体２７がある場合（Ｂで示す）と電気導体２７がない場合（Ａで示す）の消費電力と加熱コイル電流の関係の測定結果の一例を示している。ただし、インバータの共振周波数は約７０ｋＨｚである。

これらの測定結果によると、電気導体２７を挿入することにより、加熱コイル２１の等価直列抵抗が増加し、被加熱物２９に働く浮力が低減するとともに、加熱コイル２１に流れる電流も低減されている。

図１１は、電気導体２７の厚みと浮力に関する傾向である。電気導体２７の厚みを浸透深さ以上にすることにより、浮力低減効果を得ることが可能としている。

さらに、上記従来の技術では、電気導体２７内で、加熱コイル２１の電流の流れる方向と略平行に周回して流れる誘導電流の分布を制限する周回電流制限手段２７ａを設けることにより、電気導体２７が加熱コイル２１の電流により誘導加熱されて発熱する発熱量を抑制するとともに、電気導体２７の等価直列抵抗の増加作用を有するようにし、加熱コイル２１の電流低減作用と被加熱物２９に働く浮力低減作用を得るものとしている。

図１２は、電気導体２７の形状を示す図である。電気導体２７は、略円盤状で厚み約１ｍｍのアルミニウム板をベースとし、さらに放射状に切り欠き４０ａを４ヶ所設けている。加熱コイル２１に周回するように高周波電流（破線Ａで模式的に示す）が供給されたときの電気導体２７に誘導される大きな電流の流れを、実線矢印Ｂで模式的に示している。

これにより、切り欠き４０ａを通過して加熱コイル２１の磁界を直接照射し、一部の磁界を迂回させて被加熱物２９に鎖交させ、被加熱物２９において加熱コイル２１の電流に対向した誘導電流分布が発生することを抑制して、等価直列抵抗を増加させるとともに、電気導体２７においても、切り欠き４０ａを設けることにより発熱を防止することができる。

なお、３２は、導電膜で、加熱コイル２１の上部に近接して設けられ、コンデンサ３４を介して、商用電源電位、インバータの入力電位となる電源電流整流器（図示せず）の出力電位、またはアース電位に接続されるので加熱コイル２１から使用者に漏洩するリーク電流を低減することができる。しかしながら、この導電膜３２は、膜圧が薄く電気伝導率も低いので、誘導電流の発生量が極めて少なく、加熱コイル２１から発生する磁界の分布を変える作用はほとんどないので、電気導体２７のような等価直列抵抗の増加作用、加熱コイル電流の低減作用、そして浮力低減作用はほとんど得られない。
特開２００３−２５７６０９号公報 特開２００３−２６４０５４号公報

しかしながら、前記従来の誘導加熱装置の構成では、被加熱物２９の誘導加熱と同時に、電気導体２７の誘導加熱も行われることになる。さらに、電気導体２７の厚みが誘導電流の浸透深さよりも大であるため、加熱コイル２１から発生した高周波磁界は電気導体２７を浸透、通過することがほとんどない、つまり浸透、通過しないだけの十分大きな誘導電流が電気導体２７内に誘起されている。したがって、電気導体２７の発熱による損失が大きくなるという課題が生じた。

また図１１に示す電気導体２７の厚みと浮力に関する傾向について、測定点が離散的であり、それぞれの測定点間での浮力の振る舞いについて十分な検討が行われていなかった。

また、導電膜（非常に薄い電気導体）で、加熱コイルから使用者に漏洩するリーク電流を低減する場合、電気導体に誘導電流を流すと発熱が発生することが分かっていたため、電気導体内の誘導電流及び発熱を抑制すべく、加熱コイルの等価直列抵抗を変化させないよう、電気導体の材質、形状などを設計していた。つまり、電気導体の等価直列抵抗が十分小さくなるよう、形状を小さくしたり、電気伝導率の低い材料を使用する、逆に誘導電流が流れないよう、電気導体を誘導加熱に適さない程度に電気伝導率の高い材料にする、極端に薄くするなどの対策を講じていた。

従って従来の技術の延長では、非常に薄く構成した電気導体内に誘導電流を誘起させて、被加熱物に流れる誘導電流分布を変える作用、加熱コイルの等価直列抵抗の増加作用、加熱コイル電流の低減作用、または被加熱物に働く浮力の低減作用は得られなかった。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、低透磁率かつ高電気伝導率の材料で形成された被加熱物を加熱することができるとともに、被加熱物に働く浮力を低減し、かつ損失の少ない誘導加熱装置を提供することを目的としている。

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、前記本体の上部に設けられアルミニウム若しくは銅またはこれらと略同等以上の電気伝導率を有する低透磁率材料からなる被加熱物を載置するトッププレートと、前記トッププレートの下方に設けられ、約７０ｋＨｚの高周波電流が供給されて前記被加熱物を誘導加熱する加熱コイルと、前記加熱コイルと前記被加熱物との間に設けられた電気導体とを備え、前記電気導体は、アルミニウム製または銅製で、前記電気導体内部に誘起される誘導電流の作用により、前記加熱コイルにより発生する磁界と前記被加熱物に誘導される誘導電流により発生する磁界との反発力に起因して前記被加熱物に働く浮力を低減する浮力低減機能を有すると共に、前記電気導体の厚みを１０〜３０μｍとし、かつ、前記電気導体内の他の部分に比べ熱抵抗が大きい部分を介して定電位部分に電気的に接続するようにしたもので、電気伝導率が低く低透磁率材料からなる被加熱物を加熱する場合、鉄などからなる被加熱物を加熱する場合に比べ、被加熱物内に誘導電流は流れやすくなる一方で、誘導電流によるジュール熱が小さくなるので、十分な火力を得るためには、加熱コイルからの磁界は高周波でかつ強い磁界である必要がある。しかしながらそのような磁界を発生させる場合、加熱コイル両端に加わる電圧は非常に大きくなり、加熱コイルとコンデンサ結合する被加熱物にも電圧の一部が誘起される。加熱中に使用者が被加熱物に触れると、加熱コイル−被加熱物−使用者−アースという経路で漏れ電流が流れるが、電気導体がこの漏れ電流抑制も同時に行うことができるので、漏れ電流対策用に加熱コイル−被加熱物間に別な電気導体を設ける必要がなく、その分加熱コイルと被加熱物間距離を縮めることができ、加熱効率向上も可能になる。さらに電気導体と定電位部分との接続は、熱抵抗が大なる部分を介して行われるため、電気導体の発熱が他の部分へ与える影響を抑えることがで
きる。

本発明の誘導加熱装置は、低透磁率かつ高電気伝導率の材料で形成された被加熱物を加熱することができるとともに、被加熱物に働く浮力を低減し、かつ損失の少ない誘導加熱装置を提供することができる。加熱中に使用者が被加熱物に触れると、加熱コイル−被加熱物−使用者−アースという経路で漏れ電流が流れるが、電気導体がこの漏れ電流抑制も同時に行うことができるので、漏れ電流対策用に加熱コイル−被加熱物間に別な電気導体を設ける必要がなく、その分加熱コイルと被加熱物間距離を縮めることができ、加熱効率向上も可能になる。さらに電気導体と定電位部分との接続は、熱抵抗が大なる部分を介して行われるため、電気導体の発熱が他の部分へ与える影響を抑えることができる。

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は、本発明の実施の形態１における誘導加熱装置の要部概略断面図である。

図１において、外郭を構成する本体１の上部に、絶縁体であり、耐熱セラミックス製のトッププレート２が設けられている。トッププレート２の下方には、素線を束ねた撚り線を多層にして平板上に巻き回されて構成された加熱コイル３が備えられている。加熱コイル３は、加熱分布を均一化するよう、略同心円状に２重に巻かれており、内周側加熱コイル３ａ、外周側加熱コイル３ｂに分割されて配置されている。この内周側加熱コイル３ａ及び外周側加熱コイル３ｂは電気的に直列接続されている。加熱コイル３近傍には、高透磁率の磁性体からなり棒状のフェライト４が１２本放射状に設けられている。フェライト４は、加熱コイル３の面と略並行に配置されており、特にその両端を、トッププレート２へ向けて上方垂直に折り曲げた形状となっている。

５は、使用者に対して本体１の運転状態、例えば加熱中であることを報知するための発光部で、発光ダイオード６と、アクリル板などからなる導光板７で構成されている。導光板７は、加熱コイル３と略同心円状になるよう、フェライト４のさらに外周に配置されている。

アルミニウム若しくは銅又はこれらと略同等以上の電気伝導率を有する低透磁率材料からなる被加熱物８は、トッププレート２を挟んで加熱コイル３と対向するよう、トッププレート２上に載置される。

温度検知手段となる第１のサーミスタ９及び第２のサーミスタ１０は、それぞれ、トッププレート２の加熱コイル３側の面に当接されており、第１のサーミスタ９は、加熱コイル３のほぼ中心に位置するように、また、第２のサーミスタ１０は、内周側加熱コイル３ａと外周側加熱コイル３ｂ間に位置するよう設けられている。第１及び第２のサーミスタ９、１０が当接するトッププレート２の面は、後述するが電気導体１１に設けた開口部１３と１６に臨んでいる。

電気導体１１は、厚さが約１５μｍのアルミニウム塗膜で形成され、トッププレート２の加熱コイル３側の面に転写により、接合されている。

図２は、加熱コイル３側から見た電気導体１１の形状図で、電気導体１１は、外径が加熱コイル３の外径より大きく、内径は加熱コイル３内径より小さく設定されており、具体
的にはそれぞれ約φ２２０ｍｍ、約φ５０ｍｍとなっている。電気導体１１は、また、略ドーナツ状をしており、幅１０ｍｍのスリット１２が中央部の第１の開口部１３から最外部にわたって設けられているため、ドーナツが一部欠け、略Ｕ型形状をしている。

電気導体１１の中央部には、第１の開口部１３が設けられており、その開口縁はフェライト４の内端よりも小さく設定されている。電気導体１１の内周部及び外周部には、深さ約２５ｍｍ、幅約１ｍｍのスリット１４が放射状に１１ヶ所設けられている。放射状に設けられた１１ヶ所のスリットは、電気導体１１から見てフェライト４の設置方向に沿っており、使用者から見て電気導体１１のスリット１４とフェライト４が重なって見えるよう配置されている。

また、電気導体１１から見て、加熱コイル３の最内周と最外周の夫々とフェライト４の設置方向と交差する点を中心に、電気導体１１内に第２の開口部１５が設けられている。この開口部１５は、内側、外側の各１１ヶ所のスリット１４と交差している。

また、トッププレート２の第２のサーミスタ１０が当接する部分と対向する電気導体１１の部分には第３の開口部１６が設けられ、第２のサーミスタ１０が直接電気導体１１に触れないような構成になっている。

電気導体１１の一部からは、幅２ｍｍ程度と細く、他の部分に比べ熱抵抗大となる部分１７が延びており、導電性のシールなどでリード線１８と電気的に接続されている。さらにリード線１８は、コンデンサ１９を介して商用電源電位あるいは加熱コイル３に高周波電流を供給するインバータ（図示せず）の入力する商用電源を整流した電位あるいは大地に接続されている。

また、電気導体１１の、加熱コイル３の周囲に設けられた発光部５に対向する部分には、幅１ｍｍ程度の細かなスリット群２０を形成している。

上記構成による誘導加熱装置の動作を説明する。

加熱コイル３には、約７０ｋＨｚの高周波電流が供給される。加熱コイル３は、高周波電流が供給されると磁界を発生するが、加熱コイル３の下方には高透磁率材料であるフェライト４があり、磁界がフェライト４に集中するために、磁界が被加熱物８と反対側に膨らむのを防止できる。フェライト４は、複数のフェライトコアを組み合わせて構成しても同様の効果が得られる。

一方、加熱コイル３の上方へ出た磁界は、電気導体１１に鎖交するため、電気導体１１内部に誘導電流が誘起される。この時、誘導電流の周波数は約７０ｋＨｚであり、電気導体１１がアルミニウム製である場合の誘導電流の浸透深さδ＝約３００μｍである。本実施の形態では、電気導体１１は、誘導電流の浸透深さよりも十分薄い約１５μｍであるため、加熱コイル３からの磁界を遮蔽することができず、電気導体１１内部を磁界が浸透、通過して、被加熱物８方向へ導かれる。フェライト４の両端部分は、上方に垂直に折り曲げられているため、上方の被加熱物８の方向へ磁界を効率よく誘導する作用をもつ。

加熱コイル３の上方へ出た磁界は、電気導体１１を浸透、通過した磁界と、電気導体１１に設けたスリット１２、１４や開口部１３を通過した磁界との合成磁界となって、被加熱物８に到達する。したがって、被加熱物８に誘起される誘導電流は、この合成磁界により発生するものである。そのため、電気導体１１が介在することにより、電気導体１１がない場合と比較し、誘導電流分布が変化する。

また、加熱コイル３から見て誘導加熱する総加熱面積は、電気導体１１の面積及び加熱コイル３から見て電気導体１１で覆われていない、スリット１２、１４や開口部１３上部の被加熱物８面積に、さらに加熱コイル３から見て電気導体１１に覆われている部分の被加熱物８の面積が加わることになる。電気導体１１は、加熱コイル３と被加熱物８との磁気結合を強める作用を有しているわけである。この加熱コイル３から見た総加熱面積の増加で、加熱コイル３の等価直列抵抗が大きくなり、同一出力を得る場合の加熱コイル３に流す電流を小さくすることができ、被加熱物８に作用する浮力が低減する。

図３に、電気導体１１の厚みと、加熱コイル３の等価直列抵抗の関係を、アルミニウム製の鍋を被加熱物８として加熱状態と同様の位置配置で測定した場合（図３（ａ）で示す）と、被加熱物８がない場合（図３（ｂ）で示す）について、測定結果の一例を示している。ただし、加熱コイル３の高周波電流周波数は約７０ｋＨｚである。

図３（ｂ）に示すように、被加熱物８がない場合、電気導体１１の厚みが０（ない状態）から１０μｍまでは等価直列抵抗は単調増加し、電気導体１１厚みが１０μｍ以上では単調減少している。アルミニウムにおける誘導電流の浸透深さδ＝約３００μｍを越える領域では、等価直列抵抗はほぼ一定の値となっている。

これは、被加熱物８の代わりに電気導体１１が加熱対象となっているためと考えられる。アルミニウム製の電気導体１１の電気伝導率をσ、厚みをｔ、電気導体１１における誘導電流の浸透深さをδとしたとき、電気導体１１厚みがδよりも小さい場合には、電気導体１１の表皮に流れる誘導電流から見た高周波抵抗Ｒｓ（以下単に表皮抵抗と呼ぶ）は、Ｒｓ＝１／（ｔ・σ）で定義される。つまり厚みｔに対して表皮抵抗は反比例の関係にある。また電気導体１１厚みがδよりも大きい場合には、Ｒｓ＝１／（δ・σ）で定義され、表皮抵抗は一定値となる。

電気導体１１の厚みが０（ない状態）から１０μｍまでは、電気導体１１の厚みが十分小さく、表皮抵抗が理論上非常に大きくなる。つまり、絶縁体に近い状態となり、加熱コイル３から発生する磁界も容易に通過するため、電気導体１１がないのとほぼ同じ状態となる。加熱コイル３の等価直列抵抗は、被加熱物８及び電気導体１１がない状態の加熱コイル３自身の高周波抵抗と、近傍のフェライト４の高周波抵抗などの合成抵抗とほぼ同じとなって小さい値となるが、電気導体１１の厚みが増すにつれ、単調増加する。

電気導体１１の厚みが１０μｍ以上３００μｍ以下の領域では、電気導体１１の表皮抵抗減少の影響により、加熱コイル３の等価直列抵抗も電気導体１１の厚みとほぼ反比例の関係で単調減少する。電気導体１１の厚みが３００μｍ以上の領域では、電気導体１１の表皮抵抗が一定となるため、加熱コイル３の等価直列抵抗もほぼ一定値となる。

一方、図３（ａ）に示すように被加熱物８がある場合には、電気導体１１の厚みが０から１５μｍまでは等価直列抵抗は単調増加し、ピークをもつ。電気導体１１の厚みが、１５μｍから２００μｍになるまで等価直列抵抗は単調減少し、最小となる。電気導体１１の厚みが１２００μｍまで等価直列抵抗は再度単調増加する。

電気導体１１の厚みが１５μｍで加熱コイル３の等価直列抵抗が持つピークは、被加熱物８がない場合の図３（ｂ）と同様に、電気導体１１の厚みが十分小さく、電気導体１１表皮抵抗が大きい状態となってほぼ絶縁体と見なされる領域と、ある程度厚みが増加して電気抵抗表皮抵抗が減少する領域とのバランスによって生じると考えられる。

また視点を変えると、先に述べたように、電気導体１１を浸透、通過した磁界による、見かけの総誘導加熱面積の増加作用は、電気導体１１の厚みが１５μｍで最大になってい
ると言える。

また、電気導体１１の厚みが１５μｍ以上での領域については、電気導体１１の厚みが増加するために、電気導体１１の表皮抵抗が単調減少していく。さらに、電気導体１１内部に誘導電流が流れやすくなるため、加熱コイル３から発生する磁界をある程度遮蔽し、加熱コイル３から見た総加熱面積が減少する。つまり、加熱コイル３の等価直列抵抗が減少する。

その一方で、小さい表皮抵抗で誘導電流を流しやすい状態となる電気導体１１が、加熱コイル３から見て近い位置に配置されているため、加熱コイル３と電気導体１１の磁気結合は強く、加熱コイル３の等価直列抵抗を増加させる作用もあわせて生じる。

十分厚い電気導体１１は、加熱コイル３から発生する磁界を遮蔽するが、一部の磁界は、電気導体１１を迂回して電気導体１１の加熱コイル３と反対側面を誘導加熱するため、電気導体１１の表皮深さ約３００μｍを越えても、加熱コイル３の等価直列抵抗は増加する。したがって、電気導体１１の厚みが２００μｍで加熱コイル３の等価直列抵抗は最小点を持つと推定される。ただし、電気導体１１の厚みが一定以上となれば、加熱コイル３の等価直列抵抗はほぼ一定値となる。

発明者らは、詳細な検討の結果、電気導体１１の厚みが約１５μｍで、加熱コイル３の等価直列抵抗が最大となるポイントを見出した。そのため、同一出力を得る場合の加熱コイル３に流す電流を小さくすることができ、被加熱物８に作用する浮力が低減する。なお、発明者らの実験により、電気導体１１が誘導電流の浸透深さより薄くても厚くても、加熱コイル３の等価直列抵抗が同じであれば、同様の加熱コイル３の電流低減効果、浮力低減効果が得られることを確認した。

また、誘導加熱装置として目標とする浮力に対して、加熱コイル３の等価直列抵抗はほぼ一意に決定されるため、電気導体１１の厚みを所定の加熱コイル３の等価直列抵抗を得るべく、変更することが可能である。従って、ある程度、被加熱物８に対して働く浮力が容認される場合には、本実施の形態の加熱構成では、電気導体１１厚みを１５μｍより小さくまたは大きく設定することで所定の浮力となる誘導加熱装置が得られる。

なお、本実施の形態では、電気導体１１の厚みを約１５μｍとしたが、ものづくりの観点からある程度製造バラツキも生じる。実用的には、電気導体１１の厚みを１０μｍから３０μｍとしており、ほぼ同じような加熱コイル３の等価直列抵抗が得られる。同様に、被加熱物８に対して働く浮力も低減可能である。

また、従来、誘導加熱を行う際に、被加熱物８と加熱コイル３間に誘導電流が流れ得る非常に薄い電気導体１１を設けるという発想はなかった。

従来の技術では、非常に薄い電気導体１１を加熱コイル３の上部に近接して設け、コンデンサ１９を介して商用電源電位、インバータの入力電位となる電源電流整流器の出力電位、またはアース電位に接続し、加熱コイル３から使用者に漏洩するリーク電流を低減する構成とする場合がある。

しかしながらそのような場合、電気導体１１に誘導電流を流すと発熱することが分かっていたため、電気導体１１内の誘導電流及び発熱を抑制すべく、加熱コイル３の等価直列抵抗を変化させないよう、電気導体１１の材質、形状などを設計していた。つまり、厚みを極端に薄くする、電気伝導率の低い材料を使用するということである。

従って従来の技術の延長では、非常に薄く構成した電気導体１１内に誘導電流を誘起させて、被加熱物８に流れる誘導電流分布を変える作用、加熱コイル３の等価直列抵抗の増加作用、加熱コイル３電流の低減作用、または被加熱物８に働く浮力の低減作用は得られなかった。

図４は、従来の技術による漏れ電流を抑制するために非常に薄い電気導体１１を設けた場合、及び本実施の形態による電気導体１１を設けた場合の加熱コイル３の等価直列抵抗を示している。加熱コイル３の等価直列抵抗が大きくなれば、同一出力時の被加熱物８の加熱に必要となるコイル電流を抑制することが可能であり、発生する磁界も少ない。そのため、被加熱物８内に発生する誘導電流も少なく、結果として反発磁界が弱まることになる。

図４に示す通り、従来の漏れ電流を抑制することだけを目的とした電気導体１１は、加熱コイル３の等価直列抵抗を増加させる効果がない。これは、前述のように、電気導体１１内部に誘導電流を流さなくても、電気導体１１が電極として加熱コイル３と被加熱物８間に存在し、漏れ電流を定電位に流せばよいためで、電気導体１１内部に誘導電流を流さないような構成（例えば、電気伝導率の低い材質を使用する、表皮抵抗が十分高くなるよう厚みを調節するなど）をしているからである。従って、電気導体１１内部に誘導電流を流し、電気導体１１を発熱させるという発想に達する事がなかった。

一方で、本実施の形態による電気導体１１を設けた場合は、電気導体１１内部に誘導電流を流す構成としているため、加熱コイル３の等価直列抵抗が増加し、被加熱物８に働く浮力を低減する機能を持つ。

さらに、電気導体１１が薄いため、加熱コイル３から発生した高周波磁界は電気導体１１を浸透、通過する。つまり、加熱コイル３からの磁界を通過させないほどの反発磁界を発生させる大きなエネルギー、すなわち大きな誘導電流は、電気導体１１内部には発生しないということであり、電気導体１１の厚みが大きい場合に比べて、電気導体１１の発熱による損失を低減し、加熱コイル３近傍の冷却が容易になる。また、被加熱物８に伝達する電力を大きくし、加熱効率を向上させることが可能である。

また、電気導体１１には、スリット１２、１４を設けている。スリット１２は、加熱コイル３から発生する磁界によって誘起され、加熱コイル３の電流の流れる方向と略平行に流れる電気導体１１内部の誘導電流の分布を制限する周回電流制限手段となるものである。図５は、電気導体１１内部に流れる誘導電流を示す図であり、スリット１２がない場合（図５（ａ））、スリット１２がある場合（図５（ｂ））を表したものである。説明を簡略化するため、スリット１４がない形状で、電気導体１１を示している。

図５（ａ）のように、スリット１２がない場合、加熱コイル３から発生する磁界によって、電気導体１１内部に大きなループで、同心円状となる誘導電流が発生する。この誘導電流は、特に加熱コイル３の内周部と外周部との中間部分に大きく流れるよう分布し、大きな発熱を生じさせる。しかしながら、図５（ｂ）のように、スリット１２を設けることによって、ループとなる誘導電流は抑制されるため、電気導体１１の発熱を抑制することが可能となる。

また、加熱コイル３と被加熱物８の間に設けられる電気導体１１が、連続した大きなリング形状をしている場合、被加熱物８の大きさによって大きく特性が変化する。例えば、被加熱物８を含む加熱コイル３のインダクタンスが、リング状の電気導体１１の影響を受けるため、被加熱物８の大きさによっては大きく変化し、インバータ設計が困難となる。しかしながら、本実施の形態では、電気導体１１の中央部の開口部１３から最外部に渡る
スリット１２が設けられているために、インダクタンスの変化などがあまり生じず、インバータ設計への影響が少なく、設計が容易になる。

さらに、図２に示すように、電気導体１１の内周、外周部にスリット１４を設けている。フェライト４の直上に相当する部分は、フェライト４の磁界集中効果によって、特に局部的に誘導電流が流れ、加熱されやすい部分である。しかしながら、局部誘導電流制限手段となるスリット１４が設けられており、効果的に誘導電流の抑制がなされ、電気導体１１の発熱が抑えられることになる。結果として、損失が少なく、加熱効率を高めることが可能となる。

また、電気導体１１から見て、加熱コイル３の最内周又は最外周とフェライト４の方向が交差する点近傍に第２の開口部１５を設ける構成としている。

加熱コイル３の端部とフェライト４が交差する点は特に磁界が集中する部分である。加熱コイル３の端部のフェライト４を、被加熱物８の方向へ立ち上げている場合には、その傾向が顕著である。磁界が集中する部分では、誘導電流を多く流そうとする作用が働く。しかしながら、本実施の形態では、第２の開口部１５を設け、局部的に誘導電流が流れないようにしているため、電気導体１１の発熱が抑制され、損失を低減することができる。つまり、第２の開口部１５は、スリット１４と同様に局部誘導電流制限手段の役割をなす。

また、電気導体１１の一部からは、幅２ｍｍ程度と細く、他の部分に比べ熱抵抗が大きい部分１７が延びており、導電性のシールなどでリード線１８と電気的に接続され、さらにリード線１８が、コンデンサ１９を介して商用電源電位あるいは加熱コイル３に高周波電流を供給するインバータ（図示せず）の入力する商用電源を整流した電位あるいは大地に接続されているので、加熱コイル３から使用者に漏洩する漏れ電流を低減することができる。

浮力抑制の役割を持つ電気導体１１を定電位に電気的に接続しているため、漏れ電流の抑制も同時に行うことが可能となる。また、漏れ電流抑制構成を、加熱コイル３と被加熱物８間に別途設ける必要がないために、加熱コイル３と被加熱物８との間の距離を縮めることができ、加熱効率向上も可能になる。さらに電気導体１１と定電位部分との接続は、熱抵抗が大なる部分１７を介して行われるため、電気導体１１の発熱が他の部分へ与える影響を抑えることができる。

使用者に対して、本体１の運転状態、例えば加熱中であることを報知するための発光部５は、発光ダイオード６と、アクリル板などからなる導光板７で構成されている。加熱中には、回路（図示せず）から発光ダイオード６に電流が供給され、発光する。発光ダイオード６方向は、略ドーナツ状の導光板７に対して、ほぼ接線となるよう配置されているため、発光ダイオード６からの光は、導光板７に入射すると導光板７端部で反射を繰り返しつつ、導光板７内部を伝達する。したがって、使用者からは導光板７全体が点灯しているように見え、加熱中であることを容易に認識できる。

また、本実施の形態においては、電気導体１１が加熱コイル３外径よりも大きく、φ２２０ｍｍに設定されているため、導光板７を覆い隠す構成となる。しかしながら、導光板７に対向する部分に、幅１ｍｍ程度の細かなスリット群２０を形成されているため、使用者は、導光板７の点灯状態をスリット群２０から透過する光で容易に視認することが可能となる。

また、第２のサーミスタ１０が当接するトッププレート２の部分の電気導体１１には第
３の開口部１６が設けられ、第２のサーミスタ１０が直接電気導体１１に触れないような構成になっているので、第２のサーミスタ１０は、比較的電気導体１１の発熱の影響を受けずに、被加熱物８の温度を検知することが可能となる。

また、電気導体１１は、トッププレート２の加熱コイル３側の面へ転写により、接合されているので、電気導体１１の発熱を熱伝導でトッププレート２に与えることは容易であるし、トッププレート２の上部に載置された被加熱物８に対しても同様である。このように、電気導体１１の発熱による損失の増加は、結果として被加熱物８に伝達され、電気導体１１の温度上昇を抑制し、被加熱物８の加熱効率を高めることができる。

なお、本実施の形態では、電気導体１１をトッププレート２に転写する構成としたが、これに限るものではなく、厚み１ｍｍ程度の薄い非磁性板によって電気導体１１を構成しても良い。また、例えば溶射や蒸着によって電気導体１１とトッププレート２を接合させても良い。また電気導体１１をアルミニウム製でなく銅製にして、トッププレート２にメッキ処理しても良い。

さらにトッププレート２の表面に、表面加工により微少な凹凸を構成し、電気導体１１とトッププレート２との接合性を高めても良い。物作りが容易で、低コストとなる電気導体１１材料を採用し、必要となる電気導体１１の厚みとすべく、適切な接合手段を選択すればよい。

また、電気導体１１は、トッププレート２に接合されているため、工場などでの組立時の取り扱いが容易である。

（実施の形態２）
図６は、本発明の実施の形態２における誘導加熱装置の要部概略断面図である。なお、上記第１の実施の形態と同一部分に付いては同一符号を付してその説明を省略する。

本実施の形態は、図６に示すように、加熱コイル３及びフェライト４の外周には、アルミダイキャストなどを材料とする防磁リング４１を設けたもので、その防磁リング４１はトッププレート２に当接されている。

また、電気導体１１は、厚さが約１５μｍのアルミニウム塗膜で形成され、トッププレート２の加熱コイル３側の面へ転写により、接合されている。電気導体１１の一部からは、幅２ｍｍ程度と細く、他の部分に比べ熱抵抗大となる部分１７が延びており、トッププレート２に当接されている防磁リング４１と電気的に接触している。

また、防磁リング４１には端子４２が設けられており、端子４２に接続されたリード線１８は、コンデンサ１９を介して商用電源電位あるいは加熱コイル３に高周波電流を供給するインバータ（図示せず）の入力する商用電源を整流した電位あるいは大地に接続される。

上記構成により、浮力抑制の役割を持つ電気導体１１を定電位に電気的に接続しているため、漏れ電流の抑制も同時に行うことが可能となる。また、漏れ電流抑制構成を、加熱コイル３と被加熱物８間に別途設ける必要がないために、加熱コイル３と被加熱物８との間の距離を縮めることができ、加熱効率向上も可能になる。さらに電気導体１１と定電位部分との接続は、熱抵抗が大なる部分１７を介して行われるため、電気導体１１の発熱が他の部分へ与える影響を抑えることができる。

加えて、加熱コイル３と防磁リング４１を含む周辺部品からなる加熱コイルユニット２
３に電気的に接続される構成としている。加熱コイルユニット２３に含まれるサーミスタ９、１０などの温度検知手段などには、それぞれリード線（図示せず）が接続されており、それらのリード線はコネクタを介してメイン回路基板（図示せず）と接続されている。

電気導体１１の定電位部分との接続も、加熱コイルユニット２３に電気的に接続してから、それらリード線群と同様にメイン基板内の定電位部分に接続すれば、構成が容易になり、組立性も向上する。

以上のように、本発明にかかる誘導加熱装置は、低透磁率かつ高電気伝導率の材料で形成された被加熱物を加熱することができるとともに、被加熱物に働く浮力を低減し、かつ損失の少ない誘導加熱装置を提供することができるので、誘導加熱調理器としてはもちろんのこと、アルミニウムや銅などの高電気伝導率かつ低透磁率材料を加熱する誘導加熱式湯沸かし器、誘導加熱式アイロン、またはその他の誘導加熱式加熱装置としても有用である。

本発明の実施の形態１における誘導加熱装置の要部概略断面図 同誘導加熱装置の加熱コイル側から見た電気導体の形状図 （ａ）被加熱物がある場合の同誘導加熱装置の電気導体の厚みと加熱コイルの等価直列抵抗の相関を示す図（ｂ）被加熱物がない場合の同電気導体の厚みと加熱コイルの等価直列抵抗の相関を示す図 同誘導加熱装置を含む各種電気導体構成における加熱コイルの等価直列抵抗を示す図 （ａ）スリットがない場合の同誘導加熱装置の電気導体内部に流れる誘導電流を示す図（ｂ）スリットがある場合の同電気導体内部に流れる誘導電流を示す図 本発明の実施の形態２における誘導加熱装置の要部概略断面図 従来の誘導加熱装置の要部斜視図 同誘導加熱装置の要部断面図 同誘導加熱装置の加熱コイルの等価直列抵抗と浮力の相関を示す図 同誘導加熱装置の加熱コイルの等価直列抵抗と加熱コイル電流値の相関を示す図 同誘導加熱装置の電気導体の厚みと被加熱物に作用する浮力の相関を示す図 同誘導加熱装置の電気導体の平面図

１ 本体
２ トッププレート
３ 加熱コイル
４ フェライト（磁性体）
７ 発光部
８ 被加熱物
９ 第１のサーミスタ（温度検知手段）
１０ 第２のサーミスタ（温度検知手段）
１１ 電気導体
１２ スリット（周回電流制限手段）
１３ 第１の開口部（開口部）
１４ スリット（局部誘導電流制限手段）
１５ 第２の開口部（局部誘導電流制限手段）
１６ 第３の開口部（開口部）
１７ 部分
２０ スリット

Claims (3)

1. 外郭を構成する本体と、前記本体の上部に設けられアルミニウム若しくは銅またはこれらと略同等以上の電気伝導率を有する低透磁率材料からなる被加熱物を載置するトッププレートと、前記トッププレートの下方に設けられ、約７０ｋＨｚの高周波電流が供給されて前記被加熱物を誘導加熱する加熱コイルと、前記加熱コイルと前記被加熱物との間に設けられた電気導体とを備え、前記電気導体は、アルミニウム製または銅製で、前記電気導体内部に誘起される誘導電流の作用により、前記加熱コイルにより発生する磁界と前記被加熱物に誘導される誘導電流により発生する磁界との反発力に起因して前記被加熱物に働く浮力を低減する浮力低減機能を有すると共に、前記電気導体の厚みを１０〜３０μｍとし、かつ、前記電気導体内の他の部分に比べ熱抵抗が大きい部分を介して定電位部分に電気的に接続するようにした誘導加熱装置。
2. 外郭を構成する本体と、前記本体の上部に設けられアルミニウム若しくは銅またはこれらと略同等以上の電気伝導率を有する低透磁率材料からなる被加熱物を載置するトッププレートと、前記トッププレートの下方に設けられ、約７０ｋＨｚの高周波電流が供給されて前記被加熱物を誘導加熱する加熱コイルと、前記加熱コイルと前記被加熱物との間に設けられた電気導体とを備え、前記電気導体は、アルミニウム製または銅製で、前記加熱コイルの等価直列抵抗を大きくすると共に、前記電気導体の厚みを１０〜３０μｍとし、かつ、前記電気導体内の他の部分に比べ熱抵抗が大きい部分を介して定電位部分に電気的に接続するようにした誘導加熱装置。
3. 加熱コイルとその周辺部品とで加熱コイルユニットを形成し、電気導体を、前記加熱コイルユニット内の定電位部分に接続するようにした請求項１または２に記載の誘導加熱装置。

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