JP4450780B2 - 誘導加熱調理器 - Google Patents

Description

この発明は、一般家庭で使用される誘導加熱調理器に関するものである。

誘導加熱調理器はスイッチング素子をオンオフし、加熱コイルと共振コンデンサを共振させることで、加熱コイルに高周波電流を発生させ、負荷を加熱している。
しかし、負荷の種類によって加熱コイルのインダクタンスが異なるため、加熱コイルと共振コンデンサの共振の仕方が異なり、負荷の種類によっては加熱コイルや共振コンデンサ、スイッチング素子などに大きな発熱が生じてしまう場合がある。
そういった場合には負荷への加熱を制限し、加熱コイルや共振コンデンサ、スイッチング素子などの発熱を制限している。
そのため、加熱コイルや共振コンデンサやスイッチング素子などに発熱が生じないように、負荷に応じて加熱コイルや共振コンデンサ、またはその両方を切り替えることを行っている。
例えば、特許文献１は加熱コイルのインダクタンスが大きい負荷（磁性材料）の場合は加熱コイルのターン数を減らし、加熱コイルのインダクタンスを低減させ、加熱コイルのインダクタンスが小さい負荷（非磁性材料）の場合は加熱コイルのターン数を増やし、加熱コイルのインダクタンスを増加させ、磁性材料と非磁性材料のどちらの場合でも加熱コイルのインダクタンスが同一となるようにしている。

特開２０００−４８９４５号公報

上記のように負荷によらない加熱を行うには共振回路を負荷に応じて切り替える必要があり、共振回路を切り替えるために共振回路切り替えスイッチが必要である。そして、共振回路切り替えスイッチには主にリレーが用いられるが、共振回路には大電流が流れるため共振回路切り替え用のリレーは大型のものを必要とし、また、大きな発熱が生じている。一般的に大電流パワー回路に使用されるリレーは電流の実効値が大きくなるほど体積が大きくなり、例えば２倍の電流実効値を流すには体積は２倍以上のものを必要とする。
この発明は、上記のような点に鑑み、誘導加熱調理器において、負荷の種類に拘わらず加熱を行え、共振回路の小型化と発熱の低減を図ることを目的とするものである。

この発明の誘導加熱調理器は、スイッチング素子からなるインバータ回路により加熱コイルと共振コンデンサとで形成される共振回路を励起すると共に、負荷の種類を検出する負荷検出回路の出力に応じて上記共振回路の回路接続を切り替える誘導加熱調理器において、上記共振回路にはそれぞれリレーを介して互いに並列接続される容量の異なる複数の共振コンデンサを設け、上記複数のリレーを同時に開閉制御すると共に、上記複数のリレーのうち、容量の小さい上記共振コンデンサに接続される小型のリレーを風上側に配置し、容量の大きい上記共振コンデンサに接続される大型のリレーを風下側に配置したものである。

この発明の誘導加熱調理器によれば、共振回路にはそれぞれリレーを介して互いに並列接続される複数の共振コンデンサを設けると共に、スイッチング素子のオンオフを停止した状態で負荷検出回路の出力に応じてリレーの切り替え動作を行うようにしたので、一つのリレーに局部的に電流が流れることを防ぎ、従来の大型リレーに代えて複数個の小型リレーを用いることができ、共振回路の小型化が図れると共に、リレーの発熱を低減できる。

実施の形態１．
図1は、この発明の実施の形態１を示す回路図で、商用交流電源１０に接続された整流回路１１と平滑コンデンサ１２、及びスイッチング素子３１，３１によって共振回路２０を励起するハーフブリッジ形のインバータ回路３０を備えている。
共振回路２０は、加熱コイル２１ａ，２１ｂと、共振コンデンサ２２ａ，２２ｂと、共振コンデンサ２２ａ，２２ｂにそれぞれ直列接続されたリレー２３ａ，２３ｂにより形成され、共振コンデンサ２２ａ，２２ｂはリレー２３ａ，２３ｂを介して互いに並列接続され加熱コイル２１ａ，２１ｂと協働して直列共振回路を構成する。
更に共振回路２０の出口端には電流トランス１８が設けられ、この電流トランス４０の出力は負荷検出回路５０に供給される。負荷検出回路５０は電流トランス４０の出力によって共振回路２０に流れる高周波電流の大きさを検出し、これにより加熱コイルのインピーダンスを判定し、その大きさによって鍋等の負荷１００の材質を判定する。この負荷検出回路５０の負荷判定結果は制御回路６０に入力され、制御回路６０はリレー２３a, ２３bのオンオフを制御、及び、インバータ駆動回路７０の制御を行う。

上記のような構成において、リレー２３ａ，２３ｂの接点をＡ側に切り替えた場合は、リレー２３ａと共振コンデンサ２２ａの直列接続体とリレー２３ｂと共振コンデンサ２２ｂの直列接続体とが並列に接続されたものと、加熱コイル２１ａの直列接続が形成され直列共振回路となる。
また、リレー２３ａ，２３ｂの接点をＢ側に切り替えた場合は、リレー２３ａと共振コンデンサ２２ａの直列接続体とリレー２３ｂと共振コンデンサ２２ｂの直列接続体とが並列に接続されたものと、両加熱コイル２１ａ，２１ｂの直列接続が形成され直列共振回路となる。
なお、共振回路２０のインダクタンスはリレー２３ａ，２３ｂの接点をＡ側に切り替えたとき小さく、接点をＢ側に切り替えたとき大きくなる。

ところで、このような構成において、リレー２３ａ，２３ｂを並列に接続すると接点抵抗のばらつきによって、電流が均等に分割されずに接点抵抗が小さい方のリレーに電流が集中してしまう場合がある。図２に示すように並列接続されたリレー２３ａ，２３ｂにそれぞれ流れる電流Ｉ_１，Ｉ_２は接点抵抗Ｒ_１，Ｒ_２の逆数比で分割される。
このため実施の形態１においては、図３に示すようにリレー２３ａ，２３ｂとコンデンサ２２ａ，２２ｂをそれぞれ直列に接続し、それらを並列に接続することで接点抵抗のばらつきによる電流集中を生じさせないようにしている。
並列接続されたリレー２３ａ，２３ｂとコンデンサ２２ａ，２２ｂの直列接続において、各リレー２３ａ，２３ｂの接点抵抗に生じる電圧Ｖ_Ｒ１,Ｖ_Ｒ２と各コンデンサ２３ａ，２３ｂに生じる電圧Ｖ_Ｃ１,Ｖ_Ｃ２の和は等しく、
Ｖ＝Ｖ_Ｒ１＋Ｖ_Ｃ１＝Ｖ_Ｒ２＋Ｖ_Ｃ２
の関係が成り立つ。
各コンデンサの両端に生じる電圧Ｖ_Ｃ１,Ｖ_Ｃ２はコンデンサに流れ込む電流が大きいほど速く増加し、コンデンサから流れ出る電流が大きいほど速く減少する。例えば、接点抵抗が小さい側のリレーに大きな電流が流れて、そのリレーと直列に接続されたコンデンサの電圧が増加するとリレーの接点抵抗に生じる電圧Ｖ_Ｒ１,Ｖ_Ｒ２は減少し、リレーに流れる電流は抑制される。
このため、各リレー２３ａ，２３ｂの接点抵抗が異なっていたとしても、上記の例のように、リレーと直列に接続されたコンデンサ２２ａ，２２ｂによって各リレーに流れる電流はバランスされ、各リレーに流れる電流の実効値は等しくなる。

また、リレー２３ａ，２３ｂには接点切り替わり時間のばらつきも生じる。並列に接続されたリレー２３ａ，２３ｂに電流が流れている場合に接点を切り替えようとすると接点の切り替わりが遅れたリレーにこれまで各リレーに分散されて流れていた電流が集中することになる。
誘導加熱調理器はスイッチング素子３１，３１をオンオフさせることで共振回路２０に高周波大電流を発生させているが、スイッチング素子３１，３１のオンオフを開始しなければ、共振回路２０には電流は流れない。そこで、リレー２３ａ，２３ｂの接点の切り替え動作をスイッチング素子のオンオフを停止した状態で行う。
すなわち、負荷１００への加熱を行う前に負荷検出回路５０の検出結果により負荷判別を行い、負荷に応じて共振回路２０を切り替えるが、この共振回路２０の切り替え時において、リレー２３ａ，２３ｂの接点の切り替わりは数十ms以内には行われるため、共振回路切り替え開始から数十ms以上時間が経過してからスイッチング素子３１，３１のオンオフを開始し、共振回路２１に電流を流し、負荷１００への加熱を開始する。負荷１００への加熱中に共振回路２０を切り替える場合にはスイッチング素子３１，３１のオンオフを一度停止し、この状態でリレー２３ａ，２３ｂを切り替え、共振回路切り替え開始から数十ms以上時間が経過し、リレー２３ａ，２３ｂの接点が完全に切り替わってからスイッチング素子３１，３１のオンオフを開始する。

以上のようにこの実施の形態１の加熱調理器によれば、加熱コイルと共に直列共振回路を形成する共振コンデンサを複数に分割し、それらをリレーと直列に接続することで、リレーの接点抵抗のばらつきによる電流集中を抑制するためのコンデンサの役割を持たせて一つのリレーに局部的に電流が流れることを防ぎ、これにより従来の大型リレーに代えて複数個の小型リレーを用いることが可能となり、共振回路の小型化が図れると共に、リレーの発熱を低減できる。
また、共振コンデンサを分割することで共振コンデンサに流れる電流も分割することができるため、リレーと同様に共振コンデンサ発熱も低減され、さらに発熱源が分散されるので局部的な発熱が生じない。

実施の形態２．
図４，図５は、実施の形態２として、異なる共振回路を用い負荷に応じて共振コンデンサの容量を切り替える場合の例を示す要部回路図である。
図４は、加熱コイル２１ｃに直列に共振コンデンサ２２ｃ，２２ｄ，２２ｅを接続した直列共振回路を示すもので、リレー２３ｄ，２３ｅの接点を開放している場合、共振回路２０は加熱コイル２１ｃと共振コンデンサ２２ｃの直列接続となり、リレー２３ｄ，２３ｅの接点を閉成している場合、共振回路２０は共振コンデンサ２２ｃと、リレー２３ｄが直列に接続されている共振コンデンサ２２ｄと、リレー２３ｅが直列に接続されている共振コンデンサ２２ｅとの並列接続と、加熱コイル２１ｃとの直列接続となる。
また、図５は、加熱コイル２１ｄに並列に共振コンデンサ２２ｃ，２２ｄ，２２ｅを接続した直列共振回路を示すもので、リレー２３ｄ，２３ｅの接点を開放している場合、リレー２３ｄ，２３ｅの接点を開放している場合、共振回路２０は加熱コイル２１ｄと共振コンデンサ２２ｃの並列接続となり、リレー２３ｄ，２３ｅの接点を閉成している場合、共振回路２０は共振コンデンサ２２ｄと、リレー２３ｄが直列に接続されている共振コンデンサ２２ｄと、リレー２３ｅが直列に接続されている共振コンデンサ２２ｅとの並列接続と、加熱コイル２１ｄとの並列接続となる。
なお、共振回路２０の容量はリレー２３ｄ，２３ｅの接点を開放している時は小さく、接点を接続している時に大きくなる。
このような共振回路を用いても、実施の形態1と同様の作用効果が得られる。

実施の形態３．
図６は、実施の形態３として、更に異なる共振回路を用い負荷に応じて共振コンデンサの容量を切り替える場合の例を示す要部回路図である。
図６において、リレー２３ｆ，２３ｇの接点をＣ側に切り替えた場合、リレー２３ｆが直列に接続されている共振コンデンサ２２ｆと、リレー２３ｇが直列に接続されている共振コンデンサ２２ｇの並列接続と、加熱コイル２１ｅとの直列接続が共振回路となる。
リレー２３ｆとリレー２３ｇの接点をＤ側に切り替えた場合、リレー２３ｆが直列に接続されている共振コンデンサ２２ｈと、リレー２３ｇが直列に接続されている共振コンデンサ２２ｉの並列接続と、両加熱コイル２１ｅ，２１ｆとの直列接続が共振回路となる。
このような共振回路を用いても、実施の形態1と同様の作用効果が得られる。

実施の形態４．
図７，８は実施の形態４を説明する図である。
図７に示すように、リレー２３ａ，２３ｂと直列に接続されたコンデンサ２２ａ，２２ｂの容量がそれぞれ異なる場合、各リレー２３ａ，２３ｂに流れる電流Ｉ_１，Ｉ_２の実効値はリレーと直列に接続されたコンデンサ２２ａ，２２ｂの容量Ｃ_１，Ｃ_２の比となる。そのため、共振コンデンサの容量を変えることで、複数のリレーの組み合わせを自由に選択することができる。これによって、筐体内構成、風路構成に応じて、複数のリレーと複数の共振コンデンサの大きさと発熱を選択できるため、実装の自由度が大きくなる。
すなわち、図８に示すように、回路を冷却するための風は矢印の方向に流れているとすると、同一大きさのリレーを用いる場合（図８ｂ）、風下側のリレー２３ｂには風が当たらず効率よく冷却が行えないが、風上側のリレー２３ａを小型のリレーとし、風下側のリレー２２ｂを大型のものとすることで両方のリレーに風を当てることができ、効率よく冷却が行える（図８ａ）。

なお、上記実施の形態１では共振回路を励起するインバータ回路として、ハーフブリッジ回路を用いる場合を示したが、これに代えて図９に示すフルブリッジ回路や図１０に示す電圧共振回路も用いることができる。
ハーフブリッジ回路とフルブリッジ回路は加熱コイルと共振コンデンサの直列接続を共振回路２０とし、電圧共振回路は加熱コイルと共振コンデンサの並列接続を共振回路２０とする。すなわち、共振回路は加熱コイルと共振コンデンサの直列接続、あるいは、並列接続となる。
また、上記各実施の形態において、共振回路の回路接続を切り替える複数のリレーの接点は同一の動作をさせるため、複数の接点と一つの操作コイルで構成し、複数の接点が同一の動作をするリレーを用いれば更に回路の小型化を実現することができる。

この発明の実施の形態１による誘導加熱調理器を示す回路構成図である。 実施の形態１の作用を説明するための図である。 実施の形態１の作用を説明するための図である。 この発明の実施の形態２における要部回路図である。 実施の形態２における要部回路構成図である。 この発明の実施の形態３における要部回路図である。 この発明の実施の形態４を説明する図である。 実施の形態４を説明する図である。 この発明に用いるインバータ回路の他の例を示す要部回路図である。 この発明に用いる電圧共振回路の例を示す要部回路図である。

符号の説明

１０ 商用交流電源
１１ 整流回路
１２ 平滑コンデンサ
２０ 共振回路
２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ，２１ｆ 加熱コイル
２２ａ，２２ｂ，２２ｃ，２２ｄ，２２ｅ，２２ｆ，２２ｇ，２２ｈ，２２ｉ 共振コンデンサ
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ，２３ｄ，２３ｅ，２３ｆ，２３ｇ リレー
３０ インバータ回路
３１ スイッチング素子
４０ 電流トランス
５０ 負荷検出回路
６０ 制御回路
７０ インバータ駆動回路

Claims (1)

1. スイッチング素子からなるインバータ回路により加熱コイルと共振コンデンサとで形成される共振回路を励起すると共に、負荷の種類を検出する負荷検出回路の出力に応じて上記共振回路の回路接続を切り替える誘導加熱調理器において、
   上記共振回路にはそれぞれリレーを介して互いに並列接続される容量の異なる複数の共振コンデンサを設け、上記複数のリレーを同時に開閉制御すると共に、
   上記複数のリレーのうち、容量の小さい上記共振コンデンサに接続される小型のリレーを風上側に配置し、容量の大きい上記共振コンデンサに接続される大型のリレーを風下側に配置した
   ことを特徴とする誘導加熱調理器。

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