JP4491983B2 - 誘導加熱コイル - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は一般家庭及びレストラン、あるいは工場などで使用される誘導加熱装置に使用される誘導加熱コイルに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来の誘導加熱装置の加熱構造を誘導加熱調理器を例に取り上げ、説明する。
【０００３】
図１４は従来の誘導加熱調理器の断面図で、１は高周波磁界を発生する加熱コイル、２は加熱コイル１から発生する高周波磁界によって誘導加熱される被加熱物、３は加熱コイル１に高周波電流を供給するインバータ回路で図には特に記載していないが、加熱コイル１と接続されている。４は被加熱物２がその上面に載置されるトッププレートでその材質はセラミックである。５は筐体、６は加熱コイル１を載置するコイル台、７は冷却ファンで、加熱コイル１、インバータ回路３を冷却風を送り、冷却する。このとき、筐体５の薄型化に伴い、冷却ファン７と加熱コイル１、インバータ回路３の位置関係は限定されることが多く、通常加熱コイル１、インバータ回路３の横方向から冷却風を送る構成となる。
【０００４】
加熱コイル１のコイル線は、直径０．３ｍｍ〜０．５ｍｍ程度の素線を３０本程度撚り合わせたもので構成（リッツワイヤ構成）されている。この撚りピッチは数ｃｍ程度で、それぞれの素線は１ターン中に数回被加熱物２の下面に対して上下の位置関係を繰り返す構成となっている。
【０００５】
加熱コイル１に供給される電流の周波数が高くなると、電流がコイル線の各素線表面近傍に集中する表皮効果のため、抵抗が増加して前記加熱コイル１の損失が増加するが、リッツワイヤ構成とすることで、コイル全体の表面積を増加させ、表皮効果による影響を低減させている。
【０００６】
一方、リッツワイヤを用いない簡易な構成で低損失の加熱コイル１を実現するために、複数枚の薄肉なリボン状電気導体を絶縁層を介して巻回する構成が公開特許公報昭６３−２５９９９１に提案されている。この方式の特徴は、リボン状電気導体の表面積は、リッツワイヤ素線に比べて大きいために、表皮抵抗の上昇及びコイル損失を抑える構造とすることができるということである。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、加熱コイル１の損失増加要因として、高周波電流の表皮効果に加えて近接効果が挙げられる。これは、近接する電気導体からの磁界の影響で電流分布が偏るものである。例えば渦巻き状の電気導体のある１ターンにおいて、近接する内周側ターンより外周側ターンの方が長いため、その影響を大きく受け、 電流分布が内周側に偏る。また、１ターン内においても、構成する各電気導体間の近接効果により、表面側に電流分布が偏る。つまり、図１５に示すような電流分布となる。この図において、色の濃さは流れている電流量で、色が濃いほど電流が多く流れていることを示している。
【０００８】
このとき、公開特許公報昭６３−２５９９９１に記載されているような、リボン状電気導体を用いた従来の方式では、積層した電気導体をただ巻回するだけであるため、表皮効果の影響は除去できるが、近接効果の影響により前記電流分布の偏りを改善することが出来ず、損失低減効果は大きくは望めないということがわかった。
【０００９】
本発明は上記従来の課題を解決するもので、損失を低減し、冷却が容易となる安価な加熱コイルを実現し、結果安価な誘導加熱装置を提供することを目的とするものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
前記従来の課題を解決するために、本発明の誘導加熱コイルは、断面が略長方形状あるいは略楕円形状の電気導体を複数、それぞれ他の電気導体と電気絶縁し、かつ、コイル径方向に積層した集合線を、渦巻き状に巻回されてなる誘導加熱コイルであって、
巻回中に前記集合線内における前記電気導体の位置をコイル外周側とコイル内周側とで入れ替わるように巻回されてなる構成としたものである。
これによって、高周波電流の特有の性質である、表皮効果と近接効果による、電気導体内部おける電流分布の不均一化と、集合線内における電流分布の不均一化をともに抑制するでき、低損失で安価な誘導加熱コイルを提供することが可能となる。
【００１１】
また、近接効果による集合線内における内周側電気導体への電流分布の偏集中を均一化し、損失を低減することができる。
【００１２】
【発明の実施の形態】
請求項１記載の発明は、断面が略長方形状あるいは略楕円形状の電気導体を複数、それぞれ他の電気導体と電気絶縁し、かつ、コイル径方向に積層した集合線を、渦巻き状に巻回されてなる誘導加熱コイルであって、巻回中に前記集合線内における前記電気導体の位置をコイル外周側とコイル内周側とで入れ替わるように巻回されてなることにより、従来のリッツ線に比較して絶縁された電気導体の表面積を大きくして、使用する電気導体の本数を減じること、あるいは導体を薄肉にして積層し、ブロック化することにより製造コストを低減することができ、また電流分布が均一な、低損失の誘導加熱コイルとすることができる。また、近接効果による集合線内における内周側電気導体への電流分布の偏集中を均一化し、損失を低減することができる。
【００１３】
請求項２記載の発明は、断面が略長方形状あるいは略楕円形状の電気導体を複数、それぞれ他の電気導体と電気絶縁し、かつ、コイル径方向および上下方向に積層した集合線を、渦巻き状に巻回されてなる誘導加熱コイルであって、巻回中に集合線内における前記電気導体の位置をコイル外周側とコイル内周側とで、および上方向と下方向とで入れ替わるように巻回されてなることにより、コイル巻き線相互の近接効果による高周波電流の偏在と、コイル面に対向して配設された負荷の影響による電流の偏在を緩和して損失低減効果を大きくすることができる。
【００１４】
【実施例】
以下本発明の実施例について、図面を参照しながら説明する。
【００１５】
（実施例１）
図１は、本発明の第１の実施例における誘導加熱コイルの要部断面図を示すものである。なお本体の構成は図１４に示す従来の誘導加熱調理器と同様であるので、本実施例では図１４の部品の番号を引用する。
【００１６】
図２は図１に示す電気導体積層線１１の拡大断面を示す図である。図２に示すように電気導体積層線１１は厚みが４０ミクロンメートルの銅材からなる断面が略長方形の薄肉の電気導体９Ａ，９Ｂ，９Ｃ，９Ｄがエナメル樹脂などの絶縁材料からなる絶縁層１０を介して積層された線材である。この電気導体積層線１１はリールにテープ状に巻かれ、複数枚の幅の広い金属箔が絶縁層を介して積層された積層部材をカットしてリボン状に作成することにより、コスト的に非常に廉価なものとすることができる。
【００１７】
次ぎに、この電気導体積層線１１を、渦巻き状に形成し加熱コイル１を形成する。 また、図１に示すように、電気導体積層線１１は、加熱コイルのコイル面と電気導体９Ａ，９Ｂ，９Ｃ，９Ｄの断面長手方向が略垂直になるよう配置され、コイル径方向に電気導体９Ａ〜９Ｄが積層された状態で、毎ターンに一度、電気導体９Ａと９Ｂ，電気導体９Ｃと９Ｂをそれぞれ対にして、内周側と外周側を入れ替える構成としている。（図１でＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄはそれぞれ電気導体９Ａ，９Ｂ，９Ｃ，９Ｄを示す。以下の実施例でも同様である）。
【００１８】
なお、上記でコイル面とは、図１においては、加熱コイルの上面であり、実際には電気導体積層線１１が巻回された面であるので、凹凸があるが、その凹凸を平均化して想定した面あるいは凸部含んで得られる包絡面を言う。（以下他の実施例でも同様とする。）
以上のように構成された加熱コイルについて、以下その動作、作用を説明する。 加熱コイル１にインバータ３から周波数が約８０ｋＨｚ高周波電流が供給されると、図１５のように近接効果による影響で、電気導体９Ａ〜９Ｄにおいて内周側に電流が集中しようとする。しかしながら、電気導体９Ａ〜９Ｄは厚みが４０ミクロンメートルと薄くかつ断面長手方向がその近傍の集合線の形成するコイル面と略垂直であり、それぞれ絶縁層１０で絶縁されているので電気導体９Ａ〜９Ｄ内においてはほぼ均一に電流が流れる。
【００１９】
また、電気導体積層線１１において電気導体９Ａ〜９Ｄに流れる電流を観測すると近接効果により、内周側の電気導体に電流が集中する傾向がある。しかしながら、本実施例においては、毎ターンに一度、加熱コイル１の内周側電気導体と外周側電気導体が入れ替わる構成としているので、電気導体積層線１１内における、近接効果による内周側電気導体への電流集中が抑制され平均化される。従って、加熱コイル１全体の高周波抵抗は低減され、低損失とすることが可能となる。
【００２０】
なお、本実施例において、絶縁層１０を電気導体９Ａ〜９Ｄ間に配置する構成としたが、これに限定されるものではなく、電気導体９Ａ〜９Ｄそれぞれの外面全体を被覆するものであれば、ターン間の絶縁も同時に可能とすることが出来る。
【００２１】
また、絶縁層１０をシリコーン系接着剤などの、接着と絶縁を兼ねる材料を用いることにより、電気導体９Ａ〜９Ｄの積層を容易とすることが出来る。
【００２２】
また、内周側電気導体と外周側電気導体の入れ替えは、上記では毎ターンに一度としたが、これに限定されるものではなく、一定のピッチで（例えば１０ｃｍ程度）行っても良い。その程度が多いほど損失低減効果が大きくなる傾向がある。
【００２３】
（実施例２）
図３は、本発明の第２の実施例における誘導加熱コイルの要部断面図を示すものである。
【００２４】
図３において、１２は電気導体積層線で基本構造は図２で示したものと同様であるので説明を省略する。実施例１の図１と異なるのは、毎ターンに一度、電気導体積層線１２をねじる構成としている点である。
【００２５】
以上のように構成することにより、実施例１と同様の効果を得るとともに、誘導加熱コイルの製造を容易にすることができる。
【００２６】
（実施例３）
図４は、本発明の第３の実施例における誘導加熱コイルの要部断面図を示すものである。
【００２７】
図４において、１３は電気導体積層線であり、実施例１の図２と比較すると、図２のものでは内外周方向（その近傍の電気導体積層線の形成するコイル面と略平行に）に電気導体を積層しただけであったがそれを上下（その近傍の電気導体積層線の形成するコイル面と略垂直）にも２段積層している点で異なり、また、実施例１の図１の構成と異なるのは、毎ターンに一度、電気導体の対（９Ａ，９Ｂ），（９Ｃ，９Ｄ），（９Ｅ，９Ｆ），（９Ｇ，９Ｈ）を対角状に入れ替え、すなわち、内外周入れ替え、上下の入れ替えをともに行う構成としている点である。当然のことながら上下の電気導体は絶縁されている（以降の実施例でも同様である）。本実施例では、電気導体積層線１１の周囲に、絶縁層が設けられている（図示はしていない）。
【００２８】
以上のように構成することで、実施例１よりも電気導体の総断面積を増加させるとともに、内外周方向の入れ替えを行うことで他の巻き層との間の近接効果により内周方向に電流分布が偏るのと、上方に被加熱物が配置されたときに上方（被加熱物側）に電流分布が偏るのを同時に防止するという作用により電流分布を平均化できるので加熱コイル１全体の高周波抵抗を下げ低損失化することができる。
【００２９】
（実施例４）
図５は、本発明の第４の実施例における誘導加熱コイルの要部断面図を示すものである。
【００３０】
図５において、１４は電気導体積層線で基本構造は実施例４の図４で示したものと同様であるが、図４と異なる点は毎ターンに一度、内周側電気導体の対と外周側電気導体の対の入れ替えを行い、かつ全体をねじる構成として、内外周入れ替え、上下の入れ替えを行う構成としている点である。
【００３１】
以上のように構成することにより、実施例４と同様の効果を得ることができるとともに、加熱コイル１の外形が大きくなることなく、容易に製造で可能な加熱コイルを提供することができる。
【００３２】
（実施例５）
図６は、本発明の第５の実施例における誘導加熱コイルの要部断面図を示すものである。
【００３３】
図６において、１５は電気導体積層線で基本構造は実施例４の図５で示したものと同様であるが、図５と異なる点は毎ターンに一度、積層された前記電気導体１５全体をねじることにより、内周側電気導体と外周側電気導体の入れ替えと、上段側電気導体と下段側電気導体の入れ替えを、同時に行う構成としている点である。
【００３４】
以上のように構成することにより実施例３または４と同様に、加熱コイルの損失低減効果が得られる上、加熱コイル外形が大きくなることなく、容易に製造することの可能な誘導加熱コイルが得られる。
【００３５】
（実施例６）
図７は、本発明の第６の実施例における誘導加熱コイルの全体断面図を示すものである。
【００３６】
図７において、１６は電気導体積層線であり、実施例３の図４とは、図７のものでは上下方向に３段積層し、また、毎ターンに一度、内周側と外周側の電気導体の対を入れ替えるとともに、上段と中段を入れ替えている点で異なる。
【００３７】
以上のように構成されることにより、上下に積層される段が増えると、被加熱物の影響と巻き線間の近接効果で、上方および内周側が最も電流集中しやすく、中段および外周側が最も流れにくい傾向があるが内周側電気導体と外周側電気導体の入れ替えに加え、上段電気導体と中段電気導体の入れ替えにより、電流が流れにくい中段外周側電気導体にも電流が流れやすい構成となるため、電気導体積層線１６内の電流の均一化を図ることができ前記電気導体１６の抵抗は低減され、低損失とすることが可能となる。
【００３８】
なお、本実施例において、上段電気導体と中段電気導体を入れ替える構成としたが、これに限定するものではなく、下段と中段、上段と中段及び中段と下段の組み合わせであってもよい。
【００３９】
（実施例７）
図８は、本発明の第７の実施例における誘導加熱コイルの要部断面図を示すものである。
【００４０】
図８において、１７は電気導体積層線であり、実施例６の図７のものとは、基本的に同じであるが、毎ターンに一度、電気導体積層線１７の上中段全体をねじり、下段は単独でねじる構成としている点で異なる。
【００４１】
以上のように誘導加熱コイルを構成することにより、上中段の内周側電気導体と外周側電気導体の入れ替えと、上段電気導体と中段電気導体の入れ替えを、積層された前記電気導体１７の上中段全体をねじることで行うため、実施例６と同様の効果を得ることができ、容易に製造することが出来る。
【００４２】
（実施例８）
図９、図１０は、本発明の第８の実施例における誘導加熱コイルの断面図と側面図を示すものである。
【００４３】
図９において、１８は電気導体積層線であり、実施例７の図８の構成と基本的の同じであるが、本実施例では図１０にも示すように、毎ターンに一度元の位置関係となるよう電気導体の対を旋回させて巻回する構成としている。
【００４４】
以上のように誘導加熱コイルを構成することにより、複数の積層された前記電気導体積層線１８を旋回させながら巻回しているので、近接効果による電流分布の偏りを抑える効果が高まり、前記電気導体積層線１８を構成する電気導体に流れる電流は平均化される。従って、加熱コイル１全体の高周波抵抗は低減され、低損失とし、製造も容易となる。
【００４５】
なお、本実施例において、電気導体積層線１８は、電気導体２本で構成されるブロックを内外周方向に２ブロック、上下方向に３ブロックとして構成したが、これに限定するものではなく、ブロックの構成する電気導体の数、あるいはブロック数は設計条件に応じて任意に選定することができる。ブロック数が多いほど損失低減効果が高まる。
【００４６】
また、電気導体積層線１８は整列して積層する必要はなく、絶縁された略長方形あるいは略楕円の断面を有する電気導体の長手方向がその近傍の電気導体積層線の形成する加熱コイル面に略垂直になっており旋回するように巻回されて加熱コイルを構成すれば、上記実施例の奏した効果と同様の効果を得ることができる。
【００４７】
（実施例９）
図１１は、本発明の第９の実施例における誘導加熱コイルの要部断面図を示すものである。
【００４８】
図１１において、２０は電気導体積層線であり、実施例１の図２の構成と基本的の同じであり、本実施例では毎ターンに一度、内周側電気導体対と外周側電気導体対を入れ替え、さらに、同一径で上下に２ターン巻回し、同一径となるターン間は距離を空ける構成としている。
【００４９】
以上のように構成された誘導加熱コイルにおいて、近接したターン間距離を大きくすることが可能となり、ターン間の影響を抑え、さらに低損失とすることが出来る。
【００５０】
なお、本実施例において、同一径となるターン間は空気層としているが、絶縁を可能とする層であればよい。また、同一径となるターン間距離は、最近径ターンとの距離の半分以上であれば損失低減効果が高い。
【００５１】
図１２は、上記実施例における誘導加熱コイルの電気導体１層厚み−加熱コイル損失相関を示すものである。
【００５２】
図１２において、横軸は電気導体１層の厚み、縦軸はある電流周波数における加熱コイル損失を示している。電気導体１層の厚みを薄くしていくことにより、加熱コイル損失が低減されていき、最終的には高周波電流による影響である表皮効果、近接効果をほぼなくすことが可能となる。発明者の実験により、表皮効果および近接効果の影響のなくなる電気導体の最大厚みと電流周波数の関係をプロットすると図１３に示すようになり、電気導体１層の厚み［μｍ］＝１２０［μｍ］−電流周波数［ｋＨｚ］とすれば表皮効果、近接効果をほぼなくすことが可能となる。
【００５３】
実際機器に加熱コイルの構成部材として上記の構成にして使用する上で、電気導体の厚みを、薄くすれば製造コストが増え、厚くすれば加熱コイルの熱損失が増え形状も大きくなるので、上記の計算式で決まる厚みの略プラスマイナス３０％の範囲内で使用するのが効果的である。
【００５４】
なお、近接効果の影響をほぼなくすことができることから、従来リッツワイヤ同等の損失低減で十分冷却出来る場合には、電気導体１層の厚みを、リッツワイヤ素線１本の直径と同じとすれば、リッツ線の断面積に対する電気導体の断面永手方向の長さで決まる断面積の比率に比例して、リッツ線が増えたのとほぼ等価となる。したがって、電気導体の本数を低減でき、製造工程において電気導体が断線しにくくなることなどから、製作スピードを上げることも可能となり、製造コストを大幅に低減できる。
【００５５】
また、薄膜化により絶縁層を介して積層できること（ブロック化を含む）、あるいは断面積を増やすことができることから、線材の切断強度が増すので、材料としてアルミなどが使用でき、電気導体材料の低減化も図ることができる。
【００５６】
なお、実施例１〜９において電気導体積層線の電気導体を２本の対で位置を変えるていたが、これに限るものではなく、１本あるいは３本以上を１ブロックとしてもよいし、すべてのブロックを同一本数にする必要もない。
【００５７】
また、実施例１〜９において毎ターンに１度電気導体の位置を変えたが、位置を変える度合いはこれに限らず、集合線が所定の間隔を巻かれるごとに位置を変えても良く、多いほど電流の均一効果は大きくなる傾向がある。また、連続的に位置が変わっても良いし、所定の距離あるいは角度巻かれるまで、位置を変えないなど、電気導体の断面長手方向がコイル面に略垂直であれば電気導体の位置を変える方法を限定するものではない。
【００５８】
なお、上記の実施例では、平板状の加熱コイルで説明したが、これに限定されるものではない。集合線の形成するコイル面が曲面であっても良いのは言うまでもない。また、コイル全体にこの構成を採用せず、特定の巻き線部分にこの構成を採用して本発明の効果を奏するようにしてもよい。例えば、コイル面が平面と曲面を有する場合、曲面部分にのみ本発明の構成を適用して電気導体の断面長手方向がその電気導体近傍の集合線の形成するコイル面に略垂直としても良いし、逆に平面部分のみ本発明の構成を採用すれば、その部分について上記実施例で説明した損失低減効果を得ることができる。
【００５９】
また、上記でコイル面とは、集合線表面で形成されるので、通常凹凸があるので、その凹凸を平均化して想定される面あるいは凸部の頂部で形成される包絡面をいう。
【００６０】
なお、上記１〜９の実施例では電気導体積層線で集合線を形成したが、断面が円形の絶縁線を圧延して、薄肉の電気導体としてもよい。この場合には、電気導体が絶縁されているので電気導体間の絶縁が容易にできるので製造が簡単になる。またその電気導体を複数積層してブロック化し、接着剤あるいは、融着層を有するものを使用して電気導体間を接着して、これを集積して集合線とすれば製造が容易となる。
【００６１】
【発明の効果】
以上のように、請求項１〜２に記載の発明によれば、簡易な構成で、電気導体間の電流
偏りを抑え、加熱コイルの低損失化を図り、安価な誘導加熱コイルを得ることが出来る。また、近接効果を抑制する効果が高いのでアルミや銅製の被加熱物を誘導加熱する誘導加熱コイルとして使用すれば加熱コイル部での損失を大幅に低減でき、機器への実装が容易となるものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施例１における誘導加熱コイルの部分断面図
【図２】 本発明の実施例１における誘導加熱コイルを構成する電気導体積層線の断面図
【図３】 本発明の実施例２における誘導加熱コイルの要部断面図
【図４】 本発明の実施例３における誘導加熱コイルの要部断面図
【図５】 本発明の実施例４における誘導加熱コイルの要部断面図
【図６】 本発明の実施例５における誘導加熱コイルの要部断面図
【図７】 本発明の実施例６における誘導加熱コイルの要部断面図
【図８】 本発明の実施例７における誘導加熱コイルの要部断面図
【図９】 本発明の実施例８における誘導加熱コイルの要部断面図
【図１０】 本発明の実施例８における誘導加熱コイルを構成する電気導体積層線の側面図
【図１１】 本発明の実施例９における誘導加熱コイルの要部断面図
【図１２】 本発明の実施例９における誘導加熱コイルの電気導体１層厚み−加熱コイル損失相関グラフ
【図１３】 表皮効果と近接効果をほぼなくせる厚みと周波数の関係を示す図
【図１４】 従来の誘導加熱装置の概略構成を示す断面図
【図１５】 従来の誘導加熱コイルにおける電気導体内の電流分布を示す図
【符号の説明】
９Ａ，９Ｂ，９Ｃ，９Ｄ 電気導体
１１〜２０ 電気導体積層線（集合線）

Claims (2)

1. 断面が略長方形状あるいは略楕円形状の電気導体を複数、それぞれ他の電気導体と電気絶縁し、かつ、コイル径方向に積層した集合線を、渦巻き状に巻回されてなる誘導加熱コイルであって、
   巻回中に前記集合線内における前記電気導体の位置をコイル外周側とコイル内周側とで入れ替わるように巻回されてなる誘導加熱コイル。
2. 断面が略長方形状あるいは略楕円形状の電気導体を複数、それぞれ他の電気導体と電気絶縁し、かつ、コイル径方向および上下方向に積層した集合線を、渦巻き状に巻回されてなる誘導加熱コイルであって、
   巻回中に集合線内における前記電気導体の位置をコイル外周側とコイル内周側とで、および上方向と下方向とで入れ替わるように巻回されてなる誘導加熱コイル。

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