JP4497237B2 - 誘導加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は一般家庭やレストラン及びオフィス、あるいは工場などで使用される加熱調理
器等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を誘導加熱調理器を例に取り上げて説明する。被加熱対象となる鍋等の材質を検知し、その材質に応じてインバータ回路内の電気的パラメータを切り替え、材質に適したインバータ動作を実現させているものがある（例えば、特許文献１、２参照）。
特開２００３−１５１７４７号公報 特開２００３−２５７６１０号公報

しかしながら上記従来の構成は、インバータ回路が動作している時に、被加熱体の材質に応じて、所望の誘導加熱出力を得ると共に、インバータ回路内の電気部品の電気的責務や熱的責務が適正になる様にパラメータ切り替えを行っているのであって、インバータ回路非動作時に外部から印加される磁束の影響を考慮しているものではない。つまり、この誘導加熱調理器の上で別の誘導加熱調理器や誘導加熱式炊飯器、或いは誘導モータ機器等を使用した際に、上部の機器から漏洩してくる磁束を下部の従来例の誘導加熱調理器の加熱コイルが受け、インバータ回路内の、本来インバータ回路動作時に誘導加熱に必要な高周波電流が流れるべき電流経路に、誘導電流或いは誘導起電力が発生することにより、インバータ回路の構成部品である共振コンデンサ、スイッチング素子に、過大な電気的ストレスが印加され、信頼性の劣化を生じ、最悪はそれら部品が破壊してしまい、下部の誘導加熱調理器が使用不能になってしまう場合が生じるという課題を有していた。

また、この事態を避けるためにインバータ回路内部品の電気的許容値を大きくするという手法もあるが、それらの部品の汎用領域を逸脱するような許容値が必要となり、部品製造における歩留まり悪化やコストアップ、或いは製造不能となる場合が生じるという課題を有していた。

更に、加熱コイルのインダクタンス、共振コンデンサの静電容量を増減させて部品に印加される電気的ストレスを緩和することも不可能ではないが、そうした場合には、インバータ回路動作時のこれら部品の最適パラメータを選定する際の障壁となり、機器設計における負担増が危惧されるという課題を有するものであった。

本発明は上記課題を解決するもので、インバータ回路非動作時に機器外部から磁束を受け、インバータ回路に影響を与える場合であっても、この影響を受ける電流経路を遮断することにより、インバータ回路内の電子部品に電気的ストレスが印加することを、比較的簡単、且つ確実に防止して、安価で、使い勝手が良く、且つ信頼性の高い誘導加熱装置を提供することを第１の目的とする。

また、上記課題を解決するために設けた経路開放手段に関し、小型化、低コスト化、耐久性の確保、信頼性の確保を第２の目的とする。

上記第１の目的を達成するために、本発明の誘導加熱装置は、加熱コイルと共振コンデンサとスイッチング手段とを含み、交流電源を整流及び平滑した直流を、前記スイッチング手段を駆動することで高周波交流に変換し、前記加熱コイルと前記共振コンデンサと前記スイッチング手段とから成る電流経路に高周波電流を発生させることにより被加熱体を誘導加熱するインバータ回路を備え、前記スイッチング手段の一端に接続され、前記スイッチング手段がオンオフ駆動する時には導通して前記電流経路に前記高周波電流が発生す
るようにし、前記スイッチング手段がオンオフ駆動をしない時には非導通として前記スイッチング手段の一端を切り離し、前記電流経路を遮断して前記加熱コイルに外部から与えられる磁束により発生する誘導起電力が前記スイッチング手段に印加されないようにする経路開放手段を有する構成としたものである。

これによって、インバータ回路非動作時に機器外部から磁束を受け、インバータ回路に影響を与える場合であっても、この影響を受ける電流経路を経路解放手段が遮断することにより、インバータ回路内の電子部品に電気的ストレスが印加されることを抑制または防止できる。

また、スイッチング手段の一端を非導通とする構成とすることにより、本誘導加熱装置外部から加熱コイルに与えられる磁束によりインバータ回路内のスイッチング手段を介する電流経路に誘導起電力或いは誘導電流をインバータ回路非動作時には、遮断して誘起させず、一般的に半導体素子で構成され、加熱コイルや共振コンデンサに比して電気的ストレスに弱い、或いは高電気ストレス耐性にし難いスイッチング手段の電気ストレスを低減できる。加えて、一般的に、被加熱体を誘導加熱している際に各構成要素に流れる高周波電流値は、加熱コイル電流とスイッチング手段電流とを比較するとスイッチング手段電流が小さくなる（この小さくなる分は共振コンデンサに流れる）ので、経路開放手段の電流容量を小さくでき、経路開放手段の小型化、低コスト化を図ることが可能となる。

本発明の誘導加熱装置は、外部機器からの漏洩磁束によりインバータ回路が非動作時、その構成要素に不用意に電気的ストレスが印加されることによる機器の故障を、比較的簡素な構成の追加で、効果的に、緩和若しくは防止できる。

第１の発明は、加熱コイルと共振コンデンサとスイッチング手段とを含み、交流電源を整流及び平滑した直流を、前記スイッチング手段をオンオフ駆動することで高周波交流に変換し、前記加熱コイルと前記共振コンデンサと前記スイッチング手段とから成る電流経路に高周波電流を発生させることにより被加熱体を誘導加熱するインバータ回路を備え、前記スイッチング手段の一端に接続され、前記スイッチング手段がオンオフ駆動する時には導通して前記電流経路に前記高周波電流が発生するようにし、前記スイッチング手段がオンオフ駆動をしない時には、前記スイッチング手段の一端を切り離し、前記電流経路を遮断して前記加熱コイルに外部から与えられる磁束により発生する誘導起電力が前記スイッチング手段に印加されないようにする経路開放手段を有する構成とすることにより、インバータ回路動作時には、経路開放手段を閉じ、被加熱体を誘導加熱するのに必要な電流経路を確保して、スイッチング手段の導通時間または駆動周期、或いは導通比を駆動手段により可変させて加熱コイルに供給する高周波電流を変化させ、この高周波電流によって、加熱コイルから発生する高周波磁束により鍋等の被加熱体を誘導加熱すると共に、被加熱体への誘導加熱出力を制御することができ、また、インバータ回路非動作時には、経路開放手段を開くことでこの電流経路を遮断することができるので、本誘導加熱装置外部から加熱コイルに与えられる磁束、例えば本誘導加熱装置の加熱コイルに対向するようにして別の誘導加熱式機器や誘導モータ機器が載置され動作して本発明の誘導加熱装置の加熱コイルにこの漏洩磁束が交錯した場合等により、この電流経路が閉じている時であれば、発生する誘導起電力または誘導電流の発生を抑制または抑止可能となり、インバータ回路の構成要素であるスイッチング手段、共振コンデンサ、加熱コイル等に印加される電気的ストレスを軽減或いは皆無にできる。

また、発明の経路開放手段を、スイッチング手段の一端を電流経路から切り離し非導通とする構成とすることにより、本誘導加熱装置外部から加熱コイルに与えられる磁束によ
りインバータ回路内のスイッチング手段を介する電流経路に誘導起電力或いは誘導電流をインバータ回路非動作時には、遮断して誘起させず、一般的に半導体素子で構成され、加熱コイルや共振コンデンサに比して電気的ストレスに弱い、或いは高電気ストレス耐性にし難いスイッチング手段の電気ストレスを低減できる。加えて、一般的に、被加熱体を誘導加熱している際に各構成要素に流れる高周波電流値は、加熱コイル電流とスイッチング手段電流とを比較するとスイッチング手段電流が小さくなる（この小さくなる分は共振コンデンサに流れる）ので、経路開放手段の電流容量を小さくでき、経路開放手段の小型化、低コスト化を図ることが可能となる。

第２の発明は、加熱コイルと共振コンデンサとスイッチング手段とを含み、交流電源を整流及び平滑した直流を、前記スイッチング手段をオンオフ駆動することで高周波交流に変換し、前記加熱コイルと前記共振コンデンサと前記スイッチング手段とから成る電流経路に高周波電流を発生させることにより被加熱体を誘導加熱するインバータ回路を備え、前記加熱コイルの一端に接続され、前記スイッチング手段がオンオフ駆動する時には導通して前記電流経路に前記高周波電流が発生するようにし、前記スイッチング手段がオンオフ駆動をしない時には非導通として前記加熱コイルの一端を切り離し、前記電流経路を遮断して前記加熱コイルに外部から与えられる磁束により発生する誘導起電力が前記スイッチング手段に印加されないようにする経路開放手段を有する構成とする構成とすることにより、本誘導加熱装置外部から加熱コイルに与えられる磁束によりインバータ回路内の電流経路に誘導起電力或いは誘導電流をインバータ回路非動作時には、遮断して誘起させず、スイッチング手段、共振コンデンサ等のインバータ回路の構成要素に印加される電気的ストレスを低減できる。

以下、本発明の実施の形態について、誘導加熱調理器を例に取り上げ、図面に基づいて説明する。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は本発明の第１の実施の形態における誘導加熱装置の構成を示すブロック図である。

図１に示す誘導加熱調理器（誘導加熱装置）において、整流回路２は商用電源（交流電源）１を整流するブリッジ接続されたダイオードから成り、平滑回路３はチョークコイル３ａ及びコンデンサ３ｂから成り、インバータ回路（本実施の形態１では、１石の電圧共振型）４はスイッチング手段４ａと共振コンデンサ４ｂを含み、加熱コイル５はインバータ回路４から高周波電流を供給されることにより鍋等の被加熱体６に高周波交番磁界を印加して誘導加熱を行い、制御回路７はインバータ回路４の動作を制御するため、スイッチング手段４ａをオンオフ駆動し、スイッチング手段４ａの導通時間または駆動周期、或いは導通比を可変して加熱コイル５へ供給する高周波電流を制御する駆動手段８と、加熱コイル５と共振コンデンサ４ｂ、または加熱コイル５とスイッチング手段４ａ、或いは加熱コイル５と共振コンデンサ４ｂとスイッチング手段４ａから成る電流経路の少なくとも１つの導通・非導通を切り替える経路開放手段９と、使用者が被加熱体６への誘導加熱出力設定等を行うべくインバータ回路４の動作状態の設定を行うスイッチ等で構成された動作設定手段１０と、動作設定手段１０で設定した内容等をＬＥＤやＬＣＤで表示、またはブザーやスピーカ等で報知する報知手段１１と、商用電源１の停電を検知する停電検知手段１２と、インバータ回路４の動作異常を検知する異常検知手段１３と、経路開放手段９の異常を検知する接点異常検知手段１４とを備える。

尚、本第１の実施の形態では、まず、経路開放手段９を加熱コイル５とスイッチング手段４ａとの電流経路である、スイッチング手段４ａの高電位側に挿入した場合（経路開放時に、スイッチング手段４ａが低電位側になる場合）について説明する。他の場合につい
ては、後述する。

使用者が動作設定手段１０にて行ったインバータ回路４の誘導加熱出力等の設定を報知手段１１で使用者に報知すると共に、これに基づき、スイッチング手段４ａの導通時間を駆動手段８により可変させて加熱コイル５に供給する高周波電流を変化させ、この高周波電流によって、加熱コイル５から発生する高周波磁束により鍋等の被加熱体６を誘導加熱すると共に、被加熱体６への誘導加熱出力を制御することができる。

この時、使用者が動作設定手段１０でインバータ回路４の動作開始を設定するまでは、経路開放手段９は非導通状態であり、加熱コイル５とスイッチング手段４ａの電流経路を遮断し、誘導加熱調理器の外部から加熱コイル４ａに与えられる磁束、例えば本誘導加熱調理器の加熱コイル４ａに対向するようにして鍋等の被加熱体６の代わりに、別の誘導加熱式機器や誘導モータ機器が載置され、通電動作して本誘導加熱調理器の加熱コイル４ａに前記別の機器の漏洩磁束が交錯した場合等、によりこの電流経路が閉じている時であれば、この電流経路と、加熱コイル５と共振コンデンサ４ｂとで形成される電流経路により、スイッチング手段４ａの両端に発生する誘導起電力または誘導電流の発生を、電流経路の遮断により抑止し、インバータ回路４の構成要素であるスイッチング手段４ａに印加される電気的ストレスを皆無にし、一般的に半導体素子で構成され、加熱コイル５や共振コンデンサ４ｂに比して電気的ストレスに弱い、或いは高電気ストレス耐性にし難いスイッチング手段４ａの電気ストレスを低減できる。加えて、一般的に、被加熱体６を誘導加熱している際に各構成要素に流れる高周波電流値は、加熱コイル５の電流とスイッチング手段４ａの電流とを比較するとスイッチング手段４ａの電流が小さくなる（この小さくなる分は共振コンデンサ４ｂに流れる）ので、本実施の形態の挿入位置であれば、経路開放手段９の電流容量を小さくでき、経路開放手段９の小型化、低コスト化を図ることができる。

また、本実施の形態では、経路開放手段９には開閉式接点を用いた電磁式リレーを使用している。これは、経路開放手段９が開いている場合には、本誘導加熱調理器外部から加熱コイル５に与えられる磁束により誘起される起電力は、経路開放手段９の開放された両端に発生するため、経路開放手段９を開閉式接点にかえて半導体スイッチで構成すると、この半導体スイッチを、この誘導起電力に耐えうる高耐圧な許容値のものを使用しなくてはならず、スイッチング手段４ａを高耐圧許容値化するのと変わりなくなるが、一方、経路開放手段９を開閉式接点で構成すると、耐圧に関しては開放時の接点間距離を確保すると言う比較的簡単な手法で高耐圧が実現可能となるからである。

使用者が動作設定手段１０でインバータ回路４の動作開始を設定すると、経路開放手段９はこの電流経路を導通状態にし、動作開始を設定されてから約２秒後にインバータ回路４は動作開始する。この約２秒と言う時間は、経路開放手段９の動作時間とそのバラツキも含めた時間に対して、動作開始設定されインバータ回路４が動作開始するタイミングに十分余裕を持たせた時間であり、このため、経路開放手段９が確実に導通状態になった後にインバータ回路４が動作開始するようにして、経路開放手段９をインバータ回路４に電流が流れ始める前に、零電流スイッチング動作で接点を閉じて、経路開放手段９のスイッチング損失低減や接点の耐久性確保を容易にしている。

次に使用者が、動作設定手段１０にてインバータ回路４の動作停止を設定すると、駆動手段８がスイッチング手段４ａの駆動を停止することにより、インバータ回路４は停止し、動作停止を設定されてから約１秒後に経路開放手段９は非導通となる。この約１秒と言う時間は、動作停止設定されインバータ回路４が動作停止する時間に対して、経路開放手段９が非導通状態に動作開始する時間に対して、十分余裕を持たせた時間であり、このため、確実にインバータ回路４が停止した後に経路開放手段９が非導通状態になるようにし
て、経路開放手段９をインバータ回路４に電流が流れなくなった後に、零電流スイッチング動作で接点を開放して、経路開放手段９のスイッチング損失低減や接点のアーク発生等を防止し耐久性確保を容易にしている。

インバータ回路４が動作している時に、商用電源１に瞬時停電が発生すると停電復帰後にインバータ回路４の動作が不安定になるため、本実施の形態では、停電検知手段１２を設け、停電を検知すると一旦インバータ回路４の動作を停止し、停電から復帰したのを検知した後に、再度インバータ回路４を動作させるようにしている。一般的に、瞬時停電が発生した場合、停電復帰時に機器は可能な限り停電発生以前の状態に復帰できるよう、制御回路等の消費電流を抑えるため、負荷となっている表示回路のＬＥＤ等や電磁リレーの駆動等は停止するのであるが、本実施の形態の経路開放手段９の電磁リレーオンの駆動は停止しない。これは、インバータ回路４停止時、経路開放手段９に過渡的に流れている電流を遮断せずに、経路開放手段９の無い場合と同様の動作を継承してインバータ回路４の各構成要素での過渡的な発生電圧や流入電流は経路開放手段９が無い時と同等として、経路開放手段９が非導通になるタイミングの違いによるインバータ回路４の各構成要素での過渡的な発生電圧や流入電流の変化を無くして、インバータ回路４停止時の過渡的動作を常に一定なものとすると共に、停電は、通常すぐに回復するので、停電の開始から回復まで、経路開放手段９の不必要な導通・非導通を防止し、経路開放手段４を開閉接点式としている場合は開閉動作回数の抑制を図り、接点の耐久性、信頼性の確保を容易にしている。

なお、運転開始前あるいは電源が長時間電磁リレーに供給されない場合（例えば電源スイッチ切の場合）には電磁リレーの接点は開放されており、インバータ回路４は、遮断されるので、他の機器からの磁束の影響は抑止できる。

また、本実施の形態ではインバータ回路４の動作が不安定になり、スイッチング手段４ａの両端電圧をモニタしている異常検知手段１３がスイッチング手段４ａの両端電圧の異常上昇を検知するとインバータ回路４の動作を停止し、インバータ回路４の永久故障を防止している。インバータ回路４停止時、経路開放手段９に過渡的に流れている電流を遮断せずに、経路開放手段９の無い場合と同様の動作を継承してインバータ回路４の各構成要素での過渡的な発生電圧や流入電流は経路開放手段９が無い時と同等として、経路開放手段９が非導通になるタイミングの違いによるインバータ回路４の各構成要素での過渡的な発生電圧や流入電流の変化を無くして、インバータ回路４停止時の過渡的動作を常に一定なものとすると共に、インバータ回路４の動作を一旦停止することで、不安定要因が排除されることも多く、インバータ回路４の動作不安定は、通常すぐ回復するので、不安定の開始から回復まで、経路開放手段９の不必要な導通・非導通を防止し、経路開放手段９を開閉接点式としている場合には、開閉動作回数の抑制を図り、接点の耐久性、信頼性の確保を容易にしている。

更に、本実施の形態では、接点異常検知手段１４が経路開放手段９が導通すべき場合に非導通、或いは非導通であるべき場合に導通という、接点状態の異常を検知した時には、インバータ回路４を動作不可にすることで、経路開放手段９が導通であるべき場合に非導通なままで、インバータ回路４の構成が不完全なために起因する二次故障を避けると共に、経路開放手段９が非導通であるべき場合に導通のままで、本誘導加熱調理器の加熱コイル５に他の誘導加熱式機器等からの漏洩磁束が印加されることによるインバータ回路４の構成要素への電気的ストレス印加の可能性が有ることを、使用者に報知手段１１にて報知して対処を促すことができる。

尚、本実施の形態では経路開放手段９はスイッチング手段４ａの高電位端を導通・非導通とする構成にしているが、加熱コイル５の一端を導通・非導通にする構成で、他の誘導
加熱式機器等からの漏洩磁束を受ける加熱コイル５自身をインバータ回路４から切り離しても良く、この場合には、インバータ回路４の構成要素全てに過度の電気的ストレスが印加されることを防止できる。但し、インバータ回路４が動作している時には、経路開放手段９に加熱コイル５の電流が流れることになるので、スイッチング手段４ａの高電位端を導通・非導通とする場合に比して、経路開放手段９は、許容される電流容量を大きくする必要がある。

また、共振コンデンサ４ｂの一端に経路開放手段９を挿入する構成であれば、加熱コイル５と共振コンデンサ４ｂとの電流経路で生じるＬＣ共振による誘導起電力を発生できなくするので、スイッチング手段４ａにこの起電力が印加されず、比較的電気的ストレスに対する耐性の厳しいスイッチング手段４ａへの電気的ストレスの印加を防止できるので、本発明の効果が得られる。

更に、本実施の形態のインバータ回路４の構成はスイッチング手段４ａ、共振コンデンサ４ｂが各々１系統の電圧共振型インバータで説明しているが、スイッチング手段４ａ、共振コンデンサ４ｂを複数有する構成のインバータ、例えば図２の様なハーフブリッジ型のシングルエンドプッシュプルインバータ、図３のフルブリッジ型インバータ、また図４の電圧クランプ型インバータ等、あらゆるインバータ構成であっても、加熱コイル５を含む電流経路を有し、その効果が有効であることは言うまでもないことである。

なお、異常検知手段１３はスイッチング手段４ａの両端電圧の異常上昇で検知するようにしているが、他のインバータ回路４の構成要素の両端電圧や流入電流等の物理量で検知しても良いし、平滑回路３の出力電圧等の商用電源１の大きさに相関のある物理量で電源電圧の異常上昇からインバータ回路４を保護する構成にしても良い。

なお、被加熱体６への誘導加熱出力の制御は、インバータ回路４の構成等に応じて、スイッチング手段４ａの導通時間のみならず、駆動周期、駆動時間比を変化させても良い。

本発明の誘導加熱装置は、外部機器等からの漏洩磁束によりインバータ回路が非動作時、その構成要素に不用意に電気的ストレスが印加されることを緩和若しくは防止できるので、既に実用化されている誘導加熱調理器、誘導加熱式炊飯器はもとより、誘導加熱を応用可能な電気湯沸かし器、電気アイロン、食器洗い乾燥機、給湯器等の加熱機器の用途にも適用でき、更には、インバータ回路（特に、コイルあるいはトランスを有する）を用いた他の電気機器、電子レンジや冷蔵庫、洗濯機等にも応用可能である。

本発明の実施の形態１における誘導加熱装置のブロック図 本発明の実施の形態１における誘導加熱装置の構成例１のインバータ回路図 本発明の実施の形態１における誘導加熱装置の構成例２のインバータ回路図 本発明の実施の形態１における誘導加熱装置の構成例３のインバータ回路図

１ 商用電源（交流電源）
４ インバータ回路
４ａ スイッチング手段
４ｂ 共振コンデンサ
５ 加熱コイル
６ 鍋（被加熱体）
９ 経路開放手段
１０ 動作設定手段
１１ 報知手段
１２ 停電検知手段
１３ 異常検知手段
１４ 接点異常検知手段

Claims (2)

1. 加熱コイルと共振コンデンサとスイッチング手段とを含み、交流電源を整流及び平滑した直流を、前記スイッチング手段をオンオフ駆動することで高周波交流に変換し、前記加熱コイルと前記共振コンデンサと前記スイッチング手段とから成る電流経路に高周波電流を発生させることにより被加熱体を誘導加熱するインバータ回路を備え、前記スイッチング手段の一端に接続され、前記スイッチング手段がオンオフ駆動する時には導通して前記電流経路に前記高周波電流が発生するようにし、前記スイッチング手段がオンオフ駆動をしない時には非導通として前記スイッチング手段の一端を切り離し、前記電流経路を遮断して前記加熱コイルに外部から与えられる磁束により発生する誘導起電力が前記スイッチング手段に印加されないようにする経路開放手段を有する構成の誘導加熱装置。
2. 加熱コイルと共振コンデンサとスイッチング手段とを含み、交流電源を整流及び平滑した直流を、前記スイッチング手段をオンオフ駆動することで高周波交流に変換し、前記加熱コイルと前記共振コンデンサと前記スイッチング手段とから成る電流経路に高周波電流を発生させることにより被加熱体を誘導加熱するインバータ回路を備え、前記加熱コイルの一端に接続され、前記スイッチング手段がオンオフ駆動する時には導通して前記電流経路に前記高周波電流が発生するようにし、前記スイッチング手段がオンオフ駆動をしない時には非導通として前記加熱コイルの一端を切り離し、前記電流経路を遮断して前記加熱コイルに外部から与えられる磁束により発生する誘導起電力が前記スイッチング手段に印加されないようにする経路開放手段を有する構成の誘導加熱装置。

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