JP4555838B2 - 誘導加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、誘導加熱装置に関し、特に、被加熱物の加熱効率を向上させる技術に関する。

誘導加熱装置は、例えばガラスや樹脂などの非磁性体かつ絶縁体で形成されるトッププレートに調理鍋などの被加熱物を載置し、被加熱物に磁束を鎖交させて渦電流を発生させ、ジュール熱によって加熱を行うものである。

このような誘導加熱装置として、例えば、磁束発生用の加熱コイルを、トッププレートの下側に、コイル軸心が被加熱物の底面に直交するように配置することが従来から知られている。この場合、加熱コイルにインバータ回路などの高周波電源により高周波電流を流して磁束を発生させると、磁束は被加熱物の底面の中心部を通り放射状に鎖交する。この場合、渦電流は、磁束鎖交量の多い被加熱物の底面の中心部分と外縁部分の中間部分に円形に流れるため、このドーナツ状の中間部分に発熱が強い部分が発生して加熱ムラが生じるという問題がある。

一方、特許文献１には、誘導磁界を発生するために、導電材を直線状に平行に同一方向に並べて配置することが記載されている。これによれば、幅方向に均一加熱を行うことができるとされている。

また、特許文献２には、磁束発生用の加熱コイルを、長方形状で順巻きの加熱コイル体と逆巻きの加熱コイル体とを接続して形成することが記載されている。これによれば、各加熱コイル体の縦中心線間の範囲の加熱コイルに流れる電流は同一方向となり、それぞれの磁束を打ち消すことなく、均一加熱が可能になるとされている。

特開２００２−２８９３３４号公報 特開２００６−１２０５４２号公報

しかしながら、上記の各特許文献では、被加熱物の加熱効率の向上に考慮がなされていない。

すなわち、特許文献１の技術は、平行に導電材を並べた構成であるためインダクタンス値が小さい。インダクタンス値が小さければ起磁力も小さくなるため、大きな加熱力を得るには、大きな電流を流す必要がある。このため、高周波電流を発生させるインバータの損失が増大し、高周波電源が大型化するおそれがある。また、この構成を実現するためには各導電材を端部で接続する必要があり、製造性が悪化することも考えられる。

また、特許文献２に記載されたコイルは、各コイルの大きさが被加熱物に対して小さく、渦電流経路が短くなるため、同様に大きな加熱力を得るにはコイルに大きな電流を流す必要がある。このため、高周波電流を発生させるインバータの損失が増大し、高周波電源が大型化するおそれがある。

そこで本発明は、簡易な構造で被加熱物の加熱効率を向上させた誘導加熱装置を実現することを課題とする。

上記課題を解決するため、本発明の誘導加熱装置は、被加熱物が載置されるトッププレートと、このトッププレートの下側に配置され、被加熱物を誘導加熱する加熱コイルと、この加熱コイルを駆動する高周波電源とを備えて構成されている。そして、加熱コイルは、被加熱物の底面の全面に一方向の磁束を鎖交させるように配置されてなることを特徴とする。

これによれば、コイルを用いて磁束を発生させているので、平行に導電材を並べる構成に比べてインダクタンス値が高くなり起磁力が大きくなる。また、起磁力が大きくなることから被加熱物の加熱量を向上することができる。

さらに、発生した磁束を被加熱物の底面に一方向に鎖交させているので、これにより発生する渦電流は、磁束方向に対して直交して流れて被加熱物の全体を大きなループで流れることとなる。つまり、渦電流が流れる経路が長くなって抵抗分が大きくなるとともに被加熱物の内外側表面を同時に加熱するため、少ない電流で大きな発熱を得ることが可能となる。したがって、簡易な構造により加熱コイルで損失するエネルギーやインバータ回路での損失を大幅に低減して、被加熱物の加熱効率を向上させることができる。

また、具体的には、加熱コイルのコイル軸心がトッププレートと平行になるように配置すればよい。この場合、加熱コイルを、扁平状に形成して、扁平面がトッププレートに対向するように配置してもよい。この構成により、加熱コイルで発生する磁束を被加熱物の底面に一方向に鎖交することができる。

また、加熱コイルの空心部に磁性体部材を挿入してもよい。これによれば、加熱コイルから発生した磁束が被加熱物側に誘導されることとなり、効率よく被加熱物を加熱することが可能になる。したがって、より加熱コイルに流れる電流を低減して、加熱コイル及びインバータ回路の損失を低減することができる。

この場合、磁性体部材を、互いに間隔をあけて並べて挿入された少なくとも２以上の磁性体部材で構成してもよい。このようにして、各磁性体部材の間に磁気飽和しない空気層を形成することにより、加熱コイルに大きな電流を流すことに起因する磁性体部材の飽和を抑制することができる。

また、加熱コイルを１のコイルで構成し、このコイルをトッププレートの下側の全面にわたって配置してもよい。これにより、トッププレート上であればどこに被加熱物を置いても加熱することが可能になるし、同時に複数の被加熱物を加熱することも可能となる。

一方、加熱コイルを複数のコイルで構成し、複数のコイルをトッププレートの被加熱物が載置される箇所の下側にそれぞれ配置し、かつ互いにコイル軸心の方向を異ならせてもよい。この場合、複数のコイルを、互いのコイル軸心の相対角度が、６０°〜１２０°、又は２４０°〜３００°になるように配置することが望ましい。

このような配置にすることで、各加熱コイルで発生される磁束方向が異なるため、互いの磁束の干渉がなくなり、干渉音や鍋なり音の抑制が可能となる。

本発明によれば、簡易な構造で被加熱物の加熱効率を向上させた誘導加熱装置を実現することができる。

以下、本発明を適用してなる実施例を図１〜図１５を用いて説明する。なお、以下の説明では、同一機能部品については同一符号を付して重複説明を省略する。

（第１実施形態）
図１〜図４を用いて本発明の第１の実施形態について説明する。図１は、本発明の第１実施形態の誘導加熱装置に用いる磁束発生用の加熱コイルの構成図である。図１に示すように、加熱コイル１１は、導電材をらせん形状に巻き回して形成される。加熱コイルは、リッツ線と呼ばれるエナメル線を多数寄り合わせた電線、その他公知の導電部材を用いることができる。

図２は、第１実施形態の誘導加熱装置の構成を示す縦断面図である。誘導加熱装置２０は、例えば調理鍋などの被加熱物２１が載置される、ガラスなどで形成されたトッププレート２２と、トッププレート２２の下側に配置された図１のＡ−Ａ断面を示す加熱コイル１１と、加熱コイル１１に交流電流を流して誘導磁界を発生させる図示していない高周波電源としてのインバータ回路などを有して構成されている。なお、トッププレート２２は、ガラスに限らず、その他例えば樹脂などのように、非磁性体かつ絶縁体の材料を用いることができる。

本実施形態の特徴部である加熱コイル１１は、コイル軸心方向から見たコイル形状が円形を押しつぶした扁平状に形成されており、扁平面がトッププレート２２に対向するように配置されている。また、コイル軸心がトッププレート２２に沿って平行になるように配置されている。ただし、加熱コイル形状はこのような形状に限られるわけではなく、コイル軸心をトッププレート２２と平行するように配置していれば、適宜変形することができる。

図３は、本実施形態に用いられる一般的なインバータ回路を示す図である。インバータ回路は、電源３１と、ＩＧＢＴ３２, ３３で構成された上下アームとを有し、上下アームの中点と電源３１の負極間とに共振コンデンサ３６を介して加熱コイル１１を接続する構成とされている。

このインバータ回路は、ＩＧＢＴ３２がオンすると、電源３１の正極からＩＧＢＴ３２，加熱コイル１１，共振コンデンサ３６，電源３１の負極へと電流が流れる。次にＩＧＢＴ３２を所望の時刻でオフすると、加熱コイル１１に蓄えられたエネルギーにより加熱コイル１１，共振コンデンサ３６，ダイオード３５の経路に電流が流れる。このダイオード３５がオンしている期間にＩＧＢＴ３３をオン状態にしておく。

次に、加熱コイル１１に蓄えられたエネルギーがなくなると、共振コンデンサ３６を電源として、共振コンデンサ３６，加熱コイル１１，ＩＧＢＴ３３に電流が流れる。次に所望の時刻でＩＧＢＴ３３をオフすると、加熱コイル１１，ダイオード３４，電源３１，共振コンデンサ３６の経路に電流が流れる。このダイオード３４がオンしている期間にＩＧＢＴ３２をオン状態にしておく。以上の動作を繰り返すことで加熱コイル１１に正弦波の交流電流が流れることになる。

次に、被加熱物である鍋の加熱原理について説明する。加熱コイル１１に高周波電流が流れると、加熱コイル１１から磁束２３が発生する。ここで、加熱コイル１１は、コイル軸心がトッププレート２２と平行するように配置されているので、この磁束２３は鍋底面の全体に一方向に通る。鍋に磁束が鎖交すると、鍋に渦電流４１が発生する。この渦電流４１は、図４に示すように磁束方向に対して直交して流れる。

そして、渦電流４１は、図５の矢印に示すように、鍋底外側表面を鍋底外側端部（鍋底の外縁部）まで流れ、鍋の側板部を介して鍋底内側表面を鍋底の反対側の外側端部の方へ流れる。つまり、渦電流４１が鍋全体の大きなループで流れるので、電流経路が長くなって抵抗分が大きくなるとともに鍋内外側表面を同時に加熱するため、少ない電流で大きな発熱を得ることが可能となる。したがって、加熱コイル１１で損失するエネルギーやインバータ回路での損失が大幅に低減することができる。

また、従来の誘導加熱装置では電磁反発力による鍋浮きの問題が発生していたが、本実施形態では渦電流４１が鍋内側及び外側表面に流れることにより、電磁反発力が相殺され鍋浮きの抑制が可能になる。

すなわち、図６の鍋浮き抑制の原理図に示すように、渦電流が鍋底外側及び内側表面に流れるため、フレミングの左手の法則より鍋底外側表面には下向きの力６１が発生し、一方、鍋底内側表面には上向きの力６２が発生する。これにより鍋に加わる力が相殺され鍋浮きを抑制することができる。

（第２実施形態）
図７，８を用いて本発明の第２実施形態について説明する。図７は、本発明の第２実施形態の誘導加熱装置に用いる磁束発生用の加熱コイルユニットの構成図である。

図７に示すように、加熱コイルユニット７２は、導電材をらせん形状に巻き回して形成された加熱コイル１１と、加熱コイル１１の空心部に挿入された磁性体部材であるフェライトコア７１とで構成れている。

図８は、第２実施形態の誘導加熱装置の構成を示す縦断面図である。誘導加熱装置は、例えば調理鍋などの被加熱物２１が載置される、ガラスなどで形成されたトッププレート２２と、トッププレート２２の下側に配置された図７のＡ−Ａ断面を示す加熱コイルユニット７２と、加熱コイル１１に交流電流を流して誘導磁界を発生させる上述のインバータ回路などを有して構成されている。

加熱原理については第１実施形態と同様である。本実施形態の特長は、図８に示すように両端部がトッププレート側に折り曲げられたＵ字型のフェライトコア７１に加熱コイル１１を巻いた構成である。このような構成にすることで加熱コイル１１から発生した磁束７３が鍋側に誘導されることとなり、効率よく鍋を加熱することが可能になる。したがって、より加熱コイル１１に流れる電流を低減できるため、加熱コイル１１及びインバータ回路の損失を低減できる。

（第３実施形態）
図９を用いて本発明の第３の実施形態について説明する。図９は、本発明の第３実施形態の誘導加熱装置に用いる磁束発生用の加熱コイルユニットの構成図である。

図９に示すように、本実施形態では、加熱コイル１１の空心部に複数のフェライトコア９１が互いに間隔をあけて並べて挿入されている。換言すれば、並列に分割されたフェライトコアに導電材がらせん形状に巻かれて加熱コイルユニット９２が構成さている。

本実施形態の加熱原理については第１実施形態と同様である。図１０に示す加熱コイルに流す電流と被加熱物に発生する電力との関係図のように、アルミ鍋などの非磁性かつ低抵抗の材質を加熱する場合、鉄鍋に比べ加熱コイルに大きな電流を流す必要がある。このとき、大きな電流を流すと、加熱コイルの巻き数と電流の積で決まる起磁力が大きくなるため、フェライトコアが飽和するおそれがある。

この点、本実施形態の特長はＵ字型のフェライト９１を分割して構成して、各フェライトコアの間に磁気飽和しない空気層を介在させることにより、加熱コイルユニット全体としての磁気飽和を防止するとともに鍋に一方向の交番磁界を鎖交させることが可能となり、鍋浮きの防止、加熱効率の向上が可能になる。

（第４実施形態）
図１１，１２を用いて第４の実施形態について説明する。図１１は、本発明の第４実施形態の誘導加熱装置の平面図である。本実施形態は、図１１に示すように、トッププレート２２に被加熱物２１が載置され、トッププレート２２の下部全体に１の加熱コイル１１１が配置された構成である。

図１２は、本実施形態の誘導加熱装置の縦断面を示す図であり、図１１のＡ−Ａ断面を示している。図１１と同じ構成要素には同じ符号を付している。図１２に示すように、誘導加熱装置の筐体１２１の上面をトッププレート２２で構成し、加熱コイル１１１を、トッププレート２２の下側の全面にわたって、かつコイル軸心がトッププレート２２と平行するように配置している。加熱コイル１１１に交流電流を流すと、上述の実施形態と同様に被加熱物２１を一方向に鎖交する磁束１２２が発生する。

本実施形態ではトッププレート２２下部全体に加熱コイル１１１を配置したことが特長である。これにより、トッププレート２２上であればどこに被加熱物を置いても加熱することが可能になる。また、同時に複数の被加熱物を加熱することも可能となる。

（第５実施形態）
図１３〜図１５を用いて第５の実施形態について説明する。図１３は、第５実施形態の誘導加熱装置の平面図である。本実施形態は、図１３に示すように、トッププレート２２の被加熱物２１が載置される箇所に対応させて２つの加熱コイル１３１，１３２が配置された構成となっている。

図１４は、本実施形態の誘導加熱装置の縦断面を示す図であり、図１３のＡ−Ａ断面を示している。図１３と同一構成要素には同一符号を付している。図示のように、誘導加熱装置の筐体１４１の上面をトッププレート２２で構成し、トッププレート２２の各被加熱物２１の載置箇所に対応させた下側に２つの加熱コイル１３１，１３２を、コイル軸心がトッププレートと平行するように配置している。さらに、本実施形態の特長は加熱コイル１３１と１３２の巻き方向が左右で異なっていることである。加熱コイル１３１に対し、加熱コイル１３２はコイル軸心が９０度回転して配置されている。このような配置にすることで、図１４に示すように、左右の加熱コイル１３１及び１３２が発生する磁束１４２及び１４３は方向が異なるため、互いの磁束の干渉がなくなり、干渉音や鍋なり音の抑制が可能となる。

図１５に左右の加熱コイル１３１，１３２から発生する磁束が作る角度θと左右加熱コイルの結合度及びノイズ量の関係を示す。図１５に示す干渉度はＣＯＳθにより決定される。加熱コイルから発生される磁束の角度θが６０°〜１２０°又は２４０°〜３００°の場合に、ノイズ量は０ｄＢ以下となり干渉ノイズを効率よく抑制できることがわかる。したがって、加熱コイル１３１，１３２を、互いのコイル軸心の相対角度が、６０°〜１２０°、又は２４０°〜３００°になるように配置することが望ましい。

第１実施形態の誘導加熱装置に用いる磁束発生用の加熱コイルの構成図である。 第１実施形態の誘導加熱装置の構成を示す縦断面図である。 インバータ回路構成を示す図である。 被加熱物に鎖交する磁束と、被加熱物に発生する渦電流との関係を示す図である。 被加熱物を流れる渦電流の経路を示す図である。 被加熱物の浮き抑制の原理を示す図である。 第２実施形態の誘導加熱装置に用いる磁束発生用の加熱コイルユニットの構成図である。 第２実施形態の誘導加熱装置の構成を示す縦断面図である。 第３実施形態の誘導加熱装置に用いる磁束発生用の加熱コイルユニットの構成図である。 被加熱物で発生する電力と加熱コイルに流す電流との関係を示す図である。 第４実施形態の誘導加熱装置の平面図である。 第４実施形態の誘導加熱装置の縦断面を示す図であり、図１１のＡ−Ａ断面を示している。 第５実施形態の誘導加熱装置に用いる磁束発生用の加熱コイルユニットの構成図である。 第５実施形態の誘導加熱装置の縦断面を示す図であり、図１３のＡ−Ａ断面を示している。 左右の加熱コイルから発生する磁束が作る角度θと左右加熱コイルの結合度及びノイズ量の関係を示す。

符号の説明

１１，１１１，１３１，１３２ 加熱コイル
２０ 誘導加熱装置
２１ 被加熱物
２２ トッププレート
２３，７３，１２２，１４２，１４３ 磁束
３１ 電源
３２, ３３ ＩＧＢＴ
３４，３５ ダイオード
３６ 共振コンデンサ
４１ 渦電流
７１，９１ フェライトコア

Claims (5)

1. 被加熱物が載置されるトッププレートと、該トッププレートの下側に配置され、前記被加熱物を誘導加熱する加熱コイルと、該加熱コイルを駆動する高周波電源とを備えた誘導加熱装置であって、
   前記加熱コイルは、前記被加熱物の底面の全面に一方向の磁束を鎖交させるように配置され、
   前記加熱コイルの空心部には磁性体部材が挿入され、
   前記加熱コイルは複数のコイルで構成され、該複数のコイルは、前記トッププレートの前記被加熱物が載置される箇所の下側にそれぞれ配置され、かつ互いにコイル軸心の方向を異ならせて配置されてなることを特徴とする誘導加熱装置。
2. 前記加熱コイルは、コイル軸心が前記トッププレートと平行に配置されてなることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置。
3. 前記加熱コイルは、扁平状に形成されてなり、扁平面を前記トッププレートに対向させて配置されてなることを特徴とする請求項２に記載の誘導加熱装置。
4. 前記磁性体部材は、互いに間隔をあけて並べて挿入された少なくとも２以上の磁性体部材で構成されてなることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置。
5. 前記複数のコイルは、互いのコイル軸心の相対角度が、６０°〜１２０°、又は２４０°〜３００°になるように配置されてなることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱装置。
   

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