JP4613425B2

JP4613425B2 - 誘導加熱装置用加熱コイル

Info

Publication number: JP4613425B2
Application number: JP2001029071A
Authority: JP
Inventors: 泉生弘田; 篤志藤田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2001-02-06
Filing date: 2001-02-06
Publication date: 2011-01-19
Anticipated expiration: 2021-02-06
Also published as: JP2002231436A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
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関するもので、さらに詳しくはその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、図１０〜１４を用いて説明する。図１０は従来の誘導加熱調理器の断面図で、１は加熱コイル２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、２は被加熱物１を誘導加熱する加熱コイル、３は加熱コイル２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２と接続されている。４は被加熱物１がその上面に載置される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２を載置するコイル台、７はコイル台６に埋設されている磁性体で、材質はフェライトである。磁性体７は加熱コイル２から発生する高周波磁界を効率よく被加熱物１に供給させる目的で用いられている。８は冷却装置で、加熱コイル２の冷却のために加熱コイル２側面から軸流ファンなどを用いて
強制空冷にて冷却している。
【０００３】
コイル台６を上から見た図を図１１に示す。図１１に示すように加熱コイル２のコイル線は渦巻き状に巻回されており、そのコイル線は、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されている。素線の材質は銅で、その表面は樹脂材料の電気絶縁物で自己融着可能な材質によって覆われており、それぞれの素線が電気的に接続されないようになっている。コイル線間は密着しており、自己融着効果によって接着されて、その形状を保持している。一般に加熱コイル２の温度はその発熱により１５０〜１８０℃となるため、電気絶縁物の耐熱も１５０〜１８０℃必要である。それぞれの素線は加熱コイル２の始端及び終端にて電気的に接続している。加熱コイル２のコイル線をこのような細い素線を用いている理由は、加熱コイル２に流れる周波数２０〜３０ｋＨｚ程度の高周波電流が、表皮効果によりコイル線表面に電流が集中するため、コイル線の表面積を大とする必要があるからである。
【０００４】
また撚り合わせている理由は、加熱コイル２が発生する高周波磁界により加熱コイル２のコイル線間に作用する近接効果によって、コイル線に流れる電流分布が不均一となることを防ぐためである。
【０００５】
図１２は、加熱コイルの高周波抵抗の概略特性を示す図で、数十ＭＨｚにおいて、高周波抵抗のピークが存在することがわかる。この理由は加熱コイルの巻回中にコイル線間に発生する浮遊容量とコイルのインダクタンス分の共振によるものであり、その値は、浮遊容量をＣ、インダクタンスをＬとすると、
ｆ＝１／（２π√（ＬＣ））
で与えられるものである。本従来例の場合、インダクタンス分は数十μＨであり、浮遊容量は数十ｐＦとなる。電気的な等価回路を図１４に示す。
【０００６】
図１３は、本従来例で使用される周波数帯における高周波抵抗の増加を縦軸を拡大して見た図である。この図に示すように、共振周波数によるピークの裾野が低い周波数での高周波抵抗の上昇に寄与している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この様な従来の誘導加熱装置では、以下に示す課題があった。すなわち、上記したように加熱コイルは、その作製工数や部品コストが大きく、結果商品のコスト上昇をまねくという第１の課題と、加熱コイルに流れる高周波電流の周波数が高くなればなるほど、加熱コイルの損失が極めて大きくなるという第２の課題である。
【０００８】
第１の課題を解決するために、近年加熱コイルの製造工程及び製造コストを低減し、安価な装置を提供する目的で、特開昭６０−２４３９９６あるいは特開平４−３３７６０６号のように、導電板を渦巻き状に打ち抜く等の工法で、撚り線を用いない簡素なコイル線の加熱コイルが提案されている。
【０００９】
しかし、この様な撚り線を用いない単層の誘導加熱装置用加熱コイルにおいては、表皮効果による影響を回避することが困難で、加熱コイルの損失は従来よりも大きくなり、加熱効率の低下や冷却装置の大型化が問題となる。
【００１０】
また、表皮効果による影響を回避するために、流れる高周波電流と電気導体材質に応じた表皮深さに対して十分薄い層とし、複数の層を重ねる方法も特開昭６２−１３３６９３号などに別途開示されているが、このような方法においても、上記周波数アップ時の損失増加の課題は解決できない。
【００１１】
本発明は上記従来の課題を解決し、簡素な構成で加熱コイル損失及び必要冷却を低減し、安価かつ高加熱効率の誘導加熱装置を提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するために本発明は、電気導体を渦巻き状に巻回し、前記電気導体の線間に少なくとも片面を前記電気導体と電気絶縁した整流素子層を設けたことを特徴とする誘導加熱装置用加熱コイル等とするものである。
【００１３】
【発明の実施の形態】
請求項１記載の手段は、電気導体を渦巻き状に巻回し、前記電気導体の線間に少なくとも片面を前記電気導体と電気絶縁した整流素子層を設けたことを特徴とする誘導加熱装置用加熱コイルとするものである。
【００１４】
本構成により、電気導体の線間に、整流素子層を設けているため、電気導体の線間に発生する浮遊容量と直列に整流素子を挿入することが可能となり、前記第１の課題を解決する簡素な構成でかつ、浮遊容量に起因する共振をなくすあるいは十分低減することが可能になり、結果高周波領域での抵抗が減少し、加熱コイルの損失を低減できるものである。
【００１５】
本構成により、薄膜テープ上に整流素子層を形成しているため、電気導体と同時に薄膜テープを巻回して請求項１記載の構成が可能となり、工法上簡易となって、より低コストの加熱コイルを実現できるものである。
【００１６】
請求項２記載の手段は、電気導体の側面に直接整流素子層を形成したことを特徴とする請求項１記載の誘導加熱装置用加熱コイルとするものである。
【００１７】
本構成により、電気導体の側面に直接整流素子層を形成しているため、さらに簡易な工法で実現可能となり、さらに低コストの加熱コイルを実現できるものである。
【００１８】
請求項３記載の手段は、電気導体の片側面に整流素子層、残りの片側面に抵抗層を形成したことを特徴とする請求項２記載の誘導加熱装置用加熱コイルとするものである。
【００１９】
本構成により、電気導体の片側面に整流素子層、残りの片側面に抵抗層を形成しているため、電気導体の線間に発生する浮遊容量と直列に整流素子と抵抗を挿入することが可能となり、浮遊容量との共振をより確実に阻止することが可能となり、さらに低損失の加熱コイルを実現できるものである。
【００２０】
請求項４記載の手段は、電気導体の片側面に整流素子層、残りの片側面に前記整流素子層の整流方向と逆方向となる整流素子層を形成したことを特徴とする請求項２記載の誘導加熱装置用加熱コイルとするものである。
【００２１】
本構成により、電気導体の片側面に整流素子層、残りの片側面に逆方向の整流素子層を形成しているため、電気導体の線間に発生する浮遊容量と直列に向きの異なるダイオードを挿入することが可能となり、浮遊容量との共振をより確実に阻止することが可能となり、さらに低損失の加熱コイルを実現できるものである。
【００２２】
請求項５記載の手段は、高さ方向に断続的に整流素子層を設けたことを特徴とする請求項１記載の誘導加熱装置用加熱コイルするものである。
【００２３】
本構成により、高さ方向に断続的に整流素子層を設けているため、使用材料の削減が可能となり、より低コストの加熱コイルを実現できるものである。
【００２４】
【実施例】
（実施例１）
以下、本発明の第１の実施例について図１〜４を用いて説明する。図１は加熱コイル１０と被加熱物１２の位置関係を示した図で、非加熱物１２の下側に加熱コイル１０は設けられている。図２は加熱コイル１０の詳細を示す図で、１１は、高周波電流が流れることにより、高周波磁界を発生する渦巻き状に巻回された電気導体で本実施例の場合は銅線を用いている。この渦巻きのターン数は、図２においては簡易的に図示するため７ターン程度であるが実際には非加熱物１２の形状、材質などにより様々であり、通常の鉄鍋などを加熱する誘導加熱調理器においては、例えば２０〜３０ターン程度である。１３は電気導体１１の線間に設けられた、整流素子層で、具体的にはＰ型半導体とＮ型半導体を接合したＰＮ接合を挿入しているものである。また電気導体１１と整流素子層１３は、電気的に絶縁されている。
【００２５】
以上の構成を等価回路に置き換えた図が、図３である。図３に示すように本構成では、加熱コイル線間に発生する浮遊容量と直列に整流素子層１３によるダイオードが挿入されることになる。従って、従来例で述べた共振の発生または、十分な低減が可能となり、結果高周波領域での抵抗を小さくすることが可能となる。図４はこの場合の周波数−高周波抵抗の図である。図に示すように本構成によれば、従来の共振によるピークはなくなる。以上より、簡単な構成で、高周波抵抗の上昇を回避でき、損失が小さく、高効率の誘導加熱装置が実現可能となる。尚本実施例において整流素子層はＰＮ接合を用いたが、電気導体１１の線間に必要な耐圧は通常数十Ｖであるので、ショットキーバリアを用いてもよい。
【００２６】
（実施例２）
以下、本発明の第２の実施例について図５を用いて説明する。図５は本構成の加熱コイル１０の詳細を示した図で、整流素子層１３は薄膜テープ２０の上に形成されている。従って工法的には整流素子層１３を形成した薄膜テープ２０を電気導体１１の巻回時に同時に挟み込むことにより簡単に第１の実施例を実現することが可能となり、結果低コストの加熱コイル１０を実現できるものである。
【００２７】
（実施例３）
以下、本発明の第３の実施例について図６を用いて説明する。図６は本構成の加熱コイル１０の詳細を示した図で、整流素子層１３は電気導体１１の側面に直接形成されている。すなわち、あらかじめ電気導体１１の側面に整流素子層１３を形成しておきその後巻回することにより極めて簡易に第１の実施例を実現することが可能となり、結果さらなる低コストの加熱コイル１０を実現できるものである。
【００２８】
（実施例４）
以下、本発明の第４の実施例について図７を用いて説明する。図７は本構成の加熱コイル１０の詳細を示した図で、電気導体１１の片側面に整流素子層１３、残りの片側面に抵抗層２１を形成している。従って浮遊容量に直列にダイオードと抵抗を挿入することとなり、整流素子層１３に寄生するわずかな容量成分による共振をも阻止することが可能となり、結果低損失の加熱コイルを実現できるものである。
【００２９】
（実施例５）
以下、本発明の第５の実施例について図８を用いて説明する。図８は本構成の加熱コイル１０の詳細を示した図で、電気導体１１の片側面に整流素子層２２、残りの片側面に整流素子層の整流方向と逆方向となる整流素子層２３を設けている。より具体的には整流素子層２２はＰＮ接合、整流素子層２３はＮＰ接合としている。以上より線間に発生する浮遊容量と直列に向きの異なるダイオードを挿入する構成となり、浮遊容量との共振をより確実に阻止することが可能となって、さらに低損失の加熱コイルを実現できるものである。
【００３０】
（実施例６）
以下、本発明の第６の実施例について図９を用いて説明する。図９は本構成の加熱コイル１０の詳細を示した図で、整流素子層１３は、電気導体１１の高さ方向に断続的に形成されている。以上の構成により、整流素子層１３の使用材料の低減が可能となり、かつ浮遊容量との共振は若干発生するものの、大幅な高周波領域における抵抗増加はないため、損失増加は回避でき、結果より低コストの加熱コイルを実現できるものである。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明したように、請求項１記載の手段によれば、細線を撚り合わせたリッツ線を用いることなく、簡単な構成でかつ高周波域でも損失上昇のない低コストかつ低損失の誘導加熱装置用加熱コイルを実現できるものである。
【００３２】
また、請求項２記載の手段によれば、さらに低コストの誘導加熱装置用加熱コイルを実現できる。
【００３３】
また、請求項３ないし５記載の手段によれば、さらに低損失の誘導加熱装置用加熱コイルを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例である誘導加熱装置用加熱コイルと被加熱物の位置関係を示す図
【図２】本発明の第１の実施例である誘導加熱装置用加熱コイルの構成を示す図
【図３】本発明の第１の実施例である誘導加熱装置用加熱コイルの等価回路を示す図
【図４】本発明の第１の実施例である誘導加熱装置用加熱コイルの高周波抵抗の特性を示す図
【図５】本発明の第２の実施例である誘導加熱装置用加熱コイルの構成を示す図
【図６】本発明の第３の実施例である誘導加熱装置用加熱コイルの構成を示す図
【図７】本発明の第４の実施例である誘導加熱装置用加熱コイルの構成を示す図
【図８】本発明の第５の実施例である誘導加熱装置用加熱コイルの構成を示す図
【図９】本発明の第６の実施例である誘導加熱装置用加熱コイルの構成を示す図
【図１０】従来の誘導加熱装置の部品構成を示す断面図
【図１１】同、加熱コイルを上から見た図
【図１２】同、加熱コイルの高周波抵抗の特性を示す図
【図１３】同、加熱コイルの高周波抵抗の特性の拡大図
【図１４】同、加熱コイルの等価回路を示す図
【符号の説明】
１０加熱コイル
１１電気導体
１３整流素子層
２０薄膜テープ
２１抵抗層
２２ＰＮ層
２３ＮＰ層

Claims

電気導体を渦巻き状に巻回し、前記電気導体の線間に少なくとも片面を前記電気導体と電気絶縁した整流素子層を設けたことを特徴とする誘導加熱装置用加熱コイル。
電気導体の側面に直接整流素子層を形成したことを特徴とする請求項１記載の誘導加熱装置用加熱コイル。
電気導体の片側面に整流素子層、残りの片側面に抵抗層を形成したことを特徴とする請求項２記載の誘導加熱装置用加熱コイル。
電気導体の片側面に整流素子層、残りの片側面に前記整流素子層の整流方向と逆方向となる整流素子層を形成したことを特徴とする請求項２記載の誘導加熱装置用加熱コイル。
高さ方向に断続的に整流素子層を設けたことを特徴とする請求項１記載の誘導加熱装置用加熱コイル。