JP4945409B2 - Induction heating cooker - Google Patents
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Description
本願発明は、誘導加熱調理器に関する技術である。 This invention is a technique regarding the induction heating cooking appliance.
誘導加熱調理器は、高周波電流を流す加熱コイルの近傍に配した金属負荷(鍋)に渦電流を発生させ、そのジュール熱によって負荷自体が自己発熱することで、効率よく加熱することができる。近年、ガスコンロ等の調理器具に代わって、安全性や温度制御性に優れていることから、誘導加熱調理器への置き換えが進んでいる。 The induction heating cooker can be efficiently heated by generating an eddy current in a metal load (pan) arranged in the vicinity of a heating coil for passing a high-frequency current, and the load itself self-heats by the Joule heat. In recent years, instead of cooking utensils such as gas stoves, replacement with induction heating cookers has progressed because of excellent safety and temperature controllability.
また、従来は加熱できなかったアルミや銅などの低抵抗非磁性金属も加熱できる誘導加熱調理器も実用化された。ただし、アルミ鍋では、調理物を含めた重量が軽い場合に大きな加熱電力を投入しようとすると、鍋と加熱コイル間に生じる反発力が大きくなり、鍋が浮いたり、移動したりするという現象が発生する。 In addition, induction heating cookers have also been put to practical use that can heat low-resistance nonmagnetic metals such as aluminum and copper that could not be heated. However, in an aluminum pan, if you try to apply a large amount of heating power when the weight including food is light, the repulsive force generated between the pan and the heating coil will increase, causing the pan to float or move. appear.
このような課題に対して、いくつかの解決方法が提案されている。 Several solutions have been proposed for such problems.
第1の方法は、鍋の浮上を検出した場合には、加熱電力を低減させる方法(特許文献1参照)であり、第2の方法は、鍋と加熱コイルの間に非磁性金属板を配置し、非磁性金属板を加熱するとともに鍋と加熱コイル間に発生する反発力を低減する方法(特許文献2参照)である。 The first method is a method of reducing the heating power when detecting the rising of the pan (see Patent Document 1), and the second method is arranging a nonmagnetic metal plate between the pan and the heating coil. And it is a method (refer patent document 2) which reduces the repulsive force which generate | occur | produces between a pan and a heating coil while heating a nonmagnetic metal plate.
また、第3の方法は、複数の加熱コイルに印加する電流の位相を、鍋等の負荷の材質によって逆位相、同位相として加熱コイル間の相互インダクタンスを利用し、負荷の材質の相違に係わらず同程度に加熱可能とする方法(特許文献3参照)も知られている。
しかしながら、上述のような解決方法には以下のような課題が存在する。 However, the following problems exist in the above solution.
第1の方法では、調理に必要な加熱電力が得られない虞がある。 In the first method, there is a possibility that the heating power necessary for cooking cannot be obtained.
例えば、軽量な鍋やフライパンでは、反発力に対して容易に浮上し、しかも、内容物が偏在しているときはバランスを崩して天板上を移動する虞がある。これを防止するために浮上を検出して火力を落とすために、調理に十分な火力が得られない場合や、煮炊きができない場合が生じる。 For example, a lightweight pan or frying pan may easily float against the repulsive force, and when the contents are unevenly distributed, the balance may be lost and move on the top plate. In order to prevent this, ascending is detected and the thermal power is reduced, there are cases where sufficient thermal power for cooking cannot be obtained or cooking cannot be performed.
第2の方法では、鍋等の負荷に発生する反発力は低減されるものの、非磁性金属板が加熱されてガラス面を熱することによって、煮こぼれの焼き付の発生や、調理終了後のガラス面が高温のために火傷をする虞れがある。 In the second method, although the repulsive force generated in the load such as the pan is reduced, the non-magnetic metal plate is heated to heat the glass surface, thereby causing boiled-out baking or after cooking is finished. There is a risk of burns due to the high temperature of the glass surface.
第3の方法では、磁性金属負荷の場合は加熱コイルに印加する電流の位相を逆位相として加熱コイルに電流を流れやすくし、非磁性金属負荷の場合は同位相として加熱コイルに流れる電流を抑制して、負荷の相違に拘わらず加熱コイルに流れる電流値を同程度とするものであるから、負荷とコイル間に発生する反発力を抑制することには寄与しない。 In the third method, in the case of a magnetic metal load, the phase of the current applied to the heating coil is set to an opposite phase so that the current flows easily to the heating coil. In the case of a non-magnetic metal load, the current flowing to the heating coil is suppressed as the same phase. Thus, since the current values flowing in the heating coils are made to be the same regardless of the difference in load, it does not contribute to suppressing the repulsive force generated between the load and the coil.
上記課題を解決するために、本発明は、直流電源手段、加熱コイル部、高周波出力制御手段等から構成される誘導加熱調理器において、前記加熱コイル部は、U字形のフェライトをそれぞれの下方に配置したN(N≧2)個の加熱コイルが略同一平面上で同心円上に配置された構成をなし、当該N個の加熱コイルの内1を基準コイルとして基準電流を印加すると共に、残余のコイルに印加する電流を、当該基準電流に対して、同一周波数で、位相差がnπ/N(nは1〜N−1の整数)となるように前記高周波出力制御手段が電流制御したことを特徴とする。 In order to solve the above problems, the present invention provides an induction heating cooker comprising a DC power source means, a heating coil section, a high-frequency output control means, etc., wherein the heating coil section has U-shaped ferrite below each. The arranged N (N ≧ 2) heating coils are arranged concentrically on substantially the same plane, and a reference current is applied using one of the N heating coils as a reference coil, and the remaining The high-frequency output control means controls the current applied to the coil so that the phase difference is nπ / N (n is an integer from 1 to N−1) at the same frequency with respect to the reference current. Features .
複数の加熱コイルに流れる高周波電流に起因して発生する反発力が、同一位相で電流を流す場合に比べて反発力の最大値を低く抑えることができる効果を有する。 The repulsive force generated due to the high-frequency current flowing through the plurality of heating coils has an effect that the maximum value of the repulsive force can be suppressed lower than when the current flows in the same phase.
以下、本発明の実施例について図面をもとに説明する。 Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図1、図10は、本願発明における誘導加熱調理器の概略構成図、および、その回路構成概略図である。 1 and 10 are a schematic configuration diagram of an induction heating cooker according to the present invention and a circuit configuration schematic diagram thereof.
図1において、金属負荷1はアルミなどの非磁性金属で構成される調理用鍋でありガラスプレート2上に設置される。ガラスプレート2の下には、略同一平面上に配置した円盤状の第1の加熱コイル10、第2の加熱コイル20が配設され、当該各加熱コイル10,20は高周波出力制御手段12、22に接続されて高周波電流が印加される。当該各加熱コイル10,20には高透磁率を有する磁性材料11および21が配設されて、加熱コイル10,20に流れる電流に基づく磁束によって両者に生じる誘導電流間の相互影響を防止すると共に、負荷1に効率よく磁束を鎖交させる。
In FIG. 1, a
また、当該高周波出力制御手段12,22は、交流電源101を直流電源手段100で整流して直流化した電力が入力され、当該電力を所定の位相差を設けて加熱コイル10,20に高周波電流を印加する。
The high-frequency output control means 12 and 22 are supplied with electric power obtained by rectifying the alternating-
次に、高周波出力制御手段が行う位相差について説明する。 Next, the phase difference performed by the high frequency output control means will be described.
誘導加熱において、負荷1を加熱する電力P、負荷1と加熱コイルの間に発生する反発力Fは、加熱コイルの巻き数をn、加熱コイルに流れる電流をIとすると、電力は加熱コイルの巻き数と流れる交流電流の積の二乗に比例し、反発力は発生する磁束の変化に比例することから加熱コイルの巻き数と交流電流の積に比例するので、以下の式1、式2として表すことができる。
ただし、式3、4で表される電力は実効値となるため上記の位相には影響されない表記となる。
However, since the electric power represented by
ここで、上記θ1、θ2がθ1 =θ2であるとき、すなわち、位相差がゼロであるときは、発生する反発力Faが、それぞれの加熱コイル10,20が負荷1に対する反発力の瞬時値であるから以下の式9となる。
ここで「式10」を以下の「式11」に変形してもその極値をとるωt、θについては
変わらないので当該「式11」について検討する。
半角公式、加法定理にて「式11」を変形すると以下の「式12」となる
Transforming “
当該式「式12」における極値を求めるために全微分を行うと、下記「式13」となる。
前記「式13」に示される2元1次連立方程式を解くと、以下の「式14」、「式15」に示されるように
位相差θ=0、π/2において極値となり、位相差θ=0が最大値、位相差θ=π/2が最低値となる。
また、図3は、数値解析により、位相差を0からπまで変化させ、各位相において、第1加熱コイルの反発力と第2加熱コイルと反発力との加算値をωt毎(角度毎)に1周期分求めた図表であり、当該図表に基づき各位相差毎の最大値をプロットしたものが、図2の(ア)であり、上記検討結果と一致するものである。 Further, FIG. 3 shows that the phase difference is changed from 0 to π by numerical analysis, and the added value of the repulsive force of the first heating coil and the second heating coil and the repulsive force at each phase is set for each ωt (for each angle). FIG. 2A is a chart obtained for one period, and the maximum values for each phase difference are plotted based on the chart, which is in agreement with the above examination results.
ここで、位相を変化させたとき、当該位相における最大値が最も低い値となる位相差θ=π/2とし、その最大値となるωtを「式10」に基づいて求めると、以下の「式16」に示されるように,ωt=π/4、3π/4となる。
当該ωt=π/4を「式10」の基づいてその値を算出すると以下の「式17」の値となる。
さらにこの点について図4を用いて説明する。 Further, this point will be described with reference to FIG.
図4は2個の加熱コイルにおける反発力とコイル電流の関係を模式的に表した図である。 FIG. 4 is a diagram schematically showing the relationship between the repulsive force and the coil current in the two heating coils.
図において、グループAは位相差を設けずにコイル電流を流した場合、グループBは位相差を1/4周期すなわちπ/2設けてコイル電流を流した場合の反発力を、コイル電流の1周期をTとしたときの時系列で示している。なお、左右対称となるため半面のみ示す。 In the figure, when a coil current flows without providing a phase difference in the group A, a repulsive force when a coil current flows with a phase difference of 1/4 period, that is, π / 2, is applied to the group B. It is shown in time series when the period is T. In addition, since it becomes left-right symmetry, only a half surface is shown.
時刻0では、グループAではいずれのコイルにも電流は流れていない。グループBではコイル2のみピーク電流Ipが流れている。このとき、グループAに発生する反発力はゼロとなり、グループBではコイル2のみに起因する反発力が発生し、その大きさは|Ip|に比例する。
At
時刻T/8では、グループAにはそれぞれ√2Ip/2の電流が流れ、その電流に起因する反発力は√2|Ip|に比例する。グループBではコイル1に電流が流れ始めて√2Ip/2となり、コイル2は減少して√2Ip/2の電流が流れ、それらの電流に起因する反発力は√2|Ip|に比例する。
At time T / 8, a current of √2Ip / 2 flows through group A, and the repulsive force caused by the current is proportional to √2 | Ip |. In group B, current starts to flow through
時刻T/4では、グループAにはそれぞれIpの電流が流れ、その電流に起因する反発力は2|Ip|に比例する。グループBではコイル1の電流がIpとなり、コイル2の電流はゼロになり、その電流に起因する反発力は|Ip|に比例する。
At time T / 4, a current of Ip flows through each group A, and the repulsive force resulting from the current is proportional to 2 | Ip |. In group B, the current in
以降、図のように周期的に繰り返すことになる。ただし、電流の向きが反転したとしても、反発力としては同じ向きになる。 Thereafter, it is periodically repeated as shown in the figure. However, even if the direction of the current is reversed, the repulsive force is the same direction.
図5は図4の状態をグラフで表したものである。 FIG. 5 is a graph showing the state of FIG.
本発明を適用しない場合の反発力の最大値を1とした場合の相対比較を示す。 The relative comparison when the maximum value of the repulsive force when the present invention is not applied is set to 1 is shown.
図5において、波形1はゼロ位相で電流が流れている場合の反発力比、波形2は位相差T/4すなわちπ/2の電流が流れている場合の反発力比であり、波形3はグループAの合成反発力比、波形4はグループBの合成反発力比である。
In FIG. 5,
グループAではT/4すなわちπ/2および3T/4すなわち3π/2において極大を示す。 Group A shows a maximum at T / 4 or π / 2 and 3T / 4 or 3π / 2.
グループBではT/8すなわちπ/4経過時点において極大となり、T/4、T/2、3T/4すなわちπ/2、π、3π/2で極小となる。 In the group B, the maximum is obtained at the time T / 8, that is, π / 4 has elapsed, and the minimum is obtained at T / 4, T / 2, 3T / 4, that is, π / 2, π, 3π / 2.
その結果、グループAに対してグループBの反発力比は1/√2となる。 As a result, the repulsive force ratio of group B to group A is 1 / √2.
本発明の構成をとらない場合は、反発力の瞬時最大値はインバータの発振周波数で決まる回数が単位時間当たりに発生するので、実質的には負荷が継続的に大きな力を受けていることになる。しかし、本発明の構成をとれば、発生する反発力の瞬時最大値が低下することによって、この力を受ける負荷が上昇する力が低減される。 If the configuration of the present invention is not employed, the instantaneous maximum value of the repulsive force is determined by the oscillation frequency of the inverter per unit time, so that the load is continuously receiving a large force. Become. However, if the configuration of the present invention is adopted, the instantaneous maximum value of the repulsive force that is generated is reduced, so that the force that increases the load that receives this force is reduced.
また、反発力によって負荷がバランスを崩し、移動を開始する限界値(静摩擦力の最大値)に対しても、瞬時最大値が低くなるため、負荷に投入される電力に対しては本発明を適用することで移動も抑制される。さらに、移動が開始した場合にあっても、反発力の瞬時最大値が低下しているために移動距離も短くなる。 In addition, since the momentary maximum value becomes lower than the limit value (maximum value of the static frictional force) at which the load is unbalanced by the repulsive force and starts moving, the present invention is applied to the electric power input to the load. Application also suppresses movement. Furthermore, even when the movement starts, the moving distance is shortened because the instantaneous maximum value of the repulsive force is reduced.
これらの点から、従来と同等の電力を負荷に投入する場合に、負荷の浮上や移動が抑制されるために使用者にとって使い勝手のよい誘導加熱調理器を提供することが出来る。また、従来と同様レベルの負荷の浮上や移動を許容する場合は、従来よりも高い電力を負荷に投入することが出来ることとなり、大火力を必要とする調理にも対応できるようになる。 From these points, when power equivalent to that in the past is applied to the load, the induction heating cooker that is convenient for the user can be provided because the floating and movement of the load are suppressed. Moreover, when allowing the load to float and move at the same level as in the past, higher power than in the conventional case can be applied to the load, and cooking that requires a large heating power can be handled.
次に、反発力に関係する各コイルの巻数nと、当該コイルに印加される電流Iについて説明する。 Next, the number of turns n of each coil related to the repulsive force and the current I applied to the coil will be described.
各加熱コイルの反発力は、加熱コイルの巻き数nと加熱コイルに流れる電流Iの積すなわち発生する磁束の変化量に比例して各加熱コイルそれぞれに対して発生する。 The repulsive force of each heating coil is generated for each heating coil in proportion to the product of the number of turns n of the heating coil and the current I flowing through the heating coil, that is, the amount of change in the generated magnetic flux.
上記のように2つの加熱コイルを用いて、コイルの巻数nと、当該コイルに印加される電流Iの積、n×Iの値の比が5:5ならば反発力の最大値は、双方がほぼ均等に寄与することとなるが、当該比が例えば2:8であれば後者の反発力の寄与度が主となるので、後者の場合の最大値低減度は前者に比べてその効果は減少する。 Using two heating coils as described above, if the ratio of the number of turns n of the coil and the current I applied to the coil, the ratio of n × I is 5: 5, the maximum value of the repulsive force is both However, if the ratio is, for example, 2: 8, the contribution of the latter repulsive force is the main factor. Therefore, the maximum value reduction degree in the latter case is less effective than the former. Decrease.
さらに、加熱コイルの配置が、図8に示されるように同心円形ではなく後記する図9に示されるように円周を分割して配置した円周分割型の場合でも同様な効果を有する。 Furthermore, the arrangement of the heating coil is not concentric as shown in FIG. 8, but has the same effect even in the case of the circumferential division type in which the circumference is divided as shown in FIG. 9 described later.
いずれの場合においても加熱コイル巻数をそれぞれM1、M2・・・、流れる電流をI1、I2、・・・、としたときにM1×I1、M2×I2、・・・の値が略等しくなるようにすれば良好な効果を期待できる。 In any case, assuming that the number of turns of the heating coil is M1, M2,... And the flowing current is I1, I2,..., The values of M1 × I1, M2 × I2,. If it is made, good effects can be expected.
図2の(イ)、(ウ)は、前記加熱コイルの2分割と同様にして求めた、3分割、4分割した場合における、前記2分割した加熱コイルに係わる図2(ア)に各々対応するものであり、図6、図7は、同様にして求めた前記2分割した加熱コイルに係わる図5に各々対応するもので、その場合の位相差は、それぞれ、図6の3分割コイルでは各π/3,図7の4分割コイルでは各π/4である。 2 (a) and 2 (c) correspond respectively to FIG. 2 (a) relating to the two-divided heating coil in the case of three-division and four-division obtained in the same manner as the division of the heating coil. 6 and 7 respectively correspond to FIG. 5 relating to the two-divided heating coil obtained in the same manner, and the phase difference in this case is the same as that of the three-divided coil of FIG. Each π / 3 is π / 4 in the quadrant coil of FIG.
以上のように、複数の加熱コイルに電流を流す場合に、反発力の瞬時最大値を最も低減する位相の設定方法は、上述の通り、コイル電流の半周期区間において、各電流の最大値が現れるタイミングを等間隔に配置すれば本発明の効果を高くすることができる。 As described above, when a current is passed through a plurality of heating coils, the phase setting method for reducing the instantaneous maximum repulsive force most is as described above. If the appearing timings are arranged at equal intervals, the effect of the present invention can be enhanced.
上記の条件を一般化すると、N個の加熱コイルに対してそのうち1つの加熱コイルに流れる電流を基準とすると、他のn番目のコイルに流れる電流は基準の電流に対してnπ/Nの位相差(ただしnは1〜N−1)を有するように設定するものである。これは、コイル数が2であれば基準コイル電流に対してπ/2、コイル数が3であれば基準コイル電流に対してπ/3および2π/3、コイル数が4であれば基準コイル電流に対してπ/4、π/2、3π/4の位相差を設けるように電流を流すことである。 Generalizing the above conditions, if the current flowing through one of the N heating coils is used as a reference, the current flowing through the other n-th coil is about nπ / N relative to the reference current. It is set so as to have a phase difference (where n is 1 to N-1). This is π / 2 with respect to the reference coil current if the number of coils is 2, π / 3 and 2π / 3 with respect to the reference coil current if the number of coils is 3, and the reference coil if the number of coils is 4. The current is passed so as to provide a phase difference of π / 4, π / 2, and 3π / 4 with respect to the current.
なお、コイル電流に起因する反発力は前述のとおり、電流の正負に係わらず常に反発する方向の力となるので、位相差の設定はコイル電流の半周期区間が単位となる。 As described above, the repulsive force caused by the coil current is a force in a direction that always repels regardless of whether the current is positive or negative, and therefore, the phase difference is set in a half-cycle section of the coil current.
一方、コイル電流の半周期区間において、各電流の最大値が現れるタイミングを等間隔に配置しない場合は、互いに近いタイミングの電流波形を加算した場合に等間隔に配置したときよりも大きなピークが出現するので、結果として反発力の最大値も大きくなる。 On the other hand, when the timing at which the maximum value of each current appears in the half-cycle section of the coil current is not arranged at equal intervals, a larger peak appears than when the current waveforms at close timing are added to each other when they are arranged at equal intervals As a result, the maximum value of the repulsive force also increases.
次に、加熱コイルの構成について説明する。 Next, the configuration of the heating coil will be described.
図8は巻中心軸を同一にし、同心円状に2つの加熱コイルを構成した場合の概略断面図である。 FIG. 8 is a schematic cross-sectional view in the case where the winding center axes are the same and two heating coils are configured concentrically.
加熱コイル10に対してはU字形のフェライト11a、11b・・・を配置し、加熱コイル20に対しても同様にU字形フェライト21a、21b・・・を配置し、それぞれの加熱コイル電流によって発生する磁束を互いに干渉しにくくしている。また、コイル間の距離を広くし、空間部23を大きく設けることによっても干渉をしにくくすることができる。
The
図9は同一円周上に巻き中心軸を配置する3つの加熱コイルで構成したものである。 FIG. 9 is composed of three heating coils in which a winding center axis is arranged on the same circumference.
それぞれの加熱コイル10、20、30の巻き始めは略同一円周上にあり、ほぼ同形状で配置は3分割した形となる。加熱コイル10、20、30にはそれぞれフェライト11、21、31を配し、それぞれの加熱コイルが発生する磁束を互いに干渉しにくくしている。
The winding start of each
図8、図9で示した例以外でもコイル数は2つ以上で構成可能であるが、いずれの場合にも、各コイル間にはフェライト等の磁性体で構成する磁気的分離手段の配設、又はコイル間の距離を確保する等により、発生する磁束が他のコイルに干渉することを防ぐ。 In addition to the examples shown in FIGS. 8 and 9, the number of coils may be two or more, but in any case, the magnetic separation means composed of a magnetic material such as ferrite is disposed between the coils. Or by preventing the generated magnetic flux from interfering with other coils by securing a distance between the coils.
磁気的分離が不十分な場合は、互いのコイル電流によって互いに対する誘導逆電流が発生してしまうため、効率が低下したり、必要な電力を負荷に投入するためにより大きな電流を流さなければならなくなる。その結果、インバータ部が大型化したり、発生する損失を冷却するための構造が大型化したりするためコストアップの要因となる。 Insufficient magnetic separation results in inductive reverse currents generated by each other's coil currents, resulting in reduced efficiency and greater current flow to provide the necessary power to the load. Disappear. As a result, the size of the inverter is increased, and the structure for cooling the generated loss is increased, which increases the cost.
1 金属負荷
2 ガラスプレート
10 第1の加熱コイル
11 磁性材料
12 高周波出力制御手段
20 第2の加熱コイル
21 磁性材料
22 高周波出力制御手段
100 直流電源手段
101 交流電源
DESCRIPTION OF
Claims (3)
前記加熱コイル部は、U字形のフェライトをそれぞれの下方に配置したN(N≧2)個の加熱コイルが略同一平面上で同心円上に配置された構成をなし、当該N個の加熱コイルの内1を基準コイルとして基準電流を印加すると共に、残余のコイルに印加する電流を、当該基準電流に対して、同一周波数で、位相差がnπ/N(nは1〜N−1の整数)となるように前記高周波出力制御手段が電流制御した誘導加熱調理器。 In the induction heating cooker composed of DC power supply means, heating coil section, high frequency output control means, etc.
The heating coil section has a configuration in which N (N ≧ 2) heating coils each having a U-shaped ferrite disposed below are arranged concentrically on substantially the same plane. A reference current is applied using one of the reference coils as a reference coil, and a current applied to the remaining coils is set to the same frequency as that of the reference current with a phase difference of nπ / N (n is an integer of 1 to N−1). The induction heating cooker in which the high-frequency output control means controls the current so that
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