JP4974498B2 - 誘導加熱装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属負荷を加熱できる位置に配置された２つの加熱コイルのそれぞれに位相の異なる電流を流すことにより、高効率で金属負荷を加熱する誘導加熱装置に関するものである。

誘導加熱装置は、高周波の電流をコイルに流して近傍に配置した金属負荷に渦電流を発生させ、金属負荷内で生じるジュール熱によって自己発熱することで、金属負荷を効率よく加熱するものであり、その利用分野としては、調理器具を加熱する誘導加熱調理器や歯車などの金属部材の焼き入れを行うための高周波焼入装置などが挙げられる。

誘導加熱調理器に関しては、近年、高齢化社会の到来によってガスコンロや電熱ヒータによる調理器具に対して、誘導加熱調理器は安全性や温度制御性に優れた点が社会で評価されて調理器の置き換えが進んでいる。

従来は、金属負荷として鉄鍋などの磁性金属のみ加熱できたが、近年ではアルミ鍋や非磁性ステンレス、銅鍋も加熱できるような誘導加熱装置が提案されている。

それらは、金属負荷の材質によって加熱コイルの巻き数を変更して加熱効率を上昇させるものである。

また、特許文献１では、負荷の状態を検出して加熱に適した共振回路と加熱コイルの組み合わせによりアルミ等の加熱を実現している。

特許文献２および３では、スイッチング素子の駆動周波数に比べて加熱コイルと共振コンデンサで決定される共振電流の周波数を２倍以上にすることでスイッチング素子の周波数を変えることなく負荷に生じる渦電流の高周波化を実現している。
特開２００５−９３０８９号公報 特開２００１−６８２６０号公報 特開２００１−１６０４８４号公報

しかしながら、上記従来例においては、少なくとも以下の２つの課題が生じる。

第１の課題：負荷の種類に応じて共振コンデンサと加熱コイルを組み合わせたり単に巻き数を多くするだけでは、金属負荷である鍋底に誘起される渦電流の周波数は低いままであり、大きな電流を流さないとアルミ等を加熱できるだけのエネルギーが得られず、損失が大きくならざるを得ない。

第２の課題：スイッチング素子の動作周波数を低いままに共振電流を増加させる手段は、高周波電流の発生は可能であるが、高周波電流が流れる加熱コイル自体に発生する表皮効果により、等価抵抗が増加して損失が大きくなる。特許文献２および３の手段では加熱コイルを改良して従来よりも極めて細い線径の線を多く束ねて加熱コイルを形成して回避しているが、その製造方法は特殊であり、今まで使用されてきた方法が適用できないだけではなく、さらなる高周波化のためには、さらに細い線を今以上の数で束ねる必要がある。この方法の実現には物理的に限界がある。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、金属負荷を加熱する第１、第２の加熱コイルと、前記第１、第２の加熱コイルのそれぞれに位相の異なる電流を印加する手段とを備えることを特徴とする誘導加熱装置である。

即ち、本発明では、少なくとも２つの加熱コイル（第１、第２の加熱コイル）を用いるとともに、その２つの加熱コイルにそれぞれ異なる位相の電流を印加することで、金属負荷に誘起される渦電流の高周波化を達成するものである。

本発明における第１、第２の加熱コイルへの印加電流の位相差の好ましい範囲は１６０〜２００度であり、特にこの位相差を１８０度にすれば、金属負荷に誘起される渦電流の周波数は、単一の加熱コイルに同一周波数の交流電流を印加した場合の２倍になる。

本発明によれば、加熱コイルの電流周波数は低いままで金属負荷に誘起される渦電流周波数を増大させることが可能であるため、金属負荷の表皮効果が顕著になり、鍋底の等価抵抗が増してジュール熱による加熱が促進される。従って、アルミや銅などの低い周波数では加熱しにくい金属も表皮効果によって加熱が実現できるため、誘導加熱調理器として本発明による効果は大きい。

また加熱コイルの電流周波数を増大させなくとも上記の効果が達成されることから、スイッチング周波数の増大によりスイッチング損失が大きくなる問題や、加熱コイルにおける表皮効果により等価抵抗が増大して損失が大きくなる問題を同時に解決することができる。

従来技術を本発明に適用することでさらなる効果の向上が可能になり、例えば、特許文献２および３で示されている加熱コイルと共振方法を本発明に適用すれば、特許文献２および３で示されている６０ｋＨｚおよび９０ｋＨｚの渦電流を２倍の１２０ｋＨｚおよび１８０ｋＨｚにまで増加させることができる。

以下、本発明の実施形態について図面をもとに説明する。

図１は本発明の実施形態を示す要部ブロック図である。

図１において、本発明は金属負荷１を誘導加熱するための手段として加熱コイルＬＡ１およびＬＡ２が金属負荷１の下部に配置され、信号生成部２が生成する信号により駆動されるインバータＩ１およびＩ２から加熱コイルＬＡ１およびＬＡ２に交流電流またはパルス電流が供給される。

インバータＩ１およびＩ２は、スイッチング素子などから構成される周知の高周波電流発生回路である。

加熱コイルＬＡ１およびＬＡ２は金属負荷１の下部に配置されており、インバータＩ１およびＩ２からの電流が加熱コイルＬＡ１およびＬＡ２を流れることで金属負荷１内部に誘導が起こり、高周波渦電流が誘起されて自己発熱する。

信号生成部２は、インバータＩ１、１２から所定の位相および周波数の電流を発生させるためのコンピュータその他から構成される制御手段である。

図２は、インバータＩ１およびＩ２から加熱コイルＬＡ１およびＬＡ２に流れる電流波形と金属負荷１上に誘起される渦電流波形を示しており、加熱コイルＬＡ１およびＬＡ２に位相の異なる電流が流れると、それぞれによって誘起される渦電流が金属負荷１に流れ、金属負荷１上では２つの渦電流が時間的に合成された形で誘起されるために、加熱コイルＬＡ１およびＬＡ２に流れる電流よりも高い周波数の合成渦電流が誘起される。

なお、図示の例では、最も周波数が高く、整った波形の合成渦電流が得られる場合として、加熱コイルＬＡ１およびＬＡ２に流れる電流のデューティー比が２５％であり、両電流の位相差が１８０度である場合を示しているが、これらデューティー比および／または位相差がそれぞれ２５％および／または１８０度以外の値であっても、合成渦電流の波形が図示の態様とは異なることにはなるものの、加熱コイルＬＡ１およびＬＡ２の電流の周波数よりも高い周波数の合成渦電流が得られることに変わりはない。

図３は加熱コイルＬＡ１とＬＡ２の組み合わせ例であり、２つの独立したコイルが交互に配置される。

このほかにも２つのコイルを上下に重ねることや、同心円状のコイルを平面上に二重に配置することで、インバーターＩ１およびＩ２によって交互に電流を流して金属負荷１に高周波渦電流を誘起することができる。

信号生成部２によって加熱コイルＬＡ１およびＬＡ２に流すべき図２に示す位相が１８０度ずれた２つの信号を生成するために、たとえばコンピュータを使用して図４のようなフローチャートのプログラムで実現できる。

サブルーチンＢとして、ある一定時間をカウントするプログラムを用意する。

メインプログラムＡは、コンピュータの入出力端子の設定等をするため、はじめに初期設定（ＳＴ−１）を行う。

インバータＩ１およびＩ２に接続されるコンピュータの端子をクリアして、サブルーチンＢを呼び出す（ＳＴ−２）。

サブルーチンＢで上記一定時間が経過したらメインプログラムＡに戻り、インバータＩ１から加熱コイルＬＡ１に電流を出力させる（ＳＴ−３）。

続いてサブルーチンＢを呼び出して一定時間継続して電流を出力させ（ＳＴ−４）、再びメインプログラムＡに戻って電流出力を停止させる（ＳＴ−５）。

続くＳＴ６〜９では、上記と同様にしてインバータＩ２から加熱コイルＬＡ２への電流出力が行われる。

以後、ＳＴ−２〜９を繰り返して実行することで図２で示しているＬＡ１およびＬＡ２の波形を生成する。

インバータＩ１、Ｉ２に使用されるスイッチング素子は、ＩＧＢＴやＭＯＳ−ＦＥＴなどの半導体スイッチング素子で構成され、実施形態としてはハーフブリッジやフルブリッジが適用され、スイッチング損失回避のためにソフトスイッチングが行われる。

つまり、本発明は、金属負荷に対して、位相の異なった２つの信号を２つのコイルに供給することによって高周波渦電流を誘起して誘導加熱を実現するものであり、スイッチング周波数は低いままなのでスイッチング損失が少なく、加熱コイル自体に発生する表皮効果も少ないため等価抵抗による損失が少ない利点がある。

上記実施形態では、２つの加熱コイルを用いる場合を例として説明したが、３つ以上の加熱コイルを用いてそれぞれに位相の異なる電流を流すことでも本発明の効果を達成することは可能であり、そのような誘導加熱器もまた本発明の範囲に含まれる。

本発明の誘導加熱装置は、電磁調理器や高周波焼入装置など、金属負荷に誘導電流を誘起して自己発熱させる任意の装置として使用することができる。

本発明の一実施形態の要部ブロック図である。 本発明のスイッチング周期と渦電流を示す図である。 本発明の第１、第２の加熱コイルの構成例を示す図である。 本発明の誘導加熱器の動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１ 金属負荷
２ 信号生成部
Ｉ１ ＬＡ１駆動用のインバータ
Ｉ２ ＬＡ２駆動用のインバータ
ＬＡ１ 第１の加熱コイル
ＬＡ２ 第２の加熱コイル

Claims (2)

1. 金属負荷を加熱する第１、第２の加熱コイルと、前記第１、第２の加熱コイルのそれぞれに位相の異なる高周波電流を印加する手段とを備え、
   前記第１、第２の加熱コイルに印加される前記高周波電流のデューティー比が約２５％であり、
   前記第１、第２の加熱コイルに印加される前記高周波電流の位相差が１６０〜２００度であることを特徴とする誘導加熱装置。
2. 前記金属負荷が加熱調理器具であ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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