JP4989680B2

JP4989680B2 - 加熱調理器

Info

Publication number: JP4989680B2
Application number: JP2009127971A
Authority: JP
Inventors: 滋之永田; 彰森井; 広康私市; 博史山崎; 昭彦小林; 庄太神谷
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-05-27
Filing date: 2009-05-27
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2029-05-27
Also published as: JP2010277787A

Description

本発明は、加熱調理器に関し、特にその沸騰検知に関する。

従来、加熱調理器においては、鍋温度を検知するための技術として、(a)天板下のサーミスタを用いたもの（例えば特許文献１参照）、(b)天板下に設置された赤外線センサを用いたものがある。

特許第４１９８０７４号公報（図３）

上記の(a)の場合には、検知した天板の温度を利用して推定するため、鍋内容物→鍋→天板を伝導する熱を検知した結果のものであり、必然的に時間遅れが大きく、また天板の熱容量の大きさからも温度勾配を敏感に検知することができない。このため、温度検知としては非常に難しいか、出来ても時間遅れが大きいという課題がある。一方、上記の(b)の場合には、鍋とセンサとの間に赤外線を吸収するガラス天板が用いられていることから、必然的に赤外線の大部分は吸収され、特に100℃近辺の領域では赤外線センサの温度検知が困難であった。

また、サーモパイル赤外線センサを用いて鍋側面から赤外線量を検知して温度換算する方式のものもある。この方式は、鍋側面を直接検知できるため、上記(a)、(b)と比較して温度を敏感に検知できるという点で優れているが、一方で周辺の状況（一例として、湯気や鍋の汚れなど）の影響を受けるため、検知温度が変動する等の外乱要因に対する耐性が必要である、という課題があった。

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、周辺の状況に関係なく、被測定対象物の沸騰を高精度に判定することを可能にした加熱調理器を提供することを目的とする。

本発明に係る加熱調理器は、加熱容器及び前記加熱容器に収納された液体を含む被加熱物を加熱する加熱装置と、前記加熱容器の赤外線放射量を検知する赤外線センサと、前記赤外線検知量を温度に換算する温度換算式が格納された記憶装置と、時間経過を計測する計時装置と、前記赤外線センサの検知出力を前記温度換算式に適用して検知温度を求めるとともに、前記検知温度に基づき加熱装置への入力電力を制御する制御装置と、加熱時の単位時間当たりの温度勾配を一定時間積分して得られる積分値を沸騰判定値とし、第一の一定時間積分して得られた沸騰判定値が、第一の一定時間より以前の第二の一定時間積分して得られた沸騰判定値に重み係数をかけたものより小さいかどうかに基づいて沸騰判定する沸騰判定装置とを備え、前記一定時間は、入力電力に応じて変えるものである。

本発明によれば、第一の一定時間積分して得られた沸騰判定値が、第一の一定時間により以前の第二の一定時間積分して得られた沸騰判定値に重み係数をかけたものより小さいかどうかに基づいて沸騰判定するようにしている。このように、赤外線センサの温度勾配の時間積分値を利用することで温度勾配が強調されており、このため判定精度を高めることができ、センサノイズなどに耐性の高い沸騰判定をすることが可能になっている。このため、仮に周辺の状況（一例として、湯気や鍋の汚れなど）の影響で検知温度が変動したとしても、沸騰判定を高精度に行うことができる。

本発明の実施の形態１に係る誘導加熱調理器の斜視図である。図１の誘導加熱調理器の制御ブロック図である。赤外線センサによるセンサ検知領域の側面図である。赤外線センサによるセンサ検知領域の斜視図である。加熱時の温度推移（その１）を示したタイミングチャートである。加熱時の温度推移（その２）を示したタイミングチャートである。加熱時の温度推移（その３）を示したタイミングチャートである。図１の制御手段の処理を示すフローチャートである。沸騰判定の説明図である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る誘導加熱調理器の斜視図である。
図１の誘導加熱調理器１００は、上部が開口した調理器本体１１、調理器本体１１の上部に設けられた天板枠１２、天板枠１２に取り付けられた天板１３、調理器本体１１の正面側に設けられたグリル部１４を備えている。天板枠１２の内、奥側には吸・排気部１５が設けられており、手前側には操作部１６が設けられている。操作部１６は、ユーザーに操作され、誘導加熱調理器１００の火力や温度等を設定する。吸・排気部１５の両側には赤外線センサ１７がそれぞれ取り付けられている。この赤外線センサ１７は、鍋の側面を検知するべく視野が鍋設置位置の略中央に向けられている。また、天板１３の手前側には表示部１８が設けられている。表示部１８は、操作部１６による入力情報や被加熱物の加熱状態等の運転状況を表示する。

図２は、図１の誘導加熱調理器の制御ブロック図である。
図１の天板１３の下方には、加熱コイル２１が配置されており、この加熱コイル２１にはインバータ２２から高周波電流が供給される。天板１３の下面にはサーミスタ２３が取り付けられており、この出力は、上記の赤外線センサ１７の出力とともに制御手段２４に供給される。制御手段２４は、例えばマイコンから構成されており、後述の沸騰判定を行う沸騰判定手段２４ａを内蔵している。この制御手段２４には、記憶装置２５、計時手段２６、操作部１６及び表示部１８が接続されている。記憶装置２５には、例えば、後述の放射率を関数に含む温度換算式等が格納されている。なお、加熱コイル２１は、天板１３の下方に配置されているが、その鉛直上に例えば鍋（加熱容器）３１が載置されるように構成されており、鍋３１には液体を含む被加熱物（被調理物）３２が収容される。なお、上記の加熱コイル２１及びインバータ２２は、本発明の加熱装置を構成している。

図３及び図４は、赤外線センサ１７によるセンサ検知領域の側面図及び斜視図である。
赤外線センサ１７は、物体の赤外線量を検知するものであり、縦方向に隣接した複数箇所を検知できる複数素子からなる非接触赤外線温度検出手段（1×8方式：サーモパイル式赤外線センサ）から構成されている。この赤外線センサ１７の素子１〜素子８は、図３及び図４に示されるように、天板１３上において鍋載置枠３３の周辺を視野に持つように配置されている。したがって、鍋３１が多少位置ずれて置かれた状態においても、いずれかの素子は必ず鍋底や鍋肌を検知できるような位置関係になっている。

赤外線センサ１７によって鍋側面の温度を検知した場合には、通常、最も高い温度を返すのは鍋底と天板１３が接している部分である。これは鍋３１と天板１３との間で赤外線の多重反射が起こり、結果として赤外線センサ１７側に放射される赤外線量が大きくなることに由来する。図３の例では素子５が最も高い温度を示す（すなわち信号として大きく取れるため、温度判定がしやすい）とともに、水位の影響を受けずに温度変化を読み取れる利点がある。このように通常は素子５（鍋底と天板１３の接触部）がＭＡＸ温度を示すが、鍋３１の設置位置により、最高温度を示す素子がずれる可能性がある。その際には、８素子中の最大温度を示す素子を採用すれば、自動的にそれは鍋底端部の温度を意味する。このようにＭＡＸ温度を常に採用することで、鍋３１がいずれにおかれても、鍋底と天板１３の接触部を検知することが可能となり、ひいては検知温度が大きいデータを参照することが可能となるため、精度のよい沸騰判定が可能となる。

赤外線センサ１７によって検知される温度は、ステファンボルツマンの法則により、以下の計算値として示され、周囲温度Ｔａと対象物の放射率εによる補正が必要となる。通常、赤外線センサ１７内には視野温度とは別に周囲温度（Ta）を検知する素子が内蔵されているため、事実上、放射率εの補正が重要な要素となる。

ところで、対象となる鍋に関してはその表面状態は多様であり、例えば鏡面状態の鍋（一例としてＳＵＳ製鍋）は放射率は０．２〜０．４程度、非鏡面状態の鍋（一例としてホーロー鍋）は０．６〜０．８程度の放射率を示す。放射率の設定を間違うとそのままその鍋の外表面の温度を誤検知する結果となるため、放射率の推定は赤外線温度センサによる温度推定において非常に重要な要素である。一方，万が一放射率を多少誤設定し、結果として温度を誤判定したとしても，温度上昇・下降などの相対的な変化に注目して、「鍋内容物の温度・状態」推定可能なケースがあり、その一例が本発明に示される沸騰検知である。

図２の制御手段２４の動作の説明に先だって加熱時の水温及び鍋温度の遷移について説明する。
図５は、非鏡面鍋で、水量が小の場合の温度推移を示したタイミングチャートある。
図６は、非鏡面鍋で、水量が大の場合の温度推移を示したタイミングチャートである。
図７は、鏡面鍋で、水量が小の場合の温度推移を示したタイミングチャートである。
図５〜図７は、それぞれ異なった条件で加熱されて沸騰しているが、温度の絶対値が正確かどうかにかかわらず、また水量や鍋種にかかわらず、鍋内容物が沸騰に達した時点から、赤外線センサの検知温度はそれまでの温度上昇から温度勾配が下がる傾向を示している。これは鍋内容物が沸騰により蒸発潜熱として消費しているため、入力を続けても温度が上がらない状態を示している。すなわちセンサ検知温度から沸騰状態を推定するには、「入力に比して上昇温度カーブが寝てきたこと」を検知することが必要である。本発明はこのような知見に基づいて沸騰検知を行うものであり、その詳細を図８に基づいて説明する。

図８は、図２の沸騰判定手段２４ａの処理過程を示したフローチャートである。
（Ｓ１）
制御手段２４は、操作部１６からの操作入力に応じてインバータ２２を駆動して加熱コイルに高周波電流を供給し、鍋３１の加熱を開始する。それとともに、沸騰判定手段２４ａは、赤外線センサ１７による温度検知を開始する（Ｓ１）。

（Ｓ２）
沸騰判定手段２４ａは、赤外線センサ１７の８素子の出力の内、例えばその最大値を読み取る（Ｓ２）。なお、この処理は以後継続してなされるものとする。
上記のように、赤外線センサ１７は、通常は素子５（鍋底と天板の接触部）が最大温度を示すが、鍋の設置位置により、最高温度を示す素子がずれる可能性がある。その際には最大温度を常に採用する、としておくことで、鍋３１がいずれにおかれても、鍋底と天板１３の接触部を検知することが可能となり、ひいては検知温度が大きいデータを参照することが可能となるため、精度のよい沸騰判定が可能となる。なお、上記の説明は赤外線センサ１７が複眼の場合であるが、仮に赤外線センサ１７が単眼の場合にはその出力を読み込む。

（Ｓ３）
沸騰判定手段２４ａは、放射率ε＝０．１、Ｔａ＝２０℃で、標準温度のセンサ検知温度Ｔｓを算出し、蓄積する（Ｓ３）。赤外線センサ１７の生の素子温度では値が小さく、差が見えにくいため、以後の処理において温度換算をしたものを利用する。

（Ｓ４〜Ｓ６）
沸騰判定手段２４ａは、出力が２．５ｋＷ以上に設定されているか否かを判定する（Ｓ４）。沸騰判定手段２４ａは、出力が２．５ｋＷ以上に設定されている場合には、サンプリング時間Ｎ＝１０（秒）に設定する（Ｓ５）。沸騰判定手段２４ａは、出力が２．５ｋＷ未満に設定されている場合には、サンプリング時間Ｎ＝３０（秒）に設定する（Ｓ６）。このように入力（又は出力）の大きさに対応してサンプリング時間Ｎを設定している。

ところで、誘導加熱調理器の出力が大きく水量が少ない場合には、温度勾配が大きくなる可能性があり、このような場合には沸騰検知する際のタイムラグを小さくする必要がある。また、このような場合には、急激に温度上昇するが、沸騰すると即時に温度カーブは寝てくる、という傾向があるため、温度上昇中に外乱による多少の温度勾配があっても、「沸騰」と誤判定する可能性は小さい。むしろ問題となるのは、実際の沸騰に対して、「沸騰」と判定するタイミングが遅れることである（吹き零れなど）。このようなことから、温度勾配が相対的に大きい大入力（大出力）時にはサンプリング時間Ｎを短く（例えばＮ＝１０秒）することで、正確さより判定のタイムラグ抑制を優先した制御にしている。一方、入力（出力）が小さい場合には、サンプリング時間Ｎを長く（Ｎ＝３０秒）することにより、沸騰の判定において、正確さが増すように配慮されている。

（Ｓ７）
沸騰判定手段２４ａは、オフセット計算を開始する（Ｓ７）。
Toffset＝Ts（現在）−Ts（３０秒前）
上記のToffsetは３０秒間の温度の傾斜（傾き）を示している。なお、この沸騰検知の処理が開始されてから３０秒後に開始されるものとする。

（Ｓ８、Ｓ９）
沸騰判定手段２４ａは、Toffsetの初期値が
Toffsetの初期値＞５０、又はToffsetの初期値＜０
であるか否かを判定し（Ｓ８）、その条件を満たしている場合には、０＜Toffse＜５０になるまでToffse＝０とする（Ｓ９）。しかし、０＜Toffse＜５０になったら、それ以後はその条件から外れても０にはしない。

ところで、加熱時の環境条件として、ホットスタート（＝連続調理時において、天板が熱くなっている状態）時に天板からの赤外線を拾い、実力値より高い検知温度を示したり、逆に天板、鍋が冷え切った状態＋冷水＋大水量などの温度上昇が即座には見られない状態が考えられる。このようなことから、０＜Toffse＜５０の条件が成立するまで沸騰判定の処理を待機し、その条件が成立した、後述の処理（Ｓ１０）に移行して沸騰判定の処理をする。

（Ｓ１０）
沸騰判定手段２４ａは、ΣToffset（Ｎ秒分）を蓄積する（Ｓ１０）。
３０秒間の傾きのみでは変動が大きいため、更に傾きを積分して差を出しやすくした沸騰判別値を作成する。上記のように、出力が２．５ｋＷ以上の場合には、Ｎ＝１０秒とし、２．５ｋＷ未満の場合にはＮ＝３０秒として、それぞれのサンプリング時間Ｎの間のオフセット値を積分して沸騰判定値を求める。なお、この処理（Ｓ１０）についても、以後例えば１秒後毎に継続して行われるものとする。

（Ｓ１１）
沸騰判定手段２４ａは、赤外線センサ１７の出力の最大値IRmaxが、IRmax＞２４、であるか否かを判定し、その条件が成立するまで待機する（Ｓ１１）。このように、データから沸騰し得ない限界素子温度を設定し、低温域の温度変動による誤検知を防止している。

ところで、放射率が低い鍋では放射する赤外線量が小さいこと、また赤外線センサ１７の保護用の窓などを設置した場合にはその赤外線吸収などにより、実温度より小さい温度が検知されるケースがあるが、実際の調理に使用される鍋の放射率は低くても０．２程度であり、保護用窓による赤外線吸収などを考慮してもε＝０．０５以上では運用可能である。このことは、逆説的に言えばε＝０．０５、温度６０℃程度のときに検知する赤外線温度の値では絶対に沸騰していないため、上記のような判定を行って待機し、その条件を満たしたときに、後述の沸騰判定の処理（Ｓ１２）に移行するようにしている。

（Ｓ１２、Ｓ１３）
沸騰判定手段２４ａは、次式の条件を判定する（Ｓ１２）。
ΣToffset＊（−０．１１５＊ΣToffset（３０秒前）＋２．５）＜ΣToffset（６０秒前）
なお、ΣToffset（６０秒前）のデータが無い場合にはΣToffset（６０秒前）＝０とする。
このように現在の沸騰判別値と６０秒前の沸騰判別値と比較して一定値以上の割合で減少していなければ、沸騰フラグＦをリセットする（Ｓ１３）。なお、上記の「一定値以上の割合」は、この例では３０秒前の傾き（ΣToffset（３０秒前））により補正をしている。具体的には、ΣToffset（３０秒前）に重み係数（上記の例では−０．１１５）を掛けて補正している。なお、ΣToffsは本発明の第一の一定時間の積分値による沸騰判定値に相当し、ΣToffset（６０秒前）は本発明の第二の一定時間の積分値による沸騰判定値に相当し、ΣToffset（３０秒前）は本発明の第三の一定時間の積分値による沸騰判定値に相当する。

積分値（ΣToffset）が一定数値以下となったときに「沸騰」と判定するが、誘導加熱による加熱入力及び水量の大小により、沸騰までにかかる時間、すなわち温度勾配は大きな違いがあるため、一律の判定値で沸騰を判別するのは誤検知の可能性が高まってしまうおそれがある。そのため、沸騰に至る温度上昇の度合いにより、判定基準を変える運用とすることで、より精度を高めることが可能となる。具体的には、「現在の沸騰判定値」（ΣToffs）が「６０秒前の沸騰判定値」（ΣToffset（６０秒前））より、Ｘ倍（あるいはＸ％）小さい場合に沸騰フラグＦをインクリメントするが、その際に「３０秒前の沸騰判定値」（ΣToffset（３０秒前））を利用することで、あわゆる入力・水量条件において、その条件に合わせた沸騰判定が可能になっている。

図９（ａ）（ｂ）は、上記のΣToffse、ΣToffset（３０秒前）及びΣToffset（６０秒前）の関係を、火力が大の場合と小の場合を模式的に図示したものである。同図に示されるように、２個の沸騰判定値（ΣToffse、ΣToffset（６０秒前））だけでなく、その間の沸騰判定値ΣToffset（３０秒前）を重み係数に反映させて沸騰判定をするようにしており、このため、沸騰判定が高精度になされる。

（Ｓ１４〜Ｓ１６）
沸騰判定手段２４ａは、上記の条件が成立している場合には、沸騰の可能性があるものと判定し、沸騰フラグＦを、Ｆ＝Ｆ＋１とし、インクリメントする（Ｓ１４）。そして、沸騰フラグＦが、Ｆ＝１０、であるか否かを判定する（Ｓ１５）。そして、沸騰判定手段２４ａは、その条件が満たされていない場合には、上記の（Ｓ１２）〜（Ｓ１４）の処理を繰り返し、Ｆ＝１０になった場合には、沸騰しているものとして、沸騰検知を判定する（Ｓ１６）。このように、例えば１秒ごとに沸騰判定値により逐次判定している「沸騰判定フラグ」Ｆが連続して立たない限り、外乱の可能性があると考え、複数回（例えばフラグが１０回連続して立つ＝１０秒間にわたり沸騰判定値が判定値以下となる）沸騰判定が続かない限りは、「沸騰」と判断しないこととし、沸騰判定の正確化を図っている。

上記のように沸騰判定がなされた後は、制御手段２４は、上記の温度換算式により放射率εを補正し、それ以後は、その補正値に基づいて対象物温度Ｔobjを求め、インバータ２２を制御し、加熱コイル２１への入力を制御する。

以上のように本実施の形態１においては、赤外線センサ１７の出力によって得られる温度の勾配の時間積分値を沸騰判定に用いており、このため、温度勾配が強調されて判定精度を高められ、センサノイズなどに耐性の高い沸騰判定を実施することが可能になっている。
また、大入力時には積分値のサンプリング時間Ｎを小さく設定しており、このため、実沸騰から沸騰判定までのタイムラグを小さくできる。小入力時には緩やかな温度勾配に含まれる外乱要因による温度勾配の低下が、「ノイズ」か「沸騰」かを誤検知する可能性を抑制することができる。
また、沸騰フラグＦが連続複数回立つまで沸騰を検知しないため、ノイズ耐性を上げることができる（早切れ防止）。
また、上記のような効果が得られることから、鍋内容物が大量な場合や、加熱の入力が小さい場合、すなわち温度勾配が非常にゆるやかな場合にも精度よく沸騰を検知することが可能である。

実施の形態２．
ところで、上記の実施の形態１においては、現在、３０秒前、６０秒前の沸騰判定値を用いて判定しているが、本発明は上記の例に限定されるものではない。その設定時間は適宜設定されるものである。
また、サンプリング時間ＮについてもＮ＝１０，３０の例を示したが、本発明は上記の例に限定されるものではない。その設定値（時間）は適宜設定されるものである。火力についても同様であり、２．５ｋＷを基準として２つに分けたが、その基準値は適宜設定されるものであり、３つ以上に分けてサンプリング時間Ｎを設定するようにしても良い。

また、上記の実施の形態１では赤外線センサ１７の素子５の出力又は最大出力に基づいて温度検知をする例について説明したが、鍋側面を視野とする例えば素子１〜４の温度を参照するようにしても良い。この場合には、電磁誘導で加熱される鍋外表面が、鍋のＲ（アール）が大きかったり、鍋３１が加熱コイル２１に対してずれた位置に置かれた場合には、比較的電磁誘導の影響を受けず水の温度とよくリンクした温度が検出可能となる。但し、水量が小さい場合などは素子１、２あたりでは空の状態になっている場合があり、水温とリンクしない検知温度を検出する場合があるため、好ましくは鍋側面でも下側（素子３、４）を利用する。その際には、例えばＭＡＸ温度素子より１個上の素子温度を沸騰判定に利用するようにしても良い。
また、上記の実施の形態１においては加熱調理器の一例として誘導加熱調理器の例について説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、ラジエントヒーターを使用した加熱調理器等においても適用される。

１１調理器本体、１２天板枠、１３天板、１４グリル部、１５吸・排気部、１６操作部、１７赤外線センサ、１８表示部、２１加熱コイル、２２インバータ、２３サーミスタ、２４制御手段、２４ａ沸騰判定手段、２５記憶装置、２６計時手段、３１鍋、３２被加熱物、３３鍋載置枠、１００誘導加熱調理器。

Claims

加熱容器及び前記加熱容器に収納された液体を含む被加熱物を加熱する加熱装置と、
前記加熱容器の赤外線放射量を検知する赤外線センサと、
前記赤外線検知量を温度に換算する温度換算式が格納された記憶装置と、
時間経過を計測する計時装置と、
前記赤外線センサの検知出力を前記温度換算式に適用して検知温度を求めるとともに、
前記検知温度に基づき加熱装置への入力電力を制御する制御装置と、
加熱時の単位時間当たりの温度勾配を一定時間積分して得られる積分値を沸騰判定値とし、第一の一定時間積分して得られた沸騰判定値が、第一の一定時間より以前の第二の一定時間積分して得られた沸騰判定値に重み係数をかけたものより小さいかどうかに基づいて沸騰判定する沸騰判定装置と
を備え、
前記一定時間は、入力電力に応じて変えることを特徴とする加熱調理器。
加熱初期の沸騰判定値が一定値以上の場合には、前記積分値が任意の閾値を超えて減少するまで沸騰判定を開始させないことを特徴とする請求項１に記載の加熱調理器。
加熱初期の沸騰判定値が一定値以下の場合には、前記積分値が任意の閾値を超えて上昇するまで沸騰判定を開始させないことを特徴とする請求項１に記載の加熱調理器。
加熱初期の検知温度が任意の閾値を超えるまで沸騰判定を開始させないことを特徴とする請求項１〜３の何れかに記載の加熱調理器。
加熱時の単位時間当たり温度勾配を前記第一の一定時間積分することにより得られる沸騰判定値が、前記第一の一定時間より以前の第二の一定時間積分して得られた沸騰判定値に重み係数をかけたものより小さい場合には、沸騰フラグを立てるとともに、該沸騰フラグを連続して任意の複数回立てた時点で沸騰したと判定することを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の加熱調理器。
前記重み係数は、前記第一の一定時間と前記第二の一定時間との間で第三の一定時間積分して得られる沸騰判定値に応じて変更されることを特徴とする請求項１〜５の何れかに記載の加熱調理器。
前記赤外線センサは、複数の素子から成るサーモパイル方式とし、
前記沸騰判定装置は、加熱容器の載置部と側面部の境界と推定される部分を視野内に持つ素子の温度検知結果に基づいて沸騰判定することを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の加熱調理器。
前記赤外線センサは、複数の素子から成るサーモパイル方式とし、
前記沸騰判定装置は、加熱容器の側面部を視野内に持つ素子の温度検知結果に基づいて沸騰判定することを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の加熱調理器。
前記赤外線センサは、複数の素子から成るサーモパイル方式として、
前記沸騰判定装置は、複数素子のうち最も高温を示す素子の温度検知結果に基づいて沸騰判定することを特徴とする請求項１〜６の何れかに記載の加熱調理器。