JP5052329B2

JP5052329B2 - 電磁誘導加熱装置

Info

Publication number: JP5052329B2
Application number: JP2007336996A
Authority: JP
Inventors: 隆一林; 静尚服部
Original assignee: Hoshizaki Electric Co Ltd
Current assignee: Hoshizaki Electric Co Ltd
Priority date: 2007-12-27
Filing date: 2007-12-27
Publication date: 2012-10-17
Anticipated expiration: 2027-12-27
Also published as: CN101911829A; ATE542394T1; US8299407B2; US20100258556A1; WO2009084328A1; JP2009158366A; EP2237641A4; EP2237641B1; EP2237641A1; CN101911829B

Description

この発明は、被加熱物を電磁誘導により加熱する電磁誘導加熱装置に関するものである。

電磁誘導加熱装置として、金属からなる鍋等の被加熱物に誘導電流(渦電流)を発生させるワークコイル(誘導加熱コイル)を用いた電磁調理器が知られている。この電磁調理器は、トッププレートの下に設置した渦巻状の１つのワークコイルに２０ｋＨｚ以上の高周波電流を供給することで、該ワークコイルに磁束が発生するよう構成される。そして、トッププレート上に載せた被加熱物とワークコイルの磁束とが磁気的に結合することで、該被加熱物に誘導電流が流れ、この誘導電流によるジュール熱で被加熱物が加熱するようになっている。

１つのワークコイルを用いた電磁調理器では、該ワークコイルに発生する磁束がワークコイルの半径方向の中央付近で最大となるため、被加熱物の底面温度がワークコイルの半径方向の中央付近で高く、他の箇所で低くなり、ドーナツ状の加熱分布となって、加熱ムラを生ずる問題がある。

そこで、ワークコイルを複数の加熱コイルに分割し、各加熱コイルを同一平面上において同心状で配置すると共に、各加熱コイルを個別の高周波電力発生回路で駆動するよう構成することで、被加熱物の加熱分布を均等化して均一な加熱を達成し得るようにした電磁調理器が提案されている(例えば、特許文献１参照)。
特開２００７−２５７９７７号公報

調理に供する鍋等の被加熱物は、様々な材質・大きさのものが想定され、また被加熱物がワークコイルの中心に載置されるとは限らない。このため、前記特許文献１のように複数の独立した加熱コイルを備えた電磁調理器においては、調理中に何れかの加熱コイルに発生している磁束に対して被加熱物が磁気的に結合しない状態となった場合は、当該加熱コイルは無負荷状態で駆動されることとなり、対応する高周波電力発生回路を構成するスイッチング素子に過電流が流れて故障の原因となる。従って、調理中は被加熱物の位置を常に監視し、加熱コイルが無負荷状態となったときには瞬時に電力の供給を停止する制御を行なう必要がある。すなわち、分割された複数の加熱コイルを用いる場合には、各コイルに対する被加熱物の位置を監視する検出手段を各コイル毎に設けなければならず、回路が複雑になると共にコストが嵩む難点が指摘される。しかも、各コイル毎の検出結果を夫々判定しなければならず、制御系の高速処理が必要となり、制御系の負担が増大する。

また、特許文献１の電磁調理器では、分割した各加熱コイル毎に高周波電力発生回路(スイッチング素子)が必要となるため、部品点数が増加すると共にコストが嵩む問題を招く。更に、高周波電力発生回路を構成するスイッチング素子は、製造上の誤差に伴う内部抵抗の微妙なバラツキによって、各スイッチング素子を介して対応する加熱コイルに均等に電流が分配される補償はない。従って、各スイッチング素子として、安全率を見込んで定格電流および定格電圧の高いものを使用する必要があり、更にコストが上昇すると共に、故障の発生率が高くなる難点も指摘される。

すなわちこの発明は、従来の技術に内在する前記課題に鑑み、これらを好適に解決するべく提案されたものであって、被加熱物を均一に加熱し得る低コストで安全性の高い電磁誘導加熱装置を提供することを目的とする。

前記課題を克服し、所期の目的を好適に達成するため、本願の請求項１の発明に係る電磁誘導加熱装置は、
被加熱物を加熱する誘導加熱コイルを有する共振回路と、共振回路に高周波電流を供給するスイッチング回路とを備える電磁誘導加熱装置において、
前記誘導加熱コイルは、相互に並列接続される複数の第１のコイルと、各第１のコイルに直列接続される第２のコイルとを備え、各コイルが略同一平面上に略同心で配置され、
前記共振回路は、各第１のコイルおよび第２のコイルを組として分割され、
前記各共振回路毎に、独立する前記スイッチング回路が接続されることを特徴とする。

請求項１の発明によれば、第２のコイルに対して直列接続した第１のコイル同士を並列接続することで、全てのコイルに対して被加熱物が磁気的に結合している状態では、各コイルに同等の磁束が発生して被加熱物を均一に加熱することができる。また、被加熱物の寸法の違いや位置ずれによって無負荷状態となるコイルが発生したとしても、該無負荷状態となったコイルと直列接続されているコイルが被加熱物と磁気的に結合していれば負荷が存在することとなり、スイッチング回路に過電流が流れて故障するのを防止することができる。

請求項２の発明では、前記全てのコイルは、同じ巻き方向で巻かれていることを要旨とする。
請求項２の発明によれば、スイッチング回路に相互誘導によって過電流が流れるのを防止し得る。

請求項３の発明では、前記各コイルはリッツ線を渦巻状に巻回して形成され、前記基本コイルのリッツ線の素線数は、他のコイルのリッツ線の素線数より多く設定されることを要旨とする。
請求項３の発明によれば、複数の第１のコイルに流れる電流が複合して流れる第２のコイルのリッツ線の素線数を、第１のコイルのリッツ線の素線数より多くすることで、第２のコイルの温度上昇を軽減することができる。

請求項４の発明では、前記第２のコイルと第１のコイルとのインダクタンスの比率は、１：３〜１：４の間に設定されることを要旨とする。
請求項４の発明によれば、各コイルに供給される高周波電流が、負荷に応じて適した値となるよう自動的に調整される。

請求項５の発明では、直列に接続されている前記第２のコイルと第１のコイルとの総合インダクタンスおよび直列に接続されている第２のコイルと別の第１のコイルとの総合インダクタンスの差は、２０％以内に設定されることを要旨とする。
請求項５の発明によれば、各スイッチング回路を介してコイルに略同じ周波数の高周波電流を供給することができ、周波数の差異による騒音・振動の発生を防止し得る。

本発明に係る電磁誘導加熱装置によれば、被加熱物を均一に加熱し得ると共に、コストを低廉に抑制することができ、かつ高い安全性を確保し得る。

次に、本発明に係る電磁誘導加熱装置につき、好適な実施例を挙げて、添付図面を参照して以下に説明する。

図１は、電磁誘導加熱装置の実施例としての電磁調理器の回路図を示すものであって、該電磁調理器１０は、３相交流電源(例えば２００Ｖ)の出力を整流して直流電圧に変換する整流器１２と、該整流器１２で整流された直流電圧を平滑する平滑コンデンサ１４と、被加熱物３８を加熱するコイル２８,３０,３２を有する共振回路２０,２２およびスイッチング回路１６,１８とを基本的に備える。

電磁調理器１０の共振回路は、ワークコイル(加熱誘導コイル)と共振用コンデンサから構成されるものであって、実施例ではワークコイル２６は、３つ以上(実施例では３つ)のコイル２８,３０,３２を、略同一平面上において略同心円状に配置して構成される。最も内側に位置する基本コイル(第２のコイル)２８に対し、中間に位置する第１コイル(第１のコイル)３０および最も外側に位置する第２コイル(第１のコイル)３２は何れも直列に接続されると共に、第１コイル３０と第２コイル３２とは並列に接続されている(図１参照)。また、基本コイル２８に２つの共振用コンデンサ３４,３６が直列に接続されている。そして、基本コイル２８と、該基本コイル２８に直列接続される第１コイル３０および第１共振用コンデンサ３４で、第１共振回路２０が構成される。更に、基本コイル２８と、該基本コイル２８に直列接続される第２コイル３２および第２共振用コンデンサ３６で、第２共振回路２２が構成される。すなわち、実施例では、並列接続されているコイル３０,３２の数と同数に共振回路が分割されている。なお、ワークコイル２６は、図示しない非導電性のトッププレートの下に配置されて、該トッププレートに載置されて磁気的に結合する鍋等の被加熱物３８を電磁誘導により加熱するようになっている。

前記各コイル２８,３０,３２は、多数の絶縁素線を撚り合わせたリッツ線を渦巻状に巻いて形成され、その巻き方向は全て同一(右巻きまたは左巻き)に設定されている。また、基本コイル２８におけるリッツ線の素線数は、第１コイル３０および第２コイル３２の素線数よりも多く(例えば２倍に設定されるが、流れる電流に応じて温度上昇を抑制し得る値に設定すればよい)設定してある。

電磁調理器１０は、２つのスイッチング回路１６,１８を備えている。一方の第１スイッチング回路１６は、前記平滑コンデンサ１４に接続された一対の第１スイッチング素子４０,４０からなり、該第１スイッチング回路１６が前記第１共振回路２０を構成する第１コイル３０に接続される。また他方の第２スイッチング回路１８は、平滑コンデンサ１４に接続された一対の第２スイッチング素子４２,４２からなり、該第２スイッチング回路１８が前記第２共振回路２２を構成する第２コイル３２に接続される。第１スイッチング素子４０,４０と第２スイッチング素子４２,４２とは、平滑コンデンサ１４に対して並列の関係で接続されている。そして、第１スイッチング回路１６は、一対の第１スイッチング素子４０,４０を交互にオン／オフすることで、直流電圧から高周波電流を生成して第１共振回路２０に供給する。また、第２スイッチング回路１８は、一対の第２スイッチング素子４２,４２を交互にオン／オフすることで、直流電圧から高周波電流を生成して第２共振回路２２に供給するようになっている。なお、スイッチング素子４０,４２としては、ＭＯＳＦＥＴ，ＭＯＳＩＣ，ＩＧＢＴ等が好適に使用される。

前記電磁調理器１０の制御回路４４には、前記第１スイッチング回路１６を制御する第１ドライブ回路４６および第２スイッチング回路１８を制御する第２ドライブ回路４８が接続されている。

前記基本コイル２８と第１コイル３０とのインダクタンスの比率、および基本コイル２８と第２コイル３２とのインダクタンスの比率は、何れも１：３〜１：４の範囲に設定される。基本コイル２８の他のコイル(第１のコイル)３０,３２とのインダクタンスの比率が、前記１：４より小さい場合は、第１スイッチング回路１６と第２スイッチング回路１８との後述する負荷のバランス調整が最適に行なわれなくなる。逆に、基本コイル２８の他のコイル３０,３２とのインダクタンスの比率が、前記１：３より大きい場合は、他のコイル３０,３２に比べてリッツ線の素線数を多くしている基本コイル２８の線長(巻き数)が必要以上に長くなって、材料原価が高くなって経済的でなくなる。

前記基本コイル２８と第１コイル３０との第１総合インダクタンスと、基本コイル２８と第２コイル３２との第２総合インダクタンスとの差は、２０％以内となるように設定される。これにより、第１スイッチング回路１６および第２スイッチング回路１８を同じタイミングでスイッチングすることが可能となり、各コイル２８,３０,３２には同じ周波数の高周波電流が供給され、周波数の差異による騒音・振動(鍋鳴り)の発生を抑制し得る。なお、第１総合インダクタンスと第２総合インダクタンスとの差は２０％以内であればよいが、同一となるよう設定するのが最も好適である。

〔実施例の作用〕
次に、実施例に係る電磁調理器の作用につき説明する。

前記３相交流電源からの出力は、前記整流器１２で整流して直流電圧に変換された後、前記平滑コンデンサ１４で平滑される。前記制御回路４４の制御下に、第１ドライブ回路４６および第２ドライブ回路４８から出力される信号によって第１スイッチング回路１６および第２スイッチング回路１８が制御される。すなわち、所定のタイミングで、一対の第１スイッチング素子４０,４０および一対の第２スイッチング素子４２,４２が夫々オン／オフ制御され、第１スイッチング回路１６を介して第１共振回路２０に高周波電流が供給されると共に、第２スイッチング回路１８を介して第２共振回路２２に高周波電流が供給される。第１共振回路２０、すなわち基本コイル２８と第１コイル３０に高周波電流が供給されると、該コイル２８,３０に磁束が発生し、また第２共振回路２２、すなわち基本コイル２８と第２コイル３２に高周波電流が供給されると、該コイル２８,３２に磁束が発生する。なお、基本コイル２８には、直列に接続されている第１コイル３０および第２コイル３２を流れる高周波電流が複合して流れるが、基本コイル２８のリッツ線の素線数は、第１コイル３０および第２コイル３２の素線数よりも多く設定してあるから、基本コイル２８の温度上昇を軽減することができる。

前記ワークコイル２６を構成する３つのコイル２８,３０,３２の全てに対して被加熱物３８が磁気的に結合する状態(図３参照)で、該被加熱物３８がトッププレートに載置されている場合は、各コイル２８,３０,３２に発生する磁束によって被加熱物３８に誘導電流が流れて該被加熱物３８が加熱される。基本コイル２８に直列接続される第１コイル３０および第２コイル３２は、並列に接続されているから、従来のように１つのコイルでワークコイルを形成した場合のように、ワークコイルの径方向で磁束が大きく変化するのは抑制され、被加熱物３８に発生する誘導電流の分布を径方向で略均等にすることができ、被加熱物３８の全体が均一に加熱される。

ここで、各コイル２８,３０,３２に対する被加熱物３８の磁気結合の状態の良否(コイルと被加熱物との離間距離の大小)によって、各コイル２８,３０,３２に対する被加熱物３８のインピーダンスが変化する。すなわち、磁気結合の良い状態ではインピーダンスが大きくなり、磁気結合の悪い状態ではインピーダンスが小さくなる。そして、実施例のように３つのコイル２８,３０,３２を完全に独立していない構成では、各コイル２８,３０,３２に対する被加熱物３８のインピーダンスの変化に応じて前記スイッチング回路１６,１８に加わる負荷も変化し、各スイッチング回路１６,１８を介して対応する共振回路２０,２２に供給される高周波電流の値が、インピーダンスの値に応じて自動的に変動する。従って、各コイル２８,３０,３２毎に被加熱物３８に対する磁気結合の状態(コイル２８,３０,３２に対する被加熱物３８の位置)を検出する手段を設け、該検出手段によって検出した磁気結合の状態に応じて高周波電流の大きさを調整する必要はなく、検出手段や高周波電流を調整する手段を省略して構成を簡略化し得る。

また、前記基本コイル２８と第１コイル３０とのインダクタンスの比率、および基本コイル２８と第２コイル３２とのインダクタンスの比率は、何れも１：３〜１：４の範囲に設定されている。従って、前述したインピーダンスの変化と、各コイル２８,３０,３２に供給される高周波電流の値とは比例し、適正なバランス調整が達成される。しかも、基本コイル２８と第１コイル３０との第１総合インダクタンスと、基本コイル２８と第２コイル３２との第２総合インダクタンスとの差が、２０％以内となるように設定してあるから、各コイル２８,３０,３２に同じ周波数の高周波電流を供給して、騒音・振動(鍋鳴り)の発生を抑制することができる。

なお、前記ワークコイル２６を構成する３つのコイル２８,３０,３２の巻き方向が相互に逆向き(例えば、基本コイル２８および第２コイルが右巻きで、第１コイル３０が左巻きの場合等)となっていると、相互誘導により各スイッチング回路１６,１８に過電流が流れることがある。しかるに、実施例のワークコイル２６を構成する３つのコイル２８,３０,３２の巻き方向は同一となっているから、相互誘導によって各スイッチング回路１６,１８に過電流が流れるのを防止し得る。従って、スイッチング回路１６,１８を構成するスイッチング素子４０,４２として、定格電流および定格電圧の高いものを採用する必要はなく、コストを低減し得ると共に故障の発生率も低く抑えることができる。

次に、前記ワークコイル２６に対して被加熱物３８の位置がずれ、図４に二点鎖線で示す如く、基本コイル２８に対して磁気結合しない位置に被加熱物３８が臨む状態では、基本コイル２８は無負荷となる。しかるに、基本コイル２８は第１コイル３０および第２コイル３２に直列に接続されているから、第１コイル３０および第２コイル３２に対して磁気結合している被加熱物３８が、基本コイル２８に対する負荷となり、第１スイッチング回路１６および第２スイッチング回路１８の何れにも過電流は流れず、各スイッチング素子４０,４２が故障するのを防止し得る。また、第１コイル３０の外径以下の小型の被加熱物５０を加熱する場合は、図４に実線で示すように、第２コイル３２に対して小型の被加熱物５０は磁気結合しない状態となるが、この場合も第２コイル３２に直列接続されている基本コイル２８には小型の被加熱物５０が磁気結合しているから、第２スイッチング回路１８に過電流が流れず、第２スイッチング素子４２が故障するのを防止し得る。すなわち、被加熱物３８,５０の寸法の大小や位置ずれに対し、安全で効率的な加熱を達成し得る。しかも、各コイル２８,３０,３２に対する被加熱物３８,５０の位置を検出して負荷の有無に応じて電力供給を入り・切りする必要はなく、制御系を簡略化し得る。

また、各スイッチング回路１６,１８に過電流が流れるのを防止し得るから、各スイッチング回路１６,１８を構成するスイッチング素子４０,４２として、定格電流および定格電圧の低いものを使用することが可能となる。すなわち、製造コストを低廉に抑えることができると共に、スイッチング素子４０,４２自体の故障の発生率を低く抑制し得る。

実施例では、基本コイル２８に対して第１コイル３０および第２コイル３２を直列接続することで、スイッチング回路については第１コイル３０と第２コイル３２に接続する２つで足り、全てのコイル２８,３０,３２に対してスイッチング回路を設ける必要はなく、部品点数を低減し得る。

〔変更例〕
本願は前述した実施例の構成に限定されるものでなく、その他の構成を適宜に採用することができる。
１．実施例では、３つのコイルを用いたが、コイルを４つ以上とし、基本コイルに対して他のコイルの夫々を直列接続すると共に、他のコイル同士を並列の関係で接続するようにしてもよい。
２．実施例では、基本コイルを最も内側に配置したが、該基本コイルの配設位置はこれに限らず、中間あるいは最も外側であってもよい。
３．電磁調理器の電源としては、３相交流電源に限らず、商用電源(周波数５０Ｈｚもしくは６０Ｈｚ)のＡＣ１００Ｖまたは単相２００Ｖであってもよい。
４．実施例では、各共振回路の夫々が専用の共振用コンデンサを備える場合で説明したが、例えば図１の回路図における基本コイルの左右両側に延在する配線における他の配線配線との接続点より基本コイル側に１つの共振用コンデンサを配設し、該１つの共振用コンデンサが各共振回路の共振用コンデンサとして兼用される構成を採用し得る。

実施例に係る電磁調理器の制御回路図である。実施例に係る電磁調理器のワークコイルとスイッチング回路との関係を示す説明図である。実施例に係るワークコイルを構成する全てのコイルに対して被加熱物が磁気結合した状態を示す説明図である。実施例に係るワークコイルに対して被加熱物の位置が変化した状態および小型の被加熱物とワークコイルとの関係を示す説明図である。

符号の説明

１６第１スイッチング回路(スイッチング回路)
１８第２スイッチング回路(スイッチング回路)，２０第１共振回路(共振回路)
２２第２共振回路(共振回路)，２６ワークコイル(誘導加熱コイル)
２８基本コイル(第２のコイル)，３０第１コイル(第１のコイル)
３２第２コイル(第１のコイル)，３８被加熱物

Claims

被加熱物(38)を加熱する誘導加熱コイル(26)を有する共振回路と、共振回路に高周波電流を供給するスイッチング回路とを備える電磁誘導加熱装置において、
前記誘導加熱コイル(26)は、相互に並列接続される複数の第１のコイル(30,32)と、各第１のコイル(30,32)に直列接続される第２のコイル(28)とを備え、各コイル(28,30,32)が略同一平面上に略同心で配置され、
前記共振回路は、各第１のコイル(30,32)および第２のコイル(28)を組として分割され、
前記各共振回路(20,22)毎に、独立する前記スイッチング回路(16,18)が接続される
ことを特徴とする電磁誘導加熱装置。
前記全てのコイル(28,30,32)は、同じ巻き方向で巻かれている請求項１記載の電磁誘導加熱装置。
前記各コイル(28,30,32)はリッツ線を渦巻状に巻回して形成され、前記第２のコイル(28)のリッツ線の素線数は、第１のコイル(30,32)のリッツ線の素線数より多く設定される請求項１または２記載の電磁誘導加熱装置。
前記第２のコイル(28)と第１のコイル(30,32)とのインダクタンスの比率は、１：３〜１：４の間に設定される請求項１〜３の何れか一項に記載の電磁誘導加熱装置。
直列に接続されている前記第２のコイル(28)と第１のコイル(30)との総合インダクタンスおよび直列に接続されている第２のコイル(28)と別の第１のコイル(32)との総合インダクタンスの差は、２０％以内に設定される請求項１〜４の何れか一項に記載の電磁誘導加熱装置。