JP5299590B2 - 誘導加熱調理器 - Google Patents

Description

本発明は、誘導加熱調理器に関するものである。

従来の、この種の誘導加熱調理器は、三つの加熱コイルを備え、鍋は、一つの加熱コイルに対向するトッププレート上に載置され、一つの加熱コイルにより加熱する（例えば、特許文献１参照）。特許文献１で記載された従来の誘導加熱調理器では、加熱に寄与する磁界は加熱コイル線上が著しく強いため、鍋の加熱分布は加熱コイル線と同形のドーナツ状となってしまう。そのため、加熱ムラが生じて調理性能がよいものではなかった。加熱ムラを低減するために、加熱コイルを形成するとき、加熱コイル線の内径と外径の間に隙間を設けて加熱コイル線の束を分割することにより、磁界の強い部分を加熱コイル内側と外側に分散させたものが多数開発されている。しかし、その手法では、加熱ムラは多少低減できるものの、加熱分布は依然としてドーナツ状となり、鍋を均一に加熱することはできない。

そこで、この種の他の誘導加熱調理器として、同一の円心を有する二つの加熱コイルで一つの鍋を加熱するものであって、内側の加熱コイル、外側の加熱コイル、または内側と外側の両方の加熱コイルと、電流を流す加熱コイルを切り替えて鍋を加熱する誘導加熱調理器が開発された（例えば、特許文献２参照）。しかしながら、内側と外側の両方の加熱コイルに同時に導通した場合は、前記加熱コイル線の内径と外径の間に隙間を設けた加熱コイルと同じ状態であり、加熱分布は変わらないため、同じく鍋を均一に加熱することはできない。

そこで、この種の他の誘導加熱調理器として、異なる円心を有する複数の加熱コイルで一つの鍋を加熱するものが開発された（例えば、特許文献３参照）。

特許文献３に記載された従来の誘導加熱調理器によれば、互いに隣接する加熱コイルで発生する交番磁界の位相を半周期（＝π）ずらすことにより、隣接する加熱コイル間にも十分に磁束が供給され、鍋を均一に加熱することができる。

特開２００７−１０３１１０号公報 特開平８−７８１４８号公報 実表昭６０−８５０９６号公報

しかしながら、特許文献３に記載された従来の構成では、互いに隣接する加熱コイルで発生する交番磁界を二つの加熱コイル間で協調させているため、二つの加熱コイル間の距離が短いと磁界の協調効果が増大し、二つの加熱コイル間の磁界が加熱コイル上の磁界よりも大きくなり、均一に加熱することができなくなる。従って、磁界の協調効果を利用して鍋を均一に加熱するには、二つの加熱コイル間に一定の距離を有する必要があった。そのため、加熱可能な領域のサイズと加熱コイルの数を固定とした場合、隣接する加熱コイルを接触させたもの、またはそれに近いコイル間距離のものと比較すると、均一に加熱するためには二つの加熱コイル間の距離の確保が必要となるため、加熱コイルのサイズを小さくせざるを得ない。加熱コイルのサイズを小さくするためには、加熱コイルの巻き数を
減らすことや、線径または素線数を減らすことなどが考えられる。しかし、前者の手段では、加熱コイルから見た鍋の抵抗分が小さくなることにより、同じ電力を入れるには電流を多く必要として加熱効率が悪くなる。また、後者の手段では、加熱コイル自体の損失による加熱コイルからの発熱の問題により、加熱コイルに流すことができる電流が減るため、高い電力を出力することができないという課題を有していた。

また、加熱コイル間に一定の距離を有する必要がある上記発明では、四つの加熱コイルを四角形状に配置したとき、四つの加熱コイルを一塊として捉えたときの中心点では磁界が協調され難いため、また中心点と加熱コイルとの距離が遠くなるため、四つの加熱コイルを近接させたものと比較すると中心点の加熱がされ難く、均一に加熱するための加熱コイルの距離調整が非常に難しいという課題も有していた。

本発明は、上記従来の課題を解決するもので、特許文献３に記載された従来の構成よりもデッドスペースを減らすことにより設置面を有効的に利用しながらも鍋を均一に加熱することができ、調理性能を向上させることができる誘導加熱調理器を提供することを目的とする。

前記従来の課題を解決するために、本発明の誘導加熱調理器は、鍋を載置するためのトッププレートと、前記トッププレートの下方に略同一平面に配置され、異なる円心を有する複数の加熱コイルと、前記複数の加熱コイルに電力を供給するインバータと、前記インバータの出力を制御する制御部と、前記制御部に加熱の開始／停止や火力設定などを指示する操作部と、を有し、前記複数の加熱コイルのうち、最も近接して配置される二つの加熱コイルの最短距離は加熱コイルの半径以下とし、少なくとも前記二つの加熱コイルを同時に動作して一つの鍋を加熱する場合は、前記二つの加熱コイルに流れる電流は同一周波数とし、且つ同期を取るとともに、電流の位相差がπ／２〜０の間であることを特徴とすることとしたものである。

これによって、デッドスペースを減らすことにより設置面を有効的に利用しながらも鍋を均一に加熱することができ、調理性能を向上させることができる誘導加熱調理器を提供することとなる。

本発明の誘導加熱調理器は、近接する二つの加熱コイルに流れる電流は同一周波数とし、且つ同期を取るとともに、電流の位相差がπ／２〜０の間とすることにより、二つの加熱コイル間の磁界は打ち消し合い、二つの加熱コイル間で磁界を強く発生して加熱し過ぎることはなくなるため、二つの加熱コイル間距離を短くして設置面積を減らしながらも鍋を均一に加熱することができる。

本発明の実施の形態１の誘導加熱調理器の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態１の加熱コイルの位置関係を示す加熱コイル上面図 本発明の実施の形態１の２つの加熱コイルの電流の向きを定義する図 本発明の実施の形態１の位相差θが０のときの電流波形を示す図 本発明の実施の形態１の位相差θがπ／２のときの電流波形を示す図 半径４ｃｍの一つの加熱コイルでの、加熱コイル中心からの距離と磁性ＳＵＳ鍋の温度上昇Δの関係を示す図 半径４ｃｍの二つの加熱コイルでの、加熱コイルの中心からの距離と磁性ＳＵＳ鍋の温度上昇割合の関係を示す図 半径４ｃｍの二つの加熱コイルでの、加熱コイルの中心からの距離と多層鍋の温度上昇割合の関係を示す図 半径９ｃｍの二つの加熱コイルでの、加熱コイルの中心からの距離と磁性ＳＵＳ鍋の温度上昇割合の関係を示す図 本発明の実施の形態２の誘導加熱調理器の構成を示すブロック図 本発明の実施の形態２の位相差θがπのときの電流波形を示す図 本発明の実施の形態３の加熱コイル及びインバータの接続構成を示す図 本発明の実施の形態４のインバータの回路構成を示す図 本発明の実施の形態４のスイッチング素子のゲート信号と電流波形を示す図 本発明の実施の形態４の位相差を変化させたときのゲート信号の関係を示す図 本発明の実施の形態５の加熱コイルの数と電流の向きを示す図 本発明の実施の形態６の近接する２つの加熱コイル間で電流の向きを同一にしたときの、各々のコイルから発生する磁界の関係を示す図 本発明の実施の形態６の２つの加熱コイル遠方に影響する磁界領域を示す図 本発明の実施の形態６の誘導加熱調理器内の加熱コイルの配置と使用者の操作位置の関係を示す図 本発明の実施の形態７の複数の加熱コイルと防磁リングの配置関係を示す図 本発明の実施の形態８の動作周波数と加熱電力の関係を示す図 本発明の実施の形態９の位相差θをπとし、且つＤｕｔｙを変化させたときの加熱コイルに流れる電流波形を示す図

第１の発明は、鍋を載置するためのトッププレートと、前記トッププレートの下方に略同一平面に配置され、異なる円心を有する複数の加熱コイルと、前記複数の加熱コイルに電力を供給するインバータと、前記インバータの出力を制御する制御部と、前記制御部に加熱の開始／停止や火力設定などを指示する操作部と、を有し、前記複数の加熱コイルのうち、最も近接して配置される二つの加熱コイルの最短距離は加熱コイルの半径以下とし、少なくとも前記二つの加熱コイルを同時に動作して一つの鍋を加熱する場合は、前記二つの加熱コイルに流れる電流は同一周波数とし、且つ同期を取るとともに、電流の位相差がπ／２〜０の間であることを特徴とする誘導加熱調理器とすることにより、二つの加熱コイル間の磁界は打ち消し合い、二つの加熱コイル間で磁界を強く発生して加熱し過ぎることはなくなるため、二つの加熱コイル間距離を短くして設置面積を減らしながらも鍋を均一に加熱することができる。

第２の発明は、特に、第１の発明の誘導加熱調理器に位相差切替部を備え、前記二つの加熱コイルに流れる電流の位相差がπ〜π／２の間である状態と、π／２〜０の間である状態とを切り替える。

このことにより、鍋を均一に加熱することを必要とせず、高出力高加熱が要求される時は、電流の位相差をπ〜π／２の間とすることにより、二つの加熱コイル間では磁界が協調して強くなるため、発生させた磁界を効率よく加熱に寄与させることができ、加熱効率を高くして加熱することができる。

さらに、電流の位相差をπ〜π／２の間で動作させる磁界の協調動作では、同時に動作している複数の加熱コイルの外側、特に二つの加熱コイルの中心を結ぶ線と加熱コイル外径との交わる点を接点とする加熱コイルの接線方向近傍では磁界が打ち消し合い、磁界が加熱コイルの遠方に漏洩し難くなるため、調理器利用者への輻射レベルを低減したり制御
回路の誤動作を起こし難くしたりするなど、安全性の高い誘導加熱調理器を提供することができる。特に、同時に動作して一つの鍋を加熱する加熱コイルの総数のサイズより加熱する鍋のサイズの方が小さい場合はその効果が著しく表れるため、小鍋時の加熱を協調動作により行うことは有効である。

また、位相差の切り替えを、例えばリレーなどを用いて電気的接続を変化させて、位相差をπと０の２パターンのみとすることにより、位相差を任意に制御するための複雑な手段を設けることなく、容易且つ安価に加熱特性の異なる誘導加熱調理器を実現することができる。

第３の発明は、特に、第１または第２の発明のインバータを、複数のインバータから成り立たせ、前記複数の加熱コイルを前記複数のインバータの数だけの加熱コイル群に分け、同一加熱コイル群内の加熱コイルを直列または並列に接続し、前記加熱コイル群ごとに１対１で対応させた前記インバータに接続する。

インバータの数を複数とすることにより、鍋が載置されていなかったり、加熱が不要な部分があったりした場合に、通電する必要のない加熱コイルに接続しているインバータを動作させず、不要な磁界を発生して加熱効率を下げたり漏洩磁界を増大させることのない誘導加熱調理器を提供することができる。

また、インバータの動作を個々で変えることにより、加熱コイルに流す電流を調節できるため、例えば同じ鍋内でも強く加熱したいところと弱く加熱したいところを設けることができるなど、多彩な加熱パターンを有する誘導加熱調理器を提供することができる。

さらに、加熱コイルの配置と結線を工夫することにより、インバータの数と加熱コイルの数が１対１の関係でなくとも、全ての加熱コイルにおいて、最も近接する二つの加熱コイルが、磁界の打ち消し合いの動作、または協調の動作を行うことができるようにすることができる。

第４の発明は、特に、第３の発明の誘導加熱調理器の位相差の切り替えを、前記複数のインバータ間において、前記インバータを構成するスイッチング素子が導通状態や非導通状態に遷移するタイミングをずらすことにより行う。

このことにより、スイッチング素子のオンやオフに遷移するタイミングを二つのインバータ間でずらして加熱コイルに流れる電流の位相差を制御することにより、加熱コイルに流れる電流の位相差がπ〜０の任意の状態を簡単に作り出すことができる。

また、上記制御方法であれば、一つのインバータを構成するスイッチング素子の数が最低数である一つであっても異なる二つのインバータ間で位相差を作り出すことができるため、安価なインバータ構成であっても均一に加熱することができる誘導加熱調理器を実現することが可能になる。

第５の発明は、特に、第２〜４のいずれか１つの発明の誘導加熱調理器の一つの鍋を加熱するために動作する加熱コイルの数を偶数個とする。

このことにより、複数の加熱コイルは任意に定めた一定の規則のもとに配置され、その中で同時に動作させる加熱コイルの数は偶数個とすることにより、磁界の協調動作時においては、加熱コイルの中心を結ぶ線分に垂直であって、且つ加熱コイルを結ぶ線分の中心点を通過する直線上が最も漏洩磁界が弱くなるため、加熱コイルを最適に配置することにより漏洩磁界を弱めたい所に漏洩磁界の最低ポイントを位置させることができる。

また、三つ以上の加熱コイルで一つの鍋を加熱するとき、近接する加熱コイルで磁界の協調動作または打ち消し合い動作をさせた場合を想定する。磁界を打ち消し合う動作では、加熱コイルは奇数であっても近接する全ての加熱コイルで動作が成り立つが、磁界を協調する動作では、加熱コイルが奇数だと協調できない部分が少なくとも一点は生じてしまうため、全ての近接する加熱コイル間で協調動作を実現することができない。従って、一つの鍋を加熱する加熱コイルの数は偶数の方が、近接する全ての加熱コイル間で磁界を協調させる動作を行うことができるため、高出力／高効率で加熱することができる。

第６の発明は、特に、第２〜５のいずれか１つの発明の誘導加熱調理器の同時に動作する前記複数の加熱コイルのうち、誘導加熱調理器を操作する場所から最も近くで動作する前記二つの加熱コイルは、操作する場所から最も近い筐体の一辺と略平行になるように配置する。

加熱コイルからの距離が近ければ近いほど、磁界は強くなる。複数の加熱コイルを用いて一つの鍋を加熱する場合、調理器の操作部または調理器を操作する使用者が位置する場所から最も近くで動作する二つの加熱コイルの配置を、前に述べたように、二つの加熱コイルの中心を結ぶ線分に垂直であって、且つ加熱コイルを結ぶ線分の中心点を通過する直線近傍となるように配置することにより、漏洩磁界の曝露を最低限にすることができるため、特にペースメーカーの使用者にとっても安全性の高い調理器を提供することができる。

第７の発明は、特に、第１〜６のいずれか１つの発明の誘導加熱調理器に漏洩磁界を低減するための防磁リングを備え、前記防磁リングは、同時に動作して一つの鍋を加熱する可能性がある全ての加熱コイルを囲うように配置する。

磁界を協調させる動作をしたときの漏洩磁界は、互いの加熱コイルから発生する磁界が打ち消し合うため、加熱コイルの遠方には漏洩しにくい。しかし、磁界を打ち消し合う動作をしたときは、逆に漏洩しやすい形となる。従って、磁界が加熱コイル外部へ漏洩するのを低減させるために防磁リングが必要となる。そこで、同時に動作して一つの鍋を加熱する可能性のある加熱コイルを一塊として、防磁リングをその複数の加熱コイルの外周に配置することにより、防磁リングに発生する起電力は複数の加熱コイルの合算されたものとなり、防磁リングに流れる電流によって防磁リング外周には磁界が漏洩しないようにすることができる。

また、従来の誘導加熱調理器のように、加熱コイルと同じ円心を有するように、加熱コイルと同じ数の防磁リングを配置した場合、磁界の打ち消し合いや協調など、異なる加熱コイルが発生する磁界の干渉が起こらなくなるため、防磁リングを複数の加熱コイルの外周に一つ配置する構成の方が本発明においては有効である。

第８の発明は、特に、第２の発明の誘導加熱調理器の二つの加熱コイルに流れる電流の位相差がπ／２〜０の間のときの動作周波数は、電流の位相差がπ〜π／２の間のときの動作周波数よりも高いことを特徴とする。

打ち消し合いの動作と協調動作ではインダクタンスが変化するため、共振コンデンサが同一の場合は共振周波数も変化する。磁界の打ち消し合いの動作の方が協調の動作よりもインダクタンスが小さくなるため、共振周波数は高くなる。また、打ち消し合いの動作のほうが抵抗分は小さくなる。よって、打ち消し合いの動作である電流の位相差がπ／２〜０の間のときの動作周波数と協調の動作である電流の位相差がπ〜π／２の間のときの動作周波数を同一とすると、同じ鍋を加熱する場合であっても、動作周波数の設定と鍋を含
んだ加熱コイルのインピーダンスによっては、協調の動作時に定格の電力が出力できない、または、打ち消し合いの動作時に動作周波数のほうが共振周波数よりも小さくなって、ゼロ電圧スイッチングができなくなることでスイッチング素子の損失増大や破壊を招くことも考えられる。従って、スイッチング素子の動作周波数は、協調の動作よりも打ち消し合いの動作の方を高くすることが有効となる。

第９の発明は、特に、第１〜８のいずれか１つの発明の誘導加熱調理器の電力の調節は、前記インバータを構成するスイッチング素子の導通時間、Ｄｕｔｙ、または動作周波数の少なくとも一つを変化して行う。

複数のインバータを用いた構成により、電力の調節は、インバータ間で位相差を一定にしておけば、Ｄｕｔｙや動作周波数など、さまざまな電力制御手法を適用することができる。特に、周波数を変化させないＤｕｔｙ制御などの電力調整法は、二つのバーナを同時に動作させても動作周波数を一致させていればうなり干渉音が発生しないといったメリットが大きいため、本発明では有効である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の誘導加熱調理器の構成を示すブロック図である。トッププレート１１はガラスやセラミックなどの電気絶縁物からなる。トッププレート１１の下方には図２に示す複数の加熱コイル１２が配置されるが、図１では、複数の加熱コイル１２の中から代表して、最も近接して配置される２つの加熱コイル１３を図示している。複数の加熱コイル１２の上面とトッププレート１１の下面との距離は鍋と加熱コイルの結合の関係から１０ｍｍ以内が現実的である。

複数の加熱コイル１２に電力を供給するインバータ１４と、インバータ１４の出力を制御する制御部１５と、加熱の開始／停止や火力設定などを指示する操作部１６の接続関係は図１に示す通りである。操作部１６はトッププレート１１の上端に配置され、使用者に使いやすい形態となっている。

トッププレート１１の上面には鍋１７が載置されている。複数の加熱コイル１２からトッププレート１１を介した直上は少なくとも加熱可能領域となる。

図２に、本発明の実施の形態１の、複数の加熱コイル１２の配置関係を示す。複数の加熱コイル１２はマトリックス状に配置されており、図２では９つの加熱コイルを代表して図示している。

最も近接して配置される２つの加熱コイル１３のコイル間距離をａ、加熱コイルの半径をｂとすると、０≦ａ≦ｂの関係となるように配置する。この根拠については後に記載することにする。

図３は、２つの加熱コイル１３に流れる電流の向きを定義している。図３の左加熱コイル２７に流れる電流をＩ１、右加熱コイル２８に流れる電流をＩ２とし、両加熱コイルとも左回りに電流が流れた場合を正の値とする。

図４は、電流Ｉ１と電流Ｉ２の位相差θが０のときの電流波形を示す。位相差θが０の場合、２つの加熱コイル１３の近接部付近では、加熱コイルに流れる電流が常に反対方向となり、互いの加熱コイルが発生する磁界を打ち消し合う。すると、隣接する加熱コイル
間の距離ａ内での磁界は殆どなくなり、鍋は加熱されにくくなる。しかし、加熱コイル間の距離ａは加熱コイルの半径ｂ以下と近いため、加熱コイル線上の磁界が強く発生して鍋が高温となる部分が近づくことによる保温性の向上や、加熱コイル間への伝熱量が増大することなどが寄与して、結果として鍋を均一に加熱することができる。

図５は、電流Ｉ１と電流Ｉ２の位相差θがπ／２のときの電流波形を示す。位相差θがπ／２の場合、２つの加熱コイル１３の近接部付近では、加熱コイルに流れる電流が反対方向と同一方向に半々ずつになり、互いの加熱コイルが発生する磁界の打ち消し合いと協調が半々ずつ起こる形となる。その状態では、隣接する加熱コイル間の距離ａ内での磁界の干渉は発熱量的には無視でき、鍋の発熱量は各々単独の加熱コイルのみで動作した場合の足し合わせとなる。

図６は、外径８ｃｍ、内径３ｃｍの加熱コイル一つに電力を約２００Ｗ入力し、磁性ＳＵＳ鍋を加熱したときの、加熱コイルの中心からの距離と鍋の温度上昇の関係を図示したものである。ここで、本実験では、トッププレート１１と加熱コイルの距離は８ｍｍとしている。図６をみると、加熱コイル線直上である加熱コイル中心からの距離が２ｃｍの点で温度上昇が最も高いことがわかる。

２つの加熱コイル１３を、位相差θがπ／２で動作させた場合の発熱分布は、図６で得られた結果を加熱コイルの距離ａに応じて足し合わせればよく、その結果を図７に示す。図７の横軸は２つの加熱コイル１３の内の一つの加熱コイルの中心を０ｃｍとし、二つ目の加熱コイルの中心に向かう直線上の距離を表している。図７における縦軸は、鍋の温度上昇の最大値を１００％とした温度上昇の割合を示している。

２つの加熱コイルの距離ａが４ｃｍの場合、加熱コイルの半径４ｃｍと距離ａの半分である２ｃｍを足した６ｃｍが２つの加熱コイル間の中心点となるが、図７を見ると、温度上昇が他のポイントに比べて低くなっていることがわかる。これは、２つの加熱コイル間距離が離れ過ぎているために、加熱コイル間での熱量が少なくなっているためである。この加熱コイル間距離で鍋を均一に加熱をするのであれば、特許文献３に挙げた発明が有効となる。しかし、前にも述べたように、加熱コイル間の距離ａが長いと、加熱コイルが大型化してしまうなど課題が多く、加熱コイルを配置することができる有効面を十分に活用できなくなる。

次に加熱コイル間の距離ａが２ｃｍの場合をみると、加熱コイル間の中心点となる５ｃｍを中心として長い距離に渡り、加熱分布が１０％未満と、鍋を均一に加熱することができていることがわかる。つまり、加熱コイル間の距離ａが２ｃｍでは、２つの加熱コイルを同時に動作して、加熱コイルに流れる電流の位相差θをπ／２とすると、鍋を均一に加熱することができることになる。２つの加熱コイルで実験を行うと保温性が増し、図７の加熱コイル間の距離ａが２ｃｍのデータにおいて、４ｃｍ〜６ｃｍでやや温度上昇が落ち込んでいる部分は殆ど平坦か、やや膨らみを持った状態となる。

最後に加熱コイル間の距離ａが０ｃｍの場合をみると、加熱コイル間の中心点（＝接点）となる４ｃｍに温度上昇ピーク値をもつ凸状態となっている。これは、加熱コイル間距離が近いために加熱コイル間の中心点付近での磁界が強くなり、一つの加熱コイルによる発熱量の２倍とした場合では、加熱コイル線直上の磁界よりも強くなるためである。この場合、位相差θをπ／２〜０の間とすることにより、互いの加熱コイルから発生する磁界を打ち消し合わせるとともに、位相差θを調整することで打ち消し合いのレベルを制御することにより、干渉が起きている加熱コイル間の中心点近傍では加熱をしにくくし、温度分布のピーク値のレベルを低減し、温度分布をよくして鍋を均一に加熱させることができる。

図８は鍋の種類を多層鍋に変えたときの場合であり、温度データを図６で示した場合と同様に測定して、加熱コイル間距離に応じて足し合わせた結果である。多層鍋は磁性ＳＵＳ鍋のような単層且つ伝熱の悪い鍋よりも伝熱性能をよくしたものであり、加熱温度の均一化はし易いが、図８に示すように、加熱コイル間の距離に応じて温度勾配ができているとともに、磁性ＳＵＳ鍋と同様に２ｃｍで温度分布の平坦化が起こっていることがわかる。

図９は、鍋は磁性ＳＵＳ鍋とし、加熱コイルのサイズを約２倍の外径１８ｃｍとした場合の、図７や図８と同様の図である。図８をみると、今度は加熱コイル間の距離ａが４．５ｃｍのときに温度勾配の平坦化が表れている。これは、加熱コイルの半径が大きくなることにより、２つの加熱コイルの中心を結ぶ直線近傍の加熱領域が増大し、保温性の向上と、測定点へ熱を伝熱できる領域が増えたことが原因と考えられる。この結果から、加熱コイル間の距離ａと加熱コイルの半径ｂとの関係は実験的にａ≦ｂとなることから、加熱コイル間の距離ａを定義している。

２つの加熱コイル１３に流れる電流の位相差θがπ／２の状態において、２つの加熱コイルの中心間で鍋を均一に加熱できる加熱コイル間の距離ａは略半径となり、それよりも加熱コイル間距離が短くなれば、加熱コイル間の中心点に温度上昇ピーク値を有する温度分布となる。その場合においては、位相差θをπ／２〜０の間で変化させることにより、温度上昇ピーク値を抑えることができる。位相差θがπ／２〜０の間には、均一に加熱することができる位相差θが存在するため、加熱コイル間の距離ａが短くても、本発明の技術を用いて鍋などの加熱容器を均一に加熱することができる。

また、発明者らは、加熱コイル間の距離ａを０ｃｍ、位相差θを０として実験を試みたところ、２つの加熱コイルの中心間において鍋を均一に加熱できることを確認できた。

加熱コイルサイズと加熱コイル間距離の関係により、鍋を均一に加熱することができる位相差θは略決定できるが、より正確に鍋を均一に加熱したいときは、鍋の温度を測定する温度センサを設け、鍋の温度状態に応じて位相差を制御するようにしてもよい。その場合、加熱コイル線上方の鍋の温度に対し、加熱コイル間の中心上方の鍋の温度が高いと判断すると、位相差θを小さくて加熱コイル間の中心上方の鍋の温度を下げるようにする。逆に、加熱コイル線上方の鍋の温度に対し、加熱コイル間の中心上方の鍋の温度が低いと判断した場合には、位相差θを大きくして加熱コイル間の中心上方の鍋の温度を上げるようにする。

（実施の形態２）
図１０に、本発明の実施の形態２の誘導加熱調理器の構成を示す。図１に示す誘導加熱調理器の構成と異なるのは、位相差切替部１８を有する点である。図１０に示す位相差切替部１８は、一つのインバータから近接する２つの加熱コイル１３の両方の加熱コイルに電力を供給する場合において、インバータ１４と２つの加熱コイルのうちの片方の加熱コイルとの接続間にリレーを有し、接続を物理的に切り替えている。本実施の形態に示した位相差切替部１８により、近接する２つの加熱コイル１３に流れる電流の位相差は０またはπの二通りを実現することができる。

例えば、図１１に示すように位相差θをπとすることにより、２つの加熱コイルから発生する磁界は最も強く協調する。加熱コイル間の距離ａ＜加熱コイルの半径ｂの関係で磁界を協調させると、加熱コイル間の中心点上方の鍋の温度は位相差θをπ／２で動作させた以上に上昇して温度分布は更に悪くなるが、磁界の打ち消し合いが少なくなるため、高効率で加熱することができる。

また、磁界を協調させることにより、加熱コイルと鍋との磁気結合が良くなるため、加熱コイルからみた鍋込みの抵抗分が増大し、同じ加熱電力で比較すると、打ち消し合いの動作の場合に比べて加熱コイルに流れる電流が少なくなるため、回路部品の負担が減り高出力をしやすい。

さらに、同じ加熱電力の場合は、高効率で加熱するほうが加熱コイルやインバータ１４の冷却が少なくて済むため、冷却ファンの回転数ダウンによる騒音の低下など、効率以外のメリットも出すことができる。

このような点から、位相差θをπ〜π／２とすることにより、鍋を均一に加熱することはできなくなるが、高出力化や高効率化には適しているため、調理メニューによって使い分けることが望ましい。例えば、玉子焼きやホットケーキなど、高出力があまり必要ではなく、均一に加熱するほうがメリットの高い調理物においては、位相差θをπ／２〜０の間として動作して均一に加熱させることを優先させる。また、湯沸しなど高出力や高効率が要求される場合には位相差θをπ〜π／２の間として動作することにより、調理性能のよい誘導加熱調理器を提供することができる。

（実施の形態３）
インバータ１４は複数のインバータで構成してもよい。その場合、複数のインバータのうちの個々のインバータには、少なくとも一つの加熱コイルの接続が必須となる。インバータの数がｎ個、加熱コイルの数がｋ個の場合、ｋ個の加熱コイルをｎ個に分割することにより、一つのインバータに少なくとも一つの加熱コイルが接続することができる。ここで、ｎ≦ｋである必要があり、ｎ＝ｋのときは、一つの加熱コイルに一つのインバータが接続される状態になる。

図１２に、本発明の実施の形態３の、インバータの数と加熱コイルの数の関係及びその接続方法の一例を示す。

図１２は、２つのインバータと４つの加熱コイルから成り立つ誘導加熱調理器を示している。４つの加熱コイルを２つの加熱コイル群に分け、同一群の加熱コイルを直列に接続し、四角形の対角線上に加熱コイルを配置した構成をとったものである。

複数のインバータを設けることにより、インバータごとに出力の開始／停止や出力調整を行うことができ、鍋を載置していないなどの理由で出力する必要のない加熱コイルには電力を供給しないようにして、加熱効率の向上を図ったり、漏洩磁界を低減したりすることができる。

また、図１２に示すように、加熱コイルを内側から外側に巻くとき、同一方向に巻いた（図１２では左巻き）加熱コイル４つを配置した場合、同一群内の加熱コイル同士の結線は片方の加熱コイルを内側としたときは、もう一方の加熱コイルは外側とする。すると、図１２中のインバータ１とインバータ２の位相差θが０の時は、インバータ１に接続している加熱コイルと、インバータ２に接続している加熱コイルから発生する磁界は近接するコイル間で常に打ち消し合う状態となる。逆に、インバータ１とインバータ２の位相差θがπの時は、インバータ１に接続している加熱コイルと、インバータ２に接続している加熱コイルから発生する磁界は近接するコイル間で常に協調する状態となる。つまり、加熱コイルとインバータが同一の数でなくとも打ち消し合いや協調の動作を全加熱コイルで実現することができるため、本発明を適用することにより、インバータの数を減らして安価に、均一に加熱することや高効率で加熱をすることができる。

（実施の形態４）
図１３は、本発明の実施の形態４の、近接する２つの加熱コイル１３に高周波電流を流すためのインバータ１４の回路図を示す。商用電源１９をダイオードブリッジ２０で全波整流した電源を、フィルタ部２１を介してインバータ部２２に供給する。インバータ部２２は、定周波数電力変換（ＶＰＣＦ）回路の典型的な回路であるＳＥＰＰ回路である。第１のスイッチング素子２３と第２のスイッチング素子２４のペア、及び第３のスイッチング素子２５と第４のスイッチング素子２６のペアが排他的にオンオフ動作をすることにより、左加熱コイル２７や右加熱コイル２８には高周波電流が流れる。図１３における第１〜第４のスイッチング素子はＩＧＢＴにより構成されており、ゲート信号ｇ１〜ｇ４をＩＧＢＴのゲートに入力することによりオンオフ動作を行う。

図１４に示すようなゲート信号ｇ１及びｇ２を第１のスイッチング素子２３と第２のスイッチング素子２４に入力することにより、図１４の下方に示すような高周波電流が左加熱コイル２７に流れ、この高周波電流により発生する高周波磁界を鍋１７に与えることによって鍋１７に渦電流を発生させ、その渦電流と鍋１７の持つ固有抵抗でもって鍋１７を加熱する。

図１３では、加熱コイルとインバータが１対１の関係で二つずつ存在する。第３のスイッチング素子２５及び第４のスイッチング素子２６、右加熱コイル２８などから成る二つ目のインバータは、一つ目のインバータとダイオードブリッジ２０およびフィルタ部２１を共有し、一つ目のインバータと並列に接続されている。

２つのインバータは制御部１５からのゲート信号ｇ１〜ｇ４により第１〜第４のスイッチング素子を駆動する。その際、ゲート信号ｇ１のタイミングとゲート信号ｇ３のタイミングを同一のタイミング、つまり位相差θを０にすると、左加熱コイル２７に流れる電流Ｉ１が正の時に右加熱コイル２８に流れる電流Ｉ２も正となり、電流Ｉ１が負の時には電流Ｉ２も負となることから、２つの近接する加熱コイルの間での磁界は打ち消し合いの状態にすることができる。

逆に、図１５に示すように、ゲート信号ｇ１に対してゲート信号ｇ３のタイミングをπずらした位相差θ１で動作すると、左加熱コイル２７に流れる電流Ｉ１が正の時に右加熱コイル２８に流れる電流Ｉ２は負となり、電流Ｉ１が負の時には電流Ｉ２は正となることから、２つの近接する加熱コイルの間での磁界は協調の状態にすることができる。

更に、ゲート信号ｇ１とゲート信号ｇ３のタイミングをπ／２ずらした位相差θ２で動作すると、磁界の打ち消し合いの状態と協調の状態を半々ずつにすることになるため、２つの独立した加熱コイルが干渉なく動作しているのと同じ熱量を発生し、加熱分布は２つの加熱コイルが発生する熱量の和となるような状態にすることができる。

インバータを２つ独立して有することにより、左加熱コイル２７のみの通電や、左加熱コイル２７と右加熱コイル２８の加熱電力バランスの変化など、色々な加熱パターンを実現することができる。

位相差の切り替えは、複数のインバータ間において、インバータを構成するスイッチング素子が導通状態や非導通状態に遷移するタイミングをずらすことで行うことにより、リレーなどメカ動作を有して壊れやすい部品を使用することなく位相差を変化させることができるため、製品の信頼性を向上させるとともに、使用部品点数の削減により安価な製品にすることができる。また、導通タイミングをずらすことによる位相差制御では、位相差をπ〜０の間で連続的に変化させることができるため、干渉の状態をきめ細かく制御することができるため、鍋の材質やサイズの変化に対応させることや温度センサを導入するこ
とにより、より均一に加熱することができる。

（実施の形態５）
図１６は、実施の形態５における、一つの鍋を加熱する加熱コイルの数と電流の向きの関係を示す図である。

互いの加熱コイルから発生させた磁界を干渉させ一つの鍋１７を加熱する複数の加熱コイルにおいて、例えば鍋１７の載置位置の中心から個々の加熱コイルの中心までの距離を等しい距離とするように加熱コイルを配置するものとする。図１６（Ａ）のように、３つ（奇数）の加熱コイルで一つの鍋１７を加熱する場合、磁界を打ち消し合う干渉は２つの加熱コイルが近接する三点全てにおいて実現可能であるが、磁界が干渉する三点全てにおいて協調動作を行うことは不可能である。例えば図１６（Ａ）の矢印が示す向きに電流をしてみた場合、干渉を行わせる三点中二点では協調動作を行うが、破線で示す残りの一点では打ち消し合いの動作が必ず生じてしまう。しかし、図１６（Ｂ）のように、４つ（偶数）の加熱コイルで一つの鍋１７を加熱する場合、磁界を打ち消し合う干渉と協調する干渉の両方を２つの加熱コイルが最も近接する四点全てにおいて実現可能となるため、加熱分布に偏りが生じず、調理性能のよい調理器を提供することができる。

（実施の形態６）
図１７は、２つの加熱コイル１３が発生する磁界が協調しているときの、２つの加熱コイル１３の断面図を示す。磁界を協調させると、図６の実線の矢印のように磁界の大ループが形成され、その結果、加熱コイル間（領域Ａ）直上の鍋１７へ磁界が十分に与えられ、鍋１７の中心部が強く加熱する。このとき、加熱コイルからトッププレート１１を介した鍋１７の加熱面では磁界が協調されるが、加熱コイル線の間である領域Ａにおいては、左側の加熱コイルから発生する図面上方から下方に向いている磁界と、右側の加熱コイルから発生する図面下方から上方に向いている磁界とが打ち消し合い、合成された磁界は小さくなる。従って、図１８に示すように、加熱コイルに流れる電流Ｉａと電流Ｉｂが同じ方向の場合、加熱コイルの配置面近傍においては、領域Ａでの漏洩する磁界は殆どなくなるため、安全性の高い調理器を提供することができる。また、領域Ｂにおいても、領域Ａと比較すると漏洩磁界は増大するものの、一つの加熱コイルで一つの鍋を加熱するものと比較すると格段に漏洩磁界を低減することが可能となる。

図１９は、誘導加熱調理器の上面図であり、操作部と加熱コイルの配置の関係を示す。誘導加熱調理器の筐体３０には、４つの加熱コイルで一つの鍋を加熱する加熱コイル１２と、加熱コイルやインバータ回路を冷却するための空気の通り道となる吸排気口２９と、操作部１６が配置されている。ここで、操作部１６は使用者の操作位置３１に近い場所に配置されている。図１９に示すように、同時に動作して一つの鍋を加熱する４つの加熱コイルのうち、調理器の使用者が位置する場所から最も近くで動作する２つの加熱コイルは、使用者が位置する場所から最も近い筐体の一辺と略平行になるように配置されている。これにより、図１８で示した漏洩磁界の少ない領域Ａや領域Ｂに使用者が位置することになり、安全性を高めることができる。特に、ペースメーカーを取り付けている使用者や磁気に弱い腕時計などを身に付けている使用者が誘導加熱調理器を操作して調理する際には、誤動作を防止する効果が高くなり、安全に調理できる誘導加熱調理器を提供できる。

（実施の形態７）
図２０は、４つの加熱コイルで一つの鍋を加熱する誘導加熱調理器の、加熱コイルと防磁リングの配置関係を示す。

図２０の右上に配置された加熱コイルに電流Ｉａが実線の矢印の方向に流れたとき、発生する磁界は右ネジの法則により、破線で示すように、コイル内側→コイル上面→コイル
外側→コイル下面→コイル内側の閉ループ状態になる。

従来のような、一つの加熱コイルで一つの鍋を加熱する場合、加熱に寄与されない外部への漏洩磁界を低減するための防磁リングは、加熱コイルと中心を略同じとし、且つ加熱コイルの外周をループさせるように配置される。すると、防磁リングの外部をループしようとする磁界の量に応じて防磁リングには逆起電力が発生し、磁界を打ち消す方向に電流が流れるため、漏洩磁界を低減できるというものである。しかし、本発明のように複数の加熱コイルで一つの鍋を加熱する場合、加熱コイル一つ一つの外周に防磁リングを配置すると、防磁リングの外方向には磁界が殆ど発生しなくなり、隣接する２つの加熱コイル間の磁界の干渉もなくなってしまい、本発明の効果が得られなくなる。

そこで、複数の加熱コイルで一つの鍋を加熱する場合、防磁リング３２は、同時に動作して一つの鍋を加熱する可能性がある全ての加熱コイルを囲うように配置する。図２０に示す加熱コイル電流Ｉａ、Ｉｂ、Ｉｃ及びＩｄが矢印の方向に流れている場合、近接する２つの加熱コイルに流れる電流の向きはどこも逆向きとなるため、均一に加熱している状態となる。このとき、４つの加熱コイルが発生している磁界の向きは破線で示す向きとなる。防磁リング３２に最も近い個々の加熱コイル部が発生する磁界が防磁リング３２の外側をループしようとする磁界の向きは、４つの加熱コイル全てが上方から下方の向きとなっているため、起電力の発生する向きが同一となり、４つの加熱コイルから外部に漏れようとする合成磁界を打ち消すような向きに電流Ｉｅが流れる。その結果、防磁リング３２の外周に漏洩する磁界を低減することができる。

さらに、本構成により、近接する２つの加熱コイルの干渉は防磁リング３２によって抑制されることがないため、打ち消し合いの動作による均一加熱や協調の動作による高効率高出力加熱の効果は維持することができる。

（実施の形態８）
図２１は、同一鍋において、位相差θを０とπで動作させたときの動作周波数と加熱電力の関係を示す。ここで、図１３のＳＥＰＰ回路において、第１のスイッチング素子２３と第２のスイッチング素子２４、第３のスイッチング素子２５と第４のスイッチング素子２６の導通比（Ｄｕｔｙ）は、それぞれ一定としている。

共振周波数と動作周波数が一致したとき、電力が最も入る状態となる。

位相差θを０で動作させたものに比べ、位相差θをπで動作させると、磁界が協調するために鍋に与えられる磁束も増大し結合がよくなる。その結果、加熱コイルの端子から見た鍋込みの等価抵抗分が大きくなるとともに、インダクタンスも増大する。共振コンデンサが一定の場合、インダクタンスが大きくなると共振周波数は低くなるため、図２１に示すように、加熱電力のピーク点の動作周波数は低くなる。スイッチング損失の低減のため、ゼロ電圧ソフトスイッチング動作を行うために、共振周波数よりも動作周波数のほうを高くして動作させることが必須であるということを勘案すると、協調動作では打ち消し合いの動作よりもインバータの動作周波数を低くしなければ定格電力を出力できなくなる可能性が生じるため、磁界の協調の動作では打ち消し合いの動作よりも動作周波数を低くする。

逆に、インバータの動作周波数を協調で動作させて定格電力を出力できる周波数で一定にすると、打ち消し合いの動作のときは、共振周波数よりも動作周波数のほうが低くなる可能性があり、その場合はスイッチング損失が増大してしまうため、打ち消し合いの動作の時の動作周波数は協調の動作周波数よりも高くする必要がある。この条件を満たすにより、図１３に示す電圧源供給型ＳＥＰＰインバータの特性上、電力制御を共振周波数以上
の領域で行うことができスイッチング損失を低減することができるので、冷却構成の簡素化による安価な誘導加熱調理器や、加熱効率の良い誘導加熱調理器を提供することができる。

（実施の形態９）
図２２は、第１のスイッチング素子２３と第２のスイッチング素子２４の導通状態と非導通状態の割合である時比率Ｄｕｔｙを０．５以外に変化させたときの、２つの近接する加熱コイルに流れる電流波形を示す。ここで、第３のスイッチング素子２５と第４のスイッチング素子２６の時比率Ｄｕｔｙも０．５以外に変化させている。

本実施の形態では、Ｄｕｔｙを変化させることにより電力調節を行っているが、無論、スイッチング素子の動作周波数を変化させても、図２１に示すように電力調節は可能である。

Ｄｕｔｙを変化させる電力調節手段は、加熱コイル電流の基本周波数は変化しないが、ｎ時の高調波成分が含まれて波形は正弦波に比べて歪むため、スイッチング素子の導通状態と非導通状態のタイミングを変化させて位相差の変化を行う場合、図１３に示す接続では、協調動作させたときの瞬時毎の電流Ｉ１と電流Ｉ２の値は異なる。しかし、電流の瞬時値は一致しないものの、電流の向きが正と負に切り替わるタイミングは殆ど変わらないため、本発明における磁界の協調の効果は十分に発揮される。加熱コイルの接続方法によっては、磁界の打ち消し合いの場合に電流の瞬時値が異なる場合も発生するが、その場合でも同様に磁界の打ち消し合いの効果は十分に発揮される。

また、動作周波数を変化させない本実施の形態のような電力調節では、隣り合うバーナと動作周波数を同一とすることにより、うなり干渉音が発生せず、使用者にとって異音による不快感を与えることのない誘導加熱調理器を提供することができる。

上記全ての実施の形態は、近接した２つの加熱コイルの関係を明らかにするため、加熱コイルを２つまたは４つ用いて動作や原理を説明しているが、一つの鍋を加熱する複数の加熱コイルの数は２つや４つに限定されるものではなく、図２に示すようなマトリックス状になったものなど、加熱コイルから発生する磁界を干渉させる構成のものであれば全てに適用できる技術である。

本発明は、誘導加熱調理器において、被加熱物である鍋を均一に加熱することができるため、均一加熱を必要とする誘導加熱調理器に有用である。また、協調動作させることにより、高効率で加熱することもできるため、加熱用途に応じて動作を変化させる高機能の誘導加熱調理器に有用である。

更に、本発明における実施の形態では、誘導加熱調理器で技術説明を行ったが、誘導加熱装置において均一に加熱することが必要となる全ての装置において本技術は適用可能であるため、本発明は大いに有用である。

１１ トッププレート
１２ 複数の加熱コイル
１３ 最も近接して配置される２つの加熱コイル
１、２、１４ インバータ
１５ 制御部
１６ 操作部
１７ 鍋（被加熱物）
１８ 位相差切替部
１９ 商用電源
２０ ダイオードブリッジ
２１ フィルタ部
２２ インバータ部
２３ 第１のスイッチング素子
２４ 第２のスイッチング素子
２５ 第３のスイッチング素子
２６ 第４のスイッチング素子
２７ 左加熱コイル
２８ 右加熱コイル
２９ 吸排気口
３０ ＩＨクッキングヒータ（筐体）
３１ 使用者の操作位置
３２ 防磁リング

Claims (3)

1. 被加熱物を載置するためのトッププレートと、略同一の形状およびサイズを有し同一方向に巻かれ前記トッププレートの下方に略同一平面に近接して配置された４つの加熱コイルと、前記４つの加熱コイルに電力を供給する２つのインバータと、前記２つのインバータの出力を制御する制御部と、を有し、前記４つの加熱コイルは、四角形の対角線上に配置された２つの加熱コイルが直列接続されて構成された２つの加熱コイル群からなり、前記加熱コイル群は、一方の加熱コイルの内側端子と他方の加熱コイルの外側端子とが結線されて構成され、前記２つのインバータの各々は、前記２つの加熱コイル群の各々にそれぞれ電力を供給する誘導加熱調理器。
2. 前記制御部は、電流の位相差が０以上π／２以下である電力を前記２つの加熱コイル群の各々にそれぞれ供給するように前記２つのインバータを制御する請求項１に記載の誘導加熱調理器。
3. 前記制御部は、電流の位相差がπ／２以上π以下である電力を前記２つの加熱コイル群の各々にそれぞれ供給するように前記２つのインバータを制御する請求項１に記載の誘導加熱調理器。

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