JP5341385B2 - 誘導加熱調理器 - Google Patents

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Description

本発明は、本体内に加熱コイルを備えた誘導加熱調理器に関するものである。
誘導加熱調理器は、本体の上面部に、鍋等が載置されるトッププレートを備え、本体内に環状の加熱コイルやその駆動回路が構成されている。誘導加熱調理器は、加熱コイルに高周波電流を流し、発生させた高周波磁界によって鍋に渦電流を発生させ、この渦電流によるジュール熱により、鍋自体を発熱させて調理を行う調理器である。
従来の誘導加熱調理器は鍋を載置するトッププレートの下面に接触させたサーミスタなどの感熱素子で鍋底の温度を検出していた。しかしトッププレートは、結晶化ガラスで出来ており、その熱伝導率は小さいため、鍋底の温度がトッププレートの下面に達するまでに時間遅れが発生し、鍋底の温度変化を高応答で検知することが出来なかった。
そのため、鍋底から放射される赤外線をトッププレート越しに直接赤外線センサで検出して鍋底の温度を検知するものが提案されている(特許文献1または特許文献2参照)。
特開2004−95313号公報 特開2004−227976号公報
特許文献1または特許文献2に示される構成では、トッププレートを通過してくる鍋からの放射赤外線のうち、熱型赤外線センサが受光できる赤外線量が少ないため、ノイズに対して十分な強度の出力を得ることが困難であった。
また、トッププレートから放射される赤外線の影響により、鍋底から放射される赤外線を正確に検出することが困難であった。
本発明は、上記の問題に対処し、ノイズに対して十分な強度の出力を得ることができ、かつトッププレートから放射される赤外線の影響を受けにくい鍋温度検出装置を備えた誘導加熱調理器を提供することを目的とする。
本発明は、赤外線領域において透過性を有するトッププレートと、その下方に設置された加熱コイルと、冷却風を供給する冷却ファンと、該冷却ファンを駆動するモーターと、を備えた誘導加熱調理器において、前記トッププレートの下方に樹脂製の防風ケースで覆った熱型赤外線検出素子を設け、前記トッププレートと前記熱型赤外線検出素子の間に、前記トッププレートと同一の素材であり、2.7μm以下の領域と3μm以上5μm以下の領域においておのおの30%以上の透過領域を持ち、かつ2.7μm以下の領域における透過率の最大値より、3μm以上5μm以下の領域における透過率の最大値が小さい赤外線透過部材を設け、前記赤外線透過部材に前記冷却風を当てることにより温度上昇を抑えるとともに、前記防風ケースで覆うことにより前記熱型赤外線検出素子の周囲温度の急峻な変化を抑えるものであり、前記トッププレート下面のうち、前記赤外線透過部材の上方に位置する領域には、前記冷却ファンによる冷却風があたることを特徴とする。
本発明によれば、トッププレート上の鍋の温度を、一つの素子で約50℃から300℃の広範囲で、高精度に、かつその温度変化をすばやく検出できる。
本発明の実施例について、図面を引用して説明する。
図1は本発明の誘導加熱調理器の外観斜視図である。図1において、101は誘導加熱調理器の本体、102は電源の入り切りや加熱の設定等を行う操作部、103は表示部、104は耐熱ガラス等からなり鍋等を載置するトッププレート、105,106はトッププレート104の下方に鍋等を誘導加熱する加熱コイルが配設された加熱領域、107はトッププレート104の下方に鍋等を加熱するラジエントヒーターが配設された加熱領域、108〜110は本実施例による赤外線センサが鍋温度を検知するために塗装等を施さない赤外線透過領域、111は回路等の冷却風の吸入口である。
図2はトッププレート104を外した状態での加熱領域106付近の上面図である。図2において201は加熱コイル、202は赤外線検出モジュール、203はトッププレート104の下面の温度を測定するサーミスタ(接触式温度センサ)である。
図3は、図1のA−A′面の本体断面図である。図3において、301は冷却ファン、302は冷却ファン301を駆動するモーター、303〜305は加熱コイル201に所定の電力を供給する高周波電流供給装置、306は冷却ファン301により吸引される冷却風の流れを表す矢印である。
図4は、赤外線検出モジュール202の斜視図である。また、図5は、赤外線検出モジュール202のB−B′断面図である。図5において、501は受光した赤外線の昇温効果での温度が上昇する受光面、502は冷接合面、503は受光面501と冷接合面502との温度差により熱起電力を発生させる複数の熱電対、504は冷接合面502の温度を検出するサーミスタ(接触式温度センサ)、505は熱電対503による熱起電力を増幅し、サーミスタ504の出力により周囲温度補正を行う増幅装置、506は第1の赤外線透過部材、507は第2の赤外線透過部材、508は赤外線検出素子であるサーモパイルのパッケージ、509はサーモパイルの周囲温度の急峻な変化を抑えるための樹脂で構成された防風ケース、510は過熱コイルからの磁界によりサーモパイルが加熱されることを防ぐための磁性体金属で構成された磁気シールドケースである。
図6は、鍋加熱制御システムを示す機能ブロック図である。図6において、601は加熱対象である鍋、602は赤外線検出モジュール202とサーミスタ203からの出力により鍋601の温度を算出する温度算出装置、603は温度算出装置602の出力に応じて加熱コイル201に供給する電力を制御する制御装置である。
図7は、熱電対503による熱起電力を増幅し、サーミスタ504の出力により周囲温度補正を行う増幅装置505の回路図である。
次に,本実施例の動作を説明する。ユーザーがトッププレート104上に鍋601を置き、操作部102を操作して加熱を開始すると、制御装置603が高周波電流供給装置305を制御して加熱コイル201に所定の電力を供給する。加熱コイル201に高周波電流が供給されると、加熱コイル201から誘導磁界が発せられ、トッププレート104上の鍋が誘導加熱される。この誘導加熱によって鍋の温度が上昇し、鍋内の調理物が調理される。
物体はその温度に応じて自ら赤外線を放射する。この赤外線の強度と波長分布は物体の絶対温度の関数となる。これは式1に示すプランクの放射則として知られている。
Eλ=C1/λ5(exp(C2/λT)−1 ・・・ (式1)
T:絶対温度(K)
C1:第1放射定数3.741×10-16(W・m2
C2:第2放射定数1.438×10-2(m・K)
λ:波長(μm)
このプランクの放射則から導かれる、100℃,200℃と300℃の黒体の放射エネルギーの波長分布を図9に示す。縦軸は対数である。
一般的に調理時の鍋の温度は、約50℃〜250℃であり、また調理中の油の発火を防ぐためには、250℃〜300℃の高温の検出も必要である。そのため、鍋温度検知範囲としては、約50℃〜300℃が求められる。この温度のピーク波長は式2に示すウィーンの変位則より約5μm〜9μmの波長である。
λMAX=2897.8/T(μm) ・・・ (式2)
T:絶対温度(K)
また、プランクの放射則を全波長域で積分することにより、物体の放射する全赤外線エネルギーが計算でき、これはその物体の絶対温度の4乗に比例するというステファン・ボルツマンの法則(式3)がある。
W=σT4 ・・・ (式3)
W:単位面積当たりの放射量(W/cm2・μm)
σ:ステファン・ボルツマン定数=5.67×10-12(W/cm2・K4
T:放射物体の絶対温度(K)
一般の赤外線検出素子を用いた非接触式の温度計測では、この放射赤外線量が、絶対温度の4乗に比例することを利用している。
しかし、誘導加熱調理器では、トッププレートに、要求される耐熱性と強度を満たすために、特殊組成のガラスを再加熱してガラス中に微細結晶を析出させた結晶化ガラスが用いられている。この透過特性は、図8に示すように、2.7μm以下の波長の赤外線は80%以上透過し、3〜4μmの波長の赤外線は50%程度透過し、5μmよりも長い波長の赤外線はほとんど通さない。
したがって、トッププレートを介して赤外線検出素子が検出できる鍋601からの放射赤外線量は、非常に少なくなる。そのため赤外線検出素子として、検出感度が高い量子型赤外線検出素子、たとえばフォトダイオードを用いることが提案されているが、量子型赤外線検出素子は検出感度波長依存性があり、たとえばシリコン製フォトダイオードでは、その検出できる赤外線波長帯域は、約0.85μmから1.0μmの狭い帯域になる。
図9に示すように、この狭い帯域での赤外線量は、物体の温度の上昇に対して、急激に赤外線量が増大し、この割合はステファン・ボルツマンの法則の絶対温度の4乗よりもはるかに大きい。
そのため、フォトダイオードを用いて実際の鍋底の温度とフォトダイオードセンサの出力を測定してみると、図10に示すように、約220℃から急激に上昇し、290℃で飽和してしまう。実際の調理では約50℃から300℃の温度範囲を計測できることが望ましいが、量子型赤外線検出素子を用いると、計測できる温度範囲が狭いので、一つの素子で要求される温度範囲を計測するのが困難であった。また、220℃より低い温度範囲を計測するために、検出波長が長いインジウム−ガリウム砒素を原料とするフォトダイオードを用いることも可能であるが、その場合もやはり計測できる温度範囲が狭いので、約80℃から150℃までの温度計測しか出来ず、高温域の温度計測が出来なかった。また、インジウム−ガリウム砒素を原料とするフォトダイオードは希少金属を使用するため高価である。
そこで、実施例では、熱型赤外線検出素子としてサーモパイルを用いている。サーモパイルは受光した赤外線の昇温効果で受光面の温度が上がると、微小な受光面に配置された複数の熱電対から電圧が発生し、これを増幅して対象物の温度を検知するものである。このサーモパイルは、波長依存性が無いため、受光面の前面に取り付けた透過部材に波長透過特性を持たせる必要がある。本実施例では、この透過部材に、トッププレートと同一の素材をレンズ形状に加工したものを用いている。このためこの透過部材の波長透過特性は、図8に示すトッププレートとほぼ同一になる。そのため、トッププレートを通過してきた鍋からの放射赤外線は全て透過し、トッププレートが透過しない波長帯域の赤外線はカットできる。このトッププレートが透過しない波長帯域の赤外線は、鍋からの伝熱で過熱されたトッププレートから放射される赤外線であるので、この波長帯域をカットすることにより、トッププレートから放射される赤外線の影響を少なくでき、より正確に鍋からの赤外線量を測定できる。
また、鍋からの赤外線の波長帯域全てをサーモパイルで受光できるので、量子型センサに比べて受光感度が低い熱型赤外線検出素子でも、必要なS/N比を確保でき、鍋の温度を測定できる。また、本実施例では、サーモパイルの赤外線検出波長帯域が広く、かつ約50℃〜300℃温度のピーク波長である5μm〜9μmにより近いので、鍋温度の上昇に対して、赤外線量の増大割合が、量子型センサに比べて小さく出来る。図10に、実際の鍋底の温度とサーモパイルの出力を示す。図10に示すように、約50℃から300℃までの温度範囲で計測可能である。
また、サーモパイルはその原理上、センサ周囲温度(冷接合面502)と、鍋からの放射赤外線の昇温効果での温度が上昇する受光面との温度差を計測しているので、センサ周囲温度が変化するとセンサ出力も変化してしまう。そのため、図7に示すように、冷接合面502の温度をサーミスタ504で計測し、補正する回路を搭載している。しかし、このサーミスタ504は、緩やかな温度変化には追従することが可能であるが、急激な温度変化には追従することが出来ない。そのため、サーモパイル周囲に風が当たると、それによる温度変化を検出してセンサ出力がふらつく現象がおきる。
この現象を抑えるために、本実施例では、図5に示すように、赤外線検出素子であるサーモパイルを熱伝導率の低い樹脂で構成された防風ケースで覆い、その防風窓に第2の赤外線透過部材507を用いることにより気密構図としている。この第2の赤外線透過部材507の透過特性は、図11に示すように5μm以上の赤外線をカットする特性になっている。これは鍋からの伝熱によって温められたトッププレート104から放射される赤外線のうち昇温効果に優れた波長(5ミクロン以上)領域をカットすることにより、防風ケース内の温度上昇を抑えている。特に第1の赤外線透過部材506の温度が上昇すると、これから放射される赤外線を受光面501が検出してしまい、おおきな測定誤差となってしまう。そのため、第1の赤外線透過部材506とトッププレート104の間に5μm以上の赤外線をカットする第2の赤外線透過部材507を設けることが重要である。この第2の赤外線透過部材507には外部より冷却風を当てることにより、温度上昇を抑えることが可能である。
本実施例では、第1の赤外線透過部材506としてトッププレート104と同一の素材を用いたが、これは必ずしも同じ素材である必要はなく、たとえばシリコン素材にコーティングにより図12に示すような、トッププレート104とほぼ同一の透過特性を持たせた透過部材を用いても良い。
この場合、重要なのは、図12に示す2.7μm以下の領域121と3μm以上5μm以下の領域122の2つの透過領域を持つことである。これにより、トッププレート104を通過してきた鍋601からの放射赤外線を有効にサーモパイルが受光できる。また、図8および図9から分かるように、領域122の赤外線は、赤外線エネルギー量は少ないが、トッププレート104の放射赤外線の影響は小さい。領域123の赤外線は、赤外線エネルギー量は多いが、約50%はトッププレート104の放射赤外線である。このため、領域122の赤外線のみをサーモパイルが受光すると、赤外線エネルギー量は少ないため、必要なS/N比を確保することが難しい。一方、領域123の赤外線のみをサーモパイルが受光すると、トッププレート104の放射赤外線の影響が大きく、鍋601からの赤外線量を正確に測定できない。
しかし、領域122および123両方の放射赤外線を透過し、かつ領域122の透過率より領域123の透過率を低くすることにより、トッププレート104の放射赤外線の影響を抑えつつ、鍋601からの赤外線量を多く受光できる。
以上述べた理由から、第1の赤外線透過部材506の透過特性は、図13に示す透過特性でもよい。
また、第2の赤外線透過部材507としてトッププレート104と同一の素材を用いたり、図12や図13の透過特性を持たせ、第1の赤外線透過部材506の透過特性は、可視領域から22μm以上までほぼ平坦な透過特性を持つ部材(たとえばコーティングなしシリコン)を用いても、同一の効果をもつ。
また、図3に示すように、赤外線検出モジュール202を効率的に冷却するために、加熱コイル201の上流側に設置する。
また、ユーザーが操作部102を操作して加熱動作を終了させたとき、すぐ冷却ファン301を停止させると、トッププレート104や加熱コイル201の余熱により、赤外線検出モジュール202の周囲温度が上昇してしまうので、加熱終了後も一定時間、冷却ファン301の運転を維持する。
また、トッププレート104下面のうち、赤外線検出モジュール202の上方に位置する領域は、冷却ファン301による冷却風があたる構造にする(冷却風を遮る部材を設けない)ことにより、トッププレート104下面のうちの赤外線検出モジュール202の上方に位置する領域の温度上昇を抑え、トッププレート104からの放射赤外線量を少なくすることが出来る。
また、本実施例では、熱型赤外線検出素子としてサーモパイルを例に説明したが、その他の熱型赤外線検出素子(たとえば、焦電素子,ゴーレイセル,ボロメータ等)を用いても同様な効果を得ることが出来る。
以上述べたように本発明によれば、トッププレート上の鍋の温度を、一つの素子で約50℃から300℃の広範囲で、高精度に、かつその温度変化をすばやく検出できる。
本発明による誘導加熱調理器の外観斜視図。 本発明による誘導加熱調理器の加熱コイル付近上面図。 本発明による誘導加熱調理器の加熱コイル付近断面図。 本発明による誘導加熱調理器の赤外線検出モジュールの斜視図。 本発明による誘導加熱調理器の赤外線検出モジュールの断面図。 本発明による誘導加熱調理器の鍋加熱制御システムを示す機能ブロック図。 本発明による誘導加熱調理器の増幅装置の回路図。 本発明による誘導加熱調理器のトッププレートの透過率特性図。 100℃,200℃と300℃の黒体の放射エネルギーの波長分布図。 赤外線検出モジュールの出力温度特性図。 本発明による誘導加熱調理器の赤外線透過部材の透過率特性図。 本発明による誘導加熱調理器の赤外線透過部材の透過率特性図。 本発明による誘導加熱調理器の赤外線透過部材の透過率特性図。
符号の説明
104 トッププレート
201 加熱コイル
202 赤外線検出モジュール
506 第1の赤外線透過部材
507 第2の赤外線透過部材
601 鍋

Claims (2)

  1. 赤外線領域において透過性を有するトッププレートと、
    その下方に設置された加熱コイルと、
    冷却風を供給する冷却ファンと、
    該冷却ファンを駆動するモーターと、
    を備えた誘導加熱調理器において、
    前記トッププレートの下方に樹脂製の防風ケースで覆った熱型赤外線検出素子を設け、
    前記トッププレートと前記熱型赤外線検出素子の間に、前記トッププレートと同一の素材であり、2.7μm以下の領域と3μm以上5μm以下の領域においておのおの30%以上の透過領域を持ち、かつ2.7μm以下の領域における透過率の最大値より、3μm以上5μm以下の領域における透過率の最大値が小さい赤外線透過部材を設け、
    前記赤外線透過部材に前記冷却風を当てることにより温度上昇を抑えるとともに、前記防風ケースで覆うことにより前記熱型赤外線検出素子の周囲温度の急峻な変化を抑えるものであり、
    前記トッププレート下面のうち、前記赤外線透過部材の上方に位置する領域には、前記冷却ファンによる冷却風があたることを特徴とする誘導加熱調理器。
  2. 請求項1記載の誘導加熱調理器において、
    前記赤外線透過部材を前記防風ケースの防風窓として設けることを特徴とする誘導加熱装置。
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