JP5372839B2

JP5372839B2 - 誘導加熱調理器

Info

Publication number: JP5372839B2
Application number: JP2010133504A
Authority: JP
Inventors: 良平松尾; 満本間; 伸明荒金; 照彦花坂; 博紀駒崎
Original assignee: Hitachi Appliances Inc
Current assignee: Hitachi Appliances Inc
Priority date: 2010-06-11
Filing date: 2010-06-11
Publication date: 2013-12-18
Anticipated expiration: 2030-06-11
Also published as: JP2011258482A

Description

本発明は、トッププレート上の鍋の温度を精度良く検出することができる誘導加熱調理器に関するものである。

特許文献１には、誘導加熱調理器の鍋温度検出方法として、鍋底面から放射される赤外線を検知する赤外線センサを備え、トッププレートの下面に置かれた導波管で、赤外線センサの視野を狭くして、捉えたい部分の温度を測定するもので、安定した温度検知をするために、導波管を熱伝導の良い金属で構成し、熱容量が大きくなるように管の肉厚を厚くし、導波管の外側から強制冷却した誘導加熱調理器が記載されている。

特開２００４−９５３１６号公報

特許文献１では、加熱コイルやトッププレートからの伝熱による導波管の温度上昇を抑制するために、導波管の外側を冷却風で強制冷却している。しかし、導波管の内壁鏡面部分を冷却風によって冷却することについては考慮されていない。また、導波管の肉厚を厚くすることで導波管の熱容量を大きくしているので、導波管が温まってしまうと導波管の内壁も冷めにくくなる。そのため、赤外線センサは、導波管内側から発生する赤外線エネルギの影響を受け、鍋底の温度を精度良く検出できないという問題がある。

また、導波管を誘導加熱調理器の外部から吸引した風で冷却した場合、導波管の外側を強制冷却する冷却風に乗ったゴミが導波管の内側に落ち、赤外線センサの受光面に堆積する可能性が考えられる。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、鍋を載置するトッププレートと、該トッププレートの下方に設け前記鍋を加熱する加熱コイルと、冷却風を発生する冷却ファンと、前記加熱コイルの下方に設け前記鍋から放射される赤外線を受光する赤外線センサと、該赤外線センサを収納し該赤外線センサの受光面側に開口した窓部を設けた樹脂ケースと、該樹脂ケースの前記窓部に設け前記樹脂ケースを封鎖する窓材と、前記トッププレートと前記窓材との間に前記トッププレートと略垂直になるように設け前記赤外線センサの視野を決める導波管と、を備え、該導波管の下端側を前記樹脂ケースに当接させ、該当接部には、前記冷却ファンから送風される冷却風を通過させる開口部を設け、
前記導波管の上端側は、前記トッププレートとの間に隙間を設けたものである。

本発明によれば、鍋底の温度を精度良く検出することができ、赤外線センサの視野内にゴミの堆積を無くすることができる。

一実施例の誘導加熱調理器の外観斜視図。一実施例の誘導加熱調理器の加熱コイル上面図。一実施例の誘導加熱調理器の断面図（図１のＡ−Ａ断面図）。一実施例の誘導加熱調理器の温度検知と加熱制御システムの機能ブロック図。一実施例の赤外線センサモジュールと導波管の断面図。

以下、本発明の一実施例を図面に基づいて詳細に説明する。

図１，図２において、１は誘導加熱調理器の本体である。２は耐熱性の高い結晶化ガラスよりなるトッププレートで、本体１の上面に水平に配置され、鉄等の磁性体又はアルミ等の非磁性体よりなる鍋５０１（図４）等を載置するものである。このトッププレート２は、４μｍ以下の波長の赤外線を透過し、それより長い波長の赤外線をカットする光学特性を有する。３ａ〜３ｃはトッププレート２の下方に配置された３つの加熱部で、トッププレート２上に載置された鍋５０１を誘導加熱する加熱コイルユニット２００（図２）を有している。３１ａ〜３１ｃは鍋底から放射した赤外線をトッププレート２の下方に透過する赤外線透過領域である。尚、ここでは加熱部を３つとしたが、加熱部は１つまたは２つであっても良い。４は吸気口で、本体１の後部において上方に向けて開口しており、本体１内部に冷却風を取り入れるものである。５は排気口で、本体１の後部において上方に向けて開口しており、本体１内部を冷却した排熱を排出するものである。本実施例では、吸気口４を本体１後部の右側に、排気口５を左側に配置している。６は本体１の前面左部に設けられたグリル加熱部である。７ａ〜７ｃは本体１の上面側に設けられた操作部で、加熱部３ａ〜３ｃの加熱の設定，操作を行うものである。８ａ〜８ｃはトッププレート２の前面側上部に設けられ、操作部７ａ〜７ｃの設定状況や加熱部３ａ〜３ｃの通電の状態を表示する表示部である。

図２は加熱コイルユニット２００の上面図である。加熱コイル２０１は、同心円状の同一平面上に設けられた内周側加熱コイル２０１ａと外周側加熱コイル２０１ｂで構成されて、内周側加熱コイル２０１ａの外端と外周側加熱コイル２０１ｂの内端が電気的に接続されている。本実施例において、内周側加熱コイル２０１ａはコイル中心からの距離約３０〜４５mmに設けられているものとし、外周側加熱コイル２０１ｂはコイル中心からの距離約５５〜９０mmに設けられているものとする。また、２０３は加熱コイル２０１を保持するコイルベース、２０２はトッププレート２と加熱コイル２０１との間に隙間を設けるためのギャップスペーサである。ギャップスペーサ２０２はトッププレート２に当接して加熱コイル２０１とトッププレート２との間に隙間を設け、この隙間に加熱コイル２０１を冷却する冷却風を通すものである。

また、５０８はコイル中心からの距離４５〜５５mmに設けられた赤外線センサ１２（図５）の検出エリアを規定する導波管で、鍋底から放射される赤外線を、後述する赤外線センサ１２に導くものである。なお、本実施例では赤外線センサ１２の検出エリアの大きさを導波管５０８を用いて直径約１０mmとしている。その上端部は加熱コイル２０１の高さと略同一の高さとなっている。２０５〜２０８はトッププレート２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、４０１は冷却ファン、４０２は冷却ファン４０１を駆動するモータ、４０３〜４０５は加熱コイル２０１に高周波電力を供給する高周波電力供給回路、４０６は冷却ファン４０１により吸引し後述する赤外線センサモジュール４０７と導波管５０８へと送風される冷却風の流れを表す矢印である。尚、ここで表示している冷却風は、本特許に関する冷却風の流れを分かりやすく簡略して表したもので、実際はダクトなどを用いて赤外線センサモジュール４０７と導波管５０８へと送風される。

加熱コイルユニット２００はバネ（図示せず）によりトッププレート２の下面に密着するように支持されている（加熱コイルユニット２００のギャップスペーサ２０２がトッププレート２と当接）。

図４は、温度検知と加熱制御システムの機能ブロック図である。図４において、５０１は被加熱物である鍋、５０２は赤外線センサモジュール４０７とサーミスタ２０５〜２０８の出力に基づいて鍋５０１の温度を算出する温度検出回路、２６は赤外線センサモジュール４０７の出力に基づいて鍋５０１の放射率を算出する放射率算出回路、５０３は温度検出回路５０２が算出した温度を放射率算出回路２６の出力に基づいて補正し、補正した温度に応じて高周波電力供給回路４０５を制御し加熱コイル２０１に供給する電力を制御する制御回路である。

次に、図５を用いて、赤外線センサモジュール４０７と導波管５０８の詳細を説明する。図５は、赤外線センサモジュール４０７と導波管５０８近傍の断面図である。

図に示すように、赤外線センサモジュール４０７は、樹脂ケース１６と、樹脂ケース１６の上方に設けられた窓部１４と、樹脂ケース１６の外殻を窓部１４を除いて覆う防磁ケース１３と、窓部１４に設けられた窓材１５と、樹脂ケース１６の内部に設けられた熱型赤外線検出回路１３１，反射率検出回路１３２，プリント配線板２７を備えている。

樹脂ケース１６の窓部１４は窓材１５によって封鎖されているので、赤外線センサモジュール４０７内部の熱型赤外線検出回路１３１，反射率検出回路１３２には冷却風が直接当たることはない。すなわち、この構成により、冷却風が熱型赤外線検出回路１３１，反射率検出回路１３２に与える影響を低減している。

また、樹脂ケース１６を熱伝導率の低い樹脂で構成することによって、赤外線センサモジュール４０７内部の温度が急激に変化するのを防止している。すなわち、この構成により、熱型赤外線検出回路１３１，反射率検出回路１３２の温度が伝熱によって急変化するのを防止している。

さらに、窓材１５には、高温となったトッププレート２と導波管５０８，加熱コイル２０１などから発せられる昇温効果の高い波長の赤外線（４μｍ以上）をカットする光学特性を持たせることによって、昇温効果の高い波長の赤外線が赤外線センサモジュール４０７内部に進入するのを防止している。すなわち、この構成により、熱型赤外線検出回路１３１，反射率検出回路１３２の温度が昇温効果の高い波長の赤外線によって急変化するのを防止している。なお、本実施例では、トッププレート２の赤外線透過特性と窓材１５の赤外線透過特性を同一とした。

さらに、防磁ケース１３を非磁性体のアルミ製にすることによって、赤外線センサモジュール４０７内部に侵入する電磁気的ノイズを低減し、防磁ケース１３が受ける輻射熱を放熱しやすい構成とした。

このような構成を採ることにより、熱型赤外線検出回路１３１，反射率検出回路１３２は、冷却風，周辺温度の急激な変化，昇温効果の高い波長の赤外線の影響，電気的なノイズの悪影響を小さくすることができ、調理温度１５０℃から３００℃の広い温度範囲において、精度の高い信号を出力することができ、鍋５０１の温度を正確に測定することができる。

次に本実施例で使用する結晶化ガラスから構成したトッププレート２と窓材１５の赤外線透過特性について説明する。使用するトッププレート２と窓材１５は、赤外線の波長が約０.５〜２.６μｍの帯域で透過率が約８０％を超えるとともに、波長が約０.４２〜２.７μｍ及び約３.２〜４μｍで透過率が約３０％以上であり、波長が約０.４２μｍ以下、約２.７〜３.２μｍ及び約４μｍ以上では透過率が約３０％に満たない。そのため、１００℃〜２００℃の鍋５０１が放射するピーク波長の赤外線の大部分は結晶化ガラス製のトッププレート２及び窓材１５を透過し、赤外線センサモジュール４０７内の赤外線センサ１２（本実施例ではサーモパイルを使用）へ向かうことができる。一方で、鍋５０１が放射する赤外線のうち昇温効果の高い４μｍ以上の波長の大部分はトッププレート２でカット（遮断）されるので、本体１内部が昇温効果の高い赤外線により温められるのを防止することができる。

次に、熱型赤外線検出回路１３１を詳細に説明する。熱型赤外線検出回路１３１は、鍋５０１の底面から放射される赤外線を検知する赤外線センサ１２であるサーモパイルと、赤外線センサ１２の出力を増幅するアンプ２１で構成されている。赤外線センサ１２に届く赤外線エネルギは微弱であるが、赤外線センサ１２とアンプ２１を一体化することで、赤外線センサ１２，アンプ２１間での電磁気的ノイズ混入を低減できる。そして、ノイズの混入の少ない信号をアンプ２１で５０００〜１００００倍に増幅した後に出力することで、Ｓ／Ｎ比の良い信号を熱型赤外線検出回路１３１から出力している。

ここで、本実施例で使用する赤外線センサ１２（サーモパイル）の原理について説明する。赤外線センサ１２（サーモパイル）は受光した赤外線のエネルギに比例した電圧を出力するものである。このため、鍋の温度が上昇すると鍋底からの赤外線放射強度も強くなり、赤外線センサ１２（サーモパイル）が受光する赤外線エネルギ量が増え、赤外線センサ１２（サーモパイル）の出力信号電圧が高くなる。一般に、物体の放射する赤外線エネルギ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・ボルツマンの法則があり、温度が高くなればなるほど加速度的に大きな赤外線エネルギを放射する。すなわち、赤外線センサ１２（サーモパイル）を用いて単位面積当たりの放射量Ｗを知ることができれば放射物体の絶対温度を算出できる。

次に、反射率検出回路１３２を詳細に説明する。反射率検出回路１３２は、赤外線発光素子１９と赤外線受光素子２０で構成されている。赤外線発光素子１９は、例えば、発光波長９３０ｎｍの赤外線ＬＥＤである。赤外線受光素子２０は、例えば、ピーク感度波長が８００ｎｍであって、波長９３０ｎｍにおける感度がピーク感度の８０％のフォトトランジスタである。赤外線発光素子１９が発光した赤外線は、経路２９を通り、鍋５０１で反射し、赤外線受光素子２０に戻る。赤外線受光素子２０では、受光した赤外線量に比例した電圧が発生し、電圧値から受光した赤外線量を知ることができる。つまり、反射率検出回路１３２は、赤外線発光量と赤外線受光量の比から鍋５０１の反射率ρを検出することができる。なお、赤外線発光素子１９の発光波長として９３０ｎｍを採用したのは、トッププレート２，窓材１５を透過する波長の赤外線であるとともに、鍋５０１が放射する赤外線にほとんど含まれない波長の赤外線だからである。従って、赤外線受光素子２０が受ける９３０ｎｍの赤外線は鍋５０１で反射した赤外線であると判断でき、この赤外線に基づいて鍋５０１の反射率を正確に検出することができる。

ここで、反射率検出回路１３２が求めた反射率に基づいて放射率算出回路２６が放射率を算出する方法を説明する。温度Ｔの金属物質の表面から放射される赤外線エネルギ（Ｅ＝εσＴ４）の放射率εと表面の反射率ρの間にはキルヒホフの法則により式（ε＋ρ＝１）が成立する（但し、透過率α＝０とする）。すなわち、鍋５０１の反射率ρを知ることができれば、鍋５０１の放射率εを算出できることが分かる。

放射率εが異なる場合、同じ温度であっても、放射する赤外線エネルギが異なるので、熱型赤外線検出回路１３１内の赤外線センサ１２が検出した赤外線エネルギからは鍋５０１の温度を一義的に求めることができないという問題がある。この問題を解消するため、制御回路５０３は、温度検出回路５０２が算出した鍋底の温度を、放射率算出回路２６が算出した放射率εを用いて補正することで、反射率ρが異なる鍋５０１を用いたときであっても、適切に鍋底温度を検出する。従って、制御回路５０３は、放射率εを用いて補正した鍋底温度に基づいて加熱コイル２０１に供給する電力を好適に制御することができる。

また、熱型赤外線検出回路１３１に含まれる赤外線センサ１２と反射率検出回路１３２に含まれる赤外線発光素子１９，赤外線受光素子２０を同一のプリント配線板２７に隣接させて配置した。鍋底が汚れている場合は、同じ鍋であっても場所によって赤外線の反射率，放射率が大きく異なる。本実施例では同一のプリント配線板２７に熱型赤外線検出回路１３１，反射率検出回路１３２を設けたので、赤外線センサ１２が温度を観測した鍋底近傍の反射率と放射率を求めることができ、制御回路５０３はこの放射率を用いた適切な温度補正を行うことができる。

導波管５０８はトッププレート２に略垂直に設けられ、赤外線センサ１２の視野を狭め、赤外線を放射する鍋５０１の検出エリアを定めるものである。また、加熱コイル２０１からの赤外線が赤外線センサ１２の視野に入らないようにしている。

そして、導波管５０８の下端は赤外線センサモジュール４０７の樹脂ケース１６に当接し、冷却ファン４０１によって送風された冷却風４０６が窓材１５の表面と導波管５０８の内部を冷却できるように導波管５０８の下端と樹脂ケース１６との接続部の風上側に向けた開口部５１０を設けている。

また、導波管５０８の上端は加熱コイル２０１の上端部と略同じ高さに設けられているので、導波管５０８の筒内を通過した冷却風４０６がトッププレート２と加熱コイル２０１との隙間を抜ける時に、トッププレート２と加熱コイル２０１も冷却する。特に冷却風は、導波管５０８の筒内を通過した後、トッププレート２に当たって風向きを直角に曲げられ四方に分散するため、トッププレート２に当たる部分は効率よく冷却でき温度測定の精度を更に良くする。

次に、本実施例の動作を説明する。

使用者がトッププレート２に鍋５０１を載置して、操作部７ａを操作して加熱を開始すると、制御回路５０３が高周波電力供給回路４０５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、鍋５０１に渦電流が発生し誘導加熱される。この誘導加熱によって鍋５０１の温度が上昇し鍋５０１内の調理物が調理される。また、同時にモータ４０２にも電力が供給され冷却ファン４０１が回転して冷却風４０６を吸引し、高周波電力供給回路４０３〜４０５と加熱コイルユニット２００，赤外線センサモジュール４０７などを冷却する。

調理が進むと、鍋５０１の温度上昇と加熱コイル２０１の自己発熱によって、トッププレート２と導波管５０８，赤外線センサモジュール４０７（特に窓材１５）が温度上昇を開始する。

冷却ファン４０１から送風された冷却風４０６は、導波管５０８と赤外線センサモジュール４０７に設けた開口部５１０から浸入し、窓材１５を冷却した後、導波管５０８の筒内側を冷却して上部より排出される。排出時は、トッププレート２に当たってトッププレート２を冷却し、四方に分散して加熱コイル２０１とトッププレート２を冷却しながら、加熱コイル２０１とトッププレート２との隙間を通り、その後、排気口５から排出される。

初めに窓材１５を冷却するのは、窓材１５の温度上昇が赤外線センサ１２で受光する赤外線の誤差に一番悪影響を与えるからである。

つまり、赤外線センサ１２は、サーモパイルの視野に含まれる窓材１５と導波管５０８とトッププレート２と鍋５０１から照射される赤外線によって赤外線センサ１２の出力信号電圧が決定するもので、視野内の各々が温度変化すると鍋５０１の実際の温度が分からなくなる。そこで、トッププレート２と窓材１５に前述した赤外線透過特性を利用することで、鍋５０１の温度が１００℃〜２００℃の時に放射するピーク波長の赤外線は、効率よくトッププレート２と窓材１５を通過して赤外線センサ１２に到達し、鍋５０１以外から放射される波長の長い（温度の低い）４μｍ以上の赤外線はトッププレート２でカットされる。また、トッププレート２の温度が上昇を始め鍋５０１の温度に近づこうとする過程で概ね１００℃以下のときに放射する赤外線は窓材１５でカットされる。同様に導波管５０８から放射される赤外線も同様に窓材１５でカットされる。

しかし、赤外線センサ１２の受光面の直前に設けられた窓材１５から放射される赤外線をカットする手段は無く、窓材１５から放射された赤外線は赤外線センサ１２に受光され、鍋５０１の温度測定の誤差の要因になる。

そのために、窓材１５の温度変化を最低限に止めるために、温度の低い冷却風４０６を用いて初めに窓材１５を冷却し、その後、導波管５０８の筒内側を冷却するものである。

また、冷却風４０６が導波管５０８と赤外線センサモジュール４０７に設けた開口部５１０から浸入し、窓材１５を通過し導波管５０８をも通過して流れるので、もし冷却風４０６にゴミが含まれていても、窓材１５部分に堆積することは無い。

次に、赤外線センサモジュール４０７における信号検出を説明する。

鍋５０１の底面から放射される赤外線は、放射赤外線視野範囲である経路３０（トッププレート２，導波管５０８，窓材１５）を介して、熱型赤外線検出回路１３１に届く。また、反射率検出回路１３２が発光する赤外線は、経路２９の往路（窓材１５，導波管５０８，トッププレート２）を介して鍋５０１に届き、鍋５０１で反射した赤外線は、経路２９の復路（トッププレート２，導波管５０８，窓材１５）を介して反射率検出回路１３２に戻る。つまり、熱型赤外線検出回路１３１と反射率検出回路１３２ともに、トッププレート２，窓材１５の両方を経由した赤外線が届くことが分かる。

窓材１５の赤外線透過特性は、トッププレート２と同一なので、鍋５０１が放射した赤外線のうち、トッププレート２を透過した短い波長の赤外線は、窓材１５も透過する。一方、トッププレート２でカットされた長い波長の赤外線は、窓材１５でもカットされる。窓材１５には、鍋５０１からの伝熱で高温になったトッププレート２の下面から放射された赤外線も届くが、この赤外線の大部分は窓材１５でカットされる長い波長の赤外線であるので、トッププレート２が放射する赤外線の大部分は窓材１５でカットされる。すなわち、熱型赤外線検出回路１３１，反射率検出回路１３２に届く赤外線にはトッププレート２が放射する赤外線の大部分が届かないので、トッププレート２が放射する赤外線に起因する、熱型赤外線検出回路１３１，反射率検出回路１３２が出力信号の劣化を防止できる。

以上で説明した、本実施例の誘導加熱調理器によれば、鍋底の温度を精度良く検出することができ、赤外線センサの視野内にゴミの堆積を無くすることができる。

１本体
２トッププレート
１２赤外線センサ
１４窓部
１５窓材
１６樹脂ケース
２６放射率算出回路
３１ａ〜３１ｃ赤外線透過領域
１３１熱型赤外線検出回路
２００加熱コイルユニット
２０１加熱コイル
４０６冷却風
４０７赤外線センサモジュール
５０１鍋
５０２温度検出回路
５０８導波管
５１０開口部

Claims

鍋を載置するトッププレートと、該トッププレートの下方に設け前記鍋を加熱する加熱コイルと、冷却風を発生する冷却ファンと、前記加熱コイルの下方に設け前記鍋から放射される赤外線を受光する赤外線センサと、該赤外線センサを収納し該赤外線センサの受光面側に開口した窓部を設けた樹脂ケースと、該樹脂ケースの前記窓部に設け前記樹脂ケースを封鎖する窓材と、前記トッププレートと前記窓材との間に前記トッププレートと略垂直になるように設け前記赤外線センサの視野を決める導波管と、を備え、
該導波管の下端側を前記樹脂ケースに当接させ、該当接部には、前記冷却ファンから送風される冷却風を通過させる開口部を設け、
前記導波管の上端側は、前記トッププレートとの間に隙間を設けたことを特徴とする誘導加熱調理器。
請求項１に記載の誘導加熱調理器において、
前記導波管の下端側の開口部から供給された冷却風は、前記導波管の上端側の隙間を通って、前記加熱コイルの上面に供給されることを特徴とする誘導加熱調理器。