JP5456096B2 - 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。

従来、「インバータを用いた発振周波数可変制御によりパワーコントロールを行う高出力誘導加熱調理器」において、スイッチング素子の損失を低減することを目的として、入力検知部により検知された入力（電力）によってスナバコンデンサの容量を切り替える、あるいは、負荷検知部により検知された負荷によってスナバコンデンサの容量を切り替えるようにした技術が提案されている(例えば、特許文献１参照）。

特開平５−９４８６８号公報（第３頁、図１）

上記特許文献１において、入力（電力）によってスナバコンデンサの容量を切り替える場合には、負荷の種類によらず入力される電力によってのみスナバコンデンサの容量を切り替えている。しかし、負荷の種類により損失が最小となるときの入力電力の値は異なるため、負荷の種類によらず一律にスナバコンデンサの容量を切り替える入力電力値を設定した場合、負荷の種類によっては過大な損失が発生することがあった。また、負荷の材質によってのみスナバコンデンサの容量を切り替える場合、スナバコンデンサの容量が小さい状態においては入力電力が大きい状態での損失が過大となり、スナバコンデンサの容量が大きい状態においては入力電力が小さい状態での損失が過大となる。このように、入力電力によっては過大な損失が発生する場合があった。

また、上記特許文献１の誘導加熱調理器は、フルブリッジ構成のインバータ回路を発振周波数可変制御で制御するものであり、発振周波数可変制御を行う場合の出力に基づいてスナバコンデンサの容量を切り替えている。しかし、複数の加熱口を備えた誘導加熱調理器において発振周波数可変制御を行うと、複数の加熱口を同時に使用した場合に、加熱口間の周波数の差分が鍋鳴り音として聞こえてしまうという課題がある。

本発明は、上記のような課題を背景としてなされたものであり、スイッチング素子の損失を低減することができる誘導加熱調理器を提供するものである。また、複数の加熱口を同時に使用する場合でも鍋鳴り音が発生しない誘導加熱調理器を提供するものである。

本発明に係る誘導加熱調理器は、負荷鍋を誘導加熱する加熱コイルと、交流電力を整流して直流電力に変換する直流電源回路と、直流電源回路への入力電力を検知する入力電力検知回路と、直流電源回路の直流電力を高周波電力に変換して加熱コイルに供給するハーフブリッジ型のインバータ回路と、加熱コイルの上方に載置された負荷鍋の材質を検知する負荷判定手段と、インバータ回路のスイッチング素子の少なくとも１つに接続されたスナバ回路と、スナバ回路の静電容量を切り替えるスナバ容量切替手段と、インバータ回路を通電制御する制御回路と、を備え、スナバ容量切替手段は、入力電力検知回路によって検知された入力電力が、予め設定された入力電力の閾値以上である場合は、スナバ回路の静電容量を大きい方の値に切り替え、入力電力の閾値は、負荷判定手段により検知される負荷鍋の材質に応じて、異なる値が設定されており、負荷判定手段は、少なくとも磁性材質と非磁性材質とを検知可能であり、制御回路は、磁性材質の負荷鍋と非磁性材質の負荷鍋とで同一の周波数で、インバータ回路のスイッチング素子の通電比率を変動させて通電制御するものであり、非磁性材質の負荷鍋が検知された場合の入力電力の閾値は、磁性材質の負荷鍋が検知された場合の入力電力の閾値よりも大きい値であるものである。

本発明に係る誘導加熱調理器の制御回路は、前記負荷鍋の材質によらず、同一の周波数で、前記インバータ回路の前記スイッチング素子の通電比率を変動させて通電制御するものである。

本発明によれば、ハーフブリッジ型のインバータ回路を備えた誘導加熱調理器において、載置された負荷鍋の材質を検知し、その材質に応じて、スナバコンデンサ容量の切り替えを判断するときの入力電力の閾値を変更する構成とした。このため、負荷鍋の材質ごとに異なるスナバコンデンサ容量とインバータ損失の特性から、インバータ回路の損失が最小となる入力電力でスナバコンデンサの容量を切り替えることができ、インバータ回路の損失を低減することができる。

また、インバータ回路の電力制御は、周波数固定状態でスイッチング素子の通電比率を変動させるデューティ制御により行う。このため、複数の加熱口を備える誘導加熱調理器に本発明を適用した場合において、複数の加熱口を同時に使用しても、加熱口間の周波数差が常時ゼロとなって鍋なり音が発生しない。

本発明の実施の形態１に係る誘導加熱調理器の上面図である。 本発明の実施の形態１に係る誘導加熱調理器の右加熱口の回路構成図である。 本発明の実施の形態１に係る誘導加熱調理器のインバータ回路の駆動信号と入力電力の関係を説明する図である。 本発明の実施の形態１に係る誘導加熱調理器のスナバコンデンサの接続状態を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る誘導加熱調理器の入力電力とスイッチング素子の損失の関係を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る誘導加熱調理器の動作を示すフローチャートである。 本発明の実施の形態１に係る誘導加熱調理器における入力電流と加熱コイルの電流値の関係に基づく負荷鍋の判別特性図である。

以下、本発明に係る誘導加熱調理器を、図面を参照して説明する。なお、以下に示す図面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に係る誘導加熱調理器の上面図である。
被加熱物である鍋が載置される耐熱性のトッププレート１は、右加熱口２、左加熱口３及び中央加熱口４の合計３口の加熱口を有している。右加熱口２及び左加熱口３の下部には加熱コイル５及び加熱コイル６が設置され（なお、加熱コイル５及び加熱コイル６は、便宜上、実線で図示されている）、加熱口上部に載置された鍋を加熱コイルから発生する高周波磁界で誘導加熱する。トッププレート１にはさらに、使用者によるスイッチの操作を受け付けるとともに、誘導加熱調理器の加熱条件や使用者に対する情報を表示する操作・表示部７が設けられている。この操作・表示部７の操作により火力の調整及び加熱口の選択等が行われる。また、この操作・表示部７は、表示手段として、例えば液晶パネル等の表示デバイスを備えている。操作・表示部７を加熱口毎に設けてもよいし、各加熱口に対応する操作部と表示部を一箇所にまとめて設けてもよく、具体的な構成を特に限定するものではない。

図２は、本発明の実施の形態１に係る誘導加熱調理器の右加熱口の回路構成図である。なお、右加熱口２と左加熱口３は同様の回路構成であるため、ここでは、右加熱口２を例に説明する。
誘導加熱調理器は、交流電力を整流して直流電力に変換する直流電源回路１１と、インバータ回路１２と、入力電流検知回路１０と、加熱コイル電流検知回路１４と、加熱コイル５と、制御回路８とを有している。

入力電流検知回路１０は、商用電源９と直流電源回路１１との間に接続され、商用電源９から直流電源回路１１へ入力される電流値を検知し、入力電流値に相当するアナログ電圧信号を制御回路８へ出力する。

直流電源回路１１は、ダイオードブリッジ２１、チョークコイル２２、平滑コンデンサ２３で構成されている。直流電源回路１１は、商用電源９から入力される交流電力を直流電力に変換して、インバータ回路１２へ出力する。

インバータ回路１２は、ハーフブリッジ型のインバータであり、スイッチング素子としてのＩＧＢＴ２４及びＩＧＢＴ２５が直流電源回路１１の出力点に直列に接続されて構成されている。インバータ回路１２は、直流電源回路１１から出力される直流電力を２０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚ程度の高周波電力に変換して、加熱コイル５及び共振コンデンサ１３からなる共振回路に供給する。このようにすることで、加熱コイル５には数１０Ａ程度の高周波電流が流れ、高周波磁界により加熱コイル５の直上のトッププレート１上に載置された鍋を誘導加熱する。

加熱コイル電流検知回路１４は、インバータ回路１２と加熱コイル５の中間に設置されている。加熱コイル電流検知回路１４は、加熱コイル５に流れる電流を検知し、加熱コイル電流に相当するアナログ電圧信号を制御回路８へ出力するコイル電流検知手段である。

また、ハーフブリッジインバータを構成するインバータ回路１２の低電位側に配置されたＩＧＢＴ２５には、スナバコンデンサ１５、及び、スナバコンデンサ１６とリレー回路１７との直列接続回路が、それぞれ、並列に接続されている。スナバコンデンサ１５及びスナバコンデンサ１６は、スパイク電圧発生を抑制するためのスナバ回路である。リレー回路１７は、スナバコンデンサ１６の接続状態を切り替える切替手段であり、リレー回路１７のオン・オフ状態は、制御回路８によって切り替えられる。

制御回路８は、入力電流検知回路１０を介して検知した入力電流値と商用電源電圧との積算から入力電力を演算する。本実施の形態１では、制御回路８と入力電流検知回路１０が、入力電力検知回路として機能する。そして、制御回路８は、演算した入力電力が、操作・表示部７に対して使用者が設定した火力に相当する電力となるように、インバータ回路１２に備えられたＩＧＢＴ２４及びＩＧＢＴ２５の駆動信号を変動させて、電力フィードバック制御による通電制御を行う。また、制御回路８は、リレー回路１７のオン・オフ状態を切り替えることで、スナバコンデンサ１５とスナバコンデンサ１６の合成容量を切り替える。

図３は、本発明の実施の形態１に係る誘導加熱調理器のインバータ回路の駆動信号と入力電力の関係を説明する図である。図３において、横軸はインバータ回路１２の駆動周波数を示し、縦軸は高電位側に配置されたＩＧＢＴ２４の通電比率を示している。
インバータ回路１２はデューティ制御（通電比率制御）により電力制御され、図３に示す符号３０は、デューティ制御における入力電力とＩＧＢＴ２４通電比率の関係を示している。

本発明の実施の形態１に係る符号３０に示すデューティ制御（通電比率制御）は、例えば周波数を２３ｋＨｚ程度の同一の値に固定した状態で、高電位側のＩＧＢＴ２４の通電比率を１％〜５０％程度の範囲で変動させることによって電力制御を行う方式である。低電位側に配置されたＩＧＢＴ２５は、高電位側のＩＧＢＴ２４と逆の駆動信号で駆動される。デューティ制御においては、図３に示すように、高電位側のＩＧＢＴ２４の通電比率が大きいほど入力電力は大きくなる。

一般的に、駆動周波数を変動させて電力制御を行う方式の場合、左右の加熱口を同時に使用した際に、周波数の差分成分が鍋なり音として発生してしまう問題がある。しかし、本実施の形態１の誘導加熱調理器は、左右の加熱口の駆動周波数を常時固定した状態でデューティ制御のみで電力制御を行うため、周波数の差分が常にゼロとなり、鍋鳴り音の発生が無い。

図４は、本発明の実施の形態１に係る誘導加熱調理器のスナバコンデンサの接続状態を示す図である。図２に示すように、スナバコンデンサ１５、及び、スナバコンデンサ１６とリレー回路１７との直列接続回路は、ＩＧＢＴ２５にそれぞれ並列に接続されている。リレー回路１７は、制御回路８によりオン・オフ制御されて、スナバコンデンサ１６の接続状態を切り替える。

図４に示すように、リレー回路１７がオン状態の場合、ＩＧＢＴ２５に対しては、スナバコンデンサ１５及びスナバコンデンサ１６が並列に接続された状態となるため、ＩＧＢＴ２５から見たスナバコンデンサの合成容量は、スナバコンデンサ１５とスナバコンデンサ１６の静電容量の和となる。一方、リレー回路１７がオフ状態の場合、ＩＧＢＴ２５に対してはスナバコンデンサ１５のみが並列に接続された状態となるため、ＩＧＢＴ２５から見たスナバコンデンサの合成容量は、スナバコンデンサ１５の静電容量となる。

ここで、スナバコンデンサ１６は、スナバコンデンサ１５に対して数倍〜十倍程度の静電容量を有するものとする。制御回路８によるリレー回路１７の切替制御により、ＩＧＢＴ２５から見たスナバコンデンサの容量を、スナバコンデンサ１５の容量（以下、小）と、スナバコンデンサ１５及びスナバコンデンサ１６の合成容量（以下、大）、の二段階に切り替えることができる。本実施の形態１では、リレー回路１７及び制御回路８が、スナバ容量切替手段として機能している。

図５は、本発明の実施の形態１に係る誘導加熱調理器の入力電力とスイッチング素子の損失の関係を示す図である。図５において、（ａ）は磁性材質で構成された磁性鍋を載置した状態、（ｂ）は非磁性材質から構成された非磁性鍋を載置した状態の、高電位側ＩＧＢＴの損失特性を示している。図５において、符号３１及び符号３３は、スナバコンデンサ容量が小の状態、符号３２及び符号３４はスナバコンデンサ容量が大の状態を示す。

符号３１及び符号３３に示すように、ハーフブリッジ型のインバータ回路１２においてスナバコンデンサ容量が小の状態の場合、高電位側ＩＧＢＴ損失は、入力電力にほぼ比例して増加する特性を示す。
一方、符号３２及び符号３４に示すように、ハーフブリッジ型のインバータ回路１２においてスナバコンデンサ容量が大の状態の場合、入力電力が相対的に大きい領域では、スナバコンデンサの容量が小の状態（符号３１、符号３３）と比較してＩＧＢＴ損失が小さい特性を示すが、入力電力が相対的に小さい領域では、スナバコンデンサの容量が小の状態（符号３１、符号３３）と比較してＩＧＢＴ損失が大きくなる傾向を有する。入力電力が相対的に小さい領域においてＩＧＢＴ損失が大きくなるのは、スナバコンデンサへの突入電流によりＩＧＢＴ２４に短絡電流が流れるためである。

ここで説明した特徴を以下にまとめる。
・スナバコンデンサ容量が大の状態の場合、入力電力が相対的に大きい領域では、スナバコンデンサ容量が小の状態と比較してＩＧＢＴ損失を抑制することができる。
・スナバコンデンサ容量が小の状態の場合、入力電力が相対的に小さい領域では、スナバコンデンサ容量が大の場合と比較してＩＧＢＴ損失を抑制することができる。
・スナバコンデンサ容量が大の状態の場合、（ｂ）非磁性鍋載置状態では、（ａ）磁性鍋載置状態と比較して、入力電力が小さい領域での損失増大が顕著となる。

以上より、ハーフブリッジ型のインバータ回路１２においては、入力電力が相対的に大きい領域では、スナバコンデンサ容量が大の状態、入力電力が相対的に小さい領域ではスナバコンデンサ容量が小の状態、で駆動することにより、インバータ回路１２の損失を最小化することができる。しかしながら、スナバコンデンサ容量が大の状態と小の状態とで、インバータ回路１２の損失の大小関係が入れ替わる入力電力の値は、鍋の材質によって異なる。そして、非磁性鍋の場合は、磁性鍋と比較して高い入力電力の値にて、スナバコンデンサ容量が大の状態と小の状態とでインバータ回路１２の損失の大小関係が入れ替わる。

そのため、本実施の形態１の誘導加熱調理器では、リレー回路１７の切り替えを判断する入力電力の閾値を、非磁性鍋では磁性鍋よりも高い値に設定する。磁性鍋におけるこの入力電力の閾値を閾値Ｐａ、非磁性鍋における入力電力の閾値を閾値Ｐｂとすると、Ｐａ＜Ｐｂの関係となる。

以下、実施の形態１に係る誘導加熱調理器の動作を説明する。
図６は、本発明の実施の形態１に係る誘導加熱調理器の動作を示すフローチャートである。ここでは、使用者により右加熱口２に鍋が載置され、操作・表示部７に対して火力が設定されて加熱開始が指示されたものとする。

制御回路８は、調理開始が指示されたことを検知すると（Ｓ１；Ｙｅｓ）、負荷判定処理を行う（Ｓ２）。

ここで、負荷判定処理について説明する。
図７は、本発明の実施の形態１に係る誘導加熱調理器における入力電流と加熱コイルの電流値の関係に基づく負荷鍋の判別特性図である。図７に示すように、トッププレート１に載置された負荷鍋の材質によって、入力電流と加熱コイルの電流値の関係が異なる。そして、制御回路８は、図７に示した関係をテーブル化して負荷判定テーブルとして内部に記憶している。
ステップＳ２において調理開始直後に行う負荷判定処理では、制御回路８は、負荷判定用の特定の駆動信号でインバータ回路１２を駆動し、入力電流検知回路１０の出力信号、及び加熱コイル電流検知回路１４の出力信号を読み込む。そして、制御回路８は、図７に示す判別特性をテーブル化した負荷判定テーブルを参照し、入力電流及び加熱コイル電流の読み込み値のマッピング状態から、載置された鍋の材質を判定する。本実施の形態１では、制御回路８が、負荷鍋の材質を検知する負荷判定手段として機能する。

ステップＳ２にて、無負荷、あるいはアルミ鍋や銅鍋等の低抵抗の非磁性材質からなる鍋が載置されたことを検知すると（Ｓ２；低抵抗非磁性鍋）、制御回路８は、不適合鍋であることを操作・表示部７に表示するなどして使用者に報知し、磁性鍋あるいは高抵抗非磁性鍋への置き換えを使用者に促す（Ｓ３）。この場合、制御回路８は、インバータ回路１２を駆動せず、被加熱物の加熱を行わない。

ステップＳ２にて、高抵抗の非磁性鍋が載置されていることを検知すると（Ｓ２；高抵抗非磁性鍋）、制御回路８は、リレー回路１７を切り替える入力電力の閾値を、閾値Ｐｂに設定する（Ｓ４）。次に、制御回路８は、設定された火力に相当する入力電力となるようにデューティ制御にてインバータ回路１２の電力フィードバック制御を開始し（Ｓ６）、制御回路８で検知する入力電力と閾値Ｐｂとを比較する（Ｓ７）。そして、制御回路８は、入力電力が閾値Ｐｂ以上の場合は（Ｓ７；Ｙｅｓ）、リレー回路１７をオン状態とし（Ｓ８）、入力電力が閾値Ｐｂ未満の場合はリレー回路１７をオフ状態とし（Ｓ９）、加熱停止の指示があるまでこれを継続する（Ｓ１０）。

同様に、ステップＳ２にて、磁性鍋が載置されていることを検知すると（Ｓ２；磁性鍋）、制御回路８は、リレー回路１７を切り替える入力電力の閾値を、閾値Ｐａに設定する（Ｓ５）。次に、制御回路８は、設定された火力に相当する入力電力となるようにデューティ制御にてインバータ回路１２の電力フィードバック制御を開始し（Ｓ１１）、制御回路８で検知する入力電力と閾値Ｐａとを比較する（Ｓ１２）。そして、入力電力が閾値Ｐａ以上の場合は（Ｓ１２；Ｙｅｓ）、リレー回路１７をオン状態とし（Ｓ１３）、入力電力が閾値Ｐａ未満の場合はリレー回路１７をオフ状態とし（Ｓ１４）、加熱停止の指示があるまでこれを継続する（Ｓ１５）。

以上のように、実施の形態１では、載置された負荷鍋の材質を検知し、その材質に応じて、スナバコンデンサ容量の切り替えを判断するときの入力電力の閾値を変更する構成とした。このため、負荷鍋の材質ごとに異なるスナバコンデンサ容量とインバータ損失の特性から、インバータ回路の損失が最小となる入力電力でスナバコンデンサの容量を切り替えることができ、インバータ回路の損失を低減することができる。このように、負荷鍋の材質と、入力電力の値の両方に基づいてきめ細かくスナバコンデンサの容量変更を行うので、負荷鍋によらず、また入力電力の全範囲において、インバータ回路のスイッチング素子の損失を低減することができる。

また、インバータの電力制御は、負荷鍋の材質によらず、常時周波数を固定した状態でのデューティ制御により行われるため、左と右の加熱口を同時に使用する際の周波数差は常時ゼロとなり、鍋なり音の発生が無い。

また、非磁性鍋を検知した場合には、スナバコンデンサ容量の切り替えを判断する入力電力の閾値を、磁性鍋を検知した場合よりも高く設定した。これは、図５に示す知見によれば、非磁性鍋を加熱する場合は、スナバコンデンサ容量が大の状態と小の状態とでインバータ回路損失の大小関係が入れ替わるときの入力電力の値が、磁性鍋を加熱する場合よりも大きいためである。したがって、入力電力の全範囲にわたってインバータ回路の損失を最小の値とすることができる。例えば、磁性鍋を基準にしてスナバコンデンサ容量の切り替えを判断するための入力電力の閾値を設定した場合、非磁性鍋を加熱するときには、所定の入力電力の範囲（図５の閾値Ｐａより大きく、閾値Ｐｂより小さい範囲）では、インバータ回路の損失が最小値よりも大きい状態で動作することとなるが、本実施の形態１によればそのようなこともない。

なお、上記説明では、図６のステップＳ２において負荷判定手段としての制御回路８が負荷判定処理を行うものとして説明したが、負荷判定処理は上記説明のものに限定されず、既知の判定方法を採用することができる。また、例えば操作・表示部７に使用者が負荷鍋の材質を設定するための操作ボタンを設け、この操作ボタンにより設定された情報に基づいて制御回路８が負荷を判断してもよく、同様の効果を得ることができる。また、その場合、操作ボタンにより負荷鍋の材質が設定されていない場合にのみ、図６のステップＳ２で示した負荷判定処理を行うようにしてもよい。

１ トッププレート、２ 右加熱口、３ 左加熱口、４ 中央加熱口、５ 加熱コイル、６ 加熱コイル、７ 表示部、８ 制御回路、９ 商用電源、１０ 入力電流検知回路、１１ 直流電源回路、１２ インバータ回路、１３ 共振コンデンサ、１４ 加熱コイル電流検知回路、１５ スナバコンデンサ、１６ スナバコンデンサ、１７ リレー回路、２１ ダイオードブリッジ、２２ チョークコイル、２３ 平滑コンデンサ、２４ ＩＧＢＴ、２５ ＩＧＢＴ。

Claims (1)

1. 負荷鍋を誘導加熱する加熱コイルと、
   交流電力を整流して直流電力に変換する直流電源回路と、
   前記直流電源回路への入力電力を検知する入力電力検知回路と、
   前記直流電源回路の直流電力を高周波電力に変換して前記加熱コイルに供給するハーフブリッジ型のインバータ回路と、
   前記加熱コイルの上方に載置された負荷鍋の材質を検知する負荷判定手段と、
   前記インバータ回路のスイッチング素子の少なくとも１つに接続されたスナバ回路と、
   前記スナバ回路の静電容量を切り替えるスナバ容量切替手段と、
   前記インバータ回路を通電制御する制御回路と、を備え、
   前記スナバ容量切替手段は、前記入力電力検知回路によって検知された入力電力が、予め設定された入力電力の閾値以上である場合は、前記スナバ回路の静電容量を大きい方の値に切り替え、
   前記入力電力の閾値は、前記負荷判定手段により検知される前記負荷鍋の材質に応じて、異なる値が設定されており、
   前記負荷判定手段は、少なくとも磁性材質と非磁性材質とを検知可能であり、
   前記制御回路は、前記磁性材質の負荷鍋と前記非磁性材質の負荷鍋とで同一の周波数で、前記インバータ回路の前記スイッチング素子の通電比率を変動させて通電制御するものであり、
   前記非磁性材質の負荷鍋が検知された場合の前記入力電力の閾値は、前記磁性材質の負荷鍋が検知された場合の前記入力電力の閾値よりも大きい値である
   ことを特徴とする誘導加熱調理器。

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