JP5474213B2 - 誘導加熱調理器およびその制御方法 - Google Patents

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Description

本願発明は、単一の被加熱体を複数の加熱コイルを用いて加熱する誘導加熱調理器およびその制御方法に関する。
これまでさまざまな誘導加熱調理器が提案されており、たとえば特許文献1および2に記載の誘導加熱調理器は、格子状に配置された複数の小型の加熱コイルと、各加熱コイルに対応する位置に配置され、鍋などの被加熱体の載置の有無を検出する複数のセンサとを有し、センサの出力に基づいて被加熱体の天板上の占有領域を特定し、特定された占有領域とその周辺の領域にある加熱コイルを選択的に駆動するものである。
特開2009−238575号公報 特開2009−238613号公報
しかしながら特許文献1および2に記載の誘導加熱調理器によれば、鍋の載置の有無を検出する複数のセンサは、たとえば光学式センサであり、その上方に鍋があるか否か(鍋の有無)を検知するものに過ぎず、特定される占有領域は極めて概略的なものでしかない。また、これらの従来技術に係る誘導加熱調理器によれば、占有領域付近にある加熱コイルのみが選択的に駆動されるが、鍋が天板上においてどのように載置されているか(載置面積)については検知することができない。したがって、センサは鍋が天板上に載置されていることを検知するが、加熱コイルの上方にはまったく載置されていないか、あるいは極めて限定的な面積でしか載置されていない場合もある。このような場合、特許文献1および2に係る誘導加熱調理器は、すべての加熱コイルを同一の駆動条件で駆動するので、鍋の載置状態に依存して、鍋底の表面温度(各加熱コイルから供給される単位面積当たりの電力)にばらつきが生じ、鍋底を均一に加熱することができず、鍋に収容された食材の一部に焦げ付きや部分的な突沸が生じることがあった。
そこで本願発明は、上記問題点を解消するためになされたもので、誘導加熱調理器に関し、第1の加熱コイルと、前記第1の加熱コイルに隣接して配置され、これと協働して単一の被加熱体を誘導加熱する少なくとも1つの第2の加熱コイルと、前記第1および第2の加熱コイルに同一の駆動周波数を有する高周波電流をそれぞれ供給する第1および第2の駆動回路と、前記第1の加熱コイルに流れる第1の駆動電流および前記第1の加熱コイルの両端に印加される第1の駆動電圧から、駆動周波数のn倍(nは自然数)の周波数を有するn次成分を含む第1のn次駆動電圧およびn次駆動電流を抽出する第1のn次成分抽出手段と、前記第2の加熱コイルに流れる第2の駆動電流および前記第2の加熱コイルの両端に印加される第2の駆動電圧から、駆動周波数のn倍(nは自然数)の周波数を有するn次成分を含む第2のn次駆動電圧およびn次駆動電流を抽出する第2のn次成分抽出手段と、前記第1のn次駆動電圧およびn次駆動電流から前記第1の加熱コイルの負荷抵抗を算出し、前記第2のn次駆動電圧およびn次駆動電流から前記第2の加熱コイルの負荷抵抗を算出する制御回路部とを備え、
制御回路部は、算出された前記第1および第2の加熱コイルの負荷抵抗に依存する電力量配分比に基づいて、前記第1および第2の加熱コイルにそれぞれ供給される電力量を制御することを特徴とするものである。
本願発明の誘導加熱調理器によれば、複数の加熱コイルの負荷抵抗を瞬時に算出し、算出された前記第1および第2の加熱コイルの負荷抵抗に依存する電力配分比に基づいて、第1および第2の加熱コイルにそれぞれ供給される電力を制御することにより、鍋底を均一に加熱して、食材の焦げ付き等を回避することができる。
本願発明に係る実施の形態1による加熱コイルの平面図である。 本願発明に係る誘導加熱調理器の基本的な電気的構成を示す回路ブロック図である。 駆動電圧検出手段および駆動電流検出手段により検出された駆動電圧および駆動電流の波形図である。 加熱コイル上の各種材質からなる円板の載置状態を示す平面図である。 各種材質からなる円板をさまざまな位置に載置したときの共振周波数と負荷抵抗の関係を示すマップである。 各種材質からなる円板をさまざまな位置に載置したときのインダクタンスと負荷抵抗の関係を示すマップである。 実施の形態1の択一的な電気的構成を示す回路ブロック図である。 本願発明に係る実施の形態1による誘導加熱調理器の電気的構成を示す回路ブロック図である。 変形例による加熱コイルの平面図である。 さらに別の変形例による加熱コイルの平面図である。
1:誘導加熱調理器、2:加熱コイル、10:商用電源、12:整流回路、14:駆動回路、20:LCR誘導加熱部、24:共振コンデンサ、30:駆動電圧検出手段、32:駆動電流検出手段、40:1次成分抽出手段(n次成分抽出手段)、50:制御回路、鍋:P。
以下、添付図面を参照して本願発明に係る誘導加熱調理器の実施の形態を説明する。各実施の形態の説明および以下の添付図面において、同様の構成部品については同様の符号を用いて参照する。
実施の形態1.
図1〜図10を参照しながら、本願発明に係る誘導加熱調理器の実施の形態1について以下詳細に説明する。図1は、実施の形態1に係る加熱コイル2の平面図である。実施の形態1に係る加熱コイル2は、図示のように導線を平面上に捲回した内側加熱コイル(第1の加熱コイル)2aと、その周囲に同心円状に捲回した外側加熱コイル(第2の加熱コイル)2bとを有する。
また実施の形態1に係る誘導加熱調理器は、図8を参照して詳細後述するように、概略、これらの加熱コイル2a,2bを駆動するための駆動回路(第1および第2の駆動回路)14a,14bと、駆動回路14a,14bの駆動電圧および駆動電流の1次成分を検出する1次成分抽出手段(第1および第2の1次成分抽出手段)30a,30bと、駆動回路14a,14bを制御する制御回路50とを有する。
ここで実施の形態1に係る誘導加熱調理器の電気的構成および動作について説明する前に、まず本願発明に係る誘導加熱調理器、とりわけ1次成分抽出手段の基本的な電気的構成について以下詳細に説明する。
図2は、単一の加熱コイル2を有する誘導加熱調理器1の概略的な電気的構成を示す回路ブロック図であり、これを参照しながら、本願発明に係る誘導加熱調理器の基本原理について説明する。
誘導加熱調理器1は、概略、単相または三相の商用電源10からの交流電流を直流電流に整流する整流回路12と、加熱コイル2に所定の駆動周波数を有する高周波電流を供給する駆動回路14と、加熱コイル2およびこれに直列に接続された共振コンデンサ24からなるLCR誘導加熱部20と、LCR誘導加熱部20の両端に印加される駆動電圧を検出する駆動電圧検出手段30と、LCR誘導加熱部20に流れる駆動電流を検出する駆動電流検出手段32とを有する。
具体的には、整流回路12は、全波整流または半波整流するものであってもよく、直流成分を得るためのインダクタンスやコンデンサを含むフィルタ回路(ともに図示せず)を有するものであってもよい。また駆動回路14は、IGBTなどのスイッチング素子(図示せず)を含むインバータ回路であり、インバータ駆動する回路であれば任意のものを用いることができ、たとえばハーフブリッジ回路またはフルブリッジ回路で構成することができる。
LCR誘導加熱部20は、上述のように、加熱コイル2およびこれに直列に接続された共振コンデンサ24からなり、加熱コイル2は、図2において、インダクタンスLと負荷抵抗Rの等価回路として図示されている。図中、インダクタンスLの上方に図示したものは、鍋などの被加熱体Pである。加熱コイル2に高周波電流が供給されると、その周囲に交流磁場を形成し(交流磁場が導電体からなる被加熱体Pに鎖交し)、被加熱体Pに渦電流を形成して、被加熱体P自体を加熱する。
一般に、LCR誘導加熱部20の負荷抵抗Rは、被加熱体Pの有無または載置面積(被加熱体Pに鎖交する交流磁場)に依存して変動する。すなわち負荷抵抗Rは、鍋Pが載置されていないときの加熱コイル2自体の線抵抗Rに、鍋Pを載置したことによる鍋Pの見かけ上の負荷抵抗Rを加えたものに相当する(R=R+R)。
なお駆動電圧検出手段30は、LCR誘導加熱部20の両端に印加される駆動電圧(出力電圧)Vを検出するものであれば当業者により容易に想到される任意の回路構成を有するものであってもよい。同様に、駆動電流検出手段32は、LCR誘導加熱部20に流れる駆動電流(出力電流)Iを測定するものであれば任意の回路構成を有するものであってもよく、たとえばカレントトランスであってもよい。
さらに本願発明に係る誘導加熱調理器1は、駆動電圧検出手段30および駆動電流検出手段32に電気的に接続された1次成分抽出手段40を備える。
上述のように駆動回路14は、IGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)などのスイッチング素子を含むインバータ回路であり、IGBTを所定の駆動周波数(たとえば30kHz)を有する制御信号(ゲート信号)で駆動するとき、駆動電圧検出手段30および駆動電流検出手段32は、図3に示すような高周波変調された駆動電圧Vおよび駆動電流Iを検出する。
高周波変調された駆動電圧Vおよび駆動電流Iは、一般に、駆動周波数の自然数倍の高次周波数成分を含む合成波形として表される。そして本願発明に係る1次成分抽出手段40は、駆動電圧検出手段30および駆動電流検出手段32で検出された図3に示す駆動電圧Vおよび駆動電流Iを、たとえば駆動周波数のk倍(kは2以上の自然数)のサンプリング周波数を用いて離散フーリエ変換することにより、駆動電圧Vおよび駆動電流Iの1次成分だけを抽出するものである。なお1次成分抽出手段40において、複数の高次周波数成分を有する信号から1次成分のみを抽出する手法およびアルゴリズムとしては任意のものを利用することができ、一般に市販されたソフトウェアを用いて駆動電圧Vおよび駆動電流Iの1次成分だけを抽出することができる。
このとき、本願発明に係る1次成分抽出手段40は、駆動電圧Vおよび駆動電流Iの1次成分として次式のように複素表示することができる。
Figure 0005474213
ここでV,Iは駆動電圧Vおよび駆動電流Iの1次成分を示し、V1Re,I1ReはV,Iの実部、V1Im,I1ImはV,Iの虚部、そしてjは虚数単位を示す。
また、LCR誘導加熱部20のインピーダンスZ、および駆動電圧Vおよび駆動電流Iの位相(駆動電流Iに対する駆動電圧Vの位相またはインピーダンスZの位相)θは次式で表される。
Figure 0005474213
ここでIm(Z)およびRe(Z)はそれぞれインピーダンスZの虚部および実部を意味する。なお、駆動電圧Vおよび駆動電流Iの位相は、arctanの代わりにarcsinまたはarccosを用いて算出してもよい。位相θが90度付近ではarctanは発散し、誤差を多く含み得るので、arcsinまたはarccosを用いて位相θを算出することが好ましい場合がある。
さらに本願発明に係る誘導加熱調理器1は、図2に示すように、駆動回路14および1次成分抽出手段40に電気的に接続された制御回路50を備える。本願発明に係る制御回路50は、[数2]より1次成分抽出手段40が抽出した複素表示の1次成分の駆動電圧Vおよび駆動電流Iから、LCR誘導加熱部20のインピーダンスZおよび駆動電圧Vおよび駆動電流Iの位相(偏角)θを算出し、これに基づいて駆動回路14に適当な駆動信号(ゲート信号)を供給するものである。
同様に、本願発明に係る制御回路50は、次式で表されるLCR誘導加熱部20の有効電力値Wおよび電流実効値Iを算出することができる。
Figure 0005474213
ここでI はIの複素共役を示す。
以上のように、本願発明に係る制御回路50は、駆動電圧Vおよび駆動電流Iの1次成分から、LCR誘導加熱部20のインピーダンスZ、駆動電圧Vおよび駆動電流Iの位相(駆動電流Iに対する駆動電圧Vの位相またはインピーダンスZの位相)θ、有効電力値Wおよび電流実効値Iを算出することができる。
一方、LCR誘導加熱部20を含む一般のLCR回路において、負荷抵抗R、インピーダンスZ、加熱コイル2のインダクタンスLおよび共振周波数Frは次式で表される。
Figure 0005474213
ここでωは1次成分の周波数f(定義より駆動周波数と同一、ω=2πfで表される)であり、Cは共振コンデンサ24の静電容量であって、ともに既知である。したがって本願発明に係る制御回路50は、[数2]で算出したθを用いて、[数4]から共振周波数Frと負荷抵抗R(=R+R)を求めることができる。
同様に、共振周波数Frは以下のように求めることができる。上記[数2]および[数4]のように、負荷抵抗R、インピーダンスZは次式で表わされる。
Figure 0005474213
上記[数5]より、加熱コイル2のインダクタンスLは次式で表すことができる。
Figure 0005474213
したがって、上記[数6]より得られたインダクタンスLと共振コンデンサ24の既知の静電容量Cより共振周波数Frを求めることができる。
Figure 0005474213
本願発明に係る制御回路50は、以下詳述するように、複数の加熱コイルのそれぞれに対して、駆動電圧Vおよび駆動電流Iの1次成分から共振周波数Fr(または加熱コイル2のインダクタンスL)と負荷抵抗Rを検出することにより、被加熱体Pの載置面積(鍋Pの有無を含む)および被加熱体Pの材質を検知して、複数の加熱コイルに対する鍋Pの負荷抵抗の比に応じて供給すべき電力量(すなわち対応する加熱コイルの上方に載置された鍋Pの一部分で生じる熱量)を制御することができる。なお本願発明に係る制御回路50は、図3の高周波変調された駆動電圧および駆動電流の単一の周期(すなわち、駆動周波数が30kHzのとき、1周期は約33マイクロ秒)において検知された位相から、複数の加熱コイルのそれぞれに対して、共振周波数Fr(または加熱コイル2のインダクタンスL)と負荷抵抗Rを極めて短い時間で算出することができる。
ここで共振周波数Frと負荷抵抗Rを算出して、どのように鍋Pの載置状態(載置面積)を決定するかについて、具体例を用いて以下説明する。
図4に示すように、平面上に捲回された加熱コイル2と、複数の円板26とを用意した。円板26は、鉄、磁性ステンレス、非磁性ステンレス、およびアルミニウムの4種類の材質からなる。これらの円板26は擬似的な鍋Pである。加熱コイル2および各円板26の直径を約180mmおよび約200mmとし、各円板26の厚みはすべて1.5mmとした。円板26は、図4(a)では加熱コイル2上の中央(同心円O上)に載置されている(本願においては、この状態を「重畳率が100%である」という。)。また円板26は、図4(b)および(c)では、円板26の外縁Eが加熱コイル2の直径のそれぞれ75%および50%の位置に配置されている(重畳率がそれぞれ75%および50%である。)。すなわち重畳率が50%であるとき、円板26の外縁Eが加熱コイル2の中心Oと重なり合っている。
鉄、磁性ステンレス、非磁性ステンレス、およびアルミニウムの材質からなる4種類の円板26のそれぞれについて、重畳率が100%、75%および50%となるように載置した後(図4(a),(b),(c)に対応)、上記説明したように、駆動電圧Vおよび駆動電流Iの1次成分から共振周波数Frと負荷抵抗Rとを検出(算出)したところ、図5(a)のようなマップ(グラフ)を得た。なお、円板26をまったく載置しない場合(無負荷の場合)には、二重丸で示す共振周波数Frおよび負荷抵抗Rを得た。
本願発明によれば、材質の異なる円板26について、図5(a)の重畳率が100%、75%および50%である点を連続的に結び、図5(b)のハッチング領域で示すように、重畳率が50%未満である領域を駆動禁止領域と設定してもよい。すなわち本願発明に係る制御回路50は、検出された共振周波数Frと負荷抵抗Rが重畳率50%未満の駆動禁止領域に含まれる場合に、鍋Pは加熱コイル2の上方に十分に載置されていない、もしくは小物が載置されていると判断して、LCR誘導加熱部20に高周波電流が供給されないように駆動回路14を制御することができる。ただし、LCR誘導加熱部20への給電の是非に対する閾値は、50%の重畳率に限定されるものではなく、たとえば40%以下または60%以下の重畳率としてもよい。
このように本願発明に係る制御回路50は、共振周波数Frと負荷抵抗Rをパラメータとする、LCR誘導加熱部20に高周波電流を供給することを禁止する駆動禁止領域を事前に設定し(記憶し)、これらの検出された値が駆動禁止領域に含まれないときにのみ、LCR誘導加熱部20に高周波電流が供給されるように駆動回路14を制御するように構成される。また図5(b)に示すように、アルミニウムからなる鍋Pを加熱しないように駆動禁止領域を設定してもよい。すなわち駆動禁止領域は製品仕様により自在に設定することができる。
そして図5(b)に示すように、重畳率が100%、75%および50%である点を連続的に破線で結ぶと、共振周波数Frと負荷抵抗Rから、任意の材質からなる円板26の重畳率を推定することができる。本願発明に係る制御回路50は、たとえば図5(b)の星印でプロットされた点で示す共振周波数Frと負荷抵抗Rを算出したとき、この点が75%の重畳率を連続的に結ぶ破線上にあることから、鍋Pが75%の重畳率で加熱コイル2の上方に載置されていると推定することができる。
また上記のように、本願発明に係る制御回路50は、高周波変調された駆動電圧および駆動電流の単一の周期(たとえば約33マイクロ秒)において検知された位相から、共振周波数Frと負荷抵抗Rを瞬時に算出することができるので、加熱すべきではない小物の加熱を防止できるので極めて安全であり、無負荷のときに無駄な電力消費を回避できるので省エネルギに寄与することができる。
換言すると、本願発明によれば、共振周波数Frと負荷抵抗Rを検出することにより、鍋Pの材質および載置状態(鍋Pが加熱コイル2の上方にどの程度載置されているか)を瞬時に検出し、鍋Pの材質および載置状態に応じた最適な駆動条件で鍋Pを誘導加熱することができる。
なお上記具体例では、制御回路50は、共振周波数Frと負荷抵抗Rを検出するものであったが、択一的には、加熱コイル2のインダクタンスLと負荷抵抗Rを検出して、同様に駆動回路14を制御してもよい。図6(a)および図6(b)は、駆動電圧Vおよび駆動電流Iの1次成分から加熱コイル2のインダクタンスLと負荷抵抗Rとを検出したときに得られた図5(a)および図5(b)と同様のグラフである。円板26をまったく載置しない場合(すなわち無負荷の場合)には、二重丸で示すインダクタンスLおよび負荷抵抗Rが得られた。このとき、検出されたインダクタンスLと負荷抵抗Rが駆動禁止領域(図中のハッチング領域)に含まれないときにのみ、LCR誘導加熱部20に高周波電流が供給されるように駆動回路14を制御し、その閾値として重畳率を40%未満に設定してもよい。同様に、アルミニウムからなる鍋Pを加熱しないように駆動禁止領域を設定することもできる。
同様に図6(b)に示すように、重畳率が100%、70%および40%である点を連続的に破線で結ぶと、インダクタンスLと負荷抵抗Rから、任意の材質からなる円板26の重畳率を推定することができる。本願発明に係る制御回路50は、たとえば図6(b)の星印でプロットされた点で示すインダクタンスLと負荷抵抗Rを算出したとき、この点が70%の重畳率を連続的に結ぶ破線上にあることから、鍋Pが70%の重畳率で加熱コイル2の上方に載置されていると推定することができる。
なお、最も効率良く加熱できるのは共振周波数であることが知られているが、本願発明によれば鍋Pの共振周波数Frを得ることができるため、駆動周波数として共振周波数Frを選択することができる。また通常、共振周波数Frよりも低い周波数とするとIGBT等の素子に悪影響があるため、共振周波数Frが分からない場合には駆動周波数を実際の共振周波数Frよりもかなり高めに設定する場合がある。その場合、実際にはもっと電流を流して加熱できるものを制限していることになり、機器として加熱制限を使用者にしていることになる。本願発明の結果から共振周波数Frが分かるので、所望する加熱電力を得るための駆動周波数がどこまで設定可能であるかを知り、加熱調整することが可能となる。
なお上記説明においては、駆動電流検出手段32としてカレントトランスを用いたが、択一的には、共振コンデンサ24の両端の電圧を検出するコンデンサ電圧検出手段34を用いてLCR誘導加熱部20に流れる電流を検出してもよい。図7は、択一的な電気的構成を示す図2と同様の回路ブロック図である。
図7に示す誘導加熱調理器1は、共振コンデンサ24の両端のコンデンサ電圧Vを検出するコンデンサ電圧検出手段34を有し、コンデンサ電圧検出手段34は1次成分抽出手段40に電気的に接続されている。コンデンサ電圧Vは、駆動電圧Vと同様、駆動周波数の自然数倍の高次周波数成分を含み、1次成分抽出手段40を用いて離散フーリエ変換することにより、コンデンサ電圧Vの1次成分VC1(駆動周波数と同一の周波数を有する成分)だけを抽出し、複素表示することができる。なお、コンデンサ電圧Vの1次成分VC1と駆動電流Iは次の関係式を満たす。
Figure 0005474213
ここでωは1次成分の周波数f(定義より駆動周波数と同一、ω=2πf)であり、Cは共振コンデンサ24の静電容量であって、ともに既知である。
上式より、駆動電流Iはコンデンサ電圧VC1に対して位相がπ/(90度)だけ進んでいることが明らかである。そして本願発明によれば、コンデンサ電圧VC1を複素表示するので、次式より極めて簡便な計算により駆動電流Iを求めることができる。
Figure 0005474213
こうして求められた駆動電流Iに基づいて、実施の形態1で説明したように、共振周波数Fr(または加熱コイル2のインダクタンスL)と負荷抵抗Rを検出することにより、被加熱体Pの載置状態(鍋Pの有無を含む)および被加熱体Pの材質を瞬時に検知することができる。
また図7に示す誘導加熱調理器1によれば、実施の形態1で用いられていた比較的に高価なカレントトランスの代わりに、より安価な駆動電流検出手段を採用することにより、誘導加熱装置1の製造コストを削減することができる。
また上記説明においては、1次成分抽出手段40は、駆動電圧検出手段30および駆動電流検出手段32で検出された駆動電圧Vおよび駆動電流Iの1次成分(駆動周波数と同一の周波数を有する成分)を抽出するものであったが、駆動周波数のn倍(nは2以上の自然数)のサンプリング周波数を用いて離散フーリエ変換することにより、駆動電圧Vおよび駆動電流Iのn次成分を抽出するものであってもよい。
一般に、アルミニウム製の被加熱体Pを効率的に誘導加熱するためには、鉄等からなる被加熱体Pを誘導加熱するときに用いられる高周波電流の駆動周波数より高い駆動周波数を有するものを用いる必要がある。そして、このように高導電率および低透磁率を有するアルミニウムを含む任意の金属材料からなる鍋Pを誘導加熱する、いわゆるオールメタル対応の誘導加熱調理器はすでに提案され(たとえば特許第3460997号)、市場において販売されており、本願発明は、係るオールメタル対応の誘導加熱調理器にも適応することができる。
通常、n倍の駆動周波数を有する駆動電流Iでアルミニウム製の被加熱体Pを誘導加熱するとき、駆動周波数の1次成分は小さい値となり、n次成分が大きくなる。そしてn次成分抽出手段は、駆動電圧Vおよび駆動電流の1次成分よりn次成分(たとえば3次成分)が大きくなる場合には、1次成分ではなく、n次成分を抽出して、上記と同様の演算を行うことにより、共振周波数Frおよび負荷抵抗Rを瞬時に算出することができる。このとき、n次成分を用いて演算することにより、A/D変換器の分解能を大きくする必要がなくなるので好ましい。
なお詳細図示しないが、n次成分を用いて算出された共振周波数と負荷抵抗の関係を示すマップとして、図5(a)と同様のものが得られる(ただしアルミニウム円板の負荷抵抗は、共振周波数の増大に伴い、図5(a)のものより大きくなる。)。すなわち制御回路部50は、n次駆動電圧およびn次駆動電流から、LCR誘導加熱部20のインダクタンスLまたは共振周波数Frと負荷抵抗Rとを算出することができる。
ここで図8を参照しながら、実施の形態1に係る誘導加熱調理器1について詳細に説明する。図8に示す誘導加熱調理器1は、商用電源10からの交流電流を直流電流に整流する整流回路12a,12bと、単一の鍋を協働して誘導加熱する内側および外側の加熱コイル2a,2bに所定の駆動周波数を有する高周波電流を供給する駆動回路14a,14bと、加熱コイル2a,2bおよびこれに直列に接続された共振コンデンサ24a,24bからなるLCR誘導加熱部20a,20bと、LCR誘導加熱部20a,20bの両端に印加される駆動電圧を検出する駆動電圧検出手段30a,30bと、LCR誘導加熱部20a,20bに流れる駆動電流を検出する駆動電流検出手段32a,32bとを有する。さらに、この誘導加熱調理器1は、駆動電圧検出手段30a,30bおよび駆動電流検出手段32a,32bに電気的に接続された1次成分抽出手段40a,40b、および駆動回路14a,14bおよび1次成分抽出手段40a,40bに電気的に接続された制御回路50を有する。
なお、図8に示す整流回路12a,12bはそれぞれ、駆動回路14a,14bに直流電源を供給するために個々に設けられているが、単一の整流回路12を共用して駆動回路14a,14bに直流電源を供給してもよい。
図8に示す整流回路12a,12b、駆動回路(第1および第2の駆動回路)14a,14b、内側および外側の加熱コイル(第1および第2の加熱コイル)2a,2bを含むLCR誘導加熱部20a,20b、駆動電圧検出手段30a,30b、駆動電流検出手段32a,32b、1次成分抽出手段(第1および第2の1次成分抽出手段)40a,40b、ならびに制御回路50は、図2または図7を参照して説明したものと同様の構成を有するので、さらなる説明を省略する。
なお、内側および外側の加熱コイル2a,2bは、協働して(同時に)単一の鍋Pを誘導加熱するものであるから、物理的に近接して配置される。このとき駆動回路14a,14bから内側および外側の加熱コイル2a,2bに供給される駆動周波数が異なると、その差分周波数に相当するビート音が発生し、特にこれらの差分周波数が可聴域にあるとき、ユーザに著しい不快感を与える場合がある。したがってビート音の発生を防止するためには、制御回路50は、内側および外側の加熱コイル2a,2bに供給される高周波電流の駆動周波数が同一となるように第1および第2の駆動回路14a,14bを制御する必要がある。
以上説明したように、図8に示す本願発明に係る制御回路50は、高周波変調された駆動電圧および駆動電流の単一の周期(たとえば約33マイクロ秒)において検知された位相から、内側および外側の加熱コイル2a,2bの負荷抵抗Rをそれぞれ瞬時に算出することができる。
なお、内側および外側の加熱コイル2a,2bの負荷抵抗Rの算出に際し、1次成分抽出手段40a,40bによる駆動電圧Vおよび駆動電流Iの1次成分の抽出は、内側および外側の加熱コイル2a,2bについて同時に行ってもよいが、加熱コイル2a,2b間の結合等の相互作用を極力排除するために、順次行うことが好ましい。
実施の形態1に係る誘導加熱調理器1によれば、加熱コイルの負荷抵抗Rはその上方に載置された部分的な鍋Pの熱容量に相当するもの(単位温度上げるために必要な熱量)を示す指標と考えられることから、より大きい負荷抵抗Rを有する内側および外側の加熱コイル2a,2bには、より大きい電力量を供給することにより、鍋P全体を均一に加熱しようとするものである。
具体的には、実施の形態1に係る制御回路50は、内側加熱コイル2aの負荷抵抗Rおよび外側加熱コイル2bの負荷抵抗Rで表される次式の電力量配分比r,rを算出する。
Figure 0005474213
そして制御回路50は、鍋Pに対してユーザ設定された「火力」、すなわち内側加熱コイル2aおよび外側加熱コイル2bの全体に供給することが予定されていた電力量(Q)を、上記電力量配分比により配分し、内側加熱コイル2aおよび外側加熱コイル2bに対して次式の電力量Q,Qが供給されるように第1および第2の駆動回路14a,14bを制御する。
Figure 0005474213
なお、電力量Qは電力Wの所定期間における積分値として表されるところ、制御回路50は、上式で表される電力量Q,Qを得るために、さまざまな手法により駆動回路14a,14bを制御することができる。たとえば駆動回路14a,14bから内側加熱コイル2aおよび外側加熱コイル2bに供給される電力W,Wが所定の電力で定常的に供給される場合(定電力駆動)、両方の加熱コイル2a,2bの全体に対して供給すべき電力W(=dQ/dt)を定義して、制御回路50は、次式で表される電力W,Wが内側加熱コイル2aおよび外側加熱コイル2bに供給されるように第1および第2の駆動回路14a,14bを制御する。
Figure 0005474213
択一的には、駆動回路14a,14bから内側加熱コイル2aおよび外側加熱コイル2bに供給される電力Wの大きさが同一で、かつ断続的に、すなわちそれぞれ互いに異なるタイミング(期間t,t)で供給される場合(デューティ駆動)、制御回路50は、次のように表される時間t,tで一定の電力が内側加熱コイル2aおよび外側加熱コイル2bに供給されるように第1および第2の駆動回路14a,14bを制御する。
定義より、Q=W×t,Q=W×tであり、Q=W×(t+t)を[数11]に代入すると、
Figure 0005474213
このように制御回路50は、上式で表される電力量Q,Qを得るために、定電力駆動において、各加熱コイル2a,2bに供給される電力W,Wを[数12]を用いて制御してもよいし、デューティ駆動において、[数13]に示すように、各加熱コイル2a,2bに電力供給される時間t,tの比(t/t)が負荷抵抗R,Rの比(R/R)と等しくなるように制御してもよい。また制御回路50は、定電力駆動およびデューティ駆動を組み合わせた手法により駆動回路14a,14bを制御して、[数11]で求めた電力量Q,Qを得ることにより、鍋P全体を均一に加熱することができる。
こうして、実施の形態1に係る制御回路50は、内側および外側の加熱コイル2a,2bの負荷抵抗Rおよび電力量配分比r,rを算出することにより、内側および外側の加熱コイル2a,2bに供給される電力量を適正に配分して、鍋P全体を均一に加熱することができる。
なお、上式の電力量Q,Qは、電力量配分比r,rに線形比例するものとして算出されたが、これに限定されるものではなく、電力量配分比r,rに非線形に依存するものであってもよいし、これを用いて重み付けして算出されるものであってもよい。重み付けは、たとえば製品開発時の計測等で得られた情報等を元に、負荷抵抗値と適切な加熱との関係から求めることができる。
変形例1.
上記実施の形態1に係る誘導加熱調理器1は、図1に示すように内側加熱コイル2aと、その周囲に同心円状に捲回した外側加熱コイル2bとを有するものであったが、図9に示すように単一の中央加熱コイル2aと、その周辺に1/4円弧状(バナナ状または胡瓜状)に捲回された4つの周辺加熱コイル2b〜2eとを有するものであってもよい。択一的には、誘導加熱調理器1は、図10に示すように格子状に配列された複数の円形状の小型加熱コイル2を有するものであってもよい。
この場合も実施の形態1と同様、各加熱コイル2に対応する複数の駆動回路14および一次成分抽出手段(またはn次成分抽出手段)40を設けて、各加熱コイル2の負荷抵抗Rを算出し、それぞれの電力量配分比に応じた電力量を供給することにより、鍋P全体を均一に加熱することができる。
なお、本願発明に係る制御回路50は、上述のように数多くの加熱コイル2に対する負荷抵抗Rを、誘導加熱調理器1の使用中、反復的に算出して常に更新することにより、ユーザが鍋Pを移動させた場合でも(いわゆる「鍋ふり」をしたような場合でも)、各加熱コイル2に対して常に適正な電力量を供給して、鍋P全体の均一な加熱を実現することができる。
また、各加熱コイル2は、一般に、単位時間当たりに供給可能な最大の高周波電力量(すなわち最大定格電力WMAX)が規定されているところ、各加熱コイル2の駆動条件(高周波電流のデューティ比、あるいは高周波電流が流れる時間t)が同じである場合には、電源供給される複数の加熱コイル2のうちの1つの負荷抵抗Rが他のものより大きく、上記説明したように電力量配分比r,rに基づいて電力量(Q=W×t)を供給すると、たとえば中央加熱コイル2aに供給される電力が最大定格電力WMAXを越える場合がある。
すなわち上述のように、電力量Qは電力Wの所定期間における積分値として表されるが、たとえば各加熱コイル2が給電されている時間の長さが同じであるとき、上述の電力量配分比r,rで各加熱コイル2に電力量を割り当てると、特定の加熱コイル2に供給される電力が最大定格電力WMAXを越えてしまい、信頼性を損なう場合が想定される。
そこで、この変形例1によれば、鍋P全体の均一な加熱実現しつつ、十分な「火力」の実現より高い信頼性の実現を優先するため、[数11]で求めた電力量Q,Qを得るために供給された電力Wが各加熱コイル2の最大定格電力WMAXを越えないように加熱コイル2の全体の電力量Q を抑制する。こうして各加熱コイル2に供給される電力Wは最大定格電力WMAXを越えることなく、高い信頼性を維持しつつ、鍋P全体を均一に加熱することができる。
さらに上記説明においては、鍋P全体の均一な加熱を実現するために、各加熱コイル2の負荷抵抗Rおよび電力量配分比rを算出し、各加熱コイル2に供給される電力量を制御するものであったが、これに限定されるものではない。すなわち制御回路50は、たとえば鍋Pの外側を内側より強い「火力」で不均一に加熱したい場合、同様に各加熱コイル2の負荷抵抗Rを算出して、係る不均一加熱を実現するように重み付けした電力量Q ,Q を各加熱コイル2に供給するように駆動回路14a,14bを制御してもよい。
実施の形態2
次に、本願発明に係る誘導加熱装置の実施の形態2について以下詳細に説明する。実施の形態1に係る制御回路50は、各加熱コイル2の負荷抵抗に基づいて電力量配分比rを算出したが、実施の形態2に係る制御回路50は、各加熱コイル2の上方に載置された鍋Pの載置面積(重畳率)に基づいて電力量配分比rを算出することにより、複数の加熱コイル2のそれぞれに電力量を適正に配分するものである。そして実施の形態2の誘導加熱調理器1は、その他の点において、実施の形態1の誘導加熱調理器1と同様の構成を有するので、重複する点については説明を省略する。
図8を参照して上記説明したように、本願発明に係る制御回路50は、高周波変調された駆動電圧および駆動電流の単一の周期において検知された位相から、内側および外側の加熱コイル2a,2bの共振周波数Frおよび負荷抵抗R、あるいはインダクタンスLおよび負荷抵抗Rをそれぞれ瞬時に算出することができる。また本願発明に係る制御回路50は、あらかじめ検知されたメモリ(図示せず)に格納された図または図のマップにおいて、算出された各加熱コイル2a,2bの共振周波数Frおよび負荷抵抗R(図(b))、あるいはインダクタンスLおよび負荷抵抗R(図(b))のプロット位置(たとえば星印)を参照して、各加熱コイル2a,2bの上方に載置された鍋Pの重畳率を容易に検知することができる。
各加熱コイル2a,2bの上方において、鍋Pが有効に加熱される領域(有効加熱領域)は、各加熱コイル2a,2bの大きさおよび形状に依存して一定であるから、載置された鍋Pの重畳率が特定されると、各加熱コイル2a,2bの上方に載置された鍋Pの載置面積S,Sを算出することできる。
実施の形態2に係る誘導加熱調理器1は、鍋Pの載置面積Sは鍋Pの部分的な熱容量を示す指標と考えられることから、より大きい載置面積Sを有する内側および外側の加熱コイル2a,2bには、より大きい電力量を供給することにより、鍋P全体を均一に加熱しようとするものである。
具体的には、実施の形態1に係る制御回路50は、内側加熱コイル2aの上方に載置された鍋Pの載置面積Sおよび外側加熱コイル2bの上方に載置された鍋Pの載置面積Sで表される次式の電力量配分比r,rを算出する。
Figure 0005474213
そして制御回路50は、鍋Pに対するユーザ設定された「火力」、すなわち内側加熱コイル2aおよび外側加熱コイル2bの全体に供給することが予定されていた電力量(Q)を、上記電力量配分比により配分し、内側加熱コイル2aおよび外側加熱コイル2bに対して次式の電力量Q,Qが供給されるように第1および第2の駆動回路14a,14bを制御する。
Figure 0005474213
なお、上述の鍋Pの載置面積S,Sは、図5および図6に示すマップを参照して検知されるものであるが、各加熱コイル2a,2bの負荷抵抗Rのみならず、共振周波数Frまたはインダクタンスといった実質的に変動するファクタの影響を考慮して検知されるものであるから、とりわけ鍋Pの構成材料が変動する場合であっても、実施の形態1より適正な電力量を各加熱コイル2a,2bに配分することができ、鍋P全体をより均一に加熱することができる。
また実施の形態1と同様、制御回路50は、上式で表される電力量Q,Qを得るために、定電力駆動において、各加熱コイル2a,2bに供給される電力W,Wを制御してもよいし、デューティ駆動において、各加熱コイル2a,2bに電力供給される時間t,tを制御してもよい。さらに、上式の電力量Q,Qは、電力量配分比r,rに線形比例するものの他、これを用いて重み付けして算出されるものであってもよい。同様に、重み付けは、たとえば製品開発時の計測等で得られた情報等を元に、負荷抵抗値と適切な加熱との関係から求めることができる。

Claims (5)

  1. 第1の加熱コイルと、
    前記第1の加熱コイルに隣接して配置され、これと協働して単一の被加熱体を誘導加熱する少なくとも1つの第2の加熱コイルと、
    前記第1および第2の加熱コイルに同一の駆動周波数を有する高周波電流をそれぞれ供給する第1および第2の駆動回路と、
    前記第1の加熱コイルに流れる第1の駆動電流および前記第1の加熱コイルの両端に印加される第1の駆動電圧から、駆動周波数のn倍(nは自然数)の周波数を有するn次成分を含む第1のn次駆動電圧およびn次駆動電流を抽出する第1のn次成分抽出手段と、
    前記第2の加熱コイルに流れる第2の駆動電流および前記第2の加熱コイルの両端に印加される第2の駆動電圧から、駆動周波数のn倍(nは自然数)の周波数を有するn次成分を含む第2のn次駆動電圧およびn次駆動電流を抽出する第2のn次成分抽出手段と、
    前記第1のn次駆動電圧およびn次駆動電流から前記第1の加熱コイルの負荷抵抗を算出し、前記第2のn次駆動電圧およびn次駆動電流から前記第2の加熱コイルの負荷抵抗を算出する制御回路部とを備え、
    制御回路部は、算出された前記第1および第2の加熱コイルの負荷抵抗に依存する電力量配分比に基づいて、前記第1および第2の加熱コイルにそれぞれ供給される電力量を制御することを特徴とする誘導加熱調理器。
  2. 第1の加熱コイルと、
    前記第1の加熱コイルに隣接して配置され、これと協働して単一の被加熱体を誘導加熱する少なくとも1つの第2の加熱コイルと、
    前記第1および第2の加熱コイルに同一の駆動周波数を有する高周波電流をそれぞれ供給する第1および第2の駆動回路と、
    前記第1の加熱コイルに流れる第1の駆動電流および前記第1の加熱コイルの両端に印加される第1の駆動電圧から、駆動周波数のn倍(nは自然数)の周波数を有するn次成分を含む第1のn次駆動電圧およびn次駆動電流を抽出する第1のn次成分抽出手段と、
    前記第2の加熱コイルに流れる第2の駆動電流および前記第2の加熱コイルの両端に印加される第2の駆動電圧から、駆動周波数のn倍(nは自然数)の周波数を有するn次成分を含む第2のn次駆動電圧およびn次駆動電流を抽出する第2のn次成分抽出手段と、
    前記第1のn次駆動電圧およびn次駆動電流から前記第1の加熱コイルの負荷抵抗を算出し、前記第2のn次駆動電圧およびn次駆動電流から前記第2の加熱コイルの負荷抵抗を算出し、
    1のn次駆動電圧およびn次駆動電流から前記第1の加熱コイルの共振周波数またはインダクタンスを算出するとともに、第2のn次駆動電圧およびn次駆動電流から前記第2の加熱コイルの共振周波数またはインダクタンスを算出し、
    記第1および第2の加熱コイルの共振周波数および負荷抵抗の関係を示すマップ、あるいは前記第1および第2の加熱コイルのインダクタンスおよび負荷抵抗の関係を示すマップを用いて、前記第1および第2の加熱コイルの上方に載置された被加熱体の第1および第2の載置面積を算出する制御回路部とを備え
    前記制御回路部は、算出された第1および第2の載置面積に依存する電力量配分比に基づいて、前記第1および第2の加熱コイルに供給する電力量を制御することを特徴とする誘導加熱調理器。
  3. 複数の第2の加熱コイルが、第1の加熱コイルと同心円状に捲回されるか、または前記第1の加熱コイルの周囲に円弧状あるいは円形状に捲回されることを特徴とする請求項1または2に記載の誘導加熱調理器。
  4. 第1の加熱コイルと、前記第1の加熱コイルに隣接して配置され、これと協働して単一の被加熱体を誘導加熱する少なくとも1つの第2の加熱コイルとを有する誘導加熱調理器の制御方法であって、
    前記第1および第2の加熱コイルに同一の駆動周波数を有する高周波電流をそれぞれ供給するステップと、
    前記第1の加熱コイルに流れる第1の駆動電流および前記第1の加熱コイルの両端に印加される第1の駆動電圧から、駆動周波数のn倍(nは自然数)の周波数を有するn次成分を含む第1のn次駆動電圧およびn次駆動電流を抽出する第1のn次成分抽出ステップと、
    前記第2の加熱コイルに流れる第2の駆動電流および前記第2の加熱コイルの両端に印加される第2の駆動電圧から、駆動周波数のn倍(nは自然数)の周波数を有するn次成分を含む第2のn次駆動電圧およびn次駆動電流を抽出する第2のn次成分抽出ステップと、
    前記第1のn次駆動電圧およびn次駆動電流から、前記第1の加熱コイルの負荷抵抗を算出し、前記第2のn次駆動電圧およびn次駆動電流から、前記第2の加熱コイルの負荷抵抗を算出するステップと、
    算出された前記第1および第2の加熱コイルの負荷抵抗に依存する電力量配分比に基づいて、前記第1および第2の加熱コイルに供給される電力量を制御するステップとを有することを特徴とする誘導加熱調理器の制御方法。
  5. 第1の加熱コイルと、前記第1の加熱コイルに隣接して配置され、これと協働して単一の被加熱体を誘導加熱する少なくとも1つの第2の加熱コイルとを有する誘導加熱調理器の制御方法であって、
    前記第1および第2の加熱コイルに同一の駆動周波数を有する高周波電流をそれぞれ供給するステップと、
    前記第1の加熱コイルに流れる第1の駆動電流および前記第1の加熱コイルの両端に印加される第1の駆動電圧から、駆動周波数のn倍(nは自然数)の周波数を有するn次成分を含む第1のn次駆動電圧およびn次駆動電流を抽出する第1のn次成分抽出ステップと、
    前記第2の加熱コイルに流れる第2の駆動電流および前記第2の加熱コイルの両端に印加される第2の駆動電圧から、駆動周波数のn倍(nは自然数)の周波数を有するn次成分を含む第2のn次駆動電圧およびn次駆動電流を抽出する第2のn次成分抽出ステップと、
    前記第1のn次駆動電圧およびn次駆動電流から前記第1の加熱コイルの負荷抵抗を算出するとともに、前記第2のn次駆動電圧およびn次駆動電流から前記第2の加熱コイルの負荷抵抗を算出するステップと、
    1のn次駆動電圧およびn次駆動電流から前記第1の加熱コイルの共振周波数またはインダクタンスを算出するとともに、第2のn次駆動電圧およびn次駆動電流から前記第2の加熱コイルの共振周波数またはインダクタンスを算出するステップと、
    記第1および第2の加熱コイルの共振周波数および負荷抵抗の関係を示すマップ、あるいは前記第1および第2の加熱コイルのインダクタンスおよび負荷抵抗の関係を示すマップを用いて、前記第1および第2の加熱コイルの上方に載置された被加熱体の第1および第2の載置面積を算出するステップと、
    出された第1および第2の載置面積に依存する電力量配分比に基づいて、前記第1および第2の加熱コイルに供給する電力量を制御するステップとを有することを特徴とする誘導加熱調理器の制御方法。
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