JP5794635B2

JP5794635B2 - 誘導加熱装置

Info

Publication number: JP5794635B2
Application number: JP2012007959A
Authority: JP
Inventors: 松永　和久; 和久松永; 哲弘丸尾; 慶喜川原
Original assignee: Tokyo Electric Power Co Inc; Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Fuji Electric Co Ltd; Tokyo Electric Power Co Holdings Inc
Priority date: 2012-01-18
Filing date: 2012-01-18
Publication date: 2015-10-14
Anticipated expiration: 2032-01-18
Also published as: JP2013149419A

Description

本発明は、電磁調理器等に適用される誘導加熱装置に関し、詳しくは、複数の加熱コイルを備えた誘導加熱装置に関するものである。

複数の加熱コイルを備えた従来の電磁調理器としては、例えば、特許文献１，２に記載されたものが知られている。
図１３は、特許文献１に記載された電磁調理器の誘導加熱部を示す平面図であり、１０は内側コイル部１０ａ及び外側コイル部１０ｂからなる中央コイル、２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄは中央コイル１０と同一平面上でその周囲に配置された周辺コイルである。図示されていないが、中央コイル１０及び周辺コイル２０ａ〜２０ｄの上方（紙面の手前）には、調理鍋などの被加熱物が載置されるトッププレートが配置されており、中央コイル１０及び周辺コイル２０ａ〜２０ｄに高周波電流を流すことで被加熱物の底面に渦電流を流し、そのジュール熱により被加熱物が加熱されるようになっている。

図１３において、周辺コイル２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄと中央コイル１０との間に相互インダクタンスによる電磁結合があるため、周辺コイル２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄの中央コイル１０に隣接する部分における電流方向が同一になるように、各コイルに個別に高周波電流が供給される。すなわち、図１３において、Ａは周辺コイル２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄの電流通流方向、Ｂは中央コイル１０（外側コイル部１０ｂ）の電流通流方向である。
この従来技術においては、複数の周辺コイルを設けて中央コイル１０の半径方向外側における被加熱物の発熱効率を増大させることで、温度分布の均一化を図っている。

また、図１４は、特許文献２に記載された電磁調理器の主要部を示す側面図であり、１１は内側コイル、２１は内側コイル１１と同心状に配置された外側コイル、４０は制御回路、５０Ａ，５０Ｂは内側コイル１１及び外側コイル２１に高周波電流を流すための高周波電力発生回路、６０はトッププレートである。
この従来技術では、内側コイル１１及び外側コイル２１に時分割で高周波電流を流すことにより、調理鍋の種類や底面の平面形状等に応じて全体的な加熱パターンを種々調節可能にしている。

特開２０１１−９０７９８号公報（段落[００１５]〜[００２２]、図１〜図４等）特許第２９７８０６９号公報（段落[００１０]〜[００１８]、図１〜図４等）

特許文献１に記載された従来技術では、周辺コイル２０ａ，２０ｂ，２０ｃ，２０ｄの相互間の領域３０ａ，３０ｂ，３０ｃ，３０ｄ（図１３参照）において、隣り合う高周波電流が逆方向に流れるため、各コイルから発生する磁束が相互に打ち消し合ってしまい、被加熱物に対する加熱能力が低下するという問題があった。

また、特許文献２に記載された従来技術において、内側コイル１１と外側コイル２１との間には相互インダクタンスによる電磁結合があるため、通電するコイルの高周波電流の大きさによっては、他方のコイルにも電磁誘導により高周波電流が流れることになる。この場合、各コイル１１，２１を切り替えて交互に給電するには供給電圧の周波数を合わせたり同期をとる必要があるが、一般的には、誘起された高周波電流が減衰するまでにある程度の時間を要するため、一方のコイルから他方のコイルへ短時間で切り替えて給電することが困難であった。また、このように切替時間が長くなると、被加熱物の温度低下による熱効率の低下を招くという問題があった。

そこで、本発明の解決課題は、中央コイルと周辺コイルとの間の相互インダクタンスを小さくし、両コイル間の電磁的結合を弱くして各コイルへの給電を短時間で切り替え可能とした誘導加熱装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、加熱コイルに高周波電流を通流して被加熱物に渦電流を生じさせることにより前記被加熱物を加熱する誘導加熱装置において、
前記加熱コイルを、
中心軸が被加熱物の底面に直交するように配置される中央コイルと、
前記中央コイルと同一平面上で前記中央コイルの周囲に均等に配置された複数の単位周辺コイルを、前記複数の単位周辺コイルが互いに隣接する部分における各単位周辺コイルの電流方向が同一となるように直列に接続してなる周辺コイルと、
により構成し、
前記中央コイル及び前記周辺コイルに、時分割にて交互に交流電力を供給するものである。

請求項２に係る発明は、請求項１に記載した誘導加熱装置において、前記中央コイルの中心軸と複数の単位周辺コイルの中心軸とが平行であることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１または２に記載した誘導加熱装置において、前記単位周辺コイルの中心部に磁性体コアを配置したことを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１〜３の何れか１項に記載した誘導加熱装置において、前記中央コイルまたは前記単位周辺コイルを、複数層に積層して構成したことを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１〜４の何れか１項に記載した誘導加熱装置において、前記中央コイル及び前記単位周辺コイルの平面形状を、被加熱物の底面の平面形状に適合するように形成したことを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項１〜５の何れか１項に記載した誘導加熱装置において、
前記中央コイルを複数に分割して形成したことを特徴とする。

本発明によれば、中央コイルと、その周囲に配置される複数の単位周辺コイルの直列接続回路からなる周辺コイルと、によって加熱コイルを構成し、これらの中央コイル及び周辺コイルに、時分割にて交互に交流電力を供給することにより、被加熱物の底面の温度分布を均一化しながら被加熱物を加熱することができる。
特に、二つの単位周辺コイルが隣接する部分における各コイルの電流方向が同一になるように複数の単位周辺コイルを直列接続することにより、特許文献１のような磁束の打ち消し合いを防ぎ、加熱効率を高めることができる。
また、中央コイルと単位周辺コイルとの間の相互インダクタンスを小さくすることにより、一方のコイルに給電したときに他方のコイルに誘導される高周波電流を低減することができ、両コイルを用いて交互に給電する際の迅速な切り替えを可能として被加熱物の温度低下を防止できる等の効果もある。

本発明の第１実施形態における加熱コイルの平面図及び誘導加熱装置の主要部の断面図である。第１実施形態における中央コイル用のインバータ部の回路構成を、中央コイル及び周辺コイルと共に示した回路図である。第１実施形態における周辺コイル用のインバータ部の回路構成を、中央コイル及び周辺コイルと共に示した回路図である。第１実施形態における中央コイルによる加熱動作と周辺コイルによる加熱動作との状態遷移を示す説明図である。第１実施形態において、単位周辺コイルに高周波電流を流した場合に中央コイルに誘導される高周波電流を模式的に示した説明図である。第１実施形態において、中央コイルに高周波電流を流した場合に単位周辺コイルに誘導される高周波電流を模式的に示した説明図である。第１実施形態における中央コイル及び周辺コイルの自己インダクタンス、両コイルを和動接続した場合及び差動接続した場合の合成インダクタンス、並びに、両コイルの相互インダクタンスの測定結果を示す図である。第１実施形態により中央コイルと周辺コイルとに時分割で交互に給電して被加熱物を加熱した場合の温度分布を示す図である。本発明の第２実施形態を示す主要部の説明図である。本発明の第３実施形態を示す主要部の説明図である。本発明の第４実施形態における加熱コイルの平面図及び温度分布図である。本発明の第５実施形態における加熱コイルの平面図及び中央コイルによる温度分布図である。特許文献１に記載された従来技術の主要部を示す平面図である。特許文献２に記載された従来技術の主要部を示す側面図である。

以下、図に沿って本発明の実施形態を説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る電磁調理器用誘導加熱装置の主要部を示すもので、図１(ａ)は加熱コイルの平面図、図１(ｂ)は図１(ａ)のＸ−Ｘ断面に相当する誘導加熱装置の主要部の断面図である。

図１において、１はリッツ線を渦巻状に巻いた中央コイルであり、その周囲には、中央コイル１と同一平面上に、リッツ線を渦巻状に巻いた単位周辺コイル２ａ〜２ｌが均等に配置されている。これらの単位周辺コイル２ａ〜２ｌはすべて直列に接続されており、図１(ｂ)では単位周辺コイル２ａ〜２ｌの直列接続回路の全体を周辺コイル２として示している。なお、単位周辺コイルの数は特に限定されず、中央コイル１の周囲に均等に配置可能であれば任意の複数でよい。
中央コイル１は、その中心軸が被加熱物の底面に直交するように配置されており、中央コイル１の中心軸と単位周辺コイル２ａ〜２ｌの中心軸とは平行になっている。これらの中央コイル１及び周辺コイル２により、加熱コイルが構成されている。

４ａは中央コイル１に交流電力を供給して高周波電流を流すためのインバータ部、４ｂは周辺コイル２に交流電力を供給して高周波電流を流すためのインバータ部である。インバータ部４ａ，４ｂは誘導加熱電源３に接続されており、誘導加熱電源３に内蔵された制御回路によって各インバータ部４ａ，４ｂを時分割で交互に駆動することで、中央コイル１及び周辺コイル２に高周波電流が時分割で交互に流れるようになっている。
なお、５は中央コイル１及び周辺コイル２の上方に配置されたトッププレート、６はトッププレート５に載置される調理鍋等の被加熱物である。

図２，図３は、インバータ部４ａ，４ｂの回路構成を中央コイル１及び周辺コイル２と共に示した回路図であり、図２ではインバータ部４ａの出力電流経路を、図３ではインバータ部４ｂの出力電流経路を併せて図示してある。
図２，図３に示すように、中央コイル１用のインバータ部４ａはスイッチ部４１〜４４からなるフルブリッジ回路により構成され、周辺コイル２用のインバータ部４ｂはスイッチ部４１，４２，４５，４６からなるフルブリッジ回路により構成されており、インバータ部４ａ，４ｂはスイッチ部４１，４２からなる１個の上下アームを共用している。スイッチ部４１〜４６は、何れも還流ダイオードが逆並列に接続されたＩＧＢＴ等のスイッチング素子にコンデンサを並列に接続して構成されており、スイッチ部４３，４４同士の接続点とスイッチ部４５，４６同士の接続点との間に、コンデンサ７，８を介して中央コイル１と周辺コイル２とが直列に接続されている。なお、スイッチ部４１，４２同士の接続点は、中央コイル１と周辺コイル２との接続点に接続されている。

図２（ａ），（ｂ）に示すように、インバータ部４ａはスイッチ部４１，４４及びスイッチ部４２，４３を交互にオン、オフさせて中央コイル１に高周波電流を通流させ、図３（ａ），（ｂ）に示すように、インバータ部４ｂはスイッチ部４１，４６及びスイッチ部４２，４５を交互にオン、オフさせて周辺コイル２に高周波電流を通流させる。
図２（ａ），（ｂ）に示した中央コイル１による加熱動作と、図３（ａ），（ｂ）に示した周辺コイル２による加熱動作とは、前述した誘導加熱電源３内の制御回路により交互に実行される。

図４は、中央コイル１による加熱動作と周辺コイル２による加熱動作との間の状態遷移を示す説明図である。
図４において、まず、誘導加熱電源３の停止中は給電開始指令の入力待ちで待機している（ステップＳ１）。誘導加熱電源３に給電開始指令が入力されると、中央コイル１用のインバータ部４ａを駆動させるため、インバータ部４ｂと共通するスイッチ部４１，４２も含めて制御回路からオン信号を送ることにより、図２（ａ），（ｂ）に示した経路で中央コイル１に高周波電流が流れる（ステップＳ２）。そして、予め設定された動作時間を監視しながら、その時間を経過するまで中央コイル１への給電を継続する。

次に、中央コイル１の動作時間が経過したら、図４のステップＳ２，Ｓ１間の加熱停止処理を経てインバータ部４ａの駆動を停止し、中央コイル１に通流している高周波電流を遮断すると共に、誘導された高周波電流が周辺コイル２に流れていないかを確認し、周辺コイル２への給電可否を判断する（ステップＳ３）。
ステップＳ３において周辺コイル２への給電が可能と判断されれば、直ちに周辺コイル２用のインバータ部４ｂを駆動することにより、図３（ａ），（ｂ）に示した経路で周辺コイル２に高周波電流を流し、周辺コイル２による加熱動作に移行する（ステップＳ４）。そして、前記同様に予め設定された動作時間を監視しながら、その時間を経過するまで周辺コイル２への給電を継続する。
なお、ステップＳ３において周辺コイル２への給電が不可と判断された場合には、ステップＳ３，Ｓ１間の加熱停止処理を経てインバータ部４ｂを停止状態のままで維持する。

周辺コイル２による加熱動作を行った場合、周辺コイル２の動作時間が経過したら、ステップＳ４，Ｓ１間の加熱停止処理を経てインバータ部４ｂの駆動を停止し、周辺コイル２に通流している高周波電流を遮断すると共に、誘導された高周波電流が中央コイル１に流れていないかを確認し、中央コイル１への給電可否を判断する（ステップＳ５）。
なお、ステップＳ５において中央コイル１への給電が不可と判断された場合には、ステップＳ５，Ｓ１間の加熱停止処理を経てインバータ部４ａを停止状態のままで維持する。
上記のような状態遷移制御を繰り返す（ステップＳ２→Ｓ３→Ｓ４→Ｓ５→Ｓ２→……）ことにより、中央コイル１と周辺コイル２との間で時分割にて交互に給電することが可能となる。

図５は、周辺コイル２（一例として単位周辺コイル２ａ，２ｂ，２ｃ）に高周波電流を流した場合に中央コイル１に誘導される高周波電流を模式的に示した説明図である。
周辺コイル２に高周波電流を流した場合、単位周辺コイル２ａ，２ｂ，２ｃには、互いに隣接する部分において図５に示す矢印のように同方向で高周波電流が流れるように各コイルを直列接続し、配置する。このとき、単位周辺コイル２ａ，２ｂ，２ｃから発生する磁束は被加熱物６以外に中央コイル１にも鎖交するが、中央コイル１は単一の加熱コイルであり、個々の単位周辺コイル２ａ，２ｂ，２ｃを流れる高周波電流によって中央コイル１に誘導される高周波電流（図５に破線にて示す）は互いに打ち消し合うため、中央コイル１に流れる高周波電流を抑制することができる。

一方、図６は、中央コイル１に高周波電流を流した場合に単位周辺コイル２ａ，２ｂ，２ｃに誘導される高周波電流を模式的に示した説明図である。
中央コイル１に高周波電流が流れると、中央コイル１から発生する磁束が単位周辺コイル２ａ，２ｂ，２ｃに鎖交して高周波電流（図６に破線にて示す）が流れようとするが、図５に示したように、単位周辺コイル２ａ，２ｂ，２ｃは互いに隣接する部分において高周波電流が同方向に流れるように直列接続されているため、図６に破線で示す高周波電流は互いに打ち消し合うことになり、単位周辺コイル２ａ，２ｂ，２ｃに流れる高周波電流を抑制することができる。

ここで、図７は、中央コイル１及び周辺コイル２の自己インダクタンス（図７（１））、中央コイル１と周辺コイル２とを和動接続した場合の合成インダクタンス（図７（２））、中央コイル１と周辺コイル２とを差動接続した場合の合成インダクタンス（図７（３））、及び、中央コイル１と周辺コイル２との相互インダクタンスの各測定結果を示しており、負荷条件として、コイルが空心の場合と直径を種々変化させた場合についてまとめたものである。
なお、図７において、Ｌ_１は中央コイル１の自己インダクタンス、Ｌ_２は周辺コイル２の自己インダクタンス、Ｍは相互インダクタンスである。
図７によれば、各コイル１，２の自己インダクタンスＬ_１，Ｌ_２に対し、相互インダクタンスＭの占める割合は約０．４２〜０．５９％であり、このように相互インダクタンスＭを小さくすることによって各コイル１，２間の電磁的な結合を弱め、一方のコイルから他方のコイルに誘導される高周波電流を抑制することができる。

次に、図８は、第１実施形態により中央コイル１と周辺コイル２とに時分割で交互に給電して被加熱物６を加熱した場合の温度分布を示す図であり、図８(ａ)は被加熱物６の底面に相当する平面図、図８(ｂ)は図８(ａ)のＹ−Ｙ断面に相当する誘導加熱装置の断面図である。なお、図８(ａ)では、中央コイル１及び単位周辺コイル２ａ〜２ｌの配置を透視的に示している。これらの図において、ハッチング部分は加熱部分を示す。

前述したように、中央コイル１と周辺コイル２との間では、一方のコイルから発生した磁束が他方のコイルに影響することが少なく、相互インダクタンスが小さい。このため、中央コイル１に給電しているときに周辺コイル２による加熱範囲にある被加熱物６を加熱することがなく、逆に、周辺コイル２に給電しているときに中央コイル１による加熱範囲にある被加熱物６を加熱することもない。
このため、図８（ａ）に示すように、中央コイル１は直上にある被加熱物６のみを加熱する。また、周辺コイル２は、直上にある被加熱物６を加熱すると共に、図５に示したように互いに隣接する単位周辺コイルの相互間では磁束が強め合うことから、この部分（図８（ａ）におけるＰ_１部）も加熱することになる。なお、図８（ａ）におけるＰ_２部は余り加熱されない部分であるが、加熱部分の総面積に比べれば特に問題になることはない。

上記のように、この実施形態においては、中央コイル１及び周辺コイル２への供給電力や給電時間を制御することにより、被加熱物６を特許文献１，２等の従来技術よりも均一に温度ムラなく加熱することができる。また、一方のコイルから他方のコイルに誘導される高周波電流を抑制することができるので、コイル相互間の給電の切り替えを短時間で行うことが可能である。

図９は、本発明の第２実施形態を示す主要部の説明図であり、図９（ａ）は単位周辺コイル２ａ〜２ｌの平面図、図９（ｂ）は図９（ａ）の中央断面に相当する誘導加熱装置の縦断面図である。
第１実施形態のように、１つの周辺コイル２を複数の単位周辺コイル２ａ〜２ｌの直列接続回路によって構成する場合、例えば特許文献２の如く単一の円環状の周辺コイルを用いる場合に比べて、周辺コイル２から発生した磁束のうち被加熱物６と鎖交する磁束量が減り、加熱効率が悪くなるおそれがある。従って、加熱効率を向上させるには、単位周辺コイル２ａ〜２ｌへの供給電力を増加せざるを得ない。

上記の問題を解消するためには、図９に示すように、単位周辺コイル２ａ〜２ｌの中心部に強磁性体コア、例えばフェライトコア９を配置すれば良い。これにより、単位周辺コイル２ａ〜２ｌから発生する下方及び側方への漏れ磁束が中心部のフェライトコア９に集約されるので、単位周辺コイル２ａ〜２ｌと被加熱物６との磁気的結合を強めることができる。よって、周辺コイルへの供給電力を増加させる方法によらず、被加熱物６を効率よく加熱することが可能である。

次に、図１０は本発明の第３実施形態を示す主要部の説明図である。
図１０(ａ)，（ｂ）に示す加熱コイル（中央コイル１または単位周辺コイル２ａ〜２ｌ）を複数層に積層すると、加熱コイルから発生する磁界強度が大きくなる。すなわち、磁界強度をＨ、加熱コイルの巻数をＮ、加熱コイルに流れる高周波電流をＩ、加熱コイルの半径をｒとすると、Ｈ＝ＮＩ／２ｒにて表すことができ、被加熱物６に供給される電力は、抵抗×（ＮＩ／２ｒ）^２となる。
従って、被加熱物６の抵抗が一定であり、供給電力を従来の誘導加熱装置と同等とした場合、図１０(ｃ)のように複数層に積層することにより増加させた巻数Ｎに反比例して、高周波電流Ｉを小さくすることができる。これにより、加熱コイルを構成するリッツ線や誘導加熱装置の冷却装置を小容量化、簡素化し、製品全体の低価格化を達成することができる。

図１１は本発明の第４実施形態を示すもので、加熱コイルの平面図（図１１（ａ））、及び、被加熱物６の底面における温度分布図（図１１（ｂ））である。
この実施形態によれば、複数の単位周辺コイル２ａ〜２ｌの平面形状を例えば四角形にすることによって前述の図８におけるＰ_２部分のように加熱されにくい部分をなくし、被加熱物６の底面の温度分布を一層、均一化することができる。

更に、図１２は本発明の第５実施形態を示すもので、加熱コイルの平面図（図１２（ａ））、及び、被加熱物６の底面における中央コイルによる温度分布図（図１２（ｂ））である。
前述した第１〜第４実施形態では、中央コイル１を単一の加熱コイルによって構成することを想定しているが、被加熱物６の形状や温度分布に応じて、図１２（ａ）に示すように複数に分割した単位中央コイル１ａ〜１ｆを直列に接続して一つの中央コイル１を構成してもよい。

これにより、単一の加熱コイルでは加熱しにくかった中心部（図１２（ｂ）におけるＰ_３部分）に、複数の単位中央コイル１ａ〜１ｆから発生した磁束を集約させることができ、被加熱物６の底面を万遍なく加熱することができる。なお、図１２（ｂ）における単位中央コイルの相互間のＰ_４部分では、図８（ａ）におけるＰ_１部分と同じ原理によって十分な加熱効果を得ることができる。

１：中央コイル
１ａ〜１ｆ：単位中央コイル
２：周辺コイル
２ａ〜２ｌ：単位周辺コイル
３：誘導加熱電源
４ａ，４ｂ：インバータ部
５：トッププレート
６：被加熱物
７，８：コンデンサ
９：フェライトコア
４１〜４６：スイッチ部

Claims

加熱コイルに高周波電流を通流して被加熱物に渦電流を生じさせることにより前記被加熱物を加熱する誘導加熱装置において、
前記加熱コイルを、
中心軸が被加熱物の底面に直交するように配置される中央コイルと、
前記中央コイルと同一平面上で前記中央コイルの周囲に均等に配置された複数の単位周辺コイルを、前記複数の単位周辺コイルが互いに隣接する部分における各単位周辺コイルの電流方向が同一となるように直列に接続してなる周辺コイルと、
により構成し、
前記中央コイル及び前記周辺コイルに、時分割にて交互に交流電力を供給することを特徴とする誘導加熱装置。
請求項１に記載した誘導加熱装置において、
前記中央コイルの中心軸と複数の単位周辺コイルの中心軸とが平行であることを特徴とする誘導加熱装置。
請求項１または２に記載した誘導加熱装置において、
前記単位周辺コイルの中心部に磁性体コアを配置したことを特徴とする誘導加熱装置。
請求項１〜３の何れか１項に記載した誘導加熱装置において、
前記中央コイルまたは前記単位周辺コイルを、複数層に積層して構成したことを特徴とする誘導加熱装置。
請求項１〜４の何れか１項に記載した誘導加熱装置において、
前記中央コイル及び前記単位周辺コイルの平面形状を、被加熱物の底面の平面形状に適合するように形成したことを特徴とする誘導加熱装置。
請求項１〜５の何れか１項に記載した誘導加熱装置において、
前記中央コイルを複数に分割して形成したことを特徴とする誘導加熱装置。