JP6029510B2 - 誘導加熱調理器、及び電力管理システム - Google Patents

Description

本発明は、誘導加熱調理器、及び電力管理システムに関する。

従来の加熱調理器においては、加熱調理器全体で消費可能な電力量である総電力量の上限値を決定し、この総電力量の上限値に基づいて、加熱手段の使用電力量の合計が総電力量の上限値以内に収まるように、加熱手段の動作を制御するものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００９−１５８２２６号公報（請求項２）

誘導加熱調理器においては、誘導加熱する被加熱物（負荷）の材質によって、加熱効率が異なる。例えばアルミなどの非磁性材質の場合には、鉄などの磁性材質の場合と比較して加熱効率が低下する。
しかしながら、上記特許文献１の技術では、単に電力使用量が上限値以内に収まるように制御するのみで、加熱効率については考慮されていない。このため、最大電力使用量が制限される場合に、限られた電力を無駄なく加熱に利用することができないという課題があった。特に、災害などの非常時に、最大電力使用量が大幅に制限された場合には、この課題は顕著となる。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたもので、最大電力使用量が制限される場合に、限られた電力を有効に利用することができる、誘導加熱調理器及び電力管理システムを得るものである。

本発明に係る誘導加熱調理器は、被加熱物を誘導加熱する１つ又は複数の加熱コイルと、前記加熱コイルに高周波電力を供給する駆動回路と、前記被加熱物の材質が、磁性材質又は非磁性材質の何れの材質であるかを判別する負荷判別手段と、前記駆動回路の駆動を制御し、前記加熱コイルに供給される高周波電力を制御する制御手段と、複数の電気機器の電力使用量を管理する電力管理装置と通信する通信手段と、を備え、前記通信手段は、前記電力管理装置から最大電力使用量に関する情報を取得し、前記制御手段は、前記最大電力使用量が閾値以下であり、且つ、前記被加熱物の材質が非磁性材質である場合、当該被加熱物を誘導加熱する前記加熱コイルの加熱動作を禁止することを特徴とする。

本発明は、最大電力使用量が制限される場合に、限られた電力を有効に利用することができる。

実施の形態１に係る電力管理システムの構成を示す図である。 実施の形態１に係る誘導加熱調理器の構成を示す斜視図である。 実施の形態１に係る誘導加熱調理器の機能ブロック図である。

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る電力管理システムの構成を示す図である。
電力管理システムは、例えば、建物（住戸）内に設置された各電気機器が消費した電力、並びに住戸における発電電力及び蓄電電力を集計することにより、一括的に電力を管理するシステムである。
図１に示すように、電力管理システムは、住宅内電力制御システム２、住宅内蓄電システム３、太陽光発電システム４、及び、複数の電気機器（誘導加熱調理器５、エアコン６、照明７、冷蔵庫８）によって構成される。
住宅内電力制御システム２、住宅内蓄電システム３、太陽光発電システム４、誘導加熱調理器５、エアコン６、照明７、冷蔵庫８は、それぞれ、商用電源９の電力を住宅内に供給する電力線１に接続されている。

住宅内電力制御システム２は、いわゆるＨＥＭＳ（Ｈｏｍｅ Ｅｎｅｒｇｙ Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ）である。住宅内電力制御システム２は、太陽光発電システム４の発電状況、商用電源９から住戸内に供給される電力使用量をモニターする。そして、住宅内蓄電システム３への充放電制御指令、及び、住宅内の各電気機器のそれぞれへの最大電力使用量に関する情報を与える。
住宅内蓄電システム３は、太陽光発電システム４によって発電された電力、及び商用電源９からの余剰電力等を蓄電する。

各電気機器（誘導加熱調理器５、エアコン６、照明７、冷蔵庫８）は、商用電源９からの電力、並びに、太陽光発電システム４によって発電された電力及び住宅内蓄電システム３に蓄えられた電力のうちの少なくとも１つから電力が供給され、動作によって電力が消費される。また、各電気機器は、住宅内電力制御システム２から取得した、最大電力使用量に関する情報に従って動作する。
なお、本実施の形態１では、電気機器として、誘導加熱調理器５、エアコン６、照明７、及び冷蔵庫８を設ける場合を説明するが、本発明はこれに限定されない。誘導加熱調理器５を少なくとも含む任意の電気機器を備える構成であれば良い。

ここで、住宅内電力制御システム２の動作の概略を説明する。
住宅内電力制御システム２は、太陽光発電システム４の発電電力に応じて、各電気機器の最大電力使用量を設定する。
例えば、晴天等で太陽光発電システム４の発電電力が大きい場合は、各電気機器への最大電力使用量の指令値を大きく設定する。一方、夜間及び天候が悪い場合など、太陽光発電システム４の発電電力が小さい場合には、各電気機器への最大電力使用量を小さく設定する。このように、極力、商用電源９からの電力供給を抑えるように制御し、節電を行う。
また例えば、災害等で停電となった場合は、最大電力使用量を更に小さくして、太陽光発電システム４と住宅内蓄電システム３の電力のみで居住者が長期間生活できるようにする。また、電力会社との売電契約の形態によっては、太陽光発電の売電電力量を増やすために、晴天時は、最大電力使用量を夜間より小さくする場合もある。

以上のように住宅内電力制御システム２から各電気機器へ与えられる最大電力使用量は、太陽光発電システム４の発電状況、住宅内蓄電システム３の蓄電電力、及び商用電源９からの電力供給の状況などにより、様々な値をとる可能性がある。

なお、住宅内電力制御システム２から各電気機器へ与えられる最大電力使用量に関する情報としては、最大電力使用量の指示値でも良いし、最大電力使用量の大きさを識別する情報（例えばレベル１〜１０等）でも良い。
また、各電気機器は、住宅内電力制御システム２から取得した最大電力使用量に関する情報に基づき、当該電気機器で消費する電力の上限値である最大電力使用量を決定するようにしても良い。

図２は、実施の形態１に係る誘導加熱調理器の構成を示す斜視図である。
図２において、誘導加熱調理器５の本体の上部には、被加熱物（鍋等）が載置されるトッププレート５９が設けられている。トッププレート５９の表面には、被加熱物の載置位置を示す例えば３つの円形状の加熱口が印刷等の方法で表示されている。
トッププレート５９の下の本体内には、各加熱口に対応して３つの加熱コイルが配置されている。左手前側の加熱口には第１加熱コイル５１が設けられている。右手前側の加熱口には第２加熱コイル５２が設けられている。中央奥側の加熱口には第３加熱コイル５３が設けられている。

トッププレート５９の下の本体内には、第１加熱コイル５１、第２加熱コイル５２、及び第３加熱コイル５３（以下、区別しない場合は「加熱コイル」と称する）に、高周波電力を供給する駆動回路６３と、駆動回路６３を含め誘導加熱調理器５全体の動作を制御するための制御手段１００とが設けられている。
加熱コイルは、例えば略円形の平面形状を有し、絶縁皮膜された任意の金属（例えば銅、アルミなど）からなる導電線が円周方向に巻き付けることにより構成されており、駆動回路６３により高周波電力が各加熱コイルに供給されることで、誘導加熱動作が行われている。

第１加熱コイル５１及び第２加熱コイル５２は、供給可能な最大電力値（例えば定格電力）が大きい加熱コイルである。後述する電力制限を行わない場合は、例えば最大３ｋＷで加熱する。第３加熱コイル５３は、最大電力値が第１加熱コイル５１及び第２加熱コイル５２より小さい加熱コイルである。後述する電力制限を行わない場合は、例えば最大２ｋＷで加熱する。

なお、各加熱口の配置及び数はこれに限るものではない。また、１つの加熱口に対応して複数の加熱コイルを配置しても良い。また、ヒータ加熱を行う加熱口が混在していても良く、少なくとも１つの加熱口が加熱コイルを有していれば良い。

本体内の中央下部には、魚などの被加熱物を出し入れ可能に前面が開口したグリル５４が設けられている。グリル５４内にはグリル加熱手段６０が設けられている。
グリル加熱手段６０は、例えば電気ヒータ等によって構成され、電力が供給されることでグリル５４内に収納された被加熱物（魚等）を加熱する。グリル加熱手段６０は、後述する電力制限を行わない場合、例えば最大２ｋＷで加熱する。

トッププレート５９の前部側、及び本体の前面には操作部５８が設けられている。操作部５８は、例えば、各加熱口にそれぞれ対応して設けられた火力設定操作部と、グリルの加熱を操作するグリル操作部からなっている。操作部５８は、各加熱口及びグリルへの設定火力（投入電力）の操作入力、及び、予め設定された自動調理モードの選択操作の入力等を行う。なお、自動調理モードとは、湯沸かし、保温、煮込み、揚げ物、グリルメニュー等の調理内容に応じて予め設定した加熱動作を実行するモードである。
また、トッププレート５９の前部側には、表示部５７が設けられている。表示部５７は、例えば、各加熱口、グリル５４の火力、及び、動作状態をそれぞれ表示する。表示部５７は、例えば液晶表示パネル、ＬＥＤ等により構成される。
なお、表示部５７は、本発明における「報知手段」に相当する。

本体の後部側には、吸気口５５及び排気口５６が形成されている。本体内部に設けられた冷却ファン６１は、吸気口５５から本体の外部の空気を吸気し、本体内部に冷却風を供給する。本体内に供給された冷却風は、本体内部の部品を冷却した後、排気口５６から本体の外部に排気される。

図３は、実施の形態１に係る誘導加熱調理器の機能ブロック図である。
図３において、通信手段６２は、住宅内電力制御システム２と通信し、最大電力使用量に関する情報を取得して、制御手段１００へ入力する。なお、住宅内電力制御システム２との間の通信は、無線又は有線の何れでも良いし、通信方式も任意の方式で良い。

制御手段１００は、操作部５８によって設定された火力、及び選択された自動調理モードの少なくとも一方に応じて、第１加熱コイル５１、第２加熱コイル５２、第３加熱コイル５３、及びグリル加熱手段６０（以下「複数の加熱手段」と総称する場合もある）へ入力される電力を制御する。
また、制御手段１００は、複数の加熱手段へ入力される電力の合計が、最大電力使用量以下となるように、複数の加熱手段を制御する。さらに、制御手段１００内には、加熱口に載置された被加熱物（鍋）の材質が、磁性材質又は非磁性材質の何れの材質であるかを判別する負荷判別手段１１０を有している。詳細は後述する。

駆動回路６３は、交流電力を直流電力に変換する直流電源回路と、直流電源回路から出力された直流電力を高周波の交流電力に変換するインバータ回路と、を備えている。インバータ回路から出力された交流電力は、加熱コイルと共振コンデンサとからなる負荷回路に印加される。なお、インバータ回路は、例えば、ハーフブリッジ型、フルブリッジ型又は一石電圧共振型等の任意の構成を用いることができる。

次に、実施の形態１に係る誘導加熱調理器５の動作について説明する。

まず、住宅内電力制御システム２からの最大電力使用量の制限がない場合、即ち、通常時の加熱動作について説明する。

使用者により加熱口に被加熱物が載置され、加熱開始（火力投入）の指示が操作部５８に行われると、負荷判別手段１１０は負荷判定処理を行う。

負荷判定処理において、負荷判別手段１１０は、負荷判定用の特定の駆動信号で駆動回路６３を駆動し、微弱電圧を加熱コイルに印加する。そして、加熱コイルに流れた電流により材質判定を行う。
例えばアルミ又は銅等の非磁性材質の場合は、加熱コイルから見たインピーダンスが小さいので大きな電流が流れる。一方、例えばホーロー等の磁性材質の場合は、インピーダンスが大きくなるので、流れる電流は小さい。このようなことから、負荷判別手段１１０は、流れた電流が所定値以上の場合は非磁性材質と判定し、所定値未満の場合は磁性材質と判定する。
なお、負荷判別の方法はこれに限らず任意の方法を用いることができる。例えば、駆動回路６３に入力した入力電流と、実際に加熱コイルに流れたコイル電流との相関関係から材質を判別するようにしても良い。

以上の負荷判定処理を行った後、制御手段１００は、被加熱物の材質に応じた駆動周波数を決定し、この駆動周波数で駆動回路６３を駆動して誘導加熱動作を開始する。

ここで、加熱コイルの巻き数をＮ、加熱コイルに流す電流の周波数をｆ、被加熱物の材質の抵抗率をρ、被加熱物の材質の比透磁率をμｒとすると、加熱コイルから見たインピーダンスＺは、以下の式（１）で表される。

また、加熱コイルに流す電流をＩとすると、被加熱物に投入される電力Ｐは、以下の式（２）となる。

ここで、磁性材質である鉄の比透磁率μｒは２００である。また、非磁性であるアルミの比透磁率μｒは１である。また、アルミの抵抗率ρは、鉄の抵抗率ρの約１／３の値である。
このため、上記式（１）及び式（２）の関係から、アルミ鍋のような非磁性材質の被加熱物を誘導加熱する場合に、所望の電力Ｐを得るためには、鉄鍋のような磁性材質の被加熱物の場合と比較して、周波数ｆを高くして、インピーダンスＺを大きくする必要がある。

以上のようなことから、制御手段１００は、負荷判別手段１１０により判別された被加熱物の材質が非磁性材質である場合、加熱コイルの駆動周波数を、被加熱物の材質が磁性材質である場合と比較して高くする。例えば、磁性材質の場合は、駆動周波数を約２０ｋＨｚに設定し、非磁性材質の場合は、駆動周波数を約９０ｋＨｚに設定して、誘導加熱を行う。

次に、住宅内電力制御システム２からの最大電力使用量の制限がある場合の動作について説明する。

誘導加熱調理器５の最大電力使用量が制限される場合には、限られた電力を無駄なく加熱に利用することが必要となる。特に、災害などの非常時、又は停電などで太陽光発電システム４と住宅内蓄電システム３の電力によって居住者が生活するような場合など、最大電力使用量が大幅に制限された場合には、限られた電力を有効に利用することが必要となる。

上記のように駆動周波数を高く設定した非磁性材質の誘導加熱では、磁性材質の場合と比較して加熱効率（入力電力に対する発熱量の割合）が低下する。即ち、駆動周波数が高くなると、加熱コイルに流す高周波電流を生成する駆動回路６３の損失と、加熱コイル自身での損失が増大するため、加熱効率が大幅に低下する。
例えば、鉄などの磁性材質の被加熱物では、加熱効率は約９０％であるが、アルミなどの非磁性材質の被加熱物では、加熱効率は約６０％に低下する。すなわち、３ｋＷ入力した場合、磁性材質の被加熱物では２．７ｋＷが加熱に使われるが、非磁性鍋の場合は１．８ｋＷしか加熱に使われず、残りの１．２ｋＷが無駄になる。
このため、住宅内電力制御システム２からの最大電力使用量の制限がある場合には、以下のような動作を行う。

制御手段１００は、住宅内電力制御システム２から取得した最大電力使用量に関する情報に基づき、最大電力使用量を決定する。例えば、住宅内電力制御システム２から最大電力使用量の指示値（ｋＷ）の情報を取得した場合には、この指示値をそのまま、当該誘導加熱調理器５の最大使用電力量とする。また例えば、最大電力使用量の大きさを識別する情報（例えばレベル１〜１０等）を取得する場合には、当該情報と最大電力使用量の値との関係を予めテーブルとして記憶し、これを参照することで最大電力使用量を決定する。

負荷判別手段１１０は、上述した負荷判定処理を行い、被加熱物の材質が、磁性材質又は非磁性材質の何れの材質であるかを判別する。

制御手段１００は、最大電力使用量が閾値以下であり、且つ、被加熱物の材質が非磁性材質である場合、当該被加熱物を誘導加熱する加熱コイルの加熱動作を禁止する。
ここで、閾値の値は、想定される最大電力使用量の最大値以下の任意の値とすることができる。なお、閾値は、予め設定した値でも良いし、操作部５８から入力しても良い。また、住宅内電力制御システム２から取得した情報に基づき制御手段１００が設定しても良い。
なお、最大電力使用量の制限がある場合には、常に、非磁性材質である被加熱物の誘導加熱を禁止するようにしても良い。つまり、閾値の値を想定される最大電力使用量の最大値に設定するようにしても良い。

一方、最大電力使用量が閾値を超える場合、及び被加熱物の材質が磁性材質である場合の少なくとも何れかである場合には、当該被加熱物を誘導加熱する加熱コイルの加熱動作を許可する。
そして、制御手段１００は、複数の加熱手段へ入力される電力の合計が、最大電力使用量以下となるように、当該加熱コイルを含む複数の加熱手段を制御する。なお、加熱手段を１つの加熱コイルのみで構成した場合には、１つの加熱コイルへ入力される電力が、最大使用量以下となるように制御する。

以上のように本実施の形態１においては、制御手段１００は、最大電力使用量が閾値以下であり、且つ、被加熱物の材質が非磁性材質である場合、当該被加熱物を誘導加熱する加熱コイルの加熱動作を禁止する。
このため、最大電力使用量が閾値以下の場合に、加熱効率が低い非磁性材質の被加熱物の誘導加熱を行わないようにすることができる。また、最大電力使用量が閾値以下の場合には、加熱効率が高い磁性材質の被加熱物の誘導加熱を行うので、限られた電力を無駄なく加熱に使用することができる。
よって、災害などで停電が発生し、住宅内の太陽光発電システム４と住宅内蓄電システム３の電力で居住者が生活する場合など、最大電力使用量が大幅に制限された場合においても、限られた電力を有効に利用できる。

また、最大電力使用量が閾値を超える場合、及び被加熱物の材質が磁性材質である場合の少なくとも何れかである場合には、当該被加熱物を誘導加熱する加熱コイルの加熱動作を許可する。
このため、最大電力使用量が閾値を超える場合には、被加熱物の材質にかかわらず加熱動作を行うことができ、利便性を確保することができる。また、被加熱物の材質が磁性材質である場合には、最大電力使用量にかかわらず、加熱効率が高い磁性材質の被加熱物の誘導加熱を行うので、限られた電力を無駄なく加熱に使用することができる。

実施の形態２．
本実施の形態２の制御手段１００は、加熱コイルの加熱動作を禁止した旨を、表示部５７に表示させる。
なお、本実施の形態２における誘導加熱調理器５及び電力管理システムの構成は、上記実施の形態１と同様であり、同一部分には同一の符号を付する。また、本実施の形態２における加熱動作は上記実施の形態１と同様である。

表示部５７に表示させる加熱コイルの加熱動作を禁止した旨の情報としては、少なくとも、加熱動作を禁止している加熱コイルを識別できる情報を表示させる。例えば、第３加熱コイル５３の加熱口に非磁性材質の鍋が載置され、加熱動作を禁止した場合、表示部５７には「中央ＩＨ、電力制限で停止しました。」などと表示させる。
なお、表示部５７による表示に限らず、加熱コイルの加熱動作を禁止した旨の情報を音声等により報知しても良い。

このような構成により、加熱コイルの加熱動作を禁止した旨を使用者に報知することができ、使用者の使い勝手を向上することができる。

１ 電力線、２ 住宅内電力制御システム、３ 住宅内蓄電システム、４ 太陽光発電システム、５ 誘導加熱調理器、６ エアコン、７ 照明、８ 冷蔵庫、９ 商用電源、５１ 第１加熱コイル、５２ 第２加熱コイル、５３ 第３加熱コイル、５４ グリル、５５ 吸気口、５６ 排気口、５７ 表示部、５８ 操作部、５９ トッププレート、６０ グリル加熱手段、６１ 冷却ファン、６２ 通信手段、６３ 駆動回路、１００ 制御手段、１１０ 負荷判別手段。

Claims (5)

1. 被加熱物を誘導加熱する１つ又は複数の加熱コイルと、
   前記加熱コイルに高周波電力を供給する駆動回路と、
   前記被加熱物の材質が、磁性材質又は非磁性材質の何れの材質であるかを判別する負荷判別手段と、
   前記駆動回路の駆動を制御し、前記加熱コイルに供給される高周波電力を制御する制御手段と、
   複数の電気機器の電力使用量を管理する電力管理装置と通信する通信手段と、
   を備え、
   前記通信手段は、
   前記電力管理装置から最大電力使用量に関する情報を取得し、
   前記制御手段は、
   前記最大電力使用量が閾値以下であり、且つ、前記被加熱物の材質が非磁性材質である場合、当該被加熱物を誘導加熱する前記加熱コイルの加熱動作を禁止する
   ことを特徴とする誘導加熱調理器。
2. 前記制御手段は、
   前記被加熱物の材質が非磁性材質である場合、
   前記加熱コイルの駆動周波数を、前記被加熱物の材質が磁性材質である場合と比較して高くする
   ことを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱調理器。
3. 前記制御手段は、
   １つの前記加熱コイルへ入力される電力、又は、複数の前記加熱コイルへ入力される電力の合計が、前記最大電力使用量以下となるように、前記駆動回路を制御する
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の誘導加熱調理器。
4. 報知手段を備え、
   前記制御手段は、
   前記加熱コイルの加熱動作を禁止した旨を、前記報知手段に報知させる
   ことを特徴とする請求項１〜３の何れか一項に記載の誘導加熱調理器。
5. 請求項１〜４の何れか一項に記載の誘導加熱調理器を少なくとも含む複数の電気機器と、
   前記複数の電気機器のそれぞれに、最大電力使用量に関する情報を送信する電力管理装置と、
   を備えた
   ことを特徴とする電力管理システム。

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