JP7186344B2 - 誘導加熱装置 - Google Patents

Description

本開示は、誘導加熱装置に関する。

従来、誘導加熱装置の分野において、アルミニウム製の鍋を含む各種の金属負荷を加熱する技術が開発されている（例えば、特許文献１参照）。

図１４は、特許文献１に記載された誘導加熱装置のブロック構成図である。

図１４に示すように、従来の誘導加熱装置は、チョークコイル１０２と平滑コンデンサ１０３と共振コンデンサ１０４と加熱コイル１０５とスイッチング素子１０６および１０７と電流検知部１０９と制御部１１０とを備える。

チョークコイル１０２の一端は、商用電源１０１の正極に接続される。平滑コンデンサ１０３は、チョークコイル１０２の他端と商用電源１０１の負極と間に接続される。スイッチング素子１０６の一端は平滑コンデンサ１０３の一端に接続され、スイッチング素子１０６の他端はスイッチング素子１０７の一端に接続される。スイッチング素子１０７の他端は、平滑コンデンサ１０３の他端に接続される。

共振コンデンサ１０４と加熱コイル１０５とは直列に接続されて、共振回路を構成する。共振回路の一端は、スイッチング素子１０６とスイッチング素子１０７との接続点に接続される。共振回路の他端は、平滑コンデンサ１０３の他端に接続される。電流検知部１０９は、商用電源１０１から供給される入力電流を監視する。

制御部１１０は、スイッチング素子１０６および１０７を制御する。共振回路の共振周波数は、鍋１０８と結合した加熱コイル１０５のインダクタンスと共振コンデンサ１０４の容量とに応じて決定される。上記従来技術では、共振周波数は、スイッチング素子１０６および１０７の駆動周波数の２倍以上に設定される。

上記従来技術によれば、スイッチング素子１０６、１０７のスイッチング周波数を変えることなく、鉄製の鍋のみならずアルミニウム製の鍋１０８を加熱することが可能となる。

特開２００１－１６０４８４号公報

しかしながら、鉄製の鍋は熱伝導率が低いため、一つの加熱コイルを用いた場合、加熱に寄与する磁界は加熱コイルの巻線上が強くなり、鍋の加熱分布は加熱コイルと同じ形となる。そのため、鍋を均一に加熱することは困難である。

アルミ製の鍋は熱伝導率が高いため、一つの加熱コイルを用いた場合でも、鍋を均一に加熱することが可能である。しかしながら、アルミ製の鍋は鍋自体の固有抵抗値が低いため、加熱コイルに高周波数の大電流を印加する必要がある。そのため、損失が大きくなり、加熱効率が低下する。

本開示は、上記従来技術の問題点を解決するもので、鉄製の鍋を加熱する場合には均一な加熱を行うことが可能で、アルミ製の鍋を加熱する場合には高周波電流を低減することが可能な誘導加熱装置を提供することを目的とする。

本開示の一態様の誘導加熱装置は、トッププレートと複数の加熱コイルとインバータと制御部と判定部とを有する。誘導加熱装置は、トッププレートは、被加熱物を載置するように構成され。複数の加熱コイルは、トッププレートの下方に配置される。インバータは、複数の加熱コイルに電力を供給するように構成される。制御部は、インバータを制御するように構成される。判定部は、被加熱物が鉄系の負荷であるか、アルミ系の負荷であるかを判定するように構成される。制御部は、判定部による判定結果に応じて、複数の加熱コイルに流れる電流の向きを制御するように構成される。

本態様によれば、鉄系の鍋に対しては均一に加熱し、アルミ系の鍋に対しては効率的に加熱することができる。

本態様によれば、鉄製の鍋を加熱する場合には均一な加熱を行うことが可能となり、アルミ製の鍋を加熱する場合には高周波電流を低減することが可能となる。

図１は、実施の形態１に係る誘導加熱装置のブロック構成図である。 図２は、実施の形態１に係る誘導加熱装置における、加熱コイルの構成、配置および接続を示すブロック構成図である。 図３Ａは、鉄系の鍋を加熱する場合における、スイッチング素子の駆動信号、および、加熱コイルに流れる電流の波形図である。 図３Ｂは、鉄系の鍋を加熱する場合における、加熱コイルに流れる電流の向きを模式的に示す図である。 図４Ａは、アルミ系の鍋を加熱する場合における、スイッチング素子の駆動信号、および、加熱コイルに流れる電流の波形図である。 図４Ｂは、アルミ系の鍋を加熱する場合における、加熱コイルに流れる電流の向きを模式的に示す図である。 図５Ａは、一つまたは複数の加熱コイルの中心点からの距離と温度上昇比との関係を示す図である。 図５Ｂは、一つのまたは複数の加熱コイルの形状および中心点を模式的に示す図である。 図６Ａは、四つの加熱コイルを搭載するシステムにおける、中心点からの距離と温度上昇比との関係を示す図である。 図６Ｂは、加熱コイルの配置および中心点を模式的に示す図である。 図７は、実施の形態２に係る誘導加熱装置のブロック構成図である。 図８は、実施の形態２に係る誘導加熱装置における、加熱コイルの構成、配置および接続を示すブロック構成図である。 図９は、実施の形態３に係る誘導加熱装置のブロック構成図である。 図１０Ａは、実施の形態３に係る誘導加熱装置の動作を説明するための図である。 図１０Ｂは、実施の形態３に係る誘導加熱装置の動作を説明するための図である。 図１０Ｃは、実施の形態３に係る誘導加熱装置の動作を説明するための図である。 図１０Ｄは、実施の形態３に係る誘導加熱装置の動作を説明するための図である。 図１１Ａは、実施の形態３に係る誘導加熱装置の加熱コイルの配置および接続方法の一例を示す模式図である。 図１１Ｂは、実施の形態３に係る誘導加熱装置の加熱コイルの配置および接続方法の一例を示す模式図である。 図１２Ａは、各スイッチング素子に供給される駆動信号と、各加熱コイルに流れる電流とを示す波形図である。 図１２Ｂは、各加熱コイルに流れる電流の向きを示す模式図である。 図１３Ａは、各スイッチング素子に供給される駆動信号と、各加熱コイルに流れる電流とを示す波形図である。 図１３Ｂは、各加熱コイルに流れる電流の向きを示す模式図である。 図１４は、従来の誘導加熱装置のブロック構成図である。

本開示の第１の態様の誘導加熱装置は、トッププレートと複数の加熱コイルとインバータと制御部と判定部とを有する。誘導加熱装置は、トッププレートは、被加熱物を載置するように構成され。複数の加熱コイルは、トッププレートの下方に配置される。インバータは、複数の加熱コイルに電力を供給するように構成される。制御部は、インバータを制御するように構成される。判定部は、被加熱物が鉄系の負荷であるか、アルミ系の負荷であるかを判定するように構成される。制御部は、判定部による判定結果に応じて、複数の加熱コイルに流れる電流の向きを制御するように構成される。

本開示の第１の態様の誘導加熱装置では、さらに、被加熱物が鉄系の負荷であると判定部が判定した場合、制御部が、複数の加熱コイルのうちの隣接する二つの加熱コイルに逆方向に電流を流すように構成される。

本開示の第１の態様の誘導加熱装置では、さらに、被加熱物がアルミ系の負荷であると判定部が判定した場合、制御部が、複数の加熱コイルのうちの隣接する二つの加熱コイルに同一方向に電流を流すように構成される。

本開示の第１の態様の誘導加熱装置では、さらに、隣接する二つの加熱コイル間の距離が４０ｍｍ以下に設定される。

本開示の第２の態様の誘導加熱装置では、第１の態様に加えて、複数の加熱コイルが四つの加熱コイルを含み、直列または並列に接続された二つの加熱コイルをそれぞれ含む二
つの組がＸ字状に交差するように、四つの加熱コイルが配置される。

本開示の第１の態様の誘導加熱装置は、さらに、直流電源と、第１～第４のスイッチング素子と、第１～第４の共振コンデンサと、第１、第２の加熱コイルと、制御部とを有する。

第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子は、互いに直列に接続されるとともに、直流電源に並列に接続される。

第３のスイッチング素子および第４のスイッチング素子は、互いに直列に接続されるとともに、直流電源に並列に接続される。

第１の加熱コイルの一端は、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子との接続点に接続される。

第１の共振コンデンサの一端は、第１の加熱コイルの他端に接続される。

第２の加熱コイルの一端は、第３のスイッチング素子と第４のスイッチング素子との接続点に接続される。

第４の共振コンデンサは、第２の加熱コイルの他端に接続された一端と、第１の共振コンデンサの他端に接続された他端とを有する。

第３の共振コンデンサは、第１の共振コンデンサと第４の共振コンデンサとの接続点に接続された一端と、直流電源の正極に接続された他端とを有する。

第２の共振コンデンサは、第１の共振コンデンサと第４の共振コンデンサとの接続点に接続された一端と、直流電源の負極に接続された他端とを有する。

制御部は、第１のスイッチング素子と第２のスイッチング素子とを交互にオンし、第３のスイッチング素子と第４のスイッチング素子とを交互にオンする。

制御部は、被加熱物が非磁性材質である場合、第１のスイッチング素子と第３のスイッチング素子とを同時にオンし、第２のスイッチング素子と第４のスイッチング素子とを同時にオンする。

制御部は、被加熱物が磁性材質である場合、第１のスイッチング素子と第４のスイッチング素子とを同時にオンし、第２のスイッチング素子と第３のスイッチング素子とを同時にオンする。

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る誘導加熱装置２０Ａのブロック構成図である。図１に示すように、誘導加熱装置２０Ａは、整流回路２とチョークコイル３とコンデンサ４とスイッチング素子５、６、９、１０と加熱コイル７ａ、７ｂ、１１ａ、１１ｂと共振コンデンサ８と制御部１４と電流検知部１５と電圧検知部１６、１７とを有する。

整流回路２は、商用電源１からの交流電圧を整流するダイオードブリッジである。チョークコイル３の一端は、整流回路２の正側出力端に接続される。チョークコイル３の他端は、コンデンサ４の一端に接続される。コンデンサ４の他端は、整流回路２の負側出力端に接続される。チョークコイル３とコンデンサ４とは、フィルタ部を構成する。電流検知部１５は、コンデンサ４の他端と整流回路２の負側出力端との間に設けられる。

スイッチング素子５とスイッチング素子６とは、ＩＧＢＴ（Insulated Gate Bipolar Transistor）などで構成され、逆方向に接続されたダイオードを内蔵する。

加熱コイル７ａ、７ｂと共振コンデンサ８とは直列に接続される。スイッチング素子５とスイッチング素子６との間の接続点Ａは、加熱コイル７ａの一端に接続される。加熱コイル７ａの他端は加熱コイル７ｂの一端に接続される。加熱コイル７ｂの他端は共振コンデンサ８の一端と接続される。共振コンデンサ８の他端は、スイッチング素子６のドレインに接続された接続点Ｂに接続される。

スイッチング素子５、６が、第１のインバータであるインバータ１８を構成する。インバータ１８は、フィルタ部により処理された電力を交流に変換し、その交流電力を加熱コイル７ａと加熱コイル７ｂとに供給する。

電圧検知部１６は、加熱コイル７ｂと共振コンデンサ８との間に設けられ、加熱コイル７ｂと共振コンデンサ８との接続点の電圧を検出する。

同様に、スイッチング素子９とスイッチング素子１０とは、ＩＧＢＴなどで構成され、逆方向に接続されたダイオードを内蔵する。

加熱コイル１１ａ、１１ｂと共振コンデンサ１２とは直列に接続される。スイッチング素子９とスイッチング素子１０との間の接続点Ｃは、加熱コイル１１ａの一端に接続される。加熱コイル１１ａの他端は加熱コイル１１ｂの一端に接続される。加熱コイル１１ｂの他端は共振コンデンサ１２の一端と接続される。共振コンデンサ１２の他端は、スイッチング素子１０のドレインに接続された接続点Ｄに接続される。

スイッチング素子９、１０が、第２のインバータであるインバータ１９を構成する。インバータ１９は、フィルタ部により処理された電力を交流に変換し、その交流電力を加熱コイル１１ａと加熱コイル１１ｂとに供給する。

電圧検知部１７は、加熱コイル１１ｂと共振コンデンサ１２との間に設けられ、加熱コイル１１ｂと共振コンデンサ１２との接続点の電圧を検出する。

インバータ１９はインバータ１８に並列に接続される。インバータ１８とインバータ１９とは、整流回路２、チョークコイル３、コンデンサ４を共有する。

絶縁体で耐熱セラミック製のトッププレート（図示せず）が、加熱コイル７ａ、７ｂ、１１ａ、１１ｂの上方に設けられる。被加熱物である鍋１３は、トッププレート上に載置される。

加熱コイル７ａ、７ｂ、１１ａ、１１ｂは、同一の形状、サイズ、巻き方向と、異なる中心とを有し、同一平面上に配置される（図２参照）。

制御部１４は、マイクロコンピュータで構成され、スイッチング素子５、６、９、１０を制御する。制御部１４は、鍋１３の材質を判定する判定部１４ａを含む。判定部１４ａは、電流検知部１５、電圧検知部１６、１７により検出された値に基づいて、鍋１３が鉄系またはアルミ系のいずれの材質で構成されるかを判定する。以下、判定部１４ａの詳細について説明する。

あらかじめ、制御部１４は、鉄系の材質の鍋またはアルミ系の材質の鍋がトッププレートに載置され、スイッチング素子５、９が所定期間オンされた場合における、電流検知部１５、電圧検知部１６、１７により測定された値を参考データとして記憶する。

鍋１３がトッププレート上に載置されると、加熱が開始されるまでに、制御部１４は、スイッチング素子５、９を所定期間オンし、電流検知部１５と電圧検知部１６、１７とにより測定された値を得る。

制御部１４は、実際の測定値を参考データと比較することにより、鍋１３の材質を判定する。具体的には、鉄系の鍋とアルミ系の鍋とでは、直列抵抗値と直列インダクタンス値とが異なる。鉄系の鍋の場合における電流値に対する電圧値は、アルミ系の鍋の場合のそれに比べて低い。このことを利用して、制御部１４は、鍋１３の材質を判定する。

図２は、誘導加熱装置２０Ａにおける、加熱コイル７ａ、７ｂ、１１ａ、１１ｂの構成、配置および接続を示すブロック構成図である。

図２に示すように、加熱コイル７ａ、７ｂ、１１ａ、１１ｂは、外側から内側に向かって時計回りの巻き方向を有する。

加熱コイル７ａ、７ｂは、加熱コイル７ａの内側端が加熱コイル７ｂの外側端に接続されて直列に接続される。加熱コイル７ａの外側端は、接続点Ａに接続される。加熱コイル７ｂの内側端は、共振コンデンサ８に接続される。

加熱コイル１１ａ、１１ｂは、加熱コイル１１ａの内側端が加熱コイル１１ｂの外側端に接続されて直列に接続される。加熱コイル１１ａの外側端は、接続点Ｃに接続される。加熱コイル１１ｂの内側端は、共振コンデンサ１２に接続される。

直列に接続された加熱コイル７ａ、７ｂが、直列に接続された加熱コイル１１ａ、１１ｂとＸ字状に交差するように、加熱コイル７ａ、７ｂ、１１ａ、１１ｂが配置される。インバータ１８は、加熱コイル７ａ、７ｂを駆動し、インバータ１９は、加熱コイル１１ａ、１１ｂを駆動する。

図３Ａは、鉄系の鍋を加熱する場合における、四つのスイッチング素子の駆動信号、および、四つの加熱コイルに流れる電流の波形図である。図３Ｂは、鉄系の鍋を加熱する場合における、四つの加熱コイルの各々に流れる電流の向きを模式的に示す図である。

図３Ａに示すように、制御部１４は、スイッチング素子５、９を同じ駆動信号で駆動する。制御部１４は、スイッチング素子６、１０を、スイッチング素子５、９のための駆動信号とは異なる駆動信号で駆動する。

図４Ａは、アルミ系の鍋を加熱する場合における、四つのスイッチング素子の駆動信号、および、四つの加熱コイルに流れる電流の波形図である。図４Ｂは、アルミ系の鍋を加熱する場合における、四つの加熱コイルの各々に流れる電流の向きを模式的に示す図である。

図４Ａに示すように、制御部１４は、スイッチング素子５、１０を同じ駆動信号で駆動する。制御部１４は、スイッチング素子６、９を、スイッチング素子５、１０のための駆動信号とは異なる駆動信号で駆動する。

上述のように、制御部１４はマイクロコンピュータで構成される。制御部１４はマイクロコンピュータに限られるものではない。しかしながら、プログラム可能なマイクロコンピュータを用いれば、処理内容を容易に変更可能であり、設計の自由度を高めることができる。

処理速度の向上のため、制御部１４を論理回路で構成することも可能である。制御部１４を物理的に一つまたは複数の素子で構成してもよい。制御部１４を複数の素子で構成する場合、制御部１４と判定部１４ａとを別々の素子で実施してもよい。この場合、これら複数の素子が一つの制御部に対応すると考えることができる。

以下、上記のように構成された誘導加熱装置の動作、作用について説明する。

加熱コイル７ａ、７ｂ、１１ａ、１１ｂの上方のトッププレートに載置された鍋１３の加熱を開始する前に、制御部１４はスイッチング素子に駆動信号を所定期間供給する。その時の電流検知部１５および電圧検知部１６、１７の検出値をもとに、アルミ系の鍋であるか、鉄系の鍋であるかを判定部１４ａが判定する。

ここで、アルミ系の鍋には、アルミ製の鍋だけでなく、銅製の鍋、アルミの割合が多い多層構造の鍋などが含まれる。鉄系の鍋とは、ホーロー製の鍋、磁性ステンレス製の鍋などを指す。

鍋１３が鉄系の鍋と判定された場合、図３Ａに示すように、制御部１４は、スイッチング素子５、６、９、１０に駆動信号を供給する。

この場合、加熱コイル７ａ、７ｂに流れる電流は、加熱コイル１１ａ、１１ｂに流れる電流と同位相となる。すなわち、接続点Ａから加熱コイル７ａ、７ｂを通って接続点Ｂに電流が流れる時には、接続点Ｃから加熱コイル１１ａ、１１ｂを通って接続点Ｄに電流が流れる（図１、図２参照）。

図３Ｂに示すように、隣接する二つの加熱コイル、すなわち、加熱コイル７ａおよび１１ａ、加熱コイル１１ａおよび７ｂ、加熱コイル７ｂおよび１１ｂ、加熱コイル１１ｂおよび７ａの間の領域において、互いに逆方向に電流が流れる。

その結果、隣接する二つの加熱コイルの間の領域において磁界が打ち消し合って、局所的な過度の加熱を防止することにより、鍋１３を均一に加熱することができる。

鍋１３がアルミ系の鍋と判定された場合、図４Ａに示すように、制御部１４は、スイッチング素子５、６、９、１０に駆動信号を供給する。

この場合、加熱コイル７ａ、７ｂに流れる電流は、加熱コイル１１ａ、１１ｂに流れる電流と逆位相となる。すなわち、接続点Ａから加熱コイル７ａ、７ｂを通って接続点Ｂに電流が流れる時には、接続点Ｄから加熱コイル１１ｂ、１１ａを通って接続点Ｃに電流が流れる（図１、図２参照）。

図４Ｂに示すように、隣接する二つの加熱コイル、すなわち、加熱コイル７ａおよび１１ａ、加熱コイル１１ａおよび７ｂ、加熱コイル７ｂおよび１１ｂ、加熱コイル１１ｂおよび７ａの間の領域において、同一方向に電流が流れる。

その結果、隣接する二つの加熱コイルの間の領域において磁界が互いに強め合って、加熱コイルと鍋１３との磁気結合が改善される。加熱コイルから見た鍋１３を含む負荷の抵抗値は増大し、固有抵抗値が低いアルミ系の鍋でも、小さな電流で十分に加熱することが可能となる。

この場合、隣接する二つの加熱コイルの間の領域において磁界が互いに強め合うため、局所的に過度の加熱が生じる。しかし、アルミ系の鍋の場合、熱伝導率が鉄系の鍋より高く、鉄系の鍋の場合ほど加熱分布に関して大きな問題が生じない。

図５Ａは、一つまたは複数の加熱コイルの中心点からの距離と温度上昇比との関係を示す。図５Ｂは、一つのまたは複数の加熱コイルの形状および中心点を模式的に示す。以下、一つまたは複数の加熱コイルの中心点を単に中心点という。

図５Ａにおいて、横軸は、中心点からの距離を示す。縦軸は、温度上昇値の最大値に対する、中心点から横軸に示す距離だけ離れた地点における温度上昇値の割合を示す。

以下は、図５Ａに示された結果を得るために使用された実験システムの概要である（図５Ｂ参照）。いずれの場合においても、ホーロー製の鍋が使用される。

（５－１）一つの加熱コイルが設けられる場合、外径が１９０ｍｍの加熱コイルが使用される。この場合、中心点は巻線の中心である。

（５－２）二つの加熱コイルが設けられる場合、長軸が１９０ｍｍおよび短軸が７５ｍｍの二つの楕円形状の加熱コイルが使用される。二つの加熱コイルの間の距離は２０ｍｍに設定される。中心点は、二つの加熱コイルの各々の中心を結ぶ線分の中点である。この場合のシステムは、二つの加熱コイルに互いに逆方向に電流が流れるように構成される。

（５－３）四つの加熱コイルが設けられる場合、外径が７６ｍｍの四つの加熱コイルが使用される。隣接する二つの加熱コイルの間の距離は２０ｍｍに設定される。この場合のシステムは、上述のように、隣接する二つの加熱コイルに互いに逆方向に電流が流れるように構成される。

図５Ａに示すように、一つの加熱コイルが搭載される場合、中心点の付近および中心点から離れた地点において、温度上昇比が低下する。二つまたは四つの加熱コイルが搭載される場合、一つの加熱コイルの場合より温度上昇比の変動が小さい。

この結果は、隣接する二つの加熱コイルに互いに逆方向に電流を流すことにより、鍋１３が均一に加熱されることを示す。

図６Ａは、四つの加熱コイルを搭載するシステムにおける、中心点からの距離と温度上昇比との関係を示す。図６Ｂは、四つの加熱コイルの配置および中心点を模式的に示す。

以下は、図６Ａに示された結果を得るために使用された実験システムの概要である（図６Ｂ参照）。いずれの場合においても、ホーロー製の鍋が使用される。

（６－１）隣接する二つの加熱コイルの間の距離が６０ｍｍに設定される。

（６－２）隣接する二つの加熱コイルの間の距離が４０ｍｍに設定される。

（６－３）隣接する二つの加熱コイルの間の距離が２０ｍｍに設定される。

これらのシステムには、内径が２５ｍｍ、外径が７６ｍｍの四つの加熱コイルが設けられる。これらのシステムは、上述のように、隣接する二つの加熱コイルに互いに逆方向に電流が流れるように構成される。

図６Ａに示すように、いずれの場合も、中心点付近の地点および中心点から離れた地点において、温度上昇比が低下する。しかし、隣接する二つの加熱コイルの間の距離が２０ｍｍの場合、三つの場合のうち、温度上昇比の低下が最も少ない。

隣接する二つの加熱コイルの間の距離が４０ｍｍの場合、隣接する二つの加熱コイルの間の距離が２０ｍｍの場合に比べて、温度上昇比は２０％以上低下しない。

隣接する二つの加熱コイルの間の距離が６０ｍｍの場合、隣接する二つの加熱コイルの間の距離が２０ｍｍの場合に比べて、温度上昇比は２０％以上低下する。

本実施の形態によれば、鉄系の鍋に対しては均一に加熱することができ、アルミ系の鍋に対しては効率的に加熱することができる。

本実施の形態では、誘導加熱装置２０Ａは四つの加熱コイルを有する。しかしながら、加熱コイルの個数はこれに限定されない。鉄系の鍋を加熱する場合は、隣接する二つの加熱コイルに関して互いに逆方向に電流が流れるように、誘導加熱装置を構成しさえすればいい。アルミ系の鍋を加熱する場合は、隣接する二つの加熱コイルに関して同一方向に電流が流れるように、誘導加熱装置を構成しさえすればいい。

（実施の形態２）
以下、実施の形態２について説明する。以下の説明において、実施の形態１と同一または相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。

図７は、本実施の形態に係る誘導加熱装置２０Ｂのブロック構成図である。図８は、誘導加熱装置２０Ｂにおける、加熱コイル７ａ、７ｂ、１１ａ、１１ｂの構成、配置および接続を示すブロック構成図である。

本実施の形態では、加熱コイル７ａ、７ｂは並列に接続され、加熱コイル１１ａ、１１ｂは並列に接続される。並列に接続された加熱コイル７ａ、７ｂは、共振コンデンサ８と直列に接続される。並列に接続された加熱コイル１１ａ、１１ｂは、共振コンデンサ１２と直列に接続される。それ以外の構成は、実施の形態１と同じである。

並列に接続された加熱コイル７ａ、７ｂが、並列に接続された加熱コイル１１ａ、１１ｂとＸ字状に交差するように、加熱コイル７ａ、７ｂ、１１ａ、１１ｂが配置される。

実施の形態１と同様に、誘導加熱装置２０Ｂにおいて、鉄系の鍋を加熱する場合は、隣接する二つの加熱コイルに関して互いに逆方向に電流が流れる。アルミ系の鍋を加熱する場合は、隣接する二つの加熱コイルに関して同一方向に電流が流れる。

本実施の形態によれば、鉄系の鍋に対しては均一に加熱することができ、アルミ系の鍋に対しては効率的に加熱することができる。

（実施の形態３）
以下、実施の形態３について説明する。図９は、本実施の形態に係る誘導加熱装置２０Ｃのブロック構成図である。図９に示すように、誘導加熱装置２０Ｃは、直流電源３１、共振コンデンサ３２、３３、３８、３９、スイッチング素子３５、３６、４１、４２、加熱コイル３４、４０、制御部３７を備える。

本実施の形態において、加熱コイル３４、４０は、第１、第２の加熱コイルにそれぞれ相当する。スイッチング素子３５、３６、４１、４２は、第１、第２、第３、第４のスイッチング素子にそれぞれ相当する。共振コンデンサ３２、３３、３８、３９は、第１、第２、第３、第４の共振コンデンサにそれぞれ相当する。

スイッチング素子３５、３６、４１、４２は、ＩＧＢＴなどで構成され、逆方向に接続されダイオードを内蔵する。

スイッチング素子３５は、スイッチング素子３６と直列に接続される。スイッチング素子３５、３６は直流電源３１に並列に接続される。具体的には、スイッチング素子３５のエミッタはスイッチング素子３６のコレクタに接続される。スイッチング素子３５のコレクタは直流電源３１の正極に接続される。スイッチング素子３６エミッタは直流電源３１の負極に接続される。

スイッチング素子４１は、スイッチング素子４２と直列に接続される。スイッチング素子４１、４２は直流電源３１に並列に接続される。具体的には、スイッチング素子４１のエミッタはスイッチング素子４２のコレクタに接続される。スイッチング素子４１のコレクタは直流電源３１の正極に接続される。スイッチング素子４２のエミッタは直流電源３１の負極に接続される。

本実施の形態では、スイッチング素子３５、３６が、第１のインバータであるインバータ４５を構成する。スイッチング素子４１、４２が、第２のインバータであるインバータ４６を構成する。

加熱コイル３４の一端は、スイッチング素子３５、３６の接続点（接続点Ｅ）に接続される。共振コンデンサ３２の一端は、加熱コイル３４の他端に接続される。

加熱コイル４０の一端は、スイッチング素子４１、４２の接続点（接続点Ｇ）に接続される。共振コンデンサ３９は、加熱コイル４０の他端に接続された一端と、共振コンデンサ３２の他端に接続された他端とを有する。

共振コンデンサ３８は、共振コンデンサ３２、３９の接続点（接続点Ｆ）に接続された一端と、直流電源３１の正極に接続された他端とを有する。共振コンデンサ３３は、共振コンデンサ３２、３９の接続点（接続点Ｆ）に接続された一端と、直流電源３１の負極に接続された他端とを有する。

電流検知部４３は、直流電源３１の負極に接続され、誘導加熱装置２０Ｃに流れる電流を検知する。電圧検知部４４は、接続点Ｆに接続され、接続点Ｆにおける電圧を検知する。

制御部３７は、インバータ４５に含まれるスイッチング素子３５、３６と、インバータ４６に含まれるスイッチング素子４１、４２とを制御する。制御部３７は、被加熱物である鍋の材質を判定する判定部３７ａを有する。

判定部３７ａは、電流検知部４３、電圧検知部４４により検出された値に基づいて、鍋の材質が磁性材質か非磁性材質かを判定する。判定部３７ａの判定方法は、上述の判定部１４ａと同じであり、詳細な説明は省略する。

鍋が非磁性材質である場合、制御部３７は、スイッチング素子３５、３６を交互にオンし、スイッチング素子４１、４２を交互にオンする。それとともに、制御部３７は、スイッチング素子３５、４１を同時にオンし、スイッチング素子３６、４２を同時にオンする。

鍋が磁性材質である場合、制御部３７は、スイッチング素子３５、３６を交互にオンし、スイッチング素子４１、４２を交互にオンする。それとともに、制御部３７は、スイッチング素子３５、４２を同時にオンし、スイッチング素子３６、４１を同時にオンする。

絶縁体で耐熱セラミック製のトッププレート（図示せず）が、加熱コイル３４、４０の上方に設けられる。鍋（図示せず）はトッププレート上に載置される。加熱コイル３４、４０は、同一の形状、サイズ、巻き方向を有し、同一平面上に隣り合うように配置される。

加熱コイル３４、４０が同一の鍋を加熱する場合、制御部３７は、スイッチング素子３５、３６、４１、４２のための導通パターンを変更することで、加熱コイル３４、４０に流れる電流の向きを変えることができる。

すなわち、制御部３７は、加熱コイル３４、４０から発生する磁界を強め合う、または、打ち消し合う方向に、加熱コイル３４、４０に電流を流すことができる。このため、高効率な加熱や均一加熱を実現することができる。

共振コンデンサ３３、３８の容量を、共振コンデンサ３２、３９の容量に比べて、十分小さく設定すると、導通パターンの変更により、電流が流れる経路上の共振コンデンサの合成容量を変更することができる。

図１０Ａ～図１０Ｄは、誘導加熱装置２０Ｃの動作を説明するための図である。

まず、鍋が非磁性材質である場合について説明する。図１０Ａに示すように、スイッチング素子３５がオンされ、スイッチング素子３６がオフされると、直流電源３１と共振コンデンサ３２、３３と加熱コイル３４とスイッチング素子３５とを含む電流経路が構成される。

スイッチング素子４１がオンされ、スイッチング素子４２がオフされると、共振コンデンサ３８、３９と加熱コイル４０とスイッチング素子４１とを含む電流経路が構成される。これらの電流経路には、図１０Ａの矢印に示す電流が流れる。

すなわち、図１０Ａに示すように電流が流れる状態において、加熱コイル３４が含まれる電流経路は、共振コンデンサ３２、３３の合成容量を有する。加熱コイル４０が含まれる電流経路は、共振コンデンサ３８、３９の合成容量を有する。

所定時間の経過後、全てのスイッチング素子がオフされる。その後、スイッチング素子３６、４２が同時にオンされると、図１０Ｂに示すように、直流電源３１と共振コンデンサ３２、３８と加熱コイル３４とスイッチング素子３６とを含む電流経路が構成される。共振コンデンサ３３、３９と加熱コイル４０とスイッチング素子４２とを含む電流経路が構成される。これらの電流経路には、図１０Ｂの矢印に示す電流が流れる。

すなわち、図１０Ｂに示すように電流が流れる状態において、加熱コイル３４が含まれる電流経路は、共振コンデンサ３２、３８の合成容量を有する。加熱コイル４０が含まれる電流経路は、共振コンデンサ３３、３９の合成容量を有する。

所定時間の経過後、全てのスイッチング素子がオフされる。その後、図１０Ａに示すように、スイッチング素子３５、４１が再びオンされる。

次に、鍋が磁性材質である場合について説明する。図１０Ｃに示すように、スイッチング素子３５、４２がオンされ、スイッチング素子３６、４２がオフされると、直流電源３１と共振コンデンサ３２、３９と加熱コイル３４、４０とスイッチング素子３５、４２とを含む電流経路が構成される。この電流経路には、図１０Ｃの矢印に示す電流が流れる。

すなわち、図１０Ｃに示すように電流が流れる状態において、この電流経路は、共振コンデンサ３２、３９の合成容量を有する。

所定時間の経過後、全てのスイッチング素子がオフされる。その後、スイッチング素子３６、４１が同時にオンされると、図１０Ｄに示すように、直流電源３１と共振コンデンサ３２、３９と加熱コイル３４、４０とスイッチング素子３６、４１とを含む電流経路が構成される。この電流経路には、図１０Ｄの矢印に示す電流が流れる。

すなわち、図１０Ｄに示すように電流が流れる状態において、この電流経路は、共振コンデンサ３２、３９の合成容量を有する。

所定時間の経過後、全てのスイッチング素子がオフされる。その後、図１０Ｃに示すように、スイッチング素子３５、４２が再びオンされる。

本実施の形態では、共振コンデンサ３２、３９の容量が、共振コンデンサ３３、３８の容量に比べて十分大きく設定される。これにより、鍋が磁性材質で構成されるか否かに応じて、共振コンデンサの組合せを変更することで、共振コンデンサの合成容量を変更することができる。

図１０Ａ、図１０Ｂに示す、非磁性材質の鍋を加熱する場合の共振コンデンサの合成容量は、図１０Ｃ、図１０Ｄに示す、磁性材質の鍋を加熱する場合のそれより小さい。

高周波の電流で加熱するためには、非磁性材質の鍋を加熱する場合の共振コンデンサの合成容量は、磁性材質の鍋を加熱する場合より小さい方がよい。一方、低周波の電流で加熱するためには、磁性材質の鍋を加熱する場合の共振コンデンサの合成容量は、非磁性材質の鍋を加熱する場合より大きいほうがよい。

図１１Ａ、１１Ｂは、誘導加熱装置２０Ｃにおける、加熱コイルの配置および接続を示す模式図である。図１１Ａに示す例では、加熱コイル３４、加熱コイル４０はいずれも、一つの加熱コイルで構成される。

図１１Ａに示すように、加熱コイル３４、４０は、外側から内側に向かって時計回りの巻き方向を有し、互いに隣接して配置される。加熱コイル３４の外側端は接続点Ｅに接続される。加熱コイル３４の内側端は共振コンデンサ３２に接続される（図９参照）。

図１１Ｂに示す例では、加熱コイル３４、４０はいずれも、二つの加熱コイルの直列体で構成される。これら四つの加熱コイルは、外側から内側に向かって時計回りの巻き方向を有する。

加熱コイル３４を構成する二つの加熱コイルは、一方の加熱コイルの内側端が他方の加熱コイルの外側端に接続されて直列に接続される。一方の加熱コイルの外側端は接続点Ｅに接続される。他方の加熱コイルの内側端は共振コンデンサ３２に接続される。

加熱コイル４０を構成する二つの加熱コイルは、一方の加熱コイルの内側端が他方の加熱コイルの外側端に接続されて直列に接続される。一方の加熱コイルの外側端は共振コンデンサ３９に接続される。他方の加熱コイルの内側端は接続点Ｇに接続される。

加熱コイル３４を構成する直列に接続された二つの加熱コイルが、加熱コイル４０を構成する直列に接続された二つの加熱コイルとＸ字状に交差するように、これら四つの加熱コイルが配置される。

図１２Ａは、スイッチング素子３５、３６、４１、４２に供給される駆動信号と、加熱コイル３４、４０に流れる電流とを示す波形図である。図１２Ａは、図１１Ａに示すように加熱コイル３４、４０を配置し、図１０Ａ、図１０Ｂに示すように非磁性材質の鍋を加熱する場合における波形図である。図１２Ｂは、図１２Ａに示す期間ｔ１における、加熱コイル３４、４０に流れる電流の向きを示す。

図１３Ａは、スイッチング素子３５、３６、４１、４２に供給される駆動信号と、加熱コイル３４、４０に流れる電流とを示す波形図である。図１３Ａは、図１１Ａに示すように加熱コイル３４、４０を配置し、図１０Ｃ、図１０Ｄに示すように磁性材質の鍋を加熱する場合における波形図である。図１３Ｂは、図１３Ａに示す期間ｔ１における、加熱コイル３４、４０に流れる電流の向きを示す。

図１２Ａ、図１２Ｂ、図１３Ａ、図１３Ｂを用いて、誘導加熱装置２０Ｃの動作を説明する。まず鍋が加熱コイル３４、４０の上方のトッププレートに載置される。制御部３７は、各スイッチング素子に駆動信号を所定時間供給し、その間に電流検知部４３および電圧検知部４４により検出される値を受信する。

判定部３７ａは、それらの値をもとに、鍋が非磁性材質であるか、磁性材質であるかを判定する。非磁性材質の鍋には、アルミ製の鍋、銅製の鍋、アルミの割合が多い多層構造の鍋が含まれる。磁性材質の鍋には、ホーロー製の鍋、磁性ステンレス製の鍋が含まれる。

判定部３７ａが、鍋は非磁性材質であると判定した場合、図１２Ａに示すように、制御部３７は、スイッチング素子３５、４１に対して同一の駆動信号を供給し、スイッチング素子３６、４２に対して同一の駆動信号を供給する。スイッチング素子３５、４１に対する駆動信号は、スイッチング素子３６、４２に対する駆動信号とは異なる。

これにより、図１０Ａ、図１０Ｂに示すように電流が流れる。このとき、図１２Ａに示すように、加熱コイル３４に流れる電流は、加熱コイル４０に流れる電流と同じ位相を有する。

その結果、接続点Ｅから共振コンデンサ３２に向って電流が流れる場合、接続点Ｇから共振コンデンサ３９に向って電流が流れる（図１１Ａ参照）。すなわち、図１２Ｂに示すように、加熱コイル３４には矢印Ｘの方向に電流が流れ、加熱コイル４０には矢印Ｙの方向に電流が流れる。この場合、加熱コイル３４、４０の対向する部分では、同一方向に電流が流れる。

これにより、隣接する二つの加熱コイルの間で磁界が互いに強め合い、加熱コイルと鍋との磁気結合が向上する。加熱コイルから見た鍋を含む抵抗が増大し、比較的小さい電流で鍋を加熱することができる。そのため、固有抵抗値が比較的低い非磁性材質の鍋を効率良く加熱することができる。

二つの加熱コイルの間で強い磁界が発生するため、鍋が局所的に加熱される。しかし、非磁性材質の鍋は、磁性材質の鍋より高い熱伝導率を有するため、加熱分布にはあまり影響しない。

判定部３７ａが、鍋は磁性材質であると判定した場合、図１３Ａに示すように、制御部３７は、スイッチング素子３５、４２に対して同一の駆動信号を供給し、スイッチング素子３６、４１に対して同一の駆動信号を供給する。スイッチング素子３５、４２に対する駆動信号は、スイッチング素子３６、４１に対する駆動信号とは異なる。

これにより、図１０Ｃ、図１０Ｄに示すように電流が流れる。このとき、図１３Ａに示すように、加熱コイル３４に流れる電流は、加熱コイル４０に流れる電流とは逆位相を有する。

その結果、接続点Ｅから共振コンデンサ３２に向って電流が流れる場合、共振コンデンサ３９から接続点Ｇに向って電流が流れる（図１１Ａ参照）。すなわち、図１３Ｂに示すように、加熱コイル３４には矢印Ｘの方法に電流が流れ、加熱コイル４０には矢印Ｚの方向に電流が流れる。この場合、加熱コイル３４、４０の対向する部分では、逆方向に電流が流れる。

これにより、隣接する二つの加熱コイルの間で磁界が互いに打ち消し合い、強い磁界の発生が抑制される。そのため、局所的な加熱を抑制して、鍋を均一に加熱することができる。

以上のように、本実施の形態では、制御部３７は、スイッチング素子３５、３６、４１、４２の導通パターンを鍋の材質に応じて変更することで、リレーを使用せずに共振コンデンサの合成容量を変更することができる。

本開示は、鉄系の鍋、アルミ系の鍋のいずれをも加熱可能な誘導加熱調理器に適用可能である。

１、１０１ 商用電源
２ 整流回路
３、１０２ チョークコイル
４ コンデンサ
５、６、９、１０、３５、３６、４１、４２、１０６、１０７ スイッチング素子
７ａ、７ｂ、１１ａ、１１ｂ、３４、４０、１０５ 加熱コイル
８ 共振コンデンサ
１２、３２、３３、３８、３９、１０４ 共振コンデンサ
１３、１０８ 鍋
１４、３７、１１０ 制御部
１４ａ、３７ａ 判定部
１５、４３、１０９ 電流検知部
１６、１７、４４ 電圧検知部
１８、１９、４５、４６ インバータ
２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ 誘導加熱装置
３１ 直流電源
１０３ 平滑コンデンサ

Claims (2)

1. 被加熱物を載置するように構成されたトッププレートと、
   前記トッププレートの下方に配置された複数の加熱コイルと、
   前記複数の加熱コイルに電力を供給するように構成されたインバータと、
   前記インバータを制御するように構成された制御部と、
   被加熱物が鉄系の負荷であるか、アルミ系の負荷であるかを判定するように構成された判定部と、を有し、
   直流電源と、
   互いに直列に接続されるとともに、前記直流電源に並列に接続された第１のスイッチング素子および第２のスイッチング素子と、
   互いに直列に接続されるとともに、前記直流電源に並列に接続された第３のスイッチング素子および第４のスイッチング素子と、
   一端が、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子との接続点に接続された第１の加熱コイルと、
   一端が、前記第１の加熱コイルの他端に接続された第１の共振コンデンサと、
   一端が、前記第３のスイッチング素子と前記第４のスイッチング素子との接続点に接続された第２の加熱コイルと、
   一端が前記第２の加熱コイルの他端に接続され、他端が前記第１の共振コンデンサの他端に接続された第４の共振コンデンサと、
   一端が前記第１の共振コンデンサと前記第４の共振コンデンサとの接続点に接続され、他端が前記直流電源の正極に接続された第３の共振コンデンサと、
   一端が前記第１の共振コンデンサと前記第４の共振コンデンサとの接続点に接続され、他端が前記直流電源の負極に接続された第２の共振コンデンサと、を備え、
   前記第２の共振コンデンサと、前記第３の共振コンデンサの容量は、前記第１の共振コンデンサと、前記第４の共振コンデンサよりも小さく設定し、
   前記制御部は、前記判定部による判定結果に応じて、前記複数の加熱コイルに流れる電流の向きを制御するように構成され、
   前記被加熱物が鉄系の負荷であると前記判定部が判定した場合、前記制御部が、前記複数の加熱コイルのうちの隣接する二つの加熱コイルに逆方向に電流を流すように構成され、前記被加熱物がアルミ系の負荷であると前記判定部が判定した場合、前記制御部が、前記複数の加熱コイルのうちの隣接する二つの加熱コイルに同一方向に電流を流すように構成
   され、
   前記複数の加熱コイルのうちの隣接する二つの加熱コイル間の距離が４０ｍｍ以下に設定され、
   前記制御部は、前記第１のスイッチング素子と前記第２のスイッチング素子とを交互にオンし、前記第３のスイッチング素子と前記第４のスイッチング素子とを交互にオンするように構成され、
   前記制御部は、被加熱物が非磁性材質である場合、前記第１のスイッチング素子と前記第３のスイッチング素子とを同時にオンし、第２のスイッチング素子と前記第４のスイッチング素子とを同時にオンするように構成され、
   前記制御部は、被加熱物が磁性材質である場合、前記第１のスイッチング素子と前記第４のスイッチング素子とを同時にオンし、第２のスイッチング素子と前記第３のスイッチング素子とを同時にオンするように構成された誘導加熱装置。
2. 前記複数の加熱コイルが四つの加熱コイルを含み、直列または並列に接続された二つの加熱コイルをそれぞれ含む二つの組がＸ字状に交差するように、前記四つの加熱コイルが配置された、請求項１に記載の誘導加熱装置。

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