WO2014122820A1

WO2014122820A1 - 誘導加熱コイルおよびこれを用いた誘導加熱装置

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Publication number: WO2014122820A1
Application number: PCT/JP2013/076566
Authority: WO
Inventors: 郁朗菅; みゆき竹下; 松田　哲也; 木下　広一; 祐紀藤原; 章夫岸; 逑二鈴木; 訓一井上; 一樹森脇
Original assignee: 三菱電機株式会社; 株式会社指月電機製作所; 三菱電機ホーム機器株式会社
Priority date: 2013-02-06
Filing date: 2013-09-30
Publication date: 2014-08-14
Also published as: EP2955977A4; CN106341918A; EP2955977B1; ES2653935T3; EP2955977A1; EP2955977B8; CN105009688B; JP6016951B2; JPWO2014122820A1; CN106341918B; CN105009688A

Abstract

　本願発明に係る誘導加熱コイルは、長尺状の積層導電体をコイル軸の周りに沿って渦巻状に巻回してなり、前記積層導電体は、前記積層導電体の長尺方向に延びる複数の導電体が積層された導電層と、複数の導電層の間に形成された絶縁層とから構成され、前記各導電層は、前記積層導電体の両端において、電気的に並列に接続され、前記積層導電体は、前記複数の導電体が積層された方向が前記コイル軸に対して垂直となるように巻回され、前記積層導電体の前記コイル軸に垂直な方向の幅（Ｗ）が、前記コイル軸に平行な方向の高さ（Ｈ）より長いことを特徴とするものである。本願発明によれば、誘導加熱コイルの冷却機能を改善し、高い寸法精度で製造しやすくし、安価で軽量な誘導加熱コイルを実現することができる。

Description

誘導加熱コイルおよびこれを用いた誘導加熱装置

　本願発明は、誘導加熱コイルおよびこれを用いた誘導加熱装置に関するものである。

　従来のＩＨクッキングヒータなどの誘導加熱装置に用いられる誘導加熱コイルは、たとえば直径が０．３ｍｍの銅線を樹脂などで被覆したものを１９本撚り線にした、いわゆるリッツ線をコイル軸の周りに沿って渦巻状に巻回して構成されている。

　特許文献１は、加熱コイルの損失を低減するために、より線径の細い素線を複数本撚り合わせたリッツ線を一次撚りとし、この一次撚りのリッツ線を複数束撚り合わせて二次撚りとし、この二次撚りをさらに複数束撚り合せて三次撚りとして多段階重ね撚り構造に構成された誘導加熱コイルを提案している。

　また特許文献２は、リッツ線の代わりに、断面が略長方形状あるいは略楕円形状の電気導体を複数、それぞれ他の電気導体と電気絶縁し、かつ、コイル径方向に積層した集合線を、渦巻き状に巻回してなる誘導加熱コイルが提案されている。とりわけ特許文献２に記載の誘導加熱コイルは、近接効果による集合線内における内周側電気導体への電流分布の偏集中を均一化し、損失を低減するために、巻回中に集合線内における電気導体の位置をコイル外周側とコイル内周側とで入れ替わるように巻回されるように構成されている（一般に、これを集合線の巻回位置の「転移」という）。すなわち特許文献２の積層集合線は、コイル径方向（水平方向）の幅に対して、これに垂直な高さを大きくした誘導加熱コイルを上下方向に２段または３段に積層して、一部の積層集合線の位置を入れ替える（転移させる）ことにより、近接効果による損失を低減することが記載されている。

特開平１０－３２１３５８号公報特許第４４９１９８３号公報

　特許文献１のようにリッツ線を用いて構成された誘導加熱コイルを、とりわけＩＨクッキングヒータの誘導加熱装置の加熱源として用いる場合、一般に、鍋などの被加熱体が戴置されるトッププレートと誘導加熱コイルとの間の間隔をできるだけ短くして、鍋に対する加熱効率を改善する必要がある。そこで従来の誘導加熱装置は、通常、誘導加熱コイルの下側表面（トッププレートに面する表面とは反対側の表面）から冷却風を当てることにより、高温となる誘導加熱コイル全体を冷却するように構成されているが、冷却風をトッププレートと誘導加熱コイルとの間に案内することは容易ではなく、誘導加熱コイルの上側表面の温度上昇が大きくなる傾向があった。

　また誘導加熱コイルに高周波電圧を印加することにより生じる高周波電流は、その周波数にも依存するが、表皮効果により、導電体の表面近傍に集中して流れる傾向があるので、誘導加熱コイルの上側表面付近で生じるジュール熱による発熱量は、誘導加熱コイルの下側表面付近で発生する発熱量より大きく、とりわけ誘導加熱コイルの上側表面を効率的に冷却することは困難であった。

　一方、リッツ線を用いて構成された誘導加熱コイルの垂直方向の厚みは、リッツ線の撚り束の径が最低限必要なコイル高さに相当し、十分な高周波電流を確保する上で実質的な厚みとする必要があるため、誘導加熱コイルの上側表面から下側表面への効率的な冷却を阻害するものであった。さらにリッツ線は、金属導電線を樹脂などで被覆したものであり、樹脂などの絶縁体の熱伝導性が金属導電線に比して著しく劣り、誘導加熱コイルの上側表面と下側表面との間には、絶縁体、導電線、絶縁体、導電線、絶縁体、導電線が幾段にも積層され、効率的な冷却を阻害するものであった。

　そこで特許文献１では、リッツ線の撚り束に撚りを入れることによって導電線の配置位置を入れ替えて誘導加熱コイルの上側表面と下側表面における冷却性や電流均一性を改善しようとしている。しかしながら、撚りを入れた束線を使用するため、誘導加熱コイルを形成したときに束線のずれや隙間を管理または制御しにくく、巻回された誘導加熱コイルの寸法にばらつきが生じ、完成品としての寸法精度を高く維持することができないという問題があった。

　さらに特許文献２の誘導加熱コイルは、コイル軸に平行な方向に長く延びる略長方形状あるいは略楕円形状の電気導体を絶縁層で狭むように構成された集合線からなるので、絶縁体が複雑に介在するリッツ線で構成された誘導加熱コイルに比べると、その上側表面から下側表面への熱伝導が促進される。しかしながら、コイル径方向に積層した集合線を用いた場合であっても、表皮効果に起因して、誘導加熱コイルの上側表面における発熱量は、下側表面における発熱量より大きく、とりわけ誘導加熱コイルを上下方向に２段または３段に積層したとき、上側表面から下側表面への熱伝導は阻害され、誘導加熱コイルを所定の駆動温度範囲以下に維持することが困難となるという問題があった。

　またリッツ線と同様、集合線を上下方向に２段以上積層した後に、これらを捻りまたは入れ替えたとき、誘導加熱コイルの渦巻き形状の一部が崩れて、完成品としての寸法精度を規格通りに作製することは容易でなく、生産コストを引き上げるという課題があった。

　そこで本願発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、誘導加熱コイル全体の冷却機能を改善するとともに、生産工程を簡便にして、製造しやすい誘導加熱コイルを提供することを目的とする。また、本願発明に係る誘導加熱コイルは、完成品としての寸法精度を高く維持して、そのインピーダンスのばらつきを低減するとともに、安価で軽量な誘導加熱コイルを実現することを目的とする。

　本願発明は、長尺状の積層導電体をコイル軸の周りに沿って渦巻状に巻回してなる誘導加熱コイルであって、前記積層導電体は、前記積層導電体の長尺方向に延びる複数の導電体が積層された導電層と、複数の導電層の間に形成された絶縁層とから構成され、前記各導電層は、前記積層導電体の両端において、電気的に並列に接続され、前記積層導電体は、前記複数の導電体が積層された方向が前記コイル軸に対して垂直となるように巻回され、前記積層導電体の前記コイル軸に垂直な方向の幅（Ｗ）が、前記コイル軸に平行な方向の高さ（Ｈ）より長いことを特徴とする
ものである。

　本願発明によれば、積層導電体のコイル軸に垂直な方向の幅（Ｗ）をコイル軸に平行な方向の高さ（Ｈ）より長く構成したことにより、誘導加熱コイルの冷却機能を改善し、高い寸法精度で製造しやすくし、そのインピーダンスのばらつきを低減するとともに、安価で軽量な誘導加熱コイルを実現することができる。

本願発明に係る誘導加熱コイルを内蔵したＩＨクッキングヒータなどの誘導加熱装置の全体的な斜視図である。図１のII－II線から見た誘導加熱装置の断面図である。実施の形態１に係る誘導加熱コイルを上方から見た平面図である。誘導加熱コイルを構成する前の積層導電体を示した斜視図である。（ａ）は積層導電体を半径方向の垂直平面で切断したときの断面図であり、（ｂ）は積層導電体を構成する、単一の導電層および絶縁層の断面図である。図３のVI－VI線から見た誘導加熱コイルの断面図である。誘導加熱コイルの高さと電流密度との関係を示すグラフである。誘導加熱コイルの高さと発熱量との関係を示すグラフである。誘導加熱コイルの高さと上側表面の温度との関係を示すグラフである。積層導電体に流れる電流が集中する部分を示す断面図である。積層導電体を８ターン巻回してなる誘導加熱コイルの断面図である。実施の形態３に係る誘導加熱コイルの断面図である実施の形態１の変形例による誘導加熱コイルの平面図である。実施の形態４に係る誘導加熱コイルの平面図である。実施の形態４に係る誘導加熱装置の図２と同様の断面図である。実施の形態４の変形例による誘導加熱コイルの平面図である。実施の形態５に係る誘導加熱コイルの平面図である。

　以下、添付図面を参照して本願発明に係る誘導加熱コイルの実施の形態を説明する。各実施の形態の説明において、理解を容易にするために方向を表す用語（例えば、「上側」、「下側」、「Ｘ方向」、「Ｙ方向」および「Ｚ方向」など）を適宜用いるが、これは説明のためのものであって、これらの用語は本願発明を限定するものでない。なお、本願明細書においては、誘導加熱コイルのコイル軸方向をＺ方向とする。

実施の形態１．
　本願発明に係る実施の形態１の誘導加熱コイル１０は、任意の加熱装置に採用することができるが、本願明細書では、典型例としてＩＨクッキングヒータなどの誘導加熱装置１に採用される誘導加熱コイル１０について以下詳細に説明する。

　図１は、本願発明に係る誘導加熱コイル１０を内蔵したＩＨクッキングヒータなどの誘導加熱装置１の全体斜視図であり、図２は、図１のII－II線から見た誘導加熱装置１の断面図である。図３は、誘導加熱コイル１０を上方から見た平面図である。図１に示す誘導加熱装置１は、概略、ハウジング５と、その最上部に配設された強化ガラスなどからなるトッププレート６と、誘導加熱部７と、ユーザが加熱能力を調整するための操作部８とを有する。

　実施の形態１に係る誘導加熱部７は、図２に示すように、ハウジング５内でトッププレート６の下方に配設された誘導加熱コイル１０と（図３）、放射状または半径方向に延びる複数のフェライト部材（高透磁率部材）１２と、誘導加熱コイル１０およびフェライト部材１２を安定的に支持するコイル台１４と、トッププレート６の下面の温度を測定するための温度センサ１７とを有する。さらに誘導加熱装置１は、誘導加熱コイル１０の両端子２１，２２間に高周波電圧を印加して、誘導加熱コイル１０に高周波電流を供給する駆動部（たとえばインバータ回路）１６と、操作部８で設定された加熱能力および温度センサ１７で測定された実測温度に基づいて適当な高周波電圧を誘導加熱コイル１０に印加するように駆動部１６を制御する制御部（たとえばコントローラ）１８とを有する。

　さらに図２には、トッププレート６上に戴置された磁性体金属製鍋（被加熱体、以下単に「鍋」という）Ｋが簡略的に図示されており、鍋Ｋ内には食材が収容されている。誘導加熱装置１は、誘導加熱コイル１０に高周波電流が流れたときに、その周囲において鍋Ｋおよびフェライト部材１２を通る（図２の破線で示す）連続した閉ループ高周波磁場が形成され、この高周波磁場により鍋Ｋに渦電流が形成され、鍋Ｋを効率よく加熱するものである。

　一般に、鍋Ｋに対する加熱効率を上げるためには、鍋Ｋと誘導加熱コイル１０との間隔をできる限り狭小にする必要があるので、誘導加熱コイル１０とトッププレート６との間隔も極力小さくすることが好ましい。
　一方、誘導加熱コイル１０に高周波電流を供給し、鍋Ｋを加熱する際、誘導加熱コイル１０自体の巻線抵抗によるジュール熱（銅損）、加熱された鍋Ｋからのトッププレート６を介した輻射熱、および高周波磁場が形成され、電気抵抗によるジュール熱（鉄損）により高温となったフェライト部材１２からの輻射熱に起因して、誘導加熱コイル１０は実質的な温度に達するまで加熱される。そこで一般的な誘導加熱装置１においては、図２の実線矢印で示すように、別途設けた冷却ファン（図示せず）による冷却風を、誘導加熱コイル１０（フェライト部材１２を含む）の下方から送ることにより冷却して、誘導加熱コイル１０の温度を許容動作温度以下に維持する必要がある。

　ところが上述のように、鍋Ｋの加熱効率を上げるために、誘導加熱コイル１０とトッププレート６との間隔がきわめて狭小に設計されており、冷却ファンによる冷却風が誘導加熱コイル１０の上側表面に流れにくいため、誘導加熱コイル１０の温度が相当に上昇する場合があり、誘導加熱コイル１０に対する冷却効果のさらなる改善が望まれているところである。

　ここで、本願発明に係る誘導加熱コイル１０の構造について、以下詳細に説明する。図３は、誘導加熱装置１からトッププレート６を取り除いた後の誘導加熱コイル１０を上方から見た平面図である。誘導加熱コイル１０は、長尺状の積層導電体２０をコイル軸（Ｚ軸）の周りに沿って渦巻状に巻回して構成されたものであり、長尺状の積層導電体２０の両端に端子２１，２２を有する。

　図４は、積層導電体２０を渦巻状に巻回して誘導加熱コイル１０を構成する前の長尺状の積層導電体２０を示したものであり、図５は、図４に示す積層導電体２０を垂直平面（図４のＸＺ平面）で切断したときの断面図である。図４に示す積層導電体２０は、銅、アルミニウム、またはこれらの合金などの電気伝導率が高く、比較的に安価な金属からなり、積層導電体２０の長尺方向に延びる複数の導電体が積層された導電層２４と、複数の導電層２４の間に形成された電気絶縁層２５とから構成されている。すなわち各導電層２４は、絶縁層２５によって互いに絶縁され、好適には絶縁層２５により包囲され、積層導電体２０をコイル軸の周りに巻き回して構成された誘導加熱コイル１０の巻き始めと巻き終わりの両端子２１，２２（図３）以外では露出しないように構成されている。なお、図５に示す各導電層２４は矩形の断面形状を有するが、これに限定されるものではなく、長楕円形状を有するものであってもよい。

　図５（ａ）は、積層導電体２０を半径方向の垂直平面で切断したときの断面図であり、図５（ｂ）は、積層導電体２０を構成する、単一の導電層２４および絶縁層２５の断面図である。図５（ａ）および（ｂ）に示す積層導電体２０において、各導電層２４は、コイル軸に垂直な方向（Ｘ方向）の幅が０．１ｍｍで、コイル軸に平行な方向（Ｚ方向）の高さが１．３６ｍｍであり、各絶縁層２５は、Ｘ方向の幅およびＺ方向の高さが０．０２ｍｍで、１４層の導電層２４を包囲するものであり、積層導電体２０全体のＸ方向の幅Ｗが１．９６ｍｍ、Ｚ方向の高さＨが１．４０ｍｍであってもよい。各導電層２４がコイル軸（Ｚ軸方向）に沿って延びているため、図４に示す長尺状の積層導電体２０をコイル軸（Ｚ軸）の周りに沿って渦巻状に巻回して構成された誘導加熱コイル１０の上側表面付近で生じた熱は、各導電層２４を介して下側表面に速やかに熱伝達され、下側表面に冷却風を当てることにより、誘導加熱コイル１０全体を効率的に冷却することができる。また図６は、図３のVI－VI線から見た誘導加熱コイル１０の概略断面図であり、この誘導加熱コイル１０は積層導電体２０をコイル軸の周りに８ターン巻回して構成されたものである。

　なお、各導電層２４および各絶縁層２５のＸ方向の幅Ｗ、Ｚ方向の高さＨおよびターン数は、上記した数値に限定されないが、本願発明によれば、図５に示す積層導電体２０のＸ方向の幅Ｗを、Ｚ方向の高さＨより大きくすることにより（Ｗ＞Ｈ）、すなわち誘導加熱コイル１０の上側表面付近で生じた熱を下側表面により迅速に熱伝達して、下側表面を冷却することにより、誘導加熱コイル１０の冷却効率を改善するように構成されている。

　ところで、積層導電体２０のＸ方向の幅Ｗについては、誘導加熱コイル１０の巻線部分の最大直径をＤとし、誘導加熱コイル１０の巻き数をＮターンとするとき、積層導電体２０のＸ方向の幅Ｗは、Ｄ／２（加熱コイル１０の半径）÷Ｎが最大値となる。一例として、ターン数Ｎが２２ターンであり、誘導加熱コイル１０の直径Ｄが１８０ｍｍである場合、積層導電体２０のＸ方向の幅Ｗは、１８０／２÷２２＝約４ｍｍとなる。そして積層導電体２０の各導電層２４の幅Ｗ_０は、後述するように、導電体２４のＺ方向の高さＨの２０分の１以上であることが好ましいため、積層導電体２０のＺ方向のコイル高さＨが２ｍｍである場合、各導電層２４の幅Ｗ_０は、０．１ｍｍが最小となる。

　しかしながら、実際の誘導加熱コイル１０には、図１４または図１６に示すように、温度センサ１７を配置するスペースの確保、および加熱むらなどの原因となる磁束の集中を回避等の理由から、空隙が設けられていることがあり、積層導電体２０が巻回されている部分は、誘導加熱コイル１０の全体の約３分の２を占める場合が多い。たとえば、誘導加熱コイル１０の半径が９０ｍｍであり、その約３分の２である６０ｍｍの範囲に積層導電体２０が２２ターン巻回されているとき、積層導電体２０のＸ方向の幅Ｗは約２．７ｍｍ（＝６０÷２２）となる。

　なお積層導電体２０は、上記のように各導電層２４と電気絶縁層２５とを接合したものであってもよいが、導電材料からなる薄膜（導電層２４に相当するもの）と、絶縁材料からなる薄膜（絶縁層２５に相当するもの）とを、金属蒸着またはスパッタリングなどにより、交互に積層することにより作製してもよい。

　また前掲特許文献１に記載されたリッツ線は、多くの絶縁体を含むため、高さ方向の熱伝導性が良好でなく、しかも誘導加熱コイル１０の上側表面から最短経路で冷却風を案内しにくいことから、冷却効果が十分に得られなかった。しかしながら本願発明によれば、上述のとおり、鍋Ｋの加熱効率を上げるために、誘導加熱コイル１０とトッププレート６とは近接して配置され、コイル台１４の下方から冷却風を当てて冷却しているものの、積層導電体２０全体のＸ方向の幅Ｗを、Ｚ方向の高さＨより大きくすることにより、誘導加熱コイル１０全体を効率よく冷却することができる。

実施の形態２．
　図７～図９を参照しながら、本願発明に係る誘導加熱コイル１０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２に係る誘導加熱コイル１０は、概略、積層導電体２０の高さＨが表皮深さδの４倍以下となるように構成した点を除き、実施の形態１の誘導加熱コイル１０と同様の構成を有するので、重複する内容については説明を省略する。

　一般に、高周波電流が導電体に流れるとき、電流密度が導電体の表面で高く、表面から離れるほど低くなる現象を表皮効果という。そして導電体の電流密度Ｊは深さδに対して、次式のように表される。

　ｄは導電体の表面からの深さで、表皮深さδとは、高周波電流が表面電流Ｊ０の１／ｅ（約３６．８％）になる深さを云う。具体的には、導電層２４の電気抵抗をρ、高周波電圧（高周波電流）の周波数をｆ、導電層２４の透磁率をμ、導電層２４の導電率をσとすると、表皮深さδは次式で求められる。

　上述のとおり、導電層２４は、導電率σが高く、安価な銅、アルミニウム、またはこれらの合金で形成することが好ましい。

　たとえば導電層２４が銅からなるとき、その導電率σは約５８．１×１０^６Ｓ／ｍであるため、表皮深さδは、高周波電流の周波数ｆが２０ｋＨｚの場合には０．４６７ｍｍとなり、高周波電流の周波数ｆが２５ｋＨｚの場合には０．４１８ｍｍとなる。

　すなわち、誘導加熱コイル１０の導電層２４に流れる電流は、高さＨ方向において概ね指数関数的に電流が分布し、高周波電流の周波数ｆが２０ｋＨｚのとき、誘導加熱コイル１０の上側表面から表皮深さδだけ下方においては表面電流の１／ｅ（約３６．８％）の電流が流れ、２倍の表皮深さδだけ下方においては表面電流の１／ｅ^２（約１３．５％）の電流が流れ、３倍の表皮深さδだけ下方においては表面電流の１／ｅ^３（約５．０％）の電流が流れる。図７は、横軸に誘導加熱コイル１０の高さＨ、すなわち誘導加熱コイル１０の上側表面からの距離（コイル高さＨ）、縦軸に電流密度Ｊをプロットしたときのグラフである。

　図７に関連して、導電層２４の高さＨが異なる複数の誘導加熱コイル１０について、同一条件で駆動したときに、誘導加熱コイル１０の巻線抵抗による発熱量（ジュール熱または銅損）を測定してプロットしたところ、図８のようなグラフを得た。すなわち導電層２４の高さＨを大きくするほど、導電層２４の電気抵抗ρは小さくなるので、誘導加熱コイル１０で生じる発熱量は減少するが、導電層２４の高さＨが表皮深さδの３倍以上になると、高周波電流の電流密度が極めて小さくなるため、誘導加熱コイル１０で生じる発熱量はほぼ一定となる。換言すると、誘導加熱コイル１０からの発熱量は一定値以下に維持するためには、導電層２４の高さＨが表皮深さδの３倍程度あれば十分であり、導電層２４の高さＨをそれ以上に大きくすることは、誘導加熱コイル１０の構成材料に要するコストおよび重量を増大させるというデメリットが生じる。

　一方、積層導電体２０のＺ軸方向の高さＨが異なる複数種類の誘導加熱コイル１０を製作し、その上側表面の温度を測定してプロットしたところ、図９のようなグラフを得た。図８のグラフと同様、導電層２４の高さＨを大きくするほど、その電気抵抗が小さくなり、誘導加熱コイル１０で生じる発熱量は減少するが、上述のとおり誘導加熱コイル１０はその下側表面から冷却風を当てて冷却されるので、導電層２４の高さＨの増大に伴い、誘導加熱コイル１０の上側表面に対する冷却効果は小さくなり、導電層２４の高さＨが表皮深さδの３倍を超えると、誘導加熱コイル１０の上側表面の温度が上昇してしまう。つまり誘導加熱コイル１０の上側表面の温度を示すグラフは、導電層２４の高さＨが表皮深さδのほぼ３倍であるときに極小点を有するので、誘導加熱コイル１０の上側表面の温度を低く維持しつつ、かつ誘導加熱コイル１０の構成材料を削減して、安価で軽量・薄型の誘導加熱コイル１０を実現するためには、導電層２４の高さＨは表皮深さδのほぼ３倍程度であればよいことが分かる。

　ところで、図５に示す各導電層２４が、X方向に延びる幅Ｗ_０およびＺ軸方向（コイル軸に平行な方向）の高さＨを有するとき、幅Ｗ_０が高さＨの２０分の１以上である（Ｗ_０／Ｈ≧１／２０）ことが望ましい。これは、たとえば円形断面を有する金属材料を圧延することにより１枚の平角状の導電層２４を形成する場合、圧延比率（圧延前後の材料の厚みの比）は、銅を主成分とする金属材料を用いるときには１／１０～１／２０程度であり、アルミニウムを主成分とする金属材料を用いるときには１／３～１／６程度であることが望ましい。圧延比率が上記範囲を超えると、金属材料を入手しにくくなるばかりでなく、圧延による導電層２４の製造コストが増大し、積層導電体２０が非常に高価なものとなる。したがって、導電層２４の幅Ｗ_０を導電層２４の高さＨの２０分の１以上、逆に言えば、導電層２４の高さＨを導電層２４の幅Ｗ_０の２０倍以下とすることで、積層導電体２０を形成する際の製造コストを削減する効果がある。

　したがって、導電層２４のX方向の幅Ｗ_０が、たとえば０．２ｍｍであるとき、Ｚ方向の高さＨは４ｍｍが最大となるように構成すればよい。一方、高周波電流の周波数ｆが２０ｋＨｚのとき、銅からなる導電層２４の表皮深さδは、上述のように０．４６７ｍｍであるところ、各導電層２４の幅Ｗ_０が０．２ｍｍであるとき、各導電層２４のＺ方向の高さＨは最大で４ｍｍ（＝０．２ｍｍ×２０倍）となり、表皮深さδの約８．５倍（＝４／０．４６７）となる。また、導電層２４の高さＨは、その幅Ｗ_０の３倍となるように構成した場合は、高さＨは０．６ｍｍとなり、表皮深さの約１．３倍（＝０．６／０．４６７）となる。

　しかしながら、図８に示すように、導電層２４（加熱コイル）の高さＨを表皮深さの４倍以上にすると、誘導加熱コイル１０の巻線抵抗による発熱量が一定値に収束し、導電層２４を構成する銅の容積（特に高さＨ）を大きくすることにより、誘導加熱コイル１０の製造コストが増大することを考慮すれば、導電層２４の高さＨが表皮深さの４倍程度に設計すれば十分であると考えられる。

　ここで、誘導加熱コイル１０を図１の誘導加熱調理器１に適用する場合を考える。誘導加熱調理器に適用される誘導加熱コイル１０に流す高周波電流の周波数ｆは、日本国の法令上、２０ｋＨｚ～１００ｋＨｚの範囲に制限されている。導電層２４を構成する導電材料が銅である場合、高周波電流の周波数ｆの上記範囲での表皮深さδは、上記説明したように、０．２０９ｍｍ（１００ｋＨｚ）～０．４６７ｍｍ（２０ｋＨｚ）となる。すなわち周波数ｆが２０ｋＨｚ～１００ｋＨｚの高周波電流を銅からなる導電層２４に流すとき、導電層２４の高さＨが表皮深さの４倍となるように設計した場合、導電層２４の高さＨは、上記表皮深さδの範囲から、０．８３６ｍｍ～１．８６８ｍｍとなる。

　したがって本願発明によれば、上述のように、誘導加熱コイル１０の冷却効率を改善するために、積層導電体２０のＸ方向の幅ＷをＺ方向の高さＨより大きくするように構成されるが（Ｗ＞Ｈ）、導電層２４の幅Ｗは、高周波電流の周波数ｆが２０ｋＨｚのとき１．８６８ｍｍより大きく、周波数ｆが１００ｋＨｚのとき０．８３６ｍｍより大きくなるように設計される。すなわち本願発明によれば、積層導電体２０のＸ方向の幅Ｗは、たとえば約１．９ｍｍより大きく（高周波電流の最低周波数ｆが２０ｋＨｚのとき）、誘導加熱コイル１０の半径をターン数Ｎで割った値（Ｄ／（２Ｎ），Ｄ：誘導加熱コイル１０の直径）以下となるように構成される。

　また、導電材料が銅である場合、表皮深さδは０．２０９ｍｍ（１００ｋＨｚ）～０．４６７ｍｍ（２０ｋＨｚ）であるところ、上述のように、積層導電体２０の製造コストを抑制するために、導電層２４の幅Ｗ_０と高さＨとの比（Ｗ_０／Ｈ）が所定の範囲（１／２０≦（Ｗ_０／Ｈ）＜１／１０）に設定されると、導電層２４の幅Ｗ_０は、０．０４２ｍｍ～０．０９３ｍｍ（上記比が１／２０のとき）となり、０．０８３ｍｍ～０.１８７ｍｍ（上記比が１／１０のとき）となる。つまり、実際に使用される高周波電流ｆの周波数範囲を考慮すると、導電層２４の幅Ｗ_０は、約０．０８～０．２ｍｍ程度が好ましい。ただし、導電層２４の幅Ｗ_０があまりに小さくなる場合には、図４の導電層２４のＸＺ平面で切断した断面積が小さくなり、その抵抗値が増大して電力損失の原因となるので、導電層２４の積層数を増やすことが好ましい。さらに好適には、導電層２４の構成材料の使用量や積層工程の削減を考慮し、導電層２４の幅Ｗ_０を選択してもよい。

　このように実施の形態２によれば、導電層２４の高さＨを上記［数２］で示す表皮深さδの４倍以下に設計することにより、誘導加熱コイル１０の冷却効果を実質的に改善するとともに、製造コストを最小限に抑え、軽量化および薄型化を実現することができる。

実施の形態３．
　図１０～図１２を参照しながら、本願発明に係る誘導加熱コイル１０の実施の形態３について以下詳細に説明する。実施の形態３に係る誘導加熱コイル１０は、概略、積層導電体２０を構成する少なくとも１つの導電層２４の高さＨが他の導電層２４より高くなるように構成されている点を除き、実施の形態１または２の誘導加熱コイル１０と同様の構成を有するので、重複する内容については説明を省略する。

　図１０は、コイル中心に最も近い積層導電体２０の図５と同様の断面図であって、導電層２４に流れる電流が集中する部分にハッチングを付したものである。すなわち図１０は、ハッチングを付した導電層２４の領域において一定値以上の電流が流れることを示すものである。また、図１１は、積層導電体２０を８ターン巻回して構成された誘導加熱コイル１０の図６と同様の断面図であって、各積層導電体２０において電流が集中して流れる部分を示すものである。図１０および図１１に示すように、誘導加熱コイル１０の最も内側に巻回された積層導電体２０においては、電流はコイル軸（コイル中心）に接近した導電層２４に集中して流れる一方、誘導加熱コイル１０の最も外側に巻回された積層導電体２０においては、電流は周縁側に隣接する導電層２４に集中して流れる。

　いずれにしても各積層導電体２０の最も内側または外側に配置された導電層２４において、より多くの電流が流れ、より多くのジュール熱（銅損）が発生する。そこで実施の形態３に係る誘導加熱コイル１０は、図１２（ａ）および図１２（ｂ）に示すように、最も内側に配置された少なくとも１つの導電層２４（およびこれを狭持する絶縁層２５を含む）が、その他の導電層２４より突出して下方に延びるように構成することにより、突出した導電層２４をヒートシンクとして機能させ、誘導加熱コイル１０の下方から当てる冷却風により効率的に冷却することができる。すなわち実施の形態３によれば、発熱量の多い導電層２４を突出させて、その側面にも冷却風を当てることにより、誘導加熱コイル１０の冷却効果を改善しようとするものである。

　具体的には、誘導加熱コイル１０の上側表面において、各導電層２４を一定のレベルに揃え、内側の導電層２４の高さＨ_１を表皮深さδの４倍以下に設定しつつ、その他の導電層２４の高さＨ_０を高さＨ_１より短くすることにより、冷却効果が高く、材料コストを節約して、安価で軽量の誘導加熱コイル１０を実現することができる。高さＨ_０，高さＨ_１の具体的寸法は、所望する冷却効果、材料コストの低減、および軽量化に応じて適宜決定することができる。

　また図１２（ｃ）および図１２（ｄ）に示すように、最も内側および外側に配置された導電層２４（およびこれを狭持する絶縁層２５を含む）が、その他の導電層２４より突出して下方に延びるように構成することにより、突出した導電層２４をヒートシンクとして機能させ、誘導加熱コイル１０の下方から当てる冷却風により効率的に冷却することができる。

　さらに図１２（ｅ）に示すように、最も内側に配置された導電層２４の高さＨ_０が最も長く、より内側に配置された導電層２４に向かって段階的に（徐々に）短くなり、再び外側に配置された導電層２４に向かって段階的に（徐々に）長くなるように構成することにより、電流が集中する部分にのみ導電層２４を形成することにより、誘導加熱コイル１０の冷却効果をより改善するとともに、材料コストをさらに低減し、軽量化を図ることができる。

実施の形態４．
　図１３～図１６を参照しながら、本願発明に係る誘導加熱コイル１０の実施の形態４について以下詳細に説明する。実施の形態４に係る誘導加熱コイル１０は、積層導電体２０を互いに対して間隙３０を設けて巻回する点を除き、実施の形態１～３の誘導加熱コイル１０と同様の構成を有するので、重複する内容については説明を省略する。

　図３に示す誘導加熱コイル１０は積層導電体２０を８ターン巻回したものであるが、図１３に示す誘導加熱コイル１０は１５ターン巻回したものであり、基本的構成は実施の形態１と同じであり、実施の形態１の変形例である。すなわち図１３の誘導加熱コイル１０は、積層導電体２０をコイル軸（Ｚ軸）の周りに沿って渦巻状に巻回して構成されたものであり、内側端子２１および外側端子２２を有する。同様に、トッププレート６の下側表面の温度を測定する温度センサ１７が、誘導加熱コイル１０の中央に配置されている。

　図１４は、実施の形態４に係る誘導加熱コイル１０の平面図である。この誘導加熱コイル１０は、一連の積層導電体２０をコイル軸（Ｚ軸）の周りに沿って渦巻状に巻回して構成された内側加熱部２６と外側加熱部２８とを有し、これらの間に間隙３０が設けられている。また上記実施の形態１～３と同様、誘導加熱コイル１０は内側端子２１および外側端子２２を有し、誘導加熱装置１は、内側加熱部２６と外側加熱部２８との間であって、トッププレート６の下方に、サーミスタや赤外線センサなどの一対の温度センサ１７が設けられている。また図示しないが、内側加熱部２６の中央にも別の温度センサ１７を配置してもよい。複数の温度センサ１７を配設することにより、制御部１８は、温度検出精度を向上させ、誘導加熱装置１としての安全性を高め、駆動部１６が誘導加熱コイル１０に供給する高周波電流を精度よく制御することができる。

　このように構成された誘導加熱コイル１０を含む誘導加熱装置１によれば、鍋Ｋの温度検出精度を改善することができる。また、誘導加熱コイル１０の下方から冷却風を当てるので、内側加熱部２６と外側加熱部２８との間の間隙３０を介して流れる冷却風により、内側加熱部２６と外側加熱部２８を効率よく冷却することができる。また内側加熱部２６と外側加熱部２８との間の間隙３０を設けることにより、誘導加熱コイル１０全体で形成される磁界分布を半径方向において均一化することができ、鍋Ｋを均一に加熱することができる。

　図１５は、実施の形態４に係る誘導加熱装置１の図２と同様の断面図である。図１５に示す誘導加熱コイル１０は、内側加熱部２６と外側加熱部２８との間の間隙３０を流れる冷却風を外側加熱部２８の上側表面に案内する導風部３２を有する。この導風部３２により、冷却風を外側加熱部２８の上側表面に直接供給することができるため、誘導加熱コイル１０の冷却効果を大幅に改善することができる。

　なお、実施の形態４に係る誘導加熱コイル１０を構成する積層導電体２０は、同様に、その高さＨが幅Ｗより短く設計することが好ましい（Ｗ＞Ｈ）。

　択一的には、誘導加熱コイル１０は、一連の積層導電体２０をコイル軸（Ｚ軸）の周りに沿って渦巻状に巻回して構成された内側加熱部２６および中央加熱部２７、ならびに外側加熱部２８を有していてもよい（図１６参照）。これにより誘導加熱コイル１０の冷却機能をさらに改善し、半径方向の磁界分布をより均一化して、鍋Ｋをよりいっそう均一に加熱することができる。なお、間隙はスリットでも類似の効果が得られる。

　同様に、図１６に示す誘導加熱コイル１０を構成する積層導電体２０は、その高さＨが幅Ｗより短くなるように設計し（Ｗ＞Ｈ）、内側コイル２６と外側コイル２８の高さを異なる構成にしてもよい。こうして、誘導加熱コイル１０の冷却効果が改善された、安価で軽い誘導加熱コイル１０を実現することができる。

実施の形態５．
　図１７を参照しながら、本願発明に係る誘導加熱コイル１０の実施の形態５について以下詳細に説明する。実施の形態４に係る誘導加熱コイル１０は、同心円状に渦巻状に巻回された内側加熱部２６および外側加熱部２８等の複数の加熱部から構成されるものであったが、実施の形態５に係る誘導加熱コイル１０は、同心円状に巻回されない複数の加熱コイルを用いて構成される点を除き、実施の形態１～４の誘導加熱コイル１０と同様の構成を有するので、重複する内容については説明を省略する。

　図１７は、実施の形態５に係る誘導加熱装置１の図３と同様の平面図である。実施の形態５に係る誘導加熱装置１は、単一の中央加熱コイル４０と、４つの周辺加熱コイル４２ａ～４２ｄとを有する。中央加熱コイル４０および各周辺加熱コイル４２ａ～４２ｄはそれぞれ一対の入出力端子２１，２２を有する。また誘導加熱装置１は、中央加熱コイル４０と周辺加熱コイル４２ａ～４２ｄとの間であって、トッププレート６の下方には一対の温度センサ１７が配設されている。また図示しないが、中央加熱コイル４０の中央にも別の温度センサ１７を配置してもよい。複数の温度センサ１７を配設することにより、制御部１８は、温度検出精度を向上させ、誘導加熱装置１としての安全性を高め、駆動部１６が中央加熱コイル４０および各周辺加熱コイル４２ａ～４２ｄに供給する高周波電流を精度よく制御することができる。なお、中央加熱コイル４０と各周辺加熱コイル４２ａ～４２ｄの形状は同心円以外の形状であればよく、各周辺加熱コイル４２ａ～４２ｄが扇形や三角形状の形状を有するものであっても、同様の効果が得られる。

　実施の形態５に係る中央加熱コイル４０と各周辺加熱コイル４２ａ～４２ｄとの間には、実施の形態４と同様、間隙３０が設けられている。このように構成された中央加熱コイル４０と各周辺加熱コイル４２ａ～４２ｄを含む誘導加熱装置１によれば、これらの加熱コイル４０，４２ａ～４２ｄの下方から冷却風を当てるので、中央加熱コイル４０と各周辺加熱コイル４２ａ～４２ｄとの間の間隙３０を介して流れる冷却風により、これらを効率よく冷却することができる。また中央加熱コイル４０と各周辺加熱コイル４２ａ～４２ｄとの間の間隙３０を設けることにより、誘導加熱コイル１０全体で形成される磁界分布を半径方向において均一化することができ、鍋Ｋを均一に加熱することができる。

　また実施の形態５によれば、誘導加熱装置１の駆動部１６は、中央加熱コイル４０および各周辺加熱コイル４２ａ～４２ｄに高周波電流を供給するものであってもよいし、対向する周辺加熱コイル４２ａ，４２ｃおよび周辺加熱コイル４２ｂ，４２ｄを直列または並列に接続して、中央加熱コイル４０、周辺加熱コイル４２ａ，４２ｃ、および周辺加熱コイル４２ｂ，４２ｄに高周波電流を供給するものであってもよい。これにより加熱領域を部分的に変更することができる。たとえば、各周辺加熱コイル４２ａ～４２ｄに供給する高周波電流を、中央加熱コイル４０に供給する高周波電流より大きくして、フライパンの鍋肌（鍋側面）を強く加熱し、鍋底との温度差を少なくすることができる。逆に、制御部１８は、中央加熱コイル４０および各周辺加熱コイル４２ａ～４２ｄからの加熱を一定に維持するように、それぞれに供給する高周波電流を調整するように駆動部１６を制御することもできる。

　なお、実施の形態５に係る中央加熱コイル４０および各周辺加熱コイル４２ａ～４２ｄを構成する積層導電体２０は、同様に、その高さＨが幅Ｗより短く設計することが好ましい（Ｗ＞Ｈ）。各周辺加熱コイル４２ａ～４２ｄを構成する積層導電体２０の高さＨ_Ｐと、中央加熱コイル４０を構成する積層導電体２０の高さＨ_Ｃは異なる長さになるように構成してもよい。これにより、実施の形態３と同様、材料コストを低減し、軽量化を図ることができる。

１…誘導加熱装置、５…ハウジング、６…トッププレート、７…誘導加熱部、８…操作部、１０…誘導加熱コイル、１２…フェライト部材（高透磁率部材）、１４…コイル台、１６…駆動部（インバータ回路）、１８…制御部（コントローラ）、１７…温度センサ、２０…積層導電体、２１…内側端子、２２…外側端子、２４…導電層、２５…絶縁層、２６…内側加熱部、２７…中央加熱部、２８…外側加熱部、３０…間隙、４０…中央加熱コイル、４２…周辺加熱コイル、Ｋ…鍋。

Claims

　長尺状の積層導電体をコイル軸の周りに沿って渦巻状に巻回してなる誘導加熱コイルであって、
　前記積層導電体は、前記積層導電体の長尺方向に延びる複数の導電体が積層された導電層と、複数の導電層の間に形成された絶縁層とから構成され、
　前記各導電体は、前記積層導電層の両端において、電気的に並列に接続され、
　前記積層導電体は、前記複数の導電体が積層された方向が前記コイル軸に対して垂直となるように巻回され、
　前記積層導電体の前記コイル軸に垂直な方向の幅（Ｗ）が、前記コイル軸に平行な方向の高さ（Ｈ）より長いことを特徴とする誘導加熱コイル。
　前記積層導電体の前記コイル軸に平行な方向の高さ（Ｈ）が次式で定まる表皮深さ（δ）の４倍以下となることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱コイル。

上式において、ρは前記導電層の電気抵抗、ｆは前記高周波電圧の周波数、μは前記導電層の透磁率、σは前記導電層の導電率である。
　前記積層導電体の前記各導電層の前記コイル軸に垂直な方向の幅（Ｗ_０）は、前記コイル軸に平行な方向の高さ（Ｈ）の２０分の１以上、３分の１以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の誘導加熱コイル。
　前記積層導電体は、半径方向の最も内側に配置される少なくとも１つの前記導電層が、前記コイル軸に平行な方向の高さ（Ｈ）において、他の前記導電層より長く突出するように形成されていることを特徴とする請求項１～３のいずれか１に記載の誘導加熱コイル。
　前記積層導電体は、半径方向の最も外側に配置される少なくとも１つの前記導電層が、前記コイル軸に平行な方向の高さ（Ｈ）において、他の前記導電層より長く突出するように形成されていることを特徴とする請求項１～３のいずれか１に記載の誘導加熱コイル。
　前記積層導電体は、半径方向の最も外側に配置される少なくとも１つの前記導電層が、前記コイル軸に平行な方向の高さ（Ｈ）において、半径方向の最も内側に配置される高さの異なる導電層を除く他の前記導電層より長く突出するように形成されていることを特徴とする請求項４に記載の誘導加熱コイル。
　前記積層導電体は、前記各導電層の前記コイル軸に平行な方向の高さ（Ｈ）が、半径方向の内側に配置された前記導電層より中央に配置された前記導電層に向かって徐々に短くなり、中央に配置された前記導電層より外側に配置された前記導電層に向かって徐々に長くなるように形成されていることを特徴とする請求項１～６のいずれか１に記載の誘導加熱コイル。
　一連の前記積層導電体を前記コイル軸の周りに沿って渦巻状に巻回してなる内側誘導加熱部および外側誘導加熱部を有し、
　前記内側誘導加熱部および前記外側誘導加熱部の間には間隙が設けられていることを特徴とする請求項１～７のいずれか１に記載の誘導加熱コイル。
　前記内側誘導加熱部および前記外側誘導加熱部の間の間隙には、外側加熱部の上側表面に冷却風を案内する導風部を有することを特徴とする請求項８に記載の誘導加熱コイル。
　前記内側誘導加熱部を構成する前記積層導電体の前記コイル軸に平行な方向の高さ（Ｈ_１）と、前記外側誘導加熱部を構成する前記積層導電体の高さ（Ｈ_２）とが異なるように構成されたことを特徴とする請求項９に記載の誘導加熱コイル。
　中央誘導加熱コイルおよび複数の周辺誘導加熱コイルを有する誘導加熱装置であって、
　中央誘導加熱コイルおよび各周辺誘導加熱コイルは、積層導電体をそれぞれのコイル軸の周りに沿って巻回してなり、
　積層導電体は、前記各コイル軸にほぼ平行な方向に延びる複数の導電層と、前記各導電層を狭む複数の絶縁層とを有し、
　前記各導電層は、前記積層導電体の内側端子および外側端子において並列に接続され、前記内側端子および前記外側端子に高周波電圧が印加されたとき高周波磁場を形成し、
　前記積層導電体の前記コイル軸に垂直な方向の幅（Ｗ）が前記コイル軸に平行な方向の高さ（Ｈ）より長いことを特徴とする誘導加熱コイル。
　前記中央誘導加熱コイルを構成する前記積層導電体の前記コイル軸に平行な方向の高さ（Ｈ_Ｃ）と、前記各周辺誘導加熱コイルを構成する前記積層導電体の高さ（Ｈ_Ｐ）とが異なるように構成されたことを特徴とする請求項１１に記載の誘導加熱コイル。
　請求項１～１２のいずれか１に記載の誘導加熱コイルを用いた誘導加熱装置。