JP2009117200A - 誘導加熱装置 - Google Patents

Abstract

【課題】機器使用時の不快音がなく、かつ回路損失も少なく、効率的で使い勝手のよい誘導加熱装置を提供することを目的とする。
【解決手段】切替え手段４、１４は加熱コイル３、１３の一方のみに電力を供給する際には直流電源１の一端にそれぞれ接続し、加熱コイル３、１３に同時に電力を供給する際には加熱コイル３、１３と共振コンデンサ２、１２が直列回路を形成するように接続するものである。これにより、同じ負荷を加熱コイル３、１３が単独で加熱する際と、同時に一つの負荷を加熱する際には、回路方式を切替え、互いの動作周波数の差により生じる干渉音がない状態で加熱ができ、回路損失も少なくすることができる。よって、干渉音や冷却ファンの風量を少なく、負荷に適した最適な加熱構成を実現でき、効率的で使い勝手がよい。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波磁界による誘導加熱を利用して鍋などの負荷の加熱を行う誘導加熱装置に関するものである。

従来、この種の誘導加熱装置についてはよく知られているところである（例えば、特許文献１参照）。
特開平５−１１４４７４号公報

しかしながら、前記従来の誘導加熱装置においては、例えば、外径の大きな鍋を、複数の加熱コイルを用いて同時に加熱する際、それぞれの加熱コイルが独立に動作すると、それぞれの加熱コイルに供給される電流の周波数が異なる場合は、お互いの加熱コイルに流れる電流の周波数の差が機器使用者に聞こえることになり、不快に感じることになる。また、複数の加熱コイルを用いる場合に、一方の加熱コイルのみで高出力を得ようとすると、半導体スイッチの損失が大きくなり、冷却設計が困難なる課題が生じることになる。

一方、外径の大きな鍋にあわせた加熱コイルを単独で用いると、外径の小さい鍋を加熱する際には加熱コイルの外径の方が大きくなり、効率のよい加熱ができなくなる。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、機器使用時の不快音がなく、かつ回路損失も少なく、効率的で使い勝手のよい誘導加熱装置を提供することを目的とするものである。

前記従来の課題を解決するために、本発明の誘導加熱装置は、直流電源と、前記直流電源に並列に接続された第１および第２の半導体スイッチの直列体と、一端を前記第１および第２の半導体スイッチの直列体における中点に接続した第１の加熱コイルと第１の共振コンデンサと第１の切替え手段の直列回路と、前記直流電源に並列に接続される第３および第４の半導体スイッチの直列体と、一端を前記第３および第４の半導体スイッチの直列体における中点に接続した第２の加熱コイルと第２の共振コンデンサと第２の切替え手段の直列回路とを備えている。そして、前記第１および第２の切替え手段は前記第１および第２の加熱コイルの一方のみに電力を供給する際には前記直流電源の一端にそれぞれ接続し、前記第１および第２の加熱コイルに同時に電力を供給する際には前記第１および第２の加熱コイルと第１および第２の共振コンデンサが直列回路を形成するように接続するものである。

これにより、同じ負荷を第１および第２の加熱コイルが単独で加熱する際にはそれぞれが独立したハーフブリッジ回路として動作させることができるとともに、第１および第２の加熱コイルで同時に一つの負荷を加熱する際には、第１および第２の加熱コイルおよび第１および第２の共振コンデンサが直列接続されフルブリッジ回路として動作する。したがって、第１および第２の加熱コイルには同じ電流が流れるため、互いの動作周波数の差により生じる干渉音がない状態で加熱ができ、回路損失も少なくすることができるため、干渉音や冷却ファンの風量を少なくすることができ、かつ負荷に適した最適な加熱構成を実現でき、効率的で使い勝手のよいものとすることができる。

本発明の誘導加熱装置は、鍋などの負荷の形状などに応じ、使用する加熱コイルを選択することができ、加熱コイルを同時に使用する際には不快音がなく、さらに高火力時には回路方式を切替えることで回路損失も少なく、効率的で使い勝手のよいものとすることができる。

第１の発明は、直流電源と、前記直流電源に並列に接続された第１および第２の半導体スイッチの直列体と、一端を前記第１および第２の半導体スイッチの直列体における中点に接続した第１の加熱コイルと第１の共振コンデンサと第１の切替え手段の直列回路と、前記直流電源に並列に接続される第３および第４の半導体スイッチの直列体と、一端を前記第３および第４の半導体スイッチの直列体における中点に接続した第２の加熱コイルと第２の共振コンデンサと第２の切替え手段の直列回路とを備えている。そして、前記第１および第２の切替え手段は前記第１および第２の加熱コイルの一方のみに電力を供給する際には前記直流電源の一端にそれぞれ接続し、前記第１および第２の加熱コイルに同時に電力を供給する際には前記第１および第２の加熱コイルと第１および第２の共振コンデンサが直列回路を形成するように接続するものである。

これにより、同じ負荷を第１および第２の加熱コイルが単独で加熱する際にはそれぞれが独立したハーフブリッジ回路として動作させることができるとともに、第１および第２の加熱コイルで同時に一つの負荷を加熱する際には、第１および第２の加熱コイルおよび第１および第２の共振コンデンサが直列接続されフルブリッジ回路として動作する。したがって、第１および第２の加熱コイルには同じ電流が流れるため、互いの動作周波数の差により生じる干渉音がない状態で加熱ができ、回路損失も少なくすることができるため、干渉音や冷却ファンの風量を少なくすることができ、かつ負荷に適した最適な加熱構成を実現でき、効率的で使い勝手のよいものとすることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、第１および第２の切替え手段は、電磁開閉器を用いることにより、安価に回路方式の切替えが実現できる。

第３の発明は、特に、第１の発明において、第１および第２の切替え手段は、半導体スイッチを用いることにより、切替えの際の耐久性を格段に上げることができため、信頼性の高いものとすることができる。

第４の発明は、特に、第１〜第３のいずれか１つの発明において、第１および第２の半導体スイッチの少なくとも一方および第３および第４の半導体スイッチの少なくとも一方の半導体スイッチに並列にコンデンサを接続することにより、半導体スイッチの損失を少なくし、かつスイッチング動作時のノイズを少なくすることができるため、効率がよくノイズの少ないものとすることができる。

第５の発明は、特に、第１〜第４のいずれか１つの発明において、第１および第２の加熱コイルは同一負荷を加熱すべく同心円状に配置し、第１の加熱コイルの外径を第２の加熱コイルの内径より小さくすることにより、一つの負荷を分布よく加熱することができるため、調理性能に優れたものとすることができる。

第６の発明は、特に、第１〜第４のいずれか１つの発明において、第１および第２の加熱コイルは同一負荷を加熱すべく同心平面上に並列して配置することにより、加熱コイルを一つの台上に配置することができるとともに、加熱コイル裏面に配置するフェライトなどの防磁部品を共有化することができるため、安価の構成を実現することができる。

第７の発明は、特に、第１〜第６のいずれか１つの発明において、第１および第２の切替え手段が第１および第２の加熱コイルを含む直列回路を直流電源の一端に接続する場合より、第１および第２の切替え手段が第１および第２の加熱コイルを含む直列回路を直列に接続する場合の方が発生電力量を大きくすることにより、高出力時は加熱コイルのインダクタンスを大きくとることができるため、少ない電流で加熱に必要な磁界を得ることができ、回路損失が少ない効率のよいものとすることができる。

第８の発明は、特に、第１〜第７のいずれか１つの発明において、第１および第２の切替え手段を動作させる際に、一定時間加熱を停止させることにより、第１および第２の共振コンデンサに貯まった電荷がない状態で切替え手段を切替えることができるため、過電流が切替え手段に発生せず、信頼性の高いものとすることができる。

第９の発明は、特に、第１〜第８のいずれか１つの発明において、負荷の外径を検知する負荷検知手段を備え、外径が所定値より大きい場合に、第１および第２の切替え手段は第１および第２の加熱コイルを含む直列回路を直列に接続することにより、鍋などの負荷の外径が大きい場合は加熱コイルの形状を大きくし、かつ加熱最大電力を大きくし、負荷の外径が小さい場合には加熱コイルの形状を小さくしかつ加熱最大電力を小さくすることができ、鍋の形状に適した加熱を行うことができるため、調理性能のよいものとすることができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。

（実施の形態）
図は、本発明の実施の形態における誘導加熱装置を示している。

図１に示すように、本実施の形態における誘導加熱装置は、直流電源１と、直流電源１に並列に接続された第１および第２の半導体スイッチ５、６の直列体と、一端を第１および第２の半導体スイッチ５、６の直列体における中点に接続した第１の加熱コイル３と第１の共振コンデンサ２と第１の切替え手段４の直列回路と、直流電源１に並列に接続される第３および第４の半導体スイッチ１５、１６の直列体と、一端を第３および第４の半導体スイッチ１５、１６の直列体における中点に接続した第２の加熱コイル１３と第２の共振コンデンサ１２と第２の切替え手段１４の直列回路とを備えている。

第１〜第４の半導体スイッチ５、６、１５、１６は、制御手段８により、第１の加熱コイル３および第２の加熱コイル１３に磁気的に結合した鍋などの負荷に所定の電力が供給できるように導通時間および動作周波数を制御される。

本実施の形態では、第１の切替え手段４および第２の切替え手段１４は、リレーなどの電磁開閉器で構成しており、第１の切替え手段４を例にとると、第１の切替え手段４であるリレーの固定端は第１の加熱コイル３と第１の共振コンデンサ２との直列回路の一端に接続され、可動端は直流電源１の一端もしくは第２加熱コイル１３と第２の共振コンデンサ１２との直列回路の一端に接続される。つまり、第１および第２の切替え手段４、１４は第１および第２の加熱コイル３、１３の一方のみに電力を供給する際には直流電源１の一端にそれぞれ接続し、第１および第２の加熱コイル３、１３に同時に電力を供給する際には第１および第２の加熱コイル３、１３と第１および第２の共振コンデンサ２、１２が直列回路を形成するように接続するようにしている。

なお、第１〜第４の半導体スイッチ５、６、１５、１６は、通常、ＩＧＢＴやＦＥＴなどの順方向の電流を制御する半導体スイッチと半導体スイッチに対して逆向きの電流を流す逆素子ダイオードとの並列回路で構成されるが、この構成に限定するものではない。

また、第１および第２の半導体スイッチ５、６の少なくとも一方と、第３および第４の半導体スイッチ１５、１６の少なくとも一方に、それぞれ第１のスナバコンデンサ７および第２のスナバコンデンサ１７を並列に接続することで、第１〜第４の半導体スイッチ５、６、１５、１６がオフ状態になった際の電圧の立ち上がりを緩やかにすることができるため、ターンオフ時のスイッチング損失を少なくすることができるとともに、半導体スイッチから発生するノイズも低く抑えることができる。

ここで、第１および第２の加熱コイル３、１３が同一の鍋などの負荷を加熱する際に、一方の加熱コイルのみもしくは交互に加熱コイルに電力を供給して加熱を行う際には、第１および第２の切替え手段４、１４は、直流電源１の一端に第１の加熱コイル３と第１の共振コンデンサ２の直列回路および第２の加熱コイル１３と第２の共振コンデンサ１２の直列回路を接続することで、個々の加熱コイルを通して鍋などの負荷に必要な電力を供給する。この際、所定の電力を得るために、制御手段８は第１および第２の半導体スイッチ５、６の駆動周波数と、第３および第４の半導体スイッチ１５、１６の駆動周波数を独立して可変させることで、それぞれの加熱コイルに必要とされる電力を発生させることになる。

一方、第１および第２の加熱コイル３、１３が同時に同一の負荷を加熱する際には、第１および第２の切替え手段４、１４は、第１の加熱コイル３と第１の共振コンデンサ２の直列回路と、第２の加熱コイル１３と第２の共振コンデンサ１２の直列回路が互いに直列接続するように切替えることで、第１〜第４の半導体スイッチ５、６、１５、１６の中点間に双方の加熱コイル３、１３と第１および第２の共振コンデンサ２、１２が接続されるため、フルブリッジ回路を構成することになる。この際、所定の電力を得るために、制御手段８は第１〜第４の半導体スイッチ５、６、１５、１６を、交互に動作させることになり、第１の加熱コイル３と第２の加熱コイル１３には同一の電流が流れることになる。なお、この場合に鍋などの負荷上の電力分布は第１および第２の加熱コイル３、１３の形状、巻数などの比に依存することになる。

また、図２に示すように、第１および第２の加熱コイル３、１３は同心円状の配置することで、負荷に対して均等に加熱分布を得ることができる。さらに同一平面上に並列して配置することで加熱コイルを一つの台上に配置することができるとともに、加熱コイル裏面に配置するフェライトなどの防磁部品を共有化することができる。

さらに、第１の加熱コイル３と第２の加熱コイル１３が直列につながった場合には、フルブリッジ回路で動作するため、加熱コイルのインダクタンスが大きくても加熱コイルには２倍の電圧がかかり、加熱コイル３または１３を単独で加熱するハーフブリッジ回路の場合よりも発生電力を大きくとることができる。その結果、少ない電流で発生磁界を多くとることができ、回路損失を少なくすることができる。よって、大電力が必要な場合は第１の加熱コイル３と第２の加熱コイル１３を直列に配置する構成をとることにより少ない冷却風で回路を冷却することが可能となり、運転音の静かな誘導加熱装置を提供することができる。

また、鍋などの負荷の外径が小さい場合は、内側の加熱コイル（図２では第１の加熱コイル３）単独で加熱を行い、負荷の外径が大きくなった場合には内側の加熱コイル（図２では第１の加熱コイル３）と外側の加熱コイル（図２では第２の加熱コイル１３）を直列に構成することで、鍋の形状のあわせた最適な加熱構成を実現できるものである。同じ負荷を第１および第２の加熱コイル３、１３が単独で加熱する際にはそれぞれが独立したハーフブリッジ回路として動作させることができる。

これにより、第１および第２の加熱コイル３、１３には同じ電流が流れるため、互いの動作周波数の差により生じる干渉音がない状態で加熱ができ、回路損失も少なくすることができるため、干渉音や冷却ファンの風量を少なくすることができ、かつ負荷に適した最適な加熱構成を実現でき、効率的で使い勝手のよいものとすることができる。

なお、本実施の形態では、鍋の外径を検知する負荷検知手段（図示せず）を備えているものであり、その検知方法としては、加熱コイルからの漏洩磁界をピックアップコイルで検出する方法、鍋を載積するトッププレート上の温度分布を検出する方法、あるいは加熱コイルに流れる電流と発生電圧の関係から推定する方法などあるが特に限定するものではない。

さらに、第１および第２の切替え手段４、１４としてリレーを用いる場合は、特にリレーが切り替わる動作に際しては、鍋などの負荷へ電力供給を一定時間停止した後、加熱を行うようにすることがリレーの信頼性を高める点からも望ましい。

また、図３に第１および第２の切替え手段４、１４にリレーを用いず半導体スイッチを用いた場合の構成を示す。第１の半導体切替え手段１８は第１の加熱コイル３と第１の共振コンデンサ２の直列回路が直流電源１の一端と接続するか否かに用い、第２の半導体切替え手段１９は第２の加熱コイル１３と第２の共振コンデンサ１２の直列回路が直流電源１の一端と接続するか否かに用い、さらに第３の半導体切替え手段２０は第１の加熱コイル３と第１の共振コンデンサ２の直列回路と第２の加熱コイル１３と第２の共振コンデンサ１２の直列回路を接続するかに用いられる。このように半導体の切替え手段を用いることで、機械的接点の切替え手段に比べ、使用回数に対する耐久性が向上するため信頼性を向上することができる。

なお、第１および第２の切替え手段４、１４、および第１〜第３の半導体切替え手段１８〜２０は制御手段８に指令に基づき切替え動作を行うものである。

以上のように、本実施の形態によれば、第１の切替え手段４と第２の切替え手段１４に切替え方法により、同一の負荷を第１の加熱コイル３および第２の加熱コイル１３が単独で加熱する際にはそれぞれが独立したハーフブリッジ回路として動作させ、第１および第２の加熱コイル３、１３で同時に同一の負荷を加熱する際には、第１および第２の加熱コイル３、１３、および第１および第２の共振コンデンサ２、１２が直列接続され、第１〜第４の半導体スイッチ５、６、１５、１６がフルブリッジ回路として動作する。したがって、第１および第２の加熱コイル３、１３には同じ電流が流れるため、互いの動作周波数の差により生じる干渉音がない状態で加熱ができ、回路損失も少なくすることができるため、干渉音や冷却ファンの風量を少なくすることができ、かつ負荷に適した最適な加熱構成を実現でき、効率的で使い勝手のよいものとすることができる。

以上のように、本発明にかかる誘導加熱装置は、鍋などの負荷の形状などに応じ、使用する加熱コイルを選択することができ、加熱コイルを同時に使用する際には不快音がなく、さらに高火力時には回路方式を切替えることで回路損失も少なく、効率的で使い勝手のよいものとすることができるので、誘導加熱調理器など誘導加熱装置全般に適用することができる。

本発明の実施の形態における誘導加熱装置の回路構成図 （ａ）同誘導加熱装置の加熱コイルの斜視図（ｂ）加熱コイルの側断面図 同誘導加熱装置の変形例を示す回路構成図

符号の説明

１ 直流電源
２ 第１の共振コンデンサ
３ 第１の加熱コイル
４ 第１の切替え手段
５ 第１の半導体スイッチ
６ 第２の半導体スイッチ
７ 第１のスナバコンデンサ
８ 制御手段
１２ 第２の共振コンデンサ
１３ 第２の加熱コイル
１４ 第２の切替え手段
１５ 第３の半導体スイッチ
１６ 第４の半導体スイッチ
１７ 第２のスナバコンデンサ
１８ 第１の半導体切替え手段
１９ 第２の半導体切替え手段
２０ 第３の半導体切替え手段

Claims (9)

1. 直流電源と、前記直流電源に並列に接続された第１および第２の半導体スイッチの直列体と、一端を前記第１および第２の半導体スイッチの直列体における中点に接続した第１の加熱コイルと第１の共振コンデンサと第１の切替え手段の直列回路と、前記直流電源に並列に接続される第３および第４の半導体スイッチの直列体と、一端を前記第３および第４の半導体スイッチの直列体における中点に接続した第２の加熱コイルと第２の共振コンデンサと第２の切替え手段の直列回路とを備え、前記第１および第２の切替え手段は前記第１および第２の加熱コイルの一方のみに電力を供給する際には前記直流電源の一端にそれぞれ接続し、前記第１および第２の加熱コイルに同時に電力を供給する際には前記第１および第２の加熱コイルと第１および第２の共振コンデンサが直列回路を形成するように接続する誘導加熱装置。
2. 第１および第２の切替え手段は、電磁開閉器を用いる請求項１に記載の誘導加熱装置。
3. 第１および第２の切替え手段は、半導体スイッチを用いる請求項１に記載の誘導加熱装置。
4. 第１および第２の半導体スイッチの少なくとも一方および第３および第４の半導体スイッチの少なくとも一方の半導体スイッチに並列にコンデンサを接続する請求項１〜３のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
5. 第１および第２の加熱コイルは同一負荷を加熱すべく同心円状に配置し、第１の加熱コイルの外径を第２の加熱コイルの内径より小さくする請求項１〜４のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
6. 第１および第２の加熱コイルは同一負荷を加熱すべく同心平面上に並列して配置する請求項１〜４のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
7. 第１および第２の切替え手段が第１および第２の加熱コイルを含む直列回路を直流電源の一端に接続する場合より、第１および第２の切替え手段が第１および第２の加熱コイルを含む直列回路を直列に接続する場合の方が発生電力量を大きくする請求項１〜６のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
8. 第１および第２の切替え手段を動作させる際に、一定時間加熱を停止させる請求項１〜７のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
9. 負荷の外径を検知する負荷検知手段を備え、外径が所定値より大きい場合に、第１および第２の切替え手段は第１および第２の加熱コイルを含む直列回路を直列に接続する請求項１〜８のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。

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