JP2020077476A - 誘導加熱調理器 - Google Patents

Abstract

【課題】多層構造の被加熱物を安全に加熱する誘導加熱調理器を提供する。【解決手段】加熱コイル５と、加熱コイル５の上面を覆い被加熱物を載せるトッププレート２と、加熱コイル５に電力を供給するスイッチング素子を備えたインバータ回路１１４と、加熱コイル５の電流を検出するコイル電流検出回路１１７と、コイル電流検出回路１１７の検出値に応じて前記スイッチング素子の駆動周波数を制御する制御手段１１９とを備え、制御手段１１９は、被加熱物の加熱中にコイル電流検出回路１１７が検出した電流値において、所定の電流値と所定の電流値の前または後の少なくとも一方で検出した電流値との差が閾値以上の場合に、スイッチング素子の駆動周波数を変更して電力を下げる、または加熱コイルへの電流の供給を停止するものである。【選択図】図５

Description

本発明は、誘導加熱調理器に関するものである。

誘導加熱調理器は、高周波電流を流す加熱コイルの近傍に配した金属負荷（鍋）に渦電流を発生させ、そのジュール熱によって金属負荷自体が発熱することで、被調理物を効率よく加熱するものである。近年、安全性や温度制御性に優れた点によって、ガスコンロや電熱ヒータによる調理器具から誘導加熱調理器への置き換えが進んでいる。

金属負荷を加熱するための誘導加熱調理器の制御としては、特許文献１に示されているように、加熱コイルに高周波電流を流すインバータ電源に、共振型インバータ回路が使用されている。

加熱原理は、金属負荷を含めた加熱コイルのインダクタンスと、共振コンデンサを接続し、スイッチング素子を２０ｋＨｚ以上の周波数で動作し、スイッチング素子の駆動周波数を変化させることにより加熱コイルに流す電流を変化させるものである。また、前述したインダクタンスと共振コンデンサで決まる共振周波数に近い駆動周波数で動作させると大きな電力が投入でき、駆動周波数を高くしていくに従って低い電力を設定できるという特徴がある。さらに、駆動周波数を固定したままスイッチング素子のオンオフデューティ比を略５０％から変化させることによって、低い電力を設定する方式も可能である。

前述の制御は、金属負荷の位置や材質に応じて動作する。例えば、調理中に使用者が金属負荷である鍋やフライパンを動かして鍋位置表示部より遠ざけた場合、等価インダクタンスが増加し等価抵抗は減少する。そして、等価インダクタンスが増加するため、共振周波数が下がることで電力が低下する。誘導加熱調理器は設定された火力（電力）を維持するために、共振周波数の低下に追従してインバータ駆動周波数を下げて、大きな電流を流すことで設定した電力を維持しようとする。また、遠ざけた鍋を近づけた場合は反対の制御が働き電力を維持しようとする。この制御は、金属負荷の材質が違う場合でも、同様の制御が行われる。

特開２０１１−２８９２７号公報

金属負荷である鍋には多くの種類がある。一例として、複数の金属を幾層にも重ね合わせ、重ね合わせた金属の中間層に磁性体の金属が存在する鍋を考える。この鍋に特許文献１の制御方法を適用した場合、中間層にある磁性体の金属のみが加熱コイルで加熱される。これにより、鍋底の温度を検出している温度センサの検出温度と、加熱される磁性体の金属部の温度との間に、温度差が発生する。よって、温度センサの検出温度に基づいて鍋を加熱した場合は、中間層の磁性体の金属が過度に加熱される場合がある。そして、金属の温度がキュリー温度を超えて磁気飽和が発生した場合、磁性飽和を起こした金属負荷と加熱コイルからみた等価回路は、等価インダクタンスが小さくなり、共振周波数が高くなり駆動周波数に近づく。また、同時に等価抵抗も小さくなるため、回路に急激な過電流が流れることが考えられる。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、加熱コイルと、該加熱コイルの上面を覆い被加熱物を載せるトッププレートと、前記加熱コイルに電力を供給するスイッチング素子を備えたインバータ回路と、前記加熱コイルの電流を検出するコイル電流検出回路と、該コイル電流検出回路の検出値に応じて前記スイッチング素子の駆動周波数を制御する制御手段と、を備え、該制御手段は、被加熱物の加熱中に前記コイル電流検出回路が検出した電流値において、所定の電流値と前記所定の電流値の前または後の少なくとも一方で検出した電流値との差が閾値以上の場合に、前記スイッチング素子の駆動周波数を変更して電力を下げる、または前記加熱コイルへの電流の供給を停止するものである。

本発明によれば、多層構造の被加熱物を安全に加熱する誘導加熱調理器を提供することができる。

本発明に係る誘導加熱調理器をシステムキッチンに組み込んだ状態の斜視図である。 本発明に係る誘導加熱調理器の斜視図である。 本発明に係る誘導加熱調理器の前面操作部の説明図である。 本発明に係る誘導加熱調理器の上面操作部の説明図である。 本発明に係る誘導加熱調理器のインバータ手段の説明用の回路構成図である。 図５のインバータ手段のインバータ動作周波数に対するコイル電流の特性を示す説明図である。 通常通電時の高周波成分を除去し全波整流したコイル電流波形である。 磁気飽和時の高周波成分を除去し全波整流したコイル電流波形である。 コイル電流波形の１周期を拡大した図である。 磁気飽和検出処理のフローチャートである。 磁気飽和判定処理および磁気飽和と判定された場合の処理に関する図である。

以下、図面等を用いて、本発明の実施例について説明する。以下の説明は本発明の内容の具体例を示すものであり、本発明がこれらの説明に限定されるものではない。本明細書に開示される技術的思想の範囲内において当業者による様々な変更および修正が可能であり、下記の実施例の構成を適宜組み合わせることも当初から予定している。また、本発明を説明するための全図において、同一の機能を有するものは、同一の符号を付け、その繰り返しの説明は省略する場合がある。

図１は、本発明に係る誘導加熱調理器をシステムキッチンに組み込んだ状態の斜視図である。図２は、本発明に係る誘導加熱調理器の斜視図である。図１は後述する前面操作部１０が開いている状態を示しており、図２は前面操作部１０が閉じている状態を示している。

誘導加熱調理器の本体１の上面には、トッププレート２が配置されている。トッププレート２には、耐熱性の高い素材、例えば、結晶化ガラス等が用いられ、その上面には鍋等の被加熱物が載置される。なお、本実施例のトッププレート２は結晶化ガラスを例に説明するが、耐熱性に優れ誘導加熱調理器の仕様を満たすガラスであればこれに限らず、例えばホウケイ酸ガラスを使用しても良い。

トッププレート２の端部を覆うようにトッププレート枠３が設けられ、トッププレート２とトッププレート枠３との間にはシール材が充填されている。これにより、トッププレート枠３はトッププレート２に固着されている。そして、トッププレート２の上に液体がこぼれても、シール材により本体１内部への水の浸入が防止され、水密構造が実現される。

トッププレート２の上面には、鍋等の被調理物の載置場所を表示している鍋位置表示部４が設けられている。

トッププレート２に略水平になるように、鍋位置表示部４の下方の本体１内には加熱コイル５が設けられており、加熱コイル５に高周波電流を印加して高周波磁界を発生させることで、トッププレート２に載置された鍋等の被調理物を誘導加熱する。

本体１の前面には電源切／入スイッチ１１が設けられ、本体１の主電源の入切を行う。

加熱コイル５の下方で本体１の左側または右側（本実施例では左側）の本体１前面部には、グリル加熱手段６が設けられている。グリル加熱手段６は矩形状の箱体で構成されており、グリル加熱手段６の内部に入れられた被調理物を加熱するシーズヒータ等の加熱手段を有している。

グリル加熱手段６の前面には扉７が設けられており、扉７には取っ手７ａが設けられている。グリル加熱手段６の内部には、扉７に伴って出し入れ可能な受け皿（図示せず）が収納されている。

トッププレート枠３の後枠部には開口部があり、開口部には吸気部８が設けられている。そして、吸気部８を介して、後記するインバータ回路や加熱コイル５等を冷却するための空気を本体１の内部に吸気する。また、トッププレート枠３の後枠部にある開口部には、排気部９が設けられている。そして、排気部９を介して、インバータ回路や加熱コイル５等を冷却した空気やグリル加熱手段６からの排煙を本体１の外部に排気する。さらに、トッププレート２上にこぼした液体が開口部から吸気部８や排気部９内に落下しても、本体１内部のインバータ回路等に浸入しない内部構成となっている。

グリル加熱手段６の隣であって本体１の前面右側には、開閉収納式の前面操作部１０が設けられている。前面操作部１０は、主にグリル加熱手段６を操作するものである。また、前面操作部１０が閉じているときに上部を本体１側に押すことにより、ロック装置（図示せず）が解除され、前面操作部１０の上部がバネと制御装置（図示せず）により前面側にゆっくりと回動して飛び出すようになっている。一方、前面操作部１０を閉じるときは、前面操作部１０の上部を本体１側に向かって押し込むことにより、本体１に収納され、ロック装置により保持される構成となっている。

前面操作部１０の前面操作キー１０ａは、グリル加熱手段６のシーズヒータを入切する等の操作を行い、前面操作キー１０ａで操作した内容は前面表示部１０ｂを介して使用者に判り易く表示される。

図３は、本発明に係る誘導加熱調理器の前面操作部１０の説明図である。前面操作キー１０ａには、グリル加熱手段６の加熱の開始停止を操作する切／スタートキー８０、調理の仕上がりを設定する仕上がりキー５９が設けられ、仕上がりキー５９は、ダウンキー５９ａ、アップキー５９ｂを備える。

図４は、本発明に係る誘導加熱調理器の上面操作部１２の説明図である。上面操作部１２はトッププレート２の前側に設けられており、夫々の加熱コイル５の出力等を調整するキーが配列されている。上面操作部１２は、上面操作部左１２ｂ、上面操作部中央１２ｃ、上面操作部右１２ａから構成され、上面操作部左１２ｂには、加熱コイル５の加熱の開始停止を操作する切／スタートキー５６を設け、上面操作部右１２ａには、加熱コイル５の加熱の開始停止を操作する切／スタートキー４８を設けている。

そして、上面操作部１２のトッププレートの後側には、上面操作部１２で設定した内容を表示するＬＣＤ、ＬＥＤが配列された上面表示部１４が設けられている。上面表示部１４は、上面表示部左１４ｂ、上面表示部中央１４ｃ、上面表示部右１４ａから構成されている。

図５は、加熱コイル５に高周波電流を流すことで、鍋等の加熱を制御する制御回路である。まず、制御回路の構成について説明する。整流回路１０２は、商用交流電源１０１から出力された交流電力を直流に変換する。

インバータ回路１１４は、整流回路１０２の出力間に直列に接続されたスイッチング素子１０７および１０８と、それぞれに逆並列に接続されたダイオード１０９、１１０と、スイッチング素子１０８に並列に接続された加熱コイル５と、スイッチング素子と並列に接続された共振コンデンサ１１２、１１３からなる。スイッチング素子１０７、１０８はそれぞれドライバ回路１０５、１０６を介して制御手段１１９が駆動する。そして、スイッチング素子１０７と１０８を交互にオンオフすることで、高周波磁界を発生させ負荷を加熱する。

インバータ回路１１４の入力電流は電流検出回路１１５で検出し、商用電源電圧は電源電圧検出回路１１６で検出する。そして、制御手段１１９がインバータ回路１１４の消費電力を算出する。

制御手段１１９は、インバータ部１１４のドライバ回路１０５と１０６に駆動信号を出力し、設定された消費電力となるように消費電力を制御する。

図６は、スイッチング素子１０７、１０８の駆動デューティ比を５０％に固定し、オン時間を変化させることにより周波数を変化させたときの加熱コイル５に流れる電流の変化を示す。縦軸は電流値、横軸は周波数である。

鍋と加熱コイル５と共振コンデンサ１１２、１１３で構成される共振回路の共振周波数ｆ０でインバータ１１４を駆動した時に最大の電流が発生し、周波数がずれるにつれて電流は低下していく。通常は、共振周波数ｆ０よりも高い周波数ｆ１で通電する。尚、コイル電流の二乗が電力に比例する。

次に、加熱コイル５に流れる電流波形から磁気飽和を検出する方法について説明する。制御手段１１９は、コイル電流検出回路１１７を介して加熱コイル５に流れる電流を１ｍｓ毎に検出する。コイル電流検出回路１１７は、全波整流回路と高周波成分除去のためのフィルタ回路と、からなる。

図７は、磁気飽和していない場合にコイル電流検出回路１１７で検出した電流波形である。通常は、図７に示すように電源電圧に相似な正弦波である。

図８は、磁気飽和直前の電流波形である。前述の通り、例えば重ね合わせた金属の中間層に磁性体の金属が存在する鍋を使用した場合に、中間層にある磁性体の金属のみが加熱コイルで加熱される。そして、磁性体の金属の熱は、加熱合されている中間層から鍋の内側や外側へ熱伝導によって伝わる。これにより、鍋底の温度を検出している温度センサの検出温度と、加熱される磁性体の金属部の温度との間に、温度差が発生する。そして、中間層の磁性体の金属が過度に加熱され、この金属の温度がキュリー温度を超えて磁気飽和が発生した場合、磁性飽和を起こした金属負荷と加熱コイルからみた等価回路は、等価インダクタンスが小さくなり、共振周波数が高くなり駆動周波数に近づく。また、同時に等価抵抗も小さくなるため、回路に急激な過電流が流れることになる。

以上から、加熱コイル５に流れる電流が上昇するにつれて温度が上昇し、コイル電流ピーク付近でキュリー温度に近づき、磁気飽和を起こしかけており、コイル電流波形は磁気飽和していない場合よりも三角波に近い形となる。

そして、制御手段１１９は、コイル電流検出回路で検出した１周期分の電流値の最大値と、この最大値を検出した前後に検出した電流値との差が設定した閾値以上だった場合、三角波に近い波形と判断する。この１周期分の電流値で最大値と２番目に大きい値との差が設定した閾値以上を検出した場合、制御手段１１９によって加熱を停止しても良いし、被加熱物を加熱する電力を下げて負荷の温度を下げることで、磁気飽和が発生させずに通電を継続しても良い。

このようにコイル電流波形を監視し、磁気飽和する直前に電力を下げることで、多層鍋のような中間層に磁性体を使用し表面部分が非磁性体であり、さらに磁性体と非磁性体の間に熱電導率の低い材質が使用された非加熱物を、より安全に加熱することができる。

図９は、図８の電流波形の１周期を拡大した図である。１周期分のコイル電流から、ピーク値（ＩＬ２）を中心に所定の間隔Ａでコイル電流値を取得する。図９では５つのコイル電流値（ＩＬ０〜ＩＬ４）を取得しているが、取得回数は５回よりも多くても少なくても良いが、取得回数は３回以上が望ましい。また、所定の周期は印加されている電流の周波数に応じて増減させても良い。

図１０は、磁気飽和しているか否かを判断する磁気飽和検出処理のフローチャートである。

＜Ｓ１００＞まず、ｎ＞４か否かを判断する。ｎ＞４の場合は、磁気飽和していないと判断し、磁気飽和判定処理を終了する。ｎが４よりも小さい場合は、Ｓ１０１に移る。

＜Ｓ１０１＞所定の間隔Ａを空けて隣り合う電流値の差分が、所定の判定閾値よりも大きいか否かを判断する。大きい場合は、磁気飽和していると判定する。所定の判定閾値以下の場合は、ｎに１を足してＳ１００に戻る。

なお、Ｓ１００ではｎが４よりも大きいか否かを判断しているが、４よりも大きい値でも良い。図９で取得した５つのコイル電流値（ＩＬ０〜ＩＬ４）を用いて磁気飽和か否かを判断する場合は、ｎが４よりも大きいか否か判断するが、５つ以上のコイル電流値で判定する場合はその数に応じてＳ１００にてｎと比較する数を変更すればよい。

図１１は、磁気飽和判定処理および磁気飽和と判定された場合の処理に関する図である。

＜Ｓ２００＞コイル電流検出回路１１７によって求めたコイル電流値と制御定数テーブルから求めた所定の判定閾値とに基づいて、磁気飽和しているか否かの磁気飽和判定処理を行う。

＜Ｓ２０１＞磁気飽和していると判断された場合は、一次電流検出回路１１５で求めた一次電流値と電圧検出回路１１６によって求めた電源電圧値および磁気飽和判定処理結果から、目標電力を算出する。目標電力とは、磁気飽和せずに通常の電流波形となるようにするための電力である。

＜Ｓ２０２＞インバータ制御処理は目標電力を出力するための駆動周波数を算出する。そして、ＰＷＭ出力制御処理にて、指示された駆動周波数を出力する。

以上の制御により、このようにコイル電流波形を監視し、磁気飽和する直前に電力を下げることで、多層鍋のような中間層に磁性体を使用し表面部分が非磁性体であり、さらに磁性体と非磁性体の間に熱電導率の低い材質が使用された非加熱物を、より安全に加熱することができる。

なお、本実施例では１周期分のコイル電流波形を用いて磁気飽和判定処理を行ったが、周期の数はこれに限られず、複数のコイル電流波形を用いて磁気飽和判定処理を行っても良い。

１・・・・本体、２・・・・トッププレート、３・・・・トッププレート枠、４・・・・鍋位置表示部、５・・・・加熱コイル、５ａ・・・オールメタル対応加熱コイル、５ｂ・・・鉄・ステンレス専用加熱コイル、５ｃ・・・鉄・ステンレス専用加熱コイル、６・・・・グリル加熱手段、７・・・・扉、７ａ・・・取っ手、８・・・・吸気部、９・・・・排気部、１０・・・前面操作部、１０ａ・・前面操作キー、１０ｂ・・前面表示部、１１・・・電源切／入スイッチ、１２・・・上面操作部、１２ａ・・上面操作部右、１２ｂ・・上面操作部左、１２ｃ・・上面操作部中央、１３・・・システムキッチン、１４・・・上面表示部、１４ａ・・上面表示部右、１４ｂ・・上面表示部左、１４ｃ・・上面表示部中央、４８・・・切／スタートキー、４９、４９ａ、４９ｂ、４９ｃ、４９ｄ・・・火力キー、５０、５０ａ、５０ｂ・・・設定キー、５１・・・タイマーキー、５２・・・メニューキー、５３、５４、５５、８６、８７、８８、８９、９０・・・ＬＥＤランプ、５６・・・切／スタートキー、５７、５７ａ、５７ｂ、５７ｃ、５７ｄ・・・火力キー、５８、５８ａ、５８ｂ・・・設定キー、５９・・・仕上がりキー、５９ａ・・ダウンキー、５９ｂ・・アップキー、６２、６２ａ、６２ｂ・・・設定キー、８０・・・切／スタートキー、８１・・・オーブンメニューキー、１０１・・電源、１０２・・整流回路、１０３・・チョークコイル、１０５、１０６・・・ドライバ回路、１０７、１０８・・・スイッチング素子、１０９、１１０・・・ダイオード、１１２、１１３・・・共振コンデンサ、１１４・・インバータ回路、１１５・・一次電流検出回路、１１６・・電圧検出回路、１１７・・コイル電流検出回路、１１９・・制御手段

Claims (2)

1. 加熱コイルと、
   該加熱コイルの上面を覆い被加熱物を載せるトッププレートと、
   前記加熱コイルに電力を供給するスイッチング素子を備えたインバータ回路と、
   前記加熱コイルの電流を検出するコイル電流検出回路と、
   該コイル電流検出回路の検出値に応じて前記スイッチング素子の駆動周波数を制御する制御手段と、を備え、
   該制御手段は、被加熱物の加熱中に前記コイル電流検出回路が検出した電流値において、所定の電流値と前記所定の電流値の前または後の少なくとも一方で検出した電流値との差が閾値以上の場合に、前記スイッチング素子の駆動周波数を変更して電力を下げる、または前記加熱コイルへの電流の供給を停止する、誘導加熱調理器。
2. 請求項１に記載の誘導加熱調理器において、
   前記制御手段は、最大電流値と前記最大電流値の前または後の少なくとも一方で検出した電流値との差が閾値以上の場合に、前記スイッチング素子の駆動周波数を変更して電力を下げる、または前記加熱コイルへの電流の供給を停止する、誘導加熱調理器。

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