以下、添付図面を参照して本発明に係る誘導加熱調理器の実施の形態を説明する。図面において、同様の構成部品については同様の符号が用いられている。なお、図面においては、説明の煩雑さ避けるために、本発明の特徴を示す主要な構成要素以外は、省略されている場合がある。また、本発明に係る誘導加熱調理器の構成は、キッチンのワークトップに設けられた収納部に据え付けられる、いわゆるビルトインタイプのIHクッキングヒーターに限定されず、卓状で使用するIHクッキングヒーターについても適用可能である。また、従来の一般的な加熱コイルを使用するIHクッキングヒーターや、ラジエントヒーターなどの構成と併用することも可能である。
実施の形態1.
図1は、全体が100で表される、本発明の実施の形態1に係る誘導加熱調理器の全体を概略的に示す斜視図である。誘導加熱調理器100は、筐体102と、筐体102の上側表面のほぼ全体を覆う結晶ガラスなどで形成されたトッププレート104とを含む。なお、図1の構成例では、本発明の実施の形態1に係る誘導加熱調理器100は、ビルトインタイプに適用されているが、卓状用のIHクッキングヒーターに同様に適用されてもよい。
筐体102の内部には、加熱ユニット130と電源ユニット140(図示せず)が収納されている。防磁板103は、加熱ユニット130と電源ユニット140との間に挟まれた構成で筐体102の内部に収納されている。防磁板103の詳細については、後述する。図1では、加熱ユニット130が3つ表示されているが、これは加熱ユニットの数を限定するものではなく、複数の加熱部が設けられてもよい。例えば、筐体102には、本発明の実施の形態1における構成が2つ収納されてもよい。なお、図1では、加熱ユニット130のみが複数記載されているが、実際には、加熱ユニット130と電源ユニット140は1セットとして筐体102に収納されている。また、前述のような一般的な加熱コイルを使用する構成と、ラジエントヒーター等の異なる形状、方式の構成とが併設されてもよい。
トッププレート104の下の加熱ユニット130には、第1の加熱コイル10および第2の加熱コイル20が、トッププレート104に実質的に平行な平面内に、同心円状に、互いに離れて配置されている。加熱コイル10は外側コイルと、加熱コイル20は内側コイルと呼ばれる場合がある。各加熱コイルの巻数は、単数であっても複数であってもよい。加熱コイル10、20の材料は、例えば一般的な加熱コイルに使用するリッツ線であってもよい。好適には、加熱コイル10、20の材料は、平板状の銅やアルミニウムなどの体積抵抗率が小さい金属材料であることが望ましい。具体的には、切削加工やプレス加工などで形成した金属板(以下、「誘導加熱プレート」と呼ぶ。)を使用することが望ましい。誘導加熱プレートを使用することが望ましい理由は、融点の低いアルミニウムを使用した場合であっても、加熱コイルは、500℃程度までは変形されずに使用できるので、積極的に冷却する必要が無い一方で、リッツ線を使用する場合は、素線に被覆された絶縁膜が焼損して短絡したり断線したりすることを防止するために、適切な冷却構造が必要となるからである。また、高周波電流の周波数を20kHz〜100kHzとして表皮効果を考慮すると、加熱コイルが銅やアルミニウムで形成された場合、1mm程度の厚さがあれば通電には十分である。以上の理由から、加熱コイルに誘導加熱プレートを使用すると、リッツ線を使用するよりも加熱ユニット130を薄くすることができ、かつ加工も簡略化することができる。
トッププレート104の上面の、各加熱ユニット130の上方には、載置位置表示108が表示されている。載置位置表示108は、鍋などの被加熱物を載置する位置を分かり易くユーザに示す。載置位置表示108は、トッププレート104に直接印字されてもよいし、トッププレート104が光を透過できるものであれば、加熱ユニット130の周囲にLEDなどで発光表示する構成とされてもよいし、または図示しない外部の光源から導光板等を利用して表示する構成とされてもよい。
筐体には、操作部106が取り付けられる。図1では、操作部106は、筐体102の前面に配置されているが、これは操作部106の配置を限定するものでなく、例えば操作部106は、トッププレート104上に設けられてもよい。操作部106は、スイッチや回転つまみ、タッチパネルなど、従来のIHクッキングヒーターで使用されている一般的な構成から成ってもよい。ユーザは、操作部106を使用して火力や調理モードを選択する。
図2は、本発明の実施の形態1に係る誘導加熱調理器100の主要部の構成図であり、加熱ユニット130および電源ユニット140を示している。加熱ユニット130は、加熱コイル10、20と、磁性体202と、防磁板103と、第1の2次コイル204および第2の2次コイル206と、を含む。電源ユニット140は、給電部210、220と、1次コイル230、240と、切替部250と、共振用コンデンサ260と、高周波電力発生回路270と、制御部280と、を含む。
まず、図2を参照して、加熱ユニット130の構成について説明する。上述のように、トッププレート104(図2には示されていない)の下(図2紙面奥方向)には、加熱コイル10および加熱コイル20が、トッププレート104に実質的に平行な平面内に、互いに離れて同心円状に配置されている。
加熱コイル10、20の下には、フェライトコアなどの磁性体202が配置されている。磁性体202は、加熱コイル10、20に高周波電流を流した際に発生する磁束を、加熱コイル10、20付近に集中させ、周囲への磁束漏洩を抑制するとともに、被加熱物の誘導加熱に寄与する磁束を増やすことができる。
加熱コイル10、20と磁性体202との間にはギャップが設けられている。このギャップは、磁性体202と加熱コイル10、20とを電気的に絶縁するために、および磁性体202の温度が、加熱コイル10、20の発熱の影響や磁性体202の自己発熱によって、磁性を失うキュリー温度に達することを避けるために、設けられている。磁性体のキュリー温度は材料によって異なるが、例えばフェライトコアを使用した場合、低いものでは100℃程度である。従って、熱伝導率が低く絶縁性も高い、セラミックファイバーのような材料をギャップ間に挿入すれば、ギャップの厚さは3mm程度で十分である。また、ギャップ間に挿入する材料に溝や突起を設けて、その溝や突起によって、加熱コイル10、20の配置位置を固定することもできる。
磁性体202の更に下には、防磁板103が配置されている。防磁板103は、加熱コイル10、20に高周波電流が流れた時に発生する磁束が、防磁板103よりも下側に漏洩することを防止する目的で配置されている。防磁板103の材料は、例えば、鉄などの磁性金属であってもよいが、アルミニウムや銅などの非磁性体であり体積抵抗率が小さい金属であることが望ましい。防磁板103の上側には磁性体202が配置されているので、磁性体202よりも下側に漏洩する磁束は少なく、必ずしも防磁板103は必要ではない。しかし、防磁板103は、図1に示すように筐体102の側面などに固定することで、加熱ユニット130を支持する構造物として使用でき、磁性体202の下部に電源基板を収納する場合は、漏洩磁界によるノイズで電源が誤作動する可能性を、磁性体202だけ使用する場合よりも低減できるので、使用することが望ましい。
加熱コイル10は、電流の入出力端部10a、10bを備える。入出力端部10a、10bは、2次コイル204に接続され、従って加熱コイル10および2次コイル204は、閉ループを構成する。同様に、加熱コイル20は、2次コイル206に接続された入出力端部20a、20bを備え、両端部に接続された2次コイル206と共に閉ループを構成する。2次コイル204、206は、加熱ユニット130と電源ユニット140の配置および配線の自由度を高めるため、例えば高周波電流の通電に適したリッツ線や平角銅線を使用して構成されてもよい。また、加熱コイルとして誘導加熱プレートを使用する場合は、加熱コイル10、20と2次コイル204、206とは、一体的に形成されてもよい。
次に、図2を参照しながら、電源ユニット140の構成について説明する。電源ユニット140は、給電部210、220を含む。第1の給電部210は、コア215(図示せず)と、コア215の1次側および2次側に巻かれたコイルから成るトランスである。同様に、第2の給電部220は、コア225(図示せず)と、コア225の1次側および2次側に巻かれたコイルから成る。外側コイル10に接続された2次コイル204は、給電部210のコア215の2次側に巻かれている。他方、内側コイル20に接続された2次コイル206は、コア225の2次側に巻かれている。
2次コイル204、206は、コア215、225にそれぞれ複数ターン巻かれてもよいが、巻数は、極力少ないことが望ましい。また、コア215、225は、小型化のため、フェライトコアなどの磁性体で構成されることが望ましい。更に、コア215、225の材料および形状は、同じであることが望ましい。2次コイルのターン数を少なくし、給電部のコアを同じ材料、同じ形状とすることが望ましい理由は、複数の1次コイルそれぞれの両端からみたインピーダンスを等しくする調整作業を容易にするためである。これにより得られる効果については後述する。なお、給電部210、220の磁路は、漏洩磁束の低減や結合率向上の観点から閉磁路であることが望ましいが、コア215、225を構成する磁性体が磁気飽和に至ることを避けるために、コア215、225にギャップが設けられてもよい。
給電部210の1次側には、1次コイル230がN1ターン巻かれ、N1巻線部232が形成されている。本明細書において、N1〜N4は2以上の整数である。続いて、1次コイル230は、給電部220の1次側にN2ターン巻かれてN2巻線部234を形成している。同様に、1次コイル240は、給電部210の1次側にN3ターン巻かれてN3巻線部242を形成し、連続して給電部220の1次側にN4ターン巻かれてN4巻線部244を形成している。このように給電部210、220を介して、1次コイル230、240と、2次コイル204、206と加熱コイル10、20から成る2次コイルとが磁気的に結合することにより、トランス構造が形成される。
最も簡単な例として、2次コイル204、206が給電部210、220に1ターンで巻かれている場合、1次コイル230と加熱コイル10はN1:1のトランスと考えることができる。同様に、1次コイル230と加熱コイル20はN2:1、1次コイル240と加熱コイル10はN3:1、1次コイル240と加熱コイル20はN4:1のトランスと考えることができる。従って、例えば1次コイル230に高周波電力を供給し、ある瞬間の1次コイル230に流れる電流値がI、その時のN1巻線部232の両端電圧がV1、N2巻線部234の両端電圧がV2であった場合、理想的には加熱コイル10、20の電流値および電圧値は、次の式で求められる。
加熱コイル10の電流値=I×(N1/1) ・・・式(1)
加熱コイル10の電圧値=V1×(1/N1) ・・・式(2)
加熱コイル20の電流値=I×(N2/1) ・・・式(3)
加熱コイル20の電圧値=V2×(1/N2) ・・・式(4)
1次コイル240に高周波電力を供給した場合の加熱コイル10、20の電流値および電圧値についても、同様に考えることができる。なお、1次コイル230、240には、高周波電流を流すことが可能なリッツ線や平角銅線などが用いられてもよい。
1次コイル230の始端236および終端238と、1次コイル240の始端246および終端248は、切替部250の電力出力側に独立に接続されている。切替部250は、第1の電力入力ポート252および第2の電力入力ポート254を有する。切替部250は、後述の制御部280からの指示に基づき、第1の電力入力ポート252を、1次コイル230の始端236または1次コイル240の始端246のどちらかと接続する。切替部250の第1の電力入力ポート252が1次コイル230の始端236と接続される場合、第2の電力入力ポート254は、対応する1次コイル230の終端238に接続される。他方、切替部250の第1の電力入力ポート252が1次コイル240の始端246と接続される場合、第2の電力入力ポート254は、対応する1次コイル240の終端248に接続される。
切替部250の第1の電力入力ポート252および第2の電力入力ポート254の一方は、共振用コンデンサ260の第1端子262に接続される。例えば、図2では、切替部250の第1の電力入力ポート252が、共振用コンデンサ260の第1端子262に接続されている。
切替部250の第1の電力入力ポート252および第2の電力入力ポート254の他方は、高周波電力発生回路270の2つのインバータ出力端子の一方に直接接続される。例えば、図2では、切替部250の第2の電力入力ポート254が、高周波電力発生回路270の第1のインバータ出力端子272に接続されている。
高周波電力発生回路270の他方のインバータ出力端子は、共振用コンデンサに接続される。例えば、図2では、高周波電力発生回路270の第2のインバータ出力端子274は、共振用コンデンサ260の第2端子264に接続されている。
このようにして、切替部250は、制御部280からの指示に基づき、高周波電力発生回路270で発生した高周波電力を、1次コイル230、240に切り替えて供給する。具体的には、切替部250は、共振用コンデンサ260の第1端子262と、複数の1次コイルから選択された1つの1次コイルの始端とを接続すると同時に、高周波電力発生回路の第1のインバータ出力端子と、そのコイルの終端とを接続する。これにより、共振用コンデンサ260と選択された1次コイルとが直列接続された共振負荷に、インバータ出力端子の両端が接続された構成となる。なお、切替部の接続切替えを行う手段としては、機械式リレーや半導体スイッチを用いたリレーが使用されてもよい。
高周波電力発生回路270の中では、入力電源(図示せず)が、インバータ回路276の入力側に接続されている。入力電源は、一般家庭に配電されているAC100V、またはAC200Vといった商用交流電源である。入力電源からの交流電源は、ダイオードブリッジ278で全波整流され、その後、高周波電力発生回路270のインバータ回路276に入力される。インバータ回路276は、トランジスタなどのスイッチング素子で構成されたハーフブリッジ回路やフルブリッジ回路などの、従来の誘導加熱調理器で利用されている回路であってもよい。インバータ出力端子272、274に共振負荷を接続した状態で入力電源から電力を供給して高周波駆動させると、共振負荷に高周波電力が供給される。
制御部280は、高周波電力発生回路270および切替部250に接続されている。制御部280は、操作部106(図1)を使用してユーザによって選択された調理モードに応じて、1次コイル230の始端236または1次コイル240の始端246のいずれか一方と、第1の電力入力ポート252(すなわち、共振用コンデンサ260の第1端子262)とが接続されるように、切替部250へ制御信号を出力する。切替部250の第1の電力入力ポート252が1次コイル230の始端236に接続される場合、第2の電力入力ポート254は、対応する1次コイル230の終端238に接続される。他方、切替部250の第1の電力入力ポート252が1次コイル240の始端246と接続される場合、第2の電力入力ポート254は、対応する1次コイル240の終端248に接続される。
また、制御部280は、ユーザが選択した火力に応じて、高周波電力発生回路270を構成するスイッチング素子の駆動制御を行う。この駆動制御におけるインバータ回路276のスイッチング素子の駆動周波数の制御は、インバータ回路276の出力電圧に対してインバータ回路276の出力電流が遅れ位相となる(共振負荷の共振周波数よりも駆動周波数が高くなる)ように制御されなければならない。その理由は、インバータ回路276の出力電圧に対してインバータ回路276の出力電流が進み位相となってしまった場合、インバータ回路276を構成するスイッチング素子がダイオードリカバリによって故障するおそれがあるところ、これを防止するためである。出力電圧と出力電流の位相差を判断する方法としては、例えばインバータ回路276が壊れない程度の十分に小さな電力を共振負荷に供給して判断するといった、従来のIHクッキングヒーターで使用されている一般的な位相検出手段を用いることができる。制御部280は、一般的に使用されているマイクロコンピュータ、またはFPGAなどのプログラマブルロジックデバイスを用いて構成されてもよい。
次に、本発明の実施の形態1の特徴である1次コイル230、240の構成について詳細に説明する。既に説明したように、1次コイル230は、給電部210の1次側にN1ターン、給電部220の1次側にN2ターン巻かれ、1次コイル240は、給電部210の1次側にN3ターン、給電部220の1次側にN4ターン巻かれている。ここで被加熱物載置時の1次コイル230、240それぞれのインピーダンスは、等しくなるように調整される。ここでは具体的な調整方法として最も理想的な構成例を用いて説明する。
加熱コイル10、20はそれぞれ1ターンであり、給電部210、220のコア215、225は、同じ材料から成り、同じ形状を有する。このような構成の場合、被加熱物載置時の1次コイル230、240のそれぞれのインピーダンスの違いは、2次コイル204と加熱コイル10のループ径と、2次コイル206と加熱コイル20のループ径との違いによるもののみであるので、大きくは違わない。従って、1次コイル230、240のそれぞれの巻数と線長を、以下に示す式(5)と式(6)を基準にして調整することにより、被加熱物載置時の1次コイル230、240それぞれのインピーダンスを実質的に等しい値に調整することができる。
N1+N2 = N3+N4 ・・・式(5)
1次コイル230の線長 = 1次コイル240の線長 ・・・式(6)
式(5)および式(6)が満たされると、1次コイル230、240それぞれの総巻数と線長が等しくなる。また、前述のように給電部210、220の材料と形状も等しい。従って、2次コイルのインピーダンスを無視すれば、1次コイル230、240それぞれのインピーダンスは等しくなる。よって、2次コイルのインピーダンス差を考慮して、巻数と線長を調整することにより、被加熱物載置時の1次コイル230、240それぞれのインピーダンスを等しく調整することができる。なお、1次コイル230、240それぞれのインピーダンスは、同じであることが望ましいが、構造上の理由などで完全に一致させることが難しい場合は、1次コイル230、240が共振用コンデンサ260と接続されたときの共振周波数が概ね等しいとみなせる範囲内の差、具体的には約1kHzの範囲内の差があってもよい。この差がある場合、1次コイルの接続を切り替えたときに共振負荷に供給される電力に多少の差が発生するが、後述する効果については特に問題ない。
このように、被加熱物載置時の1次コイル230、240のそれぞれのインピーダンスが実質的に等しい状態となる。更に、1次コイル230、240それぞれの巻数は、次の式を満たすように構成される。
N1>N2 かつ N3<N4 ・・・式(7)
以上に述べた条件が満たされると、共振用コンデンサ260と1次コイル230、240との接続が切替部250によって切り替わっても、共振負荷の共振周波数とインピーダンスは変化しない。従って、高周波電力発生回路270が駆動された場合(ここで、駆動周波数は、インバータ出力電圧に対して出力電流が遅れ位相となるインバータ回路276の駆動周波数の範囲内の任意の駆動周波数である)、加熱コイル10および加熱コイル20に投入される総電力は、1次コイルの接続が切り替えられても一定であり、加熱コイル10および加熱コイル20に給電される高周波電流の実効値の大小のみが逆転する。具体的には、式(7)の条件の場合、1次コイル230に電力が供給された場合、N1>N2なので、「加熱コイル10の実効電流>加熱コイル20の実効電流」となる。また、1次コイル240に電力が供給された場合、N3<N4なので、「加熱コイル10の実効電流<加熱コイル20の実効電流」となる。つまり、接続する1次コイルを切り替えるだけで、複数の加熱コイル10、20に同時に異なる電力を供給することが可能となる。
高周波電力発生回路を1つのみ有し、異なるインピーダンスの加熱コイルを切り替える従来の方式は、加熱コイルのいずれか1つのみにしか通電することができない。したがって、従来の方式では、意図しない温度の偏りが生じる問題や、加熱コイルを変更する度に投入電力が一定となるように駆動周波数を調整する必要があったりした。これに対して、本発明は、高周波電力発生回路は1つのみであるものの、接続する1次コイルを切り替えるだけで、複数の加熱コイルに同時に異なる電力を供給することができる。したがって、本発明は、省スペースを達成でき、かつ、簡単な手段で複数の加熱コイルに同時に給電できる点で、従来にない顕著な効果を奏するといえる。
以上に述べた構成を調理モードに適用した一例を図3、図4に示す。図3および図4は、トッププレート104、加熱コイル10、20、磁性体202、および防磁板103を、図2のIII−III方向に見た場合の概略的な断面図である。なお、図2にはトッププレート104は示されていない。図3および図4に示すように、トッププレート104上には、水などの液体Qが入った鍋Pが配置されている。図3および図4は、一般に対流モードと呼ばれる調理モードを使用して、水などの液体が入った鍋Pを加熱している例を示している。対流モードは、一定時間毎に調理対象の対流を変化させることにより、撹拌を行ったり、焦げ付きを防止したりする調理モードである。対流モードでは、前述のような制御部280による切替部250の切替えにより、高周波電力発生回路270および共振用コンデンサ260と、1次コイルとの接続が一定間隔で切り替えられる。
図3は、切替部250が切り替えられて1次コイル230に給電される例を示している。例えば、1次コイル230に給電された場合、「加熱コイル10の実効電流>加熱コイル20の実効電流」となるので、加熱コイル10の上方の温度は比較的高く、加熱コイル20の上方の温度は比較的低くなる。したがって、鍋Pの底部の温度勾配は、鍋Pの中央から外周に向かって高くなる。そのため、流体の流れは、鍋P外周付近では上向きとなり、鍋P中央付近では下向きとなり、図3の矢印で示したような対流が発生する。
他方、図4は、1次コイル240に給電される例を示している。1次コイル240に給電された場合、「加熱コイル10の実効電流<加熱コイル20の実効電流」となるので、加熱コイル10の上方の温度は比較的低く、加熱コイル20の上方の温度は比較的高くなる。したがって、鍋Pの底部の温度勾配は、鍋中央から鍋外周に向かって低くなる。そのため、流体の流れは、鍋P外周付近では下向きとなり、鍋P中央付近では上向きとなり、図4の矢印で示したような対流が発生する。
このように実施の形態1に係る誘導調理器を適用することによって、簡単かつ少ない構成で各加熱コイル10、20への電力分配を変更することが可能となり、焦げ付き防止や撹拌を達成することができる。
図5、6は、本発明の実施の形態1に係る誘導加熱調理器の他の構成図を示している。以上の説明では、1次コイル230および1次コイル240の両方が、給電部210の1次側および給電部220の1次側の両方ともに巻かれた構成を説明したが、1次コイルの少なくとも1つが給電部210の1次側および給電部220の1次側の両方ともに巻かれてさえいれば、実施の形態1の目的を達成できる。例えば、1次コイル230が、給電部210の1次側および給電部220の1次側の両方に巻かれてさえいれば、1次コイル240は、給電部210の1次側のみに(図5)、または給電部220の1次側のみに(図6)、巻かれた構成であってもよい。逆に、図示しないが、例えば、1次コイル230は、給電部210の1次側のみに、または給電部220の1次側のみに巻かれ、1次コイル240は、給電部210の1次側および給電部220の1次側の両方に巻かれた構成であってもよい。
図7〜11は、本発明の実施の形態1に係る誘導加熱調理器の他の構成図を示している。以上の説明では、加熱コイルの形状は、同心円のリング形状であったが、同心円のリング形状以外であっても同様の効果を得ることができる。例えば、加熱コイルは、図7に示すように、2つの半円状のコイルであり、併せて円形を形成するものであってもよい。また、例えば、加熱コイルは、図8および図9に示すように、4つ併せて円形を形成するものであってもよい。更に、例えば、加熱コイルは、図10および図11に示すように、それぞれ始点から終点まで実質的に長方形を描くように延びる直線状の形状であってもよい。
また、以上の説明では、加熱コイルと給電部をそれぞれ2組ずつ用いた場合を説明したが、同様のインピーダンス調整方法を用いることにより、加熱コイルと給電部を3組以上に増やしても同様の効果を得ることができる。例えば、図8〜図11は、加熱コイルを4つ含む構成例を示している。また例えば、図9および図11は、給電部を4つ含む構成例を示している。
また、高周波電力発生回路270を構成するスイッチング素子は、従来のシリコン材料を使用したスイッチング素子であってもよいが、例えばSiCやGaNなどのワイドギャップ半導体を使用したスイッチング素子であることが望ましい。ワイドギャップ半導体を使用することにより、回路全体の小型化、低損失化が可能となる。更に、高周波駆動が可能となるため、アルミニウム等の非磁性材料で出来た鍋等の加熱も可能となる。
実施の形態2.
図12は、本発明の実施の形態2に係る誘導加熱調理器の主要部の構成図である。実施の形態2が実施の形態1と異なるのは、1次コイルが追加され、1つであった共振用コンデンサが異なる容量のもの複数個に変更され、およびこの複数の共振用コンデンサが切替部に組み込まれていることである。例えば、実施の形態2を示す図12では、実施の形態1を示す図2から、1次コイル1250、1260、1270、1280が追加され、1つの共振用コンデンサ260が異なる容量の複数の共振用コンデンサ1290に変更され、およびこの共振用コンデンサ1290が切替部250に組み込まれている。なお、図12には共振用コンデンサ1290が2つ記載されているが、これは数を限定するものでなく、共振用コンデンサ1290は3つ以上用いられてもよい。以下では、実施の形態1と異なる点を中心に説明し、その他の部分については実施の形態1と同様であるため説明を省略する。図12中の構成要素のうち、図2におけるものと同じ構成要素については、図2の符号と同じ符号が用いられる。また、加熱コイル10、20の調整方法についても、実施の形態1において説明した方法と同じ手法が用いられる。
図12を参照して更に説明する。実施の形態2は、加熱コイル10、20のいずれか一方のみに異なる電力を供給する必要がある場合にも対応するものである。そのため、給電部210、220の双方に巻かれた1次コイル230、240に加えて、1次コイル1250、1260、1270、1280は、給電部210、220のいずれか一方のみに巻かれている。具体的には、1次コイル1250(巻数N5)および1次コイル1260(巻数N7)は、給電部210にのみ巻かれている。1次コイル1270(巻数N6)と1次コイル1280(巻数N8)は、給電部220にのみ巻かれている。1次コイル1250、1260、1270、1280の巻数の間には、次の式(8)の関係が成立する。
N5>N7 かつ N6<N8 ・・・式(8)
ここで、N5〜N8は、2以上の整数である。
実施の形態2では、1次コイル1250、1260、1270、1280のそれぞれの巻数が異なるため、実施の形態1の場合のように線長だけを調整することによってそれぞれのインダクタンスを等しくすることは困難である。そこであらかじめ、1次コイル1250、1260、1270、1280のそれぞれについて、被加熱物が載置された場合の共振周波数が特定の周波数となるように、異なる容量の複数の共振用コンデンサ1290が設けられる。制御部280は、1次コイルの接続を切り替えた場合、特定の共振周波数になるように共振用コンデンサ1290と1次コイルとの組合せを選択する。そして、制御部280は、選択された共振用コンデンサ1290と1次コイルとが接続されるように、制御信号を切替部250に出力する。
このような構成を採って制御を行うことにより、実施の形態1の構成で得られる効果に追加して、加熱コイル10、20のいずれか一方のみに対して、特定の駆動周波数において共振条件を崩すことなく、異なる電力を供給することができる。実施の形態2では、複数の異なる容量の共振用コンデンサ1290と1次コイル1250、1260、1270、1280の組合せを変更することによって図3、4と同様の効果が得られるのみならず、いずれか一方の加熱コイルにのみ給電することも可能である。したがって、加熱コイル10と加熱コイル20との間の温度差を大きくすることができ、焦げ付き防止および撹拌の効果を向上させることができる。
また、実施の形態1のところで述べたのと同様に、加熱コイルの形状は、同心円のリング形状以外の形状(例えば半円形状、4つ併せて円形を形成する形状、または直線状の形状など)であってもよい。
また、以上の説明では、加熱コイルと給電部をそれぞれ2組ずつ用いた場合を説明したが、実施の形態1のところで述べたのと同様に、同様のインピーダンス調整方法を用いることにより、加熱コイルと給電部を3組以上に増やしても同様の効果を得ることができる。
また、高周波電力発生回路270を構成するスイッチング素子は、従来のシリコン材料を使用したスイッチング素子であってもよいが、例えばSiCやGaNなどのワイドギャップ半導体を使用したスイッチング素子であることが望ましい。ワイドギャップ半導体を使用することにより、回路全体の小型化、低損失化が可能となる。更に、高周波駆動が可能となるため、アルミニウム等の非磁性材料で出来た鍋等の加熱も可能となる。
実施の形態3.
図13〜15は、本発明の実施の形態3に係る誘導加熱調理器の主要部の構成図である。以下では、実施の形態1および2と異なる点を中心に説明し、その他の部分については説明を省略する。図13〜図15中の構成要素のうち、図2〜図12におけるものと同じ構成要素については、図2〜図12の符号と同じ符号が用いられる。また、2次コイル10、20の調整方法および1次コイル1250、1260、1270、1280と複数の共振用コンデンサ1290の組み合わせ方、制御方法についても、実施の形態1および実施の形態2において説明した方法と同じ手法が用いられる。
実施の形態3の特徴は、高周波電力発生回路270を、実施の形態2のインバータ回路276とダイオードブリッジ278の構成から、インバータ回路276とコンバータ回路1300の構成に変更したことにある。これにより、インバータ回路276に入力する電圧を一定電圧に制御することができる。コンバータ回路1300は、一般的な昇圧コンバータ回路、降圧コンバータ回路、昇降圧コンバータ回路であってもよい。また、コンバータ回路の昇降圧機能には、力率改善機能が追加されてもよい。
前述のように、実施の形態3では、高周波電力発生回路270は、コンバータ回路1300とインバータ回路276の組合せを含む。図13は、実施の形態2を示す図12の高周波電力発生回路270の内部構成、および高周波電力発生回路270と制御部280との接続を変更した図である。また、実施の形態3では、図14、15の構成が採用されてもよい。なお、図14の1次コイル230、240の構成は、図5におけるものと同様であり、図15の1次コイル230、240の構成は、図6におけるものと同様である。
インバータ回路276に入力される電圧は、コンバータ回路1300により一定電圧に制御されることによって、商用電圧をダイオードブリッジ278で全波整流した場合よりも平均化される。したがって、コンバータ回路1300を含む高周波電力発生回路270から出力される電流のピーク値は、同じインバータ出力電力を出力するコンバータなしの回路と比較して、低くすることができる。これにより、給電部210、220の最大磁束密度を低くすることができるため、給電部210、220のサイズを小さくすることができる。
また、インバータ出力電力を調整する際、実施の形態1と実施の形態2では、共振負荷の共振周波数は、高周波電力発生回路270の駆動周波数を調整することで調整されるが、実施の形態3では、高周波電力発生回路270の駆動周波数に加え、コンバータ回路1300の出力電圧を調整することでも調整できる。すなわち、設定された高周波電力発生回路の出力電力が、コンバータ回路1300の出力下限電圧に対応する出力電力以上である場合、制御部280は、インバータ回路276の駆動周波数を切替部によって選択された共振負荷の共振周波数に合わせ、そしてコンバータ回路の出力電圧を高くまたは低くすることによって、高周波電力発生回路270の出力電力を調整することができる。
一方、設定された高周波電力発生回路の出力電力が、コンバータ回路1300の出力下限電圧に対応する出力電力よりも小さい場合、制御部280は、更にインバータ回路276の駆動周波数を共振負荷の共振周波数よりも高くすることによって、高周波電力発生回路270の出力電力を調整することができる。
このように、インバータ回路276の駆動周波数を、インバータ出力電圧に対してインバータ出力電流が遅れ位相となる範囲に、かつ極力共振状態に近い状態にし、次にコンバータ回路1300の出力電圧を調整することによって、高周波電力発生回路270の出力電力を調整することができる。こうすることで、インバータ回路276のスイッチング損失を低くすることができ、高周波電力発生回路270の電力損失を低くすることができる。
従来、駆動周波数の調整のみで対応出来ないような低電力(出力下限電圧に対応する出力電力よりも小さい電力)をインバータ回路276のみの構成によって実現するためには、インバータ回路276の駆動と停止を繰り返す間欠駆動を行って低電力相当の出力を実現していた。しかし、この駆動と停止の切替えのときに発生する音が耳障りとなる問題があった。実施の形態3では、コンバータ回路1300を追加してコンバータ回路1300の出力電圧を低くすることにより、インバータ回路276のみの構成時よりも低い電力範囲まで連続駆動させることが可能となる。これにより、広い電力範囲で、間欠駆動なしで動作することができるようになる。したがって、耳障りな音を広い電力範囲において無くすことができる。
また、実施の形態1、2のところで述べたのと同様に、加熱コイルの形状は、同心円のリング形状以外の形状(例えば半円形状、4つ併せて円形を形成する形状、または直線状の形状など)であってもよい。
また、以上の説明では、加熱コイルと給電部をそれぞれ2組ずつ用いた場合を説明したが、実施の形態1、2のところで述べたのと同様に、同様のインピーダンス調整方法を用いることにより、加熱コイルと給電部を3組以上に増やしても同様の効果を得ることができる。
また、高周波電力発生回路270を構成するスイッチング素子は、従来のシリコン材料を使用したスイッチング素子であってもよいが、例えばSiCやGaNなどのワイドギャップ半導体を使用したスイッチング素子であることが望ましい。ワイドギャップ半導体を使用することにより、回路全体の小型化、低損失化が可能となる。更に、高周波駆動が可能となるため、アルミニウム等の非磁性材料で出来た鍋等の加熱も可能となる。
実施の形態4.
図16は、全体が1600で表される、本発明の実施の形態4に係る誘導加熱調理器の主要部の構成図である。以下では、実施の形態1、2および3と異なる点を中心に説明し、その他の部分については説明を省略する。図16中の構成要素のうち、図2〜図15におけるものと同じ構成要素については、図2〜図15の符号と同じ符号が用いられる。
誘導加熱調理器1600は、加熱ユニット130と電源ユニット140とを有する。加熱ユニット130の構成は、実施の形態1〜3と同様の構成である。
電源ユニット140には、給電部210、220および1次コイル230、240が設けられている。実施の形態1と同様に、1次コイル230は、給電部210の1次側にN1ターン、給電部220の1次側にN2ターン巻かれ、1次コイル240は、給電部210の1次側にN3ターン、給電部220の1次側にN4ターン巻かれている。N1、N2、N3およびN4は、インピーダンスを整合させるため、式(5)を満たす。更に、実施の形態4では、N1、N2、N3およびN4は、次の式(9)を満たす。
N1=N4 かつ N2=N3 ・・・式(9)
電源ユニット140は、切替部250と、異なる容量の複数の共振用コンデンサ1290とを更に含む。共振用コンデンサ1290は、切替部250に組み込まれている。共振用コンデンサ1290は、1次コイル230、240またはこれらの両方に接続される第1端子1292を有する。共振用コンデンサ1290は、切替部250の第1の電力入力ポート252に接続された図示しない第2端子を更に有する。なお、図16には共振用コンデンサ1290が2つ記載されているが、これは数を限定するものでなく、共振用コンデンサ1290は3つ以上含まれてもよい。
電源ユニット140は、1次コイル230、240またはこれらの両方に高周波電力を供給する高周波電力発生回路270を更に含む。高周波電力発生回路270は、インバータ回路276と、ダイオードブリッジ278とを含む。入力電源(図示せず)からの交流電源がダイオードブリッジ278で全波整流され、その後、インバータ回路276に入力される。
図16では、高周波電力発生回路270は、上記のようにインバータ回路276と、ダイオードブリッジ278から成るが、本実施の形態4はこれに限定されない。例えば、高周波電力発生回路270は、インバータ回路276と、コンバータ回路(図13〜図15のコンバータ回路1300)とから成るものであってもよい。これにより、インバータ回路276に入力する電圧を一定電圧に制御することができる。コンバータ回路は、例えば、一般的な昇圧コンバータ回路、降圧コンバータ回路、昇降圧コンバータ回路である。また、コンバータ回路の昇降圧機能には、力率改善機能が追加されてもよい。
電源ユニット140は、制御部280を更に含む。制御部280は、共振用コンデンサ1290の第1端子1292を、1次コイル230の始端236、1次コイル240の始端246、またはこれらの両方と接続する。共振用コンデンサ1290の第1端子1292が1次コイル230の始端236にのみ接続される場合(以下、「第1の場合」という。)、切替部250の第2の電力入力ポート254は、1次コイル230の終端238に接続される。共振用コンデンサ1290の第1端子1292が1次コイル240の始端246にのみ接続される場合(以下、「第2の場合」という。)、切替部250の第2の電力入力ポート254は、1次コイル240の終端248に接続される。共振用コンデンサ1290の第1端子1292が1次コイル230の始端236と1次コイル240の始端246の両方に接続される場合(以下、「第3の場合」という。)、切替部250の第2の電力入力ポート254は、1次コイル230の終端238と1次コイル240の終端248の両方に接続される。言い換えれば、第3の場合、1次コイル230および1次コイル240は並列に接続され、並列に接続された1次コイル230および1次コイル240に高周波電力が供給される。
制御部280は、第1の場合、第2の場合および第3の場合のいずれの場合であっても回路の共振周波数が特定の周波数になるように、1次コイル230、240またはこれらの両方に接続される共振用コンデンサ1290を各場合に選択する。そして、制御部280は、選択された共振用コンデンサ1290と1次コイル230、240またはこれらの両方とが接続されるように、制御信号を切替部250に出力する。
式(5)から、給電部210、220にそれぞれ巻かれた1次コイル230、240の総巻数は等しい。また、式(9)から、1次コイル230と1次コイル240のインピーダンスは、高周波電力発生回路270側からみて等しい。したがって、1次コイル230および1次コイル240が並列に接続されている場合(第3の場合)、加熱コイル10、20に等しい電流を供給することができる。
この構成により、特定の駆動周波数において共振条件を崩すことなく、加熱コイル10、20に供給される電流量に差を設けること、および加熱コイル10、20のいずれか一方のみに対して様々な電流量を供給することができるのみならず、加熱コイル10、20に等しい電流を供給することができる。
言い換えれば、実施の形態4では、図3のように鍋Pの底部の温度勾配を鍋Pの中央から外周に向かって高くすること、図4のように鍋Pの中央から外周に向かって低くすることのみならず、鍋Pの中央から外周にわたって均一に加熱することができる。したがって、より細やかに被加熱物の加熱を制御することができる。