(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
棒状または線状の被加熱物に非接触に巻回されて配列される複数のソレノイド状の加熱コイルと、それぞれ異なる周波数の高周波電力を出力する複数の高周波電源とを備え、
前記複数の加熱コイルは、
前記配列の中央よりに設けられ、一の高周波電源により給電される中央側加熱コイルと、
この中央側加熱コイルの端部側に隣設され、他の高周波電源により給電される複数の端部側加熱コイルとの組合せを含んで成り、
前記複数の端部側加熱コイルは、前記中央側加熱コイルから等間隔となる部位に位置して中央側加熱コイルとの間で生じる誘導起電力を互いに相殺する向きに直列接続されていることを特徴とする
誘導加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の加熱コイルと、各加熱コイルにそれぞれ異なる周波数の高周波電力を同時に給電する高周波電源とを備えた誘導加熱装置に関する。この誘導加熱装置は、例えば電磁調理器や炊飯器、あるいは高速線条加熱に代表されるように、加熱コイルに高周波電流を流し、このときに発生する高周波磁界によって、金属や磁性材、あるいはカーボン材で形成された被加熱物を誘導加熱するものである。加熱コイルには、リッツ線や銅パイプから成る平型渦巻状のものや湾曲状のもの、あるいはソレノイド状のものなどが使用される。
【０００２】
【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】
最近の誘導加熱装置には、複数の高周波電源にそれぞれ加熱コイルを独立に接続して一あるいは複数の被加熱物を同時に誘導加熱するものがある。ところが、複数の加熱コイルを接近させて誘導加熱を行うと、隣りあう加熱コイルの間で発生する磁束が鎖交し合うために相互干渉が起こり、下記のような問題が生じる。
【０００３】
第１の問題は、加熱コイルに接続される高周波電源の出力が乱され、その安定化が不能となって、被加熱物であるワークの加熱温度が変化してしまう点である。相互干渉の度合いが大きいときは、高周波電源における出力の位相やレベルを制御する回路が悪影響を受け、発振動作そのものが不可能になったり、出力段にトランジスタが配されている場合はそれが破損することもある。
【０００４】
第２の問題は、相互干渉による非常に大きなビート音が加熱コイルやワークから発生し、作業環境上好ましくない点である。例えば、２５ｋＨｚと２８ｋＨｚの高周波電源の場合、単体加熱では人の可聴周波数以上のため騒音は発生しないが、同時加熱の場合は、差分周波数である３ｋＨｚないしはその高調波成分の騒音が発生する。
【０００５】
従来、これらの問題を解決するため、例えば、複数の加熱コイルの周囲に金属シールド板またはリングや磁性素材等を設けて相互干渉を防止する手法（以下、第１従来例）、加熱コイル間を干渉しない距離だけ離す手法（以下、第２従来例）、複数の高周波電源を同期駆動させて同一出力周波数にすることで相互干渉を防止する手法（以下、第３従来例）が提案されている。
第１従来例の内容は、例えば特開昭５５―１２１２９７号公報、特開昭５７―３３８８号公報、特開平０２―３０１５２２号公報に詳細に記述されている。また、第２従来例の内容は例えば特開昭６３―１４８５８８号公報、特開平０８―６６３００号公報に記述されており、第３従来例の内容は特開平０１―２６７９９１号公報に記述されている。
【０００６】
上述の各従来例によれば、それぞれ所定条件のもとで相互干渉防止という所期の目的を達成することができる。しかし、以下のような解決すべき課題を残すものであった。
例えば、第１従来例では、高周波電源間の相互干渉を完全に除去することができず、加熱コイルの間隙を極めて接近させた場合には効果が発揮されない。また、第２従来例では、複数の加熱コイルを接近させた連続の加熱分布を得ることができない。第３従来例は、原理的には高周波電源間の相互干渉は生じないが、特定の１つの周波数で各加熱コイルの共通駆動回路を強制的に駆動するため、それぞれの共振回路の最適周波数を最適に制御することができない。そのため、負荷変動や共振回路のばらつき、あるいは温度特性や経時変化があると出力が変動する。特に、各高周波電源の出力の電圧や電流の位相が固定できないために加熱効率の変化を引き起こしたり、過大な電流が流れて加熱コイルに悪影響を与える場合もあった。さらに第３従来例では、複数の周波数を加熱分布の改善のために積極的に用いる観点がないため、周波数の異なる電力を出力する複数の高周波電源を用いて広い平面領域を全面同時加熱したり、あるいは部分的に加熱分布を変えたりする用途に十分適応できない場合があった。
【０００７】
そこで、本発明の課題は、複数の加熱コイルによる同時誘導加熱の際の相互干渉を排除して目的の加熱分布を得る用途に効果を発揮できる、改良された誘導加熱装置を提供することにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の誘導加熱装置は、被加熱物を誘導加熱する複数の加熱コイルと、各加熱コイルにそれぞれ異なる周波数の高周波電力を同時に給電する高周波電源とを備え、各加熱コイルを、隣りあう他の加熱コイルの通電により発生する誘導起電力が相殺されるように配置したものである。
【０００９】
また、本発明の変形例として、下記の構成を採用することができる。
第１構成の誘導加熱装置は、コイル面がそれぞれ被加熱物の加熱部位を指向する複数の加熱コイルと、それぞれ異なる周波数の高周波電力を出力する複数の高周波電源とを備える。前記複数の加熱コイルは、一の高周波電源により給電される内側加熱コイルと他の高周波電源により給電される複数の外側加熱コイルとの組合せを含んで成る。複数の外側加熱コイルは、例えば同一形状及び寸法の加熱コイルの対から成るものであり、それぞれ内側加熱コイルから等間隔となる部位に位置して内側加熱コイルとの間で生じる誘導起電力を互いに相殺する向きに直列接続される。
なお、内側加熱コイルとは前記加熱部位の中心よりに設けられる加熱コイル、外側加熱コイルとは内側加熱コイルの外周に沿って隣設される加熱コイルをいい、この誘導加熱装置が常に２組のみの加熱コイルから成ることを意味するものではない。例えば５組の加熱コイルが列状あるいは同心状に設けられた場合、４組目の加熱コイルはその外周方向の５組目の加熱コイルに対しては内側加熱コイルとなるが、その内側に位置する３組目の加熱コイルに対しては外側加熱コイルとなるものである。
【００１０】
上記構成の誘導加熱装置は、被加熱物の形状にあわせて各加熱コイルの配置を変えることにより、適用用途の拡大を図ることができる。例えば被加熱物が湾曲状、あるいは筒状の有底容器である場合、前記複数の加熱コイルを、各々のコイル面が前記有底容器の外底面に沿うように配置する。
【００１１】
第２構成の誘導加熱装置は、被加熱物を高速移動させながら誘導加熱する用途に適したものであり、棒状または線状の被加熱物に非接触に巻回されて配列される複数のソレノイド状の加熱コイルと、それぞれ異なる周波数の高周波電力を出力する複数の高周波電源とを備える。複数の加熱コイルは、一の高周波電源により給電される中央側加熱コイルと他の高周波電源により給電される複数の端部側加熱コイルとの組合せを含んで成る。複数の端部側加熱コイルは、前記中央側加熱コイルから等間隔となる部位に位置して中央側加熱コイルとの間で生じる誘導起電力を互いに相殺する向きに直列接続される。なお、中央側加熱コイルとは前記配列の中央よりに設けられる加熱コイル、端部側加熱コイルは、中央側加熱コイルの端部側に隣設される加熱コイルをそれぞれ意味する。２組の加熱コイルに限定する趣旨でないことは第１構成の場合と同様である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。
【００１３】
（第１実施形態）
図１（ａ）は、本発明の第１実施形態に係る誘導加熱装置の正面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ線断面図である。
この誘導加熱装置は、平型楕円渦巻状の第１加熱コイル１と、この第１加熱コイル１の中心に対して同一平面上で左右対称の位置に配され、直列接続された同一寸法の平型楕円渦巻状の第２加熱コイル２Ａ，２Ｂとを備えている。各加熱コイル１，２Ａ，２Ｂのコイル面側には、所定間隔で鉄やステンレス、カーボン等の材質からなる平板状の被加熱物１０が配置され、また、コイル面の背面側または離れた位置には、第１加熱コイル１に高周波電流を供給する第１電源Ｄ１と、各第２加熱コイル２Ａ，２Ｂに高周波電流を供給する第２電源Ｄ２が設けられている。各電源Ｄ１，Ｄ２は、それぞれ異なる周波数の電流を各加熱コイル１，２Ａ，２Ｂに供給するものであり、例えば鋼板加熱、ビレットヒータ、電磁調理器、焼入等に用いられるものである。
【００１４】
上記構成の誘導加熱装置において、各加熱コイル１，２Ａ，２Ｂが同時に給電された場合の動作を図２（ａ），（ｂ）を参照して説明する。
図２（ａ）において、図示の左側の第２加熱コイル２Ａに電流２ＡＩが流れると当該部位に磁束２ＡＸが発生する。この磁束２ＡＸが第１加熱コイル１の左側を鎖交する際に第１加熱コイル１の左側に誘導起電力が発生し、磁束２ＡＸと反対向きの磁束２ＡＸａを発生させるための誘導電流２ＡＩａが流れる。一方、右側のコイル２Ｂに電流２ＢＩが流れると、当該部位に磁束２ＢＸが発生する。この磁束２ＢＸが第１加熱コイル１の右側を鎖交すると、第１加熱コイル１の右側に誘導起電力が発生し、磁束２ＢＸと反対向きの磁束２ＢＸａを発生させるための誘導電流２ＢＩａが流れる。第２電源Ｄ２は第２加熱コイル２Ａ，２Ｂに直列に接続されているので、誘導電流２ＢＩａと２ＡＩａは、同レベルで互いに相殺する方向に流れる。そのため、第１加熱コイル１は、第２加熱コイル２Ａ、２Ｂによる相互干渉を全く受けない。
【００１５】
同様に、第１加熱コイル１に第１電源Ｄ１から給電されているときも、その両側に位置する第２加熱コイル２Ａ，２Ｂに発生する誘導電流が相殺される。図２（ｂ）はこのことを示す図であり、第１加熱コイル１の高周波電流１ＡＩ、１ＢＩにより第２加熱コイル２Ａ，２Ｂ内に発生する誘導電流１ＡＩａ，１ＢＩａは、同一レベルで互いに相殺する方向に流れる。そのため第２加熱コイル２Ａ、２Ｂは、第１加熱コイル１による相互干渉を全く受けない。
【００１６】
このように、第１加熱コイル１とその左右側の第２加熱コイル２Ａ，２Ｂとの間の相互干渉がそれぞれ相殺されるので、同時給電の際の従来の問題点を解消することができる。また、被加熱物１０において各加熱コイル１，２Ａ，２Ｂにより予定された本来の加熱分布を得ることができる。
【００１７】
（第２実施形態）
次に、円板状の被加熱物を誘導加熱する場合の実施形態を図３を参照して説明する。この実施形態では、平型渦巻状の第１加熱コイルと、２つの細長い平型楕円渦巻状の第２加熱コイルとを配置し、それぞれ独立に高周波電流を流す。図３（ａ）は各加熱コイルの平面図、（ｂ）はそのＡ−Ａ線断面図である。
【００１８】
図３（ａ）を参照すると、磁性材から成る被加熱物２０の底面下部の中心部位から所定間隔の位置に第１加熱コイル２１が配置され、さらに、第１加熱コイル２１を同一面上で左右対称に囲む形で、直列接続された第２コイル２２Ａ，２２Ｂが配置されている。各加熱コイル２１，２２Ａ，２２Ｂには、図２（ｂ）に示す向きで第１電源Ｄ１、第２電源Ｄ２がそれぞれ接続されている。各電源Ｄ１，Ｄ２はそれぞれ異なる周波数の電流を各加熱コイル２１，２２Ａ，２２Ｂに供給するものである。
【００１９】
このようなコイル配置及び接続形態で各加熱コイル２１，２２Ａ，２２Ｂに同時給電した場合の動作は第１実施形態の場合と同様であり、各加熱コイル２１，２２Ａ，２２Ｂの間の相互干渉が相殺される。従って、同時給電の際の従来の問題点が解消され、また、被加熱物２０において各加熱コイル２１，２２Ａ，２２Ｂにより予定された本来の加熱分布を得ることができる。
【００２０】
（第３実施形態）
次に、棒状または線状の被加熱物が高速移動する場合の実施形態を図４を参照して説明する。図４において、３０は鉄等の磁性材や非磁性ステンレス材の棒状または線状の被加熱物、３１は被加熱物３０の中央部側に非接触に巻回されたソレノイド状の第１加熱コイル、３２Ａ、３２Ｂは第１加熱コイル３１の両端部側にそれぞれ中央部から対称に巻回された同一寸法のソレノイド状の第２加熱コイルである。各第２加熱コイル３２Ａ，３２Ｂは、第１加熱コイル３１との対向間隔が同一になっている。第１加熱コイル３１には第１電源Ｄ１が直列接続されており、また、各第２加熱コイル３２Ａ，３２Ｂには、それぞれ高周波電流の向きが第１加熱コイル３１に対して相対的に反対になるように第２電源Ｄ２が直列接続されている。各電源Ｄ１，Ｄ２は、それぞれ異なる周波数の電流を各加熱コイル３１，３２Ａ，３２Ｂに供給するものである。
【００２１】
このようなコイル配置及び接続形態では、各第２加熱コイル３２Ａ，３２Ｂの通電時に発生する磁束ＡＸ、ＢＸが互いに逆向きとなるため、第１加熱コイル３１内に発生する誘導電流は相殺される。また、第１加熱コイル３１に流れる高周波電流により発生する磁束３１Ｘの一部は漏れ磁束となって各第２加熱コイル３２Ａ，３２Ｂを鎖交するが、この漏れ磁束は同じ大きさなので、第２加熱コイル３２Ａ，３２Ｂ内で発生する誘導電流が相殺される。従って、同時給電の際の第１加熱コイル３１と各第２加熱コイル３２Ａ，３２Ｂとの間の相互干渉がそれぞれ相殺され、被加熱物３０において各加熱コイル３１，３２Ａ，３２Ｂにより予定された本来の加熱分布を得ることができる。
特に、第１及び第２電源Ｄ１，Ｄ２の周波数を１０倍以上離して第１加熱コイル３１と第２加熱コイル３２Ａ，３２Ｂにより被加熱物３０の断面方向の渦電流の浸透深さを変えて誘導加熱し、被加熱物３０を高速送りすることにより、目的の加熱分布を得ることができる。
【００２２】
（第４実施形態）
図５は、棒状または線状の被加熱物に巻回されて配列される加熱コイルと、各加熱コイルに高周波電流を供給する高周波電源の数をさらに増やして同時加熱を行う場合の例を示すものである。この場合、被加熱物４０の中央部側に位置する第１加熱コイル４１と、その両端部側の対称位置に配された第２加熱コイル４２Ａ，４２Ｂとの間の相互干渉が相殺されることは第３実施形態の場合と同様である。この実施形態では、さらに、第２加熱コイル４２Ａ，４２Ｂの両端部側に第３加熱コイル４３Ａ，４３Ｂを配し、これに第２加熱コイル４２Ａ，４２Ｂとの間で生じる誘導起電力を互いに相殺する向きに第３電源Ｄ３を直列接続するとともに、第４加熱コイル４４Ａ，４４Ｂを第３加熱コイル４３Ａ，４３Ｂの両端部側に配し、これに第３加熱コイル４３Ａ，４３Ｂとの間で生じる誘導起電力を互いに相殺する向きに第４電源Ｄ４を直列接続している。各電源Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３，Ｄ４は、それぞれ異なる周波数の電流を各加熱コイル４１，４２Ａ，４２Ｂ，４３Ａ，４３Ｂ，４４Ａ，４４Ｂに供給するものである。
【００２３】
このようなコイル配置及び接続形態では、いずれの加熱コイルも、隣りあう他の加熱コイルとの相互干渉が相殺される。従って、被加熱物４０において各加熱コイル４１，４２Ａ，４２Ｂ，４３Ａ，４３Ｂ，４４Ａ，４４Ｂにより予定された本来の加熱分布、例えば渦電流の浸透深さを考慮した加熱分布を容易に得ることができる。なお、図５では４組までの加熱コイルを巻回した場合の例を示したが、同様にしてさらに複数の加熱コイルを増やすことができる。
【００２４】
（第５実施形態）
次に、有底容器を誘導加熱する場合の実施の形態を図６を参照して説明する。図中、符号５０は容器の一例を示すもので、その材質は上述の各実施形態のものと同じである。この実施形態では、容器５０の底面部の中心付近に平型渦巻状の第１加熱コイル５１を配置するとともに、第１加熱コイル５１と同一面上の両側に同一寸法の一対の平型楕円渦巻状の第２加熱コイル５２Ａ，５２Ｂを配置している。さらに、容器５０の両側面に平型楕円渦巻状の第３加熱コイル５３Ａ，５３Ｂを配置している。第１加熱コイル５１には第１電源Ｄ１が直列接続され、さらに、第２加熱コイル５２Ａ，５２Ｂには第２電源Ｄ２、第３加熱コイル５３Ａ，５３Ｂには第３電源３Ｄがそれぞれ直列に接続されている。各電源Ｄ１，Ｄ２，Ｄ３は、それぞれ異なる周波数の電流を各加熱コイル５１，５２Ａ，５２Ｂ，５３Ａ，５３Ｂに供給するものである。
【００２５】
通電時の第１加熱コイル５１と第２加熱コイル５２Ａ，５２Ｂとの間の相互干渉が相殺されることは、前述の各実施形態で説明した通りである。同様の原理により、第２加熱コイル５２Ａ，５２Ｂと第３加熱コイル５３Ａ，５３Ｂとの間の相互干渉が相殺される。従って、被加熱物５０において各加熱コイル５１，５２Ａ，５２Ｂ，５３Ａ，５３Ｂにより予定された本来の加熱分布を得ることができる。
なお、容器は図６の例に限定されず、種々の形状のものが適用可能である。例えば中華鍋のように外底面が湾曲状やすり鉢状の場合は、各加熱コイル５１，５２Ａ，５２Ｂ，５３Ａ，５３Ｂを、そのコイル面がその外底面に沿うように配置すればよい。あるいはコイル面そのものを成形してもよい。
【００２６】
以上、本発明を複数の実施形態により説明したが、本発明は複数の加熱コイルを、隣りあう他の加熱コイルの通電により発生する誘導起電力が相殺されるように配置する点に主眼があるので、必ずしも上記実施形態の例に限定されるものではなく、種々の設計変更が可能である。
【００２７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなようにように、本発明によれば、複数の加熱コイルを近接させて同時給電した場合の相互干渉がなくなり、高周波電源への悪影響やビート音の発生を確実に防止することができる。また、加熱コイルや高周波電源の数を任意に増やすことができるので、複数の周波数の電力を用いて広い平面領域を全面同時加熱する用途や、渦電流の浸透深さを考慮して部分加熱する用途などにフレキシブルに対応することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明の第１実施形態の平面図、（ｂ）はＡ―Ａ線断面図。
【図２】（ａ）は、第２加熱コイルが第１加熱コイルに対して干渉しないことを示す説明図、（ｂ）は、第１加熱コイルが第２加熱コイルに対して干渉しないことを示す説明図。
【図３】（ａ）は本発明の第２実施形態の平面図、（ｂ）はＡ―Ａ線断面図。
【図４】本発明の第３実施形態の構成図。
【図５】本発明の第４実施形態の説明図。
【図６】本発明の第５実施形態の説明図。
【符号の説明】
1,21,31,41,51      第１加熱コイル
2A,2B,22A,22B,32A,32B,42A,42B,52A,52B第２加熱コイル
43A,43B,53A,53B    第３加熱コイル
44A,44B            第４加熱コイル
D1,D2,D3,D4        高周波電源
10,20,30,40,50    被加熱物
1AI,1BI,2AI,2BI    加熱コイルを流れる高周波電流
1AX,1BX,2AX,2BX    高周波電流の通電時に発生する磁束
1AXa,1BXa,2AXa,2BXa誘導磁束
1AIa,1BIa,2AIa,2BIa誘導電流
【図１】
0003725249.tif 000002
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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