(57)【要約】      （修正有）【課題】誘導加熱デバイスは、その上側部分および下側部分の温度の均一化を図り、動作信頼性を改善する。【解決手段】誘導加熱デバイス１は、誘導加熱コイル１０と複数の高透磁率部材とを備え、高周波磁束は、高透磁率部材内では渦電流を形成せず、被加熱体内では渦電流を形成して、被加熱体内の渦電流により高周波磁束と干渉する干渉磁束が形成されるため、高透磁率部材から垂直に延びる高周波磁束の向きが、内径端子付近においては、コイル上面２６に向かって外径側へ湾曲し、外径端子付近においては、コイル上面２６に向かって内径側へ湾曲し、導電体束２０は、内径端子および外径端子付近において、各導電層２４が湾曲する高周波磁束の向きに沿って傾斜するように巻回される。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加熱体を誘導加熱する誘導加熱デバイスであって、
複数の導電層を狭む絶縁層を有する導電体束を、コイル軸の周りに沿って内径端子から外径端子まで巻回してなる誘導加熱コイルと、
前記誘導加熱コイルの前記内径端子より半径方向内側の内径位置から、前記外径端子より半径方向外側の外径位置まで延びる棒状の複数の高透磁率部材とを備え、
前記導電体束の前記各導電層は、前記誘導加熱コイルの前記内径端子および前記外径端子の間で並列に接続され、
前記誘導加熱コイルは、前記被加熱体に対向するコイル上面および前記各高透磁率部材に対向するコイル下面を有し、前記内側端子と前記外側端子との間に高周波電圧が印加されるとき、前記各高透磁率部材および前記被加熱体を通る高周波磁束を形成し、
高周波磁束は、前記高透磁率部材内では渦電流を形成せず、前記被加熱体内では渦電流を形成して、前記被加熱体内の前記渦電流により前記高周波磁束と干渉する干渉磁束が形成されるため、前記高透磁率部材から垂直に延びる高周波磁束の向きが、前記内径端子付近においては、前記コイル上面に向かって外径側へ湾曲し、前記外径端子付近においては、前記コイル上面に向かって内径側へ湾曲し、
前記導電体束は、前記内径端子および前記外径端子付近において、前記各導電層が湾曲する高周波磁束の向きに沿って傾斜するように巻回されることを特徴とする誘導加熱デバイス。
【請求項２】
前記高周波磁束は、前記内径端子と前記外径端子の中間部においては、前記干渉磁束と干渉せず、前記高周波磁束の向きが前記コイル上面に平行となり、
前記中間部にある前記導電体束は、前記各導電層が前記コイル上面に平行となるように巻回されることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱デバイス。
【請求項３】
被加熱体を誘導加熱する誘導加熱デバイスであって、
複数の導電層を狭む絶縁層を有する導電体束を、コイル軸の周りに沿って内径端子から外径端子まで巻回してなる誘導加熱コイルと、
前記誘導加熱コイルの前記内径端子より半径方向内側の内径位置から、前記外径端子より半径方向外側の外径位置まで延びる棒状の複数の高透磁率部材とを備え、
前記導電体束の前記各導電層は、前記誘導加熱コイルの前記内径端子および前記外径端子の間で並列に接続され、
前記誘導加熱コイルは、前記被加熱体に対向するコイル上面および前記各高透磁率部材に対向するコイル下面を有し、前記内側端子と前記外側端子との間に高周波電圧が印加されるとき、前記各高透磁率部材および前記被加熱体を通る高周波磁束を形成し、
前記誘導加熱コイルは、前記内径端子に隣接する内径コイル部と、前記外径端子に隣接する外径コイル部とを有し、
前記内径コイル部の各導電層は、前記コイル軸に対して外径側へ鋭角で傾斜して延び、
前記外径コイル部の各導電層は、前記コイル軸に対して内径側へ鋭角で傾斜して延びることを特徴とする誘導加熱デバイス。
【請求項４】
前記誘導加熱コイルは、前記内径コイル部と前記外径コイル部との間に中間コイル部を有し、
前記内径コイル部および前記中間コイル部の間、ならびに前記中間コイル部および前記外径コイル部の間において、前記コイル下面に隣接して配設された一対の下面スペーサを有することを特徴とする請求項３に記載の誘導加熱デバイス。
【請求項５】
前記内径コイル部および前記外径コイル部は、複数ターンの前記導電体束を巻回してなり、
前記内径コイル部の前記各導電体束の前記導電層の前記コイル軸に対する外径側への傾斜角度が、より外側に巻回された前記導電体束の前記導電層のものより大きく、
前記外径コイル部の前記各導電体束の前記導電層の前記コイル軸に対する内径側への傾斜角度が、より内側に巻回された前記導電体束の前記導電層のものより大きいことを特徴とする請求項３に記載の誘導加熱デバイス。
【請求項６】
前記内径コイル部の前記各導電体束の間において、前記コイル上面に隣接して配設された複数の上面スペーサを有することを特徴とする請求項５に記載の誘導加熱デバイス。
【請求項７】
前記誘導加熱コイルは、前記内径コイル部と前記外径コイル部との間に中間コイル部を有し、
前記中間コイル部の前記各導電層は、半径方向に延びることを特徴とする請求項３〜６のいずれか１に記載の誘導加熱デバイス。
【請求項８】
被加熱体を誘導加熱する誘導加熱デバイスであって、
複数の導電層を狭む絶縁層を有する導電体束を、コイル軸の周りに沿って内径端子から外径端子まで巻回してなる誘導加熱コイルと、
前記誘導加熱コイルの前記内径端子より半径方向内側の内径位置から、前記外径端子より半径方向外側の外径位置まで延びる棒状の複数の高透磁率部材とを備え、
前記導電体束の前記各導電層は、前記誘導加熱コイルの前記内径端子および前記外径端子の間で並列に接続され、
前記誘導加熱コイルは、前記被加熱体に対向するコイル上面および前記各高透磁率部材に対向するコイル下面を有し、前記内側端子と前記外側端子との間に高周波電圧が印加されるとき、前記各高透磁率部材および前記被加熱体を通る高周波磁束を形成し、
前記誘導加熱コイルは、前記内径端子に隣接する内径コイル部と、前記外径端子に隣接する外径コイル部とを有し、
ａ）前記誘導加熱コイルは、前記内径端子に隣接する内径コイル部と、前記外径端子に隣接する外径コイル部とを有し、
ａ−ｉ）前記内径コイル部の前記各導電層は前記コイル軸に対して外径側に鋭角で傾斜して延び、前記外径コイル部の前記各導電層は前記コイル軸に対して平行に延び、もしくは
ａ−ii）前記内径コイル部の前記各導電層は前記コイル軸に対して平行に延び、前記外径コイル部の各導電層は前記コイル軸に対して内径側に鋭角で傾斜して延び、または
ｂ）前記誘導加熱コイルは、前記内径端子に隣接する内径コイル部と、前記外径端子に隣接する外径コイル部と、前記内径コイル部と前記外径コイル部との間に中間コイル部とを有し、前記内径コイル部および前記外径コイル部の前記各導電層は前記コイル軸に対して平行に延び、前記中間コイル部の前記各導電層は半径方向に延びることを特徴とする誘導加熱デバイス。
【請求項９】
前記誘導加熱コイルより内径側に別の小型の誘導加熱コイルをさらに有することを特徴とする請求項１〜８のいずれか１に記載の誘導加熱デバイス。
【請求項１０】
請求項１〜９のいずれか１に記載の誘導加熱デバイスと、
前記誘導加熱コイルに高周波電流を供給する駆動デバイスと、
前記被加熱体と前記誘導加熱コイルとの間に配置され、前記被加熱体を載置するためのトッププレートと、
前記誘導加熱コイルの前記コイル下面に送風することより冷却するための冷却ファンとを備えたことを特徴とする誘導加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、誘導加熱デバイスおよびこれを用いた誘導加熱装置に関し、誘導加熱コイルから生じる熱を効率的に冷却できる誘導加熱デバイスおよびこれを用いた誘導加熱装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来式のＩＨクッキングヒータ等の誘導加熱調理器（誘導加熱装置）に用いられる誘導加熱コイルは、たとえば銅線を樹脂などで被覆したものを複数本撚り線にしたいわゆるリッツ線を複数ターン巻回することにより構成されたものが提案されていた。しかし近年では、複数の薄膜導電層を絶縁層で包囲して形成された導電積層体または導電体束を巻回することにより形成される誘導加熱コイルも提案されている。
【０００３】
たとえば特許文献１に記載の誘導加熱調理器用コイルは、複数の薄肉な電気導体の平角線の周囲に絶縁層が設けられた絶縁積層線を中心軸の周りに渦巻状に複数ターン巻回することにより構成され、各平角線は特許文献１の図１０に示すように垂直方向に延びるものである。
【０００４】
また特許文献２の図５および図９においては、高周波における近接効果による銅損を低減するために、コイル用電線組線の断面が傾斜するようにコイル巻軸の周りに渦巻き状に巻回された電気機器用コイルが提案されている。
【０００５】
また特許文献３の図３および図４においては、被加熱体の温度分布を均一にするために、凸型または凹型構造のコイルユニットの平角同線をコイル中心のまわりに巻回することにより構成された誘導加熱用コイルが教示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００３−０１７２３３号公報（図１０、図１２）
【特許文献２】特開２０１０−０５０２４１号公報（図５、図９）
【特許文献３】特開平０８−０４５６５４号公報（図３、図４）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に記載の誘導加熱調理器用コイルを含む一般的な誘導加熱調理器用コイルにおいて、特許文献１の図１に示すように、天板部（トッププレート）上に載置される鍋等の被加熱体と誘導加熱調理器用コイルとの間の物理的距離を短くするために、天板部と誘導加熱調理器用コイルとの間隔を短く設計する必要がある。ところが誘導加熱調理器用コイルに高周波電流が流れるとき、ジュール熱が発生し、天板部と誘導加熱調理器用コイルとの間隔が短いために、通常、誘導加熱調理器用コイルの下面側から送風する冷却ファンによる冷却効果が小さく、とりわけ誘導加熱調理器用コイルの上面部分が十分に冷却されないという課題があった。
【０００８】
また特許文献１に記載の誘導加熱調理器用コイルのように、複数の薄肉の導電平角線の周囲に絶縁層が設けられた絶縁積層線を中心軸の周りに渦巻状に複数ターン巻回することにより構成されたとき、導電性平角線の上側部分が下側部分より発熱量が大きく（発熱の詳細メカニズムについては後述する。）、導電性平角線の上側部分と下側部分との温度差がきわめて大きくなり、上面部分に対する低い冷却効果に加え、上面部分が（下面部分よりも）局部的に温度上昇し、信頼性上の問題が危惧されていた。
【０００９】
特許文献２には、電気機器用コイル、天板部（トッププレート）、およびフェライト部材の配置位置関係については示唆されていないが、特許文献１と同様、加熱効率を最適化するためには被加熱体との間の物理的距離は短くする必要があり、本質的には、特許文献１と同様、コイル用電線組線の被加熱体に対抗する部分が局部的に高温となるという問題を有する。
【００１０】
さらに特許文献３には、凸型または凹型構造のコイルユニットの平角同線をコイル中心のまわりに巻回して、コイル軸に対して一定の角度を有するように傾斜配置して、被加熱体の温度分布を均一にすることが記載されているものの、平角同線の上側部分と下側部分の温度を均一にすることという課題については何ら言及されていない。
【００１１】
そこで本発明は、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、誘導加熱コイルの上側部分で生じる渦電流によるジュール熱を低減させ、下側部分で生じる渦電流によるジュール熱を増大させて、冷却ファンからの送風により下側部分を十分に冷却することにより、誘導加熱コイルの上側部分および下側部分の温度の均一化を図り、あわせて誘導加熱コイル全体をより低い温度に維持して、その動作信頼性を改善しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は、被加熱体を誘導加熱する誘導加熱デバイスに関し、複数の導電層を狭む絶縁層を有する導電体束を、コイル軸の周りに沿って内径端子から外径端子まで巻回してなる誘導加熱コイルと、前記誘導加熱コイルの前記内径端子より半径方向内側の内径位置から、前記外径端子より半径方向外側の外径位置まで延びる棒状の複数の高透磁率部材とを備え、前記導電体束の前記各導電層は、前記誘導加熱コイルの前記内径端子および前記外径端子の間で並列に接続され、前記誘導加熱コイルは、前記被加熱体に対向するコイル上面および前記各高透磁率部材に対向するコイル下面を有し、前記内側端子と前記外側端子との間に高周波電圧が印加されるとき、前記各高透磁率部材および前記被加熱体を通る高周波磁束を形成し、高周波磁束は、前記高透磁率部材内では渦電流を形成せず、前記被加熱体内では渦電流を形成して、前記被加熱体内の前記渦電流により前記高周波磁束と干渉する干渉磁束が形成されるため、前記高透磁率部材から垂直に延びる高周波磁束の向きが、前記内径端子付近においては、前記コイル上面に向かって外径側へ湾曲し、前記外径端子付近においては、前記コイル上面に向かって内径側へ湾曲し、前記導電体束は、前記内径端子および前記外径端子付近において、前記各導電層が湾曲する高周波磁束の向きに沿って傾斜するように巻回されることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係る誘導加熱デバイスによれは、誘導加熱コイルの上側部分で生じる渦電流によるジュール熱を低減させ、下側部分で生じる渦電流によるジュール熱を増大させて、冷却ファンからの送風により下側部分を十分に冷却することにより、誘導加熱コイルの上側部分および下側部分の温度の均一化を図り、あわせて誘導加熱コイル全体をより低い温度に維持して、その動作信頼性を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本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２】図１のII−II線から見た誘導加熱装置の断面図である。
【図３】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。
【図４】（ａ）は誘導加熱コイルを構成する前の導電体束を示した斜視図であり、（ｂ）は導電体束を長手方向の断面図である。
【図５】図３のＶ−Ｖ線から見た実施の形態１に係る誘導加熱デバイスの拡大断面図である
【図６】内径コイル部とその周囲に形成される磁束をさらに拡大した図５と同様の断面図である。
【図７】外径コイル部とその周囲に形成される磁束をさらに拡大した図５と同様の断面図である。
【図８】中間コイル部とその周囲に形成される磁束をさらに拡大した図５と同様の断面図である。
【図９】従来技術に係る誘導加熱デバイスの図５と同様の拡大断面図である。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）は、従来技術による誘導加熱デバイスの内径コイル部、中間コイル部、および外径コイル部の１つの導電層において、湾曲した高周波磁束による渦電流に起因して生じる熱量を概念的に示すものである。
【図１１】（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態１に係る誘導加熱デバイスの内径コイル部、中間コイル部、および外径コイル部の導電層において、湾曲した高周波磁束による渦電流に起因して生じる熱量を概念的に示すものである。
【図１２】（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、実施の形態１および従来技術に係る誘導加熱コイルについて、２次元有限要素法を用いて、各導電層に対して軸対称渦電流解析を実施したときの発熱量（温度分布）を解析した図である。
【図１３】誘導加熱デバイスの誘導加熱コイルの平面図であって、誘導加熱コイルに高周波電流を供給したときに形成された磁束線の向きを示すものである。
【図１４】実施の形態２に係る誘導加熱デバイスの拡大断面図である。
【図１５】実施の形態２の変形例に係る誘導加熱デバイスの拡大断面図である。
【図１６】実施の形態２の別の変形例に係る誘導加熱デバイスの拡大断面図である。
【図１７】実施の形態３に係る各コイル部間に挿入された一対の下面スペーサを示す拡大断面図である。
【図１８】実施の形態３に係る各導電体束間に挿入された複数の上面スペーサを示す拡大断面図である。
【図１９】実施の形態４に係る誘導加熱デバイスの拡大断面図である。
【図２０】実施の形態４に係る中央小型コイルの導電層において、湾曲した高周波磁束による渦電流に起因して生じる熱量を概念的に示すものである。
【図２１】実施の形態４に係る中央小型コイル、誘導加熱コイル、フェライト部材、および鍋の底板について、各導電層に対して軸対称渦電流解析を実施したときの発熱量（温度分布）を解析した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付図面を参照して本発明に係る誘導加熱装置に用いられる誘導加熱デバイス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」、「内径側」、「外径側」、「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。
【００１６】
実施の形態１．
本発明に係る実施の形態１の誘導加熱デバイス１は、任意の誘導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１００に採用される誘導加熱デバイス１について以下詳細に説明する。
【００１７】
図１は、本発明に係る誘導加熱デバイス１を内蔵したＩＨクッキングヒータなどの誘導加熱装置１００の全体斜視図であり、図２は、図１のII−II線から見た（ＸＺ平面に平行な断面で見た）誘導加熱装置１００の断面図である。図３は、誘導加熱デバイス１を上方から見た平面図である。この誘導加熱装置１００は、概略、筐体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、筐体５に内蔵され、トッププレート６の下方に配設された誘導加熱デバイス１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。
【００１８】
実施の形態１に係る誘導加熱デバイス１は、図３に示すように、誘導加熱コイル１０と、放射状または半径方向に延びる棒状の複数のフェライト部材（高透磁率部材）１２とを有する。誘導加熱コイル１０は内側端子２１よび外側端子２２を有し、フェライト部材１２は、内側端子２１より内径側（半径方向内側）の内径位置から、外側端子２２より外径側（半径方向外側）の外径位置まで延びている。また誘導加熱デバイス１は、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を有していてもよい。すなわち誘導加熱コイル１０は、トッププレート６に対向するコイル上面２６と、フェライト部材１２に対向するコイル下面２７とを有する。
【００１９】
また誘導加熱装置１００は、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を有していてもよい。さらに誘導加熱装置１００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（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（コントローラ）１８とを有する。
【００２０】
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。この誘導加熱装置１００は、誘導加熱コイル１０に高周波電流を供給すると、巨視的に見たとき、誘導加熱コイル１０の周囲において鍋Ｋおよびフェライト部材１２を通る連続した閉ループ高周波磁束が形成され、この高周波磁束により鍋Ｋに渦電流が形成され、その渦電流により鍋Ｋを効率よく加熱するものである。
【００２１】
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のコイル上面２６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を誘導加熱する際、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）を含むさまざまな要因に起因して、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１００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１９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。
【００２２】
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のコイル上面２６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。
【００２３】
ここで、本発明に係る誘導加熱デバイス１の構造について、より詳細に説明する。上述のように、誘導加熱デバイス１は、導電体束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。
【００２４】
図４（ａ）は、導電体束２０の渦巻状に巻回して誘導加熱コイル１０を構成する前の導電体束２０を示したものであり、図４（ｂ）は、導電体束２０をコイル軸（Ｚ軸）の周りに渦巻状に巻回したときの導電体束２０を半径方向の垂直平面（図４のＸＺ平面）で切断したときの断面図である。図４（ａ）に示す導電体束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、ＹＺ平面に平行な面に沿って延びる複数の導電層２４と、各導電層２４を狭む電気絶縁層２５とを接合することにより構成される。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、内側端子２１および外側端子２２において並列に接続されている。択一的には、導電体束２０は、電気絶縁層２５により狭持された導電層２４からなる複数の導電体を図示しない接着剤を介して接合することにより形成してもよい。
【００２５】
たとえば図４（ａ）および（ｂ）に示す導電体束２０は、X方向に平行な幅Ｗ、Ｙ方向に平行な高さＨを有し、各導電層２４がX方向（幅方向）に薄く、Ｙ方向に（高さ方向）に延びるように形成されている。図示しないが、導電体束２０の各導電層２４は、その両端において内側端子２１および外側端子２２に並列に接続されている。なお、図４（ｂ）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。
【００２６】
図５は、図３のＶ−Ｖ線から見た（ＸＺ平面に平行な断面で見た）実施の形態１に係る誘導加熱デバイス１の拡大断面図である。図３および図５を参照すると、実施の形態１に係る誘導加熱コイル１０は、半径方向内側において導電体束２０を約３ターン巻回して構成された内径コイル部３０と、導電体束２０を９０度捻って約２ターン巻回して構成された中間コイル部３２と、さらに半径方向外側において導電体束２０を反対方向に９０度捻って（元に戻して）約３ターン巻回することにより形成された外径コイル部３４とを有する。
【００２７】
実施の形態１に係る誘導加熱コイル１０によれば、内径コイル部３０の各導電層２４は、コイル軸（コイル中心）Ｃに対して外径側に鋭角θ１で傾斜して延び、外径コイル部３４の各導電層２４は、コイル軸（コイル中心）Ｃに対して外径側に鋭角θ２で傾斜して延び、中間コイル部３２の各導電層２４は半径方向に沿って延びるように形成されている。図面を簡略化して、本発明を容易に理解するために、内径コイル部３０、中間コイル部３２、および外径コイル部３４は、導電体束２０をそれぞれ３ターン、２ターン、３ターン巻回して構成されるものとしたが、ターン数はこれに限定するものではなく、また導電体束２０は５層の導電層２４から形成されるものとしたが、それ以上の層数（たとえば１０層）からなる導電層２４を有するものであってもよいし、それ以下の層数（たとえば２層）であってもよい。
【００２８】
このように構成することにより（その理由または熱発生メカニズムについては詳細後述するが）、実施の形態１に係る誘導加熱コイル１０によれば、導電体束２０の導電層２４から生じる熱量をコイル上面２６において低減し、コイル下面２７において増大させることにより、コイル下面２７に当てる冷却風による冷却効果を向上させ、誘導加熱コイル１０の上側部分（コイル上面２６に近い部分）および下側部分（コイル下面２７に近い部分）の温度の均一化を図るとともに、導電層２４全体の温度を低下させ、その動作信頼性を改善することができる。
【００２９】
誘導加熱コイル１０は、上述のように、その巻線抵抗によるジュール熱（銅損）により加熱され、温度が上昇するが、その他の理由（熱発生メカニズム）によっても加熱される。本発明に係る誘導加熱コイル１０の内側端子２１と外側端子２２との間に高周波電流が流れると、従来式の誘導加熱コイルと同様、巨視的に見れば、図５の破線で示すように、誘導加熱コイル１０の周囲において鍋Ｋおよびフェライト部材１２を通る連続した閉ループ高周波磁束が形成され、この高周波磁束により鍋Ｋに渦電流が形成され、その渦電流により鍋Ｋが誘導加熱される。図６〜図８は、内径コイル部３０、外径コイル部３４、および中間コイル部３２と、これらの周囲において形成される磁束をさらに拡大して（微視的に）見たときの断面図であって、トッププレート６を省略したものである。
【００３０】
誘導加熱コイル１０の各導電層２４に、たとえば図５の紙面の手前側から奥手側（Ｙ方向）に高周波電流Ｉｃが流れるとき、図５の時計回りの高周波磁束φｃが形成され、この高周波磁束φｃが鍋Ｋと鎖交し、鍋Ｋの底板内に図５の紙面の奥手側から手前側（−Ｙ方向）に渦電流Ｉｅが流れる。すると、この渦電流Ｉｅが鍋Ｋの周りにおいて、誘導加熱コイル１０による高周波磁束φｃを相殺するような（図６〜図８の一転鎖線で示す）反時計回りの高周波磁束φｅが形成される。
【００３１】
したがって、誘導加熱コイル１０による高周波磁束φｃは、基本的には（巨視的に見れば）、図５の破線で示すように形成されるが、たとえば図６の内径コイル部３０と鍋Ｋの底板との間においては、微視的に見ると、誘導加熱コイル１０に供給される高周波電流Ｉｃよる高周波磁束φｃと、鍋Ｋの底板の渦電流Ｉｅによる高周波磁束φｅとが互いに干渉し合って、または打ち消し合って、高周波磁束φｃの向きが外径側（図６の右側）へ湾曲してしまう。換言すると、渦電流Ｉｅによる高周波磁束φｅは、高周波電流Ｉｃよる高周波磁束φｃを、誘導加熱コイル１０と鍋Ｋの底板との間に閉じ込めようと作用する。この文脈において、本願の明細書および特許請求の範囲においては、鍋Ｋの底板の渦電流Ｉｅを「遮蔽電流」、渦電流Ｉｅによる高周波磁束φｅを「干渉高周波磁束」または単に「干渉磁束」ともいう。
【００３２】
フェライト部材１２は、上述のとおり、内側端子２１より半径方向内側の内径位置から、外側端子２２より半径方向外側の外径位置まで延びており、極めて高い透磁率（たとえば透磁率μは１０００Ｈ／ｍ）を有することから渦電流は発生せず、高周波電流Ｉｃよる高周波磁束φｃは、フェライト部材１２から誘導加熱コイル１０に向かって実質的に垂直方向（Ｚ方向）に延びる。
【００３３】
また図７の外径コイル部３４と鍋Ｋの底板との間においては、同様に、高周波電流Ｉｃよる高周波磁束φｃと、渦電流Ｉｅによる高周波磁束φｅとが互いに干渉し合って、高周波磁束φｃの向きが内径側（図７の左側）へ湾曲してしまう。ただし、フェライト部材１２は、半径方向において誘導加熱コイル１０より長く、透磁率が高く、渦電流が発生しないので、高周波電流Ｉｃよる高周波磁束φｃは、同様に、フェライト部材１２から誘導加熱コイル１０に向かって垂直方向（Ｚ方向）に延びる。
【００３４】
さらに図８の中間コイル部３２と鍋Ｋの底板との間においては、高周波電流Ｉｃよる高周波磁束φｃおよび渦電流Ｉｅによる高周波磁束φｅがともに外径側へ向くため、両者の間の干渉は生じない。
【００３５】
上述のように、誘導加熱コイル１０と鍋Ｋの底板の間において、高周波磁束φｃが干渉磁束φｅによる干渉を受けて磁束ベクトルの向きが湾曲するが、この湾曲する高周波磁束φｃに起因して、誘導加熱コイル１０の各導電層２４に渦電流が生じてしまう。ここで、湾曲する高周波磁束φｃに起因する渦電流による各導電層２４における発熱量について、従来技術による誘導加熱コイルと、実施の形態１に係る誘導加熱コイル１０とを対比しながら以下検討する。
【００３６】
図９は、従来技術による誘導加熱デバイス１０１の拡大断面図であって、図５と同様のものである。図９に示す誘導加熱デバイス１０１の導電体束２０を構成する各導電層２４は、実施の形態１とは異なり、コイル軸Ｃに対して実質的に平行に延びている。図１０（ａ）〜（ｃ）は、従来技術による誘導加熱デバイス１０１の内径コイル部３０、中間コイル部３２、および外径コイル部３４の１つの導電層２４において、湾曲した高周波磁束φｃによる渦電流に起因して生じる熱量を概念的に（波線の長さで）示すものである。
【００３７】
一般に、高周波磁束φが鎖交して生じる渦電流の大きさは、高周波磁束φの向きに直交する面積の二乗に比例する。図１０（ａ）において、高周波磁束φｃおよび導電層２４の下側部分は、ともに垂直方向（Ｚ方向）に延びているため、導電層２４の下側部分においては、高周波磁束φｃが鎖交する導電層２４の膜厚に相当する断面はきわめて微小であり、渦電流はほとんど生じず、導電層２４の下側部分における渦電流による発熱量ｈ２は無視できる程度に小さい。しかしながら高周波磁束φｃは、図１０（ａ）に示すように上方に向かうほど外径側へ湾曲しているため、高周波磁束φｃと直交する導電層２４の上側部分の面積は上方に位置するほど増大する。したがって、導電層２４の上側部分における渦電流による発熱量ｈ１は、導電層２４の下側部分における渦電流による発熱量ｈ２より実質的に大きくなる（ｈ１＞ｈ２）。
【００３８】
図１０（ｂ）において、導電層２４全体が高周波磁束φｃと直交し、高周波磁束φｃはフェライト部材１２から遠ざかるほど、すなわち上方に位置する導電層２４の上側部分ほど強く高周波磁束φｃと鎖交し、発熱量ｈ３も増大する。
【００３９】
また図１０（ｃ）において、高周波磁束φｃおよび導電層２４の下側部分は、ともに垂直方向（Ｚ方向）に延びているため、導電層２４の下側部分における渦電流による発熱量ｈ２は無視できる程度に小さい。しかし、高周波磁束φｃは、上方に向かうほど内径側へ湾曲しているため、導電層２４の上側部分における渦電流による発熱量ｈ５は、導電層２４の下側部分における渦電流による発熱量ｈ４より実質的に大きくなる（ｈ４＞ｈ５）。
【００４０】
図１１（ａ）〜（ｃ）は、実施の形態１に係る誘導加熱デバイス１の内径コイル部３０、中間コイル部３２、および外径コイル部３４の１つの導電層２４において、湾曲した高周波磁束φｃによる渦電流に起因して生じる熱量を概念的に（波線の長さで）示すものであって、図１０（ａ）〜（ｃ）と同様のものである。上述のように、内径コイル部３０の各導電層２４は、コイル軸Ｃに対して外径側に鋭角θ１で傾斜して延びており、高周波磁束φｃは、フェライト部材１２から誘導加熱コイル１０に向かって垂直方向（Ｚ方向）に延びている。したがって、導電層２４の下側部分においては、高周波磁束φｃと直交して導電層２４に形成される渦電流による発熱量Ｈ２は、上記従来技術の場合の発熱量ｈ２より大きくなり、導電層２４の上側部分においては、高周波磁束φｃと直交して導電層２４に形成される渦電流による発熱量Ｈ１は、上記従来技術の場合の発熱量ｈ１より小さくなる（図１１（ａ））。
【００４１】
また中間コイル部３２の各導電層２４は、高周波磁束φｃと平行に延びているため、高周波磁束φｃと鎖交することなく、渦電流が発生せず、発熱しない（図１１（ｂ））。
【００４２】
同様に、外径コイル部３４の各導電層２４は、コイル軸Ｃに対して外径側に鋭角θ２で傾斜して延びており、高周波磁束φｃは、フェライト部材１２から誘導加熱コイル１０に向かって垂直方向（Ｚ方向）に延びている。したがって、導電層２４の下側部分においては、高周波磁束φｃと直交して導電層２４に形成される渦電流による発熱量Ｈ４は、上記従来技術の場合の発熱量ｈ４より大きくなり、導電層２４の上側部分においては、高周波磁束φｃと直交して導電層２４に形成される渦電流による発熱量Ｈ５は、上記従来技術の場合の発熱量ｈ５より小さくなる（図１１（ｃ））。
【００４３】
したがって、従来技術に係る誘導加熱デバイス１０１においては、導電層２４（特に、その上方部分）が高周波磁束φｃと鎖交しやすく、発熱量も大きくなるのに対し、実施の形態１に係る誘導加熱デバイス１によれば、導電層２４の上方部分における高周波磁束φｃによる発熱を実質的に低減または回避することができる。また従来技術に係る誘導加熱デバイス１０１においては、内径コイル部３０および外径コイル部３４の上側部分と下側部分の発熱量の差異がきわめて大きいのに対し、実施の形態１に係る誘導加熱デバイス１によれば、内径コイル部３０の上側部分と下側部分の発熱量の差異を実質的に低減することができる。
【００４４】
すなわち実施の形態１に係る誘導加熱デバイス１によれば、高周波磁束φｃが湾曲することに起因して生じる導電層２４の上側部分と下側部分の発熱量を均一にして、誘導加熱コイル１０とトッププレート６との狭小間隔における温度上昇を緩和し、従前より導電層２４の下側部分が高温となっても、冷却ファンによる効率的に冷却することにより、動作信頼性を改善することができる。
【００４５】
図１２（ａ）および（ｂ）は、実施の形態１に係る誘導加熱コイル１０（図５）および従来技術に係る誘導加熱コイル１０（図９）について、２次元有限要素法を用いて、各導電層２４に対して軸対称渦電流解析を実施したときの発熱量（温度分布）を解析した図である。図１２（ａ）および（ｂ）から明らかなように、従来式の誘導加熱コイル１０は、内径コイル部、中間コイル部、および外径コイル部に相当するすべての部分のコイル上面における発熱量が大きいのに対し（図１２（ｂ））、実施の形態１に係る誘導加熱コイル１０は、コイル上面２６に近接する上側部分における発熱量が抑制されており（低温に維持されており）、従来技術に係る誘導加熱コイル１０に比して全体的に均一に発熱している（図１２（ａ））。また、実施の形態１に係る誘導加熱コイル１０の中間コイル部３２における発熱量は、発熱量はきわめて小さい。さらに図１２（ａ）において、内径コイル部３０および外径コイル部３４のコイル下面２７に近接する下側部分における発熱量が大きいが、冷却ファン１９による下方からの送風により直接的に冷却することができるので、従来式の誘導加熱コイル１０に比して冷却効果を実質的に向上させ、その動作信頼性を改善することができる。
【００４６】
なお、コイル軸（コイル中心）Ｃに対する、内径コイル部３０および外径コイル部３４の各導電層２４の傾斜角度θ１およびθ２は、同一であってもよいし、異なっていてもよい。すなわち、高周波磁束φｃは半径方向に沿って連続的に変化するので、誘導加熱コイル１０の導電体束２０（各導電層２４）は、湾曲する高周波磁束φｃの向きに沿って連続的に変化するように巻回してもよい。すなわち上記実施の形態１では、各導電層２４が半径方向に延びる中間コイル部３２を設けたが、中間コイル部３２を省略して、内径コイル部３０および外径コイル部３４のみを有し、コイル軸（コイル中心）Ｃに対する各導電層２４の傾斜角度θを、半径方向の高周波磁束φｃの向きに沿って連続的に変化するように導電体束２０を巻回してもよい。
【００４７】
実施の形態２．
図１３〜図１６を参照しながら、本発明に係る誘導加熱デバイス１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に係る誘導加熱デバイス１は、概略、内径コイル部３０、中間コイル部３２、および外径コイル部３４の各導電層２４が延びる方向（傾斜角度θ）を変更した点を除き、実施の形態１に係る誘導加熱デバイス１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。
【００４８】
図１３は、誘導加熱デバイス１の誘導加熱コイル１０（フェライト部材１２を省略）の平面図であって、誘導加熱コイル１０に高周波電流を供給したときに形成された磁束線の向きを示すものである。図１４は、実施の形態２に係る誘導加熱デバイス１の拡大断面図であって、図５と同様のものである。図１３からも明らかなように、磁束密度Ｂは、半径方向内側に向かうほど大きくなる。すなわち湾曲した高周波磁束φｃによる渦電流に起因して生じる熱量は、外径コイル部３４より内径コイル部３０の方が大きくなる。そこで実施の形態２に係る誘導加熱デバイス１においては、内径コイル部３０の各導電層２４のみがコイル軸（コイル中心）Ｃに対して外径側に鋭角θ１で傾斜して延びるように構成され、中間コイル部３２および外径コイル部３４の各導電層２４は、従来式の誘導加熱コイル１０と同様、コイル軸Ｃに平行に延びるように構成される。内径コイル部３０、中間コイル部３２、および外径コイル部３４の各導電層２４を傾斜するように導電体束２０を巻回する作業が煩雑で、生産コストの増大を招く場合に有用であり、実施の形態１に係る誘導加熱デバイス１により得られる効果を部分的に得ることができる。すなわち、内径コイル部３０の上側部分および下側部分の温度の均一化を図るとともに、導電層２４全体の温度を低下させることができる。
【００４９】
図１５は、実施の形態２の変形例に係る誘導加熱デバイス１の拡大断面図であって、図５と同様のものである。この誘導加熱デバイス１によれば、中間コイル部３２の各導電層２４のみが半径方向に延びるように構成され、内径コイル部３０および外径コイル部３４の導電体束２０は、従来式の誘導加熱コイル１０と同様に巻回される。これにより導電体束２０を傾斜するように巻回する作業を簡略化して、中間コイル部３２の発熱量を抑制することができる。
【００５０】
図１６は、実施の形態２の別の変形例に係る誘導加熱デバイス１の拡大断面図であって、図５と同様のものである。この誘導加熱デバイス１によれば、外径コイル部３４の各導電層２４のみがコイル軸（コイル中心）Ｃに対して内径側に鋭角θ２で傾斜して延びるように構成され、内径コイル部３０および中間コイル部３２の導電体束２０は、従来式の誘導加熱コイル１０と同様に巻回される。これにより導電体束２０を傾斜するように巻回する作業を簡略化して、外径コイル部３４の発熱量を抑制することができる。
【００５１】
その他、詳細図示しないが、実施の形態１で説明したように、内径コイル部３０、中間コイル部３２、および外径コイル部３４の各導電層２４が延びる方向を適宜変更することにより、さまざまな変形例を実現することができる。
【００５２】
実施の形態３．
図１７および図１８を参照しながら、本発明に係る誘導加熱デバイス１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に係る誘導加熱デバイス１は、たとえば内径コイル部３０、中間コイル部３２、および外径コイル部３４を構成する導電体束２０の間にスペーサ３６を設けて、導電体束２０を傾斜するように巻回する作業を簡略化できるようにする点を除き、実施の形態１および２に係る誘導加熱デバイス１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。
【００５３】
上述のように、内径コイル部３０、中間コイル部３２、および外径コイル部３４の各導電層２４を傾斜するように導電体束２０を巻回する作業が煩雑である場合には、実施の形態１の図５と同様の図１７に示すように、内径コイル部３０および中間コイル部３２、ならびに中間コイル部３２および外径コイル部３４の間であって、コイル下面２７に隣接して配設された一対の下面スペーサ３６を挿入して、導電体束２０を巻回することにより、巻回作業性を格段に改善することができる。さらに巻回後、導電体束２０の上部を内径方向に締め付け力を加えた状態でエポキシ樹脂または接着剤で固定することにより容易に本発明に係る誘導加熱コイル１０を作製することができる。
【００５４】
同様に、詳細図示しないが、実施の形態２の図１４および図１６において、内径コイル部３０および外径コイル部３４の間に単一の下面スペーサ３６を挿入した後に導電体束２０を巻回しても、巻回作業性を改善することができる。なお、図１７に示す下面スペーサ３６の断面は、円形形状を有するものとして図示したが、三角形形状を有するものであってもよい。
【００５５】
また、内径コイル部３０および外径コイル部３４における各導電体束２０の傾斜角度θを変化させるために、図１８に示す一対の下面スペーサ３６加え、各導電体束２０の間であって、コイル上面２６に隣接して配設された複数の上面スペーサ３８を配置してもよい。なお、一対の下面スペーサ３６および複数の上面スペーサ３８は、周方向に連続して一体成型されたものであってもよい。
【００５６】
したがって実施の形態３に係る誘導加熱デバイス１によれば、導電体束２０の間にスペーサ３６を設けて、導電体束２０を傾斜するように巻回する作業を簡略化し、製造コストを低減することができる。
【００５７】
実施の形態４．
図１９〜図２１を参照しながら、本発明に係る誘導加熱デバイス１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に係る誘導加熱デバイス１は、実施の形態１〜３で説明した誘導加熱コイル１０の半径方向内側において別の誘導加熱コイル（便宜上、以下「中央小型コイル」という。）４０を設けた点を除き、実施の形態１〜３に係る誘導加熱デバイス１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。
【００５８】
図１９は、実施の形態４に係る誘導加熱デバイス１の図５と同様の断面図である。中央小型コイル４０の下方にはフェライト部材１２が配設されておらず、中央小型コイル４０の各導電層２４は、コイル軸Ｃに対して平行に延びている。すなわちフェライト部材１２のコイル上面２６ではなく、コイル側面２８から内径方向に延びる高周波磁束φは、図２０に示すように、コイル軸Ｃに対して実質的な傾斜角度を有し、中央小型コイル４０の各導電体束２０と鎖交して、渦電流により発熱する。したがって、中央小型コイル４０の各導電層２４は、上側部分よりも下側部分の方がより多くの熱量を発生する。よって、中央小型コイル４０のコイル上面２６を冷却するために、導電体束２０をコイル軸Ｃに対して傾斜させる必要はない。ただしコイル下面２７は、冷却ファン１９により空冷されるので、中央小型コイル４０が過剰に加熱されることはない。
【００５９】
図２１は、実施の形態４に係る中央小型コイル４０、誘導加熱コイル１０、フェライト部材１２、および鍋Ｋの底板について、各導電層２４に対して軸対称渦電流解析を実施したときの発熱量（温度分布）を解析した図である。図２１からも明らかなように、中央小型コイル４０の各導電層２４は、上側部分よりも下側部分の方がより多くの熱量を発生し、鍋Ｋの底板がより広い範囲で加熱されている。したがって、実施の形態４によれば、中央小型コイル４０を追加することにより、より強力な「火力」で鍋Ｋを誘導加熱することができる。
【符号の説明】
【００６０】
１…誘導加熱デバイス、５…筐体、６…トッププレート、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）、１７…温度センサ、１８…制御部（コントローラ）、１９…冷却ファン、２０…導電体束、２１…内側端子、２２…外側端子、２４…導電層、２５…電気絶縁層、２６…コイル上面、２７…コイル下面、２８…コイル側面、３０…内径コイル部、３２…中間コイル部、３４…外径コイル部、３６…下面スペーサ、３８…上面スペーサ、４０…中央小型コイル、１００…誘導加熱装置、１０１…従来式の誘導加熱デバイス、Ｋ…鍋、Ｃ…コイル軸（コイル中心）、Ｉｃ…高周波電流、Ｉｅ…渦電流、φｃ…高周波磁束、φｅ…干渉磁束。
【図１】
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【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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