(57)【要約】【課題】本願発明は、誘導加熱コイルからの鍋を加熱するための誘導加熱磁束φに励起された渦電流により生じる電流損失を低減することを目的とする。【解決手段】本願発明には、複数の導電層からなり、互いに絶縁層を介して積層された帯状巻線を渦巻き状に巻回してなる誘導加熱コイルに関し、各導電層は、電気的に並列に接続されて、帯状巻線の内側端子および外側端子を形成し、誘導加熱コイルは、高周波電流が供給されたとき、その周囲の半径方向に沿って、外側端子より内側端子に近いほど強い誘導加熱磁束φを形成し、帯状巻線は、内側端子および外側端子の間で所定回数巻回され、かつ、誘導加熱磁束φにより導電層全体に流れる渦電流による電流損失（Ｗ）が所定値以下となるように、内側端子から所定回数の１／３の回数を超えない回数だけ巻回される前に、導電層の半径方向の位置が反転するように巻回してなる。【選択図】図１１
2014086240.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の導電層からなり、互いに絶縁層を介して積層された帯状巻線を渦巻き状に巻回してなる誘導加熱コイルにおいて、
前記各導電層は、電気的に並列に接続されて、前記帯状巻線の内側端子および外側端子を形成し、
前記誘導加熱コイルは、高周波電流が供給されたとき、その周囲の半径方向に沿って、前記外側端子より前記内側端子に近いほど強い誘導加熱磁束（φ）を形成し、
前記帯状巻線は、前記内側端子および前記外側端子の間で所定回数（Ｎ）巻回され、かつ、誘導加熱磁束（φ）により前記導電層全体に流れる渦電流（Ｉｅｄ）による電流損失（Ｗ）が所定値以下となるように、前記内側端子から所定回数（Ｎ）の１／３の回数（Ｎ／３）を超えない回数だけ巻回される前に、前記導電層の半径方向の位置が反転するように巻回してなることを特徴とする誘導加熱コイル。
【請求項２】
帯状巻線は、誘導加熱磁束（φ）に起因して導電層全体に流れる渦電流（Ｉｅｄ）による電流損失（Ｗ）が、該渦電流（Ｉｅｄ）が流れない場合の電力損失（Ｗ０）の１．２倍以下となるように、１回だけ、導電層の半径方向の位置が反転するように巻回してなることを特徴とする請求項１に記載の誘導加熱コイル。
【請求項３】
前記帯状巻線は、前記内側端子および前記外側端子の間で所定回数（Ｎ）巻回され、かつ、誘導加熱磁束（φ）により前記導電層全体に流れる渦電流（Ｉｅｄ）による電流損失（Ｗ）が所定値以下となるように、前記内側端子から所定回数（Ｎ）の１／４の回数（Ｎ／４）を超えない回数だけ巻回される前に、前記導電層の半径方向の位置が反転するように巻回してなることを特徴とする請求項１または２に記載の誘導加熱コイル。
【請求項４】
前記帯状巻線は、前記内側端子および前記外側端子の間で所定回数（Ｎ）巻回され、かつ、誘導加熱磁束（φ）により前記導電層全体に流れる渦電流（Ｉｅｄ）による電流損失（Ｗ）が所定値以下となるように、前記内側端子から所定回数（Ｎ）の１／５の回数（Ｎ／５）を超えない回数だけ巻回される前に、前記導電層の半径方向の位置が反転するように巻回してなることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１に記載の誘導加熱コイル。
【請求項５】
誘導加熱コイルに供給される高周波電流は、２０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚの駆動周波数を有することを特徴とする請求項１〜４のいずれか１に記載の誘導加熱コイル。
【請求項６】
帯状巻線は、渦巻き状に巻回された、半径方向に互いに離間した内側コイルおよび外側コイルを有し、
前記内側コイルは、帯状巻線を第１の回数（Ｎ１）巻回してなり、前記外側コイルは、帯状巻線を第２の回数（Ｎ２）巻回してなり、第１の回数（Ｎ１）は第２の回数（Ｎ２）より少ないことを特徴とする請求項１〜５のいずれか１に記載の誘導加熱コイル。
【請求項７】
帯状巻線は、渦巻き状に巻回され、半径方向に互いに離間した複数の加熱コイルを有し、複数の前記加熱コイルのそれぞれの間において、導電層の半径方向の位置が反転するように巻回してなることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１に記載の誘導加熱コイル。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか１に記載の誘導加熱コイルを用いたことを特徴とする誘導加熱調理器。
【請求項９】
複数の導電層からなり、互いに絶縁層（Ｉ）を介して積層された帯状巻線を渦巻き状に巻回してなる誘導加熱コイルの製造方法であって、
前記各導電層を電気的に並列に接続し、前記帯状巻線の内側端子および外側端子を形成するステップと、
前記誘導加熱コイルに高周波電流を供給したとき、その周囲の半径方向に沿って、前記外側端子より前記内側端子に近いほど強い誘導加熱磁束（φ）が形成され、
前記内側端子および前記外側端子の間で、前記帯状巻線を所定回数（Ｎ）巻回するステップを有し、
前記帯状巻線を巻回するステップは、誘導加熱磁束（φ）により前記導電層全体に流れる渦電流（Ｉｅｄ）による電流損失（Ｗ）が所定値以下となるように、前記内側端子から所定回数（Ｎ）の１／３の回数（Ｎ／３）を超えない回数だけ巻回する前に、前記導電層の半径方向の位置を反転させるように巻回することを特徴とする製造方法。
【請求項１０】
前記帯状巻線を巻回するステップは、誘導加熱磁束（φ）に起因して導電層全体に流れる渦電流（Ｉｅｄ）による電流損失（Ｗ）が、該渦電流（Ｉｅｄ）が流れない場合の電力損失（Ｗ０）の１．２倍以下となるように、１回だけ、導電層の半径方向の位置が反転するように前記帯状巻線を巻回することを特徴とする請求項９に記載の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、高周波電流を供給したときに生じる電流損失を低減することができる誘導加熱コイルおよびその製造方法、ならびにこれを用いた誘導加熱調理器に関する。
【背景技術】
【０００２】
たとえば特許文献１に記載の渦巻きコイルは、その並列接続された部分コイルの導体の長さが異なることに起因して、各部分コイルに流れる電流の不均衡を是正するために、各部分コイルの相対位置を入れ替える転位を行うことにより、磁気的平衡を実現するものである。
【０００３】
また特許文献２に記載の誘導加熱コイルは、絶縁層を介して複数の電気導体をコイル径方向に積層した集合線を渦巻き状に巻回されてなり、高周波電流の近接効果に起因した電流損失を低減するために、電気導体の位置をコイル外周側とコイル内周側とで入れ替わるように巻回することにより、電気導体内の電流分布の偏りを改善するものである。
【０００４】
さらに特許文献３に記載の誘導加熱コイルは、導体線に接着固定された絶縁性スペース部からなるコイル部を、渦巻き状に巻回されてなり、隣接する導体線間の絶縁性を確保しするとともに、絶縁性スペース部が磁性材料により構成された磁性体層を有することにより、高周波電流の近接効果に起因した電流損失を低減しようとするものである。また、特許文献３には、コイルの内ブロックと外ブロックとの間に隣接する導体線間に生じる磁場の向きを入れ替えて、高周波電流の近接効果に起因した電流損失を低減することが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭５９−１５１７９３号公報（図３，図４）
【特許文献２】特許第４４９１９８３号公報（図３〜図６）
【特許文献３】国際特許出願公開第２０１２／０７３５１７号パンフレット（図８）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、特許文献１には、各部分コイルの相対位置を入れ替える転位を行うことは記載されているが、これは、部分コイルの導体の長さが異なることによる各部分コイルに流れる電流の不均衡を是正するものが記載されているに過ぎず、渦巻きコイルに高周波電流が供給されたとき、渦巻きコイルの周囲全体の半径方向において形成される磁束に励起される渦電流による電流損失については、一切記載も示唆もされていない。
【０００７】
同様に、特許文献２には、電気導体の位置をコイル外周側とコイル内周側とで入れ替わるように巻回することにより、高周波電流の近接効果に起因した電流損失を低減することについては記載されているが、誘導加熱コイルに高周波電流が供給されたとき、誘導加熱コイルの周囲全体の半径方向において形成される磁束に励起される渦電流による電流損失については、何ら言及されていない。
【０００８】
さらに特許文献３には、高周波電流の近接効果に起因した電流損失を低減するために、コイルの内ブロックと外ブロックとの間の空間部に導体線の間に生じる磁場の向きを入れ替えることについては記載されている。しかしながら特許文献３には、特許文献２と同様、誘導加熱コイルの周囲全体の半径方向において形成される巨視的な磁束に励起される渦電流による電流損失については、一切記載も示唆もされていない。
【０００９】
ところが、本願発明者は、鋭意研究の結果、詳細後述するように、誘導加熱コイルで生じる電流損失には、部分コイルの導体の長さが異なることや、高周波電流の近接効果によるものの他、誘導加熱コイルに高周波電流が供給されたとき、鍋を加熱するための誘導加熱磁束φが外側端子より内側端子に近いほど強くなり、誘導加熱コイルを構成する並列接続された複数の素線間に半径方向において異なる大きさの誘導加熱磁束φが貫通することにより渦電流が励起され、この渦電流により生じる電流損失があることを見出した。
【００１０】
そこで本願発明は、このような本願発明者の新たな知見に基づいてなされたものであり、誘導加熱コイルからの鍋を加熱するための誘導加熱磁束φに励起された渦電流により生じる電流損失を低減しようとするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本願発明は、複数の導電層からなり、互いに絶縁層を介して積層された帯状巻線を渦巻き状に巻回してなる誘導加熱コイルに関し、この誘導加熱コイルは、前記各導電層は、電気的に並列に接続されて、前記帯状巻線の内側端子および外側端子を形成し、前記誘導加熱コイルは、高周波電流が供給されたとき、その周囲の半径方向に沿って、前記外側端子より前記内側端子に近いほど強い誘導加熱磁束（φ）を形成し、前記帯状巻線は、前記内側端子および前記外側端子の間で所定回数（Ｎ）巻回され、かつ、誘導加熱磁束（φ）により前記導電層全体に流れる渦電流（Ｉｅｄ）による電流損失（Ｗ）が所定値以下となるように、前記内側端子から所定回数（Ｎ）の１／３の回数（Ｎ／３）を超えない回数だけ巻回される前に、前記導電層（Ｃ）の半径方向の位置が反転するように巻回してなることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１２】
本願発明によれば、誘導加熱コイルからの鍋を加熱するための誘導加熱磁束φに励起された渦電流により生じる電流損失を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本願発明に係る誘導加熱コイルを有する誘導加熱調理器の概略を示す斜視図である。
【図２】図１のII−II線から見たときの誘導加熱調理器の一部を示す断面図である。
【図３】図１の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帯状巻線の斜視図であり、（ｂ）は両端部を拡大した帯状巻線の拡大斜視図である。
【図５】図４（ｂ）のＶ−Ｖ線から見た帯状巻線の断面図である。
【図６】（ａ）および（ｂ）は、従来の誘導加熱コイルの概略的な平面図および断面図である。
【図７】（ａ）は従来の誘導加熱コイルの１つの帯状巻線、ならびに内側端子および外側端子の平面図であり、（ｂ）は（ａ）の高周波電流ＩＨＦおよび渦電流Ｉｅｄを示す簡易的な等価回路図である。
【図８】（ａ）は本願発明に係る誘導加熱コイルの１つの帯状巻線、ならびに内側端子および外側端子の平面図であり、（ｂ）は（ａ）の高周波電流および渦電流を示す簡易的な等価回路図である。
【図９】（ａ）は図６（ｂ）と同様の断面図であり、（ｂ）は転位させない帯状巻線を用いて形成した誘導加熱コイルに高周波電流を供給したときの磁束密度を示す概略的なグラフである。
【図１０】（ａ）は半径方向の距離と磁束密度の関係を示すグラフであり、（ｂ）は、転位を入れたときの半径方向の損失の積分値を零にできる様子を示すグラフである。
【図１１】（ａ）は、本願発明に係る誘導加熱コイルにおいて、帯状巻線の転位位置を横軸に、電力損失を最小の電力損失との電力損失比を縦軸にしたグラフであり、（ｂ）はその一部を拡大したグラフである。
【図１２】素線の全体巻数が３０ターンで、さまざまな周波数における素線数と抵抗値の一般的な関係を示すグラフである。
【図１３】図１のII−II線から見たときの誘導加熱調理器の一部を示す断面図であり、図２と同様のものである。
【図１４】誘導加熱コイルを上方から見た図３と同様の平面図である。
【図１５】（ａ）は、図９（ａ）および図６（ｂ）と同様の断面図であり、（ｂ）は、図９（ｂ）を近似的に示したものである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、添付図面を参照して本願発明に係る誘導加熱コイル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、「上方」、「下方」、「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、これらの用語は本願発明を限定するものでない。Ｚ方向は以下ではコイル軸方向とする。
【００１５】
実施の形態１．
図１〜図１２を参照しながら、本願発明に係る誘導加熱コイルについて以下詳細に説明する。本願発明に係る誘導加熱コイル１０は、任意の加熱装置に用いることができるが、一例として誘導加熱調理器１に用いられる誘導加熱コイル１０について説明する。
【００１６】
図１は、本願発明に係る誘導加熱コイル１０を内蔵した誘導加熱調理器１の全体を概略的に示す斜視図である。図２は、図１のII−II線から見たときの誘導加熱調理器１の一部を示す断面図である。図３は、誘導加熱コイル１０を上方から見た平面図である。図１に示すように、この誘導加熱調理器１は、概略、ハウジング５と、その最上部に配設されたトッププレート６と、誘導加熱部７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。
【００１７】
実施の形態１に係る誘導加熱調理器１は、図２に示すように、ハウジング５内に収容され、トッププレート６の下方に配設され、後述の帯状巻線２０を渦巻き状に巻回してなる誘導加熱コイル１０と（図３）、放射状または半径方向に延びる複数のフェライト部材（高透磁率部材）１２とを有し、トッププレート６上には磁性体金属などで作製された鍋（被加熱体）Ｋが簡略的に図示されている。
【００１８】
図４（ａ）は、本願発明に係る誘導加熱コイル１０を構成する帯状巻線２０の斜視図であり、図４（ｂ）は、両端部を拡大した帯状巻線２０の拡大斜視図である。図５は、図４（ｂ）のＶ−Ｖ線から見た帯状巻線２０の断面図である。帯状巻線２０は、図５のＸ方向に金属薄膜（以下、単に「導電層」ともいう。）Ｃおよび絶縁層Ｉを交互に積層したものであり、たとえば１５層の導電層Ｃ（Ｃ１〜Ｃ１５）を絶縁層Ｉで絶縁して構成したものであってもよい。帯状巻線２０は、具体的には、Ｘ方向の厚みｈが約２〜３ｍｍである。
【００１９】
また帯状巻線２０は、図４（ａ）および図４（ｂ）に示すように、両端部において、各導電層Ｃ１〜Ｃ１５を電気的に並列に接続する内側端子２１および外側端子２２を有する。内側端子２１および外側端子２２は、各導電層Ｃに並列に接続され、当業者に知られた任意の方法で作製することができ、たとえば帯状巻線２０の両端部にメタクリコン金属溶射した後、金属引出電極をロウ付けすることにより形成してもよい。
【００２０】
ここで図６〜図８を参照しながら、従来の誘導加熱コイル１０が有する問題点を改めて説明する。図６（ａ）および図６（ｂ）は、従来の誘導加熱コイル１０の概略的な平面図および断面図である。従来の誘導加熱コイル１０は、上述のように構成された帯状巻線２０を、渦巻き状に所定回数（Ｎ、たとえば２７ターン）、巻回して誘導加熱コイル１０を作製する。本願明細書においては、渦巻き状に巻回された回数をターン数と称し、とりわけ図６（ｂ）等の断面図においては、連続する帯状巻線２０の一部を、便宜上、ターン数ｉを用いて、Ｃ１，Ｃ２，・・・，Ｃｉ，・・・，Ｃ２７と表現する。なお、ターン数ｉは、図６（ｂ）においては整数で示すが、任意の実数ｉ（０＜ｉ≦２７）を用いて、実際には連続する帯状巻線２０の任意の位置における部分を表現することができる。
【００２１】
帯状巻線２０を渦巻き状に巻回して構成された誘導加熱コイル１０の内側端子２１と外側端子２２との間に高周波電流ＩＨＦを供給すると、半径方向に延びる交流磁場φが形成される。図６（ａ）および図６（ｂ）では、特定の瞬間における交流磁場φの方向が矢印で図示されている。誘導加熱調理器１は、渦巻き状に巻回された誘導加熱コイル１０に約２０ｋＨｚ以上の高周波電流ＩＨＦを供給したときに生じる交流磁束φにより、導電層Ｃからなる鍋Ｋの底板に渦電流を形成して、鍋Ｋ自体を直接的に加熱するものである。以下、本願明細書において、鍋Ｋを加熱するための交流磁束φを「誘導加熱磁束φ」という。
【００２２】
図７（ａ）は、誘導加熱コイル１０のたとえば第１ターンの帯状巻線２０、ならびに内側端子２１および外側端子２２のみの平面図であって、特定の瞬間における帯状巻線２０に流れる高周波電流ＩＨＦの向き、および誘導加熱磁束（磁束密度Ｂｚ）の向きを示すものである。図７（ａ）においては、説明を簡単にするために、帯状巻線２０内には（１６層ではなく）２層の導電層Ｃ１，Ｃ２が図示されている。導電層Ｃ１，Ｃ２は、互いに対して並列にして内側端子２１および外側端子２２に接続されており、１つの電気的ループを構成する。外部から一様な誘導加熱磁束が印加された場合を考える。たとえば図7（ａ）の誘導加熱磁束は、紙面手前側から奥手側の向きの磁束が印加された場合に、図７（ａ）の誘導加熱磁束は、紙面手前側から奥手側の向きに形成されているとき、導電層Ｃ１，Ｃ２の間にも貫通し、右ねじの法則から、破線の矢印で示すように導電層Ｃ１では時計方向、導電層Ｃ２では反時計方向の渦電流Ｉｅｄが発生する。すなわち、図７のＣ１とＣ２とで構成する導電層が１ターンのコイルを形成しており、これに鎖交する磁束で渦電流が発生する。図７（ｂ）は、図７（ａ）の高周波電流ＩＨＦおよび渦電流Ｉｅｄを示す簡易的な等価回路図である。この誘導加熱磁束φまたは磁束密度Ｂｚにより励起される渦電流Ｉｅｄが各導電層Ｃ１，Ｃ２に流れることにより、導電層Ｃ１，Ｃ２の電流損失が生じるのである。帯状巻線２０内の各導電層Ｃが並列接続され、電気的ループを構成することから、各導電層Ｃの間において、上から下向きに（Ｚ方向に）貫通する誘導加熱磁束φの大きさに応じた渦電流Ｉｅｄが励起され、誘導加熱コイル１０の電流損失が増大する。
【００２３】
図８（ａ）は、図７（ａ）と同様の第１ターンの帯状巻線２０の平面図であるが、帯状巻線２０を周方向のほぼ中心位置（内側端子２１および外側端子２２に対向する位置）において、帯状巻線２０を物理的に反転させて、導電層Ｃ１，Ｃ２の半径方向の位置を反転させている。すなわち、外側にあった導電層Ｃ１を内側に、内側にあった導電層Ｃ２を外側に配置して、これらの半径方向の位置を中間位置で反転させている。このように帯状巻線２０を物理的に反転させて、各導電層Ｃ１，Ｃ２の半径方向の配置位置をＣ２，Ｃ１とすることを、本願明細書では単に帯状巻線２０を「転位」させるともいう。図８（ｂ）は、高周波電流ＩＨＦおよび渦電流Ｉｅｄを示す図７（ｂ）と同様の等価回路図である。このように転位された帯状巻線２０の導電層Ｃ１，Ｃ２に流れる、誘導加熱磁束φに起因する渦電流Ｉｅｄは、図８（ｂ）に示すように、帯状巻線２０を転位させることにより、導電層Ｃ１，Ｃ２に流れる渦電流Ｉｅｄを相殺し、渦電流Ｉｅｄによる電流損失を低減または解消することができる。特に図８（ｂ）において、１ターン周長をｄｌ、導電層Ｃ１，Ｃ２の幅をｄｗとすると、渦電流を発生させる磁束φは、磁束密度Ｂｚにより次式により表すことができる。周方向の長さｄｌは径が大きくなるに従い大きくなる。
【００２４】
【数１】
2014086240.tif 000003
一様な外部磁界を印加した場合、転位で磁束を打ち消すには、中間のdl/2の位置になる。
【００２５】
一方、図７（ａ）および図８（ａ）においては、第１ターンの帯状巻線２０について、導電層Ｃ１，Ｃ２の間を貫通する誘導加熱磁束φは一定であるものとして説明したが、実際の誘導加熱コイル１０は、帯状巻線２０を渦巻き状にたとえば２７ターン巻回して作製されているため、図６（ｂ）に示すように、誘導加熱磁束φは、誘導加熱コイル１０の中心部付近で最も強く、周縁部付近で弱くなり、中心部と周縁部とでは互いに逆方向の向きを有する。すなわち、帯状巻線２０の各導電層Ｃ１，Ｃ２，・・・，Ｃ１５の間を貫通する単位面積あたりの誘導加熱磁束φ、すなわち磁束密度ＢＺは、半径方向に依存して変化する。一様磁界を印加した場合には最適転位位置が中間位置と述べた。ＩＨクッキングヒータ用コイルでは最適転位位置が中間位置ではなく、より内側にずれる。ＩＨクッキングヒータ用コイルの扁平コイル特有の現象で、中心部の磁束密度が周辺部の磁束密度よりも強くなるためである。以下ではこの理由について述べる。
【００２６】
図９（ａ）は図６（ｂ）と同様の断面図であり、図９（ｂ）は、転位させない帯状巻線２０を用いて形成した誘導加熱コイル１０に高周波電流ＩＨＦを供給した場合に、半径方向に依存して変化する磁束密度ＢＺを示す概略的なグラフである。図は１５ターンの場合の例で横軸はターン数である。誘導加熱磁束φは、図９（ａ）に示すように、誘導加熱コイル１０の中心部付近で強く３ターンで最も強く、周縁部付近で弱くなり、中心部と周縁部とでは互いに逆方向の向きを有する。周縁部では中心付近の磁束密度絶対値は小さい。
【００２７】
図７に示す導電層Ｃ１，Ｃ２で構成する素線がコイルを形成したとき（実際には、たとえば１５層であるが、ここでは２層で代表化）、これに鎖交する磁束で渦電流が発生すると述べた。実際には２０ターンから３０ターン程度の複数の巻き線で構成されている。
【００２８】
図９（ｂ）は、横軸が半径、すなわちターンに相当し、縦軸が導電層Ｃ１，Ｃ２に鎖交する磁束密度としてｒ方向に沿った磁束密度の変化を示すグラフである。これは、ターン数で１５ターンとしたときに、有限要素法で鎖交磁束を実際に計算した例である。
【００２９】
渦電流を発生させる磁束φは、上述のとおり磁束密度Ｂｚ、導電層Ｃ１，Ｃ２の巻回する周方向の長さｄｌ、および導電層Ｃ１，Ｃ２の間隔ｄｗを用いて上式［数１］により表され、周方向の長さｄｌは径が大きくなるに従い大きくなる。
【００３０】
このときターン毎に渦電流ｉが発生し、渦電流ｉと印加磁束φとの間には、導電層Ｃ１，Ｃ２で構成する１ターンのインダクタンスをＬとして次の関係式が成り立つ。
【００３１】
【数２】
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【００３２】
印加磁束φおよび渦電流ｉは、正弦波（サイン波）なので次式で表すと、上式［数１」および［数２」より渦電流ｉは次のように表される。
【００３３】
【数３】
2014086240.tif 000005
【００３４】
すなわち１ターン当たりのインダクタンスＬは、周方向長さに比例するのでターン数に比例して大きくなる。ｄｌも同様に周方向長さに比例するので、ｄｌ／Ｌは周方向長さに比例せず一定値になる、またｄｗは一定値であるので、次式が成立する。次式は、軸方向に薄く半径方向に扁平なＩＨクッキングヒーター用コイルで成立する。
【００３５】
【数４】
2014086240.tif 000006
すなわち、ターン毎に発生する渦電流ｉは磁束密度Ｂｚに比例することがＩＨクッキングヒーター用コイルで成立する。
【００３６】
したがって図９（ｂ）に示すように、半径方向の距離ｒが小さい中心部の磁束密度Ｂｚが強く中心部の渦電流が大きい。半径方向の距離ｒが大きい周辺部外側の磁界は反対方向で、渦電流が小さいことが分かる。これにより、以下に説明するように損失を最小化できる転位ターンは小さいターン側に寄る。
【００３７】
複数のターンで構成される１個のコイルに流れる渦電流は各ターンの渦電流の合計である。即ち、ＩＨクッキングヒータ用コイルにおいては、全渦電流は図１０（ｂ）を半径方向に積分した磁束密度に等しくなると考えられる。
【００３８】
ところで、導電層Ｃ１，Ｃ２に鎖交する磁束密度を有限要素法で実際に計算した例が、図９（ｂ）であった。またこの図の半径方向に沿った積分値に渦電流は比例すると述べた。図９（ｂ）の斜線部であるマイナス部分とプラス部分は打ち消しあい、渦電流も打ち消しあう。このため、渦電流が発生する磁束密度は図１０（ａ）に相当する部分になる。
【００３９】
ところで、転位を入れることは図８（ｂ）に示すように、Ｂｚ磁界を逆転することになる。これにより半径方向の積分値を零に設定できる。即ち、転位を６ターンの１／２の３ターンに入れれば損失を最小化できる。この様子を示した図が図１０（ｂ）である。図１０（ｂ）に示すように半径方向に沿った積分値は零にできる。すなわち、総ターン数の１／５に転位を入れれば損失を最小に低減可能である。ＩＨクッキングヒータ用コイルの幅、厚みは機種にかかわらず上記関係が成立する。
【００４０】
次に、電力損失Ｗと帯状巻線２０の転位位置との関係について、有限要素法を用いて解析した結果について説明する。この有限要素法において、誘導加熱コイル１０は、上記実施の形態１と同様、１５層の導電層Ｃ１〜Ｃ１５を絶縁層Ｉで絶縁して構成した帯状巻線２０を、２７ターン巻回することにより形成されたものであり、高周波電流ＩＨＦの駆動周波数を２０ｋＨｚ〜３０ｋＨｚとして、誘導加熱コイル１０に渦電流Ｉｅｄを含む高周波電流ＩＨＦが流れたときの電力損失Ｗを算出した。本願発明により渦電流Ｉｅｄがまったく流れないように制御した場合でも、高周波電流ＩＨＦが流れたことによるジュール熱（電力損失Ｗ０）は発生する。図１１（ａ）は、本願発明に係る誘導加熱コイル１０において、帯状巻線２０の転位位置を横軸に、電力損失Ｗを最小の電力損失Ｗ０との電力損失比（Ｒ＝Ｗ／Ｗ０、すなわち規格化された電力損失）を縦軸にしたグラフであり、図１１（ｂ）はその一部を拡大したグラフである。これらのグラフにおいて、横軸の転位位置を示すターン数が５ターンであるとき、第５ターンを巻回した後に帯状巻線２０を１度だけ転位させたことを意味するものである。図に示すように有限要素法においても２７ターンの１／５のターンである５ターンから６ターンに転位を入れることが損失を最小にできることが確認できた。
さらに、漏れ磁界遮蔽用のアルミリング等がコイル外周に取り付けられた場合には、コイルに逆方向磁束が印加されるので最適ターン数はより少なくなる（図９はアルミリングがない場合）。
【００４１】
上記解析結果において、転位位置が５ターンのとき、最小の電力損失値Ｗ０を得、転位位置が０のとき、すなわち帯状巻線２０を転位させない場合には、最小の電力損失値Ｗ０の約１．５倍の電力損失値Ｗを得た。また、転位位置パラメータが１０以上であるときは、帯状巻線２０を転位させない場合よりも大きい電力損失値Ｗを得たので、帯状巻線２０を全体で２７ターン巻回してなる誘導加熱コイル１０において、図１１（ａ）に示すように、第１０ターン以降に帯状巻線２０を転位させると、転位させない場合よりもかえって電力損失値Ｗが大きくなるので好ましくない。したがって、帯状巻線２０を全体で２７ターン巻回したときは、その１／３の回数である９ターンを超えない位置で帯状巻線２０を転位させる必要がある。
【００４２】
また、図１１（ｂ）に示すように、転位位置が１〜９であるときの電力損失比Ｒは、それぞれ約１．３５（１ターン）、約１．２（２ターン）、約１．０９（３ターン）、約１．０２（４ターン）、約１．００（規格値、５ターン）、約１．０１（６ターン）、約１．０２（７ターン）、約１．０４（８ターン）、および約１．３０（９ターン）であったことから、電力損失比Ｒを１．２以下とするためには転位位置を２〜８ターンとすることが好ましく、さらに電力損失比Ｒを１．１以下とするためには転位位置を３〜７ターンとすることが好ましい。
【００４３】
以上のように、実施の形態１によれば、帯状巻線２０の転位位置を調整することにより、磁束密度ＢＺの２乗の積分値の合計値ＳＴＢ、すなわち誘導加熱磁束φにより励起される渦電流Ｉｅｄの積分値の合計値を極力小さくして、誘導加熱コイル１０の渦電流Ｉｅｄを実質的に低減または排除し、渦電流Ｉｅｄによる電力損失Ｗを最小限に抑制することができる。
【００４４】
ここで、本願発明と前掲特許文献１〜３に記載の発明とを、以下あらためて比較する。特許文献１には、各部分コイルの相対位置を入れ替える転位を行うことは記載されているものの、部分コイルの導体の長さが異なることによる各部分コイルに流れる電流の不均衡を是正するためのものであり、誘導加熱磁束φにより励起される渦電流Ｉｅｄによる電流損失を考慮したものではない。すなわち前掲特許文献１には、渦電流Ｉｅｄによる電流損失を低減するための各部分コイルの転位位置については何ら記載も示唆もされていない。
【００４５】
また前掲特許文献２および３には、高周波電流を流したときの近接効果に起因する電流損失を低減する手法について記載されている。近接効果とは、誘導加熱コイルの隣接する複数の素線（電気導体、コイル線）に同一方向の高周波電流が流れると、素線内に流れる電子同士が反発し合うことに起因して素線としての電気抵抗が増大する現象をいう。このとき素線内電子間の働く斥力は、高周波電流の周波数の２乗に比例して増大することが知られている。図１２は、素線の全体巻数が３０ターンで、周波数が１０ｋＨｚ，２０ｋＨｚ，４０ｋＨｚ，１００ｋＨｚであるときの素線数と抵抗値の一般的な関係を示すグラフである。とりわけ特許文献２では、約８０ｋＨｚの周波数を有する高周波電流が供給される近接効果について説明している。図１２から明らかなように、高周波電流の周波数が１００ｋＨｚ近くになると、約２０ｋＨｚの場合に比して、素線の電気抵抗値は著しく増大する。
【００４６】
また特許文献２の電気導体は、毎ターンに１度、素線の集合体を転位させているので、誘導加熱コイルの巻回作業が複雑となり、作業コストが増大し、素線を物理的に捻ることになるので（歪みストレスが加わり）信頼性を損なうおそれもある。すなわち、前掲特許文献２および３には、特許文献１と同様、誘導加熱磁束φにより励起される渦電流Ｉｅｄによる電流損失を考慮するものではなく、これを低減するための手法については何ら言及されていない。
【００４７】
実施の形態２．
図１３および図１４を参照しながら、本願発明に係る誘導加熱コイルの実施の形態２について以下詳細に説明する。実施の形態２に係る誘導加熱コイル１０は、概略、半径方向に互いに離間した内側コイル１０ａおよび外側コイル１０ｃを有し、内側コイル１０ａから外側コイル１０ｃへ移行する間で導電層Ｃの半径方向の位置が反転するように巻回されている点を除き、実施の形態１の誘導加熱コイル１０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、図１のII−II線から見たときの誘導加熱調理器１の一部を示す断面図であり、図２と同様のものである。図１４は、誘導加熱コイル１０を上方から見た図３と同様の平面図である。上述のように、実施の形態２に係る誘導加熱コイル１０は、帯状巻線２０を渦巻き状に巻回した、半径方向に互いに離間した内側コイル１０ａおよび外側コイル１０ｃを有する。内側コイル１０ａは、帯状巻線２０を第１の回数（Ｎ１）巻回して形成され、外側コイル１０ｃは、帯状巻線２０を第２の回数（Ｎ２）巻回して形成され、第１の回数（Ｎ１）は第２の回数（Ｎ２）より少ない。実施の形態２の帯状巻線２０も、実施の形態１と同様、内側端子２１および外側端子２２の間で全体として所定回数（Ｎ）巻回される。そして内側コイル１０ａおよび外側コイル１０ｃは、半径方向に互いに離間した反転位置２３で導電層Ｃの半径方向の位置が反転されるように巻回される。このとき誘導加熱コイル１０の誘導加熱磁束φにより導電層Ｃ全体に流れる渦電流（Ｉｅｄ）による電流損失（Ｗ）が、渦電流（Ｉｅｄ）が流れない場合の電力損失（Ｗ０）の１．２倍以下となるように、１回だけ、導電層Ｃの半径方向の位置が反転するように巻回される。すなわち実施の形態２に係る内側コイル１０ａは、同様に、全体の巻回回数（Ｎ）の１／３の回数（Ｎ／３）を超えない回数だけ巻回される前に、導電層Ｃの半径方向の位置が反転して、外側コイル１０ｃに移行するように構成される。さらに換言すると、実施の形態２の帯状巻線２０は、内側端子２１と外側端子２２とが離間した位置で導電層Ｃの半径方向の位置が反転するように帯状巻線２０の転位位置２３で転位させるものである。したがって、帯状巻線２０の転位に伴う歪みストレスを低減し、より高い信頼性を有する誘導加熱コイル１０を実現することができる。
【００４９】
なお、上記実施の形態２では、半径方向に互いに離間した２つの加熱コイル（内側コイル１０ａおよび外側コイル１０ｃ）を配設したが、これに限定するものではなく、最も内側にある内側コイル１０ａが全体の巻回回数（Ｎ）の１／３の回数（Ｎ／３）を超えない回数だけ巻回される前に、その外側にあるコイルの導電層Ｃの半径方向の位置を反転させて、外側コイル１０ｃに移行するように構成してもよい。
【００５０】
実施の形態３．
図１５を参照しながら、本願発明に係る誘導加熱コイルの実施の形態３について以下詳細に説明する。実施の形態３に係る誘導加熱コイル１０は、概略、半径方向に互いに離間した複数の加熱コイル１０ａ〜１０ｃを有し、隣接する加熱コイル１０ａ〜１０ｃから外側の加熱コイル１０ａ〜１０ｃへ移行するごとに、導電層Ｃの半径方向の位置が反転するように巻回されている点を除き、実施の形態２の誘導加熱コイル１０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。
【００５１】
図１５（ａ）は、図９（ａ）および図６（ｂ）と同様の断面図である。実施の形態３に係る誘導加熱コイル１０は、半径方向に互いに離間した複数の加熱コイル１０（たとえば３つの内側コイル１０ａ、中央コイル１０ｂ、および外側コイル１０ｃ）を有する。上述のように、誘導加熱コイル１０を構成する帯状巻線２０の並列接続された導電層Ｃには、磁束密度ＢＺを半径方向で積分した値に比例する大きさを有する渦電流Ｉｅｄが流れる。すなわち帯状巻線２０に渦電流Ｉｅｄは、各加熱コイル１０ａ，１０ｂ，１０ｃにおける磁束密度ＢＺの２乗の積分値Ｓｉ，Ｓｊ，Ｓｋ）の合計値ＳＴを実質的にゼロとすることができれば、渦電流Ｉｅｄを最小限に抑え、電流損失を低減することができる。
【００５２】
図９（ｂ）は、転位させない帯状巻線２０を用いて形成した誘導加熱コイル１０に高周波電流ＩＨＦを供給した場合に、半径方向に依存して変化する磁束密度ＢＺを示すグラフであったが、図１５（ｂ）は、これを近似的に示したものである。１ターンから１３．５ターンまでは一定の磁束密度ＢＺが形成され、１３．５ターンから２７ターンまでの磁束密度ＢＺはゼロであると近似している。また図１５（ｃ）は、約３．４ターン（１３．５ターン／４）で巻回された内側コイル１０ａと、約６．８ターン（１３．５ターン／２）で巻回された中央コイル１０ｂと、約３．４ターン（１３．５ターン／４）で巻回された外側コイル１０ｃに流れようとする、磁束密度ＢＺの２乗を半径方向で積分した値に比例する大きさを有する渦電流Ｉｅｄを示すものである。すなわち、半径方向に互いに離間した３つの内側コイル１０ａ、中央コイル１０ｂ、および外側コイル１０ｃのそれぞれ間の空間（転位部）に帯状巻線２０の転位を設けることにより、磁束密度ＢＺの２乗の積分値Ｓｉ，Ｓｊ，Ｓｋの合計値ＳＴを実質的にゼロとすることができれば（ＳＴＣ＝Ｓｉ−Ｓｊ＋Ｓｋ）、渦電流Ｉｅｄを最小限に抑え、電流損失を低減することができる。こうして、実施の形態３に係る誘導加熱コイル１０も実施の形態１，２と同様、誘導加熱磁束φに起因する誘導加熱コイル１０に生じる渦電流Ｉｅｄを実質的に低減または排除し、渦電流Ｉｅｄによる電力損失Ｗを最小限に抑制することができる。
【００５３】
なお、上記実施の形態１〜３は、ＩＨクッキングヒータなどの誘導加熱調理器１に採用できるが、その他の任意の加熱手段としても応用することができる。
【符号の説明】
【００５４】
１…誘導加熱調理器、５…ハウジング、６…トッププレート、７…誘導加熱部、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）、２０…帯状巻線、２１…内側端子、２２…外側端子、Ｃ…導電層、Ｉ…絶縁層、Ｋ…鍋（被加熱体）、φ…交流磁束（誘導加熱磁束）、ＩＨＦ…高周波電流、Ｉｅｄ…渦電流、Ｗ…電力損失、Ｒ…電力損失比
【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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