(57)【要約】【課題】昇圧トランスの放熱性がよく、インバータ回路の冷却設計の自由度を向上させた小型なインバータ回路を有する高周波加熱装置を提供すること。【解決手段】インバータ回路を構成する昇圧トランス７は、平面状で対向するように配置した１次巻線７ａ、２次巻線７ｂ、および磁気コア１１を有し、磁気コア１１は空隙部１０を有するとともに、この空隙部１０は前記１次巻線、２次巻線を貫通する主脚部１１ａに設けたことにより、昇圧トランスを平面状にするとともに、空隙部１０を設けて効果的に磁気コア１１の磁気飽和を抑制したことで、昇圧トランスの放熱性を向上させ、インバータ回路の冷却設計の自由度を向上させて小型なインバータ回路が実現できた。【選択図】  図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
商用電源を高周波電圧に変換するインバータ回路と、このインバータ回路を構成する昇圧トランスにより昇圧された高周波高電圧を整流する高圧整流回路と、この高圧整流回路から高周波高電圧が印加されるマグネトロンとを有し、前記昇圧トランスは、平面状で対向するように配置した１次巻線、２次巻線、および磁気コアを有し、磁気コアは空隙部を有するとともに、この空隙部は前記１次巻線、２次巻線を貫通する主脚部に設けた高周波加熱装置。
【請求項２】
磁気コアの空隙部は、主脚部の端部で１次巻線側に設けた請求項１に記載の高周波加熱装置。
【請求項３】
磁気コアの空隙部は、主脚部の端部で２次巻線側に設けた請求項１に記載の高周波加熱装置。
【請求項４】
磁気コアは外側に向かう複数の支脚部の厚さを、中心から外側へ向かって減ずる構成とした請求項１〜３のいずれか１項に記載の高周波加熱装置。
【請求項５】
磁気コアは外側に向かう複数の支脚部の平面幅を、中心から外側へ向かって減ずる構成とした請求項１〜４のいずれか１項に記載の高周波加熱装置。
【請求項６】
１次巻線は磁気コアの主脚部から離れた位置に配置した請求項１〜５のいずれか１項に記載の高周波加熱装置。
【請求項７】
１次巻線と２次巻線の間に磁束をバイパスさせるバイパス磁気コアを有する請求項１〜６のいずれか１項に記載の高周波加熱装置。
【請求項８】
バイパス磁気コアは棒状の磁性体によって構成した請求項７に記載の高周波加熱装置。
【請求項９】
バイパス磁気コアは環状の磁性体で構成した請求項７に記載の高周波加熱装置。
【請求項１０】
環状のバイパス磁気コアは、１次巻線よりもその直径が大なる構成とした請求項９に記載の高周波加熱装置。
【請求項１１】
バイパス磁気コアの断面は凹状であり、この凹状部に１次巻線を巻回する構成とした請求項９または１０に記載の高周波加熱装置。
【請求項１２】
バイパス磁気コアの断面はＬ字状であり、このＬ字状部に１次巻線を巻回する構成とした請求項８に記載の高周波加熱装置。
【請求項１３】
バイパス磁気コアは、磁気コアと同電位となるように接続するとともにアース電位に接続する構成とした請求項７〜１２のいずれか１項に記載の高周波加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はマイクロ波により食品などを誘電加熱する高周波加熱装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、この種、高周波加熱装置のマグネトロン駆動用電源は、インバータ回路、高圧整流回路等を備えており、マグネトロンに直流高電圧を印加することにより、被加熱物を高周波電界で加熱している（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
すなわち、交流である商用電源を一旦整流回路で直流電圧に変換し、この直流電圧を、インバータ回路を構成する半導体スイッチング素子のオンオフを制御回路で制御することによって、２０ｋＨｚ以上の高周波電圧に変換している。さらにインバータ回路は、この高周波電圧を昇圧トランスによって高周波高電圧に昇圧し、高圧整流回路を介して直流高電圧をマグネトロンに印加している。
【０００４】
また、インバータ回路を構成する昇圧トランス７は、第３の巻線を有しており、この第３の巻線によってマグネトロンのカソードを加熱する電力を供給している。この電力によってマグネトロンはカソードから熱電子を放出している。この熱電子をマグネトロンに備えられた永久磁石と高圧整流回路から得られる直流高電圧によって、マグネトロンは真空管発振を行い、２．４５ＧＨｚの電波を加熱室に放射することによって被加熱物を高周波電界で加熱している。
【０００５】
このような、家庭用の高周波加熱装置は、１ＫＷ以上の変換電力を扱うため、インバータ回路の高効率化が重要な技術である。そのために、インバータ回路は共振コンデンサと昇圧トランスの１次巻線によって共振回路を構成し、この共振回路の共振現象を利用して半導体スイッチング素子がターンオフあるいはターンオンする際の電圧の傾きを緩やかにしている。この結果、半導体スイッチング素子のスイッチング損失が低減され、インバータ回路を高効率化する構成となっている。
【０００６】
【特許文献１】
特開平０１−０１２４９３号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記従来の構成では下記のような課題がある。
【０００８】
すなわち、家庭用の電子レンジにおいては、食品を高速に加熱するために出力電力としては６００Ｗ以上の高電力を出力するようになっている。マグネトロンがこの電力を発生する。また、インバータ回路はマグネトロンに電力を供給するが、マグネトロン、インバータ回路の効率から出力電力で６００Ｗ得ようとすると１．３ＫＷ程度の電力を入力しなければならない。出力電力と入力電力との差が高周波加熱装置の全体の損失になるが、このうちインバータ回路で発生する損失はトータルで２００Ｗ程度である。そのうち１００Ｗは昇圧トランスで発生しており、この損失によって発生する熱を冷却ファンによって強制冷却する必要がある。
【０００９】
このため、インバータ回路の設計において昇圧トランスの配置は非常に重要な設計ファクターであり、かつ昇圧トランスの外形サイズが大きいので、基板上のレイアウトに自由度がなく、インバータ回路を小型化する際の阻害要因となっていた。
【００１０】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、昇圧トランスの放熱性を向上することで、インバータ回路の冷却設計の自由度を向上させ、小型なインバータ回路を実現した高周波加熱装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
前記目的を達成するために、本発明の高周波加熱装置は、昇圧トランスを平面状にするとともに、磁気コアの主脚部に空隙部を設けて効果的に磁気コアの磁気飽和を抑制したものである。
【００１２】
これによって、昇圧トランスは扁平で表面積が大きく、放熱性が向上し、インバータ回路の冷却設計の自由度が向上し、小型なインバータ回路が実現できる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
請求項１に記載の発明は、商用電源を高周波電圧に変換するインバータ回路と、このインバータ回路を構成する昇圧トランスにより昇圧された高周波高電圧を整流する高圧整流回路と、この高圧整流回路から高周波高電圧が印加されるマグネトロンとを有し、前記昇圧トランスは、平面状で対向するように配置した１次巻線、２次巻線、および磁気コアを有し、磁気コアは空隙部を有するとともに、この空隙部は前記１次巻線、２次巻線を貫通する主脚部に設けた高周波加熱装置とすることにより、昇圧トランスは扁平で表面積が大きく、放熱性が向上し、インバータ回路の冷却設計の自由度が向上し、小型なインバータ回路が実現できる。
【００１４】
請求項２に記載の発明は、磁気コアの空隙部は、主脚部の端部で１次巻線側に設けた請求項１に記載の高周波加熱装置とすることにより、昇圧トランスの磁気コアの磁気飽和を効果的に抑制することができるものである。
【００１５】
請求項３に記載の発明は、磁気コアの空隙部は、主脚部の端部で２次巻線側に設けた請求項１に記載の高周波加熱装置とすることにより、請求項２に記載の発明と同様、昇圧トランスの磁気コアの磁気飽和を効果的に抑制することができるものである。
【００１６】
請求項４に記載の発明は、磁気コアは外側に向かう複数の支脚部の厚さを、中心から外側へ向かって減ずる構成とした請求項１〜３のいずれか１項に記載の高周波加熱装置とすることにより、外側部の磁気コアの磁気飽和を抑制するとともに昇圧トランスの軽量化を可能としたものである。
【００１７】
請求項５に記載の発明は、磁気コアは外側に向かう複数の支脚部の平面幅を、中心から外側へ向かって減ずる構成とした請求項１〜４のいずれか１項に記載の高周波加熱装置とすることにより、請求項４に記載の発明と同様、磁気コアの磁気飽和を抑制するとともに昇圧トランスの軽量化を可能としたものである。
【００１８】
請求項６に記載の発明は、１次巻線は磁気コアの主脚部から離れた位置に配置した請求項１〜５のいずれか１項に記載の高周波加熱装置とすることにより、少ない巻回数でインバータ回路が安定に動作するために必要な回路定数を実現することが可能となる。
【００１９】
請求項７に記載の発明は、１次巻線と２次巻線の間に磁束をバイパスさせるバイパス磁気コアを有する請求項１〜６のいずれか１項に記載の高周波加熱装置とすることにより、１次巻線と２次巻線間の結合係数を調整し、インバータ回路が動作するために必要な漏洩インダクタンスを構成できる。
【００２０】
請求項８に記載の発明は、バイパス磁気コアは棒状の磁性体によって構成した請求項７に記載の高周波加熱装置とすることにより、１次巻線と２次巻線間の結合係数を調整し、インバータ回路が動作するために必要な漏洩インダクタンスを構成できる。
【００２１】
請求項９に記載の発明は、バイパス磁気コアは環状の磁性体で構成した請求項７に記載の高周波加熱装置とすることにより、請求項８に記載の発明と同様、１次巻線と２次巻線間の結合係数を調整し、インバータ回路が動作するために必要な漏洩インダクタンスを構成できる。
【００２２】
請求項１０に記載の発明は、環状のバイパス磁気コアは、１次巻線よりもその直径が大なる構成とした請求項９に記載の高周波加熱装置とすることにより、１次巻線と２次巻線間の結合係数を調整し、インバータ回路が動作するために必要な漏洩インダクタンスを構成できる。
【００２３】
請求項１１に記載の発明は、バイパス磁気コアの断面は凹状であり、この凹状部に１次巻線を巻回する構成とした請求項９または１０に記載の高周波加熱装置とすることにより、１次巻線と２次巻線間の結合係数を調整し、インバータ回路が動作するために必要な漏洩インダクタンスを構成できると同時に１次巻線の形状保持もかねることができる。
【００２４】
請求項１２に記載の発明は、バイパス磁気コアの断面はＬ字状であり、このＬ字状部に１次巻線を巻回する構成とした請求項８に記載の高周波加熱装置とすることにより、１次巻線と２次巻線間の結合係数を調整し、インバータ回路が動作するために必要な漏洩インダクタンスを構成できると同時により簡単なバイパス磁気コア形状で１次巻線の形状保持もかねることができる。
【００２５】
請求項１３に記載の発明は、バイパス磁気コアは、磁気コアと同電位となるように接続するとともにアース電位に接続する構成とした請求項７〜１２のいずれか１項に記載の高周波加熱装置とすることにより、１次巻線と２次巻線間の結合係数を調整し、インバータ回路が動作するために必要な漏洩インダクタンスを構成できると同時に磁気コアをアース電位に落とすことで１次巻線と２次巻線の短絡を防止するものである。
【００２６】
【実施例】
以下、本発明の実施例について、図面を参照して説明する。
【００２７】
（実施例１）
本発明の実施例１における高周波加熱装置ついて、図１〜図９を参照して説明する。
【００２８】
図１において、１は交流である商用電源、２は商用電源１を高周波電圧に変換するインバータ回路、３は商用電源１を直流電圧に変換する整流回路、５は制御回路である。前記インバータ回路２は、半導体スイッチング素子４、共振コンデンサ６、および、１次、２次巻線７ａ、７ｂを有し高周波高電圧を昇圧する昇圧トランス７を備えている。８は昇圧トランス７により昇圧された高周波高電圧を整流する高圧整流回路、９は高圧整流回路８から高周波高電圧が印加されるマグネトロンである。
【００２９】
上記構成においては、交流である商用電源１を一旦整流回路３で直流電圧に変換し、この直流電圧を半導体スイッチング素子４のオンオフを制御回路５で制御することによってインバータ回路２で２０ｋＨｚ以上の高周波電圧に変換している。さらにインバータ回路２は、この高周波電圧を昇圧トランス７によって高周波高電圧に昇圧し、高圧整流回路８を介して直流高電圧をマグネトロン９に印加している。
【００３０】
また、昇圧トランス７は第３の巻線７ｃを有しており、この第３の巻線７ｃによってマグネトロン９のカソードを加熱する電力を供給している。この電力によってマグネトロン７はカソードから熱電子を放出している。この熱電子をマグネトロン９に備えられた永久磁石と高圧整流回路８から得られる直流高電圧によってマグネトロン９は真空管発振を行い、２．４５ＧＨｚの電波を加熱室に放射するように動作する。
【００３１】
そして、上記した昇圧トランス７は、図２〜図４に示しているとおり、平面状で対向するように配置した１次巻線７ａ、２次巻線７ｂ、および磁気コア１１を有しており、高さ方向を抑え込んで扁平に構成している。
【００３２】
一般に発熱体の放熱量Ｑは、発熱体を図５のように立方体近似にした場合、おおよそ次式に近似することができる。
【００３３】
Ｑ＝ΣＱｎ=ΣαｎＳｎ（Ｔａ−Ｔｓ）          Ｑｎ：各面からの放熱量
α:熱伝導率
Ｓ:表面積
Ｔａ:外気温
Ｔｓ：表面温度
この式から明らかなように、全体の放熱量Ｑは発熱体の表面積に比例することがわかる。また直方体の表面積は立方体に近づくほど小さくなるため、形状としては扁平な構成とした方が同一体積でもより大きな表面積とすることができ、放熱量を増加し、冷却効率を向上することが可能となる。
【００３４】
また、図４、図６に示すように、昇圧トランス７の磁気コア１１は磁気飽和を抑制する空隙部１０を有するとともに、この空隙部１０は１次巻線７ａ、２次巻線７ｂを貫通する主脚部１１ａに設けたものである。空隙部１０は主脚部１１ａの端部で、図では１次巻線７ａ側に設けている。
【００３５】
図６はこのときの磁束分布の解析結果を示している。図は昇圧トランス７が左右対称なので片側（１／２）だけを示しており、磁気コア１１内の実線が磁束を表しており、この密度の高い部分が磁束密度の高い部分である。ここで、比較のために、空隙部１０を主脚部１１ａの中央付近に設けた場合の磁束分布の解析結果を図７に示している。図６と図７を比較すると、主脚部１１ａの付け根部分の磁束分布に大きな差が認められ、図６の空隙部１０位置の方が磁気コア１１の磁気飽和をより効果的に抑制できることを示唆している。しかしながら、使用条件やその他の要因によっては、空隙部１０位置は、主脚部１１ａの端部で２次巻線７ｂ側であっても、また主脚部１１ａの中央付近に設けた場合であってもよいものである。
【００３６】
また、図６の解析結果から解るように、磁気コア１１の外側部は磁束密度が低く、中心に向かうほど磁束密度が高くなる傾向を示している。したがって、磁気コア１１の外側部は中心部と比較して磁気コア１１の断面積は小さくても磁気飽和を起こしにくい。そこで、図８のように、磁気コア１１は、中心から外側に向かう複数の支脚部１１ｂの厚さを減ずる構成としても、磁気コア１１の局部飽和を防止することが可能となる。このように磁気コア１１の厚さを減ずる構成とすることによって、磁気コア１１の体積を少なくすることができるので、昇圧トランス７を軽量化することが可能となる。
【００３７】
また、図９に示すように、磁気コア１１は外側に向かう複数の支脚部１１ｂの平面幅を、中心から外側へ向かって減ずる構成としたことで、図８の場合と同様の効果を発揮することができる。図８と図９の単独構成だけでなく、これらを組み合わせた構成とすることもできる。
【００３８】
なお、１次巻線７ａは磁気コア１１の主脚部１１ａから離れた位置に配置することにより、少ない巻回数でインバータ回路２が安定に動作するために必要な回路定数を実現することが可能となるものである。
【００３９】
（実施例２）
本発明の実施例２における高周波加熱装置ついて、図１０〜図１４を参照して説明する。実施例１と同一要素については同一符号を付して説明を省略する。
【００４０】
図１０に示すように、本実施例では、１次巻線７ａと２次巻線７ｂの間に磁束をバイパスさせるバイパス磁気コア１２を有するものである。
【００４１】
ここで、バイパス磁気コア１２の働きについて図１１を用いて説明する。１次巻線７ａに励磁電流を流すと、磁気コア１１内に磁束を発生する。このときの磁束は図の実線の様に発生する。
【００４２】
一方、２次巻線７ｂに鎖交する磁束は１次巻線７ａが作る磁束の１部であり、この２次巻線７ｂに鎖交しない磁束の量と２次巻線７ｂに鎖交する磁束の量との比が昇圧トランス７の結合係数として現れてくる。高周波加熱装置の回路は回路動作を安定に行うために昇圧トランス７を漏洩磁束型の構成とする必要があり、昇圧トランス７の結合係数は０．７から０．８程度としなければならない。
【００４３】
本実施例の昇圧トランス７においては、バイパス磁気コア１２が昇圧トランス７の結合係数を調整する働きをするため、容易にインバータ電源が必要とする結合係数に調整することが可能となる。
【００４４】
バイパス磁気コア１２の構成は、図１２に示すように、棒状の磁性体で構成するか、図１３に示すように、環状の磁性体で構成するものである。そして、環状としたバイパス磁気コア１２は、１次巻線７ａよりもその直径が大なるように構成して、１次巻線７ａと２次巻線７ｂ間の結合係数を調整し、インバータ回路２が動作するために必要な漏洩インダクタンスを構成している。
【００４５】
また、図１４に示すように、環状としたバイパス磁気コア１２は、その断面を凹状にすることで、凹状部に１次巻線７ａを巻回して収容する構成とした。このように構成することによって１次巻線７ａの形状保持の役割をかねることができる。なお、棒状のバイパス磁気コア１２の場合は、各棒状のコアの断面をＬ字状とし、このＬ字状部に１次巻線７ａを巻回して収容する構成とすることにより、環状の場合と同様な効果が得られる。
【００４６】
さらに、バイパス磁気コア１２は、磁気コア１１と同電位となるように接続するとともにアース電位に接続する構成としたものであり、これにより、１次巻線７ａと２次巻線７ｂ間の結合係数を調整し、インバータ回路２が動作するために必要な漏洩インダクタンスを構成できると同時に磁気コア１１をアース電位に落とすことで１次巻線７ａと２次巻線７ｂの短絡を防止するものである。
【００４７】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の高周波加熱装置は、昇圧トランスを平面状にするとともに、磁気コアの主脚部に空隙部を設けて効果的に磁気コアの磁気飽和を抑制したものであり、昇圧トランスは扁平で表面積が大きく、放熱性が向上し、インバータ回路の冷却設計の自由度が向上し、小型なインバータ回路が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１における高周波加熱装置のマグネトロン駆動電源を示す回路図
【図２】同マグネトロン駆動電源に備えられた昇圧トランスの斜視図
【図３】同昇圧トランスの平面図
【図４】同昇圧トランスの図３Ａ−Ａ線による断面図
【図５】同昇圧トランスの放熱を説明するモデル図
【図６】同昇圧トランスの磁束分布を示す図
【図７】同昇圧トランスとの比較を示す他の昇圧トランスの磁束分布を示す図
【図８】同昇圧トランスの変形例を示す断面図
【図９】同昇圧トランスの他の変形例を示す平面図
【図１０】本発明の実施例２における高周波加熱装置の昇圧トランスを示す断面図
【図１１】同昇圧トランスの磁束分布を示す図
【図１２】同昇圧トランスの平面図
【図１３】同昇圧トランスの変形例を示す平面図
【図１４】図１３における昇圧トランスの断面図
【符号の説明】
１  商用電源
２  インバータ回路
３  整流回路
４  半導体スイッチ素子
５  制御回路
６  共振コンデンサ
７  昇圧トランス
７ａ  １次巻線
７ｂ  ２次巻線
８  高圧整流回路
９  マグネトロン
１０  空隙部
１１  磁気コア
１１ａ  主脚部
１１ｂ  支脚部
１２  バイパス磁気コア
【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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