(57)【要約】【課題】  異なる材質の被加熱物に対し所望の電力を効率良く供給することができるインバータ方式の電磁誘導加熱装置を提供することを目的とする。【解決手段】  被加熱物を誘導加熱する加熱コイルと、直流を生成する電源回路と、この直流を前記加熱コイルに供給する電力に変換するインバータとを備えた電磁誘導加熱装置において、前記電源回路と前記インバータの間に接続された昇圧回路及び降圧回路を備え、前記被加熱物が鉄である場合、前記インバータは前記電源回路が発生した電力を変換した電力を前記被加熱物に供給し、前記被加熱物が銅又はアルミである場合、前記インバータは前記昇圧回路及び降圧回路に生成された電力を変換した電力を前記被加熱物に供給する構成とした。【選択図】図１
2007194229.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被加熱物を誘導加熱する加熱コイルと、直流を生成する電源回路と、この直流を前記加熱コイルに供給する電力に変換するインバータとを備えた電磁誘導加熱装置において、前記電源回路と前記インバータの間に接続された昇圧回路及び降圧回路を備え、前記被加熱物が鉄である場合、前記インバータは前記電源回路が発生した電力を変換した電力を前記被加熱物に供給し、前記被加熱物が銅又はアルミである場合、前記インバータは前記昇圧回路及び降圧回路に生成された電力を変換した電力を前記被加熱物に供給する電磁誘導加熱装置。
【請求項２】
被加熱物を誘導加熱する加熱コイルと、直流を生成する電源回路と、この直流を前記加熱コイルに供給する電力に変換するインバータとを備えた電磁誘導加熱装置において、前記電源回路と前記インバータの間に接続された昇降圧回路を備え、前記被加熱物が鉄である場合、前記インバータは前記電源回路が発生した電力を変換した電力を前記被加熱物に供給し、前記被加熱物が銅又はアルミである場合、前記インバータは前記昇降圧回路に生成された電力を変換した電力を前記被加熱物に供給する電磁誘導加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、異なる材質の被加熱物に対し所望の電力を供給して誘導加熱を行うインバータ方式の電磁誘導加熱装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、火を使わずに鍋などの被加熱物を加熱するインバータ方式の電磁誘導加熱装置が広く用いられるようになってきている。電磁誘導加熱装置は、加熱コイルに高周波電流を流し、加熱コイルに近接して配置された鉄やステンレスなどの材質で作られた被加熱物に渦電流を発生させ、被加熱物自体の電気抵抗により発熱させる。被加熱物の温度制御が可能で安全性が高いことから、新しい熱源として認知されている。
【０００３】
従来、システムキッチン等に組み込まれる電気調理器等を代表とする電磁誘導加熱装置には、シーズヒータやプレートヒータ、ハロゲンヒータ等の抵抗体を熱源としたものが使われていたが、近年では、熱源の一部を誘導加熱に置き換えたもの、もしくは全てを誘導加熱にしたものに代わりつつある。
【０００４】
このような電磁誘導加熱装置の従来例として、特許文献１に開示されたような誘導加熱調理器がある。この公知例は、商用交流電源を整流平滑して直流電圧に変換し、ハーフブリッジ型のインバータにより加熱コイルに高周波電流を供給して、加熱コイルに近接して配置された被加熱物を誘導加熱する。
【０００５】
【特許文献１】特開２００１−１２６８５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前記特許文献１に開示された例では、低抵抗の被加熱物に十分な電力を供給するには加熱コイルに大きな電流を流す必要があり、加熱コイルの発熱やスイッチング素子の損失増加を招き、加熱効率が低下する。
【０００７】
この模様を図に基づいて説明する。
【０００８】
図２４は、加熱コイル側からみた加熱コイル及び磁気結合している被加熱物の等価インピーダンスを示した図で、横軸は等価インダクタンス、縦軸は等価抵抗を表している。等価インピーダンスは被加熱物の材質によって大きく異なり、材質が鉄製の被加熱物は図中のＡ、非磁性ステンレス製の被加熱物はＢ、銅又はアルミ製の被加熱物はＣのような特性を示す。一般的にＡのような高抵抗の被加熱物が誘導加熱に適している。
【０００９】
図２５は、図２４に示した等価インピーダンスの特性を有する被加熱物の入力電力と共振電流の関係を表した図で、横軸は入力電力、縦軸は共振電流を表している。
【００１０】
目的とする入力電力を、例えば２ｋＷとした場合、被加熱物Ａでは約４０Ａの共振電流を加熱コイルに流すことによって出力は得られる。しかしながら、被加熱物Ｂでは、抵抗が小さい為に約５５Ａの電流を流す必要があり、被加熱物Ｃでは、更に抵抗が小さい為に約１４０Ａの電流を流す必要がある。
【００１１】
本発明は、上記課題を解決するものであり、異なる材質の被加熱物に対し所望の電力を効率良く供給することができるインバータ方式の電磁誘導加熱装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するために、本発明の電磁誘導加熱装置は、被加熱物を誘導加熱する加熱コイルと、直流を生成する電源回路と、この直流を前記加熱コイルに供給する電力に変換するインバータとを備えた電磁誘導加熱装置において、前記電源回路と前記インバータの間に接続された昇圧回路及び降圧回路を備え、前記被加熱物が鉄である場合、前記インバータは前記電源回路が発生した電力を変換した電力を前記被加熱物に供給し、前記被加熱物が銅又はアルミである場合、前記インバータは前記昇圧回路及び降圧回路に生成された電力を変換した電力を前記被加熱物に供給する構成とした。
【００１３】
また、本発明の電磁誘導加熱装置は、被加熱物を誘導加熱する加熱コイルと、直流を生成する電源回路と、この直流を前記加熱コイルに供給する電力に変換するインバータとを備えた電磁誘導加熱装置において、前記電源回路と前記インバータの間に接続された昇降圧回路を備え、前記被加熱物が鉄である場合、前記インバータは前記電源回路が発生した電力を変換した電力を前記被加熱物に供給し、前記被加熱物が銅又はアルミである場合、前記インバータは前記昇降圧回路に生成された電力を変換した電力を前記被加熱物に供給する構成とした。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、異なる材質の被加熱物に対し所望の電力を効率良く供給することができるインバータ方式の電磁誘導加熱装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【００１６】
尚、図２以降においては、図１または図６の実施例と共通する構成の一部を省略すると共に、重複する説明を省略する。各実施例の図における同一符号は、同一物又は相当物を示す。また、同一物が二つ以上あり、これらを判別して説明した方が分り易い場合は、数字の符号にａ、ｂ等の接尾辞を付け、他の場合は前記接尾辞を付けていない。
【実施例１】
【００１７】
図１は本発明の第１の実施形態である電磁誘導加熱装置の主要回路構成図である。
【００１８】
図１において、１は電源回路で、本実施例では第一の電源１ａと第二の電源１ｂとで構成され、第一の電源１ａと第二の電源１ｂは異なる直流電圧を生成する。第一、第二の電源１ａ、１ｂ双方の負電極側はｏ点で共通接続されている。第一、第二の電源１ａ、１ｂの正電極側をそれぞれｐ１点、ｐ２点とする。
【００１９】
２は上下アームで、２ａと２ｂの二つあり、次記符号３〜５の部品から構成され、電源回路１が生成する直流電圧を交流電圧に変換して後記共振負荷回路１０に電力を供給するインバータを形成する。
【００２０】
３はスイッチング素子で、上下アーム２の構成部品であり、ＩＧＢＴ等のパワー半導体スイッチング素子が用いられ、二個が直列に接続されて上下アーム２の基本的構成を形作り、高電位側を上アーム、低電位側を下アームとする（以後、同様）。
【００２１】
前記ｐ１点とｏ点間には、上下アーム２ａが接続され、ｐ２点とｏ点間には上下アーム２ｂが接続されている。
【００２２】
尚、上下アーム２は、本実施例で示す二つの例ばかりではなく、一つの例や、上アームが二つで下アームを兼用した例もあるが、これらについては後述する。
【００２３】
４はダイオードで、上下アーム２（２ａ、２ｂ）の構成部品であり、上下アーム２（２ａ、２ｂ）を構成する４つのスイッチング素子３のそれぞれに逆方向に並列接続されている。
【００２４】
５はスナバコンデンサで、上下アーム２（２ａ、２ｂ）の構成部品であり、上下アーム２（２ａ、２ｂ）を構成する４つのスイッチング素子３のそれぞれに並列接続されており、スイッチング素子３のターンオフ時の遮断電流によって充電、もしくは放電される。このスナバコンデンサ５の容量は、スイッチング素子３のコレクタとエミッタ間の出力容量より十分に大きいため、ターンオフ時にスイッチング素子３に印加される電圧の変化は低減され、ターンオフ損失は抑制される。
【００２５】
６は加熱コイルで、本実施例では二つに分割された第一、第二の加熱コイル６ａ、６ｂで形成され、高周波電流が流れることにより、被加熱物を誘導加熱する。尚、この加熱コイル６の構造の詳細は後述する。また、この加熱コイル６の構成は、本実施例で示す二つに分割された例ばかりではなく、一つの例や、三つに分割された例もあるが、これらについても後述する。
【００２６】
７ａ、７ｂは第一、第二の共振コンデンサである。８ａ、８ｂはスイッチング素子で、逆直列に接続されている。９はダイオードで、スイッチング素子８ａ、８ｂのそれぞれに逆方向に並列接続されている。
【００２７】
１０は共振負荷回路で、第一、第二の加熱コイル６ａ、６ｂ、第一、第二の共振コンデンサ７ａ、７ｂ、ダイオード９を逆並列接続したスイッチング素子８ａ、８ｂ、および図示していない被加熱物とで構成される。尚、この共振負荷回路１０の構成は、前記本実施例の構成ばかりではなく、一部の構成部品を省略または追加した構成の例もあるが、これらについては後述する。
【００２８】
上下アーム２ａの上アーム用スイッチング素子３と同下アーム用スイッチング素子３の接続点、即ち上下アーム２ａの出力端子をｄ点とし、上下アーム２ｂの上アーム用スイッチング素子３と同下アーム用スイッチング素子３の接続点、即ち上下アーム２ｂの出力端子をａ点とする。
【００２９】
ｄ点とｏ点間には第一の加熱コイル６ａと第一の共振コンデンサ７ａ及び逆直列に接続されたスイッチング素子８ａ、８ｂが接続されている。スイッチング素子８ａ、８ｂにはそれぞれダイオード９が逆方向に並列接続されている。前記第一の加熱コイル６ａと第一の共振コンデンサ７ａの接続点をｃ点とし、ａ点とｃ点間には第二の共振コンデサ７ｂと第二の加熱コイル６ｂが直列に接続されている。
【００３０】
このように、第一、第二の加熱コイル６ａ、６ｂ及び第一、第二の共振コンデンサ７ａ、７ｂを含む共振負荷回路１０は、上下アーム２ａ、２ｂの出力端子ｄ、ａ間に挟まれた構成となっている。
【００３１】
前記加熱コイル６の具体的な構造を図２に基づいて説明する。図２は本発明の第１の実施形態である電磁誘導加熱装置の加熱コイルの平面図である。
【００３２】
図２に示すように、加熱コイル６は渦巻状に巻く導線で形成され、かつ内側の巻線と外側の巻線に分割され、第一の加熱コイル６ａは内側の巻線、第二の加熱コイル６ｂは外側の巻線で形成されている。
【００３３】
内側に配置された第一の加熱コイル６ａは、図１のｃ点とｄ点間に接続されており、外側の第二の加熱コイル６ｂは図１のｂ点とｃ点間に接続されている。
【００３４】
以上の構成において、全体の動作を説明するとともに、本実施例では、被加熱物の材質に応じて駆動する上下アーム２（２ａ、２ｂ）を選択することにより、電源回路１の出力電圧を切り替えることができ、さらに、駆動される加熱コイルの巻数および共振コンデンサの容量を切り替えることができることを説明する。
【００３５】
この説明に先立ち、被加熱物の材質と加熱コイルの巻数の対応について説明する。
【００３６】
図３は、被加熱物の材質の違いによる加熱コイルの巻数と等価抵抗の関係を示す図である。横軸は加熱コイルの巻数、縦軸は等価抵抗である。
【００３７】
加熱コイルに流す電流が同じ状態で巻数を増やすと、磁束が増えるため、加熱コイル側からみた被加熱物の等価抵抗は増加する。前述したように、等価抵抗は被加熱物の材質によって大きく異なり、材質が鉄製の被加熱物は図中のＡ、非磁性ステンレス製の被加熱物はＢ、銅又はアルミ製の被加熱物はＣのような特性を示す。
【００３８】
ここで、等価抵抗値を１Ωにするには、被加熱物がＡのような高抵抗の場合、加熱コイルの巻数は２０ターンになるが、被加熱物がＣのような低抵抗の場合、５０ターンまで巻数を増やすことになる。
【００３９】
本実施例では、例えば、第一の加熱コイル６ａの巻数を２０ターン、第二の加熱コイル６ｂの巻数を３０ターンに設定し、第一、第二の加熱コイル６ａ、６ｂを直列接続状態で駆動することができれば、巻数は合せて５０ターンまで増やすことができる。
【００４０】
つまり、鉄製の被加熱物は巻数が２０ターンの第一の加熱コイル６ａで加熱し、銅又はアルミ製の被加熱物は第一、第二の加熱コイル６ａ、６ｂを直列接続状態で駆動することにより、巻数が５０ターンで加熱することができる。
【００４１】
次に、鉄製の被加熱物を加熱する場合の動作モードについて、図４を参照して説明する。
【００４２】
図４は本発明の第１の実施形態における動作説明図で、主要素子の動作と主要部の電圧および電流を示すタイミングチャートである。
【００４３】
図４の上半分は、各スイッチング素子３、８ａ、８ｂの動作を示しており、上下アーム２ａ、２ｂのスイッチング素子３については、各上下アーム２ａ、２ｂの符号に上アーム用を示す「上」、または下アーム用を示す「下」を付けて示し、スイッチング素子８ａ、８ｂについてはその符号で示している。
【００４４】
図４の下半分は、主要素子に流れる電流または電圧であり、Ｉｃ２ａ上は上下アーム２ａの上アーム用スイッチング素子３及びこれに逆並列接続されたダイオード４に流れる電流、Ｖｄは図１のｄ点の電圧、Ｉｃ２ａ下は上下アーム２ａの下アーム用スイッチング素子３及びこれに逆並列接続されたダイオード４に流れる電流、ＩＬ６ａは第一の加熱コイル６ａに流れる共振電流である。
【００４５】
尚、図１のｄ点からｃ点の方向を正と定義する。
【００４６】
また、図１において、上下アーム２ａの上アーム用および下アーム用のスイッチング素子３を交互にオンオフし、スイッチング素子８ａ、８ｂを常時オン状態にする。他方の上下アーム２ｂは、上アーム用スイッチング素子３を常時オフ状態にし、下アーム用スイッチング素子３を常時オン状態にする。
【００４７】
（モード１）
上下アーム２ａの上アーム用スイッチング素子３がターンオンし、第一の加熱コイル６ａの蓄積エネルギーがゼロになると、共振電流ＩＬ６ａは極性が負から正に変わり、第一の電源１ａから上下アーム２ａの上アーム用スイッチング素子３、第一の加熱コイル６ａ、第一の共振コンデンサ７ａ、スイッチング素子８ａ、スイッチング素子８ｂに逆並列接続されたダイオード９の経路で流れる。
【００４８】
（モード２）
次に、上下アーム２ａの上アーム用スイッチング素子３がターンオフすると、共振電流ＩＬ６ａは正の極性を有しており、この電流は上下アーム２ａの上アーム用スイッチング素子３に並列接続されたスナバコンデンサ５を充電し、上下アーム２ａの下アーム用スイッチング素子３に並列接続されたスナバコンデンサ５を放電し、ｄ点の電圧Ｖｄは徐々に低下する。
【００４９】
その後、上下アーム２ａの下アーム用スイッチング素子３に逆並列接続されたダイオード４に順方向の電圧が印加されると、共振電流ＩＬ６ａは環流電流として第一の加熱コイル６ａ、第一の共振コンデンサ７ａ、スイッチング素子８ａ、スイッチング素子８ｂに逆並列接続されたダイオード９、上下アーム２ａの下アーム用スイッチング素子３に逆並列接続されたダイオード４の経路で流れ続ける。
【００５０】
（モード３）
次に、上下アーム２ａの下アーム用スイッチング素子３がターンオンし、第一の加熱コイル６ａの蓄積エネルギーがゼロになると、共振電流ＩＬ６ａは極性が正から負に変わり、第一の共振コンデンサ７ａ、第一の加熱コイル６ａ、上下アーム２ａの下アーム用スイッチング素子３、スイッチング素子８ｂ、スイッチング素子８ａに逆並列接続されたダイオード９の経路で流れる。
【００５１】
（モード４）
次に、上下アーム２ａの下アーム用スイッチング素子３がターンオフすると、共振電流ＩＬ６ａは負の極性を有しており、この電流は上下アーム２ａの下アーム用スイッチング素子３に並列接続されたスナバコンデンサ５を充電し、上下アーム２ａの上アーム用スイッチング素子３に並列接続されたスナバコンデンサ５を放電し、ｄ点の電圧Ｖｄは徐々に上昇する。
【００５２】
その後、上下アーム２ａの上アーム用スイッチング素子３に逆並列接続されたダイオード４に順方向の電圧が印加されると、共振電流ＩＬ６ａは環流電流として第一の加熱コイル６ａ、上下アーム２ａの上アーム用スイッチング素子３に逆並列接続されたダイオード４、第一の電源１ａ、スイッチング素子８ｂ、スイッチング素子８ａに逆並列接続されたダイオード９の経路で流れ続ける。
【００５３】
上記した四つのモードの動作を繰り返すことによって、第一の電源１ａを電源として第一の加熱コイル６ａと第一の共振コンデンサ７ａに高周波電流を供給することができ、被加熱物は第一の加熱コイル６ａから発生する磁束によって誘導加熱される。尚、被加熱物に供給する電力は、上下アーム２ａの駆動周波数を制御することによって調整することができる。
【００５４】
本実施例のように、共振負荷回路１０に流れる電流、すなわち共振電流ＩＬ６ａは第一の加熱コイル６ａのインダクタンスと第一の共振コンデンサ７ａによって正弦波状になり、共振電流ＩＬ６ａの位相はｄ点の電圧Ｖｄ、即ちインバータの出力電圧より遅れ位相になる。
【００５５】
従って、スイッチング素子３がターンオンする際は、コレクタとエミッタ間の電圧がゼロボルトの状態でスイッチング（以後ＺＶＳという。）を行うため、ターンオン損失は発生しない。
【００５６】
しかしながら、被加熱物に供給する電力を小さくした場合には、上下アーム２ａの遮断電流が小さくなり、スナバコンデンサ５の充放電が完了する前にスイッチング素子３がターンオンし、ＺＶＳを満足しない条件が発生する。
【００５７】
このような場合には、スイッチング素子３にターンオン損失が発生するため、図５に示すように、例えばスイッチング素子３に並列接続されたスナバコンデンサ５と直列にスイッチング素子で形成されるスイッチ手段１１を接続し、このスイッチ手段１１に逆並列にダイオード１２を接続して、スイッチ手段１１をオフすることで前記スナバコンデンサ５を上下アーム２ａから切り離すことが望ましい。これにより、スイッチング素子３のスイッチングにおいて、常時ＺＶＳを実現することができ、遮断電流が小さい場合においてもターンオン損失を無くすことができる。
【００５８】
尚、図２に示すように、第一、第二の加熱コイル６ａ、６ｂ同士は近接して配置されるため磁気的に結合し、第一の加熱コイル６ａに電流が流れると第二の加熱コイル６ｂに誘導電圧が発生する。この誘導電圧によって、誘導電流が第二の加熱コイル６ｂ、第二の共振コンデンサ７ｂ、上下アーム２ｂの上アーム用スイッチング素子３に逆並列接続されたダイオード４を介して第二の電源１ｂに流れる経路が生じる。
【００５９】
従って、上下アーム２ｂの下アーム用スイッチング素子３をオン状態にすることにより、前記経路で誘導電流が第二の電源１ｂに流れ込むことを防止することができる。
【００６０】
次に、銅又はアルミ製の被加熱物を加熱する場合の動作について説明する。
【００６１】
図１において、上下アーム２ｂの上アーム用および下アーム用のスイッチング素子３を交互にオンオフし、スイッチング素子８ａ、８ｂを常時オン状態にする。他方の上下アーム２ａは、上アーム用スイッチング素子３を常時オフ状態、下アーム用スイッチング素子３を常時オン状態にする。
【００６２】
これにより、上下アーム２ｂの上アーム用スイッチング素子３がオン状態の時は、第二の電源１ｂから第二の共振コンデンサ７ｂ、第二、第一の加熱コイル６ｂ、６ａ、上下アーム２ａの下アーム用スイッチング素子３の経路で電流が流れ、上下アーム２ｂの下アーム用スイッチング素子３がオン状態の時は、第二の共振コンデンサ７ｂから上下アーム２ａの下アーム用スイッチング素子３、上下アーム２ａの下アーム用スイッチング素子３に逆並列接続されたダイオード４、第一、第二の加熱コイル６ａ、６ｂの経路で電流が流れる。
【００６３】
従って、被加熱物は第一、第二の加熱コイル６ａ、６ｂ双方から発生する磁束によって誘導加熱される。
【００６４】
尚、上下アーム２ａと同様に、上下アーム２ｂのターンオン時はＺＶＳを実現する動作モードとなるため、スイッチング素子３のターンオン損失は発生しないが、前述のように低出力時においては、ＺＶＳを満足しない条件が発生する場合があるため、上下アーム２ａと同様に、前述の図５に示したようにスイッチ手段１１およびダイオード１２を用いてスナバコンデンサ５を切り離すことが望ましい。
【００６５】
以上のように、被加熱物の材質に応じて駆動する上下アーム２（２ａ、２ｂ）を選択することにより、電源回路１の出力電圧、駆動される加熱コイルの巻数および共振コンデンサの容量を切り替えることができる。
【００６６】
特に、銅又はアルミ製の被加熱物に対しては、駆動される加熱コイルの巻数を増やし、等価抵抗の増加分を利用して電流を減らすことができるため、第一、第二の加熱コイル６ａ、６ｂやスイッチング素子３の損失を抑えることができ、効率の高い誘導加熱を実現することが可能となる。
【００６７】
また、被加熱物の表皮抵抗は周波数の平方根に比例する特徴があり、銅又はアルミなどの低抵抗の被加熱物を加熱する場合には、周波数を高くすることが有効である。従って、上下アーム２ｂは例えば約６０ｋＨｚの周波数で駆動できるように第二の共振コンデンサ７ｂの容量を設定することが望ましい。
【００６８】
一方、鉄など高抵抗の被加熱物の場合には、周波数が高いと等価抵抗が大きくなり過ぎるため逆に電流が流れず、電力が入らない。従って、上下アーム２ａは約２０ｋＨｚで駆動できるように第一の共振コンデンサ７ａの容量を設定することが望ましい。
【実施例２】
【００６９】
図６は本発明の第２の実施形態である電磁誘導加熱装置の電源回路構成図であり、図１の電源回路１の詳細を主に示し、上下アーム２（２ａ、２ｂ）および共振負荷回路１０の詳細は省略している。
【００７０】
図６において、１３は商用交流電源である。１４は整流回路で、ダイオードのブリッジで構成し、商用交流電源１３を全波整流する。１５はインダクタンス、１６はコンデンサで、これらで平滑回路を構成し、整流回路１４で全波整流された電圧を平滑した直流電圧に変換する。
【００７１】
前記整流回路１４と、インダクタンス１５と、コンデンサ１６とで第一の電源１ａが構成され、この第一の電源１ａは、コンデンサ１６の容量を小さくし、完全に平滑しないことで商用交流電源１３の入力電流を正弦波に近づけ、高調波を低減することができる。
【００７２】
例えば図７に示すように、整流直後の平滑されていない直流電圧は０から商用交流電源１３の電圧ピーク値まで変動することになり、鉄製の被加熱物を加熱する場合には、上下アーム２ａを駆動すると第一の加熱コイル６ａには０からピークまで変動する共振電流が流れる。
【００７３】
一方、銅又はアルミ製の被加熱物を加熱する場合には、前述のような０からピーク値まで変動する高周波電流で誘導加熱を行うと、商用周波数に起因したうなり音が被加熱物から発生する。従って、これを防ぐために、図８に示すように、直流電圧を平滑し、共振電流の変動を抑制する必要がある。
【００７４】
一般的に使用されるコンデンサインプット型の平滑回路では、入力電流に多くの高調波を含むため、電圧平滑と高調波抑制の両者を満足する回路が必要となる。
【００７５】
本実施例では、図６に示す昇圧チョッパ回路１７により前記課題を解決することができる。
【００７６】
昇圧チョッパ回路１７は、インダクタンス１８、スイッチング素子１９、ダイオード２０、コンデンサ２１から構成され、前記スイッチング素子１９のオン期間に商用交流電源１３の電圧がインダクタンス１８に印加されてエネルギーが蓄積され、オフ期間にダイオード２０を介してコンデンサ２１にエネルギーが放出される。
【００７７】
従って、商用交流電源１３の入力電流が正弦波になるようにスイッチング素子１９のオン期間をコントロールすることにより、高調波を低減するとともに、コンデンサ２１により直流電圧を平滑することができる。
【００７８】
ここで、銅又はアルミなど低抵抗の被加熱物を加熱する場合、前述のように等価抵抗が小さいため、加熱コイルの巻数増加や高周波化による等価抵抗の増加を図る。しかしながら、装置形状や使用できる周波数帯域の規制により何れも限界が生じる。加熱コイル及び共振コンデンサで構成される直列共振回路は等価抵抗によって共振の鋭さを示す回路のＱが変化し、等価抵抗が小さい場合にはＱが大きく、共振回路に流れる電流も大きくなる。
【００７９】
本実施例のように、共振回路に流れる電流が正弦波状になる電流共振型のインバータでは、共振周波数よりも駆動周波数を高くしていくことにより共振電流を制限することができる。しかしながら、共振周波数と駆動周波数の差が大きいとインバータの出力電圧と共振電流の位相差が大きくなり、上下アーム２ａ、２ｂの遮断電流が大きくなるため、スイッチング素子３のスイッチング損失が増加する。
【００８０】
従って、共振周波数に近い周波数でインバータを駆動し、遮断電流を小さくすることが望ましく、直流電圧を下げて共振電流を制限すべきである。本実施例では、入力電流の高調波を低減するために前記のような昇圧チョッパ回路１７を設けており、コンデンサ２１の電圧下限値は、商用交流電源１３の電圧ピーク値よりも高くなる。
【００８１】
そこで、図６に示す降圧チョッパ回路２２を設けることにより、直流電圧を下げることができ、共振電流を制限することが可能となる。
【００８２】
この降圧チョッパ回路２２は、スイッチング素子１９、ダイオード２０、インダクタンス１８、コンデンサ２１から構成される。
【００８３】
また、降圧チョッパ回路２２は、構成するスイッチング素子１９のオン時間デューティを制御することで出力部のコンデンサ２１の電圧を変化させることができるため、この電圧変化によって電力制御を行うことが可能となる。
【００８４】
尚、第二の電源１ｂは、本実施例では前記昇圧チョッパ回路１７と降圧チョッパ回路２２とで構成される。
【実施例３】
【００８５】
加熱コイル６が前述した図２に示したような二分割された構造においては、鉄製の被加熱物を加熱する場合、内側に配置された第一の加熱コイル６ａのみ使用して誘導加熱を行うため、被加熱物の外径が大きいと、加熱される部分が内側に集中し加熱ムラが生じる課題がある。
【００８６】
そこで、この課題を解決する例が本実施例である。
【００８７】
図９は本発明の第３の実施形態である電磁誘導加熱装置の加熱コイルの平面図である。
【００８８】
図９において、加熱コイル６は三分割の構造になっており、内側の巻線６ａ１と中間の巻線６ｂと外側の巻線６ａ２で構成され、前記第一の加熱コイル６ａは内側の巻線６ａ１と外側の巻線６ａ２で形成され、前記第二の加熱コイル６ｂは中間の巻線６ｂで形成されている。
【００８９】
鉄製の被加熱物を加熱する場合には、内側の巻線６ａ１と外側の巻線６ａ２、すなわち第一の加熱コイル６ａに高周波電流を流して誘導加熱を行うことにより、前述のような加熱ムラを防止することができる。
【００９０】
図１の実施例において、図９に示す加熱コイル６を適用する場合には、図１０に示すように、ｄ点とｃ点間に加熱コイル６の内側の巻線６ａ１と外側の巻線６ａ２が接続されることになる。
【００９１】
図９において、加熱コイル６は、内側の巻線６ａ１の外側端と外側の巻線６ａ２の外側端が接続され、外側の巻線６ａ２の内側端と中間の巻線６ｂの外側端が接続されている。このような接続方法をとることにより、内側の巻線６ａ１と中間の巻線６ｂの隙間にのみ高い電圧がかかることになり、加熱コイル６の配置、及びこれを支えるコイルベース（図示せず）の構造は、この間の絶縁耐圧を考慮し設計することになる。
【実施例４】
【００９２】
前記図１で示した実施例１においては、鉄製の被加熱物を加熱する場合、上下アーム２ａ以外に逆直列に接続したスイッチング素子８ａ、８ｂ、及びこれらに逆並列接続されたダイオード９には共振電流が流れるため損失が発生する。また、第一、第二の加熱コイル６ａ、６ｂ間の結合による誘導電流が上下アーム２ｂの下アーム用スイッチング素子３及びこれに逆並列接続されたダイオード４に流れるため、ここでも損失が発生する。
【００９３】
そこで、この課題を解決する例が本実施例である。
【００９４】
図１１は本発明の第４の実施形態である電磁誘導加熱装置の主要回路構成図である。
【００９５】
図１１において前記実施例１（図１）と異なる点は、スイッチング素子８ａ、８ｂ及びこれらに逆並列接続されたダイオード４をリレー等で形成されるスイッチ手段２７に変更し、上下アーム２ｂのａ点と第二の共振コンデンサ７ｂの間にリレー等で形成されるスイッチ手段２８を挿入した点である。
【００９６】
次に、動作を説明するが、前記実施例１（図１）の動作と同様の部分は省略し、異なる部分を説明する。
【００９７】
上下アーム２ａを駆動し、鉄製の被加熱物を加熱する場合、スイッチ手段２７をオンし、スイッチ手段２８をオフ状態にする。これにより、共振電流は第一の加熱コイル６ａ、第一の共振コンデンサ７ａ、スイッチ手段２７を流れ、第二の加熱コイル６ｂに発生する誘導電圧によって生じる誘導電流はスイッチ手段２８によって完全に遮断される。
【００９８】
従って、前記実施例１のスイッチング素子８ａ、８ｂ及びこれらに逆並列接続されたダイオード４で発生する損失と、上下アーム２ｂの下アーム用スイッチング素子３及びこれに逆並列接続されたダイオード４で発生する損失を無くすことができ、インバータの変換効率を上げることが可能となる。
【００９９】
一方、上下アーム２ｂを駆動し、銅又はアルミ製の被加熱物を加熱する場合、スイッチ手段２７をオフし、スイッチ手段２８をオン状態にする。
【０１００】
これにより、上下アーム２ｂの上アーム用スイッチング素子３がオン状態の時は、第二の電源１ｂからスイッチ手段２８、第二の共振コンデンサ７ｂ、第二、第一の加熱コイル６ｂ、６ａ、上下アーム２ａの下アーム用スイッチング素子３の経路で電流が流れる。
【０１０１】
上下アーム２ｂの下アーム用スイッチング素子３がオン状態の時は、第二の共振コンデンサ７ｂからスイッチ手段２８、上下アーム２ｂの下アーム用スイッチング素子３、上下アーム２ａの下アーム用スイッチング素子３に逆並列接続されたダイオード４、第一、第二の加熱コイル６ａ、６ｂの経路で電流が流れる。
【実施例５】
【０１０２】
本実施例は前記図６で示した実施例２の回路構成を簡略化した例である。
【０１０３】
図１２は本発明の第５の実施形態である電磁誘導加熱装置の電源回路構成図であり、図１３は本発明の第５の実施形態である電磁誘導加熱装置の主要回路構成図である。図６または図１１と同一部分については同一符号を付しており説明は省略する。
【０１０４】
図１２において前記実施例２（図６）と異なる点は、実施例２における第二の電源１ｂを構成する昇圧チョッパ回路１７と降圧チョッパ回路２２を、スイッチング素子１９、インダクタンス１８、ダイオード２０、コンデンサ２１から構成される昇降圧チョッパ回路２９に変更した点である。
【０１０５】
第二の電源１ｂすなわち昇降圧チョッパ回路２９は、スイッチング素子１９のオン期間に商用交流電源１３の電圧がインダクタンス１８に印加されてエネルギーが蓄積され、同オフ期間にダイオード２０を介してコンデンサ２１にエネルギーが放出される。
【０１０６】
従って、商用交流電源１３の入力電流が正弦波になるようにスイッチング素子１９のオン期間をコントロールすることにより高調波を低減するとともに、コンデンサ２１の直流電圧を変化させることができるため、この電圧変化によって電力制御を行うことが可能となる。
【０１０７】
このように、一つのチョッパ回路（昇降圧チョッパ回路２９）で高調波の低減と電圧コントロールを実現することができるため、回路の小形化に有効である。
【０１０８】
但し、コンデンサ２１の電圧は、図１２に示すように、ｏ点に対しｐ２点が負電位となるため、主要回路すなわちインバータの回路構成は図１３に示すように、ｏ点を基準として、プラス側の第一の電源１ａとマイナス側の第二の電源１ｂにそれぞれ上下アーム２ａ、２ｂが接続された構成となる。
【０１０９】
図１３において、鉄製の被加熱物を加熱する場合は、前述の実施例４（図１１）と同様の動作なので、説明は省略する。
【０１１０】
上下アーム２ｂを駆動し、銅又はアルミ製の被加熱物を加熱する場合は、スイッチ手段２７をオフし、スイッチ手段２８をオン状態にする。
【０１１１】
これにより、上下アーム２ｂの下アーム用スイッチング素子３がオン状態の時は、第二の電源１ｂから上下アーム２ａの下アーム用スイッチング素子３に逆並列接続されたダイオード４、第一、第二の加熱コイル６ａ、６ｂ、第二の共振コンデンサ７ｂ、スイッチ手段２８、上下アーム２ｂの下アーム用スイッチング素子３の経路で電流が流れる。
【０１１２】
上下アーム２ｂの上アーム用スイッチング素子３がオン状態の時は、第二の共振コンデンサ７ｂから第二、第一の加熱コイル６ｂ、６ａ、上下アーム２ａの下アーム用スイッチング素子３、上下アーム２ｂの上アーム用スイッチング素子３、スイッチ手段２８の経路で電流が流れる。
【実施例６】
【０１１３】
前述した実施例１（図１）、実施例４（図１１）、及び実施例５（図１３）では、銅又はアルミ製の被加熱物を加熱する場合、上下アーム２ｂ以外に上下アーム２ａの下アーム用スイッチング素子３及びこれに逆並列接続されたダイオード４に共振電流が流れるため損失が発生する。
【０１１４】
そこで、この課題を解決する例が本実施例である。
【０１１５】
図１４は本発明の第６の実施形態である電磁誘導加熱装置の主要回路構成図である。図１と同一部分については同一符号を付しており説明は省略する。
【０１１６】
図１４において前記実施例１（図１）、実施例４（図１１）、及び実施例５（図１３）と異なる点は、上下アーム２ａの出力端子が第一の加熱コイル６ａと第二の加熱コイル６ｂの接続点であるｃ点と接続されている点である。また、上下アーム２ａの上アーム用スイッチング素子３および同下アーム用スイッチング素子３に逆直列にスイッチング素子３ｂが接続され、この二つのスイッチング素子３ｂにはそれぞれダイオード４ｂが逆並列に接続されている点が異なっている。
【０１１７】
鉄製の被加熱物を加熱する場合、スイッチ手段２８をオフし、上下アーム２ａのスイッチング素子３ｂ二つを常時オン状態にして、上下アーム２ａの上下アーム用スイッチング素子３二つをオンオフする。
【０１１８】
これにより、上下アーム２ａの上アーム用スイッチング素子３がオン状態の時は、第一の電源１ａから上下アーム２ａの上アームのダイオード４ｂ、同上アーム用スイッチング素子３、第一の加熱コイル６ａ、第一の共振コンデンサ７ａの経路で電流が流れる。
【０１１９】
上下アーム２ａの上アーム用スイッチング素子３がオン状態の時は、第一の共振コンデンサ７ａから第一の加熱コイル６ａ、上下アーム２ａの下アームのダイオード４ｂ、同下アーム用スイッチング素子３の経路で電流が流れる。環流電流については、上下アーム２ａの上アーム用ダイオード４、同上アームのスイッチング素子３ｂの経路、または上下アーム２ａの下アーム用ダイオード４、同下アームのスイッチング素子３ｂの経路で流れることになる。
【０１２０】
一方、銅又はアルミ製の被加熱物を加熱する場合、上下アーム２ａはオフ、スイッチ手段２８はオン状態にし、上下アーム２ｂを駆動する。
【０１２１】
これにより、上下アーム２ｂの上アーム用スイッチング素子３がオン状態の時は、第二の電源１ｂから上下アーム２ｂの上アーム用スイッチング素子３、スイッチ手段２８、第二の共振コンデンサ７ｂ、第二、第一の加熱コイル６ｂ、６ａ、第一の共振コンデンサ７ａの経路で電流が流れる。
【０１２２】
上下アーム２ｂの下アーム用スイッチング素子３がオン状態の時は、第二の共振コンデンサ７ｂからスイッチ手段２８、上下アーム２ｂの下アーム用スイッチング素子３、第一の共振コンデンサ７ａ、第一、第二の加熱コイル６ａ、６ｂの経路で電流が流れる。
【０１２３】
従って、前記実施例１、実施例４、及び実施例５において、銅又はアルミ製の被加熱物を加熱する場合に、上下アーム２ａの下アーム用スイッチング素子３及びこれに逆並列接続されたダイオード４で発生した損失は、本実施例においては発生しない。
【０１２４】
しかしながら、本実施例では、上下アーム２ａを第一、第二の加熱コイル６ａ、６ｂ間に移動したことにより、上下アーム２ｂが駆動している状態では、上下アーム２ａの各素子には高電圧が印加される。従って、上下アーム２ａには高耐圧の素子が必要となる。
【０１２５】
また、鉄製の被加熱物を加熱する場合には、上下アーム２ａに追加したスイッチング素子３ｂ及びダイオード４ｂで損失が発生する。従って、ここでは図示しないが、スイッチング素子３ｂ及びダイオード４ｂをそれぞれ高耐圧リレーに変更し、上下アーム２ａの上下アーム用スイッチング素子３の印加電圧を低減して損失を減らすことが有効である。
【実施例７】
【０１２６】
前述した実施例６（図１４）では、銅又はアルミ製の被加熱物を加熱する場合の損失は低減されるが、鉄製の被加熱物を加熱する場合には、前記のようにスイッチング素子３ｂ、ダイオード４ｂなどの半導体素子、または高耐圧リレーが必要となる。
【０１２７】
そこで、この課題を解決する例が本実施例である。
【０１２８】
図１５は本発明の第７の実施形態である電磁誘導加熱装置の主要回路構成図である。図１と同一部分については同一符号を付しており説明は省略する。また、第一、第二の電源１ａ、１ｂは図６に示す構成の一部のみ示している。
【０１２９】
図１５において前記実施例と異なる点は、上下アーム２ｂの下アームを上下アーム２ａの下アームとして兼用している点である。
【０１３０】
従って、上下アーム２ａの出力端子ｄ点と上下アーム２ｂの出力端子ａ点は共通点で接続され、ｄ点とｏ点間には、共振負荷回路１０が接続される。共振負荷回路１０は、ｄ点とｏ点間に第一の加熱コイル６ａと第一の共振コンデンサ７ａ及びスイッチ手段２７が直列に接続されており、第一の加熱コイル６ａと第一の共振コンデンサ７ａの接続点をｃ点とすると、ｃ点とｏ点間には第二の加熱コイル６ｂと第二の共振コンデサ７ｂ及びスイッチ手段２８が直列に接続されている。
【０１３１】
本実施例において、鉄製の被加熱物を加熱する場合、スイッチ手段２７をオン状態、スイッチ手段２８及び上下アーム２ｂの上アーム用スイッチング素子３をオフ状態にして、上下アーム２ａの上アーム用スイッチング素子３、上下アーム２ｂの下アーム用スイッチング素子３をオンオフする。
【０１３２】
これにより、上下アーム２ａの上アーム用スイッチング素子３がオン状態の時は、第一の電源１ａから上下アーム２ａの上アーム用スイッチング素子３、第一の加熱コイル６ａ、第一の共振コンデンサ７ａ、スイッチ手段２７の経路で電流が流れる。
【０１３３】
上下アーム２ｂの下アーム用スイッチング素子３がオン状態の時は、第一の共振コンデンサ７ａから第一の加熱コイル６ａ、上下アーム２ｂの下アーム用スイッチング素子３、スイッチ手段２７の経路で電流が流れる。
【０１３４】
一方、銅又はアルミ製の被加熱物を加熱する場合、スイッチ手段２７及び上下アーム２ａの上アーム用スイッチング素子３はオフ、スイッチ手段２８はオン状態にし、上下アーム２ｂの上下アーム用スイッチング素子３をオンオフする。
【０１３５】
これにより、上下アーム２ｂの上アーム用スイッチング素子３がオン状態の時は、第二の電源１ｂから上下アーム２ｂの上アーム用スイッチング素子３、第一、第二の加熱コイル６ａ、６ｂ、第二の共振コンデンサ７ｂ、スイッチ手段２８の経路で電流が流れる。
【０１３６】
上下アーム２ｂの下アーム用スイッチング素子３がオン状態の時は、第二の共振コンデンサ７ｂから第二、第一の加熱コイル６ｂ、６ａ、上下アーム２ｂの下アーム用スイッチング素子３、スイッチ手段２８の経路で電流が流れる。
【０１３７】
ここで、上下アーム２ａと２ｂでは、それぞれ異なる第一、第二の電源１ａ、１ｂから電流が供給されるため、例えば、第一の電源１ａの電圧が第二の電源１ｂの電圧よりも高い場合には、上下アーム２ａを駆動した際、第一の電源１ａから上下アーム２ａの上アーム用スイッチング素子３、上下アーム２ｂの上アーム用スイッチング素子３に逆並列接続されたダイオード４、第二の電源１ｂのコンデンサ２１の経路で電流が流れ、コンデンサ２１を充電する経路が生じる。
【０１３８】
同様に、第二の電源１ｂの電圧が第一の電源１ａの電圧よりも高い場合には、上下アーム２ｂを駆動した際、第二の電源１ｂから上下アーム２ｂの下アーム用スイッチング素子３、上下アーム２ａの上アーム用スイッチング素子３に逆並列接続されたダイオード４、第一の電源１ａのコンデンサ１６の経路で電流が流れ、コンデンサ１６を充電する経路が生じる。
【０１３９】
従って、上下アーム２ａを駆動する際には、予め第二の電源１ｂの電圧を第一の電源１ａの電圧よりも高くなるようにし、逆に上下アーム２ｂを駆動する際には、第一の電源１ａの電圧を第二の電源１ｂの電圧よりも高くなるようにする。
【０１４０】
これにより、第一、第二の電源１ａ、１ｂのそれぞれのコンデンサ１６、２１を充電するモードを防止することができる。
【実施例８】
【０１４１】
図１６は本発明の第８の実施形態である電磁誘導加熱装置の主要回路構成図である。図１５と同一部分については同一符号を付しており説明は省略する。
【０１４２】
前述の実施例７（図１５）は、上下アーム２ｂの下アームを上下アーム２ａの下アームとして兼用したが、本実施例は上アーム及び下アームの両アームとも上下アーム２ｂで兼用し、第一の電源１ａ及び第二の電源１ｂと上下アーム２ｂとの間にそれぞれスイッチ手段３４を設けて、電源回路１の出力電圧を切り替える。
【０１４３】
本実施例において、鉄製の被加熱物を加熱する場合、第一の共振コンデンサ７ａに接続されるスイッチ手段２７および第一の電源１ａに接続されるスイッチ手段３４をオン状態、第二の共振コンデンサ７ｂに接続されるスイッチ手段２８および第二の電源１ｂに接続されるスイッチ手段３４をオフ状態にして、上下アーム２ｂの上下アーム用スイッチング素子３をオンオフする。
【０１４４】
これにより、上下アーム２ｂの上アーム用スイッチング素子３がオン状態の時は、第一の電源１ａから第一の電源１ａに接続されるスイッチ手段３４、上下アーム２ｂの上アーム用スイッチング素子３、第一の加熱コイル６ａ、第一の共振コンデンサ７ａ、スイッチ手段２７の経路で電流が流れる。
【０１４５】
上下アーム２ｂの下アーム用スイッチング素子３がオン状態の時は、第一の共振コンデンサ７ａから第一の加熱コイル６ａ、上下アーム２ｂの下アーム用スイッチング素子３、スイッチ手段２７の経路で電流が流れる。
【０１４６】
一方、銅又はアルミ製の被加熱物を加熱する場合、スイッチ手段２７および第一の電源１ａに接続されるスイッチ手段３４はオフ状態、スイッチ手段２８および第二の電源１ｂに接続されるスイッチ手段３４はオン状態にし、上下アーム２ｂの上下アーム用スイッチング素子３をオンオフする。
【０１４７】
これにより、上下アーム２ｂの上アーム用スイッチング素子３がオン状態の時は、第二の電源１ｂから第二の電源１ｂに接続されるスイッチ手段３４、上下アーム２ｂの上アーム用スイッチング素子３、第一、第二の加熱コイル６ａ、６ｂ、第二の共振コンデンサ７ｂ、スイッチ手段２８の経路で電流が流れる。
【０１４８】
上下アーム２ｂの下アーム用スイッチング素子３がオン状態の時は、第二の共振コンデンサ７ｂから第二、第一の加熱コイル６ｂ、６ａ、上下アーム２ｂの下アーム用スイッチング素子３、スイッチ手段２８の経路で電流が流れる。
【実施例９】
【０１４９】
図１７は本発明の第９の実施形態である電磁誘導加熱装置の主要回路構成図である。図１６と同一部分については同一符号を付しており説明は省略する。
【０１５０】
前述の実施例８（図１６）は、第一、第二の電源１ａ、１ｂと上下アーム２ｂとの間にそれぞれスイッチ手段３４を設け、これらを切り替えて電源回路１の出力電圧の切り替えを行ったが、本実施例では第二の電源１ｂと上下アーム２ｂとの間にダイオード３５が接続されている点と、上下アーム２ｂの両端にコンデンサ３６が設けられている点が前記実施例と異なる。
【０１５１】
従って、銅又はアルミ製の被加熱物を加熱する場合は、スイッチ手段２７および第一の電源１ａに接続されるスイッチ手段３４はオフ状態、スイッチ手段２８はオン状態にする。
【０１５２】
これにより、第二の電源１ｂからダイオード３５を介して上下アーム２ｂに電流が供給される。上下アーム２ｂの両端に設けられたコンデンサ３６は上下アーム２ｂの上アーム用スイッチング素子３に逆並列接続されたダイオード４を介して流れる環流電流を回生する。
【０１５３】
上下アーム２ｂの上アーム用スイッチング素子３がオンすると、先にコンデンサ３６から電流が供給され、コンデンサ３６の電圧が第二の電源１ｂの電圧より下がると、第二の電源１ｂからダイオード３５を介して電流が供給される。
【０１５４】
一方、鉄製の被加熱物を加熱する場合には、前記実施例８（図１６）と同様に、第一の電源１ａからスイッチ手段３４を介して上下アーム２ｂに電流が供給される。この動作の詳細は実施例８とほぼ同様なので、詳細は割愛する。
【実施例１０】
【０１５５】
図１８は本発明の第１０の実施形態である電磁誘導加熱装置の回路構成図である。前述の実施例は被加熱物の材質に応じて加熱コイルの巻数及び共振コンデンサの容量を切り替えたが、本実施例では加熱コイルの巻数は固定し、共振コンデンサの容量のみ切り替えて異なる材質の被加熱物を誘導加熱する。
【０１５６】
図１８において、上下アーム２ｂのａ点とｏ点との間には加熱コイル６と第二の共振コンデンサ７ｂが接続され、第二の共振コンデンサ７ｂには直列接続された第一の共振コンデンサ７ａとスイッチ手段２７が並列に接続されている。
【０１５７】
加熱コイル６は銅、アルミなど低抵抗の被加熱物を考慮して巻数を増やすことになる。しかしながら、鉄など高抵抗の被加熱物では、巻数が多いと等価抵抗が大きくなり過ぎるため逆に電流が流れず電力が入らない。
【０１５８】
そこで、本実施例では図１８に示すように、インダクタンス１５、整流回路１４、直列接続したコンデンサ１６ａ及び１６ｂ、スイッチ手段３４から構成される電源回路１を設け、倍電圧整流と全波整流の切り替えにより直流電圧を制御する。
【０１５９】
即ち、鉄製の被加熱物を加熱する場合は、スイッチ手段３４をオン状態にして倍電圧整流を行い直流電圧を上げ、銅又はアルミ製の被加熱物を加熱する場合は、スイッチ手段３４をオフ状態にして全波整流を行い直流電圧を下げる。
【０１６０】
共振負荷回路１０のスイッチ手段２７は、鉄製の被加熱物を加熱する場合にはオン状態にし、銅又はアルミ製の被加熱物を加熱する場合にはオフ状態にする。
【０１６１】
電力制御については、被加熱物の材質に関係なく、上下アーム２ｂの駆動周波数を調整することで加熱コイル６に流す電流を調整する。
【０１６２】
ここで、倍電圧整流時すなわちスイッチ手段３４のオン状態時、電源回路１のコンデンサ１６ａ、１６ｂは、商用周波数の半周期のみ充電が行われるため、容量を大きくする必要がある。従って、入力電流は多くの高調波を含むことになるため、高調波を抑制する必要がある。
【０１６３】
本実施例では、商用交流電源１３に対しインダクタンス１５を負荷とする短絡回路３７を設けており、商用周波数の半周期毎に短絡回路３７を動作させて入力電流の高調波を低減する。
【０１６４】
この短絡回路３７は、ダイオードで形成される整流回路３８とパワー半導体スイッチング素子で形成されるスイッチング素子３９から構成されている。
【０１６５】
次に、短絡回路３７の動作について、図１９に示すタイミングチャートを用いて説明する。図１９は本発明の第１０の実施形態である電磁誘導加熱装置の短絡回路の動作を説明する図で、スイッチング素子３９の動作と、商用交流電源１３の電圧および入力電流を示している。
【０１６６】
図１９に示すように、スイッチング素子３９は商用交流電源１３の電圧のゼロクロスから所望の遅延時間を設けてオンさせ、短絡通電を開始し、商用交流電源１３から電流を吸い込む。負荷の大きさ、即ち所望の出力電力に応じて、スイッチング素子３９の遅延時間とオン期間を制御することにより、高調波を低減することができる。
【実施例１１】
【０１６７】
図２０は本発明の第１１の実施形態である電磁誘導加熱装置の電源回路構成図である。図１８と同一部分については同一符号を付しており説明は省略する。
【０１６８】
図２０において、前述の実施例１０（図１８）と異なる点は、電源回路１の後段に降圧チョッパ回路２２で形成される第三の電源４０を設け、ダイオード３５、コンデンサ３６を介して上下アーム２ｂに電流を供給し、銅又はアルミ製の被加熱物を誘導加熱する点と、電源回路１の出力点ｐ１と上下アーム２ｂの正電極側との間にスイッチ手段３４を接続した点である。
【０１６９】
この降圧チョッパ回路２２は、スイッチング素子１９、ダイオード２０、インダクタンス１８、コンデンサ２１から構成される。
【０１７０】
前記実施例２（図６）で述べたように、共振周波数に近い周波数で上下アーム２ｂを駆動し、遮断電流を小さくした方が上下アーム２ｂの上下アーム用スイッチング素子３のスイッチング損失は低減されるため、本実施例では、第三の電源４０すなわち降圧チョッパ回路２２によりコンデンサ２１の電圧を変化させて電力制御を行う。
【０１７１】
つまり、銅又はアルミ製の被加熱物は、整流回路１４と、コンデンサ１６ａ、１６ｂの接続点との間に接続されたスイッチ手段３４、およびｐ１点と上下アーム２ｂの正電極側との間に接続されたスイッチ手段３４をオフ状態とし、誘導加熱を行う。
【０１７２】
一方、鉄製の被加熱物は、整流回路１４と、コンデンサ１６ａ、１６ｂの接続点との間に接続されたスイッチ手段３４、およびｐ１点と上下アーム２ｂの正電極側との間に接続されたスイッチ手段３４をオン状態とし、電源回路１からｐ１点と上下アーム２ｂの正電極側との間に接続されたスイッチ手段３４を介して上下アーム２ｂに電流を供給し、誘導加熱を行う。
【０１７３】
本実施例では、上下アーム２ｂを駆動することにより共振負荷回路１０に電流を供給するが、前記実施例１（図１）のように、二つの上下アーム２ａ、２ｂを設けた構成でも構わない。この場合は、ｐ１点と上下アーム２ｂの正電極側との間に接続されたスイッチ手段３４、ダイオード３５、およびコンデンサ３６を削除することが可能となる。
【実施例１２】
【０１７４】
前述した実施例１０（図１８）では、短絡回路３７を設けて入力電流の高調波を低減するが、短絡回路３７を構成する整流回路３８及びスイッチング素子３９などの追加部品が必要となる。
【０１７５】
そこで、この課題を解決する例が本実施例である。
【０１７６】
図２１は本発明の第１２の実施形態である電磁誘導加熱装置の回路構成図である。図１８と同一部分については同一符号を付しており説明は省略する。
【０１７７】
本実施例において前記実施例１０（図１８）と異なる点は、共振負荷回路１０の電圧変化を利用して商用交流電源１３から電流を吸い込む経路を設けている点である。
【０１７８】
図２１において、ａ点とｏ点との間には、加熱コイル６及び第二の共振コンデンサ７ｂと直列に補助の共振コンデンサ７ｃが接続され、第二の共振コンデンサ７ｂには直列接続した第一の共振コンデンサ７ａとスイッチ手段２７が並列に接続され、これらにより共振負荷回路１０が構成されている。
【０１７９】
第二の共振コンデンサ７ｂと補助の共振コンデンサ７ｃの接続点をｈ点とすると、ｈ点は整流回路１４の入力側の一端と接続され、商用交流電源１３とｈ点との間にはインダクタンス１５が接続されている。つまり、前記補助の共振コンデンサ７ｃの電圧を前記整流回路１４の入力端子の一端に帰還させているので、商用交流電源１３に対してはインダクタンス１５と共振負荷回路１０が負荷回路として見える。
【０１８０】
また、前述した実施例１０（図１８）における短絡回路３７は削除されている。
【０１８１】
以上が前述した実施例１０（図１８）と異なる点である。
【０１８２】
本実施例の動作においては、上下アーム２ｂが高周波で駆動している際、補助の共振コンデンサ７ｃの電圧、即ちｈ点の電圧は、共振負荷回路１０に流れる共振電流によって変化するため、商用交流電源１３の電圧が低い領域においても、整流回路１４は導通状態と非導通状態を繰り返す。
【０１８３】
これにより、商用周波数のほぼ全域に渡り入力電流が流れるため高調波を低減することができる。
【実施例１３】
【０１８４】
図２２は本発明の第１３の実施形態である電磁誘導加熱装置の回路構成図である。図２１と同一部分については同一符号を付しており説明は省略する。尚、上下アーム２ｂの内部構成は省略したが、図２１の場合と同様である。
【０１８５】
本実施例は、電源回路部は前記実施例１１（図２０）と同様の構成とし、共振負荷回路１０部は前記実施例１２（図２１）と同様の構成としたものである。
【０１８６】
前述のように、銅又はアルミ製の被加熱物を加熱する場合は、上下アーム２ｂは遮断電流を小さくしてスイッチング損失を低減するため、共振周波数に近い周波数で駆動し、第三の電源４０すなわち降圧チョッパ回路２２の動作によるコンデンサ２１の電圧変化を利用して電力制御を行う。
【０１８７】
一方、鉄製の被加熱物を加熱する場合は、電源回路１のｐ１点と上下アーム２ｂの正電極側との間に接続されたスイッチ手段３４を介して上下アーム２ｂに電流を供給し、誘導加熱を行う。
【実施例１４】
【０１８８】
前述した実施例１１（図２０）、実施例１３（図２２）においては、電源回路１の後段に降圧チョッパ回路２２を設けることにより、直流電圧の下限値を下げることが可能であるが、インダクタンス１８やスイッチング素子１９など追加部品が必要となる。
【０１８９】
そこで、この課題を解決する例が本実施例である。
【０１９０】
図２３は本発明の第１４の実施形態である電磁誘導加熱装置の回路構成図であり、主に電源回路部分を示している。
【０１９１】
国内において、家電民生用の２００Ｖ商用交流電源は、単相三線式が多く利用され、１００Ｖ商用交流電源系を直列に接続し、その両端電圧から２００Ｖを得ている。
【０１９２】
図２３において、１３は商用交流電源で、単相三線式の電圧源であり、二つの１００Ｖ商用交流電源が直列に接続されて構成されている。
【０１９３】
電源回路１は前記商用交流電源１３を整流するダイオードブリッジで形成される整流回路１４と、インダクタンス１５及び直列接続したコンデンサ１６ａ、１６ｂから形成される平滑回路と、スイッチ手段３４とで構成されている。
【０１９４】
直列接続したコンデンサ１６ａ、１６ｂの両端と整流回路１４の出力端子を接続し、整流回路１４の入力端子の一端と商用交流電源１３の中性点を接続し、商用交流電源１３の一端と前記コンデンサ１６ａ、１６ｂの接続点との間にスイッチ手段３４を接続している。
【０１９５】
尚、整流回路１４の入力端子の一端と商用交流電源１３との接続においては、商用交流電源１３の接続点はその中性点ではなく、その一端とする構成でもよい。
【０１９６】
以上の構成において、スイッチ手段３４を切り替えることにより、２００Ｖ倍電圧整流と１００Ｖ全波整流を切り替えることができる。
【０１９７】
即ち、鉄製の被加熱物を加熱する場合は、スイッチ手段３４をオン状態にして２００Ｖ倍電圧整流を行い、電源回路１の出力電圧を倍電圧整流後の出力に基づく直流電圧とし、直流電圧を上げる。
【０１９８】
一方、銅又はアルミ製の被加熱物を加熱する場合は、スイッチ手段３４をオフ状態して１００Ｖ全波整流を行い、電源回路１の出力電圧を全波整流後の出力に基づく直流電圧とし、直流電圧を下げる。
【０１９９】
これにより、電源回路１の生成する直流電圧の上下の差を大きくすることができ、異なる材質の被加熱物に対する対応が容易となる。
【０２００】
ここでは図示しないが、整流回路１４に印加する電圧を１００Ｖ商用交流電源、または２００Ｖ商用交流電源の何れかに切り替える構造にすることにより、２００Ｖ全波整流を選択することも可能である。
【０２０１】
尚、図２３に示す回路では、入力電流の高調波が大きいため、前記図１８、図２０に示すような短絡回路３７、もしくは前記図２１、図２２に示すような共振負荷回路１０の電圧変化を利用した高調波対策などと組み合わせることになる。
【図面の簡単な説明】
【０２０２】
【図１】本発明の第１の実施形態である電磁誘導加熱装置の主要回路構成図である。
【図２】本発明の第１の実施形態である電磁誘導加熱装置の加熱コイルの平面図である。
【図３】被加熱物の材質の違いによる加熱コイルの巻数と等価抵抗の関係を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態における動作説明図である。
【図５】本発明の第１の実施形態である電磁誘導加熱装置の回路の一部を示す図である。
【図６】本発明の第２の実施形態である電磁誘導加熱装置の電源回路構成図である。
【図７】本発明の第２の実施形態における第一の説明図である。
【図８】本発明の第２の実施形態における第二の説明図である。
【図９】本発明の第３の実施形態である電磁誘導加熱装置の加熱コイルの平面図である。
【図１０】本発明の第３の実施形態における説明図である。
【図１１】本発明の第４の実施形態である電磁誘導加熱装置の主要回路構成図である。
【図１２】本発明の第５の実施形態である電磁誘導加熱装置の電源回路構成図である。
【図１３】本発明の第５の実施形態である電磁誘導加熱装置の主要回路構成図である。
【図１４】本発明の第６の実施形態である電磁誘導加熱装置の主要回路構成図である。
【図１５】本発明の第７の実施形態である電磁誘導加熱装置の主要回路構成図である。
【図１６】本発明の第８の実施形態である電磁誘導加熱装置の主要回路構成図である。
【図１７】本発明の第９の実施形態である電磁誘導加熱装置の主要回路構成図である。
【図１８】本発明の第１０の実施形態である電磁誘導加熱装置の回路構成図である。
【図１９】本発明の第１０の実施形態である電磁誘導加熱装置の短絡回路の動作を説明する図である。
【図２０】本発明の第１１の実施形態である電磁誘導加熱装置の電源回路構成図である。
【図２１】本発明の第１２の実施形態である電磁誘導加熱装置の回路構成図である。
【図２２】本発明の第１３の実施形態である電磁誘導加熱装置の回路構成図である。
【図２３】本発明の第１４の実施形態である電磁誘導加熱装置の回路構成図である。
【図２４】加熱コイル及び被加熱物の等価インピーダンスを示した図である。
【図２５】図２４に示した等価インピーダンスの特性を有する被加熱物の入力電力と共振電流の関係を表した図である。
【符号の説明】
【０２０３】
１  電源回路
１ａ  第一の電源
１ｂ  第二の電源
２、２ａ、２ｂ  上下アーム
３、３ｂ  スイッチング素子
５  スナバコンデンサ
６  加熱コイル
６ａ  第一の加熱コイル
６ｂ  第二の加熱コイル
７ａ  第一の共振コンデンサ
７ｂ  第二の共振コンデンサ
７ｃ  補助の共振コンデンサ
１０  共振負荷回路
１１  スイッチ手段
１３  商用交流電源
１４  整流回路
１５  インダクタンス
１６  コンデンサ
１８  インダクタンス
１９  スイッチング素子
２０  ダイオード
２１  コンデンサ
２７、２８、３４  スイッチ手段
３５  ダイオード
３６  コンデンサ
３７  短絡回路
３８  整流回路
３９  スイッチング素子
４０  第三の電源
【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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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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