(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源手段、加熱コイル部、高周波出力制御手段等から構成される誘導加熱調理器において、
前記加熱コイル部は、Ｕ字形のフェライトをそれぞれの下方に配置したＮ（Ｎ≧２）個の加熱コイルが略同一平面上で同心円上に配置された構成をなし、当該Ｎ個の加熱コイルの内１を基準コイルとして基準電流を印加すると共に、残余のコイルに印加する電流を、当該基準電流に対して、同一周波数で、位相差がｎπ／Ｎ（ｎは１〜Ｎ−１の整数）となるように前記高周波出力制御手段が電流制御した誘導加熱調理器。
【請求項２】
請求項１におけるＮが２である誘導加熱調理器。
【請求項３】
請求項１乃至２におけるＮ個の加熱コイルに印加する電流は、当該各加熱コイルＮ１〜ＮＮのそれぞれの巻数をＭ１〜ＭＮ、各加熱コイルＮ１〜ＮＮに流れる高周波電流をＩ１〜ＩＮとしたとき、Ｍ１×Ｉ１、・・・・、ＭＮ×ＩＮの値が略等しくなるように、高周波出力制御手段が制御する誘導加熱調理器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願発明は、誘導加熱調理器に関する技術である。
【背景技術】
【０００２】
誘導加熱調理器は、高周波電流を流す加熱コイルの近傍に配した金属負荷（鍋）に渦電流を発生させ、そのジュール熱によって負荷自体が自己発熱することで、効率よく加熱することができる。近年、ガスコンロ等の調理器具に代わって、安全性や温度制御性に優れていることから、誘導加熱調理器への置き換えが進んでいる。
【０００３】
また、従来は加熱できなかったアルミや銅などの低抵抗非磁性金属も加熱できる誘導加熱調理器も実用化された。ただし、アルミ鍋では、調理物を含めた重量が軽い場合に大きな加熱電力を投入しようとすると、鍋と加熱コイル間に生じる反発力が大きくなり、鍋が浮いたり、移動したりするという現象が発生する。
【０００４】
このような課題に対して、いくつかの解決方法が提案されている。
【０００５】
第１の方法は、鍋の浮上を検出した場合には、加熱電力を低減させる方法（特許文献１参照）であり、第２の方法は、鍋と加熱コイルの間に非磁性金属板を配置し、非磁性金属板を加熱するとともに鍋と加熱コイル間に発生する反発力を低減する方法（特許文献２参照）である。
【０００６】
また、第３の方法は、複数の加熱コイルに印加する電流の位相を、鍋等の負荷の材質によって逆位相、同位相として加熱コイル間の相互インダクタンスを利用し、負荷の材質の相違に係わらず同程度に加熱可能とする方法（特許文献３参照）も知られている。
【特許文献１】特開２００４−１６５１２７号公報
【特許文献２】特開２００４−２７３３０１号公報
【特許文献３】特開２００７−１２４８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述のような解決方法には以下のような課題が存在する。
【０００８】
第１の方法では、調理に必要な加熱電力が得られない虞がある。
【０００９】
例えば、軽量な鍋やフライパンでは、反発力に対して容易に浮上し、しかも、内容物が偏在しているときはバランスを崩して天板上を移動する虞がある。これを防止するために浮上を検出して火力を落とすために、調理に十分な火力が得られない場合や、煮炊きができない場合が生じる。
【００１０】
第２の方法では、鍋等の負荷に発生する反発力は低減されるものの、非磁性金属板が加熱されてガラス面を熱することによって、煮こぼれの焼き付の発生や、調理終了後のガラス面が高温のために火傷をする虞れがある。
【００１１】
第３の方法では、磁性金属負荷の場合は加熱コイルに印加する電流の位相を逆位相として加熱コイルに電流を流れやすくし、非磁性金属負荷の場合は同位相として加熱コイルに流れる電流を抑制して、負荷の相違に拘わらず加熱コイルに流れる電流値を同程度とするものであるから、負荷とコイル間に発生する反発力を抑制することには寄与しない。
【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、本発明は、直流電源手段、加熱コイル部、高周波出力制御手段等から構成される誘導加熱調理器において、前記加熱コイル部は、Ｕ字形のフェライトをそれぞれの下方に配置したＮ（Ｎ≧２）個の加熱コイルが略同一平面上で同心円上に配置された構成をなし、当該Ｎ個の加熱コイルの内１を基準コイルとして基準電流を印加すると共に、残余のコイルに印加する電流を、当該基準電流に対して、同一周波数で、位相差がｎπ／Ｎ（ｎは１〜Ｎ−１の整数）となるように前記高周波出力制御手段が電流制御したことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
複数の加熱コイルに流れる高周波電流に起因して発生する反発力が、同一位相で電流を流す場合に比べて反発力の最大値を低く抑えることができる効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施例について図面をもとに説明する。
【００１５】
図１、図１０は、本願発明における誘導加熱調理器の概略構成図、および、その回路構成概略図である。
【００１６】
図１において、金属負荷１はアルミなどの非磁性金属で構成される調理用鍋でありガラスプレート２上に設置される。ガラスプレート２の下には、略同一平面上に配置した円盤状の第１の加熱コイル１０、第２の加熱コイル２０が配設され、当該各加熱コイル１０，２０は高周波出力制御手段１２、２２に接続されて高周波電流が印加される。当該各加熱コイル１０，２０には高透磁率を有する磁性材料１１および２１が配設されて、加熱コイル１０，２０に流れる電流に基づく磁束によって両者に生じる誘導電流間の相互影響を防止すると共に、負荷１に効率よく磁束を鎖交させる。
【００１７】
また、当該高周波出力制御手段１２，２２は、交流電源１０１を直流電源手段１００で整流して直流化した電力が入力され、当該電力を所定の位相差を設けて加熱コイル１０，２０に高周波電流を印加する。
【００１８】
次に、高周波出力制御手段が行う位相差について説明する。
【００１９】
誘導加熱において、負荷１を加熱する電力Ｐ、負荷１と加熱コイルの間に発生する反発力Ｆは、加熱コイルの巻き数をｎ、加熱コイルに流れる電流をＩとすると、電力は加熱コイルの巻き数と流れる交流電流の積の二乗に比例し、反発力は発生する磁束の変化に比例することから加熱コイルの巻き数と交流電流の積に比例するので、以下の式１、式２として表すことができる。
【数１】
0004945409.tif 000002
【数２】
0004945409.tif 000003
図１における第１、第２の加熱コイル１０，２０の巻き数を同一のｎとしたとき、各加熱コイル１０、２０に印加される電流Ｉによってそれぞれの加熱コイル１０、２０に発生する電力Ｐ１、Ｐ２と反発力Ｆ１、Ｆ２は各々以下の式３、４、５、６となる。
【数３】
0004945409.tif 000004
【数４】
0004945409.tif 000005
【数５】
0004945409.tif 000006
【数６】
0004945409.tif 000007
このとき、各加熱コイル１０，２０と負荷１の間に発生する反発力Ｆ１、Ｆ２は加熱コイル１０、２０に印加される電流波形に依存する。つまり、各加熱コイル１０、２０に周波数ｆの正弦波電流が流れており、それぞれの電流位相をθ1、θ2とおけば、加熱コイル１０、２０と負荷１の間に発生する瞬時的な反発力は、以下の式７、８で表され、ここでω＝２πｆである。
【数７】
0004945409.tif 000008
【数８】
0004945409.tif 000009
反発力は負荷１に発生する誘導電流自体と加熱コイル１０、２０の電流の間に発生するため、その力は電流の向きにかかわらず常に正となるので、Ｆ１、Ｆ２は正の値をとる。
【００２０】
ただし、式３、４で表される電力は実効値となるため上記の位相には影響されない表記となる。
【００２１】
ここで、上記θ1、θ2がθ1  ＝θ2であるとき、すなわち、位相差がゼロであるときは、発生する反発力Ｆａが、それぞれの加熱コイル１０，２０が負荷１に対する反発力の瞬時値であるから以下の式９となる。
【数９】
0004945409.tif 000010
同様に、θ１とθ２の差があるとき、その差分をθとすれば、発生する反発力Ｆｂは以下の式１０となる。
【数１０】
0004945409.tif 000011
したがって、負荷１に発生する反発力は、瞬時的な力が大きいほど負荷１を浮上(ないしは移動)させるものとなるから、使用者にとってはその極大値が大きければ大きいほど負荷１が浮いた感覚を受ける。よって、当該浮上感覚を減少させるためには、前記式１０におけるＦbの最大値が最も小さくなるθを設定すればよいこととなる。
【００２２】
ここで「式１０」を以下の「式１１」に変形してもその極値をとるωｔ、θについては
変わらないので当該「式１１」について検討する。
【数１１】
0004945409.tif 000012
但し、０≦ωt＜π
半角公式、加法定理にて「式１１」を変形すると以下の「式１２」となる
【数１２】
0004945409.tif 000013
【００２３】
当該式「式１２」における極値を求めるために全微分を行うと、下記「式１３」となる。
【数１３】
0004945409.tif 000014
【００２４】
前記「式１３」に示される２元１次連立方程式を解くと、以下の「式１４」、「式１５」に示されるように
位相差θ＝０、π／２において極値となり、位相差θ＝０が最大値、位相差θ＝π／２が最低値となる。
【数１４】
0004945409.tif 000015
【数１５】
0004945409.tif 000016
【００２５】
また、図３は、数値解析により、位相差を０からπまで変化させ、各位相において、第１加熱コイルの反発力と第２加熱コイルと反発力との加算値をωｔ毎（角度毎）に１周期分求めた図表であり、当該図表に基づき各位相差毎の最大値をプロットしたものが、図２の（ア）であり、上記検討結果と一致するものである。
【００２６】
ここで、位相を変化させたとき、当該位相における最大値が最も低い値となる位相差θ＝π／２とし、その最大値となるωｔを「式１０」に基づいて求めると、以下の「式１６」に示されるように，ωｔ＝π／４、３π／４となる。
【数１６】
0004945409.tif 000017
【００２７】
当該ωｔ＝π/４を「式１０」の基づいてその値を算出すると以下の「式１７」の値となる。
【数１７】
0004945409.tif 000018
また、位相差ゼロ、すなわち、第１、第２加熱コイルを同位相で電流を流した場合はそれぞれの電流に起因する反発力は１つの加熱コイル電流に起因する反発力の２倍に相当し、極大値(sinωt=１または−１)のタイミングも一致するので、その値は以下の「式１８」となる。
【数１８】
0004945409.tif 000019
したがって、その比は、以下の「式１９」に示されるように√２倍となる。
【数１９】
0004945409.tif 000020
つまり、加熱コイルが２個の場合、同じ電力を負荷に投入しつつ、反発力の瞬時最大値を1／√２に下げることができる。
【００２８】
さらにこの点について図４を用いて説明する。
【００２９】
図４は２個の加熱コイルにおける反発力とコイル電流の関係を模式的に表した図である。
【００３０】
図において、グループＡは位相差を設けずにコイル電流を流した場合、グループＢは位相差を１／４周期すなわちπ／２設けてコイル電流を流した場合の反発力を、コイル電流の１周期をＴとしたときの時系列で示している。なお、左右対称となるため半面のみ示す。
【００３１】
時刻０では、グループＡではいずれのコイルにも電流は流れていない。グループＢではコイル２のみピーク電流Ｉｐが流れている。このとき、グループＡに発生する反発力はゼロとなり、グループＢではコイル２のみに起因する反発力が発生し、その大きさは｜Ｉｐ｜に比例する。
【００３２】
時刻Ｔ／８では、グループＡにはそれぞれ√２Ｉｐ／２の電流が流れ、その電流に起因する反発力は√２|Ｉｐ|に比例する。グループＢではコイル１に電流が流れ始めて√２Ｉｐ／２となり、コイル２は減少して√２Ｉｐ／２の電流が流れ、それらの電流に起因する反発力は√２|Ｉｐ|に比例する。
【００３３】
時刻Ｔ／４では、グループＡにはそれぞれＩｐの電流が流れ、その電流に起因する反発力は２|Ｉｐ|に比例する。グループＢではコイル１の電流がＩｐとなり、コイル２の電流はゼロになり、その電流に起因する反発力は|Ｉｐ|に比例する。
【００３４】
以降、図のように周期的に繰り返すことになる。ただし、電流の向きが反転したとしても、反発力としては同じ向きになる。
【００３５】
図５は図４の状態をグラフで表したものである。
【００３６】
本発明を適用しない場合の反発力の最大値を１とした場合の相対比較を示す。
【００３７】
図５において、波形１はゼロ位相で電流が流れている場合の反発力比、波形２は位相差Ｔ／４すなわちπ／２の電流が流れている場合の反発力比であり、波形３はグループＡの合成反発力比、波形４はグループＢの合成反発力比である。
【００３８】
グループＡではＴ／４すなわちπ／２および３Ｔ／４すなわち３π／２において極大を示す。
【００３９】
グループＢではＴ／８すなわちπ／４経過時点において極大となり、Ｔ／４、Ｔ／２、３Ｔ／４すなわちπ／２、π、３π／２で極小となる。
【００４０】
その結果、グループＡに対してグループＢの反発力比は１／√２となる。
【００４１】
本発明の構成をとらない場合は、反発力の瞬時最大値はインバータの発振周波数で決まる回数が単位時間当たりに発生するので、実質的には負荷が継続的に大きな力を受けていることになる。しかし、本発明の構成をとれば、発生する反発力の瞬時最大値が低下することによって、この力を受ける負荷が上昇する力が低減される。
【００４２】
また、反発力によって負荷がバランスを崩し、移動を開始する限界値(静摩擦力の最大値)に対しても、瞬時最大値が低くなるため、負荷に投入される電力に対しては本発明を適用することで移動も抑制される。さらに、移動が開始した場合にあっても、反発力の瞬時最大値が低下しているために移動距離も短くなる。
【００４３】
これらの点から、従来と同等の電力を負荷に投入する場合に、負荷の浮上や移動が抑制されるために使用者にとって使い勝手のよい誘導加熱調理器を提供することが出来る。また、従来と同様レベルの負荷の浮上や移動を許容する場合は、従来よりも高い電力を負荷に投入することが出来ることとなり、大火力を必要とする調理にも対応できるようになる。
【００４４】
次に、反発力に関係する各コイルの巻数ｎと、当該コイルに印加される電流Ｉについて説明する。
【００４５】
各加熱コイルの反発力は、加熱コイルの巻き数ｎと加熱コイルに流れる電流Ｉの積すなわち発生する磁束の変化量に比例して各加熱コイルそれぞれに対して発生する。
【００４６】
上記のように２つの加熱コイルを用いて、コイルの巻数ｎと、当該コイルに印加される電流Ｉの積、ｎ×Ｉの値の比が５：５ならば反発力の最大値は、双方がほぼ均等に寄与することとなるが、当該比が例えば２：８であれば後者の反発力の寄与度が主となるので、後者の場合の最大値低減度は前者に比べてその効果は減少する。
【００４７】
さらに、加熱コイルの配置が、図８に示されるように同心円形ではなく後記する図９に示されるように円周を分割して配置した円周分割型の場合でも同様な効果を有する。
【００４８】
いずれの場合においても加熱コイル巻数をそれぞれＭ１、Ｍ２・・・、流れる電流をＩ１、Ｉ２、・・・、としたときにＭ１×Ｉ１、Ｍ２×Ｉ２、・・・の値が略等しくなるようにすれば良好な効果を期待できる。
【００４９】
図２の（イ）、（ウ）は、前記加熱コイルの２分割と同様にして求めた、３分割、４分割した場合における、前記２分割した加熱コイルに係わる図２（ア）に各々対応するものであり、図６、図７は、同様にして求めた前記２分割した加熱コイルに係わる図５に各々対応するもので、その場合の位相差は、それぞれ、図６の３分割コイルでは各π／３，図７の４分割コイルでは各π／４である。
【００５０】
以上のように、複数の加熱コイルに電流を流す場合に、反発力の瞬時最大値を最も低減する位相の設定方法は、上述の通り、コイル電流の半周期区間において、各電流の最大値が現れるタイミングを等間隔に配置すれば本発明の効果を高くすることができる。
【００５１】
上記の条件を一般化すると、Ｎ個の加熱コイルに対してそのうち１つの加熱コイルに流れる電流を基準とすると、他のｎ番目のコイルに流れる電流は基準の電流に対してｎπ／Ｎの位相差（ただしｎは１〜Ｎ−１）を有するように設定するものである。これは、コイル数が２であれば基準コイル電流に対してπ／２、コイル数が３であれば基準コイル電流に対してπ／３および２π／３、コイル数が４であれば基準コイル電流に対してπ／４、π／２、３π／４の位相差を設けるように電流を流すことである。
【００５２】
なお、コイル電流に起因する反発力は前述のとおり、電流の正負に係わらず常に反発する方向の力となるので、位相差の設定はコイル電流の半周期区間が単位となる。
【００５３】
一方、コイル電流の半周期区間において、各電流の最大値が現れるタイミングを等間隔に配置しない場合は、互いに近いタイミングの電流波形を加算した場合に等間隔に配置したときよりも大きなピークが出現するので、結果として反発力の最大値も大きくなる。
【００５４】
次に、加熱コイルの構成について説明する。
【００５５】
図８は巻中心軸を同一にし、同心円状に２つの加熱コイルを構成した場合の概略断面図である。
【００５６】
加熱コイル１０に対してはＵ字形のフェライト１１ａ、１１ｂ・・・を配置し、加熱コイル２０に対しても同様にＵ字形フェライト２１ａ、２１ｂ・・・を配置し、それぞれの加熱コイル電流によって発生する磁束を互いに干渉しにくくしている。また、コイル間の距離を広くし、空間部２３を大きく設けることによっても干渉をしにくくすることができる。
【００５７】
図９は同一円周上に巻き中心軸を配置する３つの加熱コイルで構成したものである。
【００５８】
それぞれの加熱コイル１０、２０、３０の巻き始めは略同一円周上にあり、ほぼ同形状で配置は３分割した形となる。加熱コイル１０、２０、３０にはそれぞれフェライト１１、２１、３１を配し、それぞれの加熱コイルが発生する磁束を互いに干渉しにくくしている。
【００５９】
図８、図９で示した例以外でもコイル数は２つ以上で構成可能であるが、いずれの場合にも、各コイル間にはフェライト等の磁性体で構成する磁気的分離手段の配設、又はコイル間の距離を確保する等により、発生する磁束が他のコイルに干渉することを防ぐ。
【００６０】
磁気的分離が不十分な場合は、互いのコイル電流によって互いに対する誘導逆電流が発生してしまうため、効率が低下したり、必要な電力を負荷に投入するためにより大きな電流を流さなければならなくなる。その結果、インバータ部が大型化したり、発生する損失を冷却するための構造が大型化したりするためコストアップの要因となる。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の一実施例としての、誘導加熱調理器の概略構成図
【図２】加熱コイル数と当該コイルに印加される電流位相差による反発力比較図
【図３】加熱コイル数２において、横軸に位相差、縦軸に当該位相差における第１加熱コイルと第２加熱コイルとの合成した反発力をωｔ（角度）毎に求めた図表
【図４】従来例と本発明実施例における反発力の模式図
【図５】加熱コイル数２、位相差がゼロとπ／２のときの反発力比較図
【図６】加熱コイル数３、位相差がゼロとπ／３ずつ相違するときの反発力比較図
【図７】加熱コイル数４、位相差がゼロとπ／４ずつ相違するときの反発力比較図
【図８】本発明における加熱コイルの構成例
【図９】本発明における加熱コイルの他の構成例
【図１０】本願発明の一実施例としての、回路構成概略図
【符号の説明】
【００６２】
１  金属負荷
２  ガラスプレート
１０  第１の加熱コイル
１１  磁性材料
１２  高周波出力制御手段
２０  第２の加熱コイル
２１  磁性材料
２２  高周波出力制御手段
１００  直流電源手段
１０１  交流電源
【図１】
0004945409.tif 000021
【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】
0004945409.tif 000029
【図１０】
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