(57)【要約】【課題】複数の加熱コイルを同時に使用する際の干渉音の発生を防止するとともに、高火力時の回路損失を少なくすること。【解決手段】直流電源１に並列に接続された第１及び第２の半導体スイッチ５、６の直列体と、前記直流電源に並列に接続される第３及び第４の半導体スイッチ１５、１６の直列体と、一端を前記第１及び第２の半導体スイッチの直列体の中点に接続した第１の共振回路９と、一端を前記第３及び第４の半導体スイッチの直列体の中点に接続した第２の共振回路１９と、一端を前記第１の共振回路と前記第２の共振回路の接続点と接続し他端を前記直流電源の一端と接続する切替手段４を備えた。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
直流電源と、前記直流電源に並列に接続された第１の半導体スイッチ及び第２の半導体スイッチの直列体と、前記直流電源に並列に接続される第３の半導体スイッチ及び第４の半導体スイッチの直列体と、一端を前記第１の半導体スイッチ及び前記第２の半導体スイッチの直列体の中点に接続した第１の加熱コイルと第１の共振コンデンサの直列回路で構成される第１の共振回路と、一端を前記第３の半導体スイッチ及び前記第４の半導体スイッチの直列体の中点に他端を前記第１の共振コンデンサの他端と接続した第２の加熱コイルと第２の共振コンデンサの直列回路で構成される第２の共振回路と、一端を前記第１の共振回路と前記第２の共振回路の接続点と接続し他端を前記直流電源の一端と接続する切替手段と、前記第１の半導体スイッチ、前記第２の半導体スイッチ、前記第３の半導体スイッチ、前記第４の半導体スイッチの導通時間および動作周波数の制御ならびに前記切替手段の動作を指令する制御手段とを備え、前記切替手段は前記第１の加熱コイル及び前記第２の加熱コイルの一方のみに電力を供給する際には短絡状態とし、前記第１の加熱コイル及び前記第２の加熱コイルに同時に電力を供給する際には開放状態とする誘導加熱装置。
【請求項２】
切替手段は、電磁開閉器を用いる請求項１に記載の誘導加熱装置。
【請求項３】
切替手段は、半導体スイッチを用いる請求項１に記載の誘導加熱装置。
【請求項４】
第１の半導体スイッチ及び第２の半導体スイッチの少なくとも一方及び第３の半導体スイッチ及び第４の半導体スイッチの少なくとも一方の半導体スイッチに並列にコンデンサを接続する請求項１〜３のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
【請求項５】
第１の加熱コイル及び第２の加熱コイルは同一負荷を加熱すべく同心円上に配置し、前記第１の加熱コイルの外径を前記第２の加熱コイルの内径より小さくする請求項１〜４のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
【請求項６】
第１の加熱コイル及び第２の加熱コイルは同一負荷を加熱すべく同心平面上に配置する請求項１〜５のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
【請求項７】
制御手段は、切替手段を動作させる際に、一定時間加熱を停止させる請求項１〜６のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、高周波磁界による誘導加熱を利用して被加熱物の加熱を行う誘導加熱装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の誘導加熱装置はインバータ回路を並列に配置しているものもある（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
図３は、特許文献１に記載された従来の誘導加熱装置を示すものである。図３に示すように、直流電源１と並列に第１の半導体スイッチ５と第２の半導体スイッチ６の直列体が接続され、第２の半導体スイッチ６には第１の加熱コイル３と第１の共振コンデンサ２の直列接続体と、第１のスナバコンデンサ７が接続されるとともに、同じく直流電源１と並列に第３の半導体スイッチ１５と第４の半導体スイッチ１６の直列体が接続され、第４の半導体スイッチ１６には第２の加熱コイル１３と第２の共振コンデンサ１２の直列接続体と、第２のスナバコンデンサ１７が接続されている。
【０００４】
第１〜第４の半導体スイッチは、制御手段８により、第１の加熱コイル３及び第２の加熱コイル１３に磁気的に結合した鍋などの負荷に所定の電力が供給できる様に導通時間及び動作周波数を制御するようにしている。
【０００５】
従来例の動作を説明する。なお、本動作説明は直流電源１、第１の半導体スイッチ５、第２の半導体スイッチ６、第１の加熱コイル３、第１の共振コンデンサ２、第１のスナバコンデンサ７及び制御手段８で構成される回路に関して行う。
【０００６】
直流電源１、第３の半導体スイッチ１５、第４の半導体スイッチ１６、第２の加熱コイル１３、第２の共振コンデンサ１２、第２のスナバコンデンサ１７及び制御手段８で構成される回路に関しても同様に動作をするものである。
【０００７】
第１の半導体スイッチ５が導通すると第１の加熱コイル３に直流電源１と第１の共振コンデンサ２の電圧の差で決まる電流が供給される。
【０００８】
次に第１の半導体スイッチ５をオフ状態にすると、第１のスナバコンデンサ７に蓄えられた電荷が第１の加熱コイル３を通して第１の共振コンデンサ２に移動し、第１のスナバコンデンサ７の電荷がなくなった後は第２の半導体スイッチ６内の逆導通素子が導通することで、第１の加熱コイル３から第１の共振コンデンサ２に電流が流れることになる。
【０００９】
この逆導通素子が導通しているタイミングで、第２の半導体スイッチ６を導通状態としておくことで、第１の加熱コイル３の電力が第１の共振コンデンサ２に遷移した後、第１の共振コンデンサ２を電源として第１の加熱コイル３に電力を供給することになる。
【００１０】
さらに、所定時間が経過した後、第２の半導体スイッチ６を非導通状態にすると、第１のスナバコンデンサ７に電荷を蓄えた後、第１の半導体スイッチ５内の逆導通素子を通して第１の加熱コイル３に蓄えられた電力を直流電源１に回生することになる。
【００１１】
この回生期間に、再び第１の半導体スイッチ５を導通状態にすることで最初の動作に戻ることになる。
【００１２】
この一連の動作を２０〜５０ｋＨｚ程度の周波数で行うことにより、第１の加熱コイル３に高周波電流が供給され、この高周波電流により発生する高周波磁界が第１の加熱コイル３と磁気的に結合する鍋などの負荷に入り、この高周波磁界により負荷に渦電流が発生し、この渦電流と鍋自身の表皮抵抗により鍋自身が発熱することになる。
【００１３】
なお、第１のスナバコンデンサ７は第１の半導体スイッチ５及び第２の半導体スイッチ６が非導通状態になる際に電圧を緩やかに増加させることで、半導体スイッチのターンオフ時の損失を減少させる役割を担っている。
【００１４】
また、本実施の形態の誘導加熱装置は、第１の共振コンデンサ２の容量を第１の加熱コイル３と第１の共振コンデンサ２で形成される共振回路の共振周波数の近傍に設定しなければ必要な電力が確保されず、一方、第１の加熱コイル３と磁気的に結合して配置される鍋などの種類によって共振周波数は大きく異なるため、制御手段８が駆動周波数を共振周波数の近くに併せる制御つまり駆動周波数を変化させて制御を行っている。
【００１５】
ここで、第１の加熱コイル３と第２の加熱コイル１２は一つの鍋の下部に配置され、一つの負荷を交互にあるいは同時に加熱することになる。
【特許文献１】特開平５−１１４４７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１６】
しかしながら、前記従来の構成では、例えば外径の大きな鍋を加熱する際に、複数の加熱コイルを用いて同時に加熱する際にそれぞれの加熱コイルが独立に動作するとそれぞれの加熱コイルに供給される電流の周波数が異なると、お互いの加熱コイルに流れる電流の周波数の差が機器使用者に聞こえることになり、不快に感じることになる。
【００１７】
一方、大きな外径に併せた加熱コイルを単独で用いると、外径の小さい鍋を加熱する際に加熱コイルの外径の方が大きくなり効率の良い加熱ができなくなることになる。
【００１８】
更に、複数の加熱コイルがある場合に、一方の加熱コイルのみで高出力を得ようとすると半導体スイッチの損失が大きくなり、冷却設計が困難になるという課題を有していた。
【課題を解決するための手段】
【００１９】
前記従来の課題を解決するために、本発明の誘導加熱装置は、直流電源と、前記直流電源に並列に接続された第１の半導体スイッチ及び第２の半導体スイッチの直列体と、前記直流電源に並列に接続される第３の半導体スイッチ及び第４の半導体スイッチの直列体と、一端を前記第１の半導体スイッチ及び前記第２の半導体スイッチの直列体の中点に接続した第１の加熱コイルと第１の共振コンデンサの直列回路で構成される第１の共振回路と、一端を前記第３の半導体スイッチ及び前記第４の半導体スイッチの直列体の中点に他端を前記第１の共振コンデンサの他端と接続した第２の加熱コイルと第２の共振コンデンサの直列回路で構成される第２の共振回路と、一端を前記第１の共振回路と前記第２の共振回路の接続点と接続し他端を前記直流電源の一端と接続する切替手段と、前記第１の半導体スイッチ、前記第２の半導体スイッチ、前記第３の半導体スイッチ、前記第４の半導体スイッチの導通時間および動作周波数の制御ならびに前記切替手段の動作を指令する制御手段とを備え、前記切替手段は前記第１の加熱コイル及び前記第２の加熱コイルの一方のみに電力を供給する際には短絡状態とし、前記第１の加熱コイル及び前記第２の加熱コイルに同時に電力を供給する際には開放状態にするものである。
【００２０】
これにより、同じ負荷を第１の加熱コイル及び第２の加熱コイルが単独で加熱する際にはそれぞれが独立したハーフブリッジ回路として動作させることができるとともに、第１
の加熱コイル及び第２の加熱コイルで同時に一つの負荷を加熱する際には、第１の加熱コイル及び第２の加熱コイル及び第１の共振コンデンサ及び第２の共振コンデンサが直列に接続されフルブリッジ回路として動作するため、第１の加熱コイル及び第２の加熱コイルには同じ電流が流れるため互いの動作周波数の差により生じる干渉音がない状態での加熱ができ、回路損失も少なくすることができるため、干渉音や冷却ファンの風量を少なくすることができ、かつ負荷に適した最適な加熱構成を実現できる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明の誘導加熱装置は、鍋などの負荷の形状などに応じ、使用する加熱コイルを選択することができ、加熱コイルを同時に使用する際には鍋の干渉音が発生せず、更に高火力時には回路方式を切り替えることで回路損失を少なくすることができるため、機器使用時の騒音が少なく使い勝手の良い誘導加熱装置を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
第１の発明は、直流電源と、前記直流電源に並列に接続された第１及び第２の半導体スイッチの直列体と、前記直流電源に並列に接続される第３及び第４の半導体スイッチの直列体と、一端を前記第１及び第２の半導体スイッチの直列体の中点に接続した第１の加熱コイルと第１の共振コンデンサの直列回路で構成される第１の共振回路と、一端を前記第３及び第４の半導体スイッチの直列体の中点に他端を前記第１の共振コンデンサの他端と接続した第２の加熱コイルと第２の共振コンデンサの直列回路で構成される第２の共振回路と、一端を前記第１の共振回路と前記第２の共振回路の接続点と接続し他端を前記直流電源の一端と接続する切替手段と、前記第１の半導体スイッチ、前記第２の半導体スイッチ、前記第３の半導体スイッチ、前記第４の半導体スイッチの導通時間および動作周波数の制御ならびに前記切替手段の動作を指令する制御手段とを備え、前記切替手段は前記第１及び第２の加熱コイルの一方のみに電力を供給する際には短絡状態とし、前記第１及び第２の加熱コイルに同時に電力を供給する際には開放状態とすることにより、同じ負荷を第１及び第２の加熱コイルが単独で加熱する際にはそれぞれが独立したハーフブリッジ回路として動作させることができるとともに、第１及び第２の加熱コイルで同時に一つの負荷を加熱する際には、第１及び第２の加熱コイル及び第１及び第２の共振コンデンサが直列に接続されフルブリッジ回路として動作するため、第１及び第２の加熱コイルには同じ電流が流れるため、互いの動作周波数の差により生じる干渉音がない状態での加熱ができ、回路損失も少なくすることができるため、干渉音や冷却ファンの風量を少なくすることができ、かつ負荷に適した最適な加熱構成を実現できることがでるため使い勝手の良い誘導加熱装置を実現することができる。
【００２３】
第２の発明は、特に、第１の発明の切替手段を電磁開閉器とすることにより、安価に回路方式の切替を実現することができる。
【００２４】
第３の発明は、特に、第１の発明の切替手段を半導体スイッチとすることにより、切替の際の耐久性を格段に上げることができるため信頼性の高い誘導加熱装置を実現することができる。
【００２５】
第４の発明は、特に、第１〜３のいずれか１つの発明の第１及び第２の半導体スイッチの少なくとも一方及び第３及び第４の半導体スイッチの少なくとも一方の半導体スイッチに並列にコンデンサを接続することにより、半導体スイッチの損失を少なくしかつスイッチング動作時のノイズを少なくすることができるため、効率が良くノイズの少ない誘導加熱装置を実現することができる。
【００２６】
第５の発明は、特に、第１及び第２の加熱コイルは同一負荷を加熱すべく同心円上に配置し、第１の加熱コイルの外径を第２の加熱コイルの内径より小さくすることにより、一
つの負荷を分布良く加熱することができるため調理性能に優れた誘導加熱装置を実現することができる。
【００２７】
第６の発明は、特に、第１及び第２の加熱コイルは、同一負荷を加熱すべく同心平面上に配置することにより、加熱コイルを一つの台上に配置することができるとともに、加熱コイル裏面に配置するフェライトなどの防磁部品を共有化することができるため、安価の構成を実現することができる。
【００２８】
第７の発明は、特に、制御手段は、切替手段を動作させる際に、一定時間加熱を停止させることにより、第１及び第２の共振コンデンサに貯まった電荷がない状態で切替手段を切り替えることができるため、過電流が切替手段に発生しないため、信頼性の高い誘導加熱装置とすることができる。
【００２９】
以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、この実施の形態によって本発明が限定されるものではない。
【００３０】
（実施の形態１）
図１は、本発明の第１の実施の形態における誘導加熱装置の回路構成図を示すものである。
【００３１】
図２は、実施の形態１における誘導加熱装置の加熱コイルの構成図である。
【００３２】
図１において、直流電源１と並列に第１の半導体スイッチ５と第２の半導体スイッチ６の直列体と、第３の半導体スイッチ１５と第４の半導体スイッチ１６の直列体がそれぞれ接続される。
【００３３】
第１の半導体スイッチ５と第２の半導体スイッチ６の中点と第３の半導体スイッチ１５と第４の半導体スイッチ１６の中点には、第１の加熱コイル３と第１の共振コンデンサ２が直列接続して形成される第１の共振回路９と第２の加熱コイル１３と第２の共振コンデンサ１２が直列接続して形成される第２の共振回路１９の直列回路が接続され、第１の共振回路９と第２の共振回路１９の接続点と直流電源１の一端には切替手段４が接続される。
【００３４】
第１〜第４の半導体スイッチは制御手段８により、第１の加熱コイル３及び第２の加熱コイル１３に磁気的に結合した鍋などの負荷に所定の電力が供給できる様に導通時間及び動作周波数を制御される。本実施の形態では、切替手段４は、リレーなどの電磁開閉器で構成している。
【００３５】
なお、第１〜第４の半導体スイッチは、通常ＩＧＢＴやＦＥＴなどの順方向の電流を制御する半導体スイッチと半導体スイッチに対して逆向きの電流を流す逆阻止ダイオードと並列回路で構成されるがこの構成に限定するものではない。
【００３６】
以上のように構成された誘導加熱装置について、以下その動作、作用を説明する。
【００３７】
第１の半導体スイッチ５と第２の半導体スイッチの６の少なくとも一方と、第３の半導体スイッチ１５と第４の半導体スイッチの１６の少なくとも一方に第１のスナバコンデンサ７及び第２のスナバコンデンサ１７を並列に接続することで、第１〜第４の半導体スイッチがオフ状態になった際の電圧の立ち上がりを緩やかにすることができるためターンオフ時のスイッチング損失を少なくすることができるとともに、半導体スイッチから発生するノイズも低く抑えることができる。
【００３８】
ここで、第１の加熱コイル３及び第２の加熱コイル１３が同一の鍋などの負荷を加熱する際に、一方の加熱コイルのみもしくは交互に加熱コイルに電力を供給して加熱を行う際には、切替手段４は閉状態とし、第１の加熱コイル３と第１の共振コンデンサ２で構成される第１の共振回路９及び第２の加熱コイル１３と第２の共振コンデンサ１２で構成される第２共振回路１９が直流電源１の一端と接続することで、個々の加熱コイルを通して鍋などの負荷に必要な電力を供給する構成をとる。
【００３９】
この際、所定の電力を得るために、制御手段８は第１及び第２の半導体スイッチの駆動周波数と第３及び第４の半導体スイッチの駆動周波数を独立して可変させることで、それぞれの加熱コイルに必要とされる電力を発生させることになる。
【００４０】
一方、第１の加熱コイル３と第２の加熱コイル１３が同時に同一の負荷を加熱する際には、切替手段４は開状態とし、第１の加熱コイル３と第１の共振コンデンサ２で構成される第１の共振回路９と第２の加熱コイル１３と第２の共振コンデンサ１２で構成される第２の共振回路１９が直列接続する構成となるため、第１〜第４の半導体スイッチの中点間に双方の加熱コイルと共振コンデンサが接続され、フルブリッジ回路を構成することになる。
【００４１】
この際、所定の電力を得るために、制御手段８は第１〜第４の半導体スイッチを、交互に動作させることになり、第１の加熱コイル３と第２の加熱コイル１３には同一の電流が流れることになる。
【００４２】
なお、この場合に鍋などの負荷上の電力分布は、第１の加熱コイル３と第２の加熱コイル１３の形状、巻数など比に依存することになる。
【００４３】
また、図２に示すように第１の加熱コイル３と第２の加熱コイル１３は同心円上の配置することで負荷に対して均等に加熱分布を得ることができ、更に同一平面上の配置することで加熱コイルを一つの台上に配置することができるとともに、加熱コイル裏面に配置するフェライトなどの防磁部品を共有化することができる。
【００４４】
更に、第１の加熱コイル３と第２の加熱コイル１３が直列につながった場合には、フルブリッジ回路で動作するため加熱コイルのインダクタンスが大きくても加熱コイルには２倍の電圧がかかるため発生電力を大きくとることができる。
【００４５】
その結果、少ない電流で発生磁界を多く取ることができ、回路損失を少なくすることができる。
【００４６】
よって、大電力が必要な場合は第１の加熱コイル３と第２の加熱コイル１３を直列に配置する構成を取ることにより少ない冷却風で回路を冷却することが可能となり運転音の静かな誘導加熱装置を提供することができる。
【００４７】
また、鍋などの負荷の外径が小さい場合は内側の加熱コイル（図２では第１の加熱コイル３）のみで加熱を行い、負荷の外径が大きくなった場合には内側の加熱コイル（図２では第１の加熱コイル３）と外側の加熱コイル（図２では第２の加熱コイル１３）を直列に構成することで鍋の形状に併せた最適な加熱構成を実現できるものである。
【００４８】
なお、鍋の径を検知する方法としては、加熱コイルからの漏洩磁界をピックアップコイルで検出する方法、鍋を載積するトッププレート上の温度分布を検出する方法、あるいは加熱コイルに流れる電流と発生電圧の関係から推定する方法などあるが特に限定するもの
ではない。
【００４９】
更に、切替手段４にリレーを用いる場合は特にリレーが切り替わる際には、鍋などの負荷へ電力供給を所定時間停止した後、行うことがリレーの信頼性を高める点からも望ましい。
【００５０】
また、切替手段４にリレーを用いず半導体スイッチを用いることも可能であり、この構成を取ることで機械的接点の切替手段に比べ、使用回数に対する耐久性が向上するため信頼性を向上することができる。
【００５１】
なお、切替手段４及び第１〜第４の半導体スイッチは制御手段８の指令にもとずき切替動作を行うものである。
【００５２】
以上のように本実施の形態においては、切替手段４の状態により、同一の負荷を第１の加熱コイル３及び第２の加熱コイル１３が単独で加熱する際にはそれぞれが独立したハーフブリッジ回路として動作する。
【００５３】
また、第１の加熱コイル３及び第２の加熱コイル１３で同時に同一の負荷を加熱する際には、第１の加熱コイル３及び第２の加熱コイル１３及び第１の共振コンデンサ２及び第２の共振コンデンサ１２が直列に接続され第１〜第４の半導体スイッチがフルブリッジ回路として動作するため、加熱コイルには同一電流が流れるため互いの動作周波数の差により生じる干渉音がない状態での加熱ができる。
【００５４】
さらに、第１の加熱コイル３と第２の加熱コイル１３のインダクタンスが足し合わせた状態で必要電力を得ることができるため少ない電流で発生磁界を多く取ることができ回路損失を少なくすることができるため、干渉音がなく、冷却ファンの風量も少なくすることができるため使い勝手の良い誘導加熱装置を実現できるものである。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
以上のように、本発明にかかる誘導加熱装置は、鍋などの負荷の形状などに応じ、使用する加熱コイルを選択することができるので、誘導加熱などの調理器に有効である。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】本発明の実施の形態１における誘導加熱装置の回路構成図
【図２】本発明の実施の形態１における誘導加熱装置の加熱コイルの構成図
【図３】従来の誘導加熱装置の回路構成図
【符号の説明】
【００５７】
１  直流電源
２  第１の共振コンデンサ
３  第１の加熱コイル
４  切替手段
５  第１の半導体スイッチ
６  第２の半導体スイッチ
８  制御手段
９  第１の共振回路
１２  第２の共振コンデンサ
１３  第２の加熱コイル
１５  第３の半導体スイッチ
１６  第４の半導体スイッチ
１９  第２の共振回路
【図１】
2009252565.tif 000003
【図２】
2009252565.tif 000004
【図３】
2009252565.tif 000005