誘導加熱装置
【課題】共振コンデンサを切り替える切替手段を有する機器において、安全で高信頼性を実現する誘導加熱装置を提供することを目的する。
【解決手段】第１の共振コンデンサ１２と直列並びに並列接続で構成する複数のコンデンサと、複数のコンデンサに並列接続される、短絡／開放を切り替える切替手段１３と直列に接続される第２の共振コンデンサ１４の直列体と共振の電圧値を検出する共振電圧検知手段とを備え、切替手段１３の開放状態において、共振電圧検知手段の出力値が所定の値を超えた場合に、インバータの停止を行う。これによって、安全で高信頼性を実現する誘導加熱装置を実現することができる。
【解決手段】第１の共振コンデンサ１２と直列並びに並列接続で構成する複数のコンデンサと、複数のコンデンサに並列接続される、短絡／開放を切り替える切替手段１３と直列に接続される第２の共振コンデンサ１４の直列体と共振の電圧値を検出する共振電圧検知手段とを備え、切替手段１３の開放状態において、共振電圧検知手段の出力値が所定の値を超えた場合に、インバータの停止を行う。これによって、安全で高信頼性を実現する誘導加熱装置を実現することができる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般家庭やオフィス、レストラン、工場などで使用される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、アルミニウムなどの低抵抗、低透磁率の被加熱物や鉄系の被加熱物を加熱する際、第１の共振コンデンサと第２の共振コンデンサとの接続を切り換え手段で切り換えるようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−３６２７９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、前記従来の構成では、アルミニウムなどの低抵抗、低透磁率の被加熱物であった場合に使用する第１の共振コンデンサに加えて、鉄系の被加熱物であった場合には第２の共振コンデンサを並列に接続するよう切り換え手段が動作する。
【０００４】
第１の共振コンデンサには高電圧が印加されており、第２の共振コンデンサを回路から切断するべく出力で開放された切替手段にも同等の高電圧が印加されている。切替手段の内部には電極が備え付けられており、その電極の短絡／開放によってコンデンサ切り替えを行うものであるが、高電圧に対する絶縁距離と、確実に電極を短絡できる機械的距離とを両立させなければならない。
【０００５】
また、切り替え手段の外殻や電極固定部は一般的に樹脂で構成されているが、この樹脂も高電圧に対して十分な耐圧性能を有していなければ、電極間の空間ではなく、電極−外殻樹脂−電極の経路で放電、短絡するという課題を有していた。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、切替手段での放電等の異常現象を検知し、すぐさまインバータの停止し、安全で信頼性の高い誘導加熱装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、高周波磁界を発生し被加熱物を加熱する加熱コイルと、前記加熱コイルと共振する第１の共振コンデンサと、第１の共振コンデンサを直列並びに並列接続で構成する複数のコンデンサと、複数のコンデンサに、切替手段と直列に接続される第２の共振コンデンサの直列体とを並列接続し、被加熱物の材質を鉄系と判別した場合、第１、第２の共振コンデンサの合成容量が大きくなるよう切替手段の出力を短絡とする制御を行い、共振電圧検知手段の出力値が所定の値を超えた場合に、インバータの停止を行うものである。
【０００８】
これによって、切替手段での放電等の異常現象時において、共振電圧検知手段により、すぐさまインバータを停止することで、より安全で信頼性の高い誘導加熱装置を提供することが可能である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の誘導加熱装置は、切替手段での放電等の異常現象を検知し、すぐさまインバータの停止し、安全で信頼性の高い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】
【００１０】
第１の発明は、高周波磁界を発生し被加熱物を加熱する加熱コイルと、前記加熱コイルと共振する第１の共振コンデンサと、前記第１の共振コンデンサを直列並びに並列接続で構成する複数のコンデンサと、前記複数のコンデンサに並列接続される短絡／開放を切り替える切替手段と、前記切替手段と直列に接続される第２の共振コンデンサの直列体と、前記加熱コイルに高周波共振電流を供給するインバータと、前記切替手段の制御および前記インバータの出力制御を行う制御手段と、前記インバータの出力の大きさを検知して前記制御手段へ検知信号を出力するインバータ出力検知手段と、共振の電圧値を検出する共振電圧検知手段とを備え、前記制御手段は、前記インバータ出力検知手段の出力信号に基づいて前記被加熱物の材質を低抵抗非磁性金属と判別した場合、前記第１、第２の共振コンデンサの合成容量が小さくなるよう前記切替手段の出力を開放とする制御を行い、その他の材質と判別した場合、前記第１、第２の共振コンデンサの合成容量が大きくなるよう前記切替手段の出力を短絡とする制御を行い、前記切替手段の開放状態において、前記共振電圧検知手段の出力値が所定の値を超えた場合に、前記インバータの停止を行うことにより、切替手段での放電等の異常現象時において、すぐさまインバータを停止することで、より安全で信頼性の高い誘導加熱装置を提供することが可能である。
【００１１】
第２の発明は、特に第１の発明の切替手段を、加熱コイルと第１の共振コンデンサの接続点側に接続し、第２の共振コンデンサに接続される直列体を構成し、第２の共振コンデンサに並列接続させ、切替手段と第２の共振コンデンサの接続部に共振電圧検知手段を構成する誘導加熱装置とするものである。
【００１２】
これにより、切替手段での放電等の異常現象時において、共振電圧検知手段により、すぐさまインバータを停止することで、より安全で信頼性の高い誘導加熱装置を提供することが可能である。
【００１３】
第３の発明は、特に第１の発明において、切替手段の短絡状態に、共振電圧検知手段の出力値が所定の値の幅を超えた場合に、インバータの停止を行う構成とする誘導加熱装置とするものである。
【００１４】
これにより、切替手段での放電等の異常現象時において、共振電圧検知手段により、すぐさまインバータを停止することで、より安全で信頼性の高い誘導加熱装置を提供することが可能である。
【００１５】
第４の発明は、特に第１の発明において、切替手段の開放・短絡両方の状態に、共振電圧検知手段の出力値が、前記切替手段の開放・短絡状態各々に定められた所定の値及び幅を超えた場合に、インバータの停止を行う構成とする誘導加熱装置とするものである。
【００１６】
これにより、切替手段での放電等の異常現象時において、共振電圧検知手段により、すぐさまインバータを停止することで、より安全で信頼性の高い誘導加熱装置を提供することが可能である。
【００１７】
第５の発明は、特に第１の発明において、インバータは２つのスイッチング素子の直列接続体を複数個内包し、それぞれの直列接続体のスイッチング素子における接続点間に加熱コイルおよび共振コンデンサを接続するものである。
【００１８】
ここで、インバータ定数の設計上、加熱コイルや共振コンデンサ容量に制限があり、コンデンサの短絡／開放切り換え手段の制御やスイッチング素子の駆動周波数などでは、被加熱物加熱電力の確保が困難となる場合がある。
【００１９】
本発明では、２つのスイッチング素子の直列接続体を２つ有し、かつそれぞれの直列接続体のスイッチング素子における接続点間に加熱コイルおよび共振コンデンサを接続するよう配置されているため、電源と加熱コイルおよび共振コンデンサ間に配置されるスイッチング素子のいずれかが導通するよう制御することが可能である。
【００２０】
つまり、電源から加熱コイルへ電力を供給する時間を長くすることができるため、入力可能な被加熱物加熱電力を高く設定できる。従って、インバータ設計の自由度を大きくすることができる。
【００２１】
第６の発明は、特に第１の発明において、インバータの電源として作用する平滑手段と、力率改善手段としても作用する昇圧手段とを備え、制御手段はインバータ出力検知手段の出力信号に応じて前記昇圧手段の昇圧量を制御して前記平滑手段電圧を変更するとすることにより、インバータ方式の適切な選定などにより入力可能な被加熱物加熱電力を高く設定することが可能になり、また、インバータ設計自由度も高くなる。
【００２２】
アルミニウムなどの低抵抗非磁性金属からなる被加熱物を誘導加熱した場合、加熱コイルから発生する高周波磁界と、被加熱物内部に誘導される渦電流から発生する誘導磁界とは反発するように作用する。
【００２３】
また、一般にアルミニウムなどからなる被加熱物は、その材質の特性から非常に軽量なものが多い。そのため、被加熱物加熱電力によっては、被加熱物が振動して音が発生する。インバータの電源が平滑されていない場合には、商用電源周波数の２倍に同期して被加熱物が振動するため、非常に耳障りな音が発生する。
【００２４】
このような音を抑制するために、インバータ電源として大容量の電解コンデンサなどからなる平滑手段を設けることがあるが、これによって力率の低下、入力電流の高調波成分の増加が課題となる。
【００２５】
本発明では、力率改善手段としても作用する昇圧手段を有しているため、被加熱物の振動から発生する音の抑制と、力率改善、入力電流の高調波成分低減を両立させることが可能である。
【００２６】
さらに、インバータ出力に応じて昇圧手段の昇圧量を制御し、平滑手段の電圧を変更することにより、被加熱物加熱電力の可変制御も可能である。昇圧量を高く設定すれば、被加熱物加熱電力も高くすることができる。
【００２７】
また、新たに昇圧手段を設けるわけではなく、被加熱物の振動音を抑制する平滑手段のための力率改善と電源昇圧を兼ねた昇圧手段としているため、部品点数の増加を抑制することが可能である。
【００２８】
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。
【００２９】
（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図を示すものである。
【００３０】
図１において、商用交流電源１からの交流電圧を整流するダイオードブリッジからなる整流手段２の出力側には、チョークコイル３および第３のスイッチング素子（ＭＯＳ−ＦＥＴ）４が直列接続されている。
【００３１】
さらに、チョークコイル３および第３のスイッチング素子４の接続点にはダイオード５のアノード側が接続されている。
【００３２】
ダイオード５のカソード側と整流手段２の出力低電位側間には、電解コンデンサからなる平滑手段６と、内部に逆導通ダイオードを内包する第１のスイッチング素子（ＩＧＢＴ）７と第２のスイッチング素子（ＩＧＢＴ）８の直列接続体が接続されている。
【００３３】
平滑手段６は、後述するインバータ９の電源となるよう作用しており、電圧変動を極力抑制するよう十分大きな容量の電解コンデンサで構成され、具体的には４３０μＦの電解コンデンサを３本使用している。
【００３４】
第１のスイッチング素子７と第２のスイッチング素子８の接続点と、整流手段２の出力低電位側間には、高周波磁界を発生し鍋などの被加熱物１０を加熱する加熱コイル１１と、加熱コイル１１と共振する第１の共振コンデンサ１２が直列接続されている。
【００３５】
加熱コイル１１上部には、絶縁体であり、耐熱セラミックス製のトッププレート（図示せず）が設けられており、被加熱物１０はトッププレートを挟んで加熱コイル１１と対向するように載置される。
【００３６】
加熱コイル１１は、素線を束ねた撚り線を多層にして平板上に巻き回されて構成されており、内径８０ｍｍ、外径１８０ｍｍの略ドーナツ形状をなしている。第１の共振コンデンサ１２は、複数のコンデンサ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄで構成されており、コンデンサ１２ａおよび１２ｂの並列接続体、コンデンサ１２ｃおよび１２ｄの並列接続体の直列接続で構成している。
【００３７】
コンデンサ１２ａおよび１２ｂ、１２ｃ、１２ｄはそれぞれ０．０２μＦの容量のものが選定されている。
【００３８】
従って、第１の共振コンデンサ１２の合成容量は０．０２μＦとなる。第１の共振コンデンサ１２には、リレーからなる短絡／開放可能な切替手段１３と、容量０．２８μＦを有した第２の共振コンデンサ１４の直列体が並列接続されている。
【００３９】
切替手段１３の出力が開放時の共振コンデンサ合成容量は前述の通り０．０２μＦ、短絡時の共振コンデンサ合成容量は０．３μＦとなる。
【００４０】
インバータ９は、加熱コイル１１に高周波共振電流を供給するもので、第１のスイッチング素子７、第２のスイッチング素子８、加熱コイル１１、共振コンデンサ１２、１４、切替手段１３で構成されている。
【００４１】
制御手段１５は、切替手段１３の制御およびインバータ９の出力制御を行うもので、各種検知手段からの検知信号、使用者による操作などに基づいて、第１のスイッチング素子７、第２のスイッチング素子８の導通／遮断を制御する。
【００４２】
入力電流検知手段１６は、具体的にはカレントトランスで構成されている。入力電流検知手段１６の検知信号は、制御手段１５に出力されるよう接続されている。インバータ出力検知手段１７は、加熱コイル１１の電流検知手段であるカレントトランスである。
【００４３】
インバータ出力検知手段１７は、インバータ９の出力の大きさである加熱コイル１１の電流を検知して、制御手段１５へ検知信号を出力する。切替手段１３と第２の共振コンデンサ１４との接続点に接続された共振電圧検知手段１８は、具体的には抵抗で分圧された
信号を制御手段１５に出力されるよう接続されている。
【００４４】
第３のスイッチング素子４を駆動制御する第２の制御手段１９は、平滑手段６の電圧、入力電流などを検知しながら（図示せず）、入力電流が略正弦波状となり、平滑手段６の電圧が所定値となるよう第３のスイッチング素子４の駆動周波数、導通比を制御する。
【００４５】
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。
【００４６】
まず、制御手段１５は、使用者による操作に基づいて第１のスイッチング素子７および第２のスイッチング素子８が排他的に導通／遮断するよう駆動信号を出力して、入力電流検知手段１６およびインバータ出力検知手段１７からの検知信号を入力する。
【００４７】
図２は、本発明の第１の実施の形態における誘導加熱装置の制御手段１５内部に保持している入力電流検知手段１６の検知出力−インバータ出力検知手段１７の検知出力平面での被加熱物１０の材質判別領域を示した図である。
【００４８】
第１のスイッチング素子７および第２のスイッチング素子８の駆動によって、入力電流およびインバータ出力が変化し、図２の上方に設定されたアルミなどの低抵抗非磁性金属領域になった場合、制御手段１５は第１のスイッチング素子７および第２のスイッチング素子８の駆動を継続して、所定の入力電力となるようインバータ９の出力を制御する。
【００４９】
また同時に、制御手段１５は、入力電流検知手段１６およびインバータ出力検知手段１７の出力信号に基づいて被加熱物１０の材質を低抵抗非磁性金属と判別した場合、共振コンデンサの合成容量が小さくなるよう切替手段１３出力を開放とする制御を行う。
【００５０】
共振コンデンサの合成容量は、切替手段１３出力が開放時に０．０２μＦとなるよう選定されており、また被加熱物１０が載置された際の加熱コイル１１のインダクタンスは２００μＨとなるよう設計されているため、加熱コイル１１、第１の共振コンデンサ１２および被加熱物１０の共振周波数は約９０ｋＨｚとなる。
【００５１】
図３は、本発明の第１の実施の形態における誘導加熱装置の低抵抗非磁性金属製の被加熱物１０を誘導加熱している際の各部電圧電流波形を示している。
【００５２】
制御手段１５の制御により第１のスイッチング素子７および第２のスイッチング素子８が排他的に導通／遮断され、インバータ９は加熱コイル１１および第１の共振コンデンサ１２に高周波共振電流を供給する。加熱コイル１１は高周波磁界を発生して被加熱物１０を加熱する。
【００５３】
図３に示すように、第１のスイッチング素子７および第２のスイッチング素子８の導通期間中には、共振電流が１周期以上流れるように制御手段１５は制御を行っている。つまり、インバータ９は複数のスイッチング素子７、８を内包し、制御手段１５は加熱コイル１１の発生する磁界が低抵抗非磁性金属を誘導加熱すると、少なくとも１つのスイッチング素子に流れる高周波共振電流がスイッチング素子の駆動期間より短い周期で共振するようスイッチング素子の駆動信号を出力する制御モードを持っている。
【００５４】
この制御モードは、被加熱物１０が低抵抗非磁性金属である場合に有効となる。被加熱物１０が低抵抗非磁性金属であった場合、抵抗が低いために、高周波共振電流の減衰が少ない。そのため、第１のスイッチング素子７または第２のスイッチング素子８の駆動時間を長く設定しても共振が継続される。
【００５５】
第１のスイッチング素子７または第２のスイッチング素子８に共振電流が流れている期間中に、制御手段１５がスイッチング素子を遮断させ、もう一方のスイッチング素子を導通制御することにより、第１のスイッチング素子７および第２のスイッチング素子８に負担をかけることなく共振を継続することが可能である。
【００５６】
ここで、高周波共振電流の周波数は、加熱コイル１１、第１の共振コンデンサ１２および被加熱物１０で決定され、前述の約９０ｋＨｚとなる一方、スイッチング素子の駆動周波数は本実施の形態の場合、約３０ｋＨｚとなる。
【００５７】
スイッチング素子が導通から遮断する移行期間には、スイッチング損失が発生するため、スイッチング素子の駆動周波数が高いほどスイッチング回数が多く、スイッチング損失増加につながる。
【００５８】
本実施の形態では、加熱コイル１１に供給される高周波共振電流の周波数は９０ｋＨｚと高く設定することで、低抵抗非磁性金属の被加熱物１０であっても見かけの高周波抵抗を高くできるため、少ない加熱コイル１１の電流で十分な加熱電力を得ることが可能である。
【００５９】
さらに、スイッチング素子の駆動周波数は、９０ｋＨｚに対して十分低い３０ｋＨｚであるため、スイッチング損失の増加を抑制することができる。所定の入力電力時の第１の共振コンデンサ１２の電圧は、本実施の形態では実効値で約３ｋＶｒｍｓとなっており、切替手段１３にも同等の約３ｋＶｒｍｓの高電圧が印可されることになる。
【００６０】
また、被加熱物１０が低抵抗非磁性金属である場合、加熱コイル１１から発生する高周波磁界に対して被加熱物１０の内部に渦電流が誘起される。
【００６１】
この渦電流は、加熱コイル１１からの高周波磁界に対して反発するように作用するため、被加熱物１０自体が振動する。インバータ９の電源となる平滑手段６の電圧が商用交流電源１の電圧に同期して変動する場合、被加熱物１０も同期した振動を生じるため、使用者が不快に感じる鍋音が発生する。
【００６２】
本実施の形態では、平滑手段６の容量を十分大きく設定してインバータ９の電源の変動を抑制し、鍋音が発生しないようにしている。しかしながら、その一方で、平滑手段６の容量を大きく設定すると、商用交流電源１からの入力電流が歪んだ形になってしまい、本来の正弦波状とは異なった波形になって力率が低下する。
【００６３】
この入力電流は高調波成分を含んでいるために、同じ商用交流電源１に接続された他機器に影響を与える場合もある。
【００６４】
本実施の形態では、チョークコイル３、第３のスイッチング素子４およびダイオード５が力率改善手段としても作用する昇圧手段２０を備えている。
【００６５】
制御手段１５は、使用者の操作に基づいてインバータ９の動作を開始するとともに、第２の制御手段１９に動作開始信号を出力する。
【００６６】
第２の制御手段１９は、平滑手段６の電圧、入力電流などを検知しながら（図示せず）、入力電流が略正弦波状となり、平滑手段６の電圧が所定値となるよう第３のスイッチング素子４の駆動周波数、導通比を制御する。
【００６７】
第３のスイッチング素子４が導通すると、チョークコイル３の短絡電流が流れ、チョー
クコイル３にエネルギーが蓄積される。
【００６８】
第３のスイッチング素子４が遮断されるとともに、チョークコイル３に蓄積されたエネルギーはダイオード５を通して平滑手段６へ送られて電圧上昇させる。第２の制御手段１９は、内部に基準電圧を保持しており、平滑手段６の電圧検知信号と比較して同じ値になるよう制御を行うが、制御手段１５からも平滑手段６の電圧検知を操作するよう電圧印可または抵抗切り換えがなされるために、結果として制御手段１５によって平滑手段６の電圧が制御されることになる。
【００６９】
制御手段１５は、入力電流検知手段１６およびインバータ出力検知手段１７の出力信号に応じて、平滑手段６の電圧検知信号を操作し、間接的に昇圧手段２０の昇圧量を制御して平滑手段６の電圧を変更している。
【００７０】
被加熱物１０が低抵抗非磁性金属であった場合、加熱コイル１１、第１の共振コンデンサ１２が共振を継続できる周波数領域が非常に狭いため、インバータ９出力の制御が非常に難しい。しかしながら、平滑手段６はインバータ９電源としても作用しているため、平滑手段６の電圧を変更することによってもインバータ９出力の制御が可能である。
【００７１】
制御手段１５によってインバータ９が動作開始をした際、制御手段１５が被加熱物１０材質を低抵抗非磁性金属以外と判別した場合、制御手段１５はインバータ９の動作を一時（約２秒間）停止して、第１の共振コンデンサ１２の合成容量が大きくなるよう切替手段１３の出力を短絡とする制御を行い、第２の共振コンデンサ１４と接続する。その際、本実施の形態では、前述の通り、共振コンデンサの合成容量は０．３μＦとなるよう設定されている。切替手段１３の切り替え完了後、制御手段１５は再度インバータ９の動作を開始させる。
【００７２】
図４は、低抵抗非磁性金属以外の被加熱物１０を誘導加熱している際の各部電圧電流波形を示している。おおよそは低抵抗非磁性金属を加熱している際の各部波形と似ているが、大きく異なる点は第１のスイッチング素子７および第２のスイッチング素子８に流れている電流波形である。
【００７３】
低抵抗非磁性金属以外の被加熱物１０を加熱する際は、被加熱物１０自体が抵抗が高いために磁界周波数をさほど高める必要がない。
【００７４】
従って共振コンデンサの容量が大きくなるよう切り替えて、加熱コイル１１、共振コンデンサおよび被加熱物１０の共振周波数を低くなるよう（本実施の形態では約２３ｋＨｚ）設定している。
【００７５】
共振周波数が低いために、第１のスイッチング素子７および第２のスイッチング素子８の駆動周波数を共振周波数と同一としてもスイッチング損失の大幅な増加は生じない。
【００７６】
また、被加熱物１０の抵抗が高いために、必要となる高周波共振電流も少なく、スイッチング損失、導通時の損失も低く抑えられる。
【００７７】
以上のようなに、本実施の形態においては、切替手段１３が開放時、すなわち被加熱物１０が低抵抗非磁性金属の鍋を誘導加熱を行っている際に、第１、第２の共振コンデンサの異常発熱等により容量が急激に減少し短絡状態に陥った場合や、切替手段１３が何らかの現象によって開放状態から短絡状態に移行した場合、電圧切替手段１３の接点端子間にアーク放電が発生し、図３（８）に示すように、インバータ出力検知手段１７に異常電圧が発生する。この際、制御手段１５内部に設けているインバータ出力検知手段１７の出力
に対する所定の値を超え、図３（９）に示すように出力されることで、異常とみなしてインバータ９の動作を停止させることができる。
【００７８】
また、切替手段１３が短絡時においても同様である。
【００７９】
本実施の形態では、共振コンデンサ１２を２つのコンデンサの並列接続体を２セット直列接続したものとしたが、必要となる共振コンデンサ１２の耐圧、電流容量などを鑑みて適宜設定すればよい。２つのコンデンサの直列接続体で構成してもよいし、コンデンサ並列接続体を３セット以上直列接続してもよい。切替手段１３はリレーに限らず、耐圧、電流容量などが許せば、スイッチング素子を使用してもよい。
【００８０】
インバータ出力検知手段１７として、加熱コイル１１の電流を検知するカレントトランスの例を挙げたが、共振コンデンサ１２の電圧を検知してもよいし、加熱コイル１１の電流の一部である第１のスイッチング素子７または第２のスイッチング素子８の電流、インバータ９の電源となる平滑手段６の電流を検知しても同様の効果が得られる。制御手段１５と別に第２の制御手段１９を設ける構成を挙げたが、第２の制御手段１９の動作を制御手段１５で兼ねることも可能である。
【００８１】
（実施の形態２）
図５は、本発明の第２の実施の形態における誘導加熱装置を示すものである。実施の形態１と同一要素については同一符号を付してその説明を省略する。
【００８２】
図５において、ダイオード５のカソード側と整流手段２の出力低電位側間には、電解コンデンサからなる平滑手段６と、内部に逆導通ダイオードを内包する第１のスイッチング素子７ａと第２のスイッチング素子８ａの直列接続体および第１のスイッチング素子７ｂと第２のスイッチング素子８ｂの直列接続体が接続されている。
【００８３】
第１のスイッチング素子（ＩＧＢＴ）７ａと第２のスイッチング素子（ＩＧＢＴ）８ａの接続点と、第１のスイッチング素子（ＩＧＢＴ）７ｂと第２のスイッチング素子（ＩＧＢＴ）８ｂの接続点間には、加熱コイル１１と共振コンデンサ１２が直列接続されている。
【００８４】
インバータ出力検知手段１７は加熱コイル１１の電流検知手段であるカレントトランスであり、少なくともインバータ９が発生する高周波電流の大きさ、つまり加熱コイル１１および共振コンデンサ１１の電流を検知して、制御手段１５へ検知信号を出力する。
【００８５】
本実施の形態のような構成であった場合、スイッチング素子のスイッチングによって、加熱コイル１１および共振コンデンサ１２の両端が不安定な電圧であるため、インバータ９の出力に密接に相関を持つ加熱コイル１１や共振コンデンサ１２の電圧を検知することは困難であるが、インバータ９が発生する高周波電流の大きさ、つまり加熱コイル１１および共振コンデンサ１２の電流を検知する構成としている。
【００８６】
電流は、カレントトランスなどにより電気的に非接触で検知することが可能であるため、加熱コイル１１、共振コンデンサ１２の電圧安定度に関係なく、精度よく電流検知することが可能である。
【００８７】
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。
【００８８】
制御手段１５は、使用者による操作に基づいて第１のスイッチング素子７ａおよび第２のスイッチング素子８ａ、第１のスイッチング素子７ｂおよび第２のスイッチング素子８
ｂが排他的に導通／遮断するよう駆動信号を出力して、入力電流検知手段１６およびインバータ出力検知手段１７からの検知信号を入力する。
【００８９】
制御手段１５は、図２に示すような入力電流検知手段１６検知出力−インバータ出力検知手段１７検知出力平面での被加熱物１０の材質判別領域をもとに被加熱物１０の材質を判別して、スイッチング素子、切替手段１３、第２の制御手段１９に制御信号を出力する。
【００９０】
このとき、第１のスイッチング素子７ａおよび第２のスイッチング素子８ｂ、第２のスイッチング素子８ａおよび第１のスイッチング素子７ｂが同一動作となるよう制御手段１５は制御を行う。
【００９１】
つまり、第１のスイッチング素子７ａ−加熱コイル１１−共振コンデンサ１２−第２のスイッチング素子８ｂ−平滑手段６に高周波共振電流が流れる経路、第１のスイッチング素子７ｂ−共振コンデンサ１２−加熱コイル１１−第２のスイッチング素子７ａ−平滑手段６に高周波共振電流が流れる経路が入れ替わりながら共振が継続する。
【００９２】
被加熱物１０が低抵抗非磁性金属以外の材質であった場合、抵抗が高いために、共振が継続しにくく共振電流が流れにくい。
【００９３】
本実施の形態では、被加熱物１０が低抵抗非磁性金属以外の材質であった場合、共振周波数が約２３ｋＨｚになるよう共振コンデンサ１２および切替手段１３が設定されている。インバータ９の電源である平滑手段６と加熱コイル１１および共振コンデンサ１２間に配置されるスイッチング素子のいずれかが導通するよう制御することが可能である。
【００９４】
つまり、インバータ９の電源から加熱コイル１１へ電力を供給する時間を長くすることができるため、入力可能な被加熱物１０の加熱電力を高く設定できる。従って、インバータ９の設計自由度を大きくすることが可能である。
【００９５】
以上のようなに、本実施の形態においては、切替手段１３が開放時、すなわち被加熱物１０が低抵抗非磁性金属の鍋を誘導加熱を行っている際に、第１、第２の共振コンデンサの異常発熱等により容量が急激に減少し短絡状態に陥った場合や、切替手段１３が何らかの現象によって開放状態から短絡状態に移行した場合、電圧切替手段１３の接点端子間にアーク放電が発生し、図３（８）に示すように、インバータ出力検知手段１７に異常電圧が発生する。この際、制御手段１５内部に設けているインバータ出力検知手段１７の出力に対する所定の値を超え、図３（９）に示すように出力されることで、異常とみなしてインバータ９の動作を停止させることができる。
【００９６】
また、切替手段１３が短絡時においても同様である。
【００９７】
本実施の形態では、インバータ９に２つのスイッチング素子の直列接続体を２個内包する構成を挙げたが、これに限定するものではない。商用交流電源１によっては、２つのスイッチング素子の直列接続体を３個内包しても同様以上の効果が得られる。また、昇圧手段２０の昇圧量を制御して平滑手段６の電圧を変更し、インバータ９出力を高く（または低く）設定してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
以上のように、本発明にかかる誘導加熱装置は、共振コンデンサを切り替える切替手段を有する機器において、安全で高信頼性を実現する誘導加熱装置を提供することができるので、誘導加熱調理器としてはもちろんのこと、誘導加熱式湯沸かし器、誘導加熱式アイ
ロン、またはその他の誘導加熱式加熱装置としても有用である。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【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図
【図２】本発明の実施の形態１における誘導加熱装置の制御手段内部に保持している入力電流検知手段検知出力−インバータ出力検知手段検知出力平面での被加熱物の材質判別領域を示した図
【図３】本発明の実施の形態１における誘導加熱装置の低抵抗非磁性金属製の被加熱物を誘導加熱している際の各部電圧電流波形を示した図
【図４】本発明の実施の形態１における誘導加熱装置の低抵抗非磁性金属以外の被加熱物を誘導加熱している際の各部電圧電流波形を示した図
【図５】本発明の実施の形態２における誘導加熱装置の回路図
【符号の説明】
【０１００】
６ 平滑手段
７、７ａ、８、８ａ、７ｂ、８ｂ スイッチング素子
９ インバータ
１０ 被加熱物
１１ 加熱コイル
１２ 第１の共振コンデンサ
１３ 切替手段
１４ 第２の共振コンデンサ
１５ 制御手段
１６ 入力電流検知手段
１７ インバータ出力検知手段
１８ 共振電圧検知手段
１９ 第２の制御手段
２０ 昇圧手段
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般家庭やオフィス、レストラン、工場などで使用される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、アルミニウムなどの低抵抗、低透磁率の被加熱物や鉄系の被加熱物を加熱する際、第１の共振コンデンサと第２の共振コンデンサとの接続を切り換え手段で切り換えるようにしたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開２００４−３６２７９８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかしながら、前記従来の構成では、アルミニウムなどの低抵抗、低透磁率の被加熱物であった場合に使用する第１の共振コンデンサに加えて、鉄系の被加熱物であった場合には第２の共振コンデンサを並列に接続するよう切り換え手段が動作する。
【０００４】
第１の共振コンデンサには高電圧が印加されており、第２の共振コンデンサを回路から切断するべく出力で開放された切替手段にも同等の高電圧が印加されている。切替手段の内部には電極が備え付けられており、その電極の短絡／開放によってコンデンサ切り替えを行うものであるが、高電圧に対する絶縁距離と、確実に電極を短絡できる機械的距離とを両立させなければならない。
【０００５】
また、切り替え手段の外殻や電極固定部は一般的に樹脂で構成されているが、この樹脂も高電圧に対して十分な耐圧性能を有していなければ、電極間の空間ではなく、電極−外殻樹脂−電極の経路で放電、短絡するという課題を有していた。
【０００６】
本発明は、前記従来の課題を解決するもので、切替手段での放電等の異常現象を検知し、すぐさまインバータの停止し、安全で信頼性の高い誘導加熱装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
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、高周波磁界を発生し被加熱物を加熱する加熱コイルと、前記加熱コイルと共振する第１の共振コンデンサと、第１の共振コンデンサを直列並びに並列接続で構成する複数のコンデンサと、複数のコンデンサに、切替手段と直列に接続される第２の共振コンデンサの直列体とを並列接続し、被加熱物の材質を鉄系と判別した場合、第１、第２の共振コンデンサの合成容量が大きくなるよう切替手段の出力を短絡とする制御を行い、共振電圧検知手段の出力値が所定の値を超えた場合に、インバータの停止を行うものである。
【０００８】
これによって、切替手段での放電等の異常現象時において、共振電圧検知手段により、すぐさまインバータを停止することで、より安全で信頼性の高い誘導加熱装置を提供することが可能である。
【発明の効果】
【０００９】
本発明の誘導加熱装置は、切替手段での放電等の異常現象を検知し、すぐさまインバータの停止し、安全で信頼性の高い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】
【００１０】
第１の発明は、高周波磁界を発生し被加熱物を加熱する加熱コイルと、前記加熱コイルと共振する第１の共振コンデンサと、前記第１の共振コンデンサを直列並びに並列接続で構成する複数のコンデンサと、前記複数のコンデンサに並列接続される短絡／開放を切り替える切替手段と、前記切替手段と直列に接続される第２の共振コンデンサの直列体と、前記加熱コイルに高周波共振電流を供給するインバータと、前記切替手段の制御および前記インバータの出力制御を行う制御手段と、前記インバータの出力の大きさを検知して前記制御手段へ検知信号を出力するインバータ出力検知手段と、共振の電圧値を検出する共振電圧検知手段とを備え、前記制御手段は、前記インバータ出力検知手段の出力信号に基づいて前記被加熱物の材質を低抵抗非磁性金属と判別した場合、前記第１、第２の共振コンデンサの合成容量が小さくなるよう前記切替手段の出力を開放とする制御を行い、その他の材質と判別した場合、前記第１、第２の共振コンデンサの合成容量が大きくなるよう前記切替手段の出力を短絡とする制御を行い、前記切替手段の開放状態において、前記共振電圧検知手段の出力値が所定の値を超えた場合に、前記インバータの停止を行うことにより、切替手段での放電等の異常現象時において、すぐさまインバータを停止することで、より安全で信頼性の高い誘導加熱装置を提供することが可能である。
【００１１】
第２の発明は、特に第１の発明の切替手段を、加熱コイルと第１の共振コンデンサの接続点側に接続し、第２の共振コンデンサに接続される直列体を構成し、第２の共振コンデンサに並列接続させ、切替手段と第２の共振コンデンサの接続部に共振電圧検知手段を構成する誘導加熱装置とするものである。
【００１２】
これにより、切替手段での放電等の異常現象時において、共振電圧検知手段により、すぐさまインバータを停止することで、より安全で信頼性の高い誘導加熱装置を提供することが可能である。
【００１３】
第３の発明は、特に第１の発明において、切替手段の短絡状態に、共振電圧検知手段の出力値が所定の値の幅を超えた場合に、インバータの停止を行う構成とする誘導加熱装置とするものである。
【００１４】
これにより、切替手段での放電等の異常現象時において、共振電圧検知手段により、すぐさまインバータを停止することで、より安全で信頼性の高い誘導加熱装置を提供することが可能である。
【００１５】
第４の発明は、特に第１の発明において、切替手段の開放・短絡両方の状態に、共振電圧検知手段の出力値が、前記切替手段の開放・短絡状態各々に定められた所定の値及び幅を超えた場合に、インバータの停止を行う構成とする誘導加熱装置とするものである。
【００１６】
これにより、切替手段での放電等の異常現象時において、共振電圧検知手段により、すぐさまインバータを停止することで、より安全で信頼性の高い誘導加熱装置を提供することが可能である。
【００１７】
第５の発明は、特に第１の発明において、インバータは２つのスイッチング素子の直列接続体を複数個内包し、それぞれの直列接続体のスイッチング素子における接続点間に加熱コイルおよび共振コンデンサを接続するものである。
【００１８】
ここで、インバータ定数の設計上、加熱コイルや共振コンデンサ容量に制限があり、コンデンサの短絡／開放切り換え手段の制御やスイッチング素子の駆動周波数などでは、被加熱物加熱電力の確保が困難となる場合がある。
【００１９】
本発明では、２つのスイッチング素子の直列接続体を２つ有し、かつそれぞれの直列接続体のスイッチング素子における接続点間に加熱コイルおよび共振コンデンサを接続するよう配置されているため、電源と加熱コイルおよび共振コンデンサ間に配置されるスイッチング素子のいずれかが導通するよう制御することが可能である。
【００２０】
つまり、電源から加熱コイルへ電力を供給する時間を長くすることができるため、入力可能な被加熱物加熱電力を高く設定できる。従って、インバータ設計の自由度を大きくすることができる。
【００２１】
第６の発明は、特に第１の発明において、インバータの電源として作用する平滑手段と、力率改善手段としても作用する昇圧手段とを備え、制御手段はインバータ出力検知手段の出力信号に応じて前記昇圧手段の昇圧量を制御して前記平滑手段電圧を変更するとすることにより、インバータ方式の適切な選定などにより入力可能な被加熱物加熱電力を高く設定することが可能になり、また、インバータ設計自由度も高くなる。
【００２２】
アルミニウムなどの低抵抗非磁性金属からなる被加熱物を誘導加熱した場合、加熱コイルから発生する高周波磁界と、被加熱物内部に誘導される渦電流から発生する誘導磁界とは反発するように作用する。
【００２３】
また、一般にアルミニウムなどからなる被加熱物は、その材質の特性から非常に軽量なものが多い。そのため、被加熱物加熱電力によっては、被加熱物が振動して音が発生する。インバータの電源が平滑されていない場合には、商用電源周波数の２倍に同期して被加熱物が振動するため、非常に耳障りな音が発生する。
【００２４】
このような音を抑制するために、インバータ電源として大容量の電解コンデンサなどからなる平滑手段を設けることがあるが、これによって力率の低下、入力電流の高調波成分の増加が課題となる。
【００２５】
本発明では、力率改善手段としても作用する昇圧手段を有しているため、被加熱物の振動から発生する音の抑制と、力率改善、入力電流の高調波成分低減を両立させることが可能である。
【００２６】
さらに、インバータ出力に応じて昇圧手段の昇圧量を制御し、平滑手段の電圧を変更することにより、被加熱物加熱電力の可変制御も可能である。昇圧量を高く設定すれば、被加熱物加熱電力も高くすることができる。
【００２７】
また、新たに昇圧手段を設けるわけではなく、被加熱物の振動音を抑制する平滑手段のための力率改善と電源昇圧を兼ねた昇圧手段としているため、部品点数の増加を抑制することが可能である。
【００２８】
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。
【００２９】
（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図を示すものである。
【００３０】
図１において、商用交流電源１からの交流電圧を整流するダイオードブリッジからなる整流手段２の出力側には、チョークコイル３および第３のスイッチング素子（ＭＯＳ−ＦＥＴ）４が直列接続されている。
【００３１】
さらに、チョークコイル３および第３のスイッチング素子４の接続点にはダイオード５のアノード側が接続されている。
【００３２】
ダイオード５のカソード側と整流手段２の出力低電位側間には、電解コンデンサからなる平滑手段６と、内部に逆導通ダイオードを内包する第１のスイッチング素子（ＩＧＢＴ）７と第２のスイッチング素子（ＩＧＢＴ）８の直列接続体が接続されている。
【００３３】
平滑手段６は、後述するインバータ９の電源となるよう作用しており、電圧変動を極力抑制するよう十分大きな容量の電解コンデンサで構成され、具体的には４３０μＦの電解コンデンサを３本使用している。
【００３４】
第１のスイッチング素子７と第２のスイッチング素子８の接続点と、整流手段２の出力低電位側間には、高周波磁界を発生し鍋などの被加熱物１０を加熱する加熱コイル１１と、加熱コイル１１と共振する第１の共振コンデンサ１２が直列接続されている。
【００３５】
加熱コイル１１上部には、絶縁体であり、耐熱セラミックス製のトッププレート（図示せず）が設けられており、被加熱物１０はトッププレートを挟んで加熱コイル１１と対向するように載置される。
【００３６】
加熱コイル１１は、素線を束ねた撚り線を多層にして平板上に巻き回されて構成されており、内径８０ｍｍ、外径１８０ｍｍの略ドーナツ形状をなしている。第１の共振コンデンサ１２は、複数のコンデンサ１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄで構成されており、コンデンサ１２ａおよび１２ｂの並列接続体、コンデンサ１２ｃおよび１２ｄの並列接続体の直列接続で構成している。
【００３７】
コンデンサ１２ａおよび１２ｂ、１２ｃ、１２ｄはそれぞれ０．０２μＦの容量のものが選定されている。
【００３８】
従って、第１の共振コンデンサ１２の合成容量は０．０２μＦとなる。第１の共振コンデンサ１２には、リレーからなる短絡／開放可能な切替手段１３と、容量０．２８μＦを有した第２の共振コンデンサ１４の直列体が並列接続されている。
【００３９】
切替手段１３の出力が開放時の共振コンデンサ合成容量は前述の通り０．０２μＦ、短絡時の共振コンデンサ合成容量は０．３μＦとなる。
【００４０】
インバータ９は、加熱コイル１１に高周波共振電流を供給するもので、第１のスイッチング素子７、第２のスイッチング素子８、加熱コイル１１、共振コンデンサ１２、１４、切替手段１３で構成されている。
【００４１】
制御手段１５は、切替手段１３の制御およびインバータ９の出力制御を行うもので、各種検知手段からの検知信号、使用者による操作などに基づいて、第１のスイッチング素子７、第２のスイッチング素子８の導通／遮断を制御する。
【００４２】
入力電流検知手段１６は、具体的にはカレントトランスで構成されている。入力電流検知手段１６の検知信号は、制御手段１５に出力されるよう接続されている。インバータ出力検知手段１７は、加熱コイル１１の電流検知手段であるカレントトランスである。
【００４３】
インバータ出力検知手段１７は、インバータ９の出力の大きさである加熱コイル１１の電流を検知して、制御手段１５へ検知信号を出力する。切替手段１３と第２の共振コンデンサ１４との接続点に接続された共振電圧検知手段１８は、具体的には抵抗で分圧された
信号を制御手段１５に出力されるよう接続されている。
【００４４】
第３のスイッチング素子４を駆動制御する第２の制御手段１９は、平滑手段６の電圧、入力電流などを検知しながら（図示せず）、入力電流が略正弦波状となり、平滑手段６の電圧が所定値となるよう第３のスイッチング素子４の駆動周波数、導通比を制御する。
【００４５】
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。
【００４６】
まず、制御手段１５は、使用者による操作に基づいて第１のスイッチング素子７および第２のスイッチング素子８が排他的に導通／遮断するよう駆動信号を出力して、入力電流検知手段１６およびインバータ出力検知手段１７からの検知信号を入力する。
【００４７】
図２は、本発明の第１の実施の形態における誘導加熱装置の制御手段１５内部に保持している入力電流検知手段１６の検知出力−インバータ出力検知手段１７の検知出力平面での被加熱物１０の材質判別領域を示した図である。
【００４８】
第１のスイッチング素子７および第２のスイッチング素子８の駆動によって、入力電流およびインバータ出力が変化し、図２の上方に設定されたアルミなどの低抵抗非磁性金属領域になった場合、制御手段１５は第１のスイッチング素子７および第２のスイッチング素子８の駆動を継続して、所定の入力電力となるようインバータ９の出力を制御する。
【００４９】
また同時に、制御手段１５は、入力電流検知手段１６およびインバータ出力検知手段１７の出力信号に基づいて被加熱物１０の材質を低抵抗非磁性金属と判別した場合、共振コンデンサの合成容量が小さくなるよう切替手段１３出力を開放とする制御を行う。
【００５０】
共振コンデンサの合成容量は、切替手段１３出力が開放時に０．０２μＦとなるよう選定されており、また被加熱物１０が載置された際の加熱コイル１１のインダクタンスは２００μＨとなるよう設計されているため、加熱コイル１１、第１の共振コンデンサ１２および被加熱物１０の共振周波数は約９０ｋＨｚとなる。
【００５１】
図３は、本発明の第１の実施の形態における誘導加熱装置の低抵抗非磁性金属製の被加熱物１０を誘導加熱している際の各部電圧電流波形を示している。
【００５２】
制御手段１５の制御により第１のスイッチング素子７および第２のスイッチング素子８が排他的に導通／遮断され、インバータ９は加熱コイル１１および第１の共振コンデンサ１２に高周波共振電流を供給する。加熱コイル１１は高周波磁界を発生して被加熱物１０を加熱する。
【００５３】
図３に示すように、第１のスイッチング素子７および第２のスイッチング素子８の導通期間中には、共振電流が１周期以上流れるように制御手段１５は制御を行っている。つまり、インバータ９は複数のスイッチング素子７、８を内包し、制御手段１５は加熱コイル１１の発生する磁界が低抵抗非磁性金属を誘導加熱すると、少なくとも１つのスイッチング素子に流れる高周波共振電流がスイッチング素子の駆動期間より短い周期で共振するようスイッチング素子の駆動信号を出力する制御モードを持っている。
【００５４】
この制御モードは、被加熱物１０が低抵抗非磁性金属である場合に有効となる。被加熱物１０が低抵抗非磁性金属であった場合、抵抗が低いために、高周波共振電流の減衰が少ない。そのため、第１のスイッチング素子７または第２のスイッチング素子８の駆動時間を長く設定しても共振が継続される。
【００５５】
第１のスイッチング素子７または第２のスイッチング素子８に共振電流が流れている期間中に、制御手段１５がスイッチング素子を遮断させ、もう一方のスイッチング素子を導通制御することにより、第１のスイッチング素子７および第２のスイッチング素子８に負担をかけることなく共振を継続することが可能である。
【００５６】
ここで、高周波共振電流の周波数は、加熱コイル１１、第１の共振コンデンサ１２および被加熱物１０で決定され、前述の約９０ｋＨｚとなる一方、スイッチング素子の駆動周波数は本実施の形態の場合、約３０ｋＨｚとなる。
【００５７】
スイッチング素子が導通から遮断する移行期間には、スイッチング損失が発生するため、スイッチング素子の駆動周波数が高いほどスイッチング回数が多く、スイッチング損失増加につながる。
【００５８】
本実施の形態では、加熱コイル１１に供給される高周波共振電流の周波数は９０ｋＨｚと高く設定することで、低抵抗非磁性金属の被加熱物１０であっても見かけの高周波抵抗を高くできるため、少ない加熱コイル１１の電流で十分な加熱電力を得ることが可能である。
【００５９】
さらに、スイッチング素子の駆動周波数は、９０ｋＨｚに対して十分低い３０ｋＨｚであるため、スイッチング損失の増加を抑制することができる。所定の入力電力時の第１の共振コンデンサ１２の電圧は、本実施の形態では実効値で約３ｋＶｒｍｓとなっており、切替手段１３にも同等の約３ｋＶｒｍｓの高電圧が印可されることになる。
【００６０】
また、被加熱物１０が低抵抗非磁性金属である場合、加熱コイル１１から発生する高周波磁界に対して被加熱物１０の内部に渦電流が誘起される。
【００６１】
この渦電流は、加熱コイル１１からの高周波磁界に対して反発するように作用するため、被加熱物１０自体が振動する。インバータ９の電源となる平滑手段６の電圧が商用交流電源１の電圧に同期して変動する場合、被加熱物１０も同期した振動を生じるため、使用者が不快に感じる鍋音が発生する。
【００６２】
本実施の形態では、平滑手段６の容量を十分大きく設定してインバータ９の電源の変動を抑制し、鍋音が発生しないようにしている。しかしながら、その一方で、平滑手段６の容量を大きく設定すると、商用交流電源１からの入力電流が歪んだ形になってしまい、本来の正弦波状とは異なった波形になって力率が低下する。
【００６３】
この入力電流は高調波成分を含んでいるために、同じ商用交流電源１に接続された他機器に影響を与える場合もある。
【００６４】
本実施の形態では、チョークコイル３、第３のスイッチング素子４およびダイオード５が力率改善手段としても作用する昇圧手段２０を備えている。
【００６５】
制御手段１５は、使用者の操作に基づいてインバータ９の動作を開始するとともに、第２の制御手段１９に動作開始信号を出力する。
【００６６】
第２の制御手段１９は、平滑手段６の電圧、入力電流などを検知しながら（図示せず）、入力電流が略正弦波状となり、平滑手段６の電圧が所定値となるよう第３のスイッチング素子４の駆動周波数、導通比を制御する。
【００６７】
第３のスイッチング素子４が導通すると、チョークコイル３の短絡電流が流れ、チョー
クコイル３にエネルギーが蓄積される。
【００６８】
第３のスイッチング素子４が遮断されるとともに、チョークコイル３に蓄積されたエネルギーはダイオード５を通して平滑手段６へ送られて電圧上昇させる。第２の制御手段１９は、内部に基準電圧を保持しており、平滑手段６の電圧検知信号と比較して同じ値になるよう制御を行うが、制御手段１５からも平滑手段６の電圧検知を操作するよう電圧印可または抵抗切り換えがなされるために、結果として制御手段１５によって平滑手段６の電圧が制御されることになる。
【００６９】
制御手段１５は、入力電流検知手段１６およびインバータ出力検知手段１７の出力信号に応じて、平滑手段６の電圧検知信号を操作し、間接的に昇圧手段２０の昇圧量を制御して平滑手段６の電圧を変更している。
【００７０】
被加熱物１０が低抵抗非磁性金属であった場合、加熱コイル１１、第１の共振コンデンサ１２が共振を継続できる周波数領域が非常に狭いため、インバータ９出力の制御が非常に難しい。しかしながら、平滑手段６はインバータ９電源としても作用しているため、平滑手段６の電圧を変更することによってもインバータ９出力の制御が可能である。
【００７１】
制御手段１５によってインバータ９が動作開始をした際、制御手段１５が被加熱物１０材質を低抵抗非磁性金属以外と判別した場合、制御手段１５はインバータ９の動作を一時（約２秒間）停止して、第１の共振コンデンサ１２の合成容量が大きくなるよう切替手段１３の出力を短絡とする制御を行い、第２の共振コンデンサ１４と接続する。その際、本実施の形態では、前述の通り、共振コンデンサの合成容量は０．３μＦとなるよう設定されている。切替手段１３の切り替え完了後、制御手段１５は再度インバータ９の動作を開始させる。
【００７２】
図４は、低抵抗非磁性金属以外の被加熱物１０を誘導加熱している際の各部電圧電流波形を示している。おおよそは低抵抗非磁性金属を加熱している際の各部波形と似ているが、大きく異なる点は第１のスイッチング素子７および第２のスイッチング素子８に流れている電流波形である。
【００７３】
低抵抗非磁性金属以外の被加熱物１０を加熱する際は、被加熱物１０自体が抵抗が高いために磁界周波数をさほど高める必要がない。
【００７４】
従って共振コンデンサの容量が大きくなるよう切り替えて、加熱コイル１１、共振コンデンサおよび被加熱物１０の共振周波数を低くなるよう（本実施の形態では約２３ｋＨｚ）設定している。
【００７５】
共振周波数が低いために、第１のスイッチング素子７および第２のスイッチング素子８の駆動周波数を共振周波数と同一としてもスイッチング損失の大幅な増加は生じない。
【００７６】
また、被加熱物１０の抵抗が高いために、必要となる高周波共振電流も少なく、スイッチング損失、導通時の損失も低く抑えられる。
【００７７】
以上のようなに、本実施の形態においては、切替手段１３が開放時、すなわち被加熱物１０が低抵抗非磁性金属の鍋を誘導加熱を行っている際に、第１、第２の共振コンデンサの異常発熱等により容量が急激に減少し短絡状態に陥った場合や、切替手段１３が何らかの現象によって開放状態から短絡状態に移行した場合、電圧切替手段１３の接点端子間にアーク放電が発生し、図３（８）に示すように、インバータ出力検知手段１７に異常電圧が発生する。この際、制御手段１５内部に設けているインバータ出力検知手段１７の出力
に対する所定の値を超え、図３（９）に示すように出力されることで、異常とみなしてインバータ９の動作を停止させることができる。
【００７８】
また、切替手段１３が短絡時においても同様である。
【００７９】
本実施の形態では、共振コンデンサ１２を２つのコンデンサの並列接続体を２セット直列接続したものとしたが、必要となる共振コンデンサ１２の耐圧、電流容量などを鑑みて適宜設定すればよい。２つのコンデンサの直列接続体で構成してもよいし、コンデンサ並列接続体を３セット以上直列接続してもよい。切替手段１３はリレーに限らず、耐圧、電流容量などが許せば、スイッチング素子を使用してもよい。
【００８０】
インバータ出力検知手段１７として、加熱コイル１１の電流を検知するカレントトランスの例を挙げたが、共振コンデンサ１２の電圧を検知してもよいし、加熱コイル１１の電流の一部である第１のスイッチング素子７または第２のスイッチング素子８の電流、インバータ９の電源となる平滑手段６の電流を検知しても同様の効果が得られる。制御手段１５と別に第２の制御手段１９を設ける構成を挙げたが、第２の制御手段１９の動作を制御手段１５で兼ねることも可能である。
【００８１】
（実施の形態２）
図５は、本発明の第２の実施の形態における誘導加熱装置を示すものである。実施の形態１と同一要素については同一符号を付してその説明を省略する。
【００８２】
図５において、ダイオード５のカソード側と整流手段２の出力低電位側間には、電解コンデンサからなる平滑手段６と、内部に逆導通ダイオードを内包する第１のスイッチング素子７ａと第２のスイッチング素子８ａの直列接続体および第１のスイッチング素子７ｂと第２のスイッチング素子８ｂの直列接続体が接続されている。
【００８３】
第１のスイッチング素子（ＩＧＢＴ）７ａと第２のスイッチング素子（ＩＧＢＴ）８ａの接続点と、第１のスイッチング素子（ＩＧＢＴ）７ｂと第２のスイッチング素子（ＩＧＢＴ）８ｂの接続点間には、加熱コイル１１と共振コンデンサ１２が直列接続されている。
【００８４】
インバータ出力検知手段１７は加熱コイル１１の電流検知手段であるカレントトランスであり、少なくともインバータ９が発生する高周波電流の大きさ、つまり加熱コイル１１および共振コンデンサ１１の電流を検知して、制御手段１５へ検知信号を出力する。
【００８５】
本実施の形態のような構成であった場合、スイッチング素子のスイッチングによって、加熱コイル１１および共振コンデンサ１２の両端が不安定な電圧であるため、インバータ９の出力に密接に相関を持つ加熱コイル１１や共振コンデンサ１２の電圧を検知することは困難であるが、インバータ９が発生する高周波電流の大きさ、つまり加熱コイル１１および共振コンデンサ１２の電流を検知する構成としている。
【００８６】
電流は、カレントトランスなどにより電気的に非接触で検知することが可能であるため、加熱コイル１１、共振コンデンサ１２の電圧安定度に関係なく、精度よく電流検知することが可能である。
【００８７】
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。
【００８８】
制御手段１５は、使用者による操作に基づいて第１のスイッチング素子７ａおよび第２のスイッチング素子８ａ、第１のスイッチング素子７ｂおよび第２のスイッチング素子８
ｂが排他的に導通／遮断するよう駆動信号を出力して、入力電流検知手段１６およびインバータ出力検知手段１７からの検知信号を入力する。
【００８９】
制御手段１５は、図２に示すような入力電流検知手段１６検知出力−インバータ出力検知手段１７検知出力平面での被加熱物１０の材質判別領域をもとに被加熱物１０の材質を判別して、スイッチング素子、切替手段１３、第２の制御手段１９に制御信号を出力する。
【００９０】
このとき、第１のスイッチング素子７ａおよび第２のスイッチング素子８ｂ、第２のスイッチング素子８ａおよび第１のスイッチング素子７ｂが同一動作となるよう制御手段１５は制御を行う。
【００９１】
つまり、第１のスイッチング素子７ａ−加熱コイル１１−共振コンデンサ１２−第２のスイッチング素子８ｂ−平滑手段６に高周波共振電流が流れる経路、第１のスイッチング素子７ｂ−共振コンデンサ１２−加熱コイル１１−第２のスイッチング素子７ａ−平滑手段６に高周波共振電流が流れる経路が入れ替わりながら共振が継続する。
【００９２】
被加熱物１０が低抵抗非磁性金属以外の材質であった場合、抵抗が高いために、共振が継続しにくく共振電流が流れにくい。
【００９３】
本実施の形態では、被加熱物１０が低抵抗非磁性金属以外の材質であった場合、共振周波数が約２３ｋＨｚになるよう共振コンデンサ１２および切替手段１３が設定されている。インバータ９の電源である平滑手段６と加熱コイル１１および共振コンデンサ１２間に配置されるスイッチング素子のいずれかが導通するよう制御することが可能である。
【００９４】
つまり、インバータ９の電源から加熱コイル１１へ電力を供給する時間を長くすることができるため、入力可能な被加熱物１０の加熱電力を高く設定できる。従って、インバータ９の設計自由度を大きくすることが可能である。
【００９５】
以上のようなに、本実施の形態においては、切替手段１３が開放時、すなわち被加熱物１０が低抵抗非磁性金属の鍋を誘導加熱を行っている際に、第１、第２の共振コンデンサの異常発熱等により容量が急激に減少し短絡状態に陥った場合や、切替手段１３が何らかの現象によって開放状態から短絡状態に移行した場合、電圧切替手段１３の接点端子間にアーク放電が発生し、図３（８）に示すように、インバータ出力検知手段１７に異常電圧が発生する。この際、制御手段１５内部に設けているインバータ出力検知手段１７の出力に対する所定の値を超え、図３（９）に示すように出力されることで、異常とみなしてインバータ９の動作を停止させることができる。
【００９６】
また、切替手段１３が短絡時においても同様である。
【００９７】
本実施の形態では、インバータ９に２つのスイッチング素子の直列接続体を２個内包する構成を挙げたが、これに限定するものではない。商用交流電源１によっては、２つのスイッチング素子の直列接続体を３個内包しても同様以上の効果が得られる。また、昇圧手段２０の昇圧量を制御して平滑手段６の電圧を変更し、インバータ９出力を高く（または低く）設定してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００９８】
以上のように、本発明にかかる誘導加熱装置は、共振コンデンサを切り替える切替手段を有する機器において、安全で高信頼性を実現する誘導加熱装置を提供することができるので、誘導加熱調理器としてはもちろんのこと、誘導加熱式湯沸かし器、誘導加熱式アイ
ロン、またはその他の誘導加熱式加熱装置としても有用である。
【図面の簡単な説明】
【００９９】
【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図
【図２】本発明の実施の形態１における誘導加熱装置の制御手段内部に保持している入力電流検知手段検知出力−インバータ出力検知手段検知出力平面での被加熱物の材質判別領域を示した図
【図３】本発明の実施の形態１における誘導加熱装置の低抵抗非磁性金属製の被加熱物を誘導加熱している際の各部電圧電流波形を示した図
【図４】本発明の実施の形態１における誘導加熱装置の低抵抗非磁性金属以外の被加熱物を誘導加熱している際の各部電圧電流波形を示した図
【図５】本発明の実施の形態２における誘導加熱装置の回路図
【符号の説明】
【０１００】
６ 平滑手段
７、７ａ、８、８ａ、７ｂ、８ｂ スイッチング素子
９ インバータ
１０ 被加熱物
１１ 加熱コイル
１２ 第１の共振コンデンサ
１３ 切替手段
１４ 第２の共振コンデンサ
１５ 制御手段
１６ 入力電流検知手段
１７ インバータ出力検知手段
１８ 共振電圧検知手段
１９ 第２の制御手段
２０ 昇圧手段
【特許請求の範囲】
【請求項１】
高周波磁界を発生し被加熱物を加熱する加熱コイルと、前記加熱コイルと共振する第１の共振コンデンサと、前記第１の共振コンデンサを直列並びに並列接続で構成する複数のコンデンサと、前記複数のコンデンサに並列接続される短絡／開放を切り替える切替手段と、前記切替手段と直列に接続される第２の共振コンデンサの直列体と、前記加熱コイルに高周波共振電流を供給するインバータと、前記切替手段の制御および前記インバータの出力制御を行う制御手段と、前記インバータの出力の大きさを検知して前記制御手段へ検知信号を出力するインバータ出力検知手段と、共振の電圧値を検出する共振電圧検知手段とを備え、前記制御手段は、前記インバータ出力検知手段の出力信号に基づいて前記被加熱物の材質を低抵抗非磁性金属と判別した場合、前記第１、第２の共振コンデンサの合成容量が小さくなるよう前記切替手段の出力を開放とする制御を行い、その他の材質と判別した場合、前記第１、第２の共振コンデンサの合成容量が大きくなるよう前記切替手段の出力を短絡とする制御を行い、前記切替手段の開放状態において、前記共振電圧検知手段の出力値が所定の値を超えた場合に、前記インバータの停止を行う誘導加熱装置。
【請求項２】
切替手段は、加熱コイルと第１の共振コンデンサの接続点側に接続され、第２の共振コンデンサに接続される直列体を構成し、第２の共振コンデンサに並列接続させ、切替手段と第２の共振コンデンサの接続部に共振電圧検知手段を構成する請求項１記載の誘導加熱装置。
【請求項３】
切替手段の短絡状態において、共振電圧検知手段の出力値が所定の値の幅を超えた場合に、インバータの停止を行う構成とした請求項１または２に記載の誘導加熱装置。
【請求項４】
切替手段の開放・短絡両方の状態において、共振電圧検知手段の出力値が、前記切替手段の開放・短絡状態各々に定められた所定の値及び幅を超えた場合に、インバータの停止を行う構成とした請求項１または２に記載の誘導加熱装置。
【請求項５】
インバータは２つのスイッチング素子の直列接続体を複数個内包し、それぞれの直列接続体のスイッチング素子における接続点間に加熱コイルおよび共振コンデンサを接続する請求項１に記載の誘導加熱装置。
【請求項６】
インバータの電源として作用する平滑手段と、力率改善手段としても作用する昇圧手段とを備え、制御手段はインバータ出力検知手段の出力信号に応じて前記昇圧手段の昇圧量を制御して前記平滑手段の電圧を変更する請求項１記載の誘導加熱装置。
【請求項１】
高周波磁界を発生し被加熱物を加熱する加熱コイルと、前記加熱コイルと共振する第１の共振コンデンサと、前記第１の共振コンデンサを直列並びに並列接続で構成する複数のコンデンサと、前記複数のコンデンサに並列接続される短絡／開放を切り替える切替手段と、前記切替手段と直列に接続される第２の共振コンデンサの直列体と、前記加熱コイルに高周波共振電流を供給するインバータと、前記切替手段の制御および前記インバータの出力制御を行う制御手段と、前記インバータの出力の大きさを検知して前記制御手段へ検知信号を出力するインバータ出力検知手段と、共振の電圧値を検出する共振電圧検知手段とを備え、前記制御手段は、前記インバータ出力検知手段の出力信号に基づいて前記被加熱物の材質を低抵抗非磁性金属と判別した場合、前記第１、第２の共振コンデンサの合成容量が小さくなるよう前記切替手段の出力を開放とする制御を行い、その他の材質と判別した場合、前記第１、第２の共振コンデンサの合成容量が大きくなるよう前記切替手段の出力を短絡とする制御を行い、前記切替手段の開放状態において、前記共振電圧検知手段の出力値が所定の値を超えた場合に、前記インバータの停止を行う誘導加熱装置。
【請求項２】
切替手段は、加熱コイルと第１の共振コンデンサの接続点側に接続され、第２の共振コンデンサに接続される直列体を構成し、第２の共振コンデンサに並列接続させ、切替手段と第２の共振コンデンサの接続部に共振電圧検知手段を構成する請求項１記載の誘導加熱装置。
【請求項３】
切替手段の短絡状態において、共振電圧検知手段の出力値が所定の値の幅を超えた場合に、インバータの停止を行う構成とした請求項１または２に記載の誘導加熱装置。
【請求項４】
切替手段の開放・短絡両方の状態において、共振電圧検知手段の出力値が、前記切替手段の開放・短絡状態各々に定められた所定の値及び幅を超えた場合に、インバータの停止を行う構成とした請求項１または２に記載の誘導加熱装置。
【請求項５】
インバータは２つのスイッチング素子の直列接続体を複数個内包し、それぞれの直列接続体のスイッチング素子における接続点間に加熱コイルおよび共振コンデンサを接続する請求項１に記載の誘導加熱装置。
【請求項６】
インバータの電源として作用する平滑手段と、力率改善手段としても作用する昇圧手段とを備え、制御手段はインバータ出力検知手段の出力信号に応じて前記昇圧手段の昇圧量を制御して前記平滑手段の電圧を変更する請求項１記載の誘導加熱装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２００９−２７２２６８（Ｐ２００９−２７２２６８Ａ）
【公開日】平成２１年１１月１９日（２００９．１１．１９）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１２４３１２（Ｐ２００８−１２４３１２）
【出願日】平成２０年５月１２日（２００８．５．１２）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１１月１９日（２００９．１１．１９）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年５月１２日（２００８．５．１２）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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