JP4305243B2 - 電磁誘導加熱装置 - Google Patents

Description

この発明は、一般家庭やレストランで使用される電磁調理器、金属溶解やシームレス溶接に使用される産業用加熱装置などに応用される電磁誘導加熱装置に関し、特に負荷の異常状態を検出する手段に関する。

電磁誘導加熱装置は一般に、電磁誘導作用によって被加熱物金属内に渦電流を発生させ、この金属の持つ固有抵抗によるジュール熱で被加熱物金属を加熱する。この電磁誘導加熱装置においては、鍋などの被加熱物金属が載置されていない場合や被加熱物金属が適正位置に載置されていない場合のような負荷の異常状態（空焚き状態）では、この異常負荷状態を検出（以後、「空検出」と呼ぶものとする。）し、加熱コイルに対する出力を停止して事故を未然に防ぐことが必要である。

上記空検出を行う方法として、特許文献１に記載された方法がある。この方法は、図４に示すように、空検出条件として、加熱コイルへの高周波電流が所定値よりも大きい場合に出力する第１の条件検出回路の条件信号と、電源入力電流が所定値以下となった場合に出力する第２の条件検出回路の条件信号と、電源入力部の電圧に対する電流の位相遅れが所定値以上となった場合に出力する第３の条件検出回路の検出信号とを用い、これらの３信号を入力とするＡＮＤ回路の出力により、空焚き時間が所定時間以上継続した場合に、自動加熱停止及び自動電源遮断を行うものである。

一方、電磁誘導加熱装置においては、通常、加熱コイルの近傍に磁性材料からなるコアが配置される。図５は電磁調理器における例で、図５（Ａ）は加熱コイル部分の下面図、同（Ｂ）はそのＢ−Ｂ線に沿う断面図である。図５において、円盤状の渦巻形コイルからなる加熱コイル１の下面側には、フェライトなどの高透磁率の磁性体からなるコア２が４個、放射状に配置されている。図示しない鍋などの被加熱物金属は、加熱コイル１の上面側に載置される。このようにコア２を配置することにより、加熱コイル１の電流が発生する磁束の漏れが減少し、被加熱物金属部分の磁束密度が大きくなる。コアを配置した電磁調理器については、例えば特許文献２に記載されている。

また、特許文献３には、少なくとも２つ以上のキュリー温度の異なるコアを加熱コイルの近傍に配置し、コアがキュリー温度まで加熱されて透磁率が急速に低下し、磁束密度が急激に減少することによる被加熱部材の温度上昇の相違を利用して、被加熱部材の局部加熱を行う誘導加熱器具が記載されている。
特開平５−２０５８６２号公報 特開２００３−３４７０２１号公報 特開平８−２７３８２１号公報

電磁誘導加熱装置の空焚き状態、つまり異常負荷状態では、通常、加熱コイルのインダクタンスの低下から、加熱コイルを流れる高周波電流が増加する。引用文献１に記載の空検出はこの現象を検出条件に利用するものであるが、例えば鍋が小型でかつ鍋底が薄いような被加熱物金属では、正常負荷状態でも加熱コイル電流の異常負荷状態との差が小さく、また異常負荷状態でも被加熱物金属の大きさ、形状、材質等の条件や、適正な位置に被加熱物金属が載置されていない場合あるいは加熱コイルとの距離が遠い場合等の負荷の状態によっては正常負荷状態との区分けがつきにくい。そのため、加熱コイル電流の増加による空検出は、実際問題として検出閾値の決定が困難であった。

また、引用文献３に記載された方法の応用として、加熱コイル電流の増加でコアがキュリー温度以上に加熱されることによる透磁率の急速な低下から空検出を行うことも考えられるが、その場合にはコアの温度上昇に一定の時間を要するため、異常負荷状態を瞬時に検出することが不可能であり、またその結果として電源を遮断するまでにコアで消費される熱損失が大きくなるという問題がある。

この発明の課題は、電磁誘導加熱装置の異常負荷状態を迅速確実に、かつ熱損失を生じさせることなく検出できるようにすることにある。

上記課題を解決するために、この発明は、加熱コイルの下面側に磁性材料からなる複数のコアを分散して配置される電磁誘導加熱装置において、前記複数のコアの一部を飽和磁束密度の小さいコアで構成し、負荷の異常時に前記加熱コイルを流れる電流の磁束で前記一部のコアを磁気飽和させ、この磁気飽和により増大する前記加熱コイルの電流から前記負荷の異常を検出するようにしたものである（請求項１）。請求項１の発明は、加熱コイルの近傍に配置するコアを正常負荷状態では磁気飽和しないが、異常負荷状態で加熱コイル電流の増加により飽和磁束密度の小さいコアが磁気飽和するように設定するものである。一部のコアが磁気飽和すると加熱コイル電流が急激に増加するため、この変化率を捉えることにより確実に、かつ瞬時に空検出を行うことができる。また、この空検出と同時にコイル電源を遮断すれば、大きな加熱コイル電流によるコアの加熱も短時間ですむため熱損失も最小限に抑えられる。

請求項１の発明において、複数個の前記コアはまた、一部が重なり合うように隣接させて配置することもできる（請求項２）。その場合、隣接させた複数個の前記コアを更に複数箇所に配置するとよい（請求項３）。

この発明によれば、負荷の異常時には加熱コイルの近傍に配置したコアの一部を磁気飽和させることにより、磁気飽和の前後で加熱コイル電流を大きく変化させて確実な空検出を実現することができ、また、異常を瞬時に検出して電源を遮断できるため、コアでの熱損失を抑えられるとともに、高周波電源回路を構成するスイッチング素子の損傷等の事故を未然に防止することができる。

以下、図１〜図３に基づいて、電磁調理器におけるこの発明の実施の形態を説明する。

図１はこの発明の実施例１を示し、図１（Ａ）は加熱コイル部分の下面図、同（Ｂ）はそのＢ−Ｂ線に沿う断面図である。図１において、円盤状の渦巻形コイルからなる加熱コイル１の近傍、すなわち加熱コイル１の下面側に隙間を介して平行に、複数個（図示は４個）のコア２が放射状に分散配置されている。コア２はフェライトなどの高透磁率の磁性体からなり、断面長方形の柱状に形成されている。鍋などの被加熱物金属は、加熱コイル１の上面側に絶縁物からなる図示しないトッププレートを介して載置される。加熱コイル１に高周波電流が流れると被加熱物金属が誘導加熱され、その中の食材が加熱調理される。その際、加熱コイル１の電流（加熱コイル電流）の磁束は加熱コイル１の下面側ではコア２に集められ、漏れ磁束が最小限に留められる。

上記した被加熱物金属の誘導加熱において、被加熱物金属が載置されなかったり、左右にずれるなど適正な位置に載置されなかったり、トッププレートとの間に異物が挟まれて加熱コイル１からの距離が遠くなったりした空焚き状態、すなわち異常負荷状態になると加熱コイル１のインダクタンスが低下し、加熱コイル電流が正常負荷状態に対して増加する。従って、そのような場合には速やかに空検出をして、電源を遮断する必要がある。そのため、実施例１においては、コア２は正常負荷状態では磁気飽和しないが、異常負荷状態で加熱コイル電流が増加すると、少なくとも１個が磁気飽和するようにその磁気特性すなわち、飽和磁束密だ小さく設定されている。

そこで、上記した異常負荷状態が発生して加熱コイル電流が増加すると、４個のコア２の少なくとも１個が磁気飽和する。ところが、コア２の１つがが磁気飽和すると、その途端に加熱コイル１のインダクタンスが急減し、その結果として加熱コイル電流が急増する。従って、この加熱コイル電流の急増を検出することにより、空検出を行うことができる。その場合、コア２の磁気飽和に伴う加熱コイル電流の変化は、被加熱物金属の有無等に比べて大きいため検出が確実容易であり、また異常負荷状態の発生による加熱コイル電流の増加→コア２の磁気飽和→加熱コイル電流の急増に必要な時間も短いため、異常負荷状態の発生からほとんど瞬時に空検出を行うことができる。なお、実施例１では４個のコア２の形状、寸法等は同じとしたが、必ずしも同一に揃える必要はない。

図２はこの発明の実施例２を示し、図２（Ａ）は加熱コイル部分の下面図、同（Ｂ）はそのＢ−Ｂ線に沿う断面図である。図２において、実施例１との相違は各２個のコア２とコア３とが交互に配置されている点である。ここで、コア２とコア３とは飽和磁束密度の異なる磁性材からなり、コア２の飽和磁束密度Ｂ_m2はコア３の飽和磁束密度Ｂ_m3よりも大きくなっている（Ｂ_m2＞Ｂ_m3）。このような実施例２において、コア２とコア３とが同一形状・寸法で加熱コイル１に対する配置関係も同一とすれば、加熱コイル１に高周波電流が流れたときの磁束密度はコア２とコア３とで等しくなる。

そこで、実施例２では、正常負荷状態ではコア２とコア３のいずれも磁気飽和しないが、異常負荷状態で加熱コイル電流が増加すると、飽和磁束密度がコア２よりも小さいコア３の少なくとも１個が磁気飽和するように設定されている。これにより、コア３の磁気飽和による加熱コイル電流の増加から、実施例１の場合と同様に空検出を行うことができる。その場合、実施例２においては、負荷の異常時に複数個（４個）のコア２，３の一部のコア３のみを磁気飽和させ、コア２は磁気飽和させない。このように、磁気飽和する電流値に差を持たせることにより、異常負荷状態時でも磁気飽和に余裕を持たせ、例えば加熱電源のスイッチング素子が破壊されるような大電流が加熱コイル１に流れるような事態を防止することができる。

図３は、この発明の実施例３を示し、図３（Ａ）は加熱コイル部分の下面図、同（Ｂ）はそのＢ−Ｂ線に沿う断面図である。図３において、加熱コイル１の近傍の複数箇所（図示は４箇所）には、それぞれ複数個（図示は２個）のコア２，３が放射状に分散配置されており、コア２とコア３とは一部が重なり合うように隣接している。コア２とコア３の材質は異なる必要はなく、また形状・寸法も同一でよい。

このようなコア配置において、加熱コイル１に高周波電流が流れると、磁気抵抗の小さいコア２，３に磁束が集中するが、とりわけ図３（Ａ）に一点鎖線の丸で示した部分、すなわち隣接する相手コアから突出する端部２ａ，３ａでの磁束密度が大きくなる。この磁束集中は、正常負荷状態よりも異常負荷状態の方が大きくなる。それは、正常負荷状態では加熱コイル１の上下で被加熱物金属とコア２，３とが磁束経路を形成するのに対し、異常負荷状態では加熱コイル１の下側にしか磁束経路がなく、フェライトの断面積が急激に小さくなる箇所の磁束の分布が不規則になることによる。

そこで、実施例３においては、正常負荷状態ではコア２とコア３のいずれも磁気飽和しないが、異常負荷状態でコア２，３の少なくとも１個が磁気飽和するように設定されている。これにより、コア２あるいはコア３の磁気飽和による加熱コイル電流の増加から、空検出を行うことができる。その場合、コア２とコア３との重なり範囲を変えることで、磁気飽和させる加熱コイル電流のレベルを調整することができる。その結果、実施例３によれば、コアの材質、形状・寸法、配置等の変更により磁気飽和特性を調整する場合に比べ、コアの設計作業が容易になる。なお、実施例３では１箇所に２個のコアを隣接させて配置する例を示したが、３個以上のコアを隣接配置することもあり得る。また、被加熱物金属の加熱分布の調節もフェライトの配置位置を調整することで実現できる。

この発明の実施例１を示し、（Ａ）は加熱コイル部分の下面図、（Ｂ）はそのＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 この発明の実施例２を示し、（Ａ）は加熱コイル部分の下面図、（Ｂ）はそのＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 この発明の実施例３を示し、（Ａ）は加熱コイル部分の下面図、（Ｂ）はそのＢ−Ｂ線に沿う断面図である。 従来技術を説明する論理回路図である。 異なる従来技術を示し、Ａ）は加熱コイル部分の下面図、（Ｂ）はそのＢ−Ｂ線に沿う断面図である。

符号の説明

１ 加熱コイル
２ コア
３ コア

Claims (3)

1. 加熱コイルの下面側に磁性材料からなる複数のコアを分散して配置される電磁誘導加熱装置において、前記複数のコアの一部を飽和磁束密度の小さいコアで構成し、負荷の異常時に前記加熱コイルを流れる電流の磁束で前記一部のコアを磁気飽和させ、この磁気飽和により増大する前記加熱コイルの電流から前記負荷の異常を検出するようにしたことを特徴とする電磁誘導加熱装置。
2. 複数個の前記コアを一部が重なり合うように隣接させて配置したことを特徴とする請求項１記載の電磁誘導加熱装置。
3. 隣接させた複数個の前記コアを更に複数箇所に配置したことを特徴とする請求項２記載の電磁誘導加熱装置。

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