JP5045143B2

JP5045143B2 - 誘導加熱装置

Info

Publication number: JP5045143B2
Application number: JP2007041882A
Authority: JP
Inventors: 洋一黒瀬; 武北泉
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2007-02-22
Filing date: 2007-02-22
Publication date: 2012-10-10
Anticipated expiration: 2027-02-22
Also published as: JP2008204884A

Description

本発明は、ソフトスタート手段を有する誘導加熱装置に関するものである。

従来、この種の誘導加熱装置は、ソフトスタート手段によるソフトスタート中に被加熱物が適正か不適正かを判別し、被加熱物が不適正の場合はインバータ回路の動作を停止させ、被加熱物が適正の場合は設定出力まで電力を供給するものが知られている（例えば、特許文献１参照）。また、インバータ回路の起動時、所定時間だけ固定された低出力設定で動作中に被加熱物が適正か不適正かを判別し、被加熱物が不適正の場合はインバータ回路の動作を停止させ、被加熱物が適正の場合は低電力出力設定を解除してソフトスタートさせるものが知られている（例えば、特許文献２参照）。
特許第３３９９２５８号公報特許第１７４４１６３号公報

しかしながら、前記従来の構成では、インバータ回路の起動時の制御において、ソフトスタート中や、所定時間だけ固定された低出力設定での動作中は、インバータ回路の効率が低く、シーケンスなどによりインバータ回路の動作と停止を繰り返すにつれて誘導加熱装置の効率を低下させることになる。

本発明は、前記従来の課題を解決するもので、インバータ回路の効率を上昇させることができる誘導加熱装置を提供することを目的とする。

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、負荷と磁気結合することによりエネルギーを伝達する加熱コイルと、前記加熱コイルに供給する電力を制御するスイッチング素子と、前記スイッチング素子と並列に接続される逆導通素子と、前記加熱コイルと共振回路を形成する共振コンデンサとを有するインバータ回路と、前記インバータ回路に電力を供給する電源と、前記スイッチング素子を導通制御する駆動制御手段とを備え、前記駆動制御手段は、所望の電力値まで変化させるソフトスタート手段を有するとともに、前記ソフトスタート手段の起動時の電力値は複数の所定値を有するものである。

これによって、ソフトスタート手段の起動時の電力値は、負荷自身または負荷特性の変化やインバータ回路の状態、所望の電力値などによって変化させ、最適な起動時の電力値でインバータ回路を動作させることができるため、インバータ回路の効率を上昇させることができる。

本発明の誘導加熱装置は、最適な起動時の電力値でインバータ回路を動作させ、インバータ回路の効率を上昇させることができる。

第１の発明は、負荷と磁気結合することによりエネルギーを伝達する加熱コイルと、前記加熱コイルに供給する電力を制御するスイッチング素子と、前記スイッチング素子と並列に接続される逆導通素子と、前記加熱コイルと共振回路を形成する共振コンデンサとを有するインバータ回路と、前記インバータ回路に電力を供給する電源と、前記スイッチング素子を導通制御する駆動制御手段と、不適正負荷を検出する不適正負荷検出手段とを備え、前記駆動制御手段は、起動時の出力電力を所望の電力値まで変化させるソフトスタート手段を有し、前記ソフトスタート手段の起動時の電力値として複数の所定値を有するとともに、前記インバータ回路の動作と停止を断続して行う場合、二回目以降のソフトスタート手段の初期電力値を一回目の初期電力値よりも大きくし、前記不適正負荷検出手段が不適正負荷を検出した場合、インバータ回路の動作を停止し、インバータ回路の動作が異常停止した直後のインバータ回路の初期電力値をインバータ回路の動作が停止する直前のインバータ回路の電力値より小さく誘導加熱装置とするものである。

本発明によれば、安全動作を確認した上でソフトスタートの期間を短くしてインバータ回路の効率を上昇させることができる。また、不適正負荷が発熱するなどの異常動作を防止することができ、インバータ回路を構成する部品に異常な電圧が印加したり異常な電流が流れたりすることにより発生するインバータ回路の破壊を防止することができる。さらに、インバータ回路を安全に起動することができ、ソフトスタートの期間を長くして不適正負荷を判別する期間を設けることができる。

第２の発明は、特に、第１の発明において、前記不適正負荷検出手段は負荷の状態を監視する負荷監視手段を備え、二回目以降の前記インバータ回路の動作において、前記負荷監視手段の出力が変化しない場合、前記インバータ回路の動作が停止した直後の前記インバータ回路の初期電力値は、前記インバータ回路の動作が停止する直前の前記インバータ回路の初期電力値と同値とすることにより、インバータ回路が起動時ごとに低出力設定でソフトスタートしないため、インバータ回路の効率を上昇させることができる。

第３の発明は、特に、第２の発明において、前記負荷監視手段の出力により負荷の状態の変化を検出した場合、前記インバータ回路の動作を停止することにより、異常状態が発生したときにさらに加熱することを防止して安全性を高めることができる。

第９の発明は、特に、第１〜第８のいずれか１つの発明において、インバータ回路の動作が停止した直後のインバータ回路の初期電力値は、インバータ回路の動作が停止する直前のインバータ回路の電力値より小さくすることにより、インバータ回路を安全に起動することができる。また、ソフトスタートの期間を長くして不適正負荷を判別する期間を設けることができる。

第４の発明は、特に、第１〜第３のいずれか１つの発明において、前記ソフトスタート手段は、起動時の出力電力を所望の電力値まで時定数をもって変化させ、前記インバータ回路の動作と停止を断続して行う場合、二回目以降のソフトスタート手段の時定数は、一
回目の時定数よりも小さくしたことにより、ソフトスタートの期間を短くしてインバータ回路の効率を上昇させることができる。

第５の発明は、特に、第４の発明において、前記ソフトスタート手段の時定数は、電力値に伴って変化させたことにより、インバータ回路に負担が生じないレベルで時定数を極力小さくすることができるため、インバータ回路の効率を上昇させることができる。

第６の発明は、特に、第１〜第５のいずれか１つの発明において、前記ソフトスタート手段は、所望の電力値が一定値より低い場合、動作しないようにしたことにより、効率の低い余分な動作を排除してインバータ回路の効率を上昇させることができる。

第７の発明は、特に、第１〜第６のいずれか１つの発明において、電気の伝達する経路を切り換えるリレーを備え、前記リレーにより加熱する負荷を切り換えるようにしたことにより、複数の負荷を同一のスイッチング素子で加熱することができるため、インバータ回路を構成する部品点数を減少して安価な誘導加熱装置をつくることができる。

第８の発明は、特に、第１〜第７のいずれか１つの発明において、前記負荷に供給する電力は、前記スイッチング素子の駆動周波数を変化して調節するようにしたことにより、任意の電力を負荷に供給することができる。

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。

（実施の形態１）
図１、図２は、本発明の実施の形態１における誘導加熱装置を示すものである。

図１に示すように、本実施の形態における誘導加熱装置は、負荷と磁気結合することによりエネルギーを伝達する加熱コイル１１と、加熱コイル１１に供給する電力を制御するスイッチング素子１２と、スイッチング素子１２と並列に接続される逆導通素子１３と、加熱コイル１１と共振回路を形成する共振コンデンサ１４とを有するインバータ回路１５と、インバータ回路１５に電力を供給する電源１６と、スイッチング素子１２を導通制御する駆動制御手段１７とを備えている。

そして、駆動制御手段１７は所望の電力値まで時定数をもって変化させるソフトスタート手段１８を有するとともに、ソフトスタート手段１８の起動時の電力値は複数の所定値をもつものである。これは、例えば、図２における起動時の電力値１、２であり、それぞれ所望の電力値１、２まで上昇させている。なお、図２中の一点斜線は、ソフトスタート手段１８の起動時の電力値が一つの所定値しかもたないソフトスタート手段１８で出力電力を所望の電力値２まで上昇させたときの経路を示している。

本実施の形態における誘導加熱装置は、スイッチング素子１２の導通時間を調節することにより出力電力を制御することができる。また、インバータ回路１５が停止状態から動作状態に遷移する際、出力電力を所望の電力値まで緩やかに変化させるソフトスタート手段１８を利用することにより、インバータ回路１５を安定して動作させることができる。

本発明の誘導加熱装置は、図２に示すように、ソフトスタート手段１８の起動時の電力値は、負荷自身の変化や負荷特性の変化、インバータ回路１５の状態の変化、所望の電力値の差異などに伴って異なる所定値（実施の形態では、図２における起動時の電力値１または２）を利用することにより、最適な起動時の電力値でインバータ回路１５を動作開始することができるため、インバータ回路１５の電力変換効率が低下する低出力電力での動
作を抑制してインバータ回路１５の電力変換効率を上昇させることができる。

なお、負荷の特性やインバータ回路１５の状態などに合わせてソフトスタート手段１８の起動時の電力値を可能な限り高くすることにより、インバータ回路１５の効率を上昇させるとともに、起動時の出力電力が高いゆえソフトスタート時間も短くなり、さらにインバータ回路１５の効率を上昇させることができる。また、ソフトスタートさせることにより、スイッチング素子１２の破壊や不適正負荷の誤加熱を防止することができる。

また、ソフトスタート手段１８の起動時の電力値が大きくて電圧サージや電流サージが発生し、ノイズによる誤動作が発生しそうな場合や、スイッチング素子１２などが破壊しそうな場合は、ソフトスタート手段１８の起動時の電力値を低下して、誘導加熱装置の構成部品の破壊を防止することができる。

また、ソフトスタート手段１８は、起動時に所定値（例えば、図２における起動時の電力値２）から所望の電力値（同所望の電力値２）まで時定数をもって変化することにより、最適な起動時の電力値でインバータ回路１５を動作開始したときに、インバータ回路１５の電力変換効率が低下するソフトスタートの期間を短縮してインバータ回路１５の電力変換効率を上昇させることができる。

また、出力電力を所望の電力値まで緩やかに変化させることでノイズの発生を抑制し、かつソフトスタートの期間を短縮させることで出力電力が変化しているインバータ回路１５の不安定動作期間を短縮し、スイッチング素子１２の破壊を防止することができる。

また、ソフトスタート手段１８の所定値は、所望の電力値よりも小さくすることにより、出力電力が所望の電力値を超過することがなく、誘導加熱装置の安全性を向上させることができる。

また、ソフトスタート手段１８の所定値は、所望の電力値に伴って変化することにより、最適な起動時の電力値でインバータ回路１５を動作開始することができるため、インバータ回路１５の電力変換効率が低下する低出力電力での動作を抑制してインバータ回路１５の電力変換効率を上昇させることができる。

（実施の形態２）
図３は、本発明の実施の形態２における誘導加熱装置を示すものである。

実施の形態１と異なる点は、不適正負荷（例えば、スプーンなど）を検出する不適正負荷検出手段１９を備え、不適正負荷検出手段１９が不適正負荷を検出した場合、インバータ回路１５の動作を停止するようにしたことである。他は実施の形態１と同様である。

これにより、不適正負荷を誤って加熱してしまうなどの異常動作を防止することができるため、誘導加熱装置の安全性を向上させることができる。

また、不適正負荷を加熱してしまいスイッチング素子１２に異常な電圧が加わったり異常な電流が流れたりしないようにして、スイッチング素子１２の破壊を防止することができる。

さらに、インバータ回路１５が動作開始した直後に不適正負荷検出手段１９を動作させることにより、不適正負荷が加熱してしまうのを可能な限り抑制することができる。

（実施の形態３）
図４は、本発明の実施の形態３における誘導加熱装置の時間に対する出力電力の関係を示すものである。

実施の形態２と異なる点は、インバータ回路１５の動作と停止を断続して行う場合、二回目以降のソフトスタート手段１８の初期電力値（起動時の電力値２）は、一回目の初期電力値（起動時の電力値１）よりも大きくするようにしたことである。他は実施の形態２と同様である。

これにより、二回目以降のソフトスタート手段１８の初期電力値は最適な起動時の電力値でインバータ回路１５を動作開始することができるため、インバータ回路１５の電力変換効率が低下する低出力電力での動作を抑制してインバータ回路１５の電力変換効率を上昇させることができる。

また、一回目のインバータ回路１５の動作により出力電力を所望の電力値まで上昇させても安定して動作できているため、二回目以降は初期電力値が所望の電力値以下であればスイッチング素子１２が破壊することなく安全に動作させることができる。

さらに、二回目以降の動作では出力電力が所望の電力値まで短時間で出力されるため、出力電力の応答性を高くして負荷を迅速に加熱することができる。

（実施の形態４）
図５は、本発明の実施の形態４における誘導加熱装置を示すものである。

実施の形態３と異なる点は、不適正負荷検出手段１９は負荷の状態を監視する負荷監視手段２０を備え、二回目以降のインバータ回路１５の動作において、負荷監視手段２０の出力が変化しない場合、インバータ回路１５の動作が停止した直後のインバータ回路１５の初期電力値は、インバータ回路１５の動作が停止する直前のインバータ回路１５の初期電力値と同値とするようにしたことである。他は実施の形態３と同様である。

これにより、負荷の状態が変化しないときはインバータ回路１５内の電流および電圧の振る舞いが変化せず、そのためインバータ回路１５が一定の動作をすることができ、インバータ回路１５の動作を安定させ、誘導加熱装置の安全性を向上させることができる。

また、インバータ回路１５が起動時ごとに低出力電力で動作せずに高い初期電力値で動作し続けることができるため、インバータ回路１５の電力変換効率が低下する低出力電力での動作を回避してインバータ回路１５の電力変換効率を上昇させることができる。

さらに、負荷監視手段２０の出力により負荷の状態の変化を検出した場合、インバータ回路１５の動作を停止することにより、異常状態が発生したときに続けて加熱することを防止して誘導加熱装置の安全性を向上させることができる。

（実施の形態５）
図６は、本発明の実施の形態５における誘導加熱装置の時間に対する出力電力の関係を示すものである。

実施の形態４と異なる点は、インバータ回路１５の動作が異常停止した直後のインバータ回路１５の初期電力値（起動時の電力値２）は、インバータ回路１５の動作が停止する直前のインバータ回路１５の電力値（起動時の電力値１）より小さくするようにしたことである。他は実施の形態４と同様である。

これにより、負荷の状態が不安定なときは、低出力電力から所望の電力値まで緩やかに変化させることにより、インバータ回路１５を安定して動作させることができる。

また、出力電力が低い安全動作領域で不適正負荷を検出することができるため、スイッチング素子１２の破壊を防止することができる。

さらに、インバータ回路１５の起動時の電力値が低いため、不適正負荷の場合、不適正負荷と検出するまでに加熱してしまうのを可能な限り抑制することができる。

（実施の形態６）
図７は、本発明の実施の形態６における誘導加熱装置の時間に対する出力電力の関係を示すものである。

実施の形態５と異なる点は、インバータ回路１５の動作と停止を断続して行う場合、二回目以降のソフトスタート手段１８の時定数は、一回目の時定数よりも小さくするようにしてソフトスタートの期間を短くしたことである。他は実施の形態５と同様である。

これにより、インバータ回路１５の一回目の動作で負荷状態の安定性が確認できたあとは、ソフトスタートの期間を短くしてインバータ回路１５の効率を上昇させることができる。

（実施の形態７）
図８は、本発明の実施の形態７における誘導加熱装置の時間に対する出力電力の関係を示すものである。

実施の形態６と異なる点は、ソフトスタート手段１８の時定数は、電力値（所望の電力値１または２）に伴って変化するようにしたことである。他は実施の形態６と同様である。

これにより、インバータ回路１５に負担が生じないレベルで時定数を極力小さくすることができるため、インバータ回路１５の効率を上昇させることができる。

（実施の形態８）
図９は、本発明の実施の形態８における誘導加熱装置の時間に対する出力電力の関係を示すものである。

実施の形態７と異なる点は、ソフトスタート手段１８は、所望の電力値が一定値より低い場合、動作しないようにしたことである。本実施の形態では、二回目以降、ソフトスタート手段１８が動作しないようにしているが、一回目においても動作しないようにしてもよい。他は実施の形態７と同様である。

これにより、インバータ回路１５から発生するノイズなどが小さく、スイッチング素子１２の破壊や誤加熱の危険性の面からみても安全上問題のない低出力電力では、ソフトスタートを行わず、効率の低い余分な動作を排除してインバータ回路１５の効率を上昇させることができる。

（実施の形態９）
図１０は、本発明の実施の形態９における誘導加熱装置を示すものである。

実施の形態８と異なる点は、加熱コイル１１と共振コンデンサ１４に加えて、第２の加
熱コイル２１と、第２の共振コンデンサ２２と、電気の伝達する経路を切り換えるリレー２３を備え、リレー２３により加熱コイル１１と２１を切り換え、加熱する負荷を切り換えるようにしたことである。他は実施の形態８と同様である。

これにより、複数の負荷を同一のスイッチング素子１２で加熱することができるため、インバータ回路１５を構成する部品点数を減少して安価な誘導加熱装置をつくることができる。

さらに、負荷に供給する電力は、スイッチング素子１２の駆動周波数を変化して調節するようにしたことにより、任意の電力を負荷に供給することができる。

以上のように、本発明にかかる誘導加熱装置は、最適な起動時の電力値でインバータ回路を動作させ、インバータ回路の効率を上昇させることができるので、全てのインバータ機器に適用することができ、インバータのオンオフ動作を繰り返す装置に関しては特に有効である。そのため、ＩＨクッキングヒーターのような家電民生用品のみならず、業務用品を含め全ての誘導加熱装置に適用可能である。

本発明の実施の形態１における誘導加熱装置を示す回路図同誘導加熱装置における時間に対する出力電力の関係を示す図本発明の実施の形態２における誘導加熱装置を示す回路図本発明の実施の形態３における誘導加熱装置の時間に対する出力電力の関係を示す図本発明の実施の形態４における誘導加熱装置を示す回路図本発明の実施の形態５における誘導加熱装置の時間に対する出力電力の関係を示す図本発明の実施の形態６における誘導加熱装置の時間に対する出力電力の関係を示す図本発明の実施の形態７における誘導加熱装置の時間に対する出力電力の関係を示す図本発明の実施の形態８における誘導加熱装置の時間に対する出力電力の関係を示す図本発明の実施の形態９における誘導加熱装置を示す回路図

１１加熱コイル
１２スイッチング素子
１３逆導通素子
１４共振コンデンサ
１５インバータ回路
１６電源
１７駆動制御手段
１８ソフトスタート手段
１９不適正負荷検出手段
２０負荷監視手段
２１第２の加熱コイル
２２第２の共振コンデンサ
２３リレー

Claims

負荷と磁気結合することによりエネルギーを伝達する加熱コイルと、前記加熱コイルに供給する電力を制御するスイッチング素子と、前記スイッチング素子と並列に接続される逆導通素子と、前記加熱コイルと共振回路を形成する共振コンデンサとを有するインバータ回路と、前記インバータ回路に電力を供給する電源と、前記スイッチング素子を導通制御する駆動制御手段と、不適正負荷を検出する不適正負荷検出手段とを備え、前記駆動制御手段は、起動時の出力電力を所望の電力値まで変化させるソフトスタート手段を有し、前記ソフトスタート手段の起動時の電力値として複数の所定値を有するとともに、前記インバータ回路の動作と停止を断続して行う場合、二回目以降のソフトスタート手段の初期電力値を一回目の初期電力値よりも大きくし、前記不適正負荷検出手段が不適正負荷を検出した場合、インバータ回路の動作を停止し、インバータ回路の動作が異常停止した直後のインバータ回路の初期電力値をインバータ回路の動作が停止する直前のインバータ回路の電力値より小さくする誘導加熱装置。
前記不適正負荷検出手段は負荷の状態を監視する負荷監視手段を備え、二回目以降の前記インバータ回路の動作において、前記負荷監視手段の出力が変化しない場合、前記インバータ回路の動作が停止した直後の前記インバータ回路の初期電力値は、前記インバータ回路の動作が停止する直前の前記インバータ回路の初期電力値と同値とする請求項１に記載の誘導加熱装置。
前記負荷監視手段の出力により負荷の状態の変化を検出した場合、前記インバータ回路の動作を停止する請求項２に記載の誘導加熱装置。
前記ソフトスタート手段は、起動時の出力電力を所望の電力値まで時定数をもって変化させ、前記インバータ回路の動作と停止を断続して行う場合、二回目以降の前記ソフトスタート手段の時定数は、一回目の時定数よりも小さくした請求項１〜３のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
前記ソフトスタート手段の時定数は、電力値に伴って変化させた請求項４項に記載の誘導加熱装置。
前記ソフトスタート手段は、所望の電力値が一定値より低い場合、動作しないようにした請求項１〜５のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
電気の伝達する経路を切り換えるリレーを備え、前記リレーにより加熱する負荷を切り換えるようにした請求項１〜６のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。
負荷に供給する電力は、前記スイッチング素子の駆動周波数を変化して調節するようにした請求項１〜７のいずれか１項に記載の誘導加熱装置。