JP5084785B2

JP5084785B2 - 加熱調理器

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Publication number: JP5084785B2
Application number: JP2009132485A
Authority: JP
Inventors: 滋之永田; 彰森井; 広康私市; 博史山崎; 昭彦小林; 庄太神谷
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-06-01
Filing date: 2009-06-01
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2029-06-01
Also published as: JP2010277976A

Description

本発明は、赤外線センサを備えた加熱調理器に関し、特に赤外線センサによる温度測定の際の放射率の補正に関する。

従来、加熱調理器においては、鍋温度を検知するための技術として、（ａ）天板下のサーミスタを用いたもの（例えば特許文献１参照）、（ｂ）天板下に設置された赤外線センサを用いたものがある。

特許第４１９８０７４号公報（図３）

上記の（ａ）の場合には、検知した天板の温度を利用して推定するため、鍋内容物→鍋→天板を伝導する熱を検知した結果のものであり、必然的に時間遅れが大きく、また天板の熱容量の大きさからも温度勾配を敏感に検知することができない。このため、温度検知としては非常に難しいか、出来ても時間遅れが大きいという課題がある。一方、上記の（ｂ）の場合には、鍋とセンサとの間に赤外線を吸収するガラス天板が用いられていることから、必然的に赤外線の大部分は吸収され、特に１００℃近辺の領域では赤外線センサの温度検知が困難であった。

また、サーモパイル赤外線センサを用いて鍋側面から赤外線量を検知して温度換算する方式のものもあるが、この方式においては放射率の補正が必要である。放射率は被加熱物の表面状態によって大きく異なり、正確な補正をすることが困難であった。この方式は、鍋側面を直接検知できるため、上記（ａ）、（ｂ）と比較して温度を敏感に検知できるという点で優れているが、加熱条件の変化（鍋表面状態・鍋Ｒ・鍋設置位置・内容物量など）に対しては、上記（ａ）、（ｂ）と同様に、補正の際の誤差要因となる、という課題があった。

本発明は、上記の課題を解決するためになされたものであり、加熱条件によらず、被測定対象物の温度を高精度に測定することを可能にした加熱調理器を提供することを目的とする。

本発明に係る加熱調理器は、高周波電流が供給される加熱コイル、及び被加熱物を加熱コイルに接触させず、かつ前記加熱コイルの鉛直上に設置された天板を備え、加熱容器及び該加熱容器に投入され液体を含む被加熱物を加熱する加熱装置と、検知視野に、前記加熱容器の底面と、被加熱物が載置される天板との接触部を含むとともに、前記加熱容器の側面を含むように設置され、前記加熱容器の赤外線放射量を検知するサーモパイル式の赤外線センサと、前記赤外線センサにより検知された赤外線検知量を温度に換算する温度換算式であって、温度換算式定数の一部に放射率を含む温度換算式が格納された記憶装置と、前記温度換算式に基づいて検知温度を計算するとともに、該検知温度に基づき加熱装置への入力電力を制御する制御装置とを備え、前記制御装置は、前記加熱容器又は前記被加熱物の温度既知条件である液体の沸騰状態を経由するまでは事前に設定された放射率の温度換算式に前記赤外線センサの出力の最大値を適用して温度を検知し、前記温度既知条件下において、前記温度既知条件下の既知温度と、前記赤外線センサの出力の最大値とに基づいて前記温度換算式の放射率を修正し、前記温度換算式の放射率を修正した後は、前記赤外線センサの出力の内、前記加熱容器の側面に対応する出力を前記修正された放射率の温度換算式に適用して前記加熱容器又は前記被加熱物の温度を検知するとともに、入力を制御するものである。

本発明によれば、加熱容器又は被加熱物の温度既知条件下において、記憶装置の温度換算式を既知温度と合致させるようにしたので、加熱条件によらず、加熱容器又は被加熱物の温度を高精度に測定することを可能になっている。また、赤外線センサが加熱容器の温度を直接測定するので、低温から高温まで広範囲に温度測定が可能になっている。

本発明の実施の形態１に係る加熱調理器の斜視図である。図１の誘導加熱調理器の制御ブロック図である。赤外線センサによるセンサ検知領域の側面図である。赤外線センサによるセンサ検知領域の斜視図である。図２の制御手段の処理を示すフローチャートである。図５の温度維持工程の処理を示すフローチャートである。加熱時の温度推移を示したフローチャート（その１）である。加熱時の温度推移を示したフローチャート（その２）である。加熱時の温度推移を示したフローチャート（その３）である。

実施の形態１．
図１は本発明の実施の形態１に係る誘導加熱調理器の斜視図である。
図１の誘導加熱調理器１００は、上部が開口した調理器本体１１、調理器本体１１の上部に設けられた天板枠１２、天板枠１２に取り付けられた天板１３、調理器本体１１の正面側に設けられたグリル部１４を備えている。天板枠１２の内、奥側には吸・排気部１５が設けられており、手前側には操作部１６が設けられている。操作部１６は、ユーザーに操作され、誘導加熱調理器１００の火力や温度等を設定する。吸・排気部１５の両側には赤外線センサ１７がそれぞれ取り付けられている。この赤外線センサ１７は、鍋の側面を検知するべく視野が鍋設置位置の略中央に向けられている。また、天板１３の手前側には表示部１８が設けられている。表示部１８は、操作部１６による入力情報や被加熱物の加熱状態等の運転状況を表示する。

図２は、図１の誘導加熱調理器の制御ブロック図である。
図１の天板１３の下方には、加熱コイル２１が配置されており、この加熱コイル２１にはインバータ２２から高周波電流が供給される。天板１３の下面にはサーミスタ２３が取り付けられており、この出力は、上記の赤外線センサ１７の出力とともに制御手段２４に供給される。制御手段２４は、例えばマイコンから構成されており、後述の各種の演算処理をする。この制御手段２４には、記憶装置２５、計時手段２６、操作部１６及び表示部１８が接続されている。記憶装置２５には、例えば、後述の放射率を関数に含む温度換算式等が格納されている。なお、加熱コイル２１は、天板１３の下方に配置されているが、その鉛直上に例えば鍋（加熱容器）３１が載置されるように構成されており、鍋３１には液体を含む被加熱物（被調理物）３２が投入される。なお、上記の加熱コイル２１、インバータ２２及び天板１３は、本発明の加熱装置を構成している。

図３及び図４は、赤外線センサ１７によるセンサ検知領域の側面図及び斜視図である。
赤外線センサ１７は、物体の赤外線量を検知するものであり、縦方向に隣接した複数箇所を検知できる複数素子からなる非接触赤外線温度検出手段（1×8方式：サーモパイル式赤外線センサ）から構成されている。この赤外線センサ１７の素子１〜素子８は、図３及び図４に示されるように、天板１３上において鍋載置枠３３の周辺を視野に持つように配置されている。したがって、鍋３１が多少位置ずれして置かれた状態においても、いずれかの素子は必ず鍋底や鍋肌を検知できるような位置関係になっている。

赤外線センサ１７によって鍋側面の温度を検知した場合には、通常、最も高い温度を返すのは鍋底と天板１３が接している部分である。これは鍋３１と天板１３との間で赤外線の多重反射が起こり、結果として赤外線センサ１７側に放射される赤外線量が大きくなることに由来する。図３の例では素子５が最も高い温度を示す（すなわち信号として大きく取れるため、温度判定がしやすい）とともに、水位の影響を受けずに温度変化を読み取れる利点がある。このように通常は素子5（鍋底と天板１３の接触部）がMAX温度を示すが、鍋３１の設置位置により、最高温度を示す素子がずれる可能性がある。その際には、8素子中の最大温度を示す素子を採用すれば、自動的にそれは鍋底端部の温度を意味する。このようにMAX温度を常に採用することで、鍋３１がいずれにおかれても、鍋底と天板１３の接触部を検知することが可能となり、ひいては検知温度が大きいデータを参照することが可能となるため、精度のよい沸騰判定が可能となる。

赤外線センサ１７によって検知される温度は、ステファンボルツマンの法則により、以下の計算値として示され、周囲温度Ｔａと対象物の放射率εによる補正が必要となる。通常、赤外線センサ１７内には視野温度とは別に周囲温度（Ta）を検知する素子が内蔵されているため、事実上、放射率εの補正が重要となる。

温度計測の対象となる鍋３１に関してはその表面状態は多様であり、例えば鏡面状態の鍋（一例としてＳＵＳ製鍋）は放射率は０．２〜０．４程度、非鏡面状態の鍋（一例としてホーロー鍋）は０．６〜０．８程度の放射率を示す。放射率の設定を間違うとそのままその鍋の外表面の温度を誤検知する結果となるため、放射率の推定は赤外線センサ１７による温度推定において非常に重要な要素である。

実装上の課題として、たとえ赤外線センサ１７の複眼すべての検知温度を情報として用いたとしても、赤外線センサ１７のみで鍋の放射率を正確に推定するのは難しい。具体的には、上記に掲げた鍋表面の放射率の違いや、内容物量、鍋の形状（底面のＲ）、鍋とコイルの位置関係（電磁誘導の影響の強さの影響）などの影響によるもので、或る程度の誤差範囲を許容しての推定は可能であるが、本実施の形態においては、より精度を高めるに「既知温度条件」を参照して放射率を補正する。

上記「既知温度条件」とは一例を挙げれば沸騰状態であり、沸騰状態＝１００℃となるように上記の式中の放射率を補正することで、正確な温度検知が可能となる。
また、特定条件下であれば沸騰でなくとも、天板１３下に設置されたサーミスタ２３等により、「既知である温度」が特定できる場合があるため、その場合には特定できた条件をもとに放射率εを補正する。特定条件下の一例として、「鍋種・入力・内容物量・鍋設置位置が一定であり、かつ入力が小さく長時間続く場合（長時間調理物を煮込む場合）」などがその例である。

本実施の形態は、放射率εを上記の知見に基づいて自動的に補正するようにしており、その処理を図５及び図６のフローチャートに基づいて説明する。なお、ここでは「既知温度条件」として、沸騰状態＝１００℃を例に説明する。

まず、図５は、図２の制御手段の処理を示すフローチャートであり、同図に基づいて説明する。
ここでは、被加熱物３２が鍋３１に投入され、鍋３１が鍋載置枠３３内に載置された状態で操作部１６が操作され、調理が開始された段階から説明する。
（Ｓ１１）
制御手段２４は、赤外線センサ１７からの信号を取り込んで、その内の一番高い温度をセンサ検知温度Ｔｓとして取り込む。
（Ｓ１２）
制御手段２４は、赤外線センサ１７からの信号の内、所定の信号をセンサ雰囲気温度Ｔａとして取り込む。
（Ｓ１３）
制御手段２４は、既知温度検知フラグＦがセットされているか否かを判断する。初期の段階では、既知温度検知フラグＦがセットされていないので、次の処理（Ｓ１４）に移行する。
（Ｓ１４）
制御手段２４は、既知温度状態であるか否かを判断する。例えば一例として沸騰状態を検知したか否かを判断する。初期段階では、沸騰状態にはならないので、次の処理（Ｓ１５）に移行する。なお、沸騰状態であるか否かの判断は、赤外線センサ１７の検知温度の勾配、天板１３の下面に配置されたサーミスタ２３の温度、天板１３の振動検知（沸騰による振動）等によって行う。
（Ｓ１５）
制御手段２４は、予め設定されている仮放射率εを放射率εとして設定する。
（Ｓ１９）
制御手段２４は、上記の温度Ｔｓ、Ｔａ、放射率εを上記の（１）式に代入して、対象物の温度を求める。
（Ｓ２０）
制御手段２４は、温度維持工程に移行する。この温度維持工程の詳細は図６に基づいて説明する。

図６は、温度維持工程の詳細を示したフローチャートである。この温度維持工程においては、検知温度が目標温度の±５℃の状態を設定時間維持するように制御する。なお、最初の目標温度は１００℃に設定される。
（Ｓ３１、Ｓ３１ａ）
制御手段２４は、計時手段２６をスタートさせる（Ｓ３１）。
制御手段２４は、対象物の温度を検知する（Ｓ３１ａ）。制御手段２４は、この温度検知に際しては、赤外線センサ１７から温度Ｔｓ・Ｔａを取り込んで、温度Ｔｓ・Ｔａを仮放射率εとともに、上記の（１）式に代入して対象物の温度を求める。
（Ｓ３２、Ｓ３３）
制御手段２４は、検知温度＞目標温度＋５℃であるか否かを判断し（Ｓ３２）、検知温度＞目標温度＋５℃が成立している場合には加熱コイル２１（加熱装置）をオフにし（Ｓ３３）、処理（Ｓ３１ａ）に戻る。
（Ｓ３４、Ｓ３５）
制御手段２４は、検知温度＞目標温度＋５℃が成立していない場合には、検知温度＞目標温度−５℃であるか否かを判断し（Ｓ３４）、検知温度＞目標温度−５℃が成立している場合には加熱コイル２１（加熱装置）をオンにし（又はオン状態を維持する）（Ｓ３５）、処理（Ｓ３１ａ）に戻る。
（Ｓ３６）
制御手段２４は、検知温度＞目標温度−５℃が成立していない場合には、計時手段２６による計測時間（経過時間）が、経過時間≧設定時間、であるか否かを判断し、経過時間≧設定時間が成立していない場合には上記の処理（Ｓ３１ａ）に移行し、経過時間≧設定時間が成立している場合には、温度維持工程を終了し、図５の処理（Ｓ２１）に移行する。
なお、この温度維持工程において目標温度を１００℃に設定すると、１００±５℃の状態が設定時間維持されることになる（但し、この段階では、その検知温度は仮放射率εに基づいて温度制御がなされているのでその精度は高くない。）

ここで、図５に戻ってその説明を続ける。
（Ｓ２１）
制御手段２４は、温度維持工程を終了すると、次に、運転終了であるか否かを判断する。この判断においては、例えば、目標温度到達、目標運転時間、目標温度維持時間等に基づいてなされるが、最初の温度維持工程は放射率εを求めるための工程であり、この段階では終了しない。
（Ｓ１１〜Ｓ１４、Ｓ１６、Ｓ１７）
制御手段２４は、上記の処理（Ｓ１１）〜（Ｓ１４）をするが、この段階では、仮に、既知温度（一例として沸騰温度１００℃）が上記の基準に基づいて得られたと判断したならば、処理（Ｓ１６）及び（Ｓ１７）に移行し、既知温度を上記の式のＴｏｂｊとして設定し、Ｔｏｂｊ、Ｔｓ、Ｔａに基づいて放射率εを次の（２）式により求める。ここでは、沸騰時＝１００℃として、εを逆算して求めている。赤外線センサ１７の温度検知の限界として、鍋外表面の温度を検知することしかできないが、本方式はあくまで「内容物＝１００℃」として推定できるため、鍋外表面温度が鍋内容物温度と乖離しているような場合でも、εの逆算、ひいては温度精度の向上が可能となる。

（Ｓ１８）
制御手段２４は、上記にて既知温度を検知しているので、既知温度検知フラグＦをセットする。
（Ｓ１９、Ｓ２０、Ｓ２１）
制御手段２４は、温度Ｔｓ、Ｔａ、放射率εに基づいて対象物温度Ｔｏｂｊを求め（Ｓ１９）、温度維持工程に移行し（Ｓ２０）、運転終了の条件が成立しない限り（Ｓ２１）、上記の処理（Ｓ１１）、（Ｓ１２）、（Ｓ１３）、（Ｓ１９）、（Ｓ２０）を繰り返す。なお、２度目以降の温度維持工程は、その調理目的の目標温度（後述の図７〜図９の例では７０℃）に設定される。

図７、図８及び図９は、加熱時の温度推移を示したタイミングチャートである。
図７は非鏡面鍋で、水量大の場合であり、沸騰後に７０℃に制御している。沸騰を検知した時点で放射率を補正し、その補正後の放射率（ε＝０．３９０）を用いて水温を検知している。
図８は、鏡面鍋で、水量大の場合であり、沸騰後に７０℃に制御している。沸騰を検知した時点で放射率を補正し、その補正後の放射率（ε＝０．０８５）を用いて水温を検知している。
図９は、鏡面鍋で、水量小の場合であり、沸騰後に７０℃に制御している。沸騰を検知した時点で放射率を補正し、その補正後の放射率（ε＝０．０７７）を用いて水温を検知している。

図７〜図９に示されるように、温度既知条件に至るまでは正確なεは判断できないため、事前に仮設定したε（或いは各素子の温度から推定するε）を適用しているため、初期段階においては、検知温度と実際の水温とが一致していない。しかし、沸騰時に算出された放射率εを温度補正式に適用すれば、高い精度で温度検知が可能となる。以後は、このεを参照することで、温度制御をかけていくことで、鍋内容物の温度を一定に保つ制御が可能となる。

以上のように本実施の形態においては、沸騰時=100℃としてεを逆算しており、赤外線センサ１７の温度検知の限界として、鍋外表面の温度しか検知することしかできないが、内容物（被加熱物）=100℃として推定できるため、鍋外表面温度が鍋内容物温度と乖離しているような場合であっても、放射率εを高精度に逆算することが可能になっており、ひいては温度精度に検知することが可能になっている。

ところで、上記の説明においては、温度既知条件として最も典型的な事例である沸騰の場合について説明したが、例えば特定鍋（製品同梱鍋）・特定内容物/量（添付レシピ通りの料理）などの条件を限定しつつ、長時間低入力の煮込み料理などに適用した場合にはその温度を特定することができる。そのような場合には、天板１３の下面に設置されたサーミスタ２３の検知温度を利用することができる。例えば一定入力で長時間（例えば２時間）煮込むような料理については、天板１３にも十分に熱伝導するため、天板１３の温度を検知するサーミスタ２３で十分に鍋温度を代表させることができる。
なお、サーミスタ２３による検知温度を温度既知条件として利用する場合には、上記の他に、例えば次のような処理によって放射率εを求めるようにしてもよい。
（ａ）所定の或る程度低い温度を目標値とし、サーミスタ２３で所定の時間一定制御し、そのときの温度を既知温度して放射率εを求める。
（ｂ）鍋３１が置かれたときに、天板１３の温度が大きく変化しない場合には、変化が落ち着いた時点での天板１３の温度を既知温度として放射率εを求める。この鍋３１が置かれたときの放射率εを仮εとし（図５のＳ１５参照）、その後の加熱過程により正確な放射率εを求める。

また、温度既知条件の決定方法においても上記の例に限定されるものではなく、例えば鍋３１内に本体に接続した温度検知装置を一時的に投入して温度検知をするようにしてもよい。

また、上記の説明においては、赤外線センサ１７により鍋底端部の温度を検知する例について説明したが、本発明はそれに限定されるものではない。例えば、電磁誘導で加熱される鍋外表面は、鍋のＲ（アール）が大きかったり、鍋が加熱コイル２１に対してずれた位置に置かれた場合には実際値より高い温度を示す場合がある。そこで、鍋側面（例えば素子１〜4）の温度を参照すると、比較的電磁誘導の影響を受けず水の温度とよくリンクした温度が検出可能となる。

但し、水量が小さい場合などは素子１、２あたりでは空の状態になっている場合があり、水温とリンクしない検知温度を検出する場合があるため、好ましくは鍋側面でも下側（素子3、 4）を利用する。この際プログラム運用上は「MAX温度素子より1個上の素子温度を沸騰判定に利用する」としておいてもよい。

また、上記の説明においては、加熱調理器として誘導加熱調理器の例について説明したが、本発明の加熱調理器はそれに限定されるものではなく、ラジエントヒーター等他の加熱装置を用いたものにも適用される。

１１調理器本体、１２天板枠、１３天板、１４グリル部、１５吸・排気部、１６操作部、１７赤外線センサ、１８表示部、２１加熱コイル、２２インバータ、２３サーミスタ、２４制御手段、２５記憶装置、２６計時手段、３１鍋、３２被加熱物、３３鍋載置枠。

Claims

高周波電流が供給される加熱コイル、及び被加熱物を加熱コイルに接触させず、かつ前記加熱コイルの鉛直上に設置された天板を備え、加熱容器及び該加熱容器に投入され液体を含む被加熱物を加熱する加熱装置と、
検知視野に、前記加熱容器の底面と、被加熱物が載置される天板との接触部を含むとともに、前記加熱容器の側面を含むように設置され、前記加熱容器の赤外線放射量を検知するサーモパイル式の赤外線センサと、
前記赤外線センサにより検知された赤外線検知量を温度に換算する温度換算式であって、温度換算式定数の一部に放射率を含む温度換算式が格納された記憶装置と、
前記温度換算式に基づいて検知温度を計算するとともに、該検知温度に基づき加熱装置への入力電力を制御する制御装置と、
を備え、
前記制御装置は、
前記加熱容器又は前記被加熱物の温度既知条件である液体の沸騰状態を経由するまでは事前に設定された放射率の温度換算式に前記赤外線センサの出力の最大値を適用して温度を検知し、
前記温度既知条件下において、前記温度既知条件下の既知温度と、前記赤外線センサの出力の最大値とに基づいて前記温度換算式の放射率を修正し、
前記温度換算式の放射率を修正した後は、前記赤外線センサの出力の内、前記加熱容器の側面に対応する出力を前記修正された放射率の温度換算式に適用して前記加熱容器又は前記被加熱物の温度を検知するとともに、入力を制御することを特徴とする加熱調理器。
前記加熱容器の載置部に設けられ、前記載置部の温度を計測するサーミスタを備え、
前記制御装置は、前記サーミスタにより計測された温度に基づいて沸騰状態を検知することを特徴とする請求項１に記載の加熱調理器。
前記制御装置は、前記検知温度の勾配に基づいて沸騰状態を検知することを特徴とする請求項１に記載の加熱調理器。