JP5887234B2 - 誘導加熱調理器 - Google Patents

Description

本発明は、インバータ方式の誘導加熱調理器に関するものである。

誘導加熱調理器は、インバータから加熱コイルに高周波電流を流し、コイルに近接して配置された金属製の被加熱物に渦電流を発生させ、被加熱物自体の電気抵抗により発熱させる。火を使わないため安全性が高く、被加熱物の温度制御が容易にできることから使い勝手は良い。また、キッチン内の空気を暖めないことから、高気密住宅に適した調理器として認知されている。

誘導加熱調理器には魚やピザなどを焼くオーブンを搭載したものが一般的である。オーブンは、調理を行った際に臭いや油煙が発生する問題があり、特許文献１に開示されるように、調理器内に臭いや油煙を脱臭する触媒を設け、触媒を通過する油煙を強制的に本体外に排出するための吸引ファンを設けている。

キッチンは、細菌やカビ等の微生物が発生する栄養、水分、温度といった３条件がそろっているため、オーブン調理以外にも空気が汚染される可能性があり、

特開２００５−２０３２０３号公報

特許文献１に開示された従来技術において、脱臭機能を高めるには触媒の量を増やす必要がある。また、触媒の活性化を高めるにはヒータを用いて加熱し高温状態にする必要があるため、触媒が増えた場合には、ヒータの熱量も増やす必要がある。これらにより、オーブン庫内の空間が狭くなる問題がある。

本発明は、オーブン庫内を狭くせず性能に影響を与えることなく脱臭機能を高めた誘導加熱調理器を提供することである。また、オーブンを搭載しないものにおいても、キッチン内の空気を清浄できる誘導加熱調理器を提供することである。

前述の課題は、直流電源と、該直流電源からの直流電圧を交流電圧に変換するインバー
タを具備する電磁誘導加熱装置であって、前記インバータは、被加熱物を誘導加熱する加
熱コイルと、プラズマを生成するプラズマ生成部と、２個のスイッチング素子を直列接続した第一の上下アームと、２個のスイッチング素子を直列接続した第二の上下アームと、該第一の上下アームと第二の上下アームの出力端子間に接続された、前記加熱コイルと第二の共振コンデンサの直列回路と、前記第一の上下アームの出力端子と前記直流電源の電極との間に接続された、前記プラズマ生成部とインダクタとスイッチ手段の直列回路と、を備えた誘導加熱調理器によって解決できる。

本発明によれば、誘導加熱用インバータの一部を兼用しプラズマ生成機能を付加した誘導加熱調理器を提供することができる。

実施例１の誘導加熱調理器の回路構成図。 実施例１の誘導加熱調理器をシステムキッチンに収納した一形態を示す斜視図。 実施例１の誘導加熱調理器のオーブン部の断面図。 実施例１の誘導加熱調理器をシステムキッチンに収納した一形態を示す斜視図。 実施例１の誘導加熱調理器の基板搭載部の断面図。 実施例２の誘導加熱調理器の動作説明図。 実施例２の誘導加熱調理器の動作説明図。 実施例２の誘導加熱調理器の動作説明図。 実施例３の誘導加熱調理器の回路構成図。 実施例３の誘導加熱調理器の動作説明図。 実施例３の誘導加熱調理器の動作説明図。 実施例３の誘導加熱調理器の動作説明図。 実施例４の誘導加熱調理器の回路構成図。 実施例５の誘導加熱調理器の回路構成図。

以下に、図面を参照して、本発明の望ましい実施例を説明する。

図２は本実施例の誘導加熱調理器の一例を示している。図２に示されている調理器は、トッププレート８０の上に左鍋置部８１、右鍋置部８２、中央鍋置部８３を備え、システムキッチン３００に設置可能なビルトイン型の誘導加熱調理器である。

トッププレート８０には上面表示部８４、上面操作部８５が配置され、上面操作部８５はガラス製のトッププレート８０を指でタッチするだけで操作できるようになっている。そのため、トッププレート８０には凹凸が無く容易に清掃ができ清潔に保つことが可能である。ここに示す調理器には魚やピザを焼くオーブン８６を搭載しており、オーブン８６の隣にはカンガルーポケット式のオーブン操作部８７を備えている。加熱コイル１１やオーブン８６等を駆動する回路はオーブン操作部８７の後方で右鍋置部８２の下方に内蔵され、回路を冷却した空気はトッププレート８０後方にある排気口８８から本体外に排出される。また、オーブン庫内９０で発生した臭いや油煙も後述する触媒を通過した後、排気口８８から本体外に排出される。

図３は、図２の誘導加熱調理器のオーブン８６の断面図を示している。オーブン庫内９０には、上ヒータ９１と下ヒータ９２を備え、受皿９３の上に焼網９４を置いて調理物２００を焼く。オーブン８６には調理物２００を焼いたときに発生する臭いや煙を浄化する空気浄化用触媒９５が設けられている。前述のように触媒は高温状態にすることでその性能が高まるため、オーブン庫内９０には触媒ヒータ９６が配置されている。モータ１５０を駆動し排気ファン１５１を回転させると、ドア８９の下に設けられた吸気口１００から受皿９３の下を介して空気が流入し、調理物２００から発生した臭いや煙は空気浄化用触媒９５を通過した後、空気流路９７を通って排気口８８から外部に排出される。尚、モータ１５０は、排気ファン１５１の反対に設けられた自冷ファン１５２により吸気口１０１から空気を吸い込み冷却される。ここで、空気流路９７には後述するプラズマ生成部７０が配置されており、空気浄化用触媒９５だけでは除去し切れなかった有害成分を除去し、強制的に排気口８８から排気される。

図４は本実施例の誘導加熱調理器の他の例を示している。図２と異なる点は、オーブン８６を搭載していない点である。また、トッププレート８０の後方にキッチン内の空気を取り込む吸気口１０２を備えている点である。

図５は、図４の誘導加熱調理器の基板搭載部の断面図を示している。筐体内１７０には、半導体部品１６１や電子部品１６３を搭載した基板１６０が配置され、半導体部品１６１にはヒートシンク１６２が取り付けられている。冷却ファン１６４は吸気口１０３から空気を取り入れ、ヒートシンク１６２、電子部品１６３を冷やした後、空気流路９７を通って排気口８８から本体外に排気される。尚、ファン１６４を回すことにより、図４の吸気口１０２からも空気が取り込まれる。ここで、空気流路９７にプラズマ生成部７０が配置されており、筐体内１７０に取り込まれた空気は有害成分が除去された後、強制的に排気口８８から本体外に排出される。これにより、キッチン内の空気はプラズマ生成部７０を介して循環することが可能となり、キッチン内の空気を清浄できる。

図１は、図２または図４で説明した実施例１の誘導加熱調理器の回路構成図であり、鍋載置部８１〜８３に載置された被加熱物（例えば、調理鍋）が加熱コイル１１と磁気結合し被加熱物（調理鍋）に電力が供給されることで、被加熱物（調理鍋）が誘導加熱される。図１において、直流電源１の正電極と負電極間には、パワー半導体で構成されたスイッチング素子５ａと５ｂが直列に接続された第一の上下アーム３が接続されている。スイッチング素子５ａ、５ｂにはそれぞれダイオード６ａ、６ｂが逆方向に並列接続されている。また、スイッチング素子５ａ、５ｂにはそれぞれスナバコンデンサ７ａ、７ｂが並列に接続されている。第一の上下アーム３の出力端子には加熱コイル１１の一端が接続されており、加熱コイル１１の他端と直流電源１の負電極間にはリレー１８を介して第一の共振コンデンサ１２が接続され第一の共振負荷回路５０を構成している。なお、加熱コイル１１と第一の共振コンデンサ１２の直列回路を第一の上下アーム３の出力端子と直流電源１の負電極との間に設けたが、第一の上下アーム３の出力端子と直流電源１の正電極との間に設けても良い。この構成は電流共振型の変形ハーフブリッジ方式インバータとなる。

第一の上下アーム３の出力端子にはインダクタ２２の一端が接続されており、インダクタ２２の他端と直流電源１の負電極間にはリレー１９を介してプラズマ生成部７０が接続されている。本実施例において、プラズマ生成部７０は、電極７１と７３で誘電体７２を挟み込んだ誘電体バリア放電タイプを用いており、誘電体７２を含む電極７１、７３はキャパシタとみなせるため、交流電圧を印加することで絶縁破壊による放電を維持し、電極間の広い範囲を電離できる。インダクタ２２とプラズマ生成部７０のキャパシタ成分は直列共振回路を構成するため、前述と同様に電流共振型のハーフブリッジ方式インバータとなり、リレー１９をオン状態にし、第一の上下アーム３のスイッチング素子５ａ、５ｂを相補にオンオフすることによって、プラズマ生成部７０に容易に高周波の高電圧を印加することが可能である。

本実施例は、第一の上下アーム３と第一の共振負荷回路５０から構成される誘導加熱用インバータにプラズマ生成部７０を接続した構成であり、第一の上下アーム３を兼用したことによって最小限の追加部品でプラズマ生成機能を付加することできる。

また、プラズマ生成部７０を排気口８８の近傍に設けることで、清浄な空気をキッチンに排気することができる。

図６は、実施例２の誘導加熱調理器の回路構成図である。実施例１の図１と同一部分については同一符号を付しており説明は省略する。

図６において、図１と異なる点は、直流電源１の正電極と負電極間に、パワー半導体スイッチング素子５ｃと５ｄが直列に接続された第二の上下アーム４が接続され、第一の上下アーム３と第二の上下アーム４の出力端子間に、直列接続された加熱コイル１１と第二の共振コンデンサ１３からなる第二の共振負荷回路６０が接続されている点である。スイッチング素子５ｃ、５ｄにはそれぞれダイオード６ｃ、６ｄが逆方向に並列接続されている。また、スイッチング素子５ｃ、５ｄにはそれぞれスナバコンデンサ７ｃ、７ｄが並列に接続されている。

ここで、加熱コイル１１と被加熱物（図示せず）は磁気的に結合するため、被加熱物を加熱コイル１１側からみた等価回路に変換すると、被加熱物の等価抵抗と等価インダクタンスが直列に接続された構成になる。等価抵抗及び等価インダクタンスは、被加熱物の材質によって異なり、非磁性体で低抵抗の銅やアルミの場合は等価抵抗及び等価インダクタンスのどちらも小さくなり、磁性体で高抵抗の鉄の場合はどちらも大きくなる。被加熱物の加熱電力は表皮抵抗と起磁力に比例するため、非磁性体を加熱するには周波数を高め、起磁力を大きくする必要がある。起磁力を大きくする方法としては、電流を増やす方法と加熱コイル１１の巻数を増やす方法があるが、回路の損失は電流の２乗に比例して増加するため、電流を増やすことは得策ではない。そこで、加熱コイル１１の巻数を増やす方法が取られる。しかしながら、磁性体の被加熱物では元々抵抗が大きいため、非磁性体の被加熱物に合わせて巻数を増やした場合は、等価抵抗が大きくなり共振負荷回路には電流が流れ難くなる。本実施例は、フルブリッジ方式のインバータ構成となり出力電圧を高めることができるため、磁性体の被加熱物にも所望の電力を供給することができる。

次に、図７、図８を用いて、動作を説明する。図７、図８は、本実施例における各素子のオンオフ状態を表している。図７において、第一の上下アーム３のスイッチング素子５ａと第二の上下アーム４のスイッチング素子５ｄが同時にオン状態となる期間と、第一の上下アーム３のスイッチング素子５ｂと第二の上下アーム４のスイッチング素子５ｃが同時にオン状態となる期間とを繰り返すことにより、共振負荷回路６０にはスイッチング周波数の交流電圧が印加され、加熱コイル１１には高周波電流が流れ誘導加熱が行なわれる。すなわち、フルブリッジ動作によって誘導加熱が行なわれる。また、リレー１９がオン状態であり、第一の上下アーム３のスイッチング素子５ａ、５ｂの相補駆動によって、プラズマ生成部７０に高周波電圧が印加されるためプラズマが発生する。すなわち、ハーフブリッジ動作によってプラズマ生成が行なわれる。ここで、誘導加熱電力を制御する方法としては、インバータを容易にソフトスイッチング動作できるパルス周波数制御（ＰＦＭ）が一般的であるが、本実施例においては、プラズマの生成を同時に行なうため、第一の上下アーム３と第二の上下アーム４に位相差を設けて駆動する位相シフト制御が望ましい。すなわち、第一の上下アーム３のスイッチング素子５ａと５ｂはデッドタイムを設けてほぼ５０％のオン時間Ｄｕｔｙで駆動することで、プラズマ生成部７０に印加される電圧は誘導加熱電力によらず一定にできる。

次に図８について説明する。図８において、第二の上下アーム４のスイッチング素子５ｃ、５ｄはともにオフ状態であり、共振負荷回路６０には交流電圧が印加されない。そのため、加熱コイル１１には高周波電流は流れず誘導加熱は行なわれない。一方、リレー１９がオン状態であれば、第一の上下アーム３のスイッチング素子５ａ、５ｂの相補駆動によって、プラズマ生成部７０に高周波電圧が印加されるためプラズマが発生する。尚、プラズマの発生量は、第一の上下アーム３のパルス周波数制御やパルス幅制御によって、容易に制御することが可能である。

このように、本実施例は、非磁性体の被加熱物を考慮して加熱コイル１１の巻数を増やした条件においてもインバータをフルブリッジ構成にすることで、磁性体の被加熱物にも所望の電力を供給することが可能である。また、第二の上下アーム４をオフ状態にすれば誘導加熱動作を停止でき、第一の上下アーム３のみを駆動することでプラズマ生成のみを行うことができる。

図９は、実施例３の誘導加熱調理器の回路構成図である。前述の実施例と同一部分については同一符号を付しており説明は省略する。

図９において、直流電源１の正電極と負電極間には、パワー半導体スイッチング素子５ａと５ｂが直列に接続された第一の上下アーム３と、パワー半導体スイッチング素子５ｃと５ｄが直列に接続された第二の上下アーム４が接続されている。スイッチング素子５ａから５ｄにはそれぞれダイオード６ａから６ｄが逆方向に並列接続されている。スイッチング素子５ａから５ｄにはそれぞれスナバコンデンサ７ａから７ｄが並列に接続されている。第一の上下アーム３の出力端子には加熱コイル１１の一端が接続されており、加熱コイル１１の他端と直流電源１の負電極間には第一の共振コンデンサ１２が接続され第一の共振負荷回路５０を構成している。また、加熱コイル１１の他端と第二の上下アームの出力端子間には第二の共振コンデンサ１３とリレー２０の直列回路が接続されている。加熱コイル１１と第一の共振コンデンサ１２及び第二の共振コンデンサ１３により第二の共振負荷回路６０を構成しており、被加熱物の材質や設定火力に応じてリレー２０を切替えることにより、第一の共振負荷回路５０と第二の共振負荷回路６０とを切替えることができる。なお、図９では、加熱コイル１１と第一の共振コンデンサ１２の直列回路を第一の上下アーム３の出力端子と直流電源１の負電極との間に設けたが、第一の上下アーム３の出力端子と直流電源１の正電極との間に設けても良い。第二の上下アーム４の出力端子にはインダクタ２２の一端が接続されており、インダクタ２２の他端と直流電源１の負電極間にはリレー１９を介してプラズマ生成部７０が接続されている。

次に図１０から図１２を用いて動作を説明する。図１０から図１２は、本実施例における各素子のオンオフ状態を表している。被加熱物が鉄の場合は、図１０に示すように、リレー２０をオンし、第一及び第二の上下アームと加熱コイル１１及び第一、第二の共振コンデンサ１２、１３から構成されるフルブリッジ方式のインバータで加熱を行う。前述のように、磁性体で高抵抗の被加熱物は等価抵抗が大きいため共振負荷回路には電流が流れ難い。従って、フルブリッジ方式に切替えることによりインバータの出力電圧をハーフブリッジ方式より２倍に高め所望の出力を得る。鉄の場合は元々抵抗が大きいため、約２０ｋＨｚの周波数で第一、第二の上下アームを駆動する。リレー１９がオン状態であれば、第二の上下アーム４のスイッチング素子５ｃ、５ｄの相補駆動によって、プラズマ生成部７０に高周波電圧が印加されるためプラズマが発生する。すなわち、第二の上下アーム４のハーフブリッジ動作によってプラズマ生成が行なわれる。尚、誘導加熱電力を制御する方法としては、前述と同様に第一の上下アーム３と第二の上下アーム４に位相差を設けて駆動する位相シフト制御が望ましい。ここでは、第二の上下アーム４のスイッチング素子５ｃと５ｄはデッドタイムを設けてほぼ５０％のオン時間Ｄｕｔｙで駆動することで、プラズマ生成部７０に印加される電圧は誘導加熱電力によらず一定にできる。

被加熱物が銅やアルミの場合は、図１１に示すように、リレー２０をオフし、第一の上下アーム３と加熱コイル１１及び第一の共振コンデンサ１２から構成されるハーフブリッジ方式のインバータで加熱を行う。被加熱物の表皮抵抗は周波数の平方根に比例する特徴があり、銅又はアルミなどの低抵抗の被加熱物を加熱する場合には、周波数を高くすることが有効である。従って、第一の上下アーム３を例えば約９０ｋＨｚの周波数で駆動できるように第一の共振コンデンサ１２の容量を設定する。このように第一の共振コンデンサ１２の容量は、約９０ｋＨｚの駆動周波数に合わせて設定するが、第二の共振コンデンサ１３の容量は、約２０ｋＨｚの駆動周波数に合わせて設定する。駆動周波数が大きく異なるため、第二の共振コンデンサ１３の容量は第一の共振コンデンサ１２より十分に大きい値になる。従って、フルブリッジ方式のインバータの共振周波数は、主に第二の共振コンデンサ１３により設定される。

実施例２では、共振コンデンサは固定されており駆動周波数の設定範囲が限られる課題があったが、本実施例ではリレー２０の切替えにより、共振コンデンサの容量も切替えができる。このように、インバータの駆動周波数の設定範囲を広げることができ被加熱物の材質に合わせて最適な周波数で加熱することができる。リレー１９がオン状態であれば、第二の上下アーム４のスイッチング素子５ｃ、５ｄの相補駆動によって、プラズマ生成部７０に高周波電圧が印加されるためプラズマが発生する。すなわち、被加熱物が銅やアルミの場合には、第二の上下アーム４のハーフブリッジ動作によってプラズマ生成が行なわれる。そのため、誘導加熱動作とは独立した周波数で駆動できるので、プラズマ生成に適した周波数で駆動することが可能となる。本実施例では、誘導加熱時の周波数より高い周波数で第二の上下アーム４を駆動している。尚、プラズマの発生量は、第二の上下アーム４のパルス周波数制御やパルス幅制御によって、容易に制御することが可能である。

本実施例において、誘導加熱動作を停止し、プラズマ生成のみを行なう場合は、図１２に示すように、上下アーム３をオフ状態とし、リレー１９をオン状態として、第二の上下アーム４のみをハーフブリッジ動作させれば良い。尚、リレー２０はオフ状態にすることが望ましいがオン状態であっても共振コンデンサ１２、１３の直列容量がスナバコンデンサ７ｄに並列に接続されるだけであり、直列容量がスナバコンデンサ７ｄより十分に小さければ問題にはならない。

図１３は、実施例４の誘導加熱調理器の回路構成図である。実施例１の図１と同一部分については同一符号を付しており説明は省略する。

図１３において、図１と異なる点は、加熱コイル１１と共振コンデンサ１４からなる並列共振負荷回路５１とスイッチング素子５ｂから構成される電圧共振型のインバータを基本構成とし、加熱コイル１１に二次巻線２１を設け、二次巻線２１にリレー１９を介してインダクタ２２とプラズマ生成部７０を接続した点である。本実施例は、インバータ動作によって二次巻線２１に発生した高電圧を有効に利用してプラズマを生成することが可能であるため、追加部品は少なくて済む。

図１４は、実施例５の誘導加熱調理器の回路構成図である。実施例４の図１３と同一部分については同一符号を付しており説明は省略する。

図１４において、図１３と異なる点は、共振コンデンサ１４の両端にリレー１９を介してインダクタ２２とプラズマ生成部７０を接続した点である。本実施例は、インバータ動作によって共振コンデンサ１４に発生した高電圧を有効に利用してプラズマを生成することが可能であるため、追加部品は少なくて済む。

１…直流電源、３、４…上下アーム、５ａ〜５ｄ…スイッチング素子、６ａ〜６ｄ…ダイオード、７ａ〜７ｄ…コンデンサ、１２〜１４…共振コンデンサ、１１…加熱コイル、２２…インダクタ、５０、５１、６０…共振負荷回路、１８〜２０…リレー、７０…プラズマ生成部、７１、７３…電極、７２…誘電体、８０…トッププレート、８１…左鍋置部、８２…右鍋置部、８３…中央鍋置部、８４…上面表示部、８５…上面操作部、８６…オーブン、８７…オーブン操作部、８８…排気口、８９…ドア、９０…オーブン庫内、９１…上ヒータ、９２…下ヒータ、９３…受皿、９４…焼網、９５…空気浄化用触媒、９６…触媒ヒータ、９７…空気流路、１００〜１０３…吸気口、１５０…モータ、１５１…排気ファン、１５２…自冷ファン、１６０…基板、１６１…半導体部品、１６２…ヒートシンク、１６３…電子部品、１６４…冷却ファン、１７０…筐体内、２００…調理物、３００…システムキッチン

Claims (3)

1. 直流電源と、
   該直流電源からの直流電圧を交流電圧に変換するインバータを具備する誘導加熱調理器であって、
   前記インバータは、
   被加熱物を誘導加熱する加熱コイルと、
   プラズマを生成するプラズマ生成部と、
   ２個のスイッチング素子を直列接続した第一の上下アームと、
   ２個のスイッチング素子を直列接続した第二の上下アームと、
   該第一の上下アームと第二の上下アームの出力端子間に接続された、前記加熱コイルと第二の共振コンデンサの直列回路と、
   前記第一の上下アームの出力端子と前記直流電源の電極との間に接続された、前記プラズマ生成部とインダクタとスイッチ手段の直列回路と、
   を備えたことを特徴とする誘導加熱調理器。
2. 直流電源と、
   該直流電源からの直流電圧を交流電圧に変換するインバータを具備する誘導加熱調理器であって、
   前記インバータは、
   被加熱物を誘導加熱する加熱コイルと、
   プラズマを生成するプラズマ生成部と、
   ２個のスイッチング素子を直列接続した第一の上下アームと、
   ２個のスイッチング素子を直列接続した第二の上下アームと、
   該第一の上下アームの出力端子と前記直流電源の電極との間に接続された、被加熱物を誘導加熱する加熱コイルと第一の共振コンデンサの直列回路と、
   前記第一の上下アームと第二の上下アームの出力端子間に接続された、前記加熱コイル
   と第二の共振コンデンサと第一のスイッチ手段の直列回路と、
   前記第二の上下アームの出力端子と前記直流電源の電極との間に接続された、前記プラズマ生成部とインダクタと第二のスイッチ手段の直列回路と、
   を備えたことを特徴とする誘導加熱調理器。
3. 請求項１または２に記載の誘導加熱調理器において、
   前記プラズマ生成部を調理器内の排気口に近い空気流路に配置したことを特徴とする誘導加熱調理器。