JP2008311058A - 誘導加熱調理器 - Google Patents

Abstract

【課題】誘導加熱と抵抗加熱とを行うことができる誘導加熱調理器において、抵抗加熱のための発熱体とその基板との線膨張率の差をできるだけ小さくして、発熱体にクラックが生じたり、剥がれを生じたりすることを極力防止する。
【解決手段】結晶化ガラス製のトッププレート３の下面に、抵抗を有する導体材料と、該導体材料よりも線膨張率の小さいフィラーとの混合材料からなる発熱体１３を焼成した。導体材料は、一般的に線膨張率が大きい。この線膨張率の大なる導体材料に、線膨張率の低いフィラーを混合すると、この混合材料からなる発熱体３の線膨張率は低くなり、導体材料単独の場合よりも、トッププレート３の線膨張率に近づけることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、加熱手段として、誘導加熱コイルの他に、通電されると発熱する発熱体を備えた誘導加熱調理器に関する。

誘導加熱調理器では、アルミや銅などの低透磁率の材料で構成される被加熱調理器具をいかにして加熱するかが課題となっていた。この解決手段として、特許文献１には、誘導加熱コイルによる誘導加熱と、通電されると発熱する発熱体による抵抗加熱とを併用することにより、被加熱調理器具の材質を問わず加熱できるようにすることが提案されている。そして、特許文献２には、この発熱体を、ガラス基板にペースト状の抵抗体を印刷し焼成することによって製造する技術が開示されている。
特許第１７８３６８０号明細書 特開昭６２−３１９８３号公報

発熱体は、その発熱に伴う温度上昇によって膨張する。このとき、特許文献２に示されているようなガラス基板に発熱体を焼成する構成のものでは、発熱体とガラス基板との間に線膨張率に大きな差があると、発熱体に熱応力が生じ、クラックや剥がれを生ずる恐れがある。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、その目的は、誘導加熱と抵抗加熱とを行うことができる誘導加熱調理器において、抵抗加熱のための発熱体と当該発熱体を設ける基板との線膨張率の差をできるだけ小さくして、発熱体にクラックが生じたり、剥がれを生じたりすることを極力防止することができる誘導加熱調理器を提供することにある。

本発明は、無機質材料からなる基板に形成される発熱体を、基板よりも線膨張率が大きく且つ抵抗を有する導体材料と、該導体材料よりも線膨張率の小さいフィラーとの混合材料から形成したことを特徴とする。

導体材料は、一般的に線膨張率が大きい。この線膨張率の大なる導体材料に、線膨張率の低いフィラーを混合すると、この混合物からなる導体材料の線膨張率は小さくなり、導体材料単独の場合に比べ、基板の線膨張率との差が小さくなる。

以下、本発明を実施形態により具体的に説明する。
（第１の実施形態）
図１〜図５は第１の実施形態を示す。図１は、システムキッチンに組み込まれた誘導加熱調理器を示す。この図１に示されているように、調理器本体１は、本体ケース２と、この本体ケース２の上方に配置されたトッププレート３を備えており、このトッププレート３が調理器本体１の上面を構成している。

上記トッププレート３は、例えば２箇所に載置部４，４を有しており、これら載置部４，４に被加熱調理器具を載置するようになっている。本体ケース２上には、トッププレート３の各載置部４，４の下方に位置して支持台５，５が設けられており、この支持台５，５上にコイルベース６，６が取り付けられている。そして、これらコイルベース６，６上には、載置部４，４上に載置された鍋などの被加熱調理器具７（図２参照）を誘導加熱するため誘導加熱コイル８，８が配設されている。なお、コイルベース６，６の下面側には、図２にも示すように、誘導加熱コイル８，８の磁路を形成するためのフェライト９，９が取り付けられている。

一方、本体ケース２の前面には、操作パネル１０と、オーブン室（図示せず）の前面を開閉するオーブン扉１１が設けられており、そのうちの操作パネル１０によって、加熱調理に関する各種の操作を行うことができるようになっている。そして、トッププレート３の下面中、特に前記載置部４，５の中心部の直下位置には、サーミスタなどで構成される温度センサ１２，１２が設けられている。

さて、トッププレート３は、無機質材料、例えば結晶化ガラスによって形成されている。そして、本実施形態では、このトッププレート３の下面側で載置部４，４に対応する部位に発熱体１３，１３が設けられている。これら発熱体１３，１３は、トッププレート３を基板として当該トッププレート３に直接焼成して形成されたもので、通電されるとジュール熱を発生して被加熱調理器具７を抵抗加熱（ヒータ加熱）する。

ここで発熱体１３の形成方法を説明する。まず、発熱体１３を構成する材料は、抵抗を有する導体材料と、この導体材料よりも線膨張率の小さいフィラーとの混合材料からなる。基板としてのトッププレート３の線膨張率は、−４〜−７×１０^−７／℃で、導体材料は線膨張率がトッププレート３よりも大きい。更に、導体材料は、線膨張率がトッププレートよりも大きく、且つフィラーよりも大きい材料であれば良い。また、抵抗を有する導体材料としては、誘電加熱コイル８による誘導加熱時に高周波磁界によって起電力を生じないようにするために、非磁性材料であることが好ましく、例えば酸化ルテニウム（７０〜９０）を用いた。

フィラーとしては、β‐ユークリプタイト（−４０）、乾式シリカ（５）、チタン酸アルミニウム（１４）、β‐スポジュメン（１９）、コージェライト（２５）、セルシアン（３４）、ジルコン（４１）、リン酸ジルコニル（８〜１３）、リン酸タングステン酸ジルコニウム（−２６）などが使用される。なお、()内の数値は、通常の使用温度における線膨張率（単位；１０^−７／℃）である。

本実施形態では、発熱体１３の線膨張率をできるだけ結晶化ガラスの線膨張率に近づけるため、および誘導加熱コイルによる高周波磁界によってき発熱体１３が起電力を生じないようにするために、フィラーには、マイナスの線膨張率を有するβ‐ユークリプタイト、リン酸タングステン酸ジルコニウムを用いた。これにより、導体材料である酸化ルテニウムの線膨張率が７０〜９０×１０^−７／℃であっても、フィラーを混合することにより、発熱体１３の線膨張率をトッププレート３のそれに極力近づけることができる。このうち、非磁性体のフィラーを用いることが好ましい。

発熱体１３をトッププレート３の下面に形成するには、まず、導体材料である酸化ルテニウム粉末と、フィラーであるβ‐ユークリプタイト粉末および／またはリン酸タングステン酸ジルコニウム粉末とを混合し、この混合粉末にガラスフリット、有機溶剤などを添加して均質に混合しペースト状に調製する。そして、このペースト状混合材料をスクリーン印刷によってトッププレート３の下面の２箇所に塗布し、焼成する。これにより、発熱体１３，１３がトッププレート３の下面に一体化された状態に形成される。

この実施形態での発熱体１３は、図３に示すように、反時計回りに円弧を描くと、その円弧端で折り返されて今度は時計回りに円弧を描き、再びその円弧端で折り返されてまた反時計回りに円弧を描く、という手順を数回繰り返すことによって同心円状をなすように形成されている。そして、この発熱体１３は、両端間に電圧を印加されるとジュール熱を発生して被加熱調理器具７を抵抗加熱する。なお、発熱体１３の両端には、図示しないリード線を接続するために、タングステン、銅、非磁性ステンレスなどの非磁性材料によってランド（図示せず）が形成されている。

ここで、図５には、被加熱調理器具７である鍋を誘導加熱する際に、被加熱調理器具７の底部Ｐに誘導電流ｉｅが流れる状態を平面的に示す。誘導電流ｉｅは、誘導加熱コイル８が発生する磁束密度の高いところに多く流れるので、誘導加熱コイル８のコイル束の中央部辺り（内径と外形との中間部分）に集中して流れる。そして、斯様な誘導電流は非磁性体で構成される発熱体１３にも僅かに流れようとするが、折り返し形状をなすことで隣接する導体の間では互いに逆方向に流れようとするので誘起される電圧の方向も逆向きとなる。従って、発熱体１３は誘導加熱されにくくなる。

図４は、制御系の構成を示す機能ブロック図である。火力制御装置（加熱制御手段，材質判定手段，反発移動状態検出手段）１４は、前記本体ケース２の内部に設けられており、マイクロコンピュータによって構成されている。火力制御装置１４には、操作パネル１０に配置されている操作部（操作手段）１５から操作信号が入力されると共に、温度センサ１２から温度検知信号が入力されている。そして、火力制御装置１４は、これらの入力並びに予め記憶された制御プログラムに基づいて、操作パネル１０に配置されている表示部１６の作動を制御すると共にインバータ（高周波電流供給手段）１７を制御し、誘導加熱コイル８にインバータ１７を介して高周波電流を供給して制御する。

また、誘導加熱コイル８には共振コンデンサ１８が直列に接続されている。これらのコイル８またはコンデンサ１８は、後述するように被加熱調理器具７の材質に応じて出力調整を行なうため、コイル８の高周波電流供給巻数が可変となるように（例えば、多段コイル構成）、又はコンデンサ１８の容量が可変となるように構成することが好ましい。

インバータ１７には、商用交流電源１９を整流回路２０を介して直流に変換したものが駆動用電源として供給されている。また、商用交流電源１９は、発熱体通電制御部（通電手段）２１にも供給されている。この発熱体通電制御部２１は、図示しないリード線を解して発熱体１３の両端部に接続されて当該発熱体１３に交流電源を通電するもので、その通電量は、発熱体通電制御部２１を介し火力制御装置１４によって制御されるようになっている。

また、整流回路２０の入力側と、インバータ１７の出力側とには、夫々電流トランス２２，２３が配置されており、それらの検知信号は火力制御装置１４に与えられる。そして、火力制御装置１４は、加熱調理器への入力電流とインバータ１７の出力電流（コイル電流）とを検出するようになっている。なお、以上において、誘導加熱コイル８，８インバータ１７，発熱体１３，１３、発熱体通電制御部２１は、加熱手段２４を構成している。

火力制御装置１４における材質判定手段としては、被加熱調理器具７が高抵抗金属材料か否かを判定するもので、詳細は省略するが例えば一定の高周波電流を誘導加熱コイル８に供給して入力電流とインバータ１７の出力電流であるコイル電流との関係に基づいて判定を行う。例えば、鉄などの磁性体の場合、誘導加熱コイル８が発生した磁束は被加熱調理器具７を介して流れ易くなり、表皮効果（被加熱調理器具７の底の誘導加熱コイル８側に渦電流が集中する効果）も大きいので誘導加熱コイル８の等価抵抗も大きくなる。

一方、アルミや銅のように非磁性で抵抗が小さい材料の場合、誘導加熱コイル８が発生した磁束は被加熱調理器具７に届き難くなり、漏れ磁束が多くなる。そして、比抵抗が小さく表皮効果も小さいので等価抵抗も小さくなる。この結果、入力電流と出力電流との大小の変化に基づき、材質を判定するとともに、予め設定された入力電力設定値に基づき誘導加熱コイル８による誘導加熱及び発熱体１３による抵抗加熱(ヒータ加熱)を実行可能な構成となっている。

次に、上記構成の誘導加熱調理器の作用について説明する。
被調理物を収容した被加熱調理器具７をトッププレート３の例えば載置部４に載置し、操作部１５から必要な入力操作が行われることで加熱調理が開始される。このとき、火力制御装置１４が有する材質判定手段に基づき、被加熱調理器具７の材質が高抵抗金属材料であると判断された場合、誘導加熱コイル８による加熱調理が行われる。

一方、被加熱調理器具７の材質が高抵抗金属材料でない場合、火力制御装置１４は、材質がアルミや銅或いは非磁性ＳＵＳのような低抵抗の非磁性金属材料か、或いは土鍋のような非金属材料（若しくは無負荷）かを判断する。そして、低抵抗金属材料であれば、火力制御装置１４は、被加熱調理器具７の底がトッププレート３より反発移動する「鍋浮き」現象を生じないように、予め設定された火力調整に基づく誘導加熱調理が実行される。

上記火力調整した加熱電力が通常の入力電力設定値より小さくなった場合には、火力制御装置１４は、その差の電力分が発熱体１３に供給されるように発熱体通電制御部２１を制御する。つまり、発熱体通電制御部２１が、発熱体１３に商用交流電源１９から電力を供給して、発熱体１３を発熱させる。この発熱体１３で発生したジュール熱は、トッププレート３を介して被加熱調理器具７に伝えられ、被加熱調理器具７を加熱する。

さらに、材質が非金属材料か或いは無負荷の場合は、誘導加熱コイル８による誘導加熱は行なわず、非金属材料である場合には、通常の入力電力設定値に等しい電力を発熱体通電制御部２1に供給して発熱体１３のみによる加熱を行なう。

この場合、非金属材料か無負荷かの判別が必要となる。そこで、温度センサ１２によって、発熱体１３の加熱開始からの温度上昇度合いを検出し、例えば緩やかな温度上昇であれば土鍋などが設置されていると判別するが、比較的急激な温度上昇であれば無負荷であると判別し、発熱体１３への通電を停止する。このように、被加熱調理器具７の材質に応じて誘導加熱コイル８、或いは発熱体１３による加熱調理、更には両者による加熱調理が実行される。

以上のような本実施形態によれば、発熱体１３を、導電材料にこれよりも線膨張率の小さいフィラーを添加してなる混合材料により形成したので、フィラーの添加によって発熱体１３全体としての線膨張率を、導電材料単体で構成した場合に比べ、小さくすることができ、トッププレート３の線膨張率に近づけることができる。このため、発熱体１３の発熱時に、トッププレート３との膨張量の相違により発熱体１３に熱応力が生じても、その熱応力を極力小さなものにすることができ、発熱体１３がクラックが生じたり、剥がれたりすることを極力防止することができる。
また、発熱体１３を、隣接して流れる電流の方向が互いに逆となる部分を有する形状としたので、発熱体１３が誘導加熱されにくくなる。

（第２実施例）
図６は本発明の第２の実施形態を示すものであり、第１の実施形態と同一部分には同一符号を付して説明を省略し、以下異なる部分についてのみ説明する。この第２の実施形態は、発熱体１３に代わる発熱体２５の形状が第１の実施形態とは異なっており、その他の構成は第１の実施形態と同様である。

図６に示すように、発熱体２５は、同一形状の分割発熱体２６，２７を、配線２８によって接続することで構成されている。これにより、発熱体２５は、誘導加熱コイル３の円周方向に対して複数、例えば２分割されて配置された形態となる。これら各分割発熱体２６，２７は、直線状の導体を内周側と外周側とで折り返しながら径方向に往復させた形状をなしている。そして、分割発熱体２６，２７の始端２６Ｓ，２７Ｓと、終端２６Ｅ，２７Ｅとは夫々隣り合うように配置され、分割発熱体２６の終端２６Ｅは、分割発熱体２７の始端２７Ｓと配線２８によって接続され、分割発熱体２６の始端２６Ｓおよび分割発熱体２７の終端２７Ｅは、図示しないリード線によって発熱体通電制御部２1に接続されている。

以上のように発熱体２５を構成することで、分割発熱体２６，２７の径方向に往復する部分は、誘導加熱コイル８を構成する導体と直交するような位置関係となるので、コイル８が発生した磁束が分割発熱体２６，２７に鎖交しにくくなって誘導電流が発生しにくくなる。また、分割発熱体２６，２７の外周および内周部分には誘導電流が発生するが、夫々の誘導電流は、分割発熱体２６，２７において互いに逆方向に流れることになるので、誘起電圧の発生をキャンセルすることができる。

（第３の実施形態）
図７は本発明の第３の実施形態を示す。この実施形態が上記第１の実施形態と異なるところは、発熱体２９をトッププレート１３の下面にではなく、基板としての円形の平板３０に形成したところにある。

平板３０としては、無機質材料、例えば窒化アルミや窒化ケイ素からなる薄いセラミックス板が用いられている。この平板３０に発熱体２９を形成するには、焼成前の平板３０の片面、例えば下面にペースト状にした導電材料とフィラーとの混合材料をスクリーン印刷によって所定形状に塗布し、その後、平板３０を焼成することにより、平板３０を硬化させると共に、発熱体２９を平板３０に一体化させる。

発熱体２９を固着した平板３０は、断熱材３１を介して支持体としての例えばプラスチック製の非磁性の支持盤３２上に載置されている。そして、誘導加熱コイル８を配設したコイルベース６を弾性部材としての圧縮コイルばね３３により支持し、前記支持盤３２をこのコイルベース６上に取り付けることによって平板３０が圧縮コイルばね３３の弾発力によってトッププレート３の下面に押し付けられるようにしている。

このように構成しても、窒化アルミの線膨張率が４４〜５０×１０^−７／℃、窒化ケイ素の線膨張率が約３５×１０^−７／℃で、導電材料である酸化ルテニウムの線膨張率に比べて小さくても、この導電材料にこれよりも線膨張率の低いβ‐ユークリプタイトやリン酸タングステン酸ジルコニウムが混入されることによって発熱体２９の線膨張率を平板３０に近づけることができる。

(その他の実施形態)
本発明は上記し図面に記載した実施例にのみ限定されるものではなく、以下のような変形が可能である。
発熱体の形状は上記実施例にて開示したものに限ることなく、個別の設計に応じて適宜変更して実施すれば良い。
被加熱調理器具の材質は、加熱調理器側が自動的に判定するものに限らず、例えば、ユーザが材質を入力して設定するものであっても良い。
線膨張率において、トッププレート３と発熱体１３の中間の値を持つ中間基板の下面に発熱体１３を焼成し、この中間基板をトッププレート３の下面に接着する構成としても良い。

第２の実施形態において、発熱体２６，２７の内周部分を埋めるように、相似形の発熱体を同心円状に配置しても良い。このように構成すれば、発熱体の輻射熱による加熱密度を高め、より面に近い状態で被加熱調理器具の加熱を行なうことで効率を向上させることができる。
また、第２の実施形態において、発熱体２５は、誘導加熱コイル３の円周方向に対して、３分割或いはそれ以上に分割されていても良い。

本発明の第１の実施形態を示す誘導加熱調理器の縦断正面図 図１における一方の載置部側の拡大図 発熱体の形状を示す平面図 制御系の構成を示す機能ブロック図 鍋を誘導加熱する際に、鍋底部に誘導電流ｉｅが流れる状態を平面的に示す図 本発明の第２の実施形態を示す図３相当図 本発明の第３の実施形態を示す図２相当図

符号の説明

図面中、１は調理器本体、３はトッププレート（基板）、７は被加熱調理器具、８は誘導加熱コイル、１３は発熱体、１７はインバータ、２１は発熱体通電制御部、２５，２９は発熱体、３０は平板（基板）を示す。

Claims (7)

1. 調理器本体の上面を構成し、被加熱調理器具を載置可能とした無機質材料からなるトッププレートと、
   このトッププレートの下方に配置され、高周波電流の供給により前記トッププレート上に載置された被加熱調理器具を誘導加熱する誘導加熱コイルと、
   前記トッププレート、または、前記トッププレートと前記誘導加熱コイルとの間に設けられる無機質材料からなる平板を基板として当該基板に形成され、通電されると発熱して前記トッププレート上に載置された被加熱調理器具を加熱する発熱体と、
   を具備し、前記発熱体は、前記基板よりも線膨張率が大きく且つ抵抗を有する導体材料と、該導体材料よりも線膨張率の小さいフィラーとの混合材料から形成されていることを特徴とする誘導加熱調理器。
2. フィラーは、線膨張率が負であることを特徴とする請求項１記載の誘導加熱調理器。
3. 導体材料は、非磁性体であることを特徴とする請求項１または２記載の誘導加熱調理器。
4. フィラーは、非磁性体であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の誘導加熱調理器。
5. 発熱体は、隣接して流れる電流の方向が互いに逆となる部分を有していることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の誘導加熱調理器。
6. 発熱体は、その一部が誘導加熱コイルを構成する導体と直交するように配置されていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載の誘導加熱調理器。
7. 発熱体は、誘導加熱コイルの円周方向に対して複数分割されて配置されると共に、隣り合う部分の通電方向が互いに逆となるように接続されていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載の誘導加熱調理器。

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