感应加热线圈以及使用了该感应加热线圈的感应加热装置的制造方法_2

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变器电路)16,对 感应加热线圈10的两个端子21、22之间施加高频电压,对感应加热线圈10供给高频电流; 和控制部(例如控制器)18,控制驱动部16以根据由操作部8所设定的加热能力以及由温 度传感器17所测定的实测温度,对感应加热线圈10施加适合的高频电压。
[0045] 进而,在图2中,简略地图示了在顶板6上所载置的磁性体金属制锅(被加热体、 以下简称为"锅")K,在锅K内容纳了食材。感应加热装置1在高频电流流入感应加热线圈 10时,在其周围形成通过锅K以及铁素体部件12(图2的虚线所示)的连续的闭环高频磁 场,通过该高频磁场在锅K中形成涡电流,对锅K高效地进行加热。
[0046] -般而言,为了提高对锅K的加热效率,需要使锅K与感应加热线圈10的间隔尽 可能窄,所以优选为感应加热线圈10与顶板6的间隔也极力减小。
[0047] 另一方面,在对感应加热线圈10供给高频电流而对锅K进行加热时,形成基于感 应加热线圈10自身的绕组电阻的焦耳热(铜损)、来自被加热的锅K的经由顶板6的辐射 热、以及高频磁场,起因于来自由于电阻所致的焦耳热(铁损)而变为高温的铁素体部件12 的辐射热,感应加热线圈10被加热至实质的温度。因此,在一般的感应加热装置1中,需要 通过如图2的实线箭头所示从感应加热线圈10 (包括铁素体部件12)的下方送出另行设置 的冷却风扇(未图示)发出的冷却风而进行冷却,将感应加热线圈10的温度维持在容许工 作温度以下。
[0048] 但是,如上所述,为了提高锅K的加热效率,将感应加热线圈10和顶板6的间隔设 计得极窄,冷却风扇发出的冷却风不易流入到感应加热线圈10的上侧表面,所以有时感应 加热线圈10的温度会显著上升,期望进一步改善针对感应加热线圈10的冷却效果。
[0049] 此处,以下对本发明的感应加热线圈10的构造进行详细说明。图3是从上方观察 了从感应加热装置1去掉了顶板6之后的感应加热线圈10的平面图。感应加热线圈10是 沿着线圈轴(Z轴)的周围旋涡状地卷绕细长状的层叠导体20而构成的,在细长状的层叠 导体20的两端具有端子21、22。
[0050] 图4是示出旋涡状地卷绕层叠导体20而构成感应加热线圈10之前的细长状的层 叠导体20的图,图5是以垂直平面(图4的XZ平面)切断了图4所示的层叠导体20时的 剖面图。图4所示的层叠导体20由铜、铝、或者它们的合金等电导率高且比较廉价的金属 构成,由在层叠导体20的长度方向上延伸的多个导体层叠而成的导电层24、和在多个导电 层24之间所形成的电绝缘层25构成。即,各导电层24构成为通过绝缘层25而相互绝缘, 优选为由绝缘层25包围,在线圈轴的周围卷绕层叠导体20而构成的感应加热线圈10的除 了卷绕起点和卷绕终点的两个端子21、22(图3)以外都不露出。另外,图5所示的各导电 层24具有矩形的剖面形状,但不限于此,也可以是具有长椭圆形形状的例子。
[0051] 图5(a)是以半径方向的垂直平面切断了层叠导体20时的剖面图,图5(b)是构成 层叠导体20的单个导电层24以及绝缘层25的剖面图。在图5(a)以及(b)所示的层叠 导体20中,关于各导电层24,与线圈轴垂直的方向(X方向)的宽度是0.1mm,与线圈轴平 行的方向(Z方向)的高度是1.36_,关于各绝缘层25,X方向的宽度以及Z方向的高度是 0.02mm,包围了 14层导电层24,也可以是层叠导体20整体的X方向的宽度W是1.96mm,Z方向的高度H是1.40mm。由于各导电层24沿着线圈轴(Z轴方向)延伸,所以在将图4所 示的细长状的层叠导体20沿着线圈轴(Z轴)的周围旋涡状地卷绕而构成的感应加热线圈 10的上侧表面附近所产生的热经由各导电层24被迅速地传递到下侧表面,通过对下侧表 面供给冷却风,能够使感应加热线圈10整体高效地冷却。另外,图6是从图3的VI-VI线 所观察的感应加热线圈10的概略剖面图,该感应加热线圈10是将层叠导体20在线圈轴的 周围卷绕8匝而构成的。
[0052] 另外,各导电层24以及各绝缘层25的X方向的宽度W、Z方向的高度H以及匝数 不限于上述数值,根据本发明,构成为通过使图5所示的层叠导体20的X方向的宽度W大 于Z方向的高度H(W>H)、即通过使在感应加热线圈10的上侧表面附近所产生的热更为迅速 地传递到下侧表面而使下侧表面冷却,从而改善感应加热线圈10的冷却效率。
[0053] 但是,关于层叠导体20的X方向的宽度W,在将感应加热线圈10的绕组部分的最 大直径设为D,将感应加热线圈10的卷绕数设为N匝时,关于层叠导体20的X方向的宽度 W,D/2(加热线圈10的半径)+N成为最大值。作为一个例子,在匝数N是22匝、感应加热 线圈10的直径D是180mm的情况下,层叠导体20的X方向的宽度W成为180/2 + 22 =约 4mm。另外,层叠导体20的各导电层24的宽度W。如后所述优选为导体24的Z方向的高度 H的二十分之一以上,所以在层叠导体20的Z方向的线圈高度H是2mm的情况下,关于各导 电层24的宽度WQ,0. 1mm成为最小。
[0054] 但是,在实际的感应加热线圈10中,如图14或者图16所示,根据确保配置温度传 感器17的空间、以及避免成为加热不均等的原因的磁通集中等理由,有时设置空隙,卷绕 了层叠导体20的部分占据感应加热线圈10的整体的约三分之二的情况较多。例如,在感 应加热线圈10的半径为90mm,在其约三分之二即60mm的范围内将层叠导体20卷绕了 22 匝时,层叠导体20的X方向的宽度W成为约2. 7mm( = 60 + 22)。
[0055] 另外,层叠导体20也可以是如上所述将各导电层24和电绝缘层25接合的例子, 但也可以通过利用金属蒸镀或者溅射等交替层叠由导电材料构成的薄膜(相当于导电层 24)、和由绝缘材料构成的薄膜(相当于绝缘层25)来制作。
[0056]另外,上述专利文献1记载的绞合线包含大量绝缘体,所以高度方向的热传导性 不良,而且难以从感应加热线圈10的上侧表面以最短路径引导冷却风,所以无法充分获得 冷却效果。但是,根据本发明,如上所述,为了提高锅K的加热效率,感应加热线圈10和顶 板6被接近地配置,虽然从线圈台14的下方供给冷却风而进行冷却,但通过使层叠导体20 整体的X方向的宽度W大于Z方向的高度H,能够使感应加热线圈10整体高效地冷却。
[0057] 实施方式2.
[0058] 参照图7~图9,以下对本发明的感应加热线圈10的实施方式2进行详细说明。 实施方式2的感应加热线圈10大体上除了构成为层叠导体20的高度H为表皮深度S的4 倍以下这点以外,具有与实施方式1的感应加热线圈10同样的结构,所以对于重复的内容 省略说明。
[0059] -般而言,将在高频电流流入到导体时电流密度在导体的表面高、越远离表面变 得越低的现象称为趋肤效应。另外,导体的电流密度J对于深度8,被表示为如下式。
[0060][式1]
[0061]J=J〇 ?exp( 8 /d)
[0062] d是距导体表面的深度,表皮深度S是指高频电流为表面电流J〇的l/e(约 36. 8% )的深度。具体而言,如果将导电层24的电阻设为P、将高频电压(高频电流)的 频率设为f、将导电层24的导磁率设为y、将导电层24的导电率设为〇,则表皮深度S通 过下式求出。
[0063][式2]
[0064]
[0065] 如上所述,导电层24优选由导电率〇高、且廉价的铜、铝、或者它们的合金来形 成。
[0066] 例如,在导电层24由铜构成时,其导电率〇为约58.IX106S/m,所以表皮深度S 在高频电流的频率f是20kHz的情况下成为0. 467mm,在高频电流的频率f?是25kHz的情况 下成为〇? 418mm。
[0067]S卩,关于在感应加热线圈10的导电层24中流过的电流,电流在高度H方向上大致 按照指数函数分布,在高频电流的频率f为20kHz时,在距感应加热线圈10的上侧表面为 表皮深度S量的下方处,流过表面电流的l/e(约36. 8%)的电流,在2倍的表皮深度S 量的下方处,流过表面电流的1/e2(约13. 5% )的电流,在3倍的表皮深度S量的下方处, 流过表面电流的1/e3(约5. 0% )的电流。图7是在横轴上描绘了感应加热线圈10的高度 H、即距感应加热线圈10的上侧表面的距离(线圈高度H),在纵轴上描绘了电流密度J时的 曲线图。
[0068] 关于图7,对于导电层24的高度H不同的多个感应加热线圈10,在同一条件下驱 动时,测定并描绘感应加热线圈10的绕组电阻所致的发热量(焦耳热或者铜损)时,得到 图8那样的曲线图。即,使导电层24的高度H越大,导电层24的电阻P越小,所以在感应 加热线圈10中产生的发热量减少,但如果导电层24的高度H成为表皮深度S的3倍以 上,则高频电流的电流密度变得极其小,所以在感应加热线圈10中产生的发热量成为大致 恒定。换言之,为了将来自感应加热线圈10的发热量维持于一定值以下,导电层24的高度 H是表皮深度S的3倍左右就足够,使导电层24的高度H变大到其以上会产生使感应加热 线圈10的构成材料所需的成本以及重量增大这样的缺点。
[0069] 另一方面,在制作层叠导体20的Z轴方向的高度H不同的多个种类的感应加热线 圈10,测定并描绘其上侧表面的温度时,得到图9那样的曲线图。与图8的曲线图同样地, 使导电层24的高度H越大,其电阻越小,在感应加热线圈10产生的发热量减少,但如上所 述,感应加热线圈10被从其下侧表面提供冷却风而被冷却,所
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