最新の研究結果によると、人類は数十万年前に火の使用を制御していました。これにより、食品の調理に応用できるようになり、消費できる食品の種類が増え、より複雑な料理の準備が可能になり、消化が改善されました。さらに、食品の安全性と食品の官能特性が向上しました。つまり、食品がより美味しく食欲をそそるようになりました。
始まり: 火から電気へ 人間の欲求の段階に関するマズローの理論によると、食べ物は心理的欲求によって形成されるピラミッドの底辺にあります。このため、人類は栄養ニーズを満たすことに関心を持ち、常に利用可能な最高の技術を常に適用してきました。
何世紀にもわたって、唯一の効果的な調理方法は、木材や木炭などの固体材料を燃焼させて熱を発生させ、直接的または間接的に調理すること、つまり、炎によって発生する熱を直接適用することでした。または容器や容器を加熱することによって。これらの方法を使用した調理は時間の経過とともにより洗練され、さまざまな種類の調理や温度でますます複雑な料理を作ることができるようになりました。しかし、加えられる熱を調整することの難しさと、これらのシステムのメンテナンスに手間がかかることが、大きな限界となっていました。 19 世紀初頭には、調理用のガスの最初の応用例が登場し、1820 年代に最初のガスストーブの特許と開発を行ったのはジェームス・シャープでした。ガスは、加えられる熱の調節の容易さとその調理法により革命を表しました。メンテナンスが少ない。
その後、電気という新しいエネルギー源が登場しました。歴史上何度かあったように、この新しい技術は再び料理に応用されました。 1865 年、ジェームス クラーク マクスウェルは古典的な電磁気理論を発表し、その 4 つの方程式によって、今日私たちがさまざまな用途で使用している現象のほとんどを説明できるようになりました。獲得したすべての知識のおかげで、19 世紀の終わりには、大量の電力の生成とその配電、街路や住宅の照明への応用が始まり、多数の新しい電気機器が登場しました。その中で、最初の抵抗電気ストーブが当時登場しました。これらのストーブは、電流が流れると発熱する抵抗を使用しており、食品を入れた鍋やフライパンを加熱することができます。これらは、燃料要素を使用せずに調理を可能にし、より優れた清潔さ、制御性、および使用の安全性を達成することで、家庭における新たな進歩を表しました。
しかし、電気の調理への応用はそれだけではありませんでした。 1946 年、レイセオンのエンジニア、パーシー ルバロン スペンサーは、マイクロ波発生用のマグネトロンを研究していましたが、勤務中に運んでいたキャンディーバーが溶けていることに偶然気づきました。この現象を調査したところ、当時存在していたガスや電気技術よりもはるかに早く食品を加熱できることが判明しました。これが電子レンジの開発のきっかけとなり、現在では多くの家庭に普及している家電製品であり、その加熱メカニズムは新しい物理現象に基づいています。電子レンジは、マイクロ波範囲 (300 MHz ～ 30 GHz、つまり 1 秒あたり 3 億サイクル以上) の電磁波を生成します。これらの電磁波の電場は、主に双極子回転とイオン伝導を通じて加熱を引き起こします。つまり、食品の水分子に急速な微視的な動きが起こり、その結果、食品の非常に迅速な加熱が達成されます。このため、電子レンジは食品内で直接加熱が行われるため、他の電子レンジよりもはるかに速く加熱されます。ただし、電磁波は食品全体に浸透しないため、加熱が表面的なものになる場合もあるため、限界もあります。
これらの技術は、調理の速度と快適さ、エネルギー効率、安全性などの側面がますます重要になる中で、人類が料理のニーズを満たすために利用できる調理技術のレパートリーを構成しました。 20 世紀末、誘導加熱ストーブという新しい暖房技術が登場しました (図 1 を参照)。それらがどのように機能するかを見てみましょう。
図 1. 誘導加熱ストーブ。 ファラデーの法則: 新しいアプリケーションに関する古い知識 誘導加熱ストーブは、よく知られている物理原理に基づいて動作しますが、これまで調理には使用されていなかった電磁誘導です。 1831 年、英国の物理学者マイケル ファラデーは、時間とともに変化する磁場と回路内の電流の誘導との関係を確立する物理学の重要な原理を述べました。この法則は、導通回路を通る磁束の変化により起電力が発生し、回路内に電流が誘導されることを示しています。つまり、材料を交流磁場にさらすと、材料の中に電流が発生し、これを有利に利用できるということです。この原理は変圧器を含む多くの用途に使用され、間違いなく 19 世紀末の大規模な電力の普及を可能にしました。
20 世紀の初めに、この現象の新しい応用である誘導加熱が登場しました。これは、通常は数十から数百キロヘルツ (kHz、1 秒あたり数千サイクル) の範囲にある特定の周波数の交流をコイルに流し、可変電磁場を生成することから構成されていました。誘導加熱では、加熱したい部分に交流磁場が印加されます (図 2 を参照)。ファラデーの法則によれば、この部分には誘導電流、フーコー 電流、または渦 電流と呼ばれる電流が発生します。これらの電流が部品を循環すると、いわゆるジュール 効果によって部品が加熱されます。これは、電流が導体を循環すると、エネルギーの一部が熱に変換されることを示しています。これは、ほとんどの産業用および家庭用の誘導加熱用途における主要な発熱メカニズムです。この時点で、キッチンでの加熱に使用される電磁スペクトルのさまざまな範囲を観察するのに立ち止まってみる価値があります。連続加熱、または低周波電流が抵抗を加熱する抵抗加熱で使用される 50 Hz (主電源周波数) から誘導までです。数十、数百 kHz の範囲で加熱して交流電磁場を生成するか、GHz 範囲のマイクロ波加熱で食品内の水分を加熱します。
図 2. 誘導電流を利用した誘導加熱の基礎。 誘導加熱は、これまで見てきたように、それまで使用されていたものとはまったく異なり、主に冶金業界で産業用途に使用され始めました。説明された基本事項により、その利点と限界のいくつかを明らかにすることができます。まず、加熱は加熱対象の容器内で直接発生します (抵抗加熱システムやガス加熱システムで起こることとは異なります)。これにより、はるかに高速かつ効率的な加熱が可能になります。また、生成された電磁場のおかげで、非接触の遠隔加熱でもあり、より安全で制御可能な加熱を実現し、調理面をより低い温度に保つことができるため、掃除がはるかに簡単になります。一方、電磁場を適用して効果的な加熱を実現するには、強磁性材料を使用することをお勧めします (強磁性は、鉄のように非常に高い透磁率を持つ材料の特性です)。したがって、磁石を使用すると、適切な材料を識別することができます。同様に、加熱は誘導電流によって発生するため、アルミニウムや銅などの良好な電気伝導体である材料を加熱することは困難です。このため、常に鉄製の容器が使用されるか、それが使用できない場合は、効率的に加熱できるようにアルミニウムまたは銅製の容器を補完する強磁性材料で作られたベースまたはインサートが配置されます。
しかし、誘導加熱技術の家庭への応用はすぐには実現しませんでした。家庭用誘導加熱システムに関する最初の言及は、Willis Mitchell (US487285、1892 年) と Arthur F. Berry (GB190920639、1906 年) の特許です。しかし、主に当時は高周波電磁場を簡単、効率的かつ工業化可能な方法で発生させることが困難であったため、それらはどれも商品化されませんでした。 1949 年に、ゼネラル・エレクトリック社のカール F. スコットによって、誘導加熱は雑誌『電気工学』 で未来の技術の 1 つとしてすでに指摘されていました。しかし、電磁調理器の商品化に必要な技術の一部が開発されたのは 20 世紀後半になってからでした。次に、それらが何であるかを見ていきます。
誘導加熱: マイクロ電子頭脳とパワー電子筋肉を備えた技術 20 世紀後半には、主にパワー エレクトロニクスの発展により、最新の電磁調理器の開発を可能にするいくつかの技術開発が発生しました (図 3 を参照)。現代のエレクトロニクスは、通常、1947 年にベル研究所で最初のトランジスタが発明されたことから始まったと考えられています (ショックレー、バーディーン、ブラッテンはこの発明により 1956 年にノーベル物理学賞を受賞しました)。その後の構造、小型化、工業化における技術進歩により、通信、コンピューティング、およびエレクトロニクスを利用した事実上あらゆる産業用、家庭用、生物医学用装置などの分野において、電子システムによって強化された前例のない技術進歩が可能になりました。しかし、それまで半導体デバイスは、電流と電圧が小さい制御およびデータ処理用途に限定されており、大量の電力を処理することはできませんでした。
パワー半導体の開発により、現代のパワーエレクトロニクスの最初のアプリケーションの出現が可能になりました。まず、サイリスタが登場し (SCR、1954 年)、これにより高電力の処理が可能になりましたが、周波数は低くなりました。これらは電流スイッチとして機能し、特定の制限付きで回路に適用される電流を制御できるようにします。その後、より高い周波数で大電力を処理し、オン/オフを完全に制御できる、誘導加熱に適したパワートランジスタが開発されました。最初に開発されたのは、動作周波数が限られていたバイポーラ パワー トランジスタ (BJT、1960 年代) でしたが、その後 1970 年代に、より高い周波数での動作を可能にするユニポーラ トランジスタ (MOSFET) が開発されました。しかし、間違いなくパワー エレクトロニクスを永遠に変えた発明は、1980 年代初頭に B. ジャヤン バリガ氏によるものとされ、最も名誉ある国際的な賞を受賞しました。このトランジスタを使用すると、バイポーラ トランジスタの良好な電力性能とユニポーラ トランジスタの高周波数で動作する能力を組み合わせて、コストを削減し、高い信頼性を実現できるため、多数の新しいエネルギー処理アプリケーションの開発が可能になります。
同様に、パワー エレクトロニクスの進歩と並行して、ここ数十年でマイクロエレクトロニクスも前例のない進歩を遂げ、マイクロプロセッサ、デジタル シグナル プロセッサ、その他のプログラマブル デバイスなどの統合制御回路の設計が可能になり、ますます複雑な機能を実現できるようになりました。コストを削減できます (いわゆるムーアの法則により、マイクロプロセッサ内のトランジスタの数は 2 年ごとに 2 倍になると予測されています)。
エネルギー処理の基本要素であるパワーエレクトロニクスと、前者の正確な制御を可能にするマイクロエレクトロニクスという 2 つの技術により、20 世紀末、人類は新世代の調理用加熱システムを設計するための十分なツールを手に入れました。
図 3. 誘導加熱と関連技術の進化。 電磁調理器の構造 誘導加熱ストーブは、電子電源と制御システムで構成されており、そのコンポーネントははんだ付けされたプリント基板上に配置されています。このインバーターは、交流磁場を生成するインダクターに必要な電流を供給します。また、高温に耐えられるガラスセラミックガラスが、加熱する容器のサポートとして機能します。さらに、調理者とのインターフェース システム (制御モジュール)、電子機器によって発生する不要な熱を排出する冷却システム、調理器の容器との電磁結合を改善するさまざまなフェライトやシールドなど、いくつかの補助要素も備えています。電子機器との干渉を回避しながら、最適な加熱を実現します (図 4)。
図4. 誘導加熱ストーブのブロック図。 電磁調理器は、ネットワーク (ヨーロッパでは 50 Hz で 230 V の交流) からの電気エネルギーを、数十 kHz の範囲の周波数を持つ可変磁場に変換します。これを行うには、パワー半導体 (主に IGBT トランジスタとダイオード) で構成されるいくつかの電力変換ブロックが使用されます。詳細は図 5 に示されており、以下で説明します。
図5. 誘導加熱ストーブの電力変換図。 まず、電気ネットワーク (つまり、プラグ) の後には、電磁適合性フィルターがあります。これにより、この製品がラジオ、コンピュータ機器、照明システムなどの他の敏感な電気および電子機器に問題を引き起こさず、家庭環境で洗濯される可能性があるモーターなどの他の機器からの干渉を受けないことが保証されます。機械、乾燥機、またはミキサー。この要素は、すべての電子機器に表示される CE マークを取得するために必要な措置の 1 つです。CE マークはヨーロッパでのマーケティングに必須であり、製品がユーザーにとって適切で安全であることを保証します。
次に、整流器と呼ばれる交流から直流 (AC-DC) 変換ブロックが使用されます。このブロックは、電気ネットワークに接続されているシステムに共通であり、連続電圧の生成を可能にします。次に、電磁調理器の本当の部分である直接交流コンバーター (DC-AC) またはインバーターを見つけます (エアコンや洗濯機にインバーター という言葉が書かれているのをよく見かけますが、これは上記の電子電力変換器の存在を示しています)。 。インバータは、トランジスタ (IGBT と呼ばれ、スイッチとして機能することを思い出してください) をオンまたはオフにすることによって、希望の周波数の交流を生成できます。この電流は、ケーブルの螺旋コイルであるインダクターを通って循環すると、コンテナを加熱するために必要な可変磁場を生成します。通常、この周波数は調理中に不快な音響ノイズを避けるために 20 kHz より高くなります (平均的な人間の耳は 20 Hz からさらに 20 kHz までの音を聞くことができます)。このプロセス全体を通じて、デジタル制御システムは調理者の指示に従って電力システム全体を制御する責任を負います。さらに、キッチンが常に安全かつ効率的に動作することを保証するための複雑な制御システムがあります。
しかし、さまざまな種類の調理のために容器に供給される電力をどのように制御するのでしょうか?使用されるインバーターは、いわゆる共振タイプのもので、95% 以上の非常に高い効率を達成し、電気製品のエネルギーコストと環境への影響を最小限に抑えます (私たちの日常生活では、共振の例が他にもたくさんあります。スイングや楽器の中で、共振周波数と呼ばれる特定の周波数で最大振幅が得られます。このインバータは、動作周波数を変化させることで電力を変化させます。最大パワーは共振周波数 (音響ノイズを避けるために 20 kHz に近いがそれ以上) で得られます。したがって、調理者の要求に応じて、動作周波数が増加して共振周波数から遠ざかり、電力が低減されます。このように、マイクロエレクトロニクスによって正確に制御されるパワー エレクトロニクスにより、家庭で最高の味覚を満足させる安全かつ正確な食品の調理が可能になります。
有望な未来 IH調理器は、より速く、より正確で、より安全で、よりクリーンで、より効率的な加熱を可能にし、ユーザーと環境にとって根本的なメリットをもたらします。これは、電力変換器によって生成された交流電磁場によってコンテナが直接加熱されるためです。
しかし、歴史はテクノロジーと私たちの進化のニーズが止まらないことを教えており、今後数年間で私たちは新しくエキサイティングなデザインをもたらす新たな課題に遭遇するでしょう。これらは、技術の進歩 (テクノロジー プッシュ と呼ばれる) と新しい市場のニーズ (マーケット プル と呼ばれる) の両方によって動機付けられます。新技術には、ワイドギャップ半導体（窒化ガリウム、炭化ケイ素など、これまでに使用されていたシリコンの性能を向上させる）など、より優れた特性を備えた材料を使用する新しい半導体の使用、マイクロエレクトロニクスの新たな進歩、または新しい人工物が含まれる。インテリジェンス（AI）技術は、調理作業の設計と最適化、および電子制御と自動化の両方に適用されます。その一方で、調理技術の発展や、エネルギー効率、コスト、エネルギー消費と材料の使用における持続可能性、あるいは地球全体の料理の違いといった新たなニーズが、新しい暖房システムの設計の動機となります。エンジニアリング、特にパワーエレクトロニクスの役割は、持続可能な新しい技術ソリューションを開発するための基礎となります。
謝辞 著者は、この技術の開発に40年以上協力し、次のことを可能にしてくれたサラゴサ大学のパワーエレクトロニクスおよびマイクロエレクトロニクスグループの人々、およびBSH Eljuegos España社のスタッフに感謝します。サラゴサ大学は、クラリベイトによって家庭電化製品の世界をリードする機関として知られています。著者はまた、この記事の執筆と改訂にインスピレーションを与え、協力してくれたすべての人々に感謝します。
参考文献 W. ロブロークスと P. ヴィラ。 「ヨーロッパにおける常習的な火の使用に関する最も初期の証拠について」米国科学アカデミー PNAS の議事録。 2011年。 L.ブラーメン。 「時代を超えた料理：オーブン発明の年表」。スミソニアン雑誌。 2011年。 A.ミュールバウアー。 「誘導加熱と溶解の歴史」エッセン: Vulkan-Verlag GmbH、2008 年。 O.ルシアら。 「誘導加熱技術とその応用：過去の開発、現在の技術、そして将来の課題」産業用電子機器に関するIEEEトランザクション。 2014年。 O.ルシアら。 「誘導加熱機器: より柔軟な調理面を目指して」。 IEEE インダストリアル エレクトロニクス マガジン。 2013年。 O. Lucía et al、「IH 調理器: 省エネ調理器を使用した脱炭素化への道」、国際パワーエレクトロニクス会議 2022 IPEC22、2022 年。 M. ペレス-タラゴナら。 「家庭用誘導加熱アプリケーションのための多相 PFC 整流器と変調戦略」、IEEE Transactions on Industrial Electronics、2021 年。 IEEEライセンスを取得した独自のフィギュア。
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