KR101075853B1 - 유도가열방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인접배치한 복수의 가열코일에 주파수가 같고 위상이 동일한 전류를 흘려주도록 하되, 복수의 가열코일마다 각기 대응시킨 유도가열유니트를 ODD그룹과 EVEN 그룹으로 나누고 그룹 간에 상호 배타적으로 반복해서 ON/OFF동작시켜 서로 인접한 가열코일끼리의 자계간섭을 극소화시키는 유도가열방법에 관한 것으로, 복수의 가열코일을 연접시켜 유도가열을 행할 때, 각각의 유도가열유니트마다 출력을 자유롭게 가변할 수 있어, 피가열체의 온도분포를 균일하게 유지하거나 또는 임의로 차이나게 하는 것이 가능해 다양한 특성을 요하는 가공공정에 적합하고, 불필요한 유도가열유니트는 전원을 차단해도 되므로 에너지 효율 제고에 효과적이다.

유도, 가열, 자계간섭, ODD, EVEN, 그룹

Description

유도가열방법{Induction heating method}

본 발명은 유도가열방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 근접하여 배치시킨 복수의 가열코일 간에 상호유도간섭을 받지 않고 호적한 유도가열이 되도록 한 유도가열방법에 관한 것이다.

유도가열은 가열코일에 전류를 흘려줄 때 발생하는 자장에 의해 피가열체에서 와전류가 발생해 열로 변환되는 원리를 이용해 가열하는 방법으로서, 저항체가열법으로는 얻을 수 없는 고온을 얻을 수 있는 장점이 있어, 각 방면에 널리 쓰여지고 있다.

한편, 복수개소의 온도를 임의로 조정하고자 할 경우, 유도가열 코일을 복수로 배치하여 각각 개별적으로 출력을 제어해야할 필요가 있는데, 이때 복수의 유도가열코일을 인접시켜 동시에 가동시키면, 각 유도가열코일 간에 상호 자계간섭으로 인한 유도전압이 발생하여, 결국 유도가열코일에 투입되는 전력의 제어가 불가능하거나 심지어 인접한 인버터가 손상되는 경우가 있다.

이에 대한 대책의 일례로서 일본 특허 제3835766호(이하, "특허문헌1"로 약칭)의 발명이 나와 있다. 특허문헌1의 발명은 복수의 가열유니트 중 하나를 주 가 열유니트로하고, 나머지가 거기에 종속되도록 제어하는 것이다.

상세하게는, 근접한 복수의 가열코일 각각에 순변환부 또는 쵸퍼부를 구비한 공진형 인버터를 대응시켜 피가열물을 유도가열하는 유도가열방법에서, 상호 인접한 가열코일 각각에 공급하는 전류의 주파수를 일치시키고, 각 가열코일간의 전류 위상차를 검출하여, 각각의 가열유니트에 속해있는 인버터를 제어, 위상차가 제로가 되도록 가열코일에 공급되는 전류의 위상을 조정하면서, 순변환부 또는 쵸퍼부를 통해 각 가열코일의 투입전력을 조정하여, 피가열체의 온도분포를 제어한다는 것이다.

특허문헌1과 같은 구성의 회로에 의하면, 상호유도전압의 영향을 회피하고, 각 유도가열코일의 투입전력을 개별적으로 제어하여 피가열물의 온도를 임의로 제어하는 것이 어느정도 가능하다. 그러나, 종속측 가열유니트의 경우, 인버터와 가열코일간에 가변리액터를 두고 종속측 가열코일전류와 주측 가열코일전류의 위상차가 제로가 되도록 가변리액터를 조정하는 것이 기본 원리로 되어있는데 이는 부하(피가열체)의 재질 또는 형상에 따라 수시로 리액턴스를 가변해 줘야하는 번거로움이 수반되고 리액터는 교류회로에서 등가적으로 결국 부하에 해당하므로 자체적으로 발열해 불필요한 에너지가 소모된다.

본 발명은 이러한 문제점을 해소하기 위해 개발된 것으로서, 불필요한 가변요소나 발열요소 없이 복수의 유도가열코일 간에 상호 자계 간섭을 받지 않고 원활히 작동되는 유도가열방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 유도가열방법은

복수의 가열코일을 상호 간에 인접배치하고, 각각의 가열코일마다 공진형인버터를 대응시킨 유도가열유니트와, 교류전류를 정류하는 순변환부와, 펄스를 발생하는 ODD/EVEN펄스발생기 및, 동기신호발생기를 갖는 유도가열장치로 피가열물을 유도가열하는 유도가열방법에 있어서, 상기 복수의 가열코일 각각에 주파수가 같고 위상이 동일한 전류를 흘려주도록 하는 단계 및, 상기 단계 동안, 유도가열유니트를 ODD그룹과 EVEN그룹으로 나누고 그룹 간에 상호 배타적으로 반복해서 ON/OFF동작시켜 서로 인접한 가열코일끼리의 자계간섭을 극소화시키는 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

바람직하게, 상기 자계간섭을 극소화시키는 단계는 동일 그룹 내의 유도가열유니트의 가열코일끼리는 시작점 극성이 서로 반대가 되도록 접속하여, 상호 간섭 자계 에너지가 피가열체에서 열 에너지로 소진되도록 한 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 자계간섭을 극소화시키는 단계는 상기 배타적 시분할 동작에 따른 투입전력의 반분화를 보강하기 위해, 유도가열유니트의 출력용량을 요구정격 의 2배가 되도록 한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 전류를 흘려주도록 하는 단계는 상기 가열코일에 주파수가 같고 위상이 동일한 전류를 흘려주기 위해, 전용 동기신호발생기로부터 타임 베이스(TIME BASE)를 출력하게 하여 전 유도가열유니트가 그 타임 베이스에 보조를 맞추어 동작되게 한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 유도가열장치는 복수의 가열코일을 연접시켜 유도가열을 행할 때, 각각의 유도가열유니트마다 자유롭게 출력을 가변할 수 있어, 피가열체의 온도분포를 균일하게 유지하거나 또는 임의로 차이나게 하는것이 가능해 다양한 특성을 요하는 가공공정에 적합하며, 아울러 불필요한 유도가열유니트는 전원을 차단해도 되므로 에너지 효율 제고에 효과적이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다.

도 1의 유도가열장치는 본 발명에 따른 유도가열장치를 예로 들어 도시한 것이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 유도가열장치(100)는 유도가열유니트(10d, 10e, 20d, 20e)와, 전력을 공급하는 전원부(30), 변압기(31), ODD/EVEN펄스발생기(32) 및 동기신호발생기(33)와, 교류전류를 정류하는 순변환부(40)로 구성된다.

순변환부(40)는 다시, ODD, EVEN펄스 신호에 의해 ON/OFF되는 싸이리스터(41, 42, 43, 45, 46, 47)와 싸이리스터구동부(44, 48) 및 정류다이오드(49, 50, 51)로 구성되고, 이들 싸이리스터와 정류다이오드 조합에 의한 브리지정류회로를 통해 교류전원이 직류로 변환된다. 다만, 싸이리스터(41, 42, 43)가 ON 되면 전원부 ODD그룹용 전원라인(35)에 직류전원이 공급되고, 싸이리스터(45, 46, 47)가 ON되면 전원부 EVEN그룹용 전원라인(36)에 직류전원이 공급된다.

유도가열유니트는 편의상 4개를 예시하였고 이들은 가열코일의 접속방향만 일부 다를 뿐 하드웨어적으로 모두 동일하므로, 별도의 언급이 없는 한 이하 10d를 대표도로서 인용하고자 한다.

유도가열유니트(10d)는 다시 구동제어부(12d)와, 인버터부(역변환부)(11d)와, 가열코일(17d)과, 콘덴서(15d, 16d), 평활리액터(13d) 및 출력설정기(14d)로 구성된다.

인버터부(11d)는 다시 인버터트랜지스터(111d, 112d)로 구성된다.

특히 콘덴서(15d, 16d)와 가열코일(17d)은 병렬공진회로를 구성하고 있으므로, 유도가열유니트(10d)를 따로 공진형 인버터로 부르기도 한다.

이러한 본 발명에 따른 유도가열장치의 동작은 다음과 같다.

본 발명에 따른 유도가열장치는 인접하여 배치된 복수의 유도가열코일에 전류를 공급할 때 발생하는 상호자계간섭의 영향을 받지 않도록 하는 유도가열방법으로서, 본 발명의 실시형태는, 다수의 유도가열유니트를 ODD측과 EVEN측의 두 그룹으로 나누고, ODD, EVEN, ODD, EVEN,.....순으로 배열한 후 ODD그룹 유도가열유니 트와 EVEN그룹 유도가열유니트를 동일한 주기를 바탕으로 서로 배타적 시분할 동작시켜, 모든 유도가열유니트가 어느 하나라도 자신과 바로 인접한 유도가열유니트와는 동시에 작동되지 않도록 한다.

좀 더 상세하게는, 주 전원라인을 기본적으로 ODD그룹용 전원라인(35)과 EVEN그룹용 전원라인(36)의 두 계통으로 분리하여, ODD/EVEN펄스발생기(32)에서 발생되는 타이밍 펄스중 ODD신호가 'H'이고 EVEN신호가 'L'일때는 ODD그룹용 전원라인(35)에 전원이 공급되어 ODD그룹내 유도가열유니트(10d, 20d)를 작동시키고, EVEN그룹내 유도가열유니트(10e, 20e)는 휴지기를, 반대로 ODD신호가 'L'이고 EVEN신호가 'H'일때는 EVEN그룹용 전원라인(36)에 전원이 공급되어, EVEN그룹내 유도가열유니트(10e, 20e)를 작동시키고 ODD그룹내 유도가열유니트(10d, 20d)는 휴지기를 갖도록 한다.

이와 같이 두 개 그룹간의 유도가열유니트를 상호 배타적으로 동작시키는 목적은 출력제어를 위한 것이 아니고, 전술한 바와 같이 유도가열유니트가 어느 하나라도 자신과 바로 인접한 유도가열유니트와는 동시에 작동되지 않도록 하여, 상호자계간섭을 극소화시키기 위해서이다. 출력제어는 별도의 방법에 의해 각 유도가열유니트마다 독자적으로 이뤄지며, 이에 대한 상세한 설명은 후술하기로 한다.

이와 같이 ODD주기와 EVEN주기에 따라 유도가열유니트가 배타적으로 작동되면 결국 모든 유도가열유니트의 출력이 절반으로 줄어드는 단점이 있으나, 이 점은 당초 유도가열인버터의 출력용량을 2배로 설정해주면 간단히 해결된다.

도 2는 전원위상(Ev)에 따른 ODD펄스와 EVEN펄스를 도시한 것이다.

도시된 바와 같이, ODD와 EVEN 두 펄스의 1주기를 4 CYCLE(2CYCLE HIGH, 2CYCLE LOW)로 예시하였는데, 이 값은 ODD그룹과 EVEN그룹의 유도가열유니트를 얼마나 자주 반복 ON/OFF 시키느냐 하는 절환스피드로서, 본 실시 예에서 편의상 정한 값이므로 절대치는 아니다. 이 절환스피드가 너무느리면 피가열체의 온도가 요동할 수 있으므로 가급적 짧은것이 좋은데, 대략 10CYCLE 이내로 잡아주면 실용상 지장 없다.

ODD/EVEN펄스발생기(32)는 변압기(31)로부터 주파수와 제로크로싱(ZERO CROSSING)신호를 참조하여, 출력펄스의 상태변화가 항상 제로크로싱 시점에서 이뤄지게 한다.

본 발명의 유도가열방법은, 각 동일그룹내의 유도가열유니트의 가열코일끼리는 시작점 극성이 서로 반대가 되도록 접속하여, 가열코일에 전류를 흘릴 때 발생하는 자기장의 회전방향이 휴지기측 가열코일 방향으로 같이 모아지게 함으로서, 상호간섭자계 에너지가 피가열체에서 원래의 목적대로 열 에너지로 소진되도록 한다.

이에 대한 본 발명의 실시형태를 도 3을 통해 좀 더 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 따른 유도가열에 의한 용기가열장치의 개략도이다. 제일 윗쪽의 용기가열장치(50)에 도시된 가열코일을 보면, ODD(17d), EVEN(17e), ODD(27d), EVEN(27e)순으로 배치되어 있고, 가열코일의 시작점17ds, 17es, 27ds, 27es 위치가 동일그룹 내의 가열코일(17d, 27d)(17e, 27e)끼리는 서로 반대방향으로 되어있다. 이것은 동일그룹내의 가열코일끼리는 자계가 서로 충돌하는일 없이 피가열체로 향하도록 해주기 위해서다.

중간의 용기가열장치(50d)와 맨 아랫쪽의 용기가열장치(50e)는 각각 ODD그룹과 EVEN그룹의 가열코일에 전류가 흐를때 코일 주변에 형성되는 자기장의 모습을 개략적으로 도시한 것인데, 이들 두가지 경우에서 자계는 휴지기 가열코일측을 통과하면서 피가열체(51)에서 열 에너지로 변환된다. 가열코일에 흐르는 전류의 방향이 반대가 되면 자계의 방향도 당연히 반대가 되고 그때의 작용도 전술한 바와 동일하다.

전술한 바와 같이 본 발명의 목적은, 인접하여 배치된 복수의 유도가열코일 상호간에 자계간섭 없이 원활히 작동되는 유도가열장치를 제공하는 것인데, 이를 위한 첫째 조건은, 각 가열코일에 인가하는 전류의 주파수와 위상이 동일해야 하고, 둘째 조건은 각 유도가열유니트마다 개별적으로 출력가변이 자유롭게 이뤄질 수 있어야 한다.

이에 대한 본 발명의 실시형태는 동기신호발생기(33)에서 한 종류의 기본펄스 CK를 만들어 모든 구동제어부(12d, 12e, 22d, 22e)에 공급하고, 구동제어부(12d)는 이 CK펄스를 타임 베이스(TIME BASE)로 하여 인버터트랜지스터(111d, 112d)의 게이트펄스Qa, Qb를 만든다.

도 4는 CK펄스를 기준으로 하고 여기에 Q펄스와 게이트펄스Qa, Qb의 위상관계를 도시한 것인데, 여기서 Q펄스에 대해 자세히 살펴보기로 한다.

구동제어부(12d) 내의 PULSE폭생성기는 VI값에 비례한 Q펄스를 출력하는데, 출력설정기(14d)를 통해 출력설정전압VI를 가변시키면 Q펄스폭도 따라서 변화한다. Q펄스는 도4에 도시된 바와 같이 그대로 Qa펄스가 되고 /Q(‘Q Bar’라고 하며 Q의 역을 뜻함)는 그대로 Qb펄스가 된다.

타이밍 순서에 따라 Qa펄스가‘H', Qb펄스가 ‘L'이 되면 인버터트랜지스터(111d)가 ON되어 가열코일(17d)과 콘덴서(16d)에 전류가 흐르고, 다음 Qa펄스가 ‘L', Qb펄스가 'H'가 되면 인버터트랜지스터(111d)가 오프(OFF)되고, 인버터트랜지스터(112d)가 온(ON)되면서 가열코일(17d)과 콘덴서(16d)에 충천되었던 전기 에너지가 인버터트랜지스터(112d)와 콘덴서(15d)를 통해 방전된다. 이 과정이 반복되면서 유도가열작용이 이뤄진다.

인버터트랜지스터(111d)의 ON TIME폭(Qa펄스폭)을 크게 하면 유도가열 출력도 커지는데, 이는 ON TIME폭이 클수록 가열코일(17d)과 콘덴서(16d)에 많은 양의 에너지가 충전되었다가 방전되기 때문이다. 출력설정기(14d)는 이 ON TIME폭을 조정해 주는 도구로서 이를 통해서 유도가열출력이 조정된다.

도 4와 도 5는 기본적으로 같은 도면으로 도 4는 유도가열출력이 낮을때의 예시로서 Q, Qa펄스폭이 좁고 Qb펄스폭이 넓은 반면, 도 5는 유도가열출력이 높을 때의 예시로서 Q, Qa펄스폭이 넓고 Qb펄스폭이 좁다.

구동제어부(12d) 내의 GATE신호발생기는 모노싱크(MONO SYNC) 형태의 Q펄스를 상보대칭펄스Qa, Qb로 분리 생성하여 출력한다.

이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 각 가열코일에 주파수가 같고 위상이 동일한 전류를 흘려 주도록 하되, 유도가열유니트를 ODD그룹과 EVEN그룹으로 나누어 상호 배타적으로 반복해서 ON/OFF 동작시킴으로서 서로 인접한 가열코일끼리의 자계간섭을 극소화되도록 해, 각각의 유도가열유니트마다 자유롭게 출력을 가변할 수 있게 한 것이다.

따라서, 피가열체의 온도분포를 균일하게 유지하거나 또는 임의로 차이나게 하는것이 가능해 다양한 특성을 요하는 유도가열 가공공정에 적합하며, 불필요한 유도가열유니트는 전원을 차단해도 되므로 에너지 효율 제고에 기여하게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 유도가열장치를 도시한 도면

도 2는 본 발명의 전원위상(Ev)에 따른 ODD펄스와 EVEN펄스를 도시한 도면

도 3은 본 발명에 따른 유도가열에 의한 용기가열장치를 도시한 도면

도 4는 유도가열출력이 낮을 때의 Q펄스와 게이트펄스 Qa, Qb의 위상관계를 도시한 도면

도 5는 유도가열출력이 높을 때의 Q펄스와 게이트펄스 Qa, Qb의 위상관계를 도시한 도면

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

100 : 유도가열장치 10d, 10e, 20d, 20e : 유도가열유니트

11d, 11e, 21d, 21e : 인버터부 12d, 12e, 22d, 22e : 구동제어부

13d, 13e, 23d, 23e : 리액터 14d, 14e, 24d, 24e : 출력설정기

15d, 16d, 15e, 16e, 25d, 26d, 25e, 26e : 콘덴서

17d, 17e, 27d, 27e : 가열코일 32 : ODD/EVEN펄스발생기

33 : 동기신호발생기 40 : 순변환부

Claims (4)

1. 복수의 가열코일을 상호 간에 인접배치하고, 각각의 가열코일마다 공진형인버터를 대응시킨 유도가열유니트와, 교류전류를 정류하는 순변환부와, 펄스를 발생하는 ODD/EVEN펄스발생기 및, 동기신호발생기를 갖는 유도가열장치로 피가열물을 유도가열하는 유도가열방법에 있어서,

   상기 복수의 가열코일 각각에 주파수가 같고 위상이 동일한 전류를 흘려주도록 하는 단계; 및

   상기 단계 동안, 유도가열유니트를 ODD그룹과 EVEN그룹으로 나누고 그룹 간에 상호 배타적으로 반복해서 ON/OFF동작시켜 서로 인접한 가열코일끼리의 자계간섭을 극소화시키는 단계를 포함하여 이루어지고,

   상기 자계 간섭을 극소화시키는 단계는,

   동일 그룹 내의 유도가열유니트의 가열코일끼리는 시작점 극성이 서로 반대가 되도록 접속하여, 상호 간섭 자계 에너지가 피가열체에서 열 에너지로 소진되도록 하고,

   상기 배타적 시분할 동작에 따른 투입전력의 반분화를 보강하기 위해, 유도가열유니트의 출력용량을 요구정격의 2배가 되도록 하며,

   상기 전류를 흘려주도록 하는 단계는,

   상기 가열코일에 주파수가 같고 위상이 동일한 전류를 흘려주기 위해, 전용 동기신호발생기로부터 타임 베이스(TIME BASE)를 출력하게 하여 전 유도가열유니트가 그 타임 베이스에 보조를 맞추어 동작되게 한 것을 특징으로 하는 유도가열방법.
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