KR101423832B1 - 유도가열장치 및 유도가열장치의 제어방법 - Google Patents

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Abstract

유도가열장치 내에서 피가열체의 존재여부를 감지할 수 있는 본 발명의 일 측면에 따른 유도가열장치는, 미리 정해진 크기의 교류전압이 인가되면 자기장을 형성하여 상기 피가열체에 유도시킴으로써 상기 피가열체를 가열시키는 유도 코일; 상기 커패시터 양단의 전압 값, 상기 유도가열장치의 리액턴스 [성분]값, 및 상기 유도 코일에 공급되는 전압의 주파수 값 중 적어도 하나의 변화를 이용하여 상기 유도가열장치 내의 상기 피가열체 존재여부를 판단하는 판단부; 및 상기 판단부의 판단결과에 따라 상기 유도코일에 공급되는 전력을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

유도가열장치 및 유도가열장치의 제어방법{Apparatus for Induction Heating and Method for Controlling That Apparatus}
본 발명은 유도코일을 이용하여 피가열체를 가열하는 유도가열장치에 관한 것이다.
일반적으로 유도가열장치는 유도코일에 공급되는 전류로 인하여 발생되는 와전류를 이용하여 피가열체를 가열하는 장치이다.
보다 구체적으로, 유도가열장치는, 유도코일에 고주파의 교류전류를 공급하여 피가열체에 전자기 유도현상에 의한 유도전류가 흐르게 함으로써 피가열체의 저항에 의해 발생되는 줄(Joule)열로 피가열체의 온도를 높이게 된다.
도 1은 이러한 유도가열장치의 일반적인 회로구성을 보여주는 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반적인 유도가열장치(100)는, 유도가열장치(100)에 전원을 공급하기 위한 인버터(미도시)를 포함하는 전원공급장치(110), 피가열체(120)를 가열하기 위한 유도코일(130), 및 상기 유도코일(130)과 공진회로를 구성하는 커패시터(140)를 포함한다.
도 1에서, 피가열체(120)는 부하로써 표현되며 저항성분(R_Load)으로 등가화되고, 유도코일(130)은 인덕턴스 성분(L_Coil)과 저항성분(R_Coil)으로 구성된다.
이러한 일반적인 유도가열장치의 경우 전원공급장치(110)의 출력 전력을 제어함으로써 피가열체의 가열온도를 제어하게 되는데, 종래의 유도가열장치의 경우 피가열체가 존재하지 않는 경우에도 이를 감지할 수가 없어, 계속적으로 전력을 출력하기 때문에 전력손실이 발생한다는 문제점이 있다.
또한, 종래의 유도가열장치의 경우, 피가열체가 존재하지 않는 경우에도 계속적으로 전력이 출력되기 때문에 결과적으로 유도코일의 온도가 지속적으로 상승하게 되어 유도코일을 냉각시키기 위한 냉각설비의 용량이 증대될 수 있다는 문제점이 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 유도가열장치 내에서 피가열체의 존재여부를 감지할 수 있는 유도가열장치 및 유도가열장치의 제어방법을 제공하는 것을 그 기술적 과제로 한다.
또한, 본 발명은 유도가열장치 내에서 피가열체의 존재여부에 따라 출력 전력을 조절할 수 있는 유도가열장치 및 유도가열장치의 제어방법을 제공하는 것을 다른 기술적 과제로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따른 유도가열장치는, 미리 정해진 크기의 교류전압이 인가되면 자기장을 형성하여 상기 피가열체에 유도시킴으로써 상기 피가열체를 가열시키는 유도 코일; 상기 유도 코일과 공진회로를 구성하는 공진 커패시터; 상기 공진 커패시터 양단의 전압 값, 상기 유도가열장치의 리액턴스 값, 전원 공급부로부터 공급되는 전압의 주파수 값 중 적어도 하나의 변화를 이용하여 상기 유도가열장치 내의 상기 피가열체 존재여부를 판단하는 판단부; 및 상기 판단부의 판단결과에 따라 상기 유도코일에 공급되는 전력을 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따른 유도가열장치의 제어방법은, 유도가열장치의 정상 운전 시 커패시터 양단에 인가되는 전압 값, 상기 유도가열장치의 리액턴스 값, 및 전원공급부로부터 공급되는 전압의 주파수 값 중 적어도 하나를 획득하는 단계; 상기 획득된 값을 미리 정해진 기준 값과 비교하여 상기 유도가열장치 내에 피가열체의 존재여부를 판단하는 단계; 및 상기 피가열체의 존재 여부에 따라 유도코일에 공급되는 전력을 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 커패시터 양단의 전압 값, 유도가열장치의 리액턴스 값, 및 유도가열장치에 공급되는 전압의 주파수 값 중 적어도 하나를 이용하여 유도가열장치 내에 피가열체가 존재하는지 여부를 용이하게 감지할 수 있다는 효과가 있다.
특히, 본 발명은 유도가열장치로 공급되는 전력 또는 피가열체 중 적어도 하나가 가변하더라도, 유도가열장치로 공급되는 전압의 주파수 값과 커패시터 양단의 전압 값이 모두 반영되어 있는 리액턴스 값을 이용하여 유도가열장치 내에 피가열체가 존재하는지 여부를 판단할 수 있으므로, 판단의 정확성을 높일 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 유도가열장치 내에 피가열체가 존재하는지 여부에 따라 출력 전력을 조절함으로써 전력손실을 최소화할 수 있다는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 유도가열장치 내에 피가열체가 존재하지 않는 것으로 판단되면, 출력전력을 조절함으로써 유도 코일을 감싸는 차폐커버가 가열되는 것을 방지할 수 있어 차폐커버의 냉각을 위해 요구되는 냉각부의 용량 증대를 억제시킬 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 일반적인 유도가열장치의 회로구성을 보여주는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도가열장치의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도.
도 3은 도 2에 도시된 전원 공급부의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도.
도 4는 도 2에 도시된 판단부의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도.
도 5는 LF방식에 따른 유도가열장치의 구성을 보여주는 도면.
도 6은 TF방식에 따른 유도가열장치의 구성을 보여주는 도면.
도 7은 TF방식에 따른 다른 유도가열장치의 구성을 보여주는 도면.
도 8은 도 7에 도시된 유도 코일의 A-A'를 절단한 단면도.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도가열장치의 제어방법을 보여주는 플로우차트.
이하, 첨부되는 도면을 참고하여 본 발명의 실시예들에 대해 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 유도가열장치의 구성을 개략적으로 보여주는 블록도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 유도가열장치(200)는 전원 공급부(210), 변압부(220), 유도 코일(230), 판단부(240), 제어부(250), 온도 측정부(260), 및 냉각부(270)를 포함한다.
먼저, 전원 공급부(210)는 외부로부터 입력되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환하고, 직류 전압을 다시 고주파의 교류 전압으로 변환하여 출력한다.
일 실시예에 있어서, 이러한 전원 공급부(210)는 도 3에 도시된 바와 같이 교류 전압을 직류 전압으로 정류하는 정류기(310) 및 정류기(310)로부터 출력되는 직류 전압을 고주파의 교류 전압으로 변환하여 출력하는 인버터(320)를 포함할 수 있다.
이때, 정류기(310)는 도 3에 도시된 바와 같이, 정류부(312), 평활화부(314), 커패시턴스 조절부(316), 및 인버터부(318)를 포함할 수 있다.
정류부(312)는 복수개의 다이오드 또는 복수개의 사이리스트를 이용하여 외부로부터 입력되는 3상 또는 단상의 교류전압을 직류전압으로 변환한다.
제1 실시예에 있어서, 외부로부터 입력되는 교류전압이 3상인 경우, 정류부(312)는 6개의 다이오드로 구현되거나 8개의 사이리스터로 구현될 수 있다. 제2 실시예에 있어서, 외부로부터 입력되는 교류전압이 단상인 경우, 정류부(312)는 4개의 다이오드로 구현되거나 4개의 사이리스터로 구현될 수 있다.
평활화부(314)는 정류부(312)로부터 출력되는 직류전압에서 리플성분을 제거함으로써 직류전압을 평활화하는 것으로서, 하나의 리액터(미도시) 및 커패시터(미도시)를 포함한다. 일 실시예에 있어서, 커패시터는 필름 커패시터로 구현될 수 있다.
커패시턴스 조절부(314)는 정류기(310)의 초기 구동 시 정류기(310)의 전체 커패시턴스를 증가시킴으로써 초기 구동 시 과전압 발생을 방지한다. 이러한 커패시턴스 조절부(316)는 하나 이상의 커패시터로 구현될 수 있다. 즉, 커패시턴스 조절부(316)는 하나의 커패시터 또는 2개 이상의 커패시터로 구현될 수 있는데, 2개 이상의 커패시터로 구현되는 경우 2개 이상의 커패시터는 직렬로 연결될 수 있다.
또한, 커패시턴스 조절부(316)가 2개의 이상의 커패시터로 구현되는 경우 커패시터 간의 전압 불균등을 방지하기 위해, 커패시턴스 조절부(816)는 각각의 커패시터에 병렬로 연결되는 저항소자를 더 포함할 수 있다.
마지막으로, 스위칭부(318)는 커패시턴스 조절부(316) 방향으로는 전류가 흐르지만 커패시턴스 조절부(316)로부터 외부로는 전류가 흐르지 않도록 하는 역할을 수행한다. 일 실시예에 있어서, 이러한 스위칭부(318)는 다이오드 또는 사이리스터로 구현될 수 있다.
한편, 본 발명에 따른 전원 공급부(210)는 역률 보상부(330)를 더 포함할 수 있다. 역률 보상부(330)는 외부로부터 입력되는 전압과 전류간의 위상차를 보상하여 정류부(310)로 인가하는 역할을 수행한다. 이와 같이, 역률 보상부(330)를 이용하여 외부로부터 입력되는 전압과 전류간의 위상차를 보상하는 것은, 입력 전원에 상응하는 사인파 곡선의 전체 영역에 걸쳐 유도 코일(230)로 에너지를 제공하기 위한 것이다.
이외에도, 도 3에 도시하지는 않았지만 전원 공급부(210)는, 인버터(320)에 포함된 하나 이상의 스위칭 소자의 온오프를 제어하는 제어부와 전원 공급부(210)에 포함된 상기 각 구성요소들을 보호하기 위한 보호회로를 더 포함할 수 있다.
다시 도 2를 참조하면, 변압부(220)는 전원 공급부(210)로부터 출력되는 고주파의 교류 전압을 유도 코일(230)에 적합한 전압으로 변환하는 것으로서, 유도 코일(230)과의 공진을 위한 공진 커패시터(미도시)를 포함한다.
다음으로, 유도 코일(230)은 자기장을 형성하여 피가열체(280)에 유도시킴으로써 피가열체(280)를 가열시키는 역할을 수행한다. 구체적으로, 고주파의 교류 전류가 유도 코일(230)에 인가되면 자기장이 형성되고, 페러데이 및 렌츠 법칙에 의하여 피가열체(280)에 전압이 유도되는데, 유도된 전압에 의하여 전류가 피가열체(280)에 흐르게 되면서 피가열체(280)가 줄열에 의해서 가열된다.
이러한 유도 코일(230)은 유도가열장치(200)를 전기회로적으로 등가 모델링하는 경우 상술한 도 1에 도시된 바와 같이 저항성분(R_Coil)과 인덕턴스 성분(L_Coil)을 포함하게 된다.
다음으로, 판단부(240)는, 상기 공진 커패시터 양단의 전압 값, 유도가열장치 (200)의 리액턴스 값, 및 전원공급부(210)로부터 공급되는 전압의 주파수 값 중 적어도 하나의 변화를 이용하여 유도가열장치(200)내에 피가열체(230)가 존재하는지 여부를 판단한다.
즉, 판단부(240)는 상기 공진 커패시터의 양단에서 측정되는 전압 값이 변화하는지 여부, 유도가열장치(200)의 리액턴스 값이 변화하는지 여부, 또는 전원 공급부(210)로부터 공급되는 전압의 주파수 값이 변화하는지 여부를 판단함으로써 유도가열장치(200) 내에 피가열체(230)가 존재하는지 여부를 판단하게 된다.
이를 위해 판단부(240)는 도 4에 도시된 바와 같이, 검출부(410), 연산부(420), 결정부(430), 및 데이터 저장부(440)를 포함한다.
먼저, 검출부(410)는, 피가열체(280)가 유도가열장치(200) 내에 존재하지 않는 조건(이하, '무부하 조건'이라 함)에서 상기 공진 커패시터의 양단에 인가되는 제1 전압 값을 검출하고, 검출된 제1 전압 값을 데이터 저장부(440)에 기록한다.
또한, 검출부(410)는 유도가열장치(200)가 정상적으로 운전되고 있는 동안, 상기 공진 커패시터의 양단에 인가되는 제2 전압 값을 검출하고, 검출된 제2 전압 값을 연산부(420) 및 결정부(430)로 제공한다.
한편, 검출부(410)는 피가열체(280)가 유도가열장치(200) 내에 존재하지 않는 무부하 조건에서 전원공급부(210)으로부터 공급되는 전압의 제1 주파수를 검출하고, 검출된 제1 주파수의 값을 데이터 저장부(440)에 기록한다.
또한, 검출부(410)는 유도가열장치(200)가 정상적으로 운전되고 있는 동안, 전원공급부(210)으로부터 공급되는 전압의 제2 주파수를 검출하고, 검출된 제2 주파수의 값을 결정부(430)로 제공한다.
다음으로, 연산부(420)는, 검출부(410)에 의해 검출된 제1 전압 값과 무부하 조건에서 전원 공급부(210)로부터 유도 코일(230)에 인가되는 제1 전력 값을 이용하여 유도가열장치(200)의 제1 리액턴스 값을 산출하고, 산출된 제1 리액턴스 값을 데이터 저장부(440)에 기록한다.
또한, 연산부(420)는 검출부(410)에 의해 검출된 제2 전압 값과 유도가열장치 (200)가 정상적으로 운전되고 있는 동안 전원 공급부(210)로부터 유도 코일(230)에 인가되는 제2 전력 값을 이용하여 유도가열장치(200)의 제2 리액턴스 값을 산출하고, 산출된 제2 리액턴스 값을 결정부(430)로 제공한다.
전원 공급부(210)로부터 유도 코일(230)에 인가되는 전력을 P라 하고, 검출부(410)에 의해 측정된 상기 공진 커패시터 양단전압을 V이라 할 경우, 연산부(420)는 아래의 수학식 1를 이용하여 유도가열장치(200)의 제1 및 제2 리액턴스 값(XC)을 산출할 수 있다.
Figure 112012076282091-pat00001
다음으로, 결정부(430)는 유도가열장치(200)가 정상적으로 운전되고 있는 기간 동안 유도가열장치(200) 내에 피가열체(280)가 존재하는지 여부를 결정한다.
제1 실시예에 있어서, 결정부(430)는 유도 코일(230)에 인가되는 전압 값을 이용하여 유도가열장치(200) 내에 피가열체(280)가 존재하는지 여부를 결정할 수 있다. 결정부(430)는, 데이터 저장부(440)에 기록되어 있는 제1 전압 값과 검출부(410)로부터 제공되는 제2 전압 값을 비교하여 제2 전압 값이 제1 전압 값 이상인 경우 유도가열장치(200) 내에 피가열체(280)가 존재하지 않는 것으로 결정한다.
구체적으로, 피가열체(280)가 유도가열장치(200)내에 존재하지 않는 무부하 조건의 경우, 유도가열장치(200)의 등가회로 상에서 피가열체(280)를 나타내는 저항성분(R_Load)의 값은 0으로 표현된다. 따라서, 무부하 조건에서의 유도가열장치(200)의 저항성분(R)의 값은 유도가열장치(200)내에 피가열체(280)가 존재하는 경우의 저항 성분의 값에 비해 작아지게 된다.
이러한 경우, 전원 공급부(210)로부터 일정한 전력이 유도 코일(230)에 공급된다면, 아래의 수학식 2에 따라 유도 코일(230)에 흐르는 전류IL은 무부하 조건일 때가 유도가열장치(200)내에 피가열체(280)가 존재하는 경우에 비해 증가하게 되어, 결과적으로 상기 공진 커패시터의 양단에서 검출되는 전압 V 또한 무부하 조건일 때가 유도가열장치(200) 내에 피가열체(280)가 존재하는 경우에 비해 증가하게 된다.
Figure 112012076282091-pat00002
따라서, 결정부(430)는 유도가열장치(200)의 정상 운전시 획득한 제2 전압 값이 무부하 조건일 때 획득한 제1 전압 값 이상인 경우 유도가열장치(200) 내에 피가열체(280)가 존재하지 않는 것으로 결정하게 된다.
제2 실시예에 있어서, 결정부(430)는 유도가열장치(200)의 리액턴스 값을 이용하여 유도가열장치(200) 내에 피가열체(280)가 존재하는지 여부를 결정할 수 있다. 결정부(430)는, 데이터 저장부(440)에 기록되어 있는 제1 리액턴스 값과 연산부(420)로부터 제공되는 제2 리액턴스 값을 비교하여, 제2 리액턴스 값이 제1 리액턴스 값 이상인 경우 유도가열장치(200) 내에 피가열체(280)가 존재하지 않는 것으로 결정한다.
구체적으로, 유도가열장치(200) 내에 피가열체(280)가 존재하는 경우, 유도 코일(230)에서 발생하는 제1 자기장은 피가열체(280)에 유도전류를 발생시키게 되며, 이러한 유도 전류는 또 다른 자기장인 제2 자기장을 형성하게 된다. 이때 제2 자기장은 제1 자기장과 반대방향으로 작용을 하게 된다.
따라서, 제1 자기장은 제2 자기장과의 상쇄로 인해 약해지므로 유도 코일(230)의 인덕턴스(L_Coil) 값은 유도가열장치(200) 내에 피가열체(280)가 존재하는 경우가 무부하 조건일 때에 비해 감소하게 되고, 이로 인해 유도가열장치(200)의 리액턴스 값 또한 유도가열장치(200) 내에 피가열체(280)가 존재하는 경우가 무부하 조건일 때에 비해 감소하게 된다.
따라서, 결정부(430)는 유도가열장치(200)의 정상 운전시 획득한 제2 리액턴스 값이 무부하 조건일 때 획득한 제1 리액턴스 값 이상인 경우 유도가열장치(200) 내에 피가열체(280)가 존재하지 않는 것으로 결정하게 된다.
제3 실시예에 있어서, 결정부(430)는 전원 공급부(210)로부터 공급되는 전압의 주파수 값을 이용하여 유도가열장치(200) 내에 피가열체(280)가 존재하는지 여부를 결정할 수 있다. 결정부(430)는, 데이터 저장부(440)에 기록되어 있는 제1 주파수 값과 검출부(410)에 의해 검출된 제2 주파수 값을 비교하여, 제2 주파수 값이 제1 주파수 값 이하인 경우 유도가열장치(200) 내에 피가열체(280)가 존재하지 않는 것으로 결정한다.
구체적으로, 유도가열장치(200) 내에 피가열체(280)가 존재하는 경우, 유도 코일(230)에서 발생하는 제1 자기장은 제1 자기장에 의해 형성되는 제2 자기장과의 상쇄로 인해 약해지므로, 유도 코일(230)의 인덕턴스(L_Coil) 값은 무부하 조건일 때에 비해 감소하게 되고, 이로 인해 아래의 수학식 3에 따라 주파수(F)는 무부하 조건일 때가 유도가열장치(200) 내에 피가열체(280)가 존재하는 경우에 비해 감소하게 된다.
Figure 112012076282091-pat00003
따라서, 결정부(430)는 유도가열장치(200)의 정상 운전시 획득한 제2 주파수 값이 무부하 조건일 때 획득한 제1 주파수 값 이하인 경우 유도가열장치(200) 내에 피가열체(280)가 존재하지 않는 것으로 결정하게 된다.
상술한 실시예에 있어서는 제1 전압 값, 제1 리액턴스 값, 및 제1 주파수 값은 데이터 저장부(440)에 기록하는 것으로 기재하였지만, 변형된 실시예에 있어서는 판단부(240)가 별도의 데이터 저장부(440)를 포함하지 않고 제1 전압 값, 제1 리액턴스 값, 및 제1 주파수 값을 결정부(430)가 직접 저장할 수도 있다.
또한, 상술한 실시예에 있어서는 제1 전압 값, 제1 리액턴스 값, 및 제1 주파수 값을 직접 검출하거나 연산을 통해 산출하는 것으로 기재하였지만, 변형된 실시예에 있어서는 유도가열장치 마다 이러한 값들이 미리 결정되어 있을 수도 있을 것이다. 따라서 이러한 경우 검출부(410)는 제2 전압 값과 제2 주파수 값만을 검출하고, 연산부(420)는 제2 리액턴스 값만을 산출하면 된다.
한편, 상술한 실시예에 있어서, 판단부(240)는 공진 커패시터 양단의 전압 값, 유도가열장치 (200)의 리액턴스 값, 및 전원공급부(210)로부터 공급되는 전압의 주파수 값 중 적어도 하나의 변화를 이용하여 유도가열장치(200)내에 피가열체(230)가 존재하는지 여부를 판단하는 것으로 설명하였다.
하지만, 다른 실시예에 있어서 판단부(240)는 전원 공급부(210)로부터 공급되는 전력 및 피가열체의 조건에 따라 공진 커패시터 양단의 전압 값, 유도가열장치 (200)의 리액턴스 값, 및 전원공급부(210)로부터 공급되는 전압의 주파수 값 중 어느 하나를 선택적으로 이용하여 피가열체(230)가 존재하는지 여부를 판단할 수 이다.
예컨대, 전원 공급부(210)로부터 일정한 전력이 공급되거나 피가열체가 변경되지 않는 고정부하 조건인 경우에는, 전원공급부(210)로부터 일정한 전압과 주파수가 출력될 것이기 때문에 공진 커패시터 양단의 전압 값 또는 전원 공급부(210)로부터 공급되는 주파수 값 중 어느 하나를 이용하여 피가열체(230)가 존재하는지 여부를 판단할 수 있다.
하지만, 전원 공급부(210)로부터 공급되는 전력이 일정하지 않거나 피가열체가 변경되는 가변부하 조건인 경우에는 전원 공급부(210)로부터 공급되는 전압 및 주파수 값이 일정하지 않을 수 있다. 이에 따라, 유도가열장치(200)가 정상운전 중인 경우 획득된 공진 커패시터 양단의 전압 값 또는 전원 공급부(210)로부터 공급되는 주파수 값은 무부하 상태가 아님에도 불구하고 무부하 조건인 경우 획득된 공진 커패시터 양단의 전압 값 또는 전원 공급부(210)로부터 공급되는 주파수 값과 동일할 확률이 높아질 수 있다. 따라서, 이러한 경우, 판단부(240)는 유도가열장치 (200)의 리액턴스 값을 이용하여 피가열체(230)의 존재 여부를 판단할 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서는, 판단부(240)는 공진 커패시터 양단의 전압 값, 유도가열장치 (200)의 리액턴스 값, 및 전원공급부(210)로부터 공급되는 전압의 주파수 값 중 2개를 이용하여 할 수도 있을 것이다.
예컨대, 유도가열장치(200)가 정상운전 중인 경우 획득된 공진 커패시터 양단의 전압 값이 무부하 조건인 경우 획득된 공진 커패시터 양단의 전압 값과 오차 범위 내에서 동일하거나, 유도가열장치(200)가 정상운전 중인 경우 획득된 전원 공급부(210)로부터 공급되는 주파수 값과 무부하 조건인 경우 획득된 전원 공급부(210)로부터 공급되는 주파수 값이 오차 범위 내에서 동일한 경우 유도가열장치(200)의 리액턴스 값을 추가로 이용하여 피가열체(230)의 존재여부를 판단할 수도 있다. 이는, 무부하 상태가 아님에도 불구하고 유도가열장치(200)가 정상운전 중인 경우 획득된 공진 커패시터 양단의 전압 값 또는 전원 공급부(210)로부터 공급되는 주파수 값이 무부하 조건인 경우 획득된 공진 커패시터 양단의 전압 값 또는 전원 공급부(210)로부터 공급되는 주파수 값과 동일한 경우가 존재할 수 있기 때문이다.
다시 도 2를 참조하면, 제어부(250)는, 판단부(240)의 판단결과에 따라 유도코일(230)에 공급되는 전력을 제어한다. 구체적으로, 제어부(250)는, 판단부(240)에 의해 유도가열장치(200) 내에 피가열체(280)가 존재하지 않는 것으로 판단된 경우 전원 공급부(210)로부터 출력되는 전력을 소정의 값으로 감소시켜 전력 손실이 최소화될 수 있도록 한다.
또한, 제어부(250)는 온도 측정부(260)로부터 전달되는 피가열체(280)의 온도에 따라 전원 공급부(210)로부터 출력되는 전력을 조절한다.
즉, 제어부(1130)는 판단부(240)의 판단결과 및 온도 측정부(260)에 의해 측정된 피가열체(1200)의 온도 중 적어도 하나에 따라 전원 공급부(210)에 포함된 인버터(320)의 스위치 온오프를 제어함으로써 전원 공급부(210)로부터 출력되는 전압 및 전압의 주파수를 제어하고, 이를 통해 전원 공급부(210)로부터 출력되는 전력을 조절한다.
다음으로, 온도 측정부(260)는 피가열체(280)의 온도를 측정하여 제어부(1130)로 전달한다.
다음으로, 냉각부(270)는 전원 공급부(210), 변압부(220), 및 유도 코일(230)중 적어도 하나를 냉각시키는 역할을 수행한다.
상술한 실시예에 있어서는 전원 공급부(210), 판단부(240), 제어부(250), 및 온도 측정부(260), 및 냉각부(270)이 가 유도가열장치(200)에 포함되어 구성되는 것으로 기재하였지만, 변형된 실시예에 있어서 이러한 각 구성요소들은 유도가열장치(200)와 별개의 구성요소로 구현되거나, 그 중 일부만을 필수 구성요소로 포함할 수도 있을 것이다.
한편, 도 2에 도시된 바와 같은 구성을 갖는 유도가열장치(200)는, 도 5에 도시된 바와 같이 유도 코일에 공급되는 전류로 인해 발생된 와전류를 이용하여 피가열체를 가열하되 피가열체의 표면에 수평한 방향으로 자속이 형성되는 LF(Longitudinal Flux)타입의 유도가열장치일 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 도 2에 도시된 바와 같은 구성을 갖는 유도가열장치(200)는, 도 6에 도시된 바와 같이 유도 코일에 공급되는 전류로 인해 발생된 와전류를 이용하여 피가열체를 가열하되 피가열체의 표면에 수직한 방향으로 자속이 형성되는 TF(Transverse Flux)타입의 유도가열장치일 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서, 도 2에 도시된 바와 같은 구성을 갖는 유도가열장치(200)는 도 7에 도시된 바와 같은 구성을 갖는 TF 타입의 유도가열장치일 수 있다.
도 7에 도시된 TF타입의 유도가열장치(200)는, 도 7에 도시된 바와 같이, 유도 코일(230)에 전력을 공급하는 전원 공급부(210), 피가열체(280)의 일측에 위치하는 제1 유도 코일(230a)과 상기 피가열체(280)의 타측에 위치되는 제2 유도 코일(230b)로 구성된 유도코일(230), 상기 제1 유도 코일(230a)과 상기 제2 유도코일(230b)이 서로 이격 되게 결합되는 지지부(290), 및 상기 제1 유도 코일(230a)과 상기 제2 유도 코일(230b) 사이의 간격을 조절하기 위한 간격 조절부(300)를 포함한다.
도 7에서는 설명의 편의를 위해 도 2에 도시된 구성요소인 변압부(220), 판단부(240), 제어부(250), 온도 측정부(260), 및 냉각부(270)를 도시하지 않았지만, 도 7에 도시된 유도가열장치(200)가 이러한 구성요소들을 배제하는 것은 아니다.
이때, 유도 코일(230)은 도 8에 도시된 바와 같은 구성을 가질 수 있다. 이하 도 8을 참조하여 도 7에 도시된 유도 코일의 구성을 간략히 설명한다.
도 8은 도 7에 도시된 유도 코일의 A-A'를 절단한 단면도이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 유도 코일(230)은 코일(810), 캐스터블(820), 및 차폐커버(830)를 포함한다.
코일(810)은, 미리 정해진 크기의 교류전압이 인가되면 자기장을 형성하여 피가열체(280)에 유도시키는 역할을 수행한다.
캐스터블(820)은, 코일(810)을 보호하는 역할을 수행하는 것으로서, 코일(810)을 보호하기 위해 코일을 감싸도록 형성된다.
차폐커버(830)는, 코일(810)에 의해 형성된 자기장이 외부로 누설되는 것을 방지하는 역할을 수행하는 것으로서, 캐스터블(820)을 감싸도록 형성된다.
도 8에 도시된 바와 같은 구성을 갖는 유도 코일(230)의 경우, 유도가열장치(200) 내에 피가열체(280)가 존재하지 않는 경우, 유도 코일(230)에 의해 형성된 자기장은 차폐커버(830)로 유도되어 차폐커버(830)를 가열하는 등 불필요한 전력손실을 발생하게 될 수 있다. 또한, 이로 인하여 유도 코일(230)뿐만 아니라 차폐커버(830)를 냉각시키기 위해 냉각부(270)의 용량 증대가 요구될 수도 있다.
하지만, 상술한 바와 같이 본 발명의 경우 판단부(240)를 통해 유도가열장치(200) 내에 피가열체(280)가 존재하는지 여부를 판단하여 존재하지 않는 경우 전원 공급장치(210)로부터 출력되는 전력을 최소화시키기 때문에, 유도 코일(230)이 도 8과 같은 구성을 갖는 경우라 하더라도, 상술한 문제점들을 해소시킬 수 있다.
이하, 도 9를 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 유도가열장치의 제어 방법에 대해 간략히 설명한다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 도 2에 도시된 바와 같은 구성을 갖는 유도가열장치를 기준으로 유도가열장치의 제어 방법에 대해 설명한다.
먼저, 유도가열장치 내에 피가열체가 존재하지 않는 무부하 조건 하에서, 고진 커패시터 양단의 전압 값인 제1 전압 값, 유도가열장치의 리액턴스 값인 제1 리액턴스 값, 및 전원공급부로부터 공급되는 전압의 주파수 값인 제1 주파수 값 중 적어도 하나를 획득한다(S900).
일 실시예에 있어서, 제1 전압 값은 무부하 조건에서 공진 커패시터 양단 전압을 직접 측정함에 의해 획득될 수 있고, 제1 리액턴스 값은 제1 전압 값과 무부하 조건에서 유도 코일에 인가되는 전력 값을 이용하여 산출될 수 있으며, 제1 주파수 값은 무부하 조건에서 전원공급부로부터 공급되는 전압의 주파수를 검출함으로써 획득될 수 있다.
다음으로, 유도가열장치의 정상 운전 시, 공진 커패시터 양단에 인가되는 전압 값인 제2 전압 값, 유도가열장치의 리액턴스 값인 제2 리액턴스 값, 및 유도 코일에 공급되는 전압의 주파수 값인 제2 주파수 값 중 적어도 하나를 획득한다(S910).
일 실시예에 있어서, 제2 전압 값은 유도가열장치의 정상 운전 시 공진 커패시터 양단 전압을 직접 측정함에 의해 획득할 수 있고, 제2 리액턴스 값은 제2 전압 값과 유도가열장치의 정상 운전 시 유도 코일에 인가되는 전력 값을 이용하여 산출할 수 있으며, 제2 주파수 값은 유도가열장치의 정상 운전 시 전원 공급부로부터 공급되는 전압의 주파수를 검출함에 의해 획득할 수 있다.
다음으로, 제2 전압 값을 제1 전압 값과 비교하거나, 제2 리액턴스 값을 제1 리액턴스 값과 비교하거나, 제2 주파수 값을 제1 주파수 값과 비교하여 유도가열장치 내에 피가열체가 존재하는지 여부를 판단한다(S920).
일 실시예에 있어서, 제2 전압 값이 제1 전압 값 이상이거나, 제2 리액턴스 값이 제1 리액턴스 값 이상이거나, 제2 주파수 값이 제1 주파수 값 이하인 경우 피가열체가 존재하지 않는 것으로 판단할 수 있다.
S920의 판단결과, 유도가열장치 내에 피가열체가 존재하지 않는 것으로 판단되면, 전원 공급부로부터 유도 코일에 공급되는 전력을 소정 값으로 감소시켜 전력 손실을 최소화한다(S930).
한편, S920의 판단결과, 유도가열장치 내에 피가열체가 존재하는 것으로 판단되면, S910으로 회귀하여 이후의 과정들을 반복하여 수행한다.
상술한 실시예에 있어서, 공진 커패시터 양단의 전압 값, 유도가열장치의 리액턴스 값, 및 전원공급부로부터 공급되는 전압의 주파수 값 중 적어도 하나의 변화를 이용하여 유도가열장치내에 피가열체가 존재하는지 여부가 판단되는 것으로 설명하였다.
하지만, 다른 실시예에 있어서 전원 공급부로부터 공급되는 전력 및 피가열체의 조건에 따라 공진 커패시터 양단의 전압 값, 유도가열장치의 리액턴스 값, 및 전원공급부로부터 공급되는 전압의 주파수 값 중 어느 하나를 선택적으로 이용하여 피가열체가 존재하는지 여부가 판단될 수 있다.
예컨대, 전원 공급부로부터 일정한 전력이 공급되거나 피가열체가 변경되지 않는 고정부하 조건인 경우에는, 전원공급부로부터 일정한 전압과 주파수가 출력될 것이기 때문에 공진 커패시터 양단의 전압 값 또는 전원 공급부로부터 공급되는 주파수 값 중 어느 하나를 이용하여 피가열체가 존재하는지 여부를 판단하고, 전원 공급부로부터 공급되는 전력이 일정하지 않거나 피가열체가 변경되는 가변부하 조건인 경우에는 유도가열장치의 리액턴스 값을 이용하여 피가열체의 존재 여부를 판단할 수 있다.
또 다른 실시예에 있어서는, 제2 전압 값이 제1 전압 값과 오차 범위 내에서 동일하거나, 제2 주파수 값과 제1 주파수 값이 오차 범위 내에서 동일한 경우 유도가열장치의 리액턴스 값을 추가로 이용하여 피가열체의 존재여부를 판단할 수도 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 상술한 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
상술한 유도가열장치의 제어 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터로 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다.　 이때, 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 한편, 기록매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
그러므로, 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
200: 유도가열장치 210: 전원 공급부
220: 변압부 230: 유도 코일
240: 판단부 250: 제어부
260: 온도 측정부 270: 냉각부

Claims (13)

  1. 유도 가열에 의해 피가열체를 가열하는 유도가열장치로서,
    미리 정해진 크기의 교류전압이 인가되면 자기장을 형성하여 상기 피가열체에 유도시킴으로써 상기 피가열체를 가열시키는 유도 코일;
    상기 유도 코일과 공진회로를 구성하는 공진 커패시터;
    상기 공진 커패시터 양단의 전압 값, 상기 유도가열장치의 리액턴스 값, 전원 공급부로부터 공급되는 전압의 주파수 값 중 적어도 하나의 변화를 이용하여 상기 유도가열장치 내의 상기 피가열체 존재여부를 판단하는 판단부; 및
    상기 판단부의 판단결과에 따라 상기 유도코일에 공급되는 전력을 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 유도가열장치는,
    상기 유도코일에 공급되는 전류에 의해 발생된 와전류를 이용하여 피가열체를 가열하되 상기 피가열체의 표면에 수평한 방향으로 자속이 형성되는 LF(Longitudinal Flux)타입의 유도가열장치이거나,
    상기 와전류를 이용하여 상기 피가열체를 가열하되 상기 피가열체의 표면에 수직한 방향으로 자속이 형성되는 TF(Transverse Flux)타입의 유도가열장치인 것을 특징으로 하는 유도가열장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 판단부는,
    상기 유도가열장치의 정상운전 시 상기 공진 커패시터 양단의 전압 값이 기준 전압 값 이상이거나, 상기 유도가열장치의 정상운전 시 상기 유도가열장치의 리액턴스 값이 기준 리액턴스 값 이상이거나, 상기 유도가열장치의 정상운전 시 상기 전원공급부로부터 공급되는 전압의 주파수 값이 기준 주파수 값 이하인 경우 상기 피가열체가 존재하지 않는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 유도가열장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 기준 전압 값은 상기 유도가열장치에서 상기 피가열체가 존재하지 않는 무부하 조건에서 획득한 공진 커패시터 양단 전압 값이고, 상기 기준 리액턴스 값은 상기 무부하 조건에서 획득한 유도가열장치의 리액턴스 값이며, 상기 기준 주파수 값은 상기 무부하 조건에서 획득한 전원 공급부로부터 공급되는 전압의 주파수 값인 것을 특징으로 하는 유도가열장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 판단부는,
    상기 유도가열장치의 정상운전 시 상기 유도코일에 인가되는 전압 값 및 상기전원 공급부로부터 공급되는 전압의 주파수 값을 검출하는 검출부;
    상기 검출부에 의해 검출된 전압 값과 상기 유도가열장치의 정상운전 시 상기 유도코일에 인가되는 전력 값을 이용하여 상기 유도가열장치의 정상운전 시 상기 유도가열장치의 리액턴스 값을 산출하는 연산부; 및
    상기 검출부에 의해 검출된 전압 값과 상기 기준 전압 값의 비교결과, 상기 연산부에 의해 산출된 리액턴스 값과 상기 기준 리액턴스 값의 비교결과, 및 상기 검출부에 의해 검출된 주파수 값과 상기 기준 주파수 값의 비교결과 중 적어도 하나를 이용하여 상기 피가열체의 존재여부를 결정하는 결정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도가열장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 판단부는, 상기 전원공급부로부터 공급되는 전력이 일정하지 않거나 상기 피가열체가 변경 가능한 가변부하 조건인 경우 상기 유도가열장치의 리액턴스 값의 변화를 이용하여 상기 유도가열장치 내의 상기 피가열체 존재여부를 판단하는 것을 특징으로 하는 유도가열장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전원 공급부로부터 출력되는 고주파의 교류전압을 상기 미리 정해진 크기의 교류전압으로 변환하여 상기 유도코일로 인가하는 변압부; 및
    상기 유도코일, 상기 전원 공급부, 및 상기 변압부 중 적어도 하나를 냉각시키기 위한 냉각부를 더 포함하고,
    상기 전원 공급부는, 외부로부터 입력되는 교류전압을 직류전압으로 변환하고, 인버터를 이용하여 상기 직류전압을 상기 고주파의 교류전압으로 변환하여 상기 변압부로 출력하는 것을 특징으로 하는 유도가열장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 판단부의 판단 결과에 따라 상기 유도가열장치 내에 상기 피가열체가 존재하지 않는 것으로 판단되면, 상기 전원 공급부로부터 출력되는 전력을 소정의 값으로 감소시키는 것을 특징으로 하는 유도가열장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 유도코일은,
    상기 미리 정해진 크기의 교류전압이 인가되면 자기장을 형성하여 상기 피가열체에 유도시키는 코일;
    상기 코일을 보호하기 위해 상기 코일을 감싸도록 형성된 캐스터블; 및
    상기 코일에 의해 형성된 자기장이 외부로 누설되는 것을 방지하기 위한 차폐커버를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도가열장치.
  9. 삭제
  10. 유도가열장치의 정상 운전 시 커패시터 양단에 인가되는 전압 값, 상기 유도가열장치의 리액턴스 값, 및 전원공급부로부터 공급되는 전압의 주파수 값 중 적어도 하나를 획득하는 단계;
    상기 획득된 값을 미리 정해진 기준 값과 비교하여 상기 유도가열장치 내에 피가열체의 존재여부를 판단하는 단계; 및
    상기 피가열체의 존재 여부에 따라 유도코일에 공급되는 전력을 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 유도가열장치는,
    상기 유도코일에 공급되는 전류에 의해 발생된 와전류를 이용하여 피가열체를 가열하되 상기 피가열체의 표면에 수평한 방향으로 자속이 형성되는 LF(Longitudinal Flux)타입의 유도가열장치이거나,
    상기 와전류를 이용하여 상기 피가열체를 가열하되 상기 피가열체의 표면에 수직한 방향으로 자속이 형성되는 TF(Transverse Flux)타입의 유도가열장치인 것을 특징으로 하는 유도가열장치의 제어방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 전압 값은 상기 커패시터 양단 전압을 측정함에 의해 획득되고, 상기 리액턴스 값은 상기 측정된 전압 값과 상기 유도 코일에 인가되는 전력 값을 이용하여 산출하며, 상기 주파수 값은 상기 전원공급부로부터 공급되는 전압의 주파수 값을 검출함에 의해 획득되는 것을 특징으로 하는 유도가열장치의 제어방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 미리 정해진 기준 값은, 상기 유도가열장치 내에 상기 피가열체가 존재하지 않는 무부하 조건에서 획득한 상기 커패시터 양단의 전압 값인 기준 전압 값, 상기 유도가열장치의 기준 리액턴스 값, 및 상기 전원공급부로부터 공급되는 전압의 주파수 값인 기준 주파수 값 중 적어도 하나인 것을 특징으로 하는 유도가열장치의 제어방법.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 하나의 항에 기재된 유도가열장치의 제어방법을 구현하기 위한 컴퓨터로 판독 가능한 프로그램이 기록된 기록매체.
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