KR101977411B1 - 유도 가열을 위한 장치 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

유도 가열 시스템은 복수의 유도 링을 포함하고, 이 유도 링은 일 실시예에서 중심 축선을 중심으로 동심상으로 감겨져서 코일 어레이를 형성한다. 상기 유도 링은 상기 코일 어레이 내의 다른 유도 링으로부터 독립적으로 유도 링의 활성화가 가능하도록 배치된다. 일 실시예에서, 상기 유도 가열 시스템은 전원 및 각 유도 링에 접속되는 스위치를 갖는 제어 구조를 포함하고, 상기 스위치들의 활성화에 의해 전원으로부터 전류가 대응하는 유도 링으로 흐를 수 있게 된다. 상기 유도 가열 시스템은 오븐 및 레인지뿐만 아니라 조리대용의 자립형 쿡탑과 같은 쿡탑과 같은 전기 기구에 적용할 수 있다.

Description

유도 가열을 위한 장치 및 시스템{DEVICE AND SYSTEM FOR INDUCTION HEATING}
본 명세서에 개시된 주제는 개략적으로 전기 기구(appliances)에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 도전성 물체를 가열하기 위해 전력 밀도 프로파일을 변화시키도록 구성되는 유도 가열 시스템에 관한 것이다.
유도 가열은 도전성 물체 내에 전류를 유도하는 교류 자장을 이용하여 도전성 물체를 가열하는 방법이다. 유도 가열은 물체와의 직접적인 접촉이 불필요하거나 불가능한 경우에 유리한 가열 방법이다. 이 방법은 또 대부분의 가열 에너지가 물체 내에서 직접 발현되므로 효율적이다.
유도 조리 시스템(induction cooking systems)은 전자기 유도의 원리에 따라 작동한다. 이들 시스템은 팬, 냄비 또는 프라이팬과 같은 도전성 조리 용기의 저부에 와전류를 유도하도록 구성된다. 열은 조리 용기가 유도된 와전류에 대해 저항을 나타내므로 발생된다.
많은 조리 시스템에서 와전류는 조리 용기의 저부에 배치된 코일이나 링에 의해 유도된다. 교류 전류(AC)가 예를 들면 인버터에 의해 코일에 급전되고, 인버터는 20㎑ 이상의 주파수(그러나, 이 주파수에 한정되지 않음)의 AC 입력을 제공하도록 구성된다. 코일 내의 AC 전류는 자기장을 생성한다. 이 자기장은 조리 용기의 저부에서 흐르는 와전류를 유도한다. 음식 및/또는 물은 가열된 조리 용기에 의해 전도 방식으로 가열된다.
종래의 유도 조리 시스템은 자기장을 발생시키기 위해 단일의 권선 링 또는 개별 그룹(discrete groupings)의 복수의 권선 링을 사용하는 경우가 많다. 이들 구성은 얻어지는 전력 밀도 프로파일이 변화할 수 있는 범위를 제한한다. 예를 들면, 단일의 권선 링의 구성 시에, 전력 밀도 프로파일은 일반적으로 권선 링들의 중심의 권선들의 간격 및 구조에 의해 결정된다. 이와 유사한 제한이 개별 그룹을 사용하는 유도 조리 시스템에도 영향을 미친다. 비록 전력 밀도 프로파일은 개별 그룹들의 집합적 조작에 따라 변화할 수 있으나, 유도 조립 시스템은 가열 장치의 집단들의 구성에 의해 달성되는 전력 밀도 프로파일로 여전히 유효하게 제한을 받는다.
코일 및/또는 권선 링들의 구성에 무관하게 변화할 수 있는 전력 밀도 프로파일을 갖는 유도 조리 시스템에 사용하기 위한 장치를 갖는 것은 유리할 것이다.
일 실시예에서, 유도 조리 시스템을 위한 가열 장치가 기술된다. 이 가열 장치는 가열 대상의 물체가 배치되는 가열 구역을 형성하는 유도 링 어레이(inductive ring array)를 포함하고, 이 유도 링 어레이는 가열 구역에 걸쳐서 배치되는 복수의 유도 링을 포함한다. 일 예에서, 복수의 유도 링의 각각은 유도 링 어레이 내의 복수의 유도 링 중에서 동심상으로 인접하는 유도 링들로부터 독립하여 선택적으로 급전되도록 구성된다.
다른 실시예에서, 가열 대상의 물체가 배치되는 가열 구역을 형성하는 복수의 유도 링을 포함하는 유도 요소를 포함하는 전기 기구가 기술된다. 이 전기 기구는 또 유도 요소에 접속되는 전원 및 이 전원과 복수의 유도 링의 각각에 접속되는 스위칭 장치(switching device)를 포함한다. 이 전기 기구는 또한 스위칭 장치 및 전원에 접속되는 제어 장치를 포함한다. 일 실시예에서, 제어 장치는 가열 구역 내의 복수의 유도 링 중의 동심상으로 인접하는 유도 링들로부터 독립적으로 전원에 의해 복수의 유도 링의 각각에 선택적으로 급전하도록 구성된다.
본 발명에 의해 도전성 물체를 가열하기 위해 전력 밀도의 프로파일을 변화시키도록 구성되는 유도 가열 시스템을 제공할 수 있다.
이하, 첨부한 도면을 간단히 설명한다.
도 1은 유도 가열 시스템의 일 예시적 실시예의 개략 평면도;
도 2는 유도 가열 시스템의 다른 예시적 실시예의 개략 평면도;
도 3은 도 2의 유도 가열 시스템의 전력 밀도 프로파일의 그래프;
도 4는 도 3의 전력 밀도 프로파일이 채용될 수 있는 유도 가열 시스템의 또 다른 예시적 실시예의 개략 평면도;
도 5는 도 1, 2 및 4의 유도 가열 시스템과 같은 유도 가열 시스템과 결합하여 사용하기 위한 제어 시스템의 일례의 개략도;
도 6은 도 1, 2 및 4의 유도 가열 시스템과 같은 유도 가열 시스템과 결합하여 사용하기 위한 전기 기구의 상측의 사시도이다.
복수의 도면을 통해 동일하거나 대응하는 부품 및 유닛은 동일한 도면 참조번호로 표시되었고, 도면은 다른 언급이 없는 한 비축척으로 도시된 것이다.
도 1은 개략적으로 참조번호 100으로 표시된 유도 조리 시스템의 예시적 실시예의 개략 형태를 도시한 것으로서, 이 실시예는 물체(104)(예컨대, 냄비 또는 팬) 내에 열을 발생하도록 구성된 가열 장치(102)를 채용한다. 이 가열 장치(102)는 중심 축선(110) 및 대체로 환 형상의 외주연부(112)를 갖는 형상 인자(108)를 갖춘 유도 요소(106)를 포함한다. 이 외주연부(112)는 가열 구역(114)의 외주의 경계를 형성하고, 가열 구역(114) 내에는 예를 들면 유도 요소(106)의 통전에 의한 가열 링(116)이 형성되어 있다. 이 가열 링(116)은 중심 축선(110)을 중심으로 환상으로 배치되고, 경계선(118)을 갖고 있는데, 이 경계선의 내부에서 물체(104)의 가열을 유발시키는 자기 에너지가 발생되고, 그 결과, 물체(104) 내에 배치된 예를 들면 물품이 가열 및 조리된다. 경계선(118)은 내측 경계선(120) 및 이 내측 경계선(120)으로부터 링 두께(TR)만큼 이격되는 외측 경계선(122)을 포함한다. 가열 링(116)의 위치는 하나 또는 복수의 치수에 의해 정의되고, 본 경우에는 중심 축선(110)으로부터 내측 경계선(120)까지 연장하는 내측 반경 치수(DI)를 포함한다.
비교적 높은 수준에서, 유도 가열 시스템(100)에 적용되는 유도 가열의 기본 기구는 단일 권회(single turn)의 2차 권선으로서 작용하는 물체(104)의 저부와 갭을 가로질러 접속되는 교류 자기장을 포함한다. 유도 요소(106)는 실질적으로 연속적인 지지 플레이트의 형태일 수 있는 세라믹, 글라스 또는 비철계 조리 표면의 하측에 배치되는 경우가 많다. 일 실시예에서, 이 유도 가열 시스템(100)은 필터 및 유도 가열 코일을 구동하기 위해 필터링된 일방향성 전압을 초음파 출력으로 변환하기 위한 인버터를 포함하는 정지 전력 변환 회로를 채용한다.
인버터 전원 장치를 위한 게이트 회로 이외의 가열을 위한 부품들은 인버터의 작용을 선택적으로 억제하기 위한 하나 또는 복수의 억제 회로, 인버터로부터의 과도기 전압, 전압의 인가 및 전압의 제거를 제어하기 위해 억제 회로 및 게이트 회로에 접속되는 기동 및 정지 장치, 보호 장치, 출력 조절 장치, 팬 및 공명 검출 장치, 및 사용자 제어부 중의 임의의 하나 또는 다수를 포함할 수 있다. 인버터의 출력은 변조되어 물체(104) 내의 가열 레벨을 변화시키고, 그 결과 물체 내의 물품의 가열 온도(및/또는 조리 온도)를 변화시킨다. 정지 전력 컨버터, 특히 반도체 부품을 갖춘 정지 전력 컨버터는 과전압 및 과전류와 같은 비정상 회로 조건 하에서 기능불량 및 기능정지를 방지하기 위한 보호가 필요하다.
작동 중에 상기 물체(104)는 인버터 부하이고, 반사 임피던스는 이 인버터의 전기적 파라미터를 변화시킨다. 이 유도 가열 시스템(100)이 부하 조건 및 비부하 조건의 양 조건 하에서 상이한 치수 및 재료로 구성된 다양한 물체[예컨대, 상기 물체(104)]와 함께 가동되기 위한 엄격한 부하 요건이 있다. 이 자동 작동 및 연속 작동을 위한 요건은 회로 설계가 기능정지 또는 일시적인 운전정지의 원인이 될 수 있는 여러 상황들을 예측해야 한다는 것을 의미한다.
유도 가열의 기구는 공지된 것이지만, 본 발명자들은 가열 구역(114)이 다양한 가열 특성들 및 조리 특성들을 달성하도록 조작되는 유도 가열 시스템(100)을 위한 하기의 구조들을 제안한다. 이 유도 가열 시스템(100)의 실시예들은 예를 들면 위치[예컨대, 내측 반경(DI)] 및 치수[예컨대, 링의 두께(TR)]와 같은 가열 링(116)의 특정의 파라미터를 변화시키도록 구성된다. 이들 실시예는 또 가열 구역(114) 내에 복수의 가열 링(116)을 형성한다. 이들 특징은 단독으로나 또는 다른 그와 같은 특징들과의 조합에 의해 물체(104)와 조화를 이루어 가열 구역(114)에서 얻을 수 있는 자기 에너지를 생성하는데 유용하다. 일 예에서, 본 발명자들은 가열 링(116)의 파라미터들이 물체(104)의 치수 및 재료 구성 및/또는 가열 대상인 물품들과 같은 물체(114)의 특징들에 기초하여 선택되는 유도 요소[및 일반적으로 유도 가열 시스템(100)]의 구조를 확인하였다.
또한, 가열 구역(114)에 걸쳐서 전력 밀도 프로파일의 향상된 제어 및 조작을 제공하기 위해 유용한 개념들도 검토되었다. 이 전력 밀도 프로파일이 유도 요소(106)의 형상에 관련하여 결정되는 경우가 많지만, 본 발명자들은 본 명세서에 가열 구역(114)에 걸친 전력 밀도 프로파일의 유한하고 식별 가능한 변화 및 제어를 제공하는 방식으로 작동하는 유도 가열 시스템(100)의 실시예들을 확인한다. 이들 실시예의 일 구성예는 유도 요소(106)가 개별적인 코일을 갖는 것으로서, 이 개별적인 코일은 예를 들면 가열 구역(114) 내에 배치된 동심상으로 인접하는 코일들 사이의 간격이 균일한 것과 같이 균일하게 배열된다. 이 배열은 종래의 설계에 반하는 것인데, 그것은 개별 그룹을 사용하는 시스템에서조차도 연속된 나선상 코일 대신에 개별적인 코일이 실장되는 경우가 드물고, 또 균일한 간격의 코일에 의해 형성되는 전력 밀도 프로파일은 일반적으로 균일하지 않기 때문이다. 즉, 유도 가열 및 조리 기술 분야의 전문가는 고정된 균일한 코일의 전력 밀도 프로파일은 코일의 중앙부의 부근에서 피크를 갖고, 이 피크로부터 코일의 중심 및 외주를 향해 감소되어 간다는 것을 인정할 것이다.
본 발명의 개념들을 더욱 설명하기 위해 도 2 및 도 3을 참조할 수 있는데, 이들 도면의 각각은 다른 예시적인 유도 가열 시스템(200) 및 이 유도 가열 시스템(200)에 의해 생성되는 전력 밀도 프로파일(300)의 예시적인 그래프를 도시한다. 도 1 및 도 2 사이의 유사한 부품들을 표시하기 위해 100을 더한 것을 제외하고는 서로 유사한 참조번호가 사용되었다. 예를 들면, 유도 가열 시스템(200)은 중심 축선(210) 및 가열 구역(214)을 갖는 유도 요소(206)를 포함한다. 가열 링(216)은 가열 구역(214) 내에 도시되어 있다. 이 가열 링(216)은 내측 경계선(220) 및 외측 경계선(222)을 포함하고, 이들 두 경계선은 링 두께(TR)만큼 분리되어 있고, 내측 반경 치수(DI)를 갖는다. 이 가열 링(216)의 특정 작동 치수는 이후에 상세히 설명되는 바와 같이 선택적으로 변화한다.
유도 요소(206)는 중심 축선(210)을 중심으로 동심상으로 감겨진 복수의 코일, 즉 유도 링(226)을 갖는 유도 링 어레이(224)를 포함한다. 각 유도 링(226)은 링 직경(DR)을 갖고, 이 링 직경(DR)은 동심상으로 인접하는 유도 링(226)이 일정의 간격(228)만큼 이격되도록 구성되어 있다. 각 유도 링(226)에는 탭(tap; 230)이 결합되어 있고, 이 탭에서 교류 전류(AC)의 입력을 포함하는 입력(도시되지 않음)이 예를 들면 단독으로 또는 본 명세서에서 검토되고 고려되는 다양한 조합의 형태의 유도 링(226)과 같은 유도 링 어레이(224) 상에 인가된다.
AC 입력은 하나 또는 복수의 상기 유도 링(226)을 활성화시켜 물체(예컨대, 상기 물체(104; 도 1 참조))에 자기 에너지를 전달하는 가열 링(216)을 결정한다. 일 실시예에서, 이 유도 링 어레이(224)는 가열 구역(214)의 외주에 인접하는 제 1 유도 링[예컨대, 유도 링(G)] 및 가열 구역(214)의 중심 축선(210)에 인접하는 제 2 유도 링[예컨대, 유도 링(A)]을 포함한다. 이와 같은 구성에서, 유도 요소(206) 및 이 유도 요소 상에 배치되는 물체(도시되지 않음)의 사이에서 유도가 발생하도록 된 최외측 영역에서 적어도 하나의 개별적 링(226)에 전압이 인가될 수 있다. 예를 들면, 유도 링 어레이(224)는 제 1 유도 링과 제 2 유도 링의 사이에서 직렬로 전력을 전달하도록 구성된다. 본 발명자들이 일 예에서 직렬 접속된 유도 링 어레이(224)에 급전하면 이 유도 링 어레이(224) 내의 다른 링에 앞선 유도 링 중의 특정의 링이 통전될 수 있다는 것을 인식하였지만 통전은 동시에 발생할 수 있다. 예를 들면 가열 링(216)의 형상[예컨대, 링의 두께(TR)] 및 위치[예컨대, 내측 반경 치수(DI)]를 결정하기 위해 유도 링(226) 중의 추가의 유도 링에도 전압이 인가될 수 있다.
상기 유도 요소(206)는 도전성 재료 및 비도전성 재료를 포함한 다양한 재료들을 포함할 수 있다. 본 발명자들은 광범위한 종류의 용기 및 물체에 적합한 복수의 구조를 고려한다. 이들 용기는 식품의 조리에 사용되는 입수가 가능한 임의의 금속 용기를 포함할 수 있다. 예시적인 용기는 자성 스테인리스 강 또는 주철과 같은 자성 재료, 알루미늄과 같은 비자성 재료, 또는 스테인리스 강 위에 구리를 적층한 것과 같은 적층 재료로 제작된다. 일 실시예에서, 각 유도 링(226)은 알루미늄 도체 및/또는 구리 도체[예컨대, 구리 리츠 와이어(copper litz wire)]로 구성되고, 개별의 링이 중심 축선(210)을 중심으로 개별적으로 즉, 각 유도 링(226) 당 1개의 구리 리츠 와이어가 배치된다. 본 발명자들은 또 적층 구조 또는 다층 구조의 형태와 같은 재료들의 복합체 및 재료들의 조합을 사용하는 것도 고려하고, 여기서 재료는 예를 들면 유도 링(226) 및 관련 부품들의 유도 특성을 향상시키고 및/또는 조정하기 위해 선택된다. 유전 재료(dielectric material)와 같은 절연재는 유도 링(226)들 사이에 배치되는 것이 적합하다. 이들 재료는 간격(228)에 의해 형성되는 간극 및 공간을 충진하고 또 유도 링(226)들의 상호 간을 절연시키기 위해 유용하다.
일 실시예에서, 상기 유도 링(226)은 유도 링(226)의 동심상으로 인접하는 유도 링들 사이의 간격(228)이 실질적으로 일정한 경우에 달성되는 것과 같은 균일한 간격으로 이격되어 있다. 이 균일성은 유도 링 어레이(224)의 전체를 통해 존재할 수 있다. 간격(228)의 예시적인 값은 적어도 약 10㎜의 값을 포함할 수 있으나, 이들 값은 필요에 따라 약 1㎜ 내지 약 50㎜의 범위에서 변화될 수 있다. 또 유도 링의 간격 및/또는 이격 거리는 가열 구역(214) 내에 설치되는 유도 링(226)의 밀도, 즉 개수에 의해 특징이 부여될 수 있다. 이 밀도는 반경 1인치 당 약 2개 내지 6개의 링의 범위이고, 일 실시예에서 이 밀도는 약 4개의 링/인치이다.
유동 요소(206)의 선택적 작동은 또한 유도 요소(206)의 특성화를 위해 유용할 뿐만 아니라 유도 링(226)의 개수, 간격, 밀도 및/또는 기타의 파라미터를 결정하기 위해 유용하다. 선택적 작동은 가열 링(216)의 형성을 포함하고, 하나의 구조에 의해 복수의 가열 링[예컨대, 가열 링(216)]의 형성 및 가열 구역(214)에 걸친 전력 밀도 프로파일의 제어(및 조작)가 가능해 진다. 그 결과 얻어지는 가열 링은 중심 축선(210)으로부터 반경 방향으로 측정한 간격과 같은 특정한 간격만큼 분리될 수 있다. 간격은 동심상으로 인접하는 가열 링들 사이에서 균일하거나, 예를 들면 각 가열 링의 특유의 파라미터, 예를 들면 링의 두께(TR) 및/또는 내측 반경 치수(DI)와 같은 특유의 값에 대응하여 다를 수 있다. 하나의 특정의 구조에서, 유도 요소(206)는 가열 구역(214) 내의 약 2개 내지 약 5개의 인접하는 및/또는 동심을 이루는 가열 링을 형성하도록 구성되고, 각 가열 링의 반경 방향의 두께(TR)는 동일하거나 달라질 수 있다. 물론 이들 개념을 받아들여 형성될 수 있는 가열 링의 개수는 유도 링(226)의 배열뿐만 아니라 특정 치수의 가열 링의 형성을 제한 또는 심지어 배제할 수 있는 물리적 제약 또는 자연적 제약에 관련되는 것으로 할 수 있다. 그러나, 본 명세서에서 검토 및 제시되는 주제의 개념들이나 범위 및 정신에 영향을 주는 어떤 제한도 고려되지 않는다.
유도 가열 시스템(200)의 일 실시예의 작동을 검토하기 위해서는 AC 전류와 같은 전류가 유도 링(226)에 인가된다. AC 전류에 의해 예를 들면 구리 리츠 와이어는 물체 내에 열을 생성하는 자장을 발생한다. 그러나 종래의 유도 조리 장치와 달리, 본 유도 요소(206)는 각 유도 링(226)이 유도 링 어레이(224) 내의 다른 유도 링(226)과 독립하여 통전되도록 구성된다. 이 배열에 의해 전력이 각 유도 링(226)에 또는 필요에 따라 복수의 유도 링(226)에 독립적으로 인가될 수 있다. 일 실시예에서, 통전을 필요로 하는 유도 링(226)은 전기적으로 직렬 연결된다. 이 구성에 의해 유도 요소(206)의 선택적 활성화가 가능하고, 그 결과 전술한 특성들 및 파라미터들을 갖는 하나 또는 복수의 가열 링(216)을 선택적으로 생성시킬 수 있다.
이해를 돕기 위해, 유도 링이 도 2에 A 내지 G로 표시된 7개인 경우를 고려한다. 가열 링(216)의 형태는 하나 또는 모든 유도 링(A ~ G)을 포함하는 복수의 유도 링이 활성화되는 것뿐만 아니라 예를 들면 유도 링(A)만이 활성화되는 것, 유도 링(A ~ B)이 활성화되는 것과 같이 변화될 수 있다. 가열 링(216)의 위치는 유도 링(B ~ C)만이 활성화되는 경우, 또는 유도 링(D ~ G)만이 활성화되는 경우와 같이 변화될 수 있다. 또한, 다중의 가열 링(216)이 요망되는 경우, 유도 링(A ~ G)의 선택적 통전이 고려되는데, 이 경우에는 예를 들면 제 1 가열 링(도시되지 않음)은 유도 링(A ~ B)으로 형성되고, 제 2 가열 링(도시되지 않음)은 유도 링(D ~ E)으로 형성된다. 일 예에서, 유도 요소(206)는 유도 링(226)들 사이의 간격보다 작은 간격만큼 상호 격리되는 제 1 가열 링 및 제 2 가열 링을 형성하도록 구성된다.
이들 특징은 유도 요소(206)의 전력 밀도 프로파일의 능동 제어 및 정밀 조정을 가능하게 하므로 유익하다. 일 예에서, 전력 밀도 프로파일은 가열 구역(214)의 면적의 함수로서 물체에 접속되는(또는 유도되는) 유도 전력 밀도를 결정한다. 도 3의 예시적인 전력 밀도 프로파일에 도시된 바와 같이, 각 유도 링(226)의 개별적 제어는 균일한 간격의 유도 링을 갖는 유도 조리 장치에서 통상 발생되는 전력 밀도 프로파일 상의 스파이크(spikes), 피크 및 기타의 비정상 상태를 제어한다.
도 3에서, 전력 밀도 프로파일[예컨대, 전력 밀도 프로파일(300)]은 수직 축(302) 및 수평축(304)에 대해 규정되어 있는데, 수직축은 가열 구역(214)(도 2)의 단위 면적 당 물체에 대한 전력 밀도의 입력을 특정하고, 수평축은 유도 요소(206)(도 2)의 중심 축선(210)(도 2)에 대한 유도 링(도 2)의 상대적인 위치를 표시한다. 이 수평축(304)은 중심 축선(210) 및 유도 링(A-G)을 포함하고, 이 유도 링은 본 설명의 문맥에서 개별적으로 구성되고 또 상호간 및 중심 축선(210)에 대해 균등하게 이격되어 있다.
이들 수직축 및 수평축 상에 제 1 프로파일(306) 및 제 2 프로파일(308)이 표시되어 있고, 각 프로파일은 본 명세서에서 고려된 바와 같이 유도 가열 시스템의 적어도 일 예시적인 작동이 표시되어 있다. 제 1 프로파일(306) 및 제 2 프로파일(308)은 유도 링(A ~ G)의 배열 및 선택적 작동을 나타낸다. 일 예에서, 제 1 프로파일(306)은 각 유도 링(A ~ G)이 통전되었을 때 발생되는 균일한 가열을 나타낸다. 제 2 프로파일(308)은 유도 링(A ~ B) 및 유도 링(D ~ E)가 통전되고, 그 결과 제 2 프로파일(308)에 각 유도 링(A ~ G) 중에서 활성화된 것과 비활성화된 것에 대응하는 일련의 피크(peaks; 310)와 밸리(valleys; 312)가 형성되는 작동을 나타낸다. 비교를 위해 제 3 프로파일(314)도 도시되었고, 이것은 유도 링이 종래의 유도 조리 시스템의 균일한 배열 형태로 예를 들면 중심 축선(210)을 중심으로 단일의 권선(즉 나선상)의 코일로서 구성되는 시스템을 표시한다.
제 3 프로파일(314)은 예를 들면 단일 권선 코일의 중심부의 인접부에 피크가 형성되는 비균일한 것임이 주목된다. 이 피크 프로파일은 비균일 가열의 원인이 되고, 또 팬과 같은 물체가 제 3 프로파일(314)의 상태에 놓이면 가열 구역(214)(도 2)의 중앙의 환상 영역의 부근에서 조리되는 음식물의 부분은 과열되고, 반면에 가열 구역(214)(도 2)의 반경방향 내외측의 환상 영역의 부근의 음식물의 부분은 가열 부족이 된다. 한편, 유도 링(A ~ G)의 구성은 전술한 유도 링(226)의 균등한 배열을 여전히 실시하면서도 [제 1 프로파일(306)에 도시된 바와 같이] 에너지 프로파일 내의 피크를 효과적으로 경감시키고 제거할 수 있다. 전력 밀도 프로파일의 제어는 제 1 프로파일(306) 및 제 2 프로파일(308)의 사이에 도시되어 있고, 여기서 피크(310) 및 밸리(312)는 단일 권선 코일의 설계에서는 불가능한 유도 링(A ~ G)의 선택적 작동의 결과물이다.
도 4에는 유도 가열 시스템(400)의 다른 예시적 실시예가 도시되어 있다. 도 1, 2 및 4 사이에서 동일한 부품은 이전 도면의 참조번호에 100을 더한 참조번호를 사용하였다. 예를 들면, 유도 가열 시스템(400)은 유도 링 어레이(424)가 배치되어 있는 가열 구역(414)을 갖는 유도 요소(406)를 포함한다. 탭(430)을 갖는 복수의 유도 링(426)이 또한 제공되어 있고, 이 복수의 유도 링(426)은 일 실시예에서 구리 리츠 와이어 및/또는 다른 유도 재료로 구성되는 개별 권선 코일로서 배열되어 있다.
일 실시예에서, 상기 유도 가열 시스템(400)은 3700와트의 공명 하프-브릿지 인버터 전원과 같은 전원(434)을 갖는 제어 구조(432)를 포함한다. 전력 인가 스위칭 장치(436)에는 전원(434) 및 유도 요소(406)에 접속되어 있는 전원 스위치(438)가 설치되어 있다. 이 전원 스위치(438)는 유도 링(426)에 인가되는 전력을 조절한다. 또 전력 인가 스위칭 장치(436)에 접속되고 또 이 전력 인가 스위칭 장치(436)와 통신하도록 구성된 제어 장치(440)가 설치되어 있다. 이 제어 구조(432)는 또한 상기 제어 장치(440)에 응답하는 코일 형상 스위칭 장치(442)를 포함하고 있다. 이 코일 형상 스위칭 장치(442)는 복수의 링 스위치(444)를 포함하고, 각 링 스위치는 예를 들면 탭(430)을 통해 유도 링(426)에 접속된다.
하나 또는 복수의 전력 밀도 프로파일[예컨대, 제 1 프로파일(306) 및 제 2 프로파일(308)]은 전원(434)을 대응하는 유도 링(426)에 접속함으로써 생성된다. 각 유도 링(426)을 위한 개별 스위치에 의해 각 유도 링(426)은 다른 유도 링(426)으로부터 독립적으로 활성화될 수 있다. 따라서, 일 실시예에서, 활성화가 필요한 유도 링(426)들에 대응하는 링 스위치(444)들의 활성화는 유도 링(426)들을 동시에 통전시키기 위해 필요하다. 일 예에서, 링 스위치(444)를 닫으면(즉 활성화시키면) 활성화되는 링 스위치(444)에 접속되는 유도 링(426)이 직렬로(또는 직렬의 통신 상태로) 배치된다. 전력이 예를 들면 유도 요소(406)에 인가되면, 접속되어 있는 유도 링(426)이 통전되고, 그 결과 일 실시예에서 통전된 유도 링(426)에 기초하여 정의되는 특별한 특징들을 갖는 가열 링[예컨대, 상기 가열 링(116, 216)]을 형성한다.
전원 스위치(438) 및 링 스위치(444)로서 사용되는 스위치들은 예를 들면 릴레이, 트라이액(triode for alternating current; TRIAC), 전계 효과 트랜지스터(FET)[예컨대, 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터(MOSFET)], 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(isolated gate bipolar transistors; IGBT) 등을 포함한다. 토글 스위치, 기계식 릴레이, 및 스위치의 상태를 기계적으로 변경함으로써 입력에 응답하는 스위치와 같은 기계식 스위치도 전원 스위치(438) 및 링 스위치(444)로서 사용하기 위해 마찬가지로 고려된다.
일 실시예에서, 유도 요소(406)를 위한 전력 밀도 프로파일이 제어 장치(440)에 의해 달성된다. 이 제어 장치(440)는 예를 들면 전원 스위치(438)와 연결된 하나 또는 복수의 링 스위치(444)를 개방 또는 폐쇄(또는 활성화)함으로써 특정의 유도 링(426)의 활성화를 조절하도록 구성된다. 이 제어 장치(440)는 입력[예를 들면, 유도 가열 시스템(400)을 위한 하나 또는 복수의 설정치들]에 응답하여 작동할 수 있다. 이 설정치는 최종 이용자가 작동시키는 노브(knobs)와 같은 기계적 장치(도시되지 않음)의 위치 설정에 관련된 설정치를 포함할 수 있다. 이 설정치는 또 제어 장치(440)의 부분들로부터 발생된 것과 같은 전자 장치로부터의 설정치 또는 제어 구조(432)에 접속된 다른 장치로부터의 입력에 의해 전달 및/또는 유도된 설정치를 포함할 수 있다. 이들 장치는 예를 들면 상기 유도 가열 시스템(400)이 전기 기구(예컨대, 스토브, 레인지, 쿡탑 및/또는 오븐)의 일부로서 구현되는 경우에 발견되는 유도 가열 시스템(400)의 요소들의 외부 전기 회로를 포함할 수 있다.
다양한 제어 구성 및 기구가 본 발명의 개념들을 구현하기 위해 사용될 수 있다. 도 5의 예는 예를 들면 유도 가열 시스템[100(도 1), 200(도 2) 및 400(도 4)]에서 사용하기 위한 예시적인 제어 기구의 하나의 구성의 개략도를 제공한다. 이 제어 기구(500)는 컨트롤러(502)[예컨대, 제어 장치(440)]를 포함하고, 이 컨트롤러는 프로세서(504), 메모리(506), 및 유도 가열 시스템의 일반적인 작동을 위해 구성된 제어 회로(508)를 포함한다. 이 제어 회로(508)는 코일 형상 회로(510), 전원 회로(512), 전원 스위칭 회로(514) 및 피드백 회로(516)를 포함한다. 이들 모든 부품은 상호 접속되어 있고, 가능한 경우 하나 또는 복수의 버스(busses; 518)를 통해 상호 통신한다.
제어 기구(500)는 본 예시에서 전원 스위치(522)[예컨대, 전원 스위치(438)] 및 링 스위치(524)[예컨대, 링 스위치(444)]로서 도시되는 스위치(520)를 추가로 포함한다. 제어 기구(500)는 또한 전원(526)을 포함한다. 코일 형상 회로(510)가 링 스위치(524)에 접속되고, 전원 스위칭 회로(514)가 전원 스위치(522)에 접속되고, 또 전원 회로(512)가 전원(526)에 접속되는 제어 기구(500)의 예가 고려된다. 일 실시예에서, 컨트롤러(502)는 하나 또는 복수의 가열 제어부(530)를 포함하는 제어 패널(528)에 접속된다. 컨트롤러(502)는 유도 가열 시스템과 접속하여 구현되는 경우에 예를 들면 제어 패널(528)로부터의 입력에 응답하여 시스템의 다양한 요소들의 작동을 발효시킨다. 피드백 회로(516)는 유도 요소와 통신 상태로 배치된 물체의 가열 상태와 같은 시스템의 상태를 감시하기 위해 설치된다. 다른 시스템 피드백은 팬 검출, 전력 레벨 검출 및 전류 피드백(예컨대, 코일 전류 피드백)을 포함한다.
제어 기구(500) 및 그 구성 부품들은 그 부품들 상호간 및/또는 높은 수준의 논리 기능, 알고리즘뿐만 아니라 펌웨어 및 소프트웨어 지령을 실행하는 다른 회로들(및/또는 장치들)과 통신하도록 구성된다. 이 유형의 예시적 회로는 저항, 트랜지스터, 다이오드, 스위치 및 커패시터뿐만 아니라 마이크로프로세서 및 필드 프로그래머블 게이트 어레이(FPGA) 및 특정 용도 지향 집적 회로(application specific integrated circuits; ASICs)와 같은 개별 요소들을 포함하지만, 이들 요소에 한정되는 것은 아니다. 모든 개별 요소, 회로 및 장치가 전기 기술분야의 통상적인 전문가에 의해 일반적으로 이해되는 방식으로 기능을 발휘하지만, 본 명세서에 개시 및 기재된 개념들을 위해 일반적으로 제공하는 것은 기능적 전기 그룹들 및 회로들로의 조합 및 집합이다.
컨트롤러(502)의 전기 회로들은 논리적 작동들을 물리적으로 현시할 수 있는 방식으로 구현되는 경우가 있고, 이것은 가열, 조리 및 기타 유도 가열 시스템 및 본 명세서에서 설명되는 관련 전기 기구의 작동들을 촉진하기 위해 유용하다. 이들 전기 회로는 알고리즘, 비교 분석 및/또는 판단 논리 트리(decisional logic tree)를 물리적인 형태로 재현할 수 있고, 이들 각각은 예를 들면 스위치(520) 및 전원(526)을 작동시키기 위해 출력을 할당 및/또는 이 출력에 특정의 값을 할당하도록 작동한다.
일 실시예에서, 프로세서(504)는 ASIC 및/또는 FPGA와 같은 중앙처리장치(CPU)이다. 이 프로세서(504)는 또한 상태 기계 회로 또는 예를 들면 제어 패널(528)로부터의 입력을 수신할 수 있는 기타 적절한 부품들을 포함할 수 있다. 메모리(506)는 휘발성 및 비휘발성 메모리를 포함하고, 소프트웨어(또는 펌웨어)의 명령 및 설정 세팅의 저장을 위해 사용될 수 있다. 각 코일 형상 회로(510), 전원 회로(512), 전원 스위칭 회로(514) 및 피드백 회로(516)는 고체-상태 장치와 같은 독립형 장치로서 구현될 수 있다. 이들 장치는 프로세서(504), 메모리(506) 및 유도 가열 시스템 내에서의 실시와 관련하여 컨트롤러(502)의 작동을 촉진하는 기타 관련 회로를 포함하는 다양한 부품들을 수용할 수 있는 인쇄회로 기판과 같은 기판에 장착될 수 있다.
그러나, 비록 도 5에 프로세서(504), 메모리(506), 코일 형상 회로(510), 전원 회로(512), 전원 스위칭 회로(514) 및 피드백 회로(516)가 개별 회로 및 이들 개별 회로의 조합으로서 도시되어 있지만, 이것이 필수적인 것은 아니다. 예를 들면, 하나 또는 복수의 이들 부품들이 단일의 집적 회로(IC) 또는 기타 부품 내에 수용될 수 있다. 다른 예로서, 프로세서(504)는 RAM 및/또는 ROM과 같은 내부 프로그램 메모리를 포함할 수 있다. 이와 유사하게, 이들 부품의 하나 또는 복수의 기능이 추가의 부품들(예컨대, 다중 프로세서 또는 기타의 부품들)의 전역에 분산될 수 있다.
유도 조리 시스템의 실시는 도 6의 조리용 전기 기구의 예시적 실시예에 관련된다. 이 조리용 전기 기구(600)는 대체로 장방형의 쿡탑(606)을 포함하는 외부 본체 즉 케비넷(604)을 포함하는 자립형 레인지(602)의 형태로 도시되어 있다. 쿡탑(606)의 하측에는 공간(608)이 배치되어 있고, 이 공간은 전방의 개방용 도어(610)를 갖는다. 이 공간(608)의 내부에는 가열 요소(도시되지 않음)가 포함될 수 있고, 이 가열 요소의 작동에 의해 예를 들면 조리 중에 공간(608)의 온도가 변화된다. 레인지의 백스플래쉬(backsplash; 612)는 쿡탑(606)의 후측 부분(614)으로부터 상방으로 연장하고, 또 쿡탑(606) 및/또는 공간(608)을 위한 가열 요소들의 작동상의 특징들을 선택하기 위한 다기능 디스플레이(616)를 포함하고 있다. 쿡탑(606)은 4개의 표면 가열 유닛(618, 620, 622 및 624)을 포함하고, 이들 유닛은 쿡탑(606)의 양측에 각 쌍(626, 628)의 유닛이 이격된 상태로 배치되어 있다. 각 표면 가열 유닛(618, 620, 622 및 624)은 유도 요소(630)를 포함하고, 이 유도 요소는 전술한 하나 또는 복수의 유도 요소(106, 206, 406)로서 구성된다.
이 조리용 전기 기구(600)는 제한을 위해 제공되지 않고 예시로서 제공된 것이므로 본 발명의 개념들을 레인지(602) 또는 쿡탑(606)과 같은 임의의 특정한 전기 기구에만 적용되는 것으로 제한하려는 의도는 없다. 또한, 본 명세서에 설명된 유도 가열 시스템은 많은 유형의 조리용 전기 기구뿐만 아니라 조리대 상에 배치되거나 지지되도록 구성되는 및/또는 조리대 상에 고정되는 전기 기구의 다른 특징들이 없는 상태로 구성되는 자립형 쿡탑에 적용할 수 있는 것으로 여겨진다.
필요에 따라 본 명세서에 인용되어 있는 수치 및 기타의 값들은 명시적으로 언급되었거나 본 명세서의 설명에 의해 본질적으로 유도되었거나 "약"이라는 용어에 의해 수정될 수 있는 것으로 생각된다. 본 명세서에서 사용되는 "약"이라는 용어는 허용오차 및 수정치를 포함하는 최대치(그러나, 이들 수치에 한정되지 않음)를 포함하도록 수정치들의 수치 경계를 정의한다. 즉, 수치는 명시적으로 언급된 실제 수치뿐만 아니라 본 명세서에 언급 및/또는 설명된 실제 수치의 소수, 분수, 또는 기타 배수이거나 그럴 가능성이 있는 기타의 수치를 포함할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명을 개시하기 위해 그리고 당업자가 임의의 장치 또는 시스템을 제작하고 사용하는 것 및 임의의 관련된 방법을 실행하는 것을 포함하여 본 발명을 실시할 수 있도록 하기 위해 최적의 실시형태를 포함하는 복수의 실시예를 이용하였다. 본 발명의 특허청구의 범위는 청구항들에 정의되어 있고, 또한 당업자가 생각할 수 있는 다른 실시예들을 포함할 수 있다. 이와 같은 기타의 실시예들은 청구항들의 문언과 다르지 않은 구조적 요소들을 갖고 있거나, 또는 청구항들의 문언과 다르지 않은 등가의 구조적 요소들을 포함하고 있는 경우에는 청구항들의 범위 내에 속하는 것으로 한다.

Claims (17)

  1. 유도 조리 시스템을 위한 가열 장치에 있어서,
    상기 가열 장치는,
    가열 대상의 물체가 위치될 수 있는 가열 구역을 형성하는 유도 링 어레이로서, 상기 유도 링 어레이는 상기 가열 구역에 걸쳐서 동심상으로 배치되는 복수의 유도 링을 포함하며, 각각의 유도 링은 상기 유도 링 어레이 내의 유도 링 중 동심상으로(concentrically) 인접한 유도 링들로부터 독립하여 선택적으로 통전되도록 구성되는, 상기 유도 링 어레이; 및
    상기 복수의 유도 링 각각에 개별적으로 결합되고, 상기 복수의 유도 링 중 2개 이상의 유도 링의 세트를 선택적으로 통전시키도록 구성된 코일 형상 스위칭 장치(coil geometry switching device)를 포함하고,
    통전되는 상기 2개 이상의 유도 링의 세트는 2개 이상의 동심상 가열 링(concentric heating ring)을 형성하도록 선택되고, 각각의 동심상 가열 링은 링 두께를 한정하고, 각각의 동심상 가열 링에 대한 링 두께는 인접한 가열 링의 링 두께와 상이한
    유도 조리 시스템용 가열 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 유도 링 어레이는 상기 가열 구역에 걸쳐서 균일한 전력 밀도 프로파일을 생성하도록 구성되는
    유도 조리 시스템용 가열 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 유도 링들은 상기 유도 링 어레이 내에서 상호 균일하게 이격되어 있는
    유도 조리 시스템용 가열 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 유도 링 어레이는 제 1 가열 링, 및 상기 제 1 가열 링으로부터 반경방향으로 이격된 제 2 가열 링을 형성하도록 구성되고, 각각의 링은 동심상으로 상호 인접한 유도 링들에 의해 형성되는
    유도 조리 시스템용 가열 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    각각의 유도 링은 탭을 포함하고, 상기 탭에서 전력이 상기 유도 링에 접속되는
    유도 조리 시스템용 가열 장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 유도 링 어레이는 상기 가열 구역의 외주에 인접하는 제 1 유도 링 및 상기 가열 구역의 중심 축선에 인접하는 제 2 유도 링을 포함하고, 상기 유도 링 어레이는 상기 제 1 유도 링 및 상기 제 2 유도 링 사이에서 전력을 직렬로 전도하도록 구성되는
    유도 조리 시스템용 가열 장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 유도 링 중 적어도 하나는 구리 리츠 와이어(copper litz wire)를 포함하는
    유도 조리 시스템용 가열 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    각각의 유도 링 사이에 배치되는 절연체를 더 포함하는
    유도 조리 시스템용 가열 장치.
  9. 전기 기구로서,
    가열 대상의 물체가 위치될 수 있는 가열 구역을 형성하는 복수의 유도 링을 포함하는 유도 요소와,
    상기 유도 요소에 접속되는 전원과,
    상기 전원 및 각각의 유도 링에 접속되는 스위칭 장치와,
    상기 스위칭 장치 및 상기 전원에 접속되는 제어 장치를 포함하고,
    상기 제어 장치는 상기 복수의 유도 링 중 2개 이상의 유도 링의 세트를 선택적으로 통전시키도록 구성되고, 통전되는 상기 2개 이상의 유도 링의 세트는 2개 이상의 동심상 가열 링을 형성하도록 선택되고, 각각의 동심상 가열 링은 링 두께를 한정하고, 각각의 동심상 가열 링에 대한 링 두께는 인접한 가열 링의 링 두께와 상이한
    전기 기구.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 유도 링은 상기 가열 구역에 걸쳐서 균일하게 이격되는
    전기 기구.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 유도 링은 반경 1인치 당 적어도 2개의 유도 링의 공간 밀도를 갖는
    전기 기구.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 스위칭 장치는 각각의 유도 링을 위한 링 스위치를 포함하는
    전기 기구.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 링 스위치는 금속 산화막 반도체 전계 효과 트랜지스터 및 트라이액(triode for alternating current; TRIAC)으로 구성되는 군으로부터 선택되는
    전기 기구.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 유도 링은 상기 가열 구역의 외주에 인접하는 제 1 유도 링 및 상기 가열 구역의 중심 축선에 인접하는 제 2 유도 링을 포함하고, 상기 스위칭 장치는 상기 제 1 유도 링과 상기 제 2 유도 링 사이에서 전력을 직렬로 보내도록 구성되는
    전기 기구.
  15. 제 9 항에 있어서,
    상기 유도 요소는 상기 유도 링들을 동시에 통전시키면 상기 가열 구역에 걸쳐서 균일한 전력 밀도 프로파일이 생성되도록 구성되는
    전기 기구.
  16. 제 9 항에 있어서,
    상기 유도 요소는 쿡탑(cooktop)의 일부인
    전기 기구.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 쿡탑은 조리대 상에서 사용하기 위해 구성되는
    전기 기구.
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