KR102165574B1 - 피가열체의 적합성을 평가하는 가열 장치 - Google Patents

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Abstract

본 개시의 기술적 사상의 일측면에 따른 유도 가열 방식의 가열 장치는, 가열 장치의 동작 모드에서, 화구 상에 올려진 피가열체와 전자기적으로 결합되고, 소정의 동작 주파수의 교류 전력을 공급받아 피가열체에 전류를 유도함으로써 피가열체를 가열하는 코일, 피가열체의 적합성을 평가하는 평가 모드에서, 코일 및 피가열체의 등가회로의 교류적인 특성을 이용해 코일 및 피가열체 사이의 전자기적 결합 특성을 측정한 결과를 생성하는 결합 특성 측정부, 평가 모드에서, 피가열체가 화구 상에 존재하는지 여부를 판단하고, 피가열체가 화구 상에 존재하는 경우, 전자기적 결합 특성의 측정 결과를 가열 장치 내부에 저장된 소정의 피가열체 적합성 평가 기준 정보와 비교함으로써 피가열체의 적합성을 복수의 레벨들 중 하나로 평가하는 제어부, 및 제어부로부터 피가열체의 적합성 평가 결과를 수신하고, 평가 결과를 사용자에게 알리는 표시부를 포함할 수 있다.

Description

피가열체의 적합성을 평가하는 가열 장치{HEATING DEVICE FOR EVALUATING SUITABILITY OF OBJECT TO BE HEATED}
본 개시의 기술적 사상은 가열 장치에 관한 것으로서, 자세하게는 가열 장치에 올려진 피가열체의 적합성을 평가하기 위한 가열 장치에 관한 것이다.
가정이나 식당에서 조리 또는 살균을 포함한 다양한 목적을 위해 다양한 방식의 가열 장치들이 사용되고 있다. 종래에는 가스를 연료로 하는 가스 레인지가 널리 보급되어 사용되어 온 반면, 최근에는 전기를 이용하여 냄비, 프라이팬, 찜솥 또는 주전자와 같은 피가열체를 가열하는 가열 장치들의 보급이 이루어지고 있다.
전기를 이용한 가열 방식은 크게 저항 가열 방식 및 유도 가열(induction heating) 방식을 포함한다. 저항 가열 방식은 금속 저항선 또는 탄화규소와 같은 비금속 발열체에 전류를 흘릴 때 생기는 열을 방사 또는 전도를 통해 피가열체에 직접적으로 전달함으로써 물체를 가열하는 방식이다. 한편, 유도 가열 방식은 고주파 전력을 코일에 인가할 때 코일 주변에 발생하는 자기장의 변화를 이용하여 피가열체에 유도 전류를 발생시켜 피가열체가 가열되도록 하는 방식이다.
유도 가열 방식을 이용하는 가열 장치의 경우, 자기장의 변화로 인해 피가열체에 유도 전류가 흐름으로써 피가열체가 가열되기 때문에, 피가열체의 특성에 따라 가열 효율이 달라질 수 있다. 예를 들어, 전류가 흐르지 못하는 재질로 이루어진 피가열체의 경우, 아무리 높은 출력 레벨로 가열 장치를 동작시키더라도 유도 가열 방식으로는 피가열체가 가열되지 않는다. 피가열체의 특성에 의해 가열 동작이 효율적으로 수행되지 않는 문제점을 해결하기 위한 방법이 요구되고 있다.
본 개시의 기술적 사상은 가열 장치에 있어서, 피가열체의 적합성을 평가하는 장치를 제공하기 위한 방법 및 기기를 제공한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 개시의 기술적 사상의 일측면에 따른 유도 가열 방식의 가열 장치는, 가열 장치의 동작 모드에서, 화구 상에 올려진 피가열체와 전자기적으로 결합되고, 소정의 동작 주파수의 교류 전력을 공급받아 피가열체에 전류를 유도함으로써 피가열체를 가열하는 코일, 피가열체의 적합성을 평가하는 평가 모드에서, 코일 및 피가열체의 등가회로의 교류적인 특성을 이용해 코일 및 피가열체 사이의 전자기적 결합 특성을 측정한 결과를 생성하는 결합 특성 측정부, 평가 모드에서, 피가열체가 화구 상에 존재하는지 여부를 판단하고, 피가열체가 화구 상에 존재하는 경우, 전자기적 결합 특성의 측정 결과를 가열 장치 내부에 저장된 소정의 피가열체 적합성 평가 기준 정보와 비교함으로써 피가열체의 적합성을 복수의 레벨들 중 하나로 평가하는 제어부, 및 제어부로부터 피가열체의 적합성 평가 결과를 수신하고, 평가 결과를 사용자에게 알리는 표시부를 포함할 수 있다.
본 개시의 예시적 실시예에 가열 장치에 의하면, 코일 및 피가열체의 교류적 특성을 이용하여 코일 및 피가열체 사이의 전자기적 결합 특성을 측정함으로써 피가열체의 적합성을 평가할 수 있고, 피가열체의 적합성 평가 결과를 가열 장치의 사용자에게 알림으로써 사용자가 피가열체를 선별적으로 사용하도록 도울 수 있다.
도 1은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 가열 장치, 외부 전원 및 피가열체를 나타낸다.
도 2는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 가열 장치 및 외부 전원을 나타낸다.
도 3은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 피가열체의 적합성 평가 방법의 순서도를 나타낸다.
도 4는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 코일 및 피가열체의 등가 회로에 의해 소모되는 평균 전력의 주파수 특성 그래프를 나타낸다.
도 5a 및 5b는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 피가열체 적합성 평가 기준정보를 나타낸다.
도 6은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 결합 특성 측정부 및 제어부를 나타낸다.
도 7은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 등가 임피던스 측정 방식을 설명하기 위한 평균 전력의 주파수 특성 그래프를 나타낸다.
도 8a 내지 8c는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 피가열체 적합성 평가 기준 정보를 나타낸다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대해 상세히 설명한다.
도 1은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 가열 장치(10), 외부 전원(20) 및 피가열체(30)를 나타낸다. 가열 장치(10)는 외부 전원(20)으로부터 전력을 제공받을 수 있고, 외부 전원(20)으로부터 제공받은 전력을 이용해 가열 장치(10)의 화구 상에 놓여진 피가열체(30)를 가열할 수 있다. 도 1은 가열 장치(10)가 하나의 화구를 포함하는 것으로 도시하지만, 이는 설명의 편의를 위한 것일 뿐이며, 가열 장치(10)는 복수의 화구들을 포함할 수도 있다.
가열 장치(10)는 코일(100), 결합 특성 측정부(200), 피가열체 적합성 평가부(320), 표시부(400) 및 전원 공급부(500)를 포함할 수 있다. 비제한적인 예시로서, 가열 장치(10)는 전기를 에너지원으로 하여 화구에 대응하는 가열부를 통해 화구 상의 피가열체를 가열하는 전기레인지일 수 있다.
가열 장치(10)가 피가열체(30)를 가열하는 모드를 동작 모드라 칭할 수 있다. 본 개시의 기술적 사상에 따른 가열 장치(10)는 피가열체(30)의 적합성을 평가할 수 있는데, 가열 장치(10)가 피가열체(30)의 적합성을 평가하는 구간의 모드를 평가 모드라 칭하기로 한다. 평가 모드는 동작 모드 중간에 위치할 수 있다.
코일(100)은 전원 공급부(500)로부터 교류 전력을 공급받을 수 있고, 공급 받은 교류 전력에 의해 시간에 따라 변화하는 자기장을 발생시킬 수 있다. 코일(100)에 의해 발생되는 자기장의 변화는 피가열체(30) 주변의 자속의 변화를 야기할 수 있고, 자속의 변화로 인해 피가열체(30)에 전류가 유도될 수 있다. 코일(100)은 워킹 코일이라 칭해질 수도 있다. 코일(100)은 피가열체(30)의 인덕터(inductor)와 전자기적으로 결합(coupling)될 수 있다.
결합 특성 측정부(200)는, 피가열체(30)의 적합성을 평가하는 평가 모드에서, 코일(100)과 피가열체(30) 사이의 전자기적 결합 특성(CHAR_COMB)을 측정할 수 있다. 전자기적 결합 특성(CHAR_COMB)이란, 코일(100)과 피가열체(30)의 인덕터의 결합에 따른 전반적인 회로적 특성을 포함하는 개념으로서, 코일(100)의 인덕턴스 값(L_coil), 피가열체(30)의 인덕터의 인덕턴스 값(L_load), 피가열체(30)의 부하 저항의 저항 값(R_load) 및 코일(100)과 피가열체(30)의 인덕터의 결합비(또는 권선수비) 등에 따라 달라지는 회로적 특성을 포함할 수 있다. 예를 들어, 결합 특성 측정부(200)는 특정 주파수의 교류 전력이 코일(100)에 인가될 때 코일(100) 및 피가열체(30)에 의해 소모되는 평균 전력을 전자기적 결합 특성(CHAR_COMB)으로서 측정할 수 있다. 하지만 이에 한정되어서는 안되며, 예를 들어, 결합 특성 측정부(200)는 코일(100) 양단인 제1 노드(Nd1) 및 제2 노드(Nd2) 사이의 등가 임피던스(Zeq)를 전자기적 결합 특성(CHAR_COMB)으로서 측정할 수 있다. 결합 특성 측정부(200)는 측정된 전자기적 결합 특성(CHAR_COMB)을 피가열체 적합성 평가부(320)에 제공할 수 있다. 결합 특성 측정부(200)는 PCB 상에 별도의 칩 또는 회로와 같은 하드웨어로서 구현될 수도 있고, 제어부(도 2의 300)에 의해 구현되는 소프트웨어로서 구현될 수도 있으며, 일부는 하드웨어로 구현되고 나머지 일부는 소프트웨어로 구현되는 하드웨어 및 소프트웨어의 조합일 수도 있다.
피가열체 적합성 평가부(320)는 결합 특성 측정부(200)로부터 수신된 코일(100)과 피가열체(30) 사이의 전자기적 결합 특성(CHAR_COMB)을 수신할 수 있다. 상기 코일(100)에 대응하는 화구 상에 피가열체(30)가 존재하는 경우, 피가열체 적합성 평가부(320)는 수신된 전자기적 결합 특성(CHAR_COMB) 및 피가열체 적합성 평가 기준 정보를 기초로 피가열체 적합성을 복수의 레벨들 중 하나로 평가할 수 있다. 피가열체 적합성 평가부(320)는 가열 장치(10) 내의 제어부(도 2의 300)에 포함될 수 있다. 피가열체 적합성 평가부(320)는 표시부(400)에 피가열체 적합성의 평가 결과(RST_EVAL)를 제공할 수 있다. 피가열체 적합성 평가 기준 정보 및 피가열체 적합성의 평가 결과(RST_EVAL)에 대해서는 이하의 도면들을 통해 보다 자세히 설명된다.
표시부(400)는 시각적 방법, 청각적 방법 또는 다른 감각을 통한 방법에 의해 가열 장치(10)의 동작에 관한 다양한 정보를 제공할 수 있다. 이를 위해, 표시부(400)는 디스플레이부 및/또는 스피커를 포함할 수 있다. 표시부(400)는 피가열체 적합성 평가부(320)로부터 수신된 피가열체 적합성의 평가 결과(RST_EVAL)를 사용자에게 알릴 수 있다. 예를 들어, 표시부(400)는 수신된 피가열체 적합성의 평가 결과(RST_EVAL)를 사용자가 용이하게 인지할 수 있는 용어로 풀어서 표시함으로써 평가 결과(RST_EVAL)를 사용자에게 알릴 수 있다.
전원 공급부(500)는 외부 전원(20)으로부터 수신되는 교류 전력을 이용해 코일(100)에 고주파 교류 전력을 공급할 수 있다. 이를 위해, 전원 공급부(500)는 직류 링크 생성부(도 2의 520), 스위칭부(도 2의 540) 및 적어도 하나의 커패시터(도 2의 C)를 포함할 수 있다. 이에 대해서는 도 2를 참조해 보다 자세히 설명된다.
외부 전원(20)은 가열 장치(10)에 전력을 공급할 수 있다. 외부 전원(20)은 가열 장치(10)의 전력 입력 단자에 연결되는 상용 전원일 수 있다. 상용 전원은 사용하는 국가 및/또는 지역에 따라 110V 교류 전원, 220V 교류 전원, 380V 교류 전원 또는 그 외의 임의의 전압 레벨을 갖는 교류 전원을 포함할 수 있다.
피가열체(30)는 가열 장치(10)에 의해 가열되는 물체를 나타낼 수 있다. 피가열체(30)는 냄비, 프라이팬, 찜솥, 주전자 및 티포트 등과 같은 피가열 용기들 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 피가열체(30)는 가열 장치(10)의 코일(100)과 전자기적으로 결합(coupling)된 부하 인덕터(inductor)와 부하 저항이 연결된 형태의 등가 회로로서 표현될 수 있다. 가열 장치(10)의 코일(100)에 교류 전원이 인가됨으로써 코일(100)과 전자기적으로 결합(coupling)된 피가열체(30)의 인덕터 주변의 자기장(magnetic field) 및 자속(magnetic flux)이 변하게 되고, 피가열체(30)의 인덕터 및 부하 저항에는 전류가 유도될 수 있다. 부하 저항에 유도 전류가 흐름으로써 부하 저항은 열을 발생시킬 수 있고, 피가열체(30)는 부하 저항에서 발생한 열에 의해 가열될 수 있다.
제1 노드(Nd1) 및 제2 노드(Nd2) 사이의 전자기적으로 결합된 코일(100) 및 피가열체(30)는 제1 노드(Nd1) 및 제2 노드(Nd2) 사이에 직렬 연결된 등가 인덕터와 등가 저항을 포함하는 등가 임피던스(Zeq)의 등가 회로(35)로서 표현될 수 있다. 등가 임피던스(Zeq)의 실수부 및 허수부는 각각 등가 저항 값(Req) 및 등가 임피던스 값(Leq)을 포함할 수 있다. 피가열체(30)의 인덕턴스 값(L_load), 부하 저항 값(R_load) 및 코일(100)과 피가열체(30)의 인덕터의 결합 정도에 따라 등가 인덕턴스 값(Leq) 및 등가 저항 값(Req)이 달라질 수 있다. 따라서 전원 공급부(500)가 동일한 주파수의 동일한 듀티 비의 교류 전압을 공급한다고 하더라도, 피가열체(30)의 인덕턴스 값(L_load), 부하 저항 값(R_load) 및 코일(100)과 피가열체(30)의 인덕터의 결합 정도에 따라 피가열체(30)에서 평균적으로 소모되는 전력 값은 달라질 수 있다. 즉, 피가열체(30)를 가열시키는 출력이 달라질 수 있다.
본 개시의 예시적 실시예에 따른 가열 장치(10)에 따르면, 결합 특성 측정부(200)가 코일(100) 및 피가열체(30)의 전자기적 결합 특성을 측정하고, 피가열체 적합성 평가부(320)가 피가열체(30)의 적합성을 평가하고, 표시부(400)가 피가열체(30) 적합성의 평가 결과(RST_EVAL)를 사용자에게 알림으로써 사용자가 피가열체(30)를 선별적으로 사용할 수 있게 도울 수 있다.
도 2는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 가열 장치(10) 및 외부 전원(20)을 나타낸다. 도 2의 가열 장치(10) 및 외부 전원(20)에 관한 도 1과 중복되는 설명은 생략한다.
가열 장치(10)는 제어부(300)를 포함할 수 있다. 제어부(300)는 가열 장치(10) 내의 다양한 구성들의 동작을 전반적으로 제어할 수 있다. 제어부(300)는 CPU(Central Processing Unit), 프로세서, 마이크로 프로세서, 어플리케이션 프로세서(Application Processor; AP), MCU(Micro Controller Unit), 마이컴(microcomputer), 또는 미니 컴퓨터 등과 같은 다양한 형태로 구현될 수 있다.
제어부(300)는 피가열체 적합성 평가부(320) 및 스위칭 제어부(340)를 포함할 수 있다. 피가열체 적합성 평가부(320) 및 스위칭 제어부(340)는 각각 별도의 칩 또는 회로와 같은 하드웨어로 구현될 수 있으며, 또는 각각이 수행하는 일련의 알고리즘이 소프트웨어로서 메모리(600)에 저장되어, 제어부(300)가 메모리(600)에 저장된 알고리즘을 로딩함으로써 피가열체 적합성 평가부(320) 및 스위칭 제어부(340)의 동작을 수행할 수 있다. 하지만 이에 제한되는 것은 아니며, 피가열체 적합성 평가부(320) 및 스위칭 제어부(340)는 하드웨어 및 소프트웨어의 조합으로서 구현될 수 있다.
스위칭 제어부(340)는 스위칭부(540)의 스위칭 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 스위칭 제어부(340)는 스위칭 주기를 조절함으로써 스위칭부(540)가 공급하는 교류 전압의 주파수를 제어할 수 있으며, 스위칭 듀티 비(duty ratio)를 조절함으로써 스위칭부(540)가 공급하는 교류 전력의 양을 제어할 수 있다.
전원 공급부(500)는 직류 링크 생성부(520), 스위칭부(540) 및 적어도 하나의 커패시터(C)를 포함할 수 있다.
직류 링크 생성부(520)는 외부 전원(20)으로부터 수신되는 교류 전압을 이용해 직류 전압을 생성해낼 수 있다. 직류 링크 생성부(520)는 다양한 형태의 정류 회로 또는 정류기 등을 이용해 구현될 수 있다.
스위칭부(540)는 직류 링크 생성부(520)에 의해 제공되는 직류 전압을 스위칭 제어부(340)에 의해 수신되는 스위칭 제어 신호에 따라 교류 전압으로 바꾸는 역할을 수행할 수 있다. 필요에 따라 스위칭부(540)는 외부 전원(20)으로부터 수신되는 교류 전압보다 고주파의 교류 전압을 생성할 수 있다. 스위칭부(540)는 인버터(inverter) 등으로 구현될 수 있다.
적어도 하나의 커패시터(C)는 코일 및 피가열체의 등가 회로(35)와 직렬로 스위칭부(540)에 연결될 수 있다. 결과적으로, 등가 회로(35) 및 커패시터(C)가 직렬로 연결된 회로 양단에 스위칭부(540)에 의해 고주파의 교류 전압이 인가될 수 있다. 예를 들어, 등가 회로(35)가 도 1의 등가 인덕터 및 등가 저항의 직렬 연결로 표현된다면, 등가 저항 값(Req)을 갖는 등가 저항, 등가 인덕턴스 값(Leq)을 갖는 등가 인덕터 및 커패시터(C)가 직렬 연결된 RLC 직렬 회로에 고주파 교류 전력이 인가된다고 볼 수 있다.
가열 장치(10)는 메모리(600)를 더 포함할 수 있다. 메모리(600)는 가열 장치(10)에 관한 정보 및 가열 장치(10)의 제어에 필요한 각종 정보를 저장할 수 있다. 예를 들어, 제어부(300)의 제어 동작에 필요한 각종 정보 및 알고리즘 등을 메모리(600)에 저장할 수 있다. 메모리(600)는 플래시 메모리, 자기 저항 메모리 등과 같은 비휘발성 메모리 및 DRAM, SRAM 등과 같은 휘발성 메모리 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 메모리(600)는 제어부(300)와 별도의 하드웨어로 구현될 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다. 예를 들어, 제어부(300)가 마이컴(microcomputer) 또는 미니컴퓨터 등으로 구현되는 경우, 메모리(600)는 제어부(300)와 하나의 하드웨어로서 구현될 수 있다.
메모리(600)는 피가열체 적합성 평가 기준 정보(CRIT_EVAL)를 저장할 수 있다. 피가열체 적합성 평가부(320)는 결합 특성 측정부(200)로부터 수신된 코일 및 피가열체 사이의 전자기적 결합 특성(CHAR_COMB) 및 메모리(600)에 저장된 피가열체 적합성 평가 기준 정보(CRIT_EVAL)를 기초로 피가열체의 적합성을 평가할 수 있다. 피가열체 적합성 평가 기준 정보(CRIT_EVAL)에 대해서는 도 5a, 도 5b 및 도 8a 내지 8c를 참조해 보다 자세히 설명된다.
본 개시의 예시적 실시예에 따른 가열 장치(10)에 따르면, 결합 특성 측정부(200)가 코일 및 피가열체의 전자기적 결합 특성을 측정하고, 피가열체 적합성 평가부(320)가 피가열체의 적합성을 평가하고, 표시부(400)가 피가열체 적합성의 평가 결과(RST_EVAL)를 사용자에게 알림으로써 사용자가 피가열체를 선별적으로 사용할 수 있게 도울 수 있다.
도 3은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 피가열체의 적합성 평가 방법의 순서도를 나타낸다. 도 3은 도 1 및 도 2를 함께 참조하여 설명된다.
S110 단계에서, 제어부(300)는 코일(100)에 대응되는 화구 상의 피가열체(30) 유무를 감지할 수 있다. 예를 들어, 제어부(300)는 코일(100)에 테스트 교류 전력을 공급한 뒤, 소모되는 전력 값을 모니터링 함으로써 코일(100)에 대응되는 화구 상에 피가열체(30)가 존재하는지 여부를 판단할 수 있다.
S120 단계에서, 화구 상에 피가열체가 존재하는지 여부에 따라 다음 단계가 각각 S130 단계 및 S140 단계로 나뉘어 진행될 수 있다.
S130 단계에서, 제어부(300)가 화구 상에 피가열체(30)가 존재하지 않은 것으로 판단한 경우, 제어부(300)는 해당 코일(100)에 의한 가열 동작을 중지할 수 있다.
S140 단계에서, 제어부(300)가 화구 상에 피가열체(30)가 존재하는 것으로 판단한 경우, 결합 특성 측정부(200)는 코일(100) 및 피가열체(30) 사이의 전자기적 결합 특성(CHAR_COMB)을 측정할 수 있다.
S150 단계에서, 제어부(300)에 포함된 피가열체 적합성 평가부(320)는 결합 특성 측정부(200)에 의해 측정된 전자기적 결합 특성(CHAR_COMB)을 기반으로 피가열체의 적합성을 복수의 레벨들 중 하나로 평가할 수 있다. 예를 들어, 피가열체 적합성 평가부(320)는 전자기적 결합 특성(CHAR_COMB) 및 메모리(600)에 저장된 피가열체 적합성 평가 기준 정보(CRTI_EVAL)를 기초로 피가열체의 적합성을 복수의 레벨들 중 하나로 평가할 수 있다. 피가열체 적합성 평가부(320)는 표시부(400)에 피가열체의 적합성 평가 결과(RST_EVAL)를 제공할 수 있다.
S160 단계에서, 표시부(400)는 피가열체 적합성 평가부(320)로부터 수신된 피가열체의 적합성 평가 결과(RST_EVAL)를 사용자에게 시각적 방법, 청각적 방법 및 그 외의 다른 방법들 중 적어도 하나를 통해 사용자에게 알릴 수 있다.
도 4는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 코일 및 피가열체의 등가 회로에 의해 소모되는 평균 전력의 주파수 특성 그래프를 나타낸다. 도 4는 도 1 및 도 2를 함께 참조하여 설명된다.
스위칭부(540)에 의해 교류 전력을 공급받는 회로는 코일(100) 및 피가열체(30)의 등가 회로 및 커패시터에 의해 실질적으로 RLC 직렬 회로의 특성을 나타내기 때문에 소모되는 평균 전력은 제1 곡선(41), 제2 곡선(42) 및 제3 곡선(43)과 같은 주파수 특성을 나타낼 수 있다.
RLC 직렬 회로의 주파수 특성에 대해 설명하기 위해 제1 곡선(41)을 예시로서 설명한다. 소모되는 평균 전력은 공진 주파수(f_res)에서 최대 평균 전력(Pmax)을 나타낼 수 있다. 공진 주파수(f_res)는 등가 인덕턴스 값(Leq) 및 커패시터(C)의 전기 용량에 의해 결정될 수 있다. 공진 주파수(f_res)를 소모되는 평균 전력이 최대 평균 전력(Pmax)의 절반이 되는 두 주파수의 차(△f)로 나눈 값을 큐 인자(Q factor)라 한다. 큐 인자(Q factor)가 클수록 주파수의 차(△f)가 작은 것이므로 회로의 특성이 좋다고 평가될 수 있다. 큐 인자(Q factor)는 등가 인덕턴스 값(Leq), 등가 저항 값(Req) 및 커패시터(C)의 전기 용량에 의해 결정될 수 있다.
제1 곡선(41)은 피가열체(30)가 가열 장치(10)에 가장 적합한 경우를 나타낸다. 제1 곡선(41)은 공진 주파수(f_res)가 전원 공급부(500)에 의해 제공되는 교류 전력의 동작 주파수(f_op)와 일치하는 경우를 나타낸다. 이와 같이 공진 주파수(f_res)가 동작 주파수(f_op)와 일치하는 경우의 등가 인덕턴스 값(Leq)을 공진 인덕턴스 값이라 칭하기로 한다. 평균 전력의 주파수 특성이 제1 곡선(41)을 나타내는 경우, 동작 주파수(f_op)의 교류 전력이 코일(100)에 공급된다면, 코일(100) 및 피가열체(30)는 최대 평균 전력(Pmax) 만큼의 평균 전력을 소모할 수 있다.
제2 곡선(42)은 등가 인덕턴스 값(Leq)이 상기 정의된 공진 인덕턴스 값보다 작은 경우를 나타낸다. 등가 인덕턴스 값(Leq)이 공진 인덕턴스 값보다 작아짐으로 인해 공진 주파수가 커졌기 때문에, 평균 전력의 극대점이 그래프 상에서 오른쪽 아래로 이동한 것을 확인할 수 있을 것이다. 제2 곡선(42)의 경우, 동작 주파수(f_op) 하에서 동작한다면, 평균 전력이 최대 평균 전력(Pmax) 보다 작은 제1 전력(P1)을 나타낼 수 있다. 제2 곡선(42)의 경우 뿐 아니라, 등가 인덕턴스 값(Leq)이 상기 정의된 공진 인덕턴스 값보다 큰 경우에도, 공진 주파수가 동작 주파수(f_op)보다 작아지기 때문에 성능 저하는 마찬가지로 일어날 수 있다.
제3 곡선(43)은 등가 저항 값(Req)이 제1 곡선(41)의 경우보다 큰 경우를 나타낸다. 등가 저항 값(Req)이 증가함에 따라 큐 인자가 감소할 수 있고, 이에 따라 곡선의 폭이 넓어진 형태를 띄는 것을 확인할 수 있다. 제3 곡선(43)의 경우에도 제1 곡선(41)에 비해 동작 주파수(f_op) 하에서 평균 전력이 감소한 것을 확인할 수 있다.
도 5a 및 5b는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 피가열체 적합성 평가 기준정보(CRIT_EVAL)를 나타낸다. 도 5a 및 도 5b는 도 1의 전자기적 결합 특성(CHAR_COMB)이 도 4의 같이 동작 주파수(f_op) 하에서 코일 및 피가열체에 의해 소모되는 평균 전력인 제1 전력(P1)을 나타내는 경우, 이를 평가하기 위한 평가 기준 정보를 나타낸다.
도 5a를 참조하면, 피가열체의 적합성 평가 결과(RST_EVAL)는 2개의 레벨을포함할 수 있다. 2개의 레벨은 적합함을 나타내는 'PASS' 및 부적합함을 나타내는 'FAIL'을 포함할 수 있다. 동작 주파수 하에서 소모되는 평균 전력인 제1 전력(P1)이 임계 전력(Pref) 이상이면, 평가 결과(RST_EVAL)는 'PASS'로서 결정될 수 있으며, 제1 전력(P1)이 임계 전력(Pref) 미만이면, 평가 결과(RST_EVAL)는 'FAIL'로서 결정될 수 있다.
도 5b를 참조하면, 피가열체의 적합성 평가 결과(RST_EVAL)는 k개(k는 2 이상의 자연수)의 레벨들(L_1~L_k) 및 'FAIL'을 포함할 수 있다. 제k 레벨(L_k)에서 제1 레벨(L_1)로 갈수록 피가열체의 적합성이 더 높은 것을 나타낼 수 있다. 피가열체의 적합성이 더 높다는 것은 가열 장치가 동작하는 동작 주파수에서의 피가열체의 열효율이 더 좋다는 것을 의미할 수 있다. 또한 이는 피가열체의 적합성이 더 높다는 것은 가열 장치가 동작하는 동작 주파수에서 소모되는 평균 소비전력이 큰 것을 의미할 수 있다. 비제한적인 예시로서, 복수의 레벨들(L_1~L_k)은 '적합', '보통' 및 '부적합'과 같은 레벨들을 포함할 수 있다. 또한 비제한적인 예시로서, 복수의 레벨들(L_1~L_k)은 '매우 적합', '적합', '보통', '부적합' 및 '매우 부적합'과 같은 레벨들을 포함할 수 있다. 피가열체 적합성 평가 기준 정보(CRIT_EVAL)는 제1 전력(P1)들에 대응되는 평가 결과들(RST_EVAL)의 룩업 테이블을 포함할 수 있다. 제1 전력(P1)의 범위에 따라, 제어부는 피가열체의 적합성을 k개의 레벨들(L_1~L_k) 및 'FAIL' 중 하나로 평가할 수 있다.
도 6은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 결합 특성 측정부(200) 및 제어부(300)를 나타낸다. 도 6은 전자기적 결합 특성(CHAR_COMB)이 도 1의 제1 노드(Nd1) 및 제2 노드(Nd2) 사이의 등가 임피던스 값(Zeq)을 나타내는 경우의 결합 특성 측정부(200) 및 제어부(300)를 나타낸다.
결합 특성 측정부(200)는 다양한 방식에 의해 코일 및 피가열체의 등가 임피던스 값(Zeq)을 측정할 수 있다. 예를 들어, 결합 특성 측정부(200)는 임피던스 값을 센싱하는 칩으로 구현될 수도 있으며, 도 7을 참조해 설명하는 방법을 통해 등가 임피던스 값(Zeq)을 측정할 수도 있다. 결합 특성 측정부(200)는 측정된 등가 임피던스 값(Zeq)을 전자기적 결합 특성(CHAR_COMB)으로서 피가열체 적합성 평가부(320)에 제공할 수 있다. 도 7의 방법을 통해 등가 임피던스 값(Zeq)을 측정하기 위해, 결합 특성 측정부(200)는 스위칭 제어부(340)의 스위칭 제어 동작을 제어하기 위한 제어 신호(CTRL)를 제어부(300)에 제공할 수 있다.
이 경우, 피가열체 적합성 평가부(320)는 수신된 등가 임피던스 값(Zeq)을 기반으로 피가열체의 적합성을 평가할 수 있다. 예를 들어, 피가열체 적합성 평가부(320)는 등가 임피던스 값(Zeq)을 피가열체 적합성 평가 기준 정보와 비교함으로써 피가열체의 적합성을 평가할 수 있다.
도 7은 본 개시의 예시적 실시예에 따른 등가 임피던스 측정 방식을 설명하기 위한 평균 전력의 주파수 특성 그래프를 나타낸다. 도 7은 도 6을 함께 참조하여 설명된다.
평가 모드에서, 스위칭 제어부(340)는 결합 특성 측정부(200)의 제어 신호(CTRL)에 따라 전원 공급부가 제1 기준 주파수(fref_1) 및 제2 기준 주파수(fref_2)의 테스트 교류 전원을 차례로 생성하도록 스위칭을 제어할수 있다. 그 때, 결합 특성 측정부(200)는 제 1기준 주파수(fref_1) 하에서 평균 전력인 제2 전력(P2) 및 제2 기준 주파수(fref_2) 하에서 평균 전력인 제3 전력(P3)을 측정할 수 있고, 제2 전력(P2), 제3 전력(P3) 및 RLC 직렬 회로의 특성 식을 이용해 등가 회로의 등가 인덕턴스 값 및 등가 저항 값을 계산해낼 수 있다.
도 8a 내지 8c는 본 개시의 예시적 실시예에 따른 피가열체 적합성 평가 기준 정보(CRIT_EVAL)를 나타낸다. 피가열체 적합성 평가 기준 정보(CRIT_EVAL)는 등가 임피던스 값들에 대응되는 평가 결과들(RST_EVAL)의 룩업 테이블을 포함할 수 있다.
도 8a를 참조하면, 평가 결과(RST_EVAL)는 'PASS' 및 'FAIL'의 2 개의 레벨을 포함할 수 있다. 도 8a의 피가열체 적합성 평가 기준 정보(CRIT_EVAL)에 따라, 피가열체 적합성 평가부는 결합 특성 평가부로부터 수신된 등가 임피던스 값(Leq)이 제1 기준 임피던스 값(Lref_1) 이상 제2 기준 임피던스 값(Lref_2) 미만이고, 등가 저항 값(Req)이 제1 기준 저항 값(Rref_1) 이상 제2 기준 저항 값(Rref_2) 미만인 경우에만 평가 결과(RST_EVAL)를 'PASS'로 평가할 수 있다.
도 8b를 참조하면, 평가 결과(RST_EVAL)는 'PASS' 및 'FAIL'의 2개의 레벨을 포함할 수 있다. 피가열체 적합성 평가 기준 정보(CRIT_EVAL)는 등가 인덕턴스 값(Leq)이 복수의 기준 인덕턴스 값들(Lref_1~Lref_n+1)에 의해 구분된 구간 별로 등가 저항 값(Req)에 대응되는 평가 결과들(RST_EVAL)의 룩업 테이블을 포함할 수 있다. 비제한적인 예시로서, 등가 인덕턴스 값(Leq)이 클수록, 등가 저항 값(Req)이 작을수록 큐 인자는 큰 값을 가질 수 있으므로, 적정 큐 인자를 갖도록 하기 위해 등가 인덕턴스 값(Leq)이 작은 값을 가질수록 요구되는 등가 저항 값(Req)은 더 작아질 수 있다. 예를 들어, 평가 결과(RST_EVAL)가 'PASS'로 평가되기 위한 등가 저항(Req)의 상한 값들(R_ref_1H~R_ref_nH)은 제n 상한 기준 저항 값(Rref_nH)에서 제1 상한 기준 저항 값(Rref_1H)로 갈수록 작은 값일 수 있다.
도 8c를 참조하면, 평가 결과(RST_EVAL)는 k개(k는 2 이상의 자연수)의 레벨들(L_1~L_k) 및 'FAIL'을 포함할 수 있다. 제k 레벨(L_k)에서 제1 레벨(L_1)로 갈수록 피가열체의 적합성이 더 높은 것을 나타낼 수 있다. 이때, 제k 레벨(L_k)에서 제1 레벨(L_1)로 갈수록 더 높은 레벨이라고 칭할 수 있다. 피가열체 적합성 평가 기준 정보(CRIT_EVAL)는 등가 인덕턴스 값(Leq)이 복수의 기준 인덕턴스 값들(Lref_L1~LrefLn, Lref_H1~Lref_Hn)에 의해 구분된 구간 별로 등가 저항 값(Req)에 대응되는 평가 결과들(RST_EVAL)의 룩업 테이블을 포함할 수 있다. 예를 들어, 등가 인덕턴스 값(Leq)이 도 4를 참조하여 설명된 공진 인덕턴스 값에 가까울수록 평가 결과(RST_EVAL)를 더 높은 레벨로 결정할 수 있다. 또한 예를 들어, 등가 저항 값이 임계 저항 값 이상이기만 하면, 등가 저항 값이 작을수록 평가 결과(RST_EVAL)를 더 높은 레벨로 결정할 수 있다.
도 8c를 참조해보면, 제1 하한 기준 인덕턴스 값들(Lref_L1~Lref_Ln)은 제1 하한 기준 인덕턴스 값(Lref_L1)에서 제n 하한 기준 인덕턴스 값(Lref_Ln)으로 갈수록 더 작은 값을 가질 수 있으며, 제1 상한 기준 인덕턴스 값들(Lref_H1~Lref_Hn)은 제1 상한 기준 인덕턴스 값(Lref_H1)에서 제n 상한 기준 인덕턴스 값(Lref_Hn)으로 갈수록 더 큰 값을 가질 수 있다. 도 4를 참조해 설명된 공진 인덕턴스 값은 제1 하한 기준 인덕턴스 값(Lref_L1) 이상 제1 상한 기준 인덕턴스 값(Lref_H1) 미만일 수 있다. 따라서, 룩업 테이블의 아래로 갈수록 등가 인덕턴스 값(Leq)이 공진 인덕턴스 값으로부터 멀어지는 경우라 할 수 있다. 룩업 테이블을 살피면, 등가 인덕턴스 값(Leq)이 공진 인덕턴스 값에 가까울수록 평가 결과(RST_EVAL)가 높은 레벨로 평가되는 것을 확인할 수 있다.
또한 도 8c를 참조해보면, 동일한 등가 인덕턴스 값(Leq)의 범위 안에서, 등가 저항 값(Req)이 작은 범위에 속할수록 평가 결과(RST_EVAL)가 높은 레벨에 포함되는 것을 확인할 수 있다.
이상에서와 같이 도면과 명세서에서 예시적인 실시예들이 개시되었다. 본 명세서에서 특정한 용어를 사용하여 실시예들을 설명되었으나, 이는 단지 본 개시의 기술적 사상을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 개시의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 개시의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (7)

  1. 유도 가열(Induction Heating) 방식의 가열 장치에 있어서,
    상기 가열 장치의 동작 모드에서, 화구 상에 올려진 피가열체와 전자기적으로 결합(coupling)되고, 소정의 동작 주파수의 교류 전력을 공급받아 상기 피가열체에 전류를 유도함으로써 상기 피가열체를 가열하는 코일;
    상기 피가열체의 적합성을 평가하는 평가 모드에서, 상기 코일에 제1 기준 주파수의 제1 테스트 교류 전력이 인가됨에 따라 상기 코일 및 상기 피가열체에 의해 소모되는 평균 전력인 제1 전력 값 및 상기 코일에 제2 기준 주파수의 제2 테스트 교류 전력이 인가됨에 따라 상기 코일 및 상기 피가열체에 의해 소모되는 평균 전력인 제2 전력 값을 이용해, 상기 코일 및 상기 피가열체의 등가회로의 등가 임피던스 값을 얻어내도록 구성되는 결합 특성 측정부;
    상기 평가 모드에서, 상기 피가열체가 상기 화구 상에 존재하는지 여부를 판단하고, 상기 피가열체가 상기 화구 상에 존재하는 경우, 상기 코일에 상기 제1 테스트 교류 전력 및 상기 제2 테스트 교류 전력이 차례로 인가되도록 제어하고, 상기 등가 임피던스 값을 상기 가열 장치 내부에 저장된 피가열체 적합성 평가 기준 정보와 비교함으로써 상기 피가열체의 적합성을 3개 이상의 레벨들 중 하나로 평가하고, 상기 피가열체가 상기 화구 상에 존재하지 않는 경우, 상기 가열 장치의 가열 동작을 중단시키도록 제어하는 제어부; 및
    상기 제어부로부터 상기 피가열체의 적합성 평가 결과를 수신하고, 상기 평가 결과를 사용자에게 알리는 표시부를 포함하고,
    상기 피가열체 적합성 평가 기준 정보는,
    복수의 기준 인덕턴스 값 범위들 및 복수의 기준 저항 값 범위들의 조합들에 대응되는 복수의 평가 결과 레벨들을 포함하는 룩업 테이블을 포함하고,
    상기 제어부는,
    상기 등가 임피던스 값에 따른 등가 인덕턴스 값을 상기 복수의 기준 인덕턴스 값 범위들과 비교하고, 상기 등가 임피던스 값에 따른 등가 저항 값을 상기 복수의 기준 저항 값 범위들과 비교하는 것에 기초하여 상기 피가열체의 적합성을 상기 3개 이상의 레벨들 중 하나로 평가하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가열 장치.
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JP2014220108A (ja) * 2013-05-08 2014-11-20 富士電機株式会社 誘導加熱装置

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