KR102206757B1 - 유도 가열 장치 및 이를 이용한 유도 가열 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 하면에 접착물질이 위치한 피대상물이 베이스플레이트의 상면에 접착되도록, 열을 제공하는 유도 가열 장치에 관한 것으로, 자속을 발생시켜 하측에 위치한 상기 피대상물을 유도 가열하는 코일; 상기 코일에 인접 배치되어 상기 코일에서 발생하는 자속의 자속선을 피가열물로 안내하며, 상기 피대상물을 선택적으로 고정시키는 연자성체; 및 상기 코일 및 연자성체와 각각 연결되어 상기 코일 및 연자성체를 각각 상하 방향으로 이송시키는 이송수단을 포함하는 유도 가열 장치 및 이를 이용한 유도 가열 방법을 제공한다.

Description

유도 가열 장치 및 이를 이용한 유도 가열 방법{Apparatus for Induction heating and Induction heating method using the same}

본 발명은 유도 가열 장치 및 이를 이용한 유도 가열 방법에 관한 것이다.

유도 가열(induction heating)이란 전자기 유도에 의해 전기에너지를 열에너지로 변환시켜 가열하는 방법을 의미한다.

더 상세히 검토하면, 유도 가열은, 1차 전류가 흐르는 코일에서 발생한 자속에 의해 피가열 재료에 2차전류가 흐르는 경우에 발생하는 줄열(Joule’s heat)을 이용하는 가열 방법을 말한다.

그리고 상기 피가열 재료는 금속 및 카본(carbon) 등의 전도체 또는 실리콘, 게르마늄, 비소화갈륨 및 용융실리카 등의 반도체 등이 포함될 수 있다.

한편, 백 시트(back sheet), 솔라셀, 리본, 에바(EVA) 및 유리 등으로 구성된 태양광 모듈의 제조 공정에도 상술한 유도 가열이 활용되기도 한다.

더 상세히 검토하면, 전류를 흘려 보내는 통로로 사용되는 상기 리본이 상기 솔라셀의 상부측에 본딩(bonding)되기 위해서는, 상기 리본을 상기 솔라셀의 상부에 접촉시킨 후 상기 리본에 열을 가할 필요가 있는데, 상기 리본은 구리, 은, 주석 및 납 등의 전도체로 구성되어 있기 때문에 유도 가열이 될 수 있다.

그리고, 대한민국 등록특허 제1018672호에서는 상술한 유도 가열을 이용한 솔라셀의 유도가열 리본 본딩헤드를 개시한다.

도 1을 참조하면, 상기 솔라셀의 유도가열 리본 본딩헤드(10)는, 인가된 전류에 의해 자기장을 형성시켜, 리본(1)을 가열하는 유도가열전극(11)과, 상기 리본(1)을 솔라셀(2)의 방향을 가압하여 고정하는 핀(12)을 포함한다.

그러나 상기 솔라셀의 유도가열 리본 본딩헤드(10)는 상기 유도가열전극(11)에서 발생한 자속이 상기 리본(1)에 집중되지 않아 전력소모가 많고, 상기 리본(1)을 상기 솔라셀(2)의 방향을 가압하여 고정하는 상기 핀(12)이 별로도 필요하여 그 구조가 복잡하다는 문제점이 있다.

본 발명은, 전력소모가 적고, 자속을 피대상물에 집중시켜 피대상물을 효율적으로 가열시킬 수 있으며, 제작이 편리한 유도 가열 장치 및 이를 이용한 유도 가열 방법의 제공을 목적으로 한다.

본 발명의 일 측면에 의한 유도 가열 장치는, 하면에 접착물질이 위치한 피대상물이 베이스플레이트의 상면에 접착되도록, 열을 제공하는 유도 가열 장치에 관한 것으로, 자속을 발생시켜 하측에 위치한 상기 피대상물을 유도 가열하는 코일; 상기 코일에 인접 배치되어 상기 코일에서 발생하는 자속의 자속선을 피가열물로 안내하며, 상기 피대상물을 선택적으로 고정시키는 연자성체; 및 상기 코일 및 연자성체와 각각 연결되어 상기 코일 및 연자성체를 각각 상하 방향으로 이송시키는 이송수단을 포함한다.

상기 코일은, 만곡형상의 제1부분과, 상기 제1부분의 양단과 각각 연결되고, 각각 직선 형상으로 서로 이격되어 배치된 제2부분을 포함하고, 상기 제2부분은 각각 외부 전원과 연결될 수 있다.

상기 연자성체는, 상기 코일이 사이에 개재되도록 서로 이격되어 배치되고, 상면에서 하면으로 갈수록 그 단면적에 좁아지는 형상일 수 있다.

상기 이송수단은, 상기 코일과 연결되어 상기 코일을 상하 방향으로 이송시키는 제1이송부와, 상기 연자성체와 연결되어 상기 연자성체를 상하 방향으로 이송시키는 제2이송부를 포함할 수 있다.

상기 코일은 상기 피대상물을 향해 하측으로 이송된 후 자속을 발생시키고, 상기 연자성체는 상기 코일이 피대상물에 설정된 위치에 도달했을 때, 피대상물을 향해 하측으로 이송되어, 피대상물을 가압하여 고정시킬 수 있다.

상기 코일의 유도 가열에 의해 피대상물을 가열시키고 상측으로 이송된 후, 상기 연자성체는 설정된 시간 경과 후 피대상물과 이격될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 의하면, 베이스플레이트의 상면에 위치한, 피대상물에 코일이 접근하는 단계; 연자성체를 하측으로 이송시켜 상기 피대상물을 가압하는 단계; 상기 코일에서 자속을 발생시켜서 접착물질이 하면에 위치한 상기 피대상물에 열을 가하는 단계; 설정된 시간 경과 후, 상기 코일을 상기 피대상물로부터 이격시키는 단계; 상기 코일이 상기 피대상물로부터 이격된 후, 상기 연자성체를 상기 피대상물로부터 이격시키는 단계를 포함하는 유도 가열 방법을 제공한다.

상기 연자성체는, 상기 코일에서 발생하는 자속의 자속선을 상기 피대상물로 안내할 수 있다.

본 발명에 따른 유도 가열 장치 및 이를 이용한 유도 가열 방법에 의하면, 코일에서 발생하는 자속의 자속선을 피대상물로 안내할 수 있어 피대상물을 효율적으로 가열할 수 있고, 낭비되는 자속의 양을 줄일 수 있으므로 소모되는 전력이 적다.

그리고, 접합이 필요한 피대상물에만 대부분의 자속을 집중시킬 수 있기 때문에 피대상물에 인접하는 기기 등을 자기장의 영향으로부터 격리시킬 수 있다. 또한 피대상물의 전면적에 걸쳐 고르게 자속을 분포시킬 수 가 있어, 국부가열로 인한 피대상물의 미세균열(micro crack)을 방지할 수 있다.

도1은 종래의 솔라셀의 유도가열 리본 본딩헤드의 정면도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 유도 가열 장치의 사시도,
도 3은 도 2의 유도 가열 장치의 코일에 전류가 인가된 후 자속선을 나타낸 도면,
도 4는 도 2의 유도 가열 장치의 사용 상태도,
도5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유도 가열 방법의 순서도,
도 6은, 동일한 전력을 제공하였을 때, 도 2의 유도 가열 장치의 가열에 의한 피대상물의 표면 온도와, 연자성체를 제거한 도 2의 유도 가열 장치의 가열에 의한 피대상물의 표면 온도를 측정한 그래프이다.

이하, 본 발명의 일부 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명의 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

또한, 본 발명의 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 유도 가열 장치(100)의 사시도이다.

도 2를 참조하면, 상기 유도 가열 장치(100)는 하면에 접착물질(3a)이 위치한 피대상물(3)이 베이스플레이트(4)의 상면에 접착되도록, 상기 피대상물(3)을 유도 가열한다.

따라서 상기 피대상물(3)은 유도 가열에 될 수 있는 금속 및 카본(carbon) 등의 전도체 또는 실리콘, 게르마늄, 비소화갈륨 및 용융실리카 등의 반도체 등을 포함할 수 있다. 그러나 이에 한정되는 것은 아니고, 비도체에 전도체 또는 반도체가 혼합된 재료도 상기 피대상물(3)에 포함될 수 있다.

한편, 상기 베이스플레이트(4)가 상기 피대상물(3)과 같은 물질일 경우, 상기 유도 가열 장치(100)는 상기 베이스플레이트(4)도 유도 가열할 수 있음은 물론이다.

그리고 상기 유도 가열 장치(100)는 코일(110), 연자성체(120) 및 이송수단(미도시)을 포함한다.

상기 코일(110)은, 인가된 전류에 의해 자기장을 발생시킨다. 그리고 상기 코일(110)에서 발생하는 자기장의 변화율은 상기 코일(110)에 인가된 전류의 주파수에 의해 결정되고, 상기 코일(110)에서 발생하는 자기장의 변화율에 따라 상기 피대상물(3)의 가열온도가 결정된다.

상기 코일(110)은 제1부분(111)과 제2부분(112)을 포함할 수 있다.

상기 제1부분(111)은 만곡형상이고, 상기 제2부분(112)은 상기 제1부분(111)의 양단과 각각 연결되고, 각각 직선 형상으로 서로 이격되어 배치될 수 있다.

상기 제2부분(112)은 제1코일(112a)과 제2코일(112b)을 포함할 수 있는데, 상기 제1코일(112a)과 상기 제2코일(112b)로부터 발생한 자속을 상기 피대상물(3)에 집중시키기 위해, 상기 제1코일(112a)과 제2코일(112b)은 직성형상이고 서로 평행하는 것이 바람직하다. 다만, 상기 제1코일(112a)과 제2코일(112b)의 형상 및 배치 방법은 상술한 바에 한정되는 것은 아니다.

한편, 상기 제2부분(112)은 각각 외부 전원(미도시)과 연결된다. 상기 외부 전원(미도시)은 설정된 주파수를 갖는 전류를 상기 제2부분(112)으로 인가한다.

도 3은 도 2의 유도 가열 장치의 코일에 전류가 인가된 후 자속선을 나타낸 도면이다.

도 3을 참조하면, 상기 연자성체(120)는 상기 코일(110)에 인접 배치되어 상기 코일(110)에서 발생하는 자속의 자속선을 상기 피대상물(3)로 안내한다.

여기서 연자성체(120)는 외부 자계에 의해 강하게 자화되며, 잔류자화가 작은 자성체를 의미한다. 따라서, 상기 코일(110)에서 발생하는 자기장을 상기 피대상물(3)로 집중시킬 수 있다.

그리고 상기 연자성체(120)는, 상기 코일(110)이 사이에 개재되도록 서로 이격되어 배치되고, 각각 상면에서 하면으로 갈수록 그 단면적에 좁아지는 형상일 수 있다. 이렇게 상기 연자성체(120)가 각각 상면에서 하면으로 갈수록 그 단면적이 좁아지는 형상을 할 경우, 도시된 바와 같이 상기 피대상물(3)에 상기 코일(110)에서 발생하는 자속을 더 집중시킬 수 있다.

즉, 상기 유도 가열 장치(100)는 상기 베이스플레이트(4)에 접합이 필요한 상기 피대상물(3)에만 대부분의 자속을 집중시킬 수 있기 때문에 상기 피대상물(3)에 인접하는 기기 등을 자기장의 영향으로부터 격리시킬 수 있다. 또한 상기 피대상물(3)의 전면적에 걸쳐 고르게 자속을 분포시킬 수 있어, 국부가열로 인한 상기 피대상물(3)의 미세균열(micro crack)을 방지할 수 있다.

상기 이송수단(미도시)은 상기 코일(110) 및 연자성체(120)와 각각 연결되어 상기 코일(110) 및 연자성체(120)를 각각 상하 방향으로 이송시킬 수 있다. 그리고 상기 이송수단(미도시)은, 상기 코일(110)과 연결되어 상기 코일(110)을 상하 방향으로 이송시키는 제1이송부(미도시)와, 상기 연자성체(120)와 연결되어 상기 연자성체(120)를 상하 방향으로 이송시키는 제2이송부(미도시)를 포함할 수 있다.

상기 이송수단(미도시)이 상기 제1이송부(미도시) 및 제2이송부(미도시)를 포함하고 있어, 상기 코일(110)과 상기 연자성체(120)는 서로 간섭없이 상기 피대상물(3) 방향으로 이송될 수 있다.

이하에서는 상기 유도 가열 장치(100)를 이용하여, 상기 피대상물(3)을 가열하는 방법에 대해 설명한다.

도 4는 도 2의 유도 가열 장치(100)의 사용 상태도이다.

도 4를 참조하면, 상기 피대상물(3)을 유도가열하기 위해서, 먼저 상기 코일(110)이 상기 피대상물(3)을 향해 하측으로 이동한다. 그리고 상기 연자성체(120)가 상기 피대상물(3)을 향해 하측으로 이동하고, 그 하단부는 상기 피대상물(3)의 상명을 가압하게 된다(도3 의 (a) 및 (b) 참조).

상기 피대상물(3)의 하면에는 상기 베이스플레이트(4)가 위치해 있으므로, 상기 연자성체(120)가 상기 피대상물(3)을 가압할 경우 상기 피대상물(3)은 상기 베이스플레이트(4)에 임시적으로 고정될 수 있다.

상술한 바와 같이 상기 코일(110)이 상기 피대상물(3)로 먼저 향하고, 다음으로 상기 연자성체(120)가 상기 피대상물(3)을 가압하게 될 경우, 상기 피대상물(3)의 상면의 설정된 위치에 상기 코일(110)이 위치하는지 여부를 확인할 수 있다는 장점이 있다.

다만, 상기 유도 가열 장치(100)는, 상술한 바와 같이 상기 코일(110)이 상기 피대상물(3)로 먼저 향하고, 다음으로 상기 연자성체(120)가 상기 피대상물(3)을 향해 이동하는 것으로 한정되는 것은 아니고, 상기 코일(110)과 상기 연자성체(120)가 동시에 상기 피대상물(3)의 방향으로 이동할 수도 있다.

상기 피대상물(3)이 상기 연자성체(120)에 의해 고정된 후, 상기 코일(110)은 상기 외부 전원(미도시)에서 인가된 전류에 의해 자기장을 발생시켜, 상기 피대상물(3)을 가열한다. 상기 피대상물(3)의 가열이 완료되면 상기 코일(110)은 상기 피대상물(3)로부터 이격되어 멀어진다(도3 의 c 및 d 참조).

그리고 상기 연자성체(120)는 상기 피대상물(3)의 하면에 위치가 접착물질(3a)에 의해 상기 피대상물(3)이 상기 베이스플레이트(4)에 고정이 이루어진 후, 상기 피대상물(3)로부터 이격된다.

이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 유도 가열 방법에 대해 상세히 설명하기로 한다.

도5은 본 발명의 다른 실시예에 따른 유도 가열 방법의 순서도이다.

도 5를 참조하면, 상기 유도 가열 방법은, 상기 베이스플레이트(4)의 상면에 위치한 상기 피대상물(3)에 코일(110)이 접근하는 단계(S10)와, 상기 연자성체(120)를 하측으로 이송시켜 상기 피대상물(3)을 가압하는 단계(S20)와, 상기 코일(110)에서 자속을 발생시켜서 접착물질(3a)이 하면에 위치한 상기 피대상물(3)에 열을 가하는 단계(S30)와, 설정된 시간 경과 후, 상기 코일(110)을 상기 피대상물(3)로부터 이격시키는 단계(S40) 및 상기 코일(110)이 상기 피대상물(3)로부터 이격된 후, 상기 연자성체(120)를 상기 피대상물(3)로부터 이격시키는 단계(S50)를 포함한다.

그리고 상기 연자성체(120)는, 상기 코일(110)에서 발생하는 자속의 자속선을 상기 피대상물(3)로 안내할 수 있다.

도 6은, 동일한 전력을 제공하였을 때, 도 2의 유도 가열 장치의 가열에 의한 피대상물의 표면 온도와, 연자성체를 제거한 도 2의 유도 가열 장치의 가열에 의한 피대상물의 표면 온도를 측정한 그래프이다.

여기서 L1은 상기 연자성체(120)가 상기 코일(110)에 인접 배치될 경우 상기 피대상물(3)의 표면온도를 나타내는 선이고, L2는 상기 연자성체(120)가 상기 코일(110)에서 제거된 후 상기 피대상물(3)의 표면온도를 나타내는 선이다.

도3 및 도6을 참조하면, 같은 전력을 공급하였을 때, 상기 연자성체(120)가 상기 코일(110)에 인접 배치될 경우, 상기 코일(110)로부터의 자속의 자속선을 상기 피대상물(3)로 집중시킬 수 있기 때문에, 상기 피대상물(3)을 더 효율적으로 가열할 수 있다.

이상에서, 본 발명의 실시 예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시 예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다. 기술적이거나 과학적인 용어를 포함한 모든 용어들은, 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 사전에 정의된 용어와 같이 일반적으로 사용되는 용어들은 관련 기술의 문맥상의 의미와 일치하는 것으로 해석되어야 하며, 본 발명에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시 예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100:유도 가열 장치
110:코일
120:연자성체

Claims (8)

1. 하면에 접착물질이 위치한 피대상물이 베이스플레이트의 상면에 접착되도록, 열을 제공하는 유도 가열 장치에 있어서,
   상기 피대상물 위에 위치되어 상하 이동이 가능하고, 자속을 발생시켜 하측에 위치한 상기 피대상물을 유도 가열하는 코일;
   상기 코일의 양측에 배치되고 상기 피대상물 위에 위치되어 상하 이동이 가능하고, 상기 코일에서 발생하는 자속의 자속선을 상기 하측에 위치한 상기 피대상물로 안내하는 제1 및 제2 연자성체; 및
   상기 코일 및 상기 제1 및 제2 연자성체와 각각 연결되어 상기 코일 및 제1 및 제2 연자성체를 각각 상하 방향으로 이송시키는 이송수단을 포함하고,
   상기 제1 및 제2 연자성체 각각은,
   상기 코일이 상기 피대상물을 향해 하부 방향으로 이동되어 상기 피대상물에 설정된 위치에 도달했을 때, 상기 피대상물을 향해 하부 방향으로 이동되어, 상기 피대상물을 면접촉으로 가압하여 고정시키는 유도 가열 장치.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 코일은,
   만곡형상의 제1부분과,
   상기 제1부분의 양단과 각각 연결되고, 각각 직선 형상으로 서로 이격되어 배치된 제2부분을 포함하고,
   상기 제2부분은 각각 외부 전원과 연결되는 유도 가열 장치.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 제1 및 제2 연자성체는,
   상기 코일이 사이에 개재되도록 서로 이격되어 배치되고, 상면에서 하면으로 갈수록 그 단면적에 좁아지는 형상인 유도 가열 장치.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 이송수단은,
   상기 코일과 연결되어 상기 코일을 상하 방향으로 이송시키는 제1이송부와,
   상기 제1 및 제2 연자성체와 연결되어 상기 제1 및 제2 연자성체를 상하 방향으로 이송시키는 제2이송부를 포함하는 유도 가열 장치.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 코일은 상기 피대상물을 향해 하측으로 이송된 후 자속을 발생시키는유도 가열 장치.
   
6. 제 4항에 있어서,
   상기 코일의 유도 가열에 의해 상기 피대상물을 가열시키고 상측으로 이송된 후, 상기 제1 및 제2 연자성체는 설정된 시간 경과 후 상기 피대상물과 이격되는 유도 가열 장치.
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