KR102593479B1 - 유도 가열 방식의 쿡탑 - Google Patents

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Abstract

본 개시는 별도의 절환 구조 없이 단일 코일 및 커패시터만으로 자성체 및 비자성체를 모두 가열할 수 있는 유도 가열 방식의 쿡탑을 제공하기 위한 것으로, 조리 용기가 가열되는 가열 영역이 형성된 상판 글래스, 상기 조리 용기가 가열되도록 자기장을 발생시키는 워킹 코일, 및 상기 워킹 코일에 전류가 흐르도록 구동되는 스위치를 갖는 인버터를 포함하고, 상기 워킹 코일의 면적이 상기 가열 영역의 면적 보다 작을 수 있다.

Description

유도 가열 방식의 쿡탑{INDUCTION HEATING TYPE COOKTOP}
본 개시는 유도 가열 방식의 쿡탑에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자성 조리 용기 및 비자성 조리 용기를 모두 가열 가능한 유도 가열 방식의 쿡탑에 관한 것이다.
가정이나 식당에서 음식을 가열하기 위한 다양한 방식의 조리 기구들이 사용되고 있다. 종래에는 가스를 연료로 하는 가스 레인지가 널리 보급되어 사용되어 왔으나, 최근에는 가스를 이용하지 않고 전기를 이용하여 조리 용기를 가열하는 장치들의 보급이 이루어지고 있다.
전기를 이용하여 피가열 물체를 가열하는 방식은 크게 저항 가열 방식과 유도 가열 방식으로 나누어진다. 저항 가열 방식은 금속 저항선 또는 탄화규소와 같은 비금속 발열체에 전류를 흘릴 때 생기는 열을 방사 또는 전도를 통해 조리 용기에 전달함으로써 가열하는 방식이다. 그리고 유도 가열 방식은 소정 크기의 고주파 전력을 코일에 인가할 때 코일 주변에 발생하는 자계를 이용하여 금속 성분으로 이루어진 조리 용기에 와전류(eddy current)를 발생시켜 조리 용기 자체가 가열되도록 하는 방식이다.
한편, 이러한 유도 가열 방식의 경우 동일한 전류가 코일에 인가되더라도 조리 용기의 재질에 따라서 출력 파워가 달라지는 문제가 있다. 구체적으로, 비자성체 용기는 자성체 용기 보다 낮은 투자율로 인해 동일한 동작 주파수 대역에서 비저항이 작고, 이에 따라 비자성체 용기의 출력이 자성체 용기의 출력 보다 작다.
이에, 자성체 용기뿐만 아니라 비자성체 용기에 대한 출력을 높이기 위한 방안이 요구된다. 종래 비자성체 용기에 대한 출력을 높이기 위한 방안으로, 워킹 코일의 인덕턴스 또는 공진 네트워크의 커패시턴스를 절환하는 구조가 고안되었다. 그런데, 이 경우 절환용 스위치 등 부가 회로가 추가되기 때문에 제조 비용의 상승, 부피 증가 등의 문제가 발생한다.
본 개시는 별도의 절환 구조 없이 단일 코일 및 커패시터만으로 자성체 및 비자성체를 모두 가열할 수 있는 유도 가열 방식의 쿡탑을 제공하고자 한다.
본 개시는 동작 주파수 대역을 기존 주파수 대역 보다 높임으로써 조리 용기에 대한 저항을 높여 별도의 절환 구조 없이 자성체뿐만 아니라 비자성체에 대한 가열 출력을 향상시킬 수 있는 유도 가열 방식의 쿡탑을 제공하고자 한다.
본 개시의 실시 예에 따른 유도 가열 방식의 쿡탑은 조리 용기가 가열되는 가열 영역이 형성된 상판 글래스, 상기 조리 용기가 가열되도록 자기장을 발생시키는 워킹 코일, 및 상기 워킹 코일에 전류가 흐르도록 구동되는 스위치를 갖는 인버터를 포함하고, 상기 워킹 코일의 면적이 상기 가열 영역의 면적 보다 작을 수 있다.
워킹 코일의 면적이 상기 가열 영역의 면적의 절반일 수 있다.
워킹 코일은 제1 턴 및 상기 제1 턴과 인접한 제2 턴 사이의 거리가 기설정된 간격만큼 이격되게 배치될 수 있다.
기설정된 간격은 상기 워킹 코일의 두께일 수 있다.
스위치는 SiC 소자일 수 있다.
워킹 코일의 턴 수는 상기 가열 영역의 면적과 상기 워킹 코일의 사양에 의해 결정될 수 있다.
워킹 코일의 턴 수는 상기 워킹 코일의 내경과 외경의 차에 해당하는 길이를 워킹 코일 한 턴의 직경으로 나눈 값의 절반일 수 있다.
워킹 코일 한 턴의 직경은 상기 워킹 코일을 구성하는 구리 선 한 가닥의 직경과 전체 가닥 수에 의해 결정되며, 상기 한 가닥의 직경은 동작 주파수의 침투 길이 보다 작고, 상기 전체 가닥 수는 공진 회로 내 역률에 따른 예상 전류 값에 따라 결정될 수 있다.
인버터는 50kHz 이상의 주파수 대역에서 동작할 수 있다.
본 개시의 실시 예에 따르면, 동작 주파수를 높으므로, 자성체 용기뿐만 아니라 비자성체 용기에 대해서도 최소 2kW 이상의 출력을 확보 가능한 이점이 있다.
본 개시의 실시 예에 따르면, 워킹 코일의 면적이 가열 면적 대비 작으므로, 구리가 적게 사용되므로, 제조 비용 절감이 가능한 이점이 있다.
본 개시의 실시 예에 따르면, 절환 구조가 불필요하므로, 부피 또는 제조 비용의 증가를 최소화할 수 있는 이점이 있다.
본 개시의 실시 예에 따르면, 스위칭 소자로 SiC 소자가 사용되므로, 고주파수 대역에서도 성능의 안전성을 확보 가능한 이점이 있다.
도 1은 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑과 조리 용기가 도시된 사시도이다.
도 2는 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑과 조리 용기의 단면도이다.
도 3은 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑의 회로도가 도시된 도면이다.
도 4는 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑의 출력 특성을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 개시의 실시 예에 따른 워킹 코일의 턴 수에 따른 자성체 및 비자성체 각각에 대한 출력을 측정한 결과 데이터이다.
도 6은 도 5에 따른 실험에서 구동 주파수가 도시된 그래프이다.
도 7은 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑의 가열 영역을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑의 리츠 와이어 단면도이다.
도 9는 본 개시의 실시 예에 따른 워킹 코일의 배치 모습이 도시된 예시 도면이다.
도 10은 본 개시의 제1 실시 예에 따른 사각형 워킹 코일에 대한 페라이트 코어의 배치 구조가 도시된 예시 도면이다.
도 11은 본 개시의 제2실시 예에 따른 사각형 워킹 코일에 대한 페라이트 코어의 배치 구조가 도시된 예시 도면이다.
도 12는 본 개시의 제3 실시 예에 따른 사각형 워킹 코일에 대한 페라이트 코어의 배치 구조가 도시된 예시 도면이다.
도 13는 본 개시의 제4 실시 예에 따른 사각형 워킹 코일에 대한 페라이트 코어의 배치 구조가 도시된 예시 도면이다.
도 14는 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑에서 자성체 및 비자성체에 대한 출력이 도시된 도면이다.
이하, 본 개시와 관련된 실시 예에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
이하, 본 개시의 실시 예에 따른 유도 가열 방식의 쿡탑 및 그의 동작 방법을 설명한다. 설명의 편의를 위해, “유도 가열 방식의 쿡탑”을 “쿡탑”으로 일컫는다.
도 1은 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑과 조리 용기가 도시된 사시도이고, 도 2는 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑과 조리 용기의 단면도이다.
조리 용기(1)는 쿡탑(10) 상부에 위치할 수 있고, 쿡탑(10)은 상부에 위치하고 있는 조리 용기(1)를 가열시킬 수 있다.
먼저, 쿡탑(10)이 조리 용기(1)를 가열시키는 방법을 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 쿡탑(10)은 적어도 일부가 조리 용기(1)를 통과하도록 자기장(20)을 발생시킬 수 있다. 이 때, 조리 용기(1)의 재질에 전기 저항 성분이 포함되어 있다면, 자기장(20)은 조리 용기(1)에 와류 전류(30)를 유도할 수 있다. 이러한 와류 전류(30)는 조리 용기(1) 자체를 발열시키고, 이러한 열은 전도 또는 방사되어 조리 용기(1)의 내부까지 전달되므로, 조리 용기(1)의 내용물이 조리될 수 있다.
한편, 조리 용기(1)의 재질에 전기 저항 성분이 포함되지 않은 경우에는 와류 전류(30)가 발생하지 않는다. 따라서, 이러한 경우 쿡탑(10)은 조리 용기(1)를 가열시킬 수 없다.
따라서, 이러한 쿡탑(10)에 의해 가열될 수 있는 조리 용기(1)는 스테인리스 계열 혹은 법랑이나 주철 용기 같은 금속 재질 용기일 수 있다.
다음으로, 쿡탑(10)이 자기장(20)을 발생시키는 방법을 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 쿡탑(10)은 상판 글래스(11), 워킹 코일(12) 및 페라이트 코어(13) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
상판 글래스(11)는 조리 용기(1)를 지지할 수 있다. 즉, 조리 용기(1)는 상판 글래스(11)의 상면에 놓일 수 있다. 상판 글래스(11)에는 조리 용기(1)가 가열되는 가열 영역이 형성될 수 있다.
그리고, 상판 글래스(11)는 여러 광물질을 합성한 세라믹 재질의 강화 유리로 형성될 수 있다. 이에 따라, 상판 글래스(11)는 쿡탑(10)을 외부 충격 등으로부터 보호할 수 있다.
또한, 상판 글래스(11)는 쿡탑(10) 내부로 먼지 등의 이물질이 인입되는 문제를 방지할 수 있다.
워킹 코일(12)은 상판 글래스(11)의 아래에 위치할 수 있다. 이러한 워킹 코일(12)은 자기장(20)을 발생시키도록 전류가 공급되거나 공급되지 않을 수 있다. 구체적으로, 쿡탑(10) 내부 스위칭 소자의 온/오프에 따라 워킹 코일(12)에 전류가 흐르거나 흐르지 않을 수 있다.
워킹 코일(12)에 전류가 흐르면 자기장(20)이 발생하고, 이러한 자기장(20)은 조리 용기(1)에 포함된 전기 저항 성분을 만나 와류 전류(30)를 발생시킬 수 있다. 와류 전류는 조리 용기(1)를 가열시키고, 이에 따라 조리 용기(1)의 내용물이 조리될 수 있다.
또한, 워킹 코일(12)에 흐르는 전류의 양에 따라 쿡탑(10)의 화력이 조절될 수 있다. 구체적인 예로, 워킹 코일(12)을 흐르는 전류가 많을수록 자기장(20)이 많이 발생하게 되고, 이에 따라 조리 용기(1)를 통과하는 자기장이 증가하므로 쿡탑(10)의 화력이 높아질 수 있다.
페라이트 코어(13)는 쿡탑(10)의 내부 회로를 보호하기 위한 구성 요소이다. 구체적으로, 페라이트 코어(13)는 워킹 코일(12)에서 발생한 자기장(20) 또는 외부에서 발생한 전자기장이 쿡탑(10)의 내부 회로에 미치는 영향을 차단하는 차폐 역할을 한다.
이를 위해, 페라이트 코어(13)는 투자율(permeability)이 매우 높은 물질로 형성될 수 있다. 페라이트 코어(13)는 쿡탑(10)의 내부로 유입되는 자기장이 방사되지 않고, 페라이트 코어(13)를 통해 흐르도록 유도하는 역할을 한다. 페라이트 코어(13)에 의해 워킹 코일(12)에서 발생한 자기장(20)이 이동하는 모습은 도 2에 도시된 바와 같을 수 있다.
한편, 쿡탑(10)은 상술한 상판 글래스(11), 워킹 코일(12) 및 페라이트 코어(13) 외에 다른 구성을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 쿡탑(10)은 상판 글래스(11)와 워킹 코일(12) 사이에 위치하는 단열재(미도시)를 더 포함할 수도 있다. 즉, 본 개시에 따른 쿡탑은 도 2에 도시된 쿡탑(10)으로 제한되지 않는다.
도 3은 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑의 회로도가 도시된 도면이다.
도 3에 도시된 쿡탑(10)의 회로도는 설명의 편의를 예시적으로 든 것에 불과하므로, 본 개시는 이에 제한되지 않는다.
도 3을 참조하면, 유도 가열 방식의 쿡탑은 전원부(110), 정류부(120), DC 링크 커패시터(130), 인버터(140), 워킹 코일(150), 공진 커패시터(160) 및 SMPS(170) 중 적어도 일부 또는 전부를 포함할 수 있다.
전원부(110)는 외부 전원을 입력받을 수 있다. 전원부(110)가 외부로부터 입력받는 전원은 AC(Alternation Current) 전원일 수 있다.
전원부(110)은 정류부(120)로 교류 전압을 공급할 수 있다.
정류부(120, Rectifier)는 교류를 직류로 변환하기 위한 전기적 장치이다. 정류부(120)는 전원부(110)을 통해 공급되는 교류 전압을 직류 전압으로 변환한다. 정류부(120)는 변환된 전압을 DC 양단(121)으로 공급할 수 있다.
정류부(120)의 출력단은 DC 양단(121)으로 연결될 수 있다. 정류부(120)를 통해 출력되는 DC 양단(121)을 DC 링크라고 할 수 있다. DC 양단(121)에서 측정되는 전압을 DC 링크 전압이라고 한다.
DC 링크 커패시터(130)는 전원부(110)과 인버터(140) 사이의 버퍼 역할을 수행한다. 구체적으로, DC 링크 커패시터(130)는 정류부(120)를 통해 변환된 DC 링크 전압을 유지시켜 인버터(140)까지 공급하기 위한 용도로 사용된다.
인버터(140)는 워킹 코일(150)에 고주파의 전류가 흐르도록 워킹 코일(150)에 인가되는 전압을 스위칭하는 역할을 한다. 인버터(140)는 반도체 스위치를 포함할 수 있고, 반도체 스위치는 IGBT(Insulated Gate Bipolar Transistor) 또는 SiC 소자일 수 있으나, 이는 예시적인 것에 불과하므로, 이에 제한되지 않음이 타당하다. 인버터(140)는 반도체 스위치를 구동시킴으로써 워킹 코일(150)에 고주파의 전류가 흐르게 하고, 이에 따라 워킹 코일(150)에 고주파 자계가 형성된다.
워킹 코일(150)은 스위칭 소자의 구동 여부에 따라 전류가 흐르거나 전류가 흐르지 않을 수 있다. 워킹 코일(150)에 전류가 흐르면 자기장이 발생한다. 워킹 코일(150)은 전류가 흐름에 따라 자기장을 발생시켜 조리기기를 가열시킬 수 있다.
워킹 코일(150)의 일측은 인버터(140)의 스위칭 소자의 접속점에 연결되어 있고, 다른 일측은 공진 커패시터(160)에 연결된다.
스위칭 소자의 구동은 구동부(미도시)에 의해서 이루어지며, 구동부에서 출력되는 스위칭 시간에 제어되어 스위칭 소자가 서로 교호로 동작하면서 워킹 코일(150)로 고주파의 전압을 인가한다. 그리고, 구동부(미도시)로터 인가되는 스위칭 소자의 온/오프 시간은 점차 보상되는 형태로 제어되기 때문에 워킹 코일(150)에 공급되는 전압은 저전압에서 고전압으로 변한다.
공진 커패시터(160)는 완충기 역할을 하기 위한 구성요소일 수 있다. 공진 커패시터(160)는 스위칭 소자의 턴오프 동안 포화 전압 상승 비율을 조절하여, 턴오프 시간 동안 에너지 손실에 영향을 준다.
SMPS(170, Switching Mode Power Supply)는 스위칭 동작에 따라 전력을 효율적으로 변환시키는 전원공급장치를 의미한다. SMPS(170)는 직류 입력 전압을 구형파 형태의 전압으로 변환한 후, 필터를 통하여 제어된 직류 출력 전압을 획득한다. SMPS(170)는 스위칭 프로세서를 이용하여, 전력의 흐름을 제어함으로써 불필요한 손실을 최소화할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같은 회로도로 구성되는 쿡탑(10)의 경우, 공진 주파수(resonance frequency)는 워킹 코일(150)의 인덕턴스 값과 공진 커패시터(160)의 커패시턴스 값에 의해 결정된다. 그리고, 결정된 공진 주파수를 중심으로 공진 곡선이 형성되며, 공진 곡선은 주파수 대역에 따라 쿡탑(10)의 출력 파워를 나타낼 수 있다.
다음으로, 도 4는 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑의 출력 특성을 나타내는 도면이다.
먼저, Q 팩터(quality factor)는 공진 회로에서 공진의 예리함을 나타내는 값일 수 있다. 따라서, 쿡탑(10)의 경우, 쿡탑(10)에 포함된 워킹 코일(150)의 인덕턴스 값과 공진 커패시터(160)의 커패시턴스 값에 의해 Q 팩터가 결정된다. Q 팩터에 따라 공진 곡선은 상이하다. 따라서, 워킹 코일(150)의 인덕턴스 값과 공진 커패시터(160)의 커패시턴스 값에 따라 쿡탑(10)은 상이한 출력 특성을 갖는다.
도 4에는 Q 팩터에 따른 공진 곡선의 일 예가 도시되어 있다. 일반적으로, Q 팩터가 클수록 곡선의 모양이 샤프(sharp)하고, Q 팩터가 작을수록 곡선의 모양이 브로드(broad)하다.
공진 곡선의 가로축은 주파수(frequency)를 나타내고, 세로축은 출력되는 전력(power)을 나타낼 수 있다. 공진 곡선에서 최대 전력을 출력하는 주파수를 공진 주파수(f0)라고 한다.
일반적으로, 쿡탑(10)은 공진 곡선의 공진 주파수(f0)를 기준으로 오른쪽 영역의 주파수를 이용한다. 그리고, 쿡탑(1)은 동작 가능한 최소 동작 주파수와 최대 동작 주파수가 미리 설정되어 있을 수 있다.
일 예로, 쿡탑(10)은 최대 동작 주파수(fmax)부터 최소 동작 주파수(fmin)의 범위에 해당하는 주파수로 동작할 수 있다. 즉, 쿡탑(10)의 동작 주파수 범위는 최대 동작 주파수(fmax)부터 최소 동작 주파수(fmin)까지일 수 있다.
일 예로, 최대 동작 주파수(fmax)는 IGBT 최대 스위칭 주파수일 수 있다. IGBT 최대 스위칭 주파수란 IGBT 스위칭 소자의 내압 및 용량 등을 고려하여, 구동 가능한 최대 주파수를 의미할 수 있다. 예를 들어, 최대 동작 주파수(fmax)는 75kHz일 수 있다.
최소 동작 주파수(fmin)는 약 20kHz일 수 있다. 이 경우, 쿡탑(10)이 가청 주파수(약 16Hz~ 20kHz)로 동작하지 않으므로, 쿡탑(10)의 소음을 줄일 수 있는 효과가 있다.
한편, 상술한 최대 동작 주파수(fmax) 및 최소 동작 주파수(fmin)의 설정 값은 예시적인 것에 불과하므로, 이에 제한되지 않는다.
이러한 쿡탑(10)은 가열 명령을 수신하면 가열 명령에서 설정된 화력 단계에 따라 동작 주파수를 결정할 수 있다. 구체적으로, 쿡탑(10)은 설정된 화력 단계가 높을수록 동작 주파수를 낮추고, 설정된 화력 단계가 낮을수록 동작 주파수를 높임으로써 출력 파워를 조절할 수 있다. 즉, 쿡탑(10)은 가열 명령을 수신하면 설정된 화력에 따라 동작 주파수 범위 중 어느 하나로 동작하는 가열 모드를 실시할 수 있다.
따라서, 쿡탑(10)은 설정된 화력이 동일하면 동일한 동작 주파수로 동작할 수 있다. 그런데, 쿡탑(10)에 놓인 조리 용기(1)의 재질이 상이한 경우에는 조리 용기(1)의 저항이 달라지기 때문에, 설정된 화력이 동일함에도 불구하고 출력이 상이하여 조리 용기(1)가 가열되는 시간, 속도 등이 달라지는 문제가 있다. 특히, 비자성체인 조리 용기(1)를 가열하는 경우, 조리 용기(1)의 경우 저항이 작아 쿡탑(1)이 고출력을 내지 못하는 한계가 있다.
이에, 본 개시는 서로 다른 재질의 용기, 즉 자성체 용기와 비자성체 용기 각각에 대해 최소 기설정된 기준 출력(예를 들어, 2kW) 이상으로 가열 가능한 쿡탑을 제공하고자 한다. 특히, 본 개시는 별도의 절환 구조를 갖지 않아 제작 비용의 절감 및 부피 감소가 가능하면서, 자성체 및 비자성체를 동일 화구에서 가열 가능한 쿡탑을 제공하고자 한다.
구체적으로, 본 개시는 동작 주파수를 높임으로써 비자성체에 대한 출력을 높이고자 한다.
예를 들어, 쿡탑(10)은 인버터(140)의 동작 주파수를 기존 동작 주파수(약 20~50kHz) 보다 높일 수 있다. 예를 들어, 인버터(140)의 동작 주파수는 기존 동작 주파수의 약 2배 이상일 수 있다. 인버터(140)는 50kHz 이상의 주파수 대역에서 동작할 수 있다.
한편, 이와 같이 고주파수 대역에서 동작할 때 워킹 코일(12)의 턴 수에 따른 자성체 및 비자성체 각각에 대한 출력 실험의 결과는 도 5와 같을 수 있다.
도 5는 본 개시의 실시 예에 따른 워킹 코일의 턴 수에 따른 자성체 및 비자성체 각각에 대한 출력을 측정한 결과 데이터이다.
도 5의 예시는, 워킹 코일(12)이 200×170㎟일 때 사각형 워킹 코일(12)의 턴 수 및 커패시터를 변경하면서 측정한 출력이다.
도 5에서 Clad는 STS430으로, 자성체 용기를 나타내고, STS304는 비자성체 용기를 나타낼 수 있다.
자성체 용기에 대한 출력을 3.4kW, 비자성체 용기에 대한 출력은 2.2kW라고 할 때, 도 5의 데이터를 참고하면, 턴 수가 13T 내지 16T일 때 출력을 안정적으로 확보 가능한 것을 볼 수 있다.
한편, 도 6은 도 5에 따른 실험에서 구동 주파수가 도시된 그래프이다.
도 6의 그래프를 참고하면, 워킹 코일이 14T 내지 16T일 때 구동 주파수가 공진 주파수 부근으로, 이는 제어 상의 오류, 게이트 신호의 온/오프 신호 지연 등으로 인해 스위치의 발열이 심해질 수 있다. 또한, AC 입력전원의 품질 저하 등이 발생하면, 정격 출력 보다 출력이 낮아서, 가열 시간이 늘어날 수 있다.
이에, 도 6에 도시된 바와 같은 권장 제어 영역에서 동작이 바람직할 수 있는데, 턴 수가 낮아질수록 정격 출력을 내는 위치가 구동 주파수가 높아지는 동시에 제어 권장 영역에 가까워짐을 확인할 수 있다.
이에, 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑은 자성체 용기 및 비자성체 용기에 대한 성능을 확보하기 위해 턴을 줄이는 방향으로 워킹 코일(12)을 설계하고자 한다.
즉, 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑(10)은 워킹 코일의 턴 수를 제한하여 동작 안정성을 확보하고자 한다. 그리고, 워킹 코일의 턴 수를 제한함으로써 동작 주파수를 높임에도 불구하고 워킹 코일의 리액턴스를 유지할 수 있다. 즉, 리액턴스를 산출하는 수학식 1을 고려할 때, 동작 주파수를 2배 증가시키는 것으로 가정하면, 인덕턴스는 절반으로 형성되어야 리액턴스가 유지된다. 이는, 수학식 2를 통해서 쉽게 확인될 수 있다.
[수학식 1]
jXL=2πf×L
[수학식 2]
jXL=2π(f×2)×(L/2)
따라서, 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑은 가열 영역에 대응하는 위치에 배치될 수 있는 워킹 코일 중 그 절반에 해당하는 워킹 코일만을 구비할 수 있다. 즉, 가열 영역에 대응하는 위치에 배치될 수 있는 최대 턴 수의 절반에 해당하는 턴 수만큼 워킹 코일에 배치될 수 있다. 실시 예에 따라, 동작 주파수의 실제 증가 비율 및 설계할 수 있는 한도 내에서 약 1턴 또는 2턴이 추가되거나 생략될 수도 있다.
한편, 최대 턴 수를 산출하는 방법은 아래와 같을 수 있다.
먼저, 가열 영역의 면적을 획득할 수 있다.
도 7은 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑의 가열 영역을 나타내는 도면이다.
워킹 코일(12)은 원형 또는 사각형 형상으로 배치될 수 있다. 즉, 워킹 코일(12)은 도 7(a)에 도시된 바와 같이 원을 따라 감기거나, 도 7(b)에 도시된 바와 같이 사각형을 따라 감길 수 있다. 이 때, 중심을 포함하는 소정 영역은 온도 센서가 배치되는 영역일 수 있다. 따라서, 내경(가로 내경과 세로 내경 포함)은 워킹 코일(12)에서 발생한 자기장이 온도 센서에 영향을 주지 않는 최소한의 거리가 요구될 수 있다.
워킹 코일(12)은 내경과 외경 사이에 배치되며, 중심에서 외측방향 또는 외측에서 중심 방향으로 감길 수 있다.
워킹 코일(12)이 배치되는 영역은 가열 영역일 수 있다. 보다 상세하게, 상판 글래스(11)에서 워킹 코일(12)과 수직 방향으로 오버랩되는 영역이 가열 영역일 수 있다. 즉, 상판 글래스(11)에는 조리 용기(1)가 가열되는 가열 영역이 형성되는데, 가열 영역은 워킹 코일(12)과 수직 방향으로 오버랩되는 영역일 수 있다.
따라서, 워킹 코일(12)이 배치되는 영역, 즉 내경(가로 내경 및 세로 내경 포함)과 외경(가로 외경 및 세로 외경 포함)에 의해 가열 영역이 결정될 수 있다.
가열 영역이 획득되면, 리츠 와이어의 사양이 획득될 수 있다.
워킹 코일(12)은 리츠 와이어일 수 있다.
도 8은 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑의 리츠 와이어 단면도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 워킹 코일(12)은 다중 가닥의 구리로 형성된 리츠 와이어일 수 있다. 리츠 와이어의 1가닥 직경은 쿡탑(10)의 동작 주파수의 침투 길이 보다 작게 형성될 수 있다. 이 때, 침투 길이는 아래 수학식 3을 통해 산출될 수 있다.
[수학식 3]
δ=1/()
수학식 3에서 는 동작 주파수이고, 는 구리의 투자율이고, 는 구리의 도전율일 수 있다.
그리고, 리츠 와이어의 전체 가닥 수는 공진 회로 내 역률을 고려한 설계 상의 예상 전류 값에 맞게 결정되며, 예상 전류 값은 목표 출력을 인버터 입력 전압과 공진 회로 역률의 곱을 나눈 값으로 산출될 수 있다. 그리고, 목표 출력은 230V(전압)과 전체 전류의 곱으로 산출될 수 있다. 즉, 목표 출력은 인버터 입력 전압과 인버터 공진 전류와 공진 회로 역률의 곱으로 산출될 수 있다.
정리하면, 수학식 4 및 수학식 5와 같을 수 있다.
[수학식 4]
목표 출력= 230V(전압)×전체 전류
= 인버터 입력 전압(기본파)×인버터 공진전류(기본파)×(공진회로 역률)
[수학식 5]
예상 전류(기본파)= 목표 출력/(인버터 입력전압(기본파)×(공진회로 역률))
단, 공진 회로의 역률은 설계상의 값을 기반으로 할 수 있다.
상술한 방법으로, 가열 영역의 면적과 리츠 와이어의 사양이 획득되면, 획득된 리츠 와이어의 사양에 따를 때 가열 영역의 면적 내에 배치 가능한 워킹 코일의 최대 턴 수를 산출할 수 있다.
즉, 리츠 와이어의 1가닥 직경과 전체 가닥수가 산출되면, 리츠 와이어의 전체 직경, 즉 워킹 코일 한 턴의 직경이 산출될 수 있다. 내경과 외경의 차에 해당하는 길이를 워킹 코일 한 턴의 직경으로 나눈 값이 워킹 코일의 최대 턴 수로 결정될 수 있다.
상술한 방식으로, 워킹 코일의 최대 턴 수가 결정되면, 최대 턴 수의 절반에 해당하는 턴 수만큼 감기도록 워킹 코일이 배치될 수 있다.
정리하면, 워킹 코일의 턴 수는 워킹 코일의 내경과 외경의 차에 해당하는 길이를 워킹 코일 한 턴의 직경으로 나눈 값의 절반일 수 있다. 그리고, 워킹 코일 한 턴의 직경은 워킹 코일을 구성하는 구리 선 한 가득의 직경과 전체 가닥 수에 의해 결정되며, 한 가닥의 직경은 동작 주파수의 침투 길이 보다 작고, 전체 가닥 수는 공진 회로 내 역률에 따른 예상 전류 값에 따라 결정될 수 있다.
이에 따라, 워킹 코일(12)의 면적이 가열 영역의 면적 보다 작을 수 있다. 이 때, 워킹 코일(12)의 면적이란 실제 워킹 코일(12)에 사용된 구리의 면적을 의미할 수 있다. 즉, 워킹 코일(12)의 면적은 워킹 코일(12)이 차지하는 면적이 아닌, 실제 워킹 코일(12)들을 펼쳤을 때이 면적일 수 있다.
따라서, 워킹 코일(12)의 면적이 가열 영역의 면적의 절반일 수 있다.
실시 예에 따라, 쿡탑(10)은 상술한 (최대 턴 수/2)에 해당하는 턴 수로 형성될 뿐만 아니라, (최대 턴 수/2)±(1~2턴)으로 형성될 수도 있다. 추가 또는 감소되는 1~2턴은 주파수의 증가 비율, 설계 한도 내에서 결정될 수 있다. 즉, 워킹 코일(12)의 턴 수는 가열 영역의 면적과 워킹 코일(12)의 사양에 의해 결정될 수 있다.
그리고, 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑(10)은 인버터(140)의 스위칭 소자가 SiC(Silicon Carbide) 소자일 수 있다. 이에 따라, 동작 주파수의 증가에 의해 빠른 스위칭으로 인한 발열 문제를 견딜 수 있다.
본 명세서에서는, 쿡탑(10)의 워킹 코일은 상술한 방법에 따라 선정된 최대 턴 수의 절반에 해당하는 턴 수로 형성되는 것으로 가정한다.
도 9는 본 개시의 실시 예에 따른 워킹 코일의 배치 모습이 도시된 예시 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 워킹 코일(12)은 최대 턴 수의 절반에 해당하는 턴 수로 형성되고, 이 때 워킹 코일은(12)의 각 턴은 인접한 턴과 기설정된 간격만큼 이격되게 배치될 수 있다. 즉, 워킹 코일(12)은 제1 턴 및 제1 턴과 이접한 제2 턴 사이의 거리가 기설정된 간격만큼 이격되게 배치될 수 있다.
기 설정된 간격은 워킹 코일(12)의 두께일 수 있다. 즉, 기 설정된 간격은 워킹 코일 한 턴의 두께일 수 있다. 그러나, 이는 예시적인 것에 불과하므로, 이에 제한되지 않음이 타당하다.
이와 같이 형성 및 배치된 워킹 코일(12)의 효율 증가 및 자속 누설 최소화를 위한 페라이트 코어(13) 또는 알루미늄 실드(미도시)가 설치될 수 있다.
알루미늄 실드(미도시)는 워킹 코일(12)에 의한 전자기장에 의해 PCB가 영향받지 않도록 충분한 두께로 설치될 수 있따.
한편, 워킹 코일(12)이 원형으로 배치된 경우 방사형으로 배치될 수 있다. 그리고, 워킹 코일(12)이 사각형으로 배치된 경우 후술하는 실시 예에 따라 배치될 수 있다.
후술하는 도 10 내지 도 13에서, 사각형의 워킹 코일(12) 중 변의 길이가 긴 부분을 제1 영역(A1), 변의 길이가 짧은 부분을 제2 영역(A2), 제1 영역과 제2 영역(A2)의 사이를 제3 영역(A3)이라고 한다. 그리고, 도 10 내지 도 13 각각에서 위에 도면은 사각형 워킹 코일(12)의 각 영역(A1)(A2)(A3)을 나타내며, 아래 도면은 페라이트 코어의 배치를 나타내며, 진하기는 자속 밀도의 강도를 나타낼 수 있다.
도 10은 본 개시의 제1 실시 예에 따른 사각형 워킹 코일에 대한 페라이트 코어의 배치 구조가 도시된 예시 도면이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 제1 실시 예에 따르면, 제1 내지 제3 영역(A1)(A2)(A3)에는 동일한 크기 및 동일한 두께를 갖는 페라이트 코어가 배치될 수 있다. 예를 들어, 페라이트 코어 각각은 가로 길이 15mm, 세로 길이 60mm, 두께 5T일 수 있으나, 이는 예시적인 것에 불과하므로, 이에 제한되지 않는다.
한편, 제1 영역(A1)에 배치되는 페라이트 코어의 수는 제2 영역(A2)에 배치되는 페라이트 코어의 수 보다 많을 수 있다. 그리고, 제1 영역(A1)에 배치되는 페라이트 코어의 수는 제3 영역(A3)에 배치되는 페라이트 코어의 수 보다 많을 수 있다. 제2 영역(A2)에 배치되는 페라이트 코어의 수와 제3 영역(A3)에 배치되는 페라이트 코어의 수는 동일할 수 있다.
도 11은 본 개시의 제2실시 예에 따른 사각형 워킹 코일에 대한 페라이트 코어의 배치 구조가 도시된 예시 도면이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 제2 실시 예에 따르면, 제2 영역(A2)에 배치되는 페라이트 코어의 크기는 제1 영역(A1)에 배치되는 페라이트 코어의 크기 보다 클 수 있다. 또한, 제2 영역(A2)에 배치되는 페라이트 코어의 크기는 제3 영역(A3)에 배치되는 페라이트 코어의 크기 보다 클 수 있다.
혹은, 제2 영역(A2)에 배치되는 페라이트 코어의 두께가 제1 영역(A1)에 배치되는 페라이트 코어의 두께 보다 두껍고, 제2 영역(A2)에 배치되는 페라이트 코어의 두께가 제3 영역(A3)에 배치되는 페라이트 코어의 두께 보다 두꺼울 수 있다.
즉, 제2 영역(A2)에 배치되는 페라이트 코어의 양(부피)이 제1 영역(A1)에 배치되는 페라이트 코어의 양(부피) 보다 많고(크고), 제2 영역(A2)에 배치되는 페라이트 코어의 양(부피)가 제3 영역(A3)에 배치되는 페라이트 코어의 양(부피) 보다 많을 수 있다.
한편, 제1 영역(A1)에 배치되는 페라이트 코어의 수는 제2 영역(A2)에 배치되는 페라이트 코어의 수 보다 많을 수 있다. 그리고, 제1 영역(A1)에 배치되는 페라이트 코어의 수는 제3 영역(A3)에 배치되는 페라이트 코어의 수 보다 많을 수 있다. 제2 영역(A2)에 배치되는 페라이트 코어의 수와 제3 영역(A3)에 배치되는 페라이트 코어의 수는 동일할 수 있다.
이에 따르면, 제2 영역(A2)이 제1 영역(A1)과 비교하여 단면의 크기가 좁아 자속밀도가 강해져 해당 코어에서 자기 포화가 발생하는 문제를 최소화하는 이점이 있다.
한편, 도 10의 배치, 즉 제1 실시 예에 따른 배치일 때 각 페라이트 코어의 두께를 감소시키면(예를 들어, 5T->3T), 제1 영역(A1)에 배치된 페라이트 코어의 자속 밀도 불균형이 심해질 수 있고, 이에 도 12 또는 도 13의 예시와 같이 배치될 수도 있다.
도 12는 본 개시의 제3 실시 예에 따른 사각형 워킹 코일에 대한 페라이트 코어의 배치 구조가 도시된 예시 도면이다.
즉, 제1 내지 제2 영역(A1)(A2)에는 동일한 크기를 갖는 페라이트 코어가 배치되고, 제3 영역(A3)에는 제1 또는 제2 영역(A1)(A2) 보다 작은 크기를 갖는 페라이트 코어가 배치될 수 있다. 제1 내지 제3 영역(A1)(A2)(A3)에 배치되는 페라이트 코어의 두께는 동일한 것으로 가정한다. 예를 들어, 페라이트 코어 각각은 가로 길이 35mm, 세로 길이 60mm, 두께 3T일 수 있으나, 이는 예시적인 것에 불과하므로, 이에 제한되지 않는다.
한편, 제1 영역(A1)에 배치되는 페라이트 코어의 수는 제2 영역(A2)에 배치되는 페라이트 코어의 수 보다 많을 수 있다. 그리고, 제1 영역(A1)에 배치되는 페라이트 코어의 수는 제3 영역(A3)에 배치되는 페라이트 코어의 수 보다 많을 수 있다. 제2 영역(A2)에 배치되는 페라이트 코어의 수와 제3 영역(A3)에 배치되는 페라이트 코어의 수는 동일할 수 있다.
이는 상대적으로 가로 또는 세로 방향에서 자속 밀도가 강하게 발생하고, 대각선 방향에서 자속 밀도가 약하게 발생하는 점에 고려한, 균형있는 페라이트 코어의 배치 구조일 수 있다.
도 13는 본 개시의 제4 실시 예에 따른 사각형 워킹 코일에 대한 페라이트 코어의 배치 구조가 도시된 예시 도면이다.
즉, 제1 내지 제2 영역(A1)(A2)에는 동일한 크기를 갖는 페라이트 코어가 배치되고, 제3 영역(A3)에는 페라이트 코어가 배치되지 않을 수 있다(경우에 따라, 제2 영역(A2)에 배치된 페라이트 코어가 제3 영역(A3)을 일부 차지하게 배치될 수도 있다).
제1 내지 제2 영역(A1)(A2)에 배치되는 페라이트 코어의 두께는 동일한 것으로 가정한다. 예를 들어, 페라이트 코어 각각은 가로 길이 35mm, 세로 길이 60mm, 두께 3T일 수 있으나, 이는 예시적인 것에 불과하므로, 이에 제한되지 않는다.
한편, 제1 영역(A1)에 배치되는 페라이트 코어의 수는 제2 영역(A2)에 배치되는 페라이트 코어의 수와 동일할 수 있다.
이는 상대적으로 자속이 약한 대각선 부분에서의 페라이트를 제거하여, 세로 측, 즉 제2 영역(A2)에서의 자속을 보완한 배치 구조일 수 있다.
상술한 본 개시에 따르면, 쿡탑(10)은 별도의 절환 구조 없이 단일 코일 및 커패시터만 구비함으로써 자성체 및 비자성체를 모두 가열할 수 있기 때문에, 절환용 스위치 또는 부가 회로가 불필요하여 비용 및 부피를 축소시킬 수 있다. 그리고, 워킹 코일(12)의 턴 수가 줄어드므로, 워킹 코일(12)의 제작비 및 무게가 감소하고, 주파수 대역 변동을 위한 별도 인덕터나 스위치 및 별도 커패시터가 불필요한 이점이 있다.
도 14는 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑에서 자성체 및 비자성체에 대한 출력이 도시된 도면이다.
도 14와 같을 때, 쿡탑(10)은 자성체 용기를 가열할 때는 약 91kHz에서 동작하고, 비자성체 용기를 가열할 때는 약 121kHz에서 동작함으로써, 두 재질의 용기 모두에 대해 목표하고자 하는 최소 출력을 확보할 수 있다.
이상의 설명은 본 개시의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 개시가 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 개시의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다.
따라서, 본 개시에 개시된 실시 예들은 본 개시의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시 예에 의하여 본 개시의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 개시의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 개시의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (9)

  1. 조리 용기가 가열되는 가열 영역이 형성된 상판 글래스;
    상기 조리 용기가 가열되도록 자기장을 발생시키는 워킹 코일; 및
    상기 워킹 코일에 전류가 흐르도록 구동되는 스위치를 갖는 인버터를 포함하고,상기 워킹 코일의 면적이 상기 가열 영역의 면적 보다 작고,
    상기 가열 영역의 면적은 상기 워킹 코일이 배치된 상태에서 워킹 코일의 내경과 외경 사이의 영역의 면적이고,
    상기 워킹 코일의 면적은 배치된 워킹 코일을 펼쳤을 때 워킹 코일이 차지하는 영역의 면적인
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 워킹 코일의 면적이 상기 가열 영역의 면적의 절반인
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 워킹 코일은 제1 턴 및 상기 제1 턴과 인접한 제2 턴 사이의 거리가 기설정된 간격만큼 이격되게 배치되는
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 기설정된 간격은 상기 워킹 코일의 두께인
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 스위치는 SiC 소자인
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 워킹 코일의 턴 수는
    상기 가열 영역의 면적과 상기 워킹 코일의 사양에 의해 결정되는
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 워킹 코일의 턴 수는
    상기 워킹 코일의 내경과 외경의 차에 해당하는 길이를 워킹 코일 한 턴의 직경으로 나눈 값의 절반인
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 워킹 코일 한 턴의 직경은
    상기 워킹 코일을 구성하는 구리 선 한 가닥의 직경과 전체 가닥 수에 의해 결정되며,
    상기 한 가닥의 직경은 동작 주파수의 침투 길이 보다 작고,
    상기 전체 가닥 수는 공진 회로 내 역률에 따른 예상 전류 값에 따라 결정되는
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 인버터는 50kHz 이상의 주파수 대역에서 동작하는
    유도 가열 방식의 쿡탑.
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