KR20070104525A - 가열 시스템 및 가열기 - Google Patents

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KR20070104525A
KR20070104525A KR1020077013481A KR20077013481A KR20070104525A KR 20070104525 A KR20070104525 A KR 20070104525A KR 1020077013481 A KR1020077013481 A KR 1020077013481A KR 20077013481 A KR20077013481 A KR 20077013481A KR 20070104525 A KR20070104525 A KR 20070104525A
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heating system
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KR1020077013481A
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데이비드 더블유. 바만
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액세스 비지니스 그룹 인터내셔날 엘엘씨
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Abstract

본 발명의 유도적으로 전력이 공급된 가열 시스템은 유도 가열기에 전력을 공급하기 위한 유도 전원을 포함한다. 유도 가열기는 저항 가열기와 다중 코일 2차 회로를 포함한다. 유도 가열기 내의 가열기 제어부는 저항 가열기에 공급된 전력을 제어할 수 있어, 저항 가열기의 온도를 제어할 수 있다. 유도 가열기는 저항 가열기, 다중 코일 2차 회로 및 가열기 제어부를 수납할 수 있어, 밀봉된 유도 가열기를 제공한다.
가열 시스템, 적응성 유도 전원, 가열 시스템, 다중 코일 2차 회로, 자체 한정식 병렬 회로 가열 테이프, 절연식 저항 와이어

Description

가열 시스템 및 가열기 {HEATING SYSTEM AND HEATER}
유도 전기 가열기는 의학 및 인쇄와 같은 여러 분야에서 일반적으로 사용된다. 철 또는 강과 같은 금속의 가열 슬러그는 교류 전계(alternating electrical field)에 근접하여 배치된다. 상기 교류 전계는 상기 슬러그 내에 전류를 유도하여 상기 슬러그를 가열한다.
이러한 유형의 전기 가열기는 다양한 용도로 사용되어 왔다. 예컨대, 이러한 장치는 발명의 명칭이 "유체 가열기(Fluid Heater)"이며 니겔 브렌트 프라이스(Nigel Brent Price) 등에 허여된 미국 특허 제6,118,111호에 도시된 것과 같은 유체 가열기에 사용된다. 발명의 명칭이 "유도 가열을 위한 2-레벨 온도 제어(Two-level temperature control for induction heating)"이며 유진 미텔만(Eugene Mittelmann)에게 허여된 미국 특허 제4,032,740호는 작업편을 가열하는 유도 가열 장치를 개시한다.
유도 가열 시스템은 전류를 직접적으로 대상물에 제공하지 않거나 또는 가열 소자로 와이어를 연결시켜 대상물을 가열할 수 있어, 회로의 잔부로부터 가열 슬러그를 어느 정도 절연할 수 있다. 하지만, 이러한 시스템은 몇몇 용도에서 충분히 정밀한 온도 제어를 제공할 수 없어, 사용에 한계를 갖는다.
따라서, 개선된 유도 가열 시스템이 필요하다.
도1은 유도 가열 시스템을 도시한다.
도2는 유도 가열기 내에 사용된 회로에 대한 다른 실시예를 도시한다.
도3은 유도 가열기를 도시한다.
도4는 용기 내에 현수된 복수의 가열기를 도시한다.
도5는 유도 가열 시스템을 사용한 전기 프라이팬을 도시한다.
도6은 유도 가열 시스템을 사용한 납땜 인두를 도시한다.
도1은 유도 가열 시스템을 도시한다. 적응성 유도 전원(10)은 유도 가열기(12)에 전력을 공급한다. 적응성 유도 전원(10)의 작동은 본 출원의 양수인에게 양도된 미국 특허 출원 제10/689,499호 및 제10/689,148호에 충분히 개시되어 있다. 두 출원 모두는 참조로서 본원에 합체되었다.
적응성 유동 전원(10)의 작동을 간단히 요약하면 다음과 같다. 인버터(14)는 탱크 회로(16)에 전력을 공급한다. 탱크 회로(16)는 수 개의 공진 탱크 회로로 도시되었지만, 병렬 회로 탱크 회로도 사용될 수 있다. 탱크 회로(16)는 탱크 캐퍼시터(18), 가변 인덕터(20) 및 탱크 인덕터(22)를 포함한다.
가변 인덕터(20)와 탱크 인덕터(22)는 두 개의 별개 인덕터로 도시되었지만, 당업자라면 단일의 가변 인덕터가 상기 두 개의 인덕터를 대체할 수 있다는 것을 이해할 것이다. 다르게는, 가변 인덕터보다는 단일의 고정 인덕터가 사용될 수 있다. 유사하게, 탱크 캐퍼시터(18)는 가변식 또는 고정식일 수 있다.
전원(24)은 인버터(14)에 에너지를 공급한다. 구동 회로(26)는 인버터(14)의 듀티 사이클(duty cycle) 및 주파수를 제어한다. 제어기(28)는 탱크 캐퍼시터(18) 및 가변 인덕터(20)뿐만 아니라 구동 회로(26)도 제어한다.
회로 센서(30)는 제어기(28)에 대한 탱크 회로(16)의 작동에 관한 정보를 제공한다. 메모리(30)는 전원(10)에 의해 전력이 공급된 임의의 장치에 관한 정보뿐만 아니라 전원(10)의 작동에 대한 정보를 저장한다. 트랜스시버(32)가 제공되어 제어기(28)와 임의의 외부 장치들 사이의 통신을 가능하게 한다. 상기 외부 장치들은 전원(10)에 의해 전력이 공급되는 장치들일 수 있거나, 또는 컴퓨터 또는 네트워크일 수도 있다. 트랜스시버(32)가 통신을 송수신하기 위한 것으로 도시되었지만, 트랜스시버(32)는 트랜스미터 또는 리시버일 수 있다.
유도 가열기(12)는 다중 코일 2차 회로(40)를 포함한다. 다중 코일 2차 회로(40)는 본 출원의 양수인에게 양도되었으며 참조로서 본원에 합체된 미국 특허 출원 제10/689,224호에 더욱 상세하게 도시되어있다. 다중 코일 2차 회로(40)는 유도 가열기(12)가 전원(10)에 대한 2차 회로(40)의 배향에 관계없이 전원(10)에 의해 전력이 공급될 수 있게 하는 유도 2차 회로이다. 다르게는, 2차 회로(40)는 단일 코일을 포함할 수 있다.
유도 가열기 캐퍼시터(42)는 최적의 전력 전달이 발생할 수 있도록 유도 가열기(12)의 임피던스를 밸런싱하는데 사용될 수 있다. 가열기 저항(44)은 충분한 전류가 공급되었을 때 발열한다. 가열기 제어부(46)는 가열기 저항(44)에 공급되는 전류를 조절하여, 가열기 저항(44)에 의해 발생되는 열을 조절한다. 가열기 제 어부(46)는 자동 온도 조절 장치(thermostat) 또는 더욱 복잡한 제어부일 수 있다.
가열기 저항(44)이 자체 한정식(self-limiting) 저항이라면, 가열기 제어부는 선택적일 수 있다. 자체 한정식 가열기는 표면 온도 및 주위 온도와 관련하여 발생된 에너지를 조절한다. 온도가 높아짐에 따라 가열기 내의 저항이 증가하여, 출력되는 와트수를 감소시킨다.
유도 가열기(12)의 부품들이 외피 외부로 연장되지 않도록 유도 가열기(12)는 외피 내에 있을 수 있다. 상기 외피는 밀봉될 수도 있다. 다르게는, 유도 가열기(42)의 모든 부품들은 로드아일랜드주의 워윅(Warwick, Rhode Island)에 소재한 쿨 폴리머스 인크.(Cool Polymers, Inc.)에 의해 제조된 쿨폴리 엘라스토머(CoolPoly Elastomer)와 같은 열전도성 플라스틱과 같은 케이싱 재료로 일체식으로 함께 몰딩될 수 있다. 또한, 쿨폴리 디-시리즈 폴리머스(CoolPoly D-Series polymers)와 같은 몇몇 열전도재도 절연을 제공한다. 적절한 재료로는 액정 고분자(liquid crystalline polymer) 및 폴리페닐렌 설파이드(polyphenylene sulfide)가 있다.
가열기 저항(44)은 다양한 장치들 중 하나일 수 있다. 예컨대, 가열기 저항은 오클라호마주의 툴사(Tulsa, OK)에 소재한 바텍 유.에스. 코포레이션(Bartec U.S. Corporation)에 의해 판매되는 것과 같은 자체 한정식 병렬 회로(self-limiting parallel circuit) 가열 테이프, 텍사스주의 스타포드(Stafford, TX)에 소재한 에이치티에스/엠프텍 컴퍼니(HTS/Amptek Company)에 의해 판매되는 가열 테이프, 텍사스주의 스타포드(Stafford, TX)에 소재한 에이치티에스/엠프텍 컴퍼 니(HTS/Amptek Company)에 의해 판매되는 것과 같은 절연식 저항 와이어, 미네소타주의 미니아폴리스(Minneapolis, MN)에 소재한 민코 프로덕츠 인크.(Minco Products, Inc.)에 의해 판매되는 것과 같은 가요성 포일 가열기, 미네소타주의 미니아폴리스(Minneapolis, MN)에 소재한 민코 프로덕츠 인크.(Minco Products, Inc.)의 와이어 권취식 러버 가열기, 코넥티컷주의 스탐포드(Stamford, CT)에 소재한 오메가 엔지니어링 인크.(Omega Enginnering, Inc.)에 의해 판매되는 오메가룩스 캡톤 절연식 가요성 가열기(Omegalux Kapton Insulated Flexible Heaters) 또는 코넥티컷주의 스탐포드(Stamford, CT)에 소재한 오메가 엔지니어링 인크.(Omega Enginnering, Inc.)에 의해 판매되는 오메가룩스 실리콘 러버 가열기(Omegalux Silicon Rubber Heaters)일 수 있다.
도2는 유도 가열기(12) 내에 사용된 회로를 위한 다른 실시예를 도시한다. 유도 가열기 회로(100)는 가열기 소자(104)에 부착된 가열기 제어부(101)를 포함한다. 유도 가열기(12)는 가열기 소자(104)와 결합된 다중 코일 2차 회로(102)와 탱크 회로(106)를 포함한다. 다중 코일 2차 회로(102)는 전원(108)에 전력을 공급한다. 다르게는, 2차 회로(120)는 단일 코일일 수 있다. 따라서, 전원(108)은 가열기 트랜스시버(110)와 제어기(112)에 에너지를 공급하도록 사용된다. 제어기(112)는 유도 전원(10)의 전체 효율을 최대화하기 위해 가변 캐퍼시터(114)와 가변 인덕터(116)에 대한 설정을 제어한다. 온도 센서(117)는 유도 가열기의 온도에 대한 정보를 제어기(112)에 제공한다. 탱크 회로(106)는 직렬 공진 회로로 도시된다. 본 기술 분야에 공지된 바와 같이, 병렬 공진 회로가 대체되어 사용될 수도 있다.
트랜스시버(110)는 블루투스(Bluetooth), 셀룰러(cellular) 또는 IEEE 801.11과 같은 프로토콜을 사용하는 무선 통신 장치일 수도 있다. 다른 트랜스시버(110)는 능동형 또는 수동형 RFID 장치일 수도 있다. 트랜스시버(110)는 온도 센서(117)로부터의 정보를 전원(108)에 전송하도록 제어기에 의해 사용될 수 있다. 트랜스시버(110)가 통신을 송수신하는 것으로 도시되었지만, 트랜스시버(32)는 트랜스미터 또는 리시버일 수도 있다.
메모리(118)는 상기 가열기의 작동을 제어하도록 제어기(112)에 의해 사용될 수 있다. 또한, 메모리(118)는 상기 가열기의 작동을 제어하도록 제어기(112)에 의해 사용되는 작동 온도의 범위 또는 상기 가열기에 대한 고유한 식별자를 포함할 수도 있다.
도3은 유도 가열기(150)를 도시한다. 유도 가열기(150)는 유도 가열기 제어부(152)와 두 개의 가열 소자(154, 156)를 포함한다. 두 개의 가열 소자는 외피(158)의 단부에 부착된다. 도선(160, 162)이 가열 소자(154, 156)로부터 가열기 제어부(152)로 연장한다.
가열 소자(154, 156)는 상기 도선이 외피(158)의 벽을 통해 연장할 수 있는 경우에는, 외피(158)의 외부에 부착될 수도 있다. 다르게는, 가열 소자(154, 156)는 도선(160, 162)이 외피(158)의 벽을 관통할 수 없는 경우에 외피(158)의 내부에 부착될 수도 있다.
외피(158)는 원통형으로 도시된다. 명백하게, 구형 또는 입방체와 같은 외피(158)에 대한 다른 기하학적 구성도 가능하다. 외피(158)는 가열기 제어부(152) 를 위한 부분 외에 부분적으로 공동을 가질 수 있다. 다르게는, 외피(158)는 중실형(solid)일 수도 있다.
가열 소자들(154, 156)은 외피(158)의 양측에 부착되는 것으로 도시된다. 추가의 가열 소자가 외피(158)의 외부에 배치될 수 있거나, 또는 단지 단일의 가열 소자가 사용될 수도 있다. 예컨대, 단일 가열 소자는 외피(158)의 각 단부에 가열 소자를 갖기보다는 외피(158)의 중심부 주위에 배치될 수 있다.
열 싱크(164)는 외피(158)의 표면 부근에 위치된다. 열 싱크는 외피(158) 외부에서의 정확한 온도 결정을 돕기 위해 구리와 같은 재료로 만들어진다. 열 싱크(164)는 가열기 제어부(152)에 의한 유도 가열기(150)의 외부 온도의 모니터링이 가능하도록 가열기 제어부(152)에 결합된다.
유도 가열기(150)는 추진 시스템(166)을 구비할 수도 있다. 유도 가열기(150)가 유체 내에서 사용될 때, 추진 시스템(166)은 유체 내에서 유도 가열기(150)의 이동을 가능하게 할 수 있을 것이다. 추진 시스템(166)은 전기 모터(168) 및 프로펠러(170)로 도시된다. 명백하게, 추진 시스템(166)은 터빈 또는 팬과 같은 다양한 방법들 중 임의의 하나일 수도 있다. 다르게는, 추진 시스템(166)은 유체를 가열기(150) 주위로 순환하도록 사용될 수도 있다.
도4는 용기(206) 내에 현수된 복수의 가열기(200, 202, 204)를 도시한다. 가열기(200, 202, 204)는 입방체 가열기로 도시된다. 가열기(200, 202, 204)는 원통형, 구형 또는 다른 임의의 적절한 형상일 수도 있다. 가열기(200, 202, 204)용 가열 소자는 가열기(200, 202, 204)의 하나 이상의 표면에 존재할 수 있다.
유도 1차 회로(208)는 용기(206) 주위에 배치된다. 유도 1차 회로(208)는 용기(206)의 기부 또는 용기(206)의 상부에 배치될 수도 있다. 가열기 제어부(210)는 도1의 유도 전원(10)과 동일하거나 유사할 수 있다.
가열기(200, 202, 204) 및 가열기 제어부(210)가 트랜스시버와 함께 제공되면, 가열기 제어부(210)는 용기(206)의 내용물을 소정의 온도로 유지하도록 가열기에 에너지를 공급한다. 온도 센서와 함께 제공되면, 가열기(200, 202, 204)는 제공될 수 있는 용기(206) 내의 온도에 관한 정보를 가열기 제어부(210)에 전송한다. 따라서, 가열기 제어부는 용기(206)의 내용물의 온도도 모니터링할 수 있다.
본원에 개시된 가열기는 다양한 용도로 사용될 수 있다. 도5는 전기 프라이팬(300)을 도시한다. 프라이팬(300)은 가열기 제어부(304)에 부착된 유도 2차 회로(302)를 갖는다. 가열기 제어부(304)는 가열 소자(306)에 결합된다. 유도 2차 회로는 유도 밸러스트(ballast) 주변에 배치될 때, 가열 소자(306)에 에너지를 공급한다. 전기 프라이팬(300)의 손잡이에 위치된 가열기 제어부(304)는 가열 소자(306)에 공급되는 에너지를 조절하여, 전기 프라이팬(300) 내의 온도를 제어한다.
도6은 납땜 인두(320)를 도시한다. 가열 소자(322)는 제어기(324)에 결합된다. 제어기(324)는 납땜 인두(320)의 손잡이에 위치된다. 유도 2차 회로(326)는 납땜 인두(320)의 손잡이 내에 배치된다. 유도 2차 회로(326)가 에너지를 공급받으면, 가열기 제어부(324)는 가열 소자(322)에 전기 에너지를 공급한다.
상술한 설명은 양호한 실시예이다. 다양한 대체 및 변형이 첨부된 청구항에 정의된 본 발명의 사상 및 넓은 태양 내에서 이루어질 수 있으며, 이는 균등론을 포함하는 특허법의 법리에 따라 해석되어야 한다.
배타적 소유권 또는 특권이 청구된 본 발명의 실시예들은 이하와 같이 정의된다.

Claims (42)

  1. 적응성 유도 전원과,
    전력을 상기 적응성 유도 전원으로부터 유도적으로 수용하는 가열기를 포함하는 가열 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 가열기는 상기 적응성 유도 전원으로부터 전력을 수용하도록 다중 코일 2차 회로를 더 포함하는 가열 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 가열기는 가열 소자를 포함하는 가열 시스템.
  4. 제3항에 있어서, 상기 가열 소자는 자체 한정식 병렬 회로 가열 테이프, 절연식 저항 와이어, 가요성 포일 가열기, 와이어 권취식 러버 가열기, 절연식 가요성 가열기 및 실리콘 러버 가열기 중 하나인 가열 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 가열기는 가열기 제어부를 포함하는 가열 시스템.
  6. 제5항에 있어서, 상기 가열기는 상기 적응성 유도 전원으로부터 상기 가열기로의 에너지 전달을 개선하도록 배치된 캐퍼시터를 포함하는 가열 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 적응성 유도 전원은 전원 트랜스시버를 포함하고, 상기 가열기는 상기 적응성 유도 전원으로부터의 통신을 수신하기 위한 가열기 리시버를 포함하는 가열 시스템.
  8. 제1항에 있어서, 상기 적응성 유도 전원은 전원 리시버를 포함하고, 상기 가열기는 상기 적응성 유도 전원으로 통신을 송신하기 위한 가열기 트랜스미터를 포함하는 가열 시스템.
  9. 제1항에 있어서, 상기 적응성 유도 전원은 트랜스시버를 포함하고, 상기 가열기는 상기 적응성 유도 전원과 통신하기 위한 트랜스시버를 포함하는 가열 시스템.
  10. 제9항에 있어서, 상기 가열기는 제어기를 더 포함하는 가열 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 가열기는 온도 센서를 더 포함하는 가열 시스템.
  12. 제11항에 있어서, 상기 가열기는 메모리를 더 포함하는 가열 시스템.
  13. 제3항에 있어서, 상기 가열기는 밀봉된 가열 시스템.
  14. 제3항에 있어서, 상기 가열기는 플라스틱 외피 내에 수납되는 가열 시스템.
  15. 전력을 수용하기 위한 2차 회로와,
    전기 저항 가열기를 포함하는 유도 전력 공급식 가열기.
  16. 제15항에 있어서, 외부면을 갖는 외피를 더 포함하고,
    상기 2차 회로는 상기 외피 내에 위치되고,
    상기 전기 저항 가열기는 외부면에 인접하여 위치된 유도 전력 공급식 가열기.
  17. 제16항에 있어서, 상기 전기 저항 가열기는 상기 외피의 외부에 위치되는 유도 전력 공급식 가열기.
  18. 제16항에 있어서, 상기 전기 저항 가열기는 상기 외피 내측에 위치되는 유도 전력 공급식 가열기.
  19. 제16항에 있어서, 추진 시스템을 더 포함하는 유도 전력 공급식 가열기.
  20. 제19항에 있어서, 상기 추진 시스템은 전기 모터를 포함하는 유도 전력 공급식 가열기.
  21. 제20항에 있어서, 상기 전기 저항 가열기는 자체 한정식 병렬 회로 가열 테이프, 절연식 저항 와이어, 가요성 포일 가열기, 와이어 권취식 러버 가열기, 절연식 가요성 가열기 및 실리콘 러버 가열기 중 하나인 유도 전력 공급식 가열기.
  22. 전력을 수용하기 위한 유도 2차 회로와,
    전기 저항 가열기와,
    외피를 포함하고,
    상기 외피는 완전히 밀봉되어 관통되지 않도록 상기 유도 2차 회로와 전기 저항 가열기를 수용하는 유도 전력 공급식 가열기.
  23. 제22항에 있어서, 상기 유도 전력 공급식 가열기의 에너지 공급을 제어하기 위해 상기 외피 내에 수용된 가열기 제어기를 더 포함하는 유도 전력 공급식 가열기.
  24. 제23항에 있어서, 조절 가능한 임피던스를 더 포함하고, 상기 조절 가능한 임피던스는 1차 회로로부터 상기 유도 2차 회로로 전달된 전력을 변경하기 위해 조절 가능한 유도 전력 공급식 가열기.
  25. 제24항에 있어서, 상기 조절 가능한 임피던스를 제어하기 위한 제어기를 더 포함하는 유도 전력 공급식 가열기.
  26. 제25항에 있어서, 상기 가열기 제어부는 온도 센서를 포함하는 유도 전력 공급식 가열기.
  27. 제26항에 있어서, 상기 제어기는 상기 온도 센서에 반응하여 상기 조절 가능한 임피던스를 변경하는 유도 전력 공급식 가열기.
  28. 제25항에 있어서, 리시버를 더 포함하며, 상기 리시버는 상기 제어기에 결합되고, 상기 제어기는 상기 리시버로부터 수신된 지시에 반응하여 작동하여 전류를 제어하도록 상기 조절 가능한 임피던스를 변경하는 유도 전력 공급식 가열기.
  29. 제27항에 있어서, 상기 온도 센서로부터의 정보를 전달하기 위한 트랜스미터를 더 포함하는 유도 전력 공급식 가열기.
  30. 제29항에 있어서, 상기 유도 전력 공급식 가열기를 이동하기 위한 추진 시스템을 더 포함하는 유도 전력 공급식 가열기.
  31. 제30항에 있어서, 상기 추진 시스템은 전기 모터를 포함하는 유도 전력 공급식 가열기.
  32. 재료에 대한 가열 시스템이며,
    유도 1차 회로와,
    상기 유도 1차 회로로부터의 전력을 수용하는 복수의 유도 가열기를 포함하는 가열 시스템.
  33. 제32항에 있어서, 상기 복수의 유도 가열기에 공급된 전류를 제어하기 위한 가열기 제어부를 더 포함하는 가열 시스템.
  34. 제33항에 있어서, 상기 가열기 제어부는 상기 복수의 유도 가열기로부터 정보를 수신하기 위한 리시버를 포함하는 가열 시스템.
  35. 제34항에 있어서, 상기 복수의 유도 가열기 중 적어도 하나는 상기 가열기 제어부로 정보를 전달하기 위한 트랜스미터를 포함하는 가열 시스템.
  36. 전력을 수용하는 유도 2차 회로와,
    상기 유도 2차 회로에 결합되고 상기 유도 2차 회로 주위에 위치되는 전기 가열기와,
    외피를 포함하고,
    상기 외피는 완전히 밀봉되어 관통되지 않도록 상기 2차 회로와 전기 저항 가열기를 수용하는 유도 전력 공급식 전기 가열기.
  37. 제36항에 있어서, 상기 외피는 엘라스토머 재료인 유도 전력 공급식 전기 가열기.
  38. 제37항에 있어서, 상기 엘라스토머 재료는 열전도성 폴리머인 유도 전력 공급식 전기 가열기.
  39. 제38항에 있어서, 상기 열전도성 폴리머는 액정 고분자 및 폴리페닐렌 설파이드 중 하나인 유도 전력 공급식 전기 가열기.
  40. 장치를 가열하는 방법이며,
    가열 소자를 상기 장치와 물리적으로 결합하는 단계와,
    상기 가열 소자를 하나 이상의 2차 회로 코일과 전기적으로 결합하는 단계와,
    유도 전원으로부터 상기 2차 회로 코일로 전기 신호를 제공하는 단계를 포함하는 장치 가열 방법.
  41. 제40항에 있어서, 상기 가열 소자에 가열기 제어부를 결합하는 단계를 더 포함하는 장치 가열 방법.
  42. 제41항에 있어서, 상기 가열 소자에 온도 센서를 결합하는 단계를 더 포함하는 장치 가열 방법.
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