KR20150011827A - 가열 엘리먼트를 유도성으로 가열하기 위한 디바이스 - Google Patents

가열 엘리먼트를 유도성으로 가열하기 위한 디바이스 Download PDF

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Abstract

특히 유도 코일(2)의 자기장(1)에 의해 가열 엘리먼트(4)를 유도성으로 가열하는 디바이스는, 공진 회로(3)에 접속된 유도 코일(2)을 가지며, 여기서, 상기 공진 회로(3)는 적어도 하나의 제 1 커패시터(6) 및 적어도 하나의 제 1 전류 소스(9)를 갖고, 상기 유도 코일(2)은 고유 인덕턴스(8) 및 저항(7)을 가지며, 상기 가열 엘리먼트(4)의 재료는, 적어도 온도 부분범위에서 일정한 투자율을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

가열 엘리먼트를 유도성으로 가열하기 위한 디바이스{DEVICE FOR INDUCTIVELY HEATING A HEATING ELEMENT}
본 발명은, 공진 회로에 접속된 유도 코일을 갖는 가열 엘리먼트를, 특히 유도 코일에 의해 생성되는 자기장에 의해 유도성으로 가열하기 위한 디바이스, 및 가열 엘리먼트의 온도를 결정하기 위한 방법에 관한 것이다.
전기적으로 도전성인 재료들은 유도에 의해 가열될 수 있다. 이것은, 유도 코일에 의해 생성되는 자기장에 전기적으로 도전성인 재료를 배치함으로써 발생한다. 이로써, 자기장은 교류 전류에 의해 생성되며, 이는 교류 전류의 주파수에서 자기장의 극성 반전을 초래한다.
교류 자기장에 의해 와전류(eddy current)들이 전기적으로 도전성인 재료에 유도된다. 이들 유도된 교류 전류들은 재료의 고유(specific) 저항에 대하여 작동(work)하며, 이것의 결과로서 열이 생성된다.
이러한 경우에서, 유도는, 어떠한 가열도 겪지 않는 비도전성인 재료들을 통해 발생할 수 있다. 전기적으로 도전성인 재료로부터의 열의 방사만이 주변 비도전성인 재료들의 가열을 유도할 수 있다.
현재, 유도에 의한 가열은 많은 애플리케이션들에서 발견될 수 있다. 가장 빈번한 산업 용도들은, 예를 들어, 금속들의 템퍼링(tempering), 어닐링(annealing), 용융(melting), 또는 용접(welding) 들이다. 그러나, 유도 가열은, 가전 기기들, 예를 들어 유도 쿡탑(cooktop)들에서도 발견될 수 있다.
또한, 유도 가열은, 가열 엘리먼트 주변을 흐르는 유체들을 가열하기 위해 또한 사용된다. 유도 가열은, 전기 에너지가 비교적 높은 효율로 열로 변환될 수 있기 때문에 전기 자동차들에서의 워터 순환 시스템들에서 사용하기에 특히 적절하다. 이것은, 전기 자동차들에서 내부 연소 엔진으로부터 어떠한 폐열(waste heat)도 발생하지 않으며, 따라서, 예를 들어 객실부(passenger compartment)를 가열하기 위해 이용될 수 없기 때문에 특히 유리하다.
유도 가열 시스템의 방출되는 열 출력을 선택적으로 조정할 수 있고, 유도 가열 시스템이 과열되지 않는다는 것을 보장할 수 있기 위해, 유도성으로 가열되는 가열 엘리먼트의 온도를 정확히 결정할 수 있을 필요가 있다. 다양한 방법들이 종래 기술로부터 알려져 있다.
예를 들어, 오브젝트의 온도는 온도 센서들에 의해 획득될 수 있다. 이들은, 오브젝트 상에 직접 배치되거나 열교(thermal bridge)와 함께 오브젝트에 부착될 수 있다. 이들 온도 센서들은, 예를 들어, 센서의 저항에서의 온도-종속적 변화 원리에 의해 작동한다. 그러나, 이를 위해, 센서 또는 열교는, 비용들을 발생시키고 부가적인 설비 공간을 차지하는 부가적인 부분으로서 사용될 것이다.
부가적으로, 광학 방법들에 의해 접촉없이 온도를 결정하는 광학 온도 측정 디바이스들이 또한 알려져 있다. 광학 방법들을 사용할 수 있기 위해, 측정될 영역은, 가시적이며 또한, 가장 양호한 경우에서, 액세스가능해야 한다. 그러나, 이것은 어디에서나 가능하지는 않다.
또한, 유도에 의해 가열되는 가열 엘리먼트의 온도의 결정은, 재료의 온도-종속적인 투자율(permeability) 속성들을 이용하는 방법들에 의해 또한 발생한다. 이것은, 예를 들어 DE 42 38 862 C2에 기재된다.
상기 방법의 특정한 단점은, 특정한 애플리케이션에서 관심있는 온도 범위에 대하여 일정한 투자율을 갖는 재료에 대해 사용될 수 없다는 것이며, 이것의 결과로서, 재료 선택이 제한되거나, 그 방법이 특별한 재료/온도 범위 결합들만으로 사용될 수 있다.
당업계에서의 이전의 모든 방법들의 경우에서, 부가적인 컴포넌트들이 온도 측정을 수행하기 위해 요구되거나, 측정될 장소(site)가 충분한 액세스를 제공한다.
따라서, 본 발명의 목적은, 가열 엘리먼트를 유도성으로 가열하기 위한 디바이스, 및 유도 가열 시스템의 가열 엘리먼트의 온도를 결정하기 위한 방법을 제공하는 것이며, 이는, 가열 엘리먼트의 온도가, 부가적인 컴포넌트들 없이 그리고 가열 엘리먼트에 엑세스할 필요없이 간단하고 비용-효율적인 방식으로 결정되도록 허용한다.
본 발명의 목적은, 디바이스에 관해 청구항 제 1 항에 기재된 특성들을 이용하며, 방법에 관해 청구항 제 7 항에 기재된 특성들을 이용하는 열 경로 제어에 의해 달성된다. 본 발명의 유리한 개선(refinement)들은 종속항들에 정의된다.
유리하게, 특히 유도 코일에 의해 생성된 자기장에 의해 가열 엘리먼트를 유도성으로 가열하기 위한 디바이스는, 공진 회로에 접속된 유도 코일을 가지며, 그에 의해, 공진 회로는 적어도 하나의 제 1 커패시터 및 적어도 하나의 제 1 전류 소스를 갖고, 코일은 고유 인덕턴스 및 저항을 가지며, 가열 엘리먼트의 재료는 적어도 온도 부분범위(subrange)들에서 일정한 투자율을 갖는다.
또한, 본 발명은, 공진 회로가 교류 전류로 동작될 수 있다면 유리하다. 이러한 방식에서, 자기장이 형성되며, 자기장은 교류 전류의 주파수로 재분극하고, 자기장에 의해 교류 전류들이 가열 엘리먼트에 유도된다.
또한, 본 발명은, 커패시터가 전류 소스 및 유도 코일과 직렬로 접속된다면 적절하다.
추가적으로, 본 발명은, 가열 엘리먼트의 재료가 온도-종속적인 전기 도전성을 갖는다면 유리하다. 재료의 저항은, 저항과 도전성이 반비례하므로 전기 도전성을 통해 계산될 수 있다. 본 발명의 방법에 대해, 가열 엘리먼트는 온도-종속적인 저항을 갖는 것이 필요하다.
추가적인 바람직한 실시예에서, 공진 회로는, 공진 회로의 공진 주파수를 결정하기 위한 적어도 하나의 제 1 측정 디바이스를 가지고 그리고/또는 공진 회로의 전력 소비를 결정하기 위한 제 2 측정 디바이스를 갖는다.
또한, 본 발명은, 디바이스가 가열 엘리먼트의 온도-종속적인 저항을 측정하기 위한 적어도 하나의 제 3 측정 디바이스를 가지며, 그에 의해 가열 엘리먼트의 온도가 저항으로부터 결정될 수 있다면 유리하다.
마지막으로, 가열 엘리먼트의 온도는 가열 엘리먼트의 저항으로부터 도출될 수 있다.
또한, 본 발명은, 가열 엘리먼트의 온도-종속적인 저항이 결정, 상세하게는 계산되고, 그에 의해 가열 엘리먼트의 온도가 저항으로부터 결정될 수 있다면 적절하다.
방법에 관하여, 본 발명은, 가열 엘리먼트의 온도를 결정하기 위해 유도 코일의 인덕턴스가 공진 회로의 공진 주파수를 통해 획득되고, 그리고/또는 유도 코일의 저항이 공진 회로의 전력 소비를 통해 결정된다면 유리하다.
또한, 본 발명은, 가열 엘리먼트의 온도가 유도 코일의 인덕턴스 및/또는 저항으로부터 결정된다면 방법에 대하여 적절하다.
본 발명은, 도면을 참조하는 예시적인 실시예를 사용함으로써 상세히 후술될 것이다.
도 1은 유도 가열 시스템의 개략적인 구조를 도시한다.
도 2는, 자기장을 생성하는 유도 코일에 접속된 전류 회로의 상세한 도면을 도시한다.
도 3은, 예시적인 실시예의 개별적인 프로세스 단계들을 설명하는 흐름도를 도시한다.
도 1은 유도 가열 시스템의 기본적인 구조를 도시한다. 공진 회로(3)에 접속되며 교류 전압을 이용하여 동작되는 유도 코일(2)이 도시된다. 자기장(1)은, 공진 회로(3)에서의 교류 전압에 의해 유도 코일(2)에 생성된다. 교류 전류가 공진 회로(3)에 인가되었기 때문에, 자기장(1)은, 교류 전류의 주파수로 자신의 자기 배향을 변경시키는 교류 자기장이다.
전기적으로 도전성인 재료를 포함하는 가열 엘리먼트(4)가 자기장(1)에 도입된다. 와전류들(5)이 자기장(1)으로 인해 가열 엘리먼트(4)에 유도된다. 와전류들(5)이 가열 엘리먼트(4)의 고유 저항에 대하여 작동하기 때문에, 열은 가열 엘리먼트(4)에서 생성된다.
결과적으로, 가열 엘리먼트(4)를 포함하는 재료는, 가열 엘리먼트(4)의 효율적인 가열을 가능하게 하기 위해 특정한 고유 내부 저항을 가져야 한다. 재료의 내부 저항이 낮아질수록 가열 효과는 낮아진다.
본 발명의 일 실시예에서, 재료(4)는, 유도 가열에 적절한 온도 범위 내의 일정한 투자율을 가지며, 그에 의해, 온도의 함수로서 변하는 투자율에 기초하는 온도 측정 방법들을 사용하는 것이 가능해진다.
가열 엘리먼트(4)는, 유도 코일(2)에 대해, 가열 엘리먼트(4)가 형성 자기장 내에 여전히 로케이팅되는 그러한 거리에 배열되어야 한다. 전기적으로 비도전성인 재료들로 제조된 다른 엘리먼트들은, 가열 엘리먼트(4)와 유도 코일(2) 사이에 배열될 수 있다.
유도 가열 시스템들은, 이러한 간단한 원리에 따라 구성된다. 대안적인 실시예들에서의 가열 엘리먼트(4)는, 상이한 외부 디멘션(dimension)들 및 형상들을 또한 가질 수 있다. 따라서, 이론적으로는, 가열 엘리먼트(4)의 재료의 임의의 규칙적이거나 또한 불규칙적인 배열이 고려가능하다.
도 2는 공진 회로(3)의 상세 뷰(view)를 도시한다. 커패시터(6)는, 공진 회로(3) 내에, 전압 소스(9)와 유도 코일(2) 옆에 통합된다. 커패시터(6)는, 유도 코일(2) 및 전압 소스(9)와 직렬로 접속된다.
유도 코일(2)은, 내부 저항(7) 및 인덕턴스(8)를 갖는다. 이들 2개의 변수들은, 공진 회로(3)의 전력 소비의 측정 또는 공진 회로(3)의 공진 주파수의 측정을 통해 도 2에 도시된 공진 회로(3)에서 결정될 수 있다.
이러한 경우에서, 특히, 인덕턴스(8)는, 공진 회로(3)의 공진 주파수 및 공진 회로(3)의 전력 소비로부터 내부 저항(7)의 측정을 통해 결정될 수 있다.
가열 엘리먼트(4)의 내부 저항은 도 2에 도시되지 않는다. 본 발명의 일 실시예에서, 이것은 가열 엘리먼트(4)의 온도에 의존한다. 재료의 저항은, 재료의 도전성과 직접적으로 반비례로 관계(link)된다. 그에 의해, 저항은 전기 도전성의 역수 값에 대응한다.
가열 엘리먼트(4)에서 와전류들(5)의 강도 및 분포가 가열 엘리먼트(4)의 내부 저항 및 도전성에 크게 의존하기 때문에, 변화하는 온도 때문에 저항에서의 변화가 와전류들(5)에 영향을 미친다는 것이 논리적 결과로서 후속한다. 따라서, 유사하게, 와전류들(5)의 강도 및 분포는 온도-종속적이다.
그들의 일부에 대한 유도된 와전류들(5)은, 유도 코일(2)의 자기장(1)에 영향을 주며, 이로써, 유도 코일(2)의 전기 속성들을 변경시킨다.
전기 속성들에서의 이들 변화들은, 유도 코일(2)의 내부 저항(7) 및 인덕턴스(8)에 관련된다. 그에 의해, 이들 2개의 변수들에서의 변화로부터, 가열 엘리먼트(4)의 전기 저항에서의 변화 및 그에 의한 가열 엘리먼트의 온도에 결론이 도달될 수 있다.
직접적인 관계가 변수들, 즉, 유도 코일(2)의 인덕턴스(8), 내부 저항(7)과 가열 엘리먼트(4)의 온도-종속적인 저항 또는 도전성 사이에 설정될 수 있다. 결과로서, 유도 코일(2)의 인덕턴스(8) 및/또는 내부 저항(7)의 결정으로부터 가열 엘리먼트(4)의 온도 상에서 직접적인 정보가 획득될 수 있다.
가열 엘리먼트(4)의 저항 또는 도전성의 충분히 높은 온도 종속성에서, 2개의 변수들, 즉, 유도 코일(2)의 인덕턴스(8) 또는 저항(7) 중 하나만으로부터 가열 엘리먼트(4)의 온도를 결정하는 것이 가능하다.
도 3은, 가열 엘리먼트(4)의 온도를 결정하기 위한 방법을 명확하게 하기 위한 흐름도(10)를 도시하며, 그에 의해, 블록(11)에서, 공진 회로(3)의 공진 주파수가 측정된다. 이것은, 예를 들어, 주파수 카운터(counter)에 의해 달성될 수 있다. 그 후, 블록(12)에서, 공진 회로(3)의 전력 소비가 측정된다.
이제, 유도 코일(2)의 인덕턴스(8)는, 공진 주파수에 대해 블록(11)에서 결정된 값을 이용하여 결정될 수 있다. 이것은 블록(13)에서 발생한다.
블록(14)에서, 유도 코일(2)의 저항(7)이 블록(12)에서 측정된 공진 회로(3)의 전력 소비로부터 결정된다.
이제, 블록(15)에서, 가열 엘리먼트의 온도가 유도 코일(2)의 인덕턴스(8) 및/또는 저항(7)으로부터 결정된다.
이러한 절차는, 가열 엘리먼트(4)의 온도-종속적인 저항에서의 변화 때문에 가열 엘리먼트(4)에서의 와전류들(5)의 형성이 변한다는 사실에 기초한다. 그들의 일부에 대한 와전류들(5)은 자기장(1)에 영향을 미치며, 이는, 차례로, 유도 코일(2)의 전기 속성들에 적접적으로 영향을 준다.

Claims (9)

  1. 특히 유도 코일(2)에 의해 생성되는 자기장(1)에 의해 가열 엘리먼트(4)를 유도성으로 가열하는 디바이스로서,
    공진 회로(3)에 접속된 유도 코일(2)을 가지며,
    상기 공진 회로(3)는, 적어도 하나의 제 1 커패시터(6) 및 적어도 하나의 제 1 전류 소스(9)를 갖고,
    상기 유도 코일(2)은, 고유(specific) 인덕턴스(8) 및 저항(7)을 가지며,
    상기 가열 엘리먼트(4)의 재료는, 적어도 온도 부분범위(subrange)에서 실질적으로 일정한 투자율(permeability)을 갖는 것을 특징으로 하는, 가열 엘리먼트를 유도성으로 가열하는 디바이스.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공진 회로(3)는 교류 전류로 동작될 수 있는 것을 특징으로 하는, 가열 엘리먼트를 유도성으로 가열하는 디바이스.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 커패시터(6)는, 상기 전류 소스(9) 및 상기 유도 코일(2)과 직렬로 접속되는 것을 특징으로 하는, 가열 엘리먼트를 유도성으로 가열하는 디바이스.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열 엘리먼트(4)의 상기 재료는 온도-종속적인 전기 도전성을 갖는 것을 특징으로 하는, 가열 엘리먼트를 유도성으로 가열하는 디바이스.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공진 회로(3)는, 상기 공진 회로(3)의 공진 주파수를 결정하기 위한 적어도 하나의 제 1 측정 디바이스를 갖고, 그리고/또는 상기 공진 회로(3)의 전력 소비를 결정하기 위한 제 2 측정 디바이스를 갖는 것을 특징으로 하는, 가열 엘리먼트를 유도성으로 가열하는 디바이스.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 디바이스가 상기 가열 엘리먼트(4)의 온도-종속적인 저항을 측정하기 위한 적어도 하나의 제 3 측정 디바이스를 가짐으로써, 상기 가열 엘리먼트의 온도가 상기 저항으로부터 결정될 수 있는 것을 특징으로 하는, 가열 엘리먼트를 유도성으로 가열하는 디바이스.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가열 엘리먼트(4)의 온도-종속적인 저항이 결정되고, 상세하게는 계산되어, 상기 가열 엘리먼트의 온도가 상기 저항으로부터 결정될 수 있는 것을 특징으로 하는, 가열 엘리먼트를 유도성으로 가열하는 디바이스.
  8. 특히 청구항 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 디바이스에서 가열 엘리먼트(4)의 온도를 결정하기 위한 방법으로서,
    유도 코일(2)의 인덕턴스(7)는 공진 회로(3)의 공진 주파수를 통해 결정되고, 그리고/또는 상기 유도 코일(2)의 저항(8)은 상기 공진 회로(3)의 전력 소비를 통해 결정되는 것을 특징으로 하는, 가열 엘리먼트의 온도를 결정하기 위한 수단.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 가열 엘리먼트의 상기 온도는 상기 유도 코일의 상기 인덕턴스 및/또는 상기 저항으로부터 결정되는 것을 특징으로 하는, 가열 엘리먼트의 온도를 결정하기 위한 수단.
KR1020147034727A 2012-05-10 2013-05-08 가열 엘리먼트를 유도성으로 가열하기 위한 디바이스 KR20150011827A (ko)

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