KR20230012921A - 쉴드 장치 및 이를 포함하는 유도 가열 방식의 쿡탑 시스템 - Google Patents

쉴드 장치 및 이를 포함하는 유도 가열 방식의 쿡탑 시스템 Download PDF

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KR20230012921A
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이성훈
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김성규
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Abstract

본 개시는 쉴드 장치 및 이를 포함하는 유도 가열 방식의 쿡탑 시스템에 관한 것으로, 쉴드 장치는 쿡탑의 외부로 노출되는 전자파를 저감하기 위한 것으로, 쿡탑의 상부에 놓이는 케이스 및 케이스 내부에 배치되는 쉴드 코일을 포함할 수 있다.

Description

쉴드 장치 및 이를 포함하는 유도 가열 방식의 쿡탑 시스템{SHIELD DEVICE AND INDUCTION HEATING TYPE COOKTOP SYSTEM INCLUDING THE SAME}
본 개시는 전자파 저감을 위한 쉴드 장치와 이를 포함하는 유도 가열 방식의 쿡탑 시스템에 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 코일에서 발생한 자계 중 일부가 조리 용기에 도달하지 못하고 외부로 노출되는 문제가 발생할 수 있다. 특히, 조리 용기의 크기가 작거나, 가열 세기가 강할 경우 전자파 노출 문제는 더 커질 수 있다.
본 개시는 전자파 노출을 저감시키기 위한 쉴드 장치를 제공하고자 한다.
본 개시는 전자파 노출을 저감시키기 위한 쉴드 장치와 쿡탑을 포함하는 유도 가열 방식의 쿡탑 시스템을 제공하고자 한다.
본 개시는 워킹 코일에서 발생한 전자파가 외부로 노출되는 문제를 최소화하고자 한다.
본 개시는 유도 가열 방식의 쿡탑에서 발생하는 전자파를 저감시키기 위한 쉴드 장치를 패드 형태인 악세서리로 제공하고자 한다.
본 개시는 유도 가열 방식의 쿡탑에서 발생하는 전자파를 저감시키면서 에너지 축적을 통해 부수적인 기능을 제공하는 쉴드 장치 및 유도 가열 방식의 쿡탑 시스템을 제공하고자 한다.
본 개시의 실시 예에 따른 쉴드 장치는 워킹 코일을 구비하는 유도 가열 방식의 쿡탑에 사용되는 것으로, 쿡탑의 상부에 놓이는 케이스 및 케이스 내부에 배치되는 쉴드 코일을 포함할 수 있다.
쉴드 코일의 내경은 워킹 코일의 외경 보다 클 수 있다.
쉴드 코일의 내경은 쿡탑의 가열 영역의 직경 보다 클 수 있다.
케이스는 실리콘으로 형성될 수 있다.
케이스에는 쉴드 장치의 위치를 안내하는 가이드가 형성될 수 있다.
쉴드 장치는 쉴드 코일과 연결되는 쉴드 커패시터를 갖는 에너지 축적 회로를 더 포함할 수 있다.
쉴드 장치는 에너지 축적 회로에 저장된 전력을 이용하여 쿡탑의 조리 시간을 카운트하는 타이머를 더 포함할 수 있다.
쉴드 장치는 에너지 축적 회로에 저장된 전력을 이용하여 쿡탑에 의해 가열되는 조리 용기의 온도를 감지하는 온도 센서를 더 포함할 수 있다.
온도 센서는 쉴드 코일의 내측에 배치될 수 있다.
쉴드 장치는 에너지 축적 회로에 저장된 전력을 이용하여 쿡탑과 관련된 정보를 출력하는 출력부를 더 포함할 수 있다.
케이스에서 에너지 축적 회로가 배치되는 영역의 제1 두께는 쉴드 코일이 배치되는 영역의 제2 두께 보다 두꺼울 수 있다.
본 개시의 실시 예에 따른 워킹 코일 및 워킹 코일에서 발생한 자기장이 통과하는 가열 영역이 형성된 상판 글래스를 포함하는 쿡탑 및
쿡탑에 놓이는 쉴드 장치를 포함하는 유도 가열 방식의 쿡탑 시스템에서 쉴드 장치는 쿡탑의 상부에 놓이는 케이스 및 케이스 내부에 배치되는 쉴드 코일을 포함할 수 있다.
본 개시의 실시 예에 따르면, 쉴드 장치를 통해 외부로 노출되는 전자파가 최소화되므로, 쿡탑으로 인핸 인체 유해 가능성을 최소화할 수 있는 이점이 있다.
본 개시의 실시 예에 따르면, 쿡탑의 상판 글래스에 올려 놓는 것만으로 전자파 노출 문제의 저감이 가능하므로, 간편하게 사용 가능한 쉴드 장치를 제공하는 이점이 있다.
본 개시의 실시 예에 따르면, 패드 형태의 쉴드 장치가 악세서리로 제공되므로, 기존 쿡탑에서 사용 가능하며, 고정되지 않으므로 사용자가 선택적으로 임의의 쿡탑에 사용 가능하므로 범용성이 높아지는 이점이 있다.
본 개시의 실시 예에 따르면, 쉴드 장치가 에너지를 축적하여 부가 기능의 제공이 가능하므로, 활용도가 높아지는 이점이 있다.
본 개시의 실시 예에 따르면, 가이드를 통해 쉴드 장치의 효율을 최대화하기 위한 위치가 안내되므로, 노출되는 전자파를 최대로 줄일 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑과 조리 용기가 도시된 사시도이다.6
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 유도 가열 방식의 쿡탑 시스템이 도시된 도면이다.
도 6은 본 개시의 실시 예에 따른 워킹 코일과 쉴드 코일을 흐르는 전류 각각을 도시한 그래프이다.
도 7은 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑 및 쉴드 장치의 단면도이다.
도 8은 도 7에서 워킹 코일과 쉴드 코일만을 따로 도시한 평면도이다.
도 9는 본 개시의 실시 예에 따른 에너지 축적 회로를 더 포함하는 쉴드 장치가 도시된 단면도이다.
도 10은 본 개시의 실시 예에 따른 쉴드 커패시터의 전압 및 워킹 코일과 쉴드 코일을 흐르는 전류 각각을 도시한 그래프이다.
도 11은 본 개시의 실시 예에 따른 에너지 축적 회로가 상세히 도시된 도면이다.
도 12는 본 개시의 실시 예에 따른 쉴드 장치의 구성이 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(12), 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(12)에 고주파의 전류가 흐르도록 워킹 코일(12)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(12)에 고주파의 전류가 흐르게 하고, 이에 따라 워킹 코일(12)에 고주파 자계가 형성된다.
워킹 코일(12)은 스위칭 소자의 구동 여부에 따라 전류가 흐르거나 전류가 흐르지 않을 수 있다. 워킹 코일(12)에 전류가 흐르면 자기장이 발생한다. 워킹 코일(12)은 전류가 흐름에 따라 자기장을 발생시켜 조리기기를 가열시킬 수 있다.
워킹 코일(12)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(12)로 고주파의 전압을 인가한다. 그리고, 구동부(미도시)로터 인가되는 스위칭 소자의 온/오프 시간은 점차 보상되는 형태로 제어되기 때문에 워킹 코일(12)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(12)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(12)의 인덕턴스 값과 공진 커패시터(160)의 커패시턴스 값에 의해 Q 팩터가 결정된다. Q 팩터에 따라 공진 곡선은 상이하다. 따라서, 워킹 코일(12)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.
한편, 워킹 코일(12)에서 발생한 자기장 중 일부가 외부로 노출될 수 있다. 특히, 조리 용기(1)의 크기가 워킹 코일(12) 보다 작거나, 조리 용기(1)와 워킹 코일(12)의 얼라인이 맞지 않을 경우 더 많은 자기장이 노출될 수 있어, 전자파 문제가 심해질 수 있다. 또한, 화력 단계가 높아질수록 전자파 노출의 문제가 커질 수 있다.
이에, 본 개시의 실시 예에 따른 유도 가열 방식의 쿡탑 시스템은 쿡탑(10)과 쿡탑(10)에 놓이는 쉴드 장치(300)를 포함할 수 있다.
쿡탑(10)은 워킹 코일(12) 및 상판 글래스(11)를 포함하며, 상판 글래스(11)에는 워킹 코일(12)에서 발생한 자기장이 통과하는 가열 영역(H, 도 7 참고)이 형성될 수 있다. 쉴드 장치(300)는 쿡탑(10)에 사용될 수 있고, 워킹 코일(12)에서 발생한 자기장과 상쇄되는 자기장을 발생시키는 쉴드 코일(312, 도 5 참고)을 포함할 수 있다.
도 5는 본 개시의 실시 예에 따른 유도 가열 방식의 쿡탑 시스템이 도시된 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 개시의 실시 예에 따른 유도 가열 방식의 쿡탑 시스템은 쿡탑(10)과, 쿡탑(10)에 놓이는 쉴드 장치(300)를 포함할 수 있다. 쿡탑(10)은 워킹 코일(12) 등의 소자를 보호하는 케이스(10a)를 포함할 수 있다. 케이스(10a)의 상부는 상판 글래스(11)일 수 있다.
쉴드 장치(300)는 쿡탑(10)의 상부에 놓이는 케이스(300a)와 케이스(300a) 내부에 배치되는 쉴드 코일(312)을 포함할 수 있다.
쉴드 코일(312)은 PCB, FPCB, 구리단선, Litz-wire 또는 Stamp 코일 등으로 형성될 수 있다.
케이스(300a)는 실리콘으로 형성될 수 있다.
조리 용기(1)는 쿡탑(10)에 직접 올려진 상태로 가열되거나, 도 5에 도시된 바와 같이 쿡탑(10)에 쉴드 장치(300)가 놓인 경우에는 조리 용기(1)가 쉴드 장치(300) 위에 올려져 가열될 수 있다.
워킹 코일(12)에 전류가 흐르면 제1 자기장(20)이 발생하고, 제1 자기장(20)은 조리 용기(1)에 와전류를 발생시켜 조리 용기(1)를 가열할 수 있다. 한편, 워킹 코일(12)에서 발생한 제1 자기장(20) 중 적어도 일부는 조리 용기(1)를 통과하지 못해 쿡탑(10)의 외부로 노출될 수도 있다.
한편, 워킹 코일(12)에 전류가 흐름에 따라 쉴드 코일(312)로 유도된 기전력이 만들어지면, 렌츠의 법칙에 의해 이를 상쇄하기 위한 방향으로 전압이 발생하게 된다. 즉, 쉴드 코일(312)에는 워킹 코일(12)에 전류가 흐르면서 기전력이 유도되고, 이를 상쇄하기 위한 방향으로 전압이 발생할 수 있다. 따라서, 쉴드 코일(312)은 별도의 배터리 또는 전원과 연결되지 않아도 전압이 발생하고, 이러한 전압에 의해 발생한 제2 자기장(320)이 워킹 코일(12)에서 발생한 제1 자기장(20)과 상쇄될 수 있다.
이와 같이, 쿡탑(10)의 외부로 노출된 제1 자기장(20)이 쉴드 코일(312)에서 발생한 제2 자기장(320)에 의해 상쇄됨에 따라, 전자파의 인체 노출 문제가 저감될 수 있다.
도 6은 본 개시의 실시 예에 따른 워킹 코일과 쉴드 코일을 흐르는 전류 각각을 도시한 그래프이다.
도 6에 도시된 제1 전류(I1)는 워킹 코일(12)을 흐르는 전류를 나타낼 수 있다. 워킹 코일(12)은 인버터(140) 스위치에 의해 전류가 인가되며, 도 6의 예시에서 제1 전류(I1)는 약 43A일 수 있다.
한편, 상술한 바와 같이, 쉴드 코일(312)에는 워킹 코일(12)에서 발생한 제1 자기장(20)을 상쇄하는 방향으로 전류가 유도되며, 따라서 제1 전류(I1)와 위상차가 180도인 제2 전류(I2)가 유도될 수 있다. 제2 전류(I2)는 약 17A일 수 있다.
이와 같이, 쉴드 코일(312)에 제2 전류(I2)가 유도됨에 따라 제2 자기장(320)이 발생하면, 제1 자기장(20)을 상쇄시켜 쿡탑(10) 외부로 노출되는 자기장을 감소시킬 수 있다.
아래 [표 1]은 쿡탑(10)이 단독으로 동작할 때, 쿡탑(10)으로부터 0.0, 10.0, 20.0, 30.0, 40.0, 50.0[mm] 떨어진 거리에서 자기장의 세기를 측정한 결과이다.
쿡탑으로부터 거리 [mm] 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0
자기장 측정값 [uT] 8.68 6.80 5.31 3.99 3.29 2.54
한편, 아래 [표 2]는 쿡탑(10)이 상부에 쉴드 장치(300)가 놓인 상태로 동작할 때, 쿡탑(10)으로부터 0.0, 10.0, 20.0, 30.0, 40.0, 50.0[mm] 떨어진 거리에서 자기장의 세기를 측정한 결과이다.
쿡탑으로부터 거리 [mm] 0.0 10.0 20.0 30.0 40.0 50.0
자기장 측정값 [uT] 2.79 2.10 1.60 1.45 0.98 0.86
[표 1]과 [표 2]를 비교하면, 쿡탑(10)이 단독으로 동작할 때 대비 쉴드 장치(300)가 사용되면, 쿡탑(10)으로부터 거리가 0.0, 10.0, 20.0, 30.0, 40.0, 50.0[mm]일 때 각각 67.86, 69.12, 69.87, 63.66, 70.21, 66.14[%]의 비율로 자기장 저감 효과가 있음을 확인할 수 있다.
다음으로, 도 7 내지 도 8을 참고하여, 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑 시스템의 워킹 코일 및 쉴드 코일을 더 상세히 설명한다.
도 7은 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑 및 쉴드 장치의 단면도이고, 도 8은 도 7에서 워킹 코일과 쉴드 코일만을 따로 도시한 평면도이다.
특히, 설명의 편의를 위해, 도 7에서는 쿡탑(10) 및 쿡탑(10) 내부에 배치되는 워킹 코일(12)과, 쉴드 장치(300) 및 쉴드 장치(300) 내부에 배치되는 쉴드 코일(312)만 도시하였다.
워킹 코일(12)과 쉴드 코일(312)은 모두 원 형상으로 감길 수 있다. 이에, 쉴드 코일(312)의 내경은 가장 안쪽에 감겨있는 코일의 지름을 의미하고, 워킹 코일(12)의 외경은 가장 바깥쪽에 감겨있는 코일의 지름을 의미할 수 있다.
도 7을 참고하면, 쉴드 코일(312)의 내경(L1)은 워킹 코일(12)의 외경(L2) 이상일 수 있다. 즉, 쉴드 코일(312)의 내경(L1)은 워킹 코일(12)의 외경(L2) 보다 크거나 같을 수 있다. 즉, 쉴드 코일(312)의 내측에 워킹 코일(12)이 배치될 수 있다.
만약, 쉴드 코일(312)이 워킹 코일(12)의 내측에 배치될 경우, 워킹 코일(12)에서 발생한 제1 자기장(20) 중 적어도 일부는 조리 용기(1)를 통과하여야 함에도 불구하고 쉴드 코일(312)에서 발생한 제2 자기장(320)을 먼저 만나 상쇄되고, 이에 의해 가열 효율이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.
그런데, 도 7과 같이, 쉴드 코일(312)의 내측에 워킹 코일(12)이 배치되면, 워킹 코일(12)에서 발생한 제1 자기장(20)의 대부분은 가열 영역(H)에 위치한 조리 용기(1)를 통과할 수 있다. 그리고, 조리 용기(1)가 가열 영역(H) 보다 작거나, 가열 영역(H)을 벗어나서 배치되는 경우에 외부로 노출되는 제1 자기장(20)은 쉴드 코일(312)에서 발생하는 제2 자기장(320)과 상쇄될 수 있다.
한편, 가열 영역(H)은 워킹 코일(12)에서 발생한 제1 자기장(20)이 통과하는 영역을 나타낼 수 있다.
쉴드 코일(312)의 내경(L1)은 쿡탑(10)의 가열 영역(H)의 직경(L3) 이상일 수 있다. 즉, 쉴드 코일(312)의 내경(L1)은 가열 영역(H)의 직경(L3) 보다 크거나, 동일할 수 있다.
이에 따라, 쉴드 코일(312)에서 발생한 제2 자기장(320)은 가열 영역(H)을 통과하였으나 조리 용기(1)를 통과하지 못하고 노출된 제1 자기장(20)과 만나 상쇄될 수 있다.
워킹 코일(12)과 쉴드 코일(312)은 수직 방향으로 오버랩되지 않을 수 있다.
상술한 바와 같이, 쉴드 코일(312)의 내경(L1)이 워킹 코일(12)의 외경(L2) 이상이거나, 쉴드 코일(312)의 내경(L1)이 가열 영역(H)의 직경(L3) 이상일 때, 제1 자기장(20)을 조리 용기(1)로 집중시키는 동시에, 조리 용기(1)를 통과하지 못하고 노출되는 제1 자기장(20)만이 제2 자기장(320)과 상쇄되어, 가열 효율의 저감을 최소화하면서, 자기장 노출 문제를 최소화할 수 있는 이점이 있다.
실시 예에 따라, 도 8에 도시된 바와 같이, 쉴드 코일(312)에는 쉴드 커패시터(351)가 더 연결될 수 있다. 구체적으로, 실시 예에 따라, 쉴드 장치(300)는 쉴드 코일(312)과 연결되는 쉴드 커패시터(351)를 갖는 에너지 축적 회로를 더 포함할 수 있다.
도 9는 본 개시의 실시 예에 따른 에너지 축적 회로를 더 포함하는 쉴드 장치가 도시된 단면도이다.
실시 예에 따라, 쉴드 장치(300)는 에너지 축적 회로(341)를 더 포함할 수 있고, 에너지 축적 회로(341)는 에너지를 저장하기 위한 쉴드 커패시터(351)를 포함할 수 있다. 에너지 축적 회로(341)에 대해서는 도 8에서 상세히 설명하기로 한다.
케이스(300a)에서 에너지 축적 회로(341)가 배치되는 영역의 제1 두께(t1)는 쉴드 코일(312)이 배치되는 영역의 제2 두께(t2) 보다 두꺼울 수 있다.
이는, 워킹 코일(12)과 쉴드 코일(312) 간에 갭(L4, 도 7 참고)이 발생하는데, 갭(L4)은 쉴드 장치(300)의 케이스(300a)가 두꺼울수록 커진다. 한편, 갭(L4)이 커질수록 워킹 코일(12)의 가열 효율이 저하될 수 있는 바, 갭(L4)은 최소화되는 것이 바람직하다. 따라서, 워킹 코일(12)의 가열 효율의 저하를 최소화하기 위해서는, 제2 두께(t2)가 최소화되는 것이 바람직하다. 그런데, 에너지 축적 회로(341)는 에너지 저장을 위한 적어도 하나의 구성 요소를 포함하는 바, 구성 요소에 의해 두께가 두꺼워질 수 있고, 이에 따라 에너지 축적 회로(341)를 쉴드 코일(312)과 이격시켜 배치하며, 에너지 축적 회로(341)가 배치되는 영역의 제1 두께(t1)는 제2 두께(t2)와 달라질 수 있다.
예를 들어, 쉴드 코일(312)의 두께는 210mm이고, 7턴 감길 수 있으나, 이는 예시적인 것에 불과하다. 쉴드 코일(312)의 두께가 210mm일 때 갭(L4)은 8mm일 수 있다.
그리고, 에너지 축적 회로(341)는 가열 영역(H)과 수직 방향으로 오버랩되지 않는 위치에 배치되도록 쉴드 장치(300)에 형성될 수 있다.
도 10은 본 개시의 실시 예에 따른 쉴드 커패시터의 전압 및 워킹 코일과 쉴드 코일을 흐르는 전류 각각을 도시한 그래프이다.
도 10에 도시된 전압(V)은 쉴드 커패시터(351)의 전압이고, 제1 전류(I1)는 워킹 코일(12)을 흐르는 전류, 제2 전류(I2)는 쉴드 코일(312)을 흐르는 전류를 나타낼 수 있다.
제1 전류(I1)가 워킹 코일(12)을 흐르면, 제1 전류(I1)와 위상이 반대인 제2 전류(I2)가 쉴드 코일(312)에 유도되며, 쉴드 코일(312)에 전류가 흐름에 따라 쉴드 코일(312)에 연결된 쉴드 커패시터(351)의 양단에 절연된 에너지가 충방전을 하게 되며, 그 전압(예를 들어, 약 60Hz 사인파)을 정류하여 에너지가 축적될 수 있다.
이에, 실시 예에 따라, 본 개시의 실시 예에 따른 쉴드 장치(300)는 에너지 축적 회로를 포함할 수 있다.
도 11은 본 개시의 실시 예에 따른 에너지 축적 회로가 상세히 도시된 도면이다.
도 11을 참조하면, 쉴드 장치(300)는 쉴드 코일(312), 에너지 축적 회로(341), 온도 센서(331), 타이머(361), 제어부(370) 및 출력부(380) 중 적어도 일부 또는 전부를 포함할 수 있다.
에너지 축적 회로(341)는 쉴드 커패시터(351), 정류기(353), DC 링크 커패시터(357) 및 DC/DC 컨버터(355) 중 적어도 일부 또는 전부를 포함할 수 있다.
쉴드 커패시터(351)에는 에너지 저장될 수 있다. 쉴드 커패시터(351)의 양단에는 쉴드 코일(312)에 전류가 흐르면서 절연된 에너지가 충전 및 방전될 수 있다. 쉴드 커패시터(251)에 저장된 에너지는 정류된 후 소정 크기로 변환된 후 다른 구성요소에 공급될 수 있다. 쉴드 커패시터(251)에 저장된 에너지는 다른 구성요소의 에너지원일 수 있다.
정류기(353)는 쉴드 커패시터(251)에 저장된 에너지를 정류할 수 있다. 정류기(353)는 쉴드 커패시터(251)에 저장된 전력을 직류 전력으로 변환할 수 있다.
DC 링크 커패시터(357)는 쉴드 커패시터(251)와 DC/DC 컨버터(355) 사이의 버퍼 역할을 수행할 수 있다. DC 링크 커패시터(357)는 쉴드 커패시터(251)에서 DC/DC 컨버터(355)로 공급되는 전압을 일정하게 유지시킬 수 있다.
DC/DC 컨버터(355)는 정류기(353)에서 정류되어 공급되는 전압을 승압 또는 강하시킬 수 있다. DC/DC 컨버터(355)는 각 구성요소에 맞게 전압의 크기를 조절하여 출력할 수 있다.
에너지 축적 회로(341)는 온도 센서(331), 타이머(361), 제어부(370) 또는 출력부(380) 등과 같은 쿡탑(10) 내 구성요소에 전원을 공급할 수 있다. 이에 따라, 쉴드 장치(300)에는 별도의 배터리가 불필요한 이점이 있다.
한편, 실시 예에 따라 쉴드 장치(300)는 에너지 축적 회로(341) 대신 배터리를 포함할 수도 있고, 이 경우에는 쿡탑(10)의 동작 여부와 관계없이 쉴드 장치(300) 단독으로 동작할 수도 있다.
온도 센서(331), 타이머(361), 제어부(370) 또는 출력부(380) 등과 같은 쿡탑(10)에 구비되는 구성요소 중 적어도 하나는 에너지 축적 회로(341)로부터 전원을 공급받아 동작할 수 있다. 즉, 온도 센서(331), 타이머(361), 제어부(370) 또는 출력부(380) 등과 같은 쿡탑(10)에 구비되는 구성요소 중 적어도 하나는 쉴드 코일(312)에 전류가 유도됨에 따라 저장된 에너지를 이용하여 구동될 수 있다.
온도 센서(331)는 조리 용기(1)의 온도를 감지할 수 있다. 온도 센서(331)는 에너지 축적 회로(341)에 저장된 전력을 이용하여 쿡탑(10)에 의해 가열되는 조리 용기의 온도를 감지할 수 있다.
온도 센서(331)는 쉴드 코일(312)의 내측에 배치될 수 있다. 일 실시 예에 따르면, 도 9에 도시된 예시와 같이, 온도 센서(331)는 쉴드 장치(300)의 가운데에 구비될 수 있다.
쿡탑(10)의 상부에 쉴드 장치(300)가 놓일 경우, 쿡탑(10)에 구비된 온도 센서가 조리 용기(1)의 온도 감지 정확도가 떨어질 수 있으므로, 쉴드 장치(300)의 온도 센서(331)가 조리 용기(1)의 온도를 감지할 수 있다.
타이머(361)는 조리 시간을 카운트할 수 있다. 즉, 타이머(361)는 에너지 축적 회로(341)에 저장된 전력을 이용하여 쿡탑(10)의 조리 시간을 카운트할 수 있다.
또는, 타이머(361)는 설정된 시간에 도달 여부를 획득할 수 있다. 즉, 타이머(361)는 에너지 축적 회로(341)에 저장된 전력을 이용하여 설정된 시간을 카운트하구, 설정된 시간에 도달 여부를 획득할 수 있다.
제어부(370)는 온도 센서(331), 에너지 축적 회로(341), 타이머(361), 출력부(380) 등을 제어할 수 있다.
제어부(370)는 온도 센서(331) 및 타이머(361)의 출력에 기초하여 출력부(380)에 정보를 출력할 수 있다. 예를 들어, 제어부(370)는 온도 센서(331)에서 감지된 조리 용기(1)의 온도를 표시하도록 출력부(380)를 제어할 수 있다. 제어부(370)는 타이머(361)가 카운트한 조리 시간을 표시하도록 출력부(380)를 제어할 수 있다. 제어부(370)는 타이머(361)를 통해 설정된 시간에 도달을 감지하면 알림을 시각 또는 청각적으로 출력하도록 출력부(380)를 제어할 수 있다.
출력부(380)는 에너지 축적 회로(341)에 저장된 전력을 이용하여 쿡탑(10)과 관련된 정보를 출력할 수 있다.
출력부(380)는 정보를 시각적으로 표시하는 디스플레이이거나 정보를 청각적으로 출력하는 스피커 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
또한, 도 11에 도시되지 않았으나, 쉴드 장치(300)는 입력부(399, 도 12 고)를 더 포함할 수 있다.
즉, 도 11의 구성과 입력부(399) 등은 예시적인 것에 불과하며, 쉴드 장치(300)는 실시 예에 따라 다른 구성요소를 더 포함할 수도 있다.
도 12는 본 개시의 실시 예에 따른 쉴드 장치의 구성이 도시된 도면이다.
쉴드 코일(312) 및 쉴드 커패시터(351)는 케이스(300a)의 내부에 배치되고, 온도 센서(331), 출력부(380), 가이드(391)(392) 및 입력부(399)는 적어도 일부가 케이스(300a) 외부에 노출될 수 있다. 상술한 구성요소들이 모두 도 12에 도시되었으나, 이는 설명의 편의를 위한 것에 불과하므로, 이에 제한되지 않음이 타당하다.
쉴드 코일(312)은 가열 영역 보다 클 수 있다. 쉴드 코일(312)은 가열 영역의 바깥에 위치할 수 있다.
쉴드 코일(312)의 중심에는 온도 센서(331)가 배치될 수 있다.
쉴드 코일(312)에는 쉴드 커패시터(351)가 연결될 수 있다. 쉴드 커패시터(351)는 온도 센서(331), 출력부(380) 또는 입력부(399)로 전력을 공급할 수 있다.
출력부(380)는 정보를 표시할 수 있다. 실시 예에 따라 출력부(380)는 2 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 출력부(380)는 온도 센서(331)에서 출력되는 정보를 표시하는 제1 출력부(382) 및 타이머(361)에서 출력되는 정보를 표시하는 제2 출력부(384)를 포함할 수 있다.
입력부(399)는 타이머(361)가 카운트할 시간을 입력받을 수 있다.
케이스(300a)에는 쉴드 장치(300)의 위치를 안내하는 가이드(391)(392)가 형성될 수 있다. 가이드(391)(392)는 쉴드 장치(300)가 배치될 위치를 안내할 수 있다.
일 실시 예에 따르면, 가이드(391)(392)는 제1 가이드(391)와 제2 가이드(392)를 포함하며, 제1 가이드(391)와 제2 가이드(392)는 각각 대각선 방향으로 마주보도록 쉴드 장치(300)의 꼭지점에 배치될 수 있다. 그러나, 이러한 위치는 예시적인 것에 불과하다.
가이드(391)(392)는 쉴드 코일(312)의 중심이 워킹 코일(12)의 중심과 수직방향으로 일치하게 형성될 수 있고, 이 경우 전자파 저감 효율이 극대화될 수 있다.
도 12에는 가이드(391)(392)가 두 개 도시되어 있으나, 이는 예시적인 것에 불과하므로, 이에 제한되지 않음이 타당하다.
일 실시 예에 따르면, 쿡탑(10)의 상판 글래스(11)에는 철과 같은 강자성체가 배치될 수 있다. 즉, 쉴드 장치(300)의 일 영역에는 자석을 포함하는 가이드(391)(392)가 형성되고, 쿡탑(10)의 상판 글래스(11)에는 쉴드 장치(300)가 최적으로 배치될 때 가이드(391)(392)와 수직방향으로 오버랩되는 위치에 강자성체가 배치될 수 있다.
따라서, 사용자는 쉴드 장치(300)를 사용할 때 쿡탑(10)의 상판 글래스(11) 주변에서 쉴드 장치(300)가 자성에 의해 끌어 당겨지는 위치를 찾아 쉴드 장치(300)를 용이하게 배치할 수 있다. 이에 따라, 쉴드 장치(300)의 전자파 저감을 위한 최적의 위치를 사용자가 쉽게 찾을 수 있는 이점이 있다.
한편, 본 개시의 실시 예에 따른 쉴드 장치(300)는 가이드(391)(392)와 관계없이 어떤 쿡탑(10)에도 사용될 수 있다. 그리고, 쉴드 장치(300)는 쿡탑(10)에 구비된 적어도 하나의 화구에 임의로 사용될 수 있다.
그리고, 본 개시의 실시 예에 따르면, 쿡탑(10) 내부에 쉴드 코일이 별도로 구비되지 않아도 되므로, 쿡탑(10)의 제조 비용 또는 부피 증가 등이 불필요하면서, 기 제조된 쿡탑(10)에도 적용되는 이점이 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 (16)

  1. 워킹 코일을 구비하는 유도 가열 방식의 쿡탑에 사용되는 쉴드 장치에 있어서,
    상기 쿡탑의 상부에 놓이는 케이스; 및
    상기 케이스 내부에 배치되는 쉴드 코일을 포함하는
    쉴드 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 쉴드 코일의 내경은 상기 워킹 코일의 외경 보다 큰
    쉴드 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 쉴드 코일의 내경은 상기 쿡탑의 가열 영역의 직경 보다 큰
    쉴드 장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 케이스는 실리콘으로 형성된
    쉴드 장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 케이스에는
    상기 쉴드 장치의 위치를 안내하는 가이드가 형성된
    쉴드 장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 쉴드 코일과 연결되는 쉴드 커패시터를 갖는 에너지 축적 회로를 더 포함하는
    쉴드 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 에너지 축적 회로에 저장된 전력을 이용하여 상기 쿡탑의 조리 시간을 카운트하는 타이머를 더 포함하는
    쉴드 장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 에너지 축적 회로에 저장된 전력을 이용하여 상기 쿡탑에 의해 가열되는 조리 용기의 온도를 감지하는 온도 센서를 더 포함하는
    쉴드 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 온도 센서는 상기 쉴드 코일의 내측에 배치되는
    쉴드 장치.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 에너지 축적 회로에 저장된 전력을 이용하여 상기 쿡탑과 관련된 정보를 출력하는 출력부를 더 포함하는
    쉴드 장치.
  11. 청구항 6에 있어서,
    상기 케이스에서 상기 에너지 축적 회로가 배치되는 영역의 제1 두께는 상기 쉴드 코일이 배치되는 영역의 제2 두께 보다 두꺼운
    쉴드 장치.
  12. 워킹 코일 및 상기 워킹 코일에서 발생한 자기장이 통과하는 가열 영역이 형성된 상판 글래스를 포함하는 쿡탑; 및
    상기 쿡탑에 놓이는 쉴드 장치를 포함하는 유도 가열 방식의 쿡탑 시스템에 있어서,
    상기 쉴드 장치는
    상기 쿡탑의 상부에 놓이는 케이스; 및
    상기 케이스 내부에 배치되는 쉴드 코일을 포함하는
    유도 가열 방식의 쿡탑 시스템.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 쉴드 코일의 내경은 상기 워킹 코일의 외경 보다 큰
    유도 가열 방식의 쿡탑 시스템.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 쉴드 코일의 내경은 상기 쿡탑의 가열 영역의 직경 보다 큰
    유도 가열 방식의 쿡탑 시스템.
  15. 청구항 12에 있어서,
    상기 케이스에는
    상기 쉴드 장치의 위치를 안내하는 가이드가 형성된
    유도 가열 방식의 쿡탑 시스템.
  16. 청구항 12에 있어서,
    상기 쉴드 장치는
    상기 쉴드 코일과 연결되는 쉴드 커패시터를 갖는 에너지 축적 회로를 더 포함하는
    유도 가열 방식의 쿡탑 시스템.
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