KR20230120914A - 유도 가열 방식의 쿡탑 - Google Patents

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KR20230120914A
KR20230120914A KR1020220017758A KR20220017758A KR20230120914A KR 20230120914 A KR20230120914 A KR 20230120914A KR 1020220017758 A KR1020220017758 A KR 1020220017758A KR 20220017758 A KR20220017758 A KR 20220017758A KR 20230120914 A KR20230120914 A KR 20230120914A
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induction heating
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KR1020220017758A
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김성규
이성훈
곽봉식
김홍권
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 개시는 노출 전자파를 저감시키는 유도 가열 방식의 쿡탑을 제공하기 위한 것으로, 조리 용기가 놓이는 상판 글래스, 적어도 일부가 조리 용기를 통과하는 제1 자기장을 발생시키는 워킹 코일, 워킹 코일을 흐르는 전류를 제어하는 인버터, 내부에 워킹 코일 및 인버터가 배치되는 케이스, 및 제1 자기장과 상쇄되는 제2 자기장을 발생시키는 쉴드 코일을 포함하고, 워킹 코일은 원 형상을 따라 감기고, 쉴드 코일은 호 형상을 따라 감길 수 있다.

Description

유도 가열 방식의 쿡탑{INDUCTION HEATING TYPE COOKTOP}
본 개시는 유도 가열 방식의 쿡탑에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 개시는 외부로 노출되는 전자파를 저감시킨 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 용기, 예컨대 냄비와 같은 조리 용기를 가열하는 장치들의 보급이 이루어지고 있다.
전기를 이용하여 조리 용기를 가열하는 방식은 크게 저항 가열 방식과 유도 가열 방식으로 나누어진다. 전기 저항 방식은 금속 저항선 또는 탄화규소와 같은 비금속 발열체에 전류를 흘릴 때 생기는 열을 방사 또는 전도를 통해 조리 용기(예를 들어, 조리 용기)에 전달함으로써 조리 용기를 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.
이와 같이 유도 가열 방식의 쿡탑은 조리 용기를 가열하기 위해 자기장을 발생하는 특성 상 일부 자기장이 외부로 노출되는 위험이 있다. 구체적인 예로, 조리 용기의 크기가 자기장을 발생시키는 워킹 코일의 크기 보다 작거나, 가열 영역을 벗어나는 위치에 조리 용기가 배치되는 등 여러가지 상황에 따라 자기장이 외부로 노출될 수 있다. 게다가, 가열 세기가 커질수록 전자파 노출 위험이 증가하는 문제가 있다.
본 개시는 노출 전자파를 저감시키는 유도 가열 방식의 쿡탑을 제공하고자 한다.
본 개시는 노출 전자파를 상쇄하기 위한 쉴드 모듈의 크기를 소형화하며, 구조를 단순화한 유도 가열 방식의 쿡탑을 제공하고자 한다.
본 개시는 사용자가 원하는 방향의 노출 자기장이 상쇄되도록 쉴드 모듈의 적용이 가능한 유도 가열 방식의 쿡탑을 제공하고자 한다.
본 개시의 실시 예에 따른 유도 가열 방식의 쿡탑은 조리 용기가 놓이는 상판 글래스, 적어도 일부가 조리 용기를 통과하는 제1 자기장을 발생시키는 워킹 코일, 워킹 코일을 흐르는 전류를 제어하는 인버터, 내부에 워킹 코일 및 인버터가 배치되는 케이스, 및 제1 자기장과 상쇄되는 제2 자기장을 발생시키는 쉴드 코일을 포함하고, 워킹 코일은 원 형상을 따라 감기고, 쉴드 코일은 호 형상을 따라 감길 수 있다.
쉴드 코일은 워킹 코일과 케이스의 일면 사이에 배치될 수 있다.
케이스의 일면은 케이스의 측면부들 중 조작키와 가장 가까이에 형성된 측면부일 수 있다.
쉴드 코일은 인덕턴스가 14uH 이상일 수 있다.
쉴드 코일은 일 지점에서 타 지점까지의 최대 직선 길이가 워킹 코일의 직경과 동일할 수 있다.
쿡탑은 쉴드 코일과 연결되는 쉴드 커패시터를 더 포함할 수 있다.
쉴드 코일은 7턴 이상으로 감길 수 있다.
워킹 코일과 쉴드 코일 간의 결합 계수는 0.024 내지 0.032일 수 있다.
본 개시의 실시 예에 따르면, 쉴드 코일을 통해 외부로 노출되는 자기장을 저감시킬 수 있어 안정성을 높이며, 사용자 편의가 향상되는 이점이 있다.
본 개시의 실시 예에 따르면, 외부로 노출되는 자기장을 저감시키는 쉴드 모듈을 구비함에도 불구하고, 별도의 전원을 구비하지 않으며, 인덕턴스 또는 결합 계수 등의 설계를 통해 쿡탑의 부피 증가가 최소화되는 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 유도 가열 방식의 쿡탑의 워킹 코일과 쉴드 코일이 도시된 회로도이다.
도 6은 본 개시의 제1 실시 예에 따른 유도 가열 방식의 쿡탑의 워킹 코일과 쉴드 코일이 도시된 평면도이다.
도 7은 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑에서 코일 턴수에 따른 인덕턴스 및 결합 계수가 도시된 그래프이다.
도 8은 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑에서 쉴드 코일의 전류 및 턴수에 따른 자기장을 산출한 시뮬레이션이다.
도 9는 본 개시의 실시 예에 따른 쉴드 코일을 구비할 경우의 노출 자기장 크기를 측정한 그래프이다.
도 10은 본 개시의 제2 실시 예에 따른 유도 가열 방식의 쿡탑의 워킹 코일과 쉴드 코일이 도시된 평면도이다.
도 11은 본 개시의 제2 실시 예에 따른 유도 가열 방식의 쿡탑에서의 자기장 측정 시뮬레이션을 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 개시의 제2 실시 예에 따른 유도 가열 방식의 쿡탑에서의 자기장을 실제 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 13은 본 개시의 다양한 실시 예에 따른 유도 가열 방식의 쿡탑에서의 자기장 측정 시뮬레이션을 나타내는 그래프이다.
도 14는 본 개시의 다양한 실시 예에 따른 유도 가열 방식의 쿡탑에서의 자기장을 실제 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
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.
상판 글래스(11)는 케이스(15)의 상면을 형성할 수 있다. 따라서, 상판 글래스(11)는 쿡탑(10) 내부로 먼지 등의 이물질이 인입되는 문제를 방지할 수 있다.
케이스(15)는 내부에 후술하는 정류부(120), DC 링크 커패시터(130), 인버터(140), 워킹 코일(150), 공진 커패시터(160) 또는 SMPS(170) 등의 구성이 배치될 수 있다. 케이스(15)는 쿡탑(10)의 각 구성을 보호할 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, 인버터(140)의 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 워킹 코일(150)을 흐르는 전류를 제어할 수 있다. 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 도 1 및 도 2에서 설명한 워킹 코일(12)일 수 있다. 워킹 코일(150)은 적어도 일부가 조리 용기(1)를 통과하도록 자기장을 발생시킬 수 있다.
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.
한편, 조리 용기(1)의 크기가 가열 영역 보다 작거나, 가열 영역을 벗어나는 위치에 조리 용기(1)가 놓일 경우, 워킹 코일(150)에서 발생한 자기장 중 일부가 외부로 노출될 수도 있다. 이에, 본 개시는 외부로 노출되는 자기장을 저감시키는 쿡탑(10)을 제공하고자 하며, 이러한 쿡탑(10)은 워킹 코일(150)에서 발생한 자기장과 상쇄되는 자기장을 발생시키는 쉴드 코일(210)을 더 포함할 수 있다.
도 5는 본 개시의 실시 예에 따른 유도 가열 방식의 쿡탑의 워킹 코일과 쉴드 코일이 도시된 회로도이다.
쉴드 코일(210)은 워킹 코일(150)과 근접하게 배치될 수 있다. 즉, 워킹 코일(150)과 쉴드 코일(210)은 전자 결합하도록 배치될 수 있다.
그리고, 실시 예에 따라, 쿡탑(10)은 쉴드 코일(210)과 연결되는 쉴드 커패시터(220)를 더 포함할 수도 있다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이, 쿡탑(10)은 쉴드 모듈(200)을 포함하며, 쉴드 모듈(200)은 쉴드 코일(210)과 쉴드 커패시터(220)로 구성될 수도 있다.
도 6은 본 개시의 제1 실시 예에 따른 유도 가열 방식의 쿡탑의 워킹 코일과 쉴드 코일이 도시된 평면도이다.
본 개시의 제1 실시 예에 따르면, 워킹 코일(150)은 원 형상을 따라 감기고, 쉴드 코일(210)은 사각형 형상으로 감길 수 있다.
그리고, 쉴드 코일(210)은 사용자 방향으로의 자기장을 차단하기 위한 위치에 배치될 수 있다. 케이스(15)는 상판부(11)의 하단에 연결되는 측면부들(15a)(15b)(15c)(15d)을 포함할 수 있다. 쉴드 코일(210)은 측면부들(15a)(15b)(15c)(15d) 중 사용자가 쿡탑(10)을 조작하도록 하는 조작키(미도시)와 가장 가까이에 형성된 측면부에 가깝게 배치될 수 있다. 이에 따라 워킹 코일(150)에서 발생한 자기장 중 사용자 방향으로의 자기장을 최소화할 수 있다. 정리하면, 쉴드 코일(210)은 워킹 코일(150)과 케이스(15)의 일면 사이에 배치되고, 이 때 일면은 케이스(15)의 측면부들(15a)(15b)(15c)(15d) 중 조작키(미도시)와 가장 가까이에 형성된 측면부일 수 있다. 여기서 조작키(미도시)는 화력 단계를 조절하는 키, 전원 키 등을 포함할 수 있다.
쉴드 코일(210)은 쉴드 코일(210)과 가까운 측면부 방향으로의 자기장을 차단할 수 있다. 도 6의 예시에서도 쉴드 코일(210)에서 발생한 자기장은 측면부들(15a)(15b)(15c)(15d) 중 제1 측면부(15a) 방향으로의 자기장과 상쇄될 수 있다. 제1 측면부(15a)는 조작키(미도시)와 가장 가까이에 형성된 측면부일 수 있다.
또한, 쉴드 코일(210)은 워킹 코일(150)과 전자 결합하도록 워킹 코일(150)에 근접하게 배치될 수 있다. 이 경우, 워킹 코일(150)에서 발생한 제1 자기장은 쉴드 코일(210)에 전류를 유도할 수 있고, 이에 따라 쉴드 코일(210)에 유도 전류가 흐를 수 있다. 그리고, 쉴드 코일(210)에 유도 전류가 흐르면서 제2 자기장이 발생하며, 쉴드 코일(210)에서 발생한 제2 자기장은 워킹 코일(150)에서 발생한 제1 자기장과 상쇄될 수 있다.
즉, 쉴드 코일(210)은 패러데이 법칙에 의해 워킹 코일(150)에서 유도되는 전압을 소스원으로 이용할 수 있고, 이에 따라 쉴드 코일(210)을 구동시키기 위한 별도의 추가 전원이 없어도 되는 이점이 있다. 즉, 쉴드 코일(210)을 워킹 코일(150)과 전자 결합하는 위치에 배치함으로써 별도의 전원 추가가 불필요하므로, 제조 비용 절감, 구조의 단순화 및 부피 최소화가 가능한 이점이 있다.
한편, 쉴드 코일(210)에 유도된 전압의 위상은 렌츠의 법칙에 의해 방향이 결정될 수 있다. 구체적으로, 유도된 전압은 -j 항에 의해 90도 지연되기 때문에, 자기장 상쇄를 위한 180도 지연된 역위상(-j*-j=-1)을 만들기 위해서는 쉴드 코일(210)에 연결되는 쉴드 커패시터(220)를 연결하고, 쉴드 커패시터(220)의 값 조절이 요구될 수 있다. 한편, 커패시터의 임피던스 성분이 커지는 경우 유도 전류는 j/(1/j)=1에 의해 동일한 위상을 갖게 되고, 인덕터의 임피던스 성분이 커지는 경우 유도 전류는 -j/j=-1에 의해 180도 위상을 갖게 됩니다. 따라서, 워킹 코일(150)에 따른 쉴드 모듈(200)의 파라미터 획득이 요구됩니다.
이하, 워킹 코일(150)의 직경(L1)이 200mm인 것으로 가정하여, 쉴드 모듈(200)의 파라미터에 대해 설명한다.
쉴드 코일(210)은 인덕턴스가 14uH 이상일 수 있다. 아래 수학식 1을 참고할 때, 인덕턴스가 증가함에 따라 쉴드 코일(210)에 흐르는 전류가 감소하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 인덕턴스가 14uH 이상인 쉴드 코일(210)을 구비함으로써 쉴드 코일(210)에 흐르는 전류를 감소시킬 수 있고, 이를 통해 EMF 저감 효과를 극대화할 수 있다. 한편, 14uH는 워킹 코일(150)의 직경(L1)이 200mm인 경우에 대한 예시에 불과하다.
쉴드 코일(210)은 의 리츠와이어가 1 레이어로 구현될 수 있다.
그리고, 쉴드 코일은(210)이 사각형 형상을 따라 감길 경우, 제1 방향의 길이(L2)는 워킹 코일의 직경(L1)과 동일할 수 있다. 예를 들어, 워킹 코일의 직경(L1)이 200mm인 경우, 쉴드 코일(210)의 제1 방향 길이(L2)도 200mm일 수 있다.
그리고, 쉴드 코일(210)의 제2 방향의 길이(L3)는 30 내지 50mm일 수 있다. 제2 방향은 제1 방향과 직교하는 방향일 수 있다.
제2 방향의 길이(L3)는 케이스(15)와 워킹 코일(150) 각각의 크기에 따라 결정될 수 있다.
그리고, 쉴드 코일(210)의 제2 방향의 길이(L3)가 30 내지 50mm일 경우, 쉴드 코일(210)은 7턴 이상으로 감길 수 있다.
도 7은 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑에서 코일 턴수에 따른 인덕턴스 및 결합 계수가 도시된 그래프이다.
도 7의 왼쪽 그래프는 쉴드 코일(210)의 제2 방향의 길이(L3)가 30mm, 40mm, 50mm일 때 코일 턴수에 따른 인덕턴스가 도시된 그래프이다.
도 7의 왼쪽 그래프를 참고하면, 쉴드 코일(210)의 인덕턴스가 14uH 이상이기 위해서는 코일 턴 수가 최소 7턴이어야 하는 것을 확인할 수 있다. 예를 들어, 쉴드 코일(210)의 제2 방향의 길이(L3)가 30mm이면 9 턴이상으로 감기고, 쉴드 코일(210)의 제2 방향의 길이(L3)가 40mm이면 8 턴 이상으로 감기고, 쉴드 코일(210)의 제2 방향의 길이(L3)가 50mm이면 7 턴 이상으로 감기도록 설계되어야 하는 것을 확인할 수 있다. 즉, 쉴드 코일(210)은 7턴 이상으로 감길 수 있다.
그리고, 인덕턴스가 증가함에 따라 상용 고전압 커패시터 용량 내 공진점 튜닝이 유리해지는 이점이 있다.
또한, 도 7의 오른쪽 그래프는 쉴드 코일(210)의 제2 방향의 길이(L3)가 30, 40, 50mm일 때 코일 턴수에 따른 결합 계수(k)가 도시된 그래프이다. 특히, 쉴드 코일(210)의 제2 방향의 길이(L3)가 30mm이면 9 턴이상으로 감기고, 쉴드 코일(210)의 제2 방향의 길이(L3)가 40mm이면 8 턴 이상으로 감기고, 쉴드 코일(210)의 제2 방향의 길이(L3)가 50mm이면 7 턴 이상으로 감길 경우의 결합 계수가 도시되어 있다. 턴 수가 증가할수록 결합 계수가 감소하는 것을 확인할 수 있다.
그리고, 상술한 경우 워킹 코일(150)과 쉴드 코일(210) 간 결합 계수가 0.024 내지 0.032일 수 있고, 이는 유도 자기장(Induced B-field)이 매우 낮아지는 것을 의미하고, 그에 따라 쉴드 코일(210)에서의 유도 전류가 작아지며, 쉴드 코일(210)의 슬림화 설계가 가능해질 수 있다.
다음으로, 도 8은 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑에서 쉴드 코일의 전류 및 턴수에 따른 자기장을 산출한 시뮬레이션이다.
도 8을 참조하면, 쉴드 코일(210)의 턴 수가 감소함에 따라 자기장 저감을 위한 코일 전류가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 도 8의 그래프에서, 8 턴으로 감기고, 코일 전류가 20A일 때의 자기장 저감 성능이 최대가 되고, 10턴에서 14턴까지는 15A의 코일 전류에서 자기장 저감 성능이 수렴하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 쉴드 코일(210)은 8턴으로 감기고, 20A 전류가 흐르도록 설계되거나, 10턴으로 감기고, 15A의 전류가 흐르도록 설계될 수 있다.
도 9는 본 개시의 실시 예에 따른 쉴드 코일을 구비할 경우의 노출 자기장 크기를 측정한 그래프이다.
도 9의 왼쪽 그래프는 8턴으로 감긴 쉴드 코일(210)에서의 전류가 각각 10A, 20A, 30A일 때, 쿡탑(10)으로부터 100mm, 150mm 떨어진 위치에서 자기장 측정 결과이다. 이 경우, 20A의 전류에서 자기장이 최소화되는 것을 확인할 수 있다.
도 9의 오른쪽 그래프는 쿡탑(10)이 쉴딩 코일(210)을 포함하지 않는 경우(w/o Shield), 8턴-20A 전류로 설계된 쉴딩 코일(210)을 포함하는 경우(8Ts 20A), 10턴-15A 전류로 설계된 쉴딩 코일(210)을 포함하는 경우(10Ts 15A)의 100mm, 150mm, 200mm 에서의 자기장 측정 결과이다. 이 경우, 모든 측정 위치에서의 자기장 저감 효과가 관찰되며, 특히 100mm 위치에서 약 40%의 저감 효과가 있고, 150mm 위치에서 약 43%의 저감 효과를 확인할 수 있다.
한편, 본 개시의 다른 실시 예에 따르면, 원 형상을 따라 감기는 워킹 코일(150)에서의 노출 자기장 저감 효과를 보다 극대화시키기 위해 쉴드 코일(210)은 워킹 코일(150)의 외둘레와 동일 또는 유사한 형상으로 형성될 수 있다. 즉, 쉴드 코일(210)은 워킹 코일(150)의 외둘레와 동일 또는 유사한 형상으로 감길 수 있다.
도 10은 본 개시의 제2 실시 예에 따른 유도 가열 방식의 쿡탑의 워킹 코일과 쉴드 코일이 도시된 평면도이다.
먼저, 도 10을 참고하여, 제2 실시 예에 따른 쉴드 코일(210)의 형상을 설명하면, 워킹 코일(150)은 원 형상을 따라 감기고, 쉴드 코일(210)은 호 형상을 따라 감길 수 있다. 이 때, 쉴드 코일(210)의 인덕턴스, 전류 등은 앞에서 설명한 바와 유사할 수 있다. 다만, 제2 실시 예의 경우, 쉴드 코일(210)은 제1 실시 예와 달리 제1 방향으로 굴곡지게 배치될 수 있다. 따라서, 제2 실시 예의 경우, 쉴드 코일(210)은 일 지점에서 타 지점까지의 최대 직선 길이가 워킹 코일의 직경(예를 들어, 200mm)과 동일하게 배치될 수 있다.
이와 같이, 쉴드 코일(210)은 자기장 차단 방향에서의 최대 직선 길이가 워킹 코일의 직경과 동일하게 형성됨으로써, 노출 자기장 상쇄 효과를 극대화할 수 있는 이점이 있다.
한편, 도 10에는 워킹 코일(150) 및 쉴드 코일(210)과 함께 자기장 측정 위치가 도시되어 있다. 즉, 쿡탑(10)에서 100mm 떨어진 측정 위치의 측정 라인을 따라 50mm 간격으로 자기장을 측정하고, 쿡탑(10)에서 150mm 떨어진 측정 위치의 측정 라인을 따라 50mm 간격으로 자기장을 측정한 결과가 도 11에 도시되어 있다.
도 11은 본 개시의 제2 실시 예에 따른 유도 가열 방식의 쿡탑에서의 자기장 측정 시뮬레이션을 나타내는 그래프이다.
도 11의 위쪽 그래프는 쿡탑(10)에서 100mm 떨어진 위치에서의 자기장 측정 시뮬레이션이고, 도 11의 아래쪽 그래프는 쿡탑(10)에서 150mm 떨어진 위치에서의 자기장 측정 시뮬레이션일 수 있다. 그리고, 각 그래프는 쉴드 코일(210)을 구비하지 않는 경우(w/o Shield)와 호 형상의 쉴드 코일(210)을 구비하는 경우(Smile)의 자기장 측정 결과를 나타낸다. 도 11의 그래프에서 확인할 수 있듯이, 측정 위치와 관계 없이 59% 내지 87%의 자기장 저감 효과가 있음을 확인할 수 있다.
한편, 도 12는 본 개시의 제2 실시 예에 따른 유도 가열 방식의 쿡탑에서의 자기장을 실제 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
시뮬레이션과 마찬가지로, 측정 위치 또는 측정 라인과 관계 없이 자기장 저감 효과가 있음을 확인할 수 있다.
그리고, 도 13은 본 개시의 다양한 실시 예에 따른 유도 가열 방식의 쿡탑에서의 자기장 측정 시뮬레이션을 나타내는 그래프이다.
도 13의 그래프는 쉴드 코일(210)을 구비하지 않는 경우(w/o Shield), 사각형 형상의 쉴드 코일(210)을 구비하는 경우(Rectangle), 호 형상의 쉴드 코일(210)을 구비하는 경우(Smile)의 자기장 측정 결과를 나타낸다.
우선, 쿡탑(10)이 쉴드 코일(210)을 구비할 경우 쉴드 코일(210)을 구비하지 않는 경우 보다 모든 측정 위치에서 자기장 저감 효과가 있음을 확인할 수 있다.
그리고, 쿡탑(10)으로부터 150mm 이상 떨어진 위치에서는 쉴드 코일(210)의 형상과 관계 없이 자기장 저감 효과가 유사하나, 쿡탑(10)으로부터 100mm 떨어진 측정 위치에서는 호 형상의 쉴드 코일(210)이 사각형 형상의 쉴드 코일(210) 보다 자기장 저감 효과가 극대화됨을 확인할 수 있다.
도 14는 본 개시의 다양한 실시 예에 따른 유도 가열 방식의 쿡탑에서의 자기장을 실제 측정한 결과를 나타내는 그래프이다.
도 14를 참고하면, 쿡탑(10)으로부터 100mm 떨어진 측정 위치에서는 호 형상의 쉴드 코일(210)이 사각형 형상의 쉴드 코일(210) 보다 자기장 저감 효과가 우세함을 확인할 수 있다.
이와 같이, 본 개시의 실시 예에 따르면 쉴드 모듈(200)의 추가만으로 노출 자기장을 최소화하는 동시에, 쿡탑(10)의 부피 증가 및 구조가 복잡해지는 문제를 최소화하는 이점이 있다. 또한, 본 개시의 실시 예에 따르면 쿡탑(10)의 인체 무해성이 확보될 수 있는 이점이 있다.
또한, 쉴드 코일(210)의 소형화가 가능하고, 자기장 차단이 필요한 방향에만 쉴드 코일(210)을 위치시킴으로써, 비교적 자유로운 설계가 가능하며, 설치 자유가 확보되는 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 (8)

  1. 조리 용기가 놓이는 상판 글래스;
    적어도 일부가 상기 조리 용기를 통과하는 제1 자기장을 발생시키는 워킹 코일;
    상기 워킹 코일을 흐르는 전류를 제어하는 인버터;
    내부에 상기 워킹 코일 및 상기 인버터가 배치되는 케이스; 및
    상기 제1 자기장과 상쇄되는 제2 자기장을 발생시키는 쉴드 코일을 포함하고,
    상기 워킹 코일은 원 형상을 따라 감기고,
    상기 쉴드 코일은 호 형상을 따라 감기는
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 쉴드 코일은
    상기 워킹 코일과 상기 케이스의 일면 사이에 배치되는
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 케이스의 일면은 상기 케이스의 측면부들 중 조작키와 가장 가까이에 형성된 측면부인
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 쉴드 코일은 인덕턴스가 14uH 이상인
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 쉴드 코일은
    일 지점에서 타 지점까지의 최대 직선 길이가 상기 워킹 코일의 직경과 동일한
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 쉴드 코일과 연결되는 쉴드 커패시터를 더 포함하는
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 쉴드 코일은 7턴 이상으로 감기는
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 워킹 코일과 상기 쉴드 코일 간의 결합 계수는 0.024 내지 0.032인
    유도 가열 방식의 쿡탑.

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