KR950010778B1 - 220v용 유도가열밥솥의 워크코일장착구조 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

220V용 유도가열밥솥의 워크코일장착구조

제1도는 종래의 전기 히터식 밥솥을 개략적으로 나타낸 구성도.

제2도는 본 발명의 요부인 워크코일을 나타낸 반단면도.

제3도는 제2도의 워크코일이 장착된 상태의 일부 종단면도.

제4도는 본 발명에 적용되는 워크코일을 나타낸 사시도.

제5도는 워크코일에 의한 발생자계 및 발생열량의 분포를 나타낸 상태도.

제6도는 통상의 공진형 인버터 스위칭 회로도 및 파형도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

7 : 페라이트 9 : 워크코일

본 발명은 220V용 유도가열밥솥의 워크코일(WORK COIL)장착 구조에 관한 것으로서, 좀더 구체적으로는 장착 페라이트(Ferrite)높이를 길게 형성하지 않고도 워크코일을 장착시켜 220V 전원으로 음식물(밥)을 조리할 수 있도록 한 것이다.

첨부 도면 제1도는 종래의 전기 히터식 밥솥을 개략적으로 나타낸 구성도로서, 쌀을 담아 취사를 하는 금속재의 용기(1)와, 상기 용기의 바닥면과 접속되게 설치되어 용기의 바닥면을 가열시키는 메인히터(2)와, 상기 용기의 둘레면에 위치되게 설치되어 용기의 외주면을 가열시키는 외측 히터(3)와, 상기 용기의 상부에 설치되어 용기의 상면을 가열시키는 상부히터(4)와, 상기 용기 및 메인히터 그리고 외측히터가 장착되는 몸체(5)와, 상기 상부히터가 장착됨과 동시에 몸체의 내부를 개폐시키는 뚜껑(6)으로 구성되어 있다.

상기한 바와같은 구조의 전기 히터식 밥솥은 각 히터가 취반시 최적 취반을 위한 균일 가열의 양호한 조건을 제공하기 위해 각각의 취반 공정에 적절히 온/오프되면서 전류단속을 하므로서 취반이 진행된다.

그러나 이러한 전기 히터식 밥솥은 용기의 주가열원인 메인히터(2)가 용기(1)의 바닥면과 접속되어 접속면을 주로 가열시키도록 되어 있어 취반 내용물인 쌀의 용적에 비해 하측면 부위의 가열이 미약해지게 되므로 용기의 균일 가열 효율이 저하되었음은 물론 메인히터(2)의 화력, 즉 용기(1)와 메인히터(2)의 접속면 온도를 기준치보다 약간만 높일 경우에도 층층밥이 되거나, 바닥면이 타게 되는 등의 문제점이 야기되었다.

또한 각 히터들의 화력 집중곤란으로 인해 저효율(60∼70%) 및 화력제한(1KW)으로 실제의 가용전력(0.7×1KW=700W)이 충분치 못해 일반 가정용 밥솥의 최대 인원수(통상 10인분)까지는 최적의 화력을 공급하는데 한계가 있어 맛있는 밥을 제공하지 못하였다.

이와같은 종래의 전기 히터식 밥솥의 문제점을 해결하기 위한 방안으로는 위크코일을 이용하여 용기의 내부에 맴돌이 전류(Eddy Current)를 발생시켜 취반을 하는 유도가열밥솥이 연구되고 있다.

즉, 제3도에 도시한 바와같이 페라이트(7)와 절연체(8)사이에 설치되는 워크코일(9)에 약 20∼30KHz 정도의 고주파 전류를 인버터 스위칭 회로 구성에 의해 흘려주면 상기 워크코일에는 상기 전류에 상당하는 교류자장이 형성되고, 이 교류자장은 절연체(8) 상부의 금속재용기(1)와 페라이트(7)로 구성되는 지로를 형성하여 금속재용기(1)의 내부에 유도자장으로 인한 맴돌이 전류를 발생시키게 되므로 맴돌이 전류의 열손실에 의해 용기를 가열시키는 원리를 이용한 것이다.

상기한 원리를 이용한 유도가열밥솥은 유도자장을 발생시키는 워크코일(9)의 권선분포에 따라 용기(1)의 맴돌이 전류 발생 분포를 달리할 수 있게 되므로 상대적으로 균일한 가열효과를 얻게됨은 물론 가스불 취사와 같이 불꽃이 용기의 하단부를 감싸주듯이 가열되는 형상으로 워크코일의 권선배치를 다양하게 하므로서 보다 균일한 가열효과를 기대할 수 있게 되는 잇점을 갖게된다.

즉, 워크코일(9)에 의한 맴돌이 전류에 의해 금속재의 용기(1) 자체가 발열되므로 높은 열효율(80%)을 기대할 수 있게 되고, 또한 열손실이 적어 화력제한이 완화(1.3KW)되어 실제의 가용 전력을 최대화(0.8×1.3≒1KW)시킬 수 있게 되므로 최적의 취반 실현이 가능해지게 된다.

그러나 이러한 유도가열밥솥에 적용되는 워크코일은 통상의 고주파 통전에 사용되기 때문에 고주파로 인한 전류의 표피효과(表皮效果)로 인해 통전침투깊이가 발생되는데, 표면의 38%까지 점진적으로 감소하는 침투깊이를 δ라 하면,

여기서 p : 저항(Cu : 1.7×10^-8Ω·m), f : 주파수(최대 35KHz), μr : 비투자율(Cu=1)이다.

따라서 워크코일이 구리(Cu)인 경우 δcu=0.35mm가 되는데, 워크코일은 단면이 원형으로 되어 있어 ψ=2δcu가 되므로 결국 0.7mm가 된다.

이러한 침투효과를 고려하여 대전류용 워크코일인 경우, 굵은 동선을 사용하기 보다는 손실을 줄이기 위해 2δcu보다 작은 직경(ψ)을 가지는 소선(素線)을 제4도와 같이 여러가닥 사용하여 ψω의 직경을 가지는 집단선으로 사용하는 것이 바람직하다.

상기한 바와같이 집단선으로 이루어진 워크코일(9)은 제2도와 같이 장착되는 워크코일(9)의 중심부로부터 ψc만큼 공간부를 가지도록 권회하기 시작하여 ψN₁까지 권회 제1차 분포권선(N₁)을 구성하게 되고, 1차 분포 권선으로부터는 일정간격(GAP)을 유지한 다음 ψN₂되는 위치에서 부터는 용기(1)를 감쌀 수 있도록 점진적으로 상부에 위치되게 외경 : ψ₀, 높이 : H까지 권회하여 제2차 분포권선(N₂)을 구성하게 되는데, 이때 1차 분포권선(N₁)과 2차 분포권선(N₂)사이에 일정 간격을 형성한 것은 유도자장의 발생 빈도를 균일하게 하여 용기에서의 발열량이 균일해지도록 하기 위함이다.

이는 팬 케이크 테스트(Pan cake test) 결과등으로 가장 바람직한 것으로 나타났다. 상기한 바와같이 권회되는 워크코일(9)을 이용하여 용기를 균일하게 가열시키기 위해서는 다음과 같은 최적의 설계 요소(Factor)를 고려하여여 한다.

제2도와 같이 집단선을 이루는 워크코일의 외경 ψω는 N₁및 N₂가 동일하므로 1, 2차 분포 권선의 비 N₂/N₁ K는 각 분포 권선의 면적비와 동일하게 된다. 이는 제5(b)도에서처럼 분포비 K : L을 가지는 폭 N_K및 N_L의 분포권선에서 각각의 중심점 0, 0'로부터 합성자계 분포의 중심선까지 거리가 각각 X_K, X_L이고 각각의 자계세기의 비에 대략 비례하기 때문에 X_K/X_L N_K/N_L과 같이 된다.

따라서 합성자계의 인벌로프(Envelope) 꼭지점 B_K및 B_L+K, B_L의 간격을 고려하면 N_K=N_L의 경우가 3점의 등간격이 되므로 K=1이 될때 권선분포에 의한 균일 가열효과가 가장 우수하게 된다.

다만, 사용상의 편리성을 위해 K=1을 중심으로 0.5 ＜ K ＜1.5의 범위가 되게 하는 것이 현실적으로 더욱 바람직하다.

또한 이때 두권선사이의 간격(GAP)=(ψN₂-ψN₁)2와, 전체 분포 권선 점유길이의 폭 W=N₁+GAP+N₂와의 비를 G라 하면,

상기 식에 N₂=KN₁을 대입하면

이때 최적 균일 가열조건인 K=1인때를 고려하면 제5(b)도와 같이 N_K및 N_L에 의한 합성자계강도 포락선(점선)은 K=1일때 B_K=B_L과 같고 각각의 N_K및 N_L에 의한 포락선 모양은 각각의 중심선에서 기울기가 ±η인 직선으로 구성된 삼각파로 근사시킬 수 있게 된다.

이는 자계 강도 실험에 의해 측정 가능하게 된다.

또한 0 및 0'를 중심으로 한 근사그래프 ①과 ②를 보면 ①의 그래프는 0점을 원점으로 한 B_X(X)=-η(X)+B_K와 같고 ②의 그래프는 0'점을 원점으로 한 B_L(X)=+η(X)+B_L과 같다.

그런데 K=1로서, B_K=B_L=B_K+L이 같도록 균일한 자계가 형성되는 이상적인 조건은 B_K(X), B_L(X)의 직선 그래프가 서로 B_L및 N_K로 향해 가면서 각각의 B_K(X) 및 B_L(X)의 자계로서 보강 간섭하기 때문에 서로의 중심 0 및 0'점에서는 상호간의 자계 영향이 0(ZERO)가 되는 조건임을 쉽게 할 수 있게 된다.

이 경우 0점 0'점 사이의 모든 구간 자계 강도는 B_K(X) 및 B_L(X)의 근사그래프 합산치로 되어 B_K=B_L=B로 균일하게 되므로 균일 가열이 근사적으로 가능하게 되는 것이다.

상기한 바와같은 원리에 의해 일정 간격(GAP)이 유지되게 제1차 분포권선(N₁)과 제2차 분포권선(N₂)으로 장착되어 100V 전원으로 용기를 가열시키는 종래의 워크코일(9)은 직경이 대략 0.4∼0.5mm의 소선을 20∼30가닥 시계 또는 반시계방향으로 꼬아 전체 직경(ψω)이 3.0∼4.0mm 정도 되도록 하여 사용하였다.

이는 밥솥의 용량이 10인분의 최대 필요 전력이 1.3KW급으로 사용하는 인버터 스위칭 회로에 따라 다소의 차이는 있으나 워크코일 집단선을 통해 약 10Arms 이상의 큰 전류가 흐르기 때문에 전류 밀도를 분산시킬 수 있도록 하기 위함이다.

이때 워크코일(9)의 직경을 0.4∼0.5mm인 소선으로 한 이유는 전술한 바와같이 전류의 침투깊이(δ)는 표면을 100%로 하는 전류가 흐를때 주파수가 높을수록 실제전류의 통전깊이가 적어져 표피전류의 38%가 흐르는 정도로 전류밀도가 적어지는 것과 같으므로 워크코일을 구리재질로 하고, 최대 35KHz까지 동작하는 스위칭 회로에 있어서 ψω=0.7mm가 되지만 손실을 최소화시키고 충분한 여유(Margin)을 확보할 수 있도록 하기 위해 0.4∼0.5mm의 소선을 사용하게 된다.

또한 소선을 20∼30가닥으로 꼬아 전체의 직경(ψω)이 3.0∼4.0mm의 집단선으로 한 이유는 고주파 전류를 통전하는 경우의 전류밀도는 선(線)의 단면적에 비해 고르게 분포하는 것이 아니기 때문에(표피효과때문) 대전류의 경우 하나의 굵은선을 쓰는 것은 선의 중앙에 동공현상이 발생하여 전류의 전달에 기여하지 못하는 부분이 존재하기 때문에 상대적으로 손실이 커지게 되므로 이보다는 침투깊이 보다도 충분히 가는소선, 즉 2δcu보다 작은 직경을 가지는 소선을 여러가닥 꼬아서 만든 집단선을 이용하는 것이 바람직하기 때문이다.

집단선을 이루는 소선수를 결정하는데 있어 고려할 사항은 워크코일의 저항 발생으로 인한 자체 발열 온도상승이다.

때문에 워크코일의 온도 그래프는 여러가지로 정해져 있으며 통상 사용되는 온도는 150°이하의 F종급으로 20∼30가닥 사용하면 된다.

이때 소선수를 줄이면 저항손이 증대되고, 반대로 소선수를 늘리면 저항손이 감소되는데 내열 온도를 조절할 수 있게 된다.

실험결과, 0.4∼0.5mm 소선을 20∼30가닥 사용시 1.3KW급에 있어서 F종 사용이 가능하게 되었다.

상기한 바와같은 집단선은 20회 정도 권회하여 각 분포권선(N₁, N₂)을 구성하여야만 용기 장착시 40μH의 인덕턴스를 발생시키게 되며 용기의 지름(10인분의 경우 ψ : 약 220mm)과 워크코일의 권선높이(H : 약 30mm)를 감안할 경우에도 균일 가열을 위한 권선과의 간격(GAP)을 25mm 정도 확보하여야 된다.

상기 워크코일에 사용되는 가열 주파수가 약 20∼30KHz 정도인 것은 가청 주파수 소음의 범위(16∼20KHz)가 아니며 현재 상용의 전력 소자로서 실현되는 스위칭 주파수의 한계(약 35KHz 이하)로서 결정되어진다.

이러한 사용 주파수 대역에서 동작하는 통상의 최대 취반 전력에 적합한 전력용량(1.3KW 이하)으로 설계하기 위해서는 워크코일에 흐르는 전류를 적절히 조절할 필요가 있으며 이 경우 워크코일의 인덕턴스(L)와 입력전력(Pi)을 제6도를 참고로 설명하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.

여기서 ts : 스위칭 구간, T : 주기(f=25KHz일때 40μs), Ei : 실효입력전압, ton : 스위칭 온시간(약 20μs), td : 다이오드 온시간(약 9μs)이다.

이는 제6(a)도에 도시한 통상의 공진형 인버터 스위칭 회로를 사용하는데 적절한 표현식이다.

상기 식에 의해 Pi를 L에 대해 나타내면

따라서 동일한 동작 주파수 및 동일한 입력용량을 가지는 회로에서 워크코일에 220V용 전원을 인가하고자 할 경우에는 단지 입력전압 Ei의 변화에 대응한 L의 변화로서 생각되어질 수 있으므로 다음과 같이

배의 권회수 증가가 필요하게 되므로 종래의 ψω=3∼4mm로는 균일 가열을 위한 분포 권선 사이의 간격(GAP) 및 권선의 높이(H)도 관리할 수 없게 된다.

즉, 종래의 집단선으로 220V의 전원을 사용하기 위해서는 사용 전압의 증가분만큼 통전전류를 감소시켜야 되므로 워크코일의 권회수를 L₁보다만큼 늘려야 되었고, 이에 다라 동일 용기에서 워크코일이 장착되는 페라이트의 길이를 필요이상 상부로 길게 형성하여야 되었음은 물론 분포권선 사이의 간격(GAP)을 유지할 수 없게 되므로 균일 가열의 확보가 불가능하게 되었다.

본 발명은 종래의 이와같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 페라이트에 장착되는 워크코일의 집단선 직경(ψω)을 작게하여 페라이트의 구조를 변경하지 않고도 220V 전원을 사용할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 형태에 따르면, 0.4∼0.5mm의 소선을 여러가닥 묶어 집단선을 이루도록 하여 상기 집단선을 페라이트에 장착하도록 된 유도가열밥솥에 있어서, 워크코일 집단선의 외경(ψω)과 1, 2차 분포 권선사이의 간격(GAP)의 비인 G값을 10 ≤ G ≤ 15 범위로 하고 워크코일 집단선의 외경(ψω)과 상부로 감싸여지게 권선된 권선높이(H)의 비인 h값을 13 ＜ h ＜ 18범위로 하여서 된 220V용 유도가열밥솥의 워크코일 장착 구조가 제공된다.

이하 본 발명은 첨부된 도면에 의해 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 페라이트(7)에 장착되어 20∼30KHz의 고주파 전류에 의해 교류자장이 형성되는 워크코일(9)은 제4도와 같이 0.4∼0.5mm의 소선을 10∼15가닥 묶어 집단선을 이루도록 되어있다.

이때 집단선을 이룬 워크코일의 외경(ψω)은 1.5∼2.0mm 정도가 되도록 되어있다. 이는 집단선의 외경(ψω)을배만큼 감소시켜 종래 100V용 보다 많이 권회시킴으로서 220V 전원 사용이 가능해지며, 사용주파수의 범위는 종래와 동일하여 0.4∼0.5mm의 외경을 갖는 소선에 흐르는 전류량이 동일 입력 전력의 조건에서는 사용전압의 증가에 반비례하므로 10∼15소선을 사용하여 집단선을 형성시켜 외경이 1.5∼2.0mm가 되도록 한 것이다.

이 경우 100V 전원을 사용하던 종래에 비해 동일한 권취공간에배만큼의 권회수 형성이 가능해지므로 균일 가열을 위한 적당한 간격(GAP)형성도 가능해지며 페라이트를 길게 형성할 필요가 없게 된다.

이때 집단선의 외경(ψω)이 1.5∼2.0mm가 되어야 하는 이유는 워크코일 집단선의 외경(ψω)과 1, 2차 분포권선사이의 간격(GAP)의 비인 G값은 10 ≤ G ≤ 15 범위이고, 워크코일 집단선의 외경(ψω)과 상부로 감싸여지게 권선된 권선높이(H)의 비인 h값이 13 ＜ h ＜ 18 범위로 되어야 하기 때문에 상기 식의 ψω를 만족시키는 수치는 1.5∼2.0mm가 된다.

따라서 워크코일이 감싸지는 적정높이(H) 및 적정간격(G)의 확보를 위해서는 220V계의 전류가 100V계의 전류보다 동일 전력의 경우 전류량이 적어지게 설계할 수 있기 때문에 이를 이용하여 0.4∼0.5mm×10∼15선으로 된 집단선을 제작 실험하면 ψω=1.5∼2.0mm의 외경을 얻을 수 있고 이를 소정의 필요 권회수를 100V계에 비해 K배만큼 증가되게 감아도 적절한 높이 H 및 1, 2차 분포 권선 간격 G가 관리될 수 있음이 실험결과 증명되었다.

이 경우 ψω=1.5∼2.0mm에 따라 H=30mm 및 G=25mm를 중심으로 약간의 치수변동이 발생될 수 있으나 변동 범위가 ±5mm 이하인 경우에는 실험결과 큰 무리가 없었다.

이상에서와 같이 본 발명은 워크코일의 집단선 외경(ψω)을 종래의 100V용에 비해 50% 정도 감소시켜배만큼 권회수를 증대시킬 수 있게 되므로 동일 공간내에서의 권회가 가능하게 됨은 물론 워크코일이 장착되는 페라이트의 높이를 길게 형성할 필요가 없게 되므로 종래와 동일한 규격(100V용)의 유도가열밥솥에 220V의 전원을 적용시킬 수 있게 되고, 이에 따라 소비전력을 줄일 수 있게 되는 효과를 갖게된다.

Claims (2)

1. 0.4∼0.5mm의 소선을 여러가닥 묶어 집단선을 이루도록 하여 상기 집단선을 페라이트에 장착되도록 된 것에 있어서, 워크코일(9) 집단선의 외경(ψω)과 1, 2차 분포 권선사이의 간격(GAP)이 비인 G값을 10≤ G ≤ 15 범위로 하고 워크코일(9) 집단선의 외경(ψω)과 상부로 감싸여지게 권선된 권선높이 (H)의 비인 h값을 13 ＜ h ＜ 18 범위로 하여서 됨을 특징으로 하는 220V용 유도가열밥솥의 워크코일 장착구조.
2. 제1항에 있어서, 워크코일(9)의 집단선 외경을 1.5∼2.0mm 범위로 하여서 됨을 특징으로 하는 220V용 유도가열밥솥의 워크코일 장착구조.