WO2023286904A1 - 유도 가열 방식의 쿡탑 - Google Patents

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WO2023286904A1
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working coil
cooktop
area
induction heating
heating
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PCT/KR2021/009565
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이재우
문현욱
박경호
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엘지전자 주식회사
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    • Y02B—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES RELATED TO BUILDINGS, e.g. HOUSING, HOUSE APPLIANCES OR RELATED END-USER APPLICATIONS
    • Y02B40/00—Technologies aiming at improving the efficiency of home appliances, e.g. induction cooking or efficient technologies for refrigerators, freezers or dish washers

Definitions

  • the present disclosure relates to an induction heating type cooktop, and more particularly, to an induction heating type cooktop capable of heating both a magnetic cooking vessel and a non-magnetic cooking vessel.
  • a method of heating an object to be heated using electricity is largely divided into a resistance heating method and an induction heating method.
  • the resistance heating method is a method of heating by transferring heat generated when current flows through a non-metallic heating element such as a metal resistance wire or silicon carbide to a cooking vessel through radiation or conduction.
  • the induction heating method is a method in which an eddy current is generated in a cooking container made of metal using a magnetic field generated around the coil when high-frequency power of a predetermined size is applied to the coil so that the cooking container itself is heated.
  • the non-magnetic container has a smaller specific resistance in the same operating frequency band due to lower permeability than the magnetic container, and thus the output of the non-magnetic container is smaller than that of the magnetic container.
  • a method for increasing the output of not only the magnetic container but also the non-magnetic container is required.
  • a method for increasing the output of a conventional non-magnetic container a structure for switching the inductance of a working coil or the capacitance of a resonant network has been devised.
  • an additional circuit such as a changeover switch is added, problems such as increase in manufacturing cost and increase in volume occur.
  • An object of the present disclosure is to provide an induction heating type cooktop capable of heating both magnetic and non-magnetic materials using only a single coil and a capacitor without a separate switching structure.
  • An object of the present disclosure is to provide an induction heating type cooktop capable of improving heating output for a non-magnetic material as well as a magnetic material without a separate switching structure by increasing the resistance of the cooking vessel by raising the operating frequency band higher than the existing frequency band.
  • An induction heating cooktop includes a glass top plate having a heating region where a cooking vessel is heated, a working coil generating a magnetic field to heat the cooking vessel, and a switch driven to allow current to flow through the working coil. and an inverter having an area of the working coil may be smaller than an area of the heating region.
  • the area of the working coil may be half of the area of the heating zone.
  • the working coil may be disposed such that a distance between a first turn and a second turn adjacent to the first turn is spaced apart by a predetermined interval.
  • the predetermined interval may be the thickness of the working coil.
  • the switch may be a SiC device.
  • the number of turns of the working coil may be determined by the area of the heating region and specifications of the working coil.
  • the number of turns of the working coil may be half of a value obtained by dividing a length corresponding to a difference between an inner diameter and an outer diameter of the working coil by a diameter of one turn of the working coil.
  • the diameter of one turn of the working coil is determined by the diameter of one copper wire constituting the working coil and the total number of strands, the diameter of one strand is smaller than the penetration length of the operating frequency, and the total number of strands in the resonant circuit It may be determined according to the expected current value according to the power factor.
  • the inverter can operate in a frequency band of 50 kHz or higher.
  • an output of at least 2 kW or more can be secured for not only the magnetic container but also the non-magnetic container.
  • the area of the working coil is smaller than the heating area, less copper is used, thereby reducing manufacturing cost.
  • a SiC element is used as a switching element, there is an advantage in securing performance stability even in a high frequency band.
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating a cooktop and a cooking vessel according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of a cooktop and a cooking vessel according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 3 is a circuit diagram of a cooktop according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating output characteristics of a cooktop according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
  • 5 is data obtained by measuring the output of each of a magnetic body and a non-magnetic body according to the number of turns of a working coil according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 6 is a graph showing driving frequencies in an experiment according to FIG. 5 .
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a heating region of a cooktop according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a litz wire of a cooktop according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 9 is an exemplary view illustrating an arrangement of working coils according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 10 is an exemplary diagram illustrating a disposition structure of a ferrite core for a rectangular working coil according to a first embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 11 is an exemplary view showing a structure of disposition of a ferrite core for a rectangular working coil according to a second embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 12 is an exemplary diagram illustrating a disposition structure of a ferrite core for a rectangular working coil according to a third embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 13 is an exemplary diagram illustrating a disposition structure of a ferrite core for a rectangular working coil according to a fourth embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating outputs of magnetic and non-magnetic materials in a cooktop according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating a cooktop and a cooking vessel according to an embodiment of the present disclosure
  • FIG. 2 is a cross-sectional view of the cooktop and a cooking vessel according to an embodiment of the present disclosure.
  • the cooking vessel 1 may be positioned above the cooktop 10, and the cooktop 10 may heat the cooking vessel 1 located thereon.
  • the cooktop 10 can generate a magnetic field 20 such that at least a portion of it passes through the cooking vessel 1 .
  • the magnetic field 20 may induce an eddy current 30 in the cooking vessel 1. This eddy current 30 heats the cooking vessel 1 itself, and since this heat is conducted or radiated to the inside of the cooking vessel 1, the contents of the cooking vessel 1 can be cooked.
  • the eddy current 30 does not occur. Accordingly, in this case, the cooktop 10 cannot heat the cooking vessel 1 .
  • the cooking container 1 that can be heated by the cooktop 10 may be a stainless steel container or a metal container such as an enamel or cast iron container.
  • the cooktop 10 may include at least one of a top glass 11 , a working coil 12 , and a ferrite core 13 .
  • the top glass 11 may support the cooking container 1 . That is, the cooking container 1 may be placed on the upper surface of the top glass 11 . A heating region in which the cooking vessel 1 is heated may be formed in the upper glass 11 .
  • the top glass 11 may be formed of ceramic tempered glass obtained by synthesizing various mineral materials. Accordingly, the top glass 11 can protect the cooktop 10 from external impact.
  • the top glass 11 can prevent foreign substances such as dust from entering the cooktop 10 .
  • the working coil 12 may be positioned below the top glass 11 . These working coils 12 may or may not be energized to generate the magnetic field 20 . Specifically, current may or may not flow through the working coil 12 according to the on/off of the internal switching element of the cooktop 10 .
  • a magnetic field 20 When a current flows through the working coil 12, a magnetic field 20 is generated, and this magnetic field 20 may generate an eddy current 30 by meeting an electrical resistance component included in the cooking vessel 1.
  • the eddy current heats the cooking vessel 1, so that the contents of the cooking vessel 1 can be cooked.
  • the heating power of the cooktop 10 may be adjusted according to the amount of current flowing through the working coil 12 .
  • the current flowing through the working coil 12 increases, the magnetic field 20 is generated more, and accordingly, the magnetic field passing through the cooking vessel 1 increases, so the heat power of the cooktop 10 can increase.
  • the ferrite core 13 is a component for protecting the internal circuit of the cooktop 10. Specifically, the ferrite core 13 serves as a shield to block the influence of the magnetic field 20 generated from the working coil 12 or the electromagnetic field generated from the outside on the internal circuit of the cooktop 10 .
  • the ferrite core 13 may be formed of a material having very high permeability.
  • the ferrite core 13 serves to induce the magnetic field introduced into the cooktop 10 to flow through the ferrite core 13 without being radiated.
  • the movement of the magnetic field 20 generated in the working coil 12 by the ferrite core 13 may be as shown in FIG. 2 .
  • the cooktop 10 may further include components other than the upper glass 11, the working coil 12, and the ferrite core 13 described above.
  • the cooktop 10 may further include an insulator (not shown) positioned between the top glass 11 and the working coil 12 . That is, the cooktop according to the present disclosure is not limited to the cooktop 10 shown in FIG. 2 .
  • FIG. 3 is a circuit diagram of a cooktop according to an embodiment of the present disclosure.
  • the induction heating cooktop includes a power supply unit 110, a rectifier unit 120, a DC link capacitor 130, an inverter 140, a working coil 150, a resonance capacitor 160, and an SMPS 170. It may include at least some or all of them.
  • the power supply unit 110 may receive external power.
  • the power that the power supply unit 110 receives from the outside may be AC (Alternation Current) power.
  • the power supply unit 110 may supply AC voltage to the rectifying unit 120 .
  • the rectifier 120 (Rectifier) is an electrical device for converting alternating current into direct current.
  • the rectifying unit 120 converts the AC voltage supplied through the power supply unit 110 into a DC voltage.
  • the rectifier 120 may supply the converted voltage to DC both terminals 121 .
  • An output terminal of the rectifying unit 120 may be connected to DC both terminals 121 .
  • the DC both ends 121 output through the rectifier 120 may be referred to as a DC link.
  • the voltage measured across the DC terminals 121 is referred to as the DC link voltage.
  • the DC link capacitor 130 serves as a buffer between the power supply unit 110 and the inverter 140 . Specifically, the DC link capacitor 130 is used to maintain the DC link voltage converted through the rectifier 120 and supply it to the inverter 140 .
  • the inverter 140 serves to switch the voltage applied to the working coil 150 so that a high-frequency current flows through the working coil 150 .
  • the inverter 140 may include a semiconductor switch, and the semiconductor switch may be an Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) or a SiC device, but since this is merely an example, it is reasonable not to be limited thereto.
  • IGBT Insulated Gate Bipolar Transistor
  • SiC SiC device
  • current may flow or current may not flow depending on whether the switching element is driven.
  • a current flows through the working coil 150, a magnetic field is generated.
  • the working coil 150 may heat the cooking appliance by generating a magnetic field as current flows.
  • One side of the working coil 150 is connected to the connection point of the switching element of the inverter 140, and the other side is connected to the resonant capacitor 160.
  • the driving of the switching element is performed by a driving unit (not shown), and is controlled at a switching time output from the driving unit to apply a high-frequency voltage to the working coil 150 while the switching elements alternately operate with each other. And, since the on/off time of the switching element applied from the driver (not shown) is controlled in a gradually compensated manner, the voltage supplied to the working coil 150 changes from a low voltage to a high voltage.
  • the resonance capacitor 160 may be a component for serving as a shock absorber.
  • the resonance capacitor 160 affects the energy loss during the turn-off time by adjusting the saturation voltage rise rate during the turn-off of the switching element.
  • SMPS Switching Mode Power Supply
  • the SMPS 170 converts the DC input voltage into a voltage in the form of a square wave, and then obtains a controlled DC output voltage through a filter.
  • the SMPS 170 may minimize unnecessary loss by controlling the flow of power using a switching processor.
  • the resonance frequency is determined by the inductance value of the working coil 150 and the capacitance value of the resonance capacitor 160. Then, a resonance curve is formed around the determined resonance frequency, and the resonance curve may represent the output power of the cooktop 10 according to the frequency band.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating output characteristics of a cooktop according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
  • a Q factor may be a value representing the sharpness of resonance in a resonance circuit. Therefore, in the case of the cooktop 10 , the Q factor is determined by the inductance value of the working coil 150 included in the cooktop 10 and the capacitance value of the resonant capacitor 160 . Depending on the Q factor, the resonance curve is different. Accordingly, the cooktop 10 has different output characteristics according to the inductance value of the working coil 150 and the capacitance value of the resonant capacitor 160 .
  • the horizontal axis of the resonance curve may represent frequency, and the vertical axis may represent output power.
  • the frequency at which the maximum power is output in the resonance curve is referred to as the resonance frequency f0.
  • the cooktop 10 uses a frequency in the right region based on the resonance frequency f0 of the resonance curve.
  • the cooktop 1 may have a minimum operating frequency and a maximum operating frequency set in advance.
  • the cooktop 10 may operate at a frequency corresponding to a range from the maximum operating frequency fmax to the minimum operating frequency fmin. That is, the operating frequency range of the cooktop 10 may be from the maximum operating frequency fmax to the minimum operating frequency fmin.
  • the maximum operating frequency fmax may be the IGBT maximum switching frequency.
  • the IGBT maximum switching frequency may refer to a maximum driving frequency in consideration of withstand voltage and capacity of the IGBT switching element.
  • the maximum operating frequency fmax may be 75 kHz.
  • the minimum operating frequency (fmin) may be about 20 kHz. In this case, since the cooktop 10 does not operate at an audible frequency (approximately 16Hz to 20kHz), noise of the cooktop 10 can be reduced.
  • the cooktop 10 may determine an operating frequency according to a heating power level set in the heating command. Specifically, the cooktop 10 may adjust the output power by lowering the operating frequency as the set heating power level increases and increasing the operating frequency as the set heating power level decreases. That is, upon receiving a heating command, the cooktop 10 may perform a heating mode operating in one of the operating frequency ranges according to the set heating power.
  • the cooktop 10 may operate at the same operating frequency if the set heating power is the same.
  • the resistance of the cooking vessel 1 is different, so that the cooking vessel 1 is heated due to different outputs even though the set heating power is the same.
  • There are problems with time, speed, etc. In particular, when heating the cooking vessel 1, which is a non-magnetic material, in the case of the cooking vessel 1, resistance is low, so that the cooktop 1 cannot produce high output.
  • the present disclosure intends to provide a cooktop capable of heating containers made of different materials, that is, a magnetic container and a non-magnetic container, each with a minimum predetermined reference output (eg, 2 kW) or more.
  • a minimum predetermined reference output eg, 2 kW
  • an object of the present disclosure is to provide a cooktop capable of heating a magnetic material and a non-magnetic material in the same cooking zone while reducing manufacturing cost and reducing volume because it does not have a separate switching structure.
  • the present disclosure seeks to increase the output of the non-magnetic material by increasing the operating frequency.
  • the cooktop 10 may increase the operating frequency of the inverter 140 higher than the existing operating frequency (approximately 20 to 50 kHz).
  • the operating frequency of the inverter 140 may be about twice or more than the existing operating frequency.
  • the inverter 140 may operate in a frequency band of 50 kHz or higher.
  • the result of the output experiment for each of the magnetic body and the non-magnetic body according to the number of turns of the working coil 12 may be as shown in FIG. 5 .
  • 5 is data obtained by measuring the output of each of a magnetic body and a non-magnetic body according to the number of turns of a working coil according to an embodiment of the present disclosure.
  • the example of FIG. 5 is the output measured while changing the number of turns and the capacitor of the rectangular working coil 12 when the working coil 12 is 200 ⁇ 170 mm 2 .
  • Clad is STS430, indicating a magnetic container, and STS304 may indicate a non-magnetic container.
  • the output for the magnetic container is 3.4 kW and the output for the non-magnetic container is 2.2 kW, referring to the data in FIG. 5, it can be seen that the output can be stably secured when the number of turns is 13T to 16T.
  • FIG. 6 is a graph showing the driving frequency in the experiment according to FIG. 5 .
  • the driving frequency is around the resonant frequency, which may cause severe heat generation of the switch due to control errors, on/off signal delay of the gate signal, and the like.
  • the heating time may be increased because the output is lower than the rated output.
  • the working coil 12 is designed to reduce turns in order to secure performance for the magnetic container and the non-magnetic container.
  • the cooktop 10 seeks to secure operation stability by limiting the number of turns of the working coil. And, by limiting the number of turns of the working coil, it is possible to maintain the reactance of the working coil even though the operating frequency is increased. That is, considering Equation 1 for calculating reactance, assuming that the operating frequency is increased by a factor of 2, the inductance must be halved to maintain the reactance. This can be easily confirmed through Equation 2.
  • a cooktop according to an embodiment of the present disclosure may include only working coils corresponding to half of the working coils that may be disposed at positions corresponding to the heating region. That is, the number of turns corresponding to half of the maximum number of turns that can be disposed at a position corresponding to the heating region may be disposed on the working coil. Depending on the embodiment, about 1 or 2 turns may be added or omitted within the actual increase rate of the operating frequency and designable limits.
  • a method for calculating the maximum number of turns may be as follows.
  • the area of the heating region can be obtained.
  • FIG. 7 is a diagram illustrating a heating region of a cooktop according to an exemplary embodiment of the present disclosure.
  • the working coil 12 may be arranged in a circular or rectangular shape. That is, the working coil 12 may be wound along a circle as shown in FIG. 7(a) or may be wound along a square as shown in FIG. 7(b). In this case, the predetermined area including the center may be an area where the temperature sensor is disposed. Therefore, the inner diameter (including the horizontal inner diameter and the vertical inner diameter) may require a minimum distance at which the magnetic field generated from the working coil 12 does not affect the temperature sensor.
  • the working coil 12 is disposed between the inner diameter and the outer diameter, and may be wound from the center to the outside or from the outside to the center.
  • An area where the working coil 12 is disposed may be a heating area. More specifically, a region overlapping the working coil 12 in the vertical direction in the upper glass 11 may be a heating region. That is, a heating region in which the cooking vessel 1 is heated is formed in the upper glass 11, and the heating region may be a region overlapping the working coil 12 in a vertical direction.
  • the heating area may be determined by the area where the working coil 12 is disposed, that is, the inner diameter (including the horizontal inner diameter and the vertical inner diameter) and the outer diameter (including the horizontal outer diameter and the vertical outer diameter).
  • the specification of the litz wire can be obtained.
  • the working coil 12 may be Litz wire.
  • FIG. 8 is a cross-sectional view of a litz wire of a cooktop according to an embodiment of the present disclosure.
  • the working coil 12 may be a litz wire formed of multi-stranded copper.
  • the diameter of one strand of the Litz wire may be smaller than the penetration length of the operating frequency of the cooktop 10 .
  • the penetration length can be calculated through Equation 3 below.
  • Equation 3 is the operating frequency, is the magnetic permeability of copper, may be the conductivity of copper.
  • the total number of strands of the Litz wire is determined according to the expected current value in the design considering the power factor in the resonance circuit, and the expected current value can be calculated by dividing the target output by the product of the inverter input voltage and the power factor of the resonance circuit.
  • the target output may be calculated by multiplying 230V (voltage) and the total current. That is, the target output may be calculated by multiplying the inverter input voltage, the inverter resonance current, and the resonance circuit power factor.
  • Target output 230V (voltage) ⁇ total current
  • Expected current (fundamental wave) target output / (inverter input voltage (fundamental wave) ⁇ (resonant circuit power factor))
  • the power factor of the resonant circuit may be based on a design value.
  • the maximum number of turns of the working coil that can be disposed within the area of the heating region can be calculated according to the obtained specification of the Litz wire.
  • the overall diameter of the litz wire that is, the diameter of one turn of the working coil can be calculated.
  • a value obtained by dividing the length corresponding to the difference between the inner diameter and the outer diameter by the diameter of one turn of the working coil may be determined as the maximum number of turns of the working coil.
  • the working coil when the maximum number of turns of the working coil is determined, the working coil may be arranged to be wound by the number of turns corresponding to half of the maximum number of turns.
  • the number of turns of the working coil may be half of a value obtained by dividing the length corresponding to the difference between the inner diameter and the outer diameter of the working coil by the diameter of one turn of the working coil.
  • the diameter of one turn of the working coil is determined by the diameter of the copper wire constituting the working coil and the total number of strands, the diameter of one strand is smaller than the penetration length of the operating frequency, and the total number of strands is the power factor in the resonant circuit It may be determined according to the expected current value according to.
  • the area of the working coil 12 may be smaller than the area of the heating region.
  • the area of the working coil 12 may mean the area of copper actually used in the working coil 12 . That is, the area of the working coil 12 may not be the area occupied by the working coil 12, but may be an area when the actual working coils 12 are unfolded.
  • the area of the working coil 12 may be half the area of the heating zone.
  • the cooktop 10 may not only be formed with the number of turns corresponding to the above-described (maximum number of turns/2), but may also be formed with (maximum number of turns/2) ⁇ (1 to 2 turns). 1 to 2 turns added or reduced can be determined within the frequency increase rate and design limits. That is, the number of turns of the working coil 12 may be determined by the area of the heating region and the specifications of the working coil 12 .
  • the switching element of the inverter 140 may be a silicon carbide (SiC) element. Accordingly, it is possible to withstand heat generation due to fast switching due to an increase in operating frequency.
  • the working coil of the cooktop 10 is formed with the number of turns corresponding to half of the maximum number of turns selected according to the above method.
  • FIG. 9 is an exemplary view illustrating an arrangement of working coils according to an embodiment of the present disclosure.
  • the working coil 12 is formed with a number of turns corresponding to half of the maximum number of turns, and at this time, each turn of the working coil 12 is spaced apart from adjacent turns by a predetermined interval.
  • the working coil 12 may be disposed so that the distance between the first turn and the second turn adjacent to the first turn is spaced apart by a predetermined interval.
  • the preset interval may be the thickness of the working coil 12 . That is, the preset interval may be the thickness of one turn of the working coil. However, since this is merely an example, it is reasonable not to be limited thereto.
  • a ferrite core 13 or an aluminum shield may be installed to increase the efficiency of the working coil 12 formed and arranged as described above and to minimize leakage of magnetic flux.
  • An aluminum shield (not shown) may be installed with a sufficient thickness so that the PCB is not affected by the electromagnetic field caused by the working coil 12 .
  • the working coils 12 when the working coils 12 are arranged circularly, they may be arranged radially. Also, when the working coils 12 are arranged in a rectangular shape, they may be arranged according to embodiments to be described later.
  • the long side portion is the first area A1
  • the short side portion is the second area A2
  • the first area and the second area The space between (A2) is referred to as a third area (A3).
  • the upper drawing shows each area (A1) (A2) (A3) of the rectangular working coil 12
  • the lower drawing shows the arrangement of the ferrite core, and the thickness is the strength of the magnetic flux density.
  • FIG. 10 is an exemplary diagram illustrating a disposition structure of a ferrite core for a rectangular working coil according to a first embodiment of the present disclosure.
  • ferrite cores having the same size and thickness may be disposed in the first to third regions A1, A2, and A3.
  • each of the ferrite cores may have a horizontal length of 15 mm, a vertical length of 60 mm, and a thickness of 5T, but this is only exemplary and is not limited thereto.
  • the number of ferrite cores disposed in the first area A1 may be greater than the number of ferrite cores disposed in the second area A2. Also, the number of ferrite cores disposed in the first region A1 may be greater than the number of ferrite cores disposed in the third region A3. The number of ferrite cores disposed in the second area A2 and the number of ferrite cores disposed in the third area A3 may be the same.
  • FIG. 11 is an exemplary view showing a structure of disposition of a ferrite core for a rectangular working coil according to a second embodiment of the present disclosure.
  • the ferrite core disposed in the second area A2 may have a larger size than the ferrite core disposed in the first area A1. Also, the size of the ferrite core disposed in the second area A2 may be larger than that of the ferrite core disposed in the third area A3.
  • the thickness of the ferrite core disposed in the second region A2 is greater than the thickness of the ferrite core disposed in the first region A1, and the thickness of the ferrite core disposed in the second region A2 is greater than the thickness of the ferrite core disposed in the third region ( It may be thicker than the thickness of the ferrite core disposed in A3).
  • the amount (volume) of the ferrite cores disposed in the second region A2 is greater (larger) than the amount (volume) of the ferrite cores disposed in the first region A1, and
  • the amount (volume) of the ferrite core may be greater than the amount (volume) of the ferrite cores disposed in the third region A3 .
  • the number of ferrite cores disposed in the first area A1 may be greater than the number of ferrite cores disposed in the second area A2. Also, the number of ferrite cores disposed in the first region A1 may be greater than the number of ferrite cores disposed in the third region A3. The number of ferrite cores disposed in the second area A2 and the number of ferrite cores disposed in the third area A3 may be the same.
  • the size of the cross section of the second region A2 is narrow compared to that of the first region A1, thereby increasing the magnetic flux density, thereby minimizing the problem of magnetic saturation in the corresponding core.
  • each ferrite core is reduced (for example, 5T ⁇ 3T) in the arrangement of FIG. 10, that is, the arrangement according to the first embodiment, the magnetic flux density of the ferrite cores disposed in the first region A1 is reduced.
  • the imbalance may become severe, and thus may be arranged as in the example of FIG. 12 or 13.
  • FIG. 12 is an exemplary diagram illustrating a disposition structure of a ferrite core for a rectangular working coil according to a third embodiment of the present disclosure.
  • ferrite cores having the same size are disposed in the first and second regions A1 and A2, and ferrite cores having a smaller size than the first and second regions A1 and A2 are disposed in the third region A3.
  • a core may be placed. It is assumed that the ferrite cores disposed in the first to third regions A1, A2, and A3 have the same thickness.
  • each of the ferrite cores may have a horizontal length of 35 mm, a vertical length of 60 mm, and a thickness of 3T, but this is only exemplary and is not limited thereto.
  • the number of ferrite cores disposed in the first area A1 may be greater than the number of ferrite cores disposed in the second area A2. Also, the number of ferrite cores disposed in the first region A1 may be greater than the number of ferrite cores disposed in the third region A3. The number of ferrite cores disposed in the second area A2 and the number of ferrite cores disposed in the third area A3 may be the same.
  • This may be a balanced arrangement structure of ferrite cores considering that magnetic flux density is generated relatively strongly in the horizontal or vertical direction and weakly generated in the diagonal direction.
  • FIG. 13 is an exemplary diagram illustrating a disposition structure of a ferrite core for a rectangular working coil according to a fourth embodiment of the present disclosure.
  • ferrite cores having the same size may be disposed in the first and second regions A1 and A2, and no ferrite core may be disposed in the third region A3 (in some cases, the second region A2 ) may be disposed to partially occupy the third region A3).
  • each of the ferrite cores disposed in the first and second regions A1 and A2 have the same thickness.
  • each of the ferrite cores may have a horizontal length of 35 mm, a vertical length of 60 mm, and a thickness of 3T, but this is only exemplary and is not limited thereto.
  • the number of ferrite cores disposed in the first area A1 may be the same as the number of ferrite cores disposed in the second area A2.
  • This may be an arrangement structure in which the magnetic flux in the vertical side, that is, the second area A2 is supplemented by removing the ferrite in the diagonal portion where the magnetic flux is relatively weak.
  • the cooktop 10 can heat both magnetic and non-magnetic materials by including only a single coil and a capacitor without a separate switching structure, a switching switch or additional circuit is unnecessary, reducing cost and volume. can make it.
  • the number of turns of the working coil 12 is reduced, manufacturing cost and weight of the working coil 12 are reduced, and there are advantages in that a separate inductor or switch and a separate capacitor for frequency band variation are unnecessary.
  • FIG. 14 is a diagram illustrating outputs of magnetic and non-magnetic materials in a cooktop according to an embodiment of the present disclosure.
  • the cooktop 10 operates at about 91 kHz when heating a magnetic container and at about 121 kHz when heating a non-magnetic container, thereby securing the desired minimum output for both containers made of both materials. can do.

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Abstract

본 개시는 별도의 절환 구조 없이 단일 코일 및 커패시터만으로 자성체 및 비자성체를 모두 가열할 수 있는 유도 가열 방식의 쿡탑을 제공하기 위한 것으로, 조리 용기가 가열되는 가열 영역이 형성된 상판 글래스, 상기 조리 용기가 가열되도록 자기장을 발생시키는 워킹 코일, 및 상기 워킹 코일에 전류가 흐르도록 구동되는 스위치를 갖는 인버터를 포함하고, 상기 워킹 코일의 면적이 상기 가열 영역의 면적 보다 작을 수 있다.

Description

유도 가열 방식의 쿡탑
본 개시는 유도 가열 방식의 쿡탑에 관한 것으로, 보다 상세하게는 자성 조리 용기 및 비자성 조리 용기를 모두 가열 가능한 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 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 동일한 전류가 코일에 인가되더라도 조리 용기의 재질에 따라서 출력 파워가 달라지는 문제가 있다. 구체적으로, 비자성체 용기는 자성체 용기 보다 낮은 투자율로 인해 동일한 동작 주파수 대역에서 비저항이 작고, 이에 따라 비자성체 용기의 출력이 자성체 용기의 출력 보다 작다.
이에, 자성체 용기뿐만 아니라 비자성체 용기에 대한 출력을 높이기 위한 방안이 요구된다. 종래 비자성체 용기에 대한 출력을 높이기 위한 방안으로, 워킹 코일의 인덕턴스 또는 공진 네트워크의 커패시턴스를 절환하는 구조가 고안되었다. 그런데, 이 경우 절환용 스위치 등 부가 회로가 추가되기 때문에 제조 비용의 상승, 부피 증가 등의 문제가 발생한다.
본 개시는 별도의 절환 구조 없이 단일 코일 및 커패시터만으로 자성체 및 비자성체를 모두 가열할 수 있는 유도 가열 방식의 쿡탑을 제공하고자 한다.
본 개시는 동작 주파수 대역을 기존 주파수 대역 보다 높임으로써 조리 용기에 대한 저항을 높여 별도의 절환 구조 없이 자성체뿐만 아니라 비자성체에 대한 가열 출력을 향상시킬 수 있는 유도 가열 방식의 쿡탑을 제공하고자 한다.
본 개시의 실시 예에 따른 유도 가열 방식의 쿡탑은 조리 용기가 가열되는 가열 영역이 형성된 상판 글래스, 상기 조리 용기가 가열되도록 자기장을 발생시키는 워킹 코일, 및 상기 워킹 코일에 전류가 흐르도록 구동되는 스위치를 갖는 인버터를 포함하고, 상기 워킹 코일의 면적이 상기 가열 영역의 면적 보다 작을 수 있다.
워킹 코일의 면적이 상기 가열 영역의 면적의 절반일 수 있다.
워킹 코일은 제1 턴 및 상기 제1 턴과 인접한 제2 턴 사이의 거리가 기설정된 간격만큼 이격되게 배치될 수 있다.
기설정된 간격은 상기 워킹 코일의 두께일 수 있다.
스위치는 SiC 소자일 수 있다.
워킹 코일의 턴 수는 상기 가열 영역의 면적과 상기 워킹 코일의 사양에 의해 결정될 수 있다.
워킹 코일의 턴 수는 상기 워킹 코일의 내경과 외경의 차에 해당하는 길이를 워킹 코일 한 턴의 직경으로 나눈 값의 절반일 수 있다.
워킹 코일 한 턴의 직경은 상기 워킹 코일을 구성하는 구리 선 한 가닥의 직경과 전체 가닥 수에 의해 결정되며, 상기 한 가닥의 직경은 동작 주파수의 침투 길이 보다 작고, 상기 전체 가닥 수는 공진 회로 내 역률에 따른 예상 전류 값에 따라 결정될 수 있다.
인버터는 50kHz 이상의 주파수 대역에서 동작할 수 있다.
본 개시의 실시 예에 따르면, 동작 주파수를 높으므로, 자성체 용기뿐만 아니라 비자성체 용기에 대해서도 최소 2kW 이상의 출력을 확보 가능한 이점이 있다.
본 개시의 실시 예에 따르면, 워킹 코일의 면적이 가열 면적 대비 작으므로, 구리가 적게 사용되므로, 제조 비용 절감이 가능한 이점이 있다.
본 개시의 실시 예에 따르면, 절환 구조가 불필요하므로, 부피 또는 제조 비용의 증가를 최소화할 수 있는 이점이 있다.
본 개시의 실시 예에 따르면, 스위칭 소자로 SiC 소자가 사용되므로, 고주파수 대역에서도 성능의 안전성을 확보 가능한 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 워킹 코일의 턴 수에 따른 자성체 및 비자성체 각각에 대한 출력을 측정한 결과 데이터이다.
도 6은 도 5에 따른 실험에서 구동 주파수가 도시된 그래프이다.
도 7은 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑의 가열 영역을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑의 리츠 와이어 단면도이다.
도 9는 본 개시의 실시 예에 따른 워킹 코일의 배치 모습이 도시된 예시 도면이다.
도 10은 본 개시의 제1 실시 예에 따른 사각형 워킹 코일에 대한 페라이트 코어의 배치 구조가 도시된 예시 도면이다.
도 11은 본 개시의 제2실시 예에 따른 사각형 워킹 코일에 대한 페라이트 코어의 배치 구조가 도시된 예시 도면이다.
도 12는 본 개시의 제3 실시 예에 따른 사각형 워킹 코일에 대한 페라이트 코어의 배치 구조가 도시된 예시 도면이다.
도 13는 본 개시의 제4 실시 예에 따른 사각형 워킹 코일에 대한 페라이트 코어의 배치 구조가 도시된 예시 도면이다.
도 14는 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑에서 자성체 및 비자성체에 대한 출력이 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(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 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 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.
따라서, 쿡탑(10)은 설정된 화력이 동일하면 동일한 동작 주파수로 동작할 수 있다. 그런데, 쿡탑(10)에 놓인 조리 용기(1)의 재질이 상이한 경우에는 조리 용기(1)의 저항이 달라지기 때문에, 설정된 화력이 동일함에도 불구하고 출력이 상이하여 조리 용기(1)가 가열되는 시간, 속도 등이 달라지는 문제가 있다. 특히, 비자성체인 조리 용기(1)를 가열하는 경우, 조리 용기(1)의 경우 저항이 작아 쿡탑(1)이 고출력을 내지 못하는 한계가 있다.
이에, 본 개시는 서로 다른 재질의 용기, 즉 자성체 용기와 비자성체 용기 각각에 대해 최소 기설정된 기준 출력(예를 들어, 2kW) 이상으로 가열 가능한 쿡탑을 제공하고자 한다. 특히, 본 개시는 별도의 절환 구조를 갖지 않아 제작 비용의 절감 및 부피 감소가 가능하면서, 자성체 및 비자성체를 동일 화구에서 가열 가능한 쿡탑을 제공하고자 한다.
구체적으로, 본 개시는 동작 주파수를 높임으로써 비자성체에 대한 출력을 높이고자 한다.
예를 들어, 쿡탑(10)은 인버터(140)의 동작 주파수를 기존 동작 주파수(약 20~50kHz) 보다 높일 수 있다. 예를 들어, 인버터(140)의 동작 주파수는 기존 동작 주파수의 약 2배 이상일 수 있다. 인버터(140)는 50kHz 이상의 주파수 대역에서 동작할 수 있다.
한편, 이와 같이 고주파수 대역에서 동작할 때 워킹 코일(12)의 턴 수에 따른 자성체 및 비자성체 각각에 대한 출력 실험의 결과는 도 5와 같을 수 있다.
도 5는 본 개시의 실시 예에 따른 워킹 코일의 턴 수에 따른 자성체 및 비자성체 각각에 대한 출력을 측정한 결과 데이터이다.
도 5의 예시는, 워킹 코일(12)이 200×170㎟일 때 사각형 워킹 코일(12)의 턴 수 및 커패시터를 변경하면서 측정한 출력이다.
도 5에서 Clad는 STS430으로, 자성체 용기를 나타내고, STS304는 비자성체 용기를 나타낼 수 있다.
자성체 용기에 대한 출력을 3.4kW, 비자성체 용기에 대한 출력은 2.2kW라고 할 때, 도 5의 데이터를 참고하면, 턴 수가 13T 내지 16T일 때 출력을 안정적으로 확보 가능한 것을 볼 수 있다.
한편, 도 6은 도 5에 따른 실험에서 구동 주파수가 도시된 그래프이다.
도 6의 그래프를 참고하면, 워킹 코일이 14T 내지 16T일 때 구동 주파수가 공진 주파수 부근으로, 이는 제어 상의 오류, 게이트 신호의 온/오프 신호 지연 등으로 인해 스위치의 발열이 심해질 수 있다. 또한, AC 입력전원의 품질 저하 등이 발생하면, 정격 출력 보다 출력이 낮아서, 가열 시간이 늘어날 수 있다.
이에, 도 6에 도시된 바와 같은 권장 제어 영역에서 동작이 바람직할 수 있는데, 턴 수가 낮아질수록 정격 출력을 내는 위치가 구동 주파수가 높아지는 동시에 제어 권장 영역에 가까워짐을 확인할 수 있다.
이에, 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑은 자성체 용기 및 비자성체 용기에 대한 성능을 확보하기 위해 턴을 줄이는 방향으로 워킹 코일(12)을 설계하고자 한다.
즉, 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑(10)은 워킹 코일의 턴 수를 제한하여 동작 안정성을 확보하고자 한다. 그리고, 워킹 코일의 턴 수를 제한함으로써 동작 주파수를 높임에도 불구하고 워킹 코일의 리액턴스를 유지할 수 있다. 즉, 리액턴스를 산출하는 수학식 1을 고려할 때, 동작 주파수를 2배 증가시키는 것으로 가정하면, 인덕턴스는 절반으로 형성되어야 리액턴스가 유지된다. 이는, 수학식 2를 통해서 쉽게 확인될 수 있다.
[수학식 1]
jXL=2πf×L
[수학식 2]
jXL=2π(f×2)×(L/2)
따라서, 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑은 가열 영역에 대응하는 위치에 배치될 수 있는 워킹 코일 중 그 절반에 해당하는 워킹 코일만을 구비할 수 있다. 즉, 가열 영역에 대응하는 위치에 배치될 수 있는 최대 턴 수의 절반에 해당하는 턴 수만큼 워킹 코일에 배치될 수 있다. 실시 예에 따라, 동작 주파수의 실제 증가 비율 및 설계할 수 있는 한도 내에서 약 1턴 또는 2턴이 추가되거나 생략될 수도 있다.
한편, 최대 턴 수를 산출하는 방법은 아래와 같을 수 있다.
먼저, 가열 영역의 면적을 획득할 수 있다.
도 7은 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑의 가열 영역을 나타내는 도면이다.
워킹 코일(12)은 원형 또는 사각형 형상으로 배치될 수 있다. 즉, 워킹 코일(12)은 도 7(a)에 도시된 바와 같이 원을 따라 감기거나, 도 7(b)에 도시된 바와 같이 사각형을 따라 감길 수 있다. 이 때, 중심을 포함하는 소정 영역은 온도 센서가 배치되는 영역일 수 있다. 따라서, 내경(가로 내경과 세로 내경 포함)은 워킹 코일(12)에서 발생한 자기장이 온도 센서에 영향을 주지 않는 최소한의 거리가 요구될 수 있다.
워킹 코일(12)은 내경과 외경 사이에 배치되며, 중심에서 외측방향 또는 외측에서 중심 방향으로 감길 수 있다.
워킹 코일(12)이 배치되는 영역은 가열 영역일 수 있다. 보다 상세하게, 상판 글래스(11)에서 워킹 코일(12)과 수직 방향으로 오버랩되는 영역이 가열 영역일 수 있다. 즉, 상판 글래스(11)에는 조리 용기(1)가 가열되는 가열 영역이 형성되는데, 가열 영역은 워킹 코일(12)과 수직 방향으로 오버랩되는 영역일 수 있다.
따라서, 워킹 코일(12)이 배치되는 영역, 즉 내경(가로 내경 및 세로 내경 포함)과 외경(가로 외경 및 세로 외경 포함)에 의해 가열 영역이 결정될 수 있다.
가열 영역이 획득되면, 리츠 와이어의 사양이 획득될 수 있다.
워킹 코일(12)은 리츠 와이어일 수 있다.
도 8은 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑의 리츠 와이어 단면도이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 워킹 코일(12)은 다중 가닥의 구리로 형성된 리츠 와이어일 수 있다. 리츠 와이어의 1가닥 직경은 쿡탑(10)의 동작 주파수의 침투 길이 보다 작게 형성될 수 있다. 이 때, 침투 길이는 아래 수학식 3을 통해 산출될 수 있다.
[수학식 3]
δ=1/(
Figure PCTKR2021009565-appb-img-000001
)
수학식 3에서
Figure PCTKR2021009565-appb-img-000002
는 동작 주파수이고,
Figure PCTKR2021009565-appb-img-000003
는 구리의 투자율이고,
Figure PCTKR2021009565-appb-img-000004
는 구리의 도전율일 수 있다.
그리고, 리츠 와이어의 전체 가닥 수는 공진 회로 내 역률을 고려한 설계 상의 예상 전류 값에 맞게 결정되며, 예상 전류 값은 목표 출력을 인버터 입력 전압과 공진 회로 역률의 곱을 나눈 값으로 산출될 수 있다. 그리고, 목표 출력은 230V(전압)과 전체 전류의 곱으로 산출될 수 있다. 즉, 목표 출력은 인버터 입력 전압과 인버터 공진 전류와 공진 회로 역률의 곱으로 산출될 수 있다.
정리하면, 수학식 4 및 수학식 5와 같을 수 있다.
[수학식 4]
목표 출력= 230V(전압)×전체 전류
= 인버터 입력 전압(기본파)×인버터 공진전류(기본파)×(공진회로 역률)
[수학식 5]
예상 전류(기본파)= 목표 출력/(인버터 입력전압(기본파)×(공진회로 역률))
단, 공진 회로의 역률은 설계상의 값을 기반으로 할 수 있다.
상술한 방법으로, 가열 영역의 면적과 리츠 와이어의 사양이 획득되면, 획득된 리츠 와이어의 사양에 따를 때 가열 영역의 면적 내에 배치 가능한 워킹 코일의 최대 턴 수를 산출할 수 있다.
즉, 리츠 와이어의 1가닥 직경과 전체 가닥수가 산출되면, 리츠 와이어의 전체 직경, 즉 워킹 코일 한 턴의 직경이 산출될 수 있다. 내경과 외경의 차에 해당하는 길이를 워킹 코일 한 턴의 직경으로 나눈 값이 워킹 코일의 최대 턴 수로 결정될 수 있다.
상술한 방식으로, 워킹 코일의 최대 턴 수가 결정되면, 최대 턴 수의 절반에 해당하는 턴 수만큼 감기도록 워킹 코일이 배치될 수 있다.
정리하면, 워킹 코일의 턴 수는 워킹 코일의 내경과 외경의 차에 해당하는 길이를 워킹 코일 한 턴의 직경으로 나눈 값의 절반일 수 있다. 그리고, 워킹 코일 한 턴의 직경은 워킹 코일을 구성하는 구리 선 한 가득의 직경과 전체 가닥 수에 의해 결정되며, 한 가닥의 직경은 동작 주파수의 침투 길이 보다 작고, 전체 가닥 수는 공진 회로 내 역률에 따른 예상 전류 값에 따라 결정될 수 있다.
이에 따라, 워킹 코일(12)의 면적이 가열 영역의 면적 보다 작을 수 있다. 이 때, 워킹 코일(12)의 면적이란 실제 워킹 코일(12)에 사용된 구리의 면적을 의미할 수 있다. 즉, 워킹 코일(12)의 면적은 워킹 코일(12)이 차지하는 면적이 아닌, 실제 워킹 코일(12)들을 펼쳤을 때이 면적일 수 있다.
따라서, 워킹 코일(12)의 면적이 가열 영역의 면적의 절반일 수 있다.
실시 예에 따라, 쿡탑(10)은 상술한 (최대 턴 수/2)에 해당하는 턴 수로 형성될 뿐만 아니라, (최대 턴 수/2)±(1~2턴)으로 형성될 수도 있다. 추가 또는 감소되는 1~2턴은 주파수의 증가 비율, 설계 한도 내에서 결정될 수 있다. 즉, 워킹 코일(12)의 턴 수는 가열 영역의 면적과 워킹 코일(12)의 사양에 의해 결정될 수 있다.
그리고, 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑(10)은 인버터(140)의 스위칭 소자가 SiC(Silicon Carbide) 소자일 수 있다. 이에 따라, 동작 주파수의 증가에 의해 빠른 스위칭으로 인한 발열 문제를 견딜 수 있다.
본 명세서에서는, 쿡탑(10)의 워킹 코일은 상술한 방법에 따라 선정된 최대 턴 수의 절반에 해당하는 턴 수로 형성되는 것으로 가정한다.
도 9는 본 개시의 실시 예에 따른 워킹 코일의 배치 모습이 도시된 예시 도면이다.
도 9에 도시된 바와 같이, 워킹 코일(12)은 최대 턴 수의 절반에 해당하는 턴 수로 형성되고, 이 때 워킹 코일은(12)의 각 턴은 인접한 턴과 기설정된 간격만큼 이격되게 배치될 수 있다. 즉, 워킹 코일(12)은 제1 턴 및 제1 턴과 이접한 제2 턴 사이의 거리가 기설정된 간격만큼 이격되게 배치될 수 있다.
기 설정된 간격은 워킹 코일(12)의 두께일 수 있다. 즉, 기 설정된 간격은 워킹 코일 한 턴의 두께일 수 있다. 그러나, 이는 예시적인 것에 불과하므로, 이에 제한되지 않음이 타당하다.
이와 같이 형성 및 배치된 워킹 코일(12)의 효율 증가 및 자속 누설 최소화를 위한 페라이트 코어(13) 또는 알루미늄 실드(미도시)가 설치될 수 있다.
알루미늄 실드(미도시)는 워킹 코일(12)에 의한 전자기장에 의해 PCB가 영향받지 않도록 충분한 두께로 설치될 수 있따.
한편, 워킹 코일(12)이 원형으로 배치된 경우 방사형으로 배치될 수 있다. 그리고, 워킹 코일(12)이 사각형으로 배치된 경우 후술하는 실시 예에 따라 배치될 수 있다.
후술하는 도 10 내지 도 13에서, 사각형의 워킹 코일(12) 중 변의 길이가 긴 부분을 제1 영역(A1), 변의 길이가 짧은 부분을 제2 영역(A2), 제1 영역과 제2 영역(A2)의 사이를 제3 영역(A3)이라고 한다. 그리고, 도 10 내지 도 13 각각에서 위에 도면은 사각형 워킹 코일(12)의 각 영역(A1)(A2)(A3)을 나타내며, 아래 도면은 페라이트 코어의 배치를 나타내며, 진하기는 자속 밀도의 강도를 나타낼 수 있다.
도 10은 본 개시의 제1 실시 예에 따른 사각형 워킹 코일에 대한 페라이트 코어의 배치 구조가 도시된 예시 도면이다.
도 10에 도시된 바와 같이, 제1 실시 예에 따르면, 제1 내지 제3 영역(A1)(A2)(A3)에는 동일한 크기 및 동일한 두께를 갖는 페라이트 코어가 배치될 수 있다. 예를 들어, 페라이트 코어 각각은 가로 길이 15mm, 세로 길이 60mm, 두께 5T일 수 있으나, 이는 예시적인 것에 불과하므로, 이에 제한되지 않는다.
한편, 제1 영역(A1)에 배치되는 페라이트 코어의 수는 제2 영역(A2)에 배치되는 페라이트 코어의 수 보다 많을 수 있다. 그리고, 제1 영역(A1)에 배치되는 페라이트 코어의 수는 제3 영역(A3)에 배치되는 페라이트 코어의 수 보다 많을 수 있다. 제2 영역(A2)에 배치되는 페라이트 코어의 수와 제3 영역(A3)에 배치되는 페라이트 코어의 수는 동일할 수 있다.
도 11은 본 개시의 제2실시 예에 따른 사각형 워킹 코일에 대한 페라이트 코어의 배치 구조가 도시된 예시 도면이다.
도 11에 도시된 바와 같이, 제2 실시 예에 따르면, 제2 영역(A2)에 배치되는 페라이트 코어의 크기는 제1 영역(A1)에 배치되는 페라이트 코어의 크기 보다 클 수 있다. 또한, 제2 영역(A2)에 배치되는 페라이트 코어의 크기는 제3 영역(A3)에 배치되는 페라이트 코어의 크기 보다 클 수 있다.
혹은, 제2 영역(A2)에 배치되는 페라이트 코어의 두께가 제1 영역(A1)에 배치되는 페라이트 코어의 두께 보다 두껍고, 제2 영역(A2)에 배치되는 페라이트 코어의 두께가 제3 영역(A3)에 배치되는 페라이트 코어의 두께 보다 두꺼울 수 있다.
즉, 제2 영역(A2)에 배치되는 페라이트 코어의 양(부피)이 제1 영역(A1)에 배치되는 페라이트 코어의 양(부피) 보다 많고(크고), 제2 영역(A2)에 배치되는 페라이트 코어의 양(부피)가 제3 영역(A3)에 배치되는 페라이트 코어의 양(부피) 보다 많을 수 있다.
한편, 제1 영역(A1)에 배치되는 페라이트 코어의 수는 제2 영역(A2)에 배치되는 페라이트 코어의 수 보다 많을 수 있다. 그리고, 제1 영역(A1)에 배치되는 페라이트 코어의 수는 제3 영역(A3)에 배치되는 페라이트 코어의 수 보다 많을 수 있다. 제2 영역(A2)에 배치되는 페라이트 코어의 수와 제3 영역(A3)에 배치되는 페라이트 코어의 수는 동일할 수 있다.
이에 따르면, 제2 영역(A2)이 제1 영역(A1)과 비교하여 단면의 크기가 좁아 자속밀도가 강해져 해당 코어에서 자기 포화가 발생하는 문제를 최소화하는 이점이 있다.
한편, 도 10의 배치, 즉 제1 실시 예에 따른 배치일 때 각 페라이트 코어의 두께를 감소시키면(예를 들어, 5T->3T), 제1 영역(A1)에 배치된 페라이트 코어의 자속 밀도 불균형이 심해질 수 있고, 이에 도 12 또는 도 13의 예시와 같이 배치될 수도 있다.
도 12는 본 개시의 제3 실시 예에 따른 사각형 워킹 코일에 대한 페라이트 코어의 배치 구조가 도시된 예시 도면이다.
즉, 제1 내지 제2 영역(A1)(A2)에는 동일한 크기를 갖는 페라이트 코어가 배치되고, 제3 영역(A3)에는 제1 또는 제2 영역(A1)(A2) 보다 작은 크기를 갖는 페라이트 코어가 배치될 수 있다. 제1 내지 제3 영역(A1)(A2)(A3)에 배치되는 페라이트 코어의 두께는 동일한 것으로 가정한다. 예를 들어, 페라이트 코어 각각은 가로 길이 35mm, 세로 길이 60mm, 두께 3T일 수 있으나, 이는 예시적인 것에 불과하므로, 이에 제한되지 않는다.
한편, 제1 영역(A1)에 배치되는 페라이트 코어의 수는 제2 영역(A2)에 배치되는 페라이트 코어의 수 보다 많을 수 있다. 그리고, 제1 영역(A1)에 배치되는 페라이트 코어의 수는 제3 영역(A3)에 배치되는 페라이트 코어의 수 보다 많을 수 있다. 제2 영역(A2)에 배치되는 페라이트 코어의 수와 제3 영역(A3)에 배치되는 페라이트 코어의 수는 동일할 수 있다.
이는 상대적으로 가로 또는 세로 방향에서 자속 밀도가 강하게 발생하고, 대각선 방향에서 자속 밀도가 약하게 발생하는 점에 고려한, 균형있는 페라이트 코어의 배치 구조일 수 있다.
도 13는 본 개시의 제4 실시 예에 따른 사각형 워킹 코일에 대한 페라이트 코어의 배치 구조가 도시된 예시 도면이다.
즉, 제1 내지 제2 영역(A1)(A2)에는 동일한 크기를 갖는 페라이트 코어가 배치되고, 제3 영역(A3)에는 페라이트 코어가 배치되지 않을 수 있다(경우에 따라, 제2 영역(A2)에 배치된 페라이트 코어가 제3 영역(A3)을 일부 차지하게 배치될 수도 있다).
제1 내지 제2 영역(A1)(A2)에 배치되는 페라이트 코어의 두께는 동일한 것으로 가정한다. 예를 들어, 페라이트 코어 각각은 가로 길이 35mm, 세로 길이 60mm, 두께 3T일 수 있으나, 이는 예시적인 것에 불과하므로, 이에 제한되지 않는다.
한편, 제1 영역(A1)에 배치되는 페라이트 코어의 수는 제2 영역(A2)에 배치되는 페라이트 코어의 수와 동일할 수 있다.
이는 상대적으로 자속이 약한 대각선 부분에서의 페라이트를 제거하여, 세로 측, 즉 제2 영역(A2)에서의 자속을 보완한 배치 구조일 수 있다.
상술한 본 개시에 따르면, 쿡탑(10)은 별도의 절환 구조 없이 단일 코일 및 커패시터만 구비함으로써 자성체 및 비자성체를 모두 가열할 수 있기 때문에, 절환용 스위치 또는 부가 회로가 불필요하여 비용 및 부피를 축소시킬 수 있다. 그리고, 워킹 코일(12)의 턴 수가 줄어드므로, 워킹 코일(12)의 제작비 및 무게가 감소하고, 주파수 대역 변동을 위한 별도 인덕터나 스위치 및 별도 커패시터가 불필요한 이점이 있다.
도 14는 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑에서 자성체 및 비자성체에 대한 출력이 도시된 도면이다.
도 14와 같을 때, 쿡탑(10)은 자성체 용기를 가열할 때는 약 91kHz에서 동작하고, 비자성체 용기를 가열할 때는 약 121kHz에서 동작함으로써, 두 재질의 용기 모두에 대해 목표하고자 하는 최소 출력을 확보할 수 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 (9)

  1. 조리 용기가 가열되는 가열 영역이 형성된 상판 글래스;
    상기 조리 용기가 가열되도록 자기장을 발생시키는 워킹 코일; 및
    상기 워킹 코일에 전류가 흐르도록 구동되는 스위치를 갖는 인버터를 포함하고,
    상기 워킹 코일의 면적이 상기 가열 영역의 면적 보다 작은
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 워킹 코일의 면적이 상기 가열 영역의 면적의 절반인
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 워킹 코일은 제1 턴 및 상기 제1 턴과 인접한 제2 턴 사이의 거리가 기설정된 간격만큼 이격되게 배치되는
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 기설정된 간격은 상기 워킹 코일의 두께인
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 스위치는 SiC 소자인
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 워킹 코일의 턴 수는
    상기 가열 영역의 면적과 상기 워킹 코일의 사양에 의해 결정되는
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 워킹 코일의 턴 수는
    상기 워킹 코일의 내경과 외경의 차에 해당하는 길이를 워킹 코일 한 턴의 직경으로 나눈 값의 절반인
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 워킹 코일 한 턴의 직경은
    상기 워킹 코일을 구성하는 구리 선 한 가닥의 직경과 전체 가닥 수에 의해 결정되며,
    상기 한 가닥의 직경은 동작 주파수의 침투 길이 보다 작고,
    상기 전체 가닥 수는 공진 회로 내 역률에 따른 예상 전류 값에 따라 결정되는
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 인버터는 50kHz 이상의 주파수 대역에서 동작하는
    유도 가열 방식의 쿡탑.
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