KR101495941B1 - 유동성 식품 패키지들을 제조하는데 사용하기 위한 자가 구성 유도 실링 디바이스 - Google Patents

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KR101495941B1
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control
stage
capacitance
swb
input terminal
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KR20100045470A (ko
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안드레아 도나티
니콜라이 마드차로프
안토니오 멜란드리
파브리지오 시그히놀피
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테트라 라발 홀딩스 앤드 피낭스 소시에떼아노님
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Abstract

히트-실링 시트 포장 재료(3)의 튜브(2)로부터 유동성 식품 패키지들을 제조하는데 사용하기 위한 유도 실링 디바이스(10)가 제공된다. 유도 실링 디바이스(10)는, 교류 전력 신호(S(ω))를 발생시키도록 구성된 신호원(12); 교류 전력 신호(S(ω))를 수신하고, 시트 포장 재료(3)를 히트 실링하기 위해 포장 재료(3) 내에 전류를 유도하도록 동작하는 인덕터(13); 및 신호원(12) 및 인덕터(13) 사이에 접속되는 임피던스 정합 회로(11')를 포함한다. 임피던스 정합 회로(11')는, 교류 전력 신호를 수신하는 한 쌍의 입력 단자들(11.1, 11.2); 입력 단자들(11.1 - 11.2)에 접속되는 제 1 라인(23) 및 제 2 라인(24); 제1 및 제 2 라인(23, 24)에 병렬로 접속되는 다수의 용량성 모듈(21.1 - 21.4)을 갖는 가변-커패시턴스 스테이지(21)로서, 용량성 모듈 각각은, 서로 직렬로 접속되는 용량성 소자(C1 - C4) 및 제어 스위치(SW1 - SW4)로 구성되고, 각각의 제어 스위치(SW1 - SW4)는 제 1 및 제 2 라인(23, 24) 사이에서 각각의 용량성 소자(C1 - C4)를 접속하도록 선택적으로 동작하는, 가변-커패시턴스 스테이지(21); 및 제어 스위치(SW1 - SW4)의 동작 상태를 제어하도록 구성되는 제어 스테이지(22)를 포함한다. 각각의 제어 스위치(SW1 - SW4)는, 각각의 제어 스위치(SW1 - SW4)의 입력 단자들(SWa, SWb) 중 하나(SWb)는 제 2 라인(24)에 접속되는, 제어 스테이지(22)로부터 각각의 제어 신호를 수신하는 한 쌍의 입력 단자들(SWa, SWb); 및 제어 스위치(SW1 - SW4)의 다른 입력 단자(SWb)에 접속된 제어 단자, 각각의 용량성 소자(C1 - C4)를 통해 제 1 라인(23)에 접속되는 제 1 전류-도전성 단자, 및 제 2 라인(24)에 접속되는 제 2 전류-도전성 단자를 갖는 싱글 양방향 제어 스위칭 소자(IGBT)를 갖는다.

Description

유동성 식품 패키지들을 제조하는데 사용하기 위한 자가 구성 유도 실링 디바이스{SELF-CONFIGURING INDUCTION SEALING DEVICE FOR USE TO PRODUCE POURABLE FOOD PRODUCT PACKAGES}
본 발명은 일반적으로 유동성 식품이 연속해서 채워지는 시트 포장 재료 튜브를 가로질러 실링(sealing)함으로써 유동성 식품 패키지를 제조하기 위해 사용되는 유도성 실링에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 실링 동작 중에 전류 및 전압을 재조정하여 자가-구성 유도 실링 장치에서 사용함으로써 인덕터(inductor)로의 전력 전달을 최적화하도록 하는 개선된 임피던스 정합 회로(impedance matching circuit)에 관한 것이다.
공지된 바와 같이, 많은 유동성 식품(예를 들어 과일 또는 야채 쥬스, 저온 살균된거나 UHT(ultra-high-temperature treated) 우유, 와인 등)은 살균된 포장 재료로 제조된 패키지 형태로 판매된다.
이런 유형의 패키지의 통상적인 예는 Tetra Brik Asepitc®로서 공지된 유동성 식품을 위한 평행육면체 형상의 패키지로서, 이는 적층된 스트립(strip) 포장 재료를 형성하고 실링함으로써 제조된다.
적층된 포장 재료는 섬유질 재료, 예를 들어, 종이의 층들을 포함하고, 종이의 양측에는 히트-실링(heat-sealing) 플라스틱 재료, 예를 들어, 폴리에틸렌이 커버된다. UHT 우유와 같은 장기간 저장 제품을 위한 무균 패키지의 경우, 패키지 내부에서 식품과 맞닿는 포장 재료 측은 또한 산소 장벽 재료, 예를 들어 알루미늄 호일 또는 EVOH 막의 층을 가지며, 이는 차례로 한 층 이상의 히트-실링 플라스틱 재료로 커버된다.
공지된 바와 같이, 이러한 종류의 패키지는 도 1에 도시된 유형의 완전 자동 포장 기계에서 제조되며, 이 기계 상에서 포장 재료의 웹(3)으로부터 연속 수직 튜브(2)가 형성된다. 웹은 포장 기계(1)에서 예를 들어, 과산화수소(hydrogen peroxide)와 같은 살균제가 인가되고, 후속해서 과산화수소가 포장 재료의 표면으로부터 제거, 예를 들어 가열에 의하여 증발됨으로써 살균되고; 살균된 웹(3)은 폐쇄된, 무균 환경에서 유지되고, 세로 방향으로 접혀서 실링되어 튜브(2)를 형성하다.
그리고나서 튜브(2)에는, 튜브(2) 내부로 신장되고 흐름-조절 솔레노이드(solenoid) 밸브(5)에 의해 조절되는 충전 파이프(4)를 통해, 살균된 또는 무균-처리된 유동성 식품이 하향하여 채워지게 되고, 또한 상기 튜브(2)는 공지된 디바이스들에 의해 수직 경로(A)를 따라 형성 스테이션(forming station)(6)으로 공급되며, 형성 스테이션(6)에서 동일하게 이격된 단면을 따라 두 쌍의 조(jaw)에 의해 잡힌다. 특히, 상기 쌍의 조는 튜브(2)에 주기적이며 연속적으로 동작하여 스트립을 가로질러 실링함으로써 서로 연결된 필로우 팩(pillow pack)(7)의 연속 스트립을 형성한다.
필로우 팩들(7)은 관련된 실링 스트립을 커팅함으로써 서로 분리되고, 최종 접힘 스테이션으로 전달되어 기계에 의해 최종 평행육면체 형상으로 접힌다.
장벽 재료로서 알루미늄의 층을 갖는 무균 패키지들의 경우, 튜브는 통상적으로 세로로, 그리고 히트-실 플라스틱 재료를 국지적으로 용해시키기 위해 알루미늄층에서 기생 전류를 유도하는 유도 실링 디바이스에 의해서 가로질러 실링된다. 특히, 가로지른 실링의 경우, 각 쌍의 조 중 하나는 비도전성 재료로 제조된 메인 몸체 및 메인 몸체 내의 전방 착석부(seat)에 내장된 인덕터를 포함하고; 다른 조에는 가령 고무와 같은 유연한 재료로 제조된 압력 패드(pad)가 설치된다.
조들의 관련된 쌍이 튜브를 잡을 때, 인덕터는 전력을 공급받아 플라스틱 커버 재료를 히트 실링함으로써 튜브의 단면을 실링한다. 전력을 공급받으면, 인덕터는 맥동하는 자기장을 발생시키고, 이는 차례로 수직 튜브가 제조되는 포장 재료 내의 알루미늄 시트에 기생 전류를 발생시킴으로써, 히트-실링 플라스틱 커버 재료를 국지적으로 용해시킨다.
특히, 인덕터 외에, 유도 실링 장치는 또한 연속 또는 맥동하는 교류 전력 신호를 공급하는 신호원; 및 전력 전달을 최적화하기 위해 신호원 및 인덕터 사이에 게재된 임피던스 정합 회로를 포함한다. 특히, 임피던스 정합 회로는 신호원에 의해 공급된 전압 및 전류 사이에서 인덕터의 리액티브 임피던스(reactive impedance)에 의해 유도되는 위상 시프트(각)를 제거하거나 최소화하여, 신호원에 의해 공급된 리액티브 전력을 최소화하고 능력 전력을 최대화하도록 구성된다.
교류 전력 신호는 약 535kHz 주파수의 사인 전압 및 수백 전압, 통상적으로 540V 주변의 피크 진폭(peak amplitude)을 포함하는 것이 편리하다. 그리고 신호원은 전류 및 전압 사이의 위상(둘은 출력에서 측정된다)이 영(0)에 근접할 때 최대 약 2500와트의 전력을 공급한다.
공지된 정합 회로는 통상적으로, 가변 커패시턴스 용량성 소자-다수의 선택적인 병렬 접속 가능 커패시터에 의해 통상적으로 규정되는-가변 변압기에 의해 통상적으로 규정되는 유도성 소자에 병렬로 접속되는 유도성-용량성 유형이다. 용량성 소자의 총 커패시턴스 및 유도성 소자의 인덕턴스는 신호원으로부터의 출력 전류 및 전압을 재조정하기 위해서, 즉, 전류 및 전압 간의 영(0)에 근접한 위상을 달성하기 위해서 선택된다.
위상 조정(phasing)이 신호원에 접속되는 전기 부하에 좌우되므로, 전기 부하는 제조되는 팩들의 체적, 사용되는 인덕터의 유형, 포장 기계의 제조 용량 및 속도 등과 같은 포자 기계의 동작 조건에 좌우되므로, 위상 조정은 임피던스 정합 회로에 적절하게 동작함으로써 전기 부하의 변화에 실시간으로 적응된다. 특히, 패키지 제조 공정 중에, 신호원에 통합되는 게 편리할 수 있는 제어 스테이지는 상세하게 기술되지 않지만 공지된 방식으로, 신호원으로부터의 전압 및 전류 사이의 위상, 및/또는 신호원에 의해 "확인"되는 임피던스, 즉, 임피던스 정합 회로의 입력 임피던스와 같은 전기적 파라미터들을 측정하고, 신호원의 전류 및 전압 사이의 위상을 제거하거나 최소화하기 위해 임피던스 정합 회로에 필요한 총 커패시턴스를 결정한다. 이 이후에, 제어 스테이지는 제어 신호를 발생시켜서 임피던스 정합 회로에 상기 제어 신호를 제공함으로써 커패시터들의 병렬 접속 구성을 변경하여 신호원에 의해 "확인"되는 커패시턴스를 조정한다.
공지된 유도 실링 디바이스는 예를 들어 출원인의 유럽 특허 EP-B1-1 620 249에 기술되어 있고, 그 회로 아키텍쳐는 도 2에 참조를 위해서 도시되는데, 도 2에서 10은 유도 실링 장치를 전체적으로 나타내고, 11은 임피던스 정합 회로를 나타내고, 12는 신호원을 나타내고, 13은 인덕터를 나타낸다.
특히, 임피던스 정합 회로(11)는:
· 사용시에 신호원이 접속되고, 신호원에 의해 공급된 교류 전력 신호 S(ω)가 존재하는 두 입력 단자들(11.1, 11.2);
· 사용시에 인덕터(13)가 접속되는 두 출력 단자들(11.3, 11.4);
· 임피던스 정합 회로(11)의 입력 단자들(11.1, 11.2)에 각각 접속되는 제 1 및 제 2 라인(23, 24);
· 도 2에 개략적으로 도시된, 제 1 라인(23) 및 제 2 라인(24) 사이에 접속되는 등가 커패시터(Ceq)에 의한 고정-커패시턴스 스테이지(26);
· 제 1 라인(23) 및 제 2 라인(24) 사이에서 병렬로 접속되고, 각각 직렬로 접속되는 커패시터(C1, C2, C3, C4) 및 제어 스위치(SW1, SW2, SW3, SW4)(각각의 제어 스위치는 제 1 및 제 2 라인(23, 24) 사이에서 각 커패시터에 접속하기 위해 선택적으로 각각 활성화된다)를 포함하는 다수의-본 예에서는 4 개로 도시된- 용량성 모듈들(21.1, 21.2, 21.3, 21.4);
· 제 1 라인(23) 및 제 2 라인(24) 사이에서 접속되는 1차 권선(25.1) 및 출력 단자들(11.3, 11.4)에 접속되는 2차 권선(25.2)을 갖는 변압기(25); 및
· 스위치들(SW1 - SW4)의 동작 상태(온/오프(on/off))를 제어하는 제어 스테이지(22)로서, 신호원(12)에 의해 공급된 전압 및 전류 간 위상을 상세하게 기술되지 않은 공지된 방식으로 측정하도록 구성되어서 전류 및 전압 간 위상을 제거하거나 최소화하도록 임피던스 정합 회로(11)에 필요한 타킷(target) 커패시턴스를 결정하고, 각각의 제어 신호를 발생시켜서 스위치들(SW1 - SW4)에 상기 각각의 제어 신호를 공급하여 제 1 및 제 2 라인 간 커패시터들(C1 - C4)의 접속 구성을 변경하여 가변-커패시턴스 스테이지(21)의 커패시턴스를 조정하여 신호원(12)에 의해 "확인되는" 등가 커패시턴스를 조절하는 제어 스테이지(22)를 포함한다.
임피던스 정합 회로(11)의 더욱 상세한 회로도는 도 3에 도시되고, 여기서는 본 발명의 명확한 이해를 위해 필요한 부분만을 도시하며, 도 2의 임피던스 정합 회로 컴포넌트 부분과 대응하는 컴포넌트 부분은 동일한 참조 번호를 사용하에 도시된다.
특히, 도 3의 임피던스 정합 회로(11)에서:
· 입력 단자들(11.1, 11.2)은 네 쌍의 단자들에 의해 규정되고, 이들 중 하나의 쌍은, 사용시에 신호원(12)(도시되지 않음)에 접속되고, 다른 쌍은 사용 시에 특정 변압비를 산출하도록 변압기(25)(도시되지 않음)의 1차 권선(25.1)의 각 쌍의 중간 소켓들에 접속된다;
· 고정-커패시턴스 스테이지(26)에서, 도 2에서의 등가 커패시턴스(Ceq)는 세 커패시터들(C5, C6, C7)에 의해 규정된다;
· 가변-커패시턴스 스테이지(21)에서, 각각의 제어 스위치(SW1 - SW4)는:
- 제어 스테이지(22)에 의해 공급되는 각각의 제어 신호가 사용 중에 인가되는 제 1 입력 단자 및 제 2 입력 단자(SWb 및 SWa);
- 서로 접속되는 게이트 단자를 가지는 한 쌍의 전력 트랜지스터들 - 도시된 예에서, 절연 게이트 양극 트랜지스터-로서, 서로 접속되는 이미터(emitter) 단자들, 하나가 제 1 라인(23)에 접속되고 다른 하나가 각각의 커패시터(C1 - C4)를 통해 접속되는 컬렉터(collector) 단자들을 갖고; 각각의 전력 트랜지스터가 또한 전력 트랜지스터에 병렬로 접속되고 애노드가 이미터 단자에 접속되고 캐소드가 컬렉터 단자에 접속되는 프리휠링(freewheeling) 다이오드(D1, D2)를 각각 갖는, 한 쌍의 전력 트랜지스터들; 및
- 제어 스위치(SW1 - SW4)의 입력 단자들(SWa, SWb) 및 전력 트랜지스터들 사이에 게재되고, 저항(R) 및 제어 스위치(SW1 - SW4)의 입력 단자들(SWa, SWb) 사이에서 직렬로 접속되는 제너 다이오드(Zener diode)(Z)에 의해, 그리고 제너 다이오드(Z)에 병렬로 접속되는 병렬 RC 유형 필터 네트워크(F)에 의해 규정되는 바이어스 및 필터 모듈(27)을 포함한다. 특히, 제너 다이오드(Z)는 저항(R)을 통해 제어 스위치(SW1 - SW4)의 제 1 입력 단자(SWa)에 접속되는 캐소드 및 제어 스위치(SW1 - SW4)의 제 2 입력 단자(SWb)에 접속되는 애노드를 갖는다. 제어 스위치(SW1 - SW4)의 제 2 입력 단자(SWb)는 차례로 제어 스위치(SW1 - SW4)의 트랜지스터들(IGBT1, IGBT2)의 이미터 단자들에 접속되고 저항(R) 및 제너 다이오드(Z) 사이의 중간 노드는 각각의 제어 스위치(SW1 - SW4)의 트랜지스터들(IGBT1, IGBT2)의 게이트 단자들에 접속된다.
패키지 제조 공정 동안, 제어 스테이지(22)는 신호원(12)으로부터의 전압 및 전류 사이의 위상을 측정하고, 위상을 제거하거나 최소화하기 위해 임피던스 정합 회로(11)에 필요한 총 커패시턴스를 결정하고나서, 트랜지스터들(IGBT1, IGBT2)의 온/오프 구성 및 그에 따른 가변-커패시턴스 스테이지(21)의 커패시터들(C1 - C4)의 병렬 접속 구성을 달성하도록 용량성 모듈들(21.1 - 21.4)에 대한 적절한 제어 신호를 발생시켜서, 이로써 신호원(12)에 의해 공급되는 전압 및 전류 사이의 위상을 제거할 양만큼 신호원(12)에 의해서 "확인된" 총 커패시턴스가 변경된다.
게다가, 교류 전력 신호의 주기 동안, 제 1 및 제 2 라인(23, 24) 사이에서 고정-커패시턴스 스테이지(26)의 커패시터들(C5 - C7)에 병렬로 선택적으로 접속되는 가변-커패시턴스 스테이지(21)의 커패시터들(C1 - C4)에는 각각, 교류 전력 신호의 양의 반파장 동안에 대응하는 트랜지스터(IGBT1) 및 대응하는 트랜지스터(IGBT2)의 프리휠링 다이오드(D2)를 통하여, 그리고 음의 반파장 동안에 대응하는 트랜지스터(IGBT2) 및 교류 전력 신호의 대응하는 트랜지스터(IGBT1)의 프리휠링 다이오드(D1)을 통하여 흐르는 전류가 공급된다.
광범위하게 사용될지라도, 도 3에서의 임피던스 정합 회로는, 출원인의 의견으로는, 회로의 많은 장점들로부터 유도되는 완전한 이점을 방해하는 여러 결점들을 갖는다.
특히, 출원인은, 임피던스 정합 회로의 아키텍처가 주어질 때 -특히, 트랜지스터들(IGBT1, IGBT2)의 이미터 단자들이 제어 스테이지에 의해서 발생되는 제어 신호들이 공급되는 각각의 제어 스위치의 입력 단자들에 접속되는 점에서- 이미터 단자들의 전위가 또한 특히 제어 스테이지에 의해 발생되는 제어 신호들에 좌우됨으로써, 교류 전력 신호가 인가되는 제 1 및 제 2 라인에 대하여 플로팅(floating)되는 것을 관찰하였다. 결과적으로, 제어 스테이지에 의해서 제어 스위치들(SW1 - SW4)로 공급되는 제어 신호들은 반드시, 임피던스 정합 회로(1)의 컴포넌트 부분들이 실장된 기판과 분리되고 전기적으로 절연되고, 1kV의 절연으로 24V 제어 전압 즉, 교류 전력 신호에 대해서 최대 1kV만큼 플로팅될 수 있는 제어 전압을 공급하는 DC-DC 변환기를 포함하는 추가적인 전기 기판에 의해서 발생되어야만 한다.
또한 출원인에 의해서 실행된 테스트는 임피던스 정합 회로 기판의 바로 근처에서 전기 기판들의 동작을 방해하는 전자기장에 의해 발생되는 전자기 적합성(electromagnetic compatibility) 문제를 발견하였다.
출원인은 또한 고정-커패시턴스 스테이지 커패시터들의 상당한 고 커패시턴스에 의해 그리고 전도하고 있을 때 IGBT 트랜지스터들의 전력 소산에 의해 주로 발생되는 실질적인 전류 흡수 및 이에 따른 줄-효과(Joule-effect) 열 소산을 관찰하였다.
최종적으로, 출원인은, 더 높은 커패시턴스 구성에서 낮은 커패시턴스 구성으로 전환하는 임피던스 정합 회로에서, 주로 제어 스테이지 DC-DC 변환기가 가변-커패시턴스 스테이지의 제어 스위치들을 턴오프(turn off)하는 지연(slowness)으로 인한 어떤 부진함(sluggishness)을 관찰하였다.
본 발명의 목적은 공지된 디바이스들의 상술한 결점들을 제거하도록 설계된 유도 실링 디바이스를 제공하는 것이다.
본 발명에 따르면, 첨부 청구항들에 주장되는 것처럼, 시트 포장 재료의 튜브를 가로질러 실링함으로써 유동성 식품 패키지를 제조하기 위해 사용되는 유도 실링 디바이스; 및 히트-실링 시트 포장 재료의 튜브로부터 유동성 식품의 실링된 패키지들을 연속해서 제조하기 위한 포장 기계가 제공된다.
본 발명이 상술한 바와 같이 제공됨으로써, 고정-커패시턴스 스테이지의 제공된 총 커패시턴스에 대한 전류 흡수 및 줄-효과 열 소산이 감소된다. 또한, 전력 트랜지스터들의 수가 감소됨으로써 가변-커패시턴스 스테이지가 더 높은 커패시턴스 구성에서 더 낮은 커패시턴스 구성으로 전환되는 속도가 증가한다.
본 발명의 바람직하지만, 비제한적인 실시예가 첨부 도면들을 참조하여 예로서 도시될 것이다:
도 1은, 명확성을 위해 부품들이 제거된, 포장 재료의 튜브로부터 유동성 식품의 무균 실링 패키지를 제조하는 포장 기계의 투시도를 도시한다;
도 2는 도 1의 포장 기계에서 사용되는 공지된 자가-구성 실링 디바이스의 회로도를 도시한다;
도 3은 도 2의 유도 실링 디바이스의 임피던스 정합 회로를 형성하는 부분의 전기도를 도시한다;
도 4는 본 발명에 따르고 도 2에 도시된 유형의 유도 실링 디바이스에서 사용하는 임피던스 정합 회로의 전기도를 도시한다;
도 5는 도 4의 임피던스 정합 회로의 동작 흐름도를 도시하고;
도 6a, 6b, 6c 및 7a, 7b, 7c는 도 4의 임피던스 정합 회로에 관한 표를 도시한다.
도 4는 본 발명에 따르고 도 2에 도시된 유형의 유도 실링 디바이스에서 사용하는 임피던스 정합 회로의 전기도를 도시한다. 특히, 도 4의 임피던스 정합 회로는 도 3의 회로와 유사하므로 도 3의 회로와 다른 것만 아래에 기술되고, 도 3의 임피던스 정합 회로의 컴포넌트 부분들에 대응하는 컴포넌트 부분들은 동일한 참조 번호가 병기된다.
특히, 본 발명에 따르고 도 4에서 (11')로 표시된 임피던스 정합 회로는 도 3의 임피던스 정합 회로(11)와 다음과 같이 상이하다:
· 입력 단자들(11.1 및 11.2)은 제 1 및 제 2 라인(23, 24)에 접속되고, 사용시에 신호원(12)(도시되지 않음) 및 변압기(25)(도시되지 않음)의 1차 권선(25.1)에 접속되는 한 쌍의 단자들에 의해 규정되고; 두 입력 단자들(11.1, 11.2) 중 한 단자는-특히, 제 2 라인(24)에 접속되는 단자- 접지된다;
· 고정-커패시턴스 스테이지(26)는 제 1 라인(23) 및 제 2 라인(24) 사이에 접속되는 5개의 커패시터들(C9, C10, C11, C12, C13)을 포함한다; 그리고
· 가변-커패시턴스 스테이지(21)에서, 두 입력 단자들 중 하나는- 도시된 예에서 입력 단자(SWb)- 접지된 제 2 라인(24)에 접속되고, 각각의 제어 스위치(SW1 - SW4)는 각각 바이어스 및 필터 모듈(F)에 접속되는 게이트 단자, 제 2 라인(24)에 접속되는 이미터 단자, 및 각각의 커패시터(C1 - C4)를 통하여 제 1 라인(23)에 접속되는 컬렉터를 갖는 하나의 전력 트랜지스터-도시된 예에서, 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(insulated gate bipolar transistor; IGBT)-에 의해 규정되고; 각각의 트랜지스터(IGBT)는 트랜지스터(IGBT)에 병렬 접속되는 프리휠링 다이오드(D)를 가지며, 다이오드(D)는 트랜지스터(IGBT)의 이미터 단자에 접속되는 애노드 및 컬렉터 단자에 접속되는 캐소드를 갖는다.
실제 사용시에, 교로 전력 신호 주기 동안, 고정-커패시턴스 스테이지(26)의 커패시터들과 평행하게, 제 1 및 제 2 라인 사이에서 선택적으로 접속되는 가변-커패시터 스테이지(21)의 커패시터들에는 각각, 교류 전력 신호의 양의 반파장 동안 대응하여 트랜지스터(IGBT)를 통하는 전류 및 교류 전력 신호의 음의 반파장 동안 트랜지스터(IGBT)의 프리휠링 다이오드(D)를 통과하는 전류가 공급된다.
가변-커패시턴스 스테이지(21)의 커패시터들(C1 - C4)의 커패시턴스는 임피던스 정합 회로(11')의 일정한 총 커패시턴스를 획득하기 위해 알맞게 선택된다. 도 6a, 6b, 6c 표는 커패시터 커패시턴스 및 고정 및 가변 커패시턴스 스테이지(26, 21)의 총 커패시턴스들의 세 예들을 도시하고, 도 7a, 7b, 7c 표는 전력 트랜지스터들의 개방/폐쇄 구성(이진-코드로 된)에서의 변화량에 따라 가변-커패시턴스 스테이지 및 임피던스 정합 회로(11')의 커패시턴스에서의 총 커패시턴스 및 변화량의 세 예들을 도시한다.
진술된 바와 같이, 제어 스테이지(22)는 가변-커패시턴스 스테이지(21)의 커패시턴스(C1 - C4)의 병렬-접속 구성을 달성하기 위해 트랜지스터들(IGBT)에 대해 적절한 제어 신호들을 발생시키고, 이는 신호원(12)에 의해 공급되는 전압 및 전류 사이의 위상을 제거한다.
특히, 제어 스테이지(22)는 도 5의 흐름도를 참조하여 후술되는 바와 같이, 온/오프 구성의 트랜지스터(IGBT)에 적응하도록 적응 알고리즘을 구현한다.
적응 알고리즘은 다음의 네 개의 상이한 임계값들을 갖는 신호원(12)에 의해 공급되는 전압 및 전류 사이의 위상을 비교하는 것에 기반한다:
· 각각 낮고 높은 음의 위상 변이, 예를 들어 -15° 및 -25°를 나타내며, 각각 PNS 및 PNL로 표시되는, 제 1 및 제 2 임계값; 및
· 각각 낮고 높은 양의 위상 변이, 예를 들어 +15° 및 +25°를 나타내며, 각각 PPS 및 PPL로 표시되는, 제 3 및 제 4 임계값.
특히, 예를 들어 약 20ms(블록 100)의 개시 대기 시간(t1) 이후에, 제어 스테이지(22)는 신호원(12)에 의해 공급된 전압 및 전력 사이의 위상이 제 1 임계값 PNS 아래에 있는지를 결정한다(블록 110). 만일 그렇다면(블록 110에서의 YES), 제어 스테이지(22)는 제어 스위치들(SW1 - SW4)을 제어하여 7a, 7b 7c 표들에서의 제어 스위치(SW1 - SW4) 개방/폐쇄 이진 구성에서의 하나의 단위에 대응하는 양만큼 가변-커패시턴스 스테이지(21)의 총 커패시턴스를 감소시킨다(블록 120).
그리고나서 제어 스테이지(22)는 신호원(12)에 의해 공급되는 전압 및 전류 간 위상이 제 2 임계값 PNL 아래에 또 있는지를 결정한다(블록 130). 만일 그렇지 않다면(블록 130의 NO 출력), 즉, 이것이 제 1 및 제 2 임계값들(PNS 및 PNL) 간 위상에 대응하면, 예를 들어 약 5ms의 대기 시간(t2)(블록 150) 이후에, 블록 110에서 동작이 다시 시작한다. 역으로(블록 130의 YES 출력), 제어 스테이지(22)가 제어 스위치들(SW1 - SW4)을 제어하여 제어 스위치(SW1 - SW4) 개방/폐쇄 이진 구성에서의 하나의 단위에 대응하는 부가적인 양만큼 가변-커패시턴스 스테이지(21)의 총 커패시턴스를 감소시킨다(블록 140). 이 이후에는, 상기 경우에 마찬가지로, 블록 110으로부터 동작이 다시 시작한다.
신호원(12)에 의해 공급된 전압 및 전류 간 위상이 제 1 임계값 PNS보다 높은 경우(블록 110의 NO 출력), 제어 스테이지(22)는 상기 위상이 제 3 임계값 PPS 위에 있는지를 결정한다(블록 160). 만일 그렇지 않다면(블록 160의 YES 출력), 제어 스테이지(22)는 제어 스위치들(SW1 - SW4)을 제어하여 제어 스위치(SW1 - SW4) 개방/폐쇄 이진 구성에서의 하나의 단위에 대응하는 양만큼 가변-커패시턴스 스테이지(21)의 총 커패시턴스를 증가시킨다(블록 170).
그리고나서, 제어 스테이지(22)는 신호원(12)에 의해 공급된 전압 및 전류 간 위상이 또한 제 4 임계값 PPL 위에 있는지를 결정한다(블록 180). 만일 그렇지 않다면(블록 180의 NO 출력), 즉, 이것이 제 3 및 제 4 임계값들(PPS 및 PPL) 간 위상에 대응하면, 블록 150에서 동작이 다시 시작한다. 역으로(블록 180의 YES 출력), 제어 스테이지(22)가 제어 스위치들(SW1 - SW4)을 제어하여 제어 스위치(SW1 - SW4) 개방/폐쇄 이진 구성에서의 하나의 단위에 대응하는 부가적인 양만큼 가변-커패시턴스 스테이지(21)의 총 커패시턴스를 증가시킨다(블록 140). 이 이후에는, 상기 경우에 마찬가지로, 블록 150에서 동작이 다시 시작한다.
상기 동작으로 인해, 신호원(12)에 의해 공급된 전압 및 전류 간 위상이 크다면(-25°아래 또는 +25°위), 가변-커패시턴스 스테이지(21)의 총 커패시턴스는 각각의 반복에서 전압 및 전류 간 위상이 과도하지 않을 때(-25°및 -15°사이 또는 +15°및 +25°사이) 감소되는 양의 두 배만큼 증가되거나 감소된다.
본 발명에 따른 임피던스 정합 회로(11')의 이점은 상술한 기술로부터 명확해질 것이다.
특히, 본 발명에 따른 임피던스 정합 회로(11')에서, 트랜지스터들(IGBT1 - IGBT4)의 이미터 단자들은 제 2 라인(24)에 접속되어 있고, 이미터 단자들의 전위는 접지 전위에 대해서, 실제로 접지 전위에서 더 이상 플로팅되지 않아서, 제어 스테이지(22)의 전기 컴포넌트들을 포함하여, 임피던스 정합 회로(11')의 모든 전기 컴포넌트들이 동일한 전자 기판에 실장될 수 있다.
이것은 많은 중대한 이점을 제공하는데, 하나는 임피던스 정합 회로(11') 기판 바로 가까이 있는 전자 기판들의 동작을 방해할 수 있는 전자기장 방출의 감소이다. 이는, 전력 트랜지스터들의 수 및 관련된 접속 트랙의 길이를 감소시켜서, 임피던스 정합 회로(11')의 아키텍처를 단순화하고, 공지된 임피던스 정합 회로(11)에서 제어 스테이지(22)의 컴포넌트 부분들 및 임피던스 정합 회로(11')의 다른 컴포넌트 부분들에 각각 맞추어진 두 전자 기판을 접속하는 전기 와이어링(wiring)을 제거하는 것에 주로 기인한다.
게다가, 전자 기판상의 제공된 점유 영역의 경우, 전력 트랜지스터들의 수를 감소시킴으로써, 고정-커패시턴스 스테이지(26)는 보다 큰 수의 커패시터들을 포함할 수 있고, 따라서 이들 중 각각은, 각각 고정-커패시턴스 스테이지(26)의 제공된 총 커패시턴스에 대해서, 도 3에서의 커패시터들보다 더 낮은 커패시턴스를 가질 수 있으므로, 전류 흡수 및 줄-효과 열 소산을 감소시킨다.
최종적으로, 전력 트랜지스터들의 수를 감소시킴으로써 가변-커패시턴스 스테이지(21)가 더 높은 커패시턴스 구성에서 더 낮은 커패시턴스 구성으로 전환되는 속도가 증가한다.
명확하게, 본원에 기술되고 도시된 바와 같이, 첨부 청구항들에 규정된 바의 본 발명의 범위를 벗어나지 않고, 본 발명에 따른 임피던스 정합 회로(11')에 변형들이 행해질 수 있다.
특히, 전력 트랜지스터들은 기술된 것과 상이한 유형일 수 있고; 고정-커패시턴스 스테이지(26) 및 가변-커패시턴스 스테이지(21)의 커패시터들의 수 및 그에 따른 제어 스테이지(22)의 제어 모듈들의 수는 기술되고 도시된 것과 상이할 수 있다.
또한, 고정-커패시턴스 스테이지(26)는 심지어 제거될 수 있고, 임피던스 정합 회로(11')의 총 커패시턴스는 가변-커패시턴스 스테이지(21)에 의해 단독으로 달성될 수 있다.

Claims (12)

  1. 히트-실링 시트 포장 재료(3)의 튜브(2)로부터 유동성 식품 패키지들을 제조하는데 사용하기 위한 유도 실링 디바이스(10)에 있어서:
    상기 유도 실링 디바이스(10)는:
    · 교류 전력 신호(S(ω))를 발생시키도록 구성된 신호원(12);
    · 상기 교류 전력 신호(S(ω))를 수신하기 위해 상기 신호원(12)에 접속되고, 상기 히트-실링 시트 포장 재료(3)를 히트 실링하기 위해 상기 히트-실링 시트 포장 재료(3) 내에 전류를 발생하도록 동작하는 인덕터(13); 및
    · 상기 신호원(12) 및 상기 인덕터(13) 사이에 접속되는 임피던스 정합 회로(11')를 포함하고,
    상기 임피던스 정합 회로(11')는:
    · 사용 시에, 상기 교류 전력 신호를 수신하도록 구성되는 한 쌍의 입력 단자들(11.1, 11.2);
    · 상기 임피던스 정합 회로(11')의 상기 입력 단자들(11.1, 11.2)에 각각 접속되는 제 1 라인(23) 및 제 2 라인(24);
    · 상기 제 1 및 제 2 라인(23, 24) 사이에 접속된 적어도 하나의 용량성 모듈(21.1 - 21.4) 및, 서로 직렬로 접속되는 용량성 소자(C1 - C4) 및 제어 스위치(SW1 - SW4)를 포함하는 가변-커패시턴스 스테이지(21)로서, 상기 제어 스위치(SW1 - SW4)는 상기 제 1 및 제 2 라인(23, 24) 사이에서 상기 용량성 소자(C1 - C4)를 접속하도록 선택적으로 동작하는, 가변-커패시턴스 스테이지(21); 및
    · 상기 제어 스위치(SW1 - SW4)의 동작 상태를 제어하도록 구성되는 제어 스테이지(22)를 포함하고,
    상기 제어 스위치(SW1 - SW4)는:
    · 사용 시에, 상기 제어 스테이지(22)로부터 제어 신호를 수신하도록 구성된 제 1 입력 단자 및 제 2 입력 단자(SWb 및 SWa)로서, 상기 제 1 입력 단자 및 제 2 입력 단자(SWb 및 SWa) 중 하나(SWb)는 상기 제 2 라인(24)에 접속되는, 제 1 입력 단자 및 제 2 입력 단자(SWb 및 SWa); 및
    · 상기 용량성 소자(C1 - C4)를 통해 상기 제 1 라인(23)에 접속되는 제 1 전류-도전성 단자; 상기 제 2 라인(24)에 접속되는 제 2 전류-도전성 단자; 및 상기 제어 스테이지(22)로부터 상기 제어 신호를 수신하기 위해 상기 제어 스위치(SW1 - SW4)의 제 1 입력 단자 및 제 2 입력 단자(SWb 및 SWa)에 접속되는 제어 단자를 갖는 싱글 양방향 제어 스위칭 소자(IGBT)를 포함하는 유도 실링 디바이스(10).
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가변-커패시턴스 스테이지(21)는 상기 제 1 및 제 2 라인(23, 24) 사이에서 병렬로 접속되는 다수의 상기 용량성 모듈들(21.1 - 21.4)을 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 실링 디바이스(10).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    · 상기 제 1 및 제 2 라인(23, 24) 사이에서 접속되는 적어도 하나의 용량성 소자를 포함하는 고정-커패시턴스 스테이지(26)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 실링 디바이스(10).
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 양방향 제어 스위칭 소자는 전력 트랜지스터(IGBT) 및 상기 전력 트랜지스터(IGBT)에 병렬로 접속되는 다이오드(D)를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 실링 디바이스(10).
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전력 트랜지스터는 절연 게이트 바이폴라 트랜지스터(IGBT)를 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 실링 디바이스(10).
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 스위치(SW1 - SW4)는:
    · 상기 제어 스위치(SW1 - SW4)의 제 1 입력 단자 및 제 2 입력 단자(SWb 및 SWa)는 상기 쌍 및 상기 양방향 제어 스위칭 소자(IGBT) 사이에 접속되는 바이어스 및 필터 모듈(27)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유도 실링 디바이스(10).
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 바이어스 및 필터 모듈(27)은 상기 제어 스위치(SW1 - SW4)의 상기 제 1 입력 단자 및 제 2 입력 단자(SWb 및 SWa) 사이에서 직렬로 접속되는 저항(R) 및 제너 다이오드(Z); 및 상기 제너 다이오드(Z)에 병렬로 접속되는 필터 네트워크(F)를 포함하고; 상기 제너 다이오드(Z)는 상기 저항(R)을 통해 상기 제어 스위치(SW1 - SW4)의 상기 제 1 입력 단자(SWb)에 접속되는 캐소드 및 상기 제어 스위치(SW1 - SW4)의 상기 제 2 입력 단자(SWa)에 접속되는 애노드를 포함하고, 상기 저항(R) 및 상기 제너 다이오드(Z) 사이의 중간 노드는 각각의 제어 스위치(SW1 - SW4)의 상기 제어 단자에 접속되는 것을 특징으로 하는 유도 실링 디바이스(10).
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제어 스테이지(22)는:
    · 상기 신호원(12)의 임피던스 정합을 표시하는 양을 측정하고;
    · 상기 양을 임피던스 정합의 정도를 각각 표시하는 다수의 임계값과 비교하고;
    · 상기 양이 제 1 및 제 2 임계값(PNL, PPL)에 의해 규정된 제 1 범위 내에 있을 때 상기 가변-커패시턴스 스테이지(21)의 커패시턴스를 제 1 양만큼 변경하도록 상기 가변-커패시턴스 스테이지(21)의 상기 제어 스위치들(SW1- SW4)의 동작 상태를 제어하고;
    · 상기 양이 상기 제 1 범위 외에 있을 때, 상기 가변-커패시턴스 스테이지(21)의 커패시턴스를 상기 제 1 양보다 큰 제 2 양만큼 변경하도록 상기 가변-커패시턴스 스테이지(21)의 제어 스위치들(SW1- SW4)의 동작 상태를 제어하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 유도 실링 디바이스(10).
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 신호 원(12)의 임피던스 정합을 표시하는 양을 측정하는 것을 상기 신호원(12)에 의해 공급되는 전압 및 전류 사이의 위상을 측정하는 것을 특징으로 하는 유도 실링 디바이스(10).
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 제 2 양은 상기 제 1 양의 두 배인 것을 특징으로 하는 유도 실링 디바이스(10).
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 양이 상기 제 1 범위 내에 있고 또한 제 3 및 제 4 임계값(PNS, PPS)에 의해 규정되는 제 2 범위 외에 있을 때, 상기 가변-커패시턴스 스테이지(21)의 커패시턴스는 상기 제 1 양에 의해 변경되는 것을 특징으로 하는 유도 실링 디바이스(10).
  12. 히트-실링 시트 포장 재료의 튜브(2)로부터 유동성 식품의 실링된 패키지들을 연속 제조하는 포장 기계(1)로서, 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 유도 실링 디바이스(10)를 포함하는 포장 기계(1).
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