KR101885737B1 - 요구르트발효기 및 요구르트발효기의 자동 온도제어 방법 - Google Patents

Abstract

요구르트발효기 및 요구르트발효기의 자동 온도제어 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 요구르트발효기 및 요구르트발효기의 자동 온도제어 방법은 발효물질의 발효 단계에 따라 제어부에서 발열체의 발열량을 적절하게 제어함으로써, 발효용기에 담긴 발효물질들을 최적으로 발효시킬 수 있다. 특히 발효가 경과함에 따라 점차 유동성이 낮아지는 발효물질의 특성을 고려하여 발열체의 발열량을 제어함으로써 발효물질이 발열부에 눌어붙지 않게 되는 바, 발효 종료 후에도 사용자가 발열부를 쉽게 세척 가능하다.

Description

요구르트발효기 및 요구르트발효기의 자동 온도제어 방법{YOGURT MAKER AND METHOD FOR CONTROLLING TEMPERATURE OF THE SAME}

본 발명은 우유용기에 직접 결합되어 우유를 요구르트로 발효시키는 요구르트발효기와, 요구르트의 최적 발효를 위한 요구르트발효기의 자동 온도제어 방법에 관한 것이다.

우유를 요구르트로 발효시키려면 우유에 요구르트 종균을 혼합하여 우유혼합물을 만든 후, 발효적정온도를 유지하여야 한다. 냉장고에서 꺼낸 우유를 발효적정온도까지 가열하고 발효적정온도를 유지하여 저유동성 내지 비유동성의 요구르트를 만드는데 보통 8시간이 소요된다. 이러한 작업을 수행하는 종래 요구르트발효기는 우유에 요구르트 종균을 섞은 후 10여개의 발효용 컵에 나누어 붓고, 가온용 하우징에 안치하는 구조를 갖는다. 하지만 이러한 방법의 종래 요구르트발효기는 가온용 하우징의 크기 때문에 발효기의 보관 및 사용시에 공간을 많이 차지한다. 또한 우유혼합물을 개별 발효용 컵에 나누어 부어야 하는 불편함이 있으며, 완성된 요구르트를 담은 발효용 컵 10여개를 냉장보관해야 하는 번거로움도 수반한다. 물론 요구르트를 먹을 때마다 발효용 컵을 세척해야 하는 등 사후 처리 역시 불편하다.

이에 따라 본 발명의 발명자는 통상의 우유용기에 착탈식으로 결합 가능한 요구르트발효기를 발명하고 특허등록 받은 바 있다(한국등록특허 제10-1521699호). 그리고 본 발명의 발명자는 발명한 요구르트발효기에서 요구르트의 최적 발효를 위해 자동으로 온도를 제어하는 방법을 강구하게 되었다.

도 1은 종래 요구르트발효기에서의 온도제어 방법을 나타내는 그래프이다. 도 1을 참조하면, 종래 요구르트발효기의 온도제어 방법은 온도센서가 측정한 우유혼합물의 온도를 몇 단계로 구분하고 우유혼합물의 온도가 상승함에 따라 발열량을 단계적으로 줄여주는 단계별 온도제어 방식이다. 예를 들어 도 1과 같이 우유혼합물의 온도가 35℃ 이하일 때에는 40W(Watt)의 발열량을, 35~40℃ 사이일 때에는 30W의 발열량을, 40~42℃ 사이일 때에는 15W의 발열량을, 42℃ 이상일 때에는 5W의 발열량을 발생시키고, 45℃ 이상일 때에는 발열을 차단하는 방법이다. 요구르트발효기에 마련되는 콘트롤 패널 등을 통해 발효 시간을 설정하면, 설정된 전체 발효 시간 동안 발열체가 상기와 같은 방법으로 구동되고, 설정된 발효 시간이 경과하면 발열체가 발열을 멈추게 된다.

하지만 이러한 온도제어방법을 적용하는 경우, 우유혼합물이 타거나 단백질이 딱딱하게 굳어 발열부에 눌어붙는 등의 문제가 발생함을 확인할 수 있었다. 우유용기는 상하 높이가 폭에 비하여 크고 종래 요구르트발효기의 발열부가 우유용기의 하부에 위치하므로, 발효가 진행되면서 우유혼합물의 유동성이 점점 떨어지게 됨에 따라 우유혼합물이 담긴 발효용기의 상부와 하부의 온도편차가 커지고 발열부 표면온도가 우유혼합물의 변성 온도 이상으로 올라가기 때문이다. 특히 우유용기의 외부 기온이 낮을수록 발열량이 많아지기 때문에 이러한 현상은 더욱 심해진다. 이에, 충분한 발열량을 공급하여 발효를 잘 일으키면서도 우유혼합물이 발열부에 눌어붙지 않는 온도제어 방법이 필요하게 되었다.

한국등록특허 제10-1521699호(2015.6.13 등록)

본 발명은 계절이나 지역에 따른 외기온도의 변화에 상관 없이 요구르트가 최적의 상태로 발효되면서도 발열부에 우유혼합물이 타거나 단백질이 응고하여 들러 붙는 것이 생기지 않도록 하는 요구르트발효기 및 요구르트발효기의 온도제어 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 측면에 따르면, 헤드부와; 상기 헤드부의 하측에 마련되어 발효용기의 입구부에 결합되는 결합부; 상기 헤드부의 하면에 결합되고 하방으로 연장 형성되어 상기 발효용기의 내부에 위치되는 것으로, 하부에는 발열체가 내장되어 상기 발효용기의 하부에 위치되고 상부에는 온도센서가 내장되어 상기 발효용기의 상부에 위치되는 발열봉; 및 상기 온도센서에서 측정된 온도를 기초로 기 결정된 제어로직에 따라 상기 발열체의 발열량을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, i) 상기 온도센서에서 측정된 온도가 기 결정된 제1 발효기준온도 이하인 경우에는 상기 발열체가 기 결정된 제1 발열량을 공급하도록 제어하고, ii) 상기 온도센서에서 측정된 온도가 상기 제1 발효기준온도에 도달한 시점으로부터, 상기 온도센서에서 측정된 온도를 기초로 발효물질의 온도를 기 결정된 제2 발효기준온도를 목표치로 수렴하여 유지하도록 상기 발열체의 발열량을 제어하고, iii) 이후 발효물질의 상부의 온도가 발효물질의 하부의 온도보다 낮아져 상부와 하부의 온도가 역전되는 시점보다 기 결정된 여유시간 만큼 앞선 시점부터 상기 제1 발열량의 절반 이하의 크기를 갖는 제2 발열량을 상기 발열체가 공급하도록 제어하며, 상기 제1 발효기준온도는 상기 제2 발효기준온도보다 낮으며, 상기 여유시간은 상기 온도센서에서 측정된 온도가 상기 제1 발효기준온도에 도달한 시점부터 발효물질의 상부의 온도가 하부의 온도보다 낮아지는 시점까지의 시간보다 작은 것을 특징으로 하는 요구르트발효기가 제공될 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따르면, 내부에 발효 물질을 저장하며 하부에는 발열체가 내장되고 측상부에는 온도센서가 내장되는 본체부; 및 상기 온도센서에서 측정된 온도를 기초로 기 결정된 제어로직에 따라 상기 발열체의 발열량을 제어하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는, i) 상기 온도센서에서 측정된 온도가 기 결정된 제1 발효기준온도 이하인 경우에는 상기 발열체가 기 결정된 제1 발열량을 공급하도록 제어하고, ii) 상기 온도센서에서 측정된 온도가 상기 제1 발효기준온도에 도달한 시점으로부터, 상기 온도센서에서 측정된 온도를 기초로 발효물질의 온도를 기 결정된 제2 발효기준온도를 목표치로 수렴하여 유지하도록 상기 발열체의 발열량을 제어하고, iii) 이후 발효물질의 상부의 온도가 발효물질의 하부의 온도보다 낮아져 상부와 하부의 온도가 역전되는 시점보다 기 결정된 여유시간 만큼 앞선 시점부터 상기 제1 발열량의 절반 이하의 크기를 갖는 제2 발열량을 상기 발열체가 공급하도록 제어하며, 상기 제1 발효기준온도는 상기 제2 발효기준온도보다 낮으며, 상기 여유시간은 상기 온도센서에서 측정된 온도가 상기 제1 발효기준온도에 도달한 시점부터 발효물질의 상부의 온도가 하부의 온도보다 낮아지는 시점까지의 시간보다 작은 것을 특징으로 하는 요구르트발효기가 제공될 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 발효용기 하부에 열을 공급하는 발열체와, 상기 발효용기의 상부 온도를 실시간으로 측정하는 온도센서를 포함하는 요구르트발효기의 자동 온도제어 방법으로서, a) 상기 온도센서에서 측정한 온도가 기 결정된 제1 발효기준온도 이하인 경우에는 상기 발열체가 기 결정된 제1 발열량을 공급하도록 제어하는 단계; b) 상기 온도센서에서 측정된 온도가 상기 제1 발효기준온도에 도달한 시점으로부터, 상기 온도센서에서 측정된 온도를 기초로 발효물질의 온도를 상기 제1 발효기준온도보다 높으며 기 결정된 제2 발효기준온도를 목표치로 수렴하여 유지하도록 상기 발열체의 발열량을 제어하는 단계; 및 c) 이후 발효물질의 상부의 온도가 발효물질의 하부의 온도보다 낮아져 상부와 하부의 온도가 역전되는 시점보다 기 결정된 여유시간 만큼 앞선 시점부터 상기 제1 발열량의 절반 이하의 크기를 갖는 제2 발열량을 상기 발열체가 공급하도록 제어하는 단계를 포함하고; 상기 여유시간은 상기 온도센서에서 측정된 온도가 상기 제1 발효기준온도에 도달한 시점부터 발효물질의 상부의 온도가 하부의 온도보다 낮아지는 시점까지의 시간보다 작은 것을 특징으로 하는 요구르트발효기의 자동 온도제어 방법이 제공될 수 있다.

본 발명의 구체예들에 따른 요구르트발효기 및 요구르트발효기의 자동 온도제어 방법에 의하면, 제어부에서 기 저장된 정보들을 통해 발효용기에 담긴 발효물질의 상부와 하부의 온도가 역전되는 상하부온도역전시점을 추정하여 미리 발열체의 발열량을 낮춰줌으로써 발효물질이 발열부에 눌어붙지 않고 안정적으로 발효될 수 있다. 더 나아가 발효물질의 온도가 일정한 구간을 올라가는 시간을 측정함으로써 이를 바탕으로 외기온도를 추정하여 발열량을 낮춰주는 수준을 결정할 수 있다. 이에 따라 외기온도가 계절이나 지역에 따라 달라지더라도 균일한 발효 결과를 얻을 수 있으며, 발열부도 보통의 수세미로 간단히 세척할 수 있어 사용자가 편리하게 사용할 수 있다.

도 1은 종래 요구르트발효기에서의 온도제어 방법을 나타내는 그래프이다.
도 2는 본 발명의 일 구체예에 따른 요구르트발효기의 사시도이다.
도 3은 도 2의 요구르트발효기가 우유용기에 결합된 형태를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 4는 도 2의 요구르트발효기의 횡단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 구체예에 따른 요구르트발효기의 횡단면도이다.
도 6은 도 2의 요구르트발효기에서 비례제어를 이용하는 방법에 의하여 발효가 진행되는 동안 온도센서 측정온도에 따라 결정되는 발열체의 발열량 변화를 나타내는 그래프이다.
도 7은 도 2의 요구르트발효기에서 비례제어를 이용하는 방법에 의하여 발효가 진행되는 동안 시간에 따라 변화되는 발열체의 발열량 변화를 나타내는 그래프이다.
도 8은 도 2의 요구르트발효기에서 비례제어를 이용하는 방법에 의하여 발효가 진행되는 동안 발효물질의 상부 및 하부의 온도와, 발열부의 표면온도 변화를 나타내는 그래프이다.
도 9는 도 2의 요구르트발효기에서 본 발명에 따른 온도제어 방법에 의하여 발효가 진행되는 동안 시간에 따른 발열체의 발열량 변화를 나타내는 그래프이다.
도 10은 도 2의 요구르트발효기에서 비례제어를 이용하는 방법에 의하여 발효가 진행되는 동안 발효물질의 상부 및 하부의 온도와, 온도센서 측정온도의 변화를 나타내는 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일 구체예에 따른 요구르트발효기의 자동 온도제어 방법을 나타내는 순서도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명한다. 하기의 설명은 본 발명을 구체적인 예시를 들어 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 기술적 사상이 하기의 설명에 한정되는 것은 아니다. 그리고 첨부된 도면은 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공되는 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 첨부된 도면에 한정되지 않는다. 또한 도면에서 각 부재의 두께나 크기 등은 설명의 편의 등을 위해 과장, 생략, 개략적으로 도시될 수 있다.

본 명세서에 기재된 본 발명 구조에 대한 설명에서 위치관계나 방향은 특별히 언급하지 않는 한, 본 명세서에 첨부된 도면을 기준으로 한다.

본 명세서에 기재된 본 발명 구조에 대한 설명에서 공간에 대한 설명이나 위치관계에 대한 설명은 본 발명을 이루는 구성요소들 간의 상대적인 위치를 의미한다. 또한 특별히 언급하지 않는 한, 하나의 구성요소와 다른 구성요소 사이의 공간에는 또 다른 구성요소가 존재할 수 있다. 예를 들어 본 명세서에서 하나의 구성요소의 "상부에" 또는 "위에" 다른 구성요소가 위치함을 언급하는 경우, 하나의 구성요소의 바로 위에 다른 구성요소가 위치하는 경우뿐만 아니라, 하나의 구성요소와 다른 구성요소들 사이에 또 다른 구성요소가 위치하는 경우까지를 포함한다.

도 2는 본 발명의 일 구체예에 따른 요구르트발효기(100)의 사시도, 도 3은 요구르트발효기(100)가 우유용기에 결합된 형태를 개략적으로 도시한 도면, 도 4는 요구르트발효기(100)의 단면도이다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 요구르트발효기(100)는 헤드부(110), 결합부(120), 발열봉(130) 및 제어부(140, 도 4)를 포함한다. 헤드부(110)는 발열봉(130) 내부에 위치하는 발열체(132)를 제어하기 위한 제어부(140)를 내장하고, 사용자에게 요구르트발효기(100)를 동작시키기 위한 유저 인터페이스(USER INTERFACE)를 제공한다. 결합부(120)는 헤드부(110) 하측에 마련되며, 헤드부(110)를 발효용기의 입구부에 결합시킨다. 발열봉(130)은 헤드부(110) 하면에 결합되고 발효용기의 내부에 위치하여 발효를 위한 열을 공급한다. 각 구성에 대한 구체적인 설명은 후술한다.

일반적으로 우유는 HDPE(High Density Polyethylene) 재질의 병 모양 우유용기에 담기거나 카톤팩(Carton Pack)에 담겨 시중에 유통된다. 병 모양 우유용기의 경우 1리터, 1.8리터, 2.3리터의 용량을 갖는 것이 일반적인데, 우유용기의 입구 및 뚜껑의 규격은 우유 브랜드나 용량의 구분 없이 유사하여 뚜껑을 호환하여 사용할 수 있다. 요구르트발효기(100)는 결합부(120)가 우유용기의 뚜껑(10b, 도 3) 대신 우유용기의 입구에 체결될 수 있기 때문에 요구르트발효기(100)는 1리터, 1.8리터, 2.3리터의 용량을 갖는 우유용기 모두에 사용될 수 있다. 구체적으로 요구르트발효기(100)는 시중에 유통되는 우유용기를 발효용기로 사용할 수 있다. 예를 들어 도 3에서와 같이 우유용기(10)의 뚜껑(10b)을 제거하고 요구르트 종균을 투입하여 혼합한다. 이어 요구르트발효기(100)의 발열봉(130)을 우유용기(10)의 내부에 진입시킨 후, 결합부(120)를 우유용기(10)의 입구부(10a)에 결합시킴으로써 요구르트발효기(100)를 우유용기(10)에 결합시켜 사용할 수 있다. 이하에서는 요구르트 종균이 혼합된 우유를 '발효물질'로 칭하고, 우유용기(10)를 '발효용기'(10)로 칭하도록 한다.

요구르트발효기(100)의 각 구성에 대하여 구체적으로 설명한다.

헤드부(110)는 요구르트발효기(100)의 최상부에 위치한다. 이에 따라 헤드부(110)는 요구르트발효기(100)가 발효용기(10)에 결합되었을 때 발효용기(10)의 입구부(10a)를 폐쇄한다. 헤드부(110)의 하측에는 결합부(120)가 마련된다. 결합부(120)는 헤드부(110)를 발효용기(10)의 입구부(10a)와 결합시킨다. 헤드부(110)의 하면에는 발열봉(130)이 결합된다. 헤드부(110)는 제어부(140)를 내장한다. 제어부(140)는 발열체(132)의 발열량을 제어한다. 헤드부(110)는 본 명세서에 첨부된 도면에 도시된 형태 이외에도 다양한 형태를 갖도록 형성될 수 있다. 다만 헤드부(110)는 사용자가 손으로 파지하기 용이하고, 발효용기(10)의 입구부(10a)에 상응하는 형태 및 크기를 갖는 것이 보다 바람직하다. 헤드부(110)의 측부에는 전원코드(112)가 연결될 수 있다. 전원코드(112)는 외부 전원을 요구르트발효기(100)에 공급할 수 있다. 본 명세서에 첨부된 도면에서는 전원코드(112)가 헤드부(110)에 고정식으로 결합된 형태를 도시하고 있으나 착탈식으로 형성되어도 무방하다. 또는 전원코드(112)가 생략되고 배터리(battery)에 의해 전원을 공급하는 것도 가능하다.

헤드부(110)의 상단에는 컨트롤패널(111)이 마련될 수 있다. 컨트롤패널(111)은 요구르트발효기(100)를 동작시킬 수 있는 유저 인터페이스(USER INTERFACE)를 제공한다. 컨트롤패널(111)은 버튼식, 터치식 등 다양한 입력 방법을 가질 수 있다. 일 구체예에 있어서 컨트롤패널(111)은 작동버튼(111a), 시간조절버튼(111b)을 포함한다. 작동버튼(111a)은 요구르트발효기(100)의 작동을 개시 또는 중단 시킨다. 시간조절버튼(111b)은 사용자가 발효 시간을 늘리거나 줄일 수 있도록 한다. 예를 들어 발효 시간을 8시간으로 설정하는 경우 저유동성 내지 비유동성 요구르트를 제조할 수 있으며 개인적인 취향에 따라 발효 시간을 늘리거나 줄일 수 있다. 컨트롤패널(111)은 발효 경과 시간 또는 잔여 시간 등을 표시하기 위한 디스플레이(미표기)를 더 포함할 수 있다. 물론 디스플레이에는 그 이외의 정보들(예컨대 외부온도 등) 역시 표시될 수 있다. 상술한 내용 이외에도 컨트롤패널(111)은 요구르트발효기(100)의 상태(전원 On/Off 상태 등)를 표시하는 표시등(미도시)을 더 포함할 수 있다.

결합부(120)는 헤드부(110)의 하측에 마련되고 발효용기(10)의 입구부(10a)에 결합된다. 결합부(120)가 발효용기(10)의 입구부(10a)에 결합됨으로써 입구부(10a)가 헤드부(110)에 의해 폐쇄되는 형태를 갖는다. 이를 위해 결합부(120)는 내측에 발효용기(10)의 입구부(10a) 측부에 형성되는 나사산에 대응되는 나사홈을 갖도록 형성될 수 있다.

일 구체예에 있어서 결합부(120)는 헤드부(110)에 고정되는 방법으로 이루어질 수 있다. 결합부(120)는 헤드부(110)와 일체로 결합되어 함께 회전될 수도 있고, 경우에 따라 헤드부(110)와 별도로 회전되도록 결합될 수 있다. 즉 결합부(120)가 발효용기(10)의 입구부(10a)에 결합되기 위해 회전되더라도 헤드부(110)와 발열봉(130)은 회전되지 않을 수 있다. 이 경우, 헤드부(110)에 마련되는 전원코드(112)가 결합부(120) 회전에 따라 함께 회전하지 않으므로 전원코드(112)가 꼬이지 않는 장점이 있다.

다른 구체예에 있어서 결합부(120)는 헤드부(110)에 착탈 가능한 방법으로 형성될 수도 있다. 이 경우 다양한 형태 및 크기로 형성되는 입구부(10a)를 갖는 발효용기(10)에 대하여 이에 적합한 결합부(120)로 교체해 가며 사용할 수 있다.

한편 본 발명의 구체예들에 따른 요구르트발효기(100)에 있어서, 결합부(120)는 본 발명의 발명자가 기 출원하여 등록받은 한국등록특허 제10-1521699호에 기재된 '발효기체결부', '착탈식체결부'또는 '회전부 및 착탈식체결부'와 동일 또는 유사하게 구성될 수 있으며, 이에 대한 중복 설명은 생략하도록 한다.

한편, 헤드부(110) 또는 결합부(120)에는 외기온도를 측정하는 외기온도센서(미도시)가 장착될 수 있다. 여기에서 외기온도는 발효용기(10)의 주변 온도를 의미한다.

결합부(120)가 발효용기(10)의 입구부(10a)에 결합되었을 때, 발열봉(130)은 발효용기(10)의 내부에 위치되며, 구체적으로는 발효물질에 삽입된다. 발열봉(130)은 하부에 발열체(132)를 내장하고 있어, 발효물질에 직접 열을 공급하여 발효물질을 발효시킨다.

발열봉(130)은 케이스(131), 발열체(132) 및 온도센서(135)를 포함한다. 케이스(131)는 발열봉(130)의 외형을 이룬다. 케이스(131)는 발열체(132)와 온도센서(135)를 내장한다. 케이스(131)는 내장된 발열체(132)로부터 공급되는 열을 외부의 발효물질로 전달할 수 있도록 열전달율이 높은 소재로 형성될 수 있다. 나아가 케이스(131)는 발효물질에 직접 삽입되므로 케이스(131)는 내열성, 내식성, 내화학성이 우수한 성질을 가질 수 있다. 예컨대 케이스(131)는 금속 소재(예를 들면 스테인리스 스틸)로 형성될 수 있다.

일 구체예에 있어서 케이스(131)는 헤드부(110) 하면에 상단이 결합되고 하방으로 연장 형성되는 봉 또는 로드 형태를 가질 수 있다. 케이스(131)는 헤드부(110) 하면의 중앙 부근에 결합될 수 있다. 케이스(131)의 길이는 발효용기(10)의 길이와 상응할 수 있다. 보다 구체적으로 요구르트발효기(100)가 발효용기(10)에 결합되었을 때 발열봉(130)의 케이스(131) 하단이 발효용기(10)의 하단에 근접하게 위치되도록 할 수 있다. 이를테면 케이스(131)의 하단은 발효용기(10)의 하단으로부터 대략 2cm 정도로 근접하게 위치될 수 있다.

발열체(132)는 케이스(131)에 내장되며, 보다 구체적으로는 케이스(131)의 하부에 내장된다. 여기에서 케이스(131)의 하부는 도 4에 표기된 b 구간과 같이 케이스(131)의 중앙부를 기준으로 아래 구간(케이스의 하단으로부터 상방향으로 1/2 지점 부근)을 의미한다. 발열체(132)는 헤드부(110)에 내장된 제어부(140)로부터 전력을 공급받을 수 있고, 제어부(140)의 제어에 따라 발열량이 제어될 수 있다.

한편 발열봉(130)은 발열체(132)의 상부에 배치되는 절연부(134)를 더 포함할 수 있다. 절연부(134)는 발열체(132)의 상부를 열적으로 밀폐시켜 발열체(132)가 발열할 때 헤드부(110), 제어부(140), 온도센서(135) 등에 영향이 미치지 않도록 할 수 있다.

온도센서(135)는 케이스(131)에 내장되며, 보다 구체적으로는 케이스(131)의 상부에 내장된다. 여기에서 케이스(131)의 상부는 도 4에 표기된 a 구간과 같이 케이스(131)의 중앙부를 기준으로 윗 구간을 의미한다. 발효용기(10)에서 발효가 진행되면 발열체(132)로부터 직접 열을 전달받는 발효물질의 하부와 발열체(132)로부터 간접적으로 열을 전달받는 발효물질의 상부에서의 온도 변화가 나타난다. 이 때 온도센서(135)는 발효물질의 상부의 온도를 측정한다.

제어부(140)는 헤드부(110)에 내장된다. 제어부(140)는 요구르트발효기(100)의 동작을 제어한다. 구체적으로 제어부(140)는 온도센서(135)에서 측정된 온도를 기초로 기 결정된 제어로직에 따라 발열체(132)의 발열강도 및 발열시간을 제어함으로써 발열체(132)의 발열량을 조절할 수 있다. 또한 앞서 설명한 컨트롤패널(111)과 연결되어 컨트롤패널(111)을 통한 사용자 조작에 대응하여 요구르트발효기(100)의 동작을 제어한다.

제어부(140)는 DB부(미도시)를 더 포함할 수 있다. DB부는 제어부(140)가 발열량을 제어하기 위해 기 저장된 정보들을 포함한다. 제어부(140)는 DB부에 저장된 정보와 온도센서(135)에서 측정된 온도정보를 기초로 발열량을 제어하기 위한 제어신호를 생성할 수 있다. 상기 정보의 예로는 특정 온도로 승온되는데 걸리는 시간 데이터를 포함하는 시간 정보, 특정 현상이 발생하는 시간 데이터를 포함하는 시간 정보 등이 있으며, 이에 대해서는 구체적으로 후술한다.

한편 도면에 도시되지는 않았지만 요구르트발효기(100)는 요구르트발효기(100)를 보관하기 위한 보호케이스(미도시)를 더 포함할 수 있다. 일 구체예에 있어서 보호케이스는 결합부(120)의 하부에 결합되어 발열봉(130)을 내측에 수용하는 형태로 요구르트발효기(100)를 보관할 수 있다. 이를 위해 보호케이스의 상측에는 결합부(120) 내주면의 나사산과 대응되는 나사산이 형성될 수 있다. 보호케이스의 형태는 특정되지 않으며, 예컨대 원기둥형, 다각기둥형을 가질 수 있다. 또한 본 발명에 따른 요구르트발효기(100)는 시중에 유통되는 우유용기에 직접 결합되어 우유혼합물을 발효 시킬 수 있다는 점에서 편의성을 가지나, 반드시 이렇게 사용되어야만 하는 것은 아니다. 요구르트발효기(100)의 결합부(120)와 결합 가능한 별도의 전용 발효용기를 구비하여 사용하는 것도 가능하다.

도 5는 본 발명의 다른 구체예에 따른 요구르트발효기(200)의 정면 횡단면도이다. 본 발명의 다른 구체예에 따르면 요구르트발효기(200)는 본체부(210) 및 제어부(230)를 포함한다.

본체부(210)는 요구르트발효기(200)의 외형을 이룬다. 본체부(210)는 발효물질(11)을 수용할 수 있도록 내부 공간을 갖는다. 일 구체예에 있어서 본체부(210)는 상부가 개방된 박스 형태로 형성될 수 있으며, 본체부(210)의 상부에는 본체부(210)를 개폐 가능한 덮개(211)가 마련될 수 있다. 도면에 도시되지는 않았으나 본체부(210)의 측면에는 컨트롤패널이 마련될 수 있다. 컨트롤패널은 요구르트발효기(200)를 동작시킬 수 있는 유저 인터페이스를 제공한다. 컨트롤패널은 전술한 실시예에서와 동일 또는 유사하므로 중복 설명은 생략한다. 마찬가지로 도면에 도시되지는 않았으나 본체부(210)의 측면에는 외부 전원을 공급하기 위한 전원코드가 연결될 수 있다

본체부(210)의 하부에는 발열체(220)가 내장된다. 발열체(220)는 본체부(210)에 저장된 발효물질(11)에 열을 공급한다. 이를 위해 본체부(210)는 발열체(220)로부터 공급되는 열을 내부의 발효물질로 전달할 수 있도록 열전달율이 높은 소재로 형성될 수 있다. 예컨대 본체부(210)는 금속 소재(예를 들면 스테인리스 스틸)로 형성될 수 있다.

본체부(210)의 측상부에는 온도센서(221)가 내장된다. 온도센서(221)는 본체부(210)의 높이의 중앙 부근을 기준으로 윗 구간에 내장된다. 온도센서(221)는 발효물질(11)의 상부의 온도를 측정한다. 본 실시예에서의 온도센서(221)는 전술한 실시예에서의 온도센서(135)와 동일 또는 유사할 수 있다.

본체부(210)는 제어부(230)를 내장한다. 제어부(230)는 발열체(220)와 전기적으로 연결되고, 발열체(220)에 전력을 공급할 뿐만 아니라 발열체(220)의 발열세기 및 발열시간을 제어함으로써 발열체(220)의 발열량을 조절한다. 또한 제어부(230)는 컨트롤패널과 연결되어 컨트롤패널을 통한 사용자 조작에 대응하여 요구르트발효기(200)의 동작을 제어한다.

제어부(230)는 온도센서(221)에서 측정된 온도를 기초로 기 결정된 제어로직에 따라 발열체(220)의 발열량을 제어한다. 본 실시예에서의 제어부(230)는 기능적으로 전술한 실시예에서의 제어부(140)와 동일 또는 유사할 수 있으므로 중복 설명은 생략한다.

이하, 본 발명에 따른 요구르트발효기에서 제어부의 자동 온도제어 방법에 대해 구체적으로 설명한다. 본 발명에 따른 자동 온도제어 방법은 앞서 설명한 실시예들에 해당하는 요구르트발효기의 제어부를 통해 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 자동 온도제어 방법은 최대 발열량으로 발효물질의 온도를 상승시키는 단계, 발효물질의 온도를 일정한 온도 범위에서 유지하는 단계, 그리고 적절할 시점에 발열량을 줄여주는 단계로 구성된다. 발효물질의 온도를 상승시키는 단계에서는 발효물질이 눌어붙지 않는 범위에서 최대 발열량으로 발효물질의 온도를 가능한 한 빠르게 상승시켜 발효 적정 온도에 가깝게 만들어 준다. 발효물질의 온도를 발효 적정 온도 범위에서 유지하는 단계에서는 온오프(on-off)제어, 단계별(stepwise) 제어, 비례(P)제어, 비례적분(PI)제어, 비례미분(PD)제어, 비례미적분(PID)제어 등 다양한 방법이 사용될 수 있다. 그러나 어떠한 온도제어 방법을 사용하더라도 한 가지 제어방법을 계속 적용하여 발효물질의 온도를 유지하려 하면 종래에는 발열부에 발열량이 누적되면서 발열부에 발효물질이 눌어붙는 현상이 생긴다. 이러한 현상은 발효물질이 눌어붙기 시작하기 이전의 적절한 시점에 발열량을 최대 발열량의 1/2 이하로 줄여 줌으로써 방지할 수 있다. 이하에서는 구현이 비교적 간단하고 설명이 용이한 비례제어를 이용하는 방법에 기준하여 본 발명의 자동 온도제어 방법에 대하여 설명한다.

본 발명에 따른 자동 온도제어 방법에 대한 설명에 앞서 발효물질의 온도를 한 가지 제어방법만, 더욱 구체적으로 비례제어를 이용하는 방법만 적용하여 요구르트를 발효시킬 때 나타나는 발효물질의 상부와 하부에서의 온도 변화에 대해 설명한다. 즉, 발효 개시 후 처음에는 일정한 발열량을 제공하다가 온도센서에서 측정한 발효물질의 온도('온도센서 측정온도'라 칭한다.)가 제1 발효기준온도(T1)에 다다른 이후에는 발효시간이 완료될 때까지 제2 발효기준온도(T2)를 기준으로 비례제어 방법을 이용하여 온도를 제어하는 방법이다. 비례제어에 의하여 온도를 제어하면 종래의 단계별 온도제어 방법에 비하여 발열량의 반응이 빠르고 연속적이기 때문에 발효물질의 온도 변화 범위를 좁혀 더 안정적인 발효를 유도할 수 있는 장점이 있다.

도 6은 비례제어를 이용하는 방법에 의하여 발효가 진행되는 동안 온도센서 측정온도에 따라 결정되는 발열체(132)의 발열량 변화를 나타내는 그래프이며, 도 7은 비례제어를 이용하는 방법에 의하여 발효가 진행되는 동안 시간에 따라 변화되는 발열체(132)의 발열량 변화를 나타내는 그래프이며, 도 8은 비례제어를 이용하는 방법에 의하여 발효가 진행되는 동안의 발효물질 상부 및 발효물질 하부와, 발열부(133)의 표면온도 변화를 나타내는 그래프이다. 발효물질 상부 온도라 함은 발효물질의 위쪽 반의 평균온도로서 대략 온도센서가 위치한 높이에서 발열봉(130)과 발효용기(10) 외곽부의 중간 정도 거리에서 측정한 온도이며 발효물질 하부 온도라 함은 발효물질의 아래쪽 반의 평균 온도로서 대략 발열체(132)가 위치한 높이에서 발열봉(130)과 발효용기(10) 외곽부의 중간 정도 거리에서 측정한 온도이다. 그리고 본 발명에 따른 요구르트발효기에서 온도센서(135)는 발효용기(10)의 상부에 위치하므로 '온도센서 측정온도'란 발효물질의 상부 온도를 온도센서(135)로 측정한 온도를 의미한다.

도 6을 참조하면, X축은 온도센서 측정온도(℃)를 나타내고 Y축은 발열량(W, watt)을 나타낸다. 비례제어를 이용하는 방법에 따르면 ⅰ) 온도센서 측정온도가 기 결정된 제1 발효기준온도(T1) 이하인 경우에는 발열체(132)가 기 결정된 제1 발열량(도 6에서 W1로 표기)을 일정하게 공급하도록 제어하고, ⅱ) 온도센서 측정온도가 기 결정된 제1 발효기준온도(T1) 초과 및 기 결정된 제2 발효기준온도(T2) 미만인 경우에는 발열체(132)가 제2 발효기준온도(T2)를 기준으로 온도 차이 정도에 따라 비례적으로 발열량을 낮추어 공급하도록 비례제어하고, ⅲ) 온도센서 측정온도가 제2 발효기준온도(T2) 이상인 경우에는 최소발열량(도 6에서 Wmin으로 표기)을 일정하게 공급하도록 제어할 수 있다. 최소발열량(Wmin)을 0으로 설정하는 경우에는 온도센서 측정온도가 제2 발효기준온도(T2) 이상으로 올라가면 발열을 차단해 주게 된다.

비례제어를 이용하는 방법을 도 7을 참조하여 살펴보면, X축은 발효 시작 후 경과된 시간(분)을 나타내고 Y축은 발열량(W, watt)을 나타낸다. 비례제어를 이용하는 방법에 따르면 온도센서 측정온도가 제1 발효기준온도(T1) 이하일 경우에는 제1 발열량(도 7에서 W1으로 표기)을 공급하도록 제어한다. 온도센서 측정온도가 제1 발효기준온도(T1)를 초과할 경우에는 온도센서 측정온도와 제2 발효기준온도(T2)의 차이에 비례하여 발열량을 공급해 주게 되며, 이에 따라 발열량은 제1 발열량(W1)과 최소발열량(Wmin) 사이에서 변동하게 된다.

이와 같이 비례제어를 이용하는 방법을 사용하여 요구르트를 발효시키면 도 8에서와 같은 그래프 양상이 나타난다. 도 8을 참조하면, X축은 발효 시작 후 경과된 시간(분)을 나타내고, Y축은 온도(℃)를 나타낸다. 그리고 실선은 발효물질 상부의 온도 변화(1), 1점 쇄선은 발효물질 하부의 온도 변화(2), 점선은 발열부(133, 도 4)의 표면 온도 변화(3)를 나타낸다. 발효물질의 온도가 낮은 발효 초기(도 8에서 구간 A로 표기함)에는 제1 발열량(W1)이 균일하게 공급됨에 따라 발효물질의 상부와 하부가 유사한 속도로 승온된다. 발효물질의 온도가 상승하여 온도센서 측정온도가 제1 발효기준온도(T1)에 도달하면 이후 발효 중기(도 8에서 구간 B로 표기함) 동안 발열량이 제1 발열량(W1)과 최소발열량(Wmin) 범위 내에서 증감하면서 발효물질의 온도 상승이 둔해지고 발효물질의 온도가 좁은 범위에서 유지되는 시간이 이어진다. 발효 초기(A) 내지 발효 중기(B)에서는 발효물질이 유동성을 가지며, 발효용기(10) 하부 발열체(132) 주변에 있던 발효물질이 따뜻해짐에 따라 발효용기(10) 상부로 대류가 활발히 일어난다. 이에 따라 발효물질의 상부가 하부에 비해서 상대적으로 온도가 높게 유지된다. 이 구간에서는 발열체(132)가 발효물질의 대류에 의하여 열을 많이 뺏겨 발열부(133)의 표면온도가 높게 올라가지 않으며 발효물질이 발열부(133)에 눌어붙는 현상도 생기지 않는다.

그러나 발효가 진행됨에 따라 발효물질의 유동성이 점차 낮아지며, 발효 말기(도 8에서 구간 C로 표기)가 되면 발효물질이 저유동 또는 비유동 상태가 되어 열에 의한 대류가 일어나기 어렵게 되고, 발효물질을 통한 전도에 의하여 일부의 열만 제한적으로 발효용기(10)의 상부로 전달된다. 이에 따라 온도센서(135)가 있는 발효용기(10)의 상부는 열의 공급이 상대적으로 줄어들면서 발효물질의 상부 온도가 천천히 하락한다. 그리고 발열체(132)가 위치한 발효용기(10)의 하부는 발열부(133)를 중심으로 열이 누적되어 발효물질 하부의 온도가 상대적으로 빨리 상승하게 되고, 그 결과 발효물질의 상부와 하부의 온도가 역전하는 현상(도 8에서 X시점에서 발생)이 나타난다. 이후, 발효물질의 상부와 하부의 온도차이는 발효 말기(C)에 시간이 지날수록 점차 넓어져 발효 초기 및 중기에 비하여 보다 커진다.

여기에서 주목할 부분은 발효물질의 상부와 하부의 온도가 역전하는 시점(X, '상하부온도역전시점'이라 칭한다)의 약 30분 전부터 발열부(133) 표면온도가 급격히 상승하게 되어 이 시점을 전후하여 발열부(133) 표면에 발효물질이 눌어붙기 시작하는 것으로 추정된다는 것이다. 특히 발효 말기(C)에는 발효물질 상부의 온도 하락으로 온도센서(135) 측정온도가 낮아져 발열체(132)는 계속 발열량을 늘리게 되며, 발효물질을 통한 열 전도가 제한적으로만 일어나기 때문에 발열량이 발열부(133) 근처에 누적된다. 이에 따라 발열부(133)의 표면온도가 높게 오르고 발효물질이 발열부(133)에 눌어 붙는 현상이 발생한다. 이와 같이 발열부(133)에 눌어붙는 발효물질은 추후 발열부(133)를 연마성 수세미로 연마해야지만 제거될 수 있으므로 요구르트발효기 사용에 번거로움을 초래한다.

만일 발효 말기(C)에 발효물질이 발열부(133)에 눌어 붙는 현상을 방지하기 위하여 제1 발효기준온도(T1)와 제2 발효기준온도(T2)를 낮추면 발효 초기 내지 발효 중기에 충분한 열이 공급되지 않아 발효물질이 충분히 발효되지 않을 수도 있다. 따라서 비례제어를 이용하는 방법에 의하면 발열부(133)에 발효물질이 눌어붙는 것을 방지하기가 어렵다.

나아가 비례제어를 이용하는 방법을 사용하여 발효물질을 발효시킬 경우 발효용기(10) 외부의 기온도 발효 양상에 영향을 미친다. 발효용기(10)의 외기온도가 낮을수록 발효용기로부터 외부로 빠져나가는 열량도 많아지며 그에 따라 발효 초기(A) 발효물질의 상부와 하부 모두 온도 상승 속도가 느려지고, 온도센서 측정온도가 제1 발효기준온도(T1)에 도달하는 시간(도 8에서 구간 A의 길이)도 길어진다. 이러한 현상은 발효 초기(A) 동안 외기온도와 무관하게 발열량이 제1 발열량(W1)으로 일정하기 때문에 나타나는 현상으로 파악된다. 이 구간에서 발효물질의 상부 온도가 하부 온도보다 높게 유지되는 양상은 지속된다. 온도센서 측정온도가 일단 제1 발효기준온도(T1)에 도달하면 발효물질의 상부와 하부의 온도는 외기온도와 상관 없이 일정한 범위에서 안정되며, 온도센서 측정온도가 제1 발효기준온도(T1)에 도달한 이후부터 상하부온도역전시점(X)까지의 시간도 외기온도에 크게 영향을 받지 않는 것으로 파악된다. 이는 외기온도가 낮으면 온도제어를 통하여 평균적인 발열량을 더 늘리기 때문으로 사료된다. 결과적으로는 외기온도가 낮을수록 발효 개시 이후 상하부온도역전시점(X)까지의 시간은 더 길어진다. 상하부온도역전시점(X) 이후의 발효 말기(C)에는 외기온도가 낮을수록 발효물질 상부와 하부의 온도가 상승하는 속도는 느려지고 하락하는 속도는 빨라진다. 구체적으로는 발효 말기(C) 중 외기온도가 낮을수록 발효용기(10) 상부의 온도가 보다 빨리 내려가고 온도센서 측정온도가 빨리 내려감에 따라 발열량이 제1 발열량으로 증가하는 시점에 빨리 도달한다. 따라서 외기온도가 낮을수록 발열부(133)에 발효물질이 눌어붙는 정도는 더 심해진다.

이상에서는 비례제어를 이용하는 방법에 의하여 발효물질의 온도를 제어하는 경우를 기준으로 발효물질의 상부 온도와 하부 온도, 발열부(133) 표면온도가 변하는 과정을 설명하였으나, 그 원리에 비추어 볼 때, 발효물질의 온도를 온오프제어, 단계별 제어, 비례제어, 비례미분제어, 비례적분제어, 비례미적분제어 등 어떤 방법을 사용하여 제어하더라도 한 가지 제어방법만 계속 적용하면 발효물질의 상부와 하부, 발열부(133) 표면온도가 유사한 패턴으로 변화하며 발열부(133)에 발효물질이 눌어붙는 것을 피할 수 없음을 알 수 있다.

따라서 본 발명의 구체예들에 따른 요구르트발효기에서는 이러한 문제를 해결하기 위하여 요구르트 발효의 과정을 발효 1단계와 발효 2단계의 두 단계로 나누고, 제어부(140)에서 기 보유한 정보와 온도센서(135)에서 측정된 온도에 기반하여 발열체(132)의 발열량을 제어하도록 한 것이다. 요구르트의 최적 발효를 위해서는 우유혼합물을 42℃ 전후의 온도로 유지해야 한다고 알려져 있다. 그리고 가정용 요구르트발효기는 일반적으로 8시간 정도 작동하면 요구르트가 만들어지는 것으로 인식되고 있다. 이하에서는 이와 같은 요구르트 생성을 위한 적정 온도 구간인 41~42℃ 를 '발효적정온도구간'으로 칭하도록 한다. 8시간 안에 최적의 요구르트를 생성하기 위해서는 발효물질의 온도를 최대한 빨리 상승시킨 후 발효적정온도구간으로 유지하는 것이 중요하다. 그리고 별도로 언급이 없는 한 본 발명에 대한 이하 설명은 1.8리터 발효용기를 기준으로 함을 밝힌다.

도 9 및 도 10을 참조하여 본 발명의 구체예들에 따른 요구르트발효기의 온도제어 방법을 설명한다. 도 9는 본 발명의 구체예들에 따른 요구르트발효기의 온도제어 방법에 의하여 발효가 진행되는 동안 시간에 따른 발열체(132)의 발열량 변화를 나타내는 그래프이며, 도 10은 비례제어를 이용하는 방법에 의하여 발효가 진행되는 동안 발효물질 상부 및 발효물질 하부의 온도와 온도센서 측정온도의 변화를 나타내는 그래프이다. 도 9의 그래프에서 X축은 발효 시작 후 경과된 시간(분)을 나타내고 Y축은 발열량(W, watt)을 나타낸다.

도 9를 참조하면, 발효 개시 후 온도센서 측정온도가 제1 발효기준온도(T1)에 이르는 시점(도 9, 도 10에서 Q로 표기, '제1 발효기준온도도달시점')까지는 제1 발열량(도 9에서 W1로 표기)을 일정하게 공급하도록 제어하며, 이후 제1 발효기준온도도달시점(Q)부터 특정한 시점(도 9에서 R로 표기, '온도제어전환시점')까지는 온도센서 측정온도와 제2 발효기준온도(T2)와의 차이에 비례하여 발열량을 공급하도록 비례제어하도록 제어하며, 온도제어전환시점(R)부터 발효 종료시점까지는 제1 발열량(W1)의 0~1/2 수준에서 정해지는 제2 발열량(도 9에서 W2로 표기)을 일정하게 공급하도록 제어한다.

이와 같은 본 발명의 구체예들에 따른 요구르트발효기의 온도제어 방법의 원리를 도 10을 참조하여 설명한다. 도 10을 참조하면, X축은 발효 개시 후 경과된 시간(분)을 나타내고, Y축은 온도(℃)를 나타낸다. 그리고 1점 쇄선은 발효용기 상부의 온도 변화(1), 실선은 발효용기 하부의 온도 변화(2), 점선은 온도센서 측정온도의 변화(3)를 나타낸다.

먼저, 발효 초기(도 8의 구간 A)에 해당하는 온도제어 1단계(도 10에 표기)에 대하여 설명한다. 온도제어 1단계는 도 9와 도 10에서, 발효시작부터 제1 발효기준온도도달시점(Q)까지의 시간으로서 더욱 구체적으로는 온도센서 측정온도가 제1 발효기준온도(T1)까지 상승하는 시간이다. 온도제어 1단계 동안은 제 1 발열량(W1)을 일정하게 공급하도록 제어하며, 도 10에서 보듯이 이 구간에서 발효물질의 상부 온도와 하부 온도, 그리고 온도센서 측정온도가 계속 상승하게 된다. 이 구간동안 발효물질의 상부 온도가 하부 온도보다 높아짐은 비례제어를 이용하는 방법에 대한 설명에서 살펴 본 바와 같다. 제1 발열량(W1)은 최적의 발효결과를 얻기 위하여 발열체(132)가 낼 수 있는 최대 발열량을 의미한다. 일 구체예에 있어서, 제1 발열량은 20W~50W일 수 있다. 제1 발열량(W1)이 상술한 범위 미만인 경우에는 발효물질의 온도 상승이 늦어지면서 발효가 제대로 되지 않을 수 있으며 극단적인 경우에는 발효물질의 온도가 상승하지 않을 수도 있다. 제1 발열량(W1)이 상술한 범위를 초과하는 경우에는 발효물질이 발열부에 눌어붙거나 발열체(132)에서 오버슈팅(overshooting) 현상이 나타나 온도제어가 어려워질 수 있다. 오버슈팅 현상은 발열체(132)가 과열되어 전원이 차단되어도 발열체(132)에서 한동안 발열이 계속되어 발효물질의 온도가 상승하는 현상이다. 나아가 지나치게 발열량이 높은 경우에는 사용자가 화상을 입는 안전사고의 위험도 있다. 제1 발열량(W1)의 구체적인 수치는 발효용기의 용량에 따라 달라질 수 있다. 예를 들어 가장 많이 소비되는 1.8리터 우유용기를 발효용기로 사용하는 경우 제1 발열량은 30W가 바람직하다.

다음으로는, 온도제어 2단계(도 10에 표기)에 대하여 설명한다. 도 9와 도 10에 있어서 제1 발효기준온도도달시점(Q)과 온도제어전환시점(R) 사이에서는 제2 발효기준온도(T2)를 기준온도로 한 비례제어로 발열량이 제어되며, 발효물질의 온도는 발효적정온도구간에 가깝게 유지된다. 즉, 온도센서 측정온도가 제1 발효기준온도(T1)에서 제2 발효기준온도(T2)로 상승하는 동안 발열량은 제2 발효기준온도(T2)와 온도센서 측정온도와의 차이에 비례하여 제1 발열량(W1)에서 최소발열량(Wmin)으로 감소하게 된다. 즉, 온도센서 측정온도가 상승하면 그에 비례하여 발열체(132)의 발열량이 낮아지며, 반대로 온도센서 측정온도가 하락하면 그에 비례하여 발열체(132)의 발열량이 높아지는 방법이다. 온도센서 측정온도가 제2 발효기준온도(T2)일 때 빠른 온도제어를 위하여 최소발열량(Wmin)은 0인 것이 바람직하다. 온도제어 2단계 동안 온도센서 측정온도는 제1 발효기준온도(T1)와 제2 발효기준온도(T2)를 포함하는 일정 구간에서 증감을 반복하며 발효물질의 상부 온도와 하부 온도는 거의 일정하게 유지된다. 또한 이 시간 동안에도 발효물질 상부 온도가 발효물질 하부 온도보다 높은 상태를 유지한다.

제1 발효기준온도(T1)는 발효적정온도구간과의 차이가 크지 않은 것이 유리하다. 온도센서 측정온도가 제1 발효기준온도(T1)를 초과한 시점부터 발열량이 줄어들기 때문에 제1 발효기준온도(T1)와 발효적정온도구간과의 차이가 클수록 발효물질의 온도가 발효적정온도구간에 다다르는 시간이 오래 걸릴 수 있기 때문이다. 제2 발효기준온도(T2)는 온도센서 측정온도 변동의 상한선이 되기 때문에 발효적정온도구간보다 조금 높은 것이 유리하다. 제1 발효기준온도(T1)는 발효적정온도구간과의 차이가 크지 않은 것이 유리한 다른 이유는 제1 발효기준온도(T1)와 제2 발효기준온도(T2)와의 차이가 크면 비례온도제어 방법에 의하여 발효물질의 온도를 제어하기가 쉽지 않기 때문이다. 예컨대 제1 발열량(W1)이 30W, 제1 발효기준온도(T1)가 33℃, 제2 발효기준온도(T2)가 43℃라고 하면 온도 차이가 10℃가 나며, 비례 온도 제어 방법으로는 1℃ 의 온도 변화에 대해 단지 3W의 발열량만을 조절할 수 있을 뿐이다. 본 발명의 구체예들에 따른 요구르트발효기의 경우 발열체(132)는 발효용기(10)의 하부에 위치하는 반면, 온도센서(135)는 발효용기(10)의 상부의 케이스(131) 내부에 위치하므로 발열체(132)와 온도센서(135) 사이의 이격 거리와 그에 따른 시차가 존재한다. 따라서 온도 변화에 대해 소폭의 발열량 제어로는 발효물질의 온도 변화에 실시간으로 대응하기가 어려워지고 그만큼 발효물질의 온도 변동폭도 커지게 된다.

만일 제1 발효기준온도(T1)와 제2 발효기준온도(T2)가 동일하게 설정된다면, 온도제어 2단계는 제2 발효기준온도(T2)를 기준으로 한 온오프(on-off)제어가 된다. 즉, 온도센서 측정온도가 제2 발효기준온도(T2)를 초과하면 발열이 차단되고 제2 발효기준온도(T2) 미만이 되면 제1 발열량(W1)이 공급되게 된다. 온도제어 2단계를 온오프제어로 제어할 경우 비례제어로 하는 경우에 비하여 발열부(133) 표면온도의 변동폭이 상대적으로 커진다.

본 발명의 구체예들에 있어서 제1 발효기준온도(T1)와 제2 발효기준온도(T2)는 제2 발효기준온도(T2)가 제1 발효기준온도(T1)보다 높거나 같다는 조건 하에서 30~50℃ 범위에서 설정될 수 있으며, 보다 구체적으로는 제1 발효기준온도(T1)와 제2 발효기준온도(T2)의 차이가 0~7℃ 범위인 것이 바람직하다. 더욱 구체적으로는 제1 발효기준온도(T1)는 40℃, 제2 발효기준온도(T2)는 43℃인 것이 바람직하다. 이에 따라 이하에서는 편의상 제1 발효기준온도(T1)는 40℃, 제2 발효기준온도(T2)는 43℃, 제1 발열량(W1)은 30W, 최소발열량(Wmin)은 0W인 경우를 중심으로 설명한다. 이 경우 온도센서 측정온도가 40℃ 이하일 때에는 최대 발열량인 30W를 유지하고, 41℃인 경우에는 20W, 42℃인 경우에는 10W, 43℃ 이상인 경우에는 0W의 발열량이 공급된다. 이때 온도센서 측정온도가 41℃에서 40℃로 하락하면 발열량은 20W에서 30W로 10W 늘어나며 발효물질의 온도를 상승시킨다. 온도센서 측정온도가 42℃에서 43℃로 상승하면 발열량은 10W에서 0W로 감소함으로써 발효물질의 온도를 하락시킨다. 이에 따라 발효물질의 온도를 주로 41~42℃의 범위에서 제어할 수 있게 된다. 만일 제1 발효기준온도(T1)와 제2 발효기준온도(T2)를 같은 온도로 설정하면, 예를 들어 42℃로 설정하면 온도제어 2단계에서의 온도제어 방법은 42℃를 기준온도로 한 온오프(on-off)제어방법이 된다.

온도제어 방법이 온도제어 3단계(도 10에 표기)로 전환하기 위해서는 온도제어전환시점(도 10에서 R로 표기)에 온도제어 방법을 전환하여 발열량을 낮추어 주어야 하는데, 그 시점과 발열량을 결정하는 방법에 대하여 설명한다. 비례제어를 이용하는 방법에 의하여 요구르트를 발효시킬 경우, 발효가 개시된 이후 상하부온도역전시점(도 10에서 X로 표기)까지를 발효 1단계라 통칭하고 상하부온도역전시점 이후 발효 종료시까지를 발효 2단계라 칭한다. 발효 1단계에서는 발효물질의 유동성이 높고 발효용기(10)의 하부에 위치하는 발열체(132)의 발열에 의해 승온된 발효물질이 대류 현상에 의하여 상승함으로써 발효용기(10)의 상부 온도가 하부 온도보다 높게 나타난다. 이에 따라 발효 1단계에서는 발효용기(10)의 상부가 더 잘 발효되는 것으로 추정된다. 이후 발효물질의 유동성이 떨어지면서 상하부온도역전시점(X)이 나타나게 되는데, 발효 2단계에서는 발효물질이 유동성을 상실함에 따라 발열체(132)의 발열량이 발열부(133) 주변에 누적되면서 발열부(133) 표면온도가 높게 올라가 발효물질이 발열부(133)에 눌어 붙는 현상이 생김은 앞서 설명하였다. 이때, 도 8을 참조하면 발효물질 상부와 발효물질 하부의 온도 역전 현상이 나타나기 약 30분 전부터 발열부(133) 표면온도가 상승하기 시작하는데, 발열부(133) 표면온도가 상승하기 전부터 온도제어 방법을 전환하여 발열부(133) 주위에 발열량이 누적되지 않을 정도로 발열량을 미리 낮추어 주면 상하부온도역전시점(X)이 도래하여도 발효물질이 발열부(133)에 눌어붙는 것을 방지할 수 있다. 이를 위하여 상하부온도역전시점(X)으로부터 기 결정된 여유시간(Tg) 전에 온도제어 방법을 전환(R)하여 발열량을 낮추어 줄 수 있다. 여기서 여유시간(Tg)은 0보다 크고 제1 발효기준온도도달시점(Q)으로부터 상하부온도역전시점(X)까지의 시간보다 작은 값을 갖는다. 외기온도가 낮을수록 발효용기 외부로 더 많은 열이 빠져나가기 때문에 온도제어전환시점(R) 이후 온도제어 3단계에서 제2 발열량(W2)을 조금 덜 낮춰주고 외기온도가 높을수록 제2 발열량(W2)을 많이 낮추어 주어야 발열부(133)에 눌어붙는 것이 생기지 않으면서도 발효물질의 하부도 잘 발효될 수 있다. 이 때, 온도제어전환시점(R) 이후 외기온도가 극단적으로 높아 발효적정온도구간에 가까울 경우, 예를 들어 35℃ 이상일 경우에는 제1 발열량(W1)의 1/10 수준의 제2 발열량(W2)으로도 발효물질의 온도가 계속 상승할 수 있으므로 온도센서 측정온도가 제2 발효기준온도(T2)를 초과하면 발열을 차단하도록 설정할 수도 있다.

이를 위해서, 본 발명의 구체예들에 따른 요구르트발효기에서 제어부(140)는 DB부를 더 포함하며, 상기 DB부에는 상하부온도역전시점(X)에 대한 제2 시간(Tx) 정보, 온도센서 측정온도가 특정 온도구간을 상승하는데 소요되는 제1 시간(Ts) 정보 및 제2 발열량(W2) 정보를 포함할 수 있다.

먼저, 상기 DB부는 발효물질의 상부 온도와 하부 온도가 역전되는 상하부온도역전시점(X)에 대한 정보를 미리 저장하는 것을 일 특징으로 한다. 상하부온도역전시점(X)에 대한 정보는 온도센서 측정온도가 제1 발효기준온도(T1)에 도달한 시점(Q)부터 상하부온도역전시점(X)까지의 시간(도 10에서 Tx로 표기됨, '제2 시간'이라 칭한다.)으로 기록된다. 발효를 시작한 시점부터의 시간으로 기록하지 않는 이유는, 발효가 시작될 때 발효물질의 최초 온도가 달라짐에 따라 상하부온도역전시점(X)까지의 시간이 영향을 받을 수 있기 때문이다. 한편, 상하부온도역전시점(X)은 발효용기가 위치하는 외기의 온도에 영향을 받을 수 있기 때문에 상하부온도역전시점(X)에 대한 정보는 외기온도별로 정보가 저장되어야 한다. 예컨대 상기 DB부는 외기온도별로 제1 발효기준온도(T1)인 40℃에 도달한 시점(Q)부터 상하부온도역전시점(X)까지 걸리는 제2 시간 데이터를 포함할 수 있다. 이 때, 시간은 분(minute) 단위 또는 초(second) 단위 일 수 있다.

외기온도는 외부온도센서(미도시)에 의하여 측정할 수도 있으며, 온도제어 1단계에서 온도센서 측정온도가 특정 온도구간을 올라가는데 걸리는 시간으로 유추할 수도 있다. 온도제어 1단계에서는 발열량이 제1 발열량(W1)으로 일정하고 외기 온도가 낮을수록 발효용기로부터 많은 열이 빠져 나가기 때문에 온도센서 측정온도가 상승하는 속도도 느려지고 외기온도가 높을수록 온도센서 측정온도가 상승하는 속도가 빨라진다. 따라서 온도센서 측정온도가 특정 구간을 상승하는데 걸리는 시간과 외기온도가 (-)비례관계를 보이기 때문에 온도센서 측정온도가 특정구간을 상승하는데 걸리는 시간을 측정하면 이로부터 외기온도를 추정할 수 있다. 따라서, 본 발명의 상기 DB부는 각각의 외기온도에 대하여 온도센서 측정온도가 기 결정된 제1 온도(S1으로 표기)에서부터 기 결정된 제2 온도(S2로 표기)까지 승온되는데 걸리는 시간(도 10에서 Ts로 표기됨, '제1 시간'이라 칭한다.)에 대한 데이터를 더 포함할 수 있다. 이 때, 시간은 분(minute) 단위 또는 초(second) 단위 일 수 있다. 제1 온도(S1)가 상온보다 많이 낮으면 발효물질이 발열부(133) 뿐만 아니라 주위 공간으로부터도 열량을 흡수함에 따라 온도센서 측정온도가 급격히 상승하므로 오차가 커질 수 있기 때문에 제1 온도(S1)는 상온 수준에서 설정되는 것이 바람직하다. 제2 온도(S2)는 제1 발효기준온도(T1)보다 낮은 온도로 설정되어야 한다. 온도센서 측정온도가 제1 발효기준온도(T1)보다 높게 올라가면 발열량이 줄면서 온도센서 측정온도 변화와 승온에 소요된 시간(Ts)과의 선형 관계가 깨어지기 때문이다. 또한, 제1 온도(S1)와 제2 온도(S2)의 차이가 클수록 승온에 소요되는 시간(Ts)을 측정하는데 오차가 줄어들기 때문에 제2 온도(S2)는 제1 발효기준온도(T1)보다 높지 않으면서 최대한 높은 온도, 즉 제1 발효기준온도(T1)와 동일하게 설정하는 것이 바람직하다. 예컨대 제1 발효기준온도(T1)가 40℃인 경우, 제1 온도(S1)는 20℃~35℃ 범위 내에 있을 수 있고 제2 온도(S2)는 제1 온도(S1)보다는 높고 제1 발효기준온도(T1) 이하인 25℃~40℃ 범위 내에 있을 수 있으며, 40℃인 것이 바람직하다. 이하에서는 보다 구체적으로, 제1 온도(S1)가 27℃, 제2 온도(S2)가 40℃, 제1 발효기준온도(T1)가 40℃, 제2 발효기준온도(T2)가 43℃인 경우를 가정하고 설명한다.

본 발명의 상기 DB부는 제2 발열량 데이터를 포함할 수도 있다. 제2 발열량(도 9에서 W2로 표기됨)은 상기 각각의 외기온도 조건에 매칭되는 것으로 실험을 통해 기 결정될 수 있으며 제1 발열량(W1)의 0~1/2 수준에서 결정되는 제2 발열량(W2) 정보를 포함한다. 외기온도가 낮아지면 제2 발열량(W2)은 높아지고 외기온도가 높아지면 제2 발열량(W2)은 낮아지며, 예를 들어 제1 발열량(W1)이 30W일 때, 제2 발열량(W2)은 0W~15W 범위 내에 있을 수 있다.

제1 시간(Ts) 정보, 제2 시간(Tx) 정보 및 제2 발열량(W2) 정보를 예시하기 위하여 [표 1]을 제시한다. [표 1]의 데이터들은 발효용기가 1.8리터 용량을 가진 조건에서 반복된 실험을 통하여 측정된 것이며, 제1 시간(Ts) 정보, 제2 시간(Tx) 정보 및 제2 발열량(W2) 정보가 [표 1]에 기재된 수치로 한정되는 것은 아니다.

외기온도(℃)	제1 시간 데이터 (27℃ → 40℃)	제2 시간 데이터 (40℃ → 상하부온도역전시점)	제2 발열량 데이터
18	100분	155분	11W
21	90분	139분	9W
23	80분	150분	8W
25	71분	140분	7W
28	69분	135분	7W
31	63분	147분	6W
35	55분	150분	6W

예를 들어 외기온도가 23℃일 때, 발효용기 내의 온도센서 측정온도가 27℃에서 40℃까지 승온되는 데에는 80분(제 1시간, Ts)이 걸리며, 제1 발효기준온도(T1)가 40℃일 때 온도센서 측정온도가 40℃에 도달한 시점(Q)부터 발효용기의 상하부온도역전시점(X)이 발생하는 데에는 150분(제2 시간, Tx)이 걸린다. 그리고 같은 외기온도 하에서 제2 발열량(W2)을 8W로 제공하면 발효 결과가 좋음을 나타낸다.

본 발명의 구체예들에 따른 요구르트발효기에서 제어부는 DB부에 포함되는 상기 정보들을 이용하여 발열체(132)의 발열량을 제어할 수 있다. 구체적으로 제어부는 온도센서 측정온도가 제1 온도(S1, 예컨대 27℃)에서부터 제2 온도(S2, 예컨대 40℃)까지 승온되는데 걸리는 제1 시간(Ts)을 측정한다. 제1 온도(S1) 및 제2 온도(S2)는 모두 제1 발효기준온도(T1) 이하에 해당하므로 발열체(132)의 발열량은 제1 발열량(W1)을 유지한다. 제어부에서 제1 시간(Ts)을 측정하면, 제어부는 DB부에 포함되는 제1 시간(Ts) 데이터와 측정된 제1 시간(Ts)을 직접 매칭시키거나 보간법을 적용함으로써 외기온도를 추정할 수 있다. 예컨대 [표 1]을 기준으로 제어부에서 측정한 제1 시간(Ts) 값이 80분인 경우, 외기온도를 23℃로 추정할 수 있을 것이다. 외기온도가 추정되면 마찬가지로 [표 1]을 통해 제2 시간(Tx) 값을 추출할 수 있다. 이 경우 외기온도 23℃에 해당하는 제2 시간(Tx)은 150분이다. 즉, 제1 시간(Ts)을 측정하여 80분이 되면 외기온도가 23℃임을 추정할 수 있고, 온도센서 측정온도가 제1 발효기준온도(T1)인 40℃에 도달한 시점부터 150분(Tx) 가량 후에 상하부온도역전시점(X)이 발생한다고 추정할 수 있다.

다음으로 제어부는 발열체(132)가 제2 발열량(W2)을 공급하도록 온도제어방법을 전환하는 ' 온도제어전환시점'을 추출한다. 여기에서 온도제어전환시점(도 10에서 R로 표기)은 추정된 상하부온도역전시점(X)보다 여유시간(도 10에서 Tg로 표기)만큼 빠른 시점에 해당한다. 보다 구체적으로는 여유시간(Tg)은 0~90분의 시간이 될 수 있으며, 여유시간(Tg)이 60분인 것이 바람직하다. 이는 상하부온도역전시점(X)의 약 30분 전부터 발열부(133) 표면온도가 급격히 상승하기 때문인데, 발열부(133) 표면온도가 오르기 시작하는 시점과 실험의 오차를 감안하여 상하부온도역전시점(X)으로부터 넉넉히 앞당기면 약 60분 빠른 시점이 되기 때문이다. 하지만 온도제어전환시점(R)을 너무 앞당기면 온도제어 2단계에서 발효적정온도구간을 유지하는 시간이 짧아지기 때문에 요구르트 발효가 그만큼 부족해질 수 있다. 예컨대 외기온도가 23℃인 예에서 제어부가 발효 개시 후 30W(W1)의 발열량을 공급하다가 온도센서 측정온도가 제1 발효기준온도(T1)인 40℃에 도달한 시점부터 비례온도제어를 하고, 제1 발효기준온도도달시점(Q)으로부터 90분(= 150분 - 60분) 가량 후에 제2 발열량(W2)인 8W로 공급되도록 제어하면 발열부(133)에 눌어 붙는 것이 없으면서도 발효물질의 상부와 하부가 골고루 잘 발효될 수 있다.

정리하자면 제어부에서 제1 시간(Ts)을 측정하여 외기온도와 그에 따른 상하부온도역전시점(X)을 추정하고, 상하부온도역전시점(X)이 발생하기 여유시간(Tg) 이전에 발열체(132)의 발열량을 제2 발열량(W2)으로 낮추도록 온도제어방법을 전환시켜 주는 것이다. 그리고 상하부온도역전시점(X)은 온도센서 측정온도가 제1 발효기준온도(T1)인 40℃에 도달한 시점으로부터 제2 시간(Tx) 시간 후에 나타나므로 온도센서 측정온도가 제1 발효기준온도(T1)에 도달한 시점으로부터 (Tx-Tg) 후에 온도제어방법을 전환시켜 해당 외기온도에 매칭되는 제2 발열량(W2)이 공급되도록 제어해 주면 된다.

상기 설명한 바와 같이 온도제어전환시점(R)을 상하부온도역전시점(X)에 연동시키는 방법의 장점은 외기온도가 낮아질 경우 온도제어전환시점(R)이 늦추어지더라도 발효물질이 발효적정온도구간을 유지하는 시간이 거의 일정하게 유지되어 발효물질이 발효가 잘 되면서도 발열부(133)에 눌어붙지 않는다는 것이다.

한편, [표 1]에서 보듯이 외기온도와 제2 시간(Tx)과는 상관관계가 높지 않고 분포 범위가 넓지 않기 때문에 제2 시간(Tx)을 데이터의 대략적인 평균치인 145분으로 설정하고 외기온도와 무관하게 제1 발효기준온도도달시점(Q)으로부터 85분(=145분-60분) 후에 온도제어를 전환시켜 해당 외기온도에 해당하는 제2 발열량(W2)을 공급하도록 제어할 수도 있다. 이 경우 상기 DB부에는 제2 시간(Tx) 데이터를 포함하지 않아도 된다.

다른 한편으로는, 상기 DB부를 이용한 온도제어 방법에서 제1 시간(Ts) 측정값으로부터 외기온도를 추정하고 외기온도로부터 제2 시간(Tx) 값과 제2 발열량(W2) 값을 도출해 내지 않고 제1 시간(Ts) 측정값을 제2 시간(Tx) 데이터와 바로 매칭시켜 제2 시간(Tx) 값을 도출해 내거나 제1 시간(Ts) 측정값을 제2 발열량(W2) 데이터와 매칭시켜 제2 발열량(W2) 값을 도출해 낼 수도 있다. 즉, 상기 DB부는 각 외기온도에 따른 제1 시간(Ts) 데이터, 제2 시간(Tx) 데이터, 제2 발열량(W2) 데이터를 가지지 않고, 각 제1 시간(Ts)에 따른 제2 시간(Tx) 데이터, 제2 발열량(W2) 데이터로 구성될 수도 있다.

한편, 본 발명에 따른 요구르트발효기에서는 외기온도를 직접 측정할 수도 있다. 예를 들어 요구르트발효기의 헤드부 또는 결합부에는 외기온도를 측정하기 위한 외부 온도센서가 장착될 수 있으며, 이를 통해 외기온도를 직접 측정할 수 있을 것이다. 이 경우에는 제어부에서 제1 시간(Ts)을 측정하지 않고도 상하부온도역전시점(X)을 예측할 수 있으므로, 제1 발효기준온도도달시점(Q)부터 (Tx-Tg) 후에 온도제어 방법을 전환하여 해당 외기온도에 해당하는 제2 발열량(W2)을 공급하도록 제어할 수 있을 것이다. 이 경우 상기 DB부에는 제1 시간(Ts) 데이터를 포함하지 않아도 된다.

나아가 본 발명에 따른 요구르트발효기에서 제어부에 포함되는 DB부의 정보들은 특정 용량(예컨대 1.8리터)을 갖는 발효용기를 기준으로 수집된 것이더라도, 그와는 다른 용량을 갖는 발효용기에도 같은 데이터를 이용할 수 있을 것이다. 예를 들어 요구르트발효기에서 제어부에 포함되는 DB부의 정보들이 1.8리터 용량의 발효용기를 기준으로 수집된 것으로 가정하고, 상기 요구르트발효기에 2.3리터 용량의 발효용기를 결합한 경우를 가정한다. 이 경우, 2.3 리터 용량의 발효용기에 담긴 발효물질의 단위 용적당 공급되는 열량은 1.8리터 용량의 발효용기에 담긴 발효물질의 단위 용적당 공급되는 열량보다 작아지므로, 발효 속도는 상대적으로 늦어진다. 즉, 제1 시간(Ts)이 상대적으로 길어질 것이며 상하부온도역전시점(X)도 상대적으로 늦어질 것이다. 이는 다르게 보면 DB부에 저장된 정보들의 기준 용량보다 큰 용량을 갖는 발효용기를 사용하는 경우 외기온도가 보다 낮아지는 경우와 같다고 볼 수 있다. 따라서 요구르트발효기에 결합되는 발효용기의 용량과는 무관하게 제어부에서 제1 시간(Ts) 값을 측정하면 DB부에 저장된 정보들을 통해 외기온도가 보다 낮아진 것으로 인식하게 되고 이에 따라 온도제어 방법을 전환시켜 주는 시점(R)도 늦춰지고 제2 발열량(W2)도 상대적으로 높게 결정되므로 결과적으로는 발효용기의 용량에 따른 오차는 적거나 없을 것이다.

이상에서는 본 발명의 온도제어 방법을 비례제어를 이용하는 방법을 기본으로 설명하였으나, 온도제어 2단계에서 발효물질의 온도를 발효적정온도구간으로 유지하는데 온오프제어, 단계별 제어, 비례제어, 비례미분제어, 비례적분제어, 비례미적분제어 등 어떤 방법을 사용하여도 상하부온도역전시점(X)은 유사하게 결정됨을 추정할 수 있다. 이는 특정 외기온도 조건 하에서 제1 발열량(W1)과 제1 발효기준온도도달시점(Q) 이후 발효물질의 온도가 발효적정온도구간으로 유지되는 시간(Tx)에 의해 상하부온도역전시점(X)이 결정되기 때문이다. 따라서 발효물질의 온도를 발효적정온도구간으로 유지하는데 온오프제어, 단계별 제어, 비례제어, 비례미분제어, 비례적분제어, 비례미적분제어 등 어떤 방법을 사용하더라도 본 발명의 온도제어 방법을적용할 수 있다. 여기서 공통적으로 제2 발효기준온도(T2)는 발효적정온도로 설정되는 온도이며, 제1 발효기준온도(T1)는 제2 발효기준온도(T2)보다 0~7℃ 낮은 온도로서 발효적정온도에 가까워 발효물질의 온도를 일정하게 유지하는 단계의 제어를 시작하는 온도이며, 이 온도 이하에서는 최대 발열량이 제공되므로 정상적인 제어 범위에서 발효물질의 온도가 더 이상 이 온도 이하로 하락하지 않을 것으로 기대되는 온도이다.

도 11은 본 발명의 일 구체예에 따른 요구르트발효기의 자동 온도제어 방법을 나타내는 순서도이다. 도 11을 참조하여 특정 예시를 들어 본 발명의 일 구체예에 따른 요구르트발효기의 자동 온도제어 방법을 설명한다. 본 발명에 따른 요구르트발효기의 자동 온도제어 방법은 앞서 설명한 본 발명의 구체예들에 따른 요구르트발효기에 적용될 수 있다.

본 예시에서 제1 발효기준온도(T1)는 40℃, 제2 발효기준온도(T2)는 43℃, 제1 발열량(W1)은 30W, 여유시간(Tg)은 60분, 제어부에 포함되는 DB부에 저장되는 정보는 [표 1]이라 가정한다.

요구르트발효기를 발효용기(예컨대 1.8리터 우유용기)에 결합하고, 요구르트발효기를 작동시킨다. 요구르트발효기의 온도센서는 발효물질의 상부 온도를 실시간으로 측정한다. 발효초기 발열체(132)는 제1 발열량(W1, 30W)을 지속적으로 공급하고 이에 따라 발효물질의 온도는 지속적으로 상승한다(S11). 이 때 온도센서에서 측정되는 온도가 [표 1]에 기반하여 제1 온도(S1)인 27℃에 도달하면 제어부에서는 그 시점을 체크한다. 이어 온도가 계속 상승하여 온도센서에서 측정되는 온도가 제2 온도(S2)인 40℃에 도달하면 제어부에서는 그 시점을 체크함으로써 제1 시간(Ts) 값을 측정한다(S12). 온도센서에서 측정되는 온도가 제1 발효기준온도(T1)인 40℃에 도달한 시점(S13)부터 제어부는 발효물질의 온도가 발효적정온도구간으로 유지되도록 발열체(132)의 발열량을 제어한다. 이 때 온도제어 방법은 온오프제어, 단계별 제어, 비례제어, 비례미분제어, 비례적분제어, 비례미적분제어 등 어떤 방법이든 적용 가능하다(S14). 이에 따라 발효물질의 온도는 대략 41℃~42℃를 유지한다.

한편, 이와는 별도로 제어부는 측정된 제1 시간(Ts) 값을 기반으로 DB부에 저장된 정보와 매칭시킴으로써 발효용기의 외부 온도를 추정하거나, 요구르트발효기의 헤드부나 결합부에 마련된 외부 온도 센서를 통해 외기온도를 직접 측정할 수 있다(S15). 그리고 추정 또는 측정된 외기온도를 기반으로 DB부의 데이터와 매칭함으로써 온도센서에서 측정된 온도가 제1 발효기준온도(40℃)에 도달한 시점(Q)부터 발효물질의 상부 온도가 하부 온도보다 낮아지는 시점(X)까지의 제2 시간(Tx) 값을 추정하고(S16), 추정 또는 측정된 외기온도에 매칭되는 제2 발열량(W2)도 도출한다(S17). 여기서 제1 시간(Ts) 값을 직접 DB부의 데이터와 매칭함으로써(S18) 제2 시간(Tx) 값과 제2 발열량(W2)을 도출할 수도 있다. 그리고 제2 시간(Tx) 값은 각각의 외기온도에서 실험된 제2 시간(Tx)의 평균값으로 기 결정된 값이 될 수도 있다.

그리고 발효물질의 온도를 일정하게 유지하기 위한 온도제어를 지속하다가 도출된 제2 시간(Tx)보다 여유시간(Tg, 60분) 선행하는 시점부터 제2 발열량(W2)을 제공하도록 제어한다(S19, S20). 그리고 전체 발효시간이 경과하면 발효 프로세스를 종료한다(S21).

이상, 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하였다. 그러나 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 기술의 구체적 적용에 따른 단순한 설계변경, 일부 구성요소의 생략, 단순한 용도의 변경 등 본 발명을 다양하게 변형할 수 있을 것이며, 이러한 변형 역시 본 발명의 권리범위 내에 포함됨은 자명하다.

10: 발효용기 11: 발효물질
100: 요구르트발효기 110: 헤드부
111: 컨트롤패널 120: 결합부
130: 발열봉 131: 케이스
132: 발열체 133: 발열부
134: 절연부 135: 온도센서
140: 제어부 200: 요구르트발효기
210: 본체부 220: 발열체
221: 온도센서 230: 제어부
T1: 제1 발효기준온도 T2: 제2 발효기준온도
S1: 제1 온도 S2: 제2 온도
Ts: 제1 시간
Q: 제1 발효기준온도도달시점 X: 상하부온도역전시점
R: 온도제어전환시점
Tx: 제2 시간 Tg: 여유시간
W1: 제1 발열량 W2: 제2 발열량
Wmin: 최소발열량
A: 발효 초기 B: 발효 중기
C: 발효 말기

Claims (12)

1. 헤드부와;
   상기 헤드부의 하측에 마련되어 발효용기의 입구부에 결합되는 결합부;
   상기 헤드부의 하면에 결합되고 하방으로 연장 형성되어 상기 발효용기의 내부에 위치되는 것으로, 하부에는 발열체가 내장되어 상기 발효용기의 하부에 위치되고 상부에는 온도센서가 내장되어 상기 발효용기의 상부에 위치되는 발열봉; 및
   상기 온도센서에서 측정된 온도를 기초로 기 결정된 제어로직에 따라 상기 발열체의 발열량을 제어하는 제어부를 포함하고,
   상기 제어부는,
   i) 상기 온도센서에서 측정된 온도가 기 결정된 제1 발효기준온도 이하인 경우에는 상기 발열체가 기 결정된 제1 발열량을 공급하도록 제어하고,
   ii) 상기 온도센서에서 측정된 온도가 상기 제1 발효기준온도에 도달한 시점으로부터, 상기 온도센서에서 측정된 온도를 기초로 발효물질의 온도를 기 결정된 제2 발효기준온도를 목표치로 수렴하여 유지하도록 상기 발열체의 발열량을 제어하고,
   iii) 이후 발효물질의 상부의 온도가 발효물질의 하부의 온도보다 낮아져 상부와 하부의 온도가 역전되는 시점보다 기 결정된 여유시간 만큼 앞선 시점부터 상기 제1 발열량의 절반 이하의 크기를 갖는 제2 발열량을 상기 발열체가 공급하도록 제어하며,
   상기 제1 발효기준온도는 상기 제2 발효기준온도보다 낮으며,
   상기 여유시간은 상기 온도센서에서 측정된 온도가 상기 제1 발효기준온도에 도달한 시점부터 발효물질의 상부의 온도가 하부의 온도보다 낮아지는 시점까지의 시간보다 작은 것을 특징으로 하는 요구르트발효기.
2. 내부에 발효 물질을 저장하며 하부에는 발열체가 내장되고 측상부에는 온도센서가 내장되는 본체부; 및
   상기 온도센서에서 측정된 온도를 기초로 기 결정된 제어로직에 따라 상기 발열체의 발열량을 제어하는 제어부를 포함하고,
   상기 제어부는,
   i) 상기 온도센서에서 측정된 온도가 기 결정된 제1 발효기준온도 이하인 경우에는 상기 발열체가 기 결정된 제1 발열량을 공급하도록 제어하고,
   ii) 상기 온도센서에서 측정된 온도가 상기 제1 발효기준온도에 도달한 시점으로부터, 상기 온도센서에서 측정된 온도를 기초로 발효물질의 온도를 기 결정된 제2 발효기준온도를 목표치로 수렴하여 유지하도록 상기 발열체의 발열량을 제어하고,
   iii) 이후 발효물질의 상부의 온도가 발효물질의 하부의 온도보다 낮아져 상부와 하부의 온도가 역전되는 시점보다 기 결정된 여유시간 만큼 앞선 시점부터 상기 제1 발열량의 절반 이하의 크기를 갖는 제2 발열량을 상기 발열체가 공급하도록 제어하며,
   상기 제1 발효기준온도는 상기 제2 발효기준온도보다 낮으며,
   상기 여유시간은 상기 온도센서에서 측정된 온도가 상기 제1 발효기준온도에 도달한 시점부터 발효물질의 상부의 온도가 하부의 온도보다 낮아지는 시점까지의 시간보다 작은 것을 특징으로 하는 요구르트발효기.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 제어부는 DB부를 더 포함하고,
   상기 DB부는,
   상기 발효용기가 위치하는 공간의 온도를 나타내는 각각의 외기온도에 대하여 상기 온도센서에서 측정된 온도가 기 결정된 제1 온도에서부터 기 결정된 제2 온도까지 승온되는데 걸리는 제1 시간 정보를 포함하는 제1 시간 데이터를 포함하며,
   상기 각각의 외기온도에 대하여 상기 온도센서에서 측정된 온도가 상기 제1 발효기준온도에 도달한 시점부터 발효물질의 상부의 온도가 하부의 온도보다 낮아지는 시점까지 걸리는 제2 시간 정보를 포함하는 제2 시간 데이터를 더 포함하며,
   상기 제어부는 상기 온도센서에서 측정된 온도가 상기 제1 온도에서부터 상기 제2 온도까지 승온되는데 걸리는 시간을 측정한 후 상기 제1 시간 데이터와 매칭시킴으로써 외기온도를 추정하며, 상기 추정된 외기온도와 상기 제2 시간 데이터를 매칭시켜 제2 시간 값을 도출함으로써 발효물질의 상부의 온도가 하부의 온도보다 낮아지는 시점을 추정하며,
   상기 제1 온도는 상기 제2 온도보다 낮고,
   상기 제2 온도는 상기 제1 발효기준온도보다 낮거나 같은 것을 특징으로 하는 요구르트발효기.
4. 청구항 1에 있어서,
   상기 헤드부 또는 상기 결합부에는 외부 온도를 측정하는 외부 온도센서가 장착되며;
   상기 제어부는 DB부를 더 포함하고,
   상기 DB부는,
   상기 발효용기가 위치하는 공간의 온도를 나타내는 각각의 외기온도에 대하여 상기 온도센서에서 측정된 온도가 상기 제1 발효기준온도에 도달한 시점부터 발효물질의 상부의 온도가 하부의 온도보다 낮아지는 시점까지 걸리는 제2 시간 정보를 포함하는 제2 시간 데이터를 더 포함하며,
   상기 제어부는 상기 외부 온도센서로부터 외기온도를 측정하며, 상기 측정된 외기온도와 상기 제2 시간 데이터를 매칭시켜 제2 시간 값을 도출함으로써 발효물질의 상부의 온도가 하부의 온도보다 낮아지는 시점을 추정하는 것을 특징으로 하는 요구르트발효기.
5. 청구항 1에 있어서,
   상기 제어부는,
   상기 온도센서에서 측정된 온도가 상기 제1 발효기준온도에 도달한 시점부터 특정시간 지난 시점을 발효물질의 상부의 온도가 하부의 온도보다 낮아지는 시점으로 추정하고,
   상기 특정시간은 상기 발효용기가 위치하는 공간의 온도를 나타내는 각각의 외기온도에 대하여 상기 온도센서 측정온도가 상기 제1 발효기준온도에 도달한 시점부터 발효물질의 상부의 온도가 하부의 온도보다 낮아지는 시점까지의 시간을 측정하여 평균한 시간으로서 기 결정된 시간인 것을 특징으로 하는 요구르트발효기.
6. 청구항 1에 있어서,
   상기 제어부는 DB부를 더 포함하고,
   상기 DB부는,
   상기 발효용기가 위치하는 공간의 온도를 나타내는 각각의 외기온도에 대하여 상기 온도센서에서 측정된 온도가 기 결정된 제1 온도에서부터 기 결정된 제2 온도까지 승온되는데 걸리는 제1 시간 정보를 포함하는 제1 시간 데이터를 포함하며,
   상기 각각의 외기온도에 대하여 발효가 잘되면서도 상기 발열봉에 눌어붙는 것이 없는 제2 발열량 정보를 포함하는 제2 발열량 데이터를 더 포함하며,
   상기 제어부는 상기 온도센서에서 측정된 온도가 상기 제1 온도에서부터 상기 제2 온도까지 승온되는데 걸리는 시간을 측정한 후 상기 제1 시간 데이터와 매칭시킴으로써 외기온도를 추정하며, 상기 추정된 외기온도와 상기 제2 발열량 데이터를 매칭시켜 제2 발열량 값을 도출하며,
   상기 제1 온도는 상기 제2 온도보다 낮은 것을 특징으로 하는 요구르트발효기.
7. 청구항 1에 있어서,
   상기 헤드부 또는 상기 결합부에는 외부 온도를 측정하는 외부 온도센서가 장착되며;
   상기 제어부는 DB부를 더 포함하고,
   상기 DB부는,
   상기 발효용기가 위치하는 공간의 온도를 나타내는 각각의 외기온도에 대하여 발효가 잘되면서도 상기 발열봉에 눌어붙는 것이 없는 제2 발열량 정보를 포함하는 제2 발열량 데이터를 포함하며,
   상기 제어부는 외부 온도센서로부터 상기 외기온도를 측정하며, 상기 측정된 외기온도와 상기 제2 발열량 데이터를 매칭시킴으로써 제2 발열량 값을 도출하는 것을 특징으로 하는 요구르트발효기.
8. 발효용기 하부에 열을 공급하는 발열체와, 상기 발효용기의 상부 온도를 실시간으로 측정하는 온도센서를 포함하는 요구르트발효기의 자동 온도제어 방법으로서,
   a) 상기 온도센서에서 측정한 온도가 기 결정된 제1 발효기준온도 이하인 경우에는 상기 발열체가 기 결정된 제1 발열량을 공급하도록 제어하는 단계;
   b) 상기 온도센서에서 측정된 온도가 상기 제1 발효기준온도에 도달한 시점으로부터, 상기 온도센서에서 측정된 온도를 기초로 발효물질의 온도를 상기 제1 발효기준온도보다 높으며 기 결정된 제2 발효기준온도를 목표치로 수렴하여 유지하도록 상기 발열체의 발열량을 제어하는 단계; 및
   c) 이후 발효물질의 상부의 온도가 발효물질의 하부의 온도보다 낮아져 상부와 하부의 온도가 역전되는 시점보다 기 결정된 여유시간 만큼 앞선 시점부터 상기 제1 발열량의 절반 이하의 크기를 갖는 제2 발열량을 상기 발열체가 공급하도록 제어하는 단계를 포함하고;
   상기 여유시간은 상기 온도센서에서 측정된 온도가 상기 제1 발효기준온도에 도달한 시점부터 발효물질의 상부의 온도가 하부의 온도보다 낮아지는 시점까지의 시간보다 작은 것을 특징으로 하는 요구르트발효기의 자동 온도제어 방법.
9. 청구항 8에 있어서,
   상기 요구르트발효기는 상기 발효용기가 위치하는 공간의 온도를 나타내는 각각의 외기온도에 대하여 상기 온도센서에서 측정된 온도가 기 결정된 제1 온도에서부터 기 결정되고 상기 제1 발효기준온도보다 낮거나 같은 제2 온도까지 승온되는데 걸리는 제1 시간 정보를 포함하는 제1 시간 데이터를 포함하는 DB부를 더 포함하고,
   상기 단계 a) 도중에,
   상기 온도센서에서 측정된 온도가 상기 제1 온도에서부터 제2 온도까지 승온되는데 걸리는 시간을 측정한 후 상기 제1 시간 데이터와 매칭시킴으로써 외기온도를 추정하거나, 또는 요구르트발효기에 장착되는 외부 온도센서로부터 외기온도를 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 요구르트발효기의 자동 온도제어 방법.
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 DB부는, 상기 발효용기가 위치하는 공간의 온도를 나타내는 각각의 외기온도에 대하여 상기 온도센서에서 측정된 온도가 상기 제1 발효기준온도에 도달한 시점부터 발효물질의 상부의 온도가 하부의 온도보다 낮아지는 시점까지의 제2 시간 정보를 포함하는 제2 시간 데이터를 더 포함하고,
    단계 c) 이전에,
    상기 추정 또는 측정된 외기온도와 상기 제2 시간 데이터를 매칭시켜 제2 시간 값을 도출함으로써 발효물질의 상부의 온도가 하부의 온도보다 낮아지는 시점을 추정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 요구르트발효기의 자동 온도제어 방법.
11. 청구항 9에 있어서,
    상기 DB부는, 상기 각각의 외기온도와 매칭되며 기 결정되는 제2 발열량 정보를 포함하는제2 발열량 데이터를 더 포함하고,
    상기 추정 또는 측정된 외기온도와 상기 제2 발열량 데이터를 매칭시켜 상기 제2 발열량 값을 도출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 요구르트발효기의 자동 온도제어 방법.
12. 청구항 8에 있어서,
    단계 c) 이전에,
    상기 온도센서에서 측정된 온도가 상기 제1 발효기준온도에 도달한 시점부터 특정시간 지난 시점을 발효물질의 상부의 온도가 하부의 온도보다 낮아지는 시점으로 추정하는 단계를 더 포함하며,
    상기 특정시간은 상기 발효용기가 위치하는 공간의 온도를 나타내는 각각의 외기온도에 대하여 상기 온도센서 측정온도가 상기 제1 발효기준온도에 도달한 시점부터 발효물질의 상부의 온도가 하부의 온도보다 낮아지는 시점까지의 시간을 측정하여 평균한 시간으로서 기 결정된 시간인 것을 특징으로 하는 요구르트발효기의 자동 온도제어 방법.

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