KR20220060489A - 조리 용기 및 그의 에너지 하베스팅 시스템 - Google Patents

조리 용기 및 그의 에너지 하베스팅 시스템 Download PDF

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KR20220060489A
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coil
vessel
cover
cooking vessel
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KR1020210149188A
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곽형걸
이성훈
정병상
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 개시는 개시는 WBG(Wide Band Gab) 소자가 적용된 인버터에서의 음 전압 형성 및 링잉 발생을 최소화한 유도 가열 방식의 쿡탑을 제공하기 위한 것으로, 조리 용기가 놓이는 상판 글래스, 조리 용기를 가열하기 위한 자기장을 발생시키는 워킹 코일, 및 워킹 코일에 전류를 흐르도록 구동되는 적어도 하나의 스위칭 소자 및 스위칭 소자를 구동시키는 구동부를 구비하는 인버터를 포함하고, 구동부의 합성 임피던스가 가변될 수 있다.

Description

조리 용기 및 그의 에너지 하베스팅 시스템{Cookware and Energy harvesting system thereof}
본 개시는 조리 용기 및 그의 에너지 하베스팅 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게, 본 개시는 에너지 하베스팅이 가능한 조리 용기와 그의 에너지 하베스팅 시스템에 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 쿡탑에서 발생하는 자계는 조리 용기를 가열하는데 이용될 뿐만 아니라, 에너지 하베스팅에 이용될 수도 있다.
선행기술인 대한민국 등록특허공보 제10-1656115호의 스마트 조리 기구는 전력 수급을 위한 코일을 냄비 하단 또는 손잡이에 구비하는 특징을 개시하고 있다.
한편, 전력 수급을 위한 코일이 냄비 하단에 구비되기 위해서는 고온의 냄비에 의해 해당 코일의 열손상이 방지되도록 코일과 냄비 사이에 절연층이 요구된다. 이 경우 절연층과 코일층의 두께만큼 냄비와 쿡탑 상면 사이의 거리가 멀어지게 되고, 이에 따라 쿡탑의 가열 효율이 저하되는 문제가 있다.
또한, 전력 수급을 위한 코일이 손잡이에 구비될 경우에는 손잡이가 쿡탑의 가열 영역 위에 배치되어야 전력이 수급되는데, 조리 영역에 냄비가 감지되지 않으면 안전을 위해 가열을 중단하는 쿡탑의 경우 손잡이에 구비된 코일을 통해 전력을 전달하지 못하는 한계가 있다.
게다가, 선행기술에서 스마트 조리 기구로 원하는 전력제어 동작을 하기 위해서는 조리 기구와 쿡탑 사이에 동일한 통신 프로토콜 및 알고리즘이 존재해야 하기 때문에 전용 쿡탑에서만 사용이 가능한 단점이 있다.
본 개시는 가열 효율의 저하 없이 쿡탑으로부터 전력을 전달받는 조리 용기 및 그의 에너지 하베스팅 시스템을 제공하고자 한다.
본 개시는 조리 용기의 뚜껑으로도 전력 전달이 가능한 조리 용기 및 그의 에너지 하베스팅 시스템을 제공하고자 한다.
본 개시는 조리 용기, 특히 뚜껑에서 조리 용기의 상태를 출력 가능한 조리 용기 및 그의 에너지 하베스팅 시스템을 제공하고자 한다.
본 개시는 일반적인 쿡탑에서도 전력을 전달받을 수 있는 조리 용기 및 그의 에너지 하베스팅 시스템을 제공하고자 한다.
본 개시의 실시 예에 따른 조리 용기의 에너지 하베스팅 시스템은 조리 용기, 및 상기 조리 용기에 유도 전류를 형성하는 자기장을 발생시키는 워킹 코일을 포함하는 쿡탑을 포함하고, 상기 조리 용기는 음식물이 담기는 용기부, 및 상기 용기부를 덮는 커버부를 포함하고, 상기 용기부는 측면을 따라 배치되는 제1 용기 코일부를 포함할 수 있다.
본 개시의 실시 예에 따른 조리 용기는 음식물이 담기는 용기부, 및 상기 용기부를 덮는 커버부를 포함하고, 상기 용기부는 측면을 따라 배치되는 제1 용기 코일부 및 제2 용기 코일부를 포함하고, 상기 커버부는 커버 코일부를 포함할 수 있다.
본 개시의 실시 예에 따른 유도 가열 방식의 쿡탑에서 발생한 자기장에 의해 가열되는 조리 용기는 음식물이 담기는 용기부, 상기 용기부를 덮는 커버부를 포함하고, 상기 용기부는 측면을 따라 배치되는 제1 용기 코일부를 포함할 수 있다.
제1 용기 코일부는 상기 용기부의 상단과 하단 중 하단에 더 가깝게 배치될 수 있다.
용기부는 상기 측면을 따라 배치되는 제2 용기 코일부를 더 포함하고, 상기 제2 용기 코일부는 상기 용기부의 상단과 하단 중 상단에 더 가깝게 배치될 수 있다.
커버부는 커버 코일부를 포함할 수 있다.
커버 코일부는 상기 제2 용기 코일부에서 발생한 자기장 중 적어도 일부가 통과하는 위치에 배치될 수 있다.
용기부는 상기 제1 용기 코일부에 저장된 자기에너지를 통해 용기 정보를 출력하는 용기 인터페이스를 더 포함할 수 있다.
커버부는 상기 커버 코일부에 저장된 자기에너지를 통해 용기 정보를 출력하는 커버 인터페이스를 더 포함할 수 있다.
커버 인터페이스는 상기 커버부의 손잡이에 형성될 수 있다.
용기부는 상기 제1 용기 코일부에서 출력되는 전류를 정류하는 정류기를 더 포함하고, 상기 제2 용기 코일부는 상기 정류기와 직렬 연결될 수 있다.
용기부는 상기 제1 용기 코일부에 저장된 자기 에너지를 저장하는 저장 커패시터를 더 포함할 수 있다.
제1 용기 코일부에는 상기 쿡탑에서 발생한 자기장 중 적어도 일부가 통과할 수 있다.
제2 용기 코일부에는 상기 제1 용기 코일부에서 발생한 자기장 중 적어도 일부가 통과할 수 있다.
커버 코일부에는 상기 제2 용기 코일부에서 발생한 자기장 중 적어도 일부가 통과할 수 있다.
본 개시의 실시 예에 따르면, 조리 용기가 쿡탑에서 누설되는 자기 에너지를 하베스팅하여 얻은 에너지로 다양한 정보를 출력 가능한 이점이 있다.
본 개시의 실시 예에 따르면, 에너지 하베스팅을 위한 코일이 조리 용기의 측면에 배치됨에 따라 가열 효율의 저하 없이 에너지 하베스팅이 가능한 이점이 있다.
본 개시의 실시 예에 따르면, 음식이 담기는 용기부 뿐만 아니라 용기부를 덮는 커버부에서도 에너지 하베스팅이 가능하고, 이에 따라 커버부에서도 정보 출력이 가능하며, 사용자로 하여금 출력 정보 확인의 용이성 및 편의성을 제공하는 이점이 있다.
본 개시의 실시 예에 따르면, 커버 코일부로 전력을 전달하는 용기 코일부와 정류기의 병렬 구조를 통해, 커버 코일부로 안정적인 전력 전달이 가능한 이점이 있다.
본 개시의 실시 예에 따르면, 조리 용기가 쿡탑으로부터 즉각적으로 에너지를 전달받기 때문에, 배터리 충전이나 교체 등의 번거로운 동작 없이도 정보의 출력이 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 조리 용기가 도시된 사시도이다.
도 6은 본 개시의 실시 예에 따른 조리 용기의 에너지 하베스팅 시스템이 도시된 측면도이다.
도 7은 본 개시의 실시 예에 따른 조리 용기의 에너지 하베스팅 시스템의 회로도이다.
도 8은 본 개시의 실시 예에 따른 조리 용기에 구비된 인터페이스가 도시된 사시도이다.
도 9는 본 개시의 실시 예에 따른 하베스팅 코일에 흐르는 전류가 도시된 도면이다.
도 10은 본 개시의 실시 예에 따른 정류기 및 DC/DC 컨버터 각각의 출력 전압이 도시된 그래프이다.
이하, 본 개시와 관련된 실시 예에 대하여 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 "모듈" 및 "부"는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다.
이하, 본 개시의 실시 예에 따른 유도 가열 방식의 쿡탑 및 그의 동작 방법을 설명한다. 설명의 편의를 위해, “유도 가열 방식의 쿡탑”을 “쿡탑”으로 일컫는다.
도 1은 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑과 조리 용기가 도시된 사시도이고, 도 2는 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑과 조리 용기의 단면도이다.
조리 용기(1)는 쿡탑(10) 상부에 위치할 수 있고, 쿡탑(10)은 상부에 위치하고 있는 조리 용기(1)를 가열시킬 수 있다.
먼저, 쿡탑(10)이 조리 용기(1)를 가열시키는 방법을 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 쿡탑(10)은 적어도 일부가 조리 용기(1)를 통과하도록 자기장(20)을 발생시킬 수 있다. 이 때, 조리 용기(1)의 재질에 전기 저항 성분이 포함되어 있다면, 자기장(20)은 조리 용기(1)에 와류 전류(30)를 유도할 수 있다. 이러한 와류 전류(30)는 조리 용기(1) 자체를 발열시키고, 이러한 열은 전도 또는 방사되어 조리 용기(1)의 내부까지 전달되므로, 조리 용기(1)의 내용물이 조리될 수 있다.
한편, 조리 용기(1)의 재질에 전기 저항 성분이 포함되지 않은 경우에는 와류 전류(30)가 발생하지 않는다. 따라서, 이러한 경우 쿡탑(10)은 조리 용기(1)를 가열시킬 수 없다.
따라서, 이러한 쿡탑(10)에 의해 가열될 수 있는 조리 용기(1)는 스테인리스 계열 혹은 법랑이나 주철 용기 같은 금속 재질 용기일 수 있다.
다음으로, 쿡탑(10)이 자기장(20)을 발생시키는 방법을 설명한다.
도 2에 도시된 바와 같이, 쿡탑(10)은 상판 글래스(11), 워킹 코일(150) 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(150)은 상판 글래스(11)의 아래에 위치할 수 있다. 이러한 워킹 코일(150)은 자기장(20)을 발생시키도록 전류가 공급되거나 공급되지 않을 수 있다. 구체적으로, 쿡탑(10) 내부 스위칭 소자의 온/오프에 따라 워킹 코일(150)에 전류가 흐르거나 흐르지 않을 수 있다.
워킹 코일(150)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(150)에 흐르는 전류의 양에 따라 쿡탑(10)의 화력이 조절될 수 있다. 구체적인 예로, 워킹 코일(150)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(150)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(150)에서 발생한 자기장(20)이 이동하는 모습은 도 2에 도시된 바와 같을 수 있다.
한편, 쿡탑(10)은 상술한 상판 글래스(11), 워킹 코일(150) 및 페라이트 코어(13) 외에 다른 구성을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 쿡탑(10)은 상판 글래스(11)와 워킹 코일(150) 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 WBG(Wide Band Gab) 소자일 수 있으나, 이는 예시적인 것에 불과하므로, 이에 제한되지 않음이 타당하다. 한편, WBG 소자는 SiC(Silicon Carbide) 또는 GaN(Gallium Nitride) 등일 수 있다. 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.
한편, 본 개시는 이러한 쿡탑(10)에서 누설되는 자기 에너지를 하베스팅하는 조리 용기(1)를 제공하고자 한다.
본 개시의 실시 예에 따른 조리 용기의 에너지 하베스팅 시스템은 조리 용기(1) 및 쿡탑(10)을 포함할 수 있다.
도 5는 본 개시의 실시 예에 따른 조리 용기가 도시된 사시도이고, 도 6은 본 개시의 실시 예에 따른 조리 용기의 에너지 하베스팅 시스템이 도시된 측면도이다.
조리 용기(1)는 커버부(1a)와 용기부(1b)를 포함할 수 있다. 커버부(1a)는 용기부(1b)를 덮을 수 있다. 커버부(1a)는 뚜껑일 수 있다. 용기부(1b)에는 음식물이 담길 수 있다. 용기부(1b)는 상면이 개방되며, 내부에 음식물이 수용되는 공간이 형성될 수 있다.
쿡탑(10)은 조리 용기(1)에 유도 전류를 형성하는 자기장을 발생시키는 워킹 코일(140)을 포함할 수 있다.
워킹 코일(140)에서 발생한 자기장의 적어도 일부는 조리 용기(1)를 통과할 수 있다. 조리 용기(1), 특히 용기부(1b)에는 자기장에 의해 와류 전류(30)가 형성되고, 이에 의해 발열될 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따르면, 용기부(1b)는 측면을 따라 배치되는 제1 용기 코일부(11)를 포함할 수 있다. 따라서, 워킹 코일(140)에서 발생한 자기장의 적어도 일부는 제1 용기 코일부(11)를 통과할 수도 있다. 제1 용기 코일부(11)는 워킹 코일(140)로부터 발산되는 자기 에너지를 전달받을 수 있다.
제1 용기 코일부(11)는 용기부(1b)의 측면에 배치될 수 있고, 이에 따라 제1 용기 코일부(11)가 용기부(1b)의 하단에 설치되는 경우와 비교하여 용기부(1b)의 하단과 워킹 코일(140) 사이의 거리가 최소화될 수 있다. 이에 따라, 용기부(1b)가 제1 용기 코일부(11)를 포함함에도 불구하고, 가열 효율이 저하되는 문제가 최소화될 수 있다.
제1 용기 코일부(11)는 용기부(1b)의 측면을 따라 배치되면서, 용기부(1b)의 상단과 하단 중 하단에 더 가깝게 배치될 수 있다. 이에 따라, 제1 용기 코일부(11)는 쿡탑(10)의 상면에 보다 가깝게 배치될 수 있고, 이에 따라 워킹 코일(150)에서 발산되는 자기 에너지를 하베스팅할 수 있다.
제1 용기 코일부(11)가 수급한 자기 에너지는 용기부(1b)에 구비되는 용기 인터페이스(19, 도 8 참고)의 동작 등에 사용될 수 있다.
제1 용기 코일부(11)는 용기부(1b)의 측면에 감긴 형태로 배치될 수 있다.
용기부(1b)는 측면을 따라 배치되는 제2 용기 코일부(12)를 더 포함할 수 있다. 제2 용기 코일부(12)는 용기부(1b)의 측면에 감긴 형태로 배치될 수 있다. 제2 용기 코일부(12)는 용기부(1b)의 상단과 하단 중 상단에 더 가깝게 배치될 수 있다.
조리 용기(1)가 쿡탑(10)의 상면에 배치될 경우, 제1 용기 코일부(11)는 쿡탑(10)에 가깝게 배치되고, 제2 용기 코일부(12)는 커버부(1a)에 가깝게 배치될 수 있다.
커버부(1a)는 커버 코일부(21)를 포함할 수 있다.
커버 코일부(21)는 커버부(1a)에 감긴 형태로 배치될 수 있다. 커버 코일부(21)는 제2 용기 코일부(12)에서 발생한 자기장 중 적어도 일부가 통과하는 위치에 배치될 수 있다.
커버 코일부(21)는 커버부(1a)의 외둘레를 따라 배치될 수 있다. 커버 코일부(21)는 커버부(1a)의 상단과 하단 중 하단에 더 가깝게 배치될 수 있다.
제2 용기 코일부(12)는 제1 용기 코일부(11)로부터 자기 에너지를 전달받아 커버 코일부(21)로 전달할 수 있다. 커버 코일부(21)는 용기부(1b)의 제2 용기 코일부(12)로부터 발산되는 자기 에너지를 전달받을 수 있다.
커버 코일부(21)가 수급한 자기 에너지는 커버부(1a)에 구비되는 커버 인터페이스(29, 도 8 참고)의 동작 등에 사용될 수 있다.
제1 용기 코일부(11)는 쿡탑(10)에서 발생한 자기장 중 적어도 일부가 통과하고, 제2 용기 코일부(12)에는 제1 용기 코일부(11)에서 발생한 자기장 중 적어도 일부가 통과하고, 커버 코일부(21)에는 제2 용기 코일부(12)에서 발생한 자기장 중 적어도 일부가 통과할 수 있다.
도 5 및 도 6에서는 제1 및 제2 용기 코일부(11)(12)와 커버 코일부(21)가 외부에 노출된 형태로 도시되어 있으나, 이는 설명의 편의를 위한 예시에 불과하다. 실시 예에 따라, 조리 용기(1)는 제1 및 제2 용기 코일부(11)(12)와 커버 코일부(21)가 외부로 노출되지 않도록 코팅될 수도 있다. 즉, 제1 및 제2 용기 코일부(11)(12)와 커버 코일부(21)는 외부에서 보이지 않도록 매설될 수 있다.
도 7은 본 개시의 실시 예에 따른 조리 용기의 에너지 하베스팅 시스템의 회로도이다.
도 7에서는, 설명의 편의 상 쿡탑(10)의 구성 중 인버터(140)와 워킹 코일(150)만 도시되어 있다.
워킹 코일(150)에 전류가 흐름에 따라 자기장이 발생하는데, 해당 자기장이 제1 용기 코일부(11)를 통과할 수 있다. 제1 용기 코일부(11)는 워킹 코일(150)에서 발생한 자기장에 의해 전류가 유도되는 방식으로 제1 용기 코일부(11)는 전력을 수급할 수 있다. 즉, 제1 용기 코일부(11)는 워킹 코일(150)에 의해 전자기 유도될 수 있다.
용기부(1b)는 제1 용기 코일부(11)와 연결되는 제1 커패시터(13)를 더 포함할 수 있다. 제1 커패시터(13)는 쿡탑(10)의 구동 주파수에서 제1 용기 코일부(11)와 공진을 이루도록 설계될 수 있다. 공진 정도는 전체 수급량을 고려하여 선정될 수 있다. 도 7에서 제1 커패시터(13)는 제1 용기 코일부(11)와 병렬 연결되는 것으로 도시되어 있으나, 이는 설명의 편의를 위한 것에 불과하다. 정류전압 수준을 고려하여 제1 커패시터(13)는 제1 용기 코일부(11)와 직렬 공진 회로로 구성될 수도 있다.
한편, 제2 용기 코일부(12)는 제1 용기 코일부(11)로 구성되는 공진단에 병렬 연결될 수 있다. 제1 용기 코일부(11)에 유도 전류가 흐르면서 발생한 자기장에 의해 제2 용기 코일부(12)에 전류가 유도될 수 있다. 즉, 제2 용기 코일부(12)는 제1 용기 코일부(11)에 의해 전자기 유도될 수 있다.
용기부(1b)는 제2 용기 코일부(12)와 연결되는 제2 커패시터(13)를 더 포함할 수 있다. 제2 커패시터(13)는 쿡탑(10)의 구동 주파수에서 제2 용기 코일부(12)와 공진을 이루도록 설계될 수 있다. 공진 정도는 정류기 전압(VReat)을 고려하여 선정될 수 있다. 또한, 불필요시 제2 커패시터(13)는 제거될 수도 있다.
용기부(1b)는 정류기(15), DC/DC 컨버터(17) 및 메인 UI 제어회로(18)를 더 포함할 수 있다. 그리고, 용기부(1b)는 제1 저장 커패시터(16)를 포함하거나, 포함하지 않을 수도 있다.
정류기(15)는 제1 용기 코일부(11)가 수급한 교류 전력을 직류로 변환할 수 있다. 정류기(15)는 제1 용기 코일부(11)에서 출력되는 전류를 정류할 수 있다. 정류기(15)에 의해 변환된 직류 전압은 제1 저장 커패시터(16) 혹은 DC/DC 컨버터(17)로 전달될 수 있다.
용기부(1b)가 제1 저장 커패시터(16)를 포함할 경우, 정류기(15)에서 변환된 직류 전압이 제1 저장 커패시터(16)에 저장될 수 있다.
정류기(15)에서 정류되거나, 제1 저장 커패시터(16)에 저장된 전력은 DC/DC 컨버터(17)에서 변환되어 메인 UI 제어회로(18)로 전달될 수 있다. DC/DC 컨버터(17)는 메인 UI 제어회로(18)의 구동에 필요한 전압으로 변환하여 출력할 수 있다. DC/DC 컨버터(17)는 불필요한 경우 제거될 수도 있다.
메인 UI 제어회로(18)는 용기 인터페이스(19)와 이를 제어하는 컨트롤러(미도시)를 포함할 수 있다. 메인 UI 제어회로(18)는 DC/DC 컨버터(17)를 통해 전력을 전달받아 구동될 수 있다.
커버부(1a)는 커버 코일부(21), 제3 커패시터(23), 정류기(25), DC/DC 컨버터(27) 및 서브 UI 제어회로(28)를 포함할 수 있다. 커버부(1a)는 제2 저장 커패시터(26)를 더 포함하거나, 포함하지 않을 수도 있다.
커버 코일부(21)는 제2 용기 코일부(12)에 유도 전류가 흐름에 따라 발생하는 자기장에 의해 전류가 유도되는 방식으로 전력을 수급할 수 있다. 구체적으로, 제2 용기 코일부(12)에 유도 전류가 흐르면서 자기장이 발생하는데, 해당 자기장이 커버 코일부(21)를 통과하면서 커버 코일부(21)에 유도 전류가 형성될 수 있다. 커버 코일부(21)는 제2 용기 코일부(12)에 의해 전자기 유도될 수 있다.
제3 커패시터(23)는 쿡탑(10)의 구동 주파수에서 커버 코일부(21)와 공진을 이루도록 설계될 수 있다. 공진 정도는 서브 UI 제어회로(28)의 전력 수급량을 고려하여 선정될 수 있다.
DC/DC 컨버터(27)는 서브 UI 제어회로(28)의 구동에 필요한 전압으로 변환하여 출력할 수 있다. 서브 UI 제어회로(28)는 커버 인터페이스(29)와 이를 제어하는 컨트롤러(미도시)를 포함할 수 있다. 서브 UI 제어회로(28)는 DC/DC 컨버터(27)를 통해 전력을 전달받아 구동될 수 있다. DC/DC 컨버터(27)는 불필요한 경우 제거될 수도 있다.
실시 예에 따라, 메인 UI 제어회로(18)와 서브 UI 제어회로(28)는 각각 통신 모듈(미도시)을 포함하고 무선 통신을 수행할 수도 있다.
도 8은 본 개시의 실시 예에 따른 조리 용기에 구비된 인터페이스가 도시된 사시도이다.
앞에서 설명하였듯이, 조리 용기(1)는 용기 정보를 출력하는 인터페이스를 적어도 하나 포함할 수 있다. 본 개시에서는 조리 용기(1)가 용기 인터페이스(18) 및 커버 인터페이스(19)를 포함하는 것으로 설명하였으나, 이는 예시적인 것에 불과하다. 즉, 조리 용기(1)에 구비되는 인터페이스의 개수 또는 위치는 다양할 수 있다. 예를 들어, 조리 용기(1)에 구비되는 인터페이스의 개수는 1 또는 2 이상일 수 있다. 또한, 인터페이스는 커버부(1a)와 용기부(1b) 각각의 외면 또는 손잡이 등 다양한 위치에 배치될 수 있다. 도 8에서는 용기 인터페이스(19)는 용기부(1b)의 측면에 형성되고, 커버 인터페이스(29)는 커버부(1a)의 손잡이에 형성된 것으로 가정하였다.
본 개시에서는 도 8에 도시된 바와 같이, 용기 인터페이스(19)가 용기부(1b)의 측면에 배치되고, 커버 인터페이스(29)가 커버부(1a)의 손잡이에 배치된 것으로 가정하나, 이는 설명의 편의를 위한 것에 불과하므로, 이에 제한되지 않음이 타당하다.
용기 인터페이스(19) 및 커버 인터페이스(29)는 용기 정보를 출력할 수 있다. 보다 구체적으로, 용기 인터페이스(19) 제1 용기 코일부(11)에 저장된 자기 에너지를 통해 용기 정보를 출력하고, 커버 인터페이스(29)는 커버 코일부(21)에 저장된 자기 에너지를 통해 용기 정보를 출력할 수 있다.
용기 정보는 조리 용기(1)의 상태와 관련된 정보를 의미할 수 있다. 예를 들어, 용기 정보는 조리 용기(1)의 온도, 가열 여부, 타이머 등을 포함할 수 있다.
구체적인 예로, 용기 인터페이스(19) 또는 커버 인터페이스(29)는 현재 조리 용기(1)의 온도, 특히 용기부(1b)의 온도를 출력할 수 있다.
또는, 용기 인터페이스(19) 또는 커버 인터페이스(29)는 현재 조리 용기(1)가 가열되고 있는지 여부를 출력할 수 있다. 특히, 용기 인터페이스(19) 또는 커버 인터페이스(29)는 LED의 색상, 소리 등을 통해 현재 조리 용기(1)가 가열되고 있는지 여부를 출력할 수 있다.
또는, 용기 인터페이스(19) 또는 커버 인터페이스(29)는 타이머를 통해 조리 용기(1)의 요리 시간을 출력할 수도 있다.
한편, 상술한 용기 정보들은 예시적인 것에 불과하며, 용기 인터페이스(19) 또는 커버 인터페이스(29)는 조리 용기(1), 조리 상태, 요리, 안전 등과 관련된 다양한 정보를 출력할 수 있다.
한편, 쿡탑(10)은 인버터(140)의 입력 전압을 상용 주파수의 성분(약 50~60Hz)이 그대로 있는 상태에서 사용하는 경우가 일반적이다. 그런데, 상용 주파수 성분이 그대로 실린 전류로 에너지 하베스팅을 할 경우, 하베스팅 코일(특히, 제2 용기 코일부)에 흐르는 전류에 상용 주파수 성분이 포함되어 정류기가 도통되는 시간 간격이 굉장히 길어질 수 있다. 이 경우, 제2 용기 코일부(12)가 정류단과 직렬로 연결되면 커버 코일부(21)에 연속적인 전력 전송이 불가능하게 되는 단점이 있다.
도 9는 본 개시의 실시 예에 따른 하베스팅 코일에 흐르는 전류가 도시된 도면이다.
도 9에서 I1은 제1 용기 코일부(11)를 흐르는 전류를 나타내고, I2는 제2 용기 코일부(12)를 흐르는 전류를 나타내고, I3는 커버 코일부(21)를 흐르는 전류를 나타낼 수 있다. 특히, 도 9의 (a)는 제2 용기 코일부(12)와 정류기(15)가 직렬 연결된 경우 하베스팅 코일을 흐르는 전류를 나타내고, 도 9의 (b)는 제2 용기 코일부(12)와 정류기(15)가 병렬 연결된 경우 하베스팅 코일을 흐르는 전류를 나타낸다.
도 9의 (a)를 참고하면, 제2 용기 코일부(12)와 정류기(15)가 직렬 연결된 경우, 제2 용기 코일부(12)에 전류가 연속적으로 흐르지 않음을 확인할 수 있다. 반면에, 도 9의 (b)를 참고하면, 제2 용기 코일부(12)와 정류기(15)가 병렬 연결된 경우, 제2 용기 코일부(12)에 전류가 연속적으로 흐르고, 그에 따라 커버 코일부(21)에도 전류가 연속적으로 흐름을 확인할 수 있다. 즉, 제2 용기 코일부(12)와 정류기(15)가 병렬 연결될 경우, 커버 코일부(21)에도 전류가 연속적으로 흐르는 바, 커버 코일부(21)에 전류가 안정적으로 공급됨을 확인할 수 있다. 따라서, 제2 용기 코일부(12)는 정류기(15)가 병렬 연결될 수 있다.
도 10은 본 개시의 실시 예에 따른 정류기 및 DC/DC 컨버터 각각의 출력 전압이 도시된 그래프이다.
도 10에서 VReat는 정류기의 출력 전압을 나타내고, Vo는 DC/DC 컨버터(17)의 출력 전압을 나타낼 수 있다.
쿡탑(10)은 가열 세기, 즉 출력 파워를 조절하기 위해 온/오프 듀티 제어를 수행할 수 있는데, 쿡탑(10)이 오프일 동안 메인 UI 제어회로(18) 또는 서브 UI 제어회로(28)에 공급되는 전력이 차단될 수도 있다. 따라서, 쿡탑(10)이 오프일 동안 메인 UI 제어회로(18) 또는 서브 UI 제어회로(28)에 안정적으로 전력을 공급하는 방안이 요구될 수 있다.
이에, 조리 용기(1)는 커패시터를 더 포함하고, 쿡탑(10)이 온일 때 커패시터에 전력을 저장하고, 쿡탑(10)이 오프인 동안 커패시터에 저장된 전력을 사용할 수도 있다. 커버부(1a) 또는 용기부(1b) 중 적어도 하나가 커패시터를 포함할 수 있다. 커패시터는 대용량일 수 있다. 커버부(1a)가 커패시터를 포함할 경우, 도 7에 도시된 바와 같이 정류기(25)의 출력단에 제2 저장 커패시터(26)가 배치될 수 있다. 용기부(1b)가 커패시터를 포함할 경우, 도 7에 도시된 바와 같이 정류기(15)의 출력단에 제1 저장 커패시터(16)가 배치될 수 있다.
한편, 조리 용기(1)는 대용량 커패시터 대신 배터리를 더 포함할 수도 있다. 앞에서 대용량 커패시터는 정류기(15)(25)의 출력단에 배치됨을 설명하였다. 한편, 조리 용기(1)가 배터리를 포함할 경우, 배터리는 DC/DC 컨버터(17)(27)의 출력단에 배치될 수 있다.
한편, 제1 용기 코일부(11), 제2 용기 코일부(12) 및 커버 코일부(21) 각각은 코일을 나타내며, 제1 저장 커패시터(16) 및 제2 저장 커패시터(26) 각각은 대용량 커패시터를 나타내는 것으로, 각 구성 요소 간의 구분을 위해 이름을 달리한 것에 불과하다.
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 (15)

  1. 조리 용기; 및
    상기 조리 용기에 유도 전류를 형성하는 자기장을 발생시키는 워킹 코일을 포함하는 쿡탑을 포함하고,
    상기 조리 용기는
    음식물이 담기는 용기부; 및
    상기 용기부를 덮는 커버부를 포함하고,
    상기 용기부는
    측면을 따라 배치되는 제1 용기 코일부를 포함하는
    조리 용기의 에너지 하베스팅 시스템.
  2. 음식물이 담기는 용기부; 및
    상기 용기부를 덮는 커버부를 포함하고,
    상기 용기부는
    측면을 따라 배치되는 제1 용기 코일부 및 제2 용기 코일부를 포함하고,
    상기 커버부는
    커버 코일부를 포함하는
    조리 용기.
  3. 유도 가열 방식의 쿡탑에서 발생한 자기장에 의해 가열되는 조리 용기에 있어서,
    음식물이 담기는 용기부;
    상기 용기부를 덮는 커버부를 포함하고,
    상기 용기부는
    측면을 따라 배치되는 제1 용기 코일부를 포함하는
    조리 용기.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 용기 코일부는
    상기 용기부의 상단과 하단 중 하단에 더 가깝게 배치되는
    조리 용기.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 용기부는
    상기 측면을 따라 배치되는 제2 용기 코일부를 더 포함하고,
    상기 제2 용기 코일부는
    상기 용기부의 상단과 하단 중 상단에 더 가깝게 배치되는
    조리 용기.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 커버부는 커버 코일부를 포함하는
    조리 용기.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 커버 코일부는
    상기 제2 용기 코일부에서 발생한 자기장 중 적어도 일부가 통과하는 위치에 배치되는
    조리 용기.
  8. 청구항 3에 있어서,
    상기 용기부는
    상기 제1 용기 코일부에 저장된 자기 에너지를 통해 용기 정보를 출력하는 용기 인터페이스를 더 포함하는
    조리 용기.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 커버부는
    상기 커버 코일부에 저장된 자기에너지를 통해 용기 정보를 출력하는 커버 인터페이스를 더 포함하는
    조리 용기.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 커버 인터페이스는 상기 커버부의 손잡이에 형성되는
    조리 용기.
  11. 청구항 3에 있어서,
    상기 용기부는
    상기 제1 용기 코일부에서 출력되는 전류를 정류하는 정류기를 더 포함하고,
    상기 제2 용기 코일부는 상기 정류기와 병렬 연결되는
    조리 용기.
  12. 청구항 3에 있어서,
    상기 용기부는
    상기 제1 용기 코일부에 저장된 자기 에너지를 저장하는 커패시터를 더 포함하는
    조리 용기.
  13. 청구항 3에 있어서,
    상기 제1 용기 코일부에는 상기 쿡탑에서 발생한 자기장 중 적어도 일부가 통과하는
    조리 용기.
  14. 청구항 5에 있어서,
    상기 제2 용기 코일부에는 상기 제1 용기 코일부에서 발생한 자기장 중 적어도 일부가 통과하는
    조리 용기.
  15. 청구항 6에 있어서,
    상기 커버 코일부에는 상기 제2 용기 코일부에서 발생한 자기장 중 적어도 일부가 통과하는
    조리 용기.

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