KR20230097474A - 유도 가열 방식의 쿡탑 - Google Patents

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KR20230097474A
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성호재
오두용
옥승복
박병욱
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 개시는 물의 양, 용기 재질 등 다양한 변수와 관계없이 조리 용기의 끓음 여부를 판단하는 유도 가열 방식의 쿡탑을 제공하기 위한 것으로, 조리 용기가 놓이는 상판부, 상기 조리 용기를 통과하는 자기장을 발생시키는 워킹 코일, 상기 워킹 코일에 전류를 공급하는 인버터, 상기 조리 용기의 온도를 감지하는 센서, 및 상기 조리 용기의 끓음 여부를 판단하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 센서 및 상기 인버터에서 획득된 입력 데이터를 끓음 예측 모형에 적용하여 상기 조리 용기의 끓음 여부를 판단할 수 있다.

Description

유도 가열 방식의 쿡탑{INDUCTION HEATING TYPE COOKTOP}
본 개시는 유도 가열 방식의 쿡탑에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 조리 용기 내 물의 끓음 여부를 판단하는 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 피가열 물체, 예컨대 냄비와 같은 조리 용기를 가열하는 장치들의 보급이 이루어지고 있다.
전기를 이용하여 피가열 물체를 가열하는 방식은 크게 저항 가열 방식과 유도 가열 방식으로 나누어진다. 전기 저항 방식은 금속 저항선 또는 탄화규소와 같은 비금속 발열체에 전류를 흘릴 때 생기는 열을 방사 또는 전도를 통해 피가열 물체(예를 들어, 조리 용기)에 전달함으로써 피가열 물체를 가열하는 방식이다. 그리고 유도 가열 방식은 소정 크기의 고주파 전력을 코일에 인가할 때 코일 주변에 발생하는 자계를 이용하여 금속 성분으로 이루어진 피가열 물체에 와전류(eddy current)를 발생시켜 피가열 물체 자체가 가열되도록 하는 방식이다.
최근에는 쿡탑(Cooktop)에 유도 가열 방식이 대부분 적용되고 있다.
이러한 쿡탑에는 조리 용기 내 물의 끓음 여부를 판단하여 알림으로 출력하는 기능이 구비될 수 있다. 종래 쿡탑은 조리 용기의 진동을 감지하여 물의 끓음 여부를 판단하였는데, 이 경우 조리 용기의 재질, 물의 양 등 다양한 환경 변수에 따라 정확도가 낮아지는 문제가 있다.
본 개시는 물의 양, 용기 재질 등 다양한 변수와 관계없이 조리 용기의 끓음 여부를 판단하는 유도 가열 방식의 쿡탑을 제공하고자 한다.
본 개시는 별도의 센서를 추가하지 않고도 조리 용기의 끓음 여부를 판단하는 유도 가열 방식의 쿡탑을 제공하고자 한다.
본 개시의 실시 예에 따른 유도 가열 방식의 쿡탑은 신경망 모델을 적용하여 조리 용기 내 물이 끓을 때 알림을 출력할 수 있다.
본 개시의 실시 예에 따른 유도 가열 방식의 쿡탑은 다양한 변수를 수집하고 이를 전처리하여 조리 용기의 끓음 여부를 판별 가능한 심층 신경망을 학습시킬 수 있다.
본 개시의 실시 예에 따른 유도 가열 방식의 쿡탑은 조리 용기가 놓이는 상판부, 상기 조리 용기를 통과하는 자기장을 발생시키는 워킹 코일, 상기 워킹 코일에 전류를 공급하는 인버터, 상기 조리 용기의 온도를 감지하는 센서, 및 상기 조리 용기의 끓음 여부를 판단하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 상기 센서 및 상기 인버터에서 획득된 입력 데이터를 끓음 예측 모형에 적용하여 상기 조리 용기의 끓음 여부를 판단할 수 있다.
끓음 예측 모형은 심층 신경망(DNN: Deep Neural Network)으로 구현될 수 있다.
제어부는 가열 시간이 기설정된 임계 시간 초과일 경우, 상기 끓음 예측 모형을 이용할 수 있다.
제어부는 상기 입력 데이터가 상기 끓음 예측 모형에 입력될 때 출력되는 끓음 확률을 획득할 수 있다.
제어부는 상기 끓음 확률을 기설정된 기준 확률과 비교하여 끓음 여부를 판단할 수 있다.
제어부는 상기 끓음 확률이 상기 기준 확률 초과이면 상기 조리 용기의 끓음 알림을 출력할 수 있다.
제어부는 가열 시간이 기설정된 기준 시간을 초과하면, 부하 임피던스를 이용하여 상기 조리 용기의 끓음 여부를 판단할 수 있다.
제어부는 상기 가열 시간이 상기 기준 시간을 초과하며, 상기 부하 임피던스의 구간별 기울기가 소정 기울기 이하이면 상기 조리 용기의 끓음 알림을 출력할 수 있다.
제어부는 상기 가열 시간이 상기 기준 시간 이하인 경우에는, 상기 끓음 확률을 기설정된 기준 확률과 비교하여 끓음 여부를 판단할 수 있다.
입력 데이터는 상기 센서가 센싱한 조리 용기의 온도, 상기 인버터의 동작 주파수 및 부하 임피던스와 관련된 데이터를 포함할 수 있다.
유도 가열 방식의 쿡탑은 조리 용기의 끓음으로 판단될 때 알림을 출력하는 출력부를 더 포함할 수 있다.
본 개시의 실시 예에 따르면, 심층 신경망으로 구현된 끓음 예측 모형을 이용함으로써, 조리 용기의 끓음 판단의 정확도가 향상되는 이점이 있다.
본 개시의 실시 예에 따르면, 용기 재질 및 물의 양 등과 관계 없이 조리 용기의 끓음을 판단 가능한 이점이 있다.
본 개시의 실시 예에 따르면, 별도의 센서를 추가하지 않고, 기존의 센서 및 인버터에서 획득되는 변수를 이용하여 조리 용기의 끓음이 판단이 가능하므로, 구조의 단순화가 가능하며, 신뢰성이 향상되는 이점이 있다.
본 개시의 실시 예에 따르면, 조리 용기의 끓음 여부, 음식물 투하 시점 등을 알려 줄 수 있어, 사용자 편의성이 증대되는 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 유도 가열 방식의 쿡탑의 제어 블록도이다.
도 6은 본 개시의 실시 예에 따른 유도 가열 방식의 쿡탑에서 조리 용기의 끓음 여부를 판단하는 방법이 도시된 순서도이다.
도 7은 본 개시의 실시 예에 따른 끓음 예측 모형의 개략도이다.
도 8은 본 개시의 실시 예에 따른 끓음 예측 모형의 동작 방법이 도시된 순서도이다.
도 9는 본 개시의 실시 예에 따른 끓음 예측 모형에 이용된 데이터의 일 예가 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 상판부(11), 워킹 코일(150) 및 페라이트 코어(13) 중 적어도 하나 이상을 포함할 수 있다.
상판부(11)는 조리 용기(1)가 놓이며, 조리 용기(1)를 지지할 수 있다. 즉, 조리 용기(1)는 상판부(11)의 상면에 놓일 수 있다. 상판부(11)에는 조리 용기(1)가 가열되는 가열 영역이 형성될 수 있다.
그리고, 상판부(11)는 여러 광물질을 합성한 세라믹 재질의 강화 유리로 형성될 수 있다. 이에 따라, 상판부(11)는 쿡탑(10)을 외부 충격 등으로부터 보호할 수 있다.
또한, 상판부(11)는 쿡탑(10) 내부로 먼지 등의 이물질이 인입되는 문제를 방지할 수 있다.
워킹 코일(150)은 상판부(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 상판부(11), 워킹 코일(150) 및 페라이트 코어(13) 외에 다른 구성을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 쿡탑(10)은 상판부(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) 및 공진 커패시터(160) 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.
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.
도 5는 본 개시의 실시 예에 따른 유도 가열 방식의 쿡탑의 제어 블록도이다.
본 개시의 실시 예에 따른 유도 가열 방식의 쿡탑(10)은 인버터(140), 워킹 코일(150), 센서(170), 출력부(180) 및 제어부(190) 중 적어도 일부 또는 전부를 포함할 수 있다.
인버터(140)는 워킹 코일(150)에 전류를 공급할 수 있다. 인버터(140)는 정류부(120)에 의해 정류된 직류 전력을 교류 전력으로 변환하여 워킹 코일(150)에 공급할 수 있다. 인버터(140)는 하프 브릿지(half-bridge) 또는 풀 브릿지(full-bridge) 등 다양한 형태로 형성될 수 있다.
워킹 코일(150)은 인버터(140)로부터 전류를 공급받아 조리 용기(1)를 통과하는 자기장을 발생시킬 수 있다.
센서(170)는 온도를 감지할 수 있다. 센서(170)는 조리 용기(1)의 온도를 감지하기 위한 온도 센서일 수 있다. 센서(170)는 쿡탑(10)에서 가장 위쪽에 배치되는 센서로서, 탑 센서일 수 있다.
센서(170)는 워킹 코일(150)의 가운데에 배치될 수 있다. 센서(170)는 상판부(11)에 직접 또는 간접적으로 접촉되게 배치될 수 있다. 센서(170)는 상판부(11)를 통해 조리 용기(1)의 온도를 감지할 수 있다. 구체적으로, 조리 용기(1)의 열은 상판부(11)로 전달되므로, 센서(170)는 상판부(11)의 온도를 측정함으로써 조리 용기(1)의 온도를 간접적으로 감지할 수 있다.
출력부(180)는 쿡탑(10)의 동작과 관련된 정보를 출력할 수 있다. 출력부(170)는 쿡탑(10)과 관련된 정보를 청각적으로 출력하기 위한 오디오 (미도시) 또는 쿡탑(10)과 관련된 정보를 시각적으로 출력하기 위한 디스플레이(미도시) 등을 포함할 수 있다.
출력부(170)는 조리 용기(1)에서 끓음의 발생을 나타내는 끓음 알람 또는 조리 용기(1)의 과열을 나타내는 과열 알람 중 적어도 하나를 출력할 수 있다.
제어부(190)는 인버터(140), 워킹 코일(150), 센서(170) 및 출력부(180) 등 쿡탑(10)에 구비된 각 구성요소를 제어할 수 있다.
제어부(190)는 조리 용기(1)의 끓음 여부를 감지할 수 있다. 조리 용기(1)의 끓음은 조리 용기(1) 내 물 또는 음식물 등의 끓음을 의미할 수 있다.
다음으로, 도 6을 참조하여, 제어부(190)가 조리 용기(1)의 끓음 여부를 판단하고, 끓음 알림을 출력하는 방법을 설명한다.
도 6은 본 개시의 실시 예에 따른 유도 가열 방식의 쿡탑에서 조리 용기의 끓음 여부를 판단하는 방법이 도시된 순서도이다.
제어부(190)는 입력 데이터를 산출할 수 있다(S10).
입력 데이터는 후술하는 심층 신경망에 입력되는 데이터 변수를 의미할 수 있다. 입력 데이터는 센서(170)가 센싱한 조리 용기의 온도, 인버터(140)의 동작 주파수 및 부하 임피던스와 관련된 데이터 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
예를 들어, 제어부(190)는 입력 데이터(X)로 10개의 데이터(X1, X2, ..., X10)를 획득할 수 있고, 이는 아래와 같을 수 있다.
X1 = Leq Delta Moving (Leq 변화량, (최대 Leq)-(최소 Leq))
X2 = Leq Gradient_60sec (0~60초 사이 Leq 기울기)
X3 = Leq Gradient_120sec (60~120초 사이 Leq 기울기)
X4 = Leq Gradient_180sec (120~180초 사이 Leq 기울기)
X5 = Leq Gradient_240sec (180~240초 사이 Leq 기울기)
X6 = Leq Local Gradient (50초 주기 Leq 기울기 Update)
X7 = Frequency Delta (Switching Frequency 변화량, (최대 Switching Frequency)-(최소 Switching Frequency))
X8 = Frequency Gradient (0~60초 사이 Switching Frequency 기울기)
X9 = TopSensor Delta (TopSensor 변화량, (TopSonsor 최대 센싱값)-(TopSonsor 최소 센싱값))
X10 = TopSensor Gradient (0~60초 사이 TopSensor 기울기)
X1 내지 X6은 부하 임피던스와 관련된 데이터이고, X7 내지 X8은 인버터(140)의 동작 주파수와 관련된 데이터이고, X9 내지 X10은 센서(170)가 센싱한 조리 용기의 온도와 관련된 데이터일 수 있다.
제어부(190)는 조리 용기(1)의 온도를 센서(170)를 통해 획득하고, 동작 주파수(Switching Frequency) 및 부하 임피던스를 인버터(140)의 센싱값을 통해 획득할 수 있다. 입력 데이터는 센서(170) 또는 인버터(140)의 센싱 변수를 이용한 파생 변수일 수 있다.
제어부(190)는 산출된 입력 데이터를 끓음 예측 모형에 적용할 수 있다(S20).
끓음 예측 모형은 심층 신경망(DNN: Deep Neural Network)으로 구현될 수 있다. 이 경우, 끓음 예측 모형에 입력되는 변수들간의 비선형 조합이 용이한 이점이 있다.
끓음 예측 모형은 다양한 조건에 따라 나타나는 인버터(140) 파라미터 및 물의 온도 데이터를 수집 후 전처리 과정을 거쳐 목표에 맞게 학습된 모형일 수 있다.
끓음 예측 모형은 수많은 조리 용기(1)에 대한 실험 데이터를 통해 학습 및 모델링될 수 있다. 끓음 예측 모형은 이진 분류의 알고리즘 구현에 적합하며, 향후 조리 용기(1)의 확장성을 고려한 많은 양의 데이터 처리에 적합할 수 있다.
도 7은 본 개시의 실시 예에 따른 끓음 예측 모형의 개략도이고, 도 8은 본 개시의 실시 예에 따른 끓음 예측 모형의 동작 방법이 도시된 순서도이고, 도 9는 본 개시의 실시 예에 따른 끓음 예측 모형에 이용된 데이터의 일 예가 도시된 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 끓음 예측 모형은 입력층(Input layer), 은닉층(Hidden layer) 및 출력층(Output layer)로 이루어질 수 있다. 입력층에는 단계 S10에서 산출된 입력 데이터가 입력될 수 있다. 은닉층은 신경망 학습에서 입력 데이터들을 받아 가중치를 계산하는 부분으로, 가중치의 수정으로 인한 학습이 진행되는 부분이다. 은닉층은 복수의 층으로 구성될 수 있고, 본 개시의 예시에서는 5개의 층으로 구성될 수 있다. 출력층에서는 은닉층에서 계산된 끓음 확률이 출력될 수 있다.
즉, 끓음 예측 모형은 다수의 조리 용기(1)에 대한 다수의 조건에서 실험한 결과로 학습된 모델일 수 있다. 예를 들어, 밑면 지름이 130mm에서 230mm인 700개 이상의 클래드(clad) 재질의 조리 용기에 대해, 상판부(11)의 잔열이 40℃ 이하이고, 조리 용기(1)의 온도가 40℃ 이하이고, 조리 용기(1) 내 물의 온도가 30℃ 이하인 조건에서 300g 내지 1200g의 물에 대해 1~9단계의 화력으로 가열하면서 물의 온도가 95 내지 99℃일 때 끓음이 발생한 것으로 학습시킨 모델일 수 있다. 이에 따라, 끓음 예측 모형은 조리 용기(1)가 가열될 때 산출된 입력 데이터를 통해 끓음 확률을 산출 및 출력할 수 있다.
도 8에는 입력층, 은닉층 및 출력층에서 실행되는 다양한 연산 함수가 도시되어 있다.
도 9의 (a)에는 조리 용기(1)가 가열되는 동안 부하 임피던스(Leq), 인버터(140)의 동작 주파수, 센서(170)가 감지한 조리 용기(1)의 온도로, 이들로부터 입력 데이터가 획득될 수 있다.
한편, 부하 임피던스는 다음과 같은 수학식 1을 통해 산출될 수 있다.
Figure pat00001
위 수학식 1에서
Figure pat00002
[rad/s]는 2πf이며, f는 동작 주파수일 수 있다. 그리고,
Figure pat00003
[Ω]는
Figure pat00004
이고,
Figure pat00005
[Ω]은
Figure pat00006
이고,
Figure pat00007
[A]는
Figure pat00008
이고,
Figure pat00009
[A]는
Figure pat00010
이며,
Figure pat00011
는 워킹 코일(150)을 흐르는 전류로, 설정된 화력 단계 또는 조리 용기(1)의 종류 등에 따라 달라질 수 있다.
Figure pat00012
는 공진 커패시터의 커패신턴스일 수 있다.
한편, 수학식 1은 예시에 불과하다. 즉, 제어부(190)는 수학식 1이 아닌 다른 방법을 통해 부하 임피던스를 산출할 수도 있다.
도 9의 (b)에는 물 온도 98℃ 이상일 때 끓음 알림이 출력된 경우와 물 온도 98℃ 미만일 때 끓음 알림이 출력되지 않은 경우가 분류된 것으로, 물 온도 98℃ 이상일 때 끓음 알림이 출력될 확률이 85%이고, 물 온도 98℃ 이상일 때 끓음 알림이 출력되지 않을 확률이 15%임을 확인할 수 있다.
다시, 도 6을 설명한다.
제어부(190)는 끓음 예측 모형을 통해 끓음 확률을 산출할 수 있다(S30).
제어부(190)는 센서(170) 및 인버터(140)에서 획득된 입력 데이터를 끓음 예측 모형에 적용할 수 있다. 제어부(190)는 입력 데이터가 끓음 예측 모형에 입력될 때 출력되는 끓음 확률을 획득할 수 있다. 끓음 예측 모형은 입력 데이터가 입력되면, 그에 따른 끓음 확률을 출력할 수 있다.
제어부(190)는 가열 시간이 기설정된 임계 시간 초과인지 판단할 수 있다(S40).
가열 시간은 조리 용기(1)의 가열을 개시한 후 현재까지의 시간을 의미할 수 있다. 가열 시간은 인버터(140)가 동작한 시간일 수 있다.
임계 시간은 끓음 예측 모형이 유효값을 출력하기에 요구되는 최소 시간을 의미할 수 있다. 즉, 가열 시간이 임계 시간 이하일 경우 끓음 예측 모형에서의 출력은 의도된 결과가 아닐 수 있다. 임계 시간은 60초일 수 있으나, 이는 예시에 불과하므로, 이에 제한되지 않음이 타당하다.
제어부(190)는 가열 시간이 기설정된 임계 시간 초과일 경우, 끓음 예측 모형을 이용할 수 있다.
제어부(190)는 가열 시간이 임계 시간 이하이면, 계속해서 입력 데이터를 산출하고 이를 끓음 예측 모형에 적용하여 끓음 확률을 산출할 수 있다. 즉, 제어부(190)는 가열 시간이 임계 시간 이하이면, 계속해서 끓음 확률을 업데이트할 수 있다.
제어부(190)는 끓음 확률이 기준 확률 초과이거나, 부하 임피던스의 구간별 기울기가 소정 기울기 이하이면 끓음 상태로 판단할 수 있다.
따라서, 제어부(190)는 가열 시간이 임계 시간 초과이면, 끓음 확률이 기준 확률 초과인지 판단하는 제1 동작과, 부하 임피던스의 구간별 기울기가 소정 기울기 이하인지 판단하는 제2 동작을 수행할 수 있다.
먼저, 제1 동작을 설명한다. 제어부(190)는 끓음 확률이 기준 확률 초과인지 판단할 수 있다(S50).
끓음 확률은 입력 데이터가 끓음 예측 모형에 입력될 때 출력 값일 수 있다.
기준 확률은 신뢰성 및 정확성을 고려하여 미리 설정된 값일 수 있다. 기준 확률은 85(%)일 수 있으나, 이는 예시적인 것에 불과하므로, 이에 제한되지 않음이 타당하다.
제어부(190)는 끓음 확률을 기설정된 기준 확률과 비교하여 끓음 여부를 판단할 수 있다.
제어부(190)는 끓음 확률이 기준 확률 이하이면, 계속해서 끓음 확률이 기준 확률 초과인지 판단할 수 있다. 이 때, 제어부(190)는 업데이트된 끓음 확률을 기준 확률과 비교하며, 끓음 확률이 기준 확률을 초과할 때까지 계속해서 끓음 확률을 기준 확률과 비교할 수 있다.
제어부(190)는 끓음 확률이 기준 확률 초과이면, 끓음 알림을 출력할 수 있다(S80).
즉, 제어부(190)는 끓음 확률이 기준 확률 초과이면, 조리 용기(1)의 끓음으로 판단할 수 있다.
한편, 조리 용기(1) 내 물의 양이 너무 적을 경우에는 끓음 확률이 기준 확률을 초과하기 이전에 끓음이 발생할 수 있다. 따라서, 제어부(190)는 제1 동작과 함께 제2 동작을 수행할 수 있다. 다만, 물의 양이 너무 적더라도 기설정된 기준 시간(약 3분) 내에 끓음이 발생되기 어려운 바, 제2 동작은 가열 시간이 기준 시간을 초과한 경우에만 수행될 수 있다. 제어부(190)는 가열 시간이 기설정된 기준 시간을 초과하면, 부하 임피던스를 이용하여 조리 용기의 끓음 여부를 판단할 수 있다.
제어부(190)는 가열 시간이 기준 시간을 초과하였는지 판단할 수 있다(S60).
기준 시간은 180초(3분)일 수 있으나, 이는 예시적인 것에 불과하므로, 이에 제한되지 않음이 타당하다.
제어부(190)는 가열 시간이 기준 시간을 초과하지 않으면, 제1 동작을 계속해서 수행하며, 가열 시간이 기준 시간을 초과하였는지 판단할 수 있다. 즉, 제어부(190)는 가열 시간이 기준 시간 이하인 경우에는, 끓음 확률을 기설정된 기준 확률과 비교하여 끓음 여부를 판단할 수 있다.
제어부(190)는 가열 시간이 기준 시간을 초과하면, 제2 동작을 수행할 수 있다. 제어부(190)는 가열 시간이 기준 시간을 초과하면, 부하 임피던스의 구간별 기울기가 소정 기울기 이하인지 판단할 수 있다(S70).
부하 임피던스의 구간별 기울기는 약 50초마다 산출한 부하 임피던스의 기울기일 수 있다. 예를 들어, 도 9의 (a)에서 P1 구간에서의 부하 임피던스 기울기, P2 구간에서의 부하 임피던스 기울기, P3 구간에서의 부하 임피던스 기울기 및 P4 구간에서의 부하 임피던스 기울기일 수 있으나, 이는 예시적인 것에 불과하므로, 이에 제한되지 않음이 타당하다.
제어부(190)는 부하 임피던스의 구간별 기울기가 소정 기울기 이하이면, 끓음 알림을 출력할 수 있다(S80).
제어부(190)는 가열 시간이 기준 시간을 초과하며, 부하 임피던스의 구간별 기울기가 소정 기울기 이하이면, 조리 용기(1)의 끓음으로 판단하고, 끓음 알림을 출력할 수 있다.
즉, 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑(10)은 센서(170) 및 인버터(140)에서 획득된 입력 데이터를 끓음 예측 모형에 적용하여 조리 용기(1)의 끓음 여부를 판단할 수 있다.
즉, 끓음 확률이 기준 확률을 초과하는 조건과, 부하 임피던스의 구간별 기울기가 소정 기울기 이하인 조건은 끓음 판단의 OR 조건일 수 있다.
제어부(190)는 조리 용기(1)의 끓음으로 판단될 때 출력부(180)를 통해 끓음 알림을 출력할 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 (11)

  1. 조리 용기가 놓이는 상판부;
    상기 조리 용기를 통과하는 자기장을 발생시키는 워킹 코일;
    상기 워킹 코일에 전류를 공급하는 인버터;
    상기 조리 용기의 온도를 감지하는 센서; 및
    상기 조리 용기의 끓음 여부를 판단하는 제어부를 포함하고,
    상기 제어부는
    상기 센서 및 상기 인버터에서 획득된 입력 데이터를 끓음 예측 모형에 적용하여 상기 조리 용기의 끓음 여부를 판단하는
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 끓음 예측 모형은
    심층 신경망(DNN: Deep Neural Network)으로 구현된
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는
    가열 시간이 기설정된 임계 시간 초과일 경우, 상기 끓음 예측 모형을 이용하는
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 입력 데이터가 상기 끓음 예측 모형에 입력될 때 출력되는 끓음 확률을 획득하는
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 끓음 확률을 기설정된 기준 확률과 비교하여 끓음 여부를 판단하는
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 끓음 확률이 상기 기준 확률 초과이면 상기 조리 용기의 끓음 알림을 출력하는
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는
    가열 시간이 기설정된 기준 시간을 초과하면, 부하 임피던스를 이용하여 상기 조리 용기의 끓음 여부를 판단하는
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 가열 시간이 상기 기준 시간을 초과하며, 상기 부하 임피던스의 구간별 기울기가 소정 기울기 이하이면 상기 조리 용기의 끓음 알림을 출력하는
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  9. 청구항 7에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 가열 시간이 상기 기준 시간 이하인 경우에는, 상기 끓음 확률을 기설정된 기준 확률과 비교하여 끓음 여부를 판단하는
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 입력 데이터는
    상기 센서가 센싱한 조리 용기의 온도, 상기 인버터의 동작 주파수 및 부하 임피던스와 관련된 데이터를 포함하는
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 조리 용기의 끓음으로 판단될 때 알림을 출력하는 출력부를 더 포함하는
    유도 가열 방식의 쿡탑.

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