KR20230165054A - 유도 가열 방식의 쿡탑 - Google Patents

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KR20230165054A
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성호재
오두용
옥승복
박병욱
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엘지전자 주식회사
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Abstract

본 개시의 실시 예에 따른 유도 가열 방식의 쿡탑은 조리 용기가 놓이는 상판부, 조리 용기를 통과하는 자기장을 발생시키는 워킹 코일, 워킹 코일에 전류를 공급하는 인버터, 상판부의 온도를 감지하는 센서, 및 부하 임피던스의 변화량 및 온도의 변화량 중 적어도 하나를 이용하여 조리 용기가 예열 상태인지 판단하는 제어부를 포함할 수 있다.

Description

유도 가열 방식의 쿡탑{INDUCTION HEATING TYPE COOKTOP}
본 개시는 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.
한편, 사용자는 음식을 조리하기에 앞서 먼저 조리 용기를 예열할 수 있다. 특히, 음식에 열이 골고루 전달되도록 조리 용기 자체를 미리 먼저 가열하는 예열 과정이 요구될 수 있다. 이와 같은 조리 용기의 예열은 조리 용기를 적정 온도로 가열시키기 위한 것인 바, 지나치게 과한 열로 가열될 경우 조리 용기의 파손 위험이 발생할 수 있다. 특히, 조리 용기가 예열될 경우에는 음식물이 담기지 않는 바, 조리 용기의 온도가 급격하게 상승하여 조리 용기 자체가 과하게 가열되는 문제가 발생할 수 있다.
본 개시는 상술한 문제를 개선한 유도 가열 방식의 쿡탑을 제공하고자 한다.
본 개시는 별도의 입력 없이도 조리 용기의 예열 상태 여부를 판단하여, 적정 온도로 예열시키는 유도 가열 방식의 쿡탑을 제공하고자 한다.
본 개시는 예열을 위해 음식물이 없거나 소량의 기름만 존재하는 조리 용기를 가열시 안정적인 조리를 가능하게 하는 유도 가열 방식의 쿡탑을 제공하고자 한다.
본 개시의 실시 예에 따른 유도 가열 방식의 쿡탑은 조리 용기가 놓이는 상판부, 조리 용기를 통과하는 자기장을 발생시키는 워킹 코일, 워킹 코일에 전류를 공급하는 인버터, 상판부의 온도를 감지하는 센서, 및 부하 임피던스의 변화량 및 온도의 변화량 중 적어도 하나를 이용하여 조리 용기가 예열 상태인지 판단하는 제어부를 포함할 수 있다.
제어부는 조리 용기가 예열 상태인 경우, 출력을 설정 화력에 따른 출력 보다 낮게 조절할 수 있다.
제어부는 조리 용기가 예열 상태에서 가열 상태로 변경된 경우, 출력을 설정 화력에 따른 출력으로 조절할 수 있다.
제어부는 가열 상태로 변경된 후 부하 임피던스의 변화량 및 온도의 변화량 중 적어도 하나를 이용하여 조리 용기가 과열 상태인지 판단할 수 있다.
제어부는 조리 용기가 과열 상태인 경우 출력을 중단시킬 수 있다.
제어부는 부하 임피던스의 변화량에 대한 기울기가 기설정된 제1 기준 값 이상이거나, 온도의 변화량에 대한 기울기가 기설정된 제2 기준 값 이상인 경우 조리 용기를 예열 상태로 판단할 수 있다.
제어부는 가열 시작 후 기설정된 소정 시간이 경과한 시점에 조리 용기가 예열 상태인지 판단할 수 있다.
제어부는 조리 용기의 재질에 따라 부하 임피던스의 변화량 및 온도의 변화량을 비교하는 기준 값을 다르게 설정할 수 있다.
제어부는 설정 화력에 따라 부하 임피던스의 변화량 및 온도의 변화량을 비교하는 기준 값을 다르게 설정할 수 있다.
제어부는 설정 화력이 클수록 부하 임피던스의 변화량 및 온도의 변화량을 비교하는 기준 값을 크게 설정하고, 설정 화력이 작을수록 부하 임피던스의 변화량 및 온도의 변화량을 비교하는 기준 값을 작게 설정할 수 있다.
본 개시의 실시 예에 따르면, 별도의 하드웨어 구성을 추가하지 않고도 가열 시작 후 산출되는 부하 임피던스의 변화량 및 상판부의 온도 변화량에 기초하여 예열 상태를 판단 가능한 바, 비용 증가 없이 예열 상태를 판단 가능한 이점이 있다.
본 개시의 실시 예에 따르면, 별도의 사용자 입력 없이도 조리 용기의 예열 상태를 판단하고, 예열 상태일 경우 출력을 낮춤으로써 조리 용기의 예열 및 안정적인 가열이 가능한 이점이 있다.
본 개시의 실시 예에 따르면, 조리 용기의 재질 별 및 화력 단계 별 다르게 설정된 기준 값을 이용하여 예열 상태를 판단하는 바, 예열 상태의 판단 정확도가 높아지고, 그에 따른 신뢰성이 향상되는 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 조리 용기의 상태에 따른 부하 임피던스의 변화량 및 상판부의 온도 변화량을 측정한 그래프이다.
도 7은 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑이 여러 재질의 조리 용기에 대해 물이 존재하는 경우와 비어 있는 경우 가열 개시 후 소정 시간 동안 상판부의 온도 변화량을 측정한 결과 그래프이다.
도 8은 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑이 여러 재질의 조리 용기에 대해 물이 존재하는 경우와 비어 있는 경우 가열 개시 후 소정 시간 동안 부하 임피던스를 측정한 결과 그래프이다.
도 9는 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑의 동작 방법이 도시된 순서도이다.
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(10)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), 메모리(185) 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 직접 또는 간접적으로 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. 예를 들어, 센서(170)는 상판부(11)의 하면에 접촉되게 배치되어, 상판부(11)의 온도를 감지할 수 있다.
센서(170)는 상판부(11)를 통해 조리 용기(1)의 온도를 산출할 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 산출할 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(180)는 조리 용기(1)의 상태를 나타내는 알림을 출력할 수 있다. 예를 들어, 출력부(170)는 조리 용기(1)가 예열 상태임을 나타내는 알림, 가열 상태임을 나타내는 알림 또는 과열 상태임을 나타내는 알림 등을 출력할 수 있다.
메모리(185)는 쿡탑(10)의 동작과 관련된 데이터를 저장할 수 있다. 예를 들어, 메모리(185)는 조리 용기(1)의 예열 상태를 판단하기 위해 필요한 식별 데이터를 저장할 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.
한편, 제어부(190)는 조리 용기(1)의 상태를 판단할 수 있다. 구체적으로, 제어부(190)는 조리 용기(1)의 상태를 예열 상태, 가열 상태 및 과열 상태 중 어느 하나로 판단할 수 있다.
예열 상태는 음식을 조리하기에 앞서 조리 용기(1)를 먼저 어느 정도 가열시키기 위한 상태를 의미할 수 있다. 예열 상태는 조리 용기(1) 내부에 음식물이 없거나, 소량의 기름만 존재하는 상태일 수 있다.
가열 상태는 음식을 가열 중인 상태를 의미할 수 있다. 가열 상태는 조리 용기(1) 내부에 음식물이 존재하는 상태일 수 있다.
과열 상태는 음식이 과도하게 가열되어 음식이 타거나 그 직전 상태를 의미할 수 있다. 과열 상태는 조리 용기(1) 내부에 수분이 대부분 증발한 상태일 수 있다.
제어부(190)는 조리 용기(1)를 가열하는 동안 부하 임피던스 및 센서(170)가 감지한 상판부(11)의 온도에 기초하여 조리 용기(1)의 상태를 판단할 수 있다. 센서(170)가 상판부(11)의 온도를 감지하는 것에 대해서는 앞에서 이미 설명한 바, 이하 부하 임피던스에 대해 설명한다.
부하 임피던스는 다음과 같은 수학식 1을 통해 산출될 수 있다.
위 수학식 1에서 [rad/s]는 2πf이며, f는 동작 주파수일 수 있다. 그리고, [Ω]는 이고, [Ω]은 이고, [A]는 이고, [A]는 이며, 는 워킹 코일(150)을 흐르는 전류로, 설정된 화력 단계 또는 조리 용기(1)의 종류 등에 따라 달라질 수 있다. 는 공진 커패시터의 커패신턴스일 수 있다.
그러나, 수학식 1은 예시에 불과하다. 즉, 제어부(190)는 수학식 1이 아닌 다른 방법을 통해 부하 임피던스를 산출할 수도 있다.
한편, 부하 임피던스와 상판부(11)의 온도는 조리 용기(1)의 상태에 따라 상이한 특성을 보이는 바, 이러한 특성을 이용하여 조리 용기(1)의 상태를 판단할 수 있다.
다음으로, 도 6을 참고하여, 조리 용기(1)의 상태에 따른 부하 임피던스의 특성 및 상판부(11)의 온도 특성에 대해 설명한다.
도 6은 본 개시의 실시 예에 따른 조리 용기의 상태에 따른 부하 임피던스의 변화량 및 상판부의 온도 변화량을 측정한 그래프이다.
구체적으로, 도 6은 300cc의 물이 담긴 용기, 500cc의 물이 담긴 용기 및 아무 것도 들어있지 않은 빈 용기에 대해 최대 출력 혹은 화력 9단계 출력으로 가열하면서 시간에 따른 부하 임피던스의 변화량과 상판부(11)의 온도 변화량이 도시되어 있다. 도 6에 도시된 각 점은 부하 임피던스의 변화량이고, 파선은 상판부(11)의 온도 변화량을 나타낸다. 부하 임피던스의 변화량 및 상판부(11)의 온도 변화량 각각은 1초 단위로 산출된 변화량일 수 있다.
도 6에 도시된 각 점들과 파선을 보면, 300cc 혹은 500cc 의 물이 담긴 용기는 가열 개시 후 약 65초 동안 부하 임피던스의 변화량이 약 300[uH] 미만이고, 상판부(11)의 온도 변화량이 5[℃] 미만임을 확인할 수 있다.
한편, 빈 용기가 최대 출력으로 가열될 때, 가열 개시 후 약 65초 동안 부하 임피던스의 변화량이 약 1400[uH]에 도달하고, 화력 9단계 출력으로 가열될 때 부하 임피던스의 변화량이 약 800[uH]에 도달하는 것을 확인할 수 있다. 그리고, 빈 용기가 최대 출력으로 가열될 때, 가열 개시 후 약 65초 동안 상판부(11)의 온도 변화량이 약 20[℃]에 도달하고, 화력 9단계 출력으로 가열될 때 상판부(11)의 온도 변화량이 약 10[℃]에 도달하는 것을 확인할 수 있다.
즉, 빈 용기의 경우 300cc 혹은 500cc 의 물이 담긴 용기의 경우와 비교하여, 가열 개시 후 약 65초 동안 부하 임피던스의 변화량과 상판부(11)의 온도 변화량이 급격하게 증가하는 것을 확인할 수 있다.
정리하면, 조리 용기(1)가 무부하(음식물이 없는 경우, 소량의 기름만 있는 경우도 포함)인 경우 부하 임피던스의 변화량 및 상판부(11)의 온도 변화량 각가에 대한 기울기가 굉장히 가파르게 나타나는 것을 확인할 수 있고, 이는 무부하일 경우 출력에 따른 에너지가 모두 조리 용기(1)로 전달되기 때문에 나타나는 현상일 수 있다.
따라서, 본 개시에 따른 쿡탑(10)은 가열 개시 후 소정 시간 동안 부하 임피던스의 변화량과 상판부(11)의 온도 변화량 중 적어도 하나에 기초하여 조리 용기(1)가 빈 용기인지 아닌지를 식별할 수 있다. 그리고, 가열 개시 직후 빈 용기가 가열되는 것은 예열 목적이 대부분이고, 가열 개시 직후 음식물이 들어있는 용기가 가열되는 것은 해당 음식물을 가열시키기 위한 목적이 대부분인 바, 본 개시에 따른 쿡탑(10)은 가열 개시 후 소정 시간 동안 부하 임피던스의 변화량과 상판부(11)의 온도 변화량 중 적어도 하나를 이용하여 조리 용기(1)가 예열 상태인지 판단할 수 있다. 한편, 가열 개시 후 이미 가열 상태를 지난 후에 조리 용기(1)가 빈 용기로 감지되는 것은 음식물이 가열된 후에도 계속되는 과열로 인해 조리 용기(1) 내 수분이 모두 증발한 과열 상태일 수 있다.
본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑(10)에는 가열 중인 조리 용기(1)가 예열 상태인지, 혹은 가열 상태인지 판단하기 위한 식별 데이터를 저장하고 있을 수 있다. 예를 들어, 식별 데이터는 부하 임피던스의 변화량 및 상판부(11)의 온도 변화량을 비교하는 기준이 되는 적어도 하나의 기준 값을 포함할 수 있고, 이러한 기준 값은 빈 용기를 최대 출력 및 여러 화력 단계의 출력으로 가열하는 동안 부하 임피던스의 변화량 및 상판부(11)의 온도 변화량을 나타내는 추세선(G1)(G2)(G3)(G4)을 산출하는 실험 후 각 추세선(G1)(G2)(G3)(G4)의 기울기에 기초하여 설정될 수 있다.
각 추세선(G1)(G2)(G3)(G4)의 기울기는 조리 용기(1)가 예열 상태인지, 혹은 가열 상태인지 판단하기 위한 비교 대상이 되는 기준 값이 될 수 있다.
그런데, 이러한 기준 값은 조리 용기(1)의 재질에 따라 달라지는 바, 조리 용기(1)의 재질 별로 기준 값이 메모리(185)에 저장될 수 있다.
또한, 조리 용기(1)의 재질 구분이 요구되는 바, 쿡탑(10)은 상판부(10)의 온도 변화량 및 부하 임피던스 중 적어도 하나를 이용하여 조리 용기(1)의 재질을 식별할 수도 있다.
도 7은 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑이 여러 재질의 조리 용기에 대해 물이 존재하는 경우와 비어 있는 경우 가열 개시 후 소정 시간 동안 상판부의 온도 변화량을 측정한 결과 그래프이다.
제1 재질의 조리 용기는 물이 담긴 경우 상판부(10)의 온도 변화량이 약 10~18[℃]로 측정되나, 비어 있는 경우 상판부(10)의 온도 변화량이 약 22~42[℃]로 측정되는 것을 확인할 수 있다. 제2 재질의 조리 용기는 물이 담긴 경우 상판부(10)의 온도 변화량이 약 7~9[℃]로 측정되나, 비어 있는 경우 상판부(10)의 온도 변화량이 약 15~19[℃]로 측정되는 것을 확인할 수 있다. 제3 재질의 조리 용기는 물이 담긴 경우 상판부(10)의 온도 변화량이 약 13~15[℃]로 측정되나, 비어 있는 경우 상판부(10)의 온도 변화량이 약 18~20[℃]로 측정되는 것을 확인할 수 있다. 제4 재질의 조리 용기는 물이 담긴 경우 상판부(10)의 온도 변화량이 약 3~4[℃]로 측정되나, 비어 있는 경우 상판부(10)의 온도 변화량이 약 7~9[℃]로 측정되는 것을 확인할 수 있다.
즉, 상판부(10)의 온도 변화량은 모든 용기 재질에 대해 물이 담긴 경우와 비어 있는 경우 다르게 측정되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 용기 재질과 관계없이 물이 담긴 조리 용기(1)가 조리 개시 후 소정 시간 동안 측정되는 상판부(10)의 온도 변화량은 비어 있는 조리 용기(1)가 조리 개시 후 소정 시간 동안 측정되는 상판부(10)의 온도 변화량과 상이하다.
따라서, 쿡탑(10)은 용기 재질을 식별하면, 해당 재질의 용기가 가열 개시 후 소정 시간 동안 상판부(10)의 온도 변화량을 측정하여, 해당 조리 용기(1)가 예열 상태인지 혹은 가열 상태인지 판단할 수 있다.
도 8은 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑이 여러 재질의 조리 용기에 대해 물이 존재하는 경우와 비어 있는 경우 가열 개시 후 소정 시간 동안 부하 임피던스를 측정한 결과 그래프이다.
제1 재질의 조리 용기는 물이 담긴 경우 부하 임피던스가 약 5000~6300[uH]로 측정되나, 비어 있는 경우 부하 임피던스가 약 5600~6700[uH]로 측정되는 것을 확인할 수 있다. 제2 재질의 조리 용기는 물이 담긴 경우 부하 임피던스가 약 4400~4700[uH]로 측정되나, 비어 있는 경우 부하 임피던스가 약 5550~6600[uH]로 측정되는 것을 확인할 수 있다. 제3 재질의 조리 용기는 물이 담긴 경우 부하 임피던스가 약 6400[uH]로 측정되나, 비어 있는 경우 부하 임피던스가 약 5600~6650[uH]로 측정되는 것을 확인할 수 있다. 제4 재질의 조리 용기는 물이 담긴 경우 부하 임피던스가 약 2900~5100[uH]로 측정되나, 비어 있는 경우 부하 임피던스가 약 2990~5600[uH]로 측정되는 것을 확인할 수 있다.
즉, 부하 임피던스는 제2 재질에 대해 물이 담긴 경우와 비어 있는 경우 다르게 측정되는 것을 확인할 수 있다. 즉, 제2 재질의 조리 용기(1)만 조리 개시 후 소정 시간 동안 측정되는 부하 임피던스는 비어 있는 조리 용기(1)가 조리 개시 후 소정 시간 동안 측정되는 부하 임피던스와 상이하다.
따라서, 쿡탑(10)은 제2 재질의 조리 용기(1)를 식별하면 해당 조리 용기(1)에 대한 가열 개시 후 소정 시간 동안 부하 임피던스를 측정하여, 해당 조리 용기(1)가 예열 상태인지 혹은 가열 상태인지 판단할 수 있다. 즉, 제어부(190)는 제2 재질과 같은 특정 재질의 용기에 한하여 부하 임피던스 만으로도 조리 용기(1)가 예열 상태인지 여부를 확인할 수 있다.
한편, 도 8에는 각 재질의 조리 용기에 물이 담긴 경우 및 비어 있는 경우 최대로 측정된 상판부(11)의 온도가 도시되어 있다. 제2 재질의 조리 용기(1)가 비어 있는 경우 360.4℃까지 과열되나, 나머지는 이보다 낮은 바, 제2 재질의 조리 용기(1)의 예열 상태 식별이 가장 중요함을 확인 가능한 바, 이러한 재질의 조리 용기(1)에 대해서는 부하 임피던스까지 고려하여 조리 용기(1)가 예열 상태인지 확인할 수 있다.
도 9는 본 개시의 실시 예에 따른 쿡탑의 동작 방법이 도시된 순서도이다.
제어부(190)는 가열 명령의 수신 여부를 판단할 수 있다(S101).
제어부(190)는 가열 명령을 수신하면, 부하 임피던스 및 상판부(11) 온도 중 적어도 하나를 획득할 수 있다(S103).
제어부(190)는 매초마다 부하 임피던스 및 상판부(11) 온도를 획득하고, 부하 임피던스 변화량 및 상판부(11) 온도의 변화량을 산출할 수 있다. 예를 들어, 제어부(190)는 1초마다 부하 임피던스 변화량 및 상판부(11) 온도의 변화량을 산출할 수 있다.
또한, 제어부(190)는 조리 용기(1)의 재질을 식별할 수 있다(S105).
제어부(190)는 조리 용기(1)가 제1 내지 제4 재질 중 어느 재질에 해당하는지 여부를 판단할 수 있다. 예를 들어, 제1 재질은 스테인리스, 제2 재질은 법랑, 제3 재질은 유리, 제4 재질은 에나멜 무쇠일 수 있으나, 이는 예시에 불과하므로 이제 제한되지 않음이 타당하다. 또한, 재질 종류의 개수는 4개 미만이거나, 초과일 수도 있다.
한편, 단계 S103과 단계 S105의 순서는 변경될 수 있다.
제어부(190)는 부하 임피던스의 변화량 및 상판부(11) 온도의 변화량 중 적어도 하나를 이용하여 조리 용기(1)가 예열 상태인지 판단할 수 있다(S107).
쿡탑(10)은 메모리(185) 등에 조리 용기의 재질 별 기준 값을 저장하고 있을 수 있다. 즉, 제어부(190)는 조리 용기(1)의 재질에 따라 부하 임피던스의 변화량 및 상판부(11) 온도의 변화량을 비교하는 기준 값을 다르게 설정할 수 있다.
제어부(190)는 조리 용기(1)의 재질에 따라 부하 임피던스의 변화량 및 상판부(11) 온도의 변화량 중 적어도 하나를 해당 재질에 따른 기준 값과 비교하여, 조리 용기(1)가 예열 상태인지 판단할 수 있다.
제어부(190)는 가열 시작 후 기설정된 소정 시간이 경과한 시점에 조리 용기(1)가 예열 상태인지 판단할 수 있다. 이 때, 소정 시간은 1분일 수 있으나, 이는 예시적인 것에 불과하므로 이에 제한되지 않음이 타당하다. 다만, 제어부(190)는 소정 시간을 가열 시작 후 5분 이내의 시간으로 설정할 수 있다. 일반적으로 조리 용기(1)의 예열을 5분 이상 하는 경우는 드물기 때문이다.
구체적인 예로, 제1 재질에 대응하는 부하 임피던스 변화량의 기준 값이 제1 기준 값으로 설정되고, 제1 재질에 대응하는 상판부(11) 온도 변화량의 기준 값이 제2 기준 값으로 설정된 식별 데이터가 메모리(185)에 저장되어 있을 수 있다. 제어부(190)는 가열 명령을 수신함에 따라 가열 시작 후 기설정된 소정 시간 동안 부하 임피던스의 변화량과 상판부(11) 온도의 변화량을 산출하고, 가열 시작 후 기설정된 소정 시간이 경과한 시점에 부하 임피던스의 변화량에 대한 기울기가 기설정된 제1 기준 값 이상이거나 상판부(11) 온도의 변화량에 대한 기울기가 기설정된 제2 기준 값 이상인 경우 조리 용기(1)를 예열 상태로 판단할 수 있다.
한편, 실시 예에 따라, 제어부(190)는 설정 화력에 따라 부하 임피던스의 변화량 및 상판부(11) 온도의 변화량을 비교하는 기준 값을 다르게 설정할 수 있다.
여기서, 설정 화력은 가열 명령 시 사용자에 의해 설정된 화력 단계를 의미할 수 있다. 화력 단계는 1단계부터 10단계로 구분되고, 숫자가 클수록 출력이 센 화력 단계이며, 10단계가 최대 화력 단계를 나타낼 수 있으나, 이는 예시적인 것에 불과하므로, 이에 제한되지 않음이 타당하다.
화력이 클수록 부하 임피던스의 변화량 및 상판부(11) 온도의 변화량이 클 것이기 때문이다. 즉, 제어부(190)는 설정 화력이 클수록 부하 임피던스의 변화량 및 상판부(11) 온도의 변화량을 비교하는 기준 값을 크게 설정하고, 설정 화력이 작을수록 부하 임피던스의 변화량 및 상판부(11) 온도의 변화량을 비교하는 기준 값을 작게 설정할 수 있다. 예를 들어, 설정 화력이 9단계일 때 부하 임피던스의 변화량에 대한 기준 값이 제1 기준 값이고, 상판부(11) 온도의 변화량에 대한 기준 값이 제2 기준 값인 경우, 설정 화력이 1단계일 때 부하 임피던스의 변화량에 대한 기준 값이 제1 기준 값 보다 작은 제3 기준 값이고, 상판부(11) 온도의 변화량에 대한 기준 값이 제2 기준 값 보다 작은 제4 기준 값일 수 있다.
정리하면, 제어부(190)는 조리 용기(1)의 재질 별 및 설정 화력 별 부하 임피던스의 변화량 및 상판부(11) 온도의 변화량을 비교하는 기준 값을 다르게 설정할 수 있다. 이와 같이, 조리 용기(1)의 예열 상태를 판단의 기준이 정밀화될수록 예열 상태의 판단 정확도가 높아지고, 신뢰성이 향상되는 이점이 있다.
제어부(190)는 조리 용기(1)가 예열 상태로 판단되면(S109), 출력을 설정 화력에 따른 출력 보다 낮게 조절할 수 있다(S111).
일 실시 예에 따르면, 제어부(190)는 조리 용기(1)가 예열 상태로 판단될 경우, 기 설정된 예열 출력(예를 들어, 5단계 화력 단계에 해당하는 출력)으로 조리 용기(1)가 가열되도록 인버터(140)를 제어할 수 있다.
다른 실시 예에 따르면, 제어부(190)는 조리 용기(1)가 예열 상태로 판단될 경우, 가열 명령에 따른 설정 화력 보다 1단계 아래의 화력에 해당하는 출력으로 조리 용기(1)가 가열되도록 인버터(140)를 제어할 수 있다.
즉, 제어부(190)가 조리 용기(1)가 예열 상태로 판단될 때 출력을 낮게 조절하는 방법은 다양할 수 있다.
한편, 제어부(190)는 조리 용기(1)가 예열 상태로 판단되지 않으면(S109), 조리 용기(1)가 가열 상태인지 판단할 수 있다(S113).
제어부(190)는 조리 용기(1)가 가열 상태로 판단되면, 출력을 설정 화력에 따른 출력으로 조절할 수 있다(S115).
즉, 제어부(190)는 조리 용기(1)가 예열 상태에서 가열 상태로 변경된 경우, 출력을 설정 화력에 따른 출력으로 조절할 수 있다.
제어부(190)는 조리 용기(1)가 가열 상태로 판단되지 않으면, 조리 용기(1)가 과열 상태인지 판단할 수 있다(S117).
제어부(190)는 가열 상태로 변경된 후 부하 임피던스의 변화량 및 상판부(11) 온도의 변화량 중 적어도 하나를 이용하여 조리 용기(1)가 과열 상태인지 판단할 수 있다.
제어부(190)는 조리 용기(1)가 과열 상태로 판단되면, 출력을 중단시킬 수 있다(S119).
제어부(190)는 조리 용기(1)가 과열 상태로 판단될 경우, 출력을 중단하도록 인버터(140)를 제어할 수 있다.
한편, 과열 상태를 판단하는 방법은 단계 S107에서 조리 용기(1)가 예열 상태인지 판단하는 방법과 동일할 수 있다. 즉, 과열 상태를 판단 시에서 부하 임피던스의 변화량 및 상판부(11) 온도의 변화량 중 적어도 하나를 기설정된 기준 값과 비교하여 과열 상태로 판단할 수 있다. 즉, 제어부(190)는 가열 시작 후 기설정된 소정 시간 이내에 부하 임피던스의 변화량 및 상판부(11) 온도의 변화량 중 적어도 하나가 기설정된 기준 값 초과시 조리 용기(1)를 예열 상태로 판단하고, 조리 용기(1)를 가열 상태로 판단한 이후에 부하 임피던스의 변화량 및 상판부(11) 온도의 변화량 중 적어도 하나가 기설정된 기준 값 초과시에는 조리 용기(1)를 과열 상태로 판단할 수 있다.
제어부(190)는 조리 용기(1)가 과열 상태로 판단되지 않으면, 가열 종료 명령을 수신하였는지 판단할 수 있다(S119).
제어부(190)는 가열 종료 명령을 수신하면, 동작을 종료할 수 있다. 한편, 제어부(190)는 가열 종료 명령을 수신하지 않으면, 다시 조리 용기(1)가 가열 상태인지 판단할 수 있다.
본 개시의 실시 예에 따르면, 제어부(190)는 별도의 사용자 입력이 없어도 조리 용기(1)의 상태를 예열 상태, 가열 상태 혹은 과열 상태로 판단하고, 판단된 상태에 따라 출력을 조절함으로써, 안정적인 동작을 가능하게 하는 이점이 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 (10)

  1. 조리 용기가 놓이는 상판부;
    상기 조리 용기를 통과하는 자기장을 발생시키는 워킹 코일;
    상기 워킹 코일에 전류를 공급하는 인버터;
    상기 상판부의 온도를 감지하는 센서; 및
    부하 임피던스의 변화량 및 상기 온도의 변화량 중 적어도 하나를 이용하여 상기 조리 용기가 예열 상태인지 판단하는 제어부를 포함하는
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 조리 용기가 예열 상태인 경우, 출력을 설정 화력에 따른 출력 보다 낮게 조절하는
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 조리 용기가 예열 상태에서 가열 상태로 변경된 경우, 상기 출력을 상기 설정 화력에 따른 출력으로 조절하는
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 가열 상태로 변경된 후 상기 부하 임피던스의 변화량 및 상기 온도의 변화량 중 적어도 하나를 이용하여 상기 조리 용기가 과열 상태인지 판단하는
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 조리 용기가 과열 상태인 경우 출력을 중단시키는
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 부하 임피던스의 변화량에 대한 기울기가 기설정된 제1 기준 값 이상이거나, 상기 온도의 변화량에 대한 기울기가 기설정된 제2 기준 값 이상인 경우 상기 조리 용기를 예열 상태로 판단하는
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는
    가열 시작 후 기설정된 소정 시간이 경과한 시점에 상기 조리 용기가 예열 상태인지 판단하는
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는
    상기 조리 용기의 재질에 따라 상기 부하 임피던스의 변화량 및 상기 온도의 변화량을 비교하는 기준 값을 다르게 설정하는
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 제어부는
    설정 화력에 따라 상기 부하 임피던스의 변화량 및 상기 온도의 변화량을 비교하는 기준 값을 다르게 설정하는
    유도 가열 방식의 쿡탑.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 제어부는
    설정 화력이 클수록 상기 부하 임피던스의 변화량 및 상기 온도의 변화량을 비교하는 기준 값을 크게 설정하고,
    설정 화력이 작을수록 상기 부하 임피던스의 변화량 및 상기 온도의 변화량을 비교하는 기준 값을 작게 설정하는
    유도 가열 방식의 쿡탑.

KR1020220064964A 2022-05-26 2022-05-26 유도 가열 방식의 쿡탑 KR20230165054A (ko)

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