KR100200332B1 - 히프 파이프 밥솥 - Google Patents

Abstract

본 발명은 전기밥솥의 내솥으로서 모든 면에서 일정한 온도를 유지하며 가열함으로써 밥맛을 좋게 하는 특성을 지니고 있다.

그 원리는 다음과 같다. 내솥은 중간에 작동액체와 그 증기로 차 있는 완전밀폐공간이 있어서 이 공간의 안팎에는 내부 및 외부 금속 용기가 있다. 내부 용기와 외부 용기는 일부분이 서로 강하게 접합되어 있다. 밀폐공간의 바닥에는 스크린이 달라붙어 있고 여기에는 작동액이 적시고 있다. 밀폐공간의 간격은 10밀리미터 내외가 된다. 전기밥솥이 작동하면 외부용기의 바닥으로 열이 들어오고 이 열은 밀폐공간의 아래를 적시고 있는 작동액을 증발시키게 된다. 증발한 증기의 일부는 바로 위의 내부용기 하부에서 열을 전해주고 응축하며 나머지는 측벽에 존재하는 밀폐공간까지 올라가서 내부용기면에 열을 전해주고 응축을 하게 된다. 응축액체는 중력 및 스크린의 모세관력으로 인하여 다시 밀폐공간의 바닥으로 골고루 젖어 들어오게 된다. 이러한 원리로 인하여 밥솥은 내부가 일정한 온도로 유지되고 따라서 고른 온도로 밥을 짓게 되어 가마솥에서 지은 밥과 같이 맛이 있게 되는 것이다.

이 작동원리는 소위 히트 파이프 혹은 열 사이폰이라고 부르는 열전달촉진기구의 원리로서 이 밥솥을 히트 파이프 밥솥이라고 명명할 수 있다.

Description

히트 파이프 밥솥

제1도는 전기밥솥의 내솥으로서 반 단면도와 평면도이며,

제2도는 밀폐공간을 단면선 A-B를 따라서 자른 단면도.

제3도는 내통과 외통이 접합된 단면 A-C를 따라서 자른 단면도.

제4도는 바닥의 구조를 원주방향 D-D로 자른 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 외통 2 : 밀폐공간

3 : 내통 4 : 수평 밀폐공간

5 : 수직 수증기 공간 6 : 스크린

7 : 내외통 접합부 8 : 밀폐공간 공통 통로

9 : 작동액

일반적으로 밥을 짓는데에 있어서 커다란 가마솥의 밥이 가장 밥맛이 좋다고 알려져 있다. 그 이유는 가마솥의 경우 아궁이에서 땐 불이 밥솥의 아랫 부분에 골고루 가열을 하여 가마솥의 어느 부분에나 고른 온도를 유지하면서 밥을 짓기 때문이다. 가마솥에서 밥을 하면 밥솥의 아랫 부분은 어는 부분이나 거의 동일한 온도를 유지하기 때문에 크고 균일한 누룽지가 형성이 된다. 반면에 얇은 냄비나 낮은 품질의 전기밥솥으로 밥을 하면 아랫 부분에는 누룽지가 두텁게 생기고 윗 부분은 뜸이 잘 들지 않는 일이 자주 일어난다. 이것은 밥솥의 아래 부분만이 심하게 가열되고 윗 부분은 그다지 잘 가열이 되지 않게 때문으로서 보다 두꺼운 재질의 밥솥을 사용하면 밥솥의 온도가 전체적으로 비교적 균일하여지기 때문에 보다 밥맛이 좋은 밥을 지을 수가 있다. 이러한 원리를 이용하여 두터운 주물 밥솥이라든가 돌솥 등을 제작 시판하고 있다.

가정에서 밥을 할 때에 주로 사용하는 전기 밥솥의 경우에는 이러한 주물 밥솥이라든가 돌솥 등을 응용하기가 곤란한데, 그 이유로는 무겁고 전기밥솥에 맞는 형상으로 가공하기가 곤란하다는 점 등이 있다. 또한 비교적 등온을 이룬다고는 하나 재질의 열전도에만 의존하여서는 완전한 등온을 이루기는 힘이 들다.

이러한 제약을 극복하고 가정용 전기밥솥에서 이론적으로 완전한 등온을 이루며 밥을 지을 수 있는 완벽한 방식이 여기에서 제안하는 히트 파이프 밥솥 (혹은 열 사이폰 밥솥)이다. 히트 파이프 밥솥이란 인공위성의 표면온도를 균일하게 유지하기 위하여 발명된 히트 파이프를 응용한 것으로 전기 밥솥의 내솥의 구조를 이중 밀폐용기의 형태로 만든 것이다. 이 밀폐공간안에서 작동액이 일정한 온도에서 증발 응축하는 성질을 이용하여 내솥의 어느 부분에서나 일정한 온도가 유지되게 되는 데 이것은 열전도계수가 무한대인 이상적인 재질로 밥솥을 만든 것과 같은 효과가 있다. 즉, 밥솥의 외부에서 어느 부분에 열선 히터가 있어서 가열을 하든지 간에 내부의 쌀을 균일한 온도로 유지하면서 고른 가열을 하기 때문에 커다란 가마솥에서 밥을 할 때와 마찬가지로 모든 부분이 고르게 익고 뜸이 들어서 좋은 밥맛을 내게 된다. 더욱이 내솥의 내부에 아주 적은 양의 작동액이 있을 뿐으로 전체적인 열 용량이 매우 작아서 전기 밥솥의 온도 제어가 매우 신속하고 과열의 우려도 극히 적다. 이 내솥의 원리를 보다 자세히 설명하면 다음과 같다.

제1도를 보면 전기밥솥의 내솥의 단면을 자른 모습을 보여주고 있다. 내솥은 두께 2내지 3 밀리 미터 가량의 알루미늄 혹은 스테인리스 등의 금속제 외통(1)이 있고 그 안에는 10밀리미터 이하의 밀폐공간이 있으며(2) 그 안쪽으로 쌀을 담는 내통(3)이 있다(제2조 참조). 내통과 외통은 서로 적절한 간격마다 용접 혹은 브레이징 등의 방법으로 서로 붙어 있어서 (제1도, 제3도, 제4도 7 참조) 밀폐공간내의 작동액의 포화 수증기압이 대기압과 달라질 경우에라고 충분히 역학적인 강도를 유지하도록 되어 있다. 또한 밀폐공간은 서로 소통될 수 있는 구조로서 작동액이 흘러다닐 수 있다(8). 밀폐공간은 하단의 수평한 부분(4)과 측벽의 수직한 부분(5)으로 이어져 있는데, 작동액은 밀폐공간의 수평한 부분의 아래면으로 흘려내려와 고여서 외부에서 가한 열로 증발하게 된다. 이때에 밀폐공간의 높이는 너무 좁지 않 으며 작동액도 하단의 밀폐공간의 일부만을 채울 만큼의 적은 양을 적량 주입하여 둔다. 따라서 하부의 수평한 부분(4)에서라도 작동액은 아랫 면에만 존재하고 상부 천정에는 증기가 존재하게 된다. 수평밀폐공간의 하부에서 증발한 증기의 일부는 수평밀폐공간의 천정에서 증발잠열을 전해주고 나서 응축이 되고 일부는 수직 밀폐공간(5)까지 올라가서 내부의 쌀에 증발잠열을 전해주고 나서 응축이 된다. 그러고 나면 중력의 힘을 받아 다시 하부 수 평한 부분의 밑바닥으로 액체가 흘러내려 온다. 이것이 소위 중력보조 열 파이프 혹은 열 사이폰이라고 불리우는 열전달 기구의 원리이다. 이 기구의 장점은 작동액이 혼합물이 아닌, 증류수처럼 순수한 액체라면 밀폐공간내의 모든 위치에서 온도가 해당 포화온도로서 일정하다는 것이다. 다시 말해서 어느 부분이 다른 부분보다 냉각이 심하거나 가열이 불균일 하더라도 모든 위치에서 일정한 온도가 유지된다는 것이다. 또한 밀폐된 액체와 증기 혼합 상태의 포화온도는 연속적으로 변화할 수 있는 것이므로 예를 들어 수증기를 작동액으로 쓸 때에 내솥의 온도는 섭씨 100도 뿐 아니라 그 보다 훨씬 낮거나 훨씬 높은 온도에서도 변함없이 균일한 온도를 유지하면서 내부의 내용물을 가열할 수 있다는 것이다.

그러나 이 내솥이 완전한 수평을 이루지 못하고 약간 기울어져서 놓이게 되면 액체가 밑바닥에 고루 고루 분포되지 못하고 한쪽으로 몰려 있게 되어서 작동이 다소 불완전해지게 된다. 이러한 점을 보완하기 위하여 하부의 수평한 부분의 바닥에는 50메시 (즉 1 인치당 직조줄의 수가 가로 세로 각각 50개) 내지 200 메시 가량의 스크린을 약 1 내지 2 밀리 미터의 두께로 깔아 둔다 (6). 이렇게 하면 바닥이 다소 경사가 져 있더라도 모세관력에 의하여 모든 스크린이 젖어있게 되므로 위의 문제점이 사라지게 된다. 스크린은 위의 기능이외에도 아랬 면에 놓여 있는 작동액으로 밑면으로부터의 열을 원활히 전달하여 밑바닥의 과열을 방지하고 바닥면에서의 기포생성을 막음으로서 조요아고 등온성이 뛰어난 작동을 보장하여 준다. 스크린을 바닥에 고정시키기 위하여는 스폿 용접이나 브레이징을 행하는 것도 좋은 방법이다.

작동액(9)은 스크린이 완전히 젖어 있을 정도로만 주입하고 그 이상으로 넣지는 않도록 한다. 작동액으로 쓸 수 있는 액체는 다양하게 많으나 본 밥솥이 식품을 다루는 점을 염두에 둘 때 증류수가 가장 적합하다고 생각이 된다. 증류수는 표면 장력이 크고 점성이 작아서 빠른 속도로 스크린을 적실 수가 있으며 독성이 없다. 또한 증발잠열이 커서 순환량이 작더라도 전달할 수 있는 열량이 많다.

작동액의 주입은 내통, 외통과 스크린을 조립한 후에 밀폐공간을 진공시킨 후 작동액을 적량 주입하고 작동액 주입구를 밀봉해 버리면 된다. 또는 밀폐공간에 작동액을 약간 여유 있게 넣고 가열한 후 증기를 배출시키면 잔류공기가 배출증기에 섞여 나감으로써 제거될 수 있다. 어떠한 방법을 쓰든지 밀폐공간내에 공기가 남아 있으면 안 된다.

위의 내솥이 일정한 온도를 유지할 수 있다는 것은 밀폐공간을 채우고 있는 증기가 거의 완전히 일정한 압력에 놓여 있고 따라서 그 증발 및 응축온도가 어는 부위에서나 일정하다는 열역학적 평형이론에 근거한 것인데 여기에 덧붙여 증발 및 응축의 과정이 온도차가 거의 없이도 열을 전달할 수 있는 효과적 방법이라는 데에도 근거한다. 실제로 벽면을 따라서 액체가 흘러내리면서 이루어진 액막이 있고 그 액막의 표면에서 응축이 일어나는 경우에 액막의 벽면쪽 온도는 액막의 표면쪽 온도보다 약간 낮아지게 된다. 액막의 표면온도는 당연히 포화온도가 되는데 벽면온도는 이보다 0.1도 가량 혹은 그 이하의 온도차만큼 차가운 상태가 될 것으로 생각된다. 똑같은 이유로 증발이 일어나는 바닥면의 액막에서도 윗 표면은 증발온도이나 아랫 표면은 이보다 1도 가량 높은 과포화상태를 유지하고 있게 된다. 따라서 전체적으로는 1도이내의 온도차이를 가지고 밥솥이 작동되는데 이 정도의 온도차이는 아주 작은 것으로서 이 밥솥은 일정한 온도를 유지하며 작동된다고 말해도 좋은 것이다. 특히 밥솥의 내통은 불과 0.1도 가량의 온도차를 유지하며 작동하게 된다. 따라서 이론적으로 가장 이상적인 밥솥 즉 재질의 열전도계수가 무한대인 밥솥을 구현한다고 볼 수가 있다.

Claims (1)

1. 밀폐공간내에서 작동액의 증발과 응축의 폐순환과정을 이용한 히트 파이프가 장착된 밥솥에 있어서, 내통과 외통사이에 액체와 증기만으로 채워져 있는 밀폐공간의 바닥면에 스크린을 장착하고 스크린만을 적실 만큼의 작동액을 주입하여, 스크린의 표면에서 증발이 일어나고 스크린의 모세관력에 의하여 액체가 저절로 순환되는 전기밥솥의 내통.

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