KR100571680B1 - 유도 가열에 의한 과열 증기를 이용한 식품 건조장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 유도 가열에 의한 과열 증기를 이용한 식품 건조장치는, 피가열 도체의 몸체 외부에 권선되며, 공급된 전원에 의해 자속을 발생시켜 그 자속에 따른 전자 유도작용에 의해 도체로부터 열이 발생하도록 하는 유도 가열 코일; 유도 가열 코일에 유도 가열을 위한 고주파 전원을 공급하는 전원공급부; 유도 가열 코일이 권선되는 피가열 도체로서 유도 가열 코일에 의해 발생된 자속에 의한 전자 유도작용에 의해 열을 발생시킴으로써 챔버 내부의 물을 가열하여 증기를 발생시키는 증기 발생 챔버; 증기 발생 챔버에 증기 발생을 위한 물을 공급하는 물 저장 탱크; 증기 발생 챔버로부터 발생된 증기를 다수의 분배관을 통해 토출하는 증기 분배기; 증기 분배기의 다수의 분배관을 통해 토출되는 증기를 공급받아 건조실 내부에 안치된 식품을 건조시키는 식품건조부; 및 전원공급부에 의해 공급되는 전원의 제어, 증기 분배기의 다수의 분배관을 통해 토출되는 증기의 온도 제어, 식품건조부의 건조실 내부의 온도 제어 및 기타 시스템을 총괄적으로 제어하는 시스템 제어부를 포함하여 구성된다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 유도 가열을 이용하므로 가열 효율이 높고, 신속한 가열이 이루어진다. 따라서, 식품 건조 특성(건조 시간, 식품 품질, 살균, 환경오염 등)을 유지하면서 식품 건조 시간을 단축할 수 있는 장점이 있다.

Description

유도 가열에 의한 과열 증기를 이용한 식품 건조장치{Apparatus for drying food using overheated steam produced by induction heating}
도 1은 본 발명에 따른 유도 가열에 의한 과열 증기를 이용한 식품 건조장치의 개략적인 시스템 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 유도 가열에 의한 과열 증기를 이용한 식품 건조장치에 있어서의 전원공급부의 회로 구성을 보여주는 도면.
도 3은 본 발명에 따른 유도 가열에 의한 과열 증기를 이용한 식품 건조장치에 있어서의 증기 발생 챔버의 내부 구조를 보여주는 도면.
도 4는 본 발명의 유도 가열에 의한 과열 증기를 이용한 식품 건조장치에 있어서의 유도 가열의 원리를 설명하는 도면.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110...유도 가열 코일 120...전원공급부
130...증기 발생 챔버 140...물 저장 탱크
150...증기 분배기 160...식품건조부
170...시스템 제어부 122...퍽 컨버터 회로
124...공진형 풀브리지 컨버터 회로 132...접시형 원반
152...분배관 162,164...온도 센서
본 발명은 식품 건조장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 유도 가열 장치를 이용하여 과열 증기를 발생시켜 식품을 건조시킴으로써 고온 열풍에서 건조시키면서도 저온 열풍 건조에서와 같이 식품 손상을 방지할 수 있고, 또한 식품 건조 시간을 단축할 수 있는 유도 가열에 의한 과열 증기를 이용한 식품 건조장치에 관한 것이다.
현재까지 식품 건조는 주로 저온의 열풍을 이용하여 식품 손상을 최소화하기 위해 장시간 건조하였다. 저온 열풍건조는 시스템 구성이 간단하고 설비가 다른 건조장치들에 비해 경제적이므로 현재 가장 많이 이용되고 있다. 그러나, 열풍건조는 식품 손상을 방지하기 위하여 저온에서 건조하므로, 효율적인 건조가 힘들고 건조시간이 길어지는 단점이 있다.
이를 해결하기 위해 여러 가지 건조 방식들이 연구, 개발되어 왔으며 그중에서 대표적인 것이 동결건조 방식과 마이크로웨이브에 의한 건조방식이다. 동결건조 방식은 우수한 건조효과와 품질상태를 보존할 수 있으나, 모든 건조제품에 이용되지 못하고 있으며, 낮은 온도와 압력에서 운전되므로 건조속도가 매우 느리고 동결 과 진공 그리고 가열 등의 과정을 거치고 고가의 부대설비로 인해 전체 시스템의 비용이 생산량에 비해 매우 높은 단점이 있다. 또한 최근에 주로 연구되고 있는 마이크로웨이브에 의한 건조방식은 균일건조가 힘들고 건조 설비를 수백 kW급 이상으로 대용량화 하려면 막대한 비용으로 인해 경제적 채산성이 전혀 맞지 않는 문제가 있다.
한편, 열풍 건조에서 고온 건조는 보다 빠른 건조 특성을 얻을 수 있으나 식품에 손상을 주는 것을 피할 수 없다. 이에 따라 식품의 손상을 줄여 주면서도 건조시간을 단축할 수 있는 방법이 과열증기에 의한 건조이다. 과열 증기에 의한 건조는 건조 오븐 내부의 열 순환에 의한 고효율 건조, 건조식품에서 건조품질 개선 효과, 빠른 열전도에 의한 건조시간의 단축, 그리고 환경오염이 없으며 건조제품의 품질이 우수한 장점을 가진다.
본 발명은 이상과 같은 사항을 감안하여 창출된 것으로서, 유도 가열 장치를 이용하여 과열 증기를 발생시켜 식품을 건조시킴으로써 고온 열풍에서 건조시키면서도 저온 열풍 건조에서와 같이 식품 손상을 방지할 수 있고, 또한 식품 건조 시간을 단축할 수 있는 유도 가열에 의한 과열 증기를 이용한 식품 건조장치를 제공함에 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 유도 가열에 의한 과열 증기를 이용한 식품 건조장치는,
피가열 도체의 몸체 외부에 권선되며, 공급된 전원에 의해 자속을 발생시켜그 자속에 따른 전자 유도작용에 의해 도체로부터 열이 발생하도록 하는 유도 가열 코일;
상기 유도 가열 코일과 전기적으로 연결되며, 유도 가열 코일에 유도 가열을 위한 고주파 전원을 공급하는 전원공급부;
상기 유도 가열 코일과 기계적으로 결합되며, 상기 유도 가열 코일이 권선되는 피가열 도체로서 유도 가열 코일에 의해 발생된 자속에 의한 전자 유도작용에 의해 열을 발생시킴으로써 챔버 내부의 물을 가열하여 증기를 발생시키는 증기 발생 챔버;
상기 증기 발생 챔버와 기계적으로 연결되며, 증기 발생 챔버에 증기 발생을 위한 물을 공급하는 물 저장 탱크;
상기 증기 발생 챔버와 기계적으로 연결되며, 증기 발생 챔버로부터 발생된 증기를 다수의 분배관을 통해 토출하는 증기 분배기;
상기 증기 분배기와 기계적으로 연결되며, 증기 분배기의 다수의 분배관을 통해 토출되는 증기를 공급받아 건조실 내부에 안치된 식품을 건조시키는 식품건조부; 및
상기 전원공급부, 증기 분배기 및 식품건조부와 전기적으로 연결되며, 전원공급부에 의해 공급되는 전원의 제어, 증기 분배기의 다수의 분배관을 통해 토출되는 증기의 온도 제어, 식품건조부의 건조실 내부의 온도 제어 및 시스템을 총괄적으로 제어하는 시스템 제어부를 포함하여 구성된 점에 그 특징이 있다.
이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 유도 가열에 의한 과열 증기를 이용한 식품 건조장치의 개략적인 시스템 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 유도 가열에 의한 과열 증기를 이용한 식품 건조장치는 유도 가열 코일(110), 전원공급부(120), 증기 발생 챔버(130), 물 저장 탱크(140), 증기 분배기(150), 식품건조부(160), 시스템 제어부(170)를 포함하여 구성된다.
상기 유도 가열 코일(110)은 피가열 도체의 몸체 외부에 권선되며, 공급된 전원에 의해 자속을 발생시켜 그 자속에 따른 전자 유도작용에 의해 도체로부터 열이 발생하도록 한다.
상기 전원공급부(120)는 상기 유도 가열 코일(110)과 전기적으로 연결되며, 유도 가열 코일(110)에 유도 가열을 위한 고주파 전원을 공급한다. 여기서, 이와 같은 전원공급부(120)는 도 2에 도시된 바와 같은 회로 구성을 갖는다. 즉, 전원공급부(120)는 교류 입력 전압(단상 또는 3상 220V AC)을 직류 전압으로 만들어 주기 위한 벅(Buck) 컨버터 회로(122)와 유도 가열 발생을 위해 직류 전압을 원하는 주파수의 교류 전압으로 변환하여 주는 공진형 풀브리지 컨버터 회로(124)를 구비한다. 교류/직류 변환기의 경우, 벅 컨버터 외에 부스터 컨버터, 역률 보상 부스터 컨버터 등도 사용할 수 있으며, 직류/교류 변환기의 경우, 공진형 컨버터로써 풀브리지 컨버터 외에 하프브리지 컨버터, 푸쉬-풀 컨버터 등을 사용할 수도 있다.
또한, 이상과 같은 전원공급부(120)는 과열 증기의 온도를 제어하기 위하여 과열 증기의 온도를 기준 전압으로 하여, 과열 증기의 온도에 따라 그 출력이 제어되도록 구성된다. 즉, 과열 초기에는 과열 증기의 온도가 낮으므로, 최대 출력을 냄으로써 신속하게 가열할 수 있도록 하고, 과열 증기의 온도가 적정 온도에 도달하면, 출력을 제어함으로써 과열 증기의 온도를 유지할 수 있도록 설계된다. 여기서, 출력 제어를 위해 크게 두 가지 방법이 사용될 수 있다. 첫 번째는, 과열 증기의 온도를 기준 전압으로 하여, 벅 컨버터 회로(122)의 출력 전압을 제어함으로써 가능하고, 두 번째는, 공진형 풀브리지 컨버터 회로(124)의 주파수를 제어함으로써 가능하다.
상기 증기 발생 챔버(130)는 상기 유도 가열 코일(110)과 기계적으로 결합되며, 상기 유도 가열 코일(110)이 권선되는 피가열 도체로서 유도 가열 코일(110)에 의해 발생된 자속에 의한 전자 유도작용에 의해 열을 발생시킴으로써 챔버 내부의 물을 가열하여 증기를 발생시킨다. 이와 같은 증기 발생 챔버(130)는 도 3에 도시된 바와 같이, 비교적 얇은 두께의 다수의 접시형 원반(132)이 적층 배열된 구조로 구성된다. 이와 같은 구조로 구성한 것은 유체(물)의 흐름을 직선이 아닌 매우 굴곡이 심한 곡선 혹은 나선 형태의 흐름이 되도록 함으로써 유체가 발열 도체를 통과하는 시간을 길게 하여 증기가 더욱 많이 발생될 수 있도록 하기 위한 것이다. 여기서, 또한 바람직하게는 증기 발생 챔버(130)의 외면부에는 세라믹관이 씌워진 다. 이것은 구리재질의 코일 권선이 챔버 외피에 직접 접촉되지 않게 함으로써 코일 권선이 고온에 견딜 수 있도록 하기 위한 것이다. 이상과 같은 증기 발생 챔버(130)의 재질로는 고온에서 견딜 수 있는 스테인레스강이나 인코넬(inconel:Fe-Ni-Cr의 주조합금 금속) 등이 사용될 수 있다.
상기 물 저장 탱크(140)는 상기 증기 발생 챔버(130)와 기계적으로 연결되며, 증기 발생 챔버(130)에 증기 발생을 위한 물을 공급한다.
상기 증기 분배기(150)는 상기 증기 발생 챔버(130)와 기계적으로 연결되며, 증기 발생 챔버(130)로부터 발생된 증기를 다수의 분배관(152)을 통해 토출한다.
상기 식품건조부(160)는 상기 증기 분배기(150)와 기계적으로 연결되며, 증기 분배기(150)의 다수의 분배관(152)을 통해 토출되는 증기를 공급받아 건조실 내부에 안치된 식품을 건조시킨다.
상기 시스템 제어부(170)는 상기 전원공급부(120), 증기 분배기(150) 및 식품건조부(160)와 전기적으로 연결되며, 전원공급부(120)에 의해 공급되는 전원의 제어, 증기 분배기(150)의 다수의 분배관(152)을 통해 토출되는 증기의 온도 제어, 식품건조부(160)의 건조실 내부의 온도 제어 및 기타 시스템을 총괄적으로 제어한다. 이상과 같은 시스템 제어부(170)에 의한 분배관(152) 증기의 온도 제어 및 건조실 내부의 온도 제어를 위해 분배관(152) 및 식품건조부(160)의 소정 부위에는 온도센서(162)(164)가 각각 설치된다.
그러면, 이상과 같은 구성을 갖는 본 발명의 유도 가열에 의한 과열 증기를 이용한 식품 건조장치의 동작에 대해 간략히 설명해 보기로 한다.
도 4는 본 발명의 유도 가열에 의한 과열 증기를 이용한 식품 건조장치에 있어서의 유도 가열의 원리를 설명하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 먼저 본 발명의 장치의 유도 가열 코일(110)에 고주파 교류 전류를 흘리면 도체 내에는 고주파 자속이 발생한다. 이로 인하여 나타나는 손실을 히스테리시스 손실(Hysteresis Loss)이라 하고, 이 손실의 크기는 자성체에 따라 다르지만 면적이 클수록 손실이 크며, 그때의 손실 Ph는 Steinmetz 식으로 나타내면 다음과 같다.
Figure 112004045772519-pat00001
여기서,
Figure 112004045772519-pat00002
: 히스테리시스 계수,
Figure 112004045772519-pat00003
: 주파수
Figure 112004045772519-pat00004
: 최대 자속밀도
Figure 112004045772519-pat00005
: 철심의 체적
또한, 도체 내에는 전자유도 작용에 의하여 변압기의 2차 권선에 기전력이 발생하는 것과 같이 유도전류가 발생하여 와전류(Eddy current)가 흐르게 된다. 발생한 와전류는 도체 표면의 저항에 의하여 손실이 발생하게 되어 발열하게 되며, 이러한 현상을 와전류 손실(Eddy current Loss)이라 하고 이로 인한 손실에너지(Pe) 는 다음과 같다.
Figure 112004045772519-pat00006
여기서,
Figure 112004045772519-pat00007
: 철심의 반지름,
Figure 112004045772519-pat00008
: 주파수
Figure 112004045772519-pat00009
: 최대 자속밀도,
Figure 112004045772519-pat00010
: 철심의 체적
Figure 112004045772519-pat00011
: 저항률
한편, 이상과 같이 유도 가열 장치에서 발생한 에너지에 의해 증기 발생 챔버(130)에서는 과열 증기(200∼400℃)가 발생된다. 그리고, 이렇게 발생된 과열 증기는 증기 분배기(150)를 거쳐 식품건조부(160)로 공급되며, 식품건조부(160)의 건조실 내부의 고온 열풍 분위기에서 식품의 손상 없이 식품 건조가 이루어진다.
이상의 설명에서와 같이, 본 발명에 따른 유도 가열에 의한 과열 증기를 이용한 식품 건조장치는 유도 가열을 이용하므로 가열 효율이 높고, 신속한 가열이 이루어진다. 따라서, 식품 건조 특성(건조 시간, 식품 품질, 살균, 환경오염 등)을 유지하면서 식품 건조 시간을 단축할 수 있는 장점이 있다.

Claims (3)

  1. 피가열 도체의 몸체 외부에 권선되며, 공급된 전원에 의해 자속을 발생시켜그 자속에 따른 전자 유도작용에 의해 도체로부터 열이 발생하도록 하는 유도 가열 코일;
    상기 유도 가열 코일과 전기적으로 연결되며, 유도 가열 코일에 유도 가열을 위한 고주파 전원을 공급하는 전원공급부;
    상기 유도 가열 코일과 기계적으로 결합되며, 상기 유도 가열 코일이 권선되는 피가열 도체로서 유도 가열 코일에 의해 발생된 자속에 의한 전자 유도작용에 의해 열을 발생시킴으로써 챔버 내부의 물을 가열하여 증기를 발생시키는 증기 발생 챔버;
    상기 증기 발생 챔버와 기계적으로 연결되며, 증기 발생 챔버에 증기 발생을 위한 물을 공급하는 물 저장 탱크;
    상기 증기 발생 챔버와 기계적으로 연결되며, 증기 발생 챔버로부터 발생된 증기를 다수의 분배관을 통해 토출하는 증기 분배기;
    상기 증기 분배기와 기계적으로 연결되며, 증기 분배기의 다수의 분배관을 통해 토출되는 증기를 공급받아 건조실 내부에 안치된 식품을 건조시키는 식품건조부; 및
    상기 전원공급부, 증기 분배기 및 식품건조부와 전기적으로 연결되며, 전원공급부에 의해 공급되는 전원의 제어, 증기 분배기의 다수의 분배관을 통해 토출되는 증기의 온도 제어, 식품건조부의 건조실 내부의 온도 제어 및 시스템을 총괄적으로 제어하는 시스템 제어부를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 유도 가열에 의한 과열 증기를 이용한 식품 건조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 증기 발생 챔버는 다수의 접시형 원반이 적층 배열된 구조로 구성된 것을 특징으로 하는 유도 가열에 의한 과열 증기를 이용한 식품 건조장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 전원공급부는 교류 입력 전압을 직류 전압으로 만들어 주기 위한 벅 컨버터 회로와 유도 가열 발생을 위해 직류 전압을 원하는 주파수의 교류 전압으로 변환하여 주는 공진형 풀브리지 컨버터 회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 유도 가열에 의한 과열 증기를 이용한 식품 건조장치.
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