상기되는 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 조리기기의 히터는 방사가열에 의해서 음식물이 조리되는 조리기기에 있어서, 상기 음식물에 복사에너지를 가하는 가열원인 히터는 탄소가 발열체로 사용되는 탄소히터인 것을 특징으로 한다.
제안되는 본 발명에 의해서 에너지의 사용 효율이 개선되는 장점을 얻을 수 있고, 조리기기를 이루는 벽등이 과열되지 않기 때문에 사용자의 안전이 보다 개선되는 장점을 얻을 수 있다.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 첨부되는 도면에 제한되지 아니하며, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 및 추가 등에 의해서 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명 사상의 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
본 발명의 사상은 조리기기에 사용되는 전기히터의 구체적인 종류 및 구성을 제안하는 것을 그 일 특징으로 하고 있다.
이러한 제한요건을 만족하기 위해서는 전기히터의 다양한 동작 요건 중에서도, 전기히터에서 발생되는 발열량 중에서 많은 양의 열량이 음식물로 흡수되도록 하는 온도로 가열되도록 하는 것이 중요하다. 왜냐하면, 전기히터에서 발생되는 열량 중에서 음식물로 복사 흡수되는 열량이 작으면 작을수록 그 열은 전기히터가 장착되는 캐비티 벽의 온도를 높이는데 사용된다. 그러면 캐비티가 과열되기 때문에 사용자의 안전을 해치게 되고, 음식물의 조리에 사용되지 않고 폐기되는 열이 많아지기 때문에, 에너지 소비효율도 낮아지는 문제가 있기 때문이다.
이러한 배경하에서 본 발명의 발명자는 다양한 종류의 음식물에 흡수될 수 있는 복사 에너지의 파장을 분석하였는데, 그 결과는 도 1에 제시되는 음식물의 복사에너지 흡수그래프에 의해서 자세하게 설명된다.
도 1을 참조하면, 빵과 같은 가공 곡류의 복사에너지 흡수그래프(1)와, 감자와 같은 가공되지 않은 곡류의 복사에너지 흡수그래프(2)와, 햄과 같이 가공된 육류의 복사에너지 흡수그래프(3)와, 쇠고기와 같이 가공되지 않는 육류의 복사에너지 흡수그래프(4)가 도시된다.
상기되는 각 복수에너지 흡수그래프(1)(2)(3)(4)를 참조하면, 복사에너지의 파장이 1.4~5㎛(이하, '최대흡수영역'이라고 한다)인 복사에너지, 즉 복사에너지가 음식물에 최대로 흡수되는 것을 알 수 있다. 다시 말하면, 상기 최대흡수영역의 파장대에 이르는 광이 전체적으로 음식물에 보다 많이 흡수되고, 그 외의 빛은 음식물에 흡수되지 아니하고 반사되거나 음식물의 조리에 사용되지 못하는 것이다. 상기 도 1은 적외선 분광법(FI-IR:Fourier Transform Infrared Spectroscopy)에 의해서 측정된 것으로서, 상기 적외선 분광법은 적외선의 흡수 스팩트럼을 측정하는 방법으로서, 흡수된 빛의 파장을 분석함으로써 음식물에 흡수되는 전체적인 복사에너지의 상대적인 량을 파악할 수 있게 되는 것이다.
이상의 설명을 참조하면 상기 최대흡수영역(1.4~5㎛)의 파장대역에서 많은 양의 복사에너지를 발생시키는 전기히터가 음식물의 조리에 최적으로 선정될 수 있는 히터라는 것을 용이하게 알 수 있을 것이다. 이와 같은 최적의 전기히터가 선정되어 조리기기에 사용됨으로써, 전기히터에서 발생되는 복사에너지 중에서 많은 양 이 흡수되도록 하여, 음식물의 조리에 사용되지 않고 반사되거나 캐비티의 가열에 사용되는 복사에너지의 양이 줄어들고, 소비전력을 줄일 수 있을 것이다.
도 2는 흑체의 온도가 달라지는 경우에 각 파장별 복사에너지의 상대적인 세기를 나타내는 그래프이다.
도 2를 참조하면, 복수개의 그래프 중에서 가장 하측에 놓이는 그래프가 흑체의 온도가 가능 낮은 것이고, 가장 상측에 놓이는 그래프가 흑체의 온도가 가장 높은 것이다. 특히, 상기 최대흡수영역(1.4~5㎛)의 파장대역에서 가장 많은 복사에너지를 발하는 흑체의 온도는 대략 1100~1400℃로서, 이러한 온도범위에서 흑체는 '최적복사영역'을 제공하는 것을 알 수 있다. 만약, 상기 온도범위보다 낮은 온도의 흑체인 경우에는 많은 복사에너지가 5㎛보다 높은 파장대역에서 복사되고, 상기 온도범위보다 높은 온도의 흑체인 경우에는 비교적 많은 복사에너지가 1.4㎛보다 낮은 파장대역에서 복사되는 것을 알 수 있다.
그러므로, 상기 최적복사영역을 제공하는 전기히터를 찾는 것이 중요한 과제가 된다. 다시 말하면, 음식물의 경우에 평균적으로 가장 많은 복사에너지가 흡수되는 최대흡수영역인 1.4~5㎛인 파장대역에서 가장 많은 복사에너지를 발하는, 특히, 상기 최적복사영역을 제공하는 전기히터를 찾는 것이 중요한 과제가 된 것이다.
이러한 배경하에서 본 발명의 발명자는 다수의 전기히터에 대하여 실험을 행하였는데, 그 대상은 현재까지 사용된 전기히터의 종류로서 할로겐 히터와, 세라믹 히터와, 시즈히트(sheath heater)와, 탄소히터가 그 대상이다. 상기되는 각각의 전 기히터의 특징을 짧게 설명한다.
먼저, 할로겐 히터는 백열전구의 일종으로서 유리구 안에 할로겐 물질을 주입하여 필라멘트를 이루는 텅스텐의 증발을 더욱 억제한 램프이다. 특히, 상기 할로겐 램프는 내열성이 강한 고순도의 석영 유리 파이프를 사용하고, 사용 중의 광속 감퇴나 색온도의 변화를 억제하는 할로겐 원소를 상기 석영 유리 파이프에 주입하여서 제작된다.
또한, 상기 세라믹 히터는 질화규소(Si3N4) 또는 질화알루미늄(AlN)를 주성분으로 함유하고 있는 전기적으로 절연된 세라믹체 내에, 전류전도에 의한 저항열을 형성하는 가열소자가 매설된 구조를 갖는 것이다. 또한, 예를 들어 상기 가열소자는 W, Mo등의 규산염, 탄산염, 붕화물, 또는 질화물로 구성된 전기전도 세라믹 또는 Wi, W-Re, Mo등의 고융점 금속선으로 형성되어 있다.
또한, 상기 시즈 히터는 금속보호관에 절연선을 정확한 간격으로 권선하고 마그네샤를 고밀도로 충진한 상태에서 압축함으로써, 외부로부터의 물리적 충격에도 안전성이 있도록 하고 다양한 형상으로 벤딩 또는 가공을 할 수 있는 것에 특징이 있는 전기히터이다. 상기 시즈히터는 열효율이 우수하고, 설치가 용이하고, 진동 외부중력, 기계적 강도가 크고 강하며, 우수한 내구성으로 인하여 종래 조리기기의 전기히터로서 주종을 이루었다.
또한, 상기 탄소 히터는 특정 결정 구조의 탄소섬유로 이루어지는 카본 와이어를 발열체로 하여 석영유리 부재 중에 봉입하고 흑연화시킴으로써, 상기 카본 와 이어의 통전 발열시에 저항 안정성, 특히 경시적 저항 안정성이 우수한 전기히터이다. 상기 카본 와이어 발열체는 상승 및 하강 온도 특성이 우수하고, 고온 내구성이 우수할 뿐만 아니라, 복수개의 섬유다발을 꼬아서 제작되는 경우에는 솔리드 카본재로 이루어지는 탄소 히터와 비교하여 유연성이 풍부하고, 여러 가지의 구조, 형상으로 가공이 용이한 장점도 얻을 수 있다. 따라서, 상기 탄소 히터가 고순도의 석영유리 부재등의 깨끗한 지지 부재 내에 비산화성 가스와 함께 봉입한 히터는 입자 등을 발생시키는 일이 없기 때문에 더욱 그 특성이 좋아진다.
상기되는 각 종류의 전기히터는 구성 및 발열체의 특징으로 인하여 사용에 적합한 온도범위가 정하여져 있다. 상세하게는, 상기 시즈히터는 800℃정도의 온도범위에 적합하게 사용가능하고, 상기 세라믹 히터는 1000℃정도의 온도범위에 적합하게 사용가능하고, 상기 할로겐 히터는 2000℃정도의 온도범위에 적합하게 사용가능하고, 상기 탄소히터는 1200℃정도의 온도범위에 적합하게 사용된다. 또한, 상기 전기히터들의 사용온도가 적정의 온도범위를 넘어서게 되면 히터, 특히 발열체가 파손되거나, 소비전력이 높아지는 단점이 있기 때문에 바람직하지 않게 된다.
상기되는 다수개의 전기히터 중에서 상기 최적복사영역을 제공하는 전기히터는 1200℃의 적정 온도범위에서 동작되는 탄소히터인 것을 알 수 있다. 이러한 결과를 검증하기 위하여 각각의 전기히터별로 복사에너지의 상대적 세기를 측정한 그래프가 도 3에 도시된다.
도 3을 참조하면, 시즈히터의 복사에너지 그래프(11)과 할로겐 히터의 복사에너지 그래프(12)와, 탄소히터의 복사에너지 그래프(13)와, 할로겐 히터의 복사에 너지 그래프(14)가 도시되어 있다.
상기되는 복사에너지 그래프를 참조하면, 탄소히터의 경우에 1.4~5㎛의 범위에서 가장많은 복사에너지를 방사하는 최적복사영역을 제공하는 것을 다시 한번 검증할 수 있다. 그리고, 상기 파장의 범위는 온도로 표시하면 1100~1400℃가 되고, 상기 탄소히터는 상기되는 온도범위에서 가장 많은 열량을 방사하게 된다.
상기되는 결과를 보건데, 상기 최적복사영역은 상기 탄소히터에 의해서 얻어질 수 있고, 탄소히터의 발열량은 음식물에 최대로 흡수될 수 있어서 탄소히터는 조리기기에 보다 바람직하게 적용될 수 있는 히터의 종류인 것을 알 수 있다.
한편, 전기오븐의 경우에는 탄소히터에서 발생된 광이 음식물에 바로 가하여지기 때문에, 상기되는 논거가 그대로 적용되어, 조리기기에 적합한 최적의 전기히터로 적용될 수 있다. 그러나, 핫 플레이트와 같이 탄소히터와 음식물 사이에 글래스 세라믹과 같이 소정의 차폐막이 제공되는 경우에는, 복사에너지가 글래스 세라믹을 통과할 수 있는 정도도 고려해야 되는 중요한 사항이 된다.
이를 검증하기 위한 본 발명자는 각각의 히터에 대하여 글래스 세라믹에 대한 광의 투과정도를 측정하였는데, 그 실험결과가 도 4에 도시된다.
도 4를 참조하면, 시즈히터의 복사에너지 투과 그래프(21)와, 세라믹 히터의 복사에너지 투과 그래프(22)와, 탄소히터의 복사에너지 투과 그래프(23)와, 할로겐 히터의 복사에너지 투과 그래프(24)가 도시된다. 상기 그래프를 참조하면, 시즈히터와 세라믹 히터는 탄소히터에 비하여 투과율이 낮기 때문에 바람직하지 않다. 그리고, 비록 상기 할로겐 히터는 글래스 세라믹에 대한 투과율은 높지만 상기 최대 흡수영역에서 복사에너지의 상대적인 세기가 약하기 때문에, 실제로 음식물로 흡수되는 복사에너지는 약하기 때문에 바람직하지 않다.
상기되는 배경하에서 핫 플레이트의 경우에도 탄소를 발열체로하는 탄소 히터가 바람직하게 적용될 수 있는 히터가 되는 것을 알 수 있다.
도 5는 조리기기에 바람직하게 적용가능한 탄소히터를 예시적으로 설명하는 도면이다.
도 5를 참조하면, 본 발명에 따른 조리기기의 탄소 히터(100)는 내부 물품들의 수용 공간을 형성하고 그 내부 물품들을 보호하는 튜브(tube)(110)와, 상기 상기 튜브(110) 내에 배치되어 발열할 수 있는 발열 부재(200)를 포함한다. 그리고, 상기 탄소 히터(100)는 상기 발열 부재(200)가 상기 튜브(110)에 접촉되지 않도록 지지하는 리드 로드(lead rod)(150)와, 상기 리드 로드(150)의 일측과 상기 탄소 히터(200)를 연결하는 연결부(160)를 포함한다.
또한, 상기 탄소 히터(100)는 상기 리드 로드(150)의 타측과 연결되어, 외부 전원과 상기 발열 부재(200)를 통전시키는 금속편(140)과, 상기 금속편(140)을 외부로부터 절연시키는 절연부(130)를 포함한다. 또한, 상기 탄소 히터(100)는 상기 금속편(140)과, 상기 절연부(130)와, 상기 튜브(110)를 감싸고, 이를 지지하는 봉지부(120)를 포함한다.
상기 튜브(110)는 상기 발열 부재(200) 등의 물품들이 내부에 수용되는 부분으로, 그러한 수용 공간의 형성과 함께 상기 물품들을 보호하는 기능을 한다. 상기 탄소 히터(100)는 고온으로 발열하므로, 상기 튜브(110)는 소정의 강성과 내열성을 가진 물질로 이루어져야 한다. 그러한 예로, 상기 튜브(110)는 석영관(quartz tube)일 수 있다. 그리고, 상기 튜브(110)는 자체적으로 밀폐되어, 상기 발열 부재(200)를 외부와 격리시킨다. 상기와 같이 구성됨으로써, 상기 튜브(110) 내부에는 발열로 인한 상기 발열 부재(200)의 소모를 감소시킬 수 있는 불활성 기체 등을 충진시킬 수 있다. 여기서, 상기 튜브(110)는 선형으로 이루어질 수 있다.
상기 발열 부재(200)는 통전된 전기 에너지에 의해 발열하는 부분이다. 상기 발열 부재(200)는 상호간에 열팽창계수가 다른 탄소 필라멘트(210)와, 제 2 발열 부재(220)로 이루어진다. 상기와 같은 탄소 필라멘트(210) 및 상기 제 2 발열 부재(220)는 상호간에 지지되어, 상기 발열 부재(200)와 상기 튜브(110)의 접촉이 방지된다. 상기 탄소 필라멘트(210)는 탄소를 솔리드로 제작하거나 복수개의 탄소섬유가 서로 꼬여서 제작될 수 있다.
상기 연결부(160)는 복수 개가 구비되어, 상기 발열 부재(200)의 양 말단부와 각각 연결됨으로써, 상기 발열 부재(200)를 상기 리드 로드(150)와 연결시킨다. 그러면, 상기 발열 부재(200)는 인장되어, 상기 튜브(110)와 접촉되지 않는 상태를 유지할 수 있고, 외부 전원과 연결되어 발열할 수 있다.
상기 리드 로드(150)는 상기 연결부(160)에 의해 상기 발열 부재(200)와 연결되어, 상기 발열 부재(200)를 인장시킨 상태를 유지한다. 그러면, 상기 탄소 히터(200)는 발열 시에도 상기 튜브(100)와 접촉되지 않고 안정적으로 발열할 수 있다. 그리고, 상기 리드 로드(150)의 일부는 상기 튜브(110)의 외부까지 연장된다. 상기와 같이 구성되면, 자체적으로 밀폐된 상기 튜브(110)의 밀폐 상태가 유지되면 서, 그 내부에 배치된 상기 발열 부재(200)와 외부 전원이 연결될 수 있다.
상기 금속편(140)은 외부 전원과 연통되는 부분이다. 그리고, 상기 금속편(140)은 상기 튜브(110) 외부로 연장된 상기 리드 로드(150)의 말단부와 연결되어, 상기 외부 전원의 전기 에너지를 상기 리드 로드(150)를 통해 상기 발열 부재(200)로 전달한다. 그러면, 상기 발열 부재(200)는 상기 전기 에너지를 전달받아 발열하게 된다.
상기 절연부(130)는 상기 금속편(140) 중 외부로 노출된 부분을 절연시켜, 상기 금속편(140)에서 누전이 발생되는 것을 방지한다. 그리고, 상기 절연부(130)는 상기 탄소 히터(100)가 체결되는 물품에 신뢰성있게 결합될 수 있도록, 상기 물품의 소정 부분에 끼워질 수 있는 형상을 이룬다.
상기 봉지부(120)는 상기 튜브(110)의 외부로 연장된 상기 리드 로드(150)의 말단부와 상기 금속편(140)의 연결부를 외부로부터 보호한다. 그리고, 상기 봉지부(120)는 상기 절연부(130)와 상기 튜브(110)와 하나의 어셈블리(assembly)를 이루어, 상기 탄소 히터(100)가 소정의 형상을 유지하도록 지지한다.
도 6은 도 1의 I-I'선에 따른 단면도이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 조리기기의 히터에 따른 탄소 히터(100)에는 튜브(110)와, 상기 튜브(110) 내에 배치된 발열 부재(200)와, 상기 발열 부재(200)와 순차적으로 연결된 연결부(160), 리드 로드(150) 및 금속편(140)이 배치된다. 상기 금속편(140)은 절연부(130)에 의해 절연되고, 상기 절연부(130)와 상기 튜브(110)는 봉지부(120)에 의해 감싸져, 소정 형상을 이루도록 지지된다.
상기 발열 부재(200)는 소정 열팽창계수를 가진 탄소 필라멘트(210)와, 상기 제 1 발열 부재의 열팽창계수보다 작은 열팽창계수를 가진 제 2 발열 부재(220)로 이루어진다. 상기와 같은 열팽창계수의 관계를 이루기 위하여, 상기 탄소 필라멘트(210)는 탄소로 이루어지고, 상기 제 2 발열 부재(220)는 텅스텐 또는 니켈/크롬 베이스 합금으로 이루어질 수 있다.
상기와 같이 이루어진 상기 탄소 필라멘트(210)는 상기 제 2 발열 부재(220)에 의해 지지된다. 그러면, 발열 시에, 열팽창계수가 상대적으로 큰 탄소 필라멘트(210)가 열팽창되어 늘어지더라도, 열팽창계수가 상대적으로 작은 제 2 발열부재(220)가 상기 탄소 필라멘트(210)를 지지할 수 있다. 따라서, 발열 시에, 열팽창으로 인한 상기 발열 부재(200)와 상기 튜브(110)의 접촉이 방지될 수 있다.
상기 탄소 필라멘트(210)와 상기 제 2 발열 부재(220)가 적어도 한 번 교차됨으로써, 상기 탄소 필라멘트(210)에 대한 상기 제 2 발열 부재(220)의 지지 기능이 수행될 수 있다. 상기와 같은 지지 기능이 신뢰성있게 이루어질 있도록, 상기 탄소 필라멘트(210)와 상기 제 2 발열 부재(220)는 다수 회 교차되는 것이 바람직하다.
한편, 설명의 편의를 위하여 상호간에 열팽창계수가 다른 탄소 필라멘트(210)와 제 2 발열 부재(220)가 제시되고 있으나, 본 발명이 여기에 제한되는 것은 아니다. 즉, 상호간에 다른 열팽창계수를 가진 복수 개의 발열 부재(200)가 구비되고, 상기 발열 부재(200) 중 열팽창계수가 상대적으로 큰 발열 부재가 열팽창계수가 상대적으로 작은 발열 부재에 의해 지지되도록 함으로써, 상기와 같이 탄소 히 터(200)와 튜브(110)의 접촉이 방지될 수도 있다.
상기되는 탄소히터는 조리기기에 바람직하게 적용될 수 있는 탄소히터의 일 실시예를 이루고 다양한 구조 및 형상의 탄소히터도 용이하게 예시될 수 있을 것이다.
도 7은 본 발명에 따른 조리기기의 히터가 적용되는 조리기기의 사시도이다.
도 7을 참조하면, 조리기기(300)는 오븐과 렌지가 함께 제공되는 조리기기로서, 조리기기의 하부에는 전기오븐(305)이 놓이고 상부에는 핫 플레이트(304)가 놓인다. 상기 전기오븐(305)은 음식물이 수용되는 캐비티(302)와, 상기 캐비티(302)의 전방을 밀폐시킨 상태에서 개방이 자유로운 오븐도어(303)가 제공된다. 그리고, 상기 캐비티(302)의 내부에는 본 발명에 따른 탄소히터(100)가 제공되어 캐비티(302)의 내부를 가열하는데 사용된다.
또한, 상기 핫 플레이트(304)는 냄비등과 같은 조리기기가 상면에 놓인 상태에서 하방으로부터 가열되는 히터의 열을 전달받는 조리기기로서, 상기 핫 플레이트(304)의 하방에 놓이는 히터로는 본 발명에 따른 탄소히터가 사용될 수 있다.
미설명부호 301은 조작부로서 전기오븐(305) 및 핫 플레이트(304)의 작동상태를 사용자가 조작할 때 사용된다.
설명되는 바와 같은 본 발명에 따른 조리기기 전기히터의 바람직한 예로서는, 저항열을 발생시키는 발열체로서 탄소가 사용되는 탄소 히터가 사용되는 것을 특징으로 한다. 제안되는 바와 같은 본 발명 사상에 의해서 조리되는 음식물을 최적의 상태로 조리할 수 있는 장점이 있다.