KR100991764B1

KR100991764B1 - 냉동식품 해동 방법

Info

Publication number: KR100991764B1
Application number: KR1020080050459A
Authority: KR
Inventors: 이진희; 성관
Original assignee: 이진희
Priority date: 2008-05-29
Filing date: 2008-05-29
Publication date: 2010-11-03
Also published as: KR20090125296A

Abstract

본 발명은 냉동물의 해동에 적절한 에너지 투입이 가능한 마이크로파 출력 제어 시스템을 고안하고 그것을 냉동물의 종류, 중량, 냉동온도 등의 조건에 의한 마이컴 연산으로 자동 제어함으로써 모든 종류의 냉동물을 냉동 전의 상태로 빠르고 완벽하게 복원하는 전자레인지 해동 방법에 관한 것으로서, 해동기능 수행을 위한 냉동물의 조건 혹은 전자레인지의 일반기능 수행을 위한 조건을 입력하는 키입력부, 냉동물의 온도 혹은 냉동물의 중량을 감지 또는 입력할 수 있는 수단과 전자레인지 도어의 개폐에 따른 안전 기능 수행을 위한 도어 안전 감지 입력부의 신호가 마이컴에 전달되도록 하는 조건 입력부와 조건입력값과 내장된 메모리 데이터를 이용하여 전자레인지 구동을 콘트롤하는 마이컴부와 마이컴의 동작 명령을 받아 전자레인지 구동을 수행하는 구동부로 구성되어 냉동식품을 해동시키게 된다.

전자레인지, 마그네트론 , 고주파 발생기, 해동, 냉동식품

Description

냉동식품 해동 방법{frozen food thaw method}

본 발명은 초고주파(마이크로파)를 이용하여 냉동 물체를 급속 해동하는 기술에 관한 것으로 산업 현장에서 이용하는 대용량에서부터 가정에서 사용하는 소용량의 전자레인지와 같이 초고주파, 흔히 마이크로파로 일컬어지는 전자파를 이용하여 해동하는 냉동식품 해동 방법에 관한 것이다.

초고주파(마이크로파)를 가열로 이용하는 분야에 있어서 그 전자파의 주파수는 국제 통신 협약에 의해 그 종류가 분리되어 있으나 전자파를 생성하는 마그네트론이라는 부품이 대량 생산이 가능하고 쉽게 적용 가능하도록 보급되어 있는 주파수는 2,450MHz 이며 일부 915 MHz의 마그네트론도 적용되므로 본 발명의 기술 적용은 이두가지 주파수 대역을 포함한다. 물론 2,450MHz의 주파수와 915MHz의 주파수에 의한 마이크로파 가열에 있어서 유전손실에 의한 가열효과와 마이크로파의 물질 내의 침투깊이 등의 특성에는 서로의 주파수 메카니즘에서 기인하는 차이가 있지만 냉동물의 해동을 위한 에너지 공급의 측면에서 보면 그 적용원리는 거의 유사함으로 본 발명의 기술의 적용은 이 두가지 주파수 영역의 마이크로파 가열 분야를 포함한다.

일반적으로 식품 등의 물체가 냉동 상태일 경우에는 얼음의 결정 구조의 기계적 특성으로 인하여 매우 단단하여 자르는 등의 기계적 가공이 어려우며, 가열하고자 하는 경우에는 냉동 물체의 표면과 속의 온도 편차가 심하게 발생되어 균일하게 가열하는 것이 매우 어렵다. 즉 냉동 상태를 해소하여 후가공이 편리하게 하는 것을 해동이라 칭한다. 주로 냉동식품은 고분자 구조의 유기물에 수분 및 염분 등이 함유된 복합물질이 대부분 이며 이러한 물질은 비열 및 열전도율이 비교적 낮은 것으로 외부에 열원을 구성하여 해동하는 경우에는 표면으로 내부 물질의 이탈 방지 및 물성의 변화를 방지하기 위하여 외부 열원의 온도를 높게 할 수 없으므로 해동에 매우 긴 시간을 요하고 있다. 해동에는 침수에 의한 해동, 상온 혹은 10℃ 이하의 낮은 온도에 방치하는 자연해동이 주로 이용되어 왔으나 해동에 매우 긴 시간이 소요되는 문제점을 해결하고자 전자파를 해동 열원으로 이용하는 방법이 수십 년에 걸쳐 개발되었다.

초고주파(마이크로파)를 이용하여 냉동물을 해동하는 기술은 이미 수십 년 전부터 개발되어 왔으며, 특히 전자레인지의 부가 기능으로 적용되었다. 전자레인지 혹은 마이크로파 가열기에 적용된 해동 기술은 주로 냉동물의 온도감지, 중량감지, 마이크로파 조사의 균일도 등을 고려하여 마이크로파 출력을 제어하는 것으로 그 출력 제어의 주기를 기계적 혹은 마이컴을 이용한 연산 방법으로 마그네트론을 ON - OFF 제어하는 방식에 의존하였다. 기기의 최대출력 내의 ON - OFF 제어방식은 냉동물이 마이크로파의 흡수에 의한 해동 진행과정에서 또는 주변의 냉동물 적재를 위한 보조 부품과의 접촉에서 발생되는 국부 해동 진행과 가열실 내의 유동공기의 잠열에너지의 전열로 인한 국부 해동 진행으로 인한 냉동물 표면 및 속의 수분 누출현상이 발생되고 이러한 상태 하에서 마이크로파 출력의 ON 상태 일 때의 마이크로파 과다 흡수로 인한 국부 가열로 냉동물 전체의 불균일한 해동 현상이 발생되거나 심한 경우에는 냉동물이 익는 경우가 발생되는 심각한 문제가 내재되어 있다. 즉 냉동물의 냉동 보관온도, 중량, 목표 해동온도에 부합되는 적정 마이크로파 에너지의 공급에 대한 기술이 결여되어 냉동물의 완벽한 해동을 달성하지 못하였다.

마이크로파 혹은 전자레인지를 이용한 냉동물의 해동은 주로 전자레인지의 마이크로파 출력을 주기적으로 ON-OFF 제어하는 방법을 이용해왔다. 물론 냉동물의 중량을 입력하거나 전자레인지에 설치된 중량감지 센서를 이용하여 감지하여 ON - OFF 제어시간을 조절하는 것이 대부분이며 특허 제0186390호에는 마이크로파 해동 중 냉동물의 온도 변화를 감지하여 해동시간을 조절하는 기술이 개시되어 있고, 마이크로파 해동 중 해동실 내에 조사된 마이크로파 중 냉동물에 미흡수된 전자파를 감지하여 마이크로파의 ON - OFF 제어 주기를 마이컴의 연산을 이용하여 해동을 진행하는 기술들(특허 제10-0341327호, 제10-0341330호, 제10-0341331호, 제2001-0076129호)이 있다. 또한 마이크로파 출력의 ON - OFF제어를 이용한 해동 중에 혹은 해동완료 후 마이크로파 에너지를 공급하지 않는 대기시간을 부여한 기술(특허 제0601427호)이 있다. 또 특허 제0528652호에는 마이크로파 해동장치를 설명하는 것으로 이는 가정용 혹은 상업용 보다는 산업용을 위한 해동 설비로써 냉동물을 벨트 콘베이어로 이송하면서 해동을 시키는 것으로 이송 진행 중에 냉동물에 적절한 마이크로파 에너지의 조사를 위해 마이크로파 조사구의 위치의 배치 및 그 운전 방법이 개시되어 있다.

종래 기술 적용의 동작 특성은 냉동물에 해동을 위한 마이크로파 에너지를 어떻게 투입할 것인가가 주요 관심이다. 해동이라는 것은 영하의 온도인 냉동물의 온도를 높이는 것으로 대부분 냉동물의 해동온도는 그 목적에 따라 다소 차이는 있지만 해동의 목표 온도는 -6℃에서 0℃이다. 냉동물의 냉동 상태 온도 및 보관 온도는 냉동 목적에 따라 결정되는 것으로 냉동식품 분야에서 흔히 적용되는 냉동온도는 -60℃에서 -15℃ 이다. 결국 냉동식품의 해동이라는 것은 영하 온도의 재료를 0℃ 전후로 가열하는 것을 의미한다. 종래의 마이크로파 가열을 이용한 기기에 있어서는, 특히 전자레인지로 알려진 기기에 있어서는 마이크로파 발생장치인 마그네트론의 출력을 대부분 최고 출력으로 고정화 하고 있다. 이러한 이유로 전자레인지에서 냉동물의 해동을 진행하고자 하는 경우에는 높은 출력으로 고정된 마이크로파 에너지의 투입으로 인한 과열로 냉동물이 해동도 되기 전에 익는 현상의 방지와 고체 형상의 냉동물 전체에 균일한 해동을 얻고자 마이크로파 투입에너지를 적게 하는 것이 일반적인 종래의 기술이다. 종래의 기술에서 마이크로파 투입에너지를 적게 하는 방법으로는 마그네트론의 전원을 ON - OFF 하는 것이 일반적으로 알려져 있으며 전자레인지 분야에 있어서 대부분이 이 방법을 적용하고 있다. 즉 종래 기술의 동작 구성에서 고안된 기술은 마이크로파 해동 환경 내의 물리량의 변화를 감지하는 기술을 이용한 마그네트론의 ON - OFF 제어 시간 및 그 주기가 해동에 적합하도록 하는 것이 대부분이다.

종래의 고안된 전자레인지 혹은 마이크로파 가열을 이용한 해동 기술은 마그네트론의 출력을 그 최대 출력에서 ON - OFF 제어 하는 것이 핵심인 데 이러한 기술 적용으로 인하여 해동의 불균일 및 해동물의 표면에 익는 현상과 과다한 수분 노출 및 식품에 내재되어 있는 육즙, 영양분의 누출로 식품의 신선한 상태 유지가 어려운 문제점이 나타나고 있다.

일반적으로 마이크로파의 가열원리는 다음 수학식 1로 표현되는 데 여기서 중요한 것은 피가열체의 마이크로파 흡수에 관한 것으로 피가열체의 유전율과 유전손실각이 클수록 전자파 흡수율이 좋아져 피가열체가 쉽게 가열될 수 있다.

(W/㎤)

여기서,

P : 소비전력

f : 교류전계의 주파수(Hz)

E : 전계강도

ε_r : 피가열물질의 비유전율

tanδ : 피가열물질의 유전 손실각

또한 물질의 열적 특성의 하나인 비열을 보면 비열이 클수록 가열된 물질의 열용량은 커지므로 가열이 용이함을 알 수 있다. 물론 피가열체의 가열 특성은 물질의 열전도계수 혹은 대류열전달계수와 같은 열전달 특성치에도 영향을 받으나 본 발명에서 이용하고자 하는 열원은 전자파이므로 전자파가 물질 내로 흡수되어 유전손실로 인하여 무질의 발열을 일으키는 유전가열에 대해서만 고려하기로 한다. 일반적으로 같은 물질이 상온에 있는 경우와 냉동 상태로 존재하는 경우의 비열과 유전율 및 유전율손실각을 비교하면 냉동상태일 때가 낮다. 예로 25(℃) 물의 비열은 1(kcal/kg,℃), 유전손실계수 ε×tanδ는 123000×10^- ⁴ 이며 -13(℃)인 얼음의 비열은 0.5(kcal/kg,℃), 유전손실계수 ε×tanδ는 28×10^- ⁴ 이다. 즉 물의 얼음 상태를 마이크로파로 가열하는 경우에는 유전손실계수가 작은 관계로 가열이 안 되며, 또한 비열이 액체 상태보다 작으므로 물의 가열 시 보다 적은 에너지가 투입되어야 한다.

마이크로파 환경 내에서 냉동물이 해동되어지는 해동실의 분위기는 대기 중에 노출되어져 있고 적은 유동량이지만 외기 온도 보다 높은 온도의 공기가 유동되고 있다. 전자레인지의 경우에는 물질의 가열 시 발생되는 수증기로 인하여 내부 투시가 불량하여지는 것을 방지하기 위해 통상적으로 마그네트론을 냉각한 공기를 가열실 내부로 투입하여 수증기가 배출되도록 하고 있다. 결국 전자레인지의 해동 시에는 해동실 네의 마이크로파 투입 이외의 유동 공기에 의한 열원이 존재하고 있다. 전자레인지의 마그네트론의 냉각을 위한 공기유동량은 대략 0.8~1(㎥/min)으로 공기를 유동시키고 있다. 이때의 유동 공기 중 30(%) 정도가 가열실로 유입된다고 가정하고, 유동공기의 온도는 마그네트론의 ON - OFF 제어를 고려하여 25(℃)라고 가정하면 가열실 내의 유동공기는 약 330(W)의 열원을 구성하게 된다.

이와 같이 전자레인지의 해동에는 ON - OFF 제어에 의한 마이크로파 에너지의 투입과 전자레인지 구동 중에 필수적으로 발생되는 냉각유동공기에 의한 열에너지지가 투입되며, 냉동물 적재를 위한 용기와 냉동물의 접촉으로 인한 전도열이 존재함을 알 수 있다. 즉 종래의 기술을 적용한 전자레인지에 의한 해동 중에는 마이크로파 에너지 투입이 OFF인 경우에도 유동공기와 용기로부터 열에너지가 냉동물로 공급되고 있다. 이러한 메카니즘에 의한 열의 공급은 냉동물의 표면으로부터 속으로 열전도에 의해 냉동물 전체로 열전달이 이루어지고 있다. 결국 해동의 주열원인 마이크로파의 미 투입인 경우라도 냉동물의 표면에는 냉동물의 온도와 비교하면 비교적 많은 열에너지의 유입으로 시간이 경과함에 따라 표면은 일부분 혹은 표면의 전체는 이미 해동이 완료되어 영상의 온도에 도달하여 냉동물 속에 내재된 수분이 고체의 상태에서 액체의 상태로 상변화 되어 냉동물 표면으로 누출된다. 이러한 상변화의 현상 발생시는 물질의 유전손실계수가 급증하게 된다. 이러한 냉동물의 해 동 진행 시 마이크로파가 공급되어지면 투입된 마이크로파는 유전손실계수가 높은 부분으로 흡수되면서 열로 변환됨으로 냉동물의 수분이 액체로 된 부분에 온도는 더욱더 상승하여 익는 현상이 발생되며 그 주변의 해동은 빠르게 진행되어 전체적으로 해동의 불균일 현상이 발생된다. 특히 냉동물의 온도상승의 불균일 및 국부적인 과해동 현상으로 냉동물질 속에 내재되어 있는 육즙 혹은 영양분의 누출로 인한 신선도가 결여되는 문제점이 발생된다. 물론 ON - OFF 제어에 있어서 ON 시간을 짧게하고 OFF 시간을 길게 하여 그러한 문제점을 해결하려고 하나 근본적으로 마이크로파를 발생시키는 마그네트론을 최대출력으로 고정하여 사용하는 종래의 고안된 기술적용에는 그 극복한계가 있으며, 해동시간이 매우 길어지는 문제점이 동반하게 되어 냉동식품의 신선도 유지는 거의 불가한 것으로 판단된다.

상기 특허 제0186390호는 해동 진행 중 냉동물의 온도를 비접촉식 온도감지를 이용하여 마그네트론의 ON - OFF 제어주기를 조절하여 해동에 적절한 마이크로파 에너지를 공급하고자 하는 데 이때의 온도감지는 냉동물의 표면 온도를 감지하는 것으로 냉동물의 표면 온도와 속의 온도는 해동시간 진행에 따라 편차가 심해짐으로 적절한 ON - OFF 제어주기를 결정하기에는 무리할 것이고 역시 마그네트론의 최대출력 범위에서 ON - OFF 제어를 하는 것이므로 균일한 해동의 달성은 어렵다. 또 상기 특허 제10-0341327호, 특허 제10-0341330호, 특허 제10-0341331호, 특허 제2001-0076129호는 서로 유사한 것으로 감지에 의한 마그네트론의 ON - OFF 제어의 마이컴 연산 방법만 달리하고 있다. 상기의 고안은 물질이 냉동상태일 때 유전 손실계수가 낮아지는 것을 고려하여 이에 적정한 마그네트론의 ON - OFF 제어를 결정하여 해동을 진행하고자 하는 것으로 냉동물의 마이크로파 해동 시 해동실 내에 조사된 마이크로파가 냉동물에 미흡수된 전자파를 감지하여 마그네트론의 ON - OFF 제어주기를 결정하는 것으로 미흡수된 전자파의 정확한 감지가 중요 핵심기술이지만 냉동물의 종류가 매우 많고 그것의 유전손실계수 값의 다양성과 냉동물의 크기 혹은 양에 따른 마이크로파 임피던스의 변화로 정확한 감지가 매우 어려운 것이 현실이다. 이 발명 역시 마그네트론의 파워 제어를 ON - OFF 에 의존함으로 해동의 고품질 달성 및 해동 시간의 단축은 어려운 고안이다. 또 상기 특허 제10-0601427호는 마그네트론의 ON - OFF 제어를 이용한 종래의 대표적인 전자레인 해동 기술로써 마그네트론의 ON - OFF 제어 이외에 대기시간을 적용한 것으로 이는 OFF 시간을 길게 하는 것과 같고, 마이크로파 투입의 종료 후 대기시간을 두는 것은 별도의 주변 외기 조건의 변화가 없다면 이는 종래의 해동 종료와 같은 의미이므로 종래의 전자레인지와는 큰 차이가 없는 것으로 종래의 마이크로파 해동 시 발생되는 문제는 여전히 존재할 것으로 판단된다. 또 상기 특허 제10-0528652호의 고안은 주로 대용량을 처리한 산업용에 적합한 방법으로 적용하는 마그네트론의 용량을 가정용 전자레인에 적용하는 1(kW)급 이하의 마그네트론을 다수개 설치하고 해동을 위한 냉동물의 투입은 한개의 단위 포장이 수십(kg) 이상을 연속적으로 투입하여 해동을 진행하는 전형적인 산업용의 고안이다. 이러한 고안은 몇(kg)의 소량을 단속식으로 해동 처리를 할 수 없으며 역시 마그네트론의 출력을 최대출력에서 고정하여 사용하는 것으로 마이크로파 해동 시 종래의 문제점을 극복하는 것에 대한 구체적인 방 법의 제시가 미약하다.

초고주파(마이크로파)를 이용하여 냉동물을 해동하는 기술은 이미 수십 년 전부터 개발되어 왔으며, 특히 전자레인지의 부가 기능으로 적용되었다. 전자레인지 혹은 마이크로파 가열기에 적용된 해동 기술은 주로 냉동물의 온도감지, 중량감지, 마이크로파 조사의 균일도 등을 고려하여 마이크로파 출력을 제어하는 것으로 그 출력 제어의 주기를 기계적 혹은 마이컴을 이용한 연산 방법으로 마그네트론을 ON-OFF 제어하는 방식에 의존하였다. 기기의 최대출력 내의 ON-OFF 제어방식은 냉동물이 마이크로파의 흡수에 의한 해동 진행과정에서 또는 주변의 냉동물 적재를 위한 보조 부품과의 접촉에서 발생되는 국부 해동 진행과 가열실 내의 유동공기의 잠열에너지의 전열로 인한 국부 해동 진행으로 인한 냉동물 표면 및 속의 수분 누출현상이 발생되고 이러한 상태 하에서 마이크로파 출력의 ON 상태 일 때의 마이크로파 과다 흡수로 인한 국부 가열로 냉동물 전체의 불균일한 해동 현상이 발생되거나 심한 경우에는 냉동물이 익는 경우가 발생되는 심각한 문제가 내재되어 있다. 즉 냉동물의 냉동 보관온도, 중량, 목표 해동온도에 부합되는 적정 마이크로파 에너지의 공급에 대한 기술이 결여되어 냉동물의 완벽한 해동을 달성하지 못하였다.

이에 본 발명은 상기에 언급한 냉동물의 보관온도(냉동물의 온도), 냉동물의 종류, 해동처리 중량, 목표 해동온도에 적절한 적정 마이크로파 해동 에너지를 공급하는 방법에 관한 것으로 빠르고 완벽한 해동의 달성을 목표로 한다.

또 식품을 냉동한다는 것은 상온이나 냉장 보관 시 부패로 인한 보존기간의 단축을 방지하기 위한 수단으로 식품 내에 존재하는 영양소, 수분, 고유함유물 등의 장시간 보존을 위함이다. 대부분의 식품을 냉동 처리하면 그 조직의 구성 상 냉동 온도에 따라 식품을 구성하는 분자 조직의 결합력이 상승하여 매우 단단한 고체의 형상을 띄게 되며 그것을 자르는 등의 기계적 가공 및 익히는 등의 열적 처리가 매우 어려워진다. 냉동 처리된 냉동식품을 먹기 위해서는, 혹은 그것을 먹기 위한 후가공을 위해서는 그것의 온도를 가공이 용이하게 하는 온도로 온도상승을 필수적으로 하여야만 한다. 이러한 일련의 과정이 해동을 의미한다. 해동에 있어서 중요한 것은 냉동 상태로 보존된 것을 냉동 전의 물질 특성의 변화 없이 그대로 복원하는 것이다. 종래의 해동에는 자연해동, 침수해동, 냉장 해동 등의 간접열의 전열을 이용한 열적해동 있는 데 이러한 해동 방법은 표면가열의 형태로 그 시간이 매우 길어지며 표면에서의 수분, 육즙 등의 내용물이 누출되는 문제점이 있고 이를 방지하고자 하는 방법이 냉장 해동이나, 이는 해동에 매우 긴 시간을 요하며, 또한 냉장온도에서 서식할 수 있는 미생물로 인한 변질의 진행으로 신선도가 결여되는 문제점이 있다. 이를 해결하고자 전자파를 이용한 해동이 고안되어 전자레인지의 부가기능으로 장착되었는데 이 또한 마이크로파 출력 제어의 한계로 인하여 표면의 수분 발생, 내용물의 누출, 국부적으로 익는 문제가 여전히 발생되고 있다.

본 발명은 냉동물의 해동에 적절한 에너지 투입이 가능한 마이크로파 출력 제어 시스템을 고안하고 그것을 냉동물의 종류, 중량, 냉동온도 등의 조건에 의한 마이컴 연산으로 자동 제어함으로써 모든 종류의 냉동물을 냉동 전의 상태로 빠르고 완벽하게 복원하는 전자레인지 해동 방법의 구축을 목적으로 한다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여 다양한 수단들을 구비한다.

본 발명은 일례로서, 해동기능 수행을 위한 냉동물의 조건 혹은 전자레인지의 일반기능 수행을 위한 조건을 입력하는 키입력부, 냉동물의 온도 혹은 냉동물의 중량을 감지 또는 입력할 수 있는 수단과 전자레인지 도어의 개폐에 따른 안전 기능 수행을 위한 도어 안전 감지 입력부의 신호가 마이컴에 전달되도록 하는 조건 입력부와 조건입력값과 내장된 메모리 데이터를 이용하여 전자레인지 구동을 콘트롤하는 마이컴부와 마이컴의 동작 명령을 받아 전자레인지 구동을 수행하는 구동부로 구성되어 냉동식품을 해동시키게 된다. 구동부는 전자레인지의 마그네트론 냉각을 위한 모터 구동, 부하를 적재하여 균일 가열 효과를 얻도록 하는 턴테이블모터 구동(스터러 분산 방식의 경우는 불필요함), 가열실 내의 가시가 용이하도록 하는 램프 등의 일반 구동회로와 본 발명의 핵심인 마이크로파 출력 조절을 위한 마이크로파 조절부, 마그네트론 구동을 위한 마그네트론 전원부 1(마그네트론의 필라멘트 전원 공급)로 구성된다. 또한 마이컴부에는 해동 구동 자동 연산을 위한 냉동물의 종류별 물성데이터가 메모리되어 있으며 이는 경우에 따라 외부에서 변경 가능하도 록 구성된다.

본 발명으로 전자레인지 해동을 수행한 결과 종래의 기술의 전자레인지 해동의 고질적인 문제점인 수분의 누출, 냉동물 고유 함유물의 누출, 국부적으로 익는 현상, 해동시간의 지연을 완전히 해소하였다. 특히 냉동물의 종류, 냉동온도, 중량에 따른 자동 해동진행을 달성하였으며 냉동물의 냉동 전의 상태를 완벽히 복원하여 해동 후 신선도를 유지하였다. 또한 종래의 전자레인지 해동 시간 대비 본 발명의 해동시간은 1/2로서 해동시간을 2배로 단축하였고 이에 상응하는 에너지절감을 50% 달성하였다.

도 1은 본 발명의 전자레인지 해동 구동의 구성도로서 해동기능 수행을 위한 냉동물의 조건 혹은 전자레인지의 일반기능 수행을 위한 조건을 입력하는 키입력부, 냉동물의 온도 혹은 냉동물의 중량을 감지 또는 입력할 수 있는 수단과 전자레인지 도어의 개폐에 따른 안전 기능 수행을 위한 도어 안전 감지 입력부의 신호가 마이컴에 전달되도록 하는 조건 입력부와 조건입력값과 내장된 메모리 데이터를 이용하여 전자레인지 구동을 콘트롤하는 마이컴부와 마이컴의 동작 명령을 받아 전자레인지 구동을 수행하는 구동부로 구성된다. 구동부는 전자레인지의 마그네트론 냉각을 위한 모터 구동, 부하를 적재하여 균일 가열 효과를 얻도록 하는 턴테이블모터 구동(스터러 분산 방식의 경우는 불필요함), 가열실 내의 가시가 용이하도록 하는 램프 등의 일반 구동회로와 마이크로파 출력 조절을 위한 마이크로파 조절부, 마그네트론 구동을 위한 마그네트론 전원부 (마그네트론의 필라멘트 전원 공급)로 구성되며 이러한 구성요소들 자체는 모두 공지된 것을 사용한다. 또한 마이컴부에는 해동 구동 자동 연산을 위한 냉동물의 종류별 물성데이터가 메모리되어 있으며 이는 경우에 따라 외부에서 변경 가능하도록 구성된다.

도 2는 상기에서 설명한 본 발명의 구성을 이용하여 해동 기능의 수행시 냉동물에 따른 적절한 해동 제어를 위한 마이컴 자동 연산 및 연산 결과에 따른 마그네트론의 연속 구동, 해동완료까지에 이르는 전자레인지 해동방법에 있어서 본 발명의 흐름도이다. 본 발명의 해동방법은 선형적으로 출력 조절이 가능한 공지의 마그네트론 출력장치를 사용하되 마이컴에서 기 메모리된 냉동물의 데이터와 입력부를 통해 입력된 냉동물의 정보를 이용하여 해동시간 및 해동을 위한 적정 마이크로파 출력을 연산하여 마그네트론 동작을 OFF 단계 없이 연속적으로 ON 단계로 구동하여 해동을 완료하는 것이 본 발명의 가장 중요한 특징이다. 물론 이러한 동작은 냉동물의 종류, 냉동온도(해동 초기 온도), 중량에 따라 해동 진행 프로세스를 달리 하는 것을 포함한다.

대부분의 냉동식품의 냉동 상태 하의 비열은 0.3~0.45(kcal/kg,℃) 이고 주로 냉동보관온도는 -50~-15(℃)이며, 동결점의 온도는 약 -1.5~-3(℃) 이다. 또한 동결점에서의 융해잠열은 50~70(kcal/kg) 이다. 가령 냉동식품 1(kg)을 동결점 온도까지의 해동에 필요한 열은 3.6~21.8(kcal)이며 이것을 10분에 해동을 진행하였다고 보면 25.2~152.6(W)에 해당된다. 또한 완전히 융해하기 위해 필요한 열은 50~70(kcal/kg) 이며, 이것을 위해 5분이 소요되었다고 하면 700~980(W)에 해당된다. 결국 냉동물의 해동에 있어서 동결점까지의 온도상승에는 적은 에너지가 소요되고 이것을 완전히 융해할 때에 비교적 많은 에너지가 소요됨을 알 수 있다.

일반적으로 물질의 유전손실계수는 상온일 때가 높고 냉동 상태일 때에 낮아진다. 즉 동일한 물질인 경우에 마이크로파를 조사하면 상온(영상온도)일 때에 전자파 흡수율이 높아 쉽게 가열되며 냉동일 때에는 전자파 흡수율이 낮아 가열 속도가 둔화되며 국부적인 해동 및 물질 속의 수분의 온도상승으로 인한 국부가열 현상 발생으로 전체적인 비균일 가열 현상이 발생된다. 도 3은 동일한 전자레인지 가열실(공진캐비티)에 물 1(kg)을 넣고 전자파의 임피던스 선도를 측정한 것이며 도 4는 -20(℃)로 냉동된 돼지고기 1(kg)에 대한 임피던스 선도를 측정한 것이다. 이 결과에서 보면 냉동상태의 경우에 임피던스 위치는 상온의 물인 경우에 비해 반사파 발생 영역으로 이탈됨을 알 수 있다. 즉 냉동상태일 때에 전자파 흡수율이 낮아 투과되는 전자파가 많음을 의미하며 같은 전자파 에너지의 투입 시에 가열 효과는 적게 나타난다. 물과 얼음의 유전손실계수를 비교하면 얼음 상태일 때의 유전율손실계수는 28×10^-4으로 거의 전자파를 흡수하지 못하는 수준이나 냉동돼지고기인 경 우에는 임피던스 선도에서 보듯이 전체 마이크로파 에너지의 약 60% 정도는 흡수 가능한 수준으로 판단되며, 이는 수분에 의한 흡수보다는 냉동돼지고기에서 수분을 제외한 육질의 분자구조에서 기인하는 것이다.

상기의 내용을 종합해보면 냉동식품의 전자레인지 해동에 있어서 동결점온도까지 투입해야할 에너지양은 1(kg)을 기준으로 보면 50(W)로 매우 적다. 현재 전자레인지에 적용하는 마그네트론의 출력이 주로 500~1,000(W)이며 ON - OFF 제어를 고려하여도 필요 에너지의 10배 이상이 현재 전자레인지 해동에 투입되고 있다. 물론 적산의 개념으로 보면 ON - OFF 제어의 에너지량도 해동에 필요한 양만큼 투입이 가능하다고는 볼 수 있지만 ON 상태 투입량의 절대치가 과다한 것이 문제점으로 지적되어 왔다. 결국 전자레인지의 해동에 있어서는 마그네트론의 출력 제어 및 해동진행에 따른 적절한 에너지 공급 프로세스의 해동 최적화 기술이 매우 중요하다.

도 5는 본 발명의 마그네트론 출력 제어 선도를 나타낸 것으로 마그네트론의 최저출력으로부터 최고출력까지 선형적으로 변하게 고안된 것이다. 마이컴 연산에 의해 결정된 마이크로파 출력치는 신호(아날로그, 디지털 포함)로 도 1의 마이크로파 조절부로 입력되며 여기서 적절히 조절된 전원이 마그네트론 전원부 2로 공급되어 마이크로파 출력을 제어한다. 전자레인지에 적용되는 마그네트론은 주로 1,000(W)급이 주종을 이루며 이 마그네트론의 최저 출력은 본 발명의 고안을 적용하였을 시 마이크로파 출력으로 40(W)정도 가능하다. 이러한 마이크로파 출력을 열 에너지로 변환하였을 때는 약 30(W) 정도이므로 해동의 초기 상태에 적절한 에너지를 구성한다. 냉동물의 온도가 낮을수록 비열과 유전손실계수가 낮은 경향을 나타냄으로 본 발명에 의한 전자레인지 해동 진행은 마이크로파 출력이 낮은 영역에서 시작하여 해동 진행에 따라 높은 영역으로 이동하면서 해동을 완료함을 특징으로 한다. 물론 이러한 진행과정은 마이컴으로 자동 연산하여 전자레인지를 구동한다.

도 6은 본 발명의 해동 진행에 따른 마이크로파 출력 선도를 나타낸 것으로 P1은 시작 마이크로파 출력, P3은 해동완료 시점의 마이크로파 출력, t3은 해동진행(완료)시간을 의미하는 것으로 빗금 친 부분의 면적이 해동에 필요한 에너지로써 실제 마그네트론의 구동으로 냉동물에 가해진 마이크로파 에너지를 의미한다. 이것을 수학적으로 표현하면 다음과 같다.

(W)

여기서 a, n은 실험적으로 결정해야 하는 상수이다.

본 발명을 적용한 전자레인지의 해동 시험을 실시해 본 결과 냉동물의 온도상승은 마이크로파 출력이 일정하면 그 조사 시간에 따라 거의 선형적으로 변하는 특징을 나타내었다. 도 7은 이러한 결과 및 상기 수학식 2를 적용한 전자레인지 해동의 실시 예를 나타낸다. 해동진행에 따라 마이크로파 출력을 선형적으로 변화하는 경우와 이를 등가 혹은 비등가의 계단식 변화를 하는 경우 모두를 포함한다.

냉동물의 종류는 어류, 육류, 곡류 등 그 종류가 매우 다양하며, 그 냉동온도 또한 냉동처리 목적 상 여러 종류로 구분되어지고, 이를 해동하는 해동 정도도 그 목적에 맞게 여러 형태로 구분된다. 해동의 진행은 초기 냉동 상태에서 동결점까지 온도를 상승하는 구간과 융해를 위한 융해잠열 에너지를 공급하는 융해 구간으로 구분되나 실제의 전자레인지 해동진행은 냉동물의 표면이 상온 혹은 유동공기 중에 노출된 관계로 표면 부근 두께를 형성하는 부분에서는 온도상승과 융해의 해동 진행 구간이 동시에 진행된다고 볼 수 있다. 이러한 복합 해동 진행에 적절히 대응하는 해동 진행 프로세스의 고안이 필요하며 본 발명의 해동 진행 프로세스의 실시예가 도 8에 나타나 있다. 수학식 2는 다음과 같이 표현할 수 있다.

(W)

여기서 a, b, n은 실험적 결정의 상수

즉 도 8의 프로세스 구성은 수학식 3의 조합으로 구성이 가능하며 다단의 계단식 진행 및 선형적인 진행과 이를 조합하는 것을 모두 포함한다. P3은 해동완료 시의 마이크로파 출력, Pn은 해동 단계별 마이크로파 출력, P1은 해동 시작시의 출력, t1, tn, t3은 각각 마이크로파 출력에 대응하는 해동진행시간을 의미한다. tn에서 t3으로 진행하는 해동 과정은 대부분이 융해 에너지 투입 구간으로 선형적으로 구성한다. 이와 같은 해동진행시간과 마이크로파출력을 고려하여 냉동물 종류, 냉동온도에 따른 해동 프로세스의 설정은 냉동물의 중량 및 목표 해동온도에 따라 자동으로 해동시간과 프로세스 각 구간의 출력 및 시간을 필요로 하는데 본 발명의 마이컴 연산 방법은 다음과 같다.

P1과 t1은 해동초기의 냉동물의 종류 및 냉동보관, 중량에 의해 실험적으로 결정하여 마이컴에 메모리 되며, 외부에서 변경 가능하도록 구성한다. 본 발명에 의한 전자레인지 해동 실험에 의하면 P1은 마그네트론의 최저출력으로 구성하며, 진행시간은 냉동보관온도를 고려하여 1~4분 사이가 최적으로 구성한다. 온도상승시간 t2와 이에 대응하는 P2의 결정은 다음 수학적 표현을 이용하여 구성하고 마이컴에서 연산하여 전자레인지 해동 기능을 구동한다.

(sec)

여기서 m은 해동중량(g), Cp는 냉동물질의 비열(kcal/kg,℃), T2는 목표해동온도(℃), T1 냉동온도(℃), η는 마이크로파 흡수효율, P1, P2는 각각 해동 구간별 마이크로파 출력(KW)을 의미한다. 여기서 마이크로파 흡수효율이 중요한 연산인자로 본 발명에서는 실험을 통하여 실험식을 결정하였으며 이를 수학적으로 표현하면 다음과 같다.

여기서 c, d는 상수이며 마이크로파 흡수효율 η는 1을 넘지 아니하고, 본 발명의 전자레인지 해동에 있어서는 냉동물의 냉동온도 즉 해동 초기상태에 의존하는 것을 포함한다.

해동 프로세스의 최종 단계인 융해 구간에서의 마이크로파 출력 P3과 해동완료시간 t3은 선형적으로 변화하도록 구성하며 융해잠열의 에너지 투입 구간으로 여러 종류의 해동 물질의 융해잠열 데이터를 이용한 연산은 마이크로파 이외의 외적 열원에 의한 복합적인 에너지 투입으로 인하여 현실성이 결여되어 본 발명에서는 실험식으로 결정된 수학적 표현을 이용하여 구성한다.

여기서 m은 해동중량(g), g, h는 상수

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여기서 m은 해동중량(g), e, f는 상수

본 발명에 의한 전자레인지 해동은 냉동물의 종류, 냉동온도, 목표해동온도, 해동중량에 따라 마이컴에 의한 자동 연산으로 해동시간 및 해동을 위한 적정마이크로파 출력을 결정하여 마그네트론을 연속적으로 구동하여 해동을 종료한다. 도 9는 이러한 특성치의 입력이 가능한 본 발명의 키입력부 도면이다.

해동중량의 입력은 실 중량의 정확한 수치의 입력도 필요하지만 본 발명의 수학식 3 내지 7의 조합을 이용하면 가령 100(g) 단위의 포괄적 전자레인지 해동 프로세스의 구성도 포함한다.

도 10은 본 발명의 전자레인지 해동방법을 적용하여 냉동 돼지고기 1.113(kg)을 해동한 결과를 보여 주며 이것의 동작을 설명하면 다음과 같다.
본 발명을 이용한 냉동 돼지고기의 해동에 있어서 최적의 단계는 3단계로써 각 단계의 투입에너지와 해동시간으로 부터 ∑Pㆍt = P1ㆍt1 + P2ㆍt2 + P3ㆍt3 (Wh)로 표현되며, 여기서 P1은 냉동 돼지고기의 보관온도인 -24(℃) 초기에 마이크로파 에너지를 투입하는 경우로써 이때의 냉동 돼지고기의 유전율손실계수의 값은 비교적 작으므로 마그네트론의 출력을 작게 하는 것이 고품질 해동 달성에 유리하다.
본 발명의 냉동 돼지고기 해동을 위한 복수의 해동 온도상승 구간들중 단계1로서 P1을 출력하기 위한 마이컴의 출력신호(마그네트론의 출력을 의미)를 0.5(Vdc)로 그 일례를 결정하였으며 이때의 해동시간은 60초로 하고, 또한, 해동 온도상승 구간인 단계2의 P2는 냉동 돼지고기인 경우 온도상승의 선행 시험 결과를 이용하여 냉동 돼지고기 해동의 최적치인 2(Vdc)로 단계별로 투입에너지와 해동시간을 하였으며, 이후 해동 단계 3은 융해잠열의 투입 구간으로 비교적 높은 에너지의 투입이 요하므로 수식 7을 이용하여 선형적으로 마이크로파 에너지를 투입하여 해동을 신속하게 완료시킨다.

이상 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 냉동식품 해동 방법이 적용된 구성도.

도 2는 본 발명의 냉동식품 해동 방법의 흐름도.

도 3은 물 1KG에 대한 전자파 임피던스 선도 그래프.

도 4는 냉동돈육 1KG에 대한 전자파 임피던스 선도 그래프.

도 5는 본 발명의 마그네트론 출력 제어 선도 그래프.

도 6은 본 발명의 해동 진행에 따른 마이크로파 출력 선도 그래프.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시예로서, 해동 진행에 따른 마이크로파 출력 선도 그래프.

도 8은 본 발명의 복합 해동 진행 프로세스 그래프.

도 9는 본 발명의 키입력부 도면.

도 10은 본 발명의 냉동식품 해동 방법을 이용한 돼지고기 1kg 해동 결과를 설명하기 위한 도면.

Claims

냉동물의 표면에 마이크로파를 조사하여 해동시키는 전자레인지와 같은 해동장치에서의 냉동물 해동방법에 있어서, 냉동물의 종류, 물성, 냉동 온도와 냉동물의 중량에 따라 복수의 해동단계들로 이루어지며, 상기 복수의 해동단계들은 냉동물을 냉동온도에서 동결점까지 온도를 상승시키도록 마이크로파를 조사하는 적어도 하나 이상의 온도상승 단계와, 동결점까지 온도가 상승된 냉동물에 융해잠열 에너지를 공급하도록 마이크로파를 조사하는 융해단계를 포함하며, 상기 온도 상승단계에서는 냉동물이 해동과정에서의 품질저하를 방지하도록 냉동물의 냉동온도로부터 온도가 상승되어 유전손실계수가 커지고 마이크로파 흡수율이 향상됨에 따라 발진장치의 출력 레벨을 단계적으로 높여서 마이크로파를 연속적으로 조사하고, 상기 융해단계에서는 동결점까지 온도가 상승된 냉동물의 신속한 융해를 위하여 온도 상승단계에서 보다 높은 출력레벨로 마이크로파를 조사하는 것을 특징으로 하는 냉동물 해동방법.
제 1항에 있어서, 냉동물의 해동을 위한 적정 마이크로파 출력과 해동시간 제어는 해동장치의 마이컴에서 미리 입력된 냉동물의 종류, 냉동온도, 목표 해동온도, 중량에 따른 상수들을 선택하여 아래 수식의 프로그램에 따라

(W)

(여기서 P는 해동의 적정 마이크로파 출력(W), t는 해동 소요 시간(sec), a, b, n는 상수로서 냉동물의 종류, 보관온도, 목표 해동온도, 해동 중량에 따라 실험에 의해 결정되어 해동장치의 조작부 메모리에 미리 입력된 값들임) 수행하도록 된 것을 특징으로 하는 냉동물 해동방법.
제 2항에 있어서, 선택된 최적 해동 단계들에 의한 단계별 마이크로파 조사 시간과, 마이크로파 투입 출력의 관계를 아래 수식에 따라

(sec)

(여기서, m은 해동중량(g), Cp는 냉동물질의 비열(kcal/kg,℃), Tn는 n 단계의 목표해동온도(℃), T1 냉동온도(냉동보관온도)(℃), η는 마이크로파 흡수효율, Pn, Pn-1는 해동 단계별 마이크로파 출력(kW)임) 제어하는 것을 특징으로 하는 냉동물 해동방법.
제 3항에 있어서, 상기 마이크로파 흡수효율은 냉동물의 종류와 냉동보관온도에 따라 아래 수식에 의해

(여기서, T1은 냉동물 종류 및 냉동보관온도(℃), c, d는 상수로서 냉동물의 종류, 보관온도, 목표 해동온도, 해동 중량에 따라 실험에 의해 결정되어 해동장치의 조작부 메모리에 미리 입력된 값들임) 결정하는 것을 특징으로 하는 냉동물 해동방법.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 최종 해동단계로서 동결점까지 온도가 상승된 냉동물에 융해잠열 에너지를 공급하도록 마이크로파를 조사하는 융해단계에 있어서 해동종료를 위한 시간 및 출력은 아래 수식들에 의해

(여기서, t3는 최종 해동단계의 시간(초), m은 해동하는 냉동물의 중량(g),

g, h는 실험에 의해 얻어져 해동장치의 조작부 메모리에 저장된 상수임)

(여기서, P3는 최종 해동단계의 마이크로파 출력(W), m은 해동중량(g)

e, f는 실험에 의해 얻어져 해동장치의 조작부 메모리에 저장된 상수임)

결정하는 것을 특징으로 하는 냉동물 해동방법.