KR100994333B1 - 혼합 플라즈마 발생장치 및 방법, 그리고 혼합 플라즈마를이용한 전열 조리장치 - Google Patents

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Abstract

혼합 플라즈마 발생장치 및 방법, 그리고 혼합 플라즈마를 이용한 전열 조리장치 가 개시된다. 이 전열 조리장치는 내부에 저장된 물을 전기에너지로 가열하여 수증기를 발생시키는 증발부와, 이 증발부로부터 상기 수증기를 공급받아 분사하는 분사노즐, 그리고 분사노즐 주변의 절연체에 배치되어 상기 분사노즐에서 분사되어 나오는 수증기에 강한 전기에너지를 가해 상기 수증기를 방전시켜 수소 플라즈마와 산소 플라즈마의 혼합 플라즈마로 변환되게 하는 방전부를 구비하여, 혼합 플라즈마를 조리용기에 대한 에너지 전달매체로 사용하는 것을 특징한다. 이에 의하여, 전기발열 방식을 채용하되 에너지 밀도가 상대적으로 높은 고온의 혼합 플라즈마를 이용함으로써 열전달 효율을 높일 수 있으며, 장치의 크기를 소형화하여도 가열시간을 단축시킬 수 있다.
Figure R1020080019694
전열 조리장치, 수소 플라즈마, 산소 플라즈마, 혼합 플라즈마, 희석, 수증기, 증발, 분사 노즐

Description

혼합 플라즈마 발생장치 및 방법, 그리고 혼합 플라즈마를 이용한 전열 조리장치 {Apparatus and method for generating mixed plasma, and electric cooking apparatus using mixed plasma}
본 발명은 플라즈마 발생장치와 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 수증기를 원료물질로 이용하여 수소와 산소의 혼합 플라즈마를 발생시키는 장치와 방법에 관한 것이다. 또한, 그 혼합 플라즈마 발생장치를 이용하여 혼합 플라즈마를 열에너지 전달매개체로 사용하는 전열 조리장치에 관한 것이다.
주방이 거실과 가까운 곳에 위치하는 주거환경이 일반화 되면서 대부분의 가정에서 조리용 가열기구로서 가스 가열 기구를 사용하고 있으며, 공동주택의 경우는 특히, 도시가스 가열 기구를 널리 사용하고 있다. 반면에, 전기를 이용한 조리용 가열기구는 아주 제한적으로 사용되고 있다.
가스 가열기구는 가스가 연소하면서 다량의 기체를 발생시키는데, 이 기체는 조리용기의 외부표면에 높은 유속의 흐름을 형성하게 되어 열전달 속도가 단순대류에 비해 많이 증가하게 된다. 이로 인해, 열전달 효율이 높고, 가열시간은 단축된다.
예컨대 도시가스를 사용하기 위해서는 도시가스의 배관이 필수적이고, 배관을 위한 시설비용은 비교적 높다. 가스 가열기구의 위와 같은 장점에도 불구하고, 열병합 발전소를 통한 난방용 열에너지의 공급원이 따로 있거나 중앙집중식 집단 난방시설이 운영되는 경우에는, 조리용 도시가스의 사용량이 적기 때문에 도시가스 공급시설비용의 경제성이 맞지 않는다. 이러한 이유로 도시가스공급자 측에서 도시가스의 공급을 거부하여 사용 희망자와의 분쟁이 자주 발생하고 있다. 이와 같이 취사용으로만 도시가스를 사용하는 경우에는 일단 도시가스가 공급된다고 하여도 시설비의 회수문제로 인하여 도시가스요금이 매우 높게 책정된다. 실제적인 공급단가가 난방용 사용자에 비해 5배 이상인 경우가 발생하고 있다.
그럼에도 불구하고, 전기를 이용한 조리용 가열기구가 널리 사용되지 못하는 이유는, 예컨대 전기 저항체의 발열 에너지를 이용하는 통상의 조리용 단순 전열기의 경우 전기발열체(전열체)로부터 조리용기로 전달되는 열에너지의 전달효율이 낮기 때문이다. 즉, 종래의 조리용 단순 전열기의 경우, 열은 전기발열체로부터 복사 또는 자연대류로 전달되므로 조리용기의 외부표면에서의 열전달계수가 낮다(모든 고체의 외부표면에는 극히 얇은 기체층이 형성되는데 자연대류의 경우는 기체의 유속이 매우 낮아서 마치 단열층처럼 작용함). 그 결과 열전달 효율이 낮고 가열시간이 오래 걸릴 수 있다는 문제점이 있다.
또한, 전열체의 표면에서 외부의 공기층으로 발산될 수 있는 열 발산 속도의 제한으로 인하여 전열체의 단위길이당 발열할 수 있는 에너지의 제한이 있어서, 단위 면적당 배치할 수 있는 전열선의 길이에는 제한이 있다. 이것을 와트-밀 도(Watt-Density)라 하는데, 보통 공기의 경우에는 2~4W/㎠이다. 즉, 가로와 세로의 크기가 10㎝×10㎝인 전열판에서는 200~400W 정도까지 밖에 발열할 수가 없다. 이에 따라, 종래의 조리용 단순 전열기와 같은 면적에서 1kw 이상을 발열하도록 전열체(전열선)를 배치하면, 발생한 열이 외부로 전달되지 못하고 전열체 내부에 축적되어 전열체가 과열되고 마침내 전열체가 끊어지는 현상이 발생할 수도 있다.
종래의 전열 조리기구 중에는 인덕션 쿠커라고 하는 유도전기를 이용한 조리기구도 있지만, 이것 또한 조리용기의 재질과 하단부의 모양에 제한이 있어서 널리 사용되지 않고 있다.
한편, 물을 전기분해한 수소와 산소의 혼합가스를 연료로 사용하는 가열기구가 개발되고 있으나, 수소의 연소에 의하여 발생하는 열은
H2 + O2 → H2O + 241,518 J/mole 이고,
이를 공기에 의하여 연소된 후의 연소기체 부피에 대한 에너지밀도로 환산하면 다음과 같다.
H2의 경우 → 241,518 / 5 = 48,304 J/mole
따라서 도달할 수 있는 연소가스의 최고온도는 다음과 같다.
H2의 경우 → 1,500℃
그리고 전기분해장치에 고농도의 알칼리수용을 사용하므로 이의 관리가 까다롭고, 분해된 혼합가스(수소 + 산소)가 연소노즐로 이동하는 도중에 쉽게 발화되므로 역화방지가 매우 까다로울 수 있다는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 수증기를 원료물질로 이용하여 보다 경제적이고 에너지효율이 높으면서, 안전하고, 공해유발물질을 발생시키지 않은 수소 산소의 혼합 플라즈마 발생장치와 이를 이용한 혼합플라즈마 발생방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 종래의 가스식 가열기구나 전기식 가열기구보다 훨씬 열전달 효율이 높고, 가열시간을 단축시킬 수 있는 혼합 플라즈마를 에너지전달 매체로 사용하는 전열 조리방법과 이를 위한 전열 조리장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은, 전원을 비롯한 가열체의 배치 및 형상이 상대적으로 자유로워질 수 있는 혼합 플라즈마를 이용한 전열 조리장치 및 이의 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 연료의 운반, 보관, 사용 및 역화방지 등의 관리를 용이하게 할 수 있는 혼합 플라즈마를 이용한 전열 조리장치 및 이의 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 안전하게 사용할 수 있는 혼합 플라즈마를 이용한 전열 조리장치 및 이의 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 시스템의 구성 및 연료사용의 비용이 절감될 수 있는 혼합 플라즈마를 이용한 전열 조리장치 및 이의 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은, 환경오염을 최소화할 수 있는 혼합 플라즈마를 이용한 전열 조리장치 및 이의 방법을 제공하는 데 있다
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 적어도 상부가 개방된 절연성 튜브 상기 절연성 튜브 내부에 배치되어 상기 절연성 튜브의 개방된 상부를 향해 수증기를 분사하는 분사노즐 및 상기 절연성 튜브에 배치되어 상기 분사노즐에서 분사되어 나오는 수증기에 강한 전기에너지를 가해 상기 수증기를 방전시켜 수소 플라즈마와 산소 플라즈마의 혼합 플라즈마로 변환되게 하는 방전부를 구비하는 것을 특징으로 하는 혼합 플라즈마 발생장치가 제공된다.
상기 방전부는, 일 구성예에 따르면, 상기 절연성 튜브에 감겨 상기 분사되어 나오는 수증기를 에워싸는 형태를 이루는 코일부 및 상기 코일부에 고주파 전원을 공급하여 상기 수증기에서 고주파 유도방전이 일어나도록 함으로써 상기 수증기가 상기 혼합 플라즈마로 변환되게 하는 전원부를 구비한다.
상기 방전부는, 다른 구성예에 따르면, 상기 절연성 튜브의 서로 다른 곳에 배치된 제1방전전극과 제2방전전극 및 상기 제1방전전극과 제2방전전극에 직류 또는 교류 전원을 공급하여 방전을 일으키고, 그 방전에 의해 상기 분사되어 나오는 수증기에서 아크방전이 일어나서 상기 수증기가 상기 혼합 플라즈마로 변환되게 하는 전원부를 구비한다.
상기 혼합 플라즈마 발생장치는, 상기 절연성 튜브 내부에 희석용 유체를 가하여 상기 혼합 플라즈마의 온도를 조절하기 위한 희석유체 공급부를 더 구비하는 것이 바람직하다. 이에 의해, 혼합 플라즈마의 온도가 지나치게 높아지는 것을 방지할 수 있다. 상기 희석용 유체는 수증기, 공기, 물 중 어느 하나를 이용하는 것 이 바람직하다.
상기 혼합 플라즈마 발생장치는, 물을 전기를 이용하여 수증기로 변환하여 상기 분사노즐로 제공하는 증발부를 더 구비하는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 혼합 플라즈마 발생장치는 상기 증발부 내부의 전기전도도를 감지하는 전기전도도 센서 및 상기 전기전도도 센서에서 감지된 정보에 기초하여 상기 증발부에 저장된 물에 함유된 전해질의 농도가 소정 값을 넘지 않도록 제어하는 제어수단을 더 구비하는 것이 바람직하다. 상기 제어수단은, 일 구성예에 따르면, 상기 증발부 내부에 저장된 물 중에서 수증기화 되지 않은 농축수를 외부로 배출하기 위한 배수부 및 상기 증발부로부터 배출된 물을 보충하기 위한 급수부 및 상기 증발부의 수위를 감지하는 수위감지센서 및 상기 수위감지센서가 제공하는 수위 정보에 기초하여 상기 급수부의 급수를 제어하는 제어부를 구비한다. 상기 증발부는 전기가열방식으로 상기 물을 수증기로 변환시키는 형태로 구성될 수 있다.
상기 혼합 플라즈마 발생장치는, 온도를 적절하게 제어하기 위해, 혼합 플라즈마의 온도를 감지하는 온도센서 및 상기 온도센서가 감지한 온도에 기초하여 상기 혼합 플라즈마의 온도가 설정 범위를 벗어나지 않도록 하기 위해, 상기 방전부가 상기 수증기에 가하는 상기 전기에너지의 세기, 상기 분사노즐에서 분사되어 나오는 상기 수증기의 양, 상기 희석용 유체의 투입량 중 적어도 어느 한 가지를 조절하기 위한 제어수단을 더 구비하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 측면에 따르면, 전열 조리장치에 있어서, 내부에 저장된 물을 전기에너지로 가열하여 수증기를 발생시키는 증발부와 상기 증발부로부터 상기 수증기를 공급받아 분사하는 분사노즐 및 상기 분사노즐 주변의 절연체에 배치되어 상기 분사노즐에서 분사되어 나오는 수증기에 강한 전기에너지를 가해 상기 수증기를 방전시켜 수소 플라즈마와 산소 플라즈마의 혼합 플라즈마로 변환되게 하는 방전부를 구비하여, 상기 혼합 플라즈마를 조리용기에 대한 에너지 전달매체로 사용하는 것을 특징으로 하는 혼합 플라즈마를 이용한 전열 조리장치가 제공된다.
상기 전열 조리장치는 상기 혼합 플라즈마의 온도를 조절하기 위해 상기 혼합 플라즈마에 희석용 유체를 가하는 희석유체 공급부를 갖는 온도조절유닛을 더 포함하는 것이 바람직하다. 나아가, 전열 조리장치는 상기 혼합 플라즈마의 온도를 감지하는 온도센서; 및 상기 온도센서에서 감지된 온도에 기초하여 상기 혼합 플라즈마의 온도가 설정 범위를 벗어나지 않도록 상기 온도조절유닛을 제어하는 제어유닛을 더 포함하는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 희석용 유체는 물, 수증기 및 공기 중 적어도 어느 한 가지를 이용할 수 있다.
상기 증발부는 내부에 저장된 물 중에서 수증기화 되지 않은 농축수를 외부로 배출하기 위한 배수부를 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우, 전열 조리장치는, 상기 증발부로부터 배출된 물을 보충하기 위한 급수부 및 상기 증발부의 수위를 감지하는 수위감지센서 및 상기 수위감지센서가 제공하는 수위 정보에 기초하여 상기 급수부의 급수를 제어하는 제어부를 더 구비하는 것이 바람직하다.
상기 전열 조리장치는 또한, 상기 증발부 내부의 전기전도도를 감지하는 전기전도도 센서 및 상기 전기전도도 센서가 감지한 값에 기초하여 상기 증발부에 저 장된 물에 함유된 전해질의 농도가 소정 값을 초과하지 않도록 상기 증발부 내의 농축수를 배출하기 위해 상기 배수부를 제어하는 제어부를 더 구비하는 것이 바람직하다.
상기 전열 조리장치에 있어서, 상기 방전부는 일 구성예에 따르면, 상기 절연성 튜브의 서로 다른 곳에 배치된 제1방전전극과 제2방전전극 및 상기 제1방전전극과 제2방전전극에 직류 또는 교류 전원을 공급하여 방전을 일으키고, 그 방전에 의해 상기 분사되어 나오는 수증기에서 아크방전이 일어나서 상기 수증기가 상기 혼합 플라즈마로 변환되게 하는 전원부를 구비한다. 상기 방전부의 다른 구성예에 따르면, 상기 절연성 튜브에 감겨 상기 분사되어 나오는 수증기를 에워싸는 형태를 이루는 코일부 및 상기 코일부에 고주파 전원을 공급하여 상기 수증기에서 고주파 유도방전이 일어나도록 함으로써 상기 수증기가 상기 혼합 플라즈마로 변환되게 하는 전원부를 구비한다.
상기 전열 조리장치는 사용자가 사용시간을 설정하여 동작시간이 설정된 사용시간을 초과하면 자동으로 전원이 차단되도록 하는 타이머(timer)를 더 구비하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 수증기를 분사노즐을 통해 분사하는 단계 상기 분사노즐에서 분사되는 수증기에 강한 전기에너지를 가해 상기 수증기를 방전시켜 수소 플라즈마와 산소 플라즈마의 혼합 플라즈마로 변환되게 하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 혼합 플라즈마 발생방법이 제공된다.
상기 혼합 플라즈마 발생방법은, 혼합 플라즈마에 희석용 유체를 투입하여 상기 혼합 플라즈마의 온도를 원하는 범위로 조절하는 단계를 더 구비하는 것이 바람직하다. 여기서, 상기 희석용 유체는 수증기, 물, 공기 중 적어도 어느 한 가지를 이용할 수 있다.
상기 혼합 플라즈마 발생방법은, 상기 혼합 플라즈마의 온도를 감지하는 단계 및 감지된 온도에 기초하여, 상기 혼합 플라즈마의 온도가 설정 범위를 벗어나지 않도록 하기 위해, 상기 수증기에 가해지는 상기 전기에너지의 세기, 상기 분사노즐에서 분사되어 나오는 상기 수증기의 양, 상기 희석용 유체의 투입량 중 적어도 어느 한 가지를 조절하는 단계를 더 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 혼합 플라즈마 발생방법은 물을 전기로 가열하여 수증기로 변환하여 상기 혼합 플라즈마 생성을 위한 원료물질로 공급하는 단계를 더 구비하는 것이 바람직하다. 나아가, 상기 혼합 플라즈마 발생방법은 상기 물을 증발부에 담아서 가열하면서 상기 증발부 내부의 전기전도도를 감지하는 단계 및 감지된 상기 전기전도도에 기초하여 상기 증발부에 저장된 물에 함유된 전해질의 농도를 소정 값을 넘지 않도록 제어하는 단계를 더 구비하는 것이 바람직하다. 더 나아가, 상기 혼합 플라즈마 발생방법에 있어서, 상기 전해질 농도 제어단계는 상기 증발부에 저장된 물에 함유된 전해질의 농도가 상기 소정 값을 넘으면, 상기 증발부 내부에 저장된 물 중에서 수증기화 되지 않은 농축수를 외부로 배출하는 단계 및 상기 증발부에 물을 보충하는 단계를 더 구비하는 것이 바람직하다. 그리고 상기 혼합 플라즈마의 온도를 감지하는 단계; 및 감지된 온도에 기초하여, 상기 혼합 플라즈마의 온도가 설정 범위를 벗어난 경우, 상기 분사노즐에 대한 전기에너지 공급을 차단하는 단계를 더 구비하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 전기발열 방식을 채용하되 에너지 밀도가 상대적으로 높은 고온의 혼합 플라즈마를 이용함으로써 열전달 효율을 높이고, 장치의 크기를 소형화하여도 가열시간을 단축시킬 수 있다.
또한, 혼합 플라즈마를 이용한 전열 조리시스템의 전원을 비롯한 구성의 배치 및 형상이 상대적으로 자유로워질 수 있다.
그리고 상대적으로 위험한 LPG, LNG, 등유와 같은 연료를 안전한 물로 대체함으로써 연료의 운반, 보관, 사용 및 역화방지 등의 관리를 용이하게 할 수 있다.
아울러, 지진, 화재 등이 발생한 경우에 도시가스를 사용하는 경우에 비해 가스의 유출이 최소화됨으로써 전열 조리시스템을 안전하게 사용할 수 있다.
그리고 가스배관 등의 시설을 따로 설치할 필요가 없게 됨으로써 시스템의 구성 및 연료사용의 비용이 절감될 수 있다.
나아가, 일산화탄소 및 이산화탄소와 같은 환경가스의 발생을 최소화함으로써 환경오염을 최소화할 수 있다.
이하에서는 첨부도면을 참조하여 본 발명에 대해 상세히 설명한다.
조리용 가열장치가 전기를 에너지원으로 사용하는 구성이면, 공급시설비가 추가로 들지 않으므로 매우 경제적이다. 또한, 사용 중에 온실가스도 발생하지 않 고, 열에너지 변환율도 매우 높다. 다만, 피가열체에 대한 열전달 효율을 높일 수만 있다면 금상첨화다.
열전달 효율을 높일 수 있는 방법은 빠른 속도의 유체를 조리기구와 같은 피가열체의 외부 표면에 흐르게 하는 것이다. 이렇게 함으로써, 조리기구의 외부 표면에 얇은 정체층(이 정체층은 열전달 효율이 낮아서 단열제로 작용하므로 열전달 효율을 떨어뜨리는 주원인이다)의 형성이 방해되어 열전달 효율이 높아지는 하는 것이다.
이를 위해서, 빠르게 유동하는 상태의 에너지 전달매체가 필요하다. 이러한 유체상태의 매체는 수증기 또는 공기가 안전하고 공해가 발생하지 않는 가장 적합한 물질이다 (기존의 연소용 가스인 매탄이나 프로판가스는 수증기 이산화탄소가 이러한 역할을 한다. 그러나 이산화탄소는 온실가스의 주범이다). 그러나 수증기나 공기는 단위 유량에 실어 나를 수 있는 에너지의 양이 적기 때문에 에너지의 양도 적어서, 그 자체로서는 조리용 가열을 위해 사용하기에는 적합하지 않다. 이들 물질을 플라즈마 상태로 변환시켜 에너지 전달매체로 사용하면 열전달 효율을 높일 수 있다. 예컨대 전기를 이용해 수증기를 고온의 혼합 플라즈마(수소 이온과 산소 이온의 플라즈마) 상태로 분해하고, 이를 에너지 전달매체로 사용하면, 조리용기의 모양이나 재질에 관계없이 높은 열전달 효율을 얻을 수 있다.
'혼합 플라즈마'의 온도가 보통 6,000℃ 이상이므로 조리용기에 접촉하는 에너지 전달매체인 유체의 에너지 밀도가 높고, 유체가 직접 조리용기의 표면을 통과하므로 열전달 효율이 높다. 물을 전기분해하여 사용하는 수소산소 '혼합 기체'의 경우는 통상 화심의 온도는 1,000 ~ 1,500℃ 정도로 에너지밀도가 낮다. 즉, 혼합 플라즈마는 수소산소 혼합기체에 비하여 4배 이상의 에너지밀도를 제공한다. 이는 도시가스 또는 프로판가스의 에너지밀도보다 높거나 비슷한 정도이다. 가열 장치의 크기를 소형화하여도 가열시간을 단축시킬 수 있다.
본 발명은 혼합 플라즈마(mixed plasma)와 같은 고온의 유체를 피가열체를 가열하는 열원 즉, 에너지 전달매체로 이용한다. 혼합 플라즈마를 생성하기 위한 바람직한 원료 물질로 물(수증기)을 이용한다. 물에 전기에너지에 가하면 수소와 산소로 분해되어 이들의 혼합 플라즈마 상태가 만들어진다. 이 플라즈마와 산소 플라즈마의 혼합 플라즈마 유체는 높은 열역학적 에너지를 가지고 이것이 본 발명에 따른 조리장치에서 피가열체로 열에너지를 전달한다. 이 혼합 플라즈마는 발생기구의 구조 등에 따라 그 온도가 지나치게 높을 수도 있는데, 그 경우에는 혼합플라즈마에 희석용 기체(예: 수증기 또는 공기)를 공급하여 혼합함으로써 온도를 적합하게 낮춘 다음, 조리용기에 열을 전달하도록 구성할 수도 있다.
도 1은 이러한 기본 개념에 의거하여 상압에서 고온의 유체 즉,'혼합 플라즈마'를 발생하기 위한 장치로서 전열 조리장치(100)를 예시적으로 도시한다. 이 전열 조리장치(100)는 유체가 분사되는 분사노즐을 설치하여, 고온의 유체가 예컨대 냄비, 프라이팬, 솥 등과 같은 피가열체에 직접 접촉함으로써, 열전달계수가 커지고 따라서 열전달효율이 높아지도록 하는 방식으로 구성된다. 이를 위해, 전열 조리장치(100)는 혼합 플라즈마를 생성하여 피가열체를 가열하기 위한 수단으로서 플라즈마 발생유닛(120)을 갖는다. 또한, 전열 조리장치(100)는 입력유닛(110)과, 감 지유닛(170)과, 온도조절유닛(180)과, 제어유닛(190)을 포함할 수 있다.
먼저 플라즈마 발생유닛(120)을 설명한다. 플라즈마 발생유닛(120)은 원료물질인 수증기 상태의 물에 전기에너지를 가하여 수소 산소 혼합 플라즈마(mixed plasma)를 발생시키고 이를 매개체로 하여 피가열체에 열에너지를 전달한다. 플라즈마 발생유닛(120)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 전원부(130)와, 급수부(140)와, 증발부(150)와, 플라즈마 생성부(165)를 포함한다.
혼합 플라즈마를 발생시키기 위해 기체상태의 물(즉, 수증기)이 필요하다. 수증기를 전열 조리장치(100) 외부로부터 제공받을 수도 있겠지만, 물을 수증기로 변환시키는 수증기발생수단을 별도로 구비하여 수증기를 자체적으로 얻는 것이 보다 바람직하다.
도 1에는 수증기발생수단의 구성예가 도시되어 있다. 수증기발생수단은 증발부(150)를 포함한다. 잘 알려져 있듯이, 물을 수증기로 만드는 방법에는 온도를 높이는 방법(가열방식)과 압력을 낮추는 방법(감압방식)이 있다. 어느 방법이든 본 발명에 적용할 수 있으나, 압력을 조절하는 것보다는 온도를 높이는 방법이 훨씬 간단하고 비용이 적게 들어 경제적이다. 예컨대, 가열방식의 경우 전기가열방식이 간편하다. 전기가열방식에는 다양한 종류가 있다. 도체에 전류를 통하였을 때 발생하는 주울열을 이용하여 가열하는 저항가열방식, 교류자기장 내에 놓여진 도체에 발생하는 히스테리시스 손과 와류손을 이용하여 도체를 직접 가열하는 유도가열방식(고주파가열이 이에 속함), 물에 마이크로웨이브를 가하여 물 분자를 진동시켜 증기를 발생시키는 마이크로웨이브 가열방식 등이 본 발명에 적용될 수 있다. 그 밖에도, 아크가열 방식, 유전가열방식, 적외선가열 방식, 전자빔 또는 레이저빔 가열방식도 적용가능하다. 이들 가열방식을 잘 알려진 기술이므로 여기서는 자세한 설명은 생략한다.
예컨대 저항가열방식으로 증발부(150)를 구성하는 경우, 예컨대 대략 50~500cc의 용량을 갖는 물을 담은 증발실(154)의 바닥에 저항체를 매립하고 그 저항체에 전류를 흘려 물을 가열하여 수증기를 발생시킨다. 증발실(154)에는 증기공급관(155)이 연결되어 각 분사노즐부(160)까지 연장된다. 그리고 이 증기공급관(155)에는 증기배출밸브(152)가 연결된다. 사용자가 각 분사노즐부(160)로 공급되는 수증기량이 조절되도록 입력유닛(110)을 통하여 제어유닛(190)에 지시를 내리면, 제어유닛(190)이 증기배출밸브(152)를 제어하여 각 분사노즐부(160)로 공급되는 수증기량을 조절할 수 있다. 그러나 본 발명의 또 다른 실시예로서, 분사노즐부(160)로 공급되는 수증기량이 용이하게 조절될 수 있다면 증기배출밸브(152)를 마련하지 않을 수도 있을 것이다. 증발실(154)에는 액위조정기, 물 유입 유량조절부, 발생된 수증기 배출량 조정부 등이 부가될 수도 있다.
증발실(154)에 저장된 물은 가열 증발되어 수증기화 되고, 발생된 수증기는 증기공급관(155)을 통해 각 분사노즐부(160)에 공급된다. 수증기를 발생시키기 위한 증발용 전기공급은 증발부(150)의 내부 또는 외부에서 이루어질 수도 있다.
수증기발생수단은 증발부(150)에 필요한 양의 물을 안정적으로 공급하기 위한 급수부(140)를 더 포함할 수 있다. 조리장치(100)가 동작중인 동안에는 증발부(150)에서 물의 소비가 계속 일어나므로 물이 줄어드는 양만큼 연속적으로 혹은 단속적으로 증발부(150)에 공급될 필요가 있다. 수증기 발생에 필요한 물은 사용자가 직접 증발실(154)에 공급할 수도 있겠지만, 증발실(154)에 연결된 급수부(140)를 별도로 마련하여, 그 급수부(140)로부터 물이 일정한 압력(대략 1kPa 이상의 압력)으로 공급되도록 구성할 수 있다. 급수부(140)는 예컨대, 상수도관과 같은 급수설비(미도시)에 연결되어 증발부(150)에 물을 공급하는 형태로 구성될 수도 있다. 급수부(140)는 도 1에 예시된 바와 같이, 증발부(150)와 연결된 급수관(142)에 설치되는 급수밸브(141)를 포함할 수 있다. 이런 구성을 취하면, 사용자가 증발부(150)로 공급되는 급수량이 조절되도록 입력유닛(110)을 통하여 제어유닛(190)에 명령하면, 제어유닛(190)이 급수밸브(141)를 제어하여 증발부(150)로 공급되는 급수량을 조절할 수 있을 것이다.
증발부(150)에 공급된 물 중에서 전해질을 제외한 순수한 물만 증발한다. 그러므로 증발부(150)에서 장시간 증발되지 않고 잔류하는 물(농축수)은 배출하지 않으면, 전해질이 전극이나 실내에 석출되어 성능 저하의 원인이 된다. 그러므로 증발부(150) 내에 존재하는 물의 일부를 액체 상태에서 외부로 배출하여 그 물에서 전해질이 석출되는 것을 방지하는 것이 바람직하다. 배출수량을 결정(조절)함에 있어서, 증발부(150) 및/또는 분사노즐부(160)의 전기전도도(전기저항의 역수)를 측정하고, 이것이 소정의 한계 값을 벗어나지 않도록 자동 제어하여 전해질의 농도를 제어한다. 물에서의 전기전도 현상은 전해질이 전리된 이온의 농도(노르말 농도)에 비례하므로 전기전도도를 제어함으로써 전해질의 농도를 제어할 수 있다. 이렇게 함으로써, 전해질이 증발부(150) 및/또는 분사노즐부(160)에 석출되는 것을 방지할 수 있다.
그 이유를 설명하면, 증발부(150)와 관련하여, 공급수 양(F), 공급수의 전해질의 농도(CF), 증발 또는 분해수 양(V), 증발 또는 분해수의 전해질의 농도(CV), 배출수량(D), 배출수의 전해질의 농도(CD), 증발부(150)의 전해질의 농도(CC)는 거의 균일하므로 배출수의 전해질의 농도(CD)와 같다. 이들 사이에는 다음과 같은 물질수지(Mass Balance)식이 성립한다.
Figure 112008015617855-pat00001
위 식에서 R은 배출비율(공급수 중에서 배출수의 비율)이다.
그런데, 증발 또는 분해되는 흐름에는 순수한 물만 증발되거나 분해되므로, 전해질이 포함되지 않는다. 즉, CV=0이다.
따라서 위의 식은 다음과 같이 될 수 있다.
Figure 112008015617855-pat00002
위 식에 의하면, 증발부(150)의 전해질의 농도는 배출비율에 반비례한다. 즉, 배출하지 않으면 R=0이고, CC는 무한대가 되어 전해질이 모두 증발부(150)에 누적되고 석출된다.
증발부(150) 내의 전해질 누적을 방지하기 위해, 수증기발생수단은 배수부(151)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 배수부(151)는 증발부(150)의 내부에 저장된 물 중에서 수증기화 되지 않은 물(농축수)이 외부로 배출되도록 증발부(150)의 적어도 일부에 마련된다. 당연히 급수부(140)는 증발부(150)가 배출한 물의 양을 보충하기 위한 급수를 할 필요가 있고, 이러한 급수 제어는 제어유닛(190)과 수위감지센서(후술함)에 의해 이루어질 수 있다. 예컨대 도 1에 도시된 바와 같이, 배수부(151)는 증발부(150)에 연결된 배수관의 형태로 구성되고, 그 배수관로에는 배수밸브(151a)가 마련되는 것이 바람직하다. 이 배수밸브(151a)는 증발부(150)에 저장된 물에 함유된 전해질의 농도를 조절하도록 제어유닛(190)에 의해 제어될 수 있는 형태로 구성되는 것이 바람직하다. 이러한 구성에 의하면, 증발부(150)에 저장된 물속에 있는 전해질이 전원부(130)의 전극 또는 증발부(150)의 내부에 석출되어 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 즉, 물에서의 전기전도 현상은 전해질이 전리된 이온의 농도(노르말 농도)에 비례하므로, 도 3에 도시된 바와 같이, 전기전도도를 제어함으로써 전해질의 농도를 제어할 수 있다.
한편, 플라즈마 생성부(165)는 한 개 이상의 분사노즐부(160)를 포함한다. 분사노즐부(160)의 개수는 조리용기의 바닥면을 고르게 가열할 수 있도록 하기 위해서는 대략 3개 이상으로 하는 것이 바람직하며, 등거리로 이격 배치하여 조리용기의 바닥면을 고르게 가열할 수 있는 구조로 하는 것이 바람직하다. 이들 각 분사노즐부(160)에서는 증발부(15)로부터 공급되는 수증기에 전기에너지를 가하여 수소 산소 혼합 플라즈마로 변환된다. 분사노즐부(160)에서 발생된 이 혼합 플라즈마는 고온의 유체로서, 분사노즐부(160) 위에 위치하는 피가열체를 가열하게 된다. 특히, 이 혼합 플라즈마는 예컨대 냄비와 같은 피가열체의 외부표면을 비교적 빠른 속도로 흐르므로 피가열체의 외부표면에는 단열층이 거의 형성되지 않는다.
예컨대, 고체의 표면을 흐르는 기체의 열전달계수(h)는 기체의 속도가 증가할수록 커진다(대략 0.8승에 비례).
Figure 112008015617855-pat00003
따라서 본 발명에 따라, 분사노즐(161)에서 고속으로 분사되는 고온의 (가열된 또는 연소하는) 기체에 의하여 피 조리용기에 열을 전달하는 경우의 열전달효율은, 종래의 전열 조리기구와 같이 기체의 유속이 느린 경우의 열전달효율에 비하여 매우 높아진다.
혼합 플라즈마를 발생시키는 방법에는 고주파 유도방전을 이용하는 방법과 직류 또는 교류의 아크방전을 이용하는 방법이 있다. 분사노즐부(160)의 구성도 어 떤 방법으로 혼합 플라즈마를 발생시키는가에 따라서 다르다. 하지만, 수증기를 원료물질로 이용하는 이상, 각 분사노즐부(160)는 증기공급관(155)을 통해 증발부(150)에 연결되어, 증발부(150)로부터 공급되는 수증기가 그 내부로 투입될 필요가 있다.
도 4는 고주파 유도방전을 이용한 분사노즐부(160-1)의 구성을 예시한다. 분사노즐부(160-1)는 적어도 하나의 분사노즐(161)과, 이 분사노즐(161)로부터 소정의 이격 공간을 형성하며 그 주위를 에워싸는 튜브(162)를 포함한다. 또한, 이 튜브(162)의 측벽에 적어도 수회 이상 감긴 인덕션 코일(131), 그리고 튜브(162) 안쪽까지 연장된 증기공급관(155)의 말단에 연결된 분사노즐(161)을 포함한다. 튜브(162)는 발생한 플라즈마 유체(167)가 배출될 수 있도록 상부가 개방된다. 인덕션 코일(131)은 결과적으로 분사노즐(161)과 그로부터 분사되는 수증기 흐름을 환형으로 감싸게 된다. 튜브(162)는 예컨대 석영이나 세라믹과 같은 절연체로 만드는 것이 바람직하다. 인덕션 코일(131)에는 임피던스 정합회로를 통해 예컨대 100khz-100Mhz 범위의 고주파 전원(132)이 연결된다.
이러한 구성에 따르면, 인덕션 코일(131)에 고주파전류가 흐르면 같은 주기로 변화하는 수직방향의 유도자계가 나타나고, 이에 의해 유기된 방위각 방향의 전계가 유기된다. 이 유도 전계는 분사노즐부(160-1)의 내부에 분사된 수증기의 절연을 파괴시키면서 인덕션 코일(131) 전류와는 반대방향의 원형 전류를 구동하여 방전을 유지하면서 열 플라즈마를 생성한다. 플라즈마의 높은 전기전도도와 고주파 자기장에 의한 껍질효과(skin effect) 때문에, 유도된 전계 분포와 결과적으로 나 타나는 오믹 저항 가열에 의한 플라즈마(167)의 온도 분포는 첨두치가 축에서 벗어나 튜브(162) 벽 쪽으로 치우친 지름방향 분포를 가지고 환단면 껍질(annular shell) 형태의 불꽃을 나타내게 된다. 이러한 고주파 유도방전은 무전극형이다.
도 5는 직류 또는 교류의 아크방전을 이용하는 분사노즐부(160-2)의 구성을 예시적으로 도시한다. 분사노즐부(160-2)는 튜브(162)의 하부와 상부에 하부전극(136)과 상부전극(135)이 마련되고, 이 하부전극(136)과 상부전극(135)에는 직류전원(138) 또는 교류전원이 인가된다. 튜브(162) 안쪽까지 연장된 증기공급관(155)의 말단에 연결된 분사노즐(161)을 포함한다.
이러한 구성에 따르면, 분사노즐부(160-2)는 아크방전을 이용한 극간의 직류 또는 교류 아크방전에 의해 분사노즐(161)에서 분사되어 나오는 수증기를 수소 산소의 혼합 플라즈마(167)로 변환시킨다.
전원부(130)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 예컨대 입력유닛(110), 감지유닛(17), 제어유닛(190), 플라즈마 발생유닛(120)과 같은 전열 조리장치(100)의 각 구성부에 필요한 전원을 공급한다. 증발부(150)가 전기를 이용하여 물을 가열하는 경우, 전원부(130)는 증발부(150)에 전원을 공급하여야 한다. 또한, 전원부(130)는 앞에서도 설명하였듯이 수증기를 혼합 플라즈마로 변환하는 분사노즐부(160)에도 가열방식에 따라 고주파 전원(132)이나 직류 또는 교류전원(138)을 공급한다. 사용자는 입력유닛(110)을 통하여 전력량을 조절할 수도 있다. 이처럼 전열 조리장치(100)가 사용하는 에너지원을 전기로 하면, 가스를 에너지원으로 사용하는 방식(가스배관 등의 시설을 따로 설치하여야 하므로 공급 설비를 갖추기 위한 부대비용 이 든다)에 비해 구성 및 연료사용의 비용이 절감될 수 있다.
한편, 입력유닛(110)은 사용자 인터페이스 수단으로서, 표시부(111)와 지시부(112)를 포함한다. 지시부(112)는 조리장치(100)의 동작에 관한 지시(예: 조리방법, 동작모드 등)를 내리거나 조리장치(100)의 가열온도, 동작시간, 증발부(150) 내부에서 유지되어야 할 전기전도도(전기저항의 역수)의 범위 등에 관한 목표값 등을 설정, 기타 사용자 지시를 하달할 수 있는 사용자 입력수단을 구비한다. 표시부(111)는 조리장치(100)의 동작이나 상태 등에 관련된 내용이나 메시지, 예컨대 조리장치(100)의 사용온도의 범위, 전기전도도의 범위 및 현재의 전력량, 전기사용량 등을 표시하기 위한 디스플레이를 구비한다. 이 입력유닛(110)은 사용자가 내린 지시 내용이나 설정 값 등을 제어유닛(190)에 전달한다. 이에 따라, 사용자는 다양한 조리방법을 선택하고 변경할 수 있으며, 전기의 사용량과 비용을 실시간으로 확인할 수 있게 되어 전기요금을 절약할 수 있다.
분사노즐부(160)를 어떤 방식으로 구성하든, 플라즈마 생성부(165)는 대략 6,000℃ ~ 10,000℃정도로 고온의 유체이다. 이러한 고온의 혼합 플라즈마를 열전달 유체로 바로 사용하는 것은 지나치게 높은 온도 때문에 피가열체인 조리기구의 손상, 변형 등의 우려가 있다. 그래서 혼합 플라즈마를 그대로 사용하지 않고 희석용 유체를 함께 사용하는 것이 바람직하다.
희석용 유체로는 예컨대 물, 수증기 및 공기와 같은 물질을 이용할 수 있다. 공기는 흔하고 이를 공짜로 이용할 수 있다는 점에서 유리하나, 자체에 포함된 질소 때문에 고온의 혼합 플라즈마와 접촉시 산화질소(NOx)가 발생될 수 있는 단점이 있다. 이런 단점을 피하려면, 물(액체상태) 또는 수증기를 희석용 유체로 사용하는 것이 바람직하다.
전열 조리장치(100)는 이와 같이 고온의 혼합 플라즈마(167)에 희석용 기체를 투입하여 플라즈마(167)의 온도를 원하는 수준으로 조절하는 온도조절유닛(180)을 더 구비할 수도 있다. 온도조절유닛(180)은 도 1에 예시된 바와 같이 분사노즐부(160-1 또는 160-2) 내부에까지 연장되어 혼합 플라즈마에 희석용 유체를 투입하는 희석유체 공급관(181)을 포함한다. 희석유체 공급관(181)은 도시된 바와 같이, 각각의 분사노즐부(160)를 향하여 연장된 파이프의 형태로 마련되어 혼합 플라즈마에 희석용 유체를 공급한다. 즉, 희석유체 공급관(181)은 희석용 가스의 투입여부와 투입량 등을 조절하기 위해 희석용 기체 공급관(181)에 희석밸브(182)를 더 설치하는 것이 바람직하다. 제어유닛(190)은 희석밸브(182)를 제어하여 혼합 플라즈마를 통해 피가열체에 전달되는 열의 온도가 조절되도록 할 수 있다. 이러한 구성에 의하면, 온도센서(171)의 감지정보에 기초하여 제어유닛(190)이 희석밸브(182)를 제어함으로써 혼합 플라즈마를 통해 전달되는 열의 온도가 조절될 수 있다. 과열방지의 목적을 넘어서, 사용자는 다양한 조리방법을 선택하고 변경할 수도 있을 것이다.
다른 방안으로서, 수증기를 희석용 기체로 사용할 수 있다. 이를 위해, 온도조절유닛(180)과 증발부(150)에서 분사노즐부(160-1 또는 160-2) 내부까지 별도의 희석용 수증기 공급관(비도시)을 연결하고, 그 수증기 공급관에 조절밸브(비도시)를 설치하는 구성으로 할 수도 있다. 이 경우, 온도조절유닛(180)을 별도로 마련하 지 않고 제어유닛(190)이 전원부(130)나 증기배출밸브(152)를 직접 제어하여 혼합 플라즈마를 통해 전달되는 열의 온도가 사용자가 설정한 온도범위 이내에서 유지되도록 조절할 수도 있다.
희석용 유체로서 물을 사용하더라도 혼합 플라즈마에 접촉되면 순간적으로 기화하여 수증기화 되기 때문에 희석용 유체로서 물을 사용하는 것이 오히려 바람직할 수도 있다. 이 경우, 도 1에 도시된 바와 같이, 급수부(140)로부터 증발부(150)로 공급되는 물의 일부를 온도조절유닛(180)으로 바이패스 시킬 수도 있고, 도시되지는 않았지만, 증발부(150)에 저장된 물의 일부를 온도조절유닛(180)으로 바이패스 시킬 수도 있다.
희석용 유체는 혼합 플라즈마의 상부 쪽에 투입하는 것이 바람직하다. 그 경우 희석용 유체가 혼입되지 않은 혼합 플라즈마의 하부 쪽은 여전히 고온(5,000 내지 6,000℃ 이상)의 혼합 플라즈마 상태를 유지하지만 희석용 유체와 혼합되는 지점의 위쪽으로는 완전한 플라즈마가 아닌 '고온의 가스'와 '플라즈마'의 혼합물 또는 '고온의 가스' 상태(이의 온도는 희석용 유체를 얼마나 혼입시키는가에 따를 결정되므로, 필요에 따라 넓은 범위의 온도를 얻을 수 있는 장점이 있다)로 된다.
급수부(140)로부터 증발부(150)로 공급되는 물의 일부는, 도시되지는 않았지만, 따로 분사노즐부(160)를 향해 바이패스(bypass)시켜 전열 조리장치(100)의 과열을 방지할 수도 있다. 조리장치(100)의 과열을 방지하기 위한 방법으로는 이외에도 조리장치(100)의 사용시간을 설정하여 시간이 초과하면 자동으로 전원이 차단되는 타이머(timer)를 설치할 수도 있다. 이에 따라, 사용자의 부주의에 의한 화재발 생을 예방할 수 있다.
감지유닛(170)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 혼합 플라즈마를 통해 전달되는 열의 온도를 감지하는 온도센서(171)와, 증발부(150) 내부의 전기전도도를 감지하는 전기전도도 센서(172)를 포함하는 것이 바람직하다. 나아가, 감지유닛(170)은 증발부(150)에 저장된 물의 수위를 감지하는 수위감지센서(미도시)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 증발부(150)에 저장된 물의 양이 설정된 범위를 벗어나게 되면, 제어유닛(190)은 급수부(140) 및/또는 급수밸브(141)를 제어하여 증발부(150)에 물이 추가로 공급되게 하거나 공급을 중단시킬 수 있다.
제어유닛(190)은, 도 1에 도시된 바와 같이, 사용자가 내린 지시나 설정에 관련된 데이터 등 각종 데이터나 필요한 프로그램의 저장, 프로세서의 데이터 처리를 위한 공간 등을 제공하는 저장부(191)와, 사용자의 지시와 설정값, 감지유닛(170)이 제공하는 검출데이터 등에 기초하여 조리장치(100)의 각 구성부(110, 120, 130, 170, 180)의 동작을 제어하는 연산제어부(192)를 포함한다. 예컨대, 연산제어부(192)는 저장부(191)에 미리 저장되어 있는 조리장치(100)의 사용온도의 범위나 증발부(150) 내부에서 유지되어야 할 전기전도도의 범위를 읽어오고, 온도센서(171)에서 감지된 정보에 기초하여 온도조절유닛(180)을 제어하고 전기전도도 센서(172)에서 감지된 정보에 기초하여 증발부(150)에 저장된 물에 함유된 전해질의 농도가 제어되도록 배수부(151)를 제어한다. 연산제어부(192)는, 혼합 플라즈마의 온도를 제어하기 위한 다른 방법으로서, 전원부(130)를 직접 제어할 수도 있다. 이 경우, 연산제어부(192)는 전원부(130)에서 공급되는 전원의 전압, 전류 또는 전 원이 인가되는 시간을 직접 제어하여 목표로 하는 온도를 유지하도록 할 수 있다.
그 밖에도 전열 조리장치(100)는 조리용기를 안치시키기 위한 받침대(비도시)를 더 구비하는 것이 바람직하다. 이 받침대는 조리용기의 바닥면과 분사노즐부(160)의 상면이 직접 닿지 않고 약간 이격될 수 있도록 하는 구조가 바람직하다. 또한, 세척이 용이하도록 탈부착이 가능한 구조가 바람직할 것이다.
위와 같은 구성을 갖는 전열 조리장치(100)에서, 혼합 플라즈마를 생성하는 과정을 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한다. 우선, 사용자가 전원부(130)에 전원을 인가하면, 전원부(130)는 조리장치(100) 자체에 전원을 공급하여 입력유닛(110)의 표시부(111)에 현재 조리장치(100)의 상태를 표시하고, 입력유닛(110), 증발부(150), 감지유닛(170) 및 제어유닛(190)을 작동시킨다.
다음에, 감지유닛(170)의 수위감지센서에 의해 증발부(150)에 저장된 물의 양이 설정된 범위를 벗어난 것으로 판단되면, 증발부(150)에 물이 추가로 공급되도록 제어유닛(190)은 급수부(140)의 급수밸브(141)를 개방하거나 증발부(150)에 더 이상의 물의 공급이 중단되도록 급수밸브(141)를 폐쇄한다.
사용자가 입력유닛(110)을 통하여 조리장치(100)의 조리방법, 조리시간, 사용온도 등과 같은 동작조건을 입력하면, 그 값은 제어유닛(190)의 저장부(191)에 저장된다 (S100). 이 값들은 이후의 동작제어의 기준으로 작용한다.
증발부(150)에서는 물을 가열시켜 수증기를 발생시키고(S110), 그 수증기를 분사노즐부(160)에 공급되어 분사노즐(161)을 통하여 분사된다(S120).
분사노즐부(160)에는 강한 에너지가 가해지고 있는 상태이어서, 분사노즐부(160)를 통하여 분사되는 수증기는 더욱 가열되어 수소와 산소의 혼합 플라즈마로 변환된다 (S130).
감지유닛(170)의 온도센서(171)는 각 분사노즐부(160)에서 발생된 혼합 플라즈마의 온도를 감지한다 (S140).
제어유닛(190)의 연산제어부(192)는 온도센서(171)가 감지한 온도가 설정된 범위 이내인지의 여부를 판단한다(S150). 단계 S150에서 감지된 온도가 설정된 범위 이내인 것으로 판단되면 별다른 온도제어를 수행하지 않는다.
하지만, 감지된 온도가 설정된 범위를 벗어난 것으로 판단될 경우, 제어유닛(190)은 혼합 플라즈마의 온도를 조절하기 위한 제어를 수행한다. 즉, 혼합 플라즈마의 온도가 목표 온도보다 고온인 경우 온도조절유닛(180)을 제어하여 혼합 플라즈마에 희석용 유체를 더 투입시키고, 반대로 목표 온도보다 저온인 경우 증발부(150)에서 분사노즐부(160)로 공급하는 수증기의 양을 늘리거나 분사노즐부(160)에 공급하는 전기 에너지를 높이는 등과 같은 제어를 수행한다(S160).
한편, 제어유닛(190)은 혼합 플라즈마의 상층부의 고온 가스의 온도를 감지하고, 감지된 온도에 기초하여 혼합 플라즈마의 상층부의 고온 가스의 온도가 설정 범위를 벗어난 경우, 혼합 플라즈마의 생성을 중단하여 피가열체(조리기구)의 과열을 방지하도록 하기 위해 전원부(130)를 제어하여 전원투입을 차단시킬 수도 있다.
이러한 적절한 온도제어를 통해, 혼합 플라즈마의 고온으로 인하여 조리용기가 손상 변형되지 않고, 전기발열 방식을 채용하되 에너지 밀도가 상대적으로 높은 고온의 혼합 플라즈마를 전기 에너지의 전달매체로 이용함으로써 열전달 효율을 높이고, 장치의 크기를 소형화하여도 가열시간을 단축시킬 수 있다.
한편, 전열 조리장치(100)의 증발부(150)에 저장된 물의 전해질 농도를 제어하는 과정을 도 1 및 도 3을 참조하여 설명하면 다음과 같다.
우선, 사용자가 입력유닛(110)을 통하여 증발부(150) 내부에서 유지되어야 할 전기전도도의 범위를 입력하면, 제어유닛(190)의 저장부(191)는 이를 전달받아 저장한다(S200).
다음에, 감지유닛(170)의 전기전도도 센서(172)는 증발부(150) 내부의 전기전도도를 감지한다(S210).
전기전도도 센서(172)에서 감지된 정보에 기초하여 감지된 전기전도도가 설정된 범위 이내인지의 여부를 판단한다(S220).
단계 S220에서 감지된 전기전도도가 설정된 범위를 초과한 것으로 판단될 경우, 제어유닛(190)은 배수밸브(151a)를 개방하여 증발부(150)의 내부에 저장된 물 중에서 수증기화 되지 않은 물을 외부로 배출한다(S230). 이 경우 급수밸브(141)를 더 개방하여 급수량을 늘릴 필요가 있는 경우도 있을 것이다. 단계 S220에서 감지된 전기전도도가 설정된 범위 이내인 것으로 판단되면 제어단계는 점프하여 종료한다.
이에 따라, 증발부(150)에 저장된 물속에 함유되어 있던 전해질이 전원부(130)의 전극 또는 증발부(150)의 내부에 석출되어 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
이처럼 조리장치(100)는 혼합 플라즈마의 온도와 증발부(150)의 내부에서 유지되어야 할 전기전도도가 적정하게 유지될 수 있어, 안전성을 갖추고 있다. 또한, 상대적으로 위험한 LPG, LNG, 등유와 같은 연료를 안전한 물로 대체함으로써 연료의 운반, 보관, 사용 및 역화방지 등의 관리를 용이하게 할 수 있다. 나아가, 일산화탄소 및 이산화탄소와 같은 환경가스의 발생을 최소화함으로써 환경오염을 최소화할 수 있다. 지진이나 화재 등이 발생한 경우에 도시가스를 사용하는 경우에 비해 가스의 유출이 최소화됨으로써 전열 조리장치(100)를 안전하게 사용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합 플라즈마를 이용한 전열 조리시스템의 기능적인 구성을 도시한 블록도,
도 2는 도 1의 전열 조리장치에서 온도제어에 관련된 흐름도,
도 3은 도 1의 증발부에 저장된 물의 전해질 농도를 제어하기 위한 흐름도,도 4는 도 1의 분사노즐부의 일 예를 나타낸 구성도,
도 5는 도 1의 분사노즐부의 다른 예를 나타낸 구성도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 전열 조리장치 110 : 입력유닛
111 : 표시부 120 : 플라즈마 발생유닛
130 : 전원부 140 : 급수부
150 : 증발부 151 : 배수부
151a : 배수밸브 152 : 증기배출밸브
154 : 증발실 160 : 분사노즐부
165 : 플라즈마 생성부 170 : 감지유닛
171 : 온도센서 172 : 전기전도도 센서
180 : 온도조절유닛 181 : 희석유체 공급부
182 : 희석밸브 190 : 제어유닛
191 : 저장부 192 : 연산제어부

Claims (34)

  1. 소정방향으로 수증기를 분사하는 분사노즐;
    상기 분사노즐에서 분사되어 나오는 수증기에 강한 전기에너지를 가해 상기 수증기를 방전시켜 수소 플라즈마와 산소 플라즈마의 혼합 플라즈마로 변환되게 하는 방전부; 및
    방전에 의해 생성된 상기 혼합 플라즈마에 온도강하를 위한 희석용 유체를 투입하여 상기 혼합 플라즈마 자체의 온도를 원하는 온도로 조절하는 희석유체 공급부를 구비하는 것을 특징으로 하는 혼합 플라즈마 발생장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 방전부는, 상기 분사노즐을 내부에 포함하는 절연성 튜브; 상기 절연성 튜브를 매개로 감겨 상기 분사노즐에서 분사되어 나오는 수증기를 에워싸는 형태를 이루는 코일부; 및 상기 코일부에 고주파 전원을 공급하여 상기 수증기에서 고주파 유도방전이 일어나도록 함으로써 상기 수증기가 상기 혼합 플라즈마로 변환되게 하는 전원부를 구비하는 것을 특징으로 하는 혼합 플라즈마 발생장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 방전부는, 상기 분사노즐을 내부에 포함하는 절연성 튜브; 상기 절연성 튜브의 서로 다른 곳에 배치된 제1방전전극과 제2방전전극; 및 상기 제1방전전극과 제2방전전극에 직류 또는 교류 전원을 공급하여 방전을 일으키고, 그 방전에 의해 상기 분사노즐에서 분사되어 나오는 수증기에서 아크방전이 일어나서 상기 수증기가 상기 혼합 플라즈마로 변환되게 하는 전원부를 구비하는 것을 특징으로 하는 혼합 플라즈마 발생장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 희석유체 공급부는, 상기 희석용 유체의 소스에서 상기 분사노즐의 전방 부위까지 연장되어 상기 혼합 플라즈마에 직접 상기 희석용 유체를 투입하는 희석유체 공급관을 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합 플라즈마 발생장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 희석용 유체는 수증기, 공기, 물 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 혼합 플라즈마 발생장치.
  6. 제1항에 있어서, 물을 수증기로 변환하여 상기 분사노즐로 제공하는 증발부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 혼합 플라즈마 발생장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 희석유체 공급부는 상기 희석용 유체를 상기 혼합 플라즈마의 흐름 방향으로 하류 쪽에 투입하는 것을 특징으로 하는 혼합 플라즈마 발생장치.
  8. 제6항에 있어서, 상기 증발부 내부의 전기전도도를 감지하는 전기전도도 센서; 및 상기 전기전도도 센서에서 감지된 정보에 기초하여 상기 증발부에 저장된 물에 함유된 전해질의 농도가 소정 값을 넘지 않도록 제어하는 제어수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 혼합 플라즈마 발생장치.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제어수단은 상기 증발부 내부에 저장된 물 중에서 수증기화 되지 않은 농축수를 외부로 배출하기 위한 배수부; 상기 증발부로부터 배출된 물을 보충하기 위한 급수부; 상기 증발부의 수위를 감지하는 수위감지센서; 및 상기 수위감지센서가 제공하는 수위 정보에 기초하여 상기 급수부의 급수를 제어하는 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 혼합 플라즈마 발생장치.
  10. 제1항에 있어서, 상기 혼합 플라즈마와 상기 희석용 유체의 혼합 유체의 온도를 감지하는 온도센서; 및 상기 온도센서가 감지한 온도에 기초하여 상기 혼합 플라즈마와 상기 희석용 유체의 혼합 유체의 온도가 설정 범위를 벗어나지 않도록 하기 위해, 상기 방전부가 상기 수증기에 가하는 상기 전기에너지의 세기, 상기 분사노즐에서 분사되어 나오는 상기 수증기의 양, 상기 희석용 유체의 투입량 중 적어도 어느 한 가지를 조절하기 위한 제어수단을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 혼합 플라즈마 발생장치.
  11. 전열 조리장치에 있어서,
    내부에 저장된 물을 수증기로 변환시키는 증발부;
    상기 증발부로부터 상기 수증기를 공급받아 분사하는 분사노즐;
    상기 분사노즐에서 분사되어 나오는 수증기에 강한 전기에너지를 가해 상기 수증기를 방전시켜 수소 플라즈마와 산소 플라즈마의 혼합 플라즈마로 변환되게 하는 방전부; 및
    방전에 의해 생성된 상기 혼합 플라즈마에 온도강하를 위한 희석용 유체를 투입하여 상기 혼합 플라즈마 자체의 온도를 원하는 온도로 조절하는 희석유체 공급부를 구비하여,
    상기 혼합 플라즈마를 조리용기에 대한 에너지 전달매체로 사용하는 것을 특징으로 하는 혼합 플라즈마를 이용한 전열 조리장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 희석유체 공급부는, 상기 희석용 유체의 소스에서 상기 분사노즐의 전방 부위까지 연장되어 상기 혼합 플라즈마에 직접 상기 희석용 유체를 투입하는 희석유체 공급관을 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합 플라즈마를 이용한 전열 조리장치.
  13. 제11항에 있어서, 상기 혼합 플라즈마와 상기 희석용 유체의 혼합 유체의 온도를 감지하는 온도센서; 및 상기 온도센서에서 감지된 온도에 기초하여 상기 혼합 플라즈마와 상기 희석용 유체의 혼합 유체의 온도가 설정 범위를 벗어나지 않도록 하기 위해, 상기 방전부가 상기 수증기에 가하는 상기 전기에너지의 세기, 상기 분사노즐에서 분사되어 나오는 상기 수증기의 양, 그리고 상기 희석용 유체의 투입량 중 적어도 어느 한 가지를 제어하기 위한 제어유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합 플라즈마를 이용한 전열 조리장치.
  14. 제11항에 있어서, 상기 희석용 유체는 물, 수증기 및 공기 중 적어도 어느 한 가지를 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합 플라즈마를 이용한 전열 조리장치.
  15. 제11항에 있어서, 상기 증발부는 내부에 저장된 물 중에서 수증기화 되지 않은 농축수를 외부로 배출하기 위한 배수부를 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합 플라즈마를 이용한 전열 조리장치.
  16. 제11항 또는 제15항에 있어서, 상기 증발부로부터 배출된 물을 보충하기 위한 급수부; 상기 증발부의 수위를 감지하는 수위감지센서; 및 상기 수위감지센서가 제공하는 수위 정보에 기초하여 상기 급수부의 급수를 제어하는 제어부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 혼합 플라즈마를 이용한 전열 조리장치.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 증발부 내부의 전기전도도를 감지하는 전기전도도 센서; 및
    상기 전기전도도 센서가 감지한 값에 기초하여 상기 증발부에 저장된 물에 함유된 전해질의 농도가 소정 값을 초과하지 않도록 상기 증발부 내의 농축수를 배출하기 위해 상기 배수부를 제어하는 제어부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 혼합 플라즈마를 이용한 전열 조리장치.
  18. 제11항에 있어서, 상기 방전부는, 상기 분사노즐을 내부에 포함하는 절연성 튜브; 상기 절연성 튜브의 서로 다른 곳에 배치된 제1방전전극과 제2방전전극; 및 상기 제1방전전극과 제2방전전극에 직류 또는 교류 전원을 공급하여 방전을 일으키고, 그 방전에 의해 상기 분사노즐에서 분사되어 나오는 수증기에서 아크방전이 일어나서 상기 수증기가 상기 혼합 플라즈마로 변환되게 하는 전원부를 구비하는 것을 특징으로 하는 혼합 플라즈마를 이용한 전열 조리장치.
  19. 제11항에 있어서, 상기 방전부는, 상기 분사노즐을 내부에 포함하는 절연성 튜브; 상기 절연성 튜브를 매개로 감겨 상기 분사노즐에서 분사되어 나오는 수증기를 에워싸는 코일부; 및 상기 코일부에 고주파 전원을 공급하여 상기 수증기에서 고주파 유도방전이 일어나도록 함으로써 상기 수증기가 상기 혼합 플라즈마로 변환되게 하는 전원부를 구비하는 것을 특징으로 하는 혼합 플라즈마를 이용한 전열 조리장치.
  20. 제11항에 있어서, 상기 조리장치의 사용시간을 설정하여 동작시간이 설정된 사용시간을 초과하면 자동으로 전원이 차단되도록 하는 타이머(timer)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 혼합 플라즈마를 이용한 전열 조리장치.
  21. 제11항에 있어서, 상기 혼합 플라즈마와 상기 희석용 유체의 혼합 유체의 온도를 감지하는 온도센서; 및 상기 온도센서에서 감지된 온도가 설정된 범위를 벗어나면 상기 방전부에 대한 전원 공급을 차단하는 제어유닛을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합 플라즈마를 이용한 전열 조리장치.
  22. 수증기를 분사노즐을 통해 분사하는 단계; 및
    상기 분사노즐에서 분사되는 수증기에 강한 전기에너지를 가해 상기 수증기를 방전시켜 수소 플라즈마와 산소 플라즈마의 혼합 플라즈마로 변환되게 하는 단계; 및
    온도강하를 위한 희석용 유체를 방전에 의해 생성된 상기 혼합 플라즈마에 투입하여 상기 혼합 플라즈마 자체의 온도를 원하는 온도로 조절하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 혼합 플라즈마 발생방법.
  23. 제22항에 있어서, 상기 혼합 플라즈마에 투입되는 상기 희석용 유체는 상기 혼합 플라즈마의 흐름방향으로 하류 쪽에 투입되는 것을 특징으로 하는 혼합 플라즈마 발생방법.
  24. 제22항에 있어서, 상기 희석용 유체는 수증기, 물, 공기 중 적어도 어느 한 가지인 것을 특징으로 하는 혼합 플라즈마 발생방법.
  25. 제22항에 있어서, 상기 혼합 플라즈마의 온도를 조절하는 단계는,
    상기 혼합 플라즈마의 온도를 감지하는 단계; 및
    감지된 온도에 기초하여, 상기 혼합 플라즈마와 상기 희석용 유체의 혼합 유체의 온도가 설정 범위를 벗어나지 않도록 하기 위해, 상기 수증기에 가해지는 상기 전기에너지의 세기, 상기 분사노즐에서 분사되어 나오는 상기 수증기의 양, 상기 희석용 유체의 투입량 중 적어도 어느 한 가지를 조절하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 혼합 플라즈마 발생방법.
  26. 제22항에 있어서, 물을 수증기로 변환하여 상기 혼합 플라즈마 생성을 위한 원료물질로 공급하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 혼합 플라즈마 발생방법.
  27. 제26항에 있어서, 상기 물을 증발부에 담아서 가열하면서 상기 증발부 내부의 전기전도도를 감지하는 단계; 및 감지된 상기 전기전도도에 기초하여 상기 증발부에 저장된 물에 함유된 전해질의 농도를 소정 값을 넘지 않도록 제어하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 혼합 플라즈마 발생방법.
  28. 제27항에 있어서, 상기 전해질 농도 제어단계는 상기 증발부에 저장된 물에 함유된 전해질의 농도가 상기 소정 값을 넘으면, 상기 증발부 내부에 저장된 물 중에서 수증기화 되지 않은 농축수를 외부로 배출하는 단계 및 상기 증발부에 물을 보충하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합 플라즈마 발생방법.
  29. 제22항에 있어서,
    상기 혼합 플라즈마의 온도를 감지하는 단계; 및
    감지된 온도가 설정 범위를 벗어난 경우, 상기 혼합 플라즈마 생성을 위해 공급되는 전원을 차단하는 단계를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 혼합 플라즈마 발생방법.
  30. 제4항에 있어서, 상기 혼합 플라즈마와 상기 희석용 유체의 혼합 유체의 온도를 감지하는 온도센서; 및 상기 온도센서에서 감지된 온도에 기초하여 상기 혼합 플라즈마와 상기 희석용 유체의 혼합 유체의 온도가 설정 범위를 벗어나지 않도록 상기 희석유체 공급관을 통해 투입되는 상기 희석용 유체의 투입양을 조절하는 희석유체 조절부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 혼합 플라즈마 발생장치.
  31. 제1항에 있어서, 상기 혼합 플라즈마 중 상기 희석용 유체가 투입된 지점부터 흐름 방향으로 하류쪽으로는 완전한 플라즈마 상태가 아니라 고온의 가스 상태이거나 또는 고온의 가스와 플라즈마의 혼합 유체의 상태인 것을 특징으로 하는 혼합 플라즈마 발생장치.
  32. 제12항에 있어서, 상기 혼합 플라즈마와 상기 희석용 유체의 혼합 유체의 온도를 감지하는 온도센서; 및 상기 온도센서에서 감지된 온도에 기초하여 상기 혼합 플라즈마와 상기 희석용 유체의 혼합 유체의 온도가 설정 범위를 벗어나지 않도록 상기 희석유체 공급관을 통해 투입되는 상기 희석용 유체의 투입양을 조절하는 희석유체 조절부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 혼합 플라즈마를 이용한 전열 조리장치.
  33. 제11항에 있어서, 상기 희석유체 공급부는 상기 희석용 유체를 상기 혼합 플라즈마의 흐름방향으로 하류 쪽에 투입하는 것을 특징으로 하는 혼합 플라즈마를 이용한 전열 조리장치.
  34. 제11항에 있어서, 상기 혼합 플라즈마 중 상기 희석용 유체가 투입된 지점부터 흐름 방향으로 하류 쪽으로는 완전한 플라즈마 상태가 아니라 고온의 가스 상태이거나 또는 고온의 가스와 플라즈마의 혼합 유체의 상태인 것을 특징으로 하는 혼합 플라즈마를 이용한 전열 조리장치.
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