KR19990064490A - 다공판 히트파이프 조리기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 후라이팬, 냄비, 밥솥처럼 불이나 전기곤로 등의 열원 위에 올려놓고 사용할 수 있는 히트 파이프 조리기로서, 조리기의 모든 부위에서 일정한 온도를 유지하면서 가열함으로써 음식물의 조리를 좋게 하는 특성을 지니고 있다.

그 원리는 다음과 같다. 조리기는 중간에 작동액과 그 증기로 차 있는 완전밀폐공간이 있고, 이 공간의 안팎에는 내부 및 외부의 금속 용기가 있다. 내부 용기와 외부 용기는 일부분이 서로 강하게 접합되어 있다. 밀폐공간의 바닥에 이전에는 스크린을 사용하였으나, 본원에서는 그 대신 소결한 금속판 혹은 세라믹 등의 다공성 재질로 된 판을 접합시켜서 이것을 작동액이 적시고 있다. 밀폐공간의 간격은 10밀리미터 내외가 된다. 요리시 외부용기의 바닥으로 열이 들어오고, 이 열은 밀폐공간의 아래를 적시고 있는 작동액을 증발시키게 된다. 증발한 증기는 바로 위의 내부용기 하부에서 열을 전해주고 응축하게 된다. 응축액체는 중력 및 다공판의 모세관력으로 인해 다시 밀폐공간의 바닥으로 골고루 젖어 들어오게 된다.

이러한 원리로 인하여 조리기는 내부가 일정한 온도로 유지되고 따라서 고른 온도로 조리를 할 수 있게 되는 것이다.

이 작동원리는 소위 히트파이프 혹은 열 사이폰이라고 불리는 열전달 촉진기구의 원리로서, 이 조리기를 히트파이프 조리기라고 명명할 수 있다.

Description

다공판 히트파이프 조리기{Heat Pipe Cookwares incorporating Sintered Metal}

본 발명은 후라이팬, 냄비, 밥솥 등 조리기구의 열전달 방식을 개선하여 조리기구의 표면 모든 부위에서 온도를 거의 동일하게 유지하는 이상적인 조리기구를 만드는 방법에 관한 것이다.

일반적인 조리기에 있어 벽면 및 바닥면의 온도를 일정하게 유지하는 것은 요리에 매우 중요한 일이다. 이렇게 함으로써 음식물을 고르게 가열하여 그 맛을 좋게 할 수도 있고, 열효율도 높일 수 있기 때문이다. 예를 들어 가마솥으로 밥을 짓는다거나, 신선로와 같은 구조를 가진 냄비로 찌개를 끓이는 것은 바로 이런 원리에 기초한 것이다. 열전도도가 낮은 스테인레스 조리기를 만들 때, 중간에 열전도가 좋은 알루미늄을 접착한 다층구조를 만드는 것은 바로 이런 이유에서이다. 그러나 열전도도가 뛰어난 알루미늄도 열전도계수가 무한대로 큰 것이 아니어서, 이상적인 조리기구를 만들 수는 없다. 즉 열전도현상에만 의지하여서는 이상적인 조리기구를 실현할 수 없는 것이다.

이러한 제약을 극복하고, 이론적으로 완전한 등온을 이루며 조리할 수 있는 방식이 여기에서 제안하는 다공판 히트파이프 조리기이다. 히트파이프 조리기란 인공 위성의 표면온도를 균일하게 유지하기 위하여 개발된 히트파이프 기술을 응용한 것으로, 후라이팬, 냄비, 밥솥 둥의 조리기구의 내부구조를 이중 밀폐용기의 형태로 만든 것이다. 이 밀폐공간 안에서 작동액이 일정한 온도에서 증발 및 응축하는 성질을 이용하여 조리기의 어느 부분에서나 일정한 온도가 유지되게 되는데, 이것은 열전도계수가 무한대인 이상적인 재질로 조리기구를 만든 것과 같은 효과가 있게 된다. 즉, 조리기 외부에서 불꽃 혹은 전열선으로 다소 불균일하거나 국부적인 가열을 하더라도, 조리기 내부의 면을 균일한 온도로 유지하면서 고른가열을 하기 때문에 모든 부분이 고르게 익어서 요리 효과가 좋게 된다. 더욱이 조리기의 내부 구조에는 아주 작은 양의 작동액이 있을 뿐이므로 전체적인 열용량이 매우 작아 조리기의 온도 제어가 매우 신속하고 과열의 우려도 극히 적다. 이 조리기의 원리를 보다 자세히 설명하면 다음과 같다.

제1도를 보면 조리기의 단면을 자른 모습을 보여주고 있다. 조리기는 두께 2내지 3밀리미터 가량의 알루미늄, 구리 혹은 스텐레스 등의 금속제 외통(1)이 있고, 그 안에는 10밀리미터 이하의 밀폐공간이 있으며(2), 그 안쪽으로 요리물을 담는 내통(3)이 있다 (제2도 참조). 내통과 외통은 서로 적절한 간격으로 돌기가 있어서, 이로 인하여 적절한 간격을 유지할 뿐 아니라, 서로 강하게 용접 혹은 브레이징 등의 방법으로 용착되어 있어서(4), 밀폐공간내 작동액의 포화 수증기압이 대기압과 달라질 경우에라도 충분히 역학적인 강도를 유지하도록 만들어져 있다. 외통과 내통을 잇는 이 돌기는 밀폐공간을 부분적으로만 점하고 있으므로 밀폐공간은 어느 부분이나 서로 소통될 수 있는 구조로서 작동액이 흘러 다닐 수 있다. 이전에는 밀폐공간의 외통 쪽에 두께 1내지 2밀리미터의 스크린을 고착시켰었다(5). 이 스크린은 밀폐공간 내 작동액이 모세관 현상을 통하여 원활하게 스크린 전면으로 이동시키는 작용을 하는 것으로서 이러한 작용을 하는 물체를 보다 포괄적인 용어로는 위크(wick)라고 부른다.

그런데, 스크린을 위크로 사용하면 바닥면에 빈틈없이 고착시키기가 어렵고 양산공정상 어려움이 있다. 본원에서는 이러한 스크린의 단점을 극복하여 장착이 손쉽고 따라서 양산체제에 적합한 소결 금속 혹은 세라믹 등의 다공성 재질로 만든 다공판을 위크로 사용하고자 한다. 이 다공판은 미세한 구멍이 있어서 이 구멍들 사이로 작동액이 쉽사리 이동한다. 또한 이 구멍들이 다공판의 표면에서는 충분한 모세관 현상을 일으켜 작동액이 충만한 곳에서 작동액이 증발되어 소모되는 지점으로 작동액을 빨아 들인다. 또한 외통의 바닥이 다소 경사져 있다 하더라도 다공판의 모세관력으로 인해 다공판의 모든 부위가 작동액으로 젖어 있게된다. 작동액은 다공판이 완전히 젖을 만큼만 넣고, 다공판 상부의 증기 공간을 막을 정도로 과다하게 넣지는 않도록 정확히 정량하여 넣는다. 밀폐공간에는 작동액 이외의 어떤 기체나 액체도 들어가서는 안 된다.

이제 이러한 구조를 가진 요리기의 작동 원리를 설명한다. 밀폐공간은 하부에 작동액으로 젖어있는 다공판이 있는데, 외통은 바깥에서 전달된 열을 다공판을 적시고 있는 작동액에 전달한다. 작동액은 표면에서 증발하여 밀폐공간의 증기통로를 타고 내통의 각 부위로 퍼져나간다. 증기통로의 내통 면에서 증기가 응축하면서 응축열을 내놓게 되고 이 열은 내통 안의 조리물에 전달되어 조리가 이루어진다. 응축된 액체는 중력에 의하여 외통 쪽의 다공판으로 떨어지게 되는데, 일단 다공판에 도달한 작동액은 다공판의 강력한 모세관 흡입력으로 인해 전체 다공판을 고르게 적시게 된다. 다공판은 이러한 흡입기능으로 인해 외통의 과열을 방지하고 온도를 균일하게 유지하는데 도움을 준다. 즉, 외통의 일부분에서 열전달량이 매우 높다고 할 때에 그 부분에서는 작동액의 증발이 매우 활발하여 다공판이 쉬 마르게 된다. 이 경우 다공판이 작동액을 빨리 흡인하지 않으면 국부적인 과열이 발생할 수 있는데, 위에서 언급한 모세관력으로 인해 항상 주위의 작동액을 재빨리 홉입하여 증발 온도를 유지하게 되는 것이다. 다공판은 이런 기능 외에도, 밑면으로부터 올라오는 열을 아랫 면에 놓여있는 작동액으로 원활하게 전달하여 밑바닥의 과열을 방지하고 바닥 면에서의 기포생성을 막음으로써 조용하고 등온성이 뛰어난 작동을 보장하여 준다.

이것이 히트파이프의 원리를 이용한 조리기구의 작동방식이다. 이 기구의 장점은 작동액이 혼합물이 아닌 순수물이므로, 밀폐공간내의 모든 위치에서의 온도가 작동액의 포화온도로서 일정하다는 것이다. 다시 말해서 어느 부분이 다른 부분보다 냉각이 심하거나 가열이 균일하지 않다 하더라도 모든 위치에서 일정한 온도가 유지된다는 것이다. 또 밀폐된 액체와 증기 혼합상태의 포화온도는 연속적으로 변할 수 있는 것이므로, 예를 들어 수증기를 작동액으로 사용할 경우 내통의 온도는 섭씨 100도 뿐 아니라, 그보다 훨씬 낮거나 훨씬 높은 온도에서도 변함없이 균일한 온도를 유지하면서 내부의 내용물을 가열할 수 있다는 것이다.

작동액은 이론상 순수물질이기만 하면 어떤 것이라도 사용이 가능하지만 실제 응용에 있어서는 모세관력을 크게 유지하기 위해 표면장력이 크고 점성이 작을 것이 요구되고, 또 작동액의 순환량이 작더라도 열의 전달량을 크게 하기 위해서는 증발잠열이 클 것이 요구된다. 또 밀폐공간의 내압이 너무 올라가면 위험하므로 섭씨 100도 근처에서 1기압 혹은 그 이하의 증기압을 가지면 좋고, 혹 조리물없이 가열되어 섭씨 200도 가량으로 과열되더라도 폭발의 우려가 없도록 섭씨 200도 정도에서도 증기압이 수기압 이하로 유지될 것이 요구된다. 또 누설시 사고의 위험을 막기 위하여 연소성이 없을 것과, 독성이 없는 등의 조건이 요구된다.

작동액의 주입은 내통, 외통과 다공판을 조립하고, 밀폐공간을 진공으로 만든 후 작동액을 적량 주입하고, 작동액 주입구를 밀봉해버리면 된다.

위의 조리기가 일정한 온도를 유지할 수 있다는 것은 밀폐공간을 채우고 있는 증기가 거의 완전히 일정한 압력에 놓여 있고, 따라서 그 증발 및 응축온도가 어느 부위에서나 일정하다는 열역학적 평형이론에 근거한 것인데, 여기에 덧붙여 증발 및 응축의 과정이 온도차가 거의 없어도 열을 전달할 수 있는 효과적인 방법이라는 데에도 근거한다. 실제로 벽면을 따라서 작동액이 흘러내리면서 이루어진 액막이 있고, 그 액막의 표면에서 응축이 일어나는 경우에 액막의 벽면 쪽 온도는 액막의 표면 쪽 온도보다 약간 낮아지게 된다. 액막의 표면온도는 당연히 포화온도가 되는데 벽면온도는 이보다 0.1도 가량 혹은 그 이하의 온도차만큼 차가운 상태가 될 것으로 생각된다. 같은 이유로 증발이 일어나는 바닥면의 액막에서도 윗 표면은 증발온도이나, 아래 표면은 이보다 1도 가량 높은 과포화상태를 유지하고 있게 된다. 따라서 전체적으로는 1도 이내의 온도차이를 가지고 조리기가 작동하게 되는데 이 정도의 온도차이는 아주 작은 것으로서, 일정한 온도를 유지하며 작동한다고 말해도 좋을 것이다. 특히 조리기 내통은 불과 0.1도 가량의 온도차를 유지하며 작동하게 된다. 따라서 이론적으로 가장 이상적인 조리기, 즉 재질의 열전도계수가 무한대인 조리기를 구현한다고 볼 수가 있다.

발명이 이루고자 하는 기술적 과제 누락

제 1도는 다공판 히트파이프 조리기로서 반 단면도와 평면도이며,

제 2도는 밀폐공간을 자른 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 외통,2: 밀폐공간, 3: 내통,4: 내외통 접합부 5: 다공판 6: 작동액

발명의 구성 및 작용 누락

발명의 효과 누락

Claims (1)

1. 밀폐공간 내에서 작동액의 증발과 응축의 폐순환과정을 이용하여 내통과 외통 사이에 작동액과 작동액의 증기만으로 채워져 있는 밀폐공간의 바닥면에 위크를 장착하고 위크만을 적실 만큼의 작동액을 주입하여 위크의 표면에서 증발이 일어나고 위크의 모세관력에 의하여 액체가 저절로 순환되는 히트파이프가 장착된 후라이 팬, 밥솥 등의 조리기에 있어서, 이전에 위크로서 사용되던 스크린 대신 소결 금속 혹은 세라믹 등의 다공판을 채용한 조리기.