KR200175044Y1 - 리브형의 히트 파이프 조리기 - Google Patents

Abstract

본 고안은 조리기의 모든 부위에서 일정한 온도를 유지하면서 가열함으로써 음식물의 조리를 좋게 하는 특성을 지닌 히트 파이프 조리기에 있어, 조리기의 성능을 결정하는 작동액의 순환 길이를 짧게 함으로써 정상작동에 필요한 모세관 흡인 압력차를 줄이고, 열전달 매체인 작동액을 다양하게 선택하여 광범한 온도특성을 갖는 조리기를 구성하고, 제조 원가를 낮출 수 있는 특징을 가지고 있다.

히트 파이프 조리기의 원리는 다음과 같다. 조리기의 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 바닥에는 금속 스크린이 스폿 용접 등의 방법으로 고착되어 있고, 이 부분을 액체가 적시고 있으며, 그 상부의 공간에는 증기가 차 있다. 조리시 외부용기의 바닥으로 열이 들어오고, 이 열은 작동액을 증발시키게 된다. 증발한 증기는 내부용기 하부 및 측면에 열을 전해주고 응축하게 된다. 응축액체는 중력, 혹은 스크린 심지(위크, wick)의 모세관력으로 인해 다시 밀폐공간의 바닥으로 골고루 젖어 들어오게 된다. 이러한 원리로 인하여 조리기의 내부는 일정한 온도로 유지되고 따라서 고른 온도로 조리를 할 수 있게 되는 것이다.

그런데, 종래에는 스크린과 천장면의 액체 통로가 모두 연결되어 있으므로 액체의 순환 루프가 바닥면에 접한 밀폐공간에서 하나로 형성되어 있었다. 이에 따라 액체의 유동 길이와 루프 당 순환량이 크게 되어 압력 손실이 증가하여 최대 열 전달량이 제한되는 단점이 있었다. 그러나, 본 고안에서는 스크린과 천장면에 액체가 더 이상 흘러갈 수 없는 리브 혹은 댐 등의 유동장애물을 설치하여 액체의 순환루프를 여러 개로 만들었다. 이로써 루프당 액체의 순환길이와 순환량이 루프 개수에 반비례하여 줄어들게 된다. 히트 파이프에서는 작동액의 순환 요구량이 클수록, 그리고 순환거리가 길어질수록 각각에 반비례하여 그 최대 열전달량이 작아지므로, 히트 파이프 조리기의 가능한 최대 가열량이 루프 개수의 제곱에 비례하여 증가하게 되어 급속 가열이 가능하게 되는 것이다.

이러한 장치가 필요해지는 이유는 음식의 종류에 따라 조리온도와 가열속도가 다르고 이에 따라 최적의 작동액을 선정해야 하는데, 종종 작동액의 표면장력과 증발잠열이 작은 경우가 있다. 그러면 작동액의 총 순환요구량은 늘어나지만 모세관력에 의한 흡입이 충분치 않아, 작동액의 유동성이 떨어지고 신속한 열전달은 일어나지 않게 되며 용기는 부분적으로 과열되는 현상이 나타날 것이다. 따라서 작동액의 순환루프를 여러 개로 분리하여 루프 당 순환요구량을 줄이고, 또한 순환 길이도 축소하여, 원활한 유동을 도모하고 급속 가열을 가능하게 할 필요가 있는 것이다.

Description

리브형의 히트 파이프 조리기{Rib Type Heat Pipe Cookwares}

본 고안은 조리기의 모든 부위에서 일정한 온도를 유지하면서 가열함으로써 음식물의 조리를 좋게 하는 특성을 지닌 히트 파이프 조리기에 있어, 조리기의 성능을 결정하는 심지의 구조를 획기적으로 개선함으로써, 열전달 매체인 작동액을 다양하게 선택하여 광범한 온도특성을 갖게 하고, 구조를 단순화하여 생산단가를 낮추는 것을 목적으로 하고 있다.

일반적인 조리기에 있어 벽면 및 바닥면의 온도를 일정하게 유지하는 것은 조리에 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 찌게를 끓이는 것은 바로 이런 원리에 기초한 것이다. 열전도계수가 낮은 스테인레스 조리기를 만들 때, 중간에 열전도성이 좋은 알루미늄을 접착한 다층구조를 만드는 것은 바로 이런 이유에서이다. 그러나 열전도성이 뛰어난 알루미늄도 그 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 방식으로 제시된 것이 히트파이프 조리기, 또는 열사이폰 조리기이다. 히트파이프조리기란 인공 위성의 표면온도를 균일하게 유지하기 위하여 개발된 히트파이프 기술을 응용한 것으로, 프라이팬, 냄비, 밥솥 등의 조리기구의 내부구조를 이중 밀폐용기의 형태로 만든 것이다. 이 밀폐공간 안에 있는 작동액이 일정한 온도에서 증발 및 응축하는 성질을 이용하여 조리기의 어느 부분에서나 일정한 온도를 유지하도록 되어 있는데, 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 고른 가열을 하기 때문에 모든 부분이 고르게 익어서 요리 효과가 좋게 된다. 더욱이 조리기의 내부 구조에는 아주 작은 양의 작동액이 있을 뿐이므로 전체 적인 열용량이 매우 작아 조리기의 온도 제어가 매우 신속하고 과열의 우려도 극히 적다. 이 기구의 장점은 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. 특허 200332호는 이런 원리를 밥솥에 적용한 예이며, 공개번호 10-1998-068910은 이 원리를 일반 조리기구에 적용한 예이다.

그러나 이 고안들은 바닥면에 금속 스크린을 스폿 용접 등의 방법으로 직접 장착한 구조를 가지고 있어서, 1) 표면장력이 작고 점성이 큰 작동액에 대해서는 충분히 신속한 모세관 흡입을 일으키지 못하는 단점이 있었다. 이런 문제 중 생산성의 문제를 해결하기 위해 제시된 것이 출원번호 10-1999-0009069의 다공판 히트파이프 조리기인데, 이 방식은 생산성의 문제를 일부 해결할 뿐 위에서 언급한 급속 가열에 대한 해결은 되지 못하였다. 본 고안은 이런 단점을 극복하기 위한 것이다.

제 1도는 심지 및 리브를 장착한 히트파이프 조리기로서 단면도와 평면도이며,

제 2도는 밀폐공간을 자른 반 단면도이다.

제 3도는 종래의 히트 파이프 조리기에서의 작동액의 순환을 보이며,

제 4도는 리브 대신 설치한 유동 장애물의 개념도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1: 외통, 2: 밀폐공간, 3: 내통, 4: 리브 5: 심지 6: 밀착용 스프링 7: 천장 장애물 8: 바닥 장애물

제1도를 보면 조리기의 단면을 자른 모습을 보여주고 있다. 조리기는 두께 1 내지 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. 종래에는 밀폐공간의 외통 쪽 바닥면에 금속 스크린을 스폿 용접 등의 방법으로 밀착시켰었다. (이 금속 스크린은 일종의 심지(위크; wick) 구실을 하여 밀폐공간 안에 있는 작동액이 모세관 현상을 통하여 바닥면 전체로 신속하게 퍼지도록 이동시키는 역할을 한다.) 그런데, 종래에는 스크린과 천장면의 액체 통로가 모두 연결되어 있으므로 (제3도 참조) 액체의 순환 루프가 바닥면에 접한 밀폐공간에서 하나로 형성되어 있었다. 이에 따라 액체의 유동 길이와 루프 당 순환량이 크게 되어 압력 손실이 증가하여 최대 열전달량이 제한되는 단점이 있었다. 그러나, 본 고안에서는 스크린과 천장면에 액체가 더 이상 흘러갈 수 없는 리브 혹은 댐 등의 유동장애물을 설치하여 액체의 순환 루프를 여러 개로 만들었다 (제2도 참조). 이로써 루프당 액체의 순환길이와 순환량이 루프 개수에 반비례하여 줄어들게 된다. 히트 파이프에서는 작동액의 순환 요구량이 클수록, 그리고 순환거리가 길어질수록 각각에 반비례하여 그 최대 열전달량이 작아지므로, 히트 파이프 조리기의 가능한 최대 가열량이 루프 개수의 제곱에 비례하여 증가하게 되어 급속 가열이 가능하게 되는 것이다.

이제 이러한 구조를 가진 조리기의 작동 원리를 자세히 설명한다. 먼저 종래의 히트 파이프 조리기의 작동원리를 살펴 보면 다음과 같다(제3도 참조). 밀폐 공간 하부의 외통은 바깥에서 전달된 열을 심지를 적시고 있는 작동액에 전달한다. 작동액은 표면에서 증발하여 밀폐공간의 증기통로를 타고 내통의 각 부위로 퍼져나 간다. 증기통로의 내통 면에서 증기가 응축하면서 응축열을 내놓게 되고 이 열은 내통 안의 조리물에 전달되어 조리가 이루어진다. 응축된 작동액은 중력에 의하여 외통 쪽의 심지로 떨어지게 되는데, 일단 여기에 도달한 작동액은 심지의 모세관 흡입력으로 인해 바닥면 전체를 고르게 적시게 된다. 심지는 이러한 흡입기능으로 인해 외통의 과열을 방지하고 온도를 균일하게 유지하는데 도움을 준다. 이 조리기는 바닥과 측벽 어디에서나 거의 일정한 온도를 유지하면서 작동된다. 이것은 밀폐공간을 채우고 있는 증기가 거의 완전히 일정한 압력에 놓여 있고, 따라서 그 증발 및 응축온도가 어느 부위에서나 일정하다는 열역학적 평형이론에 근거한 것인데, 실제에 있어서는 내통과 외통 재질의 열전도 한계 등으로 인하여 전체적으로는 내통과 외통 사이에 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 수 있다.

한편, 외통의 일부분에서 열전달량이 매우 높아지면, 그 부분에서는 작동액의 증발이 매우 활발하고 액체 흡인은 불충분하여 바닥면이 말라버리게 된다. 이것이 히트 파이프의 모세관 한계(capillary limit)라고 부르는 것이다. 이 경우 국부적인 과열이 발생하므로 액체의 원활한 공급을 보장할 수 있는 방안이 요구된다.

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 필요가 있다. 또 밀폐공간의 내부 압력이 너무 올라가면 위험하므로 섭씨 100도 근처에서 1기압 혹은 그 이하의 증기압을 가지는 것이 좋고, 혹 조리물 없이 가열되어 섭씨 200도 가량으로 과열되더라도 증기압이 수기압 이하로 유지된다면 더욱 바람직할 것이다. 또 누설시 사고의 위험을 막기 위하여 연소성이 없을 것과, 인체에 독성이 없을 것, 환경친화적일 것 등의 조건이 요구된다.

그런데, 이와 같은 까다로운 조건을 만족하는 작동액이 얼마든지 있는 것이 아니다. 종종 섭씨 100도 이상의 비등점을 갖는 작동액에 있어서, 작동액의 표면장력이 너무 작아져서 원활한 유동이 안 될 수가 있다. 보통 액체에서는 증발잠열이 작으면 표면장력도 함께 작아진다. 제3도와 같이 작동액의 순환길이가 긴 종래의 히트 파이프 조리기의 구조는 증발잠열과 표면 장력이 큰 증류수와 같은 작동액에는 적합하지만, 증발잠열 및 표면 장력이 작은 다른 종류의 작동액에는 적합치 않다. 다시 말해서 작동액의 증발잠열이 작을 경우, 요구되는 가열량을 만족시키기 위한 작동액의 순환요구량이 증발잠열에 반비례하여 늘어나고 이에 따라 액체의 압력손실은 늘어나는 반면, 표면 장력이 작아지게 되면 모세관 흡인 압력은 줄어들어서 작동액의 순환은 더욱 어렵게 된다. 이러한 단점을 극복하는 방법의 하나는 조리기를 개념상 여러 개의 작은 히트 파이프로 분할하는 것이다. 즉, 제3도에서 보다시피 종래의 히트 파이프 방식의 조리기는 단 하나의 액체 순환 루프를 가지므로 전체적으로 보아 한 개의 히트 파이프로서 작동하였다. 그런데 이것을 도1과 같이 리브를 중간 중간에 설정하면 도2와 같이 여러 개의 작동액 순환 루프가 만들어진 다. 도2를 보면 천장을 따라 흐르던 응축된 액체가 리브를 따라 내려오고 바닥에서는 리브와 리브간의 밀폐 루프를 따라 짧은 거리를 이동하면서 다시 증발이 된다. 이에 따라 루프 한 개당 액체 순환거리가 루프 개수에 반비례하여 짧아진다. 그런데 루프 한 개당 모세관 흡인력은 루프의 갯수에 관계없이 일정하다. 따라서 루프한 개 당의 최대 액체 순환량은 루프 개수에 비례하면서 증가한다. 그러므로 N 개의 루프를 설정하였을 때 루프 당 열전달량은 한 개의 루프에 비하여 N 배가 되고 이러한 루프가 전체적으로 N 개가 있으므로 총 열전달량은 N의 제곱에 비례하여 늘어나게 되는 것이다.

조리기의 내통과 외통은 약간의 경사를 가지도록 제작되는 경우가 많은데, 이러한 경우, 리브는 통의 경사방향에 수직하게 가로질러 설치하여야 폐순환 회로가 제대로 만들어진다. 또한 리브는 천장면에서 흘러 내리는 유로를 차단하고, 바닥면에서는 중력에 의하여 흘러 내리는 유로를 짧게 끊어 주는 댐이나 기타 장애물로 바꾸어도 무방하다 (제4도 참조). 조리기가 평평한 경우라 하더라도 실제 사용시에는 약간 기울어진 상태에서 사용하는 경우가 많으므로 이러한 경우에도 제대로 작동하기 위하여 내통과 외통에 삼각, 사각, 육각 등의 다각형이나 곡선형의 완전 밀폐 혹은 일부 개방형의 도형으로 유동 장애물을 설치하면 보다 확실한 작동을 보장할 수 있게 된다. 유동 장애물은 내통과 외통을 가공할 때에 기계적으로 만들 수도 있으며, 금속선을 잘라 붙여도 된다. 또한 바닥의 액체의 통로를 이루는 스크린이나 다공판에 적당한 간격으로 페인트, 에폭시, 플라스틱 등으로 메꾸어서 설치할 수도 있다. 또한 강판이나 강선을 적절한 형상으로 구부려서 내통과 외통 사이에서 밀치는 힘을 가하면서 버티고 있도록 만들 수도 있다. 이 경우, 강판이나 강선은 스크린이나 다공판을 바닥면에 밀착시키기 위한 도구로 겸용할 수도 있다.

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Claims (1)

1. 밀폐공간 내에서 작동액의 증발과 응축의 폐순환과정을 이용하여 내통과 외통 사이에 작동액과 작동액의 증기만으로 채워져 있는 밀폐공간의 바닥면에 심지를 장착하고 심지만을 적실 만큼의 작동액을 주입하여 심지의 표면에서 증발이 일어나고 심지의 모세관력에 의하여 액체가 저절로 순환되는 히트파이프가 장착된 프라이팬, 밥솥 등의 조리기에 있어서, 작동액의 순환길이를 축소시킬 목적으로 밀폐공간의 내부에 설치한 리브와 댐 등의 유동 장애물.