KR200175046Y1 - 그루브형의 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 심지(위크; wick)의 구조를 획기적으로 개선함으로써, 열전달 매체인 작동액을 다양하게 선택하여 광범한 온도특성을 갖는 조리기를 구성하고, 제조 원가를 낮출 수 있는 특징을 가지고 있다.

그 원리는 다음과 같다. 일반적으로 히트 파이프 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.

종래에는 밀폐공간의 바닥에 금속 스크린을 스폿 용접 등의 방법으로 고착하여 여기에서 모세관현상을 일으켜 작동액을 흡입, 증발하는 역할을 하도록 하였으나, 본 고안에서는 폭과 깊이가 각각 1밀리미터 가량인 그루브를 바닥면에 반경방향으로 내어 그 안에 작동액이 흐르도록 하여 유동저항을 줄이는 구조를 추가하고 있다. 그루브 위에는 필요에 따라 금속 스크린, 또는 금속 소결판이나 세라믹으로 된다 공판을 심지로 설치하여 모세관 현상을 촉진함으로써 액체 흡인력을 크게 증가시킨다. 액체가 적시고 있는 그루브 및 심지의 상부 공간에는 증기가 차 있는데, 이 공간의 간격은 10밀리미터 내외가 된다. 조리시 외부용기의 바닥으로 열이 들어오고, 이 열은 작동액을 증발시키게 된다. 증발한 증기는 바로 위의 천정 즉, 내부용기 하부 및 측면에 열을 전해주고 응축하게 된다. 응축액체는 중력과, 그루브, 혹은 심지의 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.

이러한 장치가 필요하게 되는 이유는 다음과 같다. 음식의 종류에 따라 적정 조리 온도가 다르며, 따라서 히트 파이프 조리기도 다양한 온도 범위에 적합하도록 작동해야 한다. 그러자면 밀폐공간에 사용되는 작동액의 증기압, 열전달율, 안전성 등 여러 가지를 고려하여 최적의 작동액을 선정해야 하는데, 히트 파이프의 최대 열전달률을 결정하는 대단히 중요한 인자의 하나가 바로 해당 작동액의 유동성이다. 가령 작동액의 표면장력이 작거나 점성이 큰 작동액에 대해서는 모세관력에 의한 흡입이 충분치 않아, 히트 파이프 구조가 의도하는 신속한 열전달은 일어나지 않게 되며 용기는 부분적으로 과열되는 현상이 나타날 것이다. 따라서 어떤 작동액에도 원활하게 작동할 수 있는 기계적인 구조가 필요한데, 본 고안은 모세현상을 일으키는 스크린이나 다공성 재료 하부에 그루브를 장치하여 어떤 작동액에 대해서도 원활한 순환이 이루어지도록 한 특징을 가지고 있다.

Description

그루브형의 히트 파이프 조리기{Groove 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. 히트파이프 조리기란 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 전체적인 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 못하고 있으며, 따라서 온도 특성에 따른 다양한 조리기의 구성이 어렵고, 스폿 용접을 지나치게 많이 하게 되어 생산성이 저하되며, 외관상 보기에도 좋지 않은 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 다양한 온도범위의 문제에 대한 해결은 되지 못하였다. 본 고안은 이런 단점을 극복하기 위한 것이다.

제 1도는 그루브와 심지를 장착한 히트파이프 조리기로서 단면도와 평면도이며,

제 2도는 밀폐공간을 자른 반 단면도이다.

제 3도는 그루브 부분을 절개한 단면도이며,

제 4도는 종래의 히트 파이프 조리기에 있어서의 심지 부분의 단면도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1: 외통, 2: 밀폐공간, 3: 내통, 4: 심지, 5: 그루브

제1도를 보면 조리기의 단면을 자른 모습을 보여주고 있다. 조리기는 두께 1내지 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 구실을 하여 밀폐공간 안에 있는 작동액이 모세관 현상을 통하여 바닥면 전체로 신속하게 퍼지도록 이동시키는 역할을 한다.) 그러나 이 구조는 표면 장력이 큰 증류수와 같은 작동액에는 적합하지만, 표면 장력이 작거나 점성이 큰 다른 종류의 작동액에는 적합치 않다. 그 이유는 금속 스크린의 유동저항이 상당히 커서 이것만으로는 충분히 신속한 작동액의 순환이 이루어지지 않기 때문이다.

한편 히트 파이프 조리기구의 적정 작동 온도는 사용된 작동액에 의해 결정된다. 어떤 작동액이든 그 작동액의 증발온도에서 대략 1기압을 형성하게 되기 때문에 증발온도가 높으면 내부 압력이 낮은 상태에서도 원하는 온도범위에서 작동하는 것이 가능하다. 물론 증류수를 사용해도 높은 온도에서 작동할 수 있지만, 이때 내부에서 형성되는 높은 압력으로 인해 안전성이 위협받을 수 있고, 이를 방지하게위해 내외통의 두께를 필요 이상으로 두껍게 하게 된다. 따라서 적절한 증발 온도를 가지고 있는 작동액을 선택하면, 내부 압력이 그다지 높지 않고, 또 내외통의 두께도 다루기에 적정한 수준에서 유지하면서 조리에 적합한 작동 온도 범위를 가진 안전한 조리기구를 이룰 수 있게 된다. 따라서 적절한 작동액의 선정과 그에 따른 기계적 구조, 특히 모세관 현상을 일으키는 부분의 기계적 구조는 히트 파이프 조리기에 있어 매우 중요한 과제가 되며, 본 고안은 바로 이러한 구조를 이루고자 하는 것이다.

이제 이러한 구조를 가진 조리기의 작동 원리를 설명한다. 밀폐공간 하부의 외통은 바깥에서 전달된 열을 그루브 및 심지를 적시고 있는 작동액에 전달한다. 작동액은 표면에서 증발하여 밀폐공간의 증기통로를 타고 내통의 각 부위로 퍼져나간다. 증기통로의 내통 면에서 증기가 응축하면서 응축열을 내놓게 되고 이 열은 내통안의 조리물에 전달되어 조리가 이루어진다. 응축된 작동액은 중력에 의하여 외통쪽의 그루브 및 심지로 떨어지게 되는데, 일단 여기에 도달한 작동액은 그루브 및 심지의 모세관 흡입력으로 인해 바닥면 전체를 고르게 적시게 된다. 그루브 및 심지는 이러한 흡입기능으로 인해 외통의 과열을 방지하고 온도를 균일하게 유지하는데 도움을 준다. 그런데, 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 작동액의 유동을 방해하는 마찰저항이 작을 것과 동시에 모세관 흡인력이 클 것이 동시에 요구된다. 그루브형 조리기는 모세관 한계를 극복하기 위하여 작동액이 쉽게 흘러 갈 수 있는 넓은 유로를 확보한 것이다.

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, 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 수가 있다.

한편 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 폭발의 우려가 없도록 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. 본 고안에서는 이러한 문제점을 해결하고자 작동액이 흘러 다니는 통로를 폭과 깊이가 각각 1밀리미터 가량인 그루브(7)를 반경방향으로 내었다. 이 그루브는 그 자체로서 약간의 흡인력을 가지 고 있다. 경우에 따라서는, 모세관력을 더욱 강화하기 위하여, 그루브 위에 금속 스크린이나, 다공성 재질로 이루어진 판형의 심지를 장착할 수도 있다. 작동액에 따라서는 그루브를 내지 않고 다공성 재질의 판형 심지를 장착할 수도 있다. 금속 스크린 대신 판형의 심지를 장착하는 것만으로도 종래의 스폿 용접한 금속 스크린 보다 훨씬 뛰어난 작동액의 순환을 이룰 수 있으며, 제조비용도 절감할 수 있다.

또한 그루브는 여러 가지 방법으로 만들어진다. 외통 제작시 내부 바닥면에 프레스 등의 방법으로 만들어지기도 하고, 또는 소결 금속이나 세라믹 등으로 다공판을 만들 때, 다공판의 하부에 그루브가 동시에 형성되도록 하기도 한다. 뿐만 아니라 다공판을 만들 때에 하부는 성근 조직으로 만들고 상부는 조밀한 조직으로 만들어도 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또 다른 방법은 모세관 현상을 일으키는 조밀한 스크린 하부에 작동액이 쉽게 유동할 수 있는 매우 성긴 스크린이나 다공판을 장착할 수도 있다. 그루브 위에 심지를 설치할 경우에는 심지를 설치한 후에 내통과 외통을 접합한다. 내통과 외통은 용접이나 브레이징 등의 방법으로 접합되며, 밀폐공간을 형성한 후에 내부 공기를 진공 펌프로 빼어내고 여기에 작동액을 정확히 정량하여 주입한 후 진공 펌핑과 작동액 주입을 위한 출입구를 봉쇄하면 히트 파이프 조리기가 만들어진다.

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Claims (4)

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, 심지로 사용되는 스크린이나 소결 금속 혹은 세라믹 등의 다공판 하부 외통의 바닥면에 다각형, 원 혹은 타원의 일부 형상을 가진 단면을 이루며 폭과 깊이가 약 0.5내지 1밀리미터인 그루브를 반경 방향으로 설치한 것.
2. 1항에 있어서, 그 그루브를 소결 금속 혹은 세라믹 등의 다공판 하부에 반경방향으로 다공판과 일체로 형성한 것.
3. 1항에 있어서, 그 그루브를 성긴 스크린, 혹은 성긴 다공판으로 대신하도록 한 것.
4. 1항에 있어서, 그 다공판 및 그루브를, 상부는 조밀하고 하부는 성긴 다공판으로써 일체로 형성한 것.