드립 커피 머신을 위한 직수 이중 가열 방법

Ⅰ. 서 론

최근 커피 양조 산업의 규모가 증대됨에 따라 이러한 커피 산업에 관련한 다양한 연구가 이루어지며, 커피 산업에 관한 사업적 모델에 대한 연구, 시장 분류를 통한 소비 에너지를 분석하고 환경적, 사회적, 경제적 영향에 대한 조사 및 커피 소비 환경에 대한 환경 영향 및 에너지 효율에 대한 연구도 이루어졌다[1]-[3].

소비자에 의해 소비되는 에너지 소비에 대한 조사를 통해 손실을 줄이려는 방법을 제안하거나 에 대한 조사 및 커피 추출 과정에 대한 모델링 연구도 이루어지고 있다[4][5]. 그리고 3D 프린팅 기술과 접목한 커피 서비스나 IoT를 접목한 커피 벤딩 머신에 관한 연구도 이어지고 있다[6][7]. 커피뿐 아니라 차 양조에 관한 다중 열전달 과정을 분석하는 연구도 있다[8].

본 논문에서는 커피 추출 과정에서 사용하는 온수에 대한 부분으로 온수 탱크를 사용하는 기존의 방식에 비하여 탱크를 사용하지 않고 직수 온수 가열기를 사용함으로 정밀하게 온도를 제어하는 방법을 제안하였다. 그리고 제안된 알고리즘의 성능을 평가하기 위하여 직수 온수 이중 가열기를 제작하여 출수 성능을 평가하였다. 2장에서는 정밀하게 온도를 측정하기 위한 센서의 온도 측정에 대하여 기술하고 3장에서는 제안된 이중 가열 방법에 대하여 나타내었다. 4장에서는 직수 이중 가열기를 통해 제작한 시스템을 통하여 실재 동작을 다양한 공급 유량들 및 출수 온도들에 대하여 이루어졌으며 이에 대한 결과를 통하여 제안된 알고리즘에 대한 성능을 확인하였다. 마지막으로 5장에서는 제안된 알고리즘의 출수 온도 성능에 대한 결론을 내렸다.

Ⅱ. 온도 센서 보정

본 연구에서 사용되는 소형 이중 가열기에 장착된 온도 센서는 NTC 써미스터로 그림 1과 같은 특성을 가지고 PT100과 같은 정밀한 측정이 어려움으로 측정 범위에 맞게 회로의 저항 값을 설정하여야 한다. 이를 위하여 f(x) = Ae^bx + Ce^dx로 특성 그래프를 얻었다.

Fig. 1.

Characteristics of NTC Thermistor

NTC 써미스트를 이용하여 정확하게 제어하기 위한 커피 제조에 이용되는 가열 온도 범위 75~95°C에 대한 정밀한 측정을 위한 측정 저항 값의 범위를 결정하여야 한다[9]. 이를 위하여 측정 저항 별 온도에 따른 ADC 값의 변화를 그림 2(a)에 나타내었고 분해능을 그림 2(b)에 나타내었다.

Fig. 2.

ADC values and resolutions dependent on resistances(75-95°C)

그리고 정밀한 측정이 필요한 가열 온도 범위 75~95°C에 대한 ADC 값 분해능을 살펴보면 온도 범위 75~95°C를 위한 분해능은 측정 저항 범위 1~2.5kΩ에서 높게 나타났고 측정 저항은 1kΩ으로 결정하였다.

측정 저항 1kΩ에 따른 온도에 따른 온도 특성을 측정하기 위하여 ADC 출력 및 이에 대한 온도를 curve-fitting하여 측정 온도에 따른 온도 오차를 확인하였다. 그림 3은 3차 및 4차 함수로 curve-fitting한 측정 온도 오차를 나타내었고 가열 온도 범위인 75~95°C에 대해 ±1.0°C 이하의 온도 오차를 가진다. 그리고 3차 함수에 비해 4차 함수의 경우, 넓은 온도 범위 10~95°C에서 오차 ±0.5°C로 보다 안정적이므로 이를 적용하였다.

Fig. 3.

Measured temperature error

Ⅲ. 제안된 이중 가열 시스템

커피 드립 머신을 위해 제안된 이중 가열 시스템은 공급되는 직수의 입수 온도와 유량을 측정하고 필요한 에너지를 계산한다. 그리고 계산된 에너지에 따라 보조 가열기의 사용 여부를 결정하고, 각 가열기를 적절히 제어함으로 출수 온도를 안정적으로 유지하기 위해 제안된 시스템이며, 이를 그림 4에 나타내었다.

Fig. 4.

Proposed dual heating system

그림 4에 나타낸 2개의 가열기에 대한 제어는 우선 직수 공급부의 온도 센서와 유량 검출기를 통해 온도 및 유량을 측정하고 설정된 출수 온도에 따른 각 가열기의 가열은 SSR(Solid State Relay)에 공급되는 AC 전원을 입력된 PWM 신호로 제어하였다.

가열기의 성능을 알아보기 위하여 2초 주기를 가진 PWM 신호를 통해 공급되는 직수를 가열하고, 이에 따른 출수 온도를 10초 후에 측정하여 획득하였고, 이를 그림 5에 나타내었다.

Fig. 5.

Characteristics of the instant heater

PWM 신호의 폭에 따른 가열 특성은 펌프 직수 공급, SSR 동작 특성 및 히터의 특성에 의하여 비선형적 가열 특성을 가진다. 그림 5를 살펴보면 0.5ml/sec 단위로 3.5~5.5ml/sec 범위에 대한 가열 특성은 선형적 구간의 히터 구동을 위한 최소 폭 0.6[sec]의 펄스가 필요함을 보여준다.

초기 온도 T₀인 물질을 특정 온도 T로 가열하기 위한 필요한 평균 열 전달율(kW)을 나타내면 식 (1)과 같다.

여기서 M은 물질의 질량이고 C_p는 물질의 평균 비열이며 t는 가열 시간이다.

물을 가열하기 위한 PWM 신호의 펄스 폭은 식 (2)와 같이 표현할 수 있다.

여기서 W_PWM은 PWM 신호의 펄스 폭; α는 가열 손실; P_w는 히터의 소비 전력이다. 그리고 공급되는 유량에 대한 필요한 열량은 식 (3)과 같다.

여기서 M(t_flow)는 t_flow 시간 동안 공급된 물질의 질량이며 C_p는 물질의 평균 비열이다. 그리고 t_heat는 총 가열 시간이며 유량 F(t)에 의해 공급되는 유량의 공급 시작 시간은 t₀이다.

제안된 이중 가열 시스템의 제어는 2개의 히터 제어를 통하여 식 (4)과 같이 2개의 히터에서 소비되는 전력 $$ P_W^s$$와 $$ P_W^t$$의 합으로 표현되어진다.

이를 통하여 가열 특성을 고려한 펄스 폭을 선형적 구간에 제약하여 결정함으로 제어하는 이중 가열 방식 제안하고 이를 그림 6에 나타내었다. 우선 출수 온도에 필요한 에너지를 계산한다. 그리고 가열 특성의 선형 구간을 판단하기 위하여 필요한 에너지에 대한 경계치를 이용하여 구분하였다. 이러한 가열 특성의 선형 구간을 이용하기 위하여 일정 문턱치 이하의 경우 주 가열만을 이용하여 단독 가열하고 그 이상의 경우 부 가열을 함께 이용하여 가열 성능을 높이는 방식으로 직수 온수 가열하는 방식이다.

Fig. 6.

Proposed dual heating method

Ⅳ. 실험 및 고찰

제안된 가열 시스템은 입수 온도 25°C를 기준으로 하여 출수 범위 80 ~ 90°C에 대해 필요한 선형 범위를 결정하였다. 출수 온도에 필요한 에너지를 이용하여 가열 특성의 선형 구간을 이용하기 위하여 제안된 가열 방법을 통하여 안정적인 온도 제어를 할 수 있다.

우선 필요한 에너지에 대한 특성을 확인하기 위하여 유량 속도 3.5~5.5ml/sec에 대하여 실험되었으며 0.5ml/sec 단위로 증가시키며 다양한 유속의 유입되는 물에 대한 가열 특성을 확인하였다. 이를 통해 PWM 펄스를 이용하여 유입된 물을 가열하여 설정된 온도로 안정적으로 출수되는 경우 필요한 에너지를 계산하여 가열하였고 이에 대해 실제 PWM 신호를 통해 가열된 에너지와 출수 물에 전달된 에너지의 관계를 그림 7에 나타내었다.

Fig. 7.

Charateristics of instant heating

순간 가열 특성을 살펴보면 선형적 특성이 400J 이상의 에너지에서 나타나는 것을 알 수 있다. 그러므로 400J 이상의 선형 구간을 이용하기 위하여 충분한 가열시간 0.6sec 이상의 PWM 펄스 폭을 통해 선형 제어를 하였다. 제안된 가열 방법을 적용하여 0.5ml/sec 단위의 3.5~5.5ml/sec 구간의 유량 변화 및 5°C 단위로 60~90°C 범위의 목표 출수 온도에 따른 실험을 수행하였고, 유량에 따른 출수 온도를 그림 8에 나타내었다.

Fig. 8.

Charateristics of the proposed heating

그림 8을 살펴보면 우선 필요한 에너지가 낮아 주 가열기만 이용하여 직수 온수 가열을 수행한 경우 원형 표시를 하였다. 펄스 폭을 이용하여 필요한 에너지를 계산하여 비례 제어를 통하여 나타낸 가열 성능은 출수 온도가 상당히 안정적인 것을 알 수 있다. 그리고 유량이 많은 경우 높은 온도의 목표 온도에서 출수 온도가 조금 낮아지는 성능을 알 수 있다.

그림 9는 제안된 알고리즘을 이용하여 실제 구현한 커피 드립 머신으로 좌측 상단에 유량 공급 및 가열기를 표시하였고 좌측 하단에 온수 드립 노즐부를 나타내었다. 그리고 우측에 구현된 커피 드립 머신을 보이었다.

Fig. 9.

Implementation of the coffee drip machine

Ⅴ. 결 론

본 논문은 커피 머신을 위한 안정적인 온도의 출수 제어를 위한 직수 온수 가열을 위한 이중 가열 방식을 제안하였다. 제안된 알고리즘은 주 가열과 부 가열을 이용하여 출수 온도에 따른 필요한 에너지에 따른 가열기의 선형적 특성 부분을 활용한 주 가열 및 이중 가열을 통하여 가열하는 방법이다. 성능 평가를 위하여 이중 가열 시스템을 제작하여 실험하였다. 산업용 온도 제어기로 가열하는 경우, 기포 발생에 따른 영향으로 압력 변화, 유량 변화, 과 가열 등의 원인으로 5°C 이상 변화를 가지지만 제안된 방법은 대표적인 출수 고온 온도인 80°C와 85°C의 출수를 비교하면 80°C에서 평균 79.83°C, 표준편차 0.84°C로 상당히 안정적인 온도 변화를 가지고 85°C에서의 변화는 평균 84.79°C, 표준편차 1.23°C로 안정적이다. 유량 변화에 대해 안정적인 출수 온도를 유지함으로 드립 커피에 요구되는 출수 성능을 확인하였다.

제안된 방식은 비례 제어에 의해 선형적 가열 특성을 이용하는 출수 성능을 평가하였고 또한 커피 머신을 제작하여 실제 동작을 시험하였다.

References

• K. Matzler, F. Bailom, S. F. von den Eichen, and T. Kohler, "Business model innovation: coffee triumphs for Nespresso", Journal of Business strategy, Vol. 34, No. 2, pp. 30-37, Mar. 2013. [https://doi.org/10.1108/02756661311310431]
• R. F. Simmerman, "The sustainability of Coffee Bewing", Chemical and Biomolecular Engineering Publications and Other Works, May 2013.
• E. Brommer, B. Stratmann, and D. Quack, "Environmental impacts of different methods of coffee preparation", Int'l Journal of Consumer Studies, Vol. 35, Issue 2, pp. 212-220, Mar. 2011. [https://doi.org/10.1111/j.1470-6431.2010.00971.x]
• T. Kraeutler, A. Krowiak, D. Mercurio, and L. Oriol, "Coffee Energy Audit: An Analysis of Coffee Energy Consumption and Efficiency at Boston College", ENVS-4943: Environmental Seminar, Apr. 2015.
• K. M. Moroneyy, W. T. Leey, S. B. G. O' Brieny, F. Suijverz, and J. Marraz, "Asymptotic analysis of the dominant mechanisms in the coffee extraction process", Society for Industrial and Applied Mathematics Journal, Vol. 76, No. 6, pp. 2196-2217, Jan. 2016. [https://doi.org/10.1137/15M1036658]
• S. Lee, U. Choi, Y. Kim, S. Kim, and J. Eem, "Implementation of a Coffee Drip-machine with Dual Water Heaters using G-code Based Drip Method through 3D Printer Platform", Journl of KIIT, Vol. 14, No. 12, pp. 171-177, Dec. 2016. [https://doi.org/10.14801/jkiit.2016.14.12.171]
• K. Kim, D. Park, H. Bang, G. Hong, and S. Jin, "Smart Coffee Vending Machine Using Sensor and Actuator Networks", 2014 IEEE Int'l Conference on Consumer Electronics(ICCE), Jan. 2014. [https://doi.org/10.1109/ICCE.2014.6775913]
• B. A. Babin, G. Gilzow, L. Guerrero-Gonzalez, and X. Fan, "Multiple Heat Transfer Processes of a Tea Brewing System: Theoretical and Experimental Investigations", Proceedings of the 2010 ASEE Gulf-Southwest Annual Conference, McNeese State University, American Society for Engineering Education, Sept. 2010.
• W. D. King, "The physics of a stove-top espresso machine", American Journal of Physics, Vol. 76, No. 6, pp. 558-565, Jun. 2008. [https://doi.org/10.1119/1.2870524]