압력밥솥의 원리

[기라성2]

압력밥솥이 나오기 전에는 질긴 고기요리나 잡곡밥을 할 때, 사전에 요리가 잘 되도록 하기 위해 어떤 처리를 한 후에 요리를 해야 하는 경우가 많았다. 그러나 근래에는 압력밥솥이 출시되면서 요리가 훨씬 간편해지고 시간 또한 절약되고 있다. 이러한 가정용 압력밥솥은 1679년 프랑스의 물리학자 드니 파팽이 발명한 증기찜통을 개량한 것이 그 시초이며, 우리나라에서는 오래전부터 사용해왔던 가마솥을 그 시초라고 볼 수 있다.

솥의 압력을 높여 주면

대부분의 음식물은 끓는 물에서 조리하므로 1기압, 약 100℃의 물에 일정한 시간 동안 넣어두면 조리가 된다. 그러나 높은 산에서는 기압이 낮아 조리를 하기가 어려워진다. 왜냐하면 액체의 끓는점은 압력에 따라 달라지는데 높은 산에서는 압력이 낮아 끓는점이 100℃보다 낮아지기 때문이다. 즉, 액체의 끓는점은 압력이 낮으면 낮아지고 압력이 높으면 높아지게 된다. 이런 점을 이용해 솥 속의 증기가 빠져나가지 못하도록 함으로써 압력이 높아지도록 만든 것이 압력밥솥이다. 이렇게 하면 끓는점이 높아져 잘 익지 않는 음식을 조리하기가 쉬워질 뿐만 아니라 같은 시간에 더 많은 열이 음식물로 전달되어, 더 빨리 요리를 할 수 있다. 또한 요리시간이 짧아지므로 요리 과정에서 쉽게 파괴되는 비타민이나 무기질의 손실을 최소한으로 할 수 있으며 연료도 줄일 수 있는 여러 가지 이점이 있다. 대부분의 압력 밥솥 은 내부의 압력을 대기압보다 높은 1.2기압 정도로 높여 물이 약 120℃에서 끓게 한다.

솥 내부의 압력을 높여 빠르게 조리하는 압력밥솥. <출처: NGD>

압력밥솥의 종류

압력으로 밥을 하는 취사도구는 가스 불을 이용하는 일반 압력밥솥과 전기를 이용하는 전기 압력밥솥으로 나눌 수 있다. 일반 압력밥솥은 만든 재질에 따라 알루미늄과 스테인리스 스틸(stainless steel) 압력밥솥으로 구분되며 전기 압력밥솥은 가열하는 방식에 따라 열판 가열 방식과 IH(induction heater 전자기 유도 가열) 방식으로 나눌 수 있다.  

열판 가열 방식은 바닥면에 있는 열판 내부의 히터로부터의  열을 이용해 열판이 가열되고 이 열이 내통에 전달돼 밥을 하는 간접 가열 방식이다. 반면 IH 가열 방식은 내솥 전체에 둘러싸인 전기 코일의 전자기유도 작용에 의해 내통 자체가 직접 발열하는 직접 가열 방식이다. 또한 전기 압력밥솥의 내통은 재질ㆍ도금의 종류에 따라 알루미늄ㆍ황금동ㆍ황동ㆍ스테인리스 스틸 등 여러 가지가 있다.

일반 압력밥솥

일반 압력밥솥의 구조는 아래 그림처럼 솥뚜껑과 솥 사이에 고무를 끼우고 나사를 조여서 증기가 새지 않게 한다. 뚜껑 위쪽에는 작은 구멍이 있으며 압력추가 구멍을 막고 있다. 이 때 솥 속의 증기압이 압력추가 누르는 힘보다 크면 구멍은 열려서 증기가 방출하게 되어 위험을 피하게 된다. 압력추는 일정한 압력 이상이 되면 증기가 배출되어 안전을 유지하도록 만들어져 있고, 더욱 안전도를 높이기 위해 보조 안전장치도 부착되어 있다.

일반 압력밥솥의 구조.

IH 전기압력밥솥

전기압력밥솥은 1990년대 출시 초기에는 대부분 밑바닥만 가열하는 열판식이어서 아래부터 천천히 가열되기 때문에 한 번에 많은 양의 밥을 지을 경우 종종 밑은 타고 위는 질어서 층을 이루는 층층밥이 되곤 했다. 이러한 단점을 없애기 위해 고안한 것이 IH 전기압력밥솥이다.

IH(유도가열 Induction Heating) 밥솥은 내통 자체가 직접 발열하는 통가열 방식인데, 바깥쪽 스테인리스 솥과 안쪽 알루미늄 솥의 이중구조로 되어 있다. 그리고 바깥쪽 솥의 바닥과 측면에는 전기코일이 붙어 있다. 밥을 지을 때 인버터 회로로 주파수가 20~40kHz가 되도록 이 코일에 교류전류를 흘려 보내고 끊는 일을 반복한다. 그렇게 하면 전류가 흐를 때는 코일 주변에 자기장이 만들어지고, 끊어질 때는 자기장이 사라진다. 교류전류는 전류가 흐르는 방향이 번갈아가며 바뀌므로 코일 주변에 N극과 S극의 방향도 주기적으로 바뀌는 교류자장이 발생한다. 이 자력선의 변화로 전기가 발생하는 것이 전자기유도현상이다. 이 전자기 유도로 바깥쪽 스테인리스 솥에 와전류가 생기는데 이 와전류 에너지의 대부분은 스테인리스의 전기저항이 커서 열로 바뀌고 이 열이 안쪽 알루미늄 솥 전체를 통째로 가열한다. 그리고 몸통과 뚜껑 사이에는 고무로 만든 가스켓 (gasket)이 설치되어 압축된 공기가 새지 않도록 밀폐하고 뚜껑에는 압력 조정 장치가 있다.

압력 조정 장치는 압력밥솥 내의 증기 압력을 일정하게 유지시켜주다가 취사 완료 후 유지된 압력을 회로를 통한 전원 공급으로 작동해 압력을 외부로 배출시켜주는 기능을 한다. 이 장치의 종류는 일정한 무게를 가진 추를 이용하는 ‘추식’과 스프링의 탄성을 이용하는 ‘스프링식’이 있는데 대개 스프링식을 이용하고 있다. 또한 압력 조정 장치의 구멍에 이물질이 끼는 등의 이유로 압력 조정 장치 기능이 상실되었을 때를 대비해 2차적으로 증기를 배출시켜 주는 압력 안전 장치도 있다. 이밖에도 여러 가지 안전 장치를 탑재한 전기압력밥솥이 있는데, 안전 장치로는 뚜껑 온도 감지 센서, 과열 방지 알림 장치, 압력 조절 장치, 온도 과열 방지 장치, 증기 자동배출 장치, 뚜껑 열림 방지 장치, 뚜껑 결합 감지 장치, 자동 온도 센서, 연속 가열 차단 장치, 압력 안전 장치, 압력계 등이 사용되고 있다. 자동 온도 조절 장치는 바이메탈을 이용한 것으로 일정한 온도에 이르면 자동으로 회로가 열려서 과열을 막는다. 만약 자동 온도 조절기가 고장나면 퓨즈가 끊어지면서 전류를 차단시킨다.

IH 전기 압력밥솥 구조 : 솥 주변의 유도가열용 코일에 전기가 흐르면 1초에 2만5천~3만5천 번 정도의 방향이 바뀌는 와전류가 발생한다.
이 와전류 에너지의 대부분은 외부 솥의 스테인레스가 전기저항이 커서 열로 바뀌고 이 열이 안쪽 알루미늄 솥 전체를 통째로 가열한다.

우리나라 전통 압력밥솥 ‘가마솥’

가마솥에 밥을 하면 밥맛이 좋다고 한다. 밥맛의 비결은 솥뚜껑 무게, 바닥 두께, 그리고 모양과 관련이 있다. 쌀이 잘 익으려면 대기압(1기압) 이상의 압력이 필요한데 가마솥의 솥뚜껑은 솥 전체 무게의 3분의 1에 달할 정도로 무겁다. 따라서 수증기가 솥 밖으로 잘 빠져나가지 못하여 내부압력이 대기압 이상으로 올라가게 된다. 그러면 밥이 100℃ 이상에서 지어지므로 쌀이 충분히 익게 된다. 또한 솥뚜껑이 무거운 만큼 쉽게 식지도 않기 때문에 뜸도 잘  들게 된다. 또한 가마솥의 바닥모양이 둥글기 때문에 열이 입체적으로 전달되며 불에 먼저 닿는 부분은 바닥 두께가 두껍고 가장자리 부분은 얇아 열을 고르게 전달시켜 밥이 잘 되게 된다.

압력밥솥 안전사고 예방을 위한 주의사항

‘22일 오전 11시 7분께 강원 강릉시 초당동 D 음식점에서 압력밥솥이 폭발했다. 이 사고로 음식점 직원 최모(60.여) 씨가 머리와 눈을 다쳐 119 구급대에 의해 병원으로 옮겨져 치료를 받고 있다.(2010/01/22)’

위의 기사는 압력밥솥을 사용하다가 가끔씩 일어나는 사고 가운데 한 사례를 나타낸 것이다. 그러면 이러한 사고를 방지하기 위해 압력밥솥의 사용 시에 어떤 점에 유의해야 하는지 몇 가지만 살펴보자. 첫째, 취사 중 압력이 남아있는 상태에서는 절대로 뚜껑을 무리하게 열지 않아야 하겠다. 둘째, 압력 안전 장치에 이물질이 끼여 있는지 여부를 항상 확인하며 자주 청소한다. 셋째, 고무패킹 등 소모품은 교환 시기를 확인하고 넷째, 사용설명서에 따라 압력밥솥으로 요리 가능한 음식 이외에는 조리하지 않도록 하는 것 등에 유의해야 한다.

참고문헌: 데이비드 맥컬레이, 박영재 역,<도구와기계의 원리>,(서울문화사, 2002); 이정우, <가정생활기기론>,(수학사, 1998);신희명, <가정물리>,(교문사, 1984);사토 긴페이, 김종호 역, <일상에서 과학을 보다>, (한티미디어, 2009)

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1. 압력밥솥

   높은 압력을 이용하여 물의 끓는점을 높여 음식을 빨리 조리할 수 있는 솥

2. 인버터

   직류를 교류로 전환시키는 장치

3. 가스켓

   2개의 고정된 부품 사이에 위치한 밀봉기구

글 조태숙 / 인천강화중학교 교사, 서울과학교사모임

서울과학교사 모임은 딱딱한 과학수업을 재미있게 풀기 위해 모인 수도권 지역 과학선생님들의 모임이다.

재미있는 과학 교육을 위해 <묻고 답하는 과학 톡톡 카페1,2>, <숨은 과학> 등을 출간하였다.

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