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마침 잉여력이 돋는 가운데 고전적인 주제 E61 그룹헤드와 몇가지 부수적인 부분에 있어서 간단히 적어보고자 합니다.

E61 에 대한 자세한 설명은 이전에 제가 적어놓은 "Faema 의 E61 그룹헤드의 부분별 동작 메커니즘에 관해 : http://bwissue.com/FAQ/24863" 을 참고하시는게 좋겠네요.

 E61 그룹헤드는 이제 특허도 만료되어 다양한 머신 업체에서 독자적으로 변형시킨 E61 그룹헤드(ECM, Kees Van Der Westen 등) 들이 많이 유통되기도 하지만, 기본적인 메커니즘은 아직까지 적용되는 부분이 많은 정도로 재미있는 부분이 많습니다. 

E61_drawing_850.jpg

E61 그룹헤드의 특허 문서(Alternately seating valves, 1961년 출원)


 최초의 E61 그룹헤드의 특허 문서(Alternately seating valves, 1961년 출원)에서 보여지는 구조는 우리가 잘 알고 있는 에스프레소 머신인 e61 모델의 상용화 버전과는 제법 다른 내부 구조를 갖추고 있습니다.


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출처 : http://www.kaffee-netz.de/espresso-und-kaffeemaschinen/17584-maltoni-collection-intergastra-i.html


 Enrico Maltoni 의 저서 "FAEMA Espresso: 1945 - 2010" 에서는 Feama e61 머신이 출시되기 이전 1959 년 Termo Rimessa Regolata(Thermo Storeroom Adjusted)이란 설명과 함께 현재 e61 머신의 이전 모델로서 "Tartaruga" 라는 모델이 먼저 소개됩니다. 정확한 정보가 없어 확신은 힘들지만, 이 당시 Tartaruga e61 머신은 사실 HX 의 구조를 갖지 않았을 가능성도 있습니다. 특허 문서상에서는 HX 구조에서 보이는 유입-배출의 순환 구조가 그룹헤드 상태에서 보이지 않고 지금보다 훨씬 큰 그룹헤드 챔버로 보아 보일러와 직접적으로 연결된 침출형 헤드 구조를 갖추고 있었을 것으로 추정해봄직 하죠. 물론 정확하지는 않습니다.


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라심발리의 hx 구조 특허 : 1961년


 재미있게도 61년 당시 동일한 해에 열교환 방식(HX)의 특허를 먼저 갖춘 것은 경쟁사 라 심발리였(La Cimbali)습니다.(1995년 이후 두 회사는 합병되었습니다.). 당시의 개념은 지금의 라 심발리의 침출식 HX 구조와 크게 다르지 않을 정도로 라 심발리의 트레이드 마크가 된 듯 보이기도 합니다. 추출 사이즈가 챔버 사이즈에 의존하는 당시 레버 머신들을위한 특징도 살펴 볼 수가 있습니다. 추출을 위한 신선한 물을 공급하는 방식과 더불어 추출 온도를 적정 수준으로 안정화 시키기 위해 열교환 방식과 그룹헤드 온도 제어를 모두 달성하려는 노력들이 당시에 많은 회사들에서 연구된 것을 알 수 있는 대목이기도 하구요.


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출처 : Flickr user Ciccio Pizzattaro


 여튼 FAEMA 는 초기 인퓨전 방식으로 특허를 획득하고 지금도 잘 알려진 FAEMA E61 모델을 출시하게 됩니다. 열교환 방식(HX)으로 그룹헤드 온도를 유지하는 써모 싸이펀(thermo syphon) 방식은 몇가지 방식에서 장점이 있었습니다. 자연적인 물의 대류를 이용해서 그룹헤드의 온도를 유지할 수가 있었고, 열교환기를 갖춘 방식 덕분에 신선한 물을 유입시켜 추출에 활용할 수 있었던 점도 특징 중 하나였습니다.


 간략히 도해하자면 하단의 그림과 같은데, 열교환기는 결국 중탕 가열방식으로 가열되는 작은 챔버이며, 가열된 물은 대류 현상에 의해 그룹헤드까지 순환계를 형성합니다. 결국 열교환기에서 뜨거워진 물은 e61 그룹헤드의 상단 파이프로 들어가고, 금속재질의 그룹헤드에 뜨거운 열을 전달한 뒤 온도가 낮아진 물은 비중의 차이로 인해 아랫쪽으로 빠져나옵니다. 이러한 현상들이 지속적으로 이루어지면서 그룹헤드 온도를 보일러의 온도만큼은 아니지만 일정한 온도로 유지하게 됩니다. 


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출처 : http://www.home-barista.com/andreja-buyers-guide_files/image009.jpg


 써모 싸이펀은 결국 보일러의 물과 그룹헤드가 열평형에 도달하기 위한 쉼없는 움직임이라고 요약이 가능한데, 여기서 써모 싸이펀의 순환 속도는 결국 그룹헤드의 온도에 영향을 미칩니다. 그룹헤드의 온도는 또다시 커피의 추출온도에 관여하게 되죠.

 

 일반적인 스팀 보일러 내부의 온도는 2.1 기압에서 2. 8 기압 정도입니다.(평소 우리가 보게 되는 게이지상의 압력은 대기압을 제외한 온도죠.) 이 상태의 보일러 내부의 온도는 섭씨 121도에서 131도 정도구요. 일반적으로 에스프레소 추출온도가 섭씨 88 ~ 95 도 사이가 권장된다고 할 때 써모 싸이펀의 순환 속도는 기본적으로 추출 온도에 있어서 중요한 토대를 제공합니다. 보일러 내부의 가열수가 그룹헤드로 온도를 전달하는 써모 싸이펀 순환 속도에 따라 그룹헤드 온도 역시 크게 영향을 받게 될 수 밖에 없는데 이를 위해 머신 제조사들은 몇가지 방식을 통해 써모 싸이펀의 순환 속도를 조절하는 방식을 취합니다. 그 중 하나는 고정형 저항체(오리피스)를 사용하는 방식이고 또 하나는 가변형 저항체를 사용하는 방식이죠. 


 269_FAEMA03_1.jpg269_T_syp01_1.jpg  

출처 : http://www.home-barista.com/espresso-machines/source-for-faema-thermosyphon-restrictor-valve-t4815.html


 FAEMA 의 머신들처럼 써모 싸이펀 구조를 사용하는 머신의 경우 위 사진처럼 써모싸이펀 속도를 인위적으로 조절하는 방법을 선택하기도 하고, (e61 그룹헤드는 아니지만) Nuova Simonelli 같은 머신의 회사처럼 고정형 저항체를 사용하기도 합니다. 특히 지클러라고 불리는 저항체들은 에스프레소 머신 내부의 배관이나 특정 구간에서 다양한 이유로 적용이 되는데 특히 열교환 방식머신에서 써모싸이펀 구간에 저항체들이 삽입 될 경우 써모 싸이펀 순환속도에 영향을 미친다고 볼 수 있겠습니다.  


  앞서 언급했다시피 써모싸이펀의 순환속도는 기본적으로 그룹헤드의 온도를 유지하지만, 그룹헤드의 온도가 전적으로 써모싸이펀 순환속도에 의존하는 것은 아닙니다. 써모 싸이펀의 순환속도는 일반적으로 추출 상태가 아닌 유휴 상태에서 그룹헤드의 온도와 열교환기 까지의 순환계 내부의 물의 온도에 관여하게 되며 실제 추출 온도는 펌프로부터 유입되는 물의 온도 특성과 외부로 잃게 되는 그룹헤드의 온도, 그리고 써모 싸이펀 내부의 온도 분배, 열교환기 내부의 인젝터와 저항체 등과 모두 유기적으로 얽혀있는 일종의 논리 로직에 가깝습니다.   

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 써모 싸이펀 변수 요약(E61 그룹헤드는 아닙니다만, 참고용으로)


굉장히 복잡한 구조이며, 외부 환경의 변수도 많이 받는 만큼 e61 그룹헤드와 같은 계열의 HX 써모 싸이펀 머신들에게는 어려운 부분이기도 한데, 간단히 요약하자만 위 그림의 숫자 정도에서 추출 온도에 관여하는 변수들을 이해하시는 것이 개념을 잡으시는데는 도움이 될 지 모르겠습니다.

 1번 구간은 그룹헤드로 유입되는 부분, 2번 구간은 그룹헤드에서 나오는 부분, 그리고 4번 구간은 써모 싸이펀을 위한 별도 Ristrictor(잠정), 3번 구간은 추출시 HX 내부로 유입되는 찬물의 위치 조절을 담당하는 인젝터가 되겠습니다.


 각각의 부분에 존재하는 저항들과 인젝터의 위치로 인해 써모 싸이펀의 전체적인 순환 속도와 그룹헤드의 온도가 잠정적으로 결정되고, 이어 펌프작동시 열교환기 내부의 인젝터의 위치가 유입되는 교환기 내부의 물과 섞이는 위치를 결정합니다. 이로 동시에 1, 2번의 지클러 구경들은 두 배관을 통해 포터필터로 들어가는 물의 양을 조절하게 되고 두 배관을 통해 적절히 조합된 (Mixing)된 물과 그룹헤드의 온도가 최종 추출되는 물의 온도를 결정합니다.  


※ 상기 도식은 써모 싸이펀 구조를 단순화한 도식으로 머신 브랜드와 모델 마다 각기 상이한 구조를 취할 수 있습니다. 

 

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키스 반더 웨스턴의 써모 싸이펀 구조 설명 장면

  

 사실 e61과 같은 써모싸이펀 구조는 굉장히 환경의 영향을 많이 받을 뿐더러 특정 부분의 조절은 전체적인 머신의 온도에도 많은 영향을 미칩니다. 꽤나 까다로운 구조이며, 이러한 구조 덕에 동일한 e61 그룹헤드를 가진 에스프레소 머신들이라도 각기 다른 온도 특성들을 보여주기도 합니다. 


 흔히 짧은 유휴기간에도 Water Dancing 이라고 하는 부글거리는 열수를 추출 초기에 내뿜는 머신들은 써모 싸이펀 주기가 짧은 경우가 많은 동시에 추출온도 회복력이 장점을 보일 수 있습니다. 반면 안정적인 써모 싸이펀 온도 유지 구조를 가진 머신의 경우에는 그룹헤드의 온도 회복력에서 보다 오랜 시간이 소요될 수도 있죠. 하지만 이 역시도 상기한 다양한 변수 아래에서 각기 다른 성향의 온도상태를 보일 수도 있습니다. 극단적으로 온도 회복력이 낮은 써모싸이펀 구조의 머신들에서는 얼음물로 그룹헤드를 식혀버리면 써모 싸이펀이 멈춰버리는 현상도 볼 수 있습니다. 


 가장 이상적인 방법으로는 현재의 추출 환경에서 전체적인 추출 온도를 유지하기 위한 여러가지 세팅들을 통해 효과적인 추출 온도와 그룹헤드 온도 유지에 한발 더 다가가야 한다는 거겠죠.   


 쉽게 설명하고 싶었지만, 다양한 오류가 있을 수도 있습니다. 혹시나 잘못된 내용이 있다면 정중히 지적 부탁드립니다. 



댓글 '6' ※ 태그 기능 : "@닉네임"(회원만 해당)

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JaehyunKo +

참 대단합니다. 어떻게 이런 구조를 생각했는지...
HX머신의 온도 컨트롤로 요즘 머신과 밀당(?)을 하고 있는데,
시간이 지날 수록 사랑에 빠져버리는 것 같군요..ㅡ,.ㅡ;;;
미운 감정이 시간이 지나니 슬슬 애정으로 변하는 ㅋㅋㅋ
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서리 +

저도 기회가 되면 소형 E61 HX 머신을 들여볼까 호시탐탐 기회를 노리고 있습니다.
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Harry +

감사합니다 고객님. 오늘 발송하도록 하겠습니다.
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hansing80 +

지금 생각해도 hx와 e61헤드의 조합은 멋진 아이디어인것같습니다..
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서리 +

네 동감합니다 ^^
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비선형 +

이 구조는 아직 제게 어렵지만 글이 많은 도움 되었슺니다 감사합니다~
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