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레티나 에어 밸브 RETINA AIR VALVE

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비다스테크 레티나 시리즈의 에어 밸브! 기존의 커피 머신 진공 방지 밸브의 내구성과 성능을 개선한 진공 방지 밸브이다.

에어 밸브 Air valve란?

에어 밸브 Air valve - 공식 영어 명칭은 Anti-Vacuum valve 진공 방지 밸브이다. 최근 어려운 말 대신 스팀 보일러의 숨구멍 역할을 한다고 하여 에어밸브 Air valve로 표기되고 있다.
에어 밸브 장착 모습
우리가 흔히 말하는 버큠 밸브, 진공 밸브. 커피 머신 스팀보일러의 숨구멍 역할을 하여 스팀 보일러 내부 진공을 방지하고 적절한 스팀 압, 스팀보일러 온도를 생성할 수 있게 도와주어 에어 밸브 Air valve, 진공 방지기 Vacuum breaker, 진공 방지 밸브 Anti-Vacuum valve라고 한다.
커피 머신을 사용하지 않아 전원을 끈다면 스팀 압(수증기 압)으로 가득 차 있던 스팀 보일러는 내부 온도가 낮아지며 수증기가 물로 상변화 되고 수증기가 있던 빈 공간에 진공이 형성되게 된다.
팽창 압력을 견디게 설계된 스팀보일러 내부에 진공 압력이 생성되면 수축 압력에 약한 특성상 스팀 보일러가 파손될 위험이 있어 에어 밸브가 필요하다고 흔히 알고 있을 것이다. 그러나 에어 밸브의 역할은 진공을 방지하기 위함만이 아니다. 진공을 방지하는 것 외에 에어 밸브가 필요한 이유는 무엇일까?
에어 밸브는 커피 머신을 다시 동작시켜 가열 과정에 들어갈 때 또 한 번 중요한 역할을 하게 된다. 머신이 꺼지고 스팀 보일러가 식으면서 내부 압력이 대기압과 같거나 이하로 내려가게 되면 에어 밸브가 열리고 밸브를 통해 대기 중 공기가 스팀 보일러 내부로 들어오게 된다.
머신을 다시 작동시켜 스팀 보일러가 가열되며 물이 끓고 적정온도에 도달하며 내부에 수증기압이 가득 차야 한다. 하지만 스팀 보일러 내부에 공기가 남아있는 상태로 계속 가열이 된다면 내부에 남아있던 공기가 열에 의해 먼저 팽창하여 적절한 수증기압이 생성되지 않거나 설정온도에 도달하지 못했음에도 머신은 준비가 완료되었다고 판단하게 된다. 바리스타는 머신이 준비되었다고 인식하고 에스프레소를 추출하거나 스티밍을 하려 할 것이다. 하지만 추출 수의 온도가 설정온도에 도달하지 못했기 때문에 에스프레소 추출이 제대로 되지 않을 것이고 스팀 밸브를 여는 순간 스팀 압은 급격하게 떨어지며 스티밍을 할 수 없을 것이다. 혹은 머신이 설정 스팀 압을 생성하기 전에 과압으로 인해 안전 밸브가 작동하게 되는 일이 발생할 수 있다.
이러한 현상을 방지하기 위해선 스팀 보일러 가열 시 내부의 공기가 밖으로 빠져나가야 하는데 스팀보일러 가열 시 스팀 밸브를 열어주거나 온수 출수를 하며 내부 공기를 빼주는 방법이 있다. 하지만 이는 에어 밸브가 있다면 굳이 하지 않아도 되는 행위이다. 에어 밸브가 있음으로써 스팀보일러 내부에 있던 공기가 충분히 다 빠져나가며 수증기가 생성되고 자연스럽게 밸브가 닫혀 스팀 보일러가 밀폐상태가 되면 우리가 원하는 수증기압, 온도를 달성할 수 있게 된다. 이렇게 스팀보일러 내부 진공을 방지하고 적절한 온도, 수증기압이 생성될 수 있도록 도와주는 역할을 하는 것이 에어 밸브이다.
에어 밸브와 안전 밸브는 다르다. 에어 밸브 Air valve - NO (Normally Open) 스팀보일러 상단에 위치하여 대표적으로 스팀보일러 내부 진공을 방지해 주며 숨구멍 역할을 한다. 안전 밸브 Safety valve - NC (Normally Closed) 스팀 보일러 상단에 위치하여 스팀 보일러의 과압을 방지하기 위해 스팀 보일러 내부에 일정 압력 이상이 형성되면 작동한다.

에어 밸브 구조

에어 밸브는 흔히 바디-핀-오링-가스켓-캡으로 이루어져 있으며 바디만 있는 제품도 있다. 또한 온도에 따른 스프링의 장력을 이용하여 개패 동작하는 밸브도 있다.

비다스테크는 에어 밸브를 왜 만들었을까?

부식된 핀과 오링
기존 대부분의 에어밸브는 동을 사용하여 제작되었고 테프론 가스켓과 오링, 핀을 이용하여 밀폐하고 있었다. 대체로 오링의 두께가 얇았으며 재질 또한 고무 오링을 사용하기도 하여 부식에 약하고 스케일 또한 많이 발생하였다. 또한 오링이 끼워져있는 핀과 본체가 전체적으로 스케일에 취약한 재질이며 작은 틈 사이에 스케일이 고착되어 밀폐력을 유지하지 못하여 스팀이 누설되거나 밸브 핀이 제자리를 찾지 못하고 삐뚤게 구멍을 막아 밀폐가 안 되는 상황들이 발생하였다.
기존 에어 밸브는 사용 환경에 따라 대략 1~2년 안에 문제들이 발생하였고, 에너지 절약을 위해 머신을 자주 껐다 켰다 하는 매장이나 가정에서 사용하는 머신의 경우 교체 주기가 더욱 짧았다. 대부분 에어 밸브의 문제 원인은 스케일에 의한 부식, 막힘 현상이다. 사용 환경에 따른 빠른 교체 주기로 사용자의 불편함이 있었고 교체 또한 스케일로 인해 작업에 어려움이 있었으며 스케일 제거 혹은 일부 부품 교체만으로 해결하기 힘들어 대부분 새로운 제품을 사야 했다. 또한 대부분의 에어 밸브는 개방형으로 머신 ON/OFF 시 지속적인 수증기 발생과 물 튀김으로 인해 머신 내부에 습기가 발생하고 전자 장비의 오류, 보일러 단열재의 성능 저하 등 고장을 야기하였다.
최근 전 지구적 에너지 절약이라는 트렌드 하에 매장 마감 시 머신을 끄고 가는 매장들이 많아지고 가정용 머신의 수요가 늘어나며 머신 ON/OFF 빈도수가 증가함에 따라 그에 맞춰 내구성과 성능이 향상된 에어 밸브가 필요해졌다.

레티나 에어 밸브, 무엇이 다른가!

기존 에어밸브의 문제점들을 개선하고자 가장 먼저 내구성에 대해 생각해 보았다. 대부분의 에어 밸브의 경우 저렴한 가격의 제품들은 모두 동을 사용하여 제작하고 있었으며 비교적 가격이 있는 제품들도 동과 스테인리스를 병합하여 사용하고 있었다.
일반 에어 밸브
우리는 전체적인 내구성, 내부식성을 강화하고자 STS316으로 제작하였고 얇은 오링의 내구성을 향상하기 위해 보다 두꺼운 오링을 사용하며 단순하고 쉽게 밀폐될 수 있는 구조를 적용하였다
레티나 에어 밸브
스케일이 고착되기 쉽고 밀폐가 안 될 수도 있는 구조를 가진 핀 대신 스케일에 강하고 밀폐가 잘될 수 있도록 을 사용하였다. 또한 비다스테크의 에어 밸브는 배수형으로 상단의 피팅에 호스를 연결하여 스팀보일러 가열 시 발생하는 수증기, 물 튀김으로 인한 머신 내부의 습기, 부식에 의한 고장을 방지하고 머신 OFF 시 열려있는 밸브를 통해 이물질이 들어가는 것을 방지할 수 있다.

레티나 에어 밸브

에어 밸브의 수명을 증가시키기 위해 기존에 사용된 테프론 가스켓, 오링, 핀을 개선하며 부품 수를 줄여보고자 하였다. 에어밸브 동작 시 패킹이 되기 위해서는 오링은 필수적으로 있어야 하는 요소이기 때문에 두꺼운 실리콘 오링을 사용하며 테프론 가스켓을 없애고 오링의 수명을 증가시키며 최소한의 부품으로 밀폐를 시키는 방향으로 1차 설계를 진행하였다.
에어 밸브 핀은 각진 모양과 습기가 닿는 면적이 많은 구조로 되어 있었기 때문에 스케일이 고착될 공간이 많았다. 습기가 닿는 면적을 최소화하고 오링 사이에 밀폐가 잘 되도록 핀 대신 볼을 사용하기로 하였다.
(좌) 기존 오링 (우) 레티나 에어 밸브 오링
(좌) 에어 밸브 핀 (우) 테프론 볼
기존 에어 밸브와 같이 바디 하단에 한 개의 숨구멍이 있으면 머신을 OFF 하였을 때 볼에 의해 숨구멍이 막혀버리기 때문에 새로운 구조를 적용해야 했다.
숨구멍을 막지 않기 위해 원형 배열된 구멍 3개를 적용하고 기존 핀보다 훨씬 가벼운 테프론 볼이 쉽게 밀려 올라가 밸브가 닫힐 것을 우려하여 테프론 볼이 움직일 수 있는 공간을 최대로 하여 테스트를 진행하기로 하였다.
1차 테스트에서 단순히 오링을 에어 밸브 캡과 바디 사이에 집어넣어 맞물리게 한다면 손쉽게 밀폐가 가능할 것으로 생각하였다. 그러나 1차 테스트는 대실패! 에어 밸브 캡과 바디의 좁은 공간으로 오링을 완전히 밀착시키는 것은 어려움이 있었다. 탄성이 있는 오링을 지지할 수 있는 공간이 많지 않아 제대로 자리를 잡지 못하고 찌그러지거나 밀려 나가는 현상이 발생하였다. 바디 쪽에 작은 오링을 하나 더 끼우거나 운 좋게 오링이 자리를 잡는다면 밀폐가 가능했지만 그건 운이 좋아야 했기 때문에 구조변경이 필요했다.
1차 테스트 샘플
1차 샘플에서는 테프론 볼이 가볍지만 생각보다 금방 막히지 않아 바디 내부에 공간을 더 줄여도 된다는 결과를 얻을 수 있었다. 1차 샘플의 문제를 개선하고자 에어밸브에 오링을 끼울 수 있는 자리를 만들기로 하였지만 오링 하나로 밸브를 완전 밀폐를 시킬 수 있을까에 대해 의문이 들었다.
2차 테스트 샘플
우리는 에어 밸브 상단에 피팅을 연결하여 배수형 에어 밸브를 만들고자 하였기 때문에 에어 밸브 캡 상단에 9mm에 달하는 나사 구멍이 있어야 했다. 이 때문에 에어 밸브 바디에 오링 자리를 만들어서 캡과 바디를 꽉 잠근다고 하더라도 1차 샘플과 마찬가지로 캡에서 오링을 지지할 수 있는 부분이 매우 적어서 패킹이 되지 않거나 누설이 될 상황이 우려되었다.
결국 완벽한 밀폐를 위해서 캡에 테프론 가스켓을 추가하기로 하였고 테프론 가스켓과 실리콘 오링이 함께 체결되며 더욱 안정적이고 밀폐성도 향상될 것으로 생각하였다. 또한 바디에 오링 자리를 만들며 내부 공간을 줄이고 조금 더 강한 힘으로 볼을 밀어내기 위해서 숨구멍의 사이즈를 1차 테스트의 절반으로 줄였다.
2차 테스트 결과 실리콘 오링과 테프론 가스켓의 이중 밀폐로 밀폐력은 아주 향상되었다. 하지만 1차 샘플에서 단순히 내부 공간이 넓고 바람이 밀어내는 힘이 약해 밸브가 못 닫힌다고 생각하여 공간과 숨구멍의 사이즈를 줄였다. 그러나 단순히 힘이 부족해서 테프론 볼을 못 밀어내는 것이 아니라 공기가 빠져나가면서 테프론 볼을 감싸 평행 상태를 이루어 닫히지 못하고 중간에서 계속 맴도는 것이었다.
어떻게 하면 문제를 해결할 수 있을까 고민 중 샘플 제작 과정에서 중심이 틀어져 숨구멍이 한쪽으로 치우친 불량 샘플이 있어 사용하여 테스트하였더니 중간에서 맴도는 현상 없이 밀폐가 잘 되는 것을 확인할 수 있었다.
불량 샘플
2차 테스트를 통해 밀폐성을 검증하고 볼이 중간에서 계속 헛도는 현상이 있었지만 해결 방법을 찾아 내구성 테스트를 진행하였다. 에어밸브의 특성상 상시 머신을 켜놓고 있다면 문제가 될 부분이 없지만 최근 에너지 절약을 위해 매장 마감 시 머신 OFF 혹은 가정에서 사용하여 자주 머신을 껐다 켰다 하는 경우 문제가 발생할 확률이 높다. 그렇기 때문에 자주 껐다 켰다 하는 상황을 가정하여 아두이노를 사용하여 900번 이상의 머신 ON/OFF 상황을 시험하였다. 에어밸브의 테프론 볼, 오링, 밸브, 밀폐력 모두 이상이 없는 것을 확인할 수 있었다.
레티나 에어 밸브 수명/성능 테스트 프로토콜
레티나 에어 밸브 스팀 누설 체크
최종 테스트 샘플
그러나 기존 진행 방향이었던 원형 배열된 숨구멍은 채택할 수 없고 다른 방향을 찾아야 했다. 원형 배열이 틀어진 샘플에서 착안하여 편심 원으로 한 개의 큰 구멍을 뚫는다면 하나의 구멍으로도 머신 OFF 시 볼에 의해 숨구멍이 막히지 않고 볼의 평형상태를 방지할 수 있을 거라 생각하였다.
마침 여분으로 받았던 에어밸브 바디에 숨구멍이 뚫려 있지 않은 것이 있어 직접 편심 원 1개를 뚫어 바로 테스트하였고 결과는 아주 만족스러웠다. 2차 테스트 때 작은 숨구멍에 혹시 스케일이 낄 수 있지 않을까 하는 걱정도 있었지만 편심원을 채택하면서 스케일에 의한 막힘도 걱정이 없어지고 자연스러운 밸브가 개폐가 가능했다.
성능에 대한 테스트는 대부분 마무리가 되었지만 이 에어밸브가 가정용, 상업용 머신에 모두 적용되어 사용될 수 있도록 밀폐되는 시간의 조절이 필요했다. 스팀보일러 히터 출력이 약한 가정용 머신에는 가벼운 테프론 볼을 사용하더라도 너무 이른 시간에 밸브가 닫히지 않지만 2그룹 3그룹 머신들은 상황이 다르다.
대용량 스팀 보일러를 사용하는 경우 가정용 머신보다 스팀보일러 내부의 공기를 배출하는 양이 많고 압력이 셀 것이기 때문에 밸브가 닫히는 시간을 조금 더 늘릴 필요가 있다고 판단하였다. 밸브가 닫히는 시간을 늘리기 위해 테프론 볼보다 무거운 스테인리스 볼을 사용하기로 하였다.
볼의 사이즈와 무게에 따른 밀폐 시간
레티나 에어 밸브
비다스테크의 에어밸브는 상황에 맞게 테프론 볼과 스테인리스 볼을 사용할 수 있으며 볼의 재질과 크기, 무게를 변경하여 밸브가 닫히는 시간을 조절할 수 있다.

레티나 에어 밸브 VS 기존 에어 밸브

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