직냉식 냉장고의 과냉각 저장을 위한 항온 특성 개선 연구

직냉식 냉장고는 3°C에서 -25°C까지의 범위의 온도를 설 정할 수 있는 다목적냉동고(BD-320, Zhejiang Xingxing Home Appliance Co. Ltd., Zhejiang, China)를 사용하였 다. 직냉식 냉장고 내부 상단 냉각코일 인근과 바닥면의 온도를 테프론 코팅된 지름 0.12 mm의 K타입 열전대(K- 12-TE, Delta Ohm, Sungnam, Korea)를 이용하여 측정 하였다. 측정된 온도는 자동기록장치(ALMEMO 5690-2, Ahlborn, Holzkirchen, Germany)를 통해 10초 간격으로 저장하였다.

직냉식 냉장고의 실내온도를 측정하는 센서는 상단 냉각 코일과 떨어져 있으며, 이 위치의 온도를 기준으로 냉동기 의 가동과 정지를 설정하게 되어 있다. 이렇게 냉동기가 가동하고 정지할 때의 온도 변화를 완화하기 위해 열역학 에서 온도 변화의 단열재 투과(penetration of temperature oscillation)에 대한 부분을 참고하였다(Kittel and Kroemer, 1980).

직냉식 부분의 온도변화를 편의상 사인파 형태로 생각하 면 다음과 같이 표시할 수 있다. Re는 실수부(real part)를 의미한다.

여기서 T(0, t)는 직냉식 부분의 시간에 따른 온도이며, ω 는 사인파의 각속도(angular frequency), t는 시간을 나타낸 다. 두께 x의 단열재를 통과했을 때의 온도 T(x, t)는 파수 벡터(wave vector) k를 이용하여 다음과 같이 표시된다.

열확산방정식(diffusivity equation) $\text{D}{\nabla }^2\text{T}\hspace{0.17em}=\hspace{0.17em}\partial \text{T}/\partial \text{t}$ 에 대 입하면 k와 ω는 다음의 관계를 갖는다.

k = i^1/2(ω/D)^1/2를 (2)에 대입하면 단열재를 통과했을 때의 온도는 다음과 같다.

${\text{i}}^{\text{3/2}}\hspace{0.17em}\text{=}\hspace{0.17em}\text{±}\left(\text{i-1}\right)\text{/}\sqrt{\text{2}}$ 이나, 두께 x의 단열재를 통과했을 때 온 도편차가 기하급수적으로 증가하는 것은 물리적인 의미가 없으므로, ${\text{i}}^{\text{3/2}}\hspace{0.17em}\text{=}\hspace{0.17em}\left(\text{i - 1}\right)\text{/}\sqrt{\text{2}}$ 를 이용하면 다음과 같이 정리된다.

여기서 감쇠항 ${\text{e}}^{\text{-}{\left(\text{ω/2D}\right)}^{\text{1/2}}\text{x}}$ 이 온도 변화 진폭을 감쇠하는 역할 을 하므로, 열확산률 D, 각주파수 ω에 따라 온도변화를 줄 일 수 있는 두께 x를 산출할 수 있다.

사용 중인 직냉식 냉장고의 냉동기가 2500초 간격으로 동작하고, 직냉 부위의 온도편차가 약 10°C일때 온도편차 를 압출 스티로폼(extruded polystyrene)을 이용하여 1/10로 줄이려고 하였다. 압출 스티로폼은 제조방법에 따라 열전 도도는 1부터 3×10⁻³ [W/(m·K)]로 편차가 크다(Vo et al., 2011). 압출 스티로폼의 밀도와 비열 또한 28-77.8 [kg/m³], 1280-5350 [(W· s)/(kg·K)]로 넓은 편차를 갖고 있다(Al- Ajlan, 2006; Han et al., 2013; Aksit et al., 2019). 열확산 률 D는 열전도도 λ, 밀도 ρ, 비열 C_p와 D = λ/(ρ·C_p)의 관 계를 갖는데, 이러한 열전도도와 밀도, 비열 범위를 고려할 때 압출스티로폼의 열확산률은 제조방법에 따라 0.0072- 27.9 [mm²/s]의 넓은 범위로 나타날 수 있다. 핵 반응로와 관련된 단열재 정보에 따르면 압출 스티로폼의 열확산률은 0.026 [mm²/s]으로 제시되고 있는데(Nuclear-power.net), 이 값과 각주파수 ω = 2πf = 2π/2,500 [s⁻¹]를 (5)의 감쇠항에 적용하면 두께 x는 다음과 같이 계산된다.

마찬가지의 방법으로 온도편차를 1/100으로 줄이려면 사 용하는 압출 스티로폼의 두께는 다음과 같다.

직냉식 냉장고 상부 냉각코일 인근의 온도편차를 단열재 를 이용하여 완화하였다면, 이제는 냉장고의 냉각코일 인 근과 바닥면의 온도 편차를 줄여야 한다. 냉각코일을 냉장 고 상부에만 위치하지 않고 내벽에 고르게 배치한 경우 이 러한 편차가 없을 수 있으나, 일부 브랜드를 제외하고 대 부분 상용 냉장고는 상부에만 냉각코일이 위치하여 온도 불균형이 생긴다.

직냉식 냉장고의 냉각코일 인근과 바닥면의 온도 최저값 편차는 약 7°C 정도였다. 압출 스티로폼 단열을 내벽에 1 cm로 처리했을 때의 냉각코일 인근 평균온도가 -3°C에서 -1.5°C로 1.5도 상승하였기 때문에 벽면의 전도체를 보강하 여 7°C의 온도편차를 1.5°C 수준으로 낮추려고 하였다.

일반적으로 냉장고 내벽은 철재나 스테인리스를 적용하 는 경우가 많으며, 스테인리스 2 mm를 사용한 직냉식 냉 장고의 온도차이를 줄이기 위한 알루미늄 전도체의 두께를 계산하였다. 온도차이는 열전도도와 거리, 면적과 다음의 비례관계를 갖는다.

스테인리스는 크롬계 스테인리스에서 니켈이 포함된 스테 인리스까지 13.4-48.9 [W/m·K]의 범위의 열전도도를 갖고, 알루미늄은 237 [W/m·K]의 열전도도를 갖는다(Bergman et al., 2011). 냉장고 내부가 도장되어 있기 때문에 저렴한 스테인리스를 사용했다고 가정하고 몰리브덴을 함유한 크 롬계열 열전도도인 42.3 [W/m·K]을 적용하였다(Bergman et al., 2011). 거리와 폭은 동일하며, 스테인리스 2 mm 두 께로 7°C의 온도편차가 생겼을 때 온도편차 1.5°C를 만드 는 알루미늄의 두께는 다음의 비례식으로 계산할 수 있다.

즉, 저장고 내부의 온도편차를 줄이기 위해서는 1.67 mm 두께의 알루미늄을 적용하면 되며, 편의상 2 mm 두께 의 알루미늄을 적용하였다.

절임배추는 재료의 세척과 절임방법 등에 따라 호기성 미생물의 농도가 달라지기 때문에 저장에 사용할 절임배추 를 구매하여 핵형성온도와 동결점을 측정하였다. 절임배추 는 해남의 땅끝마을 영농조합에서 ‘남도장군’ 월동배추 품 종에 대해 10 kg 단위로 LDPE필름으로 속포장 되어 있으 며, 외부에는 골판지박스로 포장된 제품을 구매하여 사용 하였다. Kim et al. (2018)이 사용한 방법과 같이 품온이 챔버온도 변화를 따라갈 정도의 시간으로 온도를 낮추며 절임배추의 품온을 측정하였으며, 핵형성에 따라 온도가 상승하기 직전의 온도를 핵형성온도, 잠열방출로 온도가 상승하며 일정하게 유지되는 온도를 어는점으로 분석하였 다. 10 kg 2박스에 대한 절임배추의 냉동곡선을 분석한 결과 핵형성온도는 -2.8°C, -2.5°C로 측정되었고, 어는점은 -0.4°C, -0.5°C로 측정되었다(Fig. 1). 시료의 부피를 고려하 여 온도를 천천히 내렸기 때문에 측정에 15일 이상 소요 되었다.

핵형성 온도가 -2.5°C 인근으로 나타나므로, 직냉식 저장 고의 보관 온도를 -2°C를 기준으로 하였고, 2주 간격으로 10주간 품질조사를 하였다.

절임배추의 당도 및 염도, 환원당, 산도, 경도, 색도를 조 사하였다. 절임배추를 마쇄한 뒤 착즙액에 대해 당도는 디 지털 굴절당도계(RX-5000a, Atago Co.)로 염도는 디지털 염도계(ES-421, Atago Co.)를 이용하여 측정하였다. 환원당 은 착즙액 5 mL를 3000 rpm에서 20분간 원심분리한 뒤 상등액을 50배 희석하여 dinitrosalicyclic acid (DNS)법으 로 측정하였다. 적정산도는 착즙액 1 mL을 취하여 49 mL 의 증류수에 희석한 후 자동 적정기(Titro-Line 500, Si Analytics, Mainz, Germany)를 이용하여 pH 8.3이 될 때까 지 0.01 N NaOH 용액으로 적정하여 측정한 값을 lactic acid로 환산하였다. 경도는 안쪽 세번째 잎에 대해 두께 5mm 인근의 연백부를 지름 2 mm 프루브를 관통하는 방 법으로 통과시키는 방법으로 물성분석기(TA-XT2, Stable Micro System Ltd., Godalming, UK)를 이용하여 최대 힘 (N)을 측정하였다. 색도는 절인배추의 겉에서 3번째 잎의 안쪽 연백부를 색차계(CM-700D, Konica Minolta, Tokyo, Japan)로 Hunter L, a, b 값을 측정하였다. Hunter L, a, b 값은 명도(lightness)를 나타내는 L값, 적색도(redness)를 나타내는 a값과 황색도(yellowness)를 나타내는 b값 의미 한다.

절임배추에 대해 건조배지(Petrifilm AC/LAB/YM, 3M, Paul, MN, USA)를 사용하여 분석하였으며, 호기성 세균은 aerobic count (AC) 배지, 유산균은 lactic acid bacteria count (LAB) 배지, 효모 및 곰팡이는 yeast and mold count (YM) 배지를 이용하여 분석하였다. 시료는 배추 1/4 절단 크기로 절여진 절임배추를 마쇄한 뒤 20 g을 채취하여 180 mL의 멸균식염수(HAPS, Huko FS Co., Seoul, Korea)로 희석한 것을 기준으로 사용하였다. AC 배지와 LAB 배지 는 37°C에서 24-48시간, YM 배지는 25°C에서 72-96시간 배양하여 콜로니의 개수를 분석하였다.

모든 분석결과는 실험구당 3회 반복 이상 실험한 결과를 평균값과 표준편차로 나타내었으며 통계분석은 IBM SPSS Statistics (25, IBM Corp., Armonk, NY, USA)의 ANOVA test와 Duncan’s multiple range test를 통해 시료 간 유의적 차이(p<0.05)를 검정하였다.

온도편차가 크게 발생하는 직냉식냉장고에 단열재와 전 도체를 배치하여 냉각코일 인근과 바닥 면의 온도 편차를 ±0.3°C 이내로 줄일 수 있었다(Fig. 2). 이러한 실험은 냉 장고 내부가 비어 있는 상태에서 전도체와 단열재를 설치 하기 전과 후에 Fig. 3의 ①, ②와 같이 냉각코일 근처 측 면과 바닥면에 센서를 설치하여 측정한 결과이다. Fig. 2의 화살표는 단열재와 전도체를 Fig. 3과 같이 배치한 시점을 표시하며, 개선 전에는 0°C로 설정 시 최저온도 -9°C, 최 고온도 1°C로 진폭이 약 10°C였으나, 개선 후에는 동일 위 치의 온도편차는 ±0.1°C, 부위별 온도편차는 ±0.3°C로 유 지되었다. 재료 및 방법의 냉각코일 인근 온도편차 완화를 위한 계산에 따르면, 약 2 cm의 압출 스티로폼을 사용하 면 온도편차가 1/100로 줄어들기 때문에 10°C 진폭은 0.1°C 즉 ±0.05°C로 유지되어야 한다. 실제로 사용된 압출 스티로폼은 건축용으로 판매되는 일반적인 제품이어서 원 자로에서 사용하는 고급 제품과는 열확산률에서 10배 이상 차이가 있을 것으로 생각된다. 하지만, 냉동기의 운전 주기 가 2500 초였어도, 실제 온도가 급격히 변하는 부분을 사 인파 형태로 고려하면 주기는 1/10 정도로 짧아질 수 있기 때문에 이러한 오차가 상쇄되며 동일 위치의 온도편차는 ±0.1°C, 부위별 온도편차는 ±0.3°C로 목표 값에 근접하게 유지될 수 있었다.

절임배추의 핵형성 온도가 -2.5°C 인근으로 나타났기 때 문에 과냉각 상태로 저장하기 위한 온도를 -2°C로 결정하 였으나, 저장고에 설치된 온도센서는 Fig. 3에서와 같이 단 열재 내부의 벽면 중간에 위치하여 실제 저장고 내부 온도 를 대표하지 못한다. 이러한 이유로 저장고 내부의 온도보 다 낮은 온도로 설정온도를 수정하여야 했으며, Fig. 4의 화살표와 같이 5 차례 설정 온도를 수정하여 실내온도를 -2°C 인근에 유지되도록 실험하였다. 설정 온도는 -4°C에서 조금씩 낮추다가 -5°C에서 다시 올려 -4.6°C에서 최종적으 로 저장하였다. 2주 간격으로 품질조사를 위해 냉장고를 열었기 때문에 온도가 주기적으로 상승하였고, 품질조사가 끝난 이후에도 그대로 과냉각 상태로 얼지 않고 저장되는 것을 확인하였다(Fig. 4). 저장초기에는 상부 절임배추 박 스가 바닥 박스에 비해 천천히 냉각이 되어 상부 벽면의 온도가 다른 위치에 비해 약간 높게 측정되었으나, 상부 의 4박스가 품질조사로 사용된 저장 후기에는 상부의 온 도가 약간 낮게 측정되었다. 대조구 절임배추는 배추를 저장하는 2°C 저온저장고에 저장하였으며, ±2°C의 온도편 차로 온도 변화가 측정되었으나 일반적인 데이터이므로 생략하였다.

2°C 저장과 -2°C 과냉각 저장으로 구분하여 당도, 환원당, 염도, 적정산도, 경도 및 색도를 측정하였다(Table 1, 2). 배 추의 환원당은 김치 발효의 진행에 따라 유산균의 먹이로 사용되어 감소하고, 유산균의 양과 산도가 증가한다(Kim et al., 1994). 절임배추의 경우도 유산균의 증가에 따라 환원당 이 감소하고, 산도가 증가하는 특성이 나타나는데, -2°C의 과냉각 상태에서는 2°C 저온저장에 비해 유산균의 증식 속 도가 줄어들기 때문에(Table 3), 유산균의 먹이인 환원당이 더 높게 유지되고 산도도 느리게 상승하는 것을 확인할 수 있다. 이러한 환원당의 감소현상과 유사하게 가용성 고형분 도 과냉각 저장이 더 높게 유지되었다.

염도는 저장 중 통계적인 차이 없이 유지되었으며, 경도 의 경우 절여지는 시간에 수분이 손실되어 질겨지는 특성 이 나타났으나, 과냉각과 저온저장의 저장방법에 따른 차 이를 구분하기는 어려웠다. 절임배추 연백부의 색도는 Table 2와 같이 변화가 크지 않았으나, 육안으로 관찰시 잎사귀 부분의 갈변이 나타났다. 절임배추의 갈변은 염수 에 구연산 등을 첨가하여 지연시킬 수 있으나(Choi et al., 2015), 본 실험에 사용한 절임배추의 염수에는 구연산 처 리가 되어 있지 않아서 갈변이 진행된 것으로 판단된다.

Jeong et al. (2011)은 절임배추의 호기성 세균 농도가 7 logCFU/mL를 초과할 경우 상품성이 없는 것으로 판단하 였으나, 본 저장실험에서는 모든 처리구의 호기성세균 농 도가 6 logCFU/mL 보다 낮게 유지되었다. 특히 유산균과 효모가 증식하며, 2°C 저장의 절임배추의 호기성세균이 과 냉각 저장보다 낮아졌다. 호기성세균 농도가 기준보다 낮 다면, 절임배추의 저장기간은 김치를 담궜을 때 유산균 발 효에 영향을 주는 환원당의 농도를 기준으로 설정하는 것 이 바람직해 보인다.

본 실험에서는 절임배추에 대한 과냉각 저장효과를 분석 하였으나, 이러한 발효는 김치를 담근 뒤에도 동일하게 일 어나기 때문에, 항온특성을 개선하여 과냉각상태로 김치를 저장할 경우에도 발효를 지연시키는 효과가 있을 것으로 판단된다.