에스프레소 머신 구성요소 (1) 물, 보일러, 펌프
에스프레소는 압력을 가한 뜨거운 물을 커피층에 통과시켜 빠르게 추출하는 방법입니다. 좀 더 구체적으로는 섭씨 90.5~96도의 물을 8.5~9.5 Bar의 압력으로 가압한 후, 커피층에 통과시킵니다. 이번 포스팅에서는 이러한 압력과 온도를 만들어 주는 에스프레소 머신에 대해 알아보도록 하겠습니다. 에스프레소 머신 구성 요소 중 물과 보일러와 펌프부터 시작합니다.
글의 순서
에스프레소 머신 구성 중 가장 중요한 물 : 물통 또는 직수
보일러와 온도제어기
펌프 : 레버, 진동펌프, 회전펌프
에스프레소 머신 구성 중 가장 중요한 물 : 물통 또는 직수
에스프레소 머신 구성에서 가장 중요한 것이 물입니다. 에스프레소 머신에 물을 공급하는 방법은 두 가지로 나눌 수 있습니다. 하나는 에스프레소 머신이 물통을 가지고 있는 경우이고, 다른 하나는 에스프레소 머신에 수돗물을 직접 공급하는 방식입니다. 사용할 물의 양에 따라 이렇게 구분할 수 있습니다.
한 번에 만들어야 할 커피의 양이 맍지 않을 경우, 물통이 있는 에스프레소 머신을 쓰면 됩니다. 카페와 같이 계속 주문을 받아서 커피를 추출해야 하는 경우는, 당연히 수돗물을 직접 공급하는 것이 훨씬 유리합니다.
가정용으로 쓰는 머신일 경우, 물통에 직접 물을 넣을 수 있기 때문에, 물의 종류를 다양하게 할 수 있습니다. 수돗물을 직접 공급할 경우, 정수해서 사용해야 합니다. 에스프레소 머신 내부, 물이 지나가는 경로에 관석(Scale)이 생기기 때문입니다.
보일러와 온도제어기
에스프레소 머신 구성요소 중 가장 중요한 물을 데우는 역할을 하는 것이 보일러 입니다. 보일러는 가열도 하지만, 온도를 유지하는 기능도 가지고 있어야 합니다. 그래서 전열선을 이용한 히터와 히터 제어부가 함께 있는 형태입니다.
정밀하게 온도를 제어할 수 없었던 초기의 머신은 히터가 켜졌다, 꺼졌다 하면서 온도를 맞췄습니다. 그야말로 간단한 기계적인 온도조절 장치가 있었던 것입니다. 결과적으로 온도의 변화가 심했습니다. 요즘엔 온도제어기가 있어서, 원하는 온도까지 정밀하게 도달시킬 수 있고, 온도의 변화폭도 작습니다. 그래서, 훨씬 고품질의 에스프레소 커피를 만들 수 있습니다.
온도제어기는 크게 2가지로 구분할 수 있습니다. 기계적인 온도조절 장치 또는 PID 제어기입니다. 여기서, PID 제어기는 원하는 값과 현재 값의 차이를 줄여나가는 방식으로 제어하는 것입니다. 미리 설정한 온도가 있고, 현재의 온도를 설정 값과 비교해야하기 때문에, 보일러 안에 작은 컴퓨터와 온도계가 함께 들어있습니다. 컴퓨터는 매순간 측정한 물의 온도를 읽고, 설정해놓은 온도와 비교합니다. 두 온도간의 차이를 보면서 컴퓨터는 히터를 켜고, 끄는 과정을 반복하는 것입니다.
※ PID (proportional integral derivative control] 제어 : 기존의 ON, OFF 방식에 비해 정교해진 제어 방식을 말합니다. 일정 온도가 되었을 때 꺼지거나 켜지는 단순 제어 방식이 아닌 온도차나 온도의 상승과 하강, 시간 등의 요인에 비례하여 작동하는 보다 정교한 제어 방식입니다.
펌프 : 레버, 진동펌프, 회전펌프
에스프레소 커피는 9기압 정도로 압력을 가해 추출한 커피입니다. 이러한 압력을 만들어주는 것이 펌프입니다. 에스프레소 머신이 만들어졌던 초창기에는 피스톤이 달린 지렛대(레버, Lever)를 바리스타가 직접 물리적인 힘을 가해 압력을 만들어 냈습니다. 물론 요즘에도 레버로 직접 압력을 가하는 머신이 새로운 형태로 계속 나오고 있습니다.
기술의 발전으로 이 레버를 사용해서 압력을 만들어주는 방식을 전기 펌프가 대체하여 바리스타들의 일을 덜어 주었습니다. 에스프레소 머신의 전기펌프는 아래와 같이 두 가지 형태가 있습니다.
▶진동 펌프(Vibratory Pump)
피스톤의 진동에 의해 압력을 만들어주는 펌프입니다. 전류가 흐르는 코일 안에 자석이 달린 피스톤을 넣어 놓고 전류를 흘리면 자기장이 형성됩니다. 피스톤에는 자석이 달려있기 때문에 자기장이 형성되면 피스톤이 앞, 뒤로 움직이게 됩니다. 1초에 60회 정도의 전진과 후퇴를 반복합니다. 전자기적인 효과를 이용한 방식입니다.
▶회전 펌프 (Rotary Pump)
진동펌프가 전자기적인 효과를 이용해서 압력을 만들어내는 반면, 회전펌프는 순수하게 기계적인 방식입니다. 원반(Disc)에 베인(Vane)이라는 날개가 부착되어 있어, 원반을 분할합니다. 원반을 회전시키면 원반의 각 구역에 있던 물이 원심력을 받아 벽에 부딪히면서 압력을 만듭니다. 이렇게 압력을 받은 물은 물길을 따라 이동하게 됩니다.
진동펌프는 교환하기가 편리하고, 가격이 저렴한 편이며, 작은 크기의 에스프레소 머신에 적합합니다. 진동펌프는 소음이 상대적으로 큽니다. 만약 조용하며, 압력을 일관적으로 유지하고 싶고, 좀더 수명이 긴 펌프를 원한다면, 회전펌프가 적합합니다.
마치며 …
아메리카노와 같이 커피 전문점에서 파는 커피의 약 90% 정도는 에스프레소를 기반으로 하고 있습니다. 에스프레소는 섭씨 90.5~96도의 물을 8.5~9.5 Bar의 압력으로 가압한 후 커피층에 통과시켜 추출하는 방법입니다. 이번 포스팅에서는 이러한 압력과 온도를 만들어 주는 에스프레소 머신 구성요소 중 물, 보일러, 그리고 펌프에 대해 알아보았습니다.
에스프레소 머신 구성요소 중 가장 중요한 물을 공급하는 방법은 물의 양에 따라 자체의 물통을 이용하거나, 수돗물을 바로 연결해서 사용합니다. 이를 뜨겁게 만드는데는 전열선이 들어간 히터를 이용합니다. 물을 뜨겁게 한 후 섭씨 90.5~96도로 유지하기 위해서는 제어기도 필요합니다. 많은 에스프레소 머신에는 온도계와 제어기가 함께 들어있으며, PID 제어라는 기법을 이용해서 온도를 정밀하게 유지합니다.
커피층에 압력을 가하기 위해서는 지렛대의 원리를 이용한 레버를 사용하거나, 전기 펌프를 사용합니다. 전기 펌프의 형태는 진동펌프 또는 회전펌프로 구분됩니다. 진동펌프는 작은 크기의 에스프레소 머신에 적합합니다. 만약 조용하며, 압력을 일관적으로 유지하고 싶고, 좀더 수명이 긴 펌프를 원한다면, 회전펌프가 적합합니다.
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참고자료
[1] [네이버 지식백과] PID 제어 (시사상식사전, pmg 지식엔진연구소)
[2] [위키백과] 바 (단위)
[3] Zack MOSS(2019), Open Source Espresso Machine for Makers, Master’s Degree Thesis, Department Of Mechanical Engineering, University of Sheffield.