5. 커피머신 커피추출용 3방향전자밸브 구조와 특성 고장 증상과 수리 방법

커피머신 추출헤드에 부착된 전자밸브 고장 증상 & 부품 교체

커피머신에서 3방향전자밸브(3way Solenoid Valve)는 추출의 시작과 끝을 담당하는 핵심 부품입니다. 추출 버튼을 누르면 포터필터로 물을 공급하고, 추출이 끝나면 그룹헤드 내부의 잔여 압력과 물을 배수관(Drain)으로 즉시 빠져나가게 만들어 줍니다.

전자밸브(Solenoid valve)에 스케일 쌓이거나 부품 노화로 인해 밸브에 문제가 생기면 정상적인 추출이 불가능해집니다. 추출용 전자밸브의 대표적인 고장 증상과 현장에서 바로 적용할 수 있는 단계별 수리법을 안내 드리겠습니다.

1. 커피머신 전자밸브(Solenoid valve)

① 커피머신 전자밸브의 기능과 특성

  커피기계에는 2방향(2-way) 또는 3방향(3-way) 전자밸브(solenoid valve)를 많이 사용합니다. 2방향전자밸브는 전자코일의 전기신호에 의해 입구에서 출구로 물을 보내는 기능을 합니다. 물이 들어가는 곳과 나오는 부분으로 구성되어 있습니다. 3방향전자밸브는 그룹헤드에 결합되어 커피를 추출할 때 전자코일의 전기신호에 의해서 커피추출 후에 추가로 배출작업을 합니다.

  전자밸브는 본체와 코일로 구성되어 있으며 코일에 전원이 공급되면 코일의 자기장이 발생하여 전자밸브 내부에 있는 코어(core)를 이동시켜서 개폐기능을 하는 밸브입니다. 전자밸브는 유체의 흐름을 통제하는 자동화기계와 유체공학 분야에  다양하게 사용됩니다.

그룹헤드에 부착되는 3방향전자밸브는 2개의 구멍에 물의 흐름 방향을 맞추어 전자밸브를 결합합니다. 전자밸브의 장착된 코일에 전기신호를 보내면 열교환기에서 만들어진 뜨거운 물이 중앙부분의 구멍으로 나와서 전자밸브를 통과하고, 들어가는 구멍으로 물이 이동하여 그룹헤드에서 뜨거운 커피액이 추출되도록 합니다.

  3방향전자밸브는 그룹헤드에 부착되는데 2개 또는 4개 볼트로 고정하고 전자코일을 끼워 고정합니다. 적절한 신호에 의해서 전자밸브를 열거나 닫는 기능을 하면서 커피를 추출하고 배수 방향으로 호스를 연결하여 추출 후에 남은 물이 하부로 빠지도록 합니다. 이때에 포터필터 내부의 압력을 바로 외부로 빼서 압력을 낮춥니다.

전자밸브(solenoid valve) 내부에는 전자식 플렌저 또는 코어(core)가 들어 있습니다. 전자코일에 전원이 공급되면 전자석 원리로 코어를 움직여서 유체의 흐름을 제어합니다. 커피머신에 장착된 전자밸브는 전자코일에 전기가 들어가면 내부의 코어가 이동하여 물 또는 스팀이 통과하고, 전기가 끊어지면 물 또는 스팀의 흐름이 중단됩니다.            

  커피추출용 전자밸브는 입구와 출구가 구분되어 있으며, 그 위치가 바뀌면 정상적인 작동이 되지 않습니다. 2방향전자밸브의 경우에 유체가 이동하는 방향을 따라서 화살표(→) 표시가 되어 있으며, 3방향전자밸브는 중앙 구멍이 입구이며 가장자리가 출구입니다. 본체의 구멍과 전자밸브의 구멍을 잘 맞추어서 조립해야 합니다.

② 커피머신 전자밸브의 종류

전자밸브의 종류는 매우 다양하지만, 커피머신에는 2방향과 3방향 전자밸브가 많이 사용됩니다

아래에서는 전자밸브의 용도별로 구분하였습니다. 전자밸브는 매우 다양해서 사용하는 용도와 규격에 맞는 제품을 사용해야 합니다. 커피머신에 사용하는 전자밸브의 종류와 코어에 사용되는 재질에 대해서만 간단하게 설명합니다. 에스프레소 커피머신은 적절한 압력과 온도에 맞는 전자밸브를 선택하여 사용해야 합니다.

  입수용 전자밸브 : 수도에서 물이 커피기계로 들어갈 때 사용하는 2방향전자밸브는 3~5 bar 압력과 50℃ 이하의 온도에서 사용합니다. 특히 전자밸브 내부를 통과하는 물 온도가 낮아서 코어 개폐구의 성분이 고무 또는 실리콘으로 구성되어 있습니다. 누르는 버튼을 사용하여 물을 보충하기도 하지만, 대부분의 커피머신은 2방향전자밸브를 사용해 입수용 동관에 연결하여 압력탱크에 물을 채웁니다.

  커피추출용 전자밸브 : 9 bar 압력과 100∼150℃ 온도에 사용하는 3방향전자밸브는 코어 개폐구의 성분으로 테프론(teflon), 바이톤(viton), 루비(ruby)를 사용합니다. 테프론(teflon), 바이톤(viton), 루비(ruby)는 열에 강하고 뜨거운 물에 의한 변화가 없으며, 코어가 움직이면서 발생하는 충격에 강해서 3방향전자밸브에 많이 사용됩니다. 추출용 전자밸브는 대부분 그룹헤드에 부착되어 있으며 높은 온도에 강한 재질로 만들어져서 가격이 높은 편입니다.

  뜨거운 물 추출용 전자밸브 : 추출용 전자밸브는 개폐구 성분이 9 bar의 압력과 100∼130℃의 높은 온도에서 사용 가능한 테프론, 바이톤, 루비로 만든 2방향전자밸브를 많이 사용합니다. 전자기판(PCB)과 터치패드(Touch pad)에 연결된 추출버튼을 누르면 전자밸브에 전기신호를 보내서 내부에 장착된 코어를 움직여 뜨거운 물 또는 스팀이 외부로 나옵니다.

차가운 물 혼합용 전자밸브 : 커피머신의 압력탱크의 가열된 물이 약 120℃ 되는 온도로 너무 뜨거워서 냉수와 혼합하여 더 낮은 온도의 온수를 만들기 위해서 추가로 2방향전자밸브가 사용됩니다. 즉, 온수를 추출할 때 압력탱크 뜨거운 물과 차가운 물의 전자밸브가 동시에 열려서 온도가 낮은 물을 공급합니다. 수돗물에서 직접 들어오는 전자밸브에 몸체에 작은 제어밸브를 부착하여 흐르는 물량을 통제하여 온도를 조절합니다.

전자밸브 코일(solenoid valve coil) : 전자코일은 전자기판에서 전기신호를 보내어 작동하며, 전기가 통하면 자기장에 의해서 내부의 코어(core)가 작동돼 유체의 흐름을 제어합니다. 일반적으로 전자밸브 코일은 교류 전압 220V, 전류 9W∼14W를 많이 사용합니다. 전자밸브 교체할 때, 커피머신의 모델에 따라서 전압과 전류값을 반드시 확인하여 장착합니다.

전자동커피기계와 일부 커피머신은 전압이 DC 12V, DC 24V, AC 24V 등의 전자밸브 코일을 사용하는 경우가 종종 있습니다. 만약에 전압의 용량이 다른 전자코일을 장착하면 바로 타버리거나 작동이 되지 않습니다. 전기코일에 높은 전압을 연결하면 순식간에 높은 열이 발생하고 바로 타서 연기가 납니다. 반대로 낮은 전압을 연결하면 코어가 움직이지 않고 떨림현상 등이 나타납니다.   

커피머신에 사용되는 전자밸브의 전압이 DC 12V, DC 24V, AC 24V를 사용하는 특별한 이유가 있습니다. 만약 사용중에 전자밸브의 코일에서 누전되어 커피머신으로 흐르게 되면 커피머신을 조작하는 바리스타에게 치명적인 감전사고가 일어날 수 있습니다. 이러한 이유로 인하여 비싼 고급 커피머신의 경우 낮은 전압인 DC 12V, DC 24V, AC 24V를 사용하는 사례들이 있습니다.         

2. 대표적인 고장 증상 3가지

① 추출 종료 후 그룹헤드 압력이 빠지지 않는 현상

• 증상 : 추출을 멈췄는데도 배수 호스로 “칙” 하는 소리와 함께 물과 압력이 빠져나가지 않습니다. 포터필터를 분리할 때 압력이 튀거나 포터필터 내부의 커피에 물기가 많고 축축하게 젖어 있습니다.
• 원인 : 3방향전자밸브의 배수(Drain) 방향으로 커피 찌꺼기 또는 스케일로 막혀 배수가 열리지 않는 상태입니다.

② 커피추출 버튼을 눌러도 그룹헤드로 물이 나오지 않는 현상

• 증상 : 압력펌프는 작동하는 소리가 나지만 그룹헤드로 물이 전혀 공급되지 않습니다.
• 원인 : 솔레노이드 코일이 노화되어 자력을 생성하지 못하거나, 전자밸브 내부 코어가 스케일에 걸려 공급통로를 열어주지 못하는 경우입니다.

③ 추출 중 배수관으로 물이 계속 새는 현상

• 증상 : 커피추출을 진행하는 동안 하부 배수관으로 물이 계속 흘러나옵니다. 이로 인해 그룹헤드 추출 압력이 9 bar에 도달하지 못합니다.
• 원인 : 전자밸브 내부의 코어 개스킷이 마모되었거나 스케일 끼임으로 인해 배수방향이 완전하게 밀폐되지 않는 상태입니다. 커피가 추출될 때, 내부 코어가 움직여서 반대방향의 출구를 막지 못하여 나타나는 현상입니다.

사진 : 커피추출용 3Way Solenoid Valve , 출처. 한국카페엔지니어협회

3. 3방향전자밸브 단계별 수리 및 스케일제거 방법

커피머신의 고장 증상이 확인되었다면 아래 순서에 따라 분해 정비 및 교체를 진행합니다.

작업 전 안전수칙 : 전기 작업 및 온수 분출 위험이 있으므로, 작업 시작 전 커피머신의 전원 플러그를 뽑고 메인 수압 밸브를 반드시 잠가주세요. 히터의 전원을 끄고 커피추출과 온수 스팀을 계속 사용하면 압력탱크의 압력과 온도가 급격히 떨어집니다. 추가로 젖은 수건으로 압력탱크와 추출헤드 그리고 전자밸브 주변의 온도를 낮춥니다. 전원 플러그를 뽑고 보일러 내부 압력과 열이 충분히 식은 후 작업을 시작해야 합니다. 화상을 입을 수 있으니 두꺼운 장갑과 안전장치를 사용합니다.

1. 전원 및 수압 차단 확인 : 안전 점검.
커피머신 히터전원을 끄고 커피추출과 온수를 계속적으로 압력이 떨어질 때까지 작업합니다. 직수 밸브를 잠근 뒤 그룹헤드 버튼을 눌러 열교환기 내부 잔여 압력을 완전히 제거합니다. 메인 차단기를 내리고 물기가 많은 젖은 수건을 이용하여 서서히 적시면서 커피머신 내부 연결 부품의 온도를 내립니다.

2. 코일 테스트 및 분리 : 전기 상태 점검.
3방향전자밸브 상단의 고정 너트를 풀고 코일을 상부로 들어 올려 분리합니다. 회로시험기로 코일의 저항값을 측정합니다. 저항값이 단선(∞)으로 나오거나 0에 가깝다면 코일 교체가 필요합니다. 전자밸브 내부에 높은 온도의 물이 계속 흐르면서 코일 내부의 손상으로 전기의 누전이 발생하면 메인 차단기가 떨어지는 경우가 발생합니다. 코일의 저항값 측정은 사용하는 전류값을 확인하여 작동 여부를 판단합니다.

3. 3방향전자밸브 몸체 분해 : 본체 상태 점검.
스패너 드라이버 또는 6각렌치를 사용하여 3방향전자밸브의 플런저 하우징을 바디에서 분해합니다. 내부의 스프링, 플런저, 고무 개스킷을 차례로 본체에서 분리합니다. 하우징 바디가 스케일로 일체화된 경우에 종종 풀리지 않는 경우에는 큰 스패너를 사용합니다. 내부 공간이 협소한 곳에서는 분리 작업이 어려우니 사용하는 공구를 다양하게 준비해서 수리작업을 합니다. 특히, 6각렌치의 경우 그 길이를 다양하게 준비해야 현장에서 수리하는 시간을 단축할 수 있습니다.

4. 스케일제거 작업 및 세척 : 약품 세척
분해한 3방형전자밸브 몸체와 플런저 부품을 커피머신 전용 스케일 제거용 약품으로 15~30분간 담가두어 쌓인 스케일과 커피오일을 녹여냅니다. 세척 후 솔과 수건으로 내부의 미세 구멍을 깨끗이 청소합니다. 특히 플렌저의 경우 상하로 계속 움직여서 개폐작업을 하기 때문에 닿는 부분을 깨끗하게 씻어야 합니다.

5. 재조립 및 테프론 / 오링 교체 : 결합
플런저의 고무 팁이나 오링이 딱딱하게 경화되었거나 마모되었다면 신품으로 교체합니다. 특히 다시 결합할 때에 개폐구를 막는 부분의 스케일 확인이 중요합니다. 플렌저의 외부에 스케일이 끼거나 오랜기간 사용하는 경우에 전지자기력 발생이 약해서 작동되지 않습니다. 3방향전자밸브와 코일은 일정기간 사용 후에 교체하는 소모품입니다. 커피를 추출하는 동안 3방향전자밸브에서 소음이 발생하면 전체적으로 교체작업을 합니다.

4. 수리 후 완료 확인

1. 전원 및 직수 공급 : 전기 차단기를 올리고 직수 밸브를 열어 커피머신에 물을 공급합니다. 터치패드의 작동과 압력펌프의 계기판이 움직여서 수도 압력을 표시합니다.
   
2. 추출 동작 테스트 : 포터필터를 체결하지 않은 상태에서 추출 버튼을 눌러 그룹헤드로 물이 시원하게 분사되는지 확인합니다. 바로 물이 나오지 않을 때는 몇 초 동안 기다려서 물이 나오는 것을 확인합니다.
   
3. 배수 차단 확인 : 추출 중 하부 배수관으로 물이 누설되지 않는지 확인합니다. 매우 중요한 사항으로 배수의 상태가 배수통으로 바로 연결된 커피머신을 유심히 살펴서 확인합니다.
   
   가열이 진행되면서 열교환기 팽창밸브를 함께 확인한다. 팽창밸브는 체크밸브와 함께 연동하여 작동하는 부품입니다. 팽창밸브의 작동과 체크밸브의 상태를 함께 점검합니다. 팽창밸브에서는 압력탱크가 가열되는 동안에 물방울이 계속 떨어지다가 완료되면 멈춥니다.
   
4. 압력 해제 확인 : 추출을 정지했을 때 “칙” 하는 소리와 함께 배수관으로 잔여 물이 즉시 배출되는지 확인합니다. 커피를 추출한 후에 바로 포터필터 내부의 물기가 남아있는지 확인한다. 이 기능이 백플러싱(Back Plushing) 작업으로 영업 중료 후에 커피추출헤드를 세청과 청소하는 작업으로 이용됩니다.

세척 및 오링 교체 후에도 동일한 증상이 반복되거나 코일 노화가 심하다면, 전자밸브 전체를 신품으로 교체하는 작업을 합니다. 전자밸브는 높은 온도로 인하여 노화가 빠르며 일정 기간 사용 후에 교체하는 소모품입니다.

5. 3방향전자밸브 교체시 주의사항

 커피머신에 사용하는 전자밸브를 교체할 때 주의사항에 대해서 알려드립니다. 카페에 사용 중인 커피머신을 수리하기 위해서 방문한 교체한 사례를 올립니다. 사진의 Parker ZB09는 3방향전자밸브용 코일입니다. 사진의 코일에 표시된 ZB09, AC 220∼230V / 50∼60Hz 사양이 확인됩니다.

• 코일 : Parker ZB09

• 전원 : AC 220∼230V, AC 50∼60 Hz

• 소비전력 : 9 W

1. 밸브 외형 크기 / 나사 규격
2. 밸브의 정지 상태 : 열림과 닫힘의 차이
   • 상시 닫힘 (Normally Closed : NC)
   • 상시 열림 (Normally Open : NO)
3. 사용 압력과 온도 : 150℃ 이상
4. 사용 유체 : 물 / 공기 / 오일 / 냉매 등
5. 유체 흐름 방향 : IN / OUT 방향, 밸브 몸체의 화살표 확인
6. 코일 전압 : AC 220~230V, AC 24V, AC 12V, DC 24V 확인
7. 코일과 밸브 몸체의 호환성 : 코일만 같은 9W라고 해서 몸체와 반드시 호환되는 것은 아닙니다.

① IN/OUT 방향, ② NC/NO 여부를 어떻게 확인하는지, ③ 왼쪽→오른쪽 제품으로 교체 가능 확인.
전자밸브는 제조사가 달라도 연결하는 부분은 거의 호환이 됩니다. 사용하는 전기의 전압과 전류값이 같은 경우는 함께 사용하여도 큰 문제 없습니다. 중요한 요인은 온도와 압력 그리고 전압을 확인하는 것입니다. 커피머신 수리 출장하는 경우에 전자밸브 고장으로 인한 요청이 많습니다. 전자밸브는 전압과 전류값이 다른 다양한 부품을 준비하여 현장으로 출동하면 수리하는 시간을 많이 단축할 수 있습니다.