KR100333479B1 - 초저온다단냉동장치및그냉매 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 초저온 다단 냉동장치에 관한 것으로, 하나의 콤프레서(1)를 사용하고, 제 1, 제 2 및 제 3냉매를 포함하는 혼합 냉매를 순차적으로 증발시켜 증발기(19)에서 제 3냉매의 증발에 의해 초저온을 발생시키며, 증발된 기화 가스는 다시 콤프레서(1)로 회수하는 초저온 다단 냉동장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 장치는 다단계 냉각 과정을 통해 비공비 혼합 냉매를 순차적으로 액화시켜 증발시킴으로써 원하는 초저온을 발생시킬 수 있음은 물론, 냉매의 선택과 그 조성비를 최적화 하여 냉동 효율과 냉매의 유동성을 제고하며, 장기간의 사용에도 고장을 방지하는 장점이 있는 것이다.

Description

초저온 다단 냉동장치 및 그 냉매{CRYOGENIC REFRIGERATOR AND REFRIGERANT USED THEREIN}
본 발명은 초저온 냉동기 및 그 냉매에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단일 콤프레서를 사용하여 혼합 냉매를 다단계 냉각 과정을 통해 필요한 초저온을 얻을 수 있는 초저온 냉동기 및 그 냉매에 관한 것이다.
식품이나 생물학적 물질을 보관 또는 보존하기 위해서 빙점 이하로 온도를저하시킬 수 있는 냉동고가 상용화되어 있다. 초전도 현상을 유도하기 위해 극저온을 얻을 수 있는 냉동장치도 사용되고 있다.
생물학적 물질로서 예컨대 혈액, 뼈, 동맥, 세포 조직, 정자, 난자, 세균, 곰팡이 등을 초저온, 예컨대 -79℃ 이하의 온도로 유지하면 보존 기간이 크게 증대되고, 온도를 더욱 내려 얼음의 재결정 온도인 -130℃ 이하로 유지하면 생물학적 물질을 장기간 보존할 수 있다.
이러한 저온을 발생시키는 기술은 여러 방법이 있으나 주로 증기압축 냉동 사이클을 이용한 방법이 사용되고 있다. -20℃ 내지 -30℃ 정도의 냉동을 발생시키는 기술은 종래의 방법으로도 큰 어려움이 없으나, -40℃ 내지 -100℃ 정도의 냉동발생을 위해서 2단 압축 냉동 사이클이나 2원 냉동 사이클을 이용한 기술이 적용되고 있다. 나아가 -100℃ 이하의 냉동 발생을 발생시키기 위해서는 3원 냉동 사이클이나 액체 질소 투입법 등이 이용된다.
또한, 냉동장치의 개발과 관련하여 오존층의 파괴와 관련하여 냉매로 사용되는 CFC는 환경 오염의 관점에서 유해한 것으로 논란이 되고 있으며, 이러한 환경문제 이외에도 냉매의 안정성과 효율성 및 코스트가 냉동장치의 개발과 관련된 중요한 과제가 되고 있다.
일반적으로 -80℃ 내지 -100℃의 냉동 발생을 위해서는 2원 냉동 방법이 적용되어, 2 개의 압축기(compressor)가 2 계통의 냉매를 2단으로 압축시켜 냉각시키는 방법이 적용된다. 물론 3원 또는 그 이상의 다단계 냉동 방법을 사용할 수도 있으며, 원하는 냉동 온도가 낮을수록 다단계 냉동 방법이 필요하게 된다. 특히, -135℃ 내지 -150℃ 정도의 초저온을 발생시키기 위해서는 2원 또는 그 이상의 다원 냉동 사이클을 적용한다.
한편, 오쿠무라의 미국 특허 제 4,825,660 호는 실린더와 피스톤으로 형성되는 작업실과 콤프레서의 흡입 및 배출부를 연결하여 냉매를 반복적으로 압축 및 팽창시키는 냉동장치를 개시한다. 이 냉동장치에는 콤프레서의 배출부로부터 배출되는 냉매의 압력을 센서로 측정함으로써 마이콤에 의해 모터를 구동하여 압력을 제어한다. 이 장치는 짧은 시간에 안정되게 저온을 얻을 수 있는 장점이 있으나, 생물학적 물질에 있어서 동결 장해를 일으키지 않는 초저온을 얻기 어렵다는 문제점이 있다.
나가오의 미국 특허 제 5,487,272 호는 제 1콤프레서, 10K에서 비중이 큰 희토류 금속이나 그 화합물을 사용하여 어큐물레이터(accumulator)를 갖는 제 1 팽창부와, 제 1 팽창부의 팽창 공간으로부터 도입되는 액체의 팽창을 수용하는 소팽창 공간부 및 소팽창부로부터 회수되는 액체를 압축하는 제 2콤프레서를 갖는 냉동장치를 설명하고 있다. 그러나, 이 장치에 의해서도 필요한 초저온을 효율적으로 얻는데 문제점이 있으며, 장치가 복잡하고 비용이 많이 든다는 문제점이 있다.
또한, 롱스워드의 미국 특허 제 5,337,572 호는 혼합 가스를 냉매로 사용하여 단일 단계로 초저온을 발생시키는 폐쇄 사이클의 냉동 시스템을 제시하고 있다. 이 냉동 시스템은 드로틀 오리피스를 갖는 열교환기를 포함하며, 특히 냉매를 압축하기 위해 단일 단계의 오일 윤활의 롤링 피스톤 타입 콤프레서를 사용한다. 냉매로는 비점이 -153℃ 이하인 가스와 7℃ 이하인 가스를 혼합한 것으로 냉매 가스를압축 및 열교환하여 냉각된 냉매를 열교환기 및 드로틀 오리피스로 순환시키고 다시 콤프레서로 회수하는 구성으로 되어 있다. 이 장치는 중간 단계의 분리기를 사용하지 않는 것을 장점으로 하고 있으나, 효율이 낮아 산업적 이용에 한계를 나타낸다.
본 발명은 이와 같은 종래 기술의 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 그 목적은 다단계의 구성으로 효율적으로 초저온을 발생시키는 냉동장치를 제공하는 것이다.
이와 같은 본 발명의 목적은, 초저온 다단 냉동장치에 있어서, 초저온 다단 냉동장치에 있어서, 냉매 성분 중에서 비등점이 가장 높은 제 1냉매 성분과, 비등점이 가장 낮은 제 3냉매 성분과, 상기 제 1냉매 성분의 비등점과 상기 제 3냉매 성분의 비등점 사이의 비등점을 갖는 제 2냉매 성분과, 반송 가스 성분과, 윤활유의 유동성을 유지시키는 윤활 성분과, 응고 방지 성분이 혼합되어 있는 비공비 혼합 냉매를 압축하는 콤프레서와; 상기 콤프레서에서 압축된 냉매를 수용하여 오일을 다시 상기 콤프레서로 회수하고 냉매를 배출하는 오일 분리기와; 상기 오일 분리기에서 배출된 냉매를 냉각시켜 일부 제 1냉매 성분을 액화시키는 응축기와; 상기 액화된 나머지 제 1냉매 성분, 제2 냉매 성분 및 제3 냉매 성분을 냉각시키는 제 1열교환기와; 상기 제 1열교환기에 의해 액화된 제 1냉매 성분과 기체 상태의 냉매를 분리하는 제 1상분리기와; 상기 액화된 제 1냉매 성분을 증발시킴으로써 상기 제 1상분리기에서 배출되는 상기 기체 상태의 냉매 성분을 냉각시켜 일부 제 2냉매 성분을 액화시키는 제 2열교환기와; 상기 제 2열교환기에서 배출된 액화된 제 2냉매를 분리하는 제 2상분리기와; 상기 제 2상분리기에서 배출된 상기 액화된 제 2냉매 성분을 증발시킴으로써 상기 제 2상분리기로부터 공급된 기체 상태의 냉매 성분을 냉각시켜 일부 제 2냉매 성분 및 일부 제 3냉매 성분을 액화시키는 제 3열교환기와; 상기 액화된 제 2냉매와 액화된 상기 제 3냉매 성분을 증발시켜 상기 제 3열교환기로부터 배출되는 기체 상태의 냉매를 냉각하여 제 3냉매 성분을 액화시키는 제 4열교환기와; 상기 냉각된 제 3냉매 성분의 일부를 증발시켜 제 3냉매 성분을 실질적으로 완전히 액화시키고 반송 가스 성분을 증발온도까지 과냉각시키는 제 5열교환기와, 상기 액화된 제 3냉매 성분을 증발시키는 증발기와; 상기 증발기에서 배출되는 기화된 냉매와 상기 제 5열교환기에서 배출되는 기화된 냉매가 상기 제 4열교환기로 공급되어 열교환되고, 상기 제 4열교환기에서 배출되는 기화된 냉매를 포함하여 상기 제 3열교환기로 공급되어 열교환되고, 상기 제 3열교환기에서 배출 되는 기화된 냉매를 포함하여 제 2열교환기로 공급되어 열교환되고, 상기 제 2열교환기에서 배출되는 기화된 냉매를 포함하여 상기 제 1열교환기를 열교환에 의해 냉각시키고 상기 콤프레서로 회수되는 기화된 냉매의 회수 경로를 포함하고, 상기 혼합 냉매의 제1 냉매 성분이 CH2FCF3이고 제 2냉매 성분이 CHF3이며 상기 제 3냉매 성분이 CF4이고 반송 가스 성분이 Ar이며 윤활 성분이 CHCl2CF3및 응고 방지 성분이 n-펜탄으로 이루어지는 초저온 다단 냉동장치에 의해 달성될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 초저온 다단 냉동장치의 구성을 개략적으로 보인 도면
♣ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 ♣
1 : 콤프레서 2: 오일 분리기
3: 응축기 8: 제 1열교환기
9: 제 1상분리기 10: 제 2열교환기
12: 제 3열교환기 19 : 증발기
20: 제 2상분리기
이하 도면을 참조하여 본 발명에 따른 초저온 다단 냉동장치의 일 실시예를 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 초저온 다단 냉동장치의 구성을 개략적으로 도시한 것이다. 부호 1은 콤프레서로 냉매를 압축한다. 본 발명의 장치에서 사용되는 냉매는 혼합 냉매이며, 압축된 냉매에 포함된 오일이 과도하게 냉매와 함께 이동하는 것을 방지하기 위하여 오일분리기(2)에서 압축된 냉매로부터 오일을 분리한다. 분리된 오일은 다시 콤프레서(1)로 회수된다.
오일이 제거된 냉매는 응축기(3)에서 응축되어 액화가 진행된다. 여기서 본 발명의 장치에 사용되는 냉매는 3종 이상의 성분이 혼합되어 있으며, 응축기에서는 냉매 성분 중에서 가장 비등점이 높은 제 1냉매 성분 중에서 일부가 액화된다. 냉매에 수분이 포함되어 있으면, 냉동 효율이 저하됨은 물론 동결된 얼음이 순환 계통에 손상을 일으킬 염려가 있으므로, 액화된 냉매 성분과 아직 기체 상태의 냉매 성분이 다음 단계로 이동하면서, 냉매에 포함된 성분을 드라이어(4)에서 제거한다.
분배관(7)을 경유하여 일부 액화된 제 1냉매 성분을 포함하는 냉매가 제 1열교환기(8)로 공급되어 열교환에 의해 냉각된다. 제 1열교환기(8)에서는 기화된 냉매의 회수 경로에 의해 제공되는 냉각된 냉매에 의해 열교환이 이루어진다. 제 1열교환기(8)에서 제 1냉매 성분이 거의 액화되어 제 1상분리기(9)로 공급된다.
제 1열교환기(8)에서는 냉각된 냉매는 제 1상분리기(9)에서 액체 성분과 기체 성분이 분리된다. 즉, 액화된 냉매 성분은 모세관(11)을 통해 제 2열교환기(10)로 공급되어 증발함으로써 냉각에 의해 열교환이 이루어진다. 제 2열교환기(10)에서도 증발기(19) 등에서 증발된 냉각된 냉매가 공급되어 냉각 효율을 향상시킨다. 제 2열교환기(10)에서의 냉각 과정을 통해서 냉매 중에서 일부의 제 2냉매 성분이 액화된다. 액화된 제 2냉매 성분과 기체 상태의 냉매는 제 2상분리기(20)에서 기액 분리된다.
제 2상분리기(20)에서 얻어진 액화된 제 2냉매 성분은 모세관(13)을 통해 제 3열교환기(12)로 공급되어 증발함으로써 제 2상분리기(20)에서 공급되는 기체 상태의 냉매를 액화시킨다. 제 3열교환기(12)에서 냉각 과정을 통해 일부의 제 2냉매의 일부의 제3 냉매가 액화된다.
제 3열교환기(12)에서 배출되는 기체 상태의 냉매는 제 4열교환기(15)로 공급되며, 여기서 제 3열교환기(12)에서 실질적으로 전부 액화된 제 2냉매 및 제 3냉매의 일부가 모세관(14)를 통해 공급되어 증발됨으로써 기체 상태의 제 3냉매를 액화시킨다.
액화된 냉매는 제 5열교환기(16)으로 공급된다. 제 5열교환기(16)에서는 액화된 제 3냉매의 일부를 모세관(18)을 통해 자체적으로 증발시켜 냉각을 진행함으로써 냉매에 포함된 아르곤(Ar)과 같은 반송 가스의 온도를 제 3냉매의 증발 온도까지 과냉각시킨다. 제 5열교환기(16)에서 액화된 제 3냉매는 모세관(17)을 통해 증발기(19)로 공급되어 증발함으로써 초저온을 발생시킨다.
한편, 냉매의 순환 계통에서 이상 압력이 발생하는 경우에 이상 압력을 밸브(6)에 의해 검사하여 보조 탱크(5)로 냉매를 수용하여 압력을 저하시킴으로써 안전을 확보할 수 있다. 부호 14는 보조 탱크로 이어지는 관에 포함된 냉매를 냉매순환 계통으로 피드백하는 기능을 한다. 보조 탱크 아래에 도시된 참조 번호가 없는 탱크는 밸브(6) 이전에 관에 의해 연결되어 이상 압력을 완충하는 역할을 한다.
또한, 기화된 냉매는 본 발명의 냉매 회수 경로를 따라 콤프레서(1)로 회수되어 반복 사용된다. 회수되는 과정에서 기체 상태의 냉매는 이전 단계의 열교환기로 공급되어 열교환하도록 구성함으로써 열교환기의 능률을 향상시킨다.
즉, 증발기(10)에서 증발되어 배출되는 기화된 냉매와 상기 제 5열교환기 (18)에서 배출되는 기화된 냉매가 상기 제 4열교환기(15)로 공급된다. 이 냉매는 제 4열교환기(15)에서 배출되는 기화된 냉매를 포함하여 상기 제 3열교환기(12)로 다시 공급된다. 이들 냉매는 다시 제 3열교환기(12)에서 배출되는 기화된 냉매를 포함하여 제 2열교환기(10)로 공급되고, 제 2열교환기(10)에서 배출되는 기화된 냉매를 포함하여 상기 제 1열교환기(8)를 열교환에 의해 냉각시킨 후 최종적으로 콤프레서(1)로 회수된다. 팽창되어 기화된 냉매는 다시 관을 통해 콤프레서(1)로 피드백되어 순환됨으로써 압축, 응축, 액화 및 증발의 과정이 연속되어 냉동 과정이 수행된다.
이와 같이 본 발명의 장치에서는 두 개 이상의 냉매가 혼합되어 각기 개별적으로 상 변화를 일으키며, 등압의 증발 및 응축시 온도가 증가 또는 감소되는 온도 구배를 갖는 비공비(non-azeotropes) 혼합 냉매가 사용된다.
본 발명에서는 적어도 3종 이상의 냉매가 혼합 사용된다. 제 1냉매는 가장 비등점이 높고, 제 3냉매는 가장 비등점이 낮으며, 제 2냉매는 그 사이의 비등점을 갖는다. 이들 냉매는 순환 과정을 거치면서 응축 및 열교환에 순차적으로 냉각되어액화되며, 최종적으로는 가장 비등점이 낮은 제 3냉매가 액화된 상태로 증발기(19)로 공급되어 증발된다.
냉매는 다단계 응축 및 액화 과정을 거치기 때문에, 관 내에서 원활하게 이동할 수 있도록 이동성을 유지시키는 반송 가스가 포함되며, 또한 유동성을 유지, 향상시키는 윤활 성분이 포함된다. 그러므로 본 발명에 따라서, 초저온 냉동장치에 사용되는 냉매에 있어서, CH2FCF3(냉매번호; 신냉매 R-134a), CHF3(냉매번호; R-12) CF4(냉매번호; R-14)를 포함하는 비공비 혼합 냉매가 제공된다.
본 발명에서는 제 1냉매 성분으로서 CH2FCF3, 제 2냉매 성분으로서 CHF3, 제 3냉매 성분으로서 CF4를 사용하는 것이 바람직하다. CH2FCF3,는 분자량 102.03, 비등점 -26.5℃, 응고점 -100.85℃, 임계 온도 101.15℃ 및 임계 압력 4065 KPa를 갖는 것으로서, 본 발명의 장치에서 가장 먼저 액화된다. 제 2냉매 성분으로서 CHF3의 물성은 분자량 70.01, 비등점 -82.2℃, 응고점 -155.5℃, 임계 온도 25.91℃ 및 임계 압력 4836 KPa를 갖는다. 제 3냉매 성분으로서 CF4의 물성은 분자량 88.01, 비등점 -127.9℃, 응고점 -184.9℃, 임계 온도 -45.7℃ 및 임계 압력 3741 KPa를 갖는다.
이들 냉매 성분 이외에, 본 발명 장치의 순환 계통에서는 액화되지 않는 Ar이 반송 가스로 바람직하게 사용된다. 윤활 성분이 냉매와 함께 이동하다가 응고되어 관에 달라붙거나 냉매의 유동성을 저하시키는 것을 방지하기 위해 CHCl2CF3를 냉매와 함께 포함시킨다. CHCl2CF3는 비등점 +27.9℃, 응고점 -107℃, 임계온도 +184℃ 및 임계 압력3675.6 KPa를 갖는다. 아울러, 응고된 수분이나 오일을 분해시켜 유동성을 확보하기 위해 n-펜탄(pentane)을 사용하는 것이 바람직하다.
이들 제 1, 제 2 및 제 3냉매 성분과 기타 성분의 조성비는, 전체 혼합 냉매의 중량을 기준으로 35 내지 44중량%의 CH2FCF3, 15 내지 20중량%의 CHF3, 14 내지 18 중량%의 CF4, 4 내지 5 중량%의 Ar, 15 내지 20 중량%의 CHCl2CF3및 4 내지 5 중량%의 n-펜탄을 포함한다. 이들 성분의 조성비는 냉동 효율과 유동성 확보를 위해 설정된 것으로, 이들 비율 미만이면 냉동 효율이 저하되거나 유동성이 떨어지며 이들 비율을 초과하면 마찬가지로 냉각 효율이 저하되거나 유동성이 떨어진다.
특히 CHCl2CF3은 냉매에 포함된 윤활유가 굳는 것을 방지하기 때문에 장기간 사용하는 경우에도 냉매 계통의 오일 순환을 원활하게 하여 냉등 효율을 확보하고 고장을 방지한다.
이상 설명으로부터 명백한 바와 같이, 본 발명에 따른 장치는 다단계 냉각과정을 통해 비공비 혼합 냉매를 순차적으로 액화시켜 증발시킴으로써 원하는 초저온을 발생시킬 수 있음은 물론, 냉매의 조성비를 최적화 하여 냉동 효율과 냉매의 유동성을 제고하며, 장기간의 사용에도 고장을 방지하는 장점이 있는 것이다.

Claims (2)

  1. 초저온 다단 냉동장치에 있어서,
    초저온 다단 냉동장치에 있어서,
    냉매 성분 중에서 비등점이 가장 높은 제 1냉매 성분과, 비등점이 가장 낮은 제 3냉매 성분과, 상기 제 1냉매 성분의 비등점과 상기 제 3냉매 성분의 비등점 사이의 비등점을 갖는 제 2냉매 성분과, 반송 가스 성분과, 윤활유의 유동성을 유지시키는 윤활 성분과, 응고 방지 성분이 혼합되어 있는 비공비 혼합 냉매를 압축하는 콤프레서(1)와;
    상기 콤프레서(1)에서 압축된 냉매를 수용하여 오일을 다시 상기 콤프레서 (1)로 회수하고 냉매를 배출하는 오일 분리기(2)와;
    상기 오일 분리기(2)에서 배출된 냉매를 냉각시켜 일부 제 1냉매 성분을 액화시키는 응축기(3)와;
    상기 액화된 나머지 제 1냉매 성분, 제2 냉매 성분 및 제3 냉매 성분을 냉각시키는 제 1열교환기(8)와;
    상기 제 1열교환기(8)에 의해 액화된 제 1냉매 성분과 기체 상태의 냉매를 분리하는 제 1상분리기(9)와;
    상기 액화된 제 1냉매 성분을 증발시킴으로써 상기 제 1상분리기(9)에서 배출되는 상기 기체 상태의 냉매 성분을 냉각시켜 일부 제 2냉매 성분을 액화시키는 제 2열교환기(10)와;
    상기 제 2열교환기(10)에서 배출된 액화된 제 2냉매를 분리하는 제 2상분리기(20)와;
    상기 제 2상분리기(20)에서 배출된 상기 액화된 제 2냉매 성분을 증발시킴으로써 상기 제 2상분리기(20)로부터 공급된 기체 상태의 냉매 성분을 냉각시켜 일부 제 2냉매 성분 및 일부 제 3냉매 성분을 액화시키는 제 3열교환기(12)와;
    상기 액화된 제 2냉매와 액화된 상기 제 3냉매 성분을 증발시켜 상기 제 3열교환기(12)로부터 배출되는 기체 상태의 냉매를 냉각하여 제 3냉매 성분을 액화시키는 제 4열교환기(15)와;
    상기 냉각된 제 3냉매 성분의 일부를 증발시켜 제 3냉매 성분을 실질적으로 완전히 액화시키고 반송 가스 성분을 증발온도까지 과냉각시키는 제 5열교환기(16)와;
    상기 액화된 제 3냉매 성분을 증발시키는 증발기(19)와;
    상기 증발기(10)에서 배출되는 기화된 냉매와 상기 제 5열교환기(18)에서 배출되는 기화된 냉매가 상기 제 4열교환기(15)로 공급되어 열교환되고, 상기 제 4열교환기(15)에서 배출되는 기화된 냉매를 포함하여 상기 제 3열교환기(12)로 공급되어 열교환되고, 상기 제 3열교환기(12)에서 배출되는 기화된 냉매를 포함하여 제 2열교환기(10)로 공급되어 열교환되고, 상기 제 2열교환기(10)에서 배출되는 기화된 냉매를 포함하여 상기 제 1열교환기(8)를 열교환에 의해 냉각시키고 상기 콤프레서 (1)로 회수되는 기화된 냉매의 회수 경로를 포함하고,
    상기 혼합 냉매의 제1 냉매 성분이 CH2FCH3이고 제 2냉매 성분이 CHF3이며 상기 제 3냉매 성분이 CF4이고 반송 가스 성분이 Ar이며 윤활 성분이 CHCl2CF3및 응고방지 성분이 n-펜탄으로 이루어지는 초저온 다단 냉동장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 혼합 냉매의 전체 혼합 냉매의 중량을 기준으로 상기 제1 냉매 성분 CH2FCH3이 35 내지 44중량%이고, 상기 제 2냉매 성분 CHF3이 15 내지 20중량%이며, 상기 제 3냉매 성분 CF4가 14 내지 18 중량%이고, 상기 반송 가스 성분 Ar이 4 내지 5 중량%이며, 상기 윤활 성분 CHCl2CF3이 15 내지 20 중량%이고, 상기 응고 방지 성분 n-펜탄이 4 내지 5 중량%인 초저온 다단 냉동 장치.
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