KR100337791B1 - 극저온 냉동시스템 - Google Patents

Abstract

혼합냉매를 다단계로 응축과 증발을 반복시켜 순차적으로 저온을 생성하여 극저온을 얻게하는 것으로 압축냉동기의 4대 구성요소인 증발기, 압축기, 응축기, 팽창기를 갖는 공지의 구성요소중 최종 증발기와 압축기 사이에는 압축기의 흡입관로상의 증발냉매는 가열시켜 압축기로 흡입되게 하고 응축기에서 응축된 냉매는 과냉시키는 열교환기와 열교환기에서 응축된 냉매를 액체성분과 기체성분으로 분리시키는 기액분리기를 구비한 것에 있어서, 기액분리기의 액체성분의 냉매는 관로상의 팽창기를 거쳐 증발냉매이동관 내측단부에 형성된 노즐을 통하여 2중관로 외측 증발관로로 분사되어 위에서 아래로 고속으로 흐르면서 증발되어 고온측으로 증발냉매이동관과 연통되고, 기액분리기내의 혼합냉매증기는 2중관로 내측 응축관을 통하여 아래에서 위로 흘러 응축되어 저온측 기액분리기로 유입되도록 구성된 복수의 팽창흡입기를 최종증발기 사이에 연결하여 구성되며, 최종 팽창흡입기를 통과한 응축 냉매는 최종증발기 하부의 열교환기를 통하여 팽창기를 거쳐 증발기내로 분사되며증발기내에서 증발이 완료된 냉매는 증발냉매이동관과 연통된 증발관 관로를 따라서 압축기로 환류되는 극저온 냉동시스템으로서, 팽창흡입기의 혼합냉매를 단계별로 선택하여 냉동효율과 냉매의 유동성을 제고하며 연속하여 안정적으로 가동할 수 있고 압축방식에서 가장 낮은 온도를 얻을 수 있도록 한 이점을 갖는다.

Description

극저온 냉동시스템{cryogenic refrigerating system}

본 발명은 관내의 유체의 유속이 빨라질 때 관내의 압력이 낮아지는 베르누이의 원리를 냉동싸이클 시스템에 응용한 다단 팽창흡입방식으로, 냉동고내의 온도를 냉매가 고온측에서 저온측으로 이동시 단계별로 온도와 압력을 낮추어 저온을 얻도록 한 극저온 냉동시스템에 관한 것이다.

더욱 상세하게는 액상의 냉매를 팽창시켜 2중관로 입구측에 고속으로 분사시켜 증발냉매이동관에 발생하는 강력한 흡인력에 의해 저온측 냉매의 압력을 낮추는 과정을 여러 단계로 반복함에 따라 냉매의 증발압력을 압축기의 흡입압력보다 낮게 유지할 수 있어 연속적인 운전에도 안정성이 유지되며, 1 대의 압축기만으로도 냉동률(specific refrigeration effect)을 크게 한 극저온 냉동시스템에 관한 것이다.

조직이나 세포 및 유전자의 장기보존과 반도체생산공정, 초전도현상을 유도하기 위한 장치등에 초저온의 온도가 필요하다. 특히 세포등 생물학적 물질의 경우 얼음의 재결정온도인 -130℃이하로 유지하면 수분이 결정화가 되지않고 아몰퍼스(amorphous)화 되기 때문에 세포막을 파괴할 우려가 없어 보존기간을 10년 이상으로 비약적으로 증가시킬 수 있다. 이러한 저온을 발생시키는 기술은 여러 가지가있으나 주로 증기압축 냉동싸이클이나 액체질소를 이용하는 방법을 사용하고 있다. -135℃ 내지 -150℃정도의 초저온을 발생시키기 위하여는 3원이상의 다원 냉동싸이클(multi-stage cascade refrigeration cycle)을 적용하거나 액화온도가 -196℃인 액화질소를 이용하나, 액화질소는 1회용이며 다시 보충하여야 하기 때문에 사용이 불편하고 가동비용이 많이 들며 다원 냉동싸이클의 경우도 필요한 초저온을 효율적으로 얻는데 문제점이 있으며 장치가 복잡하여 고장이 잦고 비용이 많이 든다는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 감안하여 고온측 냉동회로를 이용하여 저온측 냉동회로에서 더 낮은 온도를 생성하는 것을 목적으로 한 이원혼합냉매냉동회로(이원냉동회로와 혼합냉매회로를 조합한 것임)를 적용한 극저온 냉동고가 일본,기계기술지(NIKKEI MECHANICAL) 496호(1996.12.23.자 발행)의 44,45면에 압축기식 냉동고의 고내온도라는 제목으로 개시되어 있다.

전술한 이원혼합냉매냉동회로는 최종증발기에서 달성가능한 온도는 -155℃, 냉동고내의 온도는 -152℃의 저온이 발생하는 것으로, 도 2에 개략적으로 도시된 바와 같이, 고온측과 저온측으로 각각 독립된 두 개의 냉동회로를 지니며 양자를 캐스케이드 컨덴서(cascade condenser)로 결합하여 구성하고, 이 컨덴서는 고온측 냉동회로에서는 증발기로, 저온측 냉동회로에서는 응축기로서 작동한다. 이는 고온측 냉동회로를 이용하여 저온측 냉동회로에서 더 낮은 온도를 만들어 내려는데 목적이 있다.

특히, -100℃이하의 온도를 얻기 위하여 저온측에 혼합냉매냉동회로를 채택하였다. 주요 냉매는 고온측이 증발온도 -40℃의 R412A, 저온측은 증발온도 -86℃의 R508(R23과 R116의 혼합냉매), 증발온도 -41℃의 R22, 증발온도 -128℃의 R14 등 7종류의 냉매로 이루어진 혼합계 냉매이다. 이 혼합계 냉매가 차츰 각 단계를 거치면서 저온을 만든다.

그러나, 전술한 이원혼합냉매냉동회로는 고온측과 저온측 냉동회로에 압축기가 독립적으로 각각 설치되어 전력소비가 많게 되고, 냉동싸이클의 구조가 복잡하게 됨은 물론 냉동고내의 온도를 -152℃로 유지하기 위해서는 냉동고를 연속적으로 가동될 것이 요구되나, 압축기로 부터 냉매를 따라 저압측으로 이동된 잔류오일이 압축기로 완전하게 회수되지 않아 습동면에 윤활유가 부족하여 실린더가 타서 붙는 등 연속적으로 안정적인 운전이 어렵게 되고, 또한 저온에서의 흡입 압력이 저하되어 냉동능력이 감소되는 등 문제점을 갖게 된다.

본 발명의 목적은, 극저온의 냉동시스템을 연속적으로 운전하는 경우에도 안정적인 성능을 유지하여 기기의 신뢰도를 확보할 수 있도록 한 냉동시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은, 압축기의 원활한 작동을 보장하여 기기의 수명이나 신뢰성을 제고한 냉동시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은, 극저온에서의 안정적인 운전은 물론 냉동효율을 20%이상 향상시켜 제품의 대외적인 경쟁력을 확보할 수 있도록 한 냉동시스템을 제공하는 것이다.

위와 같은 본 발명의 목적은 액채냉매를 증발냉매이동관 상부에서 팽창시켜 증발관로 내의 냉매증기를 강력하게 흡입함과 동시에 하부로의 분사를 다단계로 실시하여 냉매의 증발압력이 흡입압력보다 낮게 하고, 증발된 냉매증기를 강력하게 흡입하여 고속으로 분사하므로 냉매증기의 유속과 압력을 높여 압축기의 흡입압력을 일정 압력이상으로 유지시켜 압축기의 체적효율(volumeetric efficiency)을 좋게 함은 물론 냉동회로내의 잔류 오일을 압축기로 완전하게 환류시키는 다단 팽창방식의 극저온 냉동시스템에 의해 달성되는 것으로, 본 발명에 의하면 최종증발온도 -160℃, 냉동고내의 온도 -156℃를 달성할 수 있다.

도 1은 본 발명에 의한 극저온 냉동시스템의 개략적인 회로도,

도 2는 종래기술에 의한 극저온 냉동시스템의 개략적인 회로도이다.

*도면중 주요부분에 사용된 부호의 설명*

1; 압축기 2; 응축기

3; 열교환기 4-1~4-4; 제1~제4 기액분리기

5-1~5-4; 제1~제4 이중관로 6~6-4; 제1~제5 증발냉매이동관

7-1~7-4; 제1~제4 분사노즐 8-1~8-5; 제1~제5 팽창기

9-1~9-4; 제1~제4 압력게이지 A,B,C,D; 팽창흡입기

이와 같은 본 발명의 목적은 혼합냉매를 압축하는 압축기와, 압축기에서 압축된 냉매에 포함된 오일을 분리하여 압축기로 회수하고 냉매를 배출하는 오일분리기와, 오일분리기에서 배출된 고온, 고압의 냉매증기를 냉각하여 액화시키는 응축기와, 응축된 냉매액의 온도를 낮추기 위하여 압축기로 유입되는 증발냉매이동관로상에 설치되어 응축된 고온의 응축냉매액은 증발된 저온의 냉매증기에 열을 방출하여 응축액 자신은 과냉되고 압축기로 유입되는 냉매를 가열증발시키는 열교환기와, 상기 열교환기를 통과한 응축혼합냉매가 액화된 냉매와 증기상태의 냉매로 분리되는 기액분리기와, 복수의 팽창흡입기와, 최종 단계의 증발기를 포함하여 구성되는 다단계 혼합냉매시스템에 의해 달성된다.

상기 팽창흡입기는 기액분리기에서 분리된 액체성분의 냉매가 관로상의 팽창기를 거쳐 관로단부의 노즐을 통하여 증발냉매이동관 내측단부에 형성된 노즐을 통하여 2중관로 외측관으로 분사되어 위에서 아래로 흐르면서 증발되어 고온측으로의 증발냉매이동관과 연통되고, 이때 노즐부근에서 교축현상(throttling)이 발생하여 증발냉매이동관내의 냉매증기가 강하여 흡입되어 팽창기를 통하여 분사되는 냉매와 함께 2중관로 외측 증발관의 상부에서 하부로 향하여 흐르게 되므로 냉매에 포함되어 있는 잔류 오일도 이때 압축기 방향으로 이동하게 되고, 이와 동시에 직경이 서로 다른 동심(同心)의 2중관로중 증발관내측의 응축관으로는 기액분리기의 냉매증기가 아래에서 위로 흐르면서 응축되어 저온측의 기액분리기로 유입되며, 이렇게 기액분리기의 액체냉매가 팽창기를 거쳐 노즐에서 분사되며 동시에 흡입된 냉매와 함께 2중관로와 연통된 고온측의 증발냉매이동관로를 따라서 고온측으로 흐르고 기액분리기의 기체냉매는 2중관로 내측 응축관을 통하여 아래에서 위로 흐르면서 응축되어 저온측의 기액분리기에 접속되는 하나의 싸이클을 구성한다. 이 팽창흡입기는 다단계로 연결 구성되어 팽창과 응축을 반복하면서 순차적으로 저온을 만들게 된다.

상기 최종단계의 증발기는 최종 팽창흡입기를 통과한 응축냉매가 최종증발기 하부의 열교환기에서 재차 응축되어 팽창기를 거쳐 증발기내로 분사되어 상부에서 하부로 이동하면서 증발하게 된다. 증발을 완료한 냉매는 최종 단계의 팽창흡입기의 증발냉매이동관으로 연통하게 되어 일체로 된 회로를 형성하게 된다.

바람직한 실시예에 의하면, 전술한 팽창흡입기는 고온측의 열교환기와 최종 극저온의 증발기 사이에 직렬 4단으로 연결되며, 이때 냉매증발온도는 극저온 -160℃(냉동고내부온도는 -156℃가 됨)를 얻었다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면에 따라 상세하게 설명하나, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 범주 및 사상이 한정되는 것을 의미하지는 않는 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예의 극저온 냉동시스템은 혼합냉매를 압축하는 압축기(1)와, 압축기(1)에서 고온, 고압으로 압축된 냉매증기를 액화(혼합냉매중 비등점이 높은 냉매가 액화됨)시키는 응축기(2)와, 압축기(1)와 응축기관로 사이에 설치되어 압축된 냉매에 포함된 오일을 분리하여 압축기(1)로 환류시키는 유분리기(10)를 구비한다.

또한, 증발냉매이동관(6)과 압축기(1)의 흡입부 사이에 설치되어 응축기에서응축된 냉매는 과냉각시켜 제1 기액분리기(4-1)로 흐르게 하고 압축기(1)로 흡입되는 증기냉매는 건포화증기로 가열하여 압축기로 이동되게 하는 열교환기(3)와, 응축기(2)와 열교환기(3) 사이의 관로에는 냉매에 포함된 습기와 이물질을 제거하는 필터드라이어(12)를 구비한다.

또한, 열교환기(3)을 통과한 과냉각된 응축혼합냉매가 액화된 냉매와 증기상태의 냉매로 분리되는 제1 분리기(4-1)와, 제1 기액분리기(4-1)에서 분리된 액체성분의 냉매를 증발압력까지 압력을 감소시키는 제1 팽창기(8-1)를 구비한다.

제1 팽창기(8-1)를 거친 냉매는 증발냉매이동관(6-1)과 연통되는 부분에 좁아졌다 넓어지는 증발관로의 측단부내에 설치된 노즐(7-1)을 통하여 증발냉매이동관과 연통된 2중 관로 측으로 위에서 아래로 분사된다. 이때 교축현상(throttling)이 발생하여 증발냉매이동관(6-1)에는 압력이 크게 강하되어 증발관로내의 냉매증기를 강하게 흡입하며 제1 팽창기(8-1)와 노즐(7-1)을 통과하여 고속으로 분사되는 냉매는 흡입되는 증발냉매와 함께 2중관로의 외측관인 증발관로를 따라 위에서 아래로 빠르게 흐르게 되므로 냉매의 유속을 확보하게 되고 이에 따라 냉매에 포함된 잔류 오일도 압축기 측으로 이동하여 오일회수를 완벽하게 함으로써 냉동시스템의 높은 효율과 안전성이 보장된다. 이와 동시에 동심의 2중관로중 내측의 응축관로로는 고온측의 제1 기액분리기(4-1)의 냉매증기가 아래에서 위로 흐르면서 응축되어 저온측의 기액분리기(4-2)로 유입된다.

기액분리기내의 기체성분의 냉매와 액체성분의 냉매가 서로 반대방향으로 흐르는 팽창흡입기는 저온측으로 다단계로 반복형성 되는 것이 바람직하다.

즉, 본 실시예에서는 증발된 냉매증기가 고온측으로 흐로고 응축된 냉매액이 저온측으로 흐르는 구성인 팽창흡입기가 (A)에서 부터 (D)까지 직렬로 상호연결 되어 구성되며 저온측으로 갈 수록 팽창흡입기에서 나오는 응축냉매의 온도가 더욱 낮아지게 된다. 최종단계의 팽창흡입기(D)를 통과한 응축냉매는 열교환기(15)에서 재차 응축되어 최종 팽창기(8-5)를 통하여 최종증발기(14)의 상부에서 분사되어 하부로 이동하면서 증발되어 열을 흡수하여 극저온인 -160℃(냉동고 내부온도;-156℃)의 냉매증발온도를 얻었다. 증발을 완료한 냉매는 증발기(14) 하부의 2중관로 외측관을 통하여 최종단계의 팽창흡입기(D)의 증발냉매이동관(6-4)과 연통되어 일체로 된 회로를 형성한 극저온 냉동시스템을 구성하게 된다.

미 설명부호 11은 압축기(1)의 초기 가동시 발생되는 높게 상승된 압력을 저장하는 팽창탱크, 13은 압축기(1)흡입부에 과부하가 발생할때 이를 조절하는 흡입압력조절밸브, 9-1~9-4는 해당 증발냉매이동관로를 통과하는 냉매의 압력을 표시하는 압력게이지이다.

또한 전술한 바와 같이, -160℃의 극저온을 실현하기 위하여 직렬로 팽창흡입기(A~D)를 상호연결하여 다단계로 시스템을 구성하여도 만들어 낼 수 있는 저온에는 한계가 있어 본 발명은 혼합냉매냉동회로를 채택하였다. 팽창흡입기내의 혼합냉매는 실제로 냉동기가 작동중에 냉동회로내에서는 매우 복잡하게 거동하게 되는데 대략적으로는 아래와 같은 액화와 증발과정을 통하여 저온을 만들어 낸다.

고온부 냉동회로의 경우 공지기술이므로 설명을 생략하며, 저온부에서의 팽창흡입기내에서의 단계별 작동상태를 설명하면 아래와 같다.

팽창흡입기 (A)에서는 제1 기액분리기(4-1)에서 액화된 냉매 R-600A가 증발되며 이때 증발냉매이동관(6-1)의 압력값은 약 -18㎝Hg이고, 분사노즐(7-1)의 통과온도는 약 -62℃정도가 되었다.

팽창흡입기 (B)에서는 팽창흡입기 (A)의 기액분리기(4-2)에서 액화된 냉매 R-22, R-290가 증발되며 증발냉매이동관(6-2)내의 압력값은 약 -28㎝Hg 나타내고, 이때 분사노즐(7-2) 통과온도는 약 -119℃정도였고,

팽창흡입기 (C)에서는 팽창흡입기 (B)의 기액분리기(4-3)에서 액화된 냉매 R-116, R-23가 증발되며 증발냉매이동관(6-3)의 압력값은 약 -35㎝Hg 이고, 이때 분사노즐(7-3) 통과온도는 약 -136℃정도이고 2중관로(5-3)상의 열교환된 온도는 약 -128℃ 전후가 되었다.

팽창흡입기 (D)에서는 팽창흡입기 (C)의 기액분리기(4-4)에서 액화된 냉매 R-1150, R-14가 증발되며 증발냉매이동관(9-4)내의 압력값은 -45㎝Hg 이며, 이때 분사노즐(7-4) 통과온도는 약 -152℃ 정도이며 2중관로(5-4)상의 열교환온도는 -147 ℃ 전후가 되었다.

최종증발기(14)에서 증발되는 냉매는 팽창흡입기 (D)에서 액화된 냉매 R-50(He, Ar등의 첨가도 가능)로서 최종증발기 하부의 2중관로된 열교환기(15)를 통과하면서 재차 과냉각되어 -153℃에 도달하게 되며, 이는 팽창기(8-5)를 거쳐 증발기내로 분사되었다. 이때 증발기(14) 입구의 증발온도는 -160℃이며 증발기 출구온도는 -154℃로서 장치내부의 온도는 -156℃의 극저온이 생성되었다.

또한, 이는 단계별로 분사노즐(7-1~7-4)에서 분사시, 증발냉매이동관로(6-1~6-4)상의 증발냉매를 흡입하여 흡입된 냉매와 함께 2중관로(5-1~5-4)쪽으로 흡입과 동시에 팽창시키는 과정에 베르누이원리를 채택함에 따라, 흡입압력이 증발냉매이동관로상의 상기 압력게이지(9-1~9-4)의 압력값과 같이 강력하게 되어 흡입압력의 저하에 따른 냉매증발온도의 상승과 냉동능력 감퇴등의 문제가 해소되게 된다.

이상에서와 같이, 본 발명에 의하면, 냉매의 증발압력을 냉동기의 흡입압력보다 낮게 유지할 수 있어 최대 온도조건하에서 냉동시스템을 연속적으로 운전하는 경우에도 안정적인 성능을 유지할 수 있다.

또한, 고압측으로 흡입되는 냉매의 압력과 유속을 교축현상을 응용하여 각 단계별로 높임에 따라 저압측의 잔류 오일을 압축기로 완전하에 회수하여 압축기의 원활한 작동을 보장하여 기기의 사용수명이나 신뢰성이 제고된다.

한편, 증발냉매이동관내의 측단부에서 분사노즐을 통하여 분사시킴에 따라 교축현상이 발생하고 이에 따라 발생되는 흡인력에 의해 기체 냉매를 강력하게 빨아들여 안정적인 냉매의 흐름을 얻을 수 있고, 이로 인해 기기의 사용수명을 연장하며 당해분야에서 냉동효율을 20%이상 향상시킬 수 있다.

본 발명에 의하면, 다단 팽창방식의 압축기식 냉동고를 -156℃에서 연속적으로 안정적인 온도를 유지할 수 있도록 한 이점을 갖는다.

Claims (3)

1. 극저온 다단냉동장치로서 혼합 냉매를 흡입하여 압축하는 압축기(1)와 압축기에서 압축된 냉매에 포함된 오일을 분리하는 오일분리기(10)와 오일분리기에서 배출된 냉매증기를 액화시키는 응축기(2)와 저온측 내동싸이클을 순환 후 유입되는 증발된 냉매를 가열증발시키고 응축기(2)에서 응축된 냉매를 과냉시키는 열교환기(3)와, 과냉각된 혼합냉매를 액화된 냉매와 증기상태의 냉매로 분리시키는 제1 기액분리기(4-1)와 최종 증발기에서 증발된 냉매를 압축기(1)측으로 환류시키는 다단 혼합냉매 냉동시스템에 있어서,

   제1 기액분리기(4-1)의 액체성분의 혼합냉매는 팽창기(8-1)를 거쳐 증발냉매 이동관(6-1)내 측단부에 형성된 노즐(7-1)을 통하여 2중관로 외측관으로 분사되어 위에서 아래로 흐르면서 증발되어 고온측으로의 증발냉매이동관(6)으로 흐르고 제1 기액분리기(4-1)의 혼합냉매증기는 2중관로(5-1) 내측의 응축관로를 통하여 아래에서 위로 흐르면서 응축되어 제2 기액분리기(4-2)로 유입되도록 구성된 복수의 팽창흡입기를 직렬로 연결하여 최종 팽창흡입기(D)를 통과한 응축냉매는 증발기 하부의 열교환기(15)를 통과하여 제5 팽창기(8-5)를 거쳐 분사되어 최종증발기(14)에서 증발한 후 증발이 완료된 냉매는 증발냉매이동관과 연통된 증발관로를 통하여 압축기(1)로 환류되는 냉매회로를 구비하는 것을 특징으로 하는 극저온 내동시스템.
2. 제1항에 있어서, 상기 팽창흡입기는 고온측의 열교환기와 극저온측 증발기 사이에 4개가 직렬로 연결된 것을 특징으로 하는 극저온 냉동시스템.
3. 제1항에 있어서, 분사노즐은 증발냉매이동관과 연통되는 좁아진 증발관로의 측단부내에 설치된 것을 특징으로 하는 극저온 냉동시스템.