KR100776207B1 - 냉각 장치 및 냉각 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉매를 주로 산소를 사용하는 냉각 방법 및 장치를 제공하려는 것이다. 본 냉각 장치는 냉매가스를 자화하는 자화기와, 자화기로부터 나오는 자화된 냉매가스가 탈자기화 되는 냉각실과, 냉매가스가 상기 자화기와 상기 냉각실을 순환하도록 압력을 가하는 순환펌프를 포함하여 이루어진다.

냉매가스를 순환시키면서 냉각실을 냉각시키는 냉각방법은, 냉매가스를 압축하고 냉매가스가 가진 열을 방출시키는 단계와, 압축된 냉매가스를 자화하는 단계와, 압축되고 자화된 냉매가스를 단열 팽창시키고 단열 탈자시키는 단계를 포함한다.

Description

냉각 장치 및 냉각 방법{A refrigerator and a method of refrigeration}

도1은 본 발명 장치의 일 실시 예를 보인 블록도이다.

도2는 본 발명의 4각통형 자화기의 일 예를 보인 도면이고, 도3은 자화소자의 다면을 보인 단면도이다.

도4는 또 다른 원통형 자화기의 일부 단면도이다.

도4는 전자석 자화기의 일 예를 설명하기 위한 일부 단면도이다.

본 발명은 냉각 장치에 관한 것으로서, 특히 냉매로서 주로 산소를 이용하는 냉각 장치에 관한 것이다.

지금까지 사용되고 있는 일반적인 냉각 장치는 프레온 가스를 컴프레서(compressor)로 압축하며 이때 발생되는 열을 방열기(radiator)에서 방출하고 압축된 프레온가스를 냉각기(evaporator)에서 단열 팽창시킨 후 다시 콤프레서에서 압축하는 사이클로서 냉각기에서 냉기를 발생하는 방식의 냉각 장치이다. 냉각기에서 방생되는 냉기를 이용하여 냉장고에서는 실내 공간을 냉각시키고, 에어컨에서는 냉각기를 통과하는 공기를 냉각시킨다.

그러나 종래의 냉각 장치에서 사용되는 프레온 가스는 환경오염을 유발하기 때문에 이를 대체하는 냉매의 개발이 강요되고 있다.

본 발명의 목적은 냉매 가스로서 주로 산소 가스를 사용하는 냉각 방법 및 장치를 제공하려는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 단열 탈자기화 현상을 이용하는 냉각 방법 및 장치를 제공하려는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 전기 쌍극자 물질을 냉매로 이용하는 냉각 방법 및 장치를 제공하려는 것이다.

본 발명의 냉각 장치는 냉매가스를 자화하는 자화기 및 또는 전계발생기와, 자화기로부터 나오는 자화된 냉매가스 및 또는 전계에 의하여 정렬된 냉매가스가 탈자 또는 탈전계 되는 냉각실과, 냉매가스가 상기 자화기와 상기 냉각실을 순환하도록 압력을 가하는 순환펌프를 포함하여 이루어진다.

또한 본 발명의 장치는 냉매가스의 순환통로인 압축기의 출구 측에 압축된 냉매가스가 가진 열을 방출하기 위한 방열기를 추가로 포함한다.

여기서 냉매 가스로는 산소, 다른 상자성 기체 또는 암모니아를 사용할 수가 있고, 순환 펌프는 기체를 압축하는 콤프레서를 사용하면 되고, 자화기는 자석의 N극과 S극을 근접시켜서 냉매가스가 통과할 수 있도록 작은 틈새를 만든 자화소자를 다수 개 설치하여 만드는데, 이 자화소자의 N극과 S극을 전자석으로 형성하고 자화시키기 위해 전기 펄스를 인가하면 더욱 효과적이 된다. 전계를 생성하는 장치는 널리 알려진 바와 같이 두 개의 전극을 평행되게 배치하고 그사이에 전압을 인가하면 된다.

본 발명의 방법은 냉매가스를 순환시키면서 냉각실을 냉각시키는 냉각장치에서의 냉각방법인데, 냉매가스를 압축하고 냉매가스가 가진 열을 방출시키는 단계와, 압축된 냉매가스를 자화하는 단계와, 압축되고 자화된 냉매가스를 단열 팽창시키고 단열 탈자시키는 단계를 포함한다. 자화하는 단계에서, 전자석을 이용하여 냉매가스를 자화시키고 전자석에 단속적인 전기 에너지를 인가시켜서 전자석 자체도 자화되었다가 탈자기화되도록 하면 더욱 좋다.

도1은 본 발명 장치의 일 실시 예를 보인 블록도이다.

도2는 본 발명의 자화기의 일 예를 보인 도면이고, 도3은 자화소자의 단면을 보인 단면도이다.

도4는 또 다른 자화기의 단면도이다.

먼저 본 발명의 일 실시예인 냉각 장치를 도면을 참고하면서 설명한다.

본 장치는, 도1에서 보인 바와 같이, 냉매가스를 자화하는 자화기(10)와, 자화기로부터 나오는 자화된 냉매가스가 탈자되는 냉각실(20)과, 냉매가스가 상기 자화기와 상기 냉각실을 순환하도록 압력을 가하는 순환펌프(30)를 포함한다. 여기에 순환펌프 출구 측에 가압된 냉매가스가 가진 열을 방출하기 위한 방열기(40)를 추가한다. 또 자화기와 냉각실 사이에 스로틀밸브(33)를 삽입하여 순환되는 가스의 압축률을 조절할 수 있고, 냉매를 순환시키기 위한 압력을 가하는 펌프의 인입구와 인출구에 냉매 순환 계통 외부로 통하는 인입밸브(31) 및 배출밸브(32)를 각각 설치하여 공기를 순환계통 내로 빨아들이거나 순환되고 있는 냉매 가스를 일부 대기 중으로 방출하도록 할 수 있다.

이러한 구조의 냉각 장치에 냉매 가스로는 산소 또는 상자성 가스를 사용할 수가 있다.

냉매로서 기체를 사용할 경우에 순환 펌프로는 기체를 압축하는 압축기(compressor)를 사용한다.

방열기(40)는 대기 중에 방열하는 공냉식 또는 물을 이용하는 수냉식을 사용하면 되고, 냉각실은 종래의 에어콘이나 냉장고 등에서 사용되는 것과 같은 것을 사용하면 된다.

자화기(10)는 자석의 N극(11)과 S극(12)을 근접시켜서 그사이에 냉매가스가 통과할 수 있도록 작은 틈새(14)를 형성한 자화소자(7)를 다수 개 설치한 것이다. 이것은 도2 및 3과 같이 자화소자를 일렬로 나열하여 사각통 형상으로 만들어도 되고, 도4에서 보인 바와 같이 다수의 자화소자를 원통형으로 나열하여 만들어도 된다. 도4에서 보인 자화기는 중앙에 냉각재 통로(17)를 가지고 있어서 이곳에 냉각수를 통과시키면 자화시에 발생되는 열을 수냉식으로 방출할 수가 있다. 또 틈새를 사이에 두고 대향하고 있는 N극과 S극은 도3과 같이 NS극이 함께 있도록 자화하여도 되고 자속 통로(15,16)를 자화시켜서 형성하여도 된다.

자화소자의 구성에서 냉매가스가 작은 틈새를 통과하도록 하는 것은 자석의 두 극을 근접시키면 시킬수록 자장의 세기가 증가되기 때문에 이곳을 통과하는 냉매 가 스가 잘 자화될 수 있기 때문이다.

이렇게 구성된 장치에서 냉매 가스는 펌프에서 가압되어 방열기를 통과하고 자화기에서 자화되었다가 냉각실에서 탈자기화되고 팽창된 후 다시 펌프에서 가압되는 순환을 계속하게 하면서 냉각실의 온도를 낮추게 된다.

냉매가스로는 산소나 상자성 기체를 사용할 수가 있다. 산소 분자는 2p 오비탈에 전자의 영향 때문에 상자성을 띄는 것으로 알려져 있다. 산소 분자만큼 물성이 뛰어나고 경제성 있는 기체는 발견되어 있지 아니하지만 앞으로 이러한 상자성 기체가 발견되면 사용하 수가 있는 것이다.

상자성의 물질을 자화하였다가 단열 탈자기화하면 냉각되는 현상이 있는 것으로 알려져 있다. 그래서 산소 분자를 자화시켰다가 단열 탈자기화하면 냉각된다.

이러한 현상은 산소 분자에 자계가 가하여지면 산소분자는 자계 방향으로 정렬되게 된다. 따라서 자화기를 통과하면서 자계에 의하여 하나의 방향으로 정렬이 되는 산소 분자들이 많아지게 되고 그래서 엔트로피가 저하하게 된다. 산소 분자가 자화기를 통과하여 냉각실에 들어가게 되면 냉각실에는 자계가 없으므로 산소 분자들이 원래의 방향으로 분포되면서 엔트로피가 증가하게 되므로 온도가 하강하게 되는 것으로 해석되고 있다.

이때 자화기에는 열이 발생되므로 방열시킬 필요가 있다. 그래서 방열기(40)와 자화기(10)는 냉각 장치 외부로 열을 방출할 수 있도록 설치되어야 한다. 마치 기존의 에어컨이나 냉장고에서 방열기를 외부에 설치하는 것과 같이 하면 된다.

도 2, 3, 4에 보인 것은 합성영구자석을 사용하여 자화기를 구성한 예를 보여 주고 있지만 다른 방법으로도 얼마든지 자화기를 제작할 수 있다.

도5는 영구자석 대신에 전자석을 이용하여 전자석자화기를 제작한 개략 도를 보여 주고 있다.

전자석 자화기는 s극(53)과 n극(52)의 단면을 빗살 모양으로 만들고, 서로 결합시켜 n극과 s극 사이에 간격(54)을 형성하고, 이 간격이 외부와는 밀폐된 통로가 될 수 있도록 밀폐수단(55)으로 밀폐한다. 전체 형태는 도2에서 보인 바와 같이 냉매 가스 입구와 출구를 가지며, 입구로 들어오는 냉매 가스가 이 간격(54)을 통하여 출구로 배출되도록 한 것이다.

본 냉각 장치에 전자석 자화기(50)를 사용하면 다음과 같은 장점이 있다. 첫째 영구자석이 가지는 자석의 열화를 어느 정도 줄일 수 있다.

둘째 전자석 자체의 자화 및 탈자로 인하여 냉각 효과가 증진된다.

냉매로 사용하는 산소는 공기 중에 충분히 있으므로 누설되어도 문제가 없고 환경오염도 일으키지 아니하므로 바람직한 냉매가 된다.

지금 사용되고 있는 냉장고와 에어컨은 본 발명의 냉각장치로 대체될 수 있을 것이다.

단열 탈자기화 현상이 냉각 현상이 있는 것과 마찬가지로 단열 탈전계화도 냉각 현상이 있으므로 자화기 대신 전계 발생기로 대체하여도 냉각 계통이 그대로 동작이 되며 자화기와 전계발생기 모두를 같이 순환시스템 내에 설치하여 사용하게 하여도 된다. 전계 발생 장치는 전극을 여러장 평행되게 나열하여 교대로 정 부 전압을 인가하고 그사이에 암모니아 가스를 흘리는 구조로 제작할 수가 있다. 즉 도2와 같은 절연체 통속에 다수의 전극을 각각 절연하여 설치하고 각각의 전극에 양극과 음극 전기를 번갈아서 연결되도록 하면 된다.

암모니아 가스가 이 전계 발생기를 통과하는 동안 전기 쌍극자에 의하여 일정한 방향으로 정열하게 되고 전계가 없는 냉각실로 들어가면 이 정렬이 풀어지게 되어 엔트로피가 증가하게 되며 따라서 온도가 낮아지게 된다.

본 냉각 장치의 동작을 설명하면 다음과 같다.

순환펌프인 기체 압축기(30)에서 산소가스가 압축되어 압력이 증가되면 열이 발생되고 이 열은 방열기(40)에서 장치 외부로 발산된다. 압축된 산소가스는 자화기(10)를 통과하면서 자화된다. 이때 자화기에서는 자체적으로 발생되는 열과 산소가스가 방열기를 통과하면서 미처 방출하지 못한 여분의 열을 방출할 수 있게 된다.

이렇게 압축되고 자화된 산소가스는 냉각실(20)에서 단열 팽창되고 단열 탈자기화되면서 온도가 내려가게 된다. 그래서 냉각실을 냉각시킨다.

산소는 고체화되는 온도 Tf가 54.36K 이고 기화온도 Tb가 90.17K 이며 임계점 Tc가 154.58K 이다. 따라서 본 발명의 냉각장치에서 산소를 냉매로 사용할 경우 영하 215도에서 영상 215도까지 사용이 가능하고 더 이상의 높은 온도에서도 사용이 가능하다. 그러므로 현재 사용되고 있는 냉각 장치들을 본 발명의 냉각 장치로 대체할 수 있을 것이다.

이상 설명한 것은 본 발명의 기술사상을 이용하는 일부의 장치 예를 보여 설명한 것인 바, 본 발명의 기술 사상 내에서 자화기를 여러 가지 다양한 용도 다양한 형 태로 제작할 수가 있음은 물론이다.

본 발명의 냉각 방법과 장치는 아주 새로운 개념의 냉각 방식으로서 기존의 냉각 장치 부품들을 설계 변경하여 사용할 수가 있으므로 적은 비용으로 개발할 수 있고, 환경을 오염시키지 아니하는 유익도 있다.

Claims (18)

1. 냉매가스를 자화하는 자화기와,

   상기 자화기로부터 나오는 자화된 냉매가스가 탈자되는 냉각실과,

   냉매가스가 상기 자화기와 상기 냉각실을 순환하도록 압력을 가하는 순환펌프를 포함하여 이루어지는 냉각 장치.
2. 청구항 1 있어서,

   냉매가스의 순환통로인 순환펌프 출구 측에 가압된 냉매가스가 가진 열을 방출하기 위한 방열기를 추가로 포함하는 것이 특징인 냉각 장치.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 냉매 가스로는 산소와 같은 상자성 가스를 사용하는 것이 특징인 냉각 장치
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 순환 펌프는 기체를 압축하는 압축기인 것이 특징인 냉각 장치
5. 청구항 1항 내지 4항의 어느 하나의 항에 있어서,

   상기 자화기는 N극과 S극을 근접시켜서 냉매가스가 통과할 수 있도록 작은 틈새를 만든 자화소자를 다수 개 설치한 것이 특징인 냉각 장치
6. 청구항 5에 있어서,

   상기 자화소자의 N극과 S극은 전자석을 사용하는 것이 특징인 냉각 장치
7. 청구항 5에 있어서,

   상기 자화소자는 전자석으로 형성시키되 자화시키기 위한 전력으로 전기 펄스를 인가하는 것이 특징인 냉각 장치
8. 청구항 2에 있어서,

   상기 자화기가 방열기내에 설치되어 냉매의 압축 및 자화와 방열이 방열기 내에서 일어나게 하는 것이 특징인 냉각 장치
9. 냉매가스에 전계를 가하는 전계발생기와,

   상기 전계 발생기로부터 나오는 냉매 가스에 전계를 인가하지 않음으로서 냉매 가스를 냉각되게 하는 냉각실과,

   냉매가스가 상기 전계발생기와 상기 냉각실을 순환하도록 압력을 가하는 순환펌프를 포함하여 이루어지는 냉각 장치.
10. 청구항 9 있어서,

    냉매가스의 순환통로인 순환펌프 출구 측에 가압된 냉매가스가 가진 열을 방출하기 위한 방열기를 추가로 포함하는 것이 특징인 냉각 장치.
11. 청구항 10에 있어서,

    상기 냉매 가스로는 암모니아 가스인 것이 특징인 냉각 장치
12. 청구항 10에 있어서,

    상기 순환 펌프는 기체를 압축하는 압축기인 것이 특징인 냉각 장치
13. 냉매가스를 순환시키면서 냉각실을 냉각시키는 냉각장치에서의 냉각방법에 있어서,

    냉매가스를 압축하고 냉매가스가 가진 열을 방출시키는 단계와,

    압축된 냉매가스를 자화하는 단계와,

    압축되고 자화된 냉매가스를 단열 팽창시키고 단열 탈자시키는 단계를 포함하여 이루어지는 냉각 방법.
14. 청구항 13 있어서,

    냉매 가스로는 산소와 같은 상자성 가스를 사용하는 것이 특징인 냉각방법
15. 청구항 13에 있어서, 상기 자화하는 단계에서,

    전자석으로 냉매가스를 자화시키고,

    상기 전자석에 단속적인 전기 에너지를 인가시켜서, 전자석 자체가 자화되었다가 탈자기화되도록 하는 것이 특징인 냉각 방법
16. 청구항 13에 있어서,

    냉매가스 압축기의 인입구를 대기 방향으로 열어서 먼저 공기를 압축하고,

    일정한 시간 동안 냉매 가스인 공기를 순환시켜 냉각시키고 산소가 자화기에 붙잡혀 있게 한 다음 압축기의 출구측을 대기 방향으로 열어서 질소가 상대적으로 많은 공기를 대기 중에 방출한 다음,

    다시 압축기 입구를 대기 중으로 열어 새로운 공기를 인입시키는 단계들을 반복하여 대기 중에서 냉매인 산소 가스를 함축시켜 사용하는 것이 특징인 냉각 방법
17. 냉매가스를 순환시키면서 냉각실을 냉각시키는 냉각장치에서의 냉각방법에 있어서,

    냉매가스를 압축하고 냉매가스가 가진 열을 방출시키는 단계와,

    압축된 냉매가스를 전기장 속을 통과하게 한 후 전계가 인가되지 아니하는 냉각실에서 압축된 냉매가스를 단열 팽창시키고 단열 탈전계화시키는 단계를 포함하여 이루어지는 냉각 방법.
18. 청구항 17에 있어서,

    냉매 가스로는 암모니아 가스를 사용하는 것이 특징인 냉각방법

Images