KR101448652B1 - 과냉각 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 과냉각 장치에 관한 것으로서, 액체의 과냉각시에 액체가 수용된 액체용기의 내부의 공기의 온도변화로 인하여 상기 액체용기 내부에 수용된 액체의 온도가 변화되는 것을 최소화하는데 그 목적이 있다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 히터가 마련되는 커버부재와;

상기 커버부재 내부에 그 일측이 수용되며 소정의 액체가 수용되며 그 내부를 부분적으로 구획하는 구획판가 설치되는 액체용기를 포함하는 것을 특징으로 하는 과냉각 장치를 제공한다.

액체용기, 구획판, 과냉각장치

Description

과냉각 장치 { A DEVICE FOR SUPER COOLING }

본 발명은 과냉각 장치에 관한 것으로서, 상세하게는 액체의 과냉각시에 액체가 수용된 액체용기의 내부의 공기의 온도변화로 인하여 상기 액체용기 내부에 수용된 액체의 온도가 변화되는 것을 최소화할 수 있는 과냉각장치에 관한 것이다.

과냉각이란, 용융체 또는 고체가 평형상태에서의 상전이 온도 이하 까지 냉각되어도 변화를 일으키지 않는 현상을 말한다. 물질에는 각각 그때의 온도에 따른 안정상태가 있어서, 온도를 서서히 변화시켜 가면 이에 따라 그 물질의 구성원자가 각 온도에서 안정상태를 유지하면서 온도의 변화를 따라갈 수 있다.

그러나 온도가 갑자기 변화면 구성원자가 각 온도에 따른 안정상태로 변화할 만한 여유가 없기 때문에, 출발점온도에서의 안정상태를 그대로 지니거나, 또는 일부분이 종점온도에서의 상태로 변화하다가 마는 현상이 발생한다.

예를 들어, 물을 서서히 냉각하면, 0℃ 이하의 온도가 되어도 일시적으로 응고하지 않는다. 그러나 물체가 과냉각 상태로 되면, 일종의 준안정 상태가 되어, 사소한 자극에 의해서도 그 불안정한 평형상태가 깨져서 보다 안정한 상태로 옮아가기 쉽다.

즉, 과냉각된 액체에 그 물질의 작은 조작을 투입하거나, 액체를 갑자기 흔들면 응고하기 시작하여 액체의 온도가 응고점까지 올라가고, 그 온도에서 안정된 평형상태를 유지하게 된다.

그러한 과냉각 액체를 만드는 기술은 액체가 담겨 있는 용기 주위에 전자기력을 제공하여 액체 결빙 온도 이하에서 물 분자를 계속 움직여 응고되지 않도록 하는 방법이 있다.

이 방법이외에도 액체의 결빙이 최초로 시작되는 부분이 액체표면임을 감안하여, 액체 주위를 결빙온도 이하로 형성시키되, 액체의 표면부분만 결빙되지 않도록 히터를 이용하여 영상의 온도를 유지할 수 있는 방법도 있다.

히터를 이용하는 방법을 사용하는 경우, 히터가 마련되는 커버부재가 액체용기 상부를 덮도록 하여 액체용기의 내부에 수용된 액체의 표면 상부에 형성되는 공기층이 실질적으로 상기 히터에 의하여 둘러싸이도록 하고, 히터를 작동시킴으로써 액체용기 내부 공기 온도를 빙결점 이상으로 되게하여 액체의 표면이 결빙되는 것을 방지한다.

그런데, 이와 같은 히터가 마련된 커버부재가 액체용기 전체를 커버하는 것이 아니라, 액체용기 상부 일부분만 커버하게 되는데, 이러한 히터의 작용에 의하여 히터의 주위 및 액체용기 상부에 수용된 공기가 가열되어 액체의 표면이 결빙되는 것이 방지된다.

그런데, 액체 표면 상부의 공기층이 일정온도 수준이상으로 가열되면, 액체표면의 온도를 상승시키게 되어, 과냉각액체를 얻는다는 기술적 효과를 반감시킬 수 있다는 문제점이 있었다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 일정한 온도 범위내에 있는 과냉각액을 얻는데 그 목적이 있다.

상세하게는, 액체용기 내부에 수용되는 액체의 표면과 액체의 표면 상부에 형성된 공기간의 열교환을 최소화함으로써 공기의 온도 상승이 액체의 온도에 주는 영향을 최소화 할 수 있는 발명을 제공하는데 그 목적이 있는 것이다.

상술한 과제를 해결하기 위한 본 발명은 히터가 마련되는 커버부재와;

상기 커버부재 내부에 그 일측이 수용되며 소정의 액체가 수용되며 그 내부를 부분적으로 구획하는 구획판가 설치되는 액체용기를 포함하는 것을 특징으로 하는 과냉각 장치를 제공한다.

또한, 상기 구획판에는 상기 액체용기의 상부와 하부를 상하로 연통시키는 연통공이 마련되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 연통공은 상기 구획판의 테두리 부분으로부터 소정간격 이격되어 상기 구획판의 중심부분에 마련되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 액체용기가 상기 커버부재에 수용되는 경우 상기 구획판는 상기 히터의 최하단부보다 아랫부분에 위치되도록 마련되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 액체용기의 일부가 상기 커버부재에 수용되는 경우 상기 액체용기의 위치가 고정되도록 상기 커버부재의 내주면에 마련되어 상기 액체용기의 외주 면과 접하는 고정부재를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 커버부재와 결합가능하게 마련되며 상기 액체용기를 수용하는 수용용기부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 수용용기부에 마련되어 상기 액체용기가 상기 커버부재를 향하도록 상기 커버부재를 탄성지지하는 탄성지지부재와;

상기 커버부재 내측에 마련되어 상기 액체용기의 상승을 제한하여 상기 액체용기가 상기 히터와 접촉하는 것을 방지하는 상승제한부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 과냉각 장치.

이와 같은 본 발명에 의하면, 액체용기 내부 상부에 형성된 공기층이 소정온도 이상으로 가열되어 0℃이상으로 형성되는 때에도 공기층 하부에 있는 액체의 표면의 온도가 영상의 공기층의 영향을 받아 상승하는 것을 최소화할 수 있게 된다.

또한, 액체층의 상부와 그 하부간의 온도 구배가 형성되는 것을 최소화함으로써 보다 균일한 온도를 갖는 과냉각액체를 만들 수 있다는 장점도 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 알아보기로 하겠다.

도1에서 도시한 바와 같이, 본 발명의 과냉각장치(20)를 포함하는 냉장고를 보면, 일측에 냉장실(2)이 마련되고, 타측에 냉동실(3)이 마련되는 본체(1)와, 상기 냉동실(3)과 냉장실(2)을 개폐하는 도어(3,4)를 포함한다.

그리고, 상기 냉동실(3) 내부에는 액체 기타 육류를 과냉각 시킬 수 있는 과냉각실(10)이 별도로 구획되어 마련되며, 상기 과냉각실(10) 내부에는 액체용기를 넣어서 과냉각액을 만들 수 있는 과냉각 장치(20)가 마련된다.

상기 과냉각장치(20)는 2개의 종류로 배치되는 것을 도시하였는데, 하나는 액체용기(100)가 수용될 수 있는 크기의 수용용기(30)와, 상기 수용용기(30)의 개방부분을 막아서 그 내부를 밀폐시키는 커버부재(40) 및, 상기 커버부재(40) 내부로 인입되는 히터(50)를 포함하고 있는 것이다.

그리고, 또 다른 하나는 액체용기(100)의 상부가 수용되는 커버부재(40) 및 그 내부에 인입되는 히터(50)를 포함하는 것이며, 이 경우, 상술한 수용용기(30)는 불필요하다. 왜냐하면, 두번째 과냉각장치(20)의 경우, 후술하는 바와 같이 커버부재(40) 내주면에 상기 액체용기(100)의 외주면과 접촉하여 상기 액체용기(100)가 하부로 빠지지 않도록 잡아주는 별도의 고정부재(미도시)가 있기 때문이다.

도2는 상기 냉동실(3) 내부에 마련되는 과냉각실(10)을 구체적으로 도시한 것이다.

상기 과냉각실(10)은 상기 냉동실(3) 내부에 별도로 구획된 공간이며, 이와 같이 상기 과냉각실(10)을 상기 냉동실(3)과 분리한 이유는 상기 냉동실(3)에 보관되어 있는 물품을 수납하는 경우에 이러한 보관물품들이 상기 과냉각상태의 액체와 부딪히게 되면 과냉각상태 액체의 과냉각상태가 해제되어 순간적으로 결빙 되기때문이다.

상기 과냉각실(10)의 일측에는 상기 과냉각실(10)로 냉기를 안내하는 송풍 팬(11)이 마련되고, 상기 히터(50)는 상기 과냉각실(10)상부에서 상기 과냉각실(10) 내부로 연장되는 형태로 배치된다. 그리고, 상기 과냉각실(10) 내부에는 상술한 바와 같이 상기 액체용기(100)가 수용되는 수용용기(30)가 있는 과냉각장치(20)와 수용용기가 없고 상기 커버부재(40)에 상기 액체용기(100)가 삽입되어 고정되는 과냉각장치가 배치된다.

그리고 상기 과냉각실(10) 내부에는 상기 과냉각실(10)의 온도를 측정하는 센서(13)가 마련되는데, 상기 센서(13)는 상기 송풍팬(11)의 동작을 제어하는 제어부(12)와 연결되어, 온도정보를 상기 제어부(12)로 전달함으로써 상기 과냉각실(10) 내부의 온도가 소정온도보다 높게 형성되는 경우 상기 송풍팬(11)의 동작으로 인하여 냉기가 상기 과냉각실(10)내부로 전달되게 하는 역할을 한다.

도3은 본 발명의 과냉각장치에 사용되는 액체용기를 도시한 것으로서 상기 액체용기(90)는 액체가 수용되는 액체수용부(105)와, 상기 액체수용부(105)의 상부에 마련되는 개방부(130)를 개폐하는 뚜껑부(110)와, 상기 뚜껑부(110)가 상기 액체수용부(100)에 결합되도록 나사산 형태로 마련되는 경사안내부(120)를 포함한다.

그리고, 상기 액체수용부(105) 내부에는 상기 액체수용부 내부공간을 상하로 구획하는 구획판(140)이 마련되며 상기 구획판(140)에는 상부와 하부를 연통시키는 연통공(150)이 마련되어 상기 액체의 유출입이 가능하도록 한다.

여기서 상기 구획판(140)에 마련되는 연통공(150)의 직경(D2)는 상기 액체수용부(100)의 직경(D1)의 절반정도가 되는 것이 바람직한데, 이는 구획판(140) 상부의 공기의 온도변화로 인하여 상기 구획판(140)하부에 채워지는 공기 또는 액체의 온도가 영향받는 것을 최소화 하면서도 상기 연통공(150)을 통해서 액체가 원활하게 유출입될 수 있도록 하기 위함이다.

도4는 상기 과냉각장치(20) 내부에 상기 액체용기(100)가 들어있는 상태를 보인 것으로서, 상기 수용용기(30)는 원통형태로 마련되며, 그 내부 공간의 하측에는 상기 액체용기(100)를 탄성력있게 지지하는 탄성지지부재(60)가 마련된다.

여기서, 탄성지지부재(60)는 액체용기(100)의 하면을 지지하는 평판형태의 지지부재(61)와, 상기 지지부재(61)와 상기 수용용기(30)의 바닥면 사이에 마련되어 탄성력을 제공하는 탄성부재(62)를 포함하고 있다. 여기서 상기 탄성부재(62)는 코일스프링 형태로 구성되는 것이 바람직하며, 그 지지력이 균등하게 분포될 수 있도록 상기 탄성부재(62)를 복수개 마련하여 상호 소정간격 이격되도록 하는 것이 바람직하다.

여기서, 상기 커버부재(40)의 내측에는 히터(50)가 마련되는데, 상기 히터(50)는 액체용기의 상부를 소정간격 이격된 상태에서 감싸는 형태로 배치될 수 있도록 코일상태로 형성되어 상기 커버부재(40) 내측에 마련되는 것이 바람직하다.

코일형태로 형성되는 히터(50)는 상기 커버부재(40)에 마련되는 소정의 돌출부(41)를 통과하여 상기 커버부재(40) 내측으로 인입되는 것이 바람직하여, 상기 히터(50)는 상기 과냉각실(10) 외부에 마련되는 상기 제어부(도2참조, 12)의 제어동작에 의하여 전원이 인가되어 작동하게 된다.

한편, 상기 수용용기(30)와 상기 커버부재(40)는 결합되어서 그 내부 공간을 밀폐 시키도록 되어 있다. 이를 위해서, 수용용기(30)의 개방부(31)의 내측벽에는 상기 커버부재(40)와 결합되도록 하는 나선형 형태의 결합부(32)가 마련되고, 상기 커버부재(40)의 하측외벽에는 상기 결합부가 결합될 수 있는 결합안내부(42)가 마련된다.

따라서, 사용자는 상기 수용용기(30) 내부에 상기 액체 용기(100)를 넣은 후 상기 수용용기(30)와 상기 커버부재(40)를 접촉시킨 뒤에 상기 수용용기(30)를 회전시켜서 상기 결합부(32)와 상기 결합안내부(42)가 서로 슬라이드 상태운동을 하게 함으로써 상기 수용용기(30)와 상기 커버부재(40)를 결합시킬 수 있는 것이다.

그리고, 그 상태에서 상기 액체용기(100)가 상기 탄성지지부재(60)와 상기 상승제한부(43)사이에 위치하게 되면, 상기 구획판(140)은 상기 히터(50)의 최하부의 바로 하부에 위치하게 된다.

이는 구획판(140)하면까지 액체가 채워진 뒤에, 상기 히터(50)가 가열되면, 가열된 히터에 의해 상기 구획판(140) 상면에 있는 공기가 가열되는데, 그 가열된 공기의 온도에 의하여 상기 구획판(140)의 하면에 있는 액체표면온도가 올라가게되는 것을 최소화 하기 위함이다.

상기 연통공(150)부분에 위치한 액체(W)와 그 상부에 위치한 공기간의 열교환은 어쩔 수 없이 일어나게 되지만, 그 부분을 제외한 다른 부분에서는 공기와 액체표면간에 열교환이 발생하는 것을 방지함으로써 전체적으로 구획판(140)이 없는 경우에 비하여 열교환량이 현저하게 줄어들도록 하기 위함이다.

이와 같은 상황에서 상기 액체용기(100)에 담긴 액체(W)에 대하여 과냉각과정을 수행하는 것을 알아보기로 하겠다.

상기 히터(50)가 작동되지 않은 상태에서 상기 과냉각실(도1참고, 10)내부공기(A3)의 온도가 액체(100)의 상전이 온도 이하로 내려가게 되면, 이러한 냉각이 진행될 때, 액체의 최대 빙결정 생성 대 이하에서의 냉각 온도에서도 액체가 과냉각 상태를 유지하려고 한다.

이러한 냉각 중에 액체(W)로부터 증발이 이루어져 수증기가 액체(W) 표면 상부에 위치한 공기층(A1)에 위치하게 된다.

액체 용기(B) 내부가 밀폐된 상태에서 상기 액체용기(B) 내부의 공기층에 있는 수증기는 그 공기층(A1) 내부를 부유하거나 상기 액체용기(B) 내벽에 부착되는데, 냉각온도가 액체의 최대 빙결정 생성대의 온도에 도달하거나 통과하면서 그 수증기는 빙결핵을 구성한다.

이러한 빙결핵은 액체(W)의 표면으로 떨어지거나 상기 액체표면과 액체용기 내벽의 접접에 위치하여 상기 액체(W)와 접촉하게 되고, 이에 의하여 액체의 과냉각상태가 해제됨으로써 액체의 결빙상태가 야기된다.

그런데, 히터(50)를 구동하게 되면, 상기 히터(50)에서 열이 발생하고, 대류에 의하여 상기 액체용기(B) 상부 주위의 공기온도가 상승하게 되며, 이때, 액체용기(B) 상부 주위의 공기온도는 액체의 상전이 온도 이상이 되게 함으로써 수증기가 빙결정이 되지 않도록 하는 것이 바람직하다.

한편, 상술한 바와 같이 상기 수용용기(30)의 내부공간과 커버부재(40)의 내부공간은 서로 연통되어 있기 때문에, 상기 히터(50)가 구동되면 가열된 공기중의 일부는 공기의 대류현상에 의하여 상기 수용용기(30) 주위를 향하게 되고, 그러한 가열된 공기는 상기 과냉각장치(20)의 외부공간의 공기(A3)의 온도에 영향을 받은 수용용기(30) 내부의 공기(A2)와 섞이게 되어, 그 부분의 온도가 상기 외부공간의 공기(A3)의 온도보다 높아지게 할 수 있다.

다만, 상기 구획판(140)이 존재하기 때문에 가열된 공기(A1)와 액체(W) 표면간의 열교환을 최소화 할 수 있게 되어, 과냉각된 액체(W)의 온도가 상승하는 폭을 현저하게 감소시킬 수 있게 되는 것이다.

도5는 상기 커버부재(40)에 상기 액체용기(100)가 삽입되어 고정되어 과냉각과정을 수행하는 다른 실시예를 보인 것으로서, 상기 커버부재(40)의 내주면 하단에는 상기 액체용기(100)의 외주면과 접촉하여 액체용기(100)가 아래로 낙하하지 않도록 끼워맞춤 시키는 고정부재(44)가 마련된다.

상기 고정부재(44)는 마찰력이 큰 특수고무 등으로 마련되는 것이 바람직하다. 이 경우, 상기 고정부재(44)는 상기 히터(50)에 의하여 열변형이 되지 않는 부재로 구성되어야 한다.

따라서 사용자가 상기 액체용기(100)를 상기 커버부재(40)에 삽입하며, 상기 고정부재(44)가 상기 액체용기(100)를 지지하는 상태에서 상기 히터(50)가 동작되고, 과냉각 과정을 수행하면 상기 액체용기(100) 내부의 액체(W)가 과냉각 되는 과정은 상술한 것과 동일하며, 또한, 상기 구획판(140)에 의하여 상기 히터(50)에 의하여 가열된 공기에 의하여 과냉각된 액체(W)의 온도가 상승하는 것을 어느정도 제한할 수 있는 것도 상술한 바와 동일하므로 구체적인 설명은 생략하겠다.

도6은 과냉각 과정을 수행하는데 있어서 과냉각실의 온도 및 액체용기 내부 의 온도변화를 나타낸 것이며, 또한, 구획판이 있는 경우와 구획판이 없는 경우의 액체의 온도변화를 나타낸 그래프이다.

과냉각실의 온도(Ⅰ)를 -12 ~ -13℃정도로 형성시키는 경우, 상기 액체용기 내부의 액체의 온도 또한 과냉각실의 냉기에 의하여 급격하게 강하하게 된다.

그리고, 한편, 상기 액체용기 내부의 상부에 마련되는 공기(A1, 도4참조)의 경우, 상기 히터(50)에 의하여 가열된 공기의 영향을 직접적으로 받기 때문에 그 온도가 빙결정온도 이상으로 유지되며, 이 때 그 공기 내부에 포함되어 있는 수증기는 빙결정으로 되지 못하고 수증기 상태로 머물러 있게 된다.

한편, 상기 구획판(140)이 없는 경우 공기(A1)와 액체의 표면이 접촉하게 되어 액체의 온도가 히터에 의하여 가열된 공기에 의하여 영향을 받아서 구획판이 있는 경우에 비하여 높은 상태를 유지하게 된다(그래프의 Ⅲ 선 참조).

그러나 구획판(140)이 존재하게 되면, 히터에 의하여 둘러싸여서 가열되는 공간과, 그 하부공간이 상기 구획판(140)에 의하여 어느정도 분리됨으로써 가열된 공기의 영향이 구획된 하부까지 미치는 것을 어느정도 제한할 수 있게되고, 이에 의하여 과냉각 액체의 온도가 상승하는 것을 방지할 수 있는 것이다. 그리하여 구획판이 없는 경우에 비하여 과냉각 액체의 온도가 상대적으로 낮은 상태로 유지될 수 있게 되며, 전체적으로 액체의 상부와 하부의 온도가 균일화될 수 있다.

도1은 본 발명에 의한 과냉각 장치를 포함하는 냉장고의 정면도이다.

도2는 본 발명에 의한 과냉각실의 측단면도이다.

도3는 본 발명에 의한 액체용기의 분리사시도이다.

도4는 본 발명에 의한 과냉각 장치의 제1 실시예의 측단면도이다. .

도5는 본 발명에 의한 과냉각 장치의 제2 실시예의 측단면도이다.

도7은 본 발명에 의한 과냉각 장치에서 구획판 유무에 따른 온도변화를 도시한 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 설명>

20: 과냉각장치 30: 수용용기

40: 커버부재 50: 히터

100: 액체용기 140: 구획판

150: 연통공

Claims (7)

1. 히터가 마련되는 커버부재와;

   상기 커버부재 내부에 그 일측이 수용되며 소정의 액체가 수용되며 그 내부를 부분적으로 구획하는 구획판이 설치되는 액체용기를 포함하는 것을 특징으로 하는 과냉각 장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 구획판에는 상기 액체용기의 상부와 하부를 상하로 연통시키는 연통공이 마련되는 것을 특징으로 하는 과냉각 장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 연통공은 상기 구획판의 테두리 부분으로부터 소정간격 이격되어 상기 구획판의 중심부분에 마련되는 것을 특징으로 하는 과냉각 장치.
4. 제1항에 있어서,

   상기 액체용기가 상기 커버부재에 수용되는 경우 상기 구획판은 상기 히터의 최하단부보다 아랫부분에 위치되도록 마련되는 것을 특징으로 하는 과냉각 장치.
5. 제1항 또는 제4항에 있어서,

   상기 액체용기의 일부가 상기 커버부재에 수용되는 경우 상기 액체용기의 위치가 고정되도록 상기 커버부재의 내주면에 마련되어 상기 액체용기의 외주면과 접하는 고정부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 과냉각 장치.
6. 제1항 또는 제4항에 있어서,

   상기 커버부재와 결합가능하게 마련되며 상기 액체용기를 수용하는 수용용기부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 과냉각 장치.
7. 제6항에 있어서,

   상기 수용용기부에 마련되어 상기 액체용기가 상기 커버부재를 향하도록 상기 커버부재를 탄성지지하는 탄성지지부재와;

   상기 커버부재 내측에 마련되어 상기 액체용기의 상승을 제한하여 상기 액체용기가 상기 히터와 접촉하는 것을 방지하는 상승제한부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 과냉각 장치.

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