KR101605543B1 - 초저온냉동고 및 동결건조기용 냉동시스템의 초저온 냉매조성물 - Google Patents

초저온냉동고 및 동결건조기용 냉동시스템의 초저온 냉매조성물 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초저온냉동고 및 동결건조기용 냉동시스템의 초저온 냉매조성물에 관한 것으로, 초저온냉동고 및 동결건조기용 냉동시스템의 초저온 냉매조성물에 있어서; 상기 냉매 조성물은 성에 발생 방지 기능을 갖는 제1냉매, 상기 제1냉매보다 비등점이 낮고 초저온 온도 특성을 발현하는 제2냉매, 상기 제2냉매보다 비등점이 낮고 높은 압력을 유지할 수 있는 제3냉매로 이루어지되, 상기 제1냉매는 프로판이고, 상기 제2냉매는 삼불화메탄이며, 상기 제3냉매는 아르곤이고; 상기 제1,2,3냉매의 조성비율은 프로판 38중량%, 삼불화메탄 57중량%, 아르곤 5중량%이며; 상기 제1,2냉매는 액상, 상기 제3냉매는 기체 상태로 첨가 혼합되어 냉매 조성물을 구성하는 것을 특징으로 하는 초저온냉동고 및 동결건조기용 냉동시스템의 초저온 냉매조성물을 제공한다.
본 발명에 따르면, 기존의 상용화된 초저온냉동고 및 동결건조기용 냉동시스템을 그대로 활용하는 것이기 때문에 유지보수가 용이하고, 매우 경제적이며, 천연냉매와 비공비 냉매를 활용하는 것이므로 친환경적이고, 사용분야인 각종 의료장비의 선진화에 일조하는 효과를 얻을 수 있다.

Description

초저온냉동고 및 동결건조기용 냉동시스템의 초저온 냉매조성물{REFRIGERANT COMPOSITION OF REFRIGERATION SYSTEM FOR FREEZER AND FREEZE DRYER}
본 발명은 초저온냉동고 및 동결건조기용 냉동시스템의 초저온 냉매조성물에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하나의 냉동시스템을 이용하여 안정적으로 초저온을 달성할 수 있도록 개발된 초저온냉동고 및 동결건조기용 냉동시스템의 초저온 냉매조성물에 관한 것이다.
21세기가 도래된 후 과학의 발전에 따라 냉장/냉동시스템도 비약적인 발전을 거듭해 왔다.
예컨대, 단일 냉동시스템의 경우에는 최저 -40℃, 2단 냉동시스템에서는 -70℃, 2원 냉동시스템에서는 -100℃이하의 냉동효과를 얻을 수 있었다.
그러나, 이러한 방식을 채택할 경우 많은 설치 공간과 여러가지 구성이 수반되어야 하므로 냉동시스템 설비의 대형화는 필수불가결하므로 비용과 시간이 많이 소모되고, 유지 관리도 쉽지 않은 단점이 있다.
한편, 관련 선행기술로 등록특허 제0333479호를 들 수 있는데, 이에 따르면 총 5개소의 열교환기를 이용하여 각 열교환기별 증발이 이루어지는 CH2FCF3, CHF3, CH4, Ar 그리고 응고 방지성분으로 n-펜탄을 냉매로 이용하여 -150℃ 이하의 초저온냉동장치를 달성한 예가 개시된 바 있으나, 이또한 5개의 열교환기를 사용해야 하는 특성상 대규모 냉동시스템을 구성할 수 밖에 없어 효율 대비 비용낭비, 설치공간 낭비가 크다는 단점을 안고 있다.
또한, 일본 특개평5-186765에 따르면, R-14, R-170, R-23의 2 내지 3성분계의 냉매에 윤활유에 대한 친화성을 갖는 R-290, 부탄 1~10wt%를 첨가 혼합함으로써 압축기의 윤활유 피드백(Feed-back)을 촉진시키는 예가 개시되어 있지만, 각기 냉각온도나 액화시 압력에 대한 구체적인 제시가 없어 유명무실한 기술에 불과하다. 이때, R-14, R-170, R-23, R-290 등은 냉매번호를 의미한다.
뿐만 아니라, 일본 특개평5-306391에는 R-23과 R-170, R-14와 R-50의 혼합냉매로서 그 표준비점을 -90℃ 이하로 할 수 있음을 개시하고 있으나, 임계온도가 낮고 임계압력도 높아 종전의 단일 냉동시스템에는 적용할 수 없다는 한계를 가지고 있다.
아울러, 롱스워드의 미국특허 제5,337,572호에서는 혼합가스를 냉매로 사용하여 단일 단계로 초저온을 발생시키는 폐쇄사이클의 냉동시스템을 제시하고 있는데, 이 냉동시스템은 스로틀 오리피스를 갖는 열교환기를 포함하며 특히, 냉매를 압축하기 위해 단일 단계의 오일 윤활 롤링피스톤 타입 냉동기를 사용하고, 냉매로는 비점이 -153℃ 이하인 가스와 7℃ 이하인 가스를 혼합한 것으로 냉매가스를 압축 및 열교환하여 냉각된 냉매를 열교환기 및 스로틀 오리피스로 순환시키고 다시 냉동기로 회수되는 구성으로 되어 있다.
이 시스템의 경우, 중간 단계의 분리기를 사용하지 않는 것이 장점이지만, 효율이 낮아 산업적 이용에 한계를 갖는다.
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점에 따른 한계성을 극복하기 위한 창출된 것으로, 천연냉매와 비공비 냉매를 이용하여 온난화 지수를 최대한 낮추면서 -50 ~ -90℃의 냉동온도를 신속하고 균일하게 유지할 수 있고, 나아가 단일 냉동시스템을 이용하여 비용증대나 설비의 대형화없이 초저온 냉동을 실현할 수 있도록 한 초저온냉동고 및 동결건조기용 냉동시스템의 초저온 냉매조성물을 제공함에 그 주된 목적이 있다.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 초저온냉동고 및 동결건조기용 냉동시스템의 초저온 냉매조성물에 있어서;
상기 냉매 조성물은 성에 발생 방지 기능을 갖는 제1냉매, 상기 제1냉매보다 비등점이 낮고 초저온 온도 특성을 발현하는 제2냉매, 상기 제2냉매보다 비등점이 낮고 높은 압력을 유지할 수 있는 제3냉매로 이루어지되,
상기 제1냉매는 프로판이고, 상기 제2냉매는 삼불화메탄이며, 상기 제3냉매는 아르곤이고;
상기 제1,2,3냉매의 조성비율은 프로판 38중량%, 삼불화메탄 57중량%, 아르곤 5중량%이며;
상기 제1,2냉매는 액상, 상기 제3냉매는 기체 상태로 첨가 혼합되어 냉매 조성물을 구성하는 것을 특징으로 하는 초저온냉동고 및 동결건조기용 냉동시스템의 초저온 냉매조성물을 제공한다.
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본 발명에 따르면, 기존의 상용화된 초저온냉동고 및 동결건조기용 냉동시스템을 그대로 활용하는 것이기 때문에 유지보수가 용이하고, 매우 경제적이며, 천연냉매와 비공비 냉매를 활용하는 것이므로 친환경적이고, 사용분야인 각종 의료장비의 선진화에 일조하는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 냉매 조성물이 사용되는 단일 냉동시스템의 예시적인 구성도이다.
이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명 설명에 앞서, 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.
또한, 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 도 1의 예시와 같이, 기존 초저온냉동고 및 동결건조기용 냉동시스템을 그대로 활용한다.
예컨대, 본 발명에 따른 냉매 조성물이 사용되는 초저온냉동고 및 동결건조기용 냉동시스템은 콤프레셔(100), 콘덴서(200), 캐필라리튜브(300), 증발기(400)를 기본 구성으로 하는 초저온냉동고 및 동결건조기용 냉동시스템이며, 콘덴서(200)와 증발기(400) 사이에 열교환기(500)가 더 구비된다.
이때, 상기 열교환기(500)는 유로를 달리하는 두 개의 열교환기기 하나의 모듈로 구성되어 상호 열교환할 수 있도록 구비된다.
또한, 상기 콘덴서(200)와 열교환기(500) 사이에는 핫가스튜브(600)가 더 구비되는데, 상기 핫가스튜브(600)는 냉매관(P)이 수회 감긴상태로 배관되게 하여 간접 가열함으로써 냉매에 의해 설비에 성에가 발생하지 않도록 하는 기능을 수행한다.
뿐만 아니라, 상기 핫가스튜브(600)와 열교환기(500) 사이에는 드라이어(700)가 설치되어 수분을 제거하는 기능을 수행하며, 열교환기(500)와 콤프레셔(100) 사이에는 스트레이너(Strainer)(800)가 설치되어 고형물을 걸려 주는 기능도 수행한다.
이러한 시스템 구성을 갖는 초저온냉동고 및 동결건조기용 냉동시스템에서 냉매의 흐름은 콤프레셔(100) → 콘덴서(200) → 핫가스튜브(600) → 드라이어(700) → 열교환기(500) → 캐필라리튜브(300) → 증발기(400) → 열교환기(500) → 스트레이너(800) → 콤프레서(100)로 이루어지는 순환을 반복하게 된다.
여기에서, 본 발명은 상기 냉매관(P)을 따라 냉동시스템을 구성하는 다수의 구성품들을 수환하는 냉매가 다음과 같은 냉매 혼합물, 즉 냉매 조성물로 이루어져 독특한 냉동특성, 특히 -50 ~ -90℃ 대역의 초저온 냉동특성을 안정적으로 발현하도록 구성된다.
예컨대, 본 발명에 따른 냉매 조성물은 합금발명의 조성범위에 관한 심사규정, 즉 모든 성분의 최대량의 합이 100%에 미달하거나 혹은 모든 성분의 최소량의 합이 100%를 초과하거나 혹은 임의의 한 성분의 최대량과 나머지 성분의 최소량의 합이 100%를 초과하거나 혹은 임의의 한 성분의 최소량과 나머지 성분의 최대량의 합이 100%에 미달하는 경우 기재가 불비한 것으로 정하고 있는 바, 이를 만족하는 범위로 조성된다.
즉, 본 발명에 따른 냉매 조성물은 중량%로, 성에 발생 방지 기능을 갖는 제1냉매 30-40%, 상기 제1냉매보다 비등점이 낮고 초저온 온도 특성을 발현하는 제2냉매 55-65%, 상기 제2냉매보다 비등점이 낮고 높은 압력을 유지할 수 있는 기체 상태의 제3냉매 5-10%로 이루어진다.
이때, 상기 제1냉매는 하기한 표 1에서와 같이, 이소부탄 또는 프로판이 바람직하다.
Physical properties of selected refrigerants
구분 냉매명 냉매번호 화학기호 끓는점(℃) 임계점(℃) 임계압력(kPa)
제1냉매 프로판 R-290 CH3CH2CH3 -42.09 96.70 4248
제2냉매 삼불화메탄 R-23 CHF3 -82.1 25.6 4833
제3냉매 아르곤 R-740 Ar -185.86 -122.49 4860
*참고문헌:1997 fundamentals - Ashrae handbook
상기 제1냉매를 구성하는 프로판은 비등점이 -42.09℃로서, 제2,3냉매에 비해 상대적으로 높은 온도에서 비등하기 때문에 1차 저온증발을 유도하여 냉매관(P) 내부에서의 성에 발생을 억제하는 기능을 수행하게 된다.
특히, 냉동시스템에서 사용되는 합성냉동유(Poly Ester)가 응고되지 않도록 하여야 하므로 상기 프로판을 제1냉매로 사용하는 것이 적당하다.
또한, 상기 프로판은 액상으로 첨가되며, 투과성이 n-부탄에 비해 250배나 좋기 때문에 냉매관(P) 내부에서의 유동이 매우 원활하며, 냉매 조성물의 전체적인 윤활특성을 좋게 한다.
때문에, 상기 제1냉매는 30-40중량%의 범위 내에서 첨가되어야 하는데, 30중량% 미만으로 첨가되면 합성냉동유의 응고를 방지할 수 없어 냉매의 유동성을 떨어뜨리므로 초저온 냉동특성을 얻을 수 없고 냉동시스템의 수명이 단축되며, 40중량%를 초과하게 되면 초기, 즉 열교환기(500)에서의 제1증발시 과량 증발되면서 원하는 초저온 냉동을 저해하므로 상기 범위로 한정하여야 하며, 특히 후술되는 실시예에 따르면 38중량%가 가장 좋다.
그리고, 상기 제2냉매는 상기한 표 1에서와 같이, 삼불화메탄을 사용한다.
상기 삼불화메탄은 비등점이 -82.1℃로서, 본 발명이 목적하는 초저온 온도특성 대역인 -50℃ ~ -90℃의 범주를 만족시키는 성분이다.
특히, 삼불화메탄은 액상으로 첨가되며, 임계압력이 높기 때문에 캐필라리튜브(300)를 통과할 때 충분한 팽창이 이루어져 증발기(400)로 공급되었을 때 거의 전량 증발되면서 원하는 온도대역의 냉동작용을 일으키도록 유도한다.
때문에, 상기 제2냉매는 55-65중량%의 범위 내로 첨가되어야 하는데, 55중량% 미만으로 첨가되면 증발량이 적어 원하는 온도대역을 달성하기 어렵고, 65중량%를 초과하게 되면 미증발분이 발생하므로 효율이 떨어지기 때문에 상기 범위로 한정하여야 하며, 특히 후술되는 실시예에 따르면 57중량%가 가장 좋다.
마지막으로, 상기 제3냉매는 상기한 표 1에서와 같이, 아르곤을 사용한다.
상기 제3냉매는 상기 제2냉매의 충분한 증발압력을 형성하기 위해 첨가되는 것으로, 가급적 가스 상태로 첨가 혼합됨이 바람직하다.
특히, 아르곤은 비등점이 -185.86℃와 같이, 상기 제1,2냉매에 비해 상대적으로 훨씬 낮은 비등점을 갖고 있기 때문에 각 냉매들의 온도구배를 조절하는 역할을 담당한다.
뿐만 아니라, 본 발명 냉매 조성물의 안정성을 높이고, 원활한 윤활성을 갖출 수 있도록 하기 위해 첨가되며, 가스 상태이므로 소량 첨가되는데, 바람직하기로는 압력을 크게 증대시키지 않으면서 안정성을 갖추기 위해 5-10중량% 첨가되어야 하며, 특히 후술되는 실시예에 따르면 5중량%가 가장 좋다.
이와 같은 조성으로 이루어진 본 발명에 따른 냉매 조성물은 각각 개별적인 상변화를 거치면서 등압 증발, 등압 응축 작용을 통해 온도증가 또는 온도감소 작용을 유도하게 되는데 온도 구배를 갖고 이루어진다. 따라서, 이들을 비공비 냉매라 한다.
이러한 냉매 조성물이 콤프레셔(100) → 콘덴서(200) → 핫가스튜브(600) → 드라이어(700) → 열교환기(500) → 캐필라리튜브(300) → 증발기(400) → 열교환기(500) → 스트레이너(800) → 콤프레서(100)로 이루어지는 순환을 반복할 때, 제1냉매는 열교환기(500)를 처음 통과면서 1차 증발이 이루어지고, 이 과정에서 혹시라도 기상으로 변한 제2냉매가 있다면 제2냉매는 전량 액상으로 전환된다.
물론, 이때에도 제3냉매는 기상을 유지한다.
이후, 냉매 조성물이 캐필라리튜브(300)를 거쳐 증발기(400)로 진입되면 이때 제2냉매는 전량 기화되면서 증발기(400) 주변의 증발잠열을 빼앗아 증발기(400) 주변을 냉각시키게 되는데, 이때 냉각온도는 제2냉매의 비등점 부근이 된다.
이 과정에서, 상기 제3냉매는 제2냉매의 기화를 촉진하고 원활하게 하기 위해 가장 적합한 증발압력을 형성하는데 기여한다.
이후, 냉매 조성물은 다시 열교환기(500)로 회귀되어 처음 열교환기와는 다른 유로를 따라 이동하면서 최초 통과된 유로상을 지나고 있는 제2냉매의 액화를 촉진한다.
그런 다음, 다시 콤프레셔(100)로 유입되어 상술한 과정을 순환하면서 반복하게 된다.
이를 통해, 본 발명이 목적하는 초저온냉동고 및 동결건조기용 냉동시스템을 그대로 유지하면서 원하는 초저온인 -50℃ ~ -90℃ 대역의 냉동특성을 원활하게 안정적으로 발현되게 하여 준다.
이하, 실시예에 대하여 설명한다.
[실시예]
본 발명에 따른 냉매 조성물을 이용하여초저온냉동고 및 동결건조기용 냉동시스템을 구동했을 때 본 발명이 목적하는 온도 대역의 초저온 구현이 가능한지에 대한 검증을 위해 실험을 실시하였다.
다만, 본 발명 이전에는 이러한 냉매 조성물이 존재하지 않았으므로 종래예는 비교할 수 없었으며, 비교를 위해 본 발명 조성을 벗어난 냉매 조성물을 비교예1,2로 하여 비교하였다.
비교방법은 하기한 표 2의 냉매 조성물을 이용하여 초저온냉동고 및 동결건조기용 냉동시스템 구동시 증발기 주변에서의 온도분포가 어떻게 되는지 확인하는 것으로 하였으며, 초저온냉동고 및 동결건조기용 냉동시스템의 가동시간은 60분으로 하였고, 첨가량은 모두 중량%이다.
구분 제1냉매(R-290) 제2냉매(R-23) 제3냉매(R-740)
발명예 38 57 5
구분 제1냉매(R-600a) 제2냉매(R-170) 제3냉매(R-14)
비교예1 50 50 -
구분 제1냉매(R-600a) 2냉매(R-23) 3냉매(R-14)
비교예2 - 100 -
상기 표 2에 제시된 냉매 조성물을 이용하여 초저온냉동고 및 동결건조기용 냉동시스템을 구동시킨 결과, 발명예는 -74.5℃를 유지하였으나, 비교예1은 32℃를 유지하였고, 비교예2는 54.6℃를 유지하였지만 비교예2의 경우는 충격소음이 매우 크게 나타났을 뿐만 아니라 운전부하를 가중시키는 결과를 초래하였다.
이와 같은 실험을 통해, 본 발명에 따른 냉매 조성물은 안정적인 초저온 특성을 유지함을 알 수 있었다.
100: 콤프레셔 200: 콘덴서
300: 캐필라리튜브 400: 증발기
500: 열교환기 600: 핫가스튜브
700: 드라이어 800: 스트레이너

Claims (3)

  1. 초저온냉동고 및 동결건조기용 냉동시스템의 초저온 냉매조성물에 있어서;
    상기 냉매 조성물은 성에 발생 방지 기능을 갖는 제1냉매, 상기 제1냉매보다 비등점이 낮고 초저온 온도 특성을 발현하는 제2냉매, 상기 제2냉매보다 비등점이 낮고 높은 압력을 유지할 수 있는 제3냉매로 이루어지되,
    상기 제1냉매는 프로판이고, 상기 제2냉매는 삼불화메탄이며, 상기 제3냉매는 아르곤이고;
    상기 제1,2,3냉매의 조성비율은 프로판 38중량%, 삼불화메탄 57중량%, 아르곤 5중량%이며;
    상기 제1,2냉매는 액상, 상기 제3냉매는 기체 상태로 첨가 혼합되어 냉매 조성물을 구성하는 것을 특징으로 하는 초저온냉동고 및 동결건조기용 냉동시스템의 초저온 냉매조성물.
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