KR101807171B1 - 냉장 장치 - Google Patents

Abstract

전적인 것은 아니지만 특히 백신을 저장 및 이송하는데 사용되는 냉장고를 개시한다. 냉장고는 온도가 제어되는 저장을 위해 물품들을 내부에 넣어 둘 수 있는 적재 컨테이너(20)를 구비한다. 상기 적재 컨테이너(20)는 물을 담은 저장 용기(21) 내에 침잠된다. 상기 저장 용기는 적재 컨테이너를 수용하는 냉각 영역 및 사용 중에 적재 컨테이너보다 높은 물을 담은 상부 공간을 구비한다. 냉각 요소(32) 또는 축열체를 구비하는 냉각 유닛(30)을 포함할 수 있는 냉각 수단이 상부 공간 내에서 물을 냉각할 수 있다. 냉각 유닛이 있는 경우에, 통상적으로 태양열로 전력을 공급받는 전원이 냉각 유닛의 전력 공급원으로서 작용할 수 있다. 실시예들은 냉각 요소(32)에 가깝게 냉동기 격실을 포함할 수 있다. 대안적으로, 냉각 영역이 적재 컨테이너 내의 파이프 매니폴드를 포함할 수 있다.

Description

냉장 장치{REFRIGERATION APPARATUS}

본 발명은 냉장 장치에 관한 것이다. 본 발명은 전적인 것은 아니지만 특히 전기 공급의 확실성이 없을 시에 백신, 식품 또는 다른 변질 가능한(perishable) 품목을 저장 및 이송하는데 사용하기 위한 냉장 장치에 관한 것이다.

개발 도상 국가들에서 백신의 배급자들이 직면하는 가장 큰 문제점들 중 하나는 적절치 못한 온도에서의 보관으로 인해 백신의 생존력(viability)이 손상될 수 있다는 것이다. 일반적으로, 백신은 +2 ℃ 내지 +8 ℃에서 저장되어야 한다. 이것이 특히 어려운 문제인 이유는 많은 지역에서 냉장고를 가동하는데 필요한 전기 공급의 확실성이 없을 시에도(그리고 전기의 공급이 전혀 없을 시에도) 온도가 반드시 유지되어야 하기 때문이고, 그 결과 전체 백신들 중에서 용인될 수 없을 정도로 높은 비율의 백신이 그 의도된 목적지에 도달할 때까지의 시간 동안 쓸 수 없는 상태로 되어 버리고 만다. 그러한 상황에서는 음식물의 저장에 있어서도 유사한 문제가 발생한다.

대체 에너지원에 의존하는 냉장고를 모색하고 있는 것은 당연한 것이고, 태양 광으로부터 전기를 광발전하는 것이 그 중에서 가장 유망한 것으로 여겨지고 있다. 에너지원으로서 태양에 의존하는 모든 장치에 있어서의 문제점은 그 에너지원을 야간 시간대에 이용할 수 없다는 것이다. 통상적으로, 태양 광을 전원으로 하는 냉장 장치는 주간 동안 충전되고 야간에 장치를 작동시키는 재충전 배터리를 구비한다. 그러나, 고온에의 노출로 인해 재충전 배터리의 수명이 줄어든다는 것은 잘 알려진 사실이다. 배터리의 고장은 거의 징후가 없이 일어나고, 이는 냉장고가 작동을 정지하여 그 내용물의 손상을 초래할 수 있다는 것을 의미한다. 전형적으로, 배터리의 수명은 냉장고의 다른 부품들보다 훨씬 짧다: 전형적으로, 배터리의 수명이 5년을 넘지 못하는 반면, 냉장고는 전체적으로 20년간 사용될 수 있다.

이러한 문제점에 비추어, 세계보건기구(WHO)(백신 냉장고에 대한 표준을 제정하는 기관)는 향후에 백신에 대한 유통망(distribution chain)에서 배터리가 없는 태양 냉장고의 이용을 현재 권장하고 있다.

이러한 요건을 충족시키기 위한 하나의 접근 방법은 열 장벽(barrier)에 의해 냉장고의 적재 공간(payload space)으로부터 분리된 저온 저장 용기를 냉장고 내에 포함시키는 것이다. 저온 저장 용기는 태양 전력을 이용할 수 있는 동안에 저온(아마도 예컨대 -30 ℃ 정도로 낮은)으로 냉각되는 축열체(thermal mass)이다. 전력을 이용할 수 없게 될 때, 저장 용기는 적재 공간으로부터 열을 흡수할 수 있다. 이러한 구성의 큰 단점은 적재 공간의 온도를 요구되는 온도 범위 내로 유지하기가 어렵다는 것이다. 이러한 타입의 장치는 특히 백신을 과도 냉각할 위험성을 갖는다: 냉동은 백신의 즉각적인 파괴를 초래할 수 있다. 냉동은 또한 신선한 채소와 같은 일부 음식의 가치를 손상 또는 저하할 수 있거나, 물을 담은 병의 파열을 유발할 수 있다.

본 발명의 목적은 태양 전력으로 작동될 수 있으면서도 배터리에 의존하지 않고, 그 안에 담긴 백신이나 내용물에 대한 위험을 최소화할 수 있는 냉장 장치를 제공하는 것이다.

이러한 목적의 달성을 위해서, 본 발명은 온도가 제어되는 저장을 위해 물품들(items)을 내부에 넣어 둘 수 있는 적재 컨테이너; 상기 적재 컨테이너가 내부에 위치하고, 적재 컨테이너를 적어도 부분적으로 침잠(immerse)시키고 적재 컨테이너보다 더 높은 상부 공간(headspace)까지 미치는 물을 수용하는 단열 저장 용기; 그리고 상기 상부 공간 내의 물을 냉각할 수 있는 냉각(cooling) 수단을 구비하는 냉장고를 제공한다.

주지된 바와 같이, 물은 4 ℃에서 그 최대 밀도를 갖는다. 따라서, 상부 공간 내의 물이 4 ℃에 가깝게 냉각됨에 따라, 그 밀도가 높아지고, 그에 따라 물이 저장 용기의 바닥 쪽으로 내려가는 경향을 갖는다. 적재 컨테이너가 주위의 물의 온도 또는 그 근방의 온도를 따르게 되기 때문에, 컨테이너가 백신 및 많은 다른 물품들의 저장에 있어 이상적인 온도인 4 ℃에 가깝게 되는 경향을 갖게 된다. 적재 컨테이너가 냉각 유닛과는 분리되어 있으므로, 그 내용물(또는 그 벽)의 온도가 결빙점에 가깝게 떨어질 위험을 피하게 된다.

냉각 수단은 상부 공간 내의 물을 냉각할 수 있는 냉각 유닛 및 전원 유닛을 포함할 수 있는데, 상기 전원 유닛은 냉각 유닛에 대한 전력 공급원으로서 작용할 수 있다. 전원은 가장 전형적으로 태양 광을 전력으로 변환하기 위한 광전지와 같은 수단을 포함한다.

전형적인 실시예에서, 냉각 유닛은 전기에 의해 동력을 공급받는 압축기를 포함한다. 그러나, 다른 냉각 기술을 이용하는 냉각 유닛을 이용하여 냉장고의 전기 효율을 높일 수도 있다. 그러한 대안적인 기술의 일례는 태양열 직접 구동 모드(solar direct drive mode)로 작동될 수 있는 스털링(Stirling) 냉각기이다.

적재 공간이 너무 낮은 온도까지 냉각될 위험성을 최소화하기 위해, 냉각 유닛을 구비한 냉장고는 저장 용기 내의 결빙을 탐지하도록 설치된 센서를 더 포함할 수 있다. 그러한 센서는 결빙의 탐지 시에 냉각 유닛의 작동을 중단시키도록 동작할 수 있다.

본 발명의 대안적인 실시예에서, 냉각 수단은 축열체(thermal mass)를 포함하는데, 그 축열체는 사용 중에 적재 공간의 목표 온도보다 낮은 온도로 있게 된다. 이에 의해, 구성이 간단하고 작동 중에 움직이는 부분들이 없는 냉장고가 제공될 수 있다. 예를 들어, 축열체는 물의 얼음 덩어리일 수 있다. 그러한 구성은 독립적으로 또는 냉각 유닛과 조합되어 사용될 수 있다. 냉각 수단 내의 이러한 조합은 냉각 유닛 단독이 단독으로 할 수 있는 것보다 더 우수하거나 신속하게 냉장고를 그 작동 온도로 냉각할 수 있다.

그러한 실시예는 상부 공간 내의 물과 열적으로 소통하는 축열체를 수용하는 격실을 포함할 수 있다. 예를 들어, 격실은 얼음을 수용하기 적합하게 될 수 있다. 대안적으로, 축열체는 상부 공간 내의 물에 침잠될 수 있다. 후자의 경우에, 축열체는 얼음 팩일 수 있다.

적재 공간이 냉각 영역 내에 포함될 수 있다. 예를 들어, 적재 공간이 냉각 영역 내에 잠길 수 있다. 이는 적재 공간과 물 사이의 최대 열전달을 가능하게 한다. 대안적으로, 냉각 영역이 적재 공간 내에 포함될 수 있다. 냉각 영역이 예를 들어 매니폴드 형태로 적재 공간을 통해서 연장하는 하나 이상의 물 이송 통로들을 포함할 수 있다. 이러한 구성은 제작하기는 보다 용이할 것이나, 적재 공간으로부터 물로의 열 전달률이 덜할 수 있다.

상부 공간은 사용 시에 적재 컨테이너의 바로 위에 위치할 수 있다. 그러한 실시예에서, 적재 컨테이너는 통상적으로 적재 컨테이너의 일 측부에 개구부 및 도어와 같은 클로저(closure)를 구비한다. 대안적으로, 상부 공간은 사용 시에 적재 컨테이너의 일 측부 쪽에 위치될 수 있다. 그러한 실시예에서, 적재 컨테이너는 통상적으로 적재 컨테이너의 상단에 개구부 및 도어와 같은 클로저를 구비한다.

가장 통상적으로, 적재 컨테이너 내의 적재 공간은 저장 용기 내의 물과 밀착하여 열적으로 소통한다. 이는 적재 공간이 물의 온도와 근접한 온도로 유지되는 것을 보장한다. 저장 용기 내부의 물과 냉장고의 주위 사이의 열 전달을 최소화하도록 저장 용기가 단열되는 것이 가장 바람직하다.

본 발명의 실시예들은 냉동기 격실을 더 포함할 수 있다. 통상적으로, 냉동기 격실은 냉각 유닛의 냉각 요소와 밀착하여 열적으로 소통한다. 이는 냉동기 격실이 물보다 상당히 낮은 온도로 냉각되는 것을 보장한다. 냉동기 격실은 단열된 도어에 의해서 폐쇄되는 개구부를 가질 수 있다. 단열된 도어는 적재 컨테이너를 폐쇄할 수도 있고 폐쇄하지 않을 수도 있다.

본 발명의 실시예의 바람직한 구성 형태는 외부 케이스를 구비할 수 있는데, 그 외부 케이스 내에는 물을 담은 라이너가 수용된다. 라이너는 가요성 플라스틱 재료로 형성될 수 있다. 이러한 실시예들에서, 외부 케이스는 통상적으로 구조적 강도 및 단열을 냉장고에 제공한다.

이하에서는, 첨부 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 예로서 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 온도에 대한 물의 밀도를 도시한 그래프이다.
도 2 및 도 3은 본 발명의 제 1 실시예인 프런트-로딩(front-loading) 냉장고의 정면도 및 측면도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 제 2 실시예인 탑-로딩(top-loading) 냉장고의 정면도 및 측면도이다.
도 6은 본 발명의 제 3 실시예인 프런트-로딩 냉장고 및 냉동기의 측면도이다.
도 7은 본 발명의 제 4 실시예인 탑-로딩 냉장고 및 냉동기의 측면도이다.
도 8은 본 발명의 제 5 실시예를 개략적인 단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예의 적재 공간 내의 온도 변화를 도시한 그래프이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 제 6 실시예인 프런트-로딩 냉장고의 단면도이다.
도 12 및 도 13은 본 발명의 제 7 실시예인 탑-로딩 냉장고의 단면도이다.
도 14는 본 발명의 제 8 실시예를 도시한 단면도이다.
도 15a 내지 15c는 본 발명의 실시예와 함께 사용하기 위한 방수(watertight) 라이너를 도시한 정사영도들이다.

실시예의 작동은 공지된 물의 이례적 성질들 중의 하나에 의존한다: 즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 물의 밀도가 4 ℃에서 최대가 된다는 성질을 이용한다. 이는 그 상단 가까이서 냉각되는 물의 탱크가 온도 구배를 형성하고, 그에 따라 탱크의 바닥 쪽으로 향하는 물이 4 ℃에 가까워진다는 것을 의미한다. 탱크 내의 물의 대부분이 얼어버리지 않는 한, 탱크 바닥의 온도가 그 값 아래로 떨어지지 않게 된다.

도 2 및 도 3을 참조하여, 본 발명의 제 1 실시예인 냉장고를 설명한다.

그러한 실시예는 케이싱(10)을 포함하는데, 본 실시예에서 그 케이싱(10)은 전체적으로 직립형 입방체(cuboid)로서 형성된다. 케이싱(10)은 저장 용기로 구성되며, 그러한 저장 용기는, 사용 중에, 내부 공간(12)에 소정 부피의 물을 수용한다. 예를 들어, 케이싱(10)은 단일-피스(piece)의 플라스틱 물질의 회전 몰딩체로서 형성될 수 있다. 단열 물질(14)이 케이싱(10)의 외부 표면에서 유지되어, 내부에 수용된 물로부터 또는 그러한 물에 대해서 케이싱을 통해 열이 전달되는 것을 최소화한다. 물이 내부 공간(12)의 대부분을 채우나, 팽창을 허용하기 위해서 작은 부피 공간을 채우지 않은 채 남겨둘 수 있다.

케이싱(10) 내에는 적재 공간(20)이 형성된다. 적재 공간(20)은 전체적으로 입방체형인 박스(22) 내에 위치되고, 상기 박스는 케이싱(10)의 외부에 대해서 수평 방향으로 개방되는 하나의 개방 면을 가진다. 이러한 실시예에서, 적재 공간의 통상적인 부피는 50 내지 100 리터가 될 수 있으나, 특별한 목적을 위한 다른 실시예에서는, 그보다 크거나 작은 용량을 가질 수 있다. 다른 면들은 케이싱(10) 내에 위치되고 그리고 케이싱(10) 내에 수용되는 물의 아래로 침잠된다. 입방체형 박스(22)의 침잠된 면들은 단열부를 가지지 않으며, 그에 따라 그 면들은 저장 용기의 냉각 영역 내의 주위의 물과 열적으로 소통한다. 선택적으로, 박스(22)가 케이싱(10)과 일체로 형성될 수 있다. 냉장고가 사용을 위해서 배치될 때, 적재 공간(20)은 케이싱의 내부 공간(12)의 최하부 표면에 근접한 곳으로부터 내부 공간(12)의 최상부 표면을 향해서 약 절반까지 연장된다.

도어(24)가 케이싱(10)에 장착된다. 도어(24)는 개방 면을 통한 적재 공간(20)으로의 접근로를 제공하도록 개방될 수 있다. 단열 물질이 도어(24)에 제공되며, 그에 따라, 도어가 폐쇄되었을 때, 적재 공간(20)의 내외로 열이 통과하여 전달되는 양을 최소화한다.

냉각 유닛(30)은 케이싱(10)의 상부 표면에 제공된다. 이러한 실시예에서, 냉각 유닛은 통상적으로 전기적 압축기-계 냉각 유닛이다. 냉각 유닛(30)은 케이싱(10)의 내부 공간(12) 내로 연장하고 그리고 물 내에 침잠되는 냉각(cooling) 부재(32)를 구비한다. 냉각 요소(32)는 박스(22) 위쪽의 물-충진형 상부 공간(headspace) 내에 위치되며, 그에 따라 물의 층에 의해서 박스(22)로부터 이격되고 그리고 내부 공간(12)의 최상부 표면으로부터 유사하게 이격된다. (그 대신에, 냉각 유닛(30)은 상부 공간을 둘러싸는 랩-어라운드(wrap-around; 포위형) 증발기를 포함할 수 있다.) 선택적인 결빙 프로브(ice probe; 36)가 박스(22)의 위쪽에서 그리고 냉각 요소의 아래쪽에서 케이싱(10) 내에 위치된다. 이하에서 설명하는 바와 같이, 결빙 프로브(36)는 냉각 유닛(30)을 제어하도록 전기적으로 연결된다.

냉장고는 냉각 유닛(30)으로 공급하기 위한 외부 전원을 가진다. 그러한 밝은 태양 광이 없는 경우에, 전원은 메인(mains) 전압 공급원(전력망으로부터 또는 구내(local) 발전기로부터 유래됨)에 의해서 작동될 수 있다. 전원은 또한 광전 패널로부터 작동될 수 있고, 그에 따라 맑은 낮 시간의 조건 중에 메인 공급부가 없이도 냉각 유닛(30)이 작동될 수 있다.

이하에서는, 냉장고의 작동에 대해서 설명한다.

냉장고가 최초로 시동될 때, 모든 물의 온도는 주위 온도와 같거나 그와 유사할 것이다. 냉각 유닛(30)이 작동되어, 냉각 요소(32)가 물의 빙점보다 상당히 낮은 온도로, 예를 들어 -30 ℃로 온도를 낮추게 한다. 다시, 이는 냉각 요소의 바로 주위의 물의 온도를 낮춘다. 물이 냉각됨에 따라, 물의 밀도가 높아진다. 이로써, 냉각된 물이 케이싱(10) 내에서 아래로 내려가 아래의 더 더운 물을 밀어내는 효과가 생기기 시작한다. 더 더운 물이 상승하고, 그리고 다시 냉각된다. 케이싱(10) 내의 모든 물의 평균 온도가 낮아진다. 그러나, 냉각 요소(32) 주위의 물의 온도가 약 4 ℃ 에 접근하면, 그러한 효과의 속도(rate)가 감소한다. 이에 따라서, 약 4 ℃의 온도에서, 물의 하부 부분이 상대적으로 정체된다. 냉각 요소 바로 주위의 물이 그 온도 밑으로 냉각되거나, 종국적으로 냉동될 수도 있다. 그러나, 이러한 냉동에 의해서 형성된 얼음은 그 아래쪽의 더 높은 온도의 물보다 밀도가 낮을 것이고, 그에 따라 얼음이 위쪽으로 부유할 것이다. 냉각이 계속됨에 따라서, 얼음이 계속 형성될 것이고, 그리고 아래쪽으로 성장하게 될 것이다. 성장하는 얼음이 결빙 프로브(36)에 도달하고 그리고 그러한 결빙 프로브(36)에 의해서 탐지되면, 냉각 유닛(30)으로의 전력이 차단되고, 그에 따라 더 이상의 얼음이 형성되지 않을 것이다. 이러한 실시예에서, 얼음의 최하층 부분과 박스(22)의 상부 사이에는 여전히 액체 물의 투명한 층이 존재하고, 그에 따라 박스(22) 및 적재 공간(20) 내의 임의 것은 물의 빙점보다 높게 유지될 것이다. 그러나, 특정 실시예에서, 적재를 손상시키지 않고 얼음의 성장을 허용할 수 있는 범위가 실험에 의해서 결정될 수 있다.

냉각 유닛(30)이 정지되면, 주변 온도는 물의 온도보다 높을 것이고, 에너지가 케이싱(10)의 벽을 통해서 물로 전달될 것이고, 이는 가열을 시작할 것이다. 냉각 프로세스의 반대의 경우에, 얼음이 녹을 때까지 케이싱(10)의 하부 부분 내의 물이 약 4 ℃로 유지되는 경향을 가질 것이다. 완전한 용융에 이어서, 물이 계속적으로 가열될 것이나, 4 ℃보다 높은 온도의 물은 케이싱(10)의 상부로 상승할 것이다. 그에 따라, 적재 공간(20)이 가능한 한 오랫동안 4 ℃에서 또는 약 4 ℃에서 유지될 것이다. 공지된 바와 같이, 얼음을 녹이는데 많은 양의 에너지가 필요하다(용해 잠열). 이는 물에 의해서 흡수되는 많은 양의 에너지의 흡수체(sink)로서 작용하고, 얼음이 녹는 시간 동안 적재 공간은 실질적으로 일정한 온도에서 유지된다. 그에 따라, 냉장고의 적재 공간이 약 4 ℃에서 유지되며, 그러한 온도는 백신에 대한 그리고 음식 및 음료에 대한 이상적인 저장온도이다.

도 4 및 5는 본 발명의 제 2 실시예를 도시한다: 이러한 실시예는 제 1 실시예와 본질적으로 동일한 부품들을 구비한다. 그러나, 레이아웃(layout)이 다소 상이하다. 이하의 설명에서, 제 2 실시예의 부품들은 제 1 실시예의 대응 부품의 도면부호보다 100이 더 큰 도면부호로 표시된다.

제 2 실시예에서, 케이싱(110)은 제 1 실시예보다 더 낮은(squatter) 형태이다. 박스(122)의 개구부는 위쪽을 향하고, 그리고 도어(124)는 위쪽으로 개방된다. 물이 박스의 상부 개구부를 제외하고 모든 측면을 둘러싸며, 내부 공간(112)은 박스(122)의 일 측부에 인접한 부가적인 부피를 포함한다. 물을 역시 포함하는 보조 챔버(160)가, 부가적인 상부 공간 부피의 위쪽에 그리고 도어(124)에 인접하여 박스(122)의 상부 표면 상에 위치된다. 통로(162)가 보조 챔버(160)와 내부 공간(112)의 부가적인 부피를 상호 연결하고, 이는 물이 그들 사이를 통과할 수 있게 허용한다. 결빙 센서(136)가 내부 공간(112) 내에서 통로(162)에 인접하여 위치된다.

냉각 유닛(130)이 보조 챔버(160)의 상부 표면 상에 제공되고, 이때 냉각 요소(132)가 상기 상부 표면으로부터 보조 챔버(160) 내로 연장한다.

이러한 실시예는 실질적으로 전술한 바와 같이 작동된다. 보조 챔버 내에서 냉각되는 물이 통로(162)를 통해서 내부 공간(112) 내로 전달된다. 전술한 바와 같이, 가장 밀도가 높은-즉, 약 4 ℃- 물이 내부 공간(112) 내로 가라 앉아(sink) 박스(122) 및 그 내부의 적재를 냉각한다.

도 6에 도시된 제 3 실시예는 도 2 및 도 3의 제 1 실시예와 거의 상응하며, 도 7의 제 4 실시예는 도 4 및 도 5의 제 2 실시예와 거의 상응한다. 그에 따라, 제시된 부가적인 특징들에 대해서만 설명하도록 한다.

제 3 및 제 4 실시예는 동결 조건(frozen condition)에서 물품들을 유지할 수 있는 능력을 제 1 및 제 2 실시예에 대해서 부가한다. 냉동 격실이 냉각 요소와 밀접하게 열적으로 접촉하고, 그에 따라 물의 온도보다 상당히 낮은 온도까지 냉각된다.

제 3 실시예에서, 냉동 격실(50)이 제공되고, 그러한 냉동 격실은 적재 공간(22)과 유사한 구성을 가지며, 그리고 도어(24)에 의해서 폐쇄되는 수평방향 개구부를 유사하게 구비한다. 냉동 격실(50)은 적재 공간의 바로 위쪽에서, 냉각 유닛(30)의 냉각 요소(32)에 의해서 둘러싸여 또는 그에 근접하여 위치된다.

제 4 실시예에서, 냉동 격실(150)의 개구부는 적재 공간(120)의 개구부의 위쪽에 그리고 수평으로 형성된다. 제 4 실시예에서, 냉동 격실(150)의 개구부가 수평방향이 되고 그리고 적재 공간(120)의 개구부의 옆에 위치된다. 냉동 격실(150)은, 냉각 유닛(130)의 냉각 요소(132)에 근접하여 또는 그에 의해서 둘러싸여서, 보조 챔버(160) 내에서 수용된다. 이러한 실시예에서, 냉동 격실(150)은 적재 공간(120)의 도어(124)로부터 분리된 단열 도어(152)를 가진다. 도어(152)는 냉동 격실(150)의 수평 개구부를 폐쇄한다.

도 8에 도시된 제 5 실시예는 전술한 실시예들과 다소 상이한 구성을 가지나, 동일한 원리로 작동된다.

이러한 실시예에서, 저장 용기는 적재 컨테이너(220) 위쪽에 장착되어 상부 공간을 형성하는 상부 격실(210)을 포함한다. 저장 용기는, 사용시에, 적재 컨테이너(220) 내로 전체적으로 하향 연장하는 제 1 및 제 2 물 도관(212, 214)을 포함한다. 제 1 도관(212)은 최하부 벽에서 또는 그에 인접하여 상부 공간 내로 연장하는 한편, 제 2 도관(214)은 상부 공간 내에 수용된 물 내부로 상향 연장한다. 적재 컨테이너(220) 내에서, 몇 개의 파이프의 매니폴드(216)가 연결되어 2개의 도관(212, 214) 사이에서 병렬로 유동할 수 있게 한다. 냉각 유닛은 상부 공간 내의 물을 냉각할 수 있는 냉각 요소(132)를 구비한다.

전술한 실시예들에서와 같이, 가장 밀도가 높은 물이 저장 용기의 바닥을 향해서 유동하는 경향을 가질 것이고 - 이러한 경우에, 적재 컨테이너(220) 내의 매니폴드(216) 및 도관(212, 214) 내로 유동하는 경향을 가질 것이고, 이때 저장 용기 내의 물과 적재 컨테이너(220)의 내용물 사이에서 열이 교환될 수 있다. 열사이펀(thermosiphon) 프로세스가 형성되기 시작하고, 이는, 적재 컨테이너의 온도가 4 ℃를 향해서 낮아짐에 따라, 적재 컨테이너로부터 상부 공간 내로 열을 전달한다.

또 다른 실시예에서, 이송을 위한 물품들이 분리되어 유지될 수 있도록, 저장 용기 내에 몇 개의 적재 컨테이너가 제공될 수 있다.

도 9에 도시된 바와 같이, 냉각 유닛(30, 130)이 처음에 턴온(turned on)되고(X-축의 0), 적재 공간(20, 120) 내의 온도가 (트레이스(trace; 40)에 의해서 도시된 바와 같이) 4 ℃ 까지 신속하게 강하되며, (42에서) 온도가 안정화된다. 냉각 유닛(30)이 계속 작동됨에도 불구하고, 온도는 실질적으로 강하되지 않는다. '44'에서, 냉각 유닛이 중단된다. 이어서, 적재 공간(20) 내의 온도가 보다 급격하게 상승하기 시작할 때까지 상당히 오랜 시간 동안 매우 서서히 상승한다. 도 9에 도시된 실시예에서, 적재 공간이 8 ℃의 최대 허용 값에 도달하기 전까지, 냉각 유닛은 9시간 40분 동안 작동된다. 약 1 시간 후에, 온도가 4 ℃로 강하된다. 이어서, 상당한 온도 강하 없이, 냉각 유닛(30, 130)이 추가적인 약 34 시간 동안 더 작동된다. 냉각 유닛(30, 130)이 정지되면, 실질적인 온도 상승이 없이, 약 58 시간 동안 유지된다. 이어서, 온도가 상승하기 시작하나, 8 ℃의 가능한 최대 온도에 도달할 때까지 16 시간 이상이 걸린다.

이러한 성능은 백신 저장을 위해서 세계보건기구가 요구하는 것보다 상당히 뛰어난 것이고, 그리고 태양 광으로부터 얻어지는 에너지에 의존하는 전원을 이용하기에도 이상적으로 적합하다. 이는 밤새도록, 그리고 필요하다면, 전력 공급이 제한되는 흐린 기간 동안, 내용물을 희망 온도에서 충분히 유지할 수 있는 것보다 상당히 뛰어난 것이다. 재충전 배터리와 같은 보조 전력 공급원이 없이도 이러한 성능 레벨이 달성될 수 있다는 것을 주지하여야 할 것이다.

전술한 설명은 순수한 물의 경우에 해당하는 4 ℃ 에서의 물의 최대 밀도를 가정한 것이다. 물에 불순물을 첨가함으로써, 최대 밀도가 얻어지는 온도를 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 소금을 3.5%의 농도(해수 농도와 대략적으로 같다)까지 물에 첨가하면, 최대 밀도가 약 2 ℃에서 얻어진다. 이를 이용하여 특정 용도를 위한 적재 공간의 온도에 맞출 수 있다.

또한, 본 발명의 보다 단순한 다른 실시예들이 도 10 내지 13에 도시되어 있다. 도 10 및 11의 실시예는 제 3 실시예와 유사하고, 그리고 도 11 및 12의 실시예는 제 4 실시예와 유사하다. 각각의 경우에, 냉각 유닛(30, 130) 및 연관된 냉각 요소(32, 132)가 생략된다. 결과적으로, 전력원이 필요치 않게 된다.

그 대신에, 도 10 및 11의 실시예에서, 수밀 격실(64)이 제공된다. 격실(64)은 전술한 실시예들의 냉동 격실(50, 150)과 실질적으로 동일한 위치에서 상부 공간 내로 연장한다. 냉동 격실(50, 150)과 상당히 동일한 방식으로 도어(24, 152)에 의해서 폐쇄되는 개구부로부터, 격실(64) 내의 공간으로 접근할 수 있다. 격실(64)의 내용물과 그 주위를 둘러싸는 물 사이의 효과적인 열 전달을 보장하기 위해서 높은 열 전도도를 가지도록, 격실(64)의 물질이 선택된다.

사용을 위해서, 격실(64)이 저온 물질의 몸체(body; 66, 166)로 충진된다. 저온 물질의 몸체(66, 166)는 적재 공간(20, 120)의 의도된 작동 온도보다 낮은 온도가 된다. 이는 통상적으로 0 ℃보다 상당히 낮을 것이다. 사용에 앞서서 통상적인 식품 냉동기 내에 몸체를 위치시킴으로써 약 -18 ℃의 온도가 얻어질 수 있을 것이고, 그리고 -30 ℃ 또는 그 미만의 온도는 냉각 유닛의 효과에 필적할 것이다(emulate). 전술한 실시예들에서의 물로부터 냉각 요소(32, 132)로의 열 전달과 유사한 방식으로, 물로부터 격실(64)의 물질을 통해서 저온 물질의 몸체에 의해서 열이 흡수된다. 이러한 방식에서, 적재 공간(20, 120)은 약 4 ℃(또는 물 및 임의 첨가물이 가장 높은 밀도를 갖는 다른 온도)로 냉각된 조밀한 물에 의해서 냉각된다.

저온 물질의 몸체는 적절한 축열체를 가지는 어떠한 것도 될 수 있다. 그러나, 물의 얼음이 특히 적합한데, 이는 이용이 용이하고 그리고 바람직하게 큰 용융 잠열을 가지고 있기 때문이다. 얼음은 의료용 공급물의 저장 및 이송에서 이용되는 표준형의 0.6 리터 얼음 팩(166)의 형태가 될 수 있다. 얼음 팩을 사용하고자 한다면, 격실이 생략될 수 있을 것이고, 도 12 및 13에 도시된 바와 같이, 얼음 팩들이 상부 공간의 물 내부에 직접적으로 위치된다. (물론, 도 10 및 11의 실시예에서와 같이 격실을 포함하도록 도 12 및 13의 실시예를 변경할 수 있을 것이고, 그리고 격실을 배제함으로써 도 10 및 11의 실시예를 변경할 수 있다.)

축열체의 이용을 가능하게 하는 다른 실시예가 도 14에 도시되어 있다. 이러한 실시예에서, 컨테이너(364)가 상부 공간 내의 물에 침잠된 적재 컨테이너(320)의 위쪽에 위치된다. 컨테이너(364)는 상부 공간 내의 물로부터 그 내용물로 열이 전달될 수 있게 허용하는 물질로 형성된다. 컨테이너(364)는 개구부를 구비하고, 그러한 개구부를 통해서 냉장고의 외부로부터 그 내부로 접근할 수 있고, 상기 개구부는 단열 커버(352)에 의해서 폐쇄된다. 이러한 실시예에서, 냉장고가 사용될 때 컨테이너의 개구부가 위쪽을 향한다.

이러한 실시예는 축열체의 이용을 가능하게 하는 전술한 것과 유사한 방식으로 기능한다. 가장 통상적으로 물의 얼음이 되는 저온 물질(366)이 개구부를 통해서 컨테이너(364) 내로 도입된다. 이어서, 전술한 원리에 따라서, 상부 공간 내의 물로부터 컨테이너 내의 얼음으로 열이 이동하고, 그에 따라 적재 컨테이너(320)의 물 및 내용물을 냉각한다. 도 14에 도시된 개구부의 구성으로 인해서, 얼음이 컨테이너 내로 신속하고도 용이하게 도입될 수 있다.

60 리터의 적재 공간을 가지는 냉장고가 7 내지 30일 동안 필요한 온도 범위에서 유지될 수 있고, 100 리터의 얼음은 이러한 범위의 상한선을 좀더 높일 수 있다고 요약될 수 있다.

분명하게, 본 발명의 모든 실시예에서, 중심이 되는 요건(central requirement)은 물의 누수 및 증발이 방지되는 방식으로 물이 냉장고 내에서 유지되어야 한다는 것이다. 냉장고가 거칠게 취급될 수 있고 그리고 표면이 거친 도로 또는 완전한 비포장 도로에서 거칠게 주행하는 차량으로 이송됨에 따라서, 이러한 요건을 충족시키는 것은 매우 어렵다. 그에 따라, 본 발명을 실현하는 냉장고를 구성하기 위한 하나의 시스템은 전체적인 형상, 구조적 강도 및 단열을 제공하는 견고한 외부 케이스를 제공하고, 그리고 그러한 케이스를 가요성 플라스틱 물질로 형성된 수밀 라이너(80)로 라이닝시킨다(line). 그러한 라이너가 도 15a 내지 15c에 도시되어 있다.

라이너와 함께 사용되는 특별한 실시예에 따라서 라이너(80)의 형상 및 치수가 결정될 수 있고, 그리고 도면들이 단지 하나의 예시적인 구성만을 도시한다는 것을 이해할 수 있다. 도 15a 내지 15c에 도시된 예는 전방-유입구형 냉장고에서 이용하기에 적합하다. 이는 상부 공간(82), 충진 파이프(84), 및 리세스(86)를 포함하고, 상기 리세스 내에는 적재 공간이 수용된다. 물의 중량에 의해서 라이너(80)의 물질이 변형되며, 그에 따라 적재 공간에 거의 정합(conform)하게 되며, 그러한 것에 의해서 라이너(80) 내의 물과 적재 공간 사이의 효과적인 열 전달이 보장된다. 외부 케이스에 대한 작은 변형 또는 손상은 라이너(80)의 누수를 초래하지 않을 것이다. 라이너가 누수되는 경우에, 그러한 라이너는 용이하게 그리고 저비용으로 교체될 수 있다.

Claims (35)

1. 사용 중에 물이 담기도록 구성되고, 냉각 영역과, 상기 냉각 영역의 위에 배치되어 상기 냉각 영역과 유체 연통되는 상부공간을 구비하는 케이싱;
   상기 케이싱의 상기 냉각 영역 내에 배치되는 적재 공간, 여기서 상기 적재 공간은 상기 케이싱 외부의 클로저와, 상기 적재 공간을 상기 케이싱으로부터 분리시키는 적어도 하나의 표면을 포함하고, 상기 적어도 하나의 표면은 상기 적재 공간이 상기 케이싱의 상기 냉각 영역과 열적으로 소통하도록 하는 열적 전도체이며,
   상기 상부 공간 내에 배치되는 냉각 수단을 포함하되,
   사용 중에 상기 냉각 수단은 최대 밀도가 얻어지는 온도로 상기 상부 공간 내의 물을 냉각시키도록 구성되고,
   상기 물은 상기 상부 공간에서 상기 냉각 영역으로 가라 앉아 상기 적재 공간을 냉각시키는 냉장고.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 냉각 수단은 냉각 유닛을 포함하는 냉장고.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 냉각 유닛에 대한 전력 공급원으로서 작용할 수 있는 전원을 더 포함하는 냉장고.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 전원은 태양 광을 전력으로 변환하는 수단을 포함하는 냉장고.
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 태양 광을 전력으로 변환하는 수단은 다수의 광전지를 포함하는 냉장고.
6. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
   상기 전원은 외부 전원으로부터 전력을 얻는 냉장고.
7. 제 6 항에 있어서,
   외부 전력 공급원은 인입 전압원(main voltage)인 냉장고.
8. 제 2 항에 있어서,
   상기 냉각 유닛은 전기에 의해 동력을 공급받는 압축기를 포함하는 냉장고.
9. 제 2 항에 있어서,
   상기 냉각 유닛은 스털링 냉각기를 포함하는 냉장고.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 스털링 냉각기는 태양열 직접 구동 모드로 작동되는 냉장고.
11. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이싱에서의 결빙을 탐지하기 위해 설치되는 센서를 더 포함하는 냉장고.
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 센서는 결빙의 탐지 시에 냉각 유닛의 작동을 중단시키도록 동작하는 냉장고.
13. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉각 수단은 축열체를 포함하고, 상기 축열체는 사용 중에 적재 공간의 목표 온도보다 낮은 온도로 있는 냉장고.
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 축열체는 물의 얼음 덩어리인 냉장고.
15. 제 13 항에 있어서,
    상기 축열체를 수용하는 격실을 포함하는 냉장고.
16. 제 13 항에 있어서,
    상기 축열체는 상부 공간 내의 물에 침잠되는 냉장고.
17. 제 15 항에 있어서,
    상기 축열체는 얼음 팩인 냉장고.
18. 삭제
19. 제 1 항에 있어서,
    상기 적재 공간이 냉각 영역 내에 잠기는 냉장고.
20. 삭제
21. 제 1 항에 있어서,
    상기 적재 공간은 하나 이상의 물 이송 통로를 포함하고,
    상기 물 이송 통로는 열전도성 물질로 이루어져 상기 적재 공간 내의 주변 공기와 상기 물 이송 통로 사이의 열전달이 가능한 냉장고.
22. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 공간은 사용 시에 상기 적재 공간 바로 위에 위치하는 냉장고.
23. 제 22 항에 있어서,
    상기 클로저는 상기 냉장고의 사용 중에 상기 케이싱의 일 측부에 위치하는 냉장고.
24. 제 1 항에 있어서,
    상기 상부 공간은 사용 시에 상기 적재 공간의 일 측부 쪽에 위치하는 냉장고.
25. 제 24 항에 있어서,
    상기 클로저는 상기 냉장고의 사용 중에 상기 적재 공간 상부의 상기 케이싱에 위치하는 냉장고.
26. 제 1 항에 있어서,
    상기 클로저는 단열 도어인 냉장고.
27. 삭제
28. 제 1 항에 있어서,
    상기 케이싱은 상기 케이싱 내의 물과 상기 냉장고의 주위 사이의 열 전달을 최소화하기 위해 단열되는 냉장고.
29. 제 1 항에 있어서,
    냉동 격실을 더 포함하는 냉장고.
30. 제 29 항에 있어서,
    상기 냉동 격실은 상기 적재 공간보다 상기 냉각 수단에 더 가까이 배치되는 냉장고.
31. 제 29 항에 있어서,
    상기 케이싱은 상기 냉동 격실로의 접근을 허용하는 단열 도어를 더 구비하는 냉장고.
32. 제 31 항에 있어서,
    상기 단열 도어는 상기 적재 공간과 상기 냉동 격실 모두에 대한 접근을 허용하도록 구성된 냉장고.
33. 삭제
34. 삭제
35. 제 1 항에 있어서,
    구조적 강도 및 단열을 냉장고에 제공하는 외부 케이스를 구비하는 냉장고.

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