KR102226253B1 - 직냉식 냉장고 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기존 직냉식 냉장고의 수용공간 내 온도 편차를 줄일 수 있으며, 이에 따라 김치 등의 농식품을 동결점 부근에서 저장할 수 있도록 과냉각 저장이 가능하고 참치 등의 냉동식품을 항온 저장할 수 있도록 한 직냉식 냉장고에 관한 것이다.

Description

직냉식 냉장고{DIRECT COOLING REFRIGERATOR}

본 발명은 김치 등의 농식품을 동결점 부근에서 얼지 않은 상태로 저장하고 참치 등의 냉동식품을 -40℃ 인근에서 항온으로 저장할 수 있는 직냉식 냉장고에 관한 것이다.

일반적으로, 김치 등의 농식품을 동결점 부근에서 과냉각 상태로 저장하는데 직냉식 냉장고가 사용되기도 한다.

참고로, 과냉각(Supercooling, 過冷却)이란 용융체(溶融體) 또는 액체가 평형상태에서의 상(相) 변화 온도 이하까지 냉각되어도 변화를 일으키지 않는 현상, 즉 어는점 이하에서 얼지 않는 현상 및 상태를 말한다.

이 경우 상기와 같은 직냉식 냉장고는 그 온도 편차가 클 경우 식품의 일부가 얼어버리는 문제가 발생할 수 있다.

즉 직냉식 열교환기 부근의 온도 변화가 냉동기가 동작할 때 저장 온도에 비해 낮아져서 접촉된 식품이 얼어버릴 수 있다.

따라서, 동결점 부근의 낮은 온도에서도 얼지 않고 과냉각 상태로 저장하기 위해서는 직냉식 냉장고의 온도 편차를 줄일 필요가 있으며, 이를 구현할 수 있는 수단이 요구되고 있다.

또한 참치 등의 냉동식품을 저장할 경우 냉동상태의 온도 변화가 크면 참치 내부의 얼음결정들이 증발(승화)과 응결(승화)을 반복하여 재결정화가 발생하며, 세포를 파괴하여 해동 시 드립이 증가할 수 있다. 이에 따라 냉동상태에서의 온도 편차를 줄일 필요가 있으며, 이를 구현할 수 있는 수단이 요구되고 있다.

대한민국 공개특허공보 제10-2016-0012411호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 기존 직냉식 냉장고의 수용공간 내 온도 편차를 줄일 수 있으며, 이에 따라 김치 등의 농식품을 동결점 부근에서 저장할 수 있도록 과냉각 저장이 가능하고 참치 등의 냉동식품을 항온 저장할 수 있도록 한 직냉식 냉장고를 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명에 따른 직냉식 냉장고는, 내부에 수용공간이 마련되고, 적어도 일측에 투입구를 개폐시켜주는 도어가 구비되며, 상기 수용공간을 냉각시켜주는 증발기가 구비되는 본체부; 상기 수용공간의 내주면에 설치되어 상기 수용공간의 상하 온도 편차를 줄여주는 금속재질의 열전도체; 및 상기 열전도체의 내주면에 설치되는 우레탄폼 또는 압출 스티로폼 재질의 단열재;를 포함하여, 상기 수용공간 내에 수납되는 저장대상물을 과냉각 상태로 저장하거나, 항온으로 저장할 수 있도록 하며, 상기 열전도체와 단열재는, 제1열전도체의 내주면에 제1단열재가 적층되고, 상기 제1단열재의 내주면에 제2열전도체가 적층되며, 상기 제2열전도체의 내주면에 제2단열재가 적층 형성되되,
상기 저장대상물이 김치인 경우, 상기 열전도체는 1.8 ~ 2.2㎜ 두께로 형성되고, 상기 단열재는 18 ~ 22㎜ 두께로 형성되며, 상기 저장대상물이 참치를 포함한 냉동식품인 경우, 상기 열전도체는 1.8 ~ 2.2㎜ 두께로 형성되고, 상기 단열재는 48 ~ 52㎜ 두께로 형성될 수 있다.

이 경우 상기 본체부는, 내부에 상기 수용공간이 마련되는 내부케이스; 및 상기 내부케이스의 외측을 감싸도록 이격 설치되며, 상기 내부케이스와의 사이 공간에 상기 증발기가 구비되는 외부케이스;를 포함할 수 있다.

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또한 상기 열전도체는, 알루미늄 재질로 형성될 수 있다.

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이상과 같은 구성에 따른 본 발명은, 기존의 김치 냉장고 등의 직냉식 냉장고의 항온 특성을 개선하여 다양한 농산물을 동결점 부근에서 과냉각 상태로 저장하거나 참치 등의 냉동식품을 항온 저장할 수 있으며, 이에 따라 농산물 저장 시 동해 피해를 줄일 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 직냉식 냉장고의 수용공간 내주면에 적층 설치되는 열전도체 및 단열재의 일 실시예,
도 2는 본 발명에 따른 직냉식 냉장고의 수용공간 내주면에 적층 설치되는 열전도체 및 단열재의 다른 실시예,
도 3 내지 도 7은 본 발명에 따른 직냉식 냉장고의 테스트 결과를 보여주는 다양한 그래프이다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

여기서, 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 직냉식 냉장고의 수용공간 내주면에 적층 설치되는 열전도체 및 단열재의 일 실시예이고, 도 2는 본 발명에 따른 직냉식 냉장고의 수용공간 내주면에 적층 설치되는 열전도체 및 단열재의 다른 실시예이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 직냉식 냉장고(100)는, 본체부(110), 열전도체(120), 단열재(130)를 포함할 수 있다.

즉 본 발명에 따른 직냉식 냉장고(100)는 상기 구성 요소를 통해 김치 등의 내용저장물(1)에 대한 과냉각 저장을 위한 항온기능과, 참치 등의 냉동식품에 대한 재결정화를 막기 위한 항온기능 등을 구현할 수 있다.

이러한 본 발명의 구성에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 본체부(110)는 직냉식 냉장고(100)의 주된 몸체를 구성하는 것으로, 이러한 본체부(110)는 내부에 수용공간(S)이 마련되고, 적어도 일측에는 상기 수용공간(S) 내에 저장대상물(1)을 수납할 수 있도록 투입구(111)가 구비될 수 있다. 그리고 본체부(110)의 상측 또는 하측, 바람직하게 상측에는 상기 수용공간(S)에 수납된 저장대상물(1)을 냉각시켜주는 증발기(113)가 구비될 수 있다.

바람직하게, 상기 본체부(110)는 상측에 투입구(111)가 구비되고, 상기 투입구(111)를 개폐시켜주는 도어(115)가 구비된 뚜껑형 김치냉장고일 수 있다.

이 경우 상기 도어(115)는 적어도 일측이 힌지 결합되어 선회개방되는 구조일 수 있다. 물론 이에 한정되는 것은 아니며, 상기 투입구(111)와 도어(115)가 전면에 구비되는 등 다양하게 변경 적용될 수 있다. 본 발명에서는 상기 투입구(111)와 도어(115)가 본체부(110)의 상측에 구비된 경우의 일례를 들어 도시하고 설명하기로 한다.

구체적으로, 상기 본체부(110)는 내부에 수용공간(S)이 마련되는 내부케이스(110a)와, 상기 내부케이스(110a)의 외측을 감싸도록 이격 설치되며 상기 내부케이스(110a)와의 사이 공간에 증발기(113)가 구비되는 외부케이스(110b)를 포함할 수 있다.

열전도체(120)는 수용공간(S)의 내주면에 설치되어 수용공간(S)의 상하 온도 편차를 줄여줄 수 있다.

이 경우 상기 열전도체(120)는 스테인리스, 구리, 알루미늄 등의 금속재질로 형성될 수 있으나, 열전달 효율이 좋고 가벼우며 가격이 저렴한 알루미늄 재질로 형성되는 것이 바람직하다.

이러한 열전도체(120)는 수용공간(S)의 내주면 전체에 접착제 또는 별도의 체결부재를 매개로 설치될 수 있다.

아울러 상기 열전도체(120)는 1.8 ~ 2.2㎜의 두께, 보다 바람직하게는 2㎜의 두께로 형성될 수 있다.

즉 상기 열전도체(120)의 두께가 1.8㎜ 미만인 경우 두께가 너무 얇게 형성됨에 따라 수용공간(S) 내부의 상, 하측에 열전달 효율이 떨어질 우려가 있으며, 이에 따라 수용공간(S) 내의 상하 온도 편차를 줄여줄 수 없다.

반대로, 상기 열전도체(120)의 두께가 2.2㎜를 초과하는 경우 두께가 너무 두껍게 형성됨에 따라, 상기 증발기(113)를 통해 수용공간(S) 내에 수납되는 저장대상물(1)을 과냉각 상태로 냉각시키기 어려울 수 있다.

단열재(130)는 열전도체(120)의 내주면에 설치되는 것으로, 이러한 단열재(130)는 수용공간(S) 내의 온도균일성을 높여줄 수 있다. 또한 상기 단열재(130)가 열전도체(120)의 내주면에 적층 설치됨에 따라 저장대상물(1)이 열전도체(120)의 표면에 직접 닿는 것을 방지할 수 있다. 이에 따라 저장대상물(1)의 표면이 과냉각상태 이상으로 냉각되어 얼게 되는 것을 방지해줄 수 있다. 또한 상기 저장대상물(1)이 참치 등의 냉동식품인 경우 -40℃ 인근에서 항온으로 저장할 수 있다.

구체적으로, 상기 단열재(130)는 우레탄폼 또는 압출 스티로폼 재질로 형성될 수 있다. 바람직하게 본 발명에서 상기 단열재(130)는 압출 스티로폼으로 형성될 수 있다.

아울러 상기 단열재(130)는 바람직하게 18 ~ 22㎜의 두께, 보다 바람직하게는 20㎜의 두께로 형성되는 것이 바람직하다.

즉 상기 단열재(130)의 두께가 18㎜ 미만인 경우 두께가 너무 얇게 형성됨에 따라 수용공간(S) 내부의 상, 하측에 열전달 효율이 떨어질 우려가 있으며, 이에 따라 수용공간(S) 내의 상하 온도 편차를 원활하게 줄여줄 수 없다.

반대로, 상기 단열재(130)의 두께가 22㎜를 초과하는 경우 두께가 너무 두껍게 형성됨에 따라, 상기 증발기(113)와 열전도체(120)를 통해 수용공간(S) 내에 수납되는 저장대상물(1)을 과냉각 상태로 냉각시키기 어려울 수 있다.

이 경우 본 발명에서는 상기 열전도체(120)와 단열재(130)가 각각 하나의 층으로 적층되는 경우의 일례를 들어 도시하고 설명하였으나 이에 한정되지 않으며, 다양한 적층구조로 변경 적용될 수 있다.

예컨대, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 열전도체(120)와 단열재(130)는 수용공간(S) 내의 온도 편차를 효율적으로 줄여줄 수 있도록 복수 장이 반복적으로 적층될 수 있다.

구체적으로, 제1열전도체(120)의 내주면에 제1단열재(130)가 적층되고, 상기 제1단열재(130)의 내주면에 제2열전도체(120)가 적층된 후, 제2열전도체(120)의 내주면에 다시 또 다른 제2단열재(130)가 적층되는 경우로 변경 적용될 수 있다. 이 경우 상기 복수 장으로 적층되는 열전도체(120)와 단열재(130) 각각의 두께 합은 상기한 범위 내로 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 직냉식 냉장고(100)를 참치냉동고 용도로 사용하는 경우에는 접촉온도 편차(-55 ~ -35℃)가 더욱 크게 형성될 수 있다. 따라서, 이 경우 상기 열전도체(120)를 1.8 ~ 2.2㎜의 두께, 보다 바람직하게는 2㎜ 두께의 알루미늄으로 형성하고, 상기 단열재(130)를 48 ~ 52㎜의 두께, 보다 바람직하게는 50㎜ 두께의 우레탄폼으로 형성할 수 있다.

이상과 같은 구성의 본 발명에 따른 직냉식 냉장고(100)의 온도 편차를 줄일 수 있도록 열전도체(120) 및 단열재(130)의 배치에 대한 테스트 및 그 결과에 대하여 아래와 같이 설명해보기로 한다.

(1) 단열재를 이용한 온도 변화 감소방법

먼저, 도 3의 직냉식 냉장고의 부위별 온도변화에 나타난 바와 같이, 단열재 표면의 온도가 주기적으로 변동되는 것을 sine 파 형태로 생각하면, 표면의 온도변화를 다음과 같이 기술 가능하다.

..... (1)

x 두께를 통과했을 때의 온도는 다음과 같다.

..... (2)

Diffusivity Equation

에 대입하면 κ와 ω는 다음의 관계를 갖는다.

..... (3)

즉

이므로 (2) 는 다음과 같이 표시할 수 있다.

.... (4)

이므로, 다음과 같이 정리된다.

..... (5)

여기서 계산된 감쇠항

을 활용하여 열확산률(thermal diffusivity) D, 각주파수(angular frequency) ω에 따라 온도 변화를 줄일 수 있는 두께 x를 산출할 수 있다.

예를 들어 직냉식 냉동기의 온도변화를 1/10로 줄이고 싶다면, 감쇠항이 1/10이 되어야 한다.

도 4의 그래프와 같은 냉동 주기를 갖는 경우 압출 스티로폼 단열을 통해 온도편차를 1/10로 줄이고 싶다면, 압출 스티로폼의 열확산률 D=0.035[㎟/s], 각주파수

를 사용하여 감쇠항이 1/12.5이 되는 두께 x를 계산하면 된다.

..... (6)

..... (7)

마찬가지 방법으로 온도 편차를 1/100로 줄일 경우 그 두께는 다음과 같다.

..... (8)

압출 스티로폼 제품은 10㎜ 단위로 생산되므로, 20㎜ 두께의 압출 스티로폼을 사용할 경우 온도 편차를 약 1/44로 줄일 수 있다.

(2) 부위별 온도 편차를 감소시키는 방법

직냉식 냉장고의 단면은 도 5에 도시된 바와 같은 구조로 형성됨에 따라 증발기(113) 부근과 바닥쪽의 온도 편차가 생길 수밖에 없다.

이러한 온도 차이는 바깥쪽 단열재에 의한 열손실 때문이다. 이론적으로 완벽한 단열이 가능하다면 증발기의 온도가 그대로 바닥까지 전달되어 내부의 온도 편차가 없겠지만, 실제로 직냉식 냉동기의 온도 편차는 냉동기가 돌아갈 경우 약 7℃ 정도 발생한다.

온도 격차를 완화시킬 수 있도록 내벽의 열전도체(알루미늄)를 보강한다면, 얼마만큼의 두께로 보강해야 하는지 산출해 보도록 하자.

초기의 직냉식 냉장고의 내벽은 두께가 2㎜의 스테인리스였는데, 바닥까지의 거리가 L ㎝, 단면적 A ㎝로 외부와의 열전달에 의해 약 6℃의 온도 편차가 생겼다. 10㎜ 두께의 단열재를 사용할 때 증발기 부근의 평균 온도는 약 -3℃에서 약 -1.5℃로 1.5℃ 증가한다.

스테인리스의 열전도도를 약 45[W/m·K], 알루미늄을 237[W/m·K]이라고 한다면, 온도차이 7℃를 1.5℃로 줄이기 위한 열전도체 보강재의 두께를 계산해보자.

온도차이는 열전도도와 거리, 면적과의 다음과 같은 비례관계를 갖는다.

..... (9)

즉 열전도도가 좋을수록, 면적이 클수록 온도차이는 줄어들고 거리가 멀어지면 온도차이가 증가한다.

동일한 전도체에 거리와 폭이 같을 경우 온도차이를 1.5/7 이하로 줄이려면 폭을 4.6배 이상으로 늘려야 한다. 편의상 5배를 늘린다고 생각할 경우 스테인리스보다 알루미늄이 5배 정도의 열전도도를 가지므로 약 2㎜ 두께의 알루미늄을 적용한다면 온도 격차를 줄일 수 있다.

(3) 상부와 바닥의 단열재 보강

본체부(110) 측면의 온도격차를 줄이기 위한 열전도체(120)와 단열재(130)를 계산하였는데, 상면과 하면으로의 열손실은 이러한 방법만으로 줄일 수 없다.

따라서 기존 제품에서 상면과 하면의 단열은 보강되어야 항온 저장고가 될 수 있다.

(4) 단열 보강 제작

본체부(110) 측하부의 열전도체(알루미늄)를 2㎜ 두께로, 단열재(130)는 20㎜ 두께로 각각 보완하였다(도 1 참조). 열전도체(120) 1㎜ 두께와 단열재(130) 10㎜ 두께를 사용하였기 때문에 보다 온도균일성을 높이고자, 열전도체(120) 사이에 10㎜ 단열재를 사용하는 방법을 적용하였다(도 2 참조).

냉장고의 온(ON)/오프(OFF) 온도 차이를 조정하여 그 주기가 1,000s 정도가 되도록 하였을 때, 온도 주기와 편차는 도 6 및 도 7에서와 같이 변하였다.

이러한 방법을 통해 일반적으로 상용 판매되고 있는 직냉식 냉장고의 내부 온도편차를 ±0.3℃ 이내로 줄일 수 있었다.

이상과 같은 본 발명에 따른 직냉식 냉장고(100)는, 기존의 김치 냉장고 등의 직냉식 냉장고의 항온 특성을 개선하여 다양한 농산물을 동결점 부근에서 과냉각 상태로 저장할 수 있으며, 이에 따라 농산물 저장 시 동해 피해를 줄일 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 구체적인 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않으며 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경과 수정이 가능함은 물론이다.

1 : 저장대상물 100 : 직냉식 냉장고
110 : 본체부 110a : 내부케이스
110b : 외부케이스 S : 수용공간
111 : 투입구 113 : 증발기
115 : 도어 120 : 열전도체
130 : 단열재

Claims (9)

1. 내부에 수용공간이 마련되고, 적어도 일측에 투입구를 개폐시켜주는 도어가 구비되며, 상기 수용공간을 냉각시켜주는 증발기가 구비되는 본체부;
   상기 수용공간의 내주면에 설치되어 상기 수용공간의 상하 온도 편차를 줄여주는 금속재질의 열전도체; 및
   상기 열전도체의 내주면에 설치되는 우레탄폼 또는 압출 스티로폼 재질의 단열재;를 포함하여,
   상기 수용공간 내에 수납되는 저장대상물을 과냉각 상태로 저장하거나, 항온으로 저장할 수 있도록 하며,
   상기 열전도체와 단열재는,
   제1열전도체의 내주면에 제1단열재가 적층되고, 상기 제1단열재의 내주면에 제2열전도체가 적층되며, 상기 제2열전도체의 내주면에 제2단열재가 적층 형성되되,
   상기 저장대상물이 김치인 경우, 상기 열전도체는 1.8 ~ 2.2㎜ 두께로 형성되고, 상기 단열재는 18 ~ 22㎜ 두께로 형성되며,
   상기 저장대상물이 참치를 포함한 냉동식품인 경우, 상기 열전도체는 1.8 ~ 2.2㎜ 두께로 형성되고, 상기 단열재는 48 ~ 52㎜ 두께로 형성되는 것인 직냉식 냉장고.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 본체부는,
   내부에 상기 수용공간이 마련되는 내부케이스; 및
   상기 내부케이스의 외측을 감싸도록 이격 설치되며, 상기 내부케이스와의 사이 공간에 상기 증발기가 구비되는 외부케이스;를 포함하는 직냉식 냉장고.
   
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4. 제1항에 있어서,
   상기 열전도체는,
   알루미늄 재질로 형성되는 것인 직냉식 냉장고.
   
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