KR102326024B1 - 혼합 냉매를 이용한 냉동 시스템 - Google Patents

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Abstract

개시된 본 발명에 따른 혼합 냉매를 이용한 냉동 시스템은, 고온 냉매와 저온 냉매가 혼합된 혼합 냉매를 사용하여 쿨런트를 원하는 요구 온도로 냉각시키는 냉동 시스템에 관한 것이다. 본 발명에 따른 냉동 시스템은 압축기(10)와, 응축기(20)와, 응축기를 거친 혼합 냉매 중 저온 냉매를 추가로 응축시키는 보조 응축기(60)와, 보조 응축기를 거친 혼합 냉매를 팽창시키는 제1 팽창밸브(30)와, 제1 팽창밸브를 거친 냉매를 증발시켜 상기 쿨런트와 열교환하여 냉각시키는 증발기(40) 및 보조 응축기(60)를 거친 혼합 냉매를 팽창시켜 보조 응축기로 다시 유입시키는 제2 팽창밸브(50)를 포함한다. 제어부(70)는 상기 쿨런트의 요구 온도에 따라 제1 팽창밸브(30)와 제2 팽창밸브(50)의 개폐율을 조절하여, 보조 응축기(60)를 거쳐 제1 및 제2 팽창밸브(30,50)로 흐르는 혼합 냉매의 유량 비율을 제어한다. 보조 응축기(60)는 응축기(20)를 거친 혼합 냉매를, 상기 증발기(40)를 거친 혼합 냉매 및 제2 팽창밸브(50)를 거친 혼합 냉매와 열교환하여 추가로 응축시키게 된다.

Description

혼합 냉매를 이용한 냉동 시스템{A COOLING SYSTEM USING MIXED REFRIGERANTS}
본 발명은 혼합 냉매를 이용한 냉동 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반도체 공정 설비를 원하는 온도 특히 초저온으로 조절하기 위해 공정 설비 내를 순환하는 순환매체(쿨런트)의 온도를 조절하는 혼합 냉매를 이용한 냉동 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 단일 냉매로 초저온(-50 ~ -100℃)을 구현하기 위한 냉동 시스템으로 이단(또는 다단) 압축방식이나 이원(또는 다원) 냉동방식이 많이 이용되어지고 있다.
상기 이단 압축방식의 경우 최저도달온도가 -70℃ 내외이고, -55℃ 이하에서는 압축기 흡입부의 압력이 진공 이하로 급결히 떨어지기 때문에 냉동능력의 급격한 감소, 압축기유의 회수가 어려워지는 문제로 인하여 상기 초저온 온도범위 내에서는 이원 냉동방식이 많이 채택되고 있다.
그러나, 이단 압축방식이나 이원 냉동방식은 시스템 구성이 복잡해짐에 따라 제조원가가 상승해지고 설비가 차지하는 면적이 크며, 또한 냉동능력당 사용에너지가 많아지는 문제점이 있다.
이와 같은 점을 감안하여 비점이 다른 2종 이상의 냉매를 혼합한 혼합 냉매를 사용함으로써, 압축기 1대로 가동하는 냉동시스템이 개발되어 사용되고 있다. 이와 같은 혼합 냉매의 대부분은 비공비 냉매로써, 비점 등이 각각의 냉매의 소위 중간적인 특성이 되기 때문에, 그들 조합에 의해 목적하는 특성의 냉매기 얻어지는데, 비공비라는 성질상, 온도/압력으로 인해 비점이 바뀌고, 응축 및 증발 과정에서 액상과 기상의 구성이 바뀌며, 그와 함께 비점도 변화한다.
도 1은 하기 선행기술문헌에 개시된 비공비 냉매를 이용한 냉동 시스템의 구성을 나타난 것이다.
압축기(1)에서 수 bar ~ 수십 bar로 압축된 비공비 냉매는 응축기(2)로 보내지는데, 응축기(2)에서 고비점 냉매는 응축하여 액상의 상태를 유지하고 저비점 냉매는 응축하지 않게 된다.
그리고 이들 기액이 혼합된 냉매는 팽창밸브(조리개 밸브)(3)을 거쳐 팽창되어 감합하고, 증발기(4)에서 증발하여 냉동고(5)를 냉각하게 된다.
한편, 증발된 냉매는 압축기(1)로 귀환하는 복로(9)에서 응축기(2)를 통과해 팽창밸브(3)로 향하는 왕로(8)와의 사이에서 열교환기(7)에서 열교환되는데, 증발기(4)를 거치면서 냉매는 증발열을 가지고 있으므로 응축기(2)를 통과한 냉매를 추가로 응축시키는 역할을 하게 된다. 따라서 응축기(2)를 통과한 혼합냉매 중 응축되지 않은 저비점 냉매는 상기 열교환기(7)를 거치면서 응축이 가능하고, 따라서 비공비 혼합냉매는 대부분 응축이 되어 증발기(4)에서 냉각이 가능하게 된다.
그런데 이와 같은 선행기술에 개시된 냉동 시스템을 반도체 공정 설비에 적용시 아래와 같은 문제점이 있다.
반도체 공정 설비를 원하는 온도 특히 초저온으로 조절하기 위해 공정 설비 내를 순환하는 순환매체(쿨런트)의 온도를 조절해야 하고, 이 쿨런트는 상기 증발기에서 혼합 냉매와 열교환하여 냉각된다. 여기서 증발기에서 혼합 냉매와 열교환하는 쿨런트의 부하에 따라, 냉동 시스템(압축기)의 압력이 급격히 변화하여, 온도 제어가 힘들고, 압력 변화로 인한 내구성에 문제를 일으키며, 또한 높은 압력으로 인하여 에너지의 과도 사용 및 공정냉각수(P.C.W)의 사용량이 많아진다. 또한 상온으로 인한 승온시 압력을 해소하기 위한 팽창탱크의 사용이 불가피한 문제점이 있다.
공개특허공보 제10-2016-0148505호(2016.12.26. 공개)
본 발명은 상기와 같은 점을 감안하여 안출된 것으로써, 혼합 냉매를 사용하는 냉동 시스템을 반도체 공정 설비에 적용시 외부 부하(쿨런트)에 따라 압축기를 포함한 냉동 시스템의 압력 및 토출 온도가 높아지지 않고 일정하게 유지할 수 있도록 하는 혼합 냉매를 이용한 냉동 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 혼합 냉매를 이용한 냉동 시스템은, 고온 냉매와 저온 냉매가 혼합된 혼합 냉매를 사용하여 쿨런트를 원하는 요구 온도로 냉각시키는 냉동 시스템에 관한 것으로써, 상기 혼합 냉매를 압축하는 압축기; 상기 압축기를 거친 상기 혼합 냉매 중 상온 냉매를 응축시키는 응축기; 상기 응축기를 거친 혼합 냉매 중 저온 냉매를 추가로 응축시키는 보조 응축기; 상기 보조 응축기를 거친 혼합 냉매를 팽창시키는 제1 팽창밸브; 상기 제1 팽창밸브를 거친 냉매를 증발시켜 상기 쿨런트와 열교환하여 냉각시키는 증발기; 상기 보조 응축기를 거친 혼합 냉매를 팽창시켜 보조 응축기로 다시 유입시키는 제2 팽창밸브; 및, 상기 쿨런트의 요구 온도에 따라 상기 제1 팽창밸브와 제2 팽창밸브의 개폐율을 조절하여, 상기 보조 응축기를 거쳐 상기 제1 및 제2 팽창밸브로 흐르는 혼합 냉매의 유량 비율을 제어하는 제어부;를 포함한다. 여기서, 상기 보조 응축기는 상기 응축기를 거친 혼합 냉매를, 상기 증발기를 거친 혼합 냉매 및 상기 제2 팽창밸브를 거친 혼합 냉매와 열교환하여 추가로 응축시키게 된다.
또한, 상기 쿨런트의 요구 온도에 따라 상기 제1 팽창밸브 또는 제2 팽창밸브의 개폐율이 미리 설정되고, 상기 제어부는 상기 설정된 제1 팽창밸브 또는 제2 팽창밸브의 개폐율에 따라 나머지 상기 제2 팽창밸브 또는 제1 팽창밸브의 개폐율을 조절할 수 있다.
또한, 상기 제1 팽창밸브와 제2 팽창밸브는 냉매 통과 유로의 단면적(오리피스 구경)이 동일한 것이 적용될 수 있다.
한편, 상기 혼합 냉매의 유동 경로상 상기 압축기 전단에 설치되어 압축기로 유입되는 혼합 냉매의 압력을 감지하는 제1 압력센서(P1)와, 상기 응축기 후단에 설치되어 응축기를 거친 혼합 냉매의 압력을 감지하는 제2 압력센서(P2)를 포함하며, 상기 제어부는 상기 제1 압력센서(P1) 및 제2 압력센서(P2)의 압력 값을 수신하여, 상기 제1 압력센서(P1)의 압력 값이 설정된 압력 값에 맞도록 상기 제1 또는 제2 팽창밸브의 개폐율을 조절할 수 있다.
본 발명에 의하면, 제2 팽창밸브(보조 팽창밸브)와 보조 응축기(보조 열교환기)를 설치하여, 쿨런트 요구 온도(부하) 조건에 따라 제1 팽창밸브와 제2 팽창밸브의 개폐율의 합이 100%가 되도록 동시 조절하여 항시 정량의 혼합 냉매가 순환하도록 함으로써, 쿨런트 요구 온도(부하)에 상관없이 압축기를 포함한 냉동 시스템의 압력 및 토출 온도가 높아지지 않고 일정하도록 유지하도록 하여, 압축기의 소손을 방지하고 구동 전기 소모량을 감소하며, 응축기에 투입되는 공정냉각수(P.C.W)의 사용량을 줄여, 결국 에너지 절약의 효과가 있다.
도 1은 종래 기술에 의한 혼합 냉매를 이용한 냉동 시스템의 구조를 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 혼합 냉매를 이용한 냉동 시스템의 구조를 나타낸 도면,
도 3은 도 2의 본 발명의 실시예에 의한 냉동 시스템에 따른 각 구성 파트의 온도 측정부위를 나타낸 도면,
도 4는 종래 기술에 의한 혼합 냉매를 이용한 냉동 시스템에 따른 각 구성 파트의 온도 측정부위를 나타낸 도면,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 혼합 냉매를 이용한 냉동 시스템이 2원 냉동에 적용된 구조를 나타낸 도면이다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 혼합 냉매를 이용한 냉동 시스템에 대해 상세히 설명하기로 한다.
본 발명의 냉동 시스템은 다양한 분야에 적용될 수 있으나, 특별히 반도체 공정 설비에 적용될 수 있다. 반도체 공정 설비는 반도체를 제조하는 과정에서 척 및 챔버의 온도를 공정에서 요구하는 온도로 유지시켜주는데, 이 척 및 챔버의 온도를 순환하는 쿨런트를 본 발명의 냉동 시스템의 증발기에서 냉매와 열교환하여 온도조절하게 된다.
한편, 본 발명의 냉동 시스템에서는 고온 냉매(통상 상온에서 응축)와 상기 고온 냉매보다 비등점이 낮은 저온 냉매가 혼합된 혼합 냉매가 사용된다. 본 발명에서 사용되는 혼합 냉매는 공지의 냉매가 사용될 수 있는데, 예를 들어 고온 냉매는 R-124a, R-404a, R410a, R-507, R-600, R-600a, R-290이 사용될 수 있고, 저온 냉매는 R508B, R-23, R-116, R-1150, R-14, R-50 등이 사용될 수 있으나, 본 발명의 범위는 이에 한정되지 않고 다양한 냉매가 사용될 수 있다.
도 2를 참조하면 본 발명의 실시예에 따른 혼합 냉매를 이용한 냉동 시스템은 압축기(10)와 응축기(20)와 제1 팽창밸브(30)와 증발기(40)를 포함하는 통상의 냉동장치와, 보조 응축기(60) 및 제2 팽창밸브(50)를 포함한다.
냉동장치는 냉매가 순환하는 폐구조를 이루며 일반적으로 알려진 냉동 사이클 구조를 채용할 수 있다. 즉, 압축기(10)는 혼합 냉매를 압축하고, 응축기(20)는 압축된 혼합 냉매를 응축시키고, 제1 팽창밸브(30)는 응축된 혼합 냉매를 팽창시키고, 증발기(40)는 팽창된 혼합 냉매를 증발시켜 이 기화열(증발열)을 이용하여 쿨런트를 냉각시키게 된다. 증발기(40)에서 냉매와 열교환되어 냉각된 쿨런트는 공정 설비로 유입되어 순환한 후 빠져나와 나시 증발기(40)로 유입되는 과정을 반복하게 된다.
한편, 응축기(20)에서 혼합 냉매 중 고온 냉매가 응축을 하여 액체상태가 되고 저온 냉매는 응축이 되지 않어 가스(기체) 상태를 유지하게 된다.
보조 응축기(60)는 혼합 냉매의 순환 경로 상 응축기(20) 후단에 설치되어, 응축기(20)를 거친 혼합 냉매를 2차로 응축(냉각)시키는 역할을 한다. 구체적으로, 증발기(40)를 거쳐 증발기에서 사용하고 남은 냉각열(헌열)을 가진 혼합 냉매와, 후술하는 제2 팽창밸브(50)를 거쳐 팽창되어 냉각열(잠열)을 가진 혼합 냉매는 보조 응축기(60)에서, 압축기(10)를 거친 혼합 냉매와 열교환하여 이를 더 낮은 온도로 추가 응축시키게 된다.
따라서, 응축기(20)를 거친 혼합 냉매에서 응축되지 않은 저온 냉매는 보조 응축기(60)를 거치면서 전부 또는 일부가 응축되게 된다. 이와 같이 보조 응축기(60)에 의해 혼합 냉매의 과냉각도를 늘려 증발기로 유입되는 냉매의 증발 효과를 높일 수 있고, 압축기의 고압 압력을 낮출 수 있는 이점이 있다. 결국 압축기를 구동하기 위한 전기의 사용량을 줄일 수 있게 된다.
제2 팽창밸브(50)는 전술한 바와 같이 보조 응축기(60)를 거친 혼합 냉매를 팽창시켜 보조 응축기(60)로 다시 유입시키는데, 보조 응축기(60)는 증발기의 역할을 하는 것으로써 따라서 제2 팽창밸브(50)를 거친 혼합 냉매는 보조 응축기(60)에서 증발되어, 응축기(20)를 거친 보조 응축기(60)로 유입되는 혼합 냉매를 냉각 시키게 된다.
제1 및 제2 팽창밸브(30,50)는 EEV(Electric Expasion Valve) 또는 TEV(Temperature Expasion Valve)가 적용될 수 있거나, 또는 솔레노이드 밸브와 Capillary Tube가 같이 적용될 수 있다.
한편, 혼합 냉매의 유동 경로상 상기 압축기(10) 전단에 설치되어 압축기로 유입되는 혼합 냉매의 압력을 감지하는 제1 압력센서(P1)와, 응축기(20) 후단에 설치되어 응축기를 거친 혼합 냉매의 압력을 감지하는 제2 압력센서(P2)를 포함한다. 상기 압력센서(P1,P2)에서 감지된 압력 값은 제어부(70)로 보내진다.
제어부(70)는 쿨런트의 요구 온도(부하)에 따라 제1 팽창밸브(30)와 제2 팽창밸브(50)의 개폐율을 조절하여 두 팽창밸브(30, 50)로 흐르는 혼합 냉매의 유량 비율을 제어하며, 제1 팽창밸브(30)와 제2 팽창밸브(50)의 개폐율의 합이 100%가 되도록 한다. 예를 들어 제1 팽창밸브(30)의 개폐율이 60%인 경우 제2 팽창밸브(50)의 개폐율은 40%가 되도록 한다. 또한 제어부(70)가 유량 제어를 용이하게 할 수 있도록 상기 제1 팽창밸브(30)와 제2 팽창밸브(50)는 냉매 통과 유로의 단면적(오리피스 구경)이 동일한 것으로 적용되는 것이 바람직하다.
보통 제어부(70)는 공정 설비로 유입되는 쿨런트의 온도(T)를 감지하고, 반도체 제조 공정에서 요구되는 온도에 따라 상기 쿨런트의 온도를 제어하는데, 이 쿨런트의 온도 제어는 증발기(40)로 유입되는 냉매의 유량을 조절함으로써 이루어진다. 이 때 제1 팽창밸브(30)의 개폐율을 조절함으로써 증발기(40)로 유입되는 혼합 냉매의 유량를 조절하여 쿨런트의 온도를 제어하고, 제1 팽창밸브(30)의 개폐율에 따라 그에 반비례하여 제2 팽창밸브(50)의 개폐율을 조절하게 된다.
예를 들어 쿨런트의 감지 온도(T)가 요구 온도보다 높을 경우 이를 더 낮추어야 하므로, 제어부(70)는 제1 팽창밸브(30)의 개폐율을 비례적으로 늘리고, 그에 따라 제2 팽창밸브(50)의 개폐율을 반비례하여 줄이도록 한다. 그리고 쿨런트의 감지 온도(T)가 요구 온도보다 낮을 경우 이를 더 높여야 하므로, 제어부(70)는 제1 팽창밸브(30)의 개폐율을 비례적으로 줄이고, 그에 따라 제2 팽창밸브(50)의 개폐율을 반비례하여 늘리도록 한다.
또한 제어부(70)는 상기 제1 압력센서(P1) 및 제2 압력센서(P2)의 압력 값을 수신하여, 상기 제1 압력센서(P1)의 압력 값이 설정된 압력 값에 맞도록 상기 제1 또는 제2 팽창밸브(30, 50)의 개폐율을 더욱 정밀하게 조절하며, 이에 의해 냉동 시스템의 압력 및 온도를 더욱 일정하게 유지할 수 있도록 한다.
한편, 본 발명에 의하면 상기 순환매체(쿨런트)의 요구 온도에 따라 상기 제1 팽창밸브 또는 제2 팽창밸브의 개폐율을 미리 설정할 수 있다. 이 경우 제어부(70)는 상기 설정된 제1 팽창밸브 또는 제2 팽창밸브의 개폐율에 따라 나머지 상기 제2 팽창밸브 또는 제1 팽창밸브의 개폐율을 조절하면 되므로, 신속한 제어를 할 수 있는 이점이 있다. 즉 쿨런트의 요구 온도를 구분지어 테이블화하고, 각 요구온도 조건에 따란 부하 등을 고려하여 제1 팽창밸브(또는 제2 팽창밸브)를 최소값, 10%, 15%..등으로 미리 설정할 수 있으며, 이에 따라 제2 팽창밸브(또는 제1 팽창밸브)의 개폐율을 조절하면 된다. 예를 들어 특정 온도 조건에서 제1 팽창밸브 개폐율이 35%로 설정되어 있는 경우, 제어부는 제2 팽창밸브의 개폐율을 65%로 조절하면 된다.
이와 같이 본 발명에 의하면, 쿨런트 요구 온도(부하) 조건에 따라 제1 팽창밸브(30)와 제2 팽창밸브(50)의 개폐율의 합이 100%가 되도록 동시 조절하여 항시 정량의 혼합 냉매가 순환하도록 함으로써, 압축기의 압력이 요구 온도에 상관없이 일정하도록 유지하도록 하여, 압축기의 소손을 방지하고 구동 전기 소모량을 감소하며, 응축기에 투입되는 공정냉각수(P.C.W)의 사용량을 줄여, 결국 에너지 절약의 효과가 있다.
즉, 도 1의 종래의 냉동 시스템의 경우, 공정 설비로 유입되는 쿨런트의 온도가 요구 온도 대비 높을 때, 요구 온도로 맞추기 위해(특히 요구 온도가 초저온일 때) 팽창밸브의 개방량을 늘려 혼합 냉매가 많이 흐르도록 해야하는데, 증발기를 거친 혼합 냉매의 헌열만으로 응축기를 거친 혼합 냉매를 충분히 응축시키기에 부족하여, 결국 증발기에서도 충분한 증발이 이루이지지 않게 된다. 이렇게 증발기에서 충분한 증발이 이루이지지 않은 혼합 냉매가 열교환기(보조 응축기)를 거쳐 압축기로 유입시 압축기의 압력 변화는 매우 커지게 되고, 이와 같은 큰 압력 변화에 따라 압축기(10)의 모터가 받는 부하가 커져 내구성에 문제가 많아지고 전기 소모가 많아지게 된다. 또한 압축기의 토출 압력이 높을수록 응축기에서 사용되는 공정냉각수(P.C.W)의 사용량이 많아지게 된다.
그러나, 본 발명에 의하면, 보조 응축기(60)를 거친 혼합 냉매를 모두 제1 팽창밸브(30)를 거쳐 증발기(40)로 보내지 않고, 일부를 제2 팽창밸브(50)를 거쳐 보조 응축기(60)로 보내 증발시켜 응축기(20)를 거친 혼합 냉매를 냉각시키는데 사용하도록 하여, 응축기(20)를 거친 혼합 냉매가 보조 응축기(60)를 거치면서 낮은 온도로 충분히 응축되도록 하고, 따라서 증발기(40)에서 증발량이 크게 늘어나게 된다. 결국, 제1 팽창밸브(30)에 흐르는 일부의 혼합 냉매만으로 증발기(40)에서 열교환하는 쿨런트의 온도를 원하는 요구 온도로 맞출 수 있다.
또한, 증발기(40)를 거친 혼합 냉매는 기체 상태이고 제2 팽창밸브(50)를 거친 혼합 냉매는 기체와 액체가 혼합된 상태일 수 있는데, 보조 응축기(60)를 통과시 모두 증발되어 기체 상태가 되어 종래의 냉동 시스템에서 필수불가결하게 여겨진 기액 분리를 수행하는 일 없이, 초저온도를 달성할 수 있게 된다. 그리고 보조 응축기(60)를 거쳐 압축기(10)로 유입되는 혼합 냉매는 압력과 온도가 낮으므로, 쿨런트의 요구 온도에 관계 없이 압축기(10)의 토출 압력변화는 거의 변화과 없게 되어, 결국 압축기의 소손을 방지하고 전기 소모량이 종래 기술에 비해 현저하게 줄어들게 된다. 또한, 압축기(10)의 토출 압력이 높을 수록 응축기(20)를 응축시키기 위해 사용되는 공정냉각수(P.C.W)의 사용량이 많아지게 되는데, 본 발명에 의하면 압축기의 토출 압력을 종래 기술(대략 15~25bar)보다 매우 낮게(대략 15bar) 구동할 수 있으므로 공정냉각수의 소모량을 절감할 수 있어, 결국 에너지 사용량이 줄어드는 이점이 있다.
[실시예]
도 3은 도 2의 본 발명의 실시예에 의한 냉동 시스템에 따른 각 구성 파트의 온도 측정부위를 나타낸 것이며, 하기 표 1은 해당 측정부위에서의 온도 측정값을 나타낸 것이다.
표 1에 나타난 바와 같이 압축기의 용량은 15HP이고 공정냉각수(P.C.W)의 온도는 18℃로 설정되었고, 쿨런트 요구(제어) 온도는 -40℃로 설정되었다. 그리고 사용되는 혼합 냉매의 성분 및 비율은 R-404a이 65%, R-23이 27%, R-14가 8%가 적용되며, 제1 팽창밸브의 개폐율은 68~72%, 제2 팽창밸브의 개폐율은 28~32% 범위로 제어되었다.
위치별 온도
테스트 조건 압축기 15HP P.C.W 온도 18℃
고압 15.5bar 저압 1.2bar
부하용량 7.2Kw
쿨런트 제어온도 -40℃
토출온도
(①)		 응축온도
(②)		 2차응축온도
(③)		 증발입구온도
(④)		 증발출구온도
(⑤)		 흡입온도
(⑥)
85℃ 20℃ -25℃ -50.2℃ -43.2℃ 9℃
[비교예]
도 4는 종래 기술에 의한 냉동 시스템에 따른 각 구성 파트의 온도 측정부위를 나타낸 것이며, 하기 표 2는 해당 측정부위에서의 온도 측정값을 나타낸 것이다.
표 2에 나타난 바와 같이, 압축기의 용량, 공정냉각수(P.C.W)의 설정 온도, 쿨런트 요구(제어) 온도는 본 발명의 실시예와 동일하며, 또한 사용되는 혼합 냉매의 성분 및 비율 역시 동일한다.
위치별 온도
테스트 조건 압축기 15HP P.C.W 온도 18℃
고압 21.4bar 저압 1.7bar
부하용량 7.2Kw
쿨런트 제어온도 -40℃
토출온도
(①)		 응축온도
(②)		 2차응축온도
(③)		 증발입구온도
(④)		 증발출구온도
(⑤)		 흡입온도
(⑥)
105℃ 26.5℃ -0.4℃ -23.1℃ -18.4℃ 16.8℃
표 1 및 표 2에 나타난 바와 같이, 동일한 테스트 조건에서, 각 부위별 온도는 본 발명의 실시예에 따른 냉동 시스템이 종래 기술에 의한 냉동 시스템보다 현저히 낮음을 알 수 있으며, 따라서 본 발명에 따른 냉동 시스템에 의하면 압축기의 토출 압력이 작게 되며, 더 적은 토출 압력으로도 같은 냉동효과를 볼 수 있어 전기 사용량을 줄일 수 있고, 또한 응축기(20)에서 사용되는 공정냉각수(P.C.W)의 사용량을 줄일 수 있다.
한편, 지금까지 본 발명의 실시예에 따른 냉동 시스템은 1원 냉동에 적용된 것이 예시되어 있으나, 본 발명의 냉동 시스템은 2원 냉동 또는 다원 냉동에도 적용될 수 있으며, 도 5은 본 발명의 냉동 시스템이 2원 냉동에 적용된 예를 나타낸 것이다.
도 5를 살펴보면, 1원 냉동에서의 혼합 냉매는 1원 압축기(110), 1원 응축기(120), 1원 보조 응축기(160)를 거치고, 1원 보조 응축기(160)를 거친 혼합 냉매는 1원 제1 팽창밸브(130)와 1원 제2 팽창밸브(140)로 분기되어 유입된 후 다시 1원 보조 응축기(160)로 유입되어, 1원 응축기(120)를 거쳐 1원 보조 응축기(160)로 유입되는 혼합 냉매와 열교환하여 2차 응축시킨 후 1원 압축기(110)로 유입되는 과정을 순환하게 된다.
한편, 2원 냉동에서의 혼합 냉매의 순환 과정은 도 2의 냉동 시스템과 동일한데, 즉 혼합 냉매는 2원 압축기(1), 2원 응축기(20), 2원 보조 응축기(60)를 거치고, 2원 보조 응축기(60)를 거친 혼합 냉매는 2원 제1 팽창밸브(30)와 2원 제2 팽창밸브(40)로 분기되어 유입된 후 다시 2원 보조 응축기(160)로 유입되어, 2원 응축기(20)를 거쳐 2원 보조 응축기(60)로 유입되는 혼합 냉매와 열교환하여 2차 응축시킨 후 2원 압축기(10)로 유입되는 과정을 순환하게 된다. 여기서 도 2의 냉동 시스템과 다른 점은 2원 응축기(20)로 유입된 냉매는, 1원 제1 팽창밸브(130)를 거친 냉매의 기화열에 의해 냉각(응축)되게 된다.
이와 같이 2원 냉동(다원)에 적용될 경우 -100℃ 이하의 초저온까지 구현할 수 있게 된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였으나 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
10. 압축기 20. 응축기
30. 제1 팽창밸브 40. 증발기
50. 제2 팽창밸브 60. 보조 응축기
70. 제어부

Claims (4)

  1. 고온 냉매와 저온 냉매가 혼합된 혼합 냉매를 사용하여 쿨런트를 원하는 요구 온도로 냉각시키는 냉동 시스템에 관한 것으로써,
    상기 혼합 냉매를 압축하는 압축기;
    상기 압축기를 거친 상기 혼합 냉매 중 상온 냉매를 응축시키는 응축기;
    상기 응축기를 거친 혼합 냉매 중 저온 냉매를 추가로 응축시키는 보조 응축기;
    상기 보조 응축기를 거친 혼합 냉매를 팽창시키는 제1 팽창밸브;
    상기 제1 팽창밸브를 거친 냉매를 증발시켜 상기 쿨런트와 열교환하여 냉각시키는 증발기;
    상기 보조 응축기를 거친 혼합 냉매를 팽창시켜 보조 응축기로 다시 유입시키는 제2 팽창밸브; 및,
    상기 쿨런트의 요구 온도에 따라 상기 제1 팽창밸브와 제2 팽창밸브의 개폐율을 조절하여, 상기 보조 응축기를 거쳐 상기 제1 및 제2 팽창밸브로 흐르는 혼합 냉매의 유량 비율을 제어하는 제어부;를 포함하며,
    상기 보조 응축기는 상기 응축기를 거친 혼합 냉매를, 상기 증발기를 거친 혼합 냉매 및 상기 제2 팽창밸브를 거친 혼합 냉매와 열교환하여 추가로 응축시키고,
    상기 쿨런트의 요구 온도에 따라 상기 제1 팽창밸브 또는 제2 팽창밸브의 개폐율이 미리 설정되고, 상기 제어부는 상기 설정된 제1 팽창밸브 또는 제2 팽창밸브의 개폐율에 따라 나머지 상기 제2 팽창밸브 또는 제1 팽창밸브의 개폐율을 조절하는 것을 특징으로 하는 혼합 냉매를 사용하는 냉동 시스템.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 팽창밸브와 제2 팽창밸브는 냉매 통과 유로의 단면적(오리피스 구경)이 동일한 것이 적용되는 것을 특징으로 하는 혼합 냉매를 사용하는 냉동 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 혼합 냉매의 유동 경로상 상기 압축기 전단에 설치되어 압축기로 유입되는 혼합 냉매의 압력을 감지하는 제1 압력센서(P1)와, 상기 응축기 후단에 설치되어 응축기를 거친 혼합 냉매의 압력을 감지하는 제2 압력센서(P2)를 포함하며,
    상기 제어부는 상기 제1 압력센서(P1) 및 제2 압력센서(P2)의 압력 값을 수신하여, 상기 제1 압력센서(P1)의 압력 값이 설정된 압력 값에 맞도록 상기 제1 또는 제2 팽창밸브의 개폐율을 조절하는 것을 특징으로 하는 혼합 냉매를 사용하는 냉동 시스템.
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