KR102341074B1 - 극저온 냉동기 - Google Patents

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최용석
신병현
박민우
국형호
유종균
김형탁
한제호
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Abstract

본 발명에 따른 극저온 냉동기는, 혼합 냉매를 압축시키는 압축기와, 상기 압축기에서 압축된 냉매를 1차 응축시키는 1차 응축기와, 상기 1차 응축기에서 응축된 냉매를 기상과 액상으로 분리시키는 기액분리기와, 상기 기액분리기에서 분리된 액상 냉매를 팽창시키는 상온 팽창밸브와, 상기 상온 팽창밸브에서 상기 압축기로 회수되는 냉매를 기화시키는 상온 증발기와, 상기 기액분리기에서 분리된 기상 냉매를 2차 응축시키는 2차 응축기와, 상기 2차 응축기에서 응축된 냉매를 팽창시키는 극저온 팽창밸브와, 상기 극저온 팽창밸브에서 팽창된 냉매를 상기 압축기로 순환시키는 중간에 공정 측 브라인이 극저온으로 냉각될 수 있도록 열교환시키는 극저온 증발기를 포함한다. 이와 같이 본 발명에 따른 극저온 냉동기를 이용하면, 압축기의 액압축 및 온도, 압력 손실, 과전류 현상이 방지되고, 브라인 냉각효율이 향상되며, 냉매 유량의 긴밀 제어가 용이한 장점이 있다.

Description

극저온 냉동기{Cryocooler}
본 발명은 반도체 공정 등에서 요구되는 극저온 온도를 구현할 수 있는 극저온 냉동기에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 공정에서는 그 챔버 내부 온도를 대략 -40℃ 내지 -70℃로 유지해야 한다. 이와 같이 냉각 온도를 -50℃ 내외 나아가 -100℃보다 낮은 온도를 구현하기 위해 J-T(Joule-Thomson) 냉동시스템으로 이루어진 극저온 냉동기가 사용된다.
도 1은 종래기술에 따른 극저온 냉동기의 시스템 구성도가 도시되어 있다.
도 1을 참조하면, 극저온 냉동기는 압축기(2)와, 응축기(4)와, 레큐퍼레이터(recuperator)(6)와, 팽창밸브(8)와, 증발기(10)로 구성되어 증발기(10)에서 공정 측 브라인(Brine)(12)을 극저온으로 냉각시키는 극저온 냉각 사이클을 구성한다. 극저온 냉각 사이클의 경우, 응축기(4) 내 응축은 상온 환경에서 이루어지고 증발기(10) 내 증발은 극저온 환경에서 이루어지기 때문에 작용 온도 영역이 다른 여러 종류의 냉매가 혼합 사용된다.
그러나, 종래기술에 따른 극저온 냉동기는 다음과 같은 문제점이 있다.
첫째 혼합 냉매 중 상온 냉매(압축기 입구 환경에서 액상인 냉매)의 액압축으로 인해 상변화에 따른 압축기(2)의 결빙 및 압력 손실 문제점이 있다. 또한 증발기(10)에서 극저온으로 하강 시 상온 냉매가 과응축되어 압축기(2)의 결빙 및 압력 손실 문제가 더 커진다.
둘째 상온 냉매는 증발기(10)에서 브라인의 온도를 내리는데 영향을 주지 못하는데, 증발기(10) 내 상온 냉매의 혼입에 따른 열교환 효율이 저감(냉각효율감소)되는 문제점이 있다.
셋째 상온 냉매와 달리 증발 환경에 적합한 저온 냉매는 응축이 어렵기 때문에 초기 기동 시 이로 인한 많은 부하가 발생하여 압축기의 출구 압력, 온도 손실 및 과전류 현상이 발생하는 문제점이 있다.
넷째 공정에서 요구하는 극저온 온도에 따라 팽창밸브 전후 차압이 20bar 이상이 될 수 있다. 예컨대 요구되는 공정 측 브라인 온도가 -100℃이하이면, 응축기(4) 출구 온도가 -50℃ 내지 -90℃이고 그 출구 압력은 20~25bar이며, 증발기(10) 입구 온도는 -110℃ 내외이고 그 입구 압력은 0.5~1.5bar 정도가 될 수 있다.
따라서 팽창밸브(8) 전후 차압이 크고 냉매 온도가 -100℃ 이하로 내려가게 됨에 따라 윤활 오일의 점도 증가 및 불순물(수분, 탄화 오일 등)의 결빙으로 인해 팽창밸브(8)의 밸브모터에 걸리는 토크가 증가하게 되며 온도 제어에 문제가 된다.
한편 대한민국 등록특허공보 KR10-1354474호에는‘작업 공정용 칠러장치’가 개시되어 있다.
KR10-1354478 B1 (2014.01.16. 등록) ‘작업 공정용 칠러장치’
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 1차 응축 후 액상 상온 냉매를 분리 및 기화시켜 압축기로 회수시키는 극저온 냉동기를 제공하는 데 목적이 있다.
또한 본 발명은 액상 상온 냉매의 유량을 조절하여 전체 냉매 유량을 제어할 수 있는 극저온 냉동기를 제공하는 데 목적이 있다.
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 극저온 냉동기는 혼합 냉매를 압축시키는 압축기와; 상기 압축기에서 압축된 냉매를 1차 응축시키는 1차 응축기와; 상기 1차 응축기에서 응축된 냉매를 기상과 액상으로 분리시키는 기액분리기와; 상기 기액분리기에서 분리된 액상 냉매를 팽창시키는 상온 팽창밸브와; 상기 상온 팽창밸브에서 상기 압축기로 회수되는 냉매를 기화시키는 상온 증발기와; 상기 기액분리기에서 분리된 기상 냉매를 2차 응축시키는 2차 응축기와; 상기 2차 응축기에서 응축된 냉매를 팽창시키는 극저온 팽창밸브와; 상기 극저온 팽창밸브에서 팽창된 냉매를 상기 압축기로 순환시키는 중간에 공정 측 브라인이 극저온으로 냉각될 수 있도록 열교환시키는 극저온 증발기;를 포함한다.
상기 상온 증발기는 상기 기액분리기에서 상기 2차 응축기로 순환되는 기상 냉매가 순환되는 기상냉매라인과, 상기 상온 팽창밸브에서 상기 압축기로 회수되는 냉매가 순환되는 회수냉매라인을 포함한다.
상기 2차 응축기는 상기 기액 분리기에서 상기 극저온 팽창밸브로 순환되는 기상 냉매가 순환되는 냉매유입라인과, 상기 극저온 증발기에서 압축기로 회수되는 냉매가 순환되는 냉매배출라인을 포함할 수 있다.
상기 극저온 팽창밸브의 개도를 요구되는 냉동 온도에 따라 일정 고정값으로 제어하고, 온도 변화에 따라 상기 상온 팽창밸브의 개도를 상시 제어하는 제어부를 포함할 수 있다.
상기 1차 응축기에서 기액분리기로 순환되는 냉매를 임시로 저장한 후 상기 압축기로 회수시키는 버퍼를 더 포함할 수 있다.
상기 버퍼는 상기 1차 응축기에서 상기 기액분리기로 순환되는 냉매라인과, 상기 2차 응축기에서 압축기로 순환되는 냉매라인에 연결되어 상기 냉매가 우회되는 우회라인과; 상기 우회라인 중간에 설치되어 우회된 냉매가 임시 저장되는 탱크와; 상기 우회라인의 개폐 및 개도량을 조절하는 우회밸브와; 상기 탱크에서 압축기로 다시 회수되는 냉매를 팽창시키는 우회 팽창밸브;를 포함할 수 있다.
상기 1차 응축기에서 상기 기액분리기로 순환되는 냉매라인과 상기 2차 응축기에서 상기 압축기로 순환되는 냉매라인을 연결하여 이상 고압 또는 이상 저압시 상기 압축기를 정지시키는 고저압 차단 스위치(DPS)를 더 포함할 수 있다.
상기 혼합 냉매는 R134a와, R404a와, R410a와, R32 중 적어도 어느 하나인 상온 냉매와; R116과, R23과,R508B 중 적어도 어느 하나인 1차 냉매와; R1150과, R14와, R50 중 적어도 어느 하나인 2차 냉매;를 포함할 수 있다.
상기 압축기의 입구 온도는 -10℃ ~ -20℃이고, 입구 압력은 2.5~3.5bar이며; 상기 1차 응축기의 출구 온도는 0℃ ~ -20℃, 출구 압력은 18~27bar이고; 상기 극저온 증발기의 입구 온도는 -105℃ ~ -115℃이고, 입구 압력은 0.3~1,8bar인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명에 따른 극저온 냉동기는 상온 환경에서 1차 응축 후 액상 상온 냉매를 분리 및 기화시켜 압축기로 회수시키고 기상 1차 냉매 및 2차 냉매를 저온 환경에서 2차 응축시킴으로써 상온 냉매의 액압축으로 인한 압축기 결빙 및 압력, 온도 손실이 방지될 수 있고, 1차 냉매 및 2차 냉매의 응축 부하가 줄어들어 초기 기동 시 과전류 현상이 방지될 수 있으며, 공정 측 브라인과의 열교환에서 영향 없는 상온 냉매가 제거됨에 따라 공정 측 브라인을 냉각시키는 2차 냉매의 비중이 커져 효율이 향상될 수 있다.
또한 본 발명에 따른 극저온 냉동기는 극저온 팽창량은 최소한의 고정값으로 설정하고 상온 팽창량을 긴밀하게 제어함으로써 전체 시스템 내 냉매 유량이 상시로 신속하게 긴밀 제어될 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 극저온 냉동기의 시스템 구성도이다.
도 2는 종래기술에 따른 극저온 냉동기의 팽창밸브 전후 시스템 구성도이다.
도 3은 종래기술에 따른 극저온 냉동기의 증발기 작용 상태 구성도이다.
도 4는 본 발명에 따른 극저온 냉동기의 시스템 구성도이다.
도 5는 본 발명에 따른 극저온 냉동기의 혼합 냉매 p-h선도이다.
도 6은 본 발명에 따른 극저온 냉동기의 팽창밸브 전후 시스템 구성도이다.
도 7은 본 발명에 따른 극저온 냉동기의 증발기 작용 상태 구성도이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하면 다음과 같다.
도 4 내지 도 7은 본 발명에 따른 극저온 냉동기에 관한 도면이다.
도 4 내지 도 7을 참조하면 본 발명에 따른 극저온 냉동기는, 공정 측 브라인(115)을 -50℃ 내외 나아가 -100℃보다 낮은 온도로 냉각시킬 수 있는 혼합 냉매 순환에 의해 작용되는 극저온 냉동사이클이 구현되는 것으로, 압축기(100)와, 1차 응축기(102)와, 기액분리기(104)와, 상온 팽창밸브(106)와, 상온 증발기(108)와, 2차 응축기(110)와, 극저온 팽창밸브(112)와, 극저온 증발기(114)를 포함한다.
혼합 냉매는 압축기(100) 및 1차 응축기(102) 등은 상온 환경, 극저온 팽창밸브(112) 및 극저온 증발기(114) 등은 극저온 환경에서 작용되는 바, 작용 온도 영역이 다른 여러 종류의 냉매가 혼합 사용된다. 바람직하게는 혼합 냉매는 상온에서 응축이 용이한 상온 냉매와, 상온 냉매보다 더 낮은 저온에서 응축이 용이한 1,2차 냉매의 혼합으로 이루어질 수 있다. 상온 냉매로는 R134a와, R404a와, R410a와, R32 중 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있다. 1차 냉매는 R116과, R23과, R508B 중 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있다. 2차 냉매는 R1150과, R14와, R50 중 적어도 어느 하나로 이루어질 수 있다.
즉 도 5를 참조하면 압축기(100)의 입구 환경(예컨대 -15℃, 3bar)에서, 상온 냉매 중 하나인 R134a는 액상이 평형상태이고(도 5의 (a)), 1차 냉매 중 하나인 R23은 기상이 평형상태이며(도 5의 (b)), 2차 냉매 중 하나인 R14 또한 기상이 평형상태이며 1차 냉매보다 과증기 상태이다(도 5의 (c)).
압축기(100)는 혼합 냉매를 고압으로 압축시킨다. 압축기(100)는 상온 환경에서 작동되는 것으로, 바람직하게는 압축기(100) 입구 온도는 -10℃ ~ -20℃이고, 입구 압력은 2.5~3.5bar로 설계될 수 있다.
1차 응축기(102)는 외부 열교환 매체와의 열교환에 의해 압축기(100)에서 고압 압축된 혼합 냉매를 1차적으로 응축시킨다. 이때 1차 응축기(102)는 상온 환경에서 운영되며, 혼합 냉매와의 열교환 매체는 -20℃ ~ -25℃의 차가운 쿨런트 또는 냉매가 사용될 수 있다. 즉 1차 응축기(102)는 혼합 냉매가 순환되는 1차응축라인(102a)과, 외부 열교환 매체가 순환되는 열교환매체라인(102b)을 포함한다. 이러한 응축 환경에서 1차 응축기(102)의 출구 온도는 0℃ ~ -20℃, 출구 압력은 18~27bar로 설계될 수 있다. 1차 응축기(102)에서 상온 냉매는 응축이 용이하지만, 1차 냉매 및 2차 냉매는 상온 냉매보다는 응축이 충분히 이루어지지 않는다. 따라서 상온 냉매는 대부분 액상으로 응축되지만 1차 냉매와 2차 냉매는 액상과 기상이 혼합된다.
기액분리기(104)는 1차 응축기(102)에서 토출된 혼합 냉매를 액상과 기상으로 분리한다. 기액분리기(104)의 상측부 일측은 1차 응축기(102)와 연결되어 1차 응축기(102)에서 토출된 혼합 냉매가 기액분리기(104) 내로 유입된다. 기액분리기(104)의 상측부 타측은 2차 응축기(110)와 연결되어 기액분리기(104)에서 분리된 기상 냉매만 2차 응축기(110)로 순환된다. 기액분리기(104)의 또 다른 일측은 상온 증발기(108)와 연결되어 기액분리기(104)에서 분리된 액상 냉매만 상온 증발기(108)로 순환된다. 기액분리기(104)에서 분리된 액상 냉매는 대부분이 1차 응축기(102)에서 충분히 응축된 상온 냉매이고, 기액분리기(104)에서 분리된 기상 냉매의 대부분은 1차 응축기(102)에서 상대적으로 응축이 용이하지 않은 1차 냉매 및 2차 냉매이다.
상온 팽창밸브(106)는 기액분리기(104)와 상온 증발기(108) 사이에 구성된다. 따라서 기액분리기(104)에서 상온 증발기(108)로 순환되는 액상 냉매가 증발 전 팽창될 수 있어 액상 냉매의 증발이 충분히 이루어질 수 있다. 또한 상온 팽창밸브(106)에 의한 액상 냉매의 팽창량, 즉 회수량을 제어함으로써 전체 혼합 냉매의 유량을 조절할 수 있다. 상온 팽창밸브(106)는 상온에서 작동되는 바, 극저온 팽창밸브(112)보다는 걸리는 토크량이 적어 상시로 신속하게 정확하게 제어될 수 있기 때문에 전체 시스템 제어 측면에서도 보다 유리하다. 즉 극저온 팽창밸브(112)는 -100℃ 내외의 극저온 환경에서 작동되기 때문에 압축비가 크고 온도가 낮을수록 많은 토크가 발생하여 긴밀 제어가 쉽지 않은데, 상온 팽창밸브(106)의 개도량 조절에 의해 전체 시스템 내 냉매 유량 조절이 긴밀하게 이루어질 수 있다. 즉 제어부(미도시)는 공정 측에서 요구되는 냉동 온도에 따라 극저온 팽창밸브(112)의 개도를 최소한의 일정 고정값으로 제어하고, 브라인이나 극저온 팽창밸브(112)의 출구 또는 압축기(100)의 입,출구 등 온도 변화에 따라 상온 팽창밸브(106)의 개도를 긴밀하게 상시 제어할 수 있다.
상온 증발기(108)는 상온 팽창밸브(106)에서 압축기(100)로 회수되는 냉매를 기화시킨다. 즉 상온 증발기(108)의 그 입구는 상온 팽창밸브(106)와 연결되고 그 출구는 압축기(100)의 입구와 연결된다. 상온 증발기(108)는 대부분이 상온 냉매의 증발에 적합한 상온 환경에서 작동된다. 특히 상온 증발기(108)는 기액분리기(104)에서 2차 응축기(110)로 순환되는 기상 냉매가 순환되는 기상냉매라인(108a)과, 상온 팽창밸브(106)에서 압축기(100)로 회수되는 냉매가 순환되는 회수냉매라인(108b)을 포함한다. 즉 상온 증발기(108)는 별도의 열교환 매체를 사용하는 대신 시스템 내 혼합 냉매를 우회시킴으로써 장비를 간소화할 수 있고, 나아가 기액분리기(104)에서 분리된 기상 냉매를 상온 증발기(108)에서 한 번 더 응축시킬 수 있어 1차 응축기(102) 및 2차 응축기(110)의 부하는 줄이면서 응축효율을 향상시킬 수 있다.
2차 응축기(110)는 기액분리기(104)에서 분리된 기상 냉매를 (극)저온 환경에서 냉동시스템에서 요구되는 수준으로 충분히 응축시킨다. 특히 2차 응축기(110)는 기액분리기(104)에서 극저온 팽창밸브(112)로 순환되는 기상 냉매가 순환되는 냉매유입라인(110a)과, 극저온 증발기(114)에서 압축기(100)로 회수되는 냉매가 순환되는 냉매배출라인(110b)을 포함할 수 있다. 즉 2차 응축기(110)는 별도의 열교환 매체를 사용하는 대신 시스템 내 혼합 냉매를 우회시킴으로써 장비를 간소화할 수 있고, 나아가 극저온 팽창기에서 기화된 냉매를 한 번 더 기화시킬 수 있어 증발효율을 향상시킬 수 있고, 액압축이 방지될 수 있다.
극저온 팽창밸브(112)는 극저온 환경에서 2차 응축기(110)에서 응축된 냉매를 팽창시킨다.
극저온 증발기(114)는 극저온 팽창밸브(112)에서 팽창된 냉매를 압축기(100)로 순환시키는 중간에 공정 측 브라인(115)이 극저온(예컨대, -100℃ 내외)으로 냉각될 수 있도록 열교환시킨다. 즉 극저온 증발기(114)는 시스템 내 혼합 냉매가 순환되는 냉매라인과, 공정 측 브라인(115)이 순환되는 브라인라인을 포함한다. 극저온 증발기(114)의 입구 온도는 -105℃ ~ -115℃이고, 입구 압력은 0.3~1,8bar로 설계될 수 있다. 극저온 증발기(114)의 출구는 상술한 바와 같이 2차 응축기(110)를 우회하여 압축기(100)로 순환될 수 있도록 2차 응축기(110)로 연결될 수 있다.
한편 본 발명은 1차 응축기(102)에서 기액분리기(104)로 순환되는 냉매를 임시로 저장한 후 압축기(100)로 회수시키는 버퍼(buffer)를 더 포함할 수 있다. 버퍼는 냉매가 우회되는 우회라인(120)과, 우회된 냉매가 임시 저장되는 탱크(122)와, 우회라인(120)의 개폐 및 개도량을 조절하는 우회밸브(124)와, 탱크(122)에서 압축기(100)로 다시 회수되는 냉매를 팽창시키는 우회 팽창밸브(126)를 포함할 수 있다. 우회라인(120)의 입구는 1차 응축기(102)에서 기액분리기(104)로 순환되는 냉매라인 중간에 연결될 수 있다. 우회라인(120)의 출구는 2차 응축기(110)에서 압축기(100)로 순환되는 냉매라인 중간에 연결될 수 있다. 우회밸브(124)는 탱크(122)의 입구 측에 설치될 수 있다. 우회 팽창밸브(126)는 탱크(122)의 출구 측에 설치될 수 있다.
본 발명은 고저압 차단 스위치(DPS ; Dual Pressure Switch)(130)를 더 포함할 수 있다. 고저압 차단 스위치(130)는 1차 응축기(102)에서 기액분리기(104)로 순환되는 냉매라인과 2차 응축기(110)에서 압축기(100)로 순환되는 냉매라인을 연결하여 이상 고압 또는 이상 저압시 압축기(100)를 정지시킬 수 있다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 극저온 냉동기에 대한 작용효과를 상세히 설명하면, 다음과 같다.
압축기(100)가 기동되면, 압축된 혼합 냉매가 1차 응축기(102)에서 응축된다. 이때 상온 냉매는 -20℃ 내외 냉각수나 공기에 의해 충분히 응축되며, 1차 냉매 및 2차 냉매는 기액 혼합상태이다. 응축된 혼합 냉매는 기액분리기(104)에서 액상과 기상으로 분리된다. 액상은 대부분 상온 냉매이고, 기상은 대부분 1차 냉매 및 2차 냉매이다.
기액분리기(104)에서 분리된 액상 냉매는 상온 팽창밸브(106)에서 팽창되고, 상온 증발기(108)에서 기화되어 기상 상태로 압축기(100)로 바로 회수될 수 있다.
기액분리기(104)에서 분리된 기상 냉매는 상온 증발기(108)에서 한 번 더 열교환에 의해 응축될 수 있고, 2차 응축기(110)에서 시스템에서 요구되는 수준으로 충분히 응축될 수 있다.
2차 응축기(110)에서 응축된 냉매는 극저온 팽창밸브(112)에 의해 팽창된 후 극저온 증발기(114)에서 공정 측 브라인(115)과 열교환하여 공정 측 브라인(115)을 냉각시키며 그 결과 기화되고, 2차 응축기(110)에서 한 번 더 기화된 후 압축기(100)로 순환된다.
한편 버퍼에 의해 선택적으로 혼합 냉매 중 일부를 탱크(122)에 일시 저장시킴으로써 전체 시스템 내 혼합 냉매 유량을 조절하고, 또 초기 기동 부하 등을 줄일 수 있다.
따라서 상온 냉매가 1차 응축기(102)에서 응축된 후 초기에 바로 1차 냉매 및 2차 냉매와 분리된 다음 상온 팽창밸브(106) 및 상온 증발기(108)에서 충분히 기화되어 기상 상태로 압축기(100)로 순환되며, 극저온 증발기(114)를 경유하지 않게 되어 상온 냉매의 과냉이 방지되기 때문에 압축기(100)에서의 액압축이 방지되며, 압축기(100) 결빙 및 압축기(100) 입구 온도, 압력 손실이 방지될 수 있다.
또한 초기 기동 시 1차 냉매 및 2차 냉매는 상온 환경의 1차 응축기(102)에서 응축이 어려워 많은 초기 부하를 발생시키는데 상온 냉매와 분리 후 저온 환경에서 충분히 응축될 수 있기 때문에 1차 냉매 및 2차 냉매의 응축 부하가 줄어들 수 있어 압축기(100)의 과전류 현상이 방지될 수 있고, 시스템 안정화 시간이 단축될 수 있다.
또한 혼합 냉매 중 극저온 증발기(114)에서 브라인(115) 냉각에 거의 영향을 주지 못하는 상온 냉매가 초기에 기액분리기(104)에서 분리되어 압축기(100)로 바로 회수되기 때문에 극저온 증발기(114)로 순환되는 혼합 냉매는 1차 냉매와 2차 냉매가 대부분이다. 따라서 극저온 증발기(114)에서 브라인(115)과의 열교환에 저항요소로 작용하는 상온 냉매는 제거되고, 브라인(115)의 냉각에 영향이 큰 2차 냉매와 브라인(115) 간 열교환 비중이 상대적으로 커져서 브라인(115)의 냉각효율이 향상될 수 있다.
또한 상온 팽창밸브(106)의 작동 환경은 상온이기 때문에 상술한 바와 같이 극저온 팽창밸브(112)의 개도량이 긴밀하게 조절되지 않더라도 전체 시스템 내 냉매 유량이 긴밀하게 제어될 수 있다. 즉 극저온 팽창밸브(112)는 온도에 따라 최소한의 고정값으로 설정해 놓고, 온도 하강에 따라 극저온 팽창밸브(112)의 개도가 줄어들어 압축기(100)의 출구 압력 및 온도가 상승할 경우 상온 팽창밸브(106)에 의한 상온 냉매의 팽창량을 늘리고, 온도 상승시 극저온 팽창밸브(112)의 개도가 커질 경우 상온 팽창밸브(106)에 의한 상온 냉매의 팽창량을 줄임으로써 상온 팽창밸브(106)의 긴밀 제어만으로 적정한 압축기(100) 출구 압력 및 온도가 유지될 수 있다.
상기한 바와 같은, 본 발명의 실시 예들에서 설명한 기술적 사상들은 각각 독립적으로 실시될 수 있으며, 서로 조합되어 실시될 수 있다. 또한, 본 발명은 도면 및 발명의 상세한 설명에 기재된 실시 예를 통하여 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
100; 압축기 102; 1차 응축기
104; 기액분리기 106; 상온 팽창밸브
108; 상온 증발기 110; 2차 응축기
112; 극저온 팽창밸브 114; 극저온 증발기
120; 우회라인 122; 탱크
124; 우회밸브 126; 우회 팽창밸브
130; 고저압 차단 스위치

Claims (7)

  1. 혼합 냉매를 압축시키는 압축기와;
    상기 압축기에서 압축된 냉매를 1차 응축시키는 1차 응축기와;
    상기 1차 응축기에서 응축된 냉매를 기상과 액상으로 분리시키는 기액분리기와;
    상기 기액분리기에서 분리된 액상 냉매를 팽창시키는 상온 팽창밸브와;
    상기 상온 팽창밸브에서 상기 압축기로 회수되는 냉매를 기화시키는 상온 증발기와;
    상기 기액분리기에서 분리된 기상 냉매를 2차 응축시키는 2차 응축기와;
    상기 2차 응축기에서 응축된 냉매를 팽창시키는 극저온 팽창밸브와;
    상기 극저온 팽창밸브에서 팽창된 냉매를 상기 압축기로 순환시키는 중간에 공정 측 브라인이 극저온으로 냉각될 수 있도록 열교환시키는 극저온 증발기와;
    상기 상온 증발기는 상기 기액분리기에서 상기 2차 응축기로 순환되는 기상 냉매가 순환되는 기상냉매라인과;
    상기 상온 팽창밸브에서 상기 압축기로 회수되는 냉매가 순환되는 회수냉매라인과;
    냉매가 우회되는 우회라인과, 우회된 냉매가 임시 저장되는 탱크와, 상기 우회라인의 개폐 및 개도량을 조절하는 우회밸브와, 탱크에서 상기 압축기로 다시 회수되는 냉매를 팽창시키는 우회 팽창밸브를 포함하여 상기 1차 응축기에서 상기 기액분리기로 순환되는 냉매를 임시로 저장한 후 상기 압축기로 회수시켜 선택적으로 혼합 냉매 중 일부를 탱크에 일시 저장시킴으로써 전체 시스템 내 혼합 냉매 유량을 조절하고, 초기 기동 부하 등을 줄이는 버퍼;
    상기 1차 응축기에서 상기 기액분리기로 순환되는 냉매라인과 상기 2차 응축기에서 상기 압축기로 순환되는 냉매라인을 연결하여 이상 고압 또는 이상 저압 시 상기 압축기를 정지시키는 고저압 차단 스위치(DPS);
    상기 극저온 팽창밸브의 개도를 요구되는 냉동 온도에 따라 일정 고정값으로 제어하고, 온도 변화에 따라 상기 상온 팽창밸브의 개도를 상시 제어하는 제어부를; 포함하는 극저온 냉동기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 2차 응축기는 상기 기액 분리기에서 상기 극저온 팽창밸브로 순환되는 기상 냉매가 순환되는 냉매유입라인과;
    상기 극저온 증발기에서 압축기로 회수되는 냉매가 순환되는 냉매배출라인을; 포함하는 극저온 냉동기.
  3. 청구항 1 내지 청구항 2 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 혼합 냉매는
    R134a와, R404a와, R410a와, R32 중 적어도 어느 하나인 상온 냉매와;
    R116과, R23과,R508B 중 적어도 어느 하나인 1차 냉매와;
    R1150과, R14와, R50 중 적어도 어느 하나인 2차 냉매를; 포함하는 극저온 냉동기.
  4. 청구항 1 내지 청구항 2 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 압축기의 입구 온도는 -10℃ ~ -20℃이고, 입구 압력은 2.5~3.5bar이며;
    상기 1차 응축기의 출구 온도는 0℃ ~ -20℃, 출구 압력은 18~27bar이고;
    상기 극저온 증발기의 입구 온도는 -105℃ ~ -115℃이고; 입구 압력은 0.3~1,8bar인 것을 특징으로하는 극저온 냉동기.
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