KR102422412B1 - 고효율 저온 농축장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고효율 저온 농축장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 농축대상이 되는 다양한 식품의 수분을 제거하여 농축할 수 있도록 하는 것으로, 진공펌프를 이용하여 감압증발조 내부를 사전설정 진공도로 유지시키면서, 히터를 통한 가열이 아닌, 히트펌프를 이용하여 수분을 제거할 수 있는 구조를 제시함으로써, 기존에 비해 증발온도와 응축온도 차이가 낮아 비용의 절감이 가능하며, 기존 방식에 비해 시스템의 효율이 상승되는 고효율 저온 농축장치에 관한 것이다.

Description

고효율 저온 농축장치{High efficiency low temperature concentrator}

본 발명은 히트펌프를 적용하여 농축대상이 되는 대상물의 수분을 제거하여 농축하는 장치에 관한 것이다.

일반적으로 각종 식품들은 식품 농축장치를 통해 원료에 물 또는 에탄올 등과 같은 용매를 투입하여 열과 압력을 가함으로써 원료에 함유된 주성분을 추출하고, 이렇게 추출된 추출액의 농도를 높이기 위하여 압력이 가해진 상태에서 일정한 온도를 유지함으로써 수분을 증발시켜 고형물 즉 농축액을 생성하게 된다.

이와 같은 식품 농축장치의 일례로, 농축대상물에서 유효성분을 추출하여 고점도로 농축하는 장치가 많이 개발되어 있는 상태이고, 여기에 전기히터를 부착하여 가온이 가능하며, 압력조절밸브가 부착되는 등의 특징이 있다.

그러나 이와 같은 종래기술은 고형분이 증착이 심할뿐만 아니라, 충분한 농축액의 추출이 어렵고, 추출 및 농축에 지나치게 시간이 오래 걸리며, 히터를 이용하기에 비용이 증대되는 문제점이 있어서, 이를 해결하기 위한 지속적인 연구개발이 요구되는 실정이다.

대한민국 등록특허공보 10-2059179호(2019.12.18.등록)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 농축대상물인 식품을 진공펌프를 통해 사전설정진공도를 유지하면서, 히트펌프를 이용하여 농축대상물의 수분을 손쉽고 용이하게 제거함으로써, 기존의 히터를 이용한 농축장치와 달리, 비용이 절감되고 장치의 효율이 증대되며, 농축물의 품질향상에 효과가 좋아, 두루 다양한 분야 및 대상물에 적용하여 사용이 가능한 고효율 저온 농축장치에 관한 것이다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 수단으로서,

수분이 함유된 식품인 농축대상물이 저장되는 저장조(10);

상기 저장조(10)의 농축대상물이 공급되는 감압증발조(20);

상기 감압증발조(20)와 연결설치되어, 감압증발조(20) 내부를 절대압력 기준으로 10kPa로 유지시키는 진공펌프(30);

상기 감압증발조(20)에 설치되어, 감압증발조(20) 내부의 온도를 제 1사전설정온도인 물의 증발온도까지 가열시키는 가열부(40);

상기 감압증발조(20) 내부에 응축기(52)가 내설되도록 설치되어, 응축기(52)에서 제공된 열량으로 농축대상물의 수분이 증발되어 증기로 배출되도록 하고, 배출된 증기는 감압증발조(20) 외부에 설치되는 증발기(55)를 통해 증류수로 응축시키는 히트펌프부(50);

상기 증발기(55)와 연결되어, 상기 증류수를 외부로 방류하거나 배출하여 재활용할 수 있도록 하는 드레인 탱크(60);

상기 감압증발조(20)에 연결설치되어, 수분이 증발되며 농축된 농축물이 배출저장되는 저장탱크(70); 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 기존의 히터를 이용한 증발장치에 비해 저온으로 운전되기 때문에 시스템의 효율이 상승되는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 피농축물의 물성변화도 기존 가열식에 비해 작기 때문에, 피농축물의 품질이 높다.

또한, 본 발명은 저온으로 증발되기 대문에 피농축물의 고형분의 증착이 작아, 히트펌프 내 열교환기의 수명을 연장할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 고효율 저온 농축장치를 나타낸 일실시예의 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 히트펌프부를 나타낸 일실시예의 도면.

본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명은 다른 실시예들로 구현되고 실시될 수 있고 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 또, 장치 또는 요소 방향(예를 들어 "전(front)", "후(back)", "위(up)", "아래(down)", "상(top)", "하(bottom)", "좌(left)", "우(right)", "횡(lateral)")등과 같은 용어들에 관하여 본원에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다. 또한, "제 1(first)", "제 2(second)"와 같은 용어는 설명을 위해 본원 및 첨부 청구항들에 사용되고 상대적인 중요성 또는 취지를 나타내거나 의미하는 것으로 의도되지 않는다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래의 특징을 갖는다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고효율 저온 농축장치를 상세히 설명하도록 한다.

본 발명에 따른 고효율 저온 농축장치는 저장조(10), 감압증발조(20), 진공펌프(30), 가열부(40), 히트펌프부(50), 드레인 탱크(60), 저장탱크(70)를 포함한다.

상기 저장조(10)는 농축대상물이 저장되는 곳으로서, 이러한 농축대상물이라 함은 수분이 함유된 식품인, 된장, 고추장, 시럽이 그 대상이 될 수 있다.

하지만, 이는 사용자의 실시예에 따라, 상기와 같은 식품외에, 폐수가 그 대상이 될 수도 있음이다.

상기 감압증발조(20)는 저장조(10)의 농축대상물이 공급되는 곳으로서, 파이프 등과 같은 공급라인(L1)을 통해 저장조(10)와 감압증발조(20)는 연결되어 있도록 하고, 이러한 공급라인(L1)에는 ON/OFF 제어가 가능한 제 1밸브(V1)가 설치되어 있도록 한다.

또한, 이러한 감압증발조(20) 내부에는 제 1수위센서(S1)가 설치되어, 감압증발조(20) 내부에 사전설정수위까지 농축대상물이 공급되면, 저장조(10)와 연결된 공급라인(L1)의 제 1밸브(V1)가 차단될 수 있도록 제어된다.

더불어, 상기 감압증발조(20)에는 알림제어부(미도시)가 더 구비되어, 후술될 히트펌프부(50)의 응축기(52)에서 의해서 감압증발조(20)의 내부가 가열되되, 그 가열되는 온도가 사전설정 최대온도 이상으로 상승하게 된 경우, 히트펌프부(50)의 열교환기(응축기(52) 및 증발기(55))의 세정을 알리는 경고가 가능토록 할 수 있음이다. 이러한 알람제어를 통해 전체 장치의 유지보수가 가능해지는 것이다.

상기 진공펌프(30)는 감압증발조(20)이 상부와 연통되도록 연결설치되는 것으로, 감압증발조(20) 내부를 절대압력 기준으로 10kPa로 낮춰 유지시키는 역할을 하는 것이다.

상기 가열부(40)는 전기가열기로써, 감압증발조(20)에 설치되어 감압증발조(20)를 초기 가열하는 것이다. 이러한 가열부(40)는 감압증발조(20) 내부의 온도를 제 1사전설정온도인 물의 증발온도(ex: 50 ~ 55℃)까지 가열시키는 것이다. 이때 감압증발조(20)의 내부 압력이 절대압력 기준으로 10kPa이 되었을 때의 물의 증발온도를 기준으로 한다.

상기 히트펌프부(50)는 널리 공지된 기술로서, 저온저압의 기체 냉매를 압축하여 고온고압의 기체상태로 만드는 압축기(51), 상기 압축기(51)를 거친 냉매가 주변과의 열교환으로 열을 빼앗기면서 응축되어 고온고압의 액체상태가 되는 응축기(52), 상기 응축기(52)를 거친 냉매가 통과하면서 저온저온의 액체상태가 되는 팽창밸브(54)(전자식 팽창밸브), 상기 팽창밸브(54)를 거친 냉매가 주변의 열을 흡수하면서 증발되어, 저온저압의 기체상태로 압축기(51)로 재유입시키는 증발기(55)로 이루어진다.(증발기(55)와 압축기(51) 사이 냉매의 이동라인에는 액분리기(56) 설치되고, 응축기(52)와 팽창밸브(54) 사이 냉매의 이동라인에는 수액기(53)가 설치될수 있음이다.)

상기 히프펌프부는 감압증발조(20)의 농축물을 배출하기 위해 저장탱크(70)로 농축물의 배출 ON/OFF를 제어하는 제 2밸브(V2) 및 후술될 드레인 탱크(60) 내 증류수를 외부로의 배출 ON/OFF를 제어하는 제 4밸브(V4)가 닫혀진 상태에서 가동된다.

이러한 히프펌프부의 구성에서, 상기 감압증발조(20) 내부에 전술된 응축기(52)가 내설되도록 설치되어, 응축기(52)에서 제공된 열량으로 감압증발조(20) 내 농축대상물의 수분이 증발되어, 감압증발조(20) 상부를 통해 증기로 배출되도록 하고, 이렇게 배출된 증기는 감압증발조(20) 외부에 설치되는 히트펌프부(50)의 증발기(55)를 통해 증류수로 응축되도록 하는 것이다.

상기 드레인 탱크(60)는 전술된 증발기(55)와 연결되는 것으로, 더욱 상세히는 증발라인은 증발기(55)와 연결되고, 증발기(55)는 진공펌프(30) 및 드레인 탱크(60)로 분기되어 각각 연결되는 것이다.

이러한 드레인 탱크(60)는 감압증발조(20)의 증기가 증발기(55)에서 냉매와 열교환되면서 응축되어 증류수가 된 이후, 증류라인(L3)을 통해 상기 드레인 탱크(60) 내로 유입되는 것으로, 이렇게 드레인 탱크(60)에 유입되는 증류수는 순수 수분으로 재활용이나 방류 형태로 배출되는 것이다.

더불어, 이러한 드레인 탱크(60)는 내부에 제 2수위센서(S2)가 설치되어, 드레인 탱크(60) 내부에 사전설정수위까지 증류수가 저장되면, 증류수가 공급되도록 증발기(55)와 상단에서 연결된 증류라인(L3)의 제 3밸브(V3)를 차단하고, 드레인 탱크(60)의 하단에 설치된 배출라인(L4)에 설치된 제 4밸브(V4)를 개방하도록 한다.

또한, 이러한 드레인 탱크(60)를 통해 증류수가 배출되는 경우, 상기 증발기(55)와 드레인 탱크(60)를 연결하여 증류수가 이동되는 증류라인(L3) 상의 제 3밸브(V3)를 OFF시킴으로써, 증류수 배출중에서 가동되는 진공펌프(30)를 통한 감압증발조(20)의 압력변동을 최소화하고, 진공펌프(30)의 용량을 줄일수 있도록 할 수 있음이다.

상기 저장탱크(70)는 전술된 감압증발조(20)의 하단과 연결설치되는 것으로, 수분이 증발되며 농축된 농축물이 배출저장되는 부분이다.

상기 공랭식 보조응축기(80)는 전술된 감압증발조(20)와 증발기(55)를 연결하는 증기라인(L2)에 설치되어, 상기 증발기(55)에서 증기를 응축시키고 배출되는 냉매온도가 제 2사전설정온도보다 높은 경우 구동되어, 증발기(55)로 유입되는 증기의 일부를 사전에 응축시킴으로써, 증발기(55)에서 배출되는 냉매온도를 제 2사전설정온도로 유지시키는 용도이다.

즉, 본 발명의 장치에서, 지속적인 증발 및 응축에 필요한 열량을 공급하기 위해 히트펌프부(50)의 부하는 조절이 필요하며, 히트펌프부(50)의 응축기(52) 응축온도는 50 ~ 55℃도를 유지하고 증발기(55)의 냉매측 증발온도는 40℃를 유지한다. 상기 증발기(55)의 증발온도는 팽창밸브(54)에 의해 과열도를 제어하며, 팽창온도를 유지한다.

히트펌프부(50)의 열량비는 응축열량이 증발기(55)의 증발열량과 압축기(51)의 전기입력의 합으로 나타나기 때문에, 적절한 과열도를 유지하기 위해서는 응축기(52)의 열량의 일부를 방출할 필요가 있다. 이는 상기의 공랭식 보조응축기(80)를 이용하여 히트펌프부(50)의 열량비를 맞추는 것이다.

이때 제어의 기준은 증발기(55)의 냉매온도를 기준으로 행한다. 상기 증발기(55)의 냉매온도가 40℃ 이상으로 상승할 시에는 공랭식 보조응축기(80)의 팬(81)을 가동하여 감압증발조(20)에서 증발된 수분의 일부를 응축시키며 증발기(55)의 냉매온도가 40℃ 이하로 운전되면 공랭식 보조응축기(80)의 팬(81)의 속도를 저감시켜 감압증발조(20)에서 열량의 비율을 맞추는 것이다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변경이 가능함은 물론이다.

10: 저장조 20: 감압증발조
21: 압력센서 30: 진공펌프
40: 가열부 50: 히트펌프부
51: 압축기 52: 응축기
53: 수액기 54: 팽창밸브
55: 증발기 56: 액분리기
60: 드레인 탱크 70: 저장탱크
80: 공랭식 보조응축기 81: 팬
L1: 공급라인 L2: 증기라인
L3: 증류라인 L4: 배출라인
S1: 제 1수위센서 S2: 제 2수위센서
V1: 제 1밸브 V2: 제 2밸브
V3: 제 3밸브 V4: 제 4밸브

Claims (6)

1. 수분이 함유된 식품인 농축대상물이 저장되는 저장조(10);
   상기 저장조(10)의 농축대상물이 공급되는 감압증발조(20);
   상기 감압증발조(20)와 연결설치되어, 감압증발조(20) 내부를 절대압력 기준으로 10kPa로 유지시키는 진공펌프(30)
   상기 감압증발조(20)에 설치되어, 감압증발조(20) 내부의 온도를 제 1사전설정온도인 물의 증발온도까지 가열시키는 가열부(40);
   상기 감압증발조(20) 내부에 응축기(52)가 내설되도록 설치되어, 응축기(52)에서 제공된 열량으로 농축대상물의 수분이 증발되어 증기로 배출되도록 하고, 배출된 증기는 감압증발조(20) 외부에 설치되는 증발기(55)를 통해 증류수로 응축시키는 히트펌프부(50);
   상기 증발기(55)와 연결되어, 상기 증류수를 외부로 방류하거나 배출하여 재활용할 수 있도록 하는 드레인 탱크(60);
   상기 감압증발조(20)에 연결설치되어, 수분이 증발되며 농축된 농축물이 배출저장되는 저장탱크(70);
   상기 감압증발조(20)와 증발기(55)를 연결하는 증기라인(L2)에 설치되어, 상기 증발기(55)에서 증기를 응축시키고 배출되는 냉매온도가 제 2사전설정온도보다 높은 경우 구동되어, 증발기(55)로 유입되는 증기의 일부를 사전에 응축시킴으로써, 증발기(55)에서 배출되는 냉매온도를 제 2사전설정온도로 유지시키는 공랭식 보조응축기(80);를 포함하여 이루어지며,
   상기 드레인 탱크(60)를 통해 증류수가 배출되는 경우,
   상기 증발기(55)와 드레인 탱크(60)를 연결하여 증류수가 이동되는 증류라인(L3) 상의 제 3밸브(V3)를 OFF시킴으로써, 증류수 배출중에서 가동되는 진공펌프(30)를 통한 감압증발조(20)의 압력변동을 최소화하고, 진공펌프(30)의 용량을 줄일수 있도록 하고,
   상기 농축대상물은 된장, 고추장, 시럽 중 어느 하나이며,
   상기 감압증발조(20) 내부에 설치되어, 감압증발조(20) 내부에 사전설정수위까지 농축대상물이 공급되면, 저장조(10)와 연결된 공급라인(L1)의 제 1밸브(V1)를 차단시키는 제 1수위센서(S1);
   상기 드레인 탱크(60) 내부에 설치되어, 드레인 탱크(60) 내부에 사전설정수위까지 증류수가 저장되면, 증류수가 공급되도록 증발기(55)와 연결된 증류라인(L3)의 제 3밸브(V3)를 차단하고, 드레인 탱크(60)의 배출라인(L4)에 설치된 제 4밸브(V4)를 개방하는 제 2수위센서(S2);가 구비되고,
   상기 감압증발조(20)는
   상기 감압증발조(20)의 내부온도가 사전설정 최대온도 이상으로 상승하게 된 경우, 히트펌프부(50)의 열교환기의 세정을 알리는 알림제어부;가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 고효율 저온 농축장치.
   
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