KR20020083374A - 냉각시스템 및 그를 채용한 항온시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 주변 온도에 따라 흐르는 냉매량이 조절되는 냉각시스템을 채용한 항온시스템에 관한 것이다. 이러한 항온시스템은, 실험대상물 또는 물이 수용되는 챔버(50)(60)와; 챔버(50)(60) 내부의 온도를 상승시키기 위한 제1히터(51)(63)와; 챔버(50) 내부에서 공기를 순환시키는 송풍기(52) 또는 수용된 물을 외부로 순환시키기 위한 순환펌프(62)와; 챔버(50)의 내부온도 또는 챔버(60)의 수온을 떨어뜨리기 위한 냉각시스템;을 구비한 항온시스템에 있어서,

냉각시스템은, 챔버(50)(60) 내부에 배치되어 냉각을 하기 위한 증발관(31)과; 증발관(31)을 경유한 냉매를 압축하는 압축기(32)와; 압축기(32)에 의하여 압축된 냉매로부터 열을 방출하는 방열기(33)와; 증발관(31)으로 흐르는 냉매의 흐름량을 제어하는 제1솔레노이드밸브(34)와; 증발관(31)과 제1솔레노이드밸브(34) 사이에 연결되어 챔버(50)(60) 내부에 설치되는 것으로서, 챔버(50)(60)의 외부에 설치되는 제1증발변(36)과 챔버(50) 내부에 설치되는 제2증발변(37)을 가지는 압력변화관(35);을 포함한다. 이러한 구조에 의하여, 챔버 내부의 온도에 따라 압력변화관(35) 내부의 냉매 증발량이 비례하고 이로 인한 냉매의 부피와 압력이 변화되어 증발관(31)으로 흐르는 냉매의 절대량이 변화됨으로써, 보다 넓은 온도 영역에서 온도제어가 가능하고 소모되는 에너지를 줄일 수 있다는 효과가 있다.

Description

냉각시스템 및 그를 채용한 항온시스템{Cooling system and Constant temperature system having the same}

본 발명은 온도에 따라 냉매의 흐름량이 변화되는 냉각시스템 및 그를 채용한 항온시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 넓은 온도 영역에서 항온 제어가 가능하고 소모되는 에너지를 줄일 수 있는 냉각시스템 및 그를 채용한 항온시스템에 관한 것이다.

도 1은 종래의 냉각시스템이 채용된 항온시스템의 제1실시예의 구성도이다.

도면을 참조하면, 항온시스템의 제1실시예는, 실험대상물이 배치되는 챔버(10)와, 챔버(10) 내부의 온도조절을 위한 히터(11)와, 챔버(10) 내부 공기의 순환을 위한 송풍기(12)와, 챔버(10) 내부의 온도를 조절하기 위한 냉각시스템으로 구성된다.

냉각시스템은, 챔버(10)의 내부에 설치되는 것으로서 방열핀이 다수 설치되며 주변의 온도를 흡열하는 증발관(21)과, 상기 증발관(21)을 경유한 고온저압의 냉매기체를 고압기체로 압축하는 압축기(22)와, 고온고압의 냉매기체를 고압의 액상냉매로 변화시키면서 냉매의 열을 응축열로써 외기로 방출하는 방열기(23)를 포함한다. 또, 냉동시스템은, 증발관(21)으로 유입되는 고압의 액상냉매가 증발이 용이해지도록 압력을 낮추어주는 증발변(24)을 더 포함한다.

도 2는 도 1의 냉각시스템이 채용된 항온시스템의 제2실시예의 구성도이다.

도면을 참조하면, 항온시스템의 제2실시예는, 물이 수용되는 챔버(15)와, 수온을 상승시키기 위한 히터(16)와, 챔버(15)에 수용된 물을 외부로 순환시키는 순환펌프(17)와, 수온을 하강시키기 위한 냉각시스템을 포함한다. 순환펌프(17)는 물에 잠기어진 순환팬(17a)을 가지며, 순환팬(17a)이 회전됨에 따라 외부의 실험기기(미도시)와 연결되는 파이프(17b)(17c)를 통하여 물이 순환된다.

냉각시스템은, 물에 잠기어져 수온을 떨어뜨리기 위한 상기 증발관(21)과, 증발관(21)을 경유한 고온저압의 냉매 기체를 고압기체로 압축하는 압축기(22)와, 냉매의 열을 응축열로써 외기로 방출하는 방열기(23)를 포함하고, 증발관(21)으로유입되는 냉매의 증발이 용이해지도록 압력을 낮추어주는 증발변(24)을 더 포함한다.

냉각시스템은 그 특성상 냉각 능력을 정확히 제어하는 것은 실질적으로 불가능하다. 따라서, 냉각시스템을 채용한 항온시스템에 있어서, 항온 상태를 유지하기 위하여 히터(11)(16)를 가동시킴과 동시에 냉각시스템을 가동, 즉 발열과 흡열이 동시에 이루어지도록 하여야 한다. 발열은 히터(11)(16)에 전기에너지를 인가함으로써 이루어지고, 흡열은 냉각시스템을 가동시켜서 이루어진다.

냉각시스템은, 방열기(23)에서 유출되는 고압의 액상냉매가 증발변(24)을 통과하면서 증발관(21)에서 증발되어 주변의 잠열을 흡수하고, 이에 따라 증발관(21)은 10 챔버 내부의 온도 및 습도를 낮추게 하거나, 15 챔버에서 수온을 낮추게 한다. 이후, 열을 흡수한 고온 저압의 기상냉매는 압축기(22)를 통하면서 고온 고압의 기체가 되어 방열기(23)를 통과하고, 고온의 열은 외기에 의하여 식혀지면서 고압의 액상상태가 되는 쿨링 사이클을 이루게 된다.

그런데, 상기와 같은 항온시스템에 있어서, 냉매의 특성상 그 증발 온도가 높을수록 도 3에 도시된 바와 같이, 증발관(21)이 흡열하는 흡열량이 커진다. 따라서, 예를 들면, 챔버를 상온 상태로 유지할 경우, 증발관(21)의 과도한 흡열을 보상하기 위하여 히터(11)(16)에 많은 전기에너지를 공급하여야 하였다.

한편, 증발관(21)이 고 흡열을 하게 되므로 압축기(22)에는 과부하가 인가되고, 이에 따라 압축기(22)의 수명단축, 가동정지등의 부작용을 초래하였다는 문제가 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로서, 보다 상세하게는 넓은 온도 영역에서 항온 제어가 가능하고 소모되는 에너지를 최소화할 수 있는 냉각시스템 및 그 냉각시스템을 채용한 항온시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 종래의 냉각시스템이 채용된 항온시스템의 제1실시예의 구성도,

도 2는 종래의 냉각시스템이 채용된 항온시스템의 제2실시예의 구성도,

도 3은 증발관에서, 온도에 따른 냉매의 흡열량의 변화를 도시한 그래프,

도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 냉각시스템이 채용된 항온시스템의 제1실시예의 구성도,

도 6은 본 발명에 따른 냉각시스템이 채용된 항온시스템의 제2실시예의 구성도,

도 7은 본 발명에 따른 냉각시스템이 채용된 항온시스템의 제3실시예의 구성도

도 8 및 도 9는 도 6의 제1히터와 압력변화관을 연결시키는 금속부재를 도시한 도면,

도 10은 본 발명에 따른 냉각시스템이 채용된 항온시스템의 제4실시예의 구성도,

도 11은 도 9에 있어서, 제1히터와 냉매흐름관(R'1)을 연결시키는 금속부재를 도시한 도면,

도 12는 본 발명에 따른 냉각시스템이 채용된 항온시스템의 제5실시예의 구성도,

도 13은 본 발명에 따른 냉각시스템이 채용된 항온시스템의 제6실시예의 구성도,

도 14 은 본 발명에 따른 냉각시스템이 채용된 항온시스템의 제7실시예의 구성도,

도 15는 소정 직경의 관통공(d1)이 형성된 관체노즐을 도시한 도면,

도 16은 소정 직경의 관통공(d2)이 형성된 모세관을 도시한 도면,

도 17은 소정 직경의 관통공(d3)이 형성된 오리피스를 도시한 도면,

도 18은 본 발명에 채용된 압력변화관에서, 온도에 따른 냉매의 압력 변화를 도시한 그래프,

도 19는 본 발명에 채용된 압력변화관에서, 온도에 따른 냉매의 통과절대량의 변화를 도시한 그래프,

도 20은 본 발명에 채용된 압력변화관에서, 온도에 따른 냉매의 흡열량의 변화를 도시한 그래프.

<도면의 주요부분에 대한 부호 설명>

31 ... 증발관 32 ... 압축기

33 ... 방열기 34 ... 제1솔레노이드밸브

35 ... 압력변화관 36 ... 제1증발변

37 ... 제2증발변 38 ... 바이패스관

39 ... 제3증발변 40 ... 제2솔레노이드밸브

41 ... 제1센서 42 ... 제1온도조절기

43 ... 가습기 43a ... 가습조

43b ... 히터 44 ... 금속부재

44a ... 홈 45 ... 제2센서

46 ... 제2온도조절기 47 ... 제3센서

48 ... 제3온도조절기 49 ... 제4증발변

50 ... 챔버 51 ... 제1히터

52 ... 송풍기 53 ... 제2히터

60 ... 챔버 61 ... 제1히터

62 ... 순환펌프 62a ... 순환팬

62b, 62c ... 파이프 63 ... 제2히터

R1, R1', R2 ... 냉매흐름관

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 냉각시스템은, 실험대상물이 배치되거나 물이 수용되는 챔버 내부에 배치되어 냉각을 하기 위한 증발관(31)과, 상기 증발관(31)을 경유한 냉매를 압축하는 압축기(32)와, 상기 압축기(32)에 의하여 압축된 냉매로부터 열을 방출하는 방열기(33)를 포함하는 냉각시스템에 있어서, 상기 증발관(31)으로 흐르는 냉매의 흐름량을 제어하는 제1솔레노이드밸브(34)와; 상기 증발관(31)과 상기 제1솔레노이드밸브(34) 사이에 연결되어 상기 챔버 내부에 설치되는 것으로서, 상기 챔버의 외부에 설치되는 제1증발변(36)과 챔버 내부에 설치되는 제2증발변(37)을 가지는 압력변화관(35);을 포함하여서, 상기 챔버 내부의 온도에 따라 상기 압력변화관(35) 내부의 냉매의 부피가 가감됨으로써 상기 증발관(31)으로 흐르는 냉매의 통과절대량이 변화되는 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 제2증발변(37)의 관통공의 내부직경이 제1증발변(36)의 관통공의 내부직경보다 적어도 큰 것이 바람직하고, 상기 제1,2증발변(36)(37)은, 소정 직경의 관통공(d1)이 형성된 관체노즐 또는 관통공(d2)이 형성된 모세관 또는 관통공(d3)이 형성된 오리피스를 채용한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 항온시스템은, 실험대상물이 배치되는 챔버(50)와; 상기 챔버(50) 내부의 온도를 상승시키기 위한 제1히터(51)와; 상기 챔버(50) 내부에서 공기를 순환시키는 송풍기(52)와; 상기 챔버(50) 내부의 온도를 냉각시키기 위한 냉각시스템;을 구비한 항온시스템에 있어서, 상기 냉각시스템은, 상기 챔버(50) 내부에 배치되어 냉각을 하기 위한 증발관(31)과; 상기 증발관(31)을 경유한 냉매를 압축하는 압축기(32)와; 상기 압축기(32)에 의하여 압축된 냉매로부터 열을 방출하는 방열기(33)와; 상기 증발관(31)으로 흐르는 냉매의 흐름량을 제어하는 제1솔레노이드밸브(34)와; 상기 증발관(31)과 상기 제1솔레노이드밸브(34) 사이에 연결되어 상기 챔버(50) 내부에 설치되는 것으로서, 상기 챔버(50)의 외부에 설치되는 제1증발변(36)과 챔버(50) 내부에 설치되는 제2증발변(37)을 가지는 압력변화관(35);을 포함한다.

여기서, 상기 방열기(33)를 경유한 냉매를 외부에서 증발시켜 상기 압축기(32)로 안내하는 것으로서, 흐르는 냉매량을 일정하게 하는 제3증발변(39) 및 그 제3증발변(39)으로 흐르는 냉매량을 제어하는 제2솔레노이드밸브(40)가 설치된 바이패스관(28)과; 상기 압력변화관(35)에 설치되어 그 압력변화관(35)을 경유한 냉매의 온도를 감지하여 온도신호를 발생하는 제1센서(41)와; 상기 온도신호에 따라 상기 제2솔레노이드밸브(40)의 개폐를 제어하는 제1온도조절기(42);를 더 포함한다.

또, 상기 챔버(50) 내부의 습도를 조절하기 위한 것으로서, 상기 챔버(50)의 내부에 설치되며 액체가 수용되는 가습조(43a)와, 그 액체 내부에 설치된 가습히터(43b)로 구성되는 가습기(43)를 더 포함한다.

또한, 상기 제1히터(51)는 상기 압력변화관(35)과 금속부재(44)로 연결된다.

한편, 상기 제1증발변(36)과 상기 제1솔레노이드밸브(34) 사이의 냉매흐름관(R1')에 설치되어 상기 제1히터(51)와 연동되는 제2히터(53)와; 상기 냉매흐름관(R'1)에 설치되어 그 냉매흐름관(R1')을 경유한 냉매의 온도를 감지하여 온도신호를 발생하는 제2센서(45)와; 상기 온도신호에 따라 상기 제2솔레노이드밸브(40)의 개폐를 제어하는 제2온도조절기(46);를 더 포함한다

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 항온시스템은, 물이 수용되는 챔버(60)와; 상기 챔버(60)의 수온을 상승시키기 위한 제1히터(61)와; 상기 챔버(60)에 수용된 물을 외부로 순환시키기 위한 순환펌프(62); 상기 챔버(60)의 수온을 냉각시키기 위한 냉각시스템; 을 구비한 항온시스템에 있어서, 상기 냉각시스템은, 상기 챔버(60) 내부에 배치되어 물을 냉각시키기 위한 증발관(31)과; 상기 증발관(31)을 경유한 냉매를 압축하는 압축기(32)와; 상기 압축기(32)에 의하여 압축된 냉매로부터 열을 방출하는 방열기(33)와; 상기 증발관(31)으로 흐르는 냉매의 흐름량을 제어하는 제1솔레노이드밸브(34)와; 상기 증발관(31)과 상기 제1솔레노이드밸브(34) 사이에 연결되어 상기 챔버(60) 내부의 물에 설치되는 것으로서, 상기 챔버(60)의 외부에 설치되는 제1증발변(36)과 상기 챔버(60) 내부의 물에 설치되는 제2증발변(37)을 가지는 압력변화관(35);을 포함한다.

여기서, 상기 방열기(33)를 경유한 냉매를 외부에서 증발시켜 상기압축기(32)로 안내하는 것으로서, 흐르는 냉매량을 일정하게 하는 제3증발변(39) 및 그 제3증발변(39)으로 흐르는 냉매량을 제어하는 제2솔레노이드밸브(40)가 설치된 바이패스관(38)과; 상기 압력변화관(35)에 설치되어 그 압력변화관(35)을 경유한 냉매의 온도를 감지하여 온도신호를 발생하는 제1센서(41)와; 상기 온도신호에 따라 상기 제2솔레노이드밸브(40)의 개폐를 제어하는 제1온도조절기(42);를 더 포함한다.

또, 상기 제1증발변(36)과 상기 챔버(60) 사이의 냉매흐름관(R1')에 설치되어 상기 제1히터(61)와 연동되는 제2히터(63)와; 상기 냉매흐름관(R'1)에 설치되어 그 냉매흐름관(R1')을 경유한 냉매의 온도를 감지하여 온도신호를 발생하는 제2센서(45)와; 상기 온도신호에 따라 상기 제2솔레노이드밸브(40)의 개폐를 제어하는 제2온도조절기(46)와; 상기 챔버(60)와 상기 압축기(32) 사이의 냉매흐름관(R2)에 설치되어 그 냉매흐름관(R2)을 경유하는 냉매의 온도를 감지하여 온도신호를 발생하는 제3센서(47)와; 상기 제3센서(47)에 의한 온도신호에 따라 상기 제2솔레노이드밸브(40)의 개폐를 제어하는 제3온도조절기(48);를 더 포함한다.

그리고, 상기 제2센서(45)와 상기 챔버(60) 사이에 설치되는 제4증발변(49)을 더 포함한다.

이하 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명에 따른 냉각시스템 및 그를 채용한 항온시스템의 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 냉각시스템이 채용된 항온시스템의 제1실시예의 구성도이다.

도면을 참조하면, 항온시스템은, 실험대상물이 배치되는 챔버(50)와, 챔버(50) 내부의 온도를 상승시키기 위한 제1히터(51)와, 챔버(50) 내부에서 공기를 순환시키는 송풍기(52)를 포함한다. 그리고, 챔버(50) 내부의 온도를 냉각시키기 위한 냉각시스템을 구비한다.

냉각시스템은, 챔버(50) 내부에 배치되어 냉각을 하기 위한 증발관(31)과, 증발관(31)을 경유한 냉매를 압축하는 압축기(32)와, 압축기(32)에 의하여 압축된 냉매로부터 열을 방출하는 방열기(33)와, 방열기(33)와 증발관(31) 사이에 연결된 냉매흐름관(R1)과, 압축기(32)와 증발관(31) 사이에 연결된 냉매흐름관(R2)을 포함한다.

냉매흐름관(R2)에는 증발관(31)으로의 액상냉매의 흐름을 제어하는 제1솔레노이드밸브(34)가 설치된다. 챔버(50) 내부에는 증발관(31)과 제1솔레노이드밸브(34) 사이에 연결된 압력변화관(35)이 설치된다. 압력변화관(35)은 챔버 내부 온도의 영향을 많이 받을 수 있도록 적당한 길이를 가지며, 챔버(50)의 외부에 설치되는 제1증발변(36)과 챔버(50) 내부에 설치되는 제2증발변(37)을 가진다. 제1증발변(36)과 제2증발변(37)에는 냉매가 흐르는 관통공이 형성되어 있으며, 이때 제2증발변(37)의 관통공의 직경은 제1증발변(36)의 관통공의 직경보다 적어도 크게 되어 있다. 여기서, 제1증발변(36)은 증발관(31)으로 흐르는 냉매의 부피량을 일정하게 하고, 제2증발변(37)은 증발관(31)으로 흐르는 냉매의 증발을 유도한다.

압력변화관(35)은, 챔버(50) 내부의 온도에 따라 제2증발변(37)을 통과하는냉매의 부피량을 변화시킴으로써 흐르는 냉매의 절대량을 변화시킨다. 즉, 제1,2증발변(36)(37)을 통과하는 냉매의 부피는 일정하므로, 예를 들면, 주변 온도가 높아지면 압력변화관(35) 내부의 냉매의 부피가 증가하고 내부 압력이 높아져 R1 으로부터 제1증발변(36)을 통과하는 냉매의 절대량이 작아지게 된다. 제2증발변(37)을 통과하는 냉매의 부피량은 일정하므로, 결과적으로 증발관(31)으로 흐르는 냉매의 절대량은 작아지게 되는 것이다.

R1 냉매흐름관과 R2 냉매흐름관 사이에는 방열기(33)를 경유한 냉매를 외부에서 증발시켜 압축기(32)로 안내하는 바이패스관(38)이 연결된다. 바이패스관(38)에는 흐르는 냉매량을 일정하게 하는 제3증발변(39) 및 그 제3증발변(39)으로 흐르는 냉매량을 제어하는 제2솔레노이드밸브(40)가 설치되어 있다.

압력변화관(35)에는 그 압력변화관(35)을 경유한 냉매의 온도를 감지하여 온도신호를 발생하는 제1센서(41)가 설치되어 있다. 제1센서(41)에서 발생된 온도 신호는 제1온도조절기(42)로 전송되며, 제1온도조절기(42)는 상기한 온도신호에 따라 상기 제2솔레노이드밸브(40)의 개폐를 제어한다.

도 6은 본 발명에 따른 냉각시스템이 채용된 항온시스템의 제2실시예의 구성도이다. 여기서, 도 4 및 도 5에서와 동일한 참조 부호는 동일 기능을 하는 동일한 부재이다.

도면을 참조하면, 제2실시예의 항온시스템은 제1실시예의 항온시스템의 구성에, 챔버(20) 내부의 습도를 조절하기 위한 가습기(43)를 설치하는 것이다. 가습기(43)는 액체, 본 실시예에서는 물이 수용되는 가습조(43a)와 그 가습조(43a) 내부에 설치되어 물을 가열시키는 가습히터(43b)로 구성된다. 상기 증발관(31)은 흡열뿐만 아니라 제습도 하게 되므로, 가습기를 적절히 가동시킴과 동시에 증발관(31)이 제습을 하도록 하게 하면 항온 상태뿐만 아니라 항습 상태도 구현할 수 있다.

도 7은 본 발명에 따른 냉각시스템이 채용된 항온시스템의 제3실시예의 구성도이고, 도 8 및 도 9는 도 7의 제1히터와 압력변화관을 연결시키는 금속부재를 도시한 도면이다. 여기서, 도 4 내지 도 6에서와 동일한 참조 부호는 동일 기능을 하는 동일한 부재이다.

도면을 참조하면, 제2실시예의 항온시스템은 제1실시예의 항온시스템의 구성에, 제1히터(51)와 압력변화관(35)을 연결하는 금속부재(44)를 더 포함하는 것이다. 금속부재(44)는, 제1히터(51)의 열을 압력변화관(35)으로 좀더 용이하게 전달시키기 위한 것이다. 이때, 금속부재(44)는 도 7에 도시된 바와, 제1히터(51)의 외주와 압력변화관(35)의 외주를 감싸도록 연결된 부재로 구현할 수도 있고, 도 8에 도시된 바와 같이, 제1히터(51)와 압력변화관(35)이 끼어지는 홈(44a)이 형성된 부재를 채용할 수도 있다. 본 실시예에서는 금속부재로 2가지 실시예를 설명하였지만, 그 외에도 다양한 형상으로 구현할 수 있음은 물론이다.

도 10은 본 발명에 따른 냉각시스템이 채용된 항온시스템의 제4실시예의 구성도이고, 도 11은 제2히터와 냉매흐름관(R1')을 연결시키는 금속부재를 도시한 도면이다. 여기서, 도 4 내지 도 7에서와 동일한 참조 부호는 동일 기능을 하는 동일한 부재이다.

도면을 참조하면, 제4실시예의 항온시스템은 제1실시예의 항온시스템의 구성에, 제1증발변(36)과 제1솔레노이드밸브(34) 사이의 냉매흐름관(R1')에 설치되어 제1히터(51)와 연동되는 제2히터(53)를 더 포함하는 것이고, 또 냉매흐름관(R'1)에 설치되어 그 냉매흐름관(R1')을 경유한 냉매의 온도를 감지하여 온도신호를 발생하는 제2센서(45)와, 온도신호에 따라 상기 제2솔레노이드밸브(40)의 개폐를 제어하는 제2온도조절기(46)를 더 포함하는 것이다. 본 실시예에서, 온도조절기는 설명을 위하여 2개로 분리하였지만, 하나의 온도조절기로 구현할 수 있음은 물론이다. 또, 제2히터(53)와 R1' 냉매흐름관을 연결하는 금속부재(44) 역시 제3실시예에서 채용된 것과 유사한 기능을 수행한다.

도 12는 본 발명에 따른 냉각시스템이 채용된 항온시스템의 제5실시예의 구성도이다. 여기서, 도 4 내지 도 10에서와 동일한 참조 부호는 동일 기능을 하는 동일한 부재이다.

도면을 참조하면, 제5실시예의 항온시스템은, 물이 수용되는 챔버(60)와, 챔버(60)의 수온을 상승시키기 위한 제1히터(61)와, 챔버(60)에 수용된 물을 외부로 순환시키기 위한 순환펌프(62)와, 챔버(60)의 수온을 냉각시키기 위한 냉각시스템을 구비한다. 챔버(60)는 외부와의 열전달을 최대한 방지하기 위하여 단열이 되어 있고, 순환펌프(62)는 물에 잠기어진 순환팬(6a)을 가지며, 순환팬(62a)이 회전됨에 따라 외부의 실험기기(미도시)와 연결되는 파이프(62b)(62c)를 통하여 물이 순환된다.

냉각시스템은, 챔버(60) 내부에 배치되어 물을 냉각시키기 위한 증발관(31)과, 증발관(31)을 경유한 냉매를 압축하는 압축기(32)와, 압축기(32)에 의하여 압축된 냉매로부터 열을 방출하는 방열기(33)와, 방열기(33)와 증발관(31) 사이에 연결된 냉매흐름관(R1)과, 압축기(32)와 증발관(31) 사이에 연결된 냉매흐름관(R2)을 포함한다.

냉매흐름관(R1)에는 증발관(31)으로 흐르는 냉매의 흐름량을 제어하는 제1솔레노이드밸브(34)가 설치되고, 챔버(60) 내부에는 증발관(31)과 제1솔레노이드밸브(34) 사이에 연결된 압력변화관(35)이 설치되며, 압력변화관(35)은 챔버(60)의 외부에 설치되는 제1증발변(36)과 챔버(60) 내부에 설치되는 제2증발변(37)을 가진다. 이러한 압력변화관(35)은 제1 내지 제4실시예에서 설명한 것과 동일하다.

R1 냉매흐름관과 R2 냉매흐름관 사이에는, 제1 내지 제4실시예와 동일한 바이패스관(38)이 연결되고, 바이패스관(38)에는 제3증발변(39) 및 제2솔레노이드밸브(40)가 설치되어 있다. 압력변화관(35)에는 제1 내지 제4실시예와 동일한 제1센서(41) 및 제1온도조절기(42)가 설치된다.

도 13은 본 발명에 따른 냉각시스템이 채용된 항온시스템의 제6실시예의 구성도이다. 여기서, 도 4 내지 도 12에서와 동일한 참조 부호는 동일 기능을 하는 동일한 부재이다.

도면을 참조하면, 제6실시예의 항온시스템은, 제5실시예의 항온시스템의 구성에서 압력변화관(35)에 설치된 제1센서(41)를 제거하고, 제2,3센서(45)(47)를 새로 채용한다. 즉, 항온시스템의 제5실시예는, 제1증발변(36)과 챔버(60) 사이의 냉매흐름관(R1')에 설치되어 제1히터(61)와 연동되는 제2히터(63)와, 냉매흐름관(R'1)에 설치되어 그 냉매흐름관(R1')을 경유한 냉매의 온도를 감지하여 온도신호를 발생하는 제2센서(45)와, 그 온도신호에 따라 상기 제2솔레노이드밸브(40)의 개폐를 제어하는 제2온도조절기(46)를 포함하고, 또, 챔버(60)와 압축기(32) 사이의 R2 냉매흐름관에 설치되어 그 R2 냉매흐름관을 경유하는 냉매의 온도를 감지하여 온도신호를 발생하는 제3센서(47)와, 제3센서(47)에 의한 온도신호에 따라 제2솔레노이드밸브(40)의 개폐를 제어하는 제3온도조절기(48)를 더 포함한다. 본 실시예에서, 온도조절기는 설명을 위하여 2개로 분리하였지만, 하나의 온도조절기로 구현할 수 있음은 물론이다.

도 14 은 본 발명에 따른 냉각시스템이 채용된 항온시스템의 제7실시예의 구성도이다. 여기서, 도 4 내지 도 13에서와 동일한 참조 부호는 동일 기능을 하는 동일한 부재이다.

도면을 참조하면, 제7실시예의 항온시스템은, 제6실시예의 구성에, 제2센서(45)와 챔버(60) 사이에 설치되는 제4증발변(49)을 더 포함하는 것이다.

도 15는 소정 직경의 관통공(d1)이 형성된 관체노즐이고, 도 16은 소정 직경의 관통공(d2)이 형성된 모세관이며, 도 17은 소정 직경의 관통공(d3)이 형성된 오리피스이다. 상기한 항온시스템의 제1,2,3,4,5,6,7실시예에서의 증발변(36)(37)(39)(49)은, 도 15의 관체노즐이나, 도 16의 모세관이나 도 17의 오리피스로 구현할 수 있다. 그러나, 증발변은 냉매의 증발을 유도하고 흐르는 냉매의 양을 일정하게 한다면 다른 구조로 실현할 수 있음은 물론이다.

상기와 같은 항온시스템의 동작을 설명한다.

항온시스템의 동작은 크게, 챔버(50)의 내부 또는 챔버(60)의 수온의 저온 유지, 온도 상승, 고온 유지, 온도 하강으로 나눌 수 있다. 종래의 항온시스템은, 냉각시스템에 과부하가 형성되지 않고 가능한 운전상태는 저온 유지할 때뿐이며, 다른 3 가지의 상태에서는 필수적으로 냉각시스템에 과부하를 형성시키며, 더 나아가 온도보상을 위하여 제1히터에 많은 전기에너지를 공급하여야 하였다.

상기 압력변화관(35) 내부의 냉매의 부피는 챔버(50)(60) 내부의 온도에 비례하여 증가한다. 이때, 제1증발변(36)은 챔버(50)(60) 외부에 설치되므로 챔버 내부 온도의 영향을 받지 않으며, 항상 일정한 양의 냉매가 압력변화관(35)으로 흐른다. 그런데, 제2증발변(37)을 통과하는 냉매의 부피량은 일정하므로, 예를 들면, 주변의 온도가 높아서 압력변화관(35) 내에서 냉매의 부피가 증가하면 도 19에 도시된 바와 같이 제2증발변(37)을 통과하는 냉매의 절대량은 작아진다. 그러면, 증발관(31)으로 유입되는 냉매의 절대량이 작아지므로, 결과적으로 증발관이 주변으로부터 흡수하는 흡열량은 작아지게 된다.

제2증발변(37)의 관통공의 직경은 제1증발변(36)의 관통공의 직경보다 적어도 크게 되어 있다. 이는, 챔버 내부를 저온 영역으로 유지할 경우에, 압력변화관(35)의 냉매의 부피는 작아지고, 이에 따라 증발관(31)으로 과도한 양의 냉매가 흐를 수 있는데, 제1증발변(36)의 관통공의 크기를 제2증발변(37)의 관통공 크기보다 작게 함으로써, 최대한 증발관(31)으로 흐르는 냉매의 절대량은 제1증발변(36)에 의하여 제한되도록 하기 위하여이다.

압력변화관(35)의 온도가 낮을 경우에는, 냉매의 부피량의 증가가 적으므로 제1증발변(36)을 통과한 냉매가 대부분 제2증발변(37)을 통과하게 되지만, 압력변화관(35)의 온도가 높을 경우에는, 냉매의 부피가 크게 증가하므로 제2증발변(37)은 냉매가 흐르지 못하게 하는 저항역할을 하게 된다. 그러면, 압력변화관(35) 내부의 압력과 R1 냉매흐름과 사이의 압력 차이가 작아지므로, 제1증발변(36)을 통하여 유입되는 액상 냉매의 양은 줄어들게 된다.

압축기(32)나 방열기(33)에 과부하가 인가되지 않도록 하기 위하여 유입되는 냉매의 양이나 온도가 적정하게 유지되어야 한다. 한편, 압력변화관(35) 내의 온도가 높으면 증발관(31)으로 흐르는 냉매의 절대량이 작아지고 온도가 높은 상태임을 의미한다. 이때, 과도한 온도를 가진 냉매가 압축기(32)나 방열기(33)로 곧바로 유입되지 않게 하기 위하여, 제1센서(41) 및 제2온도조절기(42)가 압력변화관(35)의 온도를 감지하여 필요시에는 제2솔레노이드밸브(40)를 작동시킨다. 그러면, 방열기(33)를 경유한 비교적 저온의 냉매가 제3증발변(39)을 통과한 후, R2 냉매흐름관에서 증발관(31)을 경유한 고온의 냉매와 혼합되어 냉매의 온도가 적절히 낮아짐으로써, 압축기(32)나 방열기(33)의 과부하를 방지할 수 있다. 즉, 제2솔레노이드밸브(40) 및 제3증발변(39)이 설치된 바이패스관(38)은 고온의 냉매를 적절히 식혀줌으로써 과부하로 인한 압축기(32)나 방열기(33)의 파손을 방지한다.

이러한 항온시스템에 있어서, 작동상태를 분류하여 설명한다.

1) 챔버 내부를 저온 상태(냉매의 증발온도에 가까운)를 유지할 경우

압력변화관(35)의 온도가 공급되는 액상냉매의 온도보다 낮으므로제1증발변(36)을 통과하는 냉매는 압력변화관(35)에 의해 별다른 변화를 갖지 않고 제2증발변(37)을 통하여 증발관(31)으로 유입되어 증발하게 된다. 이때, 제1히터를 약하게 가동된 상태이다.

2) 챔버 내부를 저온 상태(냉매의 증발온도보다 높은) 및 고온 상태를 유지할 경우

챔버(50)(60) 내부의 온도나 제1히터(51)(61)에 의한 열로 인하여, 혹은 챔버 외부에 장치되어 제1히터와 연동되는 제2히터(53)(63)의 열에 의하여 압력변화관(35) 내의 압력이 상승하므로, 도 19 에 도시된 바와 같이, 제1증발변(36)을 통하여 증발관(31)으로 흐르는 냉매의 절대량이 감소하게 된다. 냉매의 절대량이 감소함에 따라, 도 20에 도시된 바와 같이, 증발관(31)의 흡열량은 감소하게 되고(도3과 비교), 온도조절을 위해 가해지는 제1히터(51)(61)의 전기소모량도 함께 감소하게 된다. 따라서, 제1히터(51)(61)를 가동하는 에너지를 줄일 수 있다.

3) 챔버 내부의 온도를 상승시키는 경우

제1히터(51)(61)를 가동함에 따른 열이나, 챔버(50)(60) 내부의 온도나, 혹은 챔버 외부에 장치되어 제1히터와 연동되는 제2히터(53)(63)의 열에 의하여 압력변화관(35)내의 압력이 크게 상승하므로, 도 19 에 도시된 바와 같이, 제1증발변(36)을 통하여 증발관(31)으로 흐르는 냉매의 절대량이 크게 감소하게 된다. 냉매의 절대량이 감소됨에 따라 증발관(31)의 흡열량은 크게 감소하게 되고, 온도상승을 위해 가해지는 제1히터(21))61)의 전기소모량도 함께 감소하게 된다.

4) 챔버 내부의 온도를 하강시키는 경우

도 18에 도시된 바와 같이, 챔버(50)(60) 내부의 온도의 변화에 따른 압력변화관(35) 내의 압력변화로 인하여, 제1증발변(36)으로부터 압력변화관(35)으로 흐르는 냉매의 량이 조절된다. 즉, 고온상태에서는 압력변화관(35)으로 냉매의 작은 흐름이 있고, 저온상태에서는 제1증발변(36)이 흘릴 수 있는 최대량이 나오게 된다. 그런데, 도3, 도 19, 도 20 에 도시된 바와 같이, 고온에서는 비록 증발관(31)으로 흐르는 냉매의 절대량은 작지만, 냉매의 증발시에 흡열하는 단위 흡열량이 크므로, 실제적으로 냉매의 증발관(31)의 흡열량은 주변이 저온인 상태보다 작지 않으며, 압축기(32)에 과부하도 주지 않는다. 즉, 도 20 에서와 같이, 주변이 어느 온도 이상부터는 일정한 흡열량을 가지므로 압축기(32)와 방열기(33)에 과부하를 형성시키지 않은 상태로 운전이 가능하게 된다.

여기서, 상기한 2), 3), 4)의 경우에 고온의 증발된 냉매가 압축기(32)로 직접 유입되면 압축기가 과열될 가능성이 있으므로, 본 발명에서는 압력변화관(35)에 연결된 제1센서(41) 및 제1온도조절기(42)(도 5, 도 6, 도 7, 도 8, 도 12)나, 제2,3센서(45)(47) 및 제2,3온도조절기(46)(48)(도 12, 14)를 채용하여 적정 온도 이상일 경우에 제2솔레노이드밸브(40)를 작동시키며, 이에 따라 방열기를 경유한 상대적으로 저온인 냉매와 증발관(31)을 경유한 고온의 냉매를 혼합시켜 압축기(32)로 흐르게 함으로써 온도에 따른 과부하를 방지한다.

상기와 같은 항온항습장치는, 분야에서 적용할 수 있는데, 예를 들면 동,식물을 양육하기 위한 인큐베이터나, 세균등을 배양하기 위한 배양기, 또는 그 이외에 항온 상태를 필요로 하는 다양한 분야에 직접 적용할 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 압력변화관을 가지는 냉각시스템 및 그를 채용한 항온시스템은, 별도의 부가적인 장치 없이 종래의 항온시스템에 비하여 보다 넓은 온도영역에서 항온 상태의 제어가 가능할 뿐만 아니라 소모되는 에너지를 최소화할 수 잇다.

또, 압력변화관에 의하여 고온상태에서도 흡열량이 일정하게 유지되므로, 과거의 냉각시스템에서는 불가능하였던 +100℃ 이상의 고온 영역까지 항온유지가 가능하다.

또한, 일반적인 항온시스템은 주변의 온도에 대해 쉽게 영향을 받으나(이는 온도에 따라 냉매의 밀도가 달라지기 때문), 본원에서는 압력변화관을 채용함으로써 챔버 내부의 온도에 의해 자동으로 증발관으로 흐르는 냉매의 절대량이 변화되므로, 결과적으로 챔버 주변의 온도로 인한 영향이 작다.

그리고, 센서 및 온도제어기를 채용하여 바이패스밸브를 가동함으로써 고온의 냉매의 유입으로 인한 압축기의 파손을 방지하고 수명을 연장할 수 있다는 효과가 있다.

Claims (12)

1. 실험대상물이 배치되거나 물이 수용되는 챔버 내부에 배치되어 냉각을 하기 위한 증발관(31)과, 상기 증발관(31)을 경유한 냉매를 압축하는 압축기(32)와, 상기 압축기(32)에 의하여 압축된 냉매로부터 열을 방출하는 방열기(33)를 포함하는 냉각시스템에 있어서,

   상기 증발관(31)으로 흐르는 냉매의 흐름량을 제어하는 제1솔레노이드밸브(34)와;

   상기 증발관(31)과 상기 제1솔레노이드밸브(34) 사이에 연결되어 상기 챔버 내부에 설치되는 것으로서, 상기 챔버의 외부에 설치되는 제1증발변(36)과 챔버 내부에 설치되는 제2증발변(37)을 가지는 압력변화관(35);을 포함하여서,

   상기 챔버 내부의 온도에 따라 상기 압력변화관(35) 내부의 냉매의 압력이 가감됨으로써 상기 증발관(31)으로 흐르는 냉매의 통과절대량이 변화되는 것을 특징으로 하는 냉각시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 제2증발변(37)의 관통공의 내부직경이 제1증발변(36)의 관통공의 내부직경보다 적어도 큰 것을 특징으로 하는 냉각시스템.
3. 제1항에 있어서,

   상기 제1,2증발변(36)(37)은, 소정 직경의 관통공(d1)이 형성된 관체노즐 또는 관통공(d2)이 형성된 모세관 또는 관통공(d3)이 형성된 오리피스인 것을 특징으로 하는 냉각시스템.
4. 실험대상물이 배치되는 챔버(50)와; 상기 챔버(50) 내부의 온도를 상승시키기 위한 제1히터(51)와; 상기 챔버(50) 내부에서 공기를 순환시키는 송풍기(52)와; 상기 챔버(50) 내부의 온도를 냉각시키기 위한 냉각시스템;을 구비한 항온시스템에 있어서,

   상기 냉각시스템은, 상기 챔버(50) 내부에 배치되어 냉각을 하기 위한 증발관(31)과; 상기 증발관(31)을 경유한 냉매를 압축하는 압축기(32)와; 상기 압축기(32)에 의하여 압축된 냉매로부터 열을 방출하는 방열기(33)와; 상기 증발관(31)으로 흐르는 냉매의 흐름량을 제어하는 제1솔레노이드밸브(34)와; 상기 증발관(31)과 상기 제1솔레노이드밸브(34) 사이에 연결되어 상기 챔버(50) 내부에 설치되는 것으로서, 상기 챔버(50)의 외부에 설치되는 제1증발변(36)과 챔버(50) 내부에 설치되는 제2증발변(37)을 가지는 압력변화관(35);을 포함하는 것을 특징으로 하는 항온시스템.
5. 제4항에 있어서,

   상기 방열기(33)를 경유한 냉매를 외부에서 증발시켜 상기 압축기(32)로 안내하는 것으로서, 흐르는 냉매량을 일정하게 하는 제3증발변(39) 및 그제3증발변(39)으로 흐르는 냉매량을 제어하는 제2솔레노이드밸브(40)가 설치된 바이패스관(28)과;

   상기 압력변화관(35)에 설치되어 그 압력변화관(35)을 경유한 냉매의 온도를 감지하여 온도신호를 발생하는 제1센서(41)와;

   상기 온도신호에 따라 상기 제2솔레노이드밸브(40)의 개폐를 제어하는 제1온도조절기(42);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 항온시스템.
6. 제4항 또는 제5항에 있어서,

   상기 챔버(50) 내부의 습도를 조절하기 위한 것으로서, 상기 챔버(50)의 내부에 설치되며 액체가 수용되는 가습조(43a)와, 그 액체 내부에 설치된 가습히터(43b)로 구성되는 가습기(43)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 항온시스템.
7. 제4항 또는 제5항에 있어서,

   상기 제1히터(51)는 상기 압력변화관(35)과 금속부재(44)로 연결된 것을 특징으로 하는 항온시스템.
8. 제4항 또는 제5항에 있어서,

   상기 제1증발변(36)과 상기 제1솔레노이드밸브(34) 사이의 냉매흐름관(R1')에 설치되어 상기 제1히터(51)와 연동되는 제2히터(53)와;

   상기 냉매흐름관(R'1)에 설치되어 그 냉매흐름관(R1')을 경유한 냉매의 온도를 감지하여 온도신호를 발생하는 제2센서(45)와;

   상기 온도신호에 따라 상기 제2솔레노이드밸브(40)의 개폐를 제어하는 제2온도조절기(46);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 항온시스템.
9. 물이 수용되는 챔버(60)와; 상기 챔버(60)의 수온을 상승시키기 위한 제1히터(61)와; 상기 챔버(60)에 수용된 물을 외부로 순환시키기 위한 순환펌프(62); 상기 챔버(60)의 수온을 냉각시키기 위한 냉각시스템;을 구비한 항온시스템에 있어서,

   상기 냉각시스템은, 상기 챔버(60) 내부에 배치되어 물을 냉각시키기 위한 증발관(31)과; 상기 증발관(31)을 경유한 냉매를 압축하는 압축기(32)와; 상기 압축기(32)에 의하여 압축된 냉매로부터 열을 방출하는 방열기(33)와; 상기 증발관(31)으로 흐르는 냉매의 흐름량을 제어하는 제1솔레노이드밸브(34)와; 상기 증발관(31)과 상기 제1솔레노이드밸브(34) 사이에 연결되어 상기 챔버(60) 내부의 물에 설치되는 것으로서, 상기 챔버(60)의 외부에 설치되는 제1증발변(36)과 상기 챔버(60) 내부의 물에 설치되는 제2증발변(37)을 가지는 압력변화관(35);을 포함하는 것을 특징으로 하는 항온시스템.
10. 제9항에 있어서,

    상기 방열기(33)를 경유한 냉매를 외부에서 증발시켜 상기 압축기(32)로 안내하는 것으로서, 흐르는 냉매량을 일정하게 하는 제3증발변(39) 및 그 제3증발변(39)으로 흐르는 냉매량을 제어하는 제2솔레노이드밸브(40)가 설치된 바이패스관(38)과;

    상기 압력변화관(35)에 설치되어 그 압력변화관(35)을 경유한 냉매의 온도를 감지하여 온도신호를 발생하는 제1센서(41)와;

    상기 온도신호에 따라 상기 제2솔레노이드밸브(40)의 개폐를 제어하는 제1온도조절기(42);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 항온시스템.
11. 제9항에 있어서,

    상기 제1증발변(36)과 상기 챔버(60) 사이의 냉매흐름관(R1')에 설치되어 상기 제1히터(61)와 연동되는 제2히터(63)와;

    상기 냉매흐름관(R'1)에 설치되어 그 냉매흐름관(R1')을 경유한 냉매의 온도를 감지하여 온도신호를 발생하는 제2센서(45)와;

    상기 온도신호에 따라 상기 제2솔레노이드밸브(40)의 개폐를 제어하는 제2온도조절기(46)와;

    상기 챔버(60)와 상기 압축기(32) 사이의 냉매흐름관(R2)에 설치되어 그 냉매흐름관(R2)을 경유하는 냉매의 온도를 감지하여 온도신호를 발생하는 제3센서(47)와;

    상기 제3센서(47)에 의한 온도신호에 따라 상기 제2솔레노이드밸브(40)의 개폐를 제어하는 제3온도조절기(48);를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 항온시스템.
12. 제11항에 있어서,

    상기 제2센서(45)와 상기 챔버(60) 사이에 설치되는 제4증발변(49)을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 항온시스템.