KR20040036029A - 급속동결을 위한 냉동사이클 시스템 및 제어방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 복수개의 팽창밸브를 활용하여 단계적으로 냉동실의 온도를 냉각시킴에 의하여 급속동결을 이룰 수 있는 냉동사이클 시스템 및 제어방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따르면, 상기 팽창밸브(3a, 3b, 3c)는 컨트롤러에 의하여 개폐 제어되는 동시에 용량이 서로 다른 복수개의 팽창밸브로서, 병렬로 구비되어 있으며, 상기 복수개의 팽창밸브(3a, 3b, 3c)는 복수개로 분기된 분기관(5a, 5b)에 의해 파이프(5)를 통하여 응축기(2) 및 증발기(4)와 연결되는 것을 특징으로 하는 급속동결을 위한 냉동사이클 시스템과, 이 냉동사이클 시스템을 이용하여 단계적인 급속동결을 수행하기 위한 제어방법이 제공된다.
Description
본 발명은 급속동결을 위한 냉동사이클 시스템 및 제어방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 복수개의 팽창밸브를 활용하여 단계적으로 냉동실의 온도를 냉각시킴에 의하여 급속동결을 이룰 수 있는 냉동사이클 시스템 및 제어방법에 관한 것이다.
제빙, 식품냉장, 공기조화, 화학공업 등 여러 분야에 걸쳐서 각종의 냉동기가 활용되고 있으며, 이러한 냉동기의 냉동방식으로는 액체의 증발과 응축, 압축기체의 단열팽창 등이 있다.
냉동기는 밀폐된 용기 속의 온도를 그 주위의 온도보다 낮게 하기 위해 열을 흡수하여 냉동작용을 하는 것이다. 냉동기의 저온 쪽에서 고온 쪽으로 열을 이동시키는 열펌프의 역할을 하며, 열을 운반하는 동작유체를 냉매라 한다. 냉매로는이산화탄소 ·암모니아 ·염화메틸 등이 주로 사용되었으며 최근까지는 프레온을 사용했으나 오존층 파괴 문제로 대체물질의 개발이 이루어지고 있으며 일부는 사용되고 있다. 이들 기화하기 쉬운 냉매를 액체로 하여, 그것이 기화할 때 주위로부터 기화열을 빼앗는 현상을 이용한 것이 냉동기의 원리이다.
가장 널리 사용되고 있는 냉동기는 증기압축식 냉동기로서, 이것은 압축기·응축기·증발기·팽창밸브로 이루어져 있다.
전동기로 압축기를 운전하여 기체상태인 냉매를 압축해서 응축기로 보내고, 이것을 냉동기 밖에 있는 물이나 공기 등으로 냉각해서 액화한다. 이 액체상태로 된 냉매가 팽창밸브에서 유량이 조정되면서 증발기로 분사되면 급팽창하여 기화하고, 증발기 주위로부터 열을 흡수하여 용기 속을 냉각한다. 기체로 된 냉매는 다시 압축기로 돌아와서 압축되어 액체상태가 된다. 이와 같이 반복되는 압축·응축·팽창·기화의 4단계 변화를 냉동사이클이라고 한다.
현재 냉동기의 응용은 매우 광범위하다. 가정용 전기냉장고, 식품냉동용 냉동창고, 공기조화장치 등 다방면에 사용되고 있으며, 각기 목적에 맞는 방식·능력의 것이 사용되고, 냉매도 그것에 따라 알맞게 선택된다.
종래에는 완만냉동이 일반적이었으나, 냉동식품의 제조능력이 크다는 이유로 최근 급속냉동이 보급되고 있다. 이론상으로도 식품의 냉동속도가 빠른 것이 바람직하며, 예컨대 생선이나 닭고기 등은 다른 식품에 비해 동결속도에 민감하여 늦으면 품질이 나빠지게 된다.
팽창밸브는 응축기에서 응축된 고온고압의 액냉매를 증발기에서 증발시키기쉽도록 저온저압의 액냉매로 만들어 공급해 주는 역할을 수행한다. 이러한 팽창밸브는 용량에 따라서 얻을 수 있는 최저점이 다르다. 즉, 용량에 따라서, 예컨대 -10℃용, -20℃용, -40℃용 팽창밸브가 각각 별개로 제조된다.
따라서, 사용자는 냉동시킬 식품 등의 대상을 몇 ℃로 냉동시켜 유지시킬 것인지에 따라서 적절한 용량의 팽창밸브를 선택하여 사용하였다.
이와 같이, 종래의 냉동방식에 의하면 하나의 팽창밸브를 사용하여 식품을 상온으로부터 소정의 온도까지 냉각시켜 냉동시켰기 때문에 식품이 냉동되는 속도를 단축시키는 데 한계가 있었다.
본 발명은 상기된 바와 같은 문제점들을 해결하기 위하여 발명된 것으로서, 본 발명의 목적은, 용량이 서로 다른 복수개의 팽창밸브를 사용하여 증발기의 증발온도를 순차적으로 제어함에 의해 급속한 식품 동결을 가능하게 하는 냉동사이클 시스템 및 제어방법을 제공하고자 하는 것이다.
도 1은 본 발명의 급속동결을 위한 냉동사이클 시스템의 바람직한 실시예를 나타내는 개략도이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따라서, 기체상태인 냉매를 압축시키는 압축기, 압축된 냉매를 냉각시켜 액화시키는 응축기, 액화된 냉매의 압력을 낮춰주기 위한 팽창밸브, 저온저압의 액화된 냉매를 급팽창시켜 기화시킴으로써 주위의 열을 흡수하도록 하는 증발기, 그리고 상기 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기를 서로 연결하기 위한 파이프로 이루어져 있으며, 상기 팽창밸브는 컨트롤러에 의하여 개폐 제어되는 동시에 용량이 서로 다른 복수개의 팽창밸브로서, 병렬로 구비되어 있으며, 상기 복수개의 팽창밸브는 복수개로 분기된 분기관에 의해 파이프를 통하여 응축기 및 증발기와 연결되는 것을 특징으로 하는 급속동결을 위한 냉동사이클 시스템이 제공된다.
여기에서, 상기 응축기와 상기 증발기 근처에는 각각 팬 및 팬 모터가 설치되며, 상기 응축기와 상기 팽창밸브 사이에는, 안정적인 운전을 위한 수액기, 수분과 이물질을 제거하기 위한 드라이어 필터, 전자밸브, 그리고 압축기와 연결되어 있는 중간 증발기가 더 구비되어 있으며, 상기 증발기와 상기 압축기 사이에는 기액분리기가 설치되어 있는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따라서, 서로 다른 용량을 가지는 복수개의 팽창밸브를 제어하는 컨트롤러에, 현재 온도로부터 소정의 동결온도까지의 온도를 팽창밸브의 개수와 동일한 수의 구간으로 분할하여 입력시키는 단계와; 컨트롤러의 제어에 의해 동결시킬 대상물의 온도에 연동하여 상기 복수개의 팽창밸브를 가장 높은 온도용의 팽창밸브로부터 가장 낮은 온도용의 팽창밸브에 이르기까지 단계적으로 하나씩 개방시키고 나머지 팽창밸브는 폐쇄시킴에 의해서 대상물을 급속히 동결시키는 단계와; 대상물이 소정의 동결온도에 도달하면, 계속해서 가장 낮은 온도용의 팽창밸브만을 사용하여 소정의 동결온도를 유지시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 급속동결을 위한 냉동사이클 시스템의 제어방법이 제공된다.
여기에서, 상기 제어방법에는, 대상물의 온도 변화에 따라 컨트롤러에 의해 팬 모터를 조절함으로써 응축기 및 증발기의 팬 속도를 제어하는 단계가 더 포함되는 것이 바람직하다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 급속동결을 위한 냉동사이클 시스템 및 제어방법의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 냉동사이클 시스템은 종래와 마찬가지로, 기체상태인 냉매를 압축시키는 압축기(1), 압축된 냉매를 냉각시켜 액화시키는 응축기(2), 액화된 냉매의 압력을 낮춰주기 위한 팽창밸브(3a, 3b, 3c), 저온저압의 액화된 냉매를 급팽창시켜 기화시킴으로써 주위의 열을 흡수하도록 하는 증발기(4), 그리고 상기 압축기(1), 응축기(2), 팽창밸브(3a, 3b, 3c) 및 증발기(4)를 서로 연결하기 위한 파이프(5)로 이루어져 있다.
다만, 본 발명에 따르면, 상기 팽창밸브는 종래와 같이 하나가 사용되는 것이 아니라, 용량이 서로 다른 복수개의 팽창밸브가 사용된다. 도 1에는 3개의 서로 다른 팽창밸브가 채용되어 있는 경우를 예를 들어 도시하고 있지만, 이것에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
도 1을 참조하면, 상기 팽창밸브(3a, 3b, 3c)는 복수개(3개)가 병렬로 구비되며, 복수개로 분기된 분기관(5a, 5b)에 의해 이들 복수개의 팽창밸브(3a, 3b, 3c)가 파이프(5)를 통하여 응축기(2) 및 증발기(4)와 연결된다.
상기 팽창밸브(3a, 3b, 3c)들은 각각 그 용량이 다르며, 도시하지 않은 컨트롤러에 의하여 제어됨으로써 후술되는 바와 같이 개방 및 폐쇄된다.
상기 응축기(2)와 상기 증발기(4) 근처에는 각각 팬(11) 및 팬 모터(12)가설치된다.
상기 응축기(2)와 상기 팽창밸브(3a, 3b, 3c) 사이에는, 증발기에서 소비되는 냉매량의 변화에 무관하게 냉동사이클 시스템을 안정적으로 운전할 수 있도록 하는 수액기(13), 수분과 이물질을 제거하기 위한 드라이어 필터(14), 전자밸브(15) 등이 설치될 수 있으며, 압축기(1)와 연결되어 있는 중간 증발기(16)가 더 구비되어도 좋다.
또한, 상기 증발기(4)와 상기 압축기(1) 사이에는 기액분리기(17) 등이 설치될 수 있다.
이하, 이와 같이 구성되어 있는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 급속동결을 위한 냉동사이클 시스템의 제어방법에 관하여 도 1을 참조하여 설명한다.
본 발명의 냉동사이클 시스템을 이용하여 식품 등의 대상물을 현재 온도로부터 소정의 온도, 예컨대 +20℃에서 -50℃까지 급속동결시키고자 할 때, 서로 다른 용량을 가지는 복수개의 팽창밸브(3a, 3b, 3c)를 제어하는 컨트롤러(도시생략)에, 현재 온도로부터 소정의 동결온도, 예컨대 +20℃에서 -50℃까지의 온도를 팽창밸브(3a, 3b, 3c)의 개수와 동일한 수의 구간으로 분할하여 입력시킨다. 예를 들어, +20℃에서 -0℃까지를 제1 구간, -0℃에서 -25℃까지를 제2 구간, 그리고 -25℃에서 -50℃까지를 제3 구간으로 나누어 컨트롤러에 입력시킨다.
이 때, 상기 복수개의 팽창밸브로는 -0℃용의 제1 팽창밸브(3a), -25℃용의 제2 팽창밸브(3b), 그리고 -50℃용의 제3 팽창밸브(3c)가 구비되어야 하며, 이는 냉동사이클 시스템의 설계시 여러 변수(몇 개의 팽창밸브를 사용하여 최종적으로몇 ℃까지 냉각시킬 것인가 등)에 맞춰 사전에 적절하게 장착시킨다.
그 다음, 컨트롤러의 제어에 의해 동결시킬 대상물의 온도에 연동하여 상기 복수개의 팽창밸브를 가장 높은 온도용의 팽창밸브로부터 가장 낮은 온도용의 팽창밸브에 이르기까지 단계적으로 하나씩 개방시키고 나머지 팽창밸브는 폐쇄시킨다.
다시 말해서, 컨트롤러의 제어에 의해 -0℃용의 상기 제1 팽창밸브(3a)만을 개방시키고 나머지 제2 및 제3 팽창밸브(3b, 3c)를 폐쇄시킨 상태에서 압축기(1)를 구동시킴으로써 냉동사이클 시스템을 작동시켜 냉매를 순환시킨다.
냉동이 진행되어 대상물이 -0℃에 도달하면, 컨트롤러의 제어에 의해 -25℃용의 상기 제2 팽창밸브(3b)만을 개방시키고 나머지 제1 및 제3 팽창밸브(3a, 3c)를 폐쇄시킨 상태에서 냉매를 순환시킨다.
계속해서 냉동이 진행되어 대상물이 -25℃에 도달하면, 컨트롤러의 제어에 의해 -50℃용의 상기 제3 팽창밸브(3c)만을 개방시키고 나머지 제1 및 제2 팽창밸브(3a, 3b)를 폐쇄시킨 상태에서 냉매를 순환시킨다.
이에 의해 대상물이 소망하는 -50℃에 도달하면, 계속해서 상기 제3 팽창밸브(3c)만을 사용하여 소망하는 동결온도를 유지시킨다.
이와 같은 방식으로 대상물의 온도에 따라 팽창밸브를 선택적으로 개방시킴에 의해 증발기의 온도를 대상물에 맞춰 냉각시킬 수 있기 때문에 급속한 냉각이 가능하게 된다.
이 때, 대상물의 온도 변화에 따라 컨트롤러에 의해 팬 모터를 조절함으로써 팬의 속도를 제어할 수 있도록 구성하여도 좋다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 용량이 서로 다른 복수개의 팽창밸브를 사용하여 증발기의 증발온도를 순차적으로 제어함에 의해 급속한 식품 동결을 가능하게 하는 냉동사이클 시스템 및 제어방법이 제공된다.
그에 따라, 냉동된 식품 등의 품질이 개선되며, 형상의 변형 또는 건조가 억제될 수 있다.
Claims (4)
- 기체상태인 냉매를 압축시키는 압축기(1), 압축된 냉매를 냉각시켜 액화시키는 응축기(2), 액화된 냉매의 압력을 낮춰주기 위한 팽창밸브(3a, 3b, 3c), 저온저압의 액화된 냉매를 급팽창시켜 기화시킴으로써 주위의 열을 흡수하도록 하는 증발기(4), 그리고 상기 압축기(1), 응축기(2), 팽창밸브(3a, 3b, 3c) 및 증발기(4)를 서로 연결하기 위한 파이프(5)로 이루어져 있으며,상기 팽창밸브(3a, 3b, 3c)는 컨트롤러에 의하여 개폐 제어되는 동시에 용량이 서로 다른 복수개의 팽창밸브로서, 병렬로 구비되어 있으며, 상기 복수개의 팽창밸브(3a, 3b, 3c)는 복수개로 분기된 분기관(5a, 5b)에 의해 파이프(5)를 통하여 응축기(2) 및 증발기(4)와 연결되는 것을 특징으로 하는 급속동결을 위한 냉동사이클 시스템.
- 제 1 항에 있어서,상기 응축기(2)와 상기 증발기(4) 근처에는 각각 팬(11) 및 팬 모터(12)가 설치되며,상기 응축기(2)와 상기 팽창밸브(3a, 3b, 3c) 사이에는, 안정적인 운전을 위한 수액기(13), 수분과 이물질을 제거하기 위한 드라이어 필터(14), 전자밸브(15), 그리고 압축기(1)와 연결되어 있는 중간 증발기(16)가 더 구비되어 있으며,상기 증발기(4)와 상기 압축기(1) 사이에는 기액분리기(17)가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 급속동결을 위한 냉동사이클.
- 서로 다른 용량을 가지는 복수개의 팽창밸브를 제어하는 컨트롤러에, 현재 온도로부터 소정의 동결온도까지의 온도를 팽창밸브의 개수와 동일한 수의 구간으로 분할하여 입력시키는 단계와;컨트롤러의 제어에 의해 동결시킬 대상물의 온도에 연동하여 상기 복수개의 팽창밸브를 가장 높은 온도용의 팽창밸브로부터 가장 낮은 온도용의 팽창밸브에 이르기까지 단계적으로 하나씩 개방시키고 나머지 팽창밸브는 폐쇄시킴에 의해서 대상물을 급속히 동결시키는 단계와;대상물이 소정의 동결온도에 도달하면, 계속해서 가장 낮은 온도용의 팽창밸브만을 사용하여 소정의 동결온도를 유지시키는 단계를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 급속동결을 위한 냉동사이클 시스템의 제어방법.
- 제 3 항에 있어서,대상물의 온도 변화에 따라 컨트롤러에 의해 팬 모터를 조절함으로써 응축기 및 증발기의 팬 속도를 제어하는 단계를 더 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 급속동결을 위한 냉동사이클 시스템의 제어방법.
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