KR200405742Y1

KR200405742Y1 - 히트펌프 방식을 이용한 동결건조 장치

Info

Publication number: KR200405742Y1
Application number: KR2020050030414U
Authority: KR
Inventors: 윤영선
Original assignee: 주식회사 바이오크라이오스
Priority date: 2005-10-26
Filing date: 2005-10-26
Publication date: 2006-01-10

Abstract

본 고안은 종래의 에너지소비가 큰 동결건조기에 히트펌프 방식을 이용하여, 에너지 소비량을 줄이고 소음을 감소시키는 동결건조 장치에 관한 것이다. 본 고안에 따른 동결건조 장치의 구성은, 압축기로부터 응축기 및 증발기 열판을 거쳐 다시 압축기로 냉매를 순환시키는 회로로 이루어지는 예비동결 배관회로; 압축기, 증발기 열판, 응축기, 콜드트랩을 거쳐 다시 압축기로 냉매 순환되는 배관회로로서, 상기 압축기에서 나온 고온 고압의 냉매를 상기 증발기 열판에 전달하여 증발기 열판을 히팅시키는 배관회로를 포함하는 동결건조 배관회로; 압축기에서 나온 고온 고압의 기체 냉매가 응축기, 콜드트랩, 압축기로 흐르도록 하여 상기 열판의 온도를 떨어뜨려 예비동결 후 진공펌프가 가동하기 전 열판의 온도를 유지하고 콜드트랩의 온도를 떨어뜨려 동결건조를 하기 위한 조건을 만들어 주는 콜드트랩 배관회로; 냉동기에서 나온 고온고압의 냉매기체를 이용하여 콜드트랩에 직접 흐르게 하여 콜드트랩에 착상되었던 수분(얼음)을 제거해 주기 위하여, 압축기, 응축기, 콜드트랩, 증발기 열판, 압축기로 이루어지는 회로로 순환하는 해동 배관회로로 이루어진다.

동결건조, 히트펌프, 냉매

Description

히트펌프 방식을 이용한 동결건조 장치{Apparatus for freeze-drying using heat pump system}

도1은 본 고안의 전체 배관 시스템도.

도2는 예비동결 작용에 관여하는 배관 시스템을 표시한 도면.

도3은 증발기 열판의 온도조절 작용을 설명하기 위한 도면.

도4는 콜드트랩의 작용을 설명하기 위한 도면.

도5는 해동작용을 설명하기 위한 도면.

본 고안은 종래의 에너지소비가 큰 동결건조기에 히트펌프 방식을 이용하여, 에너지 소비량을 줄이고 소음을 감소시키는 동결건조 장치에 관한 것이다.

동결건조는 얼음 상태인 대상물의 수분을 승화, 포집 제거하는 건조방법으로, 열적 성질과 진공의 증기압을 이용하여 승화와 결빙 등의 삼상의 교점(phase diagram of water)에 의한 삼차원적인 건조방법으로, 생화학적인 성질의 개선 등을 목표로 하고 있으며 체적당의 발열량과 건조온도의 극한 방법과 진공 등으로 제품 의 함수율이 낮아 이용은 날로 확대 되어가고 있는, 건조방법이다. 종래의 동결건조기는 원료를 급속 동결시켜 일정한 진공조건 하에서 수분으로 제거하는 장치로서, 재료의 물리적 화학적 변화가 극히 적으며, 피건조 물질(예를 들어, 식품)의 성분파괴(예를 들어, 영양분 파괴)가 최소화된다.

동결건조기의 대략적 구성요소에 대해서 설명하면 다음과 같다. 압축기(compressor)와 응축기(condenser)와 함께 증발기(evaporator)의 증발작용 및 액화작용에 의해서 동결작용이 순환적으로 이루어질 수 있다. 냉각코일 형태인 콜드트랩(cold trap)이 사용되는데, 이것은 고가의 진공펌프의 진공부하, 부식 및 열부하 등의 원인이 되는 수분과 각종 유기 용매가스 등을 효과적으로 차단하는 장치이다. 또한 예비동결 기능을 수행하는 예비동결용 열판(shelf)이 있다. 이들 구성요소 이외에 대상물을 건조시키기 위한 건조기(dryer)와 대상물의 동결건조 상태를 관찰하기 위한 관찰창이 있다. 이들 각 구성요소의 결합관계와 작용은 공지기술이므로 더 이상의 상세한 설명은 생략한다.

그러나 이와 같이 구성되는 기존의 동결건조기는 냉동 시스템, 히팅 시스템, 진공 시스템을 동시에 기동해야 하므로 많은 에너지를 소비하게 된다. 그렇기 때문에, 타 건조방법에 비해 가격이 가장 비싸며 운전 비용도 많이 소요되어 제약용이나 일부 고부가가치의 건강식품 등에만 적용되고 있다. 따라서 이러한 동결건조기의 단점을 개선하여 에너지 손실(가령, 소모전력)을 최소화할 것이 요구된다.

한편, 히트펌프 방식이 에너지 절감 차원에서 많이 적용되고 있다. 열은 높은 곳에서 낮은 곳으로 이동하는 성질이 있는데, 히트펌프는 반대로 낮은 온도에서 높은 온도로 열을 끌어 올린다 하여 붙여진 이름이다. 처음에는 냉장고·냉동고·에어컨과 같이 압축된 냉매를 증발시켜 주위의 열을 빼앗는 용도로 개발되었다. 그러나 지금은 냉매의 발열 또는 응축열을 이용해 저온의 열원을 고온으로 전달하는 냉방장치, 고온의 열원을 저온으로 전달하는 난방장치, 냉난방 겸용장치를 포괄하는 의미로 쓰인다. 히트펌프는 구동 방식에 따라 전기식과 엔진식, 열원에 따라 공기열원식·수열원식(폐열원식)·지열원식 등으로 구분된다. 또 열공급방식에 따라 온풍식·냉풍식과 온수식·냉수식, 펌프의 이용 범위에 따라 난방·냉방·제습 및 냉난방 겸용 등으로 분류된다.

구조는 압축기·증발기·응축기·팽창밸브 등으로 이루어져 있다. 작동원리는 난방용의 경우, 압축기에서 고온·고압으로 압축된 냉매를 기화시킨 다음 응축기로 보내 높은 온도의 열을 온도가 낮은 바깥 쪽으로 내뿜는 사이클을 반복하도록 구성되어 있다. 냉방용은 이와 반대로 응축기는 증발기로, 증발기는 응축기로 작용하도록 만들어 응축된 냉매가 더운 바깥 공기와 열교환됨으로써 냉방을 하고자 하는 대상 지점을 차갑게 만들도록 시스템이 구성되어 있다.

현재 대부분의 히트펌프는 냉방과 난방을 겸용하는 구조로 되어 있다. 보통 공기열원식은 외부 온도가 5℃ 이하가 되면 성능이 떨어지고, 기계적 손상도 발생해 작동이 원활하지 않게 되는 단점이 있다. 반면 수열원식이나 지열원식은 혹한 지역에서도 지속적으로 열을 공급할 수 있고, 에너지 효율도 높아 공기열원식을 대체하는 새로운 히트펌프로 주목받고 있다.

본 고안은 기존 동결건조기의 단점을 개선하여 에너지 손실을 최소화할 목적으로 히트펌프 방식을 이용하기 위한 배관시스템을 갖는 동결건조 장치를 제공한다. 이는 기존의 냉동 시스템에서 히트펌프의 원리를 적용하여 실외로 방출되는 응축열을 이용함으로써 히터를 사용하지 않고 자동제어에 의해 폐열을 활용함으로써 기존의 전기 사용량을 70% 이하까지 낮출 수 있다.

본 고안은 압축기, 응축기, 콜드트랩, 증발기 열판을 포함하는 동결건조 장치에 관한 것이다.

본 고안에 따른 동결건조 장치의 구성은, 압축기로부터 응축기 및 증발기 열판을 거쳐 다시 압축기로 냉매를 순환시키는 회로로 이루어지는 예비동결 배관회로; 압축기, 증발기 열판, 응축기, 콜드트랩을 거쳐 다시 압축기로 냉매 순환되는 배관회로로서, 상기 압축기에서 나온 고온 고압의 냉매를 상기 증발기 열판에 전달하여 증발기 열판을 히팅시키는 배관회로를 포함하는 동결건조 배관회로; 압축기에서 나온 고온 고압의 기체 냉매가 응축기, 콜드트랩, 압축기로 흐르도록 하여 상기 열판의 온도를 떨어뜨려 예비동결 후 진공펌프가 가동하기 전 열판의 온도를 유지하고 콜드트랩의 온도를 떨어뜨려 동결건조를 하기 위한 조건을 만들어 주는 콜드트랩 배관회로; 냉동기에서 나온 고온고압의 냉매기체를 이용하여 콜드트랩에 직접 흐르게 하여 콜드트랩에 착상되었던 수분(얼음)을 제거해 주기 위하여, 압축기, 응축기, 콜드트랩, 증발기 열판, 압축기로 이루어지는 회로로 순환하는 해동 배관회로로 이루어진다.

여기서, 상기 동결건조 시에는, 응축기를 통하여 증발된 저온 저압의 기체냉매를 상기 증발기 열판에 공급함으로써 열판의 온도를 제어하는 기능이 추가로 포함된다.

이하, 도면을 참조하여 본 고안의 구체적인 실시예에 대해 설명한다.

도1은 본 고안에 따른 히트펌프식 동결건조기의 전체 배관시스템을 나타낸다. 기본 구성요소는 기존의 동결건조기와 유사하다. 즉, 압축기(10), 응축기(20), 콜드트랩(30), 증발기 열판(40), 관찰창(50)이 있고, 콜드트랩(30)에는 온도조절기(31)가 포함되어 있다. 이 밖에도 건조기(미도시)도 포함됨은 자명하다.

본 고안의 특징은 이러한 기본 구성요소들을 연결하는 배관시스템에 있다. 즉, 전자제어에 의해 전자밸브를 동작시킴으로써, 각 구성요소간에 연결된 배관을 개폐하여 사전 설정된 동작사이클에 따라 시스템을 운전하는 것이다.

우선, 도1을 참조하여 전체 배관 구성에 대해 설명한다.

압축기(10)의 출구에 연결된 파이프 P1은 전자밸브 SV7을 통해 파이프 P2와 연결되고, P2의 타단은 응축기(20)의 입구에 연결된다. 응축기(20)의 출구는 파이프 P3에 연결되고 P3은 전자밸브 SV1에 연결된다. SV1은 팽창밸브 EXP1과 연결되고, EXP1은 파이프 P4를 통해 증발기 열판(40)의 입구에 연결된다. 증발기 열판(40)의 출구는 P5를 통해 SV2와 연결되고, SV2는 P6을 통해 압축기(10)의 입구에 연결된다. 또한, 상기 P3와 SV1 사이에서는 P7이 분기되는데, P7은 SV3 및 팽창밸브 EXP3를 통해 P8과 연결되고, P8은 콜드트랩(30)의 일단과 EXP2를 연결한다. 콜드트랩(30)의 타단에는 P9의 일단이 연결되고 P9의 타단은 SV9와 연결되고, SV9는 P10을 통해 P6에 연결되어 압축기(10)로 들어간다. 한편, 상기 P2에서는 P11이 분기되어 SV5와 연결되고, P5로부터는 P12가 분기되어 SV5의 타단에 연결된다. P4에서는 P13이 분기되어 SV4에 연결되고, P1에서는 P14가 분기되어 SV4의 타단에 연결된다. 또한, P13에서는 P15가 분기되어 팽창밸브 EXP3에 연결되고, EXP3은 SV8에 연결된다. SV8의 타단은 P9에서 분기된 P16과 연결된다. 그리고, P8에서는 P17이 분기되어 SV6의 일단에 연결되고, SV6의 타단은 P3에서 분기된 P18에 연결된다.

도1에서 전자밸브 SV와 팽창밸브 EXP는 콘트롤부에서 자동제어 방식으로 제어되는데, 콘트롤부의 구성은 곧, 본 고안에 따른 동결건조기 배관 시스템의 각 사이클별 작용과 실질적으로 동일한 것이기 때문에 별도로 설명하지는 않는다. 당업자라면 이하에서 설명할 본 고안의 작용을 위하여 적절한 콘트롤부를 다양한 방식으로 구성할 수 있을 것이다.

이상과 같이 구성되는 전체 배관 시스템의 각 구분별 작용을 설명하면 다음과 같다.

(1) 예비동결

도2는 본 고안에 따른 히트펌프식 동결건조기에서 예비동결 단계를 나타내고 있다. 굵은 선으로 표시된 배관회로가 예비동결 작용을 하고 있는데, 압축기(10)로부터 P1, SV7, P2, 응축기(20), P3, SV1, EXP1, P4, 증발기 열판(40), P5, SV2, P6을 거쳐 다시 압축기(10)로 돌아오는 회로를 형성하고 있다. 이 예비동결 작용을 하기 위해서 콘트롤부(미도시)에서는 SV3, SV4, SV5, SV6, SV8, SV9는 오프시키고, SV1, SV2, SV7 및 EXP1을 온시킬 수 있도록 프로그래밍되어야 한다. 이는 당업자에 의해 용이하게 설계할 수 있다. 도2에 나타낸 예비동결 단계는 진공동결건조기의 본격적인 동작 이전에 기존의 일반적인 증발식 냉동장치의 구조와 유사하다. 따라서 각 기본 구성요소인 압축기(10), 응축기(20), 증발기 열판(40), 각종 전자밸브, 팽창밸브(EXP1)의 작용은 당업자에게 자명하다.

(2) 증발기 열판(40)에서의 온도 조절 작용

도3에 나타낸 것은, 본 고안에 따른 동결건조기의 본격적인 작용을 나타내는 것으로서, 증발기 열판(40)에 올려져 있는 대상물(식품, 약품 등)의 동결을 위한 배관 시스템을 나타낸다. 동결건조기에서는 콜드트랩(30)의 기능이 필요한데, 앞에서 설명한 것을 다시 반복하자면, 콜드트랩(30)은 대상물에서 증발된 수분을 응결시키는 작용을 한다.

도3에서, 배관회로는, 압축기(10), P1, P14, SV4, P13, P4, 증발기 열판(40), P12, SV5, P11, P2, 응축기(20), P3, P7, SV3, EXP2, P8, 콜드트랩(30), P9, SV9, P10, P6, 압축기(10)로 이루어진다.

압축기(10)에서 나온 냉매는 고온고압의 기체이다. 이는 기존시스템에서 응축기(20)를 이용하여 공랭식이나 수냉식 시스템을 이용하여 공기 중으로 방출하였다. 하지만 본 고안의 시스템에서는 이를 열판의 히팅에 사용하였다. 압축기(10)에서 나온 냉매는 P1, P14, SV4, P13, P4를 통하여 열판(40)에서 히팅용으로 사용된다. 이는 전자밸브 SV4를 이용하여 제어되며 전자밸브 SV7과 연동하여 작동하게 된다. 또한 열판의 온도 유지를 위하여 P1, P14, SV4, P13, P4, 열판(40), P12, SV5, P2, 응축기(20), P3, SV1, EXP1, P4를 통하여 증발된 저온 저압의 기체냉매를 열판(40)에 공급함으로써 열판의 온도를 제어하게 된다.

(3) 콜드트랩

도4는 특히 콜드트랩(30)의 작용을 설명하기 위한 배관시스템을 나타낸다. 도4에서 압축기(10)에서 나온 고온 고압의 기체 냉매가 P1, SV7, P2, 응축기(20), P3, P7, SV3, EXP2, P8, 콜드트랩(30), P9, SV9, P10, P6, 압축기(10)의 루프로 회로가 형성됨을 알 수 있다.

본 고안의 시스템은 열판(40)의 온도를 떨어뜨려 예비동결 후 진공펌프가 가동하기 전 열판(40)의 온도를 유지하고 콜드트랩의 온도를 떨어뜨려 동결건조를 하기 위한 조건을 만들어 주는 단계이다.

(4) 해동작용(defrosting)

도5는 본 고안의 해동작용시의 배관시스템을 나타낸다. 본 해동작용(Defrosting)의 경우도 냉동기(10)에서 나온 고온고압의 냉매기체를 이용하여 콜드트랩(30)에 직접 흐르게 하여 콜드트랩(30)에 착상되었던 수분(얼음)을 제거해 주는 공정이다. 배관회로는 압축기(10), P1, SV7, P2, 응축기(20), P3, P18, SV6, P17, P8, 콜드트랩(30), P9, P16, SV8, EXP3, P13, P4, 증발기 열판(40), P5, SV2, P6, 압축기(10)의 순서로 이루어진다. 또한 센서(31)는 온도를 설정하여 제상의 여부를 판단하여 자동으로 시스템을 정지 시켜줌으로써 작업을 마칠 수 있다.

본 고안에 의하면, 동결건조기에 사용되는 전력소모가 대폭 감소되며, 히터 및 순환펌프가 필요치 않아 제조원가 및 운전비용을 줄일 수 있고, 소음도 감소된다.

Claims

압축기, 응축기, 콜드트랩, 증발기 열판을 포함하는 동결건조 장치에 있어서,

압축기로부터 응축기 및 증발기 열판을 거쳐 다시 압축기로 냉매를 순환시키는 회로로 이루어지는 예비동결 배관회로,

압축기, 증발기 열판, 응축기, 콜드트랩을 거쳐 다시 압축기로 냉매 순환되는 배관회로로서, 상기 압축기에서 나온 고온 고압의 냉매를 상기 증발기 열판에 전달하여 증발기 열판을 히팅시키는 배관회로를 포함하는 동결건조 배관회로,

압축기에서 나온 고온 고압의 기체 냉매가 응축기, 콜드트랩, 압축기로 흐르도록 하여 상기 열판의 온도를 떨어뜨려 예비동결 후 진공펌프가 가동하기 전 열판의 온도를 유지하고 콜드트랩의 온도를 떨어뜨려 동결건조를 하기 위한 조건을 만들어 주는 콜드트랩 배관회로,

냉동기에서 나온 고온고압의 냉매기체를 이용하여 콜드트랩에 직접 흐르게 하여 콜드트랩에 착상되었던 수분(얼음)을 제거해 주기 위하여, 압축기, 응축기, 콜드트랩, 증발기 열판, 압축기로 이루어지는 회로로 순환하는 해동 배관회로로 이루어지는, 히트펌프 방식을 이용한 동결건조 장치.
제1항에 있어서, 상기 콜드트랩 배관회로에는, 소정의 온도를 설정하여 제상의 여부를 판단하여 자동으로 시스템을 정지시키는 센서가 추가로 포함되는, 히트 펌프 방식을 이용한 동결건조 장치.
제1항에 있어서, 상기 동결건조 배관회로에는, 응축기를 통하여 증발된 저온 저압의 기체냉매를 상기 증발기 열판에 공급함으로써 열판의 온도를 제어하는 배관회로가 추가로 포함되는, 히트펌프 방식을 이용한 동결건조 장치.