KR20130122591A - 과냉각 방법 및 과냉각 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수납물의 과냉각 상태를 유지하는 과냉각 방법 및 과냉각 장치에 관한 것이다.
본 발명인 과냉각 방법은 수납물을 수납물의 상전이 온도 이하의 온도로 냉각시키는 제1 단계와, 제1단계에서 수납물의 온도를 감지하는 제2 단계와, 온도 강하에 따라 수납물의 온도와 목표온도를 비교하는 제3단계와, 수납물의 온도가 목표온도에 도달할 경우, 냉각을 중단하는 제4단계와, 냉각을 중단한 상태에서 목표온도보다 높은 설정영역의 온도까지 수납물의 온도를 상승시키는 제5단계와, 수납물의 온도가 목표온도보다 높은 설정영역의 온도에 도달한 경우, 제1단계에서 제5단계까지 재실행한다.

Description

과냉각 방법 및 과냉각 장치{SUPERCOOLING METHOD AND SUPERCOOLING APPARATUS}

본 발명은 수납물의 과냉각 상태를 유지하는 과냉각 방법 및 과냉각 장치에 관한 것이다. 특히 본 발명은 물체를 과냉각시키는 온도를 제어 또는 조절하여 가장 알맞는 온도에서 과냉각상태를 유지할 수 있도록 하는 과냉각 방법 및 과냉각 장치에 관한 것이다.

과냉각이란, 용융체 또는 고체가 평형상태에서의 상전이 온도 이하까지 냉각되어도 변화를 일으키지 않는 현상을 의미한다. 물질에는 각각 그때의 온도에 따른 안정상태가 있어서, 온도를 서서히 변화시켜 가면 이에 따라 그 물질의 구성원자가 각 온도에서 안정상태를 유지하면서 온도의 변화를 따라갈 수가 있다. 그러나 온도가 갑자기 변하면 구성원자가 각 온도에 따른 안정상태로 변화할 만한 여유가 없기 때문에, 출발점 온도에서의 안정상태를 그대로 지니거나, 또는 일부분이 종점 온도에서의 상태로 변화하다가 마는 현상이 일어난다.

예를 들어, 물을 서서히 냉각하면, 0℃ 이하의 온도가 되어도 일시적으로 응고하지 않는다. 그러나, 물체가 과냉각상태로 되면 일종의 준안정 상태가 되어, 사소한 자극에 의해서도 그 불안정한 평형상태가 깨져서 보다 안정된 상태로 옮아가기 쉽다. 즉, 과냉각된 액체에 그 물질의 작은 조각을 투입하거나, 액체를 갑자기 흔들면 즉시 응고하기 시작하여 액체의 온도가 응고점까지 올라가고, 그 온도에서 안정된 평형상태를 유지하게 된다.

일반적으로 채소류나, 과일류 및 육류 등이나 식음료 등의 식품을 냉장 또는 냉동 보관하여, 신선함을 유지하고 있다. 이럴 경우, 이들 식품은 물과 같은 액체 성분을 포함하게 되며, 이 액체 성분이 상전이 온도 이하에서 냉각되면, 어느 순간이 지나면 고체 성분으로 전이가 이루어진다.

물과 같은 수납물을 단시간 동안 과냉각 상태로 보전할 수는 있으나, 수분이 함유된 식품에서 수분이 동결되는 경우 식품의 질 식품의 장기 보관 면에서 과냉각 상태를 장기간 유지할 필요성이 있다.

이러한 과냉각 유지 기술로서는, 국내공개특허공보 특2000-0011081호인 정전장 처리 방법, 정전장 처리장치 및 이들에 사용되는 전극이 있다.

이러한 종래 기술의 경우, 냉각 수납되는 수납물에 전기장 또는 자기장을 인가하여, 수납물이 과냉각 상태에 진입하도록 하기 때문에, 수납물의 과냉각 상태에서의 보관을 위해, 전기장 또는 자기장을 생성하기 위한 복잡한 장치가 구비되어야 하며, 이러한 전기장 또는 자기장의 생성을 위한 높은 전력소비가 요구된다.

또한, 이러한, 전기장 또는 자기장을 생성하는 장치는 고전력으로 인하여, 전기장 또는 자기장의 생성시, 차단시에 사용자의 안전을 위한 장치(예를 들면, 전기장 또는 자기장 차폐구조, 차단 장치 등)가 추가적으로 구비되어야 한다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명은 전기장이나 자기장과 같은 복잡한 장치를 구비함이 없이, 냉각 상태로 수납되는 물체의 최적의 과냉각 온도를 추적하여 물체를 보관할 수 있는 과냉각 방법 및 과냉각 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 냉각 온도의 조절을 통하여, 물체의 종류에 대한 정보를 구비하지 않더라도 물체를 최적 과냉각 온도로 유지할 수 있는 과냉각 방법 및 과냉각 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 물체에 대한 정보(물체의 종류, 질량, 부피 등)를 구비하는 경우, 보다 신속하게 물체의 최적 과냉각 온도를 추적할 수 있는 과냉각 방법 및 과냉각 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 물체의 과냉각 상태 해제 시에 신속한 해동과 함께, 이 과냉각 상태 해제를 이용하여, 물체의 최적 과냉각 온도를 추적할 수 있는 과냉각 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 물체의 안정된 과냉각 온도로의 조절 중에, 보다 안정된 온도로의 냉각을 통하여, 과냉각 상태를 안정적으로 지속시키는 과냉각 방법 및 과냉각 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 물체의 냉각 중에 물체의 동결이 야기되더라도, 물체의 해동 감지와 그에 따른 해동 시간은 물체의 과냉각 유지 시간보다 적은 것을 이용하여, 물체의 과냉각 유지 시간을 연장시키는 과냉각 방법 및 과냉각 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명인 과냉각 방법은 수납물을 수납물의 상전이 온도 이하의 온도로 냉각시키는 제1 단계와, 제1단계에서 수납물의 온도를 감지하는 제2 단계와, 온도 강하에 따라 수납물의 온도와 목표온도를 비교하는 제3단계와, 수납물의 온도가 목표온도에 도달할 경우, 냉각을 중단하는 제4단계와, 냉각을 중단한 상태에서 목표온도보다 높은 설정영역의 온도까지 수납물의 온도를 상승시키는 제5단계와, 수납물의 온도가 목표온도보다 높은 설정영역의 온도에 도달한 경우, 제1단계에서 제5단계까지 재실행한다.

또한, 과냉각 방법은 제1 내지 제5단계의 수행 중에, 수납물의 동결시작 여부를 판단하는 단계를 포함하고, 수납물의 동결시작이 감지되는 경우, 냉각을 중단하는 단계와, 냉각을 중단한 상태에서 수납물의 동결이 정지하는 온도까지 온도를 상승시키는 단계를 수행하고, 제1단계부터 수행하는 것이 바람직하다.

또한, 목표온도보다 높은 설정영역의 온도는 수납물의 상전이 온도보다 낮은 것이 바람직하다.

또한, 과냉각 방법은 수납물을 확인하는 단계와, 확인된 수납물에 따라 목표온도를 설정하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 확인 단계는 수납물의 종류, 질량, 부피 중의 적어도 하나 이상을 확인하는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명인 과냉각 장치는 수납물을 냉각하는 냉각수단과, 수납물의 온도를 감지하는 감지부와, 수납물의 과냉각 목표 온도와, 과냉각 목표 온도보다 높은 영하 이하의 가변온도를 설정하는 설정부와, 냉각수단을 제어하여 수납물을 냉각시키되, 감지부로부터의 수납물의 온도가 과냉각 목표온도와 가변 온도 사이에서 유지되도록 냉각수단을 제어하는 온도 제어부를 구비한다.

또한, 설정부는 수납물의 종류, 질량, 부피 중의 적어도 하나 이상을 확인하여, 수납물의 과냉각 목표 온도를 설정하는 것이 바람직하다.

본 발명은 전기장이나 자기장과 같은 복잡한 장치를 구비함이 없이, 냉각 상태로 수납되는 물체의 최적의 과냉각 온도를 추적하여, 물체를 신선하게 장기간 보관할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 냉각 온도의 조절을 통하여, 물체의 종류에 대한 정보를 구비하지 않더라도 물체를 최적 과냉각 온도로 유지할 수 있여, 보다 간단한 과냉각 방법을 통하여 물체를 과냉각 상태로 보관할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 물체에 대한 정보(물체의 종류, 질량, 부피 등)를 구비하는 경우, 보다 신속하게 물체의 최적 과냉각 온도를 추적하여, 물체의 신선함이나 재질 등에 손상이 최소화되도록 한다.

또한, 본 발명은 물체의 과냉각 상태 해제 시에 신속한 해동과 함께, 이 과냉각 상태 해제를 이용하여, 물체의 최적 과냉각 온도를 추적할 수 있는 효과가 있다

또한, 본 발명은 물체의 안정된 과냉각 온도로의 조절 중에, 보다 안정된 온도로의 냉각을 통하여, 과냉각 상태를 안정적으로 지속시킴으로써, 불안정한 과냉각 상태를 보다 안정적으로 유지되도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 물체의 냉각 중에 물체의 동결이 야기되더라도, 물체의 해동 감지와 그에 따른 해동 시간은 물체의 과냉각 유지 시간보다 적은 것을 이용하여, 물체의 과냉각 유지 시간을 연장시켜, 물체의 신선 보관 등의 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 과냉각 방법의 제1 실시예가 적용된 경우의 온도 그래프들이다.
도 2는 본 발명에 따른 과냉각 방법의 제2 실시예가 적용된 경우의 온도 그래프들이다.
도 3은 본 발명에 따른 과냉각 방법의 제3 실싱례가 적용된 경우의 온도 그래프들이다.
도 4는 본 발명에 따른 과냉각 방법의 제4 실시예가 적용된 경우의 온도 그래프들이다.
도 5는 본 발명에 따른 과냉각 방법을 수행하는 과냉각 장치의 구성도이다.
도 6은 본 발명에 따른 과냉각 방법의 제3 및 제4실시예를 설명하는 순서도이다.
도 7은 본 발명에 따른 과냉각 방법의 제1실시예를 설명하는 순서도이다.
도 8은 본 발명에 따른 과냉각 방법의 제2실시예를 설명하는 순서도이다.

이하에서, 본 발명은 본 발명의 실시예들 및 첨부도면에 기초하여 상세하게 설명된다.

도 1은 본 발명에 따른 과냉각 방법의 제1 실시예가 적용된 경우의 온도 그래프들이다. Tp는 물체의 온도이며, Tt는 물체의 상전이 온도(물의 경우는 0^oC)이고, 목표온도(Ta)는 물체에 대한 정보(물체의 종류, 질량, 부피 등)에 따라 또는 모든 물체에 대하여 적용가능한 최적의 또는 안정한 과냉각 온도이다. 다만, 목표온도(Ta)에서도 물체의 과냉각 상태의 해제가 발생할 수도 있으므로, 이 목표온도(Ta)보다 높은 온도(Tb)에서의 과냉각을 교번하여 유지하여, 보다 물체의 과냉각 상태를 안정적으로 유지하는 것이다. 여기서, (Tb = Ta + ΔT)이다. 여기서 Tb는 보다 안정적으로 신뢰성 높게 과냉각 상태가 유지되는 온도이며, 상전이 온도(Tt)보다는 낮다.

사용자의 입력 또는 감지부의 감지를 통해 물체에 대한 정보(물체의 종류, 질량, 부피 등)에 따른 목표온도(Ta) 또는 또는 임의의 고정된 목표온도(Ta)로 냉각이 수행된다.

물체의 온도가 지속적으로 감지되며, 물체의 온도가 목표온도(Ta)에 도달하면(도 1에서 ta), 과냉각 장치는 냉각 동작을 중단한다. 냉각 동작이 중단되므로, 물체의 온도가 일정 시간이 경과하면 상승하기 시작한다.

물체의 온도가 온도(Tb)까지 상승하게 되면(시간(tb 내지 tc) 구간), 물체에 대한 냉각을 다시 시작한다. 물체의 온도가 일정 시간이 경과하면(시간(tc 내지 td) 구간) 하강하기 시작하여, 온도(Ta)에 도달하면(시간(td 내지 te) 구간) 다시 냉각을 중단시킨다(te 내지 tf). 이러한 목표온도(Ta) 및 (Tb) 사이의 온도 조절 과정을 반복하면 물체의 온도가 최적의 과냉각 온도 및 그보다 약간 낮은 온도의 범위 내에서 냉각 상태를 유지할 수 있게 된다. 이에 따라, 최적의 과냉각 온도 및 그 부근의 온도에서 과냉각이 유지되도록 하여, 보다 안정적으로 과냉각 상태가 유지된다.

도 2는 본 발명에 따른 과냉각 방법의 제2 실시예가 적용된 경우의 온도 그래프들이다. Tp, Tt는 도 1에서 설명된 것과 같고, Th는 해동을 위한 온도, Tr은 수납된 물체가 수납되는 냉각 공간 내의 냉각 온도(또는 설정온도, 고내 온도)를 나타내며, Tsc는 과냉각 상태가 해제되기 이전(직전)의 물체의 최저온도를 나타낸다. 제2실시예에서, 냉각온도(T0)는 물체의 종류와 상관없이 일정하게 유지될 수도 있다. 이 냉각온도(T0)는 물체의 과냉각 상태의 조성을 위한 것이므로, 적어도 물체의 상전이 온도 이하이어야 한다.

물체가 냉각되면 냉각온도(T0)로 냉각시킨다. 일정 시간이 지나서 물체가 과냉각 상태를 유지할 수 있는 최저 온도에 도달해 과냉각이 해제되면 (도 2에서 tm), 감지부에서 과냉각 해제를 감지하여 해동을 한다. 고내 온도를 Th로 하여 해동을 시킨다(도 2에서 tm부터 tn). 해동이 완료되면, 다시 고내 온도를 T0로 하여 물체를 냉각시킨다(도 2에서 tn부터 to).

도 2의 그래프에서 알 수 있는 바와 같이, 예를 들면, 해동 시간(tm-tn)은 물체가 상전이 온도 이하에서 보관되는 시간(즉, 과냉각 유지 시간)(tn-to)에 비하여 현저하게 작게 된다. 즉, 물체의 종류 등에 따른 냉각온도의 설정이 이루어지지 않더고, 고정된 온도(T0)로 냉각을 수행하더라도, 해동 시간이 과냉각 유지 시간보다 작게 되므로, 물체의 냉각 및 해동 과정을 반복적으로 수행하게 되더라도, 물체가 과냉각 상태로 유지되는 시간이 길어지게 된다. 이에 따라, 물체를 과냉각 상태로 장시간 보관하여 신선한 상태 등을 유지할 수 있게 된다.

도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 과냉각 방법의 제3 실시예 및 제4실시예가 적용된 경우의 온도 그래프들이다.

도 3의 제3 실시예에서, 냉각 온도(또는 설정온도)(Tr)가 초기에는 온도(T0)로 고정되어 있다. 초기 냉각 시의 온도(T0)는 물체의 종류, 질량, 부피 중 적어도 하나 이상과 관련되어, 가변 설정될 수 있다. 예를 들면, 육류, 채소, 음료수, 물 등에서의 초기 설정온도(T0)가 상이하게 설정될 수 있으며, 질량이나 부피에 따라 냉각 정도가 상이하게 설정될 수도 있다. 특히, 물체의 정보가 확인되지 않을 경우에는, 기설정된 온도로 모든 물체에 대하여 동일하게 냉각을 수행한다.

물체에 대한 냉각이 지속됨에 따라, 물체의 온도(Tp)는 상전이 온도(Tt) 이하로 냉각되며, 냉각 온도(Tr)에 근접하도록 냉각이 이루어진다. 이때, 물체가 과냉각 상태를 유지하다가 Tsc에 도달하여서 과냉각이 해제될 경우, 물체의 온도(Tp)는 상전이 온도(Tt)까지 급격하게 상승하게 된다. 이러한 물체의 온도(Tp)의 변화를 감지하여, 물체의 과냉각 상태가 해제되었는지 또는 유지되고 있는지를 판단할 수 있다. 물론, 과냉각이 해제되지 않을 경우에는, 온도(T0)로 냉각 온도가 유지되면 된다.

이때, 과냉각 장치는 과냉각 상태가 해제된 물체(즉, 상전이가 이루어진 물체)에 대하여, 냉각 온도(Tr)가 상전이 온도(Tt) 이상의 해동 온도(Th)에서 물체에 대한 해동을 수행해야 한다.

물체에 대한 해동이 수행된 이후에, 다시 물체에 대한 냉각을 수행하되, 냉각온도(Tr)는 이전에 과냉각 상태가 해제된 경우의 냉각온도(T0)보다 높은 온도로 냉각이 이루어져야 한다. 만약, 물체에 대한 냉각을 이전 냉각 온도(T0)로 수행하게 되면, 이전의 결과와 같이, 물체의 과냉각 상태가 일정 시간 이상 유지되지 않고 해제될 가능성이 현저하게 높기 때문이다.

이때, 냉각 온도(Tr)를 재설정함에 있어서, 물체의 과냉각상태의 해제 이전의 물체의 최저온도(Tsc)보다 높은 온도인 냉각온도(T1)로 설정하는 것이 바람직하다. 즉, 물체의 과냉각 상태의 해제가 시작된 최저온도(Tsc)보다 높은 온도에서는 물체의 과냉각 상태가 유지될 가능성이 커지기 때문이다. 여기서, 냉각온도의 상승폭(T1-T0)은 물체의 정보에 관계없이 고정된 값이거나, 물체의 정보에 의존하여 설정된 값일 수 있다.

냉각 온도(Tr)가 온도(T1)로 설정되어, 냉각이 수행된 이후에, 물체의 온도(Tp)가 온도(T1) 부근에서 일정 시간 이상 유지되면, 물체의 과냉각 상태가 안정적으로 유지되고 있다고 판단된다. 이에, 냉각 온도(Tr)를 온도(T1)로 유지함으로써, 물체가 과냉각 상태로 지속적으로 보관될 수 있도록 한다.

예를 들면, 온도(T1)에서의 냉각 중에도, 물체의 과냉각 상태가 해제된 경우, 이 과냉각 해제 이전의 물체의 최저온도(예를 들면, Tsc1)가 감지되며, 다시 해동온도(Th)에서의 해동이 수행되고, 다음의 냉각온도(Tr)는 최저온도(Tsc1)보다 높은 온도로 결정되면 된다.

상술된 과냉각 해제의 판단과, 해동 수행 및 냉각온도의 재설정 과정을 필요하면 반복적으로 수행하여, 물체의 최적 과냉각 온도를 추적하게 된다.

상술된 과정에서, 물체가 일단 과냉각 상태가 해제되어, 결빙이 진행된 경우, 물체 내에서 완전한 해동이 이루어져야 이후의 냉각 과정에서 추가적인 결빙이 진행되지 않게 된다. 즉, 물체 내에 빙결정이나 빙결핵이 모두 제거된 상태에서 이후의 냉각 과정이 수행되어야 한다. 이러한 물체의 해동의 완료를 판단하는 방법으로 하기의 방법들이 적용될 수 있다.

먼저, 해동의 완료가 물체의 정보(종류, 질량, 부피 등) 및 감지한 무게(질량)에 따라 설정된 해동시간만큼 또는 그 이상 해동 과정이 수행된 경우, 물체의 해동이 완료되었다고 판단할 수 있다.

또는, 해동 과정의 수행 중에, 냉각 온도(Tr)를 상전이 온도(Tt)보다 낮은 온도로 일시적으로 냉각했을 때, 물체의 온도(Tp)에 따라 해동의 완료를 판단할 수 있다. 즉, 일시적으로 냉각을 시켰을 경우, 해동이 완료되지 않았다면, 냉각에 따라 물체에 추가적인 결빙이 진행되므로, 온도가 내려가지 않지만, 해동이 완료되면 냉각에 따라 물체의 온도(Tp)도 함께 하강하게 되므로, 이러한 온도 변화에 따라 해동 완료를 판단할 수 있다.

또한, 해동 과정을 수행하는 중에, 해동 온도가 물체의 상전이 온도보다 높으므로, 해동이 완료되면 물체의 온도(Tp)가 상승하게 되므로, 이러한 물체의 온도 상승이 이루어지면, 해동이 완료된 것으로 판단할 수도 있다. 다만, 물체의 표면과 심부의 온도 차가 존재하므로, 물체의 온도 상승이 이루어진 후, 일정 시간 추가적인 해동을 수행한 이후에, 해동 완료를 판단하는 것이 바람직하다.

도 4의 제4실시예에서, 물체를 처음 냉각할 때의 냉각 온도가 T0이므로, 과냉각 상태가 해제되고, 해동 과정을 거친 후 다시 냉각시키는 과정을 거치는 것은 도 1과 같다. 즉, 추적된 물체의 과냉각 온도는 온도(T1)인 경우이다.

이때, 물체의 과냉각 해제 이전의 최저온도(Tsc)와, 온도(T1) 사이의 온도차가 있으므로, 보다 물체의 최적 과냉각온도를 추적하기 위해, 최저온도(Tsc)와 온도(T1) 사이의 냉각 온도(T2)로의 냉각을 수행한다. 즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 설정된 냉각 온도(T1)으로 물체의 과냉각 상태가 일정 시간 이상 유지되는 경우는 과냉각 상태가 해제되기 이전(직전)의 물체의 최저온도(Tsc)보다는 높은 온도이면서 물체의 과냉각 상태를 일정시간 유지시키는 온도(T1)보다는 낮도록 하면서 물체의 과냉각 상태가 유지되는 냉각 온도(T2)를 추적하는 과정이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 온도(T1)으로의 냉각이 수행되는 시점(t0)으로부터 일정 시간이 경과된 시점(t1)에서, 온도(T1)에서 물체의 과냉각 상태가 안정적으로 유지되고 있음이 판단된다. 물론, 이 일정 시간은 물체의 정보에 따라 가변 설정되거나, 일정한 시간으로 고정될 수도 있다.

이러한 안정적인 과냉각 상태의 유지 상황 하에서, 냉각온도의 하강폭(T2-T1)은 상술된 냉각온도의 상승폭과 유사하게 결정될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 온도(T2)에서도 일정 시간 이상 과냉각 상태가 유지된 경우, 이 일정 시간을 경과하는 시점(t2)에서, 이전의 안정된 과냉각 온도인 온도(T1)으로 냉각온도를 상승시키게 된다. 즉, 물체의 과냉각 상태가 안정적으로 유지되는 온도(T1)과 (T2)로 교번하여, 물체를 냉각시킴으로써, 물체가 보다 낮은 과냉각온도로 유지되도록 한다. 물론, 온도(T2)에서 과냉각이 해제되는 경우에는, 해동 과정을 수행하고, 이전의 냉각온도(T1)으로 복귀하여 과냉각을 수행하면 된다.

이렇게 보다 낮은 과냉각 온도 또는 최적의 과냉각 온도를 추적하는 것은, 과냉각 상태를 유지하고 있더라도 과냉각 온도가 낮으면 물체의 신선도가 높아지며 슬러쉬의 경우, 과냉각된 온도에 따라 생성되는 양이 달라지는 등 과냉각 상태를 유지할 때는 되도록 온도를 낮게 유지하는 것이 바람직하다. 예를 들면, 과냉각 상태의 액체가 슬러쉬로 되는 경우, 낮은 온도의 액체에서 생성되는 슬러쉬양이 보다 높은 온도의 액체에서 생성되는 슬러쉬양보다 많다는 것은 알려진 기술이다.

만약 냉각 온도를 T2로 변경하였는데, 일정시간 내에 과냉각 상태가 해제되지 않았다면 위와 같은 과정을 반복하여 T2보다는 낮고 이전 과정에서 과냉각이 해제되었던 온도들 중 가장 높은 온도보다는 높은 T3로 냉각 온도를 변경하면 된다. 마찬가지로 일정시간 내에 과냉각 상태가 해제되었다면 이전 과정에서의 과냉각이 해제되었던 온도들보다는 높고 일정시간 내에 과냉각 상태가 해제되지 않았던 온도들보다는 낮은 온도로 냉각온도를 변경하면 된다.

이와 같은 과정들을 반복하는 것을 통해, 물체를 과냉각시키는 최적의 온도로 보관하도록 냉각온도를 조절하는 것이 가능하다.

도 5은 본 발명에 따른 과냉각 방법을 수행하는 과냉각 장치의 구성도이다. 과냉각 장치(100)는 제어부(10), 감지부(20), 냉각 사이클(30), 해동 수단(40), 도어 감지부(50), 표시부(60), 입력부(70)를 포함하며 도어, 수납공간을 분리시키는 수단 등 본 발명에 직접적인 연관이 없는 것은 도시하지 않았다.

제어부(10)는 감지부(20), 입력부(70) 및 도어 감지부(50)를 통해 물체의 정보 또는 사용자의 과냉각 모드의 수행 선택, 필요한 동작 상태 등을 입력받고 과냉각 수행 여부, Tsc의 변화 및 그에 따른 냉기 공급양의 변화를 판단하여 냉각 사이클(30)과 해동 수단(40)을 제어한다. 또한, 제어부(10)는 해동 과정, 냉각 과정 등의 수행 시간을 산정하는 타미머를 내장하는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 제어부(10)는 감지부(20), 입력부(70) 및 도어 감지부(50)로부터 획득된 정보를 저장하는 저장부(미도시)를 구비한다. 이 저장부는 물체의 과냉각상태 보관을 위한 고정된 냉각온도(T0), 물체의 정보에 따른 냉각 온도를 포함하는 데이터, 물체의 해동을 위한 고정된 해동 시간, 또는 물체의 정보에 따른 해동 시간을 포함하는 데이터 등을 저장한다. 자세한 동작 과정은 하기에서 언급될 것이다.

감지부(20)는 물체의 부피 또는 질량, 온도, 물체가 수납되는 냉각 공간의 온도 등을 감지하여 제어부(10)에 전달하며, 경우에 따라 감지된 물체의 정보를 저장하기도 한다. 이러한 감지 결과에 따라 제어부(10)는 물체의 과냉각 상태의 유지, 해제 등을 판단할 수 있다. 제어부(10)는 감지부(20)로부터의 이러한 정보에 따라 수납물(물체)의 양 및 상태를 확인할 수 있으며, 상전이 여부를 전달받아 해동과정 또는 Tsc의 조절 여부 등을 판단할 수 있다. 예를 들면, 감지부(20)는 냉각공간 또는 액체의 온도를 감지하는 온도계이거나, 수납공간 내에 액체 등이 수납되었는지나, 액체의 과냉각이 해제되었음을 확인하거나 액체 등의 종류, 부피, 질량의 확인을 하는 경도계, 중량계 또는 광센서(또는 레이저 센서) 또는 압력센서일 수 있다.

냉각 사이클(30)은 냉각 공간에 냉기를 공급하는 역할을 하는 부분으로, 직냉식과 간냉식이 있다. 냉각 사이클(30)은 제어부(10)가 설정한 냉각 온도(T0, T1, T2 등)에 따라 냉기의 양 또는 세기를 조절하게 되어, 냉각공간이 냉각되도록 한다. 또한, 냉각 사이클(30)은 해동 과정을 수행하는 경우는 냉기를 약하게 공급하거나 공급하지 않도록 하여, 냉각 공간의 온도를 상승시키게 할 수 있다.

해동 수단(40)은 제어부(10)가 감지부(20)로부터 과냉각 해제를 전달받으면 해동 수단(40)을 작동시켜 물체의 동결을 해제한다. 해동 수단은 동결을 해제하기 위한 에너지를 공급하기 위한 수단으로, 대표적으로 열 에너지를 공급하는 히터 등이 있다. 이러한 해동 과정은 해동 수단(40)과, 냉각 사이클(30)의 동작이 독립적으로 또는 서로 연관되어 수행될 수 있다.

도어 감지부(50)는 과냉각 장치의 개폐 여부에 따라 과냉각 장치의 동작이 바뀌어야 하는 경우 도어의 동작을 통해 개폐 여부를 알 수 있으며 이를 제어부(10)에 알리는 역할을 한다.

표시부(60)는 과냉각 장치의 냉동 및 냉장 온도 표시, 디스펜서의 서비스 형태의 표시를 수행할 수 있으며, 현재 과냉각 상태에 도달할 예정 시간, 과냉각 상태의 진행 또는 해지 등을 표시할 수도 있다. 또한, 과냉각 상태에 도달한 후 유지된 시간 및 사용자가 입력시킨 동작 및 현재 물체의 온도 또는 과냉각 온도 등을 표시할 수도 있다.

입력부(70)는 일반적인 냉동 및 냉장 제어를 위한 온도 설정, 디스펜서의 서비스 형태(조각얼음, 물 등)의 선택 외에도, 사용자가 수납공간 또는 수납물에 대하여 과냉각 모드의 수행 선택, 과냉각 상태에서의 물체 등의 과냉각 온도의 설정을 입력할 수 있도록 된 수단이다. 또한, 사용자는 입력부(70)를 통하여 물체의 종류, 물체의 상전이 온도, 물체의 질량, 액체의 부피 등의 물체 정보를 입력할 수도 있다. 이러한 입력부(70)는 바코드 판독기 또는 RFID 판독기일 수도 있어, 이러한 판독에 의한 물체 정보를 제어부(10)으로 제공할 수도 있다.

도 6은 본 발명에 따른 과냉각 방법의 제3 및 제4실시예를 설명하는 순서도이다. 본 명세서에서, 감지부(20)가 물체의 온도를 감지하는 단계를 별도로 기재하고 있지 않으나, 상술된 바와 같이, 감지부(20)에 의한 온도 감지는 상시적으로 수행될 수 있다.

단계(S11)에서, 물체가 수납된 후 냉각을 시작하는 단계로, 물체의 수납은 감지부(20) 또는 도어 감지부(50)에서 판단하고, 냉각 온도(T0)는 제어부(10)가 물체의 종류 또는 물체의 질량, 물체의 부피 등을 저장부, 입력부(70), 감지부(20)로부터 전달받아 판단하거나, 고정된 냉각 온도(T0)가 적용된다.

단계(S13)에서, 단계(S11)의 냉각이 수행 중에, 제어부(10)가 물체의 과냉각 상태가 해제되었는지를 판단하는 단계로, 과냉각 상태의 해제는 급격한 온도변화, 상전이로 인한 광투과율 광반사율의 차이 등을 감지부(20)가 감지하여 이를 판단할 수 있다. 과냉각 상태가 해제된 경우, 단계(S15)로 진행하고, 그렇지 않으면 단계(S14)로 진행한다.

단계(S14)에서, 제어부(10)은 냉각온도(T0)를 유지하여, 물체의 과냉각 상태 보관을 수행할 수 있다.

단계(S15)에서, 제어부(10)가 과냉각 상태의 해제 이전의 물체의 최저온도(Tsc)를 감지하는 단계이다. 과냉각 장치(100)의 구동 중에, 감지부(20)가 일정 간격으로 감지된 온도를 제어부(10)로 전송하거나, 제어부(10)로부터의 감지명령을 수신한 경우, 그에 대한 응답으로 물체의 온도를 감지하여 제어부(10)에 전송한다. 제어부(10)는 수신된 감지부(20)의 온도를 수신하여 저장하되, 물체의 온도가 최대 빙결정 생성대의 온도 이하에서 유지되다가 물체의 상전이 온도 부근까지 변화된 경우, 물체의 과냉각 상태가 해제된 것으로 판단한다. 이때, 제어부(10)는 이 과냉각 상태 해제 이전에 저장된 감지 온도를 비교하여, 이 해제 이전의 물체의 가장 낮았던 온도를 최저온도(Tsc)로 확인할 수 있다.

이때, 최저온도(Tsc)는 하나만이 저장되도록 하여, 즉, 단계(S13) 내지 (S23)이 반복될 경우에, 바로 직전의 과냉각 상태의 해제 시의 최저온도(Tsc)만이 저장되도록 한다. 또는 단계(S13) 내지 (S23)이 반복될 경우에, 바로 직전의 과냉각 상태의 해제 이전의 최저온도(Tsc) 및 이전 과정에서의 Tsc 중 높은 온도만이 저장되도록 할 수도 있다.

단계(S17)에서, 물체를 해동하는 과정으로, 냉각 온도를 상전이온도(Tt)보다 높은 해동온도(Th)로 한다. 이를 위해, 해동 수단(40)을 통해 에너지를 가하며, 주로 열에너지를 가하는 히터가 해동 수단(40)으로 사용된다. 추가적으로, 냉각 사이클(30)의 냉기 공급을 중단하는 것을 통해 해동을 도울 수도 있다.

단계(S19)에서, 해동의 완료 여부를 판단하는 단계로, 해동이 완료되었는지 여부는 상술된 바와 같이, 감지부(20)에서 감지한 무게에 따라 해동시간을 판단하는 방법, 일시적으로 냉각하였을 때 온도가 떨어지는지 여부, 해동 중 물체의 온도 상승이 감지되는지 여부 등으로 판단할 수 있으며, 이러한 판단기준의 근거는 앞에서 설명되었다.

단계(S21)에서, 냉각온도를 T1으로 설정하는 과정으로, T1은 과냉각이 해제되었던 Tsc보다 ΔT만큼 높아야 한다. 해동하는 과정을 많이 거칠수록 ΔT의 크기가 작아지는 것이 바람직하다. 즉, 이러한 ΔT는 고정된 값일 수도 있고, 해동 과정에 반비례하여 작아지도록 할 수 있다. 반비례적으로 크기를 줄이는 것은 단계(S13) 내지 (S23)이 반복될 경우, 물체의 최적 과냉각 온도에 보다 근접하게 한다.

단계(S23)에서, 재설정된 냉각온도(T1)로 냉각을 수행하는 과정으로, 제어부(10)에서 T1으로 냉각되도록 냉각 사이클(30)이 공급하는 냉기의 양을 조절한다. 단계(S24)에서, 제어부(10)는 냉각온도(T1)에서의 냉각 중에, 물체의 과냉각 상태가 유지되는지를 판단하여, 과냉각 상태가 해제되면 단계(S15)로 진행한다. 단계(S15)로 진행하는 경우, 물체의 최저온도(Tsc)는 이전의 과냉각 해제 이전의 최저온도 이므로, 단계(S23)의 수행 중에서 감지된 온도가 되며, 단계(S21)에서의 냉각온도(T1)은 이러한 최저온도(Tsc)가 반영되어 재설정된 온도가 된다. 과냉각 상태가 해제되지 않으면 단계(S25)로 진행한다.

단계(S25)에서, 일정시간동안 과냉각 상태가 유지된 경우, 단계(S13)에서 설정된 냉각온도(T1)를 유지한다는 것을 나타낸다.

단계(S27)에서, 냉각 온도를 T1보다 낮으며 기저장된 물체의 최저온도(Tsc)보다는 큰 T2로 변경하는 과정이다. ΔC는 물체의 정보에 따른 크기를 지니거나, 고정된 값이다.

단계(S29)에서, 제어부(10)가 변경된 냉각 온도로 냉각하는 과정이며, 제어부(10)에서 T2으로 냉각되도록 냉각 사이클(30)이 공급하는 냉기의 양을 조절한다.

단계(S31)에서, 냉각온도(T2)로의 냉각을 수행할 때, 과냉각 상태가 해제되는지 여부를 판단하는 단계로, 감지부(20)에서 과냉각 해제 여부를 판단한다는 것은 앞에서 설명하였다.

단계(S32)에서, 과냉각 상태가 해제된 상태를 나타내고, 해동이 완료될때까지 해동을 한 후, 냉각 온도를 다시 과냉각 상태가 일정시간동안 유지되었던 T1으로 냉각 온도를 변경시킨 후 종료한다.

단계(S35)에서, 과냉각 상태가 해제되지 않았음을 나타내고, T2에서도 일정시간동안 과냉각 상태가 유지되는지를 판단한다. 만약 과냉각 상태가 유지되면 단계(S25)로 돌아가서 냉각 온도를 더욱 낮추는 과정을 다시 수행한다.

도 7은 본 발명에 따른 과냉각 방법의 제1실시예를 설명하는 순서도이다.

단계(S101)에서, 물체가 수납된 후 냉각을 시작하는 단계로, 물체가 수납된 후 냉각을 시작하는 단계로, 물체의 수납은 감지부(20) 또는 도어 감지부(50)에서 판단한다. 제어부(10)는 냉각 사이클(30)을 동작하여, 물체의 정보에 따른 온도 또는 임의로 고정된 온도인 목표온도(Ta)로의 냉각을 시작한다. 단계(S101)에서, 감지부(20)가 수납되는 물체의 종류 등의 정보를 확인하거나, 입력부(70)를 통하여 입력된 정보에 따라 목표온도(Ta)를 설정할 수도 있다

단계(S102)에서, 단계(S101)의 냉각이 수행 중에, 제어부(10)가 물체의 온도가 Ta에 도달하였는지를 판단하는 단계로, 감지부(도 5에서 20)는 물체의 온도가 Ta에 도달하였는지를 감지하여 물체의 온도가 Ta에 도달할 때까지 냉각을 한다.

단계(S103)에서는 물체의 온도가 최적의 온도인 Ta에 도달하였으므로, 냉각을 중단한다. 제어부(10)는 냉각 사이클(30)의 동작을 중지시키거나 공급하는 냉기의 세기를 매우 약하게 하는 것 등을 통해 냉각을 중단할 수 있다.

단계(S104)에서, 냉각 중단 이후에 물체의 온도가 상승되고, 제어부(10)가 물체의 온도가 Tb(Ta + ΔT)에 도달하였는지를 판단하여 물체의 온도가 Tb에 도달할 때까지 냉각을 중단한다. 물체의 온도가 Tb에 도달하면, 단계(S101)로 진행하여 다시 물체의 온도를 Ta로 하기 위하여 냉각을 시작한다. 결국 본 발명에 따른 과냉각 방법의 제1실시예는 물체의 온도가 Ta에 도달하면 Tb에 도달할 때까지 냉각을 중단시키고, Tb에 도달하면 Ta에 도달할 때까지 냉각시키는 과정을 반복하는 과정이다.

도 8은 본 발명에 따른 과냉각 방법의 제2실시예를 설명하는 순서도이다.

단계(S111)에서, 물체가 수납된 후 냉각을 시작하는 단계로, 물체의 수납은 감지부(20) 또는 도어 감지부(50)에서 판단하고, 냉각 온도(T0)는 고정된다. 다만 감지부(20)에서 판단하는 물체의 종류, 물체의 부피, 물체의 질량에 따라 변할 수는 있다. 제어부(10)는 수납공간의 냉각 온도 Tr를 온도(T0)가 되도록 냉각 사이클(30)을 제어한다.

단계(S112)에서, 물체의 온도(Tp)가 하강하게 되며, 제어부(10)가 물체의 과냉각 상태가 해제되었는지를 판단하는 단계로, 물체의 과냉각 상태가 해제되었는지, 즉 상전이가 일어났는지 여부를 판단하는 방법은 앞에서 서술되었다.

단계(S113)에서, 과냉각 상태가 해제되었으므로 해동을 하는 단계로, 제어부(10)은 해동수단(40)을 가동시켜 해동을 시작한다. 추가적으로 냉각 사이클(30)을 중지시키든가 세기를 약하게 할 수도 있다.

단계(S114)에서, 해동이 완료되었는지를 판단한다. 해동이 완료되었는지를 판단하는 방법은 감지부(20)에서 감지한 무게에 따라 해동시간을 판단하는 방법, 일시적으로 냉각하였을 때 온도가 떨어지는지 여부, 해동 중 물체의 온도 상승이 감지되는지 여부 등으로 판단할 수 있으며, 이러한 판단기준의 근거는 앞에서 설명되었다. 해동이 완료되지 않았으면 계속 해동을 하고(S113), 해동이 완료되었다면 다시 냉각을 시작한다(S111). 즉, 본 발명에 따른 과냉각 방법의 제2실시예는 냉각 온도는 고정시키고 과냉각이 해제되면 다시 해동하였다가 냉각하는 과정을 반복하는 것이다.

이하의 실시예들 및 도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않으며, 본 발명의 범위는 후술한 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한될 것이다.

10: 제어부 20: 감지부
30: 냉각 사이클 40: 해동 수단
50: 도어 감지부 60: 표시부
70: 입력부

Claims (7)

1. 수납물을 수납물의 상전이 온도 이하의 온도로 냉각시키는 제1 단계와;
   제1단계에서 수납물의 온도를 감지하는 제2 단계와;
   온도 강하에 따라 수납물의 온도와 목표온도를 비교하는 제3단계와;
   수납물의 온도가 목표온도에 도달할 경우, 냉각을 중단하는 제4단계와;
   냉각을 중단한 상태에서 목표온도보다 높은 설정영역의 온도까지 수납물의 온도를 상승시키는 제5단계와;
   수납물의 온도가 목표온도보다 높은 설정영역의 온도에 도달한 경우, 제1단계에서 제5단계까지 재실행함을 특징으로 하는 과냉각 방법.
2. 제1항에 있어서, 과냉각 방법은 제1 내지 제5단계의 수행 중에, 수납물의 동결시작 여부를 판단하는 단계를 포함하고, 수납물의 동결시작이 감지되는 경우, 냉각을 중단하는 단계와, 냉각을 중단한 상태에서 수납물의 동결이 정지하는 온도까지 온도를 상승시키는 단계를 수행하고, 제1단계부터 수행하는 것을 특징으로 하는 과냉각 방법.
3. 제1항에 있어서, 목표온도보다 높은 설정영역의 온도는 수납물의 상전이 온도보다 낮은 것을 특징으로 하는 과냉각 방법.
4. 제1항에 있어서, 과냉각 방법은 수납물을 확인하는 단계와, 확인된 수납물에 따라 목표온도를 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 과냉각 방법.
5. 제4항에 있어서, 확인 단계는 수납물의 종류, 질량, 부피 중의 적어도 하나 이상을 확인하는 것을 특징으로 하는 과냉각 방법.
6. 수납물을 냉각하는 냉각수단과;
   수납물의 온도를 감지하는 감지부와;
   수납물의 과냉각 목표 온도와, 과냉각 목표 온도보다 높은 영하 이하의 가변온도를 설정하는 설정부와;
   냉각수단을 제어하여 수납물을 냉각시키되, 감지부로부터의 수납물의 온도가 과냉각 목표온도와 가변 온도 사이에서 유지되도록 냉각수단을 제어하는 온도 제어부를 구비하는 것을 특징으로 하는 과냉각 장치.
7. 제6항에 있어서, 설정부는 수납물의 종류, 질량, 부피 중의 적어도 하나 이상을 확인하여, 수납물의 과냉각 목표 온도를 설정하는 것을 특징으로 하는 과냉각 장치.

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