KR20140072626A

KR20140072626A - 압축기 보호수단을 구비한 초저온 냉동시스템

Info

Publication number: KR20140072626A
Application number: KR1020120140353A
Authority: KR
Inventors: 김영득; 이성재; 권준호; 이주성; 한민수; 이봉래; 노명석; 최인섭; 정연철
Original assignee: 대영이앤비 주식회사; 인덕대학교 산학협력단
Priority date: 2012-12-05
Filing date: 2012-12-05
Publication date: 2014-06-13

Abstract

액백(liquid-back)현상이 방지되는 압축기 보호수단을 구비한 초저온 냉동시스템이 개시된다.
개시되는 압축기 보호수단을 구비한 초저온 냉동시스템은 압축기; 상기 압축기의 토출측에 연결된 응축기; 유입측이 상기 응축기의 배출측에 연결되고, 배출측이 상기 압축기의 흡입측에 연결된 증발기; 상기 응축기와 상기 증발기 사이에 연결된 팽창기; 상기 응축기와 증발기 간에 연결된 냉매유로와 상기 증발기와 압축기 간에 연결된 냉매유로에 구비되어, 상기 응축기에서 상기 증발기로 이동하는 냉매와 상기 증발기에서 상기 압축기로 이동하는 냉매를 서로 열교환시키는 열교환기; 및 상기 열교환기를 통과한 후 압축기로 유입되는 냉매에 열을 선택적으로 공급하는 열공급부;를 포함한다.
이러한 압축기 보호수단을 구비한 초저온 냉동시스템에 의하면, 냉매 혼합 불균형, 냉동사이클의 불안정성, 충분치 않은 열교환 등의 경우에, 액냉매가 압축기로 유입될 가능성을 원천적으로 방지하여 압축기를 보호함으로써, 냉동고 운전의 신뢰성을 확보할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.

Description

압축기 보호수단을 구비한 초저온 냉동시스템{CRYOGENIC REFRIGERATION SYSTEM WITH PROTECTING MEANS FOR COMPRESSOR}

본 발명은 압축기 보호수단을 구비한 초저온 냉동시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 액백(liquid-back)현상이 방지되는 압축기 보호수단을 구비한 초저온 냉동시스템에 관한 것이다.

초저온 냉동고를 구현하는 방식에는 크게 압축기 2대를 사용하는 이원 냉동사이클을 이용하는 다단시스템 방식과 압축기 1대를 사용하는 단단시스템 방식이 있다. 다단시스템 방식은 각각의 냉동 사이클에 각기 다른 냉매가 사용되고, 단단시스템 방식은 2종 이상의 혼합냉매를 사용한다.

한편, 단단시스템 방식 중에는 오토-케스케이드 방식과 줄-톰슨(린데-햄슨) 방식이 있다.

오토-케스케이드 방식은 냉매 회로 중 기액 분리 장치에 의해 각각의 냉매를 분리하여 개별 팽창하여 냉동사이클을 구성하고, 줄-톰슨(린데-햄슨) 방식은 혼합냉매를 단일사이클로 구성하여, 냉동기 운전 중 순차적으로 임계온도(냉매가 액체에서 기체로 또는 기체에서 액체로 상변화하는 온도)가 높은 냉매부터 응축과 팽창을 시킴으로써 초저온을 달성한다.

여기서, 줄-톰슨(린데-햄슨) 방식의 동작 특성에 대해서 설명하면, 압축기에 의해 토출된 혼합냉매가 응축기를 거치면 임계온도가 가장 높은 고온냉매가 응축된다. 이때, 임계온도가 낮은 저온냉매는 응축되지 않고 기체 상태로 응축된 냉매와 함께 냉매유로를 흐르게 된다.

이후, 응축된 고온냉매는 1차 증발온도로 증발기를 흐르며 증발하여 고내(庫內) 온도를 떨어뜨린다.

그리고, 시간이 경과하여 고내 온도가 충분히 낮아지면, 증발기 출구측으로 기화되지 않은 저온의 액냉매가 배출된다. 이때, 증발기에서 배출된 저온의 액냉매는 응축기와 증발기 사이에 구비된 열교환기를 지나며, 응축기에서 증발기로 흐르는 냉매와 열교환하게 된다.

이를 통해, 열교환기의 온도가 낮아지면, 열교환기에서 혼합냉매 중 두 번째로 임계온도가 높은 저온냉매는 냉각되어 응축되고, 저온냉매와 열교환한 액냉매는 가열되어 증발하게 된다.

그리고, 열교환기에서 응축된 저온냉매는 2차 증발온도로 증발기를 흐르며 증발하여 고내 온도를 더 낮게 떨어뜨린다.

이와 같은 사이클을 통해, 혼합냉매 중 가장 낮은 임계온도를 갖는 저온냉매까지 3차 증발온도로 증발기에서 증발함으로써, 냉동고의 초저온을 달성할 수 있다.

한편, 단일 냉매를 사용하는 일반적인 냉동고의 경우 고내 온도가 통상 영하 20~30˚C 정도를 유지하게 되는데, 고내 온도가 적절히 유지되면 압축기 운전을 정지하고, 잔류한 증발기내 액냉매가 기화됨으로써 온도를 어느 정도 유지할 수 있다. 또한, 압축기로 액냉매가 유입하지 않도록 압축기 운전을 정지하는 보호장치를 구비하는 경우가 많다.

압축기로의 액냉매의 유입현상은 액백현상(Liquid-Back)이라 하여 압축기 과부하로 인한 소손, 밸브파손 등 치명적인 현상을 초래한다.

그러나 일반적인 냉동고와 달리 줄-톰슨(린데-햄슨) 냉동 사이클의 경우는 열교환기에서 각각의 냉매를 순차적으로 응축 팽창시켜 1차 증발온도, 2차 증발온도, 3차 증발온도를 거치면서 순차적으로 냉동실 온도가 떨어지게 되는데, 이때, 냉매 혼합의 불균형과 사이클의 불안정성, 충분치 않은 열교환에 의해 액냉매의 압축기로의 유입가능성이 매우 크다.

예를 들어, 냉매 혼합의 불균형의 경우에 대해서 설명하면, 혼합냉매 중에서 임계온도가 높은 고온냉매가 저온냉매보다 과도하게 많은 경우, 열교환기에서 저온냉매를 응축시키는데 사용된 고온냉매는 증발하게 되지만, 저온냉매의 응축에 사용되지 못한 고온냉매는 액체상태로 압축기에 유입되게 된다.

본 발명은 상기와 같은 종래 기술을 바탕으로 안출된 것으로, 냉매 혼합 불균형, 냉동사이클의 불안정성, 충분치 않은 열교환 등의 경우에 액백현상을 방지할 수 있는 압축기 보호수단을 구비한 초저온 냉동시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적 중 적어도 일부를 달성하기 위한 일 측면으로서, 본 발명은 압축기; 상기 압축기의 토출측에 연결된 응축기; 유입측이 상기 응축기의 배출측에 연결되고, 배출측이 상기 압축기의 흡입측에 연결된 증발기; 상기 응축기와 상기 증발기 사이에 연결된 팽창기; 상기 응축기와 증발기 간에 연결된 냉매유로와 상기 증발기와 압축기 간에 연결된 냉매유로에 구비되어, 상기 응축기에서 상기 증발기로 이동하는 냉매와 상기 증발기에서 상기 압축기로 이동하는 냉매를 서로 열교환시키는 열교환기; 및 상기 열교환기를 통과한 후 압축기로 유입되는 냉매에 열을 선택적으로 공급하는 열공급부;를 포함하는 압축기 보호수단을 구비한 초저온 냉동시스템을 제공한다.

바람직하게, 상기 열교환기와 압축기 간에 직접 연결되어, 상기 열교환기를 통과한 냉매가 상기 열공급부를 통과하지 않고 상기 압축기로 직접 흡입되는 경로를 제공하는 직접유로;를 더 포함할 수 있다.

또한, 상기 열공급부는 상기 직접유로에서 분기되어 상기 압축기의 흡입측에 연결된 바이패스 유로; 및 상기 바이패스 유로 상에 구비되어, 상기 바이패스 유로에 유통되는 냉매에 열을 전달하는 열교환 수단;을 포함하여 구성될 수 있다.

여기서, 상기 직접유로와 바이패스 유로는 선택적으로 개방될 수 있다.

일 실시예에서, 상기 열교환 수단은 온도가 서로 다른 냉매가 외부관과 내부관에 독립적으로 유통되며 서로 열교환가능하게 구성된 이중관으로 구성될 수 있다.

또한, 일 실시예에서, 상기 열교환 수단은 이중관의 외부관 및 내부관 중에서 어느 하나가 상기 바이패스 유로의 일부로 구성되고, 다른 하나가 상기 압축기와 응축기 간에 연결된 냉매유로의 일부로 구성될 수 있다.

한편, 다른 일 실시예에서, 상기 열교환 수단은 상기 압축기의 작동열이 상기 바이패스 유로에 유통되는 냉매에 전달되도록 구성될 수 있다.

이를 구현하기 위한 일 예로, 상기 열교환 수단은 상기 바이패스 유로에 연결되며, 상기 압축기에서 발생하는 작동열을 전달받도록 상기 압축기 본체 측에 배치되는 열교환관으로 구성될 수 있다.

또한, 이러한 열교환 수단은 상기 압축기의 냉각장치를 구성할 수도 있다.

한편, 또 다른 일 실시예에서, 상기 열교환 수단은 상기 응축기에서 발생하는 열이 상기 바이패스 유로에 유통되는 냉매에 전달되도록 구성될 수 있다.

이를 구현하기 위한 일 예로, 상기 열교환 수단은 상기 바이패스 유로에 연결되며, 상기 응축기에서 발생하는 열을 전달받도록 상기 응축기의 일부 배관으로 구성될 수 있다.

한편, 상기 팽창기는 모세관으로 구성될 수 있다.

그리고, 본 발명의 실시예들에 의한 초저온 냉동시스템은 상기 압축기의 흡입측에 구비되어, 상기 압축기로 흡입되는 냉매의 온도를 측정하는 온도센서; 및 상기 온도센서에서 측정한 냉매의 온도를 기초로 냉매가 상기 열공급부로 공급되도록 제어하는 제어기;를 더 포함할 수 있다.

여기서, 상기 제어기는 상기 온도센서에서 측정한 냉매의 온도가 미리 설정된 기준온도보다 낮은 경우, 냉매가 상기 열공급부로 공급되도록 제어할 수 있다.

이를 구현하기 위한 일 예로, 본 발명의 초저온 냉동시스템은 상기 직접유로와 바이패스 유로를 선택적으로 개방하는 유로전환수단;을 포함할 수 있으며, 상기 제어기는 상기 온도센서에서 측정한 냉매의 온도를 기초로 상기 유로전환수단의 유로전환동작을 제어할 수 있다.

구체적으로, 상기 제어기는 상기 온도센서에서 측정한 냉매의 온도가 기준온도보다 낮은 경우, 상기 직접유로가 폐쇄되고 상기 바이패스 유로가 개방되도록 상기 유로전환수단을 제어할 수 있다.

이러한 구성을 갖는 본 발명의 일 실시예에 의하면, 냉매 혼합 불균형, 냉동사이클의 불안정성, 충분치 않은 열교환 등의 경우에, 액냉매가 압축기로 유입될 가능성을 원천적으로 방지하여 압축기를 보호함으로써, 냉동고 운전의 신뢰성을 확보할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 액냉매를 별도로 가열하는 장치를 필요로 하지 않고, 간단한 유로구조를 통해 압축기 보호수단을 구현할 수 있다는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 하나의 열교환 구조를 통해, 저온의 액냉매를 기화시키는 동시에 압축기에서 응축기로 이동하는 냉매의 온도를 낮출 수 있어, 응축기에서의 냉매 응축 효율이 향상된다는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 초저온 냉동시스템의 계통도.
도 2는 도 1에 도시된 초저온 냉동시스템에 포함되는 열교환 수단의 일 실시예를 나타내는 개략도.
도 3은 도 1에 도시된 초저온 냉동시스템의 압축기 보호수단이 가동되지 않은 경우의 계통도.
도 4는 도 1에 도시된 초저온 냉동시스템의 압축기 보호수단이 가동되는 경우의 계통도.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 초저온 냉동시스템의 계통도.
도 6은 본 발명의 또 다른 일 실시예에 의한 초저온 냉동시스템의 계통도.
도 7은 초저온 냉동시스템의 응축기와 증발기의 온도특성을 나타내는 그래프.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 또한, 본 명세서에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.

먼저, 도 1 내지 도 4를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 의한 초저온 냉동시스템에 대해서 살펴본다. 여기서, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 초저온 냉동시스템의 계통도이고, 도 2는 이중관으로 구성된 열교환 수단을 나타내는 계략도이다. 그리고, 도 3 및 도 4는 압축기 보호수단이 가동되지 않은 경우와 가동된 경우의 초저온 냉동시스템의 동작을 나타낸다.

도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의한 초저온 냉동시스템(100)은 압축기(110), 응축기(120), 팽창기(130), 증발기(140), 열교환기(150), 열공급부(160)를 포함하고, 압축기(110)에 흡입되는 냉매의 온도를 측정하는 온도센서(180) 및 냉동시스템의 동작을 제어하는 제어기(200)를 추가로 포함할 수 있다.

상기 압축기(110)는 저압의 기체 냉매를 고압으로 압축하여 토출시키고 다시 저압의 기체상태 냉매를 흡입하는 동작을 반복하며, 냉동사이클에 냉매를 순환시킨다.

또한, 상기 응축기(120)는 압축기(110)의 토출측에 연결되어 고압의 기체 냉매를 공급받는다. 응축기(120)에 공급된 고압의 기체 냉매는 응축기(120)를 지나며 응축된다.

또한, 팽창기(130)는 후술할 증발기(140)의 유입측과 열교환기(150) 간에 연결된 냉매유로에 배치된다. 이러한 팽창기(130)는 고온의 액냉매가 증발기(140)에서 증발가능하도록 액냉매의 압력과 온도를 떨어뜨린다. 일 실시예에서, 팽창기(130)는 초저온 상태에서도 안정적으로 액냉매를 팽창시킬 수 있도록 모세관으로 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 증발기(140)는 냉매가 유입되는 유입측이 팽창기(130)에 연결되고, 냉매가 배출되는 배출측이 압축기(110)의 흡입측에 연결된다. 이러한 증발기(140)는 냉동고의 고내(庫內)에 배치되어 응축기(120)와 팽창기(130)를 거친 액냉매를 공급받아 증발시킴으로써 고내의 온도를 떨어뜨린다.

또한, 상기 열교환기(150)는 응축기(120)와 팽창기(130) 간에 연결된 냉매유로와 증발기(140)와 압축기(110) 간에 연결된 냉매유로에 구비되어, 응축기(120)에서 증발기(140)로 이동하는 냉매와 증발기(140)에서 압축기(110)로 이동하는 냉매를 서로 열교환시킬 수 있다.

그리고, 상기 열공급부(160)는 열교환기(150)를 통과한 후 압축기(110)로 유입되는 냉매에 열을 선택적으로 공급할 수 있다. 즉, 열공급부(160)는 열교환기(150)를 통과한 후 압축기(110)로 유입되는 냉매 중에서 기화되지 않은 액냉매에 열을 가하여 액냉매를 기화시킬 수 있으며, 이를 통해, 압축기(110)로 액냉매가 유입되는 것을 방지할 수 있다.

한편, 일 실시예에서, 열교환기(150)와 압축기(110) 간에는 냉매가 열공급부(160)를 지나지 않고 열교환기(150)에서 직접 압축기(110)로 이동할 수 있는 직접유로(170)가 구비될 수 있다.

그리고, 이러한 구성에서 열공급부(160)는 바이패스 유로(162)와 열교환 수단으로 구성될 수 있다.

여기서, 상기 바이패스 유로(162)는 직접유로(170)에서 분기되어 압축기(110)의 흡입측에 연결될 수 있다.

또한, 상기 열교환 수단은 바이패스 유로(162) 상에 구비되어, 바이패스 유로(162)에 유통되는 냉매에 열을 전달할 수 있다.

일 실시예에서, 열교환 수단은 도 2에 도시된 바와 같이 이중관(164)으로 구성될 수 있으며, 이러한 이중관(164)은 온도가 서로 다른 냉매가 외부관과 내부관에 독립적으로 유통되며 서로 열교환가능하게 구성될 수 있다.

이와 같이 열교환 수단이 이중관(164)으로 구성된 경우, 이중관(164)의 외부관 및 내부관 중에서, 어느 하나는 바이패스 유로(162)의 일부로 구성되어 압축기(110)로 흡입되는 저온의 냉매가 흐를 수 있고, 다른 하나는 압축기(110)와 응축기(120) 간에 연결된 냉매유로(122)의 일부로 구성되어 압축기(110)에서 토출된 고온의 냉매가 흐를 수 있다.

이때, 이중관(164)의 외부관과 내부관 각각에 흐르는 저온의 냉매와 고온의 냉매는 서로 열교환하여, 저온의 냉매는 가열되고 고온의 냉매는 냉각되게 된다.

한편, 압축기(110)의 흡입측에는 온도센서(180)가 구비될 수 있다. 이러한 온도센서(180)는 압축기(110)로 흡입되는 냉매의 온도를 측정할 수 있다.

또한, 제어기(200)는 온도센서(180)에서 측정한 냉매의 온도를 기초로 냉매가 열공급부(160)로 공급되도록 제어할 수 있다.

이하, 도 3 및 도 4를 참조하여, 전술한 바와 같은 구성을 가지는 본 발명의 일 실시예에 의한 초저온 냉동시스템(100)의 동작 특성에 대해서 설명한다.

우선, 본 발명의 일 실시예에 의한 초저온 냉동시스템(100)에는 냉매 R-1, R-2, R-3가 혼합된 혼합냉매가 사용되며, 냉매 각각의 임계온도는 R-1 > R-2 > R-3 인 것을 전제한다.

혼합냉매가 고온고압상태로 압축기(110)에서 토출되어, 응축기(120)로 흐르면 임계온도가 가장 높은 R-1은 응축되고, R-2와 R-3는 기체상태가 유지된다.

응축기(120)를 통과한 혼합냉매는 열교환기(150)를 지난 후 팽창기(130)를 지나면서 1차 증발온도가 되고, 1차 증발온도가 된 혼합냉매는 증발기(140)로 유입된다.

증발기(140)로 유입된 혼합냉매 중에서 액체상태인 R-1이 증발하며, 고내 온도를 떨어뜨린다. 이때, R-2와 R-3는 기체상태를 유지하고 있다.

그리고, 혼합냉매는 열교환기(150)를 지나 압축기(110)로 흡입되고, 압축기(110)에서 고온고압상태가 되어, 응축기(120)로 공급된다.

이와 같은 냉동사이클이 반복적으로 진행되어 일정 시간이 경과하면, 증발기(140)에서 배출되는 혼합냉매에 의해 열교환기(150)의 온도가 R-2를 응축시킬 수 있는 정도의 온도로 낮아지게 된다.

이를 통해, 열교환기(150)에서는 압축기(110)에서 배출되어 열교환기(150)를 지나는 혼합냉매 중 R-2가 응축되게 된다. 응축된 R-2는 팽창기(130)를 지나면서 2차 증발온도가 되고, 2차 증발온도가 된 R-2는 증발기(140)에서 증발하며, 고내 온도를 더욱 떨어뜨린다.

또한, R-2에 의한 냉각이 진행된 후 일정 시간이 경과하면, 증발기(140)에서 배출되는 혼합냉매에 의해 열교환기(150)의 온도가 R-3를 응축시킬 수 있는 정도의 온도로 낮아지게 된다.

이를 통해, 열교환기(150)에서는 응축기(120)에서 배출된 기체상태의 R-3가 응축되게 된다. 응축된 R-3는 팽창기(130)를 지나면서 3차 증발온도가 되고, 3차 증발온도가 된 R-3는 증발기(140)에서 증발하며, 고내 온도를 더욱 떨어뜨려, 냉동고를 초저온으로 구성할 수 있다.

이와 같은 냉동사이클에서, 증발기(140)의 온도가 낮아지면 R-1이 충분히 증발하지 못하고 일부가 액체상태로 열교환기(150)를 흐르게 된다. 이때, R-1은 응축기(120)에서 배출된 고온의 냉매와 열교환하여 전량 증발할 수 있다.

이러한 동작은 본 발명의 일 실시예에 의한 초저온 냉동시스템(100)의 정상상태 동작으로서, 정상상태인 경우에는 도 3에 도시된 바와 같이 기체상태의 냉매가 직접유로(170)를 통해 압축기(110)로 흡입될 수 있다.

이와 달리, 혼합냉매 중에서 R-1의 양이 R-2를 응축시키고도 남을 정도로 많은 경우, R-1은 열교환기(150)에서 전량 기화되지 않고 액체상태가 유지된다.

이러한 동작은 본 발명의 일 실시예에 의한 초저온 냉동시스템(100)의 이상상태 동작으로서, 이상상태인 경우에는 도 4에 도시된 바와 같이 액냉매가 포함된 냉매를 바이패스 유로(162)를 통해 압축기(110) 측으로 보낼 수 있다.

이때, 바이패스 유로(162)로 이동된 액냉매는 열교환 수단을 통해 압축기(110)와 응축기(120) 간에 연결된 냉매유로(122)를 지나는 고온의 냉매로부터 열을 공급받아서 기화된 후 압축기(110)로 유입될 수 있다.

또한 여기서, 압축기(110)와 응축기(120) 간에 연결된 냉매유로(122)를 지나는 고온의 냉매는 바이패스 유로(162)를 흐르는 저온의 냉매와의 열교환으로 인해 온도가 낮아질 수 있으며, 이를 통해, 응축기(120)로 유입되는 냉매의 온도가 낮아짐으로써 응축기(120)에서의 냉매 응축 효율이 향상된다는 이점이 있다.

한편, 이상상태의 일 예로서 냉매의 혼합 불균형인 경우만을 설명하지만, 냉매의 혼합 불균형뿐만 아니라 사이클이 불안정하거나, 냉매의 열교환이 충분히 이루어지지 않아서 액냉매가 압축기(110)에 유입될 수 있는 경우도 이상상태에 해당한다.

한편, 이와 같은 동작을 구현하기 위한 일 실시예로서, 제어기(200)는 압축기(110)의 흡입측에 구비된 온도센서(180)에서 측정한 냉매의 온도가 미리 설정된 기준온도보다 낮은 경우를 이상상태로 판단하고, 열교환기(150)에서 배출된 냉매를 바이패스 유로(162)로 흐르도록 유로를 전환시킬 수 있다.

따라서, 직접유로(170)와 바이패스 유로(162)는 정상상태 및 이상상태에 따라 둘 중 하나가 선택적으로 개방될 수 있다.

이를 위해, 일 실시예에서 열교환기(150)의 후단에는 직접유로(170)와 바이패스 유로(162)를 선택적으로 개방하는 유로전환수단이 구비될 수 있다.

일 실시예에서, 이러한 유로전환수단은 바이패스 유로(162)와 직접유로(170) 각각에 설치된 제1 개폐밸브(301)와 제2 개폐밸브(302)로 구성될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 바이패스 유로(162)와 직접유로(170)의 분기점에 구비된 유로전환밸브로 구성될 수도 있다.

이와 같은 구성에서, 제어기(200)는 온도센서(180)에서 측정한 냉매의 온도가 기준온도보다 낮은 경우 즉, 이상상태에서 직접유로(170)가 폐쇄되고 바이패스 유로(162)가 개방되도록, 제2 개폐밸브(302)를 닫고 제1 개폐밸브(301)를 열 수 있다.

한편, 상기 미리 설정된 기준온도는 고내의 온도변화에 따라 냉각에 사용된 냉매의 임계온도로 설정될 수도 있고, 임계온도가 가장 낮은 냉매의 임계온도로 설정될 수도 있다.

다만, 이상상태에서만 냉매가 열공급부(160)로 공급되도록 하려면, 미리 설정된 기준온도는 고내의 온도변화에 따라 냉각에 사용된 냉매의 임계온도로 설정되는 것이 바람직하다.

다음으로, 도 5를 참조하여, 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 초저온 냉동시스템(100-1)에 대해서 살펴본다.

도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 초저온 냉동시스템(100-1)은 도 1 내지 도 4에 도시된 본 발명의 일 실시예에 의한 초저온 냉동시스템(100)과 비교하여, 열공급부(160)의 구성에서만 차이기 있기 때문에 시스템의 구체적인 동작 설명 및 압축기(110), 응축기(120), 열교환기(150), 팽창기(130), 증발기(140), 온도센서(180), 제어기(200)에 관한 설명은 생략한다.

본 발명의 다른 일 실시예에 의한 초저온 냉동시스템(100-1)에서, 열교환 수단은 압축기(110)의 작동열이 바이패스 유로(162)에 유통되는 냉매에 전달되도록 구성될 수 있다.

이를 위해, 열교환 수단은 바이패스 유로(162)에 연결된 열교환관(166)으로 구성될 수 있다. 열교환관(166)은 압축기(110)에서 발생하는 작동열을 전달받도록 압축기(110) 본체 측에 배치될 수 있다.

예를 들어, 열교환관(166)은 압축기(110)의 발열부와 열교환하는 코일형 파이프로 구성될 수 있다. 이를 통해, 압축기(110)의 작동열은 바이패스 유로(162)에 흐르는 액냉매에 공급되어, 액냉매를 기화시킬 수 있다.

또한, 이러한 열교환 수단은 압축기(110)의 냉각장치를 구성할 수도 있다. 예를 들어, 열교환 수단은 압축기(110)의 발열부에 설치되는 공랭식 또는 수냉식 장치를 구성하여, 압축기(110)의 작동열로 관내의 액냉매에 열을 공급할 수도 있고 동시에, 압축기(110)를 냉각시키는 기능도 수행할 수 있게 된다. 여기서, 열교환 수단이 구성할 수 있는 압축기(110)의 냉각장치는 상기와 같은 공랭식, 수냉식 냉각장치로 한정되는 것은 아니며, 공지의 다양한 기술로 구현될 수 있음을 밝혀둔다.

이와 같은 본 발명의 다른 일 실시예에 의한 초저온 냉동시스템(100-1)은 도 1 내지 도 4를 참조하여 전술한 초저온 냉동시스템(100)과 마찬가지로, 정상상태에서는 직접유로(170)를 통해 냉매를 유통시키고, 이상상태에서는 바이패스 유로(162)를 통해 냉매를 유통시켜 압축기(110)로 액냉매가 유입되는 것을 방지할 수 있다.

마지막으로, 도 6을 참조하여, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 의한 초저온 냉동시스템(100-2)에 대해서 살펴본다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 또 다른 일 실시예에 의한 초저온 냉동시스템(100-2)에서, 열교환 수단은 응축기(120)에서 발생하는 열이 바이패스 유로(162)에 유통되는 냉매에 전달되도록 구성된다.

이를 위해, 또 다른 일 실시예에서, 열교환 수단은 바이패스 유로(162)에 연결된 응축기(120)의 일부 배관(168)으로 구성될 수 있다. 이를 통해, 바이패스 유로(162)에 유통되는 액냉매는 응축기(120)에서 발생하는 열을 전달받아 기화될 수 있다.

응축기(120)에는 고온고압상태의 냉매가 흐르며, 응축되므로 발열반응이 일어난다.

또한, 도 7을 보면, 본 발명의 실시예들에 의한 초저온 냉동시스템의 경우, 1차 증발온도, 2차 증발온도, 3차 증발온도에서 응축기(120)의 온도는 증발기(140)의 온도변화와 반대로 순차적으로 높아지는 특성을 가진다.

따라서, 증발온도 차수가 높아져 낮은 온도의 액냉매가 바이패스 유로(162)를 흐르는 경우에도, 이에 대응하여 액냉매를 기화시킬 수 있는 정도의 고온의 열을 액냉매에 공급할 수 있게 된다.

본 발명은 특정한 실시예에 관하여 도시하고 설명하였지만, 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 이하의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 밝혀두고자 한다.

100, 100-1, 100-2 : 초저온 냉동시스템
110 : 압축기 120 : 응축기
130 : 팽창기 140 : 증발기
150 : 열교환기 160 : 열공급부
162 : 바이패스 유로 164 : 이중관
166 : 열교환관 168 : 응축기의 일부 배관
170 : 직접유로 180 : 온도센서
200 : 제어기 301 : 제1 개폐밸브
302 : 제2 개폐밸브

Claims

압축기;
상기 압축기의 토출측에 연결된 응축기;
유입측이 상기 응축기의 배출측에 연결되고, 배출측이 상기 압축기의 흡입측에 연결된 증발기;
상기 응축기와 상기 증발기 사이에 연결된 팽창기;
상기 응축기와 증발기 간에 연결된 냉매유로와 상기 증발기와 압축기 간에 연결된 냉매유로에 구비되어, 상기 응축기에서 상기 증발기로 이동하는 냉매와 상기 증발기에서 상기 압축기로 이동하는 냉매를 서로 열교환시키는 열교환기; 및
상기 열교환기를 통과한 후 압축기로 유입되는 냉매에 열을 선택적으로 공급하는 열공급부;
를 포함하는 압축기 보호수단을 구비한 초저온 냉동시스템.
제1항에 있어서,
상기 열교환기와 압축기 간에 직접 연결되어, 상기 열교환기를 통과한 냉매가 상기 열공급부를 통과하지 않고 상기 압축기로 직접 흡입되는 경로를 제공하는 직접유로;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기 보호수단을 구비한 초저온 냉동시스템.
제2항에 있어서,
상기 열공급부는,
상기 직접유로에서 분기되어 상기 압축기의 흡입측에 연결된 바이패스 유로; 및
상기 바이패스 유로 상에 구비되어, 상기 바이패스 유로에 유통되는 냉매에 열을 전달하는 열교환 수단;
을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 압축기 보호수단을 구비한 초저온 냉동시스템.
제3항에 있어서,
상기 직접유로와 바이패스 유로는 선택적으로 개방되는 것을 특징으로 하는 압축기 보호수단을 구비한 초저온 냉동시스템.
제3항에 있어서,
상기 열교환 수단은 온도가 서로 다른 냉매가 외부관과 내부관에 독립적으로 유통되며 서로 열교환가능하게 구성된 이중관으로 구성된 것을 특징으로 하는 압축기 보호수단을 구비한 초저온 냉동시스템.
제5항에 있어서,
상기 열교환 수단은 이중관의 외부관 및 내부관 중에서 어느 하나가 상기 바이패스 유로의 일부로 구성되고, 다른 하나가 상기 압축기와 응축기 간에 연결된 냉매유로의 일부로 구성된 것을 특징으로 하는 압축기 보호수단을 구비한 초저온 냉동시스템.
제3항에 있어서,
상기 열교환 수단은 상기 압축기의 작동열이 상기 바이패스 유로에 유통되는 냉매에 전달되도록 구성된 것을 특징으로 하는 압축기 보호수단을 구비한 초저온 냉동시스템.
제7항에 있어서,
상기 열교환 수단은,
상기 바이패스 유로에 연결되며, 상기 압축기에서 발생하는 작동열을 전달받도록 상기 압축기 본체 측에 배치되는 열교환관으로 구성된 것을 특징으로 하는 압축기 보호수단을 구비한 초저온 냉동시스템.
제7항에 있어서,
상기 열교환 수단은 상기 압축기의 냉각장치를 구성하는 것을 특징으로 하는 압축기 보호수단을 구비한 초저온 냉동시스템.
제3항에 있어서,
상기 열교환 수단은 상기 응축기에서 발생하는 열이 상기 바이패스 유로에 유통되는 냉매에 전달되도록 구성된 것을 특징으로 하는 압축기 보호수단을 구비한 초저온 냉동시스템.
제10항에 있어서,
상기 열교환 수단은,
상기 바이패스 유로에 연결되며, 상기 응축기에서 발생하는 열을 전달받도록 상기 응축기의 일부 배관으로 구성된 것을 특징으로 하는 압축기 보호수단을 구비한 초저온 냉동시스템.
제1항에 있어서,
상기 팽창기는 모세관으로 구성된 것을 특징으로 하는 압축기 보호수단을 구비한 초저온 냉동시스템.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압축기의 흡입측에 구비되어, 상기 압축기로 흡입되는 냉매의 온도를 측정하는 온도센서; 및
상기 온도센서에서 측정한 냉매의 온도를 기초로 냉매가 상기 열공급부로 공급되도록 제어하는 제어기;
를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 압축기 보호수단을 구비한 초저온 냉동시스템.
제13항에 있어서,
상기 제어기는,
상기 온도센서에서 측정한 냉매의 온도가 미리 설정된 기준온도보다 낮은 경우, 냉매가 상기 열공급부로 공급되도록 제어하는 것을 특징으로 하는 압축기 보호수단을 구비한 초저온 냉동시스템.
제3항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압축기의 흡입측에 구비되어, 상기 압축기로 흡입되는 냉매의 온도를 측정하는 온도센서;
상기 직접유로와 바이패스 유로를 선택적으로 개방하는 유로전환수단; 및
상기 온도센서에서 측정한 냉매의 온도를 기초로 상기 유로전환수단의 유로전환동작을 제어하는 제어기;
을 더 포함하고,
상기 제어기는 상기 온도센서에서 측정한 냉매의 온도가 기준온도보다 낮은 경우, 상기 직접유로가 폐쇄되고 상기 바이패스 유로가 개방되도록 상기 유로전환수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 압축기 보호수단을 구비한 초저온 냉동시스템.