KR20180056854A - 압축기의 흡입온도 조절이 가능한 고용량 급속 냉각 초저온 냉동기 - Google Patents

압축기의 흡입온도 조절이 가능한 고용량 급속 냉각 초저온 냉동기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고용량 급속 냉각 초저온 냉동기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단일 압축기를 사용하면서도 혼합냉매의 유동 제어를 통해 -80℃ 이하까지 초저온 냉동이 가능하고 냉동능력이 증대됨에도 불구하고 혼합냉매의 과충전에 따른 압축기의 과열을 방지할 수 있으면서 압축기를 최적 상태로 작동가능하게 개선된 압축기의 흡입온도 조절이 가능한 고용량 급속 냉각 초저온 냉동기에 관한 것이다.

Description

압축기의 흡입온도 조절이 가능한 고용량 급속 냉각 초저온 냉동기{High-capacity rapid-cooling cryogenic freezer capable of controlling the suction temperature of the compressor}
본 발명은 고용량 급속 냉각 초저온 냉동기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 단일 압축기를 사용하면서도 혼합냉매의 유동 제어를 통해 -80℃ 이하까지 초저온 냉동이 가능하고 냉동능력이 증대됨에도 불구하고 혼합냉매의 과충전에 따른 압축기의 과열을 방지할 수 있으면서 압축기를 최적 상태로 작동가능하게 개선된 압축기의 흡입온도 조절이 가능한 고용량 급속 냉각 초저온 냉동기에 관한 것이다.
일반적으로, 증기압축사이클 냉동기는 압축기, 응축기, 팽창밸브 및 증발기로 구성되고, 증발온도 -10℃ ∼ -40℃로 설계된다.
이와 달리, 초저온 냉동기는 -80℃ 이하의 온도로 설계되고, 식품 뿐만 아니라 생물체의 세포 및 세균, 바이러스 등의 바이오 물질 등의 성능 및 품질 저하를 막거나 신선도를 유지하고, 경우에 따라서는 적당한 냉동에 의해 유해 세균 등을 사멸하여 치명적인 독성을 제거하는데 사용되고 있다.
또한, 초저온 냉동기는 진공동결건조기의 초저온 생성에 활용되어 식품 및 의약품 등의 건조에 활용되기도 하며, 반도체 제조공정에서는 수분 제거를 위해 활용된다.
이러한 초저온 냉동기는 다원 캐스케이드 냉동사이클을 주로 사용하는데, 다원 캐스케이드 냉동사이클은 압축기를 여러 대 사용하여 각각의 냉동사이클을 구성한 다음, 고온측 냉동사이클의 증발기와 저온측 냉동사이클의 응축기 사이의 열교환을 통해 저온측 증발기의 온도를 초저온으로 발생시키게 된다.
때문에, 다원 캐스케이드 냉동사이클은 압축기를 여러 대 사용하여 공간을 많이 차지하고 단가가 비싸다는 단점이 있다.
이와 같으 다원 캐스케이드 냉동사이클 방식의 단점을 보완하기 위하여 최근에는 압축기를 하나만 사용하고, 혼합냉매를 이용하여 -80℃ 이하의 초저온을 발생하는 혼합냉매 증기압축 냉동사이클을 이용한 초저온 냉동기가 개시되고 있다.
혼합냉매 증기압축 냉동사이클은 압축기를 하나만 사용하고, 포화온도가 다른 냉매와 냉매분리기, 캐스케이드 열교환기를 여러 개 조합하여 포화온도가 높은 냉매부터 차례로 응축하며, 마지막 증발기에서는 포화온도가 가장 낮은 냉매 증발함으로써 초저온을 얻는 방식이다.
하지만, 지금까지 개시된 혼합냉매 증기압축 냉동사이클의 경우, 최저도달온도는 낮지만 냉동능력이 적은 단점이 있어 고용량의 초저온 응용분야에서는 활용하기 어려운 점이 있다. 예컨대, 일반 냉동고라면 밀폐된 공간을 냉각시키는 것으로서 부하변동이 거의 없기 때문에 냉동능력이 작더라도 초저온 냉동하는데 아무런 문제가 없지만, 반도체 제조공정의 경우에는 부하변동이 심하기 때문에 온도만 낮춘다고 되는 것이 아니라 부하변동에 대응하여 지속적으로 냉동시킬 수 있는 냉동능력이 커야한다. 그러나, 혼합냉매 증기압축 냉동사이클을 이용한 초저온 냉동고의 경우 냉동능력이 작기 때문에 반도체 제조공정에서는 사용한 한계가 있는 것이다.
한편, 냉동능력을 증가시키게 되면 압축기의 토출온도가 높아져 작동이 불가능한 상태가 될 뿐만 아니라 캐스케이드 열교환기와 냉매분리기 등의 열용량이 커서 냉각시간이 많이 소요되는 단점이 있다.
따라서, 초저온에서 고용량의 냉동능력이 필요한 반도체 제조공정에서 압축기를 하나만 사용하면서 혼합냉매 증기압축 냉동사이클로 작동하는 초저온 냉동기의 고용량화와 냉각시간 단축 및 이에 따른 문제점을 해결하는 방안이 요구되고 있다.
대한민국 특허 등록번호 제10-1605543호(2016.03.16.) '초저온냉동고 및 동결건조기용 냉동시스템의 초저온 냉매조성물' 대한민국 특허 등록번호 제10-1438155호(2014.08.29.) '극초저온 냉동고' 대한민국 특허 등록번호 제10-0705766호(2007.04.03.) '냉장고의 초저온 냉동시스템' 대한민국 특허 등록번호 제10-0333479호(2002.04.09.) '초저온 다단 냉동장치 및 그 냉매'
본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 단일 압축기를 사용하면서도 혼합냉매의 유동 제어를 통해 -80℃ 이하까지 초저온 냉동이 가능하고 냉동능력이 증대됨에도 불구하고 혼합냉매의 과충전에 따른 압축기의 과열을 방지할 수 있으면서 압축기를 최적 상태로 작동가능하게 개선된 압축기의 흡입온도 조절이 가능한 고용량 급속 냉각 초저온 냉동기를 제공함에 그 주된 목적이 있다.
본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, 포화온도가 가장 높은 제1냉매, 포화온도가 두번째로 높은 제2냉매, 포화온도가 가장 낮은 제3냉매를 혼합한 혼합냉매가 압축기, 응축기, 제1냉매를 팽창시키는 전자팽창밸브, 제2냉매를 팽창시키는 제1수동팽창밸브, 제3냉매를 팽창시키는 제2수동팽창밸브, 제1,2캐스케이드 열교환기 및 증발기를 포함하는 공지된 초저온 냉동기에 있어서; 상기 응축기와 제1캐스케이드 열교환기 사이에 설치되어 혼합냉매로부터 제1냉매를 분리하는 제1냉매분리기; 상기 제1,2캐스케이드 열교환기 사이에 설치되어 혼합냉매로부터 제2냉매를 분리하는 제2냉매분리기; 상기 제2캐스케이드 열교환기와 증발기 사이에 설치되어 혼합냉매로부터 제3냉매를 분리하는 제3냉매분리기; 상기 제2캐스케이드 열교환기와 제2냉매분리기 사이의 냉매관에서 분기 인출한 배관을 통해 연결되어 이상 고압 발생시 압력을 감지하여 밸브 개도 조절을 통해 압력을 조절하는 팽창탱크; 상기 증발기와 압축기 사이에 설치되어 기액을 분리하여 기체상태의 냉매만 압축기로 공급하는 어큐뮬레이터; 상기 어큐뮬레이터에서 나온 냉매와 응축기를 거친 냉매를 열교환시켜 압축기의 흡입부로 들어가는 냉매의 온도를 조절하는 이코노마이저;를 더 포함하고, 냉동기의 초기 기동시 제1냉매의 유량을 제2,3냉매 보다 상대적으로 더 증가시켜 냉동능력을 증대시킨 것을 특징으로 하는 압축기의 흡입온도 조절이 가능한 고용량 급속 냉각 초저온 냉동기를 제공한다.
이때, 상기 혼합냉매는 제3냉매가 제1냉매와는 동등 이하의 부피비율을 갖고, 제2냉매 보다는 더 큰 부피비율로 혼합 구성되는 것에도 그 특징이 있다.
또한, 상기 증발기의 출구와 제2캐스케이스 열교환기의 출구에서 압축기의 흡입부로 최단 유로를 갖도록 증발기 출구 및 제2캐스케이드 열교환기의 출구와 어큐뮬레이터 전단에 설치된 냉매헤드가 직접 배관되어 냉각시간을 단축하도록 구성된 것에도 그 특징이 있다.
본 발명에 따르면, 단일 압축기를 사용하면서도 혼합냉매의 유동 제어를 통해 -80℃ 이하까지 초저온 냉동이 가능하고 냉동능력을 증대시킬 수 있으며, 냉동능력이 증대됨에도 불구하고 혼합냉매의 과충전에 따른 압축기의 과열을 방지할 수 있으면서 압축기를 최적 상태로 작동가능하게 하는 효과를 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 압축기의 흡입온도 조절이 가능한 고용량 급속 냉각 초저온 냉동기의 개략적인 구성도이다.
이하에서는, 첨부도면을 참고하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명 설명에 앞서, 이하의 특정한 구조 내지 기능적 설명들은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시예를 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로, 본 발명의 개념에 따른 실시예들은 다양한 형태로 실시될 수 있으며, 본 명세서에 설명된 실시예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 아니된다.
또한, 본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로, 특정 실시예들은 도면에 예시하고 본 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시예들을 특정한 개시 형태에 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경물, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명은 압축기를 하나만 사용하면서 혼합냉매 증기압축 냉동사이클로 작동하는 초저온 냉동기에서 혼합냉매 중 포화온도가 가장 낮은 냉매의 비율을 증가시킴으로써 냉동능력을 고용량으로 증대시킬 수 있고, 또한 이에 따른 압축기 토출온도의 과열을 방지하고 압축기의 최적 작동이 가능하도록 압축기 흡입냉매의 온도를 조절할 뿐만 아니라 냉각시간을 단축시키도록 구성된 것에 특징이 있다.
아울러, 본 발명은 혼합냉매를 사용하는데, 이를 테면 제1,2,3냉매가 그것이고, 이때 제1냉매는 포화온도가 가장 높은 냉매로서 예컨대 R134a를 예시할 수 있다.
그리고, 제2냉매는 포화온도가 두 번째로 높은 냉매로서 예컨대 R23을 예시할 수 있고, 제3냉매는 포화온도가 가장 낮은 냉매로서 예컨대 R14를 예시할 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따른 압축기의 흡입온도 조절이 가능한 고용량 급속 냉각 초저온 냉동기는 도 1의 예시와 같이, 하나의 압축기(100), 오일분리기(150), 응축기(110), 제1냉매분리기(130), 제2냉매분리기(131), 제3냉매분리기(132), 전자팽창밸브(140), 제1수동팽창밸브(141), 제2수동팽창밸브(142), 어큐뮬레이터(160), 팽창탱크(170), 보조탱크(180), 제1캐스케이드 열교환기(120), 제2캐스케이드 열교환기(121), 제1솔레노이드밸브(190), 제2솔레노이드밸브(191), 제3솔레노이드밸브(192), 제4솔레노이드밸브(193), 제5솔레노이드밸브(194), 제1수동밸브(195), 제2수동밸브(196), 냉매헤드(200), 증발기(122), 이코노마이저(123) 그리고 초저온 냉동기 각 부품을 연결하는 배관 등을 포함한다.
이때, 하나의 압축기(100)를 이용하는 초저온 냉동기에서 사용하는 냉매는 -80℃의 온도를 얻기 위해 3성분의 혼합냉매이며, 이는 앞서 설명한 바와 같이, 포화온도가 가장 높은 제1냉매는 R134a, 포화온도가 두번째로 높은 제2냉매는 R23, 포화온도가 가장 낮은 제3냉매는 R14로 구성됨이 바람직하다.
뿐만 아니라, 상기 압축기(100)는 혼합냉매를 압축하고, 상기 오일분리기(150)는 압축된 혼합냉매에 포함된 오일을 분리한다.
이때, 상기 오일분리기(150)에서 분리된 오일은 압축기(100)로 다시 회수된다.
또한, 상기 압축기(100)의 흡입부로 유입되는 혼합냉매는 어큐뮬레이터(160)를 통해 기액이 분리된 상태에서 가스 상태, 즉 기체만 흡입되도록 설계된다.
아울러, 상기 오일분리기(150)에서 오일이 분리된 혼합냉매는 응축기(110)를 거칠 때 혼합냉매 중 특히, 제1냉매가 주로 응축되고, 제1냉매분리기(130)를 통해 응축 냉매와 가스 냉매로 분리되는데, 응축 냉매(주로 제1냉매)는 전자팽창밸브(140)로 이동하고, 가스 냉매(주로 제2,3냉매)는 제1캐스케이드 열교환기(120)로 이동한다.
그리고, 상기 제1캐스케이드 열교환기(120)에서는 전자팽창밸브(140)를 통해 팽창된 제1냉매와, 상기 제1냉매분리기(130)에서 공급된 가스 냉매(주로 제2,3냉매)가 열교환하여 제1냉매는 제2캐스케이드 열교환기(121)에서 회수된 제2,3혼합냉매와 혼합되어 냉매헤드(200)로 이동하고, 제1캐스케이드 열교환기(120)에서 열교환한 가스 냉매(주로 제2,3냉매)는 제2냉매가 주로 응축되어 제3냉매와 함께 제2냉매분리기(131)로 이동한다.
또한, 상기 제2냉매분리기(131)에서는 응축된 제2냉매를 분리하고, 분리된 제2냉매는 제1수동팽창밸브(141)로 이동하고, 가스 상태의 제3냉매는 제2캐스케이드 열교환기(121)로 이동한다.
한편, 상기 제2캐스케이드 열교환기(121)에서는 제1수동팽창밸브(141)에서 팽창된 제2냉매와, 제2냉매분리기(131)에서 공급된 가스 상태의 제3냉매가 열교환하여 제2냉매는 증발기(122)에서 회수된 제3냉매와 혼합되어 상기 제1캐스케이드 열교환기(120)로 공급되며, 또한 전자팽창밸브(140)에서 팽창된 제1냉매와 혼합되어 상기 제1캐스케이드 열교환기(120)로 다시 이동한다.
또한, 상기 제2냉매분리기(131)에서 공급된 가스 상태의 제3냉매는 제2캐스케이드 열교환기(121)에서 열교환 한 후 응축되어 제3냉매분리기(132)로 이동한다.
아울러, 상기 제3냉매분리기(132)에서는 응축된 제3냉매가 제2수동팽창밸브(142)를 거쳐 증발기(122)로 이동하고, 상기 증발기(122)로 들어오는 브라인(Coolant)를 -80℃까지 냉각한다.
뿐만 아니라, 상기 증발기(122)에서는 제2수동팽창밸브(142)에서 팽창된 제3냉매와, 상기 증발기(122)로 들어오는 브라인(Coolant)과 열교환하여 제3냉매는 제2캐스케이드 열교환기(121)로 이동하여 제2캐스케이드 열교환기(121)에서 열교환 한 제2냉매와 혼합된다.
그리고, 상기 제1캐스케이드 열교환기(120)에서 혼합된 제1,2,3혼합냉매는 냉매헤드(200)로 이동하여 어큘뮬레이터(160)를 거친 다음 다시 압축기(100)의 흡입부로 들어가 혼합냉매 초저온 냉동사이클을 완성한다.
아울러, 상기 팽창탱크(170)는 본 발명에 따른 초저온 냉동기에서 이상 고압 발생시 압력을 감지하여 밸브 개도 조절을 통해 압력을 떨어뜨려 냉동기를 보호하도록 하며, 보조탱크(180)를 이용하여 압력을 조절하거나 보상하도록 구성된다.
이를 위해, 상기 팽창탱크(170)와 보조탱크(180)는 제1솔레노이드밸브(190)를 통해 상호 압력조절이 가능하도록 구성되며, 상기 제2캐스케이드 열교환기(121)와 제2냉매분리기(131) 사이의 냉매관에서 분기 인출한 배관을 통해 연결설치된다.
또한, 이코노마이저(123)에서는 압축기(100)의 흡입부에서 혼합냉매 온도를 조절하기 위하여 어큐뮬레이터(160)에서 나온 혼합냉매와 응축기(11)에서 나온 혼합냉매를 열교환한다.
이때, 압축기(100) 흡입부의 혼합냉매 온도는 제1수동밸브(195)와 제2수동밸브(196)의 개도를 변화시키며 조절한다.
뿐만 아니라, 하나의 압축기(100)를 이용하는 혼합냉매 초저온 냉동기의 냉각시간을 단축시키기 위하여 냉각 초기에는 제2솔레노이드밸브(191)와 제3솔레노이드밸브(192)를 닫고, 제4솔레노이드밸브(193)와 제5솔레노이드밸브(194)를 열어서 제2캐스케이드 열교환기(121)에서 나온 제2냉매와 증발기(122)에서 나온 제3냉매의 저온을 이용하여 배관, 냉매헤드(200) 및 핵심부품을 빨리 냉각한 후, 충분히 냉각되면 제4솔레노이드밸브(193)와 제5솔레노이드밸브(194)를 닫고, 제2솔레노이드밸브(191)와 제3솔레노이드밸브(192)를 열어서 정상적인 냉동사이클이 작동되도록 한다.
따라서, 증발기(122)에서의 혼합냉매중 제3냉매의 유량을 증가시켜 초저온 냉동기의 냉동능력을 증가시킬 수 있고, 응축기(110)의 출구부와 압축기(100)의 흡입부 사이에서 냉매 열교환을 통해 압축기(100) 흡입부의 냉매 온도를 낮출 수 있다.
이때, 상기 혼합냉매는 제3냉매가 제1냉매와는 동등 이하의 부피비율을 갖도록 혼합되고, 제2냉매 보다는 더 큰 부피비율로 혼합되도록 구성됨이 바람직하다.
또한, 다수의 솔레노이드밸브 조작을 통해 증발기(122)의 출구와 제2캐스케이드 열교환기(121)의 출구에서 압축기(100) 흡입부로 직접 연결하도록 함으로써 초저온 냉동기 시스템 냉각 시간을 단축할 수 있다.
즉, 상기 증발기(122)의 출구와 제2캐스케이스 열교환기(121)의 출구에서 압축기(100)의 흡입부로 최단 유로를 갖도록 증발기(122) 출구 및 제2캐스케이드 열교환기(121)의 출구와 어큐뮬레이터(160) 전단에 설치된 냉매헤드(200)가 직접 배관되어 냉각시간을 단축하도록 구성된다는 의미이다.
나아가, 하나의 압축기(100)를 이용한 혼합냉매 초저온 냉동 시스템을 사용함으로써 제작단가도 낮출 수 있는 장점이 있다.
100: 압축기 110: 응축기
120: 제1캐스케이드 열교환기 121: 제2캐스케이드 열교환기
122: 증발기 130: 제1냉매분리기
131: 제2냉매분리기 132: 제3냉매분리기
140: 전자팽창밸브 150: 오일분리기
160: 어큐뮬레이터 170: 팽창탱크
180: 보조탱크

Claims (3)

  1. 포화온도가 가장 높은 제1냉매, 포화온도가 두번째로 높은 제2냉매, 포화온도가 가장 낮은 제3냉매를 혼합한 혼합냉매가 압축기, 응축기, 제1냉매를 팽창시키는 전자팽창밸브, 제2냉매를 팽창시키는 제1수동팽창밸브, 제3냉매를 팽창시키는 제2수동팽창밸브, 제1,2캐스케이드 열교환기 및 증발기를 포함하는 공지된 초저온 냉동기에 있어서;
    상기 응축기와 제1캐스케이드 열교환기 사이에 설치되어 혼합냉매로부터 제1냉매를 분리하는 제1냉매분리기;
    상기 제1,2캐스케이드 열교환기 사이에 설치되어 혼합냉매로부터 제2냉매를 분리하는 제2냉매분리기;
    상기 제2캐스케이드 열교환기와 증발기 사이에 설치되어 혼합냉매로부터 제3냉매를 분리하는 제3냉매분리기;
    상기 제2캐스케이드 열교환기와 제2냉매분리기 사이의 냉매관에서 분기 인출한 배관을 통해 연결되어 이상 고압 발생시 압력을 감지하여 밸브 개도 조절을 통해 압력을 조절하는 팽창탱크;
    상기 증발기와 압축기 사이에 설치되어 기액을 분리하여 기체상태의 냉매만 압축기로 공급하는 어큐뮬레이터;
    상기 어큐뮬레이터에서 나온 냉매와 응축기를 거친 냉매를 열교환시켜 압축기의 흡입부로 들어가는 냉매의 온도를 조절하는 이코노마이저;를 더 포함하고,
    냉동기의 초기 기동시 제1냉매의 유량을 제2,3냉매 보다 상대적으로 더 증가시켜 냉동능력을 증대시킨 것을 특징으로 하는 압축기의 흡입온도 조절이 가능한 고용량 급속 냉각 초저온 냉동기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 혼합냉매는 제3냉매가 제1냉매와는 동등 이하의 부피비율을 갖고, 제2냉매 보다는 더 큰 부피비율로 혼합 구성되는 것을 특징으로 하는 압축기의 흡입온도 조절이 가능한 고용량 급속 냉각 초저온 냉동기.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 증발기의 출구와 제2캐스케이스 열교환기의 출구에서 압축기의 흡입부로 최단 유로를 갖도록 증발기 출구 및 제2캐스케이드 열교환기의 출구와 어큐뮬레이터 전단에 설치된 냉매헤드가 직접 배관되어 냉각시간을 단축하도록 구성된 것을 특징으로 하는 압축기의 흡입온도 조절이 가능한 고용량 급속 냉각 초저온 냉동기.
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