KR20180087436A - 탄화수소 냉매를 위한 이중-회로 증발기를 갖는 제빙기 - Google Patents

탄화수소 냉매를 위한 이중-회로 증발기를 갖는 제빙기 Download PDF

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Abstract

탄화수소(HC) 냉매들, 그리고 특히 프로판(R-290)을 위해 설계된 냉동 시스템을 갖는 제빙기는, 이중 독립 냉동 시스템들, 및 2개의 냉각 회로들에 부착된 단일 동결판으로 구성되는 고유의 증발기 조립체를 포함한다. 사행 행상들이, 열 부하의 균일한 분배를 제공함으로써, 동결 동안 얼음의 균일한 브리징을 보장하고 수확 동안 원하지 않는 용융을 최소화하는 것에 의해, 효율을 촉진시키는 유리한 패턴으로 설계된다. 가연성 냉매들로 인해 부과되는 충전 제한들은, 그렇지 않으면 단일 회로로 인해 대용량 제빙기가 적절하게 충전되는 것을 방지할 것이다. 제빙기는, 얼음의 적절하고 효율적인 제조를 보장하기 위해, 단일 수로 및 제어 시스템을 포함한다. 재료 비용은, 전통적인 이중 시스템 제빙기와 비교하여, 절약된다.

Description

탄화수소 냉매를 위한 이중-회로 증발기를 갖는 제빙기
관련 출원들에 대한 상호 참조
본 출원은, 2015년 12월 21일자로 출원된 미국 가 특허출원 일련 번호 제62/270,391호의 우선권을 주장하고, 이 출원을 인용에 의해 통합한다.
본 발명은 일반적으로, 자동 제빙기들에 관한 것으로, 더 구체적으로, 탄화수소 냉매들, 예컨대, 프로판을 사용하는, 고유의 증발기를 갖는 제빙기들에 관한 것이며, 이 고유의 증발기는, 증발기에 걸친 얼음의 균일한 제조를 보장하는 방식으로 설계된 이중 독립 냉매 회로들에 부착된 단일 동결판으로 구성되고, 따라서 시스템 충전(system charge)의 허용 가능한 제한 내에서 증가된 얼음 제조 용량을 허용한다.
제빙기들은 전세계적으로 상업용 및 주거용 응용들에서 사용된다. 가정 내 응용들에서, 제빙기들은 전형적으로, 냉동실에 위치된다. 결과로 생기는 얼음은 일반적으로, 동결 프로세스 동안 공기 및 불순물들의 포획에 기인하여, 열악한 품질이 된다. 상업용 응용들에서, 제빙기들은 전형적으로, 얼음을 직립으로 또는 수직으로, 불순물들을 제거하고 순수하고 깨끗한 각얼음(ice cube)을 생성하는 방식으로 동결시킨다. 다른 참고 문헌들 중에서, 미국 특허 제5,237,837호 및 특허 공개 공보 제2010/0251746호가 공지되어 있고, 이 프로세스의 실시예들을 상세히 설명한다. 상업용 제빙기들은 전통적으로, 얼음에 접근하기 위해, 얼음 저장 용기 또는 자동 분배기 위에 배치된 단일 제빙 유닛으로 구성된다. 얼음 레벨 센서는, 용기 또는 분배기 레벨이 가득 찼을 때를 신호하고, 이 시점에서, 제빙 유닛은, 수요가 돌아올 때까지 동작이 중지된다. 얼음이 용기로부터 분배되거나 꺼내지면, 얼음이 센서에서 떨어지고 제조가 재개된다. 미국 특허 공개 공보 제2008/0110186호가 공지되고, 이 프로세스를 상세히 더 설명한다. 그러한 기계들이 널리 수용되었고, 신선한 얼음에 대한 지속적이고 높은 수요를 갖는 상업용 시설들, 예컨대, 식당들, 바들(bars), 모텔들 및 다양한 음료 판매점들에 특히 바람직하다.
냉매 선택은 제빙기의 설계에 주요 요소이다. 제빙기 증발기들은, -10℃ 내지 -20℃ 범위의 최적 온도를 갖는, 중온 내지 저온에서 동작한다. 1987년 9월에, 몬트리올 의정서는 CFC의 사용을 금지하고 R-22의 단계적 폐지를 시작했다. 그 대신, 오존을 파괴하지 않는 HFC 냉매들이 제빙 응용에 대해 표준이 되었다. 특히, HFC-125, HFC-143a 및 HFC-134a의 유사 공비 블렌드인 R-404a는, 증발 프로세스 전반에 걸쳐 거의 안정적인 온도를 제공하는데, 이는, 증발기에 걸쳐서 일관된 얼음 슬래브(slab)를 제조하는 데에 중요하다. 이는 또한, 인화성이 없고, 그러므로, 상업용 제빙기들에서의 그 사용에 대한 충전 제한이 없다. 증발기, 압축기 및 응축 유닛의 크기를 간단히 증가시키고, 그리고 결과적으로, 시스템에 대한 적절한 충전을 제공하는 데에 필요한 냉매량을 증가시킴으로써, 더 높은 얼음 용량들이 가능하다. 독립형(self-contained) 응축 유닛들을 갖는 더 큰 제빙기들은, R-404a를 5 파운드(2,268 그램) 만큼 포함할 수 있고, 원격 응축 유닛들이 있는 시스템들은, 연결 라인 세트들의 길이에 따라, 10 파운드(4,536 그램) 초과의 R-404a를 가질 수 있다.
응용에 대한 R-404a의 최적의 적합함(fit)에도 불구하고, R-404a는, 환경에 대한 R-404a 영향에 대해 점점 더 부정적인 관심을 받고 있다. GWP는 지구 온난화에 기여할 것으로 추정되는 온실 가스의 주어진 질량의 척도이다. 그의 상대적 크기는, 협약에 의해 1의 GWP를 갖는 이산화탄소(CO2) 가스의 크기와 비교된다. R-404A는 3,922의 GWP를 갖는 것으로 추정된다. R-404a의 대기로의 직접 배출은 금지되어 있지만, 극소량의 누설로 인한, 장비의 수명 동안의 냉매의 간접 배출은 확인하기가 거의 불가능하다. 심지어 더 큰 영향이, 감소된 비용으로 동작하는 장비에 요구되는 증가된 에너지 소비의 간접적인 결과에 존재한다. 이 경우에, 그 영향은, 그 부가적인 에너지의 생성 동안 대기에 배출되는 탄소 배출량의 증가로 나타난다. 이로써, HFC 냉매들의 단계적 폐지는 세계적인 추진력을 얻었다. 유럽 연합은, 2015년 1월에 발효된 "F-가스 규제"를 통과시킴으로써 2030년까지 플루오린화 온실 가스들의 배출량의 2/3를 감축하는 조치를 취했다. 미국은, 2016년 1월 초에 유사한 단계적 폐지 일정들을 통과시킴으로써, 그러한 선례를 따랐다. 개별 주들(states)도 또한, 도전에 응했다. 특히, 캘리포니아 주는, 2021년 1월까지 150 초과의 GWP를 갖는 모든 냉매들을 금지하기 위해, 2015년 6월에 규정을 제정했다. 현재까지, 잠재적인 드롭-인(drop-in) 교체, 예컨대, R-448과 같은 HFO 블렌드 또는 R-407A를 제공하는 몇 가지 대안적인 냉매들이 있지만, 캘리포니아의 150GWP 제한 미만은 없다. 또한, 특히, 제빙기들의 경우, 증발 표면에 걸쳐 얼음을 균일하게 만들기 위해, 임의의 대안적인 작동 유체는 무시할 수 있는 온도 활주(temperature glide)를 갖는다는 요건이 있다. 전술된 HFO 블렌드들은, 응용에 대해 HFO 블렌드들을 적합하지 않게 만드는 비교적 높은 온도 활주를 갖는다. 제빙기 제조업체들은 구체화되는 새로운 법규들을 준수할 수 밖에 없을 것이고, 궁극적으로, HFC들 및 제안된 HFO 대안 블렌드들의 사용이 끝날 것이며 제빙 장비는 완전히 재설계되어야 할 것이다.
제빙기 제조업체들이, 전술된 단계적 폐지에 직면한 가운데, 자연 냉매들의 경우는 그다지 널리 퍼지지 않았다. 프로판(R-290)은 고도로 효율적이고, 단지 2의 GWP를 갖는 매우 친환경적인 대안이다. 이는 본질적으로, 주요한 개질 없이 기존 시스템들에 포함될 수 있지만; R-290은 그 가연성으로 인해 자체적인 일련의 설계 난제들을 야기한다. IEC는, 그 위험을 완화시키기 위한 노력으로, 150 그램의 냉매 충전 제한을 부과했다. R-290의 이점들의 장점을 취하기 위해, 제조업체들은 시스템의 냉매 충전을 제한하는 기술을 개발해야 한다. 하나의 그러한 기법은 미국 특허 제9,052,130호에 설명되어 있고, 여기서, 전통적인 핀 및 튜브 응축기는 100 내지 250 밀리리터의 내부 용적을 갖는 동등한 마이크로채널 응축기로 대체되었다. 그러나, 마이크로채널 응축기들은 전통적으로, 핀 및 튜브 응축기들보다 더 비싸고, 단지 250 ml의 용적만을 가지며, 그러한 응축기로 얻을 수 있는 최대 얼음 용량에는 여전히 제한이 있다. 얼음 제조업체들은 150 그램의 프로판으로 하루에 500 파운드의 얼음을 성공적으로 만들었지만, 단일 시스템에서 더 많은 용량을 필요로 하는 제빙기들에 대한 해결책은 존재하지 않는다. 논리적으로, 더 높은 얼음 용량들을 달성하기 위해, 관련 기술분야의 통상의 기술자는 다수의 시스템들을 하나의 기계에 채용하게 될 것이다. 미국 특허 제4,384,462호는, 그 수요에 따라 시스템들을 순환시킴으로써, 증가하는 수요에 유리하게 응답하는 팽창 디바이스들 및 복수의 증발기들을 포함하는 다중 압축기 시스템을 개시한다. 제빙기들과 직접적으로 관련되지 않지만, 유사하게 얼음 수요에 응답할 상업용 제빙기를 위한 유사한 시스템을 상상할 수 있다. 그러나, 다수의 시스템들의 비용이, 이 제품을 수익이 없게 만들 것이다. 몇몇 경우들에서, 높은 열 전도 재료, 예컨대, 구리로 만들어지는 증발기는 제빙기의 가장 비싼 컴포넌트이다. 재료 비용 외에도, 제조, 간접 비용들, 및 무전해 니켈과 같은 성능 코팅들(performance coatings)의 임의의 부가적인 비용을 합하면 전체 제빙기 재료 비용의 1/3 만큼이 될 수 있다. 또한, 몇몇 중요한 성능-관련 단점들이 있을 수 있다. 순환 제어를 갖는 이중-증발기 시스템은, 하나의 증발기를 다른 증발기보다 더 빠르게 스케일링하거나(scale) 부식시켜 일 측의 더 잦은 고장들을 초래할 것이고, 실질적으로 제빙 능력을 절반으로 감소시킬 것이다. 탄화수소 이중 증발기 시스템에 대한 증가된 보증 비용들은, 오늘날의 단일 HFC 시스템 증발기 표준과 비교하여, 비즈니스 사례에 크게 영향을 미치고 임의의 잠재적인 이익들을 낭비한다. 그러므로, R-290을 위해 제안된 현재의 해결책들은 안타깝게도, 전체 비용을 감소시키도록 몰리는 경쟁적인 시장, 특히, 전세계의 신흥 제조업체들이 새롭게 경쟁하는 시장에서, 더 큰 제빙기들에 대한 해결책을 거의 제공하지 않는다.
단일 R-290 시스템 제빙기는 여전히, 최상의 해결책을 제공하는데, 이는, 이 제빙기가, 요구되는 컴포넌트들의 개수를 감소시키고 비용을 절약하기 때문이지만, 냉매 충전을 상당히 부가하지 않고 얼음 용량을 증가시킬 수단이 있어야만 한다. 특별히 의도되지는 않았지만, 통합될 수 있는 하나의 방법은, 하나의 냉동 회로를 갖는 2개의 증발기 동결판들을 사용하는, 미국 특허 제7,017,355호에 설명된 방법이다. 2개의 증발기 판들 사이에서 직사각형 횡단면 도관이 사용되고, 냉매 배관의 반대쪽 측 상에서 전통적으로 손실되는 열을 회수함으로써, 시스템의 효율을 증가시킨다. 그러나, 이 방법은 시장에서 증명되지 않았고, 판-튜브 분리의 높은 확률로 인해, 평평한 도관이 제빙기 수명의 기간 동안 지속할 것이라는 증거는 거의 없다. 평평함에서의 표면 결함들은 판과 튜브 사이에 공기의 포켓들을 야기할 것이고, 궁극적으로, 두 개의 표면들 사이에 얼음의 축적으로 이어질 것이다. 반복되는 열 순환에 걸쳐, 얼음은 동결판 뒤로 전파되도록 팽창할 것이고, 이는, 감소된 얼음 용량, 그리고 궁극적으로 완전한 실패로 이어질 것이다. 반면에, 둥근 배관이 동결판 표면에 부착된 제빙 증발기들은, 분리 없이 10년 이상의 열 순환을 견딤으로써, 평평한 도관보다 우수한 것으로 증명되었다.
따라서, 하루에 500 파운드 초과의 얼음을 만들 수 있고 그 냉매로서 R-290을 사용하는 단일 상업용 제빙기에 대한 필요가 남아있다. 이 해결책은, (1) 개별 시스템들이, 탄화수소들에 대해 적절하게(in place) 설정된 제한들을 고수하고, (2) 값비싼 컴포넌트들 및 시스템들의 개수를 감소시킴으로써 제조 비용이 제한되며, (3) 증발기를 제조하기 위한 증명되고 신뢰할 수 있는 방법이, 동결판에 대한 양호한 접착력을 가지고 반복될 수 있는 것을 요구한다. 본 개시내용은, R-290 단일 시스템들의 경우 충전 제한들이 150 그램 너머로 증가하는 경우에, 더 높은 얼음 용량들을 허용한다. 그럼에도 불구하고, 실내에 위치되고 설치된 상업용 장비를 위한 가연성 냉매들의 사용에 대해서는 항상 충전 제한이 존재할 것이다. 관련 기술분야의 통상의 기술자는, 냉매 제한을 고려하여 최대 허용 가능한 얼음 용량을 결정할 것이고, 이 경우에, 여전히 더 높은 얼음 용량들을 허용하는 것에 있어서 본 개시내용의 본질이 여전히 적용될 것이다.
그러므로, 간략하게, 본 발명의 일 실시예는, 액체 상태와 가스 상태 사이에서 전이할 수 있는 냉매를 사용하여 얼음을 형성하기 위한 제빙 조립체에 관한 것이며, 조립체는 단일 증발기 조립체를 갖는 2개의 냉동 회로들을 포함한다. 냉동 회로들 각각은 개별 압축기, 응축기, 고온 가스 밸브, 열 팽창 디바이스, 및 상호연결 라인들을 포함한다. 냉매는 바람직하게, 대략 100 내지 300 그램의 탄화수소 냉매이다. 증발기 조립체는 2개의 냉매 배관들, 및 제1 및 제2 냉매 배관에 열적으로 커플링된 동결판을 포함하고, 이 냉매 배관들 각각은 사행 형상(serpentine shape)으로 형성되고, 냉동 회로들 중 하나와 유체 연통한다. 바람직하게, 제1 및 제2 냉매 배관은 증발기 조립체의 일부로서 서로 인터리브된다(interleaved). 제빙 조립체는 또한, 물을 동결판에 공급하기 위한 물 시스템을 포함하고, 물 시스템은, 물 펌프, 동결판 위의 물 분배기, 퍼지 밸브, 물 입구 밸브, 및 동결판 아래에 위치되어 물을 유지하도록 적응된 물 저장소를 포함한다. 물 펌프는, 동결판 위에서 물을 순환시키기 위해, 저장소 및 물 분배기와 유체 연통한다.
본 발명은, 탄화수소 냉매들의 설계 제한들 내에서 안전하게 동작하면서 더 높은 얼음 용량들을 제공한다. 이러한 그리고 다른 전술된 문제들을 해결하기 위해, 본 발명은 고유의 증발기 조립체를 포함하고, 여기서, 단일 동결판은 이중 독립 탄화수소 냉동 시스템들에 부착된다. 개시된 본 발명은, 단일 증발기, 단일 물 순환 시스템, 및 얼음의 효율적인 제조를 모니터하고 제어하기 위한 단일 마이크로프로세서를 채용함으로써, 전통적인 이중 시스템 제빙기와 비교하여, 재료 비용을 절약한다.
본 발명의 이러한 그리고 다른 특징들, 양상들 및 장점들은 이하의 상세한 설명, 첨부된 청구항들, 및 첨부한 도면들로부터 더 완전히 명백해질 것이며, 여기서, 도면들은 본 발명의 예시적인 실시예들에 따른 특징들을 예시하고, 도면들에서:
도 1은, 제빙기의 사시도이고;
도 2는, 단일 증발기에 부착된 이중 냉동 회로들을 예시하는, 본 발명의 일 실시예에 따른 제빙 시스템의 개략도이며;
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른 동결판으로의 부착을 위한 제1 배관의 개략도이고;
도 4는, 본 발명의 일 실시예에 따른 동결판으로의 부착을 위한 제2 배관의 개략도이며;
도 5는, 본 발명의 일 실시예에 따른 증발기 조립체의 정면도의 개략도이고;
도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 증발기 조립체의 후면도의 개략도이며; 그리고
도 7은, 본 발명의 일 실시예에 따른 제어 시스템의 도면이다.
본 발명의 임의의 실시예들이 상세히 설명되기 이전에, 본 발명이, 이하의 설명에서 열거되거나 이하의 도면들에 예시되는 구성의 세부 사항들 및 컴포넌트들의 배열로 그 응용이 제한되지 않는다는 점이 이해될 것이다. 본 발명은 다른 실시예들일 수 있고 다양한 방식들로 실시될 수 있거나 수행될 수 있다. 또한, 본원에서 사용되는 어구 및 용어는 설명의 목적을 위한 것이고, 제한적인 것으로 간주되어서는 안됨이 이해될 것이다. "포함하는", "포괄하는", 또는 "갖는" 및 그의 변형들의 사용은, 그 뒤에 나열되는 항목들 및 그의 등가물들뿐만 아니라 부가적인 항목들을 포괄하도록 의도된다. 본 명세서 및 청구항들에서 사용되는 측정치들 등을 나타내는 모든 숫자들은, 모든 경우들에서, "약"이라는 용어에 의해 수정되는 것으로 이해되어야 한다. 또한, 본원에서 전후, 좌우, 최상부(top) 및 바닥부(bottom), 및 상부(upper) 및 하부(lower)에 대한 임의의 언급들은, 설명의 편의를 위한 것으로 의도되고, 본원에 개시된 본 발명 또는 본 발명의 컴포넌트들을 임의의 하나의 위치적 또는 공간적 배향으로 제한하도록 의도되는 것이 아님이 주목되어야 한다.
도 1은, 얼음 저장 용기(14)의 최상부 상에 장착될 수 있는 캐비넷(12)의 내부에 배치되는 제빙 조립체를 갖는 종래의 상업용 제빙기(10)를 예시한다. 얼음 저장 용기(14)는, 용기 내부에 저장된 얼음에 대한 접근을 제공하도록 개방될 수 있는 도어(16)를 포함할 수 있다. 제빙기(10)는, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고, 본원에서 설명되지 않은 다른 종래의 컴포넌트들을 가질 수 있다.
도 2는, 수로(water circuit; 22) 및 2개의 냉동 회로들(24 및 26)을 갖는 제빙 조립체(20)의 일 실시예의 특정 주요 컴포넌트들을 예시한다. 냉동 회로들은 동일한 컴포넌트들로 형성될 수 있고, 그러므로, 그러한 컴포넌트들은 유사한 참조 번호들을 사용하여 설명될 것이다. 수로(22)는, 증발기 조립체(32)에 걸친 분배를 위해 물을 물 분배 매니폴드 또는 튜브(30)로 순환시키는 물 펌프(28), 물 저장소(26)를 포함할 수 있다. 제빙 조립체(20)의 동작 동안, 물이 물 펌프(28)에 의해 물 저장소(26)로부터 물 라인을 통해 그리고 분배기 매니폴드 또는 튜브(30) 밖으로 펌핑될 때, 물은 증발기 조립체(32)에 충돌하고, 동결판의 포켓들(34) 위에서 유동하여 얼음으로 동결된다. 물 저장소(26)는, 물이 물 펌프(28)에 의해 재순환될 수 있도록 조립체(32)로부터 나오는 물을 잡기 위해, 증발기 조립체(32) 아래에 위치될 수 있다.
수로(22)는, 물 공급부로부터의 물로 물 저장소(26)를 채우기 위해, 물 공급 라인(36), 물 필터(38), 및 물 필터(38) 상에 배치된 물 입구 밸브(40)를 더 포함할 수 있고, 공급되는 물의 일부 또는 전부가 얼음으로 동결될 수 있다. 물 저장소(26)는, 관련 기술분야에 공지된 바와 같이, 몇몇 형태의 수위 센서(water level sensor), 예컨대, 부유식계(float meter) 또는 도전율계(conductivity meter)를 포함할 수 있다. 수로(22)는, 물 퍼지 라인(42) 및 물 퍼지 라인(42) 상에 배치된 퍼지 밸브(44)를 더 포함할 수 있다. 얼음이 형성된 이후에 저장소(26)에 남아 있는 물 및/또는 임의의 오염 물질들은 퍼지 밸브(44)를 통해 퍼지 라인(42)을 통하여 퍼지될 수 있다.
냉동 회로들(24 및 26) 각각은, 압축기(50), 압축기(50)로부터 방출되는 압축된 냉매 증기를 응축시키기 위한 응축기(52), 가스성(gaseous) 냉각 매체를 응축기(52)에 걸쳐서 송풍(blow)하도록 위치된 응축 팬(54), 건조기(56), 열 교환기(58), 냉매의 온도 및 압력을 낮추기 위한 열 팽창 디바이스(60), 스트레이너(strainer; 62), 및 고온 가스 우회 밸브(64)를 포함할 수 있다. 본원의 다른 곳에서 더 충분히 설명되는 바와 같이, 냉매의 형태는 이러한 컴포넌트들을 통해 순환한다.
열 팽창 디바이스(60)는 모세관, 자동 온도 조절식(thermostatic) 팽창 밸브, 또는 전자식 팽창 밸브를 포함할 수 있지만, 이에 제한되지는 않는다. 열 팽창 디바이스(60)가 자동 온도 조절식 팽창 밸브 또는 전자식 팽창 밸브인 특정 실시예들에서, 수로(22)는 또한, 열 팽창 디바이스(60)를 제어하기 위해, 증발기 조립체(32)의 출구에 배치된 온도 감지 벌브(bulb)를 포함할 수 있다. 열 팽창 디바이스(60)가 전자식 팽창 밸브인 다른 실시예들에서, 수로(22)는 또한, 관련 기술분야에 공지된 바와 같은 열 팽창 디바이스(60)를 제어하기 위해, 증발기 조립체(32)의 출구에 배치된 압력 센서(도시되지 않음)를 포함할 수 있다.
냉동 회로들(24 및 26)뿐만 아니라 수로(22)는, 일련의 릴레이들(relays)을 통한 시동, 동결, 및 수확(harvesting) 사이클들을 위해, 제어기(70)에 의해 제어될 수 있다. 제어기(70)는, 프로세서가 프로세스를 수행하게 하는 명령들을 나타내는 코드를 저장하는 프로세서-판독 가능 매체와 함께 프로세서를 포함할 수 있다. 프로세서는, 예를 들어, 하나 이상의 특정 기능들을 달성하도록 설계되거나 하나 이상의 특정 디바이스들 또는 응용들을 가능하게 하는, 상업적으로 이용 가능한 마이크로프로세서, ASIC(application-specific integrated circuit), 또는 ASIC들의 조합일 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제어기(70)는 아날로그 또는 디지털 회로, 또는 다수의 회로들의 조합일 수 있다. 제어기(70)는 또한, 데이터를 제어기(70)에 의해 검색 가능한(retrievable) 형태로 저장하기 위한 하나 이상의 메모리 컴포넌트들(도시되지 않음)을 포함할 수 있다. 제어기(70)는 하나 이상의 메모리 컴포넌트들에 데이터를 저장하거나 이 메모리 컴포넌트들로부터 데이터를 검색할 수 있다. 제어기(70)는 또한, 경과된 시간을 측정하기 위한 타이머를 포함할 수 있다. 타이머는, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않고, 관련 기술분야에 공지된 임의의 방식으로, 제어기(70) 상에 또는 내부에 그리고/또는 프로세서에, 하드웨어 및/또는 소프트웨어를 통해 구현될 수 있다.
냉동 회로들(24 및 26)의 일 실시예의 개별 컴포넌트들 각각을 설명했고, 이제, 다양한 실시예들에서 컴포넌트들이 상호작용하고 동작하는 방식이, 다시 도 2를 참조하여 설명될 수 있다. 처음에, 냉동 회로들 각각은, 탄화수소 냉매, 예컨대, 프로판(R290)으로 특정 충전 제한, 예를 들면, 100 내지 300 그램, 또는 바람직하게 약 150 그램까지 충전된다. 냉동 회로들의 동작 동안, 각각의 압축기(50)는 낮은-압력의 실질적으로 가스성인 냉매를 증발기 조립체(32)로부터 연관된 라인(제1 냉동 회로(24)를 위한 라인(76) 및 제2 냉동 회로(26)를 위한 라인(78))을 통해 수용한다. 압축기(50)는 냉매를 가압하고, 높은-압력의 실질적으로 가스성인 냉매를 응축기(52)로 방출한다. 압축기(50)의 흡입 측과 압축기(50)의 방출 측 사이의 압력 차이는, 흡입 및 방출 라인들(Ps(82) 및 Pd(84)) 상에 위치된 2개의 압력 센서들을 사용하여 측정될 수 있다. 응축기(52)에서, 냉매로부터 열이 제거되어, 실질적으로 가스성인 냉매가, 실질적으로 액체인 냉매로 응축되게 한다.
응축기(52)를 빠져나간 이후, 높은-압력의 실질적으로 액체인 냉매는, 수분을 제거하기 위해, 그리고 건조기(56)가, 메쉬 스크린과 같은 필터의 형태를 포함하는 경우, 액체 냉매 내의 특정 미립자들을 제거하기 위해, 건조기(56)를 통해 보내진다. 그런 다음에, 냉매는 열 교환기(58) ― 열 교환기(58)는, 응축기(52)를 떠나는 따뜻한 액체 냉매를 사용하여, 증발기 조립체(32)를 떠나는 차가운 냉매 증기를 가열함 ― 를 통과하여, 열 팽창 디바이스(60) ― 열 팽창 디바이스(60)는, 티(tee; 68)를 통해 라인들(72 및 74)을 통한 증발기 조립체(32) 내로의 도입을 위해, 실질적으로 액체인 냉매의 압력을 감소시킴 ― 내로 전달된다. 낮은-압력의 팽창된 냉매가 증발기 조립체(32)의 배관을 통해 전달되기 때문에, 냉매는, 증발기 조립체(32) 내에 포함된 튜브들로부터 열을 흡수하고, 냉매가 튜브들을 통과할 때 증발하며, 따라서 증발기(32)를 냉각시킨다. 낮은-압력의 실질적으로 가스성인 냉매는 증발기 조립체(32)의 출구로부터 흡입 라인(제1 냉동 회로(24)를 위한 라인(76) 및 제2 냉동 회로(26)를 위한 라인(78))을 통해 방출되고, 각각의 압축기(50)의 입구 내로 재도입된다.
도 3 및 도 4는, 증발기 조립체(32)의 제1 배관(90) 및 제2 배관(92)을 예시한다. 제1 배관(90)은, 흡입 라인(72)에 연결된 입구(94), 및 흡입 라인(76)에 연결된 출구(96)를 갖는다. 유사하게, 제2 배관(92)은, 흡입 라인(74)에 연결된 입구(98), 및 흡입 라인(78)에 연결된 출구(100)를 갖는다. 따라서, 각각의 냉동 회로에서, 냉매는 응축기로부터 압축기로 증발기 배관(90 및 92)으로 순환한다.
도 5는, 증발기 조립체(32)의 동결판(102)의 후방 측에 열적으로 커플링된 제1 배관(90) 및 제2 배관(92)을 예시한다. 도 6은, 증발기 조립체(32)의 동결판(102)의 정면도를 도시한다. 제1 배관(90) 및 제2 배관(92)은 바람직하게, 이 배관들이, 도 5에 예시된 바와 같이, 서로 인터리브될 수 있도록, 사행-형상이다. 이러한 배열은, 동결판(102)에 걸쳐 일정한 온도를 보장하고, 그리고 따라서, 제빙 동안 균일한 브리지(bridge) 두께를 허용함으로써 얼음 제조를 최대화하면서, 동시에, 수확 동안 전체 배치(batch)를 배출하는 데에 요구되는 얼음 용융의 백분율을 최소화하는 것을 보조한다. 이러한 배열을 사용하여, 냉동 회로들(24 및 26)은 각각, IEC의 제한들을 충족시키기에 수용 가능한 레벨로 충전될 수 있으면서, 여전히, 상업용 제빙기 산업의 수요를 충족시키기에 충분히 높은 냉각 능력을 제공한다. 도 5에 도시된 제1 및 제2 배관(90 및 92)이 원형 횡단면을 갖고 사행 형상으로 배열되지만, 동결판에 걸쳐 실질적으로 균일한 냉각을 제공하기 위해 2개의 배관들의 조합이 동결판에 걸쳐 분배되도록, 다른 형상들이 가능하다.
도 7은, 제빙기 조립체(20)의 하나 이상의 실시예들에 포함될 수 있는 제어기(70)에 대한 주요 입력들 및 출력들을 예시한다. 입력들은, 물 저장소(26)의 레벨을 측정하는 수위 센서(110), 증발기 조립체(32) 근처의 온도를 측정하는 온도 탐침(112), 동결판 상에 형성된 얼음의 특정 양에 기초하여 활성화되는 수확 릴레이 스위치(114), 얼음 저장 용기(14)의 가득참을 검출하는 용기 제어 스위치(116), 및, 저장소(26) 내의 수위와 상관될 수 있는, 저장소(26)의 바닥부에 근접한 수압을 검출하는 데에 사용될 수 있는 압력 센서(118)의 몇몇 조합을 포함할 수 있다.
제어기(70)는, 각각의 냉동 회로(24 및 26)의 고온 가스 밸브(64), 응축기 팬(54), 및 압축기(50), 그리고 수로(22)의 순환 펌프(28), 물 밸브(40), 및 퍼지 밸브(44)를 제어하기 위한 신호들을 발생시킨다. 제어기(70)는 종래의 전원(108)을 통해 동작 전력을 수용한다.
제빙 조립체(20)를 포함하는 제빙기(10)의 실시예들의 개별 컴포넌트들 각각을 설명했고, 이제, 컴포넌트들이 상호작용하고 동작하는 방식이 설명될 수 있다. 얼음은 냉동 및 물 순환 시스템들을 동시에 작동시킴으로서 제조된다. 시동 단계 동안, 압축기들과 응축기들 둘 모두를 동시에 시동하지 않는 것이 바람직할 수 있다. 감지 가능한(sensible) 사이클 및 잠복(latent) 사이클 둘 모두를 포함하는 냉각 사이클에서 제빙 조립체(20)의 동작 동안, 각각의 압축기(50)는 낮은-압력의 실질적으로 가스성인 냉매를 증발기 조립체(32)로부터 흡입 라인들(76 및 78)을 통해 수용하고, 냉매를 가압하며, 높은-압력의 실질적으로 가스성인 냉매를 응축기(52)로 방출한다. 응축기(52)에서, 냉매로부터 열이 제거되어, 실질적으로 가스성인 냉매가, 실질적으로 액체인 냉매로 응축되게 한다.
응축기(52)를 빠져나간 이후, 높은-압력의 실질적으로 액체인 냉매는, 건조기(56)를 통해, 열 교환기(58)를 횡단하여 열 팽창 디바이스(60)로 보내지고, 열 팽창 디바이스(60)는, 각각, 라인들(72 및 74)을 통한 증발기 조립체(32)의 제1 및 제2 배관(90 및 92) 내로의 도입을 위해, 실질적으로 액체인 냉매의 압력을 감소시킨다. 낮은-압력의 팽창된 냉매가 증발기 조립체(32)의 제1 배관(90) 및 제2 배관(92)을 통해 전달되기 때문에, 냉매는, 증발기 조립체(32) 내에 포함된 튜브들로부터 열을 흡수하고, 냉매가 튜브들을 통과할 때 증발하며, 따라서 동결판을 냉각시킨다. 낮은-압력의 실질적으로 가스성인 냉매는, 증발기 조립체(32)의 출구로부터 라인(74 및 78)을 통해 방출되고, 열 교환기(58)를 가로질러 전달되어, 압축기(50)의 입구 내로 재도입된다.
특정 실시예들에서, 컴포넌트들 전부가 적절하게 작동한다고 가정하면, 냉각 사이클의 시작 시에, 물 입구 밸브(40)는 물을 저장소(26)에 공급하기 위해 열릴 수 있다. 원하는 레벨의 물이 저장소(26)에 공급된 이후, 물 입구 밸브(40)는 폐쇄될 수 있다. 물 펌프(28)는 물을 저장소(26)로부터 분배기 매니폴드 또는 튜브(30)를 통해 동결판(102)으로 순환시킨다. 압축기(50)는 냉매가 냉동 시스템을 통해 유동하게 한다. 그런 다음에, 물 펌프(28)에 의해 공급되는 물은, 감지 가능한 냉각 사이클 동안, 물이 동결판(30)과 접촉할 때 냉각되고, 동결판(102) 아래의 물 저장소(26)로 복귀하며, 물 펌프(28)에 의해 동결판(102)으로 재순환된다. 일단 냉각 사이클이 잠복 냉각 사이클에 진입하면, 동결판(102)을 가로질러 유동하는 물은 각얼음들을 형성하기 시작한다. 얼음의 부피가 동결판(102) 상에서 증가함에 따라, 동시에, 저장소(26) 내의 물의 부피는 감소한다. 제어기(70)는, 얼음 두께 센서에 의해 측정되는 바와 같은 얼음 형성의 양, 수위 센서에 의해 측정되는 바와 같은 저장소(26) 내의 물의 감소, 또는 바람직한 배치 중량(batch weight)을 결정하기 위한 어떤 다른 냉동 시스템 파라미터를 모니터할 수 있다. 따라서, 동결 사이클의 상태는 저장소(26) 내의 수위에 대해 보정될 수 있다. 따라서, 제어기(70)는 저장소(26) 내의 수위를 모니터할 수 있고, 이에 따라 다양한 컴포넌트들을 제어할 수 있다.
이 시점에서, 사이클의 수확 부분이 시작된다. 제어기(70)는, 저장소(26)로부터 남은 물 및 불순물들을 제거하기 위해, 퍼지 밸브(42)를 개방한다. 수로(22) 및 냉동 회로들(24 및 26)은 불능화된다(disabled). 각얼음들이 형성된 이후, 고온 가스 밸브(64)가 개방되어, 따뜻한 높은-압력의 가스가, 증발기 조립체(32)의 배관에 진입하도록, 압축기(50)로부터, 고온 가스 우회 라인을 통해, 가스로부터 미립자들을 제거할 수 있는 스트레이너(62), 체크 밸브(80), 및 티(68)를 통해 유동하는 것을 허용하고, 이로써, 형성된 얼음을, 얼음이 동결판(102)으로부터 배출되어, 얼음이 일시적으로 저장되고 나중에 회수될 수 있는 얼음 저장 용기(14) 내에 떨어질 수 있는 정도로 용융시키도록 동결판(102)을 따뜻하게 하는 것에 의해, 얼음을 수확한다. 그런 다음에, 고온 가스 밸브(64)는 폐쇄되고, 냉각 사이클이 반복될 수 있다.
수확 사이클을 종결시키는 데에 여러 가지 방법들이 사용될 수 있는데, 각각의 방법은, 제조된 얼음의 수율을 개선하고, 사이클로부터 사이클까지 수확되지 않은 얼음의 축적을 방지하는 목표를 갖는다. 하나의 방법은, 증발기 출구 온도를 모니터하며, 이 온도가 몇몇 최소 값에 도달하기를 기다리고, 이어서, 안전을 위한 시간 지연을 통합하는 것이다. 수확을 종결시키는 이 간접적인 방법은, 식수 공급에서 무거운 침전물(heavy sediment) 및 미네랄들로부터의 증발기 스케일링에 기인하여, 제빙기의 수명 동안 신뢰할 수 없다는 것을 증명할 수 있다. 더 효율적인 방법은, 수확의 종료를 촉발하는 기계적 릴레이를 사용하여, 낭비되는 시간을 제거하는 것이다. 그러한 하나의 경우에, 릴레이는 증발기 조립체(32) 아래의 수평 플랩(flap)에 부착되고, 슬라이딩하는 얼음의 경로에 직접적으로 배치된다. 얼음이 동결판(102)으로부터 멀어지게 슬라이딩할 때, 릴레이가 촉발되고, 수확을 당장 종결하도록 제어기(70)에 신호를 전송한다. 수확 종결 시에, 저장소(26)를 신선한 물로 다시 채우기 위해, 물 공급 밸브(40)가 단시간 개방된다. 제빙기는, 얼음 용기 센서가 만족될 때까지, 제빙기가, 제어기의 메모리에 저장된 어떤 프로그래밍된 사전 설정된 일정을 만족시킬 때까지, 또는 유닛이, 제어기 내에 내장된 어떤 안전 디바이스 또는 피처(feature)로부터 자동으로 또는 수동으로 중지될 때까지, 동결 사이클과 수확 사이클을 계속 교번한다.
상기 설명된 시스템의 특정 변형들이 이용 가능하다. 예컨대, 냉동 회로들(24 및 26)은, 각각의 개별 회로의 출구에서 과열 설정(superheat setting)을 유지하기 위해, 2개의 자동 온도 조절식 팽창 밸브들(60)과 함께 단일 속도 압축기들(50)을 포함할 수 있다. 각각의 개별 회로에 대해 R-290(또는 다른 탄화수소 냉매)의 적절한 충전을 보장함으로써 균형 시스템(balanced system)을 유지하기 위한 전통적으로 공지된 방법은, 자동 온도 조절 요소의 일관된 설치를 보장하는 데에 사용될 수 있다. 대안적으로, 냉동 회로들(24 및 26)은, 각각의 개별 회로의 출구에서 과열 설정을 유지하기 위해, 2개의 전자식 팽창 밸브들(60)과 함께 2개의 가변 속도 압축기들(50)을 포함할 수 있다. 또한, 냉동 회로들은, 각각의 회로의 동작 특성들을 결정하고, 냉각 루프의 흡입 온도들을 균형 맞추려는 노력으로 압축기들의 속도를 변경하는 주파수 발생 기능을 적용하며, 이로써, 동결판을 가로질러 균등하고 더 안정적인 차동(differential)을 유지하기 위한 감지 디바이스들, 예컨대, 압전-저항식(piezo-resistive) MEMS(micro-electro-mechanical systems) 기술을 포함할 수 있다. 현재의 실시예에 따른 이러한 동일한 제어는 또한, 동일한 안정화 기능을 달성하기 위해, 인용에 의해 본원에 통합된 미국 특허 출원 제14/591,650호에 열거된 것과 유사하게, 다른 가변 속도 컴포넌트들을 수정할 수 있다.
제빙 조립체(20)는, 2개의 냉동 회로들 중 하나가 고장난 경우의 동작을 위한 수단을 더 포함할 수 있다. 오직 하나의 시스템만 동작 가능한 상태에서는, 전통적인 이중 제빙 시스템의 경우일 것과 같이, 제빙 용량이 절반으로 감소할 것으로 추측된다. 그러나, 고장의 경우에 사이클 시간은 연장될 수 있고, 따라서, 시스템 고장이 처리될 때까지 제빙을 계속하는 것을 허용함으로써 "고장-안전(fail-safe)"을 제공한다. 증발기는, 시스템의 실제 가동 시간에 비례하여 계속 동작하고 스케일링할 수 있으며, 부가적인 또는 대안적인 세정 일정이 사용될 필요가 없을 것이다. 제어기는, 외부 디스플레이의 수단을 통해, 제빙기가 상기 "고장-안전" 모드에서 동작 중임을 최종 사용자에게 더 통지할 수 있다. 제빙 조립체는 또한, 감소된 용량 모드에서 동작하는 능력을 포함할 수 있고, 여기서, 냉동 회로들 중 오직 하나만 동작 가능할 것이며, 그러므로, 얼음 용량의 절반은 낮은 얼음 수요의 기간들 동안에 또는 에너지 소비를 줄이려는 노력으로 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 냉동 회로들은 전통적인 핀 및 튜브 공냉식 응축기들 대신에 나선형 튜브 수냉식 응축기들을 사용할 수 있다. 다른 대안들은, 응축 장치로서 경납땜식 판 열 교환기들(brazed plate heat exchangers)의 사용을 포함할 수 있다. 모든 경우들에 있어서, 응축기들은 별도의 회로들과 일렬로(in tandem) 채용될 수 있거나, 제빙 조립체를 위해 요구되는 컴포넌트들의 개수를 더 최소화하기 위해, 이중 포트들이 있는 단일 열 교환기로서 채용될 수 있다.
따라서, 2개의 냉각 회로들에 부착된 단일 동결판을 갖는 고유의 증발기 조립체 및 이중 독립 냉동 시스템들을 포함하는, 탄화수소 냉매들, 그리고 특히 프로판(R-290)을 위해 설계된 냉동 시스템을 포함하는 제빙기의 신규한 장치들이 도시되고 설명되었다. 증발기 조립체는, 열 부하(heat load)의 균일한 분배를 제공함으로써, 동결 동안 얼음의 균일한 브리징(bridging)을 보장하고 수확 동안 원하지 않는 용융을 최소화하는 것에 의해, 효율을 촉진시키는 유리한 패턴으로 설계된 2개의 사행 형상의 배관 섹션들을 사용한다. 그러나, 청구 대상 디바이스들 및 방법들에 대한 많은 변화들, 변형들, 수정들 및 다른 용도들 및 응용들이 가능하다는 것이, 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않는 그러한 모든 변화들, 변형들, 수정들 및 다른 용도들 및 응용들은, 본 발명에 포함되는 것으로 간주되며, 본 발명은 오직 이하의 청구항들에 의해서만 한정된다.

Claims (12)

  1. 액체 상태와 가스 상태 사이에서 전이할 수 있는 냉매를 사용하여 얼음을 형성하기 위한 제빙 조립체로서,
    제빙기는:
    압축기, 응축기, 고온 가스 밸브, 팽창 디바이스, 및 상호연결 라인들을 포함하고, 그러므로, 냉매는 대략 100 내지 300 그램의 탄화수소 냉매인, 제1 냉동 회로;
    압축기, 응축기, 고온 가스 밸브, 팽창 디바이스, 및 상호연결 라인들을 포함하고, 그러므로, 냉매는 또한, 대략 100 내지 300 그램의 탄화수소 냉매인, 제2 냉동 회로;
    단일 공유형(shared) 증발기 조립체 ― 상기 단일 공유형 증발기 조립체는,
    상기 제1 냉동 회로와 유체 연통하는 제1 냉매 배관 ― 이로써, 상기 냉매는, 상기 제1 냉매 배관 및 상기 제1 냉동 회로를 통하여 순환할 수 있음 ―;
    상기 제2 냉동 회로와 유체 연통하는 제2 냉매 배관 ― 이로써, 상기 냉매는, 상기 제2 냉매 배관 및 상기 제2 냉동 회로를 통하여 순환할 수 있음 ―; 및
    상기 제1 및 제2 냉매 배관에 열적으로 커플링되는 동결판을 포함함 ―; 및
    상기 동결판에 물을 공급하기 위한 물 시스템을 포함하는, 제빙 조립체.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄화수소 냉매는 프로판(R-290)인, 제빙 조립체.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 냉매 배관들은 각각, 사행 형상(serpentine shape)으로 형성되는, 제빙 조립체.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 냉매 배관들은 상기 증발기 조립체의 일부로서 서로 인터리브되는(interleaved), 제빙 조립체.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 냉매 배관들은, 상기 동결판 걸쳐 실질적으로 균일한 냉각을 제공하기 위해, 상기 동결판에 걸쳐 분배되는, 제빙 조립체.
  6. 제1항에 있어서,
    각각의 상기 냉동 회로들 및 수로(water circuit)의 동작을 제어하기 위한 제어기를 더 포함하는, 제빙 조립체.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어기는, 시동 사이클(startup cycle), 냉동 사이클, 및 수확(harvest) 사이클에 대해 일련의 릴레이들(relays)을 통해 각각의 상기 냉동 회로들 및 상기 수로의 동작을 제어하는, 제빙 조립체.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제어기는, 상기 제빙 조립체가, 감소된 용량 모드로 동작하도록, 상기 냉동 회로들 중 하나의 동작을 중단시키는, 제빙 조립체.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 냉매는 약 150 mg까지 충전되는, 제빙 조립체.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 냉동 회로들의 상기 압축기들은 단일-속도 압축기들인, 제빙 조립체.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 및 제2 냉동 회로들의 상기 압축기들은 가변 속도 압축기들인, 제빙 조립체.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 물 시스템은:
    물 펌프;
    상기 동결판 위의 물 분배기;
    퍼지 밸브;
    물 입구 밸브; 및
    물을 유지하도록 적응된, 상기 동결판 아래에 위치된 물 저장소를 포함하고,
    상기 물 펌프는, 상기 동결판 위에서 물을 순환시키기 위해, 물 라인에 의해 상기 저장소 및 상기 물 분배기와 유체 연통하는, 제빙 조립체.
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