KR20200119032A - 얼음 저장 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 얼음 저장 장치는, 내부에 얼음 저장 공간이 형성되는 아이스 빈을 포함하고, 적어도 상기 아이스 빈의 내주면에는 공극이 형성되는 것을 특징으로 한다.

Description

얼음 저장 장치{Apparatus for storing ice}

본 발명은 얼음 저장 장치에 관한 것이다.

제빙 장치에서 만들어진 얼음은 얼음 저장 장치로 이동되어 저장된다.

제빙 장치는 냉장고의 고내 또는 냉장고의 도어에 구비될 수도 있고, 독립된 장치로 제공될 수 있다.

상기 얼음 저장 장치는 내부에 저장 공간을 구비하며, 제빙 장치의 하측에 배치될 수 있다. 얼음 저장 장치가 제빙 장치의 하측에 배치되는 구조에 따르면, 제빙 장치에서 만들어진 얼음은 이젝터와 같은 이빙 장치에 의하여 제빙 장치로부터 분리되어 얼음 저장 장치로 낙하하여 저장된다.

상기 제빙 장치와 얼음 저장 장치는 냉장고의 냉동실 도어 또는 냉장실 도어에 장착될 수 있다.

특히, 제빙 장치와 얼음 저장 장치가 냉장실 도어의 배면에 장착되는 경우, 냉장실 도어의 개폐 동작에 의하여 얼음 저장 장치에 저장된 얼음 덩어리들(ice cubes)이 녹아서 서로 엉겨붙는 현상이 발생한다.

냉장실 도어는 냉동실 도어에 비하여 개폐 빈도가 높아서 온도가 높은 실내 공기가 얼음 저장 장치로 유입되어 얼음을 녹이게 된다.

아래의 선행 기술에 개시되는 냉장고에 따르면, 얼음 엉김 현상을 방지하기 위한 얼음 엉김 해제 부재가 얼음 저장 장치 내부에 구비된다. 상기 얼음 엉김 해제 부재는 모터와 같은 구동 수단에 의하여 회전하면서 얼음 저장 장치 내부에 저장된 얼음 덩어리들을 주기적으로 섞어준다.

그러나, 선행 기술의 경우, 얼음 엉김 현상을 사전에 차단하는 것이 아니라, 얼음 엉김 현상이 발생하였을 때 엉겨붙은 얼음을 분리하기 위한 기술로서 아래와 같은 문제점을 안고 있다.

첫째, 얼음의 엉김 상태를 해제하기 위한 복잡한 구조의 부품이 추가되어야 하므로, 제조 비용이 증가하는 문제점이 있다.

둘째, 얼음 엉김 해제를 위한 부품이 추가됨으로써, 얼음 저장 영역이 감소되는 단점이 있다.

셋째, 얼음 엉김을 해제하는 부품의 구동을 위해 순간적으로 많은 전기 에너지가 소비되는 단점이 있다.

선행 기술 : 한국공개특허 제2016-0090517호(2016년08월01일)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 개선하기 위하여 제안된다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 얼음 저장 장치는, 내부에 얼음 저장 공간이 형성되는 아이스 빈을 포함하고, 적어도 상기 아이스 빈의 내주면에는 공극이 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 공극은 5㎛, 40㎛, 및 100㎛ 중 어느 하나의 크기로 형성될 수 있다.

상기 공극은, 아이스 빈이 다공성 플라스틱으로 성형되는 것에 의하여 형성될 수 있다.

또는, 다공성 플라스틱 층이 아이스 빈에 고정 또는 탈부착 가능하게 배치되고, 상기 공극은 상기 다공성 플라스틱 층에 형성될 수 있다.

상기와 같은 구성을 이루는 본 발명의 실시예에 따른 얼음 저장 장치에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

상세히, 얼음 저장 장치의 내면에 수분을 흡수하는 미세한 공극들이 형성됨으로써, 얼음 표면에 형성된 수분이 상기 공극으로 흡수되므로, 얼음 엉김의 원인이 되는 소위 준액체층(quasi-liquid layer)이 얼음 표면에 형성되는 것을 최소화할 수 있다.

따라서, 얼음 저장 장치 내부에 장시간 얼음이 저장되더라도 얼음의 엉김 현상이 최소화되는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 얼음 저장 장치가 구비된 제빙 장치의 외관 사시도.
도 2는 도 1의 2-2를 따라 절개되는 종단면도.
도 3은 시간에 따른 얼음 저장 장치의 내부 온도 변화를 보여주는 그래프.
도 4는 서로 엉겨붙은 얼음을 보여주는 도면.
도 5는 엉김 상태가 외력에 의하여 해제된 상태의 얼음을 보여주는 도면.
도 6은 얼음의 엉김면을 보여주는 도면.
도 7은 유효 엉김 길이와 엉김력과의 관계를 나타내는 그래프.
도 8은 얼음의 표면에 형성되는 준액체층이 아이스 빈에 흡수되는 모습을 보여주는 도면.

이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 얼음 저장 장치에 대하여 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 얼음 저장 장치가 구비된 제빙 장치의 외관 사시도이고, 도 2는 도 1의 2-2를 따라 절개되는 종단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 제빙 장치(10)는, 다수의 셀을 구비하는 아이스 트레이(13)와, 상기 아이스 트레이(13)의 하측에 배치되는 얼음 저장 장치(20)를 포함할 수 있다.

상기 제빙 장치(10)는, 상기 아이스 트레이(13)로 물을 공급하는 급수부(11)와, 이빙 과정에서 상기 아이스 트레이(14)를 회전시키는 트레이 모터(14)와, 상기 아이스 트레이(13)로 냉기를 공급하는 냉기 공급 덕트(12), 및 상기 얼음 저장 장치(20)에 저장된 얼음의 양을 감지하는 만빙 감지 센서(15) 중 적어도 하나 또는 그 이상을 더 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 얼음 저장 장치(20)는, 얼음이 저장되는 공간이 내부에 구비되는 아이스 빈(21)을 포함할 수 있다.

상기 아이스 빈(21)은 좌우 방향 폭이 전후 방향 두께보다 큰 대략 육면체 형태로 이루어질 수 있고, 상면이 개구되며 하단에 얼음 토출구(211)가 형성될 수 있다.

상기 얼음 저장 장치(20)는, 상기 얼음 토출구(211)로부터 상측으로 이격되는 지점에 해당하는 상기 아이스 빈(21)의 내부에 장착되는 얼음 배출 장치(22)를 더 포함할 수 있다.

상기 얼음 배출 장치(20)는 상기 아이스 빈(21)에 저장된 얼음을 통얼음(cubed ice) 형태 또는 분쇄 얼음(crushed ice) 형태 중 어느 하나의 형태로 얼음이 상기 얼음 토출구를 통하여 배출되도록 하는 장치로 정의될 수 있다.

상세히, 상기 얼음 배출 장치(20)는, 상기 아이스 빈(21)의 후면에서 전면으로 수평하게 연장되는 회전축(221)과, 상기 회전축(221)에 연결되는 다수의 회전 블레이드(222)와, 일단이 상기 아이스 빈(21)에 고정되고 타단이 상기 회전축(221)에 연결되는 하나 또는 다수의 고정 블레이드(223)를 포함할 수 있다.

상기 회전축(221)은 상기 다수의 회전 블레이드(222)의 중심을 관통하여, 상기 다수의 회전 블레이드(222)와 한 몸으로 회전하도록 설계될 수 있다.

또한, 상기 하나 또는 다수의 고정 블레이드(223)는 상기 다수의 회전 블레이드(222) 사이에 배치될 수 있다.

상기 다수의 회전 블레이드(222)가 제 1 방향(도 2에서 반시계 방향)으로 회전하면 분쇄 얼음이 상기 얼음 토출구(211)를 통하여 배출되고, 제 2 방향(도 2에서 시계 방향)으로 회전하면 통얼음이 상기 얼음 토출구(211)를 통하여 배출될 수 있다.

상기 얼음 배출 장치(20)는, 상기 얼음 배출 장치(22)의 하측에 배치되고, 일단이 상기 아이스 빈(21)에 회동 가능하게 연결되는 셔터(23)를 더 포함할 수 있다. 상기 셔터(23)는, 상기 얼음 배출 장치(22)가 시계 방향으로 회전하여 통얼음이 배출될 때, 상기 통얼음의 자중에 의하여 회전하여 상기 얼음 토출구(211)의 횡단면 크기를 확장시켜준다. 그리고, 통얼음이 배출된 후, 상기 셔터(23)는 원위치로 복귀한다.

한편, 상기 제빙 장치(10)가 냉장고의 도어, 즉 냉장실 도어 또는 냉동실 도어의 배면에 장착되는 경우, 도어의 개폐 과정에서 상기 얼음 저장 장치(20)에 저장된 얼음은 외부 공기에 노출된다.

일반적으로, 상기 얼음 저장 장치(20)는 -18℃ 내외의 온도로 유지된다. 얼음 저장 장치(20)가 외부 공기에 노출되면, 얼음 저장 장치(20)에 저장된 얼음의 온도가 상승하여, 얼음의 표면에 준액체층(quasi-liquid layer)이 형성된다.

도 3은 시간에 따른 얼음 저장 장치의 내부 온도 변화를 보여주는 그래프이다.

도 3을 참조하면, 얼음 저장 장치(20)가 장착된 냉장고 도어의 개방 동작이 발생하면, 얼음 저장 장치(20) 내부의 온도는 상승하고, 냉장고 도어가 닫히면 다시 설정 온도로 냉각되는 양태를 보인다.

이때, 얼음 저장 장치(20)가 영하여 임계 온도(T) 이상으로 상승할 때, 임계 온도(T) 부근에서 얼음 결정 표면의 수소 결합이 약화되어, 준액체층이 형성되는 것을 확인할 수 있다. 상기 임계 온도(T)는 -16℃일 수 있다.

상세히, 얼음의 표면 온도가 임계 온도(T) 이상으로 상승하는 과정에서 형성된 준액체층은, 얼음의 표면 온도가 다시 임계 온도(T)보다 낮은 온도로 냉각될 때 결빙된다. 이 순간 서로 접촉한 상태로 있던 얼음 덩어리들의 준액체층이 표면 장력에 의하여 연결된 상태에서, 결빙에 의하여 서로 엉겨붙게 된다.

도 4는 서로 엉겨붙은 얼음을 보여주는 도면이고, 도 5는 엉김 상태가 외력에 의하여 해제된 상태의 얼음을 보여주는 도면이며, 도 6은 얼음의 엉김면을 보여주는 도면이다.

도 4를 참조하면, 얼음 저장 장치(20)가 외부 공기에 노출되어, 아이스 빈(21) 내부 온도가 임계 온도(T) 이상으로 상승 후 다시 임계 온도(T) 아래로 떨어지면, 주변의 얼음 조각들이 서로 엉겨붙게 된다.

도 5를 참조하면, 엉겨 붙은 얼음들에 외력(F)을 가하여 엉김 상태가 해제되도록 할 경우, 상기 외력(F)에 의하여 엉김면(necking surface)에는 전단 응력(shear stress)이 작용하게 된다. 여기서, 얼음 덩어리들이 분리되는데 필요한 외력(F)을 엉김력(necking force)으로 정의할 수 있고, 상기 엉김력은 상기 엉김면에 작용하는 최대 전단력(shear force)으로 정의될 수 있다.

도 6을 참조하면, 두 개의 얼음(I)이 외력(F), 즉 엉김력에 의하여 분리되면, 얼음의 표면에는 비원형 형태의 엉김면(A)이 형성된다. 상기 엉김면(A)의 면적으로부터 유효 엉김 길이(n_e : effective necking length)가 산출된다.

유효 엉김 길이는 아래의 식에 의하여 산출될 수 있다.

,

S : 엉김 면의 면적

도 7은 유효 엉김 길이와 엉김력과의 관계를 나타내는 그래프이다.

도 7을 참조하면, 다수 회 반복된 실험을 통하여, 유효 엉김 길이(n_e)에 대한 엉김력의 상관 관계를 보여주는 수식이 산출되었다.

즉, 얼음의 엉김력(F)은 유효 엉김 길이(n_e)의 제곱에 비례한다는 사실을 확인할 수 있었다.

또한, 플라스틱 재질의 아이스 빈에 얼음을 저장한 상태에서, 아이스 빈 내부 온도를 -20℃로 일정하게 유지하였을 때 발생하는 엉김 면(necking surface)의 개수를 기준으로 하였을 때, 아이스 빈 내부 온도를 -15℃로 높인 후 -20℃로 다시 낮춘 이후에 발생하는 엉김 면의 개수가 약 63% 증가한 것을 실험을 통하여 확인하였다.

또한, 온도 변화를 주었을 때 발생하는 엉김면의 엉김력이, 온도 변화가 없는 상태에서 발생한 엉김면의 엉김력에 비하여 약 171% 증가함을 실험을 통하여 확인하였다.

위 실험을 통하여, 얼음 저장 장치(20)가 외부 공기에 노출되는 상황을 완전히 차단할 수 없다는 전제에서는, 얼음 표면에 형성되는 준액체층의 형성을 최소화하는 것이 엉김 현상을 최소화 또는 방지할 수 있다는 결론에 도달하였다.

도 8은 얼음의 표면에 형성되는 준액체층이 아이스 빈에 흡수되는 모습을 보여주는 도면이다.

도 8을 참조하면, 냉장고 도어의 개폐 동작에 따라 얼음이 외부 공기에 노출되면, 얼음의 표면에 준액체층(q)이 형성되는 것을 막을 수 없다.

따라서, 온도 변화에 의하여 얼음의 표면에 준액체층(q)을 형성하는 수분이 결빙되기 전에 아이스 빈(21)에 흡수되도록 하여야 한다.

이를 위해, 아이스 빈(21)을 다공성 플라스틱 소재로 성형하여 수분 흡수 능력을 실험을 통하여 확인하였다. 다공성 플라스틱 소재로서 폴레에틸렌(PE) 계열의 플라스틱이 선택될 수 있다.

먼저, 공극(pore)이 5㎛, 40㎛, 및 100㎛인 다공성 플라스틱으로 제조된 아이스 빈들(21) 각각의 내부에 얼음을 3층으로 채우고, 임계 온도보다 낮은 제 1 설정 온도(-21℃)에서 임계 온도를 초과하는 제 2 설정 온도(-15℃)온도로 상승시킨 후, 제 1 설정 온도로 다시 냉각하는 온도 변화 조건을 주었을 때 발생하는 엉김면의 개수를 측정하는 실험과 함께, 공극이 없는 아크릴 소재로 이루어진 아이스 빈(21) 내부에 얼음을 채우고 동일한 실험을 수행하였다. 여기서 공극이 없는 플라스틱은 공극이 5㎛ 미만인 플라스틱을 의미하는 것으로 해석되어야 한다.

실험을 통하여 확인된 엉김면 개수의 변화율은 아래 표와 같다.

여기서, 1층 및 3층 기준은 횡방향 엉김면의 개수를 의미하고, 1-2층, 2-3층 기준은 횡방향 및 종방향 엉김면의 개수를 의미한다.

	5㎛	40㎛	100㎛
1층 기준	42% 감소	42% 감소	42% 감소
1-2층 기준	35% 감소	42% 감소	43% 감소
2-3층 기준	29% 감소	29% 감소	29% 감소
3층 기준	42% 감소	42% 감소	42% 감소

위 표에 나타나는 실험 결과로부터, 공극이 클수록 엉김면의 감소율이 증가함을 알 수 있고, 이는 곧 공극이 클수록 수분의 흡수 능력이 크다는 것을 의미한다고 할 수 있다.

이와 같이, 다공성 플라스틱 소재로 이루어진 아이스 빈에 얼음을 저장하면, 엉김면의 개수가 감소할 뿐만 아니라, 평균 엉김력 또한 현저히 감소함을 확인할 수 있었다.

구체적으로, 아크릴 소재의 아이스 빈에서 발생하는 엉김면들의 평균 엉김력은 3.2N인 반면, 공극이 5㎛인 아이스 빈에서 발생하는 엉김면들의 평균 엉김력은 1.3N이고, 공극이 40㎛인 아이스 빈에서 발생하는 엉김면들의 평균 엉김력은 1.4N이었으며, 공극이 100㎛인 아이스 빈에서 발생하는 엉김면들의 평균 엉김력은 0.3N이었다.

평균 엉김력이 감소하였다는 것은, 준액체층의 두께가 감소하였다는 것을 의미하는 것으로 해석될 수 있다.

뿐만 아니라, 공극이 클수록 평균 엉김력이 감소한다는 것은, 공극이 클수록 수분 흡수 능력이 더 뛰어나다는 것을 의미한다고 할 수 있다.

한편, 아이스 빈의 준액체층 흡수 능력을 높이기 위해서는, 다공성 플라스틱을 재료로 아이스 빈을 사출 성형할 수 있다.

다른 방법으로는, 다공성 플라스틱 필름을, 얼음과 접촉하는 아이스 빈의 내주면에 부착하는 것도 가능할 것이다.

즉, 적어도 아이스 빈의 내주면에는 다공성 플라스틱 층이 형성되도록 할 수 있다. 그리고, 상기 다공성 플라스틱층은 시트(sheet) 형태로 제공되어, 상기 아이스 빈의 내주면으로부터 탈부착 가능하게 결합되는 것도 가능하다.

정리하면, 적어도 아이스 빈(21)의 내주면에는 공극층(porous layer)이 형성되며, 상기 공극층은 다공성 플라스틱으로 아이스 빈(21)이 성형되도록하거나, 아이스 빈(21)의 내주면에 시트 형태로 부착되는 것이 가능하다.

Claims (10)

1. 내부에 얼음 저장 공간이 형성되는 아이스 빈을 포함하고,
   적어도 상기 아이스 빈의 내주면에는 공극이 형성되는 것을 특징으로 하는 얼음 저장 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 아이스 빈은, 폴리에티렌 소재의 다공성 플라스틱인 것을 특징으로 하는 얼음 저장 장치.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 아이스 빈의 내주면에는 다공성 플라스틱 층이 제공되고,
   상기 공극은 상기 다공성 플라스틱 층에 형성되는 것을 특징으로 하는 얼음 저장 장치.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 다공성 플라스틱 층은 상기 아이스 빈의 내주면으로부터 탈부착 가능한 것을 특징으로 하는 얼음 저장 장치.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 공극은 5㎛인 것을 특징으로 하는 얼음 저장 장치.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 공극은 40㎛인 것을 특징으로 하는 얼음 저장 장치.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 공극은 5㎛인 것을 특징으로 하는 얼음 저장 장치.
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 아이스 빈의 내부에 제공되는 얼음 배출 장치를 더 포함하고,
   상기 얼음 배출 장치의 하측에 해당하는 상기 아이스 빈의 저면에는 얼음 토출구가 형성되는 것을 특징으로 하는 얼음 저장 장치.
9. 제 8 항에 있어서,
   상기 얼음 배출 장치는,
   상기 아이스 빈의 전후 방향으로 연장되는 회전축과,
   상기 회전 축에 연결되어, 상기 회전축과 함께 회전하는 다수의 회전 블레이드와,
   상기 일단이 상기 회전축에 연결되고, 타단이 상기 아이스 빈에 연결되며, 다수의 회전 블레이드 사이에 배치되는 하나 또는 다수의 고정 블레이드를 포함하는 얼음 저장 장치.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 얼음 토출구의 크기를 가변시키도록, 일단이 상기 아이스 빈에 회동 가능하게 연결되는 셔터를 더 포함하는 얼음 저장 장치.

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