KR20230156043A - 저온 저장고, 저온 저장고 작동 방법 및 냉각 시스템 - Google Patents

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KR20230156043A
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킴 란가아스
소렌 마아르쏘
마리우스 아드리안 바라루
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로웬코 에이/에스
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Abstract

격실(2), 격실과 유체 연통하는 제1 증발기 챔버, 격실과 유체 연통하는 제2 증발기 챔버, 제1 냉각 시스템 및 제2 냉각 시스템을 포함하는 저온 저장고(1)로서, 각각의 냉각 시스템은 압축기 유닛, 응축기 구조물, 제1 증발기, 제2 증발기, 및 응축기 구조물로부터 제1 및 제2 증발기 중 하나 또는 둘 다로 냉매의 유동을 제어하도록 구성된 컨트롤러를 포함한다. 두 냉각 시스템 중 하나가 완전히 작동하도록 하여, 다른 냉각 시스템을 예비 시스템으로 보존하기 위해, 제1 증발기는 제1 증발기 챔버에 배치하고 제2 증발기는 제2 증발기 챔버에 배치하여, 두 챔버 모두 두 냉각 시스템 각각으로 작동하게 한다.

Description

저온 저장고, 저온 저장고 작동 방법 및 냉각 시스템
본 개시는 냉각되는 격실을 포함하는 저온 저장고 및 그 작동 방법에 관한 것이다. 특히, 본 개시는 초저온용 저온 저장고의 작동 방법에 관한 것이다. 본 개시는 또한 냉각 시스템에 관한 것이다.
전통적으로 초저온용 저온 저장고는 상당히 단열된 벽이 있는 격실을 포함하고, 격실의 온도를 낮추기 위한 냉각 시스템을 포함한다. 일반적으로 냉각 시스템은 냉매가 응축기와 증발기를 통해 순환되는 증기-압축 냉각 시스템이다.
격실 내에서 균일한 온도를 얻는 것이 기존 저온 저장고의 목적이다. US5584191호는 공기 덕트로부터 냉기를 순환시키는 팬을 구비한 종래의 냉장고를 개시한다. 덕트는 저장 공간으로 유입되는 찬 공기의 양을 조절하고, 공기는 공간의 다양한 곳으로 유입된다. 또한, WO2006/067735호는 증발기 주변의 찬 공기를 냉각되는 격실로 송풍하는 팬을 갖는 냉각 장치를 개시한다.
본 발명의 목적은 격실 내에 수용된 가치 있는 물질의 보호를 개선하고, 특히 잠재적으로 냉각 부족으로 이어질 수 있는 오작동의 위험을 줄이고, 추가로 특히 격실 내에 저장된 물질을 응고시키는 데 필요한 시간과 관련된 냉각 효율을 증가시키는 것이다. 또 다른 목적은 경제적이고 효율적이며 안전한 작동을 용이하게 하고, 격실 내 물질의 최저 동결 시간을 보장하는 것이다.
이러한 목적 및 다른 목적을 위해, 본 개시내용은 저온 저장고 및 저온 저장고를 작동하는 방법, 및 냉각 시스템을 제공한다.
제1 측면에서, 저온 저장고가 개시된다. 저온 저장고는
- 격실,
- 상기 격실과 유체 연통하는 제1 증발기 챔버,
- 상기 격실과 유체 연통하는 제2 증발기 챔버,
- 제1 냉각 시스템 및 제2 냉각 시스템으로, 상기 냉각 시스템 각각은 압축기 유닛, 응축기 구조물, 제1 증발기, 제2 증발기 및 냉각 냉매가 제공될 때를 증발기를 활성으로 정의하거나 냉각 냉매가 제공되지 않을 때를 비활성으로 정의하도록 응축기 구조물로부터 상기 제1 증발기 및 제2 증발기 중 하나로 또는 둘 모두로의 냉매 유동을 제어하게 구성된 컨트롤러를 포함하는 제1 냉각 시스템 및 제2 냉각 시스템을 포함하여 구성되고,
상기 제1 증발기는 상기 제1 증발기 챔버에 배열되고, 상기 제2 증발기는 상기 제2 증발기 챔버에 배열된다.
각 냉각 시스템에는 두 개의 서로 다른 증발기 챔버에 증발기가 있기 때문에, 저온 저장고는 하나의 냉각 시스템만 활성화된 상태에서 계속 작동할 수 있다. 하나의 압축기 유닛만 활성화된 상태에서도 냉동 작동을 하는 중에 예를 들어 제상할 수 있다.
저온 저장고는 예를 들어 백신과 같은 의료 물질을 동결하는 데 사용할 수 있으며 온도를 예컨대 영하 70도 미만으로 낮출 수 있다. 격실은 컨테이너, 특히 저온 저장고의 용이한 운송을 위한 복합 운송용 컨테이너로 형성될 수 있다.
제1 증발기 챔버 및 제2 증발기 챔버는 특히 격실과 개별적으로 유체 연통하는 상이한 챔버일 수 있다. 각 챔버는 격실 내를 향하는 입구와 격실 밖을 향하는 출구 사이에 덕트를 형성할 수 있으며, 증발기는 덕트에 위치할 수 있다.
증발기 챔버는 특히 격실로부터 해제될 수 있고, 특히 격실로부터 개별적으로 해제될 수 있어서, 유지보수 또는 수리와 관련하여 챔버 중 하나 또는 둘 다의 신속하고 용이한 교체를 가능하게 한다.
제1 및 제2 냉각 시스템은 특히 스테이지들로 이루어질 수 있다. 예를 들어 다른 온도 범위에 대한 둘 또는 3개의 스테이지로 이루어질 수 있다. 냉각 시스템은 동일할 수 있으며, 냉각 시스템 각각은 고온(high temperature) 스테이지, 중온(middle temperature) 스테이지 및 저온(low temperature) 스테이지를 가질 수 있다.
그러한 시스템에서, 저온 스테이지는 냉각 냉매를 그 시스템의 증발기들 중 하나 또는 둘 모두에 제공할 수 있고, 그럼으로써 이들 증발기를 활성화시킬 수 있다.
중온 스테이지 또는 저온 스테이지는 또한 해당 시스템의 증발기들 중 하나 또는 둘 모두에 가열 냉매를 제공하여, 이들 증발기가 제상(defrosting) 되도록 할 수 있다.
냉각 냉매는 응축기 구조물로부터 제공될 수 있다. 예를 들어 즉, 냉매가 응축된 후 하나 이상의 팽창 밸브를 통해 제공될 수 있다. 냉매의 팽창에 의해 냉매들은 냉각 냉매가 된다.
냉각 냉매는 적어도 응축 후 응축기 구조물로부터 제공되는 일부(fraction)를 함유할 수 있다. 일 실시예에서, 냉각 냉매는 전적으로 응축기 구조물로부터 나오고, 다른 실시예에서, 냉각 냉매의 일부는 응축기 구조물에 의해 응축되지 않고 냉각 냉매의 다른 부분이 응축기 구조물에 의해 응축된다.
가열 냉매는 예를 들어 응축되기 전에 압축기의 출구에서 공급될 수 있다. 열 응력을 피하기 위해, 냉매는 압축기의 압축 출구 온도보다 낮은 특정 온도로 냉각될 수 있다.
가열 냉매는 응축 전에 압축기의 출구로부터 제공되는 적어도 일부를 포함할 수 있다. 일 실시예에서, 가열 냉매는 전적으로 응축기 구조물에 의해 응축되지 않고, 다른 실시예에서, 가열 냉매의 일부는 응축기 구조물에 의해 응축되지 않고 가열 냉매의 다른 부분이 응축기 구조물에 의해 응축된다.
가열 냉매는 응축되는 부분과 응축되지 않는 부분 사이의 비율(share)에 의해 냉각 냉매와 구별될 수 있다. 가열 냉매는 냉각 냉매보다 응축되지 않는 비율이 더 클 수 있다.
세 스테이지는 동일한 냉매로 작동할 수 있지만, 일반적으로 구현 및 각 스테이지에서 원하는 온도 범위에 따라 각 스테이지에 대해 개별적으로 냉매가 선택된다. 추가로 저온 및 중온 스테이지는 동일한 냉매를 사용할 수 있는 반면 고온 스테이지는 다른 냉매를 사용할 수 있다.
컨트롤러는 제1 및 제2 증발기 중 하나로 냉각 냉매의 흐름을 제어하여 증발기를 활성으로 정의하고, 마찬가지로 제1 및 제2 증발기 중 하나로 가열 냉매의 흐름을 제어하여 증발기를 제상으로 정의하도록 구성된다. 이를 위해 컨트롤러는 밸브를 제어하여 냉각 또는 가열 냉매를 2개의 증발기 중 하나 또는 다른 하나로 보내도록 배열될 수 있다.
따라서 저온 저장고는 2개의 냉각 시스템 중 하나만 활성화되어 완전히(fully) 기능할 수 있다. 활성화된 냉각 시스템은 증발기 챔버들 중 하나의 챔버 내에 있는 하나의 활성 증발기를 제공하고, 동시에 다른 증발기 챔버에 하나의 제상 증발기를 제공할 수 있다. 제상이 종료되면 컨트롤러는 활성 증발기가 제상되고 제상 증발기가 활성화되도록 냉매 흐름의 방향을 재지향(redirect) 한다. 이러한 방식으로 두 냉각 시스템 중 하나만 사용하여 지속적인 작동이 보장된다. 두 냉각 시스템 중 하나가 고장나면, 다른 하나를 예비 시스템으로 사용할 수 있으며, 두 증발기 사이에서 활성 또는 제상으로 번갈아 교대로 작동하여 연속 작동을 다시 보장할 수 있다.
따라서 컨트롤러는,
- 제1 및 제2 냉각 시스템 중 1차(primary) 냉각 시스템의 제1 증발기가 활성화되고, 다른 증발기는 비활성화되는 정상 작동 모드, 그리고
- 1차 냉각 시스템의 제2 증발기가 활성화되고, 1차 냉각 시스템의 제1 증발기가 비활성화되거나 제상하는 제상 작동 모드 사이에서 전환하도록 구성될 수 있다.
특히, 컨트롤러는 정상 모드와 제상 모드 사이를 번갈아 가며 구성될 수 있고, 그 반대로 구성될 수도 있다.
또한, 컨트롤러는 정상 모드에서 1차 냉각 시스템의 제2 증발기를 제상으로 작동하고, 특히 활성화된 제1 증발기의 작동과 동시에 제상으로 작동하도록 구성될 수 있다.
컨트롤러는 또한 더 큰 냉각 용량을 갖는 제1 냉각 작동 모드로 전환하도록 구성될 수 있다. 제1 냉각 모드에서, 제1 및 제2 냉각 시스템 중 적어도 하나의 제1 증발기와 제2 증발기는 동시에 활성화된다. 일 예에서, 제1 냉각 시스템의 제1 증발기와 제2 증발기 둘 다 활성화되는 반면 다른 냉각 시스템은 활성화되지 않는다. 이러한 방식으로 하나의 냉각 시스템만 활성화된 상태에서 두 증발기 챔버를 동시에 사용할 수 있으며, 오작동 시 다른 냉각 시스템을 예비 시스템으로 남겨둘 수 있다.
컨트롤러는 더 큰 냉각 용량을 갖는 제2 냉각 작동 모드로 전환하도록 구성될 수 있다. 제2 냉각 모드에서는 제1 및 제2 냉각 시스템 모두의 제1 증발기들 또는 제2 증발기들이 활성화된다.
컨트롤러는 훨씬 더 큰 냉각 용량을 가진 제3 냉각 작동 모드로 전환하도록 구성될 수 있다. 제3 냉각 모드에서는 제1 및 제2 냉각 시스템 모두의 제1 및 제2 증발기가 활성화된다.
시스템이 고온 냉매를 제공하는 고온 스테이지, 중온 냉매를 제공하는 중온 스테이지 및 저온 냉매를 제공하는 저온 스테이지를 포함하는 경우, 컨트롤러는 제상이 이루어지면서 아임계 작동(subcritical operation)이 유지되도록, 중온 냉매의 유동을 제1 및 제2 증발기 중 하나의 증발기로 향하게 제어하도록 구성될 수 있다. 특히, 저온 및 중온 스테이지는 아임계 영역에서 엄격하게 작동될 수 있으며, 이는 아임계 작동에서 이탈하지 않는다는 것을 의미한다.
제1 증발기 챔버 내에 기류를 생성하기 위해 제1 팬 시스템이 배열될 수 있고, 제2 증발기 챔버 내에 기류를 생성하기 위해 제2 팬 시스템이 배열될 수 있으며, 컨트롤러는 증발기가 활성화되는 증발기 챔버에서 유동을 생성하기 위해 선택된 팬 시스템을 활성화하도록 구성된다.
컨트롤러는 증발기가 활성화되지 않은 증발기 챔버 내에서 유동을 방지하기 위해 선택된 팬 시스템을 비활성화하도록 구성될 수 있다. 컨트롤러는 예를 들어 제상하는 증발기가 있는 증발기 챔버 내에 공기 흐름을 방지하기 위해 선택된 팬 시스템을 비활성화하도록 구성될 수 있다.
제1 냉각 시스템의 제1 증발기는 제1 증발기 챔버의 기류 방향에 대해 제2 냉각 시스템의 제1 증발기와 직렬로 배열될 수 있다. 마찬가지로, 제1 냉각 시스템의 제2 증발기는 제2 증발기 챔버의 기류 방향에 대해 제2 냉각 시스템의 제2 증발기와 직렬로 배열될 수 있다. 기류(air flow)와 관련하여 직렬(serially)로 배열된다는 것은 증발기 챔버의 입구와 출구 사이의 기류에서 하나의 증발기가 다른 증발기의 상류에 있음을 의미한다. 일 실시예에서, 하나의 증발기 챔버에 있는 2개의 직렬 증발기는 하나의 단일 유닛으로 만들어진다.
대안적으로, 제1 냉각 시스템의 제1 증발기는 제1 증발기 챔버 내에서 기류 방향에 대해 제2 냉각 시스템의 제1 증발기와 평행하게 배열될 수 있다. 마찬가지로, 제1 냉각 시스템의 제2 증발기는 제2 증발기 챔버 내에서 기류 방향에 대해 제2 냉각 시스템의 제2 증발기와 평행하게 배열될 수 있다. 공기 흐름에 대해 "병렬(in parallel)"로 배열된다는 것은 증발기 챔버의 입구와 출구 사이의 공기 흐름에서 증발기들이 서로 상류/하류에 위치하지 않음을 의미한다. 일 실시예에서, 하나의 증발기 챔버에 있는 2개의 병렬 증발기는 하나의 단일 유닛으로 만들어진다.
냉각 용량의 누적 증가는 제1 시간 간격과 공기 온도를 기초로 결정할 수 있다. 마지막으로 누적 증가는 제상 스케줄의 기초가 될 수 있다. 여기에는 특히 문턱 값을 정의하는 단계, 냉각 용량의 누적 증가를 문턱 값과 비교하는 단계가 포함될 수 있다. 냉각 용량의 누적 증가가 문턱 값의 일정 비율을 초과하면, 제1 증발기의 제상이 시작된다. 누적 증가는 다음 방정식으로 확인할 수 있다.
여기서, Dfr_trigger(i)는 제1 시간 간격 중 현재의 시간 간격, 즉 ON 타임 간격의 끝에서 제상 트리거 값이다.
Q(i)는 ON 간격에 대한 평균값으로 증발기 전체의 공기 온도 차이를 기반으로 계산된 현재 간격 공기 냉각 용량이다.
Q(i-1)은 증발기 전체의 공기 온도 차이를 기반으로 계산된 이전 간격 공기 냉각 용량이다.
Q(t)는 무빙 증발기의 기본 공기 냉각 용량이다.
도 9 내지 도 11은 냉각 능력의 평균, 온타임, 냉각 능력의 누적 증가를 나타낸다.
언급된 바와 같이, 동일한 사항이 제2 증발기에도 동일하게 적용될 수 있고, 이에 의해 방법은 제2 냉각 유닛이 사용될 때, 즉 제2 냉각 유닛이 냉각에 능동적으로 기여할 때, 시간 경과에 따라 모니터링하는 것을 포함한다. 이 모니터링에 기초하여, 제2 시간 간격이 제2 냉각 장치가 사용되는 간격이 되도록 한 세트의 제2 시간 간격이 결정된다. 냉방 용량의 제2 누적 증가는 제2 시간 간격과 제2 증발기 전체의 공기 온도를 기반으로 결정될 수 있으며, 제2 누적 증가가 문턱 값의 일정 비율을 초과하면 제2 증발기를 해동할 시간이다.
컨트롤러는 제1 측면의 방법에 따라 다양한 기능을 가능하게 하기 위한 메모리 및 컴퓨터 실행 가능 코드를 갖는 하나 이상의 CPU에서 구현될 수 있다.
CPU는 전용 컴퓨터 또는 표준 컴퓨터 시스템 예컨대 PC의 일부를 구성할 수 있다. 컨트롤러는 예를 들어 온도와 관련된 설정을 가져오고 결과를 내보내기 위해 외부와 데이터 통신을 하기 위한 데이터 인터페이스를 포함할 수 있다.
당업자는 저온 저장고의 기능이 표준 하드웨어 회로를 사용하여, 적합하게 프로그래밍된 디지털 마이크로프로세서 또는 범용 컴퓨터와 함께 소프트웨어 프로그램 및 데이터를 사용하여, 및/또는 특정 용도의 집적 회로를 사용하여 및/또는 하나 이상의 디지털 신호 프로세서를 사용하여 구현될 수 있음을 인식할 것이다. 소프트웨어 프로그램 명령 및 데이터는 비일시적으로, 컴퓨터 판독 가능 저장 매체에 저장될 수 있으며, 명령이 컴퓨터 또는 다른 적절한 프로세서 제어에 의해 실행될 때 컴퓨터 또는 프로세서는 해당 명령과 관련된 기능을 수행한다.
제2 측면에서, 상기 저온 저장고를 작동하기 위한 방법이 제공된다.
이 방법은 다음을 포함한다.
- 제1 및 제2 냉각 시스템 중 하나를 1차 냉각 시스템으로 선택하고, 다른 하나는 2차 냉각 시스템으로 선택하는 단계,
- 1차 냉각 시스템의 제1 및 제2 증발기 중 하나에 냉각 냉매 유동을 제공하는 단계, 및
- 1차 냉각 시스템의 제1 및 제2 증발기 중 다른 하나에 가열 냉매 유동을 제공하는 단계.
이 방법은 1차 냉각 시스템의 제1 및 제2 증발기 모두에 냉각 냉매의 흐름을 제공하기 위해 냉매의 흐름을 재지향시키는 단계를 포함할 수 있다.
이 방법은 2차 냉각 시스템의 제1 및 제2 증발기 중 적어도 하나에 냉각 냉매의 흐름을 제공하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
이 방법은 1차 냉각 시스템을 2차 냉각 시스템으로 전환하고 2차 냉각 시스템을 1차 냉각 시스템으로 전환하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
이 방법은 아임계 상태, 특히 엄격하게 아임계 상태에서 저온 저장고를 작동시키는 것을 포함할 수 있다.
제3 측면에서, 본 발명은 압축기 유닛, 응축기 구조물, 제1 증발기, 및 냉각 냉매가 제공될 때를 증발기를 활성으로 정의하거나 냉각 냉매가 제공되지 않을 때를 비활성으로 정의하도록 응축기 구조물로부터 상기 제1 증발기로 냉매 유동을 제어하게 구성된 컨트롤러를 포함하는 냉각 시스템을 제공한다.
상기 냉각 시스템은 고온 스테이지, 중온 스테이지 및 저온 스테이지를 포함하고, 상기 3개의 스테이지 중 두 스테이지는,
- 저온 스테이지용 응축기 및 리시버,
- 중온 스테이지용 증발기,
- 저온 및 중온 스테이지용 팽창 탱크, 및
- 증발기가 비활성일 때 증발기로 기능하게 배치되는 용기에 의해 분리되도록 구성된다.
특히, 용기(vessel)는 중온 스테이지와 저온 스테이지 사이에 위치할 수 있다.
컨트롤러는 제상하는 동안에 아임계 작동이 유지되도록 증발기로의 중간 온도 냉매의 흐름을 제어하도록 구성될 수 있다. 특히, 저온 및 중온 스테이지는 아임계 영역에서 엄격하게 작동될 수 있으며, 이는 아임계 작동에서 벗어나지 않는 것임을 의미한다.
증발기 주위에 기류를 생성하기 위해 팬이 배열될 수 있고, 컨트롤러는 증발기가 활성일 때 유동을 생성하도록 팬을 활성화하도록 구성될 수 있다.
제3 측면에 따른 냉각 시스템은 본 발명의 제1 및 제2 측면의 저온 저장고 및 작동 방법에 대해 개시된 특징 중 임의의 것을 포함할 수 있다.
도 1a 및 도 1b는 저온 저장고를 예시한다.
도 2 내지 도 4는 저온 저장고용 냉각 유닛의 증발기 유닛을 예시한다.
도 5는 두 냉각 시스템의 다이어그램을 예시한다.
도 6은 제상을 위해 고온 스테이지를 사용하는, 또 다른 구현에서 2개의 냉각 시스템을 다이어그램으로 예시한다.
도 7은 가로 좌표를 따라 LogP(Pa) 및 세로 좌표를 따라 h(kJ/kg)를 갖는 다이어그램을 예시한다.
도 8은 시스템 다이어그램을 도시한다.
도 9 내지 도 11은 냉각 용량, 온 타임 및 누적 냉각 용량을 도시한다.
도 12는 네 가지 기능을 가진 용기가 있는 냉각 시스템의 다이어그램을 예시한다.
상세한 설명 및 구체적인 예는 예시로서만 제공되며, 이는 이러한 상세한 설명으로부터 당업자에게 사상 및 범위 내에서의 다양한 변화 및 수정이 명백할 것이기 때문이다.
도 1a 및 도 1b는 격실(2)을 포함하는 저온 저장고(1)를 도시한다. 격실은 단열 벽을 갖는 공간을 형성한다. 예를 들어 컨테이너, 특히 복합 운송용 컨테이너로 형성될 수 있다. 예시된 저온 저장고는 특히 영하 70℃ 미만 또는 심지어 영하 110℃ 미만의 초저온용으로 만들어지며 백신 같은 의료 물질(3)을 동결시키는 역할을 한다.
저온 저장고는 격실과 유체 연통하는 제1 증발기 챔버(4) 및 격실과 유체 연통하는 제2 증발기 챔버(5)를 포함한다.
저온 저장고는 제1 냉각 시스템 및 제2 냉각 시스템을 포함한다. 두 냉각 시스템 모두 압축기 유닛(11, 12)을 포함한다. 압축기 유닛은 박스로 개략적으로 도시되어 있고, 그 자체로 공지된 다양한 방식으로, 특히 캐스케이드/ 및/또는 스테이지/ 및/또는 병렬 등으로 연결된 하나 이상의 압축기를 포함한다. 특히, 각각의 냉각 시스템은 3개의 온도 스테이지, 즉 고온 스테이지, 중온 스테이지 및 저온 스테이지에 대해 배열된 3개의 압축기 또는 3개의 압축기 유닛을 포함할 수 있다.
개략적으로 도시된 박스(11, 12)는 또한 압축기로부터 냉매를 응축하기 위한 하나 이상의 응축기를 갖는 응축기 구조물을 포함한다.
두 냉각 시스템은 특히 제1 냉각 시스템 및 제2 냉각 시스템에 연결되는 제1 증발기 셋업(7)을 포함하는 증발기 셋업 및 제1 냉각 시스템 및 제2 냉각 시스템에 연결되는 제2 증발기 셋업(8)을 추가로 포함한다. 각 증발기 셋업은 두 개의 냉각 시스템 각각에 하나가 연결된 두 개의 별개의 증발기를 포함한다.
저온 저장고는 제1 및 제2 냉각 시스템 각각을 위한 컨트롤러(13, 14)를 더 포함한다. 컨트롤러는 동일하고, 각각의 컨트롤러는 응축기 구조물로부터 제1 증발기 및 제2 증발기 중 하나 또는 둘 다로의 냉매 흐름을 제어하도록 구성되어, 냉각 냉매가 제공될 때 증발기를 활성으로 정의하거나 냉각 냉매가 제공되지 않을 때 비활성으로 정의한다. 컨트롤러는 압축기 유닛, 증발기를 통한 냉매의 흐름을 제어할 수 있고 및/또는 후술하는 팬을 제어할 수 있다. 증발기를 통한 냉매의 흐름은 예를 들어 하나 이상의 팽창 밸브를 조절하여 제어될 수 있다.
따라서 각 냉각 시스템은 다른 냉각 시스템과 독립적으로 작동할 수 있으므로, 중복 작동을 제공하고 하나의 시스템이 작동하지 않는 경우에도 냉각을 보장한다.
증발기 챔버(4, 5)는 격실로의 입구와 격실로부터의 출구 사이에서 연장되는 별도의 덕트로 형성된다. 유입구와 배출구는 격실 내부의 천장(6)에 형성된다.
제1 증발기는 제1 증발기 챔버에 배열되고 제2 증발기는 제2 증발기 챔버에 배열된다.
증발기 챔버는 격실(2)의 천장 위에 수직으로 나란히 위치한다.
제1 증발기 챔버(4)가 형성하는 덕트에는 제1 팬(9)이 위치하고, 제2 증발기 챔버(5)이 형성하는 덕트에는 제2 팬(10)이 위치한다.
팬은 증발기를 가로질러 입구(17)에서 출구(18)(도 2 참조)로 강제 공기 흐름을 생성하도록 구성된다. 공기 흐름은 격실(2)의 수용기(3)에 포함된 물질 주위에 공기 흐름을 제공한다. 예시된 예에서 물질은 캐니스터에 포함된 백신이다.
제1 냉각 시스템은 제1 압축기 유닛, 제1 응축기 구조물 및 제1 증발기 사이에서 제1 냉매를 순환시키기 위한 회로를 포함한다.
제2 냉각 시스템은 제2 압축기 유닛, 제2 응축기 구조물 및 제2 증발기 사이에서 제2 냉매를 순환시키기 위한 제2 회로를 더 포함한다.
2개의 냉각 유닛은 독립적인 작동을 보장하기 위해 별도의 전원 공급 장치를 가질 수 있다. 즉, 한 유닛의 전원 공급 장치에 오류가 발생하면 제2 유닛의 전원 공급 장치가 계속 작동하여 제1 유닛의 결함에 관계없이 제2 유닛을 계속 작동할 수 있다. 이러한 안전 기능은 지속적인 냉각을 보장할 수 있으며, 의약품 등과 같이 온도에 민감한 제품을 동결시키는 데 필요할 수 있다.
도 2 내지 도 4는 증발기 덕트의 추가 세부 사항을 보여준다. 도 2는 도 3에서 AA 선에 따른 단면에 대응하는 측면도이다. 도 4는 증발기 유닛의 평면도이다. 특히 도 2 내지 도 4는 증발기 유닛이 격실에 착탈식으로 부착되는 별도의 하우징(15)으로 만들어지는 것을 예시한다. 덕트(16)는 격실로부터 유입구(17)를 형성하고 배출구(18)는 격실 내로 연장된다.
도 4는 제2 증발기 챔버(5)의 제2 덕트(19)를 도시한다.
도 5는 제1 냉각 시스템과 제2 냉각 시스템을 다이어그램으로 나타낸 것이다. 다이어그램은 점선(50) 내의 제1 냉각 시스템 및 점선 외부의 제2 냉각 시스템을 도시한다.
냉각 시스템은 2개 이상의 스테이지를 가질 수 있다. 도 5 및 도 6에서, 냉각 시스템은 3개의 스테이지 즉, 각각의 냉각 시스템은 저온 스테이지, 중온 스테이지 및 고온 스테이지의 3 스테이지로 배열된다. 각각의 냉각 시스템은 3 스테이지 각각에 대해 하나 이상의 압축기, 즉 각 냉각 시스템에 대해 적어도 3개의 압축기를 포함하는 압축기 유닛을 포함한다. 다이어그램은 고온 스테이지를 위한 하나의 압축기(51), 중온 스테이지를 위한 하나의 압축기(52) 및 저온 스테이지를 위한 하나의 압축기(53)를 도시한다.
중온 스테이지 및 저온 스테이지 압축기는 중간 스테이지 및 낮은 스테이지 냉매로 작동하므로, 여기에서는 복합 스테이지 압축기(54)라고 한다.
이하에서 도면부호는 제1 냉각 시스템에 부여되며, 제2 냉각 시스템의 동일한 구성요소는 도면부호 뒤에 '가 있는 동일한 도면부호를 공유한다.
냉각 시스템은 고온 응축기(55)를 포함하는 응축기 구조물을 포함한다. 고온 응축기는 전형적으로 공랭식/수냉식 또는 글리콜 냉각식 응축기이다.
냉각 시스템은 중온 스테이지를 위한 응축기 역할을 하는 열 교환기(56)와 저온 스테이지를 위한 응축기 및 리시버, 중온 스테이지를 위한 증발기 및 저온 및 중온 스테이지를 위한 팽창 탱크의 4개의 구성요소로 기능하는 용기(57)를 더 포함한다. 또한 제상 모드에서는 증발기로 사용된다.
리시버 기능은 시스템이 설정값에서 작동할 때 추가 냉매 충전을 포함하고 액체 냉매가 팽창 밸브로 보내지도록 하게 하는 목적이 있다.
응축기 구조물의 일부를 형성하는 용기는 중온 스테이지의 증발 냉매와 저온 스테이지의 고온 냉매를 혼합하여 응축을 제공하며, 이에 의해 저온 스테이지의 고온 냉매가 응축된다.
냉각 시스템은 점선(58, 59)으로 도시된 2개의 상이한 증발기 챔버에 배열된 제1 증발기와 제2 증발기를 포함한다.
냉매는 용기(57)로부터 제1 증발기(60) 및 제2 증발기(61) 중 하나 또는 둘 다로 흐를 수 있다. 유동은 컴퓨터 컨트롤러에 연결된 전기 제어식 밸브를 통해 제어 가능하다.
용기로부터 냉매를 받는 증발기가 활성화(active) 된다. 즉, 냉각 냉매에 의해 증발기가 냉각된다. 냉매를 받아들이지 않는 증발기는 여기에서 비활성(inactive)으로 표시된다.
밸브의 선택적인 작동에 의해, 컨트롤러는 가열 냉매의 흐름을 제1 및 제2 증발기 중 하나로 향하게 하여, 그 증발기를 제상(defrosting)으로 정의할 수 있다. 특히, 가열 냉매는 제2 스테이지 압축기(52)의 출구로부터 취해질 수 있다. 증발기(60)의 제상은 증발기(61)가 활성(냉각 모드에서)인 동안 발생한다. 그 과정에서 중온 스테이지는 엄격하게 아임계 스테이지에서 작동된다.
추가적으로, 고온 스테이지의 고온 냉매의 연결부(62)는 저온 저장고 도어 프레임을 가열하기 위해 사용될 수 있다. 고온 냉매에 저장된 에너지는 일반적으로 주변으로 거부되며 저온 저장고 도어 프레임은 전기 가열을 사용하여 가열된다. 고온 스테이지의 고온 가스를 저온 저장고 도어 프레임 가열에 사용함으로써, 도어 프레임을 가열하는 데에 사용되는 전기 에너지의 일부 또는 전부를 절약할 수 있다. 또한 응축기 부하가 감소하여, 응축기 팬(들) 및/또는 펌프(들)에서 더 적은 에너지를 사용하여 절약할 수 있다. 물론 중온 및 저온 컴프레서에서 나오는 고온가스에도 같은 원리가 적용될 수 있다.
고온 냉매를 사용한 도어 히팅은, 컨트롤러에 의해 결정되는 특정 조건에서 시스템이 작동하는 경우에만 사용된다. 또한, 도어 프레임 가열의 온도는 냉매 흐름을 제어하여 제어할 수 있다. 도 6은 제상을 위해 저압 냉매를 갖는 고온 압축기(51)를 사용하는 고온 가스 제상을 도시한다. 이 구성에서, 고온 스테이지의 고온 냉매가 증발기 제상에 사용된다. 이 경우, 증발기에는 하나는 냉각용이고 다른 하나는 가열용인 두 가지 다른 냉매로 작동하는 두 세트의 입구와 출구가 있다.
도 7은 냉매의 증발, 압축, 응축 및 팽창의 시스템 주요 프로세스와 주요 프로세스의 상태점들을 도시한다. 다이어그램은 시스템에서 사용되는 두 가지 냉매를 보여준다. 공정이 곡선 70으로 표시된 저온 및 중온은 초저온 냉매를 사용하고 있다.
작동 중에는 저온 및 중온이 아임계 영역 내에 유지된다. 저온 및 중온 냉매의 포화 곡선은 곡선 71로 표시된다.
고온 스테이지 열역학적 특성 및 시스템 특성은 곡선 72로 표시되는 반면 고온 냉매의 포화 곡선은 곡선 73으로 표시된다.
각 냉매의 임계점은 별표 74 및 75로 표시된다.
도 8은 도 7에 표시된 해당 상태점을 포함하는 단순화된 배관 및 계측 다이어그램을 보여준다.
도 9 내지 도 11은 제1 냉각 유닛의 모니터링을 도시한다. 이것은 하나의 예이며, 제2 냉각 장치를 모니터링하는 것이 좋을 수도 있다.
도 9는 시간 간격 평균의 함수로서 냉각 용량을 도시한다. 즉, 가로축은 시간 간격 번호를 도시한다. 이것은 제1 냉각 유닛이 켜지고 격실의 냉각에 기여하는 상기 제1 간격 세트의 간격 번호이다. 세로축은 킬로와트 단위로 측정된 증발기 공기 냉각 용량 Q를 나타낸다.
도 10은 온 타임 간격 수의 함수로서 온 타임 기간을 도시한다.
가로축에서, 도 10은 제1 냉각 유닛이 켜지고 격실의 냉각에 기여하는 상기 제1 간격 세트의 간격 번호를 도시한다.
세로축을 따라, 제1 또는 제2 냉각 유닛 중 하나가 격실을 능동적으로 냉각하기 위해 사용되는 시간(여기에서 온-타임이라고 함)을 나타낸다. 예를 들어 해당 압축기가 켜져 있거나 적어도 제어 밸브가 열려 냉매가 해당 증발기로 들어갈 수 있을 때이다. 세로축의 단위는 분이다.
도 11은 온 타임 간격의 수에 따른 누적 냉각 용량을 보여준다.
가로축에서, 도 11은 제1 냉각 유닛이 켜지고 격실의 냉각에 기여하는 상기 제1 간격 세트의 간격 번호를 도시한다.
세로축에서, 도 11은 누적 냉각 용량 Q를 백분율로 나타낸 것이다. 누적 냉각 용량은 다음 방정식으로 구한다.
이 누적 냉방 능력을 문턱 값과 비교하여 제상 시기를 결정한다.
위에서는 모두 제1 냉각 유닛에 대하여 설명하였으며, 제2 냉각 유닛에 대해서도 동일하게 적용될 수 있다.
도 12는 냉각 시스템을 개략적으로 도시한다. 시스템은 도 1에 도시된 구성요소를 포함할 수 있다. 특히 시스템은 압축기 유닛, 응축기 구조물, 제1 증발기(60) 및 증발기를 증발기를 활성 및 비활성 상태 사이에서 제어할 수 있는 컨트롤러를 포함한다. 증발기는 상태에 따라 냉매를 받아들이는데 예를 들어 증발기는 활성 상태에서만 냉매를 받는다.
냉각 시스템은 고온 스테이지, 중온 스테이지 및 저온 스테이지로 구성된다.
다이어그램은 고온 스테이지를 위한 하나의 압축기(51), 중온 스테이지를 위한 하나의 압축기(52) 및 저온 스테이지를 위한 하나의 압축기(53)를 도시한다.
중온 스테이지 압축기 및 저온 스테이지 압축기는 중온 스테이지 및 저온 스테이지 냉매에서 작동하며m "복합 스테이지 압축기"라고 할 수 있다.
세 스테이지 중 두 스테이지는 다음과 같이 기능하도록 구성된 용기(57)에 의해 분리된다.
- 저온 스테이지용 응축기 및 리시버,
- 중온 스테이지용 증발기,
- 저온 및 중온 스테이지용 팽창 탱크, 및
- 증발기가 비활성 상태일 때 증발기.

Claims (25)

  1. 저온 저장고(1)로, 상기 저온 저장고는,
    - 격실(2),
    - 상기 격실(2)과 유체 연통하는 제1 증발기 챔버(4),
    - 상기 격실(2)과 유체 연통하는 제2 증발기 챔버(5),
    - 제1 냉각 시스템 및 제2 냉각 시스템으로, 상기 냉각 시스템 각각은 압축기 유닛(11, 12), 응축기 구조물, 제1 증발기(60, 60'), 제2 증발기(61, 61') 및 냉각 냉매가 제공될 때를 증발기를 활성으로 정의하거나 냉각 냉매가 제공되지 않을 때를 비활성으로 정의하도록 응축기 구조물로부터 상기 제1 증발기 및 제2 증발기 중 하나로 또는 둘 모두로의 냉매 유동을 제어하게 구성된 컨트롤러(13, 14)를 포함하는 제1 냉각 시스템 및 제2 냉각 시스템을 포함하고,
    상기 제1 증발기 챔버에는 상기 제1 증발기(60, 60')가 배치되고, 상기 제2 증발기 챔버에는 상기 제2 증발기(61,61')가 배치되는 것을 특징으로 하는 저온 저장고.
  2. 제1항에 있어서, 상기 컨트롤러(13, 14)는 제1 및 제2 증발기 중 하나로의 가열 냉매의 흐름을 제어하여, 가열 냉매가 제공될 때 증발기를 제상으로 정의하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 저온 저장고.
  3. 제2항에 있어서, 가열 냉매는 응축되는 냉매 부분과 응축되지 않는 냉매 부분 사이의 비율(share)에 의해 냉각 냉매와 구별되는 것을 특징으로 하는 저온 저장고.
  4. 제2항에 있어서, 상기 가열 냉매는 상기 냉각 냉매보다 응축되지 않는 비율이 더 큰 것을 특징으로 하는 저온 저장고.
  5. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컨트롤러는,
    - 제1 및 제2 냉각 시스템 중 1차 냉각 시스템의 제1 증발기가 활성화되고, 다른 증발기는 비활성화되는 정상 작동 모드, 및
    - 1차 냉각 시스템의 제2 증발기가 활성화되고, 1차 냉각 시스템의 제1 증발기는 비활성화되거나 성에를 제거하는 제상 작동 모드 사이에서 전환(shift)되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 저온 저장고.
  6. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컨트롤러는 제1 및 제2 냉각 시스템 중 적어도 하나의 제1 증발기 및 제2 증발기가 활성인 제1 냉각 작동 모드로 전환하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 저온 저장고.
  7. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컨트롤러는 제1 및 제2 냉각 시스템 모두의 제1 증발기가 활성인 제2 냉각 작동 모드로 전환하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 저온 저장고.
  8. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 컨트롤러는 제1 및 제2 냉각 시스템 모두의 제1 및 제2 증발기가 활성인 제3 냉각 작동 모드로 전환하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 저온 저장고.
  9. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 냉각 시스템은 고온 냉매를 제공하는 고온 스테이지, 중온 냉매를 제공하는 중온 스테이지 및 저온 냉매를 제공하는 저온 스테이지를 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 저장고.
  10. 제9항에 있어서, 상기 컨트롤러는 제상하는 동안 아임계 작동이 유지되도록 중온 냉매 유동이 제1 및 제2 증발기 중 하나를 향하도록 제어하게 구성되는 것을 특징으로 하는 저온 저장고.
  11. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 제1 증발기 챔버에 기류를 생성하도록 배열된 제1 팬 시스템 및 제2 증발기 챔버에 기류를 생성하도록 배열된 제2 팬 시스템을 포함하고, 상기 컨트롤러는 증발기 활성인 증발기 챔버 내에 기류를 생성하기 위해 선택된 팬 시스템을 활성화하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 저온 저장고.
  12. 제11항에 있어서, 컨트롤러는, 증발기가 활성화되지 않았거나 제상 중인 증발기 챔버 내에 기류를 방지하기 위해 선택된 팬 시스템을 비활성화하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 저온 저장고.
  13. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 제1 냉각 시스템의 제1 증발기는 제1 증발기 챔버 내의 기류 방향에 대해 제2 냉각 시스템의 제2 증발기와 직렬로 배열되고, 제1 냉각 시스템의 제2 증발기는 제2 증발기 챔버 내의 기류 방향에 대해 제2 냉각 시스템의 제1 증발기와 직렬로 배열되는 것을 특징으로 하는 저온 저장고.
  14. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 냉각 시스템의 제1 증발기는 상기 제1 증발기 챔버 내의 기류 방향에 대하여 상기 제2 냉각 시스템의 제2 증발기와 평행하게 배치되고, 상기 제1 냉각 시스템의 상기 제2 증발기는 상기 제2 증발기 챔버 내의 기류 방향에 대해 제2 냉각 시스템의 제1 증발기와 평행하게 배치되는 것을 특징으로 하는 저온 저장고.
  15. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 냉각 시스템의 제1 증발기와 상기 제2 냉각 시스템의 제2 증발기가 상기 제1 증발기 챔버 내에 하나의 단일 유닛으로 형성되고, 상기 제1 냉각 시스템의 제2 증발기와 상기 제2 냉각 시스템의 제1 증발기는 제2 증발기 챔버 내에 하나의 단일 유닛으로 형성되는 것을 특징으로 하는 저온 저장고.
  16. 선행하는 청구항들 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 냉각 시스템은 저온 스테이지, 중온 스테이지 및 고온 스테이지를 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 저장고.
  17. 제16항에 있어서,
    - 저온 스테이지용 응축기 및 리시버,
    - 중온 스테이지용 증발기,
    - 저온 및 중온 스테이지용 팽창 탱크, 및
    - 증발기가 비활성일 때 증발기로 기능하게 배치되는 용기(57)를 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 저장고.
  18. 제1항 내지 제17항 중 어느 한 항에 따른 저온 저장고를 작동하는 방법으로,
    - 제1 및 제2 냉각 시스템 중 하나를 1차 냉각 시스템으로 선택하고, 다른 하나는 2차 냉각 시스템으로 선택하는 단계,
    - 1차 냉각 시스템의 제1 및 제2 증발기 중 하나에 냉각 냉매 유동을 제공하는 단계, 및
    - 1차 냉각 시스템의 제1 및 제2 증발기 중 다른 하나에 가열 냉매 유동을 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 저장고 작동 방법.
  19. 제18항에 있어서, 냉각 냉매의 유동을 1차 냉각 시스템의 제1 및 제2 증발기 모두에 제공하기 위해 냉매의 흐름을 재지향시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 저장고 작동 방법.
  20. 제18항 또는 제19항에 있어서, 2차 냉각 시스템의 제1 및 제2 증발기 중 적어도 하나에 냉각 냉매의 유동을 제공하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 저장고 작동 방법.
  21. 제18항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 1차 냉각 시스템을 2차 냉각 시스템으로 전환하고, 2차 냉각 시스템을 1차 냉각 시스템으로 전환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 저장고 작동 방법.
  22. 제19항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    - 제1 및 제2 냉각 시스템 중 1차 냉각 시스템의 제1 증발기가 활성화되고, 다른 증발기는 비활성화되는 정상 작동 모드, 및
    - 1차 냉각 시스템의 제2 증발기가 활성화되고, 1차 냉각 시스템의 제1 증발기가 제상 중인 제상 작동 모드 사이에서 전환하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 저장고 작동 방법.
  23. 제22항에 있어서, 냉각 시스템은 고온 냉매를 제공하는 고온 스테이지, 중온 냉매를 제공하는 중온 스테이지 및 저온 냉매를 제공하는 저온 스테이지를 포함하고, 중온 스테이지는 제상 작동 모드에서 엄밀히 아임계 단계에서 작동되는 것을 특징으로 하는 저온 저장고 작동 방법.
  24. 제18항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 냉방 능력의 누적 증가를 결정하는 단계, 누적된 냉방 능력의 증가에 기초하여 제상 스케줄을 정의하는 단계 및 제상 스케줄에 기초하여 냉각 냉매 가열 냉매의 유동을 증발기에 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 저온 저장고 작동 방법.
  25. 압축기 유닛(11, 12), 응축기 구조물, 제1 증발기(60), 및 냉각 냉매가 제공될 때를 증발기를 활성으로 정의하거나 냉각 냉매가 제공되지 않을 때를 비활성으로 정의하도록 응축기 구조물로부터 상기 제1 증발기로 냉매 유동을 제어하게 구성된 컨트롤러(13, 14)를 포함하는 냉각 시스템으로,
    상기 냉각 시스템은 고온 스테이지, 중온 스테이지 및 저온 스테이지를 포함하고, 상기 3개의 스테이지 중 두 스테이지는,
    - 저온 스테이지용 응축기 및 리시버,
    - 중온 스테이지용 증발기,
    - 저온 및 중온 스테이지용 팽창 탱크, 및
    - 증발기가 비활성일 때 증발기로 기능하게 배치되는 용기(57)에 의해 분리되는 것을 특징으로 하는 냉각 시스템.
KR1020237029934A 2021-03-09 2022-03-09 저온 저장고, 저온 저장고 작동 방법 및 냉각 시스템 KR20230156043A (ko)

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