KR810001949B1 - 한제에 의한 냉각방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

한제에 의한 냉각방법

제1도는 본 발명의 특징을 구체화한 저온 냉각기(system)를 도시한 도면이다.

제2도는 제1도의 일부분에 대한 변형된 배열을 도시한 부분도이다.

제3도는 제2도와 유사한 또다른 배열을 보여준 도면이다.

제4도는 제1도와 유사한 다른 실시예를 도시한 도면이다.

제5도는 본 발명의 특징을 구체화한 다른 저온 냉각계를 도시한 도면이다.

본 발명은 저온냉동에 관한 것으로 특히 단속적 대용량 냉동을 위한 한제(cryogen) 특히 이산화탄소의 사용량을 극소화시킨 냉각방법에 관한 것이다.

냉동장치는 잠시동안 또는 단속적으로 사용하는 이용자가 많이 있으며 특히 회분식으로 식품을 제조하고 식품의 맛, 겉모양 등을 보존하기 위해 급속냉동이 필요한 식품산업의 경우 그러하다. 이러한 식품처리자로는 제과업소, 연회 또는 큰 호텔이나 음식점의 주방장이나 요리사와 같이 많은 량을 여러시간에 걸쳐서 준비하여 동시에 신속히 냉동해둘 필요가 있는 경우를 들 수 있다. 일반적으로 이와같은 단속적이며 대용량인 급속냉동 예컨데 -30℉ 또는 -40℉정도까지 온도를 내려야하는 경우 기계적 냉동장치는 단 시간내에 높은 동력을 내기 위한 설비뿐 아니라 큰 자본투자가 필요하므로 경제적이 못된다. 따라서 상기와 같은 경우에는 한제에 의한 급속냉동이 유리한 것이다. 그러나 한제에 의한 냉동방식은 일반적으로 다량의 한제를 소비해야 하는 단점을 가지고 있어 그 매력이 감소되어 있는 것이다.

앞서의 경우 외에도 예를들면 중부하, 소부하 또는 냉동이 전혀 불필요한 상태의 주기적 냉동이 요구되는 경우도 많이 있다. 이와같은 여러가지 경우에 이용될 수 있는 한제에 의한 냉동방식으로 오늘날 존재하고 있는 시스템을 대치하는 것은 상업적으로 극히 필요한 것이다.

본 발명의 목적은 최소량의 한제를 소비하면서 효과적으로 냉각 또는 냉동할 수 있는 방법을 제공함에 있다. 본 발명의 다른 목적은 적은 비용으로 단속적으로 비교적 대용량의 냉각제를 공급할 수 있는 이산화탄소 냉각방법을 제공함에 있다. 본 발명의 또 다른 목적은 비교적 다량의 제품을 효율적이고 경제적으로 처리하는 한제에 의한 개량된 단속적 냉각 방법을 제공함에 있다. 본 발명의 기타 목적은 이하 도면과 관련하여 바람직한 실시예를 중심으로 한 설명으로부터 명백해질 것이다.

한제 슬러쉬(slush) 또는 스노우(snow)의 저온 냉각제 저장기를 설치하여 단속적으로 저온에서 대용량의 냉동을 가능하게 하는 배열은 일반적으로 잘 알려져 있다. 이와같은 저장은 소용량의 냉동 또는 밤이나 기타 냉동이 필요치 않을때 경제적으로 생성될 수 있다. 따라서 저장기내의 냉동용량의 확립은 비교적 느리게 이루어지게 되며 상당히 적은 동력 및 비교적 소용량의 장치를 필요로 한다. 따라서 비교적 적은 용량의 압축기와 응축기를 사용하여 이들이 작동할 충분한 시간만 있으면 증기를 회수할 수 있으므로 많은량의 냉각제 슬러쉬 또는 스노우를 저장할 수 있는 것이다.

냉동부하의 증가가 요구될 때에는 저온의 액체 한제를 적정율로 공급할 수 있으며 한편 저온의 저장기의 냉각능력을 즉시 이용하여 압축기가 발생될 증기를 회수하는 것을 도울 수 있다. 고체 한제의 잠열 흡수능력은 직접적으로 또는 증기를 응축시킴으로서 간접적으로 냉각에 이용될 수 있다. 따라서 저장깅 충분한 냉각능력을 저장하여 예컨데 비교적 짧은시간에 다량의 제품을 급속 냉동하면서 한편 기화된 한제를 재사용하기 위해 회수할 수 있다. 최대 사용시간이 지나 사용하지 않게되거나 극히 적게 사용될때 소용량의 압축기는 다음 냉동사이클을 위해 저온 냉각제의 저장을 재생하게 효율적으로 작동된다. 저장기, 압축기 및 응축기등의 크기는 냉동주기에 따라 적절히 선택되며 경우에 따라서는 한개이상의 유니트가 사용된다.

특수 식품용 단속적 냉동에 대한 본 발명의 한가지 구체적인 예가 제1도에 도시되어 있다. 질소, 알곤, 헬륨, 일산화탄소, 크립톤, 네온, 수소 및 그외의 저비점을 갖는 프레온등을 냉각제로 사용할 수 있으며 식품용으로는 이산화탄소가 가장 바람직하다. 표준 액체 이산화탄소 저장조(10)은 약 300P.S.i.g.압력의 액체 이산화탄소를 저장하기 위한 것으로 이 압력에서의 평형온도는 약 0℉가 된다. 프레온 응축기와 같은 냉동기(12)가 저장조(10)에 연결되어 있고 저장조내의 이산화탄소 증기를 액체상태로 응축하는데 사용된다. 프레온 응축기는 표준형으로서 탱크의 크기 및 액체 이산화탄소를 이용하는 작동에 적합한 충분한 응축능력을 갖는 것을 선택한다. 이러한 형의 설치를 위한 응축기는 전형적으로 300p.s.i.g.에서 이산화탄소 증기를 시간당 50파운드정도 응축하는 것이다.

액체관(14)가 저장조(10)의 밑바닥으로부터 시작하여 원격작동 밸브(18)을 거쳐 챔버(chamber) 또는 체류탱크(16)의 윗부분과 연결된다. 경우에 따라 예를들면, 저장조로부터의 배관이 너무 길때는 펌프(도면에는 도시되어 있지 않음)를 관(14)에 설치할 수도 잇다. 지선(20)이 액체관(14)에 연결되어 원격조절밸브(22)와 압력조절기(24)를 거쳐 탱크(16)의 아랫쪽과 연결되어 있다. 압력조절기에 의해 관내의 압력은 약 80p.s.i.a. 이상으로 항상 유지된다.

증기관(26)이 탱크(16)의 상부로부터 압축기(28)의 흡입축에 연결되어 있다. 증기관(26)에는 원격작동밸브(30)과 축적기(32)가 있고 이들의 용도는 다음에 설명된다. 관(34)가 압축기의 토출측으로부터 저장조(10)의 바닥위치로 연결되어 있어 고압의 온도가 상승된 가스가 저장조내의 액체 이산화탄소를 거쳐 올라가도록 되어있다. 이와같이 액체 이산화탄소는 온도 폴라이휠 또는 과열제거기로 작용하며 프레온 냉동기(12)는 고압증기를 재응축시키는데 사용된다.

체류탱크(16)에는 액면 조절기(36)이 설치되어 있고 원격 조정반(38)에 전기적으로 연결되어 있다. 일단 탱크(16)에 적정 액면이 도달되면 조절회로에 의해 밸브(18)이 닫히게 된다. 압축기(28)는 필요하다면 탱크(16)으로부터 증기를 뽑아내어 저장탱크에서 액체 CO₂가 공급될때의 처음 압력(예컨대 300p.s.i.g.)보다 낮은 적어도 삼중점 즉 약 75p.s.i.a. 또는 바람직하기는 약 70p.s.i.a. 이하까지로 압력을 줄일 수 있도록 충진하는 동안에도 계속 작동할 수 있다. 압력을 낮추면 기화가 일어나며 기화되지 않은 CO₂를 냉각시켜 체류탱코내의 액체 CO₂온도를 하강시킨다.

체류탱크(16)의 액면은 기화가 진행됨에 따라 계속 낮아질 것이며 액면 조절기(36)에 의해 지정된 수준까지 내려갔을때 조절장치(38)에 신호가 전달되어 밸브(18)이 열리고 따라서 저장조(10)으로부터 관(14)를 통해 액체 CO₂가 체류탱크로 공급된다. 이러한 공급은 모니터(44)에 측정된 압력이 일정압력 예를들면 75p.s.i.a.이하인 인상 계속된다. 공급된 액체중 일부는 즉시 기화하여 나머지를 냉각시키고 적정 악면에 달할때까지 계속된다.

온도가 삼중점인 약 -69℉에 달하면, 기화가 계속됨에 따라 고체 CO₂가 형성되기 시작한다. 실제로 탱크내 액체표면 가까이에 CO₂고체층이 형성된다. 그러나 고체 CO₂의 밀도는 액체 CO₂보다 크므로 가라앉을려는 경향이 생긴다. 압축기 흡입을 잠깐 중단시킴으로써 기화가 잠시 멈추며 이때 고체 CO₂는, 표면에서 가라앉게 된다. 압축기 흡입을 다시 시작하면 고체 CO₂층이 다시 생성되고 또 잠시 흡입을 중단시켜 가라앉힌다. 이와같은 작동을 반복함으로써 체류탱크(16)내에 슬러쉬 저장이 생성되는 것이다.

이러한 압축기의 중단을 위해 압축기(28)자체를 중단시킬 수 있으나 필요한 중단시간은 예를들어 15초 정도의 짧은 시간이므로 증기관 내의밸브(30)을 닫도록 하고 압축기는 이때 흡입 축압기로 작동하게 되는 빈 챔버를 흡입하도록 하여 보다 편리하게 수행할 수 있다. 따라서 미리 정해진 온도 또는 압력이 될때 이와같은 중단이 일어나도록 온도감지기(40) 혹은 압력제 및 모니터(44)로 감시되는 제어장치가 있으며 물론 실제시간 간격은 압축기 및 슬러쉬 탱크의 크기에 따라 결정된다. 예를들면 -60℉ 또는 75p.s.i.a.에 일단 도달되어 고체 CO₂가 형성되기 시작하면 제어장치(38)에 의해 밸브(30)이 매 3분 혹은 4분마다 15초씩 닫히게 되어 압축기 흡입이 중단되는 것이다. 이와같은 반복된 작동으로 계속 고체 CO₂가 형성되어 체류탱크(16)의 바닥에 쌓이게 되며 바닥에서 약간 위쪽에 위치한 스크린(42) 수준에 도달하게 될때까지 계속된다.

일단 슬러쉬가 형성되기 시작하여 압축기가 계속 75p.s.i.a. 이하의 압력으로 유지시키고 탱크내의 액면이 낮아져 액면 조절기(36)가 다시 액체를 공급시킬려고 할때에는 제어장치(38)에 의해 더 이상의 액체를 공급하지 못하도록 하거나 또는 제한된 량으로 공급되게 한다. 액체 CO₂가 더 공급되어야할 필요가 있을 때에는 지선관(20)에 인도되는 밸브(22)가 열려 액체 CO₂를 탱크 바닥으로부터 공급되게 하여 온도가 높은 공급액체 CO₂를 고체 CO₂와 섞이게 한다. 지선관(20)을 통해 탱크로 공급되는 액체 CO₂는 압력조절기(24)를 거치며 이것에 의해 밸브(22)의 위치와 같은 상류측에서 고체 CO₂가 생성되는 것을 방지한다. 저부관(20)을 통해 탱크(16)으로 액체 CO₂를 공급함으로써 슬러쉬 공정을 중단할 필요가 있다.

이와같은 작동의 반복으로 탱크(16)내에 저온의 CO₂슬러쉬 냉각제를 저장하여 이것을 이후의 냉각 또는 냉동용에 사용한다. 사용자가 냉동이 필요한 식품을 준비하는 시간동안 슬러쉬가 스크린(42)이상 적당한 높이까지 채워질 수 있도록 본 장치의 크기를 정하는 것이 이상적이다. 식품준비가 늦어질 경우를 대비하여 제어장치(38)에 슬러쉬의 적정 높이 감지장치를 설치하여 전체 저장이 고체 이산화탄소로 변환되기 전에 압축기 작동을 중지시킬 수 있다. 위와같은 경우는 예를들어 -70℉에서 액면높이가 최고에 있을때를 감지하는 장치가 사용될 것이며 이러한 상태 즉 모니터(44)가 지시하는 탱크내 압력이 70p.s.i.a. 이하로 된다는 것은, 상당히 두꺼운 고체 CO₂층이 저장기 상부에 형성되었다는 것을 의미하는 것이며 이때에는 압기축을 멈추어 기화를 방지하여야 한다.

일단 저온의 저장이 형성되면 사용자가 선택한 장치의 종류에 따라 식품의 냉동방법이 여러가지로 달라진다. 몇가지 경우에 대해 이하 설명한다. 제1도의 실시예를 보면 냉동대역은 냉동 케비넷(50)의 형태를 취하고 있으며 밖으로 여닫는 단열된 한쌍의 앞문(52)이 설치되어 있다. 케비넷(50)은, 후벽 및 측벽과 상하벽을 내장하는, 예를들면 폴리우레탄 포움등의 열절연층을 가지고 내부 라이너(54)에 의해 냉동할 식품 저장공간이 형성된다.

라이너(54)에는 한쪽벽에 다수의 수평출구홈(56)이 있고 맞은편 벽에는 다수개의 수직의 입구 홈(58)이 있어 이곳을 통해 가스의 순환이 이루어진다. 라이너(54)와 열전연 측벽 및 상부벽 사이에는 적당한 간격이 있어 케비넷(50)위에 장착되어 있는 전동기(62) 및 송풍기(60)에 의해 계속적으로 공기 또는 가스가 순활될 수 있도록 되어 있다. 이 실시예에는 금방 준비한 급속냉동시킬 식품을 실어 날으는 한쌍의 바퀴달린 손수레(cart)(64)가 들어갈 수 있도록 되어 있다. 조정반(38)은, 냉동 케비넷(50)의 측면상자내에 장착되어 있다.

열절연 외측벽내의 공간 냉각은 냉동 케비넷 열절연 상부와 라이너 상부벽 사이에 있는 확대 표면 열교환기(66)에 의해 이루어진다. 송풍기(60)에 의해 공간내의 공기가 수평출구홈(56)을 통해 흡입되어 열교환기(66)의 확대표면에 토출되어 거기서 냉각되고 맞은편 벽 외측의 통로를 통해 수직흡입구(58)을 거쳐 다시 냉동대역내로 들어오게 되어 결국 냉동대역을 수평으로 지나게 되므로 손수레로 운반되는 식품이 냉각된다.

제1도의 실시예에서와 같이 저온의 액체 CO₂가 체류탱크(16)의 저부로부터 펌프(70)에 의해 단열관(72)를 통해 열교환기(66)으로 보내진다. 열교환기의 액체측을 형성하는 튜브의 전길이에 걸쳐 흐른다음, 단열관(74)를 통해 냉동케비넷(50)을 나오게 되어 탱크의 스크린(42) 바로 아래쪽으로 되돌아온다. 그 결과 열교환기(66)의 확대표면을 형성하는 튜브를 거쳐 나오게될 -60℉내지 -70℉의 액체 CO₂는 송풍기(60)에 의해 유동되는 가스상태의 공기로부터 열을 흡수하므로 부분적으로 기화된다.

더워진 액체혼합물이 관(74)를 따라 체류탱크(16)으로 돌아오면, 바닥가까이로 들어가 차거운 슬러쉬와 혼합되어 탱크내로 올라가게 되므로 기체는 다시 응축되고 다시 액체는 더욱 온도가 낮아져 슬러쉬 저장기의 온도로 즉 약 -70℉가 된다.

그 결과 본 냉동방식은 냉동될 식품을 지나는 공기를 신속하게 -60℉정도로 순환시킬 수 있다. 따라서 본 한제에 의한 냉동의 이점은 CO₂를 소비하지 않고 대기에 배출하지 않는 점이다. 보다 더워진 복귀액체 CO₂및 증기의 응축에 의해 주어지는 열은 슬러쉬의 고체 CO₂부분이 용해하여 액체로 될때의 잠열에 의해 흡수된다. 따라서 앞서 축적된 저온슬러쉬 저장은 많은 저온에서 신속히 냉각 처리할 수 있는 것이다.

보통 제어장치(38)은 냉동할 물품을 냉동케비넷(50)에 채워넣고 문(52)를 잠그고 송풍기 모터(62)와 펌프(70)이 작동을 시작하자마자 압축기(28)(압축기가 이미 작동하고 있지 않을때)이 작동되도록 한다. 이와같은 방식으로 냉동케비넷(50)내에서 냉동이 이루어지는 동안, 압축기(28)에 의해 저온액체 CO₂가 부가적으로 생성된다. 물품자체가 산화에 의한 향미 악화가 없어야 하거나 보다 빠른 냉동이 요구될때를 대비하여 냉동케비넷(50)과 저장조(10)사이에 증기관(76)이 연결되어 있다. 이 경우 제어장치에 의해 송풍기모터(62)가 작동이 되기전에 관(76)의 밸브(78)이 자동적으로 얼려 냉동대역 내부공기를 실질적으로 이산화탄소 증기로 대치한다. 그후 보다 밀도있는(공기에 비해) 열용량 특성이 우수한 이산화탄소 증기의 순환에 의해 냉동공정이 시작되고 동시에 향미악화를 방지한다. 만약 다른 가스의 특별한 효과가 필요할 경우에는 탱크(10)으로부터 이산화탄소 증기대신에 다른 가스를 냉동대역내에 도입할 수도 있을 것이다.

본 발명은 CO₂증기를 실질적으로 전부 회수할 수 있는 조건하에서 한제 냉동온도를 부여하며 동시에 소용량의 압축기 및 용축기 사용이 가능하므로 설치비가 적게든다. 그러나 본 발명은 앞에서 설명한 방식에 제한되는 것이 아니며 보통때보다 더 많은량을 냉동해야 할 경우 즉 저온 슬러쉬 저장의 재생주기가 짧아질 경우에도 사용될 수 있다. 취출관(80)이 체류탱크(16)으로부터 설치되어 있고 그 선중에 조정반에 의해 열릴 수 있는 원격 조절밸브(82)가 설치되어 있다. 따라서 저장기의 온도가 미리 지정한 온도 예를들면 -60℉이상이 되거나 지정압력, 예를들면 95p.s.i.g.이상이 되었는데도 펌프(70)에 의해 계속 액체 CO₂가 수송되고 압축기(28)이 작동하고 있으면 제어장치(38)은 저온냉각제 저장이 고갈되어 있고 압축기(28)혼자로서는 냉동용양 수요를 쫓아갈 수 없음을 감지한다. 이 경우 밸브(82)가 열리게 되어 체류탱크(16)내의 CO₂증기를 배출시켜 탱크압력을 신속히 떨어뜨리고 따라서 온도는 저하하게 한다. 이때 배출된 CO₂증기는 회수할 수 없지만 그 배출된 량은 전체 계에서 취급 및 응축되는 CO₂증기량에 비해 극히 적은 것이며 또한 이 장치의 평가된 용량이상의 냉동부하를 얻을 수 있으므로 보통때보다 특별히 많은 량을 냉동시켜야 할 경우 큰 도움이 된다.

제2도를 보면 체류탱크(16)의 스크린대신 열교환기의 코일튜브(85)가 대치되어 있다. 코일(85)의 한쪽끝은 냉동케비넷(50)내의 열교환기(66)으로 도출시키는 펌프(70)의 흡입측에 연결되어 있고 코일의 다른 한쪽 끝은 열교환기로 돌아오는 관(74)에 연결되어 있다. 체류탱크(16)내의 액체 CO₂를 펌프로 순환시켜 열교환기(66)을 거치게 하는 대신 다른 적당한 저온의 열교환 액체를 코일(85)와 확대표면 열교환기(66)사이의 폐회로를 순환시키는 것이다. 이 배치는 코일(85)에 의한 온도차 때문에 제1도와 같은 저온은 얻을 수 없으나, 냉동대역내에 -55℉까지는 가능하므로 대부분의 신속 냉동에는 충분한 것이다.

이와같은 제2의 열교환 액체를 사용하는 구조의 장점은 필요시 열교환기(66)의 서리제거를 쉽게 할 수 있는 점이다. 적당한 3방향 밸브(87)과 (89)를 공급선(72)와 회귀선(74)에 설치하여 펌프(70)으로부터 코일(85)를 분리시킬 수 있다. 3방향 밸브(87) 및 (89)의 작동으로 지선(93)에 있는 주의공기 열교환기(91)을 통해 열교환 액체가 유동한다. 따라서 냉각제 저장이 재생성되는 휴식기간동안 열교환 액체는 확대표면 열교환기(66) 및 주위공기 열교환기(91)을 순환하게 되므로 냉동케비넷(50)내의 열교환기의 서리제거기 전 장치의 한제부분에 방해함이 없이 간단하게 이루어질 수 있는 것이다.

제3도에 도시되어 있는 두번째 구조는 체류탱크 혹은 챔비자체가 냉동케비넷(100)내에서 하나의 확대표현 열교환기 작용을 하도록 한 것이다. 라이너(104)로 규정되는 냉동케비넷 우측에 수개의 대구경 튜브(102)가 설치되어 있다. 각튜브(102)는 축방향 나선형 열교환 핀(106)이 설치되어 있어 송풍기(108)에 의해 순환되는 더운 공기로부터의 열전달을 촉진시킨다. 이 구조에서는 고압의 액체 CO₂가 저장조로부터 관(110)을 통해 수직관(102)로 공급된다. 각 튜브(102)상단을 한곳으로 모아 단일관(112)로 나가게 되고 이 관은 압축기 흡입축에 연결된다. 이 구조에서 순환가스상 분위기는 저온 냉각제 저장기의 외측 대구경관(102)의 표면을 거쳐 냉동될 물품위를 통과한다. 효과적인 설계에 의해 이 구조는 액체펌프 즉 펌프(70)을 생략할 수 있는 것이며 그 결과 설치비가 적게 들고 체류탱크와 열교환기를 조합함으로 더욱 설치비를 줄일 수 있다.

제1도와 같은 구조의 장치의 작동에서 중간크기의 CO₂저장조용 3마력 프레온 응축기와 3마력 이산화탄소 압축기를 사용함으로서 같은 시간동안 같은 량을 급속 냉각시키는데 기계적 50마력의 효과를 낼 수 있음이 밝혀졌다. 따라서 본 방식은 지리적 조건에 의하여 필요한 전력을 얻을 수 없거나 전력값이 비싸거나 또는 급속냉동은 필요하나 대용량의 기계적 장비 설치비가 비싼 경우에 매우 유용하다. 더우기 본 방식은 실질적으로 한제를 대기중으로 버리지 않고 급속냉동을 할 수 있을뿐 아니라 순수한 이산화탄소를 냉동주기 개시전에 미리 냉동케비넷내에 충만시켜 냉동시킬 수 있다는 장점이 있다.

제4도는 이산화탄소의 상변화를 이용한 같은 원리의 그러나 전체배열이 상이한 저장냉동법이 도시되어 있다. 제1도에 설명한 것과 같은 냉동케비넷(50), 열교환기(66) 및 전동기구등 송풍기(60)이 이용된다. 그러나 제4도의 실시예에서는 열교환기(66)을 통해 순환되는 액체가 중간탱크(120)으로부터 원격 조절밸브(124)를 갖는 관(122)를 거쳐 공급된다. 열교환기(66)의 출구는 종간탱크(120)의 증기부로 관(123)에 의해 연결되어 있다.

중간탱크(120)에 주조장조(10)으로부터 액체 CO₂가 액체공급관(14) 및 원격작동 솔레노이드 밸브(18)을 거쳐 공급된다. 액체 CO₂저장조(10)은 보통 약 200p.s.i.g.이상의 압력으로 흔히 약 300p.s.i.g. 압력으로 유지된다. 고압의 액체는 조절가능한 팽창밸브(126)에서 바라는 보다 낮은압력 및 온도로 팽창되어 탱크(120)으로 들어온다. 탱크(120)의 액면은 액면조절기(128)에 의해 공급밸브(18)을 작동시킴으로서 적정 수준으로 유지된다. 탱크(120)에 연결되어 있는 증기관(130)에는 배압조절기(132)가 설치되어 있어 탱크(120)내의 압력을 보통 약 70p.s.i.g 내지 90p.i.g 사이로 유지한다. 증기관(130)은 또 하나의 배압조절기(133)(3중점 바로 위압력으로 셋트되어 있음)을 거쳐 보온 체류탱크(134)에 연결되어 있다.

지선관(20)이 주액체관(14)로부터 갈라져 나와 월격 조절밸브(22)를 거쳐 이산화탄소 분무노즐(136)에 연결되어 있다. 분무노즐(136)으로 흐르는 고압액체 CO₂는 노즐 오리피스를 거쳐 팽창하여 체류탱크(134)의 압력에 따라 이산화탄소 증기 및 스노우 혹은 매우 저압의 액체를 형성한다. 증기관(138)은 체류탱크(134)의 상부로부터 나와서 3개의 평행통로로 갈라진다. 간선(139)에는 압력조절기(140)이 있고 이것에 의해 체류탱크내의 배압이 적어도 80p.s.i.a. 정도 유지되게 되어있다. 증기관(138)은 압축기(142)에 연결되고 압축기는 압력스윗치(144)에 의해 예를들면 최소 60p.s.i.a.의 흡입축압력이 생성되면 압축기가 작동하도록 되어 있다. 압축된 증기는 회귀관(34)를 통해 저장조(11)로 되돌아간다. 이때 저장조내의 압력이 낮으면 압력조절밸브(146)이 열려 압축기 시동과 동시에 신속히 고압으로 되돌아 가게한다.

이 실시예에서는 체류탱크(134)가 저울(148)위에 놓여져 있고, 무게스윗치(150)이 연결되어 있다. 무게스윗치(150)은 두 개의 접점을 갖고 있으며 이것은 제어장치(38)에 연결되어 있다. 일정 최고 무게에 도달하면 즉 체류탱크(134)가 채워져 있으면 무게스윗치(150)의 상부 접점에 연결되어 제어장치(38)에 신호를 보내어 공급밸브(22)를 닫도록하여 노즐(136)을 통한 더이상의 이산화탄소 공급을 중지한다. 압축기(142)는 모든 액체 CO₂가 전부 스노우로 변할때까지 계속 작동한다. 이제 체류탱크내의 스노우로 냉동작동중 생성된 CO₂증기를 응축할 수 있다. 이산화탄소의 무게가 줄어들어 예를들면 증기가 대기중으로 취출되면 무게스윗치(150)의 하부접촉에 의해 제어장치(38)은 솔레노이드 밸브(22)를 열리게 하여 보충액체 CO₂를 노즐(138)을 통해 공급하여 탱크내에 추가로 눈을 형성하게 한다.

일반적으로 전체장치의 크기는 체류탱크(134)내에 충분한 양의 CO₂스노우가 축적되어 다음날 냉동작동중 생성되는 증기를 대부분 응축시킬 수 있도록 하고 체류탱크에 스노우를 생성하는 고압의 액체 CO₂의 환원이 자동적으로 밤새도록 비교적 저속으로 일어날 수 있도록 크기가 정해지며 따라서 비교적 소형의 압축기 및 응축기로 충분하게 된다. 나머지 증기는 냉동작용이 이루어지는중에 압축기(142)와 응축기(12)에 의해 처리된다. 증기관(138)의 십자형 연결구에 의해 두 개의 지선관(160)(162)에 연결되고 이둘은 각각 솔레노이드 밸브(164)(166) 및 압력조절기(168)(170)을 갖고 있다.

제어장치(38)이 스노우를 만들기 시작하여 탱크(134)를 채우도록 작동할때 지선관(160)의 밸부(164)가 열려 70p.s.i.a.로 셋트되어 있는 압력조절기(168)을 작동하게 한다. 따라서 액체 CO₂가 노즐(136)을 통해 탱크(134)로 분무될때 압축기(142)는 압력을 70 내지 75p.s.i.a.사이로 유지시킬려고 하며 따라서 스노우가 생성된다. 노즐(136)의 크기는 압축기(142)와 맞는 비율로 액체를 팽창하도록 정한다. 그러나 보다 빠른 비율로 들어가게 하여 압축기가 체류탱크내의 압력을 감소시킴에 따라 나중에 스노우로 변하도록 해도 좋다. 일단 체류탱크가 스노우로 가득채워져서 압축기(142)가 작동을 멈추면 밸브(164)가 닫히게 되고 압력조절기(140)은 약 80p.s.i.a.로 셋트되어 삼중점을 넘어서 작동하게 된다.

냉동할 물건을 케비넷(50)에 넣고 문(52)를 닫은 후 제어장치(38)의 작동에 의해 냉동공정이 시작된다 . 솔레노이드 밸브(124)가 열려 차거운 액체 CO₂가 중력에 의해 열교환기 코일(66)으로 유동한다. 단지 냉각이나 저속냉동이 필요할 경우에는 -30℉ 이면 충분하다. 그러나 극저온 냉동의 경우에는 -50℉ 혹은 그 이하의 온도가 되어야 한다. 탱크(120)내의 압력이 90p.s.i.a. (75p.s.i.g.)로 유지되면 열교환기(66)내의 액체온도는 약 -62℉ 정도되고 이 경우 냉동케비넷(54)내의 온도는 약 -50℉ 혹은 그 이하로 유지할 수 있다. 송풍기에 의한 열교환기(66)를 지나는 공기순환에 의해 액체 CO₂는 기화되고 그 기체는 열교환기의 다른쪽으로 나가게 되어 증기관(123)을 통해 중간탱크(120)으로 되돌아온다. 열교환기(66)에서 생성된 CO₂증기는 탱크(120)으로부터 관(130)을 통해 압력조절기(132)(133)을 거쳐 체류탱크(134)의 저부로 들어오고 이곳의 압력은 압축기에 의해 낮게 유지된다. 액면조절기(128)의 요구에 따라 추가액체 CO₂가 공급밸브(18)을 통해 탱크(120)으로 공급된다.

증기가 체류탱크(134) 저부로 관(130)을 통해 유입됨에 따라 CO₂스노우는 녹게되고 점차 고체퍼센트가 줄어든다. 냉동작용이 시작될때 압축기를 작동시키기 위하여 제어장치가 밸브(124)를 열어 열교환기(66)으로 중력유동이 시작되자마자 증기관(162)에 있는 솔레노이드 밸브(166)이 열려진다. 이 관에 있는 압력조절기(170)으로 하류압력을 65p.s.i.a.로 유지시키도록 하여 증기가 즉시 조절기(170)을 통과하도록 하여 압력스윗치(144)를 작동시키고 이에 따라 압축기(142)가 작동한다. 이러한 구조에 의하여 압축기(142)가 시동되어 체류탱크(134)내의 증기를 흡입한다. 밸브(166)은 냉동 주기말기에 또는 슬러쉬 생성중에 닫힐 수 있다.

그 결과 냉동케비넷(50)내에서 냉동작용이 개시됨에 따라 CO₂증기가 계속 발생하고 그 CO₂증기는 체류탱크내의 CO₂스노우를 녹여 먼저 슬러쉬를 형성하고 증기가 상향이동하며 계속 응축함에 따라 슬러쉬의 고체부분을 녹이게 된다. 압축기(142)는 계속 작동하여 탱크내의 CO₂증기를 흡입하여 압축한 후 저장조(10)으로 보내 응축시킨다. 압축기(142)가 부하를 쫓아가지 못하고 모든 슬러쉬가 액체로 변하면 흡입증기는 액체내에서 기포로 되고 탱크(134)내의 압력이 높아지고 따라서 증기관(130)내의 압력도 높아진다. 85p.s.i.a. 이상으로 압력이 높아지는 것을 방지하기 위하여 취출관(178)에 연결되는 압력 안전변(176)이 증기관(130)내에 설치되어 있다. 체류탱크(134)내의 압력이 85p.s.i.a.이상이 되면 안전변(176)에 의해 증기관(130)이 대기로 취출연결된다. 따라서 드물게 큰 냉동부하가 걸리는 날에 압축기가 일시 그 용량을 따라가지 못할 경우에도 탱크(120)에 연결되어 있는 취출관(130)에 의해 압력차가 유지되어 열교환기(66)을 통과하는 한제 흐름은 느려지지 않는다.

도시되어 있는 구조에서와 같이 적절히 단열된 체류탱크(134)내에 스노우가 축적되어 비교적 대용량의 한제에 의한 냉각이 가능하며, 이것은 밤새도록 자동적으로 이루어질 수 있다. 이 구조는 3마력 모터에 의해 구동되는 압축기(142)와 표준응축기로 효율적으로 작동된다.

제5도의 실시예도 이산화탄소의 상변화를 이용한 냉동능력의 축적원리를 이용하고 있다. 그러나 이 경우는 긴 열절연실내로 연속적으로 들어오는 물건을 이산화탄소를 이용하여 냉각 또는 냉동하는데 사용되는 구조이다. 무단 컨베이어벨트(202)를 갖는 식품냉동기(200)이 도시되어 있고 컨베이어벨트(202)는 오른쪽 입구에서 왼쪽 출구까지 냉동할 식품을 운반한다. 입구측 컨베이어벨트위에 다수의 스노우노즐(204)가 설치되어 고속의 이산화탄소 스노우층과 함께 컨베이어벨트 및 그위에 운반되는 식품을 둘러싸도록 되어 있다.

스노우 형성장치는 미국특허번호 3,815,377과 같은 형식을 채용할 수 있다. 본 발명에 적용하기 위하여 냉동제어장치(206)을 설치하여 압력조절밸브(208)를 조정함으로써 열전대(210)에 의해 감지된 냉동기(200)내의 온도에 따라 스노우를 적량 생성한다. 냉동기(200)의 왼쪽편에 임의의 열교환기(212)를 설치하고 이 부분을 완전냉동(through freeze)부라고 부르기도 한다.

실제 작동에 있어서 스노우에 의해 식품이 신속하게 둘러싸이므로 이때 식품표면이 얼게되어 내부의 수분증발을 방지하고 이어서 완전냉동부에서 그 내부까지 얼게된다. 열교환기(212)는 증발기로 작용하며 다수개의 송풍기(214)가 설치되어 있어 컨베이어벨트(202)위의 식품에 차가운 공기를 계속 순환시켜 준다. 컨베이어벨트는 다공성을 갖도록 하여 식품의 전표면에 증기가 접촉될 수 있도록 하는 것이 좋다. 스노우 형성노즐(204)는 스노우와 함께 증기도 형성하여 이산화탄소 스노우의 승화작용에 의한 추가증기에 의해 식품냉동기(200)은 습기를 함유하는 공기대신 불활성 이산화탄소 증기로 채워진다. 따라서 완전 냉동부의 송풍기(214)에 의해 열교환기(212) 및 냉동도리 식품표면에 이산화탄소 증기가 접촉 순환하므로 열교환기(212)의 노출표면에 거의 습기가 차는 일이 없다. 스노우노즐 및 승화에 의한 증기는 회수되지 않고 소비된다. 그러나 증발기(212)내에서 기화하는 나머지 이산화탄소는 회수된다.

이산화탄소 주저장소(220)은 약 300p.s.i.g. 및 0℉정도에서 고압액체를 저장할 수 있도록 설계된다. 적당한 용량의 프레온 응축기(222)가 저장조에 설치되어 있어 저장조내의 증기를 응축함으로써 적정압력으로 유지한다. 저장조로부터 액체공급관(224)는 티형 연결구(226)과 연결되고 티형 연결구(226)의 한쪽 통로가 열교환기(228)에 연결되고 다른쪽은 또 하나의 티형 연결구(230)에 연결된다. 티형 연결구(230)의 한쪽 관(232)는 스노우 형성장치에 있는 압력조절밸브(208)에 연결되고 티형 연결구(230)의 다른쪽 통로는 압력조절밸브(236)과 냉동기내 증발기(212)의 흡입축에 연결되는 관(234)과 연결된다.

증발기(212)에는 액면 조절감시기(238)가 있고 그 액면 조절감시기(238)은 증발기 상부에 연결되어 있는 증기복귀관(242)에 위치한 솔레노이드 작동밸브(240)에 연결되어 있는 제어장치(206)과 연결되어 있다. 액면 조절감시기(238)의 기능은 증발기(212)가 액체 CO₂를 완전히 채우는 것을 방지하기 위한 것이며 이는 관(242)에는 증기만 흐르도록 증발기내의 상태를 항상 비등조건으로 유지하기 위한 것이다. 따라서 액면 조절감시기(238)이 상부 가까이 액면이 상승되었음을 지시할때 제어장치로 하여금 밸브(240)을 닫도록 지시하여 액면이 줄어들때까지 액체 CO₂의 더 이상의 흡입을 방지한다. 이 시간동안 비등은 계속되고 압력이 증가하면서 액면이 적정선으로 내려올때까지 액체 CO₂는 공급관(234)에 충만하게 된다. 제어장치(206)는 또한 냉동기내의 완전 냉동부 온도를 감지하는 감지기(244)를 포함하며 감지된 온도가 너무 낮을 때는 밸브(240)을 닫히도록 한다. 증기복귀관(242)는 주입고압액체가 통과하는 열교환기(228)에 연결되어 있고 따라서 증기가 응축되기전에 찬 증기의 냉각능력을 이용해 흡입액체를 냉각시켜 주는 장점이 있다.

티형 연결구(226)의 한쪽 통로는 관(250)에 연결되어 원격조절밸브(252)와 하중감지기(256)위에 지지되어 있는 체류챔버(254)에 연결된다. 증기출구관(258)은 체류챔버(254)의 상부로부터 나와 보통 72p.s.i.a.로 셋트되어 있는 압력조절기를 통해 열교환기(228)의 상류인 증기관(242)의 티형 연결구(262)에 연결된다. 열교환기(228)로부터 관(263)을 거쳐 증기는 압축기(264)로 흡입되고 압축기의 작동은 압력스윗치(266)으로 제어된다. 압축기 토출관(268)은 보조응축기(270)을 거쳐 압력조절기(272) 및 복귀관(274)에 연결되며 주저장조(220)의 하부에 연결되므로 액체와 증기는 고압액체 저장조내로 기포로 들어간다. 증기지선관(276)이 압력조절기(278)을 거쳐 저장조(220)의 증기부로 들어간다. 압력조절기(272)는 응축기(270)내의 압력을 저장조(220)내의 압력에 관계없이 효과적으로 유지시키기 위하여 설치된다. 압력조절기(278)은 프레온 응축기(222)가 작동을 중지하게 되는 압력보다 낮아지면 언제나 열리게 되어있고 따라서 이러한 조건에서는 액체 및 증기가 압축기에 의해 저장조로 다시 들어가게 되어 액체면위의 상부 공간 압력이 즉시 상승하여 프레온 응축기(222)가 다시 작동하게 되며 동시에 스노우 형성노즐(204)를 포함한 계에 대한 공급압력을 안정화 시킨다.

열교환기(228)로 연결되는 증기관(242)의 티형연결구(282)의 한쪽 통로는 지선관(283)에 연결되어 압력조절기(284)를 거쳐 체류챔버(254)의 하부에 연결된다. 압력조절기(284)는 보통 85p.s.i.a.로 셋트된다. 일반으로 압축기를 제어하는 압력스윗치(266)은 약 70p.s.i.a.로 셋트된다. 따라서 증기가 증발기(212)에서 증발에 의해 생성되어 출구관(263)을 통해 열교환기(228)로부터 나오면 압력스윗치(266)이 압축기(264)를 작동시켜 그 증기를 회수하게 된다. 그러나 만약 최대부하가 요구되고 발생하는 증기를 압축기가 다 처리하지 못한 경우에는 복귀관(280)내의 압력이 상승하여 압력조절기(284)가 열리게 되어 지선관(283)을 통해 체류챔버(254)로 들어가게 된다. 따라서 복귀관(242)의 일부 증기가 체류챔버(254)로 들어가고 거기에 스노우가 존재하는 한 액화하게 된다. 예외적으로 최대부하가 오랜시간 걸리게 되면 관(263)의 안전밸브(290)이 열려 과도한 압력을 최대 허용압력 예를들면 80p.s.i.g.정도가 되도록 대기중으로 취출시킴으로써 증발기(212)로 액체가 계속들어 가도록 하여 냉동작용을 계속하도록 한다.

반대로 매우 소부하의 냉동이 계속될때는 압축기(264)가 증발기(212)에서 발생하는 증기량보다 더 많이 처리할 수 있으며 이때 증기관(263)과 (242)의 압력이 떨어져 압력조절기(260)의 셋트포인트 이하로 되어 압력조절기가 열리게 되고 이에따라 압축기는 체류챔버(254)로부터 증기를 흡입하게 됨으로써 체류챔버내의 스노우 함량을 보충하여 주게된다. 따라서 체류챔버(254)는 압력조절기(260)과 (284)로 적절히 조정함으로써 증발기(212)에 발생한 증기의 압축기에 대한 회수유동을 균형화 시킨다.

냉동제어장치(292)는 하중감지기(256)의 지시를 감시하여 원격조절밸브(252)를 통해 체류챔버(254)의 저장량을 조절한다. 제어장치(292)는 초기에 체류챔버(254)에 액체 CO₂가 일정무게가 되도록 차게 셋트된다. 다음 밸브(252)가 잠겨 압축기(264)로 하여금 액체를 스노우로 변화하게 한다. 액체가 스노우로 변함에 따라 체류챔버(254)내 저장물의 무게는 줄어든다. 하중감지기(256)이 일정무게 이하의 감소를 감지하면 제어장치(292)에 의해 밸브(252)가 다시 열려 여분의 액체가 다시 체류챔버내로 들어오게 한다. 밸브(252)가 다시 닫히고 압축기에 의해 압력이 낮아지고 동시에 이 액체 CO₂가 스노우로 변화하면 다시 위와 같은 작동이 반복된다. 이와같은 방식으로 2,3 또는 4단계에 걸쳐 체류챔버(254)는 스노우로 채워진다.

그러나 증기가 거의 찬 CO₂스노우에 의해 응축되면 챔버(254)내의 슬러쉬의 부피는 스노우가 녹고 증기가 응축되어 액체가 형성되면서 늘어난다. 이러한 경우 허용최대치 이상의 저장무게는 하중감지기(256)에 의해 감지되며 제어장치(262)가 펌프(294)를 작동시켜 챔버(254)상부의 인접지역으로부터 액체 CO₂를 인출하며 관(296)을 통해 주액체 CO₂저장조(220)으로 수송한다. 저장무게가 적당히 줄어들면 다시 최대무게에 달해야 하기까지 펌프(294)의 작동이 조절장치(292)에 의해 중지하게 된다. 이와같은 방식으로 체류챔버(254)의 유요체적은 그 용량이 액체용량에 상응하는 스노우양에 국한되는 경우 다룰 수 있는 CO₂양 이상으로 증가될 수 있다. 예를들면 펌프(294)가 없는 경우 10,000갤론 체류챔버는 4,000,000BTU이상의 냉각에 해당하는 증기를 허용 및 응축시킬 수 있으며 펌프가 있는 경우에는 같은 크기의 체류챔버에 의해 6,000,000BTU이상의 냉각이 가능하다.

본 발명은 편의상 도면에 도시한 실시예를 중심으로 설명하였으나 본 발명과 관련하여 그 취지의 범위를 벗어나지 않고 여러자기 변형과 수정이 있을 수 있다. 예를들면 본 발명과 유사한 방식이 이미 냉각 또는 냉동된 물품의 온도를 계속 낮게 유지하기 위해 사용될 수도 있을 것이다. 이러한 냉동은 0℉이하의 냉각 혹은 냉동온도를 달성하는데 유리한 것으로 생각되며 특히 한제의 소비없이 최소의 설치비로 예컨데 -50℉의 냉동온도를 얻을 수 있다는 점에서 큰 가치를 갖는다고 생각된다. 더우기 본 발명은 영구 설치뿐만 아니라 두 장치를 합쳐 재충전 또는 슬러쉬 형성이 이루어지는 이동냉동장치 혹은 한제 공급장치에 대해서도 유용하다. 또한 한제를 슬러쉬 형태로 취급할 필요가 없는 특수한 장점이 있으며 그 이유는 그것이 형성된 챔버내에 있는 체로 목적하는 기능을 수행할 수 있기 때문이다.

Claims (1)

1. 한제를 챔버에 공급하고, 고체 및 액체한제를 고체와 액체 및 증기한제가 평형하에 존재하는 한제의 삼중점 정도의 온도 및 압력을 유지시킴으로써 챔버내에 저장형성하는 저장된 한제냉동을 이용한 물품의 냉각방법에 있어서, 저장된 고체 한제로부터 액체 한제를 분리하여 이를 챔버로부터 제거하여 열교환기로 순환시켜 냉동 및 증발하는 물품으로부터 열을 흡수하고서 열교환기로부터 고체한제를 용해하여 흡수된 열을 내놓게 하는 챔버로 복귀시키는 것을 특징으로 하는 한제에 의한 냉각방법.

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