KR102680673B1 - 냉동시스템의 제어 환경내 공기 냉각을 통한 단열 및 결빙 방지시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉동시스템의 제어 환경내 공기 냉각을 통한 단열 및 결빙 방지시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 보온재를 두껍게 사용하지 않고도 -80℃ 이하 극저온 냉동시스템에서 발생하는 제어용 전자부품은 물론 각종 밸브와 파이프에서 발생되는 결빙에 의한 제어불량을 예방하고, 시스템의 소형화가 가능하도록 하면서 파티클 발생을 억제하여 클린룸을 포함한 다양한 산업분야에서 극저온 냉동시스템 구현에 적합하도록 개선된 냉동시스템의 제어 환경내 공기 냉각을 통한 단열 및 결빙 방지시스템에 관한 것이다.

Description

냉동시스템의 제어 환경내 공기 냉각을 통한 단열 및 결빙 방지시스템{Insulation and anti-icing system through air cooling in the controlled environment of the refrigeration system}

본 발명은 냉동시스템의 제어 환경내 공기 냉각을 통한 단열 및 결빙 방지시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 보온재를 두껍게 사용하지 않고도 -80℃ 이하 극저온 냉동시스템에서 발생하는 제어용 전자부품은 물론 각종 밸브와 파이프에서 발생되는 결빙에 의한 제어불량을 예방하고, 시스템의 소형화가 가능하도록 하면서 파티클 발생을 억제하여 클린룸을 포함한 다양한 산업분야에서 극저온 냉동시스템 구현에 적합하도록 개선된 냉동시스템의 제어 환경내 공기 냉각을 통한 단열 및 결빙 방지시스템에 관한 것이다.

냉동시스템 중 -80℃ 이하의 극저온 냉동시스템은 생물의학 분야, 저온 전자 공학(cryoelectronics), 코팅 작업 및 반도체 제조분야에서 중요한 산업적 기능을 제공하고 있다.

이러한 범위의 온도는 저온, 초저온 및 극저온으로 다양하게 불려지며, 제어를 위한 다수의 전자부품과 밸브, 파이프들이 연결된다.

그런데, 워낙 낮은 온도로 구동되다보니 특히, 압축기 제어를 위해 압축기에 부착된 전자부품(PCB)을 포함한 각종 전장부품들, 각종 밸브류(특히, 솔밸브), 파이프라인 등에 결로가 생기면서 결빙되어 동작불능에 빠지는 경우가 생기고 있다.

이와 같은 현상이 발생되면 결빙을 녹이기 위해 히팅하는 경우가 있는데, 그럴 경우 자칫 잘못하면 전장부품이 손상되어 심각한 설비사고를 초래할 수도 있다.

그 외, 밸브류나 파이프라인의 경우에는 결로방지를 위해 두꺼운 보온재를 사용하고 있는데, 보온재를 사용할 수 없는 경우에는 결로에 완전히 노출된 상태로 다른 해결책이 없는 실정이다.

따라서, 결빙에 의한 셧다운을 예측할 수 없기에 냉동시스템을 구동하는데 상당한 어려움이 있다.

뿐만 아니라, 보온재를 사용하게 되면 장비를 소형화하기 어렵고, 보온재로부터 나오는 파티클, 보온재를 고정하기 위해 사용되는 접착제로부터 나오는 파티클로 인해 특히, 반도체 생산현장인 클린룸에서는 치명적이다.

이에 따라, 개선의 필요성이 오랫동안 요청되어 왔지만, 실질적인 해결방안이 미진한 상태였다.

대한민국 국내 등록특허 제10-0985132호(2010.09.28.) 혼합 냉매를 이용하는 극저온 냉동시스템에서의 동결 방지 시스템

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술상의 제반 문제점들을 감안하여 이를 해결하고자 창출된 것으로, 보온재를 두껍게 사용하지 않고도 -80℃ 이하 극저온 냉동시스템에서 발생하는 제어용 전자부품은 물론 각종 밸브와 파이프에서 발생되는 결빙에 의한 제어불량을 예방하고, 시스템의 소형화가 가능하도록 하면서 파티클 발생을 억제하여 클린룸을 포함한 다양한 산업분야에서 극저온 냉동시스템 구현에 적합하도록 개선된 냉동시스템의 제어 환경내 공기 냉각을 통한 단열 및 결빙 방지시스템을 제공함에 그 주된 목적이 있다.

본 발명은 상기한 목적을 달성하기 위한 수단으로, -80℃ 이하까지 냉각시키는 다원 냉동시스템의 일부가 포함된 챔버; 상기 챔버(100)에 내장되고, CDA(Clean Dry Air)가 공급되어 열교환된 후 챔버 내부로 배출되게 하는 제습유닛;을 포함하고, 상기 다원 냉동시스템을 구성하는 압축기의 배출단 일부가 인출되어 상기 제습유닛(200) 내부에서 CDA와 열교환할 수 있도록 구성되며; 상기 다원 냉동시스템을 구성하는 팽창밸브의 배출단 일부가 인출되어 상기 제습유닛(200) 내부에서 CDA와 열교환할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 냉동시스템의 제어 환경내 공기 냉각을 통한 단열 및 결빙 방지시스템을 제공한다.

이때, 상기 제습유닛을 거쳐 열교환된 CDA를 챔버 내부로 배출시키는 라인 상에는 상기 CDA를 승온시키는 히터가 더 설치된 것에도 그 특징이 있다.

또한, 상기 제습유닛의 바닥면에는 응축수배수관이 더 연결되고, 상기 응축수배수관은 챔버 외부에 설치된 저수조에 연결된 것에도 그 특징이 있다.

또한, 본 발명은 챔버; 상기 챔버에 내장된 압축기, 상기 챔버 외부에 설치된 응축기, 상기 챔버 내부에 설치된 팽창밸브, 상기 챔버 외부에 설치되고 응축기와 팽창밸브 사이에 설치되어 냉매를 -80℃ 이하로 냉각시키는 냉매냉각기, 상기 챔버에 내장된 증발기를 포함하는 다원 냉각시스템; 상기 챔버에 내장된 제습유닛;을 포함하고, 상기 압축기의 배출단에 연결된 제1분배기; 제1분배기로부터 분기되어 제습기로 연결된 핫가스공급라인; 제1분배기의 제1분배라인과 제습기를 거친 핫가스회수라인이 연결되어 냉매를 혼합시킨 후 콘덴서로 공급하는 제1믹서; 상기 팽창밸브의 배출단에 연결된 제2분배기; 상기 제2분배기로부터 분기되어 제습기로 연결된 콜드가스공급라인; 제2분배기의 제2분배라인과 제습기를 거친 콜드가스회수라인이 연결되어 냉매를 혼합시킨 후 증발기로 공급하는 제2믹서; CDA(Clean Dry Air)를 제습기로 공급하여 열교환시키는 CDA공급라인; 제습기에서 열교환된 CDA를 챔버 내부로 배출시키는 CDA배출라인; 제습기에서 챔버 외부로 연결된 응축수배수관;을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉동시스템의 제어 환경내 공기 냉각을 통한 단열 및 결빙 방지시스템을 제공한다.

이 경우, 상기 증발기와 압축기 사이에는 제3믹서가 더 설치되고; 상기 제3믹서에는 증발기를 거친 냉매가 공급되는 증발기라인과, 상기 제2분배기에서 다이렉트로 인출된 바이패스라인이 연결된 것에도 그 특징이 있다.

본 발명에 따르면, 보온재를 두껍게 사용하지 않고도 -80℃ 이하 극저온 냉동시스템에서 발생하는 제어용 전자부품은 물론 각종 밸브와 파이프에서 발생되는 결빙에 의한 제어불량을 예방하고, 시스템의 소형화가 가능하도록 하면서 파티클 발생을 억제하여 클린룸을 포함한 다양한 산업분야에서 극저온 냉동시스템 구현에 적합하도록 개선된 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 시스템의 개략적인 구성 블럭도이다.
도 2는 본 발명에 따른 시스템을 구성하는 열교환부의 예시도이다.
도 3은 본 발명에 따른 시스템을 구성하는 다원 냉동시스템의 예시적인 냉매회로도이다.

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 발명에 따른 냉동시스템의 제어 환경내 공기 냉각을 통한 단열 및 결빙 방지시스템은 냉동시스템을 챔버 속에 구비하고, 상기 챔버 속에는 제습유닛을 구비하여 팽창밸브를 지난 냉매의 일부를 제습유닛에 흘려서 CDA(Clean Dry Air)와의 열교환을 통한 시스템 듀 포인트(System Dew Point)까지 낮춰 제습유닛에서 CDA에 포함된 수분을 응결시킨 후 챔버 내부로 배출시킴으로써 챔버 내부에 노출된 전장부품이나 밸브류 혹은 파이프 등에 결로가 생기지 않아 별도의 보온재를 두껍게 사용하지 않고도 결빙 현상을 방지하도록 한 것이다.

이때, 상기 CDA는 1차 제습된 상태의 공기로서, 제습챔버를 통해 포화수증기량(대략 -60℃일 때 0.0109g/㎥, 표 1 참조)이 극도로 낮춰지기 때문에 챔버 내부로 토출되었을 때는 수증기를 함유하고 있는 양이 극미하여 전장부품, 밸브류, 파이프들과 접촉하더라도 결로가 발생되지 않아 결빙 현상이 생기지 않게 된다.

여기에서, 상기 냉동시스템은 일반 냉동시스템과 다른 극저온 냉각이 가능한 다원 냉동시스템, 바람직하게는 캐스케이드형 열교환기를 갖는 이원 냉동시스템이다.

때문에, 팽창밸브를 지난 냉매의 온도는 이미 -80℃ 이하에 도달한 상태이며, 압축기의 경우에는 토출단이 보통 110℃에 이른다.

또한, 상기 제습유닛을 거친 CDA는 챔버 내부에 설치된 히터를 거쳐 상온으로 승온된 상태에서 작업환경내, 즉 챔버 내부로 배출되게 구성할 수도 있다.

이 경우, 히터는 큰 출력이 필요없는데, 이는 토출되는 약간의 CDA를 살짝 가열하여 상온으로 승온시키기 위한 것이기 때문이며, 보통 반도체 설비인 경우와 같이 챔버(100) 외부인 외벽에서도 응축이 일어나지 않게 해야 할 경우만 사용함이 바람직하다.

이를 개념적으로 설명하자면, 도 1과 같다.

즉, 도 1에 따르면 제어 환경인 챔버(100)를 포함한다.

이 경우, 상기 챔버(100)는 닫힌 계로서, 극저온 냉동시스템인 다원 냉동시스템이 구동될 때 챔버(100) 내부의 공기를 거의 완벽하게 제습시켜 냉동시스템을 구성하는 구성요소들의 표면에서 결로에 의한 결빙이 생기지 않도록 구성된다.

이를 위해, 상기 챔버(100) 내부로는 1차 제습된 CDA(Clean Dry Air)를 도입하되, 이 CDA가 도입되면서 제습유닛(200)을 거침으로써 포화수증기량을 극미량 상태로 만들어 챔버(100) 내부로 배출되게 하는 것이 특징이다.

다시 말해, 챔버(100) 내부의 공기인 CDA가 극미량의 포화수증기량을 갖는다면 극저온의 냉매에 의한 극저온, 이를 테면 -80℃ 이하의 온도와 만나더라도 결로를 일으킬만한 수증기가 없기 때문에 결로가 발생되지 않게 되며, 결로가 발생되지 않기 때문에 당연히 결빙도 일어나지 않게 되어 본 발명이 목적하는 바를 달성할 수 있게 된다.

덧붙여, 도 3을 참고하면 상기 챔버(100)는 내부에 다원 냉동시스템이 포함되어 있기 때문에 공간이 크지 않아 사실상 챔버(100) 내부에 채워지는 CDA 양은 크지 않는다.

한편, 도 1에서와 같이, 상기 챔버(100) 내부에는 다원 냉동시스템이 설비되되, 압축기(300)의 배출단에서 인출된 핫가스공급라인(310)이 제습유닛(200)을 경유하도록 하여 CDA공급라인(110)을 통해 공급되는 CDA와 열교환하도록 구성된다.

이 경우, 다원 냉동시스템을 구성하는 응축기(CON, 도 3 참조)는 챔버(100) 외부에 설치되고, 냉매라인만 챔버(100) 내부로 배관된다.

또한, 냉동시스템을 구성하는 팽창밸브(400)에서 콜드가스공급라인(410)이 인출되어 상기 제습유닛(200)을 경유하도록 하여 CDA공급라인(110)을 통해 공급되는 CDA와 열교환하도록 구성된다.

여기에서, 상기 제습유닛(200)의 열교환구조는 다양한 형태가 될 수 있지만, 예를 들어 설명하자면 도 2와 같이, CDA공급라인(110)의 일부에 열교환부(210)가 구비되고, 상기 열교환부(210)에는 다수의 동으로 된 열교환용 박막(220)이 설치되며, 상기 열교환용 박막(220)을 감싸듯이 냉매관(230)이 배관되고, 상기 냉매관(230)에는 개폐밸브에 의해 선택적으로 관류하도록 연결되는 핫가스공급라인(310) 및 콜드가스공급라인(410)을 포함하며, 상기 열교환부(210)의 바닥면에는 응축수배수관(240)이 배관되고, 상기 응축수배수관(240)은 챔버(100) 외부에 구비된 저수조(250)에 연결된다.

이에 따라, 1차 제습된 CDA를 콜드가스공급라인(410)을 통한 콜드냉매와의 열교환을 통해 -60℃ 이하로 냉각하게 되면, 상기 CDA는 하기한 표 1에 나타난 바와 같이 포화수증기량이 0.0109g/㎥ 정도로 작아지기 때문에 이러한 열교환 과정에서 대부분의 CDA에 함유된 수증기가 결로되면서 바짝 마른 CDA만 CDA배출라인(120)을 타고 챔버(100) 내부로 토출되고, 결로에 의해 생긴 응축수는 응축수배수관(240)을 타고 저수조(250)로 이동하는데 워낙 미량이기 때문에 배출되는 과정에서 대부분 증발하며, 저수조(250)로 이동한 응축수도 상온에서 곧바로 자연증발하게 된다.

이 경우, 반도체 생산설비에서 사용될 경우라면, 제습유닛(200)을 거친 CDA배출라인(120) 상에 히터(500)를 더 설치하여 상온까지 승온시킨 상태로 배출시키면 챔버(100) 외벽과의 온도 차이에 의한 챔버(100) 외벽에서의 결로 현상까지 방지할 수 있게 된다.

그리고, 장시간 동안 가동하게 되면 상기 제습유닛(200)의 열교환부(210) 상에 성에가 낄 수 있다.

성에가 끼게 되면 열교환 성능이 급격히 떨어지므로 이 경우에는 콜드가스공급라인(410)을 잠그고, 핫가스공급라인(310)을 열어 성에를 자동으로 제거하도록 동작한다.

이것은 성에의 두께를 감지하는 센서를 달아 자동으로 제어하거나 혹은 주기적으로 일정시간에 이르면 동작하도록 하는 방식으로 자동 제어할 수 있다.

또한, 성에 제거과정에서 발생된 성에제거수는 당연히 응축수배수관(240)을 타고 저수조(250)로 모여 자연증발된다.

좀 더 구체화시킨다면 도 4와 같은 형태가 될 수 있다.

도 4에 따르면, 다원 냉동시스템을 구성하는 압축기(300)와 팽창밸브(400) 및 증발기(EVA)는 챔버(100) 내부에 설치되고, 응축기(CON)는 챔버(100) 외부에 설치된다.

그리고, 제습유닛(200)은 챔버(100) 내부에 설치되고, 저수조(250)는 챔버(100) 외부에 설치된다.

아울러, 상기 압축기(300)와 응축기(CON) 사이에는 제1분배기(D1)와 제1믹서(M1)가 순차로 구비된다.

이때, 상기 제1분배기(D1)는 압축기(300)에서 토출된 110℃에 이르는 고온의 냉매를 제습유닛(200)으로 공급하도록 분기된 핫가스공급라인(310)을 포함하고, 다른 분기라인인 제1분배라인(320)은 제1믹서(M1)에 연결된다.

또한, 상기 제습유닛(200)을 경유하면서 열교환된 핫가스는 핫가스회수라인(330)을 통해 회수되는데, 상기 핫가스회수라인(330)은 상기 제1믹서(M1)에 연결된다.

이어, 제1믹서(M1)에서 믹싱된 냉매가스는 응축기(CON)를 거쳐 응축된 후 팽창밸브(400)로 공급된다.

이 경우, 상기 팽창밸브(400)를 거쳐 토출되는 냉매가스의 온도는 본 발명이 극저온 냉각을 구현하는 다원 냉동시스템이기 때문에 거의 -80℃ 이하까지 낮춰진 상태이다. 즉, 응축기(CON)와 팽창밸브(400) 사이에는 냉매를 냉각하기 위한 다수의 캐스케이드 열교환기와 다수의 전자팽창밸브 및 다수의 냉매분리기가 조합된 냉매냉각기(RF)가 마련되어 극저온까지 냉매 온도를 떨어뜨리지만 이는 공지된 기술이기 때문에 여기에서 구체적인 설명은 생략하며, 그 특성을 이용하도록 한다.

그리고, 상기 팽창밸브(400)에서 배출된 냉매가스는 제2분배기(D2)를 거쳐 분배된다.

이때, 상기 제2분배기(D2)에는 콜드가스공급라인(410)과, 제2분배라인(420)과, 바이패스라인(440) 3개 라인이 분기된다.

여기에서, 상기 콜드가스공급라인(410)은 제습유닛(200)으로 공급되며, 제습유닛(200)을 거쳐 열교환된 콜드가스는 콜드가스회수라인(430)을 타고 제2믹서(M2)로 이송된다.

또한, 상기 제2분배라인(420)은 제2믹서(M2)로 직접 연결되어 콜드가스회수라인(430)을 타고 회수된 콜드가스와 혼합된 상태에서 증발기(EVA)로 공급된다.

뿐만 아니라, 상기 바이패스라인(440)은 온도 조절을 위해 별도 분기되며, 제3믹서(M3)로 직접 연결된다.

그리고, 상기 제3믹서(M3)는 증발기(EVA)를 통과한 냉매가스 이송관인 증발기라인(450)도 연결되어 혼합한 후 압축기(300)로 공급한다.

그외, CDA배출라인(120)에 설치된 구성과 저수조(250)로 연결되는 구성은 앞서 설명한 바와 같다.

이렇게 구성됨으로써 상술하였던 동작설명과 마찬가지로 제습유닛(200)을 통해 효율적인 제습이 이루어지므로 도입되는 CDA는 수분이 거의 없는 상태로 배출되어 챔버(100) 내부를 채우기 때문에 챔버(100) 내부에 노출된 다원 냉동시스템을 구성하는 다수의 전장부품이나 밸브류 및 배관들이 결로에 의해 결빙되는 현상이 억제된다.

특히, 본 발명과 같은 시스템을 적용하게 되면 두꺼운 보온재를 두껍게 사용하지 않고도 결빙을 막을 수 있는 매우 유용한 효과를 얻을 수 있게 된다.

100: 챔버
200: 제습유닛
300: 압축기
400: 팽창밸브

Claims (6)

1. -80℃ 이하까지 냉각시키는 다원 냉동시스템의 일부가 포함된 챔버; 상기 챔버(100)에 내장되고, CDA(Clean Dry Air)가 공급되어 열교환된 후 챔버 내부로 배출되게 하는 제습유닛;을 포함하고,
   상기 다원 냉동시스템을 구성하는 압축기의 배출단 일부가 인출되어 상기 제습유닛(200) 내부에서 CDA와 열교환할 수 있도록 구성되며;
   상기 다원 냉동시스템을 구성하는 팽창밸브의 배출단 일부가 인출되어 상기 제습유닛(200) 내부에서 CDA와 열교환할 수 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 냉동시스템의 제어 환경내 공기 냉각을 통한 단열 및 결빙 방지시스템.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제습유닛을 거쳐 열교환된 CDA를 챔버 내부로 배출시키는 라인 상에는 상기 CDA를 승온시키는 히터가 더 설치된 것을 특징으로 하는 냉동시스템의 제어 환경내 공기 냉각을 통한 단열 및 결빙 방지시스템.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제습유닛의 바닥면에는 응축수배수관이 더 연결되고, 상기 응축수배수관은 챔버 외부에 설치된 저수조에 연결된 것을 특징으로 하는 냉동시스템의 제어 환경내 공기 냉각을 통한 단열 및 결빙 방지시스템.
4. 챔버; 상기 챔버에 내장된 압축기, 상기 챔버 외부에 설치된 응축기, 상기 챔버 내부에 설치된 팽창밸브, 상기 챔버 외부에 설치되고 응축기와 팽창밸브 사이에 설치되어 냉매를 -80℃ 이하로 냉각시키는 냉매냉각기, 상기 챔버에 내장된 증발기를 포함하는 다원 냉각시스템; 상기 챔버에 내장된 제습유닛;을 포함하고,
   상기 압축기의 배출단에 연결된 제1분배기; 제1분배기로부터 분기되어 제습기로 연결된 핫가스공급라인; 제1분배기의 제1분배라인과 제습기를 거친 핫가스회수라인이 연결되어 냉매를 혼합시킨 후 콘덴서로 공급하는 제1믹서; 상기 팽창밸브의 배출단에 연결된 제2분배기; 상기 제2분배기로부터 분기되어 제습기로 연결된 콜드가스공급라인; 제2분배기의 제2분배라인과 제습기를 거친 콜드가스회수라인이 연결되어 냉매를 혼합시킨 후 증발기로 공급하는 제2믹서; CDA(Clean Dry Air)를 제습기로 공급하여 열교환시키는 CDA공급라인; 제습기에서 열교환된 CDA를 챔버 내부로 배출시키는 CDA배출라인; 제습기에서 챔버 외부로 연결된 응축수배수관;을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉동시스템의 제어 환경내 공기 냉각을 통한 단열 및 결빙 방지시스템.
5. 제4항에 있어서,
   상기 증발기와 압축기 사이에는 제3믹서가 더 설치되고; 상기 제3믹서에는 증발기를 거친 냉매가 공급되는 증발기라인과, 상기 제2분배기에서 다이렉트로 인출된 바이패스라인이 연결된 것을 특징으로 하는 냉동시스템의 제어 환경내 공기 냉각을 통한 단열 및 결빙 방지시스템.
6. 제4항에 있어서,
   상기 CDA배출라인에는 CDA를 승온시켜 배출하는 히터가 더 설치된 것을 특징으로 하는 냉동시스템의 제어 환경내 공기 냉각을 통한 단열 및 결빙 방지시스템.

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