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KR20030015857A - 저온 냉각 시스템 - Google Patents

저온 냉각 시스템 Download PDF

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KR20030015857A
KR20030015857A KR1020020048039A KR20020048039A KR20030015857A KR 20030015857 A KR20030015857 A KR 20030015857A KR 1020020048039 A KR1020020048039 A KR 1020020048039A KR 20020048039 A KR20020048039 A KR 20020048039A KR 20030015857 A KR20030015857 A KR 20030015857A
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South Korea
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cooling
refrigerant fluid
multicomponent refrigerant
heat
thermal load
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KR1020020048039A
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Inventor
케네쓰 카이 웡
리차드 에이. 노박
마이클 존 시니크로피
단테 패트릭 보나퀴스트
Original Assignee
프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
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Publication date
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Abstract

본원 발명은 냉각 회로내에서 순환하는 다성분 냉매 유체의 가온에 의해 그리고 열 부하체와의 직접적인 또는 간접적인 열교환을 위해 열 부하체에 별개로 제공되는 저온 액체에 의해 열 부하체에 냉각을 제공하는 저온 냉각 시스템에 관한 것이다.

Description

저온 냉각 시스템{CRYOGENIC REFRIGERATION SYSTEM}
본 발명은, 다성분(multicomponent) 냉매 유체를 이용하여 냉각을 발생시키고 열 부하체(heat load)에 제공하는, 열 부하체에 냉각을 제공하는 것에 관한 것이다.
냉각은 음식물의 냉동, 약품 제조, 천연가스 액화작업, 및 열 부하체의 온도를 낮추기 위해 냉각이 필요한 수 많은 용도에 광범위하게 사용된다.
냉각 분야에서의 최근의 중요한 진보는 종래의 시스템 보다 상당히 효율적인 냉각을 생성할 수 있는 다성분 냉매를 이용하는 냉각 시스템의 개발이다. 혼합 가스 냉매(mixed gas refrigerant; MGR) 시스템 또는 MGR 시스템으로도 알려져 있는 이러한 냉각 시스템들에 대해서는 -80℉ 이하와 같은 매우 낮은 온도 또는 저온으로 냉각을 제공하는 분야에서 특히 관심을 가지고 있다.
MGR 시스템은 통상적인 기체 압축 시스템 보다 설치하는데 비용이 많이 들고 작동하기도 복잡하다. MGR 시스템의 높은 초기 비용은 MGR 시스템이 피크(peak) 냉각 요건에 맞출 수 있도록 특정 용도에서 공칭적으로(nominally) 요구되는 것 보다 더 크게 설계되는 경우에 특히 불리하다. MGR 시스템 자체의 복잡성에 의해 발생되는 신뢰성 문제를 해결하기 위해 추가의 비용이 발생된다.
따라서, 본 발명의 목적은, MGR 시스템의 크기를 열 부하체의 피크 냉각 요건에 맞출 필요가 없고 그리고 기본적인 MGR 시스템에 비용이 많이 드는 추가적인 신뢰 시스템을 부가할 필요가 없이, MGR 시스템을 이용할 수 있게 하는 냉각 시스템을 제공하는 것이다.
도 1 은 본 발명의 저온 냉각 시스템의 하나의 바람직한 실시예를 개략적으로 도시한 도면.
도 2 는 본 발명의 저온 냉각 시스템의 다른 바람직한 실시예를 개략적으로 도시한 도면.
* 도면의 부호에 대한 간단한 설명 *
2 : 압축기4 : 중간 냉각기
6 : 압축기8 : 오일 필터
12: 열교환기16: 열 부하체(음식물 냉각기)
21: 기액분리기22: 저온액체 저장탱크
본 명세서로부터 당업자가 용이하게 인식할 수 있는 상기 목적 및 기타 목적들은 본 발명에 따라 달성될 수 있으며, 본 발명의 일 태양은 다음과 같다. 즉:
열 부하체에 냉각을 제공하는 방법으로서:
(A) 다성분 냉매 유체를 압축하여 압축된 다성분 냉매 유체를 제공하고, 압축된 다성분 냉매 유체를 냉각하여 냉각된 압축 다성분 냉매 유체를 제공하며, 그리고 냉각된 압축 다성분 냉매 유체를 팽창시켜 다성분 냉매 유체와 관련된 냉각을 제공하는 단계;
(B) 다성분 냉매 유체와 관련된 냉각으로부터의 냉각을 열 부하체에 제공하고 그 후에 냉각 압축 다성분 냉매 유체와의 간접적인 열교환에 의해 다성분 냉매 유체를 가열하는 단계; 및
(C) 저온 액체를 열 부하체로 통과시켜 상기 열 부하체를 냉각하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 태양은 다음과 같다. 즉:
냉각 제공 장치로서:
(A) 열 부하체와;
(B) 하나 이상의 압축기, 자동냉각장치(autorefrigerator) 열교환기, 팽창 장치, 및 다성분 냉매 유체를 압축기(들)로부터 상기 자동냉각장치 열교환기로 통과시키고 상기 자동 냉각장치 열교환기로부터 상기 팽창 장치로 통과시키고 상기 팽창 장치로부터 열부하체로 통과시키며 그리고 상기 열 부하체로부터 자동냉각장치 열교환기로 통과시키기 위한 수단; 그리고
(C) 저온 액체 저장 탱크 및 상기 저온 액체 저장 탱크로부터 열 부하체로 저온 액체를 통과시키기 위한 수단을 포함한다.
본 명세서에서 "팽창"이란 용어는 압력의 감소를 의미한다.
본 명세서에서 "팽창 장치"란 용어는 유체를 팽창시키는 장치를 의미한다.
본 명세서에서 "압축기"란 용어는 유체를 압축하는 장치를 의미한다.
본 명세서에서 "다성분 냉매 유체"란 용어는 둘 이상의 종류로 이루어지고 냉각을 생성할 수 있는 유체를 의미한다.
본 명세서에서 "냉각"이란 용어는 부분대기(subambient) 온도 시스템으로부터 열을 제거할 수 있는 능력을 의미한다.
본 명세서에서 "냉매 유체"란 용어는 온도, 압력 및 상(相)이 변화되면서 보다 낮은 온도로부터 열을 흡수하여 보다 높은 온도로 배출하는 냉각 공정 중의 유체를 의미한다.
본 명세서에서 사용된 "가변 부하 냉매(variable load refrigerant)"는 둘 이상의 성분의 혼합물을 의미하는 것으로서, 상기 혼합물의 비율은 성분들의 액체 상이 혼합물의 끓는 점과 이슬점 사이에서 연속적이고 증가되는 온도 변화를 격도록 정해진다. 주어진 압력에서의 혼합물의 끓는 점은 혼합물이 모두 액상 형태로 있으며 열을 가하면 액상과 평형을 이루면서 증기상이 형성되기 시작하는 온도이다. 주어진 압력에서의 혼합물의 이슬점은 혼합물이 모두 증기상이며 열을 제거하면 증기상과 평형을 이루면서 액상이 형성되기 시작하는 온도이다. 따라서, 혼합물의 끓는 점과 이슬 점 사이의 온도 영역은 액상과 증기상 모두가 평형상태로 공존하는 영역이다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 가변 부하 냉매에 대한 끓는 점과 이슬점 사이의 온도차는 대체적으로 10℃ 이상, 바람직하게는 20℃ 이상, 가장 바람직하게는 50℃ 이상이다.
본 명세서에서 "열 부하체"는 자체의 온도를 낮추기 위해서 또는 자체의 온도가 상승하는 것을 방지하기 위해서 에너지 감소 또는 열의 제거를 필요로 하는 스트림(stream) 또는 물체를 의미한다.
본 명세서에서 "저온 액체(cryogenic liquid)"라는 용어는 액체 질소, 액체 이산화탄소 및 액체 아르곤 중 하나 이상을 포함하는 액체를 의미한다.
첨부 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세히 설명한다. 도 1 을 참조하면, 다성분 냉매 유체(1)가 제 1 압축기 또는 압축 단계(2)를 통과하며, 그 압축기 또는 압축 단계에서 냉매 유체는 대체적으로 40 내지 250 psia(pounds per square inch absolute)의 압력으로 압축된다. 압축된 다성분 냉매 유체(3)는 공냉식 중간냉각기(4)를 통과함으로써 냉각되고, 냉각된 다성분 냉매 유체(5)는 다음의 압축기 또는 압축 단계(6)를 통과하며, 상기 압축기 또는 압축 단계(6)에서 냉매 유체는 대략적으로 80 내지 500 psia 로 추가 압축되어 압축된 다성분 냉매 유체(7)를 제공한다. 압축된 다성분 냉매 유체(7)는 오일 필터(8)를 통과함으로써 오일 오염물질이 제거되고, 오일 오염물질이 제거된 압축된 다성분 냉매 유체(9)는 공냉식 디슈퍼히터(desuperheater)(10)를 통과함으로써 압축 열이 냉각된다. 그 후에, 그러한 압축된 다성분 냉매 유체(11)는 자동냉각장치 열교환기(12)를 통과한다.
본 발명의 실시예에 사용된 다성분 냉매 유체는 바람직하게 탄화불소(fluorocarbons), 탄화불화수소(hydrofluorocarbons), 염화불화탄화수소 (HCFCs; hydrochlorofluorocarbons), 플루오르에테르(fluoroethers), 대기 가스 및 탄화수소로 이루어진 군으로부터 선택된 둘 이상의 종류를 포함하며, 예를 들어상기 다성분 냉매 유체는 두종류의 탄화불소만을 포함할 수도 있다. 바람직하게, 본 발명의 실시에 유용한 다성분 냉매는 가변 부하 냉매이다.
본 발명에 유용한 바람직한 다성분 냉매는 탄화불소, 탄화불화수소, 및 플루오르에테르로 이루어진 군으로부터 하나 이상, 그리고 탄화불소, 탄화불화수소, 염화불화탄화수소, 플루오르에테르, 대기 가스 및 탄화수소로 이루어진 군으로부터 하나 이상을 포함한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, 다성분 냉매는 탄화불소만으로 구성된다. 본 발명의 다른 바람직한 실시예에서, 다성분 냉매는 탄화불소 및 탄화불화수소만으로 구성된다. 본 발명의 또 다른 실시예에서, 다성분 냉매는 탄화불소, 플루오르에테르 및 대기 가스만으로 구성된다. 가장 바람직하게, 다성분 냉매의 모든 성분은 탄화불소, 탄화불화수소, 플루오르에테르 또는 대기 가스 중 임의의 것이다.
자동냉각장치 열교환기(12)내에서, 압축된 다성분 냉매 유체는 이하에서 상술하는 바와 같이 간접적인 열교환에 의해 다성분 냉매 유체를 가열하면서 냉각된다. 냉각된 다성분 냉매 유체(13)는 자동냉각장치 열교환기(12)로부터 팽창 장치(14)로 흐르며, 상기 냉매 유체는 상기 팽창 장치에서 팽창되어 냉각을 발생시킨다. 바람직하게, 팽창 장치는 주울-톰슨(Joule-Thomson) 밸브이며, 그 팽창은 등엔탈피 팽창(isenthalpic expansion)이다. 그 후, 부분적으로 또는 전체적으로 액상인 다성분 냉매 유체(15)와 관련된 냉각이 열 부하체로 전달되어 열 부하체에 냉각을 제공한다.
도 1 에 도시된 본 발명의 실시예에서, 열 부하체는 음식물 냉각기이며, 다성분 냉매 유체로부터의 냉각은 음식물 냉각기의 대기내로 전달된다. 본 발명의 저온 냉각 시스템의 사용에 의해 냉각을 수용하는 다른 열 부하체는 화학 공정 산업용 반응기, 냉동 건조, 생물학적 저장(biostorage), 초전도, 원격통신, 천연가스의 액화, 의학적 이미징(imaging), 기타 음식물 냉동 장치를 포함한다.
도 1 을 다시 참조하면, 다성분 냉매 유체(15)와 관련한 냉각은 음식물 냉각기(16)로 공급되며, 상기 음식물 냉각기(16)의 대기와의 간접적인 열교환에 의해 열 부하체에 냉각을 제공한다. 통상적으로, 다성분 냉매 유체의 적어도 일부는 열 부하체에 냉각을 제공하는 과정 중에 기화된다. 도 1 에 도시된 실시예에서, 음식물 냉각기 분위기는 흡입구(17)에 의해 음식물 냉각기(16)로 제공되고 배출구(18)에 의해 음식물 냉각기(16)로부터 제거된다.
다성분 냉매 유체는 열 부하체로부터 자동냉각장치 열교환기(12)로 스트림(19)으로서 통과되며, 상기 자동냉각장치 열교환기에서 냉각 압축 다성분 냉매 유체(11)와의 간접적인 열교환에 의해 상기 냉매 유체는 가열되고, 잔류 액체가 증발된다. 그렇게 가열된 다성분 냉매 유체(20)는 기액분리기(accumulator)(21)를 통과하며, 잔류 액체가 있는 경우 그 잔류 액체는 상기 기액분리기에서 제거되고, 그에 따라 기체상 다성분 냉매 유체가 기액분리기(21)로부터 압축기(2)로 스트림(1)으로서 공급되며, 다성분 냉매 유체 냉각 사이클이 새롭게 시작된다.
저온 액체는 저온 액체 저장 탱크(22)내에 저장된다. 바람직한 저온 액체는 액체 질소다. 저온 액체는 저장 탱크(22)로부터 열 부하체(16)로 스트림(23)내에서 통과하며, 상기 열 부하체(16)에서 저온 액체는 가온(warming)되고 바람직하게는 기화되어 열 부하체에 냉각을 제공한다. 열 부하체로의 저온 액체의 통과는 다성분 냉매 유체와 관련된 냉각으로부터 열 부하체로의 냉각 제공 중에 및/또는 그 이전에 및/또는 그 후에 일어날 수 있다. 다성분 냉매 유체로부터 냉각을 제공하는 동안 저온 액체가 열 부하체를 통과하는 경우, 그 기간의 일부 동안에만 즉, 피크 냉각 수요 기간 동안에만 저온 액체 통과를 제공하는 것이 바람직하다. 도 1 에 도시된 본 발명의 실시예에서, 저온 액체는 간접 열교환에 의해 열 부하체에 냉각을 제공한다. 가온되고 바람직하게 기화된 저온 유체는 열 부하체(16)로부터 배출 스트림(24)으로서 제거된다.
도 1 에는 또한 시스템의 고압측 압력과 저압측 압력이 각각의 설정점에서 유지될 수 있도록 서지 체적(surge volume)을 제공하기 위해 서지 탱크(40)가 사용되는 바람직한 장치가 도시되어 있다. 이러한 서지 탱크 시스템은 점선으로 도시하였다. 예를 들어, 고압측 압력이 너무 높아지면, 유체가 밸브(41)를 통해 압축기 배출부로부터 서지 탱크(40)로 흐르게 된다. 만약 고압측 압력이 너무 낮다면, 유체는 밸브(42)를 통해 서지 탱크(40)로부터 압축기 흡입부의 회로 상류내로 흐르게 된다. 서지 탱크는 또한 시스템의 임의 부분 또는 시스템 전체가 분리되어야 하는 경우에 냉매를 유지하는 체적부로서의 역할도 한다. 이 경우, 유체는 하나 이상의 펌프(43), 밸브(44) 및 증발기(45)를 통해 서지 탱크로 제공된다.
도 2 는 본 발명의 다른 실시예를 도시하는데, 상기 실시예에서 저온 액체는 직접적인 열교환에 의해 열 부하체에 냉각을 제공한다. 도 2 에 도시된 본 발명의 실시예에서, 다성분 냉매 유체 냉각 회로는 도 1 과 관련하여 설명한 것과 실질적으로 동일한 방식으로 작동되며, 그에 따라 이에 대해 반복적으로 설명하지 않는다. 상기 냉매 유체 냉각 회로는 열 부하체(60)로의 유출 레그(leg)(51) 및 열 부하체(60)로부터의 유입 레그(52)와 함께 도 2 에 상자(50)로서 대략적으로 도시되어 있다. 도 2 를 참조하면, 저온 액체 저장 탱크(62)로부터의 저온 액체(61)는 밸브(63)를 통과하여 열 부하체(60)로 전달되며, 상기 열 부하체는 도 2 에 도시된 실시예에서 음식물 냉각기이다. 햄버거 패티(patties)와 같은 음식물은 화살표(64)로 대략적으로 나타낸 바와 같이 예를 들어 컨베이어 벨트 상에서 음식물 냉각기(60)를 통과한다. 음식물 냉각기(60)내에서, 액체 질소와 같은 저온 액체가 스프레이어 헤드(sprayer heads)(65)로부터 음식물 상으로 분사되며, 그에 따라 음식물이 냉각 및 냉동되거나 또는 음식물의 냉각된 상태가 유지된다. 그 후에, 결과적으로 기화된 저온 액체가 음식물 냉각기로부터 배출된다.
비록 특정의 바람직한 실시예를 참조하여 본원 발명을 상세히 설명하였지만, 소위 당업자는 청구범위의 범위 및 사상내에서 본 발명의 다른 실시예를 인식할 수 있을 것이다.
본원 발명은 혼합 가스 냉매 시스템의 크기를 열 부하체의 피크 냉각 요건에 맞출 필요가 없고 그리고 기본적인 혼합 가스 냉매 시스템에 비용이 많이 드는 추가적인 신뢰 시스템을 부가할 필요가 없이, 혼합 가스 냉매 시스템을 이용할 수 있게 하는 냉각 시스템을 제공한다.

Claims (10)

  1. 열 부하체에 냉각을 제공하는 방법으로서:
    (A) 다성분 냉매 유체를 압축하여 압축된 다성분 냉매 유체를 제공하고, 압축된 다성분 냉매 유체를 냉각하여 냉각된 압축 다성분 냉매 유체를 제공하며, 그리고 냉각된 압축 다성분 냉매 유체를 팽창시켜 다성분 냉매 유체와 관련된 냉각을 제공하는 단계;
    (B) 다성분 냉매 유체와 관련된 냉각으로부터의 냉각을 열 부하체에 제공하고 그 후에 냉각 압축 다성분 냉매 유체와의 간접적인 열교환에 의해 다성분 냉매 유체를 가온하는 단계; 및
    (C) 저온 액체를 열 부하체로 통과시켜 상기 열 부하체를 냉각하는 단계를 포함하는 냉각 제공 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 다성분 냉매 유체와 관련된 냉각으로부터의 냉각이 상기 열 부하체에 제공되는 시간의 적어도 일부 동안 상기 저온 액체가 열 부하체를 통과하여 상기 열 부하체에 냉각을 제공하는 냉각 제공 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 다성분 냉매 유체와 관련된 냉각으로부터의 냉각이 상기 열 부하체에 제공되는 시간의 일부분 동안만 상기 저온 액체가 열 부하체를 통과하여 상기 열 부하체에 냉각을 제공하는 냉각 제공 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 저온 액체가 간접적인 열교환에 의해 상기 열 부하체에 냉각을 제공하는 냉각 제공 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 저온 액체가 직접적인 열교환에 의해 상기 열 부하체에 냉각을 제공하는 냉각 제공 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 열 부하체는 음식물을 포함하는 냉각 제공 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 저온 액체는 액체 질소를 포함하는 냉각 제공 방법.
  8. 냉각 제공 장치로서:
    (A) 열 부하체와;
    (B) 하나 이상의 압축기, 자동냉각장치 열교환기, 팽창 장치, 및 다성분 냉매 유체를 압축기(들)로부터 상기 자동냉각장치 열교환기로 통과시키고 상기 자동 냉각장치 열교환기로부터 상기 팽창 장치로 통과시키고 상기 팽창 장치로부터 열부하체로 통과시키며 그리고 상기 열 부하체로부터 자동냉각장치 열교환기로 통과시키기 위한 수단; 그리고
    (C) 저온 액체 저장 탱크 및 상기 저온 액체 저장 탱크로부터 열 부하체로 저온 액체를 통과시키기 위한 수단을 포함하는 냉각 제공 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 열 부하체는 음식물 냉각기를 포함하는 냉각 제공 장치.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 압축기는 초기 단계와 후속 단계를 포함하며, 상기 초기 단계와 후속 단계 사이에는 중간냉각기가 있는 냉각 제공 장치.
KR1020020048039A 2001-08-16 2002-08-14 저온 냉각 시스템 Withdrawn KR20030015857A (ko)

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