KR100552945B1 - 비증발성 게터물질을 포함한 냉각 회로의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비 증발성 게터 물질를 포함한는 냉각 회로의 제조에 관한 것으로, 게터 물질을 회로에 유입하기전 10mbar 보다 적은 잔여 대기 가스 압력하에서, 순환 배기단계 동안 또는 바로 그 직후에 적어도 200℃의 온도로 가열하고 회로의 밀폐전에, 냉각혼합물을 유입한다. 본 명세서의 바람직한 예로 지르코늄계 게터 합금이 사용된다.

Description

비증발성 게터물질을 포함한 냉각 회로의 제조 방법{PROCESS FOR THE PRODUCTION OF A REFRIGERATING CIRCUIT COMPRISING NON-EVAPORABLE GETTER MATERIAL}

본 발명은 대체적으로 냉장고 및 냉각장치용 냉각 회로에 포함된 유체 혼합물로 부터 가스를, 특히 대기가스를, 제거하기 위한 비증발성 게터물질을 포함한 냉각 회로의 제조 방법에 관한 것이다.

대부분의 냉각장치는 유체가 증발하는 동안 유체의 온도가 낮아지는 물리적 원리를 바탕으로 하고 있고 가정용 또는 산업용 냉장고, 냉동기, 부패되는 음식물의 자동판매기, 냉장 샵 윈도우(refrigerated shop-window), 및 공조기 등에 이용되는 것으로 잘 알려져 있다. 상기 원리는 수축 및 팽창 싸이클을 거치는 적절한 유체를 포함하고 있는 폐쇄 회로의 이용을 통해 적용된다. 압축기를 포함한 회로는 열교환에 이용되는 표면을 증가시키기 위해 매우 작고, 둘둘 말려 있는 형태와 실질적으로 모세관 단면을 가지고 길게 뻗어있는 코일을 포함하며, 코일은 뛰어난 열전도체인 구리로 보통 만들어진다. 분자체(molecular sieve) 여과기는 일반적으로 코일의 상류에 제공되고, 큰 단면적의 증발기의 튜우브 부분은 압축기로 복귀하기 전에 코일의 하류에 놓인다. 변형된 경우를 제외하고, 이런 구성이 일반적이다.

유체는 0℃에서 50℃의 온도범위에서 압력 변화로 인한 액상-기상변환을 야기하는 유체중에서 선택된다. 팽창 단계에서, 액체가 부분적으로 증발되어 액체 온도가 하강하게 되고, 열은 폐쇄 회로의 금속벽을 통해 냉각되어질 부분으로 부터 제거된다. 반면, 압축 단계에서는 앞에서 형성된 증기가 응축되며, 방출된 열은 시스템 밖으로 전달된다. 냉각 유체로서 클로르플루오르카본(CFC)이 전에는 사용되었으나, 대기 상층부의 오존에 미치는 악영향으로 인해 클로르플루오르카본(CFC)의 산업적 사용은 금지되었다. 수소화된 CFC(HCFC)가 대체물로써 사용되며, 이소부탄((CH₃)₃CH)같은 저포화 탄화수소의 사용이 보급화되었다. 이들 화합물은, 압축기의 정확한 작동과 기계부재의 윤활을 위한 액체상태를 지속적으로 유지 하기위해 일반적으로, 오일과 혼합하여 사용한다. 이하, 냉각용 오일-유체 혼합물은 냉각 혼합물로서 간단히 지칭되어진다.

폐쇄 냉각 회로를 구성하고 있는 파이프내에서, 작동 유체 증기보다 다른 가스(일반적으로 대기 가스)의 존재가 문제의 원인이 된다. 먼저, 이런 가스는 전형적인 압축 작업 온도(실온)에서 압축기에 의해 응축되지 않으며, 따라서 회로 내에 가스로서 잔여하게 된다. 그러한 가스의 압축성으로 인해, 압축기에 의해 이루어지는 압축/팽창 작업의 일부는 가스 체적의 단순한 탄성변형으로 변화되고 열전달을 실행하는 증발/응축 사이클에는 기여를 하지 않게되며, 그 결과 압축기 에너지 수율(yield)을 감소시킨다. 게다가, 냉각 회로내에 존재하는 가스는 특히 가정용 냉장고의 성가신 잡음의 원인이 된다. 마지막으로, 냉각 유체가 탄화수소일때, 공기가 존재하면 어느정도 폭발의 위험성을 내포하며, 아주 적더라도 여전히 무시될수 없다.

냉각 폐쇄 회로의 제조는 초기에 포함된 공기의 대부분을 제거하기위해 기계적인 펌핑작업을 통해 금속 파이프를 진공화하는 단계와 오일 및 냉각 유체 혼합물을 회로내로 지속적으로 채우는 단계로 구성된다. 하지만, 보통의 산업적으로 실행되는 진공작업으로는, 상술한 문제점들을 제거할 수 있을 정도로 가스를 완전히 제거할 수 없다. 완벽한 진공은 산업적 분야에 받아 들여지기에는 곤란한 긴 펌핑시간이 요구된다.

본 출원인의 이탈리아 특허 출원 제MI 98A 000558호에서는 적어도 한 쪽벽이 회로내에 있는 냉각 혼합물과 접촉하는 진공 챔버내에 존재하는 게터 물질을 포함한 게터 시스템을 제공하는 것을 목적으로 한다. 이 벽은 가스는 통과할 수 있으나 혼합물을 구성하고 있는 유체는 통과할 수 없는 물질로 만들어진다.

이 방법에서는, 회로 자체의 컨덕턴스(conductance) 값이 감소함에도 불구하고, 회로 수명동안 비-증발성 게터 물질은 유체가 게터 물질과 접촉하자마자 냉각 유체 내에 존재하는 대기 가스를 흡수한다. 이런 방법은 회로내에서 제조 공정의 잔여물로서 존재하는 가스를 흡수하는데 장시간을 필요로 한다. 따라서, 게터 물질은 주로 고진공 시스템에서 사용된다. 그러나, 회로는 결코 고진공하에 놓이지 않으며, 탈가스 문제는 회로내에 존재하는 원치않는 가스의 다량 감소라는 작동 초기에 얻어지는 이익에 비교하여 무시될수 있다.
미국 특허 제 5,718,119호는 제조 단계에서 냉동회로로부터 공기를 제거하는 방법을 개시하고 있다. 첫 번째 방법은 제오라이트를 함유하고 있는 공기 흡착장치를 냉각 회로에 연결하는 단계와, 상기 흡착 장치가 공기를 흡수할 수 있는 시간을 부여하는 단계와, 그 다음 냉각 유체가 회로에 다시 유입되기전 회로로 부터 공기 흡착장치를 분리하는 단계로 이루어져 있다. 두 번째 방법은 회로내에 공기를 이산화탄소(CO₂)로 대체하는 단계와, 회로로부터 CO₂를 흡수하기 위하여 제오라이트, 수산화칼슘 그리고 염화칼슘, 또는 에폭시 혼합물을 함유하고 있는 이산화탄소 흡착장치를 회로에 연결하는 단계와, 그 다음 냉각 유체가 다시 회로내로 유입되기 전에 CO₂ 흡수 장치를 회로로 부터 분리하는 단계로 이루어져 있다. 이 특허에 포함된 방법들은 다소 복잡하며, 즉 제오라이트에 의한 대기가스의 흡수를 위해서 매우 낮은 온도까지 온도를 낮추는 보조 냉각 유닛을 사용해야 하며, 두 번째 방법의 이용을 이용하기 위해는 공기 제거 다음에 이산화탄소를 채우는 부수적인 단계가 요구된다.
유럽특허 공개공보 제 633420호는 자켓(jacket)을 개시하는데, 자켓의 열적 특징은 열절연성으로 부터 열전도성으로 전환될 것이며, 자켓의 상태의 변화는 작동온도에 따라 반전될 수 있는 수소 흡수성을 나타내는 지르코늄계 합금과 같은 물질로 부터 수소를 흡수/배출하는 매카니즘을 기초로 한다.

상술한 진공은 청구범위 제 1항에서 설명한 작업단계를 포함하고 있는 냉각 회로의 제조 방법에 의해, 종래 기술의 문제점들 없이, 본 발명에 의해 달성된다.
본 발명의 목적은 상기 방법에 의해 만들어지는 냉각 회로 뿐만 아니라 그러한 회로를 포함하는 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따라 본 방법의 장점과 특징은 첨부된 도면에 도시된 일 실시예의 상세한 후술로 명료화 되어진다

삭제

삭제

삭제

도 1은 본 발명의 방법에 따라 제조된 냉각 회로의 사시도.

본 발명에 따라, 냉각 회로내로 유체 혼합물을 유입하기전, 즉 공기의 존재하에서, 적어도 200℃의 온도로 한번 가열된 비증발성 게터는 매우 짧은 시간안에 존재하는 공기의 거의 전부를 흡수할 수 있게 하는 자급적(self-feeding) 발열반응을 거치게 된다. 이는 게터 물질이 사실상 타버리는 거의 완벽한 연소를 야기하며, 냉각 회로 수명 동안 불활성 상태로 남아서, 게터 물질의 목적을 달성하므로, 회로 작동의 초기 단계에서 부터 비압축성 가스를 현저하게 감소시키는 목적을 달성한다.
도면을 참조하면, 상술한 냉각 회로들 중에서 사용될 수 있는 냉각 회로를 도시하고 있다. 냉각 회로는 압축기(1)를 포함하며, 압축기의 송출관은 응축기라고 불리는 튜브 부분(2) 및, 제오라이트 또는 분자체로 만들어진 여과기(3)를 거쳐, 주로 길이방향으로 연장하고 거의 모세관 정도의 약 0.5mm 의 단면 직경을 가지며 파이프 코일로서 소용돌이 모양을 형성하고 있는 것이 바람직한 부분(4)과 연결되어 있다. 부분(4)은 보다 큰 단면적을 가지고 증발기의 역활을 하는 회로 부분(5)에 연결되어 있다. 그 회로는 냉각되어질 환경과의 더 나은 열교환을 달성하기 위해 통상적으로 핀(fin)이 형성된 런백(runback)(6) 또는 열교환기를 거쳐 압축기에서 폐쇄된다.

이런 회로의 준비를 위한 종래 방법은 알려져 있으며, 이 방법에 의하여 회로가 폐쇄되기전, 압축기의 출구에 제공된 보조파이프(7)를 외부의 회전펌프에 연결함으로서 회로를 진공시키며, 그러한 연결에 의해, 냉각 유체 혼합물의 유입전에 그리고 마지막 밀봉전에 회로 내에 잔존하는 대부분의 공기를 흡입하도록 펌프가 런백(6)에 연결된다.

회로 컨덕턴스가 증발기(5)의 상류에서, 상기 응축기(2)내에서, 그리고 모세관(4)내에서 상대적으로 낮기 때문에, 그리고 여과기(3)로 인해 배기하기가 어렵기 때문에, 무시할 수 없는 대기 가스량이 여전히 갇혀있게 되고 전술한 난점들이 여전히 존재할 수 있다.

본 발명에 따라, 비증발성 게터 물질을 포함한 게터 장치(G)가 상기 회로내에서 직렬식, 병렬식, 또는 회로의 분지(branch)로서 미리 도입되며, 증발단계의 마지막 단계 또는 증발단계가 완료되기전, 그리고 냉각 유체의 유입전, 상기 게터 장치는 공기의 존재하에서 게터로 인한 맹렬한 흡수가 일어나는 발열반응이 충분히 일어나기에 필요한 적어도 200℃의 온도로 가열된다. 그리고나서, 냉각 유체(이소부탄 또는 그외 다른것)가 주입되고 보조 파이프(7)는 예를 들어 핀치오프(pinch-off)라 불리는 작업에 의해 폐쇄된다.

시스템 컨덕턴스의 감소로 인해 배기 펌프에 의해 실행되는 제거 작용에 대해 영향을 덜 받는 대기 가스 존재 부분이 게터 작용에 의해 제거되기때문에, 냉각 회로는 무시가능한 공기의 양을 포함한 상태에서 작동될 수 있다.

발열반응의 시작에 요구되는 대기 가스의 부분 압력은 적어도 10mbar이어야 하고, 그러한 반응을 유발하기 위한 가열은 압력이 500mbar 이하일 때 일어나는 것이 바람직하다. 10mbar보다 낮은 압력하에서의 반응열은 가스흡열반응의 자체공급을 위하여 충분하지 않으며, 500mbar보다 높은 압력하에서는 게터가 회로내의 잔류 압력을 감소시키는 기능을 완료하기전에 소모되게 된다. 이런 광범위한 압력 범위에서 작업할 수 있다는 것은 본 발명이 융통성(versatile)을 가질 수 있게 하며, 따라서 회로의 배기 단계중에 또는 바로 그 직후의 상대적으로 높은 압력에서 또는 핀치 오프에 의해 회로가 밀봉된 후에 가스가 순환 회로내로 퍼져서 압력이 균일해진 상태에서 상기 범위내의 낮은 압력에서, 상기 작업이 실시될 수 있다.

아무리 낮은 압력이라도 고진공 게터의 작동 조건 (1mbar보다 낮은 압력)과는 같지 않은 잔류 압력 값에서 가열된 비증발성 게터 장치는 공기를 흡수하는 발열반응을 야기하며, 연소되어 게터 작용이 종료될 때까지, 온도를 점진적으로 증가시킨다. 이렇게 만들어진 온도가 너무 높아서 어떤 경우에는 게터기에 인접해 있는 회로의 부분에 특정한 물질을 사용하는 것이 바람직할 수 있는데, 왜냐하면 일반적으로 사용되는 구리는 상기 온도에서 손상될 수 있기 때문이다.

아래의 실시예들은 본 발명의 범위를 제한을 하지 않고 본 발명을 실행하기 위해 최상의 방법을 당업자를 가르치는 예시적 목적으로 제공된다.

실시예 1

본 실시예는 이하의 조건에서 실행된 실험에 관한 것이다.

조각의 형태로 존재하는 비증발성 게터로서, St 707이란 이름으로 본 출원인이 생산 및 판매하는 지르코늄 70중량%-바나듐 24.6중량%-철 5.4중량%의 조성을 가지는 합금의 분말을 이용한 지르코늄 분말 소결생성물이 사용된다. 한편, 이 실시예에서 사용된 상술한 소결생성물은 St 172라는 이름으로 본 출원인에 의해 생산 및 판매된다. 총무게가 0.6g인 게터 물질에 대한 10조각 이상의 소결생성물을 52㎤의 내부체적을 지닌 스틸(steel) 벌브로서 형성된 테스트 챔버안으로 유입시키고 진공라인과 나노미터(nanometer)에 연결한다.

이 체적은 약 90㎤의 부피를 지닌 냉각 회로의 코일의 전형적인 내부체적보다 적지만, 실제 방법의 시뮬레이션시 실험 유효성에 대해 어떠한 영향을 미친다고 생각되어지지 않는데, 그 이유는 기껏해야 보다 많은 양의 게터물질이 요구되기 때문이다. 실험를 시작하기전 벌브를 상온에서 측정된 500mbar의 잔압으로 진공한다. 그다음 금속 벌브를 외부로부터 약 350℃의 온도로 가열하고 5분동안 유지하며, 그리고 나서 벌브를 상온으로 냉각시키고, 잔압을 측정한 바 145mbar이고, 이는 71.3%의 공기 제거율을 나타낸다. 모든 다른 실시예에 대해서 처럼, 이 실시예의 결과를 이하의 표 1 에 기록한다.

실시예 2

실시예 2에서의 실험은 실시예 1에서의 동일한 방법으로 실행되지만, St 172 물질의 파편수는 0.5g의 총중량에 대해 20개 이상이다.

실시예 3

상기 실시예들의 실험을 반복하지만, 총 중량 0.6g의 합금 St 707의 4개의 조각이 게터물질로써 사용되고 있다.

실시예4-7

실시예 3의 실험을 동일한 물질 St 707로 다시 반복하지만 물질의 조각 개수를 실시예마다 변화시킨다(동일한 조건에서 실시되는 실시예 6과 7은 제외).

실시예 8

실시예 1의 실험을 반복하지만, 지르코늄 80.8 중량%-코발트 14.2 중량%-미시메탈 (mischmetal) 5.0중량%의 화합물인 St 787의 이름으로 본 출원인에 의해 생산 및 판매되는 게터물질로서의 합금과 64㎤의 부피를 가진 테스트 챔버를 사용하며, 여기서 사용된 미시메탈은 세륨 50중량%, 란탄 30중량%, 네오디뮴 15중량% , 그리고 나머지 희토류 5중량%의 조성을 갖는다.

실시예 9

이 실험은 낮은 초기 압력에서 본 발명의 방법의 작용을 설명하는 예이다. 실시예 1의 실험을 반복하지만, 게터물질로서 St 707 0.6g의 태블릿(tablet)을 사용하고 1.1 리터의 부피의 챔버내에서 실시된다. 벌브내에서의 초기 압력은 13mbar였다.

모든 실험의 결과는 첨부된 표 1 에 기록되어 있다.

실험 번호와 물질	조각 개수	게터물질의 중량(g)	초기 압력(mbar)	최종압력(mbar)	공기 제거율(%)
1)St 172 2)St 172 3)St 707 4)St 707 5)St 707 6)St 707 7)St 707 8)St 787 9)St 707	>10 >20 4 6 1 2 2 4 1	0.6 0.5 0.6 0.7 0.6 1.2 1.2 0.6 0.6	500 500 500 500 500 500 500 500 13	145 5 95 9 26 6 8 100 1	71.3 99.0 81.0 98.2 94.8 98.9 98.5 80 92.3

삭제

표 1 에 명시된 결과는, 기대했던 것처럼, 게터 물질의 양이 많으면 많을수록(실험 3 내지 5에 대해 실험 6과 7를 비교) 그리고 입자가 작으면 작을수록(실험 1에 대해 실험 2를 그리고 실험 3내지 5에 대해 실험 4를 비교), 제거율은 더 효율적이다. 모든 경우에서 흡수정도는 어떤 경우에선 100% 제거율에 근접할만큼 극히 좋은것이 명백하다(실시예 2,4,6 그리고 7).

상술한것 처럼, 본 발명의 목적은 전술한 방법에 따라 제조된 냉각 회로 뿐만 아니라 그러한 회로를 포함하는 냉각기 및 공조기를 제공하는 것이다.

Claims (10)

1. 비증발성 게터 물질을 냉각 회로안으로 유입하는 단계와, 펌핑을 통해 배기하는 단계로 구성된 냉각 회로의 제조 방법에 있어서,

   상기 배기 단계 중에 또는 그 배기 단계 직후의 단계에서 상기 게터 물질을 200℃이상의 온도로 가열하는 것을 특징으로 하는 냉각 회로의 제조 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 비증발성 게터 물질을 직렬, 병렬, 또는 분지(branch)의 형태로서 상기 냉각 회로의 병목 부분의 상류인 감소된 컨덕턴스 영역내에 위치시키며, 상기 감소된 컨덕턴스 영역내의 대기 가스의 잔류 압력이 10mbar 내지 500mbar 인 것을 특징으로 하는 냉각 회로의 제조 방법.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 비증발성 게터를 냉각 회로내로 유입하는 단계를 수행한 후, 냉각 유체 혼합물을 최종 밀폐전에 유입하는 것을 특징으로 하는 냉각 회로의 제조 방법.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 비증발성 게터 물질이 지르코늄계 합금을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉각 회로의 제조 방법.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 삭제
9. 삭제
10. 삭제

Images