KR101594357B1 - 급속 냉각을 위한 냉장고의 방열기 및 방열기 제어방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기장이 제거되면 주위열을 급속도로 흡열하는 상자성염의 특성을 이용하여, 압축기가 동작하기 전에 방열기 온도를 낮춤으로써 압축기의 기동 전압을 감소시켜 기동성을 개선하고, 기동시 소음도 줄일 수 있음과 동시에 압축기의 기동 전류를 감소시켜 냉장고의 소비 전력량을 줄일 수 있는 급속 냉각을 위한 냉장고의 방열기 및 방열기 제어방법을 제공하기 위한 것이다.

그 기술적 구성은 냉매를 압축시키는 압축기와 함께 기계실에 구비되어 냉매의 열교환을 실시하는 방열기; 상기 방열기의 방열 파이프 간에 형성된 공간에 내삽되는 판상 형태의 상자성염; 상기 압축기의 정지 또는 운전에 따라, 상기 상자성염에 자장을 형성하거나 또는 제거하여 흡열 또는 발열에 의해 방열기의 온도가 증감되도록 제어하는 자장 발생장치; 상기 자장 발생장치로 구동 전원을 공급하는 전원공급장치를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

압축기, 상자성염, 방열기, 방열팬, 릴레이, 전자석, 자장, 냉각기

Description

급속 냉각을 위한 냉장고의 방열기 및 방열기 제어방법{RADIATOR IN A REFRIGERATOR FOR RAPID COOLING AND CONTROLLING METHOD THEREOF}

본 발명은 방열기 및 방열기 제어방법에 관한 것으로, 상자성염을 이용하여 압축기가 정지한 상태에서 주위 온도를 낮추는 흡열 과정을 실시함으로써 압축기의 기동성 및 전력 효율을 증가시킬 수 있는 급속 냉각을 위한 냉장고의 방열기 및 방열기 제어방법에 관한 것이다.

일반적으로, 냉장고는 냉매를 고온ㆍ고압의 기상 냉매로 압축시키는 압축기와, 이 압축기로부터 보내진 냉매를 열교환시켜 고온ㆍ고압상태의 액상냉매로 변환시키는 방열기(응축기)와, 이 방열기를 통과한 고온ㆍ고압상태의 냉매가 통과되면서 저온ㆍ저압의 액상냉매로 변환시키는 모세관과, 이 모세관을 통해 저온ㆍ저압상태로 보내지는 냉매를 기화시키면서 고내의 공기와 열교환시키는 냉각기(증발기)로 구성된다.

여기서, 냉각기는 외기와 차단되어 저온상태를 유지해야 하고, 고내의 공기와 접촉이 용이해야 하므로 통상 냉동실 후측에 설치된다.

반면, 압축기에서는 냉매를 압축시키는 과정에서 높은 압축열이 발생하고, 방열기에서는 압축기에서 압축된 고온의 냉매열이 방출되므로 통상 냉장고의 후측 하부에 기계실을 별도로 마련하여 상기 압축기 및 방열기에서 발생된 고열을 외부로 방출하도록 구성된다.

도 1을 참조하여 종래기술에 따른 냉장고의 기계실을 좀 더 자세히 살펴보면, 기계실의 일측에는 냉매를 압축하는 압축기(10)가 설치되고, 이 압축기(10)와 연결되어 냉매가 열교환되는 방열기(20)가 설치된다.

그리고, 냉각기(미도시)에서 발생되는 제상수가 배수호스(35)를 통해 집수되는 증발명(30)이 상기 방열기(20)의 하부를 감싸면서 설치되고, 방열기(20)의 일측에는 방열팬(40)이 설치되는 구조를 갖는다.

이에 따라 냉장고가 작동하게 되면, 상기 압축기(10)를 거쳐 방열기(20)로 냉매가 유입되면서 열교환이 이루어지게 되는데, 이때 상기 방열기(20)의 하부는 상기 증발명(30)에 집수된 제상수에 침수되어 있고, 상기 방열팬(40)에 의해 방열기(20) 및 압축기(10) 쪽으로 공기가 송풍되므로 방열기(20)의 열교환 효율을 향상시키게 된다.

그러나, 종래 기술에 따른 냉장고는 방열팬의 작동이 압축기의 구동과 연계되어 있기 때문에 압축기가 구동하지 않을 때 방열팬이 작동하지 않으므로, 방열기의 온도가 상승하여 다시 압축기가 구동하는 경우, 압축기의 기동 전류 및 소음이 상승되는 등의 문제점이 있었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 자기장이 제거되면 주변열을 급속도로 흡수하는 상자성염의 특징을 이용하여, 방열기의 온도를 낮춤으로써 압축기의 기동 전압을 낮추어 기동성을 증가시키고, 기동시 소음을 개선함과 동시에 압축기의 기동 전류를 감소시켜 소비 전력량을 줄일 수 있는 급속 냉각을 위한 냉장고의 방열기 및 방열기 제어방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 냉매를 압축시키는 압축기와 함께 기계실에 구비되어 냉매의 열교환을 실시하는 방열기; 상기 방열기의 방열 파이프 간에 형성된 공간에 내삽되는 판상 형태의 상자성염; 상기 압축기의 정지 또는 운전에 따라, 상기 상자성염에 자장을 형성하거나 또는 제거하여 흡열 또는 발열에 의해 방열기의 온도가 증감되도록 제어하는 자장 발생장치; 상기 자장 발생장치로 구동 전원을 공급하는 전원공급장치를 포함한다.

여기서, 상기 상자성염은 Cr, Mn, Fe, Gd으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 자장 발생장치는 상기 방열기의 양측면에 구비되어 전류의 공급 유, 무에 따라 자장을 형성하는 전자석; 상기 압축기가 구동되면 온(ON)되고, 상기 압축기가 정지되면 오프(OFF)되되, 상기 압축기의 기동 시간 동안 오프(OFF) 상태를 유지하는 릴레이; 상기 전자석으로 전원을 공급 또는 차단하도록 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 고내 온도가 기준 온도 이상이면 압축기 및 방열팬이 구동하며, 상기 압축기의 기동 시간 동안 자장 발생장치는 릴레이를 오프(OFF)시켜 상기 방열기의 방열 파이프 간에 삽입된 상자성염에 자장이 걸리지 않도록 제어하는 제1 단계; 상기 압축기의 기동 시간이 경과되면 상기 자장 발생장치는 릴레이를 온(ON)시켜 전자석을 구동시키고, 상기 전자석의 구동으로 자장이 형성되어 상기 상자성염이 발열하는 제2 단계; 고내 온도가 기준 온도 미만이면 상기 압축기 및 방열팬이 정지하고, 상기 자장 발생장치로 전원이 공급되지 않아 전자석이 구동되지 않고, 상기 전자석의 구동 정지로 자장이 제거되어 상기 상자성염이 흡열하는 제3 단계를 포함한다.

그리고, 상기 제3 단계가 완료된 후, 파워가 오프되기 전까지 상기 제1 단계로 복귀하여 상기 단계를 순차적으로 반복하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명은 압축기의 기동성 전압을 낮추어 기동성을 개선하고, 기동시 소음을 개선함과 동시에 압축기의 기동 전류를 낮추어 냉장고의 소비 전력량을 줄일 수 있고, 압축기 운전시에 발생되는 상자성염의 발열은 방열팬에 의해 제거함으로써 추가적인 전력 소모를 하지 않고도 압축기가 다시 구동하기 전에 온도를 낮출 수 있는 등의 효과를 거둘 수 있다.

우선, 상자성염(Paramagnetic Salt)을 이용한 자기 냉동 방법에 대한 개념을 설명한다.

자기 냉동 방법은 주로 1K(-272℃) 이하의 극저온을 얻기 위해 사용되며, 열역학적 원리는 등 엔트로피 팽창과 비슷하며, 상자성체인 상자성염에 단열 소자(Adiabatic Demagnetization) 방법을 적용하여 저온을 얻는 방법이다.

상자성염은 외부에서 자장(M-Field)을 걸어주면 무질서하게 있던 상자성염의 원자들이 정렬하고 자화(Magnetization)하여 상자성염은 자석이 되고, 이에 따라 온도가 올라가게 되는데, 이 과정은 압축 과정과 유사하다.

이때, 액체 헬륨 혹은 액체 헬륨 냉각 시스템으로 열을 제거해주면 1K의 온도로 유지될 수 있다.

그 다음 과정으로 외부 자장을 단열적으로 제거하면, 자화되어 있던 상자성염이 소자(Demagnetization)되고, 온도가 강하하게 되며, 이 과정은 단열 팽창 과정과 유사하다.

즉, 단열 자화 과정(Adiabatic Magnetization Process)인 외부로부터 자기장 증가로 인하여 자기 냉매 내의 자성 모멘트가 자기장 방향으로 질서를 잡는 제1 과정, 고온 열 방출 과정(Heat Rejection Process)인 자기 열 효과로 인하여 더워진 자기 냉매가 외부로 열을 방출하는 제2 과정, 단열 소자 과정(Adiabatic Demagnetization Process)인 자기장의 세기가 감소함에 따라 자성 모멘트는 다시 본래대로 무질서하게 되는 제3 과정, 저온 열 흡수 과정(Heat Absortion Process)인 단열 소자 과정으로 인해 차가워진 자기 냉매가 외부로부터 열을 흡수하는 과정을 거치게 되는 것이다.

따라서, 본 발명에서는 상자성염의 성질을 이용하여 압축기의 기동시 방열기의 온도를 낮추어 놓음으로써, 압축기의 기동 전압을 낮추고, 기동성을 개선하여 소음도 줄일 수 있는 방열기를 제공하고자 한다.

이하, 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에 따른 냉장고의 기계실을 도시한 부분 사시도이고, 도 3은 본 발명에 따른 급속 냉각을 위한 냉장고의 방열기 및 압축기를 도시한 블록 구성도이다.

도 2 및 도 3에 도시한 바와 같이, 본 발명에 따른 급속 냉각을 위한 냉장고의 방열기(200)는 냉매를 압축시키는 압축기(100)와 함께 기계실에 구비되어 냉매의 열교환을 실시하는 방열기(200), 상기 방열기(200)의 방열 파이프 간에 형성된 공간에 내삽되는 판상 형태의 상자성염(300), 상기 압축기(100)의 정지 또는 운전에 따라, 상기 상자성염(300)에 자장을 형성하거나 또는 제거하여 흡열 또는 발열에 의해 방열기(200)의 온도가 증감되도록 제어하는 자장 발생장치(600), 상기 방열기(200) 및 자장 발생장치(600)로 구동 전원을 공급하는 전원공급장치(700)를 포 함한다.

여기서, 본 발명에 따른 냉장고 기계실의 기본적인 구성은 전술한 종래의 기계실과 유사한데, 즉 냉장고의 기계실 일측에는 냉매를 압축하는 압축기(100)가 구비되고, 상기 압축기(100)와 연결되어 냉매의 열교환이 이루어지는 방열기(200)가 구비되며, 상기 방열기(200)의 하부에는 냉각기(미도시)에서 발생되는 제상수가 배수호스(450)를 통해 집수되는 증발명(400)이 구비되고, 상기 방열기(200)와 인접하여 방열팬(500)이 구비된다.

여기서, 본 발명의 특징적인 구성을 좀 더 자세히 살펴보면, 상기 방열기(200)를 구성하는 방열 파이프는 절곡되면서 다수의 삽입부가 형성되어 있고, 상기 삽입 부분, 즉 방열 파이프 간의 공간에는 판상 형태의 상자성염(300)이 삽입된다.

그리고, 상기 방열기(200)의 양측면에는 전자석(630)이 구비되어 있으며, 상기 전자석(630)으로 전원을 차단 및 공급하기 위한 릴레이(610)가 전원공급장치(700)와 상기 전자석(630) 사이에 구비된다.

또한, 상기 릴레이(610)의 온/오프를 제어하도록 제어부(650)가 구비되어 있으며, 상기 제어부(650)에서는 압축기(100)의 온/오프에 따라 릴레이(610)를 온/오프 시키되, 압축기(100)의 기동 시간 동안 상기 전자석(630)으로 전원이 공급되지 않도록 릴레이(610)는 오프 상태를 유지하도록 제어한다.

덧붙여서, 상기 상자성염(300)은 상기 전자석(630)으로 외부 자기장을 걸어 자화시키면, 전자 스핀 배향의 규칙성이 증가하고, 상자성염(300)의 엔트로피는 낮 아지며, 이때 발생하는 열은 방열기(200) 내부의 냉매(冷媒)가 흡수하므로, 이 자화는 등온적으로 진행될 수 있다.

그리고 나서, 단열적으로 전자석(630)에 인가된 전류를 제거하여 자기장이 제거되면, 전자 스핀의 배향은 흐트러지며 에너지를 필요로 하게 되므로, 상자성염(300)의 온도가 내려가게 된다.

따라서, 압축기(100) 및 방열팬(500)이 정지된 상태에서도, 기계실 내부의 온도를 급강하시킬 수 있으며, 이에 따라 다시 압축기(100)가 구동할 때 초기 기동 전압이 높지 않아도 가능하며, 압축기(100)의 기동시 소음을 줄일 수 있게 된다.

이때, 상기 압축기(100)의 기동 시간은 10초 내지 1분 정도이며, 압축기(100)의 종류에 따라 다르게 변동될 수 있다.

여기서, 상기 상자성염(300)은 판상 형태로 상기 방열기(200)의 방열 파이프 사이에 삽입되며, Cr, Mn, Fe, Gd 등의 염을 이용한다.

다시 말하면, 본 발명에 따른 상자성염(300)은 일반적으로 자장이 있는 상태에서는 분자들이 정배열되면서 열을 발산하고, 자장이 제거되면 분자 배열이 흐트러지면서 에너지를 흡수하는 특성을 가지고 있기 때문에, 이러한 특성을 이용하여 기계실의 방열 효율을 높이는 것이다.

이때, 상자성염(300)의 발열 과정에서는 방열팬(500)을 이용하여 상자성염(300)의 열을 제거한다.

도 4는 본 발명에 따른 급속 냉각을 위한 냉장고의 방열기의 제어방법을 개 략적으로 도시한 흐름도이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 냉동실 내부에 위치한 온도 센서에서 감지한 온도가 기준 온도 이상인 경우, 즉 냉동실의 실제 온도가 기 설정된 온도보다 높아 식품의 신선한 보관이 이루어지지 않는 경우에는(S10), 압축기(100), 방열팬(500), 냉각기 팬을 구동시켜 냉동실로 냉기를 공급하도록 한다(S11).

이때, 압축기(100) 및 방열팬(500)을 구동시킬 경우, 상기 자장 발생장치(600) 측으로 전원이 유입되어 전자석에 전류가 흐르게 되면, 자장이 형성되어 상자성염(300)의 발열이 진행될 수 있고, 이와 같은 경우에는 압축기(100)의 부하가 더욱 커지게 되므로, 릴레이(610)를 오프 상태로 유지시켜 상자성염(300)의 발열을 막는다(S12).

여기서, 압축기(100)가 기동 시간이 초과되어 운전이 되면, 상기 상자성염(300)의 발열이 진행되더라도 상기 압축기(100)에 영향을 미치지 않으므로, 압축기(100)의 기동 시간 동안에만 릴레이(610) 오프 상태를 유지시켜 발열을 막도록 한다(S13).

그리고 나서, 압축기(100) 기동 시간이 초과하면, 자장 발생장치(600)로 전원이 흐르도록 릴레이(610)를 온시켜 전자석(630)에 전류가 흐르도록 하고, 상자성염(300)의 발열이 진행되도록 한다(S14).

여기서, 상기 상자성염(300)의 발열은 그 일측에 설치된 방열팬(500)에 의해 제거되도록 하며, 상기 방열팬(500)은 상기 압축기(100)로 전원이 공급되므로, 상기 방열팬(500)에도 전원이 공급되어 별다른 제어 과정 없이도 구동된다.

한편, 냉동실 내부에 위치한 온도 센서에서 감지한 온도가 기준 온도 미만으로 떨어진 경우, 즉 냉동실의 실제 온도가 기 설정된 온도에 근접한 경우에는(S15), 압축기(100) 및 방열팬(500)을 정지시킨다(S16).

또, 압축기(100) 및 방열팬(500)이 정지되면 상기 자장 발생장치(600)로 전원이 흐르지 않게 되므로, 릴레이(610)는 오프되고, 전자석(630)에 전류가 흐르지 않게 되므로 상자성염(300)의 흡열이 진행된다(S17).

이 과정에서 다시 압축기(100)가 가동되기 전까지 압축기(100)가 오프되어 있는 상태에서도 상자성염(300)으로 인해 기계실의 온도를 급격히 낮출 수 있으므로, 다시 압축기(100)가 재가동될 때에는 비교적 낮은 온도의 냉매를 압축기(100)에서 압축하고, 방열기(200)에서 열교환을 실시하므로 압축기(100)의 기동성을 개선시킬 수 있으며, 기동시 소음을 감소시킴과 동시에 압축기(100)의 기동 전류를 낮추어 냉장고의 소비 전력량을 줄일 수 있다.

마지막으로, 전원공급장치(700)로 전원이 공급되지 않으면, 본 발명에 따른 제어방법을 종료시키고, 전원이 공급되는 상태에서는 다시 S10 단계로 복귀하여 본 발명에 따른 제어 방법을 반복적으로 구동하도록 한다.

이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이 같은 특정 실시예에만 한정되지 않으며 해당 분야에서 통상의 지식을 가진자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.

도 1은 종래 기술에 따른 냉장고의 기계실을 도시한 부분 사시도.

도 2는 본 발명에 따른 냉장고의 기계실을 도시한 부분 사시도.

도 3은 본 발명에 따른 급속 냉각을 위한 냉장고의 방열기 및 압축기를 도시한 블록 구성도.

도 4는 본 발명에 따른 급속 냉각을 위한 냉장고의 방열기의 제어방법을 개략적으로 도시한 흐름도.

<도면의 주요 부분에 대한 도면 부호의 간단한 설명>

100: 압축기 200: 방열기

300: 상자성염 400: 증발명

450: 배수호스 500: 방열팬

600: 자장 발생장치 610: 릴레이

630: 전자석 650: 제어부

700: 전원공급장치

Claims (7)

1. 냉매를 압축시키는 압축기와 함께 기계실에 구비되어 냉매의 열교환을 실시하는 방열기;

   상기 방열기의 방열 파이프 간에 형성된 공간에 내삽되는 판상 형태의 상자성염;

   상기 압축기의 정지 또는 운전에 따라, 상기 상자성염에 자장을 형성하거나 또는 제거하여 흡열 또는 발열에 의해 방열기의 온도가 증감되도록 제어하는 자장 발생장치;

   상기 자장 발생장치로 구동 전원을 공급하는 전원공급장치

   를 포함하는 급속 냉각을 위한 냉장고의 방열기.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 상자성염은 Cr, Mn, Fe, Gd으로 이루어진 것을 특징으로 하는 급속 냉각을 위한 냉장고의 방열기.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 자장 발생장치는

   상기 방열기의 양측면에 구비되어 전류의 공급 유, 무에 따라 자장을 형성하는 전자석;

   상기 압축기가 구동되면 온(ON)되고, 상기 압축기가 정지되면 오프(OFF)되되, 상기 압축기의 기동 시간 동안 오프(OFF) 상태를 유지하는 릴레이;

   상기 전자석으로 전원을 공급 또는 차단하도록 제어하는 제어부

   를 포함하는 것을 특징으로 하는 급속 냉각을 위한 냉장고의 방열기.
4. 청구항 1에 있어서,

   상기 방열기의 일측에는 상기 상자성염의 발열을 제거하도록 방열팬이 구비되는 것을 특징으로 하는 급속 냉각을 위한 냉장고의 방열기.
5. 고내 온도가 기준 온도 이상이면 압축기 및 방열팬이 구동하며, 상기 압축기의 기동 시간 동안 자장 발생장치는 릴레이를 오프(OFF)시켜 냉매의 열교환을 실시하는 방열기의 방열 파이프 간에 삽입된 상자성염에 자장이 걸리지 않도록 제어하는 제1 단계;

   상기 압축기의 기동 시간이 경과되면 상기 자장 발생장치는 릴레이를 온(ON)시켜 전자석을 구동시키고, 상기 전자석의 구동으로 자장이 형성되어 상기 상자성염이 발열하는 제2 단계;

   고내 온도가 기준 온도 미만이면 상기 압축기 및 방열팬이 정지하고, 상기 자장 발생장치로 전원이 공급되지 않아 전자석이 구동되지 않고, 상기 전자석의 구동 정지로 자장이 제거되어 상기 상자성염이 흡열하는 제3 단계

   를 포함하는 급속 냉각을 위한 냉장고의 방열기 제어방법.
6. 청구항 5에 있어서,

   상기 제3 단계가 완료된 후, 파워가 오프되기 전까지 상기 제1 단계로 복귀하여 상기 단계를 순차적으로 반복하는 것을 특징으로 하는 급속 냉각을 위한 냉장고의 방열기 제어방법.
7. 청구항 6에 있어서,

   상기 제2 단계는

   상기 상자성염의 발열을 제거하기 위해 방열팬의 구동을 유지시키는 과정

   을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 급속 냉각을 위한 냉장고 기계실 제어방법.

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