KR101999270B1 - 진공동결건조장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 진공펌프에 접속된 건조챔버에 열판과 콜드드랩을 마련하고, 히트펌프와 상기 열판 및 상기 콜드트랩 사이에 열교환기를 개재시키고, 상기 열판 및 상기 콜드트랩에 상기 열교환기를 개재하여 2개의 브라인탱크를 접속시키고, 히트펌프로 하여금, 상기 열판과 상기 콜드트랩을 선택적으로 냉각하거나 가열시키고 그리고 하나의 브라인탱크를 선택적으로 냉각시키게 하는 진공동결건조장치 및 방법에 관한 것이다.

Description

진공동결건조장치{VACUUM FREEZE DRYING DEVICE AND METHOD}
본 발명은 진공동결건조장치 및 방법에 관한 것이다.
진공동력건조는 동결공정, 건조공정, 진공배기공정, 가열공정 및 융빙공정으로 이루어 진다.
상기 동결공정은 건조물을 -40℃ 정도에서 동결을 수행하는 예비동결 과정으로서 동결건조의 승패를 죄우하는 주요한 전처리공정으로서 동결건조기술의 핵심이다.
상기 건조공정(콜드트랩냉각공정)은 동결된 물품으로부터 수분만을 제거하는 것으로서, 제거되는 수분이 얼음(고체)에서 직접 수증기(기체)로 되지만, 진공 상태에서는 이 기체의 체적이 매우 크기 때문에 기체를 다시 한번 얼음의 상태로 만들어야 하므로 콜드트랩이 필요하다.
상기 진공배기공정은 동결된 건조물에서 수분(얼음)이 승화하기 쉬운 조건을 만들어 주는 것이 진공배기의 목적이다. 진공펌프를 작동시켜 건조실 내를 감압하여 진공상태로 하면 비점이 내려가 동결되어 있는 건조물의 수분이 승화해 수증기로 되어 배기되며 콜드트랩으로 수분(수증기)이 이동한다.
상기 가열공정은 가열이라고 하여도 높은 열을 주는 것이 아니라, 승화를 활발하게 촉진시키기 위한 열공급을 행한다. 1kg이 승화하여 수증기로 되기 위해서는 약 675kcal의 승화열이 필요하다. 얼음의 승화 중에는 항상 승화열로 인해 주위 온도를 빼앗아 온도가 저하하게 된다. 연속적으로 활발하게 수분을 승화시키기 위해서는 이 열량을 지속적으로 공급할 필요가 있다. 따라서, 채반을 가열하여 이 승화열을 지속적으로 공급하면 건조물이 녹지 않을 정도의 열을 가열이라는 형태로서 공급하는 것이 이 공정의 목적이다.
상기 융빙공정은 콜드트랩부에 건조물에서 증발한 수분이 얼음상태로 되어 있으므로 다음의 운전을 준비하기 위해 얼음을 녹이는 공정이다.
이러한 공정을 수행하는 소형의 진공동결건조장치는 2원 냉동기를 이용하고 있으며, 가열공정에서 냉매를 전기를 이용하여 가열하는 방식이 적용되고 있어서, 에너지의 과대 소비 및 제품원가가 상승되기 때문에, 개인 농어민에게 현재 보급되기가 어려운 실정에 있다.
이러한 문제점을 극복하기 위한 진공동결건조장치가 한국 특허등록 제6999257호에 개시되어 있다.
상기 개시된 진공동결건조장치는 압축기, 응축기, 콜드트랩, 증발기 열판을 포함하고 있다.
예비동결시에는 냉매가 압축기로부터 응축기, 증발기 열판, 및 팽창밸브를 거쳐 다시 압축기로 돌아오는 배관이 이용되고 있다.
증발기 열판에서의 온도 조절은, 증발기 열판에 올려져 있는 대상물(식품, 약품 등)의 동결건조를 위한 배관을 이용하게 되고, 이러한 동결건조에서는 대상물에서 증발된 수분을 응결시키기 위한 콜드트랩도 동시에 수행될 필요가 있다.
이를 위해 배관은, 냉매가 압축기, 증발기 열판, 응축기, 팽창밸브 및 콜드트랩을 거쳐 압축기 돌아오게 되어 있다.
콜드트랩시에는 압축기에서 나온 냉매가 응축기, 팽창밸브, 및 콜드트랩을 겨쳐 압축기(10)로 돌아오는 배관이 이용되고 있다.
해동작용시에는 압축기에서 나온 냉매가 응축기, 콜드트랩, 팽창밸브 및 증발기 열판을 거쳐 압축기로 돌아오는 배관이 이용되고 있다.
하지만, 상기 개시된 동결건조장치는, 피처리물과 열교환될 증발기의 열판을 선택적으로 냉각시키거나 가열시키기 위해 증발기 내부에 팽창밸브를 통과한 냉매가 유입되거나 팽창밸브를 통과하지 않은 냉매가 유입되게 되어, 증발기의 열판에 배치된 피처리물에 대한 동결도 하였다가 가열을 하게 되어 피처리물의 동결건조를 원하는 대로 구현될 수 없다고 하는 문제점을 가진다.
본 발명은 상기된 문제점을 해결하는 것에 과제를 가진다.
본 발명은 진공펌프에 접속된 건조챔버에 열판과 콜드드랩을 마련하고, 히트펌프와 상기 열판 및 상기 콜드트랩 사이에 열교환기를 개재시키고, 상기 열판 및 상기 콜드트랩에 상기 열교환기를 개재하여 2개의 브라인탱크를 접속시키고, 히트펌프로 하여금, 상기 열판과 상기 콜드트랩을 선택적으로 냉각하거나 가열시키고 그리고 하나의 브라인탱크를 선택적으로 냉각시키게 하는 진공동결건조장치 및 방법을 제공함으로써 상기 과제를 해결할 수 있다.
본 발명은, 상기와 같은 과제해결수단에 의해, 동결 모드 시에는 제1브라인탱크에 담겨진 브라인액을 열교환기에 의해 냉각하여 피처리물이 적재된 건조챔버 내의 열판을 냉각하여 피처리물을 동결시키고, 준비 모드 시에는 히트펌프에 의해 제1브라인탱크에 담겨진 브라인액을 가열하는 상태에서 제2브라인탱크에 담겨진 브라인액을 열교환기에 의해 냉각하여 콜드트랩을 거쳐 다시 제2브라인탱크로 복귀하는 사이클을 반복하게 하여 제2브라인탱크에 담겨진 브라인액을 냉각시키고, 건조모드시에는 가열된 제1브라인탱크에 담겨진 브라인액을 열판에 공급하여 피가공물을 건조하고, 냉각된 제2브라인탱크에 담겨진 브라인액을 열교환기에 의해 더 냉각시켜 콜드트랩에서 건조시에 발생하는 수분을 냉각시키고, 콜드트랩에 공급하여 콜드트랩를 제상시키는 것으로 되어 있어서, 피처리물의 건조를 위한 가열원을 전기히터를 이용하지 않고서도, 그리고 증발기에 팽창밸브를 통과한 냉매만 유입되게 하여, 저렴한 비용으로 피처리물의 동결건조를 원하는 대로 구현시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 진공동결건조장치를 동결모드에서 도시한 개념도,
도 2는 도 1의 진공동결건조장치를 준비모드에서 도시한 개념도,
도 3은 도 1의 진공동결건조장치를 건조모드에서 도시한 개념도, 및
도 4는 도 1의 진공동결건조장치를 제상모드에서 도시한 개념도.
이하, 본 발명에 따른 실시예의 진공동결건조장치가 도 1 내지 도 4를 참조하여 상세히 설명될 것이다.
도 1에는 본 실시예의 진공동결건조장치가 부호 100으로서 지시되어 있다.
상기 진공동결건조장치(100)는 히트펌프(10), 진공펌프(50)에 접속된 건조챔버(20) 및 제1 및 제2브라인탱크(30, 40)를 포함하고 있다.
상기 히트펌프(10)는 냉매를 압축하는 압축기(1), 상기 압축기(1)에 접속되어 압축된 냉매를 응축하는 응축기(2), 상기 응축기(2)에 접속되어 응축된 냉매를 팽창시키는 팽창밸브(3) 및 상기 팽창밸브(3)에 접속되어 팽창된 냉매를 증발시켜서 상기 응축기(2)에 이송시키는 증발기(4)를 구비하고 있다.
상기 제1브라인탱크(30) 내에는 코일관이 내장되어 있고, 상기 코일관의 입구는 상기 압축기(1)와 상기 응축기(2) 사이에 개재되어 압축된 냉매를 응축기(2)에 공급하는 라인(L1)의 도중에 개재된 3방밸브(2a)에 접속되어 있고, 그리고 상기 코일관의 출구는 상기 응축기(2)와 상기 팽창밸브(3) 사이에 개재되어 응축된 냉매를 팽창밸브(3)에 공급하는 라인(L2)의 도중에 접속되어 있다.
상기 증발기(4)는, 냉매가 통과하게 되는 냉매유로(4a)과 브라인액이 통과하게 되는 브라인유로(4b)를 구비하고서 냉매와 브라인액을 서로 열교환시키는 작용을 한다.
상기 건조챔버(20) 내에는 열판(21)과 콜드트랩(22)이 내장되어 있다.
상기 열판(21), 상기 콜드트랩(22) 및 제1 및 제2 브라인탱크(30, 40)에는 상기 열판(21)과 상기 콜드트랩(22)을 선택적으로 냉각하거나 가열시키기 위해 그리고 제2브라인탱크(40)를 선택적으로 냉각시키기 위해 이하에서 설명되는 배관수단이 접속되어 있다.
상기 배관수단을 설명하면 다음과 같다.
상기 열판(21)의 입구과 상기 브라인유로(4b)의 출구 사이에는 가열된 브라인액을 공급하는 브라인액공급라인(L3)이 도중에 밸브(V2, V8)를 개재한 상태에서 접속되어 있고, 그리고 상기 콜드트랩(22)의 입구에는 일단이 상기 밸브(V2)의 입구 측에 위치된 상기 브라인액공급라인(L3)의 부위에 접속되어 있고 도중에 밸브(V4)가 개재된 콜드트랩입구관(L4)의 타단이 접속되어 있다.
상기 제1브라인탱크(30)에는, 일단이 상기 밸브(V2)와 상기 밸브(V8) 사이의 상기 브라인액공급라인(L3)의 부위에 접속되어 있고 도중에 펌프(P1)와 밸브(V3)가 개재된 제1브라인액배출라인(L5)의 타단이 접속되어 있다.
상기 제2브라인탱크(40)에는, 일단이 상기 브라인유로(4b)의 입구에 접속되어 있고 도중에 펌프(P2)와 밸브(V5)가 개재된 제2브라인액배출라인(L6)의 타단이 접속되어 있다.
또한, 펌프(P1)와 밸브(V3) 사이의 상기 제1브라인액배출라인(L5)의 부위와 밸브(V5)와 상기 브라인유로(4b) 사이의 제2브라인액배출라인(L6)의 부위에는 도중에 밸브(V1)가 개재된 연결라인(L7)의 양단이 접속되어 있다.
상기 열판(21)의 출구와 상기 제1브라인탱크(30) 사이에는 제1브라인액복귀라인(L8)의 양단이 접속되어 있고, 그리고 상기 콜드트랩(22)의 출구와 상기 제2브라인탱크(40) 사이에는 도중에 밸브(V6)가 개재된 제2브라인액복귀라인(L9)의 양단이 접속되어 있다.
상기 제1브라인탱크(30)에는 일단이 밸브(V6)와 상기 콜드트랩(22) 사이의 제2브라인액복귀라인(L9)의 부위에 접속되고 도중에 밸브(V7)가 개재된 바이패스라인(L10)의 타단이 접속되어 있다.
상기와 같이 구성된 진공동결건조장치(100)는 다음과 같은 작동모드에서 작동될 수 있다.
1. 동결모드(도 1참조)
냉매가 제1브라인탱크(30)의 코일관을 통과하지 못하게 하면서 응축기(2)에 통과하게 3방밸브(2a)를 개방하고, 압축기(1)와 상기 펌프(P1)를 가동한 상태에서, 밸브(V1, V2, V8)를 열고, 밸브(V3, V4, V5, V6, V7)을 닫으면, 제1브라인탱크(30)의 브라인액이 상기 증발기(4)의 브라인유로(4b)에 들어가 상기 냉매유로(4a)에 유입된 냉매와 열교환하여 냉각되어 열판(21)으로 들어가서 열판(21)에 있는 피처리물을 급속으로 동결시킨 다음, 제1브라인탱크(30)로 복귀하게 된다.
2. 준비모드(도 2참조)
압축기(1)와 상기 펌프(P2)를 가동하고 그리고 냉매가 응축기(2)를 통과하지 못하게 하면서 제1브라인탱크(30)의 코일관을 통과하게 3방밸브(2a)를 개방한 상태에서, 밸브(V4, V5, V6)를 열고, 밸브(V1, V2, V3, V7, V8)을 닫으면, 제1브라인탱크(30)의 브라인액이 코일관에 유입된 냉매에 의해 열교환되어 소정된 온도로 가열되게 되고, 동시에 제2브라인탱크(40)의 브라인액이 상기 증발기(4)의 브라인유로(4b)에 들어가 상기 냉매유로(4a)에 유입된 냉매와 열교환하여 냉각되어 콜드트랩(22)을 거쳐서 제2브라인탱크(40)로 복귀되게 하여서 냉각되게 한다.
3. 건조모드(도 3참조)
진공펌프(50)를 가동하고, 압축기(1)와 상기 펌프(P1, P2)를 가동한 상태에서 냉매가 응축기(2)를 통과하지 못하게 하면서 제1브라인탱크(30)의 코일관을 통과하게 3방밸브(2a)를 개방하고, 밸브(V1, V2, V7)를 닫고, 밸브(V3, V4, V5, V6, V8)을 개방하면, 제1브라인탱크(30)의 브라인액이 코일관에 유입된 냉매에 의해 열교환되어 소정된 온도로 가열되는 상태에서 열판(21)으로 들어가 열판을 가열하여 피처리물을 건조시킨 다음 제1브라인탱크(30)로 복귀하게 되고, 동시에 제2브라인탱크(40)의 브라인액이 상기 증발기(4)의 브라인유로(4b)에 들어가 상기 냉매유로(4a)에 유입된 냉매와 열교환하여 냉각되어 콜드트랩(22)에 들어가 건조되고 있는 피처리물의 증발수분을 얼음으로 만들어 트랩시킨 다음 제2브라인탱크(40)로 복귀되게 하여서 냉각되게 한다.
4. 제상모드(도 4참조)
압축기(1)와 상기 펌프(P1)를 가동하고 그리고 냉매가 응축기(2)를 통과하지 못하게 하면서 제1브라인탱크(30)의 코일관을 통과하게 3방밸브(2a)를 개방한 상태에서, 밸브(V2, V3, V4, V7)를 열고, 밸브(V1, V5, V6, V8)을 닫으면, 제1브라인탱크(30)의 브라인액이 코일관에 유입된 냉매에 의해 열교환되어 소정된 온도로 가열되어서, 콜드트랩(22)에 들어가 콜드트랩(22)을 제상시킨 다음, 제1브라인탱크(30)로 복귀되게 한다.
상기와 같이 구성되고 작동되는 진공동결건조장치(100)는, 피처리물의 건조를 위한 가열원을 전기히터를 이용하지 않고서도, 그리고 증발기에 팽창밸브를 통과한 냉매만 유입되게 하여, 저렴한 비용으로 피처리물의 동결건조를 원하는 대로 구현시킬 수 있다.
1: 압축기, 2: 응축기, 3: 팽창밸브, 4: 증발기, 10: 히트펌프, 20: 건조챔버, 30: 제1브라인탱크, 40: 제2브라인탱크, 50: 진공챔버

Claims (3)

  1. 삭제
  2. 히트펌프(10), 진공펌프(50)에 접속된 건조챔버(20) 및 제1 및 제2브라인탱크(30, 40)를 포함하고 있는 진공동결건조장치(100)로서,
    상기 히트펌프(10)는
    냉매를 압축하는 압축기(1),
    상기 압축기(1)에 접속되어 압축된 냉매를 응축하는 응축기(2),
    상기 응축기(2)에 접속되어 응축된 냉매를 팽창시키는 팽창밸브(3) 및
    상기 팽창밸브(3)에 접속되어 팽창된 냉매를 증발시켜서 상기 응축기(2)에 이송시키는 증발기(4)를 구비하고 있고,
    상기 제1브라인탱크(30) 내에는 코일관이 내장되어 있고, 상기 코일관의 입구는 상기 압축기(1)와 상기 응축기(2) 사이에 개재되어 압축된 냉매를 응축기(2)에 공급하는 라인(L1)의 도중에 개재된 3방밸브(2a)에 접속되어 있고, 그리고 상기 코일관의 출구는 상기 응축기(2)와 상기 팽창밸브(3) 사이에 개재되어 응축된 냉매를 팽창밸브(3)에 공급하는 라인(L2)의 도중에 접속되어 있으며,
    상기 증발기(4)는, 냉매가 통과하게 되는 냉매유로(4a)과 브라인액이 통과하게 되는 브라인유로(4b)를 구비하며,
    상기 건조챔버(20) 내에는 열판(21)과 콜드트랩(22)이 내장되어 있고,
    상기 열판(21), 상기 콜드트랩(22) 및 제1 및 제2 브라인탱크(30, 40)에는, 상기 열판(21)과 상기 콜드트랩(22)을 선택적으로 냉각하거나 가열시키고 그리고 제2브라인탱크(40)를 선택적으로 냉각시켜서, 동결모드, 준비모드, 건조모드 및 제상모드를 순차적으로 수행하기 위한 배관수단이 접속되어 있고,
    상기 배관수단으로서,
    상기 열판(21)의 입구과 상기 브라인유로(4b)의 출구 사이에는 가열된 브라인액을 공급하는 브라인액공급라인(L3)이 도중에 밸브(V2, V8)를 개재한 상태에서 접속되어 있고, 그리고 상기 콜드트랩(22)의 입구에는 일단이 상기 밸브(V2)의 입구 측에 위치된 상기 브라인액공급라인(L3)의 부위에 접속되어 있고 도중에 밸브(V4)가 개재된 콜드트랩입구관(L4)의 타단이 접속되어 있고,
    상기 제1브라인탱크(30)에는, 일단이 상기 밸브(V2)와 상기 밸브(V8) 사이의 상기 브라인액공급라인(L3)의 부위에 접속되어 있고 도중에 펌프(P1)와 밸브(V3)가 개재된 제1브라인액배출라인(L5)의 타단이 접속되어 있고,
    상기 제2브라인탱크(40)에는, 일단이 상기 브라인유로(4b)의 입구에 접속되어 있고 도중에 펌프(P2)와 밸브(V5)가 개재된 제2브라인액배출라인(L6)의 타단이 접속되어 있고,
    펌프(P1)와 밸브(V3) 사이의 상기 제1브라인액배출라인(L5)의 부위와 밸브(V5)와 상기 브라인유로(4b) 사이의 제2브라인액배출라인(L6)의 부위에는 도중에 밸브(V1)가 개재된 연결라인(L7)의 양단이 접속되어 있으며,
    상기 열판(21)의 출구와 상기 제1브라인탱크(30) 사이에는 제1브라인액복귀라인(L8)의 양단이 접속되어 있고, 그리고 상기 콜드트랩(22)의 출구와 상기 제2브라인탱크(40) 사이에는 도중에 밸브(V6)가 개재된 제2브라인액복귀라인(L9)의 양단이 접속되어 있으며,
    상기 제1브라인탱크(30)에는 일단이 밸브(V6)와 상기 콜드트랩(22) 사이의 제2브라인액복귀라인(L9)의 부위에 접속되고 도중에 밸브(V7)가 개재된 바이패스라인(L10)의 타단이 접속되어 있는 것을 특징으로 하는 진공동결건조장치.
  3. 제 2항에 따른 진공동결건조장치에 의해
    냉매가 제1브라인탱크(30)의 코일관을 통과하지 못하게 하면서 응축기(2)에 통과하게 3방밸브(2a)를 개방하고, 압축기(1)와 상기 펌프(P1)를 가동한 상태에서, 밸브(V1, V2, V8)를 열고, 밸브(V3, V4, V5, V6, V7)을 닫으면, 제1브라인탱크(30)의 브라인액이 상기 증발기(4)의 브라인유로(4b)에 들어가 상기 냉매유로(4a)에 유입된 냉매와 열교환하여 냉각되어 열판(21)으로 들어가서 열판(21)에 있는 피처리물을 급속으로 동결시킨 다음, 제1브라인탱크(30)로 복귀하게 되는 동결모드단계,
    압축기(1)와 상기 펌프(P2)를 가동하고 그리고 냉매가 응축기(2)를 통과하지 못하게 하면서 제1브라인탱크(30)의 코일관을 통과하게 3방밸브(2a)를 개방한 상태에서, 밸브(V4, V5, V6)를 열고, 밸브(V1, V2, V3, V7, V8)을 닫으면, 제1브라인탱크(30)의 브라인액이 코일관에 유입된 냉매에 의해 열교환되어 소정된 온도로 가열되게 되고, 동시에 제2브라인탱크(40)의 브라인액이 상기 증발기(4)의 브라인유로(4b)에 들어가 상기 냉매유로(4a)에 유입된 냉매와 열교환하여 냉각되어 콜드트랩(22)을 거쳐서 제2브라인탱크(40)로 복귀되게 하여서 냉각되게 하는 준비모드단계,
    진공펌프(50)를 가동하고, 압축기(1)와 상기 펌프(P1, P2)를 가동한 상태에서 냉매가 응축기(2)를 통과하지 못하게 하면서 제1브라인탱크(30)의 코일관을 통과하게 3방밸브(2a)를 개방하고, 밸브(V1, V2, V7)를 닫고, 밸브(V3, V4, V5, V6, V8)을 개방하면, 제1브라인탱크(30)의 브라인액이 코일관에 유입된 냉매에 의해 열교환되어 소정된 온도로 가열되는 상태에서 열판(21)으로 들어가 열판을 가열하여 피처리물을 건조시킨 다음 제1브라인탱크(30)로 복귀하게 되고, 동시에 제2브라인탱크(40)의 브라인액이 상기 증발기(4)의 브라인유로(4b)에 들어가 상기 냉매유로(4a)에 유입된 냉매와 열교환하여 냉각되어 콜드트랩(22)에 들어가 건조되고 있는 피처리물의 증발수분을 얼음으로 만들어 트랩시킨 다음 제2브라인탱크(40)로 복귀되게 하여서 냉각되게 하는 건조모드단계, 및
    압축기(1)와 상기 펌프(P1)를 가동하고 그리고 냉매가 응축기(2)를 통과하지 못하게 하면서 제1브라인탱크(30)의 코일관을 통과하게 3방밸브(2a)를 개방한 상태에서, 밸브(V2, V3, V4, V7)를 열고, 밸브(V1, V5, V6, V8)을 닫으면, 제1브라인탱크(30)의 브라인액이 코일관에 유입된 냉매에 의해 열교환되어 소정된 온도로 가열되어서, 콜드트랩(22)에 들어가 콜드트랩(22)을 제상시킨 다음, 제1브라인탱크(30)로 복귀되게 하는 제상모드단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 진공동결건조방법.
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