KR20050018903A - 블록을 이용한 초저온 분위기 생성장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 냉각블록 및 냉매 순환회로를 이용하여 냉각블록의 내부공간에 초저온 분위기 생성하는 장치에 관한 것이다. 기술적으로는: 내부공간(21)과 상기 내부공간(21) 상에 배치되는 유체용 관(22)을 포함하며, 각각의 일단이 내부공간(21)과 연통하며 끝단이 냉각블록(20)의 외부로 연장되어 각각 케스케이드 블록(16) 및 열교환기(14)에 연결되는 유입관(24)과 배출관(25)을 포함하는 냉각블록(20)과; 냉매가 압축기(11), 응축기(12), 열교환기(14), 팽창장치(15), 케스케이드 블록(16), 상기 냉각블록(20)의 유입관(24)과 배출관(25), 열교환기(14), 어큐뮬레이터(27), 압축기(11)를 순서적으로 통과하면서 상기 내부공간(21)에 초저온 분위기를 생성하도록 된 냉매 순환회로로 이루어진다. 이 장치는 유체의 급속 냉각 및 동결을 필요로 하는 모든 분야에서 효과적으로, 경제적으로 사용될 수 있다.

Description

블록을 이용한 초저온 분위기 생성장치 {Apparatus for generating the super low temperature atmosphere using the block}

본 발명은 초저온 분위기 생성장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 냉매순환 냉각시스템을 이용하여 소형의 블록 내부에 급속 동결을 위한 초저온(-30℃ 이하) 분위기를 생성하는 장치에 관한 것이다.

공기 중의 유해물질 분석을 위한 방법으로, 수집된 시료 공기를 초저온 분위기(-30℃ ~ -120℃)에서 냉각시켜 유해물질을 동결시키고, 다시 고온으로 가열 용해시켜 분석기에 투입하여 이를 분석하는 방법이 알려져 있다. 유해물질의 분석은 반도체 제조 현장이나 신축 건물 등 다양한 장소와 필요에 의하여 행해지고 있다.

초저온 분위기는, 일반적으로, 각 기체의 고유 액화온도에 의해 액화된 액화가스(주로는, 액화질소가스나 액화이산화탄소가스)를 강제분출시킴으로서 생성된다. 예를 들어 도 1에서와 같이, 액화가스가 기화기(101)에서 기화되고, 모터(102)에 의해 회전되는 팬(103)에 의해 냉각조(104) 내로 유입됨으로서, 냉각조(104) 내부에 일정 온도의 기체 분위기가 생성된다. 덮개(105)에 제공되는 온도 조절기(106)와 솔레노이드 밸브(107) 등에 의해 가스 유동량이 조절되기도 한다.

이러한 시스템(100)에 따라 냉각조(104) 내부에서 초저온의 분위기를 얻을 수 있음은 당연하다. 그리고 이와 같은 원리의 시스템이 통상적으로 공기 중의 유해물질 분석을 위한 초저온 분위기 생성수단으로 이용된다.

그러나 이러한 시스템에서, 공급 사용되는 액화가스는 단순 소모적이어서 비경제적이며, 공급을 중단하면 온도가 급격히 상승하게 되는 단점이 있다. 또한, 성질상 폭발의 위험성이 상존하며, 접촉시에 액화가스가 인체에 손상을 줄 수도 있으므로 취급시 상당한 주의를 요하게 된다.

한편, 분석을 위한 시료 공기의 초저온 냉각 분위기가 큰 용적 내에서 이루어 질 필요는 없으나, 액화가스를 이용하는 위 시스템은 비교적 큰 용적 내의 냉각 분위기 생성에 적합하다. 즉, 이 시스템은 작은 용적상의 냉각 분위기 생성에는 적합하지 않으며, 비효율적인 것으로 파악된다.

본 발명은 새로운 형태의 초저온 분위기 생성장치를 제공한다. 본 발명에서, 초저온 분위기는 소형의 블록 내부에서 급속하게 생성되며, 블록 내부를 통하여 냉매가 순환되도록 된 냉매 순환회로에 의하여 생성된다.

본 발명에 따른 블록을 이용한 초저온 분위기 생성장치는:

내부공간과 상기 내부공간 상에 배치되는 유체용 관, 각각의 일단이 내부공간과 연통하며 끝단이 냉각블록의 외부로 연장되어 각각 케스케이드 블록 및 열교환기에 연결되는 유입관과 배출관을 포함하는 냉각블록과;

냉매가 압축기, 응축기, 열교환기, 팽창장치, 케스케이드 블록, 상기 냉각블록의 유입관과 배출관, 열교환기, 어큐뮬레이터, 압축기를 순서적으로 통과하도록 된 냉매 순환회로로 이루어진다.

본 발명에 따르면, 유입관을 경유하여 냉각블록 내부의 공간으로 유입된 냉매가 배출관을 통하여 배출되는 과정에서, 냉각블록의 내부공간에 초저온의 분위기가 생성된다. 따라서 상기 공간 상에 배치된 유체용 관을 흐르는 또는 정체하는 유체는 급속 동결된다.

본 발명의 특징과 작용은 도면을 참조하여 설명하는 이하의 실시예 기재를 통하여 보다 명백해질 것이다.

도 2에 따르면, 본 발명에 따른 초저온 분위기 생성장치는 부호 10으로 나타낸다. 본 실시예에서, 상기 장치(10)는: 저온 저압의 냉매를 압축하여 고온 고압으로 출력하는 압축기(compressor)(11), 고온 고압의 냉매를 공기와의 열교환으로 액화시키는 응축기(condenser)(12), 고온 고압의 액냉매를 예냉시키는 열교환기(heat exchanger)(14), 액냉매를 저온 저압으로 단열팽창시키는 팽창장치(15), 액냉매를 보다 저온 저압으로 교축팽창시키는 케스케이드 블록(cascade block)(16), 저온 저압의 냉매에 의하여 내부에서 초저온 분위가 생성되는 구조를 갖는 냉각블록(20), 냉매 중 포함된 수분을 제거하는 어큐뮬레이터(accumulator)(27)를 포함하며, 이들 요소들(11,12,14,15,16,20,27)은 하나의 냉매 순환회로를 형성하도록 이루어져 있다.

그렇지만 실제로, 케스케이드 블록(16)과 냉각블록(20)을 제외한 요소들(11,12,14,15,27)은 통상의 냉각 시스템에서 사용되는 것이다. 따라서 그에 대한 설명은 기능적으로만 한다. 이하에서, 장치의 구성과 그에 따른 냉매의 순환 및 초저온 분위기의 생성과정을 복합적으로 설명한다.

저온 저압의 냉매는 압축기(11)를 통과하면서, 고온 고압의 냉매로 압축되어 출력된다. 압축기(11)의 출구에 연결된 응축기(12)는, 압축기(11)를 통과한 고온 고압의 냉매를 공기와의 열교환 방법으로 액화시킨다. 응축기(12) 측에는 모터 팬이 제공된다.

응축기(12)의 출구에는 액화된 액냉매의 불순물을 여과시키기 위한 드라이어(13)가 필요에 의해 연결된다. 드라이어(13)의 출구에 연결된 열교환기(14)는, 응축기(12)를 경유한 고온 고압의 액냉매를 저온 저압으로 단열 팽창시킨다. 다만, 열교환기(14)는 초저온을 얻기 위한 예냉(豫冷)의 목적으로 구비되는 것이다.

열교환기(14)의 출구에는 열교환기(14)를 통과한 액냉매를 저온 저압으로 단열 팽창시키는 팽창장치(15)가 연결되며, 계속하여 초저온을 얻기 위한 교축팽창 수단으로서 코일형 케스케이드 블록(16)이 연결된다. 상기 팽창장치(15)는 바람직하게 모세관(capillary tube)이다. 상기 케스케이드 블록(16)은 바람직하게 1차 블록(17)과 2차 블록(18)으로 이루어지며, 팽창장치(15)를 통과한 냉매는 1차 블록(17)과 2차 블록(18)을 차례로 경유하면서 보다 저온 저압으로 되어 냉각블록(20)으로 유입된다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 냉각블록(20)은 내부공간(21)과, 내부공간(21) 상에 배치되는 유체용 관(22)을 포함한다. 도면에 따르면, 상기 냉각블록(20)은 냉각블록(20)을 관통하여 설치되며 내부에 요입된 내부공간(21)이 형성되는 중공형 지지체(23)와, 상기 지지체(23)의 내부공간(21) 상에 배치되고 양측이 지지체(23)의 양단부에 접촉하여 지지되는 유체용 관(22)을 포함한다.

상기 내부공간(21)에는 유입관(24)과 배출관(25)이 연결되어, 2차 케스케이드 블록(18)으로부터 출력되고 유입관(24)을 통하여 유입된 저온 저압의 액냉매가 내부공간(21) 경유하여 배출관(25)으로 출력된다. 이 때, 상기 내부공간(21)에 초저온의 분위기가 생성된다. 특히, 유입관(24)과 내부공간(21)이 연결되는 연통부분의 단면적을 유입관(24)에 비하여 좁게 함으로써 내부공간(21)에서 저온 액냉매의 교축팽창이 유도되고, 그리하여 내부공간(21)에 초저온의 분위기가 생성될 수 있다.

이와 같이 생성된 초저온 분위기에 의하여 유체용 관(22)을 흐르는 기체 또는 액체는 급속 동결된다. 상기 냉각블록(20)은 내부에 설치되는 전열 히터(26)를 포함할 수 있으며, 이 경우 초저온 분위기 하에서 동결된 유체는 히터(26)에 의해 즉시에 급속 용해될 수 있는 이익이 있다.

상기 배출관(25)으로부터 출력된 저온 저압의 액냉매는, 다시 도 3의 열교환기(14)를 거치면서 고온 고압의 냉매에 대한 열교환에 이용되고, 계속하여 어큐뮬레이터(27)에서 액체와 기체로 분리하여 압축기(11)에 공급된다. 부호 28는 어큐뮬레이터(27)에서 출력된 냉매에 존재하는 불순물을 여과시키는 필터이다.

상기 냉각블록(20)은 필요에 의하여 위치나 자세의 변동이 요구되며, 따라서 2차 케스케이드 블록(18)의 출구와 유입관(24) 사이, 배출관(25)의 출구와 열교환기(14)의 입구 사이에는 플렉서블 튜브(flexible tube)(19)가 제공된다.

실제 제작에 있어서 플렉서블 튜브(19)와 냉각블록(20)을 제외한 요소들은, W250mm × L450mm ×H520mm의 케이싱 내부에 설치된다. 그리고 이 장치는 중량이 약 32Kg으로 이동성이 좋다. 한편 냉각블록(20)은 W30mm × L50mm ×H30mm의 규격으로 제작된다. 이 장치에서는, 배기용량 21.77㎤, 직경 41.79mm, 스트로크 15,87mm의 오일타입의 소형 압축기와, 2/3Hp, 220V/60Hz의 모터를 사용하였으며, 냉매로서 R404A 또는 R22를 사용하였다.

테스트를 위하여, 온도 측정기의 단자를 냉각블록(20)의 내부공간(21)에 배치된 유체용 관(22)에 넣고 측정하였다. 그리고 장치의 동작 개시후 약 3분이 경과하여 -65℃의 측정결과를 얻었다. 이 때, 2차 케이케이드 블록(18)의 온도 -37℃, 1차 케스케이드 블록(17)의 온도 -27℃로 나타났다. 즉 1, 2차 케스케이드 블록(17,18) 및 냉각블록(20)의 내부공간(21)에서 냉매의 교축팽창이 효과적으로 이루어짐을 알 수 있다.

단일의 케이케이드 블록(16)을 사용하고, 유입관(24)과 내부공간(21)이 연결되는 연통부분의 단면적을 유입관(24)과 같이 한 다른 실시예에서 테스트한 결과, 동작 개시후 약 3분이 경과하여 -32℃의 측정결과를 얻었다. 결과로 보아 -32℃ 이하의 초저온 조건을 만족시키는 것이기는 하나, 신뢰도 면에서 개시된 바람직한 실시예에 비하여 떨어진다고 할 수 있다.

본 발명에 따르면, 유입관(24)을 경유하여 냉각블록(20) 내부공간(21)으로 유입된 냉매가 배출관(25)을 통하여 배출되는 과정에서, 상기 내부공간(21)에 초저온의 분위기가 생성된다. 따라서 상기 내부공간(21) 상에 배치된 유체용 관(22)을 흐르는 또는 정체하는 유체는 급속 동결된다. 이 초저온 분위기는 냉각블록(20) 내부를 통하여 냉매가 순환되도록 된 냉매 순환회로에 의하여 생성된다. 따라서 유체의 급속 냉각 및 동결을 필요로 하는 모든 분야에서 효과적으로, 경제적으로 사용될 수 있다. 한 예로서, 수집된 시료 공기를 초저온 분위기(-30℃ ~ -120℃)에서 급속 냉각시켜 공기 중의 유해물질 분석을 위한 시스템에서도 유용하게 사용될 수 있다.

도 1은 냉각조를 이용한 종래의 초저온 분위기 생성시스템의 개략 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 장치의 구성도.

도 3은 도 1의 냉각블록의 단면도.

도 4는 도 1의 냉각블록의 측면도.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

11. 압축기 12. 응축기

13. 드라이어 14. 열교환기

15. 팽창장치 16. 케스케이드 블록

19. 플렉서블 튜브 20. 냉각블록

21. 내부공간 22. 유체용 관

23. 지지체 24. 유입관

25. 배출관 26. 히터

27. 어큐뮬레이터

Claims (5)

1. 내부공간(21)과 상기 내부공간(21) 상에 배치되는 유체용 관(22)을 포함하며, 각각의 일단이 내부공간(21)과 연통하며 끝단이 냉각블록(20)의 외부로 연장되어 각각 케스케이드 블록(16) 및 열교환기(14)에 연결되는 유입관(24)과 배출관(25)을 포함하는 냉각블록(20)과;

   냉매가 압축기(11), 응축기(12), 열교환기(14), 팽창장치(15), 케스케이드 블록(16), 상기 냉각블록(20)의 유입관(24)과 배출관(25), 열교환기(14), 어큐뮬레이터(27), 압축기(11)를 순서적으로 통과하면서 상기 내부공간(21)에 초저온 분위기를 생성하도록 된 냉매 순환회로로 이루어진 것을 특징으로 하는 블록을 이용한 초저온 분위기 생성장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 케스케이드 블록(16)은 1차 블록(17)과 2차 블록(18)으로 이루어지며, 팽창장치(15)를 통과한 냉매는 1차 블록(17)과 2차 블록(18)을 차례로 경유하면서 보다 저온 저압으로 되어 냉각블록(20)으로 유입되는 것을 특징으로 하는 블록을 이용한 초저온 분위기 생성장치.
3. 제1항에 있어서,

   케스케이드 블록(16)의 출구와 유입관(24) 사이, 배출관(25)의 출구와 열교환기(14)의 입구 사이에는 플렉서블 튜브(flexible tube)(19)가 제공된 것을 특징으로 하는 블록을 이용한 초저온 분위기 생성장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   유입관(24)과 내부공간(21)이 연결되는 연통부분의 단면적을 유입관(24)에 비하여 좁게 함으로써 내부공간(21)에서 저온 액냉매의 교축팽창이 유도되도록 한 것을 특징으로 하는 블록을 이용한 초저온 분위기 생성장치.
5. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 냉각블록(20)은 내부에 설치되는 전열 히터(26)를 포함하는 것을 특징으로 하는 블록을 이용한 초저온 분위기 생성장치.