KR20200013868A - 열저장을 이용하는 진공동결건조시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 열저장을 이용하는 진공동결건조시스템은, 건조 챔버와, 진공형성부와, 콜드 트랩과, 제1압축기와, 캐스케이드 열교환기와, 제1팽창기와, 제2압축기와, 열저장탱크와, 제2팽창기와, 열전달부를 포함하는 구성되어, 건조 챔버 내 동결된 피건조물이 승화 작용에 의해 건조될 수 있으며, 특히 콜드 트랩에서 흡수한 폐열을 캐스케이드 열교환기에서 재생하여 열저장탱크에 축열한 후, 열전달부를 통해 건조시 필요한 열에너지로 공급하는 것을 특징으로 한다.

Description

열저장을 이용하는 진공동결건조시스템{Vacuum-freeze drying system using heat storage}
본 발명은 진공동결건조시스템에 관한 것으로서, 특히 동결된 피건조물을 승화현상에 의해 건조시킬 때, 콜드 트랩에서 흡수한 폐열을 재생, 축열하여 건조시 필요한 열에너지로 공급할 수 있는 열저장을 이용하는 진공동결건조시스템에 관한 것이다.
진공동결건조는 승화현상을 이용하여 피건조물에 함유된 수분을 제거함으로써 피건조물을 건조시키는 방법이다. 즉 먼저 피건조물을 결빙점 이하로 동결한 후, 동결된 피건조물이 수용되는 건조 챔버의 내부 압력을 물의 삼중점 이하로 낮추어 진공상태를 만들고 아울러 건조 챔버의 내부 온도를 올리면 피건조물의 결빙된 수분(즉, 얼음 상태)이 직접 수증기로 상전이하는 승화현상이 일어난다.
이와 같은 진공동결건조방법은 농수산물이나 가공식품, 약품, 혈액, 세포 등의 건조방법으로서 다양한 분야에서 널리 이용될 수 있다. 예컨대 각종 농수산물은 미생물의 증식이 용이하고 쉽게 부패될 수 있는데, 이는 건조방법에 의해 방지될 수 있다. 이중 자연건조방법은 시간적, 공간적, 기후적인 여건 등에 따라 많은 제약을 받는다. 반면 진동동결건조방법은 많은 양의 농수산물이 일률적으로 빠르게 건조될 수 있기 때문에 농수산물의 보존성은 물론 높은 생산성, 고품질의 상품성 등 많은 장점이 있다.
이러한 진공동결건조장치에 관한 종래 기술로는 대한민국 공개특허공보 제10-2015-0001315호(공개일자; 2015.01.06.) 농수산물 부산물 진공동결건조장치등에 개시되어 있다. 개시된 종래 기술을 살펴보면, 진공동결건조장치는 건조대상물질로서 동결된 상태의 농수산물 부산물이 내부로 투입되는 밀폐형의 챔버와, 챔버에 연결되어 챔버 내부의 공기를 배기하는 진공형성부와, 챔버 내부의 온도를 상승시키는 가열부와, 챔버 내부의 습도를 감소시키는 제습부와, 챔버 내부에 설치되는 열판과, 열판이 발열되도록 열판으로 가열된 열전도유체를 공급하는 보일러로 구성된다. 제습부는 챔버의 수증기로부터 열을 흡수하는 콜드 트랩과 냉각기, 제상기로 구성된다.
그러나 종래기술에 따른 진공동결건조장치는 콜드 트랩에서 흡수한 열을 저장하지 않고 그냥 폐열로 버리고, 챔버 내 열판을 가열하기 위해 별도의 에너지원인 보일러나 전기 히터를 이용하기 있기 때문에 에너지 효율이 낮으며, 폐열로 인한 환경 오염 문제점이 있다.
대한민국 공개특허공보 제10-2015-0001315호
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 콜드 트랩에서 흡수한 폐열을 재생,축열하여, 건조시 필요한 열에너지로 공급할 수 있는 열저장을 이용하는 진공동결건조시스템을 제공하는 데 목적이 있다
상기한 과제를 실현하기 위한 본 발명에 따른 열저장을 이용하는 진공동결건조시스템은, 동결된 피건조물이 수용되며, 진공상태에서 열이 공급되면 상기 동결된 피건조물의 수분이 승화하여 증발되는 건조 챔버와; 상기 건조 챔버에 연결되어 상기 건조 챔버를 진공 상태로 만드는 진공형성부와; 상기 건조 챔버에서 증발된 수분이 포집될 수 있도록 상기 건조 챔버에 연결되며, 제1냉매의 증발 작용에 의해 상기 증발된 수분이 응결하여 착상되는 콜드 트랩과; 상기 증발된 제1냉매가 압축되는 제1압축기와; 상기 압축된 제1냉매가 응축되는 응축기와; 상기 응축된 제1냉매와 제2냉매의 열교환에 의해 제1냉매는 방열되고 제2냉매의 증발 작용이 이루어지는 캐스케이드 열교환기와; 상기 캐스케이드 열교환기와 상기 콜드 트랩 사이에 설치되어 순환하는 제1냉매가 팽창되는 제1팽창기와; 상기 캐스케이드 열교환기에서 축열하여 증발된 제2냉매를 압축하는 제2압축기와; 상기 압축된 제2냉매의 열이 방열되어 축열되는 열저장탱크와; 상기 열저장탱크와 상기 캐스케이드 열교환기 사이에 설치되어 순환하는 제2냉매가 팽창되는 제2팽창기와; 상기 열저장탱크에 축열된 열에 의해 상기 건조 챔버에서 승화 작용이 이루어질 수 있도록 열전달하는 열전달부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제2냉매의 순환 사이클은 상기 열저장탱크에서 방열된 제2냉매가 상기 응축기에서 상기 제1냉매와 함께 응축된 다음 상기 제2팽창기로 순환될 수 있도록 구성될 수 있다.
상기 열저장탱크에는 축열을 위한 상변화물질이 내장되고; 상기 열전달부는 상기 열저장탱크와 상기 건조 챔버 사이에서 브라인이 순환될 수 있도록 브라인 배관 상에 설치되는 브라인 펌프와, 상기 상변화물질로부터 브라인으로 열전달될 수 있도록 상기 열저장탱크의 내부에 설치되며 브라인 배관과 연통되는 열교환 코일을 포함할 수 있다.
상기 콜드 트랩의 제상 운전은 상기 제1냉매가 상기 제1압축기에서 압축되고, 상기 콜드 트랩에서 응축하여 상기 콜드 트랩에 응결된 수증기를 제상하고, 상기 제상용 팽창기에서 팽창되며, 상기 열저장탱크에 설치된 제상용 증발기에서 상기 열저장탱크에 의해 축열된 열에 의해 증발되는 순환 과정으로 이루어지고; 상기 제1압축기에서 압축된 제1냉매가 바로 상기 콜드 트랩으로 우회할 수 있도록 상기 제1압축기의 출구 측과 상기 콜드 트랩의 입구 측을 연결하는 제1바이패스 배관과, 상기 제1바이패스 배관이 제상 운전시에만 개방되도록 상기 제1바이패스 배관 상에 설치되는 제1제상용 전자변과, 상기 제1압축기에서 압축된 제1냉매가 건조 운전시에는 상기 캐스케이드 열교환기 측으로 순환되게 하는 제1건조용 전자변과, 상기 콜드 트랩에서 응축된 제1냉매가 상기 제상용 팽창기, 제상용 증발기를 차례대로 우회한 후 상기 제1압축기의 입구로 순환할 수 있도록 설치된 제2바이패스 배관과, 상기 제2바이패스 배관이 제상 운전시에만 개방되도록 상기 제2바이패스 배관 상에 설치되는 제2제상용 전자변과, 건조 운전시에는 상기 콜드 트랩에서 증발된 제1냉매가 바로 상기 제1압축기의 입구 측으로 순환되게 하는 제2건조용 전자변을 더 포함할 수 있다.
상기 열저장탱크에 설치되어 건조 초기 운전시 또는 상기 제상 운전시 상기 열저장탱크를 축열시키는 히터를 더 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 열저장을 이용하는 진공동결건조시스템은, 콜드 트랩에서 흡수한 열을 폐열로 버리지 않고 재생하여 열저장탱크에 축열한 후, 건조시 필요한 열에너지로 공급할 수 있기 때문에 에너지 효율이 향상될 수 있어 에너지를 절감할 수 있고, 폐열에 의한 환경 파괴를 방지할 수 있다.
또한 본 발명은 축열 방식에 의해 건조시 필요한 에너지를 균일하게 공급할 수 있기 때문에 피건조물의 고품질이 보장될 수 있다.
또한 본 발명은 제1냉매와 제2냉매를 2단계에 걸쳐 응축하여 전체적인 열효율을 향상시킬 수 있으며, 아울러 제1냉매와 제2냉매의 응축기를 공유할 수 있어 구조를 단순화할 수 있다.
또한 본 발명은 열저장탱크에 히터를 추가 설치하여 건조 초기 운전시나 제상 운전시 열저장탱크에서의 축열을 보충하여 시동 시간을 줄일 수 있고, 제상 운전을 효율적으로 진행할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 열저장을 이용하는 진공동결건조시스템에 관한 것으로서 건조 운전시 냉매순환상태를 도시한 구성도이고,
도 2는 도 1에 도시된 시스템의 제상 운전시 냉매순환상태를 도시한 구성도이다.
첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하면 다음과 같다.
도 1 및 도 2를 참조하면 본 발명에 따른 열저장을 이용하는 진공동결건조시스템은 건조 챔버(10)와, 진공 형성부(20)와, 열전달부(30)와, 콜드 트랩(cold trap; 50) 및 열저장탱크(60)를 포함하는 2원 냉동사이클 유닛을 포함한다.
건조 챔버(10)는 동결된 피건조물이 수용되며, 도어에 의해 개폐될 수 있는 내부공간을 가진다. 건조 챔버(10)는 진공상태에서 열이 공급되면 동결된 피건조물의 수분이 승화하여 증발될 수 있도록, 진공이 용이하고 외부와의 열차단이 용이한 구조라면 어떠한 구조이든 무방하다. 건조 챔버(10)의 상부에는 증발된 수분, 즉 수증기가 콜드 트랩(50)으로 용이하게 이동되어 포집될 수 있도록 증기 배출구가 형성될 수 있다. 건조 챔버(10)의 증기 배출구와 콜드 트랩(50)을 연결하는 증기관(12)에는 증발된 수분이 건조 챔버(10)에서 콜드 트랩(50)을 향해 한방향으로만 이동되고 건조 챔버(10)로 역류하지 않도록 체크밸브(14)가 설치될 수 있다.
진공형성부(20)는 원활한 승화 작용을 위해 건조 챔버(10)의 내부공간의 압력을 물의 삼중점 이하로 낮추는 것이다. 이러한 진공형성부(20)는 도시된 바와 같이 건조 챔버(10)의 내부 공기를 배기하여 건조 챔버(10)의 내부 압력을 낮출 수 있는 진공 펌프(22)를 포함할 수 있다. 진공 펌프(22)는 건조 챔버(10)와 직접 연결될 수도 있으나, 도시된 바와 같이 건조 챔버(10)와 공간적으로 연결된 콜드 트랩(50)도 함께 진공상태로 만들 수 있도록 콜드 트랩(50)과 배기관(24)으로 연결될 수 있다. 배기관(24)은 배기가 용이토록 콜드 트랩(50)의 상부에 연결될 수 있다.
열전달부(30)는 건조 챔버(10)의 내부공간 온도를 상승시켜 상술한 승화 작용이 원활히 이루어질 수 있도록 2원 냉동사이클 유닛에 의해 열저장탱크(60)에 축열된 열을 건조 챔버(10)에 전달한다. 특히 열전달부(30)는 열저장탱크(60)에 축열된 열을 브라인(brine)을 이용하여 전달토록 구성될 수 있다. 브라인을 이용하는 열전달부(30)는 열전달매체가 열저장탱크(60)와 건조 챔버(10)를 순환할 수 있도록 배관된 브라인 배관(32) 상에 설치된 브라인 펌프(34)와, 열전달매체의 체적 변화를 흡수하기 위해 브라인 배관(32) 일측에 연통된 브라인 팽창탱크(36)를 포함할 수 있다. 아울러 후술하는 바와 같이 열저장탱크(60)가 상변화물질을 이용하여 축열하는 경우, 열전달부(30)는 브라인이 경유토록 브라인 배관(32)과 연통되며, 브라인과 상변화물질의 열교환이 가능토록 열저장탱크(60)의 내부에 설치될 수 있는 열교환 코일(38)이 더 포함될 수 있다. 이와 같이 상변화물질을 이용하여 간접방식으로 열공급을 하면, 열저장탱크(60)에 열이 충분히 축열된 상태에서 전체적으로 균일하게 건조 챔버(10)에 열을 공급할 수 있고, 이에 따라 건조 챔버(10) 내 온도를 승화 현상에 필요한 범위 내로 조절이 용이하며 건조 챔버(10)에 급격한 온도 변화를 주지 않고 건조 챔버(10) 내 온도를 일정하게 유지할 수 있기 때문에 피건조물의 품질을 높일 수 있다.
2원 냉동사이클 유닛은 압축->응축->팽창->증발 순으로 열교환 작용이 이루어지는 순환 사이클로서, 특히 제1냉매의 순환 사이클에 의해 콜드 트랩(50)을 운영하고, 제2냉매의 순환 사이클에 의해 열저장탱크(60)를 운영하되, 1냉매와 제2냉매가 상호 열교환되는 것을 특징으로 한다. 이때 제1냉매와 제2냉매의 상호 열교환 작용시 제1냉매로부터 제2냉매로 열전달이 이루어질 수 있도록 제1냉매와 제2냉매의 종류 상호 열교환시 온도 범위 등이 결정된다.
이와 같은 2원 냉동사이클 유닛은 콜드 트랩(50)과, 열저장탱크(60)와, 캐스케이드 열교환기(80)를 포함하며, 또한 제1압축기(70)와, 제1팽창기(90)와, 제2압축기(100)와, 제2팽창기(110)와, 그리고 응축기(120)를 포함하여 구성될 수 있다.
콜드 트랩(50)은 건조 챔버(10)에서 승화 작용에 의해 증발된 수분(수증기)이 포집되며, 제1냉매의 증발 작용에 의해 포집된 수증기가 응결하여 착상된다. 이를 위해 콜드 트랩(50)은 콜드 챔버(52)와, 콜드 트랩 배관(54)을 포함할 수 있다. 콜드 챔버(52)는 콜드 트랩 배관(54)이 수용되는 내부공간을 가지며, 상부에 증기관(12)과 배기관(24)이 각각 연결되어 진공 펌프(22)에 의해 건조 챔버(10)와 함께 진공되며, 건조 챔버(10)로부터 수증기가 포집되어 착상될 수 있다. 콜드 트랩 배관(54)은 제1냉매의 순환 사이클의 증발 작용이 이루어질 수 있도록 구성된다. 콜드 트랩 배관(54)으로 유입되는 제1냉매의 온도는 콜드 챔버(52)에 포집된 수증기를 응결시킬 수 있는 범위로 설정된다. 즉 제1냉매와 수증기의 열교환 작용에 의해 수증기는 열을 빼앗겨 콜드 트랩 배관(54)에 성에로 응결되고, 제1냉매는 수증기의 열을 빼앗아 증발될 수 있다. 한편 콜드 챔버(52)의 하부에는 콜드 챔버(52)에 생긴 응축수가 외부로 배출될 수 있도록 드레인용 전자밸브(56)가 설치될 수 있다.
열저장탱크(60)의 내부에는 제2냉매 및 브라인과의 열교환 작용에 의해 상변화될 수 있는 상변화물질(PCM;Phase Change Material)이 내장될 수 있다. 따라서 제2냉매의 고온의 열이 열저장탱크(60)에 방열되면, 제2냉매에서 방열된 열에 의해 상변화물질은 온도 상승하여 고체 또는 액상에서 액상 또는 기상으로 상변화될 수 있다. 이러한 상변화물질의 상변화에 의해 열저장탱크(60)의 축열 작용이 이루어질 수 있다. 그리고 열전달부(30)의 저온의 열전달매체가 열저장탱크(60)에 순환되면, 고온의 상변화물질로부터 열전달부(30)의 열전달매체로 열전달될 수 있다. 상변화물질은 방열됨에 따라 저온으로 상변화될 수 있다. 즉 열저장탱크(60)는 제2냉매 입장에서는 제2냉매의 열이 방열되는 응축기 역할을, 열전달부(30) 입장에서는 열을 공급하는 히터 역할을 하게 된다. 아울러 열저장탱크(60)의 내부에는 제2냉매가 순환될 수 있도록 제2냉매의 순환 사이클과 연통되며 제2냉매가 상변화물질과 열교환될 수 있는 제2냉매용 열교환 코일(62)이 설치될 수 있다.
캐스케이드 열교환기(80)는 응축기(120)에서 1차 응축된 제1냉매가 2차 응축되고 제2냉매가 증발될 수 있도록 제1냉매와 제2냉매의 상호 열교환 작용이 이루어진다. 즉 제1냉매의 순환 사이클 입장에서 캐스케이드 열교환기(80)는 제2냉매의 증발 작용에 의해 콜드 트랩(50)에서 흡수된 폐열을 2차에 걸쳐 방열하여 제1냉매의 응축온도(압력)을 최대한 초저온으로 낮출 수 있는 2차 응축기 역할을 한다. 제2냉매의 순환 사이클 입장에서 캐스케이드 열교환기(80)는 제1냉매의 응축 작용에 의해 제2냉매를 증발시키는 증발기 역할을 하며, 나아가 콜드 트랩(50)에서 흡수한 폐열이 재생되어 열저장탱크(60)에 축열될 수 있게 한다. 이러한 캐스케이드 열교환기(80)는 2원 냉동을 위한 열교환이 가능하다면 어떠한 것이든 무방하다.
제1압축기(70)/제2압축기(100)는 제1냉매/제2냉매의 액화가 쉽도록 압축시키고, 제1팽창기(90)/제2팽창기(110)는 제1냉매/제2냉매를 팽창밸브 등에 의해 증발이 용이토록 팽창시키는 것으로, 냉동사이클 분야에서 당업자에게 잘 알려진 구성으로 상세한 설명은 생략한다. 제1압축기(70)/제2압축기(100)의 입구 측에는 기상 냉매만 유입될 수 있도록 각각 제1냉매/제2냉매가 경유하는 제1액분리기(72)/제2액분리기(102)가 설치되어 액상 냉매는 걸려내고 기상 냉매만 통과시킬 수 있다. 그리고 제1압축기(70)/제2압축기(100)의 출구 측에는 기상의 제1냉매/제2냉매로부터 오일이 분리될 수 있도록 제1유분리기(74)/제2유분리기(104)가 설치될 수 있다. 아울러 제1압축기(70) 측에는 제1냉매의 체적 변화를 흡수하고 월류를 방지할 수 있도록 팽창탱크(76)가 설치될 수 있다. 팽창탱크(76)의 한쪽은 제1액분리기(72)와 제1압축기(70)의 입구 사이에 연통되며, 그 나머지 한쪽은 제1압축기(70)의 출구와 제1유분리기(74) 사이에 연통된다. 그리고 응축기(120)와 제2팽창기(110) 사이에는 캐스케이드 열교환기(80)에서의 부하 변동에 따른 제2냉매량의 변화를 흡수하여 원활한 운전이 가능토록 액화된 제2냉매가 일시 저장되는 제2냉매용 수액기(106)를 더 포함할 수 있다.
응축기(120)는 도시된 바와 같이 실온에 의한 열교환 작용에 의해 응축 작용이 이루어지는 실외기로 구성될 수 있으며, 이에 한정하지 않고 필요에 따라 다른 유형의 응축기로 구성될 수도 있다. 특히 제1냉매의 순환 사이클과 제2냉매의 순환 사이클이 함께 하나의 응축기(120)를 공유하여 제1냉매 및 제2냉매의 응축 작용이 함께 이루어질 수 있도록 구성될 수 있다. 즉 응축기(120)에는 제1압축기(70)에서 캐스케이드 열교환기(80)로 순환되는 제1냉매가 경유하는 제1응축 배관(122)과, 열저장탱크(60)에서 제2팽창기(110)로 순환되는 제2냉매가 경유하는 제2응축 배관(124)이 각각 구성될 수 있다.
따라서 제1냉매는 콜드 트랩(50)의 출구를 시작으로 제1액분리기(72)를 경유하여 제1압축기(70)의 입구로 연결되는 제1증발 라인(130)과, 제1압축기(70)의 출구를 시작으로 제1유분리기(74)를 경유하여 응축기(120)로 연결되는 제1압축 라인(132)과, 응축기(120)에서 캐스케이드 열교환기(80)로 연결되는 제1응축 라인(134)과, 캐스케이드 열교환기(80)에서 제1팽창기(90)로 연결되는 제1방열 라인(136)과, 제1팽창기(90)에서 콜드 트랩(50)의 입구로 연결되는 제1팽창 라인(138)을 차례대로 순환될 수 있다.
제2냉매는 캐스케이드 열교환기(80)에서 시작하여 제2액분리기(102)->제2압축기(100)->제2유분리기(104)->열저장탱크(60)->응축기(120)->제2냉매용 수액기(106)->제2팽창기(110) 순으로 순환될 수 있다.
아울러 2원 냉동사이클 유닛은 콜드 트랩(50)의 제상 운전이 가능토록 구성될 수 있다. 즉 콜드 트랩 배관(54) 표면에 수증기가 응결되어 성에가 부착되는 현상을 적상이라 하는데, 콜드 트랩 배관(54)에 적상이 과다해지면 열교환 작용이 방해를 받아 콜드 트랩(50)의 성능이 저하되며, 이는 건조 성능에 악영향을 끼친다. 따라서 제상 운전은 콜드 트랩(50)에 부착된 성에를 녹여 제거하는 작업이다. 이러한 제상 운전이 2원 냉동사이클 유닛을 이용해 가능토록, 2원 냉동사이클 유닛은 제상용 증발기(150)와, 제상용 팽창기(152)와, 제1,제2바이패스 배관(160,162)과, 제1,제2건조용 전자변(170,172)과, 제1,제2제상용 전자변(180,182)을 더 포함할 수 있다.
제상용 증발기(150)는 제상 운전시 열저장탱크(60)에 축열된 열에 의해 제1냉매의 증발 작용이 용이하게 이루어질 수 있도록 열저장탱크(60)의 내부에 설치될 수 있다.
제상용 팽창기(152)는 제상 운전시 콜드 트랩(50)에서 제상용 증발기(150)로 순환되는 제1냉매를 팽창시킬 수 있도록 제1바이패스 배관(160) 상에 설치되는 팽창밸브로 구성될 수 있다.
제1바이패스 배관(160)은 제1냉매가 제1압축기(70) 출구 측에서 시작하여 콜드 트랩(50) 입구 측으로 바로 우회할 수 있도록 설치된다. 즉 제1바이패스 배관(160)의 입구는 제1압축 라인(132)에 연결되고, 그 출구는 제1팽창 라인(138)에 연결될 수 있다. 제1제상용 전자변(180)은 제1바이패스 배관(160)이 제상 운전시에만 개방될 수 있도록 제1바이패스 배관(160) 상에 설치될 수 있다. 제1건조용 전자변(170)은 제1압축 라인(132) 중 제1바이패스 배관(160) 연결 지점과 응축기(120) 사이 부분을 제상 운전시 차단하고 건조 운전시에만 개방하도록 제1압축 라인(132) 상에 설치될 수 있다. 따라서 제1압축기(70)에서 압축된 제1냉매가 건조 운전시에는 캐스케이드 열교환기(80) 측으로 바로 순환되고, 제상 운전시에는 콜드 트랩(50)의 입구로 우회된다.
제2바이패스 배관(162)은 제1냉매가 콜드 트랩(50)의 출구 측에서 시작하여 제상용 팽창기(152)와 제상용 증발기(150)를 차례로 경유한 후, 제1압축기(70) 입구 측으로 우회할 수 있도록 설치된다. 즉 제2바이패스 배관(162)은 제1증발 라인(130) 중 콜드 트랩(50)의 출구에 가까운 곳에 연결되고, 그 출구는 제1증발 라인(130) 중 제1압축기(70)의 입구 측에 가까운 곳에 연결될 수 있다. 제2제상용 전자변(182)은 제상 운전시에만 제2바이패스 배관(162)이 개방될 수 있도록 제2바이패스 배관(162) 상에 설치될 수 있다. 제2건조용 전자변(172)은 제1증발 라인(130) 중 콜드 트랩(50)의 출구와 제2바이패스 배관(162) 연결 지점 사이 부분을 제상 운전시 차단하고, 건조 운전시에만 개방하도록 제1증발 라인(130) 상에 설치될 수 있다. 따라서 건조 운전시에는 콜드 트랩(50)에서 증발된 제1냉매가 바로 제1압축기(70)의 입구 측으로 순환되고, 제상 운전시에는 콜드 트랩(50)에서 응축된 제1냉매가 제2바이패스 배관(162)을 통해 제1압축기(70)의 입구 측으로 우회된다.
본 발명은 열저장탱크(60)에 설치되어 2원 냉동사이클 유닛과는 별도의 에너지원에 의해 열에너지를 공급하는 히터(190)를 더 포함할 수 있다. 특히 히터(190)는 신속하게 열저장탱크(60)에 필요한 열이 축열될 수 있도록 응답성,신속성이 좋은 전열방식으로 구성될 수 있다. 이에 따라 건조 초기 운전시 2원 냉동사이클 유닛에 의한 축열이 정상 수준에 도달하기 전까지는 히터(190)에 의해 열저장탱크(60)에 필요한 열이 바로 축열될 수 있기 때문에 건조 운전의 시동 시간을 줄일 수 있고, 건조 챔버(10)의 온도를 초기부터 균일하게 조절할 수 있다. 또한 제상 운전시 열저장탱크(60)에 축열된 열이 제상용 증발기(150)의 제1냉매를 증발시키는데 부족한 경우, 히터(190)에 의해 제상용 증발기(150)에 필요한 열을 즉각적으로 보충할 수 있기 때문에 제상 운전이 원활하게 이루어질 수 있고, 제1압축기(70)로 액상의 제1냉매가 유입되지 않게 방지할 수 있다.
한편 피건조물의 동결을 위한 냉동시스템은 건조 챔버(10)에 직접 구성될 수도 있고, 본 발명과 분리된 별도의 시스템으로 구성될 수도 있다. 건조 물량이 많은 경우에는 여러 번에 나누어 건조시켜야 하는데, 전자의 경우 본 발명의 시스템에서 동결을 하고 건조를 하게 되면 1회 건조 시간이 오래 걸려 나머지 피건조물들을 장시간 방치하게 문제점이 있다. 후자의 경우 건조 대기 중인 피건조물들을 미리 동결된 상태로 안전하게 보관할 수 있고 앞 물량의 건조가 끝나면 바로 다음 물량을 건조시킬 수 있어 전체적인 운영을 보다 효율적으로 할 수 있다. 또한 후자의 경우 동결과 건조 시스템이 분리되어 전체 시스템이 복잡하지 않게 설계할 수 있다.
본 발명에 따른 열저장을 이용하는 진공동결건조시스템의 작동과정을 상세히 설명하면, 다음과 같다.
도 3을 참조하는 바와 같이 건조 운전시에는 건조 챔버(10)의 내부공간에 동결된 피건조물이 수용되며, 진공 펌프(22)가 구동되어 건조 챔버(10) 및 콜드 챔버(52)의 공기가 배기됨에 따라 건조 챔버(10) 및 콜드 챔버(52)의 내부가 물의 삼중점 이하로 동결된다. 이와 아울러 브라인 펌프(34)가 구동되어 열저장탱크(60)에 축열된 열이 건조 챔버(10)로 전달되며, 건조 챔버(10)의 내부 온도가 상승하게 된다. 따라서 피건조물에 동결된 수분이 바로 수증기로 승화하여 건조 챔버(10) 내 공기 중으로 증발됨으로써 피건조물로 제거되며, 이에 따라 피건조물이 건조될 수 있다. 건조 챔버(10) 내 증발된 수분은 증기관(12)을 따라 콜드 챔버(52)에 포집된다. 이와 아울러 2원 냉동사이클 유닛이 구동되어 콜드 챔버(52)에 의한 수분 착상 및 열저장탱크(60)에 의한 축열이 함께 진행된다.
콜드 챔버(52)에 의한 수분 착상은 제1냉매의 순환 사이클에 의해 다음과 같이 이루어진다.
먼저 제1건조용 전자변(170) 및 제2건조용 전자변(172)은 제1냉매가 건조 운전을 위해 순환될 수 있도록 작동되며, 제1제상용 전자변(180)과 제2제상용 전자변(182)은 제1냉매가 제1바이패스 배관(160), 제2바이패스 배관(162)으로 우회되지 않도록 제1바이패스 배관(160)과 제2바이패스 배관(162)을 차단할 수 있는 상태로 작동된다.
그리고 제1압축기(70)가 구동되어 콜드 트랩 배관(54)에 응축된 저온의 액상 제1냉매가 순환되면, 콜드 챔버(52)에 포집된 수분의 열이 콜드 트랩 배관(54)을 순환하는 제1냉매에 흡수되며, 이에 따라 콜드 챔버(52) 배관 표면에 수분이 성에로 응결되어 착상되고, 제1냉매의 증발 작용이 이루어진다. 증발된 제1냉매는 제1액분리기(72)를 경유하여 제1압축기(70)로 순환되어 압축된 다음, 제1유분리기(74)에서 오일 제거된 후 응축기(120)로 순환되어 1차 응축된다. 1차 응축된 제1냉매는 캐스케이드 열교환기(80)로 순환되어 제2냉매와 열교환된다. 이때 제1냉매는 콜드 트랩(50)에서 수증기로부터 열을 흡수하여 상대적으로 고온이고 제2냉매는 후술하는 바와 같이 액상의 저온 상태이므로, 제1냉매의 폐열이 제2냉매로 전달되는 열교환이 이루어진다. 이에 따라 제1냉매는 캐스케이드 열교환기(80)에서 한번 더 방열되어 2차 응축될 수 있다. 즉 제1냉매의 응축온도(또는 응축압력)가 최대한 낮아질 수 있고, 제1냉매는 제1팽창기(90)에서 팽창된 다음 최저온의 액상 콜드 트랩(50)에 순환되어 증발될 수 있다. 따라서 콜드 트랩(50)에서 제1냉매의 증발 효율이 향상될 수 있고, 전체적으로 제1냉매의 순환 사이클의 열효율 또한 향상될 수 있다.
열저장탱크(60)의 축열은 제2냉매의 순환 사이클에 의해 다음과 같이 이루어진다.
제2냉매는 캐스케이드 열교환기(80)에서 증발 작용에 의해 제1냉매로부터 열을 흡수한 다음, 제2액분리기(102)를 경유하여 제2압축기(100)로 순환되어 압축된다. 압축된 제2냉매는 제2유분리기(104)를 경유하여 오일 분리된 상태로 열저장탱크(60)로 순환된다. 열저장탱크(60)에서 열교환 작용에 의해 제2냉매의 열이 상변화물질에 방열됨으로써 열저장탱크(60)가 축열될 수 있다.
방열된 제2냉매는 응축기(120)로 순환되어 응축된 다음, 제2냉매용 수액기(106)를 경유하여 제2팽창기(110)에서 팽창되어 다시 저온의 액상 상태로 상변화되어 캐스케이드 열교환기(80)로 순환될 수 있다. 이와 같은 경우 제2냉매는 열저장탱크(60)에서 1차적으로 응축되고 응축기(120)에서 2차적으로 응축될 수 있기 때문에 전체적으로 제2냉매의 순환 사이클의 열효율이 향상될 수 있다.
한편 건조 초기 운전시에는 2원 냉동사이클 유닛의 열효율이 낮기 때문에 2원 냉동사이클 유닛에 의해 열저장탱크(60)에 축열되는 열량이 적다. 이때 히터(190)가 2원 냉동사이클 유닛과 함께 구동되며, 이에 따라 열저장탱크(60)에는 건조 챔버(10)에서 승화 작용에 필요한 열이 신속하게 충분히 축열될 수 있고, 따라서 건조 챔버(10)의 내부 온도가 승화 작용을 위한 범위로 신속하게 상승되어 유지될 수 있다. 시간이 지나 2원 냉동사이클 유닛만으로도 열저장탱크(60)가 충분히 축열될 수 있는 정상 운전에 도달되면, 히터(190)는 정지되어 가동되지 않고, 2원 냉동사이클 유닛에 의해서만 열저장탱크(60)가 축열된다.
도 2를 참조하는 바와 같이 건조 운전 중 콜드 트랩(50)에 적상이 과다하게 되면 다음과 같이 제상 운전이 이루어진다. 제상 운전 여부는 건조 운전 경과 시간이나 콜드 트랩(50) 내 수증기량 감지 등 콜드 트랩(50)의 적상 상황에 따라 설정될 수 있다.
제상 운전이 시작되면, 제1건조용 전자변(170)에 의해 제1냉매가 제1압축기(70)에서 응축기(120)로 순환되는 제1압축 라인(132) 일부가 차단되고, 제2건조용 전자변(172)에 의해 제1냉매가 콜드 트랩(50)에서 제1압축기(70)로 순환되는 제1증발 라인(130)이 차단된다. 반면 제1제상용 전자변(180)은 제1바이패스 배관(160)이 개방되도록 작동되고, 제2제상용 전자변(182)은 제2바이패스 배관(162)이 개방되도록 작동된다.
이와 같은 상태에서 제1압축기(70)가 구동되면, 압축된 고온의 기상 상태 제1냉매가 제1바이패스 배관(160)을 따라 콜드 트랩 배관(54)에 순환되고, 콜드 트랩(50)에서는 제1냉매의 열에 의해 콜드 트랩 배관(54)에 응결된 성에가 녹아 제상될 수 있다. 제상 운전에 의해 콜드 트랩(50)에서 응축된 제1냉매는 제2바이패스 배관(162)을 따라 제상용 팽창기(152)에서 팽창된다. 팽창된 제1냉매는 열저장탱크(60) 내 제상용 증발기(150)에서 열저장탱크(60)에 축열된 열에 의해 증발 작용한 다음, 다시 제1압축기(70)로 순환될 수 있다. 이때 열저장탱크(60)에 축열된 열이 제상용 증발기(150)를 순환하는 제1냉매의 증발 작용에 필요한 열보다 부족할 경우, 열저장탱크(60) 내 히터(190)를 구동하여 열보충할 수 있다. 제상 운전시 히터(190)는 열저장탱크(60)의 온도가 제상 운전을 위한 온도 범위 이하가 되면 구동되어 열저장탱크(60)의 온도가 제상 운전 온도 범위로 일정하게 유지되게 할 수 있고, 이에 따라 제상용 증발기(150)에서 제1냉매의 증발 작용이 충분히 이루어질 수 있다. 따라서 제1압축기(70)에 제1냉매가 액상 상태로 유입되는 것이 방지될 수 있으며, 제상 운전 또한 성능 저하 없이 원활하게 이루어질 수 있다.
한편 본 발명의 다른 실시예로서, 다음과 같이 건조 초기 운전시 열저장탱크를 제1냉매의 응축열을 이용하여 축열할 수도 있다.
즉 건조 초기 운전시에는 제1압축기에서 압축된 제1냉매가 열저장탱크를 우회한 다음, 응축기->캐스케이드 열교환기->제1팽창기->콜드 트랩 순으로 순환될 수 있도록 바이패스 배관 및 밸브 등을 더 추가 구성할 수 있다. 따라서 건조 초기 운전시 제1냉매의 열이 열저장탱크에 방열되어 열저장탱크의 축열이 보다 신속하게 이루어질 수 있다.
열저장탱크가 일정 수준 이상으로 축열된 다음에는 제1냉매의 응축열에 의한 열저장탱크의 축열이 많지 않으므로 본 발명의 일 실시예에서 상술한 바와 같이 제1냉매가 열저장탱크를 우회하지 않고 제1압축기에서 바로 응축기로 순환되게 하는 것이 바람직하다 할 수 있다.
상기한 바와 같은, 본 발명의 실시예들에서 설명한 기술적 사상들은 각각 독립적으로 실시될 수 있으며, 서로 조합되어 실시될 수 있다. 또한, 본 발명은 도면 에 불과하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
10; 건조 챔버 20; 진공형성부
30; 열전달부 50; 콜드 트랩
60; 열저장탱크 70; 제1압축기
80; 캐스케이드 열교환기 90; 제1팽창기
100; 제2압축기 110; 제2팽창기
120; 응축기 150; 제상용 증발기
152; 제상용 팽창기 190; 히터

Claims (5)

  1. 동결된 피건조물이 수용되며, 진공상태에서 열이 공급되면 상기 동결된 피건조물의 수분이 승화하여 증발되는 건조 챔버와;
    상기 건조 챔버에 연결되어 상기 건조 챔버를 진공 상태로 만드는 진공형성부와;
    상기 건조 챔버에서 증발된 수분이 포집될 수 있도록 상기 건조 챔버에 연결되며, 제1냉매의 증발 작용에 의해 상기 증발된 수분이 응결하여 착상되는 콜드 트랩과;
    상기 증발된 제1냉매가 압축되는 제1압축기와;
    상기 압축된 제1냉매가 응축되는 응축기와;
    상기 응축된 제1냉매와 제2냉매의 열교환에 의해 제1냉매는 방열되고 제2냉매의 증발 작용이 이루어지는 캐스케이드 열교환기와;
    상기 캐스케이드 열교환기와 상기 콜드 트랩 사이에 설치되어 순환하는 제1냉매가 팽창되는 제1팽창기와;
    상기 캐스케이드 열교환기에서 증발된 제2냉매가 압축되는 제2압축기와;
    상기 압축된 제2냉매의 열이 방열되어 축열되는 열저장탱크와;
    상기 열저장탱크와 상기 캐스케이드 열교환기 사이에 설치되어 순환하는 제2냉매가 팽창되는 제2팽창기와;
    상기 열저장탱크에 축열된 열에 의해 상기 건조 챔버에서 승화 작용이 이루어질 수 있도록 열전달하는 열전달부;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 열저장을 이용하는 진공동결건조시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2냉매의 순환 사이클은 상기 열저장탱크에서 방열된 제2냉매가 상기 응축기에서 상기 제1냉매와 함께 응축된 다음 상기 제2팽창기로 순환될 수 있도록 구성되는 것을 특징으로 하는 열저장을 이용하는 진공동결건조시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 열저장탱크에는 축열을 위한 상변화물질이 내장되고;
    상기 열전달부는 상기 열저장탱크와 상기 건조 챔버 사이에서 브라인이 순환될 수 있도록 브라인 배관 상에 설치되는 브라인 펌프와, 상기 상변화물질로부터 브라인으로 열전달될 수 있도록 상기 열저장탱크의 내부에 설치되며 브라인 배관과 연통되는 열교환 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 열저장을 이용하는 진공동결건조시스템.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 콜드 트랩의 제상 운전은 상기 제1냉매가 상기 제1압축기에서 압축되고, 상기 콜드 트랩에서 응축하여 상기 콜드 트랩에 응결된 수증기를 제상하고, 상기 제상용 팽창기에서 팽창되며, 상기 열저장탱크에 설치된 제상용 증발기에서 상기 열저장탱크에 의해 축열된 열에 의해 증발되는 순환 과정으로 이루어지고;
    상기 제1압축기에서 압축된 제1냉매가 바로 상기 콜드 트랩으로 우회할 수 있도록 상기 제1압축기의 출구 측과 상기 콜드 트랩의 입구 측을 연결하는 제1바이패스 배관과, 상기 제1바이패스 배관이 제상 운전시에만 개방되도록 상기 제1바이패스 배관 상에 설치되는 제1제상용 전자변과, 상기 제1압축기에서 압축된 제1냉매가 건조 운전시에는 상기 캐스케이드 열교환기 측으로 순환되게 하는 제1건조용 전자변과, 상기 콜드 트랩에서 응축된 제1냉매가 상기 제상용 팽창기, 제상용 증발기를 차례대로 우회한 후 상기 제1압축기의 입구로 순환할 수 있도록 설치된 제2바이패스 배관과, 상기 제2바이패스 배관이 제상 운전시에만 개방되도록 상기 제2바이패스 배관 상에 설치되는 제2제상용 전자변과, 건조 운전시에는 상기 콜드 트랩에서 증발된 제1냉매가 바로 상기 제1압축기의 입구 측으로 순환되게 하는 제2건조용 전자변을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열저장을 이용하는 진공동결건조시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 열저장탱크에 설치되어 건조 초기 운전시 또는 상기 제상 운전시 상기 열저장탱크를 축열시키는 히터를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 열저장을 이용하는 진공동결건조시스템.
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