KR100533655B1 - 에어이젝터를 이용한 진공 냉각장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 에어 이젝터를 이용한 진공 냉각 장치에 관한 것으로, 냉동기(12)와, 이 냉동기와 연결되는 열교환기(2), 그리고 소정의 식품 등을 냉각 시키기 위한 진공챔버(4)를 포함하는 진공 냉각 장치에 있어서, 상기한 열교환기(2)와 진공챔버(4) 사이에는 배기구(13)를 갖는 에어 이젝터(3)가 설치되고, 열교환기(2)에는 타단엔 공기 압축기(1)가 설치되어, 상기 공기 압축기(1)로 부터 제공되는 압축공기가 열교환기(2)를 거쳐 에어 이젝터(3)로 공급되게 한 것을 특징으로 하며, 상기한 진공 챔버(4)에는 각기 다른 직경의 유동로를 갖는 서압변(5,6,7)을 설치한 것을 특징으로 하며, 상기한 열교환기(2)와 공기 압축기(1) 사이에는 전자변(11)이 설치되고, 상기한 진공챔버(4)와 에어 이젝터(3) 사이엔 진공 게이지(10)가 설치되며, 상기한 진공 챔버(4) 에는 진공 해제변(8)과 진공 센서(9)를 설치한 것을 특징으로 한다

Description

에어이젝터를 이용한 진공 냉각장치{cooling system using air ejector}

본 고안은 에어 이젝터를 이용한 진공 냉각 장치에 관한 것이다 .

최근 생활 수준의 향상으로 인간의 음식 문화는 보다 신선하고 안전한 먹거리를 선호하게 되었다. 이에 따라 생산자는 소비자의 요구에 맞는 농산물을 재배하여야만 하고, 유통 중개인은 신선한 제품을 소비자에게 전달해야 하는 의무를 가지는 사회구조로 변천되어 오고 있다.

이러한 사회적 배경으로 인하여 지금까지 유통과정 중에 발생되었던 각종의 상품변질을 방지하기 위하여 수확된 과채(과일과 채소)를 가장 빠른 시간에 급속 냉각시켜서, 과채의 신선도를 장기간 유지시키기 위한 농산물 예냉 시스템이 도입되고 있다.

이와같은 농산물 예냉시스템은 과채의 온도를 -1∼3℃ 정도로 유지할 수가 있어 과채의 호흡작용이 중지되거나 극소화되므로 장기간 보존시에도 상품의 가치를 유지할 수가 있다.

현재 상용화되어 있는 예냉시스템은 채소류에 물을 분무하는 수냉각식, 차압을 이용한 차압예냉식 및 진공펌프를 이용하는 진공냉각식으로 크게 구분할 수가 있다.

이중 차압방식은 최근에 각광을 받고 있는 농산물 예냉시스템이지만, 시설의 과대화 및 시설내 용적사용 효율의 저감 및 수분를 과다하게 탈취한다는 단점을 가지고 있다.

또한 채소류에 물을 분무하는 수냉각식 및 진공펌프를 사용하는 진공펌프식 예냉시스템은 초기시설 투자면에서 고비용이 소요되는 단점을 가지고 있다.

특히 종래의 진공펌프식에 대하여 상세히 설명하면, 종래의 진공펌프식은 진공냉각 챔버 내에 수분이 많이 함유되는데, 예를 들어, 냉각물체를 넣고 4.6mmHg abs 정도의 진공으로 유지하면, 20 - 30분 정도 지나면 상온에서 0℃ 부근까지 냉각된다. 이때 수분 1g은 1기압하에서 1cc 정도의 체적을 차지하지만, 4.6mmHg abs 압력하에서는 수분 1 g 이 약 20만cc 정도의 거대한 체적이 되므로, 이를 배제하기 위한 진공펌프 용량은 매우 큰 것이 되기 때문에 경제적으로 실시 불가능하다. 따라서, 진공펌프로 가기 전에 보통 플레이트 휜튜브식 냉각코일을 설치하여 증발된 수분을 여기서 응결시켜 제거해 준다. 이 때문에 냉동장치가 필요하게 되고, 진공펌프는 소형이라도 가능하게된다.

그러나 냉각코일을 진공조(진공밀폐용기)에 설치하고 또 응결된 수분을 방출하고 진공을 유지하기 위한 유지, 보수가 매우 어려운 문제가 있다 .

또한 진공조를 진공펌프로 진공 및 배기함에 있어 복잡한 기계장치인 진공펌프를 사용함으로써 운전,보수,유지가 용이하지 않으며 사용 가능한 수명 또한 한정되어 있는 단점이 있다.(보통 4년이며, 시간으로는 약 30,000-40,000 시간)

또한, 진공펌프식은 마늘, 오이, 토마토 등의 냉각은 거의 불가능하며, 또한 야채의 부위에 따라서도 온도차가 발생하여 온도 불균일화 등의 문제점을 가지고 있다. 따라서, 농산물의 상품가치 증대를 위하여 또 저비용 시설에 알맞은 고효율의 농산물 예냉시스템 개발이 절실히 요구된다.

이와같은 배경에 착안하여 본 출원인에 의하여 선출원하여 등록 받은 실용신안등록 제 225068 호가 있다

이 등록 실용신안은 이젝트를 이용한 진공냉각장치로, 농수산물의 예냉시스템 및 식품가공산업에 적용시킬 수 있게 구성한 것으로, 이 본 출원인에 의한 등록 고안의 이젝트를 이용한 방식에서는 유체(물)의 낙하에 의한 부압을 이용하여 진공조 내를 진공시키고 응결된 수분을 자연 회수하도록 되어 있다

본 발명은 이를 더욱 개선한 것으로, 본 발명의 목적은 에어 이젝터를 사용하여 매우 콤팩트하게 장치를 구성할 수 있으며 그 작동 비용도 저렴하고, 종래 물을 이용한 이젝터와 같은 물 탱크와 물 이젝터가 불필요하여 장치의 설비 비용이 저렴한 장치를 제공함에 본 발명의 목적이 있다

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 주요 구성은, 냉동기(12)와, 이 냉동기와 연결되는 열교환기(2), 그리고 소정의 식품 등을 냉각 시키기 위한 진공챔버(4)를 포함하는 진공 냉각 장치에 있어서, 상기한 열교환기(2)와 진공챔버(4) 사이에는 배기구(13)를 갖는 에어 이젝터(3)가 설치되고, 열교환기(2)에는 타단엔 공기 압축기(1)가 설치되어, 상기 공기 압축기(1)로 부터 제공되는 압축공기가 열교환기(2)를 거쳐 에어 이젝터(3)로 공급되게 한 것을 특징으로 하며, 상기한 진공 챔버(4)에는 각기 다른 직경의 유동로를 갖는 서압변(5,6,7)을 설치한 것을 특징으로 하며, 상기한 열교환기(2)와 공기 압축기(1) 사이에는 전자변(11)이 설치되고, 상기한 진공챔버(4)와 에어 이젝터(3) 사이엔 진공 게이지(10)가 설치되며, 상기한 진공 챔버(4) 에는 진공 해제변(8)과 진공 센서(9)를 설치한 것을 특징으로 한다

상기한 특징 외의 다른 특징 및 구성에 대하여 첨부 도면과 함께 이하 추가로 더욱 상세히 설명한다

도 1 은 본 발명에 따른 진공 냉각 장치에 대한 구성 시스템 도면이다

도시한 바와 같이, 예들들어, 실외에 설치되는 공기 압축기(1)에서 발생한 공기가 열교환기(2)를 통과함으로써 섭씨 0-10도 정도의 온도를 가진 공기가 에어 이젝터(3)를 통하여 배기구(13) 쪽으로 버려진다

이때 에어는 구동 유체로 작동하여 에어 이젝터(3) 내에서 노즐을 통하여 강하게 분사되면서 진공 챔버(4) 내의 공기를 유입 흡입하여 챔버 내 압력을 떨어뜨려 진공 냉각 시켜 진공챔버(4) 내의 고온의 식품 재료 등을 냉각하게 된다.

여기서 진공챔버(4) 안이 냉각이 되는 이유는 진공에 의하여 압력의 저하와 함께 수분의 증발이 왕성하게 됨으로써 수분 증발에 의한 증발 잠열에 의하여 진공 챔버 내의 식품 등의 물체가 냉각이 된다이에 대한 동작원리를 이하 더욱 상세히 설명한다진공냉각의 원리는, 첫째 진공을 유지하여 냉각 물체의 비점을 낮춘다는 것이고, 둘째로는 비점을 낮추어 증발을 촉진함으로써 이때 발생하는 증발 잠열을 이용하여 냉각물을 냉각하는 것이라 할 수 있다.예를들어, 진공챔버(4) 내를 18mmHg로 유지하면, 품온 20℃의 냉각물체는 증발을 시작하고(수증기 분압 17.53mmHg시 물의 비점은 20℃), 약 600kcal/kg의 잠열이 뺏기면서 급속도로 냉각되고, 압력이 4.6mmHg가 되면 냉각물체의 품온은 상온에서 0℃부근까지(수증기 분압 4.585mmHg시 물의 비점 0.01℃) 냉각된다.이때 수분 1g을 대기압에서 1cc정도의 체적을 차지하지만 4.6mmHg의 압력하에서는 수분 1g이 약 20만cc정도의 거대한 체적이 되므로 이를 배기하기 위한 에어 이젝타 및 공기압축기의 용량을 매우 큰 것이 되어야 하기 때문에 경제적으로 실시 불가능하다예를들면 야채의 질량이 Wkg에서 L%의 수분이 증발하여 품온 20℃의 야채가 5℃로 냉각 된다고 하면,L = 0.90×(22-5)×W / 595×W = 2.6%* 0.90 = 야채의 비열(kcal/kg℃)* 595 = 6mmHg에서의 증발잠열(kcal/kg℃) 이상의 식에서 온도강하 17℃에 대해 2.6%의 수분이 증발되고, 냉각물체 1kg에 대해 2.6% × 100kg 이므로 26g × 20만cc = 520만cc가 진공챔버(4)에서 배기 되어야 된다. 따라서 진공챔버(4) 앞에 열교환기(2)를 설치하여 증발된 수분을 여기서 응결시켜 제거해 줌으로써 에어 에젝터(3) 및 공기 압축기(1)의 용량을 줄어 경제적 운용이 가능하게 된다 이러한 상호 관계로 냉동기(12), 열교환기(2), 공기압축기(1)가 필요하다작동 조건등의 관계를 예를들어 더 상세히 설명하면 다음과 같다진공 챔버(4) 내를 배기 감압시켜 소정 압력이 되면 냉각물의 수분이 증발하고, 증기압 차이에 의해 수분이 에이 에젝터(3)로 흐르게 된다이때, 증기압차를 크게 하기 위해서는 열교환기(2)의 온도가 낮을수록 좋지만 온도를 너무 내리더라도 수증기의 회수율은 상승하지 않는다. 그 이유는 다음과 같다PC / PS = 0.55 * PC = 열교환기(에어에젝터(3))의 포화 증기압 * PS = 물체 표면의 포화 증기압상기한 식에 의하면, 한도 이상으로 열교환기(2)의 온도를 내려도 효과는 작다. 만약, 야채의 품온을 5℃라 하면, PS = 6.5mmHg이므로,PC = 0.55×6.5 = 3.57mmHg ⇒ -3.27℃ 이때 냉동기의 용량은, 냉동기의 냉각시간은 20분이라고 하면 열부하 Q′는Q′= 60 / 20 × C₁(T₂-T₁)W 가 된다* Q′ = 열부하 kcal/H* T₁ = 야채의 최종품온 ℃* T₂ = 야채의 최초 품온 ℃* W = 야채의 중량* C = 야채의 비열따라서 야채의 호흡열, 응축수 재증발에 의한 잠열부하, 안전율등을 종합적으로 고려하여 열부하는, Q = Q′(1+0.03+1) = 3.39 × C₁(T₂-T₁)W 가 된다도 2 및 도 3 은 에어이젝터(3)에 대한 단면 구조예이다

삭제

도 2 는 일단 에어이젝터에 관한 것이고, 도 3 은 다단 에어 이젝터에 관한 것이다. 고효율이 요구될 경우엔 도 3 과 같은 다단 에어이젝터를 사용한다

도 1 에서 도시한 공기압축기(1)에서 나오는 압축공기(14)는 도 2 에 도시한 이젝터의 노즐(16)을 통과한다. 그러면 그 노즐(16)을 통과하는 유속에 의하여 도 1 에 도시한 진공챔버(4) 내의 공기가 즉, 도 2 와 같은 이젝터 구조의 유로에서 진공챔버(4)내의 챔버공기(15)가 흡입되므로 진공 챔버(4) 내부가 압력이 떨어지게 되어 진공 상태가 된다

다단 에어 이젝터는 도시한 바와 같이, 제 1,2,3,4 노즐(21,22,23,24)과 같이 갈수록 점차 노즐 직경이 커지는 노즐을 연속 연결하여 여러 단에 걸쳐 압축 공기의 평창이 이루어져 최소 압력으로 최대한의 진공 효율이 나오도록 하였다

진공 챔버 내부가 너무 급속히 진공이 되면 물, 죽 등 액체에 가까운 식 재료는 용기 속에 담아도 용기 밖으로 튀어 나오게 된다

이것을 방지하기 위해 서서히 압력이 떨어지도록 하는 서압변(5,6,7)을 만들어 진공도에 따라 서압변(5,6,7)을 열어 공기 흡입량을 조절하여 진공 챔버(4) 내에 흡입하게 된다. 그로 인해 서서히 진공하게 되어 최대한 액체성 식 재료가 튀지 않으면서 냉각되게 한다

서압변(5,6,7)은 진동도에 따라 조절하여 작동되게 한다

서압변(5,6,7)은 각각의 유동로 구멍 크기를 다르게 만들어 공기 흡입량이 다르게 되게 한다. 즉, 솔레노이드 밸브1 이 직경 10 미리라면, 밸브2 는 5 미리, 밸브 3 은 3 미리 정도로 나누어 솔레노이드 밸브 1 이 작동시에는 2,3 이 닫혀있고 흡입량이 더욱 필요할 경우엔 1,2 가 같이 열리는 등으로 흡입량을 조절 한다

도면 부호 8 은 진공 해제시 사용하는 진공 해제변이며, 도면 부호 9 는 진공챔버(4) 내에 설치되어 진공상태를 감지하는 진공센서이며, 도면 부호 11은 전자변이며 도면부호 12 는 냉동기이다

한편 진공챔버(4)와 에어이젝터(3) 사이의 유동 라인에는 진공게이지(10)를 설치한다.

이상과 같은 본 발명에 의하면 에어 이젝터 자체가 작아 매우 콤팩트하게 장치를 구성할 수 있으며 그 작동 비용도 저렴한 장점이 있다

또한 종래 물을 이용한 이젝터와 같은 물 탱크와 물 이젝터가 불필요하여 장치의 설비 비용이 저렴하다.

또한 공기이젝터는 수이젝터 보다 작동 효율이 우수하고 고장이 없이 반영구적으로 사용 가능하고, 진동이 없으며 소음이 없는 장점이 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 장치의 시스템에 대한 구성도

도 2 는 일단 에어 이젝터의 요부 구성에 따른 작동 단면도

도 3 은 다단 에어 이젝터의 요부 구성에 따른 작동 단면도

Claims (3)

1. 냉동기(12)와, 이 냉동기와 연결되는 열교환기(2), 그리고 소정의 식품 등을 냉각 시키기 위한 진공챔버(4)를 포함하는 진공 냉각 장치에 있어서

   상기한 열교환기(2)와 진공챔버(4) 사이에는 배기구(13)를 갖는 에어 이젝터(3)가 설치되고, 열교환기(2)에는 타단엔 공기 압축기(1)가 설치되어, 상기 공기 압축기(1)로 부터 제공되는 압축공기가 열교환기(2)를 거쳐 에어 이젝터(3)로 공급되게 한 것을 특징으로 하는 에어이젝터를 이용한 진공 냉각 장치
2. 제 1 항에 있어서,

   상기한 진공 챔버(4)에는 각기 다른 직경의 유동로를 갖는 서압변(5,6,7)을 설치한 것을 특징으로 하는 에어이젝터를 이용한 진공 냉각 장치
3. 제 1 항에 있어서,

   상기한 열교환기(2)와 공기 압축기(1) 사이에는 전자변(11)이 설치되고, 상기한 진공챔버(4)와 에어 이젝터(3) 사이엔 진공 게이지(10)가 설치되며, 상기한 진공 챔버(4) 에는 진공 해제변(8)과 진공 센서(9)를 설치한 것을 특징으로 하는 에어이젝터를 이용한 진공 냉각 장치