핵심적으로, 초저온(ULT) 냉동고는 두 개의 냉동 시스템을 순차적으로 사용하여 작동하며, 이 과정을 캐스케이드 냉동이라고 합니다. 단일 냉각 루프를 사용하는 일반 가정용 냉동고와 달리, ULT 냉동고는 1차 냉동 회로를 사용하여 2차 회로를 냉각합니다. 이 2단계 접근 방식은 2차 회로가 훨씬 더 차가운 지점에서 시작할 수 있도록 하여 -80°C 이하의 극저온에 도달할 수 있게 합니다.
이해해야 할 중요한 개념은 ULT 냉동고가 본질적으로 "냉동고 안의 냉동고"라는 것입니다. 첫 번째 시스템은 두 번째 시스템에서 열을 제거하고, 두 번째 시스템은 내부 챔버에서 열을 제거하여 단일 냉매로는 달성할 수 없는 온도에 도달할 수 있게 합니다.
표준 냉동고로는 충분하지 않은 이유
캐스케이드 시스템을 이해하려면, 먼저 극심한 온도를 목표로 할 때 단일 냉동 사이클의 물리적 한계를 인식해야 합니다.
단일 냉매의 한계
모든 냉매는 최적의 작동 온도 및 압력 범위를 가집니다. 열을 흡수하고 차가워지려면 냉매가 매우 낮은 압력에서 증발해야 합니다.
-80°C와 같은 목표 온도에서 표준 냉매에 필요한 압력은 너무 낮아서 진공에 가까워질 것입니다. 압축기는 이러한 진공 조건에서 효율적으로 작동하도록 설계되지 않았으며, 아예 작동하지 않을 수도 있습니다.
열 방출 문제
어떤 냉동 사이클이든 작동하려면 압축된 냉매가 주변 환경(실내)으로 열을 방출할 수 있어야 합니다.
이를 위해 응축기 코일의 냉매는 주변 공기보다 훨씬 따뜻해야 합니다. -80°C 내부에서 +30°C 이상 외부로의 이러한 엄청난 온도 차이를 한 번에 달성하는 것은 기계적으로 비효율적이며 일반적인 냉매로는 사실상 불가능합니다.
캐스케이드 냉동 시스템 설명
캐스케이드 시스템은 두 개의 상호 연결된 단계로 작업을 분할하여 이러한 문제를 우아하게 해결하며, 각 단계는 특수 냉매를 사용합니다.
1단계: 고온 회로
첫 번째 단계는 일반적인 냉동고와 유사하게 작동합니다. 고압 냉매(예: R-404a)를 사용하여 냉각 과정을 시작합니다.
그러나 그 주요 임무는 냉동고의 주 챔버를 냉각하는 것이 아닙니다. 대신, 두 번째 회로에서 열을 흡수하여 일반적으로 약 -40°C까지 온도를 낮춥니다.
2단계: 저온 회로
두 번째 단계는 특수 초저압 냉매(예: R-508B)를 사용합니다. 핵심은 그 "환경"이 실내가 아니라 1단계에서 생성된 -40°C 환경이라는 것입니다.
이러한 사전 냉각된 상태에서 시작하기 때문에, 이 두 번째 회로는 주 챔버에서 증발하고 열을 흡수하는 데 필요한 극도로 낮은 압력에서 쉽게 작동하여 온도를 목표인 -80°C까지 낮춥니다.
열 교환기: 단계가 만나는 곳
두 회로는 물리적으로 혼합되지 않지만, 캐스케이드 열 교환기라는 중요한 구성 요소에 의해 열적으로 연결됩니다.
여기서 첫 번째 단계의 증발기 코일은 두 번째 단계의 응축기 코일과 접촉합니다. 열은 두 번째 회로에서 첫 번째 회로로 전달되고, 첫 번째 회로는 그 열을 시스템 밖으로 운반하여 실내로 배출합니다.
절충점 이해
이 2단계 설계는 매우 효과적이지만, 복잡성을 증가시키고 신중한 관리가 필요합니다.
에너지 소비 증가
두 개의 독립적인 압축기 시스템을 작동하는 것은 단일 단계 냉동고보다 훨씬 더 많은 에너지를 소비합니다. 이는 극심한 온도를 달성하고 유지하는 능력에 대한 직접적인 절충점입니다.
더 높은 유지보수 복잡성
어느 한 회로의 고장은 전체 시스템의 고장을 초래합니다. 고온 1단계의 누출 또는 비효율성은 2단계가 충분히 차가워지는 것을 방해하여 연쇄적인 고장을 유발합니다. 이는 캐스케이드 시스템에 대한 전문 지식을 갖춘 기술자가 필요합니다.
주변 온도에 대한 민감성
첫 번째 단계는 주변 실내로 열을 배출해야 합니다. 실내가 너무 뜨겁거나 냉동고의 통풍구가 막히면 1단계는 효율적으로 냉각할 수 없습니다. 이는 2단계의 성능에 직접적인 영향을 미치므로 적절한 배치와 환기가 절대적으로 중요합니다.
목표에 맞는 올바른 선택
캐스케이드 시스템이 어떻게 작동하는지 이해하면 이러한 중요한 자산을 보다 효과적으로 작동하고 유지 관리할 수 있습니다.
- 주요 초점이 자산 보호라면: 냉동고 주변에 충분한 환기 공간이 있고 기후 제어실에 있는지 확인하여 첫 번째 냉각 단계의 효율성을 극대화하십시오.
- 주요 초점이 문제 해결이라면: 온도 도달 실패는 시스템 전체의 문제임을 인식하십시오. 저온 회로가 문제인 것처럼 보여도 고온 회로에 문제가 있을 수 있습니다.
- 주요 초점이 에너지 효율성이라면: 캐스케이드 설계는 본질적으로 에너지 집약적이므로, 더 효율적인 압축기와 환경 친화적인 냉매를 사용하는 최신 모델을 선택하십시오.
ULT 냉동고를 두 개의 조정된 시스템으로 보면 그 기능과 고유한 작동 요구 사항을 더 잘 이해할 수 있습니다.
요약표:
| 시스템 구성 요소 | 주요 기능 | 주요 특징 |
|---|---|---|
| 1단계 (고온 회로) | 2단계 회로 냉각 | 표준 냉매(예: R-404a)를 사용하여 약 -40°C에 도달 |
| 2단계 (저온 회로) | 주 저장 챔버 냉각 | 특수 저압 냉매(예: R-508B)를 사용하여 -80°C 이하에 도달 |
| 캐스케이드 열 교환기 | 두 단계 사이의 열 전달 | 1단계가 2단계 응축기에서 열을 흡수하도록 함 |
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