초저온 냉동고의 냉동 시스템은 어떻게 작동할까요? 2단 캐스케이드 냉각 방식 설명

본질적으로 초저온 냉동고는 캐스케이드 냉동 시스템을 사용하여 극저온을 달성합니다. 이것은 가정용 냉장고처럼 단일하고 강력한 냉각 회로가 아니라, 두 개의 별개의 냉동 회로가 함께 작동하는 방식입니다. 한 회로의 주요 임무는 다른 회로를 예비 냉각하여, 두 번째 회로가 단일 시스템으로는 도달할 수 없는 훨씬 낮은 온도에 도달할 수 있도록 하는 것입니다.

초저온에 도달하는 근본적인 과제는 단순히 무언가를 차갑게 만드는 것이 아니라, 주변 온도가 상대적으로 따뜻할 때 열을 효과적으로 제거하는 것입니다. 캐스케이드 시스템은 고온 회로를 사용하여 저온 회로가 작동할 수 있는 인공적으로 차가운 환경을 조성함으로써 단일 압축기의 물리적 한계를 극복합니다.

표준 냉동고가 -80°C에 도달할 수 없는 이유

표준 냉동 시스템은 가스를 압축하여 가열한 다음, 응축기에서 액체로 다시 냉각하는 방식으로 작동합니다. 이 액체는 증발기에서 팽창하여 극도로 차가워지고 열을 흡수합니다. 초저온에 도달하려면 이 사이클이 한계까지 밀어붙여집니다.

압력-온도 문제

냉매 가스가 응축기에서 다시 액체로 변하려면 냉각되고 가압되어야 합니다. 냉동고가 더 차가울수록 냉매의 끓는점이 낮아야 하며, 이는 실온에서 응축되도록 강제하기 위해 극도로 높은 압력이 필요하다는 것을 의미합니다.

단일 압축기는 이러한 거대한 압력 차이를 효율적이고 안정적으로 생성할 수 없습니다.

캐스케이드 시스템: 2단 솔루션

캐스케이드 시스템은 작업을 두 개의 최적화된 단계로 분할하여 이러한 한계를 극복하며, 각 단계는 자체 압축기와 특수 냉매를 사용합니다. 열 제거를 위한 릴레이 경주라고 생각하십시오.

1단계: 고온 회로

첫 번째 회로는 강력하지만 비교적 표준적인 냉동고처럼 작동합니다. 고온용으로 설계된 냉매(예: R-404a)를 사용합니다.

그 유일한 목적은 냉동고 내부를 냉각하는 것이 아닙니다. 대신, 그 증발기는 극도로 차가워져(약 -40°C) 두 번째 회로에서 열을 흡수합니다.

2단계: 저온 회로

이 두 번째 회로가 실제로 초저온 냉동고 내부를 냉각합니다. 끓는점이 매우 낮은 특수 저온 냉매(예: R-508B)를 사용합니다.

이 회로의 응축기는 주변 공기에 의해 냉각되는 대신, 1단계의 증발기에 의해 냉각됩니다.

핵심 연결: 열 교환기

두 회로는 캐스케이드 열 교환기라는 부품에서 만납니다. 여기서 1단계의 차가운 증발기가 2단계 응축기 내부의 따뜻하고 압축된 가스를 냉각시킵니다.

2단계 응축기를 실온 대신 -40°C 환경에 노출시킴으로써, 냉매는 훨씬 낮고 관리하기 쉬운 압력에서 쉽게 액체로 돌아갈 수 있습니다. 이 "초냉각된" 액체는 냉동고 내부에서 목표 -80°C를 달성하기 위해 팽창할 수 있습니다.

절충점 이해하기

캐스케이드 시스템의 성능에는 인식해야 할 내재된 비용이 따릅니다.

복잡성 증가

캐스케이드 시스템은 두 개의 압축기, 두 세트의 냉매, 그리고 두 개의 독립적인 냉각 루프를 가지고 있습니다. 이는 표준 냉동고에 비해 고장 날 수 있는 중요한 부품의 수가 두 배로 늘어난다는 것을 의미합니다.

더 높은 에너지 소비

두 개의 압축기를 작동하는 것은 하나를 작동하는 것보다 훨씬 더 많은 에너지를 소비합니다. 이 시스템은 최대 냉각력을 위해 설계되었으며, 최대 효율을 위해 설계된 것이 아닙니다.

특수 부품

사용되는 냉매는 극저온에서의 특정 열역학적 특성을 위해 선택됩니다. 이는 일반 가정용 기기에 사용되는 냉매에 비해 특수한 취급 및 서비스 절차를 필요로 합니다.

목표에 맞는 올바른 선택

초저온 냉동고의 핵심 설계를 이해하는 것은 그 기능과 요구 사항을 이해하는 데 도움이 됩니다.

성능이 주요 초점이라면: 캐스케이드 시스템의 2단계 프로세스는 단일 단계 냉각의 물리적 한계를 극복하여 초저온을 달성하는 핵심 기술입니다.
유지 보수 또는 구매가 주요 초점이라면: 이러한 성능은 복잡성 증가(두 개의 압축기와 두 개의 회로)에서 비롯되며, 이는 더 높은 에너지 사용량과 더 많은 잠재적 고장 지점으로 이어진다는 것을 인식하십시오.

극심한 열 제거 문제를 두 가지 관리 가능한 단계로 나눔으로써, 캐스케이드 시스템은 초저온 저장을 위한 강력하고 효과적인 공학적 솔루션을 제공합니다.

요약표:

시스템 구성 요소	기능	주요 특징
고온 회로 (1단계)	저온 회로를 예비 냉각합니다.	R-404a와 같은 냉매 사용; ~-40°C까지 냉각.
저온 회로 (2단계)	냉동고 내부를 냉각합니다.	R-508B와 같은 냉매 사용; 목표 -80°C 달성.
캐스케이드 열 교환기	두 회로를 연결합니다.	1단계가 2단계의 응축기를 냉각하여 초저온 가능하게 함.