이원(Cascade) 냉동 시스템: 초저온 구현(방폭 챔버, 환경 챔버, 시험기, Chamber, Temperature, Humidity)

 

목차

 

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이원(Cascade) 냉동 시스템

 

이원(Cascade) 냉동 시스템은 단일 냉동 사이클로는 도달하기 어려운 초저온 환경(일반적으로 -60°C 이하, 때로는 -100°C 이하)을 안정적이고 효율적으로 구현하기 위해 설계된 복합적인 냉동 기술입니다. 두 개의 독립적인 냉동 사이클이 중간 열교환기를 통해 열적으로 연결되어 작동하는 것이 핵심 원리입니다. 환경 챔버와 같은 정밀한 온도 제어가 필요한 분야에서 필수적으로 활용됩니다.

 

 

1. 이원 냉동 시스템의 기본 원리 및 필요성

일반적인 냉동 사이클은 냉매의 증발 온도에 한계가 있습니다. 냉매의 포화 증기압이 대기압보다 낮아지면 진공 상태가 되어 압축기의 흡입 능력이 저하되고 시스템의 효율이 급격히 떨어집니다. 또한, 냉매 자체가 극저온에서 응고되거나 점성이 비정상적으로 높아지는 등의 물리적 특성 한계도 존재합니다.

 

이원 냉동 시스템은 이러한 단일 사이클의 한계를 극복하기 위해, 서로 다른 냉매를 사용하는 두 개의 냉동 사이클을 연결하여 점진적으로 온도를 낮추는 방식을 채택합니다. 마치 계단식으로 물이 흘러내려가듯, 열이 한 단계씩 낮은 온도로 이동하는 방식과 유사하여 '캐스케이드(Cascade)'라는 이름이 붙었습니다.

 

 

2. 시스템의 구성 및 작동 원리

출처: Wiki

 

이원 냉동 시스템은 크게 1차측(고온측) 냉동 사이클과 2차측(저온측) 냉동 사이클로 구성되며, 이 두 사이클은 캐스케이드 응축기(Cascade Condenser)라는 중간 열교환기를 통해 연결됩니다.

 

출처: Wiki

 

2.1. 1차측(고온측) 냉동 사이클

1차측 사이클은 일반적인 냉동 사이클과 유사하게 작동하며, 주로 2차측 사이클에서 발생한 열을 흡수하여 외부로 방출하는 역할을 합니다.

 

주요 파트

• 압축기: 2차측 증발기(캐스케이드 응축기)에서 증발된 냉매 가스를 고압 고온으로 압축합니다.
• 응축기: 압축된 고온 고압의 냉매 가스가 외부 공기 또는 냉각수에 열을 방출하며 액체로 응축됩니다.
• 팽창 밸브: 응축된 고압 액체 냉매를 감압하여 저압 액체 상태로 만듭니다.
• 1차측 증발기 (캐스케이드 응축기): 이 부분이 1차측과 2차측을 연결하는 핵심적인 열교환기입니다. 1차측 냉매가 여기서 증발하면서 2차측 냉매의 응축열을 흡수합니다.
• 주요 사용 냉매: 과거에는 R-404A가 널리 사용되었으나, 높은 GWP(지구 온난화 지수)로 인해 현재는 R-449A, R-448A, R-407A, R-470B(RS-51) 등 GWP가 낮은 대체 냉매로 전환되는 추세입니다.
• 오일 분리기: 1차측 압축기 토출부에 오일 분리기를 설치하는 것이 일반적입니다. 이는 압축기에서 냉매와 함께 배출되는 오일을 분리하여 압축기로 되돌리고, 열교환기(응축기, 증발기)로 오일이 유입되어 열전달 효율을 저하시키는 것을 방지하기 위함입니다. 시스템의 효율과 압축기 수명 연장에 필수적인 부품입니다.

 

2.2. 2차측(저온측) 냉동 사이클

2차측 사이클은 챔버 내부의 열을 직접 흡수하여 극저온을 구현하는 역할을 합니다. 1차측으로부터 열을 빼앗기는 캐스케이드 응축기가 이 사이클의 응축기 역할을 합니다.

 

주요 파트

• 압축기: 2차측 증발기에서 증발된 극저압 극저온의 냉매 가스를 흡입하여 1차측 증발기(캐스케이드 응축기)에서 응축될 수 있는 압력과 온도로 압축합니다. 매우 낮은 흡입 압력과 높은 압축비를 견딜 수 있도록 특수 설계되거나 다단 압축 방식을 사용하기도 합니다.
• 캐스케이드 응축기 (1차측 증발기): 2차측 냉매가 여기서 1차측 냉매에게 열을 방출하며 액체 상태로 응축됩니다.
• 팽창 밸브: 캐스케이드 응축기에서 응축된 고압 액체 2차측 냉매를 감압하여 저압 극저온의 액체 냉매로 만듭니다.
• 2차측 증발기: 챔버 내부에 설치되어 시험 시료나 챔버 내부의 열을 직접 흡수하여 챔버 온도를 낮춥니다.
• 주요 사용 냉매: R-23, R-508B와 같이 -50°C 이하의 초저온 구현에 적합한 냉매들이 사용됩니다. 이들은 GWP가 매우 높지만, 극저온 대체 냉매의 한계로 인해 아직까지 널리 사용되고 있습니다.
• 오일 분리기 및 어큐뮬레이터: 2차측은 극저온에서 작동하므로 오일의 점도가 높아져 오일 회수가 어려울 수 있습니다. 따라서 오일 분리기는 1차측보다 더욱 중요하게 사용되며, 압축기로 액체 냉매가 유입되는 것을 방지하기 위한 어큐뮬레이터(Accumulator)도 필수적으로 설치됩니다.

 

3. 3차측 냉동 시스템의 적용

경우에 따라서는 -100°C 이하의 극저온(예: -120°C ~ -150°C)을 안정적으로 구현하거나, 매우 넓은 온도 범위(예: -100°C ~ +200°C)를 커버해야 할 때 3차측(Tri-stage) 또는 그 이상의 다단 냉동 시스템을 사용하기도 합니다.

 

• 원리: 3차측 시스템은 2차측 사이클과 유사하게, 3차측 냉매의 응축열을 2차측 냉매가 흡수하는 중간 열교환기를 추가하여 더욱 낮은 온도를 단계적으로 구현합니다.
• 주요 냉매: 3차측에는 R-170(에탄), R-1150(에틸렌)과 같은 매우 낮은 비등점을 가진 탄화수소계 냉매나, 액체 질소(LN2) 등의 초저온 매체가 사용될 수 있습니다.
• 고온 제어와의 연관성: 80°C 이상의 고온 영역을 제어하는 것은 냉매의 냉각 역할과는 직접적인 관련이 없습니다. 고온은 주로 전기 히터를 통해 발생시키고, 강력한 공기 순환 시스템을 통해 챔버 내부에 균일하게 분포시킵니다. 이원 또는 삼원 냉동 시스템은 고온/저온 복합 환경 챔버에서 밸런스 온도 제어(Balance Temperature Control) 방식으로, 즉 냉각 시스템이 항시 가동되면서 히터의 열 공급과 상쇄 작용을 통해 정밀한 온도를 유지하는 데 기여할 수 있습니다.

 

 

 

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