제빙기
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1. 개요
제빙기는 물을 얼려 얼음을 만드는 장치로, 1748년 윌리엄 컬렌에 의해 최초의 인공 냉동이 시연된 이후 다양한 기술 발전을 거쳐 왔다. 19세기 초 올리버 에반스와 제이콥 퍼킨스 등에 의해 실용적인 제빙기가 개발되었고, 이후 존 고리, 알렉산더 트위닝, 제임스 해리슨 등의 발명을 통해 상업화되었다. 20세기에는 암모니아, 메틸 클로라이드, 이산화황과 같은 유독 가스를 사용하다가 프레온이 개발되었으며, 현재는 환경 문제로 인해 천연 냉매를 사용하는 방향으로 전환되고 있다. 제빙기는 가정용, 상업용, 산업용 등 다양한 형태로 사용되며, 식품, 의료, 에너지, 환경 등 광범위한 분야에서 활용되고 있다.
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| 제빙기 | |
|---|---|
| 개요 | |
 | |
| 종류 | 독립형 내장형 테이블 상판형 |
| 용도 | 가정용 상업용 |
| 작동 방식 | |
| 급수 방식 | 연결형 (수도관 직접 연결) 자가 급수형 (물통 사용) |
| 제빙 과정 | 물을 얼려 얼음을 만들고, 저장 용기로 옮김. |
| 제빙 형태 | 큐브형 플레이크형 기타 다양한 형태 존재 |
| 특징 | |
| 편의 기능 | 자동 제빙 얼음 저장 다양한 크기 및 형태의 얼음 생산 |
| 위생 관리 | 정기적인 청소 및 유지 보수 필요. |
| 에너지 효율 | 제품별로 에너지 소비량 상이. |
| 역사 | |
| 개발 | 1850년대: 최초의 제빙기 개발 시도 20세기: 냉장 기술 발전과 함께 가정용 제빙기 보급 |
| 발전 | 기술 혁신을 통해 더욱 효율적이고 다양한 기능 추가. |
2. 역사
최초의 인공 냉동은 1748년 글래스고 대학교의 윌리엄 컬렌이 시연했다.[1] 그러나 컬렌은 자신의 발견을 실용화로 연결하지 않았기 때문에, 실질적인 제빙기의 역사는 1805년 최초의 냉동기를 설계한 미국의 발명가 올리버 에반스로부터 시작되었다고 할 수 있다. 1834년에는 제이콥 퍼킨스가 에테르를 사용한 실용적인 증기 압축 냉동기를 제작했다.[2]
이후 제빙기 개발은 여러 발명가들에 의해 이어졌다. 미국의 의사 존 고리는 1844년 황열병 환자들을 위해 에반스의 설계를 바탕으로 냉장고를 만들었고, 1851년 제빙기 특허를 받았다.[3][4] 알렉산더 트위닝은 1853년 제빙기 특허를 획득하고 1856년 최초의 상업용 냉동 시스템을 개발했다. 제임스 해리슨은 1854년 하루 3000kg의 얼음을 생산하는 냉동 기계를 만들고 1855년 호주에서 특허를 받았다.
1867년 앤드루 멀은 텍사스주 육류 산업을 위해 제빙기를 제작하고 특허를 받았다.[6] 이 특허는 1873년 콜럼버스 아이언 워크스에 계약되어 세계 최초의 상업용 제빙기 생산으로 이어졌다.[7] 1876년 카를 폰 린데는 가스 액화 과정을 특허 등록했다. 1879년과 1891년에는 아프리카계 미국인 발명가 토마스 엘킨스와 존 스탠다드가 개선된 냉장고 디자인 특허를 받았다.
1929년 위르겐 한스가 식용 얼음 생산 제빙기를 발명하고, 1932년 쿨린다(Kulinda)를 설립했다.[9] 초기 제빙기는 암모니아, 메틸 클로라이드, 이산화황 등 유독 가스를 냉매로 사용했으나, 1920년대 메틸 클로라이드 누출 사고 이후 프레온이 개발되어 냉매로 사용되기 시작했다.[10]
2. 1. 초기 역사
1748년, 글래스고 대학교에서 윌리엄 컬렌이 최초의 인공 냉동을 시연했다.[1] 그러나 컬렌은 자신의 발견을 실용화하지 않았다. 1805년, 미국 발명가 올리버 에반스가 최초의 냉동 기계를 설계했다. 1834년, 제이콥 퍼킨스는 증기 압축 사이클에서 에테르를 사용하여 최초의 실용적인 냉동 기계를 제작했다.[2]1844년, 미국의 의사 존 고리는 황열병 환자들의 공기를 식히기 위해 올리버 에반스의 설계를 기반으로 냉장고를 제작했다.[3] 1851년, 존 고리는 제빙기에 대한 미국 특허 8080을 받았다.[4] 그러나 보스턴의 "얼음 왕" 프레데릭 튜더의 비방 캠페인과 파트너의 죽음으로 인해, 고리는 파산하고 사망했다. 그의 제빙기 계획과 프로토타입은 워싱턴 D.C에 있는 스미소니언 협회의 미국 역사 박물관에 보관되어 있다.[5]
1853년, 알렉산더 트위닝은 제빙기에 대해 미국 특허 10221을 받았다. 트위닝의 실험은 1856년에 제작된 최초의 상업용 냉동 시스템 개발로 이어졌다. 1854년, 제임스 해리슨은 하루에 3000kg의 얼음을 생산할 수 있는 냉동 기계를 제작했으며, 1855년에는 호주에서 제빙기 특허를 받았다.
1867년, 앤드루 멀은 텍사스주Texas영어 샌안토니오San Antonio영어에서 육류 산업에 서비스를 제공하기 위해 제빙기를 제작했다.[6] 1873년, 이 기계에 대한 특허는 콜럼버스 아이언 워크스에 계약되었으며,[7] 이는 세계 최초의 상업용 제빙기를 생산했다.
1876년, 독일의 기술자 카를 폰 린데는 가스 액화 과정을 특허로 등록했다. 1879년과 1891년, 아프리카계 미국인 발명가 토마스 엘킨스와 존 스탠다드는 개선된 냉장고 디자인에 대한 특허를 받았다.
1929년, 위르겐 한스가 식용 얼음을 생산하는 최초의 제빙기를 발명했다. 1932년, 그는 쿨린다(Kulinda)라는 회사를 설립하고 식용 얼음을 제조하기 시작했다.[9]
1800년대 후반부터 1930년대까지의 제빙기는 암모니아(NH3), 메틸 클로라이드(CH3Cl) 및 이산화황(SO2)과 같은 유독 가스를 냉매로 사용했다. 1920년대에는 메틸 클로라이드 누출로 인한 여러 치명적인 사고가 발생했다. 이를 대체하기 위한 연구 결과 프레온이 발견되었다. 1930년, 제너럴 모터스와 듀폰은 프레온을 생산하기 위해 키네틱 케미컬스를 설립했으며, 이는 거의 모든 냉장고의 표준이 되었다.[10]
2. 2. 20세기 이후
1844년, 미국의 의사 존 고리는 황열병 환자들의 공기를 식히기 위해 올리버 에반스의 설계를 기반으로 냉장고를 제작했다.[3] 1851년, 존 고리는 제빙기에 대한 미국 특허 8080을 받았다.[4] 1853년, 알렉산더 트위닝은 제빙기에 대해 [https://patents.google.com/patent/US10221 ''미국 특허 10221'']을 받았다. 트위닝의 실험은 1856년에 제작된 최초의 상업용 냉동 시스템의 개발로 이어졌다. 1854년, 제임스 해리슨은 하루에 3000kg의 얼음을 생산할 수 있는 냉동 기계를 성공적으로 제작했으며, 1855년에는 알렉산더 트위닝과 유사한 제빙기 특허를 호주에서 받았다.[2]1867년, 앤드루 멀은 텍사스주 샌안토니오에서 팽창하는 육류 산업에 서비스를 제공하기 위해 제빙기를 제작했으며, 1871년에는 이를 와코로 옮겼다.[6] 1873년, 이 기계에 대한 특허는 콜럼버스 아이언 워크스에 계약되었으며,[7] 이는 세계 최초의 상업용 제빙기를 생산했다. 1876년, 독일의 기술자 카를 폰 린데는 가스 액화 과정을 특허로 등록했다([https://patents.google.com/patent/US1027862 미국 특허 1027862]).[2] 1879년과 1891년, 토마스 엘킨스와 존 스탠다드, 두 명의 아프리카계 미국인 발명가가 미국에서 개선된 냉장고 디자인에 대한 특허를 받았다([https://patents.google.com/patent/US221222 미국 특허 #221222] 및 [https://patents.google.com/patent/US455891 미국 특허 #455891]).[2]
1902년, 몽고메리의 테이그 가문이 콜럼버스 아이언 워크스의 지배권을 인수했다. 1925년, 콜럼버스 아이언 워크스의 지배 지분은 테이그 가문에서 W.C. 브래들리 회사(W.C. Bradley, Co.)의 W.C. 브래들리에게 넘어갔다.[8]
1929년 식용 얼음을 생산하는 최초의 제빙기를 발명한 공로로 위르겐 한스가 인정받고 있다. 1932년 그는 쿨린다(Kulinda)라는 회사를 설립하고 식용 얼음을 제조하기 시작했지만, 1949년까지 사업의 주요 제품을 얼음에서 중앙 에어컨으로 전환했다.[9]
1800년대 후반부터 1930년대까지의 제빙기는 암모니아(NH3), 메틸 클로라이드(CH3Cl) 및 이산화황(SO2)과 같은 유독 가스를 냉매로 사용했다. 1920년대에는 냉장고에서 메틸 클로라이드가 누출되어 여러 치명적인 사고가 기록되었다. 위험한 냉매를 대체하기 위한 연구 결과 프레온이 발견되었다. 1930년, 제너럴 모터스와 듀폰은 프레온을 생산하기 위해 키네틱 케미컬스를 설립했으며, 이는 나중에 거의 모든 소비자 및 산업용 냉장고의 표준이 되었다.[10]
2. 3. 한국의 제빙기 역사 및 산업
한국에서는 제빙기 기술이 도입되기 전까지는 자연적으로 얻은 얼음을 사용하여 식품을 보관하거나 더위를 식혔다. 조선 시대에는 석빙고를 이용하여 겨울철에 강에서 채취한 얼음을 저장하고 여름철에 사용하였다.1960년대 후반부터 경제 성장과 함께 가전제품 보급이 확대되면서 제빙기 역시 한국에 도입되기 시작했다. 초기에는 주로 업소용 제빙기가 수입되어 사용되었으며, 1970년대부터는 국내 기업들도 제빙기 생산을 시작하였다.
1988년 서울 올림픽을 계기로 냉장고 및 제빙기 기술이 크게 발전하였다. 특히, 1990년대 이후에는 가정용 제빙기 시장도 성장하기 시작했다. 2000년대 들어서는 정수기와 결합된 형태의 제빙기가 인기를 끌면서, 제빙기는 한국 가정의 필수 가전제품 중 하나로 자리 잡게 되었다.
최근에는 얼음의 크기와 모양을 다양화하고, 위생 기능을 강화하는 등 제빙기 기술이 더욱 발전하고 있다. 또한, 사물 인터넷(IoT) 기술과 결합하여 스마트폰으로 제빙기를 제어하는 기능도 등장하고 있다.
3. 제빙의 원리
모든 냉동 장비는 증발기, 응축기, 압축기, 스로틀 밸브의 네 가지 주요 구성 요소로 만들어진다. 제빙기는 모두 같은 방식으로 작동한다. 압축기는 저압의 냉매 증기를 고압 증기로 압축하여 응축기로 전달한다. 여기서 고압 증기는 응축되어 고압의 액체가 되고, 스로틀 밸브를 통해 배출되어 저압의 액체가 된다. 이 시점에서 액체는 증발기로 전도되어 열교환이 일어나고 얼음이 생성된다. 이것은 하나의 완전한 냉동 사이클이다.
4. 제빙기의 종류
제빙기는 크게 가정용, 상업용, 산업용으로 분류할 수 있다.
- 가정용 제빙기: 냉장고의 냉동실 내부 또는 독립형(휴대용)으로 설치된다.
- 냉장고 내장형: 1953년 서벌(Servel)사에서 처음 출시[11][12]되었으며, 초승달 모양의 얼음을 생산한다.
- 삼성 냉장고 제빙기: 유연한 플라스틱 틀을 사용하여 얼음을 만든다.
- 1965년 프리기데어(Frigidaire)는 냉동실 문 앞에서 얼음을 바로 받을 수 있는 제빙기를 출시했다.[13]
- 월풀(Whirlpool), LG, 삼성전자(Samsung) 등에서 개발한 신선 식품실 위치 제빙기는 새로운 대안으로 떠오르고 있지만, 설계 결함으로 인한 문제점도 보고되고 있다.[14][15]
- 휴대용 제빙기: 조리대에 놓고 사용할 수 있으며, 총알 모양의 불투명한 얼음을 빠르게 생산한다.
- 상업용 제빙기: 이동하는 물을 사용하여 고품질의 얼음을 생산한다. 주로 해산물 포장에 사용되는 염수 얼음, 투명하고 단단한 얼음 등을 만들 수 있다. 플레이크, 부순 얼음, 큐브, 팔각형, 튜브 등 다양한 형태의 얼음을 생산할 수 있다.
- 플레이크 제빙기: 수직 드럼 모양의 스테인리스강 용기 내부에서 회전하는 칼날을 사용하여 얼음을 긁어내는 방식이다.
- 큐브 제빙기: 소형 제빙기로 분류되며, 30kg에서 1755kg까지 다양한 제빙 능력을 가진다.
- 튜브 제빙기: 수직으로 뻗은 튜브 내에서 물을 얼려 얼음 막대 형태로 생산한다.
- 산업용 제빙기: 상업용 제빙기와 유사한 원리로 작동하며, 대량의 얼음을 생산하는 데 사용된다.
빌트인 제빙기는 주방이나 바 카운터 아래에 설치하도록 설계되었지만, 독립형으로 사용할 수도 있다. 일부 제품은 초승달 모양의 얼음을 만들지만, 대부분은 공기 방울이 없는 맑은 얼음을 만드는 제빙기이므로 얼음이 투명하고 훨씬 천천히 녹는다.
4. 1. 가정용 제빙기
가정용 자동 제빙기는 1953년경 서벌(Servel)사에서 처음 출시되었다.[11][12] 이들은 대개 냉장고의 냉동실 내부에 설치된다. 금속 틀에서 초승달 모양의 얼음을 생산한다. 전자 기계식 또는 전자식 타이머는 먼저 몇 초 동안 솔레노이드 밸브를 열어 틀에 가정용 냉수가 채워지도록 한다. 그런 다음 타이머는 밸브를 닫고 약 30분 동안 얼음이 얼도록 둔다. 그런 다음 타이머는 틀 내부의 저전력 전기 발열체를 몇 초 동안 켜서 얼음 조각이 틀에 달라붙지 않도록 살짝 녹인다. 마지막으로 타이머는 회전하는 팔을 작동시켜 얼음 조각을 틀에서 꺼내 용기에 넣고, 이 과정을 반복한다. 용기에 얼음이 가득 차면 얼음이 와이어 암을 밀어 올려 제빙기를 끄고, 용기의 얼음 수위가 다시 낮아질 때까지 작동하지 않는다. 사용자는 언제든지 와이어 암을 들어 올려 얼음 생산을 중단할 수도 있다.나중에 삼성 냉장고의 자동 제빙기는 유연한 플라스틱 틀을 사용한다. 서미스터로 감지하여 얼음 조각이 얼면 타이머가 모터를 작동시켜 틀을 뒤집고 비틀어 조각들이 떨어져 용기 안으로 떨어지게 한다.
초창기 제빙기는 얼음을 냉동실 용기에 떨어뜨렸고, 사용자는 얼음을 얻기 위해 냉동실 문을 열어야 했다. 1965년, 프리기데어(Frigidaire)는 냉동실 문 앞쪽에서 얼음을 배출하는 제빙기를 선보였다.[13] 이 모델에서는 문 바깥쪽의 받침대에 유리를 대면 모터가 작동하여 용기 내의 오거를 회전시켜 얼음 조각을 유리잔에 전달한다. 대부분의 제빙기는 선택적으로 얼음을 분쇄 메커니즘을 통해 보내 분쇄된 얼음을 제공할 수 있다. 일부 제빙기는 냉수를 배출할 수도 있다.
4. 2. 상업용 제빙기
상업용 제빙기는 이동하는 물을 사용하여 얼음의 품질을 향상시킨다. 물은 고 니켈 함량 스테인리스 스틸 증발기 아래로 흘러가는데, 표면 온도는 영하로 유지된다. 염수는 더 낮은 온도에서 얼고 더 오래 지속되어 해산물 포장에 주로 사용된다. 공기와 용해되지 않은 고형물은 수평 증발기 기계에서 물의 고형물 98%가 제거되어 매우 단단하고 거의 순수한 투명 얼음이 될 정도로 씻겨 내려간다. 수직 증발기에서는 얼음이 더 부드럽다. 상업용 제빙기는 플레이크, 부순 얼음, 큐브, 팔각형, 튜브 등 다양한 크기의 얼음을 만들 수 있다.차가운 표면의 얼음 시트가 원하는 두께에 도달하면 시트는 와이어 그리드 위로 미끄러져 내려가, 시트의 무게로 인해 원하는 모양으로 부서진 후 보관함에 떨어진다.
플레이크 아이스는 소금물과 물의 혼합물(물 1톤당 최대 500g 소금)로 만들어지며, 경우에 따라 소금물에서 직접 만들 수도 있다. 두께는 1mm에서 15mm 사이이며, 불규칙한 모양에 지름은 12mm에서 45mm이다.
플레이크 제빙기의 증발기는 수직으로 배치된 드럼 모양의 스테인리스강 용기이며, 회전하는 칼날이 장착되어 드럼 내부 벽에서 얼음을 긁어낸다. 작동 시, 주축과 칼날은 감속기에 의해 반시계 방향으로 회전한다. 살수기에서 물이 아래로 분사되고, 드럼 내부 벽의 물 소금물에서 얼음이 형성된다. 하단의 물받이는 차가운 물을 모으고 얼음을 튕겨내어 웅덩이로 다시 순환시킨다. 웅덩이는 일반적으로 생산 중에 필요에 따라 채워지도록 플로트 밸브를 사용한다. 플레이크 기계는 드럼 바닥 내부에 얼음 링이 형성되는 경향이 있다. 전기 히터는 분쇄기가 닿지 않는 곳에 얼음이 축적되는 것을 방지하기 위해 맨 아래의 우물에 설치되어 있다. 일부 기계는 이를 돕기 위해 스크레이퍼를 사용한다. 이 시스템은 모든 제빙기와 마찬가지로 저온 응축 장치를 사용한다. 대부분의 제조업체는 증발기 압력 조절 밸브(EPRV)를 사용한다.
큐브 제빙기는 튜브 제빙기, 플레이크 제빙기 또는 기타 제빙기와 대조적으로 소형 제빙기로 분류된다. 일반적인 제빙 능력은 30kg에서 1755kg까지 다양하다. 1970년대 큐브 제빙기가 등장한 이후, 큐브 제빙기는 다양한 종류의 제빙기로 발전했다.
큐브 제빙기는 일반적으로 수직 모듈 장치로 사용된다. 상단 부분은 증발기이고, 하단 부분은 제빙함이다. 냉매는 독립형 증발기의 파이프 내부에서 순환하며, 물과 열 교환을 수행하여 물을 얼음 조각으로 만든다. 일단 얼면 배출 메커니즘이 큐브를 수집함으로 배출한다. 프리지데어(Frigidaire)에서 소개된 언더 카운터형, 카운터탑형, 상업용 모델과 같은 다양한 유형의 제빙기는 식품 및 음료 산업, 의료 및 주거용 등 다양한 환경에 적합하다. 물이 완전히 얼음으로 얼면 자동으로 배출되어 제빙함으로 떨어진다.
제빙기는 압축기가 장치에 내장된 독립형 냉동 시스템 또는 냉동 구성 요소가 다른 곳(종종 사업체 지붕)에 위치한 원격 냉동 시스템을 가질 수 있다.
대부분의 압축기는 왕복동 압축기 또는 원심 압축기이다. 왕복동 압축기는 현재 가장 효율적인 압축기 유형이며, 단일 장치당 가장 큰 냉동 효과(400–2500 RT)를 가진다. 다양한 전원 공급 장치를 사용할 수 있으며, 380V, 1000V 이상도 가능하다. 왕복동 압축기의 원리는 터빈을 사용하여 냉매를 고압 증기로 압축하는 것이다. 왕복동 압축기는 스크류 압축기, 로링 피스톤 압축기, 왕복동 압축기, 로터리 압축기 등 네 가지 주요 유형이 있다.
스크류 압축기[18]는 왕복동 압축기 중에서 가장 큰 냉동 효과를 낼 수 있으며, 냉동 용량은 일반적으로 50RT에서 400RT 사이이다. 스크류 압축기는 또한 단일 스크류형과 이중 스크류형으로 나눌 수 있다. 이중 스크류형은 매우 효율적이므로 더 자주 사용된다.
로링 피스톤 압축기와 왕복동 압축기는 비슷한 냉동 효과를 가지며, 최대 냉동 효과는 600kW에 달할 수 있다.
왕복동 압축기는 기술이 성숙하고 신뢰성이 높기 때문에 가장 일반적인 유형의 압축기이다. 냉동 효과는 2.2kW에서 200kW까지이다. 크랭크축에 의해 밀려나는 피스톤을 사용하여 가스를 압축한다.
로터리 압축기는 주로 에어컨 장비에 사용되며, 냉동 효과가 매우 낮아 일반적으로 5kW를 초과하지 않는다. 고립된 구획에서 회전하는 로터에 의해 밀려나는 피스톤을 사용하여 가스를 압축한다.[19]
모든 응축기는 세 가지 유형(공랭식, 수냉식, 증발 냉각식) 중 하나로 분류할 수 있다.
- 공랭식 응축기는 공기를 열 전달 매체로 사용하여 응축기 표면으로 공기를 불어넣어 고압, 고온의 냉매 증기로부터 열을 제거한다.
- 수냉식 응축기는 물을 열 전달 매체로 사용하여 냉매 증기를 액체로 냉각시킨다.
- 증발 응축기는 증발기 파이프와 파이프 표면에 분사된 증발된 물 사이의 열 교환을 사용하여 냉매 증기를 냉각시킨다. 이 유형의 응축기는 따뜻한 환경에서도 작동할 수 있으며 매우 효율적이고 신뢰할 수 있다.
튜브 아이스 제빙기는 물이 주변 케이스, 즉 냉동 챔버 내에서 수직으로 뻗은 튜브 내에서 얼려지는 제빙기이다. 냉동 챔버의 바닥에는 튜브를 둘러싸고 따뜻한 가스가 통과하여 튜브를 가열하고 얼음 막대가 미끄러져 내려오도록 하는 별도의 챔버에 부착된 분배판이 있으며, 이 분배판에는 구멍이 있다.[20]
튜브 아이스는 온도 조절, 신선한 생선 냉동, 음료 병 냉동과 같은 냉각 과정에 사용될 수 있다. 단독으로 또는 음식이나 음료와 함께 섭취할 수 있다.
4. 3. 산업용 제빙기
상업용 제빙기는 이동하는 물을 사용하여 얼음의 품질을 향상시킨다. 물은 고 니켈 함량 스테인리스 스틸 증발기 아래로 흘러가는데, 표면 온도는 영하로 유지된다. 염수는 더 낮은 온도에서 얼고 더 오래 지속되어 해산물 포장에 주로 사용된다. 공기와 용해되지 않은 고형물은 수평 증발기 기계에서 물의 고형물 98%가 제거되어 매우 단단하고 거의 순수한 투명 얼음이 될 정도로 씻겨 내려간다. 수직 증발기에서는 얼음이 더 부드럽다. 상업용 제빙기는 플레이크, 부순 얼음, 큐브, 팔각형, 튜브 등 다양한 크기의 얼음을 만들 수 있다.[18]차가운 표면의 얼음 시트가 원하는 두께에 도달하면 시트는 와이어 그리드 위로 미끄러져 내려가고, 여기서 시트의 무게로 인해 원하는 모양으로 부서진 후 보관함에 떨어진다.
플레이크 아이스는 소금물과 물의 혼합물(물 1톤당 500g 소금)로 만들어지며, 경우에 따라 소금물에서 직접 만들 수도 있다. 두께는 1mm에서 15mm 사이이며, 불규칙한 모양에 지름은 12mm에서 45mm이다.
플레이크 제빙기의 증발기는 수직으로 배치된 드럼 모양의 스테인리스강 용기이며, 회전하는 칼날이 장착되어 드럼 내부 벽에서 얼음을 긁어낸다. 작동 시, 주축과 칼날은 감속기에 의해 반시계 방향으로 회전한다. 살수기에서 물이 아래로 분사되고, 드럼 내부 벽의 물 소금물에서 얼음이 형성된다. 하단의 물받이는 차가운 물을 모으고 얼음을 튕겨내어 웅덩이로 다시 순환시킨다. 웅덩이는 일반적으로 생산 중에 필요에 따라 채워지도록 플로트 밸브를 사용한다. 플레이크 기계는 드럼 바닥 내부에 얼음 링이 형성되는 경향이 있다. 전기 히터는 분쇄기가 닿지 않는 곳에 얼음이 축적되는 것을 방지하기 위해 맨 아래의 우물에 설치되어 있다. 일부 기계는 이를 돕기 위해 스크레이퍼를 사용한다. 이 시스템은 모든 제빙기와 마찬가지로 저온 응축 장치를 사용한다. 대부분의 제조업체는 또한 증발기 압력 조절 밸브(EPRV)를 사용한다.[19]
큐브 제빙기는 튜브 제빙기, 플레이크 제빙기 또는 기타 제빙기와 대조적으로 소형 제빙기로 분류된다. 일반적인 제빙 능력은 30kg에서 1755kg까지 다양하다. 1970년대 큐브 제빙기가 등장한 이후, 큐브 제빙기는 다양한 종류의 제빙기로 발전했다.
큐브 제빙기는 일반적으로 수직 모듈 장치로 사용된다. 상단 부분은 증발기이고, 하단 부분은 제빙함이다. 냉매는 독립형 증발기의 파이프 내부에서 순환하며, 물과 열 교환을 수행하여 물을 얼음 조각으로 만든다. 일단 얼면 배출 메커니즘이 큐브를 수집함으로 배출한다. 물이 완전히 얼음으로 얼면 자동으로 배출되어 제빙함으로 떨어진다.
제빙기는 압축기가 장치에 내장된 독립형 냉동 시스템 또는 냉동 구성 요소가 다른 곳에 위치한 원격 냉동 시스템을 가질 수 있다.
대부분의 압축기는 왕복동 압축기 또는 원심 압축기이다. 왕복동 압축기는 현재 가장 효율적인 압축기 유형이며, 단일 장치당 가장 큰 냉동 효과를 가지고 있다(400–2500 RT). 다양한 전원 공급 장치를 사용할 수 있으며, 380 V, 1000 V 이상도 가능하다. 왕복동 압축기의 원리는 터빈을 사용하여 냉매를 고압 증기로 압축하는 것이다. 왕복동 압축기는 스크류 압축기, 로링 피스톤 압축기, 왕복동 압축기, 로터리 압축기 등 네 가지 주요 유형이 있다.
스크류 압축기는 왕복동 압축기 중에서 가장 큰 냉동 효과를 낼 수 있으며, 냉동 용량은 일반적으로 50 RT에서 400 RT 사이이다. 스크류 압축기는 또한 단일 스크류형과 이중 스크류형으로 나눌 수 있다. 이중 스크류형은 매우 효율적이므로 더 자주 사용된다.
로링 피스톤 압축기와 왕복동 압축기는 비슷한 냉동 효과를 가지며, 최대 냉동 효과는 600 kW에 달할 수 있다.
왕복동 압축기는 기술이 성숙하고 신뢰성이 높기 때문에 가장 일반적인 유형의 압축기이다. 냉동 효과는 2.2 kW에서 200 kW까지이다. 크랭크축에 의해 밀려나는 피스톤을 사용하여 가스를 압축한다.
로터리 압축기는 주로 에어컨 장비에 사용되며, 냉동 효과가 매우 낮아 일반적으로 5 kW를 초과하지 않는다. 고립된 구획에서 회전하는 로터에 의해 밀려나는 피스톤을 사용하여 가스를 압축한다.
모든 응축기는 세 가지 유형 중 하나로 분류할 수 있다.
- 공랭식 응축기는 공기를 열 전달 매체로 사용하여 응축기 표면으로 공기를 불어넣어 고압, 고온의 냉매 증기로부터 열을 제거한다.
- 수냉식 응축기는 물을 열 전달 매체로 사용하여 냉매 증기를 액체로 냉각시킨다.
- 증발 응축기는 증발기 파이프와 파이프 표면에 분사된 증발된 물 사이의 열 교환을 사용하여 냉매 증기를 냉각시킨다. 이 유형의 응축기는 따뜻한 환경에서도 작동할 수 있으며 매우 효율적이고 신뢰할 수 있다.
튜브 아이스 제빙기는 물이 주변 케이스, 즉 냉동 챔버 내에서 수직으로 뻗은 튜브 내에서 얼려지는 제빙기이다. 냉동 챔버의 바닥에는 튜브를 둘러싸고 따뜻한 가스가 통과하여 튜브를 가열하고 얼음 막대가 미끄러져 내려오도록 하는 별도의 챔버에 부착된 분배판이 있으며, 이 분배판에는 구멍이 있다.
튜브 아이스는 온도 조절, 신선한 생선 냉동, 음료 병 냉동과 같은 냉각 과정에 사용될 수 있다. 단독으로 또는 음식이나 음료와 함께 섭취할 수 있다.[20]
5. 제빙기의 응용 분야
상업용 제빙기는 플레이크, 부순 얼음, 큐브, 팔각형, 튜브 등 다양한 크기의 얼음을 만들 수 있다. 염수는 낮은 온도에서 얼고 더 오래 지속되어 해산물 포장에 주로 사용된다.[20]
- 플레이크 제빙기: 해수를 직접 얼음으로 만들어 생선 및 기타 해산물의 급속 냉각에 사용하며, 어업 분야에서 가장 많이 활용된다. 플레이크 아이스는 세척수 및 해산물의 온도를 낮춰 세균 번식을 억제하고 신선도를 유지한다. 또한 채소, 과일, 육류의 보관 및 운송, 제빵 과정, 생물/화학 합성, 콘크리트 냉각, 인공 눈 제조 등에도 사용된다.
- 큐브 제빙기: 튜브 제빙기, 플레이크 제빙기 등과 함께 소형 제빙기로 분류되며, 식품 및 음료 산업, 의료, 주거용 등 다양한 환경에서 활용된다.
- 튜브 제빙기: 온도 조절, 신선한 생선 냉동, 음료 병 냉동과 같은 냉각 과정에 사용되며, 단독으로 또는 음식이나 음료와 함께 섭취할 수 있다.[20]
냉동 기술은 유전자원(식물, 동물 및 미생물의 세포, 조직 및 기관)의 극저온 보존을 기반으로 생물 다양성 유지에도 사용된다.[21]
5. 1. 경제
2019년 기준으로 전 세계적으로 약 20억 대의 가정용 냉장고와 4천만 m²가 넘는 냉장 보관 시설이 운영되고 있다.[21] 2018년 미국에서는 약 1,200만 대의 냉장고가 판매되었다.[22] 이러한 데이터는 냉장이 경제, 기술, 사회 역학, 건강 및 환경에 긍정적인 영향을 미치는 글로벌 응용 분야임을 보여준다. 냉장은 대체 연료용 수소 액화 및 핵융합 생산과 같은 현재 또는 미래의 에너지원을 구현하는 데 필요하다.- 석유 화학 및 제약 산업에서도 많은 유형의 반응을 제어하고 조절하는 데 냉장이 필요하다.
- 냉동 과정을 기반으로 작동하는 열 펌프는 열을 생산하는 에너지 효율적인 방법으로 자주 사용된다.
- 극저온 연료(액체 수소 및 산소)의 생산 및 운송과 이러한 유체의 장기 저장은 우주 산업에 필수적이다.
- 운송 산업에서 냉장은 해양 컨테이너, 냉동선, 냉장 철도 차량, 도로 운송 및 액화 가스 유조선에 사용된다.
5. 2. 보건/의료
의료 분야에서 제빙기는 백신, 장기 및 줄기 세포 운송에 사용되며, 저온 기술은 수술 및 기타 의료 연구 과정에 사용된다.[21]5. 3. 환경
해수 플레이크 제빙기는 해수를 직접 얼음으로 만들 수 있다. 이 얼음은 생선 및 기타 해산물의 급속 냉각에 사용될 수 있다. 어업은 플레이크 제빙기의 가장 큰 사용자이다. 플레이크 아이스는 세척수 및 해산물의 온도를 낮춰 세균 번식을 억제하고 해산물을 신선하게 유지한다.[21]냉각되는 재료와의 접촉 면적이 넓고 손상이 적기 때문에 채소, 과일, 육류의 보관 및 운송에도 사용된다.[21] 제빵 시 밀가루와 우유를 혼합하는 동안 플레이크 아이스를 첨가하여 밀가루가 자체적으로 부풀어 오르는 것을 방지할 수 있다.[21]
생물 합성 및 화학 합성이 필요한 대부분의 경우, 플레이크 아이스는 반응 속도를 제어하고 활성을 유지하는 데 사용된다. 플레이크 아이스는 위생적이고 깨끗하며 급속한 온도 감소 효과가 있다.[21] 콘크리트 냉각 과정에서 직접적인 물 공급원으로 사용되며, 무게의 80% 이상을 차지한다. 콘크리트는 일정하고 낮은 온도에서 혼합 및 타설되면 갈라지지 않는다.[21] 플레이크 아이스는 인공 눈으로도 사용되므로 스키 리조트 및 놀이 공원에서 널리 사용된다.[21]
2019년 기준으로 전 세계적으로 약 20억 대의 가정용 냉장고와 4000만m2가 넘는 냉장 보관 시설이 운영되고 있다.[21] 2018년 미국에서는 약 1,200만 대의 냉장고가 판매되었다.[22]
냉동 기술은 유전자원(식물, 동물 및 미생물의 세포, 조직 및 기관)의 극저온 보존을 기반으로 생물 다양성 유지에 사용된다.[21]
6. 환경적 측면
냉동 설비는 냉매 가스의 대기 배출과 에너지 소비를 통해 이산화 탄소 배출에 기여하며, 이는 지구 온난화와 전 세계 에너지 자원 고갈을 유발한다. 냉매 가스의 대기 오염은 주로 냉동 설비의 누출이나 유지 보수 과정에서의 냉매 취급 문제로 인해 발생한다.[23]
6. 1. 냉매 문제
냉동 설비에서 사용되는 냉매 가스의 대기 배출과 에너지 소비는 이산화 탄소 배출을 유발하여 지구 온난화에 기여하고, 전 세계 에너지 자원을 고갈시킨다. 냉매 가스의 대기 오염은 냉동 설비의 누출 방지 기능이 불충분하거나 유지 보수 중 냉매 취급 과정에서 발생하는 누출 때문에 발생한다.사용되는 냉매에 따라, 이러한 설비와 누출은 온실 효과를 일으켜 오존층 파괴(염소화 냉매인 CFC 및 HCFC) 및/또는 기후 변화(불소화 냉매인 CFC, HCFC 및 HFC)를 유발할 수 있다. 오존층 파괴 냉매와 온실 냉매(CFC, HCFC 및 HFC)를 대체하기 위한 연구가 지속되면서, 과학계는 냉매 산업과 함께 친환경적인 천연 냉매를 개발했다. 유엔 환경 계획(UN Environment Programme) 보고서에 따르면, "HFC 배출량 증가는 이전에 오존층 파괴 물질 배출을 줄여 얻은 기후 이점의 상당 부분을 상쇄할 것으로 예상된다"고 한다.[23] 기존 냉매를 성공적으로 대체하는 것으로 밝혀진 비 HFC 냉매에는 암모니아, 탄화수소 및 이산화탄소가 있다.
6. 2. 대안 냉매
오존층 파괴 냉매와 온실 냉매(각각 CFC, HCFC 및 HFC)를 대체할 방법을 지속적으로 연구하면서, 과학계는 냉매 산업과 함께 친환경적인 천연 냉매를 개발했다. 유엔 환경 계획(UN Environment Programme)에서 발행한 보고서에 따르면, "HFC 배출량 증가는 이전에 오존층 파괴 물질 배출을 줄여 얻은 기후 이점의 상당 부분을 상쇄할 것으로 예상된다"고 한다.[23] 기존 냉매를 성공적으로 대체하는 것으로 밝혀진 비 HFC 냉매에는 암모니아, 탄화수소 및 이산화 탄소가 있다.암모니아는 120년이 넘는 시간 동안 가정용, 상업용 및 산업용 냉동 시스템에서 사용되는 최고의 냉매로 남아있다. 암모니아는 오존층에 전혀 영향을 미치지 않으며 지구 온난화 효과도 매우 낮지만, 비교적 낮은 농도에서도 독성을 띈다는 문제가 있다. 하지만 과학계는 암모니아 누출을 방지하는 더 안전하고 기술적으로 견고한 메커니즘을 개발해냈고, 암모니아는 수많은 응용 분야를 가진 친환경 냉매로 간주된다.
이산화 탄소는 오랫동안 냉매로 사용되어 왔으나, 임계점이 낮고 작동 압력이 높아 거의 사용되지 않았다. 이산화 탄소는 오존층에 전혀 영향을 미치지 않으며 냉매로 사용하기 위해 필요한 양의 지구 온난화 영향도 무시할 수 있다. 현대 기술은 이러한 문제를 해결하고 있으며, CO2는 오늘날 산업용 냉동(일반적으로 캐스케이드 시스템에서 암모니아와 결합), 식품 산업, 난방(히트 펌프) 및 운송 산업 등 여러 분야에서 기존 냉동의 대안으로 널리 사용된다.[24]
탄화수소는 높은 열역학적 특성을 가지며, 오존층에 미치는 영향이 없고, 지구 온난화 효과가 미미한 천연 제품이다. 하지만 인화성이 높아 냉동 산업의 특정 용도로 사용이 제한된다.
2011년, EPA는 상업용 및 가정용 냉동고에서 수소불화탄소(HFC)를 대체하기 위해 주요 신규 대체 정책(SNAP) 프로그램을 통해 세 가지 대체 냉매를 승인했다.[25] EPA가 합법화한 세 가지 대체 냉매는 탄화수소 프로판, 이소부탄, 그리고 HCR188C[26](탄화수소 혼합물(에탄, 프로판, 이소부탄, n-부탄))이다. HCR188C는 현재 상업용 냉동, 냉장 운송, 자동차 에어컨 시스템 및 가정용 창문형 에어컨 등에 사용된다.
6. 3. 국제 협약 및 미래
2016년 10월, 197개국 협상 대표들은 지구 온난화에 기여하는 화학 냉매 배출을 줄이기 위한 합의에 도달했다. 이는 몬트리올 의정서의 중요성을 재확인하고, 염화불화탄소에 의한 오존층 파괴를 줄이기 위한 노력 외에 온실 가스 사용에 대한 영향력을 증대시키는 것을 목표로 한다.[27] 르완다 키갈리에서 열린 유엔 회의에서 체결된 이 합의는 수소불화탄소(HFCs)의 단계적 감축 조건을 설정하여, 제조를 완전히 중단하고 사용량을 점차 줄이도록 한다.[27]유엔 의제와 르완다 합의는 오존층과 온실 효과 측면에서 안전한 차세대 냉매를 찾는 것을 목표로 한다. 이 협정은 예상 배출량을 최대 88%까지 줄이고, 2100년까지 지구 온난화를 거의 0.5°C 낮출 수 있다.[28]
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