냉동의 원리

냉동이란 물체 또는 일정한 공간에서 열을 빼앗아 그 온도를 상온보다 낮은 온도로 유지하는 기술을 의미합니다. 이에 사용되는 냉동의 원리가 몇 가지를 설명드리겠습니다.

 

액체의 증발열을 사용

액체가 증발할 때 주위로부터 열을 빼앗아 기체가 되면서 주위를 냉각시키게 됩니다. 이 때 증발하는 물질을 냉매라고 부릅니다. 낮은 온도를 얻기 위해서는 낮은 온도에서 증발하는 냉매를 사용해야 하며, 일단 증발한 냉매 기체를 대기 중에 버리기에는 경제적인 측면에서 좋지 않으므로 이를 다시 회수하여 응축시킵니다. 그다음 다시 증발열을 이용하기 위해서 열역학 원리를 이용하여 적당한 압력으로 압축하여 포화 온도를 높이고, 적당한 냉각방법을 이용하여 응축시켜 이 액체를 다시 반복 작용이 일어나도록 합니다. 냉매를 압축하는 방법으로는 기계적인 압축방법을 이용하는 증기 압축식 냉동기가 있으며, 열구 동방식으로 압축하는 흡수 냉동장치로 크게 구별되며, 요즘에는 여름의 부하를 줄이기 위하여 큰 건물의 냉방에 흡수 냉동장치가 많이 사용되고 있습니다.

 

기체의 단열팽창을 사용

압축 기체를 급격히 팽창시키면 열역학적으로 온도가 낮아지게 됩니다. 여기에는 가역 단열 과정으로 팽창하는 등 엔트로피 과정과 비가역 단열 팽창하는 등 엔탈피 팽창 과정으로 나뉩니다. 등 엔트로피 과정으로 팽창하기 위해서는 일을 만드는 터빈 같은 장치를 설치해야 하는 어려움이 있으며, 실제적으로는 극저온 장치의 중간 온도 이하로 얻을 때에 사용됩니다. 등 엔탈피 과정은 노즐에 유체를 통과시킬 때 일어나는 과정으로 Joule-Thomson 효과를 이용하여 온도를 낮출 수 있습니다. 고압의 냉매 기체만 있으면, 별도의 구동 장치 없이 온도를 낮출 수 있는 이점이 있어 윤활 구동이 힘든 극저온 장치의 최종 부분에 주로 사용됩니다.

 

열전냉각

서로 다른 전도체의 접합부에 열을 가하였을 때 양단에 전위차가 생긴다는 실험결과를 Seebeck이 1821년에 발표한 적 있습니다. 12년 후에는 Jean Peltier가 서로 다른 물질에 전류를 가했을 때 접합부 근처에서 온도차가 생긴다는 것을 발견하였죠. 즉, 한쪽은 온도가 올라가고, 반대쪽은 온도가 내려가는 현상이 생기게 됩니다. 이러한 원리를 이용하여 제작된 냉각장치 등은 종래의 냉각방식과는 달리 냉매 순환을 위한 기계적인 구동 부분이 필요 없어 좁은 공간 등에 사용될 수 있습니다. 또한 소음이 전혀 없고 자유자재로 열의 흐름을 바꿀 수 있으며 정확한 온도제어가 가능하다는 점에서 이미 오래전부터 컴퓨터, 핵잠수함, 우주선 등의 첨단장비나 각종 보건 기기류의 냉각에 사용되어 왔습니다. 그러나 기존 냉각방식에 비해 성능이 다소 낮으며, 가격이 비싸기 때문에 아직 일반화되어있지 않습니다.

 

기체의 탈착

다공질의 물질, 즉 활성탄소 같은 물질은 고압저온일수록 대량의 가스를 흡착하고 이때 많은 흡착 열을 방출합니다. 이 흡착된 가스를 탈착 하는 과정에서 많은 열이 필요하게 됩니다. 여기에서 저온도를 얻을 수 있으며, 주로 초저온 온도 영역의 응용에 사용됩니다.