스털링엔진의 냉각 기술로 초저온 냉동고를 다시 정의하다.
기존의 컴프레서를 사용하는 초저온 냉동고와 달리, VAULT100에는 스털링 울트라콜드사의 기술력이 집약된 M6D 스털링 엔진이 적용되었습니다.
이 엔진은 구조가 단순하면서도 탁월한 내구성을 제공합니다. 지금까지 보아왔던 이중 컴프레서 냉각 방식하고는 전혀 다른, 새로운 개념의 냉각 기술의 초저온 냉동고입니다.
스털링 엔진은 열역학 이론상 가장 높은 열효율을 가지고 있어 기존의 컴프레서 냉각방식의 냉동고에 비해 최대 59%의 소비 전력을 절감할 수 있습니다.
비접촉 가스베어링 기술로 실현한 무마모 시스템
스털링 엔진은 비접촉 가스베어링 기술을 통해 엔진 내의 피스톤은 고압가스 막 위를 부상하여 움직입니다. 금속 간의 마찰을 근본적으로 제거한 이 기술을 통해 스털링 초저온 냉동고는 -100℃의 극한의 환경에서도 압도적인 보증기간을 약속할 수 있습니다.
스털링 엔진에서 발생한 냉기를 챔버로 효율적으로 전달하기 위해 열 사이펀 (Thermosiphon)의 기술을 사용합니다. 액체 상태의 냉매는 챔버의 열을 흡수하여 기체가 되어 자연스럽게 엔진으로 올라갑니다. 기체의 냉매는 차가운 엔진에서 열을 빼앗기고 다시 차가운 액체로 변합니다. 액체상태의 냉매는 중력에 의해 다시 챔버로 내려가서 열을 흡수하는 과정을 반복합니다. 이와 같이 열 사이펀 기술은 자연 순환 방식으로 무동력의 고효율의 열교환을 실현해 펌프 등 별도의 부품이 필요없어 전력 소모가 적고, 부품 고장의 리스크가 없습니다.
이에 비해 컴프레서 냉각방식의 초저온냉동고는 컴프레서의 ON/OFF 구동에 의해 온도를 제어하는 방식으로 연속가동시 년 약 24,000번의 ON/OFF 가 일어납니다. 약 24개의 가동 부품과 윤활유와 냉매의 혼합물에 의해 가동되므로 장기간 연속 운전시 부품의 마모, 윤활유의 산화, 모세관 튜브의 막힘 등이 발생하여 갑자기 운전이 정지될 리스크가 있습니다.
Life and Reliability Factors | |
|---|---|
Cascade Compressor | Stirling Engine |
Technology Differences | |
Oil lubrication with wear | Gas bearings with non-contact operation and no wear |
Stop-start operation | Continuous operation with modulation |
Surge current at start-up and during on-off cycling | No surge current |
Field Experience | |
Failure expected
| Failure not expected
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Repair Difficulty | |
Compressor replacement - complicated by oil and rigid insulation | Stirling engine designed for replacement - modular design, clip on insulation, no oil, 80% less refrigerant |
Warranty | |
3 year warranty standard | 6 year warranty standard |
GMP 및 각종 산업 규제를 충족해야 하는 환경 속에서 초저온 냉동고의 온도제어는
성공과 실패를 가르는 핵심 요소입니다.
✔ 정밀한 온도 제어: 정상상태(Steady State)에서 온도폭은 불과 ±0.2℃
스털링 초저온 냉동고는 컴프레서의 ON/OFF제어가 아닌 엔진 내의 피스톤의 연속 가변 제어를 적용해 월등하게 정밀한 온도제어가 가능합니다. 대부분의 초저온 냉동고가 ±1℃ 이상의 온도폭을 보이는 반면 스털링 초저온 냉동고는 -80℃ 설정의 정상상태에서 ±0.2℃의 정밀한 온도 제어가 가능합니다.
✔ 빠른 온도 도달 시간: 34% 빠르다 (34% faster than compressor type)
시료를 넣지 않은 초저온 냉동고를 상온 (25℃±2℃) 에서 -80℃ 까지 도달하는데까지 걸리는 시간은 컴프레서 냉각방식에 비해 18%, -86℃ 까지 도달하는데 걸리는 시간은 34% 빠릅니다.
✔ 빠른 온도 회복 시간: 29% 빠르다 (29% faster than compressor type)
실내의 온도가 상온(25℃±2℃)이고, -80℃ 설정에서 작동중인 냉동고의 문을 2분간 연 후 문을 다시 닫고 -80℃ 까지 도달하는데 걸리는 시간은 컴프레서 냉각방식에 비해 약 29% 빠릅니다.
✔ 느린 온도 상승 (정전): 70% 느리다 (70% slower than compressor type)
초저온 냉동고에 전원이 원활히 공급되지 않을 경우, 챔버는 시간이 지남에 따라 온도가 상승하게 됩니다. 열손실의 원인은 챔버, 가스 킷, 냉각시스템의 3가지로 볼 수 있습니다. 챔버와 가스킷에서 열손실은 대부분의 초저온 냉동고와 비슷한 경향을 보이지만, 냉각시스 템에 의한 열손실은 큰 차이를 보입니다. 스털링 초저온 냉동고는 열 사이펀 기술의 자연 순환 방식으로 엔진이 작동하지 않을 경우에 는 순환이 발생하지 않아 열손실이 매우 적습니다. 한편, 컴프레서 냉각 방식의 초저온 냉동고는 1차/2차 컴프레서에서 발생했던 열이 챔버로 전달됩니다. 그 결과 스털링 초저온 냉동고는 컴프레서 냉각 방식에 비해 챔버 내부 온도가 -80℃ 에서 -40℃ 까지 상승하는데 70% 느립니다.
✔ 탁월한 온도 균일성 (Temperature Uniformity): -80℃ 에서 ±3℃
스털링 초저온 냉동고 VAULT100은 -80℃ 설정에서 ±3℃ 의 온도 균일성을 유지하여, 시료 보관 위치에 따른 온도 편차를 최소화합니다. 대부분의 초저온 냉동고가 ±8℃ 수준의 균일성을 제공하는 것과 달리 ±3℃ 성능을 통해 규제 대응 환경에서도 높은 신뢰성을 제공합니다.
TEMPERATURE UNIFORMITY
+/- 3 °C*
@-80°C
초저온 냉동고의 총 운영 비용은 제품의 구매가격, 소비전력, 냉방비용, 점유공간 및
유지보수 비용을 합한 금액으로 산출될 수 있습니다.
스털링 초저온 냉동고는 단순한 에너지 절감을 넘어 총 운영 비용 절감을 목표로 설계되었습니다.
✔ 총 운영 비용(Lifetime Cost): 30% 절감
제품가격, 소비전력, 냉방비용, 점유공간, 유지보수 비용 등을 고려하면 총 운영 비용의 30%를 절감할 수 있습니다.
✔ 소비 전력(Power Consumption): 40~50% 절감
UC David Testing 의 비교실험 결과, -80℃ 설정에서 타사대비 41~49%, -70℃ 설정에서 38~52%의 전력만이 소비되는 것으로 나타났습니다.
✔ 냉방 비용(Infrastructure Cost): 평균 50% 절감 (43~63%)
냉방 장치용 전력 소비의 경우 약 43%, 전기 기반시설의 경우 약 63%의 비용절감 효과가 있습니다.
✔ 유지보수 비용 절감 (Maintenance Free)
일반적인 컴프레서 기반의 초저온 냉동고는 회전 부품, 오일 순환, 반복적인 ON/OFF 사이클링 구조를 가지고 있습니다. 이로 인해 시간이 지날수록 마모와 부품 피로가 누적됩니다. 반면 스털링 엔진은 회전 구조가 아닌 직선 운동, 가스 베어링 기반 비접촉 설계, 윤활 오일 불필요, 연속 가변 제어 방식을 적용했습니다. 즉, 마찰·열·마모를 유발 하는 요소를 구조적으로 제거한 설계입니다. 그래서 예방정비 부담이 줄고, 예기치 않은 고장 가능성도 낮습니다.
✔ 열 발생 (Heat Generation): 50% 이하
스털링 초저온 냉동고 가동시 발생하는 열의 총량은 컴프레서 냉각방식이 비해 50% 이하입니다.
✔ 진동과 소음 (Vibration/Noise): 매우 적음
진동과 소음은 단순한 불편함의 문제가 아닙니다. 민감한 장비가 함께 설치된 실험실 환경에서 진동이 누적되면 장비 정밀도에 영향을 줄 수 있습니다. 스털링 초저온 냉동 고는 저진동 설계로 주변 장비 간섭을 최소화하고 저소음 운전으로 연구 환경의 집중 도를 유지합니다. 특히 장비가 밀집된 GMP 시설이나 클린룸 환경에서도 유리합니다. 스털링 초저온 냉동고는 컴프레서가 없는 구조로 저진동·저소음 운전을 실현했습니다. 42dB 이하의 정숙성과 안정적인 설계로 연구 환경을 방해하지 않습니다.
✔ 이산화탄소 발생 (CO2): 50% 이하
스털링 초저온 냉동고 가동시 발생하는 이산화탄소 발생량은 컴프레서 냉각방식이 비해 50% 이하입니다.
✔ 천연냉매의 사용과 친환경 인증
공공 연구기관이나 제약사에서는 환경 규제 대응과 친환경 인증이 점점 중요해지고 있습 니다. 스털링 초저온 냉동고는 ENERGY STAR인증을 획득했으며 천연냉매 사용으로 환경 영향 요소를 줄였습니다. 이는 단순한 친환경 이미지가 아니라실질적인 규제 대응 전략이 될 수 있습니다.
