KR100985132B1

KR100985132B1 - 혼합 냉매를 이용하는 극저온 냉동시스템에서의 동결 방지 시스템

Info

Publication number: KR100985132B1
Application number: KR1020047006193A
Authority: KR
Inventors: 케빈 플라인; 미카엘 보이아스키; 올레그 포드체르니아브
Original assignee: 브룩스 오토메이션 인코퍼레이티드
Priority date: 2001-10-26
Filing date: 2002-10-28
Publication date: 2010-10-05
Also published as: US20030115893A1; JP2005507067A; CA2462568A1; US7059144B2; US20060130503A1; EP1438539A4; WO2003036197A1; CN1575401A; KR20040048998A; EP1438539A1; EP1438539B1; CN100476322C; JP4277078B2

Abstract

비등점이 적어도 50℃ 만큼 차이가 나는 적어도 두 가지의 냉매를 포함하는 냉매 혼합물을 사용함으로써 매운 낮은 온도를 얻게 되는 냉동 시스템(100) 내의 가장 낮은 온도의 냉매의 가온을 유발하는 제어된 바이패스 흐름의 사용에 의해 냉매 동결이 방지된다. 이러한 제어 능력은 극저온 시스템의 작동을 신뢰성 있게 해준다.

Description

혼합 냉매를 이용하는 극저온 냉동시스템에서의 동결 방지 시스템{FREEZEOUT PREVENTION SYSTEM FOR VERY LOW TEMPERATURE REFRIGERATION USING MIXED REFRIGERANTS}

본 발명은 냉동 효과를 생성하기 위해 냉매의 스로틀 팽창(throttle expansion)을 이용하는 처리에 관한 것이다.

냉동 시스템은 신뢰할 수 있는 밀봉된 냉동 시스템이 개발된 1900년대 초기부터 존재해 왔다. 그 후, 냉동 기술은 발전하여 가정용과 산업용 설비로서 사용되어 왔다. 특히, 저온 냉동 시스템(low-temperature refrigeration system)은 생물 의학 분야, 저온 전자 공학(cryoelectronics), 코팅 작업 및 반도체 제조 분야에서 중요한 산업적 기능을 제공하고 있다.

183K(-90℃) 이하의 온도로의 냉각을 요구하는 많은 중요한 분야, 특히 제조 산업 및 테스트 분야에서 이용된다. 본 발명은 183K 내지 65K(-90℃ 내지 -208℃) 온도로의 냉각을 제공하는 냉동 시스템에 관한 것이다. 이러한 범위의 온도는 저온, 초저온 및 극저온으로 다양하게 불려진다. 본 명세서에 기재된 용어 "매우 낮은" 또는 "매우 낮은 온도"는 183K 내지 65K(-90℃ 내지 -208℃) 사이의 온도를 의미하는 데 사용될 것이다.

진공 조건하에서 수행되고 그리고 극저온 냉동 시스템(very low tmperature refrigeration system)과 합체된 많은 제조 공정에 있어서, 소정의 처리 단계들에서는 신속한 가열을 필요로 한다. 이러한 가열 공정은 디프로스트 사이클(defrost cycle)로 알려져 있다. 가열 공정은 증발기와 연결용 냉매 라인들을 실온까지 가온한다. 이러한 가열은 공기중의 수분이 시스템의 부품 상에 응결되지 않고도 그 시스템의 부품들이 대기 중에 접근하여 노출될 수 있도록 해준다. 디프로스트 사이클 및 매우 낮은 온도를 생성하는 후속 복구 사이클 전체가 길면 길수록 제조 시스템의 처리량(throughput)은 낮아진다. 디프로스트 사이클과 진공 챔버에서의 저온 표면(증발기)의 냉각 기능의 복구는 빠른 것이 좋으며, 진공 처리의 처리량을 증가시키는 데 유리하다.

추가적으로, 연장된 시간 주기 동안 증발기를 통해 고온의 냉매 흐름을 제공하는 것이 바람직한 많은 처리들이 존재한다. 본 명세서에서는 이를 "베이크아웃(bakeout)" 작동으로 언급할 것이다. 이것은 냉매에 의해 가열 및 냉각이 번갈아 행해지는 부재가 큰 열질량(thermal mass)을 가질 때와, 그리고 시간 함수에 따라 반응하는 온도가 1분 내지 5분 보다 더 길게 될 경우에 유리하다. 이 경우, 고온의 냉매의 연장된 흐름은 열의 열전도가 모든 표면들이 희망하는 최소 온도에 도달할 때까지 허용되도록 요구된다. 추가적으로, 진공 챔버 내의 일반적인 처리는 챔버 내의 표면들이 통상 150℃ 내지 300℃의 고온으로 가열되는 모드이다. 이러한 고온은 냉매에 의해 냉각 및 가열되는 부재를 비롯한 챔버 내의 모든 표면들로 방출될 것이다. 상기 부재를 통한 냉매의 흐름이 없을 때, 냉매와, 상기 부재에 내재하는 임의의 잔류 압축기 오일을 전술한 바와 같은 고온으로 노출시키 면, 내재하는 냉매를 과열시킬 위험이 있으며, 그 결과 냉매 및/또는 오일의 분해를 초래한다. 따라서, 챔버를 가열하는 도중에 고온의 냉매(통상 80 내지 120℃)의 연속한 흐름을 제공함으로써 냉매 및 오일의 온도를 제어하고 일어날 소지가 있는 어떠한 분해도 방지하게 된다.

매우 낮은 온도의 냉각을 필요로 하는 많은 진공 처리들이 존재한다. 그 중에서 주요한 처리는 진공 시스템을 위한 수증기 저온펌핑(water vapor cryopumping)을 제공하는 것이다. 매우 낮은 온도의 표면은 수증기 분자들이 해방되는 속도보다 훨씬 높은 속도로 수증기 분자들을 포획하여 가지고 있게 된다. 그 최종 효과는 진공 챔버의 수증기 분압을 빠르고 확실하게 감소시킨다는 것이다. 이러한 수증기 저온펌핑 처리는 전자 저장 매체, 광학 리플렉터, 금속화된 부품 및 반도체 소자 등을 위한 진공 코팅 산업에서 많은 물리적 증착 처리에 매우 유용하다. 이러한 처리는 또한 동결 건조 작업에서 음식물 및 생물 의약품으로부터 수분을 제거하기 위해 사용된다.

또 다른 응용은 열복사 차폐(thermal radiation shielding)이다. 이 응용에서는 큰 패널이 매우 낮은 온도로 냉각된다. 이렇게 냉각된 패널은 표면과 히트로부터 방사되는 열을 차단한다. 이에 따라 냉각된 표면 상의 열부하를 패널의 온도보다 낮은 온도로 감소시킬 수 있다. 또 다른 응용은 제조되는 대상물로부터 열을 제거하는 것이다. 몇몇 경우에 있어서, 이 대상물은 컴퓨터 하드 드라이브를 위한 알루미늄 디스크, 집적회로를 위한 실리콘 웨이퍼 또는 평판 디스플레이를 위한 유리 혹은 플라스틱 등의 물질이다. 이러한 경우, 공정의 최종 단계에서의 상기 대 상물의 최종 온도가 상온보다 높더라도 매우 낮은 온도는 이들 대상물로부터 다른 수단보다 빠르게 열을 제거하는 수단을 제공한다.

또한, 하드 디스크의 드라이브 매체, 실리콘 웨이퍼 또는 평판 디스플레이 물질과 관련된 용례들은 이들 대상물 상에 물질의 증착을 수반한다. 이러한 경우, 증착의 결과로서 대상물로부터 열이 방출되는 데, 이 열은 대상물을 소정의 온도로 유지시키면서 제거되어야 한다. 판과 같은 표면을 냉각시키는 것은 이러한 대상물로부터 열을 제거하는 일반적인 방법이다. 이러한 모든 경우에 있어서, 냉동 시스템과 냉각될 대상물 사이의 계면은 냉매가 매우 낮은 온도에서 대상물로부터 열을 제거하게 되는 증발기 내에서 처리된다.

매우 낮은 온도의 또 다른 용례는 생물학적 유체 및 조직의 저장과 화학 및 제약 처리에서 반응 속도의 제어를 포함한다.

종래의 냉동 시스템은 옛날부터 염소화 냉매를 사용해왔으며, 이 냉매는 환경을 오염시키고 오존 파괴의 주범으로 알려져 왔다. 따라서, 점점 증가하는 환경 오염의 규제로 인해 냉동 산업계는 염소화 플루오로카본(CFCs) 대신 하이드로클로로플루오로카본(HCFCs)을 사용하도록 강요되었다. 몬트리올 협정의 규정에서는 HCFCs의 사용을 단계적으로 없애는 것을 요구하고 있으며, 또 유럽 연맹(European Union) 법규에서는 2001년 1월 1일부터 냉동 시스템에 HCFCs의 사용을 금지하고 있다. 따라서, 대체 냉매 혼합물의 개발이 요구되고 있다. 하이드로플루오로카본 (HFC) 냉매는 독성이 낮고 상업적으로 입수 가능하고 불연성의 양호한 대체물로 잘 알려져 있다.

종래 기술의 극저온 시스템은 오일을 처리하기 위해 가연성(flammable)의 성분을 사용하였다. 염소화 냉매를 이용하는 극저온 시스템에 사용된 오일은 압축시 실온에서 액화될 수 있는 고온의 비등 성분과 양호한 혼화성(miscibility)을 갖고 있다. R-23 등의 저온 비등 HFC 냉매는 전술한 오일과 혼화될 수 없으며, 냉동 처리부의 저온 부품과 부닥칠 때까지 쉽게 액화하지 않는다. 이러한 혼화성은 압축기 오일의 분리 및 동결을 유발하고, 나아가 관, 스트레이너(strainer), 밸브 혹은 스로틀 장치의 막힘으로 인한 시스템의 고장을 유발하게 된다. 이러한 저온에서의 혼화성을 부여하기 위해, 종래에는 냉매 혼합물에 에탄을 첨가하였다. 불행하게도, 에탄은 소비자의 요구를 제한할 수 있는 가연성이며, 또 시스템의 제어, 설치와 관련되는 요구 조건 및 비용에 추가적인 요구 사항을 필요하게 만든다. 따라서, 에탄 혹은 다른 가연성 성분을 제거하는 것이 바람직하다.

전술한 바와 같은 냉동 시스템은 냉매 혼합물로부터 동결되지 않는 냉매의 혼합물을 필요로 한다. 여기서, 냉각 시스템에서의 "동결(freezeout)" 상태는 하나 혹은 그 이상의 냉매 성분 혹은 압축기 오일이 고체로 되거나 또는 유동하지 않게 되는 지점까지 점성이 매우 높아 질 때 발생한다. 냉동 시스템의 정상 작동 중에, 흡입 압력은 온도가 낮아질수록 감소한다. 동결 상태가 발생할 경우, 흡입 압력은 떨어지는 경향이 있으며 이는 더욱 포지티브 피드백(positive feedback)을 만들고, 온도를 감소시켜 심지어 더 심한 동결을 야기한다.

혼합 냉매 냉동 시스템에서 동결을 방지하는 방법이 필요하다. 이용할 수 있는 HFC 냉매는 대체될 HCFC 및 CFC 냉매보다 더 높은 빙점을 갖는다. 동결과 관 련한 상기 냉매 혼합물의 한계는 미국 특허 출원 제09/886,936호에 개시되어 있다. 전술한 바와 같이, 탄화수소의 사용은 이들의 가연성 때문에 바람직하지 못하다. 그러나, 가연성 성분을 제거함으로써 동결 관리에 추가의 곤란성이 초래되는데, 그 이유는 가연성 탄화수소 냉매 대신에 사용될 수 있는 HFC 냉매는 통상 높은 빙점을 갖기 때문이다.

일반적으로, 동결은 냉동 시스템 상에서 외부의 열부하가 매우 낮아질 때 발생한다. 몇몇 극저온 시스템은 가장 낮은 온도의 고압의 냉매의 일부를 취하여 고압의 냉매를 냉각하는 데에 사용하는 서브쿨러(subcooler)를 사용한다. 이것은 전술한 냉매의 부분을 팽창시키고 그것을 서브쿨러의 고압측으로 공급함으로써 이루어진다. 따라서, 증발기로의 유동이 정지될 때, 내부 흐름과 열교환은 계속되어 고압의 냉매가 점진적으로 저온으로 되도록 해준다. 이것은 결국 서브쿨러로 유입하는 팽창된 냉매의 온도를 더 낮아지게 만든다. 전체의 시스템 설계, 시스템의 저온 단부에서 순환하는 냉매 성분 및 시스템의 작동 압력에 따라 동결 온도를 얻는 것이 가능해진다. 동결과 같은 조건에 대해 소정의 여유가 제공되어야 하기 때문에, 그 결과 냉동 시스템의 설계는 전체 시스템이 동결 조건을 결코 만족하지 못하도록 설계되는 것과 같이 종종 제한될 것이다.

냉매로서 히드로플루오로카본(HFCs)을 사용함에 따라 파생되는 또 다른 문제점은 전술한 냉매가 알킬벤젠 오일과 나아가 폴리오레스터(POE)[1998 ASHRAE Refrigeration Handbook, 제7장, 제7.4면, 아메리칸 소사어티 오브 히팅, 리프리저레이션 앤드 에어 컨디셔닝 엔지니어(American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers)]에 혼화될 수 있다는 것으로, 압축기 오일은 HFC 냉매와 호환되도록 사용된다. 적절한 오일의 선택은 극저온 시스템에 있어 필수적이며, 그 이유는 오일이 반드시 양호한 압축기의 윤활뿐만 아니라 매우 낮은 온도에서 냉매가 분리 및 동결되지 않도록 해야 하기 때문이다.

미국 특허 출원 제09/894,964호에는 본 명세서에서 언급한 바와 같은 극저온 혼합 냉매 시스템에서 동결 방지를 위한 방법이 개시되어 있다. 이러한 방법은 이것이 적용된 시스템에 효과적인 것으로 입증되었지만, 이 방법은 필요한 제어를 제공할 수 없다. 이것은 하류의 저압 냉매의 압력을 증가시켜 동결을 방지하기 위해 소정의 밸브를 사용함으로써 시스템의 냉동 성능을 감소시키기 때문이다. 상기 개시된 밸브는 수동으로 조절되어야 하며, 필요로 하는 상이한 작동 모드(즉, 냉각 모드, 디프로스트 모드, 대기 모드 및 베이크아웃 모드)에 따라 밸브를 수동으로 조작하는 것은 실용적이지 못하다.

일반적으로, 수많은 바이패스 방법들이 종래의 냉동 시스템에 적용되고 있다. 통상 -40℃ 이상의 온도에서 작동하는 이러한 시스템들은 단일의 냉매 성분을 이용하거나 또는 단일의 냉매 성분과 유사하게 거동하는 비등점의 차이가 작은 냉매 혼합물을 이용한다. 이러한 시스템에서, 제어 방법은 포화 냉매 온도와 포화 냉매 압력 사이의 대응성을 이용한다. 단일의 냉매 성분에 있어서, 이러한 대응성의 특징은 2상의 혼합물(액상과 기상)이 존재할 때, 단지 냉매의 온도 혹은 압력만이 다른 상태를 알기 위해 특정될 필요가 있도록 되어 있다. 비등점의 차이가 작고 일반적으로 사용되는 혼합 냉매 시스템에 있어서, 이러한 온도 압력 대응성에 약간의 편차가 발생하지만, 이 시스템들은 단일 성분의 냉매와 유사한 형태로 거동 및 처리된다.

전술한 본 발명은 비등점의 차이가 큰 혼합 냉매를 사용하는 극저온 냉동 시스템에 관한 것이다. 통상의 혼합물은 100 내지 200℃ 만큼의 비등점의 차이가 있다. 본 명세서에 있어서 이해를 돕기 위해, 극저온 혼합 냉매 시스템(VLTMRS)은 정상적인 비등점의 차이가 적어도 50℃ 인 적어도 두 가지 성분들을 지닌 혼합 냉매를 이용하는 매우 낮은 온도의 냉동 시스템을 의미한다. 이러한 혼합물에 있어서, 단일의 냉매 성분으로부터의 편차는 너무 현저하게 되어 포화 온도와 포화 압력 사이의 대응성이 더욱 복잡해지게 된다.

이러한 추가 성분들에 의해 제공되는 부가된 수의 자유도와, 이러한 성분들이 이들의 비등점의 큰 차이로 인해 서로에 대해 매우 상이하게 거동하는 사실로 인해, 냉매 혼합물 조성, 액체 분율 및 온도(혹은 압력)는 측정될 압력(혹은 온도)의 계수로 구체화되어야 한다. 따라서, 종래의 단일 냉매 혹은 단일 냉매와 유사하게 거동하는 혼합물로부터의 제어 방법은 온도-압력의 대응성의 전술한 차이로 인해 종래의 시스템과 동일한 방식으로 극저온 혼합 냉매 시스템(VLTMRS)에 적용될 수 없다. 개략적으로 도시한 것과 비록 유사하지만, 극저온 혼합 냉매 시스템(VLTMRS)에서의 상기 장치의 응용은 압력-온도의 대응성의 차이로 인해 종래의 기술과 상이하다.

간단한 예로서, 종래의 냉동 시스템의 제어는 콘덴서 온도의 제어가 배출 압력을 제어하게 될 것이라는 점에 크게 의존한다. 따라서, 콘덴서 온도를 제어하는 제어 밸브는 작동 모드나 증발기 상의 열 부하에 무관하게 매우 예측 가능한 방법으로 배출 압력을 제어할 것이다. 이와는 대조적으로, 비등점의 차이가 큰 성분을 이용하는 극저온 혼합 냉매 시스템(VLTMRS)은 순환하는 혼합물과 콘덴서 온도가 변하지 않더라도 증발기의 부하 및 작동 모드의 변화로 인해 압축기의 배출 압력에 있어서 상당한 변화를 겪게 될 것이다.

본 발명을 예시하도록 도시된 몇몇 도면은 종래의 냉동 분야에 종사하는 자들에게는 익숙할 것이다. 종래의 제어 방법의 개요는 ASHRAE 핸드북의 Refrigeration Volume의 2002년 판의 제45장에 기록되어 있다. 본 발명의 시스템은 상기 용례가 상이한 압력-온도 특성을 갖는 냉매를 수반한다는 점에서 이러한 종래의 시스템과는 다르며, 보다 구체적으로 말하면 전술한 냉매는 일반적인 냉매가 그러하듯이 결정된 압력-온도의 대응성을 갖지 않는다. 따라서, 제어 성분 및 냉매의 상호 작용은 다르다.

포레스트(Forrest) 등의 명의의 미국 특허 제4,763,486호에는 내부 응축 바이패스를 통합시킨 극저온 혼합 냉매 시스템(VLTMRS)이 개시되어 있다. 상기 방법에 따르면, 공정에서의 다양한 상 분리기로부터 나온 액체 냉매는 증발기의 입구로 바이패스 된다. 이 방법을 설명하는 목적은 증발기 냉각의 온도 및 용량 제어를 제공하는 것과, 상기 시스템의 안정된 동작을 제공하는 것이다. 정의된 바와 같이, 상기 방법은 몇몇 냉각 레벨을 제공하기 위해 증발기를 통한 냉매의 흐름을 필요로 한다. 대기 모드와 베이크아웃 모드에 대해서는 전혀 언급이 없으며, 도시된 방법은 대기 모드 혹은 베이크아웃 모드에 사용될 수 없다는 것을 명백히 보여 주 고 있다. 이러한 발명은 여러 개의 상 분리기를 갖는 개시 시스템의 곤란성을 설명하고 있다.

상기 특허가 알려진 이래로, 상 분리기의 수를 변화시키고, 상 분리기를 전체적인 혹은 부분적인 분리기로 하며, 그리고 상 분리기를 구비하지 않도록 함으로써 극저온 혼합 냉매 시스템(VLTMRS)에 대해 여러 가지의 변형이 이루어졌다. 이렇게 변형된 시스템은 포레스트(Forrest) 등의 특허를 이용하지 않고서도 성공적으로 작동하였다. 포레스트 등의 특허에 의해 보호된 조건들을, 극저온 혼합 냉매 시스템(VLTMRS)이 적절한 2상의 냉매 흐름을 지지하기 위해 최소의 유량을 필요로 하게 된다는 사실과 관련시키는 것이 가능하다. 적절한 흐름 없이 포레스트 등의 특허에 의해 회피된 조짐들이 예측되었다. 또한, 포레스트 등의 특허는 배출 라인 오일 분리를 사용하지 않는다. 극저온 혼합 냉매 시스템(VLTMRS)에서 압축기 오일은 유동로를 차단할 수 있으며, 포레스트 등의 특허에서 회피하고자 하였던 형태의 조짐이 나타나게 된다.

더욱이, 현재에는 상기 공정에서 냉매의 동결을 방지하는데 용용되고 있다. 종래의 냉동 시스템은 통상적으로 50℃ 또는 전술한 극저온 시스템에서 사용한 냉매의 빙점보다 더 높은 온도에서 작동하기 때문에, 이러한 동결이 정상적으로 고려되고 있지 않는 종래의 냉동 시스템과는 달리, 동결이 중요한 고려 대상이다.

본 발명은 냉동 처리부에서 냉매 및 오일의 동결을 방지하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명의 방법은 자동 냉동 다단 사이클(auto-refrigerating cascade cycle), 클리멘코(Klimenko) 사이클 등의 혼합 냉매 시스템 혹은 단일 팽창 장치 시스템을 사용하는 극저온 시스템 혹은 처리부에 특히 유용하다. 상기 냉동 시스템은 적어도 하나의 압축기와, 단일(상 분리기 없음) 혹은 다단계(적어도 하나의 상 분리기 있음) 배열의 스로틀 사이클로 구성되어 있다. 다단계 스로틀 사이클은 또한 자동 냉동 다단 사이클로 언급되고, 냉동 처리부에서 적어도 하나의 냉매의 증기-액체 상 분리기의 사용에 의해 특징을 지닌다.

본 발명의 동결 방지 방법은 연장된 디프로스트 사이클(베이크아웃)을 갖는 냉동 시스템에 유용하다. 후술하는 바와 같이, 베이크아웃의 사용은 이러한 방법에 의해 제기되는 추가적인 고려 사항을 필요로 한다.

본 발명의 장점은 냉매 혼합물의 동결 방지를 위한 방법이 극저온 냉동 시스템에 사용할 수 있도록 되어 있다는 데 있다.

본 발명의 또 다른 장점은 소정 범위의 작동 모드(냉각 모드, 디프로스트 모드, 대기 모드 혹은 베이크아웃 모드)에 걸쳐 개시된 방법을 사용하는 시스템의 안정성에 있다.

본 발명의 또 다른 장점은 냉매 혼합물의 빙점 근처에서 극저온 혼합 냉매 시스템(VLTMRS)을 작동시킬 수 있다는 능력에 있다.

본 발명의 다른 목적과 장점들은 이하의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

본 발명의 이해를 돕기 위해 아래의 상세한 설명은 첨부 도면을 참조하여 설명할 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 바이패스 회로를 구비하는 극저온 냉동 시스템을 개략적으로 나타낸 도면이며,

도 2는 본 발명에 따라 냉매의 제어된 내부 바이패스를 이용하여 동결을 방지하는 방법을 개략적으로 도시한 도면이고,

도 3은 본 발명에 따라 냉매의 제어된 내부 바이패스를 이용하여 동결을 방지하는 다른 변형된 방법을 개략적으로 도시한 도면이며,

도 4는 본 발명에 따라 냉매의 제어된 내부 바이패스를 이용하여 동결을 방지하는 또 다른 변형된 방법을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1에는 본 발명의 특징이 추가되어 있는 종래 기술에 따른 극저온 냉동 시스템(100)이 도시되어 있다. 이러한 종래의 시스템의 상세 내용은 본 명세서의 일부를 구성하는 동시에 본 명세서에 합체되어 있는 미국 특허 출원 번호 제09/870,385호에 개시되어 있다. 상기 냉동 시스템(100)은 압축기(104)를 포함하며, 이 압축기(104)는 방출 라인(110)을 경유하여 콘덴서(112)와 연결되는 선택적인 오일 분리기(108)의 입구에 연결되어 있다. 상기 콘덴서(112)는 이어서 필터 드라이어(filter drier)(114)에 연결되어 있으며, 이 필터 드라이어(114)는 액체 라인 출력부(116)를 경유하여 냉동 처리부(118)의 제1의 공급 입력부에 연결되어 있다. 냉동 처리부(118)는 도 2에 보다 상세히 도시되어 있다. 오일 분리기는 압축기를 윤활시키기 위해 오일이 순환되지 않을 때에는 필요로 하지 않는다.

냉동 처리부(118)는 공급 밸브(122)의 입구와 연결되는 냉매 공급 라인 출력부(120)를 제공한다. 공급 밸브(122)에서 배출되는 냉매는 일반적으로 -90 내지 -208℃의 매우 낮은 온도의 고압 냉매이다. 유량 계측 장치(flow-metering device; FMD)(124)는 냉각 밸브(128)와 직렬로 배열되어 있다. 이와 마찬가지로, FMD(126)는 냉각 밸브(130)와 직렬로 설치되어 있다. 유량 계측 장치(124)와 냉각 밸브(128)의 전술한 바와 같은 직렬 조합은 유량 계측 장치(126)와 냉각 밸브(130)의 직렬 조합과 병렬로 배열되며, 여기서 유량 계측 장치(124, 126)의 입구들은 공급 밸브(122)의 출구와 연결되는 노드(node)에서 함께 연결된다. 더욱이, 냉각 밸브(128, 130)의 출구는 저온 격리 밸브(cryo-isolation valve)(132)의 입구와 연결되는 노드에서 함께 연결된다. 상기 저온 격리 밸브(132)의 출구는 주문형(일반적으로) 증발기 코일(136)로 연결되는 증발기 공급 라인 출력(134)을 제공한다.

증발기 코일(136)의 반대측은 저온 격리 밸브(140)의 입구에 연결되는 증발기 복귀 라인(138)을 제공한다. 저온 격리 밸브(140)의 출구는 내부 복귀 라인(142)을 통해 극저온 플로우 스위치(152)의 입구와 연결된다. 저온 플로우 스위치(152)의 출구는 복귀 밸브(144)의 입구에 연결되어 있다. 복귀 밸브(144)의 출구는 냉매 복귀 라인(148)을 통해 냉동 처리부(118)의 제2의 입력(저압)을 공급하는 체크 밸브(146)의 입구에 연결된다.

온도 스위치(TS)(150)는 체크 밸브(146)와 냉동 처리부(118) 사이에서 냉매 복귀 라인(148)과 열적으로 연결되어 있다. 추가적으로, 각기 다른 트립 포인트(trip point)들을 지닌 복수 개의 온도 스위치들은 내부 복귀 라인(142)을 따라 열적으로 연결되어 있다. 온도 스위치(TS 158, TS 160, TS 162)들이 저온 격리 밸브(140)와 복귀 밸브(144) 사이에서 내부 복귀 라인(142)에 열적으로 연결되어 있다.

상기 냉동 루프는 냉동 처리부(118)의 복귀 출구에서 시작되어 압축기 흡입 라인(164)을 거쳐 압축기(104)의 입구로 이어진다. 상기 압축기(104)의 입구에 매우 근접하게 위치하는 압력 스위치(PS)(196)는 압축기 흡입 라인(164)에 공압적으로(pneumatically) 연결되어 있다. 추가적으로, 오일 분리기(108)의 오일 복귀 라인(109)은 압축기 흡입 라인(164)과 연결되어 있다. 상기 냉동 시스템(100)은 압축기 흡입 라인(164)과 연결되는 팽창 탱크(192)를 더 포함한다. FMD(194)는 상기 확장 탱크(192)의 입구와 압축기 흡입 라인(164) 사이에 인라인식(inline)으로 배치되어 있다.

상기 냉동 시스템(100) 내의 디프로스트 공급 루프(고압)는 다음과 같이 형성된다. 즉, 공급 밸브(176)의 입구는 방출 라인(110)에 위치하는 노드(A)에 연결된다. 디프로스트 밸브(178)는 FMD(182)와 직렬로 배열되며, 이와 마찬가지로 디프로스트 밸브(180)는 FMD(184)와 직렬로 배치된다. 디프로스트 밸브(178)와 FMD(182)의 직렬 조합은 디프로스트 밸브(180)와 FMD(184)의 직렬 조합과 병렬로 배열되며, 여기서 디프로스트 밸브(178, 180)들의 입구들은 공급 밸브(176)의 출구와 연결되는 노드(B)에서 함께 연결된다. 더욱이, FMD(182, 184)들의 출구들은 라인과 연결되는 노드(C)에서 함께 연결된다. 이 라인은 냉각 밸브(128)와 저온 격리 밸브(132) 사이의 노드(D)에 연결됨으로써 상기 디프로스트 공급 루프를 폐쇄시 킨다.

상기 냉동 시스템(100) 내의 냉매 복귀 바이패스(저압) 루프는 다음과 같이 형성된다. 즉, 바이패스 라인(186)은 저온 플로우 스위치(152)와 복귀 밸브(144) 사이의 라인에 위치하는 노드(E)에 연결된다. 바이패스 밸브(188)와 서비스 밸브(190)는 바이패스 라인(186)에 직렬로 연결된다. 상기 냉매 복귀 바이패스 루프는 냉동 처리부(118)와 압축기(104) 사이의 압축기 흡입 라인(164)에 위치하는 노드(F)와 연결되는 서비스 밸브(190)의 출구에 의해 완성된다.

온도 스위치 TS(150), TS(158), TS(160), TS(162)를 제외한 냉동 시스템(100)의 모든 구성 요소들은 기계적으로 그리고 유압식으로 연결된다.

안전 회로(198)는 압력 및 온도 스위치들과 같이 냉동 시스템(100) 내에 위치하는 복수개의 제어 장치들을 제어하고 이 제어 장치들로부터 피드백을 받는다. 압력 스위치 PS(196), 온도 스위치 TS(150), TS(158), TS(160) 및 TS(162)는 이러한 장치들의 예이지만, 설명의 단순화를 위해 도 1에는 도시하지 않은 냉동 시스템(100) 내에 위치하는 많은 다른 감지 장치들이 존재한다. PS(196)를 포함하는 압력 스위치들은 일반적으로 공기에 의해 연결되는 반면에 TS(150), TS(158), TS(160) 및 TS(162)를 포함하는 온도 스위치들은 일반적으로 냉동 시스템(100) 내의 플로우 라인(flow line)에 열적으로 연결된다. 안전 회로(198)의 제어는 전기적으로 이루어진다. 이와 마찬가지로, 다양한 감지 장치들에서 안전 회로(198)로의 피드백은 전기적으로 이루어진다.

상기 냉동 시스템(100)은 극저온 냉동 시스템으로서 열을 제거하고 재배치하 는 기본 동작은 공지이다. 본 발명의 냉동 시스템(100)은 순수 냉매 또는 혼합 냉매를 사용한다.

저온 격리 밸브(132, 140)를 제외한 냉동 시스템(100)의 모든 구성 요소들[즉, 압축기(104), 오일 분리기(108), 콘덴서(112), 필터 드라이어(114), 냉동 처리부(118), 공급 밸브(122), FMD(124), 냉각 밸브(128), FMD(126), 냉각 밸브(130), 증발기 코일(136), 복귀 밸브(144), 체크 밸브(146), TS(150), TS(158), TS(160) 및 TS(162), 공급 밸브(176), 디프로스트 밸브(178), FMD(182), 디프로스트 밸브(180), FMD(184), 바이패스 밸브(188), 서비스 밸브(190), 팽창 탱크(192), FMD(194), PS(196) 및 안전 회로(198)]는 공지의 것들이다. 추가적으로, 저온 플로우 스위치(152)는 미국 특허 출원 제09/886,936호에 개시되어 있다. 그러나 이들 구성 요소들에 대하여 다음에 간략하게 설명한다.

압축기(104)는 저압, 저온의 냉매 가스를 취하고, 이 저압, 저온의 냉매 가스를 고압, 고온의 가스로 압축하여 오일 분리기(108)로 공급하는 일반적인 압축기이다.

오일 분리기(108)는 일반적인 오일 분리기로서, 상기 압축기(104)로부터 압축된 매스 플로우(mass flow)가 속도를 감소시키는 큰 분리기 챔버로 흘러 들어감으로써 분무화된 작은 오일 방울들을 형성한다. 이 작은 오일 방울들은 충돌 스크린(impingement screen) 표면이나 유착(coalescing) 요소 상에 모이게 된다. 상기 작은 오일 방울들이 보다 큰 입자들로 응집됨에 따라 이 입자들은 분리기 오일 저장부의 하부로 떨어져서 압축기 흡입 라인(164)을 거쳐 압축기(104)로 복귀된다. 제거된 오일을 뺀 오일 분리기(108)로부터의 매스 플로우는 계속해서 노드(A)로 흘러 콘덴서(112)로 흐르게 된다.

압축기(104)로부터의 뜨거운 고압 가스는 오일 분리기(108)를 통과한 다음 콘덴서(112)를 통과하여 흐르게 된다. 콘덴서(112)는 일반적인 콘덴서로서, 열을 응결에 의해 제거하는 시스템의 부품이다. 상기 뜨거운 가스가 콘덴서(112)를 통해 흐름에 따라 콘덴서를 통과하거나 콘덴서 위를 지나는 공기나 물에 의해 냉각된다. 고온의 가스 냉매가 냉각됨에 따라 액체 냉매의 방울들이 코일 내에서 형성된다. 결과적으로, 상기 가스가 콘덴서(112)의 끝에 이르면, 부분적으로 응결되어 액체와 기체 상태의 냉매가 존재하게 된다. 콘덴서(112)가 올바르게 기능하기 위해서 콘덴서(112)를 통과하는 공기나 물은 반드시 냉동 시스템의 작동 유체 보다 온도가 낮아야 한다. 몇몇 특수한 용례를 위해 냉매 혼합물은 콘덴서에서 응결이 일어나지 않도록 구성된다.

냉매는 콘덴서(112)로부터 필터 드라이어(114)로 진행한다. 필터 드라이어(114)는 산을 생성할 수 있는 물과 같은 시스템 오염 물질을 흡수하고 물리적인 여과를 제공한다. 필터 드라이어(114)로부터 냉매는 냉동 처리부(118)로 보내진다.

냉동 처리부(118)는 단일 냉매 시스템, 혼합 냉매 시스템, 일반적인 냉동 처리부, 다단(cascaded) 냉동 처리부의 개별적인 단계, 자동 냉동 다단 사이클, 또는 클리멘코(Klimenko) 사이클과 같은 냉동 시스템 또는 처리부일 수 있다. 본 명세서에서의 예시를 위해, 상기 냉동 처리부(118)는 클리멘코에 의해 기술되는 자동 냉동 다단 사이클의 변형으로서 도 2에 도시되어 있다.

도 1에 도시된 여러 구성들은 매우 낮은 온도의 냉매를 전달하는 것을 유일한 목적으로 하는 기본 냉동 유닛용으로 반드시 요구되는 것은 아니다. 도 1에 도시된 시스템은 디프로스트 및 베이크아웃(bakeout) 기능을 발휘할 수 있는 시스템이다. 전술한 기능들을 필요로 하지 않는 경우, 냉동 처리부(118)를 바이패스 하는 루프는 생략될 수 있고 전술한 방법의 본질적인 장점은 여전히 적용될 수 있다. 이와 유사하게, 몇몇 밸브 및 도시된 다른 장치는 전술한 방법이 유리해지도록 하기 위해 반드시 필요한 것은 아니다. 최소한 냉동 시스템은 압축기(104), 콘덴서(112), 냉동 처리부(118), FMD(124) 및 증발기(136)를 반드시 포함하여야 한다.

도 2에 도시된 냉동 처리부(118)는 몇 가지 기본적인 변형이 가능하다. 냉동 처리부(118)는 직렬 연결된 시스템의 한 단계일 수 있는데, 여기서 콘덴서(112)에서의 냉매의 초기 응결은 다른 단계로부터의 낮은 온도의 냉매에 의해 제공될 수 있다. 이와 유사하게, 냉동 처리부(118)에 의해 생성되는 냉매는 낮은 온도의 다단 처리부의 냉매를 냉각시켜 액화시키는 데 사용될 수 있다. 더욱이, 도 1은 단일 압축기를 나타낸 것이다. 이와 동일한 압축 효과를 병렬로 된 두 개의 압축기를 사용하여 얻을 수 있으며, 압축 처리를 직렬로 된 압축기 또는 2단 압축기를 통해 여러 단계들로 분리될 수 있다. 이러한 변형들은 본 발명의 범위 내에서 고려될 수 있다.

더욱이, 도 1 내지 도 4는 하나의 증발기 코일(136)에 관한 것이다. 원칙적 으로, 이러한 방법은 단일 냉동 처리부(118)에 의해 냉각되는 다수의 증발기 코일(136)들에 적용될 수 있다. 이러한 구성에 있어서, 각각 독립적으로 제어되는 증발기 코일(136)은 냉매의 공급을 제어하기 위한 밸브들과 FMD의 개별적인 세트[즉, 디프로스트 밸브(180), FMD(184), 디프로스트 밸브(178), FMD(182), FMD(126), 냉각 밸브(130), FMD(124) 및 냉각 밸브(128)]와 바이패스를 제어하는 데 필요한 밸브[즉, 체크 밸브(146) 및 바이패스 밸브(188)]를 필요로 한다.

증발기(136)는 도시된 바와 같이, 완성된 냉동 시스템(100)의 일부로서 합체될 수 있다. 다른 구조에 따르면, 증발기(136)는 주문형으로 혹은 다른 제3의 부품으로 제공되며, 완전한 냉동 시스템(100)을 설치할 때 조립된다. 증발기(136)의 제작은 매우 간단하고, 구리 혹은 스테인레스강 배관으로 구성되어도 좋다.

공급 밸브(176)와 서비스 밸브(190)는 필요할 경우 구성 요소들을 분리시키는 서비스 기능을 제공하는 슈페리어 팩리스 밸브(Superior Packless Valves; 펜실베니아주 워싱턴)와 같은 표준 다이아프램 밸브 또는 비례 밸브(proportional valve)이다.

팽창 탱크(192)는 가열로 인한 냉매 가스의 증발 및 팽창으로 인해 증가되는 냉매 부피를 수용하는 냉동 시스템의 일반적인 저장소이다. 이 경우, 냉동 시스템(100)이 꺼지면, 냉매 기체는 FMD(194)를 통해 팽창 탱크(192)로 들어간다.

냉각 밸브(128), 냉각 밸브(130), 디프로스트 밸브(178), 디프로스트 밸브(180) 그리고 바이패스 밸브(188)는 스포랜(Sporlan; 미주리지주 워싱턴 소재) 모델 xuj인 B-6 및 B-19 밸브와 같은 표준 솔레노이드 밸브이다. 또한, 냉각 밸브(128, 130)들은 폐쇄 루프 피드백을 갖춘 비례 밸브이거나 열팽창 밸브(thermal expansion valve)이다.

선택적인 체크 밸브(146)는 오직 일방향으로만의 흐름이 이루어지도록 하는 일반적인 체크 밸브이다. 체크 밸브(146)는 자신에게 가해지는 냉매 압력에 따라 열리고 닫힌다. (체크 밸브(146)에 대한 부가적인 설명은 다음과 같다.) 이 체크 밸브는 매우 낮은 온도에 노출되기 때문에 이 온도에 적합한 물질로 만들어야 한다. 그리고, 체크 밸브는 적절한 압력 등급을 가져야 하다. 또한, 체크 밸브는 냉매의 누출을 허용할 수 있는 밀봉부를 갖지 않는 것이 바람직하다. 따라서, 체크 밸브는 납땜 또는 용접에 의해 접속되어야 한다. 체크 밸브의 일례로 Check-All Valve(인디애나주 웨스트 데스 모이네스 소재)사의 UNSW 체크 밸브가 있다. 이러한 밸브는 단지 베이크아웃 기능이 요구되는 그러한 용례에만 요구된다.

FMD(124), FMD(126), FMD(182), FMD(184) 및 FMD(196)는 모세관, 오리피스, 피드백을 갖춘 비례 밸브 또는 흐름을 제어하는 제한 요소와 같은 일반적인 유량 계측 장치이다.

공급 밸브(122), 저온 격리 밸브(132, 140) 및 복귀 밸브(144)는 Superior Valve 사에서 제조되는 것과 같은 표준 다이아프램 밸브들이다. 그러나, 작은 양의 얼음이 나사부에 쌓여 동작을 방해하기 때문에 표준 다이아프램 밸브는 매우 낮은 온도에서 동작하기 어렵다. 그 대안으로, 폴리콜드(Polycold; 캘리포니아주 산 라파엘 소재)는 극저온 냉동 시스템(100)의 저온 격리 밸브(132, 140)에 사용되는 극저온 격리 밸브를 개발하였다. 저온 격리 밸브(132, 140)의 다른 실시예를 다음에 설명한다. 저온 격리 밸브(132, 140)는 질소나 공기가 채워진 밀봉된 스테인레스강 튜브에 담긴 팽창 샤프트를 가진다. 상기 샤프트가 회전함에 따라 샤프트의 고온 쪽의 압축 이음쇠 및 O링에 의해 밀봉된다. 결과적으로, 저온 격리 밸브(132, 140)의 샤프트는 매우 낮은 온도에서도 회전할 수 있다. 이러한 샤프트 배열은 열적 격리를 제공함으로써 서리의 생성을 방지한다.

가열되거나 냉각되는 증발기 표면은 증발기 코일(136)로 나타내었다. 주문형 증발기 코일(136)의 예로서, 금속관의 코일, 혹은 열적으로 접합된 튜브 또는 기계 가공된 냉매 유동 채널을 가진 스테인레스강 테이블과 같은 판이 있다.

도 2에는 본 발명에 따른 예시적인 냉동 처리부(118)가 도시되어 있다. 설명을 위해 본 명세서에서 냉동 처리부(118)는 자동 냉동 다단 사이클로서 도 2에 도시하였다. 그러나, 극저온 냉동 시스템(100)의 냉동 처리부(118)는 단일 냉매 시스템, 혼합 냉매 시스템, 일반적인 냉동 처리부, 다단 냉동 처리부들의 개별적인 스테이지, 자동 냉동 다단 사이클, 클리멘코 사이클 등과 같은 냉동 시스템 또는 처리부이다.

보다 상세히 설명하면, 냉동 처리부(118)는 상 분리가 없는 단일 단의 저온 냉각기를 갖춘 자동 냉동 다단 처리 시스템(Longsworth 명의의 미국 특허 제5,441,658호), 미시머(Missimer)형 자동 냉동 다단 시스템(즉, 미시머 명의의 미국 특허 제3,768,273호), 혹은 클리멘코형(즉, 단일 상 분리기) 시스템일 수 있다. 또한, 냉동 처리부(118)는 미국 특허 제4,597,267호(Forrest 명의) 및 제4,535,597호(Missimer 명의)에 기술된 것과 같은 상기 처리 장치의 변형일 수 있다.

본 발명에 있어서 중요한 것은 사용되는 냉동 처리부가 디프로스트 모드 또는 대기 모드(증발기로의 흐름이 없음)에서 냉동 처리부를 통해 냉매를 흐르게 하는 적어도 하나의 수단을 가져야 한다는 것이다. 단일 팽창 장치 냉각기 또는 단일 냉매 시스템의 경우, 냉매가 고압측에서 저압측으로 냉동 처리부를 통해 흐르게 하기 위해 밸브(도시 생략) 및 FMD(도시 생략)를 필요로 한다. 이에 따라 냉매가 콘덴서(112)를 통해 흐름으로써 시스템으로부터 열이 제거된다. 또한, 디프로스트 모드 동안 냉동 처리부(118)로부터의 낮은 압력의 냉매가 라인(186)으로부터 복귀하는 디프로스트 냉매와 혼합된다. 안정화된 냉각 모드에서, 고압측으로부터 저압측으로의 내부 흐름은 원하는 냉동 효과를 얻기 위해 내부의 냉매 흐름 경로를 필요로 하지 않는 냉동 처리부(단일 FMD를 갖춘 일반적인 시스템)에 대하여 상기 밸브를 닫음으로써 정지시킬 수 있다.

냉동 처리부는 증발기의 냉각이 필요하지 않을 때에도 계속 작동하는 것이 중요하다. 연속된 작동은 냉동 처리부(118)를 매우 낮은 온도로 유지시키고 필요에 따라 증발기의 신속한 냉각 특성을 제공한다.

도 2의 냉동 처리부(118)는 열교환기(202), 상 분리기(204), 열교환기(206) 및 열교환기(208)를 구비한다. 공급 흐름 경로에서, 액체 라인(116)을 흐르는 냉매는 열교환기(202), 상 분리기(204), 열교환기(206), 열교환기(208) 및 선택적인 열교환기(212)를 통해 흐른다. 열교환기(212)로부터의 고압 출구는 노드(G)에서 분기되어 있다. 하나의 분기부는 FMD(214)로 향하고, 다른 하나는 냉매 공급 라인(120)으로 향한다. 열교환기(212)는 서브쿨러(subcooler)로 알려져 있다. 몇 몇 냉동 처리부는 이러한 열교환기를 필요로 하지 않으며, 이에 따라 선택적인 구성 요소가 된다. 열교환기(212)가 사용되지 않을 경우, 열교환기(208)로부터 흘러나오는 고압 흐름은 냉매 공급 라인(120)으로 공급된다. 복귀 흐름 경로에서, 냉매 복귀 라인(148)은 열교환기(208)에 연결되어 있다.

서브쿨러를 구비하는 시스템에 있어서, 서브쿨러로부터 흘러나오는 저압 냉매는 노드(H)에서 냉매 복귀 흐름과 혼합되며, 이 혼합된 냉매는 열교환기(208)로 흐른다. 열교환기(208)로부터 흘러나오는 저압 냉매는 열교환기(206)로 흐른다. 상 분리기에 의해 제거된 액체 분류는 FMD(210)에 의해 저압으로 팽창된다. 냉매는 FMD(210)로부터 흘러 나와 상기 열교환기(208)로부터 열교환기(206)로 흐르는 저압의 냉매와 혼합된다. 이 혼합된 냉매는 열교환기(206)로 흐른 다음 열교환기(202)를 거쳐 압축기 흡입 라인(164)으로 공급된다. 상기 열교환기들은 고압 냉매와 저압 냉매 사이의 열을 교환시킨다.

보다 정교한 냉동 다단 시스템에서는 미시머(Missimer) 와 포레스트 (Forrest)에 의해 기술된 바와 같이 냉동 처리부(118)에 부가적인 분리 스테이지를 이용할 수 있다.

열교환기(202, 206, 208, 212)들은 하나의 물질에서 다른 물질로 열을 전달하기 위한 해당 분야에서의 공지의 장치이다. 상 분리기(204)는 냉매의 액체 상태와 기체 상태를 분리시키기 위한 해당 분야에서의 공지의 장치이다. 도 2는 하나의 상 분리기를 도시하였으나, 하나 이상이 존재할 수도 있다.

열교환기(212)는 일반적으로 서브쿨러로 언급된다. 일반적인 냉동 시스템은 또한 서브쿨러라 불리는 장치를 구비하기 때문에 혼돈할 여지가 있다. 일반적인 냉동 시스템에 있어서, 서브쿨러는 실온에서 유입하는 응축된 방출 냉매를 냉각시키기 위해 증발기 복귀 가스를 사용하는 열교환기로서 언급된다. 이러한 시스템이 있어서, 각각의 열교환기측에서의 흐름은 항시 평형을 이룬다. 본 명세서에서 예시된 시스템에 따르면, 서브쿨러는 상이한 기능을 발휘한다. 그것은 증발기로 복귀하는 냉매와 열교환하지 않는다. 그 대신, 서브쿨러는 증발기로부터의 방출 냉매의 일부를 전용하여 그것을 냉매가 증발기의 냉각기로 향하도록 하기 위해 사용한다. 몇몇 경우에는, 부분적으로 냉각된 액체를 생성할 수 있기 때문에 서브쿨러로서 언급되지만, 일반적인 서브쿨러와 매우 다른 방식으로 기능을 한다.

요약하자면, 전술한 용례를 위해, 서브쿨러는 매우 낮은 온도의 혼합 냉매 온도 시스템에 사용된 열교환기로 언급되며, 고압 냉매를 냉각시키기 위해 사용될 시스템에서 가장 저온의 고압 냉매의 일부를 전용함으로써 작동된다.

매우 낮은 온도로 혼합 냉매 프로세스에서 열교환기를 통해 흐르는 유체는 대부분의 프로세스의 지점에서 통상적으로 2이상의 혼합물 상태로 존재한다. 따라서, 혼합물의 균질성을 유지하기 위해 적절한 유체 속도를 유지하는 것은 상기 흐름 중의 액체 및 기체 부분이 분리되고 시스템의 수행을 저하시키는 것을 방지하는 데 요구된다. 본 발명을 실시하는 시스템과 같이 여러 가지의 동작 모드에서 시스템이 기능을 하고 있을 경우, 전술한 2상의 흐름을 적절히 처리하기 위해 충분한 냉매 흐름을 유지하는 것은 신뢰성 있는 작동의 보장에 있어 중요하다.

계속해서 도 1 및 도 2를 참조하면, 극저온 냉동 시스템(100)의 동작은 다음 과 같다.

압축기(104)로부터의 고온 고압 가스가 선택적인 오일 분리기(108)를 통과한 후, 콘덴서(112)를 거침으로써 콘덴서를 통과하는 공기나 물에 의해 냉각된다. 상기 가스가 콘덴서(112)의 끝에 도달하면, 부분적으로 응결되어 액체 냉매와 기체 냉매의 혼합물이 된다.

콘덴서(112)로부터의 액체 및 기체 냉매는 필터 드라이어(114)를 통해 흐른 후, 냉동 처리부(118)로 공급된다. 극저온 냉동 시스템(100)의 냉동 처리부(118)는 일반적으로 고압에서 저압으로의 내부 냉매 흐름 경로를 가진다. 냉동 처리부(118)는 고압의 극저온 냉매(-90 내지 -208℃)를 생성하며, 이 냉매는 냉매 공급 라인(120)을 거쳐 저온의 가스 공급 밸브(122)로 흐른다.

상기 저온 냉매는 공급 밸브(122)에서 방출되어 FMD(126)와 제한된 플로우 냉각 밸브(130)의 직렬 조합과 병렬로 배열된 FMD(124)와 풀 플로우(full flow) 냉각 밸브(128)의 직렬 조합으로 공급된다. 여기서, 냉각 밸브(128, 130)의 출구들은 저온 격리 밸브(132)의 입구와 연결되는 노드(D)에서 서로 연결된다.

차단 밸브로 작용하는 저온 격리 밸브(132)와 저온 격리 밸브(140) 사이에 증발기 코일(136)을 연결한다. 저온 격리 밸브(132)는 가열되거나 냉각될 증발기 표면, 즉, 증발기 코일(136)과 연결되는 증발기 공급 라인(134)에 연결된다. 가열되거나 냉각될 증발기 표면, 즉, 증발기 코일(136)의 반대편은 저온 격리 밸브(140)의 입구와 연결되는 증발기 복귀 라인(138)과 연결된다.

증발기 코일(136)로부터 복귀하는 냉매는 저온 격리 밸브(140)를 거쳐 극저 온 플로우 스위치(152)로 흐른다.

저온 플로우 스위치(152)의 출구로부터 방출되는 복귀 냉매는 복귀 밸브(144)를 거쳐 체크 밸브(146)로 흐른다. 체크 밸브(146)는 1 내지 10psi의 일반으로 요구되는 크랙킹 압력을 갖는 스프링이 달린 저온 체크 밸브이다. 체크 밸브(146)에 대한 차압(differential pressure)은 흐름을 허용하는 크랙킹 압력보다 높아야 한다. 또한, 체크 밸브(146)는 압력 감소를 최소화하기에 충분한 크기의 저온 온/오프 밸브 또는 저온 비례 밸브이다. 체크 밸브(146)의 출구는 냉매 복귀 라인(148) 통해 냉동 처리부(118)로 연결된다. 체크 밸브(146)는 본 발명의 냉동 시스템(100)의 동작에서 중요한 역할을 한다.

공급 밸브(122)와 복귀 밸브(144)는 선택적인 것으로 저온 격리 밸브(132)와 저온 격리 밸브(140)로 각각 대체될 수 있다는 데 주목해야 한다. 그러나, 공급 밸브(122)와 복귀 밸브(144)는 필요한 경우 구성 요소들을 격리시키는 서비스 기능을 제공한다.

극저온 냉동 시스템(100)은 주로,

매우 낮은 온도를 획득하며,

비등점이 적어도 50℃ 만큼 상이한 냉매로 이루어지는 냉매 혼합물을 사용하고, 이 냉매 혼합물이 종래 기술에 의한 통상의 냉동 시스템과 매우 상이하게 거동한다는 점;

하나 이상의 냉각 모드, 즉, 디프로스트, 대기 및 베이크아웃 모드에서 작동할 수 있고, 이에 따라 광범위의 작동 조건을 포함해야 할 필요가 있는 시스템에 사용된다는 점; 그리고

상기 용례에 개시된 방법에 따라 냉매의 응고를 적극적으로 방지할 수 있다는 점

에 의해 종래의 냉동 시스템과 구별되는 특징이다.

이러한 차별화는 본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 모든 실시예들에 적용된다.

본 발명에 사용된 극저온 혼합 냉매 시스템(VLTMRS)에 사용 가능한 구체적인 냉매의 예들은 본 명세서에서 합체되어 본 발명의 일부를 구성하는 미국 특허 출원 번호 제09/728,501호, 제09/894,968호, 미국 특허 제5,441,658호(Longsworth)를 들 수 있다. 보다 구체적으로, 몇몇 선택된 혼합 냉매들로는 다음과 같다(ASHRAE 표준 넘버 34로 정의된 "R" 숫자를 참조). 여기서, 괄호 내의 숫자는 잠재적인 몰 분율의 범위를 나타낸다.

R-123 (0.01 내지 0.45), R-124 (0.0 내지 0.25), R-23 (0.0 내지 0.4), R-14 (0.05 내지 0.5) 및 아르곤 (0.0 내지 0.4)을 포함하는 혼합물 A

R-236fa (0.01 내지 0.45), R-125 (0.0 내지 0.25), R-23 (0.0 내지 0.4), R-14 (0.05 내지 0.5) 및 아르곤 (0.0 내지 0.4)을 포함하는 혼합물 B

R-245fa (0.01 내지 0.45), R-125 (0.0 내지 0.25), R-23 (0.0 내지 0.4), R-14 (0.05 내지 0.5) 및 아르곤 (0.0 내지 0.4)을 포함하는 혼합물 C

R-236fa (0.01 내지 0.45), R-245fa (0.0 내지 0.45), R-134a, R-125 (0.0 내지 0.25), R-218 (0.0 내지 0.25), R-23 (0.0 내지 0.4), R-14 (0.05 내지 0.5), 아르곤 (0.0 내지 0.4), 질소(0.0 내지 0.4) 및 네온(0.0 내지 0.2)을 포함하는 혼합물 D

프로판 (0.0 내지 0.5), 에탄 (0.0 내지 0.3), 메탄 (0.0 내지 0.4), 아르곤 (0.0 내지 0.4), 질소 (0.0 내지 0.5) 및 네온 (0.0 내지 0.3)을 포함하는 혼합물 E

전술한 혼합물과 그 혼합물 성분들의 잠재적인 조합은 무한정으로 가능하다는 것을 인식해야 한다. 또한, 상이한 혼합물의 성분들의 몇몇 조합은 몇몇 용례에서 유용할 수 있는 것으로 고려된다. 더욱이, 목록에 없는 다른 성분들도 추가될 수 있다는 것으로 고려된다. 그러나, 상기 목록에 기재된 비율에서 그리고 다른 목록에 기재된 혼합물들과의 조합에서 전술한 성분들을 사용하는 혼합물들은 본 발명의 영역에 포함된다.

체크 밸브(146)가 존재하지 않는 종래의 냉동 시스템의 경우, 복귀되는 냉매는 (냉각 또는 디프로스트 모드에서) 직접 냉동 처리부(118)로 흐른다. 그러나, 디프로스트 사이클 동안, 냉동 처리부(118)로 복귀되는 냉매의 온도가 디프로스트 사이클의 최종 온도인 +20℃에 도달하면 냉동 처리부(118)는 동작이 끝나게 되는 것이 일반적이다. 이때, +20℃의 냉매는 냉동 처리부(118) 내에서 매우 저온의 냉매와 혼합된다. 상온과 매우 낮은 온도의 냉매가 냉동 처리부(118)에서 혼합되면 너무 많은 열이 부가되어 냉동 처리부(118)에 과부하가 걸리기까지 짧은 시간밖에는 냉동 처리부(118)가 버틸 수 없다. 냉동 처리부(118)는 고온 복귀 냉매가 들어오면 저온의 냉매를 생성하기 위해 긴장하여 결국에는 동작 한계를 넘어 그 자신을 보호하기 위해 안전 시스템(198)에 의해 차단되게 된다. 결과적으로, 종래의 냉동 시스템에서의 디프로스트 사이클은 약 2분 내지 4분으로 제한되며, 최대 냉매 복귀 온도는 약 +20℃로 제한된다.

그러나, 본 발명의 극저온 냉동 시스템(100)은 냉동 처리부(118)로의 복귀 경로에 체크 밸브(146)를 가지며, 냉동 처리부(118) 주위에 노드(E)에서 노드(F)로의 바이패스 라인(186), 바이패스 밸브(188) 및 서비스 밸브(190)를 거쳐 이어지는 복귀 바이패스 루프를 가지기 때문에 디프로스트 사이클 동안 복귀되는 고온 냉매에 대한 다른 반응이 가능하게 된다. 공급 밸브(122) 및 복귀 밸브(144)와 마찬가지로 서비스 밸브(190)는 필수 구성 요소가 아니나, 필요할 경우 구성 요소들을 분리시키는 서비스 기능을 제공한다.

디프로스트 사이클 동안, 저온 냉매와 혼합되는 고온 냉매로 인해 냉동 처리부(118) 내의 복귀 냉매 온도가 예컨대 -40℃ 이상이 되면, 노드(E)에서 노드(F)로 이어지는 바이패스 라인이 냉동 처리부(118) 주위에서 오픈된다. 결과적으로, 상기 고온 냉매는 압축기 흡입 라인(164)으로 흘러들어가 압축기(104)로 흐르게 된다. 바이패스 밸브(188)와 서비스 밸브(190)는 TS(158), TS(160) 및 TS(162)의 작용에 의해 오픈된다. 예를 들면, TS(158)은 -25℃ 이상의 세트 포인트를 갖는 "디프로스트 플러스 스위치"로 동작한다. TS(160)(선택적임)는 42℃ 이상의 세트 포인트를 갖는 "디프로스트 종료 스위치"로 동작한다. TS(162)는 -80℃ 이상의 세트 포인트를 갖는 "냉각 복귀 제한 스위치"로 동작한다. 일반적으로, TS(158), TS(160) 및 TS(162)는 어느 밸브를 턴 온 또는 턴 오프시켜 냉동 시스템(100)에 의해 가열 또는 냉각되는 속도를 조절할 지를 제어하기 위해 복귀 라인의 냉매의 온도와 동작 모드(즉, 디프로스트 또는 냉각 모드)에 따라 반응한다. 몇몇 용례들은 베이크아웃 모드로 언급되는 연속적인 디프로스트 동작을 필요로 한다. 이 경우, 디프로스트 모드의 연속적인 동작이 필요하기 때문에 TS(160)는 디프로스트 모드를 종료시킬 필요가 없다.

상기 동작에 있어서 중요한 점은 바이패스 밸브(188)와 서비스 밸브(190)를 통한 흐름이 있을 때, 노드(E)와 노드(F) 사이의 차압을, 체크 밸브(146)에 대한 차이가 크랙킹 압력(즉, 5 내지 10psi)을 넘지 않도록 해야 한다는 것이다. 이것은 액체가 최소 저항의 경로를 취하기 때문에 중요하며, 따라서 상기 흐름은 정확하게 균형이 이루어져야 한다. 바이패스 밸브(188)와 서비스 밸브(190)에 대한 압력이 체크 밸브(146)의 크랙킹 압력을 초과할 경우, 흐름은 체크 밸브(146)를 통해 시작된다. 이것은 고온 냉매가 압축기 흡입 라인(164)과 압축기(104)로 들어감과 동시에 냉동 처리부(118)로 다시 흐르기 시작하기 때문에 바람직하지 않다. 체크 밸브(146)와 노드(E)에서 노드(F)로 이어지는 바이패스 루프를 통해 동시에 흐름이 있으면 냉동 시스템(100)이 불안정하게 되어 런어웨이(runaway) 모드를 초래하게 된다. 런어웨이 모드에서는 모든 것의 온도가 올라가고, 최고 압력(압축기 방출)이 높아지며 흡입 압력도 높아져 냉동 처리부(118)로 더 많이 흐르게 되고, 노드(E)에서의 압력은 더욱 높아져 결국에는 냉동 시스템(100)의 차단을 초래하게 된다.

이러한 조건은 흡입 압력이 소정의 값을 초과할 경우 냉동 처리부로의 고온 가스의 흐름을 중지시키기 위해 PS(196)와 같은 장치를 사용하면 방지할 수 있다. 냉동 시스템(100)의 질량 유량은 주로 흡입 압력에 의존하므로 이것은 안전한 범위에서 유량을 제한하는 효과적인 수단이 된다. 흡입 압력이 소정 한계 이하로 떨어지면, PS(196)는 리셋되어 디프로스트 동작이 재개시되도록 한다.

따라서, 냉동 시스템(100)의 디프로스트 사이클 동안의 적절한 동작을 위해서는 바이패스 밸브(188)와 서비스 밸브(190) 및 체크 밸브(146)의 플로우 밸런스(flow balance)를 주의하여 조절함으로써 유체 저항의 적절한 균형을 제공한다. 플로우 밸런스와 관련된 설계 파라미터에는 파이프 크기, 밸브 크기 및 각각의 밸브의 유량 계수가 포함된다. 또한, 흡입측(저압)에서의 냉동 처리부(118)에서의 압력 저하는 처리시마다 달라질 수 있으므로 결정할 필요가 있다. 냉동 처리부(118)에서의 압력 저하와 체크 밸브(146)의 크랙킹 압력을 더한 압력은 노드(E)에서 노드(F)로 이어지는 디프로스트 복귀 바이패스 라인이 견딜 수 있는 최대 압력이다.

바이패스 밸브(188)와 서비스 밸브(190)는 디프로스트 사이클이 되었을 때 즉시 오픈되지 않는다. 바이패스 흐름이 시작되는 시간은 TS(158), TS(160) 및 TS(162)의 세트 포인트들에 의해 결정됨으로써 복귀하는 냉매의 온도가 보다 정상적인 수준에 도달할 때까지 상기 흐름은 지연된다. 이에 따라, -40℃ 이상의 온도에 대해 설계된 보다 표준적인 구성 요소들을 사용할 수 있으며, -40℃ 이하의 온도를 위해 설계된 비싼 구성 요소들을 사용할 필요가 없게 된다.

TS(158), TS(160), TS(162)의 제어에 의해 압축기 흡입 라인(164)의 노드(F) 로 복귀되어 냉동 처리부(118)로부터의 흡입 복귀 가스와 혼합되는 액체의 냉매 온도가 설정된다. 이 냉매 혼합물은 압축기(104)로 흐른다. 예상되는 압축기(104)에 대한 복귀 냉매의 온도는 -40℃ 이상이다. 따라서, 압축기(104)의 동작 범위 내에서 노드(E)에서의 -40℃ 이상의 액체는 허용 가능하다. 이것은 TS(158), TS(160), TS(162)의 세트 포인트들을 선택할 때 또 다른 고려 사항이 된다.

TS(158), TS(160), TS(162)의 세트 포인트들을 선택하는 데는 두 가지 제한이 존재한다. 첫째, 디프로스트 바이패스 복귀 냉매의 온도는 냉동 처리부(118)가 높은 방출 압력으로 인해 차단되는 온도와 같은 높은 온도로 선택될 수 없다. 둘째, 디프로스트 바이패스 복귀 냉매의 온도는 바이패스 라인(186)을 흐르는 복귀 냉매가 바이패스 밸브(188)와 서비스 밸브(190)가 견딜 수 있는 것보다 낮아진 만큼 저온이 될 수 없다. 또한, 복귀되는 냉매는 냉동 처리부(118)의 복귀 냉매와 노드(F)에서 혼합되면 압축기(104)의 동작 한계 이하로 될 수 없다. 노드(E)에서의 일반적인 크로스오버 온도는 -40℃ 에서 +20℃ 사이이다.

요약하면, 냉동 시스템(100)에서의 디프로스트 사이클의 복귀 흐름은 디프로스트 사이클 동안 디프로스트 가스가 연속적으로 냉동 처리부(118)로 되돌아 갈 수 없도록 한다. 그 대신에, 냉동 시스템(100)은 복귀 바이패스[노드(E)에서 노드(F)까지]로 하여금 냉동 처리부(118)의 과부하를 방지하도록 함으로써 디프로스트 사이클이 연속적으로 동작하도록 한다. TS(158), TS(160), TS(162)는 노드(E)에서 노드(F)로 이어지는 디프로스트 복귀 바이패스를 오픈시키도록 제어한다. 냉각 모드에서 일단 저온이 되면 노드(E)에서 노드(F)로 이어지는 상기 디프로스트 복귀 바이패스는 허용되지 않는다.

이상 본 발명의 냉동 시스템(100)의 디프로스트 사이클의 복귀 경로에 대해 설명하였으며, 이하에서는 도 1을 참조하여 디프로스트 사이클의 공급 경로에 대하여 설명할 것이다. 디프로스트 사이클 동안, 압축기(104)로부터의 고온의 고압 가스는 선택적인 오일 분리기(108) 아래에 위치하는 방출 라인(110)의 노드(A)를 통해 흐른다. 노드(A)에서의 상기 고온 가스는 통상 80℃ 내지 130℃ 사이이다.

상기 고온 가스는 노드(A)에서 냉동 처리부(118)를 바이패스하고, 솔레노이드 디프로스트 밸브(178) 또는 솔레노이드 디프로스트 밸브(180)를 열고 밸브(128, 130)를 잠금으로써 가스의 흐름을 전환시킴에 따라 콘덴서(112)로 들어가지 않게 된다. 도 1에서 설명한 바와 같이, 디프로스트 밸브(178)는 FMD(182)와 직렬로 배치되고 이와 마찬가지로 디프로스트 밸브(180)는 FMD(184)와 직렬로 배치된다. 디프로스트 밸브(178)와 FMD(182)의 직렬 조합은 디프로스트 밸브(180)와 FMD(184)의 직렬 조합과 노드(B)와 노드(C) 사이에서 병렬로 배열된다. 디프로스트 밸브(178) 또는 디프로스트 밸브(180)와 그의 관련된 FMD는 플로우 조건에 따라 병렬로 또는 각각 분리되어 동작될 수 있다.

각각이 냉동 시스템(100)의 노드(B)와 노드(C) 사이에서 FMD와 직렬로 연결되는 디프로스트 밸브를 갖는 병렬 경로들의 개수는 도 1에 나타낸 바와 같이 2개로 제한되지 않는다는 데 주목해야 한다. 다수의 흐름 경로들이 노드(B)와 노드(C) 사이에 존재함으로써 병렬 경로 조합의 선택에 의해 원하는 유량을 결정할 수 있도록 한다. 예컨대, 10% 흐름 경로, 20% 흐름 경로, 30% 흐름 경로 등이 있 을 수 있다. 바이패스 밸브(188)를 경유하는 노드(E)에서 노드(F)로 이어지는 복귀 바이패스 루프가 존재할 경우, 원하는 시간 동안 노드(C)로부터의 흐름은 노드(D)로 진행한 후, 저온 격리 밸브(132)를 거쳐 주문형 증발기 코일(136)로 가게 된다. 노드(A)에서 노드(D)로 이어지는 디프로스트 공급 루프는 종래의 냉동 시스템에서 사용되는 표준 디프로스트 루프이다. 그러나, 디프로스트 밸브(178), 디프로스트 밸브(180) 및 이들과 관련된 FMD들을 추가하는 데에 흐름 제어가 가능한 본 발명의 냉동 시스템(100)의 고유한 특징이 있다. 또한, 디프로스트 밸브(178, 180) 자체가 충분한 유량계로서 유량 제어 장치, 즉, FMD(182) 및 FMD(184)가 필요 없게 된다.

이상 본 발명의 냉동 시스템(100)의 디프로스트 사이클에 대해 설명하였으며, 이하에서는 도 1을 참조하여 냉각 사이클 동안의 상기 디프로스트 복귀 바이패스 루프의 사용에 대하여 설명할 것이다. 냉각 모드에서, 바이패스 밸브(188)는 닫혀진다. 따라서, 고온의 냉매는 냉동 처리부(118)를 통해 노드(E)에서 노드(F)로 흐르게 된다. 그러나, 냉매 복귀 라인(142) 상에서의 냉매의 온도를 모니터링함으로써 노드(E)에서의 냉매의 온도가 높지만 감소하고 있는 경우 냉각 모드의 초기 단계에서 바이패스 밸브(188)가 오픈되도록 할 수 있다. 디프로스트 복귀 바이패스 루프가 동작되도록 함으로써 이 기간 동안 냉동 처리부(118)로 부하가 더 이상 걸리는 것을 방지하도록 할 수 있다. 노드(E)에서의 냉매 온도가 상기 크로스오버 온도(즉, -40℃ 이상)에 도달하면, 바이패스 밸브(188)는 닫힌다. 바이패스 밸브(188)는 냉각 모드와 베이크아웃에 대하여 각기 다른 세트포인트들을 사용하여 오픈시킨다.

냉각 사이클에 있어서, 냉각 밸브(128)와 냉각 밸브(130)는 약 1분의 주기를 갖는 "초퍼(chopper)" 회로(도시 생략)를 사용하여 온/오프(pulsed) 동작을 하도록 할 수 있다. 이것은 냉각 모드 동안의 변화율을 제한하는데 유용하다. 냉각 밸브(128)와 냉각 밸브(130)는 서로 다른 크기의 FMD를 가진다. 따라서, 냉각 밸브(128)와 냉각 밸브(130)를 통하여 경로 제한이 다르므로 오픈 루프 방식으로 흐름이 조정된다. 상기 경로는 필요에 따라 선택된다. 하나의 흐름 경로가 완전히 오픈되고 다른 경로는 온/오프 동작을 할 수 있다.

냉동 시스템(100)이 개시되고 또 대기, 디프로스트 및 냉각 모드에서 동작될 때 냉동 시스템의 연속적인 동작을 제공함으로써 본 명세서에 설명한 냉매 성분들을 적절하게 균형을 유지하는 것이 요구된다. 냉매 혼합물이 정확한 조성 범위에서 정확한 성분들을 갖지 않을 경우, 냉동 시스템(100)이 제어 시스템에 의해 턴 오프되도록 해주는 폴트 조건(fault condition)을 겪게 될 것이다. 통상의 폴트 조건은 낮은 흡입 압력, 높은 방출 압력 혹은 높은 방출 온도이다. 이러한 조건들 각각을 검출하기 위한 센서들은 냉동 시스템(100)에 포함되고, 또 제어 시스템의 안정한 인터록(interlock)에 포함될 필요가 있다. 전술한 동결 방지 방법은 임의의 폴트 조건에서 유닛을 차단하지 않고 여러 동작 모드에 성공적으로 적용될 수 있다는 것을 알 수 있다.

극저온 혼합 냉매 시스템(VLTMRS)의 신뢰할 수 있는 동작을 위해서는 냉매가 동결되지 않도록 하는 것이 요구된다. 불행하게도, 특정의 냉매 혼합물이 언제 동 결될 것인가를 예측하기는 어렵다. 미국 특허 출원 제09/894,968호에는 특정의 냉매 혼합물의 특정의 동결 온도에 대해 개시되어 있다. 혼합물읜 실제 동결 온도는 구체적인 상호 작용 파라미터 데이터가 알려져 있을 경우 다양한 분석 툴을 이용하여 예측될 수 있다. 그러나, 이러한 데이터는 통상적으로 이용 가능한 것이 아니며, 동결이 일어나는 포인트를 평가하기 위해 실험상의 테스트를 행하여야 한다.

냉동 처리부 둘레에 냉매를 많이 바이패스시키는 것을 이용함으로써 또는 증발기에 냉각이 불필요할 때 냉동 처리부(118)에 의해 생성되는 냉각량을 제한하기 위해 압축기의 유량을 저감시킴으로써 동결 방지를 위한 또 다른 방법을 고려할 수 있다. 이러한 방법이 안고 있는 문제점은, 저감해야 할 냉매 흐름의 정도가 2상의 흐름을 지지하기 위해 열교환기에 최소의 유량을 필요로 하도록 열교환기가 적절한 동작을 하지 못하게 하는데 있다.

또한, 전술한 바와 같이, 증발기의 신속한 냉각을 지지하기 위해 냉동 처리부를 매우 낮은 온도로 유지시키는 것이 중요하다. 따라서, 열교환기 내에는 높은 흐름이 유지되어야 한다. 그러나, 증발기의 부하가 없는 높은 흐름은 냉동 처리부(118)에서의 온도를 가장 낮게 하는 결과를 초래하여 동결을 유발할 수 있다.

주어진 극저온 혼합 냉매 시스템(VLTMRS)에 있어서, 증발기 및 내부 열교환기의 온도는 증발기 상의 열적 부하와 동작 모드에 기초하여 변하게 될 것이다. 냉각 모드에서의 증발기의 온도는 최고의 증발기 부하, 혹은 최대 비율의 부하(가장 높은 증발기 온도)에서 가장 낮은 증발기 부하(가장 낮은 증발기 온도)로 50℃의 범위에 이를 수 있다. 따라서, 시스템 하드웨어와 최대 비율의 부하에서의 동작을 위한 냉매 혼합물을 최적화시키는 것은 상기 시스템이 증발기 부하가 작거나 전혀 없을 때, 혹은 상기 시스템이 외부 부하가 없고 대기, 디프로스트 혹은 베이크아웃 모드에서 동작하게 될 때 동결 문제를 유발하게 된다. 이것은 새로운 HFC 냉매가 사용될 때 이러한 냉매가 이들의 CFC 및 이전의 HCFC 보다 더 고온의 빙점을 갖는 경향이 있기 때문에 특히 중요하다. 따라서, 최대 비율의 부하가 아닌 다른 조건에서 동결 없이 기능을 할 수 있는 시스템은 극저온 혼합 냉매 시스템(VLTMRS)의 사용자에게 있어 중요한 요구 사항이다.

도 2에는 본 발명에 따라 냉매의 동결을 방지하는 하나의 방법이 도시되어 있다. 상 분리기(204)로부터 FMD(216)로의 흐름 경로는 밸브(218)에 의해 제어된다. 이러한 흐름은 서브쿨러(212)로 유입하는 저압 냉매와 노드(J)에서 혼합된다. 서브쿨러가 사용되지 않을 경우, 상기 흐름 스트림은 최저온 고압 냉매와 열을 교환하게 될 최저온 저압 스트림과 혼합된다. 예컨대, 서브쿨러가 존재할 경우, 이러한 유동 스트림은 노드(H)에서 라인(48)으로부터 나오는 복귀 냉매를 혼합시킨다. 이러한 바이패스의 목적은 저압 흐름을 가온하는데 있으며, 이는 최저온 고압 냉매가 더 고온으로 되도록 해준다. 이러한 흐름의 바이패스 활동은 밸브(218)에 의해 제어된다. 이러한 밸브는 냉동 처리부에 요구되는 압력, 온도 및 유량에 대해 등급을 매길 필요가 있다. 일례로서, 밸브(218)는 스포랜 밸브 컴패니(Sporlan Valve Company)에서 입수 가능한 모델 xuj 밸브이다. FMD(216)는 필요에 따라 상기 흐름을 조절하는 임의의 수단이다. 몇몇 경우에 있어서, 모세관이 충분하다. 다른 용례에서는 조절 가능한 교축부(restriction)를 필요로 한다. 몇몇 경우에 있어서, 밸브(218) 및 FMD(216)의 제어 및 흐름 조절 특징은 단일의 비례 밸브에 조합된다.

본 명세서에서 설명한 것과 유사한 종래 기술에 의한 혼합 냉매의 극저온 냉동 시스템에는 밸브(218), FMD(216) 및 이와 관련되는 바이패스 루프에 대한 언급이 없다. 본 발명이 종래 기술과 차별되는 점은 이러한 부품을 사용하고 또 도 2에 도시된 이와 관련되는 배관을 사용하는 데 있다.

전술한 동결 방지 방법을 위해 고온 냉매를 공급원으로 선택하는 것도 주목할 만하다. 도 2에 도시된 바와 같은 양호한 방법은 상기 시스템에 가장 낮은 온도의 상 분리기로부터 기체 상을 제거하는 것이다. 이는 통상적으로 전술한 스트림의 동결 온도가 이것이 혼합될 스트림의 동결 온도보다 더 낮거나 동일하게 되는 것을 보장해준다. 이것은 상 분리기에서 더 높은 농도로 존재하는 낮은 비등점의 냉매가 통상 저온의 빙점을 가지기 때문에 일반적인 현상이다. 궁극적인 기준은 냉동 시스템(118)의 저온의 단부를 가온하기 위해 사용된 혼합물은 적어도 가온되고 있는 스트림만큼 낮은 동결 온도를 가져야한다는 것이다. 몇몇 특수한 조건에 있어서, 결과로 생긴 혼합물은 어느 개개의 스트림의 빙점보다 더 높거나 낮은 빙점을 가지게 될 것이다. 이러한 경우, 혼합이 일어나기 전후에 어느 스트림에서도 동결이 발생하기 않는다는 것이 기준이 된다.

더욱이, 상 분리기를 구비하지 않은 시스템에 있어서, 고온 냉매의 공급원은 상기 시스템에서 이용할 수 있는 임의의 고압 냉매일 수 있다. 상 분리기가 사용되지 않기 때문에, 액체 및 기체의 균일한 혼합물이 시스템의 도처에서 뒷받침될 경우 순환하는 혼합물은 시스템의 도처에서 동일하게 된다. 상기 시스템이 오일 분리기를 사용할 경우, 고온 냉매의 공급원은 상 분리기 뒤에 있어야 한다.

포레스트(Forrest) 등의 명의의 미국 특허 제4,763,486호에는 증발기 입구와 조화되어 있는 상 분리기로부터 나오는 액체 응축물을 사용하는 극저온 혼합 냉매 시스템(VLTMRS)을 위한 온도 및 용량 제어 방법이 개시되어 있다. 액체 응축물의 바이패스는, 통상 가장 높은 빙점을 갖는 성분인 더 높은 비등점의 냉매가 액체 응축물에 더 풍부해지기 때문에 본 발명의 것과 일치하지는 않는다. 따라서, 전술한 포레스트 등의 방법을 이용하는 처리는 결과로 생긴 혼합물이 더 높은 빙점을 가지기 때문에 냉매가 동결할 가능성을 증가시키게 된다.

더욱이, 포레스트 등의 처리에 있어서 바이패스 흐름을 증발기로 유입시키는 것이 요구된다. 따라서, 이러한 방법은 대기 모드 혹은 베이크아웃 모드에 사용할 수 없는데 그 이유는 상기 방법이 증발기의 냉각을 유발하기 때문이다. 이에 반해, 대기 모드 및 베이크아웃 모드는 증발기의 냉각이 발생하는 것을 필요로 하지 않는다.

포레스트 등의 특허는 혼합물의 동결 온도 근처에서의 동작에 대한 언급이 없다. 이와는 반대로, 포레스트의 제어 방법은 따뜻한 온도에서 동작하며 약 -100℃ 이하의 온도에서는 턴 오프한다. 극저온 혼합 냉매 시스템(VLTMRS)에서의 동결과 관련되는 온도는 통상 -130℃ 혹은 그 이하가 통상적이다. 따라서, 포레스트 등의 특허에서 언급된 방법은 동결을 방지하지 못하며 대기 모드 혹은 베이크아웃 모드에서의 작동을 지지하지 못한다.

본 발명의 교시에 따르면, 가열 목적을 위해 흐름을 바이패싱하는 방법을 다르게 변형할 수 있다. 그 일례로서, 상 분리기에서 나온 액체 혹은 상 분리기로 공급되는 2상의 혼합물은, 이들이 혼합될 스트림보다 더 낮은 빙점을 가질 경우 충분할 수 있다. 적용 가능한 액체와 기체 비율의 조합 방법은 무한정으로 존재한다. 이러한 조합들은 하나 이상의 고온 스트림을 저온 스트림과 함께 혼합시킨 혼합물을 고려함으로써 더 확대될 수 있다. 본 발명의 전술한 제1의 실시예에서 중요한 점은 최저온 고압 냉매와 열교환되는 저압의 냉매와 혼합시키기 위해 하나 또는 그 이상의 흐름 제어 장치를 통해 고온 스트림의 루트를 정하여 냉매의 온도가 동결이 발생하지 않도록 충분히 따뜻해지도록 하는 것이다.

적극적인 동결 방지 방법을 사용할 때, 사용된 방법 및 이 방법에 사용된 제어가 전술한 베이크아웃 모드를 성공적인 방법으로 사용할 수 있는가 없는가를 결정한다는 것을 실험을 통해 밝혀졌다. 몇몇 경우, 노출된 방법의 부적절한 균형은 흡입 압력이 계속해서 상승하게 되는 불안전한 작동을 초래하는 것으로 관찰되었다. 심지어 PS(196)을 경유하여 베이크아웃 흐름을 저지하기 위한 제어에 있어서, 흡입 압력은 반복적으로 허용할 수 없는 높은 수준에 도달하여 체크 밸브의 스프링력에 과부하를 초래하게 되는 것으로 관찰되었다. 따라서, 일련의 모세관 중의 어느 하나가 작동 모드 및/또는 조건들에 기초하여 흐름의 제한 정도의 변화에 영향을 주기 위해 개별적으로 혹은 함께 사용 및 제어되거나, 그 대안으로 비례 밸브가 필요에 따라 흐름을 조절하기 위해 사용될 수 있다.

일반적으로, 상 분리기로부터 FMD(216)로의 가스, 혹은 가스 및 액체 혼합물의 흐름을 이용하는 것이 가장 간단한 제어 수단을 제공한다. 그 이유는 모세관을 통한 가스 혹은 가스 플러스 액체의 흐름이 하류 압력의 변화에 덜 민감하기 때문이다. 이와는 대조적으로, 모세관을 통한 액체의 흐름은 하류 압력의 변화에 더욱 민감하게 된다. FMD(216)로의 유입시 충분하게 액화하지 못한 냉매 혼합물의 사용은 모세관의 사용을 허용해주며, 냉각, 디프로스트 및 베이크아웃 모드 중에 흡입 압력의 주요한 변화를 허용하면서 동결을 방지하기 위한 간단하고 효과적인 수단을 제공한다.

일반적으로, FMD로 공급되는 가스와 액체의 비율은 몇몇 정해진 한계 내에서 제어되는 것이 바람직하다. 이렇게 제어하는 것을 실패하면, 오픈 제어 루프에 사용될 때, 특히 모세관과 같이 FMD가 확고하게 제한될 경우에 상기 방법의 유효성에 변화를 초래할 것이다. 그러나, 심지어 모세관의 경우, 입구 비율의 변화는 이러한 변화를 고려하여 모세관의 크기를 정할 경우 관대해질 수 있다. 내경이 0.044인치, 길이가 36인치인 모세관을 시험한 특정의 경우는 작동 조건에 따라 적어도 3℃, 많게는 15℃ 정도의 최저온 고압 냉매의 가온을 유발하였다. 이것은 어떠한 작동 모드에서 동결을 방지하기에 충분하다.

동결을 방지하는데 필요한 가온의 양은 동결 온도에 도달하는 것을 방지하기 위해 단지 요구되기 때문에 매우 작다. 주로, 0.01℃의 온도는 그 조성이 잘 알려진 혼합물에 대해 동결을 방지하기에 충분한 온도이다. 제작 프로세스, 작동 조건 및 다른 변수들이 혼합물 조성에 변화를 초래할 가능성 있는 다른 경우에, 동결이 방지를 확보하는데 더 큰 여유를 필요로 한다. 이렇게 불확실한 경우, 가능한 한 변화의 범위 및 동결 온도의 영향력을 반드시 평가하여야 하다. 그러나, 대부분의 경우 5℃ 정도로 가온하는 것이 적절한 여유를 제공한다.

동결 방지 방법에 있어서 통상적인 가온 범위는 0.01 내지 30℃가 될 것이다. 시험한 바와 같이, 본 발명에 따른 방법은 동결 온도에 대해 약 4 내지 20℃ 가온한다. 전술한 0.01 내지 30℃의 통상적인 범위 혹은 0.01 내지 30℃의 동결 온도 내에서 극저온 혼합 냉매 시스템(VLTMRS)의 작동은 특정의 실시예에 무관하게 적용된다.

도 2에는 오픈 루프 제어 방법을 이용하는 본 발명이 개략적으로 도시되어 있다. 다시 말해서, 작동을 모니터하고 조절하기 위해 어떠한 제어 신호를 필요로 하지 않는다. 기본적인 제어 메커니즘은 제어 밸브(218)와 FMD(216)이다. 밸브(218)는 작동 모드에 따라 개방된다. 동결 방지를 위해 필요로 하는 모드는 시스템 제어의 설계를 포함한 설계 프로세스에 따라 결정된다. FMD(216)는 예측된 작동 조건의 범위에 대해 적절한 흐름의 양을 제공할 수 있는 크기로 되어 있다. 이러한 치수 결정은 실행 비용의 저렴화 및 장치의 간략화에 있어 장점을 부여한다.

본 발명을 실시하기 위한 또 다른 변형례는 폐쇄된 루프 피드백 제어 시스템을 사용하는 것이다. 이러한 시스템은 동결을 방지해야 하는 시스템의 최저온 부분에 온도 센서(도시 생략)의 설치를 필요로 한다. 이러한 센서로부터의 상기 출력 신호는 오메가(Omega, 코네티컷주 스탬로드 소재) P&ID 온도 제어기 등의 제어 장치(도시 생략)의 입력이다. 이 제어기는 적절한 세트 포인트들로 프로그램 되어 있고 그 출력은 제어 밸브(218)에 사용된다.

밸브(218)는 여러 형태들 중 하나일 수 있다. 그것은 온 타임과 오프 타임의 양을 변화시킴으로써 제어되는 온/오프 밸브 중 하나일 수 있다. 그 대안으로, 밸브(218)는 유량을 조절하기 위해 제어되는 비례 제어 밸브이다. 이 밸브(218)가 비례 제어 밸브일 경우 FMD(216)는 불필요할 수 있다.

도 2는 서브쿨러(212)를 포함하는 극저온 혼합 냉매 시스템(VLTMRS)에 관한 것이다. 특히, 동결을 방지하기 위해 사용된 고온 냉매의 혼합 위치는 서브쿨러에 대해 상대적으로 도시되어 있다. 전술한 바와 같이, 서브쿨러는 선택적인 것이다. 따라서, 본 발명에 따라 다른 구성을 채택해도 좋다.

변형된 실시예에 따르면, 서브쿨러를 구비하지 않은 시스템은 고온 냉매를 최저온 고압의 냉매 위치(도시 생략)에서 혼합시킨다. 이것은 도 2에 도시된 열교환기가 성공적으로 더 저온으로 되는 것으로 이해되어야 한다. 열교환기(212)는 최저온이며, 열교환기(208)는 열교환기(212)보다 고온이며, 열교환기(206)는 열교환기(208)보다 더 고온이고, 열교환기(204)는 열교환기(206)보다 더 고온이며, 열교환기(202)는 열교환기(204)보다 더 고온이다. 물론 열교환을 제공하기 위해 고압의 스트림은 각각의 열교환기에서 저압의 스트림보다 더 고온이다. 서브쿨러가 설치될 때, 열교환기(208) 혹은 냉동 처리부의 저온 단부에 있는 최종 열교환기는 최저온 열교환기로서 규정된다.

고온 냉매가 저온 냉매와 혼합하는 지점을 약간 변형하는 것이 가능하다고 인식되어야 한다. 이러한 냉매를 임의의 저온, 저압의 냉매와 혼합시키도록 주입하는 것은, 저온 냉매가 20℃의 최저온 저압 냉매보다 더 고온이지 않다면, 몇몇 장점을 제공할 것으로 예상되며, 그러한 변형은 본 발명의 범주에 속할 것이다.

도 3에는 본 발명의 제2 실시예가 도시되어 있다. 이 실시예는 동결을 방지하는 다른 방법에 관한 것이다. 노드(G)에서 최저온 액체 냉매는 밸브(318)와 FMD(316)로 연결되는 제3의 분기부로 나누어진다. FMD(316)로부터 방출하는 흐름은 서브쿨러(212)와 복귀 냉매 스트림(148)으로부터 방출하는 흐름과 노드(H)에서 혼합된다. 제1의 실시예와 마찬가지로 이 실시예의 목표는 동결의 잠재성을 없애는 데 있다.

제2의 실시예에 따르면, 동결은 서브쿨러(212)의 고압측을 통하는 것보다 서브쿨러(212)의 저압측을 통해 냉매의 유량을 더 낮게 유지함으로써 방지된다. 이것은 서브쿨러(212)에서 방출되는 고압의 흐름이 더 고온으로 되도록 해준다. 노드(G)에서 노드(H)로 직접 바이패스하는 유량의 비율을 조절함으로써 서브쿨러(212)의 고압측에서 방출되는 냉매의 가온 정도의 변화를 초래하고, 그 결과 서브쿨러(212)의 저압측으로 유입하는 팽창된 냉매의 가온을 초래한다. 서브쿨러 주위로 더 많은 흐름이 바이패스할수록 저온 단부의 온도가 더 높아지게 된다.

이와는 대조적으로, 종래의 시스템은 이러한 방법을 이용하지 않았고, 증발기로의 흐름을 턴 오프하였을 때 서브쿨러의 양측에서의 흐름은 같았다. 이러한 방법은, FMD(316)이 모세관으로 구성될 때 기본적인 디프로스트 방법을 갖는 시스템에 잘 적용되었다. 그러나, 베이크아웃 모드를 갖는 시스템에 사용될 때, FMD(316)의 흐름의 용량을 변화시키는 것이 요구되었다. 따라서, 일련의 모세관 중의 어느 하나가 작동 모드 및/또는 조건들에 기초하여 흐름의 제한 정도의 변화에 영향을 주기 위해 개별적으로 혹은 함께 사용 및 제어되거나, 그 대안으로 비례 밸브가 필요에 따라 흐름을 조절하기 위해 사용될 수 있다.

도 3에는 오픈 루프 제어 방법을 이용하는 본 발명이 개략적으로 도시되어 있다. 다시 말해서, 작동을 모니터하고 조절하기 위해 어떠한 제어 신호를 필요로 하지 않는다. 기본적인 제어 메커니즘은 제어 밸브(318)와 FMD(316)이다. 밸브(318)는 작동 모드에 따라 개방된다. 동결 방지를 위해 필요로 하는 모드는 시스템 제어의 설계를 포함한 설계 프로세스에 따라 결정된다. FMD(316)는 예측된 작동 조건의 범위에 대해 적절한 흐름의 양을 제공할 수 있는 크기로 되어 있다. 이러한 치수 결정은 실행 비용의 저렴화 및 장치의 간략화에 있어 장점을 부여한다.

본 발명을 실시하기 위한 또 다른 변형례는 폐쇄된 루프 피드백 제어 시스템을 사용하는 것이다. 이러한 시스템은 동결을 방지해야 하는 시스템의 최저온 부분에 온도 센서(도시 생략)의 설치를 필요로 한다. 이러한 센서로부터의 상기 출력 신호는 오메가(Omega, 코네티컷주 스탬로드 소재) P&ID 온도 제어기 등의 제어 장치(도시 생략)의 입력이다. 이 제어기는 적절한 세트 포인트들로 프로그램 되어 있고 그 출력은 제어 밸브(318)에 사용된다.

밸브(318)는 여러 형태들 중 하나일 수 있다. 그것은 온 타임과 오프 타임의 양을 변화시킴으로써 제어되는 온/오프 밸브 중 하나일 수 있다. 그 대안으로, 밸브(318)는 유량을 조절하기 위해 제어되는 비례 제어 밸브이다. 이 밸브(318)가 비례 제어 밸브일 경우 FMD(316)는 불필요할 수 있다.

도 3은 서브쿨러(212)를 포함하는 극저온 혼합 냉매 시스템(VLTMRS)에 관한 것이다. 특히, 공급원 위치 및 동결을 방지하기 위해 사용된 고온 냉매의 혼합 위치는 서브쿨러(212)에 대해 상대적으로 도시되어 있다. 전술한 바와 같이, 서브쿨러(212)는 선택적인 것이다. 따라서, 본 발명에 따라 다른 구성을 채택해도 좋다. 변형된 실시예에 따르면, 서브쿨러를 구비하지 않은 시스템은 최저온 고압 냉매를 전용하고, 최저온 열교환기가 고압측에서보다 저압측에서 더 낮은 질량 유동을 가지도록 최저온 열교환기(도시 생략)의 저압의 출구에서 고온 냉매를 혼합시킨다.

고온 냉매가 저온 냉매와 혼합하는 지점을 약간 변형하는 것이 가능하다고 인식되어야 한다. 이러한 냉매를 임의의 저온, 저압의 냉매와 혼합시키도록 주입하는 것은, 저온의 냉매가 최저온 열교환기에서 방출되는 저압의 냉매의 온도의 20℃ 내에 속할 경우와 이러한 변형이 본 발명의 범주에 속할 경우 장점을 제공할 것이다.

본 발명의 제3의 실시예에 따르면, 도 4에는 냉매 동결을 취급하는 또 다른 변형된 방법이 도시되어 있다. 이 경우, 압축기 근처에 통상적으로 위치하는 구성 요소들이 변형되어 있다. 이러한 구성 요소들은 통상적으로 -40℃ 이상의 실온에서 동작하는 것일 수 있다. 이것은 제어 밸브(418)와 FMD(416)을 부가함으로써 냉동 시스템(100)으로부터 변형된 냉동 시스템(200)으로서 도시되어 있다. 이러한 배열은 고압에서 저압으로 냉매 흐름을 바이패스하고, 또 냉동 처리부(118)를 바이패스하는 수단을 제공한다.

이것은 몇 가지 효과를 지닌다. 이들 효과 중 가장 중요한 것으로 고려되는 두 가지의 효과는 냉동 처리부를 통한 유량의 감소와, 냉동 시스템의 저압에서의 유량 증가이다. 충분한 양의 흐름이 이들 추가의 부품들을 통해 바이패스될 때, 냉동 처리부에서의 동결이 방지된다. 그러나, 전술한 바와 같이, 냉동 처리부로부터 전용된 흐름의 양이 너무 클 경우, 양호한 열교환기의 성능을 위해 요구되는 최소의 흐름은 유지되지 않을 것이다. 따라서, 바이패스의 최대 양은 시스템의 각 열교환기에서 충분한 흐름을 보장하기 위해 제한되어야 한다.

제2의 실시예와 마찬가지로, 상기 방법은 고정된 배관을 FMD로서 사용될 때 정상적인 디프로스트 모드와 대기 모드(증발기로의 흐름이 없음)에서의 시스템에 잘 적용되었다. 그러나, 베이크아웃 모드에서 동작을 처리하기 위해 이러한 고정된 FMD는 받아들이기 어려운 높은 흡입 압력을 초래하였다. 시험한 특정의 경우에, 20cfm 압축기를 사용하였다. 내경이 0.15 인치인 바이패스 라인은 베이크아웃 모드에서 동결을 방지하기에 충분하였고, 과도한 압력을 유발하지 않았다. 그러나, 그것을 대기 모드에서 사용하면 충분한 흐름을 제공하지 못하였다. 배관을 외경이 3/8인치인 구리 배관으로 확대할 때, 대기 모드에서의 흐름은 동결을 제거하는데 있어서는 성공적이었지만 베이크아웃 모드에서 과다한 흡입 압력이 발달하였다.

전술한 경험에 의해 2개 혹은 그 이상의 고정된 튜브 요소를 개별적으로 혹 은 조합적으로 작동시키는 것은 여러 가지의 작동 모드들 및 조건의 요구를 조절하기 위해 사용될 수 있다는 것이 밝혀졌다. 그 대안으로, 열팽창 밸브 등의 비례 밸브 혹은 크랭크케이스 조절 밸브(crankcase-regulating valve) 등의 압력 조절 밸브가 요구된 레벨에서 냉매 흐름을 변화시키기 위해 사용될 수 있다.

도 4에는 오픈 루프 제어 방법을 이용하는 본 발명이 개략적으로 도시되어 있다. 다시 말해서, 작동을 모니터하고 조절하기 위해 어떠한 제어 신호를 필요로 하지 않는다. 기본적인 제어 메커니즘은 제어 밸브(418)와 FMD(416)이다. 밸브(418)는 작동 모드에 따라 개방된다. 동결 방지를 위해 필요로 하는 모드는 시스템 제어의 설계를 포함한 설계 프로세스에 따라 결정된다. FMD(416)는 예측된 작동 조건의 범위에 대해 적절한 흐름의 양을 제공할 수 있는 크기로 되어 있다. 이러한 치수 결정은 실행 비용의 저렴화 및 장치의 간략화에 있어 장점을 부여한다. 본 발명을 실시하기 위한 또 다른 변형례는 폐쇄된 루프 피드백 제어 시스템을 사용하는 것이다. 이러한 시스템은 동결을 방지해야 하는 시스템의 최저온 부분에 온도 센서(도시 생략)의 설치를 필요로 한다. 이러한 센서로부터의 상기 출력 신호는 오메가(Omega, 코네티컷주 스탬로드 소재) P&ID 온도 제어기 등의 제어 장치(도시 생략)의 입력이다. 이 제어기는 적절한 세트 포인트들로 프로그램 되어 있고 그 출력은 제어 밸브(418)에 사용된다.

밸브(418)는 여러 형태들 중 하나일 수 있다. 그것은 온 타임과 오프 타임의 양을 변화시킴으로써 제어되는 온/오프 밸브 중 하나일 수 있다. 그 대안으로, 밸브(418)는 유량을 조절하기 위해 제어되는 비례 제어 밸브이다. 이 밸브(418)가 비례 제어 밸브일 경우 FMD(416)는 불필요할 수 있다.

고온 냉매가 흡입 라인 상에서 고정되는 지점을 변형하는 것이 가능하다고 인식되어야 한다. 더 고온 처리 단계에서 임의의 온도에서 이러한 바이패스가 행해지도록 하는 것은 흡입 압력의 증가와 저온 단부에서 냉동 처리부 내의 유량 감소의 원하는 목표를 가지게 될 것으로 예측된다. 이것은 공급원에서 혹은 혼합 이전에 바이패스 냉매의 온도가 -100℃ 보다 더 높을 경우 여전히 장점을 제공할 수 있다는 것으로 예상된다.

상기 제1, 제2 및 제3의 실시예들은 이들을 시험한 시스템에 대한 대기 모드, 디프로스트 모드 및 베이크아웃 모드에 통상적으로 필요로 한다. 원칙적으로 그리고 필요에 따라, 이들 방법은 또한 냉각 모드에서도 적용될 수 있다. 이와 마찬가지고, 이용되는 제어 방법에 따라 이들은 작동 모드에 무관하게 필요로 하는 기본으로서 적용될 수 있다.

Claims

혼합 냉매를 이용하는 극저온 냉동 시스템으로서,

상기 극저온 냉동 시스템이

냉동 처리부와 유체 연통하는 압축기로서, 상기 냉동 처리부는 상기 압축기와 증발기 사이의 상기 극저온 냉동 시스템의 고압측 상의 고압 라인과, 상기 증발기와 상기 압축기 사이의 냉매 복귀 경로에서의 냉동 시스템의 저압측 상의 저압 라인과, 상기 저압 라인의 냉매로부터 상기 고압 라인의 냉매를 냉각시키는 하나 이상의 열교환기를 포함하는 것인 압축기; 및

밸브를 포함하고, 혼합 냉매의 동결을 방지하도록 상기 냉동 처리부의 일부분을 바이패스하는 동결 방지 회로를 포함하고,

상기 동결 방지 회로는

a) 상기 고압 라인이 상기 냉동 처리부의 저온 단부를 떠나기 전에 고압 냉매가 흐르는 상기 냉동 처리부의 지점에서부터, 상기 극저온 냉동 시스템에서 최저온 저압 냉매가 흐르는 상기 냉동 처리부의 지점까지 연결되는 바이패스 루프로서, 고온인 상기 고압 냉매의 빙점은 상기 극저온 냉동 시스템에서 최저온 저압 냉매가 흐르는 상기 냉동 처리부의 지점에서의 냉매의 빙점 이하인 것인 바이패스 루프와,

b) 고압 냉매가 최저 온도로 있는 상기 냉동 처리부의 지점으로부터, 저압 냉매가 상기 냉동 처리부의 하나 이상의 열교환기 중 최저온 열교환기를 떠나는 상기 냉동 처리부의 지점까지 열교환기를 횡단하지 않으면서 연결되는 바이패스 루프와,

c) 상기 압축기와 상기 냉동 처리부의 상기 고압 라인 입구 사이의 압축기 고압 냉매 라인으로부터, 상기 압축기의 흡입 라인까지 연결되는 바이패스 루프

중 어느 하나의 바이패스 루프를 포함하는 것인 극저온 냉동 시스템.
제1항에 있어서, 상기 동결 방지 회로는, 상기 고압 라인이 상기 냉동 처리부를 떠나기 전에 고온 고압 냉매가 흐르는 냉동 처리부의 지점으로부터, 상기 극저온 냉동 시스템의 최저온 저압 냉매가 흐르는 상기 냉동 처리부의 상기 지점까지 연결되는 바이패스 루프를 포함하고, 고온인 상기 고압 냉매의 빙점은 상기 극저온 냉동 시스템의 최저온 저압 냉매가 흐르는 상기 냉동 처리부의 지점에서의 냉매의 빙점 이하인 것인 극저온 냉동 시스템.
제1항에 있어서, 상기 동결 방지 회로는, 고압 냉매가 최저 온도로 있는 상기 냉동 처리부의 지점으로부터, 저압 냉매가 상기 냉동 처리부의 하나 이상의 열교환기 중 최저온 열교환기를 떠나는, 상기 냉동 처리부의 지점까지 열교환기를 횡단하지 않으면서 연결되는 바이패스 루프를 포함하는 것인 극저온 냉동 시스템.
제1항에 있어서, 상기 동결 방지 회로는, 상기 압축기와 상기 냉동 처리부의 상기 고압 라인 입구 사이의 압축기 고압 냉매 라인으로부터, 상기 압축기의 흡입 라인까지 연결되는 바이패스 루프를 포함하는 것인 극저온 냉동 시스템.
제1항에 있어서, 상기 바이패스 회로는 상기 동결 방지 회로를 통과하는 유체 유량을 제어하는 수단을 포함하는 것인 극저온 냉동 시스템.
제5항에 있어서, 상기 유체 유량은 온-오프 밸브와 유량 계측 장치를 이용하여 제어되는 것인 극저온 냉동 시스템.
제5항에 있어서, 상기 유체 유량은 비례 제어 밸브를 사용하여 제어되는 것인 극저온 냉동 시스템.
제5항에 있어서, 상기 유체 유량은 자동적으로 제어되는 것인 극저온 냉동 시스템.
삭제
제1항에 있어서, 상기 혼합 냉매는 R-123, R-245fa, R-236fa, R-124, R-134a, 프로판, R-125, R-23, 에탄, R-14, 메탄, 아르곤, 질소 및 네온으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 냉매를 포함하는 것인 극저온 냉동 시스템.
제10항에 있어서, 상기 혼합 냉매는

R-123 (0.01 내지 0.45), R-124 (0.0 내지 0.25), R-23 (0.0 내지 0.4), R-14 (0.05 내지 0.5) 및 아르곤 (0.0 내지 0.4)을 포함하는 혼합물 A,

R-236fa (0.01 내지 0.45), R-125 (0.0 내지 0.25), R-23 (0.0 내지 0.4), R-14 (0.05 내지 0.5) 및 아르곤 (0.0 내지 0.4)을 포함하는 혼합물 B,

R-245fa (0.01 내지 0.45), R-125 (0.0 내지 0.25), R-23 (0.0 내지 0.4), R-14 (0.05 내지 0.5) 및 아르곤 (0.0 내지 0.4)을 포함하는 혼합물 C,

R-236fa (0.01 내지 0.45), R-245fa (0.0 내지 0.45), R-134a (0.0 초과), R-125 (0.0 내지 0.25), R-218 (0.0 내지 0.25), R-23 (0.0 내지 0.4), R-14 (0.05 내지 0.5), 아르곤 (0.0 내지 0.4), 질소(0.0 내지 0.4) 및 네온(0.0 내지 0.2)을 포함하는 혼합물 D 및

프로판 (0.0 내지 0.5), 에탄 (0.0 내지 0.3), 메탄 (0.0 내지 0.4), 아르곤 (0.0 내지 0.4), 질소 (0.0 내지 0.5) 및 네온 (0.0 내지 0.3)을 포함하는 혼합물 E

로 이루어진 군으로부터 선택되는 것인 극저온 냉동 시스템.
냉동 시스템으로서,

상기 냉동 시스템은

압축기와;

상기 압축기와 유체 연통하는 냉동 처리부로서, 상기 냉동 처리부는 상기 압축기와 증발기 사이의 상기 냉동 시스템의 고압측 상의 고압 라인과, 상기 증발기와 상기 압축기 사이의 냉매 복귀 경로에서의 상기 냉동 시스템의 저압측 상의 저압 라인과, 상기 저압 라인의 냉매로부터 상기 고압 라인의 냉매를 냉각시키는 하나 이상의 열교환기를 포함하는 것인 냉동 처리부와;

상기 냉동 처리부로부터 고압 냉매를 수용하는 팽창 장치; 및

밸브를 포함하고, 혼합 냉매에서의 동결을 방지하도록 상기 냉동 처리부의 일부분을 바이패스하는 동결 방지 회로

를 포함하고, 상기 냉동 시스템은 183K 미만의 온도로 냉각을 제공하는 혼합 냉매를 이용하는 것인 냉동 시스템.
제12항에 있어서, 상기 동결 방지 회로는, 고압력의 고온 지점으로부터 상기 냉동 처리부의 저압력의 저온 지점으로 연결되는 것인 냉동 시스템.
제13항에 있어서, 상기 동결 방지 회로는 유량 제한 수단을 포함하는 것인 냉동 시스템.
제12항에 있어서, 상기 냉동 시스템은 상기 혼합 냉매를 이용하여 65K 초과의 온도에서의 냉각을 제공하는 것인 냉동 시스템.
제12항에 있어서, 상기 혼합 냉매는 표준 비등점의 차이가 큰 2개 이상의 성분을 포함하는 것인 냉동 시스템.
제16항에 있어서, 상기 혼합 냉매는 표준 비등점이 50℃ 이상 차이가 나는 2개 이상의 성분을 포함하는 것인 냉동 시스템.
제1항에 있어서, 상기 냉동 처리부는 상기 증발기를 통하여 흐르지 않고서 작동할 수 있는 것인 냉동 시스템.
제12항에 있어서, 상기 냉동 처리부는 상기 증발기를 통하여 흐르지 않고서 작동할 수 있는 것인 냉동 시스템.