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KR20000048444A - 냉장을 제공하는 방법 - Google Patents

냉장을 제공하는 방법 Download PDF

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KR20000048444A
KR20000048444A KR1019990063285A KR19990063285A KR20000048444A KR 20000048444 A KR20000048444 A KR 20000048444A KR 1019990063285 A KR1019990063285 A KR 1019990063285A KR 19990063285 A KR19990063285 A KR 19990063285A KR 20000048444 A KR20000048444 A KR 20000048444A
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KR
South Korea
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fluid
refrigeration
multicomponent refrigerant
refrigerant fluid
stream
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KR1019990063285A
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리챠드에이. 노박
개리디. 랭
아룬 아카리아
존헨리 로얄
모하마드압둘-아지즈 라샤드
Original Assignee
조안 엠. 젤사
프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
로버트 지. 호헨스타인
도로시 엠. 보어
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Publication date
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Abstract

본 발명은 규정된 다성분 냉매 유체가 주울-톰슨 팽창과 결부한 상변화를 일으켜서 주변 온도 내지 저온을 포함할 수 있는 관범위한 온도 범위에 걸쳐 냉장을 발생시키는 절연 엔클로우져에 대해서와 같은 냉장을 제공하는 방법에 관한 것이다.

Description

냉장을 제공하는 방법 {METHOD FOR PROVIDING REFRIGERATION}
본 발명은 일반적으로 냉장 시스템에 관한 것이며, 절연 엔클로우져에 냉장을 제공하는 데에 특히 유용하다.
식품 또는 약제의 냉각 및/또는 냉동에 대한 것과 같은 냉장의 제공은 암모니아 또는 프레온을 증기 압축 사이클에 사용하는 기계적 냉장 시스템을 사용하여 수행하는 것이 통상적이다. 이러한 시스템은 비교적 고온 수준에서 냉장을 제공하는 데에 효과적이지만, 저온 냉장을 효과적으로 달성하기 위해서는, 일반적으로 자본 및 작업 비용 둘 모두를 증가시키는 진공 작업 및/또는 캐스케이딩이 필요하다.
저온 수준에서 냉장을 더욱 효과적으로 제공하기 위한 한가지 방법은 액체 질소와 같은 소모성 극저온 액체를 따로 사용하거나 기계적 냉장 시스템과 함께 사용하여 요구되는 저온 냉장을 제공하는 것이다. 그러나, 이러한 시스템은 효과적이기는 하지만, 극저온 액체의 손실 및 그에 따르는 연속 대체에 대한 필요성으로 인해 비용이 많이 든다.
따라서, 본 발명의 목적은 필요한 경우에 저온에서 냉장을 효과적으로 제공하는 데에 사용될 수 있는, 열교환기 또는 절연 엔클로우져에 대해서와 같이 냉장을 제공하는 방법을 제공하는 데에 있다.
도 1은 본 발명의 다성분 냉매 냉장 시스템의 하나의 바람직한 구체예의 개략적 흐름도이다.
도 2는 본 발명의 다성분 냉매 냉장 시스템의 또 다른 바람직한 구체예의 개략적 흐름도이다.
도 3은 다중 수준 냉장이 제공되는 본 발명의 또 다른 바람직한 구체예의 개략적 흐름도이다.
도 4는 다중 수준 냉장이 제공되고 하나보다 많은 상이 분리되는 본 발명의 또 다른 바람직한 구체예의 개략적 흐름도이다.
도 5는 다중 엔클로우져에 사용하기 위한 본 발명의 또 다른 바람직한 구체예의 개략적 흐름도이다.
도면의 주요 부호의 설명
31, 51, 81, 201, 205, 311 : 압축기
33, 53, 83, 203, 207 : 냉각기
35, 55, 88, 97, 99, 105, 107, 212, 221, 227, 236, 239, 301, 302 : 열교환기
37, 57, 90, 110, 214, 229, 241, 317 : 밸브
40, 59, 66, 303, 305 : 엔클로우져
85, 209, 224 : 상분리기
61 : 분리기
63, 69, 321, 331 : 송풍기
313 : 후냉각기
20, 21, 22 : 혼합기
발명의 요약
본 명세서를 읽을 때에 당업자들에게 자명해질 상기 및 다른 목적은 본 발명, 즉
(A) 플루오로카아본, 하이드로플루오로카아본 및 플루오로에테르로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 성분 및 플루오로카아본, 하이드로플루오로카아본, 플루오로에테르 및 대기 가스로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 성분을 포함하는 다성분 냉매 유체를 압축시키는 단계;
(B) 압축된 다성분 냉매 유체를 냉각시키고 최소한 부분적으로 응축시키는 단계;
(C) 최소한 부분적으로 응축된 다성분 냉매 유체를 팽창시켜서 냉장을 발생시키는 단계;
(D) 냉장 발생 다성분 냉매 유체를 가온시키고 최소한 부분적으로 증발시키고, 다성분 냉매 유체로부터의 냉장을 엔클로우져에 사용하는 단계를 포함하여, 냉장을 제공하는 방법에 의해 달성된다.
본원에 사용되는 용어 "비독성"은 허용될 수 있는 노출 범위에 따라 취급할 때에 급성 또는 만성 유해물질을 갖지 않는 것을 의미한다.
본원에 사용되는 용어 "불연성"은 인화점을 갖지 않거나, 600oK 이상의 매우 높은 인화점을 가짐을 의미한다.
본원에 사용되는 용어 "비-오존 고갈"은 제로-오존 고갈 잠재성을 가짐, 즉 염소, 브롬 또는 요오드 원자를 갖지 않음을 의미한다.
본원에 사용되는 용어 "정상 비점"은 1 표준 대기압, 즉 절대 평방 인치당 14.696 파운드(psia)에서의 비점을 의미한다.
본원에 사용되는 용어 "간접 열교환"은 유체를 유체들 서로간의 임의의 물리적 접촉 또는 상호혼합 없이 열교환 관계에 있게 하는 것을 의미한다.
본원에 사용되는 용어 "팽창"은 압력의 감소를 수행하는 것을 의미한다.
본원에 사용되는 용어 "제오트로픽"은 상변화를 수반하는 매끄러운 온도 변화를 특징으로 함을 의미한다.
본원에 사용되는 용어 "차냉각"은 액체를 기존 압력에 대한 액체 포화 온도보다 낮은 온도에 있도록 냉각시키는 것을 의미한다.
본원에 사용되는 용어 "저온"은 250oK 이하, 바람직하게는 200oK 이하의 온도를 의미한다.
본원에 사용되는 용어 "냉장"은 열을 하위 주변 온도(subambient temperature) 시스템으로터 주변 분위기로 방출시키는 능력을 의미한다.
본원에 사용되는 용어 "가변성 부하 냉매"는 성분들의 액상이 혼합물의 포점과 이슬점 사이에서의 연속적이고 증가되는 온도 변화를 일으킬 정도의 비율을 갖는 2가지 이상의 성분의 혼합물을 의미한다. 혼합물의 포점은 소정의 압력에서, 혼합물이 모두 액상이지만, 열이 가해지면 액상과 평형으로 증기상의 생성이 개시될 온도이다. 혼합물의 이슬점은 소정의 압력에서, 혼합물이 모두 증기상이지만, 열을 뽑아내면 증기상과 평형으로 액상의 형성이 개시될 온도이다. 따라서, 혼합물의 포점과 이슬점 사이의 온도 범위는 액상과 증기상이 평형으로 공존하는 범위이다. 본 발명의 실시에서, 가변성 부하 냉매에 대한 포점과 이슬점 사이의 온도차는 10oK 이상, 바람직하게는 20oK 이상, 가장 바람직하게는 50oK 이상이다.
본원에 사용되는 용어 "플루오로카아본"은 테트라플루오로메탄 (CF4), 퍼플루오로에탄 (C2F6), 퍼플루오로프로판 (C3F8), 퍼플루오로부탄 (C4F10), 퍼플루오로펜탄 (C5F12), 퍼플루오로에텐 (C2F4), 퍼플루오로프로펜 (C3F6), 퍼플루오로부텐 (C4F8), 퍼플루오로펜텐 (C5F10), 헥사플루오로시클로프로판 (시클로-C3F6) 및 옥타플루오로시클로부탄 (시클로-C4F8) 중 하나를 의미한다.
본원에 사용되는 용어 "하이드로플루오로카아본"은 플루오로포름 (CHF3), 펜타플루오로에탄 (C2HF5), 테트라플루오로에탄 (C2H2F4), 헵타플루오로프로판 (C3HF7), 헥사플루오로프로판 (C3H2F6), 펜타플루오로프로판 (C3H3F5), 테트라플루오로프로판 (C3H4F4), 노나플루오로부탄 (C4HF9), 옥타플루오로부탄 (C4H2F8), 운데카플루오로펜탄 (C5HF11), 플루오르화 메틸 (CH3F), 디플루오로메탄 (CH2F2), 플루오르화 에틸 (C2H5F), 디플루오로에탄 (C2H4F2), 트리플루오로에탄 (C2H3F3), 디플루오로에텐 (C2H2F2), 트리플루오로에텐 (C2HF3), 플루오로에텐 (C2H3F), 펜타플루오로프로펜 (C3HF5), 테트라플루오로프로펜 (C3H2F4), 트리플루오로프로펜 (C3H3F3), 디플루오로프로펜 (C3H4F2), 헵타플루오로부텐 (C4HF7), 헥사플루오로부텐 (C4H2F6) 및 노나플루오로펜텐 (C5HF9) 중 하나를 의미한다.
본원에 사용되는 용어 "플루오로에테르"는 트리플루오로메톡시-퍼플루오로메탄 (CF3-O-CF3), 디플루오로메톡시-퍼플루오로메탄 (CHF2-O-CF3), 플루오로메톡시-퍼플루오로메탄 (CH2F-O-CF3), 디플루오로메톡시-디플루오로메탄 (CHF2-O-CHF2), 디플루오로메톡시-퍼플루오로에탄 (CHF2-O-C2F5), 디플루오로메톡시-1,2,2,2-테트라플루오로에탄 (CHF2-O-C2HF4), 디플루오로메톡시-1,1,2,2-테르라플루오로에탄 (CHF2-O-C2HF4), 퍼플루오로에톡시-플루오로메탄 (C2F5-O-CH2F), 퍼플루오로메톡시-1,1,2-트리플루오로에탄 (CF3-O-C2H2F3), 퍼플루오로메톡시-1,2,2-트리플루오로에탄 (CF3O-C2H2F3), 시클로-1,1,2,2-테트라플루오로프로필에테르 (시클로-C3H2F4-O-), 시클로-1,1,3,3-테트라플루오로프로필에테르 (시클로-C3H2F4-O-), 퍼플루오로메톡시-1,1,2,2-테트라플루오로에탄 (CF3-O-C2HF4), 시클로-1,1,2,3,3-펜타플루오로프로필에테르 (시클로-C3H5-O-), 퍼플루오로메톡시-퍼플루오로아세톤 (CF3-O-CF2-O-CF3), 퍼플루오로메톡시-퍼플루오로에탄 (CF3-O-C2F5), 퍼플루오로메톡시-1,2,2,2-테트라플루오로에탄 (CF3-O-C2HF4), 퍼플루오로메톡시-2,2,2-트리플루오로에탄 (CF3-O-C2H2F3), 시클로-퍼플루오로메톡시-퍼플루오로아세톤 (시클로-CF2-O-CF2-O-CF2-), 및 시클로-퍼플루오로프로필에테르 (시클로-C3F6-O) 중 하나를 의미한다.
본원에 사용되는 용어 "대기 가스"는 질소(N2), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 크세논(Xe), 네온(Ne), 이산화탄소(CO2), 산소(O2) 및 헬륨(He) 중 하나를 의미한다.
본원에 사용되는 용어 "저-오존 고갈"은 몬테리올 프로토콜 협약에 의해 규정하여 오존 고갈 잠재성이 0.15 미만임을 의미하며, 디클로로플루오로메탄(CCl2F2)는 오존 고갈 잠재성이 1.0이다.
상세한 설명
본 발명은 일반적으로, 주변 온도 내지 저온과 같은 광범위한 온도 범위에 걸쳐 냉장을 효율적으로 제공하기 위해 규정된 제오트로픽 혼합 냉매를 사용하는 것을 포함한다. 냉장은 바람직하게는 절연된 하나 이상의 엔클로우져에 직접 또는 간접적으로 냉장을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 냉장은 식품 또는 약제와 같은 제품을 냉각시키기 위해, 즉 냉각 및/또는 냉동시키기 위해 사용될 수 있다. 이러한 냉장은 복잡한 진공 작업을 사용할 필요 없이 효과적으로 사용될 수 있다.
본 발명은 공기 보충 시스템, 냉각 저장실, 송풍 냉동기, 및 기계적 냉동기 또는 극저온 냉동기를 통상적으로 사용하는 냉동기 분야와 같이, 식품 또는 약품의 냉각 및/또는 냉동에 필요한 냉장을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명은 송풍실, 터널 (정지 또는 콘베이어), 멀티티어, 스피랄 벨트, 유동층, 침지판 및 접촉 벨트 냉동기와 같은 모든 유형의 냉동기에 대한 냉장을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 본 발명은 또한, 운반 용기의 냉각, 식품 또는 약품의 냉동-건조, 드라이아이스 생성, 냉매의 차냉각, 증기 응축, 열에너지 저장 시스템, 및 발전기, 모터 또는 이송 라인에서의 초반도체의 냉각에 사용될 수 있다.
본 발명의 실시에 유용한 다성분 냉매 유체는 플루오로카아본, 하이드로플루오로카아본 및 플루오로에테르로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 성분, 및 플루오로카아본, 하이드로플루오로카아본, 플루오로에테르 및 대기 가스로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 성분을 포함하여, 각각의 온도에서 필요한 냉장을 제공할 수 있다. 냉매 성분의 선택은 특정 공정 응용을 위해 냉장 부하 대 온도에 의존할 것이다. 적합한 성분은 이들의 정상 비점, 잠열, 및 가연성, 독성 및 오존 고갈 잠재성에 의존하여 선택될 것이다.
본 발명의 실시에 유용한 다성분 냉매 유체의 하나의 바람직한 구체예는 플루오로카아본, 하이드로플루오로카아본 및 플루오로에테르로 구성된 군으로부터 선택된 2종 이상의 성분을 포함한다.
본 발명의 실시에 유용한 다성분 냉매 유체의 또 다른 바람직한 구체예는 플루오로카아본, 하이드로플루오로카아본 및 플루오로에테르로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 성분, 및 1종 이상의 대기 가스를 포함한다.
본 발명의 실시에 유용한 다성분 냉매 유체의 또 다른 바람직한 구체예는 1종 이상의 플루오로에테르, 및 플루오로카아본, 하이드로플루오로카아본, 플루오로에테르 및 대기 가스로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 성분을 포함한다.
하나의 바람직한 구체예에서, 다성분 냉매 유체는 플루오로카아본만으로 구성된다. 또 다른 바람직한 구체예에서, 다성분 냉매 유체는 플루오로카아본과 하이드로플루오로카아본만으로 구성된다. 또 다른 바람직한 구체예에서, 다성분 냉매 유체는 플루오로카아본과 대기 가스만으로 구성된다. 또 다른 바람직한 구체예에서, 다성분 냉매 유체는 플루오로카아본, 하이드로플루오로카아본 및 플루오로에테르만으로 구성된다. 또 다른 바람직한 구체예에서, 다성분 냉매 유체는 플루오로카아본, 플루오로에테르 및 대기 가스만으로 구성된다.
본 발명의 실시에 유용한 다성분 냉매 유체는 하이드로클로로플루오로카아본 및/또는 탄화수소와 같은 다른 성분들을 함유할 수 있다. 바람직하게는, 다성분 냉매 유체는 하이드로클로로플루오로카아본을 함유하지 않는다. 본 발명의 또 다른 바람직한 구체예에서, 다성분 냉매 유체는 탄화수소를 함유하지 않는다. 가장 바람직하게는, 다성분 냉매 유체는 하이드로클로로플루오로카아본도 함유하지 않고 탄화수소도 함유하지 않는다. 가장 바람직하게는, 다성분 냉매 유체는 비독성, 불연성 및 비-오존 고갈성이며, 가장 바람직하게는, 다성분 냉매 유체의 각각의 성분은 플루오로카아본, 하이드로플루오로카아본, 플루오로에테르 또는 대기 가스이다.
본 발명은 주변 온도로부터 저온에 효율적으로 도달시키는 데에 사용하기 위해 특히 유리하다. 표 1 내지 6은 본 발명의 실시에 유용한 다성분 냉매 유체 혼합물의 바람직한 예의 리스트이다. 표에 기재된 농도 범위는 단위가 몰%이다. 표 1 내지 5에 기재된 예는 175oK 내지 250oK의 온도 범위에서 특히 유용하고, 표 6에 기재된 예는 80oK 내지 175oK의 온도 범위에서 특히 유용하다.
표 1
성분 농도 범위
C5F12 5-35
C4F10 0-25
C3F8 10-50
C2F6 10-60
CF4 0-25
표 2
성분 농도 범위
C5F12 5-35
C3H3F6 0-25
C3F8 10-50
CHF3 10-60
CF4 0-25
표 3
성분 농도 범위
C3H3F5 5-35
C3H3F6 0-25
C2H2F4 5-20
C2HF5 5-20
C2F6 10-60
CF4 0-25
표 4
성분 농도 범위
CHF2-O-C2HF4 5-35
C4F10 0-25
CF3-O-CHF2 10-25
CF3-O-CF3 0-20
C2F6 10-60
CF4 0-25
표 5
성분 농도 범위
CHF2-O-C2HF4 5-35
C3H2F6 0-25
CF3-O-CHF2 10-50
CHF3 10-60
CF4 0-25
표 6
성분 농도 범위
C5F12 5-25
C4F10 0-15
C3F8 10-40
C2F6 0-30
CF4 10-50
Ar 0-40
N2 10-80
본 발명은 광범위한 온도 범위, 특히 저온을 포함하는 온도 범위에 걸쳐 냉장을 제공하기 위해 특히 유용하다. 본 발명의 바람직한 구체예에서, 냉장 혼합물 중의 2가지 이상의 성분들 각각은 냉장 혼합물 중의 각각의 상이한 성분의 정상 비점과 5oK 이상, 더욱 바람직하게는 10oK 이상, 가장 바람직하게는 20oK 이상 까지 상이한 정상 비점을 갖는다. 이에 의해, 광범위한 온도 범위, 특히 극저온을 포함하는 온도 범위에 걸쳐 냉장을 제공하는 효율이 향상된다. 본 발명의 특히 바람직한 구체예에서, 다성분 냉매 유체 중의 최고 비점 성분의 정상 비점은 다성분 냉매 유체 중의 최저 비점 성분의 정상 비점보다 50oK 이상, 바람직하게는 100oK 이상, 가장 바람직하게는 200oK 이상 높다.
본 발명의 실시에 유용한 다성분 냉매 유체를 구성하는 성분들 및 이들의 농도는 가변성 부하 다성분 냉매 유체를 형성시키고, 바람직하게는 이러한 가변성 부하 특성을 본 발명의 방법의 전체 온도 범위에 걸쳐 유지시키도록 하는 성분들 및 농도이다. 이에 의해, 이러한 넓은 온도 범위에 걸쳐 냉장을 발생시키고 이용할 수 있는 효율이 향상된다. 성분들의 규정된 바람직한 군은 이들이 비독성, 불연성 및 비-오존 고갈성인 유체 혼합물을 형성시키는 데에 사용될 수 있다는 점에서 잇점이 더해진다. 이는 통상적으로 독성, 가연성 및/또는 오존 고갈성인 통상적인 냉장물질보다 부가적 잇점을 제공한다.
비독성, 불연성 및 비-오존 고갈성인 본 발명의 실시에 유용한 하나의 바람직한 가변성 부하 다성분 냉매 유체는 C5F12, CHF2-O-C2HF4, C4HF9, C3H3F5, C2F5-O-CH2F, C3H2F6, CHF2-O-CHF2, CF4F10, CF3-O-C2H2F3, C3HF7, CH2F-O-CF3, C2H2F4, CHF2-O-CF3, C3F8, C2HF5, CF3-O-CF3, C2F6, CHF3, CF4, O2, Ar, N2, Ne 및 He로 구성된 군으로부터 선택된 2종 이상의 성분을 포함한다.
본 발명의 규정된 다성분 냉매 유체는 제오트로픽이다. 성분들은 관심있는 전체 온도 범위에 걸치도록 비점이 상이하여, 극저온과 같은 바람직한 매우 낮은 온도가 단일 압축 단계만으로 진공 작업의 필요 없이 효과적이고 일반적으로 달성된다. 이는 단일 성분, 또는 단일 성분과 같이 작용하도록 제형화된 2 또는 3가지 성분의 블렌드, 즉 좁은 비점의 함께 끓거나 거의 함께 끓는 블렌드로 구성된 냉장 물질을 제공한다.
본 발명은 엔클로우져, 특히 절연 엔클로우져에 냉장을 제공하기 위해 사용된다. 본 발명에 사용되는 이러한 절연 엔클로우져는 통상적으로 냉동기, 냉각 저장 용기 또는 냉각실이다. 이것은 주변 분위기에 대해 완전히 폐쇄될 필요는 없다. 용기 또는 냉동기 내로의 열의 누출을 감소시키는 데에 효과적인 임의의 절연 수단이 사용될 수 있다. 일부 제한된 환경에서는, 냉각 처리실과 같은 하위 주변 온도 설비가 절연되지 않거나 단지 부분적으로 절연될 수 있다.
본 발명은 도면과 관련하여 더 상세히 설명될 것이다. 도 1과 관련하여, 다성분 냉매 유체(50)는 압축기(51)를 통과함으로써, 일반적으로 30 내지 1000 psia, 바람직하게는 100 내지 600 psia의 압력으로 압축되고, 생성된 압축된 다성분 냉매 유체(52)는 냉각기(53)을 통과함으로써 압축열이 냉각된다. 생성된 냉각된 다성분 냉매 유체(54)는 열교환기(55)를 통과함으로써 추가로 냉각되고, 최소한 부분적으로, 바람직하게는 완전히 응축된다. 생성된 최소한 부분적으로 응축된 다성분 냉매 유체(56)는 밸브(57)를 통해 일반적으로 5 내지 100 psia, 바람직하게는 15 내지 100 psia의 압력으로 팽창되어, 주울-톰슨 효과에 의해, 즉 일정한 엔탈피에서 압력 감소로 인해 유체 온도를 저하시킴으로써 냉장을 발생시킨다. 밸브(57)를 통한 다성분 냉매 유체의 팽창은 또한, 냉매 유체의 일부를 증발시킬 수 있다. 스트림(52)의 고압 냉매 및 스트림(58)의 저압 냉매, 및 냉매 조성물에 사용되는 압력 수준은 허용될 수 있는 비용 및 효율로 바람직한 온도 수준을 달성시키도록 선택된다.
냉장 발생 다성분 냉매 유체(58)은 열교환기(55)를 통한 통과에 의해 가온되고 증발된 후에, 스트림(50)으로서 압축기(51)를 통과하고, 사이클이 재개된다. 열교환기(55)에서의 냉장 발생 다성분 냉매 유체의 가온 및 증발은 상기 기술된 바와 같이, 간접 열교환에 의해 냉매 유체(54)를 냉각시키는 역할을 하고, 또한 하기에 기술될 바와 같이, 간접 열교환에 의해 절연 엔클로우져 분위기 유체를 냉각시키는 역할을 한다.
통상적으로 공기이지만, 질소, 이산화탄소 또는 다른 적합한 유체와 같은 또 다른 유체일 수 있는 분위기 유체의 일부는 절연 엔클로우져(59)로부터 스트림(60)으로 배출되고, 분리기(61)를 통해 통과하여 임의의 동반된 얼음을 제거한다. 분리기(61)는 원심분리기, 필터, 또는 임의의 다른 적합한 분리 수단일 수 있다. 얼음을 함유하지 않는 절연 엔클로우져 분위기 유체(62)는 일반적으로 15 내지 100 psia, 바람직하게는 16 내지 20 psia의 압력에서 송풍기(63)을 통해 통과하여 가압된 기체 스트림(64)을 생성시킨 후, 정제 유닛(25)을 통해 통과한다. 필요한 경우, 송풍기(69)에서 압축되고, 정제 유닛(71)을 통해 스트림(70)으로 통과한 후, 스트림(64)와 결합된 스트림(72)으로서 통과하여 스트림(65)를 형성하는 스트림(68)으로 도 1에 도시된 바와 같은 부가적 보충 가스가 제공될 수 있다. 정제 유닛(25) 및 (71)은 분자체, 흡착층, 또는 습기 또는 이산화탄소와 같은 고비점 성분을 제거하기 위한 임의의 적합한 수단일 수 있다. 대안적으로, 냉장시키려는 유체는 모두 엔클로우져(59)로부터 분리된 유체가 재순환되지 않을 정도로 스트림(68)에 의해 수득될 수 있다.
유체(65)는 열교환기(55)를 통과하여, 통상적으로 250oK 미만의 온도 갖고, 일반적으로 100oK 내지 250oK의 온도를 가질 냉장된 절연 엔클로우져 분위기 유체(66)의 생성에서 유발되는 상기 가온되고 증발된 다성분 냉매 유체와의 간접 열교환에 의해 냉각된다. 분위기 또는 공정 유체의 냉각은 유체의 부분적 또는 완전한 액화, 예를 들어 액화 공기의 생성을 포함할 수 있다. 냉장된 유체(66)는 절연 엔클로우져(66) 내로 통과하여, 유체(66) 내의 냉장이 사용된다. 바람직하다면, 절연 엔클로우져(59)에는, 팬(67) 또는 다른 분위기 순환 장치가 장착되어, 엔클로우져 내에 냉장을 더욱 고르게 분포시키고, 냉장된 유체의 열전달 특성을 향상시키는 것을 보조할 수 있다.
도 2에는 가온된 다성분 냉매 유체와 냉각 절연 엔클로우져 분위기 유체 사이에서의 열교환이 절연 엔클로우져 내에서 일어나는 본 발명의 또 다른 구체예가 도시되어 있다. 도 2와 관련하여, 다성분 냉매 유체(30)는 압축기(31)를 통한 통과에 의해 일반적으로 30 내지 1000 psia, 바람직하게는 100 내지 600 psia의 압력으로 압축되고, 생성된 압축된 다성분 냉매 유체(32)는 냉각기(33)를 통한 통과에 의해 압축열이 냉각된다. 생성된 냉각된 다성분 냉매 유체(34)는 열교환기(35)를 통한 통과에 의해 추가로 냉각되고, 최소한 부분적으로, 바람직하게는 완전히 응축된다. 생성된 최소한 부분적으로 응축된 다성분 냉매 유체(36)는 밸브(37)를 통해, 5 내지 100 psia, 바람직하게는 15 내지 100 psia의 압력으로 팽창되어, 주울-톰슨 효과에 의해 냉장을 발생시킨다. 2-상 스트림일 수 있는 냉장 발생 다성분 냉매 유체(38)는 절연 엔클로우져(40) 내로 통과된다.
절연 엔클로우져(40) 내에서의 냉장 발생 다성분 냉매 유체의 통과는 열교환 코일(39) 또는 다른 적합한 열교환 수단을 통한 통과를 포함하여, 냉장 발생 다성분 냉매 유체는 절연 엔클로우져 분위기 유체와의 간접 열교환에 의해 가온되고 증발된다. 바람직하다면, 냉장 발생 냉매 유체는 절연 엔클로우져 분위기 유체와의 열교환이 직접 열교환이 되도록 엔클로우져 내로 주입될 수 있다. 그 결과 냉장된 절연 엔클로우져 분위기 유체는 바람직하게는 팬(42)과 같은 유체 흐름 증강 수단의 보조로, 절연된 엔클루우져(40) 전체에 걸쳐 사용되어, 절연 엔클로우져에 냉장을 제공한다. 그 결과 가온된 다성분 냉매 유체(41)는 절연 엔클로우져(40) 밖으로 통과하고, 이미 수행되지 않았다면, 열교환기(35)를 통한 통과에 의해 추가로 가온되고 완전히 증발되어, 상기 기술된 바와 같이, 스트림(34)의 간접 열교환에 의한 냉각을 수행하고, 그 결과 가온된 유체는 스트림(30) 중에서 열교환(35) 밖으로 통과하고, 압축기(31)를 통과하여, 사이클이 재개된다.
도 3에는 다성분 냉매 유체가 하나 보다 많은 온도 수준에서 냉장을 제공하기 위해 사용될 수 있고, 따라서 상이한 냉장 수준을 필요로 하는 상이한 엔클로우져 내에서 또는 단일 엔클로우져 내에서 상이한 온도 수준에서 사용될 수 있는 절연 엔클로우져 분위기 유체에 냉장을 제공할 수 있는 본 발명의 또 다른 구체예가 도시되어 있다.
도 3과 관련하여, 다성분 냉매 유체(80)는 압축기(81)를 통한 통과에 의해 일반적으로 30 내지 600 psia의 압력으로 압축되고, 그 결과 압축된 다성분 냉매 유체(82)는 냉각기(83)을 통한 통과에 의해 냉각되고 부분적으로 응축된다. 냉각기(83)로부터의 2-상 다성분 냉매 유체는 스트림(84) 중에서 상분리기(85)를 통과하여, 증기 및 액체 부분으로 분리된다. 다성분 냉매 유체(80)는 제오트로픽 혼합물이기 때문에, 증기 및 액체 부분의 조성은 상이하다. 바람직하게는, 액체 부분은 실질적으로 다성분 냉매 유체(80)의 최고 비점 성분을 모두 함유하고, 증기 부분은 다성분 냉매 유체(80)의 최저 비점 성분을 모두 함유한다.
다성분 냉매 유체의 액체 부분은 스트림(87) 중에서 상분리기(85)로부터 열교환기(88)을 통해 통과하여 차냉각된다. 그 결과 차냉각된 액체 스트림(89)은 밸브(90)을 통해 팽창하여, 주울-톰슨 효과에 의해 냉장을 발생시킨다. 생성된 냉장 발생 다성분 냉매 유체는 일반적으로 압력이 15 내지 100 psia이며, 혼합기(20)를 통해 통과한 후, 스트림(93) 중에서 열교환기(88)를 통해 통과하여, 절연 엔클로우져 분위기 유체와의 간접 열교환에 의해 가온되고 완전히 증발된 후, 스트림(80) 중에서 새로운 사이클을 위해 압축기(81)를 통과한다. 절연 엔클로우져 분위기 유체는 스트림(94) 중에서 열교환기(88)을 통과하고, 그 결과 냉장된 절연 엔클로우져 분위기 액체는 일반적으로 온도가 20oF 내지 40oF이며, 스트림(95) 중에서 열교환기(88)로부터 절연 엔클로우져(도시되지 않음)를 통과하여, 스트림(95) 내의 냉장이 제공되고 사용된다.
다성분 냉매 유체의 증기 부분은 상분리기(85)로부터 스트림(86) 중에서 열교환기(88)를 통해 통과하여, 스트림(93) 중에서 가온 유체와의 간접 열교환에 의해 냉각된 후, 스트림(100) 중에서 열교환기(99)를 통해 통과하여, 최소한 부분적으로 응축된다. 생성된 다성분 유체는 추가의 냉각 및 응축을 위해 열교환기(99)로부터 스트림(104) 중에서 열교환기(105)를 통해 통과한 후, 스트림(108) 중에서 열교환기(107)을 통해 통과하여, 이미 완전히 응축되지 않았다면, 완전히 응축되고, 차냉각된다.
차냉각된 다성분 냉매 액체 스트림(109)은 밸브(110)를 통해 팽창되어, 주울-톰슨 효과에 의해 냉장을 발생시키고, 2-상 스트림일 수 있는 생성된 냉장 발생 다성분 냉매 유체(111)는 열교환기(107)를 통한 통과에 의해 가온되고 바람직하게는 최소한 부분적으로 증발되어, 간접 열교환에 의해 상기 스트림(108) 뿐만 아니라, 스트림(112) 중에서 열교환기(107)을 통과하는 절연 엔클로우져 분위기 유체를 냉각시키는 역할을 한다. 생성된 냉장된 절연 엔클로우져 분위기 유체는 일반적으로 온도가 -30oF 내지 -50oF이며, 스트림(113) 중에서 열교환기(107)로부터 절연 엔클로우져(도시되지 않음)를 통과하여, 스트림(113) 내의 냉장이 제공되고 사용된다.
가온된 다성분 냉매 유체는 열교환기(107)로부터 스트림(106) 중에서 열교환기(105)를 통해 통과하여 추가로 가온되고, 이로부터 스트림(101) 중에서 열교환기(99)를 통해 통과하여, 상기 냉각 스트림(100), 및 스트림(102) 중에서 열교환기(99)를 통과하는 절연 엔클로우져 분위기 유체와의 간접 열교환에 의해 추가로 가온되고 바람직하게는 추가로 증발된다. 생성된 냉장된 절연 엔클로우져 유체는 일반적으로 온도가 0oF 내지 -20oF이며, 스트림(103) 중에서 열교환기(99)로부터 절연 엔클로우져(도시되지 않음)를 통과하여, 스트림(103) 내의 냉장이 제공되고 사용된다. 생성된 추가로 가온된 다성분 냉매 유체는 열교환기(99)로부터 스트림(98) 중에서 열교환기(97)를 통해 통과한 후, 스트림(92)으로서 혼합기(20)를 통과하여, 스트림(91)과 혼합되어 상기 기술된 바와 같은 추가의 처리를 위해 스트림(93)을 형성시킨다.
도 4에는, 다성분 냉매 유체가 하나보다 많은 온도 수준에서 냉장을 제공하기 위해 사용되고, 따라서 하나보다 많은 절연 엔클로우져에 냉장을 제공할 수 있는 본 발명의 또 다른 바람직한 구체예가 도시되어 있다. 도 4에 도시된 본 발명의 구체예는 다성분 냉매 유체의 하나보다 많은 상의 분리를 사용한다.
도 4와 관련하여, 다성분 냉매 유체(200)는 압축기(201)를 통한 통과에 의해 일반적으로 30 내지 300 psia의 압력으로 압축되고, 그 결과 압축된 다성분 냉매 유체(202)는 냉각기(203)을 통한 통과에 의해 압축열을 냉각시킨다. 생성된 다성분 냉매 유체(204)는 압축기(205)를 통한 통과에 의해 일반적으로 60 내지 600 psia 의 압력으로 추가로 압축되고, 그 결과 압축된 다성분 냉매 유체(206)는 냉각기(207)를 통한 통과에 의해 냉각되고 부분적으로 응축된다. 냉각기(207)로부터의 2-상 다성분 냉매 유체는 스트림(208) 중에서 상분리기(209)를 통과하여, 증기 및 액체 부분으로 분리된다. 다성분 냉매 유체(200)는 제오트로픽 혼합물이기 때문에, 이들 증기 및 액체 부분의 조성은 상이하다. 바람직하게는, 액체 부분은 실질적으로 다성분 냉매 유체(200)의 최고 비점 성분을 모두 함유하고, 증기 부분은 실질적으로 다성분 냉매 유체(200)의 최저 비점 성분을 모두 함유한다.
다성분 냉매 유체의 액체 부분은 상분리기(209)로부터 스트림(211) 중에서 열교환기(212)를 통해 통과하여, 차냉각된다. 그 결과 차냉각된 액체 스트림(213)은 밸브(214)를 통해 팽창하여, 주울-톰슨 효과에 의해 냉장을 발생시킨다. 생성된 냉장 발생 다성분 냉매 유체(215)는 일반적으로 압력이 15 내지 100 psia이며, 혼합기(21)를 통해 통과한 후에, 스트림(217) 중에서 열교환기(212)를 통해 통과하여, 절연 엔클로우져 분위기 유체와의 간접 열교환에 의해 가온되고 완전히 증발된 후에, 새로운 사이클을 위해 스트림(200) 중에서 압축기(201)를 통과한다. 절연 엔클로우져 분위기 유체는 스트림(218) 중에서 열교환기(212)를 통과하고, 생성된 냉장된 절연 엔클로우져 분위기 유체는 일반적으로 온도가 30OF 내지 60OF이며, 스트림(219) 중에서 열교환기(212)로부터 절연 엔클로우져(도시되지 않음)를 통과하여, 스트림(219) 내의 냉장이 제공되고 사용된다.
다성분 냉매 유체의 증기 부분은 상분리기(209)로부터 스트림(210) 중에서 열교환기(212)를 통해 통과하여, 스트림(217) 중에서 가온 유체와의 간접 열교환에 의해 냉각된 후에, 추가의 냉각을 위해 스트림(220) 중에서 중간 열교환기(221)를 통과한다. 열교환기(212) 및 (221)에서의 냉각 단계 중 하나 또는 둘 모두에서, 다성분 냉매 유체의 일부는 응축되어, 열교환기(221)로부터의 다성분 냉매 유체(223)가 2-상 스트림이 된다. 스트림(223)은 상분리기(224)를 통과하여, 증기 및 액체 부분으로 분리된다.
상분리기(224)로부터의 액체 부분은 스트림(226) 중에서 열교환기(227)를 통해 통과하여, 차냉각된다. 그 결과 차냉각된 액체 스트림(228)은 밸브(229)를 통해 팽창하여, 주울-톰슨 효과에 의해 냉장을 발생시킨다. 생성된 냉장 발생 다성분 냉매 유체(230)는 일반적으로 압력이 15 내지 100 psia이며, 혼합기(22)를 통해 통과한 후, 스트림(232) 중에서 열교환기(227)을 통해 통과하여, 절연 엔클로우져 분위기 유체와의 간접 열교환에 의해 가온되고 증발된다. 절연 엔클로우져 분위기 유체는 스트림(233) 중에서 열교환기(227)를 통과하고, 생성된 냉장된 절연 엔클로우져 분위기 유체는 일반적으로 온도가 -70oF 내지 -110oF에서, 스트림(234) 중에서 열교환기(227)로부터 절연 엔클로우져(도시되지 않음)를 통과하여, 스트림(234) 내의 냉장이 제공되고 사용된다. 열교환기(227)로부터의 가온된 다성분 냉매 유체는 스트림(222) 중에서 열교환기(221)을 통해 통과하여 냉각 스트림(220)과의 간접 열교환에 의해 가온되고, 이로부터 스트림(216) 중에서 혼합기(21)를 통과하여, 스트림(215)와 혼합되어 상기 기술된 바와 같은 추가의 처리를 위한 스트림(217)을 형성한다.
상분리기(224)로부터의 증기 부분은 상분리기(224)로부터 스트림(225) 중에서 열교환기(227)를 통해 통과하여, 스트림(232) 중에서 가온 유체와의 간접 열교환에 의해 냉각된 후, 추가의 냉각을 위해 스트림(235) 중에서 열교환기(236)를 통과한다. 열교환기(227) 및 (236)을 통한 냉각 동안, 상기 증기 부분은 응축되어, 열교환기(236)로부터의 다성분 냉매 유체(238)이 액체 스트림이 된다. 스트림(238)은 열교환기(239)를 통한 통과에 의해 차냉각되고, 그 결과 차냉각된 액체 스트림(240)은 밸브(241)를 통해 팽창되어 주울-톰슨 효과에 의해 냉장을 발생시키고, 2-상 스트림일 수 있는 생성된 냉장 발생 다성분 냉매 유체(242)는 열교환기(239)를 통한 통과에 의해 가온되고, 바람직하게는 최소한 부분적으로 증발되어, 간접 열교환에 의해 상기 차냉각 스트림(238), 및 스트림(243) 중에서 열교환기(239)를 통과한 절연 엔클로우져 분위기 유체를 냉각시키는 역할을 한다. 생성된 냉장된 절연 엔클로우져 분위기 유체는 일반적으로 온도가 -150oF 내지 -330oF이며, 스트림(244) 중에서 열교환기(239)로부터 절연 엔클로우져(도시되지 않음)를 통과하여, 스트림(244) 내의 냉장이 제공되고 사용된다.
가온된 다성분 냉매 유체는 열교환기(239)로부터 스트림(237) 중에서 열교환기(236)을 통해 통과하여 추가로 가온되고, 이로부터 스트림(231) 중에서 혼합기(22)를 통과하여, 스트림(230)과 혼합되어 상기 기술된 바와 같은 추가의 처리를 위한 스트림(232)를 형성시킨다.
본 발명의 추가의 구체예에서, 냉매 사이클로부터의 폐열이 사용되어 냉장을 사용하는 동일하거나 상이한 설비에 열을 제공할 수 있다. 예를 들어, 도 4에 도시된 구체예의 냉각기(203) 및 (207)에서 방출된 열이 사용되어 보일러 공급수를 가열시킬 수 있다.
도 5는 단일 다성분 냉매 유체 시스템과 함께 다중 엔클로우져를 사용하는 본 발명의 또 다른 구체예를 도시한 것이다. 도 5와 관련하여, 다성분 냉매 유체(310)는 압축기(311)를 통한 통과에 의해 압축되고, 그 결과 압축된 다성분 냉매 유체(312)는 후냉각기(313)에서 압축열을 냉각시켜서 유체(314)를 생성시킨다. 스트림(314) 중의 다성분 냉매 유체는 열교환기(301)를 통한 통과에 의해 냉각되고, 그 결과 냉각된 다성분 냉매 유체(315)는 열교환기(302)를 통한 통과에 의해 추가로 냉각되어, 추가로 냉각된 다성분 냉매 유체(316)를 생성시킨다. 다성분 냉매 유체(316)는 밸브(317)를 통해 주울-톰슨 팽창을 일으키고, 생성된 냉장 발생 다성분 냉매 유체(318)는 열교환기(302)를 통한 통과에 의해 가온되어, 간접 열교환에 의해, 스트림(315)의 상기 추가의 냉각, 및 하기에 추가로 설명될 바와 같은 스트림(332)의 냉각을 수행한다. 생성된 가온된 다성분 냉매 유체 스트림(319)은 열교환기(301)를 통한 통과에 의해 추가로 가온되어, 간접 열교환에 의해, 스트림(314)의 상기 냉각, 및 하기에 추가로 설명될 바와 같은 스트림(332)의 냉각을 수행한다. 생성된 추가로 가온된 다성분 냉매 유체는 열교환기(302)로부터 스트림(310)으로서 압축기(311)을 통과하고, 사이클이 재개된다.
엔클로우져(303)으로부터의 분위기 유체는 스트림(320) 중에서 송풍기(321)를 통과하고, 이로부터 스트림(322)으로서 열교환기(301)를 통해 통과하여, 상기의 추가로 가온된 냉장 발생 다성분 냉매 유체와의 간접 열교환에 의해 냉각된다. 그 결과 냉각된 유체 스트림(323)은 엔클로우져(303) 내로 역으로 통과하여, 다성분 냉매 유체에 의해 발생된 냉장이 사용된다. 엔클로우져(305)로부터의 분위기 유체는 스트림(330) 중에서 송풍기(331)를 통과하고, 이로부터 스트림(332)으로서 열교환기(302)를 통과하여, 상기 가온된 냉장 발생 다성분 냉매 유체와의 간접 열교환에 의해 냉각된다. 그 결과 냉각된 유체 스트림(333)은 엔클로우져(305) 내로 역으로 통과하여, 다성분 냉매 유체에 의해 발생된 냉장이 사용된다.
도면에서 설명된 다성분 냉매 흐름 회로가 폐쇄된 루프 단일 흐름 사이클일 지라도, 다양한 다른 흐름 회로가 일부 응용에 사용될 수 있다. 냉매 흐름 회로는 액체 재순환, 즉 액체 재가온에 의한 냉매 유체의 상분리 및 분리된 증기의 추가의 냉각을 포함할 수 있다. 이러한 내부 액체 재순환은 냉매 혼합물 공정 융통성을 제공하는 역할을 하며, 액체 동결을 피할 수 있다. 또한, 매우 낮은 필요 온도 또는 다성분 엔클로우져와 같은 일부 경우에, 냉매 시스템에 대한 다중 흐름 회로를 이용하는 것이 바람직할 수 있다. 각각의 경우에, 각각의 분리 회로는 주어진 온도 범위에 걸쳐 냉장을 제공하고, 결합된 회로는 전체 온도 범위에 걸쳐 효율적인 냉장을 제공한다.
본 발명의 사용에 의해, 특히 주변 온도 내지 극저온과 같은 더 넓은 온도 범위에 걸쳐 냉장이 요구되는 경우에, 절연 엔클로우져에 냉장이 효율적으로 제공될 수 있다. 본 발명은 특정 바람직한 구체예와 관련하여 상세히 설명되었지만, 당업자들은 본 발명의 사상 및 특허청구범위 내에서 본 발명의 다른 구체예가 있음을 인지할 것이다.

Claims (10)

  1. (A) 플루오로카아본, 하이드로플루오로카아본 및 플루오로에테르로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 성분 및 플루오로카아본, 하이드로플루오로카아본, 플루오로에테르 및 대기 가스로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 성분을 포함하는 다성분 냉매 유체를 압축시키는 단계;
    (B) 압축된 다성분 냉매 유체를 냉각시키고 부분적으로 또는 완전히 응축시키는 단계;
    (C) 부분적으로 또는 완전히 응축된 다성분 냉매 유체를 팽창시켜서 냉장을 발생시키는 단계;
    (D) 냉장 발생 다성분 냉매 유체를 가온시키고 부분적으로 또는 완전히 증발시키고, 다성분 냉매 유체로부터의 냉장을 엔클로우져에 사용하는 단계를 포함하여, 냉장을 제공하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 냉장이 식품을 냉각 또는 냉동시키기 위해 사용되는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 냉장이 약제를 냉각 또는 냉동시키기 위해 사용되는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 엔클로우져가 절연 엔클로우져이며, 냉장 발생 다성분 냉매 유체를 가온시키고 부분적으로 또는 완전히 증발시키는 단계가 절연 엔클로우져 분위기 유체와의 열교환에 의해 수행되어 냉장된 절연 엔클로우져 분위기 유체를 생성시키며, 냉장된 절연 엔클로우져 분위기 유체를 절연 엔클로우져 내에서 사용하여 절연 엔클로우져에 냉장을 제공하는 단계(E)를 추가로 포함하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 단계(B)에서의 다성분 냉매 유체의 냉각이 다성분 냉매 유체를 부분적으로 응축시키고, 생성된 액체가 단계(C), (D) 및 (E)를 수행하기 위해 사용되며; 생성된 증기를 냉각시켜서 냉각된 유체를 생성시키고, 냉각된 유체를 팽창시켜서 냉장을 발생시키고, 생성된 냉장 발생 유체를 가온시켜서 절연 엔클로우져에 사용하기 위한 냉장된 유체를 생성시키는 단계(F)를 추가로 포함하는 방법.
  6. 제4항에 있어서, 단계(B)에서의 다성분 냉매 유체의 냉각이 다성분 냉매 유체를 부분적으로 응축시키고, 생성된 액체가 단계(C), (D) 및 (E)를 수행하기 위해 사용되며; 생성된 증기를 부분적으로 응축시켜서 액체 유체 및 증기 유체를 생성시키고, 액체 유체를 팽창시켜서 냉장을 발생시키고, 생성된 냉장 발생 액체 유체를 가온시켜서 절연 엔클로우져에 사용하기 위한 냉장된 유체를 생성시키는 단계(G) 및 증기 유체를 부분적으로 또는 완전히 응축시키고, 부분적으로 또는 완전히 응축된 유체를 팽창시켜서 냉장을 발생시키고, 생성된 냉장 발생 유체를 가온시켜서 절연 엔클로우져에 사용하기 위한 냉장된 유체를 생성시키는 단계(H)를 추가로 포함하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 다성분 냉매 성분 중의 최고 비점 성분의 정상 비점이 다성분 냉매 유체 중의 최저 비점 성분의 정상 비점보다 50oK 이상 더 높은 방법.
  8. 제1항에 있어서, 다성분 냉매 유체가 플루오로카아본, 하이드로플루오로카아본 및 플루오로에테르로 구성된 군으로부터 선택된 2종 이상의 성분을 포함하는 방법.
  9. 제1항에 있어서, 다성분 냉매 유체가 플루오로카아본, 하이드로플루오로카아본 및 플루오로에테르로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 성분, 및 1종 이상의 대기 가스를 포함하는 방법.
  10. 제1항에 있어서, 다성분 냉매 유체가 1종 이상의 플루오로에테르, 및 플루오로카아본, 하이드로플루오로카아본, 플루오로에테르 및 대기 가스로 구성된 군으로부터 선택된 1종 이상의 성분을 포함하는 방법.
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