DE60115895T2

DE60115895T2 - Nichtentflammbare gemischte kältemittel zur verwendung mit einem drosselkühlkreislauf mit sehr niedriger temperatur

Info

Publication number: DE60115895T2
Application number: DE60115895T
Authority: DE
Inventors: P. Kevin FLYNN; Oleg Podtcherniaev; Mikhail Boiarski; Vladimir Mogorichny; V. Tamirisa APPARAO; Boris Yudin
Original assignee: Helix Technology Corp
Current assignee: Azenta Inc
Priority date: 2000-06-28
Filing date: 2001-06-28
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2021-06-29
Also published as: US20020040584A1; CA2381353A1; EP1295070B1; JP2004502024A; AU7304301A; EP1295070A1; ATE313051T1; USRE40627E1; JP2009155660A; CN1388887A; US6502410B2; CN100483040C; DE60115895D1; WO2002001120A1

Description

Diese Erfindung betrifft Kühlmittelmischungen, ein Kühlsystem, einen Kühlvorgang und ein Verfahren zum Kühlen eines Gegenstands. Im Besonderen ist diese Erfindung auf die Verwendung eines nichtentflammbaren, ungiftigen, chlorfreien Kühlmittelgemischs zur Verwendung in Kühlsystemen mit sehr niedriger Temperatur gerichtet.
Kühlsysteme gibt es seit den frühen 1900er Jahren, als verläßliche abgedichtete Kühlsysteme entwickelt wurden. Seit dieser Zeit haben Verbesserungen in der Kühltechnologie ihren Nutzen sowohl im häuslichen als auch im industriellen Umfeld bewiesen. Im Besonderen stellen Kühlsysteme mit niedriger Temperatur gegenwärtig wesentliche industrielle Funktionen bei biomedizinischen Anwendungen, der Kryoelektronik, Beschichtungstätigkeiten und Halbleiterherstellungsanwendungen bereit.
Das Bereitstellen einer Kühlung bei Temperaturen unter 223 K (–50°C) weist viele wichtige Anwendungen, besonders bei industriellen Herstellungs- und Prüfanwendungen, auf. Diese Erfindung betrifft Kühlsysteme, die eine Kühlung bei Temperaturen zwischen 223 K und 73 K (–50°C und –200°C) bereitstellen. Die in diesem Bereich umfaßten Temperaturen werden verschiedentlich als niedrig, ultraniedrig und kryogen bezeichnet. Für die Zwecke dieser Anmeldung wird der Begriff "sehr niedrig" oder "sehr niedrige Temperatur" verwendet werden, um den Temperaturbereich von 223 K und 73 K (–50°C und –200°C) zu bedeuten. Bei vielen Herstellungsvorgängen, die unter Vakuumbedingungen durchgeführt werden und mit einem Kühlsystem mit sehr niedriger Temperatur verbunden sind, wird für manche Elemente eine schnelle Erhitzung benötigt. Dieser Erhitzungsvorgang ist ein Auftauzyklus. Die Erhitzung erwärmt den Verdampfer und die angeschlossenen Kühlmittelleitungen auf Raumtemperatur. Dies ermöglicht, daß diese Teile des Systems erreicht und zur Atmosphäre hin entlüftet werden, ohne daß eine Kondensation von Feuchtigkeit aus der Luft auf diesen Teilen verursacht wird. Je länger der gesamte Auftauzyklus und die anschließende Wiederaufnahme der Herstellung sehr niedriger Temperaturen dauert, desto geringer ist die Durchlaufleistung des Herstellungssystems. Das Ermöglichen eines raschen Auftauens und einer raschen Wiederaufnahme des Kühlens der Kryooberfläche (des Verdampfers) in der Vakuumkammer ist für die Erhöhung der Durchlaufleistung des Vakuumvorgangs vorteilhaft.
Es gibt viele Vakuumvorgänge, die einen Bedarf an einem derartigen Kühlen mit sehr niedriger Temperatur aufweisen. Die Hauptverwendung ist, ein Wasserdampfkryopumpen für Vakuumsysteme bereitzustellen. Die Oberfläche mit sehr niedriger Temperatur fängt und hält Wasserdampfmoleküle mit einer viel höheren Rate, als sie freigesetzt werden. Die Nettowirkung ist ein rasches und bedeutendes Senken des Wasserdampfteildrucks der Kammer. Dieser Vorgang des Wasserdampfkryopumpens ist für viele physikalische Aufdampfungsvorgänge in der Vakuumbeschichtungsindustrie für elektronische Speichermedien, optische Reflektoren, metallisierte Teile, Halbleitervorrichtungen usw. sehr nützlich. Dieser Vorgang wird auch verwendet, um bei Gefriertrocknungstätigkeiten Feuchtigkeit aus Lebensmittelprodukten zu entfernen.
Eine andere Anwendung ist mit der Wärmestrahlungsabschirmung verbunden. Bei dieser Anwendung werden große Platten auf sehr niedrige Temperaturen gekühlt. Diese Platten fangen Strahlungswärme von Vakuumkammeroberflächen und Heizvorrichtungen ab. Dies kann die Wärmebelastung auf Oberflächen, die auf niedrigere Temperaturen als die Platten gekühlt werden, verringern. Noch eine andere Anwendung ist die Beseitigung von Wärme von Gegenständen, die hergestellt werden. In manchen Anwendungen ist der Gegenstand eine Aluminiumscheibe für ein Computerfestlaufwerk, ein Siliziumwafer für die Herstellung einer Halbleitervorrichtung, oder das Material wie etwa Glas oder Kunststoff für einen Flachbildschirm. In diesen Fällen stellt die sehr niedrige Temperatur ein Mittel zum schnelleren Beseitigen von Wärme von diesen Objekten bereit, selbst wenn die Endtemperatur des Gegenstands am Ende des Vorgangsschritts höher als die Raumtemperatur sein kann. Außerdem sind manche Anwendungen, die mit Festplattenlaufwerkmedien, Siliziumwafern oder Flachbildschirmmaterial oder anderen Substraten verbunden sind, mit der Ablagerung von Material auf diese Gegenstände verbunden. In derartigen Fällen wird als Ergebnis dieser Ablagerung Wärme vom Objekt freigegeben und muß diese Wärme beseitigt werden, während das Objekt innerhalb vorgeschriebener Temperaturen gehalten wird. Das Kühlen einer Oberfläche wie einer Platte ist das typische Mittel zum Beseitigen von Wärme von derartigen Gegenständen. In allen diesen Fällen schreitet eine Grenzfläche zwischen dem Kühlsystem und dem zu kühlenden Gegenstand im Verdampfer voran, wo das Kühlmittel bei einer sehr niedrigen Temperatur Wärme vom Gegenstand beseitigt.
Noch andere Anwendungen von sehr niedrigen Temperaturen beinhalten die Lagerung von biologischen Fluida und Geweben, die Steuerung von Reaktionsgeschwindigkeiten für chemische Vorgänge und pharmazeutische Vorgänge.
Herkömmliche Kühlsysteme haben historisch chlorierte Kühlmittel verwendet, die als für die Umwelt nachteilig bestimmt wurden, und von denen bekannt ist, daß sie zum Ozonabbau beitragen. Somit haben zunehmend beschränkende Umweltbestimmungen die Kühlindustrie von chlorierten Fluorkohlenwasserstoffen (CFCs) zu Fluorchlorkohlenwasserstoffen (HCFCs) getrieben. Die Bestimmungen des Montrealer Protokolls erfordern ein stufenweises Auslaufen von HCFCs, und ein Gesetz der Europäischen Union verbietet die Verwendung von HCFCs in Kühlsystemen mit 1. Januar 2001. Daher wird die Entwicklung eines alternativen Kühlmittelgemischs benötigt. Fluorkohlenwasserstoff(HFC)kühlmittel sind gute Kandidaten, die nichtentflammbar sind, eine geringe Giftigkeit aufweisen, und im Handel erhältlich sind. Die Verwendung von HFCs in kommerziellen und häuslichen Anwendungen ist nun wohlbekannt. Doch diese Anwendungen erfordern nicht, daß die typischen HFC-Kühlmittel bei einer sehr niedrigen Temperatur verwendet werden. Daher sind ihre Leistung und ihr Verhalten in einem Gemisch bei einer niedrigen Temperatur nicht bekannt.
Wenn Ersatzkühlmittel ausgewählt werden, ist die Verwendung von nichtentflammbaren, ungiftigen (zulässige Aussetzungskonzentration mehr als 400 ppm) Kühlmitteln bevorzugt.
Systeme mit sehr niedriger Temperatur des Stands der Technik verwendeten entflammbare Bestandteile, um mit Ölen umzugehen. Die in Systemen mit sehr niedriger Temperatur, welche chlorierte Kühlmittel verwenden, verwendeten Öle wiesen eine gute Mischbarkeit mit den wärmer kochenden Bestandteilen auf, die fähig sind, bei Raumtemperatur verflüssigt zu werden, wenn sie unter Druck gesetzt werden. Kälter kochende HFC-Kühlmittel wie etwa R-23 sind mit diesen Ölen nicht mischbar und verflüssigen sich bis zu kälteren Teilen des Kühlvorgangs nicht leicht. Diese Unmischbarkeit verursacht, daß sich das Kompressoröl abtrennt und ausfriert, was zu einem Systemversagen aufgrund von blockierten Rohren, Sieben, Ventilen oder Drosselvorrichtungen führt. Um eine Mischbarkeit bei diesen niedrigeren Temperaturen bereitzustellen, wurde dem Kühlmittelgemisch Ethan hinzugefügt. Unglücklicherweise ist Ethan entflammbar und kann es die Kundenakzeptanz beschränken und zusätzliche Anforderungen für Systemsteuerungen, Einrichtungsanforderungen und Kosten herbeiführen. Daher ist die Beseitigung jedweden entflammbaren Bestandteils bevorzugt.
Zusätzlich kann die Verwendung eines giftigen Kühlmittels die Kundenakzeptanz beschränken und zusätzliche Anforderungen für Systemsteuerungen, Einrichtungsanforderungen und Kosten herbeiführen. Eine zulässige Aussetzungskonzentration (PEL) ist die Höchstmenge oder -konzentration einer Chemikalie, der ein Arbeiter unter den Bestimmungen der US-Arbeitsschutzbehörde ausgesetzt sein darf. Im Fall gemischter Kühlmittel wird eine PEL jedweden Bestandteils von unter 400 ppm als giftig betrachtet und stellt sie eine Gesundheitsgefährdung für jede Person, wie etwa einen Kundendiensttechniker, die dem Kühlmittel ausgesetzt sein kann, dar. Daher ist es vorteilhaft, ein Kühlmittel zu verwenden, dessen Bestandteile eine PEL aufweisen, die größer als 400 ppm ist.
Eine andere Anforderung ist, ein Gemisch von Kühlmitteln zu entwickeln, das aus dem Kühlmittelgemisch nicht ausfrieren wird. Ein "Ausfrierungs"zustand in einem Kühlsystem besteht dann, wenn ein oder mehrere Kühlmittelbestandteile oder das Kompressoröl fest oder bis zu dem Punkt, an dem er/es nicht fließt, äußerst zähflüssig wird. Während des Normalbetriebs eines Kühlsystems nimmt der Saugdruck ab, während die Temperatur abnimmt. Wenn ein Ausfrierungszustand auftritt, neigt der Saugdruck zu einem noch weiteren Fallen, wodurch eine positive Rückkopplung erzeugt wird und die Temperatur weiter verringert wird, was noch mehr Ausfrieren verursacht. Was benötigt wird, ist eine Weise, um ein Ausfrieren in einem MR-Kühlsystem zu verhindern. Verfügbare HFC-Kühlmittel weisen wärmere Gefrierpunkte als die HCFC- und CFC-Kühlmittel, die sie ersetzen, auf. Da diese Kühlmittel eher neu sind, und da ihre Verwendung bei sehr niedrigen Temperaturen ungewöhnlich ist, gibt es keine Sammlung von Informationen, die das Ausfrierungsverhalten von Gemischen, die diese neuen Kühlmittel enthalten, vorhersagen können.
Eine andere Herausforderung bei der Verwendung von Fluorkohlenwasserstoffen (HFCs) ist, daß diese Kühlmittel in Alkylbenzenöl unmischbar sind und daher ein Polyolester(POE)-Kompressoröl (1998 ASHRAE Refrigeration Handbook, Kapitel 7, Seite 7.4, American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers) verwendet wird, um mit den HFC-Kühlmitteln kompatibel zu sein. Die Auswahl des passenden Öls ist für Systeme mit sehr niedriger Temperatur wesentlich, da das Öl nicht nur eine gute Kompressorschmierung bereitstellen muß, sondern sich bei sehr niedrigen Temperaturen auch nicht vom Kühlmittel trennen und ausfrieren darf.
Typischerweise erfordert eine Änderung von Kühlmitteln in der Kühlindustrie eine Änderung von Hardwareelementen wie etwa des Kompressors oder von Ventilen. Als Ergebnis kann eine Kühlmitteländerung eine teure Ausrüstungsumrüstung und eine damit verbundene Ausfallzeit verursachen. Was benötigt wird, ist eine Weise zur Verwendung von bestehender Kühlausrüstung in Verbindung mit den jüngst entwickelten gemischten HFC-Kühlmitteln, die mit der bestehenden Hardware und den bestehenden Materialien kompatibel sind. Dies wird durch den Umstand weiter verkompliziert, daß Systeme mit sehr niedriger Temperatur in mehreren unterschiedlichen Modi tätig sein müssen. Bei diesen Systemen kann sogar die Tätigkeit des Hochfahrens eine Herausforderung darstellen, da sich viele der Kühlmittel, die während des Dauerbetriebs flüssig sind, in einem gasförmigen Zustand befinden, wenn sich das System bei Raumtemperatur befindet. Außerdem erfordern scharfe Betriebsänderungen wie etwa das Bereitstellen eines schnellen Auftauens ein korrektes Kühlmittelmischen, damit das System tätig ist, ohne Grenzen bei Betriebstemperaturen oder Drücken zu überschreiten. Die einzelnen entwickelten Mischungen nach der Erfindung sind in Tabelle 1 (1) gezeigt und als Mischung A, Mischung B usw. angegeben. In der Tabelle sind auch die Typennummern von entwickelten kommerziellen Pro dukten der IGC Polycold Systems, Inc., San Rafael, Kalifornien, die diese Mischungen verwenden, gezeigt.
Zum Beispiel verwendete eine Kühleinheit des Stands der Technik ein Gemisch, das R-123, R-22, R-23, R-170, R-14, und Argon enthielt, welches Gemisch erfolgreich durch die Mischung A (Tabelle 1) ersetzt wurde, um das Ziel des Bereitstellens einer gleichwertigen Kühlleistung ohne die Verwendung von HCFCs und ohne die Verwendung von entflammbaren oder giftigen Kühlmitteln zu erreichen.
Außerdem kann den obigen Zusammensetzungen nach der Erfindung ein anderer Bestandteil beigegeben werden, sofern die Verhältnisse der angeführten Bestandteile (Tabelle 1) bei den gleichen Verhältnissen in Bezug zueinander bleiben.
HINTERGRUNDPATENTE
Die US-Patentschrift Nr. 6,041,621, "Single circuit cryogenic liquefaction of industrial gas", auf Praxair Technology, Inc. (Danbury, CT) übertragen, beschreibt ein Verfahren zum leistungsfähigeren Verflüssigen von Industriegas, wobei die Kühlung für die Verflüssigung unter Verwendung eines definierten Mehrkomponenten-Kühlmittelfluids erzeugt wird und durch einen Einzelflußkreislauf über einen weiten Temperaturbereich von der Umgebungs- zur kryogenen Temperatur bereitgestellt wird.
Die US-Patentschrift Nr. 5,702,632, "Non-CFC refrigerant mixture", auf General Signal Corporation (Stamford, CT) übertragen, beschreibt einen Kühlwärmeaustauscherabschnitt, der beim Zirkulieren einer im Wesentlichen Nicht-CFC-Kühlmittelmischung nützlich ist und ein Kompressormittel, einen Hilfskondensator, einen ersten Kondensator, einen zweiten Kondensator, einen dritten Kondensator, einen Unterkühler, und eine Flüssigkeits/Gas-Trennvorrichtung umfaßt, wobei eine unterkühlte Kühlflüssigkeitsmischung, die als Bodenprodukt von der Flüssigkeits/Gas-Trennvorrichtung genommen wird, durch ein erstes Ausdehnungsmittel und ein zweites Ausdehnungsmittel verteilt und ausgedehnt wird, um derart einen ersten bzw. einen zweiten ausgedehnten Strom zu bilden, daß der erste ausgedehnte Strom zum Hilfskondensator und zum Kompressor zurückgeführt wird, um ein Überhitzen des Kompressors zu vermeiden.
Die US-Patentschrift Nr. 8,408,848, "Non-CFC-autocascade refrigeration system", auf General Signal Corporation (Stamford, CT) übertragen, beschreibt einen Kühlwärmeaustauscherabschnitt, der beim Zirkulieren einer im Wesentlichen Nicht-CFC-Kühlmittelmischung nützlich ist und ein Kompressormittel, einen Hilfskondensator, einen ersten Kondensator, einen zweiten Kondensator, einen dritten Kondensator, einen Unterkühler, und eine Flüssigkeits/Gas-Trennvorrichtung umfaßt, wobei eine unterkühlte Kühlflüssigkeitsmischung, die als Bodenprodukt von der Flüssigkeits/Gas-Trennvorrichtung genommen wird, durch ein erstes Ausdehnungsmittel und ein zweites Ausdehnungsmittel verteilt und ausgedehnt wird, um derart einen ersten bzw. einen zweiten ausgedehnten Strom zu bilden, daß der erste ausgedehnte Strom zum Hilfskondensator und zum Kompressor zurückgeführt wird, um ein Überhitzen des Kompressors zu vermeiden.
Die US-Patentschrift Nr. 6,076,327 offenbart ein Verfahren zur Erzeugung einer Kühlung, besonders über einen weiten Temperaturbereich einschließlich kryogener Temperaturen, wobei eine ungiftige, nichtentflammbare und gering oder nicht ozonabbauende Mischung aus definierten Bestandteilen gebildet wird und während des Verdichtungs-, des Kühl-, des Ausdehnungs- und des Erwärmungsschritts in einem Kühlzyklus in veränderlich belasteter Form gehalten wird. Die Kühlmittelmischung umfaßt zumindest einen Bestandteil aus der Gruppe, die aus Fluorkohlenstoffen, Fluorkohlenwasserstoffen und Fluorethern besteht, und zumindest einen Be standteil aus der Gruppe, die aus Fluorkohlenstoffen, Fluorkohlenwasserstoffen, Fluorchlorkohlenwasserstoffen, Fluorethern, Atmosphäregasen und Kohlenwasserstoffen besteht.
WO 98/12468 offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Entfernung von Restöl und anderen Verschmutzungen aus dem Kühlmittelstrom, der zu Niedertemperaturstufen einer kryogenen Kühlvorrichtung fließt. Ein Strom aus Dampf und flüssigem Kühlmittel wird durch das Einlaßrohr in eine Wirbelkammer eingespritzt. Während die Flüssigkeit einen kegelförmigen Abschnitt hinab und durch eine Flüssigkeitsleitung ausläuft, bewegt sich die Dampfphase in eine Packung aus Metallplättchen hinauf, die in einer bestimmten Ausführungsform durch einen zurückkehrenden Strom aus kaltem Dampf gekühlt wird, der durch ein Rohr verläuft, das um die Säule geschlungen ist. Ein Teil des Dampfs kondensiert auf den Plättchen und wird in einem Gleichgewicht mit dem Dampf gehalten. Da Verschmutzungen mit hohem Molekulargewicht in der Flüssigphase löslicher sind, werden sie zusammen mit den Tröpfchen des Kondensats die Säule hinab getragen und mit der Flüssigkeitsfraktion durch die Flüssigkeitsleitung abtransportiert.
KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung ist ein nichtentflammbares, ungiftiges, chlorfreies, gemischtes Kühlmittel (MR) zur Verwendung mit Drosselkühlkreislaufsystemen verschiedenster Gestaltungen mit niedriger Temperatur.
Das nichtentflammbare, chlorfreie, ungiftige MR der vorliegenden Erfindung dient zur Verwendung in Kühlsystemen oder -vorgängen mit sehr niedriger Temperatur wie etwa Systemen mit gemischtem Kühlmittel, einem selbstkühlenden Kaskadenkühlkreislauf, einem Klimenko-Kühlkreislauf oder einem System mit einer einzelnen Ausdehnungsvorrichtung. Das Kühlsystem besteht aus zumindest einem Kompressor und einem Drosselkühlkreislauf von entweder Einstufen- (keine Phasentrennvorrichtungen) oder Mehrstufenanordnung (mindestens eine Phasentrennvorrichtung). Mehrstufen-Drosselkühlkreisläufe werden auch als selbstkühlende Kaskadenkühlkreisläufe bezeichnet und sind durch die Verwendung zumindest einer Kühlmittel-Dampf/Flüssigphasen-Trennvorrichtung im Kühlvorgang gekennzeichnet.
Das nichtentflammbare, chlorfreie; ungiftige MR-Gemisch der vorliegenden Erfindung ist in einem Kühlsystem nützlich, das einen Langzeit-Auftauzyklus aufweist.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß nichtentflammbare, ungiftige und chlorfreie Kühlmittelgemische zur Verwendung in Kühlsystemen mit sehr niedriger Temperatur offenbart werden.
Ein weiterer Vorteil dieser Erfindung ist, daß das passende Kompressoröl zur Verwendung mit HFC-Kühlmitteln zur Verwendung in Kühlsystemen mit sehr niedriger Temperatur offenbart wird.
Noch ein anderer Vorteil der Erfindung ist, daß die Grenzen von warmgefrierenden Kühlmitteln identifiziert werden, so daß die Verwendung dieser Gemische unter dem Gefrierpunkt dieser warmgefrierenden Bestandteile offenbart wird.
Demgemäß war eine Aufgabe der Erfindung die Entwicklung von verbesserten Kühlmittelmischungen, die von HCFCs frei sind, und die verwendet werden können, um die gleiche Kühlleistung wie eine frühere Mischung mit HCFCs bereitzustellen, ohne Änderungen im Kompressor, in Kühlmittel-Flüssig/Dampfphasen-Trennvorrichtungen, in Drosselvorrichtungen und in der Wärmeaustauscheranordnung zu erfordern.
Die Erfindung umfaßt demgemäß Mischungen von Kühlmitteln und dem passenden Kompressoröl, die die Eigenschaften, Fähigkeiten und die Bestandteilbeziehung besitzen, die in den nachstehend beschriebenen Mischungen beispielhaft angegeben sind, und der Umfang der Erfindung wird in den Ansprüchen angegeben werden.
Noch andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden in der Beschreibung offensichtlich werden. Die Erfindung umfaßt demgemäß die Merkmale des Aufbaus, die Kombinationen von Elementen, und die Anordnungen von Teilen, die in den nachstehend bekannt gemachten Aufbauten beispielhaft angegeben werden, und der Umfang der Erfindung wird in den Ansprüchen angegeben werden.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird auf die folgende Beschreibung Bezug genommen werden, die in Verbindung mit den beiliegenden Zeichnungen vorgenommen wird, wobei
1 eine schematische Ansicht eines Kühlsystems mit sehr niedriger Temperatur mit Auftaufähigkeit ist, das einen selbstkühlenden Kaskadenkühlvorgang verwendet und ohne Hardwareabwandlungen unter Verwendung einer Kühlmittelmischung nach der Erfindung betrieben werden kann;
2 eine teilweise schematische Ansicht eines alternativen Kühlvorgangs, einer selbstkühlenden Kaskade mit Einzelphasentrennvorrichtung, zur Verwendung im Kühlsystem von 1 nach der Erfindung ist;
3 eine teilweise schematische Ansicht eines anderen alternativen Kühlvorgangs zur Verwendung im Kühlsystem von 1 nach der Erfindung ist;
4 Tabelle 1 von Kühlmittelmischungszusammensetzungen ist;
5 Tabelle 2 von vergleichenden Kühlsystemleistungen unter Verwendung von Kühlmittelmischungen ist;
6 Tabelle 3 von Kühlmittelmischungen ist, die verwendet werden können, um eine Kühlung ohne Kühlmittelausfrieren bis auf 105 K hinab zu erreichen;
7 Tabelle 4 von Kühlmittelmischungen ist, die verwendet werden können, um eine Kühlung ohne Kühlmittelausfrieren bis auf 118 K hinab zu erreichen;
8 Tabelle 5 von Kühlmittelmischungen ist, die verwendet werden können, um eine Kühlung ohne Kühlmittelausfrieren bis auf 130 K hinab zu erreichen;
9 Tabelle 6 von Kühlmittelmischungen ist, die verwendet werden können, um eine Kühlung ohne Kühlmittelausfrieren bis auf 140 K hinab zu erreichen;
10 Tabelle 7 von Kühlmittelmischungen ist, die verwendet werden können, um eine Kühlung ohne Kühlmittelausfrieren bis auf 155 K hinab zu erreichen;
11 Tabelle 8 von Kühlmittelmischungen ist, die untersucht wurden, um die in Tabelle 3 bis 7 verwendeten Grenzen ohne Kühlmittelausfrieren zu bestimmen;
12 Tabelle 9 der Temperaturen ist, bis zu denen einzelne Kühlmittel und Kühlmittelmischungen ohne Kühlmittel- oder Ölausfrieren mit Kompressoröl kombiniert werden können.
BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
In einer ersten Ausführungsform zeigt 1 ein Kühlsystem 100 mit sehr niedriger Temperatur, das das gemischte Kühlmittel nach der Erfindung verwendet. Das Kühlsystem 100 ist ein Kühlsystem mit sehr niedriger Temperatur, das einen Kompressor 102 beinhaltet, der eine optionale Öltrennvorrichtung 124 speist, die über eine Ablaßleitung 106 einen Kondensator 104 speist. Ein zweiter Auslaß der Öltrennvorrichtung 124 führt am Knoten zwischen dem Kühlvorgang 108 und dem Kompressor 102 über eine Ölrückführungsleitung 130 zur Kompressorsaugleitung 122 zurück. Der Kondensator 104 speist über eine Flüssigkeitsleitung 110 einen Versorgungseinlaß eines Kühlvorgangs 108. Ein Versorgungsauslaß eines Kühlvorgangs 108 speist über eine Kühlmittelversorgungsleitung 114 einen Einlaß eines Verdampfers 112. In Reihe in der Kühlmittelversorgungsleitung 114 zwischen dem Kühlvorgang 108 und dem Verdampfer 112 befindet sich eine Flußmengendosiervorrichtung (FMD) 116, die wiederum ein Magnetventil 118 speist. Ein Auslaß des Verdampfers 112 speist über eine Kühlmittelrückführungsleitung 120 einen Rückführungseinlaß des Kühlvorgangs 108. Ein Rückführungsauslaß des Kühlvorgangs 108 schließt die Schleife über eine Kompressorsaugleitung 122 zum Kompressor 102 zurück. In anderen Anordnungen befindet sich das Magnetventil 118 zwischen dem Auslaß des Kühlvorgangs 108 und der Flußmengendosiervorrichtung 116.
Das Kühlsystem 100 beinhaltet ferner eine Auftauversorgungsleitung 128, die ein Magnetventil 160 speist, das an einem Knoten zwischen dem Magnetventil 118 und dem Verdampfer 112 Kühlmittel liefert.
Die Öltrennvorrichtung 124 wird nicht benötigt, wenn ein ölfreier Kompressor verwendet wird. Und in manchen Fällen ist die Ölkonzentration in der Ablaßleitung, die den Kompressor verläßt, niedrig genug, daß eine Öltrennvorrichtung nicht benötigt wird. In anderen Abarten ist die Öl trennvorrichtung in der Auftauversorgungsleitung 128 installiert.
Der Verdampfer 112 ist wie gezeigt manchmal als Teil des vollständigen Kühlsystems 100 enthalten. In anderen Anordnungen wird der Verdampfer 112 durch den Kunden oder andere Drittparteien bereitgestellt und bei der Installation des vollständigen Kühlsystems 100 montiert. Die Herstellung des Verdampfers ist häufig sehr einfach und kann aus einer Kupfer- oder einer Edelstahlverrohrung bestehen. Die Haupterfindung ist durch die Beschreibung der anderen Teile des Kühlsystems 100 verkörpert.
Ein anderes Element, das beim Aufbau der Erfindung gewöhnlich ist, sind Verbindungsleitungen, die ermöglichen, daß der Verdampfer 112 in einer beträchtlichen Entfernung, typischerweise 6 Fuß bis 100 Fuß, von den anderen Elementen des Kühlsystems 100 angeordnet werden kann. Die Verbindungsleitungen sind nicht als ein gesondertes Element gezeigt.
Der Kühlvorgang 108 ist als ein selbstkühlendes Kaskadensystem gezeigt und beinhaltet einen Wärmeaustauscher 132, eine Phasentrennvorrichtung 134, einen Wärmeaustauscher 136, eine Phasentrennvorrichtung 138, einen Wärmeaustauscher 140, eine Phasentrennvorrichtung 142, einen Wärmeaustauscher 144, eine Flußmengendosiervorrichtung (FMD) 146, eine FMD 148 und eine FMD 150. Die Wärmeaustauscher stellen eine Wärmeübertragung vom Kühlmittel mit hohem Druck zum Kühlmittel mit niedrigem Druck bereit. Die FMDs drosseln das Kühlmittel mit hohem Druck auf niedrigen Druck und erzeugen als eine Wirkung des Drosselvorgangs eine Kühlwirkung.
Der Versorgungskühlmittelflußweg durch den Kühlvorgang 108 verläuft wie folgt: ein Versorgungseinlaß des Wärmeaustauschers 132 wird durch die Flüssigkeitsleitung 110 gespeist, und ein Versorgungsauslaß des Wärmeaustauschers 132 speist einen Versorgungseinlaß der Phasentrennvorrichtung 134. Ein Versorgungsauslaß der Phasentrennvorrichtung 134 speist einen Versorgungseinlaß des Wärmeaustauschers 136, und ein Versorgungsauslaß des Wärmeaustauschers 136 speist einen Versorgungseinlaß der Phasentrennvorrichtung 138. Ein Versorgungsauslaß der Phasentrennvorrichtung 138 speist einen Versorgungseinlaß des Wärmeaustauschers 140, und ein Versorgungauslaß des Wärmeaustauschers 140 speist einen Versorgungseinlaß der Phasentrennvorrichtung 142. Ein Versorgungsauslaß der Phasentrennvorrichtung 142 speist einen Versorgungseinlaß des Wärmeaustauschers 144, und ein Versorgungsauslaß des Wärmeaustauschers 144 speist die Kühlmittelversorgungsleitung 144.
Der Rückführungskühlmittelflußweg durch den Kühlvorgang 108 verläuft wie folgt: ein Rückführungseinlaß des Wärmeaustauschers 144 wird durch die Kühlmittelrückführungsleitung 120 gespeist, und ein Rückführungsauslaß des Wärmeaustauschers 144 speist einen Rückführungseinlaß des Wärmeaustauschers 140. Ein Rückführungsauslaß des Wärmeaustauschers 140 speist einen Rückführungseinlaß des Wärmeaustauschers 136. Ein Rückführungsauslaß des Wärmeaustauschers 136 speist einen Rückführungseinlaß des Wärmeaustauschers 132. Ein Rückführungsauslaß des Wärmeaustauschers 132 speist die Saugleitung 122.
Zusätzlich speist ein zweiter Auslaß der Phasentrennvorrichtung 134 die FMD 146, die an einem Knoten zwischen dem Wärmeaustauscher 136 und dem Wärmeaustauscher 140 in den Kühlmittelrückführungsweg führt. Ein zweiter Auslaß der Phasentrennvorrichtung 138 speist die FMD 148, die an einem Knoten zwischen dem Wärmeaustauscher 140 und dem Wärmeaustauscher 144 in den Kühlmittelrückführungsweg führt. In der gleichen Weise speist ein zweiter Auslaß der Phasentrennvorrichtung 142 die FMD 150, die an einem Knoten zwi schen dem Wärmeaustauscher 144 und dem Verdampfer 112 in den Kühlmittelrückführungsweg führt.
In jedem Fall wirken die Phasentrennvorrichtungen 134, 138 und 142 dazu, das flüssige Kühlmittel vom dampfförmigen Kühlmittel zu trennen. Die Trennleistungsfähigkeiten schwanken von 40% bis 100% (das heißt, irgendein Ausmaß von 60% bis 0% der Flüssigkeit kann durch den ersten Ausgang austreten). Der erste Ausgang ist vorzugsweise Dampf. Der zweite Ausgang ist selektiv Flüssigkeit. Die Flüssigkeit von jeder Phasentrennvorrichtung wird durch ein Drosselungsventil, typischerweise ein Kapillarrohr, das als Flußmengendosiervorrichtung (FMD) identifiziert ist, ausgedehnt. Genauer speist Flüssigkeit von der Phasentrennvorrichtung 134 die FMD 146, Flüssigkeit von der Phasentrennvorrichtung 138 die FMD 148, und speist die Phasentrennvorrichtung 142 die FMD 150. Daher befindet sich die Flüssigkeit bei einem hohen Druck, wenn sie die Phasentrennvorrichtungen 134, 138 und 142 verläßt, und bei einem niedrigen Druck, wenn sie mit dem zurückkehrenden Kühlmittel bei niedrigem Druck vermischt wird.
Das Kühlsystem 100 beinhaltet ferner ein Magnetventil 152, das durch eine Abzweigung des ersten Auslasses der Phasentrennvorrichtung 134 gespeist wird. Ein Auslaß des Magnetventils 152 speist einen Ausdehnungstank 154, der in Reihe mit einem zweiten Ausdehnungstank 156 angeschlossen ist. Zusätzlich ist ein Einlaß einer FMD 158 mit einem Knoten zwischen dem Magnetventil 152 und dem Ausdehnungstank 154 verbunden. Ein Auslaß der FMD 158 führt an einem Knoten zwischen dem Wärmeaustauscher 136 und dem Wärmeaustauscher 132 in den Kühlmittelrückführungsweg.
Das Kühlsystem 100 kann in einem von drei Modi, Kühlen, Abtauen und Bereitschaft, tätig sein. Die beschriebenen Kühlmittelgemische ermöglichen den Betrieb in jedem dieser drei Modi. Wenn sich die Magnetventile 160 und 118 beide in der geschlossenen Stellung befinden, wird das System als in Bereitschaft befindlich bezeichnet. Es fließt kein Kühlmittel zum Verdampfer. Kühlmittel fließt durch die internen Flußmengendosiervorrichtungen (d.h., die FMD 146, die FMD 148 und die FMD 150), die verursachen, daß Kühlmittel mit hohem Druck zur Niederdruckseite des Vorgangs geliefert wird, nur innerhalb des Kühlvorgangs 108. Dies gestattet einen fortlaufenden Betrieb des Kühlvorgangs 108, der unbegrenzt andauern kann. Falls ein Einzeldrosselkühlvorgang verwendet wird, ist ein Bereitschaftsbetriebsmodus nur möglich, wenn während des Bereitschaftsmodus ein Mittel verfügbar ist, das ein Verlaufen des Flusses durch eine Drossel verursacht, um zu verursachen, daß das Kühlmittel von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite des Kühlvorgangs 108 fließt. In manchen Anordnungen kann dies durch ein Paar von Magnetventilen zum Steuern des Flusses des Kühlmittels zum Verdampfer oder zum Kühlvorgang zurück ermöglicht werden. In anderen Anordnungen werden eine zusätzliche Drossel und ein Magnetventil verwendet, um diesen internen Fluß in Bereitschaft zu ermöglichen.
Durch das Öffnen des Magnetventils 118 befindet sich das System im Kühlmodus. In diesem Betriebsmodus befindet sich das Magnetventil 160 in der geschlossenen Stellung. Kühlmittel mit sehr niedriger Temperatur vom Kühlvorgang 108 wird durch die FNMD 116 ausgedehnt und fließt durch Ventile 118 und zum Verdampfer 112 hinaus, und wird dann über die Kühlmittelrückführungsleitung 120 zum Kühlvorgang 108 zurückgeführt. Das Kühlsystem 100 kann unbegrenzt in diesem Modus tätig sein.
Das Kühlsystem 100 befindet sich durch das Öffnen des Magnetventils 160 im Auftaumodus. In diesem Betriebsmodus befindet sich das Magnetventil 118 in der geschlossenen Stellung. Im Auftaumodus wird heißes Gas vom Kompressor 102 zum Verdampfer 112 geliefert. Typischerweise wird das Auftauen begonnen, um die Oberfläche des Verdampfers 112 auf Raumtemperatur zu erwärmen, um angesammelten kondensierten Wasserdampf (d.h., Eis) zu entfernen, um eine Kondensation an der Oberfläche des Verdampfers 112 zu verhindern, wenn die Vakuumkammer zur Atmosphäre hin gelüftet wird, oder um die Gefahr, daß Personal den sehr niedrigen Temperaturen ausgesetzt wird, zu beseitigen. Heißes Kühlmittel fließt durch die Öltrennvorrichtung 124, über die Auftauleitung 128 zum Magnetventil 160, wird zu einem Knoten zwischen dem Magnetventil 118 und dem Verdampfer 112 geliefert, und fließt zum Verdampfer 112. Am Beginn des Auftauens befindet sich der Verdampfer 112 bei einer sehr niedrigen Temperatur und verursacht er, daß das heiße Kühlmittelgas gekühlt und völlig oder teilweise kondensiert wird. Das Kühlmittel kehrt dann über die Kühlmittelrückführungsleitung 120 zum Kühlvorgang 108 zurück. Das zurückkehrende Auftaukühlmittel befindet sich anfänglich bei einer sehr niedrigen Temperatur, die den normalerweise im Kühlmodus bereitgestellten Temperaturen ziemlich ähnlich ist. Während der Auftauvorgang voranschreitet, wird der Verdampfer 112 erwärmt. Letztendlich ist die Temperatur des zurückkehrenden Auftaugases viel wärmer, als jene, die im Kühlmodus bereitgestellt wird. Dies führt zu einer großen thermischen Belastung auf den Kühlvorgang 108. Dies kann für kurze Zeiträume, typischerweise 2 bis 7 Minuten, was typischerweise zum Erwärmen der gesamten Oberfläche des Verdampfers 112 auf Raumtemperatur ausreichend ist, toleriert werden. Typischerweise befindet sich ein nicht gezeigter Temperatursensor in einem thermischen Kontakt mit dem Kühlmittelrückführungsleitungssystem (nicht gezeigt), um das Auftauen zu beenden, das Magnetventil 160 zu schließen, und das Kühlsystem 100 in Bereitschaft zu bringen. Typischerweise wird nach dem Abschluß des Auftauens ein kurzer Zeitraum in Bereitschaft, typischerweise 5 Minuten, benötigt, um dem Kühlvorgang 108 zu gestatten, seine Temperatur zu verringern, bevor er in den Kühlmodus geschaltet wird.
Alternative Mittel zur Bereitstellung des Auftauens, die einen fortlaufenden Betrieb ermöglichen, sind wie in der US-Patentanmeldung Nr. 09/870,385 beschrieben möglich.
Die wie oben beschriebene Verbindung aller Elemente des Kühlsystems 100 ist ausgeführt, um einen Kühlmittelfluß zu ermöglichen. Alle Elemente des Kühlsystems 100 sind in der Industrie wohlbekannt (d.h., der Kompressor 102, der Kondensator 104, der Kühlvorgang 108, der Verdampfer 112, die FMD 116, das Magnetventil 118, die Öltrennvorrichtung 124, der Wärmeaustauscher 132, die Phasentrennvorrichtung 134, der Wärmeaustauscher 136, die Phasentrennvorrichtung 138, der Wärmeaustauscher 140, die Phasentrennvorrichtung 142, der Wärmeaustauscher 144, das Magnetventil 152, der Ausdehnungstank 154, der Ausdehnungstank 156, und die FMD 158). Dennoch ist nachstehend eine gewisse kurze Beschreibung der Elemente beinhaltet.
Zum Zweck der Veranschaulichung in dieser Offenbarung ist der Kühlvorgang 108 des Kühlsystems 100 in 1 als eine Version eines selbstkühlenden Kaskadenkühlkreislaufs gezeigt. Doch der Kühlvorgang 108 des Kühlsystems 100 mit sehr niedriger Temperatur ist jedes beliebige Kühlsystem mit niedriger Temperatur, das gemischte Kühlmittel verwendet.
Genauer kann der Kühlvorgang 108 der selbstkühlende Kaskadenvorgang von IGC-Polycold Systems (San Rafael, Kalifornien), oder ein APD-System (d.h. ein Einzelstufen-Kryokühler, der keine Phasentrennung aufweist) von IGC-APD Cryogenics (Allentown, PA), ein Zyklus vom Missimer-Typ (d.h., eine selbstkühlende Kaskade, Patentschrift Nr. 3,768,273 an Missimer), vom Klymenko-Typ (d.h., ein System mit zwei Phasentrennvorrichtungen), ein System mit einer einzelnen Phasentrennvorrichtung oder ein Typ mit einzelner Ausdehnungsvorrichtung, das durch die Patentschrift Nr. 5,441,658 an Longworth beschrieben ist, sein. Außerdem kann es sich beim Kühlvorgang 108 um Variationen dieser Vorgänge wie etwa in der Patentschrift Nr. 4,597,267 an Forrest und in der Patentschrift Nr. 4,535,597 an Missimer beschrieben, oder jeden beliebigen anderen Kühlvorgang mit sehr niedriger Temperatur mit keiner, einer oder mehr als einer Stufe einer Phasentrennung handeln. Ein weiterer Verweis auf eine Kühlung mit niedriger Temperatur und sehr niedriger Temperatur läßt sich in Kapitel 39 des durch die American Society of Heating, Refrigeration, and Air Conditioning Engineering verfaßten 1998 ASHRAE Refrigeration Handbook finden. Zusätzlich zur Anzahl der verwendeten Phasentrennvorrichtungen kann die Anzahl der Wärmeaustauscher, und die Anzahl der verwendeten internen Drosselvorrichtungen in verschiedenen Anordnungen wie für die bestimmte Anwendung passend erhöht oder verringert werden.
Es sind mehrere grundlegende Variationen des in 1 gezeigten Kühlvorgangs 108 möglich. Das in 1 gezeigte Kühlsystem 100 ist mit einem einzelnen Kompressor verbunden. Es wird jedoch anerkannt, daß diese gleiche Verdichtungswirkung unter Verwendung von zwei Kompressoren in Parallelschaltung erhalten werden kann, oder daß der Verdichtungsvorgang über Kompressoren in Reihe oder einen Zweistufenkompressor in Stufen aufgebrochen werden kann. Alle dieser möglichen Variationen werden als innerhalb des Umfangs dieser Offenbarung angesehen. Die bevorzugte Ausführungsform verwendet einen einzelnen Kompressor, da dies Verbesserungen in der Verläßlichkeit bietet. Die Verwendung von zwei Kompressoren in Parallelschaltung ist zur Verringerung des Energieverbrauchs nützlich, wenn das Kühlsystem leicht belastet ist. Ein Nachteil dieses Ansatzes sind die zusätzlichen Bestandteile, Steuerungen, der benötigte Bodenraum, und die Kosten, und die Verringerung in der Verläßlichkeit. Die Verwendung von zwei Kompressoren in Reihe stellt ein Mittel zur Verringerung des Verdichtungsverhältnisses jeder Verdichtungsstufe bereit. Dies stellt den Vorteil der Verringerung der Höchstablaßtemperatur, die durch das verdichtete Kühlmittelgas erreicht wird, bereit. Dies erfordert jedoch ebenfalls zusätzliche Bestandteile, Steuerungen und Kosten, und verringert die Systemverläßlichkeit. Die bevorzugte Ausführungsform verwendet einen einzelnen Kompressor. Mit einem einzelnen Kompressor wurde die Verdichtung der gemischten Kühlmittel in einer einzelnen Verdichtungsstufe ohne übermäßige Verdichtungsverhältnisse oder Ablaßtemperaturen erfolgreich gezeigt. Die Verwendung eines Kompressors, der dazu gestaltet ist, eine mehrstufige Verdichtung bereitzustellen, und ein Kühlen des Kühlmittels zwischen Verdichtungsstufen ermöglicht, behält den Vorteil der gesonderten Verdichtungsstufen, während er die Nachteile der erhöhten Komplexität auf ein Mindestmaß verringert, da nach wie vor ein einzelner Kompressor verwendet wird.
Das in 1 gezeigte Kühlsystem 100 ist mit einem einzelnen Verdampfer verbunden. Eine übliche Variation ist, mehreren Verdampfern eine unabhängige Steuerung des Auftauens und Kühlsteuerung bereitzustellen. In einer derartigen Anordnung befinden sich die Verdampfer in Parallelschaltung, wobei jeder einen Satz von Ventilen wie 160 und 118 zum Steuern des Flusses des kalten Kühlmittels und des heißen Auftaugases und der notwendigen Verbindungsleitungen aufweist. Dies macht es möglich, zum Beispiel im Kühl-, Auftau- oder Bereitschaftsmodus über einen oder mehr Verdampfer zu verfügen, während andere Verdampfer unabhängig im Kühl-, Auftau- oder Bereitschaftsmodus angeordnet werden können.
Das Kühlsystem 100 beinhaltet ferner ein Magnetventil 152, das durch eine Abzweigung vom ersten Auslaß der Phasentrennvorrichtung 134 gespeist wird. Ein Auslaß des Magnetventils 152 speist einen Ausdehnungstank 154, der in Reihe mit einem zweiten Ausdehnungstank 156 verbunden ist. Zusätzlich ist ein Einlaß einer FMD 158 mit einem Knoten zwischen dem Magnetventil 152 und dem Ausdehnungstank 154 verbunden. Ein Auslaß der FMD 158 führt an einem Knoten zwischen dem Wärmeaustauscher 136 und dem Wärmeaustauscher 132 in den Kühlmittelrückführungsweg.
Beim Hochfahren ist es für die meisten Kühlmittel über das Kühlsystem 100 hinweg typisch, daß sie sich in einem gasförmigen Zustand befinden, da sich das gesamte System bei Raumtemperatur befindet. Es ist wichtig, so mit dem Kühlmittelgas umzugehen, daß die Zeit für das Herunterkühlen optimiert wird. Ein selektives Entfernen von Gas aus dem Kreislauf im Kühlsystem 100 während des Hochfahrens würde zum Zweck dieser Optimierung nützlich sein. Zusätzlich beeinflußt auch die Geschwindigkeit, mit der die Gase in das Kühlsystem 100 zurückströmen, die Geschwindigkeit des Herunterkühlens.
Die Systemsteuerung (nicht gezeigt) öffnet das Magnetventil 152 beim Hochfahren kurz, typischerweise für 10 bis 20 Sekunden. Das Magnetventil 152 ist zum Beispiel ein Ventil des Typs Sporlan Model B6 (Washington Mo.). Als Ergebnis tritt während des Hochfahrens Kühlmittelgas aus der Phasentrennvorrichtung 134 aus und speist die Reihenkombination des Ausdehnungstanks 154 und des Ausdehnungstanks 156. Die FMD 158 reguliert den Fluß des Kühlmittelgases in die und aus den Ausdehnungstanks 154 und 156. Zwei Überlegungen für die Einstellung des Flusses durch die FMD 158 lauten wie folgt: der Fluß muß langsam genug sein, damit das Gas, das zum Kühlsystem 100 zurückkehrt, im Kondensator bei jedweden Betriebsbedingungen, die zu jeder beliebigen gegebenen Zeit bestehen, kondensiert werden kann, wodurch eine optimierte Zeit für das Herunterkühlen sichergestellt wird. Es ist diese anfängliche Flüssigkeitsbildung während des Hochfahrvorgangs, die Herunterkühlzeiten in der Größenordnung von 15 bis 60 Minuten ermöglicht. Gleichzeitig muß jedoch die Geschwindigkeit des Flusses durch die FMD 158 schnell genug sein, um sicherzustellen, daß genug Kühlmittel im Kühlsystem 10 fließt, damit ein möglicher Stillstand aufgrund eines niedrigen Saugdrucks verhindert wird. Der Fluß des Gases zu und von den Ausdehnungstanks 154 und 156 wird unter Verwendung der FMD 158 wie in 1 gezeigt passiv gesteuert. Alternativ kann eine Steuerung in Verbindung mit Sensoren verwendet werden, um eine aktive Flußsteuerung bereitzustellen.
Die Anordnung der Ausdehnungstanks umfaßt zumindest ein Druckgefäß und könnte jede beliebige Anzahl oder Kombination von Ausdehnungstanks, die in Reihe oder parallel angeordnet sind, aufweisen.
2 zeigt eine alternative Variation des Kühlvorgangs 108, die das gemischte Kühlmittel von Ausführungsform 1 oder 2 nach der Erfindung verwendet. Gewöhnlich wird diese Anordnung als selbstkühlender Kaskadenvorgang mit einzelner Phasentrennvorrichtung bezeichnet. Der Kühlvorgang 200 von 2 beinhaltet einen Wärmeaustauscher 202, eine Phasentrennvorrichtung 204, einen Wärmeaustauscher 206, einen Wärmeaustauscher 208 und eine FMD 210.
Der Versorgungskühlmittelflußweg durch den Kühlvorgang 200 lautet wie folgt: ein Versorgungseinlaß des Wärmeaustauschers 202 wird durch die Flüssigkeitsleitung 110 gespeist, und ein Versorgungsauslaß des Wärmeaustauschers 202 speist einen Versorgungseinlaß der Phasentrennvorrichtung 204. Ein Versorgungsauslaß der Phasentrennvorrichtung 204 speist einen Versorgungseinlaß des Wärmeaustauschers 206, und ein Versorgungsauslaß des Wärmeaustauschers 206 speist einen Versorgungseinlaß des Wärmeaustauschers 208. Ein Versorgungauslaß des Wärmeaustauschers 208 speist die Kühlmittelversorgungsleitung 114.
Der Rückführungskühlmittelflußweg durch den Kühlvorgang 200 lautet wie folgt: ein Rückführungseinlaß des Wärmeaustauschers 208 wird durch die Kühlmittelrückführungsleitung 120 gespeist, und ein Rückführungsauslaß des Wärmeaustauschers 208 speist einen Rückführungseinlaß des Wärme austauschers 206. Ein Rückführungsauslaß des Wärmeaustauschers 206 speist einen Rückführungseinlaß des Wärmeaustauschers 202. Ein Rückführungsauslaß des Wärmeaustauschers 202 speist die Kompressorsaugleitung 122. Zusätzlich fließt Flüssigkeit von einem zweiten Auslaß der Phasentrennvorrichtung 204 durch die FMD 210 und an einem Knoten zwischen dem Wärmeaustauscher 206 und dem Wärmeaustauscher 208 in den Kühlmittelrückführungsweg. Die Flüssigkeit befindet sich bei einem hohen Druck, wenn sie die Phasentrennvorrichtung 204 verläßt, und bei einem niedrigen Druck, wenn sie mit dem zurückkehrenden Kühlmittel bei niedrigem Druck vermischt wird.
3 zeigt noch eine andere alternative Variation des Kühlvorgangs 108, die das gemischte Kühlmittel von Ausführungsform 1 oder 2 nach der Erfindung verwendet. Der Kühlvorgang 300 von 3 beinhaltet nur einen Wärmeaustauscher 302. Diese Anordnung wird als ein System ohne Phasentrennung bezeichnet und ist der durch Longsworth beschriebenen Anordnung, die oben angeführt wurde, ähnlich.
Der Zufuhrkühlmittelflußweg durch den Kühlvorgang 300 lautet wie folgt: ein Versorgungseinlaß des Wärmeaustauschers 302 wird durch die Flüssigkeitsleitung 110 gespeist, und ein Versorgungauslaß des Wärmeaustauschers 302 speist die Kühlmittelversorgungsleitung 114.
Der Rückführungskühlmittelflußweg durch den Kühlvorgang 300 lautet wie folgt: ein Rückführungseinlaß des Wärmeaustauschers 302 wird durch die Kühlmittelrückführungsleitung 120 gespeist, und ein Rückführungsauslaß des Wärmeaustauschers 302 speist die Kompressorsaugleitung 122.
Der Kühlvorgang 300 erfordert zusätzliche Bestandteile, um einen Auftau- oder einen Bereitschaftsmodus zu ermöglichen. Als Minimum muß zumindest eine FMD aufgenommen werden, um einen Rückführungsweg bereitzustellen, durch den Kühlmittel bei hohem Druck auf einen niedrigen Druck gedrosselt werden kann und dadurch zum Kompressor zurückkehren kann. Darüber hinausgehend können zusätzliche Bestandteile hinzugefügt werden, wie etwa ein Magnetventil in Reihe mit der FMD, um einen Fluß nur im Bereitschaftsmodus zu ermöglichen.
Das Bereitstellen eines fortlaufenden Betriebs des Kühlsystems 100, wie es gestartet und im Bereitschafts-, im Auftau-, und im Kühlmodus betrieben wird, erfordert das richtige Ausbalancieren der in dieser Offenbarung beschriebenen Kühlmittelbestandteile. Wenn die Kühlmittelmischung nicht die richtigen Bestandteile im richtigen Bereich der Zusammensetzung aufweist, wird ein Störungszustand erfahren werden, der verursacht, daß das Kühlsystem 100 durch das Steuersystem abgeschaltet wird. Typische Störungszustände sind ein niedriger Saugdruck, ein hoher Ablaßdruck, oder eine hohe Ablaßtemperatur. Es ist nötig, daß Sensoren zur Feststellung jeder dieser Bedingungen in das Kühlsystem 100 aufgenommen werden und in die Sicherheitssperre des Steuersystems aufgenommen werden. Es wurde gezeigt, daß die Arten von Bestandteilen, die in dieser Anmeldung beschrieben sind, verwendet werden können, um eine Kühlung bei sehr niedrigen Temperaturen bereitzustellen, und daß sie verwendet werden können, um einen Betrieb im Kühl-, im Auftau- und im Bereitschaftsmodus bereitzustellen. Beispiele für Kühlmittelladungen, die entwickelt wurden, um diese drei Betriebsmodi (d.h., Bereitschaft, Kühlen, und Auftauen) bereitzustellen, sind in Tabelle 1 (4) als Mischungen A, B und C angeführt.
Diese Kühlmittel wurden für spezifisch hergestellte Ausrüstungsmodelle entwickelt, die früher Gemische verwendeten, die aus HCFC-Bestandteilen bestanden. Die neuen Kühlmittelgemische wurden ohne Änderung mit der alten Hardware-Gestaltung verwendet. Die gleichen Wärmeaustauscher, FMDs, der gleiche Kompressor, die gleichen Öltrennvorrich tungen und Phasentrennvorrichtungen wurden ohne jegliche erforderliche Änderung an den Steuereinstellungen des Systems verwendet. Es wurde der gleiche Grad an Kühlleistung (Wärmebeseitigung) wie mit den früheren HCFC-haltigen MRs bereitgestellt. Die neue HFC-MR ermöglichte das Hochfahren und Auftauübergänge ohne jegliche betriebliche Schwierigkeiten. Das Erreichen dieses ausgedehnten Funktionsbereichs ohne grundlegende Abänderung der Hardware erforderte viel experimentelles Prüfen und Bewerten.
Die in Tabelle 1 gezeigten Mischungen wurden für die Verwendung in einem selbstkühlenden Kaskadenkühlvorgang entwickelt, der mit Ausnahme der PGC-152 dem in 1 gezeigten ähnlich ist. Alle in Tabelle 1 gezeigten Zusammensetzungen sind die wie in jedes angeführte Modell geladene Gesamtmischungszusammensetzung.
In Tabelle 1 (4) sind vier unterschiedliche Grundmischungen gezeigt. Es wird erwartet, daß die Bereiche der in Tabelle 1 gezeigten Zusammensetzungen auf die vielen unterschiedlichen Kühlzyklen, die angeführt wurden, anwendbar sind. Die Mischungen A bis D sind Beispiele für Mischungen, die beim Bewerten der vorliegenden Erfindung tatsächlich in selbstkühlenden Kaskaden entwickelt wurden. Jede einzelne ist eine Abart, die auf den besonderen Anforderungen der Kühleinheit, für die sie entwickelt wurde, beruht. Die Mischungen wurden mit geringfügigen Abänderungen in vier im Handel erhältlichen Kühlsystemen, die ähnlich wie die in 1 gezeigte Anordnung einen Kühl-, einen Auftau- und einen Bereitschaftsbetriebsmodus bereitstellen, ausgeführt. Schwankungen zwischen den unterschiedlichen Systemen sind ein Ergebnis von geringfügigen Unterschieden in den Leistungsbeschreibungen für jede Einheit. Tabelle 2 (5) gibt wichtige Systembetriebsbedingungen an, wenn ein System abwechselnd mit dem früheren Gemisch, das HCFCs enthielt, und dann mit der Mischung A betrieben wurde. Wie aus den Daten offensichtlich ist, entsprechen die Leistun gen der beiden Mischungen einander eng. Ein anderes Beispiel, wobei die Mischung C ein Ersatzkühlmittel ist, ist ebenfalls in Tabelle 2 enthalten.
Die Mischung B wurde für ein Produkt entwickelt, das ähnlich wie die Anordnung von 1 einen Kühl-, einen Auftau- und einen Bereitschaftsbetriebsmodus bereitstellt.
Die Mischung C wurde ebenfalls für ein Produkt entwickelt, das ähnlich wie die Anordnung von 1 einen Kühl-, einen Auftau- und einen Bereitschaftsbetriebsmodus bereitstellt.
Die Mischung D wurde für eine Produktanwendung entwickelt, die eine Gaskühlung bereitstellt. Die PGC-152 ist eine Variation der in 1 gezeigten Anordnung. Der PGC-152-Anordnung fehlt die Auftaufähigkeit, die durch die Bestandteile 128, 160 und 116 bereitgestellt wird. Außerdem fehlen dem Kühlvorgang für die PGC-152 die Elemente 142, 144 und 150. Der Hauptzweck der PCG-152 ist, einen Gasstrom zu kühlen. Dies wird erreicht, indem die Wärmeaustauscher 132, 136 und 140 als drei Durchflußwärmeaustauscher gestaltet sind, wobei der Gasstrom gegen den Strom des Kühlmittels bei niedrigem Druck fließt und dadurch gekühlt wird. Das vorgekühlte Gas fließt dann gegen den Strom des Verdampferkühlmittels.
Tabelle 2 gibt wichtige Systembetriebsbedingungen an, wenn das System mit einer Mischung des Stands der Technik, die HCFCs enthielt, und alternativ mit der Mischung A betrieben wird. Wie aus den Daten offensichtlich ist, entsprechen die Leistungen der beiden Mischungen einander eng. Ein ähnlicher Vergleich wird für die Mischung D geboten.
Die Entwicklung einer Kühlmittelmischung, die von HCFCs frei ist und verwendet werden kann, um die gleiche Kühlleistung wie eine frühere Ladung, die HCFCs enthielt, bereitzustellen, wurde ohne Notwendigkeit der Erfordernis von Änderungen am Kompressor, den Drosselvorrichtungen, den Kühlmittel-Flüssig/Gasphasen-Trennvorrichtungen und ohne Änderungen an der Wärmeaustauscheranordnung erreicht.
Zusätzlich zur Entwicklung von Ersatzkühlgemischen für Systeme des Stands der Technik werden neue gemischte Kühlmittelsysteme entwickelt. Daher wurde der passende Bereich der Zusammensetzung angesichts dieser Erfahrung in der Spalte mit der Bezeichnung "Gesamtbereich" in Tabelle 1 und in den Ansprüchen ausgeweitet.
Außerdem wurden neue Kühlmittel untersucht, um ihre Leistung in Kühlsystemen mit sehr niedriger Temperatur einzuschätzen. Die Kühlmittel sind R-245fa, R-134a, E-347 und R-4112. R-245fa wurde untersucht und stellt eine ähnliche Leistung wie R-236fa bereit. Zusätzlich zeigte die Untersuchung von R-134a, E-347 und R-4112 an, daß diese Kühlmittel ebenfalls in Kühlsystemen mit sehr niedriger Temperatur verwendet werden können. Weitere Einzelheiten sind in der Besprechung von Tabelle 3 bis 8 bereitgestellt.
Da die HCFC-haltigen gemischten Kühlmittel R-170 (Ethan) verwendeten, wird auch eine Austauschbarkeit mit R-23 erkannt. Daher kann R-170 anstelle von R-23 mit diesen neuen Mischungen verwendet werden. Natürlich wird die Verwendung eines derartigen entflammbaren Bestandteils das Gesamtgemisch entflammbar machen, wenn die molare Konzentration von R-170 über 5% bis 10% liegt.
In einer ausgeweiteten Gruppe von Kühlmitteln nach der Erfindung besteht eine MR-Formulierung zur Verwendung mit Drosselkreislauf-Kühlsystemen mit niedriger Temperatur aus den in Tabelle 3 bis 7 angeführten Inhaltsstoffen, wobei bei verschiedenen Bestandteilen beschränkte Bereiche bestehen, um sicherzustellen, daß ein Ausfrieren der Kühlmittelbestandteile verhindert wird.
Tabelle 3 bis 7 zeigen verschiedene Bereiche von Zusammensetzungen, die wirksam arbeiten, um eine Kühlung auf die in der Überschrift für jede Tabelle angeführte Mindesttemperatur hinab zu erzeugen, ohne daß es zu einem Ausfrieren irgendeines Bestandteils kommt. In jedem Fall sind die gezeigten Kühlmittelzusammensetzungen die Kühlmittelzusammensetzungen, die sich im Kreislauf durch die Verdampferschlange befinden. Im Fall von selbstkühlenden Kaskadensystemen unterscheidet sich die Kühlmittelzusammensetzung, die durch den Verdampfer zirkuliert, von der Zusammensetzung, die durch den Kompressor zirkuliert. Dieser Unterschied liegt an der absichtlichen Trennung von Kühlmitteln, die bei wärmeren Temperaturen kondensieren. Fachleute werden erkennen, daß es verschiedene Verfahren gibt, um den Unterschied zwischen der Kühlmittelzusammensetzung am Kompressor und der Zusammensetzung am Verdampfer zu bewerkstelligen. Das Schlüsselkriterium ist, daß die Kühlmittelzusammensetzung am Verdampfer innerhalb der in dieser Erfindung beschriebenen Grenzen liegt. Innerhalb dieser Grenzen ist die Anzahl von Zusammensetzungen und ihre Leistung möglicherweise unendlich.
In Tabelle 3 bis 7 wird die Verwendung der Kühlmittelbestandteile R-236fa, R-245fa, R-4112 und E-347 verändert und beträgt das untere Ende des Zusammensetzungsbereichs 0%. Die bevorzugte Ausführungsform verwendet einen kleinen Prozentsatz zumindest eines dieser Kühlmittel. Wenn diese Kühlmittelgemische in einem System ohne Phasentrennung verwendet werden, ist die Höchstkonzentration streng beschränkt, um Ausfrierungsbedingungen zu verhindern, und ist sie eine Funktion der wie in Tabelle 3 bis 7 beschriebenen kältesten Verdampfertemperatur. Wenn diese Kühlmittelgemische in einem System mit Phasentrennvorrichtungen verwendet werden, kann die Konzentration dieser Kühlmittelbestandteile über die in Tabelle 3 bis 7 gezeigten Grenzen hinaus erhöht werden, da die Phasentrennvorrichtung die Konzentration dieser Kühlmittel im Kühlmittelgemisch, das durch den Verdampfer fließt, verringern wird, so daß sie innerhalb der in Tabelle 3 bis 7 angeführten Grenzen bleiben. Es wird bevorzugt, die Konzentration dieser Kühlmittelbestandteile auf ein Höchstmaß zu bringen, da im Kondensator größere Mengen an Flüssigkeit gebildet werden und größere Grade an einer Wärmeabweisung verursachen werden. Dies verbessert die Gesamtleistungsfähigkeit des Kühlsystems. Wenn diese Kühlmittelbestandteile aus einem Kühlsystem beseitigt werden, werden die Leistungsfähigkeit des Systems und die Fähigkeit, am Verdampfer Wärme zu entfernen, deutlich verringert werden. Zum Beispiel kann eine Beseitigung dieser Kühlmittelbestandteile aus dem Kühlmittelgemisch die im Kondensator abgewiesene Wärme um bis zu etwa 70% verringern. Da dies die Gesamtmenge der Wärme, die das System abweisen kann, beschränkt, wird die Menge an Wärme, die durch den Verdampfer entfernt wird, deutlich verringert. Zusätzlich verursacht der Verlust dieser Bestandteile Schwierigkeiten beim Starten eines Systems, und verursacht er während Vorgängen wie dem Auftauen einen übermäßig hohen Druck.
Was ferner die Überlegung der Verwendung von R-236fa, R-245fa, R-4112 und E-347 betrifft, handelt es sich bei R-236fa und R-245fa um HFC-Kühlmittel, während dies bei R-4112 und E-347 nicht der Fall ist. HFC-Kühlmittel werden aufgrund ihrer bewiesenen Mischbarkeit mit Ölen vom POE-Typ bevorzugt. R-4112 ist ein Fluorkohlenwasserstoff und ist nicht mit POE mischbar und weist ein verhältnismäßig hohes Potential zur globalen Erwärmung auf. E-347 ist ein Etherkühlmittel. Es ist nicht leicht mit POE-Öl mischbar und weist ein sehr niedriges Potential zur globalen Erwärmung auf. Wenn ein Kompressor verwendet wird, der mit einem Öl vom POE-Typ geschmiert wird, wird eine gewisse Verwendung von R-236fa oder R-245fa empfohlen, um eine gute Ölrückführung zum Kompressor und eine gute Öl/Kühlmittel-Behandlung im Kompressor sicherzustellen. Wenn entweder E-247 oder R- 4112 mit einem ölgeschmierten Kompressor verwendet wird, wird eine besondere Bewertung benötigt, um sicherzustellen, daß eine angemessene Ölrückführung zum Kompressor bereitgestellt wird, und daß eine richtige Schmierung der internen Kompressorteile stattfindet, wie es die normale Praxis ist.
Tabelle 8 zeigt Muster-MR-Formulierungen (Mol%) und die zugehörige Ausfrierungstemperatur (T_FR); (experimentelle Daten) *) (T_MIN) – die kleinste erreichte Temperatur ohne Ausfrieren. Die Daten wurden durch Untersuchung an einem System mit sehr niedriger Temperatur mit einer einzelnen Drossel, wie es in der Patentschrift an Longsworth beschrieben ist, erhalten. Die Daten stellen die Grundlage für Tabelle 3 bis Tabelle 7 dar.
Eine verwandte Erfindung, die durch die vorläufige US-Anmeldung Nr. 60/214,565 offenbart ist, verwendet ein Verdampferdruckregulierungsventil, das in der Kompressorsaugleitung 122 installiert ist, um ein Ausfrieren der Kühlmittelbestandteile zu verhindern, indem es dazu tätig ist, zumindest einen Mindestsaugdruck zum Kühlvorgang aufrechtzuerhalten, wodurch der Saugdruck des Systems davon abgehalten wird, auf einen zu niedrigen Wert zu fallen. Während der Saugdruck niedriger wird, wird die Temperatur kälter. Wenn ein Ausfrierungszustand auftritt, neigt der Saugdruck dazu, abzufallen, wodurch eine positive Rückkopplung erzeugt wird und die Temperatur weiter verringert wird, was noch mehr Ausfrieren verursacht. Ein derartiges Ventil wurde mit den Mischungen B und C von Tabelle 1 verwendet, um sich zu vergewissern, daß ein Ausfrieren verhindert wird.
Mit Ausnahme von E-347 und R-4112 sind alle angeführten Kühlmittel nach dem Standard Nummer 34 der American Society of Heating and Refrigeration and Air Conditioning Engineering (ASHRAE) bezeichnet.
E-347 ist als 1-(Methoxi)-1,1,2,2,3,3,3-heptafluorpropan (auch CH₃-O-CF₂-CF₂-CF₃), Hydrofluorether 301 des Produktverzeichnisses von 3M, bekannt. Derzeit ist für diese Verbindung noch keine zulässige Aussetzungskonzentration (PEL) erstellt. Daher ist nicht bekannt, ob sie die Kriterien eines ungiftigen Kühlmittels (PEL > 400 ppm) erfüllt. Wenn festgestellt wird, daß diese Verbindung eine PEL von unter 400 ppm aufweist, kann sie mit anderen Bestandteilen verdünnt werden, um ein Kühlmittelgemisch zu erzeugen, das eine gesamte PEL aufweist, die als ungiftig betrachtet wird.
R-4112 ist als Dodecafluorpentan (auch CF₃CF₂CF₂CF₂CF₃) bekannt.
Eine dritte Ausführungsform nach der Erfindung wird für ein Kühlsystem auf Basis eines ölgeschmierten Kompressors benötigt, das bei Temperaturen unter 200 K mit einer der nichtentflammbaren MR-Formulierungen von Tabelle 3 bis 8 arbeitet. Daher muß der MR-Formulierung nach der Erfindung ein Öl beigegeben werden. Darüber hinaus ist es erforderlich, daß das Öl einen Langzeit-Kompressorbetrieb sicherstellt und ein Ausfrieren des mit Öl verschmutzten Kühlmittels vermeidet.
Kompressoren, die dazu gestaltet sind, mit gemischten Kühlmitteln, die aus HFC-Bestandteilen formuliert sind, zu arbeiten, sollten Öl entweder vom Polyolester(POE)- oder vom Polyalkylenglykol(PAG)typ verwenden, um einen Langzeitbetrieb sicherzustellen. Eine typische Fließpunkttemperatur für dieses Öl ist höher als 220 K (–53°C). Auch in diesem Temperaturbereich sind Öle dieses Typs mit reinen und gemischten Kühlmitteln, die aus HFCs formuliert sind, mischbar. Zum Beispiel weist das POE-Öl Solest LT-32 eine Fließpunkttemperatur von 223 K auf und ist es mit reinem R-23 völlig mischbar. Die gemischten Kühlmittel R-404a (eine Kombination von R-125, R-143a und R-134a) und R-407c (eine Kombination von R-32, R-125 und R-134a) sind bei T > 223 K ebenfalls völlig mit diesem Öl mischbar. Die nachstehende Tabelle 9 zeigt Musterkühlmittelformulierungen und die zugehörige Ausfrierungstemperatur, wobei reine und gemischte Kühlmittel mit Restöl LT-32 (CPI Engineering, Solest LT-32) beinhaltet sind.
Es wurde herausgefunden, daß eine geringe Menge an Öl LT-32 bei sehr niedrigen Temperaturen mit den gemischten Kühlmitteln vermischt sein kann, ohne auszufrieren. Dies ist in Tabelle 9 gezeigt. Dies gestattet einen Langzeitbetrieb des Systems, wenn es mit einem ölgeschmierten Kompressor und richtig in der Größe bemessenen Öltrennvorrichtungen, um die Ölkonzentrationen unter den in Tabelle 9 gezeigten Ausmaßen zu halten, ausgestattet ist. Alternativ kann in einem selbstkühlenden Kaskadensystem die Verwendung von Phasentrennvorrichtungen im Kühlvorgang ebenfalls verwendet werden, um die Konzentration des Öls, das mit Kühlmittel mit einer sehr niedrigen Temperatur vermischt ist, welches durch den kältesten Teil des Systems fließt, zu beschränken. Die Leistungsfähigkeit der Phasentrennvorrichtungen muß ausreichend hoch sein, damit die Ölkonzentration die in Tabelle 9 gezeigten Grenzen nicht überschreitet.
Figur 4 Tabelle 1: Beispielhafte Mischungen für Polycold-Modelle. Molprozentsatz für das Kühlmittelgemisch, das durch das Kompressorsystem zirkuliert wird.
Figur 6 Tabelle 3: MR-Formulierung für eine Mindesttemperatur bis auf 105 K hinab
Figur 5 Tabelle 2: Vergleich der Leistung, die durch zwei neue Mischungen ohne HCFCs bereitgestellt wird, verglichen mit früheren Mischungen, die HCFCs enthalten.
Figur 7 Tabelle 4: MR-Formulierung für eine Mindesttemperatur bis auf 118 K hinab
Figur 8 Tabelle 5: MR-Formulierung für eine Mindesttemperatur über 130 K
Figur 9 Tabelle 6: MR-Formulierung für eine Mindesttemperatur über 140 K
Figur 10 Tabelle 7: MR-Formulierung für eine Mindesttemperatur über 155 K
Figur 11 Tabelle 8: Ausfrierungstemperatur für ausgewählte Mischungen Experimentelle Daten vom gemischten Kühlmittelzusammensetzungen, die durch den Verdampfer fließen zur Beachtung: (T_MIN) ist die kleinste erreichte Temperatur ohne Ausfrieren
Figur 12 Tabelle 9: Gefriertemperaturen für reine und gemischte Kühlmittel mit einem Restöl

Claims

Nicht HCFC-haltige Kühlmittelmischungen zur Verwendung in Kühlsystemen, die bei einer Temperatur in einem Bereich von –50°C bis –200°C tätig sind, wobei die Kühlmittelmischungen aus den folgenden Kühlmittelmischungen gewählt werden und in Molprozent Folgendes umfassen:
und ferner ein Schmieröl vom POE-Typ oder vom PAG-Typ umfassen.
Kühlmittelmischung nach Anspruch 1, umfassend die Mischung A, die Mischung B, die Mischung C, und die Mischung D, wobei die Bestandteile jeder Mischung in Molprozent wie folgt lauten:
Kühlmittelmischungen nach Anspruch 1, umfassend, in Molprozent, Kühlmittelmischungen aus der Gruppe, die Mischung 1, Mischung 2, Mischung 3 oder Mischung 4 umfaßt: Mischung 1
Mischung 2
Mischung 3
Mischung 4

und Kühlmittelmischungen, die aus der Gruppe gewählt werden, die Mischung A, Mischung B, Mischung C, und Mischung D umfaßt, wobei die Bestandteile jeder Mischung in Molprozent wie folgt lauten: Mischungen 5A bis 5D
Kühlmittelmischung nach Anspruch 1 zur Verwendung, wenn die Verdampfertemperatur so niedrig wie 105 K ist, umfassend
Kühlmittelmischung nach Anspruch 1 zur Verwendung, wenn die Verdampfertemperatur so niedrig wie 118 K ist, umfassend
Kühlmittelmischung nach Anspruch 1 zur Verwendung, wenn die Verdampfertemperatur so niedrig wie 130 K ist, umfassend
Kühlmittelmischung nach Anspruch 1 zur Verwendung, wenn die Verdampfertemperatur so niedrig wie 140 K ist, umfassend
Kühlmittelmischungen nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner umfassend zumindest einen zusätzlichen Bestandteil in jeder Mischung, wobei die Bestandteile nach dem Zugeben des zusätzlichen Bestandteils die gleichen Verhältnisse in Bezug zueinander bewahren.
Kühlsystem, das Kühlmittelmischungen nach Anspruch 1 bis 7 verwendet, wobei das Kühlsystem ein Kompressor zyklus in einem aus einer selbstkühlenden Kaskade, die eine Flüssig-/Dampfphasen-Trennvorrichtung aufweist, einem Drosselvorrichtungskühlsystem, und einem System vom Klimenko-Typ ist.
Kühlsystem, das Kühlmittelmischungen nach Anspruch 1 bis 7 verwendet, wobei das Kühlsystem alternativ einen Fluß von kaltem Kühlmittel oder einen Fluß von heißem Kühlmittel zu einem Verdampfer gestattet.
Kühlsystem, das Kühlmittelmischungen nach Anspruch 1 bis 7 verwendet, wobei das Kühlsystem einen Gegenstand enthält, der durch das Kühlmittel gekühlt wird, wobei dieser Gegenstand zumindest eines aus dem Folgenden ist: (a) ein Metallelement in einer Vakuumkammer, das unerwünschte Gase wie etwa Wasserdampf ausfriert und einfängt, (b) ein Wärmeaustauscher, der Wärme von einem sekundären Fluidstrom beseitigt, welcher zumindest eines aus einer Flüssigkeit, einem Gas, einem Kondensationsgas, und einem Kondensationsgasgemisch beinhaltet, (c) ein Metallelement, das innere Kühlmittelflußdurchgänge aufweist und zumindest eines aus einem Siliziumwafer, einem Stück Glas, einem Kunststoffstück und einer Aluminiumscheibe mit oder ohne eine magnetische Beschichtung darauf kühlt, und (d) ein biologisches Gefriergerät, um biologische Gewebe zumindest entweder zu gefrieren oder zu lagern.
Kühlsystem, das bei Temperaturen im Bereich von –50°C und –200°C tätig ist, wobei das Kühlsystem ein Kühlmittel und Schmieröl nach einem der Ansprüche 1 bis 11 verwendet.
Kühlvorgang, der bei Temperaturen im Bereich von –20°C und –200°C vor sich geht, wobei das Kühlsystem ein Kühlmittel und Schmieröl nach einem der Ansprüche 1 bis 8 verwendet.
Verfahren zum Kühlen eines Gegenstands, der aus Folgendem gewählt wird: (a) einem Metallelement in einer Vakuumkammer, das unerwünschte Gase wie etwa Wasserdampf ausfriert und einfängt, (b) einem Wärmeaustauscher, der Wärme von einem sekundären Fluidstrom beseitigt, welcher zumindest eines aus einer Flüssigkeit, einem Gas, einem Kondensationsgas, und einem Kondensationsgasgemisch beinhaltet, (c) einem Metallelement, das innere Kühlmittelflußdurchgänge aufweist und zumindest eines aus einem Siliziumwafer, einem Stück Glas, einem Kunststoffstück und einer Aluminiumscheibe mit oder ohne eine magnetische Beschichtung darauf kühlt, und (d) einem biologisches Gefriergerät, um biologische Gewebe zumindest entweder zu gefrieren oder zu lagern, umfassend das Anordnen des Gegenstands in der Kühlkammer eines Kühlsystems nach Anspruch 12.