JP2004518934A

JP2004518934A - 不連続極低温混合ガス冷凍システム

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Publication number: JP2004518934A
Application number: JP2002561877A
Authority: JP
Inventors: ジェイムスステンハウス
Original assignee: ティーエフアイ・テレマーク
Priority date: 2000-11-10
Filing date: 2001-11-09
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2021-11-09
Also published as: WO2002061349A1; JP3958214B2; EP1340028A1; EP1340028A4; US6644067B2; US20020134104A1

Abstract

本発明は、冷媒ガス蒸気からほぼ全ての液体冷媒を除去するコアレッセント／デプスフィルタ（１４，２４，３４）の閉回路冷凍システム内への新用途に関する。このように抽出された液体冷媒を次に、計量装置、例えば、毛管ライン経由で吸込み側（８）に戻して到来中の排出ガスの即時冷却を可能にする。コアレッセントメンブレンフィルタ（１２，２２，３２）の効率に鑑みて、短路形平板熱交換器（１０，２０，３０）を自動多元冷凍システム中に用いることができる。各温度レジム相互間の連続（開放）経路を排出ライン内に有する相分離方式の従来技術のシステムとは対照的に、本発明は、コアレッセント／デプスフィルタの性質を利用して、互いに異なる温度／圧力レジム相互間の物理的バリヤをシステムの吐出し側に配置する。混合物の特定の成分の凝縮温度を超える温度のところにこれらコアレッセントフィルタを配設することは重要である。

Description

【０００１】
〔発明の背景〕
本願は、２００１年５月２９日に出願された米国仮特許出願第６０／２９４，５２３号、２００１年５月２５日に出願された米国仮特許出願第６０／２９３，７５９号、２０００年１１月２４日に出願された米国仮特許出願第６０／２５２，９４８号及び２０００年１１月１０日に出願された米国仮特許出願第６０／２４７，３２３号の複合一部継続出願である。
【０００２】
本発明は、冷凍システムに関し、特に、コアレッセント／デプスフィルタを利用した閉回路冷凍システムに関する。
極低温混合ガス冷凍システムは、よく知られたシステムであり、多くの従来技術文献、例えば、米国特許第２，０４１，７２５号明細書、第４，５３５，５９７号明細書、第４，５９７，２６７号明細書、第４，６８９，９６４号明細書、第５，１６１，３８２号明細書及びＡＳＨＲＡＥ冷凍ハンドブック１９９８年セクション３９．２に記載されている。この技術が実施される用途が限定されているのは、１つにはこのシステムには多くの欠点があることによる。従来技術の「自動多元（ａｕｔｏ−ｃａｓｃａｄｅ）」冷凍システムは、混合ガスシステムが単一の圧縮段階で冷凍システムの通常の温度範囲を拡張する有効な方法であることを示した。かかるシステムは、−１６０℃という低い極低温を達成することができる。互いに異なる熱力学的性質を備えたガスの混合物を用いることにより、圧縮下において相に基づいて優先的に分離できる成分は、吐出しガスシステムの即時冷却を可能にする。
【０００３】
混合ガス冷凍システムを、拡張マルチゾーンエコノマイザとして説明することができ、この場合、圧縮機から排出された高圧ガスは、熱交換器を介して低圧戻りガスによって冷却され、凝縮後の液体冷媒を計量装置、例えば、毛管又は熱膨張弁を介して膨張させてこの熱交換器内に導入する。液体からガスへの相変化は、吐出しガス流を一段と冷却するのに役立つ。
【０００４】
従来技術の極低温システムには、ガスの混合物が入っており、かかるガスを順次凝縮して、戻りガス流中へ抽出し、吐出しガスを冷却する。現在開示されているシステムは、連続チューブインチューブ熱交換器及びこの熱交換器の長さに沿って適当な箇所に設けられたタンジェンシャル／ボルテックス型相分離器を用いている。
【０００５】
従来技術の最も普及している用途は、「極低温水蒸気ポンプ」である。産業上の真空用途、例えば、プラスチック／紙のコーティング及び半導体の製造と通常関連した或る種の真空ポンプがある。かかるシステムは、水蒸気を高真空システムから真空室内部に配置された銅又はステンレス鋼製のマイスナーコイル上に水を捕捉することにより優先的に圧送するのに用いられる。かかるシステムの利点は、水蒸気圧送速度が非常に高いことである。設計上の技術進歩により、マイスナーコイル内への高温ガスの直接的な注入という通常の冷凍方法によりかかるシステムの迅速なサイクル動作が可能になった。極低温水蒸気ポンプの通常の用途は、薄膜コーティング及び半導体デバイスの処理である。
【０００６】
周囲温度からの「自動多元」システムの冷却中、冷媒チャージ（装填量）のほぼ全ては、気相で存在するのでガス流量は高い。システムがその平衡極低温まで冷えると、或る特定の成分が凝縮し、これを分離して毛管を介して戻して到来するガス流の冷却に影響を及ぼす。平衡状態では、流量は大幅に減少する。ガス流の減少度は、圧縮機からの距離と共に増大する。かくして、効率的であるためには、２相成分（気体／液体）を分離するよう設計された器具は、２つの互いに異なる温度／圧力／流量レジメ（ｒｅｇｉｍｅ（ｓ））内で効果的に動作できなければならない。従来技術のシステムは、インピンジメント又は遠心（ボルテックス）分離法を採用している。両方の分離法は、最適条件下においては約８０％の分離効率で稼働する。２つの分離法を組み合わせる場合が多く、それにより、ハイブリッド装置の動作範囲は広がるが、最大効率が常に損なわれる。
【０００７】
これらシステムの技術者が直面している最も大きな技術上の課題のうちの２つは、ガス流からの凝縮成分の効率的な分離が達成できるかどうか及び圧縮機油又はガス混合物の揮発性の低い成分によるシステムの極低温部品の汚染防止を達成できるかどうかである。非凝縮冷媒からの凝縮冷媒の分離を達成できるかどうかは、この技術の広範な商業的用途において制限要因であることが判明している。
【０００８】
システム全体は、始動と極低温平衡状態に達した時点との間でシステム中に存在する非常に広範な温度、ガス流及び圧力にわたって動作できなければならない。始動時、ガス混合物は、システム全体を通じ均質であって高温且つ高圧状態にあるとみなすことができる。これら成分は全て気相の状態にあるので、ガスの速度は高い。ガス速度が高いことは、インピンジメント型相分離器にとって理想的な条件である。
【０００９】
システムがいったん冷えると、低揮発性成分は蒸発により吸込みラインに入り、吐出しガスを更に冷却し、最終的に、別の成分の凝縮を生じさせることにより除去されて圧縮機に戻る。平衡状態では、各分離点は、成分ガスの対応関係にある温度に一致し、これは後で先の点よりも低い。サイクルのこの時点においては、システムは、低い温度及び、低い圧力状態にあり、ガス速度はガスチャージの大部分が液化される結果として低下する。その別の結果として、排出ラインの組成物は、圧縮機からの距離につれて変化する。
【００１０】
ボルテックス型分離器（サイクロン型分離器）は、メッシュ又は篩インピンジメント型の場合よりも圧力降下が低いので好ましい。ボルテックス型の分離器は、遠心力で液滴を分離する。したがって、これは、高速のガス流内で運動する大径の液滴に向いている。これは、始動直後及びガス速度及び質量流量が高い圧縮機の近い箇所では理想的である。しかしながら、この効率は、システムが冷えて極低温状態になると非常に損なわれる。インピンジメントフィルタは、コアレッセントフィルタに幾分類似している。しかしながら、平均自由経路は短く、有効孔径は大きい。インピンジメント相分離は、液滴の滞留時間が長い場合のある低ガス速度で役に立つ。ボルテックス相分離とインピンジメント相分離の相反する性質により、両方の原理を同一分離器内で用いることが通例である。
【００１１】
極低温自動多元システムと関連した別の原理的な問題は、低温を達成するためには、沸点の低いガス、例えば、メタン又は希ガスを用いなければならないということにある。かかるガスの沸点は、通常の温度ではこれらの臨界温度よりも非常に高い。かくして、かかるガスは、理想気体として挙動するボイルの法則ＰＶ＝ＮＲＴに従う。
上述したような自動多元冷凍システムは密閉系なので、システムの体積Ｖ、ガスの量Ｎ及び定義上のガス定数Ｒは変化しない。
【００１２】
理想ガスが圧縮中に受ける状態変化は次式によって説明することができる。
Ｐ１／Ｔ１＝Ｐ２／Ｔ２
上式において、圧力Ｐ及び温度Ｔは、絶対単位で表されている（Ｐａ及び°Ｋ）。
【００１３】
代表的な冷凍圧縮機の動作中の圧縮比は１０：１〜２０：１である。かかるシステムでは、理想ガス（即ち、その臨界温度よりも高い温度）を圧縮することにより、圧縮機から排出されたガスの温度を数百度ケルビンだけ上昇する。これは、市販の圧縮機の能力を遥かに超えている。
【００１４】
一解決策は、作用物質を用いて吐出しガス温度を急冷することである。この効果は、作用物質が典型的な冷凍システム内の吐出し温度及び圧力状態では液体からガスに変化するだけであるほどその沸点が十分に高いという事実に立脚している。液体からガスへの相変化の際、多量のエネルギが吸収され、それにより理想気体の圧縮により生じる断熱変化による温度上昇を抑制して低圧縮機吐出し温度を達成する。
【００１５】
従来技術では、大型の従来冷凍システムのガス吐出し温度を制御するのに有効であるよう冷媒Ｒ１２３が使用された。クロロカーボンとしてのＲ１２３の使用の結果として、対流圏のオゾン層の破壊が生じることが判明している。
【００１６】
自動多元システムに関するもう１つの問題は、かかる自動多元システムが、大きな圧縮機押退け量及び熱交換器の各々と液相計量装置（これは、殆どの場合、常に銅製毛管である）との間の複雑な相互関係を利用しているということにある。ボイルの法則に従う使用ガスは、圧縮されると非常に高い度合いの断熱加圧を受ける。これは、正味の総合冷却効果と比較して、圧縮機の押退け量が非常に大きいので自動多元システムでは重要な問題となる。
【００１７】
かくして、始動時においては、吐出し圧力及び吐出し温度は急上昇する。或る特定の成分の追加による圧縮機からの吐出しガスの温度上昇を減少させる問題は、従来技術によって取り組まれている。始動時におけるガスの圧力は、市販の圧縮機の動作限度を超える場合がある。これは、厳密な圧力容量を持つ圧力容器内に収容された密閉形圧縮機について特に当てはまる。小形及び中形のシステムでは、密閉形圧縮機は、耐久性及び耐漏れ止め性に鑑みて好ましい。これらは、極低温システムについて非常に望ましい要件及び重要な要件である。
【００１８】
自動多元システムとの関連における密閉形圧縮機の問題は、一体形圧力容器の多量のガスが始動時にすぐに利用でき、システム内に極めて大きな圧力上昇を生じさせるということにある。この問題の種々の解決策が、従来技術によって採用されている。最も一般的には、システムの作業容量を一時的に増大させるリザーバを用いることが、多くの市販のシステムで採用されている。これらシステムの欠点は、コスト高であること及び圧力容器に関する法上の要件を満たすのが困難であることにある。３相圧縮機のモータ速度制御も又評価されるが、これらは、自動多元冷凍システムでは効果が低いことが判明している。というのは、このシステムは、システムの気相から液相の分離を容易にする或る特定のガス速度を必要とするからである。
【００１９】
従来技術のシステムは全て、膨張タンクと結合した形式の低内部容積半密閉又は開放形圧縮機を採用している。
典型的な従来技術の自動多元システムが図１に示されており、この例では、極低温作動が得られるのに十分なガスチャージを達成するため、ガスの約半分が圧縮機吐出し部の近くに直接連結されたラインを通って大形貯蔵タンク３内に圧送される。タンクはシステムの残部の総内容積の３倍以上である。吐出し圧力が低下すると、弁１を開き、ガスを圧縮機入口の近くでシステム中に再導入する。チャージの大部分の除去は、圧縮機の吸込み冷却に使えるガスが少ないことを意味している。第２に、バッファタンク内に収容されたガスは、冷却作用を受けず、従って、弁１の開放時に圧縮機内へ相当な負荷を追加する。
【００２０】
〔発明の概要〕
本発明は、冷媒ガス蒸気からほぼ全ての液体冷媒を除去するコアレッセント／デプスフィルタの閉回路冷凍システム内への新用途に関する。このように抽出された液体冷媒を次に、計量装置、例えば、毛管ライン経由で吸込み側に戻して到来中の排出ガスの即時冷却を可能にする。コアレッセントメンブレンフィルタの効率に鑑みて、短路形平板熱交換器を自動多元冷凍システム中に用いることができる。各温度レジム相互間の連続（開放）経路を排出ライン内に有する相分離方式の従来技術のシステムとは対照的に、本発明は、コアレッセント／デプスフィルタの性質を利用して、互いに異なる温度／圧力レジム相互間の物理的バリヤをシステムの吐出し側に配置する。混合物の特定の成分の凝縮温度を超える温度のところにこれらコアレッセントフィルタを配設することは重要である。
【００２１】
本発明は、使用される平板熱交換器が従来技術で用いられたシェルアンドチューブ熱交換器よりも効率が著しく高いので極低温自動多元冷凍システムの設計において重要な技術進歩をもたらす。平板熱交換器をかかるシステムに用いることは、これらの経路長さが短いので不可能であり、その結果、アレイの極低温部分にオイルが移動し、その結果、信頼性が許容できないほど低くなった。
【００２２】
本発明は、極低温混合ガス冷凍システム内に平板熱交換器とコアレッセント相分離器を組み合わせて又は単独で用いることに関する。本発明は、これら要素を組み合わせて、機能的要素を形成する方法を提供すると共にかかる要素をどのように結合すれば高効率の極低温冷凍システムを形成できるかをもたらす。
本発明は又、単一の圧縮段階で極低温を生じさせる独特且つ効果的な方法であるとして上述した核心技術を利用するかかるシステムの制御及び設計の特定の要素に及ぶ。
【００２３】
本発明の別の特徴は、始動弁をガス排出経路と戻り経路とを連結するライン中に極低温コイルの近くで設けたことであり、それにより、密閉形圧縮機を用いることが可能になると共に自動多元極低温冷凍システム内の補助圧力容器が不要になるということにある。ガス温度及び圧力のそれぞれ単独の測定又は組み合わせ測定により制御されるこの始動弁は、自動多元システム内における始動及び初期冷却段階中、ガスの圧力及び温度を減少させることができる。本発明は、始動中のガス速度を増大させて熱伝達率を高める。このシステムの有効性により、始動時及び周囲温度からの初期の冷却中、システムガスチャージのバルクを貯蔵する大型バッファ又は予備圧力容器を使用しないで、完全密閉形圧縮機を用いることができる。
本発明の更に別の特徴として、産業用クリーニング剤として通常用いられる等級の揮発性液体が、冷凍システムに用いられる。
【００２４】
〔詳細な説明〕
本発明は、動的システム内における相分離及び熱伝達の困難さに特に取り組んでいる。本発明は、高効率平板式熱交換器の利用を可能にし、かかる平板式熱交換器は、経路リンクが短いこと及び圧力降下が少ないので、従来型「自動多元」冷凍システムには不適切であることが判明している。
本発明は、顕微鏡的に小さい液滴として存在している場合の多い液相冷媒成分をガス温度／温度とは無関係にガス状冷媒から分離するコアレッセント型フィルタの非常に特別でユニークな能力を利用している。コアレッセント濾過媒体は、他の領域、特に、圧縮空気及び呼吸装置から油、煙及び他の厄介なヒュームの除去に広く用いられている。
【００２５】
次に、図２を参照すると、１つの熱交換器／相分離アレイ要素Ａ１及び連続したアレイ要素の一部Ａ２が示されている。図３は、３つの連続した熱交換器／相分離要素Ａ１，Ａ２，Ａ３を示している。各アレイ要素Ａ１，Ａ２，Ａ３は、熱交換器１０，２０，３０をそれぞれ有し、これら熱交換器は、代表的には高圧下で排出ライン６中の吐出しガスを通す凝縮側１０ａ，２０ａ，３０ａ及び代表的には低圧で吸込み／戻りライン８中の戻しガスを通す蒸発側１０ｂ，２０ｂ，３０ｂを備えている。側１０ａ，１０ｂ，１０ｃからの吐出しガスは、排出ライン６を通ってコアレッセント相分離器又はハウジング１４，２４，３４に至り、これら相分離器は、コアレッセント分離媒体１２，２２，３２及び底部に設けられた分離液体の液体リザーバを有している。分離器１４，２４，３４からのガスは、排出ライン６を通って次の熱交換器２０，３０の凝縮側２０ａ，３０ａに流れ、コアレッセント分離器１４，２４，３４からの液体は、毛管１８，２８，３８を通って連続して配置された平板熱交換器２０，３０の上流側戻りライン８側に流れる。図２及び図３に示すように、アレイＡ１，Ａ２，Ａ３中の各平板熱交換器１０，２０，３０は、隣の熱交換器２０，３０，４０の下流側でその排出ライン６から相分離器１０，２０，３０のコアレッセントメンブレン１２，２２，３２によって隔離されていて、別々の熱−物理的環境を形成している。この方式の顕著な利点は、微小ミストとして同伴油を含む液体が第１のコアレッセント部材１０によってシステムの低温部分に流れるのが阻止されるということにある。これにより、従来技術のシステムの大きな欠点である油の移動の問題が解決される。従来技術で見受けられる問題は、弁の固着及び毛管の詰まりであった。アレイを昇る古い油の移動が完全に阻止されるので信頼性の向上が、本発明の大きな利点である。というのは、油は、−６０℃以下の温度状態で蝋状堆積物を形成するからである。
【００２６】
マルチコンポーネントガス冷媒システムのコアレッセントメンブレンフィルタ１２，２２，３２は、混合ガス流からの液相成分の分離を向上させて平板熱交換器１０，２０，３０を、アレイの高温（低温）部分への凝縮物のキャリオーバの問題を所持させないで利用することができる。揮発性の低い成分の移動は、熱交換器表面のファウリングを引き起こす。その結果、熱伝達の減少は、従来技術のシステムと関連した問題として認識されている。本発明では、コアレッセント相分離は、不連続であって完全であり、即ち、コアレッセント相分離は、システム内の単一の箇所で生じる。コアレッセントメンブレン１２，２２，３２は、ガス流から９９％以上の液体成分を除去できることが判明した。コアレッセント相分離器１４，２４，３４と平板熱交換器１０，２０，３０の組合せにより、従来技術と比較して本発明の効率及び信頼性が向上する。
【００２７】
液相冷媒を２相混合物からフィルタメンブレンを用いて超微細液滴の融合又は凝集により分離することが、効果的である。この方法は又、フィルタがその全体積と比較して大きな空隙率又は細孔率を有し、したがって、生じる圧力降下が無視できるほどであるということにより、ガス速度とは無関係であることが判明している。微細顕微鏡組織は、液滴が取らなければならない平均経路が全フィルタ深さよりも数桁大きいことを意味している。これが液滴サイズと関連している場合、液滴がその隣の液滴に当たる確率は非常に高い。超微小液滴ミストが融合して大きな液滴を形成する。引き続きフィルタを迅速に通過する大きな液滴の寸法は、メンブレンの推定上の孔径よりも大きく、その結果、液体が気相から分離される。
【００２８】
コアレッセントフィルタメンブレン１２，２２，３２は、超微細繊維（ポリスルフォン硼珪酸ガラス）又は低密度中央配置マトリックス（ポリマー、例えば、ポリプロピレン又は金属粉末、例えばステンレス鋼）で構成されている。両方のタイプのメンブレンが効果的であることが判明している。図４は、フィルタメンブレン１２，２２，３２の基材を通る吐出し流６ａの一部の代表的な流路の濾過原理を示している。
【００２９】
冷媒相の分離のためのコアレッセントメンブレンの主な特徴は、次の通りであることが判明した。
・細孔率が大きいこと／圧力降下が小さいこと。
・深さ（即ち、粒径よりも数千倍大きな断面）−平均自由経路が長いこと。
・微細な顕微鏡組織（即ち、中央配置粒子の細い繊維）−表面積が大きなこと。
・冷凍システム内で見受けられる成分に対する化学的耐性を備えた材料の利用可能性が広いこと。
【００３０】
最適条件下で稼働する従来型ボルテックスシステムに関し８５％以下であることと比較してコアレッセントフィルタについて９８％以上の高い捕捉効率により、大きな冷却能力を達成できる。これにより、膨張弁の入口の液体密封を達成するのに必要な所要のガスチャージが減少する。ガスチャージの減少により、膨張タンクが不要になる。
【００３１】
平板熱交換器は、２相システムにおいてガスの向流相互間の高い熱伝達効率を達成する通常の方法であるが、今日まで、経路長さが短いこと及び入口／出口前後の圧力降下が低いことに起因して「自動多元」冷凍システムには適当でないことが判明している。これら要因の結果として、従来技術システムでは、自動多元冷凍システムの他の部分への凝縮した液体冷媒のキャリオーバが生じることになる。この結果、毛管の液体欠乏及び粘度の高い低揮発性成分による低温要素のファウリングが生じる。本発明において、コアレッセント分離と結合した平板型熱交換器の使用は、従来技術のチューブインチューブ方式の自動多元冷凍システムと比べて、効率が１０％以上高くなる一因となった。
【００３２】
典型的なコアレッセント媒体は、例えば米国テキサス州所在のテンプライト社及びメキシコ国所在のラリーコントロールＳ．Ａ．ＥＤＣＶ社によって市販されている紙又は厚紙の状態に形成された微細ガラス繊維であるのがよい。焼結ポリマーを含む他の材料も又評価でき、これらの殆どが商業上の有用性の理由で拒絶された。
【００３３】
本発明の好ましい実施形態では、濾過媒体の面積は、本来的に２０〜３００平方インチの広い範囲にわたって適用できる。実際のサイズは、コアレッセント媒体がアレイ内で用いられる箇所で決まる。フィルタ上で達成された標的圧力降下は、一体としてのコアレッセントフィルタとその連結部前後の２ｐｓｉの圧力降下以下である。かくして、圧縮機からの距離が長ければ長いほどそれだけ一層小形のフィルタが用いられる（流量の減少と一致して）。コアレッセントフィルタ媒体は、絶対孔径を備えていないが、有効孔径を有することはコアレッセントフィルタ媒体の性質であり、孔径は、２つの要因、即ち、（１）媒体の細かさ（繊維又は焼結粒子）及び（２）重要なこととして内面から外面までの深さによって定められる。全ての市販のコアレッセントフィルタ媒体に関し、有効孔径は、凝縮冷媒の同伴液滴よりもかなり小さい。その結果、２つの相相互間の分離効率が高い。コアレッセントフィルタは又、これらフィルタがインピンジメント型のものと比較して有効孔径に基づいて働くときに流れとは独立しており、インピンジメント型フィルタは、粒子の運動量及び寸法に依存している。自動多元冷凍システムは性質上、ガス速度及び温度が種々の条件下で、例えば、加えられた熱負荷の条件下において広範に変化することを意味している。
【００３４】
本出願人のコアレッセント／デプスメンブレンフィルタ及び平板熱交換器システムは、冷媒の相分離に用いられると、以下の利点を有する。
・分離効率が高いことにより、液体成分がシステムの他の部分に通過しないようになり、もしそうでなければ、このシステムの他の部分において液体成分がファウリングを生じさせ、それにより、熱交換器表面の効率を低下させる。
・液体計量装置（通常は、毛管）が常時液体を供給されるようになること。その結果、毛管に液体が供給されるようにするのに必要なガスチャージが減少する。
・熱交換器アレイの極低温部分への圧縮機油、水分又は他の汚染要因物の移動の可能性が無くなること。これは、かかる成分がこれら部分内の毛管を閉塞させてシステムを破壊するので重要である。
・上記特徴は、高効率のコンパクトなブレーズド（ｂｒａｉｓｅｄ）熱交換器及び自動多元極低温冷凍システムついて実施可能な技術である。
・自動多元冷凍システムの冷却及び動作サイクル中大幅に変化するガス速度とは独立性を備えた状態で、熱応力に対して耐性の高いコアレッセントメンブレンを用いるシステムは、過剰負荷からの回復が早く、しかも始動から平衡状態に達するのが迅速である。
・短路平板熱交換器に固有の流体のキャリオーバが無いこと。
・平板熱交換器の使用により熱／エネルギの伝達が最適であること。
・排出ガス／液体と戻りガスとの温度差が最小限に抑えられ、その結果、アレイの各部分相互間の温度勾配が急峻であること。これにより、揮発性の乏しい要素の凝縮効率が増大し、システムのチャージが減少する。
・効率的な凝縮物分離により、所与のシステム用量についてガスチャージが減少し、膨張タンクが不要になること。
・熱質量の減少の結果として、始動時からの冷却が早くなること。
・熱質量の減少により、マイスナーコイル中への高温ガス注入後のシステム回復時間が長くなること。
・効率的な相分離により、毛管が毛管に常時液体が供給され、それによりもし熱負荷が突然減少しても、システムが「クラッシュ」しにくいようにすること。
【００３５】
コアレッセントフィルタは、絶対的なフィルタではなく確率に作用される装置であり、かかる装置を通る液相物質の慨然性は無限小である。
【００３６】
コアレッセントメンブレン相分離装置の例外的な性質と結合された場合における熱交換器／分離要素内における熱伝達及びかくして凝縮の効率が高いという実用上の利点は、毛管に常時液体が供給されるようにするのに必要な凝縮ガスの量が従来技術と比べて非常に少ないということを意味している。
【００３７】
本発明の混合ガス極低温冷凍システムが、図５に記載されている。図５に示すように、総ガスチャージとガスが装填される割合の両方の影響を受けにくい新規な自動多元冷凍システムは、著しく高いエネルギ効率を有している。全体的な動作原理は、従来技術のシステムと類似している。しかしながら、上述したように、本発明のシステムは、蒸気及び液体の排出流れに対して真の意味で不連続である。従来技術のシステムは、別々のレジメの相互間では区別無く連続している。
【００３８】
図５の本発明を組み込んだシステムの好ましい実施形態では、圧縮機４１及び（又は）４２からの排出ライン６中の吐出しガスは、凝縮器４６に流れ、この凝縮器４６では、水が循環してライン４７に入ってライン４８から出ている。凝縮器４６から、排出ライン６は、システム乾燥器５０を通り熱交換器／相分離アレイＡ１，Ａ２，Ａ３に至る。これらアレイＡ１，Ａ２，Ａ３はそれぞれ、平板熱交換器１０，２０，３０及び相分離器１４，２４，３４を有し、相分離器は、排出ライン６内のガス排出部及び毛管１８，２８，３８内の液体除去部を有し、毛管１８，２８，３８はそれぞれ、乾燥器１９，２９，３９を有している。
【００３９】
アレイ要素Ａ３からの排出ライン６はまず最初に、熱交換器４０に至り、次に熱交換器５０に至り、そして、ここから排出ライン６上で１／２インチ手動弁５１を通り、冷却弁５２を通り、次に、乾燥器５３を備えた毛管部分を通り、１／２インチ超密封連結部５４に至り、そして極低温コイル６０に至る。極低温コイルの他端部は、３／８インチ超密封連結部５６を経て吸込み／戻りライン８に連結されている。
圧力温度制御ソレノイド始動弁５５を有するライン５７が、極低温コイル６０の近くに位置する冷却弁５２の上流側で高圧排出ライン６に連結されると共に連結部５６の近くに位置する低圧戻りライン８に連結されている。
【００４０】
吸込み／戻りライン８は、極低温コイル６０及び始動弁５５から熱交換器５０，４０，３０，２０，１０に延び、引き続きこれらを貫通し毛管４８，３８，２８，１８から分離状態の液体をピックアップしそして最終的に圧縮機４１，４２の入力に達する。
【００４１】
霜取り／吐出し枝ライン７０が、排出ライン６から、戻りライン８に連結された油戻りライン７６を備えた油分離器を７４を通って圧縮機４１，４２の入力まで延びている。油補償ライン７８が、圧縮機４１，４２に連結されている。油分離器から、霜取り／吐出し枝ライン７０は、霜取り弁８０及び霜取り隔離弁８２を通って極低温コイル６０に至ることができるよう排出ライン６まで延びている。
【００４２】
このシステムは、ガスのブレンドの分留を行うよう直列に連結された３つの改良型自動多元要素を有し、ガスのブレンドは、並列動作する２つの圧縮機４１，４２による単一の圧縮工程下において、低沸点ガス混合物の蒸発により蒸発器又は極低温コイル又はマイスナーコイル６０内に極低温を達成する。各自動多元要素Ａ１，Ａ２，Ａ３はそのコアレッセントメンブレン１２，２２又は３２によりその隣のものから分割されており、このコアレッセントメンブレンは、アレイの低温部分への液相のそれ以上の移動を阻止する。これは、平板熱交換器の使用における実行可能な段階である。
【００４３】
作動前に、始動弁５５を開く、これにより、システムに固有のインピーダンス流が減少し、これは、比較的僅かなガス吐出し量と共に、従来技術において利用されているガスリザーバとして整列状態にある膨張タンクと毛管が不要であることを意味している。圧力容器を不要にすることにより安全上の利点と経済上の利点の両方が得られる。始動時、圧縮機４１，４２のうちの一方を作動させる。始動弁５５は、圧縮機前後の吐出し圧力及び圧縮比が圧縮機の設計限度内に十分収まるようにするよう開いたままの状態である。圧縮機４１，４２を初期の始動時に交互に作動させて摩耗が均等化されるようにする。動作の全ての段階の制御は、高効率及び安全作動が得られるようコンピュータソフトウェアによる厳密な制御に依存している。
【００４４】
始動弁５５の最も効率的な位置は、冷却弁５２のすぐ上流側の圧縮機から見てシステムの排出ライン６の最も遠くに位置する箇所である。この箇所では、冷却弁５２及び霜取り弁８０は、システムが待機状態に達し、ユーザが蒸発器の冷却又は霜取りを必要とするまで閉鎖状態のままである。
【００４５】
始動弁５５は、凝縮器４６のところでガス混合物内に揮発性の最も少ない成分の凝縮を生じさせるのに十分高い圧力を高圧側に生じさせるのに十分なインピーダンスをガス／蒸気流にもたらす必要がある。凝縮液体を分離して毛管４８，３８，２８，１８を介して圧縮機に戻す。すると、かかる液体は、蒸発して吸込み側の戻りライン８に流れ、吐出しガス流を一段と冷却する。始動弁５５は、高圧側と低圧側との間の流れを増加させることにより吐出し部の圧力を減少させる。ガスの速度の増大により、熱交換器５０，４０，３０，２０，１０を介するシステムの高圧側と低圧側との間の熱伝達が向上する。システムが冷えると、ガスの量は、断熱冷却と揮発性の低い成分の凝縮の両方を介して減少する。
【００４６】
高圧段と低圧段との間に高い質量流量を維持することにより、圧縮機が始動段階中、低温状態のままであるようになる。圧縮機の圧縮比を減少させることにより、その効率が向上すると共に圧縮機に加わる熱応力及び機械的応力が一段と減少する。
密閉形圧縮機はシステムの正確な機能を実行するのに必要な圧縮ガスの相当多くの量を有しているので、いったん成分の完全な凝縮に達すると、全てのガスはプロセスのためにすぐに役立つ。
【００４７】
冷却ゾーンは、始動弁５５から戻るように見える。圧縮機の排出ライン６の吐出し圧力及びシステムの最も低い温度が許容レベルまでいったん減少すると、始動弁５５を閉じる。吸込みラインの圧力がすぐに減少し、これと相関関係をなして吐出し圧力が増大する。しかしながら、システムの最も低い温度が装填ガス中の最も揮発性の高い成分の臨界温度以下に減少するので、これら成分の迅速な凝縮が生じ、それにより、毛管１８，２８，３８及び今や液体をシステムの低圧側に流している頂部戻り毛管４８の全てを通る質量流量が迅速に増大する。
【００４８】
次に、毛管に液体を送り、それにより、吐出し圧力と吸込み温度の両方がすぐに減少する。各々の適正な値にいったん達すると、コンピュータを利用した制御システムが両方の変数をモニタして始動弁を閉じる。
システムは、熱伝達の効率が高く且つ質量が小さいので迅速に冷える。吸込みガスと吐出しガスの差は、代表的には１０℃という低い温度である。個々の要素相互間では、熱の移行は、例外的に良好に定められ、連続熱交換プロセスを採用する従来技術とは対照的である。周囲から約２０分以内で、自動多元冷却システムは、最終的に平衡状態に達する。これは、コアレッセント相分離器１４，２４，３４が全て液体を回収し、毛管が吐出しガス流を凝縮温度まで冷却するのに有効である場所である。システムがいつでもマイスナーコイルの冷却を行うことができる時点を正確に決定するため、排出ラインと吸込みラインの両方の圧力をモニタし、分離箇所のところでの温度と共に、これらの圧力を再び制御システムによって処理する。臨界パラメータにいったん達すると、システムは、いつでも極低温液化ガスをマイスナーコイルに提供する準備ができている。
【００４９】
始動弁５５が高すぎる温度又は高すぎる圧力状態で冷却されると、システムは、その安全動作圧力を超えることになる。もし万が一弁の閉鎖時期が遅すぎると、システムは、効率が悪くなる傾向がある。というのは、ガス速度が非常に高いままであり、比較的多量の液体冷媒が吐出し側に保持されるからである。かかる液体冷媒は、ガス流中に同伴され、温度がかかる液体冷媒を凍結させ、毛管のファウリングを生じさせるのに十分低い圧縮機から一段と遠くへ運び去られる。
【００５０】
圧力の減少及び圧縮機の吸込みライン冷却作用の増強は、平衡状態が達成されるまでシステムの外部のチャージのうちの何割かの貯蔵に頼らないで、システムが２００ｐｓｉを超える非常に高い静圧から効果的に始動できるよう非常に効果的である。始動弁５５の位置決め、その流れ特性及び通常の作動条件に対するクロスオーバがなされる箇所は、システムの最適作動を達成するのに全て重要である。
【００５１】
従来技術のシステムの場合と同様、冷却は、冷却ソレノイド弁５２を開くことによって行われ、最終の蒸発段階は、極低温コイル内で達成される。極低温コイルの開放後においては、極低温コイルの温度の安定性はほとんどないか、又は全くない。これは、被膜を極低温コイルからの水蒸気の予測できない放出により損傷する場合があるので冷却プロセスにおいて顕著な利点である。プロセスの終わりに、霜取り弁８０を開き、冷却弁５２を閉じ、高温ガスを直接マイスナーコイルに注入することによりコイルを霜取りする。これは、冷凍技術においては、高温ガス注入法と呼ばれている通常のプロセスである。本発明は、排出ガスの一部だけがコイルを通るという点において従来技術とは異なっている。残部は、電子制御下において自動多元アレイ上に維持される。これにより、自動多元アレイは、コイルを幾分同時にいつでも冷却できる準備ができている。極低温状態を達成してこれを維持する際のアレイの堅牢性は、これを構成する改良型自動多元要素の関数である。迅速でしかも一層確実堅固なサイクル動作は、本発明の重要な実用上の利点である。
【００５２】
待機中、圧縮機４１，４２のうち一方をオフに切り換えて電力消費を減少させるのがよい。極低温コイルの冷却が行われていないとき、負荷を減少させるので、アレイは、その設計状態のままであるが、類似のシステムのエネルギのほぼ半分を消費する。多くの圧縮機及び容量が増大した自動多元要素を実用上の限度がほとんどない状態で組み合わせると、或る形態の容量制御を行うことができる。
【００５３】
本発明は、中央配置金属マトリックス、有機又は無機繊維及び平板熱交換器の組合せ又は単独によるコアレッセント濾過の使用に及んでおり、単一の圧縮段階を用いる極低温混合ガス冷凍システムの用途にとって独特且つ新規である。
【００５４】
典型的な従来技術のシステム及び本発明の一実施形態は、Ｒ１２３、Ｒ１１又は他の公知の冷媒を用いている。自動多元冷凍システムにおいて互いに異なる熱−物理的性質を備えたガスのブレンドは、液化ガスの膨張により極低温を生じさせる。通常、このガスは、揮発性有機成分、例えば、メタン又はそのハロゲン化物又はその類似物、或いは、高沸点無機永久ガスアルゴン（これが最も顕著である）である。かかるガスの使用と関連した大きな問題は、断熱利得の結果として圧縮機から高温排出温度を生じさせる所要の高圧縮比である。
【００５５】
産業用洗浄剤として通常用いられる等級の揮発性液体を用いることが本発明のもう１つの特徴である。これら揮発性の液体は、以下の等級、即ち、ヒドロフルオロエーテル、ペルフルオロ−エーテル及びヒドロフルオロエステルのものである。
ドデシル−フルオロ−ペンタンＣ_５Ｆ_１２が特に用いられる。この液体は、沸点が＋３０℃であり比熱及び密度が高いという性質を持っている。これにより、かかる液体は、自動多元冷凍システムの最も揮発性の高い成分の断熱圧縮により生じる熱を自動多元冷凍システムの凝縮器段に運ぶのが理想的になる。
【００５６】
Ｒ１２３、Ｒ１１及び他の公知の冷媒と比べた場合のＣ_５Ｆ_１２の主要な利点は、オゾン層破壊の原因にはならないということである。上述のシリーズの他の流体は、類似の熱−物理的性質を呈するが、化学的安定性が幾分低く、冷凍システム内に用いるには不適切であることが判明している。
Ｃ_５Ｆ_１２の使用は、自動多元冷凍システムの圧縮機からの排出温度を減少させ、このシステムの凝縮器エレメントから放出される熱の総量を増加させる。試験を行うと、この流体は、自動多元冷凍システム内に見受けられる材料の全てと化学的に適合性があることが判明した。分子状態の塩素がないことは、分解生成物が本出願人のシステムで提案されているコアレッセント相分離器のステレンス鋼エレメントを攻撃しそうにないことを意味している。
【００５７】
別の組をなす新規な化合物は、極低温自動多元冷凍システム内の圧縮機吐出しガス温度の急冷の際に有効であることが判明した。新規なオゾンにやさしい化合物を用いることによる高い排出ガス温度の有効急冷により、かかるシステムは商業的にも環境的にも有用になる。
これらコンポーネントを適当なものにする主要な性質は、システム設計圧力での戻りガス温度よりも高いが、典型的な冷凍圧縮機吐出し圧力での許容レベルの吐出し温度よりも低い沸点である。
【００５８】
これら化合物は又、効率的な揮発／凝縮の多量の潜熱を有さなければならない。多くの候補物質がこの性質に鑑みて除外された。化合物は又、冷凍システム内で見受けられる物質と適合性がなければならない。低毒性及び易燃性も又、非常に望ましい属性であることが分かった。
【００５９】
自動多元極低温冷凍システムでは、成分は、これらの個々の臨界温度よりも十分高い温度で圧縮機から排出される。圧縮により断熱加熱が生じ、これは、圧縮に正比例している。上述の化合物は、蒸気形態への部分的な状態変化により圧縮機からの吐出し温度を減少させるのに有効である。状態変化は、混合物の理想ガス成分の断熱加熱効果と比べて不釣合いなほどの量のエネルギを吸収する。
【図面の簡単な説明】
【図１】
従来技術のシステムの構造を示す略図である。
【図２】
本発明の自動多元要素を構成する部品の略図である。
【図３】
アレイの一部としてリンクされた状態で示された改良型自動多元要素の略図である。
【図４】
本発明で利用されるコアレッセントフィルタメンブレンの濾過動作原理の拡大略図である。
【図５】
本発明を利用するガス冷媒システム中の冷媒の流れの略図である。

Claims

極低温混合ガス冷凍システムであって、極低温コイルと、圧縮機と、前記圧縮機からの流体を前記極低温コイルに運ぶ排出経路と、前記極低温コイルからの流体を前記圧縮機に運ぶ戻り経路と、前記排出経路内に設けられた少なくとも１つの熱交換器／コアレッセント相分離アレイとを有し、前記アレイは、前記排出経路中の流体と前記戻り経路中の流体との間で熱を交換する熱交換器と、前記排出経路内に設けられていて、前記熱交換器からの流体を受け入れ、前記排出経路内で液相と気相を互いに分離するコアレッセント媒体を収容したコアレッセント分離ハウジングと、前記コアレッセント分離ハウジングから前記排出経路へのガス出口と、前記コアレッセント分離ハウジングから前記戻り経路への液体リザーバ及び出口とを有していることを特徴とする極低温混合ガス冷凍システム。
前記圧縮機からの前記排出経路に沿って連続して設けられた複数の前記熱交換器／コアレッセント相分離アレイを更に有し、前記アレイの各々のコアレッセント分離ハウジングからのガス出口は、前記排出経路に沿って設けられた一連の熱交換器の入口に連結されていることを特徴とする請求項１記載の極低温混合ガス冷凍システム。
前記アレイの各々のコアレッセント分離ハウジングからの液体出口は、前記排出経路に沿う一連の熱交換器の戻り経路入口に連結されていることを特徴とする請求項２記載の極低温混合ガス冷凍システム。
前記熱交換器／コアレッセント相分離アレイの前記熱交換器は、前記排出経路及び前記戻り経路用の通路を備えた板であることを特徴とする請求項１、２又は３記載の極低温混合ガス冷凍システム。
前記圧縮機に向かう前記極低温コイルの上流側で前記排出経路内に設けられた冷媒遮断弁と、前記遮断弁の上流側の前記排出経路と前記戻り経路との間に連結されているラインに設けられた始動弁とを更に有し、前記遮断弁を閉じた状態で、前記始動弁を前記圧縮機の作動で冷凍システムの始動時に又は始動直前に開くことができることを特徴とする請求項１記載の極低温混合ガス冷凍システム。
前記システムは、システム設計圧力状態において所定の戻りガス温度を有するが、前記圧縮機の通常の吐出し圧力においては許容可能な吐出し温度を有し、前記戻りガス温度よりも高く前記許容可能な吐出し温度よりも低い沸点を有する冷媒を有していることを特徴とする請求項１記載の極低温混合ガス冷凍システム。
極低温混合ガス冷凍システムであって、極低温コイルと、圧縮機と、前記圧縮機からの流体を前記極低温コイルに運ぶ排出経路と、前記極低温コイルからの流体を前記圧縮機に運ぶ戻り経路と、前記排出経路に沿って連続して設けられた複数の熱交換器／コアレッセント相分離アレイとを有し、前記アレイは、前記排出経路及び前記戻り経路用の通路を備えていて、前記排出経路及び前記戻り経路内の流体相互間で熱を交換する平板熱交換器と、前記排出経路内に設けられていて、前記熱交換器からの流体を受け入れ、前記排出経路内で液相と気相を互いに分離するコアレッセント媒体を収容したコアレッセント分離ハウジングと、前記コアレッセント分離ハウジングから前記排出経路へのガス出口と、前記コアレッセント分離ハウジングから前記戻り経路への液体リザーバ及び出口とを有していることを特徴とする極低温混合ガス冷凍システム。
前記アレイの各々の各コアレッセント分離ハウジングからのガス出口は、前記排出経路に沿って設けられた一連の熱交換器の入口にそれぞれ連結されていることを特徴とする請求項７記載の極低温混合ガス冷凍システム。
前記アレイの各々の各コアレッセント分離ハウジングからの液体出口は、前記排出経路に沿って設けられた一連の熱交換器の戻り経路入口にそれぞれ連結されていることを特徴とする請求項８記載の極低温混合ガス冷凍システム。
前記圧縮機に向かう前記極低温コイルの上流側で前記排出経路内に設けられた冷媒遮断弁と、前記遮断弁の上流側の前記排出経路と前記戻り経路との間に連結されているラインに設けられた始動弁とを更に有し、前記遮断弁を閉じた状態で、前記始動弁を前記圧縮機の作動により冷凍システムの始動時に又は始動直前に開くことができることを特徴とする請求項７記載の極低温混合ガス冷凍システム。
前記システムは、システム設計圧力状態において所定の戻りガス温度を有するが、前記圧縮機の通常の吐出し圧力においては許容可能な吐出し温度を有し、前記戻りガス温度よりも高く前記許容可能な吐出し温度よりも低い沸点を有する冷媒を有していることを特徴とする請求項７記載の極低温混合ガス冷凍システム。
極低温混合ガス冷凍システムであって、極低温コイルと、圧縮機と、前記圧縮機からの流体を前記極低温コイルに運ぶ排出経路と、前記極低温コイルからの流体を前記圧縮機に運ぶ戻り経路と、前記排出経路に沿って連続して設けられた複数の熱交換器／コアレッセント相分離アレイとを有し、前記アレイは、前記排出経路及び前記戻り経路用の通路を備えていて、前記排出経路及び前記戻り経路内の流体相互間で熱を交換する平板熱交換器と、前記排出経路内に設けられていて、前記熱交換器からの流体を受け入れ、前記排出経路内で液相と気相を互いに分離するコアレッセント媒体を収容したコアレッセント分離ハウジングと、前記排出経路に沿って設けられた一連の熱交換器の入口に連結された、前記コアレッセント分離ハウジングから前記排出経路へのガス出口と、前記排出経路に沿って一連の熱交換器の戻り経路入口に連結された、前記コアレッセント分離ハウジングから前記戻り経路への液体リザーバ及び出口と、前記圧縮機に向かう前記極低温コイルの上流側で前記排出経路内に設けられた冷媒遮断弁と、前記遮断弁の上流側の前記排出経路と前記戻り経路との間に連結されているラインに設けられた始動弁とを有し、前記遮断弁を閉じた状態で、前記始動弁を前記圧縮機の作動により冷凍システムの始動時に又は始動直前に開くことができることを特徴とする極低温混合ガス冷凍システム。
前記システムは、システム設計圧力状態において所定の戻りガス温度を有するが、前記圧縮機の通常の吐出し圧力においては許容可能な吐出し温度を有し、前記戻りガス温度よりも高く前記許容可能な吐出し温度よりも低い沸点を有する冷媒を有していることを特徴とする請求項１２記載の極低温混合ガス冷凍システム。
極低温混合ガス冷凍システムであって、極低温コイルと、圧縮機と、前記圧縮機からの流体を前記極低温コイルに運ぶ排出経路と、前記極低温コイルからの流体を前記圧縮機に運ぶ戻り経路と、前記排出経路に沿って連続して設けられた複数の熱交換器／相分離アレイとを有し、前記アレイは、前記排出経路及び前記戻り経路用の通路を備えていて、前記排出経路及び前記戻り経路内の流体相互間で熱を交換する平板熱交換器と、液相と気相を前記排出経路内で互いに分離する流体分離ハウジングと、前記排出経路に沿って設けられた一連の熱交換器の入口に連結された、前記分離ハウジングから前記排出経路へのガス出口と、前記分離ハウジングから前記戻り経路への液体リザーバ及び出口と、前記圧縮機に向かう前記極低温コイルの上流側で前記排出経路内に設けられた冷媒遮断弁と、前記遮断弁の上流側の前記排出経路と前記戻り経路との間に連結されているラインに設けられた始動弁とを有し、前記遮断弁を閉じた状態で、前記始動弁を前記圧縮機の作動により冷凍システムの始動時に又は始動直前に開くことができることを特徴とする極低温混合ガス冷凍システム。
前記システムは、システム設計圧力状態において所定の戻りガス温度を有するが、前記圧縮機の通常の吐出し圧力においては許容可能な吐出し温度を有しており、前記戻りガス温度よりも高く前記許容可能な吐出し温度よりも低い沸点を有する冷媒が用いられることを特徴とする請求項１４記載の極低温混合ガス冷凍システム。
極低温混合ガス冷凍システムであって、極低温コイルと、圧縮機と、前記圧縮機からの流体を前記極低温コイルに運ぶ排出経路と、前記極低温コイルからの流体を前記圧縮機に運ぶ戻り経路と、前記圧縮機に向かう前記極低温コイルの上流側で前記排出経路内に設けられた冷媒遮断弁と、前記遮断弁の上流側の前記排出経路と前記戻り経路との間に連結されているラインに設けられた始動弁とを有し、前記遮断弁を閉じた状態で、前記始動弁を前記圧縮機の作動により冷凍システムの始動時に又は始動直前に開くことができることを特徴とする極低温混合ガス冷凍システム。
極低温混合ガス冷凍システムにおいて、前記システムは、システム設計圧力状態において所定の戻りガス温度を有するが、前記圧縮機の通常の吐出し圧力においては許容可能な吐出し温度を有しており、前記戻りガス温度よりも高く前記許容可能な吐出し温度よりも低い沸点を有する冷媒が用いられることを特徴とする極低温混合ガス冷凍システム。
極低温コイルと、圧縮機と、前記圧縮機からの流体を前記極低温コイルに運ぶ排出経路と、前記極低温コイルからの流体を前記圧縮機に運ぶ戻り経路とを有する極低温混合ガス冷凍システムを作動させる方法であって、ガス状冷媒を圧縮する段階と、圧縮冷媒を冷却して冷却流体冷媒にする段階と、冷却冷媒をコアレッセント媒体中に導いて分離された冷却ガスと分離された冷却液体を生じさせる段階と、分離された冷却ガスを排出経路に沿って極低温コイルに運ぶと共に分離された冷却液体を戻り経路に沿って低温圧縮冷媒に運ぶ段階とを有することを特徴とする方法。
前記冷却段階は、平板熱交換器内で実施されることを特徴とする請求項１８記載の方法。
冷却冷媒を一連のコアレッセント媒体中に導いて冷却ガスを冷却液体から分離し、冷却ガスを排出経路に沿って運ぶと共に冷却液体を戻り経路に沿って運ぶ段階を更に有していることを特徴とする請求項１９記載の方法。