JP2007526430A - 混合不活性成分冷媒を使用する冷媒サイクル - Google Patents

Abstract

【課題】非反応性の冷媒を用い、従来よりも低い温度を達成できる冷却システムを提供する。
【解決手段】第１冷媒サイクルおよび第２冷媒サイクルを備える冷却システム。第１冷媒サイクルが第１冷媒を有し、第２冷媒サイクルが極低温成分の混合物を含む第２冷媒を有する。また、第２冷媒サイクルが非反応性成分を含む第２冷媒を有する。第２冷媒は、フルオロカーボン、クロロフルオロカーボンおよびヒドロカーボンを含まない。第２冷媒の少なくとも一部が、第２冷媒サイクルにおいて凝縮される。
【選択図】図１

Description

本明細書は、一般に、冷媒サイクルおよび冷媒サイクルにおいて使用される冷媒に関する。

低温および極低温冷凍は、一般的に、深冷分離のための流体流れの冷却、気体の液化、バイオロジカル・フリーザの冷却、化学プロセスの反応速度の制御、材料特性分析装置の冷却、真空プロセスにおける低圧蒸気圧を生成するための水蒸気の捕集、半導体ウエハ処理などの製造プロセスにおける冷却対象物の冷却、撮像装置、素粒子検出器および光検出器の冷却、化学分析装置の冷却、ならびに超電導ケーブルおよび超電導装置の冷却、のために使用される。従来のシステムは、クロロフルオロカーボン、ヒドロクロロフルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、フルオロカーボン、およびヒドロカーボン冷媒を使用している。しかし、これらの冷媒にはいくつかの欠点がある。

従来の冷媒は反応性であり、腐食性のラジカル（基、radical ）に分解するおそれがある。クロロフルオロカーボンおよびフルオロカーボンといった従来の冷媒は、腐食性の塩素ラジカルおよびフッ素ラジカルに分解する。ヒドロカーボンなどの冷媒は、プロセス条件下で発火源が存在すると可燃性になる。プロセスの損傷を受けやすい部分にこれらの冷媒が漏れると、多大で高額の損害を引き起こすおそれがある。例えば、半導体プロセスにおいて、従来からのクロロフルオロカーボンおよびフルオロカーボン冷媒が微量にせよ存在すると、フリーラジカル（遊離基）の増加につながるおそれがあり、半導体回路および関連機器の製造に悪影響を及ぼすおそれがある。従来の冷媒が大規模に漏洩すると、火災および他の問題を引き起こすおそれがある。

従来の冷媒は、規制される傾向にある。したがって、従来の冷媒を用いるシステムの修理は、有資格の技術者を必要とする。影響を受けやすい製造プロセスにおいて使用される冷凍システムの修理では、有資格の技術者が設備を取り扱えるようにシステムを停止（shut down ）させねばならず、高コストを招く。例えば、従来の冷媒を用い、従来の冷凍システムを使用するクリーンルーム環境では、冷凍システムの修理が製造の遅れを引き起こして高コストを招き、不利となる。

別の欠点は、従来の冷媒を使用して達成できる温度の限界にある。真空環境において実行される物理的気相成長法、半導体製造プロセスにおける熱の除去、生物学的組織の冷却および保存、撮像装置および化学分析装置からの熱の除去、超電導ケーブルおよび超電導装置の冷却、ならびに化学プロセスおよび製薬プロセスなど、種々のプロセスは、従来の冷媒によって達成できる温度よりも低い温度を使用できれば、有益である。

したがって、改良された低温および極低温冷凍プロセスが望まれている。

特定の一実施形態において、冷却システムが開示される。この冷却システムは、第１の非振動（non-oscillating）冷媒サイクルおよび第２の非振動冷媒サイクルを備えている。第１の非振動冷媒サイクルは第１冷媒を有し、第２の非振動冷媒サイクルは、クロロフルオロカーボン、ヒドロクロロフルオロカーボン、フルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、およびヒドロカーボンを含まず、かつ極低温ガス成分の混合物を含む、第２冷媒を有する。

別の実施形態においては、第１の非振動冷媒サイクルおよび第２の非振動冷媒サイクルを備えている冷却システムが開示される。第１の非振動冷媒サイクルは第１冷媒を有する。第２の非振動冷媒サイクルは、極低温ガス成分を含む第２冷媒を有する。第２冷媒は、クロロフルオロカーボン、ヒドロクロロフルオロカーボン、フルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、フルオロエーテル、およびヒドロカーボンを含まない。第２冷媒の少なくとも一部が、第２冷媒サイクルにおいて凝縮される。

さらに別の実施形態においては、冷却を実現する方法が開示される。この方法は、第１冷媒サイクルにおいて第１冷媒を凝縮するステップ、第１冷媒を減圧して（すなわち、圧力を低下させて）、第２冷媒サイクルの第２冷媒を冷却するステップ、および冷却対象物を冷却するステップを含む。第２冷媒は、クロロフルオロカーボン、ヒドロクロロフルオロカーボン、フルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、フルオロエーテル、およびヒドロカーボンを含まず、少なくとも２つの別個の極低温ガスの混合物を含む。

別の実施形態においては、少なくとも１つの冷媒サイクルを有する冷媒システムが開示される。この冷媒サイクルは、クロロフルオロカーボン、ヒドロクロロフルオロカーボン、フルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、フルオロエーテル、およびヒドロカーボンを含まず、かつＡｒ、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択される少なくとも２つの別個の成分を含む混合成分冷媒を有する。

さらに別の実施形態においては、少なくとも１つの冷媒サイクルを有する冷凍システムが開示される。この冷媒サイクルは、クロロフルオロカーボン、ヒドロクロロフルオロカーボン、フルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、フルオロエーテル、およびヒドロカーボンを含まず、かつＮ_２、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択される少なくとも２つの別個の成分を含む混合成分冷媒を有する。

別の実施形態においては、少なくとも１つの冷媒サイクルを有する冷凍システムが開示される。この冷媒サイクルは、第１成分と第２成分とを含む混合成分冷媒を有する。この混合成分冷媒は、第１成分を４０％〜９５％含む。第１成分は、Ａｒ、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択される。第２成分は、Ａｒ、Ｎ_２、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択される。

さらに、少なくとも１つの冷媒サイクルを有する冷媒システムの典型的な実施形態を開示する。この冷媒サイクルは、クロロフルオロカーボン、ヒドロクロロフルオロカーボン、フルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、フルオロエーテル、およびヒドロカーボンを含まず、かつＡｒ、Ｎ_２、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択される少なくとも３つの別個の成分を含む混合成分冷媒を有する。

別の実施形態においては、冷凍システムを稼動する方法が開示される。この方法は、極低温ガスを冷媒サイクルに注入して、この冷媒サイクルの冷媒がクロロフルオロカーボン、ヒドロクロロフルオロカーボン、フルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、フルオロエーテル、およびヒドロカーボンを含まず、かつＡｒ、Ｎ_２、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択される少なくとも３つの別個の成分を含む混合成分冷媒となるようにするステップを含む。

さらに別の実施形態においては、冷凍システムを稼動する方法が開示される。この方法は、極低温ガスを冷媒サイクルに注入して、この冷媒サイクルの冷媒が第１成分および第２成分を含む混合成分冷媒となるようにするステップを含む。この混合成分冷媒は、第１成分を４０％〜９５％含む。第１成分は、Ａｒ、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択される。第２成分は、Ａｒ、Ｎ_２、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択される。

さらに別の実施形態においては、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択される少なくとも１つの成分と、Ａｒ、Ｎ_２、Ｎｅ、およびＨｅからなるグループのうちから選択される少なくとも１つの成分とを含む混合成分冷媒を有する少なくとも１つの冷媒サイクルを有する冷凍システムが開示される。

本発明の開示は、添付の図面を参照することにより、詳細に理解され、当業者には、その多くの目的、特徴、および利点が明らかになるであろう。

特定の一実施形態においては、環境に優しい冷媒として特徴付けることができるＡｒ、Ｎ_２、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏのうちの１つ以上を含む混合成分冷媒を使用する少なくとも１つの冷媒サイクルを有する冷凍および冷却システムが開示される。一例においては、冷凍システムは、絞り弁方式（throttle type）の冷凍システムである。さらに、非反応性化学種を含む混合成分冷媒、および、非反応性化学種を含む混合成分冷媒を使用する、冷却対象物またはプロセスの冷却方法が開示される。混合成分冷媒は、非反応性の２つ以上の成分の混合物を含むことができる。非反応性化学種としては、例えば不活性ガスを挙げることができる。典型的な一例においては、不活性ガスが、Ａｒ、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、およびＨｅなどの希ガスから選択された化学種を含むことができる。別の実施形態においては、非反応性成分として、２原子の窒素（Ｎ_２）を挙げることができる。別の典型的な実施形態においては、非反応性成分として、Ｎ_２ＯまたはＣＯ_２を挙げることができる。混合成分冷媒はＯ_２を含んでもよい。非反応性成分を含む混合成分冷媒は、典型的には、クロロフルオロカーボン、ヒドロクロロフルオロカーボン、フルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、フルオロエーテル、およびヒドロカーボンを含まない。

本明細書において使用されるとき、用語「クロロフルオロカーボン」は、同様の化学構造の化合物の中でも特に、ジクロロフルオロメタン（ＣＣｌ_２Ｆ_２）を含む。例えば、クロロフルオロカーボンは、塩素、フッ素、および炭素原子で構成された分子であって、Ｃｌ‐Ｃ結合およびＦ‐Ｃ結合を有しており、その化学種の炭素原子の数に応じてＣ‐Ｃ結合を有する。本明細書において使用されるとき、用語「フルオロカーボン」は、同様の化学構造の化合物の中でも特に、テトラフルオロメタン（ＣＦ_４）、パーフルオロエタン（Ｃ_２Ｆ_６）、パーフルオロプロパン（Ｃ_３Ｆ_８）、パーフルオロブタン（Ｃ_４Ｆ_１０）、パーフルオロペンタン（Ｃ_５Ｆ_１２）、パーフルオロエテン（Ｃ_２Ｆ_４）、パーフルオロプロペン（Ｃ_３Ｆ_６）、パーフルオロブテン（Ｃ_４Ｆ_８）、パーフルオロペンテン（Ｃ_５Ｆ_１０）、ヘキサフルオロシクロプロパン（ｃｙｃｌｏ‐Ｃ_３Ｆ_６）、およびオクタフルオロシクロブタン（ｃｙｃｌｏ‐Ｃ_４Ｆ_８）を含む。フルオロカーボンは、フッ素および炭素原子で構成された分子を含み、Ｆ‐Ｃ結合を有し、その種の炭素原子の数に応じたＣ‐Ｃ結合を有する。

本明細書において使用されるとき、用語「ヒドロフルオロカーボン」は、同様の化学構造の化合物の中でも特に、フルオロホルム（ＣＨＦ_３）、ペンタフルオロエタン（Ｃ_２ＨＦ_５）、テトラフルオロエタン（Ｃ_２Ｈ_２Ｆ_４）、ヘプタフルオロプロパン（Ｃ_３ＨＦ_７）、ヘキサフルオロプロパン（Ｃ_３Ｈ_２Ｆ_６）、ペンタフルオロプロパン（Ｃ_３Ｈ_３Ｆ_５）、テトラフルオロプロパン（Ｃ_３Ｈ_４Ｆ_４）、ノナフルオロブタン（Ｃ_４ＨＦ_９）、オクタフルオロブタン（Ｃ_４Ｈ_２Ｆ_８）、ウンデカフルオロペンタン（Ｃ_５ＨＦ_１１）、フッ化メチル（ＣＨ_３Ｆ）、ジフルオロメタン（ＣＨ_２Ｆ_２）、フッ化エチル（Ｃ_２Ｈ_５Ｆ）、ジフルオロエタン（Ｃ_２Ｈ_４Ｆ_２）、トリフルオロエタン（Ｃ_２Ｈ_３Ｆ_３）、ジフルオロエテン（Ｃ_２Ｈ_２Ｆ_２）、トリフルオロエテン（Ｃ_２ＨＦ_３）、フルオロエテン（Ｃ_２Ｈ_３Ｆ）、ペンタフルオロプロペン（Ｃ_３ＨＦ_５）、テトラフルオロプロペン（Ｃ_３Ｈ_２Ｆ_４）、トリフルオロプロペン（Ｃ_３Ｈ_３Ｆ_３）、ジフルオロプロペン（Ｃ_３Ｈ_４Ｆ_２）、ヘプタフルオロブテン（Ｃ_４ＨＦ_７）、ヘキサフルオロブテン（Ｃ_４Ｈ_２Ｆ_６）、およびノナフルオロペンテン（Ｃ_５ＨＦ_９）を含む。ヒドロフルオロカーボンは、Ｈ、Ｆ、およびＣ原子を含む分子であり、Ｈ‐ＣおよびＦ‐Ｃ結合を有し、その種の炭素原子の数に応じたＣ‐Ｃ結合を有する。

本明細書において使用されるとき、用語「ヒドロクロロフルオロカーボン」は、同様の化学構造の化合物の中でも特に、クロロジフルオロメタン（ＣＨＣｌＦ_２）、クロロフルオロメタン（ＣＨ_２ＣｌＦ）、クロロメタン（ＣＨ_３Ｃｌ）、ジクロロフルオロメタン（ＣＨＣｌ_２Ｆ）、クロロテトラフルオロエタン（Ｃ_２ＨＣｌＦ_４）、クロロトリフルオロエタン（Ｃ_２Ｈ_２ＣｌＦ_３）、クロロジフルオロエタン（Ｃ_２Ｈ_３ＣｌＦ_２）、クロロフルオロエタン（Ｃ_２Ｈ_４ＣｌＦ）、クロロエタン（Ｃ_２Ｈ_５Ｃｌ）、ジクロロトリフルオロエタン（Ｃ_２ＨＣｌ_２Ｆ_３）、ジクロロジフルオロエタン（Ｃ_２Ｈ_２Ｃｌ_２Ｆ_２）、ジクロロフルオロエタン（Ｃ_２Ｈ_３Ｃｌ_２Ｆ）、ジクロロエタン（Ｃ_２Ｈ_４Ｃｌ_２）、トリクロロフルオロエタン（Ｃ_２Ｈ_２Ｃｌ_３Ｆ）、トリクロロジフルオロエタン（Ｃ_２ＨＣｌ_３Ｆ_２）、トリクロロエタン（Ｃ_２Ｈ_３Ｃｌ_３）、テトラクロロフルオロエタン（Ｃ_２ＨＣｌ_４Ｆ）、クロロエテン（Ｃ_２Ｈ_３Ｃｌ）、ジクロロエテン（Ｃ_２Ｈ_２Ｃｌ_２）、ジクロロフルオロエテン（Ｃ_２Ｈ_２ＣｌＦ）、およびジクロロジフルオロエテン（Ｃ_２ＨＣｌＦ_２）を含む。ヒドロクロロフルオロカーボンは、Ｈ、Ｃｌ、Ｆ、およびＣ原子を含む分子であり、Ｈ‐Ｃ、Ｃｌ‐Ｃ、およびＦ‐Ｃ結合を有し、その種の炭素原子の数に応じたＣ‐Ｃ結合を有する。

本明細書において使用されるとき、用語「フルオロエーテル」は、同様の化学構造の化合物の中でも特に、トリフルオロメトキシ‐パーフルオロメタン（ＣＦ_３‐Ｏ‐ＣＦ_３）、ジフルオロメトキシ‐パーフルオロメタン（ＣＨＦ_２‐Ｏ‐ＣＦ_３）、フルオロメトキシ‐パーフルオロメタン（ＣＨ_２Ｆ‐Ｏ‐ＣＦ_３）、ジフルオロメトキシ‐ジフルオロメタン（ＣＨＦ_２‐Ｏ‐ＣＨＦ_２）、ジフルオロメトキシ‐パーフルオロエタン（ＣＨＦ_２‐Ｏ‐Ｃ_２Ｆ_５）、ジフルオロメトキシ‐１，２，２，２‐テトラフルオロエタン（ＣＨＦ_２‐Ｏ‐Ｃ_２ＨＦ_４）、ジフルオロメトキシ‐１，１，２，２‐テトラフルオロエタン（ＣＨＦ_２‐Ｏ‐Ｃ_２ＨＦ_４）、パーフルオロエトキシ‐フルオロメタン（Ｃ_２Ｆ_５‐Ｏ‐ＣＨ_２Ｆ）、パーフルオロメトキシ‐１，１，２‐トリフルオロエタン（ＣＦ_３‐Ｏ‐Ｃ_２Ｈ_２Ｆ_３）、パーフルオロメトキシ‐１，２，２‐トリフルオロエタン（ＣＦ_３‐Ｏ‐Ｃ_２Ｈ_２Ｆ_３）、シクロ‐１，１，２，２‐テトラフルオロプロピルエーテル（ｃｙｃｌｏ‐Ｃ_３Ｈ_２Ｆ_４‐Ｏ‐）、シクロ‐１，１，３，３‐テトラフルオロプロピルエーテル（ｃｙｃｌｏ‐Ｃ_３Ｈ_２Ｆ_４‐Ｏ‐）、パーフルオロメトキシ‐１，１，２，２‐テトラフルオロエタン（ＣＦ_３‐Ｏ‐Ｃ_２ＨＦ_４）、シクロ‐１，１，２，３，３‐ペンタフルオロプロピルエーテル（ｃｙｃｌｏ‐Ｃ_３Ｈ_５‐Ｏ‐）、パーフルオロメトキシ‐パーフルオロアセトン（ＣＦ_３‐Ｏ‐ＣＦ_２‐Ｏ‐ＣＦ_３）、パーフルオロメトキシ‐パーフルオロエタン（ＣＦ_３‐Ｏ‐Ｃ_２Ｆ_５）、パーフルオロメトキシ‐１，２，２，２‐テトラフルオロエタン（ＣＦ_３‐Ｏ‐Ｃ_２ＨＦ_４）、パーフルオロメトキシ‐２，２，２‐トリフルオロエタン（ＣＦ_３‐Ｏ‐Ｃ_２Ｈ_２Ｆ_３）、シクロ‐パーフルオロメトキシ‐パーフルオロアセトン（ｃｙｃｌｏ‐ＣＦ_２‐Ｏ‐ＣＦ_２‐Ｏ‐ＣＦ_２‐）およびシクロ‐パーフルオロプロピルエーテル（ｃｙｃｌｏ‐Ｃ_３Ｆ_６‐Ｏ）、メトキシ‐パーフルオロプロパン（ＣＨ_３‐Ｏ‐ＣＦ_２ＣＦ_２ＣＦ_３）を含む。典型的なフルオロエーテルとしては、さらに、化学式Ｃ_ａＦ_ｂＨ_{２ａ＋ｄ−ｂ}Ｏ_ｃ（ここで、ａ＝２または３、３≦ｂ≦８、ｃ＝１または２、ｄ＝０または２）の環状または非環状のヒドロフルオロエーテルを挙げることができる。フルオロエーテルは、Ｆ、Ｏ、およびＣ原子を含む分子であり、Ｈ原子を含んでもよい。フルオロエーテルは、少なくとも２つのＯ‐Ｃ結合を有し、Ｆ‐Ｃ結合を有し、場合によっては（optionally）Ｈ‐Ｃ結合を有し、その種の炭素原子の数に応じたＣ‐Ｃ結合を有する。

本明細書において使用されるとき、用語「ヒドロカーボン」は、同様の化学構造の化合物の中でも特に、水素（Ｈ_２）、メタン（ＣＨ_４）、エタン（Ｃ_２Ｈ_６）、エテン（Ｃ_２Ｈ_４）、プロパン（Ｃ_３Ｈ_８）、プロペン（Ｃ_３Ｈ_６）、ブタン（Ｃ_４Ｈ_１０）、ブテン（Ｃ_４Ｈ_８）、シクロプロパン（Ｃ_３Ｈ_６）、およびシクロブタン（Ｃ_４Ｈ_８）を含む。ヒドロカーボンは、ＨおよびＣ原子を含む分子であり、Ｈ‐Ｃ結合を有し、その種の炭素原子の数に応じたＣ‐Ｃ結合を有している。

本明細書において使用されるとき、用語「希ガス」は、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、およびキセノン（Ｘｅ）のうちの１つを意味する。本明細書において使用されるとき、用語「不活性ガス」は、窒素（Ｎ_２）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）、ネオン（Ｎｅ）、およびヘリウム（Ｈｅ）のうちの１つを意味する。用語「低反応性ガス」は、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）、窒素（Ｎ_２）、二酸化炭素（ＣＯ_２）、およびＮ_２Ｏを含む。用語「極低温ガス」は、本明細書においては、ヘリウム（Ｈｅ）、ネオン（Ｎｅ）、アルゴン（Ａｒ）、クリプトン（Ｋｒ）、キセノン（Ｘｅ）、窒素（Ｎ_２）、Ｎ_２Ｏ、二酸化炭素（ＣＯ_２）、および酸素（Ｏ_２）からなるグループを意味する。極低温ガスは、一般には、クロロフルオロカーボン、ヒドロクロロフルオロカーボン、フルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、フルオロエーテル、ヒドロカーボン、および同様の炭素ベースの化合物を含まない。用途によっては、安全上および互換性の問題から、Ｏ_２を１５モル％以下、１０モル％以下、５モル％以下などのように、２０モル％を超えない量で使用することができ、またはＯ_２が混合冷媒に基本的に存在していなくてもよい。高濃度の酸素が高圧で存在すると、混合物が可燃性または引火性になるおそれがある。場合によっては、酸素が金属と激しく反応する。他の用途においては、安全上および互換性の問題から、Ｎ_２ＯおよびＯ_２などといった酸素を含む分子を使用しなくてもよい。しかし、他の用途においては、酸素が所望の熱性能を実現できる。したがって、酸素の使用は、標準的な技術実施業務において安全性を確保を維持しなければならないことを理解されるべきである。

典型的な実施形態においては、極低温ガスを混合して、混合成分冷媒を生成できる。特定の例では、成分となる極低温ガスを、標準沸点の差にもとづいて選択することができる。例えば、極低温ガス成分を、標準沸点が近いことを理由に選択することができる。あるいは、成分を、最も高沸点の成分と最も低沸点の成分との間の標準沸点の差が、少なくとも約１５℃であるように選択することができる。例えば、標準沸点の差は、少なくとも約３０℃、少なくとも約５０℃などのように、少なくとも約２０℃あってよい。

混合成分冷媒は、冷凍システムにおいて使用することができる。上述の混合成分冷媒の実施形態は、２８３Ｋ（１０℃）以下の温度での冷凍を実現する低温冷凍システムにおいて、特に有用である。例えば、上述の混合成分冷媒の実施形態は、１００Ｋ〜２２３Ｋ（−１７３℃〜−５０℃）の冷凍温度など、２２３Ｋ（−５０℃）以下の温度での冷凍を実現する超低温の冷凍システムにおいて、有用である。別の例では、上述の混合成分冷媒の実施形態は、４Ｋ〜９０Ｋ（−２６５℃〜−１８３℃）の冷凍温度など、９０Ｋ（−１８３℃）以下の温度での冷凍を実現する極低温の冷凍システムにおいて、有用である。本明細書の開示の目的に関して、用語「低温」は、２８３Ｋ以下の温度を意味するのに使用され、用語「超低温」は、９０Ｋ〜２２３Ｋの温度を意味するのに使用され、用語「極低温」は、４Ｋ〜９０Ｋの温度を意味するのに使用される。明瞭化のため、用語「極低温成分」または「極低温ガス」は、「極低温」だけに限定して使用されることを意味しない。これらの用語は独立である。本出願の主たる利益は、超低温および極低温の冷却用途を意図している。しかし、本出願の利益は、低温の用途においても利益をもたらし、おそらくはより高い温度の用途においても利益をもたらすと予測され、この理由で本出願に含まれる。

冷媒システムを作動して、低温または超低温での冷凍を実行できる。典型的な実施形態においては、圧縮機に連通する吸込管が、５〜１１５ｐｓｉａ（pound per square inch absolute。絶対psi ）の圧力で動作し、圧縮機に連通する吐出管が、１１５〜５００ｐｓｉａの圧力で動作できる。別の実施形態においては、圧縮機に連通する吸込管が、１１５〜７００ｐｓｉａの圧力で動作し、圧縮機に連通する吐出管が、５００〜５０００ｐｓｉａの圧力で動作できる。ここで、１１５ｐｓｉａ以下の吸込管を有する冷媒サイクルが、低圧冷媒サイクルと称され、１１５ｐｓｉａ超の吸込管を有する冷媒サイクルが、高圧冷媒サイクルと称される。典型的な実施形態は、６５ｐｓｉａ以下など、９０ｐｓｉａ以下の吸込み圧力を有する。別の典型的な実施形態は、少なくとも約３００ｐｓｉａなど、少なくとも約２００ｐｓｉａの吸込み圧力を有することができる。マルチサイクルの冷凍システムは、低圧サイクルおよび高圧サイクルを含むことができる。

特定の実施形態においては、混合成分冷媒が、アルゴン（Ａｒ）、２原子の窒素（Ｎ_２）、クリプトン（Ｋｒ）、ネオン（Ｎｅ）、キセノン（Ｘｅ）、ヘリウム（Ｈｅ）、酸素（Ｏ_２）、二酸化炭素（ＣＯ_２）、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択される少なくとも３つの別個の成分を含むことができる。冷媒は、例えば、前記少なくとも３つの別個の成分のそれぞれを、５モル％よりも多く含むことができる。例えば、混合成分冷媒が、第１成分を約５モル％〜９０モル％含むことができる。別の例では、冷媒が、第１成分を約１０モル％〜８０モル％含むことができ、または第１成分を約３０モル％〜６０モル％含むことができる。混合成分冷媒は、典型的には、クロロフルオロカーボン、ヒドロクロロフルオロカーボン、フルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、およびヒドロカーボンを含まず、フルオロエーテルを含まないこともある。

典型的な一実施形態においては、混合成分冷媒が、Ｏ_２、Ａｒ、Ｎ_２、Ｎｅ、およびＨｅからなるグループのうちから選択される成分と、Ｋｒ、Ｘｅ、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択される１つ以上の成分とを含むことができる。典型的に、二酸化炭素は単独では、１気圧かつ低温において固体または液体であり、一般に低圧における冷媒として適切でない。しかし、キセノンとの混合によって、凝固点の降下がもたらされ、ＣＯ_２を通常予測されるよりも低い圧力で冷媒として使用することが可能になる。凝固点の降下は、典型的には、本出願において開示される上記極低温冷媒のいくつかの組み合わせにおいて生じる。例えば、ＣＯ_２、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｎ_２、Ｏ_２からなるグループのうちから選択された２つ以上の成分のいくつかの組み合わせが、凝固点の低下を示す。特に、混合成分冷媒は、ＣＯ_２とＡｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｎ_２、およびＯ_２からなるグループのうちから選択された少なくとも１つの成分とを含むことができる。当業者であれば、より高い凝固点を有する成分の濃度が高くなると、凝固点の降下の程度が小さくなることを、理解できるであろう。

別の典型的な実施形態においては、混合成分冷媒が、Ａｒ、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、およびＨｅからなるグループのうちから選択された少なくとも２つの別個の成分を含むことができる。混合成分冷媒は、第１成分を約５モル％〜９５モル％含むことができる。別の例では、混合成分冷媒が、第１成分を約１０モル％〜８０モル％含むことができ、または第１成分を約３０モル％〜６０モル％含むことができる。上記の組成は、良好な凝固点降下のためにとくに好都合であろう。

別の典型的な実施形態においては、混合成分冷媒が、Ｎ_２、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択される少なくとも２つの別個の成分を含むことができる。混合成分冷媒は、第１成分を約５モル％〜９５モル％含むことができる。別の例では、混合成分冷媒が、第１成分を約１０モル％〜８０モル％含むことができ、または第１成分を約３０モル％〜６０モル％含むことができる。

さらなる特定の実施の形態においては、混合成分冷媒が、第１および第２成分を含むことができる。混合成分冷媒は、第１成分を約４０％〜９０％含むことができる。第１成分は、Ａｒ、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択することができる。第２成分は、Ａｒ、Ｎ_２、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択することができる。例えば、混合成分冷媒は、第１成分を約４５モル％〜８０モル％含むことができる。

特定の別の実施形態においては、混合成分冷媒が、ＣＯ_２、Ｎ_２Ｏ、Ｘｅ、およびＫｒからなるグループのうちから選択される第１成分と、Ａｒ、Ｎｅ、Ｎ_２、Ｏ_２、およびＨｅからなるグループのうちから選択される第２成分とを含むことができる。特定の典型的な実施形態は、フッ素および塩素を含有する分子を含まない。

冷凍システムは、１つまたは複数の冷媒サイクルを備えることができ、混合成分冷媒が、少なくとも１つまたは複数のサイクルにおいて冷媒として含まれる。典型的な一実施形態においては、冷凍システムが２つのサイクルを有することができる。第１サイクルが、クロロフルオロカーボン、ヒドロクロロフルオロカーボン、フルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、フルオロエーテル、ヒドロカーボン、およびこれらの組み合わせを含む冷媒を含むことができる。この第１サイクルは、カスケード構成で使用することにより第２冷媒サイクルを冷却でき、第２冷媒サイクル内に位置する第２冷媒を、少なくとも部分的に凝縮することができる。第２冷媒は、非反応性の冷媒であってよい。第２冷媒サイクルを使用して、プロセスまたは冷却対象物を冷却することができる。

このような方法で、不燃性または難燃性であって環境に優しい冷媒が、プロセスの直近で使用される一方で、規制されている反応性の冷媒が、プロセスから離れて使用される。特定の一実施形態においては、非反応性の冷媒が、混合成分冷媒である。極低温の化学種を混合することによって、凝固点の降下および有用な温度プロファイルが可能になる。

典型的な一実施形態においては、第１冷媒サイクルと第２冷媒サイクルとを有する冷却システムが開示される。第１冷媒サイクルが第１冷媒を有し、第２冷媒サイクルが第２冷媒を有する。第２冷媒は、極低温成分の混合物を含む。第２冷媒サイクルにおいて、第２冷媒の少なくとも一部を液化または凝縮することができる。第１冷媒サイクルと第２冷媒サイクルとを、カスケード構成に接続することができる。第１冷媒サイクルおよび第２冷媒サイクルの少なくとも一方が、自動カスケード・サイクル（auto cascade cycle）であってもよい。極低温成分の混合物は、一実施形態においては、Ａｒ、Ｎ_２、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択される少なくとも３つの別個の成分を含むことができる。混合成分冷媒は、前記少なくとも３つの別個の成分のそれぞれを、５モル％よりも多く含むことができる。別の実施形態においては、混合物が、Ａｒ、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択された少なくとも２つの別個の成分を含むことができる。別の典型的な実施形態においては、混合物が、Ｎ_２、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択された少なくとも２つの別個の成分を含むことができる。

別の典型的な実施形態においては、第１冷媒サイクルと第２冷媒サイクルとを有する冷却システムが開示される。第１冷媒サイクルが第１冷媒を有し、第２冷媒サイクルが、非反応性の成分を含む第２冷媒を有する。第２冷媒は，クロロフルオロカーボン、ヒドロクロロフルオロカーボン、フルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、フルオロエーテル、およびヒドロカーボンを含まない。第２冷媒の少なくとも一部を、第２冷媒サイクルにおいて凝縮することができる。第１冷媒サイクルと第２の冷媒サイクルとを、カスケード構成に接続することができる。第１冷媒サイクルおよび第２の冷媒サイクルの少なくとも一方が、自動カスケード・サイクルであってもよい。第２冷媒は、Ａｒ、Ｎ_２、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択される少なくとも３つの別個の成分を含む混合物を含むことができる。混合物は、前記少なくとも３つの別個の成分のそれぞれを、５モル％よりも多く含むことができる。別の例では、混合物が、Ａｒ、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択された少なくとも２つの別個の成分を含むことができる。別の典型的な実施形態においては、混合物が、Ｎ_２、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択された少なくとも２つの別個の成分を含むことができる。

さらに、冷却を実現する方法が開示される。この方法は、第１冷媒サイクルの第１冷媒を凝縮するステップ、第２冷媒サイクルの第２冷媒を冷却するために、第１冷媒の圧力を低下させるステップ、および第２冷媒サイクルを使用して冷却対象物を冷却するステップを含む。第２冷媒は、少なくとも別個の極低温ガスからなる混合物を含む。冷却対象物は第２冷媒の気化によって冷却できる。冷却対象物を直接冷却してもよく、間接的に冷却してもよい。例えば、第２冷媒サイクルによって流体を冷却し、流体によって冷却対象物を冷却することができる。別の例においては、第２冷媒サイクルによってヒートシンクを冷却し、ヒートシンクによって冷却対象物からの熱を吸収することができる。別の実施形態においては、冷却対象物が、ヒートシンクまたは被加工物であってよい。典型的な一実施形態においては、被加工物が半導体ウエハである。別の典型的な実施形態においては、電力供給されているか、または電力供給されていない完成されたマイクロ電子チップである。別の典型的な実施形態においては、冷却の対象物が、気体の流れ、液体の流れ、または、部分的にもしくは完全に凝縮される気体である。第１冷媒サイクルと第２冷媒サイクルとを、カスケード構成に接続することができる。第１冷媒サイクルおよび第２冷媒サイクルの少なくとも一方が、自動カスケード・サイクルであってもよい。

図１は、第１冷媒サイクル１１６と第２冷媒サイクル１１８とを有する典型的な冷凍システムを示している。第１冷媒サイクル１１６と第２冷媒サイクル１１８とがカスケード構成に配置され、第１冷媒サイクル１１６が、熱交換器または凝縮器１０８を介して第２冷媒サイクル１１８を冷却している。

第１冷媒サイクル１１６の冷媒が圧縮機１０２によって圧縮される。圧縮された冷媒が、熱交換器または凝縮器１０４において冷却され、冷媒を冷却し、および場合によっては凝縮する。冷却された冷媒は、オプションの（任意的な、optional）熱交換器１２２によってさらに冷却され、次いで絞りまたは膨張器（expander）１０６において圧力が低下され、熱交換器１０８において加熱されて気化する。熱交換器１０８を出る冷媒は、熱交換器１２２によってさらに加熱および気化され、圧縮機１０２に戻される。混合成分冷媒が使用される場合、一般的に、熱交換器１２２が改良された性能を示す。

第２冷媒サイクル１１８においては、第２冷媒が圧縮機１１４によって圧縮される。圧縮された第２冷媒は、過熱低減器１２０によって室温に冷却され、熱交換器１０８においてさらに冷却され、場合によっては凝縮される。熱交換器１０８において第１冷媒を実質的に気化させることによって、第２冷媒が冷却され、可能ならば凝縮される。冷却された第２冷媒が、熱交換器１２４によってさらに冷却および凝縮され、絞りまたは膨張器１１０において圧力が低下され、熱交換器１１２において加熱されて気化する。絞りまたは膨張器１０６および１１０は、バルブ、毛細管、タービン膨張器、オリフィス、または圧力低下板（pressure drop plates）でよい。熱交換器１１２を出る冷媒は、熱交換器１２４によってさらに加熱および気化される。気化した第２冷媒が、圧縮機１１４に戻される。

熱交換器１１２を使用して、プロセスまたは冷却対象物を冷却することができる。熱交換器１１２は、例えば熱伝達媒体、ヒートシンク、または冷却対象物を冷却することができる。冷却対象物を、熱伝達媒体またはヒートシンクを使用することによって、間接的に冷却することもできる。典型的な一実施形態においては、冷却対象物が半導体ウエハである。別の典型的な実施形態においては、熱交換器１１２が気体の流れを冷却して、例えば水蒸気を凝縮させるか、または気体を冷却または液化して外部の物体との熱伝達もしくは多くの目的に利用することができる。別の典型的な実施形態においては、熱交換器１１２を使用して気体の流れを冷却し、深冷分離において使用することができる。さらに別の典型的な実施形態においては、熱交換器１１２を使用して、真空ポンプ・システムにおけるクライオコイルを冷却する。さらに別の典型的な実施形態においては、熱交換器１１２は、生物学的試料保存ユニットを冷却するか、凍結乾燥器に溶媒を捕集するか、または生物薬剤プロセスから熱を除去するために使用される。あるいは、熱交換器１１２を使用して、超電導ケーブルおよび超電導装置を冷却することもできる。さらに、熱交換器１１２は、撮像装置または化学分析装置を冷却することもできる。

第１冷媒は、低反応性の冷媒または極低温の冷媒であってもよい。あるいは、第１冷媒が、クロロフルオロカーボン、ヒドロクロロフルオロカーボン、フルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、フルオロエーテル、ヒドロカーボン、またはこれらの組み合わせを含む冷媒であってもよい。

第１冷媒の典型的な実施形態としては、米国特許第6,502,410号、米国特許第5,337,572号、およびＰＣＴ特許出願公開第WO 02/095308 A2号に記載されているような冷媒を挙げることができる。

第２冷媒は、Ａｒ、Ｎ_２、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｈｅ、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏから選択される成分を含む低反応性の冷媒であってもよい。特定の実施形態においては、第２冷媒が、Ａｒ、Ｎ_２、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｈｅ、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択される少なくとも３つの別個の成分を含むことができる。別の例においては、冷媒が、Ａｒ、Ｎ_２、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏのうちの２つ以上を含むことができる。冷媒は、例えば、上記少なくとも３つの別個の成分のそれぞれを、５モル％よりも多く含むことができる。例えば、第２冷媒は、第１成分を約５モル％〜９０モル％の間で含むことができる。別の例では、冷媒が、第１成分を約１０モル％〜８０モル％の間で含むことができ、または第１成分を約３０モル％〜６０モル％の間で含むことができる。

別の典型的な実施形態においては、第２冷媒が、Ａｒ、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択される少なくとも２つの別個の成分を含むことができる。第２冷媒は、第１成分を約５モル％〜９５モル％の間で含むことができる。別の例では、第２冷媒が、第１成分を約１０モル％〜８０モル％の間で含むことができ、または第１成分を約３０モル％〜６０モル％の間で含むことができる。

別の典型的な実施形態においては、第２冷媒が、Ｎ_２、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択される少なくとも２つの別個の成分を含むことができる。第２冷媒は、第１成分を約５モル％〜９５モル％の間で含むことができる。別の例では、第２冷媒が、第１の成分を約１０モル％〜８０モル％の間で含むことができ、または第１成分を約３０モル％〜６０モル％の間で含むことができる。

さらに別の特定の実施形態においては、第２冷媒が、第１および第２成分を含むことができる。第２冷媒は、第１成分を４０％〜９０％の間で含むことができる。第１成分は、Ａｒ、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択することができる。第２成分は、Ａｒ、Ｎ_２、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択することができる。例えば、第２冷媒は、第１成分を約４５モル％〜８０モル％の間で含むことができる。

図１の第１および第２の冷媒サイクルのいずれかまたは両方が、自動カスケード・サイクルであってもよい。図２は、本発明による霜取り（defrost ）能力を有する典型的な自動カスケード・サイクルを示している。冷媒が、圧縮機２０２において圧縮される。圧縮された冷媒はオプションの油分離器２２４を通過し、圧縮された冷媒の流れから潤滑剤が除去される。油分離器２２４によって分離された油は、移送管２３０を通して圧縮機２０２の吸込管２２２に戻すことができる。油分離器２２４の使用は、吐出流中に排出される油の量および冷凍プロセスの油に対する許容量に応じて、任意である。別の構成においては、油分離器２２４が、霜取り分岐管２２８に直列に置かれる。

圧縮された冷媒は、油分離器２２４から配管２０６を通って凝縮器２０４まで通過し、凝縮器２０４において冷却され、部分的にまたは完全に凝縮される。冷却用の媒体を利用して圧縮された冷媒を凝縮できる。カスケード構成の場合には、第１冷媒を利用して、凝縮器２０４において第２冷媒を冷却または凝縮できる。

凝縮された冷媒が、凝縮器２０４から、配管２１０を通って冷凍プロセス２０８に移送される。冷凍プロセス２０８は、１つまたは複数の熱交換器、相分離器（phase separator ）、および流れ調節装置（flow metering device）を備えることができる。冷凍プロセス２０８の低温出口２１４は、蒸発器２１２に導かれており、蒸発器２１２は、プロセスまたは冷却対象物から熱を吸収することによって、プロセスまたは冷却対象物を冷却する。加熱された冷媒は、配管２２０を通して冷凍プロセス２０８に戻される。カスケード構成においては、蒸発器２１２を使用して、次のより低温段の冷媒を冷却することができる。

この典型的な実施形態においては、冷凍プロセス２０８は、自動冷凍カスケード・システムとして示されており、熱交換器２３２、相分離器２３４、熱交換器２３６、相分離器２３８、熱交換器２４０、相分離器２４２、熱交換器２４４、流れ調節装置（ＦＭＤ）２４６、ＦＭＤ２４８、およびＦＭＤ２５０を備えている。熱交換器により、高圧冷媒から低圧冷媒への熱の伝達がなされる。ＦＭＤは、高圧冷媒を低圧冷媒へ絞って放出し（throttle）、絞り（throttling）プロセスの結果として冷凍効果を生み出す。

冷凍システム２００は、冷却、霜取り、および待機という３つのモードのうちの１つで動作可能である。上述の冷媒混合物は、これら３つのモードのそれぞれにおける動作を可能にしている。ソレノイド・バルブ２６０および２１８が、両方とも閉止位置にある場合、システムは待機状態にあると称される。冷媒が蒸発器に流れることはない。冷媒は、高圧冷媒をプロセスの低圧側に送る内部流れ調節装置（すなわち、ＦＭＤ２４６、ＦＭＤ２４８、およびＦＭＤ２５０）によって、冷凍プロセス２０８の内部のみを流れる。これは、冷凍プロセス２０８の連続動作を可能にする。単一絞りの冷凍プロセスが使用される場合、動作モードのうちの待機モードが可能になるのは、絞りを通して流れを通過させる手段が待機モードにおいて有効に作用し、冷媒を冷凍プロセス２０８の高圧側から低圧側に流す場合のみである。特定の構成においては、これは、一対のソレノイド・バルブによって蒸発器への冷媒の流れ、または冷凍プロセスに戻る冷媒の流れを制御することで可能になる。別の構成においては、追加の絞りおよびソレノイド・バルブを用いて待機状態におけるこの内部流れを可能にする。別の構成においては、サブクーラーと称される熱交換器が、冷凍プロセスに備えられる。サブクーラーが使用されるとき、高圧冷媒の一部（fraction）が蒸発器から分流され、低圧に減圧されて冷媒の温度を下げる。次いで、この流れをサブクーラーの低圧側において利用して、蒸発器およびこの分流された流れの両方に供給するサブクーラーの高圧側の全体流れを予備冷却する。したがって、蒸発器への流れが止まると、内部流れおよび熱交換が継続し、高圧冷媒が徐々に低温になり、結果として、サブクーラーに入る減圧された冷媒の温度がより低くなる。

図４に示されているように、熱交換器４１２はサブクーラーとして知られている。冷凍システムによってはサブクーラーを使用しないものもあり、したがってサブクーラーは、任意的な要素である。熱交換器４１２が使用されない場合、熱交換器４０８を出る高圧流れが、冷媒供給管４２０に直接供給される。戻りの流れ経路において、冷媒戻り管４４８は熱交換器４０８に冷媒を供給する。サブクーラーを備えるシステムにおいては、サブクーラーを出る低圧冷媒が、接続点Ｈにおいて冷媒の戻りの流れに混合され、得られた混合流が熱交換器４０８に供給される。熱交換器４０８を出る低圧冷媒が、熱交換器４０６に供給される。相分離器によって取り除かれた液体部分は、ＦＭＤ４１０によって低圧流れに注入される。冷媒がＦＭＤ４１０から流れ、次いで熱交換器４０８から熱交換器４０６へと流れる低圧の冷媒に混合される。この混合流が熱交換器４０６に供給され、次いでこれが、熱交換器４０２に供給され、続いて圧縮機の吸込管４６４に供給される。熱交換器が、高圧冷媒と低圧冷媒との間で熱交換する。

図２に戻ると、ソレノイド・バルブ２１８を開くことによって、システムは冷却モードになる。この動作モードでは、ソレノイド・バルブ２６０は閉止位置にある。冷凍プロセス２０８からの冷媒が、ＦＭＤ２１６によって減圧され、バルブ２１８を通って蒸発器２１２に流れ、次いで冷媒戻り管２２０を通して冷凍プロセス２０８に戻される。

ソレノイド・バルブ２６０を開くことにより、冷凍システム２００を霜取りモードに置くことができる。この動作モードにおいては、ソレノイド・バルブ２１８は閉止位置にある。霜取りモードにおいては、圧縮機２０２からの高温のガスが、蒸発器２１２に供給される。一般に、霜取りは、蒸発器２１２の表面を暖めるために開始される。高温冷媒が、油分離器２２４を通り、霜取り管２２８を通ってソレノイド・バルブ２６０に流れ、ソレノイド・バルブ２１８と蒸発器２１２との間の接続点に供給され、蒸発器２１２に流れる。霜取りの開始時には、蒸発器２１２は低温、超低温、または極低温であって、高温の冷媒を冷却し、完全にまたは部分的に凝縮する。冷媒は、冷媒戻り管２２０を通り冷凍プロセス２０８に戻る。戻りの霜取り冷媒は、最初は、冷却モードにおいて通常供給される温度にきわめて近い低温、超低温、または極低温にある。霜取りプロセスが進行するにつれて、蒸発器２１２が暖められる。最終的に、戻りの霜取りガスの温度は、冷却モードにおいて供給されるよりもはるかに高温になる。これが結果的に、冷凍プロセス２０８に大きな熱負荷となる。これは短い時間期間（典型的には２〜７分）であれば許容でき、この時間は、通常は、蒸発器２１２の全表面を暖めるために充分である。分かりやすくするために図示していないが、温度センサは冷媒戻り管２２０に熱接触している。冷媒戻り管２２０が所望の温度に達したとき、温度センサが制御システム（分かりやすくするため、図示していない）に霜取りを終了させ、ソレノイド・バルブ２６０を閉じて冷凍システム２００を待機状態に置く。霜取りの完了後、典型的には５分間である短い待機の期間により、冷凍プロセス２０８の温度が低下し、その後冷却モードに切り替えられる。

上述のような冷凍システム２００の全要素の相互接続がなされると、冷媒を流すことが可能になる。冷凍システム２００の全要素は、工業界において周知である（すなわち、圧縮機２０２、凝縮器２０４、冷凍プロセス２０８、蒸発器２１２、ＦＭＤ２１６、ソレノイド・バルブ２１８、油分離器２２４、熱交換器２３２、相分離器２３４、熱交換器２３６、相分離器２３８、熱交換器２４０、相分離器２４２、熱交換器２４４、ソレノイド・バルブ２５２、膨張タンク２５４、膨張タンク２５６、およびＦＭＤ２５８）。しかし、理解しやすいように、以下に各要素を簡単に説明する。

本開示における説明の目的のため、冷凍システム２００の冷凍プロセス２０８は、図２において、自動冷凍カスケード・サイクルの一種類として示されている。しかし、冷凍システム２００の冷凍プロセス２０８は、混合冷媒を使用する任意の低温、超低温、または極低温冷凍システムであってよい。

より詳細には、冷凍プロセス２０８は、従来からのPolycoldシステム（すなわち、自動冷凍カスケード・プロセス）、CryoTiger（登録商標）型システム（すなわち、相分離を持たない単一段のクライオクーラー）、Missimer型サイクル（すなわち、自動冷凍カスケード、Missimer特許第3,768,273号）、Kleemenko型（すなわち、相分離器が２つのシステム）、単一相分離器システム、またはLongsworthの特許第5,441,658号に記載されている単一膨張装置型であってもよい。さらに、冷凍プロセス２０８が、Forrest特許第4,597,267号およびMissimer特許第4,535,597号に記載されているようプロセス、あるいは相分離段を備えず、１つまたは２つ以上の相分離段を備える任意の混合成分冷媒プロセスなど、これらのプロセスの変形形態であってもよい。低温、超低温、および極低温についての別の参照は、American Society of Heating, Refrigeration, and Air Conditioning Engineeringによる2002 ASHRAE Refrigeration Handbookのチャプター３８および３９に見つけることができる。使用される相分離器の数のほかに、使用される熱交換器の数、および内部の絞り装置の数を、特定の用途に適するように種々の構成に増減させることができる。

図２に示した冷凍プロセス２０８のいくつかの基本的な変形形態が可能である。図２に示した冷凍システム２００には、単一の圧縮機が組み合わせられている。しかし、この同じ圧縮効果を並列の２つの圧縮機を使用して得ることができ、または、圧縮プロセスを直列の圧縮機もしくは２段圧縮機による複数の段に分けることができることは、理解されるであろう。これら考えられる変形形態のすべてが、本開示の範囲に包含されると考えられる。図示の実施形態は、信頼性の向上を実現するという理由で、単一の圧縮機を使用している。２つの圧縮機を並列に使用すると、冷凍システムの負荷が軽いときにエネルギーの消費を低減するのに役立つ。この方式の欠点は、構成部品、制御、床面積、およびコストが増加し、信頼性が低下する点にある。２つの圧縮機を直列に使用することにより、各段の圧縮の圧縮比を小さくする手段がもたらされる。これは、圧縮された冷媒ガスが達する最大吐き出し温度を低くするという利点を提供する。しかし、これも追加の構成部品、制御、およびコストを必要とし、システムの信頼性を低下させる。図示の実施形態は、単一の圧縮機を使用している。単一の圧縮機では、単一の圧縮段での混合冷媒の圧縮を、過剰な圧縮比または吐き出し温度を生じることなく利用できる。多段圧縮を提供するように設計され、圧縮段間の冷媒の冷却を可能にする圧縮機を使用することにより、別個の圧縮段の利益を維持すると同時に、単一の圧縮機を使用する理由から、複雑さの増加という欠点を最小限にする。

相分離器は、融合式（coalescent-type ）、渦流式（vortex-type）、デミスタ式（demister- type）、またはこれらの方式の組み合わせなど、種々の形態をとることができる。相分離器は、融合フィルタ（coalescent filter）、編みメッシュ（knitted mesh）、細目金網、および構造化材料（structured material）を含むことができる。設計、流量、および液体成分に応じて、相分離器は、５０％、８５％、または９９％を超える効率で動作できる。

図２に示した冷凍システム２００には、単一の蒸発器が組み合わされている。一般的な変形形態は、複数の蒸発器に独立した霜取りの制御および冷却の制御を設けることにある。このような構成においては、蒸発器が並列であって、それぞれ、２６０および２１８などの低温冷媒または高温の霜取りガスの流れを制御するためのバルブ一式と、接続管とを有する。この構成では、例えば他の蒸発器を独立に冷却、霜取り、または待機モードに置くと同時に、１つまたは複数の蒸発器を冷却、霜取り、または待機モードにすることが可能になる。

冷凍システム２００は、さらに、相分離器２３４の第１出口からの分岐によって供給を受けるオプションのソレノイド・バルブ２５２を備える。ソレノイド・バルブ２５２の出口は、第２膨張タンク２５６に直列（図示）または並列（図示されていない）に接続されるオプションの膨張タンク２５４に供給する。さらに、オプションのＦＭＤ２５８の入口が、ソレノイド・バルブ２５２と膨張タンク２５４との間の接続点に接続されている。ＦＭＤ２５８の出口は、熱交換器２３６と熱交換器２３２との間の接続点において、冷媒戻り経路に供給されている。システムの構成要素のさまざまな配置構成を使用することができる。それらの構成には、米国特許第4,763,486 号および米国特許第6,644,067 号に開示されているように、受動膨張タンクを備えるシステム、起動の際にソレノイド・バルブが開いて膨張タンクにガスを貯蔵するシステム、および起動時にシステムの性能を管理するために使用されるバイパス・バルブを含む。Longsworthの米国特許第5,441,658 号に開示されているように、膨張タンクを備えず、特別な起動時の構成を備えない、さらに別の構成も使用可能である。この理由のため、膨張タンクの使用は任意である。

起動時、一般には、システム全体が室温にあるため、冷却システム２００の全体の冷媒の大部分が気体状態にある。この冷媒ガスを、冷却時間が短縮されるように管理することが重要である。起動時に、ガスを冷凍システム２００における循環から選択的に取り除くことが、この時間短縮に対して有益である。さらに、ガスを流して冷凍システム２００に戻す速度も、冷却速度を左右する。

システム・コントローラ（図示されていない）が、起動時にソレノイド・バルブ２５２を短時間（典型的には１０〜２０秒間）開く。ソレノイド・バルブ２５２は、例えば、Sporlan model B6バルブである。結果として、起動時に、冷媒ガスが相分離器２３４から出て、膨張タンク２５４および膨張タンク２５６からなる直列の組み合わせに供給される。ＦＭＤ２５８が、膨張タンク２５４および２５６に出入りする冷媒ガスの流れを調節する。ＦＭＤ２５８を通過する流れを設定するための２つの考慮事項は、次のとおりである。すなわち、流れが十分に遅く、これにより所定のあらゆる時点においてどのような動作条件が存在しても、冷凍システム２００に戻るガスが凝縮器において凝縮可能であって、したがって急速な冷却が保証されなければならない。１５〜６０秒程度の冷却時間を可能にするのは、起動プロセスの際のこの初期の液体の生成である。ただし同時に、ＦＭＤ２５８を通過する流れの速度が十分に速く、これにより冷凍システム２００に十分な冷媒が流れて、低い吸込み圧力によって停止（shutdown）が生じないようにしなければならない。膨張タンク２５４および２５６へのガスの流れ、ならびに膨張タンク２５４および２５６からのガスの流れは、図２に示されるようにＦＭＤ２５８を使用して受動的に制御される。あるいは、コントローラとセンサとの組み合わせを用いて、能動的な流れの制御を実現できる。膨張タンクの構成は、少なくとも１つの圧力容器を含んでおり、直列もしくは並列に配置される任意の数または組み合わせの膨張タンクを有することができる。

図３は、２段の冷凍システムを示す。第１段は、第２段または低温段を冷却する高温段である。次いで、第２段が、蒸発器または熱交換器３４４を介して、プロセスまたは冷却対象物を冷却する。

第１段において、圧縮機３０２が第１冷媒を圧縮する。圧縮された冷媒は、オプションの油分離器３０４を通過し、油分離器３０４において含まれている油が除去され、圧縮機に戻される。圧縮された冷媒は、凝縮器３０６に移送され、液体の形態に凝縮される。凝縮した冷媒は冷凍セクション３０８に送られる。

この冷凍セクション３０８は、１つまたは複数の熱交換器を備えることができ、標準的な冷媒と、冷媒混合物を使用する高圧流と低圧流との間の単一の熱交換器とを有し、相分離を備えない単純な冷媒サイクル（構成によっては、３０８が存在しない）の１つであってもよい。さらに、冷凍セクション３０８は、少なくとも１つの熱交換器、１つもしくは複数の相分離器、および流れ測定装置（ＦＭＤ）、または膨張器を含むことができる。図示の例では、冷凍セクション３０８は、３つの熱交換器３１０、３１４、３１６、相分離器３１２、およびＦＭＤ３２０を備えている。凝縮された冷媒が、熱交換器３１０、３１４、３１６を通過し、これらの熱交換機によって、圧縮されまたは凝縮された冷媒から圧縮機３０２に戻る低圧の冷媒に熱が交換される。相分離器３１２およびＦＭＤ３２０を利用して、圧力低下および異なる組成の戻り流との混合の結果として追加の冷凍効果を生み出すことができる。

ＦＭＤ３１８を冷凍セクションの出口に使用して、冷媒の流れを制御することができる。ＦＭＤ３１８を閉じ、冷媒サイクルが独立に循環できるようにすることができる。あるいは、ＦＭＤ３１８を開き、凝縮した冷媒が圧力を失い、次いで熱交換器３３０に入るようにすることができる。典型的な一実施形態においては、第１冷媒が熱交換器３３０において気化する一方で、第２冷媒は凝縮するようにできる。

第２段または低温段においては、第２冷媒が圧縮機３２２で圧縮される。圧縮された冷媒をオプションの油分離器３２４に通すことにより、含まれている油を除去できる。圧縮された冷媒をアフター・クーラー３２６に通して、部分的に冷却できる。別の実施形態においては、アフター・クーラー３２６と油分離器の配置を、逆にすることもできる。さらに、圧縮された冷媒を熱交換器３２８に通して、さらに冷却し、圧縮機の吸込管に戻る低圧冷媒を部分的に加熱することができる。次いで、圧縮された冷媒を、凝縮器または熱交換器３３０に通すことができ、そこで第１冷媒サイクルとの間で熱交換される。凝縮した冷媒を冷凍セクション３３２に通し、さらに冷却することができる。冷却された冷媒が、ＦＭＤ３４２を通って蒸発器３４４に入って減圧され、プロセスまたは冷却対象物を冷却する。

熱交換器３３４、３３８、３４０、相分離器３３６、およびＦＭＤ３４６を含む冷凍セクション３３２は、冷凍セクション３０８と同じように動作可能である。あるいは、冷凍セクション３３２に種々の構成を使用することも可能である。

低温段の冷媒圧縮機３３２は、典型的には、本出願において開示される希ガス、低反応性ガス、または極低温ガスからなる主題の混合物と共に使用される。典型的な一実施形態の圧縮機３３２は、オイルレス圧縮機である。この場合、油分離器は必要としない。別の典型的な実施形態においては、この圧縮機３３２が油で潤滑される。この低温段によって生成される最終温度に応じ、冷凍プロセスにおいて使用される相分離器の数および種類に応じ、さらには高温ガス霜取り能力が使用されるか否かに応じて、油分離器、油吸収器、または油分離器と油吸収器との組み合わせが、この冷凍ステージのより低温の部分における油の存在を制限するのに有効である。圧縮機に使用できる油は、ポリオール・エステル（ＰＯＥ、ネオペンチル・エステルとしても知られる）系の油、ポリアルキレン・グリコール（ＰＡＧ）、およびポリビニル・エーテル（ＰＶＥ）である。さらに、他の油も適用できる。主たる選択基準は、きわめて低い蒸気圧（ＰＯＥ、ＰＡＧ、およびＰＶＥ油と同程度の）、および可動部品の磨耗が排除または最小化されるような良好な圧縮機の潤滑である。さらに、油管理システムが、油が確実に圧縮機に戻ることができ、熱交換器、絞りまたは膨張器に過剰に蓄積することがないように保証しなければならない。

冷凍プロセスの変形形態に加えて、霜取り機能についての種々の構成が可能である。一般的な１つの変形形態は、霜取り能力を備えることである。このような霜取り能力は、所望の複雑さの程度に応じた複雑さの範囲内にある。最も簡単な構成においては、圧縮機の吐き出しからの高温ガスが、冷凍プロセスを避けてバイパスされ、図２に示すように蒸発器に導かれる。このような霜取りの構成を、図３の低温冷凍プロセスに加えることができる。あるいは、より複雑な別の霜取り構成を、図３に示した冷媒サイクルの低温段に加えることができる。他の霜取り構成のいくつかの例が、米国特許第6,574,978 号に開示されている。

図５は、別の典型的な冷凍システム５００の図を含んでいる。冷凍システム５００は、単一の冷媒サイクル５１０を示している。混合冷媒ガスが、例えば圧縮機５０２などによって圧縮される。典型的には、ガスが過熱ガスとして生成され、凝縮した液体を若干含む。過熱圧縮ガスが、凝縮器５０４において冷却され、部分的に凝縮される。カスケード構成においては、凝縮器５０４が、冷凍プロセスのより高温の冷凍段に熱を排出できる。混合冷媒が、熱交換器５１２によってさらに冷却され、例えば絞りバルブ５０６を使用して膨張され、または絞られる。混合冷媒は、ヒータもしくは熱交換器５０８で、加熱されまたは気化される。カスケード構成では、熱交換器５０８が、冷凍システムのより低温段の冷凍段を冷却できる。加熱および気化の際、混合冷媒が、システムまたは冷却対象物から熱を奪う。加熱された混合冷媒は、熱交換器５１２によってさらに加熱され、圧縮機５０２に戻される。この例の実施形態においては、冷凍プロセス５１０が、図３の冷凍プロセス３０８および３３２のいずれかまたは両方の代わりとなることができる。

別の実施形態においては、すでに開示した冷凍プロセスのいずれをも変更して、冷凍プロセス全体にわたって有用な冷却を可能にできる。一例として、広い温度範囲が、図５の熱交換器５１２の全体にわたって存在する。この熱交換器５１２は少なくとも第３の流れ経路を追加して、ガス流の冷却を可能にできる。あるいは、存在する種々の温度を利用して、１つまたは複数の冷却対象物から熱を除去できる。この同じ有用性を、本出願に記載される冷凍プロセスに使用される任意の熱交換器に拡張することができる。

図１〜５に例示した冷凍システムは、絞り弁式のシステムとして示されているが、冷凍システムが、代案として膨張器を備えてもよく、または代案として振動式のシステムを備えてもよい。一般に、上述の極低温混合冷媒は、絞り弁式のシステムにおいて特有かつ明確な有用性を示す。絞り弁式の冷凍システムは、絞りプロセスを通じて冷媒の膨張を可能にすることによって機能する。絞りプロセスは、オリフィス、バルブ、または限定された配管を通過する流れが圧力の低下を引き起こすことを特徴とする。場合によっては、絞りプロセスを、熱移動機能に組み合わせることもできる。ただし、このようなプロセスは、典型的には、熱移動をわずかしか伴わずに、またはまったく伴わずに生じる。絞り弁式のシステムの簡潔性は、可動部品が使用されておらず、流れが振動的ではないため、他の圧力低下の方法に比べて大きな利点を有する。

対照的に、膨張器は、圧力低下のプロセスの際に流体からの仕事量の除去を可能にし、熱移動のない絞りプロセスに比べて低温度をもたらす。特定の極低温混合冷媒の実施形態は、膨張器システムにおいて有用性を示す。膨張器は絞り装置と同様に、定常流のプロセスにおいて使用できる。ただし、膨張器は、高コストであること、および可動要素に損傷を生じることなく多量の液体冷媒を許容する能力が限られていることによって不利である。しかし、ある程度の液相を許容できる設計もいくつか存在する。そのような膨張装置の一例は、ターボエキスパンダー（turbo-expander）である。

特定の冷凍プロセスは、定常流に依存せず、本明細書において、動的流れシステム、または振動流システム（oscillating flow system ）と称される。例えば、スターリング（Stirling）およびギフォード・マクマホン（Gifford McMahon ）の冷凍システムはピストンを使用して、抵抗に逆らって流体の膨張を可能にし、これにより流体によって仕事を実行できるようにする。このような構成は、振動する流れを生み出し、付随の膨張シリンダおよび付随の蓄熱器を通過する流れの方向がピストンの各サイクルにおいて反転するため、定常状態ではない。特定の極低温混合冷媒の実施形態は、ピストンを用いるシステムにおいて特有の有用性を示す。

パルス・チューブ冷凍システムも、可動ピストンがないために異なった挙動の、やはり振動する流れに依存している。ピストンの代わりに、膨張は、パルス・チューブ内部の流体容積に生じる。特定の極低温混合冷媒の実施形態が、パルス・チューブ・システムにおいて有用性を示す。

これらの実施形態において、再生器要素などの他の構成要素が、2002 ASHRAE Refrigeration Handbookのチャプター３８に開示されているように有用であろう。これらのシステムの多くの変形形態が開発されてきている。Ericksson サイクルが、そのような変形形態の１つの例である。

さまざまな機構が流体の流れに組み合わされるため、当業者には、冷媒の絞りおよび膨張について上記プロセスのそれぞれにおいて、これらの混合物が異なった挙動を示すことは理解されるであろう。これらの相違は、それぞれの方法における液相および気相の相互作用に起因する。冷媒混合物を使用することによって、多成分の液相および気相が生じ、典型的には、各相が異なる組成を有する。これが、これら２相の管理を難しくする。単一冷媒のシステムは、この問題点を有していない。したがって、混合冷媒システムを使用する場合には、各方法における液相および気相の相互作用の適切な管理が望まれる。

そのような事情から、異なる混合物を、１つの種類のサイクルにおいて、他のサイクルに対してよりも優先的に使用することができる。特定の一実施形態においては、冷媒サイクルが、絞り弁および／または膨張器を備える冷媒サイクルなど、定常流のシステムである。別の典型的な実施形態においては、冷媒サイクルが、ピストン・システムまたはパルス・チューブ・システムなど、動的な流れのシステムである。別の例においては、冷媒サイクルが、絞り弁または膨張器にもとづくシステムなど、非振動のシステムであってよい。例えば、特定の混合物が、絞り弁にもとづくシステムにおいて有用でありうる。第２の特定の混合物が、膨張器にもとづくシステムにおいて有用でありうる。別の例では、冷媒サイクルが、スターリングおよびギフォード・マクマホンのピストンまたはパルス・チューブ・システムなど、振動システムである。例えば、ある混合物が、ピストン・システムにおける使用に適切であって、別の混合物が、パルス・チューブ・システムにおける使用に適切であることもある。

図１〜５に例示した冷凍システムは、１つまたは複数の成分もしくは成分の混合物を、冷凍システムの１つまたは複数のサイクルに注入することによって、充填することができる。この方法は、カスケード、自動カスケード、および単一サイクルの冷凍システムにおいて使用可能である。成分を、測定された重量または測定された圧力に応じて加えることができる。あるいは、工場または現場での充填を簡単にするため、成分を前もって混合しておくことができる。同様に、冷媒サイクル内の冷媒混合物が上述の混合物に一致するように、新たな冷媒を追加するか、または冷媒を交換することによって、システムを稼動できる。

典型的な一実施形態においては、第１冷媒サイクルが、米国特許第6,502,410 号および米国特許第5,337,572 号に記載の冷媒など、第１冷媒を使用することができる。第２冷媒サイクルは、極低温成分を含み、クロロフルオロカーボン、ヒドロクロロフルオロカーボン、フルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、フルオロエーテル、およびヒドロカーボンを含まない第２冷媒を使用することができる。

実施例
一実施例においては、ＣＯ_２およびＸｅを含む混合ガス冷媒が、凍結することなく、０．１ＭＰａにおいて１６７Ｋまで冷え、０．４ＭＰａで１５８Ｋまで冷える。組成を、表１に示す。

別の実施例においては、Ｎ_２ＯおよびＸｅを含む混合ガス冷媒が、凍結することなく１６６Ｋまで冷える。組成を、表２に示す。

別の実施例においては、Ｎ_２Ｏ、ＣＯ_２、およびＸｅを含む混合ガス冷媒が、凍結することなく１６６Ｋまで冷える。組成を、表３に示す。

別の実施例においては、ＣＯ_２、Ｘｅ、およびＫｒを含む混合ガス冷媒が、凍結することなく１１４Ｋまで冷える。組成を、表４に示す。

別の実施例においては、Ｎ_２Ｏ、Ｘｅ、およびＫｒを含む混合ガス冷媒が、凍結することなく１１４Ｋまで冷える。表５を参照のこと。

表６に示す別の実施例においては、Ｎ_２Ｏ、ＣＯ_２、Ｘｅ、およびＫｒを含む混合ガス冷媒が、凍結することなく１１４Ｋまで冷える。

表７に示す別の実施例においては、ＸｅおよびＫｒを含む混合ガス冷媒が、凍結することなく１１４Ｋまで冷える。

表８に示す別の実施例においては、Ｘｅ、Ｋｒ、およびＡｒを含む混合ガス冷媒が、凍結することなく８２Ｋまで冷える。

表９に示す別の実施例においては、５モル％〜９５モル％のＫｒおよび５モル％〜９５モル％のＡｒを含む混合ガス冷媒が、凍結することなく８２Ｋまで冷える。

表１０に示す別の実施例においては、５モル％〜２５モル％のＣＯ_２、５モル％〜２５モル％のＮ_２Ｏ、５モル％〜６０モル％のＸｅ、５モル％〜７５モル％のＫｒ、および５モル％〜７５モル％のＡｒを含む混合ガス冷媒が、凍結することなく８２Ｋまで冷える。

表１１に示す別の実施例においては、５モル％〜６０モル％のＸｅ、５モル％〜８０モル％のＫｒ、および５モル％〜９０モル％のＮ_２を含む混合ガス冷媒が、凍結することなく６９Ｋまで冷える。

表１２に示す別の実施例においては、５モル％〜２５モル％のＮ_２Ｏ、５モル％〜２５モル％のＣＯ_２、５モル％〜６０モル％のＸｅ、５モル％〜７５モル％のＫｒ、および５モル％〜７５モル％のＮ_２を含む混合ガス冷媒が、凍結することなく６９Ｋまで冷える。

表１３に示す別の実施例においては、５モル％〜４０モル％のＸｅ、５モル％〜４０モル％のＫｒ、５モル％〜６０モル％のＡｒ、および５モル％〜８５モル％のＯ_２を含む混合ガス冷媒が、凍結することなく８０Ｋまで冷える。

表１４に示す別の実施例においては、５モル％〜９５モル％のＸｅ、および５モル％〜９５モル％のＯ_２を含む混合ガス冷媒が、凍結することなく８０Ｋまで冷える。

表１５に示す別の実施例においては、５モル％〜９５モル％のＡｒ、および５モル％〜９５モル％のＯ_２を含む混合ガス冷媒が、凍結することなく７９Ｋまで冷える。

表１６に示す別の実施例においては、５モル％〜４０モル％のＸｅ、５モル％〜４０モル％のＫｒ、５モル％〜７５モル％のＡｒ、５モル％〜７５モル％のＯ_２、および５モル％〜７５モル％のＮ_２を含む混合ガス冷媒が、凍結することなく６９Ｋまで冷える。

表１７に示す別の実施例においては、５モル％〜６０モル％のＫｒ、５モル％〜８５モル％のＡｒ、および５モル％〜９０モル％のＯ_２を含む混合ガス冷媒が、凍結することなく７８Ｋまで冷える。

別の実施例を、表１８〜４２に見ることができる。

カスケード冷凍システムの典型的な実施形態の図を含む。 自動カスケード冷媒サイクルの典型的な実施形態の図を含む。 冷凍システムの典型的な実施形態の図を含む。 冷凍システムの典型的な実施形態の図を含む。 冷凍システムの典型的な実施形態の図を含む。

符号の説明

１１６ 第１の冷媒サイクル
１１８ 第２の冷媒サイクル

Claims (62)

1. 第１冷媒を有する第１の非振動の冷媒サイクルと、
   極低温ガス成分の混合物を含む第２冷媒を有する第２の非振動の冷媒サイクルと、を備え、
   前記第２冷媒が、クロロフルオロカーボン、ヒドロクロロフルオロカーボン、フルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、およびヒドロカーボンを含まない冷却システム。
2. 請求項１において、前記第２冷媒の少なくとも一部が、前記第２の非振動の冷媒サイクルにおいて凝縮される冷却システム。
3. 請求項１において、前記極低温ガス成分の混合物が、Ａｒ、Ｎ_２、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択される少なくとも３つの別個の成分を含んでいる冷却システム。
4. 請求項３において、前記極低温ガス成分の混合物が、前記少なくとも３つの別個の成分のそれぞれを５モル％よりも多く含んでいる冷却システム。
5. 請求項４において、前記極低温ガス成分の混合物が、前記少なくとも３つの別個の成分のそれぞれを１０モル％よりも多く含んでいる冷却システム。
6. 請求項１において、前記極低温ガス成分の混合物が、Ａｒ、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択される少なくとも２つの別個の成分を含んでいる冷却システム。
7. 請求項１において、前記極低温ガス成分の混合物が、Ｎ_２、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択される少なくとも２つの別個の成分を含んでいる冷却システム。
8. 請求項１において、前記極低温ガス成分の混合物が、Ｋｒ、Ｘｅ、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択される少なくとも１つの成分を含み、さらにＡｒ、Ｎ_２、Ｎｅ、およびＨｅからなるグループのうちから選択される少なくとも１つの成分を含んでいる冷却システム。
9. 請求項１において、前記第２冷媒がフルオロエーテルを含まない冷却システム。
10. 請求項１において、前記第１の非振動の冷媒サイクルおよび前記第２の非振動の冷媒サイクルが、カスケード構成に組み合わせられている冷却システム。
11. 請求項１において、前記第１の非振動の冷媒サイクルおよび前記第２の非振動の冷媒サイクルの少なくとも一方が、自動カスケード・サイクルである冷却システム。
12. 請求項１において、前記第２の非振動の冷媒サイクルが、この第２の非振動の冷媒サイクルに組み合わされた蒸発器に接続された圧縮ガス・バイパス管を備えている冷却システム。
13. 第１冷媒を有する第１の非振動の冷媒サイクルと、
    極低温ガス成分を含む第２冷媒を有する第２の非振動の冷媒サイクルと、を備え、
    前記第２冷媒が、クロロフルオロカーボン、ヒドロクロロフルオロカーボン、フルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、フルオロエーテル、およびヒドロカーボンを含んでおらず、前記第２の冷媒の少なくとも一部が、前記第２の冷媒サイクルにおいて凝縮される冷却システム。
14. 請求項１３において、前記第２冷媒が、Ａｒ、Ｎ_２、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択される少なくとも３つの別個の成分を含んでいる冷却システム。
15. 請求項１４において、前記第２冷媒が、前記少なくとも３つの別個の成分のそれぞれを５モル％よりも多く含んでいる冷却システム。
16. 請求項１５において、前記第２冷媒が、前記少なくとも３つの別個の成分のそれぞれを１０モル％よりも多く含んでいる冷却システム。
17. 請求項１３において、前記第２冷媒が、Ａｒ、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択される少なくとも２つの別個の成分を含んでいる冷却システム。
18. 請求項１３において、前記第２冷媒が、Ｎ_２、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択される少なくとも２つの別個の成分を含んでいる冷却システム。
19. 請求項１３において、前記第１の非振動の冷媒サイクルおよび前記第２の非振動の冷媒サイクルが、カスケード構成に組み合わされている冷却システム。
20. 請求項１３において、前記第１の非振動の冷媒サイクルおよび前記第２の非振動の冷媒サイクルの少なくとも一方が、自動カスケード・サイクルである冷却システム。
21. 請求項１３において、前記第２の非振動の冷媒サイクルが、この第２の冷媒サイクルに組み合わせられた蒸発器に接続された圧縮ガス・バイパス管を備えている冷却システム。
22. 冷却を実現する方法であって、
    第１冷媒サイクルにおいて第１冷媒を凝縮するステップと、
    前記第１冷媒の圧力を低下させて、第２冷媒サイクルの第２冷媒を冷却するステップと、
    前記第２冷媒サイクルを使用して冷却対象物を冷却するステップと、を含んでおり、
    前記第２冷媒が、クロロフルオロカーボン、ヒドロクロロフルオロカーボン、フルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、フルオロエーテル、およびヒドロカーボンを含んでおらず、少なくとも２つの別個の極低温ガスからなる混合物を含んでいる方法。
23. 請求項２２において、前記冷却対象物が直接冷却される方法。
24. 請求項２２において、前記冷却対象物が間接的に冷却される方法。
25. 請求項２４において、前記第２冷媒サイクルが流体を冷却し、この流体が前記冷却対象物を冷却する方法。
26. 請求項２４において、前記第２冷媒サイクルがヒートシンクを冷却し、このヒートシンクが前記冷却対象物から熱を吸収する方法。
27. 請求項２２において、前記冷却対象物がヒートシンクである方法。
28. 請求項２２において、前記冷却対象物が被加工物である方法。
29. 請求項２８において、前記被加工物が半導体ウエハである方法。
30. 請求項２２において、前記混合物が、Ａｒ、Ｎ_２、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択される少なくとも３つの別個の極低温ガス成分を含んでいる方法。
31. 請求項３０において、前記混合物が、前記少なくとも３つの別個の極低温ガス成分のそれぞれを５モル％よりも多く含んでいる方法。
32. 請求項２２において、前記混合物が、Ａｒ、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択される少なくとも２つの別個の極低温ガス成分を含んでいる方法。
33. 請求項２２において、前記混合物が、Ｎ_２、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択される少なくとも２つの別個の極低温ガス成分を含んでいる方法。
34. 請求項２２において、前記第１冷媒サイクルおよび前記第２の冷媒サイクルが、カスケード構成に組み合わされている方法。
35. 請求項２２において、前記第１冷媒サイクルおよび前記第２冷媒サイクルの少なくとも一方が、自動カスケード・サイクルである方法。
36. クロロフルオロカーボン、ヒドロクロロフルオロカーボン、フルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、フルオロエーテル、およびヒドロカーボンを含んでおらず、かつＡｒ、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択される少なくとも２つの別個の成分を含んでいる混合成分冷媒を有する少なくとも１つの冷媒サイクルを備えている冷凍システム。
37. 請求項３６において、前記少なくとも２つの別個の成分のうちの第１成分が、約５モル％〜９５モル％を構成している冷凍システム。
38. 請求項３６において、前記少なくとも２つの別個の成分のうちの第１成分が、約１０モル％〜８０モル％を構成している冷凍システム。
39. 請求項３６において、前記少なくとも２つの別個の成分のうちの第１成分が、約３０モル％〜６０モル％を構成している冷凍システム。
40. 請求項３６において、カスケード構成に構成された少なくとも２つの冷媒サイクルを備えている冷凍システム。
41. 請求項４０において、前記カスケード構成が、２つの冷媒サイクルを有しており、この２つの冷媒サイクルのうちの温度が低い方の冷媒サイクルが、前記混合成分冷媒を有する冷凍システム。
42. クロロフルオロカーボン、ヒドロクロロフルオロカーボン、フルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、フルオロエーテル、およびヒドロカーボンを含んでおらず、かつＮ_２、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択される少なくとも２つの別個の成分を含んでいる混合成分冷媒を有する少なくとも１つの冷媒サイクルを備えている冷凍システム。
43. 請求項４２において、前記少なくとも２つの別個の成分のうちの第１の成分が、約５モル％〜９５モル％を構成している冷凍システム。
44. 請求項４２において、前記少なくとも２つの別個の成分のうちの第１の成分が、約１０モル％〜８０モル％を構成している冷凍システム。
45. 請求項４２において、前記少なくとも２つの別個の成分のうちの第１の成分が、約３０モル％〜６０モル％を構成している冷凍システム。
46. 請求項４２において、カスケード構成に構成された少なくとも２つの冷媒サイクルを備えている冷凍システム。
47. 請求項４６において、２つの冷媒サイクルを有しており、この２つの冷媒サイクルのうちの温度が低い方の冷媒サイクルが、前記混合成分冷媒を有する冷凍システム。
48. 第１成分と第２成分とを含む混合成分冷媒を有する少なくとも１つの冷媒サイクルを備えた冷凍システムであって、
    前記混合成分冷媒が、前記第１成分を４０％〜９５％含み、前記第１成分が、Ａｒ、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択され、前記第２成分が、Ａｒ、Ｎ_２、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択されている冷凍システム。
49. 請求項４８において、前記第１成分が約６０モル％〜８０モル％を構成している冷凍システム。
50. クロロフルオロカーボン、ヒドロクロロフルオロカーボン、フルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、フルオロエーテル、およびヒドロカーボンを含んでおらず、かつＡｒ、Ｎ_２、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択される少なくとも３つの別個の成分を含んでいる混合成分冷媒を有する少なくとも１つの冷媒サイクルを備えている冷凍システム。
51. 請求項５０において、前記混合成分冷媒が、前記少なくとも３つの別個の成分のそれぞれを５モル％よりも多く含んでいる冷凍システム。
52. 請求項５０において、前記混合成分冷媒が、前記少なくとも３つの別個の成分のうちの第１成分を約５モル％〜９０モル％含んでいる冷凍システム。
53. 請求項５０において、前記混合成分冷媒が、前記少なくとも３つの別個の成分のうちの第１成分を約１０モル％〜８０モル％含んでいる冷凍システム。
54. 請求項５０において、前記混合成分冷媒が、前記少なくとも３つの別個の成分のうちの第１成分を約３０モル％〜６０モル％含んでいる冷凍システム。
55. 請求項５０において、カスケード構成に構成された少なくとも２つの冷媒サイクルを備えている冷凍システム。
56. 請求項５５において、２つの冷媒サイクルを有しており、この２つの冷媒サイクルのうちの温度が低い方の冷媒サイクルが、前記混合成分冷媒を有する冷凍システム。
57. 冷凍システムを稼動する方法であって、
    冷媒サイクルの冷媒がクロロフルオロカーボン、ヒドロクロロフルオロカーボン、フルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、フルオロエーテル、およびヒドロカーボンを含まず、かつＡｒ、Ｎ_２、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択される少なくとも３つの別個の成分を含む混合成分冷媒となるように、極低温ガスを冷媒サイクルに注入するステップを含む方法。
58. 請求項５７において、前記冷媒サイクルがカスケード冷凍システムの一部である方法。
59. 冷凍システムを稼動する方法であって、
    冷媒サイクルの冷媒がＡｒ、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択される第１の成分と、Ａｒ、Ｎ_２、Ｋｒ、Ｎｅ、Ｘｅ、Ｈｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択される第２の成分とを含み、前記第１の成分を４０％〜９５％含む混合成分冷媒となるように、極低温ガスを冷媒サイクルに注入するステップを含む方法。
60. 請求項５９において、前記冷媒サイクルがカスケード冷凍システムの一部である方法。
61. Ｋｒ、Ｘｅ、Ｏ_２、ＣＯ_２、およびＮ_２Ｏからなるグループのうちから選択される少なくとも１つの成分と、Ａｒ、Ｎ_２、Ｎｅ、およびＨｅからなるグループのうちから選択される少なくとも１つの成分とを含む混合成分冷媒を有する少なくとも１つの冷媒サイクルを備えている冷凍システム。
62. 請求項６１において、前記混合成分冷媒が、クロロフルオロカーボン、ヒドロクロロフルオロカーボン、フルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、フルオロエーテル、およびヒドロカーボンを含んでいない冷凍システム。

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