JP2009526197A - 極低温混合冷媒システムの凍結防止および温度制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】冷媒の凍結を防止することにより、信頼性の高い極低温冷却システムを提供する。
【解決手段】少なくとも５０℃の差がある沸点を有する少なくとも２つの冷媒を含む冷媒混合体を使用することにより極低温を達成する冷却システムにおいて、最低温度を有する冷媒を加温する、制御されたバイパス流れを利用して、冷媒の凍結を防止し、さらに温度を制御する。この制御機能によって、極低温冷却システムをより高い信頼性で動作させることを可能にする。
【選択図】図１

Description

関連出願

本願は、２００６年２月７日に出願された発明の名称「極低温混合冷媒システムの凍結防止および温度制御方法（Methods of Freezeout Prevention and Temperature Control for Very Low Temperature Mixed Refrigerant System）」の米国特許出願第１１／３４９，０６０号の継続出願であり、かつ前記出願に基づく優先権を主張するものである。前記米国特許出願第１１／３４９，０６０号は２００６年１月１３日に出願された米国特許出願第１１／３３２，４９５号の一部継続出願であり、前記米国特許出願第11/332,495号は２００２年１０月２８日に提出された米国特許出願第１０／２８１，８８１号の継続出願であり、前記米国特許出願第１０／２８１，８８１号は２００１年１０月２６日に提出された米国特許仮出願第６０／３３５，４６０号の出願の利益を主張するものである。上述の出願の教示内容は全て、参照により本明細書に引用したものとする。

本発明は、冷媒の絞り膨張を利用して冷却効果を生じさせるプロセスに関する。

冷却システムは、高信頼性の密封冷却システムが開発された１９００年代初期から存在している。これ以降、冷却技術の改良は、家庭用および産業用の両方の環境においてその有用性を立証してきた。具体的には、低温冷却システムは現在、生物医学的用途、極低温エレクトロニクス、コーティング作業および半導体製造用途において不可欠な産業的機能を提供している。

１８３Ｋ（−９０℃）未満の温度での冷却を必要とする多くの重要な用途、特に工業生産および検査用途が存在する。本発明は、１８３Ｋ〜６５Ｋ（−９０℃〜−２０８℃）の範囲の温度での冷却を実現する冷却システムに関する。この範囲に含まれる温度は、低温、極低温またはクライオジェニック（ｃｒｙｏｇｅｎｉｃ）と様々に呼ばれる。本願の目的に関しては、「極低」または「極低温」の用語は、１８３Ｋ〜６５Ｋ（−９０℃〜−２０８℃）までの温度範囲を意味するのに使用される。

真空状態で実行され、および極低温冷却システムを実装している多くの製造工程では、特定の工程ステップにおいて高速加熱が要求される。この加熱工程は一般に、除霜サイクルと呼ばれる。この加熱工程は、蒸発器および接続用冷媒ラインを室温まで加温する。これにより、空気中の水分のこれらの構成要素上への凝縮を生じることなく、システムのこれらの構成要素にアクセスし、また大気に開放することを可能にする。全体の除霜サイクルおよびこれに続く極低温温度生成の再開始が長引くほど、製造システムの処理能力は低くなる。真空チャンバにおける急速除霜および極低温表面（蒸発器）の冷却の急速な再開始を可能にすることは、真空プロセスの処理能力を向上する上で有益である。

さらに、延長された期間に渡って蒸発器に熱い冷媒流れを供給することが望ましいプロセスが多く存在する。本願の目的に関しては、これを「ベークアウト（ｂａｋｅｏｕｔ）」処理と呼ぶ。ベークアウト処理を利用するシステムの一例は、米国特許第６，８４３，０６５号に見出される。前記特許の開示内容は、参照により本明細書に引用したものとする。ベークアウト動作は、冷媒によって交互に加熱および冷却される構成要素が大きい熱質量を有する場合、および時間の関数としての温度応答が約１分〜５分より長い場合に有効である。このような場合には、高温冷媒を長期間流すことにより、全表面が所望の最低温度に達するまで熱源の熱伝導の発生を可能にする必要がある。さらに、真空チャンバにおける一般的手順は、チャンバの表面が典型的には１５０℃〜３００℃の高温に加熱されるモードである。このような高温は、冷媒によって冷却されかつ加熱される構成要素を含むチャンバの全表面に放射される。構成要素を通る冷媒流れが発生していない場合に、このような高温に構成要素内の冷媒および残留するコンプレッサオイルが曝されると、残留冷媒が過熱され、結果的に冷媒および／またはオイルが分解する危険性がある。したがって、チャンバが加熱される間において、高温の冷媒（典型的には、８０〜１２０℃）を連続的に流すことにより冷媒およびオイルの温度を制御し、分解の可能性を防止する。

このような極低温冷却を必要とする真空プロセスは多く存在する。主たる用途は、真空システムに水蒸気クライオポンピングを設けることである。極低温表面は、水蒸気分子が放出される場合よりも大きな速度で水蒸気分子を捕捉して保持する。実際効果は、チャンバの水蒸気分圧を急速に大きく低下させることである。水蒸気のこのクライオポンピング工程は、電子的記憶媒体、光反射体、金属化部分、半導体デバイス等のための真空コーティング工業における多くの物理的蒸着プロセス工程にとって極めて有用である。またこのプロセスは、フリーズドライ作業において食品および生物学的製品から水分を除去するためにも使用される。

別の用途としては熱放射シールドがある。この用途では、大型パネルが極低温に冷却される。これらの冷却パネルは、真空チャンバの表面およびヒータからの放射熱を遮蔽する。これは、冷却されている表面上の熱負荷をパネルの温度より低い温度に下げることができる。さらに別の用途は、製造中の物体から熱を取り除くことである。用途によっては、物体は、コンピュータのハードドライブ用アルミニウムディスク、半導体デバイス製造用シリコンウェーハ、ガラスまたはプラスチック等のフラットパネルディスプレイ用材料である。これらの場合には、極低温は、プロセス工程の終了時における物体の最終温度が室温より高いことがあるとしても、これらの物体から熱をより急速に除去する手段を提供する。

さらに、ハードディスクドライブ媒体、シリコンウェーハまたはフラットパネルディスプレイ材料または他の基板を包含するいくつかの用途は、これらの物体上への材料の蒸着を含む。このような場合は、熱は蒸着の結果として物体から放出されるが、この熱は、物体を所定の温度内に保持しながら除去されなければならない。プラテンのような表面の冷却は、このような物体から熱を除去する典型的な手段である。これらの場合の全てにおいて、冷却システムと冷却される物体との間の境界面は、冷媒が極低温で物体から熱を除去している蒸発器内を進行している。

極低温のさらに別の用途には、生体液および組織の保存および化学／製薬プロセスにおける反応速度の制御が含まれる。

追加の用途には、金属および他の材料の処理において極低温を利用し、材料の特性を制御することを含む。さらに別の用途には、ＣＣＤカメラ、Ｘ線検出器、ガンマ線検出器および他の核粒子および放射線検出器を含む（但しこれらに限定されない）広範なプロセスからの熱除去を含む。さらに他の用途には、ガスクロマトグラフィ、示差走査熱量測定法、質量分析法および他の類似用途を含む測定用途を含む。

また極低温冷却は、広範な用途のための窒素液化、酸素液化、他の気体の液化および気体の冷却といった消費者向けおよび産業用の気体および液体の凝縮および冷却にも使用される。これらのいくつかは、ブタンの冷却、化学プロセスにおける気体温度の制御などを含む。

従来の冷却システムは歴史的に使用されている塩素化合物冷媒を有するが、これは環境に有害であることが判明しており、オゾン破壊の原因であることが知られている。したがって、ますます規制を強化する環境規定は、冷媒産業界を塩素化フルオロカーボン（ＣＦＣ）からハイドロクロロフルオロカーボン（ＨＣＦＣ）への移行を後押ししている。モントリオール議定書の規定は、ＨＣＦＣの段階的廃止を要求し、欧州連合法は２００１年１月１日付けで冷却システムにおけるＨＣＦＣの使用を禁じている。したがって、代替冷媒混合体の開発が必要とされている。不燃性であり、毒性が低く、市販もされているハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）冷媒は、優れた候補冷媒である。

先行技術による極低温システムは、可燃性成分を使用してオイルを制御した。塩素化冷媒を利用する極低温システムに用いられるオイルは、加圧されると室温で液化することが可能な、より高温で沸騰する成分に対して優れた混和性を有していた。Ｒ−２３等のより低沸点のＨＦＣ冷媒は、これらのオイルとの混和性がなく、冷却プロセス部のより冷たい部分に遭遇するまでは容易に液化しない。この不混和性により、コンプレッサオイルは分離して凍結し、その結果、管、濾過器、バルブまたは絞り装置の詰まりによりシステムに故障を発生させる。これらのより低温度での混和性を実現するために、従来から、冷媒混合体にエタンが追加される。不利な点は、エタンは可燃性であって顧客の受入れを制限する可能性があり、システム制御、設置要件およびコストに関して追加の要件を求める。したがって、エタンまたは他の可燃性成分は排除することが望ましい。

上述のような冷却システムは、混合冷媒からは凍結しない冷媒の混合体を必要とする。冷却システムにおける「凍結」状態は、１つまたは複数の冷媒成分またはコンプレッサオイルが、固体になるか、または流れなくなる程度まで粘性が大きくなると発生する。冷却システムの正常運転の間、吸込圧力は温度の低下に伴って低下する。凍結状態が発生すれば吸込圧力はさらに低下する傾向があり、正のフィードバックがさらに発生し、温度がさらに低下し、より一層の凍結が生じる。

必要とされることは、混合冷媒冷却システムにおける凍結を防止する方法である。利用可能なＨＦＣ冷媒は、置換されるＨＣＦＣおよびＣＦＣ冷媒より高温の凝固点を有する。凍結に関するこれらの混合冷媒の許容限度は、米国特許出願第０９／８８６，９３６号に開示されている。先に述べたとおり、ハイドロカーボンの使用は、その可燃性により望ましくない。しかし、可燃性ハイドロカーボン冷媒の代わりに使用可能なＨＦＣ冷媒は一般にはより高温の凝固点を有することから、可燃性成分の除外は凍結管理の困難性を増す結果となる。

典型的には、凍結は、冷却システムの外部熱負荷が極めて低くなるときに発生する。極低温システムによってはサブクーラを使用するものがあり、このサブクーラは、最低温度の高圧冷媒の一部を取り込み、これを用いて高圧冷媒を冷却する。これは、この冷媒部分を膨張させ、これを用いてサブクーラの低圧側に供給することによって達成される。したがって、蒸発器への流れが停止すると、内部流れおよび熱伝達が続行し、これにより高圧冷媒が徐々に低温になる。これにより、次に、サブクーラに入る膨張冷媒がより低温になる。全体システム設計、システムの低温端で循環する冷媒成分およびシステムの動作圧力に依存して、凍結温度を達成することが可能になる。凍結のような状態に対しては、余裕が設けられなければならないため、結果としての冷却設計は、多くの場合、全体システムが絶対に凍結状態にならないように設計されるように制限される。

冷媒としてハイドロフルオロカーボン（ＨＦＣ）を用いる場合の別の難題は、これらの冷媒がアルキルベンゼンオイル内で不混和性であり、したがって、ＨＦＣ冷媒と適合するために、ポリオールエステル（ＰＯＥ）（１９９８年ＡＳＨＲＡＥ冷凍ハンドブック（1998 ASHRAE Refrigeration Handbook）、第７章、７．４ページ、米国暖房冷凍空調学会（American Society of Heating, Refrigeration and Air conditioning Engineer）コンプレッサオイルが使用されることにある。オイルは優れたコンプレッサ潤滑を実現しなければならないだけでなく、極低温において冷媒から分離凍結してはならないことから、適切なオイルの選択は極低温システムにとって極めて重要である。

米国特許出願第０９／８９４，９６４号は、本願において参照している極低温混合冷媒システムの凍結防止方法を記載している。この方法は、この方法を採用したシステムにとって有効であることは判明しているが、必要とされる制御を実現できなかった。この理由は、凍結を防止するためにバルブを使用して上流の低圧冷媒の圧力を高めることが、システムの冷却性能を低下させたことにある。開示されたバルブは手動で調節されなければならないが、それぞれの動作モード（すなわち、冷却、除霜、スタンバイおよびベークアウト）に対して必要に応じてこれを手動で調節することは実際的でない。

一般に、従来の冷却システムでは、多数のバイパス方法が使用される。典型的には−４０℃以上の温度で動作するこれらのシステムは、単一の冷媒成分または単一の冷媒成分と類似の作用をする、極めて近い沸点を有する冷媒混合体を使用する。このようなシステムでは、制御方法は、飽和冷媒温度と飽和冷媒圧力との間の相関関係を利用する。単一の冷媒成分の場合、この相関関係の特性は、２相（液相および気相）の混合体が存在する場合、冷媒の温度または圧力の一方を特定すれば他方が分かるというものである。一般に使用される、極めて近い沸点を有する混合冷媒によるシステムの場合、この温度と圧力との相関関係からは僅かな偏差が生じるが、これらのシステムは単一成分の冷媒と同様に作用し、かつ処理される。

開示されている本発明は、大きく異なる沸点を有する混合冷媒を使用する極低温冷却システムに関する。典型的な混合は、１００〜２００℃の差がある沸点を有する。本開示の目的に関しては、極低温混合冷媒システム（ＶＬＴＭＲＳ）は、標準沸点に少なくとも５０℃の差がある少なくとも２つの成分を有する混合冷媒を使用する極低温冷却システムを意味する。このような混合体の場合、単一の冷媒成分からの偏差は、飽和温度と飽和圧力との間の相関関係がより複雑になるため、極めて重要である。

これらの追加成分によりもたらされる自由度の追加数、およびこれらの成分はその大きく異なる沸点により相互にかなり異なる作用をするという事実により、冷媒の混合組成、液体成分および温度（または圧力）は、圧力（または温度）を決定するために特定されなければならない。したがって、温度−圧力の相関関係におけるこの差により、従来の単一冷媒または単一冷媒と同様に作用する混合体を使用する制御方法は、従来システムと同じ方法でＶＬＴＭＲＳに適用できない。概略表現からは類似して見えるが、ＶＬＴＭＲＳにおけるこれらの装置の利用は、圧力と温度の相関関係の差により先行技術とは異なる。

簡単な例として、従来の冷却システムの制御は、凝縮器温度の制御が吐出圧力を制御するという事実に主として依存している。したがって、蒸発器の動作モードまたは熱負荷に関係なく、凝縮器温度を制御する制御バルブは吐出圧力を十分予測可能な方法で制御する。これに反して、大きく異なる沸点を有する成分を使用するＶＬＴＭＲＳは、循環する混合体および凝縮器の温度が変化しない場合でも、蒸発器の負荷および動作モードの変化によって、コンプレッサ吐出圧力の大きな変化を受ける。

したがって、本発明の具体化を示す図面のいくつかは、従来の冷却における熟練者には見慣れたものである。先行技術による制御方法の概要は、ＡＳＨＲＡＥハンドブック２００２年度版冷却巻第４５章に記載されている。本発明のシステムがこれらの先行技術システムとは異なる点は、その適用が異なる圧力−温度特性を有する冷媒を含むこと、またはより具体的には、これらの冷媒は、従来の冷媒が有するような圧力と温度の確定した相関関係を持たないことである。したがって、制御用成分と冷媒との相互作用が異なる。

Ｆｏｒｒｅｓｔらの米国特許第４，７６３，４８６号は、内部凝縮液バイパスを組み込んでいるＶＬＴＭＲＳについて記載している。この方法では、プロセス内の様々な相分離器からの液体冷媒が蒸発器の入口までバイパスされる。この方法の目的は、蒸発器冷却の温度および容量制御を提供し、かつシステムの安定した動作を実現することであると記載されている。定義されているとおり、この方法は、ある特定レベルの冷却を実現するために蒸発器に冷媒を流すことを必要とする。スタンバイモードまたはベークアウトモードに関する言及はなく、図面は、図示された方法がスタンバイモードまたはベークアウトで使用できないことを明示している。この発明では、様々な数の相分離器を有するシステムを始動する困難性を記載している。

この発明以降、ＶＬＴＭＲＳの多くの変形例が実証されてきており、これらは、可変数の相分離器を有するか、完全または部分分離器である相分離器を有するか、または相分離器を備えない。実証されたこれらのシステムは、Ｆｏｒｒｅｓｔらの特許を使用することなく良好に作動されてきた。Ｆｏｒｒｅｓｔらによって保護されている状態は、冷媒の適正な２相流れを維持するために、ＶＬＴＭＲＳは最小流量を必要とするだけであるという事実に関連している、と推定される。適正な流れがなくても、Ｆｏｒｒｅｓｔらにより回避された現象は予測される。また、Ｆｏｒｒｅｓｔらは、吐出ラインのオイル分離器を使用しない。ＶＬＴＭＲＳにおけるコンプレッサオイルは流路の閉鎖を招く可能性があり、およびＦｏｒｒｅｓｔらが回避しようとしている種類の現象を招く可能性のあることが知られている。

さらに、本願発明を適用することにより、プロセス内の冷媒の凍結を防止する。典型的には５０℃、または開示されている極低温システムにおいて使用される冷媒の凝固点より高い温度で動作することから、通常は問題にならない従来の冷却システムとは異なり、凍結は重要な考慮事項である。

本発明は、冷却プロセス部内の冷媒およびオイルの凍結を防止するといった目的のために、冷却プロセス部における温度制御を提供する方法を開示する。本発明による方法は、自動冷却カスケードサイクル、Ｋｌｉｍｅｎｋｏサイクルまたは単一膨張器システムといった混合冷媒システムを使用する極低温冷却システムにおいて特に有用である。冷却システムは、少なくとも１つのコンプレッサと、単段（相分離器なし）または多段（少なくとも１つの相分離器）機構の絞りサイクルとで構成される。多段絞りサイクルは自動冷却カスケードサイクルとも呼ばれ、冷却プロセス部における少なくとも１つの冷媒気相−液相分離器の使用によって特徴づけられる。

本発明の温度制御および凍結防止方法は、延長された除霜サイクル（ベークアウト）を有する冷却システムにおいて有用である。後に述べるように、ベークアウトの使用は追加の検討項目を必要とするが、それらの項目は、これらの方法によって対処される。

本発明の利点は、極低温冷却システムにおいて使用するための、混合冷媒の温度を制御および／またはその凍結を防止する方法が開示されることにある。

本発明の別の利点は、開示されている方法を利用するシステムの動作範囲［冷却、除霜、スタンバイまたはベークアウト］全体にわたる安定性にある。

本発明のさらに別の利点は、ＶＬＴＭＲＳを混合冷媒の凝固点の近くで動作させる能力にある。

本発明のさらに別の目的および利点は、本明細書において明らかとなるであろう。

本発明の前述および他の目的、特徴および利点は、添付図面に示される本発明の好ましい実施形態に関する以下のより具体的な説明から明らかとなるであろう。図面では、類似の参照符号は異なる図面であっても同一部分を指す。図面は必ずしも縮尺通りでなく、本発明の原理の説明に重点が置かれている。

図１に、先行技術に本発明に係る特徴を追加して構成した極低温冷却システム１００を示す。この先行技術のシステムの詳細は、参照により本明細書に引用され、本明細書の一部をなす、米国特許出願第０９／８７０，３８５号明細書に開示されている。冷却システム１００はコンプレッサ１０４を含み、コンプレッサ１０４は任意選択のオイル分離器１０８の入口に接続し、オイル分離器１０８は排出ライン１１０を介して凝縮器１１２に接続する。凝縮器１１２の下流側にはフィルタ乾燥器１１４に接続し、フィルタ乾燥器１１４は液体ライン出力部１１６を介して冷却プロセス部１１８の第１の供給入力に接続する。図２は、冷却プロセス部１１８のさらなる詳細を示す。コンプレッサを潤滑するのにオイルが循環されない場合、オイル分離器は不要である。

冷却プロセス部１１８は冷媒供給ライン出力部１２０に出力を供給し、冷媒供給ライン出力部１２０は供給バルブ１２２の入口に接続する。供給バルブ１２２を出る冷媒は、典型的には−９０〜−２０８℃の高圧の極低温冷媒である。流量測定装置（ＦＭＤ）１２４は、低温バルブ１２８と直列に配置される。同様に、ＦＭＤ１２６は低温バルブ１３０と直列に配置される。ＦＭＤ１２４と低温バルブ１２８との直列接続は、ＦＭＤ１２６と低温バルブ１３０との直列接続と並列に配置され、ＦＭＤ１２４およびＦＭＤ１２６の各入口は供給バルブ１２２の出口に接続されるノードに接続される。さらに、低温バルブ１２８および１３０の出口は、低温断熱バルブ１３２の入口に接続されるノードに接続される。低温断熱バルブ１３２の出口は蒸発器供給ライン出力１３４に接続し、蒸発器供給ライン出力１３４は顧客側が装着する（一般に）蒸発器コイル１３６に接続する。

蒸発器１３６の他端は蒸発器の戻りライン１３８となり、戻りライン１３８は低温断熱バルブ１４０の入口に接続する。低温断熱バルブ１４０の出口は、内部戻りライン１４２を介して極低温流量スイッチ１５２の入口に接続する。極低温流量スイッチ１５２の出口は、戻りバルブ１４４の入口に接続する。戻りバルブ１４４の出口はチェックバルブ１４６の入口に接続し、チェックバルブ１４６は冷媒戻りライン１４８を介して冷却プロセス部１１８の第２の入力部（低圧）に接続する。

チェックバルブ１４６と冷却プロセス部１１８との間の冷媒戻りライン１４８には、温度スイッチ（ＴＳ）１５０が熱的に接続されている。さらに、内部戻りライン１４２に沿って、異なる動作温度を有する複数の温度スイッチが熱的に接続される。ＴＳ１５８、ＴＳ１６０およびＴＳ１６２が、低温断熱バルブ１４０と戻りバルブ１４４との間の内部戻りライン１４２に熱的に接続されている。

冷却プロセス部１１８の戻り出口からコンプレッサ吸込ライン１６４を介してコンプレッサ１０４の入口までの冷却ループは閉じている。コンプレッサ１０４の入口に近接して位置する圧力スイッチ（ＰＳ）１９６は、コンプレッサ吸込ライン１６４に空気接続されている。さらに、オイル分離器１０８のオイル戻りライン１０９は、コンプレッサ吸込ライン１６４に接続する。冷却システム１００はさらに、コンプレッサ吸込ライン１６４に接続される膨張タンク１９２を含む。ＦＭＤ１９４は、膨張タンク１９２の入口とコンプレッサ吸込ライン１６４との間に直列に配置される。

冷却システム１００内の除霜供給ループ（高圧）は、次のように形成される。すなわち、供給バルブ１７６の入口は、排出ライン１１０内に位置するノードＡに接続される。除霜バルブ１７８はＦＭＤ１８２と直列に配置され、同様に、除霜バルブ１８０はＦＭＤ１８４と直列に配置される。除霜バルブ１７８とＦＭＤ１８２との直列接続は、除霜バルブ１８０とＦＭＤ１８４との直列接続と並列に配置され、除霜バルブ１７８および１８０の入口は、供給バルブ１７６の出口に接続されるノードＢにおいて相互に接続される。さらに、ＦＭＤ１８２および１８４の出口はノードＣに相互に接続されており、ノードＣは、低温バルブ１２８と低温断熱バルブ１３２との間のノードＤに直接接続することによって除霜供給ループを閉じるラインに接続する。

冷却システム１００内の冷媒戻りバイパス（低圧）ループは、次のように形成される。すなわち、バイパスライン１８６は、極低温流量スイッチ１５２と戻りバルブ１４４との間のライン内に位置するノードＥに接続される。バイパスライン１８６内には、バイパスバルブ１８８およびサービスバルブ１９０が直列に接続される。冷媒戻りバイパスループは、冷却プロセス部１１８とコンプレッサ１０４との間のコンプレッサ吸込ライン１６４内に位置するノードＦへ接続されるサービスバルブ１９０の出口によって完成される。

ＴＳ１５０、ＴＳ１５８、ＴＳ１６０およびＴＳ１６２を除いて、冷却システム１００の全ての構成要素は機械的および流体的に接続されている。

安全回路１９８は、冷却システム１００内に配置される圧力スイッチおよび温度スイッチといった複数の制御デバイスへの制御を提供し、およびこれらからのフィードバックを受け取る。ＰＳ１９６、ＴＳ１５０、ＴＳ１５８、ＴＳ１６０およびＴＳ１６２はこのようなデバイスの例である。しかし、図１には単純化のために図示されていないが、冷却システム１００内に配置される検出デバイスは他にも多く存在する。ＰＳ１９６を含む圧力スイッチは、冷却システム１００内の流れラインへ典型的には空気式に接続され、一方でＴＳ１５０、ＴＳ１５８、ＴＳ１６０およびＴＳ１６２は、典型的には熱的に接続される。安全回路１９８からの制御は、本来電気的である。同様に、様々な検出デバイスから安全回路１９８へのフィードバックも本来電気的である。

冷却システム１００は極低温冷却システムであり、熱の除去および移転であるその基本動作は当技術分野では既知である。本発明の冷却システム１００は、純粋または混合冷媒を使用する。

低温断熱バルブ１３２および１４０を除いて、冷却システム１００の個々の構成要素（すなわち、コンプレッサ１０４、オイル分離器１０８、凝縮器１１２、フィルタ乾燥器１１４、冷却プロセス部１１８、供給バルブ１２２、ＦＭＤ１２４、低温バルブ１２８、ＦＭＤ１２６、低温バルブ１３０、蒸発器コイル１３６、戻りバルブ１４４、チェックバルブ１４６、ＴＳ１５０、ＴＳ１５８、ＴＳ１６０、ＴＳ１６２、供給バルブ１７６、除霜バルブ１７８、ＦＭＤ１８２、除霜バルブ１８０、ＦＭＤ１８４、バイパスバルブ１８８、サービスバルブ１９０、膨張タンク１９２、ＦＭＤ１９４、ＰＳ１９６および安全回路１９８）は工業界では既知である。さらに、米国特許出願第０９／８８６，９３６号には、極低温流量スイッチ１５２が詳細に記述されている。しかし、説明の明瞭化のために、以下、これらの構成要素について簡単に説明する。

コンプレッサ１０４は、低圧の低温冷媒ガスを取り込んでこれを高圧の高温ガスに圧縮し、オイル分離器１０８に供給する従来型のコンプレッサである。

オイル分離器１０８は従来型のオイル分離器であって、コンプレッサ１０４からの圧縮された質量流はより大きい分離器チャンバに流入して速度が低下し、これにより形成される霧状の油滴が衝突スクリーンの表面または収着体上に集まる。油滴は、凝集してより大きい粒子になるにつれて分離器のオイル溜めの底に落下し、コンプレッサ吸込ライン１６４を介してコンプレッサ１０４に戻る。除去されたオイル分が減量されたオイル分離器１０８からの質量流量は、ノードＡの方向に、およびさらに凝縮器１１２に向かって流れ続ける。

コンプレッサ１０４からの高温高圧ガスは、オイル分離器１０８を通過して移動し、次に凝縮器１１２を通過する。凝縮器１１２は従来型の凝縮器であって、凝縮によって熱が除去されるシステム部分である。高温ガスは、凝縮器１１２を通過して移動するとき、凝縮器１１２を通過するか、または凝縮器１１２上を通過する空気または水によって冷却される。高温のガス冷媒が冷えるとき、凝縮器のコイル内に冷媒の液滴が形成される。最終的に、ガスは、凝縮器１１２の終端に達したときには部分的に凝縮している。すなわち、液体および蒸気の冷媒が存在する。凝縮器１１２が正しく機能するために、凝縮器１１２を通過する、または凝縮器１１２上を通過する空気または水はシステムの動作流体より低温でなければならない。いくつかの特殊な用途の場合、混合冷媒は凝縮器内で凝縮が発生しないように構成される。

凝縮器１１２からの冷媒は、フィルタ乾燥器１１４を通過して前方に流れる。フィルタ乾燥器１１４は、酸性物質を生成する可能性のある水などのシステム汚染物を吸収し、および物理的濾過を実現するように作用する。フィルタ乾燥器１１４からの冷媒は、次に冷却プロセス部１１８に供給される。

冷却プロセス部１１８は、単一冷媒システム、混合冷媒システム、通常の冷却プロセス部、カスケード冷却プロセス部の個々の段階、自動冷却カスケードサイクルまたはＫｌｉｍｅｎｋｏサイクルといった任意の冷却システムまたはプロセスであってもよい。この開示内容を図示する目的のために、冷却プロセス部１１８は、図２ではＫｌｉｍｅｎｋｏによっても述べられている自動冷却カスケードサイクルの１つの変形例として示されている。

唯一の目的が極低温冷媒を送出することにある基本的な冷却ユニットの場合、図１に示された要素のうちのいくつかは不要である。図１に示されているシステムは、除霜部分およびベークアウト部分の分割の可能なシステムである。これらの機能が不要であれば、冷却プロセス部１１８をバイパスするループを削除することができるが、それでも本開示方法の本質的利点は利用可能である。同様に、図示されているバルブおよび他のデバイスのいくつかは、本開示方法が有用となるために必要なものではない。しかし、冷却システムは最低限、コンプレッサ１０４、凝縮器１１２、冷却プロセス部１１８、ＦＭＤ１２４、および蒸発器１３６を備えなければならない。

図２に示される冷却プロセス部１１８について、いくつかの基本的な変形例を構成することが可能である。冷却プロセス部１１８はカスケード型システムの１段階であってもよく、この場合、凝縮器１１２内の冷媒の初期凝縮が冷却の別の段階からの低温冷媒によってなされる。同様に、冷却プロセス部１１８により生成される冷媒は、より低温のカスケードプロセスの冷媒を冷却し、液化するために使用されてもよい。さらに、図１は単一のコンプレッサを示しているが、これと同じ圧縮効果は並列の２つのコンプレッサを使用することによって達成されてもよく、または圧縮プロセスは直列のコンプレッサまたは２段コンプレッサによって複数段に分割されてもよいことは認識される。これらの可能な変形例は全て、本開示の範囲内に含まれるものと見なされる。

さらに、図１から４までは、唯一の蒸発器コイル１３６に関連づけられている。基本的に、ここに開示されている方法は、単一の冷却プロセス部１１８により冷却される複数の蒸発器コイル１３６にも適用可能である。このような構成においては、個々に制御される各蒸発器コイル１３６は冷媒の供給を制御する別々のバルブおよびＦＭＤ（すなわち、除霜バルブ１８０、ＦＭＤ１８４、除霜バルブ１７８、ＦＭＤ１８２、ＦＭＤ１２６、低温バルブ１３０、ＦＭＤ１２４および低温バルブ１２８）のセットを必要とし、およびバイパスを制御するバルブ（すなわち、チェックバルブ１４６およびバイパスバルブ１８８）が必要とされる。

蒸発器１３６は、図示されているとおり、完成品である冷却システム１００の一部として組み込むことができる。別の装置では、蒸発器１３６は顧客または他の第三者によって準備され、完成品としての冷却システム１００の据付け時に組み込まれる。蒸発器１３６の製造は多くの場合には極めて簡単であり、銅またはステンレス鋼チューブから成ってもよい。別の用途では、製造はより複雑であって顧客プロセスの一部である。例えば、蒸発器は、複数流路の熱交換器内に少なくとも１つの流路を備えてもよい。この装置では、顧客のプロセス流体は熱交換器の他の通路を流れ、蒸発器冷媒によって冷却される。

供給バルブ１７６およびサービスバルブ１９０は、必要に応じて成分を隔離する特定のサービス機能を提供するＳｕｐｅｒｉｒ Ｐａｃｋｌｅｓｓ Ｖａｌｖｅ（ペンシルバニア州ワシントン）などの標準ダイヤフラムバルブまたは比例バルブである。

膨張タンク１９２は、冷却システムにおける従来型の貯蔵器であり、加熱による冷媒ガスの気化および膨張によって生じる増大した冷媒量を収容する。この場合、冷却システム１００が非作動状態のとき、冷媒蒸気はＦＭＤ１９４を通って膨張タンク１９２へ入る。

低温バルブ１２８、低温バルブ１３０、除霜バルブ１７８、除霜バルブ１８０およびバイパスバルブ１８８は、Ｓｐｏｒｌａｎ（ミズーリ州ワシントン）の型番である、ｘｕｊ，Ｂ−６およびＢ−１９バルブといった標準のソレノイドバルブである。あるいは、低温バルブ１２８および１３０は、閉ループフィードバックを有する比例バルブまたは熱膨張バルブである。

オプションのチェックバルブ１４６は、一方向のみの流れを可能にする従来型のチェックバルブである。チェックバルブ１４６は、チェックバルブ１４６に加えられる冷媒圧力に応答してオン／オフする。（チェックバルブ１４６の説明を以下に追加する。）このバルブは、極低温に曝されることから、これらの温度に適合する材料で製造されなければならない。さらに、このバルブは適正な圧力定格を有していなければならない。さらに、このバルブはシールを持たず、周囲環境への冷媒の漏れを可能にすることが望ましい。好ましくは、このバルブは、ろう付けまたは溶接によって接続されるべきである。チェックバルブの一例は、Ｃｈｅｃｋ−Ａｌｌ Ｖａｌｖｅ（アイオワ州ウエストデモイン）から市販されている一連のＵＮＳＷチェックバルブである。このバルブは、ベークアウト機能を必要とする用途においてのみ必要とされる。

ＦＭＤ１２４、ＦＭＤ１２６、ＦＭＤ１８２、ＦＭＤ１８４およびＦＭＤ１９４は、毛細管、オリフィス、フィードバックを有する比例バルブまたは流量を制御する任意の制限要素といった従来型の流量計量装置である。

供給バルブ１２２、低温断熱バルブ１３２および１４０および戻りバルブ１４４は、典型的には、Superior Valve Co.による製造された標準ダイヤフラムバルブである。しかし、標準ダイヤフラムバルブは、ねじ部分に少量の氷が形成される可能性があり、これにより動作が妨害されることから極低温の温度で作動することは困難である。代わりに、Ｐｏｌｙｃｏｌｄ（カリフォルニア州ペタルーマ：Brooks Automation, Inc.の一事業部）は、極低温冷却システム１００内の低温断熱バルブ１３２および１４０に使用されるべき改良された極低温遮断バルブを開発している。以下に、低温断熱バルブ１３２および１４０の代替実施形態について説明する。低温断熱バルブ１３２および１４０は、窒素または空気が充填される密封ステンレス鋼管内に挿入される延長シャフトを有する。このシャフトの高温端部における圧縮はめ込みおよびＯリング機構は、シャフトが回転するときのシールを可能にする。結果的に、低温断熱バルブ１３２および１４０のシャフトは、極低温温度においても回転が可能である。このシャフト機構は断熱を実現し、これにより霜の生成を防止する。

加熱または冷却されるべき蒸発器表面は、蒸発器コイル１３６で表されている。顧客が装着する蒸発器コイル１３６の例は、蒸発器コイルに熱的に接合される管を有するステンレス鋼テーブル、または内部に機械加工された冷媒流れチャネルを有するテーブルといった金属管のコイルまたは特定の種類のプラテンである。蒸発器の流路も、複数通路の熱交換器の少なくとも１つの通路であってもよい。

図２は、本発明による例示的な冷却プロセス部１１８を示す。本開示における例示の目的のために、図２では、冷却プロセス部１１８が自動冷却カスケードサイクルとして示されている。しかし、極低温冷却システム１００の冷却プロセス部１１８は、単一冷媒システム、混合冷媒システム、カスケード冷却プロセス部の個々の段階、自動冷却カスケードサイクル、Ｋｌｉｍｅｎｋｏサイクルといった任意の冷却システムまたはプロセスであってもよい。

より具体的には、冷却プロセス部１１８は、相分離を持たない一段式低温クーラを備える自動冷却カスケードプロセスシステム（Ｌｏｎｇｓｗｏｒｔｈの米国特許第５，４４１，６５８号）、Ｍｉｓｓｉｍｅｒ型自動冷却カスケード（Ｍｉｓｓｉｍｅｒの米国特許第３，７６８，２７３号）またはＫｌｉｍｅｎｋｏ型（すなわち単相分離器）システムであってもよい。また冷却プロセス部１１８は、Ｆｏｒｒｅｓｔの米国特許第４，５９７，２６７号またはＭｉｓｓｉｍｅｒの米国特許第４，５３５，５９７号に記載されているようなこれらのプロセスの変形例であってもよい。

本発明の基本は、使用される冷却プロセス部が、除霜モードまたはスタンバイ（蒸発器への流れがない）モードの間に冷媒を冷却プロセス部に流す少なくとも１つの手段を含まなければならないことである。単一の膨張器クーラまたは単一の冷却システムの場合、冷媒が冷却プロセス部を介して高圧側から低圧側へ流れることを可能にするバルブ（図示なし）およびＦＭＤ（図示なし）が必要とされる。これは、システムからの熱が遮断されるように、冷媒が凝縮器１１２を通して流れることを保証する。これはさらに、除霜の間は冷却プロセス部１１８からの低圧冷媒が存在し、ライン１８６からの戻り除霜冷媒と混合することを保証する。安定した冷却モードでは、高圧側から低圧側への内部流れは、このような内部冷却流路を必要としない冷却プロセス部（従来は単一のＦＭＤを有するシステム）に対してこのバルブを閉じることにより停止され、これにより所望の冷却効果を達成することができる。

冷却プロセス部は、蒸発器の冷却が必要でない場合でも動作を続行することが極めて重要である。動作を続行することにより、冷却１１８における極低温を維持し、必要なときに蒸発器の急速な冷却能力を実現する。

図２の冷却プロセス部１１８は、熱交換器２０２、相分離器２０４、熱交換器２０６、および熱交換器２０８を含む。供給流路では、液体ライン１１６内を流れる冷媒は熱交換器２０２に供給され、熱交換器２０２は相分離器２０４に接続し、相分離器２０４は熱交換器２０６に接続し、熱交換器２０６は熱交換器２０８に接続し、熱交換器２０８は任意選択の熱交換器２１２に接続する。熱交換器２１２からの高圧出口は、ノードＧにおいて分岐される。一方の分岐はＦＭＤ２１４に接続し、もう一方は冷媒供給ライン１２０に接続する。熱交換器２１２は、サブクーラとして知られる。冷却プロセス部によってはサブクーラを必要としないものもあり、したがって熱交換器２１２は任意選択の構成要素である。熱交換器２１２が使用されない場合、熱交換器２０８を出る高圧流れは冷媒供給ライン１２０に直接供給される。戻り流路では、冷媒戻りライン１４８が熱交換器２０８に接続する。

サブクーラを有するシステムでは、サブクーラを出る低圧冷媒はノードＨにおいて冷媒の戻り流れと混合され、結果的に生じる混合流は熱交換器２０８に供給される。熱交換器２０８を出る低圧冷媒は、熱交換器２０６に供給される。相分離器により除去される液体分は、ＦＭＤ２１０によって低圧に膨張される。冷媒はＦＭＤ２１０から流れ、次に熱交換器２０８から熱交換器２０６に流れる低圧冷媒と混合される。この混合流は熱交換器２０６に供給され、熱交換器２０６は熱交換器２０２に接続し、熱交換器２０２は続いてコンプレッサ吸込ライン１６４に接続する。熱交換器は高圧冷媒と低圧冷媒との間で熱を交換する。

さらに高度な自動冷却カスケードシステムでは、ＭｉｓｓｉｍｅｒおよびＦｏｒｒｅｓｔにより開示されているように、冷却プロセス部１１８において追加の分離段が使用されてもよい。

熱交換器２０２、２０６、２０８および２１２は、ある物質の熱を別の物質に移動させるための当工業分野で既知の装置である。一般的ないくつかの構成としては、ろう付けプレート熱交換器、チューブ・イン・チューブ熱交換器およびより太い単管内の複数の管が含まれる。相分離器２０４は、冷媒の液相と気相とを分離するための当工業界で既知の装置である。このような相分離器は、気相から液相のミストを効果的に除去する分離素子を使用する。典型的な構成は、９９％を超える分離効率を達成するスチールウールパッキング排除器またはステンレス鋼ミスト除去器、またはグラスファイバ繊維を詰め込んだような収着媒体から成る。図２は１つの相分離器を示しているが、典型的には、２つ以上存在する。

熱交換器２１２は、一般にサブクーラと呼ばれる。従来の冷却システムもサブクーラと呼ばれる装置を有することから、混同される可能性がある。従来の冷却においては、サブクーラは、蒸発器の戻りガスを利用して室温で流入する凝縮吐出冷媒を冷却する熱交換器を指す。このようなシステムでは、熱交換器の両側の流量は常に均衡している。本願に示されるシステムでは、サブクーラは異なる機能を提供する。サブクーラは熱と蒸発器の戻り冷媒との交換を行わず、代わりに蒸発器からの高圧冷媒の一部を迂回させ、これを利用して蒸発器に向けられる冷媒をより低温にする。場合によっては、過冷却液を生成できることから、サブクーラと呼ばれるが、その機能は従来のサブクーラとは大幅に異なる。

明確にするために、本願の目的に対しては、サブクーラは、極低温混合冷媒温度システムにおいて使用される熱交換器を指し、使用されるシステム内の最低温度の高圧冷媒の一部を迂回させることによって高圧冷媒を冷却するように動作する。

極低温混合冷媒プロセスにおいて熱交換器を通って流れる流体は、典型的には、プロセスの大部分の箇所において２相混合体の形態である。したがって、流れの液体部分と気体部分とが分離してシステム性能を低下させることを防止するために、この混合体の均質性を保持するための流体速度を維持することが必要とされる。本発明を具体化するシステムのようなシステムが複数の動作モードで機能する場合、高信頼性動作を保証するためには、この２相流れを適切に管理するのに十分な冷媒流れを維持することが重要である。

引き続き図１および２を参照すると、極低温冷却システム１００は次のように動作する。

コンプレッサ１０４からの高温高圧ガスは、任意選択のオイル分離器１０８を通り、次に凝縮器１１２を通って移動し、ここで凝縮器１１２を通過するかまたは凝縮器１１２上を通る空気または水により冷却される。ガスは、凝縮器１１２の端部に達した時には部分的に凝縮されており、液体および気体の混合体となっている。

凝縮器１１２からの液体／気体冷媒はフィルタ乾燥器１１４を通って流れ、冷却プロセス部１１８に供給される。極低温冷却システム１００の冷却プロセス部１１８は、典型的には、高圧から低圧側への内部冷媒流路を有する。冷却プロセス部１１８は高圧で極低温冷媒（−９０〜−２０８℃）を生成し、これは冷媒供給ライン１２０を介して冷ガス供給バルブ１２２へ流れる。

低温冷媒は供給バルブ１２２を出て、ＦＭＤ１２６と流れ制限低温バルブ１３０との直列接続と並列に配置されるＦＭＤ１２４と流れ非制限低温バルブ１２８との直列接続に供給される。低温バルブ１２８および１３０の出口はノードＤで互いに接続され、低温断熱バルブ１３２の入口に接続する。

蒸発器コイル１３６は、遮断バルブとして作用する低温断熱バルブ１３２と低温断熱バルブ１４０との間に配置される。低温断熱バルブ１３２は蒸発器供給ライン１３４に接続し、蒸発器供給ライン１３４は、加熱または冷却されるべき蒸発器表面、すなわち蒸発器コイル１３６に接続している。加熱または冷却されるべき蒸発器表面、すなわち蒸発器コイル１３６の反対端は蒸発器戻りライン１３８に接続し、戻りライン１３８は低温断熱バルブ１４０の入口に接続している。

蒸発器コイル１３６からの戻り冷媒は低温断熱バルブ１４０を通り、極低温流量スイッチ１５２まで流れる。

戻り冷媒は、極低温流量スイッチ１５２の出口から戻りバルブ１４４を通過後、チェックバルブ１４６まで流れる。チェックバルブ１４６は、１〜１０ｐｓｉの範囲の典型的な必要クラッキング圧を有するばね負荷式極低温チェックバルブである。言い換えると、チェックバルブ１４６両端の差圧は流れを可能にするにはクラッキング圧を超えなければならない。あるいは、チェックバルブ１４６は、圧力降下を最小限に抑えるのに十分なサイズの極低温オン／オフバルブまたは極低温比例バルブである。チェックバルブ１４６の出口は、冷媒戻りライン１４８を通して冷却プロセス部１１８に接続する。チェックバルブ１４６は、本発明の冷却システム１００の動作において極めて重要な役割を果たす。

供給バルブ１２２および戻りバルブ１４４は任意選択であり、それぞれ低温断熱バルブ１３２および低温断熱バルブ１４０に対して多少過剰であることは留意されるべきである。しかし、供給バルブ１２２および戻りバルブ１４４は、システムへのサービスの間に必要に応じて構成要素を隔離する特定のサービス機能を提供する。

極低温冷却システム１００は、主として以下の点において従来の冷却システムと異なる。
（ｉ）システムが達成する極低温。
（ｉｉ）冷媒の混合体を使用するという事実。これらの混合冷媒は、先行技術による従来の冷却システムとは大幅に異なった作用をすることから、この混合体は少なくとも５０℃異なる沸点を有する複数の冷媒で構成される。
（ｉｉｉ）冷却モードだけでなく、除霜、スタンバイおよびベークアウトの各モードでも動作でき、したがって広範な動作状態を含む必要があるシステムにおいて使用されるという事実。
（ｉｖ）本明細書に開示される方法によって、冷媒の凍結を防止するためといった有効な温度制御技術を提供するという事実。

これらの差別は、本開示において述べる本発明の全実施形態に適合する。

本発明で使用されるＶＬＴＭＲＳにおいて利用できる特定の冷媒の例は、米国特許出願第０９／７２８，５０１号、同第０９／８９４，９６８号および米国特許第５，４４１，６５８号（Ｌｏｎｇｓｗｏｒｔｈ）に記載されている。これらの開示は、本明細書に引用され、その一部を形成する。完全を期して、いくつかの選択される混合冷媒を、括弧内のモル分率の範囲と共に以下に示す（参照している「Ｒ」番号はＡＳＨＲＡＥ規格番号３４の定義に準じる）。
Ｒ−１２３（０．０１から０．４５）、Ｒ−１２４（０．０から０．２５）、Ｒ−２３（０．０から０．４）、Ｒ−１４（０．０５から０．５）、およびアルゴン（０．０から０．４）を含む配合Ａ、
Ｒ−２３６ｆａ（０．０１から０．４５）、Ｒ−１２５（０．０から０．２５）、Ｒ−２３（０．０から０．４）、Ｒ−１４（０．０５から０．５）、およびアルゴン（０．０から０．４）を含む配合Ｂ、
Ｒ−２４５ｆａ（０．０１から０．４５）、Ｒ−１２５（０．０から０．２５）、Ｒ−２３（０．０から０．４）、Ｒ−１４（０．０５から０．５）、およびアルゴン（０．０から０．４）を含む配合Ｃ、
Ｒ−２３６ｆａ（０．０から０．４５）、Ｒ−２４５ｆａ（０．０から０．４５）、Ｒ−１３４ａ、Ｒ−１２５（０．０から０．２５）、Ｒ−２１８（０．０から０．２５）、Ｒ−２３（０．０から０．４）、Ｒ−１４（０．０５から０．５）、アルゴン（０．０から０．４）、窒素（０．０から０．４）、およびネオン（０．０から０．２）を含む配合Ｄ、
プロパン（０．０から０．５）、エタン（０．０から０．３）、メタン（０．０から０．４）、アルゴン（０．０から０．４）、窒素（０．０から０．５）、およびネオン（０．０から０．３）を含む配合Ｅ。

上述の配合および配合成分の可能な組合せが、場合により無限であることは認識される。また、異なる配合成分による組合せの中には、特定の用途において有用であると期待されることも予測される。さらに、列挙されていない他の成分が追加される場合のあることも予測される。しかし、上述の成分を先に挙げた割合で使用する配合、および先に挙げた他の配合と組み合わされた配合も、本発明の範囲内に含まれる。

本発明による極低温混合冷媒システムにおいて使用されてもよい他の混合体には、米国特許第6,076,372号および第6,502,410号および２００５年１月２８日に出願された発明の名称「不活性成分混合冷媒を使用する冷却サイクル（Refrigeration Cycle Utilizing a Mixed Inert Component Refrigerant）」の米国特許出願第１１／０４６，６５５号に開示されている混合体が含まれる。これらの特許および特許出願の開示内容は、本参照により本明細書に引用したものとする。様々な異なる可能な混合体を使用して動作するシステムは、不活性冷媒、フルオロエーテルおよび／またはハイドロフルオロカーボンを含む混合体および不活性冷媒、フルオロエーテル、ハイドロフルオロカーボンおよび／またはハイドロカーボンを含む混合体を包含する本明細書に開示している技術の恩恵を受けることができる。

チェックバルブ１４６が存在しない従来の冷却システムの場合、戻り冷媒は直接冷却プロセス部１１８（冷却または除霜モードのいずれかにおいて）に進む。しかし、除霜サイクルの間、冷却プロセス部１１８は一般に、冷却プロセス部１１８への戻り冷媒の温度が＋２０℃（除霜サイクルの終わりにおける典型的な温度）に達すると停止する。この時点で、＋２０℃の冷媒は冷却プロセス部１１８内で極低温冷媒と混合している。冷却プロセス部１１８内での室温冷媒と極低温冷媒との混合は、追加される熱が多すぎるために、冷却プロセス部１１８が過負荷になる前の短い時間しか許容されない。冷却プロセス部１１８は、温かい戻り冷媒で負荷される間に極低温冷媒を生成するように強制され、最終的に冷媒圧力がその動作限度を超え、これにより、冷却プロセス部１１８は安全回路１９８により遮断され、冷却プロセス部を保護する。結果的に、従来の冷却システムにおける除霜サイクルは約２〜４分間に制限され、戻り冷媒の最大温度は約＋２０℃に制限される。

しかし、これに反して、極低温冷却システム１００は、冷却プロセス部１１８への戻り経路内にチェックバルブ１４６と、冷却プロセス部１１８の周りの、ノードＥからＦまでの、バイパスライン１８６、バイパスバルブ１８８およびサービスバルブ１９０を通る戻りバイパスループとを有し、これにより除霜サイクルの間に戻る温冷媒に対する異なる応答を可能にする。供給バルブ１２２および戻りバルブ１４４と同様に、サービスバルブ１９０も必ずしも必要ではないが、サービスが必要な場合、構成要素を隔離するサービス機能のいくつかを提供する。

除霜サイクルの間、温冷媒が低温冷媒と混合することにより、冷却プロセス部１１８内の戻り冷媒温度が例えば−４０℃以上に達すると、冷却プロセス部１１８の周囲のノードＥからＦまでのバイパスラインが開放される。結果的に、温冷媒はコンプレッサ吸込ライン１６４に流れ込み、さらにコンプレッサ１０４にまで流れることになる。バイパスバルブ１８８およびサービスバルブ１９０は、ＴＳ１５８、ＴＳ１６０およびＴＳ１６２の作用により開放される。例えば、ＴＳ１５８は、＞−２５℃の設定点を有する「除霜プラススイッチ」として作用している。ＴＳ１６０（任意選択）は、＞４２℃の設定点を有する「除霜終了スイッチ」として作用している。ＴＳ１６２は、＞−８０℃の設定点を有する「冷却戻り制限スイッチ」として作用している。全体として、ＴＳ１５８、ＴＳ１６０およびＴＳ１６２は戻りラインの冷媒温度に基づいて、および動作モード（すなわち、除霜または冷却モード）に基づいて応答し、どのバルブをオン／オフにするかを制御して、冷却システム１００による加熱または冷却速度を制御する。用途によっては、ベークアウトモードとも呼ばれる連続除霜動作を必要とするものもある。これらの場合、このモードの連続動作が要求されることから、除霜を終了させるＴＳ１６０は不要である。

動作にとって重要な点は、バイパスバルブ１８８およびサービスバルブ１９０を介する流れが存在する場合のノードＥとＦとの差圧は、チェックバルブ１４６両端の差圧がそのクラッキング圧（すなわち、５から１０ｐｓｉ）を超えてはならないことである。これは、本来、流体は最も抵抗が少ない経路を通り、したがって流れは正しく均衡でなければならないことによる。バイパスバルブ１８８およびサービスバルブ１９０両端の圧力がチェックバルブ１４６のクラッキング圧を超えることが許容されている場合、流れはチェックバルブ１４６を通して始まる。これは望ましくない。なぜなら、温冷媒は、この温冷媒がコンプレッサ吸込ライン１６４に流入し、コンプレッサ１０４に供給されると同時に冷却プロセス部１１８内へ一気に戻り始めるからである。チェックバルブ１４６およびノードＥからＦまでのバイパスループを通る同時的流れにより、冷却システム１００が不安定になり、構成要素の全ての温度が上昇するランナウェイモードが発生し、ヘッド圧力（コンプレッサ吐出圧）は高くなり、吸込圧力は高まり、冷却プロセス部１１８へのより多い流れが引き起こされ、Ｅにおける圧力も高くなり、結果的に冷却システム１００の遮断が引き起こされる。

この状態は、吸込圧力が既定値を超えると、ＰＳ１９６などのデバイスを使用して冷却プロセス部への高温ガスの流れを中断させることによって防止することができる。冷却システム１００の質量流量は主として吸込圧力によって左右されることから、これは、流量を安全範囲内に限定する効果的な手段となる。吸込圧力が所定の限度値より下がると、ＰＳ１９６はリセットし、除霜プロセスの再開を可能にする。

したがって、冷却システム１００の除霜サイクルの間の適正な動作のために、バイパスバルブ１８８およびサービスバルブ１９０とチェックバルブ１４６とを通る流れ均衡は緊密に制御され、流れ抵抗の適正な均衡を実現する。流れ均衡の問題に関する設計パラメータには、管サイズ、バルブサイズおよび各バルブの流量係数が含まれる。さらに、吸込（低圧）側の冷却プロセス部１１８による圧力降下は、プロセス毎に変化してもよく、決定される必要がある。冷却プロセス部１１８における圧力降下に、チェックバルブ１４６のクラッキング圧を加えたものが、ＥからＦまでの除霜用戻りバイパスラインが許容できる最大圧力である。

バイパスバルブ１８８およびサービスバルブ１９０は、除霜サイクルに入っても直ぐには開放されない。バイパス流れが開始される時間はＴＳ１５８、ＴＳ１６０およびＴＳ１６２の設定点によって決定され、これにより、流れは戻り冷媒温度がより正常なレベルに達するまで遅延され、この結果、典型的には−４０℃以上用に設計されるより標準的な構成要素の使用が可能になり、かつ−４０℃より低温度用の定格を備える高価な構成要素の必要が回避される。

コンプレッサ吸込ライン１６４のノードＦに戻り、かつ冷却プロセス部１１８からの吸込戻りガスと混合する流体の冷媒温度は、ＴＳ１５８、ＴＳ１６０およびＴＳ１６２の制御により設定される。その後、混合冷媒はコンプレッサ１０４にまで流れる。コンプレッサ１０４の予測される戻り冷媒温度は、典型的には−４０℃以上であり、したがって、ノードＥにおいて−４０℃以上である流体は許容でき、コンプレッサ１０４の動作限度値内にある。これは、ＴＳ１５８、ＴＳ１６０およびＴＳ１６２の設定点を選択する際の別の考慮事項である。

ＴＳ１５８、ＴＳ１６０およびＴＳ１６２の設定点を選択する場合、２つの制限事項が存在する。第１に、除霜バイパスの戻り冷媒温度は、高い吐出圧力により冷却プロセス部１１８が自らを遮断するほどの高温には選択できない。第２に、除霜バイパスの戻り冷媒温度は、バイパスライン１８６を介して流れる戻り冷媒がバイパスバルブ１８８およびサービスバルブ１９０による許容範囲を下回るほどの低温にはできない。また戻り冷媒も、ノードＦにおいて冷却プロセス部１１８の戻りと混合される時点でコンプレッサ１０４の動作限度を下回ってはならない。ノードＥにおける典型的な交差温度は、−４０℃〜＋２０℃の範囲である。

要約すると、冷却システム１００における除霜サイクルの戻り流れにより、除霜サイクルの間に除霜ガスが冷却プロセス部１１８へ連続的に戻れなくなる。代わりに、冷却システム１００は、戻りバイパス（ノードＥからＦ）が冷却プロセス部１１８の過負荷を防止するようにし、これにより、除霜サイクルが連続動作することを可能にする。ＴＳ１５８、ＴＳ１６０およびＴＳ１６２は、ノードＥからＦまでの除霜用戻りバイパスを開放するタイミングを制御する。冷却モードでは、極低温が達成されると、ノードＥからＦまでの除霜用戻りバイパスは遮断される。

以上、冷却システム１００における除霜サイクルの戻り経路について説明してきた。次に、引き続き図１を参照して、除霜サイクルの供給経路について説明する。除霜サイクルの間、コンプレッサ１０４からの高温高圧ガス流は、任意選択であるオイル分離器１０８の下流に配置された排出ライン１１０のノードＡを通って流れる。ノードＡにおける高温ガスの温度は、典型的には、８０℃〜１３０℃の範囲である。

高温ガスはノードＡで冷却プロセス部１１８をバイパスし、凝縮器１１２に流入しない。この理由は、ソレノイド除霜バルブ１７８またはソレノイド除霜バルブ１８０を開放し、一方バルブ１２８および１３０を閉状態にすることによって、流れが迂回されるからである。図１に示されとおり、除霜バルブ１７８はＦＭＤ１８２と直列に配置され、同様に、除霜バルブ１８０はＦＭＤ１８４と直列に配置される。除霜バルブ１７８およびＦＭＤ１８２の直列接続は、ノードＢとＣとの間で除霜バルブ１８０およびＦＭＤ１８４の直列接続と並列して配置される。除霜バルブ１７８または除霜バルブ１８０およびその関連のＦＭＤは、流れ要件に応じて並行して、または別々に動作されてもよい。

各々がＦＭＤと直列の除霜バルブを有する、冷却システム１００のノードＢとＣとの間の並列経路の数は、図１に示すような２つに限定されない点に留意することは重要である。ノードＢとＣとの間にはいくつかの流路が存在してもよく、この場合、所望される流量は並列経路の組合せを選択することによって決定される。例えば、１０％の流路が存在する可能性もあり、２０％の流路、３０％の流路などが存在する可能性もある。次に、ノードＣからの流れは、ノードＤの方向に向けられ、次に低温断熱バルブ１３２を通り、ノードＥからノードＦまでのバイパスバルブ１８８を通る戻りバイパスループが存在することを条件として、所望の時間長さの間にわたり顧客の蒸発器コイル１３６に誘導される。ノードＡからノードＤまでの除霜供給ループは、従来の冷却システムにおいて使用される標準的な除霜ループである。しかし、除霜バルブ１７８、除霜バルブ１８０およびこれらに関連するＦＭＤの追加は、制御流れを可能にする冷却システム１００の固有の特徴である。あるいは、除霜バルブ１７８および１８０はそれ自体が十分な計量デバイスであり、したがって、さらに別の流れ制御デバイス、すなわちＦＭＤ１８２およびＦＭＤ１８４の必要性をなくする。

以上、冷却システム１００の除霜サイクルについて説明してきた。次に、引き続き図１を参照して、冷却サイクルの間の除霜用戻りバイパスループの使用について説明する。冷却モードでは、バイパスバルブ１８８は通常は閉じられ、したがって、高温の冷媒はノードＥから冷却プロセス部１１８を通ってノードＥからノードＦに流れる。しかし、冷媒戻りライン１４２の冷媒温度を監視することにより、ノードＥにおける冷媒温度が高いが降下中である場合は、バイパスバルブ１８８を冷却モードの初期段階で開放させることができる。除霜用戻りバイパスループを作動させることにより、この間の冷却プロセス部１１８へのさらなる負荷の回避を支援する。ノードＥにおける冷媒温度が先に述べた交差温度（すなわち、−４０℃以上）に達すると、バイパスバルブ１８８は閉止される。バイパスバルブ１８８は、冷却モードとベークアウトとの設定点の差を利用して開放される。

同じく冷却サイクルに関して、低温バルブ１２８および１３０は、約１分の典型的な周期を有する「チョッパ」回路（図示なし）を使用してパルス駆動されてもよい。これは、冷却モードの間の変化速度を制限する上で有用である。低温バルブ１２８および低温バルブ１３０は、異なるサイズのＦＭＤを有する。このため、経路の制限が低温バルブ１２８を通過する場合と低温バルブ１３０を通過する場合とでは異なることから、流れは開ループ方式で調節される。したがって、経路は必要に応じて選択される。あるいは、一方の流路は完全に開放され、他方はパルス駆動等がされてもよい。

冷却システム１００を、システムが始動し、およびスタンバイ、除霜および冷却の各モードにおいて動作するように連続的に動作させるには、本開示において説明している冷媒成分の適正な均衡を必要とする。冷媒の配合が正しい成分を正しい組成範囲で有していなければ、故障状態が発生し、冷却システム１００は制御システムによってオフに切り換えられる。典型的な故障状態は、低い吸込圧力、高い吐出圧力または高い吐出温度である。冷却システム１００および制御システムの安全インターロックには、これらの状態の各々を検出するセンサを備えることが必要である。本発明者らは、凍結を防止する本開示方法は、いずれの故障状態においてもユニットを遮断することなく、様々な動作モードに良好に適用できることを実証した。

極低温混合冷媒システム（ＶＬＴＭＲＳ）の高信頼動作は、冷媒が凍結しないことを要求する。残念ながら、特定の混合冷媒がいつ凍結するかを予測することは困難である。米国特許出願第09/894,968号は、特定の冷媒配合の特定の凍結温度について記載している。混合体の実際の凍結温度は、詳細な相互作用パラメータデータが既知であれば、様々な分析ツールを利用して予測することができる。しかし、このデータは通常は入手できず、凍結が発生する時点を判断するには経験的試験を実施しなければならない。

凍結を防止する代替方法は、冷却プロセス部周りに冷媒の大規模なバイパスを使用することによって、または、蒸発器に対して冷却が必要でない場合は、コンプレッサ流量を低減して冷却プロセス部１１８により生成される冷媒の量を制限することによって考案できる。これらの方法における問題点は、熱交換器が２相流れを維持するための最低限の流量を必要とすることから、冷媒流れが低減されなければならない程度が熱交換器の適正な動作を妨げることにある。

同じく、先に開示したとおり、冷却プロセス部では、蒸発器の高速冷却を可能にするために極低温を維持することが重要である。したがって、熱交換器内の高流量が維持されなければならない。しかし、蒸発器負荷が存在しない状態での高流量は冷却プロセス部１１８内をより低温度にする結果となり、凍結を生じる可能性がある。

所定のＶＬＴＭＲＳについては、蒸発器および内部熱交換器の温度は、蒸発器の熱負荷および動作モードに応じて変化する。冷却モードにおいては、蒸発器の温度は、蒸発器の最高負荷または最大定格負荷（最も高い蒸発器温度）から蒸発器の最低負荷（最も低い蒸発器温度）までの５０℃の範囲にわたってもよい。したがって、システムのハードウェアおよび混合冷媒を最大定格負荷での動作に対して最適化することは、システムに蒸発器負荷がほとんどない、または全くない場合、またはシステムに外部負荷が全くなく、スタンバイ、除霜またはベークアウトモードで動作している場合に凍結の問題を発生させることがある。新しいＨＦＣ冷媒が使用される場合、これらの冷媒はその先行ＣＦＣおよびＨＣＦＣより高温の凝固点を有する傾向があることから、これは特に重要である。さらに、大気ガス、不活性ガス、フルオロエーテルおよび他のフッ素化物を使用する混合体も、凍結を生じる場合がある。したがって、最大定格負荷以外の状態で凍結せずに作動できるシステムは、ＶＬＴＭＲＳユーザにとって極めて重要な必要条件である。凍結を防止することに加えて、多くの用途では、他の目的のために、冷却システムによって実現される極低温の制御を必要とする。例えば、温度制御は、反復動作を保証するため、過剰低温に起因する損傷を防止するため、または温度低下または上昇速度を制御するために必要とされることもある。

図２は、例えば冷媒の凍結を防止する目的に対して温度制御を実現する、本発明による１つの方法を示す。相分離器２０４からＦＭＤ２１６までの流路は、バルブ２１８によって制御される。この流れは、ノードＪにおいて、サブクーラ２１２へ入る低圧冷媒と混合される。サブクーラが使用されない場合、この流れは、最低温度高圧冷媒と熱交換を行う最低温低圧流と混合される。例えば、サブクーラが存在しない場合、この流れはノードＨにおいてライン１４８からの戻り冷媒と混合する。このバイパスの目的は低圧流を加温することであり、これにより、最低温度高圧冷媒が加温される。この流れバイパスの起動は、バルブ２１８によって制御される。このバルブは、冷却プロセス部に要求される圧力、温度および流量に見合う定格を備える必要がある。一例として、バルブ２１８は、Ｓｐｏｒｌａｎ・Ｖａｌｖｅ・Ｃｏｍｐａｎｙのモデルｘｕｊバルブである。ＦＭＤ２１６は、必要に応じて流れを調整する任意の手段である。場合によっては、毛細管で十分である。他の用途は、調整可能な制限を必要とする。場合によっては、バルブ２１８およびＦＭＤ２１６の制御および流量調節機能は組み合わせて、単一の比例バルブとされる。

本明細書に記載されるシステムに類似する先行技術による混合冷媒極低温冷却システムは、本明細書で説明するバルブ２１８、ＦＭＤ２１６および関連のバイパスループが存在しないものであった。本発明とこの先行技術とを差別するものは、図２に示すこれらの構成要素および関連する配管の使用である。

この凍結防止方法のための温冷媒源の選択は、さらに注目に値する。図２に示されるこの好適な方法は、システム内の最低温度の相分離器から気相を除去する。これは、典型的には、この流れの凍結温度がこれと混合される流れの凍結温度以下であることを保証する。これは、相分離器においてより高濃度で存在するより低い沸点の冷媒は、一般により低い凝固点を有する理由から、一般的である。最終的基準は、冷却システム１１８の低温端を加温するために使用される配合は、少なくともそれが加温する流れと同じ低さの凍結温度を有していなければならないことである。特定の状態によっては、結果として得られる混合体は、いずれかの個々の流れの凝固点より高温または低温の凝固点を有する。このような場合は、混合の発生前または後に何れの流れにおいても凍結は発生しないことが基準となる。

さらに、相分離器のないシステムでは、温冷媒源は、システム内で利用可能な任意の高圧冷媒であってもよい。相分離器が使用されないことから、システムを通じて液体および蒸気の均質な混合体が維持されるならば、循環する混合体はシステム全体を通して同一である。システムがオイル分離器を使用する場合、温冷媒源は、相分離器の後に存在すべきである。

Ｆｏｒｒｅｓｔらの米国特許第４，７６３，４８６号は、蒸発器入口で混合される相分離器からの凝縮液を使用する、ＶＬＴＭＲＳのための温度および容量制御方法を記載している。液凝縮のバイパスは本発明と一致しない。この理由は、液凝縮は、一般に最高温の凝固点を有する成分であるより高温沸点の冷媒によって濃縮されるからである。したがって、Ｆｏｒｒｅｓｔらのプロセスを利用することにより、結果として得られる混合体はより高温の凝固点を有することになり、冷媒凍結の可能性は高まる。

さらに、Ｆｏｒｒｅｓｔらのプロセスは、バイパス流れが蒸発器に入ることを必要とする。したがって、このような方法は、この方法が蒸発器の冷却を引き起こすという理由で、スタンバイモードまたはベークアウトモードでは使用できない。これに対して、スタンバイモードまたはベークアウトモードは、蒸発器の冷却が発生しないことを必要とする。

Ｆｏｒｒｅｓｔらは、混合体の凍結温度近くにおける動作について論じていない。これに対して、Ｆｏｒｒｅｓｔの制御方法は高い温度で動作し、約−１００℃より低温でオフに切り換えられる。ＶＬＴＭＲＳにおける凍結に関係する温度は、典型的には−１３０℃以下である。したがって、Ｆｏｒｒｅｓｔらが述べている方法は凍結を防止せず、スタンバイモードまたはベークアウトモードでの動作に対応しない。

本発明の教示内容によれば、加熱目的のために流れをバイパスする他の多くの方法が可能である。一例として、相分離器から液体または相分離器に供給する２相混合体は、混合される流れよりも低い凝固点を有していればよい。利用できる液体および蒸気の割合の可能な組合せ数は、潜在的に無限に存在する。２つ以上の高温流れと低温の流れとを混合する混合体を考慮することにより、これらの組合せをさらに増加することができる。本発明のこの第１の実施形態における要点は、高温流れの経路を１つまたは複数の流れ制御デバイスを通して制御して、最低温度の高圧冷媒と熱交換する低圧冷媒と混合させ、これにより冷媒の温度を十分に高めて凍結が発生しないようにすることにある。また、第１の実施形態は、後に詳述するような他の目的で使用される温度制御方法に用いられてもよい。

試験の結果では、有効な凍結防止方法が使用される場合、使用される方法およびその方法において使用される制御は、このようなベークアウトモードを使用して好結果を得ることができるかどうかを決定することを示した。場合によっては、開示されている方法の不適切な均衡により、吸込圧力が上昇し続けるという不安定な動作になることが観察されている。ＰＳ１９６を通るベークアウト流れを遮断するように制御しても、なおも吸込圧力は繰返し許容できない高レベルに達し、結果的にチェックバルブのばね力に過負荷がかかることが観察された。したがって、一連の毛細管を個別にまたは一緒に使用または制御して、動作モードおよび／または動作状態に基づいて流れ制限の変動度合いを調節する必要があるか、あるいは必要に応じて比例バルブを使用して流れを調節することができるか、のいずれかである。

一般に、相分離器からＦＭＤ２１６までのガスの流れ、またはガスと液体との混合体の流れを利用することは、最も単純な制御手段を可能にする。この理由は、毛細管を通るガスまたはガスおよび液体の流れは、下流の圧力変化に対して影響をあまり受けないためである。これに反して、毛細管を通る液体の流れは、下流の圧力変化に対して大きく影響を受ける。ＦＭＤ２１６に入る時点で完全に液化されていない混合冷媒を使用することにより、毛細管の使用を可能にし、および凍結を防止する簡単で効果な手段をもたらし、同時に、冷却、除霜およびベークアウトの各モード間の著しい吸込圧力変化を許容する。

一般に、ＦＭＤに供給されるガスおよび液体の割合は、特定の決定された限界値内に制御されることが望ましい。限界値内に制御されなければ、本方法は、開制御ループに使用されると、特にＦＭＤが毛細管などの固定的制限デバイスある場合には効果が変動する結果となる。しかし、毛細管が使用される場合であっても、毛細管がこれらの変動を考慮した大きさであれば、入口での割合の変化は許容できる。試験した特定の事例では、内径０．０４４インチおよび長さ３６インチの毛細管は、最低温度の高圧冷媒は動作状態に応じて少なくとも３℃および１５℃の温度上昇を生じた。いずれの動作モードにおいても、凍結はこれで十分に防止された。

凍結防止に必要とされる加熱量は、凍結温度に達しないように維持することだけを必要とするため、極めて少ない。原理的には、組成が既知である混合体の凍結を防止するのに十分な温度は０．０１℃である。他の事例では、製造工程、動作状態および他の変動要素が混合体の組成に変動を引き起こす可能性のある場合、凍結を確実に防止するために、より大きい余裕が必要とされる。このような不確定性のある事例では、凍結温度の予測される変化および影響の範囲を評価しなければならない。しかし、ほとんどの場合、５℃の加熱により十分な余裕が得られるはずである。

凍結防止方法のための典型的な加熱範囲は、０．０１℃〜３０℃である。試験が示すように、本発明で述べる方法は、凍結温度に対して約３℃〜１５℃の加熱を実現した。０．０１℃〜３０℃までの典型的な加熱範囲または０．０１℃〜３０℃までの凍結温度範囲内でのＶＬＴＭＲＳの動作は、考慮される特定の凍結防止実施形態に関係なく適合するが、他の目的で使用される温度制御実施形態では、より広い温度範囲が使用されてもよい。例えば、凍結防止以外の目的で温度制御に用いられる場合、少なくとも１、５、１０、２０、５０、１００または１５０℃の加熱範囲が使用されてもよい。また、冷却システムが使用される用途の所望される温度制御範囲に応じて、より広い、またはより狭い範囲が使用されてもよい。

図２は、開ループ制御方法を使用する本発明の概略図である。すなわち、動作を監視および調整するための制御信号は必要としない。基本的な制御機構は、制御バルブ２１８およびＦＭＤ２１６である。バルブ２１８は、動作モードに応じて開放される。温度制御および／または凍結防止を必要とするモードは設計過程において決定され、システム制御の設計に含まれる。ＦＭＤ２１６のサイズは、予測される動作状態の範囲に合わせて適正量の流れを可能にするようなサイズとされる。この方法は、実装コストが低く、簡単であるという利点を有する。

本発明に従う代替構成は、閉ループフィードバックの制御システムを使用する。このようなシステムは、温度制御が設けられるべき位置、または凍結が防止されるべき位置であるシステムの最低温度部分に温度センサ（図示なし）を必要とする。このセンサからの出力信号は、Ｏｍｅｇａ（コネチカット州スタンフォード）のＰ＆ＩＤ温度コントローラ等の制御デバイス（図示なし）に入力される。コントローラは適正な設定点を使用してプログラムされ、その出力はバルブ２１８の制御に使用される。

バルブ２１８は、いくつかの種類のうちの１つであってもよい。これは、オン時間およびオフ時間量を変更することによって制御されるオン／オフバルブであってもよい。あるいはバルブ２１８は、流量を調整するように制御される比例制御バルブである。バルブ２１８が比例制御バルブである場合、ＦＭＤ２１６を必要としないこともある。

図２は、サブクーラ２１２を含むＶＬＴＭＲＳに関連している。具体的には、温度制御を提供するため、または凍結を防止するために使用される温冷媒の混合位置が、サブクーラに対して示されている。先に説明したとおり、サブクーラは任意選択である。したがって、本発明に従って他の配置も可能である。

１つの代替実施形態では、サブクーラを備えないシステムは、温冷媒を最低温度低圧冷媒位置（図示なし）と混合する。図２に示される熱交換器は、連続して低温であり、熱交換器２１２は最低温であり、熱交換器２０８は熱交換器２１２より温度が高く、熱交換器２０６は熱交換器２０８より温度が高く、熱交換器２０４は熱交換器２０６より温度が高く、熱交換器２０２は熱交換器２０４より温度が高い、ことは理解されるべきである。また当然ながら、熱変換を可能にするために、各熱交換器内における高圧流れは低圧流れより温度が高い。サブクーラが存在しない場合は、定義により、熱交換器２０８または冷却プロセス部の低温端における最終の熱交換器が最低温度の熱交換器である。

温冷媒が低温の冷媒と混合される箇所は、僅かな変更が可能であることは認識される。この冷媒を導入していずれかの低温低圧冷媒と混合することは、低温冷媒が最低温度の低圧冷媒より２０℃以上高い温度でないと仮定すると、何らかの利点をもたらすことが予測され、このような変更形態は本発明の範囲に含まれる。

凍結防止方法を提供することに加えて、図２に示される第１の実施形態を用いて、他の目的のために蒸発器の温度制御を実現できる。用途によっては、温度制御は、システム性能の重要な要件である。図５は、第１の実施形態（図２）による温度制御技術の一例を示す。図５では、蒸発器１３６または冷却される物体または流体流れ５０３の温度を制御する方法が提供される。温度制御信号５０１は、蒸発器１３６内の冷媒温度の測度値（例えば電気信号）を制御回路１９８といった制御回路に供給する。図５において、温度制御信号５０１は蒸発器１３６の出口における温度測定値として示されているが、蒸発器１３６の入口で冷媒温度を測定することも可能であり、または、蒸発器コイル１３６の全長にわたる２つ以上の温度測定値の平均、加重平均または他の関数を供給することも可能である。蒸発器１３６の温度を測定する代わりに、またはこれに加えて、温度制御信号５０５は、冷却される物体または流体５０３の温度を検出するために使用されてもよい。蒸発器の場合と同様に、温度制御信号５０５を供給するために、冷却される物体または流体５０３の全体を通しての温度の平均または他の関数を含む様々な異なる温度測度が使用されてもよい。矢印５０７は、蒸発器１３６が物体５０３に熱的に接続されることを示し、これは、用途に応じて様々な異なる方法で実行されてもよい。省略符号５０９は、冷却プロセス部１１８から出るライン１２０および１４８がいくつかの構成要素（図示なし）を介して、例えば図１に示す構成要素と同様にして蒸発器コイル１３６に接続されることを示す。

制御信号５０１および／または５０５を利用して、制御回路１９８は、蒸発器１３６または物体または流体５０３の温度が高すぎるか、それとも低すぎるかを決定し、制御信号をバルブ２１８に供給することにより、冷却プロセス部のポイントＪに、より高温またはより低温を生成する。このような方法においては、蒸発器１３６または物体または流体５０３の温度は、閉ループフィードバック方式により制御されてもよい。制御回路１９８は、いくつかの入力５０１および５０５を組み合わせるか、または１つ一方だけを用いて、制御される温度の測度値として役立つようにしてもよい。また、制御回路１９８は、冷却システムからの二次入力をその制御アルゴリズムに要素として組み込んでもよく、例えば、冷却プロセス部１１８における最低温度のポイントＪにおける温度の測度値に基づいて、制御アルゴリズムに二次的制限を設けてもよい。

図５には、閉ループ方式による温度制御が示されているが、図５の実施形態を用いて開ループ方式で、図２に関して先に述べた方法と同様にして温度制御を設けることも可能である。

図５に示される温度制御の実施形態は、図２と同様のバルブ２１８およびＦＭＤ２１６を通るバイパス回路を使用することから、本明細書では、これらの実施形態を「第１の実施形態」と称する。

図３は、本発明の第２の実施形態を示す。この実施形態では、温度を制御しおよび／または凍結を防止する異なる方法について説明する。ノードＧにおける最低温度の液体冷媒は、バルブ３１８およびＦＭＤ３１６に供給する第３の分岐に分割される。ＦＭＤ３１６を出る流れは、ノードＨにおいて、サブクーラ２１２から出る流れと戻り冷媒流れ１４８とに混合する。第１の実施形態の場合と同様に、その目的は、凍結の可能性を排除すること、および／または他の目的で温度を制御することにある。

第２の実施形態では、温度が制御され、および／または低流量の冷媒をサブクーラ２１２の高圧側でなくサブクーラ２１２の低圧側を通るように維持することによって、凍結が防止されるかまたは温度が制御される。これにより、サブクーラ２１２を出る高圧流れが加温される。ノードＧからＨに直接バイパスする流量を調節することにより、サブクーラ２１２の高圧側を出る冷媒の加熱程度は変化し、結果的に、サブクーラ２１２の低圧側に入る膨張冷媒が加温される。サブクーラの周りをバイパスされる流れが多くなれば、温度制御効果はより大きくなり、例えば、より高い低温端温度が生成される。

これと異なり、先行技術によるシステムはこの方法を利用せず、蒸発器への流れがオフにされたとき、サブクーラの両側に等しい流れを有していた。この方法は、ＦＭＤ３１６が毛細管から成る場合は、基本的な除霜方法を備えるシステムでは良好に機能した。しかし、ベークアウトモードのシステムで使用される場合は、ＦＭＤ３１６の流れ容量の変更が必要であった。したがって、一連の毛細管を使用して、別々にまたは一体として制御することにより、動作モードおよび／または動作状態に応じて流量制限の変化する度合いに影響を与える必要があるか、あるいは比例バルブを使用して、必要に応じて流れを制御することが可能であるか、いずれかである。

図３は、発明による開ループ制御方法の概略図である。すなわち、動作を監視および調節するための制御信号は必要としない。基本的な制御機構は、制御バルブ３１８およびＦＭＤ３１６である。バルブ３１８は、動作モードに応じて開放される。温度制御および／または凍結防止を必要とするモードは設計プロセスにおいて決定され、システム制御の設計に含まれる。ＦＭＤ３１６のサイズは、予測される動作状態の範囲に合わせて適正量の流れを供給するようなサイズにされる。この方法は、実装コストが低く、簡単であるという利点がある。

本発明に係る代替構成は、閉ループフィードバックの制御システムを使用する。このようなシステムは、温度制御が設けられる必要のある場所、および／または凍結が防止される必要のある場所であるシステムの最低温部分に温度センサ（図示なし）を追加する。このセンサからの出力信号は、Ｏｍｅｇａ（コネチカット州スタンフォード）のＰ＆ＩＤ温度コントローラといった制御デバイス（図示なし）へ入力される。コントローラは適正な設定点を用いてプログラムされ、その出力はバルブ３１８の制御に利用される。

バルブ３１８は、いくつかの種類のうちの１つであってもよい。これは、オン時間およびオフ時間量を変更することによって制御されるオン／オフバルブであってもよい。あるいは、バルブ３１８は、流量を調節するように制御される比例制御バルブである。バルブ３１８が比例制御バルブである場合、ＦＭＤ３１６は省略してもよい。

図３は、サブクーラ２１２を含むＶＬＴＭＲＳを示す。具体的には、温度制御を提供するため、および／または凍結を防止するために使用される温冷媒源の位置および混合位置が、サブクーラ２１２に対して示されている。先に述べたとおり、サブクーラ２１２は任意選択である。よって、本発明による他の構成も可能である。１つの代替実施形態では、サブクーラのないシステムは、最低温度の高圧冷媒を迂回させ、温冷媒を最低温度の熱交換器（図示なし）の低圧出口において混合することにより、最低温度の熱交換器が高圧側より低圧側で低質量流量を有するようにする。

温冷媒が低温の冷媒と混合される箇所は、僅かな変更が可能であることは認識される。この冷媒を導入していずれかの低温低圧冷媒と混合することは、低温冷媒が最低温度の低圧冷媒より２０℃以上高い温度でないと仮定すると、何らかの利点をもたらすことが予測され、このような変更形態は本発明の範囲に含まれる。

第１の実施形態の場合と同様に、図３の第２の実施形態を用いて、凍結防止以外の目的を含む蒸発器の温度制御を実現できる。図６は、図３の第２の実施形態による温度制御方法の一例を示す。温度制御信号６０１は、蒸発器１３６内の冷媒温度の測度値（例えば電気信号）を、図５の制御信号５０１と同様の方法で制御回路１９８といった制御回路に供給する。図５の制御信号５０５と同様の方法で、温度制御信号６０５を利用して、冷却される物体または流体６０３の温度を検出してもよい。矢印６０７および省略符号６０９は、上述の図５のアイテム５０７および５０９と同様の機能を実行する。

制御信号６０１および／または６０５を用いて、制御回路１９８は、図５に関して述べた方法と同様に閉ループフィードバック方式により蒸発器１３６または物体または流体６０３の温度を制御してもよい。また、図３に関連して先に述べたとおり、開ループ方式が使用されてもよい。

図６に示される温度制御の実施形態は、図３と同様に、バルブ３１８およびＦＭＤ３１６を通るバイパス回路を使用することから、本明細書では、これらの実施形態を「第２の実施形態」と称する。

本発明の第３の実施形態において、図４は、温度制御を実現し、および／または冷媒の凍結を管理する別の代替方法を示す。この場合は、典型的にはコンプレッサの近くに配置される構成要素に変更がなされる。典型的には、これらは、室温から−４０℃以上で動作する構成要素であってもよい。本実施形態は、冷却システム２００として示され、冷却システム１００が制御バルブ４１８およびＦＭＤ４１６を追加することによって変更されている。この構成では、冷媒流れを高圧から低圧にバイパスし、および冷却プロセス部１１８をバイパスする手段を備える。

これは、多くの効果を有する。これらの中で、最も重要と考えられる２つの効果は、冷却プロセス部を通る流速の低減および冷却システム内の低圧部分の増加である。これらの追加構成要素を通して十分な量の流れがバイパスされると、加熱効果が生じ、結果的に冷却プロセス部における温度制御がなされ、および／または凍結が防止される。しかし、先に開示したとおり、冷却プロセス部から迂回される流量が多すぎると、良好な熱交換器性能に要する最小流量が維持されなくなる。したがって、バイパスの最大量は、システム内の各熱交換器における十分な流量を保証するように制限されなければならない。

第２の実施形態と同様に、この方法は、ＦＭＤとして固定配管を使用した場合の通常の除霜モードおよびスタンバイモード（蒸発器への流れはなし）のシステムでは良好に動作した。しかし、ベークアウトモードでの動作に対応するには、このような固定式ＦＭＤは許容できない高い吸込圧力を引き起こした。試験された特定の事例では、２０ｃｆｍのコンプレッサが使用された。０．１５インチの内径（”ＩＤ）を有するバイパスラインは、ベークアウトモードにおける凍結を防止するのに十分であり、過剰な圧力を引き起こすことはなかった。しかし、スタンバイにおいてそのコンプレッサを使用すると、十分な流れを供給しなかった。配管を３／８インチの外径（”ＯＤ）の銅配管に拡大すると、スタンバイにおける流れは凍結を良好に排除したが、ベークアウトモードでは過剰な吸込圧力が発生した。

この経験事例は、別々に、または組み合わされて動作する２つ以上の固定配管要素を有することは、様々な動作モードおよび状態の要件を管理するために利用できることを示す。あるいは、熱膨張バルブ等の比例バルブまたはクランクケース調節バルブといった圧力調節バルブを使用して、冷媒流れを要求されるレベルに調節することも可能である。

図４は、開ループによる制御方法を備える本発明の概略図である。すなわち、動作を監視および調節するための制御信号は必要としない。基本的な制御機構は、制御バルブ４１８およびＦＭＤ４１６である。バルブ４１８は、動作モードに応じて開放される。温度制御および／または凍結防止を必要とするモードは設計過程において決定され、システム制御の設計に含まれる。ＦＭＤ４１６のサイズは、予測される動作状態の範囲に合わせて適正量の流れを供給するようなサイズとされる。この方法は、実装コストが低く、簡単であるという利点がある。本発明に従う代替構成は、閉ループフィードバック制御システムを使用する。このようなシステムは、温度が制御されるべき位置、および／または凍結が防止される必要のある位置であるシステムの最低温部分に温度センサ（図示なし）を追加する。このセンサからの出力信号は、Ｏｍｅｇａ（コネチカット州スタンフォード）のＰ＆ＩＤ温度コントローラといった制御デバイス（図示なし）に入力される。コントローラは適正な設定点を使用してプログラムされ、その出力はバルブ４１８の制御に利用される。

バルブ４１８は、いくつかの種類のうちの１つであってもよい。これは、オン時間およびオフ時間の量を変更することによって制御されるオン／オフバルブであってもよい。あるいはバルブ４１８は、流量を調節するために制御される比例制御バルブである。バルブ４１８が比例制御バルブである場合、ＦＭＤ４１６は必要でないこともある。

温冷媒が吸込ライン上で混合される箇所の変更は可能であることが認識される。このバイパスをプロセスの高温段において任意の温度に維持することは、吸込圧力を上げ、冷却プロセス部の流量を低温端において減少させるという望ましい結果を得ることが予測される。これは、バイパス冷媒源のまたは混合に先立つ温度が−１００℃より高ければ、さらに利点を提供することが予測される。

また、コンプレッサ１０４の後でバルブ４１８を含むバイパスが分岐する箇所が変化してもよい。例えば、バイパスは、コンプレッサ１０４と冷却プロセス部１１８の入口との間の高圧ラインにおける任意の箇所で始まってもよい。

第１および第２の実施形態と同様に、図４の第３の実施形態を用いて凍結防止以外の目的を含む蒸発器の温度制御を実現できる。図７は、図４の第３の実施形態による温度制御方法の一例を示す。温度制御信号７０１は、蒸発器１３６内の冷媒温度の測度値（例えば電気信号）を、図５の制御信号５０１と同様の方法で制御回路１９８といった制御回路に供給する。図５の制御信号５０５と同様の方法で、温度制御信号７０５を利用して、冷却される物体または流体７０３の温度を検出してもよい。矢印７０７および省略符号７０９は、上述の図５のアイテム５０７および５０９と同様の機能を実行する。

制御信号７０１および／または７０５を用いて、制御回路１９８は、図５に関して述べた方法と同様に閉ループフィードバック方式により蒸発器１３６または物体または流体７０３の温度を制御してもよい。また、図４に関連して先に述べたとおり、開ループ方式が使用されてもよい。

図７の温度制御の実施形態は、図４と同様に、バルブ４１８およびＦＭＤ４１６を通るバイパス回路を使用することから、本明細書では、これらの実施形態を「第３の実施形態」と称する。

凍結防止に用いられる場合、第１、第２および第３の実施形態は、試験されたシステムについては、典型的には、スタンバイ、除霜およびベークアウトの各モードで必要であった。基本的に、および必要であれば、これらの方法は冷却モードにも適用できる。同様に、用いられる制御方法に応じて、これらは動作モードに関わらず必要に応じて適用できる。同様に、温度制御に関する第１、第２および第３の実施形態は、スタンバイ、除霜、ベークアウトおよび冷却の各モードでより一般的に用いることができる。極低温における蒸発器の温度制御に利用される場合、本明細書に開示している温度制御方法は冷却モードでの動作に最も適している。しかし、独立して制御される２つ以上の蒸発器を有するシステムの場合、冷却モードでは１つまたは複数の蒸発器に対して温度制御を提供する必要のある場合があり、一方で、冷却モードまたはベークアウトモードではこの他に１つまたは複数の蒸発器が存在する。

温度制御および／または凍結防止に関して第１、第２および第３の実施形態を別々に提示したが、本発明に従って上述の実施形態のうちの２つ以上を同一のシステムに用いることも可能である。また、本発明に従って２つ以上のバイパスを使用することも可能である。前記２つ以上のバイパスの各々は、本発明による、上述の実施形態のうちの同一の実施形態に属する。

本発明をその好ましい実施形態に関連して具体的に示し、説明してきたが、当業者には、本発明の形態および詳細は添付の請求の範囲に包含される本発明の範囲を逸脱することなく様々に変更されてもよいことが理解されるであろう。

本発明に係る、バイパス回路を有する極低温冷却システムを示す概略図である。 本発明に係る制御された内部冷媒バイパスを使用することによって温度制御および／または凍結防止を実現する方法を示す概略図である。 本発明に係る制御された内部冷媒バイパスを使用することによって温度制御および／または凍結防止を実現する別の代替方法を示す概略図である。 本発明に係る制御された冷媒バイパスを使用することによって温度制御および／または凍結防止を実現するさらに別の代替方法を示す概略図である。 本発明に係る、図２の実施形態と同様に制御された内部冷媒バイパスを使用することによって温度制御を実現する方法を示す概略図である。 本発明に係る、図３の実施形態と同様に制御された内部冷媒バイパスを使用することによって温度制御を実現する別の代替方法を示す概略図である。 本発明に係る、図４の実施形態と同様に制御された内部冷媒バイパスを使用することによって温度制御を実現するさらに別の方法を示す概略図である。

符号の説明

１００ 極低温冷却システム
１０４ コンプレッサ
１１８ 冷却プロセス部
１３６ 蒸発器
１８６ バイパスループ
２０２，２０６，２０８，２１２ 熱交換器

Claims (21)

1. 混合冷媒を使用する極低温冷却システムであって、
   コンプレッサとバイパス回路とを備え、
   前記コンプレッサは、冷却プロセス部と流体連通しており、前記冷却プロセス部は、前記コンプレッサと蒸発器との間に設けられた、前記冷却システムの高圧側の高圧ラインと、前記蒸発器と前記コンプレッサとの間に設けられた冷媒戻り経路内の、前記冷却システムの低圧側の低圧ラインと、前記低圧ライン内の冷媒によって前記高圧ライン内の冷媒を冷却する少なくとも１つの熱交換器とを有しており、
   前記バイパス回路は、
   ａ）前記高圧ラインが前記冷却プロセス部の低温端を出る位置の前の、前記冷却プロセス部内の高圧冷媒が流れる箇所から、前記システム内の最低温度低圧冷媒が流れる、前記冷却プロセス部内の箇所まで、
   ｂ）前記コンプレッサと前記冷却プロセス部の前記高圧ラインへの入口との間のコンプレッサ高圧冷媒ラインから、前記コンプレッサの吸込ラインまで、または、
   ｃ）高圧冷媒がその最低温度にある、前記冷却プロセス部内の箇所から、低圧冷媒が前記冷却プロセス部内の前記少なくとも１つの熱交換器のうちの最低温度の交換器を出る、前記冷却プロセス部内の箇所まで、
   のいずれかに接続されており、
   前記ｃ）の場合、前記バイパスされる冷媒は、高圧冷媒がその最低温度にある箇所と低圧冷媒が前記少なくとも１つの熱交換器のうちの最低温度の交換器を出る箇所との間の熱交換器を通過しない冷却システム。
2. 請求項１において、前記バイパス回路は、前記蒸発器の温度制御に使用される冷却システム。
3. 請求項２において、前記バイパス回路は、前記蒸発器に流れ込む前記冷媒の加温に使用される冷却システム。
4. 請求項２において、前記バイパス回路は凍結を防止する回路である冷却システム。
5. 請求項１において、前記バイパス回路は、前記コンプレッサと前記冷却プロセス部の前記高圧ラインへの入口との間の前記コンプレッサ高圧冷媒ラインから前記コンプレッサの前記吸込ラインまで接続されるバイパスループを備える冷却システム。
6. 請求項１において、前記バイパス回路は、前記回路を通る流体の流量を制御する手段を含み、前記流体の流量はオン／オフバルブおよび流量測定装置を使用して制御される冷却システム。
7. 請求項６において、前記流体の流量は比例制御バルブを使用して制御される冷却システム。
8. 請求項６において、前記流体の流量が自動的に制御される冷却システム。
9. 請求項１において、前記混合冷媒は、Ｒ−１２３、Ｒ−２４５ｆａ、Ｒ−２３６ｆａ、Ｒ−１２４、Ｒ−１３４ａ、プロパン、Ｒ−１２５、Ｒ−２３、エタン、Ｒ−１４、メタン、アルゴン、窒素およびネオンからなる群より選択される１つまたは複数の冷媒を含む冷却システム。
10. 請求項９において、前記混合冷媒が、前記成分のそれぞれを括弧内に記載したモル分率の範囲内で含む以下の各配合、すなわち、
    Ｒ−１２３（０．０１から０．４５）、Ｒ−１２４（０．０から０．２５）、Ｒ−２３（０．０から０．４）、Ｒ−１４（０．０５から０．５）およびアルゴン（０．０から０．４）を含む配合Ａと、
    Ｒ−２３６ｆａ（０．０１から０．４５）、Ｒ−１２５（０．０から０．２５）、Ｒ−２３（０．０から０．４）、Ｒ−１４（０．０５から０．５）およびアルゴン（０．０から０．４）を含む配合Ｂと、
    Ｒ−２４５ｆａ（０．０１から０．４５）、Ｒ−１２５（０．０から０．２５）、Ｒ−２３（０．０から０．４）、Ｒ−１４（０．０５から０．５）およびアルゴン（０．０から０．４）を含む配合Ｃと、
    Ｒ−２３６ｆａ（０．０から０．４５）、Ｒ−２４５ｆａ（０．０から０．４５）、Ｒ−１３４ａ（０．０より大）、Ｒ−１２５（０．０から０．２５）、Ｒ−２１８（０．０から０．２５）、Ｒ−２３（０．０から０．４）、Ｒ−１４（０．０５から０．５）、アルゴン（０．０から０．４）、窒素（０．０から０．４）およびネオン（０．０から０．２）を含む配合Ｄと、
    プロパン（０．０から０．５）、エタン（０．０から０．３）、メタン（０．０から０．４）、アルゴン（０．０から０．４）、窒素（０．０から０．５）及びネオン（０．０から０．３）のうちゼロより大きいモル分率の物質を少なくとも一つ含む配合Ｅと、
    からなる群より選択される冷却システム。
11. 請求項１において、前記バイパス回路は、前記高圧ラインが前記冷却プロセス部を出る箇所の前の、前記冷却プロセス部内の高圧の温冷媒が流れる箇所から、前記冷却プロセス部内の、前記システム内の最低温度低圧冷媒が流れる箇所まで接続されている冷却システム。
12. 請求項１において、前記バイパス回路は、前記冷却プロセス部内において高圧冷媒がその最低温度となる箇所から、前記冷却プロセス部内における、低圧冷媒が前記冷却プロセス部内の前記少なくとも１つの熱交換器のうちの最低温度の交換器を出る箇所まで接続されており、前記バイパスされる冷媒が、高圧冷媒がその最低温度となる前記箇所と、低圧冷媒が前記少なくとも１つの熱交換器のうちの最低温度の交換器を出る前記箇所間の熱交換器を通過しない冷却システム。
13. コンプレッサと、
    前記コンプレッサに流体連通する冷却プロセス部であって、前記コンプレッサと蒸発器との間に設けられた、前記冷却システムの高圧側の高圧ラインと、前記蒸発器と前記コンプレッサとの間に設けられた冷媒戻り経路内の、前記冷却システムの低圧側の低圧ラインと、前記低圧ライン内の冷媒によって前記高圧ライン内の冷媒を冷却する少なくとも１つの熱交換器とを有する冷却プロセス部と、
    前記冷却プロセス部から高圧冷媒を受け入れる膨張デバイスと、
    前記冷却プロセス部の少なくとも一部をバイパスし、冷媒を前記冷却プロセス部内の１つの箇所へ流入させるように接続されているバイパス回路と、
    を備え、
    前記混合冷媒を使用して１８３Ｋより低い温度で冷却を行う冷却システム。
14. 請求項１３において、前記バイパス回路は、前記蒸発器の温度制御に使用される冷却システム。
15. 請求項１４において、前記バイパス回路は、前記冷媒に前記蒸発器の加温に使用される冷却システム。
16. 請求項１４において、前記バイパス回路は凍結を防止する回路である冷却システム。
17. 請求項１３において、前記バイパス回路は、より高い圧力でより高温の箇所から前記冷却プロセス部内におけるより低い圧力で低温の箇所まで設けられている冷却システム。
18. 請求項１７において、前記バイパス回路は流量制限部を含む冷却システム。
19. 請求項１３において、前記混合冷媒を使用して６５Ｋより高い温度での冷却を行う冷却システム。
20. 請求項１３において、前記混合冷媒は、大幅に異なる標準沸点を有する少なくとも２つの冷媒成分を含む冷却システム。
21. 請求項２０において、前記混合冷媒は、その標準沸点が少なくとも５０℃異なる少なくとも２つの冷媒成分を含む冷却システム。
    

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