KR100857487B1 - 극저온 교축 사이클 냉동 시스템에 사용하기 위한 불연성 혼합 냉매 - Google Patents

극저온 교축 사이클 냉동 시스템에 사용하기 위한 불연성 혼합 냉매 Download PDF

Info

Publication number
KR100857487B1
KR100857487B1 KR1020027002503A KR20027002503A KR100857487B1 KR 100857487 B1 KR100857487 B1 KR 100857487B1 KR 1020027002503 A KR1020027002503 A KR 1020027002503A KR 20027002503 A KR20027002503 A KR 20027002503A KR 100857487 B1 KR100857487 B1 KR 100857487B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
refrigerant
refrigerant mixture
mixture
refrigeration system
evaporator
Prior art date
Application number
KR1020027002503A
Other languages
English (en)
Other versions
KR20020054315A (ko
Inventor
플린케빈피
포드체르니이프올레그
보이아르스키미하일
모고리취니블라디미르
아파라오타미리사브이브이알
유딘보리스
Original Assignee
브룩스 오토메이션 인코퍼레이티드
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Priority claimed from US09/728,501 external-priority patent/US6481223B2/en
Application filed by 브룩스 오토메이션 인코퍼레이티드 filed Critical 브룩스 오토메이션 인코퍼레이티드
Publication of KR20020054315A publication Critical patent/KR20020054315A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100857487B1 publication Critical patent/KR100857487B1/ko

Links

Images

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B45/00—Arrangements for charging or discharging refrigerant
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K5/00—Heat-transfer, heat-exchange or heat-storage materials, e.g. refrigerants; Materials for the production of heat or cold by chemical reactions other than by combustion
    • C09K5/02—Materials undergoing a change of physical state when used
    • C09K5/04—Materials undergoing a change of physical state when used the change of state being from liquid to vapour or vice versa
    • C09K5/041—Materials undergoing a change of physical state when used the change of state being from liquid to vapour or vice versa for compression-type refrigeration systems
    • C09K5/044—Materials undergoing a change of physical state when used the change of state being from liquid to vapour or vice versa for compression-type refrigeration systems comprising halogenated compounds
    • C09K5/045—Materials undergoing a change of physical state when used the change of state being from liquid to vapour or vice versa for compression-type refrigeration systems comprising halogenated compounds containing only fluorine as halogen
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B39/00—Evaporators; Condensers
    • F25B39/02—Evaporators
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B9/00—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point
    • F25B9/002—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant
    • F25B9/006—Compression machines, plants or systems, in which the refrigerant is air or other gas of low boiling point characterised by the refrigerant the refrigerant containing more than one component
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/02—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled
    • F28D7/024—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being helically coiled the conduits of only one medium being helically coiled tubes, the coils having a cylindrical configuration
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K2205/00—Aspects relating to compounds used in compression type refrigeration systems
    • C09K2205/10—Components
    • C09K2205/11—Ethers
    • C09K2205/112—Halogenated ethers
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K2205/00—Aspects relating to compounds used in compression type refrigeration systems
    • C09K2205/10—Components
    • C09K2205/12—Hydrocarbons
    • C09K2205/128—Perfluorinated hydrocarbons
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K2205/00—Aspects relating to compounds used in compression type refrigeration systems
    • C09K2205/10—Components
    • C09K2205/13—Inert gases
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/16—Receivers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B2400/00—General features or devices for refrigeration machines, plants or systems, combined heating and refrigeration systems or heat-pump systems, i.e. not limited to a particular subgroup of F25B
    • F25B2400/18—Refrigerant conversion
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25D—REFRIGERATORS; COLD ROOMS; ICE-BOXES; COOLING OR FREEZING APPARATUS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F25D31/00—Other cooling or freezing apparatus
    • F25D31/002—Liquid coolers, e.g. beverage cooler

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Devices That Are Associated With Refrigeration Equipment (AREA)

Abstract

HCFC를 대신하여 R-236fa 및 R-125, 또는 R-125와 R-245fa, 또는 R-236ea, 또는 R-134a와 R-236fa를 사용함으로써 HCFC를 함유하는 냉매를 새로운 혼합물로 대체한다. 냉동 시스템의 온도, 압력 및 용량이 실질적으로 변하지 않도록 유지하기 위해 하드웨어나 오일 조성을 변경할 필요가 없다.

Description

극저온 교축 사이클 냉동 시스템에 사용하기 위한 불연성 혼합 냉매{NONFLAMMABLE MIXED REFRIGERANTS (MR) FOR USE WITH VERY LOW TEMPERATURE THROTTLE-CYCLE REFRIGERATION SYSTEMS}
본 발명은 극저온 냉동 시스템에 사용되는 불연성, 무독성의 무염소 냉매 혼합물의 사용에 관한 것이다.
냉동 시스템은 신뢰할 수 있는 밀봉식 냉동 시스템이 개발된 1900년대 초반부터 존재하여 왔다. 이 때로부터, 냉동 기술의 향상은 주거용 및 산업용 설비에서 모두 유용함이 증명되었다. 특히, 저온 냉동 시스템은 현재 생의학 용도, 저온 전자공학, 코팅 처리 및 반도체 제조 용도에서 산업의 핵심적인 기능을 맡고 있다.
223K (-50℃) 미만의 온도로 냉동시키는 것은, 특히 제조업 용도와 시험 용도에서 중요한 용도가 많다. 본 발명은 223K와 73K(-50℃와 -200℃) 사이의 온도로 냉동시키는 냉동 시스템에 관한 것이다. 이 범위에 해당하는 온도는 저온, 초저온 및 극저온이라고 다양하게 부르고 있다. 본 명세서에서, "매우 낮다" 또는 "극저온"이라는 용어는 223K 내지 73K(-50℃ 내지 -200℃)의 온도 범위를 의미한다. 진공 상태 하에서, 그리고 극저온 냉동 시스템과 통합되어 행하여지는 많은 제조 공정에서, 어떤 요소에 대해서는 급속한 가열이 필요하다. 이 가열 공정은 제상(除霜) 사이클이다. 이러한 가열을 통해 증발기 및 연결 냉매 라인이 실온으로 상승된다. 그러면, 공기로부터의 수분이 냉동 시스템의 이들 부분에 응결되지 않으면서 이들 부분이 대기와 통하여 환기될 수 있다. 전체 제상 사이클과, 후속하여 매우 낮은 온도를 다시 만들어 내는 데에 더 많은 시간이 걸릴수록 제조 시스템의 처리량이 감소한다. 신속한 제상과, 진공실내 저온 표면(증발기)의 냉각의 신속한 재개를 가능하게 하는 것은 진공 공정의 처리량 증가에 유리하다.
그러한 극저온으로 냉각하는 것이 필요한 진공 공정이 많이 있다. 그 주된 용도는 진공 시스템에 수증기를 저온 펌핑하는 것이다. 극저온 표면은 수증기 분자를 그것이 방출되는 속도보다 훨씬 빠른 속도로 포획하여 갖고 있게 된다. 그 결과, 진공실의 수증기의 분압이 신속하고도 현저히 낮아진다. 이 수증기 저온 펌핑 공정은 전자 저장 매체, 광학적 반사체, 금속화 부분(metallized part), 반도체 장치 등을 위한 진공 코팅 산업의 많은 물리적 증착 공정에서 매우 유용하다. 이 공정은 동결 건조 처리 중에 식품으로부터 수분을 제거하는 데에도 사용된다.
또 다른 용도로는 열방사를 차단하는 것이 있다. 이 용도에서는 대형 패널이 매우 낮은 온도로 냉각된다. 이 냉각된 패널은 진공실 표면과 히터로부터의 방사열을 차단한다. 이렇게 하면 패널보다 낮은 온도로 냉각되는 표면에 대한 열 부하를 감소시킬 수 있다. 또 하나의 용도는 제조되는 물체로부터 열을 제거하는 것이다. 용도에 따라서, 제조 대상 물체는 컴퓨터 하드 드라이브용 알루미늄 디스크이거나, 반도체 장치 제조용 실리콘 웨이퍼이거나, 유리나 플라스틱과 같은 플랫 패널 디스플레이용 재료이다. 이러한 경우에, 매우 낮은 온도는 공정 단계의 종료 시에 물체의 최종 온도가 실온보다 높다고 하더라도 물체로부터 열을 더 신속하게 제거하는 수단을 제공한다. 또한, 하드 디스크 드라이브 매체, 실리콘 웨이퍼, 플랫 패널 디스플레이 재료 또는 기타 기재를 포함하는 몇몇 용도에서는 제조 대상 물체에 재료를 증착하는 것이 포함된다. 그러한 경우, 증착으로 인해 물체로부터 열이 방출되므로, 물체의 온도를 미리 정해진 범위 내에서 유지하면서 방출되는 열을 제거해야 한다. 플래튼(platen)과 같은 표면을 냉각하는 것은 제조 대상 물체로부터 열을 제거하는 전형적인 수단이다. 이러한 경우 모두에서, 냉동 시스템과 냉각 대상 사이의 상호 작용이, 냉매가 매우 낮은 온도에서 냉각 대상으로부터 열을 제거하는 증발기에서 진행된다.
매우 낮은 온도의 또 다른 용도로는 생물학적 유체 및 조직의 저장과, 화학 공정 및 제약 공정에서의 반응 속도의 제어가 있다.
종래의 냉동 시스템은 그 동안 염화물 냉매를 사용하여 왔는데, 염화물 냉매는 환경에 유해하다는 것이 판명되었고 오존 파괴에 기여하는 것으로 알려져 있다. 따라서, 점차 엄격해지는 환경 규정으로 인해 냉동 업계(refrigeration industry)는 염화불화탄소(CFC) 대신에 염화수소불화탄소(HCFC)를 사용하게 되었다. 몬트리올 협약은 HCFC를 단계적으로 제거할 것을 요구하고 있고, 유럽연합 법은 2001년 1월 1일부터 냉동 시스템에 HCFC를 사용하는 것을 금지하였다. 따라서, 대체 냉매 혼합물의 개발이 필요하다. 불화탄화수소(HFC) 냉매는 불연성이고 독성이 낮으며 상업성을 갖는 좋은 후보이다. HFC를 상업 용도와 주거 용도로 사용하는 것은 잘 알려져 있지 않다. 그러나, 이들 용도는 전형적인 HFC 냉매를 매우 낮은 온도에서 사용할 것을 요구하지 않는다. 따라서, 온도가 매우 낮은 혼합물에서 그러한 냉매의 성능과 거동은 알려져 있지 않다.
대체 냉매를 선택할 때, 불연성의 무독성 냉매(허용 가능한 노출 한계가 400 ppm보다 큰)를 사용하는 것이 바람직하다.
종래의 극저온 시스템은 오일을 취급할 수 있도록 가연성 성분을 사용하였다. 염화물 냉매를 사용하는 극저온 시스템에서 사용되는 오일은, 가압되면 실온에서 액화될 수 있는 고온 비등 성분과의 혼화성(混和性)이 양호하다. R-23과 같은 저온 비등 HFC 냉매는 이러한 오일과 혼화되지 않으며, 냉동 공정(refrigeration process)의 저온 부분에 이르기 전에는 쉽게 액화되지 않는다. 이 비혼화성으로 인해 압축기 오일이 분리되어 동결되며, 그에 따라 관, 여과기, 밸브 또는 교축 장치가 막힘으로써 시스템 고장이 발생한다. 그러한 낮은 온도에서 혼화성을 부여하기 위해 냉매 혼합물에 에탄을 첨가하였다. 불행하게도, 에탄은 가연성이고, 수요자의 만족 수준을 제한할 수 있으며, 시스템 제어 요구 사항, 설비 요구 사항 및 비용을 추가할 수 있다. 따라서, 모든 가연성 성분을 제거하는 것이 바람직하다.
또한, 독성 냉매를 사용하면 수요자의 만족 범위가 제한될 수 있고, 시스템 제어 요구 사항, 설비 요구 사항 및 비용이 추가로 소요될 수 있다. 허용 가능한 노출 한계(PEL)는 OSHA 규정 하에서 작업자가 노출될 수 있는 화학 물질의 최대량 또는 최대 농도이다. 혼합 냉매의 경우, 임의 성분의 PEL이 400 ppm 미만이면 독 성이 있는 것으로 간주되며, 작업 기술자와 같이 냉매에 노출될 수 있는 개인의 건강을 위협한다. 따라서, 성분들의 PEL이 400 ppm보다 큰 냉매를 사용하는 것이 유리하다.
또 다른 요구 사항은 냉매 혼합물로부터 동결되지 않는 냉매들의 혼합물을 개발하는 것이다. 냉동 시스템에서의 "동결(freezeout)" 상태는 하나 이상의 냉매 성분이나 압축기 오일이 고화되거나 흐르지 않는 정도까지 점도가 매우 높아지는 때이다. 냉동 시스템의 보통의 작동 시에, 흡입 압력은 온도 감소에 따라 감소한다. 동결 상태가 발생하면 흡입 압력은 더욱 강하하여 포지티브 피드백(positive feed back)이 생기고 온도가 더욱 감소함으로써 동결 상태가 심화된다. 필요한 것은 혼합 냉매 냉동 시스템에서 동결을 방지하는 방법이다. 이용 가능한 HFC 냉매는, 대체 대상인 HCFC 및 CFC 냉매보다 동결점의 온도가 높다. 이들 냉매가 다소 새롭고, 이들을 극저온에서 사용하는 것이 흔하지 않기 때문에, 이들 새로운 냉매의 혼합물의 동결 거동을 예측할 수 있는 정보를 갖는 사람이 없다.
불화탄화수소(HFC)를 사용할 때의 또 다른 문제점은, 이들 냉매는 알킬벤젠 오일 중에서 혼화되지 않기 때문에, HFC 냉매와 함께 사용될 수 있도록 폴리올에스테르(POE)(1998년 ASHRAE Refrigeration Handbook, 7장, 7.4 페이지, American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers) 압축기 오일이 사용된다는 점이다. 적절한 오일의 선택은 극저온 시스템의 경우 필수적인데, 왜냐하면 오일은 압축기를 잘 윤활시켜야 할 뿐만 아니라, 매우 낮은 온도에서 냉매로부터 분리되어 동결되지 않아야 한다.
통상, 냉동 업계에서 냉매의 변경은 압축기 또는 밸브와 같은 하드웨어 요소의 변경를 필요로 한다. 그 결과, 냉매의 변경은 고가의 장비 개조 및 그에 따른 작업 정지를 초래할 수 있다. 필요한 것은 기존 하드웨어 및 재료와 함께 사용할 수 있는 최근 개발된 HFC 혼합 냉매와 함께 기존 냉각 설비를 사용하는 방법이다. 이것은, 극저온 시스템은 몇 가지의 상이한 모드에서 작동해야 한다는 사실 때문에 더욱 복잡해진다. 이러한 시스템에서는 시작 공정도 간단하지가 않은데, 왜냐하면 많은 냉매들이 정상 상태 작동 시에는 액체이지만, 시스템이 실온일 때에는 기체 상태이기 때문이다. 또한, 급속히 제상시키는 것과 같이 작동이 심하게 변하는 경우, 시스템이 작동 온도나 압력의 한계를 초과하지 않고 작동하도록 하기 위해서 냉매를 적절히 혼합해야 한다. 본 발명에 따라 개발된 각각의 혼합물을 표 1(도 1)에 나타내었으며, 혼합물 A, 혼합물 B 등과 같이 표시하였다. 또한, 이들 혼합물을 사용한, 미국 캘리포니아주 산 라파엘에 소재하는 IGC Polycold Systems, Inc.가 개발한 시판 제품의 모델 번호도 표에 나타내었다.
예를 들면, 선행 기술의 냉동 유닛은 R-123, R-22, R-23, R-170, R-14 및 아르곤을 함유한 혼합물을 사용하였으며, 이 혼합물을 혼합물 A(표 1)로 대체하여, HCFC를 사용하지 않고, 그리고 가연성 냉매 또는 독성 냉매를 사용하지 않으면서 동등한 냉동 성능을 제공한다는 목표를 성공적으로 달성하였다.
또한, 본 발명에 따르면, 나열된 성분(표 1)의 비가 서로에 대해 일정한 비율로 유지된다는 가정 하에, 전술한 조성물에 다른 성분을 첨가할 수 있다.
Praxair Technology, Inc.에게 양도된 "공업용 가스의 단일 회로 극저온 액화"라는 제목의 미국 특허 제6,041,612호에는 공업용 가스를 더 효율적으로 액화하는 방법이 개시되어 있는데, 여기서 액화를 위한 냉동은 정의된 다중 성분 냉매 유체를 사용함으로써 발생하고 주위 온도로부터 극저온에 이르는 넓은 온도 범위에 걸쳐 단일 흐름 회로에 의해 제공된다.
General Signal Corporation(미국 커네티컷주 스탬포드 소재)에게 양도된 "비CFC 냉매 혼합물"이라는 제목의 미국 특허 제5,702,632호에는 실질적으로 CFC가 아닌 냉매 혼합물을 순환시키는 데에 유용한 냉동 열교환기 섹션이 개시되어 있는데, 이 섹션은 압축기 수단, 보조 응축기, 제1 응축기, 제2 응축기, 제3 응축기, 과냉각기 및 액체/가스 분리기를 포함하며, 액체/가스 분리기로부터 바닥 성분으로서 취출되는 과냉각된 냉매 유체 혼합물은 제1 팽창 수단 및 제2 팽창 수단에 의해 분배 및 팽창되어 제1의 팽창된 흐름과 제2의 팽창된 흐름을 각각 형성하고, 압축기의 과열을 피하기 위해 제1의 팽창된 흐름은 보조 응축기 및 압축기로 복귀한다.
General Singal Corporation(미국 커네티컷주 스탬포드 소재)에게 양도된 "비CFC 자동 캐스케이드 냉동 시스템(Non-CFC auto-cascade refrigeration system)"이라는 제목의 미국 특허 제5,408,848호에는 실질적으로 CFC가 아닌 냉매 혼합물을 순환시키는 데에 유용한 냉동 열교환기 섹션이 개시되어 있는데, 이 섹션은 압축기 수단, 보조 응축기, 제1 응축기, 제2 응축기, 제3 응축기, 과냉각기 및 액체/가스 분리기를 포함하며, 액체/가스 분리기로부터 바닥 성분으로서 취출되는 과냉각된 냉매 유체 혼합물은 제1 팽창 수단 및 제2 팽창 수단에 의해 분배 및 팽창되어 제1의 팽창된 흐름과 제2의 팽창된 흐름을 각각 형성하고, 압축기의 과열을 피하기 위해 제1의 팽창된 흐름은 보조 응축기 및 압축기로 복귀한다.
본 발명은 다양한 구조의 극저온 교축 사이클 냉동 시스템에 사용되는 불연성, 무독성의 무염소 혼합 냉매(MR)에 관한 것이다.
본 발명의 불연성, 무독성의 무염소 혼합 냉매는 혼합 냉매 시스템, 자동 냉동 캐스케이드 사이클(auto-refrigerating cascade cycle), 클리멘코 사이클(Kleemenko cycle) 또는 단일의 팽창 장치 시스템과 같은 극저온 냉동 시스템 또는 공정에 사용하기 위한 것이다. 이 냉동 시스템은 적어도 하나의 압축기와, 단일 스테이지(상분리기 없음) 또는 다중 스테이지(적어도 하나의 상분리기) 구조의 교축 사이클을 포함한다. 다중 스테이지 교축 사이클은 자동 냉동 캐스케이드 사이클이라고도 부르는 것으로, 냉동 공정 중에 적어도 하나의 냉매의 증기-액체 상분리기를 사용하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 불연성, 무독성의 무염소 혼합 냉매 혼합물은 제상 사이클이 긴 냉동 시스템에 유용하다.
본 발명의 잇점은 극저온 냉동 시스템에 사용하기 위한 불연성, 무독성의 무염소 냉매 혼합물이 제공된다는 점이다.
본 발명의 또 하나의 잇점은 극저온 냉동 시스템에서 사용되는 HFC 냉매와 함께 사용하기 위한 적절한 압축기 오일이 제공된다는 점이다.
본 발명의 또 다른 잇점은, 고온 동결 냉매의 한계가 확인됨으로써 본 발명의 불연성, 무독성의 무염소 혼합 냉매 혼합물을 고온 동결 성분의 동결점 미만의 온도에서 사용할 수 있다는 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 HCFC를 함유한 종래의 혼합물과 동일한 냉동 성능을 제공하기 위해 압축기, 냉매의 액체-증기 상분리기, 교축 장치 및 열교환 장치를 변경하는 일 없이 사용될 수 있으며 HCFC를 포함하지 않는 개선된 냉매 혼합물을 개발하는 것이다.
따라서, 본 발명은 후술하는 혼합물을 통해 예시되는 성분들의 특징, 특성 및 관계를 지닌 냉매 혼합물 및 적절한 압축기 오일을 포함하며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위를 통해 나타난다.
본 발명의 다른 목적과 잇점들은 이하의 설명으로부터 명백해질 것이다.
따라서, 본 발명은 후술하는 구조들을 통해 예시되는 구조, 요소들의 조합, 부품들의 배치의 특징들을 포함하며, 본 발명의 범위는 후술하는 청구범위를 통해 나타난다.
본 발명을 더 잘 이해하기 위해, 첨부된 도면과 함께 이하의 설명을 참조하기 바란다.
도 1은 본 발명에 따른 냉매 혼합물을 사용할 때 하드웨어의 변형 없이 작동 가능하고, 자동 냉동 캐스케이드 공정을 이용하며, 제상 능력이 있는, 극저온 냉동 시스템의 개략도.
도 2는 본 발명에 따른 도 1의 냉동 시스템에 사용하기 위한 또 다른 냉동 공정과, 단일 상분리기 자동 냉동 캐스케이드의 부분 개략도.
도 3은 본 발명에 따른 도 1의 냉동 시스템에 사용하기 위한 또 다른 냉동 공정의 부분 개략도.
도 4는 본 발명에 따른 냉매 혼합 조성물을 나타내는 표 1.
도 5는 본 발명에 따른 혼합물을 사용한 냉동 시스템 성능의 비교를 위한 표 2.
도 6은 본 발명에 따라 냉매의 동결 없이 105 K까지의 냉동을 달성하는 데에 사용될 수 있는 냉매 혼합물을 나타내는 표 3.
도 7은 본 발명에 따라 냉매의 동결 없이 118 K까지의 냉동을 달성하는 데에 사용될 수 있는 냉매 혼합물을 나타내는 표 4.
도 8은 본 발명에 따라 냉매의 동결 없이 130 K까지의 냉동을 달성하는 데에 사용될 수 있는 냉매 혼합물을 나타내는 표 5.
도 9는 본 발명에 따라 냉매의 동결 없이 140 K까지의 냉동을 달성하는 데에 사용될 수 있는 냉매 혼합물을 나타내는 표 6.
도 10은 본 발명에 따라 냉매의 동결 없이 155 K까지의 냉동을 달성하는 데에 사용될 수 있는 냉매 혼합물을 나타내는 표 3.
도 11은 본 발명에 따라 냉매의 동결 없이 표 3 내지 표 7에 사용된 한계를 결정하기 위해 시험된 냉매 혼합물을 나타내는 표 8.
도 12는 본 발명에 따라 개별 냉매 및 냉매 혼합물이 냉매 또는 압축기 오일의 동결 없이 그 압축기 오일과 조합하여 사용될 수 있는 온도를 나타내는 표 9.
제1 실시 형태에 있어서, 도 1은 본 발명에 따른 혼합 냉매를 사용하는 극저온 냉동 시스템(100)을 보여주고 있다. 이 냉동 시스템(100)은 배출 라인(106)을 통해 응축기(104)로 공급물을 공급하는 선택적인 오일 분리기(124)로 공급물을 공급하는 압축기(102)를 포함한 극저온 냉동 시스템이다. 오일 분리기(124)의 제2 유출구는 냉동 공정(108)과 압축기(102) 사이의 노드에서 오일 복귀 라인(130)을 통해 압축기 흡입 라인(122)으로 공급물을 다시 공급한다. 응축기(104)는 액체 라인(110)을 통해 냉동 공정(108)의 공급물 유입구로 공급물을 공급한다. 냉동 공정(108)의 공급물 유출구는 냉매 공급 라인(114)을 통해 증발기(112)의 유입구로 공급물을 공급한다. 냉매 공급 라인(114) 가운데 냉동 공정(108)과 증발기(112) 사이의 라인에는 솔레노이드 밸브(118)로 공급물을 공급하는 흐름 측정 장치(FMD)(116)가 있다. 증발기(112)의 유출구는 냉매 복귀 라인(120)을 통해 냉동 공정(108)의 복귀 유입구로 공급물을 공급한다. 냉동 공정(108)의 복귀 유출구는 공급물을 압축기 흡입 라인(122)을 통해 압축기(102)로 되돌림으로써 루프를 폐쇄한다. 다른 구성에 따르면, 솔레노이드 밸브(118)는 냉동 공정(108)의 유출구와 흐름 측정 장치(116) 사이에 위치한다.
냉동 시스템(100)은 솔레노이드 밸브(118)와 증발기(112) 사이의 노드로 냉매를 이송하는 솔레노이드 밸브(160)로 공급물을 공급하는 제상 공급 라인(128)을 더 포함한다.
오일이 없는 압축기가 사용된다면 오일 분리기(124)는 필요 없다. 또한, 어떤 경우에는 압축기를 빠져 나오는 배출 라인 내의 오일 농도가 오일 분리기가 불필요할 정도로 낮다. 다른 변형례에서는, 오일 분리기가 제상 공급 라인(128)에 설치된다.
증발기(112)는 도시된 바와 같이 완전한 냉동 시스템(110)의 일부로서 종종 통합된다. 다른 구성에 따르면, 증발기(112)는 구매자나 기타 제3자에 의해 마련되어, 완전한 냉동 시스템(100)의 설치 시에 조립된다. 증발기(112)의 제작은 종종 매우 간단하며, 구리 또는 스테인레스강 배관으로 이루어질 수 있다. 주된 발명은 냉동 시스템(100)의 다른 부분의 사양에 의해 구체화된다.
본 발명의 구조에 공통된 또 다른 요소는 증발기(112)가 냉동 시스템(100)의 기타 요소로부터 전형적으로는 6 피트 내지 100 피트인 상당한 거리에 위치할 수 있게 하는 연결 라인이다. 이 연결 라인은 별도의 요소로서 도시하지 않았다.
자동 냉동 캐스케이드 시스템으로서 도시한 냉동 공정(108)은 열교환기(132), 상분리기(134), 열교환기(136), 상분리기(138), 열교환기(140), 상분리기(142), 열교환기(144), 흐름 측정 장치(flow metering device; FMD)(146), FMD(148) 및 FMD(150)를 포함한다. 열교환기는 고압 냉매로부터 저압 냉매로 열을 전달한다. FMD들은 고압 냉매를 저압 냉매로 교축시켜, 그 교축 공정의 결과로서 냉동 효과를 생성한다.
공급 냉매가 냉동 공정(108)을 통해 흐르는 경로를 설명한다. 열교환기(132)의 공급물 유입구는 액체 라인(110)으로부터 공급물을 공급받고, 열교환기(132)의 공급물 유출구는 상분리기(134)의 공급물 유입구로 공급물을 공급한다. 상분리기(134)의 공급물 유출구는 열교환기(136)의 공급물 유입구로 공급물을 공급하고, 열교환기(136)의 공급물 유출구는 상분리기(138)의 공급물 유입구로 공급물을 공급한다. 상분리기(138)의 공급물 유출구는 열교환기(140)의 공급물 유입구로 공급물을 공급하고, 열교환기(140)의 공급물 유출구는 상분리기(142)의 공급물 유입구로 공급물을 공급한다. 상분리기(142)의 공급물 유출구는 열교환기(144)의 공급물 유입구로 공급물을 공급하고, 열교환기(144)의 공급물 유출구는 냉매 공급 라인(114)으로 공급물을 공급한다.
복귀 냉매가 냉동 공정(108)을 통해 흐르는 경로를 설명한다. 열교환기(144)의 복귀 유입구는 냉매 복귀 라인(120)으로부터 공급물을 공급받고, 열교환기(144)의 복귀 유출구는 열교환기(140)의 복귀 유입구로 공급물을 공급한다. 열교환기(140)의 복귀 유출구는 열교환기(136)의 복귀 유입구로 공급물을 공급한다. 열교환기(136)의 복귀 유출구는 열교환기(132)의 복귀 유입구로 공급물을 공급한다. 열교환기(132)의 복귀 유출구는 흡입 라인(122)으로 공급물을 공급한다.
또한, 상분리기(134)의 제2 유출구는 열교환기(136)와 열교환기(140) 사이의 노드에서 냉매 복귀 경로 내로 공급물을 공급하는 FMD(146)에 공급물을 공급한다. 상분리기(138)의 제2 유출구는 열교환기(140)와 열교환기(144) 사이의 노드에서 냉매 복귀 경로 내로 공급물을 공급하는 FMD(148)에 공급물을 공급한다. 유사한 방식으로, 상분리기(142)의 제2 유출구는 열교환기(144)와 증발기(112) 사이의 노드에서 냉매 복귀 라인(120) 내로 공급물을 공급하는 FMD(150)에 공급물을 공급한다.
각각의 경우에서, 상분리기(134, 138, 142)는 액체 냉매를 증기 냉매로부터 분리하는 역할을 한다. 분리 효율은 40%로부터 100%까지 변한다(다시 말하면, 60%로부터 0%까지의 임의 범위의 액체 냉매가 제1 유출구를 탈출할 수 있음). 제1 유 출구는 우선적으로 증기이다. 제2 유출구는 선택적으로 액체이다. 각 상분리기로부터의 액체는 흐름 측정 장치(FMD)로 나타낸 교축 장치, 전형적으로는 모세관에 의해 팽창된다. 보다 상세하게는, 상분리기(134)로부터의 액체는 FMD(146)로 공급되고, 상분리기(138)로부터의 액체는 FMD(148)로 공급되며, 상분리기(143)로부터의 액체는 FMD(150)로 공급된다. 따라서, 액체는 상분리기(134, 138, 142)를 빠져 나올 때 고압 상태이고, 복귀하는 저압 냉매와 혼합될 때 저압이다.
냉동 시스템(100)은 상분리기(134)의 제1 유출구의 한 분기부로부터 공급물을 공급받는 솔레노이드 밸브(152)를 더 포함한다. 이 솔레노이드 밸브(152)의 유출구는 제2 팽창 탱크(156)와 직렬로 연결된 팽창 탱크(154)에 공급물을 공급한다. 또한, FMD(158)의 유입구는 솔레노이드 밸브(152)와 팽창 탱크(154) 사이의 노드에 연결된다. FMD(158)의 유출구는 열교환기(136)와 열교환기(132) 사이의 노드에서 냉매 복귀 경로 내로 공급물을 공급한다.
냉동 시스템(100)은 냉각(cool), 제상(defrost) 및 대기(standby)의 3 가지 모드 중 하나에서 작동할 수 있다. 전술한 냉매 혼합물은 이 3 가지 모드 각각에서 작동할 수 있게 해 준다. 솔레노이드 밸브(160) 및 솔레노이드 밸브(118)가 모두 폐쇄 위치에 있으면 시스템이 준비 모드에 있는 것을 의미한다. 증발기로 냉매가 흐르지 않는다. 냉매는 고압 냉매를 냉동 공정(108)의 저온 측부로 이송시키는 내부 흐름 측정 장치[즉, FMD(146), FMD(148), FMD(150])에 의해 냉동 공정(108) 내에서만 흐른다. 이는 무한히 지속될 수 있는 냉동 공정(108)의 작동이 계속되도록 한다. 단일 교축 냉동 공정이 사용되는 경우, 작동 모드 가운데 준비 모드는 냉매가 냉동 공정(108)의 고압 측부로부터 저압 측부로 흐르게 하기 위한, 흐름이 교축부를 통과하게 하는 수단이 준비 모드 중에 이용 가능한 경우에만 가능하다. 이는 구성에 따라서는 증발기로 향하는, 또는 냉동 공정으로 복귀하는 냉매의 흐름을 제어하기 위한 한 쌍의 솔레노이드 밸브에 의해 가능하다. 다른 구성에서는, 준비 모드 중의 이 내부 흐름을 가능하게 하기 위해서 추가의 교축 및 솔레노이드 밸브가 사용된다.
솔레노이드 밸브(118)를 개방함으로써 시스템은 냉각 모드가 된다. 이 작동 모드에서 솔레노이드 밸브(160)는 폐쇄 위치에 있다. 냉동 공정(108)으로부터의 극저온용 냉매는 FMD(116)에 의해 팽창되어 솔레노이드 밸브(118)를 통해 증발기(112)로 흐른 후, 냉매 복귀 라인(120)을 통해 냉동 공정(108)으로 복귀한다. 냉동 시스템(100)은 이 모드에서 무한히 작동할 수 있다.
솔레노이드 밸브(160)를 개방함으로써 냉동 시스템(100)은 제상 모드가 된다. 이 작동 모드에서, 솔레노이드 밸브(118)는 폐쇄 위치에 있다. 제상 모드에서는, 압축기(102)로부터의 고온 가스가 증발기(112)로 공급된다. 제상 모드는 축적되는 응결 수증기(즉, 얼음)를 제거해서 진공실이 대기로 환기될 때 증발기(112) 표면에 응결이 생기는 것을 방지하거나, 작업자가 극저온에 노출되는 위험을 제거할 목적으로 증발기(112)의 표면을 실온으로 가열하기 위해 개시되는 것이 전형적이다. 고온 냉매는 오일 분리기(124)를 통해 제상 라인(128)을 경유하여 솔레노이드 밸브(160)로 흘러, 솔레노이드 밸브(118)와 증발기(112) 사이의 노드로 공급되어 증발기(112)로 흐른다. 제상 초기에, 증발기(112)는 온도가 매우 낮아서 고온 냉매 가스를 냉각시키고 전체적으로 또는 부분적으로 응축시킨다. 그러면, 냉매는 냉매 복귀 라인(120)을 통해 냉동 공정(108)으로 복귀한다. 복귀하는 제상 냉매의 초기 온도는 보통 냉각 모드에서 제공되는 온도와 매우 유사한 매우 온도이다. 제상 공정이 진행됨에 따라 증발기(112)의 온도가 상승한다. 마침내, 복귀하는 제상 가스의 온도는 냉각 모드에서 제공되는 온도보다 매우 높아진다. 그 결과 냉동 공정(108)의 다량의 열 부하가 생긴다. 이는 단기간 동안, 전형적으로는 증발기(112)의 표면 전체를 실온으로 가열하는 데에 보통 충분한 시간인 2 내지 7분 동안 용인될 수 있다. 전형적으로는 온도 센서(도시하지 않았음)가 냉매 복귀 라인(120)과 열 접촉 상태에 있다. 냉매 복귀 라인(120)의 온도가 원하는 값에 도달하면, 온도 센서는 제어 시스템(도시하지 않았음)이 제상을 종료하게 하여 솔레노이드 밸브(160)를 폐쇄시키고 냉동 시스템(100)이 대기 모드로 되도록 한다. 전형적으로는, 제상 종료 후 냉동 공정(108)이 냉각 모드로 전환되기 전에 온도를 낮출 수 있도록 하기 위해 짧은 대기 시간, 전형적으로는 5분이 필요하다.
연속 작동을 가능하게 하는 제상을 제공하는 또 다른 수단은 미국 특허 출원 제09/870,385호에 개시되어 있다.
전술한 바와 같은 냉동 시스템(100)의 모든 요소의 상호 연결은 냉매가 흐르도록 하기 위함이다. 냉동 시스템(100)의 모든 요소[즉, 압축기(102), 응축기(104), 냉동 공정(108), 증발기(112), FMD(116), 솔레노이드 밸브(118), 오일 분리기(124), 열교환기(132), 상분리기(134), 열교환기(136), 상분리기(138), 열교환기(140), 상분리기(142), 열교환기(144), 솔레노이드 밸브(152), 팽창 탱크(154), 팽창 탱크(156) 및 FMD(158)]는 당업계에 잘 알려져 있다. 하지만, 이들 요소에 대해 이하에서 간략히 설명한다.
이 개시 내용의 예시를 위해, 냉동 시스템(100)의 냉동 공정(108)은 도 1에서 자동 냉동 캐스케이드 사이클의 한 가지 형태로 도시되어 있다. 그러나, 극저온 냉동 시스템(100)의 냉동 공정(108)은 혼합 냉매를 사용하는 임의의 극저온 냉동 시스템이다.
보다 상세하게 설명하면, 냉동 공정(108)은 IGC-Polycold Systems(미국 캘리포니아주 산 라파엘 소재)의 자동 냉동 캐스케이드 공정, 또는 IGC-APD Cryogenics(미국 펜실베니아주 앨런타운 소재)의 APD 시스템(즉, 상분리 기능이 없는 단일 스테이지 저온 냉각기), 미시머(Missimer) 타입 사이클(즉, 자동 냉동 캐스케이드, 미시머의 미국 특허 제3,768,273호), 클리멘코(Kleemenko) 타입(즉, 2상 분리 시스템), 단상 분리 시스템, 또는 롱스워스(Longsworth)의 미국 특허 제5,441,658호의 단일 팽창 장치 타입일 수 있다. 또한, 냉동 공정(108)은 포레스트(Forrest)의 미국 특허 제4,597,267호와 미시머(Missimer)의 미국 특허 제4,535,597호에 기재되어 있는 공정의 변형 형태이거나, 상분리기의 스테이지가 없거나, 하나이거나, 둘 이상인 임의의 극저온 냉동 공정일 수 있다. 저온 냉동과 극저온 냉동에 대한 추가의 참조 내용은 American Society of Heating, Refrigeration, and Air Conditioning Engineering에서 발행한 1998년 ASHRAE Refrigeration Handbook의 39장에서 발견할 수 있다. 사용되는 상분리기의 개수 외에도, 사용되는 열교환기의 개수와 사용되는 내부 교축 장치의 개수도 다양한 구성에 따라 특정 용도에 적절하게 증감할 수 있다.
도 1에 도시된 냉동 공정(108)은 기본적으로 몇 가지 변형이 가능하다. 도 1에 도시된 냉동 시스템(100)은 단일 압축기와 연관되어 있다. 그러나, 2개의 압축기를 병렬로 사용해서 이와 동일한 압축 효과를 얻을 수 있다는 것과, 직렬로 배치된 압축기 또는 2단 압축기를 통해 압축 공정을 다단으로 나눌 수 있다는 것을 알 수 있다. 모든 가능한 변형례들은 본 발명의 개시 범위 내에 있다. 바람직한 실시 형태는 단일 압축기를 사용하는데, 왜냐하면 신뢰성이 향상되기 때문이다. 압축기를 병렬로 2개 사용하는 것은 냉동 시스템의 부하가 적을 때 에너지 소비를 감소시키는 데에 유용하다. 이 접근 방식의 불리한 점은 구성 성분, 제어, 필요 설치 공간 및 비용이 추가되고 신뢰성이 감소하는 것이다. 압축기를 직렬로 2개 사용하면 각 압축 단에서의 압축비를 감소시키기 위한 수단이 제공된다. 이는 압축된 냉매 가스가 도달하는 최대 배출 온도를 감소시키는 잇점을 제공한다. 그러나, 이는 추가의 구성 성분, 제어 및 비용이 너무 많이 필요하고 시스템 신뢰성을 저하시킨다. 바람직한 실시 형태는 단일 압축기를 사용한다. 단일 압축기의 경우, 단단의 압축에서 혼합 냉매는 과도한 압축비 또는 배출 온도 없이 성공적으로 압축되었다. 다단 압축을 행하도록 설계되고 압축 단 사이의 냉매를 냉각을 할 수 있게 하는 압축기를 사용하면, 단일 압축기가 여전히 사용되기 때문에, 복잡성이 증가하는 불리한 점을 최소화하면서 분리된 압축 스테이지의 잇점을 그대로 갖게 된다.
도 1에 도시한 냉동 시스템(100)은 단일 증발기와 관련되어 있다. 흔한 변형례의 하나는 다중 증발기에 대해 개별적으로 제상 및 냉각을 제어하는 것이다. 그러한 구성에서는 증발기가 병렬로 위치하고, 저온 냉매 또는 고온 제상 가스의 흐름을 제어하기 위해 밸브(160) 및 밸브(118)와 같은 밸브 세트와 필요한 연결 라인을 각각 구비한다. 그러면, 예컨대 다른 증발기는 개별적으로 냉각, 제상 또는 대기 모드에 있으면서 하나 이상의 증발기가 냉각, 제상 또는 대기 모드에 있을 수 있다.
냉동 시스템(100)은 상분리기(134)의 제1 유출구로부터의 분기부에 의해 공급물을 공급받는 솔레노이드 밸브(152)를 더 포함한다. 솔레노이드 밸브(152)의 유출구는 제2 팽창 탱크(156)와 직렬로 연결된 팽창 탱크(154)로 공급물을 공급한다. 또한, FMD(158)의 유입구는 솔레노이드 밸브(152)와 팽창 탱크(154) 사이의 노드에 연결된다. FMD(158)의 유출구는 열교환기(136)와 열교환기(132) 사이의 노드에서 냉매 복귀 경로 내로 공급물을 공급한다.
시동시, 냉동 시스템(100)의 대부분의 냉매는 가스 상태인 것이 전형적인데, 왜냐하면 냉동 시스템 전체가 실온 상태이기 때문이다. 냉각 시간이 최적화되도록 냉매 가스를 관리하는 것이 중요하다. 시동시 냉동 시스템(100)에서 순환으로부터 가스를 선택적으로 제거하는 것은 그러한 최적화에 유리하다. 또한, 가스가 냉동 시스템(100)으로 다시 흘러 들어가는 속도도 냉각 속도에 영향을 준다.
시스템 제어기(도시하지 않았음)는 시동 시에 솔레노이드 밸브(152)를 잠시, 전형적으로는 10 내지 20초 동안 개방한다. 솔레노이드 밸브(152)는, 예를 들면 Sporlan Model B6 밸브(몬태너주 워싱턴)이다. 결과적으로, 시동 시에, 냉매 가스는 상분리기(134)로부터 빠져 나와 팽창 탱크(154)와 팽창 탱크(156)의 직렬 조합으로 공급물을 공급한다. FMD(158)는 팽창 탱크(154) 및 팽창 탱크(156)로 들어가고 그로부터 나오는 냉매 가스의 흐름을 조절한다. FMD(158)를 통한 흐름을 설정하는 데에 있어서의 두 가지 고려 사항을 설명한다. 이 흐름은, 냉각이 최적화될 수 있도록, 냉동 시스템(100)으로 복귀하는 가스가 시간과 작동 상태에 상관 없이 응축기에서 응축될 수 있을 정도로 천천히 흘러야 한다. 냉각 시간이 15 내지 60분의 크기로 될 수 있도록 하는 것은 바로 이 시동 공정 시의 액체의 초기 형성이다. 그러나, 이와 동시에, FMD(158)을 통과하는 흐름의 속도는, 흡입 압력이 낮아 시스템 작동이 중단되는 것을 방지하기에 충분한 냉매가 냉동 시스템(100)으로 흘러 들어갈 수 있도록 충분히 커야 한다. 팽창 탱크(154) 및 팽창 탱크(156)로 흘러 들어가고 그로부터 흘러 나오는 가스의 흐름은 도 1에 도시된 바와 같이 FMD(158)를 이용하여 수동 제어된다. 대안으로서, 센서와 함께 제어기를 사용하여 흐름을 능동적으로 제어할 수 있다.
팽창 탱크 장치는 적어도 하나의 압력 용기를 포함하며, 직렬 또는 병렬로 배치된 임의 개수의 팽창 탱크나 임의 조합의 팽창 탱크로 이루어질 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 실시 형태 하나 또는 둘의 혼합 냉매를 사용하는 냉동 공정(108)의 변형례를 보여주고 있다. 통상적으로, 이 구성은 단일 상분리기를 갖는 자동 냉동 캐스케이드 공정이라고 부른다. 도 2의 냉동 공정(200)은 열교환기(202), 상분리기(204), 열교환기(206), 열교환기(208) 및 FMD(210)를 포함한다.
공급 냉매가 냉동 공정(200)을 통해 흐르는 경로에 대해 설명한다. 열교환기(202)의 공급물 유입구는 액체 라인(110)으로부터 공급물을 공급받고, 열교환기(202)의 공급물 유출구는 상분리기(204)의 공급물 유입구로 공급물을 공급한다. 상분리기(204)의 공급물 유출구는 열교환기(206)의 공급물 유입구로 공급물을 공급하고, 열교환기(206)의 공급물 유출구는 열교환기(208)의 공급물 유입구로 공급물을 공급한다. 열교환기(208)의 공급물 유출구는 냉매 공급 라인(114)으로 공급물을 공급한다.
복귀 냉매가 냉동 공정(200)을 통해 흐르는 경로에 대해 설명한다. 열교환기(208)의 복귀 유입구는 냉매 복귀 라인(120)으로부터 공급물을 공급받고, 열교환기(208)의 복귀 유출구는 열교환기(206)의 복귀 유입구로 공급물을 공급한다. 열교환기(206)의 복귀 유출구는 열교환기(202)의 복귀 유입구로 공급물을 공급한다. 열교환기(202)의 복귀 유출구는 압축기 흡입 라인(122)으로 공급물을 공급한다. 또한, 상분리기(204)의 제2 유출구로부터의 액체는 FMD(210)를 통해 열교환기(206)와 열교환기(208) 사이의 노드에서 냉매 복귀 경로 내로 흘러 들어간다. 이 액체는 상분리기(204)를 빠져 나올 때에는 고압 상태이고, 복귀하는 저압 냉매와 혼합될 때에는 저압 상태이다.
도 3은 본 발명에 따른 실시예의 하나 또는 둘의 혼합 냉매를 사용하는 냉동 공정(108)의 또 다른 변형례를 보여 주고 있다. 도 3의 냉동 공정(300)은 열교환기(302) 하나만 포함한다. 이 구성은 상분리가 없는 시스템이라고 부르며, 전술한 롱스워스의 특허에 개시된 구성과 유사하다.
공급 냉매가 냉동 공정(300)을 통해 흐르는 경로에 대해 설명한다. 열교환기(302)의 공급물 유입구는 액체 라인(110)으로부터 공급물을 공급받고, 열교환기(302)의 공급물 유출구는 냉매 공급 라인(114)으로 공급물을 공급한다.
복귀 냉매가 냉동 공정(300)을 통해 흐르는 경로에 대해 설명한다. 열교환기(302)의 복귀 유입구는 냉매 복귀 라인(120)으로부터 공급물을 공급받고, 열교환기(302)의 복귀 유출구는 압축기 흡입 라인(122)으로 공급물을 공급한다.
냉동 공정(300)은 제상 모드나 대기 보드를 위해서는 추가의 구성 성분을 필요로 한다. 고압 냉매가 저압으로 교축되어 압축기로 복귀할 수 있게 하는 복귀 경로를 제공하기 위해서는, 최소한 적어도 하나의 FMD가 포함되어야 한다. 이 외에도, 대기 모드에서만 흐르도록 하기 위해 솔레노이드 밸브와 같은 추가의 구성 성분을 FMD와 직렬로 추가할 수 있다.
냉동 시스템(100)이 시동 시에 연속 작동하게 하고, 대기, 제상 및 냉각 모드에서 작동하게 하기 위해서는 본 명세서에 기재된 냉매 성분을 적절히 균형 잡아야 한다. 냉매 혼합물에서 정확한 조성 범위에 정확한 성분이 있지 않으면, 제어 시스템이 냉동 시스템(100)의 작동을 중단시키는 고장 상태가 발생하게 된다. 전형적인 고장 상태로는 흡입 압력이 낮은 경우, 배출 압력이 높은 경우, 배출 온도가 높은 경우가 있다. 이러한 상태를 각각 검출하기 위한 센서를 냉동 시스템(100)과 제어 시스템의 안전 연동 장치에 포함시켜야 한다. 본 명세서에 기재된 타입의 성분은 극저온으로 냉각시키는 경우에 사용할 수 있고, 또한 냉동 시스템을 냉각 모드, 제상 모드 및 대기 모드로 작동시키는 데에 사용할 수 있다는 것이 증명되었다. 이들 3 가지 작동 모드(즉, 대기 모드, 냉각 모드 및 제상 모드)를 가능하게 하기 위해 개발된 냉매 충전의 예를 표 1(도 1)에 혼합물 A, B 및 C로서 제시하였다.
이들 냉매는 종래의 HCFC 성분을 함유한 혼합물을 사용했던 장치의 특정 제조 모델을 위해 개발되었다. 새로운 냉매 혼합물을 수정하지 않은 구형 하드웨어 구조와 함께 사용하였다. 시스템의 제어 설정을 전혀 수정하기 않고 동일한 열교환기, FMD, 압축기, 오일 분리기 및 상분리기를 사용하였다. 이전의 HCFC를 함유한 혼합 냉매의 경우와 동일한 수준의 냉동 성능(열 제거)을 얻었다. 새로운 HFC 혼합 냉매는 아무런 작동상 어려움 없이 시동과 제상으로의 전이를 가능하게 하였다. 기초 하드웨어의 수정 없이 이러한 넓은 범위의 기능을 달성하기 위해서는 많은 실험을 통한 테스트와 평가가 필요했다.
도 1에 기재한 혼합물은, 본 발명에 따라, PGC-152를 제외하고는 도 1에 도시된 것과 유사한 자동 냉동 캐스케이드 냉동 공정에 사용하기 위해 개발된 것이다. 도 1에 기재한 모든 조성물은 나열된 각 모델에 충전되는 전체 혼합 조성물이다.
4가지의 상이한 기초 혼합물을 표 1(도 4)에 기재하였다. 표 1에 기재한 범위의 조성물은 전술한 바와 같이 많은 상이한 냉동 사이클에 적용할 수 있을 것으로 예상된다. 혼합물 A 내지 D는 본 발명을 평가하기 위한 자동 냉동 캐스케이드에 있어 실제로 개발된 혼합물의 예이다. 각 혼합물은 그것을 사용하기 위한 냉동 유닛의 특정 요구 조건에 기초한 변형례이다. 혼합물을, 약간의 수정을 가한, 그리고 도 1에 도시한 장치와 유사한 냉각 모드, 제상 모드 및 대기 모드에서 작동하는 4 가지의 상이한 시판 중인 냉동 시스템에서 실시하였다. 상이한 시스템 간의 차이는 각 유닛에 대한 성능 사양에서의 작은 차이의 결과이다. 표 2(도 5)에는 냉동 시스템을 HCFC를 함유한 종래의 혼합물 및 혼합물 A로 교대로 작동하였을 때의 중요한 시스템 작동 상태를 기재하였다. 데이터로부터 명백한 바와 같이, 이들 2 가지 혼합물 사이의 성능은 거의 비슷하였다. 혼합물 C가 대체 냉매인 다른 예도 표 2에 포함되어 있다.
혼합물 B는 도 1에 도시한 장치와 유사한, 냉각 모드, 제상 모드 및 대기 모드에서 작동하는 제품을 위해 개발되었다.
혼합물 C도 도 1에 도시한 장치와 유사한, 냉각 모드, 제상 모드 및 대기 모드에서 작동하는 제품을 위해 개발되었다.
혼합물 D는 가스 냉각을 행하는 제품 용도를 위해 개발되었다. PGC-152는 도 1에 도시한 장치의 변형례이다. 이 PGC-152 장치는 구성 성분(128, 160 및 116)에 의해 제공되는 제상 능력이 결여되어 있다. 또한, 이 PGC-152를 위한 냉동 공정에는 요소(142, 144 및 150)가 없다. PGC-152의 주요 목적은 가스 흐름을 냉각하는 것이다. 이는 가스 흐름이 향류 방향으로 흐르고 저압 냉매에 의해 냉각되는 3흐름 열교환기로서 구성된 열교환기(132, 136 및 140)를 구비함으로써 이루어진다. 이 예비 냉각된 가스는 그 후 증발기 냉매와 향류 방향으로 흐른다.
표 2에는 냉동 시스템을 HCFC를 함유한 이전 혼합물 및 혼합물 A로 교대로 작동하였을 때의 중요한 시스템 작동 상태를 기재하였다. 데이터로부터 명백한 바와 같이, 이들 2가지 혼합물 사이의 성능은 거의 비슷하였다. 혼합물 D에 대해 유사하게 비교하였다.
HCFC가 없으면서, HCFC를 함유한 이전의 충전물과 동일한 냉동 성능을 제공하기 위해 사용될 수 있는 냉매 혼합물의 개발을, 압축기, 교축 장치, 냉매의 액체-증기 상분리기 및 열교환 장치를 변경하지 않고 달성하였다.
선행 기술 시스템을 위해 대체 냉매 혼합물의 개발 외에, 새로운 혼합 냉매 시스템이 개발되고 있다. 따라서, 이러한 경험을 고려하여, 적절한 조성 범위를 표 1에서 전체 범위라는 표제의 컬럼 및 청구 범위에 나열하였다.
또한, 새로운 냉매의 극저온 냉동 시스템에서의 성능을 평가하기 위해 연구하였다. 연구한 냉매는 R-245fa, R-134a, E-347 및 R-4112이다. R-245fa를 시험한 결과 R-236fa와 유사한 성능을 발휘하였다. 또한, R-134a, E-347 및 R-4112를 시험한 결과, 이들 냉매도 극저온 냉동 시스템에 사용할 수 있다는 것이 판명되었다. 더 상세한 사항은 표 3 내지 표 8과 관련된 부분에 기재되어 있다.
또한, HCFC를 함유하는 혼합 냉매는 R-170(에탄)을 R-23과 호환하여 사용하였다는 것을 알 수 있다. 따라서, 이들 새로운 혼합물의 경우 R-170을 R-23 대신 사용할 수 있다. 물론, 그러한 가연성 성분을 사용하면, R-170의 몰 농도가 대략 5% 내지 10%를 초과하는 경우 전체 혼합물이 가연성으로 될 것이다.
본 발명에 따른 확대된 냉매 군에서, 저온 교축 사이클 냉동 시스템에 사용하기 위한 혼합 냉매 제제는 표 3 내지 표 7에 나열된 성분들로 이루어졌으며, 냉매 성분의 동결을 방지하기 위해 다양한 성분들의 범위가 제한되어 있다.
표 3 내지 표 7은 어떤 성분도 동결되지 않고 각 표의 상부에 제시된 최소 온도까지 냉각시키기 위해 효율적으로 작동하는 다양한 범위의 조성물을 제시한다. 각 경우에서, 기재한 냉매 조성물은 증발기 코일을 통해 순환하는 냉매 조성물이다. 자동 냉동 캐스케이드 시스템의 경우, 증발기를 통해 순환하는 냉매 조성물은 압축기를 통해 순환하는 조성물과 다르다. 이 차이는 고온에서 응축하는 냉매의 의도적인 분리로 인한 것이다. 당업자라면 압축기에서의 냉매 조성물과 증발기에서의 냉매 조성물 사이의 차이를 다루기 위한 다양한 방법이 존재한다는 것을 이해할 것이다. 가장 중요한 기준은 증발기에서의 냉매 조성물이 본 명세서에 기재된 한도 내에 있는 것이다. 이 범위 내에서, 조성물의 가지수와 성능은 잠재적으로 무한하다.
표 3 내지 표 7에서, 냉매 성분 R-236fa, R-245fa, R-4112 및 E-347은 다르게 사용되며, 조성 범위의 하한은 0%이다. 바람직한 실시 형태에서는 이들 냉매의 적어도 1종을 적은 비율로 사용한다. 이들 냉매 혼합물을 상분리가 없는 시스템에 사용하는 경우, 동결 상태를 방지하기 위해 최대 농도가 엄격하게 제한되며, 이 최대 농도는 표 3 내지 표 7에 기재된 바와 같이 최저 증발기 온도의 함수이다. 이들 냉매를 상분리기가 있는 시스템에 사용하는 경우, 이들 냉매 성분의 농도는 표 3 내지 표 7에 기재한 한계를 초과하여 증가시킬 수 있는데, 왜냐하면 상분리기가 증발기를 통해 흐르는 냉매 혼합물 중의 이들 냉매의 농도를 감소시켜 표 3 내지 표 7에 기재한 한계 내에 머물게 할 것이기 때문이다. 이들 냉매 성분의 농도는 최대화하는 것이 바람직한데, 왜냐하면 더 많은 양의 액체가 응축기에 형성되어 더 높은 수준을 열을 제거할 것이기 때문이다. 이로 인해 냉동 시스템의 전체 효율이 향상된다. 만약 이들 냉매 성분이 냉동 시스템으로부터 제거되면, 시스템의 효율과 증발기에서의 열 제거 능력이 크게 감소할 것이다. 예를 들면, 냉매 혼합물로부터 이들 냉매 성분을 제거하면 응축기에서 제거되는 열이 70%까지 감소할 수 있다. 이로 인해 시스템이 제거할 수 있는 열의 전체량이 제한되므로, 증발기에 의해 제거되는 열의 양이 크게 감소한다. 또한, 이들 냉매 성분이 없으면 시스템의 시동에 문제가 있고, 제상 공정 등에서 과도하게 높은 압력이 발생한다.
또한, R-236fa, R-245fa, R-4112 및 E-347의 사용을 고려할 때, R-236fa 및 R-245fa는 HFC 냉매인 반면 R-4112 및 E-347는 아니다. HFC 냉매는 POE 타입 오일과의 혼화성이 입증되었기 때문에 선호된다. R-4112는 불화탄소이며 POE 오일과 혼화되지 않고 지구 온난화를 초래할 가능성이 비교적 높다. E-347은 에테르 냉매이다. POE 오일과 쉽게 혼화되지 않으며 지구 온난화를 초래할 가능성이 매우 낮다. POE 타입 오일로 윤활되는 압축기를 사용할 때에는 R-236fa 또는 R-245fa를 다소 사용하는 것이 오일이 압축기로 원활하기 복귀하게 하는 것과 압축기에서 오일/냉매의 관리를 위해 권장된다. E-247 또는 R-4112이 오일 윤활식 압축기와 사용되는 경우, 보통의 실시에서와 같이 오일이 압축기로 적절하게 복귀하게 하고 내부 압축기 부분이 적절하게 윤활되도록 하기 위하여 특수한 평가가 필요하다.
표 8에는 샘플 혼합 냉매 제제(몰%) 및 관련 동결 온도(TFR)(실험 데이터)를 기재하였으며, TMIN은 동결되지 않고 도달하는 최소 온도이다. 데이터는 전술한 롱스워스이 특허에 기재되어 있는 단일 교축의 극저온 시스템에서의 시험을 통해 얻었다. 이 데이터는 표 3 내지 표 7의 기초이다.
미국 가출원 제60/214,565호에 개시된 관련 발명에서는, 적어도 최소의 냉동 공정에의 흡입 압력을 유지하는 역할을 하여 시스템의 흡입 압력이 너무 낮게 떨어지지 않도록 함으로써 냉매 성분의 동결을 방지하기 위해, 압축기 흡입 라인(122)에 설치된 증발기 압력 조절 장치를 사용한다. 흡입 압력이 낮아질수록 온도도 낮아진다. 동결 상태가 생기면 흡입 압력이 떨어져 포지티브 피드백이 생기고 온도가 더욱 감소함으로써 동결 상태가 심화되는 경향이 있다. 동결을 방지하기 위해 그러한 밸브를 표 1의 혼합물 B 및 C와 함께 사용하였다.
E-347 및 R-4112를 제외하고, 제시된 모든 냉매에는 American Society of Heating and Refrigeration and Air Conditioning Engineering(ASHRAE) 표준 번호 34에 따라 나타내었다.
E-347은 1-(메톡시)-1,1,2,2,3,3,3-헵타플루오로프로판(또한 CH3-CF2-CF2-CF3), 3M 제품 레퍼런스 Hydrofluoroether 301로 알려져 있다. 이 때, 허용 가능한 노출 한계(permissible exposure limit; PEL)는 이 화합물에 대해 아직 성립되지 않았다. 따라서, 이것이 무독성 냉매 기준(PEL > 400 ppm)을 충족시키는지는 알려지지 않았다. 만약 이 화합물의 PEL이 400 ppm 미만으로 판명된다면, 전체 PEL이 무독성으로 간주되는 냉매 혼합물을 생성하기 위해 다른 성분으로 희석할 수 있다.
R-4112는 도데카플루오로펜탄(또한 CF3CF2CF2CF2CF3)으로 알려져 있다.
본 발명의 제3 실시 형태는 200 K 미만의 온도에서 표 3 내지 표 8의 불연성 혼합 냉매 제제 중 하나와 함께 작동하는 오일 윤활식 압축기에 기초한 냉동 시스템에 필요하다. 따라서, 본 발명에 따라 오일을 혼합 냉매 제제에 첨가해야 한다. 또한, 오일이 압축기의 장기간의 작동을 보장하고, 오일로 오염된 냉매로부터의 동결을 피해야 한다.
HFC 성분으로 제제된 혼합 냉매와 함께 작동하도록 설계된 압축기는 장기간 작동을 보장하기 위해 폴리올에스테르(POE) 또는 폴리알킬렌 글리콜(PAG) 타입의 오일을 사용해야 한다. 이 오일의 전형적인 유동점 온도는 220K(-53℃)보다 높다. 또한, 이 온도 범위에서 이 타입의 오일은 HFC로 제제된 순수 냉매 및 혼합 냉매와 혼화된다. 예를 들면, POE 오일 Solest LT-32는 유동점 온도가 223K이고 순수한 R-23과 완전히 혼화된다. 혼합 냉매 R-404a(R-125, R-143a 및 R-134a의 조합) 및 R-407c(R-32, R-125 및 R-134a의 조합)도 T>223K에서 이 오일과 완전히 혼화된다. 표 9에는 샘플 냉매 제제 및 관련 동결 온도가 기재되어 있으며, LT-32 오일(CPI Engineering, Solest LT-32)이 잔류해 있는 순수 냉매 및 혼합 냉매가 포함되어 있다.
소량의 LT-32 오일을 극저온에서 동결 없이 혼합 냉매와 혼합할 수 있다는 것이 발견되었다. 이를 표 9에 기재하였다. 이는 오일 농도를 표 9에 기재한 수준 미만으로 유지하기 위해 오일 윤활식 압축기와 적절한 크기의 오일 분리기가 장착되면 시스템의 장기간 작동을 가능하게 한다. 대안으로서, 자동 냉동 캐스케이드 시스템의 경우, 시스템의 최저온부를 통해 흐르는 극저온용 냉매와 혼합된 오일의 농도를 제한하기 위해 냉동 공정에 상분리기를 사용할 수도 있다. 상분리기의 효율은 오일 농도가 표 9에 기재한 한계를 넘지 않도록 충분히 높아야 한다.
유사한 특성의 기타 오일도 시판 중이며, 본 발명의 범위 내에 있는 것으로 간주된다.

Claims (55)

  1. 극저온 냉동 시스템에 사용하는 냉매 혼합물로서, HCFC를 함유하지 않으며, 몰%로 이하의 표에 기재된 성분을 포함하는 냉매 혼합물.
    성분명 범위(몰%) 1 아르곤 4-36 2 R-14 10-55 3 R-23 10-50 4 R-125 5-20 5 R-236fa 7-40
  2. 105K까지 낮은 저온측(증발기)을 갖는 극저온 냉동 시스템에 사용하는 냉매 혼합물로서, HCFC를 함유하지 않으며,
    R-236fa, E-347, R-245fa 또는 R-4112 중 적어도 하나가 혼합물 내에 존재하는 경우 이하의 표에 기재된 성분을 포함하며,
    극저온 냉동 시스템의 작동에 있어서 동결을 방지하기 위해 작동하는 냉매 혼합물.
    성분명 범위(몰%) 1 네온(Ne) 또는 헬륨(He) 중 적어도 하나 0.0-10.0 2 아르곤(Ar) 또는 질소(N2) 중 적어도 하나 10.0-45.0 3 R-14(CF4) 20.0-50.0 4 R-23(CHF3) 10.0-30.0 5 R-125(C2HF5) 8.0-15.0 6 R-134a 0.0-5.0 7 기타 비등점이 높은 성분: R-236fa, E-347, R-245fa 또는 R-4112 중 적어도 하나 0.0-3.0
  3. 118K까지 낮은 저온측(증발기)을 갖는 극저온 냉동 시스템에 사용하는 냉매 혼합물로서, HCFC를 함유하지 않으며,
    E-347, R-4112, R-236fa 또는 R-245fa 중 적어도 하나가 혼합물 내에 존재하는 경우 이하의 표에 기재된 성분을 포함하며,
    극저온 냉동 시스템의 작동에 있어서 동결을 방지하기 위해 작동하는 냉매 혼합물.
    성분명 범위(몰%) 1 아르곤(Ar) 또는 질소(N2) 중 적어도 하나 10.0-40.0 2 R-14 20.0-50.0 3 R-23 10.0-40.0 4 R-125 0.0-35.0 5 R-134a 0.0-10.0 6 E-347, R-4112, R-236fa 또는 R-245fa 중 적어도 하나 0.0-6.0
  4. 130K까지 낮은 저온측(증발기)을 갖는 극저온 냉동 시스템에 사용하는 냉매 혼합물로서, HCFC를 함유하지 않으며,
    R-245fa, R-236fa, E-347 또는 R-4112 중 적어도 하나가 혼합물 내에 존재하는 경우 이하의 표에 기재된 성분을 포함하며,
    극저온 냉동 시스템의 작동에 있어서 동결을 방지하기 위해 작동하는 냉매 혼합물.
    성분명 범위(몰%) 1 아르곤(Ar) 또는 질소(N2) 중 적어도 하나 2.0-40.0% 2 R-14 10.0-50.0% 3 R-23 10.0-40.0% 4 R-125 0.0-40.0% 5 R-134a 0.0-15.0% 6 R-245fa, R-236fa, E-347 또는 R-4112 중 적어도 하나 0.0-30.0%
  5. 140K까지 낮은 저온측(증발기)을 갖는 극저온 냉동 시스템에 사용하는 냉매 혼합물로서, HCFC를 함유하지 않으며,
    R-236fa, R-245fa, E-347 또는 R-4112 중 적어도 하나가 혼합물 내에 존재하는 경우 이하의 표에 기재된 성분을 포함하며,
    극저온 냉동 시스템의 작동에 있어서 동결을 방지하기 위해 작동하는 냉매 혼합물.
    성분명 범위(몰%) 1 아르곤(Ar) 또는 질소(N2) 중 적어도 하나 2.0-40.0% 2 R-14 10.0-50.0% 3 R-23 10.0-40.0% 4 R-125 0.0-30.0% 5 R-134a 0.0-15.0% 6 R-236fa, R-245fa, E-347 또는 R-4112 중 적어도 하나 0.0-10.0%
  6. 155K까지 낮은 저온측(증발기)을 갖는 극저온 냉동 시스템에 사용하는 냉매 혼합물로서, HCFC를 함유하지 않으며,
    R-236fa, R-245fa, E-347 또는 R-4112 중 적어도 하나가 혼합물 내에 존재하는 경우 이하의 표에 기재된 성분을 포함하며,
    극저온 냉동 시스템의 작동에 있어서 동결을 방지하기 위해 작동하는 냉매 혼합물.
    성분명 범위(몰%) 1 아르곤(Ar) 또는 질소(N2) 중 적어도 하나 0.0-40.0% 2 R-14 5.0-50.0% 3 R-23 5.0-40.0% 4 R-125 0.0-40.0% 5 R-134a 0.0-30.0% 6 R-236fa 또는 R-245fa 중 적어도 하나 0.0-30.0% 7 E-347 또는 R-4112 중 적어도 하나 0.0-20.0%
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제1항에 있어서, 상기 냉동 시스템은 액체/증기 상분리기가 있는 자동 냉동 캐스케이드(autorefrigerating cascade), 교축 장치 냉동 시스템, 그리고 클리멘코형 시스템 중 하나에서의 압축기 사이클인 것인 냉매 혼합물.
  14. 제2항에 있어서, 상기 냉동 시스템은 액체/증기 상분리기가 있는 자동 냉동 캐스케이드(autorefrigerating cascade), 교축 장치 냉동 시스템, 그리고 클리멘코형 시스템 중 하나에서의 압축기 사이클인 것인 냉매 혼합물.
  15. 제3항에 있어서, 상기 냉동 시스템은 액체/증기 상분리기가 있는 자동 냉동 캐스케이드(autorefrigerating cascade), 교축 장치 냉동 시스템, 그리고 클리멘코형 시스템 중 하나에서의 압축기 사이클인 것인 냉매 혼합물.
  16. 제4항에 있어서, 상기 냉동 시스템은 액체/증기 상분리기가 있는 자동 냉동 캐스케이드(autorefrigerating cascade), 교축 장치 냉동 시스템, 그리고 클리멘코형 시스템 중 하나에서의 압축기 사이클인 것인 냉매 혼합물.
  17. 제5항에 있어서, 상기 냉동 시스템은 액체/증기 상분리기가 있는 자동 냉동 캐스케이드(autorefrigerating cascade), 교축 장치 냉동 시스템, 그리고 클리멘코형 시스템 중 하나에서의 압축기 사이클인 것인 냉매 혼합물.
  18. 제6항에 있어서, 상기 냉동 시스템은 액체/증기 상분리기가 있는 자동 냉동 캐스케이드(autorefrigerating cascade), 교축 장치 냉동 시스템, 그리고 클리멘코형 시스템 중 하나에서의 압축기 사이클인 것인 냉매 혼합물.
  19. 제1항에 있어서, 상기 냉동 시스템은 저온 냉매 또는 고온 냉매가 증발기로 번갈아 흐르게 하는 것인 냉매 혼합물.
  20. 제2항에 있어서, 상기 냉동 시스템은 저온 냉매 또는 고온 냉매가 증발기로 번갈아 흐르게 하는 것인 냉매 혼합물.
  21. 제3항에 있어서, 상기 냉동 시스템은 저온 냉매 또는 고온 냉매가 증발기로 번갈아 흐르게 하는 것인 냉매 혼합물.
  22. 제4항에 있어서, 상기 냉동 시스템은 저온 냉매 또는 고온 냉매가 증발기로 번갈아 흐르게 하는 것인 냉매 혼합물.
  23. 제5항에 있어서, 상기 냉동 시스템은 저온 냉매 또는 고온 냉매가 증발기로 번갈아 흐르게 하는 것인 냉매 혼합물.
  24. 제6항에 있어서, 상기 냉동 시스템은 저온 냉매 또는 고온 냉매가 증발기로 번갈아 흐르게 하는 것인 냉매 혼합물.
  25. 삭제
  26. 삭제
  27. 삭제
  28. 삭제
  29. 삭제
  30. 삭제
  31. 제1항에 있어서, 상기 냉동 시스템은 상기 냉매 혼합물에 의해 냉각되는 대상을 포함하며, 이 냉각 대상은
    (a) 수증기와 같은 불필요한 가스를 동결시켜 포획하는 진공실 내의 금속 요소,
    (b) 내부 냉매 흐름 통로를 갖고, 자기 피막이 있거나 없는 실리콘 웨이퍼, 유리 부재, 플라스틱 부재 및 알루미늄 디스크 중 적어도 하나를 냉각하는 금속 요소, 그리고
    (c) 생물 조직의 냉동 및 저장 중 적어도 하나를 행하는 생물학적 냉동기
    중 적어도 하나인 것인 냉매 혼합물.
  32. 제2항에 있어서, 상기 냉동 시스템은 상기 냉매 혼합물에 의해 냉각되는 대상을 포함하며, 이 냉각 대상은
    (a) 수증기와 같은 불필요한 가스를 동결시켜 포획하는 진공실 내의 금속 요소,
    (b) 내부 냉매 흐름 통로를 갖고, 자기 피막이 있거나 없는 실리콘 웨이퍼, 유리 부재, 플라스틱 부재 및 알루미늄 디스크 중 적어도 하나를 냉각하는 금속 요소, 그리고
    (c) 생물 조직의 냉동 및 저장 중 적어도 하나를 행하는 생물학적 냉동기
    중 적어도 하나인 것인 냉매 혼합물.
  33. 제3항에 있어서, 상기 냉동 시스템은 상기 냉매 혼합물에 의해 냉각되는 대상을 포함하며, 이 냉각 대상은
    (a) 수증기와 같은 불필요한 가스를 동결시켜 포획하는 진공실 내의 금속 요소,
    (b) 내부 냉매 흐름 통로를 갖고, 자기 피막이 있거나 없는 실리콘 웨이퍼, 유리 부재, 플라스틱 부재 및 알루미늄 디스크 중 적어도 하나를 냉각하는 금속 요소, 그리고
    (c) 생물 조직의 냉동 및 저장 중 적어도 하나를 행하는 생물학적 냉동기
    중 적어도 하나인 것인 냉매 혼합물.
  34. 제4항에 있어서, 상기 냉동 시스템은 상기 냉매 혼합물에 의해 냉각되는 대상을 포함하며, 이 냉각 대상은
    (a) 수증기와 같은 불필요한 가스를 동결시켜 포획하는 진공실 내의 금속 요소,
    (b) 내부 냉매 흐름 통로를 갖고, 자기 피막이 있거나 없는 실리콘 웨이퍼, 유리 부재, 플라스틱 부재 및 알루미늄 디스크 중 적어도 하나를 냉각하는 금속 요소, 그리고
    (c) 생물 조직의 냉동 및 저장 중 적어도 하나를 행하는 생물학적 냉동기
    중 적어도 하나인 것인 냉매 혼합물.
  35. 제5항에 있어서, 상기 냉동 시스템은 상기 냉매 혼합물에 의해 냉각되는 대상을 포함하며, 이 냉각 대상은
    (a) 수증기와 같은 불필요한 가스를 동결시켜 포획하는 진공실 내의 금속 요소,
    (b) 내부 냉매 흐름 통로를 갖고, 자기 피막이 있거나 없는 실리콘 웨이퍼, 유리 부재, 플라스틱 부재 및 알루미늄 디스크 중 적어도 하나를 냉각하는 금속 요소, 그리고
    (c) 생물 조직의 냉동 및 저장 중 적어도 하나를 행하는 생물학적 냉동기
    중 적어도 하나인 것인 냉매 혼합물.
  36. 제6항에 있어서, 상기 냉동 시스템은 상기 냉매 혼합물에 의해 냉각되는 대상을 포함하며, 이 냉각 대상은
    (a) 수증기와 같은 불필요한 가스를 동결시켜 포획하는 진공실 내의 금속 요소,
    (b) 내부 냉매 흐름 통로를 갖고, 자기 피막이 있거나 없는 실리콘 웨이퍼, 유리 부재, 플라스틱 부재 및 알루미늄 디스크 중 적어도 하나를 냉각하는 금속 요소, 그리고
    (c) 생물 조직의 냉동 및 저장 중 적어도 하나를 행하는 생물학적 냉동기
    중 적어도 하나인 것인 냉매 혼합물.
  37. 제1항에 있어서, 폴리올에스테르(POE) 타입 오일 및 폴리알킬렌 글리콜(PAG) 타입 오일 중 하나인 윤활 오일을 대략 1 중량% 내지 10 중량% 범위로 더 포함하는 것인 냉매 혼합물.
  38. 제2항에 있어서, 폴리올에스테르(POE) 타입 오일 및 폴리알킬렌 글리콜(PAG) 타입 오일 중 하나인 윤활 오일을 대략 1 중량% 내지 10 중량% 범위로 더 포함하는 것인 냉매 혼합물.
  39. 제3항에 있어서, 폴리올에스테르(POE) 타입 오일 및 폴리알킬렌 글리콜(PAG) 타입 오일 중 하나인 윤활 오일을 대략 1 중량% 내지 10 중량% 범위로 더 포함하는 것인 냉매 혼합물.
  40. 제4항에 있어서, 폴리올에스테르(POE) 타입 오일 및 폴리알킬렌 글리콜(PAG) 타입 오일 중 하나인 윤활 오일을 대략 1 중량% 내지 10 중량% 범위로 더 포함하는 것인 냉매 혼합물.
  41. 제5항에 있어서, 폴리올에스테르(POE) 타입 오일 및 폴리알킬렌 글리콜(PAG) 타입 오일 중 하나인 윤활 오일을 대략 1 중량% 내지 10 중량% 범위로 더 포함하는 것인 냉매 혼합물.
  42. 제6항에 있어서, 폴리올에스테르(POE) 타입 오일 및 폴리알킬렌 글리콜(PAG) 타입 오일 중 하나인 윤활 오일을 대략 1 중량% 내지 10 중량% 범위로 더 포함하는 것인 냉매 혼합물.
  43. 극저온 냉동 시스템에 사용하고 HCFC를 함유하지 않는 냉매 혼합물로서,
    각각의 혼합물의 성분들이 몰%로 이하의 표에 기재된 바와 같은 혼합물 A, 혼합물 B, 혼합물 C 및 혼합물 D를 포함하는 군으로부터 선택되는 것인 냉매 혼합물.
    몰분율(%) 성분 혼합물 A 혼합물 B 혼합물 C 혼합물 D 아르곤 13 24 18 8 R-14 34 26 35 24 R-23 28 22 21 32 R-125 11 11 12 11 R-236fa 14 17 14 25
  44. 제1항에 있어서, 윤활 오일을 대략 1 중량%를 초과하지 않는 범위로 더 포함하는 것인 냉매 혼합물.
  45. 제2항에 있어서, 윤활 오일을 대략 1 중량%를 초과하지 않는 범위로 더 포함하는 것인 냉매 혼합물.
  46. 제3항에 있어서, 윤활 오일을 대략 1 중량%를 초과하지 않는 범위로 더 포함하는 것인 냉매 혼합물.
  47. 제4항에 있어서, 윤활 오일을 대략 1 중량%를 초과하지 않는 범위로 더 포함하는 것인 냉매 혼합물.
  48. 제5항에 있어서, 윤활 오일을 대략 1 중량%를 초과하지 않는 범위로 더 포함하는 것인 냉매 혼합물.
  49. 제6항에 있어서, 윤활 오일을 대략 1 중량%를 초과하지 않는 범위로 더 포함하는 것인 냉매 혼합물.
  50. 극저온 냉동 시스템에 사용하는 냉매 혼합물로서, HCFC를 함유하지 않으며, 몰%로 이하의 표에 기재된 성분을 포함하는 냉매 혼합물.
    성분명 범위(몰%) 1 아르곤 4-36 2 R-14 10-55 3 R-170 10-50 4 R-125 5-20 5 R-236fa 7-40
  51. 105K까지 낮은 저온측(증발기)을 갖는 극저온 냉동 시스템에 사용하는 냉매 혼합물로서, HCFC를 함유하지 않으며,
    R-236fa, E-347, R-245fa 또는 R-4112 중 적어도 하나가 혼합물 내에 존재하는 경우 이하의 표에 기재된 성분을 포함하며,
    극저온 냉동 시스템의 작동에 있어서 동결을 방지하기 위해 작동하는 냉매 혼합물.
    성분명 범위(몰%) 1 네온(Ne) 또는 헬륨(He) 중 적어도 하나 0.0-10.0 2 아르곤(Ar) 또는 질소(N2) 중 적어도 하나 10.0-45.0 3 R-14(CF4) 20.0-50.0 4 R-170 10.0-30.0 5 R-125(C2HF5) 8.0-15.0 6 R-134a 0.0-5.0 7 기타 비등점이 높은 성분: R-236fa, E-347, R-245fa 또는 R-4112 중 적어도 하나 0.0-3.0
  52. 118K까지 낮은 저온측(증발기)을 갖는 극저온 냉동 시스템에 사용하는 냉매 혼합물로서, HCFC를 함유하지 않으며,
    E-347, R-4112, R-236fa 또는 R-245fa 중 적어도 하나가 혼합물 내에 존재하는 경우 이하의 표에 기재된 성분을 포함하며,
    극저온 냉동 시스템의 작동에 있어서 동결을 방지하기 위해 작동하는 냉매 혼합물.
    성분명 범위(몰%) 1 아르곤(Ar) 또는 질소(N2) 중 적어도 하나 10.0-40.0 2 R-14 20.0-50.0 3 R-170 10.0-40.0 4 R-125 0.0-35.0 5 R-134a 0.0-10.0 6 E-347, R-4112, R-236fa 또는 R-245fa 중 적어도 하나 0.0-6.0
  53. 130K까지 낮은 저온측(증발기)을 갖는 극저온 냉동 시스템에 사용하는 냉매 혼합물로서, HCFC를 함유하지 않으며,
    R-245fa, R-236fa, E-347 또는 R-4112 중 적어도 하나가 혼합물 내에 존재하는 경우 이하의 표에 기재된 성분을 포함하며,
    극저온 냉동 시스템의 작동에 있어서 동결을 방지하기 위해 작동하는 냉매 혼합물.
    성분명 범위(몰%) 1 아르곤(Ar) 또는 질소(N2) 중 적어도 하나 2.0-40.0% 2 R-14 10.0-50.0% 3 R-170 10.0-40.0% 4 R-125 0.0-40.0% 5 R-134a 0.0-15.0% 6 R-245fa, R-236fa, E-347 또는 R-4112 중 적어도 하나 0.0-30.0%
  54. 140K까지 낮은 저온측(증발기)을 갖는 극저온 냉동 시스템에 사용하는 냉매 혼합물로서, HCFC를 함유하지 않으며,
    R-236fa, R-245fa, E-347 또는 R-4112 중 적어도 하나가 혼합물 내에 존재하는 경우 이하의 표에 기재된 성분을 포함하며,
    극저온 냉동 시스템의 작동에 있어서 동결을 방지하기 위해 작동하는 냉매 혼합물.
    성분명 범위(몰%) 1 아르곤(Ar) 또는 질소(N2) 중 적어도 하나 2.0-40.0% 2 R-14 10.0-50.0% 3 R-170 10.0-40.0% 4 R-125 0.0-30.0% 5 R-134a 0.0-15.0% 6 R-236fa, R-245fa, E-347 또는 R-4112 중 적어도 하나 0.0-10.0%
  55. 155K까지 낮은 저온측(증발기)을 갖는 극저온 냉동 시스템에 사용하는 냉매 혼합물로서, HCFC를 함유하지 않으며,
    R-236fa, R-245fa, E-347 또는 R-4112 중 적어도 하나가 혼합물 내에 존재하는 경우 이하의 표에 기재된 성분을 포함하며,
    극저온 냉동 시스템의 작동에 있어서 동결을 방지하기 위해 작동하는 냉매 혼합물.
    성분명 범위(몰%) 1 아르곤(Ar) 또는 질소(N2) 중 적어도 하나 0.0-40.0% 2 R-14 5.0-50.0% 3 R-170 5.0-40.0% 4 R-125 0.0-40.0% 5 R-134a 0.0-30.0% 6 R-236fa 또는 R-245fa 중 적어도 하나 0.0-30.0% 7 E-347 또는 R-4112 중 적어도 하나 0.0-20.0%
KR1020027002503A 2000-06-28 2001-06-28 극저온 교축 사이클 냉동 시스템에 사용하기 위한 불연성 혼합 냉매 KR100857487B1 (ko)

Applications Claiming Priority (8)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US21456500P 2000-06-28 2000-06-28
US21456200P 2000-06-28 2000-06-28
US60/214,562 2000-06-28
US60/214,565 2000-06-28
US09/728,501 2000-11-30
US09/728,501 US6481223B2 (en) 1999-12-03 2000-11-30 Refrigerant blend free of R-22 for use in ultralow temperature refrigeration
US29523701P 2001-06-01 2001-06-01
US60/295,237 2001-06-01

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20020054315A KR20020054315A (ko) 2002-07-06
KR100857487B1 true KR100857487B1 (ko) 2008-09-09

Family

ID=48705168

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020027002503A KR100857487B1 (ko) 2000-06-28 2001-06-28 극저온 교축 사이클 냉동 시스템에 사용하기 위한 불연성 혼합 냉매

Country Status (2)

Country Link
JP (1) JP5787912B2 (ko)
KR (1) KR100857487B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101823026B1 (ko) 2011-03-11 2018-01-31 대우조선해양 주식회사 고압 천연가스 분사 엔진을 위한 연료 공급 방법

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2007107858A (ja) * 2005-10-17 2007-04-26 Sanyo Electric Co Ltd 冷凍装置
KR101423488B1 (ko) * 2013-08-16 2014-07-28 주식회사 원씨테크 초저온 냉각 장치, 냉매 조성물 및 이를 이용한 냉각 방법

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5702632A (en) 1994-02-25 1997-12-30 General Signal Corporation Non-CFC refrigerant mixture
WO1998012468A1 (en) * 1996-09-18 1998-03-26 Mmr Technologies Self-cleaning cryogenic refrigeration system
US6076372A (en) 1998-12-30 2000-06-20 Praxair Technology, Inc. Variable load refrigeration system particularly for cryogenic temperatures

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH08165465A (ja) * 1994-12-14 1996-06-25 Mitsubishi Heavy Ind Ltd 冷媒組成物及び冷凍装置
JP4112645B2 (ja) * 1996-02-05 2008-07-02 出光興産株式会社 圧縮型冷凍機用潤滑油
JP4132209B2 (ja) * 1998-04-30 2008-08-13 出光興産株式会社 冷凍機用流体組成物
US6053008A (en) * 1998-12-30 2000-04-25 Praxair Technology, Inc. Method for carrying out subambient temperature, especially cryogenic, separation using refrigeration from a multicomponent refrigerant fluid
US6176102B1 (en) * 1998-12-30 2001-01-23 Praxair Technology, Inc. Method for providing refrigeration

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5702632A (en) 1994-02-25 1997-12-30 General Signal Corporation Non-CFC refrigerant mixture
WO1998012468A1 (en) * 1996-09-18 1998-03-26 Mmr Technologies Self-cleaning cryogenic refrigeration system
US6076372A (en) 1998-12-30 2000-06-20 Praxair Technology, Inc. Variable load refrigeration system particularly for cryogenic temperatures

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101823026B1 (ko) 2011-03-11 2018-01-31 대우조선해양 주식회사 고압 천연가스 분사 엔진을 위한 연료 공급 방법

Also Published As

Publication number Publication date
JP2013108086A (ja) 2013-06-06
KR20020054315A (ko) 2002-07-06
JP5787912B2 (ja) 2015-09-30

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN100483040C (zh) 用于深度低温的制冷系统的混合制冷剂
US7234310B2 (en) Very low temperature refrigeration system having a scroll compressor with liquid injection
US7478540B2 (en) Methods of freezeout prevention and temperature control for very low temperature mixed refrigerant systems
KR101129116B1 (ko) 혼합 불활성 성분 냉매를 사용한 냉각 사이클
US6560981B2 (en) Mixed refrigerant temperature control using a pressure regulating valve
KR100985132B1 (ko) 혼합 냉매를 이용하는 극저온 냉동시스템에서의 동결 방지 시스템
CN1218153C (zh) 采用多组分致冷剂的低温致冷压缩系统
JP5787912B2 (ja) 極低温絞りサイクル冷凍システムに使用する不燃性混合冷媒
JPH0625340B2 (ja) 作動媒体及びその用途

Legal Events

Date Code Title Description
N231 Notification of change of applicant
A201 Request for examination
E801 Decision on dismissal of amendment
E902 Notification of reason for refusal
N231 Notification of change of applicant
E801 Decision on dismissal of amendment
J301 Trial decision

Free format text: TRIAL DECISION FOR APPEAL AGAINST DECISION TO DECLINE AMENDMENT REQUESTED 20080212

Effective date: 20080529

Free format text: TRIAL NUMBER: 2008102000006; TRIAL DECISION FOR APPEAL AGAINST DECISION TO DECLINE AMENDMENT REQUESTED 20080212

Effective date: 20080529

S901 Examination by remand of revocation
GRNO Decision to grant (after opposition)
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20120823

Year of fee payment: 5

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130924

Year of fee payment: 6

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20140904

Year of fee payment: 7

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20150902

Year of fee payment: 8

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20160825

Year of fee payment: 9

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20180903

Year of fee payment: 11

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20190827

Year of fee payment: 12