KR101129116B1

KR101129116B1 - 혼합 불활성 성분 냉매를 사용한 냉각 사이클

Info

Publication number: KR101129116B1
Application number: KR1020067017377A
Authority: KR
Inventors: 케빈 피. 플린; 미크하일 보이아르스키; 올레그 포드처니아에브
Original assignee: 브룩스 오토메이션, 인크.
Priority date: 2004-01-28
Filing date: 2005-01-28
Publication date: 2012-03-26
Also published as: EP1771525A4; EP2818530B1; EP2818530A3; WO2005072404A2; EP1771525A2; WO2005072404A3; US20050253107A1; JP5452845B2; JP2012032148A; EP2818530A2; EP1771525B1; CN101120218A; JP2007526430A; KR20070020415A; CN101120218B

Abstract

본 발명은 제1 냉매 사이클 및 제2 냉매 사이클을 포함하는 냉각 시스템에 관한 것이다. 제1 냉매 사이클은 제1 냉매를, 제2 냉매 사이클은 극저온 가스 성분의 혼합물을 포함하는 제2 냉매를 갖는다. 본 발명은 또한 제1 냉매 사이클 및 제2 냉매 사이클을 포함하는 냉각 시스템에 관한 것이다. 제1 냉매 사이클은 제1 냉매를 갖는다. 제2 냉매 사이클은 불활성 성분을 포함하는 제2 냉매를 갖는다. 제2 냉매는 플루오로카본, 클로로플루오로카본 및 하이드로카본이 없다. 제2 냉매의 일부 또는 전부는 제2 냉매 사이클에 응축된다.

Description

혼합 불활성 성분 냉매를 사용한 냉각 사이클{REFRIGERATION CYCLE UTILIZING A MIXED INERT COMPONENT REFRIGERANT}

본 발명은, 일반적으로, 냉각 사이클 및 이에 사용된 냉매에 관한 것이다.

저온 및 극저온 냉동은 일반적으로 극저온 분리를 위한 유체 흐름을 냉각하고, 기체들을 액화시키고, 생물학적 냉동고를 위한 냉각을 제공하고, 화학 공정의 반응속도를 조절하고, 물질 특성 분석기기를 위한 냉각을 제공하고, 진공 공정에서 낮은 기압을 제공하기 위해 수증기를 막고, 반도체 웨이퍼 공정과 같은 제조 공정에서 물품을 냉각하고, 영상장치, 소립자 및 광자 검출기를 냉각하고, 화학 분석장치를 냉각하고 초전도 케이블 및 장치를 냉각하는데 사용된다. 전형적인 시스템은 클로로플루오로카본, 하이드로클로로플루오로카본, 하이드로플루오로카본, 플루오로카본, 및 하이드로카본 냉매를 사용한다. 그러나, 이러한 냉매는 여러 가지 단점을 갖는다.

전형적인 냉매는 반응적이며 부식성 라디칼(radical)로 화학변화를 일으킬 수 있다. 클로로플루오로카본 및 플루오로카본과 같은 전형적인 냉매는 클로린(chlorine) 및 플루오린(fluorine) 라디칼로 화학변화를 일으킬 수 있다. 하이드로카본과 같은 냉매는 공정 조건 및 발화 물질의 존재하에 가연성이 될 수 있다. 공정의 민감한 부분에서 이러한 냉매의 누출은 크고도 값비싼 손실을 야기할 수 있다. 예를 들면, 반도체 공정에서 소량의 전형적인 클로로플루오로카본 및 플루오로카본 냉매의 존재는 반도체 회로 및 관련된 장치의 제조에 영향을 주는 자유 라디칼을 증가시킬 수 있다. 전형적인 냉매의 더 큰 스케일의 누출은 화재 및 다른 문제점을 야기할 수 있다.

전형적인 냉매는 규제되는 경향이 있다. 예를 들어, 전형적인 냉매를 사용하는 시스템을 수리하기 위해서는 공인된 기술자를 필요로 한다. 민감한 제조 공정에 사용되는 냉각 시스템의 수리는 공인된 기술자가 기기로 접근할 수 있도록 값비싼 차단을 초래한다. 예를 들어, 클린룸(clean room) 환경은 전형적인 냉매를 사용하는 전형적인 냉매 시스템의 사용에 있어 상기 냉매 시스템의 수리시 손실이 큰 생산 지연을 초래하는 단점이 있다.

다른 단점은 전형적인 냉매를 사용하는 온도 한계에서 발견된다. 진공하에서 수행되는 물리적 증착 공정, 반도체 제조 공정 동안의 열의 제거, 생물학적 세포의 냉각 및 저장, 화상 장치 및 화학 분석기기로부터 열의 제거, 초전도체 케이블 및 장치의 냉각, 및 화학 및 약학 공정과 같은 다양한 공정에서 전형적인 냉매에 의해 달성될 수 있는 것보다 더 낮은 온도의 사용은 장점이 될 수 있다. 따라서, 개선된 저온 및 극저온 냉동 공정이 요구된다.

발명의 요약

한 구체예에 있어서, 공지는 냉각 시스템에 관한 것이다. 냉각 시스템은 제1 비진동 냉매 사이클 및 제2 비진동 냉매 사이클을 포함한다. 제1 비진동 냉매 사이클은 제1 냉매를, 제2 비진동 냉매 사이클은 클로로플루오로카본, 하이드로클로로플루오로카본, 플루오로카본, 하이드로플루오로카본, 및 하이드로카본이 없으며 극저온 가스 성분의 혼합물을 포함하는 제2 냉매를 갖는다.

다른 구체예에서, 본 발명은 제1 비진동 냉매 사이클 및 제2 비진동 냉매 사이클을 포함하는 냉각 시스템에 관한 것이다. 제1 비진동 냉매 사이클은 제1 냉매를 갖는다. 제2 비진동 냉매 사이클은 극저온 가스 성분을 포함하는 제2 냉매를 갖는다. 제2 냉매는 클로로플루오로카본, 하이드로클로로플루오로카본, 플루오로카본, 하이드로플루오로카본, 플루오로에테르, 및 하이드로카본이 없다. 제2 냉매의 일부 또는 전부는 제2 냉매 사이클에 응축된다.

또다른 구체예에 있어서, 본 발명은 냉각을 제공하는 방법에 관한 것이다. 방법은 제1 냉매 사이클에 제1 냉매를 응축하는 단계, 제2 냉매 사이클에서 제2 냉매를 냉각하기 위해 제1 냉매를 감압하는 단계(즉, 압력을 감소시키는 단계), 및 물품을 냉각하는 단계를 포함한다. 제2 냉매는 클로로플루오로카본, 하이드로클로로플루오로카본, 플루오로카본, 하이드로플루오로카본, 플루오로에테르, 및 하이드로카본이 없으며 둘 이상의 서로 다른 극저온 가스의 혼합물을 포함한다.

또다른 구체예에서, 본 발명은 하나 이상의 냉각 사이클을 포함하는 냉매 시스템에 관한 것이다. 냉각 사이클은 클로로플루오로카본, 하이드로클로로플루오로카본, 플루오로카본, 하이드로플루오로카본, 플루오로에테르, 및 하이드로카본이 없으며 Ar, Kr, Ne, Xe, O₂, CO₂ 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택되는 둘 이상의 서로 다른 성분을 포함하는 혼합 성분 냉매를 갖는다.

또다른 구체예에서, 본 발명은 하나 이상의 냉각 사이클을 포함하는 냉각 시스템에 관한 것이다. 냉각 사이클은 클로로플루오로카본, 하이드로클로로플루오로카본, 플루오로카본, 하이드로플루오로카본, 플루오로에테르, 및 하이드로카본이 없으며 N₂, Kr, Xe, He, O₂, CO₂ 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택되는 둘 이상의 서로 다른 성분을 포함하는 혼합 성분 냉매를 갖는다.

또다른 구체예에서, 본 발명은 하나 이상의 냉각 사이클을 포함하는 냉각 시스템에 관한 것이다. 냉각 사이클은 제1 성분 및 제2 성분을 포함하는 혼합 성분 냉매를 갖는다. 혼합 성분 냉매는 제1 성분의 40%에서 95%를 포함한다. 제1 성분은 Ar, Kr, Ne, Xe, He, O₂, CO₂ 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택된다. 제2 성분은 Ar, N₂, Kr, Ne, Xe, He, O₂, CO₂ 및 N₂O으로 구성되는 군으로부터 선택된다.

본 발명은 또한 하나 이상의 냉각 사이클을 포함하는 냉매 시스템의 구체예에 관한 것이다. 냉각 사이클은 클로로플루오로카본, 하이드로클로로플루오로카본, 플루오로카본, 하이드로플루오로카본, 플루오로에테르, 및 하이드로카본이 없으며 Ar, N₂, Kr, Ne, Xe, He, O₂, CO₂ 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택되는 셋 이상의 서로 다른 성분을 포함하는 혼합 성분 냉매를 갖는다.

다른 구체예에서, 본 발명은 냉각 시스템을 제공하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 냉각 사이클의 냉매가 클로로플루오로카본, 하이드로클로로플루오로카본, 플루오로카본, 하이드로플루오로카본, 플루오로에테르, 및 하이드로카본이 없으며 Ar, N₂, Kr, Ne, Xe, He, O₂, CO₂ 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택되는 셋 이상의 서로 다른 성분을 포함하는 혼합 성분 냉매인 냉각 사이클로 극저온 가스를 주입하는 단계를 포함한다.

또다른 구체예에서, 본 발명은 냉각 시스템을 제공하는 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 냉각 사이클의 냉매가 제1 성분 및 제2 성분을 포함하는 혼합 성분 냉매인 냉각 사이클로 극저온 가스를 주입하는 단계를 포함한다. 혼합 성분 냉매는 제1 성분의 40%에서 95%를 포함한다. 제1 성분은 Ar, Kr, Ne, Xe, He, O₂, CO₂ 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택된다. 제2 성분은 Ar, N₂, Kr, Ne, Xe, He, O₂, CO₂ 및 N₂O으로 구성되는 군으로부터 선택된다.

또다른 구체예에서, 본 발명은 Kr, Xe, O₂, CO₂ 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 성분 및 Ar, N₂, Ne, 및 He로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 성분을 포함하는 혼합 성분 냉매를 갖는 하나 이상의 냉각 사이클을 포함하는 냉각 시스템에 관한 것이다.

발명의 상세한 설명

한 구체예에서, 본 발명은 환경 친화적 냉매와 같은 특징을 갖는 하나 이상의 Ar, N₂, Kr, Ne, Xe, He, O₂, CO₂ 및 N₂O을 포함하는 혼합 성분 냉매를 사용하는, 하나 이상의 냉각 사이클을 갖는 냉동 및 냉각 시스템에 관한 것이다. 한 실시예에서, 냉각 시스템은 스로틀(throttle) 타입 냉각 시스템이다. 본 발명은 또한 반응성이 없는 종을 포함하는 혼합 성분 냉매 및 반응성이 없는 종을 가지는 혼합 성분 냉매를 사용하는 물품 또는 공정을 냉각하기 위한 방법에 관한 것이다. 혼합 성분 냉매는 둘 이상의 반응성이 없는 종의 혼합물을 포함할 수 있다. 반응성이 없는 종은, 예를 들어, 불활성 기체를 포함할 수 있다. 한 구체예에서, 불활성 기체는 Ar, Kr, Ne, Xe, 및 He과 같은 영족 기체로부터 선택되는 종들을 포함할 수 있다. 다른 구체예에서, 반응성이 없는 성분은 이원자 질소(N₂)를 포함할 수 있다. 또다른 구체예에서, 반응성이 없는 성분은 N₂O 또는 CO₂를 포함할 수 있다. 혼합 성분 냉매는 또한 O₂를 포함할 수 있다. 반응성이 없는 성분을 포함하는 혼합 성분 냉매는 일반적으로 클로로플루오로카본, 하이드로클로로플루오로카본, 플루오로카본, 하이드로플루오로카본, 플루오로에테르, 및 하이드로카본이 없다.

여기에서 사용된, "클로로플루오로카본"은 비슷한 화학 구조의 다른 화합물 중에서 디클로로플루오로메탄(CCl₂F₂)을 포함한다. 예를 들어, 클로로플루오로카본은 클로린, 플루오린, 및 카본 원자로 형성되는 분자이고, Cl-C 및 F-C 결합과 종의 탄소 원자의 수에 의존하는 C-C 결합을 갖는다. 여기에서 사용된 "플루오로카본"은 비슷한 화학 구조의 다른 화합물 중에서 테트라플루오로메탄(CF₄), 퍼플루오로에탄(C₂F₆), 퍼플루오로프로판(C₃F₈), 퍼플루오로부탄(C₄F₁₀), 퍼플루오로펜탄(C₅F₁₂), 퍼플루오로에텐(C₂F₄), 퍼플루오로프로펜(C₃F₆), 퍼플루오로부텐(C₄F₈), 퍼플루오로펜텐(C₅F₁₀), 헥사플루오로사이클로프로판(사이클로-C₃F₆) 및 옥타플루오로사이클로부탄(사이클로-C₄F₈)을 포함한다. 플루오로카본은 플루오린 및 탄소 원자로 형성되는 분자를 포함하고, F-C 결합과 종의 탄소 원자의 수에 의존하는 C-C 결합을 갖는다.

여기에서 사용된, "하이드로플루오로카본"은 비슷한 화학 구조의 다른 화합물 중에서 플루오로포름 (CHF₃), 펜타플루오로에탄(C₂HF₅), 테트라플루오로에탄(C₂H₂F₄), 헵타플루오로프로판(C₃HF₇), 헥사플루오로프로판(C₃H₂F₆), 펜타플루오로프로판(C₃H₃F₅), 테트라플루오로프로판(C₃H₄F₄), 노나플루오로부탄(C₄HF₉), 옥타플루오로부탄(C₄H₂F₈), 언데카플루오로펜탄(C₅HF₁₁), 메틸 플루오라이드(CH₃F), 디플루오로메탄(CH₂F₂), 에틸 플루오라이드(C₂H₅F), 디플루오로에탄(C₂H₄F₂), 트리플루오로에탄(C₂H₃F₃), 디플루오로에텐(C₂H₂F₂), 트리플루오로에텐(C₂HF₃), 플루오로에텐(C₂H₃F), 펜타플루오로프로펜(C₃HF₅), 테트라플루오로프로펜(C₃H₂F₄), 트리플루오로프로펜(C₃H₃F₃), 디플루오로프로펜(C₃H₄F₂), 헵타플루오로부텐(C₄HF₇), 헥사플루오로부텐(C₄H₂F₆) 및 노나플루오로펜텐(C₅HF₉)를 포함한다. 하이드로플루오로카본은 H, F, 및 C 원자를 포함하는 분자이며 H-C 및 F-C 결합과 종의 탄소 원자의 수에 의존하는 C-C 결합을 갖는다.

여기에서 사용된, "하이드로클로로플루오로카본"은 비슷한 화학 구조의 다른 화합물 중에서 클로로디플루오로메탄(CHCIF₂), 클로로플루오로메탄(CH₂CIF), 클로로메탄(CH₃Cl), 디클로로플루오로메탄(CHCl₂F), 클로로테트라플루오로에탄(C₂HCIF₄), 클로로트리플루오로에탄(C₂H₂ClF₃), 클로로디플루오로에탄(C₂H₃ClF₂), 클로로플루오로에탄(C₂H₄ClF), 클로로에탄(C₂H₅Cl), 디클로로트리플루오로에탄(C₂HCl₂F₃), 디클로로디플루오로에탄(C₂H₂Cl₂F₂), 디클로로플루오로에탄(C₂H₃Cl₂F), 디클로로에탄(C₂H₄Cl₂), 트리클로로플루오로에탄(C₂H₂Cl₃F), 트리클로로디플루오로에탄(C₂HCl₃F₂), 트리클로로에탄(C₂H₃Cl₃), 테트라클로로플루오로에탄(C₂HCl₄F), 클로로에텐(C₂H₃Cl), 디클로로에텐(C₂H₂Cl₂), 디클로로플루오로에텐(C₂H₂ClF) 및 디클로로디플루오로에텐(C₂HClF₂)을 포함한다. 하이드로클로로플루오로카본은 H, F, 및 C 원자를 포함하고 H-C 및 F-C 결합과 종의 탄소 원자의 수에 의존하는 C-C 결합을 가지는 분자이다.

여기에서 사용된, "플루오로에테르"는 비슷한 화학 구조의 다른 화합물 중에서 트리플루오로메톡시-퍼플루오로메탄(CF₃--O--CF₃), 디플루오로메톡시-퍼플루오로메탄(CHF₂--O--CF₃), 플루오로메톡시-퍼플루오로메탄(CH₂F--O--CF₃), 디플루오로메톡시-디플루오로메탄(CHF₂--O--CHF₂), 디플루오로메톡시-퍼플루오로에탄(CHF₂--O--C₂F₅), 디플루오로메톡시-1,2,2,2-테트라플루오로에탄(CHF₂--O--C₂HF₄), 디플루오로메톡시-1,1,2,2-테트라플루오로에탄(CHF₂--O--C₂HF₄), 퍼플루오로에톡시플루오로메탄(C₂F₅--O--CH₂F), 퍼플루오로메톡시-1,1,2-트리플루오로에탄(CF₃--O--C₂H₂F₃), 퍼플루오로메톡시-1,2,2-트리플루오로에탄(CF₃--O--C₂H₂F₃), 사이클로-1,1,2,2-테트라플루오로프로필에테르(사이클로-C₃H₂F₄--O--), 사이클로-1,1,3,3-테트라플루오로프로필에테르(사이클로-C₃H₂F₄--O--), 퍼플루오로메톡시-1,1,2,2-테트라플루오로에탄(CF₃--O--C₂HF₄), 사이클로-1,1,2,3,3-펜타플루오로프로필에테르(사이클로-C₃H₅--O--), 퍼플루오로메톡시-퍼플루오로아세톤(CF₃--O--CF₂--O--CF₃), 퍼플루오로메톡시-퍼플루오로에탄(CF₃--O--C₂F5), 퍼플루오로메톡시-1,2,2,2-테트라플루오로에탄(CF₃--O--C₂HF4), 퍼플루오로메톡시-2,2,2-트리플루오로에탄(CF₃- O--C₂H₂F₃), 사이클로-퍼플루오로메톡시-퍼플루오로아세톤(사이클로-CF₂--O--CF₂--O--CF₂--) 및 사이클로퍼플루오로프로필에테르(사이클로-C₃F₆--O), 메톡시-퍼플루오로프로판(CH₃--O--CF₂CF₂CF₃)을 포함한다. 플루오로에테르는 화학식 C_aF_bH_2a _+d- _bO_c, 여기서 a = 2 또는 3, 3 ≤ b ≤ 8, c = 1 또는 2, 및 d = 0 또는 2의 고리형 또는 비고리형 하이드로플루오로에테르를 포함할 수 있다. 플루오로에테르는 F, O, 및 C 원자를 포함하는 분자이며 H 원자를 포함할 수 있다. 플루오로에테르는 둘 이상의 O-C 결합을 가지며 F-C, 선택적으로, H-C 및, 종의 탄소 원자의 수에 의존하는 C-C 결합을 갖는다.

여기에서 사용된, "하이드로카본"은 비슷한 화학 구조의 다른 화합물 중에서 수소(H₂), 메탄(CH₄), 에탄(C₂H₆), 에텐(C₂H₄), 프로판(C₂H₈), 프로펜(C₃H₆), 부탄(C₄H_1O), 부텐(C₄H₈), 사이클로프로판(C₃H₆) 및 사이클로부탄(C₄H₈)을 포함한다. 하이드로카본은 H 및 C 원자를 포함하는 분자이며 H-C 및, 종의 탄소 원자의 수에 의존하는 C-C 결합을 갖는다.

여기에서 사용된 "영족 기체"는 다음 중 하나를 의미한다: 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 및 크세논(Xe). 여기에서 사용된 "불활성 기체"는 다음 중 하나를 의미한다: 질소(N₂), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 크세논(Xe), 네온(Ne), 및 헬륨(He). "낮은 반응성 기체"는 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 크세논(Xe), 질소 (N₂), 이산화탄소(CO₂) 및 N₂O를 포함한다. "극저온 가스"는 여기서 헬륨(He), 네온(Ne), 아르곤(Ar), 크립톤(Kr), 크세논(Xe), 질소(N₂), N₂O, 이산화탄소(CO₂) 및 산소(O₂)를 포함하는 군을 나타내는데 사용될 것이다. 극저온 가스는 일반적으로 클로로플루오로카본, 하이드로클로로플루오로카본, 플루오로카본, 하이드로플루오로카본, 플루오로에테르, 하이드로카본, 및 이와 비슷한 탄소에 근거한 화합물들이 없다. 어플리케이션에서, O₂는 20 몰%가 넘지 않는, 어떤 예에서는 15 몰%가 넘지 않는, 10 몰%가 넘지 않는, 또는 5 몰%가 넘지 않는 양으로 사용될 수 있고, 또는 안정성 및 친화성의 문제로 인해 혼합 냉매로부터 본질적으로 빠질 수 있다. 고압에서 고농도의 산소는 가연성 또는 인화성 혼합물이란 결과가 될 수 있다. 어떤 예에서, 산소는 금속과 격렬하게 반응할 수 있다. 다른 어플리케이션에서 산소는 N₂O, 및 O₂와 같은 분자를 포함하는 산소는 안정성 및 친화성의 문제로 인해 사용되지 않을 수도 있다. 그러나, 다른 어플리케이션에서, 산소는 원하는 열적 능력(thermal performance)을 제공할 수도 있다. 따라서, 산소의 사용은 안전을 보증하기 위해 표준 공정 실행과 일치되어야 한다는 것이 이해된다.

구체예에서, 극저온 가스는 혼합 성분 냉매를 형성하기 위해 혼합될 수 있다. 구체예에서, 극저온 가스 성분은 표준 끓는점 온도차에 근거하여 선택될 수 있다. 예를 들어, 극저온 가스 성분은 표준 끓는점에 가깝도록 선택될 수 있다. 선택적으로, 최고의 끓는 점을 가지는 성분과 최저의 끓는 점을 가지는 성분사이의 표준 끓는점의 차이는 적어도 약 15℃로 선택될 수 있다. 예를 들어, 표준 끓는점의 차이는 적어도 약 20℃, 적어도 약 30℃ 또는 적어도 약 50℃가 될 수 있다.

혼합 성분 냉매는 냉각 시스템에서 사용될 수 있다. 상술한 혼합 성분 냉매의 구체예들은 283K(10℃)보다 높지 않은 온도에서 냉동을 제공하는 저온 냉각 시스템에서 특히 유용하다. 예를 들어, 상술한 혼합 성분 냉매의 구체예들은 100K에서 223K(-173℃에서 -50℃)의 냉동 온도와 같이 223K(-50℃)를 넘지 않는 온도에서 냉동을 제공하는 저온 냉각 시스템에서 유용하게 될 수 있다. 다른 구체예에서, 상술한 혼합 성분 냉매의 구체예들은 4K에서 90K(-265℃에서 -183℃)의 냉동 온도와 같이 90 K(-183℃)를 넘지 않는 온도에서 냉동을 제공하는 극저온 냉각 시스템에 유용하게 될 수 있다. 이러한 공개의 목적을 달성하기 위해, "저온"은 283K를 넘지 않는 온도를 의미하는데 사용되고, "매우 저온"은 90K에서 223K의 온도를 의미하는데 사용되고, "극저온 온도"는 4K에서 90K의 온도를 의미하는데 사용된다. 명백하게 하기 위해, "극저온 성분" 또는 "극저온 가스"는 "극저온 온도"로 제한하는 용도를 나타내지 않는다. 이러한 용어들은 독립적이다. 이러한 어플리케이션의 일차적 장점은 매우 저온 및 극저온 냉각 어플리케이션을 의도할 수 있다는 점이다. 그러나, 이러한 어플리케이션의 장점이 저온 어플리케이션 및 심지어 가열 온도 어플리케이션에서 장점을 제공하고 이러한 이유로 포함된다는 것은 예측되는 것이다.

냉매 시스템은 저온 및 매우 저온에서 냉동하도록 작동될 수 있다. 구체예에서, 컴프레서로 열리는 흡입 라인은 5에서 115 psia의 압력에서 작동될 수 있고 컴프레서로 열리는 배출 라인은 115에서 500 psia의 압력에서 작동될 수 있다. 다른 구체예에서, 컴프레서로 열리는 흡입 라인은 115에서 700 psia의 압력에서 작동될 수 있고 컴프레서로 열리는 배출 라인은 500에서 5000 psia의 압력에서 작동될 수 있다. 여기서, 115 psia를 넘지 않는 흡입 라인을 가지는 냉각 사이클은 저압 냉각 사이클로 명명되고 115 psia를 넘는 흡입 라인을 가지는 냉각 사이클은 고압 냉각 사이클로 명명된다. 구체예들은 65 psia를 넘지 않는 것과 같이, 90 psia를 넘지 않는 흡입 압력을 가질 수 있다. 선택적인 구체예들은 적어도 약 300 psia 같이, 적어도 약 200 pasi의 흡입 압력을 가질 수 있다. 다중-사이클 냉각 시스템은 저압 및 고압 사이클을 포함할 수 있다.

구체예에서, 혼합 성분 냉매 아르곤(Ar), 이원자 질소(N₂), 크립톤(Kr), 네온(Ne), 크세논(Xe), 헬륨(He), 산소(O₂), 이산화탄소(CO₂) 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택되는 셋 이상의 서로 다른 성분을 포함할 수 있다. 냉매는, 예를 들어, 셋 이상의 서로 다른 성분 각각의 5 몰%이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 혼합 성분 냉매는 약 5 몰%에서 90 몰%의 제1 성분을 포함할 수 있다. 다른 구체예에서, 냉매는 약 10 몰%에서 80 몰%의 제1 성분 또는 약 30 몰%에서 60 몰%의 제1 성분을 포함할 수 있다. 혼합 성분 냉매는 일반적으로 클로로플루오로카본, 하이드로클로로플루오로카본, 플루오로카본, 하이드로플루오로카본, 및 하이드로카본이 없으며 플루오로에테르가 없을 수 있다.

한 구체예에서, 혼합 성분 냉매는 O₂, Ar, N₂, Ne, 및 He로 구성되는 군으로부터 선택되는 성분과 Kr, Xe, CO₂, 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 성분을 포함할 수 있다. 전형적으로, 이산화탄소는 1 기압 및 저온에서 고체 또는 액체이며, 일반적으로 낮은 기압에서는 냉매로서 적당하지 않다. 그러나, 크세논과의 혼합은 어는점 내림이란 결과를 가져오며 따라서 일반적으로 예측되는 것보다 더 저압에서도 CO₂를 냉매로서 사용할 수 있다. 어는점 내림은 일반적으로 본 출원에서 상술한 극저온 냉매의 다양한 조합에 의해 일어난다. 예를 들어, CO₂, Ar, Kr, Xe, N₂, 및 O₂로 구성되는 군으로부터 선택되는 둘 이상의 성분의 다양한 조합은 어는점 내림을 나타낸다. 구체적으로, 혼합 성분 냉매는 CO₂ 및 Ar, Kr, Xe, N₂, 및 O₂로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 성분을 포함할 수 있다. 당업자들은 어는점 내림의 정도는 어는점을 증가시키는 성분의 농도가 증가할수록 감소한다는 것을 인식할 것이다.

다른 구체예에서, 혼합 성분 냉매는 Ar, Kr, Ne, Xe, 및 He로 구성되는 군으로부터 선택되는 둘 이상의 성분을 포함할 수 있다. 혼합 성분 냉매는 약 5 몰%에서 95 몰%의 제1 성분을 포함할 수 있다. 다른 구체예에서, 혼합 성분 냉매는 약 10 몰%에서 80 몰%의 제1 성분 또는 약 30 몰%에서 60 몰%의 제1 성분을 포함할 수 있다. 상술한 성분은 좋은 어는점 내림에 특히 유리하게 될 수 있다.

다른 구체예에서, 혼합 성분 냉매는 N₂, Kr, Ne, Xe, He, O₂, CO₂ 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택되는 둘 이상의 성분을 포함할 수 있다. 혼합 성분 냉매 약 5 몰%에서 95 몰%의 제1 성분을 포함할 수 있다. 다른 구체예에서, 혼합 성분 냉매는 약 10 몰%에서 80 몰%의 제1 성분 또는 약 30 몰%에서 60 몰%의 제1 성분을 포함할 수 있다.

또다른 구체예에서, 혼합 성분 냉매는 제1 및 제2 성분을 포함할 수 있다. 혼합 성분 냉매는 약 40%에서 90%의 제1 성분을 포함할 수 있다. 제1 성분은 Ar, Kr, Ne, Xe, He, O₂, CO₂ 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택될 수 있다. 제2 성분은 Ar, N₂, Kr, Ne, Xe, He, O₂, CO₂ 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택될 수 있다. 예를 들어, 혼합 성분 냉매는 약 45 몰%에서 80 몰%의 제1 성분을 포함할 수 있다.

다른 구체예에서, 혼합 성분 냉매는 CO₂, N₂O, Xe, 및 Kr로 구성되는 군으로부터 선택되는 제1 성분과 Ar, Ne, N₂, O₂, 및 He로 구성되는 군으로부터 선택되는 제2 성분을 포함할 수 있다. 특별한 구체예들은 플루오린 및 클로린을 ㅍ포함하는 분자가 없다.

냉각 시스템은 하나 이상의 냉각 사이클을 포함할 수 있고, 여기서 혼합 성분 냉매는 하나 이상의 사이클에서 냉매로서 포함된다. 한 구체예에서, 냉각 시스템은 두 개의 사이클을 가질 수 있다. 제1 사이클은 클로로플루오로카본, 하이드로클로로플루오로카본, 플루오로카본, 하이드로플루오로카본, 플루오로에테르, 하이드로카본, 또는 그들의 조합을 포함하는 냉매를 포함할 수 있다. 이러한 제1 사이클은 제2 냉각 사이클을 냉각하기 위해 연속적으로 배열되는데 사용될 수 있으며 제2 냉각 사이클에 위치한 제2 냉매를 부분적으로 압축할 수 있다. 제2 냉매는 반응성이 없는 냉매가 될 수 있다. 제2 냉각 사이클은 공정 또는 물품을 냉각하는데 사용될 수 있다.

이러한 관점에서, 비가연성 또는 낮은 가연성인, 환경 친화적인 냉매는 제한되고 반응성인 냉매가 공정으로부터 퇴출되는 사이에 공정에 더 가까이 근접하여 사용되었다. 한 구체예에서, 반응성이 없는 냉매는 혼합 성분 냉매이다. 혼합된 극저온 종은 어는점 내림 및 유용한 온도 수준을 제공한다.

한 구체예에서, 본 발명은 제1 냉매 사이클 및 제2 냉매 사이클을 갖는 냉각 시스템에 관한 것이다. 제1 냉매 사이클은 제1 냉매를 가지며 제2 냉매 사이클은 제2 냉매를 갖는다. 제2 냉매는 극저온 성분의 혼합물을 포함한다. 제2 냉매 사이클에서 제2 냉매의 일부분은 액화되거나 응축될 수 있다. 제1 사이클 및 제2 냉매 사이클은 연속적인 배열에서 짝지어질 수 있다. 하나 이상의 제1 냉매 사이클 및 제2 냉매 사이클은 자동 연속적인 사이클이 될 수 있다. 극저온 성분의 혼합물은, 한 구체예에서, Ar, N₂, Kr, Ne, Xe, He, O₂, CO₂ 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택되는 셋 이상의 서로 다른 성분을 포함할 수 있다. 혼합 성분 냉매는 셋 이상의 서로 다른 성분들 각각의 약 5 몰%이상을 포함할 수 있다. 다른 구체예에서, 혼합물은 Ar, Kr, Ne, Xe, O₂, CO₂ 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택되는 둘 이상의 서로 다른 성분을 포함할 수 있다. 또다른 구체예에서, 혼합물은 N₂, Kr, Xe, He, O₂, CO₂ 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택되는 둘 이상의 서로 다른 성분을 포함할 수 있다.

다른 구체예에서, 본 발명은 제1 냉매 사이클 및 제2 냉매 사이클을 갖는 냉각 시스템에 관한 것이다. 제1 냉매 사이클은 제1 냉매를 가지며 제2 냉각 사이클은 반응성이 없는 성분을 포함하는 제2 냉매를 갖는다. 제2 냉매는 클로로플루오로카본, 하이드로클로로플루오로카본, 플루오로카본, 하이드로플루오로카본, 플루오로에테르, 및 하이드로카본이 없다. 제2 냉매의 일부분은 제2 냉매 사이클에서 응축된다. 제1 냉매 사이클 및 제2 냉매 사이클은 연속적인 배열에서 짝지어질 수 있다. 하나 이상의 제1 냉매 사이클 및 제2 냉매 사이클은 자동 연속적인 사이클이 될 수 있다. 제2 냉매는 Ar, N₂, Kr, Ne, Xe, He, O₂, CO₂ 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택되는 셋 이상의 서로 다른 성분을 포함하는 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 혼합물은 셋 이상의 서로 다른 성분들 각각의 약 5 몰%이상을 포함할 수 있다. 다른 구체예에서, 혼합물은 Ar, Kr, Ne, Xe, O₂, CO₂ 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택되는 둘 이상의 서로 다른 성분을 포함할 수 있다. 다른 구체예에서, 혼합물은 N₂, Kr, Xe, He, O₂, CO₂ 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택되는 둘 이상의 서로 다른 성분을 포함할 수 있다.

본 발명은 또한 냉각을 제공하는 방법에 관한 것이다. 방법은 제1 냉각 사이클에서 제1 냉매를 응축하는 단계, 제2 냉각 사이클에서 제2 냉매를 냉각하기 위해 제1 냉매를 감압하는 단계, 및 제2 냉각 사이클을 사용하여 물품을 냉각하는 단계를 포함한다. 제2 냉매는 둘 이상의 서로 다른 극저온 가스의 혼합물을 포함한다. 물품은 제2 냉매의 증발을 통해 냉각될 수 있다. 물품은 직접적 또는 간접적으로 냉각된다. 제2 냉매 사이클은, 예를 들어, 유체를 냉각할 수 있고 상기 유체는 물품을 냉각할 수 있다. 다른 구체예에서, 제2 냉매 사이클은 방열기(heat sink)를 냉각할 수 있고 상기 방열기는 물품으로부터 열을 흡수할 수 있다. 선택적인 구체예에서, 물품은 방열기 또는 가공물(work piece)이 될 수 있다.

한 구체예에서, 가공물은 반도체 웨이퍼이다. 다른 구체예에서 그것은 파워(powered) 또는 언파워(unpowered)되는 완벽한 마이크로전자 칩이다. 다른 구체예에서, 냉각되는 대상은 부분적으로 또는 완전히 응축되는 가스 흐름, 액체 흐름 또는 가스이다. 제1 냉매 사이클 및 제2 냉매 사이클은 연속적인 배열에서 짝지어질 수 있다. 하나 이상의 제1 냉매 사이클 및 제2 냉매 사이클은 자동 연속적인 사이클이 될 수 있다.

도 1은 제1 냉각 사이클(116) 및 제2 냉각 사이클(118)을 갖는 냉각 시스템을 도시한 것이다. 제1 냉각 사이클(116) 및 제2 냉각 사이클(118)은 열교환기 또는 콘덴서(108)를 통해 제1 냉각 사이클(116)이 제2 냉각 사이클을 냉각시키는 연속적인 배열에서 배열된다.

제1 냉각 사이클(116)에서 냉매는 컴프레서(102)에 의해 압축된다. 압축된 냉매는 열교환기 또는 콘덴서(104)에서 상기 냉매를 냉각하거나 선택적으로 응축하기 위해 냉각된다. 냉각된 냉매는 선택적인 열교환기(122)에 의해 더 냉각된 다음 스로툴 또는 팽창기(106)를 통해 감압되고 냉매를 증발하기 위해 열교환기(108)에서 가열된다. 열교환기(108)를 나온 냉매는 열교환기(122)에 의해 가열되고 증발되며 컴프레서(102)로 되돌아 간다. 혼합 성분 냉매가 사용될 때, 열교환기(122)는 일반적으로 개선된 수행 결과를 제공한다.

제2 냉각 사이클(118)에서, 제2 냉매는 컴프레서(114)에 의해 압축된다. 압축된 제2 냉매는 온수생성기(desuperheater)(120)에 의해 실온으로 냉각되며 열교환기(108)에서 추가적으로 냉각되고 선택적으로 응축된다. 열교환기(108)에서 실질적인 제1 냉매의 증발화에 의해, 제2 냉매는 냉각되고 응축될 수 있다. 냉각된 제2 냉매는 열교환기(124)에 의해 더 냉각되며 더 응축되고 스로틀 또는 팽창기(110)에서 감압되며 열교환기(112)에서 가열되고, 제2 냉매가 증발화된다. 스로틀 또는 팽창기(106 및 110)는 밸브, 모세관, 터빈 팽창기, 구멍(orifices) 또는 감압 플레이트가 될 수 있다. 열교환기(112)를 나온 냉매는 열교환기(124)에 의해 더 가열되며 증발화된다. 증발화된 제2 냉매는 컴프레서(114)로 되돌아 간다.

열교환기(112)는 공정 또는 물품을 냉각하는데 사용될 수 있다. 열교환기(112)는, 예를 들어, 열교환 수단, 방열기, 또는 물품을 냉각할 수 있다. 물품은 열교환 수단 또는 방열기를 사용하여 간접적으로 냉각될 수 있다. 한 구체예에서, 물품은 반도체 웨이퍼이다. 다른 구체예에서, 열교환기(112)는, 예를 들어, 수증기를 응축 또는 냉각시키기 위해 가스 흐름을 냉각할 수 있으며, 또는 외부 대상과 함께 또는 다양한 목적을 위한 열전달에 사용하기 위해 가스를 액화할 수 있다. 또다른 구체예에서, 열교환기(112)는 극저온 분리에서 사용되기 위한 흐름을 냉각하는데 사용될 수 있다. 계속 다른 구체예에서 열교환기(112)는 진공 펌프 시스템에서 냉각코일을 냉각하는데 사용된다. 계속 다른 구체예에서 열교환기(112)는 생물학적 저장 유닛을 냉각하는데 사용되거나, 동결건조기에서 용매를 잡는데 사용되거나, 생약학 공정으로부터 열을 제거하는데 사용된다. 선택적으로, 열교환기(112)는 초전도체 케이블 및 장치를 냉각하는데 사용될 수 있다. 또한, 열교환기(112)는 화상 장치 또는 화학 분석기기를 냉각할 수 있다.

제1 냉매는 낮은 반응성 또는 극저온 냉매가 될 수 있다. 선택적으로, 제1 냉매는 클로로플루오로카본, 하이드로클로로플루오로카본, 플루오로카본, 하이드로플루오로카본, 플루오로에테르, 하이드로카본, 또는 그들의 조합을 포함하는 냉매가 될 수 있다.

제1 냉매의 구체예들은 미국특허 제6,502,410호, 미국특허 제5,337,572호, 및 PCT 특허공보 제 WO 02/095308 A2에 기재된 것과 같은 냉매를 포함할 수 있다.

제2 냉매는 Ar, N₂, Kr, Ne, Xe, He, CO₂, 및 N₂O로부터 선택되는 성분을 포함하는 낮은 반응성 냉매가 될 수 있다. 구체예에서, 제2 냉매는 Ar, N₂, Kr, Ne, Xe, He, CO₂, 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택되는 셋 이상의 서로 다른 성분을 포함할 수 있다. 다른 구체예에서, 냉매는 Ar, N₂, Kr, Ne, Xe, He, O₂, CO₂, 및 N₂O의 둘 이상을 포함할 수 있다. 냉매는, 예를 들어, 셋 이상의 서로 다른 성분 각각의 5 몰%이상을 포함한다. 예를 들어, 제2 냉매는 약 5 몰%에서 90 몰%의 제1 성분을 포함할 수 있다. 다른 구체예에서, 냉매는 약 10 몰%에서 80 몰%의 제1 성분 또는 약 30 몰%에서 60 몰%의 제1 성분을 포함할 수 있다.

다른 구체예에서, 제2 냉매는 Ar, Kr, Ne, Xe, He, O₂, CO₂ 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택되는 둘 이상의 서로 다른 성분을 포함할 수 있다. 제2 냉매는 약 5 몰%에서 95 몰%의 제1 성분을 포함할 수 있다. 다른 구체예에서, 냉매는 약 10 몰%에서 80 몰%의 제1 성분 또는 약 30 몰%에서 60 몰%의 제1 성분을 포함할 수 있다.

다른 구체예에서, 제2 냉매 N₂, Kr, Ne, Xe, He, O₂, CO₂ 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택되는 둘 이상의 서로 다른 성분을 포함할 수 있다. 제2 냉매는 약 5 몰%에서 95 몰%의 제1 성분을 포함할 수 있다. 다른 구체예에서, 냉매는 약 10 몰%에서 80 몰%의 제1 성분 또는 약 30 몰%에서 60 몰%의 제1 성분을 포함할 수 있다.

또다른 구체예에서, 제2 냉매 제1 및 제2 성분을 포함할 수 있다. 제2 냉매는 40%에서 90%의 제1 성분을 포함할 수 있다. 제1 성분은 Ar, Kr, Ne, Xe, He, O₂, CO₂ 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택될 수 있다. 제2 성분은 Ar, N₂, Kr, Ne, Xe, He, O₂, CO₂ 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택될 수 있다. 예를 들어, 제2 냉매는 약 45 몰%에서 80 몰%의 제1 성분을 포함할 수 있다.

도 1의 제1 및 제2 냉각 사이클의 하나 또는 모두는 자동 연속 사이클이 될 수 있다. 도 2는 본 발명과 일치하는 해동력(defrost capability)을 갖는 자동 연속 사이클의 구체예를 도시하고 있다. 냉매는 컴프레서(202)에서 압축된다. 압축된 냉매는 압축된 냉매 흐름으로부터 윤활제를 제거하기 위해 선택적인 오일 분리기(224)로 통과한다. 오일 분리기(224)에 의해 분리된 오일은 이송 라인(230)을 경유하여 컴프레서(202)의 흡입 라인(222)으로 되돌아 갈 수 있다. 오일 분리기(224)의 사용은 선택적으로 방전 흐름으로 배출되는 오일의 양 및 오일을 위한 냉동 공정의 허용 한계에 의존한다. 선택적인 배열에서, 오일 분리기(224)는 해동 부문 라인(228)을 갖는 내부 라인에 위치된다.

압축된 냉매는 오일 분리기(224)로부터 라인(206)을 통해 압축된 냉매가 냉각되고 부분적으로 또는 완전히 응축될 수 있는 콘덴서(204)로 통과된다. 냉각 수단은 압축된 냉매를 응축하는데 사용될 수 있다. 연속 배열의 예에서, 제1 냉매는 콘덴서(204) 내의 제2 냉매를 냉각하거나 응축하는데 사용될 수 있다.

콘덴서(204)로부터, 응축된 냉매는 라인(210)을 통해 냉동 공정(208)으로 이송된다. 냉동 공정(208)은 하나 이상의 열교환기, 상 분리기, 및 흐름 측정 장치를 포함할 수 있다. 냉동 공정(208)의 냉각된 배출구(214)는 증발기(212)로 향하고, 공정 또는 물품으로부터 열의 흡수에 의해 공정 또는 물품을 냉각한다. 가열된 냉매는 라인(220)을 경유하여 냉동 공정(208)으로 되돌아 간다. 연속적인 배열에서 증발기(212)는 다음 냉각 단계에서 냉매를 냉각하는데 사용될 수 있다.

이러한 구체예에서, 냉동 공정(208)은 자동 냉각 연속 시스템과 같이 도시되며 열교환기(232), 상 분리기(234), 열교환기(236), 상 분리기(238), 열교환기(240), 상 분리기(242), 열교환기(244), 흐름 측정 장치(FMD)(246), FMD(248), 및 FMD(250)를 포함한다. 열교환기는 고압 냉매로부터 저압 냉매로 열전달을 제공한다. FMD는 고압 냉매를 저압으로 조절하고 조절 공정의 결과와 같은 냉동 효과를 만든다.

냉각 시스템(200)은 냉동, 해동 및 대기의 세 가지 모드중의 하나를 수행할 수 있다. 상술한 냉매 혼합물은 이러한 각각의 세 가지 모드를 수행하도록 한다. 만약 솔레노이드 밸브(260 및 218)가 모두 닫힌 상태라면, 시스템은 대기 상태임을 나타낸다. 냉매는 증발기로 흐르지 않는다. 냉매는 단지 내부 흐름 측정 장치(즉, FMD(246), FMD(248), 및 FMD(250))에 의한 냉동 공정(208) 사이로 흐르고, 고압 냉매를 공정의 저압 측면으로 이동하도록 한다. 이것은 냉동 공정(208)의 계속적인 수행을 허용한다. 단일 스로틀 냉동 공정이 사용되는 예에서, 수행의 대기 모드는 단지, 대기 모드가 냉매를 고압 측면으로부터 냉동 공정(208)의 저압 측면으로 흐르도록 하는 동안, 스로틀을 통한 흐름을 일으키는 수단이 유용한 경우에만 가능하다. 어떤 배열에서, 이것은 증발기로 또는 냉동 공정으로 되돌아 가는 냉매의 흐름을 조절하도록 한 쌍의 솔레노이드 밸브에 의해 가능해질 수 있다. 다른 배열에서, 추가적인 스로틀 및 솔레노이드 밸브는 대기 모드에서 이러한 내부 흐름이 가능하도록 사용될 수 있다. 선택적인 배열에 있어서, 보조냉동기(보조냉동기)로 적용되는 열교환기는 냉동 공정에 포함된다. 보조냉동기가 사용될 때, 고압 냉매의 부분은 증발기로부터 유도되고 그것을 저압으로 감압하여 더 낮은 냉매 온도가 되도록 한다. 이 흐름은 다음에 증발기 및 이러한 전환 흐름 모두를 공급하는 보조 냉동기의 고압 측면에서 모든 흐름을 미리 냉동하기 위해 보조냉동기의 저압 측면에서 사용될 수 있다. 따라서, 증발기로의 흐름이 중단될 때, 내부 흐름 및 열전달은 더 냉각이 진행될 수 있도록 고압 냉매를 허용하는 것을 지속하고, 보조냉동기로 들어가는감압된 냉매의 더 낮은 온도로 나타난다.

도 4에 도시한 바와 같이, 열교환기(412)는 보조냉동기로 나타난다. 어떤 냉동 공정은 보조냉동기를 사용하지 않고 따라서 보조냉동기는 선택적인 요소이다. 만약 열교환기(412)가 사용되지 않는다면 열교환기(408)가 배출한 고압 흐름은 직접적으로 냉매 공급 라인(420)에 공급된다. 회귀 흐름 경로에서, 냉매 회귀 라인(448)은 열교환기(408)로 공급된다. 보조냉동기를 가진 시스템에서, 보조냉동기가 배출한 저압 냉매는 노드 H에서 냉매 회귀 흐름과 혼합되고 결과적인 혼합 흐름은 열교환기(408)로 공급된다. 열교환기(408)가 배출한 저압 냉매 열교환기(406)로 공급된다. 상 분리기에 의해 제거되는 액체 부분은 FMD(410)에 의해 저압으로 이동된다. 냉매는 FMD(410)으로부터 흐르고 다음에 열교환기(408)로부터 열교환기(406)로 흐르는 저압 냉매와 혼합된다. 이러한 혼합 흐름은 열교환기(406)로 공급되고, 다음에 열교환기(402)로 공급되고, 순차적으로 컴프레서 흡입 라인(464)에 공급된다. 열교환기는 고압 냉매와 저압 냉매 사이의 열을 교환한다.

다시 도 2를 참조하면, 솔레노이드 밸브(218)의 개방에 의해 시스템은 ㄴ냉각 모드가 된다. 이러한 수행 모드에서 솔레노이드 밸브(260)는 닫힌 상태이다. 냉동 공정(208)으로부터의 냉매는 FMD(216)에 의해 감압되고 밸브(218)를 통해 흐르며 증발기(212)로 나간 다음에 냉매 회귀 라인(220)을 경유하여 냉동 공정(208)으로 되돌아 간다.

냉각 시스템(200)은 솔레노이드 밸브(260)의 개방에 의해 해동 모드 상태가 될 수 있다. 이러한 수행 모드에서, 솔레노이드 밸브(218)는 닫힌 상태이다. 해동 모드에서 컴프레서(202)로부터의 뜨거운 가스는 증발기(212)로 공급된다. 일반적으로 해동은 증발기(212)의 표면을 가열하면서 시작된다. 오일 분리기(224)를 통해 흐르는 뜨거운 냉매는, 해동 라인(228)을 경유하여 솔레노이드 밸브(260)로 가도록, 솔레노이드 밸브(218)와 증발기(212) 사이의 노드로 공급되고 증발기(212)로 흐른다. 해동의 시작에서, 증발기(212)는 저온, 매우 저온 또는 극저온 온도이고 뜨거운 냉매 가스를 냉각하고 완전히 또는 부분적으로 응축되도록 한다. 냉매는 냉매 회귀 라인(220)을 경유하여 냉동 공정(208)으로 되돌아 간다. 회귀 해동 냉매는 냉동 모드에서 일반적으로 제공되는 온도와 매우 유사하게 저온, 매우 저온 또는 극저온 온도에서 초기화된다. 해동 공정이 진행되는 것처럼 증발기(212)는 가열된다. 결국 회귀 해동 가스의 온도는 냉동 모드에서 제공되는 것보다 더 따뜻하다. 높은 온도에서의 이러한 결과는 냉동 공정(208)상에 로드된다. 이것은 일반적으로 2-7분의 짧은 시간 주기에 대해 허용될 수 있고, 증발기(212)의 전체 표면을 가열하기에 충분하다. 온도 센서는, 명백하게 나타나지는 않지만, 냉매 회귀 라인(220)으로 열적 접촉이 될 수 있다. 냉매 회귀 라인(220)에서 원하는 온도에 도달하면 온도 센서는 조절 시스템(명백하게 나타낸 것은 아님)으로 하여금 해동을 마치도록 하고, 솔레노이드 밸브(260)를 닫고 냉각 시스템(200)이 대기로 들어가도록 한다. 해동의 완결 후에, 대기에서 일반적으로 5분의 짧은 주기는, 냉동 모드로 변환되기 이전에 그것의 온도가 더 낮도록 냉동 공정(208)을 허용한다.

상술한 바와 같이 냉각 시스템(200)의 모든 구성요소의 관계는 냉매 흐름을 가능하게 하도록 완성된다. 냉각 시스템(200)의 모든 구성요소는 당업계에서 잘 알려져 있다(즉, 컴프레서(202), 콘덴서(204), 냉동 공정(208), 증발기(212), FMD(216), 솔레노이드 밸브(218), 오일 분리기(224), 열교환기(232), 상 분리기(234), 열교환기(236), 상 분리기(238), 열교환기(240), 상 분리기(242), 열교환기(244), 솔레노이드 밸브(252), 팽창 탱크(254), 팽창 탱크(256), 및 FMD(258)). 그러나, 명백하도록 하기 위해 일부 구성요소의 간결한 논의가 하기에 포함된다.

본 발명에서 도시의 목적을 위해, 냉각 시스템(200)의 냉동 공정(208)은 도 2에서 자동-냉동 연속 사이클의 한 버전과 같이 도시된다. 그러나, 냉각 시스템(200)의 냉동 공정(208)은 혼합된 용매를 사용하는 저온, 매우 저온, 또는 극저온 온도 냉각 시스템이다.

좀더 구체적으로, 냉동 공정(208)은 전형적인 폴리콜드(Polycold) 시스템(즉, 자동-냉동 연속 공정), 크리오타이거(CryoTiger^？)타입 시스템(즉, 상 분리를 갖지 않는 단일 단계 냉동쿨러(cryocooler)), 미시머(Missimer) 타입 사이클(즉, 자동-냉동 연속, 미시머 특허 제3,768,273호), 클리멘코(Kleemenko) 타입(즉, 이상 분리기 시스템), 단일 상 분리기 시스템, 또는 롱워드의 특허(Longsworth's Patent) 제5,441,658호에 기재된 단일 팽창 기기 타입이 될 수 있다. 또한 냉동 공정(208)은 포레스트(Forrest) 특허 제4,597,267호 및 미시머 특허 제4,535,597호, 또는 아무것도 없이, 하나 이상의 상 분리의 단계를 가지는 어떤 혼합 성분 냉동 공정에 기재된 것과 같이 이러한 공정상에서 변화될 수 있다. 저온, 매우 저온 및 극저온 냉동에 대한 다른 참고문헌은 참고자료[Chapter 38 and 39 of the 2002 ASHRAE Refrigeration Handbook produced by the American Society of Heating, Refrigeration, and Air Conditioning Engineering]에서 찾을 수 있다. 사용된 상 분리기의 수에 더하여, 열교환기의 수, 및 사용된 내부 스로틀 장치의 수는 특별한 적용례에 대해 적당하도록 다양한 배열에서 증가되거나 감소될 수 있다.

도 2 에 도시된 냉동 공정(208)의 몇 가지 기본 변동은 가능하다. 도 2에 도시된 냉각 시스템(200)은 단일 컴프레서와 잘 회합된다. 그러나, 이지할 수 있는 것은 이러한 같은 압축 효과는 평행한 두 개의 컴프레서를 사용하여 얻어질 수 있고, 또는 상기 압축 공정은 일련의 컴프레서 또는 두 단계 컴프레서를 경유하여 단계들로 나뉠 수 있다는 점이다. 모든 이러한 가능한 변화는 본 발명의 범위에서 고려될 수 있다. 도시된 구체예는 신뢰성에서 개선점을 제공하기 때문에 단일 컴프레서를 사용한다. 평행한 두 개의 컴프레서의 사용은 냉각 시스템이 재빨리 로드될 때 에너지 소비를 줄이기 위해 유용하다. 이러한 접근의 단점은 추가적인 성분, 조절, 플로어(floor) 공간, 및 가격, 그리고 신뢰성의 감소이다. 일련의 두 개의 컴프레서의 사용은 각 압축 단계의 압축 비율을 감소하기 위한 수단을 제공한다. 이것은 압축된 냉매 가스에 의해 도달되는 최고 방출 온도를 감소시키는 장점을 제공한다. 그러나, 이것 역시 추가적인 성분, 조절 및 가격 그리고 낮은 시스템 신뢰성이란 문제가 있다. 도시된 구체예는 단일 컴프레서를 사용한다. 단일 컴프레서와, 압축의 단일 단계에서 혼합 냉매의 압축은 과량의 압축 비율 또는 방출 온도 없이 사용될 수 있다. 다중 단계 압축을 제공하기 위해 계획되고 압축단계들 사이에서 냉매를 냉각할 수 있는 컴프레서의 사용은 단일 컴프레서가 계속 사용되기 때문에 증가하는 복잡성의 단점을 최소화하는 동안 분리되는 압축단계들의 장점을 유지한다.

상 분리기는 복합-타입(coalescent-type), 와동-타입(vortex-type), 더미스터-타입(demister-type) 또는 이러한 형태들의 조합을 포함하는 다양한 형태를 취할 수 있다. 상 분리기는 복합 필터, 짜여진 망사, 와이어 거즈(wire gauze), 및 구성되는 물질을 포함할 수 있다. 디자인, 흐름 속도, 및 액체 함량에 의존하는, 상 분리기는 50%이상의 효율에서 수행될 수 있고, 85%이상 또는 99%이상이 될 수 있다.

도 2에서 도시된 냉각 시스템(200)은 단일 증발기와 결합된다. 일반적인 변화는 해동의 독립적 조절 및 증발기를 다중화하기 위한 냉각 조절을 제공하기 위한 것이다. 어떤 배열에서, 증발기는 평행이고, 각각은 차가운 냉매 또는 뜨거운 해동 가스의 흐름을 조절하기 위한 260 및 218과 같은 한 세트의 밸브와 연결 라인을 가진다. 이러한 배열은, 예를 들어, 다른 증발기가 냉동, 해동 또는 대기 모드에서 독립적으로 위치되는 동안 상기 냉동, 해동 또는 대기 모드에서 하나 이상의 증발기를 가질 수 있다.

냉각 시스템(200)은 또한 상 분리기(234)의 제1 배출구로부터 분기된 것에 의해 공급되는 의 가지에 의한 선택적 솔레노이드 밸브(252)를 포함한다. 솔레노이드 밸브(252)의 배출구는 제2 팽창 탱크(256)와 일련하여(도시됨) 또는 평행하게(도시되지 않음) 연결되는 선택적인 팽창 탱크(254)에 공급된다. 또한, 선택적인 FMD(258)의 주입구는 솔레노이드 밸브(252) 및 팽창 탱크(254) 사이의 노드에서 연결된다. FMD(258)의 배출구는 열교환기(236) 및 열교환기(232) 사이의 노드에서 냉매 회귀 경로로 공급된다. 시스템 성분의 다양한 배열이 사용될 수 있다. 이러한 배열은, 미국특허 제4,763,486호 및 미국특허 제 6,644,067호에 기재된 것과 같이, 팽창 탱크를 가진 시스템, 팽창 탱크에서 가스를 저장하기 위해 시동되는 동안 솔레노이드 밸브를 개방하는 시스템, 및 시동하는 동안 시스템 수행을 운영하기 위해 사용되는 우회 밸브를 포함한다. 여전히 다른 배열은 미국특허 제5,441,658호에서 롱스워스(Longsworth)에 의해 기재된 것처럼 팽창 탱크 및 특별한 시동 배열을 포함하지 않고 사용될 수 있다. 이러한 이유로, 팽창 탱크의 사용은 선택적이다.

시동에서 전체 시스템은 실온이기 때문에 냉각 시스템(200)을 통하는 냉매의 대부분은 전형적으로 기체 상태이다. 냉각 시간을 감소시키기 위해 냉매 가스를 운영하는 것은 매우 중요하다. 시동하는 동안 냉각 시스템(200)에서의 순환으로부터의 선택적인 제거 가스는 이러한 시간 감소를 달성하는데 장점이 된다. 또한, 냉각 시스템(200)로 흘러들어가는 가스의 속도 역시 냉각 속도에 영향을 준다.

시스템 조절기(도시하지 않음)는 전형적으로 10에서 20초인 잠시 동안의 시동에서 솔레노이드 밸브(252)를 개방한다. 솔레노이드 밸브(252)는, 예를 들어, 스폴란(Sporlan) 모델 B6 밸브이다. 결과적으로, 시동하는 동안, 냉매 가스는 상 분리기(234)로부터 배출되고 팽창 탱크(254) 및 팽창 탱크(256)의 일련의 조합으로 공급된다. FMD(258)는 팽창 탱크(254 및 256)의 내외부에서 냉매 가스의 흐름을 조절한다. FMD(258)를 통한 흐름을 정하기 위해 두 가지 고려할 점은 다음과 같다:

흐름은 냉각 시스템(200)으로 회귀하는 가스가 어떤 주어진 시간에서 존재하는 수행 조건이 무엇이건 간에 콘덴서에서 응축될 수 있고, 그것으로 인해 더욱 빠른 냉각이 보장되도록 충분히 느려야만 한다. 시동 공정 동안 이러한 액체의 초기 형성은 대략 15-60 분의 시간에서 냉각이 가능하도록 한다. 같은 시간에, 그러나, FMD(258)를 통한 흐름의 속도는 3냉각 시스템(200)에 흐르고 있는 충분한 냉매가 낮은 흡입 압력으로 인해 차단될 수 있는 것을 방지하기 위해 충분히 빨라야 한다. 팽창 탱크(254 및 256)로 및 팽창 탱크(254 및 256)로부터의 가스의 흐름은 도 2에 도시된 바와 같이 FMD(258)를 사용해 수동적으로 조절된다. 선택적으로, 센서와 조합된 조절기는 활성 흐름 조절을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 팽창 탱크의 배열은 하나 이상의 압력 용기를 포함하며 어떤 수 또는 조합의 일련 및/또는 평행한 배열의 팽창 탱크를 가질 수 있다.

도 3은 두 단계 냉각 시스템을 도시하고 있다. 제1 단계는 제2 단계 또는 냉각 단계를 냉각하는 가온 단계이다. 제2 단계는 차례로 증발기 또는 열교환기(344)를 통해 공정 또는 물품을 냉각한다.

제1 단계에서, 컴프레서(302)는 제1 냉매를 압축한다. 압축된 냉매는 동반된 오일을 제거할 수 있고 컴프레서로 되돌아 가도록 하는 선택적 오일 분리기(304)를 통해 통과한다. 압축된 냉매는 압축된 냉매가 액체 형태로 응축되는 콘덴서(306)로 이송된다. 응축된 냉매는 냉동 구간(308) 내로 통과한다.

이 냉동 구간(308)은 하나 이상의 열교환기를 포함할 수 있고 표준 냉매를 가진 단순한 냉각 사이클(어떤 배열에서는, 308은 존재하지 않는다), 이 될 수 있으며, 고압 및 저압 흐름 사이에서 냉매 혼합물이 쓰이고 상 분리가 없는 단일 열교환기 중의 하나가 될 수 있다. 냉동 구간(308)은 또한 하나 이상의 열교환기, 하나 이상의 상 분리기 및 흐름 측정 장치 (FMDs) 또는 팽창기를 포함할 수 있다. 도시된 실시예에서, 냉동 구간(308)은 세 개의 열교환기(310, 314 및 316), 상 분리기(312), 및 FMD(320)를 포함한다. 응축된 냉매는 압축된 또는 응축된 냉매로부터 컴프레서(302)로 되돌아오는 저압 냉매로 변화되는 열을 통해 열교환기(310, 314 및 316)로 통과한다. 상 분리기(312) 및 FMD(320)는 압력 저하, 및 회귀 흐름과 다른 구성의 혼합의 결과처럼 또다른 냉동 효과를 만들기 위해 사용될 수 있다.

FMD(318)는 냉매 흐름을 조절하기 위해 냉동 구간의 배출구 상에서 사용될 수 있다. FMD(318)는 냉각 사이클이 독립적인 사이클이 되도록 닫힐 수 있다. 선택적으로, FMD(318)는 응축된 냉매가 압력을 잃고 열교환기(330)로 들어가도록 개방될 수 있다. 한 구체예에서, 제1 냉매는 제2 냉매가 응축되는 동안 열교환기(330)에서 증발될 수 있다.

제2 단계 또는 냉각 단계에서, 제2 냉매는 컴프레서(322)에서 압축된다. 압축된 냉매는 동반된 오일을 제거하기 위해 선택적 오일 분리기(324)를 통과할 수 있다. 압축된 냉매는 압축된 냉매를 부분적으로 냉각하도록 후방 냉각기(326)를 통과할 수 있다. 선택적인 구체예에서, 후방 냉각기(326) 및 오일 분리기의 배열은 뒤집어질 수 있다. 압축된 냉매는 또한 압축된 냉매를 더 냉각하고 컴프레서 흡입 라인으로 되돌아 오는 저압 냉매를 부분적으로 가열하기 위해 열교환기(328)를 통과할 수 있다. 압축된 냉매는 다음에 열이 제1 냉각 사이클과 변환되는 콘덴서 또는 열교환기(330)를 통과할 수 있다. 응축된 냉매는 더한 냉각을 위해 냉동 구간(332) 내로 통과될 수 있다. 냉각된 냉매는 공정 또는 물품을 냉각하기 위해 FMD(342)를 통해 증발기(344) 내로 감압된다.

열교환기(334, 338, 및 340), 상 분리기(336), 및 FMD(346)를 포함하는 냉동 구간(332)은 냉동 구간(308)과 비슷한 방법으로 작동될 수 있다. 선택적으로, 다양한 배열이 냉동 구간(332) 내에 사용될 수 있다.

냉각 단계에서 냉매 컴프레서(332)는 일반적으로 본 출원에서 공개된 영족 기체, 낮은 반응성 기체, 또는 극저온 가스로 구성되는 대상 혼합물과 사용될 것이다. 한 구체예에서 컴프레서(332)는 오일이 없는 컴프레서이다. 이러한 예에서는, 오일 분리기를 필요로 되지 않는다. 다른 구체예에서, 이 컴프레서(332)는 기름이 쳐진다. 이 냉각 단계에 의해 생성된 최종 온도에의 의존, 냉동 공정에 사용되는 상 분리기의 수 및 타입과 뜨거운 가스 해동력이 사용되었는지 아닌지 여부, 오일 분리기, 또는 오일 흡착기 또는 오일 분리기와 오일 흡착기의 조합은 이 냉동 단계의 냉각 부분에서 오일의 존재를 제한하는데 효과적이 될 수 있다. 컴프레서에 사용될 수 있는 오일은 폴리올 에스터(POE, 네오펜틸 에스터로도 알려져 있는) 타입 오일, 폴리알킬렌 글리콜(PAG), 및 폴리비닐 에테르(PVE)이다. 또한, 다른 오일도 적당할 수 있다. 중요 선택 기준은 매우 낮은 기압(POE, PAG 및 PVE 오일과 유사한)과 동작 부분의 마모를 제거하거나 최소화하도록 하는 컴프레서의 좋은 윤활성이다. 또한, 오일 운영 시스템은 오일이 믿을만한 근거에서 컴프레서로 되돌아 갈 수 있고 열교환기 또는 스로틀 또는 팽창기에서 과도하게 뭉치지 않는다는 확신을 가져야 한다.

냉동 공정의 변화에 더하여, 해동 기능에 대한 다양한 배열이 가능하다. 통상적인 변화는 해동력의 포함이다. 어떤 해동력은 원하는 양의 복잡도에 의존하는 복잡도 내에서 범위를 가진다. 간단한 배열에서, 컴프레서로부터 배출된 뜨거운 가스는 냉동 공정을 둘러서 우회되며 도 2에 도시된 바와 같이 증발기로 루트가 정해진다. 어떤 해동 배열은 도 3의 저온 냉동 공정에 부가될 수 있다. 선택적으로, 다른 증가된 복잡도의 해동 배열은 도 3에 도시된 냉각 사이클의 더 차가운 온도 단계로 부가될 수 있다. 선택적인 해동 배열의 일부 실시예는 미국특허 제6,574,978호에 개시되어 있다.

도 5는 다른 냉각 시스템(500)의 실시예의 도시를 포함한다. 냉각 시스템(500)은 단일의 냉각 사이클(510)을 도시한다. 혼합 냉매 가스는 컴프레서(502)를 통해 압축된다. 일반적으로, 가스는 초가열된 가스처럼 나타나고 약간의 응축된 액체를 포함할 수 있다. 초가열된 압축 가스는 냉각되고 콘덴서(504) 내에 부분적으로 응축될 수 있다. 연속적인 배열에서, 콘덴서(504)는 냉동 공정의 가온된 냉동 단계를 위해 열을 낼 수 있다. 혼합 냉매는, 예를 들어, 스로틀 밸브(506)를 사용하여, 열교환기(512)에 의해 더 냉각되고 팽창되거나 또는 조절된다. 혼합 냉매는 가열되거나 가열기 또는 열교환기(508) 내에서 증발된다. 연속적인 배열에서, 열교환기(508)는 냉각 시스템의 냉동 단계를 냉각할 수 있다. 가열 및 증발하는 동안, 혼합 냉매는 냉각되는 시스템 또는 물품으로부터 열을 가져온다. 가열된 혼합 냉매는 열교환기(512)에 의해 더 가온되고 컴프레서(502)로 되돌아 간다. 이러한 구체예에서, 냉동 공정(510)은 도 3의 냉동 공정(308 및 332)의 한쪽 또는 모든 위치에 설치될 수 있다.

선택적인 구체예에서, 공개된 냉동 공정 어느 것도 냉동 공정을 통해 유용한 냉각이 이루어지는 것을 허용하기 위해 변경될 수 있다. 실시예와 같이, 온도의 중요한 범위는 도 5에서의 열교환기(512)를 통해 나타내어진다. 이 열교환기(512)는 가스 흐름의 냉각을 위해 통과가 허용되는 최소한 제3 흐름을 부가할 수 있다. 선택적으로, 나타나는 다양한 온도는 하나 이상의 물품으로부터 열을 제거하는제 사용될 수 있다. 본 출원에서 기재된 이것과 같은 유틸리티는 냉동 공정에서 사용된 열교환기로 연장될 수 있다.

스로틀 타입 시스템처럼 도시되는 도 1-5에 냉각 시스템이 도시되는 동안, 냉각 시스템은 선택적으로 팽창기를 포함할 수 있거나 선택적으로 진동 타입 시스템을 포함할 수 있다. 일반적으로, 앞에서 스로틀 타입 시스템에서 극저온 혼합 냉매의 특징 및 구별되는 유용성이 서술되었다. 스로틀 타입 냉각 시스템은 조절 공정을 통해 팽창하도록 허용되는 냉매에 의해 작동한다. 조절 공정은 구멍(orifice), 밸브 또는 제한된 튜브를 통해 흐르고 압력의 강하란 결과를 나타내는 것을 특징으로 한다. 어떤 예에서, 조절 공정은 열전달 기능기와 짝지어질 수 있다. 그러나, 전형적인 공정은 작은 열전달이 일어나거나 열전달이 없다. 스로틀 타입 시스템의 단순성은 아무런 이동 부분도 유용하지 않고 흐름이 비진동이기 때문에 다른 방법의 압력 감소보다 뚜렷한 장점을 가진다.

대조적으로 팽창기는 압력 감소 공정 동안 유체로부터 제거되는 것을 허용하며 열전달 없이 스로틀 공정으로 상대적으로 다 낮은 온도가 되는 결과가 된다. 구체적인 극저온 혼합 냉매의 구체예들은 팽창기 시스템에서 유용하게 설명되다. 스로틀 장치와 같은 팽창기는 정상의 흐름 공정에 사용될 수 있다. 그러나, 팽창기는 그들의 높은 가격과 이동 요소로 피해없이 액체 냉매의 상당량을 유지하도록 하는 능력의 제한으로 인해 불리한 조건이 된다. 그러나, 어떤 디자인은 액체상 유지의 정도를 제공할 수 있는 것이 존재한다. 팽창 장치의 한 실시예는 터보-팽창기이다.

일부 냉동 공정은 정상 흐름에 의존하지 않으며 다이나믹 흐름 시스템, 또는 진동 흐름 시스템처럼 참조로 된다. 예를 들어, 스털링(Stirling) 및 지포드 맥마흔(Gifford McMahon) 냉각 시스템은 유체가 저항에 대해 팽창하도록 하기 위해 피스톤을 사용하고 따라서 작업을 수행하기 위해 유체를 허용한다. 어떤 배열은 그것이 진동 흐름 및 수반하는 팽창 실린더를 통한 흐름의 방향을 생성하기 때문에 정상 단계가 아니고 상기 수반하는 재생기는 피스톤의 각 사이클과 뒤집어진다. 일부 극저온 혼합 냉매 구체예들은 피스톤 기반 시스템에서 구체적으로 유용하게 설명된다.

펄스 튜브 냉각 시스템은 역시 이동 피스톤이 없기 때문에 다르지 않게 행동하는 진동 흐름에 의존한다. 대신에, 팽창은 펄스 튜브 내부에 있는 유체 볼륨에서 일어난다. 구체적인 극저온 혼합 냉매 구체예들은 펄스 튜브 시스템에서 구체적으로 유용하게 설명된다.

이러한 구체예에서, 재생기 요소와 같은 선택적인 성분들은 2002 ASHRAE 냉동 핸드북의 챕터 38에서 공개된 것과 같이 유용하게 될 수 있다. 이러한 시스템의 많은 변화는 개발되어 왔다. 에릭슨 사이클은 그러한 변화의 하나의 실시예이다.

유체 흐름과 조합되는 다른 기계들로 인해, 당업자들은 이러한 혼합물이 냉매의 조절 및 팽창을 위한 상술한 각 공정에서 다른 양태를 보일 것임을 인지할 것이다. 이러한 차이는 각 방법 사이의 액체 및 기체상의 상호작용에 기인한다. 냉매 혼합물의 사용은 여러 성분의 액체 및 기체상의 결과로 나타나고 일반적으로 각 상은 다른 구성요소를 갖는다. 이것은 이러한 두 가지 상의 운용을 어렵게 만든다. 단일 냉매 시스템은 이러한 도전을 가지지 않는다. 따라서, 각 방법 사이에서 액체 및 기체상의 상호작용의 적절한 운용은 혼합 냉매 시스템을 사용하는 경우에 바람직하다.

어떤 서로 다른 혼합물은 한 가지 타입의 사이클에 관련된 다른 사이클에 사용될 수 있는 것이 바람직하다. 한 구체예에서, 냉각 사이클은 스로틀 및/또는 팽창기를 포함하는 냉각 사이클과 같이 정상적인 흐름 시스템이다. 다른 구체예에서, 냉각 사이클은 피스톤 시스템 또는 펄스 튜브 시스템과 같은 다이나믹 흐름 시스템이다. 또다른 실시예에서, 냉각 사이클은 스로틀 또는 팽창기 기반 시스템과 같이 비진동 시스템이 될 수 있다. 예를 들어, 구체적인 혼합물은 스로틀 시스템에 유용하게 사용될 수 있다. 제2 구체적 혼합물은 팽창기-기반 시스템에서 유용하게 사용될 수 있다. 다른 구체예에서, 냉각 사이클은 스털링(Stirling) 및 지포드 맥마흔(Gifford McMahon) 피스톤 또는 펄스 튜브 시스템과 같은 진동 시스템이다. 예를 들어, 한 혼합물은 피스톤 시스템에서 사용하기에 적당할 수 있고, 다른 혼합물은 펄스 튜브 시스템에 사용하기에 적당하게 될 수 있다.

도 1-5에서 예시된 냉각 시스템은 냉각 시스템의 하나 이상의 사이클로 하나 이상의 성분 또는 성분들의 혼합물의 주입에 의해 채워질 수 있다. 이 방법은 연속, 자동 연속, 및 단일 사이클 냉각 시스템에서 쓰일 수 있다. 성분은 측정된 질량 또는 측정된 압력에 의해 부가될 수 있다. 선택적으로, 성분은 공장 또는 현장에서 채우기 간단하도록 미리 혼합될 수 있다. 유사하게, 시스템은 냉각 사이클 내의 냉매 혼합물이 상술한 혼합물과 맞도록 새로운 냉매 부가 또는 냉매 교환에 의해 도움을 제공받을 수 있다.

한 구체예에서, 제1 냉각 사이클은 미국특허 제6,502,410호 및 미국특허 제5,337,572호에 기재된 것과 같은 제1 냉매를 사용할 수 있다. 제2 냉각 사이클은 극저온 성분을 포함하고 클로로플루오로카본, 하이드로클로로플루오로카본, 플루오로카본, 하이드로플루오로카본, 플루오로에테르, 및 하이드로카본이 없는 제2 냉매를 사용할 수 있다.

수반되는 도면들을 참조하는 것에 의해 본 본 발명은 당업자들에게 더 잘 이해될 수 있고, 그것의 수많은 목표, 특징, 및 장점들이 명백해질 수 있다.

도 1은 연속 냉각 시스템의 구체예의 도시를 포함한다.

도 2는 자동 연속 냉각 사이클의 구체예의 도시를 포함한다.

도 3은 냉각 시스템의 구체예의 도시를 포함한다.

도 4는 냉각부의 구체예의 도시를 포함한다.

도 5는 냉각 시스템의 구체예의 도시를 포함한다.

한 예에서, 누출없이 CO₂ 및 Xe을 포함하는 혼합 기체 냉매를 0.1 MPa에서 167 K, 또는 0.4 MPa에서 158 K로 냉각하였다. 구성을 표 1에 도시하였다.

표 1

성분 농도 범위(몰%)

CO₂ 5-95

Xe 5-95

다른 예에서, 누출없이 N₂O 및 Xe을 포함하는 혼합 기체 냉매를 166 K로 냉각하였다. 구성을 표 2에 도시하였다.

표 2

성분 농도 범위(몰%)

N₂O 5-95

Xe 5-95

또다른 예에서, 누출없이 N₂O, CO₂, 및 Xe을 포함하는 혼합 기체 냉매를 166 K로 냉각하였다. 구성을 표 3에 도시하였다.

표 3

성분 농도 범위(몰%)

N₂O 5-90

CO₂ 5-90

Xe 5-90

또다른 예에서, 누출없이 CO₂, Xe, 및 Kr을 포함하는 혼합 기체 냉매를 114 K로 냉각하였다. 구성을 표 4에 도시하였다.

표 4

성분 농도 범위(몰%)

CO₂ 5-60

Xe 5-80

Kr 5-80

또다른 예에서, 누출없이 N₂O, Xe, 및 Kr을 포함하는 혼합 기체 냉매를 114 K로 냉각하였다. 표 5를 참조하라.

표 5

성분 농도 범위(몰%)

N₂O 5-60

Xe 5-80

Kr 5-80

표 6에 도시된 또다른 예에서, 누출없이 N₂O, CO₂, Xe, 및 Kr을 포함하는 혼합 기체 냉매를 114 K로 냉각하였다.

표 6

성분 농도 범위(몰%)

N₂O 5-40

CO₂ 5-40

Xe 5-60

Kr 5-80

표 7에 도시된 또다른 예에서, 누출없이 Xe 및 Kr을 포함하는 혼합 기체 냉매를 114 K로 냉각하였다.

표 7

성분 농도 범위(몰%)

Xe 5-95

Kr 5-95

표 8에 도시된 또다른 예에서, 누출없이 Xe, Kr, 및 Ar을 포함하는 혼합 기 체 냉매를 82 K로 냉각하였다.

표 8

성분 농도 범위(몰%)

Xe 5-60

Kr 5-80

Ar 5-90

표 9에 도시된 또다른 예에서, 누출없이 5-95 몰% Kr 및 5-95 몰% Ar을 포함하는 혼합 기체 냉매를 82 K로 냉각하였다.

표 9

성분 농도 범위(몰%)

Kr 5-95

Ar 5-95

표 10에 도시된 또다른 예에서, 누출없이 5-25 몰% CO₂, 5-25 몰% N₂O, 5-60 몰% Xe, 5-75 몰% Kr, 및 5-75 몰% Ar을 포함하는 혼합 기체 냉매를 82 K로 냉각하였다.

표 10

성분 농도 범위(몰%)

CO₂ 5-25

N₂O 5-25

Xe 5-60

Kr 5-75

Ar 5-75

표 11에 도시된 또다른 예에서, 누출없이 5-60 몰% Xe, 5-80 몰% Kr, 및 5-90 몰% N₂를 포함하는 혼합 기체 냉매를 69 K로 냉각하였다.

표 11

성분 농도 범위(몰%)

Xe 5-60

Kr 5-80

N₂ 5-90

표 12에 도시된 또다른 예에서, 누출없이 5-25 몰% N₂O, 5-25 몰% CO₂, 5-60 몰% Xe, 5-75 몰% Kr, 및 5-75 몰% N₂를 포함하는 혼합 기체 냉매를 80 K로 냉각하였다.

표 12

성분 농도 범위(몰%)

CO₂ 5-25

N₂O 5-25

Xe 5-60

Kr 5-75

N₂ 5-75

표 13에 도시된 또다른 예에서, 누출없이 5-40 몰% Xe, 5-40 몰% Kr, 5-60 몰% Ar, 및 5-85 몰% O₂를 포함하는 혼합 기체 냉매를 80 K로 냉각하였다.

표 13

성분 농도 범위(몰%)

Xe 5-40

Kr 5-40

Ar 5-60

O₂ 5-85

표 14에 도시된 또다른 예에서, 누출없이 5-95 몰% Xe 및 5-95 몰% O₂를 포함하는 혼합 기체 냉매를 80 K로 냉각하였다.

표 14

성분 농도 범위(몰%)

Xe 5-95

O₂ 5-95

표 15에 도시된 또다른 예에서, 누출없이 5-95 몰% Ar 및 5-95 몰% O₂를 포함하는 혼합 기체 냉매를 79 K로 냉각하였다.

표 15

성분 농도 범위(몰%)

Ar 5-95

O₂ 5-95

표 16에 도시된 또다른 예에서, 누출없이 5-40 몰% Xe, 5-40 몰% Kr, 5-75 몰% Ar, 5-75 몰% O₂, 및 5-75 몰% N₂를 포함하는 혼합 기체 냉매를 69 K로 냉각하였다.

표 16

성분 농도 범위(몰%)

Xe 5-40

Kr 5-40

Ar 5-75

O₂ 5-75

N₂ 5-75

표 17에 도시된 또다른 예에서, 누출없이 5-60 몰% Kr, 5-85 몰% Ar, 및 5-90 몰% O₂를 포함하는 혼합 기체 냉매를 78 K로 냉각하였다.

표 17

성분 농도 범위(몰%)

Kr 5-60

Ar 5-85

O₂ 5-90

표 18-42에서 추가적인 예들이 확인되었다:

표 18

성분 농도 범위(몰%)

Kr 5-60

Ar 5-85

N₂ 5-85

실시예: 69 K로 냉각

표 19

성분 농도 범위(몰%)

Kr 5-60

Ar 5-80

N₂ 5-80

O₂ 5-85

실시예: 60 K로 냉각

표 20

성분 농도 범위(몰%)

Kr 5-60

Ar 5-80

N₂ 5-80

O₂ 5-80

실시예: 76 K로 냉각

표 21

성분 농도 범위(몰%)

Xe 5-40

Kr 5-60

Ar 5-80

Ne 5-40

실시예: 69 K로 냉각

표 22

성분 농도 범위(몰%)

Ar 5-95

N₂ 5-95

실시예: 69 K로 냉각

표 23

성분 농도 범위(몰%)

O₂ 5-95

N₂ 5-95

실시예: 69 K로 냉각

표 24

성분 농도 범위(몰%)

Xe 5-40

Kr 5-60

Ar 5-60

N₂ 5-60

Ne 5-80

실시예: 27 K로 냉각

표 25

성분 농도 범위(몰%)

Xe 5-40

Kr 5-60

Ar 5-60

N₂ 5-60

O₂ 5-60

Ne 5-60

실시예: 27 K로 냉각

표 26

성분 농도 범위(몰%)

Xe 5-40

Kr 5-60

Ar 5-60

N₂ 5-60

O₂ 5-60

He 5-60

실시예: 13 K로 냉각

표 27

성분 농도 범위(몰%)

Xe 5-40

Kr 5-60

Ar 5-60

N₂ 5-60

O₂ 5-60

Ne 5-25

He 5-25

실시예: 10 K로 냉각

표 28

성분 농도 범위(몰%)

Kr 5-80

Ar 5-60

Ne 5-60

실시예: 27 K로 냉각

표 29

성분 농도 범위(몰%)

Kr 5-80

N₂ 5-60

Ne 5-60

실시예: 27 K로 냉각

표 30

성분 농도 범위(몰%)

Kr 5-60

Ar 5-60

N₂ 5-60

O₂ 5-60

Ne 5-25

실시예: 40 K로 냉각

표 31

성분 농도 범위(몰%)

Kr 5-60

Ar 5-60

N₂ 5-60

O₂ 5-60

Ne 5-25

He 5-25

실시예: 27 K로 냉각

표 32

성분 농도 범위(몰%)

Ar 5-60

Ne 5-25

He 5-25

실시예: 12 K로 냉각

표 33

성분 농도 범위(몰%)

Ar 5-60

N₂ 5-60

O₂ 5-60

Ne 5-25

He 5-25

실시예: 10 K로 냉각

표 34

성분 농도 범위(몰%)

N₂ 5-60

O₂ 5-60

Ne 5-25

He 5-25

실시예: 10 K로 냉각

표 35

성분 농도 범위(몰%)

O₂ 5-85

Ne 5-80

He 5-60

실시예: 4 K로 냉각

표 36

성분 농도 범위(몰%)

Ne 5-95

He 5-95

실시예: 4 K로 냉각

표 37

성분 농도 범위(몰%)

N₂ 5-40

O₂ 5-40

Ne 5-60

He 5-60

실시예: 4 K로 냉각

표 38

성분 농도 범위(몰%)

Ar 5-40

N₂ 5-40

O₂ 5-40

Ne 5-60

He 5-60

실시예: 4 K로 냉각

표 39

성분 농도 범위(몰%)

Ar 5-40

Ne 5-60

He 5-60

실시예: 4 K로 냉각

표 40

성분 농도 범위(몰%)

Ar 5-40

O₂ 5-40

Ne 5-60

He 5-60

실시예: 4 K로 냉각

표 41

성분 농도 범위(몰%)

N₂ 5-40

Ne 5-60

He 5-60

실시예: 4 K로 냉각

표 42

성분 농도 범위(몰%)

N₂ 5-40

Ar 5-40

Ne 5-60

He 5-60

실시예: 4 K로 냉각

상기 공개된 내용은 예시를 위한 것이고, 제한되지 않으며, 첨부된 특허청구범위는 본 발명의 진정한 범위로 분류되는 모든 변조, 증강 및 다른 실시예를 포함한다. 따라서, 법적으로 허용되는 최대 범위인, 본 발명의 범위는 다음의 특허청구범위 및 그들의 동등한 물질의 넓게 허용되는 해석에 의해 결정되고, 앞의 상세한 설명에 의해 축소되거나 제한되지 않는다.

Claims

제1 냉매를 갖는 제1 비진동(non-oscillating) 냉매 사이클; 및

Ar, N₂, Kr, Ne, Xe, He, O₂, CO₂ 및 N₂O로 이루어진 군으로부터 선택되는 세 개 이상의 서로 다른 성분을 포함하는 극저온(cryogenic) 가스 성분의 혼합물을 포함하는 제 2 냉매를 갖는 제2 비진동 냉매 사이클을 포함하는 냉각 시스템으로서,

상기 제 2 냉매 중 하나 이상의 성분이 Kr, Xe 및 N₂O로 이루어진 군으로부터 선택되고, 상기 제 2 냉매에 클로로플루오로카본, 하이드로클로로플루오로카본, 플루오로카본, 하이드로플루오로카본, 하이드로카본 및 플로오로에테르가 없는 냉각 시스템.
제1항에 있어서, 제2 냉매의 일부 또는 전부가 제2 비진동 냉매 사이클에서 응축되는 냉각 시스템.
삭제
제1항에 있어서, 상기 극저온 가스 성분의 혼합물이 상기 세 개 이상의 서로 다른 성분 각각의 5 몰%이상을 포함하는 냉각 시스템.
제4항에 있어서, 상기 극저온 가스 성분의 혼합물이 상기 세 개 이상의 서로 다른 성분 각각의 10 몰%이상을 포함하는 냉각 시스템.
제1항에 있어서, 상기 극저온 가스 성분의 혼합물이 Ar, Kr, Ne, Xe, O₂, CO₂ 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택되는 둘 이상의 서로 다른 성분을 포함하는 냉각 시스템.
제1항에 있어서, 상기 극저온 가스 성분의 혼합물이 N₂, Kr, Xe, He, O₂, CO₂ 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택되는 둘 이상의 서로 다른 성분을 포함하는 냉각 시스템.
제1항에 있어서, 상기 극저온 가스 성분의 혼합물이 Kr, Xe, CO₂ 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 성분 및 Ar, N₂, Ne, 및 He로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 성분을 포함하는 냉각 시스템.
삭제
제1항에 있어서, 상기 제1 비진동 냉매 사이클 및 제2 비진동 냉매 사이클이 연속적인 배열에서 짝지어지는 냉각 시스템.
제1항에 있어서, 하나 이상의 제1 비진동 냉매 사이클 및 제2 비진동 냉매 사이클이 자동 연속 사이클(autocascade cycle)인 냉각 시스템.
제1항에 있어서, 상기 제2 비진동 냉매 사이클이 제2 비진동 냉각 사이클과 조합된 증발기로 연결된 압축된 가스 우회 라인을 포함하는 냉각 시스템.
삭제
삭제
삭제
삭제
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삭제
삭제
제1 냉매 사이클에서 제 1 냉매를 응축하는 단계;

클로로플루오로카본, 하이드로클로로플루오로카본, 플루오로카본, 하이드로플루오로카본, 플루오로에테르, 및 하이드로카본이 없고, Ar, N₂, Kr, Ne, Xe, He, O₂, CO₂ 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택되는 세 개 이상의 서로 다른 성분 극저온 가스의 혼합물을 포함하는 제 2 냉매를 제 2 냉매 사이클에서 냉각하기 위해 제1 냉매를 감압하는 단계로서, 상기 제 2 냉매 중 하나 이상의 성분이 Kr, Xe 및 N₂O로 이루어진 군으로부터 선택되는 단계; 및

제2 냉각 사이클을 사용하여 물품을 냉각하는 단계를 포함하는 냉각 방법.
제22항에 있어서, 상기 물품을 직접적으로 냉각하는 방법.
제22항에 있어서, 상기 물품을 간접적으로 냉각하는 방법.
제24항에 있어서, 제2 냉매 사이클이 유체를 냉각하고 상기 유체가 물품을 냉각하는 방법.
제24항에 있어서, 제2 냉매 사이클이 방열기(heat sink)를 냉각하고 상기 방열기가 물품으로부터 열을 흡수하는 방법.
제22항에 있어서, 상기 물품이 방열기인 방법.
제22항에 있어서, 상기 물품이 가공물인 방법.
제28항에 있어서, 상기 가공물이 반도체 웨이퍼(semiconductor wafer)인 방법.
삭제
제22항에 있어서, 상기 혼합물이 상기 세 개 이상의 서로 다른 극저온 가스 성분 각각의 5 몰%이상을 포함하는 방법.
제22항에 있어서, 상기 혼합물이 Ar, Kr, Ne, Xe, O₂, CO₂ 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택되는 둘 이상의 서로 다른 극저온 가스 성분을 포함하는 방법.
제22항에 있어서, 상기 혼합물이 N₂, Kr, Xe, He, O₂, CO₂ 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택되는 둘 이상의 서로 다른 극저온 가스 성분을 포함하는 방법.
제22항에 있어서, 상기 제1 비진동 냉매 사이클 및 제2 비진동 냉매 사이클이 연속적인 배열에서 짝지어지는 방법.
제22항에 있어서, 하나 이상의 제1 비진동 냉매 사이클 및 제2 비진동 냉매 사이클이 자동 연속 사이클인 방법.
클로로플루오로카본, 하이드로클로로플루오로카본, 플루오로카본, 하이드로플루오로카본, 플루오로에테르, 및 하이드로카본이 없으며, Ar, Kr, Ne, Xe, O₂, CO₂ 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택되는 세 개 이상의 서로 다른 성분을 포함하는 혼합 성분 냉매를 갖는 하나 이상의 냉각 사이클을 포함하는 냉각 시스템으로서, 상기 혼합 성분 냉매 중 하나 이상의 성분이 Kr, Xe 및 N₂O로 이루어진 군으로부터 선택되는 냉각 시스템.
제36항에 있어서, 상기 세 개 이상의 서로 다른 성분의 제1 성분을 5-95 몰%로 포함하는 냉각 시스템.
제36항에 있어서, 상기 세 개 이상의 서로 다른 성분의 제1 성분을 10-80 몰%로 포함하는 냉각 시스템.
제36항에 있어서, 상기 세 개 이상의 서로 다른 성분의 제1 성분을 30-60 몰%로 포함하는 냉각 시스템.
제36항에 있어서, 상기 냉각 시스템이 연속적인 배열에 배치된 둘 이상의 냉각 사이클을 포함하는 냉각 시스템.
제40항에 있어서, 상기 연속적인 배열이 혼합 성분 냉매를 갖는 두 개의 냉매 사이클의 더 낮은 온도의 냉매 사이클인 두 개의 냉매 사이클을 가지는 냉각 시스템.
클로로플루오로카본, 하이드로클로로플루오로카본, 플루오로카본, 하이드로플루오로카본, 플루오로에테르, 및 하이드로카본이 없으며, N₂, Kr, Xe, He, O₂, CO₂ 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택되는 세 개 이상의 서로 다른 성분을 포함하는 혼합 성분 냉매를 갖는 하나 이상의 냉각 사이클을 포함하는 냉각 시스템으로서, 상기 혼합 성분 냉매 중 하나 이상의 성분이 Kr, Xe 및 N₂O로 이루어진 군으로부터 선택되는 냉각 시스템.
제42항에 있어서, 상기 세 개 이상의 서로 다른 성분의 제1 성분을 5-95 몰%로 포함하는 냉각 시스템.
제42항에 있어서, 상기 세 개 이상의 서로 다른 성분의 제1 성분을 10-80 몰%로 포함하는 냉각 시스템.
제42항에 있어서, 상기 세 개 이상의 서로 다른 성분의 제1 성분을 30-60 몰%로 포함하는 냉각 시스템.
제42항에 있어서, 상기 냉각 시스템이 연속적인 배열(cascade configuration)에 배치된 둘 이상의 냉각 사이클을 포함하는 냉각 시스템.
제46항에 있어서, 상기 연속적인 배열이 혼합 성분 냉매를 갖는 두 개의 냉매 사이클의 더 낮은 온도의 냉매 사이클인 두 개의 냉매 사이클을 가지는 냉각 시스템.
Ar, N₂, Kr, Ne, Xe, He, O₂, CO₂ 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택되는 세 개 이상의 서로 다른 성분들을 포함하는 혼합 성분 냉매를 갖는 하나 이상의 냉각 사이클을 포함하는 냉각 시스템으로서, 상기 혼합 성분 냉매 중 하나 이상의 성분이 Kr, Xe 및 N₂O로 이루어진 군으로부터 선택되고, 상기 세 개 이상의 서로 다른 성분들이 제 1 성분 및 제 2 성분을 포함하고, 상기 혼합 성분 냉매에는 클로로플루오로카본, 하이드로클로로플루오로카본, 플루오로카본, 하이드로플루오로카본, 하이드로카본 및 플루오로에테르가 없고 40% 내지 95%의 제 1 성분을 포함하며, 상기 제 1 성분이 Ar, Kr, Ne, Xe, He, O₂, CO₂ 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택되고, 상기 제2 성분이 Ar, N₂, Kr, Ne, Xe, He, O₂, CO₂ 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택되는 냉각 시스템.
제48항에 있어서, 상기 제1 성분을 60-80 몰%로 포함하는 냉각 시스템.
클로로플루오로카본, 하이드로클로로플루오로카본, 플루오로카본, 하이드로플루오로카본, 플루오로에테르, 및 하이드로카본이 없으며, Ar, N₂, Kr, Ne, Xe, He, O₂, CO₂ 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택되는 세 개 이상의 서로 다른 성분을 포함하는 혼합 성분 냉매를 갖는 하나 이상의 냉각 사이클을 포함하는 냉각 시스템으로서, 상기 혼합 성분 냉매 중 하나 이상의 성분이 Kr, Xe 및 N₂O로 이루어진 군으로부터 선택되는 냉각 시스템.
제50항에 있어서, 상기 세 개 이상의 서로 다른 성분 각각의 5 몰%이상을 포함하는 냉각 시스템.
제50항에 있어서, 상기 혼합 성분 냉매가 상기 세 개 이상의 서로 다른 성분의 제1 성분을 5-90 몰%로 포함하는 냉각 시스템.
제50항에 있어서, 상기 혼합 성분 냉매가 상기 세 개 이상의 서로 다른 성분의 제1 성분을 10-80 몰%로 포함하는 냉각 시스템.
제50항에 있어서, 상기 혼합 성분 냉매가 상기 세 개 이상의 서로 다른 성분의 제1 성분을 30-60 몰%로 포함하는 냉각 시스템.
제50항에 있어서, 상기 냉각 시스템이 연속적인 배열에 배치된 둘 이상의 냉각 사이클을 포함하는 냉각 시스템.
제55항에 있어서, 상기 연속적인 배열이 혼합 성분 냉매를 갖는 두 개의 냉매 사이클의 더 낮은 온도의 냉매 사이클인 두 개의 냉매 사이클을 가지는 냉각 시스템.
냉각 사이클의 냉매가 클로로플루오로카본, 하이드로클로로플루오로카본, 플루오로카본, 하이드로플루오로카본, 플루오로에테르, 및 하이드로카본이 없으며, Ar, N₂, Kr, Ne, Xe, He, O₂, CO₂ 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택되는 세 개 이상의 서로 다른 성분을 포함하는 혼합 성분 냉매이기 위해 상기 냉각 사이클에 극저온 가스를 주입하는 단계를 포함하는 냉각 시스템을 제공하는 방법으로서, 상기 혼합 성분 냉매 중 하나 이상의 성분이 Kr, Xe 및 N₂O로 이루어진 군으로부터 선택되는 방법.
제57항에 있어서, 상기 냉각 사이클이 연속 냉각 시스템의 일부인 방법.
냉각 사이클의 냉매가 Ar, N₂, Kr, Ne, Xe, He, O₂, CO₂ 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택되는 세 개 이상의 서로 다른 성분들을 포함하는 혼합 성분 냉매가 되도록 극저온 가스를 냉각 사이클에 주입하는 단계를 포함하는 냉각 시스템의 제공 방법으로서, 상기 혼합 성분 냉매 중 하나 이상의 성분이 Kr, Xe 및 N₂O로 이루어진 군으로부터 선택되고, 상기 세 개 이상의 서로 다른 성분들이 제 1 성분 및 제 2 성분을 포함하고, 상기 혼합 성분 냉매에는 클로로플루오로카본, 하이드로클로로플루오로카본, 플루오로카본, 하이드로플루오로카본, 하이드로카본 및 플루오로에테르가 없으며 40% 내지 95%의 상기 제 1 성분을 포함하고, 상기 제 1 성분이 Ar, Kr, Ne, Xe, He, O₂, CO₂ 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택되며, 상기 제 2 성분이 Ar, N₂, Kr, Ne, Xe, He, O₂, CO₂ 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택되는 냉각 시스템의 제공 방법.
제59항에 있어서, 상기 냉각 사이클이 연속 냉각 시스템의 일부인 방법.
클로로플루오로카본, 하이드로클로로플루오로카본, 플루오로카본, 하이드로플루오로카본, 플루오로에테르 및 하이드로카본이 없는 혼합 성분 냉매를 갖는 하나 이상의 냉각 사이클을 포함하는 냉각 시스템으로서, 상기 혼합 성분 냉매가 Ar, N₂, Kr, Ne, Xe, He, O₂, CO₂ 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택되는 세 개 이상의 서로 다른 성분들을 포함하고, Kr, Xe, O₂, CO₂ 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 성분을 포함하며 Ar, N₂, Ne, 및 He으로 구성되는 군으로부터 선택되는 하나 이상의 성분을 포함하고, 상기 혼합 성분 용매 중 하나 이상의 성분이 Kr, Xe 및 N₂O로 이루어진 군으로부터 선택되는 냉각 시스템.
삭제
클로로플루오로카본, 하이드로클로로플루오로카본, 플루오로카본, 하이드로플루오로카본, 플루오로에테르, 및 하이드로카본이 없고 두 개의 서로 다른 극저온 가스 성분들로 구성되는 혼합 성분 냉매를 갖는 하나 이상의 냉각 사이클을 포함하는 냉각 시스템으로서, 상기 혼합 성분 냉매 중 하나 이상의 성분이 Kr, Xe 및 N₂O로 이루어진 군으로부터 선택되는 냉각 시스템.
제 63항에 있어서, 상기 혼합 성분 냉매가 몰 농도 범위가 5 내지 95%인 CO₂ 및 5 내지 95%인 Xe를 포함하고, 상기 혼합 성분 냉매가 적어도 158 K의 온도에서 냉각을 제공하는 냉각 시스템.
제 63항에 있어서, 상기 혼합 성분 냉매가 몰 농도 범위가 5 내지 95%인 N₂O 및 5 내지 95%인 Xe를 포함하고, 상기 혼합 성분 냉매가 적어도 166 K의 온도에서 냉각을 제공하는 냉각 시스템.
제 63항에 있어서, 상기 혼합 성분 냉매가 몰 농도 범위가 5 내지 95%인 Xe 및 5 내지 95%인 Kr을 포함하고, 상기 혼합 성분 냉매가 적어도 114 K의 온도에서 냉각을 제공하는 냉각 시스템.
제 63항에 있어서, 상기 혼합 성분 냉매가 몰 농도 범위가 5 내지 95%인 Kr 및 5 내지 95%인 Ar을 포함하고, 상기 혼합 성분 냉매가 적어도 82 K의 온도에서 냉각을 제공하는 냉각 시스템.
제 63항에 있어서, 상기 혼합 성분 냉매가 몰 농도 범위가 5 내지 95%인 Xe 및 5 내지 95%인 O₂를 포함하고, 상기 혼합 성분 냉매가 적어도 80 K의 온도에서 냉각을 제공하는 냉각 시스템.
제 63항에 있어서, 상기 두 개의 서로 다른 성분들이 하기의 서로 다른 성분들의 쌍들 중 하나로부터 선택되는 냉각 시스템: CO₂ 및 Xe; N₂O 및 Xe; Xe 및 Kr; Kr 및 Ar; Xe 및 O₂; CO₂ 및 N₂O; N₂ 및 Kr; O₂ 및 N₂O; 및 O₂ 및 Kr.
제 50항에 있어서, 상기 혼합 성분 냉매가 몰 농도 범위가 5 내지 90%인 N₂O, 5 내지 90%인 CO₂ 및 5 내지 90%인 Xe을 포함하고, 상기 혼합 성분 냉매가 적어도 166 K의 온도에서 냉각을 제공하는 냉각 시스템.
제 50항에 있어서, 상기 혼합 성분 냉매가 몰 농도 범위가 5 내지 60%인 CO₂, 5 내지 80%인 Xe 및 5 내지 80%인 Kr을 포함하고, 상기 혼합 성분 냉매가 적어도 114 K의 온도에서 냉각을 제공하는 냉각 시스템.
제 50항에 있어서, 상기 혼합 성분 냉매가 몰 농도 범위가 5 내지 60%인 N₂O, 5 내지 80%인 Xe 및 5 내지 80%인 Kr을 포함하고, 상기 혼합 성분 냉매가 적어도 114 K의 온도에서 냉각을 제공하는 냉각 시스템.
제 50항에 있어서, 상기 혼합 성분 냉매가 몰 농도 범위가 5 내지 40%인 N₂O, 5 내지 40%인 CO₂, 5 내지 60%인 Xe 및 5 내지 80%인 Kr을 포함하고, 상기 혼합 성분 냉매가 적어도 114 K의 온도에서 냉각을 제공하는 냉각 시스템.
제 50항에 있어서, 상기 혼합 성분 냉매가 몰 농도 범위가 5 내지 60%인 Xe, 5 내지 80%인 Kr 및 5 내지 90%인 Ar을 포함하고, 상기 혼합 성분 냉매가 적어도 82 K의 온도에서 냉각을 제공하는 냉각 시스템.
제 50항에 있어서, 상기 혼합 성분 냉매가 몰 농도 범위가 5 내지 25%인 CO₂, 5 내지 25%인 N₂O, 5 내지 60%인 Xe, 5 내지 75%인 Kr 및 5 내지 75%인 Ar을 포함하고, 상기 혼합 성분 냉매가 적어도 82 K의 온도에서 냉각을 제공하는 냉각 시스템.
제 50항에 있어서, 상기 혼합 성분 냉매가 몰 농도 범위가 5 내지 60%인 Xe, 5 내지 80%인 Kr 및 5 내지 90%인 N₂를 포함하고, 상기 혼합 성분 냉매가 적어도 69 K의 온도에서 냉각을 제공하는 냉각 시스템.
제 50항에 있어서, 상기 혼합 성분 냉매가 몰 농도 범위가 5 내지 25%인 CO₂, 5 내지 25%인 N₂O, 5 내지 60%인 Xe, 5 내지 75%인 Kr 및 5 내지 75%인 N₂를 포함하고, 상기 혼합 성분 냉매가 적어도 69 K의 온도에서 냉각을 제공하는 냉각 시스템.
제 50항에 있어서, 상기 혼합 성분 냉매가 몰 농도 범위가 5 내지 40%인 Xe, 5 내지 40%인 Kr, 5 내지 60%인 Ar 및 5 내지 85%인 O₂를 포함하고, 상기 혼합 성분 냉매가 적어도 80 K의 온도에서 냉각을 제공하는 냉각 시스템.
제 50항에 있어서, 상기 혼합 성분 냉매가 몰 농도 범위가 5 내지 40%인 Xe, 5 내지 40%인 Kr, 5 내지 75%인 Ar, 5 내지 75%인 O₂ 및 5 내지 75%인 N₂를 포함하고, 상기 혼합 성분 냉매가 적어도 69 K의 온도에서 냉각을 제공하는 냉각 시스템.
제 50항에 있어서, 상기 혼합 성분 냉매가 몰 농도 범위가 5 내지 60%인 Kr, 5 내지 85%인 Ar 및 5 내지 90%인 O₂를 포함하고, 상기 혼합 성분 냉매가 적어도 78 K의 온도에서 냉각을 제공하는 냉각 시스템.
제 50항에 있어서, 상기 혼합 성분 냉매가 몰 농도 범위가 5 내지 60%인 Kr, 5 내지 85%인 Ar 및 5 내지 85%인 N₂를 포함하고, 상기 혼합 성분 냉매가 적어도 69 K의 온도에서 냉각을 제공하는 냉각 시스템.
제 50항에 있어서, 상기 혼합 성분 냉매가 몰 농도 범위가 5 내지 60%인 Kr, 5 내지 80%인 Ar, 5 내지 80%인 N₂ 및 5 내지 85%인 O₂를 포함하고, 상기 혼합 성분 냉매가 적어도 60 K의 온도에서 냉각을 제공하는 냉각 시스템.
제 50항에 있어서, 상기 혼합 성분 냉매가 몰 농도 범위가 5 내지 60%인 Kr, 5 내지 80%인 Ar, 5 내지 80%인 N₂ 및 5 내지 80%인 O₂를 포함하고, 상기 혼합 성분 냉매가 적어도 76 K의 온도에서 냉각을 제공하는 냉각 시스템.
제 50항에 있어서, 상기 혼합 성분 냉매가 몰 농도 범위가 5 내지 40%인 Xe, 5 내지 60%인 Kr, 5 내지 80%인 Ar 및 5 내지 40%인 Ne을 포함하고, 상기 혼합 성분 냉매가 적어도 69 K의 온도에서 냉각을 제공하는 냉각 시스템.
제 50항에 있어서, 상기 혼합 성분 냉매가 몰 농도 범위가 5 내지 40%인 Xe, 5 내지 60%인 Kr, 5 내지 60%인 Ar, 5 내지 60%인 N₂ 및 5 내지 80%인 Ne을 포함하고, 상기 혼합 성분 냉매가 적어도 27 K의 온도에서 냉각을 제공하는 냉각 시스템.
제 50항에 있어서, 상기 혼합 성분 냉매가 몰 농도 범위가 5 내지 40%인 Xe, 5 내지 60%인 Kr, 5 내지 60%인 Ar, 5 내지 60%인 N₂, 5 내지 60%인 O₂ 및 5 내지 60%인 Ne을 포함하고, 상기 혼합 성분 냉매가 적어도 27 K의 온도에서 냉각을 제공하는 냉각 시스템.
제 50항에 있어서, 상기 혼합 성분 냉매가 몰 농도 범위가 5 내지 40%인 Xe, 5 내지 60%인 Kr, 5 내지 60%인 Ar, 5 내지 60%인 N₂, 5 내지 60%인 O₂ 및 5 내지 60%인 He을 포함하고, 상기 혼합 성분 냉매가 적어도 13 K의 온도에서 냉각을 제공하는 냉각 시스템.
제 50항에 있어서, 상기 혼합 성분 냉매가 몰 농도 범위가 5 내지 40%인 Xe, 5 내지 60%인 Kr, 5 내지 60%인 Ar, 5 내지 60%인 N₂, 5 내지 60%인 O₂, 5 내지 25%인 Ne 및 5 내지 25%인 He을 포함하고, 상기 혼합 성분 냉매가 적어도 10 K의 온도에서 냉각을 제공하는 냉각 시스템.
제 50항에 있어서, 상기 혼합 성분 냉매가 몰 농도 범위가 5 내지 80%인 Kr, 5 내지 60%인 Ar 및 5 내지 60%인 Ne을 포함하고, 상기 혼합 성분 냉매가 적어도 27 K의 온도에서 냉각을 제공하는 냉각 시스템.
제 50항에 있어서, 상기 혼합 성분 냉매가 몰 농도 범위가 5 내지 80%인 Kr, 5 내지 60%인 N₂ 및 5 내지 60%인 Ne을 포함하고, 상기 혼합 성분 냉매가 적어도 27 K의 온도에서 냉각을 제공하는 냉각 시스템.
제 50항에 있어서, 상기 혼합 성분 냉매가 몰 농도 범위가 5 내지 60%인 Kr, 5 내지 60%인 Ar, 5 내지 60%인 N₂, 5 내지 60%인 O₂ 및 5 내지 25%인 Ne을 포함하고, 상기 혼합 성분 냉매가 적어도 40 K의 온도에서 냉각을 제공하는 냉각 시스템.
제 50항에 있어서, 상기 혼합 성분 냉매가 몰 농도 범위가 5 내지 60%인 Kr, 5 내지 60%인 Ar, 5 내지 60%인 N₂, 5 내지 60%인 O₂, 5 내지 25%인 Ne 및 5 내지 25%인 He을 포함하고, 상기 혼합 성분 냉매가 적어도 27 K의 온도에서 냉각을 제공하는 냉각 시스템.
클로로플루오로카본, 하이드로클로로플루오로카본, 플루오로카본, 하이드로플루오로카본, 플루오로에테르, 및 하이드로카본이 없으며, Ar, N₂, Kr, Ne, Xe, He, O₂, CO₂ 및 N₂O로 구성되는 군으로부터 선택되는 세 개 이상의 서로 다른 성분을 포함하는 혼합 성분 냉매를 갖는 하나 이상의 냉각 사이클을 포함하는 냉각 시스템으로서, 상기 혼합 성분 냉매가 적어도 12 K의 온도에서 냉각을 제공하는 냉각 시스템.
제 93항에 있어서, 상기 혼합 성분 냉매가 몰 농도 범위가 5 내지 60%인 Ar, 5 내지 25%인 Ne, 5 내지 25%인 He을 포함하고, 상기 혼합 성분 냉매가 적어도 12 K의 온도에서 냉각을 제공하는 냉각 시스템.
제 93항에 있어서, 상기 혼합 성분 냉매가 몰 농도 범위가 5 내지 60%인 Ar, 5 내지 60%인 N₂, 5 내지 60%인 O₂, 5 내지 25%인 Ne 및 5 내지 25%인 He을 포함하고, 상기 혼합 성분 냉매가 적어도 10 K의 온도에서 냉각을 제공하는 냉각 시스템.
제 93항에 있어서, 상기 혼합 성분 냉매가 몰 농도 범위가 5 내지 60%인 N₂, 5 내지 60%인 O₂, 5 내지 25%인 Ne 및 5 내지 25%인 He을 포함하고, 상기 혼합 성분 냉매가 적어도 10 K의 온도에서 냉각을 제공하는 냉각 시스템.
제 93항에 있어서, 상기 혼합 성분 냉매가 몰 농도 범위가 5 내지 85%인 O₂, 5 내지 80%인 Ne 및 5 내지 60%인 He을 포함하고, 상기 혼합 성분 냉매가 적어도 4 K의 온도에서 냉각을 제공하는 냉각 시스템.
제 93항에 있어서, 상기 혼합 성분 냉매가 몰 농도 범위가 5 내지 40%인 N₂, 5 내지 40%인 O₂, 5 내지 60%인 Ne 및 5 내지 60%인 He을 포함하고, 상기 혼합 성분 냉매가 적어도 4 K의 온도에서 냉각을 제공하는 냉각 시스템.
제 93항에 있어서, 상기 혼합 성분 냉매가 몰 농도 범위가 5 내지 40%인 Ar, 5 내지 40%인 N₂, 5 내지 40%인 O₂, 5 내지 60%인 Ne 및 5 내지 60%인 He을 포함하고, 상기 혼합 성분 냉매가 적어도 4 K의 온도에서 냉각을 제공하는 냉각 시스템.
제 93항에 있어서, 상기 혼합 성분 냉매가 몰 농도 범위가 5 내지 40%인 Ar, 5 내지 60%인 Ne 및 5 내지 60%인 He을 포함하고, 상기 혼합 성분 냉매가 적어도 4 K의 온도에서 냉각을 제공하는 냉각 시스템.
제 93항에 있어서, 상기 혼합 성분 냉매가 몰 농도 범위가 5 내지 40%인 Ar, 5 내지 40%인 O₂, 5 내지 60%인 Ne 및 5 내지 60%인 He을 포함하고, 상기 혼합 성분 냉매가 적어도 4 K의 온도에서 냉각을 제공하는 냉각 시스템.
제 93항에 있어서, 상기 혼합 성분 냉매가 몰 농도 범위가 5 내지 40%인 N₂, 5 내지 60%인 Ne 및 5 내지 60%인 He을 포함하고, 상기 혼합 성분 냉매가 적어도 4 K의 온도에서 냉각을 제공하는 냉각 시스템.
제 93항에 있어서, 상기 혼합 성분 냉매가 몰 농도 범위가 5 내지 40%인 N₂, 5 내지 40%인 Ar, 5 내지 60%인 Ne 및 5 내지 60%인 He을 포함하고, 상기 혼합 성분 냉매가 적어도 4 K의 온도에서 냉각을 제공하는 냉각 시스템.