KR101324642B1 - 극저온 혼합 냉매 시스템을 위한 온도 제어 및 동결 방지 방법 - Google Patents

Abstract

비등점이 50℃ 이상 차이나는 둘 이상의 냉매를 포함하는 냉매 혼합물을 이용하여 극저온을 달성하는 냉각 시스템에서 가장 낮은 온도의 냉매를 가열하는 제어된 바이패스 유동을 이용함으로써, 동결이 방지되고, 그리고 온도가 제어된다. 이러한 제어 능력은 극저온 시스템의 신뢰가능한 작동을 가능하게 한다.

Description

극저온 혼합 냉매 시스템을 위한 온도 제어 및 동결 방지 방법{METHODS OF FREEZEOUT PREVENTION AND TEMPERATURE CONTROL FOR VERY LOW TEMPERATURE MIXED REFRIGERANT SYSTEMS}

관련 출원

본 출원은 2001년 10월 26일자 미국 가명세서 출원 제 60/335,460 호를 기초로 우선권을 주장하는 2002년 10월 28일자로 출원된 미국 출원 제 10/281,881호의 계속 출원인 2006년 1월 13일자로 출원한 미국 출원 제 11/332,495 호의 부분 계속 출원에 해당하는 2006년 2월 7일 출원된 "Methods of Freezeout Prevention and Temperature Control for Very Low Temperature Mixed Refrigerant Systems"라는 명칭의 미국 출원 제 11/349,060호를 기초로 우선권을 주장하고 그 출원의 계속 출원이다. 상기 출원들의 전체 내용은 본 명세서에 참조로서 포함된다.

본 발명은 냉각 효과를 얻기 위해서 냉매의 스로틀 팽창(throttle expansion)을 이용하는 프로세스에 관한 것이다.

신뢰가능한 밀봉형 냉각 시스템이 개발된 1900년대 초부터 냉각 시스템이 존재하여 왔다. 그때부터, 냉각 기술을 개선하여 가정용 및 산업용 모두에서 활용성을 높여 왔다. 특히, 저온 냉각 시스템은 현재 의생물학 분야, 저온전자(cryoeletronics), 코팅 작업, 및 반도체 제조 분야에서의 산업적 기능을 제공하 고 있다.

많은 주요 분야, 특히 산업적 제조 및 테스트 분야에서 온도가 183 K(-90℃) 미만인 냉각을 필요로 하고 있다. 본 발명은 183 K 내지 65 K(-90℃ 내지 -208℃) 온도의 냉각을 제공하는 냉각 시스템에 관한 것이다. 이러한 범위 내의 온도는 저온, 극저온, 및 초저온 등으로 다양하게 지칭되고 있다. 본 출원의 목적상, "극저온(very low)" 또는 "극저온 온도"이라는 용어는 183 K 내지 65 K(-90℃ 내지 -208℃)의 온도를 의미하는 것으로 사용될 것이다.

진공 조건하에서 실시되고 극저온 냉각 시스템과 통합되는 많은 제조 프로세스들에서, 특정 프로세싱 단계들에서 급속 가열이 요구된다. 이러한 가열 프로세스는 일반적으로 제상(defrost) 사이클로 지칭된다. 가열 프로세스는 증발기 및 연결 냉각 라인들을 상온으로 온도를 높인다(warm). 그에 따라, 공기중으로부터의 수분이 시스템의 해당 부분들에서 응축되지 않게 하면서, 그 시스템의 해당 부분들에 접근할 수 있게 되고 대기로 환기시킬 수 있게 된다. 전체 제상 사이클 및 후속하는 극저온의 재개(resumption)에 필요한 시간이 길어질수록, 제조 시스템의 생산량이 감소된다. 진공 챔버내에서의 저온표면(cryosurface)(증발기)의 신속한 제상 및 신속한 냉각 재개를 가능하게 하는 것은 진공 프로세스의 생산량 증대에 있어서 유리하다.

또한, 긴 시간 동안 증발기를 통한 고온 냉매의 유동을 제공하는 것이 바람직한 프로세스들도 다수 있을 것이다. 이러한 분야에서의 목적을 위해서, 본원 명세서에서는 이러한 것을 "베이크아웃(bakeout)" 작업이라 한다. 베이크아웃 작업 을 이용하는 시스템의 예가 미국특허 제 6,843,065 호에 개시되어 있으며, 그 특허는 본 명세서에 참조된다. 냉매에 의해서 교호적으로 가열되고 냉각되는 부재들이 큰 열질량(thermal mass)을 가지는 경우에, 그리고 시간 함수로서의 온도 응답이 약 1 내지 5분 보다 긴 경우에, 베이크아웃 작업이 유리하다. 그러한 경우에, 모든 표면에서 원하는 최소 온도에 도달할 때까지 열 전도가 일어날 수 있도록, 고온 냉매의 길어진(prolonged) 유동이 요구된다. 또한, 진공 챔버 내의 일반적인 공정은 챔버 내의 표면들이 고온, 통상적으로 150℃ 내지 300℃까지 가열되는 모드이다. 그러한 고온은 냉매에 의해서 냉각되고 가열되는 부재를 포함하는 챔버내의 모든 표면으로 복사될 것이다. 부재를 통한 냉매 유동이 발생되지 않을 때 부재내의 냉매 및 잔류하는 압축기 오일 잔류물이 그러한 고온에 노출되는 것은 냉매 및/또는 오일의 결과적인 분해와 함께 잔류 냉매의 과열 위험을 유발한다. 그에 따라, 챔버가 가열되는 동안에, 고온(통상적으로, 80 내지 120℃) 냉매의 계속적인 유동을 제공하는 것은 냉매 및 오일의 온도를 제어하고 발생될 수 있는 분해를 방지한다.

그러한 극저온 냉각을 필요로 하는 진공 프로세스가 많이 있을 것이다. 주요 용도는 진공 시스템을 위한 수증기 극저온 펌핑(cryopumping)을 제공하는 것이다. 극저온 표면은 수증기 분자를 방출하는 것 보다 상당히 빠른 속도로 수증기를 포획하고 유지한다. 순수 효과는 챔버의 수증기 부분압을 신속하고도 상당히 감소시킨다는 것이다. 이러한 수증기 극저온 펌핑 프로세스는 반도체 소자, 금속화된(metallized) 부품, 광학적 반사장치, 전자 저장 매체를 위한 진공 코팅 분야 등 에서의 많은 물리 기상 증착에서 매우 유용하다. 또한, 이들 프로세스는 냉동 건조 작업에서 생물학적 제품 및 식품으로부터 습기를 제거하기 위해서 이용될 수 있다.

다른 분야로서 열적 복사 차폐를 포함한다. 이러한 분야에서, 대형 패널들이 극저온으로 냉각된다. 이들 냉각된 패널들은 진공 챔버 표면 및 히터로부터 열이 복사되는 것을 차단한다. 이는, 패널의 온도보다 낮은 온도까지 냉각되는 표면에서의 열적 부하(load)를 감소시킬 수 있다. 또 다른 분야는 제조되는 객체(object)로부터 열을 제거하는 분야이다. 일부 분야에서, 객체는 컴퓨터 하드 드라이브용 알루미늄 디스크, 반도에 소자의 제조를 위한 실리콘 웨이퍼, 또는 평판 디스플레이를 위한 플라스틱 또는 유리와 같은 물질이다. 이들 경우에, 비록 프로세스 단계의 마지막에 객체의 최종 온도가 상온 보다 높을 수 있더라도, 극저온은 이들 객체로부터 열을 보다 신속하게 제거하기 위한 수단을 제공한다.

또한, 하드 디스크 드라이브 매체, 실리콘 웨이퍼, 또는 평판 디스플레이 물질, 또는 다른 기판을 포함하는 일부 분야는 이들 객체들 상에 물질을 부착시키는 것을 포함한다. 그러한 경우에, 부착의 결과로서 객체로부터 열이 방출되고, 그러한 열은 객체가 미리 규정된 온도 범위 이내에서 유지될 수 있도록 반드시 제거되어야 한다. 플래튼(platen)과 같은 표면의 냉각은 그러한 객체로부터 열을 제거하는 통상적인 수단이다. 이러한 모든 경우에서, 냉각 시스템과 냉각되고 있는 객체 사이의 인터페이스는 증발기에 이르며, 상기 증발기에서는 냉매가 극저온에서 객체로부터 열을 제거한다.

극저온의 다른 용도들은 생물학적 유체 및 조직의 저장에서 그리고 화학 및 의약 관련 프로세스에서 반응 속도를 제어하는 것을 포함한다.

추가적인 다른 용도는 물질의 특성을 제어하기 위해서 금속 또는 다른 물질의 처리시에 극저온을 이용하는 것을 포함한다. 또 다른 용도는, 비제한적인 예로서, CCD 카메라, X-선 탐지기, 감마선 탐지기, 기타 핵 입자 및 방사선 탐지기를 포함하는 다양한 프로세스로부터 열을 제거하는 것을 포함한다. 또 다른 용도는 가스 색층 분석(chromatography), 시차주사열량계법(Differential Scanning Calorimetry), 질량분석법(Mass spectrometer), 그리고 다른 유사 용도를 포함하는 실험적인 용도를 포함한다.

또한, 극저온 냉각은, 예를 들어 질소 액화, 산소 액화, 다른 가스의 액화, 및 다양한 용도를 위한 가스의 냉각에서와 같이, 가정용 및 산업용 가스 및 액체의 응축 및 냉각에서도 이용된다. 이들 용도의 일부는, 부탄 냉각, 화학적 프로세스에서의 가스 온도 제어 등을 포함한다.

역사적으로, 종래의 냉각 시스템은 염화(chlorinated) 냉매를 이용하여 왔으며, 그러한 냉매는 오존층 파괴에 기여하는 것으로 알려져 있고 또 환경에도 해롭다고 알려져 있다. 따라서, 계속적으로 높아지고 있는 환경 규제는 냉각 산업을 염화플루오르화탄소(CFCs)로부터 수소화염화불화탄소(hydrochlorofluorocarbons; HCFCs)로 이동시켰다. 몬트리올 의정서의 규정은 HCFCs의 단계적 사용중단을 요구하고 있고, 유럽연합은 2001년 1월 1일자로 냉각 시스템에서의 HCFCs의 사용을 금지하고 있다. 그에 따라, 대체 냉매 혼합물의 개발이 요구되고 있다. 수소화불화 탄소(HFC) 냉매가 우수한 후보이며, 그 냉매는 난연성이고 독성이 적으며 상업적으로도 이용가능하다.

종래의 극저온 시스템은 오일의 취급(manage)을 위해서 가연성 성분을 이용하였다. 염화 냉매를 이용하는 극저온 시스템에서 이용되는 오일은 가압되었을 때 상온에서 액화될 수 있는 고온 비등 성분(warmer boiling components)을 가지고 양호한 혼화성(miscibility; 混和性)을 가진다. R-23과 같은 저온 비등 HFC 냉매는 이러한 오일들과 혼화되지 않으며 냉각 프로세스의 보다 저온인 부분과 만나기 전까지는 용이하게 액화되지 않는다. 이러한 비혼화성(immiscibility)은 압축기 오일의 분리 및 동결을 초래하며, 이는 다시 튜브, 스트레이너, 밸브 또는 스로틀 밸브 장치의 막힘으로 인한 시스템 고장을 초래할 수 있다. 이러한 저온에서 혼화성을 부여하기 위해서, 통상적으로 에탄이 냉매 혼합물에 첨가된다. 불행하게도, 에탄은 가연성이고, 소비자 접근을 제한할 수 있고 설비 요건, 비용, 및 시스템 제어를 위한 추가적인 요건이 추가적으로 요구될 수 있다. 그에 따라, 에탄 또는 기타 가연 성분의 제거가 바람직하다.

전술한 바와 같은 냉각 시스템은 냉매 혼합물로부터의 동결이 발생하지 않는 냉매의 혼합물을 요구한다. 냉각 시스템에서의 "동결" 조건은, 하나 이상의 냉매 성분, 또는 압축기 오일이 고체가 되거나 유동하지 않는 점도까지 극히 높은 점성을 가질 때, 발생된다. 냉각 시스템의 정상 작동 중에, 흡입 압력은 온도가 감소됨에 따라 낮아진다. 동결 조건이 생성된다면, 흡입 압력이 강하될 것이고, 심지어는 포지티브 피드백(positive feedback)을 더욱 생성하고 그리고 온도를 더욱 낮 추어서, 보다 많은 동결을 초래할 수 있다.

혼합 냉매식 냉각 시스템에서 동결을 방지할 것이 요구된다. 이용가능한 HFC 냉매는 HCFC 및 대체되는 CFC 냉매 보다 높은 어는점을 가진다. 동결과 관련한 이들 냉매 혼합물의 한계값이 미국 특허출원 제 09/886,936 호에 개시되어 있다. 전술한 바와 같이, 탄화수소의 이용은 가연성으로 인해서 바람직하지 못하다. 그러나, 가연성 성분의 제거는 동결과 관련하여 추가적인 문제점을 유발할 수 있는데, 이는 가연성 탄화수소 냉매 대신에 사용될 수 있는 HFC 냉매가 통상적으로 더 높은 온도의 어는점을 가지기 때문이다.

통상적으로, 냉각 시스템에 대한 외부 열적 부하(external thermal load)가 매우 낮아지기 시작할 때 동결이 발생된다. 몇몇 극저온 시스템은 가장 낮은 온도의 고압 냉매의 일부를 취하고 그 냉매의 일부를 이용하여 고압 냉매를 냉각시키는 서브쿨러(subcooler)를 이용한다. 이는, 상기 냉매의 일부분을 팽창시키고 그것을 이용하여 서브쿨러의 저압측으로 공급함으로서 달성된다. 그에 따라, 증발기로의 유동이 중단되었을 때, 내부 유동 및 열 전달이 계속되어 고압 냉매가 점진적으로 저온이 될 수 있게 허용한다. 이는 다시 서브쿨러로 유입되는 팽창된 냉매의 낮은 온도를 초래한다. 전체 시스템의 디자인, 시스템의 저온부(cold end)에서 순환되는 냉매 성분, 그리고 시스템의 작동 압력에 따라서, 동결 온도를 달성할 수 있다. 동결 조건에 대한 여유(margin)가 제공되어야 하기 때문에, 동결 조건이 결코 발생되지 않도록 전체 시스템이 디자인될 것이고 그에 따라 결과적인 냉각 디자인이 제한될 것이다.

수소화불화탄소(HFCs)를 냉매로 이용할 때의 또 다른 문제점은, 이들 냉매가 알칼리벤젠 오일과 혼합될 수 없다는 것이고, 그에 따라 폴리에스터(POE)(1998 ASHRAE Refrigeration Handbook, chapter 7, page 7.4, American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers 참조) 압축 오일이 HFC 냉매와 양립가능하도록(compatible) 사용된다. 극저온 시스템에 있어서 적절한 오일의 선택이 필수적인데, 이는 오일은 양호한 압축기 윤활을 제공할 뿐만 아니라, 극저온에서 냉매와 분리되어 동결되지 않아야 하기 때문이다.

미국 특허출원 제 09/894,964 호에는 극저온 혼합형 냉매 시스템에서의 동결 방지 방법에 개시되어 있으며, 이러한 특허는 본 명세서에서 참조하고 있다. 비록 이러한 방법이 시스템에 있어서 효과적인 것으로 입증되었지만, 그러한 방법은 필요한 제어를 제공할 수는 없었다. 이는, 동결 방지를 위해서 상류 저압 냉매의 압력을 높이는 밸브를 이용하는 것이 시스템의 냉각 성능을 감소시키기 때문이다. 이러한 공지된 밸브는 수동적으로 조정되어야 하며, 다양한 작동 모드(즉, 저온, 제상, 대기(standby, 및 베이크아웃)의 요구에 따라 수동적으로 조정하는 것은 실용적이지 못하다.

일반적으로, 많은 수의 바이패스 방법들이 종래의 냉각 시스템에서 채용되었었다. 통상적으로 -40℃ 또는 그보다 높은 온도에서 작동되는 이들 시스템들은 단일 냉매 성분, 또는 단일 냉매 성분과 유사하게 거동하는 비등점이 근접한 냉매들의 혼합물을 채용한다. 그러한 시스템에서, 제어 방법은 포화된 냉매 온도와 포화된 냉매 압력 사이의 응답(correspondence)을 이용한다. 이러한 응답의 특성에 따 라서, 단일 냉매 성분에서, 2-상(相) 혼합물(액체상 및 기체상)이 존재할 때, 냉매의 온도 또는 압력 중 나머지 하나를 알기 위해서는 냉매의 온도 또는 압력만을 특정하면 된다. 일반적으로 채용되는 비등점들이 유사한 혼합형 냉매 시스템의 경우에, 이러한 온도 압력 응답으로부터의 약간의 편차가 발생하나 그러한 냉매는 단일 성분 냉매와 유사한 방식으로 거동하고 취급된다.

본 명세서에 개시된 본원 발명은 비등점들이 큰 차이를 보이는 혼합형 냉매를 채용하는 극저온 냉각 시스템에 관한 것이다. 통상적인 혼합은 100 내지 200℃ 만큼 상이한 비등점을 가질 것이다. 본 명세서에 기재된 목적을 위해서, 극저온 혼합형 냉매 시스템(VLTMRS)는 정상 비등점이 50℃ 이상 차이나는 둘 이상의 성분들을 가지는 혼합형 냉매를 채용하는 극저온 냉각 시스템을 의미한다. 그러한 혼합물의 경우에, 단일 냉매 성분으로부터의 편차가 상당히 커서 포화 온도와 포화 압력 사이의 응답은 보다 복잡하게 된다.

큰 비등점 차이로 인해 이들 성분이 서로 상당히 상이하게 거동한다는 사실 그리고 이러한 추가적인 성분들에 의해서 제공되는 추가적인 자유도의 수(number of degrees) 때문에, 냉매 혼합물 조성, 액체 분율(fraction) 및 온도(또는 압력)는 압력(또는 온도)이 결정될 수 있도록 특정되어야 한다. 그에 따라, 종래의 단일 냉매 또는 단일 냉매와 유사한 거동의 혼합물들로부터의 제어 방법은 종래의 시스템에서와 동일한 방식으로 극저온 혼합형 냉매 시스템에 적용될 수 없을 것인데, 이는 온도-압력 응답에 있어서의 차이 때문이다. 개략적인 설명에서는 유사하지만, 이들 장치를 극저온 혼합형 냉매 시스템에 적용하는 것은 압력 온도 응답에서 의 편차로 인해서 종래 기술에서와 다를 것이다.

간단한 예로서, 종래의 냉각 시스템 제어는 응축기 온도의 제어가 배출 압력을 제어할 것이라는 사실에 매우 크게 의존한다. 그에 따라, 응축기 온도를 제어하는 제어 밸브가 증발기 상의 열적 부하 또는 작업의 모드에 관계 없이 매우 예측가능한 방식으로 배출 압력을 제어할 것이다. 대조적으로, 비등점이 크게 다른(widely spaced) 성분들을 이용하는 극저온 혼합형 냉매 시스템은, 작업 모드 및 증발기 부하에서의 변화로 인해서, 심지어는 순환되는 혼합물 및 응축기 온도가 변화되지 않은 경우에도, 압축기 배출 압력의 큰 변화를 경험할 것이다.

그에 따라, 본 발명을 구현하는 도시된 실시예들 중 일부가 종래의 냉각에서 실행되는 것과 유사한 것으로 생각될 수 있을 것이다. 종래 기술의 제어 방법에 대한 개략적인 설명이 'Chapter 45 of the 2002 edition of the Refrigeration Volume of the ASHRAE handbook'에 기재되어 있다. 적용분야(application)가 상이한 압력-온도 특성을 가지는 냉매를 포함한다는 점, 보다 구체적으로, 이들 냉매가 종래의 냉매에서 그러했던 것과 같이 결정된 압력 온도 응답을 가지지 않는다는 점에서, 본 발명의 시스템은 종래 기술의 시스템과 상이하다. 그에 따라, 제어 성분들과 냉매의 상호 작용이 상이하다.

내부 응축물 바이패스를 채용하는 극저온 혼합형 냉매 시스템이 Forrest 등에게 허여된 USP 4,763,486에 개시되어 있다. 이러한 방법에서, 프로세스에서의 다양한 상 분리기로부터의 액체 냉매가 증발기의 유입구로 바이패스된다. 서술된 이러한 방법의 목적은 증발기 냉각의 온도 및 용량 제어를 제공하고, 그리고 시스 템의 안정된 작동을 제공하는 것이다. 규정된 바와 같이, 이러한 방법은 약간의 냉각 레벨을 제공하기 위해서 증발기를 통해서 냉매를 유동시킬 것을 필요로 한다. 대기 모드 또는 베이크아웃 모드에 대해서는 언급이 없으며, 개시된 방법이 대기 모드 또는 베이크아웃 모드에서 사용될 수 없다는 것을 명확하게 도식적으로 나타내고 있다. 이러한 발명은 다양한 개체수의 상 분리기를 구비하는 시스템을 시동하기 어렵다는 것을 설명한다.

이 특허 시점 이후에, 상 분리기의 개체수가 변화된, 전체적인 또는 부분적인(full or partial) 분리기였던 상 분리기들을 구비하는, 그리고 상 분리기들이 없는, 극저온 혼합형 냉매 시스템의 많은 변화가 있었다. 이러한 시스템들은 Forrest 등의 발명을 이용하지 않고 성공적으로 작동되었다. Forrest 등의 발명에 의해서 방지되는 조건들이 냉매의 적절한 2-상 유동을 지원하기 위한 최소 유동율을 극저온 혼합형 냉매 시스템이 필요로 한다는 사실과 관련될 수 있을 것이다. 적절한 유동 없이는, Forrest 등의 발명에 의해서 회피되는 징조(symptom)가 예상될 수 있을 것이다. 또한, Forrest 등의 발명은 배출 라인 오일 분리기를 이용하지 않는다. 극저온 혼합형 냉매 시스템에서 압축기 오일이 유동 통로의 막힘을 초래할 수 있다는 것 그리고 Forrest 등의 발명이 피하고자 하는 타입의 징조를 초래할 수 있다는 것을 알 수 있다.

또한, 현재의 출원은 프로세스에서 냉매의 동결을 방지한다. 통상적으로, 종래의 냉각 시스템들이 본 명세서에 개시된 극저온 혼합형 냉매 시스템에서 이용되는 냉매의 어는점 보다 높은 온도 또는 50℃에서 작동되기 때문에, 동결이 일반 적인 관심 사항이 아닌 종래의 냉각 시스템에서와 달리, 동결이 중요한 관심 사항이 된다.

본 발명은, 예를 들어 냉각 프로세스에서 냉매 및 오일의 동결을 방지하는 것과 같은 목적으로, 냉각 프로세스에서의 온도 제어를 제공하는 방법을 개시한다. 본 발명의 목적은, 자동-냉각 캐스케이드 사이클(auto-refrigerating cascade cycle), 클리멘코 사이클(Klimenko cycle), 또는 단일 팽창 장치 시스템과 같은 혼합형-냉매 시스템을 이용하는 극저온 냉각 시스템 또는 프로세스에서 특히 유용하다. 냉각 시스템은 하나 이상의 압축기 및 단일 스테이지(stage)(상 분리기가 없음) 또는 다수 스테이지(하나 이상의 상 분리기) 구성체(arrangement)로 이루어진 스로틀 사이클을 포함한다. 다수 스테이지 스로틀 사이클은 또한 자동-냉각 캐스케이드 사이클로도 지칭되며, 냉각 프로세스에서 하나 이상의 냉매 기체-액체 상 분리기의 이용을 특징으로 한다.

본 발명의 온도 제어 및 동결 방지 방법은 확장된 제상 사이클(베이크아웃)을 가지는 냉각 시스템에서 유용하다. 후술하는 바와 같이, 베이크아웃의 이용은 이들 방법에 의해서 해결되는 추가적인 고려 사항들을 필요로 한다.

본 발명의 이점은, 냉매 혼합물의 동결을 방지하기 위한 및/또는 온도를 제어하기 위한 방법이 극저온 냉각 시스템에서의 이용에 대해서 개시되어 있다.

본 발명의 추가적인 이점은 작동 [냉각, 제상, 대기 또는 베이크아웃] 모드의 범위에 걸쳐서 개시된 방법을 이용하는 시스템의 안정성이다.

본 발명의 또 다른 이점은 냉매 혼합물의 동결점 부근에서 극저온 혼합형 냉매 시스템을 작동시킬 수 있다는 능력이다.

본 발명의 또 다른 목적 및 이점들이 이하의 설명으로부터 보다 분명히 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 전술한, 그리고 기타의 목적, 특징 및 이점들이 본 발명의 바람직한 실시예들에 대한 보다 특정된 이하의 설명으로부터 분명히 이해될 수 있을 것이며, 상기 실시예들은 동일한 부분에 대해서 동일한 참조부호로 표시한 첨부 도면들에 도시되어 있다. 도면들은 반드시 등축적인 것이 아니며, 본 발명의 원리를 설명하기 위해서 강조하여 도시한 부분도 있다.

도 1은 본 발명에 따라 바이패스 회로를 가지는 극저온 냉각 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명에 따른 냉매의 제어된 내부 바이패스를 이용함으로써 동결을 방지하기 위한 및/또는 온도 제어를 제공하기 위한 방법을 도시한 도면이다.

도 3은 본 발명에 따른 냉매의 제어된 내부 바이패스를 이용함으로써 동결을 방지하기 위한 및/또는 온도 제어를 제공하기 위한 다른 대안적인 방법을 도시한 도면이다.

도 4는 본 발명에 따른 냉매의 제어된 바이패스를 이용함으로써 동결을 방지하기 위한 및/또는 온도 제어를 제공하기 위한 또 다른 대안적인 방법을 도시한 도면이다.

도 5는, 본 발명에 따라서, 도 2의 실시예에서와 같이 냉매의 제어된 내부 바이패스를 이용함으로써 온도 제어를 제공하기 위한 방법을 도시한 도면이다.

도 6은 본 발명에 따라서, 도 3의 실시예에서와 같이 냉매의 제어된 내부 바이패스를 이용함으로써 온도 제어를 제공하기 위한 다른 방법을 도시한 도면이다.

도 7은 본 발명에 따라서, 도 4의 실시예에서와 같이 냉매의 제어된 바이패스를 이용함으로써 온도 제어를 제공하기 위한 또 다른 방법을 도시한 도면이다.

도 1은 본 발명에 따른 특징들이 추가된 종래의 극저온 냉각 시스템(100)을 도시한 도면이다. 종래 시스템의 상세한 사항이 본 명세서에서 참조되는 미국 특허출원 제 09/870,385 호에 개시되어 있다. 냉각 시스템(100)은 배출 라인(110)을 통해 응축기(112)로 전달(feeding)하는 선택적인 오일 분리기(108)의 유입구로 전달하는 압축기(104)를 포함한다. 응축기(112)는 액체 라인 출력부(166)를 통해 냉각 프로세스(118)의 제 1 공급 입력부로 전달하는 필터 드라이브(114)로 전달한다. 냉각 프로세스(118)에 대한 보다 상세한 구성이 도 2에 도시되어 있다. 압축기의 윤활을 위해서 오일이 순환되지 않는 경우에 오일 분리기는 필요하지 않다.

냉각 프로세스(118)는 전달 밸브(feed valve; 122)의 유입구로 전달하는 냉매 공급 라인 출력부(120)를 제공한다. 전달 밸브(122)로부터 빠져나오는 냉매는 극저온의, 통상적으로 -90 내지 -208℃의 고압 냉매이다. 유동-계량 장치(flow-metering device; FMD)(124)가 저온 밸브(128)와 직렬로 배치된다. 유사하게, 유동-계량 장치(126)가 저온 밸브(130)와 직렬로 배치된다. 유동-계량 장치(124)와 저온 밸브(128)의 직렬 조합이 유동-계량 장치(126)와 저온 밸브(130)의 직렬 조합과 병렬로 배치되고, 이때 유동-계량 장치(124 및 126)의 유입구들이 전달 밸브(122)의 출력부에 의해서 공급받는 노드(node)에서 함께 연결된다. 또한, 저온 밸브(128 및 130)의 배출구는 초저온(cryo)-격리 밸브(132)의 유입구로 전달하는 노드에서 함께 연결된다. 초저온-격리 밸브(132)는 고객-설치형 (일반적인) 증발기 코일(136)로 전달하는 증발기 공급 라인 출력부(134)를 제공한다.

증발기(136)의 대향 단부는 초저온-격리 밸브(140)의 유입구로 전달하는 증발기 복귀 라인(138)을 제공한다. 초저온-격리 밸브(140)의 배출구는 내부 복귀 라인(142)을 통해서 극저온 유동 스위치(152)의 유입구로 전달한다. 초저온 유동 스위치(152)의 배출구는 복귀 밸브(144)의 유입구로 전달한다. 복귀 밸브(144)의 배출구는 냉매 복귀 라인(148)을 통해 냉각 프로세스(118)의 제 2 유입구(저압)로 전달하는 체크 밸브(146)의 유입구로 전달한다.

온도 스위치(TS)(150)는 체크 밸브(146)와 냉각 프로세스(118) 사이에서 냉매 복귀 라인(148)으로 열적으로 커플링된다. 추가적으로, 서로 상이한 트립 지점(trip points)을 가지는 다수의 온도 스위치들이 내부 복귀 라인(142)을 따라서 열적으로 커플링된다. 온도 스위치(158), 온도 스위치(160), 및 온도 스위치(162)는 초저온-격리 밸브(140)와 복귀 밸브(144) 사이에서 내부 복귀 라인(142)에 열적으로 결합된다.

냉각 루프는 냉각 프로세스(118)의 복귀 배출구로부터 압축기 흡입 라인(164)을 경유하여 압축기(104)의 유입구로 폐쇄된다. 압축기(104)의 유입구에 밀접 배치된 압력 스위치(PS; 196)는 압축기 흡입 라인(164)에 공압적으로 연결된다. 또한, 오일 분리기(108)의 오일 복귀 라인(109)은 압축기 흡입 라인(164)로 전달한다. 냉각 시스템(100)은 압축기 흡입 라인(164)에 연결된 팽창 탱크(192)를 더 포함한다. 유동-계량 장치(194)가 팽창 탱크(192)의 유입구와 압축 흡입 라인(164) 사이에서 인라인(inline) 정렬된다.

냉각 시스템(100) 내의 제상 공급 루프(고압)가 다음과 같이 형성된다: 전달 밸브(176)의 유입구가 배출 라인(110) 내에 위치된 노드(A)에서 연결된다. 제상 밸브(178)는 유동-계량 장치(182)와 직렬로 정렬되며; 유사하게, 제상 밸브(180)는 유동-계량 장치(184)와 직렬로 정렬된다. 제상 밸브(178)와 유동-계량 장치(182)의 직렬 조합은 제상 밸브(180)와 유동-계량 장치(184)의 직렬 조합과 병렬로 정렬되며, 이때 제상 밸브(178 및 180)의 유입구들은 전달 밸브(176)의 배출구에 의해서 전달되는 노드(B)에서 함께 연결된다. 또한, 유동-계량 장치(182 및 184)의 배출구들은 저온 밸브(128)와 초저온-격리 밸브(132) 사이의 노드(D)에서 라인으로 연결함으로써 제상 공급 루프를 폐쇄하는 라인으로 전달하는 노드(C)에서 함께 연결된다.

냉각 시스템(100)내의 냉각 복귀 바이패스(저압) 루프가 다음과 같이 형성된다: 바이패스 라인(186)은 초저온 유동 스위치(152)와 복귀 밸브(144) 사이의 라인 내에 위치된 노드(E)로부터 전달된다. 바이패스 라인(186)에는 바이패스 밸브(188) 및 서비스 밸브(190)가 직렬로 연결된다. 냉매 복귀 바이패스 루프는 냉각 프로세스(118)와 압축기(104) 사이의 압축기 흡입 섹션(164) 내에 위치된 노 드(F)에 연결된 서비스 밸브(190)의 배출구에 의해서 완성된다.

온도 스위치(150), 온도 스위치(158), 온도 스위치(160), 및 온도 스위치(162)를 제외하고, 냉각 시스템(100)의 모든 부재들은 기계적으로 그리고 유압적으로 연결된다.

안전 회로(198)는 압력 및 온도 스위치와 같이 냉각 시스템(100) 내에 배치된 다수의 제어 장치로 제어를 제공하고 그리고 그러한 다수의 제어 장치로부터의 피드백을 수신한다. 압력 스위치(196), 압력 스위치(150), 압력 스위치(158), 압력 스위치(160), 및 압력 스위치(162)는 그러한 장치들의 예이며; 그러나 냉각 시스템(100) 내에는 다른 많은 감지 장치들이 위치될 수 있으며, 도 1에서는 명료함을 위해서 그러한 장치들을 도시하지 않았다. 압력 스위치(196)를 포함하는 압력 스위치들은 통상적으로 공압식으로 연결되는 반면, 온도 스위치(150), 온도 스위치(158), 온도 스위치(160), 및 온도 스위치(162)를 포함하는 온도 스위치들은 통상적으로 냉각 시스템(100) 내의 유동 라인에 열적으로 커플링된다. 안전 회로(198)로부터의 제어는 본질적으로 전기적인 것이다. 유사하게, 여러 감지 장치로부터 안전 회로(198)로의 피드백도 본질적으로 전기적인 것이다.

냉각 시스템(100)은 극저온 냉각 시스템이고, 열을 제거하고 재배치시키는 기본적인 작동이 소위 당업계에 주지되어 있다. 본 발명의 냉각 시스템(100)은 순수 또는 혼합형 냉매를 이용한다.

초저온-격리 밸브(132 및 140)을 제외하고, 냉각 시스템(100)의 각각의 부재들이 산업계에 공지되어 있다(즉, 압축기(104), 오일 분리기(108), 응축기(112), 필터 드라이어(114), 냉각 프로세스(118), 전달 밸브(122), 유동-계량 장치(124), 저온 밸브(128), 유동-계량 장치(126), 저온 밸브(130), 증발기 코일(136), 복귀 밸브(144), 체크 밸브(146), 온도 스위치(150), 온도 스위치(158), 온도 스위치(160), 온도 스위치(162), 전달 밸브(176), 제상 밸브(178), 유동-계량 장치(182), 제상 밸브(180), 유동-계량 장치(184), 바이패스 밸브(188), 서비스 밸브(190), 팽창 탱크(192), 유동-계량 장치(194), 압력 스위치(196), 및 안전 회로(198)). 또한, 초저온 유동 스위치(152)는 미국 특허출원 USSN 09/886,936에 충분히 설명되어 있다. 그러나, 명료함을 위해서, 이하에서는 상기 부재들에 대해 간단하게 설명한다.

압축기(104)는 저압, 저온 냉매 가스를 취하고 그 가스를 오일 분리기(108)로 전달되는 고압, 고온 가스로 압축하는 일반적인 압축기이다.

오일 분리기(108)는 종래의 오일 분리기이며, 그러한 오일 분리기내에서는 압축기(104)로부터의 압축된 질량 유동(mass flow)이 속도를 낮추는 대형 분리기 챔버내로 유입되고, 그에 따라 원자화된(atomized) 오일 액적(droplets)을 형성하며, 상기 오일 액적은 충돌 스크린 표면 또는 융합(coalescence) 부재 상에서 수집된다. 오일 액적이 큰 입자로 뭉치게 됨에 따라, 분리기 오일 저장용기의 바닥으로 낙하되고 압축 흡입 섹션(164)을 통해서 압축기(104)로 복귀된다. 제거된 오일을 뺀 오일 분리기(108)로부터의 질량 유동은 노드(A)를 향해서 계속적으로 유동하고 응축기(112)로 진행한다.

압축기(104)로부터의 고온, 고압 가스는 오일 분리기(108)를 통해서 그리고 응축기(112)를 통해서 이동한다. 응축기(112)는 통상적인 응축기이며, 열이 응축에 의해서 제거되는 시스템의 일부이다. 고온 가스가 응축기(112)를 통과함에 따라, 통과하는 또는 상부로 흐르는 공기나 물에 의해서 냉각된다. 고온의 가스 냉매가 냉각됨에 따라, 액체 냉매의 액적이 코일 내에서 형성된다. 결과적으로, 가스가 응축기(112)의 단부에 도달할 때, 그 가스는 부분적으로 응측되고; 다시 말해서, 액체 및 기체 냉매가 존재한다. 응축기(112)가 정확하게 기능하도록 하기 위해서, 응축기(112)를 통과하거나 그 상부로 흐르는 공기 또는 물은 시스템의 작동 유체 보다 반드시 저온이어야 한다. 특별한 몇몇 용도에서, 응축기 내에서 응축이 일어나지 않도록 냉매 혼합물이 구성될 수 있을 것이다.

응축기(112)로부터의 냉매는 필터 드라이어(114)를 통해서 계속 유동한다. 필터 드라이어(114)는 산(acid)을 형성할 수 있는 물과 같은 시스템 오염물질을 흡수하고 물리적인 여과를 제공하는 기능을 한다. 필터 드라이어(114)로부터의 냉매는 냉각 프로세스(118)로 전달된다.

냉각 프로세스(118)는 단일-냉매 시스템, 혼합형-냉매 시스템, 통상의 냉각 프로세스, 캐스케이드 냉각 프로세스의 각각의 스테이지, 자동-냉각 캐스케이드 사이클, 또는 클리멘코 사이클과 같은 임의 냉각 시스템 또는 프로세스일 수 있다. 설명을 위해서, 클리멘코에 의해서 설명되었던 자동-냉각 캐스케이드 사이클의 변형예로서 냉각 프로세스(118)를 도 2에 도시하였다.

도 1에 도시된 몇가지 항목들은 저온 냉매를 공급하는 것이 유일한 목적인 기본적인 냉각 유닛에서는 불필요하다. 도 1에 도시된 시스템은 제상 및 베이크아웃이 가능한 시스템이다. 이들 기능들이 필요치 않다면, 냉각 프로세스(118)를 바이패스하는 루프가 생략될 수 있고 개시된 방법의 본질적인 이점이 여전히 적용가능할 것이다. 유사하게, 도시된 밸브들 및 기타 장치들 중 일부가 개시된 방법에서 필요하지 않을 수도 있다. 최소한, 냉각 시스템은 압축기(104), 응축기(112), 냉각 프로세스(118), 유동-계량 장치(124), 및 증발기(136)를 포함하여야 한다.

도 2에 도시된 냉각 프로세스(118)의 몇 가지 기본적인 변형예가 가능하다. 냉각 프로세스(118)는 캐스케이드형 시스템의 하나의 스테이지일 수 있으며, 이때 응축기(112)에서의 냉매의 초기 응축은 다른 냉각 스테이지로부터의 저온 냉매에 의해서 제공될 수 있을 것이다. 유사하게, 냉각 프로세스(118)에 의해서 생성된 냉매를 이용하여 저온 캐스케이드 프로세스의 냉매를 냉각 및 액화시킬 수 있을 것이다. 또한, 도 1은 단일 압축기를 도시한다. 두 개의 압축기를 병렬로 이용할 대 동일한 압축 효과가 얻어질 수 있다는 것을 이해할 것이며, 또는 직렬 압축기들 이나 2-스테이지 압축기를 통해서 압축 프로세스를 스테이지들로 나눌 수 있다는 것을 이해할 것이다. 이들 모든 가능한 변형예들은 본 발명의 개시 범위내에 포함되는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 도 1 내지 도 4는 단 하나의 증발기 코일(136)과 관련된 것이다. 원칙적으로, 개시된 방법은 단일 냉각 프로세스(118)에 의해서 냉각되는 다수의 증발기 코일(136)에 적용될 수 있다. 그러한 구성에서, 각각의 독립적으로 제어되는 증발기 코일(136)은 냉매의 전달을 제어하기 위한 독립적인 밸브 및 유동-계량 장치 세트(즉, 제상 밸브(180), 유동-계량 장치(184), 제상 밸브(178), 유동-계량 장치(182), 유동-계량 장치(126), 저온 밸브(130), 유동-계량 장치(124), 및 저온 밸브(128)) 그리고 바이패스를 제어하기 위한 밸브들(즉, 체크 밸브(146) 및 바이패스 밸브(188))을 필요로 한다.

도시된 바와 같이, 증발기(136)는 완전한 냉각 시스템(100)의 일부로서 통합될 수 있다. 다른 구성에서, 증발기(136)는 고객(customer) 또는 다른 제 3 자에 의해서 제공될 수 있고, 완전한 냉각 시스템(100)의 설치시에 조립된다. 일반적으로, 증발기(136)의 제조는 매우 간단하며 구리 또는 스테인리스 스틸 배관으로 구성될 수 있다. 다른 용도에서는, 제조가 매우 복잡하고, 고객 프로세스의 일부가 된다. 예를 들어, 증발기는 다수 유동 통로 열교환기에서의 하나 이상의 유동 통로를 포함할 수 있다. 이러한 구성에서, 고객 프로세스 유체는 열교환기의 다른 통로내에서 유동하고, 증발기 냉매에 의해서 냉각된다.

전달 밸브(176) 및 서비스 밸브(190)는, 필요한 경우에 성분들을 격리시키기 위한 일부 서비스 기능을 제공하는 Superior Packless Valves (Washington, PA)와 같은, 표준형 다이아프램 밸브 또는 비례 밸브이다.

팽창 탱크(192)는 가열로 인한 냉매 가스의 증발 및 팽창에 의해서 유발된 증대된 냉매 부피를 수용하는 냉각 시스템의 통상적인 저장용기이다. 이러한 경우에, 냉각 시스템(100)이 오프되었을 때, 냉매 기체가 유동-계량 장치(194)를 통해서 팽창 탱크(192)로 유입된다.

저온 밸브(128), 저온 밸브(130), 제상 밸브(178), 제상 밸브(180), 및 바이패스 밸브(188)는 'Sporlan (Washington, MO) models xuj, B-6 및 B-19'와 같은 표준형 솔레노이드 밸브이다. 그 대신에, 저온 밸브(128 및 130)는 폐루프 피드백을 구비하는 비례 밸브, 또는 열적 팽창 밸브이다.

선택적인 체크 밸브(146)는 일방향으로만 유동을 허용하는 일반적인 체크 밸브이다. 체크 밸브(146)는 그 밸브에 작용하는 냉매 압력에 응답하여 개방되고 폐쇄된다. (체크 밸브(146)에 대한 추가적인 설명은 후술한다.) 이러한 밸브들이 극저온에 노출되기 때문에, 이들 온도에 대해 양립가능한 물질로 제조되어야 한다. 또한, 밸브들은 적절한 압력 레이팅(rating)을 가져야 한다. 또한, 밸브는 외부로 냉매를 유출시킬 수 있는 밀봉부(seal)를 가지지 않는 것이 바람직하다. 바람직하게, 브레이징 또는 용접으로 연결된다. 체크 밸브의 예를 들면, Check-All Valve (West Des Moines, IA)로부터의 시리즈 UNSW 체크 밸브가 있다. 이러한 밸브는 베이크아웃 기능을 필요로 하는 용도에서만 요구된다.

유동-계량 장치(124), 유동-계량 장치(126), 유동-계량 장치(182), 유동-계량 장치(184) 및 유동-계량 장치(196)는 모세관, 오리피스, 피드백을 가지는 비례 밸브, 또는 유동을 제어하는 임의의 제한적인 부재 등을 가지는 일반적인 유동 계량 장치이다.

전달 밸브(122), 초저온-격리 밸브(132 및 140), 및 복귀 밸브(144)는 Superior Valve Co.에 의해서 제조된 것과 같은 통상적인 표준 다이아프램 밸브이다. 그러나, 표준형 다이아프램 밸브는 극저온에서는 작동이 매우 어려운데, 이는 적은 양의 얼음이 나사부(threads)에 축적될 수 있고, 그에 따라 작동을 방지할 수 있기 때문이다. 대안적으로, 극저온 냉각 시스템(100)에서의 초저온-격리 밸브(132 및 140)로서 사용될 수 있도록, Polycold (Petaluma, CA; a division of Brooks Automation, Inc.)가 개선된 극저온 차단 밸브를 개발하였다. 초저온-격리 밸브(132 및 140)의 대안적인 실시예는 후술하는 바와 같다. 초저온-격리 밸브(132 및 140)는 질소 또는 공기 충진된 밀봉된 스테인리스 스틸 튜브내에 케이싱된 연장 샤프트를 구비한다. 샤프트의 고온부(warm end)의 압축 피팅(fitting) 및 O-링 구조체는 샤프트가 회전할 때 밀봉을 제공한다. 결과적으로, 초저온-격리 밸브(132 및 140)의 샤프트는 극저온 온도에서도 회전될 수 있다. 이러한 샤프트 구조는 열적 격리를 제공하며, 그에 따라 결빙되는 것을 방지한다.

가열되는 또는 냉각되는 증발기 표면은 증발기 코일(136)로서 대표된다. 설치된 증발기 코일(136)의 예를 들면, 냉매 유동 채널이 가공된 테이블(table) 또는 열적으로 접합된 튜브를 가지는 스테인리스 스틸 테이블과 같은 몇몇 종류의 플래튼(platen) 또는 금속 배관의 코일이 있다. 증발기를 위한 유동 통로 역시 다수 통로 열교환기의 하나 이상의 통로일 수 있다.

도 2는 본 발명에 따른 예시적인 냉각 프로세스(118)를 도시한다. 설명을 위해서, 냉각 프로세스(118)를 자동-냉각 캐스케이드 사이클로서 도 2에 도시하였다. 그러나, 극저온 냉각 시스템(100)의 냉각 프로세스(118)는 단일-냉각 시스템, 혼합형-냉각 시스템, 캐스케이드 냉각 프로세스의 각 스테이지, 자동-냉각 캐스케이드 사이클, 클리멘코 사이클 등과 같은 임의 냉각 시스템 또는 프로세스일 수 있다.

보다 구체적으로, 냉각 프로세스(118)는 상 분리가 없는 단일 스테이지 초저 온쿨러를 구비한 자동-냉각 캐스케이드 프로세스 시스템(Longsworth, USP 5,441,658), Missimer 타입 자동-냉각 캐스케이드(Missimer USP 3,768,273), 또는 클리멘코 타입(즉 단일 상 분리기) 시스템일 수 있다. 또한, 냉각 프로세스(118)는 Forrest의 USP 4,597,267 또는 Missimer의 USP 4,535,597에 개시된 바와 같은 이들 프로세스의 변형예일 수 있다.

본 발명에 필수적인 것은, 이용되는 냉각 프로세스가 제상 모드 또는 대기(증발기로의 유동이 없음) 모드 중에 냉각 프로세스를 통해서 냉매를 유동시키는 하나 이상의 수단을 반드시 포함하여야 한다는 것이다. 단일 팽창 장치 쿨러, 또는 단일 냉각 시스템의 경우에, 밸브(도시 하지 않음) 및 유동-계량 장치(도시 하지 않음)는 고압측으로부터 저압측으로 냉각 프로세스를 통해서 냉매가 유동할 수 있게 허용할 필요가 있다. 이는, 열이 시스템으로부터 제거될 수 있도록 응축기(112)를 통해서 냉매가 유동할 수 있게 보장한다. 또한, 이는 제상 중에 냉각 프로세스(118)로부터의 저압 냉매가 라인(186)으로부터의 복귀 제상 냉매와 혼합되도록 존재할 수 있게 보장한다. 안정화된 냉각 모드에서, 의도된 냉각 효과(통상적으로 단일 유동-계량 장치를 가지는 시스템)의 달성을 위한 그러한 내부 냉각 유동을 필요로 하지 않는 그들 냉각 프로세스의 경우에 이 밸브를 폐쇄함으로써, 높은 측(high side)으로부터 낮은 측으로의 내부 유동이 중단될 수 있다.

증발기의 냉각이 요구되지 않는 때에도 냉각 프로세스가 계속 작동되는 것이 중요하다. 계속되는 작업은 냉각(118)에서의 극저온을 유지하며 필요한 경우에 증발기의 급속 냉각 능력을 제공한다.

도 2의 냉각 프로세스(118)는 열교환기(202), 상 분리기(204), 열교환기(206), 및 열교환기(208)를 포함한다. 공급 유동 경로에서, 액체 라인(116) 내에서 유동하는 냉매는 열교환기(202)로 전달(feed)하고, 상기 열교환기(202)는 상 분리기(204)로 전달하며, 상기 상 분리기는 열교환기(206)으로 전달하고, 상기 열교환기(206)는 열교환기(208)로 전달하며, 상기 열교환기(208)는 선택적인 열교환기(212)로 전달한다. 열교환기(212)로부터의 고압 배출구가 노드(G)에서 분할된다. 하나의 가지가 유동-계량 장치(214)로 전달하고, 다른 하나의 가지는 냉매 공급 라인(120)으로 전달한다. 열교환기(212)는 서브쿨러로서 공지되어 있다. 일부 냉각 프로세스는 그것을 필요로 하지 않으며, 그에 따라 그것은 선택적인 부재이다. 열교환기(212)가 이용되지 않는다면, 열교환기(208)를 빠져나오는 고압 유동이 냉매 공급 라인(120)으로 직접 전달한다. 복귀 유동 경로에서, 냉매 복귀 라인(148)은 열교환기(208)로 전달한다.

서브쿨러를 가지는 시스템에서, 서브쿨러를 빠져나오는 저압 냉매는 노드(H)에서 냉매 복귀 유동과 혼합되고, 결과적으로 혼합된 유동이 열교환기(208)로 전달한다. 열교환기(208)를 빠져나오는 저압 냉매는 열교환기(206)로 전달한다. 상 분리기에 의해서 제거되는 액체 분율은 유동-계량 장치(210)에 의해서 저압으로 팽창된다. 냉매는 유동-계량 장치(210)으로부터 유동하고 이어서 열교환기(208)로부터 열교환기(206)으로 유동하는 저압 냉매와 혼합된다. 이렇게 혼합된 유동은 열교환기(206)로 전달하고, 다시 열교환기(202)로 전달하며, 이어서 압축기 흡입 라인(164)으로 전달한다. 열교환기는 고압 냉매와 저압 냉매 사이에서 열을 교환한 다.

보다 정교한 자동-냉각 캐스케이드 시스템에서, 추가적인 분리 스테이지가 냉각 프로세스(118)에 도입될 수 있을 것이며, 이는 Missimer 및 Forrest 특허에 개시되어 있다.

열교환기(202, 206, 208, 및 212)는 하나의 물질로부터 다른 물질로 열을 전달하기 위한 것으로서 산업계에 공지되어 있는 장치이다. 일부 일반적인 구성은 브레이징된 플레이트 열교환기, 튜브-인-튜브 열교환기, 그리고 단일의 대형 튜브내의 다수 튜브들을 포함한다. 상 분리기(204)는 냉매 액체상과 기체상을 분리하기 위한 것으로서 산업계에 공지된 장치이다. 그러한 상 분리기는 증기상으로부터 액체 상 안개(mist)를 효과적으로 제거하기 위한 분리 부재를 사용한다. 통상적인 구성은 99% 초과의 분리 효율을 달성하는 스틸 울 팩킹 또는 스테인리스 스틸 안개 제거장치, 또는 팩킹된 파이버글라스 섬유와 같은 응집 매체로 이루어진다. 도 2는 하나의 상 분리기를 도시하였으나; 통상적으로는 하나 보다 많을 것이다.

열교환기(212)는 서브쿨러로서 통칭된다. 종래의 냉각 시스템 역시 서브쿨러라고 지칭되는 장치를 가지고 있기 때문에 혼란이 있을 수 있을 것이다. 종래의 냉각에서, 서브쿨러는 상온으로 유입되는 응축된 배출 냉매를 냉각시키기 위해서 증발기 복귀 가스를 이용하는 열교환기를 지칭한다. 그러한 시스템에서, 열교환기의 각 측부 상의 유동은 항상 균형을 이룬다(balanced). 본 출원에서 설명된 시스템에서, 서브쿨러는 다른 기능을 한다. 그 서브쿨러는 복귀 증발기 냉매와 열교환을 하지 않는다. 그 대신에, 그 서브쿨러는 증발기로부터 일부 고압 냉매를 전 환(divert)시키고 그리고 증발기를 보다 냉각시키는 냉매로서 이용한다. 몇몇 경우에 서브쿨링된 액체를 생성하기 때문에 이것을 서브쿨러라고 지칭하나, 그것은 종래의 서브쿨러와 상당히 다른 방식으로 기능한다.

명료함으로 위해서, 본 출원의 목적을 위해, 서브쿨러를 극저온 혼합형 냉매 온도 시스템에서 채용되는 열교환기로 지칭하며, 고압 냉매를 냉각시키기 위해서 사용되는 시스템 내의 가장 저온의 고압 냉매의 일부분을 전환시킴으로서 작동된다.

저온 혼합형 냉각 프로세스에서 열교환기를 통해 유동하는 유체는 통상적으로 프로세스의 대부분의 지점에서(at most points) 2 상 형태를 가진다. 그에 따라, 유동의 액체 및 기체 부분들이 분리되는 것을 방지하고 시스템의 성능을 저하시키는 것을 방지하기 위해서, 적절한 유체 속도를 유지하여 혼합물의 균질성을 유지하는 것이 요구된다. 본원 발명을 구현한 시스템과 같이, 시스템이 몇 가지 작동 모드로 기능하는 경우에, 이러한 2 상 유동을 적절하게 윤영하기 위해서 충분한 냉매 유동을 유지하는 것은 신뢰가능한 작업을 보장하는데 있어서 중요하다.

도 1 및 도 2를 계속적으로 참조하면, 극저온 냉각 시스템(100)의 작동이 다음과 같이 설명된다:

압축기(104)로부터의 고온, 고압 가스가 선택적인 오일 분리기(108)를 통해서 그리고 이어서 응축기(112)를 통해서 이동되고, 상기 응축기를 통과하는 또는 응축기의 외부를 통과하는 공기나 물에 의해서 냉각된다. 가스가 응축기(112)의 단부에 도달하였을 때, 그 가스는 부분적으로 응축되고 액체 및 기체 냉매의 혼합 물이 된다.

응축기(112)로부터의 액체 및 기체 냉매는 필터 드라이어(114)를 통해서, 그리고 이어서 냉각 프로세스(118)를 통해서 유동한다. 극저온 냉각 시스템(100)의 냉각 프로세스(118)는 통상적으로 고압으로부터 저압으로의 내부 냉매 유동 경로를 가진다. 냉각 프로세스(118)는 고압의 극저온 냉매(-90 내지 -208℃)를 생성하며, 그 냉매는 냉매 공급 라인(120)을 경유하여 저온 가스 전달 밸브(122)로 유동한다.

저온 냉매가 전달 밸브(122)를 빠져나가고, 유동-계량 장치(126) 및 제한된(restricted) 유동 저온 밸브(130)의 직렬 조합과 병렬로 배치된 유동-계량 장치(124) 및 전체(full) 유동 저온 밸브(128)의 직렬 조합으로 전달되며, 이때 저온 밸브(128 및 130)의 배출구들은 초저온-격리 밸브(132)의 유입구에 전달하는 노드(D)에서 함께 연결된다.

증발기 코일(136)은 차단 밸브들로서 작용하는 초저온-격리 밸브(132) 및 초저온-격리 밸브(140) 사이에 위치된다. 초저온-격리 밸브(132)는 증발기 공급 라인(140)으로 전달하고, 상기 증발기 공급 라인(140)은 가열되는 또는 냉각되는 증발기 표면, 즉 증발기 코일(136)로 연결된다. 가열되는 또는 냉각되는 증발기 표면, 즉 증발기 코일(136)의 대향 단부는 초저온-격리 밸브(140)의 유입구로 전달하는 증발기 복귀 라인(138)으로 연결된다.

증발기 코일(136)로부터의 복귀 냉매는 초저온-격리 밸브(140)를 통해서 극저온 유동 스위치(152)로 유동한다.

복귀 냉매는 초저온 유동 스위치(152)의 배출구로부터 복귀 밸브(144)를 통 해서 그리고 후속하여 체크 밸브(146)로 유동한다. 체크 밸브(146)는 통상적으로 1 내지 10 psi의 필요 균열 압력(required cracking pressure)을 가지는 스프링-로딩형 초저온 체크 밸브이다. 다시 말해, 체크 밸브(146)에 걸친 압력차가 균열 압력을 초과하여야만 유동이 허용된다. 대안적으로, 체크 밸브(146)는 압력 강하를 최소화할 수 있는 충분한 크기의 초저온 비례 밸브 또는 초저온 온/오프 밸브이다. 체크 밸브(146)의 배출구는 냉각 복귀 라인(148)을 경유하여 냉각 프로세스(118)로 전달한다. 체크 밸브(146)는 본 발명의 냉각 시스템(100)의 작동에 있어서 필수적인 역할을 한다.

전달 밸브(122) 및 복귀 밸브(144)가 선택적이고 초저온-격리 밸브(132) 및 초저온-격리 밸브(140)와 다소 중복되는(redundant) 것임을 주지하여야 한다. 그러나, 전달 밸브(122) 및 복귀 밸브(144)는 시스템의 서비스에서 필요한 경우에 성분들을 격리시키는 서비스 기능을 제공한다.

극저온 냉각 시스템(100)은 다음과 같은 점에서 종래의 냉각 시스템과 차별화된다: 즉

(ⅰ) 달성가능한 극저온에 의해서;

(ⅱ) 냉매 혼합물을 이용한다는 사실에 의해서, 이때 상기 혼합물은 비등점이 50℃ 이상 차이나는 냉매들로 이루어지는데, 이는 이들 냉매 혼합물들이 종래의 냉각 시스템과 상당히 상이하게 거동하기 때문이며;

(ⅲ) 단순한 저온 모드 이상에서, 즉 제상 모드, 대기 모드 및 베이크아웃 모드에서 작동될 수 있는 시스템에서 이용되며, 그에 따라 넓은 범위의 작동 조건을 포함하여야 한다는 사실에 의해서;

(ⅳ) 본원에 개시된 방법에 의해서, 냉매의 동결을 방지하는 것과 같이 능동적인 온도 제어 기술을 제공한다는 사실에 의해서;

종래 냉각 시스템과 차별화된다.

이러한 차이는 본 명세서에 개시된 본원 발명의 모든 실시예들에서 적용된다.

본원 발명에서 이용되는 극저온 혼합형 냉매 시스템(VLTMRS)에서 사용될 수 있는 특정 냉매의 예가, 본 명세서에 포함되고 일부를 구성하는 미국 특허출원 USSN 09/728,501, USSN 09/894,968 및 USP 5,441,658 (Longs worth)에 개시되어 있다. 완전한 설명을 위해 일부 선택된 혼합형 냉매는 다음과 같다(이때, "R"은 미국냉난방공조기술자학회(ASHRAE) 표준 넘버 34이고, 괄호안은 가능한 몰 분율(potential molar fractions)의 범위를 나타낸다):

블렌드(A)는 R-123 (0.01 내지 0.45), R-124 (0.0 내지 0.25), R-23 (0.0 내지 0.4), R-14 (0.05 내지 0.5), 및 아르곤 (0.0 내지 0.4)을 포함하고

블렌드(B)는 R-236fa (0.01 내지 0.45), R-125 (0.0 내지 0.25). R-23 (0.0 내지 0.4), R-14 (0.05 내지 0.5) 및 아르곤 (0.0 내지 0.4)을 포함하며

블렌드(C)는 R-245fa, (0.01 내지 0.45), R-125 (0.0 내지 0.25), R-23 (0.0 내지 0.4), R-14 (0.05 내지 0.5) 및 아르곤 (0.0 내지 0.4)을 포함하며

블렌드(D)는 R-236fa (0.0 내지 0.45), R-245fa (0.0 내지 0.45), R-134a, R-125 (0.0 내지 0.25), R-218 (0.0 내지 0.25), R-23 (0.0 내지 0.4), R-14 (0.05 내지 0.5), 아르곤 (0.0 내지 0.4), 질소 (0.0 내지 0.4) 및 네온 (0.0 내지 0.2)을 포함하며

블렌드(E)는 프로판 (0.0 내지 0.5), 에탄 (0.0 내지 0.3), 메탄 (0.0 내지 0.4), 아르곤 (0.0 내지 0.4), 질소 (0.0 내지 0.5), 및 네온 (0.0 내지 0.3)을 포함한다.

상기 블렌드(blends)들 및 블렌드 성분의 가능한 조합은 무한할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 여러 가지 블렌드 성분들의 일부 조합이 몇몇 용도에서 융요할 것으로 예상될 수 있을 것이다. 또한, 나열하지 않은 다른 성분들이 추가될 수도 있을 것이다. 그러나, 다른 나열된 블렌드들과 조합하여 상기 나열된 비율의 상기 성분들을 이용하는 블렌드들은 본 발명의 범위에 포함된다.

본 발명에 따라 극저온 혼합형 냉매 시스템을 이용할 수 있는 다른 혼합물들은 미국특허 6,076,372 및 6,502,410에 그리고, 2005년 1월 28일자로 출원한 "Refrigeration Cycle Utilizing a Mixed Inert Component Refrigerant"라는 명칭의 미국 특허출원 11/046,655에 개시된 혼합물을 포함하며, 상기 특허 및 특허출원은 본 명세서에 포함된다. 가능한 다양한 혼합물들을 이용한 시스템 운영은 본 명세서에 개시된 기술로부터 유리할 수 있을 것이며, 상기 혼합물은 불활성 냉매, 플루오르에테르, 및/또는 하이드로플루오르카본을 포함하는 혼합물, 그리고 불활성 냉매, 플루오르에테르, 및/또는 하이드로카본을 포함하는 혼합물을 포함한다.

체크 밸브(146)가 존재하지 않는 종래의 냉각 시스템에서, 복귀 냉매는 냉각 프로세스(118)(냉각 또는 제상 모드에서)로 직접적으로 진행된다. 그러나, 제상 사이클 중에, 통상적으로 제상 사이클의 단부(end)에서의 통상적인 온도인 냉각 프로세스(118)로의 복귀 냉매 온도가 + 20℃에 달할 때, 냉각 프로세스(118)가 종료되는 것이 일반적이다. 그 지점에서, +20℃ 냉매가 냉각 프로세스(118) 내에서 극저온 냉매와 혼합된다. 냉각 프로세스(118)에서 상온과 극저온의 혼합은 냉각 프로세스(118)가 과부하되기 전에 짧은 기간 동안만 용인될 수 있을 것인데, 이는 상당한 열이 가해지기 때문이다. 고온의 복귀 냉매가 로딩되는 동안 극저온 냉매를 생성하도록 냉각 프로세스(118)가 운영되며, 냉매 압력은 결국 작동 한계를 초과하며, 그에 따라 보호를 위해서 냉각 프로세스(118)가 안전 시스템(198)에 의해서 차단된다. 결과적으로, 종래의 냉각 시스템에서의 제상 사이클은 약 2 내지 4 분으로 제한되고, 최대 냉각 복귀 온도는 약 +20℃로 제한된다.

그러나, 대조적으로, 극저온 냉각 시스템(100)은 냉각 프로세스(118)로의 복귀 경로에서 체크 밸브(146)를 구비하며, 복귀 바이패스는 노드(E)로부터 노드(F)까지 바이패스 라인(186), 바이패스 밸브(188), 및 서비스 밸브(190)를 경유하여 냉각 프로세스(118)를 돌아 루프연결(loop)되며, 그에 따라 제상 사이클 중에 복귀하는 고온 냉매에 대한 상이한 응답을 허용한다. 전달 밸브(122) 및 복귀 밸브(144)와 같이, 서비스 밸브(190)는 필수적인 것이 아니나, 서비스가 필요한 경우에 성분들을 격리시키기 위한 서비스 기능을 제공한다.

제상 사이클 중에, 냉각 프로세스(118) 내의 복귀 냉매 온도가 고온 냉매와 저온 냉매의 혼합으로 인해서 예를 들어 -40℃ 또는 그보다 높은 온도에 도달할 때, 노드(E)로부터 노드(F)까지의 바이패스 라인이 냉매 프로세스(118)를 돌아서 개방된다. 결과적으로, 고온 냉매가 압축기 흡입 라인(164)내로 그리고 이어서 압축기(104)로 유동될 수 있다. 바이패스 밸브(188) 및 서비스 밸브(190)는 온도 스위치(158), 온도 스위치(160), 및 온도 스위치(162)의 작용으로 인해서 개방된다. 예를 들어, 온도 스위치(158)는 -25℃초과의 세트 포인트(set point)를 가지는 "제상 플러스(plus) 스위치"로서 작용한다. 온도 스위치(160)(선택적)는 42℃초과의 세트 포인트를 가지는 "제상 종료 스위치"로서 작용한다. 온도 스위치(162)는 -80℃초과의 세트 포인트를 가지는 "저온 복귀 한계 스위치"로서 작용한다. 일반적으로, 냉각 시스템(100)에 의한 가열 또는 냉각의 속도를 제어하기 위해서 밸브들을 턴온/턴오프 제어하기 위해서, 온도 스위치(158), 온도 스위치(160), 및 온도 스위치(162)는 복귀 라인 냉매의 온도를 기초로 그리고 작동 모드(즉, 제상 또는 저온 모드)를 기초로 반응한다. 일부 용도는 연속적인 제상 작동을 필요로 하며, 이는 베이크아웃 모드라고도 한다. 이들 경우에, 제상을 종료하는데 있어서 온도 스위치(160)가 요구되지는 않는데, 이는 이러한 모드의 연속 작용이 요구되기 때문이다.

작업에 있어서 필수적인 것은, 바이패스 밸브(188)와 서비스 밸브(190) 를 통한 유동이 있을 때, 체크 밸브(146)에 걸친 압력차가 균열 압력(즉, 5 내지 10 psi)을 초과하지 않도록 노드(E)와 노드(F) 사이에 압력차가 있어야 한다는 것이다. 이는 중요한데, 본질적으로, 유체는 최소 저항의 경로를 따르기 때문이고; 그에 따라, 유동이 정확하게 균형을 이루어야 하기 때문이다. 바이패스 밸브(188) 및 서비스 밸브(190)에 걸친 압력이 체크 밸브(146)의 균열 압력을 초과하도록 허용된다면, 유동은 체크 밸브(146)를 통해서 시작될 것이다. 이러한 것은 바람직하 지 못한데, 이는 고온 냉매가 냉각 프로세스(118) 내로 다시 급격히 유입(dump back)되기 시작할 것이고 동시에 그러한 고온 냉매가 압축기 흡입 라인(164)로 유입되고 압축기(104)로 전달(feed)되기 때문이다. 노드(E)로부터 노드(F)까지바이패스 루프와 체크 밸브(146)를 통한 동시적인 유동은 냉각 시스템(100)을 불안정하게 할 수 있으며, 모든 것이 고온이 되는 런어웨이(runaway) 모드를 생성할 수 잇기 때문이며, 헤드 압력(압축기 배출)이 높아지기 시작하고, 흡입 압력이 높아지기 시작하며, 보다 많은 냉각 프로세스(118)로의 유동을 유발하며, 노드(E)에서의 압력도 높아지기 시작하며, 결국 냉각 시스템(100)의 중단을 초래할 수 있다.

흡입 압력이 미리 정해진 값을 초과하는 경우에 고온 가스가 냉각 프로세스로 유동하는 것을 중단시키기 위해서 압력 스위치(196)와 같은 장치가 사용된다면, 이러한 상태는 방지될 수 있을 것이다. 냉각 시스템(100)의 질량 유량이 주로 흡입 압력에 의해서 통제되기 때문에, 이는 안전 범위에서 유량을 제한하는 효과적인 수단이 된다. 흡입 압력이 미리 정해진 한계 아래로 떨어지면, 압력 스위치(196)는 리셋되고 제상 프로세스의 재개를 다시 허용할 것이다.

그에 따라, 냉각 시스템(100)의 제상 사이클 중의 적절한 운전을 위해서, 체크 밸브(146) 대(vs.) 바이패스 밸브(188) 및 서비스 밸브(190)를 통한 유동 균형을 주의 깊게 제어하여 유동 저항의 적절한 균형을 제공한다. 유동 균형 문제 주변의 디자인 파라미터들은 파이프 크기, 밸브 크기, 및 각 밸브의 유동 계수를 포함한다. 또한, 흡입 측부(저압)에서 냉각 프로세스(118)를 통한 압력 강하는 프로세스들 마다 다를 수 있으며, 결정(determine)될 필요가 있다. 체크 밸브(146)의 균열 압력 더하기 냉각 프로세스(118)에서의 압력 강하는 노드(E)로부터 노드(F)까지의 제상 복귀 바이패스 라인이 허용할 수 있는 최대 압력이다.

바이패스 밸브(188) 및 서비스 밸브(190)는 제상 사이클에 들어가자 마자 즉각적으로 개방되지 않는다. 바이패스 유동이 시작되는 시간은 온도 스위치(158), 온도 스위치(160), 및 온도 스위치(162)에 의해서 결정되며, 그에 따라 복귀 냉매 온도가 보다 정상인 레벨에 도달할 때까지 유동이 지연되고, 그에 따라 -40℃ 또는 그보다 높은 온도에 맞춰 통상적으로 디자인되는 보다 표준화된 성분들의 이용을 허용하고, -40℃ 보다 낮은 온도에 맞춰 보다 고가의 성분들을 이용할 필요성을 제거한다.

온도 스위치(158), 온도 스위치(160), 및 온도 스위치(162)의 제어하에서, 압축기 흡입 라인(164)의 노드(F)로 복귀하고 냉각 프로세스(118)로부터의 흡입 복귀 가스와 혼합되는 유체의 냉매 온도가 셋팅된다. 후속하여, 냉매 혼합물이 압축기(104)로 유동한다. 압축기(104)에 대한 예상되는 복귀 냉매 온도는 통상적으로 -40℃ 또는 그보다 높은 온도이며; 그에 따라, -40℃ 또는 그보다 높은 온도인 노드(E)에서의 유체가 허용될 수 있고, 압축기(104)의 작동 한계치 내에 놓이게 된다. 이는, 온도 스위치(158), 온도 스위치(160), 및 온도 스위치(162)의 세트 포인트를 선택할 때의 다른 고려사항이다.

온도 스위치(158), 온도 스위치(160), 및 온도 스위치(162)의 세트 포인트를 선택하는 것에는 두 가지 제한이 있다. 첫 번째로, 제상 바이패스 복귀 냉매 온도는 냉각 프로세스(118) 자체를 중단시키는 높은 온도로 선택될 수 없는데, 이는 높은 배출 압력 때문이다. 두 번째로, 바이패스 라인(186)을 통해 유동하는 복귀 냉매가 바이패스 밸브(188) 및 서비스 밸브(190)가 허용할 수 있는 온도보다 낮은 온도가 되도록, 제상 바이패스 복귀 냉매 온도가 낮게 선택될 수 없다. 노드(F)에서 냉각 프로세스(118)의 복귀와 혼합될 때, 복귀 냉매는 압축기(104)의 작동 한계 보다 낮을 수 없다. 노드(E)에서의 통상적인 크로스오버(crossover) 온도는 -40 내지 +20℃ 이다.

요약하면, 냉각 시스템(100) 내의 제상 사이클 복귀 유동은 제상 사이클 중에 제상 가스가 냉각 프로세스(118)로 계속적으로 복귀되게 허용하지 않는다. 그 대신에 냉각 시스템(100)은 복귀 바이패스(노드(E)로부터 노드(F)까지)가 냉각 프로세스(118)의 과부하를 방지하게 하며, 그에 따라 제상 사이클이 계속적으로 작동될 수 있게 허용한다. 노드(E)로부터 노드(F)까지 제상 복귀 바이패스를 개방하고자 할 때 온도 스위치(158), 온도 스위치(160), 및 온도 스위치(162)가 제어한다. 냉각 모드에서, 극저온이 일단 달성되면, 노드(E)로부터 노드(F)까지의 제상 복귀 바이패스는 허용되지 않는다.

냉각 시스템(100)의 제상 사이클 복귀 경로에 대해서 설명하였지만, 도 1을 참조할 때, 제상 사이클 공급 경로는 다음과 같다. 제상 사이클 중에, 고온, 고압 가스 유동이 선택적인 오일 분리기(108)의 하류에 위치하는 배출 라인(110)의 노드(A)를 경유하여 압축기(104)로부터 유동한다. 통상적으로, 노드(A)에서의 고온 가스 온도는 80 내지 130℃ 이다.

솔레노이드 제상 밸브(178) 또는 솔레노이드 제상 밸브(180)를 개방함으로써 그리고 밸브(128 및 130)를 폐쇄상태로 유지함으로써 유동이 분할됨에 따라, 고온 가스는 노드(A)에서 냉각 프로세스(118)를 바이패스하고 그리고 응축기(112)로 유입되지 않는다. 도 1에 도시된 바와 같이, 제상 밸브(178)가 유동-계량 장치(182)와 직렬로 배치되고; 유사하게, 제상 밸브(180)가 유동-계량 장치(184)와 직렬로 배치된다. 이러한 제상 밸브(178)와 유동-계량 장치(182)의 직렬 조합은 노드(B)와 노드(C) 사이에서 제상 밸브(180)와 유동-계량 장치(184)의 직렬 조합과 병렬로 배치된다. 제상 밸브(178) 또는 제상 밸브(180) 그리고 관련 유동-계량 장치는 유동 요건에 따라서 병렬적으로 또는 독립적으로 작동될 수 있을 것이다.

냉각 시스템(100)의 노드(B)와 노드(C) 사이에서, 유동-계량 장치와 직렬인 제상 밸브를 각각 구비하는 병렬 경로의 개체수는 도 1에 도시된 바와 같이 2 개로 제한되지 않는다는 것을 이해하는 것이 중요하다. 몇 개의 유동 경로가 노드(B)와 노드(C) 사이에 존재할 수 있으며, 이때 희망 유량은 병렬 경로 조합의 선택에 의해서 결정될 수 있을 것이다. 예를 들어, 10% 유동 경로, 20% 유동 경로, 30% 유동 경로 등이 있을 수 있을 것이다. 바이패스 밸브(188)를 통해서, 노드(E)로부터 노드(F)까지, 복귀 바이패스 루프가 존재한다면, 원하는 시간 동안, 노드(C)로부터의 유동이 노드(D)로 지향되며, 이어서 초저온-격리 밸브(132)를 통해서 고객의 증발기 코일(136)로 지향된다. 노드(A)로부터 노드(D)까지의 제상 공급 루프는 종래의 냉각 시스템에서 사용되는 표준형 제상 루프이다. 그러나, 제상 밸브(178), 제상 밸브(180), 및 관련 유동-계량 장치들의 추가는 유동 제어를 허용하는 냉각 시스템(100) 특유의 특징이다. 대안적으로, 제상 밸브(178 및 180) 자체가 충분한 계량 장치이며, 그에 따라 추가적인 유동 제어 장치 즉, 유동-계량 장치(182) 및 유동-계량 장치(182)에 대한 필요성을 제거한다.

냉각 시스템(100)의 제상 사이클을 설명하였나, 도 1을 참조하여, 냉각 사이클 중에 제상 복귀 바이패스 루푸의 이용에 대해서 이하에서 설명한다. 냉각 모드에서, 바이패스 밸브(188)는 통상적으로 폐쇄되며; 그에 따라, 고온 냉매가 냉각 프로세스(118)를 통해서 노드(E)로부터 노드(F)까지 유동한다. 그러나, 냉매 복귀 라인(142)의 냉매 온도를 모니터링하는 것을 이용하여, 노드(E)에서의 냉매 온도가 높으면서 떨어질 때 냉각 모드의 초기 스테이지에서 바이패스 밸브(188)가 개방되게 유도할 수 있다. 제상 복귀 바이패스 루프를 가능하게 하는 것은 이러한 시간 동안에 냉각 프로세스(118)로의 부하를 추가로 회피하는 것을 돕는다. 노드(E)에서의 냉매 온도가 전술한 (즉, -40℃ 또는 그보다 높은) 크로스오버 온도에 도달할 때, 바이패스 밸브(188)가 폐쇄된다. 냉각 모드 대 베이크아웃에 대한 상이한 세트 포인트를 이용하여 바이패스 밸브(188)가 개방된다.

또한, 냉각 사이클과 관련하여, 통상적으로 약 1분의 기간을 가지는 "쵸퍼(chopper)" 회로(도시 하지 않음)를 이용하여, 냉각 밸브(128 및 130)가 펄스화될(pulsed)될 수 있을 것이다. 이는, 냉각 모드 중에 변화 속도를 제한하는데 있어서 유용하다. 냉각 밸브(128) 및 냉각 밸브(130)는 상이한 크기의 유동-계량 장치를 구비한다. 그에 따라, 냉각 밸브(128)을 통한 경로 제한(restriction)과 냉각 밸브(130)를 통한 경로 제한이 상이하기 때문에, 개방 루프 방식에서 유동이 조정된다. 경로는 필요에 따라서 선택된다. 대안적으로, 예를 들어, 하나의 유동 경로가 완전히 개방될 수 있고, 다른 경로는 펄스화될 수 있다.

냉각 시스템(100)이 시작되고, 대기 모드, 제상 모드 및 냉각 모드에서 작동됨에 따라, 그러한 냉각 시스템의 연속적인 작업을 제공하는 것은 본 명세서에서 설명한 냉매 성분들의 적절한 균형을 필요로 한다. 냉매 블렌드가 정확한 조성 범위의 정확한 성분들을 가지지 못한다면, 오류 조건이 발생될 것이고, 그에 따라 냉각 시스템(100)이 제어 시스템에 의해서 중단될 것이다. 통상적인 오류 조건은 낮은 흡입 압력, 높은 배출 압력 또는 높은 배출 온도이다. 이들 각각의 조건들을 탐지하기 위한 센서들은 냉각 시스템(100)에 포함될 필요가 있으며 제어 시스템의 안전 인터록(interlock)에 포함될 필요가 있다. 동결 방지 방법이 어떠한 오류 조건에서도 유닛을 중단시키지 않고 다양한 작동 모드에서 성공적으로 적용될 수 있다는 것을 설명하였다.

극저온 혼합형 냉매 시스템(VLTMRS)의 신뢰가능한 작동을 위해서는 냉매가 동결되지 않아야 한다. 불행하게도, 특정 냉매 혼합물이 동결되는 때를 예측하기는 어렵다. 미국 특허출원 09/894,968에는 특정 냉매 블렌드의 특정 동결 온도에 대해서 기재되어 있다. 구체적인 상호작용 파라미터들을 알고 있다면, 혼합물의 실제 동결 온도는 다양한 분석 도구를 이용하여 예상될 수 있을 것이다. 그러나, 이러한 데이터를 이용할 수 없는 것이 일반적이며, 실험적인 테스트를 실시하여 동결이 발생하는 지점을 산정하여야 한다.

증발기에 대한 냉각이 필요하지 않을 때, 냉각 프로세스(118)에 의해서 생성되는 냉각의 양을 제한하기 위해서 압축기 유량을 감소시킴으로써 또는 냉각 프로 세스 주변의 큰 냉매 바이패스를 이용함으로써, 동결을 방지하는 대안적인 방법을 생각할 수 있을 것이다. 이러한 방법의 문제점은, 냉매 유동이 감소되어야 하는 정도(degree)가 열교환기의 적절한 작동을 방해할 것이라는데 있으며, 이는 열교환기가 2-상 유동을 지원하기 위해서 최소한의 유량을 필요로 하기 때문이다.

또한, 전술한 바와 같이, 증발기의 급속 냉각을 지원하기 위해서 냉각 프로세스에서 극저온을 유지하는 것이 중요하다. 그에 따라, 열교환기에서의 높은 유동이 반드시 유지되어야 한다. 그러나, 어떠한 증발기 부하도 없는 높은 유동은 냉각 프로세스(118)에서 보다 낮은 온도를 초래하며, 이는 동결을 유발할 수 있다.

주어진 극저온 혼합형 냉매 시스템의 경우에, 증발기 및 내부 열교환기 온도는 작동 모드 및 증발기에 대한 열적 부하를 기초로 달라질 것이다. 냉각 모드에 있을 때, 증발기 온도는 가장 높은 증발기 부하 또는 최대 레이트(rated) 부하(가장 높은 증발기 온도)로부터 가장 낮은 증발기 부하(가장 낮은 증발기 온도)까지 50℃의 범위에 걸쳐질 것이다. 그에 따라, 최대 레이트 부하에서의 작동을 위한 냉매 혼합물 및 시스템 하드웨어를 최적화하는 것은, 시스템에서 증발기 부하가 없을 때 또는 극히 적을 때, 또는 시스템이 외부 부하를 가지지 않고 그리고 대기 모드, 제상 모드 또는 베이크아웃 모드에서 작동될 때, 동결 문제를 초래할 수 있다. 이러한 것은 새로운 HFC 냉매들이 이용될 때 특히 중요한데, 이는 그 냉매들이 이전의 CFC 및 HCFC 물질보다 더 높은 비등점을 가지는 경향이 있기 때문이다. 또한, 대기 가스, 불활성 가스, 플루오르에테르, 및 기타 플루오르화 화합물을 이용하는 혼합물도 동결될 수 있다. 그에 따라, 최대 레이트 부하 이외의 조건에서 동결 없이 기능할 수 있는 시스템은 극저온 혼합형 냉매 시스템의 사용자들이 주요 요구사항이다. 동결 방지 이외에, 많은 용도에서 다른 목적을 위한 냉각 시스템에 의해서 제공되는 극저온의 제어가 요구된다. 예를 들어, 온도 제어는 과다하게 낮은 온도로 인한 손상을 방지하기 위해서, 온도 증가나 감소의 속도를 제어하기 위해서, 또는 반복가능한 운전을 보장하기 위해서 필요가 있을 것이다.

도 2는, 본 발명에 따라 냉각 동결을 방지하는 것과 같은 목적을 달성하기 위한, 온도 제어를 제공하는 하나의 방법을 도시한다. 상 분리기(204)로부터 유동-계량 장치(216)로의 유동 경로는 밸브(218)에 의해서 제어된다. 이러한 유동은 노드(J)에서 서브쿨러(212)로 유입되는 저압 냉매와 혼합된다. 서브쿨러가 사용되지 않는다면, 이러한 유동 스트림은 가장 온도가 낮은 고압 냉매와 열교환을 하게될 가장 낮은 온도의 저압 스트림과 혼합된다. 예를 들어, 서브쿨러가 존재하지 않는다면, 이러한 유동 스트림은 노드(H)에서 라인(148)으로부터의 복귀 냉매와 혼합될 것이다. 이러한 바이패스의 목적은 저압 유동을 온도 높임(warm)하기 위한 것이며; 이는 가장 낮은 온도의 고압 냉매가 온도 높임되게 한다. 이러한 유동 바이패스의 활성화는 밸브(218)에 의해서 제어된다. 이러한 밸브는 냉각 프로세스에서 요구되는 압력, 온도 및 유량에 대해서 레이트될(rated) 필요가 있다. 예로서, 밸브(218)는 'Sporlan Valve Company'가 제공하는 모델 xuj 밸브가 있다. 유동-계량 장치(216)는 필요에 따라 유동을 조정하는 임의 수단이다. 몇몇 경우에, 모세관이면 충분하다. 다른 용도는 조정가능한 제한을 필요로 한다. 몇몇 경우에, 밸브(218) 및 유동-계량 장치(216)의 제어 및 유동 조정 특성이 단일 비례 밸브로 통합된다.

본원에서 설명된 것과 유사한 종래의 혼합형 냉매 극저온 온도 냉각 시스템은, 전술한 밸브(218), 유동-계량 장치(216) 및 관련 바이패스 루프를 포함하지 않고 있다. 본 발명과 종래 기술을 구분하는 것은, 도 2에 도시된 이들 성분(구성)들 및 관련 배관을 이용한다는 것이다.

이러한 동결 방지 방법을 위한 고온 냉매의 공급원의 선택에 대해서 주의를 기울일 필요가 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 바람직한 방법은 시스템 내의 최저온 상 분리기로부터 가스 상을 제거한다. 통상적으로, 이는, 이러한 스트림의 동결 온도가 혼합되는 스트림의 동결 온도와 같거나 그보다 낮은 온도가 되도록 보장한다. 이러한 것이 일반적인데, 이는 상 분리기에서 높은 농도로 존재할 낮은 비등 냉매가 통상적으로 보다 낮은 온도의 비등점을 가지기 때문이다. 최후의 기준은, 냉각 시스템(118)의 저온부를 온도 높임하기 위해서 이용되는 블렌드가 적어도 온도 높임되는 스트림 만큼 낮은 동결 온도를 가져야 한다는 것이다. 몇몇 특별한 조건하에서, 결과적인 혼합물은 개별적인 스트림의 어느점 보다 높거나 낮은 어는점을 가질 것이다. 그러한 경우에, 혼합 발생의 전에 또는 후에 동결이 발생되지 않는 것이 기준이 된다.

또한, 상 분리기가 없는 시스템에서, 고온 냉매의 공급원은 시스템에서 이용될 수 있는 임의 고압 냉매가 될 수 있다. 상 분리기가 사용되지 않기 때문에, 시스템을 통해서 액체와 기체의 균일한 혼합물이 지원된다면, 순환하는 혼합물은 시스템을 통해서 동일할 것이다. 시스템이 오일 분리기를 이용한다면, 고온 냉매 공급원은 상 분리기 이후에 위치할 것이다.

Forrest 등의 미국 특허 4,763,486에는 증발기 유입구와 함께 혼합된 상 분리기로부터의 액체 응축물을 이용하는 극저온 혼합형 냉매 시스템을 위한 온도 및 용량 제어 방법이 개시되어 있다. 액체 응축물의 바이패스는 본 발명과 동일하지 않은데, 이는 통상적으로 가장 높은 온도의 어는점을 가지는 성분인 액체 응축물이 높은 온도의 비등(warmer boiling) 냉매로 부화(enriched)될 것이기 때문이다. 그에 따라, Forrest 등의 프로세스를 적용하는 것이 냉매 동결을 증대시키기 쉬운데, 이는 결과적인 혼합물이 보다 높은 온도의 어는점을 가질 수 있기 때문이다.

또한, Forrest 등의 프로세스는 바이패스 유동이 증발기로 유입될 것을 요구한다. 그에 따라, 그러한 방법은 대기 모드 또는 베이크아웃 모드에서 사용될 수 없는데, 이는 그 방법이 증발기의 냉각을 초래할 수 있기 때문이다. 대조적으로, 대기 모드 및 베이크아웃 모드는 증발기 냉각이 일어나지 않을 것을 요구한다.

Forrest 등은 혼합물의 동결 온도에 근접한 작동에 대해서는 언급하고 있지 않다. 대조적으로, Forrest의 제어 방법은 높은(warm) 온도에서 작동하며, 약 -100℃ 미만의 온도에서 턴오프된다. 극저온 혼합형 냉매 시스템에서의 동결과 관련한 온도는 통상적으로 -130℃ 또는 그보다 낮은 온도이다. 그에 따라, Forrest 등에 의해서 기술된 방법은 동결을 방지하지 못할 것이며, 대기 모드 또는 베이크아웃 모드에서의 작동을 지원하지 못할 것이다.

본 발명의 사상에 따라, 가열 목적을 위해서 유동을 바이패싱시키는 많은 다른 방법들이 가능하다. 예로서, 혼합되는 스트림 보다 어는 점이 낮다면, 상 분리기로 전달되는 2-상 혼합물 또는 상 분리기로부터의 액체로 충분할 수 있다. 채용 될 수 있는 액체 및 기체의 가능한 조합의 수는 무한할 수 있을 것이다. 이러한 조합은 하나 이상의 고온 스트림을 저온 스트림과 함께 혼합한 혼합물을 고려함으로써 보다 더 확장될 수 있을 것이다. 본 발명의 제 1 실시예의 필수구성은, 열교환하는 저압 냉매를 가장 낮은 온도의 고압 냉매와 혼합하기 위해서 하나 이상의 유동 제어 장치를 통해서 고온 스트림을 루팅(routing)함으로써, 냉매의 온도가 충분히 높게 하여 동결이 발생되지 않게 하는 것이다. 또한, 후술하는 바와 같이, 제 1 실시예는 다른 목적을 위해서 사용되는 온도 제어 기술을 이용할 수 있을 것이다.

동결 방지를 위한 능동적인 방법이 이용될 때, 이용된 방법 및 그러한 방법에서 이용된 제어가 베이크아웃 모드가 성공적인 방식으로 이용될 수 있는지의 여부를 결정한다는 것을 테스트를 통해서 확인하였다. 몇몇 경우에, 개시된 방법의 부적절한 균형은 흡입 압력이 계속적으로 상승하는 곳에서 불안정한 작동을 유도한다는 것을 관찰하였다. 압력 스위치(196)를 통한 베이크아웃 유동의 중단을 제어하는 경우에도, 흡입 압력이 허용될 수 없을 정도로 높게 반복적으로 상승한다는 것을 발견하였고, 결과적으로 체크 밸브 스프링 힘의 과부하를 초래한다는 것을 발견하였다. 그에 따라, 작동 모드 또는 조건들을 기초로 유동 제한의 정도를 변화시키기 위해서 일련의 모세관들을 이용할 필요성 있고 독립적으로 또는 함께 제어할 필요성이 있으며, 또는 대안적으로 필요에 따라 유동을 조정하기 위해서 비례 밸브를 이용할 수도 있을 것이다.

일반적으로, 상 분리기로부터 유동-계량 장치(216)로의 가스 및 액체 혼합물의 유동, 또는 가스의 유동을 이용하는 것은 가장 단순한 제어 수단을 제공한다. 이는, 모세관을 통한 가스 유동 또는 가스 플러스 액체의 유동이 하류 압력의 변화에 대해서 덜 민감하기 때문이다. 대조적으로, 모세관을 통한 액체의 유동은 하류 압력의 변화에 대해서 보다 민감하게 된다. 유동-계량 장치(216)로 유입될 때 완전히 액화되지 않은 냉매 혼합물을 이용하는 것은 모세관의 이용을 가능하게 하고 동결 방지를 위한 단순하고도 효과적인 수단을 제공하는 한편, 냉각, 제상 및 베이크아웃 모드 중의 흡입 압력의 큰 변화도 허용한다.

일반적으로, 유동-계량 장치로의 가스 및 액체의 전달 비율이 정해진 한계 내로 제어된다. 그러한 것이 실패하면, 특히 유동-계량 장치가 모세관과 같은 고정형 제한(fixed restriction)인 경우에, 개방형 제어 루프에서 이용될 때 상기 방법의 효과에 변화를 초래할 것이다. 그러나, 모세관의 경우에도, 모세관의 크기가 이러한 변화를 고려하여 결정되었다면, 유입 비율의 변화는 허용될 수 있을 것이다. 테스트된 특정의 경우에, 내경이 0.044 인치이고 길이가 36 인치인 모세관에서, 작동 조건에 따라서, 3℃ 이상 그리고 15℃의 가장 저온의 고압 냉매의 온도 높임(warming)이 유발되었다. 이는 모든 작동 모드에서 동결을 방지하기에 충분하였다.

동결을 방지하는데 있어서 필요한 온도 높임의 양은 매우 적은데, 이는 동결 온도에 도달하지 않게 하기만 하면 되기 때문이다. 원칙적으로, 0.01℃의 온도는 조성이 공지된 혼합물의 동결을 방지하는데 있어서 충분하다. 다른 경우에, 제조 프로세스에서; 작동 조건들 및 기타 변수들이 혼합물 조성에 변화를 유발할 수 있으며, 동결 방지를 위해서는 보다 큰 여유를 필요로 한다. 그렇게 불확실한 경우에, 가능한 변화 범위 및 동결 온도에 대한 영향(impact)이 반드시 평가되어야 한다. 그러나, 대부분의 경우에, 5℃의 온도 높임이면 충분한 여유를 제공할 것이다.

동결 방지 방법을 위한 통상적인 온도 높임 범위는 0.01 내지 30℃가 될 것이다. 테스트한 바에 따르면, 본 발명에서 개시된 방법은 동결 온도에 대해서 상대적으로 약 3 내지 15℃의 온도 높임을 제공하였다. 0.01 내지 30℃의 통상적인 온도 높임 범위, 또는 동결 온도의 0.01 내지 30℃ 내의 극저온 혼합형 냉매 시스템의 작동은 특정 동결 방지 실시예가 고려되었는지에 관계 없이 적용되나, 다른 목적을 위해서 이용되는 온도 제어 실시예에서 보다 넓은 온도 범위가 이용될 수도 있을 것이다. 예를 들어, 동결 방지 이외의 목적을 위한 온도 제어를 위해서 이용될 때, 적어도 1, 5, 10, 20, 50, 100 또는 150 ℃ 의 온도 높임 범위가 이용될 수 있다. 냉각 시스템이 이용되는 용도를 위한 희망 온도 제어 범위에 따라서, 보다 넓은 또는 보다 좁은 범위도 이용될 수 있을 것이다.

도 2는 개방형 루프 제어 방법을 이용하는 본 발명을 도시한다. 즉, 작업의 모니터링 및 조정을 위해서 제어 신호가 필요하지 않다. 기본적인 제어 메카니즘은 제어 밸브(218) 및 유동-계량 장치(216)이다. 밸브(218)는 작동 모드에 따라서 개방된다. 온도 제어 및/또는 동결 방지를 필요로 하는 모드가 디자인 프로세스에서 결정되고 시스템 제어의 디자인에 포함된다. 유동-계량 장치(216)는 예상되는 작동 조건의 범위를 위한 적절한 유동량을 제공하도록 크기가 정해진다. 이러한 접근 방법은 낮은 비용 및 단순성의 이점을 가진다.

본 발명에 포함되는 다른 구성은 폐쇄형 루프 피드백 제어 시스템을 이용하 는 것이다. 그러한 시스템은 온도 제어가 제공되어야 하는 또는 동결이 방지되어야 하는 시스템의 가장 저온 부분에서 온도 센서(도시 하지 않음)를 필요로 한다. 이러한 센서로부터의 이러한 출력 신호는 Omega(Stamford, CT) P&ID 온도 제어기와 같은 제어부(도시 하지 않음)로 입력된다. 제어부는 적절한 세트 포인트로 프로그래밍되고 그 출력은 밸브(218)의 제어에 이용된다.

밸브(218)는 몇 가지 타입 중 하나일 수 있다. 온 시간과 오프 시간의 양을 변화시킴으로써 제어되는 온/오프 밸브일 수도 있다. 대안적으로, 밸브(218)는 유량 조정을 위해서 제어되는 비례 제어 밸브이다. 밸브(218)가 비례 제어 밸브인 경우에, 유동-계량 장치(216)는 불필요할 수 있다.

도 2는 서브쿨러(212)를 포함하는 극저온 혼합형 냉매 시스템에 관한 것이다. 특히, 온도 제어를 제공하기 위해서 또는 동결을 방지하기 위해서 사용되는 고온 냉매의 혼합 위치가 서브쿨러에 대해서 상대적으로 도시되어 있다. 전술한 바와 같이, 서브쿨러는 선택적이다. 그에 따라, 본 발명에 따라 다른 구성도 가능하다.

대안적인 실시예에서, 서브쿨러가 없는 시스템은 고온 냉매를 가장 저온의 저압 냉매 위치(도시 하지 않음)와 혼합한다. 도 2에 도시된 열교환기들은 계속적으로 온도가 낮아진다는 것을 이해하여야 한다: 즉, 열교환기(212)가 온도가 가장 낮고, 열교환기(208)는 열교환기(212) 보다 온도가 높으며, 열교환기(206)는 열교환기(208) 보다 온도가 높으며, 열교환기(204)는 열교환기(206) 보다 온도가 높으며, 열교환기(202)는 열교환기(204) 보다 온도가 높다. 물론, 열전달을 제공하기 위해서, 각 열교환기 내에서 고압 스트림이 저압 스트림 보다 온도가 높다. 서브쿨러가 존재하지 않을 때, 열교환기(208), 또는 냉각 프로세스의 저온부에 위치하는 마지막의 열교환기가 가장 저온의 열교환기로 규정된다.

고온 냉매가 저온 냉매와 혼합되는 지점을 약간 변경하는 것이 가능하다는 것을 알 수 있다. 저온 냉매가 가장 낮은 온도의 저압 냉매보다 20℃ 초과로 온도가 높지 않다면 그리고 본 발명의 범위에 포함된다면, 저온, 저압의 냉매와 혼합하기 위해서 이러한 냉매를 도입하는 것은 일부 이점을 제공할 수 있다는 것을 예상할 수 있을 것이다.

동결 방지 기술을 제공하는 것에 더하여, 도 2의 제 1 실시예는 또한 다른 목적을 위한 증발기의 온도 제어를 제공하기 위해서 이용될 수 있을 것이다. 몇몇 용도에서, 온도 제어는 시스템 성능에 있어서 중요한 요건이다. 도 5는 (도 2의) 제 1 실시예에 따른 온도 제어 기술의 예를 도시한다. 도 5에서, 냉각되고 있는 객체(object) 또는 유체 스트림(503)의 또는 증발기(136)의 온도를 제어하는 기술이 제공되어 있다. 온도 제어 신호(501)는 증발기(136)내의 냉매 온도의 측정치(measure)(전기 신호와 같은)를 제어 회로(198)와 같은 제어 회로로 제공한다. 도 5에는 증발기(136)의 배출구에서의 온도 측정하였을 때의 온도 제어 신호(501)가 도시되어 있지만, 증발기(136)의 유입구에서의 냉매 온도를 측정할 수 있고, 또는 증발기 코일(136)의 길이에 걸친 둘 이상의 온도 측정치의 평균, 가중, 또는 기타 함수(function)를 제공할 수도 있다. 증발기(136)의 온도를 측정하는 것에 대한 대안으로서 또는 그에 추가하여, 온도 제어 신호(505)를 이용하여 냉각되고 있는 객체 또는 유체(503)의 온도를 감지할 수 있을 것이다. 증발기와 함께, 다양한 여러 온도 측정치를 이용하여, 냉각되고 있는 객체 또는 유체(503)를 통한 온도의 평균이나 다른 함수를 포함하는 온도 제어 신호(505)를 제공할 수 있을 것이다. 화살표(507)는 증발기가 객체(503)에 열적으로 커플링되었다는 것을 나타내며, 이러한 커플링은 용도에 따라서 다양한 방식으로 이루어질 수 있을 것이다. 생략부호(509)는 냉각 프로세스(118)로부터 빠져나오는 라인(120 및 148)이 몇개의 성분(도시 하지 않음)을 경유하여, 예를 들어 도 1에 도시된 성분들과 유사한 방식으로, 증발기 코일(136)에 커플링된다.

제어 신호(501) 및/또는 제어 신호(505)를 이용하여, 제어 회로(198)는 객체 또는 유체(503) 또는 증발기(136)의 온도가 너무 높은지 또는 너무 낮은지의 여부를 결정하고, 밸브(218)로 제어 신호를 제공하여 냉각 프로세스의 지점(J)에서 다소간의 온도 높임을 생성한다. 그러한 방식에서, 객체 또는 유체(503) 또는 증발기(136)의 온도는 폐루프 피드백 기술에 의해서 제어될 수 있다. 제어 회로(198)는 몇 개의 입력(501 및 505)을 조합하여, 또는 단 하나만을 이용하여, 제어되는 온도의 측정치로서 제공한다. 또한, 예를 들어 제 2 한계치 냉각 프로세스(118) 내의 가장 낮은 온도 지점(J)에서의 온도 측정치를 기초로 제 2 한계치를 제어 알고리즘에 위치시킴으로써, 제어 회로(198)는 냉각 시스템으로부터의 제 2 입력을 자신의 제어 알고리즘으로 포함시킬 수 있다.

온도 제어의 폐-루프 기술이 도 5에 도시되어 있지만, 도 2를 참조하여 전술한 것과 유사한 방식으로, 도 5의 실시예를 이용하여 개방 루프 방식에서 온도 제어를 제공할 수 있다.

도 5의 온도 제어 실시예가 도 2에 도시된 바와 같이 밸브(218) 및 유동-계량 장치(216)를 통한 동일한 바이패스 회로를 이용하기 때문에, 이들 실시예들을 "제 1 실시예"라고 한다.

도 3은 본 발명의 제 2 실시예를 도시한다. 이러한 실시예에서, 상이한 온도 제어 및/또는 동결 방지 방법이 개시된다. 노드(G)에서의 가장 낮은 온도의 액체 냉매는 전달 밸브(318) 및 유동-계량 장치(316)로 전달하는 제 3 분지(branch)르 분할된다. 유동-계량 장치(316)로부터의 배출 유동은 노드(H)에서 복귀 냉매 스트림(148) 및 서브쿨러(212)를 빠져나오는 유동과 혼합된다. 제 1 실시예에서와 같이, 동결 가능성의 제거 및/또는 다른 목적을 위한 온도 제어가 목표이다.

제 2 실시예에서, 서브쿨러(212)의 저압측을 통한 냉매의 유량을 서브쿨러(212)의 고압측을 통한 유량 보다 낮게 유지함으로써, 온도가 제어되고 및/또는 동결이 방지되거나 온도가 제어된다. 이는, 서브쿨러(212)로부터 빠져나오는 고압 유동이 보다 고온이 되게 한다. 노드(G)로부터 노드(H)까지 직접적으로 바이패싱하는 유동 비율을 조정하는 것은 서브쿨러(212)의 고압 측을 빠져나오는 냉매의 온도 높임 정도를 변화시키며 결과적으로 서브쿨러(212)의 저압측으로 들어가는 팽창된 냉매의 온도 높임을 초래한다. 유동이 보다 더 많이 서브쿨러를 돌아서 바이패스될 수록, 보다 큰 온도 제어 효과가 얻어지며, 예를 들어 보다 고온의 저온부 온도를 생성한다.

대조적으로, 증발기로의 유동이 턴 오프되었을 때, 종래 시스템은 이러한 방법을 이용하지 않으며 서브쿨러의 양 측부에서 동일한 유동을 가진다. 유동-계량 장치(316)가 모세관으로 구성되었을 때, 이러한 방법은 기본적인 제상 방법과 시스템 내에서 양호하게 작용한다. 그러나, 베이크아웃 모드의 시스템에서 이용될 때, 유동-계량 장치(316)의 유동 용량의 변화가 요구된다. 그에 따라, 작동 모드 및/또는 조건을 기초로 유동 제한의 정도를 변화시키기 위해서 사용되는 그리고 독립적으로 또는 함께 제어되는 일련의 모세관들이 필요하게 되거나 대안적으로 필요에 따라 유동을 조정하기 위해서 비례 밸브가 사용될 수 있을 것이다.

도 3은 본 발명에 포함되는 개방 루프 제어 방법을 도시한다. 즉, 작동을 모니터링 및 조정하는데 있어서 제어 신호가 필요치 않다. 기본적인 제어 메카니즘은 제어 밸브(318) 및 유동-계량 장치(316)이다. 밸브(318)는 작동 모드를 기초로 개방된다. 온도 제어 및/또는 동결 방지를 필요로 하는 모드는 디자인 프로세스에서 결정되고 시스템 제어의 디자인에 포함된다. 유동-계량 장치(316)는 예상되는 작동 조건의 범위를 위한 적절한 유동량을 제공하도록 크기가 정해진다. 이러한 접근 방법은 낮은 비용 및 단순성의 이점을 가진다.

본 발명에 포함되는 다른 대안적인 구성은 폐쇄형 루프 피드백 제어 시스템을 이용하는 것이다. 그러한 시스템은 온도 제어가 제공되어야 하는 또는 동결이 방지되어야 하는 시스템의 가장 저온 부분에서 온도 센서(도시 하지 않음)를 필요로 한다. 이러한 센서로부터의 이러한 출력 신호는 Omega(Stamford, CT) P&ID 온도 제어기와 같은 제어부(도시 하지 않음)로 입력된다. 제어부는 적절한 세트 포인트로 프로그래밍되고 그 출력은 밸브(318)의 제어에 이용된다.

밸브(318)는 몇 가지 타입 중 하나일 수 있다. 온 시간과 오프 시간의 양을 변화시킴으로써 제어되는 온/오프 밸브일 수도 있다. 대안적으로, 밸브(318)는 유량 조정을 위해서 제어되는 비례 제어 밸브이다. 밸브(318)가 비례 제어 밸브인 경우에, 유동-계량 장치(316)는 불필요할 수 있다.

도 3는 서브쿨러(212)를 포함하는 극저온 혼합형 냉매 시스템에 관한 것이다. 특히, 온도 제어를 제공하기 위해서 또는 동결을 방지하기 위해서 사용되는 고온 냉매의 혼합 위치가 서브쿨러(212)에 대해서 상대적으로 도시되어 있다. 전술한 바와 같이, 서브쿨러는 선택적이다. 그에 따라, 본 발명에 따라 다른 구성도 가능하다. 대안적인 실시예에서, 서브쿨러가 없는 시스템은 가장 저온인 고압 냉매를 전환시키고 가장 저온의 열교환기(도시 하지 않음)의 저압 배출구에서 고온의 냉매와 혼합하여, 가장 저온의 열교환기가 고압측 보다 저압측에서 보다 적은 질량 유량을 가지게 한다.

고온 냉매가 저온 냉매와 혼합되는 지점을 약간 변경하는 것이 가능하다는 것을 알 수 있다. 저온 냉매가 가장 낮은 열교환기를 빠져나오는 저압 냉매의 온도의 20℃ 이내라면, 저온, 저압의 냉매와 혼합하기 위해서 이러한 냉매를 도입하는 것이 일부 이점을 제공할 수 있다는 것을 예상할 수 있을 것이며, 이러한 변형이 본 발명의 범위에 포함된다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

제 1 실시예에서와 같이, 도 3의 제 2 실시예를 이용하여 동결 방지 이외의 목적을 포함하는 증발기의 온도 제어를 제공할 수 있다. 도 6은 도 3의 제 2 실시예에 다른 온도 제어의 기술의 예를 도시한다. 온도 제어 신호(601)는 증발기(136)에서의 냉매 온도의 측정치(예를 들어 전기 신호)를 제어 회로(198)와 같은 제어 회로로 제공한다. 도 5의 제어 신호(505)와 유사한 방식으로, 온도 제어 신호(605)를 이용하여 냉각되고 있는 객체 또는 유체(603)의 온도를 감지할 수 있을 것이다. 화살표(607) 및 생략부호(609)는 전술한 도 5의 아이템(507 및 509)과 유사한 기능을 수행한다.

도 5와 관련하여 설명한 것과 유사한 방식으로, 제어 신호(601) 및/또는 제어 신호(605)를 이용하여, 제어 회로(198)는 폐쇄형 루프 피드백 기술을 이용하는 객체 또는 유체(603) 또는 증발기(136)의 온도를 제어할 수 있다. 또한, 도 3을 참조한 전술한 내용과 같이, 개방 루프 기술을 이용할 수도 있다.

도 6의 온도 제어 실시예가 도 3에서와 동일한 밸브(318) 및 유동-계량 장치(316)를 통한 바이패스를 이용하기 때문에, 이들 실시예들을 "제 2 실시예"라 한다.

본 발명의 제 3 실시예에서, 도 4는 온도 제어를 제공하기 위한 및/또는 냉매 동결을 해결하기 위한 다른 대안적인 방법을 도시한다. 이러한 경우에, 압축기에 근접하여 통상적으로 위치되는 성분들에 대해 변형을 가한다. 통상적으로, 이들은 상온으로부터 -40℃ 보다 높은 온도까지 작동하는 성분들이 될 수 있다. 이것이 냉각 시스템(200)으로 도시되어 있으며, 그러한 시스템은 제어 밸브(418) 및 유동-계량 장치(416)을 추가하여 냉각 시스템(100)을 개선한 것이다. 이러한 구성은 고압으로부터 저압으로 냉매 유동을 바이패스시키기 위한 그리고 냉각 프로세스(118)를 바이패스시키기 위한 수단을 제공한다.

이는 많은 효과를 가진다. 이들 효과들 중 가장 중요한 것으로 생각되는 2개의 효과는, 냉각 프로세스를 통한 유량의 감소 그리고 냉각 시스템의 저압의 증가이다. 충분한 양의 유동이 이들 추가적인 성분들을 통해서 유동할 때, 온도 높임이 이루어지고, 결과적으로 냉각 프로세스에서 온도 제어 및/또는 동결 방지가 얻어진다. 그러나, 전술한 바와 같이, 냉각 프로세스로부터 전환되는 유동의 양이 너무 많다면, 양호한 열교환기 성능에 필요한 최소 유동이 유지되지 못할 것이다. 그에 따라, 바이패스의 최대량은 시스템 내의 각 열교환기에서의 충분한 유동을 보장할 수 있도록 제한되어야 할 것이다.

제 2 실시예에서, 고정형 배관(fixed tubing)이 유동-계량 장치로서 사용되었을 때, 이러한 방법은 정상 제상 및 대기 모드(증발기로의 유동이 없음)를 가지는 시스템에 대해서 양호하게 작용하였다. 그러나, 베이크아웃 모드에서의 작동을 핸들링하는데 있어서, 그러한 유동-계량 장치는 허용되지 않는 높은 흡입 압력을 유발하였다. 테스트된 특정의 경우에, 20 cfm 압축기가 사용되었다. 0.15" 내경의 바이패스 라인이 베이크아웃 모드에서 동결을 충분히 방지하였으며, 과다 압력도 초래하지 않았다. 그러나, 대기 모드에서의 사용은 충분한 유동을 제공하지 못하였다. 배관이 3/8" 외경의 구리 배관으로 확대되었을 때, 대기에서의 유동은 동결을 제거할 정도로 성공적이었지만 베이크아웃 모드에서 과다한 흡입 압력이 생성되었다.

이러한 경험은, 독립적으로 또는 조합되어 작용하는 둘 이상의 고정형 튜브 부재를 가지는 것은 다양한 작동 모드 및 조건의 요건을 해결하기 위해서 이용될 수 있다는 것을 보여준다. 대안적으로, 크랭크케이스-조정 밸브와 같은 압력-조정 밸브, 또는 열 팽창 밸브와 같은 비례 밸브를 이용하여 냉매 유동을 필요한 레벨로 조정할 수 있을 것이다.

도 4는 본 발명에 따른 개방 루프 제어 방법을 도시한 도면이다. 즉, 작업의 모니터링 및 조정을 위해서 제어 신호가 필요하지 않다. 기본적인 제어 메카니즘은 제어 밸브(418) 및 유동-계량 장치(416)이다. 밸브(418)는 작동 모드에 따라서 개방된다. 온도 제어 및/또는 동결 방지를 필요로 하는 모드가 디자인 프로세스에서 결정되고 시스템 제어의 디자인에 포함된다. 유동-계량 장치(416)는 예상되는 작동 조건의 범위를 위한 적절한 유동량을 제공하도록 크기가 정해진다. 이러한 접근 방법은 낮은 비용 및 단순성의 이점을 가진다. 본 발명에 포함되는 다른 대안적인 구성은 폐쇄형 루프 피드백 제어 시스템을 이용하는 것이다. 그러한 시스템은 온도 제어가 제공되어야 하는 또는 동결이 방지되어야 하는 시스템의 가장 저온 부분에서 온도 센서(도시 하지 않음)를 필요로 한다. 이러한 센서로부터의 이러한 출력 신호는 Omega(Stamford, CT) P&ID 온도 제어기와 같은 제어부(도시 하지 않음)로 입력된다. 제어부는 적절한 세트 포인트로 프로그래밍되고 그 출력은 밸브(418)의 제어에 이용된다.

밸브(418)는 몇 가지 타입 중 하나일 수 있다. 온 시간과 오프 시간의 양을 변화시킴으로써 제어되는 온/오프 밸브일 수도 있다. 대안적으로, 밸브(418)는 유량 조정을 위해서 제어되는 비례 제어 밸브이다. 밸브(418)가 비례 제어 밸브인 경우에, 유동-계량 장치(416)는 불필요할 수 있다.

고온 냉매가 흡입 라인상 에서 혼합되는 지점을 약간 변경하는 것이 가능하다는 것을 알 수 있다. 프로세스의 보다 높은 온도 스테이지의 임의 온도에서 이러한 바이패스를 구비하는 것은 흡입 압력의 상승 및 저온부에서의 냉각 프로세스에서의 유량 감소라는 원하는 목표를 가질 것임을 예상할 수 있을 것이다. 공급원에서의 또는 혼합 전의 바이패스 냉매의 온도가 -100℃ 보다 높다면, 이러한 것이 여전한 이점을 제공한다는 것을 예상할 수 있을 것이다.

압축기(104) 이후에, 밸브(418)를 포함하는 바이패스가 취해지는 지점 역시 변화될 수 있을 것이다. 예를 들어, 바이패스는 압축기(104)와 냉각 프로세스(118)로의 유입구 사이의 고압 라인의 임의 지점에서 시작될 수 있을 것이다.

제 1 및 제 2 실시예에서와 같이, 도 4의 제 3 실시예를 이용하여, 동결 방지 이외의 목적을 위한 증발기의 온도 제어를 제공할 수 있을 것이다. 도 7은 도 4의 제 3 실시예에 따른 온도 제어 기술의 예를 도시한다. 도 5의 제어 신호(501)와 유사한 방식으로, 온도 제어 신호(701)는 증발기(136)에서의 냉매 온도의 측정치(예를 들어 전기 신호)를 제어 회로(198)와 같은 제어 회로로 제공한다. 도 5의 제어 신호(505)와 유사한 방식으로, 온도 제어 신호(705)를 이용하여 냉각되고 있는 객체 또는 유체(703)의 온도를 감지할 수 있을 것이다. 화살표(707) 및 생략부호(709)는 전술한 도 5의 아이템(507 및 509)과 유사한 기능을 수행한다.

도 5와 관련하여 설명한 것과 유사한 방식으로, 제어 신호(701) 및/또는 제어 신호(705)를 이용하여, 제어 회로(198)는 폐쇄형 루프 피드백 기술을 이용하는 객체 또는 유체(703) 또는 증발기(136)의 온도를 제어할 수 있다. 또한, 도 4를 참조한 전술한 내용과 같이, 개방 루프 기술을 이용할 수도 있다.

도 7의 온도 제어 실시예가 도 4에서와 동일한 밸브(418) 및 유동-계량 장치(416)를 통한 바이패스를 이용하기 때문에, 이들 실시예들을 "제 3 실시예"라 한다.

동결 방지를 위해서 이용될 때, 테스트된 시스템을 위한 대기 모드, 제상 모드 및 베이크아웃 모드에서, 통상적으로 제 1, 제 2 및 제 3 실시예들이 요구되었다. 원칙적으로 그리고 필요한 경우에, 이러한 방법들은 냉각 모드에도 적용될 수 있다. 유사하게, 채용된 제어 방법에 따라서, 이들은 작동 모드와 관계 없이 필요에 따라 기본형에 적용될 수 있다. 유사하게, 온도 제어를 위한 제 1, 제 2 및 제 3 실시예는 일반적으로 대기, 제상, 베이크아웃, 및 냉각 모드에서 이용될 수 있다. 극저온에서 증발기의 온도 제어를 위해서 채용된 경우에, 본 명세서에 개시된 온도 제어 방법은 냉각 모드에서의 작동과 가장 밀접할 것이다. 그러나, 둘 이상의 독립적으로 제어되는 증발기들을 구비하는 시스템의 경우에, 냉각 모드에서 하나 이상의 증발기에 대한 온도 제어를 제공할 필요가 있을 것이며, 이때 냉각 또는 베이크아웃 모드에서 하나 이상의 증발기가 있을 것이다.

온도 제어 및/또는 동결 방지를 위한 제 1, 제 2 및 제 3 실시예를 개별적으로 제시하였지만, 본 발명에 따라 상기 실시예들 중 하나 이상을 동일한 시스템에서 이용할 수 있을 것이다. 또한, 둘 이상의 바이패스를 이용할 수 있을 것이며, 본 발명에 따라, 둘 이상의 바이패스의 각각은 전술한 실시예들과 동일한 실시예들일 수 있을 것이다.

바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 특정하여 설명하였지만, 소위 당업자는 특허청구범위에 포함되는 본원 발명의 범위내에서도 다양한 형태 및 세부사항에 대해 변형을 가할 수 있다는 것을 이해할 것이다.

Claims (21)

1. 혼합 냉매를 이용하는 극저온 냉각 시스템으로서:

   냉각 프로세스와 유체 연통하는 압축기;

   상기 냉각 시스템에 의해 냉각되고 있는 객체 또는 유체로부터 입력 신호를 수신하는 제어 회로; 및

   상기 냉각 시스템이 상기 냉각 시스템에 의해 냉각되고 있는 객체 또는 유체의 온도에 대해 폐루프 제어를 수행하도록 상기 제어 회로로부터 제어 신호를 수신하는 바이패스 회로;를 포함하며,

   상기 냉각 프로세스는 압축기와 증발기 사이의 냉각 시스템의 고압 측 상의 고압 라인, 상기 증발기와 압축기 사이의 냉매 복귀 경로 내의 냉각 시스템의 저압 측 상의 저압 라인, 그리고 상기 저압 라인 내 냉매로부터 상기 고압 라인 내 냉매를 냉각시키는 하나 이상의 열교환기를 포함하고,

   상기 바이패스 회로가:

   a) 고압 냉매가 유동하는 상기 냉각 프로세스 내의 지점(204)으로부터, 상기 고압 라인이 상기 냉각 프로세스의 저온부(cold end)를 빠져나오는 곳에 앞서, 상기 냉각 시스템 내의 온도가 가장 낮은 저압 냉매가 유동하는 냉각 프로세스 내의 지점(J)까지 연결되는 바이패스 루프로서, 상기 바이패스 회로가 바이패스된 냉매의 바이패스 유동을 제어하는 밸브를 포함하고, 상기 바이패스 유동의 결과가 온도가 가장 낮은 저압 냉매의 온도 높임(warming)을 달성하는 것인 바이패스 루프;

   b) 상기 압축기와 상기 냉각 프로세스의 고압 라인으로의 입구 사이의 압축기 고압 냉매 라인으로부터 상기 압축기의 흡입 라인까지 연결되는 바이패스 루프; 및

   c) 고압 냉매의 온도가 가장 낮은 냉각 프로세스 내의 지점(G)으로부터, 저압 냉매가 상기 냉각 프로세스 내의 하나 이상의 열교환기 중 온도가 가장 낮은 열교환기로부터 빠져나오는 냉각 프로세스 내의 지점(H)까지 연결되는 바이패스 루프로서, 상기 바이패스된 냉매는 상기 고압 냉매의 온도가 가장 낮은 냉각 프로세스 내의 지점(G)과 상기 저압 냉매가 상기 하나 이상의 열교환기들 중 온도가 가장 낮은 열교환기로부터 빠져나오는 냉각 프로세스 내의 지점(H) 사이에서 열교환기를 통과하지 아니하는 바이패스 루프; 중 하나를 포함하는

   혼합 냉매를 이용하는 극저온 냉각 시스템.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 바이패스 회로는 상기 증발기를 향하는(destined) 냉매의 온도를 높이기 위해 이용되는

   혼합 냉매를 이용하는 극저온 냉각 시스템.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 바이패스 회로는 상기 압축기와 상기 냉각 프로세스의 고압 라인으로의 입구 사이의 상기 압축기 고압 냉매 라인으로부터 상기 압축기의 흡입 라인까지 연결된 바이패스 루프를 포함하는

   혼합 냉매를 이용하는 극저온 냉각 시스템.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 바이패스 회로는 상기 회로를 통한 유체 유동을 제어하는 수단을 포함하고,

   상기 유체 유동은 온-오프 밸브 및 유동-계량 장치를 이용하여 제어되는

   혼합 냉매를 이용하는 극저온 냉각 시스템.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 유체 유동은 비례 제어 밸브를 이용하여 제어되는

   혼합 냉매를 이용하는 극저온 냉각 시스템.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 유체 유동은 자동적으로 제어되는

   혼합 냉매를 이용하는 극저온 냉각 시스템.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 혼합 냉매는 R-123, R-245fa, R-236fa, R-124, R-134a, 프로판, R-125, R-23, 에탄, R-14, 메탄, 아르곤, 질소, 및 네온으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 하나 이상의 냉매를 포함하는

   혼합 냉매를 이용하는 극저온 냉각 시스템.
8. 제 7 항에 있어서,

   상기 혼합 냉매가 하기 성분들을 몰 분율의 범위로 각각 포함하는 이하의 블렌드(blend)들로 이루어진 그룹으로부터 선택되며;

   상기 블렌드들은:

   R-123 (0.01 내지 0.45); R-124 (0.0 내지 0.25), R-23 (0.0 내지 0.4), R-14 (0.05 내지 0.5), 및 아르곤 (0.0 내지 0.4)을 포함하는 블렌드(A);

   R-236fa (0.01 내지 0.45), R-125 (0.0 내지 0.25), R-23 (0.0 내지 0.4), R-14 (0.05 내지 0.5) 및 아르곤 (0.0 내지 0.4)을 포함하는 블렌드(B);

   R-245fa (0.01 내지 0.45), R-125 (0.0 내지 0.25), R-23 (0.0 내지 0.4), R-14 (0.05 내지 0.5) 및 아르곤 (0.0 내지 0.4)를 포함하는 블렌드(C);

   R-236fa (0.0 내지 0.45), R-245fa (0.0 내지 0.45), R-134a (0.0 보다 큼), R-125 (0.0 내지 0.25), R-218 (0.0 내지 0.25), R-23 (0.0 내지 0.4), R-14 (0.05 내지 0.5), 아르곤 (0.0 내지 0.4), 질소 (0.0 내지 0.4) 및 네온 (0.0 내지 0.2)을 포함하는 블렌드(D); 그리고

   프로판 (0.0 내지 0.5), 에탄 (0.0 내지 0.3), 메탄 (0.0 내지 0.4), 아르곤 (0.0 내지 0.4), 질소 (0.0 내지 0.5), 및 네온 (0.0 내지 0.3)의 하나 이상의 영이 아닌(non-zero) 몰 분율을 포함하는 블렌드(E); 를 포함하는

   혼합 냉매를 이용하는 극저온 냉각 시스템.
9. 제 1 항에 있어서,

   상기 바이패스 회로는 고압 냉매가 유동하는 냉각 프로세스 내의 지점(204)으로부터, 상기 고압 라인이 상기 냉각 프로세스의 저온부를 빠져나오는 곳에 앞서, 상기 냉각 시스템 내의 온도가 가장 낮은 저압 냉매가 유동하는 냉각 프로세스 내의 지점(J)까지 연결되고,

   상기 바이패스 회로가 바이패스된 냉매의 바이패스 유동을 제어하는 밸브를 포함하고, 상기 바이패스 유동의 결과가 온도가 가장 낮은 저압 냉매의 온도 높임을 달성하는 것인

   혼합 냉매를 이용하는 극저온 냉각 시스템.
10. 제 1 항에 있어서,

    상기 바이패스 회로는 고압 냉매의 온도가 가장 낮은 냉각 프로세스 내의 지점(G)으로부터, 저압 냉매가 상기 냉각 프로세스 내의 하나 이상의 열교환기 중 온도가 가장 낮은 열교환기를 빠져나오는 냉각 프로세스 내의 지점(H)까지 연결되며,

    상기 바이패스된 냉매는 상기 고압 냉매의 온도가 가장 낮은 냉각 프로세스 내의 지점(G)과 상기 저압 냉매가 상기 하나 이상의 열교환기들 중 온도가 가장 낮은 열교환기로부터 빠져나오는 냉각 프로세스 내의 지점(H) 사이에서 열교환기를 통과하지 않는

    혼합 냉매를 이용하는 극저온 냉각 시스템.
11. 냉각 시스템으로서:

    압축기;

    상기 압축기와 유체 연통하는 냉각 프로세스로서, 상기 압축기와 증발기 사이의 냉각 시스템의 고압 측 상의 고압 라인, 상기 증발기와 압축기 사이의 냉매 복귀 경로 내의 냉각 시스템의 저압 측 상의 저압 라인, 그리고 상기 저압 라인 내의 냉매로부터 상기 고압 라인 내의 냉매를 냉각시키는 하나 이상의 열교환기를 포함하는, 냉각 프로세스;

    상기 냉각 프로세스로부터 고압 냉매를 수용하는 팽창 장치;

    상기 냉각 시스템에 의해 냉각되고 있는 객체 또는 유체로부터 입력 신호를 수신하는 제어 회로; 및

    상기 냉각 시스템이 상기 냉각 시스템에 의해 냉각되고 있는 객체 또는 유체의 온도에 대해 폐루프 제어를 수행하도록 상기 제어 회로로부터 제어 신호를 수신하는 바이패스 회로;를 포함하며,

    상기 바이패스 회로가 상기 냉각 프로세스의 적어도 일 부분을 바이패싱하고, 냉매를 상기 냉각 프로세스 내 지점 내로 유입시키도록 연결되며,

    상기 바이패스 회로가 바이패스된 냉매의 바이패스 유동을 제어하는 밸브를 포함하고, 상기 바이패스 유동의 결과가 상기 냉각 시스템 내 온도가 가장 낮은 저압 냉매의 온도 높임을 달성하는 것이고,

    상기 냉각 시스템은 혼합 냉매를 이용하여 온도가 183K 미만인 냉각을 제공하는

    냉각 시스템.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 바이패스 회로는 상기 증발기를 향하는 냉매의 온도를 높이기 위해 이용되는

    냉각 시스템.
13. 제 11 항에 있어서,

    상기 바이패스 회로는 더 고압인 더 높은 온도의 지점으로부터 상기 냉각 프로세스 내의 더 저압인 저온 지점까지의 것인

    냉각 시스템.
14. 제 13 항에 있어서,

    상기 바이패스 회로가 유동 제한부를 포함하는

    냉각 시스템.
15. 제 11 항에 있어서,

    상기 냉각 시스템이 혼합 냉매를 이용하여 온도가 65K 보다 높은 냉각을 제공하는

    냉각 시스템.
16. 제 11 항에 있어서,

    상기 혼합 냉매는 공칭 비등점의 차이가 큰 둘 이상의 성분 냉매를 포함하는

    냉각 시스템.
17. 제 16 항에 있어서,

    상기 혼합 냉매는 공칭 비등점의 차이가 50℃ 이상인 둘 이상의 성분 냉매를 포함하는

    냉각 시스템.
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