KR20020027507A

KR20020027507A - 저온 냉장시스템

Info

Publication number: KR20020027507A
Application number: KR1020027001233A
Authority: KR
Inventors: 플린케빈피; 할폴에이치
Original assignee: 아이지씨 폴리콜드 시스템스 인코포레이티드
Priority date: 2000-05-30
Filing date: 2001-05-30
Publication date: 2002-04-13
Also published as: KR100882074B1; EP2988076B1; CA2377478A1; EP2988076B8; EP2988076A1; EP1200780B1; US20020017106A1; CN1380965A; JP2003535299A; EP1200780A1; ATE503975T1; EP2351976A1; US6574978B2; AU6662501A; JP5421509B2; EP1200780A4; CN100416187C; EP2351976B1; DE60144318D1; WO2001092792A1

Abstract

해동 공급회로(176,178,180)와 해동 복귀 바이패스 회로(186,188,190)를 갖춘 극저온 냉장 시스템(100)의 가열/해동 구성은 가열/해동 주기를 최적화하고, 냉장 처리부의 과부하(과도한 압력)를 방지하며, 손상 온도로부터 구성요소들을 보호한다. 해동주기는 필요할 경우 연속적으로 동작하며, 가열/해동 및 냉각동작모드 사이에 짧은 복구 주기를 제공한다. 냉각 또는 가열주기동안의 온도변화의 속도는 바이패스 회로(178,190)내에서의 조정 냉각제의 흐름에 의해 오픈루프 방식으로 제어된다.

Description

저온 냉장시스템{A LOW TEMPERATURE REFRIGERATION SYSTEM}

본 출원은 우선 출원된 가출원번호 60/207,921의 우선권주장을 한다.

관련된 출원들(참고로 여기에 포함됨)

미국 가출원 제60/214,560호

미국 가출원 제60/214,562호

냉장시스템은 신뢰할 수 있는 밀봉된 냉장 시스템이 개발된 1900년대 초기부터 있어 왔다. 그후, 냉장 기술은 발전하여 가정용과 산업용 설비로서 사용되어 왔다. 특히, 저온 냉장시스템은 생물 의학분야와 저온 전자공학, 코팅 작업 및 반도체 제조분야에서 중요한 산업적 기능을 제공하고 있다. 이러한 응용들에 있어서,냉장시스템은 저온을 제공할 뿐만 아니라 냉장시스템이 0℃ 이상의 온도가 되는 해동 주기를 가질 필요가 있다. 이러한 온도 범위에 걸쳐서 동작을 수행할 수 있는 냉장시스템을 개발한 회사가 이와 관련된 지적 재산권을 소유한다.

-50℃ 이하의 온도에서의 냉장은 많은 중요한 응용들, 특히 산업 제조 및 테스트 분야에서 이용된다. 본 발명은 -50℃ 내지 -250℃ 온도에서의 냉장을 제공하는 냉장시스템에 관한 것이다. 이러한 범위의 온도는 저온, 초저온 및 극저온으로 다양하게 불려진다. 본 특허에서는 "매우 낮은" 또는 매우 낮은 온도는 -50℃에서 -250℃ 사이의 온도를 의미하는데 사용될 것이다.

진공 조건하에서 수행되는 많은 제조공정들에서 여러 가지 이유로 시스템 요소의 가열이 필요하다. 이 가열과정은 해동 주기로 알려져 있다. 가열은 제조 시스템의 온도를 증가시켜 공기중의 수분을 응결시키지 않으면서 시스템의 부품들로 접근하여 대기중에 노출시킬 수 있도록 한다. 전체 해동 주기와 매우 낮은 온도를 생성하는 후속 복구 주기가 길면 길수록 제조 시스템의 처리량은 낮아진다. 해동주기와 진공챔버에서의 저온 표면의 냉각은 빠른 것이 좋다. 따라서 진공 처리의 처리량을 증가시키는 방법이 필요하다.

매우 낮은 온도의 냉각을 필요로 하는 많은 진공 처리들이 존재한다. 그 중에서 주요한 처리는 진공 시스템을 위한 수증기 저온펌핑을 제공하는 것이다. 매우 낮은 온도의 표면은 수증기 분자들이 해방되는 속도보다 훨씬 높은 속도로 수증기 분자들을 포획하여 가지고 있게 된다. 그 순수한 효과는 진공챔버의 수증기 분압을 빠르고 확실하게 감소시킨다는 것이다. 또 다른 응용은 열방사 차폐(thermalradiation shielding)이다. 이 응용에서는 큰 패널이 매우 낮은 온도로 냉각된다. 이렇게 냉각된 패널은 진공챔버 표면과 히터로부터 방사되는 열을 차단한다. 이에 따라 냉각되는 표면상의 열부하를 패널의 온도보다 낮은 온도로 감소시킬 수 있다. 또 다른 응용은 제조되는 대상물로부터 열을 제거하는 것이다. 몇몇 경우에 있어서, 이 대상물은 컴퓨터 하드 드라이브를 위한 알루미늄 디스크, 집적회로를 위한 실리콘 웨이퍼 또는 평판 디스플레이를 위한 물질이다. 이러한 경우, 공정의 최종단계 에서의 상기 대상물의 최종 온도가 상온보다 높더라도 매우 낮은 온도는 이들 대상물로부터 다른 수단보다 빠르게 열을 제거하는 수단을 제공한다. 또한, 하드 디스크 드라이브 매체, 실리콘 웨이퍼 또는 평판 디스플레이 물질과 관련된 응용들은 이들 대상물상에 물질의 증착을 수반한다. 이러한 경우, 증착의 결과로서 대상물로부터 열이 방출되는데 이 열은 대상물을 소정의 온도로 유지시키면서 제거되어야 한다. 판과 같은 표면을 냉각시키는 것은 이러한 대상물로부터 열을 제거하는 일반적인 방법이다. 이러한 모든 경우에 있어서, 매우 낮은 온도에서의 냉각을 제공할 경우, 증발기 표면은 냉각제가 상기 응용으로부터 열을 제거하는 부분이라는 것이 이해될 것이다.

여러 가지 냉장 응용에 있어서, 가열되는 대상의 느린 반응시간을 위해 오랜 시간 동안의 고온이 필요하다. 연장된 해동시간은 종래의 시스템에 과부하가 걸리게 하고 300~500psi 범위의 높은 방출압력으로 인해 차단되게 한다. 종래의 시스템의 압축기의 방출압력은 과도한 방출압력으로부터 보호하기 위해 제한될 필요가 있다. 그렇지 않으면, 하부의 구성요소들이 과도하게 압력을 받게 된다. 일반적으로,안전스위치 또는 압력 해제밸브가 설치되어 과도한 방출압력을 방지하나, 해동 주기를 제한하는 문제점이 있다. 따라서 동작 한계를 초과하지 않으면서 냉장시스템의 해동시간을 증가시키는 방법이 필요하다.

많은 응용에 있어서, 점진적인 가열 또는 냉각이 필요할 수 있다. 예를 들면, 반도체 웨이퍼 제조공정의 세라믹 척(ceramic chuck)에서의 빠른 온도 변화는 척의 특정 물질의 특성에 기초하여 변화하는 어떤 한계를 초과할 수 없다. 이 한계를 초과하면, 척은 파괴될 것이다. 따라서 가변하는 가열 및 냉각 시스템을 제공하는 방법이 필요하다.

종래의 매우 낮은 온도의 냉장시스템은 2분 내지 4분의 일반적인 해동시간을 가지며, 큰 코일에 대해서는 7분의 해동시간을 가진다. 이러한 해동시간을 가지면, 종래의 냉장시스템은 높은 방출압력으로 인해 긴장되므로 냉각을 재개하기 전에 5분간의 복구 주기가 필요하며 전체 해동주기를 연장시켜야 한다. 따라서 냉장시스템의 전체 해동주기를 감소시키는 방법이 필요하게 된다.

베이크아웃(bakeout) 과정은 공기에 노출시킨 후(챔버를 열 경우), 진공챔버 내의 모든 표면들을 가열하여 챔버내의 수증기를 제거하는 것이다. 베이크아웃 과정을 수행하는 종래의 기술은 진공챔버 구성요소들을 200℃ 이상의 온도에 긴 시간동안 노출시켜 챔버 표면으로부터의 수증기의 방출을 촉진하는 히터로 표면을 가열하는 과정을 수반한다. 냉각되는 표면이 이러한 방법으로 가열되는 챔버내에 있는 경우, 잔류하는 냉각제와 오일이 결과적으로 파괴되어 냉장 처리의 신뢰성을 저하시킨다. 따라서 베이크아웃 과정동안 처리 액체의 화학적 안정성을 유지시키는 방법이 필요하게 된다.

배경특허

Carrier Corporation (Syracuse, NY)의미국특허 제6,112,534호"Refrigeration and heating cycle system and method"는 개선된 냉장시스템 및 가열/해동 주기를 개시한다. 순환하는 공기를 가열하고 제한된 영역을 해동하기 위한 상기 시스템은 냉각제와 상기 순환하는 공기를 가열하기 위해 상기 냉각제를 이용하는 증발기, 및 증발기로부터 냉각제를 받아서 고온 및 고압으로 냉각제를 압축하는 압축기를 포함한다. 상기 시스템은 또한 부분적으로 확장된 냉각제를 형성하기 위하여 상기 압축기와 증발기 사이에 위치하는 확장 밸브와, 시스템 파라미터를 감지하는 콘트롤러, 및 감지된 파라미터에 기초하여 이 콘트롤러에 반응하는 기구의 조합을 포함함으로써 냉각제와 순환 공기간의 온도차이를 증가시키고 시스템 효율을 개선하며 가열 및 해동주기 동안 시스템 능력을 최적화한다.

Serge Dube(Quebec, Canada)의미국특허 제6,089,033호, "High-speed evaporator defrost system"은 하나 이상의 압축기의 방출라인에 연결되고 냉장시스템의 전체 냉각제를 저장할 수 있는 보조 저장부를 통해 흡입 헤더로 연결되는 해동 도관(conduit) 회로로 구성되는 고속 증발기 해동시스템을 개시한다. 보조 저장부는 온도가 낮으며, 액체 냉각제가 소정 레벨로 축적되면 자동적으로 주 저장부로 들어가게 된다. 해동 회로의 상기 보조 저장부는 증발기의 냉장 코일에 걸쳐서 증발기의 냉장 코일을 통해 방출라인의 고온 고압의 냉각제 가스를 가속화시켜 낮은 압축기 최대압력에서도 냉장코일을 빠르게 해동시키는데 충분한 압력차를 생성한다. 이 압력차는 약 30psi~200psi의 범위를 가진다.

Praxair Technology사(Danbury, CT)의 미국특허제6,076,372호인 "Variable load refrigeration system particularly for cryogenic temperature"는 극저온을 포함한 넓은 온도 범위에 걸쳐 냉장을 생성하는 방법을 개시한다. 이 방법에서는 비독성 및 비가연성인 오존 공핍이 적거나 없는 혼합물이 한정된 요소들로부터 형성되어 냉장 사이클의 압축, 냉각, 확장 및 가열 단계를 통해 가변 부하 형태로 유지된다.

Redstone Engineering (Carbondale, CO)의 미국특허제5,749,243호인 "Low-temperature refrigeration system with precise temperature control"은 소정의 일정한 저온에서 시간에 따라 변화하는 열 출력으로 기구(11)를 정확하게 유지시키기 위한 저온 냉장시스템(10)을 개시한다. 이 냉장시스템(10)은 기구(11)와 관련된 열교환기 인터페이스(12)에서의 냉매의 압력을 정확하게 조절함으로써 기구(11)의 온도를 제어한다. 냉매의 압력과 흐름은 하나 또는 두 개의 순환 루프 및/또는 히터(32)를 포함한 비기계식 유량조절기(24)를 사용하여 조정한다. 이 냉장시스템은 또한 냉각소오스(14)에 의해 제공되는 냉각 출력과 관련하여 냉장시스템(10)의 냉각 출력의 변화를 허용하는 열 커패시터(thermal capacitor)(16)를 제공한다.

General Cryogenics Incorporated (Dalla, TX)의 미국특허제5,396,777호인 "Defrost controller"는 어떤 구역내의 공기를 냉각시키기 위한 방법 및 장치를 개시한다. 이 방법 및 장치에 있어서, 충분한 열을 흡수하여 액체 이산화탄소를 증발시켜 압축기체를 형성하도록 액체 이산화탄소를 제1열교환기를 통해 전달한다. 상기 압축기체는 가스에 의해 발화하는 히터에서 가열됨으로써 공기의 작용에 의해 구동되는 팬 모터를 통해 제2열교환기로 기체의 팽창을 제공하기 위해 상기 압축기체의 압축이 해제되었을 때 상기 압축된 이산화탄소의 고체화를 방지한다. 상기 이산화탄소 기체가 모터를 통해 확장될 때 고체화되는 것을 방지하는데 충분한 열을 히터가 제공하는 동안 상기 팬 모터로 이어지는 플로우 라인상의 상기 팬 모터와 솔레노이드 밸브의 입구의 구멍(orifice)은 기체를 압축된 상태로 유지시킨다. 이산화탄소 기체는 상기 제2열교환기로부터 방출되어 제습장치 내의 표면을 냉각시킴으로써 열교환기로 가기 전에 공기의 흐름으로부터 습기를 응축시킨다.

본 발명은 극저온 냉장시스템의 가열/해동 주기에 관한 것으로, 특히, 가열/해동 주기를 최적화하고, 냉장 처리부의 과부하(과도한 압력)를 방지하여 해동주기가 연속적으로 동작되도록 하고, 가열/해동 및 냉각 동작모드 사이에 짧은 복구 주기가 오도록 하고, 냉각 또는 가열되는 동안의 온도변화의 속도가 오픈루프 방식으로 제어되는 흐름을 제공하는 해동 공급루프와 해동 복귀 바이패스 루프가 통합된 개선된 가열주기에 관한 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 바이패스 회로를 갖춘 매우 낮은 온도의 냉장 시스템을 도시한 도면,

도 2는 도1의 냉장 시스템에 사용되는 본 발명에 의한 냉장 처리장치를 부분적으로 도시한 도면,

도 3은 도1의 냉장 시스템에 사용되는 본 발명에 의한 해동 바이패스 루프를 부분적으로 도시한 도면,

도 4는 도1의 냉장 시스템에 사용되는 본 발명에 의한 해동 공급루프를 부분적으로 도시한 도면,

도 5는 도1의 냉장 시스템에 사용되는 본 발명에 의한 다른 해동 공급루프를 부분적으로 도시한 도면,

도 6은 본 발명에 의한 가변 분류밸브(shunt valve)를 갖춘 냉장 시스템의 압축기 측을 부분적으로 도시한 도면,

도 7은 본 발명에 의한 가열 교환기를 갖춘 도1에 도시된 바와 같은 냉장 시스템의 고압측을 부분적으로 도시한 도면,

도 8은 본 발명에 의한 도1의 냉장시스템의 고압측의 다른 실시예를 부분적으로 도시한 도면.

본 발명은 단일 증발기(Evaporator)를 이용하여 -150℃에서 오랜 기간 냉장시킬 수 있고 +130℃에서 오랜 기간 가열할 수 있는 제어되는 매우 낮은 온도의 냉장 시스템을 제공한다. 긴 해동 모드(defrost mode) 동안, 매우 낮은 온도의 냉장 시스템에서는 해동 가스가 연속적으로 냉장 처리 장치로 복귀할 수 없다. 그러나 본 발명의 매우 낮은 온도의 냉장 시스템에서는 복귀시 바이패스(return bypass)가 가능하므로 냉장 처리의 과부하(과도한 압력)을 방지함으로써 해동 주기가 연속적으로 동작하도록 할 수 있다. 냉각 모드에서는, 냉각 표면이 냉각되는 동안 해동 복귀 바이패스를 사용할 수 있어 복구 주기가 보다 짧아지게 된다. 본 발명의 매우 낮은 온도의 냉장 시스템은 각각의 해동주기 후의 복구 주기가 짧기 때문에 전체 처리시간을 줄일 수 있다. 또한, 냉각 또는 해동하는 동안 온도 변화의 속도가 개방루프(open loop)(즉, 제어장치 피드백 없이)로 제어되는 경우 본 발명의 매우 낮은 냉장 시스템에는 제어되는 흐름(flow)이 존재한다. 또한, 본 발명의 매우 낮은 온도의 냉장 시스템은 전체 온도 스펙트럼을 사용할 수 있어 제어되는 방식으로 일정하거나 가변하는 냉각제 공급 및/또는 복귀 온도를 제공한다.

본 발명의 제어되는 매우 낮은 온도의 냉장 시스템의 장점을 보다 잘 이해하기 위해 종래의 매우 낮은 온도의 냉장 시스템을 다음에 간단하게 설명한다.

일반적으로, 종래의 매우 낮은 온도의 냉장 시스템은 코일 또는 스테인레스스틸판과 같은 증발기 표면을 몇 분 안에 상온으로 녹이는 해동 기능을 가진다. 2~4분의 짧은 해동 주기는 그 해동되는 산물에 유용성을 부가하는데 이것은 냉각으로부터 해동되는데 필요한 짧은 시간이 사용자로 하여금 장치를 유용하게 사용할 수 있게 하기 때문이다. 즉, 보다 높은 생산물 처리량(product throughput)을 가능하게 하기 때문이다.

일반적인 해동 주기에서, 증발기의 냉각제는 상온까지 해동되는데, 증발기 표면(즉, 평판 표면)과 냉각제 사이에 큰 열적 인터페이스가 없는 경우에는 코일에는 작용을 잘 하지만 다른 형태의 표면(즉, 스테인레스스틸판)에는 작용을 하지 않는다. 또한, 스테인레스스틸판은 반응시간이 길다. 해동주기가 시작되어 냉매가 상온 또는 그 이상의 온도에서 스테인레스스틸판으로부터 복귀하더라도 반응시간이 길기 때문에 스테인레스스틸판은 여전히 차갑다. 결과적으로, 스테인레스스틸판의 일부만 해동되어 해동주기가 끝나도 판은 기준보다 여전히 차갑게 된다. 따라서 보다 긴 해동주기가 필요하게 된다. 그러나 높은 방출압력으로 인해 냉장 시스템이 과부하가 걸려 정지될 수 있기 때문에 현재의 냉장 시스템의 설계에는 제한이 있어해동 주기를 연장할 수 없다. 일반적으로, 방출 측에는 안전스위치 또는 압력 해제 밸브가 설치되어 과도한 방출압력과 시스템 손상을 방지한다. 그러므로 종래의 매우 낮은 온도의 냉장 시스템의 동작 범위의 한계 안에서는 긴 해동주기(종래의 방법을 사용하는)가 불가능하다.

본 발명은 연장된 해동 동작을 제공하고 냉장 시스템에 과도한 방출압력이 인가되는 것을 방지하는 수단을 제공한다. 이를 위해, 복귀하는 따뜻한 냉각제 가스의 흐름을 냉장 처리 주위로 바이패스(bypass)시키는 방법을 사용한다. 이것의 목표는 이러한 바이패스 브랜치(branch)를 위해 표준적인 냉장 요소들을 사용하는 것이다. 그러나 이러한 표준적인 요소들은 매우 낮은 온도의 액체로의 노출에 대한 평가가 이루어지지 않았다. 매우 낮은 온도에서의 이러한 요소들의 동작은 탄성 중합체 밀봉의 파괴를 초래할 수 있고, 낮은 온도에서 합금이 무르게 되어 밸브들과 압축기 하우징의 적절한 압력 등급을 보장하는데 중요한 기계적인 특성의 손실을 초래할 수 있다. 본 발명은 이러한 표준적인 요소들을 매우 낮은 온도에 노출시키지 않으면서 어떻게 사용하는지 설명한다.

반면에, 매우 높은 온도도 요소들을 손상시킬 수 있다. 특히, 증발기가 냉장 시스템에 연결될 때 증발기에 항상 어느 정도 존재하는 냉각제와 압축기 오일은 매우 높은 온도에서 손상될 수 있다. 진공 챔버가 가열되는 동안 상기 증발기는 200℃ 이상의 온도에 노출될 수 있다. 이것은 냉각제와 오일의 최대 노출온도를 넘는 온도이다. 이러한 온도에 오래 노출되면 분자들의 화학적인 파괴가 일어난다. 그 결과물은 압축기와 같은 중요한 시스템 구성요소의 수명을 감소시키는 산을 함유하게 된다. +130℃ 또는 그 이하의 뜨거운 냉각제를 해동 모드에서 증발기를 통해 순환시키는 수단을 이용하면 증발기내의 냉각제와 오일이 온도 한계 내에서 유지되어어떠한 화학적인 분해도 방지할 수 있다.

본 발명의 다른 목적들과 장점들은 이하에서 설명될 것이다.

도 1은 본 발명에 의한 매우 낮은 온도의 냉장 시스템(100)을 나타낸다. 냉장 시스템(100)은 방출라인(110)을 통해 콘덴서(112)와 연결되는 선택적인 오일 분리기(108)의 입구와 연결된다. 콘덴서(112)는 액체 라인 출력부(116)를 통해 냉장 처리부(118)의 제1공급 입력부와 연결되는 필터 드라이어(filter drier)(114)와 연결된다. 냉장 처리부(118)는 도2에 보다 상세히 도시되어 있다. 오일 분리기는 오일이 압축기에 사용되기 위해 순환되지 않을 경우에는 필요하지 않다.

냉장 처리부(118)는 공급밸브(122)의 입구와 연결되는 냉각제 공급라인 출력부(120)를 제공한다. 공급밸브(122)에서 배출되는 냉각제는 일반적으로 -50~-250℃의 매우 낮은 온도의 고압 냉각제이다. 유량계(flow metering device;FMD)(124)는 냉각밸브(128)와 직렬로 배열된다. 이와 마찬가지로, FMD(126)는 냉각밸브(130)와 직렬로 설치된다. FMD(124)와 냉각밸브(128)의 직렬 조합은 FMD(126)와 냉각밸브(130)의 직렬 조합과 병렬로 배열된다. FMD들(124,126)의 입구들은 공급밸브(122)의 출구와 연결되는 노드에서 함께 연결된다. 또한, 냉각밸브들(128,130)의 출구는 저온 격리(cryo-isolation) 밸브(132)의 입구와 연결되는 노드에서 함께 연결된다. 저온 격리밸브(132)의 출구는 주문형(일반적으로) 증발기 코일(136)에 연결되는 증발기 공급라인 출력(134)을 제공한다.

증발기(136)의 반대측은 저온 격리 밸브(140)의 입구에 연결되는 증발기 복귀라인(138)을 제공한다. 저온 격리밸브(140)의 출구는 내부 복귀라인(142)을 통해매우 낮은 온도의 플로우 스위치(flow switch)(152)의 입구와 연결된다. 저온 플로우 스위치(152)의 출력은 복귀밸브(144)의 입구와 연결된다. 복귀밸브(144)의 출구는 냉각제 복귀라인(148)을 통해 냉장 처리부(118)의 제2입력(저압)을 공급하는 체크밸브(146)의 입구에 연결된다.

온도 스위치(TS)(150)는 체크밸브(146)와 냉장 처리부(118) 사이에서 냉각제 복귀라인(148)과 열적으로 연결된다. 또한, 각기 다른 트립 포인트(trip point)를 갖는 다수의 온도 스위치들은 내부 복귀라인(142)을 따라 열적으로 연결된다. TS(158), TS(160), TS(162)는 저온 격리밸브(140)와 복귀밸브(144) 사이에서 내부 복귀라인(142)에 열적으로 연결된다.

상기 냉장 루프는 냉장 처리부(118)의 복귀 출구에서 시작되어 압축기 흡입라인(164)을 거쳐 압축기(104)의 입구로 이어진다. 상기 압축기(104)의 입구에 인접하여 위치하는 압력 스위치(PS)(196)는 압축기 흡입 라인(164)과 공기에 의해(pneumatically) 연결된다. 또한, 오일 분리기(108)의 오일 복귀라인(109)은 압축기 흡입라인(164)과 연결된다. 상기 냉장 시스템(100)은 압축기 흡입라인(164)과 연결되는 확장탱크(192)를 더 포함한다. FMD(194)는 상기 확장탱크(192)의 입구와 압축기 흡입라인(164) 사이에 직렬로 배치된다.

냉장 시스템(100) 내의 해동 공급루프(고압)는 다음과 같이 형성된다. 즉, 공급밸브(176)의 입구는 방출라인(110)에 위치하는 노드(A)에 연결된다. 해동밸브(178)는 FMD(182)와 직렬로 배열되며, 해동밸브(180)는 FMD(184)와 직렬로 배치된다. 해동밸브(178)와 FMD(182)의 직렬조합은 해동밸브(180)와 FMD(184)의 직렬조합과 병렬로 배열된다. 해동밸브들(178,180)의 입구들은 공급밸브(176)의 출구와 연결되는 노드(B)에서 함께 연결된다. 또한, FMD들(182,184)의 출구들은 라인과 연결되는 노드(C)에서 함께 연결된다. 이 라인은 냉각밸브(128)와 저온 격리밸브(132) 사이의 노드(D)에 연결됨으로써 상기 해동 공급루프를 닫는다.

상기 냉장 시스템(100) 내의 냉각제 복귀 바이패스(저압) 루프는 다음과 같이 형성된다. 즉, 바이패스 라인(186)은 저온 플로우 스위치(152)와 복귀밸브(144) 사이의 라인에 위치하는 노드(E)에 연결된다. 바이패스 밸브(188)와 서비스 밸브(190)는 바이패스 라인(186)에 직렬로 연결된다. 상기 냉각제 복귀 바이패스 루프는 냉장 처리부(118)와 압축기(104) 사이의 압축기 흡입라인(164)에 위치하는 노드(F)와 연결되는 서비스밸브(190)의 출구에 의해 완성된다.

TS(150), TS(158), TS(160) 및 TS(162)를 제외한 냉장 시스템(100)의 모든 구성요소들은 기계적으로 그리고 수압으로 연결된다.

안전회로(198)는 압력 및 온도 스위치들과 같이 냉장 시스템(100) 내에 위치하는 다수의 제어장치들을 제어하고 이 제어장치들로부터 피드백을 받는다. PS(196), TS(150), TS(158), TS(160) 및 TS(162)는 이러한 장치들의 예이나, 설명의 단순화를 위해 도1에는 도시하지 않은 냉장시스템(100)내에 위치하는 많은 다른 감지장치들이 있다. PS(196)를 포함하는 압력 스위치들은 일반적으로 공기에 의해(pneumatically) 연결되는 반면에 TS(150), TS(158), TS(160) 및 TS(162)를 포함하는 온도 스위치들은 일반적으로 냉장 시스템(100) 내의 플로우 라인에 열적으로 연결된다. 안전회로(198)의 제어는 전기적으로 이루어진다.

상기 냉장 시스템(100)은 매우 낮은 온도의 냉장 시스템으로서 열을 제거하고 재배치하는 기본 동작은 공지이다. 본 발명의 냉장 시스템(100)은 순수 냉각제 또는 미국특허 60/214,562에 개시된 혼합 냉각제와 같은 혼합 냉각제를 사용한다.

저온 격리밸브(132,140)를 제외한 냉장 시스템(100)의 모든 구성요소들(즉, 압축기(104), 오일분리기(108), 콘덴서(112), 필터 드라이어(114), 냉장 처리부(118), 공급밸브(122), FMD(124), 냉각밸브(128), FMD(126), 냉각밸브(130), 증발기 코일(136), 복귀밸브(144), 체크밸브(146), TS(150), TS(158), TS(160), TS(162), 공급밸브(176), 해동밸브(178), FMD(182), 해동밸브(180), FMD(184), 바이패스밸브(188), 서비스밸브(190), 확장탱크(192), FMD(194), PS(196) 및 안전회로(198))은 공지의 것들이다. 또한, 저온 플로우 스위치(152)는 미국특허 60/214,560에 개시되어 있다. 그러나 이들 구성요소들에 대하여 다음에 간략하게 설명한다.

압축기(104)는 저압, 저온의 냉각제 가스를 고압, 고온의 가스로 압축하여 오일 분리기(108)로 공급하는 일반적으로 압축기이다.

오일 분리기(108)는 일반적인 오일 분리기로서, 상기 압축기(104)로부터 압축된 가스가 속도를 감소시키는 큰 분리기 챔버로 흘러 들어감으로써 원자화된 작은 오일방울들을 형성한다. 이 작은 오일방울들은 충돌 포집(impingement) 스크린 표면이나 합착 성분상에 모이게 된다. 이 작은 오일방울들이 보다 큰 입자들로 응집됨에 따라 이 입자들은 분리기 오일 저장부의 하부로 떨어져서 압축기 흡입라인(164)을 거쳐 압축기(104)로 복귀된다. 제거된 오일을 뺀 오일분리기(108)로부터의 입자들은 계속해서 노드(A)로 흘러 콘덴서(112)로 흐르게 된다.

압축기(104)로부터의 뜨거운 고압 가스는 오일 분리기(108)를 통과한 다음 콘덴서(112)를 통과하여 흐르게 된다. 콘덴서(112)는 일반적인 콘덴서로서, 열을 응결에 의해 제거하는 시스템의 부품이다. 상기 뜨거운 가스가 콘덴서(112)를 통해 흐름에 따라 콘덴서를 통과하는 공기나 물에 의해 냉각된다. 뜨거운 가스 냉각제가 냉각됨에 따라 액체 냉각제의 방울들이 코일 내에서 형성된다. 결과적으로, 상기 가스가 콘덴서(112)의 끝에 이르면, 부분적으로 응결되어 액체와 기체 상태의 냉각제가 존재하게 된다. 콘덴서(112)가 올바르게 기능하기 위해서 콘덴서(112)를 통과하는 공기나 물은 반드시 냉장 시스템의 작동 유체보다 온도가 낮아야 한다. 몇몇 특수한 응용을 위해 냉각제 혼합물은 콘덴서에서 응결이 일어나지 않도록 구성된다.

냉각제는 콘덴서(112)로부터 필터 드라이어(114)로 진행한다. 필터 드라이어(114)는 산을 생성할 수 있는 물과 같은 시스템 오염물질을 흡수하고 물리적인 여과를 제공한다. 필터 드라이어(114)로부터 냉각제는 냉장 처리부(118)로 보내진다.

냉장 처리부(118)는 단일 냉각제 시스템, 혼합 냉각제 시스템, 일반적인 냉장 처리부, 직렬 연결된(cascaded) 냉장 처리부의 개별적인 단계, 자동 냉장 캐스캐이드 싸이클 또는 클리멘코(Klimenko) 싸이클과 같은 냉장 시스템 또는 처리부일 수 있다. 상기 냉장 처리부(118)는 클리멘코에 의해 기술되는 자동 냉장 캐스캐이드 싸이클의 간략화된 형태로서 도2에 나타내었다.

도2에 도시한 냉장 처리부(118)는 몇 가지 기본적인 변형이 가능하다. 냉장 처리부(118)는 직렬연결된(cascaded) 시스템의 한 단계일 수 있는데, 여기에서 콘덴서(112)에서의 냉각제의 초기 응결은 다른 단계로부터의 낮은 온도의 냉각제에 의해 제공될 수 있다. 이와 유사하게, 냉장 처리부(118)에 의해 생성되는 냉각제는 낮은 온도의 캐스캐이드 처리부의 냉각제를 냉각시켜 액화시키는데 사용될 수 있다. 도1은 단일 압축기를 나타낸 것이다. 이와 동일한 압축 효과를 병렬로 된 두 개의 압축기를 사용하여 얻을 수 있으며 압축 처리를 직렬로 된 압축기들 또는 2단 압축기를 통해 여러 단계들로 분리될 수 있다. 이러한 변형들은 본 발명의 범위 내에서 고려될 수 있다.

도 1 내지 도 8은 하나의 증발기 코일(136)에 관한 것이다. 원칙적으로 이러한 시도는 단일 냉장 처리부(118)에 의해 냉각되는 다수의 증발기 코일들(136)에 적용될 수 있다. 이러한 구성에 있어서, 각각 독립적으로 제어되는 증발기 코일(136)은 냉각제의 공급을 제어하기 위한 별도의 밸브들과 MFD들의 세트(즉, 해동밸브(180, FMD(184), 해동밸브(178), FMD(182), FMD(126), 냉각밸브(130), FMD(124) 및 냉각밸브(128))와 바이패스를 제어하는데 필요한 밸브들(즉, 체크밸브(146) 및 바이패스 밸브(188))를 필요로 한다.

공급밸브(176)와 서비스밸브(190)는 필요할 경우 구성요소들을 분리시키는 서비스 기능을 제공하는 Superior Packless Valve(Washington, PA)와 같은 표준 다이아프램 밸브 또는 비례밸브이다.

확장탱크(192)는 가열로 인한 냉각제 가스의 증발 및 확장으로 인해 증가되는 냉각제 부피를 수용하는 냉장 시스템의 일반적인 저장소이다. 이 경우, 냉장 시스템(100)이 꺼지면, 냉각제 기체는 FMD(194)를 통해 확장 탱크(192)로 들어간다.

냉각밸브(128), 냉각밸브(130), 해동밸브(178), 해동밸브(180) 및 바이패스 밸브(188)는 Sporlan (Washington, MO) 모델 xuj인 B-6 및 B-19n 밸브와 같은 표준 솔레노이드 밸브이다. 또한, 냉각밸브들(128,130)은 폐쇄루프 피드백을 갖춘 비례밸브이거나 열확장 밸브(thermal expansion valve)이다.

체크밸브(146)는 오직 한 방향으로만 흐름이 이루어지도록 하는 일반적인 체크밸브이다. 체크밸브(146)는 자신에게 가해지는 냉각제 압력에 따라 열리고 닫힌다. (체크밸브(146)에 대한 부가적인 설명은 다음과 같다.) 이 체크밸브는 매우 낮은 온도에 노출되기 때문에 이 매우 낮은 온도에 적합한 물질도 만들어야 한다. 그리고 체크밸브는 적절한 압력 등급을 가져야 한다. 또한, 체크밸브는 냉각제가 누출될 수 있는 봉합부를 갖지 않는 것이 바람직하다. 따라서 체크밸브는 납땜(brazing) 또는 용접(welding)에 의해 접속되어야 한다. 체크밸브의 일예로 Check-All 밸브(West Des Moines, IA)의 UNSW 체크밸브가 있다.

FMD(124), FMD(126), FMD(182), FMD(186) 및 FMD(196)은 모세관, 구멍(orifice), 피드백을 갖춘 비례밸브 또는 흐름을 제어하는 제한 요소와 같은 일반적인 유량계이다.

공급밸브(122), 저온 격리 밸브(132,140) 및 복귀 밸브(144)는 Superior Valve사에서 제조되는 것과 같은 표준 다이아프램 밸브들이다. 그러나 작은 양의얼음이 쌓여 동작을 방해하기 때문에 표준 다이아프램 밸브는 매우 낮은 온도에서 동작하기 어렵다. Polycold (San Rafael, CA)는 매우 낮은 온도의 냉장 시스템(100)의 저온 격리밸브(132,140)에 사용되는 매우 낮은 온도의 차단밸브를 개발하였다. 저온 격리밸브(132,140)의 다른 실시예를 다음에 설명한다. 저온 격리밸브(132,140)는 질소나 공기가 채워진 밀봉된 스테인레스스틸 튜브에 담긴 확장 샤프트를 가진다. 상기 샤프트가 회전함에 따라 샤프트의 따뜻한 쪽의 압축 부재 및 O링에 의해 밀봉된다. 결과적으로, 저온 격리밸브(132,140)의 샤프트는 배우 낮은 온도에서도 회전할 수 있다. 이러한 샤프트 배열은 열적 격리를 제공함으로써 서리의 생성을 방지한다.

가열되거나 냉각되는 증발기 표면은 증발기 코일(136)로 나타내었다. 주문형 증발기 코일(136)의 예로서 열적으로 접합된 튜브 또는 기계 가공된 냉각제 플로우 채널을 가진 스테인레스스틸 테이블과 같은 금속관 또는 판으로 된 코일이 있다. 증발기는 본 발명의 신규 부분이 아니다. 따라서 증발기가 "주문형"이든지 다른 형태의 것이든지 본 발명에서는 중요하지 않다.

도 2는 예시적인 냉장 처리부(118)를 도시한 것이다. 설명을 위해 본 명세서에서 냉장 처리부(118)는 자동 냉장 캐스캐이드 싸이클로서 도 2에 도시하였다. 그러나 매우 낮은 온도의 냉장 시스템(100)의 냉장 처리부(118)는 단일 냉각제 시스템, 혼합냉각제 시스템, 일반적인 냉장 처리부, 직렬연결된 냉장 처리부들의 개별적인 스테이지, 자동 냉장 캐스캐이드 싸이클, 클리멘코 싸이클 등과 같은 냉장 시스템 또는 처리부이다.

보다 상세히 설명하면, 냉장 처리부(118)는 Polycold 시스템(즉, 자동냉장 캐스캐이드 처리부), 단일 확장장치(즉, 상 분리가 없는 단일 스테이지 저온냉각기, Longsworth 특허 5,441,658)를 갖춘 APD 저온(Allentown, PA) 시스템, Missimer형 싸이클(즉, 자동냉장 캐스캐이드, Missimer 특허 3,768,273), Klimenko형 (즉, 단일 상 분리기 시스템)일 수 있다. 또한, 냉장 처리부(118)는 Forrest 특허 4,597, 267 및 Missimer 특허 4,535,597에 기술된 것과 같은 상기 처리장치의 변형일 수 있다.

본 발명에 있어서 중요한 것은 사용되는 냉장 처리부가 해동 모드에서 냉장 처리부를 통해 냉각제를 흐르게 하는 적어도 하나의 수단을 가져야 한다는 것이다. 단일 확장 장치 냉각기 또는 단일 냉각제 시스템의 경우, 냉각제가 고압측에서 저압측으로 냉장 처리부를 통해 흐르게 하기 위해 밸브(도시하지 않음) 및 FMD(도시하지 않음)가 필요하다. 이에 따라 냉각제가 콘덴서(112)를 통해 흐름으로써 시스템으로부터 열이 제거된다. 또한, 해동모드 동안 냉장 처리부(118)로부터의 낮은 압력의 냉각제가 라인(186)으로부터 복귀하는 해동 냉각제와 혼합된다. 안정화된 냉각 모드에서, 고압측으로부터 저압측으로의 내부 흐름은 원하는 냉장효과를 얻기 위해 내부의 냉각제 흐름경로를 필요로 하지 않는 냉장 처리부(단일 FMD를 갖춘 일반적인 시스템)에 대하여 상기 밸브를 닫음으로써 정지시킬 수 있다.

도 2의 냉장 처리부(118)는 열교환기(202), 상 분리기(204), 열교환기(206) 및 열교환기(208)를 구비한다. 공급 흐름 경로에서, 액체라인(116)을 흐르는 냉각제는 열교환기(202), 상 분리기(204), 열교환기(206), 열교환기(208)를 통해 냉각제 공급라인(120)으로 공급된다. 복귀 흐름 경로에서, 냉각제 복귀라인(148)은 열교환기(208)에 연결되고, 열교환기(208)는 열교환기(206)로 연결된다. 상기 상 분리기에 의해 제거되는 액체 부분은 FMD(210)에 의해 낮은 압력으로 확장된다. 냉각제는 FMD(210)으로부터 흘러 나와 상기 열교환기(208)로부터 열교환기(206)로 흐르는 저압의 냉각제와 혼합된다. 이 혼합된 냉각제는 열교환기(206)로 흐른 다음 열교환기(202)를 거쳐 압축기 흡입라인(164)으로 공급된다. 상기 열교환기들은 고압 냉각제와 저압 냉각제 사이의 열을 교환시킨다.

보다 정교한 냉장 캐스캐이드 시스템에서는 Missimer와 Forrest에 의해 기술된 바와 같이 냉장 처리부(118)에 부가적인 분리 스테이지를 이용할 수 있다.

열교환기들(202,206,208)은 하나의 물질에서 다른 물질로 열을 전달하기 위한 당 분야에서의 공지의 장치이다. 상 분리기(204)는 냉각제의 액체상태와 기체상태를 분리시키기 위한 당 분야에서의 공지의 장치이다. 도2는 하나의 상 분리기를 도시하였으나, 하나 이상이 존재할 수도 있다.

계속해서 도 1 및 도 2를 참조하면, 극저온 냉장 시스템(100)의 동작은 다음과 같다.

압축기(104)로부터의 뜨거운 고압 가스가 선택적인 오일 분리기(108)를 통과한 후, 콘덴서(112)를 거침으로써 콘덴서를 통과하는 공기나 물에 의해 냉각된다. 상기 가스가 콘덴서(112)의 끝에 도달하면, 부분적으로 응결되어 액체 냉각제와 기체 냉각제의 혼합물이 된다.

콘덴서(112)로부터의 액체 및 기체 냉각제는 필터 드라이어(114)를 통해 흐른 후, 냉장 처리부(118)로 공급된다. 극저온 냉장 시스템(100)의 냉장 처리부(118)는 일반적으로 고압에서 저압으로의 내부 냉각제 흐름 경로를 가진다. 냉장 처리부(118)는 고압의 매우 차가운 냉각제(-100~-150℃)를 생성하는바, 이 냉각제는 냉각제 공급라인(120)을 거쳐 차가운 가스 공급밸브(122)로 흐른다.

상기 차가운 냉각제는 공급밸브(122)에서 방출되어 FMD(126)와 제한된 플로우 냉각밸브(130)의 직렬조합과 병렬로 배열된 FMD(124)와 풀플로우(full flow) 냉각밸브(128)의 직렬조합으로 공급된다. 여기서, 냉각밸브(128,130)의 출구들은 저온 격리밸브(132)의 입구와 연결되는 노드(D)에서 서로 연결된다.

주문자(customer)는 차단밸브로 작용하는 저온 격리밸브(132)와 저온 격리밸브(140) 사이에 증발기 코일(136)을 연결한다. 구체적으로, 저온 격리밸브(132)는 가열되거나 냉각될 증발기 표면, 즉, 증발기 코일(136)과 연결되는 증발기 공급라인(134)에 연결된다. 가열되거나 냉각될 증발기 표면, 즉, 증발기 코일(136)의 반대편은 저온 격리밸브(140)의 입구와 연결되는 증발기 복귀라인(138)과 연결된다.

증발기 코일(136)로부터 복귀하는 냉각제는 저온 격리밸브(140)를 거쳐 극저온 플로우 스위치(152)로 흐른다.

저온 플로우 스위치(152)의 출구로부터 방출되는 복귀 냉각제는 복귀밸브(144)를 거쳐 체크밸브(146)로 흐른다. 체크밸브(146)는 1~10psi의 일반적인 크랙킹 압력을 갖는 스프링이 달린 저온 체크밸브이다. 체크밸브(146)에 대한 차압(differential pressure)은 흐름을 허용하는 크랙킹 압력보다 높아야 한다. 또한, 체크밸브(146)는 압력 감소를 최소화하기에 충분한 크기의 저온 온/오프 밸브또는 저온 비례밸브이다. 체크밸브(146)의 출구는 냉각제 복귀라인(148)을 통해 냉장 처리부(118)로 연결된다. 체크밸브(146)는 본 발명의 냉장 시스템(100)의 동작에서 중요한 역할을 한다.

공급밸브(122)와 복귀밸브(144)는 선택적인 것으로 저온 격리밸브(132)와 저온 격리밸브(140)로 대체될 수 있다는데 주목해야 한다. 그러나 공급밸브(122)와 복귀밸브(144)는 필요할 경우 구성요소들을 격리시키는 서비스 기능을 제공한다.

극저온 냉장 시스템(100)은 확장된 해동 주기(즉, 베이크아웃(bakeout))에 의해 종래의 냉장 시스템과 차별화된다. 극저온 냉장 시스템(100)이 종래의 냉장 시스템과 구별되는 특징은 냉장 처리부(118)로 이어지는 복귀 경로에 체크밸브(146)가 존재한다는 점과 냉장 처리부(118)를 우회하는 노드(E)에서 노드(F)로의 복귀 바이패스 루프가 존재한다는 점이다.

체크밸브(146)가 존재하지 않는 종래의 냉장 시스템의 경우, 복귀되는 냉각제는 (냉각 또는 해동 모드에서) 직접 냉장 처리부(118)로 흐른다. 그러나 해동 주기동안, 냉장처리부로 복귀되는 냉각제의 온도가 해동 주기의 최종 온도인 +20℃에 도달하면 냉장 처리부(118)는 동작이 끝나게 되는 것이 일반적이다. 이때, +20℃의 냉각제는 냉장 처리부(118) 내에서 매우 차가운 냉각제와 혼합된다. 상온과 매우 낮은 온도의 냉각제가 냉장 처리부(118)에서 혼합되면 너무 많은 열이 부가되어 냉장 처리부(118)에 과부하가 걸리기까지 짧은 시간밖에는 냉장처리부(118)가 버틸 수 없다. 냉장 처리부(118)는 따뜻한 복귀 냉각제가 들어오면 저온의 냉각제를 생성하기 위해 긴장하여 결국에는 동작 한계를 넘어 그 자신을 보호하기 위해 안전시스템(198)에 의해 차단되게 된다. 결과적으로, 종래의 냉장 시스템에서의 해동 주기는 약 2~4분으로 제한되며 최대 냉각제 복귀온도는 약 +20℃로 제한된다. 그러나 본 발명의 극저온 냉장 시스템(100)은 냉장 처리부(118)로의 복귀 경로에 체크밸브(146)를 가지며, 냉장 처리부(118) 주위에 노드(E)에서 노드(F)로 바이패스 라인(186), 바이패스 밸브(188) 및 서비스 밸브(190)를 거쳐 이어지는 복귀 바이패스 루프를 가지기 때문에 해동주기 동안 복귀되는 따뜻한 냉각제에 대한 다른 반응이 가능하게 된다. 공급밸브(122)와 복귀밸브(144)와 마찬가지로 서비스밸브(190)는 필수 구성요소가 아니나, 필요할 경우 구성요소들을 분리시키는 서비스 기능을 제공한다.

해동주기 동안, 차가운 냉각제와 혼합되는 따뜻한 냉각제로 인해 냉장 처리부(118)내의 복귀 냉각제 온도가 예컨대 -40℃ 이상이 되면, 노드(E)에서 노드(F)로 이어지는 바이패스 라인이 냉장 처리부(118) 주위에서 오픈된다. 결과적으로, 상기 따뜻한 냉각제는 압축기 흡입라인(164)으로 흘러 들어가 압축기(104)로 흐르게 된다. 바이패스 밸브(188)와 서비스밸브(190)는 TS(158), TS(160) 및 TS(162)의 작용에 의해 오픈된다. 예를 들면, TS(158)는 -25℃ 이상의 세트포인트를 갖는 "해동 플러스 스위치"로 동작한다. TS(160)(선택적임)는 42℃이상의 세트포인트를 갖는 "해동 종료 스위치"로 동작한다. TS(162)는 -80℃ 이상의 세트포인트를 갖는 "냉각 복귀 제한스위치"로 동작한다. 일반적으로, TS(158), TS(160) 및 TS(162)는 어느 밸브를 턴온 또는 턴오프시켜 냉장 시스템(100)에 의해 가열 또는 냉각되는 속도를 조절할지를 제어하기 위해 복귀라인의 냉각제의 온도와 동작모드(즉, 해동또는 냉각 모드)에 따라 반응한다. 몇몇 응용들은 연속적인 해동 동작을 필요로 한다. 이 경우, 해동모드의 연속적인 동작이 필요하기 때문에 TS(162)는 해동모드를 종료시킬 필요가 없다.

상기 동작에 있어서 중요한 점은 바이패스 밸브(188)와 서비스밸브(190)를 통한 흐름이 있는 경우, 노드(E)와 노드(F) 사이의 차압(differential pressure)이 체크밸브(146)에 대한 차압이 크랙킹 압력(즉, 5~10psi)을 넘지 않도록 해야한다는 것이다. 이것은 액체가 최소저항의 경로를 취하기 때문에 중요하며, 따라서 상기 흐름은 정확하게 균형이 이루어져야 한다. 바이패브 밸브(188)와 서비스밸브(190)에 대한 압력이 체크밸브(146)의 크랙킹 압력을 초과할 경우, 흐름은 체브밸브(146)를 통해 시작된다. 이것은 따뜻한 냉각제가 압축기 흡입라인(164)과 압축기(104)로 들어감과 동시에 냉장 처리부(118)로 다시 흐르기 시작하기 때문에 바람직하지 않다. 체크밸브(146)와 노드(E)에서 노드(F)로 이어지는 바이패스 루프를 통해 동시에 흐름이 있으면 냉장 시스템(100)이 불안정하게 되어 런어웨이 모드를 초래하게 된다. 런어웨이 모드에서는 모든 것의 온도가 올라가고, 최고 압력(압축기 방출)이 높아지며 흡입 압력도 높아져 냉장 처리부(118)로 더 많이 흐르게 되고, 노드(E)에서의 압력은 더욱 높아져 결국에는 냉장 시스템(100)의 차단을 초래하게 된다.

이러한 조건은 흡입 압력이 소정의 값을 초과할 경우 냉장 처리부로의 고온 가스의 흐름을 중지시키기 위해 PS(196)와 같은 장치를 사용하면 방지할 수 있다. 냉장 시스템(100)의 질량 유량은 주로 흡입 압력에 의존하므로 이것은 안전한 범위에서 유량을 제한하는 효과적인 수단이 된다. 흡입 압력이 소정 한계 이하로 떨어지면, PS(196)는 리셋되어 해동 동작이 재개시되도록 한다.

따라서 냉장 시스템(100)의 해동주기 동안의 적절한 동작을 위해서는 바이패스 밸브(188)와 서비스밸브(190) 및 체크밸브(146)의 플로우 밸런스(flow balance)를 주의하여 조절함으로써 유체 저항의 적절한 균형을 제공한다. 플로우 밸런스와 관련된 설계 파라미터에는 파이프 크기, 밸브 크기 및 각각의 밸브의 유량계수가 포함된다. 또한, 흡입측(저압)에서의 냉장 처리부(118)에서의 압력 저하는 처리시마다 달라질 수 있으므로 결정할 필요가 있다. 냉장 처리부(118)에서의 압력 저하와 체크밸브(146)의 크랙킹 압력을 더한 압력은 노드(E)에서 노드(F)로 이어지는 해동 복귀 바이패스 라인이 견딜 수 있는 최대압력이다.

바이패스 밸브(188)와 서비스밸브(190)는 해동주기가 되었을 때 즉시 오픈되지 않는다. 바이패스 흐름이 시작되는 시간은 TS(158), TS(160) 및 TS(162)의 세트포인트들에 의해 결정됨으로써 복귀하는 냉각제의 온도가 보다 정상적인 수준에 도달할 때까지 상기 흐름은 지연된다. 이에 따라 -40℃ 이상의 온도에 대해 설계된 보다 표준적인 구성요소들을 사용할 수 있으며 -40℃ 이하의 온도를 위해 설계된 비싼 구성요소들을 사용할 필요가 없게 된다.

TS(158), TS(160) 및 TS(162)의 제어에 의해 압축기 흡입라인(164)의 노드(F)로 복귀되어 냉장 처리부(118)로부터의 흡입 복귀 가스와 혼합되는 액체의 냉각제 온도가 설정된다. 이 냉각제 혼합물은 압축기(104)로 흐른다. 예상되는 압축기(104)에 대한 복귀 냉각제의 온도는 -40℃ 이상이다. 따라 압축기(104)의 동작범위 내에서 노드(E)에서의 -40℃ 이상의 액체는 허용 가능하다. 이것은 TS(158), TS(160) 및 TS(162)의 세트포인트들을 선택할 때 또다른 고려사항이 된다.

TS(158), TS(160) 및 TS(162)의 세트포인트들을 선택하는데는 두 가지 제한이 존재한다. 첫째, 해동 바이패스 복귀 냉각제의 온도는 냉장 처리부(118)가 높은 방출압력으로 인해 차단되는 온도와 같은 높은 온도로 선택될 수 없다. 둘째, 해동 바이패스 복귀 냉각제의 온도는 바이패스 라인(186)을 흐르는 복귀 냉각제가 바이패브 밸브(188)와 서비스밸브(190)가 견딜 수 있는 것보다 낮아질 만큼 저온이 될 수 없다. 또한, 복귀되는 냉각제는 냉장 처리부(118)의 복귀 냉각제와 노드(F)에서 혼합되면 압축기(104)의 동작 한계 이하로 될 수 없다. 노드(E)에서의 일반적인 크로스오버 온도는 -40℃에서 +20℃ 사이이다.

요약하면, 냉장 시스템(100)에서의 해동주기의 복귀 흐름은 해동주기 동안 해동가스가 연속적으로 냉장 처리부(118)로 되돌아갈 수 없도록 한다. 그 대신에 냉장 시스템(100)은 복귀 바이패스(노드(E)에서 노드(F)까지)로 하여금 냉장 처리부(118)의 과부하를 방지하도록 함으로써 해동주기가 연속적으로 동작하도록 한다. TS(158), TS(160) 및 TS(162)는 노드(E)에서 노드(F)로 이어지는 해동 복귀 바이어스를 오픈시키도록 제어한다. 냉각모드에서 일단 저온이 되면 노드(E)에서 노드(F)로 이어지는 상기 해동 복귀 바이어스는 허용되지 않는다.

도1을 참조하여 해동주기 공급경로에 대하여 다음에 설명한다. 해동주기 동안, 압축기(104)로부터의 고온의 고압가스는 선택적인 오일 분리기(108) 아래에 위치하는 방출라인(110)의 노드(A)를 통해 흐른다. 노드(A)에서의 상기 고온 가스의온도는 80℃에서 130℃ 사이이다.

해동 바이패스 냉장 처리(118)를 위한 노드(A)에서의 상기 고온 가스는 솔레노이드 해동밸브(178) 또는 솔레노이드 해동밸브(180)를 열고 밸브들(128,130)를 잠금으로써 가스의 흐름을 전환시킴에 따라 콘덴서(112)로 들어가지 않게 된다. 도1에서 설명한 바와 같이 해동밸브(178)는 FMD(182)와 직렬로 배치되고, 해동밸브(180)는 FMD(184)와 직렬로 배치된다. 해동밸브(178)와 FMD(182)의 직렬조합은 해동밸브(180)와 FMD(184)의 직렬조합과 노드(B)와 노드(C) 사이에서 병렬로 배열된다. 해동밸브(178) 또는 해동밸브(180)와 그와 관련된 FMD는 플로우 조건에 따라 병렬로 또는 각각 분리되어 동작될 수 있다.

노드(A)에서 노드(D)에 이르는 바이패스가 오픈되면 바이패스 가스의 흐름이 전체적인 압축기 열을 증발기 코일(136)로 전송하지 못한다는 것은 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 것이다. 그러므로 고온에서 노드(A)에 도달되는 압축기 방출가스의 일부는 콘덴서(112)를 반드시 통과해야 한다. 이 압축기 방출가스의 일부는 콘덴서에서 냉각되어 냉장 처리부(118)내에 위치하는 내부 쓰로틀(throttle)장치를 경유하여 압축기로 되돌아간다. 상기 도시되지 않은 내부 쓰로틀 장치는 콘덴서로 하여금 압축기(104)로부터의 열을 발산시키도록 한다. 콘덴서가 열을 발산시키지 않으면, 압축기에 의해 시스템에 작업이 계속 이루어지기 때문에 냉장 시스템이 빠르게 과열된다.

각각이 냉장 시스템(100)의 노드(B)와 노드(C) 사이에서 FMD와 직렬로 연결되는 해동밸브를 갖는 병렬 경로들의 개수는 도1에 나타낸 바와 같이 2개로 제한되지 않는다는데 주목해야 한다. 다수의 흐름 경로들이 노드(B)와 노드(C) 사이에 존재함으로써 병렬 경로 조합의 선택에 의해 원하는 유량을 결정할 수 있도록 한다. 예를 들면, 10% 흐름 경로, 20% 흐름 경로, 30% 흐름 경로 등이 있을 수 있다. 바이패스 밸브(188)를 경유하는 노드(E)에서 노드(F)로 이어지는 복귀 바이패스 루프게 존재할 경우, 원하는 시간동안 노드(C)로부터의 흐름은 노드(D)로 진행한 후, 저온 격리밸브(132)를 거쳐 주문자의 증발기 코일(136)로 가게 된다. 노드(A)에서 노드(D)로 이어지는 해동 공급 루프는 종래의 냉장 시스템에서 사용되는 표준 해동루프이다. 그러나 해동밸브(178), 해동밸브(180) 및 이들과 관련된 FMD들을 추가하는 데에 흐름 제어가 가능한 본 발명의 냉장 시스템(100)의 고유한 특징이 있다. 또한, 해동밸브들(178,180) 자체가 충분한 유량계로서 유량제어장치, 즉, FMD(182) 및 FMD(184)가 필요없게 된다.

도 1을 참조하여 냉각주기 동안의 상기 해동 복귀 바이패스 루프의 사용에 대해 다음에 설명한다. 냉각모드에서, 바이패스밸브(188)는 닫혀진다. 따라서 고온의 냉각제는 냉장 처리부(118)를 통해 노드(E)에서 노드(F)로 흐르게 된다. 그러나 냉각제 복귀라인(142)상에서의 냉각제의 온도를 모니터링함으로써 노드(E)에서의 냉각제의 온도가 높지만 감소하고 있는 경우 냉각모드의 초기단계에서 바이패스 밸브(188)가 오픈되도록 할 수 있다. 해동 복귀 바이패스 루프가 동작되도록 함으로써 이 기간동안 냉장 처리부(118)로 부하가 더 이상 걸리는 것을 방지하도록 할 수 있다. 노드(E)에서의 냉각제 온도가 상기 크로스오버 온도(즉, -40℃이상)에 도달하면, 바이패스 밸브(188)는 닫힌다. 바이패스 밸브(188)는 냉각모드와 베이크아웃에 대하여 각기 다른 세트포인트들을 사용하여 오픈시킨다.

냉각주기에 있어서, 냉각밸브(128)와 냉각밸브(130)는 약 1분의 주기를 갖는 "초퍼"회로(도시하지 않음)를 사용하여 온/오프(pulsed) 동작을 하도록 할 수 있다. 이것은 냉각모드 동안의 변화율을 제한하는데 유용하다. 냉각밸브(128)와 냉각밸브(130)는 서로 다른 크기의 FMD를 가진다. 따라서 냉각밸브(128)와 냉각밸브(130)를 통하여 경로 제한이 다르므로 오픈루프 방식으로 흐름이 조정된다. 상기 경로는 필요에 따라 선택된다. 하나의 흐름 경로가 완전히 오픈되고 다른 경로는 온/오프 동작을 할 수 있다.

이하에서 설명될 제2실시예 내지 제6실시예는 해동 바이패스 복귀기능에 관한 본 발명의 냉장 시스템(100)의 변형들을 나타낸다.

제2실시예(도시하지 않음)에 있어서, 노드(E)와 바이패스밸브(188) 사이의 바이패스 라인(186)에 부가적인 히터 또는 열교환기가 위치한다(도1). 이 부가적인 히터 또는 열교환기는 바이패스 라인(186)에서의 냉각제 온도가 바이패스 밸브(188) 및/또는 서비스밸브(190)의 동작 한계보다 낮아지는 것이 방지되도록 냉각제 온도를 제어한다. 상기 열교환기는 물을 냉각시키는 과정을 포함한 다른 과정과 열을 교환할 수 있다. 물을 냉각하는 경우, 물이 얼지 않도록 제어해야 한다.

제3실시예(도시하지 않음)에 있어서, 바이패스 밸브(188)와 서비스밸브(190)를 위하여 표준적인 2 위치(열림/닫힘) 밸브 또는 비례밸브(도1)를 이용하지 않고 바이패스밸브(188)와 서비스밸브(190)를 위해 저온을 위해 조정되는 밸브를 사용한다. 저온 밸브의 일예는 뱃지미터 리서치 밸브(Badgemeter Research valve)이다.이러한 비례밸브는 열고 닫히는 방식으로 동작한다. 또한, 비례 콘트롤러에 의해 제어될 경우에는 비례하는 식으로 동작한다.

제4실시예(도시하지 않음)에 있어서, 상기 제3실시예에서 설명한 바와 같이 저온 바이패스밸브(188)(도1)와 저온 서비스밸브(190)는 모세관, 구멍(orifice), 피드백을 갖춘 비례밸브 또는 흐름을 제어하는 제한 요소와 같은 종래의 유량계와 직렬로 사용된다. 유량은 FMD(184) 또는 FMD(182)에서 매우 천천히 계량되므로 해동 복귀 바이패스 루프를 통한 흐름은 노드(F)에 나타나는 혼합물이 압축기(104)의 한계 내에 있도록 이루어진다. 상기 해동 복귀 바이어스 루프로부터의 냉각제의 흐름은 매우 작아서 노드(F)의 온도를 저하시키는데 거의 영향을 미치지 않는다.

제5실시예(도시하지 않음)에서는 상기 제3실시예에서 기술한 바와 같은 저온 바이패스밸브(188)(도 1 참조)와 저온 서비스밸브(190)가 사용된다. 또한, 히터 또는 열교환기가 복귀 냉각제를 가열하기 위한 목적으로 노드(F)와 서비스밸브(102) 사이의 압축기 흡입라인(164)에 위치한다.

도 3은 본 발명의 냉장시스템(300)의 해동 복귀 바이패스 루프에 의한 제6실시예를 도시한 것이다. 본 실시예에 있어서, 복귀밸브들이 해동 냉각제의 흐름이 냉장 처리부(118)의 여러 가능한 위치들 중의 하나로 복귀되도록 배열된다. 일예로서, 도 3의 냉장시스템(300)은 바이패스 밸브(302)와 바이패스밸브(304) 및 바이패스밸브(306)를 포함하며, 이 밸브들의 입구들은 바이패스밸브(188)를 따라 노드(E)에 연결되는 바이패스라인(186)에 수압에 의해 연결된다. 바이패스밸브들(302,304,406)의 출구들은 복귀 냉각제의 온도에 따라 냉장처리부(118) 내의 각기 다른 지점으로 연결된다. 도 3에 도시하지는 않았으나, 서비스밸브가 바이패스밸브들(302,304,306)과 직렬로 삽입될 수도 있다. 도 3에 도시되지 않은 냉장시스템의 부분들은 도 1과 유사하다.

상기와 같은 바이패스밸브들(302,304,306)의 배열에 의하면, 냉장 처리부(118)에 의해 처리될 수 있는 적절한 온도에서 복귀 가스가 냉장 처리부(118)로 다시 주입되게 된다. 냉장 처리부(118)의 동작 온도는 전체 온도 스펙트럼을 -150℃~상온으로 확장시킨다. 냉각제의 흐름은 바이패스 냉각제 흐름의 온도와 대등한 냉장 처리부(118)내의 여러 가능한 위치들 중의 하나로 복귀된다. 따라서 바이패스밸브들(302,304,306) 또는 바이패스밸브(188)는 바이패스 냉각제 온도에 따라 선택적으로 오픈된다. 결과적으로, 압축기 흡입라인(164)의 노드(F)에서의 복귀 냉각제 온도는 압축기(104)의 적절한 동작범위에서 유지된다.

상기 제6실시예는 이미 존재하는 열교환기를 사용하므로 제5실시예보다 바람직하다. 냉장시스템(300)의 제6실시예는 제5실시예의 부가적인 히터 또는 열교환기를 필요로 하지 않는다.

상기한 밸브들의 배열은 해동이 완료된 후 냉각과정 동안 이용할 수 있다. 복귀하는 냉각제를 온도가 유사한 냉장 처리부(118)의 일부분으로 전달함으로써 냉장 시스템(100)에 가해지는 열부하를 감소시킨다. 이에 따라 밸브들(302,304,306) 없이도 도 1에 도시한 것보다 더 빠르게 증발기 코일(136)을 냉각시킬 수 있다.

이하에서 설명할 제7실시예 내지 제14실시예는 정상적인 해동 공급기능에 관한 냉장시스템(100)의 변형을 나타낸다.

도 4(제7실시예)는 변형된 냉장시스템(100)의 해동 공급루프를 도시한 것이다. 본 실시예에서, 도 4의 냉장시스템(400)은 노드(C)와 노드(D) 사이에 직렬로 삽입된 부가적인 열교환기(402)를 포함한다. 이 열교환기(402)는 통상적인 열교환기 또는 히터이다.

몇몇 응용들에 있어서, 냉각제가 공급되는 증발기 코일(136)은 특정한 최소의 증가된 온도에 있어야 한다. 그러나 해동밸브(178)와 해동밸브(180) 및 이들과 관련된 FMD들(182,184)은 확장되는 가스로 인해 냉각제 온도가 저하되도록 한다. 결과적으로, 냉각제가 공급되는 증발기 코일(136)의 온도는 약 10℃ 만큼 떨어지게 된다. 이를 보상하기 위해 열교환기(402)가 노드(C)와 노드(D) 사이에 삽입되어 가스를 재가열한다. 열교환기(402)가 콘트롤이 없으면 단순히 압축기(104)의 방출라인(11)과 FMD(182) 또는 FMD(184)로부터의 가스 사이에 열을 교환시켜 해동가스를 가열한다. 열교환기(402)가 히터이면, 히터에서 방출되는 온도를 조정하는데 콘트롤이 사용된다.

도 5(제8실시예)는 냉장시스템(100)의 해동 공급루프의 또 다른 변형을 나타낸 것이다. 본 실시예에서, 도5의 냉장시스템(500)은 상기 제7실시예의 열교환기(402)와 병렬로 배치되는 바이패스밸브(502)를 포함한다. 이 바이패스밸브(502)는 일반적인 비례밸브이다.

열교환기가 가스를 가열하는 콘트롤을 가지지 않은 상기 제7실시예와는 달리 제8실시예에서의 바이패스밸브(502)는 압축기(104)의 방출가스와 교환되는 열의 양의 조정하여 원하는 냉각제 온도를 달성하는 방법을 제공한다. 냉각제는 흐름을 제어하는 바이패스 밸브(502)를 경유하여 바이패스 열교환기(402)로 흐름으로써 냉각제 온도가 조정된다. 또한, 바이패스밸브(502)는 각기 다른 시간길이에 대해 온 또는 오프되는 "쵸퍼" 밸브일 수 있다.

도 6은 냉장시스템(100)의 또 다른 변형(600)(제9실시예)을 나타낸 것으로, 압축기(104)의 방출라인(110)과 압축기 흡입라인(164) 사이에 가변 분류밸브(602)가 삽입된 것이다. 본 실시예에 있어서, 압축기 흡입온도는 방출 온도를 제어하는 방식으로 조정된다. 상기 가변 분류밸브(602)는 방출 흐름이 압축기(104)와 연결되는 압축기 흡입라인(164)으로 직접 되돌아가게 한다. 해동 공급루프의 FMD(182) 또는 FMD(184)로부터의 온도 센서(도시하지 않음)는 상기 가변 분류밸브(602)에 피드백을 제공하여 그 유량을 제어한다.

제9실시예를 제7실시예 및 제8실시예와 조합하여 사용하면, 제7실시예 및 제8실시예의 열교환기(402)가 +80~130℃의 온도를 갖는 방출 가스와 열을 교환하기 때문에 제어할 온도는 방출 온도 그 자체가 될 수 있다. 따라서 노드(D)에서 해동 공급루프로부터 방출된 후 증발기 코일(136)로 흐르는 냉각제의 온도는 +80~130℃가 될 수 있다.

도 7은 냉장시스템(100)의 다른 변형(제10실시예)을 도시한 것이다. 본 실시예에서는 압축기(104)로부터의 방출가스 대신에 냉장 처리부(118)로부터 곧바로 방출되는 다른 조성의 냉각제 혼합물이 해동 공급루프로 공급된다.

예를 들면, 도 7의 냉장시스템(700)은 냉장 처리부(118)의 상 분리기(204)와 연결되는 열교환기(702)를 포함한다. 공급밸브(176)의 입구는 방출라인(110)의 노드(A)와 더 이상 연결되지 않는다. 그 대신에 열교환기(702)의 출구가 공급밸브(176)의 입구와 연결됨으로써 냉장 처리부(118)로부터 곧바로 방출되는 다른 조성의 사전가열된 냉각제 혼합물을 해동 공급루프로 제공한다.

상기 열교환기(702)는 콘트롤을 가지지 않는다. 따라서 단순히 압축기(104)의 방출라인(110)과 냉장 처리부(118)로부터의 냉각제 사이의 열을 교환시켜 냉각제를 가열한다.

증발기 코일(136)에 더욱 적합한 열역학 특성을 냉각제 혼합물이 개선시키므로 상기 제10실시예는 제7, 제8 및 제9실시예보다 바람직하다. 이러한 개선된 열역학 특성에는 동결될 수 있는 냉각제 또는 낮은 오일 농도를 갖는 냉각제의 낮은 농도가 포함된다.

요약하면, 가열된 가스를 공급하는 공급밸브(122)의 소오스는 압축기(104)의 방출라인(110)이다. 그러나, 공급밸브(122)는 고압이면서 압축기(104)의 방출라인(110)과 열을 교환하여 냉각제 온도를 요구되는 온도로 증가시키는 열교환기(702)에 의해 가열되는 상기 냉장시스템의 어떠한 냉각제 조성과도 잠재적으로 연결될 수 있다.

제11실시예(700)에서, 제10실시예의 열교환기(702)는 도7에 나타낸 바와 같이 냉장 처리부(118) 내의 하나의 소오스와 연결된다. 그러나 열교환기(702)는 온도 센서들과 밸브들을 제어하기 위한 콘트롤러를 사용하여 냉장시스템(700) 내의 각기 다른 위치들과 열을 교환함으로써 열을 교환할 위치를 선택한다.

도8은 냉장시스템(100)의 또 다른 변형(800)(제12실시예)을 도시한 것이다.본 실시예에서는 압축기(104)로부터의 방출가스 대신에 냉장 처리부(118) 내의 여러 가능한 위치들 중의 하나로부터 직접 방출되는 다른 조성의 냉각제 혼합물이 해동 공급루프로 공급된다.

예를 들면, 도 8의 냉장시스템(800)은 냉장 처리부(118) 내의 여러 가능한 위치들 중의 하나와 연결되는 열교환기(702)를 포함한다. 공급밸브(176)의 입구는 방출라인(110)의 노드(A)와 더 이상 연결되지 않는다. 그 대신에 열교환기(702)의 출구가 공급밸브(176)의 입구와 연결됨으로써 냉장 처리부(118)로부터 곧바로 방출되는 다른 조성의 사전가열된 냉각제 혼합물이 해동 공급루프로 공급된다.

열교환기(702)가 단일 소오스를 가진 제7실시예와는 달리 제12실시예의 열교환기는 다수개의 소오스와 연결된다. 도 8의 냉장시스템(800)은 밸브들(802,804,806)을 포함하며, 이 밸브들의 입구들은 냉장 처리부(118) 내의 여러 탭들 중의 하나와 수압에 의해 연결된다.

몇몇 응용들에 있어서, 증발기 코일(136)로 연결되는 냉각제는 일정한 온도로 공급되지 않고 시간에 따라 변화될 필요가 있다. 냉장 처리부(118)의 온도는 전체 온도 스펙트럼을 -150~상온(15~30℃)으로 확장시키므로 밸브들(802,804,806)의 배열에 의해 냉각제가 소정 시간에 증발기 코일(136)에서 요구되는 적절한 온도에서 냉장 처리부(118)의 고압측의 여러 탭들로부터 방출되게 된다. 온도 센서들과 밸브들을 제어하기 위해 콘트롤러를 사용함으로써 열교환기(702)로의 소오스 공급을 선택한다. 열교환기(702)로의 공급은 해동주기에서 각기 다른 시간에서 한 곳에서 다른 곳으로 이동될 수 있다. 예를 들면, 열교환기(702)로의 공급은 저온 지점에서 시작되어 해동주기 동안 점점 고온으로 진행될 수 있다.

몇몇 경우에 있어서, 열교환기(702)는 필요없게 된다. 증발기 코일(136)이 가열됨에 따라 점진적으로 가열되는 흐름이 밸브들(802,804,806)로부터 선택된다. 또한, 해동밸브(180) 또는 해동밸브(182)를 이용하여 고온 냉각제가 흐르도록 할 수 있다.

제13실시예에서는 제11 및 제12실시예의 원리와 구성요소들을 조합하여 냉장시스템(700,800)의 변형에 사용한다.

몇몇 응용들에 있어서, 증발기 코일(136)로 연결되는 냉각제는 특정 온도가 될 필요가 있다. 그러나 해동밸브(178), 해동밸브(180) 및 이들과 관련된 FMD들(182,184)은 냉각제 온도가 확장되는 가스로 인해 떨어지도록 만든다. 결과적으로, 증발기 코일(136)로 연결되는 냉각제의 온도는 약 10℃만큼 감소한다. 이를 보상하기 위해 제14실시예에서는 해동밸브(178)와 해동밸브(180)가 "쵸퍼"회로를 사용하여 온/오프되어 증발기 코일(136)로의 흐름을 조정하고 가열 변화의 속도를 제한할 수 있도록 한다. 이러한 밸브들을 위한 일반적인 주기 시간은 몇 초에서 몇 분이다.

또한, 해동밸브(178)와 해동밸브(180)는 가열 변화의 속도가 조정되도록 제어되는 비례밸브로 대체될 수 있다.

발명의 특징

요약하면, 본 발명의 제1특징은 -250℃에서 오랜 시간 냉각하고 +130℃에서 오랜 시간 가열하는 능력을 갖춘 제어되는 극저온의 냉장시스템에 있다.

본 발명의 제2특징은 모든 해동가스가 냉장 처리부로 복귀되지 않도록 하는 확장된 해동모드를 가진 극저온의 냉장시스템에 있다. 본 발명의 극저온 냉장 시스템은 복귀 바이어스에 의해 냉장 처리부의 과부하를 방지하며, 해동 주기가 연속적으로 동작하도록 한다. 그러나 냉각모드에서 증발기로부터의 냉각제 복귀시 극저온에 일단 도달하면 해동 복귀 바이패스는 허용되지 않는다.

본 발명의 제3특징은 냉각 또는 가열되는 동안의 온도 변화의 속도가 오픈 루프(즉, 콘트롤러 피드백이 없는) 방식으로 제어되는, 제어되는 흐름을 갖는 극저온의 냉장시스템에 있다.

본 발명의 제4특징은 시스템에서 이용 가능한 전체 온도 스펙트럼을 사용하여 일정하거나 가변하는 냉각제 공급 및/또는 복귀 온도를 제어할 수 있는 극저온의 냉장시스템에 있다.

본 발명의 제5특징은 해동주기 후의 빠른 복구주기를 허용함으로써 전체 처리시간을 감소시키고 해동 또는 베이크아웃 완료 에 증발기를 빠르게 냉각시킬 수 있다.

본 발명의 장점은 냉장 시스템의 코일을 내부적으로 가열한다는 것이다. 종래의 시스템은 냉장시스템의 코일을 가열하기 위해 외부 가열원을 사용한다.

본 발명의 다른 장점은 증발기 온도가 -150℃에서 +130℃로 변화될 수 있다는 것이다. 종래의 시스템은 훨씬 작은 온도 범위를 가진다. 또한, 본 발명은 해동모드에서 연속적으로 동작할 수 있다. 이에 따라 제조과정을 개시하기 위해 본 발명의 냉장시스템에 의해 생성된 극저온을 필요로 하는 진공 시스템의 처리량이 증가한다. 또한, 시스템 동작 한계를 초과하지 않으면서 냉장시스템의 해동 동작시간을 증가시킬 수 있다. 본 발명은 가변하는 가열 및 냉각 시스템을 제공한다. 냉장시스템의 전체 해동주기는 감소한다. 액체의 화학적 안정성은 베이크아웃 과정 동안 유지된다.

본 발명은 냉각 또는 가열 모드에서 제어되는 온도 변화의 속도를 제공한다. 표준적인 구성요소들이 설계 온도 범위에서 높은 신뢰성을 가지고 사용된다. 표준적인 구성요소들은 특유의 조합에 사용되어 혼합 냉각제 시스템에서의 냉각 및 해동주기를 허용한다.

화학적 안정성, 압축기의 동작 한계 및 모든 구성요소들의 작업 압력 및 온도와 같은 시스템 파라미터들은 유지된다.

본 발명에 의하면, 쵸퍼 타이머 온/오프 주기, 서로 다른 상황이 일어나는 온도, 베이크아웃 시간, 냉각시간 등과 같은 다양한 제어 파라미터들을 조절할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 냉각제 복귀경로에서 매우 크고 비싼 저온 밸브가 필요없게 된다. 해동 주기후에 짧은 복구 주기가 제공됨으로써 전체 처리시간이 감소된다.

Claims

입구와 출구를 가지며, 상기 입구에서 낮은 압력으로 냉각제를 유입시키고 상기 출구에서 높은 압력의 냉각제를 방출하는 압축장치와,

상기 압축장치로부터 상기 고압의 냉각제를 받아들이는 고압 회로와 상기 저압의 냉각제를 상기 압축장치의 저압 회로로 전달하는 저압 회로를 가지며, 상기 고압회로 및 저압회로의 냉각제 사이에 열교환이 일어나도록 된 냉장처리장치,

상기 냉장처리장치의 상기 고압회로로부터 고압의 냉각제를 받아들이는 입구와, 저압의 냉각제를 방출시키는 출구를 갖춘 제1쓰로틀 장치,

선택적으로 부하를 냉각 또는 가열하기 위한 입구 및 출구를 갖추고, 상기 제1쓰로틀 장치로부터 저압의 냉각제를 받아들이며, 상기 출구로부터 방출되는 냉각제가 상기 냉장처리장치의 상기 저압회로로 흐르게 되어 있는 증발장치,

상기 제1쓰로틀 장치와 상기 냉장처리장치의 상부에 위치하며 상기 압축장치로부터의 상기 고압 냉각제로부터 열을 제거하고, 상기 냉장시스템의 열을 외부적으로 제거하는 콘덴서 장치,

상기 냉장처리장치의 고압회로 주위로 냉각제의 흐름을 우회시키기 위한 적어도 하나의 고압 브랜치회로를 포함하는 제1바이패스 회로,

상기 냉장처리장치의 저압회로 주위로 냉각제의 흐름을 우회시키기 위한 적어도 하나의 저압 브랜치회로를 포함하는 제2바이패스 회로, 및

선택된 순서로 상기 압축장치와 상기 증발장치 사이의 선택된 폐쇄 싸이클에서의 상기 냉각제의 흐름을 조정하기 위한 제어시스템을 포함하여 구성된 냉각 및 해동모드에서 오랜 시간동안 연속적으로 동작하는 냉장시스템.
제 1항에 있어서,

상기 제2바이패스 회로의 하나의 브랜치는 제1온도범위에서는 적절하게 연속적으로 동작하여 손상되지 않으며, 상기 제1온도범위보다 낮은 제2온도범위에서는 연속적으로 동작할 경우 적어도 하나의 부적절한 동작을 하여 손상되는 구성요소들을 포함하는 것을 특징으로 하는 냉장시스템.
제 2항에 있어서,

상기 제어시스템은 상기 제2바이패스 회로의 하나의 브랜치에서의 냉각제의 온도가 부적절한 동작 및 손상이 일어나지 않도록 유지되는 경우에만 상기 브랜치로 상기 저압 냉각제를 연속적으로 흐르게 하는 것을 특징으로 하는 냉장시스템.
제 2항에 있어서,

상기 제어시스템은 상기 제2바이패스 회로를 통해 냉각제의 흐름을 조정하는 제1의 제어가능한 장치를 상기 제2바이패스 회로에 구비하는바, 상기 제1의 제어가능한 장치는 온/오프 동작과 가변 흐름동작중의 적어도 하나를 가지며, 상기 제어시스템은 상기 냉장처리장치의 상기 저압회로와 직렬로 제1차단수단을 더 구비하는바, 이 제1차단수단은 상기 제1의 제어가능한 장치가 냉각제의 흐름을 허용할 경우상기 냉장처리장치의 상기 저압회로를 통해 복귀하는 냉각제의 흐름을 방해하는 것을 특징으로 하는 냉장시스템.
제 4항에 있어서,

상기 제1의 제어가능한 장치는 상기 냉장처리장치의 저압회로의 온도가 선택된 온도와 같거나 이 온도보다 높으면 상기 제2바이패스 회로를 통한 냉각제의 흐름을 허용하는 것을 특징으로 하는 냉장시스템.
제 5항에 있어서,

상기 선택된 온도는 상기 제2온도범위의 상부 한계인 것을 특징으로 하는 냉장시스템.
제 2항에 있어서,

상기 제1바이패스 회로는 적어도 하나의 브랜치를 포함하는바, 각 브랜치는 상기 제1바이패스 회로를 통과하는 냉각제의 압력을 감소시키기 위한 해동 쓰로틀장치를 각각 구비하며, 상기 브랜치들은 병렬 및 직렬/병렬 배열의 어느 하나로 배열되며, 상기 제어시스템은 상기 해동 쓰로틀장치와 직렬로 제2차단수단을 상기 각 브랜치에 구비하는바, 이 제2차단수단은 상기 증발장치를 향한 냉각제 흐름의 적어도 온/오프 동작을 제공하는 것을 특징으로 하는 냉장시스템.
제 4항에 있어서,

상기 제1차단수단은 상기 증발장치로부터 상기 압축장치의 입구를 향한 냉각제의 흐름을 허용하는 압력 체크밸브인 것을 특징으로 하는 냉장시스템.
제 7항에 있어서,

상기 제1쓰로틀 장치와 상기 해동 쓰로틀 장치는 각각 모세관, 구멍, 피드백을 갖춘 비례밸브, 다공성 요소 및 흐름을 제어하는 그 밖의 다른 제한 요소 중의 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉장시스템.
제 1항에 있어서,

상기 압축장치는 단일 압축기, 병렬로 된 두 개의 압축기들, 직렬로 연결된 압축기들, 2단 압축기 및 직렬, 병렬 및 직렬/병렬 배치의 압축기들을 각각 갖춘 브랜치들 중의 적어도 하나는 포함하는 것을 특징으로 하는 냉장시스템.
제 1항에 있어서,

상기 콘덴서 장치는 가스 및 액체 냉각 콘덴서 중의 적어도 하나를 포함하는바, 상기 적어도 하나의 콘덴서는 병렬, 직렬 및 직렬/병렬 회로 중 하나로 배열되는 것을 특징으로 하는 냉장시스템.
제 1항에 있어서,

상기 증발장치는 금속관 및 금속판을 가진 증발 코일의 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉장시스템.
제 1항에 있어서,

상기 압축장치의 고압 출구와 상기 콘덴서 장치의 입구 사이에 오일 분리기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉장시스템.
제 2항에 있어서,

상기 제1온도범위의 하부 한계는 약 -50℃에서 -40℃의 범위에 있으며, 상기 제2온도범위의 하부 한계는 -250℃에서 -150℃의 범위에 있으며, 제2온도범위의 상부 한계는 -40℃와 -50℃에 있는 것을 특징으로 하는 냉장시스템.
제 1항에 있어서,

상기 냉장처리장치는 단일 냉장시스템, 혼합 냉장시스템, 일반적인 냉장처리장치, 캐스캐이드 냉장처리장치의 개별적인 스테이지, 자동냉장 캐스캐이드 싸이클 및 클리멘코 싸이클 중의 적어도 하나를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉장시스템.
제 1항에 있어서,

흐르는 냉각제의 온도를 조정하고 상기 제2바이배스 회로의 밸브 요소들을 보호하기 위해 상기 제2바이패스 회로에 설치된 가열수단이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 냉장시스템.
제 1항에 있어서,

상기 제2바이패스 회로는 상기 제2바이패스를 통과하는 유량을 제어할 수 있도록 유량계를 포함하는 것을 특징으로 하는 냉장시스템.
제 1항에 있어서,

상기 압축기의 입구와 연결되는 저압 냉각제 라인에 위치하며 상기 제2바이패스 회로의 상부에 위치하여 복귀하는 냉각제를 가열하는 가열원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 냉장시스템.
제 1항에 있어서,

적어도 하나의 보조 바이패스 회로를 더 포함하는바, 상기 적어도 하나의 보조 바이패스 회로는 상기 냉장처리장치의 저압회로에 일측이 연결되고, 상기 냉장처리장치 내의 상기 저압 냉각회로에 타측이 연결되며, 상기 적어도 하나의 보조 바이패스 회로는 상기 보조 바이패스 회로를 통과하는 흐름을 조정하기 위한 바이패스 밸브를 포함하며, 상기 보조 바이패스 회로를 흐르는 냉각제가 상기 보조 바이패스 회로와 상기 냉장처리장치의 상기 저압회로 사이의 연결지점에서 상기 냉장처리장치의 온도와 동일한 온도를 가지면, 상기 보조 바이패스 회로가 상기 제어시스템에 의해 활성화되며, 상기 보조 바이패스 흐름은 상기 증발 장치의 냉각에 필요한 시간을 감소시키는 것을 특징으로 하는 냉장시스템.
제 7항에 있어서,

상기 제1바이패스 회로는 상기 적어도 하나의 브랜치로부터 흐르는 상기 냉각제를 가열하는 가열원을 포함하는바, 이 가열원은 상기 해동 쓰로틀장치의 하부와 상기 증발장치의 입구의 상부에 위치하는 것을 특징으로 하는 냉장시스템.
제 20항에 있어서,

바이패스 밸브가 상기 가열원에 의해 가열되는 상기 냉각제 흐름의 적어도 일부를 우회시키는바, 상기 바이패스 밸브는 상기 제어시스템의 제어에 의해 상기 압축장치 입구로 전달되는 냉각제의 온도를 조절하는 것을 특징으로 하는 냉장시스템.
제 21항에 있어서,

상기 바이패스 밸브는 상기 제어시스템에 의해 결정되는 각기 다른 시간동안 온 또는 오프되는 쵸퍼 타입의 밸브인 것을 특징으로 하는 냉장시스템.
제 1항에 있어서,

상기 압축기 출구와 상기 압축기 입구 사이에서 이동하는 가변 플로우 밸브를 포함하며, 압축기의 고압 방출온도는 상기 가변 플로우 밸브를 조정함으로써 제어할 수 있음을 특징으로 하는 냉장시스템.
입구와 출구를 가지며, 상기 입구에서 낮은 압력으로 냉각제를 유입시키고 상기 출구에서 높은 압력의 냉각제를 방출하는 압축장치와,

상기 압축장치로부터 상기 고압의 냉각제를 받아들이는 고압 회로와 상기 저압의 냉각제를 상기 압축장치의 저압 회로로 전달하는 저압 회로를 가지며, 상기 고압회로 및 저압회로의 냉각제 사이에 열교환이 일어나도록 된 냉장처리장치,

상기 냉장처리장치의 상기 고압회로로부터 고압의 냉각제를 받아들이는 입구와, 저압의 냉각제를 방출시키는 출구를 구비하여 선택적으로 부하를 냉각 또는 가열하기 위한 증발장치와 연결되며, 상기 냉장처리장치의 상기 저압 회로로 복귀하는 제1쓰로틀 장치,

상기 제1쓰로틀 장치와 상기 냉장처리장치의 상부에 위치하며 상기 압축장치로부터의 상기 고압 냉각제로부터 열을 제거하고, 상기 냉장시스템의 열을 외부적으로 제거하는 콘덴서 장치,

상기 냉장처리장치의 고압회로의 하부 일부의 주위로 냉각제의 흐름을 우회시키기 위한 적어도 하나의 고압 브랜치회로를 포함하는 제1바이패스 회로,

상기 냉장처리장치의 저압회로 주위로 냉각제의 흐름을 우회시키기 위한 적어도 하나의 저압 브랜치회로를 포함하는 제2바이패스 회로, 및

선택된 순서로 상기 압축장치를 포함하는 선택된 폐쇄 싸이클에서의 상기 냉각제의 흐름을 조정하기 위한 제어시스템을 포함하여 구성된 냉각 및 해동모드에서오랜 시간동안 연속적으로 동작하는 냉장시스템.
제 24항에 있어서,

상기 냉장처리장치는 상기 고압회로와 저압회로 사이의 열을 교환시키기 위해 배열된 다수 열교환기와, 한 쌍의 상기 열교환기들 사이에 위치하는 냉각제 가스/액체 분리기를 포함하며, 상기 제1바이패스 회로에는 상기 상 분리기로부터의 고압 가스상태의 냉각제가 공급되고, 열교환기는 상기 액체/가스 분리기로부터의 고압 라인과 상기 제1바이패스 회로의 상기 적어도 하나의 브랜치에 위치하는 것을 특징으로 하는 냉장시스템.
제 24항에 있어서,

다수의 병렬로 된 냉각제 라인들을 더 포함하는바, 상기 각각의 라인은 상기 냉장처리장치의 상기 고압회로내의 각기 다른 위치에 연결되며, 제어 플로우 밸브가 상기 각각의 라인에 위치하며, 열교환기의 일단은 상기 라인들과 병렬로 연결되고 타단은 상기 제1바이패스 회로에 연결되며, 상기 제어시스템은 상기 제어 플로우 밸브를 동작시키는 것을 특징으로 하는 냉장시스템.
제 26항에 있어서,

상기 제어시스템은 상기 냉장시스템의 온도에 기초한 흐름을 위한 플로우 라인을 선택하는 것을 특징으로 하는 냉장시스템.
입구와 출구를 가지며, 상기 입구에서 낮은 압력으로 냉각제를 유입시키고 상기 출구에서 높은 압력의 냉각제를 방출하는 압축장치와,

상기 압축장치로부터 상기 고압의 냉각제를 받아들이는 고압 회로와 상기 저압의 냉각제를 상기 압축장치의 저압 회로로 전달하는 저압 회로를 가지며, 상기 고압회로 및 저압회로의 냉각제 사이에 열교환이 일어나도록 된 냉장처리장치,

상기 냉장처리장치의 상기 고압회로로부터 고압의 냉각제를 받아들이는 입구와, 저압의 냉각제를 방출시키는 출구를 구비하여 선택적으로 부하를 냉각 또는 가열하기 위한 증발장치와 연결되며, 상기 냉장처리장치의 상기 저압 회로로 복귀하는 제1쓰로틀 장치,

상기 제1쓰로틀 장치와 상기 냉장처리장치의 상부에 위치하며 상기 압축장치로부터의 상기 고압 냉각제로부터 열을 제거하고, 상기 냉장시스템의 열을 외부적으로 제거하는 콘덴서 장치,

상기 냉장처리장치의 고압회로의 주위로 냉각제의 흐름을 우회시키기 위한 적어도 하나의 고압 브랜치회로를 포함하는 제1바이패스 회로,

상기 냉장처리장치의 저압회로 주위로 냉각제의 흐름을 우회시키기 위한 적어도 하나의 저압 브랜치회로를 포함하는 제2바이패스 회로, 및

선택된 순서로 상기 압축장치를 포함하는 선택된 폐쇄 싸이클에서의 상기 냉각제의 흐름을 조정하기 위한 제어시스템을 포함하여 구성된 냉각 및 해동모드에서 오랜 시간동안 연속적으로 동작하는 냉장시스템.