KR20210149733A - 급속 작동 사이클을 갖는 극저온 냉동 시스템 - Google Patents

급속 작동 사이클을 갖는 극저온 냉동 시스템 Download PDF

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Abstract

극저온 냉동 시스템의 제상, 대기 및 냉각 작동 모드 각각에서 사이클 시간을 단축하기 위한 방법. 이들 방법은 단독으로 사용되거나, 예를 들어 단일의 극저온 냉동 시스템에서 제동, 대기 및 냉각 모드 중 1개, 2개, 또는 3개 모두의 급속한 총 사이클을 제공하는 것을 포함하여, 다른 기술들 각각의 하나 이상과 조합하여 사용될 수 있다.

Description

급속 작동 사이클을 갖는 극저온 냉동 시스템
극저온 냉동 시스템(very low temperature refrigeration system)은 수증기를 제거하는 것과, 코팅 산업을 위한 고진공 환경을 생성하는 것을 포함하여, 다양한 상이한 목적으로 사용된다. 그러한 시스템은 전형적으로 3개의 상이한 모드로 작동한다: 유닛이 회복되거나 준비 상태에 있는 대기 모드; 시스템이 프로세스 또는 응용 요구에 부응하도록 냉각되는 냉각 모드; 및 시스템이 크라이오코일(cryocoil)을 재생하는 제상 모드(defrost mode). 전형적인 배치 코팅 프로세스(batch coating process)의 경우에, 시스템은 이러한 3개의 모드의 사이클로 작동된다. 그러나, 상이한 응용은 각 모드에서 소요될 수 있는 시간의 양에 대한 상이한 제약조건을 갖는다. 일부 응용은 제상 모드에서 짧은 시간을 필요로 하고, 제상 모드가 완료된 후에 대기 모드에서 긴 시간을 견딜 수 있다. 일부 응용은 코팅 프로세스가 보다 일찍 시작할 수 있도록 목표 공급 온도(예를 들어, -110℃ 또는 -120℃)까지의 급속 냉각을 필요로 한다. 일부 응용은 제상/대기/냉각의 급속한 총 사이클을 필요로 하며, 이는 3개의 작동 모드를 모두 단축하는 것을 요구할 수 있다.
본원에는 극저온 냉동 시스템의 제상, 대기 및 냉각 작동 모드 각각에서 사이클 시간을 단축하기 위한 방법이 교시되어 있다. 이들 방법은 단독으로 사용되거나, 예를 들어 단일의 극저온 냉동 시스템에서 제동, 대기 및 냉각 모드 중 1개, 2개, 또는 3개 모두의 급속한 총 사이클을 제공하는 것을 포함하여, 다른 기술들 각각의 하나 이상과 조합하여 사용될 수 있다.
압축기, 복수의 열교환기, 팽창기 및 증발기를 갖는 극저온 냉동 시스템의 시동 동안에 피크 작동 압력을 제한하는 방법은, 압축기의 시동 동안에, 복수의 열교환기의 고압측 및 팽창기 주위에서, 냉매가 증발기로 유입되는 증발기 입구로 냉매의 유동을 바이패스시켜서 증발기에 소정 용적의 냉매를 수용하여 압축기의 시동 동안에 냉매의 초기 압력 증가를 제한하기 위해 고온 가스 제상 회로에서 제상 밸브를 개방하는 것을 포함한다. 후속적으로, 복수의 열교환기의 고압측 및 팽창기를 통해 증발기로 냉매의 유동이 진행되도록 제상 밸브가 폐쇄된다.
냉매는 제상 밸브의 개방이 없을 때 압축기의 시동 동안에 극저온 냉동 시스템의 설계 압력을 초과하는 냉매의 피크 압력을 생성하는 냉매 압력으로 시스템 내에 충전될 수 있다. 증발기의 냉매 유동 용적은 극저온 냉동 시스템의 냉매 시스템 용적의 약 10%보다 클 수 있다. 냉매는 복수의 상이한 냉매 성분의 혼합물을 포함할 수 있다. 혼합물은 아르곤, R-14, R-23, R-125 및 R-245fa를 포함할 수 있다. 냉매는 시스템이 약 230 psig 내지 약 300psig의 균형 압력을 갖도록 시스템 내에 충전될 수 있다. 제상 밸브를 후속적으로 폐쇄하는 것은 압축기의 시동으로부터 적어도 약 3초 후에 수행될 수 있고; 압축기의 시동으로부터 적어도 약 6초 전에 수행될 수 있다. 상기 방법은 후속적으로 제상 밸브를 폐쇄할 때 시스템의 대기 모드로 진입하는 것을 포함할 수 있으며, 대기 모드는, 복수의 열교환기의 고압측 및 복수의 열교환기의 저압측을 통한 냉매의 유동을 허용하면서, 복수의 열교환기의 고압측으로부터 증발기로의 냉매의 유동을 방지하기 위해 냉각 밸브를 폐쇄하는 것을 포함한다. 냉매의 바이패스 유동 동안에, 냉매의 온도는 약 25℃보다 높을 수 있다. 고온 가스 제상 회로는 냉매를 압축기의 고압 공급 라인으로부터 냉매가 증발기로 유입되는 증발기 입구로 바이패스시킬 수 있다.
극저온 냉동 시스템의 제상 작동 모드에서 소요되는 시간을 감소시키는 방법은, 시스템의 제상 작동 모드에서, (i) 복수의 열교환기의 고압측 주위에서, 냉매가 증발기로 유입되는 증발기 입구로 냉매의 유동을 바이패스시켜서 증발기의 가온을 실행하기 위해 고온 가스 제상 회로에서 제상 밸브를 개방하는 것, 및 (ii) 제상 밸브를 개방하는 동안에, 냉매가 고압측으로부터 증발기로 유동하지 않도록 냉각 밸브를 폐쇄하는 것을 포함한다. 입력 제어 신호에 기초하여, 증발기의 저압측의 복귀 온도 센서의 저장된 제상 완료 설정점 온도의 값이 설정된다. 증발기의 가온 동안에, 증발기의 저압측의 복귀 온도 센서가 복귀 온도 센서의 저장된 제상 완료 설정점 온도에 도달하면, 냉매가 증발기로 유동하는 것을 방지하기 위해 제상 밸브가 폐쇄된다.
복귀 온도 센서의 저장된 제상 완료 설정점 온도는 응용에 따라 약 0℃ 이하일 수 있다. 복귀 온도 센서는 증발기의 저압측의 열전쌍을 포함할 수 있다. 상기 방법은 제어기가 복귀 온도 센서의 저장된 제상 완료 설정점 온도 이상인 복귀 온도 센서로부터의 온도 제어 신호를 수신하는 경우에 제상 밸브를 폐쇄하는 것을 포함할 수 있으며, 저장된 제상 완료 설정점 온도는 제어기의 메모리에 저장된다.
극저온 냉동 시스템의 제상 후의 회복 시간을 감소시키는 방법은 입력 제어 신호에 기초하여, 증발기의 저압측의 복귀 온도 센서의 저장된 바이패스 제어 설정점 온도의 값을 설정하는 것을 포함한다. 증발기의 저압측의 복귀 온도 센서가 복귀 온도 센서의 저장된 바이패스 제어 설정점 온도 이상으로 가온되면, 상기 방법은, (i) 복수의 열교환기의 저압측을 통한 냉매 유동을 방지하기 위해 복귀 밸브를 폐쇄하는 것, 및 (ii) 복수의 열교환기의 저압측 주위에서, 압축기의 저압측으로 진입하는 흡입 라인으로 냉매의 유동을 바이패스시키기 위해 바이패스 밸브를 개방하는 것과, 압축기의 저압측으로 진입하기 전에 흡입 라인 내의 바이패스된 냉매 유동을 가온하는 것을 포함한다.
흡입 라인 내의 바이패스된 냉매 유동을 가온하는 것은 흡입 라인과 복수의 열교환기의 고압측 사이에서 열 교환하는 열교환기를 사용하여 바이패스된 유동을 가온하는 것을 포함할 수 있다. 흡입 라인 내의 바이패스된 냉매 유동을 가온하는 것은 히터를 사용하여 흡입 라인을 가열하는 것을 포함할 수 있다. 복귀 온도 센서의 저장된 바이패스 제어 설정점 온도는 압축기의 정격 입력 유동 온도보다 낮을 수 있으며, 예를 들어 약 -40℃ 미만일 수 있다. 예를 들어, 복귀 온도 센서의 저장된 바이패스 제어 설정점 온도는 약 -40℃ 내지 약 -70℃일 수 있다.
극저온 냉동 시스템의 냉각 시간을 감소시키는 방법은, 시스템의 냉각 작동 모드 동안에, 복수의 열교환기의 고압측을 통해, 유량 미터링 장치 및 유량 미터링 장치를 증발기의 입구에 직렬 유동 연결하는 냉각 밸브를 통해, 증발기를 통해, 그리고 복수의 열교환기의 저압측을 통해 냉매를 유동시키는 것을 포함한다. 시스템의 압축기의 배출 압력이 냉각 작동 모드 동안에 최대 배출 압력의 저장된 설정점 이상으로 높아지면, 배출 압력이 최대 배출 압력의 저장된 설정점 미만으로 감소할 때까지, 냉매 유동이 유량 미터링 장치 주위에서 냉각 밸브로 바이패스되게 하기 위해 언로드 밸브가 개방된다.
증발기의 입구 또는 증발기의 출구는 약 -110℃ 미만의 온도에 있을 수 있다. 최대 배출 압력의 저장된 설정점은 시스템의 버퍼 솔레노이드 밸브의 활성화 압력보다 낮을 수 있다.
극저온 냉동 시스템은 압축기와, 복수의 열교환기와, 팽창기와, 프로세서 및 메모리를 포함하는 제어기를 포함한다. 제어기는, (i) 압축기의 시동 동안에, 복수의 열교환기의 고압측 및 팽창기 주위에서, 냉매가 증발기로 유입되는 증발기 입구로 냉매의 유동을 바이패스시켜서 증발기에 소정 용적의 냉매를 수용하여 압축기의 시동 동안에 냉매의 초기 압력 증가를 제한하기 위해 고온 가스 제상 회로에서 제상 밸브를 개방하도록 제어하고, (ii) 복수의 열교환기의 고압측 및 팽창기를 통해 증발기로 냉매의 유동이 진행되도록 제상 밸브를 폐쇄하도록 후속적으로 제어하도록 구성된다.
다른 극저온 냉동 시스템은 압축기와, 복수의 열교환기와, 팽창기와, 프로세서 및 메모리를 포함하는 제어기를 포함한다. 제어기는, 시스템의 제상 작동 모드에서, (i) 복수의 열교환기의 고압측 주위에서, 냉매가 증발기로 유입되는 증발기 입구로 냉매의 유동을 바이패스시켜서 증발기의 가온을 실행하기 위해 고온 가스 제상 회로에서 제상 밸브를 개방하도록 제어하고, (ii) 제상 밸브를 개방하도록 제어하는 동안에, 냉매가 고압측으로부터 증발기로 유동하지 않도록 냉각 밸브를 폐쇄하도록 제어하도록 구성된다. 제어기는, (i) 입력 제어 신호에 기초하여, 증발기의 저압측의 복귀 온도 센서의 저장된 제상 완료 설정점 온도의 값을 설정하고, (ii) 증발기의 가온 동안에, 증발기의 저압측의 복귀 온도 센서가 복귀 온도 센서의 저장된 제상 완료 설정점 온도에 도달하면, 냉매가 증발기로 유동하는 것을 방지하기 위해 제상 밸브를 폐쇄하도록 제어하도록 추가로 구성된다.
다른 극저온 시스템은 압축기와, 복수의 열교환기와, 팽창기와, 프로세서 및 메모리를 포함하는 제어기를 포함한다. 제어기는 입력 제어 신호에 기초하여, 증발기의 저압측의 복귀 온도 센서의 저장된 바이패스 제어 설정점 온도의 값을 설정하도록 구성된다. 제어기는, 증발기의 저압측의 복귀 온도 센서가 복귀 온도 센서의 저장된 바이패스 제어 설정점 온도 이상으로 가온되면, (i) 복수의 열교환기의 저압측을 통한 냉매 유동을 방지하기 위해 복귀 밸브를 폐쇄하도록 제어하고, (ii) 복수의 열교환기의 저압측 주위에서, 압축기의 저압측으로 진입하는 흡입 라인으로 냉매의 유동을 바이패스시키기 위해 바이패스 밸브를 개방하도록 제어하도록 추가로 구성된다. 시스템은 압축기의 저압측으로 진입하기 전에 흡입 라인 내의 바이패스된 냉매 유동을 가온하도록 구성된다.
시스템은 흡입 라인과 복수의 열교환기의 고압측 사이에서 열 교환하는 열교환기를 포함할 수 있다. 시스템은 흡입 라인을 가열하기 위한 히터를 포함할 수 있다.
다른 극저온 냉동 시스템은 압축기와, 복수의 열교환기와, 팽창기와, 유량 미터링 장치 및 유량 미터링 장치를 증발기의 입구에 직렬 유동 연결하는 냉각 밸브와, 프로세서 및 메모리를 포함하는 제어기를 포함한다. 제어기는, 시스템의 압축기의 배출 압력이 냉각 작동 모드 동안에 최대 배출 압력의 저장된 설정점 이상으로 높아지면, 배출 압력이 최대 배출 압력의 저장된 설정점 미만으로 감소할 때까지, 냉매 유동이 유량 미터링 장치 주위에서 냉각 밸브로 바이패스되게 하기 위해 언로드 밸브를 개방하도록 제어하도록 구성된다.
시스템은 본원에 교시된 방법들 중 일부 또는 전부를 구현하도록 구성될 수 있다.
상기 내용은, 유사한 참조 부호가 상이한 도면들 전체에 걸쳐 동일한 부분을 지칭하는 첨부 도면에 도시된 바와 같이, 예시적인 실시예들의 하기의 보다 특정한 설명으로부터 명백할 것이다. 도면은 반드시 일정한 축척으로 되어 있는 것은 아니며, 대신에 실시예들을 예시하는 데 중점을 두고 있다.
도 1은 극저온 냉동 시스템의 개략도이다.
도 2는 모세관을 통한 유량이 증가된 시스템의 제상 시간을 나타내는 그래프이다.
도 3은 시동 동안의 피크 작동 압력을 제한하는 기술을 사용하여, 냉매 충전량 증가에 따른 제상 시간 감소를 나타내는 실험 데이터의 그래프이다.
도 4는 상이한 복귀 밸브 설정점을 사용하는 극저온 냉동 시스템의 개선된 회복 시간을 나타내는 그래프이다.
도 5는 제어기의 간략화된 개략 블록도이다.
예시적인 실시예들에 대한 설명이 이어진다.
본원에는 극저온 냉동 시스템의 제상, 대기 및 냉각 작동 모드 각각에서 사이클 시간을 단축하기 위한 방법이 교시되어 있다. 본원에 사용된 바와 같이, "극저온(very low temperature)"은 90K 내지 203K의 온도 범위를 의미한다. 이들 방법은 단독으로 사용되거나, 예를 들어 단일의 극저온 냉동 시스템에서, 제동, 대기 및 냉각 모드 중 1개, 2개, 또는 3개 모드 모두의 급속한 총 사이클을 제공하는 것을 포함하여, 다른 기술들 각각의 하나 이상과 조합하여 사용될 수 있다.
도 1은 극저온 냉동 시스템의 개략도이다. 이 시스템은 예를 들어 오토캐스케이드 냉동 시스템(auto-cascade refrigeration system)(100)일 수 있다. 그러한 시스템은 최고 비등 성분으로부터 최저 비등 성분까지의 정상 비등점들 사이의 차이가 적어도 50K 또는 100K 또는 150K 또는 200K인 2개 이상의 냉매의 혼합물을 사용한다. 그러한 시스템은 냉동 압축기(101), 방열을 위한 응축기(102) 또는 디슈퍼히터 열교환기(desuperheater heat exchanger), 일련의 2개 이상의 열교환기(103)(본원에서는 "열교환기 어레이" 또는 "냉동 프로세스"로도 지칭됨), 스로틀 또는 유량 미터링 장치(flow metering device)(104)와 같은 하나 이상의 팽창기(104), 및 응용 프로세스로부터의 열 제거를 위한 증발기(105)를 포함한다. 또한, 그러한 시스템은 열교환기들 사이의 배출측에 위치되고 내부 재순환 루프에서 사용하기 위한 액상 냉매를 제거하는 상 분리기(106, 107)를 포함할 수 있다. 그러한 시스템은 증발기(105)가 냉각되는 냉각 모드, 압축기(101)로부터의 고온 가스가 증발기(105)로 공급되는 제상 모드, 및 저온 냉매도 고온 냉매도 증발기(105)로 전달되지 않는 대기 모드를 포함하는 상이한 작동 모드에서 작동하는 능력을 가질 수 있다. 시스템 내의 다양한 유동 루프를 통한 유동은 유동을 제한하고 냉매의 팽창 및 그에 따른 냉각을 허용하는 일련의 모세관(108, 109, 110 및 111)을 통해, 및/또는 냉각 솔레노이드 밸브(112), 바이패스 솔레노이드 밸브(113), 복귀 솔레노이드 밸브(114), 버퍼(buffer) 솔레노이드 밸브(116), 제상 솔레노이드 밸브(123) 및 언로드(unload) 솔레노이드 밸브(130)와 같은 온/오프 솔레노이드 밸브를 통해 제어될 수 있다. 도 1에 도시된 실시예에서, 모세관(108, 109, 110 및 111)은 어떠한 솔레노이드 밸브와도 연관되지 않는 한편, 모세관(104)은 언로드 솔레노이드 밸브(130)와 병렬로 있고 냉각 솔레노이드 밸브(112)와 직렬로 있다. 모세관 및 솔레노이드 밸브의 다른 배열이 사용될 수 있다. 모세관 및/또는 솔레노이드 밸브는 열팽창 밸브, 압력 작동식 또는 스테퍼 모터 작동식 밸브와 같은 비례 밸브로 대체될 수 있다. 그러한 시스템은 또한 시스템이 꺼지고 실온으로 가온되면 액화된 냉매의 높은 증발 및 팽창을 관리하는 데 사용되는 팽창 탱크(115)를 포함할 수 있다. 또한, 팽창 탱크(115)를 갖는 그러한 시스템은 또한 고압 가스가 팽창 탱크(115)로 지향될 수 있게 하는 버퍼 솔레노이드 밸브(116)를 가질 수 있다. 그러한 버퍼 솔레노이드 밸브(116)는 순환하는 냉매 가스의 양이 감소될 수 있게 하며, 이는 결국 압축기 배출 및 흡입 압력을 감소시킨다. 예를 들어, 플린(Flynn) 등의 미국 특허 제 6,574,978 B2 호에 개시된 임의의 방법이 사용될 수 있으며, 이 문헌의 전체 개시내용은 본원에 인용에 의해 포함된다. 이러한 특허에 설명된 바와 같은 시스템은 제어된 냉각 및 가온 프로세스와 같은 추가적인 작동 모드를 가능하게 하고, 압축기로부터 빠져나가는 고온 가스의 일 부분이 연속적으로 압축기로부터 증발기 코일로, 그리고 나서 다시 압축기로 순환되는 한편, 압축기를 빠져나가는 냉매의 다른 부분이 연속적으로 응축기를 통해, 그리고 나서 열교환기 어레이를 통해 유동한 후에 압축기로 복귀하는 고온 가스 유동 모드 또는 베이크아웃 모드(bakeout mode)에서 연장된 작동을 가능하게 한다.
버퍼 솔레노이드 밸브(116)는 유닛의 배출(또는 고압)측과 하나 이상의 팽창 탱크(115) 사이의 연결부이다. 고압 상태가 존재하는 경우, 제어기는 이러한 버퍼 솔레노이드 밸브(116)를 개방하고, 냉매의 일부가 팽창 탱크(115)에 저장될 수 있게 하여, 배출 압력을 감소시킨다. 이것은 과도한 배출 압력 결함 상태를 방지할 수 있다.
극저온 시스템의 고온 가스 제상 시스템(121)은 증발기(105)의 가온을 달성하는 데 사용될 수 있다. 고온 가스 제상 시스템(121)은 제상 수동 차단 밸브(122) 및 제상 솔레노이드 밸브(123)를 포함하고, 압축기(101)의 고압 공급 라인(192)으로부터 증발기 공급 라인의 증발기 입구(124)로 고온 가스를 지향시키며, 고온 가스는 순차적으로 증발기 공급 라인, 증발기(105)(크라이오코일 또는 극저온 표면으로도 알려짐), 복귀 라인(125)을 통해, 그리고 나서 열교환기 어레이(103)의 저압측을 통해 유동한다. 압축기(101) 하류의 고압 공급 라인(192)에는, 유동으로부터 오일을 분리하고 이 오일을 압축기(101)로 복귀시키기 위한 오일 분리기(138)가 있다.
압축기, 또는 시스템의 다른 보다 고온 지점으로부터 배출되고 시스템의 보다 저온 지점으로 지향되는 냉매의 동결 가능성이 해결될 수 있다. 압축기로부터 배출되는 그러한 냉매는 보다 높은 동결 위험성을 가질 수 있으며, 이는 그러한 냉매가 아직 시스템 내의 상 분리기를 통과하지 않았고, 따라서 냉동 프로세스의 후속부와 상이한 조성을 가지며, 그에 따라 보다 고온의 빙점(freezing point)을 가져서 시스템의 보다 저온 지점으로 지향될 때 동결될 가능성이 더 높을 수 있기 때문이다. 그러한 동결을 방지하기 위해, 제어된 바이패스 유동을 사용하여 시스템의 최저 온도의 냉매를 가온하여, 압축기(또는 다른 보다 고온 지점)로부터 배출된 냉매가 시스템의 보다 저온 지점으로 재지향될 때 동결되지 않도록 충분히 스택(stack)을 가온하는 동결 방지 회로 또는 온도 제어 회로가 사용될 수 있다. 예를 들어, 플린 등의 미국 특허 제 7,478,540 B2 호에 개시된 임의의 동결 방지 회로 또는 온도 제어 회로가 사용될 수 있으며, 이 문헌의 전체 개시내용은 본원에 원용에 의해 포함된다. 도 1의 예에서, 동결 방지 밸브(131)는 상 분리기(107)를 빠져나가는 냉매를, 열교환기 어레이(103)에 있어서의 다음-최저온의 열교환기(119)보다 증발기에 근접하게 위치된 과냉각기(118)의 저압 입구(117)로 지향시킨다.
냉동 시스템은, 증발기(105)를 통한 복귀 경로에 부가하여, 시스템의 고압측으로부터 저압측으로 일련의 내부 복귀 경로(108, 109, 110)를 포함할 수 있다. 전형적으로, 내부 복귀 경로(108, 109, 110)는 스로틀 장치이다. 예시적인 스로틀 장치는 모세관 및 열팽창 밸브이다. 다른 시나리오에서는, 터보 팽창기 또는 냉매의 압력을 감소시키기 위한 다른 수단이 사용된다. 전형적인 제상 가온 프로세스에서, 내부 스로틀 장치(108, 109, 110)는 유동을 갖도록 허용된다. 다른 시나리오에서는, 이들의 유량이 정지되거나 제어된다. 일 예에서, 모세관은 상류 밸브를 갖지 않는 내부 스로틀 장치(108, 109, 110)에 사용될 수 있다. 결과적으로, 이러한 스로틀 장치는 제상 가온 프로세스 동안에 유동을 계속 허용한다.
또한, 도 1의 실시예에서는, 바이패스 솔레노이드 밸브(113)를 포함하는 저압측 바이패스 회로가 또한 존재한다. 이것은 증발기(105)로부터 복귀하는 냉매의 온도가 입력 제어 신호에 기초하여 설정될 수 있는 저장된 온도 이상일 때 열교환기 어레이(103)의 저압측 주위에서 냉매를 바이패스시킨다. 그러한 복귀 냉매의 온도는 증발기(105)의 저압측에서, 도 1에서 Tc로 표시된 위치에서 측정될 수 있고, 예를 들어 해당 위치에 있는 열전쌍(thermocouple)과 같은 온도 센서에 의해 검출될 수 있다. 열전쌍으로부터 감지된 온도 신호는 예를 들어 제어기에 제공될 수 있으며, 제어기는 감지된 온도 신호를 입력 제어 신호에 기초하는 저장된 온도와 비교할 수 있다. 감지된 복귀 온도가 입력 제어 신호에 기초하여 저장된 온도 이상인 경우, 복귀 솔레노이드 밸브(114)는 제어기에 의해 차단될 수 있는 한편, 바이패스 솔레노이드 밸브(113)는 개방된다. 이것은 열교환기 어레이(103)의 저압측 주위에서 냉매가 바이패스되게 하여, 너무 고온인 냉매의 복귀에 의한 열교환기 어레이(103)의 과부하를 방지한다.
도 1의 실시예의 시스템은 또한 흡입 라인 열교환기(132)를 포함하며, 그 작동은 하기에서 추가로 설명될 것이다. 흡입 라인 열교환기(132)의 고압측은 응축기(102)의 출구(120)와 직렬 유체 연결로 연결되고, 저압측은 열교환기 어레이(103)의 저압측과 직렬 유체 연결로 연결된다.
도 1의 시스템은 또한 제어 모듈 또는 제어기(180)를 포함하며, 이는 도 5를 참조하여 하기에서 추가로 설명된다.
일 실시예에서, 시스템(100)의 제상 작동 모드는, 시스템의 모세관(예컨대, 108, 109, 110 및 104)을 통한 유동을 증가시킴으로써, 다른 방식으로 사용되는 것보다 큰 직경 및/또는 짧은 길이의 모세관을 사용함으로써, 그리고 모세관 중 임의의 2개의 모세관에 대해 대략 동일한 유량을 유지함으로써, 보다 급속하게 이루어진다. 예를 들어, 기존의 모세관 세트가 이중으로 되고, 병렬로 연결될 수 있다. 이것은 시스템의 유동 저항을 감소시키고, 제상 작동 모드 동안에 최대 흡입 압력을 약 40 내지 50 psig의 범위로부터 약 50 내지 70 psig의 범위로 증가시킨다. 도 2는, 모세관을 이중으로 함으로써, 여기서는 모세관을 통한 유량에 따른 시스템에 대한 제상 시간을 나타내는 그래프이다. 제상 시간은 15% 초과만큼 감소되었지만, 냉각 용량을 다소 감소시키는 트레드오프(tradeoff)가 있었다. 대안적인 실시예에서, 모세관(예컨대, 108, 109, 110 및 104)은 모세관 대신에 유량 미터링 장치(예컨대, 비례 밸브 또는 스테퍼 모터 팽창 밸브)를 조정 가능할 수 있으며, 밸브 개도를 조정함으로써 유동 증가가 얻어질 수 있다.
다른 실시예에서, 극저온 시스템의 시동 동안에 피크 작동 압력을 제한하는 방법이 제공된다. 시스템의 제상 속도를 증가시키는 하나의 방법은 시스템에 충전되는 냉매의 양을 증가시키는 것이다. 그러나, 충전 질량이 많을수록, 시스템은 보다 높은 균형 압력(예를 들어, 약 230 내지 약 300 psig)을 갖고, 피크 압력이 설계 압력 한계를 초과하기 때문에 압축기의 시동이 어려울 수 있으며, 이는 시스템이 자동으로 정지되게 한다. 이것을 회피하기 위해, 시동 동안에 피크 작동 압력을 제한하는 방법이 사용된다. 이러한 방법에서, 시스템은 제상 모드로 시작되고, 그에 따라 제상 냉매 라인 및 증발기(105)가 추가 용적으로 사용되어 시동 동안에 가스를 팽창시키고 피크 압력을 감소시킬 수 있다. 시동 동안의 이러한 피크 압력은 전형적으로 약 3초 내지 약 5초 지속된다. 시스템이 피크 압력을 극복하면, 시스템은 다시 대기 작동 모드로 전환될 수 있다. 도 3은 시동 동안에 피크 작동 압력을 제한하는 그러한 기술을 이용하여, 냉매 충전량의 증가에 따른 제상 시간의 감소를 나타내는 시험 데이터의 그래프이다. 여기서, 제상 시간은 20% 초과만큼 감소되었다. 증가된 냉매 충전량이 사용되는 경우, 동결을 방지하기 위해 동결 방지 회로(전술함)가 사용될 수 있다.
본원에 사용된 바와 같이, "균형 압력(balance pressure)"은 시스템의 고압 및 저압이 동일하거나 대략 동일한 경우, 예를 들어 평균 열교환기 어레이 온도가 -5℃, 0℃, 5℃, 10℃, 15℃, 20℃, 25℃, 30℃, 35℃, 40℃로 이루어진 그룹으로부터의 온도 이상이 되도록 스택이 가온되는 경우; 또는 예를 들어 스택의 온도 범위가 -5℃ 이상 40℃ 이하이거나, -5℃ 내지 40℃ 범위 내에서 보다 작은 범위가 되도록 열교환기 어레이가 가온되는 경우에 달성되는 압력을 의미한다.
도 1을 참조하면, 예시로서, 일 실시예에서, 극저온 냉동 시스템(100)의 시동 동안에 피크 작동 압력을 제한하는 방법은, 압축기(101)의 시동 동안에, 복수의 열교환기(103)의 고압측의 냉매 회로 주위에서, 냉매가 증발기(105)로 유입되는 증발기 입구(124)로 냉매의 유동을 바이패스시켜서 증발기(105)에 소정 용적의 냉매를 수용하여 압축기(101)의 시동 동안에 냉매의 초기 압력 증가를 제한하기 위해, 고온 가스 제상 회로(121)에서 제상 밸브(123)를 개방하는 것을 포함한다. 후속적으로, 제상 밸브(123)가 폐쇄되고, 그에 따라 복수의 열교환기(103)의 고압측의 냉매 회로를 통해 냉매의 유동이 진행된다. 냉매는 제상 밸브의 개방이 없을 때 압축기의 시동 동안에 피크 압력이 극저온 냉동 시스템의 설계 압력을 초과하게 하는 냉매 압력으로 시스템(100) 내에 충전될 수 있으며; 예를 들어, 냉매는 통상적으로 시동 동안의 시스템의 설계 압력보다 높은 피크 압력을 생성하는 약 230 내지 약 300 psig의 압력에 도달하도록 충전될 수 있다. 증발기(105)의 냉매 유동 용적은, 예를 들어 전체 극저온 냉동 시스템(100)의 냉매 시스템 용적의 약 10%보다 크거나, 심지어 약 15%보다 클 수 있다. 용적 증가는 시스템 내의 증발기(105)의 크기에 의존할 것이다. 냉매는 복수의 상이한 냉매 성분의 혼합물일 수 있고, 예를 들어 아르곤, R-14, R-23, R-125 및 R-245fa로 이루어질 수 있다.
냉매는 시스템이 약 230 psig 내지 약 300 psig의 균형 압력을 갖도록 시스템 내에 충전될 수 있다. 제상 밸브(123)를 후속적으로 폐쇄하는 것은 압축기(101)의 시동으로부터 적어도 약 3초 후에 수행될 수 있고; 압축기의 시동으로부터 적어도 약 6초 전에 수행될 수 있다. 상기 방법은 후속적으로 제상 밸브(123)를 폐쇄할 때 시스템의 대기 모드로 진입하는 것을 포함할 수 있다. 대기 모드는, 복수의 열교환기(103)의 고압측의 냉매 회로로부터 증발기(105)로의 냉매의 유동을 허용하면서, 복수의 열교환기(103)의 고압측 및 복수의 열교환기의 저압측을 통한 냉매의 유동을 허용하는 냉각 밸브(112)를 폐쇄하는 것을 포함한다. 냉매의 바이패스 유동 동안에, 냉매의 온도는 예를 들어 약 25℃보다 높을 수 있다. 고온 가스 제상 회로는 예를 들어 냉매를 압축기(101)의 고압 공급 라인(192)으로부터 냉매가 증발기(105)로 유입되는 증발기 입구(124)로 바이패스시킬 수 있다.
제상 완료 설정점은 0℃ 이하로 설정될 수 있으며, 이는 20℃의 종래 고정된 설정과는 상이하다. 이것은 급속 제상뿐만 아니라 급속 회복을 제공하며, 이는 냉매 공급 라인 및 적용 크라이오코일에서 적은 열이 흡수되기 때문이다. 크라이오코일을 포함하는 챔버가 제상 동안에 배기되는 응용에서, 챔버 압력은 물의 삼중점 미만으로 유지될 수 있다. 그렇다면, 크라이오코일 상의 얼음은 보다 낮은 온도에서 직접 증기로 승화될 수 있으며, 따라서 보다 높은 제상 온도 설정에 대한 필요성이 없어진다.
예시로서, 도 1을 참조하면, 극저온 냉동 시스템(100)의 제상 작동 모드에서 소요되는 시간을 감소시키는 방법의 실시예는, 시스템의 제상 작동 모드에서, (i) 복수의 열교환기(103)의 고압측의 냉매 회로 주위에서, 냉매가 증발기(105)로 유입되는 증발기 입구(124)로 냉매의 유동을 바이패스시켜서 증발기(105)의 가온을 실행하기 위해, 고온 가스 제상 회로(121)에서 제상 밸브(123)를 개방하는 것과, (ii) 제상 밸브(123)를 개방하는 동안에, 냉매가 고압측의 냉매 회로로부터 증발기(105)로 유동하지 않도록 냉각 밸브(112)를 폐쇄하는 것을 포함한다. 증발기(105)의 저압측의 복귀 온도 센서(133)의 저장된 제상 완료 설정점 온도의 값은 입력 제어 신호에 기초하여 설정된다. 증발기(105)의 가온 동안에, 증발기(105)의 저압측의 복귀 온도 센서(133)가 복귀 온도 센서(133)의 저장된 제상 완료 설정점 온도에 도달하면, 제상 밸브(123)는 폐쇄되어, 냉매가 증발기(105)로 유동하는 것을 방지한다. 복귀 온도 센서(133)의 저장된 제상 완료 설정 온도는 약 0℃ 이하일 수 있다. 복귀 온도 센서(133)는 예를 들어 증발기(105)의 저압측의 열전쌍일 수 있다. 상기 방법은 제어기가 복귀 온도 센서(133)의 저장된 제상 완료 설정점 온도 이상인 온도 제어 신호를 복귀 온도 센서(133)로부터 수신하는 경우에 제상 밸브(123)를 폐쇄하는 것을 포함할 수 있으며, 저장된 제상 완료 설정점 온도는 제어기의 메모리에 저장된다.
복귀 솔레노이드 밸브(114)는 열교환기 어레이(103)의 복귀측을 통한 유동을 제어하는 데 사용된다. 열교환기 어레이(103)로의 복귀측 라인에 복귀 수동 차단 밸브(136)가 있고, 저압 바이패스 라인에 바이패스 수동 차단 밸브(137)가 있다. 복귀 밸브(114) 및 저압 바이패스 밸브(113)는 복귀 위치의 온도(Tc)에 기초하는 제어 방식에 의해 제어된다. 제어기에 저장된 설정점 온도와 온도(Tc)를 비교하는 방법에 따라, 밸브(114 및 113) 중 하나만이 활성화된다. 예를 들어, 온도(Tc)가 설정점 온도 이상인 경우, 바이패스 밸브(113)가 개방되고 복귀 밸브(114)가 폐쇄되어, 열교환기 어레이(103)의 저압측 주위에서 저압 바이패스를 통해 유동이 바이패스되게 하며; 그러나, 온도(Tc)가 설정점 온도보다 낮은 경우, 복귀 밸브(114)가 개방되고 바이패스 밸브(113)가 폐쇄되어, 열교환기 어레이(103)의 저압측을 통해 유동이 진행되게 한다. 또한, 복귀 밸브(114) 및 바이패스 밸브(113)에 대한 제어 온도의 설정점 범위는 압축기(101)의 작동 하한을 나타내기 때문에 이전에 사용되었던 -40℃의 이전 종래 한계보다 낮게 설정될 수 있다. 도 4는 상이한 복귀 밸브 설정점을 사용하는 극저온 냉동 시스템의 개선된 회복 시간을 나타내는 그래프이다. 복귀 밸브 설정점을 -40℃보다 낮게 설정할 수 있도록, 흡입 라인 열교환기(132)가 열교환기 어레이(103)의 배출(고압) 냉매 라인과 흡입(저압) 냉매 라인 사이에 추가된다. 흡입 라인 열교환기(132)는 액체 라인 온도(예를 들어, 약 14℃ 내지 약 40℃)의 냉매를 사용하여 흡입 온도를 가온하여 압축기를 보호하며, 그에 따라 설정점이 -40℃보다 낮게 설정될 수 있다. 동시에, 흡입 라인 열교환기(132)는 액체 라인 온도를 낮추고 시스템이 대기 작동 모드에서 보다 저온이 되도록 회복되는 것을 돕는다. 또한, 흡입 라인 열교환기(132)는 내부 열 전달의 사용으로 인해 전체 시스템 효율을 향상시킨다. 다른 실시예에서, 흡입 라인 열교환기(132)의 기능은 전기 저항 히터와 같은 히터를 사용하여 수행되거나 히터로 보완될 수 있다. 예를 들어 전기 저항 히터와 같은 히터를 사용함으로써, 압축기로의 유동의 온도 제어를 향상시킬 수 있다.
예시로서, 도 1을 참조하면, 극저온 냉동 시스템(100)의 제상 후의 회복 시간을 감소시키는 방법의 실시예는, 증발기(105)의 저압측의 복귀 온도 센서(133)가 복귀 온도 센서(133)의 저장된 바이패스 제어 설정점 온도 이상으로 가온되면, (i) 복수의 열교환기(103)의 저압측의 냉매 회로를 통한 냉매 유동을 방지하기 위해 복귀 밸브(114)를 폐쇄하는 것과, (ii) 복수의 열교환기(103)의 저압측의 냉매 회로 주위에서, 압축기(101)의 저압측으로 진입하는 흡입 라인(134)으로 냉매의 유동을 바이패스시키기 위해 바이패스 밸브(113)를 개방하는 것; 및 압축기(101)의 저압측으로 진입하기 전에 흡입 라인(134) 내의 바이패스된 냉매 유동을 가온하는 것을 포함한다. 흡입 라인(134) 내의 바이패스된 냉매 유동은 흡입 라인(134)과 복수의 열교환기의 고압측의 냉매 회로 사이에서 열 교환하는 열교환기(132)를 사용하여 가온될 수 있다. 대안적으로, 히터가 흡입 라인을 가열하는 데 사용될 수 있다. 복귀 온도 센서(133)의 저장된 바이패스 제어 설정점 온도는 약 -40℃ 미만일 수 있다. 예를 들어, 복귀 온도 센서(133)의 저장된 바이패스 제어 설정점 온도는 약 -40℃ 내지 약 - 50℃, 약 -50℃ 내지 약 -60℃, 또는 약 -60℃ 내지 약 -70℃일 수 있다.
극저온 시스템의 냉각 시간이 감소될 수 있다. 전형적으로, 코팅 응용은 허용 가능한 최대 수증기압에 기초하여, 증발기 입구(124) 또는 증발기 출구에서 특정 목표 온도, 예컨대 약 -110℃ 내지 약 -120℃를 필요로 한다. 이러한 목표 프로세스 온도를 달성하는 데 필요한 시간은 코팅 프로세스의 스루풋(throughput)에 있어서 중요한 인자이다. 냉각 동안에, 버퍼 솔레노이드 밸브(116)가 높은 배출 압력으로 인해 트리거되는 것이 종종 관찰된다. 이러한 밸브가 개방되는 경우, 고압 가스의 일부가 팽창 탱크(115)로 전환되고, 이러한 유동 전환은, 일시적이기는 하지만, 크라이오코일에 대한 냉매 유동의 감소로 인해 냉각 시간의 지연을 초래할 수 있다. 냉각 시간을 감소시키기 위해, 냉각 동안의 고압 결함 발생을 제거함으로써 버퍼 솔레노이드 밸브(116)의 활성화가 감소되거나 제거된다. 언로드 솔레노이드 밸브(130)는 증발기(105)에 대한 냉각 경로에서 유량 미터링 장치(104)와 병렬로 배치된다. 또한, 증발기(105)에 대한 냉각 경로에 냉각 수동 차단 밸브(135) 및 냉각 솔레노이드 밸브(112)가 있다. 냉각 동안에, 배출 압력이 설정점, 예를 들어 415 psig를 초과하는 경우, 이러한 언로드 솔레노이드 밸브(130)는 개방되어 냉매가 수 초 동안 유량 미터링 장치(104)를 바이패스할 수 있게 한다. 이것은 어떠한 유동도 적용 크라이오코일로부터 멀리 전환시키지 않고, 시스템 압력이 한계 아래로 감소될 수 있게 한다.
예시로서, 도 1을 참조하면, 극저온 냉동 시스템(100)의 냉각 시간을 감소시키는 방법의 실시예는, 시스템의 냉각 작동 모드 동안에, 복수의 열교환기(103)의 고압측을 통해, 유량 미터링 장치(104), 냉각 수동 차단 밸브(135) 및 유량 미터링 장치(104)와 직렬 유동 연결되는 냉각 밸브(112)를 통해, 증발기(105)의 입구로, 증발기(105)를 통해, 그리고 복수의 열교환기(103)의 저압측을 통해 냉매를 유동시키는 것을 포함한다. 시스템의 압축기(101)의 배출 압력이 냉각 작동 모드 동안에 최대 배출 압력의 저장된 설정점 이상으로 높아지면, 언로드 밸브(130)가 개방되어, 배출 압력이 최대 배출 압력의 저장된 설정점 미만으로 감소할 때까지, 냉매 유동이 유량 미터링 장치(104) 주위에서 냉각 밸브(112)로 바이패스되게 한다. 증발기(105)의 입구(124) 또는 증발기(105)의 출구(133에서)는 약 -110℃ 미만의 온도에 있을 수 있다. 최대 배출 압력의 저장된 설정점은 시스템의 버퍼 솔레노이드 밸브(116)의 활성화 압력 미만일 수 있다.
하나 이상의 센서(예컨대, 133)는 제어기의 메모리에 저장될 수 있는 하나 이상의 저장된 온도 설정점과 비교하기 위해, 제어기에 제공될 수 있는 감지된 온도 신호를 제공하는 데 사용될 수 있다. 예를 들어, 센서는 시스템의 하나 이상의 위치(예컨대, 133)에 납땜된 열전쌍일 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 열교환기로의 배출 입구 또는 그로부터의 배출 출구, 또는 하나 이상의 열교환기로의 흡입 입구 또는 그로부터의 흡입 출구는 온도 센서를 위한 위치로서 사용될 수 있다. 또한, 임의의 솔레노이드 밸브에서의 온도, 또는 솔레노이드 밸브에 대한 입구 또는 출구에서의 온도가 사용될 수 있다. 일 예에서, 증발기의 저압측 및 복귀 솔레노이드 밸브(114)의 입구(133), 즉 133에서의 온도(Tc)가 감지된다. 다른 예에서, 열전쌍 대신에 또는 이에 부가하여, 실리콘 다이오드 또는 다른 유사한 장치와 같은 다른 온도 센서가 사용될 수 있다.
본원에 기재된 다양한 기술은 제어기를 사용하여 구현되며, 컴퓨터 구현 구성요소를 포함할 수 있다.
도 5는, 예를 들어 도 1의 제어기(180)로서 사용될 수 있는 제어기의 간략화된 개략 블록도이다. 본원에 논의된 제어 기술은, 예를 들어 하나 이상의 주문형 집적회로(ASIC)(582, 583)를 포함할 수 있는 하나 이상의 프로세서(581)를 포함하는 제어기(580)와 같은 하드웨어; 제어기(580)의 하나 이상의 프로세서(581)에서 실행되는 응용 소프트웨어; 본원에 기재된 시스템에 결합된 센서로부터 제어기(580)로 전자 신호를 전달하는 센서 라인(584, 585)(예컨대, 온도 센서(133) 및 임의의 압력 센서로부터의 센서 라인); 및 본원에 기재된 시스템 내의 작동식 구성요소에 전자 신호를 전달하는 액추에이터 라인(586 내지 588)(예컨대, 작동식 밸브 또는 다른 제어식 구성요소에 전자 신호를 전달하는 액추에이터 라인)을 사용하여 구현될 수 있다. 제어기(580)는 또한, 저장된 제상 완료 설정점 온도, 저장된 바이패스 제어 설정점 온도 또는 최대 배출 압력의 저장된 설정점을 설정하는 제어 신호와 같은 설정점 온도를 제공하기 위해 사용자 입력을 수신하기 위한 구성요소(예컨대, 프로세서(581) 및 메모리(590)와 관련된 키보드, 터치 패드 및 관련 전자기기)를 포함할 수 있는 사용자 입력 모듈(589)을 포함할 수 있다. 제어기(580)는 또한 그러한 설정점 온도를 저장하고 컴퓨터 하드웨어 및 소프트웨어 제어 하에서 절차를 구현하기 위한 메모리(590)를 포함할 수 있다. 적어도 부분적으로 공압인 제어 하드웨어를 포함하는 다른 제어 하드웨어가 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다.
전술한 방법 및 시스템의 일부는, 예를 들어 본원에 논의된 냉동 시스템 및 관련 구성요소에 대한 제어 기술의 자동화된 구현을 허용하기 위해, 하나 이상의 컴퓨터 시스템을 사용하여 구현될 수 있다. 예를 들어, 기술은 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합을 사용하여 구현될 수 있다. 소프트웨어로 구현되는 경우, 소프트웨어 코드는 단일 컴퓨터에 제공되든지 다수의 컴퓨터에 분산되든지 간에, 임의의 적합한 프로세서 또는 프로세서 모음에서 실행될 수 있다.
본원에 인용된 모든 특허, 공개된 출원 및 참고문헌의 교시내용은 그 전체가 인용에 의해 포함된다.
예시적인 실시예가 특히 도시 및 설명되었지만, 첨부된 청구범위에 의해 포괄되는 실시예의 범위로부터 벗어남이 없이 형태 및 세부사항에 있어서의 다양한 변경이 이루어질 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다.

Claims (28)

  1. 극저온 냉동 시스템(very low temperature refrigeration system)에 있어서,
    압축기와,
    복수의 열교환기와,
    팽창기와,
    제상 밸브와,
    프로세서 및 메모리를 포함하는 제어기를 포함하며,
    상기 제어기는,
    (i) 상기 압축기의 시동 동안에, 상기 복수의 열교환기의 고압측 및 상기 팽창기 주위에서, 냉매가 증발기로 유입되는 증발기 입구로 냉매의 유동을 바이패스시켜서 상기 증발기에 소정 용적의 냉매를 수용하여 상기 압축기의 시동 동안에 냉매의 초기 압력 증가를 제한하기 위해 고온 가스 제상 회로에서 상기 제상 밸브를 개방하도록 제어하고,
    (ii) 상기 복수의 열교환기의 고압측 및 상기 팽창기를 통해 상기 증발기로 냉매의 유동이 진행되도록 상기 제상 밸브를 폐쇄하도록 후속적으로 제어하도록 구성되는
    극저온 냉동 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 냉매는 복수의 상이한 냉매 성분의 혼합물을 포함하는
    극저온 냉동 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 혼합물은 아르곤, R-14, R-23, R-125 및 R-245fa를 포함하는
    극저온 냉동 시스템.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 압축기의 시동으로부터 적어도 약 3초 후에 상기 제상 밸브를 폐쇄하도록 후속적으로 제어하도록 구성되는
    극저온 냉동 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 압축기의 시동으로부터 적어도 약 6초 전에 상기 제상 밸브를 폐쇄하도록 후속적으로 제어하도록 구성되는
    극저온 냉동 시스템.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 제상 밸브의 후속적인 폐쇄 시에 대기 모드로 진입하도록 상기 시스템을 제어하도록 구성되고, 상기 대기 모드는, 상기 제어기가 상기 복수의 열교환기의 고압측 및 상기 복수의 열교환기의 저압측을 통한 냉매의 유동을 허용하면서, 상기 복수의 열교환기의 고압측으로부터 상기 증발기로의 냉매의 유동을 방지하기 위해 냉각 밸브를 폐쇄하도록 제어하는 것을 포함하는
    극저온 냉동 시스템.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고온 가스 제상 회로는 상기 압축기의 고압 공급 라인으로부터 상기 냉매가 증발기로 유입되는 증발기 입구로 냉매를 유동시키도록 구성되는
    극저온 냉동 시스템.
  8. 압축기, 복수의 열교환기, 팽창기 및 증발기를 갖는 극저온 냉동 시스템의 시동 동안에 피크 작동 압력을 제한하는 방법에 있어서,
    상기 압축기의 시동 동안에, 상기 복수의 열교환기의 고압측 및 상기 팽창기 주위에서, 냉매가 상기 증발기로 유입되는 증발기 입구로 냉매의 유동을 바이패스시켜서 상기 증발기에 소정 용적의 냉매를 수용하여 상기 압축기의 시동 동안에 냉매의 초기 압력 증가를 제한하기 위해 고온 가스 제상 회로에서 제상 밸브를 개방하는 것과,
    상기 복수의 열교환기의 고압측 및 상기 팽창기를 통해 상기 증발기로 냉매의 유동이 진행되도록 상기 제상 밸브를 후속적으로 폐쇄하는 것을 포함하는
    피크 작동 압력 제한 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 냉매는 상기 제상 밸브의 개방이 없을 때 상기 압축기의 시동 동안에 상기 극저온 냉동 시스템의 설계 압력을 초과하는 냉매의 피크 압력을 생성하는 냉매 압력으로 상기 시스템 내에 충전되는
    피크 작동 압력 제한 방법.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
    상기 증발기의 냉매 유동 용적은 상기 극저온 냉동 시스템의 냉매 시스템 용적의 약 10% 초과를 포함하는
    피크 작동 압력 제한 방법.
  11. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉매는 상기 시스템이 약 230 psig 내지 약 300 psig의 균형 압력을 갖도록 상기 시스템 내에 충전되는
    피크 작동 압력 제한 방법.
  12. 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 냉매의 바이패스 유동 동안에, 상기 냉매의 온도는 약 25℃보다 높은
    피크 작동 압력 제한 방법.
  13. 극저온 냉동 시스템에 있어서,
    압축기와,
    복수의 열교환기와,
    팽창기와,
    제상 밸브와,
    프로세서 및 메모리를 포함하는 제어기를 포함하며,
    상기 제어기는, 상기 시스템의 제상 작동 모드에서,
    (i) 상기 복수의 열교환기의 고압측 주위에서, 냉매가 증발기로 유입되는 증발기 입구로 냉매의 유동을 바이패스시켜서 상기 증발기의 가온을 실행하기 위해 고온 가스 제상 회로에서 상기 제상 밸브를 개방하도록 제어하고,
    (ii) 상기 제상 밸브를 개방하도록 제어하는 동안에, 냉매가 상기 고압측으로부터 상기 증발기로 유동하지 않도록 냉각 밸브를 폐쇄하도록 제어하도록 구성되며,
    상기 제어기는, (i) 입력 제어 신호에 기초하여, 상기 증발기의 저압측의 복귀 온도 센서의 저장된 제상 완료 설정점 온도의 값을 설정하고, (ii) 상기 증발기의 가온 동안에, 상기 증발기의 저압측의 복귀 온도 센서가 상기 복귀 온도 센서의 저장된 제상 완료 설정점 온도에 도달하면, 냉매가 상기 증발기로 유동하는 것을 방지하기 위해 상기 제상 밸브를 폐쇄하도록 제어하도록 추가로 구성되는
    극저온 냉동 시스템.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 복귀 온도 센서의 저장된 제상 완료 설정점 온도는 약 0℃ 이하인
    극저온 냉동 시스템.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서,
    상기 복귀 온도 센서는 상기 증발기의 저압측의 열전쌍을 포함하는
    극저온 냉동 시스템.
  16. 제 13 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기는 상기 복귀 온도 센서의 저장된 제상 완료 설정점 온도 이상인 상기 복귀 온도 센서로부터의 온도 제어 신호를 수신하는 것에 응답하여 상기 제상 밸브를 폐쇄하도록 구성되고, 상기 제어기는 제상 완료 설정점 온도를 저장하기 위한 메모리를 포함하는
    극저온 냉동 시스템.
  17. 극저온 냉동 시스템의 제상 작동 모드에서 소요되는 시간을 감소시키는 방법에 있어서,
    상기 시스템의 제상 작동 모드에서, (i) 복수의 열교환기의 고압측 주위에서, 냉매가 증발기로 유입되는 증발기 입구로 냉매의 유동을 바이패스시켜서 상기 증발기의 가온을 실행하기 위해 고온 가스 제상 회로에서 제상 밸브를 개방하는 것, 및 (ii) 상기 제상 밸브를 개방하는 동안에, 냉매가 상기 고압측으로부터 상기 증발기로 유동하지 않도록 냉각 밸브를 폐쇄하는 것과,
    입력 제어 신호에 기초하여, 상기 증발기의 저압측의 복귀 온도 센서의 저장된 제상 완료 설정점 온도의 값을 설정하는 것과,
    상기 증발기의 가온 동안에, 상기 증발기의 저압측의 복귀 온도 센서가 상기 복귀 온도 센서의 저장된 제상 완료 설정점 온도에 도달하면, 냉매가 상기 증발기로 유동하는 것을 방지하기 위해 상기 제상 밸브를 폐쇄하는 것을 포함하는
    제상 작동 모드에서의 소요 시간 감소 방법.
  18. 극저온 냉동 시스템에 있어서,
    압축기와,
    복수의 열교환기와,
    팽창기와,
    온도 센서와,
    복수의 밸브와,
    프로세서 및 메모리를 포함하는 제어기로서, 입력 제어 신호에 기초하여, 증발기의 저압측의 복귀 온도 센서의 저장된 바이패스 제어 설정점 온도의 값을 설정하도록 구성되는, 상기 제어기를 포함하며,
    상기 제어기는, 상기 증발기의 저압측의 복귀 온도 센서가 상기 복귀 온도 센서의 저장된 바이패스 제어 설정점 온도 이상으로 가온되면,
    (i) 상기 복수의 열교환기의 저압측을 통한 냉매 유동을 방지하기 위해 복귀 밸브를 폐쇄하도록 제어하고,
    (ii) 상기 복수의 열교환기의 저압측 주위에서, 상기 압축기의 저압측으로 진입하는 흡입 라인으로 냉매의 유동을 바이패스시키기 위해 바이패스 밸브를 개방하도록 제어하도록 추가로 구성되고,
    상기 시스템은 상기 압축기의 저압측으로 진입하기 전에 상기 흡입 라인 내의 바이패스된 냉매 유동을 가온하도록 구성되는
    극저온 냉동 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 복수의 열교환기 중 적어도 하나는 상기 흡입 라인 내의 바이패스된 냉매 유동을 가온하기 위해 상기 흡입 라인과 상기 복수의 열교환기의 고압측 사이에서 열 교환하도록 구성되는
    극저온 냉동 시스템.
  20. 제 18 항에 있어서,
    상기 극저온 냉동 시스템은 상기 흡입 라인 내의 바이패스된 냉매 유동을 가온하기 위한 히터를 포함하는
    극저온 냉동 시스템.
  21. 제 18 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 복귀 온도 센서의 저장된 바이패스 제어 설정점 온도는 상기 압축기의 정격 입력 유동 온도보다 낮은
    극저온 냉동 시스템.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 복귀 온도 센서의 저장된 바이패스 제어 설정점 온도는 약 -40℃ 내지 약 -70℃인
    극저온 냉동 시스템.
  23. 극저온 냉동 시스템의 제상 후의 회복 시간을 감소시키는 방법에 있어서,
    입력 제어 신호에 기초하여, 증발기의 저압측의 복귀 온도 센서의 저장된 바이패스 제어 설정점 온도의 값을 설정하는 것과,
    상기 증발기의 저압측의 복귀 온도 센서가 상기 복귀 온도 센서의 저장된 바이패스 제어 설정점 온도 이상으로 가온되면, (i) 복수의 열교환기의 저압측을 통한 냉매 유동을 방지하기 위해 복귀 밸브를 폐쇄하는 것, 및 (ii) 상기 복수의 열교환기의 저압측 주위에서, 압축기의 저압측으로 진입하는 흡입 라인으로 냉매의 유동을 바이패스시키기 위해 바이패스 밸브를 개방하는 것과,
    압축기의 저압측으로 진입하기 전에 상기 흡입 라인 내의 바이패스된 냉매 유동을 가온하는 것을 포함하는
    회복 시간 감소 방법.
  24. 극저온 냉동 시스템에 있어서,
    압축기와,
    복수의 열교환기와,
    팽창기와,
    유량 미터링 장치 및 상기 유량 미터링 장치를 증발기의 입구에 직렬 유동 연결하는 냉각 밸브와,
    프로세서 및 메모리를 포함하는 제어기를 포함하며,
    상기 제어기는, 상기 시스템의 압축기의 배출 압력이 냉각 작동 모드 동안에 최대 배출 압력의 저장된 설정점 이상으로 높아지면, 배출 압력이 최대 배출 압력의 저장된 설정점 미만으로 감소할 때까지, 냉매 유동이 상기 유량 미터링 장치 주위에서 상기 냉각 밸브로 바이패스되게 하기 위해 언로드 밸브를 개방하도록 제어하도록 구성되는
    극저온 냉동 시스템.
  25. 제 24 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 압축기의 시동 동안에, (i) 상기 복수의 열교환기의 고압측 및 상기 팽창기 주위에서, 냉매가 증발기로 유입되는 증발기 입구로 냉매의 유동을 바이패스시켜서 상기 증발기에 소정 용적의 냉매를 수용하여 상기 압축기의 시동 동안에 냉매의 초기 압력 증가를 제한하기 위해 고온 가스 제상 회로에서 제상 밸브를 개방하도록 제어하고,
    (ii) 상기 복수의 열교환기의 고압측 및 상기 팽창기를 통해 상기 증발기로 냉매의 유동이 진행되도록 상기 제상 밸브를 폐쇄하도록 후속적으로 제어하며,
    제상 동안에, (i) 상기 복수의 열교환기의 고압측 주위에서, 냉매가 증발기로 유입되는 증발기 입구로 냉매의 유동을 바이패스시켜서 상기 증발기의 가온을 실행하기 위해 고온 가스 제상 회로에서 제상 밸브를 개방하도록 제어하고,
    (ii) 상기 제상 밸브를 개방하도록 제어하는 동안에, 냉매가 상기 고압측으로부터 상기 증발기로 유동하지 않도록 냉각 밸브를 폐쇄하도록 제어하도록 추가로 구성되며,
    상기 제어기는,
    (i) 입력 제어 신호에 기초하여, 상기 증발기의 저압측의 복귀 온도 센서의 저장된 제상 완료 설정점 온도의 값을 설정하고, (ii) 상기 증발기의 가온 동안에, 상기 증발기의 저압측의 복귀 온도 센서가 상기 복귀 온도 센서의 저장된 제상 완료 설정점 온도에 도달하면, 냉매가 상기 증발기로 유동하는 것을 방지하기 위해 상기 제상 밸브를 폐쇄하도록 제어하며,
    제상에 이어서, 상기 증발기의 저압측의 복귀 온도 센서가 상기 복귀 온도 센서의 저장된 바이패스 제어 설정점 온도 이상으로 가온되면,
    (i) 상기 복수의 열교환기의 저압측을 통한 냉매 유동을 방지하기 위해 복귀 밸브를 폐쇄하도록 제어하고,
    (ii) 상기 복수의 열교환기의 저압측 주위에서, 상기 압축기의 저압측으로 진입하는 흡입 라인으로 냉매의 유동을 바이패스시키기 위해 바이패스 밸브를 개방하도록 제어하도록 추가로 구성되고,
    상기 시스템은 상기 압축기의 저압측으로 진입하기 전에 상기 흡입 라인 내의 바이패스된 냉매 유동을 가온하도록 구성되는
    극저온 냉동 시스템.
  26. 극저온 냉동 시스템의 냉각 시간을 감소시키는 방법에 있어서,
    상기 시스템의 냉각 작동 모드 동안에, 복수의 열교환기의 고압측을 통해, 유량 미터링 장치 및 상기 유량 미터링 장치를 증발기의 입구에 직렬 유동 연결하는 냉각 밸브를 통해, 증발기를 통해, 그리고 상기 복수의 열교환기의 저압측을 통해 냉매를 유동시키는 것과,
    상기 시스템의 압축기의 배출 압력이 상기 냉각 작동 모드 동안에 최대 배출 압력의 저장된 설정점 이상으로 높아지면, 배출 압력이 최대 배출 압력의 저장된 설정점 미만으로 감소할 때까지, 냉매 유동이 상기 유량 미터링 장치 주위에서 상기 냉각 밸브로 바이패스되게 하기 위해 언로드 밸브를 개방하는 것을 포함하는
    냉각 시간 감소 방법.
  27. 제 26 항에 있어서,
    상기 증발기의 입구 또는 상기 증발기의 출구는 약 -110℃ 미만의 온도에 있는
    냉각 시간 감소 방법.
  28. 제 26 항 또는 제 27 항에 있어서,
    상기 최대 배출 압력의 저장된 설정점은 상기 시스템의 버퍼 솔레노이드 밸브의 활성화 압력보다 낮은
    냉각 시간 감소 방법.
KR1020217032589A 2019-04-12 2020-04-09 급속 작동 사이클을 갖는 극저온 냉동 시스템 KR20210149733A (ko)

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