(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却モードおよび霜取りモードで長期連続運転を行う冷凍システムであって、
入口および出口を有し、前記入口で冷媒を低圧で取り込み、前記出口で高圧冷媒を吐出する圧縮ユニットと、
高圧回路および低圧回路を有し、前記高圧回路が前記圧縮ユニットから前記高圧冷媒を受取り、前記低圧回路が前記圧縮ユニットの低圧回路に低圧の前記冷媒を供給し、前記高圧および低圧回路内の冷媒の間で熱交換が行われる冷凍プロセスユニットと、
入口および出口を有する主スロットルユニットであって、前記主スロットルユニットの入口は前記冷凍プロセスユニットの前記高圧回路から高圧冷媒を受取り、前記主スロットルユニットの出口で低圧冷媒を吐出する主スロットルユニットと、
入口および出口を有し負荷を選択的に冷却または加熱する蒸発ユニットであって、前記蒸発ユニットは、前記主スロットルユニットから低圧冷媒を受取り、前記蒸発ユニットの出口からの冷媒は前記冷凍プロセスユニットの前記低圧回路に流れる蒸発ユニットと、
前記主スロットルユニットおよび前記冷凍プロセスユニットの上流側に位置し、前記圧縮ユニットから得られた高圧の前記冷媒から熱を除去し、前記熱を前記冷凍システムの外部に排除するコンデンサユニットと、
冷媒流を前記冷凍プロセスユニットの高圧回路と前記コンデンサユニットとの両方の周りに迂回させる少なくとも１つの高圧分岐回路を備える第１のバイパス回路と、
冷媒流を前記冷凍プロセスユニットの低圧回路の周りに迂回させる少なくとも１つの低圧分岐回路を備える第２のバイパス回路と、
前記圧縮ユニットと前記蒸発ユニットとの間で選択された閉サイクルで、前記冷媒の方向を選択された順序で定める制御システムと、
を有し、
極低温の温度範囲での冷凍を提供し、
前記制御システムは、前記第２のバイパス回路内の冷媒流量を調節する第１の制御可能な装置を前記第２のバイパス回路内に有し、前記第１の制御可能な装置は、オン／オフ動作と可変流量動作との少なくとも一方を行い、前記制御システムは、前記冷凍プロセスユニットの前記低圧回路と直列に設けられた第１の遮断手段をさらに有し、前記第１の遮断手段は、前記第１の制御可能な装置が流れを可能にするときに前記冷凍プロセスユニットの前記低圧回路を通る戻り冷媒流を妨害する、冷凍システム。
【請求項２】
前記第２のバイパス回路の１つの前記低圧分岐回路は、第１の温度範囲において適切に連続的に動作することができるとともに損傷を受けない弁構成要素であって、前記第１の温度範囲よりも低い第２の温度範囲では連続運転されたときに不適切な動作と損傷との少なくとも一方を受ける弁構成要素を備えている、請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項３】
前記制御システムは、不適切な動作および損傷がまったく起こらないように前記第２のバイパス回路の前記１つの低圧分岐回路内の冷媒温度が維持されるときにのみ、前記低圧冷媒を連続的に前記１つの低圧分岐回路に向ける、請求項２に記載の冷凍システム。
【請求項４】
前記第１の温度範囲は、−４０℃かそれよりも暖かい温度範囲であり、前記第２の温度範囲は−４０℃よりも冷たい温度範囲である、請求項３に記載の冷凍システム。
【請求項５】
前記第１の制御可能な装置は、前記冷凍プロセスユニットの低圧回路の温度が選択された温度以上であるときに、前記第２のバイパス回路を通る冷媒流を可能にする、請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項６】
前記選択された温度は、前記第２の温度範囲の上限である、請求項５に記載の冷凍システム。
【請求項７】
前記第１のバイパス回路は、少なくとも１つの分岐路を有し、各分岐路は、前記第１のバイパス回路を通過する冷媒の圧力を低下させるそれぞれの霜取りスロットルユニットを有し、前記分岐路は、並列構成と直列／並列構成との一方であり、前記制御システムは、前記霜取りスロットルユニットと直列に設けられた第２の遮断手段を前記各分岐路内に有しており、前記第２の遮断手段は、前記蒸発ユニットに向かう冷媒流のオン／オフ動作を少なくとも行う、請求項２に記載の冷凍システム。
【請求項８】
前記第１の遮断手段は、前記蒸発ユニットから前記圧縮ユニットの前記入口の方に向かう冷媒流のみを可能にする圧力阻止弁である、請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項９】
前記主スロットルユニットおよび霜取りスロットルユニットは、それぞれ、毛管、オリフィス、フィードバックを有する比例弁、多孔性要素、および流量を調整する他の任意の制限要素のうちの少なくとも１つを含む、請求項７に記載の冷凍システム。
【請求項１０】
前記圧縮ユニットは、単一の圧縮機、並列に設けられた２つの圧縮機、直列に設けられた圧縮機、２段圧縮機、それぞれ直列構成、並列構成、および直列／並列構成の圧縮機を有する分岐路のうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項１１】
前記コンデンサユニットは、ガス冷却コンデンサと液体冷却コンデンサとの少なくとも１つを備えており、前記少なくとも１つのコンデンサは、並列回路、直列回路、および直列／並列回路のうちの１つとして構成されている、請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項１２】
前記蒸発ユニットは、金属配管を有する蒸発コイルと金属プラテンとの少なくとも一方を備える、請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項１３】
前記圧縮ユニットの高圧出口と前記コンデンサユニットの入口との間にオイル分離器をさらに有する、請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項１４】
前記第１の温度範囲の前記下端は、約−５０℃から−４０℃の範囲内であり、前記第２の温度範囲の下端は−２５０℃から−１５０℃の範囲内であり、前記第２の温度範囲の上端は−４０℃から−５０℃の範囲内である、請求項２に記載の冷凍システム。
【請求項１５】
前記冷凍プロセスユニットは、単一冷媒システム、混合冷媒システム、通常の冷凍プロセス、縦続冷凍プロセスの個々の段、自動冷凍縦続サイクル、およびクリメンコ（Ｋｌｉｍｅｎｋｏ）サイクルのうちの少なくとも１つを含む、請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項１６】
内部を流れる冷媒の温度を調整し、前記第２のバイパス回路内の弁構成要素を保護する加熱手段を前記第２のバイパス回路内にさらに有する、請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項１７】
前記第２のバイパス回路は、前記第２のバイパス回路内の流量を制御できるような流れ調量装置を含む、請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項１８】
戻り冷媒を暖めるために、前記圧縮ユニットの入口と前記第２のバイパス回路の上流側とに接続する低圧冷媒配管内に位置する熱源をさらに有する、請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項１９】
少なくとも１つの追加バイパス回路をさらに有し、前記少なくとも１つの追加バイパス回路は、一端で前記冷凍プロセスユニットの前記低圧回路の上流側に接続され、他方の端部で前記冷凍プロセスユニット内の前記低圧回路に接続され、前記少なくとも１つの追加バイパス回路は、前記追加バイパス回路を通る流量を調節するバイパス弁を有し、前記追加バイパス回路は、前記追加バイパス回路内を流れようとする冷媒が前記冷凍プロセスユニットの前記追加バイパス回路と前記冷凍プロセスユニットの前記低圧回路との間の接続点における前記冷凍プロセスユニット内の温度と同じ温度を有するときに、前記制御システムによって作動させられ、前記追加バイパス回路での流れは、前記蒸発ユニットの冷却に必要な時間を短縮する、請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項２０】
前記第１のバイパス回路は、前記少なくとも１つの分岐路からの前記冷媒流を加熱する熱源を含み、前記熱源は、前記霜取りスロットルユニットの下流側で前記蒸発ユニットへの前記入口の上流側に位置している、請求項７に記載の冷凍システム。
【請求項２１】
前記熱源によって加熱される前記冷媒流の少なくとも一部をバイパス弁が迂回しており、前記バイパス弁は、前記圧縮ユニットの入口に供給される冷媒の温度を調節するように前記制御システムによって制御される、請求項２０に記載の冷凍システム。
【請求項２２】
前記バイパス弁は、前記制御システムによって決定されたさまざまな長さの時間だけパルス状にオン状態またはオフ状態になるチョッパ型の弁である、請求項２１に記載の冷凍システム。
【請求項２３】
前記圧縮ユニットの出口と前記圧縮ユニットの入口の間で分流させる可変流量弁をさらに有し、前記圧縮ユニットの高圧吐出温度は、前記可変流量弁を調整することによって制御可能である、請求項１に記載の冷凍システム。
【請求項２４】
冷却モードおよび霜取りモードで長期連続運転を行う冷凍システムであって、
入口および出口を有し、前記入口で冷媒を低圧で取り込み、前記出口で高圧冷媒を吐出する圧縮ユニットと、
高圧回路および低圧回路を有し、前記高圧回路が前記圧縮ユニットから前記高圧冷媒を受取り、前記低圧回路が前記圧縮ユニットの低圧回路に低圧の前記冷媒を供給し、前記高圧および低圧回路内の冷媒の間で熱交換が行われる冷凍プロセスユニットと、
入口および出口を有する主スロットルユニットであって、前記主スロットルユニットの入口は前記冷凍プロセスユニットの前記高圧回路から高圧冷媒を受取り、負荷を選択的に冷却または加熱する蒸発ユニットに接続され前記冷凍プロセスユニットの前記低圧回路に戻る前記主スロットルユニットの出口で低圧冷媒を吐出する主スロットルユニットと、
前記主スロットルユニットおよび前記冷凍プロセスユニットの上流側に位置し、前記圧縮ユニットから得られた前記高圧の前記冷媒から熱を除去し、前記熱を前記冷凍システムの外部に排除するコンデンサユニットと、
冷媒流を前記冷凍プロセスユニットの高圧回路の下流側部分と前記コンデンサユニットとの両方の周りに迂回させる少なくとも１つの高圧分岐回路を備える第１のバイパス回路と、
冷媒流を前記冷凍プロセスユニットの低圧回路の周りに迂回させる少なくとも１つの低圧分岐回路を備える第２のバイパス回路と、
前記圧縮ユニットを含む選択された閉サイクルで、前記冷媒の方向を選択された順序で定める制御システムと、
を有し、
極低温の温度範囲での冷凍を提供し、
前記制御システムは、前記第２のバイパス回路内の冷媒流量を調節する第１の制御可能な装置を前記第２のバイパス回路内に有し、前記第１の制御可能な装置は、オン／オフ動作と可変流量動作の少なくとも一方を行い、前記制御システムは、前記冷凍プロセスユニットの前記低圧回路と直列に設けられた第１の遮断手段をさらに有し、前記第１の遮断手段は、前記第１の制御可能な装置が流れを可能にするときに前記冷凍プロセスユニットの前記低圧回路を通る戻り冷媒流を妨害する、冷凍システム。
【請求項２５】
前記冷凍プロセスユニットは、前記高圧回路と前記低圧回路との間で順次熱を交換する複数の熱交換器と、一対の前記熱交換器間に位置する冷媒気液分離器と、を備え、前記第１のバイパス回路には、前記気液分離器から高圧の気相冷媒が供給され、熱交換器が、前記気液分離器からの高圧配管および前記第１のバイパス回路の前記少なくとも１つの高圧分岐回路内に位置している、請求項２４に記載の冷凍システム。
【請求項２６】
各配管が前記冷凍プロセスユニットの前記高圧回路内の異なる位置に接続された並列に設けられた複数の冷媒配管と、前記各配管内に位置する制御流量弁と、一端で前記配管と並列に接続され、他端で前記第１のバイパス回路に接続された熱交換器とをさらに備え、前記制御システムは前記制御流量弁を動作させる、請求項２４に記載の冷凍システム。
【請求項２７】
前記制御システムは、冷凍システム内の温度に基づいて流れ用のフローラインを選択する、請求項２６に記載の冷凍システム。
【請求項２８】
冷却モードおよび霜取りモードで長期連続運転を行う冷凍システムであって、
入口および出口を有し、前記入口で冷媒を低圧で取り込み、前記出口で高圧冷媒を吐出する圧縮ユニットと、
高圧回路および低圧回路を有し、前記高圧回路が前記圧縮ユニットから前記高圧冷媒を受取り、前記低圧回路が前記圧縮ユニットの低圧回路に低圧の前記冷媒を供給し、前記高圧および低圧回路内の冷媒の間で熱交換が行われる冷凍プロセスユニットと、
入口および出口を有する主スロットルユニットであって、前記主スロットルユニットの入口は前記冷凍プロセスユニットの前記高圧回路から高圧冷媒を受取り、負荷を選択的に冷却または加熱する蒸発ユニットに接続され前記冷凍プロセスユニットの前記低圧回路に戻る前記主スロットルユニットの出口で低圧冷媒を吐出する主スロットルユニットと、
前記主スロットルユニットおよび前記冷凍プロセスユニットの上流側に位置し、前記圧縮ユニットから得られた前記高圧の前記冷媒から熱を除去し、前記熱を前記冷凍システムの外部に排除するコンデンサユニットと、
冷媒流を前記冷凍プロセスユニットの高圧回路と前記コンデンサユニットとの両方の周りに迂回させる少なくとも１つの高圧分岐回路を備える第１のバイパス回路と、
冷媒流を前記冷凍プロセスユニットの低圧回路の周りに迂回させる少なくとも１つの低圧分岐回路を備える第２のバイパス回路と、
前記圧縮ユニットを含む選択された閉サイクルにおいて、前記冷媒の方向を選択された順序で定める制御システムと、
を有し、
極低温の温度範囲での冷凍を提供し、
前記制御システムは、前記第２のバイパス回路内の冷媒流量を調節する第１の制御可能な装置を前記第２のバイパス回路内に有し、前記第１の制御可能な装置は、オン／オフ動作と可変流量動作との少なくとも一方を行い、前記制御システムは、前記冷凍プロセスユニットの前記低圧回路と直列に設けられた第１の遮断手段をさらに有し、前記第１の遮断手段は、前記第１の制御可能な装置が流れを可能にするときに前記冷凍プロセスユニットの前記低圧回路を通る戻り冷媒流を妨害する、冷凍システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】  本出願は、出願済みであり現在係属中の仮出願第６０／２０７９２１号による優先権を利益を主張するものである。
【０００２】 関連出願（引用によって本明細書に組み込まれる）：
米国仮出願第６０／２１４５６０号
米国仮出願第６０／２１４５６２号
発明の分野：
本発明は、極低温冷凍システムの加熱／霜取りサイクルに関し、特に、加熱／霜取りサイクルを最適化し、その冷凍プロセスの過負荷（過度の圧力）を防止しそれによって霜取りサイクルを連続的に運転できるようにし、加熱／霜取り動作モードと冷却動作モードとの間の回復期間を短縮し、冷却または昇温中の温度変化率が開ループ的に制御される制御された流れを可能にする霜取り供給ループおよび霜取り戻りバイパスループを組み込んでいる、改良された加熱サイクルに関する。
【０００３】 発明の背景：
冷凍システムは、信頼できる密封冷凍システムが開発された１９００年代初期から存在している。それ以来、冷凍技術における改善は、このようなシステムが住居環境でも工業環境でも有用であることを証明している。特に、低温冷凍システムは、現在、生物医学用途、クライオエレクトロニクス（低温電子工学）、被覆工程および半導体製造用途において必須の工業的機能を提供している。これらの用途の多くでは、冷凍システムは、低温をもたらす必要があるだけでなく、システムが０℃よりもかなり高い温度となる霜取りサイクルも行う必要がある。これらの温度範囲にまたがって動作することのできる冷凍システムを開発し、関連する知的財産権を所有する企業は、かなりの利益を得ることができる。
【０００４】
−５０℃よりも低い温度での冷凍は、特に、工業製造用途および試験用途において多数の重要な用途を有する。本発明は、−５０℃から−２５０℃までの間の温度での冷凍のための冷凍システムに関する。この範囲に含まれる温度は、低温、超低温、極低温(cryogenic)など様々な名称で呼ばれている。本特許では、「極低」または極低温の用語は、−５０℃から−２５０℃までの温度範囲を意味するために使用される。
【０００５】  真空条件で行われる多数の製造プロセスでは、様々な理由で、システム要素を加熱する必要がある。この加熱プロセスは、霜取りサイクルとして知られている。この加熱によって製造システムの温度が上昇し、大気中の水分を凝縮させることなく、システムの各部分に外部から到達したりシステム内に大気を導入することを可能にする。霜取りサイクルとそれに引き続いて再び極低温を発生することの全体的な時間が長ければ長いほど、製造システムのスループットは低くなる。高速に霜取りを行いかつ真空室内の極低温表面の冷却をただちに再開することができると、有益である。必要なことは、真空プロセスのスループットを高める方法である。
【０００６】  このような極低温冷却を必要とする多数の真空プロセスがある。主要な用途は、真空システムの水蒸気のクライオポンピング（低温吸収）を行うためのものである。極低温表面は、水蒸気の分子を、それが脱離する速度よりもずっと高い速度で捕捉し保持する。この正味の効果として、真空室の水蒸気分圧が急速かつ顕著に低下する。他の用途として熱放射遮蔽がある。この用途では、大きなパネルが極低温に冷却される。これらの冷却されたパネルは、真空室表面およびヒータからの放射熱を遮断する。これによって、パネルよりも低い温度に冷却されている表面に対する熱負荷を小さくすることができる。さらに他の用途は、製造中の物体からの熱の除去である。ある場合には、この物体は、コンピュータハードドライブ用のアルミニウムディスク、集積回路用のシリコンウエハまたはフラットパネルディスプレイ用の材料である。このような場合、プロセス段階の終了時の物体の最終的な温度が室温よりも高いような場合であっても、極低温は、これらの物体から他の手段よりも急速に熱を除去する手段を与える。さらに、ハードディスクドライブ媒体、シリコンウエアウェハまたはフラットパネルディスプレイ材料を含むいくつかの用途では、これらの物体上への材料の堆積を伴なう。これらの場合では、堆積の結果として物体から熱が放出され、物体を所定の温度内に維持しながらこの熱を除去しなければならない。プラテンなどの表面の冷却は、このような物体から熱を除去する典型的な手段である。これらのすべての場合において、極低温での冷却の際に、これらの顧客用途から冷媒が熱を除去するのは蒸発器の表面であることを理解されたい。
【０００７】  多くの冷凍用途では、加熱されている物品の応答時間が長いことを見込んで長い期間にわたって高温を維持する必要がある。霜取り時間が長いと、従来のシステムは、３００ｐｓｉ（２．０７ＭＰａ）から５００ｐｓｉ（３．４５ＭＰａ）の範囲の高い吐出圧力のために過負荷状態になり停止する。システムの圧縮機の吐出圧力を制限して過度の吐出圧力を防止する必要がある。そうしないと下流側の構成要素が過度に加圧される。通常、過度の吐出圧力を防止するために、安全スイッチまたは圧力逃がし弁が所定の位置に配置される。しかし、この場合、霜取りサイクルが禁止される。冷凍システムの動作限界を超えることなく冷凍システムの霜取り時間を延長する方法が必要がある。
【０００８】  多くの用途では、徐々の加熱または冷却が必要になる場合がある。たとえば、半導体ウエハ製造プロセスのセラミックチャックにおける温度の急速な変化は、チャックの特定の材料特性に基づいて異なるある限界を超えることはできない。この速度を超えた場合、チャックに亀裂（クラック）が生じることがある。可変加熱・冷却システムを提供する方法が必要である。
【０００９】  従来の極低温冷凍システムにおいて、通常の霜取り時間は典型的には２分から４分の範囲であり、大きなコイルの場合は７分程度である。このような霜取り時間を用いた場合、吐出圧力が高いために冷凍システムが酷使され、したがって、５分の回復期間を設けないかぎり冷却を再開することができなくなり、全体としての霜取りサイクルが長くなる。冷凍システムの全体としての霜取りサイクルを短縮する方法が必要である。
【００１０】  ベークアウトプロセスとは、真空室が大気にさらされた後（メンテナンスのために真空室が開放されたときなど）に、真空室内のすべての表面を加熱して真空室内の水蒸気を除去するプロセスである。ベークアウトプロセスを実行する従来の技術では、真空室の構成要素を長期間にわたって２００℃を超える温度にさらすヒータを用いて表面が加熱され、真空室表面からの水蒸気の放出が推進される。この方法を用いて加熱されているチャンバ内に冷却表面がある場合、その結果として残っている冷媒およびオイルが分解し、冷凍プロセスの信頼性が低下する。ベークアウトプロセス中のプロセス流体の化学的安定性を維持する方法が必要である。
【００１１】 背景特許：
Carrier Corporation（ニューヨーク州シラクーザ(syracuse)）に譲渡された米国特許第６１１２５３４号明細書「Refrigeration and heating cycle system and method（冷凍および加熱サイクルシステムおよび方法）」は、改良された冷凍システムおよび加熱／霜取りサイクルについて説明している。このシステムは、循環する空気を加熱し、密閉された領域の霜取りを行うシステムであって、冷媒と、この冷媒を使用して循環する空気を加熱する蒸発器と、蒸発器から冷媒を受取り、より高い温度および圧力にこの冷媒を圧縮する圧縮機と、を備えている。このシステムは、部分的に膨張した冷媒を形成するために圧縮機と蒸発器との間に位置する膨張弁と、システムパラメータを検知するコントローラと、検知されたパラメータに基づいてコントローラに応答し、冷媒と循環する空気との間の温度差を大きくし、システムの効率を高め、加熱サイクルおよび霜取りサイクルにおけるシステムの能力を最適化する機構との組合せをさらに含んでいる。
【００１２】  Dube, Serge（カナダ、ケベック州）に譲渡された米国特許第６０８９０３３号明細書「High-speed evaporator defrost system（高速蒸発器霜取りシステム）」は、１つまたは複数の圧縮機の吐出配管に接続されるとともに、冷凍システムの装填冷媒全体を格納することのできる補助リザーバを通して吸込ヘッダに戻る霜取り導管回路で構成された高速蒸発器霜取りシステムについて説明している。補助リザーバは、低圧であり、液体冷媒が所定のレベルまで蓄積すると自動的に主リザーバに放出される。霜取り回路の補助リザーバは、吐出配管内の高温の高圧冷媒ガスを蒸発器の冷凍コイルを通して加速し、圧縮機のヘッド圧力が低い場合でも冷凍コイルの霜取りを迅速に行うのに十分な圧力差を蒸発器の冷凍コイルの両端間に生じさせる。この場合、コイルの両端間の圧力差は、約３０ｐｓｉ（２０７ｋＰａ）から２００ｐｓｉ（１．３８ＭＰａ）の範囲である。
【００１３】  Praxair Technology, Inc.（コネクチカット州、ダンベリー(Danbury)）に譲渡された米国特許第６０７６３７２号明細書「Variable load refrigeration system particularly for cyogenic temperatures（特に極低温のための可変負荷冷凍システム）」は、非毒性で不燃性であってオゾンを減損させる可能性が低いかまったくない混合物が、規定された成分から形成され、冷凍サイクル中の圧縮、冷却、膨張、加熱工程を通して可変負荷形態に維持される、極低温を含め広い温度範囲にわたる冷凍を実現する方法について説明している。
【００１４】  Redstone engineering（コロラド州、カーボンデール(Carbondale)）に譲渡された米国特許第５７４９２４３号明細書「Low-temperature refrigeration with precise temperature control （正確な温度制御の低温冷凍システム）」は、時間に応じて変化する熱出力を有する器具（１１）をほぼ一定の所定の極低温に正確に維持する低温冷凍システム（１０）を説明している。この冷凍システム（１０）は、器具（１１）に結合した熱交換器界面（１２）にある冷却剤の圧力を正確に調整することによって器具（１１）の温度を制御する。冷却剤の圧力および流量は、１つまたは２つの循環ループ、および／またはヒータ（３２）を含む非機械的流量調整弁（２４）を使用することによって、調整される。この冷凍システムは、さらに、冷却源（１４）によって与えられる冷却出力に対するシステム（１０）の冷却出力の変動を可能にする熱キャパシタ（１６）をさらに備えている。
【００１５】  General Cryogenics Incorporated（テキサス州、ダラス(Dallas)）に譲渡された米国特許第５３９６７７７号明細書「Defrost controller（霜取りコントローラ）」は、液体二酸化炭素を蒸発させて加圧蒸気を形成するのに十分な熱が吸収されるように第１の一次熱交換器によって液体ＣＯ２が供給される、コンパートメント内の空気を冷凍する方法および装置について説明している。加圧蒸気は、それが減圧され等エントロピ膨張し、空気圧駆動式ファンモータを通って二次熱交換器に流入するときに、加圧された二酸化炭素の凝結を防止するために、ガス燃焼ヒータで加熱される。ファンモータの入口のオリフィスとファンモータへのフローライン内のソレノイド弁は、ＣＯ２蒸気がモータを通って膨張するときに凝結を防止するのに十分な熱をヒータが供給する間、蒸気を加圧状態に維持する。ＣＯ２蒸気は、二次熱交換器から除湿器内の低温表面に向けられ、それによって、空気流が熱交換器に流れる前に、その空気流の水分が凝縮する。
【００１６】 発明の概要：
本発明は、単一の蒸発器を使用して−１５０℃程度の長期冷却および＋１３０℃程度の長期加熱を行うことのできる制御可能な極低温冷凍システムである。長期霜取りモードの間、この極低温冷凍システムでは霜取りガスを冷凍プロセスユニットに連続的に戻すことは許容されない。その代わり、本発明の極低温冷凍システムは、戻りバイパスを許容し、冷凍プロセスの過負荷（過度の圧力）が防止し、それによって霜取りサイクルが連続的に動作することを可能にする。一方、冷却モードでは、冷却表面が冷却されている間に霜取り戻りバイパスを使用することができ、それによって回復期間を短縮することができる。本発明の極低温冷凍システムでは、各霜取りサイクル後の回復期間を短縮することができるので、総処理時間を短縮することができる。また、本発明の極低温冷凍システムでは制御された流れがもたらされ、冷却または昇温中の温度変化率が開ループ的に（すなわち、コントローラのフィードバックなしで）制御される。さらに、本発明の極低温冷凍システムは、システムで得られる全温度範囲を利用して、制御された形態で、一定または可変の冷媒供給温度および／または戻り温度を実現する。
【００１７】  本発明の制御された極低温冷凍システムの利点をよりよく理解するために、従来の極低温冷凍システムについて以下に簡単に論じる。
【００１８】  通常、従来の極低温冷凍システムは、コイルやステンレス鋼プラテンなどの蒸発器表面を数分以内に室温まで暖める霜取り機能を備えている。低温状態から高温状態に移るのに必要な時間が短ければ短いほどユーザは機器を適切に使用することができ、すなわち製品のスループットを高めることができるので、通常は２分から４分である短い霜取りサイクルは、製品に付加価値を与える。
【００１９】  典型的な霜取りサイクルでは、蒸発器内の冷媒は、コイルには適切であるが、蒸発器表面（すなわち、プラテン表面）と冷媒の間に大きな熱界面が存在しないような他の種類の表面（すなわち、ステンレス鋼製プラテン）には不十分であり、室温までしか暖められない。第２に、ステンレス鋼製プラテンは応答時間が長い。霜取りサイクルが生起し冷却剤が室温かそれ以上でプラテンから戻ったとしても、応答時間が不十分であるため、プラテンは依然として低温である。その結果、プラテンの一部しか暖められておらず、霜取りサイクルが完了した時点でも、プラテンは依然として許容できないほど低温である。したがって、より長い時間の霜取りサイクルが好ましい。しかし、現行の冷凍システムの設計には制約があり、吐出圧力が高くなるためにシステムが過負荷状態になり停止するので、霜取り時間を延長することはできない。通常、過度の吐出圧力および起こり得るシステム損傷を防止するための吐出側の安全スイッチまたは圧力逃がし弁が所定の位置に配置される。したがって、従来の極低温冷凍システムの動作限界の制約内では、（従来の方法を使用する）より長い霜取りサイクルは不可能である。
【００２０】  本発明は、霜取り時により長い時間運転することを可能にするとともにシステムが過度の吐出圧力を受けるのを防止する手段を提供する。これを実現するために、高温の戻り冷媒ガスの流れを冷凍プロセスの周りでバイパスさせる方法が使用される。この手法の目的は、このバイパス分岐に標準的な冷凍用の構成要素を使用することである。しかし、このような標準的な構成要素は、極低温流体にさらされるように定格化されていない。このような構成要素を極低温で動作させると、エラストマシールにおける障害や、ある種の合金が低温で脆化するために弁および圧縮機ハウジングの適切な圧力定格を保証するうえで重要な機械的性質の喪失がもたらされることがある。本発明では、これらの標準的な構成要素を極低温にさらされないように使用する方法について説明する。
【００２１】  他方の極端として、超高温によって構成要素が損傷を受ける恐れもある。具体的には、蒸発器が冷凍システムに接続された場合の、蒸発器内に常にある程度存在する冷媒および圧縮機オイルである。真空室のベークアウト中に、蒸発器は、２００℃以上の温度に曝される可能性がある。これは、冷媒およびオイルの最大曝露温度を超える温度である。このような温度に長期間曝されると、これらの分子の化学的な分解がもたらされるであろう。その結果得られる生成物は、圧縮機などの重要なシステム構成要素の寿命を短くする原因となる酸を含んでいる。霜取りモードにおいて＋１３０℃以下の高温の冷媒を蒸発器内を循環させる手段を設けることによって、蒸発器内の冷媒およびオイルは、いかなる化学分解も防止する温度限界内に維持されることが保証される。
【００２２】  本発明の他の目的および利点は本明細書において明らかになろう。
【００２３】  したがって、本発明は、以下で説明する構成で例示される構成の特徴、要素の組合せ、および部品の配置を有しており、本発明の範囲は特許請求の範囲に示される。
【００２４】 好ましい実施形態の説明：
本発明をよりよく理解するために、添付の図面とともに以下の説明を参照する。
【００２５】  図１は、本発明による極低温冷凍システム１００を示している。冷凍システム１００は圧縮機１０４を備えており、圧縮機１０４は任意選択のオイル分離器１０８の入口に対して供給し、オイル分離器１０８は吐出配管１１０を介してコンデンサ１１２に対して供給する。コンデンサ１１２は、引き続いて、フィルタ乾燥機１１４に対して供給し、フィルタ乾燥機１１４は液体配管出力１１６を介して冷凍プロセス１１８の第１の供給入力に対して供給する。冷凍プロセス１１８のさらなる詳細は図２に示されている。圧縮機を潤滑するためのオイルの循環を行わないときは、オイル分離器は必要とされない。
【００２６】  冷凍プロセス１１８は、送り弁１２２に対して供給する冷凍供給管出力１２０を備える。送り弁１２２から出る冷媒は、極低温、通常は−５０℃から−２５０℃の高圧冷媒である。流れ調量装置（ＦＭＤ；flow metering device）１２４が、冷却弁１２８と直列に配置されている。同様に、ＦＭＤ１２６が冷却弁１３０と直列に配置されている。ＦＭＤ１２４と冷却弁１２８との直列組合せは、ＦＭＤ１２６と冷却弁１３０との直列組合せと並列に配置されており、ＦＭＤ１２４および１２６の入口は、送り弁１２２の出口から供給される結合点で互いに接続されている。さらに、冷却弁１２８および１３０の出口は、極低温分離弁１３２の入口に対して供給する結合点で互いに接続されている。極低温分離弁１３２の出口は、（一般に）顧客によって設置された蒸発器コイル１３６に対して供給する蒸発器供給配管出力１３４を備える。
【００２７】  蒸発器１３６の反対側の端部は、極低温分離弁１４０の入口に対して供給する蒸発器戻り配管１３８を備える。極低温分離弁１４０の出口は、内部戻り配管１４２を介して極低温流スイッチ１５２の入口に対して供給する。極低温流スイッチ１５２の出口は戻り弁１４４の入口に対して供給する。戻り弁１４４の出口から逆止め弁１４６の入口に対して供給され、この入口から冷凍戻り配管１４８を介して冷凍プロセス１１８の第２の入力（低圧）に対して供給される。
【００２８】  逆止め弁１４６と冷凍プロセス１１８との間の冷媒戻り配管１４８に対して、温度スイッチ（ＴＳ）１５０が熱的に結合されている。また、それぞれの異なるトリップ点を有する複数の温度スイッチが、内部戻り配管１４２に沿って熱的に結合されている。極低温分離弁１４０と戻り弁１４４との間で内部戻り配管１４２に対してＴＳ１５８、ＴＳ１６０およびＴＳ１６２が熱的に結合されている。
【００２９】  冷凍ループは、冷凍プロセス１１８の戻り出口から圧縮機吸込配管１６４を介して圧縮機１０４の入口で閉じられる。圧縮機１０４の入口の近傍に近接して位置する圧力スイッチ（ＰＳ）１９６は、圧縮機吸込配管１６４に気体力学的に接続されている。また、オイル分離器１０８のオイル戻り配管１０９は、圧縮機吸込配管１６４に対して供給する。冷凍システム１００は、圧縮機吸込配管１６４に接続された膨張タンク１９２をさらに備えている。膨張タンク１９２の入口と圧縮機吸込配管１６４との間にＦＭＤ１９４が直列に配置されている。
【００３０】  冷凍システム１００内の霜取り供給ループ（高圧）は以下のように形成されている。送り弁１７６の入口は、吐出配管１１０内に位置する結合点Ａに接続されている。ＦＭＤ１８２に直列に霜取り弁１７８が配置され、同様に、ＦＭＤ１８４に直列に霜取り弁１８０が配置されている。霜取り弁１７８とＦＭＤ１８２との直列組合せは、霜取り弁１８０とＦＭＤ１８４との直列組合せと並列に配置されており、霜取り弁１７８および１８０の入口は、送り弁１７６の出口からそこに対して供給される結合点Ｂで互いに接続されている。さらに、ＦＭＤ１８２および１８４の出口は結合点Ｃで互いに接続され、結合点Ｃは、冷却弁１２８と極低温分離弁１３２との間の配管に結合点Ｄにおいて接続することによって霜取り供給ループを閉じる配管に対して供給する。
【００３１】  冷凍システム１００内の冷媒戻りバイパス（低圧）ループは以下のように形成されている。バイパス配管１８６には、極低温流スイッチ１５２と戻り弁１４４との間の配管内に位置する結合点Ｅからそこに対して供給される。バイパス配管１８６において、バイパス弁１８８およびサービス弁１９０が直列に接続されている。冷媒戻りバイパスループは、圧縮機吸込配管１６４内の、冷凍プロセス１１８と圧縮機１０４との間に位置する結合点Ｆにサービス弁１９０の出口を接続することによって、完結する。
【００３２】  ＴＳ１５０、ＴＳ１５８、ＴＳ１６０およびＴＳ１６２を除いて、冷凍システム１００のすべての要素は機械的かつ水力学的に連結されている。
【００３３】  安全回路１９８は、圧力スイッチや温度スイッチなど冷凍システム１００内に配設された複数の制御装置を制御し、それらの制御装置からフィードバックを受取る。ＰＳ１９６、ＴＳ１５０、ＴＳ１５８、ＴＳ１６０およびＴＳ１６２は、このような装置の例であるが、冷凍システム１００内には他の多数の検知装置が配設されており、それらは、図を簡単にするために、図１には示されていない。ＰＳ１９６を含む圧力スイッチは通常、冷凍システム１００内のフローラインに空気力学的に接続され、それに対してＴＳ１５０、ＴＳ１５８、ＴＳ１６０およびＴＳ１６２を含む温度スイッチは、冷凍システム１００内のフローラインに熱的に結合される。安全回路１９８からの制御は、電気的な性質を有している。同様に、種々の検知装置から安全回路１９８へのフィードバックは、電気的な性質を有している。
【００３４】  冷凍システム１００は極低温冷凍システムであり、その基本的な動作、すなわち熱の除去および再配置は、当技術分野においてよく知られている。本発明の冷凍システム１００は、純粋な冷媒、または米国特許仮出願第６０／２１４５６２号に記載された混合冷媒などの混合冷媒を使用する。
【００３５】  極低温分離弁１３２および１４０を除いて、冷凍システム１００のすべての要素（すなわち、圧縮機１０４、オイル分離器１０８、コンデンサ１１２、フィルタ乾燥機１１４、冷凍プロセス１１８、送り弁１２２、ＦＭＤ１２４、冷却弁１２８、ＦＭＤ１２６、冷却弁１３０、蒸発器コイル１３６、戻り弁１４４、逆止め弁１４６、ＴＳ１５０、ＴＳ１５８、ＴＳ１６０、ＴＳ１６２、送り弁１７６、霜取り弁１７８、ＦＭＤ１８２、霜取り弁１８０、ＦＭＤ１８４、バイパス弁１８８、サービス弁１９０、膨張タンク１９２、ＦＭＤ１９４、ＰＳ１９６および安全回路１９８）は業界においてよく知られている。また、極低温流スイッチ１５２は、米国特許仮出願第６０／２１４５６０号に詳しく記載されている。しかしながら、説明を明確にするために、各要素について以下に簡単に論じる。
【００３６】  圧縮機１０４は従来の圧縮機であり、低圧低温の冷媒ガスを取り込んで圧縮し、オイル分離器１０８に送られる高圧高温のガスにする。
【００３７】  オイル分離器１０８は従来のオイル分離器であり、このオイル分離器では、圧縮機１０４からの圧縮された質量流れが、速度を低下させる大形の分離器チャンバに入り、それによって噴霧状のオイル液滴を形成する。このような液滴は、衝突(impongement)スクリーン表面または癒着(coalescing)要素上に集積する。オイル液滴は、凝集してより大きな粒子になると、分離器オイルリザーバの底部に落下し、圧縮機吸込配管１６４を介して圧縮機１０４に戻る。オイル分離器１０８からの質量流れは、オイルが除去されており、引き続き結合点Ａの方へ流れ、さらにコンデンサ１１２に流れる。
【００３８】  圧縮機１０４からの高温高圧ガスは、オイル分離器１０８を通過し、次にコンデンサ１１２を通過する。コンデンサ１１２は、従来のコンデンサであり、システムの、凝縮によって熱が排除される部分である。高温のガスは、コンデンサ１１２を通過する際に、コンデンサ内またはコンデンサの上を通過する空気または水によって冷却される。高温のガス冷媒が冷却されると、コンデンサのコイル内に液体冷媒の液滴が形成される。したがって、ガスがコンデンサ１１２の端部に到達するときにはガスは部分的に凝縮されており、すなわち、液体および蒸気の冷媒が存在する。コンデンサ１１２が正しく機能するためには、コンデンサ１１２内またはコンデンサ１１２の上を通過する空気または水が、システムの作動流体よりも低温でなければならない。いくつかの特殊な用途では、コンデンサ内で凝縮が起こらないように冷媒混合物が構成される。
【００３９】  コンデンサ１１２からの冷媒は、さらにフィルタ乾燥機１１４を通過する。フィルタ乾燥機１１４は、酸を発生する可能性のある水などのシステム汚染物質を吸収し、物理的な濾過を行うように機能する。次に、フィルタ乾燥機１１４からの冷媒は、冷凍プロセス１１８に送られる。冷凍プロセス１１８は、単一冷媒システム、混合冷媒システム、通常の冷凍プロセス、縦続冷凍プロセスの個々の段、自動冷凍縦続サイクル、クリメンコ(Klimenko)サイクルなど任意の冷凍システムまたはプロセスである。本開示における例では、Klimenkoも説明している自動冷凍縦続サイクルの簡略化された形態としての本発明の冷凍プロセス１１８は、図２に示されている。
【００４０】  図２に示されている冷凍プロセス１１８のいくつかの基本的な変形形態が可能である。冷凍プロセス１１８は、縦続されたシステムの１つの段でよく、コンデンサ１１２内の冷媒の最初の凝縮は、別の冷凍段からの低温冷媒によって行うことができる。同様に、冷凍プロセス１１８によって生成された冷媒を使用して、より低温の縦続プロセスの冷媒を冷却し液化することができる。さらに、図１は単一の圧縮機を示している。２つの圧縮機を並列に使用してこれと同じ圧縮効果を得ることも、あるいは直列に設けられた圧縮機または２段圧縮機を介して圧縮プロセスをいくつかの段に分割することもできることが認識されよう。これらの可能な変形形態はすべて、本発明の範囲内とみなされる。
【００４１】  さらに、図１乃至図８は、１つの蒸発器コイル１３６のみに関連する。原則的にこの手法は、単一の冷凍プロセス１１８によって冷却される複数の蒸発器コイル１３６に適用することができる。このような構成では、独立に制御される各蒸発器コイル１３６は、冷媒の供給を制御する独立の１組の弁およびＦＭＤ（すなわち、霜取り弁１８０、ＦＭＤ１８４、霜取り弁１７８、ＦＭＤ１８２、ＦＭＤ１２６、冷却弁１３０、ＦＭＤ１２４および冷却弁１２８）ならびにバイパスを制御するのに必要な弁（すなわち、逆止め弁１４６およびバイパス弁１８８）を必要とする。
【００４２】  送り弁１７６およびサービス弁１９０は、Superior Packless Valeves（ペンシルバニア州、ワシントン（Washington)）など標準的なダイアフラム弁または比例弁であり、必要に応じて各構成要素を分離するある種のサービス（保守）機能を果たす。
【００４３】  膨張タンク１９２は冷凍システム内の従来のリザーバであり、加熱による冷媒ガスの蒸発および膨張によって増大する冷媒の体積に対処する。この場合、冷凍システム１００がオフになると、冷媒蒸気はＦＭＤ１９４を通って膨張タンク１９２に入る。
【００４４】  冷却弁１２８、冷却弁１３０、霜取り弁１７８、霜取り弁１８０およびバイパス弁１８８は、Sporlan（ミズーリ州、ワシントン(Washington)）モデルｘｕｊ弁、Ｂ−６弁、Ｂ−１９弁などの標準的なソレノイド弁である。あるいは、冷却弁１２８および１３０は、閉ループフィードバックを有する比例弁、または熱膨張弁である。
【００４５】  逆止め弁１４６は従来の逆止め弁であり、１つの方向のみの流れを可能にする。逆止め弁１４６は、それに冷媒の圧力がかかったことに応答して開閉する。（逆止め弁１４６のさらなる説明が続く）。この弁は、極低温にさらされるので、このような温度に適合する材料で作らなければならない。また、この弁は適切な圧力定格を有さなければならない。さらに、この弁は、冷媒を環境に漏らすことを可能にしかねないシールを有しないことが好ましい。したがって、この弁は、ろう付けまたは溶接によって接続すべきである。逆止め弁の例は、Check-All Valve（アイオワ州、ウェストデモイン(West Des Moines)）から入手される直列ＵＮＳＷ逆止め弁である。
【００４６】  ＦＭＤ１２４、ＦＭＤ１２６、ＦＭＤ１８２、ＦＭＤ１８４およびＦＭＤ１９６は、毛管、オリフィス、フィードバックを有する比例弁、流量を制御する任意の制限要素など従来の流れ調量装置である。
【００４７】  送り弁１２２、極低温分離弁１３２および１４０ならびに戻り弁１４４は、通常、Superior Valve Co.によって製造されているものなどの標準的なダイアフラム弁である。しかし、標準的なダイアフラム弁は、ねじ部に少量の氷が蓄積しそれによって動作が妨げられる可能性があるので、極低温で動作するのが困難である。あるいは、Polycold（カリフォルニア州、サンラフィアル(San Rafael)）は、極低温冷凍システム１００の極低温分離弁１３２および１４０に使用すべき改良された極低温遮断弁を開発している。極低温分離弁１３２および１４０の代替実施形態について以下に説明する。極低温分離弁１３２および１４０は、窒素または空気が充填された密封されたステンレス鋼製チューブで覆われた延長シャフトを有している。シャフトの高温端部にある圧縮フィッティングおよびＯリング構成は、シャフトが旋回するときにシールを形成する。その結果、極低温分離弁１３２および１４０のシャフトは極低温でも旋回させることができる。このシャフト構成は、熱遮断を行い、それによって霜の蓄積を防止する。
【００４８】  加熱または冷却すべき蒸発器表面は、蒸発器コイル１３６によって表現されている。顧客によって設置される蒸発器コイル１３６の例は、金属管のコイル、またはチューブが熱結合されたステンレス鋼製テーブルや冷媒流流路が切削されたテーブルなどのある種のプラテンである。蒸発器は本発明の新規の部分ではない。したがって、蒸発器が「顧客によって設置される」か、それともその他の方法で設けられるかは、特許請求の範囲に対して重要ではない。
【００４９】  図２は、例示的な冷凍プロセス１１８を示している。本開示における例では、冷凍プロセス１１８は、図２において、自動冷凍縦続サイクルとして示されている。しかし、極低温冷凍システム１００の冷凍プロセス１１８は、単一冷媒システム、混合冷媒システム、通常の冷凍プロセス、縦続冷凍プロセスの個々の段、自動冷凍縦続サイクル、クリメンコサイクルなどの任意の冷凍システムまたはプロセスである。
【００５０】  具体的には、冷凍プロセス１１８は、Polycoldシステム（すなわち、自動冷凍縦続プロセス）、単一の膨張装置（すなわち、相分離を伴なわない単一段クライオクーラー、Longsworthの米国特許第５４４１６５８号明細書）を有するAPD Cryogenics（ペンシルバニア州、アレンタウン(Allentown)）システム、ミッシマー(Missimer)型サイクル（すなわち、自動冷凍縦続サイクル、Missimerの米国特許第３７６８２７３号明細書）、クリメンコ型サイクル（すなわち、単一の相分離器システム）とすることができる。また、冷凍プロセス１１８は、Forrestの米国特許第４５９７２６７号明細書およびMissimerの米国特許第４５３５５９７号明細書に記載されたようなこれらのプロセスの変形形態であってもよい。
【００５１】  本発明において本質的なことは、使用される冷凍プロセスが、霜取りモードの間に冷凍プロセス内で冷媒を流す少なくとも１つの手段を含まなければならないことである。単一膨張装置クーラーまたは単一冷媒システムの場合、冷媒が冷凍プロセスを高圧側から低圧側に流れることを可能にする弁（不図示）およびＦＭＤ（不図示）が必要である。これによって、冷媒がコンデンサ１１２内を確実に流れ、したがって、システムから熱を排除することができる。また、これにより、霜取りの間、冷凍プロセス１１８からの低圧冷媒が存在して配管１８６からの戻り霜取り冷媒と混合されることが保証される。安定した冷却モードでは、このような内部冷凍流路なしで所望の冷凍効果を実現することのできる冷凍プロセス（従来、単一のＦＭＤを有するシステム）の場合、この弁を閉じることによって、高圧側から低圧側への内部流を停止させることができる。
【００５２】  図２の冷凍プロセス１１８は、熱交換器２０２、相分離器２０４、熱交換器２０６および熱交換器２０８を備えている。供給流路において、液体配管１１６を流れる冷媒は熱交換器２０２に送られ、熱交換器２０２は相分離器２０４に対して供給し、相分離器２０４は熱交換器２０６に対して供給し、熱交換器２０６は熱交換器２０８に対して供給し、熱交換器２０８は冷媒供給配管１２０に対して供給する。相分離器によって除去された液体画分は、ＦＭＤ２１０によって低圧に向かって膨張される。冷媒は、ＦＭＤ２１０から流出し、次に、熱交換器２０８から熱交換器２０６に流れる低圧冷媒と混合される。この混合流は熱交換器２０６に送られ、熱交換器２０６は熱交換器２０２に対して送り、その後熱交換器２０２は圧縮機吸込配管１６４に対して送る。熱交換器は高圧冷媒と低圧冷媒との間で熱を交換する。
【００５３】  いくつかの精巧な自動冷凍縦続システムでは、MissimerおよびForrestが説明したように、冷凍プロセス１１８で追加的な分離段を使用することができる。
【００５４】  熱交換器２０２、２０６および２０８は、ある物質の熱を他の物質に移す、業界でよく知られた装置である。相分離器２０４は、冷媒の液相と気相を分離する、業界でよく知られた装置である。図２は、１つの相分離器を示しているが、通常は複数の相分離器がある。
【００５５】  引き続き図１および図２を参照すると、極低温冷凍システムの動作は以下のとおりである。
【００５６】  圧縮機１０４からの高温高圧ガスは、任意選択のオイル分離器１０８を通過し、次にコンデンサ１１２を通過し、そこで、コンデンサ内またはコンデンサの上を通過する空気または水によって冷却される。ガスがコンデンサ１１２の端部に到達すると、部分的に凝縮され、液体冷媒と蒸気冷媒の混合物になる。
【００５７】  コンデンサからの液体・蒸気冷媒は、フィルタ乾燥機１１４内を流れ、次に冷凍プロセス１１８に送られる。極低温冷凍システム１００の冷凍プロセス１１８は、典型的には、高圧から低圧への内部冷媒流路を有している。冷凍プロセス１１８は、冷媒供給配管１２０を介して低温ガス送り弁１２２に流れる高圧の極低温冷媒（−１００℃から−１５０℃）を生成する。
【００５８】  低温冷媒は、送り弁１２２から出て、ＦＭＤ１２６と制限流量冷却弁１３０との直列組合せと並列に配置された、ＦＭＤ１２４と全流量冷却弁１２８との直列組合せに送られる。ここで、冷却弁１２８および１３０の出口は、極低温分離弁１３２の入口に対して供給する結合点Ｄで相互に接続されている。
【００５９】  顧客は、ともに遮断弁として働く極低温分離弁１３２と極低温分離弁１４０との間に蒸発器コイル１３６を接続する。具体的には、極低温分離弁１３２は、加熱または冷却すべき蒸発器表面すなわち蒸発器コイル１３６に接続する蒸発器供給配管１３４に対して供給する。加熱または冷却すべき蒸発器表面すなわち蒸発器コイル１３６の反対側の端部は、極低温分離弁１４０の入口に対して供給する蒸発器戻り配管１３８に接続している。
【００６０】  蒸発器コイル１３６からの戻り冷媒は、極低温分離弁１４０を通って極低温流スイッチ１５２に流れる。
【００６１】  戻り冷媒は、極低温流スイッチ１５２の出口から戻り弁１４４を通り、その後、逆止め弁１４６に流れる。逆止め弁１４６は、典型的な必要クラッキング圧が１ｐｓｉ（６．９０ｋＰａ）から１０ｐｓｉ（６９．０ｋＰａ）の間であるばね装荷極低温逆止め弁である。すなわち、流れを可能にするには逆止め弁１４６の両端間の差圧がクラッキング圧を超えなければならない。あるいは、逆止め弁１４６は、極低温オン／オフ弁または圧力降下を最小限に抑えるのに十分なサイズの極低温比例弁である。逆止め弁１４６の出口は、冷媒戻り配管１４８を介して冷凍プロセス１１８に対して供給する。逆止め弁１４６は、本発明の冷凍システム１００の動作において本質的な役割を果たす。
【００６２】  なお、送り弁１２２および戻り弁１４４が任意選択であり、それぞれ極低温分離弁１３２および極低温分離弁１４０に対していくらか余分な弁である。しかし、送り弁１２２および戻り弁１４４は実際には、システムを保守する際の必要に応じて各構成要素を遮断するある種の保守（サービス）機能を果たす。
【００６３】  極低温冷凍システム１００は、主として霜取りサイクル（すなわち、ベークアウト）がより長いという点で従来の冷凍システムとは異なる。極低温冷凍システム１００が従来の冷凍システムと異なる明確な特徴は、冷凍プロセス１１８への戻り経路内に逆止め弁１４６と、冷凍プロセス１１８を迂回する結合点Ｅから結合点Ｆへの戻りバイパスループとが存在することである。
【００６４】  逆止め弁１４６が存在しない従来の冷凍システムの場合、戻り冷媒は、直接、（冷却モードでも霜取りモードでも）冷凍プロセスに送られる。しかし、霜取りサイクルでは、通常、冷凍プロセス１１８への戻り冷媒温度が＋２０℃、すなわち霜取りサイクルの終了時の典型的な温度に達したときに、冷凍プロセス１１８が終了する。この点で、＋２０℃の冷媒は冷凍プロセス１１８内の極低温冷媒と混合される。冷凍プロセス１１８内での室温冷媒と極低温冷媒との混合は、加えられる熱が多すぎるため、冷凍プロセス１１８が過負荷状態にならないうちの短期間しか許容されない。冷凍プロセス１１８は、高温戻り冷媒を装荷されながら極低温冷媒を生成するように酷使され、冷媒の圧力は最終的にその動作限界を超え、それによって、冷凍プロセス１１８は、それ自体を保護するために安全システム１９８によって停止させられる。その結果、従来の冷凍システムの霜取りサイクルは約２分から４分に制限されるとともに、約＋２０℃の最大冷媒戻り温度に制限される。しかし、これに対して、極低温冷凍システム１００は、冷凍プロセス１１８への戻り経路内の逆止め弁１４６と、バイパス配管１８６、バイパス弁１８８およびサービス弁１９０を介して結合点Ｅから結合点Ｆに至る、冷凍プロセス１１８の周りの戻りバイパスループとを有しており、それによって、霜取りサイクル中に戻る高温冷媒に対する異なる応答が可能になる。送り弁１２２および戻り弁１４４と同様に、サービス弁１９０は必須ではないが、保守が必要なときに各構成要素を遮断するある種の保守機能を果たす。
【００６５】  霜取りサイクル中に、高温冷媒が低温冷媒に混合したために冷凍プロセス１１８内の戻り冷媒温度がたとえば−４０℃かそれ以上に達すると、結合点Ｅから結合点Ｆへのバイパス配管が冷凍プロセス１１８の周りに開通される。その結果、高温冷媒は圧縮機吸込配管１６４に流入し、次に圧縮機１０４に流入することができる。バイパス弁１８８およびサービス弁１９０は、ＴＳ１５０、ＴＳ１６０およびＴＳ１６２の作用によって開かれる。たとえばＴＳ１５８は、設定値が−２５℃よりも高い「霜取りプラススイッチ」として働く。ＴＳ１６０（任意選択）は、設定値が４２℃よりも高い「霜取り終了スイッチ」として働く。ＴＳ１６２は、設定値が−８０℃よりも高い「低温戻り限界スイッチ」として働く。一般に、ＴＳ１５８、ＴＳ１６０およびＴＳ１６２は、戻り配管の冷媒の温度と動作モード（すなわち、霜取りモードまたは冷却モード）とに基づいて応答し、冷凍システム１００による加熱速度または冷却速度を制御するためにどの弁をオン／オフにするかどうかを制御する。いくつかの用途は連続的な霜取り動作を必要とする。このような場合、このモードの連続的な動作が必要なので、ＴＳ１６０は霜取りを終了する必要がない。
【００６６】  この動作で本質的なことは、バイパス弁１８８とサービス弁１９０との間に流れがあるときの、結合点Ｅと結合点Ｆの間の差圧が、逆止め弁１４６の両端の差圧がそのクラッキング圧（すなわち、５ｐｓｉ（３４．５ｋＰａ）から１０ｐｓｉ（６９．０ｋＰａ））を超えないような差圧であることである。このことは、流体が基本的に最小抵抗の経路をたどるので重要であり、したがって、流れを正しく均衡させなければならない。バイパス弁１８８とサービス弁１９０をまたぐ圧力が逆止め弁１４６のクラッキング圧を超えることが許容されるとすると、逆止め弁１４６を通る流れが開始する。このことは、高温冷媒が、圧縮機吸込配管１６４および送り圧縮機１０４に入るのと同時に冷凍プロセス１１８内へももたらされ始めるので望ましくない。逆止め弁１４６を通る流れと結合点ＥからＦへの流れが同時に存在すると、冷凍システム１００が不安定になって、あらゆる構成要素の温度が高くなり、ヘッド圧力（圧縮機吐出）が高くなり、吸込圧力が高くなり、冷凍プロセス１１８への流量が多くなり、Ｅの圧力がずっと高くなるとういう暴走モードとなり、最終的に冷凍システム１００が停止する。
【００６７】  この状態は、吸込圧力が所定の値を超えた場合に冷凍プロセスへの高温ガスの流れを遮断するためにＰＳ１９６などの装置を使用される場合には、防止することができる。冷凍システム１００の質量流量は主として吸込圧力に依存するので、これは、流量を安全な範囲に制限する有効な手段となる。吸込圧力が所定の限界よりも低くなると、ＰＳ１９６はリセットされ、霜取りプロセスを再開できるようにする。
【００６８】  このように、冷凍システム１００が霜取りサイクルの間適切に動作できるように、バイパス弁１８８およびサービス弁１９０の流れと逆止め弁１４６の流れとの均衡が、流体抵抗を適切に均衡させるように慎重に制御される。流量均衡問題に関する設計パラメータには、配管のサイズ、弁のサイズ、および各弁の流量係数が含まれる。また、冷凍プロセス１１８における吸込（低圧）側の圧力降下は、各プロセスごとに異なるものでよく、決定される必要がある。冷凍プロセス１１８の圧力降下に逆止め弁１４６のクラッキング圧を加えた値が、ＥからＦへの霜取り戻りバイパス配管が許容できる最大圧力である。
【００６９】  バイパス弁１８８およびサービス弁１９０は、霜取りサイクルに入った直後に開かれるわけではない。バイパス流が開始する時刻は、ＴＳ１５８、ＴＳ１６０およびＴＳ１６２の設定値によって決定され、それにより、戻り冷媒温度が通常のレベルにより近い温度に達するまで流れが遅延され、したがって、通常は−４０℃以上の温度向けに設計されたより標準的な構成要素を使用することが可能になり、−４０℃未満の温度向けに定格されたより高価な構成要素が不要になる。
【００７０】  ＴＳ１５８、ＴＳ１６０およびＴＳ１６２の制御の下で、圧縮機吸込配管１６４の結合点Ｆに戻り、冷凍プロセス１１８からの吸込戻りガスと混合される流体の冷媒温度が設定される。その後、冷媒混合物は圧縮機１０４に流れる。圧縮機１０４への予期される戻り冷媒温度は、通常、−４０℃かそれ以上であり、したがって、結合点Ｅの流体が−４０℃以上であれば許容され、圧縮機１０４の動作限界内である。これは、ＴＳ１５８、ＴＳ１６０およびＴＳ１６２の設定値を選択する際の別の要件である。
【００７１】  ＴＳ１５８、ＴＳ１６０およびＴＳ１６２の設定値の選択に関しては、２つの限界がある。第１に、霜取りバイパス戻り冷媒温度として、吐出圧力が高いことによって冷凍プロセス１１８がそれ自体を遮断するような高い温度を選択することはできない。第２に、バイパス配管１８６内を流れる戻り冷媒が、バイパス弁１８８およびサービス弁１９０によって許容できるよりも低い温度になるほど、霜取りバイパス戻り冷媒温度を低くすることはできない。また、戻り冷媒は、冷凍プロセス１１８の戻り冷媒と混合されるときに、圧縮機１０４の動作限界よりも低い温度になってはならない。結合点Ｅの典型的な交差(crossover)温度は−４０℃から＋２０℃の間である。
【００７２】  簡単に言えば、冷凍システム１００内の霜取りサイクル戻り流において、霜取りサイクル中に霜取りガスが連続的に冷凍プロセス１１８に戻ることはできない。その代わり、冷凍システム１００は、戻りバイパス（結合点Ｅから結合点Ｆ）によって冷凍プロセス１１８の過負荷を防止し、それによって霜取りサイクルが連続的に動作することができるようにする。ＴＳ１５８、ＴＳ１６０およびＴＳ１６２は、結合点Ｅから結合点Ｆへの霜取り戻りバイパスをいつ開通するかを制御する。冷却モードでは、ひとたび極低温に達したら、結合点Ｅから結合点Ｆへの霜取り戻りバイパスは不可能になる。
【００７３】  冷凍システム１００の霜取りサイクル戻り経路について論じたが、次に、引き続き図１を参照して霜取りサイクル供給経路について論じる。霜取りサイクルの間、圧縮機１０４からの高温高圧のガス流は、任意選択のオイル分離器１０８の下流側に位置する吐出配管１００の結合点Ａを介して流れる。結合点Ａの高温ガスの温度は通常、８０℃から１３０℃の間である。
【００７４】  霜取り用の高温ガスは、結合点Ａで冷凍バイパス１１８をバイパスし、コンデンサ１１２には流入しない。これは、ソレノイド霜取り弁１７８またはソレノイド霜取り弁１８０を開き、弁１２８および１３０を閉状態にすることによって、流れがそらされるからである。図１で説明したように、霜取り弁１７８はＦＭＤ１８２と直列に配置され、同様に、霜取り弁１８０はＦＭＤ１８４と直列に配置されている。霜取り弁１７８とＦＭＤ１８２との直列組合せは、結合点Ｂと結合点Ｃとの間に、霜取り弁１８０とＦＭＤ１８４との直列組合せと並列に配置されている。霜取り弁１７８または霜取り弁１８０とそれに関連するＦＭＤは、流量要件に応じて、互いに並行して動作することも、あるいは別々に動作することもできる。
【００７５】  当業者には、結合点Ａから結合点Ｄへのバイパスが開通されているときに、バイパスガス流が圧縮機の熱のすべてを蒸発器コイル１３６に伝達してはならないことが明らかであろう。したがって、結合点Ａに到達する高温の圧縮機吐出ガスの一部はコンデンサ１１２を通過しなければならない。圧縮機吐出ガスの一部は、コンデンサで冷却され、冷凍プロセス１１８内に位置する内部スロットルユニットを介して圧縮機に戻る。内部スロットルユニットは、図面を明確にするために図示されていないが、コンデンサが圧縮機１０４から熱を散逸させることを可能にする。これが可能でない場合、圧縮機によって引き続きシステムに対する仕事が行われるので、システムは急速にオーバヒートする。
【００７６】  冷凍システム１００の結合点Ｂと結合点Ｃとの間でＦＭＤに直列に連結された霜取り弁を各々が有する互いに平行な経路の数は、図１に示されているような２つには制限されないことに留意されたい。結合点Ｂと結合点Ｃの間にはいくつかの流路が存在することができ、所望の流量は互いに平行な経路の組合せを選択することによって決定される。たとえば、１０％流路、２０％流路、３０％流路などがあってよい。その後、結合点Ｅからバイパス弁１８８を通って結合点Ｆに至る戻りバイパスループが存在するかぎり、結合点Ｃからの流れは結合点Ｄに向けられ、引き続いて、任意の所望の時間をかけて極低温分離弁１３２を通り顧客の蒸発器コイル１３６に到達する。結合点Ａから結合点Ｄへの霜取り供給ループは従来の冷凍システムで使用されている標準的な霜取りループである。しかし、霜取り弁１７８、霜取り弁１８０およびこれらの弁に関連するＦＭＤを付加したことは、制御された流れを可能にする冷凍システム１００の独特の特徴である。あるいは、霜取り弁１７８および１８０自体を十分な調量装置として、他の流量制御装置、すなわちＦＭＤ１８２およびＦＭＤ１８４の必要性をなくすことができる。
【００７７】  冷凍システム１００の霜取りサイクルについて論じたが、次に、引き続き図１を参照して、冷却サイクル中の霜取り戻りバイパスループの使用法について論じる。冷却モードでは、バイパス弁１８８は通常、閉じられ、したがって、高温冷媒は結合点Ｅから冷凍プロセス１１８を通って結合点Ｆに流れる。しかし、冷却モードの初期段階で結合点Ｅの冷媒温度が高いが低下しているときに、冷媒戻り配管１４２上の冷媒温度の監視結果を使用してバイパス弁１８８を開くことができる。霜取り戻りバイパスループを使用可能にすることは、この時間中の冷凍プロセス１１８へのさらなる負荷を回避するうえで助けになる。結合点Ｅの冷媒温度が前述の交差温度（すなわち、−４０℃以上）に達すると、バイパス弁１８８が閉じられる。バイパス弁１８８は、冷却モードとベークアウトにそれぞれの異なる設定値を使用することによって開かれる。
【００７８】  やはり冷却サイクルに関して、約１分の典型的な周期を有する「チョッパ」回路を使用して冷却弁１２８および１３０をパルス制御することができる。このことは、冷却モード中の変化率を制限するうえで有用である。冷却弁１２８および冷却弁１３０は異なるサイズのＦＭＤを有している。したがって、冷却弁１２８を通るときと冷却弁１３０を通るときの経路制限が異なるため、流れは開ループ的に調節される。次に、経路が必要に応じて選択される。あるいは、一方の流路を完全に開通させ、他方の流路をパルス制御することなどが可能である。
【００７９】  以下に説明する実施形態２から６は、冷凍システム１００の、霜取りバイパス戻り機能に関する本発明による変形形態を示す実施形態である。
【００８０】  第２の実施形態（不図示）では、バイパス配管１８６の、結合点Ｅとバイパス弁１８８との間に追加のヒータまたは熱交換器が配置される（図１）。この追加のヒータまたは熱交換器は、バイパス配管１８６内の冷媒温度がバイパス弁１８８および／またはサービス弁１９０の動作限界よりも低くなるのが防止されるようなさらなる冷媒温度制御を行う。熱交換器は、冷却水を含め他のプロセス流れと熱を交換することができる。冷却水の場合、それが凍結しないように熱交換器を制御しなければならない。
【００８１】  第３の実施形態（不図示）では、標準的な２位置（開／閉）弁または比例弁（図１）をバイパス弁１８８およびサービス弁１９０に使用する代わりに、極低温向けに定格された弁がバイパス弁１８８およびサービス弁１９０に使用される。極低温弁の一例は、Badgemeter Research弁である。このような比例弁は、開閉動作を行う。あるいは、このような弁は、比例コントローラによって制御されるときには比例動作する。
【００８２】  第４の実施形態（不図示）では、第３の実施形態で説明した極低温バイパス弁１８８（図１）および極低温サービス弁１９０が、毛管、オリフィス、フィードバックを有する比例弁、あるいは流量を制御する任意の制限要素などの従来の流れ調量装置と直列に使用される。霜取り戻りバイパスループ内の流れが、結合点Ｆで得られる混合物が圧縮機１０４の限界内になるものであるように、流量は、ＦＭＤ１８４またはＦＭＤ１８２で非常に低速に調量される。霜取り戻りバイパスループからの冷媒流量は、結合点Ｆでの温度の低下にほとんど影響を与えないほどに小さくされる。
【００８３】  第５の実施形態（不図示）では、第３の実施形態で説明した極低温バイパス弁１８８（図１）および極低温サービス弁１９０が使用される。また、戻り冷媒を暖めるために、圧縮機吸込配管１６４の、結合点Ｆとサービス弁１０２との間にヒータまたは熱交換器が直列に配置される。
【００８４】  図３は、冷凍システム３００の霜取り戻りバイパスループの本発明による第６の実施形態を示している。この実施形態では、霜取り冷媒流が冷凍プロセス１１８内のいくつかの潜在的可能な場所のうちの１つに戻されるように、戻り弁の配列が存在している。
【００８５】  一例として、図３の冷凍システム３００は、バイパス弁３０２、バイパス弁３０４およびバイパス弁３０６を備えており、これらの弁の入口は、バイパス弁１８８とともに、結合点Ｅに接続されたバイパス配管１８６に水力学的に接続されている。バイパス弁３０２、３０４および３０６の出口は、戻り冷媒温度に基づいて冷凍プロセス１１８内のそれぞれの異なる点に接続されている。図３には示されていないが、バイパス弁３０２、３０４および３０６と直列に、サービス弁を挿入することができる。システムの、図３に示されていない部分は、図１と同様である。
【００８６】  バイパス弁３０２、３０４および３０６のこの構成は、冷凍プロセス１１８によって取り扱うことができる適切な温度で冷凍プロセス１１８に戻りガスを注入することを可能にする。冷凍プロセス１１８の動作時の温度は、典型的には−１５０℃から室温までの、広い温度範囲全体にわたるものである。流れは、冷凍プロセス１１８内のいくつかの潜在的に可能な場所のうちの、バイパス冷媒流の温度に適合する１つの場所に戻される。その結果、圧縮機吸込配管１６４の結合点Ｆの戻り冷媒温度は、圧縮機１０４の適切な動作範囲内に維持される。
【００８７】  この第６の実施形態は、既存の熱交換器を利用するので、第５の実施形態よりも好ましい。冷凍システム３００のこの実施形態は、第５の実施形態の追加のヒータまたは熱交換器を必要としない。
【００８８】  この弁構成は、霜取りが完了した後の冷却プロセス中にも使用することができる。冷凍プロセス１１８の、温度が類似している部分に戻り冷媒を供給することによって、冷凍システム１００に対する熱負荷が低減される。これは、弁３０２、３０４および３０６などを含まない図１の場合よりも、蒸発器コイル１３６のより急速な冷却を可能にする。
【００８９】  以下の実施形態７から１４は、冷凍システム１００の、通常の霜取り供給機能に関する変形形態を示すものである。
【００９０】  図４（第７の実施形態）は、冷凍システム１００の霜取り供給ループの変形形態を示している。この実施形態では、図４の冷凍システム４００は、結合点Ｃと結合点Ｄとの間に直列に挿入された追加の熱交換器４０２を備えている。
【００９１】  いくつかの用途では、顧客によって設置された、冷媒が送られる蒸発器コイル１３６を、ある最低上昇温度にする必要がある。しかしながら、ガスが膨張するために、霜取り弁１７８、霜取り弁１８０およびそれらに関連するＦＭＤ１８２および１８４は、冷媒の温度低下をもたらす。その結果、蒸発器コイル１３６に送られる冷媒の温度が、典型的には約１０℃低下する。これを補償するために、ガスを再加熱する熱交換器４０２が結合点Ｃと結合点Ｄとの間に挿入される。熱交換器４０２は、制御装置を備えない場合には、単に、圧縮機１０４の吐出配管１１０とＦＭＤ１８２またはＦＭＤ１８４からのガスとの間で熱を交換し霜取りガスを暖める。熱交換器４０２がヒータである場合、ヒータから出る温度が制御装置を使用して調節される。
【００９２】  図５（第８の実施形態）は、冷凍システム１００の霜取り供給ループの他の変形形態を示している。この実施形態では、図５の冷凍システム５００は、第７の実施形態の熱交換器４０２と並列に配置されたバイパス弁５０２を備えている。バイパス弁５０２は、通常、比例弁である。
【００９３】  ガスを暖める制御装置を熱交換器４０２が有さない第７の実施形態とは異なり、バイパス弁５０２は、圧縮機１０４の吐出ガスと交換される熱の量を調節して所望の冷媒温度が得られるようにする方法を実現する。冷媒は、制御された流れとともにバイパス弁５０２を介して熱交換器４０２をバイパスすることができ、それによって冷媒温度を調節することができる。あるいは、バイパス弁５０２は、パルス制御により、様々な長さの時間だけオン状態またはオフ状態になる「チョッパ」弁でもよい。
【００９４】  図６は、冷凍システム１００の他の変形形態６００（第９の実施形態）を示し、ここで、圧縮機１０４の吐出配管１１０と圧縮機吸込配管１６４との間に可変分流(variable shunt)弁６０２が挿入される。
【００９５】  この実施形態では、吐出温度を制御する方法として、圧縮機吸込温度が調節される。可変分流弁６０２によって、吐出流をそらして、圧縮機１０４に対して供給する圧縮機吸込配管１６４内に直接向けることができる。霜取り供給ループ内のＦＭＤ１８２またはＦＭＤ１８４からの温度センサ（不図示）は、可変分流弁６０２の流量を制御するためのフィードバックをその可変分流弁に与える。
【００９６】  この実施形態を実施形態７または８と組み合わせて使用するときは、実施形態７および８の熱交換器４０２が＋８０℃から＋１３０℃の間の典型的な温度を有する吐出ガスと熱を交換するので、制御すべき温度は吐出温度自体でよい。したがって、結合点Ｄで霜取り供給ループから出て、その後、蒸発器コイル１３６に流れる冷媒の温度は、＋８０℃ないし＋１３０℃程度であってよい。
【００９７】  図７は、冷凍システム１００の他の変形形態（第１０の実施形態）を示している。この実施形態では、圧縮機１０４からの吐出ガスの代わりに冷凍プロセス１１８から直接得られた冷媒混合物の異なる組成が、霜取り供給ループに対して供給される。
【００９８】  一例として、図７の冷凍システム７００は、冷凍プロセス１１８の相分離器２０４から供給される熱交換器７０２を備えている。送り弁１７６の入口はもはや吐出配管１１０の結合点Ａには接続されていない。その代わり、熱交換器７０２の出口は送り弁１７６の入口に対して供給し、それにより、冷凍プロセス１１８から異なる組成の予熱された冷媒混合物が霜取り供給ループに直接供給される。
【００９９】  熱交換器７０２は制御装置を有さず、単に、圧縮機１０４の吐出配管１１０と冷凍プロセス１１８からの冷媒との間で熱を交換し冷媒を暖める。
【０１００】  この第１０の実施形態は、顧客によって設置された蒸発器コイル１３６により適した熱力学的性質を冷媒混合物が有するという点で、実施形態７、８および９よりも好ましい。このような改善された熱力学的性質には、凝固するかも知れない低濃度の冷媒、または低濃度のオイルを有する冷媒が含まれる。
【０１０１】  簡単に言えば、送り弁１２２に対する典型的な加熱ガス供給源は、圧縮機１０４の吐出配管１１０である。しかしながら、潜在的には、高圧にされ、次に、圧縮機１０４の吐出配管１１０と熱を交換して冷媒温度を必要な温度まで高める熱交換器７０２を介して加熱される、システム内の任意の冷媒組成物を、送り弁１２２に送ることができる。
【０１０２】  第１１の実施形態では、図７に示されているように、冷凍プロセス１１８内にあるある供給源から第１０の実施形態の熱交換器７０２に対して供給される。しかしながら、熱交換器７０２は、温度センサおよび弁を制御しそれによって殿位置で熱を交換するかを選択するコントローラを使用して、冷凍システム７００内の異なる位置と熱を交換する。
【０１０３】  図８は、冷凍システム１００の他の変形形態８００（第１２の実施形態）を示している。この実施形態では、圧縮機１０４からの吐出ガスの代わりに、冷凍プロセス１１８内のいくつかの潜在的な位置のうちの１つから直接得られた冷媒混合物が、霜取り供給ループに送られる。
【０１０４】  一例として、図８の冷凍システム８００は、冷凍プロセス１１８内のいくつかの潜在的な位置のうちの１つから供給される熱交換器７０２を備えている。送り弁１７６の入口はもはや吐出配管１１０の結合点Ａには接続されていない。その代わり、熱交換器７０２の出口が送り弁１７６に対して供給し、それによって、冷凍プロセス１１８からの異なる組成の予熱された冷媒混合物が霜取り供給ループに直接供給される。
【０１０５】  熱交換器７０２が単一の供給源を有する第１１の実施形態とは異なり、熱交換器７０２には複数の供給源から供給される。図８の冷凍システム８００は、弁８０２、弁８０４および弁８０６を備えており、これらの弁の入口は冷凍プロセス１１８内のいくつかのタップのうちの１つに水力学的に接続されている。
【０１０６】  いくつかの用途では、顧客によって設置された蒸発器コイル１３６に送られる冷媒が、一定の温度で供給されるのではなく、時間に応じて変動する必要がある。冷凍プロセス１１８内の温度は、典型的には−１５０℃から室温（１５℃から３０℃）までの広い温度範囲の全体にわたるので、弁８０２、８０４および８０６の配置により、顧客によって設置された蒸発器コイル１３６で任意の所与の時刻に必要になる適切な温度で、冷凍プロセス１１８の高圧側のいくつかのタップから冷媒を引き込むことができる。コントローラを使用して温度センサおよび弁が制御され、それによって熱交換器７０２への供給源および温度が選択される。熱交換器７０２への供給源は、霜取りサイクル中の異なる時刻において１つの場所から別の場所にシフトすることができる。たとえば、熱交換器７０２への供給は、低温点から開始し、霜取りサイクル中に徐々に高い温度にしていくことができる。
【０１０７】  いくつかの場合に、熱交換器７０２は必要とされない。蒸発器コイル１３６が暖められるにつれて、漸進的に高い温度を有する流れが弁８０６、８０４および８０２から選択される。また、霜取り弁１８０または霜取り弁１８２を使用して、高温冷媒の流れを与えることができる。
【０１０８】  第１３の実施形態では、実施形態１１および１２の原則および要素が、冷凍システム７００および８００の変形形態において組み合わされ使用される。
【０１０９】  いくつかの用途では、顧客によって設置された蒸発器コイル１３６に送られる冷媒が特定の温度である必要がある。しかしながら、ガスが膨張するために、霜取り弁１７８、霜取り弁１８０およびそれらに関連するＦＭＤ１８２および１８４により、冷媒の温度は低下する。その結果、蒸発器コイル１３６に送られる冷媒の温度は、典型的には約１０℃低下する。これを補償するために、第１４の実施形態では、「チョッパ」回路を使用して霜取り弁１７８および霜取り弁１８０をパルス制御し、顧客によって設置された蒸発器コイル１３６への流量を調節するとともに、昇温変化率を制限することができる。これらの弁の典型的なサイクルタイムは数秒から数分の範囲である。
【０１１０】  あるいは、霜取り弁１７８および１８０を、昇温変化率が調節されるように制御される比例弁で置き換えることができる。
【０１１１】 発明の特徴：
簡単に言えば、本発明の第１の特徴は、−２５０℃程度の長期冷却および＋１３０℃程度の長期加熱を行う機能を有する制御された極低温冷凍システムである。
【０１１２】  本発明の第２の特徴は、少なくとも一部の霜取りガスが冷凍プロセスに戻れないようにする長期霜取りモードを有する極低温冷凍システムである。少なくとも一部の霜取りガスが冷凍プロセスに戻れない代わりに、本発明の極低温冷凍システムでは戻りバイパスが許容され、その冷凍プロセスの過負荷が防止され、それによって、霜取りサイクルが連続的に動作することができる。しかしながら、冷却モードでは、蒸発器からの冷媒が戻る際にひとたび極低温に達した後は、霜取り戻りバイパスは不可能になる。
【０１１３】  本発明の第３の特徴は、冷却または昇温時の温度変化率が開ループ的に（すなわち、コントローラのフィードバックなしで）制御される、制御された流れを有する極低温冷凍システムである。
【０１１４】  本発明の第４の特徴は、システムで得られる広い温度範囲の全てを利用して、一定または可変の冷媒供給温度および／または戻り温度を制御された形態に実現する極低温冷凍システムである。
【０１１５】  本発明の第５の特徴は、霜取りサイクル後の短い回復期間を可能にし、それによって、総処理時間を短縮するとともに霜取りまたはベークアウトが完了した後で蒸発器を高速に冷却できるようにする極低温冷凍システムである。
【０１１６】  本発明の利点は、冷凍システムのコイルを内部で加熱することである。従来のシステムは、外部の熱源を使用して冷凍システムのコイルを加熱している。
【０１１７】  他の利点は、本発明では、−１５０℃から＋１３０℃の範囲の蒸発器の温度を可能にすることである。従来のシステムは、ずっと小さい温度範囲を有している。さらに、本発明および背景となる特許は、本発明が、霜取りモードで連続的に動作できることである。
【０１１８】  本発明は、製造プロセスを開始するために本発明の冷凍システムによってもたらされる極低温を必要とする真空システムのスループットを高めることができる。本発明は、システムの動作限界を超えずに冷凍システムの霜取り動作時間を延長することができる。本発明は、可変加熱・冷却システムを提供する。冷凍システムの全体的な霜取りサイクルの時間が短縮される。
【０１１９】  ベークアウトプロセスの間においてプロセス流体の化学的安定性が維持される。
【０１２０】  本発明は、冷却モードまたは昇温モードでの制御された温度変化率を提供する。
【０１２１】  設計温度範囲において固有の高い信頼性を有する標準的な構成要素が使用される。
【０１２２】  混合冷媒システムで冷却サイクルおよび霜取りサイクルが可能になるように標準的な構成要素が独特の組合せで使用される。
【０１２３】  化学的安定性、圧縮機の動作限界、すべての構成要素の定格使用圧および定格使用温度などの公称システムパラメータが維持される。
【０１２４】  本発明は、チョッパタイマのオン／オフのサイクル、様々な事象が起こる温度、ベークアウト時間、冷却時間など種々の制御パラメータを顧客が調整できるようにする。
【０１２５】  本発明は、冷媒戻り経路内の非常に大きく高価な極低温弁を不要にする。
【０１２６】  霜取りサイクル後の回復期間が短縮され、それによって総処理時間を短縮することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  図１は、本発明によるバイパス回路を有する極低温冷凍システムの概略図である。
【図２】  図２は、図１の冷凍システムで使用される本発明による冷凍プロセスユニットの部分概略図である。
【図３】  図３は、図１の冷凍システムで使用される本発明による霜取りバイパスループの部分概略図である。
【図４】  図４は、図１の冷凍システムで使用される本発明による霜取り供給ループの部分概略図である。
【図５】  図５は、図１の冷凍システムで使用される本発明による他の霜取り供給ループの部分概略図である。
【図６】  図６は、可変分流弁を有する本発明による冷凍システムの圧縮機側の部分概略図である。
【図７】  図７は、熱交換器を有する図１と同様な本発明による冷凍システムの高圧側の部分概略図である。
【図８】  図８は、本発明による図１の冷凍システムの高圧側の他の実施形態の部分概略図である。
【図１】
0005421509.tif 000002
【図２】
0005421509.tif 000003
【図３】
0005421509.tif 000004
【図４】
0005421509.tif 000005
【図５】
0005421509.tif 000006
【図６】
0005421509.tif 000007
【図７】
0005421509.tif 000008
【図８】
0005421509.tif 000009