KR101314046B1

KR101314046B1 - 온도 제어된 가스를 제공하는 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101314046B1
Application number: KR1020127010274A
Authority: KR
Inventors: 다니엘 제임스 깁슨
Original assignee: 에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
Priority date: 2009-10-29
Filing date: 2010-10-08
Publication date: 2013-10-01
Anticipated expiration: 2030-10-08
Also published as: TW201114478A; CN102597665A; EP2494290B1; WO2011059612A3; WO2011059612A2; TWI401115B; EP2494290A2; CA2772948A1; MX2012003099A; US8474273B2; US20110100026A1; CN102597665B; CA2772948C; KR20120079110A

Abstract

냉각 가스가 배출되는 용기(50)의 설정점 온도 또는 냉각 가스가 배출되는 물질의 온도의 기 설정된 범위 내의 온도를 유지하는 방법 및 냉각제 전달 시스템(1)이다. 냉각 가스는 공급 가스와 한제를 혼합한 것으로부터 나온다. 실질적으로 공급 가스를 일정한 유량으로 제공하는 동안 비례 밸브(22)를 사용하여 한제의 유량을 조절하는 것에 의해 온도 조절이 이루어진다.

Description

온도 제어된 가스를 제공하는 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR PROVIDING A TEMPERATURE-CONTROLLED GAS}

본 발명의 실시예들은 차가운 가스의 온도를 유지하기 위해 한제를 사용하여 제어된 온도에서 차가운 가스를 용기로 전달하는 것에 관한 것이다.

제어된 온도에서 차가운 가스를 용기로 공급하는 많은 방법이 존재한다. 예들은 가스의 기계적 냉각(냉각제의 압축 및 증발), 액체 한제를 용기에 공급되기 전에 증발시키는 것, 및 한제가 용기에 공급되는 온도를 제어하기 위해 다양한 유량의 "스로틀링 가스(throttling gas)"를 사용하는 것을 포함한다.

그러나, 이러한 방법들에는 몇몇 문제점이 있다. 기계적 냉각은 탄화플루오르, 암모니아, 이산화황, 및 메탄과 같이 유독성 및/또는 환경에 해로운 냉매를 사용해야 한다. 더구나, 기계적 냉각은 매우 낮은 온도(예컨대, 섭씨 0도 이하)에서는 매우 비효율적이다.

냉각 가스가 주로 증발된 액체 한제로 이루어진 방법은 적어도 어느 정도의 액체상의 한제를 전달하기 쉽다. 따라서, 액체상의 한제와 접촉하는 용기의 임의 표면은 극심한 집중된 냉각을 받는다. 이것은 용기에서 냉각되는 생성물이 액체상의 한제와 접촉하는 것에 의해 손상될 수 있는 경우 및/또는 생성물이 냉각되면 안되는 경우에 있어 바람직하지 않다.

2008년 8월 27일에 출원된 PCT 국체 출원 번호 PCT/US08/74506은 한제 유체가 일정한 유량으로 공급되고 결과물 유체 흐름 스트림으로부터 온도 피드백을 사용하여 "스로틀링 가스"의 유량이 결과물 유체의 온도를 제어하는데 사용되는 저온의 냉각 시스템을 개시한다. 그러나 이러한 종류의 시스템은 냉각 가스(결과물 유체)가 상대적으로 높은 유량으로 공급되는 경우, 예컨대 다양한 적용예에서 바람직한 정도인 3700 SCFH(Standard Cubic Feet per Hour) 이상의 유량으로 공급되는 경우에 나쁜 성능 특성을 나타낸다. 그리고, 이러한 종류의 시스템의 온도 피드백 센서는 결과물 유체 공급 라인에 위치되어야 하고, 바람직하게는 저온 유체와 스로틀링 가스 공급 라인이 교차하는 지점으로부터 바로 하류에 위치되어야 한다. 이와 같은 제한 사항은 냉각된 물질이나 또는 결과물 유체가 배출되는 용기로부터 온도 피드백을 받는 것이 바람직한 경우에 있어서는 바람직하지 않다. 또한, 안정적인 결과물 유체 온도 특성을 제공하기 위해, 한제 유체는 3축 저온 유체 공급 라인과 같이 한제 유체의 증발을 최소화하는 특별한 호스를 사용하여 공급되어야 한다.

따라서, 넓은 온도 범위(섭씨 0도를 훨씬 밑도는 범위를 포함)에서 그리고 효율이 높도록 상대적으로 높은 유량으로 온도 제어된 냉각 가스를 전달할 수 있는 향상된 시스템 및 방법이 필요하다. 이러한 필요성은 이하 설명되는 본 발명의 실시예 및 청구항에 의해 나타난다.

일 실시예에 따르면, 본 발명은 혼합 영역에 가스를 공급하는 단계, 상기 혼합 영역에 한제를 공급하는 단계, 상기 혼합 영역으로부터 용기로 상기 가스와 상기 한제를 포함하는 냉각 가스를 배출하는 단계, 센서를 이용하여 제1 온도를 측정하는 단계, 상기 한제가 상기 혼합 영역으로 공급되는 유량을 조절하는 것에 의해 설정점 온도의 기 설정된 제1 범위 내에서 상기 제1 온도를 유지하는 단계를 포함하는 방법을 포함한다.

다른 실시예에 따르면, 본 발명은 용기를 냉각하는 장치를 포함하고, 상기 장치는 공급 가스의 공급원과 유체 연통하고 상기 공급 가스를 혼합 영역으로 공급하는데 적용되는 가스 공급 라인과, 한제의 공급원과 유체 연통하고 상기 한제를 상기 혼합 영역으로 공급하는데 적용되는 한제 공급 라인과, 상기 혼합 영역으로부터 냉각 가스를 냉각제 전달 장치로 공급하는 냉각제 전달 라인을 포함하는 냉각제 전달 어셈블리로서 상기 냉각 가스는 상기 공급 가스와 상기 한제를 포함하고, 상기 냉각제 전달 라인은 상기 혼합 영역으로부터 하류에 위치되고 상기 혼합 영역과 유체 연통하며, 상기 냉각제 전달 장치는 상기 용기 내에 위치하는 적어도 하나의 구멍을 포함하는 것인 냉각제 전달 어셈블리와, 제1 온도를 측정하는데 적용되는 센서와, 상기 센서로부터 신호를 받는데 적용되는 제어기를 포함한다. 상기 제어기는 한제 가스가 상기 혼합 영역에 공급되는 유량을 조절하는 것에 의해 설정점 온도의 기 설정된 제1 범위 내에서 상기 제1 온도를 유지하도록 프로그램된다.

도 1은 예시적인 냉각제 전달 시스템을 도시하는 블록 다이어그램이다.
도 2a 및 2b는 도 1의 냉각제 전달 시스템에 사용되는 혼합 튜브의 실시예들로써, 도 1의 2-2 부분의 확대 부분도를 나타낸다.
도 3은 도 1의 냉각제 전달 시스템에 대한 냉각제 전달 온도를 제어하는 방법의 일 실시예를 보여주는 흐름도이다.
도 4는 도 1의 냉각제 전달 시스템에 사용되는 용기의 일 실시예에 대한 측 단면도이다. 그리고,
도 5는 도 4에 도시되는 냉각제 전달 장치의 저면도이다.

이하에서 자세히 설명되는 내용은 단지 바람직하고 예시적인 실시예를 제공하는 것이고, 본 발명의 보호범위, 적용예, 또는 구성을 제한하려는 의도가 아니다. 대신에, 이하에서 자세히 설명되는 바람직하고 예시적인 실시예는 당업자가 본 발명의 바람직하고 예시적인 실시예를 수행하는 것을 가능하게 하는 내용을 제공한다. 본 발명의 사상 및 범위에서 벗어나지 않는 범위 내에서 요소들의 기능이나 배열의 변화가 이루어질 수 있다.

본 발명의 설명을 돕기 위해, 본 발명의 부분들을 설명하기 위해 청구항이나 발명의 상세한 설명에 방향을 나타내는 용어(예컨대, 상부, 하부, 좌측, 우측, 등)가 사용될 수 있다. 이러한 방향을 나타내는 용어는 단지 본 발명을 설명하고 청구하는 것을 도와주는 것일 뿐, 본 발명을 어떠한 방식으로도 제한하려는 것이 아니다. 그리고, 도면과 함께 발명의 상세한 설명에서 도입되는 참조 번호는 다른 구성들의 전후 관계를 제공할 수 있도록 발명의 상세한 설명에서 추가적인 설명 없이 하나 이상의 이어지는 도면들에서 반복될 수 있다.

본 명세서에서 사용되는 용어인 "한제"는 -70℃보다 낮은 온도를 갖는 액체, 기체, 또는 혼합상(mixed-phase)인 유체를 의미한다. 한제의 실시예는 액화 질소(LIN), 액화 산소(LOX), 액화 아르곤(LAR), 액화 이산화 탄소, 및 가압되고 혼합상인 한제(예컨대 액화 질소와 기체 질소의 혼합물)를 포함한다.

도 1을 참고하면, 냉각제 전달 시스템(1)의 일 실시예가 도시된다. 냉각제 전달 시스템(1)은 한제 공급 라인(14)과 가스 공급 라인(12)을 포함하고 이들 라인은 혼합 영역(35)에서 교차되고 그 다음 용기(50)로 공급된다. 한제는 저장 용기에 의해 한제 공급 라인(14)으로 공급되며, 저장 용기은 본 실시예에서 탱크(11)이다.

본 실시예에서 가스 공급 라인(12)용의 가스(이하 "공급 가스") 또한 탱크(11)에 의해 공급된다. 한제는 상 분리기(16)에 의해 액체상과 기체상으로 분리된다. 기화기(미도시)는 바람직하게 탱크(11)의 내부 주변을 따라 배치되고, 상 분리기(16)에 기체상을 공급한다. 본 실시예에서는, 탱크(11)가 약 100 psig(7.0 kg/㎠)의 공급 압력을 제공한다. 액체상은 한제 공급 라인(14)으로 공급되고, 한제 공급 라인(14)은 바람직하게 비례 밸브(22)에 의해 제어된다. 기체상은 가스 공급 라인(12)으로 공급되고, 가스 공급 라인(12)은 바람직하게 온/오프 밸브(15)를 포함한다. 추가적인 작동의 유연성을 제공하기 위해 온/오프 밸브(15) 대신에 비례 밸브(미도시)가 선택적으로 제공될 수도 있다. 공급가스는 가스 공급 라인(26)을 통해 온/오프 밸브(15)로부터 혼합 영역(35)로 흐른다.

다른 실시예에서, 가스 공급 라인(12)은 탱크(11)가 아닌 다른 공급원으로부터 압축 가스를 공급할 수 있다. 예컨대, 별도의 탱크(미도시)가 제공될 수 있거나, 펌프(미도시)가 사용될 수 있다. 냉각제 전달 시스템(1)에서의 응축 및/또는 결로 현상(frost formation)을 피하기 위해, 건조 가스(예컨대, 30% 이하의 상대 습도)가 가스 공급 라인(12)에 공급되는 것이 바람직하다.

본 실시예에서는, 한제가 액화 질소(LIN)이고 공급 가스가 기체 질소(GAN)이다. 대안으로써, 본 발명을 벗어나지 않는 범위 내에서 어떠한 적합한 공급 가스, 예컨대 헬륨, 아르곤, 산소, 건조 공기 등도 사용될 수 있다. 기체 질소(GAN)는 바람직하게 일정한 온도로 공급되고, 바람직하게 한제가 공급되는 압력보다 높은 압력으로 공급된다. 20~30psi(138~207kPa)의 차압이 바람직하다. 본 적용예에서 제공되는 모든 압력값은 상대 압력 또는 게이지(gauge)압력을 일컫는다.

공급 가스의 응축 또는 결로를 피하기 위해, 공급 가스가 냉각제 전달 시스템(1)이 작동하는 범위의 온도보다 높지 않은 끓는점을 갖는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는, 공급 가스가 한제의 끓는점보다 높지 않은 끓는점을 갖는다. 몇몇 적용예에서는, 공급 가스와 한제가 같은 화학 조성을 갖게 하여(본 실시예의 경우와 같이), 한제의 유량이 본 명세서에서 논의되는 이유로 변하는 동안 용기(50) 내부 공기의 화학 조성이 변하지 않도록 하는 것 또한 바람직하다.

액화 질소(LIN)는 한제 공급 라인(14)을 통해 압력 조절기(21)로 흘러, 비례 밸브(22)와 분배 라인(27)을 통해 혼합 영역(35)으로 흐른다. 비례 밸브(22)는 바람직하게 프로그램 가능한 로직 제어기(23; PLC)에 의해 제어된다. PLC는 바람직하게 사용자 패널(24)과 통신된다. 본 명세서에서 보다 구체적으로 설명되는 것처럼, PCL(23)는 분배 라인(27)에서 한제의 유량을 증가시키거나 감소시키려는 목적의 비례 밸브(22)를 조절할 수 있다. 다른 실시예에서, 다른 종류의 비례 유체 제어 장치가 비례 밸브(22)를 대체할 수 있다.

비례 밸브(22)는 본 명세서에서 용기(50)에 공급되는 냉각 가스의 온도를 조절하는데 사용되는 것으로 설명된다. 본 명세서에서 사용되는 용어 "유량"은 용적 유량으로 이해되어야 한다. 또한, 비례 밸브(22)는 용매가 통과해 흐르는 개구의 크기를 증가시키거나 감소시키는 것에 의해 조절되는 것으로 이해되어야 하며, 이러한 개구의 크기의 증가 또는 감소는 개구를 통해 흐르는 한제의 각각의 대응되는 유량의 증가 또는 감소를 야기한다. 개구의 크기의 증가는 또한 비례 밸브(22)에 걸친 압력 강하를 감소시키고, 따라서 비례 밸브(22)의 하류의 한제의 압력을 증가시킨다. 반대로, 개구의 크기의 감소는 비례 밸브(22)에 걸친 압력 강하를 증가시키고, 따라서 한제의 하류 압력을 감소시킨다. 그러므로, 유량과 한제의 하류 압력 사이의 직접적인 비례 관계 때문에, 비례 밸브(22)의 조절은 혼합 영역(35)에 제공되는 한제의 유량과 압력 모두를 조절한다. 부가적으로 이러한 직접적인 비례 관계 때문에 공급 가스와 한제의 공급 특성은 본 명세서에서 각각의 유량 또는 각각의 압력으로써 설명된다.

본 실시예에서 한제 공급 라인(14) 및 압력 조절기(21)를 통해 흐르는 한제는 60 내지 120 psi(414 내지 827 kPa) 및 바람직하게는 약 80 psi(552 kPa)의 작동 압력을 유지한다.

상술한 것처럼, 혼합 영역(35)에서 공급 가스의 흐름과 한제의 흐름이 교차한다. 혼합 영역(35)의 목적은 공급 가스와 한제를 상대적으로 균일한 형태로 혼합하는 것을 가능하게 하는 것이다. 도 2a와 2b는 혼합 영역의 구성의 2가지 실시예를 보여준다. 도 2a에 도시된 것처럼, 혼합 영역(35)에서 가스 공급 라인(26)은 분배 라인(27)과 교차하는 튜브를 포함하고, 가스 공급 라인(26)을 나온 공급 가스의 흐름이 분배 라인(27)에서의 한제의 흐름에 개략적으로 평행하도록 배향하는 엘보우(42)를 포함한다. 튜브는 예컨대, 구리 튜브일 수 있다. 혼합 영역(35)은 기체 질소(GAN)의 유량과 목표 냉각 가스 온도가 상대적으로 낮은(즉, 화씨 32도/섭씨 0도 보다 낮은) 적용예를 위한 것이다.

도 2b에 도시된 혼합 영역(135)은 기체 질소(GAN)의 유량과 목표 냉각 가스 온도가 상대적으로 높은(즉, 화씨 32도/섭씨 0도 보다 높은) 적용예를 위한 것이다. 혼합 영역(135)에서 분배 라인(127)은 가스 공급 라인(126)과 직각으로 교차한다. 본 실시예에서는 혼합 영역(135)에서 분배 라인(127)은 바람직하게 가스 공급 라인(126)보다 작은 직경을 갖는다.

다시 도 1을 참고하면, 혼합 영역(35)에서 교차 이후에, 공급 가스 및 한제는 냉각 가스를 형성하고, 냉각 가스는 전달 라인(44)을 통과해 흐르고 냉각제 전달 장치(48)를 통해 용기(50)로 배출된다. 냉각제 전달 시스템(1)은 냉각 가스가 냉각제 전달 장치(48)를 통해 배출되었을 때, 냉각 가스가 약간의 액체상을 포함하거나 액체상을 포함하지 않을 수 있도록 작동되는 것이 바람직하다. 냉각 가스의 온도는 혼합 영역(35)에 공급되는 공급 가스 및 한제의 온도 및 압력(상술한 것처럼 유량에 관련 있음)을 포함하는 몇몇 인자들에 달려 있지만, 이들에 한정되는 것은 아니다.

본 실시예에서, 온도 프로브(36)는 용기(50)내에 위치하고 열전대의 일 부분이다. 온도 브로브(36)는 PLC(23)로 연속적인 실 시간 온도 측정값을 전달하도록 구성된다. 본 발명의 보호범위를 벗어나지 않는 다른 실시예에서 다른 온도 모니터링 방법도 사용될 수 있음이 이해되어야 한다. 예컨대, 다이오드, 저항 온도계, 적외선 센서, 및 용량 센서 온도계와 같은 선택적인 온도 센서(미도시)가 예컨대 생성물의 표면 온도, 배출 온도, 또는 인접한 대기의 온도를 측정하는데 사용될 수 있다. 이러한 예에서, 선택적인 온도 센서는 본 실시예에서 설명한 것처럼 PLC(23)에 데이타 스트림을 전달할 수 있다.

극저온의 냉각제 전달 시스템(1)의 작동은 용기(50)의 목표 온도 또는 설정점 온도를 결정하는 것에 의해 시작한다. 설정점 온도의 값 및 그 값이 어떻게 어디서 측정되는지는 용기에서 수행되는 프로세스에 달려있다. 예컨대, 설정점 온도는 용기(50) 내에서의 바람직한 공기 온도, 용기(50)의 배기 스택(미도시)의 바람직한 공기 온도, 또는 생성물이 용기(50)로 들어가거나 용기로부터 나올 때 생성물의 바람직한 표면 온도일 수 있다.

본 실시예에서, 바람직한 설정점 온도는 작동기에 의해 사용자 패널(24)로 입력되고, 설정점 온도는 PLC(23)에 통신된다. 본 실시예에서, 설정점 온도는 화씨 약 -240도 내지 약 85도(섭씨 -151도 내지 29도) 사이의 범위를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 설정점 온도는 고정되거나 사용자가 조절 불가능한 것일 수 있다. 이러한 실시예에서는 설정점 온도는 단지 PLC(23)의 프로그래밍의 부분일 수 있다.

극저온의 냉각제 전달 시스템(1)의 작동 중에, 열전대에 의해 측정된 용기(50)의 온도가 설정점으로부터 벗어나는 경우에는, PLC(23)는 비례 밸브(22)를 조절하여 한제의 유량을 조절하는 것에 의해 용기(50)의 온도가 설정점 온도로 되돌아 올 수 있도록 프로그래밍 된다. 냉각 가스의 주어진 조성과 그에 따른 온도는, 적어도 부분적으로, 혼합 영역(35)에서 공급 가스와 한제 사이의 차압에 종속적이므로, 혼합 영역(35)에 공급되는 공급 가스의 유량(및 압력)은 가능한 일정한 것이 바람직하다.

다른 실시예에서, 복수의 온도 프로브(36)가 사용될 수 있다. 이런 경우에는 설정점으로부터의 벗어남이 다양한 다른 방법으로 결정될 수 있다. 예컨대, 임의의 온도 프로브(36)가 설정점으로부터 충분히 벗어나면 한제의 유량을 조절할 수 있도록 PCL(23)가 프로그래밍 되거나, 또는 온도 프로브(36)의 평균에 기초하여 한제의 유량을 조절하도록 PLC(23)가 프로그래밍 될 수 있다.

PLC(23)에 의해 사용되는 냉각 가스 온도를 제어하는 방법의 일 실시예를 보여주는 흐름도가 도 3에 도시된다. PLC(23)가 열전대로부터 읽어들인 온도를 받으면, PLC는 측정된 온도와 설정점 온도의 차이를 결정하고, 그러한 차이와 기 설정된 범위(단계 60을 참고)와 비교한다. 차이가 기 설정된 범위보다 크지 않다면 PLC(23)에 의해 비례 밸브(22)의 조절이 이루어지지 않는다(단계 61을 참고).

차이가 기 설정된 범위보다 크다면 PLC(23)는 측정된 온도가 설정점 온도보다 큰지를 결정한다(단계 62를 참고). 측정된 온도가 설정점 온도보다 크다면, PLC(23)는 비례 밸브(22)의 조절을 시작하여 한제의 유량을 증가시키고(단계 64를 참고), 냉각 가스의 측정된 온도가 설정점 온도로 떨어질 때까지 증가시킨다(단계 68 참고). 측정된 온도가 설정점 온도보다 크지 않다면, PLC(23)는 비례 밸브(22)를 조절하여 한제의 유량을 감소시키고(단계 68을 참고), 냉각 가스의 측정된 온도가 설정점 온도로 올라갈 때까지 한제의 유량을 감소시킨다(단계 70 참고). 측정된 온도가 설정점 온도와 같아졌을 때, 비례 밸브(22)의 조절은 멈춘다(단계 72를 참고).

바람직하게 각각의 온도 측정의 사이에 시간 지연(단계 74)이 제공된다. 시간 지연 단계 및 기 설정된 범위는 비례 밸브(22)가 끊임없이 조절되는 것을 막기 위한 것이다. 시간 지연 및 기 설정된 범위의 크기는, 부분적으로, 용기(50)의 수용 가능한 온도 변화에 의존한다.

설정점 온도를 수용 가능한 온도 범위(기 설정된 제1 범위) 내로 유지시키는 것이 바람직하다면, 단계 60의 기 설정된 범위(기 설정된 제2 범위)는 상기 수용 가능한 온도 범위보다 크지 않는 것이 바람직하며, 보다 바람직하게는, 상기 수용 가능한 온도 범위보다 작다. 예컨대, 적용예가 열전대에 의해 측정된 온도가 화씨 5도(섭씨 2.7도)의 설정점 온도 이내가 되도록 요구한다면, 화씨 2도(섭씨 1.1도)의 기 설정된 범위가 사용될 수 있다.

극저온의 냉각제 전달 시스템(1)의 프로토 타입의 시험을 기초로 시스템은, 화씨 32도(섭씨 0도)를 넘는 설정 온도에서 작동할 때, 용기의 온도를 설정 온도보다 화씨 1도(섭씨 0.6도) 이내로 높거나 낮게 유지할 수 있다. 시스템(1)은, 화씨 -150도(섭씨 -101도)의 설정 온도에서 작동할 때, 용기의 온도가 설정 온도보다 화씨 5도(섭씨 2.8도) 이내로 높거나 낮게 유지할 수 있다.

부가적으로, 냉각제 전달 시스템(1)은 상기 언급한 온도 제어 특성을 유지하는 동안 냉각 가스를 5000 SCFH(Standard Cubic Feet per Hour)의 유량으로 용기로 전달할 수 있다. 이러한 높은 유량 성능은 냉각제 전달 시스템(1)이 더 높은 유량의 가스 냉각제를 필요로 하는 적용예에서 사용될 수 있도록 한다. 부가적으로, 높은 유량 성능은 용기 조건의 변화하에서[예컨대, 재료가 처음 용기(50)내로 안내되거나 재료의 공급률이 실질적으로 변하는 적용예에서] 줄어든 용기 시동 시간과 줄어든 온도 변동을 제공한다.

도 4 및 도 5는 냉각제 전달 시스템(1)에 사용될 수 있는 냉각제 전달 장치(148) 및 용기(150)의 일 실시예를 도시한다. 용기(150)는 컨베이어(162)상에서 생성물이 통과해 움직일 수 있는 챔버(160)를 포함한다. 냉각제 전달 장치(148)는 챔버(160)의 상부에 위치한다. 냉각제 전달 장치(148)는 일련의 길이방향 파이프(152)와 교차 파이프(154)로 구성된다. 전달 라인(144)의 가스는 파이프에 뚫린 복수의 구멍(156)을 통해 전달 장치를 빠져나온다. 구멍(156)과 파이프(152, 154)의 구성은 챔버(160)를 통과해 움직이는 생성물에 대해 상대적으로 균일한 냉각 가스의 흐름을 제공하도록 의도된다.

저온 냉각제 전달 시스템(1)은 다양한 용기를 냉각하는데 사용될 수 있다. 예컨대, 시스템은 차갑고 온도 제어되는 불활성 기체 환경이 요구되는 방 또는 챔버에 사용될 수 있다. 기체 질소(GAN) 및 액화 질소(LIN)가 각각 공급 가스 및 한제로 사용된다면, 본 발명의 시스템은 불활성 환경에 오염 물질이 안내될 수 있는 가능성 없이 목표 온도 제어를 제공하는 이점을 가질 수 있다. 이하에서는 냉각제 전달 시스템(1)이 사용될 수 있는 적용예의 실시예들이 나열된다. 세가지 실시예에서 기체 질소(GAN)는 공급 가스로 사용되고 액화 질소(LIN)는 한제로 사용된다.

본 실시예에서는, 화씨 107도(섭씨 42도) 내지 화씨 50도(섭씨 10도)의 온도에서 음식 생성물의 성분을 냉각하기 위한 목적으로 냉각제 전달 시스템(1)이 용기(50)에 사용되었다. 용기(50)는 7피트(2.1미터)의 길이를 갖는 냉각 터널로 구성되었고 온도 프로브(36)가 냉각 터널 내에 위치되었다. 성분은 연속적인 300mm의 넓은 폭과 3~4mm 두께의 압출물로 제공되고 초당 0.25 피트(초당 0.075 미터)의 속도로 냉각 터널을 통해 운반되며 28초의 체류 시간으로 제공되었다. 냉각제 전달 장치(48)는 성분의 상부로부터 1인치 미만으로 떨어져 윗부분에 위치하는 매니폴드를 포함하였다.

서로 다른 냉각 가스 온도에서 화씨 50도(섭씨 10도)의 목표 온도와 성분의 추가적인 특성, 즉 냉각 이후에 가요성과 매끈함이 남는 특성을 제공하는 냉각 가스 온도에 도달하도록 몇몇 시험들이 수행되었다. 이러한 시험들을 기초로, 목표 결과를 생성하는 화씨 -145도(섭씨 -98도)의 설정 온도가 결정되었다. 이러한 작동 조건하에서, 냉각제 전달 시스템(1)의 액화 질소(LIN) 유량은 약 3500 SCFH 였고, 기체 질소(GAN) 유량(지름 1/4 인치의 공급 라인 사용)은 약 3500 SCFH 였으며, 총 냉각 가스의 유량은 7000 SCFH가 제공되었다.

본 실시예에서는, 입줄기 채소 음식 생성물을 화씨 40도(섭씨 4도) 이하의 온도까지, 바람직하게는 화씨 32도 내지 40도(섭씨 0도 내지 4도) 사이의 온도까지 냉각하도록 냉각제 전달 시스템(1)이 용기(50)에 사용되었다. 용기(50)는 35rpm 까지의 속도에서 작동할 수 있는 스크류 컨베이어(screw conveyor)로 구성되었다. 온도 프로브(36)는 스크류 컨베이어의 출구에 위치되었다.

화씨 약 -20도(섭씨 -29도)의 설정 온도를 유지하는 것이 수용할만한 결과를 제공하는 것으로 결정되었다. 이러한 작동 조건 하에서, 냉각제 전달 시스템(1)의 액화 질소(LIN) 유량은 분당 약 5파운드(약 3450 SCFH)였고, 기체 질소(GAN) 유량(지름 8인치의 공급 라인 사용)은 약 1000SCFH였으며, 총 냉각 가스의 유량은 4450 SCFH가 제공되었다.

본 실시예에서는, 냉각제 전달 시스템(1)이 약제 혼합물의 제조 공정 단계가 수행되는 용기(50)에서 설정점 온도를 유지하는데 사용되었다. 본 실시예에서는 용기(50)가 건조기 또는 건조 요소로 사용되었다. 용기에서 수행되는 공정 단계는 건조하고 불활성인 대기 및 화씨 50도(섭씨 10도)의 설정점 온도의 유지를 요했다.

저온의 냉각제 전달 시스템(1)은 "듀얼(dual) 모드"로 작동되도록 구성될 수도 있었다. 제1 모드에서는, 상술한 것처럼 냉각제 전달 장치(48)에서 약간의 액체상을 포함하거나 액체상을 포함하지 않는 온도 제어된 가스를 전달하도록 시스템(1)이 작동될 수 있었다. 제2 모드에서는, 전달 라인(44)에서 가스 공급 라인(26)으로부터 약간의 흐름을 받거나 아예 흐름을 받지 않고 거의 100 퍼센트의 액화 질소(LIN)을 갖도록 시스템(1)이 작동될 수 있었다. 제2 모드에서는, 시스템(1)이 종래의 저온 스프레이 장치와 보다 가깝게 작동하여, 예컨대 딱딱하게 언 음식 생성물에 사용될 수 있었다. 만약 듀얼 모드 작동이 요구된다면, 냉각제 전달 장치(48)가 어떠한 액체상 한제에도 요구되는 스프레이 패턴을 제공하는 것이 바람직하다.

살펴본 것처럼, 본 발명은 바람직한 실시예와 발명의 대안의 실시예로써 개시되었다. 물론 본 발명이 시사하는 것으로부터 본 발명에서 의도하는 기술 사상과 보호범위를 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변형, 수정, 및 개선이 당업자에 의해 이루어질 수 있다. 본 발명은 첨부된 청구항에 의해서만 오직 제한될 수 있는 것으로 의도된다.

Claims

혼합 영역에 가스를 공급하는 단계;
상기 혼합 영역에 한제를 공급하는 단계;
상기 혼합 영역으로부터 용기로 상기 가스와 상기 한제를 포함하는 냉각 가스를 배출하는 단계;
센서를 이용하여 제1 온도를 측정하는 단계; 및
상기 한제가 상기 혼합 영역으로 공급되는 유량을 조절하는 것에 의해 설정점 온도의 기 설정된 제1 범위 내에서 상기 제1 온도를 유지하는 단계;
를 포함하는, 온도 제어된 가스를 제공하는 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 제1 온도를 유지하는 단계는 상기 가스가 상기 혼합 영역으로 공급되는 유량을 조절하지 않고 상기 기 설정된 제1 범위 내에서 상기 제1 온도를 유지하는 것을 더 포함하는 것인, 온도 제어된 가스를 제공하는 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 제1 온도를 유지하는 단계는 비례 밸브를 조절하는 것에 의해 상기 설정점 온도의 기 설정된 제1 범위 내에서 상기 제1 온도를 유지하는 것을 포함하는 것인, 온도 제어된 가스를 제공하는 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 제1 온도를 유지하는 단계는, 상기 제1 온도가 상기 설정점 온도를 넘어 기 설정된 제2 범위 밖으로 올라간 경우에는 상기 한제가 상기 혼합 영역으로 공급되는 유량을 증가시키고, 상기 제1 온도가 상기 설정점 온도 밑으로 상기 기 설정된 제2 범위 밖으로 내려간 경우에는 상기 한제가 상기 혼합 영역으로 공급되는 유량을 감소시키는 것을 포함하는 것인, 온도 제어된 가스를 제공하는 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 제1 온도를 유지하는 단계는 상기 설정점 온도보다 화씨 5도(섭씨 2.7도)이하로 높거나 낮은 소정의 범위 내에서 상기 제1 온도를 유지하는 것을 더 포함하는 것인, 온도 제어된 가스를 제공하는 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 가스를 공급하는 단계는 상기 한제가 상기 혼합 영역에 공급되는 제2 압력보다 큰 제1 압력으로 상기 혼합 영역에 상기 가스를 공급하는 것을 포함하는 것인, 온도 제어된 가스를 제공하는 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 가스를 공급하는 단계는 상기 한제가 상기 혼합 영역에 공급되는 제2 압력보다 20psig(1.4kg/㎠) 이상 큰 제1 압력으로 상기 혼합 영역에 상기 가스를 공급하는 것을 포함하는 것인, 온도 제어된 가스를 제공하는 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 가스를 공급하는 단계는 상기 한제와 동일한 화학 조성을 갖는 가스를 상기 혼합 영역에 공급하는 것을 포함하는 것인, 온도 제어된 가스를 제공하는 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 제1 온도를 측정하는 단계는 상기 용기 내에 위치하는 센서를 이용하여 제1 온도를 측정하는 것을 포함하는 것인, 온도 제어된 가스를 제공하는 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 배출하는 단계는 1000 SCFH 이상의 유량으로 상기 혼합 영역으로부터 상기 냉각 가스를 용기로 배출하는 것을 포함하는 것인, 온도 제어된 가스를 제공하는 방법.
용기에 온도 제어된 가스를 제공하는 장치로서, 상기 장치는,
공급 가스의 공급원과 유체 연통하여 상기 공급 가스를 혼합 영역으로 공급하기 위한 가스 공급 라인;
한제의 공급원과 유체 연통하여 상기 한제를 상기 혼합 영역으로 공급하기 위한 한제 공급 라인;
상기 혼합 영역으로부터 냉각 가스를 냉각제 전달 장치로 공급하는 냉각제 전달 라인을 포함하는 냉각제 전달 어셈블리로서, 상기 냉각 가스는 상기 공급 가스와 상기 한제를 포함하고, 상기 냉각제 전달 라인은 상기 혼합 영역으로부터 하류에 위치되고 상기 혼합 영역과 유체 연통하며, 상기 냉각제 전달 장치는 상기 용기 내에 위치하는 적어도 하나의 구멍을 포함하는 것인 냉각제 전달 어셈블리;
제1 온도를 측정하기 위한 센서; 및
상기 센서로부터 신호를 받기 위한 제어기;를 포함하고,
상기 제어기는 한제 가스가 상기 혼합 영역에 공급되는 유량을 조절하는 것에 의해 설정점 온도의 기 설정된 제1 범위 내에서 상기 제1 온도를 유지하도록 프로그램되는 것인, 온도 제어된 가스를 제공하는 장치.
청구항 11에 있어서, 상기 한제 공급 라인은 비례 밸브를 포함하고 상기 제어기는 상기 비례 밸브를 조절하는 것에 의해 상기 설정점 온도의 기 설정된 제1 범위 내에서 상기 제1 온도를 유지하도록 프로그램되는 것인, 온도 제어된 가스를 제공하는 장치.
청구항 11에 있어서, 상기 제어기는 상기 공급 가스가 상기 혼합 영역으로 공급되는 유량을 조절하지 않고 상기 기 설정된 제1 범위 내에서 상기 제1 온도를 유지하도록 프로그램되는 것인, 온도 제어된 가스를 제공하는 장치.
청구항 11에 있어서, 상기 기 설정된 제1 범위는 상기 설정점 온도보다 화씨 5도(섭씨 2.7도)이내로 높거나 낮은 것인, 온도 제어된 가스를 제공하는 장치.
청구항 11에 있어서, 상기 가스 공급 라인과 상기 공급 가스의 공급원은, 상기 한제 공급 라인이 상기 한제를 상기 혼합 영역으로 공급하는 제2 압력보다 큰 제1 압력에서 상기 공급 가스를 상기 혼합 영역으로 전달하도록 되어 있는 것인, 온도 제어된 가스를 제공하는 장치.
청구항 15에 있어서, 상기 제1 압력은 상기 제2 압력보다 20psig(1.4kg/㎠) 이상 큰 것인, 온도 제어된 가스를 제공하는 장치.
청구항 11에 있어서, 상기 공급 가스와 상기 한제는 동일한 화학 조성을 같는 것인, 온도 제어된 가스를 제공하는 장치.
청구항 11에 있어서, 상기 센서는 상기 용기 내에 위치하는 것인, 온도 제어된 가스를 제공하는 장치.
청구항 11에 있어서, 상기 가스 공급 라인, 상기 한제 공급 라인, 상기 혼합 영역, 상기 냉각제 전달 어셈블리는 4000SCFM 보다 큰 유량으로 냉각 가스를 상기 용기로 공급하게 작동하도록 구성되는 것인, 온도 제어된 가스를 제공하는 장치.
청구항 11에 있어서, 상기 가스 공급 라인, 상기 한제 공급 라인, 상기 혼합 영역, 및 상기 냉각제 전달 어셈블리는 화씨 -210 내지 85도(섭씨 -271 내지 16도) 범위의 온도에서 냉각 가스를 상기 용기로 공급하게 작동하도록 구성되는 것인, 온도 제어된 가스를 제공하는 장치.