KR102035787B1 - 콤팩트하고 효율적인 냉장과, 적응형 전력 관리를 위해, 초저온 열교환기 어레이를 예열하는 시스템 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 실시예에 따르면, 극저온 냉장 시스템의 열교환기 어레이를 예열하는 방법이 제공되고, 상기 방법은, 상기 열교환기 어레이의 적어도 일부를 예열하기 위해 상기 냉장 시스템 내의 냉매 유동의 적어도 일부를 상기 냉장 시스템의 극저온 냉각 작업 동안 사용된 냉매 유동 회로로부터 멀리 우회시키는 단계; 및 상기 냉매 유동의 적어도 일부를 우회시키는 동안, 상기 냉장 시스템의 압축기를 통한 과도한 냉매 질량 유동을 방지하는 단계를 포함한다.

Description

콤팩트하고 효율적인 냉장과, 적응형 전력 관리를 위해, 초저온 열교환기 어레이를 예열하는 시스템 및 방법{SYSTEMS AND METHODS FOR WARMING A CRYOGENIC HEAT EXCHANGER ARRAY, FOR COMPACT AND EFFICIENT REFRIGERATION, AND FOR ADAPTIVE POWER MANAGEMENT}

본원은 2011년 7월 1일자로 출원된 미국특허 가출원 제61/503,702호의 이익을 주장하는 한편, 2011년 12월 2일자로 출원된 미국특허 가출원 제61/566,340호의 이익을 주장한다. 상기 출원들의 전체 교시는 여기에 참조로 포함된다.

통상의 공학 실무에 있어서, 극저온 냉장 시스템의 열교환기들은 양호하게 단열되어 기생 열손실을 최소화한다. 그러나, 유닛을 기동시킬 필요가 있을 때, 단열은 열교환기 어레이의 신속한 예열(가온)을 막는다. 따라서, 열교환기 어레이가 실온에 이르는데 12, 24, 48시간 또는 심지어 72시간 이상이 걸리기도 한다. 이는 유닛의 고장 배제를 위한 수단으로서 행해지는 것이 보통이다. 예컨대, 시스템에 누설이 있다고 의심되는 경우에는, 유닛은 꺼지게 되는 한편, 실온에서의 시스템의 압력을 점검하기 위해 예열이 허용된다. 시스템의 가장 낮은 온도의 부품들에서의 수분 또는 다른 오염물이나 특정 냉매의 과도한 축적 이후의 충전물 제거 또는 회수와 같은 다른 서비스 작업도 마찬가지로 상기와 같은 예열을 필요로 한다. 이로 인해, 상당한 기간 동안 장비를 생산 작업에 이용할 수 없게 된다.

본원 발명에 대한 배경기술로는 US 6,574,978 B2(2003.06.10. 공고)가 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 극저온 냉장 시스템의 열교환기 어레이를 예열하는 방법이 제공된다. 상기 방법은, 상기 열교환기 어레이의 적어도 일부를 예열하기 위해, 상기 냉장 시스템 내의 냉매 유동의 적어도 일부를 상기 냉장 시스템의 극저온 냉각 작업 동안 사용된 냉매 유동 회로로부터 멀리 우회시키는 단계; 및 상기 냉매 유동의 적어도 일부를 우회시키는 동안, 상기 냉장 시스템의 압축기를 통한 과도한 냉매 질량 유동을 방지하는 단계를 포함한다.

추가의 관련 실시예들에 있어서, 상기 냉매 유동의 적어도 일부를 우회시키는 단계는, 냉매 유동의 적어도 일부를 상기 압축기로부터 상기 열교환기 어레이 내의 지점까지 우회시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 열교환기 어레이 내의 지점은 상기 열교환기 어레이 내의 가장 낮은 온도의 열교환기의, 또는 상기 열교환기 어레이 내의 가장 낮은 온도의 열교환기 다음의 열교환기의 저압 입구를 포함할 수 있다. 상기 과도한 냉매 질량 유동을 방지하는 단계는 상기 냉장 시스템의 팽창 탱크 및 버퍼 탱크 중 적어도 하나에 냉매가 저장되는 것을 허용하기 위해 버퍼 밸브를 동작시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 버퍼 밸브는 지속적으로 또는 맥동식으로 동작될 수 있으며, 최소 흡입 압력에 도달한 후에 동작될 수 있다. 상기 냉매 유동의 적어도 일부를 우회시키는 단계는, 냉매 유동의 적어도 일부를 상기 냉장 시스템의 응축기의 출구로부터 상기 열교환기 어레이 내의 지점까지 우회시키는 단계를 포함할 수 있다. 우회되는 상기 냉매 유동의 적어도 일부는 상기 냉장 시스템의 극저온 작업에서 가장 낮은 온도의 열교환기의 온도보다 실질적으로 높은 온도로 냉매를 포함할 수 있다. 상기 우회는 상기 열교환기 어레이 모두를 예열시킬 수 있다. 상기 방법은 상기 열교환기 어레이의 적어도 일부를 극저온 범위 내의 온도에서, 적어도 약 5℃, 적어도 약 10℃, 적어도 약 15℃, 적어도 약 20℃, 적어도 약 25℃, 적어도 약 30℃ 및 적어도 약 35℃로 구성된 그룹으로부터의 온도까지 예열시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 우회시키는 단계는, 냉매 유동의 적어도 일부를 상기 열교환기 어레이 내의 적어도 하나의 열교환기의 고압측으로부터 상기 열교환기 어레이 내의 다른 지점까지 우회시키는 단계를 포함할 수 있다.

추가의 관련 실시예들에 있어서, 상기 우회시키는 단계는, 냉매 유동의 적어도 일부를 상기 냉장 시스템 내의 적어도 2개의 냉매 예열원의 순서로 우회시키는 단계를 포함할 수 있고, 상기 적어도 2개의 냉매 예열원은 (i) 서로 상이한 온도, 및 (ii) 서로 상이한 냉매 조성 중 적어도 하나를 포함한다. 상기 우회시키는 단계는, 냉매 유동의 적어도 일부를 상기 냉장 시스템 내의 적어도 2개의 냉매 예열원의 교번적인 순서로 우회시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 우회시키는 단계는, 냉매 유동의 적어도 일부를 상기 냉장 시스템 내의 적어도 2개의 냉매 예열원으로부터 우회시키는 단계―상기 적어도 2개의 냉매 예열원은 (i) 서로 상이한 온도, 및 (ii) 서로 상이한 냉매 조성 중 적어도 하나를 포함함―; 및 상기 열교환기 어레이의 적어도 일부를 예열하기 위해 상기 적어도 2개의 냉매 예열원으로부터 우회된 유동을 섞는 단계를 포함할 수 있다. 상기 우회시키는 단계는, 상기 열교환기 어레이의 적어도 일부의 예열 동안 냉매 예열량을 변경하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 냉매 유동은 상기 열교환기 어레이 내의 하나 초과의 장소로 우회될 수 있다.

본 발명에 따른 다른 실시예에 있어서, 상기 냉매 유동은, 상기 압축기의 출구로부터, 냉매가 저온코일(cryocoil) 또는 저온표면(cryosurface) 중 적어도 하나로 유동하게 되고, 또한 거기에서 복귀 라인을 통해 상기 열교환기 어레이의 저압측까지 복귀하게 되는 이송 라인의 입구까지 우회될 수 있다. 상기 우회는 상기 열교환기 어레이의 저압측으로 복귀하는 복귀 라인 내의 냉매의 온도가 상기 복귀 라인의 고온 설정점에 도달한 후까지 지속될 수 있다. 상기 고온 설정점은 약 -20℃ 내지 약 +40℃ 범위 내의 온도를 포함할 수 있다. 상기 과도한 냉매 질량 유동을 방지하는 단계는, 상기 냉매 유동의 적어도 일부의 우회 동안 상기 냉장 시스템의 팽창 탱크 및 버퍼 탱크 중 적어도 하나에 냉매가 저장되는 것을 허용하기 위해 버퍼 밸브를 동작시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 버퍼 밸브는 지속적으로 또는 맥동식으로 동작될 수 있다. 상기 방법은 상기 열교환기 어레이의 저압측으로 복귀하는 복귀 라인 내의 냉매의 온도가 상기 복귀 라인의 고온 설정점에 도달한 후에 상기 버퍼 밸브를 동작시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 상기 압축기의 출구로부터 이송 라인의 입구까지 상기 냉매 유동의 적어도 일부를 우회시키는 내내 상기 버퍼 밸브를 동작시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 이송 라인의 입구까지 우회시키는 단계는, 상기 열교환기 어레이의 저압측으로 복귀하는 복귀 라인 내의 냉매의 온도가 상기 복귀 라인의 고온 설정점에 도달하기까지 지속되며, 그 후에, 상기 우회시키는 단계는 냉매 유동의 적어도 일부를 상기 압축기로부터 상기 열교환기 어레이 내의 지점까지 우회시키는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은 냉매 유동의 적어도 일부를 상기 압축기로부터 상기 열교환기 어레이 내의 지점까지 우회시키기 전에, 빙결 방지 회로 및 온도 제어 회로 중 적어도 하나를 사용하여 상기 열교환기 어레이의 적어도 일부를 예열시키는 단계를 포함할 수 있다. 냉매 유동의 적어도 일부를 우회시키는 단계는, 상기 열교환기 어레이의 적어도 하나의 내부 스로틀에 의해 생성된 냉각 효과를 적어도 초과하기에 충분한 냉매 유동을 우회시킴으로써, 상기 열교환기 어레이를 예열하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은, 상기 열교환기 어레이의 예열의 적어도 일부 동안 상기 열교환기 어레이의 적어도 하나의 내부 스로틀을 적어도 부분적으로 폐쇄하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은, 상기 열교환기 어레이의 예열의 적어도 일부 동안 상기 냉장 시스템의 응축기 내로 또는 응축기 외로의 유동을 적어도 부분적으로 차단하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은, 상기 열교환기 어레이의 예열의 적어도 일부 동안 상기 냉장 시스템의 팽창 탱크에 대한 흡입측 접속부를 폐쇄하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 방법은, 우회된 냉매 유동이 지향되는 상기 열교환기 어레이 내의 장소를 제어하는 단계를 포함할 수 있다.

추가의 관련 실시예들에 있어서, 상기 열교환기 어레이의 적어도 일부의 예열은, 극저온 작업에 있어서 상기 냉매 유동의 적어도 일부의 우회의 시작으로부터, 6시간 미만, 4시간 미만, 3시간 미만, 2시간 미만, 1시간 미만, 30분 미만, 15분 미만 및 5분 미만 중 적어도 하나의 시간 이내에, 상기 시스템의 고압 및 상기 시스템의 저압이 동등해질 때, 균형 압력 점검을 허용할 수 있다. 상기 균형 압력 점검에서 달성된 상기 시스템의 고압 및 상기 시스템의 저압은 상기 시스템의 5 psi, 10 psi, 20 psi 및 30 psi의 자연 균형 압력 중 적어도 하나의 이내일 수 있다. 상기 방법은, 상기 열교환기 어레이를 예열하기 위해 상기 냉장 시스템의 외부에 있는 장비를 사용하지 않는 것을 포함할 수 있다. 상기 냉장 시스템은 혼합형 냉장 시스템을 포함할 수 있고, 상기 냉매는 가장 높은 온도의 비등 요소로부터 가장 낮은 온도의 비등 요소까지의 정상 비등점들간의 차가 적어도 50K, 적어도 100K, 적어도 150K 및 적어도 200K 중 적어도 하나인 2가지 이상의 냉매의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 냉장 시스템은, 압축기, 응축기와 과열저감기(desuperheater) 열교환기 중 적어도 하나, 상기 열교환기 어레이, 적어도 하나의 스로틀 장치 및 증발기를 포함할 수 있다. 상기 냉장 시스템은 적어도 하나의 상 분리기(phase separator)를 포함할 수 있다.

추가의 관련 실시예들에 있어서, 상기 방법은, 증발기가 예열되는 상기 냉장 시스템의 해동 모드 작업의 적어도 일부 동안 수행될 수 있으며, 상기 냉장 시스템은 상기 증발기가 냉각되는 냉각 모드 및 상기 증발기에 냉매가 전달되지 않는 스탠바이 모드로 더 동작한다. 상기 방법은, 상기 열교환기 어레이 내의 적어도 한 장소에서 적어도 하나의 센서에 의해 설정점 온도에 도달될 때, 상기 열교환기 어레이의 적어도 일부의 예열을 종료하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 센서는 하기의 장소들, 즉 상기 열교환기 어레이의 열교환기로의 배출 입구; 상기 열교환기 어레이의 열교환기로부터의 배출 출구; 상기 열교환기 어레이의 열교환기로의 흡입 입구; 및 상기 열교환기 어레이의 열교환기로부터의 흡입 출구 중 적어도 하나에 위치될 수 있다. 상기 과도한 냉매 질량 유동을 방지하는 단계는, 크랭크 케이스 압력 조절 밸브를 사용하는 등에 의해, 상기 압축기로의 입구에서 냉매 유동을 조절하거나; 가변 속도 드라이브를 상기 압축기에 적용하거나; 상기 압축기의 적어도 하나의 실린더 내로의 질량 유동을 차단하거나(여기서, 상기 압축기는 왕복형 압축기임); 상기 압축기의 적어도 2개의 스크롤을 서로 분리시키거나(여기서, 상기 압축기는 스크롤형 압축기임); 및/또는 상기 냉장 시스템의 다수의 압축기 중 적어도 하나의 압축기의 질량 유동을 줄이거나 또는 작업을 단축시키는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 다른 실시예에 있어서, 예열 시스템을 포함하는 극저온 냉장 시스템이 제공된다. 상기 냉장 시스템은, 열교환기 어레이; 및 상기 열교환기 어레이의 적어도 일부를 예열하기 위해, 상기 냉장 시스템 내의 냉매 유동의 적어도 일부를, 상기 냉장 시스템의 극저온 냉각 작업 동안 사용된 냉매 유동 회로로부터 상기 열교환기 어레이 내의 장소로 우회시키는 다이버터를 포함하고, 상기 다이버터는, 상기 압축기로부터 상기 열교환기 어레이 내의 지점까지의 다이버터; 상기 냉장 시스템의 응축기의 출구로부터 상기 열교환기 어레이 내의 지점까지의 다이버터; 및 상기 열교환기 어레이 내의 적어도 하나의 열교환기의 고압측으로부터 상기 열교환기 어레이 내의 다른 지점까지의 다이버터 중 적어도 하나를 포함한다.

추가의 관련 실시예들에 있어서, 상기 열교환기 어레이 내의 지점은 상기 열교환기 어레이 내의 가장 낮은 온도의 열교환기의, 또는 상기 열교환기 어레이 내의 가장 낮은 온도의 열교환기 다음의 열교환기의 저압 입구를 포함할 수 있다. 상기 시스템은, 상기 압축기를 통한 과도한 냉매 질량 유동을 방지하는 장치를 더 포함할 수 있다. 상기 과도한 냉매 질량 유동을 방지하는 장치는, 상기 냉장 시스템의 팽창 탱크 및 버퍼 탱크 중 적어도 하나에 냉매가 저장되는 것을 허용하는 버퍼 밸브를 포함할 수 있다. 상기 버퍼 밸브는 지속적으로 또는 맥동식으로 동작할 수 있으며, 최소 흡입 압력에 도달한 후에 동작될 수 있다. 상기 과도한 냉매 질량 유동을 방지하는 장치는, 크랭크 케이스 압력 조절 밸브와 같이, 상기 압축기로의 입구에서 냉매 유동을 조절하는 레귤레이터; 상기 압축기의 가변 속도 드라이브; 상기 압축기의 적어도 하나의 실린더 내로의 질량 유동을 차단하는 실린더 언로더(여기서, 상기 압축기는 왕복형 압축기임); 상기 압축기의 적어도 2개의 스크롤을 서로 분리시키는 장치(여기서, 상기 압축기는 스크롤형 압축기임); 및/또는 상기 냉장 시스템의 다수의 압축기 중 적어도 하나의 압축기의 질량 유동을 줄이거나 또는 작업을 단축시키는 장치를 포함할 수 있다. 상기 다이버터는 상기 냉장 시스템의 극저온 작업에서 가장 낮은 온도의 열교환기의 온도보다 실질적으로 높은 온도로 냉매를 우회시킬 수 있다. 상기 다이버터는 상기 열교환기 어레이 모두를 예열시킬 수 있다. 상기 다이버터는 상기 열교환기 어레이의 적어도 일부를 극저온 범위 내의 온도에서, 적어도 약 5℃, 적어도 약 10℃, 적어도 약 15℃, 적어도 약 20℃, 적어도 약 25℃, 적어도 약 30℃ 및 적어도 약 35℃로 구성된 그룹으로부터의 온도까지 예열시킬 수 있다.

다른 관련 실시예들에 있어서, 상기 다이버터는 냉매 유동을 상기 냉장 시스템 내의 적어도 2개의 냉매 예열원의 순서로 우회시킬 수 있으며, 상기 적어도 2개의 냉매 예열원은 (i) 서로 상이한 온도, 및 (ii) 서로 상이한 냉매 조성 중 적어도 하나를 포함한다. 상기 다이버터는 냉매 유동의 적어도 일부를 상기 냉장 시스템 내의 적어도 2개의 냉매 예열원의 교번적인 순서로 우회시킬 수 있다. 상기 다이버터는, 냉매 유동의 적어도 일부를 상기 냉장 시스템 내의 적어도 2개의 냉매 예열원으로부터 우회시키고―상기 적어도 2개의 냉매 예열원은 (i) 서로 상이한 온도, 및 (ii) 서로 상이한 냉매 조성 중 적어도 하나를 포함함―; 상기 열교환기 어레이의 적어도 일부를 예열하기 위해, 상기 적어도 2개의 냉매 예열원으로부터 우회된 유동을 섞을 수 있다. 상기 다이버터는 상기 열교환기 어레이의 적어도 일부의 예열 동안 변경되는 냉매 예열량을 전달할 수 있다. 상기 다이버터는 냉매 유동을 상기 열교환기 어레이 내의 하나 초과의 장소로 우회시킬 수 있다.

추가의 관련 실시예들에 있어서, 상기 시스템은, 상기 열교환기 어레이 내에 적어도 하나의 내부 스로틀을 더 포함할 수 있다. 상기 적어도 하나의 내부 스로틀은 상기 다이버터의 작업 동안 상기 내부 스로틀을 적어도 부분적으로 폐쇄하는 장치를 포함할 수 있다. 상기 시스템은, 상기 다이버터의 작업 동안 상기 시스템의 응축기 내로 또는 응축기 외로의 유동을 적어도 부분적으로 차단하는 장치를 더 포함할 수 있다. 상기 시스템은, 상기 열교환기 어레이의 예열의 적어도 일부 동안 상기 냉장 시스템의 팽창 탱크에 대한 흡입측 접속부를 폐쇄하는 장치를 포함할 수 있다. 상기 시스템은, 우회된 냉매 유동이 지향되는 상기 열교환기 어레이 내의 장소를 제어하는 밸브를 포함할 수 있다. 상기 다이버터에 의한 상기 열교환기 어레이의 적어도 일부의 예열은, 극저온 작업에 있어서 상기 냉매 유동의 적어도 일부의 우회의 시작으로부터, 6시간 미만, 4시간 미만, 3시간 미만, 2시간 미만, 1시간 미만, 30분 미만, 15분 미만 및 5분 미만 중 적어도 하나의 시간 이내에, 상기 시스템의 고압 및 상기 시스템의 저압이 동등해질 때, 균형 압력 점검을 허용할 수 있다. 상기 균형 압력 점검에서 달성된 상기 시스템의 고압 및 상기 시스템의 저압은 상기 시스템의 5 psi, 10 psi, 20 psi 및 30 psi의 자연 균형 압력 중 적어도 하나의 이내일 수 있다.

추가의 관련 실시예들에 있어서, 상기 시스템은 상기 열교환기 어레이를 예열시키기 위해 상기 냉장 시스템의 외부에 있는 장비를 포함하지 않을 수 있다. 상기 시스템은 혼합형 냉장 시스템을 포함할 수 있고, 상기 냉매는 가장 높은 온도의 비등 요소로부터 가장 낮은 온도의 비등 요소까지의 정상 비등점들간의 차가 적어도 50K, 적어도 100K, 적어도 150K 및 적어도 200K 중 적어도 하나인 2가지 이상의 냉매의 혼합물을 포함할 수 있다. 상기 시스템은, 압축기, 응축기와 과열저감기 열교환기 중 적어도 하나, 상기 열교환기 어레이, 적어도 하나의 스로틀 장치 및 증발기를 포함할 수 있다. 상기 시스템은 적어도 하나의 상 분리기를 포함할 수 있다. 상기 냉장 시스템은 증발기가 예열되는 상기 냉장 시스템의 해동 모드 작업, 상기 증발기가 냉각되는 냉각 모드 작업 및 상기 증발기에 냉매가 전달되지 않는 스탠바이 모드를 허용할 수 있다. 상기 시스템은, 상기 열교환기 어레이 내의 적어도 한 장소의 적어도 하나의 센서, 및 적어도 하나의 센서에 의해 설정점 온도에 도달될 때 상기 다이버터의 작업을 종료하는 제어 회로를 포함할 수 있다. 적어도 하나의 센서는, 하기의 장소들, 즉 상기 열교환기 어레이의 열교환기로의 배출 입구; 상기 열교환기 어레이의 열교환기로부터의 배출 출구; 상기 열교환기 어레이의 열교환기로의 흡입 입구; 및 상기 열교환기 어레이의 열교환기로부터의 흡입 출구 중 적어도 하나에 위치될 수 있다. 상기 시스템은, 상기 압축기의 출구로부터, 냉매가 저온코일 또는 저온표면 중 적어도 하나로 유동하게 되고, 또한 거기에서 복귀 라인을 통해 상기 열교환기 어레이의 저압측까지 복귀하게 되는 이송 라인의 입구까지의 고온 가스 해동 회로를 더 포함할 수 있다. 상기 시스템은, 빙결 방지 회로 및 온도 제어 회로 중 적어도 하나를 더 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 다른 실시예에 있어서, 극저온 냉장 시스템을 동작하는 방법이 제공된다. 상기 방법은, 하향 유동하는 냉매 스트림의 속도가 상기 극저온 냉장 시스템의 냉각 작업 동안 적어도 0.1 m/s로 유지되어 있는, 경납땜된 플레이트형 열교환기의 적어도 하나의 유동 통로를 통해 냉매 스트림을 하향으로 유동시키는 단계, 및 상향 유동하는 냉매 스트림의 속도가 상기 극저온 냉장 시스템의 냉각 작업 동안 적어도 1 m/s로 유지되어 있는, 상기 경납땜된 플레이트형 열교환기의 적어도 하나의 추가의 유동 통로를 통해 냉매 스트림을 상향으로 유동시키는 단계를 포함한다.

추가의 관련 실시예들에 있어서, 상기 하향 유동하는 냉매 스트림은 상기 극저온 냉장 시스템의 고압 유동을 포함할 수 있고, 상기 상향 유동하는 냉매 스트림은 상기 극저온 냉장 시스템의 저압 유동을 포함할 수 있다. 상기 경납땜된 플레이트형 열교환기의 헤더는 헤더를 통해 유동하는 냉매의 액체 및 가스 분율을 분포시키는 인서트를 포함할 수 있다. 상기 방법은, 흡입 라인 어큐뮬레이터를 사용하여, 상기 극저온 냉장 시스템의 가장 높은 온도의 열교환기를 나가는 저압 냉매 스트림으로부터 액체 냉매를 분리시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 극저온 냉장 시스템은 냉장 듀티 압축기를 포함할 수 있다. 상기 압축기는 왕복형 압축기를 포함할 수 있다. 상기 압축기는 반밀폐형 압축기를 포함할 수 있다. 상기 상향 유동하는 냉매 스트림의 속도는 상기 극저온 냉장 시스템의 냉각 작업 동안 적어도 2 m/s로 유지될 수 있다. 상기 시스템 내의 가장 낮은 온도의 열교환기는 17 인치 이상 48 인치 이하의 길이를 가질 수 있거나, 또는 상기 시스템 내의 가장 낮은 온도의 2개의 열교환기 각각은 17 인치 이상 48 인치 이하의 길이를 가질 수 있거나, 또는 상기 시스템 내의 가장 낮은 온도의 3개의 열교환기 각각은 17 인치 이상 48 인치 이하의 길이를 가질 수 있다. 상기 시스템 내의 적어도 하나의 열교환기는 약 2.5 인치 내지 약 3.5 인치의 폭 및 약 17 인치 내지 약 24 인치의 길이를 가질 수 있다. 상기 시스템 내의 적어도 하나의 열교환기는 약 4.5 인치 내지 약 5.5 인치의 폭 및 약 17 인치 내지 약 24 인치의 길이를 가질 수 있다.

본 발명에 따른 다른 실시예에 있어서, 혼합 가스 냉매를 사용하는 극저온 냉장 시스템의 전력 소모를 줄이는 방법이 제공된다. 상기 방법은, 상기 극저온 냉장 시스템이 과도한 냉각 용량을 갖는 시기를 판정하는 단계; 및 필요한 양의 냉각 용량을 부하에 전달하면서도, 상기 극저온 냉장 시스템의 압축기의 전력 소모를 줄이는 단계를 포함한다. 상기 전력 소모를 줄이는 단계는, (i) 상기 압축기의 실린더 언로더를 결합하는 단계; (ii) 상기 압축기의 모터 속도를 변경하는 단계; (iii) 스크롤 압축기의 스크롤 간격을 변경하는 단계; 및 (iv) 상기 극저온 시스템이 하나 이상의 압축기를 병렬로 포함하는 경우에, 하나 이상의 상기 압축기 중 제 1 압축기를 작업 상태로 유지하고, 하나 이상의 상기 압축기 중 제 2 압축기를 끄거나, 또는 상기 제 2 압축기를 감소된 변위로 동작시키는 단계로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 단계를 포함한다.

추가의 관련 실시예들에 있어서, 상기 극저온 냉장 시스템이 과도한 냉각 용량을 갖는 시기를 판정하는 단계는, 상기 부하로부터의 복귀 온도가 소정의 최소 온도보다 저온인 소정량의 온도차보다 높은지의 여부를 판정하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 상기 극저온 냉장 시스템이 과도한 냉각 용량을 갖는 시기를 판정하는 단계는, 냉각 밸브가 개방되는 시간 비율 또는 온도 제어 밸브가 개방되는 시간 비율을 모니터링하고, 상기 시간 비율을 소정의 비율과 비교하는 단계를 포함할 수 있다. 대안으로서, 비례제어 밸브가 사용되면, 비례제어 밸브가 개방되는 양이 상기 과도한 용량의 양과 서로 연관시키는데 사용될 수 있다.

전술한 내용은, 상이한 도면들에서 유사한 참조 부호가 동일한 부품들을 지칭하고 있는 첨부 도면에 도시된 바와 같이, 본 발명의 예시적인 실시예들의 하기의 보다 특정한 기재로부터 분명해질 것이다. 도면들은 본 발명의 실시예들을 예시할 때 반드시 실척으로 나타내지는 것은 아니며, 대신에 강조하여 나타내진다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열교환기 예열 특징구성을 포함하는 냉장 시스템의 개략적인 다이어그램이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스택(stack) 예열 중인 냉장 시스템의 온도 그래프이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른, 도 2의 그래프의 대수의 시간척도에 대하여 확장된 버전이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스택 예열 도중 및 이후의 압력 프로파일들의 그래프이다.
도 5는 3가지 상이한 기법: 즉 자연 스택 예열; 본 발명의 실시예에 따른 다이버터 스택 예열기(diverter stack warmer)를 사용한 스택 예열; 및 본 발명의 실시예에 따른 확장된 해동 루프 작업(extended operation of defrost loop)을 사용한 스택 예열을 사용하여 예열된 냉장 시스템의 압력 프로파일들을 비교하는 그래프이다.
도 6은 응축을 방지하기 위해 본 발명에 따른 실시예에서 함께 사용될 수 있는 저온(냉간) 밸브 박스(cold valve box)의 내부도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 구현 웹 GUI(implemented Web GUI)에서의 홈페이지의 스크린 숏이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 구현 웹 GUI에서의 스테이터스 페이지의 스크린 숏이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 구현 웹 GUI에서의 커뮤니케이션 페이지의 스크린 숏이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 구현 웹 GUI에서의 동작 모드 페이지의 스크린 숏이다.
도 11은 본 발명의 실시예에 따른 구현 웹 GUI에서의 제어 페이지의 스크린 숏이다.
도 12는 본 발명의 실시예에 따른 구현 웹 GUI에서의 서비스 페이지의 스크린 숏이다.
도 13은 본 발명의 실시예에 따라 사용될 수 있는 제어 시스템의 간략화된 개략적인 블록 다이어그램이다.

본 발명의 예시적인 실시예의 기재는 이하와 같다.

1. 극저온 냉장 시스템을 예열하는 시스템 및 방법(System and Method of Warming a Very Low Temperature Refrigeration System)

본 발명의 실시예에 따르면, 혼합 가스 냉장 시스템에서 사용되는 초저온 열교환기의 급속 예열을 극저온 범위에서 달성하기 위한 향상된 시스템이 제공된다. 여기서 사용된 "극저온(very low temperature)"은 90K 내지 203K의 온도 범위를 의미한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 극저온 냉장 시스템의 열교환기 어레이의 급속 예열을 달성하기 위한 수단이 제공된다. 일 실시예에 있어서, 극저온 시스템은 실온에서 또는 중간 온도에서 고압 고온 가스 또는 다른 고압 가스의 공급원을 제공하거나, 또는 고온에서 냉장 시스템의 열교환기 어레이를 예열하기 위해 기존의 냉장 압축기를 사용한다. 이는, 예컨대 열교환기 어레이 내부에서 예열 가스가 전달되는 곳을 제어하는 밸브를 사용하여 제어될 수 있다. 다른 예열 방법들도 제공된다. 본 발명의 실시예에 따른 열교환기 예열 기법들은 예열 시간을, 종래의 하루 내지 이틀에서, 훨씬 짧은 시간으로, 예컨대 6시간 미만, 4시간 미만, 3시간 미만, 2시간 미만, 1시간 미만, 30분 미만, 15분 미만 및 5분 미만과 같은 시간으로 줄일 수 있다. 본 발명에 따른 실시예는, 과도한 전류량을 유발하지 않는 한편, 시스템에서의 고압 고장 조건, 저압 고장 조건 또는 임의의 다른 통상의 고장을 야기하지 않도록, 압축기에 대한 부하를 관리한다.

본 발명에 따른 실시예는, 또한 외부 장비가 필요 없으며 밀폐된 냉장 시스템에의 접근을 필요로 하지 않는 열교환기의 예열을 달성하기 위한 수단도 제공한다. 예를 들면, 본 발명에 따른 실시예는 냉장 시스템의 내부 밸브들만을 사용하여 열교환기 어레이의 급속 예열을 달성할 수 있다. 또한, 상기 시스템은 계측장비를 포함해서, 열교환기들이 예열된 시기를 판정하여 예열 프로세스를 종료하도록 제어한다.

본 발명에 따른 실시예는, 모든 열교환기의 예열을 달성하기 위해, 정상 조건하에서 시스템이 동작할 때 가장 낮은 온도의 열교환기들의 온도보다는 실질적으로 온도가 높은 냉매를, 가장 낮은 온도의 열교환기에 또는 다음으로 낮은 온도의 열교환기에 제공하는 수단을 제공하도록 기존의 냉장 압축기를 사용한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 열교환기 예열 특징구성을 포함하는 냉장 시스템의 개략적인 다이어그램이다. 본 발명에 따른 실시예는 혼합형 냉장 시스템에서 초저온의 온도를 달성하기 위해 사용되는 열교환기들로 이루어진 어레이를 예열한다. 특히, 본 발명에 따른 실시예는 도 1의 오토캐스케이드(autocascade) 냉장 시스템(100)에서 사용될 수 있다. 상기와 같은 시스템들은 가장 높은 온도의 비등 요소로부터 가장 낮은 온도의 비등 요소까지의 정상 비등점들간의 차가 적어도 50K 또는 100K 또는 150K 또는 200K인 2가지 이상의 냉매의 혼합물을 사용한다. 상기와 같은 시스템들은 냉장 압축기(101), 열을 받지 않기 위한 응축기(102) 또는 과열저감기 열교환기, 2개 이상으로 이루어진 일련의 열교환기(103)(여기서는 "열교환기 어레이" 또는 "냉장 프로세스"라고도 함), 하나 이상의 스로틀 장치(104), 및 열 제거를 위한 증발기(105)를 포함할 수 있다. 또한, 상기와 같은 시스템들은 열교환기들 사이에서 배출측에 위치되어 내부 재순환 루프용의 액상 냉매를 제거하는 상 분리기(106, 107)를 포함할 수 있다. 상기와 같은 시스템들은 증발기(105)가 냉각되는 냉각 모드, 압축기(101)로부터의 고온 가스가 증발기(105)에 공급되는 해동 모드 및 저온 냉매도 고온 냉매도 증발기(105)에 전달되지 않는 대기 모드를 포함하는 상이한 동작 모드들로 동작하는 능력을 가질 수 있다. 시스템 내부에서의 다양한 유동 루프들을 통한 유동은 유동을 제한하는 일련의 모세관들(108, 109, 110 및 111)에 의해, 및/또는 온/오프 솔레노이드 밸브들(112, 113, 114)에 의해, 및/또는 응축기(102) 내로 또는 외로의 유동의 부분적인 또는 완전한 차단에 의해 제어될 수 있다. 도 1에 도시된 실시예에 있어서, 모세관들(108, 109, 110 및 111)은 어떠한 솔레노이드 밸브와도 연계되지 않는 반면, 모세관(104)은 솔레노이드 밸브(112)에 연결된다. 모세관들 및 솔레노이드 밸브들은 다른 배치구조로 사용될 수 있다. 모세관들 및/또는 솔레노이드 밸브들은 열팽창 밸브와 같은 비례제어 밸브, 또는 압력 작동식 또는 스테퍼 모터 작동식 밸브로 대체될 수 있다. 상기와 같은 시스템들은 시스템이 꺼져 있고 실온까지 예열될 때 액화 냉매들의 높은 증발 및 팽창을 관리하는데 사용되는 팽창 탱크(115)도 내포할 수 있다. 또한, 팽창 탱크(115)들을 갖춘 상기와 같은 시스템들은 고압 가스가 팽창 탱크로 지향되게 하는 솔레노이드 밸브를 구비할 수도 있다. 통상, 버퍼 밸브(116)로서 인용되는 상기와 같은 밸브는 순환 냉매 가스의 양이 감소되게 해서, 결국 압축기 배출 및 흡입 압력을 낮춘다. 본 발명에 따른 실시예는, 개시 내용이 전부 여기에 참조로 포함되는 Flynn 등의 미국특허 제6,574,978 B2호에 개시된 방법들 중 어느 하나를 이용할 수 있다. 이 특허문헌에 기재된 시스템들은, 제어된 냉각 및 예열 프로세스들과 같은 추가적인 동작 모드들을 가능하게 하는 한편, 압축기를 나오는 일부 고온 가스는 압축기로부터 증발기 코일까지 계속해서 순환되고 나서 압축기로 돌아오는 반면, 압축기를 나오는 나머지 냉매 부분은 응축기 및 열교환기 어레이를 통해 계속해서 유동하고 나서 압축기로 복귀하는, 고온 가스 유동 모드 또는 베이크아웃(bakeout) 모드에서의 확장된 작업을 가능하게 한다.

본 발명에 따른 실시예에 있어서, 압축기(101)로부터의 고온 가스는 가장 낮은 온도의 열교환기(118)의 저압 입구(117)로, 또는 다음으로 낮은 온도의 열교환기(119)의 저압 입구로 안내된다. 예컨대, 이 냉매 유동의 우회는 다이버터 루프(127)를 통해 스택 예열 솔레노이드 밸브(126)를 사용하여 달성될 수 있다. 스택 예열 수동 차단 밸브(128)도 존재할 수 있지만, 정상 작동에서는 필요 없다. 대안적인 배치구조에 있어서는, 응축기 출구(120)로부터의 실온 냉매가 냉매 예열원으로서 사용된다. 대안적인 배치구조에 있어서는, 냉장 프로세스 내로부터의 중간 온도 고압 냉매가 냉매 예열원으로서 사용된다. 일부 배치구조에 있어서는, 하나의 냉매 예열원으로 예열 프로세스를 개시하고 나서, 다른 냉매 예열원을 선택하는 것이 유리할 수 있다. 일부 경우에는, 각각 상이한 온도 및/또는 조성을 가진, 일련의 2개, 3개, 또는 그 이상의 상이한 가스 예열원을 구비하는 것이 유리할 수 있다. 2개 이상의 상이한 냉매 예열원 사이에서 냉매 예열원을 번갈아 사용하는 순서를 갖는 것이 유리할 수도 있다. 또 다른 배치구조에 있어서는, 상이한 온도 및/또는 조성을 갖는 예열용 냉매들을 섞는 것을 포함하여, 상이한 냉매 예열원들을 섞는 것이 유용할 수 있다. 상기와 같은 경우에는, 예열 프로세스 도중에 냉매 예열량을 바꾸는 것이 유리할 수 있다. 하나 이상의 냉매 공급원을 사용하는 것에 더하여, 열교환기 어레이 내의 하나 초과의 장소에 예열 냉매를 전달하는 것이 유리할 수도 있다. 그 밖에, 특정 조성 및 저온 또는 중간 온도의 냉매를 우회시켜서 보다 고온의 스트림과 열교환하는 한편, 최종 예열된 우회된 스트림을 사용하여 냉매 예열원을 제공하는 것이 유리할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 냉장 시스템에 있어서, 버퍼 밸브(116)는 유닛의 배출측과 솔레노이드 밸브에 의해 제어되는 하나 이상의 팽창 탱크(115) 사이의 연결부이다. 고압 조건이 존재하면, 제어 시스템은 이 버퍼 언로더 솔레노이드 밸브를 개방하여 냉매의 일부가 팽창 탱크(115)들에 저장되게 함으로써, 배출 압력을 낮춘다. 이는 과도한 배출 압력 고장 조건을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 예열 수순 도중에, 버퍼 밸브(116)는 압축기 배출 압력을 낮추도록 지속적으로 작동될 수 있어, 배출 압력 고장이 방지된다. 이는 시스템의 의도적으로 작동된 서비스 모드의 일부로서 행해질 수 있다. 버퍼 밸브(116)의 지속적인 작동은 시스템의 예열 시간을 단축시키게 되는 정상 냉장 프로세스의 냉장 효과를 감소시킨다. 버퍼 밸브(116)의 지속적인 작동의 다른 이점은 상 분리기(106, 107) 내의 액체 냉매의 축적을 감소시키는 것이다. 이는, 과도한 양의 압축기 오일 또는 예열 비등 냉매가 시스템의 저온 단부로 이동하는 것을 허용해서 차후의 신뢰성 문제를 야기할 수 있는, 상 분리기(106, 107)의 플러딩(flooding)을 방지한다. 대안으로서, 버퍼 밸브(116)는 이들과 동일한 이점들을 달성하기 위해 맥동식으로 작동될 수 있다. 상기와 같은 이점들은 고압 고장의 방지, 최대 허용가능 값 아래로 유지되는 압축기 전류, 상 분리기 플러딩의 방지, 및 열교환기 어레이(103)의 급속 예열의 달성에 기초하여 평가되게 된다. 버퍼 밸브(116)의 맥동은, 본원에서 상기와 같은 지속적인 작동이 논의되는 모든 경우에, 버퍼 밸브의 지속적인 작동을 대신해서 사용될 수 있다. 대안으로서, 흡입 연결부를 차단하기 위해 팽창 탱크(111)에 대한 흡입측 연결부에 대하여 솔레노이드 밸브를 사용할 수도 있다. 이는 버퍼 언로더 밸브(116)를 지속적으로 개방 상태로 유지할 필요성을 배제하게 된다. 일부 경우에는, 흡입이더라도 복귀 연결부(111)가 폐쇄되고, 스택 예열이 진행됨에 따라 배출측 압력이 상승하게 되며, 버퍼 언로더 밸브(116)를 주기적으로 개방할 필요가 생기게 될 것으로 예상된다.

다른 실시예에 있어서, 버퍼 밸브 작동은, 이 예열 모드 동안에는, 고압 고장의 위험이 없다면, 압축기 흡입 압력이 지정된 최소 흡입 압력 임계값 이상으로 증가할 때까지 지연된다. 조작자가 이 예열 프로세스를 가동할 수 있는 주된 이유들 중 하나는 누설 가능성을 점검하는 것이다. 현저한 누설이 발생한 경우에는, 고장을 초래할 수 있는 낮은 흡입 압력 조건을 버퍼 밸브 작동을 지연시키는 것으로 방지할 수 있다. 대안적인 배치구조에 있어서, 버퍼 밸브는 배출 압력, 흡입 압력, 또는 배출 압력과 흡입 압력의 조합에 기초하여 순환된다.

본 발명에 따른 다른 실시예에 있어서, 극저온 시스템의 정상 고온 가스 해동 시스템(121)은 본 발명에 따른 실시예의 추가적인 특징구성들과 함께, 열교환기 어레이의 예열을 달성하는데 사용될 수 있다. 정상 고온 가스 해동 시스템은 수동 차단 밸브(122) 및 해동 솔레노이드 밸브(123)를 포함하고, 압축기(101)로부터의 고온 가스를, 이송 라인, 이용자 저온코일 또는 저온표면(105), 복귀 라인(125) 및 열교환기 어레이(103)의 저압측을 통해 순차적으로 유동하게 되는, 이용자 이송 라인의 입구(124)로 안내한다. 통상적으로, 고온 가스 해동 시스템은 유닛에서의 복귀 온도가 -20℃ 내지 +40℃의 온도에 이를 때 종료한다. 그러나, 열교환기 어레이(103)의 많은 부분들이 이 조건에서는 -80℃보다 낮게 유지되기 때문에, 스택의 현저한 예열로 되지는 않는다. 또한, 이 프로세스가 이 설정점 이상으로 지속되면, 경험상 높은 배출 압력 고장이 발생하게 된다. 또한, 상기와 같은 경우에는, 상 분리기들을 지난 압축기 오일의 과도한 이동으로 인해 신뢰성 문제에 조우한다.

본 발명에 따른 실시예에 있어서, 고온 가스 해동 회로(121)는 복귀 라인(125) 상에서 정상 온도 한계를 넘어 작업을 지속하는 것이 허용된다. 높은 배출 압력 문제를 방지하기 위해, 버퍼 밸브(116)는 정상 복귀 라인 설정점 온도에 이른 후에 고온 가스 해동 밸브(123)와 함께 지속적으로 작동되고, 바람직하게는 정상적인 해동 프로세스 동안 고온 가스 해동 밸브(123)와 함께 지속적으로 작동된다. 버퍼 밸브(116)의 지속적인 작동은 압축기 배출 압력을 낮추는 이점을 제공한다. 이는 결국, 상 분리기(106, 107) 내의 액체 냉매의 레벨을 낮추고, 시스템의 가장 낮은 온도의 부분들로의 압축기 오일의 이동을 야기하고 냉각 성능의 손실을 야기할 수 있는 상기와 같은 상 분리기들의 플러딩을 방지한다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 고온 가스 해동 회로(121)는 복귀 라인(125) 상에서 정상 온도 한계에 이를 때까지는 단독으로 사용될 수 있으며, 그 지점 이후에는 버퍼 밸브(116) 개방과 함께 사용될 수 있다. 대안으로서, 고온 가스 해동 회로(121)는 고온 가스 해동 회로(121)의 동작 개시부터 버퍼 밸브(116)를 개방하면서 사용될 수 있다. 본 발명에 따른 다른 실시예에 있어서, 고온 가스 해동 회로(121)는 복귀 라인(125) 상에서 정상 온도 한계에 이를 때까지는 정상으로서 사용될 수 있으며, 그 지점 이후에는 스택 예열 솔레노이드 밸브(126) 및 다이버터 루프(127)가 예열에 사용될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 압축기로부터 배출되는 한편, 시스템 내의 보다 저온의 지점으로 안내되는 냉매의 빙결 가능성이 고려될 수 있다. 상기와 같이 압축기로부터 배출되는 냉매는, 아직 시스템 내의 상 분리기들을 통과하지 않은 상태여서 이후의 냉장 프로세스와는 상이한 조성을 갖기 때문에, 빙결의 위험이 더욱 높을 수 있고, 그에 따라 보다 높은 온도의 빙점을 가질 수 있으며 시스템 내의 보다 저온의 지점으로 안내될 때 더욱 빙결하기 쉬울 수 있다. 상기와 같은 빙결을 방지하기 위해, 본 발명에 따른 실시예는 시스템 내의 가장 낮은 온도의 냉매를 예열하기 위해 제어된 바이패스 유동을 사용하는 빙결 방지 회로 또는 온도 제어 회로를 사용해서, 압축기로부터 배출된 냉매가 시스템 내의 보다 저온의 지점으로 다시 안내될 때 빙결하지 않도록 스택을 충분히 예열할 수 있다. 예컨대, 개시 내용이 전부 여기에 참조로 포함되는 Flynn 등의 미국특허 제7,478,540 B2호에 개시된 빙결 방지 회로 또는 온도 제어 회로 중 어느 하나를 사용할 수 있다. 빙결 방지 밸브 또는 온도 제어 밸브를 사용하여, 압축기 배출 가스를 시스템 내의 보다 저온의 지점으로 다시 안내하기 전에 스택이 예열될 수 있다. 빙결 방지 밸브는 스택의 예열을 달성하기 위해 지속적으로 개방될 수 있다. 대안으로서, 예컨대 시스템 내의 가장 저온의 상 분리기의 증기 출구로부터, 저온코일 입구, 저온코일 복귀부, 또는 둘 모두와 같은 시스템의 저온 단부 부근의 지점으로 냉매를 전달하는 상이한 밸브까지, 냉매를 전달하기 위해 온도 제어 밸브가 사용될 수 있다. 이는, 시스템 내의 보다 저온의 지점으로 다시 안내될 때 압축기 배출 가스가 빙결하지 않도록 스택을 충분히 예열하는 것을 허용한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 냉장 시스템은 증발기(105)를 경유하는 복귀로 외에, 시스템의 고압측에서 저압측으로 일련의 내부 복귀로(108, 109, 110)를 포함할 수 있다. 열교환기 예열 프로세스 동안에는, 증발기(105)로의 유동은 정지되는 것이 보통이다. 그러나, 다른 시나리오에서는, 증발기로의 유동이 계속 허용된다. 통상, 내부 복귀로(108, 109, 110)는 스로틀 장치이다. 스로틀 장치의 예로서는, 모세관 및 열팽창 밸브가 있다. 다른 시나리오에서는, 냉매의 압력을 낮추는 터보 팽창기 또는 다른 수단이 사용된다. 통상적인 예열 프로세스에서는, 내부 스로틀 장치(108, 109, 110)에서 유동하는 것이 허용된다. 다른 시나리오에서는, 그들의 유량은 정지되거나 또는 제어된다. 일례에 있어서, 상류 밸브 없이, 모세관들이 내부 스로틀 장치(108, 109, 110)로 사용될 수 있다. 결과적으로, 이들 스로틀 장치는 예열 프로세스 동안 유동을 지속한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 예열 프로세스 동안 관리되어야만 하는 2가지 중요한 제약이 있다. 냉장 압축기(101)는 유발할 수 있는 전류량에 의해 제한된다. 이 전류는 압축기(101)의 공칭 정격 부하, 압축기 흡입 압력, 압축기 배출 압력, 사용된 냉매 및 냉매의 입구 온도의 함수이다. 그러나, 이들 중에서, 전류 유발에 영향을 미치는 주된 요인은 압축기 흡입 압력이다. 통상적으로, 흡입 압력보다는 그 영향이 현저히 적지만, 배출 압력도 영향을 미친다. 다른 요인들도 중요하지만, 통상적으로 현저한 변동을 초래하지는 않는다. 시스템이 예열됨에 따라, 압축기 흡입 압력은 상승하는 경향이 있다. 또한, 냉매가 예열됨에 따라, 가스는 팽창하게 되는 한편, 액상 냉매는 증발하게 된다. 이러한 영향으로 인해, 관리되어야 할 냉매 가스의 양이 많아지게 된다. 특히, 높은 흡입 압력 및 시스템 내의 높은 가스 압력의 조합으로 인해, 높은 배출 압력이 초래되기 쉽다. 고압 조건은 시스템을 정지시키게 되는 고압 고장을 초래할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 과도한 가스 부하를 관리하는 한 가지 방법은 팽창 탱크(115)들, 및/또는 시스템이 구비할 경우를 전제로 하는 버퍼 탱크들(도시되지 않은 버퍼 탱크는 시스템의 고압측에 연결된 용적부임)을 이용하는 것이다. 시스템은, 시스템의 고압측으로부터 팽창 탱크(115)까지 연결하는 버퍼 밸브(116)를 구비할 경우에는, 전체 프로세스 동안 전원공급될 수 있다. 이는 순환 가스량을 제한하고, 유발된 압축기 전류 세기 및 배출 압력을 제한한다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 가스 예열 솔레노이드 밸브(126) 및 연결 배관은 적절한 유량을 달성하는 방식으로 사이즈가 정해질 수 있다. 솔레노이드 또는 수동 차단 밸브가 없는 내부 스로틀(108, 109, 110)의 경우에는, 예열 프로세스 동안 내부 냉매 유동이 지속적으로 발생해서 열교환기들을 냉각하게 된다. 이들 스로틀 장치(108, 109, 110)를 통한 최종 유동은 또한 최소 압축기 흡입 압력을 제공한다. 가스 예열 솔레노이드 밸브(126)의 개구는 추가적인 유로를 제공하고, 그에 상응하여 압축기 유동을 증가시킨다. 이 예열 유동도 열교환기(103)들에 예열을 제공한다. 따라서, 두 가지 상충하는 요인, 즉 열교환기(103)들을 냉각할 수 있는 내부 스로틀 유동 및 열교환기(103)들을 예열할 수 있는 예열 가스 유동이 발생한다. 열교환기들을 효과적으로 예열하기 위해, 예열 가스 유동은 내부 스로틀(108, 109, 110)의 냉각 효과를 극복하기에 충분해야 한다. 그러나, 예열 가스 유동은 과도해지지 않아야 하거나, 또는 과도한 압축기 전류를 초래하게 된다. 또한, 과도한 유동은 신뢰성을 저해할 수 있는 조건하에서 압축기를 동작시킬 수 있다. 또한, 냉매/오일 분리기들은 과도한 유량으로 감소된 효율로 동작한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 상기 제약들에 의해, 내부 스로틀(108, 109, 110)의 냉각 효과를 극복하기에 충분한 예열 가스 유동을 얻을 수 없으면, 일부 내부 스로틀(108, 109, 110)은 그들의 유량이 예열 프로세스 동안 감소 또는 제거 또는 조절될 수 있도록 변형될 수 있다. 대안적인 배치구조에 있어서는, 모든 내부 스로틀(108, 109, 110)이 스택 예열 동안 폐쇄된다. 다른 대안적인 배치구조에 있어서는, 어떠한 내부 스로틀(108, 109, 110)도 스택 예열 동안 폐쇄되지 않는다. 다른 대안적인 배치구조에 있어서는, 적어도 하나의 내부 스로틀(108, 109, 110)이 스택 예열 동안 폐쇄된다. 다른 대안적인 배치구조에 있어서는, 적어도 하나의 내부 스로틀(108, 109, 110)이 스택 예열 프로세스의 일부분 동안 완전히 또는 부분적으로 폐쇄된다. 다른 배치구조에 있어서는, 적어도 하나의 내부 스로틀(108, 109, 110)을 완전히 또는 부분적으로 폐쇄하는 대신에, 또는 그에 더하여, 응축기(102)의 유입 또는 유출이 완전히 또는 부분적으로 차단될 수 있다.

본 발명에 따른 실시예는 열교환기 어레이(103)를 예열하는 외부 압축기에 대한 필요성을 배제한다. 이는 스택 예열 솔레노이드 밸브(126) 및 다이버터 루프(127)와 같은 상대적으로 염가의 부품들을 사용하는 예열 특징구성이 냉장 시스템에 구비될 수 있게 한다. 채용된 배관 배치구조에 따라, 시스템 내의 모든 열교환기(103)를 통한 직접 유동과 흡입측 및 배출측 배관의 예열이 가능하다. 유동은 과냉각기(subcooler) 열교환기(118)에 제공될 수 있다. 또한, 유동 및/또는 예열은 상 분리기(106, 107)를 포함할 수 있는 열교환기들 사이의 배출측 연결부들에 제공될 수 있다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스택 예열 동안의 냉장 시스템의 온도 그래프이다. 이 예에서는, 상술한 확장된 해동(121) 기법이 사용되었다. 여기에는, 코일(250)의 입력 온도, 코일(251)의 출력 온도, 제 2 열교환기 배출측 입력부(252)의 온도, 제 3 열교환기 배출측 입력부(253)의 온도, 제 4 열교환기 배출측 입력부(254)의 온도, 제 5 열교환기 배출측 입력부(255)의 온도, 및 제 5 열교환기 배출측 출력부(256)의 온도가 도시되어 있다. 알 수 있듯이, 스택 예열은 지점(257)에 도시된 13.8분과 같이 빠른 시간 내에 완료되었고, 그 지점에서 열교환기 입력부(252-255)의 적어도 하나가 20℃ 이상의 온도 또는 다른 설정점 온도에 도달했다. 여기서, 예컨대, 13.8분 표시까지, 열교환기 측정치(254 및 255)는 모두 50℃ 이상의 온도에 도달했고, 열교환기 측정치(252 및 253)는 모두 -50℃ 이상의 온도에 도달했다. 본 발명의 실시예에 따른 예열을 사용하여, 열교환기 어레이의 적어도 일부는 극저온 범위의 온도로부터 적어도 약 5℃, 적어도 약 10℃, 적어도 약 15℃, 적어도 약 20℃, 적어도 약 25℃, 적어도 약 30℃ 및 적어도 약 35℃와 같은 예열기 온도로 예열될 수 있다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른, 도 2의 그래프의 대수의 시간척도에 대하여 확장된 버전이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 스택 예열 도중 및 이후의 압력 프로파일들의 그래프이다. 냉장 시스템의 고압(460) 및 저압(461)은, 압축기가 스택의 적절한 예열로 인해 차단될 때, 13.8분(지점(467))에 대략 동등해지게 붕괴된다. 균형 압력 지점은 시스템의 고압(460)과 저압(461)이 동등, 또는 대략 동등해지는 지점이며, 여기서 지점(467)에서의 압력은 60시간 이후에 측정된 것에서 단지 3 psi 차이난다. 이 경우에, 본 발명에 따른 실시예는 가급적 13.8분 후에 균형 압력 점검을 허용한다.

또한, 본 발명에 따른 실시예는, 스택 예열을 사용하여 달성되는 균형 압력을, 시스템이 꺼졌을 때 시스템이 처한 조건에 기초하여 변경될 수 있는 시스템의 자연 예열 균형 압력에 가까워지게 허용한다. 예를 들면, 스택 예열을 사용하여 달성된 균형 압력은 약 5 psi, 10 psi, 20 psi 또는 30 psi의 통상의 자연 균형 압력의 이내일 수 있다. 여기에 사용된 "자연 균형 압력(natural balance pressure)"은 시스템의 고압과 저압이 동등, 또는 대략 동등할 때 달성된 압력을 의미하고, 본 발명의 실시예에 따른 스택 예열 없이 예열할 때, 예컨대 평균 열교환기 어레이 온도가 적어도 -5℃, 0℃, 5℃, 10℃, 15℃, 20℃, 25℃, 30℃, 35℃, 40℃로 이루어진 그룹으로부터의 온도 정도로 예열되도록 스택이 예열될 때, 또는 스택 내의 온도 범위가 적어도 -5℃ 내지 40℃이거나, 또는 -5℃ 내지 40℃ 범위 이내의 보다 작은 범위로 되도록 열교환기 어레이가 예열될 때, 시스템에 의해 달성되는 것이다.

본 발명에 따른 실시예는, 시스템의 모든 부품들이 신속하게 예열되는 것을 보장하기 위해, 균형 압력 점검에 필요한 것보다 더 예열되는 온도로 열교환기 어레이를 예열하는데 사용될 수도 있다. 이는, 예컨대 재충전에 대비하여 시스템으로부터 냉매 충전을 완전히 제거하는 것이 요망되는 경우에 유리할 수 있다.

도 5는 3가지 상이한 기법: 즉 1) 자연 스택 예열; 2) 본 발명의 실시예에 따른 다이버터 스택 예열기(126/127)를 사용한 스택 예열; 및 3) 본 발명의 실시예에 따른 확장된 해동 루프 작업(121)을 사용한 스택 예열을 사용하여 예열된 냉장 시스템의 압력 프로파일들을 비교하는 그래프이다. 도시된 것은 자연 배출 압력(570), 자연 흡입 압력(571), 확장된 해동을 사용하는 배출 압력(572), 확장된 해동을 사용하는 흡입 압력(573), 다이버터 스택 예열기를 사용하는 배출 압력(574), 및 다이버터 스택 예열기를 사용하는 흡입 압력(575)이다. 압축기가 오프(off)일 때의 시스템 압력은 실온까지 완전히 예열되었을 때의 최종 시스템 압력과 대략 동등하고, 본 발명의 실시예에 따른 양 기법을 사용하여 1시간보다 적은 시간에 달성될 수 있지만, 자연 스택 예열을 사용하면 10시간 이내에 달성될 수 없음을 알 수 있다. 본 발명에 따른 실시예는, 여기에 기술된 바와 같이 스택을 보다 신속하게 예열하는 것, 및 여기에 기술된 바와 같이 균형 압력 점검에 대하여 보다 짧은 시간을 허용하는 것에 의해, 극저온 냉장 시스템의 향상된 서비스 시간을 허용한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 도시되지 않은, 제어 시스템에 제공된 온도 설정점에 기초하여 예열 시스템을 차단해야할 시기를 판정하기 위해, 하나 이상의 센서가 사용될 수 있다. 센서들은, 예컨대, 열교환기 어레이(103) 내의 하나 초과의 장소에 경납땜된 열전쌍들일 수 있다. 예컨대, 하나 이상의 열교환기로의 배출 입구 또는 그로부터의 배출 출구, 또는 하나 이상의 열교환기로의 흡입 입구 또는 흡입 출구가 온도 센서들의 장소로서 사용될 수 있다. 일례에 있어서, (압축기에서 떨어진) 제 2 열교환기로부터의 배출 출구가 사용될 수 있다. 다른 예에 있어서는, 실리콘 다이오드들 또는 다른 유사한 장치들과 같은 다른 온도 센서들이 사용된다.

본 발명의 실시예에 따르면, 여기에 기술된 것들 및 다른 것들을 포함하는, 예열 가스를 우회시키는 다양한 여러 가능한 기법들이 사용될 수 있음을 인식해야 한다. 또한, 다양한 여러 가능한 기법들은 압축기를 통한 냉매의 질량 유동을 줄이는데 사용될 수 있다. 버퍼 언로더 밸브의 사용이 여기에 기술되어 있지만, 예열 가스의 우회를 사용하면서 질량 유동을 줄이기 위한 다른 기법들을 사용하는 것도 가능하다. 예컨대, 압축기의 입구에 레귤레이터 밸브가 사용될 수 있고; 압축기에 가변 속도 드라이브가 적용될 수 있고; 압축기의 유효 변위를 줄이기 위해 실린더들 내로의 질량 유동을 차단하도록 실린더-언로더가 사용될 수 있고; 스크롤 압축기가 사용되는 경우에, 선회 또는 고정 스크롤을 서로 분리하기 위한 장치를 사용해서, 압축기의 효율을 낮출 수 있고; 또한 다수의 압축기가 사용되는 경우에, 하나의 압축기의 질량 유동을 줄일 수 있거나 또는 하나 이상의 압축기를 전부 차단할 수 있다. 압축기 흡입 압력을 조절하는 일례에 있어서, 압축기를 통한 냉매의 질량 유동을 줄이기 위해 크랭크 케이스 압력 조절 밸브와 같은 전기 구동식 또는 공압 제어식 밸브가 사용될 수 있다. 크랭크 케이스 압력 조절 밸브는 압축기에서 하류의 압력을 제어하는 조속기(governor)로서 작용할 수 있으며, 내부 압력 조절 능력을 가지거나, 또는 압력 센서들, 논리 및 압력 제어 밸브들을 포함하는 압력 조절 시스템의 일부로 될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 과도한 압축기 질량 유동을 방지하는 방법들은 정상 냉각 작업에 비해 유동을 줄일 필요가 없다. 일부 경우에, 질량 유동은 정상 냉각 작업에서보다 높아질 것이다. 본 발명의 실시예에 따르면, 과도한 압축기 질량 유동을 방지하면, 과도한 압축기 전류, 과도한 배출 압력, 또는 과도한 유량에 의해 야기될 수 있는 다른 기능 불량으로 인한 고장을 발생함이 없이, 열교환기 어레이의 예열이 달성된다. 보다 구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 시스템은 부적절한 작업을 경험하지 않도록 압축기를 통한 과도한 유동을 방지하는 방식으로, 열교환기 어레이의 예열을 허용하는 대책을 갖는다. 예컨대, 낮은 흡입 압력, 과도한 압축기 전류 세기, 과도한 배출 압력, 과도한 압축기 질량 유동(과도한 전류 세기를 초래하거나 또는 오일 분리기 효율이 절충되게 됨) 및 과도한 배출 온도와 같이, 통상의 압축기 고장과 연관된 문제점들이 회피될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 다이버터(126/127)를 갖춘 스택 예열 및 확장된 해동(121)의 기법들이 별도로 또는 함께 사용될 수 있다. 다이버터를 갖춘 스택 예열기는 증발기(105)에 대한 유동이 차단될 때 사용될 수 있다는 장점을 갖는다. 달리 특정되는 경우를 제외하면, 여기에 사용된 "우회(diverting)" 및 "다이버터(diverter)"라는 용어는 열교환기 어레이의 예열을 허용하는 해동 라인(121)의 사용뿐만 아니라 다이버터(126/127)의 사용을 포함할 수 있다.

2. 콤팩트하고 효율적인 냉장 시스템(Compact and Efficient Refrigeration System)

본 발명에 따른 다른 실시예에 있어서, 물리적으로 콤팩트하며 효율적으로 동작하는 냉장 시스템이 제공된다. 상기 시스템은, 가장 높은 온도의 복열식(warmest recuperative) 열교환기를 나가는 저압 스트림으로부터 액체 냉매를 분리하고, 이 분리된 액체를, 임의의 시간에 압축기로의 액체 냉매의 과도한 복귀를 방지하도록 저압 스트림의 증기 부분과 재혼합하는 흡입 라인 어큐뮬레이터를 포함한다. 상기 시스템은, 고압 냉매 또는 저압 냉매와는 상이한 적어도 하나의 추가적인 스트림이 존재하는 복열식 열교환기도 포함할 수 있다. 상기 시스템은, 고압 냉매 또는 저압 냉매만이 유동하고, 또한 고압 또는 저압 냉매와는 상이한 적어도 하나의 다른 스트림에 열이 전달되는 열교환기들도 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 효율적으로 동작하는 물리적으로 콤팩트한 시스템을 제공하는 것을 돕는 열교환기들이 사용된다. 전통적으로, 역류식 열교환기들을 형성하기 위해 긴 구리 튜브들이 조립되었다. 통상적인 길이는 5피트에서 50피트까지 변경되었고, 대형 튜브에 삽입된 하나 이상의 내부 튜브들로 구성되었다. 보통은, 내부 및 외부 튜브는 임의의 표면 개질 없이 매끄러웠다. 그러나, 대안적인 설계는 열전달을 개선하기 위해 튜브들의 내측 또는 외측에 표면 형상부를 사용하거나, 내부 튜브용 홈 튜브를 사용한다. 하나의 냉매 스트림은 내부 튜브들 중 적어도 하나를 통해 유동했고, 다른 냉매 스트림은 내부 튜브와 외부 튜브 사이의 환형 공간을 유동했다. 대형 시스템, 즉 4 cfm(cubic feet per minute) 이상의 압축기 변위를 갖는 시스템에 대해서는, 통상 극저온 냉장 시스템이 이들 열교환기를 5개 이상까지 구비할 수 있었다. 응축기의 출구로부터 가장 낮은 온도의 열교환기의 출구까지의 냉매 밀도의 변화로 인해, 튜브 직경들의 물리적인 크기들이 변경되고, 압력 강하가 과도하지 않다면, 효과적인 열전달을 위한 양호한 속도를 보장하도록 보다 낮은 온도에서는 직경이 작을수록 더 적합해진다.

또한, 종래의 시스템들에 있어서, 상 분리기들의 존재로 인해, 보다 낮은 온도의 열교환기들로의 질량 유동이 줄고, 결국 보다 낮은 온도의 열교환기들의 튜브 직경을 감소시키는 것이 필요해진다. 튜브형 열교환기들에서 이들 튜브를 사용하면 두 가지 현저한 단점이 존재한다. 한 가지 단점은 물리적인 사이즈이다. 튜브형 열교환기들은, 통상적으로 그들의 전체 사이즈를 콤팩트하게 유지하기 위해 코일형으로 될 필요가 있다. 그러나, 코일형으로 해도, 최종 열교환기 사이즈는 상대적으로 크다. 튜브형 열교환기들 내의 튜브의 다른 단점은 상대적으로 높은 압력 강하이다. 약간의 압력 강하가 유용하고 필요하더라도, 압력 강하는 시스템 내의 비효율을 나타낸다. 고압측에서는, 압축기에 의해 제공된 압력 포텐셜의 일부가 손실되기 때문에, 팽창기가 달성할 수 있는 냉장 포텐셜이 저감된다. 저압측에서는, 팽창 프로세스에 의해 발생된 냉장 효과가 감소되고, 저압측에서의 온도가 보다 높아지게 된다. 따라서, 고효율 설계는 압력 강하를 최소화하려고 해야 한다. 튜브형 열교환기들에서의 튜브는 압축기의 차동 포텐셜을 고압측에 대해서는 1/3까지, 또한 저압측에 대해서는 12%까지 상실하는 것으로 관찰되고 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 극저온 냉장 시스템은 튜브형 열교환기에서의 종래의 튜브를 대체하기 위해 경납땜된 플레이트형 열교환기를 사용한다. 경납땜된 플레이트형 열교환기들의 이점은 튜브 배치구조 내의 튜브에서 실시되는 것보다 더 평행한 경로들을 제공한다는 점이다. 이는 각 열교환기를 통한 주행 경로를 줄이고, 압력 강하를 저감한다. 이는 열교환기 압력 강하에 대한 압축기 차동 압력 손실의 비율이 감소되기 때문에 전체 시스템 효율을 향상시킨다.

본 발명의 실시예에 따르면, 경납땜된 플레이트형 열교환기들은 양호한 열전달을 보장하는 특정 최소 속도들로 사용된다. 또한, 높은 압력 강하를 발생하도록 속도들이 너무 높게 유지되면, 고효율은 실현되지 않는다. 본 발명의 실시예에 따르면, 하향 스트림에 대해서는 0.1 m/s의 최소 속도가 사용되고, 수직 상향 유동에 대해서는 1 내지 2 m/s의 최소 속도가 사용된다(여기서, "하향" 및 "상향"은 중력장에 관련됨). 다른 최소 속도들이 사용될 수 있으며; 예컨대, 하향 스트림에 대해서는 0.5 m/s 또는 0.2 m/s의 최소 속도가 사용될 수 있고, 수직 상향 유동에 대해서는 0.5 m/s, 3 m/s 또는 4 m/s의 최소 속도가 사용될 수 있다. 통상적으로, 고압 유동은 하향으로 유동하는 스트림이 되고, 저압 유동은 수직 상향으로 유동하게 되지만; 최소 속도들이 유지되면 상이한 유동 방향들이 사용될 수 있다. 최소 속도들이 충족되지 않으면, 열교환기들에 과도하게 축적해서 열전달의 손실을 야기하는 액체 냉매의 위험이 있다. 이론에 얽매이지 않고, 여기에 몇 가지 메커니즘이 존재할 수 있더라도, 이것을 생각하는 한 가지 방식은 축적된 혼합물이 고정된 열용량으로서 작용하고 이것이 열교환기의 온도 포텐셜들간의 "서멀 쇼트(thermal short)"를 초래할 수 있다는 점이다. 이는 역류식 열교환기에 기대하게 되는 것에 관하여 열교환기 효과의 현저한 감소를 초래한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 가스와 함께 진입하는 현저한 액체 분율을 갖는 그들 열교환기에 대하여, 다양한 평행 유로들 사이에서 2가지의 상이 적절히 잘 분포되도록 열교환기의 헤더부에서 2가지의 상이 잘 섞여서 유지될 수 있게 주의를 기울여야 한다. 이는 냉매 유동의 액체 및 가스 분율을 분포시키기 위해 열교환기의 헤더의 적어도 하나의 유동 통로에 위치된 인서트를 사용하여 수행될 수 있다. 예컨대, 냉매 유동은, 개시 내용이 전부 여기에 참조로 포함되는 Boiarski 등의 미국특허 제7,490,483 B2호에 개시된 시스템들 및/또는 방법들 중 어느 하나에 의해 분포될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 최소 유동 속도를 유지하게 되면, 정해진 폭의 열교환기에 대하여, 열교환기 내의 플레이트들의 수를 최소화할 필요가 생긴다. 이는, 최소 속도에 대한 필요성으로 인해 열교환 면적이 제한될 수 있기 때문에, 추가의 열교환기를 요구하는 것에 영향을 미치거나, 또는 보다 긴 유로를 갖춘 열교환기를 선택하는 것을 필요로 할 수 있다. 열교환기들에 진입할 때의 2상 유동을 관리해야할 필요성은 추가의 열교환기의 사용을 보다 고비용으로 만드는 추가의 하드웨어를 요구한다. 결과적으로, 보다 긴 유로를 갖춘 열교환기를 선택하는 것이 선호된다. 예로서, 몇몇 통상적인 열교환기는 동일한 또는 유사한 폭을 유지하면서 상이한 길이로 이용 가능하다. 여기에 사용된, 경납땜된 플레이트형 열교환기의 "길이"는 기준이 되는 단일 패스 열교환기의 입구 단부로부터 출구 단부까지의 거리이다. 이는 명목상의 외부 크기를 의미한다. 통상의 2상 유동용에서, 길이는 고압 유체가 수직 하향으로 유동하는 한편, 저압 유체가 수직 상향으로 유동하는, 수직 방향으로 연장된다. 단일 패스 배치구조에서 입구 포트로부터 출구 포트까지 측정된, 실제 유체 경로 거리는 외부 길이 크기보다 필연적으로 짧아지게 된다. 여기에서 인용되는 다른 크기는 폭과 깊이이다. "폭"은 열교환기를 가로지르는 거리에 의해 규정되고, 명목상 열교환기를 형성하는 스탬핑된 플레이트들의 폭이다. "깊이"는 얼마나 많은 플레이트들이 함께 적층되어 있는지와 그들 각각의 깊이가 단부 플레이트들의 깊이와 결합되는 것에 관련된다. 통상 이용 가능한 몇몇 열교환기의 예시적인 길이는 10 내지 12 인치, 및 17 내지 22 인치, 및 30 내지 48 인치이다. 최소 속도를 유지하고 적절한 열전달을 달성하려는 시도는 보다 낮은 온도의 열교환기들에 대해서 더 현저하다. 본 발명의 실시예에 따르면, 시스템 내의 가장 낮은 온도의 열교환기는 17 인치 이상 48 인치 이하의 길이를 갖는다. 대안적인 실시예에 있어서는, 2개의 가장 낮은 온도의 열교환기가 17 인치 이상 48 인치 이하의 길이를 갖는다. 본 발명의 추가의 실시예에 있어서는, 3개의 가장 낮은 온도의 열교환기가 17 인치 이상 48 인치 이하의 길이를 갖는다. 본 발명의 실시예에 따르면, 보다 긴 길이와 함께 최소 폭을 갖는 것이 바람직하다. 예컨대, 17 인치의 길이와 함께 정해진 폭(예컨대, 5 인치)을 가진 열교환기를 선택하는 것이 12 인치 이하의 길이를 가진 5 인치 폭의 열교환기에 비해 바람직하다. 이는, 유로가 길수록 열전달 표면적이 넓어져서 플레이트의 수가 최소로 될 수 있고, 결국 정해진 열교환기 표면적에 대하여 보다 빠른 유체 속도가 유지되게 할 수 있기 때문이다. 예컨대, 적어도 17 내지 24 인치의 길이와 함께 2.5 인치 내지 3.5 인치의 폭이, 또는 적어도 17 내지 24 인치의 길이와 함께 4.5 인치 내지 5.5 인치의 폭이 사용될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따르면, 하나 이상의 경납땜된 플레이트형 열교환기와 함께 흡입 라인 어큐뮬레이터가 사용될 수 있다. 이는, 경납땜된 플레이트형 열교환기들을 갖춘 시스템에서 액체 냉매가 훨씬 더 빠르게 압축기에 복귀되게 할 수 있기 때문에, 도움이 될 수 있다. 따라서, 흡입 라인 어큐뮬레이터는, 압축기 신뢰성을 저해하지 않는, 복귀 액체의 양호한 관리를 보장하는 것을 도울 수 있다. 선택적으로, 압축기로의 높은 비율의 액체 복귀의 징후가 관찰되지 않으면 흡입 라인 어큐뮬레이터는 생략될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 필요한 압력 및 압축비로 유효하게 동작하는 압축기를 사용함으로써, 유효한 냉장 시스템이 더 달성된다. 본 발명에 따른 실시예는 반밀폐형 왕복식 압축기에 냉장 듀티(refrigeration duty)(공조 듀티와 대조됨)를 사용할 수 있다. 상기와 같은 압축기들은 다양한 압축비 적용분야에 사용하도록 최적화되는 경향이 있다. 예컨대, 공조형 압축기들은 낮은 압축비 적용분야에 사용하도록 설계되는 한편, 상대적으로 높은 재팽창 용적을 가질 수 있다. 반대로, 압축이 높은 압축기일수록 재팽창 용적을 줄이는 방법을 채용한다. 이러한 경우에 스크롤 부재들의 형상이 바람직한 압축비를 좌우하더라도, 스크롤 압축기들은 유사한 문제에 직면한다. 이들 최적화된 관점들에서 벗어난 작업은 최적화된 동작 압축비로부터 벗어날수록 비효율이 증가한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 극저온 냉장 시스템은, 하향 유동하는 냉매 스트림의 속도가 극저온 냉장 시스템의 냉각 작업 동안 적어도 0.1 m/s로 유지되어 있는, 경납땜된 플레이트형 열교환기의 적어도 하나의 유동 통로를 통해 냉매 스트림을 하향으로 유동시키도록 구성될 수 있으며, 또한 상향 유동하는 냉매 스트림의 속도가 극저온 냉장 시스템의 냉각 작업 동안 적어도 1 m/s로 유지되어 있는, 경납땜된 플레이트형 열교환기의 적어도 하나의 추가의 유동 통로를 통해 냉매 스트림을 상향으로 유동시키도록 구성될 수 있다. 상기 시스템은 상술한 바와 같이, 다른 유동 속도들에 대하여 구성될 수 있다. 하향 유동하는 냉매 스트림은 극저온 냉장 시스템의 고압 유동을 포함할 수 있으며, 상향 유동하는 냉매 스트림은 극저온 냉장 시스템의 저압 유동을 포함할 수 있다. 경납땜된 플레이트형 열교환기의 헤더는 헤더를 통해 유동하는 냉매의 액체 및 가스 분율을 분포시키는 인서트를 포함할 수 있다. 상기 시스템은 흡입 라인 어큐뮬레이터를 사용하여 극저온 냉장 시스템의 가장 높은 온도의 열교환기를 나가는 저압 냉매 스트림에서 액체 냉매를 분리시키도록 더 구성될 수 있다. 극저온 냉장 시스템은 냉장 듀티 압축기를 포함할 수 있다. 상기 압축기는 왕복형 압축기 또는 반밀폐형 압축기를 포함할 수 있다. 상기 시스템은 상향 유동하는 냉매 스트림의 속도가 극저온 냉장 시스템의 냉각 작업 동안 적어도 2 m/s로 유지되도록 구성될 수 있다.

3. 저온 밸브 액세스 패널에 대한 응축 방지 방법(Method of Preventing Condensation on a Cold Valve Access Panel)

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 저온 밸브 인클로저에 대한 서비스 액세스 패널상의 응축을 배제 또는 방지하는 방법이 제공된다.

종래의 시스템에서는, 밸브들 및 연관 배관을 통해 유동하는 극저온 유체와, 액세스 패널을 통한 서비스를 위해 이들 밸브에 액세스할 수 있게 만들 필요성으로 인해 문제가 발생한다. 전도 및 자연 대류의 조합으로 인해, 응축 및 성에 형성을 초래할 수 있는 저온 밸브 박스 덮개의 냉각이 현저해진다. 응축 및 성에의 수분 공급원은 대기중의 습기이다.

종래의 저온 밸브 인클로저들은 복수의 단열층을 이용한다. 그러나, 이들은 응축의 방지에는 부적합한 것으로 판명되어 있다.

본 발명에 따른 실시예는 성에의 형성을 방지 또는 저감하는 방법을 제공한다. 저온 밸브 박스 조립체는 저온 밸브 박스의 전방 플랜지 및 내부를 제외하고는 완전히 단열된다. 플랜지의 이면측과, 저온 밸브 박스 측부들 및 이면 패널의 외부 표면들은 완전히 단열되어, 수분 문제가 제기되지 않는다. 이 문제는 충분히 두꺼운 단열 재료층을 추가함으로써 잠재적으로 해결될 수 있다. 그러나, 이는 실용적이지 않은 수 인치의 단열을 필요로 한다. 또한 덮개를 제거할 수 있도록 일부 도구가 액세스하는 것을 필요로 하며, 이들 액세스 지점은 잠재적인 응축 지점이 된다. 또한, 능동적인 가열이 없으면, 밸브들을 기능시킬 때 현저한 지연을 초래할 수 있는 성에 형성으로 인해 덮개가 제자리에서 냉동될 수 있는 위험이 존재한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 제 1 방법은 저온 밸브 박스 인클로저의 에지 둘레로 튜브 트레이스(676)를 연속시키는 것을 수반한다. 튜브(676)는 그것을 통해 흐르는 고온 가스를 갖는다. 고온 가스는 냉장 시스템의 배출 라인상에 평행 경로를 생성함으로써 수동적으로 구동된다. 배관(676)의 직경 및 길이는 메인 배출 라인에 존재하는 압력 강하의 장점을 취하는 사이즈로 된다. 이는, 유동의 일부가 "최소 저항의 경로를 취하게" 하고, 저온 밸브 인클로저(677) 둘레의 이 튜브 트레이스(676)를 통해 유동하게 한다. 본 발명의 대안적인 실시예들은 압축기 배출 가스의 일부를 고온 트레이스(676)를 통해 유동시킨 후 압축기 흡입부로 복귀시키는 고온 가스 바이패스를 포함한다. 본 발명의 다른 실시예에 있어서, 압축기 배출부로부터의 고온 가스는 고온 트레이스(676)를 통해 유동한 후 응축기의 고압 냉매 하향 스트림과 혼합된다. 본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 바이패스 내를 유동하는 가스량은 플랜지 또는 덮개의 전형적인 온도로부터의 온도 피드백에 기초하여 밸브로 조절된다. 가열 트레이스 튜브(676)는 기계식 클램프 및 열전달 그리스(grease)를 사용하여 저온 밸브 인클로저(677)의 에지에 열적으로 접착된다. 가열 트레이스 튜브(676)를 저온 밸브 박스 또는 덮개에 열적으로 접착하는 방식은 몇 가지가 있을 수 있다. 한 가지 방법은 튜브와 박스 또는 덮개 사이에 열 경로를 제공하기 위해, 바람직하게는 짧은 거리에 걸쳐 열적 그리스로 이루어진 필름을 사용하는 것이다. 대안으로서, 튜브는 단순히 박스 또는 덮개상에 압착될 수 있다. 다른 옵션은 구리 또는 알루미늄과 같이 상대적으로 높은 전도성을 가진 재료와 같은 다른 열전도 매체를 포함한다. 튜브(676)가 부착되는 장소는 저온 밸브 인클로저 액세스 패널로 열이 흐르게 하는 한편, 저온 밸브 인클로저(677)에 진입하는 열을 최소화하도록 선택된다. 고온 가스 튜브 트레이스(676)와 덮개 사이의 열 경로에 있는 요소들은: 고온 가스 튜브, 이 튜브의 벽, 열적 그리스 또는 열적 접착 수단, 저온 밸브 박스 플랜지에 대한 저온 밸브 인클로저의 벽들 및 저온 밸브 인클로저(677)의 플랜지와 덮개 사이의 개스킷 재료의 제 1 평행 경로, 및 덮개를 개스킷에 대하여 압축하는 체결용 하드웨어의 제 2 평행 경로이다. 열은 덮개에 전달될 때, 냉점(cold spot)들을 방지하도록 분포되어야만 한다. 이는, 두 가지 방식 중 하나로 관리된다. 한 가지 방식은 덮개를 가로지르는 양호한 열전도를 달성하기 위해 알루미늄과 같은 전도성이 높은 덮개용 재료를 사용하는 것이다. 다른 방식은 덮개의 내부 표면에, 또는 덮개의 외부 표면에, 또는 양자 모두에 열적 단열재를 사용하는 것이다. 대안적인 구성들은 저온 밸브 박스 덮개의 이면측에 직접 연결된 고온 가스 트레이스(676)를 구비하거나, 또는 플랜지에 선택적으로 연결하는 다른 구조체에 고온 튜브 트레이스(676)를 부착하거나, 또는 플랜지에 접촉하는 것은 저온 밸브 박스 덮개에 보다 직접적으로 열 접촉하기 위해 최소화된다. 열적 단열재는 덮개에 대한 대류를 저감시키기 위해 덮개의 내측에 위치된다. 또한, 덮개의 외부에 단열재를 추가하면, 에지에 가해진 열이, 보다 저온일 수 있는 중심 구역으로 전도하는 것을 가능하게 하는 것이 바람직하다. 단열재는 가열 트레이스로부터 저온 박스에 진입하는 열의 양을 제한하기 위해 저온 밸브 박스의 내부 측벽들에 대하여 필요해질 수도 있다. 또한, 고온 트레이스 바이패스 및 열 접촉부의 사이즈 결정은 유닛의 넓은 범위의 동작 조건을 고려할 필요가 있으며, 서비스 요원에게 상해를 입힐 수도 있는 지나치게 높은 온도를 초래하지 않으면서, 유동이 덮개를 충분히 예열할 수 있도록 한다. 하나 이상의 실시예가 단열재를 포함하지만, 고온 트레이스가 사용될 때 필요한 단열재의 양은 능동 가열이 존재하지 않을 경우에 필요한 단열재보다 현저하게 얇다. 일례로서, 응축을 방지하는데 필요한 단열재는 능동 가열이 존재하지 않을 때 4 인치, 6 인치, 또는 심지어 12 인치의 두께로 될 수 있다. 그에 반해서, 능동 가열의 사용은 임의의 단열재에 대한 필요성을 배제할 수 있거나, 또는 단열재를 단지 1/2 인치 또는 1 인치 두께로 제한할 수 있다.

본 발명의 다른 실시예에 있어서, 제 2 방법은 덮개의 일부분 또는 덮개 전체를 가열하기 위해 전기 히터를 사용한다. 이 경우에, 열적 단열재는 덮개의 내측에서 및 선택적으로 덮개의 외측에서 사용된다. 히터 사이즈가 덮개보다 작으면, 덮개를 가로질러 열을 전도하기 위해 전도성이 높은 재료가 바람직하다. 제 1 방법에서와 마찬가지로, 단열재는 덮개의 내측에 가해진다. 단열재는 덮개의 외측에 사용될 수도 있을 뿐만 아니라, 히터로부터의 열이 주변 대기가 아닌 덮개에 주어지도록 한다. 일부 단열재를 히터 위로 배치하는 것이 필요할 수도 있다. 그러나, 이것을 행할 경우에는, 히터가 단열용 재료의 또는 히터의 한계를 넘는 온도에 이를 수 없도록 하기 위해 주의를 기울여야만 한다. 독립적으로, 히터를 갖춘 설계는 잠재적인 과도한 온도에 대한 고려를 포함해야 한다. 이것이 실현 가능성이 있는 경우에는, 안전 서모스탯 또는 다른 온도 제한 요소가 설계의 일부로 되어야 한다.

본 발명의 실시예에 따른 고온 가스 트레이스 방법은, 압축기로부터의 고온 가스를 사용하고; 유동의 일부만을 사용하며 유동 저항의 균형을 이루어서 이것을 수동적으로 제어하고; 서비스 요원이 위험에 처하게 되는 과도한 가열을 제공하지 않으면서 응축을 방지하기 위해 정확한 가열량을 전달하고; 그렇지 않으면 시스템의 전체 효율을 떨어뜨리게 되는, 과도한 열을 저온 밸브 박스에 전달하지 않는다. 본 발명의 실시예에 따른 시스템들에 대한 테스트의 일례에 있어서, 10 HP 압축기를 사용한 테스트된 시스템에 대해서는, 약 18 인치의 폭과 24 인치의 높이의 크기를 가진 저온 밸브 박스의 필요한 가열은, 고온 가스 트레이스 튜브로 바이패스될 고온 배출 유동의 상대적으로 작은 부분, 1% 내지 10% 정도가 필요했다. 보다 작은 시스템일수록, 보다 높은 비율의 총 압축기 배출 가스를 필요로 할 수 있다.

본 발명에 따른 실시예의 전기 히터는 초저온 시스템에 대한 응축을 관리하고, 서비스 패널에 직접적으로 열을 가한다.

도 6은 응축을 방지하기 위해 본 발명에 따른 실시예에서 함께 사용될 수 있는 저온 밸브 박스(677)의 내부도이다. 저온 밸브 박스의 내부 밸브들이 도시된다. 저온 냉매는 배관 및 밸브들을 통해 유동한다. 자연 대류 및 밸브 박스에 대한 전도는 플랜지 온도 및 덮개의 내부 표면이 매우 저온으로 되게 할 수 있으며, 이는 단열 및 능동 가열의 일부 조합이 존재하지 않는 한 덮개에 대한 응축을 야기할 수 있다. 도 6에는, 덮개가 도시되어 있지 않다. 덮개는 도시되어 있는 하드웨어(679)를 사용하여 플랜지(678)에까지 장착된다.

본 발명의 실시예에 따른 능동 가열 방법들의 추가의 장점은 통과하는 유동 없이 수동 밸브들을 예열하는 능력이다. 이는 이들 밸브를 동작할 수 있게 하는데 필요한 시간을 단축한다. 통상적으로, 얼음은 밸브 스템의 나사부에 형성되고, 저온시의 밸브의 작업을 방지한다. 밸브 인클로저에 대한 가열은 이들 밸브가 빙점 이상으로 예열되게 하고, 그에 따라 능동 가열이 제공되지 않았을 경우보다 빠르게 서비스 기술자가 보수를 수행할 수 있게 한다.

4. 예측 진단(Predictive Diagnostics)

혼합 가스 냉장 제품들은 다수의 이용자 중요 프로세스에 사용된다. 이는 생산 라인을 동작시키는 것 또는 생물학적 샘플들의 보관을 포함할 수 있다. 이들 및 다수의 다른 산업 냉장 적용분야에 있어서, 고장으로 인한 예기치 않은 냉각 손실 또는 정지 시간은, 생산성의 손실, 최종 결함 재료, 또는 중요 연구 샘플의 손실로 인해 용인될 수 없다.

본 발명의 실시예에 따르면, 예측 진단은 시스템의 자체 모니터링을 허용하는 한편, 상기와 같은 이벤트 발생에 앞서, 시스템이 냉각의 또는 고장의 현저한 손실 위험에 처해 있음을 지시하는 동향을 검출할 수 있게 한다. 상기와 같은 예측 진단의 지능은 2가지 방식 중 하나로 제공된다. 제 1 방법은 향후 데이터가 비교되어야 하는 기준 데이터 세트를 가동하고 있음을 공식적으로 유저에게 확인시키는 것이다. 제 2 방법은 시스템이 적용의 자체 모니터링을 수행하고 향후 데이터가 비교되게 될 그 자신의 기준을 확립하는 것이다.

본 발명의 실시예에 따른 예측 진단은 몇 가지 핵심 원칙: 즉 일시적인 성능 모니터링, 정상 상태 성능 모니터링, 빈(bin) 그룹화, 변화하는 외부 요인에 기초한 온도 스케일링, 및 제어 구성요소들의 듀티 사이클들의 비교에 기초한다.

본 발명의 실시예에 따른 일시적인 성능 모니터링에 있어서, 온도 또는 압력과 같은 핵심 파라미터의 변화율이 모니터링된다. 일례로서, 냉각 또는 가열 적용의 경우에, 척(chuck)과 같은, 또는 배관의 코일과 같은 가열 질량체를 나가는 냉매의 변화율이 경시적으로 추적될 수 있다. 이 온도 대 시간 관계의 기울기는 특정한 핵심 임계값들에 대하여 계산될 수 있다. 유사하게, 상기와 같은 임계값들에 이르는 시간도 추적될 수 있다. 이는 시스템 냉각 용량의 기본적인 측정을 제공할 수 있다. 가열 질량체가 기지의 것이면, 이는 순간적인 냉각 용량의 절대적 척도이다. 많은 경우에 있어서, 정확한 가열 질량체 정보가 이용 가능하지 않게 되더라도, 어떤 경우에는, 시스템이 일정하게 유지되고 있다고 가정하면, 이것이 다수의 냉각 사이클에 걸쳐 추적될 수 있는 중요한 상대적 비교를 제공한다. 냉장 시스템들이 상기와 같은 이벤트 동안 압축기에 의해 구동되기 때문에, 흡입 및 배출 온도와 압력, 압축기 오일 펌프 압력, 오일통 레벨, 및 전류의 세기와 같은 중요 동작 파라미터들은 중요한 모니터링 인자들이 될 수 있다. 공식적인 또는 자체 추정된 기준이 확립될 때, 향후의 일시적인 이벤트들은 이 기준과 비교될 수 있으며, 임의의 편차들이 관찰될 수 있다. 이후, 이들 편차는 편차의 규모 및/또는 이 편차의 동향을 추정하도록 평가될 수 있다. 편차 또는 편차 동향이 특정 임계값에 이를 때, 규모에 따라 경고 또는 경보가 송출될 수 있다. 임계값들은 장비 제조자 및/또는 엔드 유저에 의해 확립될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 정상 상태 성능 모니터링에 있어서, 상기 시스템은 시스템이 정상 상태에 이른 시기를 판정할 수 있어야 한다. 이는 시간 요건 및/또는 점근선(asymptote) 요건(즉, 온도의 변화율이 매우 작아짐)의 어느 하나를 확립함으로써 판정될 수 있다. 정상 상태에 대한 요건들이 충족될 때, 향후의 정상 상태 조건들과의 비교를 위해 기준 데이터가 포착될 수 있다. 관찰된 정상 상태 온도가 현저한 양으로 벗어나면, 규모에 따라 경고 또는 경보가 송출될 수 있다.

4a. 기준 설정 방법(Methods of baselining ):

본 발명의 실시예에 따르면, 기준들이 2가지 방법 중 하나로 발생될 수 있다. 한 가지 방법은 기준의 포착을 개시하기 위해 이용자가 제어 시스템에 명령을 입력하는 공식적인 방법이다. 이후, 상기 시스템은 정상 상태 및 일시적인 데이터를 얻기 위해 유닛을 다양한 동작 모드를 통해 이행한다. 일례로서, 시스템은 스탠바이(Standby), 냉각(Coon), 해동(Defrost) 및 스탠바이 모드들을 통해 이행할 수 있다. 이후, 시스템은 데이터를 기록하고, 이것을 향후의 데이터와 비교하기 위해 저장한다. 다른 방법은 자체 추정된 기준 설정이다. 이 경우에, 시스템은 시스템 상태를 지속적으로 관찰하고, 특정 모드들이 가능해지는 시기를 판정한다. 예컨대, 유닛이 스탠바이에서 냉각으로 전환되면, 시스템은 이 모드 전환에 대한 온도 대 시간 데이터를 기록하게 된다. 다른 예에 있어서, 유닛이 냉각 모드에서 정상 상태 조건에 이르면, 이를 검출해서 대표적인 데이터를 수집하게 된다. 이런 식으로, 시스템은 일시적인 및 정상 상태 데이터를 기록하고, 몇몇 반복 이벤트의 결과들을 평균화한다. 이후, 이 평균 데이터가 향후의 데이터가 비교되게 되는 기준이 된다. 하나의 설비의 구체적인 세부사항은 고유한 것일 수 있기 때문에, 상기와 같은 기준 테스트는 최종 설비에서 수행될 수 있다. 냉각수 온도와 유량, 저온코일 길이와 직경, 라인 길이와 직경, 열복사 가열 부하, 및 급전 주파수(50 Hz 대 60 Hz)와 같은 인자들은 모두 시스템 성능에 영향을 준다. 따라서, 특정 유닛의 구체적인 설비에서 기준을 얻는 것이 유용한 기준점이다.

4b. 용량이 제어될 때 성능을 모니터링하는 방법(Methods of performance monitoring when capacity is controlled):

본 발명의 실시예에 따르면, 시스템의 성능이 능동적으로 제어될 때, 시스템 용량이 용인될 수 있는지의 여부에 대한 지식은 추정하기가 더욱 어렵다. 일례로서, 램프 제어(ramp control) 동안, 시스템은 이용자 요구 목표치를 충족하도록 냉각 속도를 능동적으로 낮추고 있다. 상기와 같이, 실제 냉각 용량은 단순한 시간 대 온도 관계에서는 얻을 수 없다. 오히려, 시스템은 냉각 속도를 통제하는 제어 밸브의 듀티 사이클 또는 부하를 관찰하는 것이 필요하다. 다른 예에 있어서, 시스템은 정상 상태에서 온도 제어 모드에 있을 수 있다. 이 경우에, 냉각 용량의 손실은 단지 관찰된 온도에만 기초하면 간과될 수 있다. 이 때문에, 시스템은 온도 제어 밸브의 듀티 사이클 또는 부하도 관찰해야 한다.

예컨대, 본 발명의 실시예에 따르면, 밸브가 온/오프 밸브이고, "온(on)" 위치에서의 시간 비율이 경시적으로 변화하면, 이는 냉각 용량의 손실의 증거일 수 있다. 유사하게, 온도 제어를 위해 비례제어 밸브를 사용하는 시스템에 대해서는, 시스템은 기준 데이터에 따라 밸브가 개방할 비율을 비교할 수 있다. 동일한 온도를 제어하기 위해 밸브가 개방할 비율이 현저하게 변화하면, 냉각 용량의 손실을 지시하는 것일 수 있다.

본 발명에 따른 실시예는 극저온 혼합 가스 냉장 시스템에 예측 진단을 합체한다. 공식적인, 유저 유발 기준이 사용될 수 있다. 또한, 시스템은 그 자신의 자체 추정 기준을 수행 및 생성할 수 있다. 또한, 시스템은 초기 조건(예컨대, 가장 낮은 액체 온도)에 기초하여 이벤트들을 그룹화하는 데이터 빈(data bin)들을 사용할 수 있고, 냉각수 온도와 같은 외부 파라미터의 변화를 보상하기 위해 오프셋을 사용할 수 있다.

본 발명에 따르면, 예측 진단을 수행하는 제어 시스템은 냉각 시스템 유닛 내에 위치된 제어 시스템, 유닛에서는 떨어져 위치되지만 동일한 시설 내에 위치된 제어 시스템, 및/또는 떨어져서 다른 시설에 위치된 제어 시스템의 하나 이상일 수 있다.

4c. 균형 압력의 모니터링 (Monitoring of Balance Pressure)

추가의 실시예들에 있어서, 이전의 예열 프로세스들에서 현저한 변화가 발생해 있는지를 판정하기 위해 제어 시스템이 예열 프로세스의 마지막에 관찰된 균형 압력을 사용한다. 이는 다양한 형태를 취할 수 있다. 예컨대, 제어 시스템은 수동으로 입력된 기준 데이터를 가질 수 있거나, 또는 이전의 예열 프로세스 작업들에서 자동으로 포착 및 저장된 기준값을 가질 수 있다. 제어 시스템은 유닛에 내장된 제어 시스템, 유닛에서는 떨어져 있지만 동일한 시설 내에 수용된 제어 시스템, 및/또는 유닛에서 떨어져 있고 별도의 시설에 수용된 제어 시스템의 하나 이상일 수 있다. 본질적으로, 제어 시스템은 가장 최근의 균형 압력을 기준 데이터와 비교해서, 현저한 변화가 발생해 있는지를 판정하게 된다. 현저한 변화가 발생해 있으면, 제어 시스템은 압력의 손실을 해결하기 위해 주의가 필요함을 조작자에게 통지하는 몇 가지 행위를 취할 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 시스템 제어기는 기계를 시동하기 전에 시스템 균형 압력을 기록해 둔다. 이는 처음 몇 번의 시동 중의 개시 설비에서, 또는 계속 진행 중인 기반에서 행해질 수 있다. 균형 압력은 열교환기 어레이의 온도가 실온보다 현저하게 낮아질 때 더 낮아지기 때문에, 열교환기 어레이를 충분히 예열하는 방법을 추정하기 위해, 균형 압력의 기록과 함께, 열교환기 어레이 내부의 적어도 하나의 온도가 사용될 수 있다.

5. 온도 제어 및 자동조정(Temperature Control and Autotuning )

본 발명의 실시예에 따르면, 3가지 타입의 온도 제어가 개발되어 있다.

5.1, 하나는, 단순히 불감대(deadband) 제어에 기초하는 단순한 온/오프 온도 제어이다. 이는 빙결 방지 밸브에 사용된다.

5.2, 다른 하나는 자동조정 알고리즘에 따라 온/오프 시간 부분들이 최적화되는 온/오프 온도 제어이다. 이는 온/오프 온도 제어 밸브들과 함께 사용된다.

5.3, 세 번째 방법은 비례 제어를 제공하는 스테퍼 모터 밸브의 사용이다. 이는 온도 제어에 사용되며, 자동조정 알고리즘을 사용하여 최적화되는 제어 파라미터들을 사용하여 제어된다.

5.4는 솔레노이드 밸브와 비례제어 밸브를 직렬로 사용하는 5.2와 5.3의 조합이다.

5.1, 5.2, 및 5.3 각각에 대하여, 밸브들은 제한된 온도 범위를 가진 통상의 냉장 밸브 또는 초저온 온도 범위를 가진 초저온 밸브 중 하나일 수 있다. 하기의 설명은 -40℃ 내지 +100℃ 범위인 냉매를 밸브가 관리하고 있는 경우에 대한 것이다. 이 경우에는, 혼합 가스 냉장 시스템의 열교환기들 및 상 분리기들 내부로부터의 중간 냉매가 사용된다. 바람직하게는, 이는 가장 낮은 온도의 상 분리기의 기상(vapor phase)으로부터 취해진다. 이는, 예컨대 개시 내용이 전부 여기에 참조로 포함되는, Flynn 등의 미국특허 제7,478,540 B2호에 개시된 방법들 중 하나를 사용하여 수행될 수 있다. 이 유체는 압축기 배출 라인과 같이 시스템 내의 다른 보다 높은 온도의 유체 스트림 또는 응축기를 나가는 냉매와 열을 교환함으로써 제어 밸브에 진입하기 전에 예열되는 것이 바람직하다. 이들이 초저온의 온도에서 동작할 수 있게 되었으면, 추가의 옵션은, 이들 밸브가 초저온 이송 스트림에 보다 높은 온도의 유체를 주입하기보다는 시스템을 나가는 초저온 유체를 직접 관리하게 되는 것이다.

5.1, 본 발명의 실시예에 따르면, 빙결 방지 회로는 시스템 내의 가장 낮은 온도의 저압 냉매에 예열 냉매 가스를 주입한다. 이는 프로세스의 이 부분에서 냉매를 예열하고, 결국 이 저압 냉매와 열을 교환하는 고압 냉매가 예열된다. 밸브는 간단한 개방 및 폐쇄 온도 한계에 기초하여 제어된다. 온도가 너무 낮게 떨어지면, 밸브가 개방된다. 온도가 너무 예열되면, 밸브가 폐쇄된다. 감지 온도는 가장 낮은 온도의 열교환기를 나가는 고압 냉매의 온도이거나, 또는 저압으로 팽창되거나, 또는 가장 낮은 온도의 열교환기를 나가는 저압 냉매로 될 수 있게 되거나, 또는 가중 평균 형태로 결합된 이들 온도의 어느 조합으로 될 수 있게 된 후의 이 고압 냉매의 온도일 수 있다.

5.2 & 5.3, 본 발명의 실시예에 따르면, 온도 제어 자동조정 알고리즘 설계는 지정된 장소에서 적정한 성능으로 온도를 조절하기 위해 적절한 제어기 파라미터 세트를 찾는다. 종래에는, 특정한 하드웨어 구성 및 설비에 대해서 온도 제어기 파라미터들이 설계 및 조정될 필요가 있었다. 주로, 특정 하드웨어 구성의 특성들을 분석하고 설치된 유닛마다 제어기를 수동으로 설계하기 위해서는, 잘 훈련된 제어 엔지니어가 필요해진다. 때때로, 이 프로세스는 장황할 수 있으며, 개시용의 안정적인 세트를 찾으려는 것만도 상당한 양의 시간이 걸릴 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 자동조정 알고리즘은 온도 제어기의 특징결정, 분석, 및 설계 프로세스를 자동화 및 간소화한다. 상기 알고리즘은 최소한의 관리로 가동할 수 있으며, 특정 하드웨어에 수집된 데이터에 기초하여 안정적인 제어기 파라미터 세트를 제공하게 된다. 이 자동화된 프로세스는 설계 프로세스를 단순화하며, 상당한 제어 공학 지식이 없는 기술자라도 제어기 조정을 수행할 수 있게 한다. 따라서, 자동조정은 설치된 유닛마다 엔지니어에게 요구되는 시간을 최소화하는 것을 돕는다.

5.4, 상당히 자동화된/간소화된 특징결정-분석-설계 프로세스인, 본 발명의 실시예에 따른 자동조정 알고리즘의 가치는 온도 제어를 필요로 하는 다양한 여러 제품들로 확대될 수 있다. 잠재적인 제한은 시스템 성능을 별로 희생하지 않고도 안정적인/확고한 설계를 보증할 수 있는 실뢰할 만한 설계 방법의 존재에 있다. 그러나, 대부분의 열적 동역학 시스템의 경우에는, 안정성 요건이 성능 요구사항보다 더 크다. 보수적인 표준화된 설계들은 제품 사양을 충분히 충족시켜야 한다.

본 발명의 실시예에 따른 자동조정 알고리즘은 하기의 단계들로 구성된다:

· 냉각 시스템을 기지의 상태, 즉 스탠바이 모드로 만드는 단계. 이용자 열적 부하는 분리되어야 한다.

· 온도가 최소 온도에 이르러서 안정될 때까지 회로로의 냉매 유동을 개시하는 단계

· 온도 제어 밸브를 최대값까지 켜고, 시간 및 온도를 주기적으로 기록하는 단계

· 시스템 특성들(지연 시간 및 온도 상승률)을 연산하고, "제어 온(control on)" 조건에 대하여 PI 제어기를 설계하는 단계

· 온도 안정화 이후에, 온도 제어 밸브를 완전히 폐쇄하고, 시간 및 온도를 주기적으로 기록하는 단계

· 시스템 특성들(지연 시간 및 온도 하락률)을 연산하고, "제어 오프(control off)" 조건에 대하여 PI 제어기를 설계하는 단계

· 두 설계("제어 온" 및 "제어 오프")를 비교하고, 안정적인 설계를 개시하기 위해 보수적인 것을 선택/저장하는 단계.

본 발명의 실시예에 따르면, 냉각/가열 프로세스 동안, 불안정하고 잠재적으로 유해한 조건들을 방지하기 위해 온도가 면밀하게 모니터링된다. 안정적인 온도의 조건을 확실하게 검출하기 위해, 이동-윈도(moving-window) 체계가 구현된다. 안정적인 조건의 자격을 얻기 위해, 측정된 온도는 정해진 기간(예컨대, 디폴트로서 4분) 내에, 엄격한 범위(예컨대, 디폴트로서 2℃) 내일 필요가 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 최종 선택 프로세스는 두 가지 설계 사이에서 비례 이득들을 비교하고, 보다 낮은 값을 가진 세트를 선택한다.

본 발명에 따른 실시예에 있어서:

· 이중(dual-step) 설계는 양성 제어(positive control)(온도 상승) 및 음성 제어(negative control)(온도 하락) 모두의 시스템 특성들을 포착하기 위해 사용된다.

· 선택 프로세스는 개시용의 안정적인 파라미터 세트의 성공적인 발견을 보장하기 위해 사용된다.

· 이동-윈도 체계는 온도 안정성을 확실하게 판정하고 자동조정 프로세스 동안 에러/불안정 조건을 검출하기 위해 사용된다.

· 온/오프 밸브 및 비례제어 밸브가 사용되는 경우에는, 필요한 최적화의 추가적인 크기가 존재한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 성능 최적화를 위해 자동조정된 파라미터들을 가진 냉장 시스템에서 온도 제어가 수행된다.

본 발명의 실시예에 따르면, 저온 냉매는 회로 온도를 낮추고, 고온 가스는 회로 온도를 높인다. 이 모드에 있어서, 본 발명에 따른 실시예는 비례제어 밸브에 의해 제공된 고온 가스의 양을 제어함으로써 회로 온도를 제어한다. 비례제어 밸브의 개방 레벨이 구성 가능한 양(예컨대, 디폴트 25%)보다 크면, 과도한 용량이 존재하는지가 판정된다. 본 발명에 따르면, 온도 제어 기능을 수행하는 제어 시스템은 냉각 시스템 유닛 내부에 위치된 제어 시스템, 유닛에서는 떨어져서 위치되지만 동일한 시설 내부에 위치된 제어 시스템, 및/또는 떨어져서 다른 시설에 위치된 제어 시스템의 하나 이상일 수 있다.

6. 적응형 전력 관리(Adaptive Power Management)

냉장 장비의 에너지 소비는 자본 장비의 중요한 동작 비용을 나타낸다. 이 에너지 소비를 줄이는 것이, 가능한 어느 것에서든 전력 소모를 줄이기 위한 바람직한 목표이다. 특히, 이용자 프로세스가 아이들(idle) 모드에 있을 때의 전력 소모의 이점은, 적은 이점을 제공하는 상대적으로 높은 비용일 수 있다.

이 우려를 다루기 위해, 전력 소모를 줄이는 몇 가지 방법이 본 발명의 실시예에 따라 제공된다. 임의의 전력 관리 계획에 있어서 중요한 것은, 전력 소모를 줄이기에 적절한 시간이 되는 시기를 판정하는 지능 제어기이다. 본 발명의 실시예에 따라 2가지 타입의 지능이 제공된다. 하나는 유닛이 아이들 모드로 되는 시기를 판정하는 것이다. 이 경우에, 시간 및/또는 시스템 온도의 조합에 기초하여 전력 절감이 구현된다. 다른 하나는, 냉각 시스템이 과도한 냉각(또는 가열) 능력을 갖게 되어, 필요한 용량을 여전히 제공하면서도 그 전력 소모를 줄일 수 있는 시기를 판정하는 것이다. 고려되는 4가지 방법은, 가변 속도 드라이브, 실린더 언로딩, 스크롤 언로딩, 및 2개 이상의 압축기의 병렬 사용이다.

본 발명의 실시예에 따르면, 유닛이 과도한 냉각 용량을 가질 때 압축기에 의해 소모된 전력을 줄이기 위해 저온칠러 전력 관리(Cryochiller Power Management)가 사용된다.

본 발명의 실시예에 따르면, 저온칠러 소프트웨어는 유닛 냉각 수요를 모니터링하고 유닛이 과도한 냉각 용량을 갖게 되는 시기를 판정한다. 냉각 용량이 과도하면, 실린더 언로더를 결합함으로써 전력 절감 옵션이 작동되어, 냉각 전력의 절감이 제공된다.

6.1 실린더 언로딩 (Cylinder Unloading)

본 발명의 실시예에 따르면, 3개의 실린더 헤드 중 하나의 입구가 차단되게 하는 솔레노이드가 작동된다. 이는 유동을, 예컨대 1/3만큼 줄이고, 예컨대 전력의 약 30%를 절감시킨다(전부하(full load) 상태일 때는, 낮은 부하에서 절전은 단지 약 10%임). 이 특징구성이 활성화되면 솔레노이드는 짧은 비율의 시간 동안 전원차단된다. 일례로서, 솔레노이드 밸브를 전원차단하는 간격은 매 시간 또는 매 4시간 또는 매일 10 내지 120초일 수 있다. 이는, 리드(reed) 밸브를 손상시킬 수 있는, 흡입 리드 밸브에 오일이 축적하는 것을 방지하기 위해 수행된다. 전용량(full capacity)이 필요할 때, 솔레노이드는 전원차단된다. 유저는, 실린더 언로더를 작동시키는 시기에 관한 시간 지연을 조절하고, 또한 이 특징구성을 전부 끄는 옵션을 갖는다. 시스템은, 하나의 모드에서 다른 모드로의 이행시, 예컨대 스탠바이 모드에서 냉각 모드로의 이행시와 같이, 추가의 냉각 용량이 필요해질 때, 자동으로 언로딩 모드를 나간다.

6.2 과도한 냉각 용량 조건(Excess cooling capacity conditions)

본 발명의 실시예에 따르면, 과도한 냉각 용량은 다음과 같이 판정된다:

· 스탠바이 모드에 있어서: 저온칠러는 스탠바이 모드에서 구성 가능한 기간(예컨대, 디폴트 20분) 이후에 이 절전 모드에 진입한다. 대안으로서, 시스템은 특정 시스템 온도가 충분히 낮은 온도까지 냉각될 때, 또는 빙결 방지 밸브의 듀티 사이클이 특정 듀티 사이클에 이를 때 스탠바이 모드에서 절전 모드에 진입한다. 하나 이상 결합된 극저온 냉장 시스템을 사용하는 시스템에 대해서는, 양 회로는 이 기간 동안 스탠바이 모드에 있어야 한다. 유닛은 스탠바이 모드에서 냉각 모드로의 이행시에 절전 모드를 나가도록 구성될 수 있다.

· 표준 냉각 모드에 있어서: 표준 냉각 모드는 냉각 설정점을 갖지 않는다. 이용자는 필요한 최소 온도를 구성점으로서 지정한다. 회로가 표준 냉각 모드에 있고, 복귀 온도가, 구성된 최소값보다 저온인 구성 가능한 양(예컨대, 디폴트 2℃)보다 높으면, 과도한 냉각 용량이 존재하는 것으로 판정된다. 전력 관리가 작동될 때 달성된 필요한 온도가, 결정되어 있는 한계를 초과하면, 시스템은 절전 모드를 나갈 수 있다.

· 냉각 밸브 온/오프에 의한 온도 제어된 냉각 모드에 있어서: 최후 몇 분간 냉각 밸브가 개방되는 시간의 비율이 구성 가능한 양(예컨대, 디폴트 75%)보다 적으면, 과도한 용량이 존재하는 것으로 판정된다.

· 비례제어 밸브에 의한 온도 제어된 냉각 모드에 있어서: 비례제어 밸브에 의한 온도 제어된 냉각 모드에 있어서는, 원하는 온도를 달성하기 위해 비례제어 밸브가 저온 냉매의 예열을 야기할 수 있는 냉매 가스를 제공하는 동안, 냉각 밸브는 상시 개방해서 저온 냉매를 제공한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 온도 제어 없이 과도한 냉각 용량을 판정하고, 과도한 냉각 용량이 존재하는 것으로 판정될 때 실린더 언로딩을 작동시키는 방법이 제공된다. 또한, 제어 밸브의 듀티 사이클을 관찰함으로써 온도 제어로 시스템이 과도한 냉각 용량을 갖는 시기를 판정하고, 과도한 냉각 용량이 존재하는 것으로 판정될 때 실린더 언로딩을 작동시키는 방법이 제공된다.

상기 예들은 시스템 용량의 단계적 변화를 초래하는 실린더 언로더의 사용을 나타낸다. 본 발명의 실시예에 따르면, 이는 하나의 실린더 또는 하나의 헤드의 수준에서 행해질 수 있다. 상기 예들에 있어서는, 3개의 헤드를 가진 6 실린더 압축기가 사용되었고, 이 경우에 33%까지 변위가 감소되는 하나의 전체 헤드가 언로딩되었다. 1 실린더(변위 1/6 감소), 3 실린더(50%) 등과 같은 다른 배치구조도 가능하다. 과도한 양의 냉각 용량에 기초하여 보다 큰 언로딩이 수행되도록, 언로딩의 범위가 변경되는 것도 바람직하다. 실린더들의 가변 언로딩을 달성하는 다른 방법은 언로더 밸브를 맥동 구동하는 것이다. 상기와 같은 맥동 방법은 제로(zero) 언로딩(언로더가 작동되지 않을 때)과 최대 언로딩(특정 실린더 또는 실런더 쌍에 대하여 언로딩이 지속적으로 작동될 때) 사이에 있는 정도의 언로딩을 달성하기 위해 사용될 수 있다.

6.3 가변 속도 및 스크롤 언로딩 방법(Variable speed and scroll unloading methods):

가변적인 언로딩 레벨을 달성하기 위한 다른 옵션들은 본 발명의 실시예에 따라 2가지 대안적인 방법을 사용하여 얻어질 수 있다.

한 가지 방법은 가변 속도 제어를 구현하는 것이다. 이 방법에 있어서는, 압축기 변위는 필요한 냉각 용량에 기초하여 지속적으로 변경될 수 있다. 통상적으로, 모터 속도는 증가된 압축기 변위를 초래할 수 있는, 정상보다 높은 레벨로 변경될 수 있다. 이 방법은 전기 모터에 의해 동작되는 모든 타입의 압축기에 적용될 수 있다.

대안적인 방법은 스크롤 압축기들로 특정된다. 이 방법에 있어서, 압축기의 스크롤들 사이의 간격은 유효 변위를 줄이기 위해 약간 변경된다. 적합한 스크롤 압축기들은 미국 오하이오주 시드니 소재의 Emerson Climate Technologies의 Copeland Scroll브랜드의 "디지털 스크롤(digital scrolls)" 및 "스크롤 울트라테크 압축기(Scroll Ultratech Compressors)"로서 시판되고 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 왕복식 압축기의 실린더 언로더들은 과도한 냉각 용량의 추정과 결합하여 사용된다. 또한, 상기와 같은 특징구성들은 혼합 가스 냉장 시스템에서 사용된다. 또한, 가변 속도 또는 스크롤 언로딩은 혼합 가스 냉장 시스템에서 사용될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 언로딩이 관련되는 혼합 가스 냉장의 요소는 혼합 냉매의 양호한 관리 및 양호한 열전달을 달성하기 위해 최소 속도를 유지해야할 필요성과 관계가 있다는 점을 인식해야 한다. 이는 언로딩의 정도가 과도해질 수 없음을 의미한다. 예컨대, 시스템이 용량의 10%까지 언로딩되었으면, 열교환기에서의 속도들은 지나치게 느려지게 되어, 결국 냉각 성능이 나빠진다. 이는 2가지 요인 때문이다. 첫 번째 요인은 열교환기들에서 유효해지는 충분한 속도들에 대한 필요성이다. 두 번째 요인은 액상 및 기상의 균질 유동을 달성할 필요성이다. 이는 기상 및 액상이 매우 상이한 냉매 조성을 갖기 때문에 혼합 가스 냉장 시스템에 있어서 중요하다.

6.4 다수의 병렬 압축기(Multiple Compressors in Parallel):

본 발명의 실시예에 따르면, 저온칠러 시스템이 병렬로 작용하는 다수의 압축기로 구성될 때, 하나 이상의 압축기를 꺼서 전력 소모를 줄일 수 있다. 이들 압축기는 동일한 또는 상이한 변위로 될 수 있다. 하나 이상의 압축기가 실린더 언로딩, 가변 속도 드라이브, 또는 스크롤 분리와 같은 그 자신의 전력 관리 능력을 갖추고 있다. 다수의 병렬 압축기를 갖춘 저온칠러의 전력 소모를 줄이기 위해, 적어도 하나의 압축기는 작업 상태를 유지하는 한편, 적어도 하나의 다른 압축기는 꺼지거나, 또는 감소된 변위로 동작된다. 이는 질량 유동량이 감소되게 하는 한편, 필요한 전력량이 감소되게 한다. 대안으로서, 작업 상태의 압축기는 감소된 변위 동작을 이용하는 한편, 적어도 하나의 다른 압축기는 꺼질 수 있다. 압축기들이 병렬로 동작중일 때에는, 각 압축기로의 적당한 오일 복귀를 보장하는 한편, 하나의 압축기가 꺼질 때 그것을 통해서는 역류가 발생할 수 없도록 하기 위해 주의를 기울여야 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 혼합 가스 냉매를 사용하는 극저온 냉장 시스템은, 시스템이 과도한 냉각 용량을 갖는 시기를 판정하고, 필요한 양의 냉각 용량을 부하에 전달하면서도 시스템의 압축기의 전력 소모를 줄임으로써, 그 전력 소모를 줄이도록 구성될 수 있다. 시스템은, (i) 압축기의 실린더 언로더를 결합하고; (ii) 압축기의 모터 속도를 변경하고; (iii) 스크롤 압축기의 스크롤 간격을 변경하고; (iv) 극저온 시스템이 하나 이상의 압축기를 병렬로 포함하는 경우에, 하나 이상의 압축기 중 제 1 압축기를 작업 상태로 유지하고, 하나 이상의 압축기 중 제 2 압축기를 끄거나, 또는 제 2 압축기를 감소된 변위로 동작시키도록 구성된 적어도 하나의 제어 모듈을 포함함으로써 전력 소모를 줄이도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 제어 모듈은, 부하로부터의 복귀 온도가 소정의 최소 온도보다 저온인 소정량의 온도차보다 높은지의 여부를 판정하는 것; 냉각 밸브가 개방되는 시간 비율을 모니터링하고, 시간 비율을 소정의 비율과 비교하는 것; 온도 제어 밸브가 개방되는 시간 비율을 모니터링하고, 시간 비율을 소정의 비율과 비교하는 것; 및 비례제어 밸브가 개방되는 양을 판정하는 것 중 적어도 하나에 의해, 극저온 냉장 시스템이 과도한 냉각 용량을 갖는 시기를 판정하도록 구성될 수 있다.

7. 웹 GUI 제어 인터페이스를 갖춘 저온칠러 ( Cryochiller with Web GUI Control Interface)

본 발명의 실시예에 따르면, 혼합 냉매를 사용하는 매우 낮은 온도의 냉장 시스템과 같은 저온칠러를 모니터링 및 제어하기 위해, 사용이 용이한 직관적인 그래픽 유저 인터페이스(GUI)가 제공된다. 구체적으로, 이 인터페이스는, 냉장 시스템이 유저가 인터넷 프로토콜 어드레스를 사용하여 액세스할 수 있는 웹페이지를 호스팅하는 서버로 되는, 웹 기반의 GUI이다. 이 인터페이스를 통해, 유저는 냉장 시스템을 모니터링 및 제어할 수 있다.

본 발명에 따른 실시예는 파라미터 값들을 입력하여 유닛 상태를 바꾸기 쉽게 만들어서 냉장 시스템의 사용의 용이성을 향상시킨다. 또한, 이는 구체적인 명령어를 학습할 필요 없이, 또한 특정 행위를 하는데 필요한 구체적인 파라미터값들을 알 필요 없이 행해질 수 있다. 오히려, 유저가 인 파라미터값들을 입력할 수 있고 그것들을 받아들이는 인터페이스의 사용의 용이성을 제공한다. 또한, 유닛의 제어 패널상의 인간 기계 인터페이스를 모방하는 실시간 모니터링 및 제어를 포함한다. 또한, 시스템에 의해 측정된 온도, 압력, 전압 및 다른 센서들에 대한 모든 값들을 제공한다. 모든 솔레노이드 작동 밸브들, 접촉기들 및 릴레이들의 로직 상태의 정보도 제공한다. 또한, 비례제어 밸브들의 위치 정보를 제공한다.

본 발명에 따른 실시예는 웹 기반의 액티브 서버 페이지(ASP; Active Server Page) 유저 인터페이스를 제공한다. 유저는 이더넷(Ethernet) 접속을 사용하거나, 웹 브라우저를 사용하는 등에 의해 네트워크를 통해 장치에 접속해서 액티브 서버 웹 페이지 세트를 통해 장치를 둘러보고 상호작용할 수 있다. 웹 GUI가 장치를 제어하게 되는 것이 바람직한 경우에는, 웹 인터페이스는 냉장 시스템의 다른 인터페이스에 의한 제어가 승인되어야 한다. 이 이더넷 기반의 GUI는, 예컨대 프로세서가 설치된 냉장 시스템의 운영 체제의 일부로서 제공될 수 있는 웹 서버에 의해 냉장 시스템 그 자체에서 호스팅된다. 일례로서, 인터페이스는 Win CE 플랫폼(미국 워싱턴주 레드몬드 소재의 Microsoft Corporation에 의해 시판되고 있는 윈도 운영 체제임)에서 동작된다. 이 예에 있어서, 이 인터페이스에 대한 지원은 운영 체제가 웹 서버 구성요소 및 액티브 서버 페이지 및 스크립팅 지원을 갖춘 Win CE IDE의 카탈로그 선택을 통해 구성될 것을 요구한다.

본 발명에 따른 실시예는 웹 브라우저를 통해 액세스 가능한 냉장 시스템용 GUI를 제공한다. 이들 웹 페이지를 통해, 유저는 유닛의 동작 또는 구성 또는 서비스에 대한 중요한 정보에 쉽게 액세스할 수 있다. 유효한 패스워드의 제출에 의해, 또한 시스템이 웹 GUI에 의해 원격 액세스를 허용하도록 구성되면, 유저는 냉장 시스템의 유닛 상태 및 핵심 제어 파라미터들을 수정할 수 있다. 종래의 저온칠러는 여러 가지의 단순한 전기 또는 전자 인터페이스에 의존했다. 이들은 24V 입력 또는 출력 신호를 사용하는 단순한 릴레이 로직을 포함하거나, 또는 RS-232, RS-485 또는 유사한 직렬 또는 병렬 표준 산업 인터페이스들에 의존했다. 이들 각각은 24V 신호들의 경우에서와 같은 사용자 지정 배선, 또는 표준 산업 인터페이스들의 경우에서와 같은 사용자 지정 명령 루틴들을 필요로 했다. 대조적으로, 본 발명의 실시예에 따른 웹 GUI는 사용자 지정 배선을 개발하거나 사용자 지정 프로그래밍을 필요로 하지 않고도 유저가 유닛을 원격으로 제어하는 수단을 제공한다.

도 7은 냉장 시스템의 유저 키 패드의 모사를 포함하는, 본 발명의 실시예에 따른 구현 웹 GUI에서의 홈페이지의 스크린 숏이다. 마우스를 이용한 웹 GUI와의 상호작용을 사용하여, 유저는 유닛 모드를 변경할 수 있다. 또한, 키 형상부들 위로 마우스 포인터를 가져가면, 스위치의 기능을 설명하는 버튼 또는 LED의 설명이 뜬다. 유닛에 대한 핵심 정보 및 그 전류 동작 상태와 함께, 고장의 경고 정보를 가진 박스들도 표시된다.

도 8은 모든 중요한 센세들 및 동작 모드 데이터의 개요를 제공하는, 본 발명의 실시예에 따른 구현 웹 GUI에서의 스테이터스 페이지의 스크린 숏이다.

도 9는 통신 프로토콜 정보 및 측정 정보 단위를 제공하는 한편, 각각의 선택을 허용하는, 본 발명의 실시예에 따른 구현 웹 GUI에서의 커뮤니케이션 페이지의 스크린 숏이다.

도 10은 냉장 시스템의 동작 모드들에 대한 정보를 제공하는 한편, 그 구성 선택을 허용하는, 본 발명의 실시예에 따른 구현 웹 GUI에서의 동작 모드 페이지의 스크린 숏이다.

도 11은 냉장 시스템의 중요한 제어 파라미터들에 대한 정보를 제공하는 한편, 그 선택을 허용하는, 본 발명의 실시예에 따른 구현 웹 GUI에서의 제어 페이지의 스크린 숏이다.

도 12는 패스워드를 입력함으로써 유저들이 서비스 특징구성들에 액세스하는 것을 허용하는, 본 발명의 실시예에 따른 구현 웹 GUI에서의 서비스 페이지의 스크린 숏이다.

여기에 도시된 스크린 숏들은, 본 발명에 따른 실시예의 가능한 구현에서 사용될 수 있으며, 웹 GUI의 능력을 나타내는 예들을 나타낸다. 다수의 다른 가능한 센서값들 및 제어 파라미터들이 표시될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따르면, 극저온 냉장 시스템의 제어기는 그 자신의 웹페이지를 그 GUI에 호스팅한다. 대안으로서, 원격 서버가 냉장 시스템으로부터 데이터를 수집하고, 웹 페이지 시스템을 호스팅해서 냉장 시스템의 GUI를 제공할 수 있다. 시스템이 그 자신의 웹페이지를 호스팅하는 경우에, 유저는 GUI를 통해 원격으로 시스템을 모니터링하는 것이 허용될 수 있지만, 유저가 시스템을 제어하는 것을 허용하기 위해 시스템의 다른 인터페이스가 구성되어 작동되는 경우에는, 시스템에 대한 제어만이 허용된다. 냉장 시스템의 제어 시스템 내의 프로세서는 냉장 시스템의 GUI의 웹페이지를 호스팅하는 운영 체제을 가동할 수 있다. GUI는 이더넷, 와이파이(WiFi) 또는 셀룰러 네트워크와 같은 다양한 여러 가능한 네트워크를 통해 액세스될 수 있다. GUI를 사용해서, 유저는 웹 페이지들을 둘러보거나, 유닛의 설정들(예컨대, 동작 모드)을 변경하거나, 제어 파라미터들의 값을 변경하거나, 또는 개별 명령들을 유닛에 송신할 수 있다. 유저는 유닛으로부터 데이터를 수신하거나, 또는 유닛에 명령들을 송신할 수 있다(GUI를 통해, 또는 분명한 명령을 네트워크를 통해 송신함으로써). 냉장 시스템은 그 자신의 웹 페이지를 가질 수 있으며, 및/또는 (압축기와 같은) 시스템의 개개의 구성요소들은 각각 인터넷 프로토콜 어드레스를 가진 그들 자신의 웹 페이지들을 가질 수 있다.

8. 제어 시스템; 컴퓨터 구현 시스템(Control Systems; Computer Implemented Systems)

본 발명의 실시예에 따르면, 여기에 기술된 다양한 기법들은 제어 시스템들을 사용하여 구현되고, 컴퓨터 구현 구성요소들을 포함할 수 있다.

도 13은 본 발명의 실시예에 따라 사용될 수 있는 제어 시스템의 간략화된 개략적인 블록 다이어그램이다. 여기에 기술된 제어 기법들은, 예컨대 하나 이상의 주문형 집적 회로(ASICs)(1382, 1383)를 포함할 수 있는 하나 이상의 프로세서(1381)를 포함하는 제어 모듈(1380); 제어 모듈(1380)의 하나 이상의 프로세서(1381)에서 가동되는 애플리케이션 소프트웨어; 여기에 기술된 시스템들에 결합되는 센서들로부터의 전자 신호를 제어 모듈(1380)에 전달하는 센서 라인들(1384, 1385)(예컨대, 온도 센서(1386)들 및 압력 센서(1387)들로부터의 센서 라인들); 및 여기에 기술된 시스템들 내부의 작동된 구성요소들에 전자 신호를 전달하는 액추에이터 라인들(1381-1383)(예컨대, 1381에서는 작동된 밸브들에, 1382에서는 하나 이상의 압축기에, 1383에서는 가변 주파수 드라이브 또는 다른 제어된 구성요소들에 전자 신호를 전달하는 액추에이터 라인들)과 같은 하드웨어를 사용하여 구현될 수 있다. 적어도 부분적으로는 공압식인 제어 하드웨어를 포함하는 다른 제어 하드웨어가 사용될 수 있음을 인식할 것이다. 또한, 본 발명에 따른 실시예들은, 예컨대 기존의 종래 유닛의 개조와 같은 분야에서, 기존의 종래 유닛들의 제어 시스템들을 수정함으로써 구현될 수 있음을 이해할 것이다.

본 발명의 상술한 실시예들의 부분들은, 예컨대 여기에 기술된 냉장 시스템들 및 관련 구성요소들에 대한 제어 기법들의 자동화된 구현을 허용하기 위해, 하나 이상의 컴퓨터 시스템을 사용하여 구현될 수 있다. 예컨대, 실시예들은 하드웨어, 소프트웨어 또는 그 조합을 사용하여 구현될 수 있다. 소프트웨어로 구현될 때, 소프트웨어 코드는, 단일의 컴퓨터에 제공되느냐, 또는 다수의 컴퓨터 사이에 분포되느냐에 따라, 임의의 적절한 프로세서에 대하여 또는 프로세서들의 집합에 대하여 실행될 수 있다.

또한, 컴퓨터는, 랙-마운트형 컴퓨터, 데스크톱 컴퓨터, 랩톱 컴퓨터, 또는 태블릿 컴퓨터와 같은, 다수의 형태 중 어느 하나로 구체화될 수 있음을 인식해야 한다. 부가적으로, 컴퓨터는, 휴대 정보 단말(PDA), 스마트 폰 또는 임의의 다른 적절한 휴대용 또는 고정식 전자 장치를 포함하는, 적절한 처리 능력을 갖지만 일반적으로 컴퓨터로서 간주되지 않는, 장치에 매립될 수 있다.

또한, 컴퓨터는 하나 이상의 입력 및 출력 장치를 구비할 수 있다. 이들 장치는, 여러 가지 중에서도, 유저 인터페이스를 나타내는데 사용될 수 있다. 유저 인터페이스를 제공하는데 사용될 수 있는 출력 장치들의 예는, 출력의 시각 표현을 위한 프린터 또는 디스플레이 스크린 및 출력의 가청 표현을 위한 스피커 또는 다른 음향 발생 장치를 포함한다. 유저 인터페이스에 사용될 수 있는 입력 장치들의 예는, 키보드와, 마우스, 터치 패드, 및 디지털화 태블릿과 같은 포인팅 디바이스를 포함한다. 다른 예로서, 컴퓨터는 음성 인식을 통해 또는 다른 가청 포맷으로 입력 정보를 수신할 수 있다.

상기와 같은 컴퓨터들은, 엔터프라이즈 네트워크 또는 인터넷과 같은, 로컬 에어리어 네트워크 또는 와이드 에어리어 네트워크를 포함하는, 임의의 적절한 형태의 하나 이상의 네트워크에 의해 상호접속될 수 있다. 상기와 같은 네트워크들은 임의의 적절한 기술에 기초할 수 있으며, 임의의 적절한 프로토콜에 따라 동작할 수 있고, 무선 네트워크, 유선 네트워크 또는 광섬유 네트워크를 포함할 수 있다.

또한, 여기에 설명된 다양한 방법들 또는 프로세스들은 다양한 운영 체제 또는 플랫폼 중 어느 하나를 채용하는 하나 이상의 프로세서에서 실행 가능한 소프트웨어로서 코딩될 수 있다. 부가적으로, 상기와 같은 소프트웨어는 다수의 적절한 프로그래밍 언어 및/또는 프로그래밍 또는 스크립팅 툴 중 어느 것을 사용하여 기입될 수 있으며, 프레임워크 또는 가상 기계에서 실행되는, 실행 가능한 기계 언어 코드 또는 중간 코드로서 컴파일링될 수 있다.

이 점에 있어서, 본 발명의 적어도 일부는, 하나 이상의 컴퓨터 또는 다른 프로세서에 의해 실행될 때, 상술한 본 발명의 다양한 실시예들을 구현하는 방법들을 수행하는 하나 이상의 프로그램으로 인코딩되는 컴퓨터 판독 가능한 매체(또는 다수의 컴퓨터 판독 가능한 매체)(예컨대, 컴퓨터 메모리, 하나 이상의 플로피 디스크, 콤팩트 디스크, 광 디스크, 자기 테이프, 플래시 메모리, 필드 프로그래머블 게이트 어레이 또는 다른 반도체 장치 내의 회로 구성, 또는 다른 유형(tangible) 컴퓨터 기억 매체)로서 실시될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 매체는, 거기에 저장된 프로그램 또는 프로그램들이 하나 이상의 상이한 컴퓨터 또는 다른 프로세서상에 로딩되어 상술한 바와 같이 본 발명의 다양한 양태를 구현할 수 있도록, 가반형 매체일 수 있다.

이 점에 있어서, 상술한 실시예들의 하나의 구현은, 프로세서상에서 실행될 때, 이들 실시예의 상술한 기능들 중 일부 또는 모두를 수행하는 컴퓨터 프로그램(예컨대, 복수의 명령어)으로 인코딩된 적어도 하나의 컴퓨터 판독 가능한 매체를 포함한다는 것을 인식해야 한다. 여기에 사용된, "컴퓨터 판독 가능한 매체(computer-readable medium)"라는 용어는 기계 또는 제품(즉, 제조품)으로 간주될 수 있는 컴퓨터 판독 가능한 매체만을 포함한다. 컴퓨터 판독 가능한 매체는, 에컨대 컴퓨터 판독 가능한 정보가 인코딩 또는 저장될 수 있는 유형 매체, 컴퓨터 판독 가능한 정보가 인코딩 또는 저장될 수 있는 기억 매체, 및/또는 컴퓨터 판독 가능한 정보가 인코딩 또는 저장될 수 있는 비일시적 매체일 수 있다. 컴퓨터 판독 가능한 매체의 다른 비포괄적인 예들은, 컴퓨터 메모리(예컨대, ROM, RAM, 플래시 메모리, 또는 다른 타입의 컴퓨터 메모리), 자기 디스크 또는 테이프, 광 디스크, 및/또는 기계 또는 제품으로 간주될 수 있는 다른 타입의 컴퓨터 판독 가능한 매체를 포함한다.

"프로그램(program)" 또는 "소프트웨어(software)"라는 용어는, 여기서는 상술한 바와 같이 본 발명의 다양한 양태를 구현하기 위해 컴퓨터 또는 다른 프로세서를 프로그래밍하는데 사용될 수 있는 임의의 타입의 컴퓨터 코드 또는 컴퓨터 실행 가능한 명령어 세트를 의미하는, 일반적인 의미로 사용된다. 부가적으로, 본 실시예의 일 양태에 따라, 실행시에 본 발명의 방법들을 수행하는 하나 이상의 컴퓨터 프로그램은, 단일의 컴퓨터 또는 프로세서에 상주할 필요는 없고, 본 발명의 다양한 양태를 구현하기 위해 다수의 상이한 컴퓨터 또는 프로세서 안에서 모듈식의 형태로 분포될 수 있다는 것을 인식해야 한다.

컴퓨터 실행 가능한 명령어들은, 하나 이상의 컴퓨터 또는 다른 장치에 의해 실행된 프로그램 모듈과 같은 다양한 형태로 될 수 있다. 일반적으로, 프로그램 모듈들은 특정 태스크들을 수행하거나 또는 특정 추상 데이터 타입들을 구현하는 루틴, 프로그램, 객체, 구성요소, 데이터 구조 등을 포함한다. 통상적으로, 프로그램 모듈들의 기능은 다양한 실시예에서 요망되는 대로 결합되거나 분산될 수 있다.

여기에 인용된 모든 특허, 공개된 출원 및 참증의 교시는 전부 여기에 참조로 포함된다.

본 발명이 그 예시적인 실시예들을 참조로 특별히 도시 및 기술되었지만, 당업자라면, 특허청구범위에 포함되는 본 발명의 범위로부터 일탈함이 없이 그 안에서 형태 및 세부사항의 다양한 변경이 이루어질 수 있음을 이해할 것이다.

Claims (104)

1. 극저온 냉장 시스템의 작동 방법으로서,
   하향 유동하는 냉매 스트림의 속도가 상기 극저온 냉장 시스템의 냉각 작업 동안 적어도 0.1 m/s로 유지되는, 경납땜된(brazed) 플레이트형 열교환기의 적어도 하나의 유동 통로를 통해 냉매 스트림을 하향으로 유동시키는 단계로서, 상기 하향 유동하는 냉매 스트림은 상기 극저온 냉장 시스템의 고압 유동을 포함하는, 냉매 스트림을 하향으로 유동시키는 단계; 및
   상향 유동하는 냉매 스트림의 속도가 상기 극저온 냉장 시스템의 냉각 작업 동안 적어도 1 m/s로 유지되는, 상기 경납땜된 플레이트형 열교환기의 적어도 하나의 추가의 유동 통로를 통해 냉매 스트림을 상향으로 유동시키는 단계로서, 상기 상향 유동하는 냉매 스트림은 상기 극저온 냉장 시스템의 저압 유동을 포함하는, 냉매 스트림을 상향으로 유동시키는 단계;를 포함하고,
   상기 극저온 냉장 시스템 내의 가장 낮은 온도의 열교환기는 17 인치 이상 48 인치 이하의 길이를 갖는,
   극저온 냉장 시스템의 작동 방법.
   
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3. 제 1 항에 있어서,
   상기 경납땜된 플레이트형 열교환기의 헤더는 헤더를 통해 유동하는 냉매의 액체 및 가스 부분들을 분배시키는 인서트를 포함하는,
   극저온 냉장 시스템의 작동 방법.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   흡입 라인 어큐뮬레이터를 사용하여, 상기 극저온 냉장 시스템의 가장 높은 온도의 열교환기를 나가는 저압 냉매 스트림으로부터 액체 냉매를 분리시키는 단계를 더 포함하는,
   극저온 냉장 시스템의 작동 방법.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 극저온 냉장 시스템은 냉장 듀티 압축기를 포함하는,
   극저온 냉장 시스템의 작동 방법.
   
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 압축기는 왕복형 압축기를 포함하는,
   극저온 냉장 시스템의 작동 방법.
   
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 압축기는 반밀폐형 압축기(semihermetic compressor)를 포함하는,
   극저온 냉장 시스템의 작동 방법.
   
8. 제 1 항에 있어서,
   상기 상향 유동하는 냉매 스트림의 속도는 상기 극저온 냉장 시스템의 냉각 작업 동안 적어도 2 m/s로 유지되는,
   극저온 냉장 시스템의 작동 방법.
   
9. 삭제
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 시스템 내의 가장 낮은 온도의 2개의 열교환기 각각은 17 인치 이상 48 인치 이하의 길이를 갖는,
    극저온 냉장 시스템의 작동 방법.
    
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 시스템 내의 가장 낮은 온도의 3개의 열교환기 각각은 17 인치 이상 48 인치 이하의 길이를 갖는,
    극저온 냉장 시스템의 작동 방법.
    
12. 제 1 항에 있어서,
    상기 시스템 내의 적어도 하나의 열교환기는 2.5 인치 내지 3.5 인치의 폭 및 17 인치 내지 24 인치의 길이를 갖는,
    극저온 냉장 시스템의 작동 방법.
    
13. 제 1 항에 있어서,
    상기 시스템 내의 적어도 하나의 열교환기는 4.5 인치 내지 5.5 인치의 폭 및 17 인치 내지 24 인치의 길이를 갖는,
    극저온 냉장 시스템의 작동 방법.
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