극저온 혼합 냉매 시스템을 위한 온도 제어 및 동결 방지 방법 document_id A220623025892

신뢰가능한 밀봉형 냉각 시스템이 개발된 1900년대 초부터 냉각 시스템이 존재하여 왔다. 그때부터, 냉각 기술을 개선하여 가정용 및 산업용 모두에서 활용성을 높여 왔다. 특히, 저온 냉각 시스템은 현재 의생물학 분야, 저온전자(cryoeletronics), 코팅 작업, 및 반도체 제조 분야에서의 산업적 기능을 제공하고 있다. 많은 주요 분야, 특히 산업적 제조 및 테스트 분야에서 온도가 183 K(-90℃) 미만인 냉각을 필요로 하고 있다. 본 발명은 183 K 내지 65 K(-90℃ 내지 -208℃) 온도의 냉각을 제공하는 냉각 시스템에 관한 것이다. 이러한 범위 내의 온도는 저온, 극저온, 및 초저온 등으로 다양하게 지칭되고 있다. 본 출원의 목적상, "극저온(very low)" 또는 "극저온 온도"이라는 용어는 183 K 내지 65 K(-90℃ 내지 -208℃)의 온도를 의미하는 것으로 사용될 것이다. 진공 조건하에서 실시되고 극저온 냉각 시스템과 통합되는 많은 제조 프로세스들에서, 특정 프로세싱 단계들에서 급속 가열이 요구된다. 이러한 가열 프로세스는 일반적으로 제상(defrost) 사이클로 지칭된다. 가열 프로세스는 증발기 및 연결 냉각 라인들을 상온으로 온도를 높인다(warm). 그에 따라, 공기중으로부터의 수분이 시스템의 해당 부분들에서 응축되지 않게 하면서, 그 시스템의 해당 부분들에 접근할 수 있게 되고 대기로 환기시킬 수 있게 된다. 전체 제상 사이클 및 후속하는 극저온의 재개(resumption)에 필요한 시간이 길어질수록, 제조 시스템의 생산량이 감소된다. 진공 챔버내에서의 저온표면(cryosurface)(증발기)의 신속한 제상 및 신속한 냉각 재개를 가능하게 하는 것은 진공 프로세스의 생산량 증대에 있어서 유리하다. 또한, 긴 시간 동안 증발기를 통한 고온 냉매의 유동을 제공하는 것이 바람직한 프로세스들도 다수 있을 것이다. 이러한 분야에서의 목적을 위해서, 본원 명세서에서는 이러한 것을 "베이크아웃(bakeout)" 작업이라 한다. 베이크아웃 작업을 이용하는 시스템의 예가 미국특허 제 6,843,065 호에 개시되어 있으며, 그 특허는 본 명세서에 참조된다. 냉매에 의해서 교호적으로 가열되고 냉각되는 부재들이 큰 열질량(thermal mass)을 가지는 경우에, 그리고 시간 함수로서의 온도 응답이 약 1 내지 5분 보다 긴 경우에, 베이크아웃 작업이 유리하다. 그러한 경우에, 모든 표면에서 원하는 최소 온도에 도달할 때까지 열 전도가 일어날 수 있도록, 고온 냉매의 길어진(prolonged) 유동이 요구된다. 또한, 진공 챔버 내의 일반적인 공정은 챔버 내의 표면들이 고온, 통상적으로 150℃ 내지 300℃까지 가열되는 모드이다. 그러한 고온은 냉매에 의해서 냉각되고 가열되는 부재를 포함하는 챔버내의 모든 표면으로 복사될 것이다. 부재를 통한 냉매 유동이 발생되지 않을 때 부재내의 냉매 및 잔류하는 압축기 오일 잔류물이 그러한 고온에 노출되는 것은 냉매 및/또는 오일의 결과적인 분해와 함께 잔류 냉매의 과열 위험을 유발한다. 그에 따라, 챔버가 가열되는 동안에, 고온(통상적으로, 80 내지 120℃) 냉매의 계속적인 유동을 제공하는 것은 냉매 및 오일의 온도를 제어하고 발생될 수 있는 분해를 방지한다. 그러한 극저온 냉각을 필요로 하는 진공 프로세스가 많이 있을 것이다. 주요 용도는 진공 시스템을 위한 수증기 극저온 펌핑(cryopumping)을 제공하는 것이다. 극저온 표면은 수증기 분자를 방출하는 것 보다 상당히 빠른 속도로 수증기를 포획하고 유지한다. 순수 효과는 챔버의 수증기 부분압을 신속하고도 상당히 감소시킨다는 것이다. 이러한 수증기 극저온 펌핑 프로세스는 반도체 소자, 금속화된(metallized) 부품, 광학적 반사장치, 전자 저장 매체를 위한 진공 코팅 분야 등에서의 많은 물리 기상 증착에서 매우 유용하다. 또한, 이들 프로세스는 냉동 건조 작업에서 생물학적 제품 및 식품으로부터 습기를 제거하기 위해서 이용될 수 있다. 다른 분야로서 열적 복사 차폐를 포함한다. 이러한 분야에서, 대형 패널들이 극저온으로 냉각된다. 이들 냉각된 패널들은 진공 챔버 표면 및 히터로부터 열이 복사되는 것을 차단한다. 이는, 패널의 온도보다 낮은 온도까지 냉각되는 표면에서의 열적 부하(load)를 감소시킬 수 있다. 또 다른 분야는 제조되는 객체(object)로부터 열을 제거하는 분야이다. 일부 분야에서, 객체는 컴퓨터 하드 드라이브용 알루미늄 디스크, 반도에 소자의 제조를 위한 실리콘 웨이퍼, 또는 평판 디스플레이를 위한 플라스틱 또는 유리와 같은 물질이다. 이들 경우에, 비록 프로세스 단계의 마지막에 객체의 최종 온도가 상온 보다 높을 수 있더라도, 극저온은 이들 객체로부터 열을 보다 신속하게 제거하기 위한 수단을 제공한다. 또한, 하드 디스크 드라이브 매체, 실리콘 웨이퍼, 또는 평판 디스플레이 물질, 또는 다른 기판을 포함하는 일부 분야는 이들 객체들 상에 물질을 부착시키는 것을 포함한다. 그러한 경우에, 부착의 결과로서 객체로부터 열이 방출되고, 그러한 열은 객체가 미리 규정된 온도 범위 이내에서 유지될 수 있도록 반드시 제거되어야 한다. 플래튼(platen)과 같은 표면의 냉각은 그러한 객체로부터 열을 제거하는 통상적인 수단이다. 이러한 모든 경우에서, 냉각 시스템과 냉각되고 있는 객체 사이의 인터페이스는 증발기에 이르며, 상기 증발기에서는 냉매가 극저온에서 객체로부터 열을 제거한다. 극저온의 다른 용도들은 생물학적 유체 및 조직의 저장에서 그리고 화학 및 의약 관련 프로세스에서 반응 속도를 제어하는 것을 포함한다. 추가적인 다른 용도는 물질의 특성을 제어하기 위해서 금속 또는 다른 물질의 처리시에 극저온을 이용하는 것을 포함한다. 또 다른 용도는, 비제한적인 예로서, CCD 카메라, X-선 탐지기, 감마선 탐지기, 기타 핵 입자 및 방사선 탐지기를 포함하는 다양한 프로세스로부터 열을 제거하는 것을 포함한다. 또 다른 용도는 가스 색층 분석(chromatography), 시차주사열량계법(Differential Scanning Calorimetry), 질량분석법(Mass spectrometer), 그리고 다른 유사 용도를 포함하는 실험적인 용도를 포함한다. 또한, 극저온 냉각은, 예를 들어 질소 액화, 산소 액화, 다른 가스의 액화, 및 다양한 용도를 위한 가스의 냉각에서와 같이, 가정용 및 산업용 가스 및 액체의 응축 및 냉각에서도 이용된다. 이들 용도의 일부는, 부탄 냉각, 화학적 프로세스에서의 가스 온도 제어 등을 포함한다. 역사적으로, 종래의 냉각 시스템은 염화(chlorinated) 냉매를 이용하여 왔으며, 그러한 냉매는 오존층 파괴에 기여하는 것으로 알려져 있고 또 환경에도 해롭다고 알려져 있다. 따라서, 계속적으로 높아지고 있는 환경 규제는 냉각 산업을 염화플루오르화탄소(CFCs)로부터 수소화염화불화탄소(hydrochlorofluorocarbons; HCFCs)로 이동시켰다. 몬트리올 의정서의 규정은 HCFCs의 단계적 사용중단을 요구하고 있고, 유럽연합은 2001년 1월 1일자로 냉각 시스템에서의 HCFCs의 사용을 금지하고 있다. 그에 따라, 대체 냉매 혼합물의 개발이 요구되고 있다. 수소화불화탄소(HFC) 냉매가 우수한 후보이며, 그 냉매는 난연성이고 독성이 적으며 상업적으로도 이용가능하다. 종래의 극저온 시스템은 오일의 취급(manage)을 위해서 가연성 성분을 이용하였다. 염화 냉매를 이용하는 극저온 시스템에서 이용되는 오일은 가압되었을 때 상온에서 액화될 수 있는 고온 비등 성분(warmer boiling components)을 가지고 양호한 혼화성(miscibility; 混和性)을 가진다. R-23과 같은 저온 비등 HFC 냉매는 이러한 오일들과 혼화되지 않으며 냉각 프로세스의 보다 저온인 부분과 만나기 전까지는 용이하게 액화되지 않는다. 이러한 비혼화성(immiscibility)은 압축기 오일의 분리 및 동결을 초래하며, 이는 다시 튜브, 스트레이너, 밸브 또는 스로틀 밸브 장치의 막힘으로 인한 시스템 고장을 초래할 수 있다. 이러한 저온에서 혼화성을 부여하기 위해서, 통상적으로 에탄이 냉매 혼합물에 첨가된다. 불행하게도, 에탄은 가연성이고, 소비자 접근을 제한할 수 있고 설비 요건, 비용, 및 시스템 제어를 위한 추가적인 요건이 추가적으로 요구될 수 있다. 그에 따라, 에탄 또는 기타 가연 성분의 제거가 바람직하다. 전술한 바와 같은 냉각 시스템은 냉매 혼합물로부터의 동결이 발생하지 않는 냉매의 혼합물을 요구한다. 냉각 시스템에서의 "동결" 조건은, 하나 이상의 냉매 성분, 또는 압축기 오일이 고체가 되거나 유동하지 않는 점도까지 극히 높은 점성을 가질 때, 발생된다. 냉각 시스템의 정상 작동 중에, 흡입 압력은 온도가 감소됨에 따라 낮아진다. 동결 조건이 생성된다면, 흡입 압력이 강하될 것이고, 심지어는 포지티브 피드백(positive feedback)을 더욱 생성하고 그리고 온도를 더욱 낮추어서, 보다 많은 동결을 초래할 수 있다. 혼합 냉매식 냉각 시스템에서 동결을 방지할 것이 요구된다. 이용가능한 HFC 냉매는 HCFC 및 대체되는 CFC 냉매 보다 높은 어는점을 가진다. 동결과 관련한 이들 냉매 혼합물의 한계값이 미국 특허출원 제 09/886,936 호에 개시되어 있다. 전술한 바와 같이, 탄화수소의 이용은 가연성으로 인해서 바람직하지 못하다. 그러나, 가연성 성분의 제거는 동결과 관련하여 추가적인 문제점을 유발할 수 있는데, 이는 가연성 탄화수소 냉매 대신에 사용될 수 있는 HFC 냉매가 통상적으로 더 높은 온도의 어는점을 가지기 때문이다. 통상적으로, 냉각 시스템에 대한 외부 열적 부하(external thermal load)가 매우 낮아지기 시작할 때 동결이 발생된다. 몇몇 극저온 시스템은 가장 낮은 온도의 고압 냉매의 일부를 취하고 그 냉매의 일부를 이용하여 고압 냉매를 냉각시키는 서브쿨러(subcooler)를 이용한다. 이는, 상기 냉매의 일부분을 팽창시키고 그것을 이용하여 서브쿨러의 저압측으로 공급함으로서 달성된다. 그에 따라, 증발기로의 유동이 중단되었을 때, 내부 유동 및 열 전달이 계속되어 고압 냉매가 점진적으로 저온이 될 수 있게 허용한다. 이는 다시 서브쿨러로 유입되는 팽창된 냉매의 낮은 온도를 초래한다. 전체 시스템의 디자인, 시스템의 저온부(cold end)에서 순환되는 냉매 성분, 그리고 시스템의 작동 압력에 따라서, 동결 온도를 달성할 수 있다. 동결 조건에 대한 여유(margin)가 제공되어야 하기 때문에, 동결 조건이 결코 발생되지 않도록 전체 시스템이 디자인될 것이고 그에 따라 결과적인 냉각 디자인이 제한될 것이다. 수소화불화탄소(HFCs)를 냉매로 이용할 때의 또 다른 문제점은, 이들 냉매가 알칼리벤젠 오일과 혼합될 수 없다는 것이고, 그에 따라 폴리에스터(POE)(1998 ASHRAE Refrigeration Handbook, chapter 7, page 7.4, American Society of Heating, Refrigeration and Air Conditioning Engineers 참조) 압축 오일이 HFC 냉매와 양립가능하도록(compatible) 사용된다. 극저온 시스템에 있어서 적절한 오일의 선택이 필수적인데, 이는 오일은 양호한 압축기 윤활을 제공할 뿐만 아니라, 극저온에서 냉매와 분리되어 동결되지 않아야 하기 때문이다. 미국 특허출원 제 09/894,964 호에는 극저온 혼합형 냉매 시스템에서의 동결 방지 방법에 개시되어 있으며, 이러한 특허는 본 명세서에서 참조하고 있다. 비록 이러한 방법이 시스템에 있어서 효과적인 것으로 입증되었지만, 그러한 방법은 필요한 제어를 제공할 수는 없었다. 이는, 동결 방지를 위해서 상류 저압 냉매의 압력을 높이는 밸브를 이용하는 것이 시스템의 냉각 성능을 감소시키기 때문이다. 이러한 공지된 밸브는 수동적으로 조정되어야 하며, 다양한 작동 모드(즉, 저온, 제상, 대기(standby, 및 베이크아웃)의 요구에 따라 수동적으로 조정하는 것은 실용적이지 못하다. 일반적으로, 많은 수의 바이패스 방법들이 종래의 냉각 시스템에서 채용되었었다. 통상적으로 -40℃ 또는 그보다 높은 온도에서 작동되는 이들 시스템들은 단일 냉매 성분, 또는 단일 냉매 성분과 유사하게 거동하는 비등점이 근접한 냉매들의 혼합물을 채용한다. 그러한 시스템에서, 제어 방법은 포화된 냉매 온도와 포화된 냉매 압력 사이의 응답(correspondence)을 이용한다. 이러한 응답의 특성에 따라서, 단일 냉매 성분에서, 2-상(相) 혼합물(액체상 및 기체상)이 존재할 때, 냉매의 온도 또는 압력 중 나머지 하나를 알기 위해서는 냉매의 온도 또는 압력만을 특정하면 된다. 일반적으로 채용되는 비등점들이 유사한 혼합형 냉매 시스템의 경우에, 이러한 온도 압력 응답으로부터의 약간의 편차가 발생하나 그러한 냉매는 단일 성분 냉매와 유사한 방식으로 거동하고 취급된다. 본 명세서에 개시된 본원 발명은 비등점들이 큰 차이를 보이는 혼합형 냉매를 채용하는 극저온 냉각 시스템에 관한 것이다. 통상적인 혼합은 100 내지 200℃ 만큼 상이한 비등점을 가질 것이다. 본 명세서에 기재된 목적을 위해서, 극저온 혼합형 냉매 시스템(VLTMRS)는 정상 비등점이 50℃ 이상 차이나는 둘 이상의 성분들을 가지는 혼합형 냉매를 채용하는 극저온 냉각 시스템을 의미한다. 그러한 혼합물의 경우에, 단일 냉매 성분으로부터의 편차가 상당히 커서 포화 온도와 포화 압력 사이의 응답은 보다 복잡하게 된다. 큰 비등점 차이로 인해 이들 성분이 서로 상당히 상이하게 거동한다는 사실 그리고 이러한 추가적인 성분들에 의해서 제공되는 추가적인 자유도의 수(number of degrees) 때문에, 냉매 혼합물 조성, 액체 분율(fraction) 및 온도(또는 압력)는 압력(또는 온도)이 결정될 수 있도록 특정되어야 한다. 그에 따라, 종래의 단일 냉매 또는 단일 냉매와 유사한 거동의 혼합물들로부터의 제어 방법은 종래의 시스템에서와 동일한 방식으로 극저온 혼합형 냉매 시스템에 적용될 수 없을 것인데, 이는 온도-압력 응답에 있어서의 차이 때문이다. 개략적인 설명에서는 유사하지만, 이들 장치를 극저온 혼합형 냉매 시스템에 적용하는 것은 압력 온도 응답에서의 편차로 인해서 종래 기술에서와 다를 것이다. 간단한 예로서, 종래의 냉각 시스템 제어는 응축기 온도의 제어가 배출 압력을 제어할 것이라는 사실에 매우 크게 의존한다. 그에 따라, 응축기 온도를 제어하는 제어 밸브가 증발기 상의 열적 부하 또는 작업의 모드에 관계 없이 매우 예측가능한 방식으로 배출 압력을 제어할 것이다. 대조적으로, 비등점이 크게 다른(widely spaced) 성분들을 이용하는 극저온 혼합형 냉매 시스템은, 작업 모드 및 증발기 부하에서의 변화로 인해서, 심지어는 순환되는 혼합물 및 응축기 온도가 변화되지 않은 경우에도, 압축기 배출 압력의 큰 변화를 경험할 것이다. 그에 따라, 본 발명을 구현하는 도시된 실시예들 중 일부가 종래의 냉각에서 실행되는 것과 유사한 것으로 생각될 수 있을 것이다. 종래 기술의 제어 방법에 대한 개략적인 설명이 'Chapter 45 of the 2002 edition of the Refrigeration Volume of the ASHRAE handbook'에 기재되어 있다. 적용분야(application)가 상이한 압력-온도 특성을 가지는 냉매를 포함한다는 점, 보다 구체적으로, 이들 냉매가 종래의 냉매에서 그러했던 것과 같이 결정된 압력 온도 응답을 가지지 않는다는 점에서, 본 발명의 시스템은 종래 기술의 시스템과 상이하다. 그에 따라, 제어 성분들과 냉매의 상호 작용이 상이하다. 내부 응축물 바이패스를 채용하는 극저온 혼합형 냉매 시스템이 Forrest 등에게 허여된 USP 4,763,486에 개시되어 있다. 이러한 방법에서, 프로세스에서의 다양한 상 분리기로부터의 액체 냉매가 증발기의 유입구로 바이패스된다. 서술된 이러한 방법의 목적은 증발기 냉각의 온도 및 용량 제어를 제공하고, 그리고 시스템의 안정된 작동을 제공하는 것이다. 규정된 바와 같이, 이러한 방법은 약간의 냉각 레벨을 제공하기 위해서 증발기를 통해서 냉매를 유동시킬 것을 필요로 한다. 대기 모드 또는 베이크아웃 모드에 대해서는 언급이 없으며, 개시된 방법이 대기 모드 또는 베이크아웃 모드에서 사용될 수 없다는 것을 명확하게 도식적으로 나타내고 있다. 이러한 발명은 다양한 개체수의 상 분리기를 구비하는 시스템을 시동하기 어렵다는 것을 설명한다. 이 특허 시점 이후에, 상 분리기의 개체수가 변화된, 전체적인 또는 부분적인(full or partial) 분리기였던 상 분리기들을 구비하는, 그리고 상 분리기들이 없는, 극저온 혼합형 냉매 시스템의 많은 변화가 있었다. 이러한 시스템들은 Forrest 등의 발명을 이용하지 않고 성공적으로 작동되었다. Forrest 등의 발명에 의해서 방지되는 조건들이 냉매의 적절한 2-상 유동을 지원하기 위한 최소 유동율을 극저온 혼합형 냉매 시스템이 필요로 한다는 사실과 관련될 수 있을 것이다. 적절한 유동 없이는, Forrest 등의 발명에 의해서 회피되는 징조(symptom)가 예상될 수 있을 것이다. 또한, Forrest 등의 발명은 배출 라인 오일 분리기를 이용하지 않는다. 극저온 혼합형 냉매 시스템에서 압축기 오일이 유동 통로의 막힘을 초래할 수 있다는 것 그리고 Forrest 등의 발명이 피하고자 하는 타입의 징조를 초래할 수 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 현재의 출원은 프로세스에서 냉매의 동결을 방지한다. 통상적으로, 종래의 냉각 시스템들이 본 명세서에 개시된 극저온 혼합형 냉매 시스템에서 이용되는 냉매의 어는점 보다 높은 온도 또는 50℃에서 작동되기 때문에, 동결이 일반적인 관심 사항이 아닌 종래의 냉각 시스템에서와 달리, 동결이 중요한 관심 사항이 된다.