極低溫混合制冷劑系統的凍析預防和溫度控制的方法技術方案

通過使用受控旁路流動，預防制冷劑凍析并控制溫度，受控旁路流動導致制冷系統中最低溫制冷劑溫度變高，制冷系統通過使用包括至少兩種制冷劑的制冷劑混合物得到極低溫度，這兩種制冷劑具有差別至少５０℃的沸點。這種控制能力使極低溫系統的可靠運行成為可能。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術是關于采用 一種制冷劑的節流膨脹而產生制冷效果 的過程。
技術介紹
當可靠密去于制冷系統形成時，從20世紀初開始，制冷系統 就已經存在。從那時起，制冷技術的改善已經證明其在家庭和工 業中的效用。尤其，低溫制冷系統在生物制藥領域、低溫電子元 件學、涂漬操作、和半導體生產領域中提供必要的產業化功能。有^^午多應用，尤其工業生產和測試應用，需要在4氐于183 K (-90 。C)溫度下制冷。本專利技術涉及在183 K至65K(-90。C至-208 GC)之間溫度下提供制冷。包括在該范圍中的溫度統稱為低的、 超低的和低溫的。為了該應用目的，術語"極低"或"極低溫"將用 于意指183K至65K(-90。C至-208 。C)的溫度范圍。在真空條件下操作并與及低溫制冷系統相結合的許多生產 過程中，某加工步驟中要求快速加熱。加熱過程通常統稱為除霜 循環。加熱過程〗吏蒸發器和連接制冷劑管路加熱至室溫。在沒有 引起這些部分中空氣中水分冷凝的情況下，這能夠使該系統的這 些部分被接入并被排放到大氣中。整個除霜循環和繼之恢復生成 極低溫度越長，生產系統的處理量就越低。在真空容器內快速除 霜并且快速恢復冷凝面(蒸發器)的冷卻有利于提高真空過程的 處理量。此外，有許多過程想要熱制冷劑流過蒸發器一段延長時間。 為該應用，我們通常稱之為"烘干，1喿作。 一種采用烘干4喿作的系 統的實施例在美國專利No.6，843,065中找到，通過引述合并于本 文中。當元件經具有較大熱質的制冷劑交替加熱和冷卻時，烘烤 才喿作是有利的，并且耳又決于溫度的溫度反應比約1至5分鐘時間 更長。在這種情況下，延長高溫制冷劑的流動需要使用熱導直至 所有表面達到預期最小溫度。此外，真空室的普通程序是容器中 的表面加熱至高溫的才莫式，通常為150QC至300 。C。這種高溫 將向容器中的所有表面輻射，包括經制冷劑冷卻和加熱的元件。當沒有制冷劑流經元件時，將制冷劑和元件中 一些剩余壓縮機油 接觸這種高溫存在制冷劑過熱而使制冷劑和/或這種油隨之發生 分解的風險。因此，提供連續流動的高溫制冷劑(通常80 。C至120 °C),同時容器被加熱，控制制冷劑和油的溫度并預防任何可能 的分解。存在許多具有低溫冷卻要求的真空過程。主要利用水汽〗氐溫 抽氣用于真空系統。極低溫表面以比水蒸汽分子被釋放速率更高 的速率捕獲和容納水蒸汽分子。該凈效應快速并顯著性降低了容 器水蒸汽分壓。水蒸汽低溫抽氣過程非常有利于電存儲介質、光 反射鏡、零件金屬化、半導體設備等真空鍍膜工業中許多物理蒸 汽沉積過程。該過程也用于在冷凍干燥操作中除去食品和生物制 品中的濕氣。其4也的應用涉及熱輻射防護層。在這種應用中，4交大平柘j皮冷卻至極低溫度。這些冷卻平板阻止真空室表面和加熱器中的輻另一個應用是除去人造物體上的熱。在一些應用中，該物體是計 算機硬盤的鋁盤，用于半導體設備生產的硅片，或者一種材料如 用于平板顯示器的玻璃或者塑料。在這些情況下，極低溫度4是供 了更迅速A人這些物體上除去熱的方法，即^吏工序結尾的物體最終 溫度可能比室溫更高一些。此外，涉及硬盤驅動器、硅片、或者平板顯示器材料、或其 他基體的一些應用涉及將物質沉積在這些物體上。在這種應用 中，由于沉積，熱/人物體釋》文出來，并且當維4寺物體溫度在先前 描述的溫度范圍內時，這種熱一定^皮除去。冷卻l象滾筒的表面是 除去來自這種物體中的熱的典型方法。在這些應用中，制冷系統 和被冷卻物體之間的界面被冷卻在蒸發器中進行，在蒸發器中， 制冷劑從極低溫度的物體中除去熱。極低溫度的其他應用包括生 物體液和組織的儲藏和化學和制藥過程中反應速率的控制。另外的應用包括用在金屬處理和控制材料性質的其他材料 中的利用極低溫度。然而另外的應用包括多種過程中的熱去除，包括但不限于CCD照相機、X-射線檢測器、Y射線檢測器、和其他的核顆粒和輻射才企測器。其他應用還包括設備應用，包括氣相 色i普、差示掃描量熱4義、質謂4義、和其4也類似應用。極低溫制冷劑也用在家用和工業氣體和液體的冷凝和冷卻 中，例如在氮氣液化、氧氣液化、其他氣體液化、和用于更多應 用中的氣體的冷卻。這些應用中的一些包4舌丁烷制冷、化學過禾呈 中氣體溫度的控制，等等。傳統制冷系統長久以來利用的是氯化制冷劑，這種制冷劑已 經確定對環境有害并且已知助于臭氧損庫毛。因此，日益限制性環境A見則已經強迫制冷劑工業不4吏用氯化石友氟化合物(CFCs)與氫 氟氯碳化物(HCFCs)。蒙特利議定書的規定要求氫氟氯碳化物使 用逐漸停止并且2001年1月1日歐盟法禁止在制冷系統中4吏用 氫氟氯石友化物。因此，要求發展可供選4奪的制冷混合物。氫氟烴 (HFC)制冷劑是優先備選的，這種制冷劑不易燃，具有低毒性并 且易購4尋。現有技術極低溫系統使用易燃組分來控制油。采用氯化制冷 劑的極低溫系統中使用的這種油與較高溫沸點組分具有優良混 溶性，該較熱沸點組分在壓縮時能在室溫下液化。較低溫沸點 HFC制冷劑如R-23不與這些油混合并且不易液化直到4也們4妄觸 到制冷過程的較低溫部分。不混溶性導致壓縮機油分離和凍析， 由于堵塞管道、過濾器、閥門或者節流裝置依次導致系統失敗。 為了得到溶混性，在較低溫度下，乙烷被常規加入到制冷劑混合 物中。不幸地是，乙烷是易燃的，這限制了消費者接受并且能引 起系統控制的附加要求、安裝要求和費用。因此，優選除去乙烷 或其4也易燃組分。制冷系統如上面描述的那些需要一種制冷劑混合物，這種制 冷劑混合物將不從制冷劑混合物中凍析出。當 一個或多個制冷劑組分、或壓縮^L油變成固體或者極粘稠時，發生制冷系統的"凍 析"情況，極粘稠指其不流動的臨界點。如果凍析情況發生，抽 吸壓力易于降低可進一步產生正反饋并且進一步降低溫度，更引 起凍析。需要一種阻止混合制冷劑制冷系統中凍析的途徑。可用的 HFC制冷劑具有比其取代的HCFC和CFC制冷劑更高溫凝固 點。這些制冷劑混合物關于凍析的極限在專利09/886,936的美國 申請中公開。如上面提到的，由于碳氫化合物的易燃性，其使用 是不希望的。然而，因為能代替易燃碳氫化合物制冷劑的HFC 制冷劑通常具有高溫凝固點，除去易燃組分引起凍析控制中的額 外困難。當制冷系統中的外部熱負荷非常^f氐時，通常存在凍析。 一些 極低溫系統利用過冷器并用它冷卻高壓制冷劑，這種過冷器采用 一部分最低溫高壓制冷劑。這通過膨"長制冷劑部分并<吏用其對過 冷器的低壓側進料來完成。因此，當流向蒸發器的流動蜂皮停止時， 內部流動和傳熱持續使高壓制冷劑逐漸變得更冷。這依次導致進 入過冷器的被膨脹制冷劑的溫度更低。取決于整個系統設計、該 系統的冷端處循環中的制冷劑組分、和該系統的才喿作壓力，有可 能得到凍析溫度。既然相對于這種情況如凍析的限度必須給出， 制冷設計將通常受限制，由于整個系統被設計不再經歷凍析情 況。當釆用氫氟碳化物(HFCs)作為制冷劑時的另 一個挑戰是這 些制冷劑在烷基苯油中是不互溶的，并且因此，多元醇酯(POE) (1998 ASHRAE Refrigeration Handbook,第7章，7.4頁，美國采 暖、制冷和空調工程師學會)壓縮機油與HFC制冷劑兼容。適宜 的油的選擇本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種利用混合制冷劑的極低溫制冷系統，該系統包括：　與制冷過程流體連通的壓縮機，包括在壓縮機和蒸發器之間制冷系統高壓側的高壓管線的制冷過程，蒸發器和壓縮機之間制冷劑回流路徑中制冷系統低壓側上低壓管線，和在低壓線中制冷劑的高壓管線中至少一個冷卻制冷劑的熱交換器；和　連接下列任何一個的旁路循環：　ａ）從制冷過程中高壓制冷劑流動的位置，在高壓管線退出制冷過程的低溫端之前，至系統中最冷低壓制冷劑流動的制冷過程中的位置；或者　ｂ）從壓縮機和制冷過程高壓管線入口之間壓縮機高壓制冷劑管線，至壓縮機吸入管線；或者　ｃ）從制冷過程中高壓制冷劑在其最低溫的位置，至制冷過程中低壓制冷劑退出制冷過程中至少一個熱交換器最低溫的位置，旁路制冷劑不穿過高壓制冷劑最低溫的位置和低壓制冷劑退出至少一個熱交換器最低溫的位置之間的熱交換器。

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發人員：凱文P弗林，米克漢爾博阿斯基，奧利波德特切爾尼夫，
申請(專利權)人：布魯克斯自動化有限公司，
類型：發明
國別省市：US[美國]