KR20040015340A

KR20040015340A - 외부 루프 비동결 열교환기

Info

Publication number: KR20040015340A
Application number: KR10-2004-7000285A
Authority: KR
Inventors: 청알란타트얀; 데백도날드레오나르드
Original assignee: 프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
Priority date: 2001-07-12
Filing date: 2002-07-01
Publication date: 2004-02-18
Also published as: US20030101736A1; CA2451766A1; CN1555475A; EP1405015A1; US6622496B2; WO2003006897A1; EP1405015A4; BR0210968A

Abstract

본 발명은 열전달 유체를 극저온 유체(10, 210)로 냉각시키기 위한 외부 루프 비동결 열교환기에 관한 것이다. 극저온 유체(10, 210)는 사용된 극저온 유체(16)에 의해 먼저 예비 증발된다. 그 다음, 열전달 유체는 극저온 유체(10, 210)의 직접 공급 대신에 증발된 극저온 유체(16)에 의해 냉각된다.

Description

외부 루프 비동결 열교환기{EXTERNAL LOOP NONFREEZING HEAT EXCHANGER}

액체 질소와 같은 극저온 유체는 식품 또는 생물학적 재료의 동결과 같은 다수의 저온 동결 작업에서 성공적으로 사용되어 왔다. 이론적으로, 다수의 화학 및 제약 공정 또한 극저온 유체에 의해 제공되는 낮은 온도와 높은 추진력(driving force)에 기인하는 극저온 냉각으로부터 이익을 얻을 수 있다고 인식되었다. 그러나, 소정의 극저온 유체가 매우 높은 열전달 추진력을 제공할 수는 있지만, 동결이 바람직하지 않은 경우에 처리 유체(process fluid)를 냉각하도록 사용하는 데에는 제한을 받아왔다. 많은 처리 유체는 영하 195℃에서 비등하는 액체 질소의 어는점보다 매우 높은 어는점을 갖는다. 이는 처리 유체가 동결될 가능성이 있기 때문에 저온 화학 공정의 처리 유체 냉각에 액체 질소를 사용하는 것을 제한한다. 화학 공정에서의 처리 유체의 동결은 바람직하지 않으며, 특히 냉동이 발열 반응을 제어하도록 사용되는 경우에는 위험할 수 있다.

적절히 설계된 직접 접촉식 냉각은 잠재적인 동결 문제를 감소시킬 수 있다. 이는 액체 질소를 처리 유체 또는 열전달 유체에 직접 주입함으로써 수행된다. 불행하게도, 이는 다양한 이유로 인하여 소비자가 항상 수용할 수 있는 것은 아니다. 이러한 유형의 공정 조건에서 방출 수준이 매우 낮더라도, 일부 제조자의 현장에서는 용매 재생 시스템(solvent recovery system)으로의 어떠한 추가적인 증기의 유입도 허용하지 않을 수 있다. (동결 건조를 위한 열전달 유체의 냉각에 40 TPD까지의 액체 질소를 사용할 수 있는) 상당히 큰 잠재 능력을 갖는 극저온 냉각 공정에 있어서, 제조자는 사용된 질소의 재사용을 선호한다. 그러므로, 열교환기에서의 간접 접촉식 냉각이 공정의 양호한 선택이 될 수 있다. 그러나, 동결 가능성이 제거되어야 한다.

전술된 문제를 해결하기 위한 종래의 접근 방법은 특대형 쉘(shell) 및 튜브 열교환기를 설계하는 것이다. 열전달 유체 또는 반응물은 고속으로 튜브 측으로 송출된다. 액체 질소는 열교환기의 쉘 측에 분무되거나 흘러 들어간다. 이러한 접근 방법에 의해 직면되는 하나의 문제는 액체 질소가 그 증발 잠열(latent heat of vaporization)을 금속 표면으로 전달함에 따라 열전달 유체에 문제가 야기될 수 있다는 것이다. 얼음이 성장하여 퍼져 나가기 시작할 때, 열전달 표면은 열전도성을 상실한다. 그 결과, 열교환기는 열전달 용량을 빠르게 상실하거나 또는 내용물이 동결되어 완전한 고체가 된다. 장치는 사용 가능한 상태로 되돌리기 위해 해동되어야 한다. 매우 짧은 일괄처리 시간이 요구되는 반응 또는 적용예에서, 특대형 열교환기는 그 능력을 상실하기 전에 제한된 시간 동안 기능이 지속될 수 있다.

다른 접근 방법은 냉매 추진력을 감소시키고 영하 320℉(영하 195.5℃)보다 높은 온도의 끓는점을 갖는 극저온 가스를 제공하기 위하여 액체 질소를 상온의 질소 가스와 혼합하는 것이다. 그러나, 모든 증발 잠열은 혼합 공정에서 상실된다. 이러한 접근 방법이 동결을 피할 수는 있지만, 열전달 유체는 요구되는 것 이상으로 가열될 수 있고, 질소 소비율은 통상 경제적으로 수용하기에는 너무 높게 된다. 더욱이, 냉각된 가스 혼합물은 극저온 유체의 낮은 열용량에 의해 그 현열을 매우 빠르게 상실하여, 많은 적용예에서 수용하기 어려워진다.

또 다른 접근 방법은 액체 질소에 의한 냉동을 수용하도록 낮은 어는점을 갖는 열전달 유체를 사용하는 것이다. 그러면, 낮은 어는점을 갖는 열전달 유체는 최종의 소정 온도로 다른 열전달 또는 처리 유체를 냉각하는 데에 사용된다. 이러한 미봉적인 방법은 완전한 동결이 발생되기 전의 일괄처리 시간을 연장시킬 수 있다. 이러한 방법 역시 공정의 실질적인 복잡성과 비용을 추가시킨다.

종래 기술은 또한 동결을 방지하기 위하여 극저온 유동의 유입과 유출을 순환시키는 복잡한 구성을 제안했다. 그러나 일련의 밸브에 의한 이러한 복잡한 순환 공정에서도 결국에는 동결이 여전히 발생되었다. 결과적으로, 이러한 종래 기술 또한 사용된 질소의 일부가 새로운 액체 질소와 혼합되도록 재순환시킬 것을 필요로 한다. 액체 질소와 사용된 질소 가스는 냉매로서 극저온의 냉각된 가스 혼합물을 형성한다.

그리고 나서, 순환 유동 제어 기구는 이러한 냉각된 가스 혼합물을 열교환기 전방으로 진입시키도록 가압하고, 이어서 후방으로 진입시키도록 유동을 역전시킨다. 이러한 복잡한 기구는 공정에 상당한 자본과 작업 비용을 추가시킬 뿐만 아니라 사용된 질소 가스의 재순환 패턴을 악화시킨다. 이러한 복잡한 순환 절차는 사용된 질소와 새로운 액체 질소의 혼합 요구에 비추어 불필요하며 비생산적이라고 여겨진다.

미국 특허 제5,456,084호에는 일련의 밸브가 열교환기 입구와 출구 사이에서 극저온 유동을 순환시키는, 전술된 복잡한 동결 건조용 극저온 냉각 장치가 개시되어 있다. 사용된 질소의 일부는 증발 및 새로운 극저온 유체를 증발시키고 이와 혼합되도록 입구와 출구 사이에서 선택적으로 재순환된다. 장치를 작동 가능하게 하는 데에 필요한 재순환의 양을 개시하거나 제안하는 종래 기술은 없다. 더욱이, 일반적으로 이덕터(eductor)는 극저온 질소를 재순환시키는 올바른 형태의 장치는 아니다.

미국 특허 제5,937,655호에는 단일 열교환기 내부에 일련의 배플(baffle)과 증발기를 포함하여 액체 질소가 일련의 증발기 튜브 내에서 직접 증발되는 열교환기가 개시되어 있다. 증발된 질소가 열전달 유체 표면과의 접촉에 의해 가열됨에 따라 증발하는 액체 질소에 의해 냉각되도록 배플에 의해 재유도된다. 어떠한 기계적인 수단 없이도 매우 높은 열효율이 달성될 수 있다. 이러한 장치의 단점은 장치가 맞춤식으로 설계되어야 하고 개별적으로 제조되어야 한다는 점에서 내부 장치가 복잡하게 된다는 것이다. 열교환기는 맞춤식으로 제작되어야 한다.

그러므로 극저온 유체의 모든 증발 잠열을 현열로 변환시키기 위한 효과적인 수단을 구비하는 것이 바람직하다. 또한, 본 발명의 목적은 종래의 열교환기가 동결이 없이도 냉각의 이점을 가지면서 사용될 수 있는 공정을 개발하는 것이다.

처리 유체의 동결 없이도 극저온 유체로부터의 열전달을 수행하는 데에 있어서 극저온 유동의 유입과 유출의 선택적인 순환 공정은 불필요하다는 것이 본 발명에 의해 발견되었다. 재순환을 위해 필요한 사용된 질소의 양은 새로운 극저온 유체의 중량보다 커야 한다는 것도 본 발명에 의해 발견되었다. 상기 양보다 적은 양은 사용된 질소가 액체 질소를 증발시키기 충분하지 않을 것이며, 또한 충분한 사용 질소를 운반할 수 없는 등의 도미노 효과를 갖게 될 것이다. 완전한 루프는 경로를 차단하는 복잡한 밸브 전환 장치 없이도 낮은 압력 강하에서 고율의 가스 유동을 허용하여야 한다.

열교환기 내의 동결 조건이 액체 질소의 냉각 온도에 의해 발생된다는 일반적인 오해가 있다. 대부분의 동결은 액체 질소가 보다 높은 온도의 표면과 접촉 상태가 될 때 비등하여 그 증발 잠열을 전달할 수 있기 때문에 발생한다. 증발 잠열은 대체로 액체 질소로부터 사용 가능한 모든 냉동 성능의 절반 이상이다. 그러므로, 최초 접촉 중에는 매우 작은 부분이 과다하게 냉각될 수 있다. 결과적으로, 액체 질소의 열전달 계수는 동등한 온도에서의 극저온 냉각 가스보다 상당히 크다.

그러므로, 직접 접촉 설계가 처리 유체의 동결을 초래하지 않는 장치를 제공하는 것이 바람직하다.

본 발명은 열전달 유체(heat transfer fluid)를 냉각시키기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 열전달 유체를 극저온 유체(cryogenic fluid)로 냉각시키기 위한 외부 루프 비동결 열교환기(external loop nonfreezing heat exchanger)에 관한 것이다.

도1은 판 열교환기와 복수개의 송풍기를 사용하는 본 발명의 외부 루프 비동결 열교환기 장치의 공정 개략도이다.

도2는 전기 송풍기를 사용하는 본 발명의 외부 루프 비동결 열교환기 장치의 공정 개략도이다.

본 발명은 연속 단방향 루프 내에서 냉각된 혼합 냉매를 유동시키는 단계를 포함하고, a) 가압된 극저온 유체를 재순환 가스와의 열교환 관계로 통과시켜 증발된 극저온 유체 및 냉각된 재순환 가스를 각각 형성하는 단계와, b) 상기 증발된 극저온 유체와 상기 냉각된 재순환 가스를 적어도 하나의 가스 이동기(gas mover)로 통과시켜 혼합 가스 냉매를 형성하는 단계와, c) 처리 유체를 냉각시키도록 상기 냉각된 혼합 가스 냉매를 통과시키는 단계를 포함하는 처리 유체 냉각 방법에 관한 것이다.

본 발명은 또한 연속 단방향 루프 내에서 냉각된 혼합 냉매를 유동시키는 단계를 포함하고, a) 재순환 가스를 송풍기로 통과시켜 가압된 재순환 가스를 형성하는 단계와, b) 가압된 극저온 유체를 상기 가압된 재순환 가스와 직접 혼합하여 냉각된 혼합 가스 냉매를 형성하는 단계와, c) 처리 유체를 냉각시키도록 상기 냉각된 혼합 가스 냉매를 통과시키는 단계를 포함하는 처리 유체 냉각 방법에 관한 것이다.

상기 방법은 재순환 가스보다 높은 압력으로 가압된 극저온 가스를 통과시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 극저온 유체의 질량 유동보다 큰 질량 유동을 갖는 재순환 가스를 포함한다. 재순환 가스는 극저온 유체를 증발시킨다. 극저온 유체는 약 10 내지 약 1000 psig(약 0.07 내지 약 7 MPa)의 압력을 갖는다.

연속 단방향 루프에서 처리 유체를 냉각시키기 위한 장치는, a) 가압된 극저온 유체의 공급원과, b) 재순환 가스와, c) 상기 가압된 극저온 유체가 증발된 극저온 유체로 형성되도록 유동하고, 상기 재순환 가스가 냉각된 재순환 가스로 형성되도록 유동하는 열교환기와, d) 상기 증발된 극저온 유체와 상기 냉각된 재순환 가스를 혼합하여 혼합 냉매를 형성하는 적어도 하나의 가스 이동기와, e) 따뜻한재순환 가스로 빠져나오는 상기 혼합 냉매에 의해 따뜻한 처리 유체가 냉각된 처리 유체로 형성되도록 처리 유체를 통과시켜 냉각시키는 수단을 포함한다.

본 발명은 또한 a) 가압 및 증발된 극저온 유체의 공급원과, b) 재순환 가스와, c) 혼합 냉매를 형성하도록 상기 가압된 극저온 유체와의 혼합을 위한 압축된 재순환 가스를 형성하는 적어도 하나의 송풍기와, d) 따뜻한 재순환 가스로 빠져나오는 상기 혼합 냉매에 의해 따뜻한 처리 유체가 냉각된 처리 유체로 형성되도록 처리 유체를 통과시켜 냉각시키는 수단을 포함하는, 연속 단방향 루프를 포함하는 처리 유체 냉각 장치에 관한 것이다.

열교환기가 동결되는 것을 방지하기 위하여, 본 발명은 처리 유체가 유동하는 금속 표면과 액체 질소가 직접 접촉하는 것을 방지한다. 이는 액체 질소가 처리 유체와 접촉하기 전에 액체 질소를 비등시켜 제거함으로써 달성된다. 그러므로, 처리 유체를 포함하는 금속 표면은 증발된 극저온 냉각 가스에만 접촉하게 될 것이며, 액체 질소 자체와는 접촉하지 않는다. 처리 유체는 질소 가스로부터 현열을 흡수하도록 매우 큰 단위 체적당 열용량을 가지므로, 동결은 방지될 수 있다.

액체 질소 대신에 냉각된 질소 가스를 사용하는 것의 단점은 질소 가스의 열용량이 매우 작다는 것이다. 충분한 냉동성을 전달하기 위하여, 본 발명은 폐쇄 루프 내에서 냉각된 극저온 유체의 고율의 단방향 재순환 유동을 생성시키도록 가스 이동기를 사용한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 가스 이동기는 유체 유동을 가압하고 그 이동을 한 방향으로 압박하는 혼합기이다. 본 발명에서, 복수의 가스 이동기를 직렬로 사용하는 것이 바람직하다. 과량의 질소는 루프 내의 압력이 과도하게 된 때에만 흘러나오게 된다. 압력 강하는 최소한으로 유지된다. 고용량의 재순환 루프는 극저온 유체 또는 극저온 질소 가스 유동 냉각을 사용하는 종래 기술의 많은 단점을 제거한다. 고속의 가스에 의하여, 유입과 유출을 전환시키는 복잡한 밸브는 필요로 하지 않는다.

가압된 극저온 유체(예를 들면, 액체 질소)는 고용량-재순환 루프를 위한 추진력을 제공한다. 가압된 극저온 유체는 공정 내에서 증발된다. 기계적인 이동 부품 또는 전환 밸브를 필요로 하지 않는다. 또한, 역류 유동 배열은 우수한 열전달 효율을 제공한다.

낮은 배출율에 대한 높은 재순환율은 본 발명의 핵심이다. 이는 다단계, 바람직하게는 직렬의 가스 이동기와 최소의 압력 강하를 갖는 순환 루프에 의해 달성될 수 있다.

도1은 본 발명의 일반적인 공정 개략도이다. 극저온 유체(10; 예를 들면 액체 질소)는 바람직하게는 약 10 내지 약 1000 psig(약 0.07 내지 7 MPa), 보다 바람직하게는 약 25 내지 약 300 psig(약 0.17 내지 약 2 MPa), 가장 바람직하게는약 75 내지 약 150 psig(약 0.52 내지 약 1 MPa)의 압력으로 장치에 진입된다. 사용된 질소가 하류 용도로 사용될 때는 보다 높은 압력 범위가 요구된다. 극저온 유체 압력은 압력 센서 또는 압력 게이지(도시 안됨)에 의해 감시된다.

극저온 유체(10)는 수동 밸브(도시 안됨), 솔레노이드 밸브(비상 차단 밸브, 도시 안됨) 및 제어 밸브(12)를 통과한다. 제어 밸브는 냉각된 열전달 유체(처리 유체)의 온도를 감시하는 (도시되지 않은) 온도 제어기로부터 신호를 수신한다.

그 다음, 극저온 유체는 바람직하게는 판 열교환기인 열교환기(14)로 진입되고, 여기서 극저온 유체는 [냉각된 재순환 가스(20)를 형성하도록] 재순환 가스(18; 예를 들면 질소 가스)와 열교환하여 [증발된 극저온 가스(16)를 형성하도록] 비등된다. 증발된 극저온 가스(16)로부터 냉각된 재순환 가스(20)로 모든 잠열을 전달하기 위하여, 매우 큰 체적의 냉각된 재순환 가스(20)가 재순환되어야 한다(이는 매우 도전적인 부분임). 극저온 유체는 재순환 가스보다 높은 압력, 바람직하게는 재순환 가스의 압력의 적어도 2배의 압력으로 장치를 통과하는 것이 바람직하다. 표 1은 769.5 lb/hr(349.0 kg/hr)의 액체 질소가 장치에 유입됨에 따라 1,814.5 lb/hr(823.0 kg/hr)의 질소 가스가 재순환되는 공정의 열 및 에너지 균형을 도시한다. 재순환되는 질소 가스는 증발되는 액체 질소의 236%이다. 예비 증발된 액체 질소를 고려하더라도, 매우 적은 양의 극저온 유체로 이와 같은 큰 체적의 재순환 가스를 재순환시키는 것은 사실상 물리적으로 불가능한 것으로 고려된다.

표 1

열 및 질량 균형
기류 번호	설명	질량 유동	온도	압력	잠열	열 유동	열 플럭스
		lb/hr(kg/hr)	℃	psig(MPa)	BTU/lb(BTU/kg)	BTU/hr	BTU/hr
1	유입 LN₂	769.5(349.0)	-176.2	79.3(0.547)	30.49(67.22)	23,467
2	GN₂증기	769.5(349.0)	-176.2	78.8(0.543)	103.08(208.70)	79,322	55,855
3	혼합된 GN₂	2,584.1(1,172.1)	-192.0	1.0(0.007)	101.79(206.09)	263,030
4	유출 GN₂	769.5(349.0)	-70.0	0.5(0.003)	139.57(282.58)	107,403	97,624
5	재순환 GN₂	1,814.5(823.0)	-70.0	0.5(0.003)	139.57(282.58)	253,251
6	냉각된 GN₂	1,814.5(823.0)	-166.2	0.0(0.000)	108.79(220.26)	197,395	55,855
7	유입 HTF	29,193.5(13,241.9)	-53.0	15.0(0.103)	17.20(34.82)	502,145
8	유출 HTF	29,193.5(13,241.9)	-60.0	5.0(0.034)	20.54(41.59)	599,770	97,624

표 1에서, LN₂는 액체 질소를 나타내며, GN₂는 가스 상태의 질소를 나타내고, HTF는 열전달 유체(또는 처리 유체)를 나타낸다.

증발된 극저온 유체(16; 예를 들면, 액체 질소)는, 끓는점 온도(본 예에서는 영하 176℃)에서 여전히, 냉각된 재순환 가스(20)를 포함하는 수 개의 별도 기류와 동시에 가스 이동기(22)로 유입된다. 증발된 질소 가스의 압력은 증발된 극저온 가스(16)와 냉각된 재순환 가스(20)를 가스 송풍기(22) 내부로 이동시키는 원동력이 되는 에너지를 제공한다. 일례로서, 고압의 냉각된 혼합 냉매가 장치의 중간에서 가스 송풍기로 진입한다. 측벽 상에 개재된 작은 간극이 존재한다. 이러한 고압의 냉각된 혼합 냉매 가스의 속도는 작은 간극을 통과함에 따라 증가한다. 위치 에너지는 운동 에너지로 전환된다. 이제, 형성된 고속의 냉각된 재순환 가스가 작은 간극을 빠져 나오고, 측벽에 인접하여 고속 가스의 링을 형성한다. 측벽에 인접한 고속 가스 기류는 경계층을 파괴하고, 재순환 질소 가스를 따라 가스 송풍기의 중앙으로 끌고 나아간다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 가스 이동기 및 가스 송풍기의 용어는 호환될 수 있다.

가스 이동기 설계는 설계와 작동 원리면에서 배출기 또는 열 압축기와는 상당히 다르다. 벤투리관(venturi)이 벤투리관의 목부분에 중심이 맞춰진 고압의 원동력 가스를 사용한다. 장치의 중앙에서 벤투리관으로 진입하는 고압의 원동력 가스는 벤투리관의 원추형 부분으로 배출되어, 벤투리 목 부분의 좁은 경로를 따라 억지로 통과함에 따라 주변 가스가 압축되게 한다. 벤투리 목 부분의 좁은 경로에 의해, 배출기 또는 열 압축기는 작은 유동 체적으로 운반되는 가스의 압력을 증가시키기에 적합하다.

배출기 또는 열 압축기의 작동 원리는 작은 양의 원동력 냉각 가스에 의해 큰 체적의 가스를 재순환시키는 데에는 일반적으로 적합하지 않다. 가스의 점도가 온도에 반비례하는 것으로 잘못 가정되어 왔다. 그러나 가스 점도는 그 반대, 즉 액체의 거동과는 반대로 온도에 비례한다는 것이 정확하다. 그러나 증발된 액체 질소로부터의 극저온 가스는 영하 320℉(영하 195.5℃)에서 유지된다. 예를 들면, 80℉(영하 62.2℃)의 질소 가스는 0.0715 cps의 점도를 가질 것이다. 영하 320℉(영하 195.5℃)에서 점도는 0.0055 cps로 감소한다. 이는 99.9% 감소한 점도이다. 그러므로 점성 항력은 99.9% 감소되어, 벤투리형 장치의 작동에 직접 영향을 준다. 어떠한 점성 항력도 없이, 고속 극저온 질소 가스가 운동량(momentum)의 변화 없이유동의 중심을 통해 유동한다.

이덕터 또는 열 압축기에서와 같이 가스 기류의 중심으로 극저온 냉각 가스를 주입하는 대신에, 극저온 냉각 가스는 가스 이동기의 측벽의 작은 간극을 통해 가스 기류 내부로 공급된다. 그러면, 이러한 극저온 냉각 가스는 점성 항력의 큰 강하에도 불구하고 전방으로 이동하도록 재순환 가스의 전체 블록을 감싸서 혼합하여 운반할 수 있다.

이제, 큰 체적의 순환하는 냉각 재순환 가스(20; 예를 들면, 사용된 질소)는 혼합 냉매(24; 예를 들면, 극저온 냉각 가스의 혼합물)를 형성하도록 새롭게 증발된 극저온 가스(16; 증발된 질소)와 완전하게 혼합된다. 이러한 극저온 냉각 가스의 혼합물은 고속으로 주 열교환기로 유입된다. 쉘 및 튜브 열교환기(34)가 대형 유동 튜브와 함께 사용된다. 이러한 열교환기(34)는 재순환 유동을 고속에서 유지시키기 위하여 장치를 통한 압력 강하를 최소화하도록 설계된다. 이러한 고속 재순환율을 유지하기 위하여, 압력 강하를 발생시키는데 사용되어야 하는 조절 스위치 또는 차단 밸브는 사용되지 않는다.

고속의 혼합 냉매는 열 경계층이 최소한으로 감소되도록 한다. 열 경계층은 혼합 냉매(예를 들면, 극저온 냉각 가스 혼합물)와 냉각 표면 사이의 비교적 유동하지 않는 가스의 얇은 층이다. 이러한 혼합 냉매의 열용량은 작기 때문에, 큰 열용량을 갖는 열전달 유체 또는 처리 유체(26)는 동결될 정도로 냉각되지 않는다. 혼합 냉매(24)는 처리 유체 열교환기(34)로 유입된다. 열교환 관계는 따뜻한 처리 유체(26)를 냉각하여 냉각된 처리 유체(28)를 형성한다. 따뜻한 재순환 가스는 열교환기(34)로부터 나와서 다른 사이클의 연속 단방향 유동 패턴으로 이어진다. 배압 조절기(30)는 통기를 위하여 재순환 가스(32)의 유동을 제어한다.

본 발명의 핵심적인 태양은 모든 극저온 유체를 고압의 극저온 냉각 가스로 예비 증발시키는 것이다. 이러한 고압 냉각 재순환 가스는 사용되는 극저온 가스의 자체 중량의 2배 이상을 운반하기 위한 일련의 가스 송풍기들을 구동시키는 데에 사용된다. 그 결과, 냉각 재순환 가스는 최소한의 압력 강하 상태에서 고속으로 재순환될 것이다. 열전달 유체(또는 처리 유체)의 동결을 방지하기 위한 밸브 또는 직접적인 역류 장치는 필요하지 않다.

주 열교환기(34)가 고속 극저온 냉각 가스와 열전달 유체 또는 처리 유체 사이의 열전달을 위하여 사용된다. 선택적으로, 주 열교환기는 쉘 또는 튜브 대신에 평행한 판들로 제작될 수 있다. 이러한 판들 사이의 간극은 압력 강하를 최소한으로 유지시키도록 조절되어야 한다. 나선형 열교환기와 같은 다른 형태의 열교환기도 사용될 수 있다.

가스 송풍기 대신에 특별하게 설계된 일련의 벤투리관 또는 이덕터를 사용하는 것도 가능하다. 이덕터는 통상 증기 용도로 설계되기 때문에, 극저온 상태에서 가스의 자체 중량의 2배를 운반하기 위하여 적절한 크기의 하나 이상의 장치에 대한 시험이 필요하다.

선택적으로, 사용된 질소 가스의 큰 체적을 이동시키도록 외부 전력이 사용되는 전기 송풍기가 사용될 수 있다. 이러한 경우에 사용자는 외부 전원에 대한 비용을 지불하여야 한다. 그러나 이러한 경우에 저압 액체 질소가 원동력 가스로작동할 필요가 없기 때문에 저압 액체 질소가 사용될 수 있다. 더욱이, 극저온 가스(예를 들면, 액체 질소)는 재순환 냉각 가스(예를 들면, 사용된 질소 가스)와 직접 혼합됨으로써 증발될 수 있기 때문에 제1 열교환기(14)는 제거될 수도 있다. 이는 도2에 도시되어 있다.

도2에서, 가압된 극저온 유체(210)는 가압된 극저온 유체(220)를 형성하는 제어 밸브(212)를 통과한다. 재순환 가스(218)는 혼합된 냉매(224)를 형성하기 위하여 가압된 극저온 유체(220)와 혼합되기 전에, 전기 송풍기(250)를 통과한다. 따뜻한 처리 유체(226)는 열교환기(234)를 통해 유동하여, 혼합된 냉매(224)가 그 내부의 열교환 관계를 달성함으로써 냉각된 처리 유체(228)(또는 열전달 유체)를 형성한다. 최종적인 재순환 가스(218)는 열교환기(234)를 통과하며, 사용된 혼합 냉매(224)에서 파생된 것이다. 배압 조절기(230)는 통기를 위하여 재순환 가스(232)의 유동을 제어한다.

상기의 설명은 단지 본 발명을 설명하기 위한 것이라는 것을 이해하여야 한다. 본 기술 분야의 숙련자들에 의한 다양한 변경 및 수정이 본 발명의 범위 내에서 이루어질 수 있다. 따라서 본 발명은 첨부된 청구의 범위 내에 속하는 이러한 모든 선택적인 수정 및 변경을 포함하고자 의도하는 바이다.

Claims

연속 단방향 루프 내에서 냉각된 혼합 냉매를 유동시키는 단계를 포함하는 처리 유체 냉각 방법이며,

a. 가압된 극저온 유체를 재순환 가스와의 열교환 관계로 통과시켜 증발된 극저온 유체 및 냉각된 재순환 가스를 각각 형성하는 단계와,

b. 상기 증발된 극저온 유체와 상기 냉각된 재순환 가스를 적어도 하나의 가스 이동기로 통과시켜 혼합 가스 냉매를 형성하는 단계와,

c. 상기 냉각된 혼합 가스 냉매를 통과시켜 처리 유체를 냉각시키는 단계를 포함하는 방법.
연속 단방향 루프 내에서 냉각된 혼합 냉매를 유동시키는 단계를 포함하는 처리 유체 냉각 방법이며,

a. 재순환 가스를 송풍기로 통과시켜 가압된 재순환 가스를 형성하는 단계와,

b. 가압된 극저온 유체를 상기 가압된 재순환 가스와 직접 혼합하여 냉각된 혼합 가스 냉매를 형성하는 단계와,

c. 상기 냉각된 혼합 가스 냉매를 통과시켜 처리 유체를 냉각시키는 단계를 포함하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 재순환 가스보다 높은 압력으로 상기 가압된 극저온 가스를 통과시키는 단계를 포함하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 극저온 유체의 질량 유동보다 큰 질량 유동으로 상기 재순환 가스를 통과시키는 단계를 포함하는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 재순환 가스는 상기 극저온 유체를 증발시키는 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 약 10 내지 약 1000 psig(약 0.07 내지 약 7 MPa)의 압력으로 상기 극저온 유체를 통과시키는 단계를 포함하는 방법.
연속 단방향 루프에서 처리 유체(10; 210)를 냉각시키기 위한 장치이며,

a. 가압된 극저온 유체 공급원과,

b. 재순환 가스(18; 218)와,

c. 상기 가압된 극저온 유체(10; 210)가 증발된 극저온 유체(16)로 형성되도록 유동하고 상기 재순환 가스가 냉각된 재순환 가스(20; 220)로 형성되도록 유동하는 열교환기(14)와,

d. 상기 증발된 극저온 유체(16)와 상기 냉각된 재순환 가스(20; 220)를 혼합하여 혼합 냉매(24; 224)를 형성하는 적어도 하나의 가스 이동기(22)와,

e. 따뜻한 재순환 가스(26; 226)로 빠져나오는 상기 혼합 냉매에 의해 따뜻한 처리 유체가 냉각된 처리 유체로 형성되도록 처리 유체를 통과시켜 냉각시키는 수단(34; 234)을 포함하는 장치.
연속 단방향 루프에서 처리 유체(10; 210)를 냉각시키기 위한 장치이며,

a. 가압 및 증발된 극저온 유체 공급원과,

b. 재순환 가스와,

c. 혼합 냉매를 형성하도록 상기 가압된 극저온 유체(16)와 혼합하기 위한 압축된 재순환 가스(20; 220)를 형성하는 적어도 하나의 송풍기(22)와,

d. 따뜻한 재순환 가스로 빠져나오는 상기 혼합 냉매(24)에 의해 따뜻한 처리 유체가 냉각된 처리 유체로 형성되도록 처리 유체를 통과시켜 냉각시키는 수단(34; 234)을 포함하는 장치.
제7항에 있어서, 상기 가스 이동기는, 상기 증발된 극저온 유체(20; 220)와 상기 냉각된 재순환 가스(18; 218)가 혼합 가스 냉매(24; 224)로 형성되도록 가압 및 이동시킬 수 있는 장치를 포함하는 장치.
제7항 또는 제8항에 있어서, 과량의 재순환 가스를 제거하기 위한 통기구를 더 포함하는 장치.
제7항 또는 제8항에 있어서, 통기구(32; 232)로의 재순환 가스의 유동을 조절하기 위한 배압 조절기(30; 230)를 더 포함하는 장치.
제7항 또는 제8항에 있어서, 가압된 극저온 유체(20; 230)의 유동을 조절하기 위한 제어 밸브(12; 212)를 더 포함하는 장치.
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 가압된 극저온 유체는 재순환 가스(18; 218)보다 더 높은 압력을 갖는 장치.
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 재순환 가스(18; 218)의 질량 유동은 극저온 유체(20; 220)의 질량 유동보다 크게 되는 장치.
제7항 또는 제8항에 있어서, 상기 재순환 가스(18; 218)는 극저온 유체(20; 220)를 증발시키는 장치.
제7항 또는 제8항에 있어서, 극저온 유체(20; 220)의 압력은 약 10 내지 약 1000 psig(약 0.07 내지 약 7 MPa)인 장치.
제8항에 있어서, 상기 송풍기는 상기 재순환 가스를 가압 및 유동시킬 수 있는 전기 송풍기를 포함하는 장치.