JP2002277138A - 熱媒体流体用の温度調整装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】温度調整範囲を拡大した熱媒体流体用の温度調
整装置を提供する。 【解決手段】圧縮機から凝縮器に至る回路に第１の熱交
換器を挿設し、その一次側回路を圧縮機から凝縮器に至
る回路とし、ポンプの下流側に第１の熱交換器の二次側
回路を通過して熱媒体流体循環回路に還流する第１のバ
イパス回路を付設し、第１のバイパス回路内に熱媒体流
体を加熱するためのヒータを挿設する。第１のバイパス
回路と並列な元の熱媒体流体循環回路内に第２の熱交換
器を挿設し、その一次側回路を元の熱媒体流体循環回路
としかつ二次側回路に冷却水を供給できる冷却回路を付
設する。さらに凝縮器の下流側から蒸発器の下流側へと
接続する第２のバイパス回路を付設し、回路内にキャピ
ラリチューブと電磁弁を挿設する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造装置や
レーザー機器、あるいは各種理化学機器等に一定温度の
冷水などの熱媒体流体を循環供給するための定温チラー
用の温度調整装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造装置やレーザー機器、あるい
は各種理化学機器等に用いられる定温チラーでは、圧縮
機・凝縮器・蒸発器から成る冷凍サイクルによって、純
水や、ガルデン（商品名）・フロリナート（商品名）な
どのフッ素系絶縁流体、その他の熱媒体流体を生成す
る。すなわち、冷凍サイクル系内で圧縮機により圧縮さ
れた高温のフロンガス（冷媒）は凝縮器によって液化さ
れ、液化されたフロンガスは蒸発器で気化する際に周囲
から熱を奪って、低温の純水冷水やガルデン・フロリナ
ートなどの熱媒体流体を生成する。この際、半導体製造
装置のように許容温度範囲が小さく（例えばプラスマイ
ナス１．０℃に）設定されている場合は、温度調整範囲
が小さくなり、−４０℃から６０℃程度の範囲でしか温
度を調整できないという欠点があった。

【０００３】他の温度制御方法として、ホットガスをバ
イパスさせる方法や、冷凍機をＯＮ−ＯＦＦさせる方法
などが用いられているが、前者の方法では冷却と加熱を
交互に切り替えて行うため温度制御の応答性が悪くバイ
パスバルブの信頼性が低く故障が多いという欠点があ
り、後者の方法では大容量のバッファタンクを用意しな
ければならず装置が大型化し温度制御の正確性が劣ると
いう欠点がある。

【０００４】定温チラーとなる冷水供給装置の例とし
て、特開平９−７２６４４号「理化学機器用の冷水循環
供給機」や特開平９−１９６５１２号「冷却液供給装
置」などがある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】本発明の第１の目的
は、温度調整範囲を−４０℃から１００℃程度にまで拡
大した熱媒体流体用の温度調整装置を提供することにあ
る。本発明の第２の目的は、特に始動準備期間の電力エ
ネルギの低減を図った熱媒体流体用の温度調整装置を提
供することにある。本発明の第３の目的は、温度調整範
囲を４０℃から２５０℃程度にまで拡大した熱媒体流体
用の温度調整装置を提供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明の前述した第１の
目的は、圧縮機・凝縮器・蒸発器等を包含する冷凍回
路、凝縮器の冷却回路、及びポンプを用いて熱媒体流体
を外部二次負荷に循環させる熱媒体流体循環回路を備え
る熱媒体流体用の温度調整装置によって達成される。こ
の装置では、圧縮機から凝縮器に至る回路に第１の熱交
換器を挿設し、第１の熱交換器の一次側回路を圧縮機か
ら凝縮器に至る回路とし、前記ポンプの下流側に第１の
熱交換器の二次側回路を通過して熱媒体流体循環回路に
還流する第１のバイパス回路を付設し、第１のバイパス
回路内に熱媒体流体を加熱するためのヒータを挿設す
る。さらに、第１のバイパス回路と並列な元の熱媒体流
体循環回路内に第２の熱交換器を挿設し、その一次側回
路を元の熱媒体流体循環回路としかつ二次側回路に冷却
水を供給できる冷却回路を付設し、流量制御弁を用いて
第１のバイパス回路を流れる流量を制御しながら第１の
熱交換器及び／又は前記ヒータによって加熱された熱媒
体流体を前記ポンプの下流側の熱媒体流体循環回路に導
入することにより、外部二次負荷に供給される熱媒体流
体の温度制御を行い、第２の熱交換器によって熱媒体流
体を冷却することにより外部二次負荷に供給される熱媒
体流体の温度制御を行う。さらに前記凝縮器の下流側か
ら前記蒸発器の下流側へと接続する第２のバイパス回路
を付設し、この第２バイパス回路にキャピラリチューブ
と電磁弁を挿設し、第２のバイパス回路を流れる流量を
制御することにより、前記蒸発器による冷却温度を制御
しかつ圧縮機のオーバーヒートを防止する。

【０００７】

【作用】かかる構成に基づき、本発明による熱媒体流体
用の温度調整装置によれば、第１のバイパス回路を用い
て、圧縮機で圧縮された高温のフロンガス（冷媒）の熱
の一部を外部二次負荷に供給される熱媒体流体（冷水）
に与えることにより、冷凍機によって過度に冷却された
熱媒体流体（冷水）の温度を上昇させて所定の温度範囲
内に制御し、温度制御の正確性と応答性を高めることが
できる。さらに、ヒータを用いて第１のバイパス回路側
の熱媒体流体を加熱することで、従来−４０℃から６０
℃程度であった温度調整範囲を−４０℃から１００℃程
度にまで拡大することが可能になる。第１のバイパス回
路のヒータとして誘導加熱ヒータを用いると、応答性の
良い制御が可能となって好ましい。

【０００８】さらに、第１のバイパス回路と並列な元の
熱媒体流体循環回路内に第２の熱交換器を挿設し、その
一次側回路を元の熱媒体流体循環回路としかつ二次側回
路に冷却水を設けた冷却回路を付設することにより、元
の熱媒体流体循環回路側を流れる熱媒体流体の温度を調
整することができる。加えて、第２のバイパス回路によ
り、蒸発器による冷却温度の制御を行うことができるの
で、圧縮機のオーバーヒートを防止し、温度制御の範囲
を拡大することができる。

【０００９】本発明の前述した第２の目的は、前記凝縮
器の冷却回路に絞り弁付きの電磁弁を挿設し、凝縮器の
温度制御を行うようにすることで達成され、温度制御範
囲を一層拡大することができる。特に、始動時に、凝縮
器の冷却を止めることにより、ヒーターを付設すること
なく急速に目的の温度まで昇温、到達させることができ
る利点がある。

【００１０】本発明の前述した第３の目的は、ポンプを
用いて熱媒体流体を外部二次負荷に循環させる熱媒体流
体循環回路を備える熱媒体流体用の温度調整装置によっ
て達成される。この装置では、ポンプの下流側の熱媒体
流体循環回路内に熱交換器を挿設し、その一次側回路を
熱媒体流体循環回路としかつ二次側回路に冷却水を供給
できる冷却回路を付設し、前記ポンプの下流側に前記熱
交換器をバイパスして熱媒体流体循環回路に還流するバ
イパス回路を付設し、前記バイパス回路内に熱媒体流体
を加熱するためのヒータを挿設する。さらに、流量制御
弁を用いて前記バイパス回路を流れる流量を制御しなが
ら前記ヒータによって加熱された熱媒体流体を前記熱交
換器の下流側の熱媒体流体循環回路に導入することによ
り、外部二次負荷に供給される熱媒体流体の温度制御を
行う。さらに、前記熱交換器によって熱媒体流体を冷却
することにより外部二次負荷に供給される熱媒体流体の
温度制御を行うことができる。

【００１１】かかる構成によれば、ヒータによる加熱効
果が顕著となり、特に熱媒体流体を４０〜２５０℃程度
の高温域で使用するための高温用温度調整装置として利
用するのに適した温度調整装置が提供されることにな
る。第１のバイパス回路のヒータとして誘導加熱ヒータ
を用いると、応答性の良い加熱制御が可能となって好ま
しい。本発明の他の特徴及び利点は、添付図面の実施例
を参照した以下の記載により明らかとなろう。

【００１２】

【発明の実施の形態】図１〜図３は本発明の好適な態様
による熱媒体流体用の温度調整装置を表しており、この
装置は、圧縮機１２・凝縮器１４・ＰＩ制御の膨張弁３
６・蒸発器２０等を包含する冷凍回路１と、凝縮器の冷
却回路２と、ポンプ２２を用いて熱媒体流体を外部二次
負荷２４に循環させる熱媒体流体循環回路３とを備えて
いる。ポンプ２２はインバータ２３によって制御され
る。図１は昇温モード（−４０℃〜−１０℃から室温ま
で上昇）、図２は加熱モード（室温から１００℃まで上
昇）、図３は冷却モードに対応している。

【００１３】冷凍回路１によってガルデン（商品名）・
フロリナート（商品名）などの熱媒体流体を生成し、生
成された熱媒体流体はポンプ２２によって半導体製造装
置等の外部二次負荷２４へと供給される。凝縮器１４に
は、クーリングタワー水・工場内循環水・地下水などに
より冷却される水冷クーラー２６が付設され、絞り弁付
き電磁弁（フロースイッチ）２５と制水弁２７を介して
冷却水を循環させることによって冷却される。熱媒体流
体循環回路３には、切換弁１９や液面計付きのストレー
ジタンク２１が接続され、装置の各部には必要に応じて
各種の計器として、高圧用圧力センサ３３、低圧用圧力
センサ３５、温度センサ４４，４５、圧力センサ４６、
流量計４７、温度計４８、室温用温度計４９などが取り
付けられる。凝縮器１４の入口側にはフロンガスのスト
レージタンク３４が付設され、圧縮されたフロンガスの
圧力が異常に高くなるのを防止する。

【００１４】本発明の特徴に従い、圧縮機１２から凝縮
器１４に至る回路に、好ましくは流過抵抗の少ない多管
式の熱交換器３０が挿設され、熱交換器３０の一次側回
路３１が圧縮機から凝縮器に至る回路となっている。一
方、ポンプ２２の下流側に、熱交換器３０の二次側回路
３２を通過して還流するバイパス回路４０が付設されて
いる。

【００１５】かくして、ポンプ２２から外部二次負荷２
４へと送られる熱媒体流体の一部は、電動式の三方弁付
き流量制御弁４１の働きによってバイパス回路４０側へ
と送られ、熱交換器３０によって加熱された温水がポン
プ２２の下流側の熱媒体流体循環回路３へと還流させら
れる。流量制御弁４１を通過する流量を電気的に制御
（ＰＩＤ制御）することにより、外部二次負荷２４に供
給される冷水の量を制御し、これにより熱媒体流体の温
度制御を行うことができる。

【００１６】本発明の他の特徴に従い、バイパス回路４
０内に応答性に優れたヒータとして、複数本のシーズヒ
ータ内蔵の電気抵抗ヒータ、配管外周に巻き付けるバン
ドヒータなど種々の型式のヒータ８８が配置されてい
る。これにより、第１の熱交換器３０による加熱応答が
遅れた場合でもヒータ８８を作動させることで所定の温
度へと迅速に到達させることが可能になる。図示のよう
に、バンドヒータ８８を熱交換器３０の外周に巻き付け
て使用しても良い。

【００１７】本発明のさらに他の特徴に従い、第１のバ
イパス回路と並列な元の熱媒体流体循環回路内に第２の
熱交換器８０が挿設され、その一次側回路８１は元の熱
媒体流体循環回路であり、かつ二次側回路８２に冷却水
を供給できる冷却回路８５が付設されている。冷却回路
８５は、１対の電磁弁８３，８４によって冷却水の供給
及び停止を制御できるようになっている。かくして、第
２の熱交換器８０によって熱媒体流体を冷却すれば、外
部二次負荷２４に供給される熱媒体流体のさらなる温度
制御を行うことが可能になり、より精度の高い温度調整
が可能になる。なお、熱媒体流体の供給温度が略０℃以
下の時は、熱交換器８０の二次側回路８２内の冷却水
を、電磁弁８３，８４を切り換えてドレーンから排出す
る。また、熱媒体流体の供給温度が略４５℃を超える時
は、圧縮機１２を停止し、熱交換器８０により冷却をさ
せる。

【００１８】さらに、本発明の他の特徴に従い、凝縮器
１４の下流側から蒸発器２０の下流側へと接続する第２
のバイパス回路４２が付設され、この第２バイパス回路
４２にキャピラリチューブ４３と電磁弁３７が挿設され
ている。かくして、電磁弁３７をＯＮ−ＯＦＦして第２
のバイパス回路４２を流れる流量を制御することによ
り、蒸発器２０による冷却温度を制御しかつ圧縮機のオ
ーバーヒートを防止することができる。

【００１９】すなわち、始動準備期間中の昇温モードで
は、電磁弁３７がＯＮ、三方弁４１のポンプ側がＯＮ、
水冷クーラー２６の電磁弁２５がＯＮになっており、蒸
発器による吸熱が低下、熱交換器３０が高温、凝縮器１
４が高温の状態になっている。この状態で−４０℃〜−
１０℃から室温まで昇温させる際に、途中で冷凍回路の
低圧側が真空に近づいて圧縮機が停止しないように、水
冷クーラー２６から熱を導入している。一方、始動開始
期間中の加熱モードでは、電磁弁３７がＯＮ、三方弁４
１のポンプ側がＯＦＦ、水冷クーラー２６の電磁弁２５
がＯＦＦになっており、蒸発器による吸熱が低下、熱交
換器３０が高温、凝縮器１４が高温の状態になってい
る。これにより、圧縮機１２をヒーターとして活用でき
ることになるが、圧縮機の異常加熱を防止（圧縮機を保
護）するため、フロンガスをキャピラリチューブ側にバ
イパスさせている。一方、安定状態における冷却モード
では、電磁弁３７がＯＦＦ、三方弁４１のポンプ側がＯ
Ｎで熱交換器側が流量制御されたＯＮ状態、水冷クーラ
ー２６の電磁弁２５がＯＮになっており、蒸発器による
吸熱が上昇し、熱交換器３０及び凝縮器１４が昇温モー
ド・加熱モードに比べて低温の状態になっている。

【００２０】図４は本発明の他の実施例による温度調整
装置の加熱モードを表している。この装置は、ポンプを
用いて熱媒体流体を外部二次負荷に循環させる熱媒体流
体循環回路を備える熱媒体流体用の温度調整装置であっ
て、図１〜３に示した実施例の左半分側の回路を点Ａ，
Ｂ，Ｃ，Ｄの位置で切り離した構造になっている。図４
において、ポンプ２２の下流側の熱媒体流体循環回路３
内に熱交換器８０が挿設され、その一次側回路８１が熱
媒体流体循環回路であり、二次側回路８２に冷却水を供
給できる冷却回路８５が付設されている。

【００２１】ポンプ２２の下流側には、熱交換器８０を
バイパスして熱媒体流体循環回路３に還流するバイパス
回路９０が付設され、このバイパス回路９０内に熱媒体
流体を加熱するためのヒータとして、複数本のシーズヒ
ータ内蔵の電気抵抗ヒータ、配管外周に巻き付けるバン
ドヒータなど種々の型式のヒータ８８が配置されてい
る。かかる構成に基づき、三方弁付き流量制御弁４１を
用いてバイパス回路９０を流れる流量を制御しながらヒ
ータ８８によって加熱された熱媒体流体を熱交換器８０
の下流側の熱媒体流体循環回路３に導入することによ
り、外部二次負荷２４に供給される熱媒体流体の温度制
御を行うことができる。

【００２２】また、冷却回路８５は、１対の電磁弁８
３，８４によって冷却水の供給及び停止を制御できるよ
うになっている。かくして、熱交換器８０によって熱媒
体流体を冷却すれば、外部二次負荷２４に供給される熱
媒体流体のオーバーヒートを防止するなど、さらなる温
度制御を行うことが可能になり、より精度の高い温度調
整が可能になる。この実施例は、特に熱媒体流体を４０
〜２５０℃程度の高温域で使用するための高温用温度調
整装置として利用するのに適している。

【００２３】

【発明の効果】以上詳細に説明した如く、本発明によれ
ば、圧縮機で圧縮された高温のフロンガス（冷媒）の熱
の一部を外部二次負荷に供給される熱媒体流体に与える
ことにより、冷凍機によって過度に冷却された熱媒体流
体の温度を上昇させて所定の温度範囲内に制御し、温度
制御の正確性と応答性を高めることができる。さらに、
ヒータや熱交換器の増設により、温度調整範囲を−４０
℃から１００℃程度、あるいは４０℃から２５０℃程度
にまで拡大することができるなど、その技術的効果には
極めて顕著なものがある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例による装置の昇温モードを
表わす回路図である。

【図２】本発明の第１実施例による装置の加熱モードを
表わす回路図である。

【図３】本発明の第１実施例による装置の冷却モードを
表わす回路図である。

【図４】本発明の他の実施例による加熱モードを表わす
回路図である。

【符号の説明】

１ 冷凍回路 ２ 凝縮器冷却回路 ３ 熱媒体流体循環回路 １２ 圧縮機 １４ 凝縮器 ２０ 蒸発器 ２２ ポンプ ２４ 外部二次負荷 ２５ 電磁弁 ２６ 水冷クーラー ３０ 熱交換器 ３１ 一次側回路 ３２ 二次側回路 ３６ 膨張弁 ３７ 電磁弁 ４０，４２ バイパス回路 ４１ 流量制御弁（三方弁） ４３ キャピラリーチューブ ８０ 熱交換器 ８１ 一次側 ８２ 二次側 ８５ 冷却回路 ８８ ヒータ ９０ バイパス回路

フロントページの続き (72)発明者 杉山 元治 静岡県沼津市大岡1719−１ (72)発明者 渡辺 郁夫 静岡県裾野市佐野1228−７ (72)発明者 滝川 一儀 静岡県沼津市下香貫馬場482−１

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 圧縮機・凝縮器・蒸発器等を包含する冷
   凍回路、凝縮器の冷却回路、及びポンプを用いて熱媒体
   流体を外部二次負荷に循環させる熱媒体流体循環回路を
   備える熱媒体流体用の温度調整装置であって、 圧縮機から凝縮器に至る回路に第１の熱交換器を挿設
   し、第１の熱交換器の一次側回路を圧縮機から凝縮器に
   至る回路とし、 前記ポンプの下流側に第１の熱交換器の二次側回路を通
   過して熱媒体流体循環回路に還流する第１のバイパス回
   路を付設し、 第１のバイパス回路内に熱媒体流体を加熱するためのヒ
   ータを挿設し、 第１のバイパス回路と並列な元の熱媒体流体循環回路内
   に第２の熱交換器を挿設し、その一次側回路を元の熱媒
   体流体循環回路としかつ二次側回路に冷却水を供給でき
   る冷却回路を付設し、 流量制御弁を用いて第１のバイパス回路を流れる流量を
   制御しながら第１の熱交換器及び／又は前記ヒータによ
   って加熱された熱媒体流体を前記ポンプの下流側の熱媒
   体流体循環回路に導入することにより、外部二次負荷に
   供給される熱媒体流体の温度制御を行い、 第２の熱交換器によって熱媒体流体を冷却することによ
   り外部二次負荷に供給される熱媒体流体の温度制御を行
   い、 さらに前記凝縮器の下流側から前記蒸発器の下流側へと
   接続する第２のバイパス回路を付設し、この第２バイパ
   ス回路にキャピラリチューブと電磁弁を挿設し、 第２のバイパス回路を流れる流量を制御することによ
   り、前記蒸発器による冷却温度を制御しかつ圧縮機のオ
   ーバーヒートを防止するようにしたことを特徴とする熱
   媒体流体用の温度調整装置。
2. 【請求項２】 前記凝縮器の冷却回路に絞り弁付きの電
   磁弁を挿設し、凝縮器の温度制御を行うことを特徴とす
   る請求項１記載の装置。
3. 【請求項３】 ポンプを用いて熱媒体流体を外部二次負
   荷に循環させる熱媒体流体循環回路を備える熱媒体流体
   用の温度調整装置であって、 ポンプの下流側の熱媒体流体循環回路内に熱交換器を挿
   設し、その一次側回路を熱媒体流体循環回路としかつ二
   次側回路に冷却水を供給できる冷却回路を付設し、 前記ポンプの下流側に前記熱交換器をバイパスして熱媒
   体流体循環回路に還流するバイパス回路を付設し、 前記バイパス回路内に熱媒体流体を加熱するためのヒー
   タを挿設し、 流量制御弁を用いて前記バイパス回路を流れる流量を制
   御しながら前記ヒータによって加熱された熱媒体流体を
   前記熱交換器の下流側の熱媒体流体循環回路に導入する
   ことにより、外部二次負荷に供給される熱媒体流体の温
   度制御を行い、 さらに前記熱交換器によって熱媒体流体を冷却すること
   により外部二次負荷に供給される熱媒体流体の温度制御
   を行うようにしたことを特徴とする熱媒体流体用の温度
   調整装置。