JP2009204288A - 冷却装置 - Google Patents

Abstract

【課題】直膨式冷却プレートを均等に冷却することができ、ワーク好適に冷却し得る冷却装置を提供する。
【解決手段】冷却装置１０は、直膨式冷却プレート５０によって冷却されるワークＷの温度を検出する温度センサ７２と、直膨式冷却プレート５０内における冷媒の蒸発圧力を調整する調整弁６０と、調整弁６０の弁開度を調整するコントローラ７０と、を備えている。コントローラは、温度センサにより検出したワークの温度が設定温度よりも低いときには調整弁の弁開度を小さくして直膨式冷却プレート内における冷媒の蒸発圧力を上昇させ、ワークの温度が設定温度よりも高いときには調整弁の弁開度を大きくして直膨式冷却プレート内における冷媒の蒸発圧力を低下させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、直膨式冷却プレートによってワークを冷却する冷却装置に関する。

液晶パネル、半導体、太陽電池などの生産工程あるいは検査工程においては、ワークを冷却する冷却プレートを備える冷却装置が使用されている。

冷却装置には、冷凍機ユニットの一次冷媒と熱交換して冷却された二次冷媒を冷却プレートに供給する方式の他、特許文献１に記載されているように、二次冷媒を使用せずに冷凍機ユニットの冷媒を冷却プレートに直接供給する方式のものがある。後者の冷却プレートは、直膨式冷却プレートとも称されている。
特開２００５−８５８０１号公報

冷凍機ユニットの冷媒を直膨式冷却プレートに直接供給する冷却装置において、直膨式冷却プレートの温度制御として、一般的に、電動弁構造の冷却制御弁の開度を変更して冷媒循環量を調整する手法、あるいは、圧縮機から吐出された冷媒のホットガスを電動弁構造の加熱制御弁の開度を調整することによって直膨式冷却プレートに供給する手法が採用されている。

冷却負荷が低下して、冷媒循環量を減少したり、ホットガスを供給したりして直膨式冷却プレートの表面温度の維持を行なっている場合には、直膨式冷却プレートの入口温度と冷却プレートの出口温度との間には大きな温度差が生じ、直膨式冷却プレートを均等に冷却することができないという問題が生じる。

上述したような冷却制御弁や加熱制御弁を使用せずに、電子式膨張弁を使用して、直膨式冷却プレートの表面温度を制御する方法も考えられる。しかしながら、冷却負荷が低下したときには同様な問題が発生する。すなわち、冷却負荷が低下したときには、電子膨張弁の開度を絞り、過熱度を徐々に増加して、直膨式冷却プレートの温度制御を行っている。仮に、直膨式冷却プレートの温度センサのポイントを−１０℃に制御する場合、直膨式冷却プレートの入口付近では、−２０℃で冷媒が蒸発を開始し、冷媒ガスが大きく過熱され、直膨式冷却プレートの出口付近では冷媒温度が、−１１℃になっている状況も考えられる。このように、直膨式冷却プレートの表面温度のバラツキが大きくなり、直膨式冷却プレートを均等に冷却することができないという問題が生じる。

そこで、本発明の目的は、直膨式冷却プレートによってワークを冷却する冷却装置であって、直膨式冷却プレートを均等に冷却することができ、ワークを好適に冷却し得る冷却装置を提供することにある。

上記目的を達成するための本発明は、ガス冷媒を圧縮する圧縮機と、前記圧縮機によって圧縮した冷媒を凝縮する凝縮器と、前記凝縮器によって凝縮した冷媒を断熱膨張する膨張弁と、前記膨張弁によって断熱膨張した冷媒が供給され蒸発器として機能する直膨式冷却プレートとを配管によって接続した冷凍サイクルを備え、前記膨張弁によって前記冷凍サイクル内を循環する冷媒量を調整することによって、前記直膨式冷却プレートの出口における冷媒を気相に変化させるとともに前記直膨式冷却プレートの出口における冷媒の過熱度を設定された過熱度とし、前記直膨式冷却プレートによってワークを冷却する冷却装置であって、前記ワークの温度を検出する温度センサと、前記直膨式冷却プレートと前記圧縮機との間に配置され、弁開度を調整することによって、前記直膨式冷却プレート内における冷媒の蒸発圧力を調整する調整弁と、前記調整弁の弁開度を調整する制御手段と、を備えている。前記制御手段は、前記温度センサにより検出した前記ワークの温度が設定温度よりも低いときには前記調整弁の弁開度を小さくして前記直膨式冷却プレート内における冷媒の蒸発圧力を上昇させ、前記ワークの温度が設定温度よりも高いときには前記調整弁の弁開度を大きくして前記直膨式冷却プレート内における冷媒の蒸発圧力を低下させている。

本発明の冷却装置によれば、直膨式冷却プレート内における蒸発圧力を調整可能な調整弁を備えているので、ワークにおける熱負荷が変動しても、冷媒の蒸発温度をある一定の範囲内で制御することができる。冷媒の蒸発温度を調整するという最小限の操作によって、直膨式冷却プレートの温度制御を行って当該直膨式冷却プレートを均等に冷却することができ、その結果、ワークを好適に冷却することが可能となる。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の実施形態に係る冷却装置１０を示す構成図である。

図１を参照して、本実施形態に係る冷却装置１０は、二次冷媒を使用せずに冷凍機ユニット１１（破線によって囲まれる）の冷媒を直膨式冷却プレート５０に直接供給し、この直膨式冷却プレート５０によってワークＷを冷却する冷却装置１０である。

冷却装置１０は、概説すれば、ガス冷媒を圧縮する圧縮機２０と、圧縮機２０によって圧縮した冷媒を凝縮する凝縮器３０と、凝縮器３０によって凝縮した冷媒を断熱膨張する膨張弁４０と、膨張弁４０によって断熱膨張した冷媒が供給され蒸発器として機能する直膨式冷却プレート５０とを配管によって接続した冷凍サイクルを備えている。膨張弁４０によって冷凍サイクル内を循環する冷媒量を調整することによって、直膨式冷却プレート５０の出口における冷媒を気相に変化させるとともに直膨式冷却プレート５０の出口における冷媒の過熱度（蒸発温度から何度上昇したか）を設定された過熱度としている。冷却装置１０は、ワークＷの温度を検出する温度センサ７２と、直膨式冷却プレート５０と圧縮機２０との間に配置され、弁開度を調整することによって、直膨式冷却プレート５０内における冷媒の蒸発圧力を調整する調整弁６０と、調整弁６０の弁開度を調整するコントローラ７０（制御手段に相当する）と、を備えている。以下、詳述する。

冷媒は、特に限定されないが、例えば、ＨＦＥ系の混合冷媒Ｒ−４０４Ａを使用することができる。

直膨式冷却プレート５０は、直膨式プレート熱交換器から構成されている。図示例では、ワークＷは、直膨式冷却プレート５０の上に載置されている。圧縮機２０において液圧縮とならないように、膨張弁４０の機能により、直膨式冷却プレート５０の出口において、冷媒は、蒸発して気相に変化している。冷媒の過熱度は、適宜設定できるが、例えば、２℃である。直膨式プレート熱交換器５０は、入口冷媒温度と出口冷媒温度との間には過熱度の分だけ温度差があるが、ワークＷを載置する面が均等な温度となるように、冷媒流路が設定されている。

膨張弁４０は、周知のように、過熱度を一定に保持する自動制御バルブである。膨張弁４０の感温筒４１は、直膨式冷却プレート５０の出口近傍に設けられ、直膨式冷却プレート５０を出た冷媒温度を検知する。膨張弁４０は、直膨式冷却プレート５０を出た冷媒温度に基づいて過熱度が制御される。膨張弁４０は、直膨式冷却プレート５０を出た冷媒温度と、膨張弁４０の出口近傍の温度（飽和温度）の差異が予め設定された温度となるように、弁の開度が自動調節される。つまり、上記の温度の差異が予め設定された過熱度を越えるときには、弁の開度を大きくして冷媒循環量を増やし、過熱度未満であるときには、弁の開度を小さくして冷媒循環量を減らす。なお、膨張弁４０は、電子膨張弁に置き換えることも可能である。

調整弁６０は、電動弁構造を有している。調整弁６０の弁開度を調整することによって、直膨式冷却プレート５０内における冷媒の蒸発圧力を調整し、直膨式冷却プレート５０内における冷媒の飽和温度を変えることができる。これにより、直膨式冷却プレート５０の温度を変えることができる。つまり、調整弁６０の弁開度を絞ると、直膨式冷却プレート５０の出口側の圧力が高くなり、直膨式冷却プレート５０内における冷媒の蒸発圧力が上昇して飽和温度が上昇し、直膨式冷却プレート５０の表面温度が高くなる。これとは逆に、調整弁６０の弁開度を開くと、直膨式冷却プレート５０の出口側の圧力が低くなり、直膨式冷却プレート５０内における冷媒の蒸発圧力が低下して飽和温度が低下し、直膨式冷却プレート５０の表面温度が低くなる。

圧縮機２０は、直膨式冷却プレート５０での冷却負荷が減少したときに冷媒循環量を減少させる容量調整機構２１を有している。この容量調整機構２１は、圧縮機２０の回転数を減少させる機構から構成されている。

本実施形態では、直膨式冷却プレート５０の表面温度を測定することによって、ワークＷの温度を間接的に検出している。温度センサ７２は、測温抵抗体や熱電対などから構成されている。

冷却装置１０は、直膨式冷却プレート５０内における冷媒圧力を検出する圧力センサ７１を備えている。圧力センサ７１は、直膨式冷却プレート５０の出口側の配管に設けられ、直膨式冷却プレート５０内における冷媒圧力を検出する。圧力センサ７１は、冷媒圧力をダイヤフラムを介して感圧素子で計測し、電気信号に変換し出力する。

コントローラ７０は、調整弁６０の弁開度を制御する。コントローラ７０は、ＣＰＵやメモリを主体に構成され、温度センサ７２において検出したワークＷの温度に関する信号、および圧力センサ７１において検出した直膨式冷却プレート５０内における冷媒圧力に関する信号が入力される。コントローラ７０からは、弁開度を調整するための制御信号が調整弁６０に出力される。コントローラ７０には、ワークＷの設定温度などを入力する例えばテンキーなどの図示しない入力装置が接続されている。コントローラ７０はまた、圧縮機２０の容量調整機構２１にも接続され、容量制御のための制御信号が容量調整機構２１に出力される。メモリには、冷却装置１０の動作を制御するのに必要な各種パラメータやプログラムなどが記憶される。

冷却装置１０の動特性をワークＷの熱負荷を考慮して正確にシミュレーションすることは事実上不可能である。このため、最終的な各種パラメータの値については、冷却装置１０の試運転を行いながら、トライアンドエラーにより決定される。決定されたパラメータ値はメモリに記憶される。

コントローラ７０は、温度センサ７２により検出したワークＷの温度が設定温度よりも低いときには調整弁６０の弁開度を小さくして直膨式冷却プレート５０内における冷媒の蒸発圧力を上昇させ、ワークＷの温度が設定温度よりも高いときには調整弁６０の弁開度を大きくして直膨式冷却プレート５０内における冷媒の蒸発圧力を低下させている。

コントローラ７０はまた、ワークＷの温度を設定温度にするために必要な直膨式冷却プレート５０内における冷媒の蒸発温度に対応する冷媒の蒸発圧力を算出し、圧力センサ７１により検出した直膨式冷却プレート５０内における冷媒圧力が算出した蒸発圧力よりも低いときには調整弁６０の弁開度を小さくして直膨式冷却プレート５０内における冷媒圧力を上昇させ、直膨式冷却プレート５０内における冷媒圧力が算出した蒸発圧力よりも高いときには調整弁６０の弁開度を大きくして直膨式冷却プレート５０内における冷媒圧力を低下させている。

本実施形態の作用を説明する。

冷媒としてＨＦＥ系の混合冷媒Ｒ−４０４Ａを使用し、直膨式冷却プレート５０にワークＷを装着し、ワークＷに一定の発熱が発生している状態で、直膨式冷却プレート５０の表面温度を−１０℃に制御する場合の各構成機器の制御動作を説明する。以下の説明では、直膨式冷却プレート５０の表面温度を、単に、「プレート表面温度」という。プレート表面温度は、温度センサ７２を挿入した部位の温度である。

（１）冷媒蒸発温度初期値の算出
コントローラ７０は、プレート表面温度を−１０℃に制御するために必要な冷媒蒸発温度の初期値を決定する。冷媒蒸発温度の初期値としては、プレート表面温度よりも数度低い温度を設定する。例えば、プレート表面温度の設定値（−１０℃）から２℃低い値の−１２℃を、冷媒蒸発温度の初期設定値とする。コントローラ７０は、冷却装置１０の運転を開始する。

（２）調整弁６０の開度調整
コントローラ７０は、メモリに予め記憶されている蒸気圧表のデータを参照して、冷媒蒸発温度の初期設定値（−１２℃）における飽和圧力値（蒸発圧力値）を算出する。−１２℃の冷媒蒸発温度における飽和圧力値は０．３ＭＰａ（ゲージ圧）である。コントローラ７０は、調整弁６０に対して、蒸発圧力を０．３ＭＰａ（ゲージ圧）にするのに必要な弁開度に関する制御信号を出力する。コントローラ７０は、圧力センサ７１にて検出した冷媒圧力の値が０．３ＭＰａ（ゲージ圧）になるように、調整弁６０の弁開度の調整を継続する。

（３）膨張弁４０の動作
膨張弁４０は、過熱度を一定に保持する自動制御バルブであり、過熱度は、２℃に調整してある。膨張弁４０は、感温筒４１の温度が−１０℃（−１２℃＋２℃）になるように、弁の開度を自動調節する。

（４）容量調整
調整弁６０の弁開度が小さいとき、つまり冷却負荷が減少している状態では、容量調整機構２１により圧縮機２０の回転数を減少させ、適切な冷媒の循環量が確保できるよう圧縮機２０の容量制御を行なう。冷媒の循環量を適切に調整することにより、冷却装置１０の省エネルギー運転が可能となる。

（５）プレート表面温度の検出、および制御オフセットの調整
温度センサ７２により、プレート表面温度を検出する。検出した値が−１０．５℃であるとすると、−０．５℃のオフセットが発生している。

コントローラ７０は、プレート表面温度の設定値（−１０℃）よりも０．５℃低いため、蒸発温度を−１２℃から−１１．５℃に変更する制御信号を調整弁６０に出力する。コントローラ７０は、調整弁６０に対して、−１１．５℃の冷媒蒸発温度における飽和圧力値にするのに必要な弁開度に関する制御信号を出力する。コントローラ７０は、圧力センサ７１にて検出した冷媒圧力の値が変更した飽和圧力値になるように、調整弁６０の弁開度の調整を継続する。

コントローラ７０は、運転終了まで、（２）〜（５）の各動作を連続して繰り返し、直膨式冷却プレート５０の温度制御を行う。かかる制御により、直膨式冷却プレート５０を均等に冷却することができ、その結果、ワークＷを好適に冷却することが可能となる。

以上説明したように、本実施形態の冷却装置１０は、直膨式冷却プレート５０内における蒸発圧力を調整可能な調整弁６０を備えているので、ワークＷにおける熱負荷が変動しても、冷媒の蒸発温度をある一定の範囲内で制御することができる。冷媒の蒸発温度を調整するという最小限の操作によって、直膨式冷却プレート５０の温度制御を行って当該直膨式冷却プレート５０を均等に冷却することができ、その結果、ワークＷを好適に冷却することが可能となる。

また、圧縮機２０は、直膨式冷却プレート５０での冷却負荷が減少したときに冷媒循環量を減少させる容量調整機構２１を有しているので、冷却負荷に応じて冷媒の循環量が適切に調整され、冷却装置１０の省エネルギー運転が可能となる。

本発明は、上述した実施形態に限定されるものではなく、適宜改変することができる。例えば、圧縮機２０の容量調整機構２１として、圧縮機２０の回転数を減少させる機構を例示したが、この他にも、容量調整機構２１として、圧縮機２０から吐出される冷媒ガスを圧縮機２０内で吸入側にバイパスするアンローダ機構を使用してもよい。調整弁６０の弁開度が小さいとき、つまり冷却負荷が減少している状態では、圧縮機２０から吐出される高温、高圧の冷媒ガスを圧縮機２０内で吸入側にバイパスさせることにより、適切な冷媒の循環量を確保できる。

本発明の実施形態に係る冷却装置を示す構成図である。

符号の説明

１０ 冷却装置、
２０ 圧縮機、
２１ 容量調整機構、
３０ 凝縮器、
４０ 膨張弁、
５０ 直膨式冷却プレート、直膨式プレート熱交換器、
６０ 調整弁、
７０ コントローラ（制御手段）、
７１ 圧力センサ、
７２ 温度センサ、
Ｗ ワーク。

Claims (6)

1. ガス冷媒を圧縮する圧縮機（２０）と、前記圧縮機（２０）によって圧縮した冷媒を凝縮する凝縮器（３０）と、前記凝縮器（３０）によって凝縮した冷媒を断熱膨張する膨張弁（４０）と、前記膨張弁（４０）によって断熱膨張した冷媒が供給され蒸発器として機能する直膨式冷却プレート（５０）とを配管によって接続した冷凍サイクルを備え、前記膨張弁（４０）によって前記冷凍サイクル内を循環する冷媒量を調整することによって、前記直膨式冷却プレート（５０）の出口における冷媒を気相に変化させるとともに前記直膨式冷却プレート（５０）の出口における冷媒の過熱度を設定された過熱度とし、前記直膨式冷却プレート（５０）によってワーク（Ｗ）を冷却する冷却装置であって、
   前記ワーク（Ｗ）の温度を検出する温度センサ（７２）と、
   前記直膨式冷却プレート（５０）と前記圧縮機（２０）との間に配置され、弁開度を調整することによって、前記直膨式冷却プレート（５０）内における冷媒の蒸発圧力を調整する調整弁（６０）と、
   前記調整弁（６０）の弁開度を調整する制御手段（７０）と、を備え、
   前記制御手段（７０）は、前記温度センサ（７２）により検出した前記ワーク（Ｗ）の温度が設定温度よりも低いときには前記調整弁（６０）の弁開度を小さくして前記直膨式冷却プレート（５０）内における冷媒の蒸発圧力を上昇させ、前記ワーク（Ｗ）の温度が設定温度よりも高いときには前記調整弁（６０）の弁開度を大きくして前記直膨式冷却プレート（５０）内における冷媒の蒸発圧力を低下させる冷却装置。
2. 前記直膨式冷却プレート（５０）内における冷媒圧力を検出する圧力センサ（７１）を備え、
   前記制御手段（７０）は、前記ワーク（Ｗ）の温度を設定温度にするために必要な前記直膨式冷却プレート（５０）内における冷媒の蒸発温度に対応する冷媒の蒸発圧力を算出し、前記圧力センサ（７１）により検出した前記直膨式冷却プレート（５０）内における冷媒圧力が算出した蒸発圧力よりも低いときには前記調整弁（６０）の弁開度を小さくして前記直膨式冷却プレート（５０）内における冷媒圧力を上昇させ、前記直膨式冷却プレート（５０）内における冷媒圧力が算出した蒸発圧力よりも高いときには前記調整弁（６０）の弁開度を大きくして前記直膨式冷却プレート（５０）内における冷媒圧力を低下させる請求項１に記載の冷却装置。
3. 前記圧縮機（２０）は、前記直膨式冷却プレート（５０）での冷却負荷が減少したときに冷媒循環量を減少させる容量調整機構（２１）を有している請求項１または２に記載の冷却装置。
4. 前記容量調整機構（２１）は、前記圧縮機（２０）の回転数を減少させる機構である請求項３に記載の冷却装置。
5. 前記容量調整機構（２１）は、前記圧縮機（２０）から吐出される冷媒ガスを前記圧縮機（２０）内で吸入側にバイパスするアンローダ機構である請求項３に記載の冷却装置。
6. 前記直膨式冷却プレート（５０）が、直膨式プレート熱交換器である請求項１に記載の冷却装置。

Images