JP2010117087A - Refrigerating device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば半導体製造装置などの冷却対象に恒温の冷媒を供給して冷却対象の温度を調節する冷凍装置に関するものである。 The present invention relates to a refrigeration apparatus that adjusts the temperature of a cooling target by supplying a constant temperature refrigerant to the cooling target such as a semiconductor manufacturing apparatus.
従来から、冷却対象の温度を調節するための冷凍装置が知られている。この冷凍装置は、一次冷媒が相変化しながら循環する冷凍サイクルからなる冷凍回路と、二次冷媒(ブライン)が循環する冷媒回路とを備えている。 Conventionally, a refrigeration apparatus for adjusting the temperature of an object to be cooled is known. This refrigeration apparatus includes a refrigeration circuit including a refrigeration cycle in which a primary refrigerant circulates while changing phase, and a refrigerant circuit in which a secondary refrigerant (brine) circulates.
冷凍回路は、圧縮機と凝縮器と膨張弁と蒸発器とを有し、これらがこの順に配管で接続されている。冷媒回路は、ブラインを蒸発器から冷却対象へ送る供給側通路と、ブラインを冷却対象から蒸発器へ送る戻り側通路とを有している。 The refrigeration circuit includes a compressor, a condenser, an expansion valve, and an evaporator, which are connected by piping in this order. The refrigerant circuit has a supply side passage for sending brine from the evaporator to the cooling target and a return side passage for sending brine from the cooling target to the evaporator.
冷凍回路における蒸発器としては、種々のタイプの蒸発器が用いられている。例えばプレート形蒸発器は、同程度の能力を有する他のタイプの蒸発器と比較して小型化することができるという利点がある。プレート形蒸発器は、複数のプレートを有しており、各プレートにおいて冷凍回路の冷媒と冷媒回路のブラインとの間で熱交換が行われ、ブラインが冷却されて温度調節される。 Various types of evaporators are used as the evaporator in the refrigeration circuit. For example, plate evaporators have the advantage that they can be miniaturized compared to other types of evaporators with comparable capabilities. The plate-type evaporator has a plurality of plates, and heat exchange is performed between the refrigerant of the refrigeration circuit and the brine of the refrigerant circuit in each plate, and the brine is cooled to adjust the temperature.
ところが、プレート形蒸発器の各プレートにおいて冷却されるブラインの温度にはばらつきが生じることがある。したがって、各プレートを通過して冷却されたブラインが1本の配管に集約されて蒸発器から排出されるときには、その配管内のブラインに温度むらや温度ノイズが生じることがある。このため、プレート形蒸発器から排出されたブラインが冷却対象に送られる手前、すなわちプレート形蒸発器よりも下流側で冷却対象よりも上流側に位置する供給側通路にタンクを配置して、このタンクにブラインを一旦貯留することにより、ブラインの温度むらを解消している。 However, the temperature of the brine cooled in each plate of the plate evaporator may vary. Therefore, when the brine cooled after passing through each plate is collected in one pipe and discharged from the evaporator, temperature unevenness and temperature noise may occur in the brine in the pipe. Therefore, before the brine discharged from the plate evaporator is sent to the object to be cooled, that is, the tank is arranged in the supply side passage located downstream from the plate evaporator and upstream from the object to be cooled. By storing the brine once in the tank, the temperature unevenness of the brine is eliminated.
このタンクは、ブラインを貯留するタンク本体と、タンク本体内のブラインの温度を調節するヒーターと、タンク本体内のブラインをタンク本体の外部に送り出してブラインを冷媒回路内で循環させるポンプと、タンク本体から送り出されるブラインの温度を測定する温度センサとを備えている。この温度センサによりブラインの温度が測定され、その温度データに基づいて膨張弁、ヒーターなどが制御されることによって、ブラインの温度が調節される(例えば特許文献1)。
ところで、近年、冷凍装置は、冷却対象における負荷の変動に迅速に対応して高精度な温度制御をすることが求められており、特に、半導体業界ではその要求レベルが高い。 By the way, in recent years, refrigeration apparatuses are required to perform temperature control with high accuracy by quickly responding to fluctuations in the load on the object to be cooled, and the requirement level is particularly high in the semiconductor industry.
しかしながら、上記したような従来の冷凍装置の構成では、負荷の変動に対する応答性は必ずしも高いとは言えない。すなわち、タンク本体には多量のブラインが貯留されているので、蒸発器で温度調節されてタンク本体に供給されたブラインがタンク本体から排出されるまでにはある程度の時間(滞留時間)が必要になる。したがって、温度センサが測定するブラインの温度は、蒸発器で温度調節されてから前記滞留時間が経過した後のブラインの温度を測定していることになる。その結果、蒸発器でブラインが温度調節される時点と、この温度調節されたブラインの温度を実際に測定する時点とでは大きなタイムラグが生じることになる。このようなタイムラグが生じると、負荷の変動に迅速に対応して高精度な温度制御をすることができない。 However, in the conventional refrigeration apparatus configuration as described above, the responsiveness to load fluctuations is not necessarily high. That is, since a large amount of brine is stored in the tank body, a certain amount of time (residence time) is required until the brine whose temperature is adjusted by the evaporator and supplied to the tank body is discharged from the tank body. Become. Therefore, the temperature of the brine measured by the temperature sensor is the temperature of the brine after the residence time has elapsed since the temperature was adjusted by the evaporator. As a result, a large time lag occurs between the time when the temperature of the brine is adjusted by the evaporator and the time when the temperature of the temperature-adjusted brine is actually measured. When such a time lag occurs, it is impossible to perform temperature control with high accuracy by quickly responding to load fluctuations.
そこで、本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、冷却対象における負荷の変動に迅速に対応して冷媒を高精度に温度制御できる冷凍装置を提供することにある。 Therefore, the present invention has been made in view of such points, and an object of the present invention is to provide a refrigeration apparatus capable of controlling the temperature of a refrigerant with high accuracy in response to a change in load on a cooling target. It is in.
本発明の冷凍装置は、圧縮機(23)と、凝縮器(25)と、減圧機構(27)と、プレート形蒸発器(29)とを有する冷凍回路(21)と、冷媒を収容するタンク本体(41)と前記タンク本体(41)内の前記冷媒の温度を調節するヒーター(45)と前記タンク本体(41)から前記冷媒を送液するポンプ(47)とを含むタンク(33)と、前記タンク(33)から前記プレート形蒸発器(29)へ前記冷媒を送る第1の配管(P1)と、前記プレート形蒸発器(29)から冷却対象へ前記冷媒を送る第2の配管(P2)と、前記冷却対象から前記タンク(33)へ前記冷媒を送る第3の配管(P3)と、前記第2の配管(P2)内を流れる前記冷媒が乱流となる位置(p)よりも下流側の前記第2の配管(P2)に配設され、前記冷媒の温度を測定する下流側温度センサ(T1)と、を有し、前記タンク(33)、前記プレート形蒸発器(29)および前記冷却対象の順に前記冷媒が循環する冷媒回路(31)と、前記下流側温度センサ(T1)により測定される下流側温度(Ta)に基づいて前記冷凍回路(21)および前記冷媒回路(31)のうち少なくとも前記冷凍回路(21)を制御して前記冷媒の温度を調節する制御手段(61)と、を備えている。 The refrigeration apparatus of the present invention includes a compressor (23), a condenser (25), a decompression mechanism (27), a refrigeration circuit (21) having a plate-type evaporator (29), and a tank for storing refrigerant. A tank (33) including a main body (41), a heater (45) for adjusting the temperature of the refrigerant in the tank main body (41), and a pump (47) for feeding the refrigerant from the tank main body (41); A first pipe (P1) for sending the refrigerant from the tank (33) to the plate evaporator (29), and a second pipe (P1) for sending the refrigerant from the plate evaporator (29) to the object to be cooled ( P2), a third pipe (P3) for sending the refrigerant from the object to be cooled to the tank (33), and a position (p) where the refrigerant flowing in the second pipe (P2) becomes turbulent. Is also disposed in the second pipe (P2) on the downstream side, A downstream temperature sensor (T1) for measuring the temperature of the refrigerant, and the refrigerant circuit (31) in which the refrigerant circulates in the order of the tank (33), the plate evaporator (29), and the cooling target. The refrigerant is controlled by controlling at least the refrigeration circuit (21) of the refrigeration circuit (21) and the refrigerant circuit (31) based on the downstream temperature (Ta) measured by the downstream temperature sensor (T1). And a control means (61) for adjusting the temperature.
この構成では、タンク(33)は、蒸発器(29)の上流側に配置されており、蒸発器(29)により冷却されて温度調節された冷媒は、タンク(33)を経由することなく冷却対象に送られる。 In this configuration, the tank (33) is disposed on the upstream side of the evaporator (29), and the temperature-controlled refrigerant cooled by the evaporator (29) is cooled without passing through the tank (33). Sent to subject.
また、この構成では、プレート形蒸発器(29)から冷却対象へ冷媒を送る第2の配管(P2)に、冷媒の温度を測定する下流側温度センサ(T1)が配設されており、この下流側温度センサ(T1)により測定される温度(下流側温度(Ta))に基づいて冷凍回路(21)を制御して冷媒の温度が調節される。下流側温度センサ(T1)により測定される下流側温度(Ta)は、プレート形蒸発器(29)により温度調節された後、第2の配管(P2)を流れる冷媒の温度であり、従来のようにタンク(33)で一旦貯留されて前記滞留時間を経過した冷媒の温度ではない。したがって、プレート形蒸発器(29)で冷媒が温度調節される時点と、この温度調節された冷媒の温度を実際に測定する時点との間のタイムラグを小さくすることができる。これにより、下流側温度センサ(T1)により測定された冷媒の下流側温度(Ta)をプレート形蒸発器(29)での冷媒の温度調節に迅速に反映させることができる。 In this configuration, a downstream temperature sensor (T1) that measures the temperature of the refrigerant is disposed in the second pipe (P2) that sends the refrigerant from the plate evaporator (29) to the object to be cooled. The refrigerant temperature is adjusted by controlling the refrigeration circuit (21) based on the temperature (downstream temperature (Ta)) measured by the downstream temperature sensor (T1). The downstream temperature (Ta) measured by the downstream temperature sensor (T1) is the temperature of the refrigerant flowing through the second pipe (P2) after the temperature is adjusted by the plate evaporator (29). Thus, it is not the temperature of the refrigerant once stored in the tank (33) and after the residence time has elapsed. Therefore, the time lag between the time when the temperature of the refrigerant is adjusted by the plate evaporator (29) and the time when the temperature of the temperature-adjusted refrigerant is actually measured can be reduced. Thereby, the downstream temperature (Ta) of the refrigerant measured by the downstream temperature sensor (T1) can be quickly reflected in the temperature adjustment of the refrigerant in the plate evaporator (29).
さらに、この構成では、前記下流側温度センサ(T1)は、第2の配管(P2)内を流れる冷媒が乱流となる位置(p)よりも下流側の位置に配設されている。このような位置(p)に温度センサを配設することにより、下流側温度センサ(T1)により測定される温度データが安定するので、安定的な冷媒の温度制御を行うことができる。すなわち、プレート形蒸発器(29)を用いることにより第2の配管(P2)内に生じる冷媒の温度むらは、各プレートを通過した各冷媒が1本の配管に集約されて蒸発器(29)から排出される時点では十分に混合されておらず、各冷媒が温度差を維持したまま層流の状態で流れていることに起因していると考えられる。したがって、下流側温度センサ(T1)を上記位置(p)よりも下流側に配設することにより、温度むらが解消された冷媒の温度を測定できるので、下流側温度の測定データが安定する。 Further, in this configuration, the downstream temperature sensor (T1) is disposed at a position downstream of the position (p) where the refrigerant flowing in the second pipe (P2) becomes turbulent. By arranging the temperature sensor at such a position (p), the temperature data measured by the downstream temperature sensor (T1) is stabilized, so that stable refrigerant temperature control can be performed. That is, the temperature unevenness of the refrigerant generated in the second pipe (P2) by using the plate-type evaporator (29) causes the refrigerant that has passed through each plate to be collected in one pipe so that the evaporator (29). This is considered to be due to the fact that the refrigerant is not sufficiently mixed at the time of being discharged from the refrigerant and flows in a laminar flow state while maintaining the temperature difference. Therefore, by disposing the downstream temperature sensor (T1) on the downstream side of the position (p), the temperature of the refrigerant from which the temperature unevenness has been eliminated can be measured, so that the downstream temperature measurement data is stabilized.
上記の各構成を兼ね備えていることにより、負荷の変動に迅速に対応して冷媒を高精度に温度制御することが可能になる。 By combining the above-described components, it becomes possible to control the temperature of the refrigerant with high accuracy by quickly responding to load fluctuations.
前記冷媒が乱流となる位置(p)は、前記第2の配管(P2)の上流側端部から下式(1)に基づいて算出される距離xだけ下流側の位置であるのが好ましい。 The position (p) at which the refrigerant becomes turbulent is preferably a position downstream from the upstream end of the second pipe (P2) by a distance x calculated based on the following equation (1). .
この構成では、第2の配管(P2)中の冷媒が乱流となる位置(p)を上記式(1)に基づいて算出している。これにより、冷媒が乱流となる位置(p)を容易に決定することができるので、冷凍装置の設計に要する時間を削減することができる。 In this configuration, the position (p) where the refrigerant in the second pipe (P2) becomes a turbulent flow is calculated based on the above formula (1). Thereby, the position (p) at which the refrigerant becomes turbulent can be easily determined, so that the time required for designing the refrigeration apparatus can be reduced.
前記冷媒回路(31)は、前記第1の配管(P1)または前記第3の配管(P3)に配設されて前記プレート形蒸発器(29)よりも上流側の前記冷媒の温度を測定する上流側温度センサ(T2)をさらに有し、前記制御手段(61)は、前記下流側温度(Ta)および前記上流側温度センサ(T2)により測定される上流側温度(Tb)に基づいて前記冷凍回路(21)および前記冷媒回路(31)のうち少なくとも前記冷凍回路(21)を制御するのが好ましい。 The refrigerant circuit (31) is disposed in the first pipe (P1) or the third pipe (P3), and measures the temperature of the refrigerant upstream from the plate evaporator (29). The control unit (61) further includes an upstream temperature sensor (T2), and the control means (61) is based on the downstream temperature (Ta) and the upstream temperature (Tb) measured by the upstream temperature sensor (T2). It is preferable to control at least the refrigeration circuit (21) among the refrigeration circuit (21) and the refrigerant circuit (31).
この構成では、前記下流側温度センサ(T1)に加え、さらに前記上流側温度センサ(T2)を有し、これらにより測定される下流側温度(Ta)および上流側温度(Tb)に基づいて冷凍回路(21)が制御されるので、より高精度な温度調節が可能になる。 In this configuration, in addition to the downstream temperature sensor (T1), the upstream temperature sensor (T2) is further provided, and the refrigeration is performed based on the downstream temperature (Ta) and the upstream temperature (Tb) measured thereby. Since the circuit (21) is controlled, temperature adjustment with higher accuracy becomes possible.
具体的には、前記制御手段(61)は、前記冷凍回路(21)の前記制御を所定時間毎に行い、前回の制御時に測定された前記上流側温度(Tb)を基準温度(Tbs)とし、前記基準温度(Tbs)と今回の制御時に測定される前記上流側温度(Tb)との差である温度変化量(dTb)に基づいて前回の制御時からの負荷熱量の変化量(dLW)を算出し、前記負荷熱量の変化量(dLW)に基づいて前記負荷熱量の変化に対応するための前記膨張弁(27)の開度の第1操作量(dEv1)を算出し、前記下流側温度(Ta)に基づいてフィードバック制御により前記膨張弁(27)の開度の第2操作量(dEv2)を算出し、前記第1操作量(dEv1)と前記第2操作量(dEv2)を足して前記膨張弁(27)の開度操作量(dEv)を算出し、前記膨張弁(27)の開度(Ev)に前記開度操作量(dEv)を加え、前記今回の制御時に測定された前記上流側温度(Tb)を前記基準温度(Tbs)として保存するのが好ましい。 Specifically, the control means (61) performs the control of the refrigeration circuit (21) every predetermined time, and uses the upstream temperature (Tb) measured during the previous control as a reference temperature (Tbs). Based on the temperature change (dTb) that is the difference between the reference temperature (Tbs) and the upstream temperature (Tb) measured during the current control, the amount of change in load heat (dLW) from the previous control And calculating a first manipulated variable (dEv1) of the opening of the expansion valve (27) for coping with the change in the load heat quantity based on the change in the load heat quantity (dLW), Based on the temperature (Ta), a second operation amount (dEv2) of the opening degree of the expansion valve (27) is calculated by feedback control, and the first operation amount (dEv1) and the second operation amount (dEv2) are added. Opening operation amount (d) of the expansion valve (27) v) is calculated, the opening operation amount (dEv) is added to the opening (Ev) of the expansion valve (27), and the upstream temperature (Tb) measured at the time of the current control is calculated as the reference temperature ( Preferably it is stored as Tbs).
一般に、プレート形蒸発器内の冷媒の流れは膨張弁などの減圧機構の微妙な開度変化にも敏感に反応して影響を受ける。したがって、膨張弁の開度が変わると各プレートでの熱交換量が変化して各プレートを通過した後の蒸発器出口における冷媒の温度が変化する。冷凍装置のシステムとしては、蒸発器の出口の冷媒の温度をトータルで制御するだけであり、各プレートを通過する冷媒の温度までは制御できない。このため、温度制御を安定させるためには膨張弁の開度変更は最低限にとどめるのがよい。 In general, the flow of refrigerant in the plate evaporator is sensitively affected by sensitive changes in opening of a decompression mechanism such as an expansion valve. Therefore, when the opening degree of the expansion valve changes, the amount of heat exchange in each plate changes, and the temperature of the refrigerant at the evaporator outlet after passing through each plate changes. The refrigeration system only controls the temperature of the refrigerant at the outlet of the evaporator in total, and cannot control the temperature of the refrigerant passing through each plate. For this reason, in order to stabilize the temperature control, it is preferable to change the opening of the expansion valve to a minimum.
この構成では、下流側温度(Ta)に基づくフィードバック制御による膨張弁(27)の開度調節だけでなく、上流側温度センサ(T2)により測定される上流側温度(Tb)に基づいて負荷変動を考慮した膨張弁(27)の開度調節も行うので、負荷の変動を事前にとらえて膨張弁(27)の余分な開度操作を抑えることができる。これにより、膨張弁(27)の開度変更を低減することができるので、蒸発器(29)を通過する冷媒の温度変動を低減することができる。その結果、負荷の変動に対するより適切な応答ができるので、より高精度な温度調節ができる。 In this configuration, not only the opening degree of the expansion valve (27) is adjusted by feedback control based on the downstream temperature (Ta) but also the load fluctuation based on the upstream temperature (Tb) measured by the upstream temperature sensor (T2). Since the opening degree of the expansion valve (27) is adjusted in consideration of the above, it is possible to prevent the opening degree of the expansion valve (27) from being manipulated by detecting the load fluctuation in advance. Thereby, since the opening degree change of an expansion valve (27) can be reduced, the temperature fluctuation of the refrigerant | coolant which passes an evaporator (29) can be reduced. As a result, a more appropriate response to load fluctuations can be achieved, and more accurate temperature control can be performed.
以上説明したように、本発明によれば、蒸発器としてプレート形蒸発器が用いられ、タンクがプレート形蒸発器よりも上流側に配置され、第2の配管内を流れる冷媒が乱流となる位置よりも下流側の第2の配管に配設された下流側温度センサを備え、下流側温度センサにより測定される下流側温度に基づいて少なくとも冷凍回路を制御して冷媒の温度を調節する制御手段を備えているので、下流側温度センサにより測定された冷媒の温度データをプレート形蒸発器での温度調節に迅速に反映させることができるとともに、下流側温度センサにより測定される温度データを安定させることができる。これにより、負荷の変動に迅速に対応して冷媒を高精度に温度制御することができる。 As described above, according to the present invention, the plate-type evaporator is used as the evaporator, the tank is disposed on the upstream side of the plate-type evaporator, and the refrigerant flowing in the second pipe becomes a turbulent flow. Control comprising a downstream temperature sensor disposed in a second pipe downstream from the position, and controlling at least the refrigeration circuit based on the downstream temperature measured by the downstream temperature sensor to adjust the temperature of the refrigerant Since the temperature data of the refrigerant measured by the downstream temperature sensor can be quickly reflected in the temperature adjustment of the plate evaporator, the temperature data measured by the downstream temperature sensor can be stabilized. Can be made. As a result, the temperature of the refrigerant can be controlled with high accuracy in response to load fluctuations.
<第1の実施形態>
以下、本発明の第1の実施形態にかかる冷凍装置について図面を参照して詳細に説明する。図1に示すように、本実施形態にかかる冷凍装置11は、一次冷媒が循環する冷凍サイクルからなる冷凍回路21と、二次冷媒としての冷媒液(ブライン)が循環する冷媒回路31と、これらの冷凍回路21および冷媒回路31を制御してブラインの温度を調節する制御部(制御手段)61とを備えている。
<First Embodiment>
Hereinafter, a refrigeration apparatus according to a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. As shown in FIG. 1, the
この冷凍装置11は、温度調節されたブラインを冷却対象37に供給し、この冷却対象37とブラインとの間で熱交換して冷却対象37の温度調節を行うためのものである。本実施形態では、冷却対象37が半導体製造装置である場合を例に挙げて説明する。
The
冷凍回路21は、圧縮機23と凝縮器25と膨張弁(減圧機構)27と蒸発器29とを有し、これらがこの順に配管により接続されている。一次冷媒は、この冷凍回路21内において相変化しながら循環する。
The
蒸発器29は、プレート形蒸発器であり、冷凍回路21を循環する一次冷媒が流れる流路と冷媒回路31を循環するブラインが流れる流路とが区画されたプレートを複数備えている。この蒸発器29は、一次冷媒とブラインとの間で熱交換する熱交換器である。
The
冷媒回路31は、タンク33と、一次冷媒このタンク33からプレート形蒸発器29へブラインを送る第1の配管P1と、プレート形蒸発器29から冷却対象37へブラインを送る第2の配管P2と、冷却対象37からタンク33にブラインを送る第3の配管P3とを備えている。
The
タンク33は、略直方体の形状を有してブラインが貯留されたタンク本体41と、このタンク本体41内にブラインを供給する供給配管43と、タンク本体41内のブラインの温度を調節するヒーター45と、タンク本体41内のブラインを吸い込み、このブラインをタンク本体41の外部に送り出してプレート形蒸発器29に送液するポンプ47とを備えている。
The
図1に示すように、第2の配管P2には、プレート形蒸発器29において温度調節されたブラインの温度を測定する下流側温度センサT1が配設されている。制御部61は、下流側温度センサT1により測定される下流側温度Taに基づいて冷凍回路21および冷媒回路31を制御する。
As shown in FIG. 1, a downstream temperature sensor T <b> 1 that measures the temperature of the brine whose temperature is adjusted in the
下流側温度センサT1は、第2の配管P2内を流れるブラインが乱流となる位置pよりも下流側に配設されている。冷媒回路31の配管の長さを短くするほど冷媒回路31を流れるブラインの量を少なくできるので、下流側温度センサT1は、位置pよりも下流側で、かつ、位置pに近い方が好ましい。
The downstream temperature sensor T1 is disposed on the downstream side of the position p where the brine flowing in the second pipe P2 becomes a turbulent flow. Since the amount of brine flowing through the
ブラインが乱流となる位置pは、下記の式(1)に基づいて算出されて決定されたものである。すなわち、この位置pは、第2の配管P2の上流側端部から下式(1)に基づいて算出される距離xだけ下流側の位置である。 The position p at which the brine becomes turbulent is calculated and determined based on the following equation (1). That is, this position p is a position downstream from the upstream end of the second pipe P2 by a distance x calculated based on the following equation (1).
上記式(1)は、次のようにして導き出される。まず、プレート形蒸発器29を出た直後の流速Uは下式(2)となる。
The above equation (1) is derived as follows. First, the flow velocity U immediately after exiting the
第2の配管P2でのレイノルズ数Reは、流速U、ブラインの動粘度vおよび配管径Dを使って下式(3)のように表される。 The Reynolds number Re in the second pipe P2 is expressed by the following equation (3) using the flow velocity U, the kinematic viscosity v of the brine, and the pipe diameter D.
第2の配管P2内を流れるブラインのほぼ全体が乱流となる位置pは、第2の配管P2内の助走区間を算出することで求められる。Latzkoの式によれば、助走区間xは下式(4)で表される。 The position p at which almost the entire brine flowing in the second pipe P2 becomes a turbulent flow can be obtained by calculating a running section in the second pipe P2. According to the Latzko equation, the run-up section x is expressed by the following equation (4).
図2に模式的に示すように、プレート形蒸発器29から第2の配管P2に排出された直後のブライン(図2の左側)は、各プレートを通過して温度差を有する各ブラインが集約された直後であるため、第2の配管P2内において各ブラインが温度差を有したまま層流の状態で流れる領域が多くを占めている(図2中の2本の破線Bで挟まれた領域)。その後、ブラインが第2の配管P2内を下流側(図2の右側)に向かって流れるにつれて、乱流の領域の占める割合が次第に増加していく。
As schematically shown in FIG. 2, the brine immediately after being discharged from the
プレート形蒸発器29と第2の配管P2との接続部分(図2中の第2の配管P2の左端)では、第2の配管P2の径方向の大半が層流の領域であり、第2の配管P2の内壁面近傍の領域が乱流となっている。ブラインが第2の配管P2内を下流側に向かって流れるにつれて、層流と乱流の境界Bが第2の配管P2の中心寄りに移動して乱流の領域が増加する。ブラインのほぼ全体が乱流となる位置pは、ブラインがさらに下流側に進み、第2の配管P2の内壁面から境界Bまでの距離δが第2の配管P2の半径とほぼ一致するところである。
At the connection portion between the
次に、本実施形態にかかる冷凍装置11の運転動作について説明する。冷凍回路21において圧縮機23を運転すると、圧縮されたガス状の一次冷媒が圧縮機23から吐出される。この一次冷媒は、配管を通って凝縮器25に導入される。凝縮器25では、導入された一次冷媒が冷却水に放熱して凝縮する。凝縮した一次冷媒は、凝縮器25から排出される。排出された一次冷媒は、膨張弁27で減圧された後に、プレート形蒸発器29に導入される。
Next, the operation of the
プレート形蒸発器29は、上述したように冷媒回路31のブラインの温度調節を行う。この蒸発器29内において一次冷媒がブラインから熱を奪って蒸気になり、ブラインが冷却される。蒸発器29でガス状になった一次冷媒は、再び圧縮機23に送られて圧縮される。
The
一方、冷媒回路31においてポンプ47を駆動すると、タンク31内で温度調節されたブラインがタンク31から吐出されて第1の配管P1を通じてプレート形蒸発器29に送られる。このプレート形蒸発器29においてブラインの温度が所定の設定温度に調節される。その後、プレート形蒸発器29を通過したブラインは、第2の配管P2を通じて冷却対象37に送られる。
On the other hand, when the
第2の配管P2の前記位置pよりも下流側に配設された下流側温度センサT1は、プレート形蒸発器29において温度調節されたブラインの下流側温度Taを測定する。制御部61は、この下流側温度Taに基づいて冷凍回路21の膨張弁27を制御し、必要に応じて冷媒回路31のヒーター45などを制御してブラインの温度を設定温度に調節する。具体的には、例えば下流側温度Taと設定温度を比較し、これらを一致させるように訂正動作を行うフィードバック制御によりブラインの温度を調節する。フィードバック制御としては、例えばPID制御などが挙げられる。
The downstream temperature sensor T1 disposed on the downstream side of the position p of the second pipe P2 measures the downstream temperature Ta of the brine whose temperature is adjusted in the
冷却対象37に送られたブラインは、冷却対象37を冷却して温度調節する。本実施形態では、冷却対象37は半導体製造装置であり、例えば−30℃〜100℃程度の幅広い温度域で冷却対象37を温度調節することが要求される。また、半導体製造装置においては、負荷が短い周期で変動しても設定温度からの誤差が例えば±1℃を超えてしまうと製造工程に不具合が生じるという場合もあるので、それ以上の温度調節精度が要求されることもある。このように冷却対象37が半導体製造装置の場合には、空調などの場合と違って高い精度の温度調節が要求されるので、本実施形態のように負荷の変動に迅速に対応してブラインを高精度に温度制御することは重要である。
The brine sent to the
冷却対象37を通過したブラインは、第3の配管P3を通じて再びタンク33に送られる。ブラインは、供給配管43を通じてタンク本体41に供給される。タンク本体41内に供給されたブラインは、必要に応じてヒーター45により加熱されて温度調節され、ポンプ47によりタンク本体41から吐出されて第1の配管P1を通じてプレート形蒸発器29に送られる。
The brine that has passed through the
<第2の実施形態>
図3は、本発明の第2の実施形態にかかる冷凍装置11を示す構成図である。本実施形態の冷凍装置11は、第1の配管P1に上流側温度センサT2を備えている点で第1の実施形態と相違している。なお、第1の実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。
<Second Embodiment>
FIG. 3 is a configuration diagram showing the
上流側温度センサT2は、第1の配管P1に設けられており、プレート形蒸発器29よりも上流側のブラインの温度を測定する。
The upstream temperature sensor T <b> 2 is provided in the first pipe P <b> 1 and measures the temperature of the brine upstream from the
制御部61は、下流側温度センサT1により測定される下流側温度Taおよび上流側温度センサT2により測定される上流側温度Tbに基づいて、例えば図4に示すフローチャートの流れに沿って冷凍回路21および冷媒回路31を制御する。
Based on the downstream temperature Ta measured by the downstream temperature sensor T1 and the upstream temperature Tb measured by the upstream temperature sensor T2, the
図4は、本実施形態の具体的な制御の流れを示すフローチャートである。本実施形態では、制御部61は、冷凍回路21および冷媒回路31の制御を所定時間毎に行う。したがって、まず、ステップ1(図4中に「S1」と図示。ステップ2以降も同様。)において、制御部61は、前回の制御時から所定時間が経過(処理インターバルが経過)しているか否かを判断する。
FIG. 4 is a flowchart showing a specific control flow of the present embodiment. In the present embodiment, the
ステップ1の判別結果が「NO」の場合、すなわち前回の制御時から所定時間経過していないときには、制御部61は、スタートに戻って再びステップ1の判別を行う。ステップ1の判別結果が「YES」の場合、制御部61はステップ2に進む。
When the determination result of
ステップ2において、制御部61は、下流側温度センサT1により測定された下流側温度Taおよび上流側温度センサT2により測定された上流側温度Tbを読み込む。
In step 2, the
ステップ3において、制御部61は、基準温度Tbsと今回の制御時に測定された上流側温度Tbとの差である温度変化量dTbに基づいて、前回の制御時からの負荷熱量の変化量dLWを算出する。基準温度Tbsは、前回の制御時に読み込まれた上流側温度Tbの値が設定されている。負荷熱量の変化量dLW[J]は、下式(5)に基づいて算出される。
In Step 3, the
ステップ4において、制御部61は、負荷熱量の変化量dLWに基づいて負荷熱量の変化に対応するための膨張弁の開度の第1操作量dEv1を算出する。
In
具体的には、冷凍装置11の冷凍能力Rは、圧縮機の特性、膨張弁の開度、蒸発器の能力などから事前に求められるものであり、例えば下式(6)の関数fで表される。冷凍能力Rを有する本システムが、ステップ3で算出した負荷熱量の変化量dLWに対応するには、膨張弁27の開度EvをdEv1だけ変化させればよいと仮定すると下記(7)が成り立つ。この下式(7)から、制御部61は膨張弁の第1操作量dEv1を逆算する。
Specifically, the refrigeration capacity R of the
ステップ5において、制御部61は、下流側温度Taに基づいてPID制御により膨張弁の開度の第2操作量dEv2[%]を算出する。PID制御による制御量の演算処理は、下式(8)の関数PIDで表される。
In step 5, the
ステップ6において、制御部61は、第1操作量dEv1と第2操作量dEv2を足して膨張弁の開度操作量dEv[%]を算出する。
In
ステップ7において、制御部61は、膨張弁の開度EvをEv+dEvに変更する。
In step 7, the
最後に、ステップ8において、制御部61は、今回の制御時に測定された上流側温度Tbを基準温度Tbsとして保存してスタートに戻る。なお、下流側温度Taの保存は、必要に応じて関数PIDの中で行われている。
Finally, in step 8, the
以上のステップ1〜8に沿って冷凍装置11を制御することによって、上流側温度Tbに基づいて負荷変動を考慮した膨張弁27の開度調節を行うので、負荷の変動を事前にとらえて膨張弁27の余分な開度操作を抑えることができる。冷却対象37において、負荷の変動がなければ(負荷が一定であれば)、下流側温度Taに基づくPID制御のみでプレート形蒸発器29の出口のブライン温度は安定する。
By controlling the
以上説明したように、第1の実施形態にかかる冷凍装置11は、冷凍回路21と、冷媒回路31と、下流側温度センサT1により測定される下流側温度Taに基づいて冷凍回路21および冷媒回路31を制御してブラインの温度を調節する制御部61と、を備えているので、冷却対象37における負荷の変動に迅速に対応してブラインを高精度に温度制御することができる。
As described above, the
また、第1の実施形態では、第2の配管P2内においてブラインが乱流となる位置pを上記式(1)に基づいて算出しているので、ブラインが乱流となる位置pを容易に決定することができるので、冷凍装置11の設計に要する時間を削減することができる。
Further, in the first embodiment, the position p where the brine becomes turbulent in the second pipe P2 is calculated based on the above formula (1), so the position p where the brine becomes turbulent can be easily determined. Since it can be determined, the time required for designing the
第2の実施形態では、冷媒回路31は、第1の配管P1に配設されてプレート形蒸発器29よりも上流側のブラインの温度を測定する上流側温度センサT2をさらに有し、制御部61は、下流側温度Taおよび上流側温度Tbに基づいて冷凍回路21および冷媒回路31を制御しているので、より高精度な温度調節が可能になる。
In the second embodiment, the
具体的には、第2の実施形態では、制御部61は、冷凍回路21および冷媒回路31の制御を所定時間毎に行い、前回の制御時に測定された上流側温度Tbを基準温度Tbsとし、基準温度Tbsと今回の制御時に測定される上流側温度Tbとの差である温度変化量dTbに基づいて前回の制御時からの負荷熱量の変化量dLWを算出し、負荷熱量の変化量dLWに基づいて負荷熱量の変化に対応するための膨張弁27の開度の第1操作量dEv1を算出する。
Specifically, in the second embodiment, the
一方で、制御部61は、下流側温度Taに基づいてPID制御により膨張弁27の開度の第2操作量dEv2を算出し、第1操作量dEv1と第2操作量dEv2を足して膨張弁27の開度操作量dEvを算出する。ついで、制御部61は、膨張弁27の開度Evに開度操作量dEvを加え、今回の制御時に測定された上流側温度Tbを基準温度Tbsとして保存する。
On the other hand, the
この構成では、下流側温度Taに基づくPID制御による膨張弁27の開度調節だけでなく、上流側温度Tbに基づいて負荷変動を考慮した膨張弁27の開度調節も行うので、負荷の変動を事前にとらえて膨張弁27の余分な開度操作を抑えることができる。これにより、膨張弁27の開度変更を低減することができるので、プレート形蒸発器29を通過するブラインの温度変動を低減することができる。その結果、負荷の変動に対するより適切な応答ができるので、より高精度な温度調節ができる。
In this configuration, not only the opening degree adjustment of the
<他の実施形態>
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更、改良等が可能である。例えば、上記実施形態では、上流側温度センサT2をタンク33と蒸発器29をつなぐ第1の配管P1に設けた場合を例に挙げて説明したが、上流側温度センサT2は、第3の配管P3に設けてもよい。この場合には、冷却対象37から戻ってきたブラインがタンク33に貯留される前にブラインの温度を測定するので、冷却対象37における負荷の変動をより迅速にとらえることができる。
<Other embodiments>
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, A various change, improvement, etc. are possible in the range which does not deviate from the meaning. For example, in the above-described embodiment, the case where the upstream temperature sensor T2 is provided in the first pipe P1 that connects the
また、上記実施形態では、下流側温度Taおよび上流側温度Tbに基づいて膨張弁27の開度Evを制御する場合を例に挙げて説明したが、膨張弁27の開度Evの制御に加え、下流側温度Taおよび上流側温度Tbに基づいて圧縮機23の回転数、ヒーター45などを制御することも可能である。
Further, in the above embodiment, the case where the opening degree Ev of the
上記実施形態では、下流側温度Taに基づくフィードバック制御として、比例制御(P)、積分制御(I)および微分制御(D)を併用したPID制御を用いた場合を例に挙げて説明したが、フィードバック制御としては例えば比例制御と積分制御を併用したPI制御、比例制御と微分制御を併用したPD制御などの他のフィードバック制御を用いてもよい。 In the above embodiment, the feedback control based on the downstream temperature Ta has been described by taking as an example the case of using PID control in combination with proportional control (P), integral control (I), and differential control (D). As feedback control, for example, other feedback control such as PI control using both proportional control and integral control, and PD control using both proportional control and differential control may be used.
上記実施形態では、冷却対象が半導体製造装置である場合を例に挙げて説明したが、冷却対象は半導体製造装置に限定されるものではなく、本発明の冷凍装置は種々の冷却対象の温度調節に適用可能である。 In the above embodiment, the case where the object to be cooled is a semiconductor manufacturing apparatus has been described as an example. However, the object to be cooled is not limited to the semiconductor manufacturing apparatus, and the refrigeration apparatus of the present invention adjusts the temperature of various objects to be cooled. It is applicable to.
また、上記実施形態では、冷凍回路が基本的な構成からなる場合を例に挙げて説明したが、本発明における冷凍回路は上記実施形態に限定されるものではない。 In the above embodiment, the case where the refrigeration circuit has a basic configuration has been described as an example. However, the refrigeration circuit in the present invention is not limited to the above embodiment.
11 冷凍装置
21 冷凍回路
23 圧縮機
25 凝縮器
27 膨張弁
29 蒸発器
31 冷媒回路
33 タンク
41 タンク本体
43 供給配管
45 ヒーター
47 ポンプ
DESCRIPTION OF
Claims (4)
冷媒を収容するタンク本体(41)と前記タンク本体(41)内の前記冷媒の温度を調節するヒーター(45)と前記タンク本体(41)から前記冷媒を送液するポンプ(47)とを含むタンク(33)と、前記タンク(33)から前記プレート形蒸発器(29)へ前記冷媒を送る第1の配管(P1)と、前記プレート形蒸発器(29)から冷却対象へ前記冷媒を送る第2の配管(P2)と、前記冷却対象から前記タンク(33)へ前記冷媒を送る第3の配管(P3)と、前記第2の配管(P2)内を流れる前記冷媒が乱流となる位置(p)よりも下流側の前記第2の配管(P2)に配設され、前記冷媒の温度を測定する下流側温度センサ(T1)と、を有し、前記タンク(33)、前記プレート形蒸発器(29)および前記冷却対象の順に前記冷媒が循環する冷媒回路(31)と、
前記下流側温度センサ(T1)により測定される下流側温度(Ta)に基づいて前記冷凍回路(21)および前記冷媒回路(31)のうち少なくとも前記冷凍回路(21)を制御して前記冷媒の温度を調節する制御手段(61)と、を備えた冷凍装置。 A refrigeration circuit (21) having a compressor (23), a condenser (25), a decompression mechanism (27), and a plate evaporator (29);
A tank main body (41) for storing the refrigerant; a heater (45) for adjusting the temperature of the refrigerant in the tank main body (41); and a pump (47) for feeding the refrigerant from the tank main body (41). A tank (33), a first pipe (P1) for sending the refrigerant from the tank (33) to the plate evaporator (29), and a refrigerant to be cooled from the plate evaporator (29) The second pipe (P2), the third pipe (P3) for sending the refrigerant from the object to be cooled to the tank (33), and the refrigerant flowing in the second pipe (P2) are turbulent. A downstream temperature sensor (T1) that is disposed in the second pipe (P2) on the downstream side of the position (p) and measures the temperature of the refrigerant, the tank (33), the plate The evaporator (29) and the cooling object in this order Refrigerant circuit serial refrigerant circulates and (31),
Based on the downstream temperature (Ta) measured by the downstream temperature sensor (T1), at least the refrigeration circuit (21) of the refrigeration circuit (21) and the refrigerant circuit (31) is controlled to control the refrigerant. And a control means (61) for adjusting the temperature.
前記制御手段(61)は、前記下流側温度(Ta)および前記上流側温度センサ(T2)により測定される上流側温度(Tb)に基づいて前記冷凍回路(21)および前記冷媒回路(31)のうち少なくとも前記冷凍回路(21)を制御する、請求項1または2に記載の冷凍装置。 The refrigerant circuit (31) is disposed in the first pipe (P1) or the third pipe (P3), and measures the temperature of the refrigerant upstream from the plate evaporator (29). An upstream temperature sensor (T2);
The control means (61) includes the refrigeration circuit (21) and the refrigerant circuit (31) based on the downstream temperature (Ta) and the upstream temperature (Tb) measured by the upstream temperature sensor (T2). The refrigeration apparatus according to claim 1 or 2, wherein at least the refrigeration circuit (21) is controlled.
前記冷凍回路(21)の前記制御を所定時間毎に行い、
前回の制御時に測定された前記上流側温度(Tb)を基準温度(Tbs)とし、
前記基準温度(Tbs)と今回の制御時に測定される前記上流側温度(Tb)との差である温度変化量(dTb)に基づいて前回の制御時からの負荷熱量の変化量(dLW)を算出し、
前記負荷熱量の変化量(dLW)に基づいて前記負荷熱量の変化に対応するための前記膨張弁(27)の開度の第1操作量(dEv1)を算出し、
前記下流側温度(Ta)に基づいてフィードバック制御により前記膨張弁(27)の開度の第2操作量(dEv2)を算出し、
前記第1操作量(dEv1)と前記第2操作量(dEv2)を足して前記膨張弁(27)の開度操作量(dEv)を算出し、
前記膨張弁(27)の開度(Ev)に前記開度操作量(dEv)を加え、
前記今回の制御時に測定された前記上流側温度(Tb)を前記基準温度(Tbs)として保存する、請求項3に記載の冷凍装置。 The control means (61)
The control of the refrigeration circuit (21) is performed every predetermined time,
The upstream temperature (Tb) measured during the previous control is set as a reference temperature (Tbs),
Based on a temperature change amount (dTb) that is a difference between the reference temperature (Tbs) and the upstream temperature (Tb) measured at the time of the current control, a change amount (dLW) of the load heat amount from the previous control time is calculated. Calculate
Calculating a first operation amount (dEv1) of the opening of the expansion valve (27) to cope with the change in the load heat amount based on the change in the load heat amount (dLW);
Based on the downstream temperature (Ta), a second manipulated variable (dEv2) of the opening of the expansion valve (27) is calculated by feedback control,
The opening operation amount (dEv) of the expansion valve (27) is calculated by adding the first operation amount (dEv1) and the second operation amount (dEv2),
The opening operation amount (dEv) is added to the opening (Ev) of the expansion valve (27),
The refrigeration apparatus according to claim 3, wherein the upstream temperature (Tb) measured during the current control is stored as the reference temperature (Tbs).
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