JP3662238B2 - 冷却装置及び恒温装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は冷却装置に関するものであり、特に半導体や電子部品等の製造装置、検査装置、評価試験装置等の様に、精密な恒温環境を必要とする製造装置や検査装置に採用することが望ましいものである。
【０００２】
【従来の技術】
冷却装置は、冷蔵庫やクーラ等の低温を作りだす装置に普通に使用されている。冷却装置は、周知の通り、圧縮装置と、凝縮装置と、膨張弁と、蒸発装置を備え、これらが順次配管接続されて冷凍回路を構成するものである。
冷凍回路においては、気体状態の冷媒が圧縮装置で圧縮されて凝縮装置に送られ、凝縮装置では冷媒から熱を奪って液状又は気・液混合状態に変化させる。そして冷媒は膨張手段を経て蒸発装置に送られる。蒸発装置内においては前記した液状又は気・液混合状態の冷媒が蒸発し、潜熱によって負荷から熱を奪う。冷媒は、負荷から熱を受けて気化し、圧縮装置に戻る。
【０００３】
ところで圧縮装置に戻される冷媒は、いわゆる液圧縮を防ぐために完全に気化された状態であることが望ましい。
そこで従来技術においては、液状又は気・液混合状態の冷媒は、蒸発装置内においてその全量が気化される様に設計されていた。
すなわち従来技術の冷却装置においては、蒸発装置の出側の温度が冷凍回路内における冷媒の飽和温度よりも高くなる様に膨張弁等が制御されていた。より具体的には、蒸発装置の出側における冷媒の過熱度が一定となる様に膨張弁等が制御されていた。
【０００４】
また冷媒を完全に気化した状態で圧縮装置に戻すための方策として、特開昭６１−８９４５６号に記載の方法が提案されている。
特開昭６１−８９４５６号に記載された方策は、蒸発装置と圧縮装置の間の低圧側の冷媒を、圧縮装置から膨張弁までの高圧側と熱交換するものである。特開昭６１−８９４５６号に記載された方策は、蒸発装置を出た冷媒を加熱し、冷媒を過熱状態として圧縮装置に送るものである。
特開昭６１−８９４５６号に記載された方策は、あくまでも蒸発装置内で冷媒を完全に気化することを目的としており、蒸発装置と圧縮装置の間を高圧側と熱交換するのは、蒸発装置を出た冷媒気体をさらに加熱して過熱状態とし、圧縮装置に液状の冷媒が戻ることを完全に阻止するためである。
【０００５】
また従来技術の冷却装置では、負荷側の温度制御は、圧縮装置のオン・オフ等によって行われてきた。
すなわち負荷側の温度が設定温度よりも高い場合には圧縮装置を起動して冷却装置を作動させ、蒸発装置の温度を低下して負荷側の温度を下げる。逆に負荷側の温度が設定温度よりも低い場合には圧縮装置を停止する。
従来技術の冷却装置は、上記した様に圧縮装置のオン・オフによって設定温度に近づけるものであったから、負荷側の温度が振動するという問題があった。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、半導体や電子部品等の製造装置、検査装置、評価試験装置、あるいは環境試験器等には、極めて精密な恒温環境を必要とするものがある。そのため上記した様に圧縮装置をオン・オフして温度制御する構成では、負荷側の温度が振動して要求性能を満たすことができない。すなわち圧縮装置をオン・オフして温度制御する構成では、温度の安定性が低い。
【０００７】
そのためこれらの装置においては、冷却装置の他に応答性の高いヒータを内蔵している。そして冷却装置で必要冷却量以上の冷却量を与え、冷却しすぎた分を応答性の高いヒータで補う方策が採用されている。
しかしながら、この様に冷却装置の他に応答性の高いヒータを内蔵させる構成は、加熱しながら冷やすという矛盾があり、エネルギー効率が悪く、省エネルギーに反するものであった。
【０００８】
また上記した環境試験器等は、内部における温度分布のばらつきが少ないことも重要な性能の一つであるが、従来技術の冷却装置はこの点においても満足のゆくものではなかった。
【０００９】
すなわち環境試験器等は、例えば−４０℃から１００℃といった様な広範囲に設定温度を変更することが要求され、これに搭載される冷却装置の蒸発装置は、最低到達温度に達することができるように高性能（熱交換効率が高い）のものが使用される。そのため負荷側（例えば恒温槽内）の温度が高い場合、蒸発装置に入った冷媒はただちに気化し、蒸発装置の途中で潜熱を放出しきってしまう。その結果、従来技術の冷却装置では、蒸発装置自体に温度分布が生じ、負荷側に温度ばらつきが生じて正確な環境試験を行うことができないという不満があった。
【００１０】
負荷側の温度ばらつきを無くすために、冷却装置で二次冷媒（ブライン）の温度調節を行い、二次冷媒を負荷側に流す方策も考えられるが、二次冷媒の回路や循環ポンプその他の設備が必要でありコストが掛かるという問題や、装置が大型化するために設置場所に苦慮するという新たな問題があった。
すなわち冷却装置で二次冷媒の温度調節を行い、二次冷媒を負荷側に流す構成として、例えば図１１に示す様なものが考えられるが、圧縮装置１００、凝縮装置１０１、膨張弁１０２、蒸発装置１０３によって構成される冷却装置の他に、タンク１０５が必要である。またさらにタンク１０５内に電気ヒータ１０６を内蔵させる必要もある。そのため二次冷媒を使用する方策は設備コストが掛かり、且つ設備の専有スペースを確保する必要がある。さらに二次冷媒を使用する方策は、熱効率も悪い。
【００１１】
そこで本発明は、従来技術の上記した問題点に注目し、温度の制御精度が高く、且つ温度ばらつきが少なく、かつ設備コストも低い冷却装置を開発することを課題とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
そして上記した課題を解決するための請求項１に記載の発明は、圧縮装置と、凝縮装置と、膨張手段と、蒸発装置を備え、これらが順次配管接続されて冷凍回路を構成し、気体状態の冷媒を圧縮装置で圧縮して凝縮装置に送り、凝縮装置では冷媒から熱を奪って冷媒を液状又は気・液混合状態に変化させ、膨張手段を経て蒸発装置に送り、さらに冷媒を圧縮装置に戻す冷却装置において、蒸発装置と圧縮装置の間に加熱部を備え、冷媒は蒸発装置の出口に至るまで気・液混合状態を維持し、加熱部で熱を得てその全てが気体に相変化し、蒸発装置から圧縮装置に至る間に流量制御手段又は圧力制御手段を備え、さらに負荷側の温度を検知する負荷側温度検知手段を有し、流量制御手段又は圧力制御手段は前記負荷側温度検知手段の検知温度に基づいて制御され、設定温度に対して負荷側温度検知手段の検知温度が高い場合は、流量制御手段又は圧力制御手段の開度が大きくなり、逆に設定温度に対して負荷側温度検知手段の検知温度が低い場合は、流量制御手段又は圧力制御手段の開度が小さくなることを特徴とする冷却装置である。
【００１３】
ここで加熱部は、ヒータその他の熱源を有することが望ましいが、当該部位を流れる冷媒が熱エネルギーを受けることができれば足り、例えば外気と熱交換して冷媒が加熱される様な構成でも構わない。請求項２以下についても同一である。
本発明の冷却装置では、冷媒は蒸発装置の出口に至るまで気・液混合状態を維持している。そのため蒸発装置の入口から出口に至る間の冷媒温度は略一定であり、温度のバラツキが少ない。また冷媒は蒸発装置の出口に至るまで気・液混合状態を維持しているので、蒸発装置内にある冷媒は、潜熱を保有している。そのため大きな負荷変動があっても蒸発装置の温度は変わりにくい。したがって本発明の冷却装置は安定性が高い。
また本発明の冷却装置では、蒸発装置と圧縮装置の間に加熱部を備え、加熱部から熱を得てその全てが気体に相変化する。そのため圧縮装置に液状の冷媒が戻ることはない。
【００１４】
なお、膨張手段は開度を制御することが可能であり、冷媒が蒸発装置の出口に至るまで気・液混合状態を維持し、加熱部から熱を得てその全てが気体に相変化する様に膨張手段の開度が自動調節されることが望ましい。
【００１５】
本発明は、圧縮装置と、凝縮装置と、膨張手段と、蒸発装置を備え、これらが順次配管接続されて冷凍回路を構成し、気体状態の冷媒を圧縮装置で圧縮して凝縮装置に送り、凝縮装置では冷媒から熱を奪って冷媒を液状又は気・液混合状態に変化させ、膨張手段を経て蒸発装置に送り、さらに冷媒を圧縮装置に戻す冷却装置であり、蒸発装置から圧縮装置に至る間に流量制御手段又は圧力制御手段が備えられている。
【００１６】
請求項１に記載の冷却装置では、蒸発装置から圧縮装置に至る間に流量制御手段又は圧力制御手段を備えている。ここで流量制御手段とは例えば電動弁の様に開口の面積を変更可能な弁や、パルス信号に応じて短時間で開閉を繰り返し、パルス幅に応じて単位時間当たりの流量を変更するものを含む。また流量を一定に保つ構成のものを含む。
圧力制御手段は、圧力を任意に調整するものや、圧力を一定に保つ構成のものを含む。
本発明の冷却装置では、蒸発装置から圧縮装置に至る間に流量制御手段等を備えているから、蒸発装置内における冷媒の圧力を制御することができる。そのため蒸発装置内における飽和温度を制御することができる。
【００１７】
本発明は、負荷側温度検知手段によって負荷側の温度を検知し、流量制御手段等を負荷側温度検知手段の検知温度に基づいて制御することとした。
【００１８】
また請求項２に記載の発明は、流量制御手段又は圧力制御手段をバイパスするバイパス手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置である。
【００１９】
本発明の冷却装置は、流量制御手段等をバイパスするバイパス手段が設けられているので、流量制御手段等を機能させたくない場合に流量制御手段等をバイパスさせることができる。
【００２０】
また請求項３に記載の発明は、圧縮装置から凝縮装置に至る間と、流量制御手段又は圧力制御手段から圧縮装置に至る間をつなぐバイパス手段が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却装置である。
【００２１】
本発明の冷却装置は、圧縮装置から凝縮装置に至る間と、流量制御手段等から圧縮装置に至る間をバイパスする（つなぐ）バイパス手段が設けられている。そのため流量制御手段等の開度が低いときも圧縮装置に十分な冷媒を供給することができる。
【００２２】
また請求項４に記載の発明は、蒸発装置は、直膨式プレート熱交換器であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の冷却装置である。
【００２３】
ここで直膨式プレート熱交換器とは、冷媒が通過する冷媒流路と伝熱プレートを備えた熱交換器や、冷媒キャビティと、伝熱プレートを備えた熱交換器である。
【００２４】
また請求項５に記載の発明は、加熱部は、凝縮装置から膨張手段に至る高圧側の冷媒を熱源とするものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の冷却装置である。
【００２５】
本発明の装置において、当該部位の配管を、多くの場合、液体の冷媒が流れるので、配管と冷媒との熱交換効率が高く、加熱部（熱交換部）を小型化することができる。
また凝縮装置から膨張弁に至る間を流れる冷媒は、圧縮装置から凝縮装置に至る間を流れる冷媒に比べて温度変化が少ないから、加熱部（熱交換部）における熱交換量が安定する。そのため外部の温度変化によって回路に及ぼされる影響が小さいものとなり、動作が安定化する。
【００２６】
また請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５のいずれかに記載の冷却装置が搭載された恒温装置である。
【００２７】
本発明の恒温装置は、温度の制御精度が高く、且つ温度ばらつきが少ないものである。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下さらに本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の実施形態の冷却装置の配管系統図である。図２は、図１の冷却装置で採用する直膨式熱交換器の斜視図である。図３は、直膨式熱交換器の変形例を示す斜視図である。図４は、直膨式熱交換器の他の変形例を示す斜視図である。図５は、本発明の他の実施形態である冷却装置の配管系統図である。図６は本発明のさらに他の実施形態である冷却装置の配管系統図である。図７は、本発明のさらに他の実施形態である冷却装置及び当該装置を使用した恒温装置の配管系統図である。図８は、本発明のいっそう他の実施形態である冷却装置及び当該装置を使用した恒温装置の配管系統図である。図９は、本発明のさらに他の実施形態である冷却装置及び当該装置を使用した恒温装置である恒温ブライン供給装置の配管系統図である。図１０は、図９の恒温ブライン供給装置で採用する蒸発装置の断面図である。図１１は、従来技術における冷却装置を使用した恒温ブライン供給装置の配管系統図である。
【００２９】
図１は、本発明の一実施形態である冷却装置１である。本実施形態の冷却装置１は、半導体等の環境試験に使用されるものである。
本実施形態の冷却装置１は、従来技術と同様に圧縮装置２と、凝縮装置３と、膨張弁５と、蒸発装置６を備える。また本実施形態の冷却装置１は、これらの機器に加えて、電動弁１０が設けられ、これらが順次配管接続されて冷凍回路を構成している。また本実施形態に特有の構成として加熱部（熱交換部）１１とバイパス流路１２が設けられている。
【００３０】
順次説明すると、圧縮装置２は公知のそれと同一であり、レシプロ式やロータリー式あるいはスクロール式等の冷媒圧縮ポンプである。
【００３１】
凝縮装置３は熱交換器であり、図示しないファンから送風を受けて内部を流れる冷媒を冷却するものである。
【００３２】
膨張弁５はいわゆる温度式膨張弁である。温度式膨張弁は、温度自動膨張弁又は感熱式膨張弁とも称されるものであり、感温筒１３を備える。そして内部にプランジャを持ち、感温筒１３の温度と膨張弁５の出口近傍の温度に応じてオリフィスの開度が変化する。
すなわち感温筒１３の内部にはチャージ媒体が封入されており、感温筒１３の温度に応じて膨張・収縮する。そして感温筒１３の圧力は、フランジ等を介してプランジャに作用するので、結果的に感温筒１３の検知温度に応じてプランジャに力が作用する。一方、オリフィスの出口側の冷媒圧力についてもフランジ等を介してプランジャに作用する様に構成されているので、オリフィスの出口側の冷媒温度に応じてもプランジャに力が作用する。そして両者がつりあったところでオリフィスが停止するので、結果的に膨張弁５は、感温筒１３周辺の温度と、膨張弁５の近傍の温度に基づいて制御される。
そして膨張弁５は、感温筒１３の温度と膨張弁５の出口近傍の温度の差が所定の温度となる様に開度が変化する。
【００３３】
本実施形態の冷却装置１は、前記した様に半導体等の環境試験器に使用されるものであり、蒸発装置６は、直膨式プレート熱交換器が採用されている。すなわち蒸発装置６は冷媒が通過する冷媒流路や冷媒キャビティを有し、これらに伝熱プレートが接合されたものである。
本実施形態で採用可能な蒸発装置６の例としては、例えば図２の様に熱伝導性に優れた金属製伝熱プレート１５の内部に流路１６が形成されたものが挙げられる。
【００３４】
また図３の様に金属製伝熱プレート１７の一面に冷媒配管１４が溶接されたものであってもよい。
さらに図４の様に電気ヒータ等のプレート加熱装置１９を内蔵するものであってもよい。なおプレート加熱装置１９は、金属製伝熱プレート１５を昇温させるものであり、面状のヒータである。プレート加熱装置１９は、例えば運転終了後の乾燥運転等、金属製伝熱プレート１５の温度を上昇させたい場合に利用することができる。
蒸発装置６には、熱電対又はサーミスタ等の温度センサー２２が取り付けられている。
【００３５】
電動弁１０は、ステッピングモータが取り付けられた弁であり、信号に応じて開度が調整される。
【００３６】
本実施形態の冷却装置１は、前記した様に圧縮装置２と、凝縮装置３と、膨張弁５と、蒸発装置６が設けられ、これらが順次配管接続されて冷凍回路を構成している。そして本実施形態の特徴的な構成たる電動弁１０は、蒸発装置６の下流側に設けられている。
【００３７】
また本実施形態の冷却装置１では、蒸発装置６の出口側の配管の一部が高圧側の配管に近接し、加熱部１１が構成されている。
すなわち本実施形態の冷却装置１では、蒸発装置６の出口側から電動弁１０に至る間の配管の一部が、圧縮装置２から凝縮装置３に至る間の配管の一部に接触している。具体的には、両者の配管は、１００ｍｍから２００ｍｍ程度の範囲に渡って密着し、両者の間で直接的に熱交換が行なわれる。
【００３８】
ここで圧縮装置２から凝縮装置３に至る間は、冷媒が圧縮されて流れる部位であり、高圧領域であって配管の温度が高い。一方、蒸発装置６の出口側から電動弁１０に至る間は、低圧領域であって温度が低い。そのため加熱部１１においては、圧縮装置２から膨張装置３に至る高圧側の冷媒を熱源として蒸発装置６の出口側から電動弁１０に至る間が加熱される。言い換えれば、加熱部１１は、蒸発装置６の出口側の冷媒と、高圧領域の冷媒とを熱交換する部分である。
【００３９】
またバイパス流路１２は圧縮装置２と加熱部１１の間から分岐され、電動弁１０と圧縮装置２の間に接続されている。バイパス流路１２には電磁弁１８とキャビラリーチューブ２０が接続されている。
【００４０】
本実施形態の冷却装置１を圧縮装置２を起点として説明すると次の通りである。すなわち圧縮装置２の吐出側は、加熱部１１を経て凝縮装置３の入り側に接続され、凝縮装置３の吐出側は、膨張弁５を経て蒸発装置６に接続され、さらに加熱部１１を経て電動弁１０に接続され、電動弁１０の吐出側が圧縮装置２の吸い込み側に戻る。
また圧縮装置２と加熱部１１の間と、電動弁１０と圧縮装置２の間にバイパス流路１２が設けられ、当該バイパス流路１２には電磁弁１８とキャピラリーチューブ２０が設けられている。
【００４１】
そして上記した一連の配管には代替フロン等の熱媒体が封入されている。
また膨張弁５の感温筒１３は、加熱部１１と電動弁１０の間に設けられ、加熱部１１を出て電動弁１０に至る間の冷媒温度を検知する。
すなわち通常の冷却装置においては、膨張弁の感温筒は、蒸発装置の出口近傍に設けられるが、本実施形態では、膨張弁５の感温筒１３は、蒸発装置６の出口から離れた部位に設けられ、さらに感温筒１３の取付け部位と、蒸発装置６の間には加熱部１１が存在する。
【００４２】
そして膨張弁５は、加熱部１１を出て電動弁１０に至る間の冷媒温度に基づいて過熱度制御される。すなわち膨張弁５は、加熱部１１を出て電動弁１０に至る間の冷媒温度と、膨張弁５の出口近傍の温度（飽和温度）の差異が一定の温度となる様にオリフィスの開度が自動調節される。具体的には、膨張弁５は、加熱部１１を出た冷媒温度と、冷凍回路内の冷媒の飽和温度の差が一定となる様に弁の開度が自動調節され、上記した差が一定温度を越える場合は弁の開度が拡大し、一定温度未満である場合は弁の開度が縮小する。
【００４３】
また本実施形態では、膨張弁５の過熱度設定は、圧縮装置２の容量、蒸発装置６の容量、及び加熱部１１から低圧側冷媒が受ける熱量等を勘案し、少なくとも蒸発装置６を出るまで、冷媒が気・液混合状態を維持する温度を選ぶ。この温度は、一般的に３℃から８℃程度であり、より好ましくは、４℃〜６℃程度である。
【００４４】
また本実施形態の冷却装置１は、制御装置２１を備える。制御装置２１には、蒸発装置６に取り付けられた温度センサー２２の信号が入力される。そして図示しない温度設定装置によって設定された温度と、温度センサー２２の温度を比較し、その差に応じたパルス信号を電動弁１０に送る。すなわち設定温度に対して温度センサー２２の検知温度が高い場合は、電動弁１０の開度が大きくなり、逆に設定温度に対して温度センサー２２の検知温度が低い場合は、電動弁１０の開度が小さくなる様にＰ．Ｉ．Ｄ制御される。
【００４５】
次に本実施形態の冷却装置１の機能について説明する。
本実施形態の冷却装置１は、前記した様に半導体等の環境試験器に使用されるものであり、蒸発装置６には直膨式プレート熱交換器が採用されている。本実施形態の冷却装置１では、蒸発装置（直膨式プレート熱交換器）６の金属製伝熱プレート１５上に被試験物を並べて押しつけるか、又は金属製伝熱プレート１５によって被試験物を挟む。
【００４６】
本実施形態の冷却装置１は、通常の冷却装置と同様に気体状態の冷媒を圧縮装置２で圧縮して凝縮装置３に送り、凝縮装置３では冷媒から熱を奪って冷媒を液状又は気・液混合状態に変化させる。また冷媒は膨張弁５によって流量制御され、膨張弁５を経て蒸発装置６に開放され、金属製伝熱プレート１５が温度低下を来す。
【００４７】
そして蒸発装置６を出た冷媒は、加熱部１１によって加熱され、電動弁１０に至る。電動弁１０では、蒸発装置６に取り付けられた温度センサー２２に応じて冷媒の流量が絞られ、冷媒は圧縮装置２に戻る。
【００４８】
上記した一連の冷媒の流れの中で特記すべきは、本実施形態の冷却装置１では、冷媒は、蒸発装置６を出るまで気・液混合状態を維持しているという点である。
【００４９】
すなわち本実施形態の冷却装置１では、蒸発装置６の下流側に加熱部１１が設けられているから、冷媒は加熱部１１において加熱され、過熱状態となって圧縮装置２に戻るが、膨張弁５の過熱度制御における基準温度として、加熱部１１を出た部位の温度を採用している。
またさらに加えて、本実施形態では、膨張弁５を過熱度制御する温度設定は、圧縮装置２の容量、蒸発装置６の容量、及び加熱部１１から低圧側冷媒が受ける熱量等を勘案し、少なくとも蒸発装置６を出るまで、冷媒が気・液混合状態を維持する温度が選定されている。
【００５０】
そのため本実施形態の冷却装置１では、冷媒は、蒸発装置６を出るまで気・液混合状態を維持しており、湿り状態である。したがって蒸発装置６内の冷媒の温度は、どの部位においても冷媒の飽和温度に等しい。そのため本実施形態の冷却装置は、温度ばらつきが極めて小さい。実施形態に則して説明すると、本実施形態の冷却装置１では、金属製伝熱プレート１５上のどの部分についても同一の温度である。そのため金属製伝熱プレート１５上に載置された半導体は、どの部位に載置されたものも同一の温度となる。
【００５１】
また本実施形態の冷却装置１では、冷媒は、蒸発装置６を出るまで気・液混合状態を維持しているので、冷媒は蒸発装置６を出るまで潜熱を保有している。そのため冷熱エネルギーに余裕があり、負荷変動があっても一定の温度を維持することができる。
【００５２】
また本実施形態の冷却装置では、低圧側配管における加熱部１１の下流側に電動弁１０が設けられているので冷媒の飽和温度を変えることができ、蒸発装置６の温度（金属製伝熱プレート１５の温度）を任意に変更することができる。
【００５３】
すなわち電動弁１０を絞ると蒸発装置６内の圧力が上昇し、冷媒の蒸発が抑制され、飽和温度が上昇する。その結果、蒸発装置６（金属製伝熱プレート１５）の表面温度が上昇する。逆に電動弁１０を開くと、蒸発装置６内の圧力が低下し、飽和温度が低下して蒸発装置６の表面温度が降下する。
【００５４】
また本実施形態の冷却装置１は、図示しない温度設定装置を持ち、温度設定装置に任意の温度を設定することができる。そして前記した様に、制御装置２１によって設定温度と、温度センサー２２の温度を比較し、その差に応じたパルス信号を電動弁１０に送る。具体的には、設定温度に対して温度センサー２２の検知温度が高い場合は、電動弁１０の開度が大きくなり、逆に設定温度に対して温度センサー２２の検知温度が低い場合は、電動弁１０の開度が小さくなる様に信号を送る。
【００５５】
したがって設定温度よりも蒸発装置６の温度が十分に高い場合は、電動弁１０は、全開状態となり、温度式膨張弁５によって最大能力で温度降下する。そして蒸発装置６の温度が設定温度に近づくと、電動弁１０は、開度を閉じる方向に作動する。電動弁１０の開度が小さいと、蒸発装置６内は中間圧力となり、蒸発温度が上昇する。本実施形態の冷却装置１は、この様に電動弁１０の開度をコントロールすることで蒸発温度（圧力）を制御することが可能となり、蒸発装置６の温度制御が可能となる。また電動弁１０を採用することにより、任意の温度に設定することが可能となる。
【００５６】
このように本実施形態では、膨張弁５が温度の均一性を確保し、電動弁１０が温度を制御している。電動弁１０の開度を小さくすると圧縮装置２の吸い込み圧力が下がり、冷凍能力が低下するため、蒸発装置６の過熱度が大きくなる方向となるが、この時は膨張弁５の開度が増大し、常に蒸発装置６の出口付近が湿り状態を保つ様に働き、平衡する。
つまり、電動弁１０は、圧力を可変させて蒸発装置６の温度を所定の温度に保つ作用をし、膨張弁５は、冷媒流量を変化させて蒸発装置６内の冷媒を常に気・液混合状態に維持する様に調整し、温度分布を均一にする作用を行う。
【００５７】
また本実施形態の冷却装置１は、ブラインを使用しなくても温度分布が均一となるので、ブラインの回路が不要であり、経済的である。
【００５８】
本実施形態の冷却装置１では、圧縮装置２と加熱部１１の間と、電動弁１０と圧縮装置２の間にバイパス流路１２が設けられている。このバイパス流路１２は、主として安全装置として設けたものである。すなわち本実施形態の冷却装置１は、冷凍回路に電動弁１０が設けられており、回路を流れる冷媒量が当該電動弁１０によって絞られる。そのため電動弁１０を過度に絞ると圧縮装置２に供給される冷媒が過度に減少し、圧縮装置２の吸い込み圧力が極端に低下して圧縮装置２の故障の原因となる。そこで本実施形態では、凝縮装置３、膨張弁５、蒸発装置６、電動弁１０、加熱部１１等の機器をバイパスするバイパス流路１２を設けている。
【００５９】
本実施形態で採用するバイパス流路１２には電磁弁１８が設けられている。電磁弁１８は、制御装置２１によって制御され、電動弁１０の開度が一定以下となった時に開く。そのため電動弁１０が絞られ、電動弁１０の開度が過小となると電磁弁１８が開いてバイパス流路１２が開通し、圧縮装置２に冷媒が供給される。
【００６０】
なおバイパス流路１２を流れる冷媒の量は、圧縮装置２の吸い込みに悪影響を与えない程度の量が確保されれば足りる。また凝縮装置３側には相当量の冷媒を流す必要がある。そこでバイパス流路１２にはキャビラリーチューブ２０が設けられ、凝縮装置３側の流量よりもバイパス流路１２側の流量が少なくなる様に工夫されている。バイパス流路１２に設けられたキャビラリーチューブ２０は、上記した理由で設けられたものであるから、他の絞りに変更してもよく、また省略してもよい。
またパイパス流路１２の電磁弁１８を省略してもよい。
【００６１】
次に、本発明の効果を確認するために行った実験について説明する。本発明者は、図１に示す構成の冷却装置１を試作し、性能を試験した。蒸発装置６は、図２に示す構成のものを使用した。蒸発装置６内の冷媒の温度は、蒸発装置６の表面温度に対して数度低い温度でコントロールされた。
蒸発装置６の表面温度のバラツキは、±０．３℃程度であった。また設定温度は、−４０℃〜０℃まで変更可能であった。設定温度に対する温度の変動幅は、±０．１℃以下であった。
試作機における−１０℃及び−２０℃制御時の圧力状態は、表１の通りであった。
【００６２】
【表１】

【００６３】
従来技術において、本実施形態と同等に小さい温度バラツキを実現しようとすると、図１１に示した様な二次冷媒方式を採用せざるを得なかったが、本実施形態の様に蒸発装置６として、直膨式プレート熱交換器を使用することにより、二次冷媒方式と同等の性能が期待できる。また本実施形態によると、ブライン循環ポンプの発熱や、配管、タンクからの熱ロスが無くなり、冷却装置の容量を小さくでき、さらにまたブライン回路が不要となる。そのため省エネルギー、安価、省スペース化が実現できる。
【００６４】
以上説明した実施形態では、加熱部１１として圧縮装置２から凝縮装置３に至る高圧側の冷媒を熱源として蒸発装置６の出口側から電動弁１０に至る間を加熱する構成を開示した。しかしながら、本発明はこの構成に限定されるものではなく、例えば図５に示すように、蒸発装置６の出口側から電動弁１０に至る間に電気ヒータ２３を設け、当該電気ヒータ２３を熱源として蒸発装置６の出口側から電動弁１０に至る間を加熱してもよい。電気ヒータ２３を熱源として加熱部を構成する場合には、必要な過熱度を確保し得る容量を持つ電気ヒータを常時通電しておくことが望ましい。
【００６５】
また図１に示した実施形態では、加熱部１１として圧縮装置２から凝縮装置３に至る高圧側の冷媒を熱源としたが、図６に示すように凝縮装置３から膨張弁５に至る高圧側の冷媒を熱源としてもよい。
すなわち図６に示す冷却装置では、蒸発装置６の出口側から電動弁１０に至る間の配管の一部が、凝縮装置３から膨張弁５に至る間の配管の一部に接触している。具体的には、両者の配管は、１００ｍｍから２００ｍｍ程度の範囲に渡って密着し、両者の間で直接的に熱交換が行なわれる。なお、本実施形態では温度調整器２１と電動弁１０の間にパルスコンバータ２５が介挿されている。
【００６６】
凝縮装置３から膨張弁５に至る間の温度、すなわち凝縮装置３の出口側の温度は、図１の実施形態で採用した様な、圧縮装置２から凝縮装置３に至る間よりも低いが、当該部位の配管を流れる冷媒は、多くの場合、液体であるから、図１の実施形態の場合に比べて配管と冷媒との熱交換効率が高く、結果的に熱交換量が増大する。そのため図６に示す構成を採用すると、加熱部（熱交換部）１１を小型化することができる。
また凝縮装置３から膨張弁５に至る間を流れる冷媒は、圧縮装置２から凝縮装置３に至る間を流れる冷媒に比べて温度変化が少ないから、加熱部（熱交換部）１１における熱交換量が安定する。そのため外部の温度変化によって回路に及ぼされる影響が小さいものとなり、動作が安定化する。
【００６７】
また蒸発装置６から圧縮装置２に戻る配管を長くして配管が外気と触れる時間を長くし、外気温度と接する機会を増やして蒸発装置６の出口側から電動弁１０に至る間を実質的に加熱してもよい。さらに空冷式の熱交換器（管コイル形や、フィンコイル形の熱交換器等）を当該部位に挿入して加熱部とすることも可能である。
いずれの方策を採用する場合であっても、加熱部の能力は、膨張弁の設定過熱度以上に至らしめることができる熱量を冷媒に与えることができることが必要である。また負荷変動を勘案して加熱部の能力は、多少の余裕を有することが推奨されるが、加熱部における加熱量が過度に大きいと、冷却装置１自体の冷却能力が低下してしまうので注意を要する。
【００６８】
また上記した実施形態は、半導体用の環境試験器に本発明を応用したものであるが、もちろん他の機器に本発明を応用することができる。
【００６９】
図７は、本発明に係る冷却装置３０を恒温槽３３に適用してなる恒温装置の例を示すものである。なお以下に示す実施形態の中で、先の実施形態と同一の部材は、同一の番号を付し、重複した説明を省略する。
図７に示す冷却装置３０は、先の実施形態と同様に圧縮装置２と、凝縮装置３と、膨張弁５と、蒸発装置３５及び電動弁１０を備え、これらが順次配管接続されて冷凍回路を構成している。また先の実施形態と同様に加熱部１１を備えている。
【００７０】
ただし、先の実施形態では、蒸発装置６は、直膨式プレート熱交換器であり、接触による熱伝導によって物を冷却するものであったのに対し、本実施形態で採用する蒸発装置３５は、クーラや冷蔵庫で採用される物と同様の形態であり、冷媒と恒温槽３３内の雰囲気との間で熱交換を行うものである。具体的には、蒸発装置３５は、管コイル形や、フィンコイル形の熱交換器である。
【００７１】
また本実施形態の冷却装置３０は、凝縮装置３等を迂回するバイパス流路を持たない。しかしこれに代わって、電動弁１０を迂回するバイパス流路３１を備えている。バイパス流路３１には、電磁弁３２が設けられている。
【００７２】
本実施形態の冷却装置３０は、前記した様に恒温槽３３に適用されるものである。恒温槽３３は、公知のそれと同様に断熱材によって囲まれた箱体である。そして断熱材で仕切られた箱体内には仕切り３４があり、仕切り３４の内側に通風通路３８が設けられている。そして当該通風通路３８の内部に蒸発装置３５が配されている。
また温度センサー２２は、恒温槽３３内の所定の位置に配されている。
【００７３】
他に、恒温槽３３内に電気ヒータ３６とファン３７が設けられている。これらの電気ヒータ３６とファン３７は、温度制御装置４０によって制御される。
【００７４】
本実施形態の恒温槽３３は、低温から高温に至るまで、幅広く温度調節を行うことを目的としている。
そのために本実施形態の恒温槽３３では、制御温度を低温領域、中温領域及び高温領域の３つに区分し、それぞれ冷却装置３０と、電気ヒータ３６を使い分けている。
【００７５】
例えば、低温領域を−４０℃〜０℃とし、中温領域を０℃〜４０℃とし、高温領域を４０℃〜１００℃とする。
ここで低温領域たる−４０℃〜０℃は、前記した実験の通り冷却装置３０だけで精度良く温度調節ができる領域であるから、基本的に、冷却装置３０のみで温度調節を行い、急速に槽内の温度を上昇させる必要がある場合に限って電気ヒータ３６を作動させる。
すなわち冷却装置３０の電動弁１０を動作させて冷媒の飽和温度を調節し、所望の温度に調整する。この様に低温領域においては、電動弁１０を機能させて温度調節を行うので、バイパス流路３１の電磁弁３２は、閉じた状態のままで使用される。
【００７６】
低温領域、中温領域及び高温領域の各領域における動作を表に纏めると、表２の通りである。
【００７７】
【表２】

【００７８】
本実施形態の恒温槽３３では、低温領域の温度制御に冷却装置３０を使用するが、本実施形態の冷却装置３０は、蒸発装置３５の温度ばらつきが少ない。そのため蒸発装置３５を通過する空気の温度が均一となる。その結果、本実施形態の恒温槽３３では、槽内における温度のばらつきが少ない。
【００７９】
これに対して中温領域たる０℃〜４０℃は、冷却装置３０単独では、温度調節ができない領域である。そのため冷却装置３０と電気ヒータ３６を併用して恒温槽３３内の温度を調節する。すなわち中温領域たる０℃〜４０℃では、従来技術と同様に冷却装置で過冷却ぎみに冷却し、冷却しすぎた分を応答性の高い電気ヒータ３６で補う。
また中温領域たる０℃〜４０℃で恒温槽３３を使用する場合には、バイパス流路３１の電磁弁３２を開成し、電動弁１０を迂回して冷媒を流す。
この理由は、次の通りである。
【００８０】
すなわち本実施形態では、電動弁１０は恒温槽３３内の温度センサー２２の検出温度に基づいて制御されているため、恒温槽３３内が高温状態にあるときや、設定温度が高いときは、冷媒の飽和温度を上げようとして電動弁１０が全閉状態となってしまうおそれがある。そこで中温領域たる０℃〜４０℃では、電動弁１０による冷媒流量の制限が行なわれないようにバイパス流路３１側の電磁弁３２を開き、バイパス流路３１側に冷媒を流すこととした。
【００８１】
したがってバイパス流路３１を設ける代わりに、電気回路やソフトウェアを工夫して電動弁１０が全閉状態となることを防止してもよい。たとえば恒温槽３３内の温度や設定温度が一定温度よりも高い場合に、電動弁１０を全開状態或いは一定の開度（例えば５０％）に固定する方策が有効である。
【００８２】
また高温領域たる４０℃〜１００℃においては、冷却装置３０を使用する機会がほとんどなく、専ら電気ヒータ３６によって槽内の温度調節を行う。
【００８３】
図７で示した恒温槽３３は、電気ヒータを併用して−４０℃程度の低温領域から、１００℃程度の高温領域までの温度制御を可能としたものであるが、例えば制御範囲が、−４０℃の低温領域から１０℃程度の中低温領域までの温度制御で足りる場合には、図８に示す様なより簡便な構成を採用してもよい。
図８に示す恒温槽４５では、冷却装置４１は、圧縮装置２と、凝縮装置３と、膨張弁５と、蒸発装置３５及び電動弁１０を備え、これらが順次配管接続されて冷凍回路を構成している。また先の実施形態と同様に加熱部１１を備えている。
本実施形態で採用する蒸発装置３５は、図７に示した実施形態で採用したものと同様のものであり、冷媒と恒温槽４５内の空気の間で熱交換を行うものである。
また本実施形態の冷却装置４１は、図１のような凝縮装置３等を迂回するバイパス流路を持たない。また電動弁１０を迂回するバイパス流路３１も無い。
【００８４】
次に本発明の冷却装置を恒温ブライン供給装置に適用してなる恒温装置の例を図９を参照しつつ説明する。
図９に示す恒温ブライン供給装置５０では、冷却装置５１は、圧縮装置２と、凝縮装置３と、膨張弁５と、蒸発装置５２及び電動弁１０を備え、これらが順次配管接続されて冷凍回路を構成している。また先の実施形態と同様に加熱部１１を備えている。
【００８５】
本実施形態の冷却装置５１は、凝縮装置３等を迂回するバイパス流路を持たない。また電動弁１０を迂回するバイパス流路３１も無い。
【００８６】
本実施形態で採用する蒸発装置５２は、図１０に示すように二重管路となっている。すなわち蒸発装置５２は、略「Ｕ」字状をした内管５３を持ち、内管５３の外側に外管５５が設けられている。言い換えれば、蒸発装置５２は、外管５５の内部に内管５３が同心状に挿入されたものである。したがって蒸発装置５２は、内管５３によって構成される内側流路と、外管と内管の間によって構成される外側流路を有する。
【００８７】
そして内管５３の両端部は、凝縮装置３及び加熱部１１側に接続され、内側流路には冷媒が通過する。一方、外管５５の端部側面にはブライン導入管５６とブライン排出管５７が接続されている。外側流路には、ブラインが通過する。
またブライン排出管５７には温度センサー５８が取り付けられている。
【００８８】
本実施形態の恒温ブライン供給装置５０では、制御装置２１によって設定温度と、温度センサー５８が検出する蒸発装置５２のブライン出口付近のブライン温度を比較し、その差に応じたパルス信号を電動弁１０に送って電動弁１０を動作させる。
【００８９】
本実施形態の恒温ブライン供給装置５０では、蒸発装置５２の内側流路を冷媒が通過するが、冷媒は、蒸発装置５２を出るまで気・液混合状態を維持している。したがって蒸発装置５２内の冷媒の温度は、どの部位においても冷媒の飽和温度に等しい。そのため本実施形態の冷却装置５１の蒸発装置５２の内側流路は、温度ばらつきが極めて小さい。
また本実施形態の冷却装置５１では、冷媒は、蒸発装置５２を出るまで気・液混合状態を維持しているので、冷媒は蒸発装置５２を出るまで潜熱を保有している。そのため冷熱エネルギーに余裕があり、負荷変動があっても一定の温度を維持することができる。そのため外側流路を流れるブラインは、流れる内に一定の温度に調整され、所定の負荷に送られる。
【００９０】
本実施形態の冷却装置５１では、ブラインと冷媒とを蒸発装置５２によって直接的に熱交換している。そして蒸発装置５２のブラインの出口側の温度によって温度制御を行っている。そのため蒸発装置５２における冷却量を制御でき、ブラインタンクが不要である。また本実施形態によると、電気ヒータ等の加熱装置を必要とせずに精密な温度制御が可能となり、低コスト、省スペースを実現できる。さらに本実施形態では、必要冷却量のみで運転されるため、省エネルギーである。
【００９１】
以上説明した実施形態では、膨張手段として温度式膨張弁５を採用し、感温筒１３は、加熱部１１と電動弁１０の間に配したが、感温筒１３を電動弁１０と圧縮装置２の間に設けてもよい。
また上記した実施形態では、膨張手段として温度式膨張弁５を採用したが、他の形式のものであっても構わない。膨張手段として電子膨張弁を使用する場合、温度センサーは、蒸発装置６，３５の手前と、加熱部１１の下流に配することとなる。
温度制御範囲が狭い場合は、膨張手段として手動式膨張弁やキャピラリーチューブを使用することもできる。
【００９２】
また上記した実施形態では、膨張弁５は、加熱部１１を出て電動弁１０に至る間の冷媒温度と、膨張弁５の出口近傍の温度（飽和温度）の差異が一定の温度となる様に過熱度制御したが、加熱部１１を出て電動弁１０に至る間の冷媒温度だけによって膨張弁５を制御してもよい。例えば、加熱部１１を出て電動弁１０に至る間の冷媒が常識的に乾き状態となっているであろう温度となる様に膨張弁５を制御する。
【００９３】
また上記した実施形態では、電動弁１０はいずれも加熱部１１と圧縮装置２の間に設けたが、蒸発装置６，３５と加熱部１１の間に電動弁１０を設けてもよい。ただし蒸発装置６，３５と加熱部１１の間は、気・液混合状態であるから、流量調節が安定しにくい。そのため実施形態の様に、加熱部１１の下流側に電動弁１０を設けることが望ましい。すなわち加熱部１１の下流では、冷媒は、乾き蒸気であるから、流量制御を行いやすい。
【００９４】
また電動弁１０に代わって他の形式の制御弁を使用することもできる。電動弁１０に代わって固定的な絞りであってもある程度の効果は期待できる。
さらに一次側の圧力を所定の値に保つ弁を使用することもできる。また固定温度でも構わない場合は、例えば蒸発圧力調整弁等を電動弁の代わりに使用してもよい。
【００９５】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明の冷却装置は、蒸発装置の温度バラツキが少なく、温度が安定している。そのため環境試験器等に採用すると、安定した温度環境をつくり出すことができ、信頼性の高い試験を行うことができる。
本発明の冷却装置では、冷媒は蒸発装置の出口に至るまで気・液混合状態を維持しているので温度のバラツキが少なく、且つ大きな負荷変動があっても蒸発装置の温度は変わりにくい。
【００９６】
本発明の冷却装置は、蒸発装置から圧縮装置に至る間に流量制御手段等を備えているから、蒸発装置内における冷媒の圧力を制御することができる。そのため蒸発装置内における飽和温度を制御することができる。したがって本発明によると、蒸発装置の温度を任意に変更することができる。
【００９７】
また本発明の冷却装置では、負荷側の温度を検知して温度制御を行うので、負荷側を所望の温度に調節することができる。
【００９８】
さらに請求項２に記載の冷却装置は、流量制御手段等をバイパスするバイパス手段が設けられているので、流量制御手段等が締切り状態となるのを防いだり、あるいは流量制御手段等の流路抵抗を軽減することができる。
【００９９】
また請求項３に冷却装置では、圧縮装置から凝縮装置に至る間と、流量制御手段等から圧縮装置に至る間をつなぐバイパス手段が設けられている。そのため流量制御手段等の開度が低いときも圧縮装置に十分な冷媒を供給することができ、安全性が高い。
【０１００】
また請求項４に記載の冷却装置では、蒸発装置に直膨式プレート熱交換器が採用されているので、被冷却物をプレート上において冷却したり、所望の試験を行うことができる。
【０１０１】
また請求項５に記載の冷却装置では、配管と冷媒との熱交換効率が高く、加熱部（熱交換部）を小型化することができ、また、加熱部（熱交換部）における熱交換量が安定して、外部の温度変化によって回路に及ぼされる影響が小さいものとなり、動作が安定化する。
【０１０２】
また請求項６に記載の恒温装置は、温度の制御精度が高く、且つ温度ばらつきが少ないという優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の実施形態の冷却装置の配管系統図である。
【図２】 図１の冷却装置で採用する直膨式熱交換器の斜視図である。
【図３】 直膨式熱交換器の変形例を示す斜視図である。
【図４】 直膨式熱交換器の他の変形例を示す斜視図である。
【図５】 本発明の他の実施形態の冷却装置の配管系統図である。
【図６】 本発明のさらに他の実施形態である冷却装置の配管系統図である。
【図７】 本発明のさらに他の実施形態である冷却装置及び当該装置を使用した恒温装置の配管系統図である。
【図８】 本発明のいっそう他の実施形態である冷却装置及び当該装置を使用した恒温装置の配管系統図である。
【図９】 本発明のさらに他の実施形態である冷却装置及び当該装置を使用した恒温装置である恒温ブライン供給装置の配管系統図である。
【図１０】 図９の恒温ブライン供給装置で採用する蒸発装置の断面図である。
【図１１】 従来技術における冷却装置を使用した恒温ブライン供給装置の配管系統図である。
【符号の説明】
１ 冷却装置
２ 圧縮装置
３ 凝縮装置
５ 膨張弁
６ 蒸発装置
１０ 電動弁
１１ 加熱部
１２ バイパス流路
１３ 感温筒
３０, ４１ 冷却装置
３１ バイパス流路
３２ 電磁弁
３３，４５ 恒温槽
３５ 蒸発装置
５０ 恒温ブライン供給装置
５１ 冷却装置

Claims (6)

1. 圧縮装置と、凝縮装置と、膨張手段と、蒸発装置を備え、これらが順次配管接続されて冷凍回路を構成し、気体状態の冷媒を圧縮装置で圧縮して凝縮装置に送り、凝縮装置では冷媒から熱を奪って冷媒を液状又は気・液混合状態に変化させ、膨張手段を経て蒸発装置に送り、さらに冷媒を圧縮装置に戻す冷却装置において、蒸発装置と圧縮装置の間に加熱部を備え、冷媒は蒸発装置の出口に至るまで気・液混合状態を維持し、加熱部で熱を得てその全てが気体に相変化し、蒸発装置から圧縮装置に至る間に流量制御手段又は圧力制御手段を備え、さらに負荷側の温度を検知する負荷側温度検知手段を有し、流量制御手段又は圧力制御手段は前記負荷側温度検知手段の検知温度に基づいて制御され、設定温度に対して負荷側温度検知手段の検知温度が高い場合は、流量制御手段又は圧力制御手段の開度が大きくなり、逆に設定温度に対して負荷側温度検知手段の検知温度が低い場合は、流量制御手段又は圧力制御手段の開度が小さくなることを特徴とする冷却装置。
2. 流量制御手段又は圧力制御手段をバイパスするバイパス手段が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
3. 圧縮装置から凝縮装置に至る間と、流量制御手段又は圧力制御手段から圧縮装置に至る間をつなぐバイパス手段が設けられていることを特徴とする請求項１又は２に記載の冷却装置。
4. 蒸発装置は、直膨式プレート熱交換器であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の冷却装置。
5. 加熱部は、凝縮装置から膨張手段に至る高圧側の冷媒を熱源とするものであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の冷却装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の冷却装置が搭載された恒温装置。

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