JP4407389B2

JP4407389B2 - 冷凍装置

Info

Publication number: JP4407389B2
Application number: JP2004166623A
Authority: JP
Inventors: 譲別當; 政賢仲野
Original assignee: Daikin Industries Ltd
Current assignee: Daikin Industries Ltd
Priority date: 2004-06-04
Filing date: 2004-06-04
Publication date: 2010-02-03
Anticipated expiration: 2024-06-04
Also published as: JP2005345026A

Description

本発明は、冷媒回路の蒸発器で冷却された熱媒体を冷却対象に供給する冷凍装置に関し、特に冷却対象へ供給する熱媒体の温度精度を向上させる対策に関するものである。

従来より、例えば冷媒回路の蒸発器で冷却された熱媒体を半導体製造装置等の冷却対象に供給する冷凍装置が知られている。

例えば、特許文献１に開示されている冷凍装置は、図４に示すように、冷媒が循環して冷凍サイクルを行う冷媒回路（70）と、該冷媒回路（70）と冷却対象との間で熱媒体を循環させる熱媒体循環路（71）と、該冷媒回路（70）に設けられて熱媒体を冷却する蒸発器（72）とを備えている。

また、この冷凍装置には、熱媒体循環路（71）における蒸発器（72）の上流側に戻り温度センサ（74）が設けられている。さらに、該蒸発器（72）の下流側より順に電気ヒータ（77）、出口温度センサ（75）が設けられている。戻り温度センサ（74）は、冷却対象から蒸発器（72）へ向かう熱媒体の戻り温度Ｔ１を検出する。一方、出口温度センサ（75）は、蒸発器（72）及び電気ヒータ（77）を流通した後の熱媒体の出口温度Ｔ２を検出する。

この冷凍装置は、戻り温度センサ（74）で検出された戻り温度Ｔ１が所定温度よりも上昇すると、上述した冷媒回路（70）の膨張弁（76）の開度を拡大して蒸発器（72）の冷却能力を増大させる一方、戻り温度Ｔ１が所定温度よりも低下すると、膨張弁（76）の開度を縮小して蒸発器（72）の冷却能力を低減させるようにしている。さらに、この冷凍装置は、出口温度センサ（75）で検出された出口温度Ｔ２に基づいて電気ヒータ（77）のヒータ入力を調節することで、冷却対象に供給される熱媒体の温度精度を確保するようにしている。
特開２００２−１１５９２０号公報

ところで、近年、半導体製造装置における半導体製造工程においては、製品の品質の向上を図るため、特に高い温度精度での温度制御が要求されている。上記特許文献１に開示されている冷凍装置では、蒸発器（72）の能力制御による温度制御の粗さを電気ヒータ（77）のヒータ入力で補うことによって温度精度を確保しようとしている。しかし、ヒータ入力によって電力を消費してしまうため、設備全体としてランニングコストが増大するという問題があった。

また、戻り温度センサ（74）ではなく出口温度センサ（75）で検出された出口温度Ｔ２に基づいて膨張弁（76）を制御することが考えられる。しかしながら、例えば蒸発器（72）の冷却能力を増大させた時点から実際に出口温度センサ（75）の検出値が低下しはじめるまでに時間を要し、この時間遅れに起因して十分な温度精度が得られないおそれがある。

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、膨張弁の制御によって高い温度精度が得られる冷凍装置を提供することにある。

本発明は、上記目的に対して、戻り温度センサの検出値に基づいて膨張弁の開度を設定し、さらに出口温度センサの検出値に基づいて該膨張弁の開度を補正するようにした。

すなわち、本発明は、冷媒を循環させて冷凍サイクルを行う冷媒回路（20）と、冷媒回路（20）の蒸発器（40）から冷却対象へ熱媒体を送る供給側通路（30a）と、該冷却対象から蒸発器（40）へ熱媒体を送る戻り側通路（30b）とで構成された熱媒体循環路（30）とを備え、冷却対象へ供給される熱媒体が予め設定された設定温度となるように該熱媒体を温度調節する冷凍装置を対象としている。そして、戻り側通路（30b）を流れる熱媒体の温度を検出する第１温度検出手段（45）と、供給側通路（30a）を流れる熱媒体の温度を検出する第２温度検出手段（46）と、冷媒回路（20）に設けられた膨張弁（23）の開度の設定値を、第１温度検出手段（45）の検出値と設定温度との温度差に基づいて決定する開度決定手段（51）と、開度決定手段（51）により決定された膨張弁（23）の開度の設定値を、第２温度検出手段（46）の検出値と設定温度との温度差に基づいて補正する開度補正手段（52）と、膨張弁（23）の開度を開度補正手段（52）によって補正された設定値に設定する制御手段（53）とを備えている。そして、第１温度検出手段（45）を構成する第１温度センサは、第２温度検出手段（46）を構成する第２温度センサよりも低精度であるというものである。

本発明では、戻り側通路（30b）に第１温度検出手段（45）を、供給側通路（30a）に第２温度検出手段（46）をそれぞれ設けている。開度決定手段（51）は、膨張弁（23）の開度の設定値を、第１温度検出手段（45）の検出値と設定温度との温度差に基づいて決定する。つまり、開度決定手段（51）は、これから蒸発器（40）へ流入する熱媒体の温度を考慮し、膨張弁（23）の開度設定値を定める。開度補正手段（52）は、開度決定手段（51）により決定された膨張弁（23）の開度の設定値を、第２温度検出手段（46）の検出値と設定温度との温度差に基づいて補正する。つまり、開度補正手段（52）は、蒸発器（40）から利用側へ向けて送り出された熱媒体の温度を考慮し、開度決定手段（51）が決定した膨張弁（23）の開度設定値を補正する。そして、制御手段（53）は、膨張弁（23）の開度を開度補正手段（52）で補正された設定値に設定する。

さらに、第１温度検出手段（45）を構成する第１温度センサとして、第２温度検出手段（46）を構成する第２温度センサよりも低精度なものを用いている。

以上のように、本発明では、開度決定手段（51）が第１温度検出手段（45）の検出値を考慮して膨張弁（23）の開度設定値を決定している。このため、例えば利用側の熱負荷が増大して戻り側通路（30b）を流れる熱媒体の温度が上昇した場合でも、この温度上昇した熱媒体が蒸発器（40）へ流入する前に膨張弁（23）の開度設定値を大きな値に定めることができ、熱媒体の温度上昇に対応して蒸発器（40）の冷却能力をすばやく増大させることができる。また、本発明では、開度決定手段（51）により決定された膨張弁（23）の開度設定値を、開度補正手段（52）が第２温度検出手段（46）の検出値を考慮して補正している。このため、戻り側通路（30b）から蒸発器（40）へ送り込まれる熱媒体の温度だけでなく、蒸発器（40）から供給側通路（30a）を通じて利用側へ供給される熱媒体の温度をも考慮して膨張弁（23）の開度設定値を定めることが可能となる。従って、本発明によれば、利用側の負荷変動にすばやく対応できて熱媒体の温度精度の向上が可能な冷凍装置を提供できる。

また、開度決定手段（51）で決定された膨張弁（23）の開度の設定値を開度補正手段（52）で補正している。このため、開度決定手段（51）では膨張弁（23）の開度の設定値をそれほど精密に設定しなくても、利用側へ供給する熱媒体の温度精度を確保できる。そこで、この発明のように、第１温度検出手段（45）として低精度で安価なセンサを用いることで、熱媒体の温度精度を確保しながらコストダウンをも図ることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものでは全くない。

＜実施形態＞
図１に示すように、本発明の実施形態に係る冷凍装置（10）は、蒸発器（40）によって熱媒体の冷却を行い、この熱媒体を冷却対象に供給することで、冷却対象の温度を一定に制御するものである。なお、本実施形態の冷凍装置（10）は、冷却対象としての半導体製造装置へ熱媒体を供給している。

上記冷凍装置（10）は、冷凍サイクルを行う冷媒回路（20）と、熱媒体を冷媒回路（20）の蒸発器（40）と冷却対象との間で循環する熱媒体循環路（30）とを備えている。

上記冷媒回路（20）は、圧縮機（21）、凝縮器（22）、膨張弁（23）、及び蒸発器（40）が順に接続された閉回路となっており、該冷媒回路（20）内の冷媒が循環することで蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行うものである。なお、蒸発器（40）は、例えばプレート型熱交換器で構成されている。そして、蒸発器（40）は、冷媒回路（20）内の冷媒が流通する冷媒用流路（40a）と、熱媒体循環路（30）を流れる熱媒体が流通する熱媒体用流路（40b）とを備え、上記冷媒と熱媒体とを熱交換させることで熱媒体を冷却するように構成されている。

上記膨張弁（23）は、パルスモータで弁体を駆動することによって開度が可変となる、いわゆる電子膨張弁により構成されている。

上記熱媒体循環路（30）は、上記蒸発器（40）と冷却対象とを接続する閉回路である。この熱媒体循環路（30）は、蒸発器（40）で冷却された熱媒体を冷却対象に供給する供給側通路（30a）と、冷却対象に供給された熱媒体を蒸発器（40）に戻す戻り側通路（30b）とで構成されている。上記供給側通路（30a）は、その流入端が蒸発器（40）の熱媒体用流路（40b）に接続される一方、その流出端が冷却対象に接続されている。また、上記戻り側通路（30b）は、その流入端が冷却対象に接続される一方、その流出端が蒸発器（40）の熱媒体用流路（40b）に接続されている。なお、この熱媒体循環路（30）には熱媒体が充填されている。

戻り側通路（30b）における冷却対象の下流側には、戻り温度センサ（45）が接続されている。この戻り温度センサ（45）は、第１温度検出手段を構成しており、冷却対象の熱を吸熱して加熱された熱媒体の戻り温度Ｔ１を検出するものである。本実施形態では、戻り温度センサ（45）としてサーミスタを用いている。

供給側通路（30a）には、蒸発器（40）の下流側に出口温度センサ（46）が接続されている。この出口温度センサ（46）は、第２温度検出手段を構成しており、蒸発器（40）を通過した後の熱媒体の出口温度Ｔ２を検出するものである。本実施形態では、出口温度センサ（46）として白金温度計を用いている。

また、この冷凍装置（10）には、コントローラ（50）が設けられている。このコントローラ（50）は、各温度センサ（45,46）からの検出信号を受信し、この検出信号に基づいて蒸発器（40）の冷却能力を調整するように構成されている。

具体的に、上記コントローラ（50）は、冷媒回路（20）に設けられた膨張弁（23）の開度の設定値を決定する開度決定部（51）と、該設定値を補正する開度補正部（52）と、該膨張弁（23）の開度を設定値に設定する制御部（53）とを備えている。

上記開度決定部（51）は、開度決定手段を構成している。この開度決定部（51）は、戻り温度センサ（45）の検出温度（戻り温度Ｔ１）と設定温度との温度差に応じて、冷媒回路（20）の膨張弁（23）の開度の設定値を決定するものである。具体的に、膨張弁（23）の開度の設定値とは、膨張弁（23）に入力するパルス数である。ここで、戻り温度Ｔ１と設定温度との温度差が大きい場合にはパルス数は大きな値となり、温度差が小さい場合にはパルス数は小さな値となる。

上記開度補正部（52）は、開度補正手段を構成している。この開度補正部（52）は、出口温度センサ（46）の検出温度（出口温度Ｔ２）と設定温度との温度差に応じて上記開度決定部（51）で決定された膨張弁（23）の開度の設定値を補正するものである。この開度補正部（52）において、膨張弁（23）の開度設定値の補正値は、ＰＩ制御（比例積分制御）によって定められている。

具体的に、出口温度Ｔ２が設定温度を上回っている状態において、開度補正部（52）は、膨張弁（23）の開度を拡大するために、上記開度決定部（51）で決定されたパルス数がさらに大きくなるように補正する。一方、出口温度Ｔ２が設定温度を下回っている状態において、開度補正部（52）は、膨張弁（23）の開度を縮小するために、上記開度決定部（51）で決定されたパルス数を小さくするように補正する。

上記制御部（53）は、制御手段を構成している。この制御部（53）は、膨張弁（23）の開度を上記開度補正部（52）によって補正された設定値に設定するものである。そして、該設定値に基づく開度で開弁された膨張弁（23）によって冷媒回路（20）内の冷媒の流通量が制御され、蒸発器（40）の冷却能力が適切に制御される。

−運転動作−
次に、本発明の実施形態に係る冷凍装置（10）の運転動作について説明する。冷媒回路（20）では、圧縮機（21）の運転により冷媒が循環することで冷凍サイクルが行われる。具体的に、圧縮機（21）から吐出された冷媒は、凝縮器（22）で放熱して凝縮する。続いて、冷媒は、膨張弁（23）で減圧され、その後に蒸発器（40）で吸熱して蒸発する。蒸発器（40）で蒸発した冷媒は、圧縮機（21）へ吸入されて圧縮される。

一方、熱媒体循環路（30）では、図示しないポンプの運転により熱媒体が熱媒体循環路（30）内を循環する。ここで、冷却対象から送り返されてくる熱媒体は、戻り側通路（30b）を通って蒸発器（40）の熱媒体用流路（40b）へ流入する。蒸発器（40）では、冷媒用流路（40a）を流れる冷媒と熱媒体用流路（40b）を流れる熱媒体とが熱交換し、それによって熱媒体が冷却される。

以下、膨張弁（23）の開度の設定方法について、図２に示すフローチャートを用いて説明する。また、図３は膨張弁（23）の開度の設定値の推移を示すグラフである。

まず、冷却対象から戻り側通路（30b）に返送された熱媒体は、戻り温度センサ（45）を通過してその戻り温度Ｔ１が検出される。そして、冷却対象において図３（ａ）に示すような熱負荷の変動があった場合、ステップＳ１０１で、開度決定部（51）によって戻り温度Ｔ１と設定温度との温度差に応じた膨張弁（23）の開度の設定値Ａを算出する。この設定値Ａは、図３（ｂ）に示すようなグラフで表される。

次に、蒸発器（40）によって冷却された熱媒体は、供給側通路（30a）に流入し出口温度センサ（46）で出口温度Ｔ２が検出される。そして、ステップＳ１０２で、開度補正部（52）により、出口温度Ｔ２と設定温度との温度差に応じて、開度決定部（51）で決定された膨張弁（23）の開度の設定値Ａを補正するための補正値Ｂを算出する。この補正値Ｂは、設定温度に対する出口温度Ｔ２の偏差に基づくＰＩ制御によって算出される。この補正値Ｂは、図３（ｃ）に示すようなグラフで表される。

ステップＳ１０３で設定値Ａと補正値Ｂとが合算され、膨張弁（23）の開度の設定値Ｃが算出される。補正後の設定値Ｃは、図３（ｄ）に示すようなグラフで表される。

ステップＳ１０４で、制御部（53）により、膨張弁（23）の開度を補正後の設定値Ｃに設定して、蒸発器（40）の冷却能力を制御する。

以上のように、冷凍装置（10）では、蒸発器（40）によって冷却された熱媒体を冷却対象に供給し、冷却対象によって加熱された熱媒体を再び蒸発器（40）で冷却して循環させることで、冷却対象の温度を一定に保持できるようにしている。

上記実施形態では、開度決定部（51）が戻り温度センサ（45）の検出値を考慮して膨張弁（23）の開度設定値を決定している。このため、例えば利用側の熱負荷が増大して戻り側通路（30b）を流れる熱媒体の温度が上昇した場合でも、この温度上昇した熱媒体が蒸発器（40）へ流入する前に膨張弁（23）の開度設定値を大きな値に定めることができ、熱媒体の温度上昇に対応して蒸発器（40）の冷却能力をすばやく増大させることができる。さらに、開度決定部（51）により決定された膨張弁（23）の開度設定値を、開度補正部（52）が出口温度センサ（46）の検出値を考慮して補正している。このため、戻り側通路（30b）から蒸発器（40）へ送り込まれる熱媒体の温度だけでなく、蒸発器（40）から供給側通路（30a）を通じて利用側へ供給される熱媒体の温度をも考慮して膨張弁（23）の開度設定値を定めることが可能となる。このように、本実施形態に係る冷凍装置（10）によれば、利用側の負荷変動にすばやく対応できて熱媒体の温度精度の向上が可能となる。

また、本実施形態では、開度補正部（52）が、設定温度に対する出口温度Ｔ２の偏差に基づくＰＩ制御によって開度決定部（51）で決定された開度の設定値Ａに対する補正値Ｂを算出している。このため、応答性が悪くて入力したパルス数に応じた開度を得られない機差の大きな膨張弁（23）を本冷却装置（10）に使用した場合でも、開度補正部（52）においてその機差が考慮された補正値Ｂが算出されるので、膨張弁（23）の機差を吸収して熱媒体の温度精度を向上させることができる。

以上説明したように、本発明は、冷却対象の温度を一定温度に保持するための冷凍装置に対し、膨張弁の制御によって高い温度精度が得られるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。

本発明の実施形態に係る冷凍装置の全体構成を示す概略回路図である。本発明の実施形態に係る冷凍装置の膨張弁の開度を決定する手順を示すフローチャートである。冷却対象の熱負荷の変動と、それに対応する膨張弁の開度の設定値Ａの推移、膨張弁の開度の設定値Ａを補正する補正値Ｂの推移、及び補正後の膨張弁の開度の設定値Ｃの推移を示すグラフである。従来の冷凍装置の全体構成を示す概略回路図である。

（10）冷凍装置
（20）冷媒回路
（23）膨張弁
（30）熱媒体循環路
（30a）供給側通路
（30b）戻り側通路
(40) 蒸発器
(45) 戻り温度センサ（第１温度検出手段）
（46）出口温度センサ（第２温度検出手段）
（51）開度決定部（開度決定手段）
（52) 開度補正部（開度補正手段）
（53）制御部（制御手段）

Claims

冷媒を循環させて冷凍サイクルを行う冷媒回路（20）と、
上記冷媒回路（20）の蒸発器（40）から冷却対象へ熱媒体を送る供給側通路（30a）と、該冷却対象から蒸発器（40）へ熱媒体を送る戻り側通路（30b）とで構成された熱媒体循環路（30）とを備え、
上記冷却対象へ供給される熱媒体が予め設定された設定温度となるように該熱媒体を温度調節する冷凍装置であって、
上記戻り側通路（30b）を流れる熱媒体の温度を検出する第１温度検出手段（45）と、
上記供給側通路（30a）を流れる熱媒体の温度を検出する第２温度検出手段（46）と、
上記冷媒回路（20）に設けられた膨張弁（23）の開度の設定値を、上記第１温度検出手段（45）の検出値と上記設定温度との温度差に基づいて決定する開度決定手段（51）と、
上記開度決定手段（51）により決定された上記膨張弁（23）の開度の設定値を、上記第２温度検出手段（46）の検出値と上記設定温度との温度差に基づいて補正する開度補正手段（52）と、
上記膨張弁（23）の開度を上記開度補正手段（52）によって補正された設定値に設定する制御手段（53）とを備え、
上記第１温度検出手段（45）を構成する第１温度センサは、上記第２温度検出手段（46）を構成する第２温度センサよりも低精度である冷凍装置。