JP4871800B2 - チラー装置 - Google Patents

Description

本発明は、温度を調整した熱媒体を負荷に供給するチラー装置に関する。

液晶パネルや半導体を生産するプロセスあるいは試験においては、温度制御を行うことが必須条件であり、種々の温度制御装置が使用されている。温度制御装置のなかには、チラー装置を利用したものがある。この種のチラー装置は、ワークや検査装置などの負荷が配置される負荷回路に、温度を調整した熱媒体を供給し、負荷の温度を設定温度に維持している。

例えば、冷却器とポンプとを備える一次回路と、一次回路の冷媒と熱交換する冷媒を循環するポンプを備える二次回路と、二次回路に設けたバッファタンクと、負荷に供給する冷媒を循環するポンプを備える負荷回路と、二次回路と負荷回路とを接続する連絡通路と、二次回路から負荷回路に混合する冷媒の流量を調整する連絡通路に設けられるバルブと、を有するチラー装置が示されている（特許文献１を参照）。
特開平１１−１８３００５号公報

上記の特許文献１に記載されたチラー装置は、バッファタンクが二次回路に直列的に配置されており、バッファタンク内に保有した冷媒の全量が二次回路を循環する形態となっている。このため、装置の立ち上げ時に二次回路内の冷媒を冷却するためには、比較的長時間を要している。

さらに、冷媒を循環させるポンプを、一次回路、二次回路、および負荷回路のそれぞれに、合計３台設けている。ポンプは設置スペースが比較的大きいことから、１台でも削減できれば、チラー装置全体の省スペース化を図ることが可能となる。

そこで、本発明は、装置の立ち上げを迅速に行うことができ、さらに、熱媒体を循環させるポンプなどの手段の設置台数の削減を通して、省スペース化を図り得るチラー装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するための本発明は、第１熱媒体が流れる一次回路と、
前記第１熱媒体とは異なる第２熱媒体を負荷に供給する負荷回路と、
前記第１熱媒体と前記第２熱媒体との間の熱交換を行なう熱交換器と、を有し、
前記一次回路は、
第１熱媒体を冷却する冷凍機と、
前記冷凍機と前記熱交換器との間を接続する循環配管系と、
前記循環配管系に配置されて前記第１熱媒体を循環させる第１循環手段と、を備え、
前記負荷回路は、
前記熱交換器の出口側から、前記負荷の入口側に至る第１配管系と、
前記負荷の出口側から、前記熱交換器の入口側に至る第２配管系と、
前記第２熱媒体を保有するタンクと、
前記第１配管系から分岐して、前記タンクの入口側に至る第３配管系と、
前記タンクの出口側から、前記第３配管系が前記第１配管系から分岐した位置よりも下流側の位置において前記第１配管系に合流する第４配管系と、
前記第２配管系から分岐して、前記第４配管系が前記第１配管系に合流した位置よりも下流側の位置において前記第１配管系に合流する第５配管系と、
前記第３配管系に配置される第１バルブと、
前記第１配管系における前記第３配管系の分岐点と前記第４配管系の合流点との間に配置される第２バルブと、
前記第５配管系に配置される第３バルブと、
前記第１配管系のうち前記第５配管系が前記第１配管系から分岐した位置よりも下流側の位置または前記第２配管系に配置されて前記第２熱媒体を循環させる第２循環手段と、
前記負荷に供給する前記第２熱媒体の温度を検出する供給温度センサと、
前記タンクに保有される前記第２熱媒体の温度を検出するタンク用センサと、
前記第１バルブ、前記第２バルブ、および前記第３バルブの開度の調整を制御するコントローラと、を備え、
前記コントローラは、前記第１バルブを閉じることによって、前記タンクに保有した前記第２熱媒体を前記熱交換器に導かないようにして、残余の前記第２熱媒体を前記熱交換器において冷却する運転を実施し、
前記コントローラはさらに、前記第１バルブ、前記第２バルブ、および前記第３バルブの開度を調整することによって、前記タンクに保有される前記第２熱媒体の温度を前記負荷に供給する前記第２熱媒体の温度よりも低い温度に保ちつつ、前記第１配管系を流下する前記第２熱媒体に前記第２配管系を流下する前記第２熱媒体の一部を混合することによって、前記負荷に供給する前記第２熱媒体の温度を、前記タンクに保有される前記第２熱媒体の温度よりも高く、かつ、前記第２配管系を流下する前記第２熱媒体の温度よりも低い温度に調整する運転を実施するチラー装置である。

本発明のチラー装置によれば、タンクに保有した第２熱媒体を熱交換器に導かないようにして、残余の第２熱媒体を熱交換器において冷却する運転を実施できるので、装置の立ち上げ時に、必要量以上の第２熱媒体を冷却する必要がなく、装置の立ち上げを迅速に行うことができる。さらに、熱媒体を循環させる循環手段は第１と第２の２台で足り、循環手段の設置台数の削減を通して、省スペース化を図ったチラー装置を提供することができる。また、回転機器であるポンプは電磁弁などに比べると電力を要するので、１台でも削減することにより、チラー装置全体のランニングコストの低減に寄与することができる。

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チラー装置１０を示す構成図、図２は、一次回路１１に含まれる冷凍機３０の冷凍サイクルを示す構成図である。

図１を参照して、チラー装置１０は、第１熱媒体が流れる一次回路１１と、第１熱媒体とは異なる第２熱媒体を負荷Ｗに供給する負荷回路１２と、第１熱媒体と第２熱媒体との間の熱交換を行なう熱交換器２１と、を有している。一次回路１１は、第１熱媒体の温度を所定の温度に調整する。負荷回路１２は、負荷Ｗに供給される第２熱媒体を目標温度に調整する。負荷Ｗは、ワーク、検査装置、製造装置、あるいは恒温装置などであるが、本発明では特に限定されない。第２熱媒体としては、例えば、冷媒、純水などが用いられ、負荷Ｗに応じた媒体が選択される。第１熱媒体としては、例えば、冷媒、冷水などが用いられ、第２熱媒体に応じた媒体が選択される。

熱交換器２１は、伝熱面積が広くて熱交換効率が高いが、第２熱媒体を保有する量が比較的少ない構造を有する熱交換器である。

図２をも参照して、一次回路１１は、第１熱媒体を冷却する冷凍機３０と、冷凍機３０と熱交換器２１との間を接続する循環配管系２３と、循環配管系２３に配置されて第１熱媒体を循環させるコンプレッサ３１（第１循環手段に相当する）と、を備えている。コンプレッサ３１は、冷凍機３０内に組み込まれている。

冷凍機３０の冷凍サイクルは、冷媒を圧縮するコンプレッサ３１と、冷却水が流通する凝縮器３２と、膨張弁３３と、蒸発器として機能する熱交換器３４と、を有する。第１熱媒体の出口温度Ｔ０は、熱交換器３４に流入する冷媒の温度を調整することにより調整される。冷媒の温度は、冷凍機３０の容量を制御することにより調整される。冷凍機３０の容量制御は、ホットガス流量を制御することにより行われる。冷凍機３０には、コンプレッサ３１の出口側と膨張弁３３の出口側とを連通するホットガスバイパス配管３５と、ホットガスバイパス配管３５の途上に配置される容量調整弁３６および第１電磁弁３７と、凝縮器３２の出口から膨張弁３３に至る配管の途上に配置される第２電磁弁３８と、が設けられている。第１、第２電磁弁３７、３８のそれぞれは、一方が閉のときには他方が開かれ、一方が開のときには他方が閉じられる。第１電磁弁３７が開かれると、コンプレッサ３１により圧縮された比較的高温のガス状冷媒は、容量調整弁３６およびホットガスバイパス配管３５を通り、膨張弁３３により断熱膨張されて比較的低温となった冷媒に混合される。膨張弁３３の出口側に流下するホットガス流量は、容量調整弁３６の設定値および第１電磁弁３７の開時間により定まる。第１、第２電磁弁３７、３８の開閉の結果、熱交換器３４に流入する冷媒の温度が調整され、熱交換器３４で冷却される第１熱媒体が所定の温度に調節される。

負荷回路１２は、第２熱媒体を保有するタンク２２と、第１〜第５配管系４１、４２、４３、４４、４５と、第１〜第３バルブ５１、５２、５３と、第２熱媒体を循環させるポンプ６０（第２循環手段に相当する）と、第２熱媒体の温度を検出する第１〜第４センサ７１、７２、７３、７４と、チラー装置１０全体の制御を司るコントローラ８０と、を備えている。

第１配管系４１は、熱交換器２１の出口側から、負荷Ｗの入口側に至っている。第２配管系４２は、負荷Ｗの出口側から、熱交換器２１の入口側に至っている。第３配管系４３は、第１配管系４１から分岐して、タンク２２の入口側に至っている。第４配管系４４は、タンク２２の出口側から、第３配管系４３が第１配管系４１から分岐した位置よりも下流側の位置において第１配管系４１に合流している。第５配管系４５は、第２配管系４２から分岐して、第４配管系４４が第１配管系４１に合流した位置よりも下流側の位置において第１配管系４１に合流している。配管系のそれぞれは、１または複数の配管を接続して構成されている。符号４６は、負荷Ｗに接続された入口配管４７を接続する供給ポートを示し、符号４８は、負荷Ｗに接続された出口配管４９を接続する戻りポートを示している。

第１バルブ５１は、第３配管系４３に配置されている。第２バルブ５２は、第１配管系４１における第３配管系４３の分岐点と第４配管系４４の合流点との間に配置されている。第３バルブ５３は、第５配管系４５に配置されている。第１〜第３バルブ５１、５２、５３のそれぞれは、開度を調整自在な電磁弁などから構成されている。

ポンプ６０は、第５配管系４５が第１配管系４１から分岐した位置よりも下流側の位置において第１配管系４１に配置されている。ポンプ６０を第２配管系４２に配置して、第２熱媒体を循環させるようにすることもできる。

第１センサ７１（供給温度センサに相当する）は、第１配管系４１に取り付けられ、負荷Ｗに供給する第２熱媒体の温度Ｔ１を検出する。第２センサ７２は、ポンプ６０の入口に取り付けられ、ポンプ６０の入口における第２熱媒体の温度Ｔ２を検出する。第３センサ７３は、熱交換器２１の出口に取り付けられ、熱交換器２１の出口における第２熱媒体の温度Ｔ３を検出する。第４センサ７４（タンク用センサに相当する）は、タンク２２に取り付けられ、タンク２２に保有される第２熱媒体の温度Ｔ４を検出する。第１〜第４センサ７１、７２、７３、７４は、測温抵抗体や熱電対などから構成されている。

コントローラ８０は、第１バルブ５１、第２バルブ５２、および第３バルブ５３の開度の調整を制御する。コントローラ８０は、ＣＰＵやメモリを主体に構成され、第１〜第４センサ７１、７２、７３、７４において検出した温度Ｔ１、Ｔ２、Ｔ３、Ｔ４に関する信号が入力され、開度を調整するための制御信号が第１〜第３バルブ５１、５２、５３に出力される。コントローラ８０には、負荷Ｗに供給する第２熱媒体の温度Ｔ１などを設定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８０はまた、冷凍機３０にも接続され、容量制御のための制御信号が第１、第２電磁弁３７、３８に出力されて、ホットガス流量が制御される。メモリには、チラー装置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。

チラー装置１０および負荷Ｗの全体の動特性を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、チラー装置１０および負荷Ｗの全体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。

このチラー装置１０では、タンク２２を負荷回路１２に直列的に配置するのではなく、第１配管系４１に並列的に接続してある。そして、チラー装置１０は、コントローラ８０によって、第１バルブ５１を閉じることにより、タンク２２に保有した第２熱媒体を熱交換器２１に導かないようにして、残余の第２熱媒体を熱交換器２１において冷却する運転を実施できる。

タンクに保有した第２熱媒体を熱交換器２１に導かないようにして、残余の第２熱媒体を熱交換器２１において冷却する運転を実施できるので、装置の立ち上げ時に、必要量以上の第２熱媒体を冷却する必要がない。したがって、装置の立ち上げを迅速に行うことが可能となる。

チラー装置１０はさらに、コントローラ８０によって、第１バルブ５１、第２バルブ５２、および第３バルブ５３の開度を調整することによって、タンク２２に保有される第２熱媒体の温度Ｔ４を負荷Ｗに供給する第２熱媒体の温度Ｔ１よりも低い温度に保っている。また、第１配管系４１を流下する第２熱媒体に第２配管系４２を流下する第２熱媒体の一部を混合することによって、負荷Ｗに供給する第２熱媒体の温度Ｔ１を調整自在となっている。具体的には、負荷Ｗに供給する第２熱媒体の温度Ｔ１を、タンク２２に保有される第２熱媒体の温度Ｔ４よりも高く、かつ、第２配管系４２を流下する第２熱媒体の温度よりも低い温度に調整する運転を実施できる。

タンク２２に保有される第２熱媒体の温度Ｔ４を、負荷Ｗに供給する第２熱媒体の温度Ｔ１よりも低い温度に調整して保有しているので、負荷Ｗの温度上昇が大きいときでも、第２熱媒体の温度Ｔ１を直ぐに低くして、負荷Ｗの温度を迅速に下げることができる。したがって、負荷Ｗの温度を応答性良く制御できる。

負荷回路１２は、さらに、第１配管系４１に配置され第２熱媒体を加熱する電気ヒータ９０（加熱部に相当する）を有している。コントローラ８０は、電気ヒータ９０の作動を制御することによって、負荷Ｗに供給する第２熱媒体の温度Ｔ１を、目標とする温度まで昇温する。電気ヒータ９０により第２熱媒体を加熱して、負荷Ｗの温度を所望の温度にまで迅速に高めることができる。加熱部８０は、電気ヒータ９０に限られず、第２熱媒体を加熱する機能を有する限りにおいて適宜選択できる。

タンク２２に保有される第２熱媒体を必要に応じて負荷Ｗに供給する形態では、チラー装置１０に含まれる第２熱媒体の全量を電気ヒータ９０によって再加熱した後に、さらに第２熱媒体の全量を再冷却する必要がない。このため、電気ヒータ９０によって再度加熱する際の、エネルギーロスを可及的に低減でき、チラー装置１０を効率良く運転できる。

なお、ポンプ６０は、負荷回路１２で第２熱媒体を循環できればよいため、その配置位置は図示のように電気ヒータ９０の入口側に限られるものではない。例えば、電気ヒータ９０の出口側に配置し、加熱された第２熱媒体を送り出す位置に配置してもよい。

チラー装置１０は、負荷Ｗに要求される下限温度から上限温度までの温度範囲で、第２熱媒体の温度を制御できなければならない。したがって、冷凍機３０の冷却能力は、第２熱媒体の循環流量、負荷Ｗの下限温度、負荷Ｗにおける発熱量などに基づいて決定され、電気ヒータ９０の加熱能力は、第２熱媒体の循環流量、負荷Ｗの上限温度などに基づいて決定される。

チラー装置１０の性能仕様の一例を挙げれば、制御温度として、−６５℃〜＋３０℃であり、制御精度として、一定負荷のときに±１．０℃、負荷変動時に±２．０℃である。また、昇降温性能として、停止状態から立上げる場合において、常温（２５℃）から下限温度（−６５℃）まで１５分以内に到達でき（無負荷状態において）、運転中の場合において、１分間に３０℃の速さで温度変化ができる（昇降ともに、全温度域にて）。

次に、チラー装置１０の種々の運転について説明する。

（１）立ち上げ運転
図３は、チラー装置１０の立ち上げ運転の初期における第２熱媒体の流れを示す図、図４は、チラー装置１０の立ち上げ運転において、負荷Ｗに供給する第２熱媒体の温度Ｔ１の変化を、第３バルブ５３の開度の変化、第１バルブ５１の開度の変化、第２バルブ５２の開度の変化、および、電気ヒータ９０のオン−オフ作動の変化とともに示す図である。

立ち上げ運転は、無負荷状態において、負荷Ｗに供給する第２熱媒体の温度Ｔ１を＋３０℃から−６５℃にする運転である。設定温度は、−６５℃である。

図３に示すように、立ち上げ運転は、第１〜第３バルブ５１、５２、５３および電気ヒータ９０の作動状態の違いから、ａ区間（立上げ時）、ｂ区間（移行区間）、ｃ区間（温調モード）に大別できる。各区間において、第１〜第３バルブ５１、５２、５３および電気ヒータ９０は次のように作動している。

（ａ）ａ区間（立上げ時）
この区間における第１〜第３バルブ５１、５２、５３の開閉状態が図３に示される。閉状態のバルブは黒塗りによって示され、開状態のバルブは白抜きによって示されている。

第１バルブ５１ ０ ％
第２バルブ５２ １００ ％
第３バルブ５３ ０ ％
電気ヒータ９０ ０ ％
ａ区間においては、起動時に熱負荷を最大限に抑えるために、第１バルブ５１および第３バルブ５３を全閉とし、第２バルブ５２を全開とし（図３参照）、熱交換器２１において冷凍機３０の最大能力で第２熱媒体を降温する。電気ヒータ９０の出力は０％（ゼロ）である。第１バルブ５１を閉じることによって、タンク２２に保有した第２熱媒体を熱交換器２１に導かないようにして、残余の第２熱媒体を熱交換器２１において冷却する運転を実施できる。このため、装置の立ち上げ時に、必要量以上の第２熱媒体を冷却する必要がなく、装置の立ち上げが迅速なものとなる。

負荷Ｗに供給する第２熱媒体の温度Ｔ１が設定温度からの偏差＋１０℃程度になると、次のｂ区間（移行区間）に移る。

（ｂ）ｂ区間（移行区間）
第１バルブ５１ ０ ％
第２バルブ５２ ５０ ％
第３バルブ５３ ５０ ％
電気ヒータ９０ ０ ％
ｂ区間においては、第１バルブ５１を全閉としたまま、第２バルブ５２の開度を全開から５０％まで徐々に絞り、第３バルブ５３の開度を５０％まで徐々に開く。

負荷Ｗに供給する第２熱媒体の温度Ｔ１が設定温度付近になり、偏差＋５℃程度になると、冷却能力を弱め、次のｃ区間（温調モード）に移る。移行区間においても第１バルブ５１を閉じていることから、必要量以上の第２熱媒体を冷却する必要がなく、装置の立ち上げが迅速なものとなる。

（ｃ）ｃ区間（温調モード）
第１バルブ５１ １５ ％
第２バルブ５２ ５０ ％（開度制御）
第３バルブ５３ ５０ ％（開度制御）
電気ヒータ９０ 出力制御（設定値に対して出力）
ｃ区間においては、冷凍機３０に余力が出てくるので、冷却された第２熱媒体をタンク２２に流下させ、蓄冷する。つまり、第１バルブ５１の開度を全閉から１５％まで開き、電気ヒータ９０の入口温度が設定温度よりもやや低い−２〜−５℃程度になるように、第２バルブ５２および第３バルブ５３の開度調整を行う。そして、電気ヒータ９０によって、出力制御を行って昇温し、設定温度に温調する。

（２）温調運転
図５は、チラー装置１０の温調運転における第２熱媒体の流れを示す図である。第１〜第３バルブ５１、５２、５３の開閉状態が図に示されるが、三角状の黒塗りは、開度が調整されて開かれていることを示している。

温調運転は、負荷変動に応じて、負荷Ｗに供給する第２熱媒体の温度Ｔ１を設定温度に温調する運転である。設定温度は、−６５℃である。

温調運転では、上述した立ち上げ運転におけるｃ区間（温調モード）と同様に、第１〜第３バルブ５１、５２、５３および電気ヒータ９０が作動している。

第１バルブ５１ １５ ％
第２バルブ５２ ５０ ％（開度制御）
第３バルブ５３ ５０ ％（開度制御）
電気ヒータ９０ 出力制御（設定値に対して出力）
温調運転においては、第１バルブ５１の開度を１５％に維持し、電気ヒータ９０の入口温度が設定温度よりもやや低い−２〜−５℃程度になるように、第２バルブ５２および第３バルブ５３の開度調整を行う。そして、電気ヒータ９０によって、出力制御を行って昇温し、設定温度に温調する。

このように、負荷Ｗに供給する第２熱媒体の温度Ｔ１を目標とする温度に維持する温調運転において、コントローラ８０は、第１バルブ５１の開度を固定し、第２バルブ５２および第３バルブ５３の開度を増減調整する。

このように第１バルブ５１、第２バルブ５２、および第３バルブ５３の開度を調整することによって、タンク２２に保有される第２熱媒体の温度Ｔ４を負荷Ｗに供給する第２熱媒体の温度Ｔ１よりも低い温度に保っている。また、第１配管系４１を流下する第２熱媒体に第２配管系４２を流下する第２熱媒体の一部を混合することによって、負荷Ｗに供給する第２熱媒体の温度Ｔ１を調整自在となっている。具体的には、負荷Ｗに供給する第２熱媒体の温度Ｔ１を、タンク２２に保有される第２熱媒体の温度Ｔ４よりも高く、かつ、第２配管系４２を流下する第２熱媒体の温度よりも低い温度に調整する運転を実施できる。

（３）急冷却運転
図６は、チラー装置１０の急冷却運転の初期における第２熱媒体の流れを示す図、図７は、チラー装置１０の急冷却運転において、負荷Ｗに供給する第２熱媒体の温度Ｔ１の変化を、第３バルブ５３の開度の変化、第１バルブ５１の開度の変化、第２バルブ５２の開度の変化、および、電気ヒータ９０のオン−オフ作動の変化とともに示す図である。

急冷却運転は、負荷Ｗに供給する第２熱媒体の温度Ｔ１を＋３０℃から−６５℃にする運転である。設定温度は、−６５℃である。立ち上げ運転との違いは、タンク２２内に冷却された第２熱媒体が保有されている点である。

図７に示すように、急冷却運転は、第１〜第３バルブ５１、５２、５３および電気ヒータ９０の作動状態の違いから、ａ区間（急冷却区間）、ｂ区間（移行区間）、ｃ区間（温調モード）に大別できる。各区間において、第１〜第３バルブ５１、５２、５３および電気ヒータ９０は次のように作動している。

（ａ）ａ区間（急冷却区間）
この区間における第１〜第３バルブ５１、５２、５３の開閉状態が図６に示される。閉状態のバルブは黒塗りによって示され、開状態のバルブは白抜きによって示されている。

第１バルブ５１ １００ ％
第２バルブ５２ ０ ％
第３バルブ５３ ０ ％
電気ヒータ９０ ０ ％
ａ区間においては、事前に冷却したタンク２２内の第２熱媒体を第１配管系４１に供給するために、第１バルブ５１を全開とし、第２バルブ５２および第３バルブ５３を全閉とし（図６参照）、冷蓄熱分を放出して、第２熱媒体を急速に冷却する。電気ヒータ９０の出力は０％（ゼロ）である。

このように、負荷Ｗに供給する第２熱媒体の温度Ｔ１を急速に降温する急冷却運転において、コントローラ８０は、第１バルブ５１の開度を全開とし、第２バルブ５２および第３バルブ５３の開度を全閉とする。

負荷Ｗに供給する第２熱媒体の温度Ｔ１が設定温度からの偏差＋１０℃程度になると、次のｂ区間（移行区間）に移る。

（ｂ）ｂ区間（移行区間）
第１バルブ５１ ５０ ％
第２バルブ５２ ０ ％
第３バルブ５３ ５０ ％
電気ヒータ９０ ０ ％
ｂ区間においては、第２バルブ５２を全閉としたまま、第１バルブ５１の開度を全開から５０％まで徐々に絞り、第３バルブ５３の開度を５０％まで徐々に開く。

負荷Ｗに供給する第２熱媒体の温度Ｔ１が設定温度付近になり、偏差＋５℃程度になると、冷却能力を弱め、次のｃ区間（温調モード）に移る。

（ｃ）ｃ区間（温調モード）
第１バルブ５１ ５０ ％
第２バルブ５２ ０ ％
第３バルブ５３ ５０ ％（開度制御）
電気ヒータ９０ 出力制御（設定値に対して出力）
ｃ区間においては、電気ヒータ９０の入口温度が設定温度よりもやや低い−２〜−５℃程度になるように、第３バルブ５３の開度調整を行う。そして、電気ヒータ９０によって、出力制御を行って昇温し、設定温度に温調する。

タンク２２に保有される第２熱媒体の温度Ｔ４と熱交換器２１の出口における第２熱媒体の温度Ｔ３との差が５℃程度まで近づいたところで、タンク２２に保有される第２熱媒体からの放熱を停止するため、第１バルブ５１を全閉とし、第２バルブ５２を開き、蓄熱媒体の切り離しを行う。

タンク２２内部の第２熱媒体の放熱・蓄熱の判断は、温度設定時にＴ３−Ｔ４の温度差−３５℃程度で放熱運転（急冷却運転）を開始し、Ｔ３−Ｔ４の温度差が−５℃まで近づいたところで第２熱媒体の切り離しを行う。

（４）急加熱運転
図８は、チラー装置１０の急加熱運転の初期における第２熱媒体の流れを示す図、図９は、チラー装置１０の急加熱運転において、負荷Ｗに供給する第２熱媒体の温度Ｔ１の変化を、第３バルブ５３の開度の変化、第１バルブ５１の開度の変化、第２バルブ５２の開度の変化、および、電気ヒータ９０のオン−オフ作動の変化とともに示す図である。

急加熱運転は、負荷Ｗに供給する第２熱媒体の温度Ｔ１を−６５℃から＋２０℃にする運転である。設定温度は、＋２０℃である。

図８に示すように、急加熱運転は、第１〜第３バルブ５１、５２、５３および電気ヒータ９０の作動状態の違いから、ａ区間（急加熱区間）、ｂ区間（移行区間）、ｃ区間（温調モード）に大別できる。各区間において、第１〜第３バルブ５１、５２、５３および電気ヒータ９０は次のように作動している。

（ａ）ａ区間（急加熱区間）
この区間における第１〜第３バルブ５１、５２、５３の開閉状態が図８に示される。閉状態のバルブは黒塗りによって示され、開状態のバルブは白抜きによって示されている。

第１バルブ５１ ０ ％
第２バルブ５２ ０ ％
第３バルブ５３ １００ ％
電気ヒータ９０ １００ ％
ａ区間においては、熱交換器２１をバイパスして第２熱媒体を循環させるために、第１バルブ５１および第２バルブ５２を全閉とし、第３バルブ５３を全開とする（図８参照）。電気ヒータ９０の出力を１００％にして、負荷Ｗに供給する第２熱媒体の温度Ｔ１を昇温する。冷凍機３０の運転は継続し、熱交換器２１およびタンク２２の第２熱媒体の冷却を行う。

このように、負荷Ｗに供給する第２熱媒体の温度Ｔ１を急速に昇温する急加熱運転において、コントローラ８０は、第１バルブ５１および第２バルブ５２の開度を全閉とし、第３バルブ５３の開度を全開とし、電気ヒータ９０を作動する。

負荷Ｗに供給する第２熱媒体の温度Ｔ１が設定温度からの偏差−１０℃程度になると、次のｂ区間（移行区間）に移る。

（ｂ）ｂ区間（移行区間）
第１バルブ５１ ０ ％
第２バルブ５２ ５０ ％
第３バルブ５３ ５０ ％
電気ヒータ９０ 出力制御（設定値に対して出力）
ｂ区間においては、第１バルブ５１を全閉としたまま、第２バルブ５２の開度を５０％まで徐々に開き、第３バルブ５３の開度を全開から５０％まで徐々に絞る。

負荷Ｗに供給する第２熱媒体の温度Ｔ１が設定温度付近になり、偏差−５℃程度になると、加熱能力を弱め、次のｃ区間（温調モード）に移る。

（ｃ）ｃ区間（温調モード）
第１バルブ５１ １５ ％
第２バルブ５２ ５０ ％（開度制御）
第３バルブ５３ ５０ ％（開度制御）
電気ヒータ９０ 出力制御（設定値に対して出力）
ｃ区間においては、第１バルブ５１の開度を全閉から１５％まで開き、電気ヒータ９０の入口温度が設定温度よりもやや低い−２〜−５℃程度になるように、第２バルブ５２および第３バルブ５３の開度調整を行う。そして、電気ヒータ９０によって、出力制御を行って昇温し、設定温度に温調する。

上述したように、本実施形態のチラー装置１０によれば、タンク２２を第１配管系４１に並列的に接続してあるため、第１バルブ５１を閉じることによって、タンク２２に保有した第２熱媒体を熱交換器２１に導かないようにして、残余の第２熱媒体を熱交換器２１において冷却する運転を実施できる。このため、装置の立ち上げ時に、必要量以上の第２熱媒体を冷却する必要がなく、装置の立ち上げを迅速に行うことが可能となる。

さらに、熱媒体を循環させる循環手段としては、第１熱媒体を循環するコンプレッサ３１（第１循環手段）と、第２熱媒体を循環するポンプ６０（第２循環手段）との２台で足りる。前述した特許文献１に記載されたチラー装置１０に比べて、循環手段の設置台数の削減できる。これを通して、省スペース化を図ったチラー装置１０を提供することができる。また、回転機器であるポンプ６０は電磁弁などに比べると電力を要するので、１台でも削減することにより、チラー装置１０全体のランニングコストの低減に寄与することができる。

また、タンク２２に保有される第２熱媒体の温度Ｔ４を、負荷Ｗに供給する第２熱媒体の温度Ｔ１よりも低い温度に調整しているので、負荷Ｗの温度上昇が大きいときでも、第２熱媒体の目標温度を直ぐに低くして、負荷Ｗの温度を迅速に下げることができる。したがって、負荷Ｗの温度を応答性良く制御できる。

また、第２熱媒体を加熱する電気ヒータ９０を有しているので、電気ヒータ９０により第２熱媒体を加熱して、負荷Ｗの温度を所望の温度にまで迅速に高めることができる。タンク２２に保有される第２熱媒体を必要に応じて負荷Ｗに供給する形態では、チラー装置１０に含まれる第２熱媒体の全量を電気ヒータ９０によって再加熱した後に、さらに第２熱媒体の全量を再冷却する必要がない。このため、電気ヒータ９０によって再度加熱する際の、エネルギーロスを可及的に低減でき、チラー装置１０を効率良く運転できる。

また、コントローラ８０によって、第１バルブ５１の開度を固定し、第２バルブ５２および第３バルブ５３の開度を増減調整することによって、負荷Ｗに供給する第２熱媒体の温度Ｔ１を目標とする温度に維持する温調運転を実現できる。

また、コントローラ８０によって、第１バルブ５１の開度を全開とし、第２バルブ５２および第３バルブ５３の開度を全閉とすることによって、負荷Ｗに供給する第２熱媒体の温度Ｔ１を急速に降温する急冷却運転を実現できる。

また、コントローラ８０によって、第１バルブ５１および第２バルブ５２の開度を全閉とし、第３バルブ５３の開度を全開とし、電気ヒータ９０を作動することによって、負荷Ｗに供給する第２熱媒体の温度Ｔ１を急速に昇温する急加熱運転を実現できる。

図１０は、本発明の他の実施形態に係るチラー装置１０ａを示す構成図である。チラー装置１０と同じ部材には同じ符号を付し、その説明は一部省略する。

図１０を参照して、このチラー装置１０ａにあっては、一次回路１１は、さらに、熱交換器２１から出た第１熱媒体をタンク２２ａに流下させるとともにタンク２２ａに保有される第２熱媒体と熱交換した第１熱媒体を冷凍機３０に戻す分岐配管系２４と、分岐配管系２４に配置され熱交換器２１から出た第１熱媒体をタンク２２ａに流下させる第４バルブ５４と、を有している。チラー装置１０ａは、タンク２２ａを、第１熱媒体と第２熱媒体との間で熱交換を行なう熱交換器として機能させることができる。タンク２２ａは、第２熱媒体を循環させていない場合であっても、第１熱媒体との熱交換により冷却された第２熱媒体を保有することができる。

前述したように、熱交換器２１は、伝熱面積が広くて熱交換効率が高いが、第２熱媒体を保有する量が比較的少ない構造を有する熱交換器である。一方、タンク２２ａは、第１熱媒体が流れるチューブを第２熱媒体内に浸漬させ、第２熱媒体を保有する量が比較的多い構造を有する熱交換器となっている。

図示例では、第４バルブ５４のほかに、第５バルブ５５を循環配管系２３に配置してある。コントローラ８０は、第４バルブ５４および第５バルブ５５の開度の調整を制御する。第４バルブ５４を全開とし、第５バルブ５５を全閉とすることにより、第１熱媒体は、熱交換器２１およびタンク２２ａの順に直列的に流下する。逆に、第４バルブ５４を全閉とし、第５バルブ５５を全開とすることにより、第１熱媒体は、熱交換器２１にのみ流下する。また、第４バルブ５４および第５バルブ５５の開度を調整することにより、熱交換器２１から出た第１熱媒体の一部をタンク２２ａに流下させて、タンク２２ａにおける第１熱媒体の熱交換量を調整することができる。

このチラー装置１０ａでは、タンク２２ａに保有される第２熱媒体の温度Ｔ４を、負荷Ｗに供給する第２熱媒体の温度Ｔ１よりも低い温度に保っている。そして、チラー装置１０ａは、コントローラ８０によって、第１バルブ５１、第２バルブ５２、および第３バルブ５３の開度を調整し、タンク２２ａから第４配管系４４を経て第１配管系４１に流下する第２熱媒体の量を調整することによって、負荷Ｗに供給する第２熱媒体の温度Ｔ１を、タンク２２ａに保有される第２熱媒体の温度Ｔ４よりも高い温度に調整自在となっている。

タンク２２ａに保有される第２熱媒体の温度Ｔ４を、負荷Ｗに供給する第２熱媒体の温度Ｔ１よりも低い温度に調整しているので、負荷Ｗの温度上昇が大きいときでも、第２熱媒体の温度Ｔ１を直ぐに低くして、負荷Ｗの温度を迅速に下げることができる。したがって、負荷Ｗの温度を応答性良く制御できる。

チラー装置１０ａは、上述したチラー装置１０と同様に運転される。特に、タンク２２ａ内の第２熱媒体を第１熱媒体との熱交換により冷却することができるので、冷凍機３０の余力に応じて、タンク２２ａに保有される第２熱媒体を冷却しておくことができる。例えば、立ち上げ運転や急加熱運転におけるｃ区間（温調モード）において、冷凍機３０の余力にて、タンク２２ａに保有される第２熱媒体を冷却しておくことができる。

上述した実施形態と同様に、他の実施形態においても、装置の立ち上げを迅速に行うことができ、さらに、熱媒体を循環させるポンプなどの手段の設置台数の削減を通して、省スペース化を図ることができる。

本発明の実施形態に係るチラー装置を示す構成図である。 一次回路に含まれる冷凍機の冷凍サイクルを示す構成図である。 チラー装置の立ち上げ運転の初期における第２熱媒体の流れを示す図である。 チラー装置の立ち上げ運転において、負荷に供給する第２熱媒体の温度変化を、第３バルブの開度の変化、第１バルブの開度の変化、第２バルブの開度の変化、および、電気ヒータのオン−オフ作動の変化とともに示す図である。 チラー装置の温調運転における第２熱媒体の流れを示す図である。 チラー装置の急冷却運転の初期における第２熱媒体の流れを示す図である。 チラー装置の急冷却運転において、負荷に供給する第２熱媒体の温度変化を、第３バルブの開度の変化、第１バルブの開度の変化、第２バルブの開度の変化、および、電気ヒータのオン−オフ作動の変化とともに示す図である。 チラー装置の急加熱運転の初期における第２熱媒体の流れを示す図である。 チラー装置の急加熱運転において、負荷に供給する第２熱媒体の温度変化を、第３バルブの開度の変化、第１バルブの開度の変化、第２バルブの開度の変化、および、電気ヒータのオン−オフ作動の変化とともに示す図である。 本発明の他の実施形態に係るチラー装置を示す構成図である。

符号の説明

１０ チラー装置、
１０ａ チラー装置、
１１ 一次回路、
１２ 負荷回路、
２１ 熱交換器、
２２ タンク、
２２ａ 熱交換器としても機能するタンク、
２３ 循環配管系、
２４ 分岐配管系、
３０ 冷凍機、
３１ コンプレッサ（第１循環手段）、
４１ 第１配管系、
４２ 第２配管系、
４３ 第３配管系、
４４ 第４配管系、
４５ 第５配管系、
５１ 第１バルブ、
５２ 第２バルブ、
５３ 第３バルブ、
５４ 第４バルブ、
５５ 第５バルブ、
６０ ポンプ（第２循環手段）、
７１ 第１センサ（供給温度センサ）、
７２ 第２センサ、
７３ 第３センサ、
７４ 第４センサ（タンク用センサ）、
８０ コントローラ、
９０ 電気ヒータ（加熱部）、
Ｗ 負荷。

Claims (6)

1. 第１熱媒体が流れる一次回路（１１）と、
   前記第１熱媒体とは異なる第２熱媒体を負荷（Ｗ）に供給する負荷回路（１２）と、
   前記第１熱媒体と前記第２熱媒体との間の熱交換を行なう熱交換器（２１）と、を有し、
   前記一次回路（１１）は、
   第１熱媒体を冷却する冷凍機（３０）と、
   前記冷凍機（３０）と前記熱交換器（２１）との間を接続する循環配管系と、
   前記循環配管系に配置されて前記第１熱媒体を循環させる第１循環手段（３１）と、を備え、
   前記負荷回路（１２）は、
   前記熱交換器（２１）の出口側から、前記負荷（Ｗ）の入口側に至る第１配管系（４１）と、
   前記負荷（Ｗ）の出口側から、前記熱交換器（２１）の入口側に至る第２配管系（４２）と、
   前記第２熱媒体を保有するタンク（２２）と、
   前記第１配管系（４１）から分岐して、前記タンク（２２）の入口側に至る第３配管系（４３）と、
   前記タンク（２２）の出口側から、前記第３配管系（４３）が前記第１配管系（４１）から分岐した位置よりも下流側の位置において前記第１配管系（４１）に合流する第４配管系（４４）と、
   前記第２配管系（４２）から分岐して、前記第４配管系（４４）が前記第１配管系（４１）に合流した位置よりも下流側の位置において前記第１配管系（４１）に合流する第５配管系（４５）と、
   前記第３配管系（４３）に配置される第１バルブ（５１）と、
   前記第１配管系（４１）における前記第３配管系（４３）の分岐点と前記第４配管系（４４）の合流点との間に配置される第２バルブ（５２）と、
   前記第５配管系（４５）に配置される第３バルブ（５３）と、
   前記第１配管系（４１）のうち前記第５配管系（４５）が前記第１配管系（４１）から分岐した位置よりも下流側の位置または前記第２配管系（４２）に配置されて前記第２熱媒体を循環させる第２循環手段（６０）と、
   前記負荷（Ｗ）に供給する前記第２熱媒体の温度（Ｔ１）を検出する供給温度センサ（７１）と、
   前記タンク（２２）に保有される前記第２熱媒体の温度（Ｔ４）を検出するタンク用センサ（７４）と、
   前記第１バルブ（５１）、前記第２バルブ（５２）、および前記第３バルブ（５３）の開度の調整を制御するコントローラ（８０）と、を備え、
   前記コントローラ（８０）は、前記第１バルブ（５１）を閉じることによって、前記タンク（２２）に保有した前記第２熱媒体を前記熱交換器（２１）に導かないようにして、残余の前記第２熱媒体を前記熱交換器（２１）において冷却する運転を実施し、
   前記コントローラ（８０）はさらに、前記第１バルブ（５１）、前記第２バルブ（５２）、および前記第３バルブ（５３）の開度を調整することによって、前記タンク（２２）に保有される前記第２熱媒体の温度（Ｔ４）を前記負荷（Ｗ）に供給する前記第２熱媒体の温度（Ｔ１）よりも低い温度に保ちつつ、前記第１配管系（４１）を流下する前記第２熱媒体に前記第２配管系（４２）を流下する前記第２熱媒体の一部を混合することによって、前記負荷（Ｗ）に供給する前記第２熱媒体の温度（Ｔ１）を、前記タンク（２２）に保有される前記第２熱媒体の温度（Ｔ４）よりも高く、かつ、前記第２配管系（４２）を流下する前記第２熱媒体の温度よりも低い温度に調整する運転を実施するチラー装置。
2. 前記一次回路（１１）は、さらに、
   前記熱交換器（２１）から出た前記第１熱媒体を前記タンク（２２）に流下させるとともに前記タンク（２２）に保有される前記第２熱媒体と熱交換した前記第１熱媒体を前記冷凍機（３０）に戻す分岐配管系と、
   前記分岐配管系に配置され前記熱交換器（２１）から出た前記第１熱媒体を前記タンク（２２）に流下させる第４バルブ（５４）と、を有し、
   前記タンク（２２）を、前記第１熱媒体と前記第２熱媒体との間で熱交換を行なう熱交換器として機能させることが自在な請求項１に記載のチラー装置。
3. 前記負荷（Ｗ）に供給する前記第２熱媒体の温度（Ｔ１）を目標とする温度に維持する温調運転において、前記コントローラ（８０）は、前記第１バルブ（５１）の開度を固定し、前記第２バルブ（５２）および前記第３バルブ（５３）の開度を増減調整する請求項１または請求項２に記載のチラー装置。
4. 前記負荷（Ｗ）に供給する前記第２熱媒体の温度（Ｔ１）を急速に降温する急冷却運転において、前記コントローラ（８０）は、前記第１バルブ（５１）の開度を全開とし、前記第２バルブ（５２）および前記第３バルブ（５３）の開度を全閉とする請求項１または請求項２に記載のチラー装置。
5. 前記負荷回路（１２）は、
   前記第１配管系（４１）に配置され前記第２熱媒体を加熱する加熱部（９０）をさらに有し、
   前記コントローラ（８０）は、前記加熱部（９０）の作動を制御することによって、前記負荷（Ｗ）に供給する前記第２熱媒体の温度（Ｔ１）を、目標とする温度まで昇温する請求項１または請求項２に記載のチラー装置。
6. 前記負荷（Ｗ）に供給する前記第２熱媒体の温度（Ｔ１）を急速に昇温する急加熱運転において、前記コントローラ（８０）は、前記第１バルブ（５１）および前記第２バルブ（５２）の開度を全閉とし、前記第３バルブ（５３）の開度を全開とし、前記加熱部（９０）を作動する請求項５に記載のチラー装置。

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