JP5485022B2 - 低温蓄熱冷却装置 - Google Patents

Description

本発明は、負荷にブラインを供給することによって負荷の温度を調節するポンプ循環量制御式の低温蓄熱冷却装置に関する。

液晶パネルや半導体を生産するプロセスあるいは試験ないし検査においては、温度制御を行うことが必須条件であり、種々の低温蓄熱冷却装置が使用されている。低温蓄熱冷却装置は、ワークや検査装置などの負荷に、温度を調節した熱媒体つまりブラインを供給し、負荷の温度を設定温度に制御している。例えば、特許文献１に示される低温蓄熱冷却装置にあっては、負荷に供給するブラインの循環流量を一定にしたまま、タンク内に保有した比較的低温のブラインを混合させる量を変更することによって、負荷に供給するブラインの温度を調節している。比較的低温のブラインの混合量は、バルブの開度を制御することによって変更している。

特開平９−８９４３６号公報

特許文献１の技術においては、バルブの開度を制御することによって負荷に供給するブラインの温度を調節しているが、バルブの可動機構には、機械的なあそびが必ず存在する。このような機械的なあそびによって、比較的低温のブラインの混合量を高精度に変更することは難しい。したがって、負荷に供給するブラインの温度を高精度に調節することが難しく、負荷の温度を高精度に制御することが難しくなる。

負荷に供給するブラインの循環流量が一定であるので、ポンプの動力分による発熱は一定である。このため、負荷の発熱量が比較的少ない運転中においても、ポンプの動力分の発熱を除去する必要があり、冷却負荷が低減しない。したがって、省エネルギーを図ることができず、運転コストの低減を図ることができないという問題もある。

さらに、上記の特許文献１の技術では、冷却機によって低温にしたブラインをタンク内に保有し、負荷に供給するブラインに、タンクからの低温のブラインを混合させる形態となっている。このため、装置の立ち上げ時において、タンクに保有するブラインを冷却するためには、比較的長時間を要している。その結果、負荷を所定の温度にまで迅速に冷却することができない。また、負荷を急冷するためにタンク内に保有していた低温のブラインを短時間の間に使い切ったときにおいて、その後に負荷をさらに冷却するためには、タンク内のブラインが冷却されるまで待機しなければならない。したがって、このときにも同様に、負荷を所定の温度にまで迅速に冷却することができない。

そこで、本発明は、負荷の温度を高精度に制御でき、省エネルギーを図って運転コストの低減を図り、しかも負荷の冷却を迅速に行い得る低温蓄熱冷却装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明の低温蓄熱冷却装置は、ブラインが流れる熱交換器と、
ブラインを前記熱交換器において冷却するための冷却機と、
ブラインを保有するタンクと、
前記熱交換器において冷却されたブラインを前記タンクに導く第１配管系と、
前記タンク内のブラインを前記熱交換器に導く第２配管系と、
前記熱交換器と前記タンクとの間に配置される循環ポンプと、
ブラインが供給される負荷と、
前記タンク内のブラインを前記負荷に導く第３配管系と、
前記負荷から戻されるブラインを前記熱交換器に導く第４配管系と、
前記第３配管系または前記第４配管系に配置されるポンプと、
前記ポンプの回転数を可変制御することによって前記負荷を流れるブラインの負荷側循環流量を調節するためのインバータと、
前記熱交換器において冷却されたブラインを、前記タンクをバイパスして前記ポンプに導くバイパス配管系と、
前記バイパス配管系に配置され前記熱交換器から前記ポンプに向かう方向のブラインの流れのみを許容する逆流防止部材と、
前記負荷の温度である負荷温度を検出する第１センサと、
前記タンク内のブラインの温度であるタンク内温度を検出する第２センサと、
前記熱交換器において冷却されたブラインの温度である冷却温度を検出する第３センサと、
前記第１センサによって検出した負荷温度の信号、および前記第２センサによって検出したタンク内温度の信号、前記第３センサによって検出した冷却温度の信号、が入力されるコントローラと、を有している。

前記コントローラは、
（Ａ）タンク内温度が前記負荷の冷却設定温度よりも低い状態において、ポンプの回転数を可変制御する運転周波数をインバータに出力してブラインの負荷側循環流量を増減させるように前記ポンプの作動を制御し、負荷温度を下げるときには前記ポンプの回転数を増加してブラインの負荷側循環流量を増加させ、負荷温度を上げるときには前記ポンプの回転数を減少してブラインの負荷側循環流量を減少させて、負荷温度を冷却設定温度に調整する第１の運転、または、
（Ｂ）前記循環ポンプの作動を停止して前記ポンプのみを作動させ、前記熱交換器において冷却されたブラインを前記バイパス配管系を介して前記タンクをバイパスさせて前記ポンプに導き、冷却温度が前記負荷の冷却設定温度よりも低くなるように前記冷却機の作動を制御して、負荷温度を冷却設定温度に調整する第２の運転、を実行可能である。

本発明の低温蓄熱冷却装置によれば、第１の運転を実行している場合、インバータによってポンプの回転数を制御することによってブラインの負荷側循環流量を調節しており、機械的なあそびに起因する不感帯が生じることがない。このため、ブラインの負荷側循環流量を高精度に変更することができ、その結果、負荷の温度を高精度に制御することが可能となる。

また、負荷に供給するブラインの循環流量を可変とすることによって、負荷の発熱量が比較的少ない運転中には、ブラインの循環流量が少なくなって、ポンプの動力分による発熱が少なくなる。したがって、負荷に供給するブラインの循環流量を一定にする形態に比べて冷却負荷が低減し、省エネルギーを図って、運転コストの低減を図ることができる。

しかも、第２の運転を実行している場合、ポンプのみを作動させ、熱交換器において冷却されたブラインをバイパス配管系を介してタンクをバイパスさせてポンプに導いていることから、タンクに保有するブラインを冷却する必要がない。このため、装置の立ち上げ時や、負荷を急冷するためにタンク内に保有していた低温のブラインを短時間の間に使い切ったときなどにおいて、負荷を所定の温度にまで迅速に冷却することができる。

もって、本発明によれば、負荷の温度を高精度に制御でき、省エネルギーを図って運転コストの低減を図り、しかも負荷の冷却を迅速に行い得る低温蓄熱冷却装置を提供することができる。

本発明の実施形態に係る低温蓄熱冷却装置を示す構成図である。 冷却機の冷凍サイクルを示す構成図である。

以下、添付した図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

図１を参照して、低温蓄熱冷却装置１０（以下、単に、「冷却装置１０」という）を概説する。冷却装置１０は、タンク２０と循環ポンプ４５とを含む一次側回路６０と、負荷５１とポンプ４１とを含む第１の負荷側回路６１とを有している。一次側回路６０は、ブラインが流れる熱交換器２１と、ブラインを熱交換器２１において冷却するための冷却機３０と、ブラインを保有するタンク２０と、熱交換器２１において冷却されたブラインをタンク２０に導く第１配管系７１と、タンク２０内のブラインを熱交換器２１に導く第２配管系７２と、熱交換器２１とタンク２０との間に配置される循環ポンプ４５と、を有している。第１の負荷側回路６１は、ブラインが供給される第１負荷５１（負荷に相当する）と、タンク２０内のブラインを負荷に導く第３配管系７３と、第１負荷５１から戻されるブラインを熱交換器２１に導く第４配管系７４と、第３配管系７３に配置される第１ポンプ４１（ポンプに相当する）と、第１ポンプ４１の回転数を可変制御することによって第１負荷５１を流れるブラインの負荷側循環流量を調節するための第１インバータ４３（インバータに相当する）と、を有している。図示する冷却装置１０は、第２ポンプ４２（他のポンプに相当する）と第２負荷５２（他の負荷に相当する）とを含む第２の負荷側回路６２が、タンク２０の出口側と熱交換器２１の入口側とに、第１の負荷側回路６１と並列的に接続されている。具体的には、冷却装置１０は、ブラインが供給される第２負荷５２と、タンク２０内のブラインを第２負荷５２に導く他の第３配管系７５と、第２負荷５２から戻されるブラインを熱交換器２１に導く他の第４配管系７６と、他の第３配管系７５に配置される第２ポンプ４２と、第２ポンプ４２の回転数を可変制御することによって第２負荷５２を流れるブラインの負荷側循環流量を調節するための第２インバータ４４（他のインバータに相当する）と、を有している。冷却装置１０はさらに、熱交換器２１において冷却されたブラインを、タンク２０をバイパスして第１と第２のポンプ４１、４２に導くバイパス配管系７７と、バイパス配管系７７に配置され熱交換器２１から第１と第２のポンプ４１、４２に向かう方向のブラインの流れのみを許容する第１逆止弁９１（逆流防止部材に相当する）と、を有している。冷却装置１０は、第１負荷５１の温度である第１負荷温度Ｔ１ａ（負荷温度に相当する）を検出する第１負荷用センサ８１ａ（第１センサに相当する）と、第２負荷５２の温度である第２負荷温度Ｔ１ｂ（他の負荷温度に相当する）を検出する第２負荷用センサ８１ｂ（他の第１センサに相当する）と、タンク２０内のブラインの温度であるタンク内温度Ｔ２を検出する第２センサ８２と、熱交換器２１において冷却されたブラインの温度である冷却温度Ｔ３を検出する第３センサ８３と、冷却装置１０全体の制御を司るコントローラ８０と、を有している。コントローラ８０には、第１負荷用センサ８１ａによって検出した第１負荷温度Ｔ１ａの信号、第２負荷用センサ８１ｂによって検出した第２負荷温度Ｔ１ｂの信号、第２センサ８２によって検出したタンク内温度Ｔ２の信号、および、第３センサ８３によって検出した冷却温度Ｔ３の信号が入力される。

コントローラ８０は、第１の運転、第２の運転、その他の種々の運転を実現可能である。

第１の運転は、タンク内温度Ｔ２が第１と第２の負荷５１、５２の冷却設定温度Ｔｓｅｔよりも低い状態において、第１と第２のポンプ４１、４２の回転数を可変制御する運転周波数を第１と第２のインバータ４３、４４に出力して、第１と第２の負荷側回路６１、６２におけるそれぞれのブラインの負荷側循環流量を増減させるように第１と第２のポンプ４１、４２の作動を制御する運転である。第１と第２の負荷温度Ｔ１ａ、Ｔ１ｂを下げるときには第１と第２のポンプ４１、４２の回転数を増加してブラインの負荷側循環流量を増加させ、第１と第２の負荷温度Ｔ１ａ、Ｔ１ｂを上げるときには第１と第２のポンプ４１、４２の回転数を減少してブラインの負荷側循環流量を減少させて、第１と第２の負荷温度Ｔ１ａ、Ｔ１ｂを冷却設定温度Ｔｓｅｔに調整する。

第２の運転は、循環ポンプ４５の作動を停止して第１と第２のポンプ４１、４２のみを作動させ、熱交換器２１において冷却されたブラインをバイパス配管系７７を介してタンク２０をバイパスさせて第１と第２のポンプ４１、４２に導き、冷却温度Ｔ３が第１と第２の負荷５１、５２の冷却設定温度Ｔｓｅｔよりも低くなるように冷却機３０の作動を制御して、第１と第２の負荷温度Ｔ１ａ、Ｔ１ｂを冷却設定温度Ｔｓｅｔに調整する運転である。

以下、詳述する。

負荷５１、５２は、例えば、高温試験と低温試験とを切り替えて実施する検査装置であり、検査対象物５０を載置する熱交換器である均熱プレート５３ａ、５３ｂと、均熱プレート５３ａ、５３ｂの背面側に配置されたプレートヒータ５４ａ、５４ｂと、を含んでいる。均熱プレート５３ａ、５３ｂには流体を流す溝加工が施されている。プレートヒータ５４ａ、５４ｂには、例えば電気ヒータが用いられる。プレートヒータ５４ａ、５４ｂに電力を印加する図示しない電源部がコントローラ８０に接続されている。コントローラ８０は、電源部をオンオフ制御してプレートヒータ５４ａ、５４ｂを発熱させる。負荷５１、５２は、検査装置に限られるものではなく、ワーク、製造装置、あるいは恒温装置などであり、本発明では特に限定されない。負荷側のブラインとしては、例えば、冷媒、純水などが用いられ、負荷に応じた媒体が選択される。冷却機側のブラインとしては、例えば、冷媒、冷水などが用いられ、負荷側のブライン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、負荷側のブライン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。熱交換器２１は、例えば、プレート式熱交換器から構成することができる。

図２をも参照して、冷却機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。冷却機側のブラインの出口温度Ｔ０は、熱交換器３４に流入する冷媒の温度を調節することにより調節される。冷媒の温度は、冷却機３０の容量を制御することにより調節される。冷却機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。冷却機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節弁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、容量調節弁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、容量調節弁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節され、熱交換器３４で冷却される冷却機側ブラインが所定の温度に調節される。

熱交換器２１の設計は、一般的に、負荷制御温度（冷却設定温度Ｔｓｅｔ）より１０℃以上低い温度のブラインを、ポンプの最大定格流量で負荷に供給した場合に、負荷の発熱量が最大のときに負荷の温度を所定の温度に制御することが可能となるように設計されている。冷却機３０の温度制御は、負荷制御温度の一番低い設定値から１０℃低い温度に維持する必要はなく、負荷制御温度の一番低い設定値から１０℃以上低い温度で、冷却機３０の運転下限温度以下に低下しなければ問題はない。

図１を再び参照して、第１インバータ４３の運転周波数を調節することによって、第１ポンプ４１の回転数を可変制御して、第１の負荷回路６１におけるブラインの負荷側循環流量を調節することができる。第１ポンプ４１の回転数が大きくなるとブラインの負荷側循環流量が増加し、逆に、第１ポンプ４１の回転数が小さくなるとブラインの負荷側循環流量が減少する。

同様に、第２インバータ４４の運転周波数を調節することによって、第２ポンプ４２の回転数を可変制御して、第２の負荷回路６２におけるブラインの負荷側循環流量を調節することができる。第２ポンプ４２の回転数が大きくなるとブラインの負荷側循環流量が増加し、逆に、第２ポンプ４２の回転数が小さくなるとブラインの負荷側循環流量が減少する。

循環ポンプ４５は、図示例では第１配管系７１に配置されている。循環ポンプ４５は、第１と第２のポンプ４１、４２と同様に、ブラインの循環流量を調節自在なポンプから構成されている。冷却装置１０は、循環ポンプ４５の回転数を可変制御することによってタンク２０を流れるブラインのタンク側循環流量を調節するための第３インバータ４６（循環ポンプ用インバータに相当する）をさらに有している。第３インバータ４６の運転周波数を調節することによって、循環ポンプ４５の回転数を可変制御して、一次側回路６０におけるブラインのタンク側循環流量を調節することができる。循環ポンプ４５の回転数が大きくなるとブラインのタンク側循環流量が増加し、逆に、循環ポンプ４５の回転数が小さくなるとブラインのタンク側循環流量が減少する。

第１逆止弁９１は、循環ポンプ４５の作動時に、タンク２０内のブラインがバイパス配管系７７を介して循環ポンプ４５に吸入されることを防止するために設けられている。逆流防止部材としては、一般的に、遮断弁や逆止弁を適用することができる。ただし、−３０℃以下の低温で信頼性があり、圧力損失が低く、安価な遮断弁が無いのが実情である。そこで、本実施形態では、逆流防止部材として、スイング式の逆止弁を採用してある。スイング式の逆止弁は−３０℃以下の低温で信頼性があり、圧力損失が低く、比較的安価であることから、冷却装置１０の信頼性を高め、動力の無駄を抑え、装置全体のコストの低減にも寄与できる。

第１と第２の負荷５１、５２から戻されるブラインを、タンク２０に直接戻さずに、熱交換器２１に導く必要がある。第１と第２の負荷５１、５２からの比較的高温のブラインがタンク２０に直接戻ると、タンク内温度Ｔ２が上昇してしまい、第１と第２のポンプ４１、４２によって再び吐出されると、第１と第２の負荷５１、５２の冷却を阻害することになるからである。そこで、第２配管系７２には、タンク２０から熱交換器２１に向かう方向の流れのみを許容する第２逆止弁９２（他の逆流防止部材に相当する）をさらに配置してある。そして、第４配管系７４および他の第４配管系７６を、第２逆止弁９２よりも下流側の位置において第２配管系７２に合流させてある。これにより第１と第２の負荷５１、５２からの比較的高温のブラインがタンク２０に直接戻ることがなく、第１と第２の負荷５１、５２の冷却が阻害されることがない。第２逆止弁９２も、第１逆止弁９１と同様に、スイング式の逆止弁を採用してある。

第１配管系７１は、熱交換器２１の出口と循環ポンプ４５の吸入口とを接続する配管７１ａ、および循環ポンプ４５の吐出口とタンク２０の入口とを接続する配管７１ｂを含んでいる。

第２配管系７２は、タンク２０の出口と第２逆止弁９２の入口とを接続する配管７２ａ、および第２逆止弁９２の出口と熱交換器２１の入口とを接続する配管７２ｂを含んでいる。

第３配管系７３は、タンク２０の出口と第１ポンプ４１の入口とを接続する配管７３ａ、および第１ポンプ４１の出口と第１負荷５１の入口とを接続する配管７３ｂを含んでいる。

第４配管系７４は、第１負荷５１の出口と配管７２ｂとを接続する配管７４ａを含んでいる。

他の第３配管系７５は、タンク２０の出口と第２ポンプ４２の入口とを接続する配管７５ａ、および第２ポンプ４２の出口と第２負荷５２の入口とを接続する配管７５ｂを含んでいる。

他の第４配管系７６は、第２負荷５２の出口と配管７４ａとを接続する配管７６ａを含んでいる。

バイパス配管系７７は、熱交換器２１の出口と第１逆止弁９１の入口とを接続する配管７７ａ、および第１逆止弁９１の出口とタンク２０の入口とを接続する配管７７ｂを含んでいる。配管７７ｂは、配管７５ａの途中に接続されている。

第１負荷用センサ８１ａは、第１負荷５１の均熱プレート５３ａに挿入配置され、第１負荷温度Ｔ１ａを検出する。第２負荷用センサ８１ｂは、第２負荷５２の均熱プレート５３ｂに挿入配置され、第２負荷温度Ｔ１ｂを検出する。第２センサ８２は、タンク２０に挿入配置され、タンク内温度Ｔ２を検出する。第３センサ８３は、熱交換器２１の出口配管に挿入配置され、熱交換器２１において冷却された冷却温度Ｔ３を検出する。第１負荷用センサ８１ａ、第２負荷用センサ８１ｂ、第２センサ８２、および第３センサ８３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、ＣＰＵやメモリを主体に構成されている。コントローラ８０は、第１負荷用センサ８１ａ、第２負荷用センサ８１ｂ、第２センサ８２、および第３センサ８３のそれぞれが接続され、第１負荷温度Ｔ１ａの信号、第２負荷温度Ｔ１ｂの信号、タンク内温度Ｔ２の信号、および冷却温度Ｔ３の信号が入力される。コントローラ８０はまた、第１インバータ４３、第２インバータ４４、および第３インバータ４６のそれぞれが接続され、第１ポンプ４１の回転数を可変制御する運転周波数を第１インバータ４３に出力し、第２ポンプ４２の回転数を可変制御する運転周波数を第２インバータ４４に出力し、循環ポンプ４５の回転数を可変制御する運転周波数を第３インバータ４６に出力する。

コントローラ８０には、第１と第２の負荷５１、５２のそれぞれの冷却設定温度（Ｔｓｅｔ）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、冷却機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、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。

タンク内温度Ｔ２を一定にしてブラインの負荷側循環流量を制御する本実施形態の時定数は、ブライン循環量を一定にしてブライン温度を所定の温度に制御する場合の時定数に比べて、極端に小さくなる。このため、通常のＰＩＤ演算制御がマッチングする。

冷却装置１０および第１と第２の負荷５１、５２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、冷却装置１０および負荷５１、５２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。

なお、タンク２０の容量は配管の長さ、ポンプ４１、４２の最大循環量、循環ポンプ４５の最大循環量、負荷５１、５２の発熱量の変動等により経験的に決定されるが、容量が最小限でも、負荷の温度制御は可能である。タンクの容量が少ないと、装置の運転を開始してから、ブライン温度が規定の温度にまで降下する時間が短くなり、短時間で負荷の温度制御が可能となる。一方、タンクの容量を増加すると、装置全体が大型化し、ブライン温度が規定の温度に降下する時間は長くなるものの、負荷の大きな変動に対しても、負荷を一定に温度制御することが可能となる。冷却装置１０は、熱交換器２１において冷却されたブラインをタンク２０をバイパスさせて第１と第２の負荷５１、５２に導くことが可能となっている（第２の運転）。本実施形態では、タンクの容量は、装置全体の大きさ、負荷としての検査装置において実施される高温試験における最高温度や低温試験における最低温度、高温試験後に低温試験を実施可能なまでに冷却するのに必要な移行時間などを総合的に判断して決定される。

次に、本実施形態の作用を説明する。

まず、第１の運転によって、第１と第２の負荷５１、５２を冷却設定温度Ｔｓｅｔに調整する作用を説明する。

コントローラ８０は、タンク内温度Ｔ２を負荷５１、５２の冷却設定温度Ｔｓｅｔよりも低い温度に維持するように冷却機３０の作動を制御している。ここにおける負荷５１、５２の冷却設定温度Ｔｓｅｔは、第１負荷５１の冷却設定温度Ｔｓｅｔおよび第２負荷５２の冷却設定温度Ｔｓｅｔのうち、温度が低い方の冷却設定温度Ｔｓｅｔである。タンク内温度Ｔ２は、負荷の冷却設定温度Ｔｓｅｔよりも低い温度に維持できていればよく、一定の温度に維持する必要はない。タンク内温度Ｔ２を、冷却設定温度Ｔｓｅｔよりもどの程度低い温度に維持するかは限定されるものではない。本件発明者らの経験によれば、検査装置において電子部品を冷却する場合には、冷却設定温度Ｔｓｅｔよりも１０℃以上低いブラインを供給すると、安定した温度制御が可能であることがわかっている。

コントローラ８０は、ブラインのタンク側循環流量がほぼ一定となるように、循環ポンプ４５の回転数を可変制御する運転周波数を第３インバータ４６に出力する。コントローラ８０は、冷却機３０の容量制御のための制御信号を第１、第２電磁弁３７、３８に出力し、ホットガス流量を制御する。この制御によって、熱交換器３４で冷却される冷却機側ブラインが所定の温度に調節され、熱交換器２１で冷却される負荷側のブラインが所定の温度（冷却温度Ｔ３）に調節される。

コントローラ８０は、第１と第２のポンプ４１、４２の回転数を可変制御する運転周波数を第１と第２のインバータ４３、４４に出力して、第１と第２の負荷側回路６１、６２におけるそれぞれのブラインの負荷側循環流量を増減させるように第１と第２のポンプ４１、４２の作動を制御する。

コントローラ８０は、第１負荷温度Ｔ１ａを下げるときには第１ポンプ４１の回転数を増加して第１負荷側回路６１におけるブラインの負荷側循環流量を増加させ、第１負荷温度Ｔ１ａを上げるときには第１ポンプ４１の回転数を減少して第１負荷側回路６１におけるブラインの負荷側循環流量を減少させる。

同様に、コントローラ８０は、第２負荷温度Ｔ１ｂを下げるときには第２ポンプ４２の回転数を増加して第２負荷側回路６２におけるブラインの負荷側循環流量を増加させ、第２負荷温度Ｔ１ｂを上げるときには第２ポンプ４２の回転数を減少して第２負荷側回路６２におけるブラインの負荷側循環流量を減少させる。

このように、コントローラ８０は、第１ポンプ４１および第２ポンプ４２の作動をそれぞれ個別に制御することによって、第１負荷側回路６１および第２負荷側回路６２のそれぞれにおけるブラインの負荷側循環流量を制御して、第１負荷温度Ｔ１ａおよび第２負荷温度Ｔ１ｂのそれぞれを独立して調節することができる。

前述した特許文献１の技術にあっては、負荷に供給するブラインの負荷側循環流量を一定に維持したまま、ブライン温度を調節することによって、負荷の温度を制御している。一方、本実施形態にあっては、負荷５１、５２に供給するブラインを一定温度（タンク内温度Ｔ２）に維持したまま、ブラインの負荷側循環流量を調節することによって、負荷温度Ｔ１ａ、Ｔ１ｂを制御している。

特許文献１の技術のように、バルブの開度を制御することによってブライン温度を調節する形態にあっては、バルブの可動機構に存在する機械的なあそびに起因する不感帯が生じる。このため、比較的低温のブラインの混合量を高精度に変更することが難しく、その結果、負荷の温度を高精度に制御することが難しくなる。モータで駆動するバルブの場合は極低温域（−３０℃〜−８０℃）で安定して使用できるバルブがなく、また電磁弁は極低温域で使用可能な液体窒素用のバルブがあるが、大きな口径のものが無いため、流量が増加すると電磁弁を複数使用して流量を確保する必要がある。

これに対して、本実施形態では、第１と第２のインバータ４３、４４によって第１と第２のポンプ４１、４２の回転数を制御することによってブラインの負荷側循環流量を調節しており、機械的なあそびに起因する不感帯が生じることがない。このため、ブラインの負荷側循環流量を高精度に変更することができ、その結果、負荷温度Ｔ１ａ、Ｔ１ｂを高精度に制御することが可能となる。負荷の温度安定度が±０．５℃以内となるように、負荷温度Ｔ１ａ、Ｔ１ｂを制御することができる。

また、負荷５１、５２に供給するブラインの負荷側循環流量を可変とすることによって、負荷５１、５２の発熱量が比較的少ない運転中には、ブラインの負荷側循環流量が少なくなって、ポンプ４１、４２の動力分による発熱が少なくなる。したがって、負荷に供給するブラインの負荷側循環流量を一定にする形態に比べて冷却負荷が低減し、省エネルギーを図って、運転コストの低減を図ることができる。

もって、本実施形態の冷却装置１０によれば、負荷の温度を高精度に制御でき、省エネルギーを図って運転コストの低減を図ることが可能となる。

タンク内温度Ｔ２を、第１と第２の負荷５１、５２の冷却設定温度Ｔｓｅｔよりも低い温度に調節して保有している。このため、第１負荷５１の温度上昇が大きいときでも、第１ポンプ４１の回転数を増加し、第１負荷側回路６１におけるブラインの負荷側循環流量を直ぐに増加することによって、第１負荷温度Ｔ１ａを迅速に下げることができる。同様に、第２負荷５２の温度上昇が大きいときでも、第２ポンプ４２の回転数を増加し、第２負荷側回路６２におけるブラインの負荷側循環流量を直ぐに増加することによって、第２負荷温度Ｔ１ｂを迅速に下げることができる。したがって、第１と第２の負荷５１、５２の温度を応答性良く制御できる。

複数の負荷を異なった温度に制御する場合、特許文献１の技術のように、ブラインを異なった温度に調節して、ポンプで一定量を循環させる形態にあっては、ポンプのほかにバルブなどが必要になったり、配管経路が増えたりして、装置が複雑化、大型化するという問題がある。

これに対して、本実施形態では、ブラインの負荷側循環流量を調節して負荷の温度を制御しているので、ポンプだけで制御することができ、バルブや配管経路の廃止などを通して、装置構成の簡素化、小型化を図ることが可能となる。

なお、冷却装置１０は、第１と第２の負荷５１、５２に要求される下限温度から上限温度までの温度範囲で、ブラインの温度を制御できなければならない。したがって、冷却機３０の冷却能力は、ブラインの負荷側循環流量、第１と第２の負荷５１、５２の下限温度、第１と第２の負荷５１、５２における発熱量などに基づいて決定される。

また、コントローラ８０の制御出力がゼロ、つまり冷却が不要の場合には、ブラインの負荷側循環流量がゼロになる。ブラインの循環が停止しても、循環ポンプ４５が作動しており、タンク内温度Ｔ２は負荷５１、５２の冷却設定温度Ｔｓｅｔよりも低い温度に維持される。

次に、負荷としての検査装置において高温試験を実施している待機運転の作用を説明する。

コントローラは、第１と第２のポンプ４１、４２の作動を停止して循環ポンプ４５のみを作動させ、ブラインのタンク側循環流量がほぼ一定となるように、循環ポンプ４５の回転数を可変制御する運転周波数を第３インバータ４６に出力する。また、コントローラは、タンク内温度Ｔ２を負荷５１、５２の冷却設定温度Ｔｓｅｔよりも低い温度に維持するように冷却機３０の作動を制御している。

この運転では、第１と第２の負荷５１、５２へのブラインの供給を停止している待機運転中に、タンク温度Ｔ２を冷却機３０の下限運転温度まで冷却することができる。したがって、高温試験後に引き続いて実施される低温試験の準備として、タンク２０に低温蓄熱の蓄熱エネルギーを蓄えておくことができる。低温試験を開始したときに蓄熱エネルギーを利用することによって、第１と第２の負荷５１、５２を急速に冷却することができる。

次に、負荷としての検査装置において高温試験から低温試験に切り替えて、第１と第２の負荷５１、５２を冷却設定温度Ｔｓｅｔに調整する作用を説明する。

コントローラは、第１と第２のポンプ４１、４２の作動を開始し、第１と第２のポンプ４１、４２の回転数を増加制御する運転周波数を第１と第２のインバータ４３、４４に出力して、第１と第２の負荷側回路６１、６２におけるそれぞれのブラインの負荷側循環流量を増加させるように第１と第２のポンプ４１、４２の作動を制御する。タンク２０内に蓄えた低温のブラインが供給されることによって、第１負荷温度Ｔ１ａ、第２負荷温度Ｔ１ｂは迅速に低下する。

負荷５１、５２の高温状態に対してタンク２０内に蓄えた低温のブライン量が十分足りるような場合には、第１負荷温度Ｔ１ａ、第２負荷温度Ｔ１ｂが冷却設定温度Ｔｓｅｔに調整し得る程度まで下がり、上述した第１の運転によって、第１と第２の負荷５１、５２を冷却設定温度Ｔｓｅｔに調整する。

一方、負荷５１、５２の高温状態に対してタンク２０内に蓄えた低温のブライン量が足りない場合には、タンク２０内のブラインを冷却しつつ第１と第２の負荷５１、５２を冷却しようとすると、第１と第２の負荷５１、５２を迅速に冷却できなくなる。本実施形態では、このよう場合には次のような制御を行う。

すなわち、コントローラ８０は、循環ポンプ４５を作動させ、負荷５１、５２を冷却している場合において、タンク２０における低温蓄熱の蓄熱エネルギーを使い切ったと判断し、かつ、負荷温度Ｔ１ａ、Ｔ１ｂが冷却設定温度Ｔｓｅｔよりも高いときに、第２の運転に切り替えて負荷５１、５２をさらに冷却する。

ここで、コントローラ８０は、
（ｉ）タンク内温度Ｔ２＞冷却温度Ｔ３、かつ、
（ｉｉ）冷却設定温度（Ｔｓｅｔ）−タンク内温度（Ｔ２）＜ｄＴ
ただし、ｄＴは予め定められた温度差
のとき、蓄熱エネルギーを使い切ったと判断する。なお、循環ポンプ４５を作動させ、負荷５１、５２を冷却している場合が前提であるため、タンク内温度Ｔ２は、冷却設定温度Ｔｓｅｔよりも低い条件となっている。

上記の蓄熱エネルギーを使い切ったと判断する条件について説明する。高温試験から低温試験に切り替えた場合において、冷却機３０の作動を停止し、第１と第２のポンプ４１、４２、循環ポンプ４５の作動を継続したとすると、負荷温度Ｔ１ａ、Ｔ１ｂ、タンク内温度Ｔ２、および冷却温度Ｔ３は、ある同じ温度で平衡状態となる。実際の運転では冷却機３０の作動を停止することがない。これより、第１の（ｉ）タンク内温度Ｔ２＞冷却温度Ｔ３なる条件が必要となる。また、負荷５１、５２を冷却設定温度Ｔｓｅｔに冷却するためには、タンク内温度Ｔ２が冷却設定温度Ｔｓｅｔよりも低いことが必要であるので、冷却設定温度Ｔｓｅｔとタンク内温度Ｔ２との温度差の下限値（ｄＴ）を定めておく。ＴｓｅｔとＴ２との温度差が下限値より小さくなったときには、もはやタンク２０内のブラインを用いても負荷５１、５２を冷却設定温度Ｔｓｅｔにまで冷却することができなくなる。これより、第２の（ｉｉ）冷却設定温度（Ｔｓｅｔ）−タンク内温度（Ｔ２）＜ｄＴなる条件が必要となる。下限値（ｄＴ）の値は特に限定されず、蓄熱エネルギーを無駄なく利用することができ、かつ、負荷５１、５２を冷却設定温度Ｔｓｅｔにまで冷却するのに要する時間などを考慮に入れて、トライアンドエラーによって最適値を選択することができる。例えば、第１の運転においてタンク内温度Ｔ２を冷却設定温度Ｔｓｅｔよりも１０℃低い温度に設定しているような場合を例に挙げれば、下限値（ｄＴ）の値は１０℃程度である。

第２の運転では、コントローラ８０は、循環ポンプ４５の作動を停止して第１と第２のポンプ４１、４２のみを作動させる。熱交換器２１において冷却されたブラインは、バイパス配管系７７を介して、循環ポンプ４５およびタンク２０をバイパスして、第１と第２のポンプ４１、４２に直接導かれる。コントローラ８０は、冷却温度Ｔ３が第１と第２の負荷５１、５２の冷却設定温度Ｔｓｅｔよりも低くなるように冷却機３０の作動を制御する。このような第２の運転によって、第１と第２の負荷温度Ｔ１ａ、Ｔ１ｂが冷却設定温度Ｔｓｅｔに調整される。

このように第２の運転を実行している場合、熱交換器２１において冷却されたブラインをバイパス配管系７７を介して循環ポンプ４５およびタンク２０をバイパスさせて第１と第２のポンプ４１、４２に導いていることから、タンク２０に保有するブラインを冷却する必要がない。このため、負荷５１、５２を急冷するためにタンク２０内に保有していた低温のブラインを短時間の間に使い切ったときにおいて、負荷５１、５２を所定の温度（冷却設定温度Ｔｓｅｔ）にまで迅速に冷却することができる。

装置の立ち上げ時にも第２の運転を実行することになるため、同様に、装置の立ち上げ時において、負荷５１、５２を所定の温度（冷却設定温度Ｔｓｅｔ）にまで迅速に冷却することができる。

コントローラ８０は、循環ポンプ４５の作動を停止して第２の運転によって負荷５１を冷却している場合において、循環ポンプ４５の作動を開始するとき、負荷温度Ｔ１ａ、Ｔ１ｂを冷却設定温度Ｔｓｅｔに制御しながら、循環ポンプ４５の回転数を徐々に増加させる運転周波数を第３インバータ４６に出力してブラインのタンク側循環流量を徐々に増加させている。ブラインのタンク側循環流量を徐々に増加させることによって、負荷５１、５２を安定して冷却設定温度Ｔｓｅｔに温度コントロールしながら、タンク２０内のブラインを冷却して、低温蓄熱の蓄熱エネルギーを蓄えることができる。

なお、循環ポンプ４５の作動を開始するタイミングは特に限定されず、タンク２０内のブラインを冷却する余裕ができた時点を適宜設定することができる。例えば、第２の運転によって冷却温度Ｔ３が冷却設定温度Ｔｓｅｔよりも例えば１０℃低い温度にまで冷却されたタイミングにおいて、循環ポンプ４５の作動を開始することができる。また、循環ポンプ４５の回転数を徐々に増加させる程度や、ブラインのタンク側循環流量を徐々に増加させる程度は、負荷温度Ｔ１ａ、Ｔ１ｂを冷却設定温度Ｔｓｅｔに制御できる限りにおいて限定されるものではなく、適宜の程度を適用することができる。

試作例は次のとおりである。負荷として、冷却プレートに流体を流す溝加工した構造の熱交換器と、熱交換器の裏側に装着したプレートヒータとを備える試験装置を準備した。ポンプ４１の流体循環量は５Ｌ／ｍｉｎ、ａｔ０．２５ＭＰａ、循環ポンプ４５の流体循環量はポンプ４１の倍以上の流量を確保して、１２Ｌ／ｍｉｎ、ａｔ０．１ＭＰａとした。タンク２０の容量は１０Ｌとし、流体はフッ素系の薬品、またはハイドロフルオロエーテルを使用した。第１と第２の逆止弁は、シールにパッキンを使用しないメタルシール構造の口径１５Ａのスイング式の逆止弁を採用した。タンク内温度の設定値は−５５℃とした。

試験装置を８５℃の高温検査後に−１０℃まで冷却する場合、タンク２０内の蓄熱のみで冷却可能であるので、５分以内に到達した。試験装置を８５℃の高温検査後に−４５℃まで冷却する場合、タンク２０をバイパスさせない冷却方式のときには、６０分を要した。一方、本実施形態のように、蓄熱を使用した後に、循環ポンプ４５の作動を停止し、タンク２０の冷却を停止して検査装置を冷却したときには、２０分で検査装置が−４５℃に到達し、試験装置の温度コントロールを開始できた。その後、検査装置の安定度±１．０℃を維持しながら、循環ポンプ４５の作動を開始した。タンク２０の温度は−３６℃まで上昇したが、タンク内温度を再び−５５℃に冷却することができた。

（他の変形例）
第１と第２のポンプ４１、４２は、ブラインを循環できればよいため、その配置位置は図示のように第１と第２の負荷５１、５２の入口側に限られるものではない。例えば、第１と第２のポンプ４１、４２を、第１と第２の負荷５１、５２の下流側の第４配管系７４や他の第４配管系７６に配置して、ブラインを循環させるようにすることもできる。

同様に、循環ポンプ４５の配置位置についても図示例に限られるものではない。循環ポンプ４５を第２配管系７２に配置することもできる。

第１と第２の負荷側回路６１、６２を有する実施形態について示したが、本発明は、この場合に限定されるものではない。負荷側回路は１つでもよいし、逆に、冷却機３０の冷却能力の限度内において、ポンプ、インバータ、負荷の温度を測定するセンサを追加することによって、３つ以上の負荷側回路を有する冷却装置に適用することができる。

インバータとインバータ用ポンプとを適用したが、インバータポンプをＤＣポンプに代替し、インバータの代わりにインバータと同等に機能するＤＣポンプ用ドライバーを適用してもよい。

１０ 低温蓄熱冷却装置、
２０ タンク、
２１ 熱交換器、
３０ 冷却機、
４１ 第１ポンプ（ポンプ）、
４２ 第２ポンプ（他のポンプ）、
４３ 第１インバータ（インバータ）、
４４ 第２インバータ（他のインバータ）、
４５ 循環ポンプ、
４６ 第３インバータ（循環ポンプ用インバータ）、
５０ 検査対象物、
５１ 第１負荷（負荷）、
５２ 第２負荷（他の負荷）、
５３ａ、５３ｂ 均熱プレート、
５４ａ、５４ｂ プレートヒータ、
６０ 一次側回路、
６１ 第１の負荷側回路、
６２ 第２の負荷側回路、
７１ 第１配管系
７２ 第２配管系、
７３ 第３配管系、
７４ 第４配管系、
７５ 他の第３配管系、
７６ 他の第４配管系、
７７ バイパス配管系、
８０ コントローラ、
８１ａ 第１負荷用センサ（第１センサ）、
８１ｂ 第２負荷用センサ（他の第１センサ）、
８２ 第２センサ、
８３ 第３センサ、
９１ 第１逆止弁（逆流防止部材）、
９２ 第１逆止弁（他の逆流防止部材）、
Ｔ１ａ 第１負荷温度（負荷温度）、
Ｔ１ｂ 第２負荷温度（他の負荷温度）、
Ｔ２ タンク内温度、
Ｔ３ 冷却温度、
Ｔｓｅｔ 冷却設定温度。

Claims (6)

1. ブラインが流れる熱交換器（２１）と、
   ブラインを前記熱交換器（２１）において冷却するための冷却機（３０）と、
   ブラインを保有するタンク（２０）と、
   前記熱交換器（２１）において冷却されたブラインを前記タンク（２０）に導く第１配管系（７１）と、
   前記タンク（２０）内のブラインを前記熱交換器（２１）に導く第２配管系（７２）と、
   前記熱交換器（２１）と前記タンク（２０）との間に配置される循環ポンプ（４５）と、
   ブラインが供給される負荷（５１）と、
   前記タンク（２０）内のブラインを前記負荷（５１）に導く第３配管系（７３）と、
   前記負荷（５１）から戻されるブラインを前記熱交換器（２１）に導く第４配管系（７４）と、
   前記第３配管系（７３）または前記第４配管系（７４）に配置されるポンプ（４１）と、
   前記ポンプ（４１）の回転数を可変制御することによって前記負荷（５１）を流れるブラインの負荷側循環流量を調節するためのインバータ（４３）と、
   前記熱交換器（２１）において冷却されたブラインを、前記タンク（２０）をバイパスして前記ポンプ（４１）に導くバイパス配管系（７７）と、
   前記バイパス配管系（７７）に配置され前記熱交換器（２１）から前記ポンプ（４１）に向かう方向のブラインの流れのみを許容する逆流防止部材（９１）と、
   前記負荷（５１）の温度である負荷温度（Ｔ１ａ）を検出する第１センサ（８１ａ）と、
   前記タンク（２０）内のブラインの温度であるタンク内温度（Ｔ２）を検出する第２センサ（８２）と、
   前記熱交換器（２１）において冷却されたブラインの温度である冷却温度（Ｔ３）を検出する第３センサ（８３）と、
   前記第１センサ（８１ａ）によって検出した負荷温度（Ｔ１ａ）の信号、および前記第２センサ（８２）によって検出したタンク内温度（Ｔ２）の信号、前記第３センサ（８３）によって検出した冷却温度（Ｔ３）の信号、が入力されるコントローラ（８０）と、を有し、
   前記コントローラ（８０）は、
   （Ａ）タンク内温度（Ｔ２）が前記負荷（５１）の冷却設定温度（Ｔｓｅｔ）よりも低い状態において、ポンプ（４１）の回転数を可変制御する運転周波数をインバータ（４３）に出力してブラインの負荷側循環流量を増減させるように前記ポンプ（４１）の作動を制御し、負荷温度（Ｔ１ａ）を下げるときには前記ポンプ（４１）の回転数を増加してブラインの負荷側循環流量を増加させ、負荷温度（Ｔ１ａ）を上げるときには前記ポンプ（４１）の回転数を減少してブラインの負荷側循環流量を減少させて、負荷温度（Ｔ１ａ）を冷却設定温度（Ｔｓｅｔ）に調整する第１の運転、または、
   （Ｂ）前記循環ポンプ（４５）の作動を停止して前記ポンプ（４１）のみを作動させ、前記熱交換器（２１）において冷却されたブラインを前記バイパス配管系（７７）を介して前記タンク（２０）をバイパスさせて前記ポンプ（４１）に導き、冷却温度（Ｔ３）が前記負荷（５１）の冷却設定温度（Ｔｓｅｔ）よりも低くなるように前記冷却機（３０）の作動を制御して、負荷温度（Ｔ１ａ）を冷却設定温度（Ｔｓｅｔ）に調整する第２の運転、
   を実行可能である低温蓄熱冷却装置。
2. 前記コントローラ（８０）は、前記循環ポンプ（４５）を作動させ、前記負荷（５１）を冷却している場合において、前記タンク（２０）における低温蓄熱の蓄熱エネルギーを使い切ったと判断し、かつ、負荷温度（Ｔ１ａ）が冷却設定温度（Ｔｓｅｔ）よりも高いときに、前記第２の運転に切り替えて前記負荷（５１）をさらに冷却する、請求項１に記載の低温蓄熱冷却装置。
3. 前記コントローラ（８０）は、
   （ｉ）タンク内温度（Ｔ２）＞冷却温度（Ｔ３）、かつ、
   （ｉｉ）冷却設定温度（Ｔｓｅｔ）−タンク内温度（Ｔ２）＜ｄＴ
   ただし、ｄＴは予め定められた温度差
   のとき、蓄熱エネルギーを使い切ったと判断する、請求項２に記載の低温蓄熱冷却装置。
4. 前記循環ポンプ（４５）の回転数を可変制御することによって前記タンク（２０）を流れるブラインのタンク側循環流量を調節するための循環ポンプ用インバータ（４６）をさらに有し、
   前記コントローラ（８０）は、前記循環ポンプ（４５）の作動を停止して前記第２の運転によって前記負荷（５１）を冷却している場合において、前記循環ポンプ（４５）の作動を開始するとき、負荷温度（Ｔ１ａ）を冷却設定温度（Ｔｓｅｔ）に制御しながら、前記循環ポンプ（４５）の回転数を徐々に増加させる運転周波数を循環ポンプ用インバータ（４６）に出力してブラインのタンク側循環流量を徐々に増加させる、請求項１〜３のいずれか１項に記載の低温蓄熱冷却装置。
5. 前記第２配管系（７２）に配置され前記タンク（２０）から前記熱交換器（２１）に向かう方向の流れのみを許容する他の逆流防止部材（９２）をさらに有し、
   前記第４配管系（７４）が、前記他の逆流防止部材（９２）よりも下流側の位置において前記第２配管系（７２）に合流されている請求項１〜４のいずれか１項に記載の低温蓄熱冷却装置。
6. ブラインが供給される他の負荷（５２）と、
   前記タンク（２０）内のブラインを前記他の負荷（５２）に導く他の第３配管系（７５）と、
   前記他の負荷（５２）から戻されるブラインを前記熱交換器（２１）に導く他の第４配管系（７６）と、
   前記他の第３配管系（７５）または前記他の第４配管系（７６）に配置される他のポンプ（４２）と、
   前記他のポンプ（４２）の回転数を可変制御することによって前記他の負荷（５２）を流れるブラインの負荷側循環流量を調節するための他のインバータ（４４）と、
   前記他の負荷（５２）の温度である他の負荷温度（Ｔ１ｂ）を検出する他の第１センサ（８１ｂ）と、をさらに有し、
   前記コントローラ（８０）は、前記他の第１センサ（８１ｂ）によって検出した前記他の負荷温度（Ｔ１ｂ）の信号が入力され、前記ポンプ（４１）および前記他のポンプ（４２）の作動をそれぞれ個別に制御することによって、前記負荷（５１）および前記他の負荷（５２）のそれぞれにおけるブラインの負荷側循環流量を制御して、前記負荷温度（Ｔ１ａ）および前記他の負荷温度（Ｔ１ｂ）のそれぞれを制御する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の低温蓄熱冷却装置。

Images