JP6537986B2

JP6537986B2 - 温度制御システム

Info

Publication number: JP6537986B2
Application number: JP2016012476A
Authority: JP
Inventors: 田一成東; 森浩史小; 本佳之岡; 本英明古; 東朋秋伊; 弘樹森; 月豪塩; 木公司鈴
Original assignee: Shinwa Controls Co Ltd
Current assignee: Shinwa Controls Co Ltd
Priority date: 2016-01-26
Filing date: 2016-01-26
Publication date: 2019-07-03
Anticipated expiration: 2036-01-26
Also published as: JP2017133730A; US20190017949A1; TW201738510A; CN108603694A; WO2017130858A1; TWI695149B; KR20180119574A; CN108603694B; US10656110B2

Description

本発明は、冷却及び加熱による温度制御を行うための温度制御システムに関する。

例えば試験体に対して大温度差のサイクル試験を行う温度制御システムでは、通常、複数の冷凍回路を有する多元冷凍装置が用いられる（例えば、特許文献１参照）。多元冷凍装置は、一般に、単元式冷凍装置よりも低温の温度制御を行うことが可能なため、例えば−４０℃以下の超低温での温度制御を実行する場合等に用いられている。一方、加熱装置では、電気式のヒータによって直接的に温度制御対象空間又は温度制御対象物を加熱する構成や、ヒータで加熱されたブラインによって温度制御対象空間又は温度制御対象物を加熱する構成等が採用される。

特開２００７−２４０１０５号公報

ところで、大温度差のサイクル試験を行うことを要する試験体としては、例えば燃料電池車の水素タンクが挙げられる。燃料電池車は、今後、多くの地域にて普及することが期待されている。その実現のためには、水素タンクに対して様々な環境を想定した試験を行う必要があり、このような試験を行うための温度制御システムにおいては、十分に広い温度制御範囲を確保可能であること及び試験体の温度を所望の温度に柔軟に且つ安定した状態で制御可能であることが求められる。

本発明は、このような実情を考慮してなされたものであって、低温から高温にわたる十分に広い温度制御範囲を確保でき、温度制御範囲内の所望の温度に温度制御対象空間又は温度制御対象物を簡易に安定した状態で温度制御することができる温度制御システムを提供することを目的とする。

本発明の温度制御システムは、
第１温度制御装置と第２温度制御装置とを備え、温度制御対象空間又は温度制御対象物を温度制御する温度制御システムであって、
前記第１温度制御装置は、低温側冷凍装置と、低温側ブライン循環装置とを含み、
前記低温側冷凍装置は、
第１低温側圧縮機、第１低温側凝縮器、第１低温側膨張弁及び第１低温側蒸発器が、この順に第１低温側冷媒を循環させるように接続された第１低温側冷凍回路を有し、
前記低温側ブライン循環装置は、
低温側ブラインを循環させるための低温側ブライン循環路と、前記低温側ブライン循環路の一部を構成し且つ受け入れた前記低温側ブラインを加熱可能な低温側加熱部と、を有し、
前記第１低温側冷凍回路における前記第１低温側膨張弁の下流側で且つ前記第１低温側蒸発器の上流側に位置する部分と、前記低温側ブライン循環路における前記低温側加熱部の下流側に位置する部分と、が、互いに熱交換可能な冷凍能力調節機構を構成し、
前記第１低温側蒸発器は、当該第１低温側蒸発器を通流する前記第１低温側冷媒に前記温度制御対象空間又は前記温度制御対象物の熱を吸熱可能であり、
前記第２温度制御装置は、高温側冷凍装置と、高温側ブライン循環装置とを含み、
前記高温側冷凍装置は、
高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側膨張弁及び高温側蒸発器が、この順に高温側冷媒を循環させるように接続された高温側冷凍回路と、
前記高温側冷凍回路における前記高温側凝縮器の下流側で且つ前記高温側膨張弁の上流側に位置する部分および前記高温側冷凍回路における前記高温側蒸発器の下流側で且つ前記高温側圧縮機の上流側に位置する部分を、前記高温側冷媒が通流可能に連通するインジェクション流路と、前記インジェクション流路を通流する前記高温側冷媒の流量を調節可能なインジェクション弁と、を有するインジェクション回路と、
前記高温側冷凍回路における前記高温側圧縮機の下流側で且つ前記高温側凝縮器の上流側に位置する部分および前記インジェクション通路における前記インジェクション弁の下流側に位置する部分を、前記高温側冷媒が通流可能に連通するホットガス流路と、前記ホットガス流路を通流する前記冷媒の流量を調節可能なホットガス弁と、を有するホットガス回路と、を有し、
前記高温側ブライン循環装置は、
高温側ブラインを循環させるための高温側ブライン循環路と、前記高温側ブライン循環路の一部を構成し且つ受け入れた前記高温側ブラインを加熱可能な高温側加熱部と、前記高温側加熱部の下流側で前記高温側ブライン循環路の一部を構成し且つ受け入れた前記高温側ブラインの熱を前記温度制御対象空間又は前記温度制御対象物に放熱可能又は前記高温側ブラインに前記温度制御対象空間又は前記温度制御対象物の熱を吸熱可能な負荷部と、を有し、
前記高温側ブライン循環路の一部と、前記高温側冷凍装置の前記高温側蒸発器とが、互いに熱交換可能な加熱能力調節用熱交換器を構成している。

本発明の温度制御システムによれば、第１温度制御装置では、低温側冷凍装置の第１低温側冷凍回路における第１低温側蒸発器の上流側の部分において、第１低温側冷媒を低温側ブラインによって加熱することができ、この際、低温側ブラインの加熱能力に応じて第１低温側蒸発器における冷凍能力を調節することができる。したがって、低温側冷凍回路の構成要素を操作することなく、簡易に当該冷凍回路の冷凍能力を広範囲に調節することができる。
また第２温度制御装置では、高温側凝縮器によって凝縮された高温側冷媒を、高温側蒸発器に流入しないようにインジェクション回路を通し高温側蒸発器の下流側にバイパスでき、且つ、高温側圧縮機によって吐出された高温の高温側冷媒を、ホットガス回路を通し高温側蒸発器の下流側にバイパスできる。これにより、高温側蒸発器に流入する高温側冷媒の流量を制御でき、高温側蒸発器で出力される冷凍能力を柔軟に調節することができる。この際、高温側蒸発器に流入する高温側冷媒が高圧の高温側冷媒に混合されることがないため、出力される冷凍能力を安定させることができる。またインジェクション回路を通してバイパスされる凝縮された高温側冷媒と、ホットガス回路を通してバイパスされる高温の高温側冷媒との割合を調節することにより、高温側圧縮機に流入する高温側冷媒の状態や温度を所望の状態に容易に制御することができる。これにより、冷凍能力を柔軟に調節しつつ安定した温度制御を行うことができる。これにより、高温側冷凍装置が出力する安定した状態で調節された冷凍能力によって、高温側ブライン循環装置の高温側ブラインの温度を制御して負荷部の加熱能力又は冷凍能力を調節できるため、負荷部によって安定した温度制御を行うことができる。
そして第１温度制御装置と第２温度制御装置とで温度制御範囲を変えることで、低温から高温にわたる十分に広い温度制御範囲を確保できる。

本発明の温度制御システムは、
前記第１温度制御装置と前記第２温度制御装置とを制御する制御部をさらに備え、
前記制御部は、
前記温度制御対象空間又は前記温度制御対象物を低温域における所望の温度に温度制御する際に、前記低温側冷凍装置にて前記第１低温側冷媒を循環させ、前記低温側ブライン循環装置にて前記低温側ブラインを循環させ、且つ前記高温側ブライン循環装置にて前記高温側ブラインを循環させる一方、前記高温側冷凍装置にて前記高温側冷媒を循環させず、
前記温度制御対象空間又は前記温度制御対象物を前記低温域よりも高い範囲に設定される中温域における所望の温度に温度制御する際に、前記低温側冷凍装置にて前記第１低温側冷媒を循環させず、且つ前記低温側ブライン循環装置にて前記低温側ブラインを循環させない一方、前記高温側冷凍装置にて前記高温側冷媒を循環させ、且つ前記高温側ブライン循環装置にて前記高温側ブラインを循環させ、
前記温度制御対象空間又は前記温度制御対象物を前記中温域よりも高い範囲に設定される高温域における所望の温度に温度制御する際に、前記低温側冷凍装置にて前記第１低温側冷媒を循環させず、且つ前記低温側ブライン循環装置にて前記低温側ブラインを循環させない一方、前記高温側冷凍装置にて前記高温側冷媒を循環させ、且つ前記高温側ブライン循環装置にて前記高温側ブラインを循環させ、前記高温側ブライン循環装置にて循環させる前記高温側ブラインの流量を、前記中温域の場合の流量よりも増加させてもよい。

この場合、低温側冷凍装置にて第１低温側冷媒を循環させ、低温側ブライン循環装置にて低温側ブラインを循環させて、低温域における所望の温度への温度制御を行う際に、高温側ブライン循環装置にて高温側ブラインを循環させることで、低温域から中温域又は高温域への温度制御に切り換える場合に、高温側ブラインによる温度制御を迅速に実施できることで、低温域から中温域又は高温域における所望の温度への到達時間を効果的に短縮することができる。また、中温域から高温域へ温度制御を切り換える場合には、高温側ブライン循環装置にて循環させる高温側ブラインの流量を、中温域の場合の流量よりも増加させることで、中温域から高温域における所望の温度への到達時間を効果的に短縮することができる。

本発明の温度制御システムにおいては、
前記第１温度制御装置において、前記第１低温側冷凍回路における前記第１低温側膨張弁の下流側で且つ前記第１低温側蒸発器の上流側に位置する部分と、前記第１低温側冷凍回路における前記第１低温側蒸発器の下流側で且つ前記第１低温側圧縮機の上流側に位置する部分と、が、互いに熱交換可能な内部熱交換器を構成し、
前記内部熱交換器は、前記第１低温側冷媒が流れる方向で、前記冷凍能力調節機構の上流側に配置されていてもよい。

この場合、第１低温側蒸発器を通過して昇温した第１低温側冷媒が、第１低温側圧縮機に吸入される前に、第１低温側膨張弁が吐出する低温の第１低温側冷媒によって冷却されることで、過剰な過熱度を有した第１低温側冷媒が第１低温側圧縮機に吸入されることを抑制できる。これにより、第１低温側冷媒の熱分解及び第１低温側圧縮機の焼損を抑制でき、温度制御の安定性を向上できる。
とりわけ、第２温度制御装置による加熱が行われた後に第１温度制御装置による冷却を行う場合には、第１温度制御装置において第１低温側蒸発器で熱交換した第１低温側冷媒が過剰な過熱度を有するリスクが高まるが、このような第１低温側冷媒が第１低温側圧縮機に吸入されることを抑制できる。そのため、第１温度制御装置と第２温度制御装置とを併用するシステムにおける温度制御の好適な安定性を確保できる。

また本発明の温度制御システムにおいて、
前記第２温度制御装置は、前記高温側冷凍回路における前記高温側凝縮器の下流側で且つ前記インジェクション流路との接続位置の上流側に位置する部分および前記高温側冷凍回路における前記高温側圧縮機又は前記高温側圧縮機の上流側で且つ前記高温側蒸発器の下流側に位置する部分を、前記高温側冷媒が通流可能に連通する過冷却用バイパス流路と、前記過冷却用バイパス流路を通流する前記冷媒の流量を制御する過冷却制御弁と、を有する過冷却回路をさらに備え、
前記過冷却用バイパス流路における前記過冷却制御弁の下流側に位置する部分と、前記高温側冷凍回路における前記過冷却用バイパス流路との接続位置の下流側で且つ前記インジェクション流路との接続位置の上流側に位置する部分とが、互いに熱交換可能な過冷却用熱交換器を構成していてもよい。

この場合、過冷却用熱交換器によって、高温側冷媒の冷凍能力を増大させることができることで、冷凍能力の調節範囲を拡大させることができる。また、過冷却用熱交換器から吐出された高温側冷媒がインジェクション回路を通してバイパスされるため、ホットガス回路を通し高温側蒸発器の下流側にバイパスされる高温の高温側冷媒の温度を効率的に低下させることができる。
とりわけ、第１温度制御装置による冷却が行われた後に第２温度制御装置による加熱を行う場合に、過冷却用熱交換器が無い場合には、第２温度制御装置において高温側蒸発器で高温側ブラインと熱交換した高温側冷媒が過熱度を十分に確保できず冷凍能力が低下するリスクが高まるが、過冷却用熱交換器によって冷凍能力を補償できる。そのため、高温側蒸発器における不所望な冷凍能力の低下の発生を抑制でき、第１温度制御装置と第２温度制御装置とを併用するシステムにおける温度制御の好適な安定性を確保できる。

本発明によれば、低温から高温にわたる十分に広い温度制御範囲を確保でき、温度制御範囲内の所望の温度に温度制御対象空間又は温度制御対象物を簡易に安定した状態で温度制御することができる。

本発明の一実施の形態に係る温度制御システムの概略構成を示す図である。図１に示す温度制御システムの第１温度制御装置における低温側冷凍装置の拡大図である。図１に示す温度制御システムの第１温度制御装置における低温側冷凍装置のモリエル線図の一例を示す図である。図１に示す温度制御システムの第２温度制御装置における高温側冷凍装置のモリエル線図の一例を示す図である。図１に示す温度制御システムにおいて低温域の温度制御を行う場合の状態を示す図である。図１に示す温度制御システムにおいて中温域又は高温域の温度制御を行う場合の状態を示す図である。

以下、本発明の一実施の形態について説明する。

図１は、本発明の一実施の形態に係る温度制御システム２００の概略構成を示す図である。図１に示すように、本実施の形態に係る温度制御システム２００は、第１温度制御装置１と、第２温度制御装置１０１と、温度制御対象空間Ｓを規定するチャンバ４と、を備えている。この温度制御システム１は、第１温度制御装置１及び第２温度制御装置１０１によって、温度制御対象空間Ｓの温度を低温から高温にわたる温度制御範囲内の所望の温度に温度制御することが可能となっている。以下、温度制御システム２００の各構成について詳述する。

＜第１温度制御装置＞
図１に示すように、本実施の形態における第１温度制御装置１は、低温側冷凍装置２と、低温側ブライン循環装置３と、を有している。第１温度制御装置１は、低温側冷凍装置２の冷凍能力を低温側ブライン循環装置３によって調節することにより、温度制御対象空間Ｓを冷却することが可能となっている。

本実施の形態における低温側冷凍装置２は、二元冷凍装置であり、第１低温側圧縮機１１、第１低温側凝縮器１２、第１低温側膨張弁１３及び第１低温側蒸発器１４が、この順に第１低温側冷媒を循環させるように接続された第１低温側冷凍回路１０と、第２低温側圧縮機２１、第２低温側凝縮器２２、第２低温側膨張弁２３及び第２低温側蒸発器２４が、この順に第２低温側冷媒を循環させるように接続された第２低温側冷凍回路２０と、を備え、第１低温側凝縮器１２と第２低温側蒸発器２４とが、互いに熱交換可能なカスケードコンデンサＣＣを構成している。

第１低温側冷凍回路１０では、第１低温側圧縮機１１によって圧縮された第１低温側冷媒が、カスケードコンデンサＣＣを構成する第１低温側凝縮器１２に流入し、第２低温側冷凍回路２０の第２低温側蒸発器２４によって凝縮される。その後、第１低温側冷媒は、第１低温側膨張弁１３によって減圧されて低温となり、第１低温側蒸発器１４に流入する。図示の例では、第１低温側蒸発器１４がチャンバ４内に配置されており、第１低温側蒸発器１４に流入した第１低温側冷媒は、温度制御対象空間Ｓの熱を吸熱して、第１低温側圧縮機１１に流入する。

本実施の形態においては、第１低温側冷凍回路１０における第１低温側膨張弁１３の下流側で且つ第１低温側蒸発器１４の上流側に位置する部分と、第１低温側冷凍回路１０における第１低温側蒸発器１４の下流側で且つ第１低温側圧縮機１１の上流側に位置する部分と、が、互いに熱交換可能な内部熱交換器ＩＣを構成している。これにより、第１低温側蒸発器１４を通過して昇温した第１低温側冷媒が、第１低温側圧縮機１１に吸入される前に、第１低温側膨張弁１３が吐出する低温の第１低温側冷媒によって冷却されるようになっている。

第２低温側冷凍回路２０では、カスケードコンデンサＣＣで第１低温側冷媒の熱を吸熱した第２低温側冷媒が第２低温側圧縮機２１によって圧縮される。圧縮された第２低温側冷媒は、第２低温側凝縮器２２に流入し、例えば第２低温側凝縮器２２を流れる冷却水によって凝縮される。その後、第２低温側冷媒は、第２低温側膨張弁２３によって減圧されて低温となり、カスケードコンデンサＣＣを構成する第２低温側蒸発器２４に流入して、第１低温側凝縮器１２に流入した第１低温側冷媒を冷却する。

低温側ブライン循環装置３は、低温側ブラインを循環させるための低温側ブライン循環路３１と、低温側ブライン循環路３１の一部を構成し且つ受け入れた低温側ブラインを加熱可能な低温側加熱部３２と、低温側ブライン循環路３１の一部を構成し且つ低温側ブラインを低温側ブライン循環路３１内で循環させるための駆動力を付与する低温側ポンプ３３と、低温側加熱部３１に接続された低温側ブラインタンク３４と、を有している。

図示の例では、低温側ポンプ３３の駆動により低温側ブラインが低温側ブライン循環路３１内を図中の時計回りの方向に循環した際に、低温側加熱部３２が、低温側ブラインの循環に伴って受け入れた低温側ブラインを所望の加熱量で加熱することが可能となっている。低温側加熱部３２は、低温側ブラインを流入させるケース部と、ケース部内に配置されたヒータとを有し、ヒータの加熱量を調節することにより、低温側ブラインの加熱能力を調節可能となっている。本実施の形態において、低温側加熱部３２は、第１低温側膨張弁１３によって減圧され且つ内部熱交換器ＩＣで熱交換された第１低温側冷媒の温度よりも高温に低温側ブラインを加熱することが可能となっている。低温側ブラインタンク３４内には、低温側ブラインが貯留されており、貯留された低温側ブラインの液面と低温側ブラインタンク３４の上壁との間には気層部分が形成されている。低温側加熱部３２のケース部は、ブラインタンク３４における気層部分と低温側ブラインの液層部分とに流体的に接続している。

ここで、本実施の形態では、第１低温側冷凍回路１０における第１低温側膨張弁１３の下流側で且つ第１低温側蒸発器１４の上流側に位置する部分と、低温側ブライン循環路３１における低温側加熱部３２の下流側に位置する部分と、が、互いに熱交換可能な冷凍能力調節機構ＦＣを構成している。図示の例において、冷凍能力調節機構ＦＣは、第１低温側冷媒が流れる方向で、内部熱交換器ＩＣの下流側に配置されている。つまり、内部熱交換器ＩＣは、第１低温側冷媒が流れる方向で、冷凍能力調節機構ＦＣの上流側に配置されている。より詳しくは、第１低温側冷凍回路１０における第１低温側膨張弁１３から吐出された第１低温側冷媒が第１低温側蒸発器１４に至る部分において、内部熱交換器ＩＣは、冷凍能力調節機構ＦＣの上流側に配置されている。これにより、低温側冷凍装置２の第１低温側冷凍回路１０における第１低温側蒸発器１４の上流側の部分において、第１低温側冷媒をブラインにより加熱することが可能となっている。

＜第２温度制御装置＞
図１に示すように、本実施の形態に係る第２温度制御装置１０１は、高温側冷凍装置１０２と、高温側ブライン循環装置１０３と、を有している。この第２温度制御装置１０１では、高温側ブライン循環装置１０３が温度制御対象空間Ｓの温度を加熱又は冷却することが可能となっている。高温側冷凍装置１０２は、高温側ブライン循環装置１０３の加熱能力又は冷凍能力を調節する場合に、高温側ブライン循環装置１０３内を循環する高温側ブラインを冷却するように構成されている。

本実施の形態における高温側冷凍装置１０２は、単元式の冷凍装置であり、高温側圧縮機１１１、高温側凝縮器１１２、高温側膨張弁１１３及び高温側蒸発器１１４が、この順に高温側冷媒を循環させるように接続された高温側冷凍回路１１０と、高温側冷凍回路１１０を通流する高温側冷媒をバイパスするために設けられたインジェクション回路１２０及びホットガス回路１２４と、高温側冷凍回路１１０を通流する高温側冷媒を過冷却するための過冷却回路１１６と、を備えている。図２は高温側冷凍装置１０２の拡大図である。以下、図２を参照しつつ高温側冷凍装置１０２の各構成を詳述する。

図２に示す高温側冷凍回路１１０では、基本的な冷媒の流れとして、高温側圧縮機１１１によって圧縮された高温側冷媒が、高温側凝縮器１１２に流入し、高温側凝縮器１１２に流入した高温側冷媒は、例えば冷却水によって凝縮される。その後、高温側冷媒は、高温側膨張弁１１３によって減圧されて低温となり、高温側蒸発器１１４に流入する。高温側蒸発器１１４に流入した冷媒は、熱交換を行った後に、高温側圧縮機１１１に流入する。詳細は後述するが、本実施の形態における高温側冷凍装置１０２は、高温側蒸発器１１４によって高温側ブライン循環装置１０３内を循環する高温側ブラインを冷却するように構成されている。

インジェクション回路１２０は、高温側冷凍回路１１０における高温側凝縮器１１２の下流側で且つ高温側膨張弁１１３の上流側に位置する部分および高温側冷凍回路１１０における高温側蒸発器１１４の下流側で且つ高温側圧縮機１１１の上流側に位置する部分を、高温側冷媒が通流可能に連通（接続）するインジェクション流路１２１と、インジェクション流路１２１を通流する冷媒の流量を調節可能なインジェクション弁１２２と、を有している。このインジェクション回路１２０では、インジェクション弁１２２の開度を調節することにより、高温側凝縮器１２の下流側を通流する凝縮された高温側冷媒を高温側圧縮機１１１の上流側にバイパスすることが可能となっている。

ホットガス回路１２４は、高温側冷凍回路１１０における高温側圧縮機１１１の下流側で且つ高温側凝縮器１１２の上流側に位置する部分およびインジェクション通路１２１におけるインジェクション弁１２２の下流側に位置する部分を、冷媒が通流可能に連通（接続）するホットガス流路１２５と、ホットガス流路１２５を通流する冷媒の流量を調節可能なホットガス弁１２６と、を有している。このホットガス回路１２４は、ホットガス弁１２６の開度を調節することにより、高温側圧縮機１１１の下流側を通流する高温高圧の冷媒を高温側圧縮機１１１の上流側にバイパスすることが可能となっている。

また本実施の形態において、過冷却回路１１６は、高温側冷凍回路１１０における高温側凝縮器１１２の下流側で且つインジェクション流路１２１との接続位置の上流側に位置する部分および高温側冷凍回路１１０における高温側圧縮機１１１を、高温側冷媒が通流可能に連通（接続）する過冷却用バイパス流路１１７と、過冷却用バイパス流路１１７を通流する冷媒の流量を制御する過冷却制御弁１１８と、を有している。本実施の形態では、過冷却用バイパス流路１１７における過冷却制御弁１１８の下流側に位置する部分と、高温側冷凍回路１１０における過冷却用バイパス流路１１７との接続位置の下流側で且つインジェクション流路１２１との接続位置の上流側に位置する部分とが、互いに熱交換可能な過冷却用熱交換器ＳＣを構成している。

過冷却用熱交換器ＳＣでは、過冷却制御弁１１８を開くことで、高温側凝縮器１１２の下流側を通流する凝縮された高温側冷媒を、過冷却用バイパス流路１１７における過冷却制御弁１１８の下流側で膨張させて低温とすることで、高温側凝縮器１１２から過冷却用熱交換器ＳＣを介して高温側膨張弁１１４側へ通流する冷媒に対して過冷却度を付与できるようになっている。一方、過冷却用バイパス流路１１７を通流した高温側冷媒は、高温側冷凍回路１１０における高温側圧縮機１１１の上流側で且つ高温側蒸発器１１４の下流側に位置する部分に流入する。具体的に本実施の形態においては、過冷却用バイパス流路１１７を通流した冷媒が、高温側圧縮機１１１による高温側冷媒の圧縮中に、高温側圧縮機１１１において圧縮されている高温側蒸発器１１４を通過した高温側冷媒に合流するようになっている。

また、図示の例では、高温側冷凍回路１１０における高温側凝縮器１１２の下流側で且つ過冷却用バイパス流路１１７との接続位置の上流側に位置する部分に、レシーバータンク１１５Ａとフィルタードライヤ１１５Ｂとが、この順で設けられている。

図１に戻り、高温側ブライン循環装置１０３は、高温側ブラインを循環させるために環状をなす高温側ブライン循環路１３１と、高温側ブライン循環路１３１の一部を構成し且つ受け入れた高温側ブラインを加熱可能な高温側メイン加熱部１３２と、高温側ブライン循環路１３１の一部を構成し且つブラインを高温側ブライン循環路１３１内で循環させるための駆動力を付与する高温側ポンプ１３３と、高温側ポンプ１３３の下流側に配置されて高温側ブライン循環路１３１の一部を構成し且つ受け入れた高温側ブラインを加熱可能な第１高温側サブ加熱部１３４Ａ及び第２高温側サブ加熱部１３４Ｂと、第１高温側サブ加熱部１３４Ａの下流側に配置されて高温側ブライン循環路１３１の一部を構成する第１負荷部１３５Ａと、第２高温側サブ加熱部１３４Ｂの下流側に配置されて高温側ブライン循環路１３１の一部を構成する第２負荷部１３５Ｂと、高温側メイン加熱部１３２に接続されたブラインタンク１３６と、を有している。高温側ブラインは、相変化せずに又は相変化しない範囲で、負荷部１３５Ａ，１３５Ｂにおいて熱を放熱又は吸熱可能な物質であり、所望される温度制御範囲に応じて、その種類が選択される。高温側ブラインは、例えばエチレングリコール水溶液、塩化カルシウム水溶液、水等であってもよい。

本実施の形態では、高温側ブライン循環路１３１における高温側ポンプ１３３の下流側の部分が、第１分岐部１３１Ａと第２分岐部１３１Ｂとに分岐しており、第１高温側サブ加熱部１３４Ａ及び第１負荷部１３５Ａの各々は、第１分岐部１３１Ａの一部を構成し、第２高温側サブ加熱部１３４Ｂ及び第２負荷部１３５Ｂの各々は、第２分岐部１３１Ｂの一部を構成している。第１分岐部１３１Ａと第２分岐部１３１Ｂとは、第１負荷部１３５Ａ及び第２負荷部１３５Ｂの下流側で合流している。第１分岐部１３１Ａと第２分岐部１３１Ｂとの合流位置を通過したブラインは、後述する加熱能力調節用熱交換器ＨＣを通った後、高温側メイン加熱部１３２側に流れ、高温側メイン加熱部１３２を通過後に、再度、第１分岐部１３１Ａと第２分岐部１３１Ｂとに流入するようになっている。

高温側メイン加熱部１３２、第１高温側サブ加熱部１３４Ａ及び第２高温側サブ加熱部１３４Ｂの各々は、高温側ポンプ１３３の駆動により高温側ブラインが高温側ブライン循環路１３１内を循環した際に、高温側ブラインの循環に伴って受け入れた高温側ブラインを所望の加熱量で加熱することが可能となっている。各加熱部１３２，１３４Ａ，１３４Ｂは、高温側ブラインを流入させるケース部と、ケース部内に配置されたヒータとを有し、ヒータの加熱量を調節することにより、高温側ブラインの加熱能力を調節可能となっている。図示の例では、高温側メイン加熱部１３２に複数のヒータが配置され、第１高温側サブ加熱部１３４Ａ及び第２高温側サブ加熱部１３４Ｂには、それぞれ１つのヒータが配置される。しかしながら、このようなヒータの個数は特に限定されるものではなく、温度制御対象空間Ｓに設定される最大の制御温度に応じて設定されればよい。

図１に示すように、本実施の形態において、第１負荷部１３５Ａ及び第２負荷部１３５Ｂは、チャンバ４内に配置され、温度制御対象空間Ｓにおいてブラインの熱を放熱するか、又は、ブラインに温度制御対象空間Ｓの熱を吸熱することが可能となっている。すなわち、第２温度制御装置１００は、温度制御対象空間Ｓを加熱するときには、第１負荷部１３５Ａ及び第２負荷部１３５Ｂから温度制御対象空間Ｓに熱を放熱する一方、温度制御対象空間Ｓを冷却するときには、第１負荷部１３５Ａ及び第２負荷部１３５Ｂに温度制御対象空間Ｓの熱を吸熱する。

また高温側ブラインタンク１３６内には、ブラインが貯留されており、貯留されたブラインの液面と高温側ブラインタンク１３６の上壁との間には気層部分が形成されている。高温側メイン加熱部１３２のケース部は、高温側ブラインタンク１３６における気層部分と高温側ブラインの液層部分とに流体的に接続している。

ここで、本実施の形態では、図１に示すように、高温側ブライン循環路１３１の一部と、高温側冷凍装置の高温側蒸発器１１４とが、互いに熱交換可能な加熱能力調節用熱交換器ＨＣを構成している。詳しくは、本実施の形態においては、高温側ブライン循環路１３１における第１負荷部１３５Ａ及び第２負荷部１３５Ｂの下流側で且つ高温側メイン加熱部１３２の上流側に位置する部分と、高温側蒸発器１１４とが、加熱能力調節用熱交換器ＨＣを構成している。これにより、高温側ブライン循環装置１０３における高温側ブラインを高温側冷凍装置１０２によって冷却することができる。そして本実施の形態では、高温側冷凍装置１０２によって冷却された高温側ブラインが、高温側メイン加熱部１３２、第１高温側サブ加熱部１３４Ａ及び第２高温側サブ加熱部１３４Ｂによって加熱されるか、又は、加熱されずにこれらを通過することにより、所望の加熱能力又は冷凍能力で、温度制御対象空間Ｓを温度制御することが可能となっている。

＜制御部＞
次に温度制御システム１における各部を制御する制御部４０について説明する。図１においては、制御部４０と、第１温度制御装置１及び第２温度制御装置１０１に設けられた複数の温度センサ及び圧力センサと、が示されている。本実施の形態においては、制御部４０が、複数の温度センサ及び圧力センサの検出に基づいて、第１温度制御装置１の各部（低温側ポンプ３３、第１低温側圧縮機１１、第２低温側圧縮機２１、低温側加熱部３２等）及び第２温度制御装置１０１における各部（高温側ポンプ１３３、高温側圧縮機１１１、インジェクション弁１２２、ホットガス弁１２６、加熱部１３２，１３４Ａ，１３４Ｂ等）を制御するように構成されている。

例えば、本実施の形態における制御部４０は、低温側ポンプ３３、第１低温側圧縮機１１、及び第２低温側圧縮機２１の駆動と停止を切り換えることが可能であるとともに、高温側ポンプ１３３、及び高温側圧縮機１１１の駆動と停止を切り換えることが可能である。また、制御部４０は、設定された目標冷凍能力に基づいてインジェクション弁１２２の開度及びホットガス弁１２６の開度を調節することにより、高温側蒸発器１１４に流入する高温側冷媒の流量を調節し、高温側蒸発器１１４に目標冷凍能力を出力させるようになっている。ここで、目標冷凍能力は、ユーザによって温度制御対象空間Ｓに設定される目標温度等に応じて、制御部４０によって演算されてもよい。

また図２において、符号１２８は、高温側蒸発器１１４の下流側から高温側圧縮機１１１に流入する前の高温側冷媒の温度を検出する温度センサを示し、符号１２９は、高温側蒸発器１１４の下流側から高温側圧縮機１１１に流入する前の高温側冷媒の圧力を検出する圧力センサを示している。図示の例において、高温側温度センサ１２８及び高温側圧力センサ１２９は、インジェクション回路１２０及びホットガス回路１２４の高温側冷凍回路１１０への接続位置よりも下流側に配置されている。本実施の形態では、上述のように高温側冷凍装置１０２の冷凍能力を調節する際に、制御部４０が、温度センサ１２８が検出した温度及び圧力センサ１２９が検出した圧力に基づいてインジェクション弁１２２の開度及びホットガス弁１２６の開度を調節することにより、高温側圧縮機１１１に流入する高温側冷媒を気相状態で且つ所定の温度以下とするようになっている。所定の温度は、例えば、高温側圧縮機１１に焼損が生じない程度の温度である。

＜動作＞
次に本実施の形態に係る温度制御システム２００の動作について、図３〜図６を用いて説明する。温度制御システム２００は、制御部４０の制御によって第１温度制御装置１及び第２温度制御装置１０１の運転状態を切り換えることにより、低温域、中温域又は高温域における所望の温度に温度制御対象空間Ｓの温度を調節するように構成されている。本実施の形態では、一例として、低温域は、−６０℃〜−２０℃の範囲であり、中温域は、−１９℃〜＋２５℃の範囲であり、高温域は、＋２６℃〜＋１２０℃の範囲であるが、このような各範囲は、特に限定されるものではない。

図３は、第１温度制御装置１における第１低温側冷凍装置１０のモリエル線図の一例を示す図であり、図４は、第２温度制御装置１０１における高温側冷凍装置１０２のモリエル線図の一例を示す図である。図５は、低温域の温度制御を行う場合の状態を示す図であり、図６は、中温域又は高温域の温度制御を行う場合の状態を示す図である。以下では、低温域、中温域及び高温域の制御態様がこの順で説明される。

（低温域の温度制御）
低温域の温度制御を行う場合、第１温度制御装置１においては、第１低温側圧縮機１１、第２低温側圧縮機２１及び低温側ポンプ３３が駆動される。一方、第２温度制御装置１０１においては、高温側ブライン装置１０３において高温側ポンプ１３３が駆動され、高温側冷凍装置１０２は停止状態とされ、高温側冷媒は循環されない。図５において、配管上に記載された太線は、冷媒又はブラインが循環しているラインを示し、低温域の温度制御時の動作状態が示されている。

この際、第１低温側冷凍回路１０では、第１低温側圧縮機１１によって圧縮された第１低温側冷媒が、カスケードコンデンサＣＣを構成する第１低温側凝縮器１２に流入し、第２低温側冷凍回路２０の第２低温側蒸発器２４によって凝縮される。その後、第１低温側冷媒は、第１低温側膨張弁１３によって減圧されて低温となり、第１低温側蒸発器１４に流入する。そして第１低温側蒸発器１４に流入した第１低温側冷媒は、温度制御対象空間Ｓの熱を吸熱して、第１低温側圧縮機１１に流入する。

本実施の形態では、内部熱交換器ＩＣが設けられることで、第１低温側蒸発器１４を通過して昇温した第１低温側冷媒が、第１低温側圧縮機１１に吸入される前に、第１低温側膨張弁１３が吐出する低温の第１冷媒によって冷却される。これにより、過剰な過熱度を有した第１低温側冷媒が第１低温側圧縮機１１に吸入されることを抑制できる。

一方、第２低温側冷凍回路２０では、カスケードコンデンサＣＣで第１低温側冷媒の熱を吸熱した第２低温側冷媒が第２低温側圧縮機２１によって圧縮される。圧縮された第２低温側冷媒は、第２低温側凝縮器２２に流入し、第２低温側凝縮器２２を流れる冷却水によって凝縮される。その後、第２低温側冷媒は、第２低温側膨張弁２３によって減圧されて低温となり、カスケードコンデンサＣＣを構成する第２低温側蒸発器２４に流入して、第１低温側凝縮器１２に流入した第１冷媒を再び冷却する。なお、本実施の形態では、第１低温側圧縮機１１及び第２低温側圧縮機２１は、制御の安定性のために一定の出力で運転される。

また低温側ブライン循環装置３では、低温側ブライン循環路３１内を低温側ブラインが循環し、低温側加熱部３２によって低温側ブラインを適宜加熱することが可能となっている。

そして本実施の形態では、冷凍能力調節機構ＦＣが設けられることで、低温側冷凍装置２の第１低温側冷凍回路１０における第１低温側蒸発器１４の上流側の部分において、第１低温側冷媒を、第１低温側加熱部３２によって加熱されたブラインにより加熱することができる。そして、この際に、ブラインの加熱能力に応じて第１低温側蒸発器１４における冷凍能力を調節することができる。

一方、高温側ブライン循環装置１０３では、高温側ブライン循環路１３１内を高温側ブラインが循環し、高温側メイン加熱部１３２等によって高温側ブラインを適宜加熱することが可能となっている。第１温度制御装置１によって低温域での温度制御を行う場合に、このように高温側ブラインを循環させる構成によれば、低温域から中温域又は高温域への温度制御に切り換える場合に、低温域から中温域又は高温域における所望の温度への到達時間を効果的に短縮することができる。なお、低温域の温度制御を行う場合には、高温側ブラインは加熱されない。

ここで、図３を用いて、第１温度制御装置１において行う冷凍能力の調節について詳述する。図３に示すように、第１温度制御装置１における冷凍サイクルでは、第１低温側圧縮機１１に吸入された第１低温側冷媒は、点Ａから点Ｂへの移行に示されるように、圧縮される。第１低温側圧縮機１１によって吐出された第１低温側冷媒は、第１低温側凝縮器１２によって凝縮されることで冷却されて、点Ｂから点Ｃへの移行に示されるように、その比エンタルピーが低減する。

次いで、第１低温側凝縮器１２によって凝縮された第１低温側冷媒は、点Ｃから点Ｄへの移行に示されるように、第１低温側膨張弁１３によって減圧され、低温となる。その後、第１低温側膨張弁１３から吐出された第１低温側冷媒は、内部熱交換器ＩＣにおいて、第１低温側圧縮機１１に流入する直前の第１低温側冷媒と熱交換し、点Ｄから点Ｅへの移行に示されるように、吸熱して、その比エンタルピーが増加する。その後、第１低温側冷媒は、冷凍能力調節機構ＦＣにおいて、加熱された低温側ブラインと熱交換し、点Ｅから点Ｆへの移行に示されるように、吸熱して、その比エンタルピーが増加する。

次いで、第１低温側冷媒は、第１低温側蒸発器１４に流入して、温度制御対象空間Ｓの熱を吸熱し、点Ｆから点Ｇへの移行に示されるように、その比エンタルピーが増加する。そして、第１低温側蒸発器１４を通過した第１低温側冷媒は、内部熱交換器ＩＣにおいて、第１低温側膨張弁１３から吐出された低温の第１低温側冷媒と熱交換し、点Ｇから点Ｈへの移行に示されるように、冷却されて、その比エンタルピーが低減する。これにより、過剰な過熱度を有した第１低温側冷媒が第１低温側圧縮機１１に吸入されることを抑制できる。その後、第１低温側冷媒は、第１低温側圧縮機１１に流入して圧縮される。

上述のモリエル線図中において、点Ｆは、加熱された低温側ブラインの加熱能力に応じて、その位置を矢印に示すように変動させることができる。ここで、第１低温側冷凍回路１０の冷凍能力は、符号Ｗで示される、第１低温側蒸発器１４に流入直前の第１低温側冷媒の比エンタルピーと、第１低温側蒸発器１４から流出直後の第１低温側冷媒の比エンタルピーとの差に比例する。そのため、本実施の形態では、加熱された低温側ブラインの加熱能力を調節することにより、第１低温側冷凍回路１０の冷凍能力を調節することができることになる。

（中温域の温度制御）
中温域の温度制御を行う場合、第１温度制御装置１においては、第１低温側圧縮機１１、第２低温側圧縮機２１及び低温側ポンプ３３が駆動されない。一方、第２温度制御装置１０１においては、高温側ブライン装置１０３において高温側ポンプ１３３が駆動され、高温側冷凍装置１０２において高温側圧縮機１１１が駆動される。図６において、配管上に記載された太線は、冷媒又はブラインが循環しているラインを示し、中温域の温度制御時の動作状態が示されている。

この際、高温側冷凍装置１０２の高温側冷凍回路１１０では、高温側圧縮機１１１によって圧縮された高温側冷媒が、高温側凝縮器１１２に流入し、凝縮される。その後、高温側冷媒は、過冷却用熱交換器ＳＣを通過する。この際、過冷却制御弁１１８が開いている場合には、高温側凝縮器１１２の下流側を通流する凝縮された高温側冷媒を、過冷却用バイパス流路１１７における過冷却制御弁１１８の下流側で膨張させて低温とすることで、高温側凝縮器１１２から過冷却用熱交換器ＳＣを介して高温側膨張弁１１４側へ通流する高温側冷媒に対して過冷却度を付与できる。過冷却制御弁１１８によって膨張された冷媒は、吸熱した状態で高温側圧縮機１１１側へ流入する。

その後、高温側膨張弁１１３を通過する高温側冷媒は、減圧されて低温となり、高温側蒸発器１１４に流入する。ここで、高温側蒸発器１１４に流入した冷媒は、加熱能力調節用熱交換器ＨＣにて、高温側ブラインと熱交換することができ、高温側ブラインが高温側冷媒よりも高温である場合には、吸熱して高温側圧縮機１１１に流入する。

そして本実施の形態では、インジェクション回路１２０及びホットガス回路１２４が設けられているため、高温側凝縮器１１２によって凝縮された高温側冷媒を、高温側蒸発器１１４に流入しないようにインジェクション回路１２０を通し高温側蒸発器１１４の下流側にバイパスでき、且つ、高温側圧縮機１１１によって吐出された高温の高温側冷媒を、ホットガス回路１２４を通し高温側蒸発器１１４の下流側にバイパスできる。これにより、高温側蒸発器１１４に流入する高温側冷媒の流量を制御でき、高温側蒸発器１１４で出力される冷凍能力を柔軟に調節することができる。

この際、本実施の形態では、制御部４０が、設定された目標冷凍能力に基づいてインジェクション弁１２２の開度及びホットガス弁１２６の開度を調節することにより、高温側蒸発器１１４に流入する冷媒の流量を調節し、高温側蒸発器１１４に目標冷凍能力を出力させる。この際、制御部４０は、温度センサ１２８が検出した温度及び圧力センサ１２９が検出した圧力に基づいてインジェクション弁１２２の開度及びホットガス弁１２６の開度を調節することにより、高温側圧縮機１１１に流入する冷媒を気相状態で且つ所定の温度以下とする。

ここで、上述の目標冷凍能力を得るには、高温側蒸発器１１４を通流する高温側冷媒の流量を調節すればよいため、これを達成させるためにバイパスする高温側冷媒の量は、インジェクション回路１２０及びホットガス回路１２４において任意に振り分けることができる。そのため、高温側圧縮機１１１に流入する冷媒を、容易に気相状態で且つ所定の温度以下とすることができる。また、本実施の形態では、ホットガス回路１２４からの高温側冷媒は、高温側冷凍回路１１０に至る前に、インジェクション流路１２１に流入するようになっているため、高温側冷凍回路１１０及び高温側圧縮機１１１において高温側冷媒が過剰に高温となることを抑制でき、高温側圧縮機１１１等の焼損を抑制できる。

図４は、インジェクション回路１２０及びホットガス回路１２４を動作させ且つ過冷却回路１１６を動作させ、高温側ブラインを冷却する場合の第２温度制御装置１０１における高温側冷凍装置１０１のモリエル線図を示している。図４に示すように、第２温度制御装置１０１における冷凍サイクルでは、高温側圧縮機１１１に吸入された高温側冷媒は、点Ａから点Ｂへの移行に示されるように、圧縮される。高温側圧縮機１１１によって吐出された冷媒は、高温側凝縮器１１２によって凝縮されることで冷却されて、点Ｂから点Ｃへの移行に示されるように、その比エンタルピーが低減する。

次いで、高温側凝縮器１１２によって凝縮された高温側冷媒の一部は、過冷却用熱交換器ＳＣにおいて、過冷却度を付与されて、点Ｃから点Ｄへの移行に示されるように、その比エンタルピーが低減する。一方で、過冷却用熱交換器ＳＣにおいて、過冷却度を付与する過冷却用バイパス流路１１７を通流する冷媒は、過冷却制御弁１１８によって膨張され、点Ｃから点Ｇへの移行に示されるように、例えば中圧程度に減圧され、その後、過冷却用熱交換器ＳＣで熱交換し、点Ｇから点Ｈに示されるように、吸熱して、その比エンタルピーが増加する。

そして、過冷却用熱交換器ＳＣにおいて過冷却度を付与された冷媒は、点Ｄから点Ｅへの移行に示されるように、高温側膨張弁１１３によって減圧されて低温となる。その後、高温側膨張弁１１３から吐出された高温側冷媒は、高温側蒸発器１１４つまり加熱能力調節用熱交換器ＨＣにおいて、高温側ブラインと熱交換し、点Ｅから点Ｆへの移行に示されるように、吸熱して、その比エンタルピーが増加する。高温側蒸発器１１４を通過する冷媒は、制御部４０がインジェクション回路１２０及びホットガス回路１２４の各弁を制御することによって蒸発器１１４を通過しない高温側冷媒を生じさせることより、流量を制御されて、その冷凍能力を調節される。

ここで、図４において、ホットガス回路１２４を通して高温側圧縮機１１１の上流側にバイパスされる高温側冷媒は、点Ｂから点Ｉに示されるように、ホットガス弁１２６によって減圧される。また、インジェクション回路１２０を通して高温側圧縮機１１１の上流側にバイパスされる高温側冷媒は、点Ｄから延びる破線に示すように、インジェクション弁１２２によって減圧される。そして、高温側圧縮機１１１の上流側において、高温側蒸発器１１４を通過した点Ｆの状態の高温側冷媒と、ホットガス回路１２４を通してバイパスされた高温側冷媒と、インジェクション回路１２０を通してバイパスされた高温側冷媒と、が混合される（点Ａ）。ここで、制御部４０が、ホットガス回路１２４を通してバイパスされた高温側冷媒と、インジェクション回路１２０を通してバイパスされた高温側冷媒との割合を調節することにより、点Ａの位置を調節可能なため、容易に高温側圧縮機１１１に流入する高温側冷媒を気相状態で且つ所定の温度以下とすることができる。その後、高温側冷媒は、高温側圧縮機１１１によって圧縮されて、点Ａから高圧側に移行し、その途中で過冷却用バイパス流路１１７からの高温側冷媒と混合して、点Ｊに至った後、点Ｂまで圧縮される。

一方、高温側ブライン循環装置１０３では、高温側ブライン循環路１３１内を高温側ブラインが循環し、高温側メイン加熱部１３２、第１高温側サブ加熱部１３４Ａ及び第２高温側サブ加熱部１３４Ｂによって高温側ブラインを適宜加熱することが可能となっている。ここで、本実施の形態では、高温側ブライン循環路１３１における第１負荷部１３５Ａ及び第２負荷部１３５Ｂの下流側で且つ高温側メイン加熱部１３２の上流側に位置する部分と、高温側蒸発器１１４とが、加熱能力調節用熱交換器ＨＣを構成している。これにより、高温側ブライン循環装置１０３における高温側ブラインを高温側冷凍装置１０２によって冷却することができる。そして本実施の形態では、高温側冷凍装置１０２によって冷却された高温側ブラインが、高温側メイン加熱部１３２、第１高温側サブ加熱部１３４Ａ及び第２高温側サブ加熱部１３４Ｂによって加熱されるか、又は、加熱されずにこれらを通過することにより、所望の加熱能力又は冷凍能力で、温度制御対象空間Ｓが温度制御される。

（高温域の温度制御）
高温域の温度制御を行う場合には、中温域の場合と同様に、第１温度制御装置１においては、第１低温側圧縮機１１、第２低温側圧縮機２１及び低温側ポンプ３３が駆動されない。一方、第２温度制御装置１０１においては、高温側ブライン装置１０３において高温側ポンプ１３３が駆動され、高温側冷凍装置１０２において高温側圧縮機１１１が駆動される。但し、高温側ブライン循環装置１０３にて循環させる高温側ブラインの流量を、中温域の場合の流量よりも増加させる。高温域の温度制御を行う場合に循環させる高温側ブラインの流量は、例えば中温域の場合の流量の１．５〜３倍程度あってもよい。

以上に説明したように、本実施の形態に係る温度制御システム２００によれば、第１温度制御装置１では、低温側冷凍装置２の第１低温側冷凍回路１０における第１低温側蒸発器１４の上流側の部分において、第１低温側冷媒を低温側ブラインによって加熱することができ、この際、低温側ブラインの加熱能力に応じて第１低温側蒸発器１４における冷凍能力を調節することができる。したがって、第１低温側冷凍回路１０の構成要素を操作することなく、簡易に当該冷凍回路１０の冷凍能力を広範囲に調節することができる。また第２温度制御装置１０１では、高温側凝縮器１１２によって凝縮された高温側冷媒を、高温側蒸発器１１４に流入しないようにインジェクション回路１２０を通し高温側蒸発器１１４の下流側にバイパスでき、且つ、高温側圧縮機１１１によって吐出された高温の高温側冷媒を、ホットガス回路１２４を通し高温側蒸発器１１４の下流側にバイパスできる。これにより、高温側蒸発器１１４に流入する高温側冷媒の流量を制御でき、高温側蒸発器１１４で出力される冷凍能力を柔軟に調節することができる。この際、高温側蒸発器１１４に流入する高温側冷媒が高圧の高温側冷媒に混合されることがないため、出力される冷凍能力を安定させることができる。またインジェクション回路１２０を通してバイパスされる凝縮された高温側冷媒と、ホットガス回路１２４を通してバイパスされる高温の高温側冷媒との割合を調節することにより、高温側圧縮機１１１に流入する高温側冷媒の状態や温度を所望の状態に容易に制御することができる。これにより、冷凍能力を柔軟に調節しつつ安定した温度制御を行うことができる。これにより、高温側冷凍装置１０２が出力する安定した状態で調節された冷凍能力によって、高温側ブライン循環装置１０３の高温側ブラインの温度を制御して負荷部１３５Ａ，１３５Ｂの加熱能力又は冷凍能力を調節できるため、負荷部１３５Ａ，１３５Ｂによって安定した温度制御を行うことができる。そして第１温度制御装置１と第２温度制御装置１０１とで温度制御範囲を変えることで、低温から高温にわたる十分に広い温度制御範囲を確保できる。

したがって、低温から高温にわたる十分に広い温度制御範囲を確保でき、温度制御範囲内の所望の温度に温度制御対象空間又は温度制御対象物を簡易に安定した状態で温度制御することができる。

また本実施の形態では、低温側冷凍装置２にて第１低温側冷媒を循環させ、低温側ブライン循環装置３にて低温側ブラインを循環させて、低温域における所望の温度への温度制御を行う際に、高温側ブライン循環装置１０３にて高温側ブラインを循環させることで、低温域から中温域又は高温域への温度制御に切り換える場合に、高温側ブラインによる温度制御に迅速に実施できることで、低温域から中温域又は高温域における所望の温度への到達時間を効果的に短縮することができる。また、中温域から高温域へ温度制御を切り換える場合には、高温側ブライン循環装置１０３にて循環させる高温側ブラインの流量を、中温域の場合の流量よりも増加させることで、中温域から高温域における所望の温度への到達時間を効果的に短縮することができる。

また本実施の形態では、第１低温側蒸発器１４を通過して昇温した第１低温側冷媒が、第１低温側圧縮機１１に吸入される前に、第１低温側膨張弁１３が吐出する低温の第１低温側冷媒によって冷却されることで、過剰な過熱度を有した第１低温側冷媒が第１低温側圧縮機１１に吸入されることを抑制できる。これにより、第１低温側冷媒の熱分解及び第１低温側圧縮機１１の焼損を抑制でき、温度制御の安定性を向上できる。とりわけ、第２温度制御装置１０１による加熱が行われた後に第１温度制御装置１による冷却を行う場合には、第１温度制御装置１において第１低温側蒸発器１４で熱交換した第１低温側冷媒が過剰な過熱度を有するリスクが高まるが、このような第１低温側冷媒が第１低温側圧縮機１１に吸入されることを抑制できる。そのため、第１温度制御装置１と第２温度制御装置１０１とを併用するシステムにおける温度制御の好適な安定性を確保できる。

また本実施の形態では、過冷却用熱交換器ＳＣによって、高温側冷媒の冷凍能力を増大させることができることで、冷凍能力の調節範囲を拡大させることができる。また、過冷却用熱交換器ＳＣから吐出された高温側冷媒がインジェクション回路１２０を通してバイパスされるため、ホットガス回路１２４を通し高温側蒸発器１１４の下流側にバイパスされる高温の高温側冷媒の温度を効率的に低下させることができる。とりわけ、第１温度制御装置１による冷却が行われた後に第２温度制御装置１０１による加熱を行う場合に、過冷却用熱交換器ＳＣが無い場合には、第２温度制御装置１０１において高温側蒸発器１１４で高温側ブラインと熱交換した高温側冷媒が過熱度を十分に確保できず冷凍能力が低下するリスクが高まるが、過冷却用熱交換器ＳＣによって冷凍能力を補償できる。そのため、高温側蒸発器１１４における不所望な冷凍能力の低下の発生を抑制でき、第１温度制御装置１と第２温度制御装置１０１とを併用するシステムにおける温度制御の好適な安定性を確保できる。

また低温側冷凍装置２が二元冷凍装置となっているため、低温側冷凍装置２が単元式である構成に比較して、低温側冷凍装置２における冷凍能力を高く確保でき、且つ調節可能な冷凍能力の範囲を広くして制御可能な温度範囲を拡大することができる。これにより、温度制御システムの汎用性を拡大させることができる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は、上述の実施の形態に限定されるものではない。例えば、上述の実施の形態においては、低温側冷凍装置２が二元冷凍装置であるが、単元式の冷凍装置や三元冷凍装置等であってもよい。また、上述の実施の形態においては、温度制御システム２００が、空間を冷却又は加熱するが、温度制御システム２００は、第１蒸発器１４又は負荷部１３５Ａ，１３５Ｂに直接又は間接的に接触する物体を冷却又は加熱する装置として構成されてもよい。

また、上述の実施の形態においては、各ブライン循環装置３，１０３において、複数の加熱部が設けられているが、加熱部の数は、特に限定されるものではない。また、上述の実施の形態では、過冷却用バイパス流路１１７を通流した冷媒が、高温側圧縮機１１１による高温側冷媒の圧縮中に、高温側圧縮機１１１において圧縮されている高温側蒸発器１１４を通過した高温側冷媒に合流する。これに代えて、過冷却用バイパス流路１１７を通流した高温側冷媒が、高温側冷凍回路１１０における高温側圧縮機１１１の上流側で且つ高温側蒸発器１１４の下流側に位置する部分に流入し、インジェクション回路１２０やホットガス回路１２４からの高温側冷媒と合流した後に、高温側圧縮機１１１で圧縮されてもよい。

１第１温度制御装置
２低温側冷凍装置
３低温側ブライン循環装置
１０第１低温側冷凍回路
１１第１低温側圧縮機
１２第１低温側凝縮器
１３第１低温側膨張弁
１４第１低温側蒸発器
３０低温側ブライン循環装置
３１低温側ブライン循環路
３２低温側加熱部
１０１第２温度制御装置
１０２高温側冷凍装置
１０３高温側ブライン循環装置
１１０高温側冷凍回路
１１１高温側圧縮機
１１２高温側凝縮器
１１３高温側膨張弁
１１４高温側蒸発器
１１６過冷却回路
１１７過冷却用バイパス流路
１１８過冷却制御弁
１２０インジェクション回路
１２１インジェクション流路
１２２インジェクション弁
１２４ホットガス回路
１２５ホットガス流路
１２６ホットガス弁
１３１高温側ブライン循環路
１３２高温側メイン加熱部
１３４Ａ第１高温側サブ加熱部
１３４Ｂ第２高温側サブ加熱部
１３５Ａ第１負荷部
１３５Ｂ第２負荷部
２００温度制御システム
ＣＣカスケードコンデンサ
ＦＣ冷凍能力調整機構
ＩＣ内部熱交換器
Ｓ温度制御対象空間
ＳＣ過冷却用熱交換器
ＨＣ加熱能力調節用熱交換器

Claims

第１温度制御装置と第２温度制御装置とを備え、温度制御対象空間又は温度制御対象物を温度制御する温度制御システムであって、
前記第１温度制御装置は、低温側冷凍装置と、低温側ブライン循環装置とを含み、
前記低温側冷凍装置は、
第１低温側圧縮機、第１低温側凝縮器、第１低温側膨張弁及び第１低温側蒸発器が、この順に第１低温側冷媒を循環させるように接続された第１低温側冷凍回路を有し、
前記低温側ブライン循環装置は、
低温側ブラインを循環させるための低温側ブライン循環路と、前記低温側ブライン循環路の一部を構成し且つ受け入れた前記低温側ブラインを加熱可能な低温側加熱部と、を有し、
前記第１低温側冷凍回路における前記第１低温側膨張弁の下流側で且つ前記第１低温側蒸発器の上流側に位置する部分と、前記低温側ブライン循環路における前記低温側加熱部の下流側に位置する部分と、が、互いに熱交換可能な冷凍能力調節機構を構成し、
前記第１低温側蒸発器は、当該第１低温側蒸発器を通流する前記第１低温側冷媒に前記温度制御対象空間又は前記温度制御対象物の熱を吸熱可能であり、
前記第２温度制御装置は、高温側冷凍装置と、高温側ブライン循環装置とを含み、
前記高温側冷凍装置は、
高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側膨張弁及び高温側蒸発器が、この順に高温側冷媒を循環させるように接続された高温側冷凍回路と、
前記高温側冷凍回路における前記高温側凝縮器の下流側で且つ前記高温側膨張弁の上流側に位置する部分および前記高温側冷凍回路における前記高温側蒸発器の下流側で且つ前記高温側圧縮機の上流側に位置する部分を、前記高温側冷媒が通流可能に連通するインジェクション流路と、前記インジェクション流路を通流する前記高温側冷媒の流量を調節可能なインジェクション弁と、を有するインジェクション回路と、
前記高温側冷凍回路における前記高温側圧縮機の下流側で且つ前記高温側凝縮器の上流側に位置する部分および前記インジェクション通路における前記インジェクション弁の下流側に位置する部分を、前記高温側冷媒が通流可能に連通するホットガス流路と、前記ホットガス流路を通流する前記冷媒の流量を調節可能なホットガス弁と、を有するホットガス回路と、を有し、
前記高温側ブライン循環装置は、
高温側ブラインを循環させるための高温側ブライン循環路と、前記高温側ブライン循環路の一部を構成し且つ受け入れた前記高温側ブラインを加熱可能な高温側加熱部と、前記高温側加熱部の下流側で前記高温側ブライン循環路の一部を構成し且つ受け入れた前記高温側ブラインの熱を前記温度制御対象空間又は前記温度制御対象物に放熱可能又は前記高温側ブラインに前記温度制御対象空間又は前記温度制御対象物の熱を吸熱可能な負荷部と、を有し、
前記高温側ブライン循環路の一部と、前記高温側冷凍装置の前記高温側蒸発器とが、互いに熱交換可能な加熱能力調節用熱交換器を構成している、
ことを特徴とする温度制御システム。
前記第１温度制御装置と前記第２温度制御装置とを制御する制御部をさらに備え、
前記制御部は、
前記温度制御対象空間又は前記温度制御対象物を低温域における所望の温度に温度制御する際に、前記低温側冷凍装置にて前記第１低温側冷媒を循環させ、前記低温側ブライン循環装置にて前記低温側ブラインを循環させ、且つ前記高温側ブライン循環装置にて前記高温側ブラインを循環させる一方、前記高温側冷凍装置にて前記高温側冷媒を循環させず、
前記温度制御対象空間又は前記温度制御対象物を前記低温域よりも高い範囲に設定される中温域における所望の温度に温度制御する際に、前記低温側冷凍装置にて前記第１低温側冷媒を循環させず、且つ前記低温側ブライン循環装置にて前記低温側ブラインを循環させない一方、前記高温側冷凍装置にて前記高温側冷媒を循環させ、且つ前記高温側ブライン循環装置にて前記高温側ブラインを循環させ、
前記温度制御対象空間又は前記温度制御対象物を前記中温域よりも高い範囲に設定される高温域における所望の温度に温度制御する際に、前記低温側冷凍装置にて前記第１低温側冷媒を循環させず、且つ前記低温側ブライン循環装置にて前記低温側ブラインを循環させない一方、前記高温側冷凍装置にて前記高温側冷媒を循環させ、且つ前記高温側ブライン循環装置にて前記高温側ブラインを循環させ、前記高温側ブライン循環装置にて循環させる前記高温側ブラインの流量を、前記中温域の場合の流量よりも増加させる、
ことを特徴とする請求項１に記載の温度制御システム。
前記第１温度制御装置において、前記第１低温側冷凍回路における前記第１低温側膨張弁の下流側で且つ前記第１低温側蒸発器の上流側に位置する部分と、前記第１低温側冷凍回路における前記第１低温側蒸発器の下流側で且つ前記第１低温側圧縮機の上流側に位置する部分と、が、互いに熱交換可能な内部熱交換器を構成し、
前記内部熱交換器は、前記第１低温側冷媒が流れる方向で、前記冷凍能力調節機構の上流側に配置されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の温度制御システム。
前記第２温度制御装置は、前記高温側冷凍回路における前記高温側凝縮器の下流側で且つ前記インジェクション流路との接続位置の上流側に位置する部分および前記高温側冷凍回路における前記高温側圧縮機又は前記高温側圧縮機の上流側で且つ前記高温側蒸発器の下流側に位置する部分を、前記高温側冷媒が通流可能に連通する過冷却用バイパス流路と、前記過冷却用バイパス流路を通流する前記冷媒の流量を制御する過冷却制御弁と、を有する過冷却回路をさらに備え、
前記過冷却用バイパス流路における前記過冷却制御弁の下流側に位置する部分と、前記高温側冷凍回路における前記過冷却用バイパス流路との接続位置の下流側で且つ前記インジェクション流路との接続位置の上流側に位置する部分とが、互いに熱交換可能な過冷却用熱交換器を構成している、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の温度制御システム。