KR102006013B1

KR102006013B1 - 칠러 장치

Info

Publication number: KR102006013B1
Application number: KR1020187017702A
Authority: KR
Inventors: 데이이치로 우에다; 다쿠야 이시마쓰; 후미유키 호소이
Original assignee: 신와 콘트롤즈 가부시키가이샤
Priority date: 2015-12-21
Filing date: 2016-12-14
Publication date: 2019-07-31
Also published as: WO2017110608A1; JP2017116118A; JP6053907B1; TWI646292B; KR20180084984A; CN108474594B; CN108474594A; TW201734389A

Abstract

염가의 구성으로 냉각 성능을 해치지 않고 압축기에 과부하를 걸지 않고, 상이한 보온 범위 조건의 공작물을 동시에 고정밀도로 보온 제어할 수 있는 기능을 가지는 칠러 장치를 제공한다. 이 장치에서는, 공작물(W1)이 접속되는 냉매 사이클(200-1)의 증발기(101-1)를 공용하는 냉동 사이클(100)에 접속된 제1 유로∼제4 유로에 의한 바이패스 유로를 통하여 공작물(W2)이 접속되는 냉매 사이클(200-2)의 증발기(101-2)로 냉각 저하된 냉매를 흐르게 할 때, CPU가 사이클(100)의 센서(P)에서의 냉매 압력, 센서(T3)에서의 냉매 온도를 PID 연산한 결과에 기초하여 생성한 펄스 신호에 의해 제2 유로의 밸브 EV2의 개도(開度)를 일정하게 하고 거기로부터 제1 유로의 일부를 경유하여 전동식 압축기(102)로 순환하는 냉매 유량이 목표값에 수속(收束)되도록, 제3 유로 밸브(EV3)에서의 개도를 가변 설정하고, 구동 제어 신호를 출력하여 압축기(102)에서의 운전 주파수를 소정의 범위 내에서 가변 제어한다.

Description

칠러 장치

본 발명은, 보온 대상이 되는 각종 고객 장치를 공작물로 하여, 사용자가 소정의 온도 범위(예를 들면, -10℃∼100℃)로 선택적으로 온도 설정하여 보온하기 위한 칠러 장치에 관한 것이며, 상세한 내용은 설정 온도와 공작물 온도의 온도차에 따라 냉각용의 냉동 사이클에 구비되는 전동식 압축기의 회전수와 가열용의 냉매 사이클에 구비되는 가열 장치의 가열 온도를 제어 장치로 제어하는 기능을 가지는 칠러 장치에 관한 것이다.

종래, 이러한 종류의 칠러 장치로서는, 본 출원인에 의해 제안된 싱글 타입으로서, 설정 온도가 공작물 온도에 가까운 온도차(예를 들면, 5℃∼10℃)가 적은 보온 설정 시에 있어서, 특히 냉동 사이클에서의 증발기의 냉매 흡입측과 냉매 토출측의 냉매 온도차가 거의 없는 상태에 있어서, 냉매를 증발기에 흐르게 할 필요가 없음에도 불구하고 전동식 압축기가 계속 동작하는 구조 및 기능을 개선한 「칠러 장치」 (특허문헌 1 참조)를 예로 들 수 있다.

일본특허 제5721875호 공보

전술한 특허문헌 1에 관한 칠러 장치는, 냉동 사이클에 전동식 압축기를 적용하고 있고, 냉매에 고효율의 프레온 가스(R410A 등)를 사용하면, 그 이전의 제품보다 냉동 기능이 향상되고, 냉매 사이클의 액냉매(실용적으로 브라인(brine)으로 불리는 열매체를 순환시키므로, 냉매 사이클은 브라인 공급 회로로 불려도 됨)를 증발기에서 냉각하여 효율적으로 열교환할 수 있고, 기본 기능으로서 열부하에 따른 전동식 압축기의 회전 제어를 행하고, 냉각·가열을 2단계로 한 고객 장치(공작물)에 대한 고정밀도의 보온 제어를 실현하고 있다.

그러나, 특허문헌 1에 관한 칠러 장치의 경우, 기본 구조 상에서는 싱글 타입으로 불리는 1계통의 냉동 사이클과 1계통의 냉매 사이클에서 1대의 증발기를 공유하고, 냉매 사이클 측에서 고객 장치가 되는 1개의 공작물을 보온할 수 있는 사양으로 되어 있으므로, 고객 장치가, 예를 들면, 반도체 에칭 장치인 경우와 같이 상이한 보온 범위 조건이 동시에 요구되는 사용 목적에는 대응하기 곤란한 문제가 있다.

그래서, 냉매 사이클 측을 다단계로 하여 복수 계통으로 하고, 각 계통에서 각각 공작물을 별개로 접속할 수 있도록 한 구조의 적용이 상정(想定)되지만, 실제로는 증발기를 포함시킨 냉매 사이클을 단순하게 다단계 구성으로 하고자 해도 배관에 의한 바이패스 유로를 사용한 냉매의 경로나 유량 조절이 복잡하게 되고, 또한 증설된 증발기에서 액냉매를 냉각시키는 분에 상당하는 냉동 사이클에서의 냉각 성능이 손상되고, 또한 전동식 압축기의 회전 제어에도 열부하 증가분의 부담이 증대하므로, 간단하고 용이하게 개조하는 것은 곤란하도록 되어 있다. 이 때문에, 염가의 구성으로 냉각 성능을 해치지 않고 압축기에 과부하를 걸지 않고, 상이한 보온 범위 조건의 고객 장치를 동시에 고정밀도로 보온 제어할 수 있는 기능을 가지는 칠러 장치의 제품화가 요망되고 있지만, 현상태에서는 구현화되어 있지 않다.

본 발명은, 이와 같은 문제점을 해결하고자 행해진 것이며, 그 기술적 문제는, 염가의 구성으로 냉각 성능을 해치지 않고 압축기에 과부하를 걸지 않고, 상이한 보온 범위 조건의 공작물을 동시에 고정밀도로 보온 제어할 수 있는 기능을 가지는 칠러 장치를 제공하는 것에 있다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일형태는, 냉각용의 냉매가 순환하는 냉동 사이클과, 냉동 사이클에 구비되는 제1 증발기를 공용하여 가열용의 액냉매가 순환하는 제1 냉매 사이클과, 냉동 사이클의 소정 개소에서 배관에 의해 바이패스 접속된 바이패스 유로를 통하여 제1 증발기와는 별체의 제2 증발기 내를 냉매가 순환하고, 또한 별도 계통으로 가열용의 액냉매가 순환하는 제2 냉매 사이클과, 제1 냉매 사이클과 제2 냉매 사이클에 각각 개재(介在) 접속되어 보온 대상이 되는 각종 고객 장치를 공작물로 하여, 사용자를 위하여 소정의 온도 범위에서의 선택적인 온도 설정에 제공되고, 또한 냉동 사이클에 구비되는 전동식 압축기의 회전수, 및 상기 제1 냉매 사이클과 상기 제2 냉매 사이클을 순환하는 액냉매에 대한 가열용의 가열 장치에서의 가열 온도를, 사용자에 의해 설정된 설정 온도와 상기 제1 냉매 사이클 및 상기 제2 냉매 사이클의 상기 공작물 측에 근접한 개소에 설치된 제1 온도 센서에 의해 각각 검출된 공작물 온도와의 온도차에 따라 제어하는 제어 장치를 구비하는 칠러 장치에 있어서,

제1 냉매 사이클과 제2 냉매 사이클은,

제1 증발기와 제2 증발기의 냉매 토출측에서 가열 장치에 대한 액냉매 유입의 바로 앞쪽에 각각 설치되어 액냉매 온도를 검출하는 제2 온도 센서와, 제1 증발기와 제2 증발기의 냉매 흡입측에서 공작물에 대한 액냉매 유출측에 각각 설치되어 액냉매 온도를 검출하는 제4 온도 센서를 가지고,

냉동 사이클은,

전동식 압축기의 냉매 흡입측이며, 제1 증발기의 냉매 토출측에 설치되어 냉매 온도를 검출하기 위한 제3 온도 센서와, 전동식 압축기의 냉매 흡입측의 제3 온도 센서 근방에 설치되어 냉매 압력을 검출하는 압력 센서와, 제1 증발기의 냉매 흡입측에 개재 접속된 유량 조정용의 제1 냉매 공급용 전자 팽창 밸브를 가지고,

바이패스 유로는,

제2 냉매 사이클에서의 제2 증발기의 냉매 토출측으로부터 냉동 사이클에서의 제1 증발기의 냉매 토출측과 전동식 압축기의 냉매 흡입측의 사이의 개소에 연결되는 제1 유로와, 제1 유로의 도중 개소로부터 유량 조정용의 고압 냉매용 전자 팽창 밸브를 개재시켜 냉동 사이클에 구비되는 응축기의 냉매 흡입측과 전동식 압축기의 냉매 토출측의 사이의 개소에 연결되는 제2 유로와, 제1 유로로부터 연장되어 유량 조정용의 인젝션용 전자 팽창 밸브를 개재시켜 냉동 사이클에서의 응축기의 냉매 토출측과 제1 증발기의 냉매 흡입측의 사이에서의 제1 냉매 공급용 전자 팽창 밸브의 냉매 유입 바로 앞쪽의 개소에 연결되는 제3 유로와, 냉동 사이클에서의 제1 냉매 공급용 전자 팽창 밸브의 냉매 유입 바로 앞쪽의 제3 유로보다 제1 증발기의 냉매 흡입측에 근접한 개소와 제2 냉매 사이클에서의 제2 증발기의 냉매 흡입측에 유량 조정용의 제2 냉매 공급용 전자 팽창 밸브를 개재 접속시켜 연결되는 제4 유로를 가지고 형성되고,

제어 장치는, 제1 온도 센서에서 각각 검출된 공작물 온도에 대하여 비례, 적분, 미분을 포함하는 PID 연산한 결과에 기초하여 생성한 제어 신호에 의해 제1 냉매 사이클과 제2 냉매 사이클에서의 가열 장치에서의 각각의 가열량을 제어하고, 제2 온도 센서에서 각각 검출된 액냉매 온도에 대하여 비례, 적분, 미분을 포함하는 PID 연산한 결과에 기초하여 생성한 펄스 신호에 의해 제1 냉매 공급용 전자 팽창 밸브와 제2 냉매 공급용 전자 팽창 밸브에서의 개폐를 각각 제어하여 냉동 사이클과 바이패스 유로에서의 냉매 유량을 제어하고, 압력 센서에 의해 검출된 냉매 압력에 대하여 비례, 적분, 미분을 포함하는 PID 연산한 결과와 제3 온도 센서에 의해 검출된 냉매 온도에 대하여 비례, 적분, 미분을 포함하는 PID 연산한 결과에 기초하여 생성한 펄스 신호에 의해 고압 냉매용 전자 팽창 밸브의 개도(開度)를 일정하게 유지하여 상기 바이패스 유로에서의 제2 유로로부터 제1 유로의 일부를 경유하여 상기 냉동 사이클의 전동식 압축기의 냉매 흡입측에 순환하는 고압 냉매 바이패스 조작 유량이 목표로 하는 소정값에 수속되도록, 인젝션용 전자 팽창 밸브에서의 개도를 가변 설정하여 상기 바이패스 유로 및 상기 냉동 사이클의 전체에서의 냉매 유량을 제어하고, 또한 상기 전동식 압축기를 구동하기 위하여 생성한 구동 제어 신호를 인버터에 출력하여 상기 전동식 압축기에서의 운전 주파수를 소정의 범위 내에서 상기 냉매 온도에 따라 가변 제어하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 칠러 장치에 의하면, 상기 구성에 의해, 염가의 구성으로 냉각 성능을 해치지 않고 압축기에 과부하를 걸지 않고, 상이한 보온 범위 조건의 공작물을 동시에 고정밀도로 보온 제어할 수 있는 기능을 얻을 수 있게 된다. 상기한 이외의 과제, 구성 및 효과는, 이하의 실시형태의 설명에 의해 밝혀진다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 칠러 장치의 기본 구성을 냉매 사이클에서의 공작물로의 접속 및 냉동 사이클에서의 응축기에 냉각을 행하기 위한 냉각 회로를 포함하여 나타낸 전체적인 개략도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 칠러 장치에 구비되는 바이패스 유로를 중심으로 한 냉매의 흐름을 설명하기 위해 나타낸 주요부의 개략도이다.
도 3은 도 1에 나타내는 칠러 장치에 구비되는 제어 장치에 의한 바이패스 유로에서의 제2 유로 및 제1 유로의 일부를 흘러 냉동 사이클의 전동식 압축기의 냉매 흡입측에 순환하는 고압 냉매 바이패스 조작 유량에 따른 전동식 압축기에서의 운전 주파수의 가변 제어를 설명하기 위해 나타낸 경과 시간에 대한 고압 냉매 바이패스 조작 유량-압축기 운전 주파수 특성을 대비하여 나타낸 모식도이다.
도 4는 도 1에 나타내는 칠러 장치에서의 냉각 성능을 설명하기 위해 나타내는 몰리에 선도(Mollier diagram)이다.

이하, 본 발명의 칠러 장치에 대하여, 실시예에 따라, 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

[실시예]

도 1은, 본 발명의 실시예에 따른 칠러 장치의 기본 구성을 냉매 사이클(200-1, 200-2)에서의 공작물(W1, W2)로의 접속 및 냉동 사이클(100)에서의 응축기(103)에 냉각을 행하기 위한 냉각 회로(300)를 포함시켜 나타낸 전체적인 개략도이다.

도 1을 참조하면, 이 칠러 장치는, 기본 구성 상에 있어서, 냉각용의 냉매(R410 등)가 순환하는 냉동 사이클(100)과, 냉동 사이클(100)에 구비되는 제1 증발기(열교환기)(101-1)를 공용하여 가열용의 액냉매가 순환하는 제1 냉매 사이클(200-1)과, 냉동 사이클(100)의 소정 개소에서 배관에 의해 바이패스 접속된 바이패스 유로를 통하여 제1 증발기(101-1)와는 별체의 제2 증발기(열교환기)(101-2) 내를 냉매가 순환하고, 또한 별도 계통으로 가열용의 액냉매가 순환하는 제2 냉매 사이클(200-2)과, 제1 냉매 사이클(200-1)과 제2 냉매 사이클(200-2)에 각각 개재 접속되어 보온 대상이 되는 각종 고객 장치를 공작물(W1, W2)로 하고, 사용자를 위하여 소정의 온도 범위에서의 선택적인 온도 설정(공작물(W1)은 -10℃∼+100℃, 공작물(W2)은 +30℃∼+100℃인 경우를 예시할 수 있음)에 제공되고, 또한 냉동 사이클(100)에 구비되는 전동식 압축기(102)의 회전수, 및 제1 냉매 사이클(200-1)과 제2 냉매 사이클(200-2)을 순환하는 액냉매에 대한 가열용의 가열 장치(히터)(202-1, 202-2)에서의 가열 온도를, 사용자에 의해 설정된 설정 온도와 제1 냉매 사이클(200-1) 및 제2 냉매 사이클(200-2)의 공작물(W1, W2) 측에 근접한 개소에 각각 설치된 제1 온도 센서(T1-1, T1-2)에 의해 검출된 공작물 온도와의 온도차에 따라 제어하는 CPU(Central Processing Unit) 기능을 가지는 기기 제어 유닛으로서 구성되는 제어 장치를 구비하여 구성된다.

여기서의 공작물(W1, W2)은, 고객 장치를 반도체 에칭 장치로 한 경우와 같이 상이한 보온 범위 조건이 동시에 요구되는 사용 목적에 대응시키는 것을 상정하고 있으며, 공작물(W1)의 보온용의 설정 온도 범위 -10℃∼+100℃는 하부 전극에 적용시키고, 공작물(W2)의 보온용의 설정 온도 범위 +30℃∼+100℃는 상부 전극에 적용시킬 수 있다. 이들 공작물(W1, W2)의 공작물 온도를 검출하기 위한 제1 온도 센서(T1-1, T1-2)는, 냉매 사이클(200-1, 200-2)에 구비되는 냉매 탱크(201-1, 201-2)로부터 액냉매를 흡인하는 펌프(203-1, 203-2)의 냉매 토출측으로서, 공작물(W1, W2)에 근접한 냉매 유입측에 설치되어 액냉매 온도를 검출하여 기기 제어 유닛(CPU)에 송출하도록 되어 있지만, 그 외의 증발기(101-1, 101-2)의 냉매 흡입측으로서, 공작물(W1, W2)에 근접한 액냉매 유출측에 설치된 제4 온도 센서(T4-1, T4-2)로부터의 액냉매 온도를 기기 제어 유닛(CPU)에 입력하고, 양쪽의 검출 결과를 병용하여 공작물 온도를 검출하도록 해도 된다. 덧붙여서 설명하면, 제1 온도 센서(T1-1, T1-2)에 대해서는, 높은 검출 정밀도가 요구되기 때문에, 저항값을 100옴으로부터 0옴으로 가변할 수 있는 백금 저항띠체를 사용한 Pt 센서를 사용하는 것이 바람직하다. 이에 비해, 제4 온도 센서(T4-1, T4-2)는, 제1 온도 센서(T1-1, T1-2) 정도로는 검출 정밀도가 요구되지 않기 때문에, 제조 비용을 고려하여 일반적인 열전대를 사용한 열전대 센서를 사용하는 것이 바람직하다.

[0015]

이 중, 냉동 사이클(100)은, 냉매의 가스를 전동식 압축기(102)에 의해 압축하여 고압 가스로서 토출측의 응축기(103)로 보내고, 응축기(103)에서는 고압 가스를 응축하여 감압 기구의 대략적으로 도시한 팽창판을 경유하여 감압시키고 나서 증발기(101-1)로 보내고, 증발기(101-1)에서는 감압된 저압 가스를 증발시켜 전동식 압축기(102)의 흡입측에 흡입시키도록 함으로써 다시 압축을 반복하는 회로 구성의 1차 온도 조정 회로가 되어 있다. 또한, 여기서는 응축기(103)에 대하여 배관을 리턴하도록 접속하고, 입구측의 관에 설치된 대략적으로 도시한 밸브를 경유하여 냉각수를 받아들여 응축기(103) 내를 냉각하고 나서 출구측의 관에 설치된 제수(制水) 밸브(WPR)를 경유하여 외측으로 돌리는 구조의 냉각 회로(300)가 배치되어 있다. 그리고, 여기서 설명한 냉각 회로(300)에 의한 응축기(103)에 대한 냉각 기능은, 냉각 팬을 사용하여 냉풍으로 냉각시키는 구성으로 해도 된다.

[0016]

냉매 사이클(200-1)은, 냉동 사이클(100)의 증발기(101-1)를 공유하여 액냉매를 냉매 탱크(201-1)로 회수하여 축적하고, 또한 냉매 탱크(201-1)에 장착된 가열 장치(히터)(202-1)로 액냉매를 적절하게 가열하거나, 혹은 가열시키지 않고 냉매 탱크(201-1)로부터 펌프(203-1)에 의해 흡인한 액냉매를 공작물(W1)을 개재시켜 증발기(101-1)로 되돌리는 회로 구성의 1계통의 2차 온도 조정 회로가 되어 있다. 또한, 펌프(203-1)에서의 액냉매의 유출측의 배관에는 유량 검출 센서(F)가 설치되고, 이 유량 검출 센서(F)에서 검출된 액냉매의 유량은 기기 제어 유닛(CPU)에 입력되고, 기기 제어 유닛(CPU)이 부설(付設)되는 인버터(INV)를 구동하여 펌프(203-1)에서의 액냉매의 흡인량을 제어하도록 되어 있다. 이로써, 냉매 탱크(201-1) 내에서는, 액냉매가 로직(LG)에 의해 거의 일정량으로 유지되게 된다.

[0017]

냉매 사이클(200-2)에 대해서도 동일한 구성이며, 냉동 사이클(100)의 소정 개소에서 배관에 의해 바이패스 접속된 후 문장으로 상세하게 설명하는 바이패스 유로를 통하여 증발기(101-2) 내를 냉매가 순환하는 것 외에, 액냉매를 냉매 탱크(201-2)로 회수하고 축적하고, 또한 냉매 탱크(201-2)에 장착된 가열 장치(히터)(202-2)로 액냉매를 적절하게 가열하거나, 혹은 가열시키지 않고 냉매 탱크(201-2)로부터 펌프(203-2)에 의해 흡인한 액냉매를 공작물(W2)을 개재시켜 증발기(101-2)로 되돌리는 회로 구성의 별도 계통의 2차 온도 조정 회로가 되어 있다. 여기서도 펌프(203-2)에서의 액냉매의 유출측의 배관에는 유량 검출 센서(F)가 설치되고, 이 유량 검출 센서(F)에서 검출된 액냉매의 유량은 기기 제어 유닛(CPU)에 입력되고, 기기 제어 유닛(CPU)이 부설되는 인버터(INV)를 구동하여 펌프(203-2)에서의 액냉매의 흡인량을 제어하고, 냉매 탱크(201-2) 내에서는 액냉매가 로직(LG)에 의해 거의 일정량으로 유지된다. 그 외, 세부 구조를 대략적으로 도시하지만, 실용적으로는 증발기(101-1, 101-2)의 액냉매 토출측의 관과 냉매 탱크(201-1, 201-2)에 접속된 관에 대략적으로 도시한 밸브를 설치하여 공통의 배관에 접속한 후, 배액(排液) 처리용 드레인에 연결시켜 배액하는 구조를 채용하거나, 혹은 공작물(W1, W2)에서의 액냉매의 유입측의 배관과 유출측의 배관에 대략적으로 도시한 밸브를 설치하여 공작물(W1, W2)을 냉매 사이클(200-1, 200-2)의 국부(局部)에 배관 접속할 때의 액냉매 누출을 방지하는 구조를 채용하는 것이 바람직하다.

[0018]

또한, 냉매 사이클(200-1, 200-2)은, 증발기(101-1, 101-2)의 액냉매 토출측에서 가열 장치(202-1, 202-2)에 대한 액냉매 유입의 바로 앞쪽에 각각 설치되어 액냉매 온도를 검출하는 제2 온도 센서(T2-1, T2-2)를 가진다.

부가하여, 냉동 사이클(100)은, 전동식 압축기(102)의 냉매 흡입측으로서, 증발기(101-1)의 냉매 토출측에 설치되어 냉매 온도를 검출하기 위한 제3 온도 센서(T3)와, 전동식 압축기(102)의 냉매 흡입측의 제3 온도 센서(T3) 근방에 설치되어 냉매 압력을 검출하는 압력 센서(P)와, 증발기(101-1)의 냉매 흡입측에 개재 접속된 유량 조정용의 제1 냉매 공급용 전자 팽창 밸브(EV1-1)를 가진다. 덧붙여서 설명하면, 여기서의 제2 온도 센서(T2-1, T2-2)에 대해서도, 높은 검출 정밀도가 요구되므로 백금 저항띠체를 사용한 Pt 센서로 하는 것이 바람직하다. 또한, 제3 온도 센서(T3)에 대해서는, 제4 온도 센서(T4-1, T4-2)와 동일하게로 열전대를 사용한 열전대 센서로 하는 것이 바람직하다.

이상의 기능 구성은, 주지 기술을 적용하여 구체화할 수 있는 것이지만, 이하에서는 실시예에 따른 특징을 설명한다.

그 구조 상 특징은, 전술한 바이패스 유로이며, 구체적으로 말하면, 제2 냉매 사이클(200-2)에서의 증발기(101-2)의 냉매 토출측으로부터 냉동 사이클(100)에서의 증발기(101-1)의 냉매 토출측과 전동식 압축기(102)의 냉매 흡입측의 사이의 개소에 연결되는 제1 유로와, 제1 유로의 도중 개소로부터 유량 조정용의 고압 냉매용 전자 팽창 밸브(EV2)를 개재시켜 냉동 사이클(100)에 구비되는 응축기(103)의 냉매 흡입측과 전동식 압축기(102)의 냉매 토출측의 사이의 개소에 연결되는 제2 유로와, 제1 유로로부터 연장되어 유량 조정용의 인젝션용 전자 팽창 밸브(EV3)를 개재시켜 냉동 사이클(100)에서의 응축기(103)의 냉매 토출측과 증발기(101-1)의 냉매 흡입측의 사이에서의 냉매 공급용 전자 팽창 밸브(EV1-1)의 냉매 유입 바로 앞쪽의 개소에 연결되는 제3 유로와, 냉동 사이클(100)에서의 냉매 공급용 전자 팽창 밸브(EV1-1)의 냉매 유입 바로 앞쪽의 제3 유로보다 증발기(101-1)의 냉매 흡입측에 근접한 개소와 제2 냉매 사이클(200-2)에서의 증발기(101-2)의 냉매 흡입측에 유량 조정용의 제2 냉매 공급용 전자 팽창 밸브(EV1-2)를 개재 접속시켜 연결되는 제4 유로를 가지고 형성된다. 덧붙여서 설명하면, 이들 냉매 공급용 전자 팽창 밸브(EV1-1, EV1-2), 고압 냉매용 전자 팽창 밸브(EV2), 및 인젝션용 전자 팽창 밸브(EV3)에 대해서는, 모두 특허문헌 1에 개시되어 있는 스테핑 모터를 구비한, 동일한 구조의 전자 팽창 밸브를 적용시키는 것이 바람직하다.

또한, 이와 같은 바이패스 유로 구조를 전제로 하는 제어 상의 특징은, 전술한 기기 제어 유닛(CPU)의 처리 기능이 담당하는 것이다. 구체적으로 말하면, 제1 온도 센서(T1-1, T1-2)에서 각각 검출된 공작물 온도에 대하여 비례, 적분, 미분을 포함하는 PID 연산한 결과에 기초하여 생성한 제어 신호에 의해 냉매 사이클(200-1, 200-2)에서의 가열 장치(202-1, 202-2)에서의 각각의 가열량을 제어하고, 제2 온도 센서(T2-1, T2-2)에서 각각 검출된 액냉매 온도에 대하여 비례, 적분, 미분을 포함하는 PID 연산한 결과에 기초하여 생성한 펄스 신호에 의해 냉매 공급용 전자 팽창 밸브(EV1-1, EV1-2)에서의 개폐를 각각 제어하여 냉동 사이클(100)과 바이패스 유로에서의 냉매 유량을 제어하고, 압력 센서(P)에서 검출된 냉매 압력에 대하여 비례, 적분, 미분을 포함하는 PID 연산한 결과와 제3 온도 센서(T3)로 검출된 냉매 온도에 대하여 비례, 적분, 미분을 포함하는 PID 연산한 결과에 기초하여 생성한 펄스 신호에 의해 고압 냉매용 전자 팽창 밸브(EV2)의 개도를 일정(예를 들면, 전개(全開) 100%에 대하여 20%로 할 경우를 예시할 수 있음)하게 유지하여 바이패스 유로에서의 제2 유로로부터 제1 유로의 일부를 경유하여 냉동 사이클(100)의 전동식 압축기(102)의 냉매 흡입측으로 순환하는 고압 냉매 바이패스 조작 유량이 목표로 하는 소정값에 수속되도록, 인젝션용 전자 팽창 밸브(EV3)에서의 개도를 가변 설정하여 바이패스 유로 및 냉동 사이클(100)의 전체에서의 냉매 유량을 제어하고, 또한 전동식 압축기(102)를 구동하기 위하여 생성한 구동 제어 신호를 인버터(INV)에 출력하여 전동식 압축기(102)에서의 운전 주파수를 소정의 범위 내에서 제3 온도 센서(T3)에서 검출된 냉매 온도에 따라 가변 제어한다.

그 외에, 기기 제어 유닛(CPU)은, 냉매 사이클(200-1, 200-2)에서의 제1 온도 센서(T1-1, T1-2)와 제4 온도 센서(T4-1, T4-2)에 의해 각각 검출된 액냉매 온도의 차값에 기초하여 공작물(W1, W2) 측의 열부하량을 개별적으로 산출한 결과를 압력 센서(P)에서 검출된 냉매 압력에 기초하여 PID 연산한 결과 및 제3 온도 센서(T3)에서 검출된 냉매 온도에 기초하여 PID 연산한 결과에 각각 반영시켜 냉각 제어를 보정하는 피드 포워드 제어를 행한다. 구체적으로 말하면, 기기 제어 유닛(CPU)은, 인젝션용 전자 팽창 밸브(EV3)에서의 개도에 대하여, 열부하량을 산출한 결과에 따라 열부하가 있는 경우에는 열부하가 없는 경우보다 개도를 크게 하는 것 외에, 냉매 사이클(200-1, 200-2)에서의 가열 장치(202-1, 202-2)에서의 가열에 의한 공작물(W1, W2)로의 승온 동작 중보다 냉동 사이클(100)의 전동식 압축기(102)를 구동시켜서의 증발기(101-1, 101-2)에서의 열교환에 의한 공작물(W1, W2)로의 강온 동작 중에서의 인젝션용 전자 팽창 밸브(EV3)에서의 개도를 크게 한다.

도 2는, 실시예에 따른 칠러 장치에 구비되는 바이패스 유로를 중심으로 한 냉매의 흐름을 설명하기 위해 나타낸 주요부의 개략도이다.

도 2를 참조하면, 본 실시예에 따른 칠러 장치에 있어서, 전술한 바이패스 유로의 구조를 대상으로 한 기기 제어 유닛(CPU)에 의한 각종 제어를 실행하면, 냉동 사이클(100)의 전동식 압축기(102)에 의해 고압으로 압축된 냉매 가스(핫 가스라고 함)가 바이패스 유로의 제2 유로에서의 개도를 일정(20%)하게 유지한 고압 냉매용 전자 팽창 밸브(EV2)를 통과하고 제1 유로의 일부를 경유하여 냉동 사이클(100)의 전동식 압축기(102)의 냉매 흡입측으로 순환하는 모습을 나타내고 있다.

또한, 이 때 도 2 중의 점선 프레임 내에 나타낸 바와 같이 인젝션용 전자 팽창 밸브(EV3)에서의 개도가 가변 설정되고 응축기(103)로부터의 냉매 가스가 제3 유로를 경유하여 전동식 압축기(102)의 냉매 흡입측으로 흐르게 되지만, 그 개도의 설정은 전동식 압축기(102)의 성능에 의존하여 행해진다.

예를 들면, 전동식 압축기(102)의 기본 성능으로서, 120℃ 이하에서 토출 압력을 행하고, 흡입 압력이 -24℃에서 0.23MPa 이상인 사용 범위를 상정(想定)하고, 냉매 사이클(200-1)의 공작물(W1)로의 액냉매 공급의 목표값이 0℃ 이하에서 고압 냉매용 전자 팽창 밸브(EV2)에서의 전동식 압축기(102)에 대한 흡입 압력의 목표값이 -20℃에서 0.3MPa, 인젝션용 전자 팽창 밸브(EV3)에서의 전동식 압축기(102)에 대한 흡입 온도의 목표값이 -15℃, 냉매 사이클(200-1)의 공작물(W1)로의 액냉매 공급의 목표값이 0℃ 초과에서 고압 냉매용 전자 팽창 밸브(EV2)에서의 전동식 압축기(102)에 대한 흡입 압력의 목표값이 -10℃에서 0.47MPa, 인젝션용 전자 팽창 밸브(EV3)에서의 전동식 압축기(102)에 대한 흡입 온도의 목표값이 -5℃인 제어 조건을 가정한다.

이와 같은 제어 조건 하에서 칠러 장치가 운전 중에서 냉매 사이클(200-1)의 공작물(W1)로의 액냉매 공급의 목표값이 -10℃로 설정되고, 열부하가 없으면 고압 냉매용 전자 팽창 밸브(EV2)에서의 전동식 압축기(102)에 대한 흡입 압력이 0.30MPa, 고압 냉매용 전자 팽창 밸브(EV2)의 개도 20%, 인젝션용 전자 팽창 밸브(EV3)에서의 전동식 압축기(102)에 대한 흡입 온도가 -15℃, 인젝션용 전자 팽창 밸브(EV3)의 개도가 20%가 되는 경우를 예시할 수 있다. 또한, 칠러 장치가 운전 중에서 냉매 사이클(200-1)의 공작물(W1)로의 액냉매 공급의 목표값이 -10℃로 설정되고, 열부하가 있으면 고압 냉매용 전자 팽창 밸브(EV2)에서의 전동식 압축기(102)에 대한 흡입 압력이 0.30MPa, 고압 냉매용 전자 팽창 밸브(EV2)의 개도 20%, 인젝션용 전자 팽창 밸브(EV3)에서의 전동식 압축기(102)에 대한 흡입 온도가 -15℃, 인젝션용 전자 팽창 밸브(EV3)의 개도가 50%가 되는 경우를 예시할 수 있다. 또한, 칠러 장치가 운전 중에서 냉매 사이클(200-1)의 공작물(W1)로의 액냉매 공급의 목표값이 0℃이상에 설정되고, 열부하가 없으면 고압 냉매용 전자 팽창 밸브(EV2)에서의 전동식 압축기(102)에 대한 흡입 압력이 0.47MPa, 고압 냉매용 전자 팽창 밸브(EV2)의 개도 20%, 인젝션용 전자 팽창 밸브(EV3)에서의 전동식 압축기(102)에 대한 흡입 온도가 -5℃, 인젝션용 전자 팽창 밸브(EV3)의 개도가 20%이 될 경우를 예시할 수 있다. 또한, 칠러 장치가 운전 중에서 냉매 사이클(200-1)의 공작물(W1)로의 액냉매 공급의 목표값이 0℃ 이상으로 설정되고, 열부하가 없으면 고압 냉매용 전자 팽창 밸브(EV2)에서의 전동식 압축기(102)에 대한 흡입 압력이 0.47MPa, 고압 냉매용 전자 팽창 밸브(EV2)의 개도 20%, 인젝션용 전자 팽창 밸브(EV3)에서의 전동식 압축기(102)에 대한 흡입 온도가 -5℃, 인젝션용 전자 팽창 밸브(EV3)의 개도가 50%가 되는 경우를 예시할 수 있다. 그 외, 칠러 장치가 냉매 사이클(200-1)에서의 가열 장치(202-1)에서의 가열에 의한 공작물(W1)로의 승온 동작 중에서 액냉매 공급의 목표값이 -10℃로부터 +100℃로 설정되면, 고압 냉매용 전자 팽창 밸브(EV2)에서의 전동식 압축기(102)에 대한 흡입 압력이 0.47MPa, 고압 냉매용 전자 팽창 밸브(EV2)의 개도 20%, 인젝션용 전자 팽창 밸브(EV3)에서의 전동식 압축기(102)에 대한 흡입 온도가 -5℃, 인젝션용 전자 팽창 밸브(EV3)의 개도가 20%가 되는 경우를 예시할 수 있다. 이것에 대하여, 반대로 칠러 장치가 냉동 사이클(100)의 전동식 압축기(102)를 구동시켜서의 증발기(101-1)에서의 열교환에 의한 공작물(W1)로의 강온 동작 중에서 액냉매 공급의 목표값이 +100℃로부터 -10℃로 설정되면, 고압 냉매용 전자 팽창 밸브(EV2)에서의 전동식 압축기(102)에 대한 흡입 압력이 0.47MPa, 고압 냉매용 전자 팽창 밸브(EV2)의 개도 20%, 인젝션용 전자 팽창 밸브(EV3)에서의 전동식 압축기(102)에 대한 흡입 온도가 -15℃, 인젝션용 전자 팽창 밸브(EV3)의 개도가 50%가 되는 경우를 예시할 수 있다.

요컨대, 고압 냉매용 전자 팽창 밸브(EV2)의 역할은, 전동식 압축기(102)에 대한 흡입 압력이 0.3MPa가 되도록, 전동식 압축기(102)에 의해 고압으로 압축된 냉매 가스를 전동식 압축기(102)의 냉매 흡입측에 합류시켜 압력을 상승시키는 점에 있다. 고압 냉매 바이패스 조작 유량이 많으면 전동식 압축기(102)가 그만큼, 헛되이 움직이는 것이 되므로, 필요 최소한의 냉각 능력이 되도록 고압 냉매용 전자 팽창 밸브(EV2)의 개도가 20%가 되도록 전동식 압축기(102)에서의 운전 주파수를 가변 제어하고, 어떠한 조작 조건 하에서도 최적인 에너지 절약 운전을 실시할 수 있도록 한다. 인젝션용 전자 팽창 밸브(EV3)의 역할은, 전동식 압축기(102)에 대한 흡입 온도가 항상 일정하게 되도록, 전동식 압축기(102)에 의해 고압으로 압축된 냉매 가스를 전동식 압축기(102)의 냉매 흡입측에 합류시켜 온도를 상승시키는 점에 있다. 다만, 전동식 압축기(102)에 대한 흡입 압력이나 흡입 온도는 사용 환경 조건에 의해 변하므로, 거기에 따라 목표값이 변경되게 된다. 예를 들면, 전동식 압축기(102)에 대한 흡입 온도의 목표값은 +5℃ 정도까지 변경되는 경우를 예시할 수 있다.

또한, 도 2 중에 나타내는 냉동 사이클(100)에서의 증발기(101-1)의 냉매 흡입측의 냉매 공급용 전자 팽창 밸브(EV1-1)의 역할은, 응축기(103)로부터 증발기(101-1)로 흐르는 냉매의 유량을 조절하고, 증발기(101-1)에서의 열교환에 의해 냉매 사이클(200-1)을 순환하는 액냉매를 적절하게 냉각시키는 점에 있다. 또한, 냉동 사이클(100)에서의 바이패스 유로의 제4 유로 중에 개재 접속된 냉매 공급용 전자 팽창 밸브(EV1-2)의 역할도 동일하여, 응축기(103)로부터 증발기(101-2)로 흐르는 냉매의 유량을 조절하고, 증발기(101-2)에서의 열교환에 의해 냉매 사이클(200-2)을 순환하는 액냉매를 적절하게 냉각시키는 점에 있다. 어느 냉매 공급용 전자 팽창 밸브(EV1-1, EV-2)에 대해서도, 유량 조정에 의해 증발기(101-1, 101-2)에서의 열교환으로 냉매 사이클(200-1, 200-2)의 액냉매를 2℃ 정도 냉각시킬 수 있다. 특히, 제4 유로 중의 냉매 공급용 전자 팽창 밸브(EV1-2)에 대해서는, 냉동 사이클(100)에서의 증발기(101-1)에서의 열교환 기능에는 관여하지 않고, 전술한 바이패스 유로의 구성을 전제로 한 기기 제어 유닛(CPU)에서 제2 유로 중의 고압 냉매용 전자 팽창 밸브(EV2)의 개도를 일정하게 해서의 제3 유로 중의 인젝션용 전자 팽창 밸브(EV3)의 개도를 가변 설정으로 하는 냉동 사이클(100) 및 바이패스 유로에서의 냉매의 흐름 조절이 실시됨으로써, 증발기(101-2)에서의 냉각 기능을 의도적으로 저하시켜 듀얼 구성의 냉매 사이클(200-1, 200-2)에서 상이한 보온 범위 조건의 공작물(W1, W2)을 동시에 고정밀도로 보온 제어할 수 있는 기능을 달성하기 위한 보조적인 역할을 담당하고 있다.

도 3은, 실시예에 따른 칠러 장치에 구비되는 제어 장치로서의 기기 제어 유닛(CPU)에 의한 바이패스 유로에서의 제2 유로 및 제1 유로의 일부를 흘러 냉동 사이클(100)의 전동식 압축기(102)의 냉매 흡입측으로 순환하는 고압 냉매 바이패스 조작 유량에 따른 전동식 압축기(102)에서의 운전 주파수의 가변 제어를 설명하기 위해 나타낸 경과 시간에 대한 고압 냉매 바이패스 조작 유량-압축기 운전 주파수 특성을 대비하여 나타낸 모식도이다.

도 3을 참조하면, 여기서는 기기 제어 유닛(CPU)에 의해 바이패스 유로에서의 제2 유로 및 제1 유로의 일부를 흘러서 냉동 사이클(100)의 전동식 압축기(102)의 냉매 흡입측으로 순환하는 고압 냉매 바이패스 조작 유량에 대하여, 특성 상의 일례로서 실선으로 나타내는 측정값을 목표값의 20%와 비교하여 목표값 20%에 수속되도록, 제3 온도 센서(T3)로부터의 냉매 온도, 및 압력 센서(P)로부터의 냉매 압력을 PID 연산한 결과에 기초하여 생성한 구동 제어 신호를 인버터(INV)에 출력하고, 전동식 압축기(102)에서의 운전 주파수를 유량 0%∼100%에 대응하는 7Hz∼140Hz의 주파수 범위 내에서 냉매 온도에 따라 가변 제어하는 것을 나타내고, 이 때 제2 유로 중의 고압 냉매용 전자 팽창 밸브(EV2)의 개도를 20%로 유지하고 제3 유로 중의 인젝션용 전자 팽창 밸브(EV3)의 개도를 가변 설정한다. 여기서는 고압 냉매 바이패스 조작 유량의 측정값과 목표값의 차값에 대하여, 이동 평균을 행하여 변화량을 완만하게 하는 처리를 행하게 되지만, 예시한 목표값 20%나 구동 제어 신호의 주파수 범위 7Hz∼140Hz는 사용 조건에 따라 가변시키는 것이 가능하다.

실시예에 따른 칠러 장치에 의하면, 공작물(W1)이 접속되는 냉매 사이클(200-1)의 증발기(101-1)를 공용하는 냉동 사이클(100)에 접속된 제1 유로∼ 제4 유로에 의한 바이패스 유로를 통과하여 공작물(W2)이 접속되는 냉매 사이클(200-2)의 증발기(101-2)에 제4 유로 중에 개재 접속된 냉매 공급용 전자 팽창 밸브(EV1-2)의 개도를 제어하여 냉각 저하된 냉매를 흐르게 할 때, 기기 제어 유닛(CPU)이 냉매 사이클(200-1, 200-2)에서의 제1 온도 센서(T1-1, T1-2)에서 검출된 액냉매 온도를 PID 연산한 결과에 기초하여 생성한 제어 신호에 의해 가열 장치(202-1, 202-2)에서의 가열량을 제어하고, 또한 제2 온도 센서(T2-1, T2-2)에서 검출된 액냉매 온도를 PID 연산한 결과에 기초하여 생성한 펄스 신호에 의해 냉동 사이클(100)의 증발기(101-1)의 냉매 흡입측의 냉매 공급용 전자 팽창 밸브(EV1-1)의 개도, 및 제4 유로 중에 개재 접속된 냉매 공급용 전자 팽창 밸브(EV1-2)의 개도를 제어하고, 또한 냉동 사이클(100)에서의 압력 센서(P)에서의 냉매 압력, 제3 온도 센서(T3)에서의 냉매 온도를 PID 연산한 결과에 기초하여 생성한 펄스 신호에 의해 제2 유로의 고압 냉매용 전자 팽창 밸브(EV2)의 개도를 일정하게 하여 거기에서 제1 유로의 일부를 경유하여 전동식 압축기(102)로 순환하는 고압 냉매 바이패스 조작 유량이 목표값에 수속되도록, 제3 유로 인젝션용 전자 팽창 밸브(EV3)에서의 개도를 가변 설정하고, 구동 제어 신호를 출력하여 압축기(102)에서의 운전 주파수를 소정의 범위 내에서 냉매 온도에 따라 가변 제어하므로, 염가의 구성으로 냉각 성능이 손상되지 않고 전동식 압축기(102)에 과부하를 걸지 않고, 상이한 보온 범위 조건의 공작물(W1, W2)을 동시에 고정밀도로 보온 제어할 수 있다. 그 결과, 예를 들면, 제1 냉매 사이클(200-1)에 접속되는 공작물(W1)을 반도체 에칭 장치에서의 하부 전극에 대한 보온용으로 하고, 또한 제2 냉매 사이클(200-2)에 접속되는 공작물(W2)을 반도체 에칭 장치에서의 상부 전극에 대한 보온용으로서 적용하면, 타겟으로의 반도체 에칭을 온도를 불균일하게 하지 않고 고정밀도로 행할 수 있게 된다.

도 4는, 실시예에 따른 칠러 장치에서의 냉각 성능을 설명하기 위해 나타내는 몰리에 선도이다. 다만, 실시예에 따른 칠러 장치에서의 냉동 사이클(100) 및 바이패스 유로를 순환시키는 냉매에는, 고효율의 프레온 가스(R410A)를 사용한 경우를 상정하고 있다.

도 4를 참조하면, 실시예에 따른 칠러 장치는, 압력(p)[MPa]과 비(比)엔탈피(h)[kJ/kg]의 관계로 나타내는 몰리에 선도 상의 냉동 사이클에 있어서, 점(A)으로부터 점(B)의 사이는 전동식 압축기(102)에서의 냉매의 변화 상태를 나타내고, 점(B)으로부터 점(C)의 사이는 응축기(103)에서의 냉매의 변화 상태를 나타내고, 점(C)으로부터 점(D)의 사이는 팽창판에서의 냉매의 변화 상태를 나타내고, 점(D)으로부터 점(A)은 증발기(101-1)에서의 냉매의 변화 상태를 나타내고, 점(B)에 대한 압축 직후의 비엔탈피(h)는 h3=470kJ/kg이 되고, 점(A)에 대한 열교환 직후의 비엔탈피(h)는 h2=420kJ/kg이 되고, 점(C) 내지 점(D)에 대한 응축 후의 팽창에서의 비엔탈피(h)는 h1=255kJ/kg이 되는 것을 알았다.

전술한 결과에 기초하여 냉각 성능을 해석하면, 냉동 효과를 나타낸 h2 - h1이 420-255 = 165kJ/kg이며, 냉각측 순환 유량이 174kg/시간이면, 이들 값을 곱셈하고 초당으로 나눗셈하는 계산 결과로 제공되며, 냉각 성능은 165×174/3600 = 8kW가 되는 것을 알았다. 또한, 가열 성능을 해석하면, 고압의 압축 냉매 가스를 나타내는 h3 - h2이 470-420 = 50kJ/kg이며, 바이패스 순환 유량이 50kg/시간이면, 이들 값을 곱셈하고 초당으로 나눗셈하는 계산 결과로 제공되며, 가열 성능은 50×50/3600 = 0.7kW가 되는 것을 알았다. 덧붙여서 설명하면, 특허문헌 1에 따른 칠러 장치는 전동식 압축기에 의해 고압으로 압축된 냉매 가스가 증발기의 냉매 흡입측으로 되돌려지는 바이패스 유로를 가지기 때문에, 전술한 가열 성능분의 가열량이 빼지게 되어, 냉각 성능이 8-0.7 = 7.3kW가 된다. 이에 비해, 실시예에 따른 칠러 장치로는, 증발기(101-1)의 냉매 토출측으로 되돌려지는 바이패스 유로를 가지기 때문에, 8kW의 냉각 능력에서의 사용이 가능하게 된다. 즉, 실시예에 따른 칠러 장치로는, 냉동 사이클(100)에서의 전동식 압축기(102)에 의해 고압으로 압축된 냉매 가스가 증발기(101-1)로 흘러들지 않으므로, 냉동 효과를 100% 사용할 수 있고, 여분으로 냉매를 흐르게 할 필요가 없어지므로, 실시예에 따른 칠러 장치는 특허문헌 1에 관한 칠러 장치와 비교하면, 결과적으로 약 10%∼15%의 에너지 절약 효과가 구현된다.

그리고, 실시예에 따른 칠러 장치에서는, 기기 제어 유닛(CPU)이 냉동 사이클(100) 내에 설치된 제3 온도 센서(T3)의 냉매 온도, 및 압력 센서(P)에서 검출된 냉매 압력을 PID 연산한 결과에 기초하여 생성한 구동 제어 신호를 인버터(INV)로 출력하여 전동식 압축기(102)의 운전 주파수를 소정의 범위 내에서 제3 온도 센서(T3)에서 검출된 냉매 온도에 따라 가변 제어하는 기능을 설명하였으나, 구동 제어 신호를 생성하기 위한 PID 연산에 대해서는 특허문헌 1에서 설명되어 있는 바와 같이 사용자에 의한 설정 온도와 제1 온도 센서(T1-1, T1-2)에서 검출된 공작물 온도와의 온도차가 적은 보온 설정 시에 냉매 사이클(200-1, 200-2) 내에 설치된 제2 온도 센서(T2-1, T2-2)에서 검출된 액냉매 온도를 대상으로 하여 구동 제어 신호를 생성하고, 전동식 압축기(102)의 운전 주파수를 소정의 범위 내에서 제1 온도 센서(T1-1, T1-2)에서 검출된 공작물 온도에 따라 가변 제어하는 기능을 가지게 하는 것도 가능하므로, 본 발명의 칠러 장치는 실시예에서 설명한 형태로 한정되지 않는다. 다만, 본 발명의 칠러 장치는, 전술한 바와 같이 2계통의 냉매 사이클(200-1, 200-2)을 가지게 하고, 냉동 사이클(100)의 냉각 성능을 손상하지 않고 바이패스 유로를 활용하여 냉매 유량을 제어함으로써 냉각 성능을 향상시키는 동시에, 에너지 절약화를 도모하는 것을 기술적 요지로 하고 있으므로, 실시예에서 설명한 바와 같이 자(自) 사이클 내가 되는 냉동 사이클(100) 내의 제3 온도 센서(T3)의 냉매 온도, 및 압력 센서(P)에서 검출된 냉매 압력을 PID 연산하여 구동 제어 신호를 생성하는 것이 추종성이나 적확성의 점에서 유리하다고 할 수 있다.

100: 냉동 사이클
101-1, 101-2: 증발기(열교환기)
102: 전동식 압축기
103: 응축기
200-1, 200-2: 냉매 사이클
201-1, 201-2: 냉매 탱크
202-1, 202-2: 가열 장치(히터)
203-1, 203-2: 펌프
300: 냉각 회로
EV1-1, EV1-2: 냉매 공급용 전자 팽창 밸브
EV2: 고압 냉매용 전자 팽창 밸브
EV3: 인젝션용 전자 팽창 밸브
F: 유량 검출 센서
P: 압력 센서
T1-1, T1-2: 제1 온도 센서
T2-1, T2-2: 제2 온도 센서
T3: 제3 온도 센서
T4-1, T4-2: 제4 온도 센서

Claims

냉각용의 냉매가 순환하는 냉동 사이클과, 상기 냉동 사이클에 구비되는 제1 증발기를 공용하여 가열용의 액냉매가 순환하는 제1 냉매 사이클과, 상기 냉동 사이클의 소정 개소(箇所)에서 배관에 의해 바이패스 접속된 바이패스 유로(流路)를 통하여 상기 제1 증발기와는 별체의 제2 증발기 내를 상기 냉매가 순환하고, 또한 별도 계통으로 가열용의 액냉매가 순환하는 제2 냉매 사이클과, 상기 제1 냉매 사이클과 상기 제2 냉매 사이클에 각각 개재(介在) 접속되어 보온 대상이 되는 각종 고객 장치를 공작물로 하여, 사용자를 위하여 소정의 온도 범위에서의 선택적인 온도 설정에 제공되고, 또한 상기 냉동 사이클에 구비되는 전동식 압축기의 회전수, 및 상기 제1 냉매 사이클과 상기 제2 냉매 사이클을 순환하는 상기 액냉매에 대한 가열용의 가열 장치에서의 가열 온도를, 사용자에 의해 설정된 설정 온도와 상기 제1 냉매 사이클 및 상기 제2 냉매 사이클의 상기 공작물 측에 근접한 개소에 설치된 제1 온도 센서에 의해 각각 검출된 공작물 온도와의 온도차에 따라 제어하는 제어 장치를 포함하는 칠러 장치(chiller device)에 있어서,
상기 제1 냉매 사이클과 상기 제2 냉매 사이클은, 상기 제1 증발기와 상기 제2 증발기의 냉매 토출측에서 상기 가열 장치에 대한 액냉매 유입의 바로 앞쪽에 각각 설치되어 액냉매 온도를 검출하는 제2 온도 센서와, 상기 제1 증발기와 상기 제2 증발기의 냉매 흡입측에서 상기 공작물에 대한 액냉매 유출측에 각각 설치되어 액냉매 온도를 검출하는 제4 온도 센서를 구비하고,
상기 냉동 사이클은, 상기 전동식 압축기의 냉매 흡입측으로서, 상기 제1 증발기의 냉매 토출측에 설치되어 냉매 온도를 검출하기 위한 제3 온도 센서와, 상기 전동식 압축기의 냉매 흡입측의 상기 제3 온도 센서 근방에 설치되어 냉매 압력을 검출하는 압력 센서와, 상기 제1 증발기의 냉매 흡입측에 개재 접속된 유량 조정용의 제1 냉매 공급용 전자 팽창 밸브를 구비하고,
상기 바이패스 유로는, 상기 제2 냉매 사이클에서의 상기 제2 증발기의 냉매 토출측으로부터 상기 냉동 사이클에서의 상기 제1 증발기의 냉매 토출측과 상기 전동식 압축기의 냉매 흡입측의 사이의 개소에 연결되는 제1 유로와, 상기 제1 유로의 도중 개소로부터 유량 조정용의 고압 냉매용 전자 팽창 밸브를 개재시키고 상기 냉동 사이클에 구비되는 응축기의 냉매 흡입측과 상기 전동식 압축기의 냉매 토출측의 사이의 개소에 연결되는 제2 유로와, 상기 제1 유로로부터 연장되어 유량 조정용의 인젝션용 전자 팽창 밸브를 개재시키고 상기 냉동 사이클에서의 상기 응축기의 냉매 토출측과 상기 제1 증발기의 냉매 흡입측의 사이에서의 상기 제1 냉매 공급용 전자 팽창 밸브의 냉매 유입 바로 앞쪽의 개소에 연결되는 제3 유로와, 상기 냉동 사이클에서의 상기 제1 냉매 공급용 전자 팽창 밸브의 냉매 유입 바로 앞쪽의 상기 제3 유로보다 상기 제1 증발기의 냉매 흡입측에 근접한 개소와 상기 제2 냉매 사이클에서의 상기 제2 증발기의 냉매 흡입측에 유량 조정용의 제2 냉매 공급용 전자 팽창 밸브를 개재 접속시켜 연결되는 제4 유로를 구비하여 형성되고,
상기 제어 장치는, 상기 제1 온도 센서에서 각각 검출된 상기 공작물 온도에 대하여 비례, 적분, 미분을 포함하는 PID 연산한 결과에 기초하여 생성한 제어 신호에 의해 상기 제1 냉매 사이클과 상기 제2 냉매 사이클에서의 상기 가열 장치에서의 각각의 가열량을 제어하고, 상기 제2 온도 센서에서 각각 검출된 상기 액냉매 온도에 대하여 비례, 적분, 미분을 포함하는 PID 연산한 결과에 기초하여 생성한 펄스 신호에 의해 상기 제1 냉매 공급용 전자 팽창 밸브와 상기 제2 냉매 공급용 전자 팽창 밸브에서의 개폐를 각각 제어하여 상기 냉동 사이클과 상기 바이패스 유로에서의 냉매 유량을 제어하고, 상기 압력 센서에 의해 검출된 상기 냉매 압력에 대하여 비례, 적분, 미분을 포함하는 PID 연산한 결과와 상기 제3 온도 센서에 의해 검출된 상기 냉매 온도에 대하여 비례, 적분, 미분을 포함하는 PID 연산한 결과에 기초하여 생성한 펄스 신호에 의해 상기 고압 냉매용 전자 팽창 밸브의 개도(開度)를 일정하게 유지하여 상기 바이패스 유로에서의 상기 제2 유로로부터 상기 제1 유로의 일부를 경유하여 상기 냉동 사이클의 상기 전동식 압축기의 냉매 흡입측으로 순환하는 고압 냉매 바이패스 조작 유량이 목표로 하는 소정값에 수속(收束)되도록, 상기 인젝션용 전자 팽창 밸브에서의 개도를 가변 설정하여 상기 바이패스 유로 및 상기 냉동 사이클의 전체에서의 냉매 유량을 제어하고, 또한 상기 전동식 압축기를 구동하기 위하여 생성한 구동 제어 신호를 인버터에 출력하여 상기 전동식 압축기에서의 운전 주파수를 소정의 범위 내에서 상기 냉매 온도에 따라 가변 제어하는,
칠러 장치.
제1항에 있어서,
상기 제어 장치는, 상기 제1 냉매 사이클과 상기 제2 냉매 사이클에서의 상기 제1 온도 센서와 상기 제4 온도 센서에 의해 각각 검출된 상기 액냉매 온도의 차값에 기초하여 상기 공작물 측의 열부하량을 개별적으로 산출한 결과를 상기 압력 센서에 의해 검출된 상기 냉매 압력에 기초하여 상기 PID 연산한 결과 및 상기 제3 온도 센서에 의해 검출된 상기 냉매 온도에 기초하여 상기 PID 연산한 결과에 각각 반영시켜 냉각 제어를 보정하는 피드 포워드(feed forward) 제어를 행하는, 칠러 장치.
제2항에 있어서,
상기 제어 장치는, 상기 인젝션용 전자 팽창 밸브에서의 개도에 대하여, 상기 열부하량을 산출한 결과에 따라 열부하가 있는 경우에는 열부하가 없는 경우보다 개도를 크게 하는, 칠러 장치.
제2항에 있어서,
상기 제어 장치는, 상기 제1 냉매 사이클과 상기 제2 냉매 사이클에서의 상기 가열 장치에서의 가열에 의한 상기 공작물로의 승온(昇溫) 동작 중보다 상기 냉동 사이클의 상기 전동식 압축기를 구동시켜서의 상기 제1 증발기에서의 열교환에 의한 상기 공작물로의 강온(降溫) 동작 중에서의 상기 인젝션용 전자 팽창 밸브에서의 개도를 크게 하는, 칠러 장치.
제3항에 있어서,
상기 제어 장치는, 상기 제1 냉매 사이클과 상기 제2 냉매 사이클에서의 상기 가열 장치로의 가열에 의한 상기 공작물로의 승온 동작 중보다 상기 냉동 사이클의 상기 전동식 압축기를 구동시켜서의 상기 제1 증발기에서의 열교환에 의한 상기 공작물로의 강온 동작 중에서의 상기 인젝션용 전자 팽창 밸브에서의 개도를 크게 하는, 칠러 장치.
제1항에 있어서,
상기 제1 온도 센서 및 상기 제2 온도 센서는, 백금 저항띠체(抵抗帶體)를 사용한 Pt 센서이며, 상기 제3 온도 센서 및 상기 제4 온도 센서는, 열전대를 사용한 열전대 센서인, 칠러 장치.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 칠러 장치에서의 상기 제1 냉매 사이클에 접속되는 상기 공작물을 반도체 에칭 장치에서의 하부 전극에 대한 보온용으로 하고, 상기 제2 냉매 사이클에 접속되는 상기 공작물을 상기 반도체 에칭 장치에서의 상부 전극에 대한 보온용으로 하는,
칠러 장치.