TWI646292B - Cooling device - Google Patents

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TWI646292B
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細井史幸
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伸和控制工業股份有限公司
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Abstract

提供具有可以藉低廉的構造不損及冷卻性能且不使壓縮機超載，同時將不同保溫範圍條件的工件進行高精度保溫控制的功能的致冷裝置。
在該裝置中，為了將冷卻降低的冷媒通過共用工件(W1)連接的第1冷媒循環(200-1)的蒸發器(101-1)的冷凍循環(100)所連接的第1流路至第4流路的旁通流路而往工件(W2)連接的第2冷媒循環(200-2)的蒸發器(101-2)流通時，藉由CPU依據將循環(100)的感測器(P)上的冷媒壓力、感測器(T3)上的冷媒溫度進行PID演算的結果所生成的脈衝訊號來將第2流路的閥(EV2)的開度形成固定而使從此經由第1流路的一部分往電動式壓縮機(102)循環的冷媒流量收斂成目標值，因此將在第3流路的閥(EV3)的開度予以可變設定，且將驅動控制訊號輸出而將在壓縮機(102)的運作頻率在固定的範圍內進行可變控制。

Description

致冷裝置
本發明是涉及以成為保溫對象的各種顧客裝置作為工件，使用者在既定的溫度範圍(例如-10℃~100℃)選擇性設定溫度而進行保溫用的致冷裝置，詳細來說是有關於具有對應於設定溫度和工件溫度的溫度差而將冷卻用的冷凍循環上具備的電動式壓縮機的轉數和加熱用的冷媒循環上具備的加熱裝置的加熱溫度以控制裝置進行控制的功能的致冷裝置。
以往，在此種的致冷裝置，作為由本發明申請人提案的單一類型，可舉出在設定溫度接近於工件溫度的溫度差(例如5℃~10℃)較少的保溫設定時，特別是在冷凍循環中的蒸發器的冷媒吸入側和冷媒吐出側的冷媒溫度差幾乎沒有的狀態，改善儘管不須要將冷媒流往蒸發器但電動式壓縮機仍持續動作的構造以及功能的「致冷裝置」(參照專利文獻1)。
[先前技術文獻] [專利文獻]
專利文獻1 日本特許第5721875號公報
上述專利文獻1所涉及的致冷裝置是將電動式壓縮機適用於冷凍循環，冷媒使用高效率的氟氯烷氣體(R410A等)時比以前的製品更能提昇冷凍功能，將冷媒循環的液體冷媒(因為實際使用上是使被稱為鹽水的熱媒進行循環，所以冷媒循環也可以稱為鹽水供給回路)以蒸發器進行冷卻而有效地進行熱交換，作為基本功能進行因應於熱負荷的電動式壓縮機的旋轉控制，並且實現對於將冷卻暨加熱形成為二階段的顧客裝置(工件)的高精度的保溫控制。
然而，專利文獻1所涉及的致冷裝置的情況中，因為在基本構造上是以被稱為單一類型的1系統的冷凍循環和1系統的冷媒循環來共有一台的蒸發器，且可以在冷媒循環側將顧客裝置的一個工件保溫的規格，所以有難以對應顧客裝置是例如半導體蝕刻裝置的情況般同時要求不同的保溫範圍條件的使用目的的問題。
因此，雖然設想將冷媒循環側形成多段作為複數系統，可以藉各系統分別將工件個別連接般的構造的應用，但實際上即使將包含蒸發器的冷媒循環單純地形成多段構造仍會造成使用配管的旁通流路而冷媒的引導及流量控制變得複雜，而且損害相當於藉增設的蒸發器來將液 體冷媒予以冷卻的分量的冷凍循環之冷卻性能，並且因為電動壓縮機的旋轉控制上也提高熱負荷增加分量的負擔，所以難以簡易改造。因而，雖然期望具有可以藉低廉的構造不損及冷卻性能且不使壓縮機超載，同時將不同的保溫範圍條件的顧客裝置進行高精度保溫控制的功能的致冷裝置的產品化，但現階段仍未實現。
本發明是為了解決如此般的問題點所發明，其技術的課題是在於提供：具有可以藉低廉的構造不損及冷卻性能且不使壓縮機超載，同時將不同的保溫範圍條件的工件高精度保溫控制的功能的致冷裝置。
為了達成上述技術的課題，所以本發明的一個形態是一種致冷裝置，其係具備：冷凍循環，其係冷卻用的冷媒進行循環；第1冷媒循環，其係共用冷凍循環中具備的第1蒸發器且加熱用的液體冷媒進行循環；第2冷媒循環，其係冷媒通過在冷凍循環的既定部位藉由配管旁通連接的旁通流路而在與第1蒸發器不同的第2蒸發器內進行循環，並且加熱用的液體冷媒在別的系統進行循環；以及控制裝置，其係分別中介連接於第1冷媒循環和第2冷媒循環而將保溫對象的各種客戶設備作為工件，適合使用者在既定的溫度範圍的選擇性溫度設定下提供，並且將冷凍循環中具備的電動式壓縮機的轉數，和對於在該第1冷媒循環和該第2冷媒循環進行循環的液體冷媒的加熱用 的加熱裝置上的加熱溫度，按照由使用者所設定的設定溫度以及分別藉由設置在該第1冷媒循環和該第2冷媒循環的靠該工件側部位的第1溫度感測器檢測的工件溫度的溫度差進行控制，其特徵為：第1冷媒循環和第2冷媒循環，其係具有：第2溫度感測器，其係在第1蒸發器和第2蒸發器的冷媒吐出側分別設置在相對於加熱裝置的液體冷媒流入的近側而檢測液體冷媒溫度；以及第4溫度感測器，其係在第1蒸發器和第2蒸發器的冷媒吸入側分別設置在相對於工件的液體冷媒流出側而檢測液體冷媒溫度，冷凍循環，其係具有：第3溫度感測器，其係在電動式壓縮機的冷媒吸入側，且設置在第1蒸發器的冷媒吐出側來檢測冷媒溫度；壓力感測器，其係設置在電動式壓縮機的冷媒吸入側的第3溫度感測器附近來檢測冷媒壓力；以及第1冷媒供給用電子膨脹閥，其係流量調整用而中介連接於第1蒸發器的冷媒吸入側，旁通流路，其係形成具有：第1流路，其係銜接於從第2冷媒循環之第2蒸發器的冷媒吐出側到冷凍循環之第1蒸發器的冷媒吐出側和前述電動式壓縮機的冷媒吸入側之間的部位；第2流路，其係從第1流路的途中部位到使流量調整用的高壓冷媒用電子膨脹閥介於其中而銜接於冷凍循環中的冷凝器的冷媒吸入側和電動式壓縮機的冷媒吐出側之間的部位；第3流路，其係從第1流路延伸且使流量調整用的噴射用電子膨脹閥介於其中而銜接於冷凍循環之冷凝器的冷媒吐出側和第1蒸發器的冷媒吸入側之間的第1冷媒供給用電子膨脹閥的冷 媒流入近側的部位；以及第4流路，其係使流量調整用的第2冷媒供給用電子膨脹閥中介連接於比冷凍循環之第1冷媒供給用電子膨脹閥的冷媒流入近側的第3流路更靠第1蒸發器的冷媒吸入側的部位和第2冷媒循環之第2蒸發器的冷媒吸入側來銜接，控制裝置，為了藉由針對以第1溫度感測器分別檢測的工件溫度依據進行包含比例、積分、微分的PID演算的結果所生成的控制訊號來控制在第1冷媒循環和第2冷媒循環之加熱裝置上的各個加熱量，藉由針對以第2溫度感測器分別檢測的液體冷媒溫度依據進行包含比例、積分、微分的PID演算的結果所生成的脈衝訊號分別控制第1冷媒供給用電子膨脹閥和第2冷媒供給用電子膨脹閥的開閉而控制冷凍循環和旁通流路之冷媒流量，藉由依據針對以壓力感測器檢測的冷媒壓力進行包含比例、積分、微分的PID演算的結果和針對以第3溫度感測器檢測的冷媒溫度進行包含比例、積分、微分的PID演算的結果所生成的脈衝訊號來將高壓冷媒用電子膨脹閥的開度維持固定且將從該旁通流路之第2流路經由第1流路的一部分往該冷凍循環的電動式壓縮機的冷媒吸入側循環的高壓冷媒旁通操作流量收斂成目標的既定值，將在噴射用電子膨脹閥上的開度予以可變設定來將該旁通流路及該冷凍循環的整體上的冷媒流量進行控制，並且將用來驅動該電動式壓縮機所生成的驅動控制訊號輸出於反向器而將該電動式壓縮機上的運作頻率在既定的範圍內依據該冷媒溫度進行可變控制。
依據本發明的致冷裝置，藉由上述構造，取得具有可以藉低廉的構造不損及冷卻性能且不使壓縮機超載，同時將不同保溫範圍條件的工件進行高精度保溫控制的功能。上述以外的課題、構造以及效果是藉由以下的實施方式的說明來揭示。
100‧‧‧冷凍循環
101-1、101-2‧‧‧蒸發器(熱交換器)
102‧‧‧電動式壓縮機
103‧‧‧冷凝器
200-1‧‧‧第1冷媒循環
200-2‧‧‧第2冷媒循環
201-1、201-2‧‧‧冷媒槽
202-1、202-2‧‧‧加熱裝置(加熱器)
203-1、203-2‧‧‧泵浦
300‧‧‧冷卻回路
EV1-1、EV1-2‧‧‧冷媒供給用電子膨脹閥
EV2‧‧‧高壓冷媒用電子膨脹閥
EV3‧‧‧噴射用電子膨脹閥
F‧‧‧流量檢測感測器
P‧‧‧壓力感測器
T1-1、T1-2‧‧‧第1溫度感測器
T2-1、T2-2‧‧‧第2溫度感測器
T3‧‧‧第3溫度感測器
T4-1、T4-2‧‧‧第4溫度感測器
W1、W2‧‧‧工件
第1圖是表示將本發明的實施例所涉及的致冷裝置的基本構造包含用來進行對於在冷媒循環的工件的連接以及對於在冷凍循環的冷凝器冷卻的冷卻回路的整體的概略圖。
第2圖是用來說明以第1圖所示的致冷裝置上具備的旁通流路為中心的冷媒的流動所表示的主要部分的概略圖。
第3圖是用來說明將相對於藉由第1圖所示的致冷裝置上具備的控制裝置因應於在旁通流路之第2流路以及第1流路的一部分流動而往冷凍循環的電動式壓縮機的冷媒吸入側循環的高壓冷媒旁通操作流量的電動式壓縮機上的運作頻率的可變控制所示的經過時間將高壓冷媒旁通操作流量-壓縮機運作頻率特性作為對比表示的示意圖。
第4圖是用來說明第1圖所示的致冷裝置之冷卻性能 所示的摩利爾圖表。
以下，針對本發明的致冷裝置，舉出實施例參照圖示進行詳細說明。
[實施例]
第1圖是表示將本發明的實施例所涉及的致冷裝置的基本構造包含用來進行對於在第1冷媒循環200-1、第2冷媒循環200-2的工件W1、W2的連接以及對於在冷凍循環100的冷凝器103冷卻的冷卻回路300的整體的概略圖。
參照第1圖，該致冷裝置在基本構造上係具備：冷凍循環100，其係冷卻用的冷媒(R410等)進行循環；第1冷媒循環200-1，其係共用冷凍循環100上具備的第1蒸發器(熱交換器)101-1且加熱用的液體冷媒進行循環；第2冷媒循環200-2，其係冷媒通過在冷凍循環100的既定部位藉由配管旁通連接的旁通流路而在與第1蒸發器101-1不同的第2蒸發器(熱交換器)101-2內進行循環，並且加熱用的液體冷媒在別的系統進行循環；以及控制裝置，其係構成為分別中介連接於第1冷媒循環200-1和第2冷媒循環200-2而將保溫對象的各種客戶設備作為工件W1、W2，適合使用者在既定的溫度範圍的選擇性溫度設定(可以例示工件W1為-10℃~+100℃，工 件W2為+30℃~+100℃的情況)下提供，並且將冷凍循環100中具備的電動式壓縮機102的轉數，和將對於在第1冷媒循環200-1和第2冷媒循環200-2進行循環的液體冷媒的加熱用的加熱裝置(加熱器)202-1、202-2上的加熱溫度，按照由使用者所設定的設定溫度和藉由分別設置在第1冷媒循環200-1以及該第2冷媒循環200-2的靠工件W1、W2側部位的第1溫度感測器T1-1、T1-2檢測的工件溫度的溫度差進行控制的具CPU(Central Processing Unit)功能的機器控制單元。
在此的工件W1、W2是設想如以顧客裝置作為半導體蝕刻裝置的情況般對應於同時要求不同的保溫範圍條件的使用目的的情形，可以工件W1的保溫用的設定溫度範圍-10℃~+100℃適用於下部電極，工件W2的保溫用的設定溫度範圍+30℃~+100℃適用於上部電極。雖然用來檢測這些工件W1、W2的工件溫度的第1溫度感測器T1-1、T1-2，是設置在從第1冷媒循環200-1、第2冷媒循環200-2上具備的冷媒槽201-1、201-2將液體冷媒予以吸引的泵浦203-1、203-2的冷媒吐出側，且靠工件W1、W2的冷媒流入側來檢測液體冷媒溫度往機器控制單元(CPU)送出，但其他也可以將設置在蒸發器101-1、101-2的冷媒吸入側，且靠工件W1、W2的來自於液體冷媒流出側的第4溫度感測器T4-1、T4-2的液體冷媒溫度輸入於機器控制單元(CPU)，將雙方的檢測結果併用來檢測工件溫度。附帶一提，有關於第1溫度感測器T1- 1、T1-2，因為要求高檢測精度，所以較佳為採用了使用可以將電阻值從100歐姆至0歐姆中可變的白金電阻帶體的白金測溫電阻體。對此，第4溫度感測器T4-1、T4-2由於第1溫度感測器T1-1、T1-2程度不要求檢測精度，所以考慮製造成本較佳為採用了使用一般的熱電偶的熱電偶感測器。
其中，冷凍循環100是一次溫度調整回路，其係將冷媒的氣體藉由電動式壓縮機102壓縮而作為高壓氣體送往吐出側的冷凝器103，在冷凝器103將高壓氣體予以冷凝經由減壓機構的示意的膨脹閥減壓後送往蒸發器101-1，藉著在蒸發器101-1使減壓的低壓氣體蒸發往電動式壓縮機102的吸入側吸入而再次重覆壓縮的回路構造。另外，在此配備冷卻回路300，其係對於冷凝器103將配管反折連接，經由設置在入口側的管的示意的閥來引入冷卻水且將冷凝器103內冷卻後經由設置在出口側的管的閘閥(WPR)回到外側的構造。此外，對於在此說明的冷卻回路300的冷凝器103的冷卻功能，也可以是使用冷卻風扇以冷風進行冷卻的構造。
第1冷媒循環200-1是共有冷凍循環100的蒸發器101-1而將液體冷媒以冷媒槽201-1回收儲存，並且以裝設於冷媒槽201-1的加熱裝置(加熱器)202-1來將液體冷媒適當加熱，或不加熱地將從冷媒槽201-1藉由泵浦203-1吸引的液體冷媒使工件W1介於其中而回到蒸發器101-1的回路構造的一個系統的二次溫度調整回路。 另外，流量檢測感測器F設置在泵浦203-1之液體冷媒的流出側的配管，以該流量檢測感測器F檢測的液體冷媒的流量是輸入於機器控制單元(CPU)，且將機器控制單元(CPU)附設的反向器INV驅動來控制泵浦203-1之液體冷媒的吸引量。藉此，在冷媒槽201-1內，液體冷媒藉由邏輯(LG)大致保持在固定量。
關於第2冷媒循環200-2也是同樣的構造，除了冷媒通過在冷凍循環100的既定部位藉由配管來旁通連接的在後文詳述的旁通流路在蒸發器101-2內循環之外，將液體冷媒以冷媒槽201-2回收儲存，並且以裝設於冷媒槽201-2的加熱裝置(加熱器)202-2將液體冷媒適當加熱，或不加熱地將從冷媒槽201-2藉由泵浦203-2吸引的液體冷媒使工件W2介於其中而回到蒸發器101-2的回路構造的別系統的二次溫度調整回路。在此，流量檢測感測器F設置在泵浦203-2之液體冷媒的流出側的配管，以該流量檢測感測器F檢測的液體冷媒的流量是輸入於機器控制單元(CPU)，且將機器控制單元(CPU)附設的反向器INV驅動來控制泵浦203-2之液體冷媒的吸引量，液體冷媒在冷媒槽201-2內藉由邏輯(LG)大致保持在固定量。此外，雖將細部構造予以示意，但實際上較佳為採用將示意的閥設置在蒸發器101-1、101-2的液體冷媒吐出側的管和連接於冷媒槽201-1、201-2的管而連接於共通的配管，而且採用連繫於排液處理用的排水管進行排液的構造，或防止將示意的閥設置在工件W1、W2之液體冷 媒的流入側的配管和流出側的配管而將工件W1、W2配管連接於第1冷媒循環200-1、第2冷媒循環200-2的局部時的液體冷媒洩漏的構造。
而且，第1冷媒循環200-1、第2冷媒循環200-2具有第2溫度感測器T2-1、T2-2，該第2溫度感測器T2-1、T2-2是在蒸發器101-1、101-2的液體冷媒吐出側分別設置在相對於加熱裝置202-1、202-2的液體冷媒流入的近側來將液體冷媒溫度進行檢測。除此之外，冷凍循環100，其係具有：第3溫度感測器T3，其係在電動式壓縮機102的冷媒吸入側，且設置在蒸發器101-1的冷媒吐出側來檢測冷媒溫度；壓力感測器P，其係設置在電動式壓縮機102的冷媒吸入側的第3溫度感測器T3附近而檢測冷媒壓力；以及第1冷媒供給用電子膨脹閥EV1-1，其係流量調整用且中介連接於蒸發器101-1的冷媒吸入側。附帶一提，針對此處的第2溫度感測器T2-1、T2-2，也因為要求高檢測精度所以較佳為使用白金電阻帶體的白金測溫電阻體。另外，有關於第3溫度感測器T3，較佳為與第4溫度感測器T4-1、T4-2同樣使用熱電偶的熱電偶感測器。
以上的功能構造可以適用周知的技術來實現，以下就實施例所涉及的特徵進行說明。其構造上的特徵是上述旁通流路，具體來說，其係形成具有：第1流路，其係銜接於從第2冷媒循環200-2之蒸發器101-2的冷媒吐出側到冷凍循環100之蒸發器101-1的冷媒吐出側 和電動式壓縮機102的冷媒吸入側之間的部位；第2流路，其係從第1流路的途中部位使流量調整用的高壓冷媒用電子膨脹閥EV2介於其中而銜接於冷凍循環100中具備的冷凝器103的冷媒吸入側和電動式壓縮機102的冷媒吐出側之間的部位；第3流路，其係從第1流路延伸且使流量調整用的噴射用電子膨脹閥EV3介於其中而銜接於冷凍循環100之冷凝器103的冷媒吐出側和蒸發器101-1的冷媒吸入側之間的冷媒供給用電子膨脹閥EV1-1的冷媒流入近側的部位；以及第4流路，其係使流量調整用的第2冷媒供給用電子膨脹閥EV1-2中介連接於比冷凍循環100之冷媒供給用電子膨脹閥EV1-1的冷媒流入近側的第3流路更靠蒸發器101-1的冷媒吸入側的部位和第2冷媒循環200-2之蒸發器101-2的冷媒吸入側來銜接。附帶一提，關於這些冷媒供給用電子膨脹閥EV1-1、EV1-2、高壓冷媒用電子膨脹閥EV2、以及噴射用電子膨脹閥EV3，較佳為皆適用在專利文獻1揭示的具備步進馬達的相同構造的電子膨脹閥。
另外，以如此旁通流路構造為前提的控制上的特徵是上述機器控制單元(CPU)的處理功能來承擔。具體來說，為了藉由針對以第1溫度感測器T1-1、T1-2分別檢測的工件溫度依據進行包含比例、積分、微分的PID演算的結果所生成的控制訊號來控制在第1冷媒循環200-1、第2冷媒循環200-2之加熱裝置202-1、202-2上的各個加熱量，藉由針對以第2溫度感測器T2-1、T2-2 分別檢測的液體冷媒溫度依據進行包含比例、積分、微分的PID演算的結果所生成的脈衝訊號分別控制冷媒供給用電子膨脹閥EV1-1、EV1-2的開閉而控制冷凍循環100和旁通流路之冷媒流量，藉由依據針對以壓力感測器P檢測的冷媒壓力進行包含比例、積分、微分的PID演算的結果和針對以第3溫度感測器T3檢測的冷媒溫度進行包含比例、積分、微分的PID演算的結果所生成的脈衝訊號來將高壓冷媒用電子膨脹閥EV2的開度維持固定(例如可以例示相對於全開100%形成20%的情況)且將從旁通流路之第2流路經由第1流路的一部分往冷凍循環100的電動式壓縮機102的冷媒吸入側循環的高壓冷媒旁通操作流量收斂成目標的既定值，將在噴射用電子膨脹閥EV3上的開度予以可變設定來將旁通流路及冷凍循環100的整體上的冷媒流量進行控制，並且將用來驅動電動式壓縮機102所生成的驅動控制訊號輸出於反向器INV而將電動式壓縮機102上的運作頻率在既定的範圍內依據以第3溫度感測器T3檢測的冷媒溫度進行可變控制。
其他，機器控制單元(CPU)，是將依據分別藉由第1冷媒循環200-1、第2冷媒循環200-2之第1溫度感測器T1-1、T1-2和第4溫度感測器T4-1、T4-2檢測的液體冷媒溫度的差值而個別算出工件W1、W2側的熱負荷量的結果，分別反映於依據以壓力感測器P檢測的冷媒壓力進行PID演算的結果以及依據以第3溫度感測器T3檢測的冷媒温度進行PID演算的結果來進行將冷卻控 制予以校正的前饋控制。具體來說，機器控制單元(CPU)係針對在噴射用電子膨脹閥EV3上的開度，除了依照熱負荷量的計算結果而在有熱負荷的情況下將開度加大為比無熱負荷的情況更大之外，將藉由在使冷凍循環100的電動式壓縮機102驅動的蒸發器101-1、101-2上的熱交換對於工件W1、W2的降溫動作中之噴射用電子膨脹閥EV3上的開度加大成比藉由在第1冷媒循環200-1、第2冷媒循環200-2之加熱裝置202-1、202-2的加熱來對於工件W1、W2的昇溫動作中更大。
第2圖是用來說明以實施例所涉及的致冷裝置上具備的旁通流路為中心的冷媒的流動所表示的主要部分的概略圖。
參照第2圖，表示若在本實施例所涉及的致冷裝置上，執行藉由以上述旁通流路的構造作為對象的機器控制單元(CPU)進行的各種控制，藉由冷凍循環100的電動式壓縮機102高壓壓縮的冷媒氣體(被稱為熱氣體)通過將旁通流路的第2流路之開度維持固定(20%)的高壓冷媒用電子膨脹閥EV2經由第1流路的一部分而往冷凍循環100的電動式壓縮機102的冷媒吸入側循環的情形。另外，此時如第2圖中的虛線框內所示般在噴射用電子膨脹閥EV3上的開度受到可變設定而來自於冷凝器103的冷媒氣體經由第3流路流往電動式壓縮機102的冷媒吸入側，其開度的設定是取決於電動式壓縮機102的性能來進行。例如作為電動式壓縮機102的基本性能，設想 在120℃以下進行吐出壓力，吸入壓力為-24℃且0.23MPa以上的使用範圍，將控制條件假定為：對於第1冷媒循環200-1的工件W1的液體冷媒供給的目標值為0℃以下且高壓冷媒用電子膨脹閥EV2之對於電動式壓縮機102的吸入壓力的目標值為-20℃且0.3MPa，噴射用電子膨脹閥EV3之對於電動式壓縮機102的吸入溫度的目標值為-15℃，對於第1冷媒循環200-1的工件W1的液體冷媒供給的目標值超過0℃且高壓冷媒用電子膨脹閥EV2之對於電動式壓縮機102的吸入壓力的目標值為-10℃且0.47MPa，噴射用電子膨脹閥EV3之對於電動式壓縮機102的吸入溫度的目標值為-5℃。
如此的控制條件下，可以例示致冷裝置在運轉中對於第1冷媒循環200-1的工件W1的液體冷媒供給的目標值設定為-10℃，若無熱負荷的話高壓冷媒用電子膨脹閥EV2之對於電動式壓縮機102的吸入壓力為0.30MPa，高壓冷媒用電子膨脹閥EV2的開度20%，噴射用電子膨脹閥EV3之對於電動式壓縮機102的吸入溫度為-15℃，噴射用電子膨脹閥EV3的開度為20%的情況。另外，可以例示致冷裝置在運轉中對於第1冷媒循環200-1的工件W1的液體冷媒供給的目標值設定為-10℃，有熱負荷的話高壓冷媒用電子膨脹閥EV2之對於電動式壓縮機102的吸入壓力為0.30MPa，高壓冷媒用電子膨脹閥EV2的開度20%，噴射用電子膨脹閥EV3之對於電動式壓縮機102的吸入溫度為-15℃，噴射用電子膨脹閥EV3 的開度為50%的情況。而且，可以例示致冷裝置在運轉中對於第1冷媒循環200-1的工件W1的液體冷媒供給的目標值設定為0℃以上，若無熱負荷的話高壓冷媒用電子膨脹閥EV2之對於電動式壓縮機102的吸入壓力為0.47MPa，高壓冷媒用電子膨脹閥EV2的開度20%，噴射用電子膨脹閥EV3之對於電動式壓縮機102的吸入溫度為-5℃，噴射用電子膨脹閥EV3的開度為20%的情況。除此之外，可以例示致冷裝置在運轉中對於第1冷媒循環200-1的工件W1的液體冷媒供給的目標值設定為0℃以上，若無熱負荷的話高壓冷媒用電子膨脹閥EV2之對於電動式壓縮機102的吸入壓力為0.47MPa，高壓冷媒用電子膨脹閥EV2的開度20%，噴射用電子膨脹閥EV3之對於電動式壓縮機102的吸入溫度為-5℃，噴射用電子膨脹閥EV3的開度為50%的情況。其他，可以例示致冷裝置在藉由第1冷媒循環200-1之加熱裝置202-1上的加熱對於工件W1的昇溫動作中若液體冷媒供給的目標值設定成從-10℃至+100℃時，高壓冷媒用電子膨脹閥EV2之對於電動式壓縮機102的吸入壓力為0.47MPa，高壓冷媒用電子膨脹閥EV2的開度20%，噴射用電子膨脹閥EV3之對於電動式壓縮機102的吸入溫度為-5℃，噴射用電子膨脹閥EV3的開度為20%的情況。對此，相反地可以例示致冷裝置在藉由使冷凍循環100的電動式壓縮機102驅動的蒸發器101-1上的熱交換對於工件W1的降溫動作中若液體冷媒供給的目標值設定成從+100℃至-10℃時，高壓冷 媒用電子膨脹閥EV2之對於電動式壓縮機102的吸入壓力為0.47MPa，高壓冷媒用電子膨脹閥EV2的開度20%，噴射用電子膨脹閥EV3之對於電動式壓縮機102的吸入溫度為-15℃，噴射用電子膨脹閥EV3的開度為50%的情況。
簡言之，高壓冷媒用電子膨脹閥EV2的任務，在於將藉由電動式壓縮機102高壓壓縮的冷媒氣體往電動式壓縮機102的冷媒吸入側合流而讓壓力上昇，以使對於電動式壓縮機102的吸入壓力成為0.3MPa。因為高壓冷媒旁通操作流量愈多，相應地電動式壓縮機102無用的運轉愈多，所以為了成為必須最低限的冷卻能力所以將在電動式壓縮機102上的運作頻率予以可變控制以使高壓冷媒用電子膨脹閥EV2的開度為20%，即使任何運轉條件下也可以實施最合適的節能運轉。噴射用電子膨脹閥EV3的任務，在於使藉由電動式壓縮機102高壓壓縮的冷媒氣體往電動式壓縮機102的冷媒吸入側合流而讓溫度上昇，以使對於電動式壓縮機102的吸入溫度始終成為固定。其中，因為對於電動式壓縮機102的吸入壓力及吸入溫度隨著使用環境條件而改變，所以對應於此來變更目標值。例如可以例示對於電動式壓縮機102的吸入溫度的目標值變更至+5℃左右的情況。
另外，第2圖中所示的冷凍循環100之蒸發器101-1的冷媒吸入側的冷媒供給用電子膨脹閥EV1-1的任務，在於調節從冷凝器103流往蒸發器101-1的冷媒的 流量，藉由在蒸發器101-1上的熱交換使在第1冷媒循環200-1循環的液體冷媒適度冷卻。而且，中介連接於冷凍循環100之旁通流路的第4流路中的冷媒供給用電子膨脹閥EV1-2的任務也同樣，在於調節從冷凝器103流往蒸發器101-2的冷媒的流量，藉由在蒸發器101-2上的熱交換使在第2冷媒循環200-2循環的液體冷媒適度冷卻。針對任何一個的冷媒供給用電子膨脹閥EV1-1、EV-2，也可以藉由流量調整以蒸發器101-1、101-2之熱交換來將第1冷媒循環200-1、第2冷媒循環200-2的液體冷媒予以冷卻2℃左右。特別是，有關於第4流路中的冷媒供給用電子膨脹閥EV1-2，不涉及在冷凍循環100之蒸發器101-1上的熱交換功能，是擔負藉由實施以上述旁通流路的構造為前提的機器控制單元(CPU)將第2流路中的高壓冷媒用電子膨脹閥EV2的開度設為固定且將第3流路中的噴射用電子膨脹閥EV3的開度予以可變設定的冷凍循環100以及旁通流路之冷媒的流量控制，可以用來達成使蒸發器101-2之冷卻功能刻意地降低而同時將在雙重構成的第1冷媒循環200-1、第2冷媒循環200-2中不同的保溫範圍條件的工件W1、W2高精度保溫控制的功能的輔助任務。
第3圖是將相對於用來說明藉由作為實施例所涉及的致冷裝置上具備的控制裝置的機器控制單元(CPU)因應於在旁通流路之第2流路以及第1流路的一部分流動而往冷凍循環100的電動式壓縮機102的冷媒吸入側循環的高壓冷媒旁通操作流量的電動式壓縮機102上 的運作頻率的可變控制所示的經過時間的高壓冷媒旁通操作流量-壓縮機運作頻率特性進行對比表示的示意圖。
參照第3圖，在此表示藉由機器控制單元(CPU)針對在旁通流路之第2流路以及第1流路的一部分流動而往冷凍循環100的電動式壓縮機102的冷媒吸入側循環的高壓冷媒旁通操作流量，為了將作為特性上的一例以實線表示的測定值與目標值的20%比較來收斂成目標值20%，故將根據來自於第3溫度感測器T3的冷媒溫度，以及來自於壓力感測器P的冷媒壓力進行PID演算的結果所生成的驅動控制訊號往反向器INV輸出，且將在電動式壓縮機102上的運作頻率在對應於流量0%~100%的7Hz~140Hz的頻率範圍內依據冷媒溫度進行可變控制，此時將第2流路中的高壓冷媒用電子膨脹閥EV2的開度維持20%而將第3流路中的噴射用電子膨脹閥EV3的開度予以可變設定。在此針對高壓冷媒旁通操作流量的測定值和目標值的差值，進行移動平均來執行將變化量平緩的處理，但例示的目標值20%以及驅動控制訊號的頻率範圍7Hz~140Hz可對應於使用條件予以可變。
依據實施例所涉及的致冷裝置，控制中介連接於第4流路中的冷媒供給用電子膨脹閥EV1-2的開度將冷卻降低的冷媒通過共用工件W1連接的第1冷媒循環200-1的蒸發器101-1的冷凍循環100所連接的第1流路至第4流路的旁通流路而往工件W2連接的第2冷媒循環200-2的蒸發器101-2流通時，藉由機器控制單元 (CPU)根據將在第1冷媒循環200-1、第2冷媒循環200-2之第1溫度感測器T1-1、T1-2檢測的液體冷媒溫度進行PID演算的結果所生成的控制訊號來將在加熱裝置202-1、202-2上的加熱量進行控制，並且藉由根據將第2溫度感測器T2-1、T2-2檢測的液體冷媒溫度進行PID演算的結果所生成的脈衝訊號，來控制冷凍循環100的蒸發器101-1的冷媒吸入側的冷媒供給用電子膨脹閥EV1-1的開度、以及中介連接於第4流路中的冷媒供給用電子膨脹閥EV1-2的開度，而且為了藉由根據將冷凍循環100之壓力感測器P上的冷媒壓力、第3溫度感測器T3上的冷媒溫度進行PID演算的結果所生成的脈衝訊號來將第2流路的高壓冷媒用電子膨脹閥EV2的開度形成固定而使從此處經由第1流路的一部分往電動式壓縮機102循環的高壓冷媒旁通操作流量收斂成目標值，由於將第3流路的噴射用電子膨脹閥EV3上的開度予以可變設定，且將驅動控制訊號輸出而將壓縮機102上的運作頻率在既定的範圍內依據冷媒溫度進行可變控制，所以可以藉低廉的構造不損及冷卻性能且不讓電動式壓縮機102超載，同時將不同保溫範圍條件的工件W1、W2進行高精度保溫控制。其結果，例如若將連接於第1冷媒循環200-1的工件W1作為對於半導體蝕刻裝置之下部電極的保溫用，並且將連接於第2冷媒循環200-2的工件W2來作為對於半導體蝕刻裝置之上部電極的保溫用來應用的話，可以無溫度不均地高精度進行對於靶的半導體蝕刻。
第4圖是用來說明實施例所涉及的致冷裝置之冷卻性能所表示的摩利爾圖表。其中，在實施例所涉及的致冷裝置之冷凍循環100以及旁通流路上循環的冷媒，是假設使用高效率的氟氯烷氣體(R410A)的情況。
參照第4圖，可得知實施例所涉及的致冷裝置是在以壓力p[MPa]和比焓h[kJ/kg]的關係來表示的摩利爾圖表上的冷凍循環，從點A至點B之間是表示在電動式壓縮機102上的冷媒的狀態變化，從點B至點C之間是表示在冷凝器103上的冷媒的狀態變化，從點C至點D之間是表示在膨脹閥上的冷媒的狀態變化，從點D至點A是表示在蒸發器101-1上的冷媒的狀態變化，點B所涉及的壓縮後的比焓h是h3=470kJ/kg，點A所涉及的熱交換後的比焓h是h2=420kJ/kg，點C至點D所涉及的冷凝後的膨脹上的比焓h是h1=255kJ/kg。
根據上述結果來將冷卻性能予以解析，可得知若表示冷凍效果的h2-h1是420-255=165kJ/kg，且冷卻側循環流量是174kg/小時的話，以將這些值進行乘法運算而除以每秒的計算結果來給予，冷卻性能是165×174/3600=8kW。另外，將加熱性能予以解析，可得知若表示高壓的壓縮冷媒氣體的h3-h2是470-420=50kJ/kg，且旁通循環流量是50kg/小時的話，以將這些值進行乘法運算而除以每秒的計算結果來給予，加熱性能是50×50/3600=0.7kW。附帶一提，因為在專利文獻1所涉及的致冷裝置中具有藉由電動式壓縮機來高壓壓縮的冷媒 氣體回到蒸發器的冷媒吸入側的旁通流路，所以扣掉上述加熱性能部分的加熱量，冷卻性能為8-0.7=7.3kW。對此，因為在實施例所涉及的致冷裝置中，具有回到蒸發器101-1的冷媒吐出側的旁通流路，所以可使用8kW的冷卻能力。換言之，在實施例所涉及的致冷裝置中，因為藉由冷凍循環100之電動式壓縮機102高壓壓縮的冷媒氣體不會流入於蒸發器101-1，所以可以100%使用冷凍效果，由於不必流通多餘冷媒，實施例所涉及的致冷裝置相較於專利文獻1所涉及的致冷裝置，作為結果可實現約10%~15%的節能效果。
此外，在實施例所涉及的致冷裝置中，雖然說明機器控制單元(CPU)是使根據將設置在冷凍循環100內的第3溫度感測器T3的冷媒溫度，以及以壓力感測器P檢測的冷媒壓力進行PID演算的結果所生成的驅動控制訊號往反向器INV輸出而將電動式壓縮機102的運作頻率在既定的範圍內依據以第3溫度感測器T3檢測的冷媒溫度進行可變控制的功能，但有關於用來生成驅動控制訊號的PID演算，由於亦可具有如專利文獻1所說明般，在使用者所設之設定溫度和第1溫度感測器T1-1、T1-2所檢測的工件溫度的溫度差較少的保溫設定時以設置在第1冷媒循環200-1、第2冷媒循環200-2內的第2溫度感測器T2-1、T2-2所檢測的液體冷媒溫度為對象來生成驅動控制訊號，將電動式壓縮機102的運作頻率對應於在既定的範圍內以第1溫度感測器T1-1、T1-2檢測的 工件溫度進行可變控制的功能，因而本發明的致冷裝置不限於實施例所說明的形態。其中，因為本發明的致冷裝置是如上述般具有雙系統的第1冷媒循環200-1、第2冷媒循環200-2，藉著不損及冷凍循環100的冷卻性能地活用旁通流路來進行冷媒流量控制而提昇冷卻性能，並且以達到節能化來作為技術的要旨，所以如同在實施例說明般自循環內之冷凍循環100內的第3溫度感測器T3的冷媒溫度，以及將以壓力感測器P檢測的冷媒壓力進行PID演算來生成驅動控制訊號者在隨動性及準確度的點上可以說較為有利。

Claims (7)

  1. 一種致冷裝置，其係具備：冷凍循環，其係冷卻用的冷媒進行循環；第1冷媒循環，其係共用前述冷凍循環中具備的第1蒸發器且加熱用的液體冷媒進行循環；第2冷媒循環，其係前述冷媒通過在前述冷凍循環的既定部位藉由配管旁通連接的旁通流路而在與前述第1蒸發器不同的第2蒸發器內進行循環，並且加熱用的液體冷媒在別的系統進行循環；以及控制裝置，其係分別中介連接於前述第1冷媒循環和前述第2冷媒循環而將保溫對象的各種客戶設備作為工件，向使用者在既定的溫度範圍的選擇性溫度設定下提供，並且將前述冷凍循環中具備的電動式壓縮機的轉數，和對於在該第1冷媒循環和該第2冷媒循環進行循環的前述液體冷媒的加熱用的加熱裝置上的加熱溫度，按照由使用者所設定的設定溫度以及分別藉由設置在該第1冷媒循環和該第2冷媒循環的靠該工件側部位的第1溫度感測器檢測的工件溫度的溫度差進行控制，其特徵為：前述第1冷媒循環和前述第2冷媒循環，其係具有：第2溫度感測器，其係在前述第1蒸發器和前述第2蒸發器的冷媒吐出側分別設置在對於前述加熱裝置的液體冷媒流入的近側而檢測液體冷媒溫度；以及第4溫度感測器，其係在前述第1蒸發器和前述第2蒸發器的冷媒吸入側分別設置在對於前述工件的液體冷媒流出側而檢測液體冷媒溫度， 前述冷凍循環，其係具有：第3溫度感測器，其係在前述電動式壓縮機的冷媒吸入側，且設置在前述第1蒸發器的冷媒吐出側來檢測冷媒溫度；壓力感測器，其係設置在前述電動式壓縮機的冷媒吸入側的前述第3溫度感測器附近而檢測冷媒壓力；以及第1冷媒供給用電子膨脹閥，其係流量調整用而中介連接於前述第1蒸發器的冷媒吸入側，前述旁通流路，其係形成具有：第1流路，其係銜接於從前述第2冷媒循環之前述第2蒸發器的冷媒吐出側到前述冷凍循環之前述第1蒸發器的冷媒吐出側和前述電動式壓縮機的冷媒吸入側之間的部位；第2流路，其係從前述第1流路的途中部位使流量調整用的高壓冷媒用電子膨脹閥介於其中而銜接於前述冷凍循環中具備的冷凝器的冷媒吸入側和前述電動式壓縮機的冷媒吐出側之間的部位；第3流路，其係從前述第1流路延伸且使流量調整用的噴射用電子膨脹閥介於其中而銜接於前述冷凍循環之前述冷凝器的冷媒吐出側和前述第1蒸發器的冷媒吸入側之間的前述第1冷媒供給用電子膨脹閥的冷媒流入近側的部位；以及第4流路，其係使流量調整用的第2冷媒供給用電子膨脹閥中介連接於比前述冷凍循環之前述第1冷媒供給用電子膨脹閥的冷媒流入近側的前述第3流路更靠前述第1蒸發器的冷媒吸入側的部位和前述第2冷媒循環之前述第2蒸發器的冷媒吸入側來銜接，前述控制裝置，為了藉由針對以前述第1溫度感測器 分別檢測的前述工件溫度依據進行包含比例、積分、微分的PID演算的結果所生成的控制訊號來控制在前述第1冷媒循環和前述第2冷媒循環之前述加熱裝置上的各個加熱量，藉由針對以前述第2溫度感測器分別檢測的前述液體冷媒溫度依據進行包含比例、積分、微分的PID演算的結果所生成的脈衝訊號分別控制前述第1冷媒供給用電子膨脹閥和前述第2冷媒供給用電子膨脹閥的開閉而控制前述冷凍循環和前述旁通流路之冷媒流量，藉由依據針對以前述壓力感測器檢測的前述冷媒壓力進行包含比例、積分、微分的PID演算的結果和針對以前述第3溫度感測器檢測的前述冷媒溫度進行包含比例、積分、微分的PID演算的結果所生成的脈衝訊號來將前述高壓冷媒用電子膨脹閥的開度維持固定且將從該旁通流路之前述第2流路經由前述第1流路的一部分往該冷凍循環的前述電動式壓縮機的冷媒吸入側循環的高壓冷媒旁通操作流量收斂成目標的既定值，將在前述噴射用電子膨脹閥上的開度予以可變設定來將該旁通流路及該冷凍循環的整體上的冷媒流量進行控制，並且將用來驅動該電動式壓縮機所生成的驅動控制訊號輸出於反向器而將該電動式壓縮機上的運作頻率在既定的範圍內依據該冷媒溫度進行可變控制。
  2. 如申請專利範圍第1項的致冷裝置，其中，前述控制裝置，其係將依據分別藉由前述第1冷媒循環和前述第2冷媒循環之前述第1溫度感測器和前述第4溫度感測器檢測的前述液體冷媒溫度的差值而個別算出前 述工件側的熱負荷量的結果，分別反映於依據以前述壓力感測器檢測的前述冷媒壓力進行前述PID演算的結果以及依據以前述第3溫度感測器檢測的前述冷媒溫度進行前述PID演算的結果來進行將冷卻控制予以校正的前饋控制。
  3. 如申請專利範圍第2項的致冷裝置，其中，前述控制裝置係針對在前述噴射用電子膨脹閥上的開度，依照計算前述熱負荷量的結果而在有熱負荷的情況下將開度加大為比無熱負荷的情況更大。
  4. 如申請專利範圍第2項的致冷裝置，其中，前述控制裝置係將使前述冷凍循環的前述電動式壓縮機驅動的前述第1的蒸發器的熱交換所進行之對於該工件的降溫動作中之在前述噴射用電子膨脹閥的開度，比在前述第1冷媒循環和前述第2冷媒循環之前述加熱裝置上的加熱所進行之對於前述工件的升溫動作中更加大。
  5. 如申請專利範圍第3項的致冷裝置，其中，前述控制裝置係將使前述冷凍循環的前述電動式壓縮機驅動的前述第1的蒸發器的熱交換所進行之對於該工件的降溫動作中之在前述噴射用電子膨脹閥的開度，比在前述第1冷媒循環和前述第2冷媒循環之前述加熱裝置上的加熱所進行之對於前述工件的升溫動作中更加大。
  6. 如申請專利範圍第1項的致冷裝置，其中，前述第1溫度感測器及前述第2溫度感測器是使用白金電阻帶體的白金測溫電阻體，前述第3溫度感測器及前述第4溫度感測器是使用熱電偶的熱電偶感測器。
  7. 一種致冷裝置，其特徵為：將連接於如申請專利範圍第1項至第6項之任一項記載的致冷裝置中的前述第1冷媒循環的前述工件作為對於半導體蝕刻裝置的下部電極的保溫用，並且將連接於前述第2冷媒循環的前述工件作為對於該半導體蝕刻裝置的上部電極的保溫用。
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