TWI747061B - 流體溫度調節系統及冷凍裝置 - Google Patents

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Abstract

實施形態的流體溫度調節系統，是藉由具備高溫側冷凍機(100)、中溫側冷凍機(200)及低溫側冷凍機(300)之多元式冷凍裝置來將流體冷卻。多元式冷凍裝置中的中溫側冷凍機(200)，係具有中溫側第1蒸發器(204)、中溫側第2蒸發器(224)。高溫側冷凍機(100)的高溫側蒸發器(104)和中溫側冷凍機(200)的中溫側冷凝器(202)是構成第1級聯冷凝器(CC1)。中溫側冷凍機(200)的中溫側第2蒸發器(224)和低溫側冷凍機(300)的低溫側冷凝器(302)是構成第2級聯冷凝器(CC2)。而且，利用流體流通裝置流通的流體，是藉由中溫側冷凍機(200)的中溫側第1蒸發器(204)進行冷卻之後，藉由低溫側冷凍機(300)的低溫側蒸發器(304)進行冷卻。

Description

流體溫度調節系統及冷凍裝置
本發明的實施形態是關於藉由熱泵式的冷凍裝置將流體冷卻之流體溫度調節系統及冷凍裝置。
日本特願JP2014-97156揭示三元冷凍裝置。
三元冷凍裝置係具備高溫側冷凍機、中溫側冷凍機及低溫側冷凍機，高溫側冷凍機、中溫側冷凍機及低溫側冷凍機分別具有壓縮機、冷凝器、膨脹閥及蒸發器，高溫側冷凍機是讓高溫側冷媒循環，中溫側冷凍機是讓中溫側冷媒循環，低溫側冷凍機是讓低溫側冷媒循環。此外，用於讓高溫側冷媒和中溫側冷媒進行熱交換之高中側級聯冷凝器是由高溫側冷凍機的蒸發器及中溫側冷凍機的冷凝器所構成，用於讓中溫側冷媒和低溫側冷媒進行熱交換之中低側級聯冷凝器是由中溫側冷凍機的蒸發器及低溫側冷凍機的冷凝器所構成。
這樣的三元冷凍裝置，利用低溫側冷凍機的蒸發器可將氣體、液體冷卻到極低溫的溫度區，利用冷卻後的氣體、液體可將溫度控制對象冷卻到極低溫的溫度區。溫度控制對象可為空間或特定的物體。
[發明所欲解決之問題]
三元冷凍裝置，為了將溫度控制對象穩定地冷卻到目標冷卻溫度，會有在各冷凍機要求高性能的壓縮機的情況。特別是關於低溫側冷凍機的壓縮機，除了高性能以外，還會產生要求為了確保對於極低溫的低溫側冷媒之耐久性能(耐冷性能)之特殊構造的情況。因此，會有裝置整體的尺寸變得過度大型化、產生壓縮機難以取得所致之製造成本增加、工期遲延的情況。
本發明是考慮上述實情而開發完成者，其目的是為了提供可輕易且穩定地實現迄所期望溫度為止之溫度控制對象的冷卻之流體溫度調節系統及冷凍裝置。 [解決問題之技術手段]
本發明的一實施形態之流體溫度調節系統，係具備高溫側冷凍機、中溫側冷凍機、低溫側冷凍機及流體流通裝置， 前述高溫側冷凍機具有高溫側冷凍迴路，該高溫側冷凍迴路是將高溫側壓縮機、高溫側冷凝器、高溫側膨脹閥及高溫側蒸發器以依序讓高溫側冷媒循環的方式連接， 前述中溫側冷凍機具有中溫側冷凍迴路及級聯用旁通迴路，前述中溫側冷凍迴路，是將中溫側壓縮機、中溫側冷凝器、中溫側第1膨脹閥及中溫側第1蒸發器以依序讓中溫側冷媒循環的方式連接， 前述級聯用旁通迴路包含分支流路、中溫側第2膨脹閥及中溫側第2蒸發器，該分支流路，是從前述中溫側冷凍迴路中之前述中溫側冷凝器的下游側且前述中溫側第1膨脹閥的上游側的部分分支，並連接於前述中溫側第1蒸發器的下游側且前述中溫側壓縮機的上游側的部分，其用於讓從前述中溫側冷凍迴路分支之前述中溫側冷媒流通，該中溫側第2膨脹閥是設置於前述分支流路，該中溫側第2蒸發器是設置於前述分支流路中之比前述中溫側第2膨脹閥更下游側， 前述低溫側冷凍機具有低溫側冷凍迴路，該低溫側冷凍迴路是將低溫側壓縮機、低溫側冷凝器、低溫側膨脹閥及低溫側蒸發器以依序讓低溫側冷媒循環的方式連接， 前述流體流通裝置是讓流體流通， 前述高溫側冷凍機的前述高溫側蒸發器和前述中溫側冷凍機的前述中溫側冷凝器，是構成可進行前述高溫側冷媒和前述中溫側冷媒的熱交換之第1級聯冷凝器， 前述中溫側冷凍機的前述中溫側第2蒸發器和前述低溫側冷凍機的前述低溫側冷凝器，是構成可進行前述中溫側冷媒和前述低溫側冷媒的熱交換之第2級聯冷凝器。 而且，該流體溫度調節系統，是將利用前述流體流通裝置流通的流體，藉由前述中溫側冷凍機的前述中溫側第1蒸發器進行冷卻之後，藉由前述低溫側冷凍機的前述低溫側蒸發器進行冷卻。
在上述流體溫度調節系統，利用流體流通裝置流通的流體，是藉由中溫側冷凍機的中溫側第1蒸發器進行冷卻(預冷卻)之後，藉由可輸出比中溫側第1蒸發器更大的冷凍能力之低溫側冷凍機的低溫側蒸發器進行冷卻。 如此，上述流體溫度調節系統，在實現迄溫度控制對象物之作為目標的所期望溫度為止之冷卻時，能比在低溫側冷凍機中採用高性能的壓縮機之單純三元冷凍裝置更容易製作，可輕易且穩定地實現迄所期望溫度為止的溫度控制對象之冷卻。
較佳為，前述低溫側冷凍迴路中之前述低溫側冷凝器的下游側且前述低溫側膨脹閥的上游側的部分、和前述低溫側冷凍迴路中之前述低溫側蒸發器的下游側且前述低溫側壓縮機的上游側的部分，是構成可將通過各前述部分之前述低溫側冷媒進行熱交換之內部熱交換器。
依據此構成，從低溫側冷凝器流出而流入低溫側膨脹閥前之低溫側冷媒、和從低溫側蒸發器流出而流入低溫側壓縮機前之低溫側冷媒，是在內部熱交換器中互相進行熱交換。如此，可將從低溫側冷凝器流出的低溫側冷媒在流入低溫側膨脹閥之前進行冷卻，可將從低溫側蒸發器流出的低溫側冷媒在流入低溫側壓縮機之前進行加熱。結果，可將低溫側蒸發器的冷凍能力簡易地提高，且可減輕為了確保低溫側壓縮機的耐久性能(耐冷性能)之負擔。因此，縱使不將低溫側壓縮機的能力過度提高仍能輕易地實現所期望的冷卻，而使製作容易性提高。
較佳為，前述低溫側冷媒是R23，藉由前述低溫側膨脹閥讓其膨脹而降溫到-70℃以下。
較佳為，前述低溫側冷媒是R1132a，藉由前述低溫側膨脹閥讓其膨脹而降溫到-70℃以下。
較佳為，前述低溫側冷媒包含R1132a，藉由前述低溫側膨脹閥讓其膨脹而降溫到-70℃以下。
較佳為，前述中溫側冷媒和前述低溫側冷媒是相同的冷媒。
此外，本發明的一實施形態之冷凍裝置，係具備第1冷凍機及第2冷凍機， 前述第1冷凍機具有第1冷凍迴路及級聯用旁通迴路，前述第1冷凍迴路是將第1壓縮機、第1冷凝器、第1膨脹閥及第1蒸發器以依序讓第1冷媒循環的方式連接，前述級聯用旁通迴路係包含分支流路、級聯用膨脹閥、及級聯用蒸發器，該分支流路，是從前述第1冷凍迴路中之前述第1冷凝器的下游側且前述第1膨脹閥的上游側的部分分支，並連接於前述第1蒸發器的下游側且前述第1壓縮機的上游側的部分，其用於讓從前述第1冷凍迴路分支之前述第1冷媒流通，該級聯用膨脹閥是設置於前述分支流路，該級聯用蒸發器是設置於前述分支流路中之比前述級聯用膨脹閥更下游側， 前述第2冷凍機具有第2冷凍迴路，該第2冷凍迴路是將第2壓縮機、第2冷凝器、第2膨脹閥及第2蒸發器以依序讓第2冷媒循環的方式連接， 前述第1冷凍機的前述級聯用蒸發器和前述第2冷凍機的前述第2冷凝器，是構成可將前述第1冷媒和前述第2冷媒進行熱交換之級聯冷凝器。 較佳為，該冷凍裝置，是將溫度控制對象藉由前述第1冷凍機之前述第1蒸發器進行冷卻之後，藉由前述第2冷凍機之前述第2蒸發器進行冷卻。
此外，本發明的一實施形態之冷凍裝置，係具備冷凍迴路，該冷凍迴路是將壓縮機、冷凝器、膨脹閥及蒸發器以依序讓冷媒循環的方式連接， 前述冷凍迴路中之前述冷凝器的下游側且前述膨脹閥的上游側的部分、和前述冷凍迴路中之前述蒸發器的下游側且前述壓縮機的上游側的部分，是構成可將通過各前述部分之前述冷媒進行熱交換之內部熱交換器。 [發明之效果]
依據本發明，可輕易且穩定地實現迄所期望溫度為止的溫度控制對象之冷卻。
以下，參照所附圖式詳細地說明本發明的一實施形態。
圖1係本發明的一實施形態之流體溫度調節系統1的概略圖。本實施形態的流體溫度調節系統1係具備：多元式冷凍裝置10、讓流體流通之流體流通裝置20、及控制裝置30。流體溫度調節系統1，是藉由多元式冷凍裝置10將利用流體流通裝置20流通的流體進行冷卻。在本實施形態，雖是藉由多元式冷凍裝置10將利用流體流通裝置20流通的液體進行冷卻，但流體流通裝置20是讓氣體流通亦可，多元式冷凍裝置10是將氣體亦可。
控制裝置30，是與多元式冷凍裝置10及流體流通裝置20電氣連接，而控制多元式冷凍裝置10及流體流通裝置20的動作。控制裝置30，可為例如包含CPU、ROM、RAM等的電腦，而根據所儲存的電腦程式來控制多元式冷凍裝置10及流體流通裝置20的動作。
本實施形態的流體溫度調節系統1雖是構成為，將利用流體流通裝置20流通的流體冷卻到-70℃以下，較佳為-80℃以下，但流體溫度調節系統1的冷凍能力、可冷卻溫度並沒有特別的限定。
＜多元式冷凍裝置＞ 多元式冷凍裝置10為三元式冷凍裝置，係具備分別以熱泵式冷凍機的形式構成之高溫側冷凍機100、中溫側冷凍機200及低溫側冷凍機300。
在高溫側冷凍機100和中溫側冷凍機200之間形成有第1級聯冷凝器CC1，在中溫側冷凍機200和低溫側冷凍機300之間形成有第2級聯冷凝器CC2。如此，多元式冷凍裝置10，可藉由在高溫側冷凍機100循環之高溫側冷媒將在中溫側冷凍機200循環的中溫側冷媒冷卻，並可藉由被冷卻的中溫側冷媒將在低溫側冷凍機300循環的低溫側冷媒冷卻。
(高溫側冷凍機) 高溫側冷凍機100係具有高溫側冷凍迴路110、高溫側熱氣迴路120及冷卻用旁通迴路130；高溫側冷凍迴路110，是將高溫側壓縮機101、高溫側冷凝器102、高溫側膨脹閥103及高溫側蒸發器104以依序讓高溫側冷媒循環的方式藉由配管構件(管)連接。
在高溫側冷凍迴路110，高溫側壓縮機101是將從高溫側蒸發器104流出之基本上為氣體狀態之高溫側冷媒壓縮，以讓其昇溫及昇壓後的狀態供應給高溫側冷凝器102。高溫側冷凝器102，是將在高溫側壓縮機101被壓縮的高溫側冷媒藉由冷卻水冷卻並冷凝成既定溫度之高壓液體狀態，而供應給高溫側膨脹閥103。
在本實施形態，在高溫側冷凝器102連接冷卻水供給管40，藉由從冷卻水供給管40供給的冷卻水將高溫側冷媒冷卻。作為用於冷卻高溫側冷媒之冷卻水，可使用水，亦可使用其他的冷媒。此外，高溫側冷凝器102亦可以空冷式冷凝器的形式來構成。
高溫側膨脹閥103，是藉由讓從高溫側冷凝器102供給的高溫側冷媒膨脹而使其減壓，將相對於膨脹前為降溫及降壓後之氣液混合或液體狀態的高溫側冷媒供應給高溫側蒸發器104。高溫側蒸發器104，是和中溫側冷凍機200之後述的中溫側冷凝器202一起構成第1級聯冷凝器CC1，是將被供給的高溫側冷媒和在中溫側冷凍機200循環的中溫側冷媒進行熱交換而將中溫側冷媒冷卻。和中溫側冷媒進行熱交換後的高溫側冷媒，昇溫而成為理想的氣體狀態後，從高溫側蒸發器104流出而再度在高溫側壓縮機101進行壓縮。
高溫側熱氣迴路120係具有熱氣流路121、及設置於熱氣流路121之流量調節閥122。熱氣流路121，是從高溫側冷凍迴路110中之高溫側壓縮機101的下游側且高溫側冷凝器102的上游側的部分分支，並連接於高溫側膨脹閥103的下游側且高溫側蒸發器104的上游側的部分。
高溫側熱氣迴路120，是因應流量調節閥122的開閉及開度調節，讓從高溫側壓縮機101流出的高溫側冷媒與利用高溫側膨脹閥103膨脹後的高溫側冷媒混合，藉此調節高溫側蒸發器104的冷凍能力。亦即，高溫側熱氣迴路120是為了進行高溫側蒸發器104的容量控制而設置的。在高溫側冷凍機100，藉由設置高溫側熱氣迴路120，可迅速地調節高溫側蒸發器104的冷凍能力。
冷卻用旁通迴路130係具有冷卻用流路131、及設置於冷卻用流路131之冷卻用膨脹閥132。冷卻用流路131，是從高溫側冷凍迴路110中之高溫側冷凝器102的下游側且高溫側膨脹閥103的上游側部分分支，並連接於高溫側壓縮機101。冷卻用旁通迴路130，是讓從高溫側冷凝器102流出的高溫側冷媒膨脹，藉由相對於膨脹前為降溫後的高溫側冷媒，可將高溫側壓縮機101冷卻。
在以上般的高溫側冷凍機100所使用之高溫側冷媒，沒有特別的限定，是按照對溫度控制對象之目標冷卻溫度而適宜地決定。在本實施形態，為了將利用流體流通裝置20流通的流體冷卻到-70℃以下、較佳為-80℃以下，並藉由被冷卻的流體將溫度控制對象冷卻，作為高溫側冷媒是使用R410A，但高溫側冷媒的種類並沒有特別的限定。作為高溫側冷媒，亦可使用R32、R125、R134a、R407C、HFO系、CO2 、氨等。此外，高溫側冷媒亦可為混合冷媒。此外，在R410A、R32、R125、R134a、R407C、混合冷媒等中，可使用作為油載體而添加有正戊烷之冷媒。在添加有正戊烷的情況，能讓高溫側壓縮機101的潤滑用之油和冷媒一起適當地循環，能讓高溫側壓縮機101穩定地運轉。此外，作為油載體是添加丙烷亦可。
(中溫側冷凍機) 中溫側冷凍機200係具有中溫側冷凍迴路210、級聯用旁通迴路220、及中溫側熱氣迴路230。中溫側冷凍迴路210，是將中溫側壓縮機201、中溫側冷凝器202、中溫側第1膨脹閥203及中溫側第1蒸發器204以依序讓中溫側冷媒循環的方式藉由配管構件(管)連接。
在中溫側冷凍迴路210，中溫側壓縮機201是將從中溫側第1蒸發器204流出之基本上為氣體狀態的中溫側冷媒壓縮，以讓其昇溫及昇壓後的狀態供應給中溫側冷凝器202。中溫側冷凝器202，如上述般是和高溫側冷凍機100之高溫側蒸發器104一起構成第1級聯冷凝器CC1，將被供給的中溫側冷媒在第1級聯冷凝器CC1中藉由高溫側冷媒冷卻並冷凝，而以既定溫度的高壓液體狀態供應給中溫側第1膨脹閥203。
中溫側第1膨脹閥203，是藉由讓從中溫側冷凝器202供給的中溫側冷媒膨脹而讓其減壓，將相對於膨脹前為降溫及降壓後之氣液混合或液體狀態的中溫側冷媒供應給中溫側第1蒸發器204。中溫側第1蒸發器204，是讓被供給的中溫側冷媒與利用流體流通裝置20流通的流體進行熱交換而將該流體冷卻。和利用流體流通裝置20流通的流體進行熱交換後之中溫側冷媒，昇溫而成為理想的氣體狀態後，從中溫側第1蒸發器204流出並再度在中溫側壓縮機201進行壓縮。
級聯用旁通迴路220係具有：分支流路221、設置在分支流路221之中溫側第2膨脹閥223、及在分支流路221中設置在比中溫側第2膨脹閥223更下游側之中溫側第2蒸發器224。分支流路221，是從中溫側冷凍迴路210中之中溫側冷凝器202的下游側且中溫側第1膨脹閥203的上游側的部分分支，並連接於中溫側第1蒸發器204的下游側且中溫側壓縮機201的上游側的部分，而讓從中溫側冷凍迴路210分支之中溫側冷媒流通。
中溫側第2膨脹閥223，是讓從中溫側冷凍迴路210分支之中溫側冷媒膨脹而讓其減壓，將相對於膨脹前為降溫及降壓後的氣液混合或液體狀態的中溫側冷媒供應給中溫側第2蒸發器224。中溫側第2蒸發器224，是和低溫側冷凍機300之後述的低溫側冷凝器302一起構成第2級聯冷凝器CC2，讓被供給的中溫側冷媒和在低溫側冷凍機300循環之低溫側冷媒進行熱交換而將低溫側冷媒冷卻。和低溫側冷媒進行熱交換後之中溫側冷媒，昇溫而成為理想的氣體狀態後，從第2級聯冷凝器CC2流出，而和從中溫側第1蒸發器204流出之中溫側冷媒合流。
中溫側熱氣迴路230係具有熱氣流路231、及設置於熱氣流路231之流量調節閥232。熱氣流路231，是從中溫側冷凍迴路210中之中溫側壓縮機201的下游側且中溫側冷凝器202的上游側的部分分支，並連接於級聯用旁通迴路220中之中溫側第2膨脹閥223的下游側且中溫側第2蒸發器224的上游側的部分。
中溫側熱氣迴路230，是因應流量調節閥232的開閉及開度調節，讓從中溫側壓縮機201流出之中溫側冷媒與利用中溫側第2膨脹閥223膨脹後的中溫側冷媒混合，藉此調節第2級聯冷凝器CC2(中溫側第2蒸發器224)的冷凍能力。亦即，中溫側熱氣迴路230是為了進行第2級聯冷凝器CC2的容量控制而設置的。在中溫側冷凍機200，藉由設置中溫側熱氣迴路230，可迅速調節第2級聯冷凝器CC2的冷凍能力。
在以上般的中溫側冷凍機200所使用之中溫側冷媒沒有特別的限定，與高溫側冷媒的情況同樣的，是按照對溫度控制對象的目標冷卻溫度而適宜地決定。在本實施形態，為了將利用流體流通裝置20流通之流體冷卻到-70℃以下、較佳為-80℃以下，作為中溫側冷媒是使用R23，但中溫側冷媒的種類沒有特別的限定。
(低溫側冷凍機) 低溫側冷凍機300係具有低溫側冷凍迴路310及低溫側熱氣迴路320。低溫側冷凍迴路310，是將低溫側壓縮機301、低溫側冷凝器302、低溫側膨脹閥303及低溫側蒸發器304以依序讓低溫側冷媒循環的方式藉由配管構件(管)連接。
在低溫側冷凍迴路310，低溫側壓縮機301是將從低溫側蒸發器304流出之基本上為氣體狀態的低溫側冷媒壓縮，以讓其昇溫及昇壓後的狀態供應給低溫側冷凝器302。低溫側冷凝器302，是如上述般和中溫側冷凍機200的中溫側第2蒸發器224一起構成第2級聯冷凝器CC2，將被供給的低溫側冷媒在第2級聯冷凝器CC2中藉由中溫側冷媒冷卻並冷凝成既定溫度的高壓液體狀態，而供應給低溫側膨脹閥303。
低溫側膨脹閥303，是讓從低溫側冷凝器302供給的低溫側冷媒膨脹而讓其減壓，將相對於膨脹前為降溫及降壓後之氣液混合或液體狀態的低溫側冷媒供應給低溫側蒸發器304。低溫側蒸發器304，是讓被供給的低溫側冷媒與利用流體流通裝置20流通之流體進行熱交換而將該流體冷卻。與利用流體流通裝置20流通的流體進行熱交換後之低溫側冷媒，昇溫而成為理想的氣體狀態後，從低溫側蒸發器304流出而再度在低溫側壓縮機301進行壓縮。
低溫側熱氣迴路320係具有熱氣流路321、及設置於熱氣流路321之流量調節閥322。熱氣流路321，是從低溫側冷凍迴路310中之低溫側壓縮機301的下游側且低溫側冷凝器302的上游側的部分分支，並連接於低溫側膨脹閥303的下游側且低溫側蒸發器304的上游側的部分。
低溫側熱氣迴路320，因應流量調節閥322的開閉及開度調節，讓從低溫側壓縮機301流出之低溫側冷媒與利用低溫側膨脹閥303膨脹後的低溫側冷媒混合，藉此調節低溫側蒸發器304的冷凍能力。亦即，低溫側熱氣迴路320是為了進行低溫側蒸發器304的容量控制而設置的。在低溫側冷凍機300，藉由設置低溫側熱氣迴路320，可迅速地調節低溫側蒸發器304之冷凍能力。
此外，在低溫側冷凍機300，在低溫側冷凍迴路310中之低溫側冷凝器302的下游側且低溫側膨脹閥303的上游側的第1部分311、和在低溫側冷凍迴路310中之低溫側蒸發器304的下游側且低溫側壓縮機301的上游側的第2部分312，是構成可將通過各部分311,312之低溫側冷媒彼此行熱交換之內部熱交換器IE。
在內部熱交換器IE中，使從低溫側冷凝器302流出而流入低溫側膨脹閥303之前的低溫側冷媒、和從低溫側蒸發器304流出而流入低溫側壓縮機301之前的低溫側冷媒互相進行熱交換。如此，可將從低溫側冷凝器302流出之低溫側冷媒在流入低溫側膨脹閥303之前進行冷卻，可將從低溫側蒸發器304流出之低溫側冷媒在流入低溫側壓縮機301之前進行加熱。結果，可將低溫側蒸發器304的冷凍能力簡易地提高，且可減輕為了確保低溫側壓縮機301的耐久性能(耐冷性能)之負擔。
在以上般的低溫側冷凍機300所使用之低溫側冷媒，沒有特別的限定，與高溫側冷媒及中溫側冷媒的情況同樣的，是按照對溫度控制對象的目標冷卻溫度而適宜地決定。在本實施形態，為了將利用流體流通裝置20流通之流體冷卻到-70℃以下、較佳為-80℃以下，作為低溫側冷媒是使用R23，但低溫側冷媒的種類沒有特別的限定。
在此，本實施形態之中溫側冷凍機200及低溫側冷凍機300都是使用R23，但中溫側冷凍機200和低溫側冷凍機300是使用彼此不同的冷媒亦可。此外，要實現超低溫冷卻的情況，中溫側冷凍機200及低溫側冷凍機300之至少任一者可取代R23而使用R1132a。R1132a之沸點約 -83℃以下，可降溫到-70℃以下，因此適用於進行極低溫的冷卻時。而且，R1132a的全球暖化潛勢(GWP)極低，而能構成環境友善的裝置。
此外，在中溫側冷凍機200及低溫側冷凍機300的至少任一者中，亦可使用含有R23及其他冷媒之混合冷媒、含有R1132a及其他冷媒之混合冷媒。 例如，在中溫側冷凍機200及低溫側冷凍機300的至少任一者中，可使用讓R1132a和CO2 (R744)混合之混合冷媒。在此情況，可實現極低溫的冷卻和抑制全球暖化潛勢，且處理也變容易。 此外，在中溫側冷凍機200及低溫側冷凍機300的至少任一者中，亦可使用讓R1132a、R744、R23混合的混合冷媒。
此外，在中溫側冷凍機200及低溫側冷凍機300的至少任一者中，可使用例如在R23、R1132a、或含有其等之至少任一者的混合冷媒中添加有正戊烷的冷媒。因為正戊烷具有作為油載體的功能，當其被添加的情況，可讓壓縮機201,301潤滑用的油和冷媒一起適當地循環，能讓壓縮機201,301穩定地運轉。此外，作為油載體是添加丙烷亦可。
＜流體流通裝置＞ 接下來說明流體流通裝置20。本實施形態的流體流通裝置20係具有：讓流體流通之流體流路21、及賦予用於在流體流路讓流體流通的驅動力之泵22。本實施形態的流體流路21，是與中溫側冷凍機200的中溫側第1蒸發器204連接，並與低溫側冷凍機300的低溫側蒸發器304連接，進一步與溫度控制對象50連接。
從泵22流出的流體，在中溫側第1蒸發器204中藉由中溫側冷媒冷卻後，在低溫側蒸發器304中藉由低溫側冷媒冷卻。然後，流體供應給溫度控制對象50，再返回泵22。在本實施形態，從泵22流出的流體是在通過溫度控制對象50之後返回泵22，但流體流通裝置20並不限定於這樣的構成。例如流體流通裝置20亦可為，將從泵22流出的流體進行溫度調節而供應給溫度控制對象50，然後將其排出。
利用流體流通裝置20流通的流體沒有特別的限定，在本實施形態是使用超低溫用的鹵水(brine)。
溫度控制對象50有許多種可被想像，例如半導體製造裝置的載台(stage)、用於載置構裝有半導體之基板的構件。此外，當流體流通裝置20是讓氣體流通的情況，溫度控制對象50可為空間。
＜動作＞ 接下來說明流體溫度調節系統1的動作之一例。
要讓流體溫度調節系統1動作時，首先，依控制裝置30的指令，將高溫側冷凍機100的高溫側壓縮機101、中溫側冷凍機200的中溫側壓縮機201、低溫側冷凍機300的低溫側壓縮機301、及流體流通裝置20的泵22驅動。如此，在高溫側冷凍機100中使高溫側冷媒循環，在中溫側冷凍機200中使中溫側冷媒循環，在低溫側冷凍機300中使低溫側冷媒循環，在流體流通裝置20使液體流通。
控制裝置30，在進行冷卻動作時，可將高溫側冷凍機100的高溫側膨脹閥103、流量調節閥122及冷卻用膨脹閥132、中溫側冷凍機200的中溫側第1膨脹閥203、中溫側第2膨脹閥223及流量調節閥232、低溫側冷凍機300的低溫側膨脹閥303及流量調節閥322之開度適宜地調節。又上述各閥，在本實施形態中，是可根據外部信號來調節開度之電子膨脹閥。
在高溫側冷凍機100，利用高溫側壓縮機101壓縮後的高溫側冷媒是在高溫側冷凝器102被冷凝，而供應給高溫側膨脹閥103。高溫側膨脹閥103，是讓利用高溫側冷凝器102冷凝後的高溫側冷媒膨脹使其降溫，而供應給高溫側蒸發器104。高溫側蒸發器104，如上述般是和中溫側冷凍機200的中溫側冷凝器202一起構成第1級聯冷凝器CC1，讓被供給的高溫側冷媒與在中溫側冷凍機200循環的中溫側冷媒進行熱交換而將中溫側冷媒冷卻。
在中溫側冷凍機200，利用中溫側壓縮機201壓縮後的中溫側冷媒是在第1級聯冷凝器CC1中被冷凝，在圖2所示的分支點BP分支，如箭頭所示般送往中溫側第1膨脹閥203、中溫側第2膨脹閥223。中溫側第1膨脹閥203，是讓利用第1級聯冷凝器CC1冷凝後的中溫側冷媒膨脹使其降溫，而供應給中溫側第1蒸發器204。另一方面，中溫側第2膨脹閥223，是讓利用第1級聯冷凝器CC1冷凝後的中溫側冷媒膨脹使其降溫，而供應給中溫側第2蒸發器224。
而且，中溫側第1蒸發器204是藉由中溫側冷媒而將利用流體流通裝置20流通的流體冷卻。中溫側第2蒸發器224，如上述般是和低溫側冷凍機300的低溫側冷凝器302一起構成第2級聯冷凝器CC2，將被供給的中溫側冷媒與在低溫側冷凍機300循環的低溫側冷媒進行熱交換而將低溫側冷媒冷卻。
在低溫側冷凍機300，利用低溫側壓縮機301壓縮後的低溫側冷媒是在第2級聯冷凝器CC2中被冷凝，如圖3所示般經由內部熱交換器IE而送往低溫側膨脹閥303。低溫側膨脹閥303，是讓通過內部熱交換器IE後的低溫側冷媒膨脹使其降溫，而供應給低溫側蒸發器304。而且，低溫側蒸發器304是藉由低溫側冷媒而將利用流體流通裝置20流通的流體冷卻。
此外，在內部熱交換器IE中，使從低溫側冷凝器302流出而流入低溫側膨脹閥303之前的低溫側冷媒、與從低溫側蒸發器304流出而流入低溫側壓縮機301之前的低溫側冷媒互相進行熱交換。如此，可對從低溫側冷凝器302流出的低溫側冷媒賦予過冷度。
依據以上所說明的流體溫度調節系統1，利用流體流通裝置20流通的流體，是藉由中溫側冷凍機200的中溫側第1蒸發器204進行冷卻(預冷卻)之後，藉由可輸出比中溫側第1蒸發器204更大的冷凍能力之低溫側冷凍機300的低溫側蒸發器304進行冷卻。如此，流體溫度調節系統1，在實現迄溫度控制對象物之作為目標的所期望溫度為止之冷卻時，能比在低溫側冷凍機300中採用高性能的壓縮機之單純三元冷凍裝置更容易製作，可輕易且穩定地實現迄所期望溫度為止的溫度控制對象之冷卻。
此外，在內部熱交換器IE中，使從低溫側冷凝器302流出而流入低溫側膨脹閥303之前的低溫側冷媒、與從低溫側蒸發器304流出而流入低溫側壓縮機301之前的低溫側冷媒互相進行熱交換。如此，可將從低溫側冷凝器302流出之低溫側冷媒在流入低溫側膨脹閥303之前進行冷卻，可將從低溫側蒸發器304流出之低溫側冷媒在流入低溫側壓縮機301之前進行加熱。結果，可將低溫側蒸發器304的冷凍能力簡易地提高，且可減輕為了確保低溫側壓縮機301的耐久性能(耐冷性能)之負擔。因此，縱使不將低溫側壓縮機301的能力過度提高仍能輕易地實現所期望的冷卻，而使製作容易性提高。
又本實施形態的中溫側冷凍機200及低溫側冷凍機300，在構成為二元式冷凍裝置的情況也是有用的。亦即，對於使用中溫側冷凍機200作為第1冷凍機且使用低溫側冷凍機300作為第2冷凍機之以下般的二元式冷凍裝置也是有用的。
冷凍裝置，係具備第1冷凍機及第2冷凍機， 前述第1冷凍機具有第1冷凍迴路及級聯用旁通迴路，前述第1冷凍迴路是將第1壓縮機、第1冷凝器、第1膨脹閥及第1蒸發器以依序讓第1冷媒循環的方式連接，前述級聯用旁通迴路係包含分支流路、級聯用膨脹閥、及級聯用蒸發器，該分支流路，是從前述第1冷凍迴路中之前述第1冷凝器的下游側且前述第1膨脹閥的上游側的部分分支，並連接於前述第1蒸發器的下游側且前述第1壓縮機的上游側的部分，其用於讓從前述第1冷凍迴路分支之前述第1冷媒流通，該級聯用膨脹閥是設置於前述分支流路，該級聯用蒸發器是設置於前述分支流路中之比前述級聯用膨脹閥更下游側， 前述第2冷凍機具有第2冷凍迴路，該第2冷凍迴路是將第2壓縮機、第2冷凝器、第2膨脹閥及第2蒸發器以依序讓第2冷媒循環的方式連接， 前述第1冷凍機的前述級聯用蒸發器和前述第2冷凍機的前述第2冷凝器，是構成可將前述第1冷媒和前述第2冷媒進行熱交換之級聯冷凝器。 這時，可將溫度控制對象藉由前述第1冷凍機之前述第1蒸發器進行冷卻之後，藉由前述第2冷凍機之前述第2蒸發器進行冷卻。
此外，本實施形態的低溫側冷凍機300，構成為以下般之單元式冷凍裝置的情況也是有用的。
冷凍裝置係具備冷凍迴路，該冷凍迴路是將壓縮機、冷凝器、膨脹閥及蒸發器以依序讓冷媒循環的方式連接， 前述冷凍迴路中之前述冷凝器的下游側且前述膨脹閥的上游側的部分、和前述冷凍迴路中之前述蒸發器的下游側且前述壓縮機的上游側的部分，是構成可將通過各前述部分之前述冷媒進行熱交換之內部熱交換器。
又本發明並不限定於上述實施形態，可在上述實施形態中進行各種的變更。
1:流體溫度調節系統 10:多元式冷凍裝置 20:流體流通裝置 21:流體流路 22:泵 30:控制裝置 40:冷卻水供給管 50:溫度控制對象 100:高溫側冷凍機 101:高溫側壓縮機 102:高溫側冷凝器 103:高溫側膨脹閥 104:高溫側蒸發器 110:高溫側冷凍迴路 120:高溫側熱氣迴路 121:熱氣流路 122:流量調節閥 130:冷卻用旁通迴路 131:冷卻用流路 132:冷卻用膨脹閥 200:中溫側冷凍機 201:中溫側壓縮機 202:中溫側冷凝器 203:中溫側第1膨脹閥 204:中溫側第1蒸發器 210:中溫側冷凍迴路 220:級聯用旁通迴路 221:分支流路 223:中溫側第2膨脹閥 224:中溫側第2蒸發器 230:中溫側熱氣迴路 231:熱氣流路 232:流量調節閥 300:低溫側冷凍機 301:低溫側壓縮機 302:低溫側冷凝器 303:低溫側膨脹閥 304:低溫側蒸發器 310:低溫側冷凍迴路 311:第1部分 312:第2部分 320:低溫側熱氣迴路 321:熱氣流路 322:流量調節閥 CC1:第1級聯冷凝器 CC2:第2級聯冷凝器 IE:內部熱交換器
[圖1]係一實施形態的流體溫度調節系統之概略圖。 [圖2]係構成圖1的流體溫度調節系統之中溫側冷凍機及低溫側冷凍機的放大圖。 [圖3]係構成圖1的流體溫度調節系統之低溫側冷凍機的放大圖。
1:流體溫度調節系統
10:多元式冷凍裝置
20:流體流通裝置
21:流體流路
22:泵
30:控制裝置
40:冷卻水供給管
50:溫度控制對象
100:高溫側冷凍機
101:高溫側壓縮機
102:高溫側冷凝器
103:高溫側膨脹閥
104:高溫側蒸發器
110:高溫側冷凍迴路
120:高溫側熱氣迴路
121:熱氣流路
122:流量調節閥
130:冷卻用旁通迴路
131:冷卻用流路
132:冷卻用膨脹閥
200:中溫側冷凍機
201:中溫側壓縮機
202:中溫側冷凝器
203:中溫側第1膨脹閥
204:中溫側第1蒸發器
210:中溫側冷凍迴路
220:級聯用旁通迴路
221:分支流路
223:中溫側第2膨脹閥
224:中溫側第2蒸發器
230:中溫側熱氣迴路
231:熱氣流路
232:流量調節閥
300:低溫側冷凍機
301:低溫側壓縮機
302:低溫側冷凝器
303:低溫側膨脹閥
304:低溫側蒸發器
310:低溫側冷凍迴路
311:第1部分
312:第2部分
320:低溫側熱氣迴路
321:熱氣流路
322:流量調節閥
CC1:第1級聯冷凝器
CC2:第2級聯冷凝器

Claims (8)

  1. 一種流體溫度調節系統，係具備高溫側冷凍機、中溫側冷凍機、低溫側冷凍機及流體流通裝置，前述高溫側冷凍機具有高溫側冷凍迴路，該高溫側冷凍迴路是將高溫側壓縮機、高溫側冷凝器、高溫側膨脹閥及高溫側蒸發器以依序讓高溫側冷媒循環的方式連接，前述中溫側冷凍機具有中溫側冷凍迴路及級聯用旁通迴路，前述中溫側冷凍迴路，是將中溫側壓縮機、中溫側冷凝器、中溫側第1膨脹閥及中溫側第1蒸發器以依序讓中溫側冷媒循環的方式連接，前述級聯用旁通迴路包含分支流路、中溫側第2膨脹閥及中溫側第2蒸發器，該分支流路，是從前述中溫側冷凍迴路中之前述中溫側冷凝器的下游側且前述中溫側第1膨脹閥的上游側的部分分支，並連接於前述中溫側第1蒸發器的下游側且前述中溫側壓縮機的上游側的部分，其用於讓從前述中溫側冷凍迴路分支之前述中溫側冷媒流通，該中溫側第2膨脹閥是設置於前述分支流路，該中溫側第2蒸發器是設置於前述分支流路中之比前述中溫側第2膨脹閥更下游側，前述低溫側冷凍機具有低溫側冷凍迴路，該低溫側冷凍迴路是將低溫側壓縮機、低溫側冷凝器、低溫側膨脹閥及低溫側蒸發器以依序讓低溫側冷媒循環的方式連接，前述流體流通裝置是讓流體流通，前述高溫側冷凍機的前述高溫側蒸發器和前述中溫側 冷凍機的前述中溫側冷凝器，是構成可進行前述高溫側冷媒和前述中溫側冷媒的熱交換之第1級聯冷凝器，前述中溫側冷凍機的前述中溫側第2蒸發器和前述低溫側冷凍機的前述低溫側冷凝器，是構成可進行前述中溫側冷媒和前述低溫側冷媒的熱交換之第2級聯冷凝器，前述中溫側冷媒和前述低溫側冷媒是相同的冷媒，該流體溫度調節系統，是將利用前述流體流通裝置流通的流體，藉由前述中溫側冷凍機的前述中溫側第1蒸發器進行冷卻之後，藉由前述低溫側冷凍機的前述低溫側蒸發器進行冷卻。
  2. 如請求項1所述之流體溫度調節系統，其中，前述低溫側冷凍迴路中之前述低溫側冷凝器的下游側且前述低溫側膨脹閥的上游側的部分、和前述低溫側冷凍迴路中之前述低溫側蒸發器的下游側且前述低溫側壓縮機的上游側的部分，是構成可將通過各前述部分之前述低溫側冷媒進行熱交換之內部熱交換器。
  3. 如請求項1或2所述之流體溫度調節系統，其中，前述低溫側冷媒是R23，藉由前述低溫側膨脹閥讓其膨脹而降溫到-70℃以下。
  4. 如請求項1或2所述之流體溫度調節系統，其中，前述低溫側冷媒是R1132a，藉由前述低溫側膨脹閥讓 其膨脹而降溫到-70℃以下。
  5. 如請求項1或2所述之流體溫度調節系統，其中，前述低溫側冷媒包含R1132a，藉由前述低溫側膨脹閥讓其膨脹而降溫到-70℃以下。
  6. 如請求項1所述之流體溫度調節系統，其中，利用前述中溫側壓縮機壓縮後的前述中溫側冷媒，是在前述第1級聯冷凝器中被冷凝，以送往前述中溫側第1膨脹閥及前述中溫側第2膨脹閥的方式被分支，前述中溫側第1膨脹閥是讓前述中溫側冷媒膨脹，前述中溫側第2膨脹閥是讓前述中溫側冷媒膨脹，同時，前述低溫側膨脹閥是讓前述低溫側冷媒膨脹使其降溫，藉此，將利用前述流體流通裝置流通的流體，藉由前述中溫側冷凍機的前述中溫側第1蒸發器進行冷卻之後，藉由前述低溫側冷凍機的前述低溫側蒸發器進行冷卻。
  7. 一種冷凍裝置，係具備第1冷凍機及第2冷凍機，前述第1冷凍機具有第1冷凍迴路及級聯用旁通迴路，前述第1冷凍迴路是將第1壓縮機、第1冷凝器、第1膨脹閥及第1蒸發器以依序讓第1冷媒循環的方式連接，前述級聯用旁通迴路係包含分支流路、級聯用膨脹閥、及級聯用蒸發器，該分支流路，是從前述第1冷凍迴路中之前述第1冷凝器的下游側且前述第1膨脹閥的上游側的部分分支，並 連接於前述第1蒸發器的下游側且前述第1壓縮機的上游側的部分，其用於讓從前述第1冷凍迴路分支之前述第1冷媒流通，該級聯用膨脹閥是設置於前述分支流路，該級聯用蒸發器是設置於前述分支流路中之比前述級聯用膨脹閥更下游側，前述第2冷凍機具有第2冷凍迴路，該第2冷凍迴路是將第2壓縮機、第2冷凝器、第2膨脹閥及第2蒸發器以依序讓第2冷媒循環的方式連接，前述第1冷凍機的前述級聯用蒸發器和前述第2冷凍機的前述第2冷凝器，是構成可將前述第1冷媒和前述第2冷媒進行熱交換之級聯冷凝器，前述第1冷媒和前述第2冷媒是相同的冷媒。
  8. 如請求項7所述之冷凍裝置，其中，利用前述第1壓縮機壓縮後的前述第1冷媒，是在前述第1冷凝器中被冷凝，以送往前述第1膨脹閥及前述級聯用膨脹閥的方式被分支，前述第1膨脹閥是讓前述第1冷媒膨脹，前述級聯用膨脹閥是讓前述第1冷媒膨脹，同時，前述第2膨脹閥是讓前述第2冷媒膨脹使其降溫，藉此，將溫度控制對象藉由前述第1冷凍機的前述第1蒸發器進行冷卻之後，藉由前述第2冷凍機的前述第2蒸發器進行冷卻。
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