WO2022025443A1 - 다단 냉동 사이클을 이용한 온도 조절 장치 및 이를 이용한 온도 조절 방법 - Google Patents

다단 냉동 사이클을 이용한 온도 조절 장치 및 이를 이용한 온도 조절 방법 Download PDF

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Abstract

냉각 대상의 온도 제어 범위가 넓은 경우에도 전체 제어 온도 범위에 대응하여 냉각 대상을 설정 온도로 제어할 수 있는 온도 조절 장치를 제공한다. 본 발명에 따른 온도 조절 장치는, 적어도 고온 측 냉동 사이클 21a 및 저온 측 냉동 사이클 21b를 구비하고, 고온 측 냉동 사이클과 저온 측 냉동 사이클은 각각 압축기(4), 응축기(5), 팽창 밸브(6) 및 증발기(7)가 배치되어 냉매를 순환시키는 순환 회로(3)를 구비하고, 저온 측 냉동 사이클에서 냉매의 응축을 고온 측 냉동 사이클의 냉매에 의해 실시하고, 압축기는 인버터 제어 가능한 압축기를 이용하며 팽창 밸브는 전자 팽창 밸브를 사용하고, 미리 순환 액 설정 온도를 여러 부분으로 나누고, 각 지역에 따라 압축기의 운전 주파수와 전자 팽창 밸브의 개도를 파라미터화하여 설정하고, 순환액의 설정 온도에 따라 압축기의 운전 주파수와 전자 팽창 밸브의 개도를 파라미터에 따라 자동으로 조절한다.

Description

다단 냉동 사이클을 이용한 온도 조절 장치 및 이를 이용한 온도 조절 방법
본 발명은 반도체 제조 장치 등의 각종 장치 및 공정 등의 온도를 제어하기 위해 사용되는 온도 조절 장치 및 이를 이용한 온도 조절 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 다단 냉동 사이클을 이용한 온도 조절 장치 및 이를 이용한 온도 조절 방법에 관한 것이다.
아시다시피, 반도체 제조시에는 각 공정 내에서 온도를 일정하게 제어할 필요가 있으며, 이를 위해 액체 온도를 관리하는 순환액을 순환시킴으로써 온도 제어를 수행 온도 조절 장치로 냉각기가 사용 수 있다.
그리고 종래부터 반도체 업계에서 사용되고 있는 칠러는 등속 압축기를 사용하는 동시에, 이 압축기를 최대 용량으로 설정하여 냉각 능력의 설정을 하고 있었다.
즉, 냉각은 일반적으로 온도 제어의 대상이 되는 프로세스 등에 공급하는 순환액의 온도를 소정 온도로 제어하기 위한 냉동기 유닛을 가지고 있으며, 이 냉동기 유닛은 압축기, 응축기, 팽창 밸브 및 증발기로 구성되는 냉동 사이클에서 냉매를 순환시키면서 이 냉매 온도 제어의 대상이 되는 프로세스 등으로부터 돌아온 순환액을 열 교환하여 순환액 온도를 필요 온도 이하로 내려 다음에 순환액을 히터로 가열하여 필요한 온도로 제어하는 것이 일반적이다.
그런데, 온도 조절 장치에 의해 조절하는 순환액 온도의 폭이 넓고, 예를 들어, 마이너스 60℃에서 30℃ 등의 저온에서 고온까지 광범위한 온도 제어할 필요가 있다. 이를 위해 냉각 대상의 온도가 낮은 경우에는 보통의 냉동 사이클 (단단 냉동 사이클)에서 순환액을 대상으로 하는 온도까지 냉각할 수 없는 경우가 있다.
예를 들어, 도 4는 일반적인 냉동 사이클을 나타낸 그림이며, 그림에서 점선으로 나타낸 부분(31)은 일반적인 냉동 사이클의 일부분이다. 그리고 이 냉동 사이클(31)에서 알려진 바와 같이, 압축기(32), 응축기(33), 팽창 밸브(34) 및 증발기(35)를 배치한 순환 회로에서 냉매를 순환시키면서 증발기(35)에서 냉매 온도 제어의 대상이 되는 프로세스 등으로부터 돌아온 순환액을 열교환하여 순환액 온도를 필요 온도 이하로 낮출 구성이다.
또한 도 4의 냉동 사이클은 냉각되는 온도가 영하 40℃ 이상인 경우를 상정하고 있어, 이 경우는 낮은 증발 온도가 영하 45℃ 정도이며, 응축 온도는 30℃ 정도이다. 이를 위해 압축기에서 공급되는 고압의 가스를 응축기에서 응축하는 응축 온도는 30℃ 정도이며, 이 경우는 물이나 공기에 의한 응축이 가능하다. 즉, 물의 유량과 공기의 풍량 제어로 응축 능력을 제어하는 것이 가능하다.
그러나 냉각되는 온도가 영하 40℃ 이하의 경우는 위의 단단 냉동 사이클에서는 순환액의 온도를 원하는 온도로 하는 것이 곤란하다. 예를 들어, 냉각 대상 온도가 영하 60℃의 경우를 예로 들면, 이 경우에는 증발 온도는 영하 70℃ 정도이며, 응축 온도는 영하 10℃ 정도가 된다. 이를 위해 영하 10℃의 응축 물과 공기가 불가능하기 때문에, 단단 냉동 사이클을 다단으로 조합 한 냉동 사이클 (다단 냉동 사이클)을 이용한 냉각이 필요하다.
이 다단 냉동 사이클을 설명하면, 예를 들어, 냉각 대상 온도가 영하 60℃의 경우를 상정하면 증발 온도가 영하 70℃ 정도이며, 응축 온도는 영하 10℃ 정도가 된다. 이를 위해 압축기에서 공급되는 고압의 가스를 응축기에서 응축하는 응축 온도는 영하 10℃ 정도가 물이나 공기에 의한 응축 불가능하기 때문에 단단 냉동 사이클에서는 순환액 온도 희망 온도에 도달하는 것이 곤란하다.
그래서 다단 냉동 사이클에서 냉동 사이클을 예를 들어 2개 조합하면 한쪽을 저온 측 냉동 사이클, 다른 하나는 고온 측 냉동 사이클로서 고온 측 냉동 사이클의 증발기와 저온 측 냉동 사이클의 응축기를 겸용하여 저온 측 냉동 사이클에서 냉매의 응축을 고온 측 냉동 사이클의 냉매로 실시하는 것으로 하고 있다. 따라서 이 다단 냉동 사이클을 이용한 냉각은 순환 액의 온도가 영하 40℃ 이하와 같은 낮은 온도의 경우에도 충분히 대응할 수 있다.
[선행 기술 문헌]
[특허 문헌]
(특허 문헌 1) 특개 2013-20509 호 공보
(특허 문헌 2) 특개 2011-114279 호 공보
(특허 문헌 3) 특개 2003-148852 호 공보
그런데 냉동 사이클에 사용되는 앞에서 기술한 구성 부품은 등속 압축기 및 기계식 팽창 밸브 것이 일반적이다. 그리고 종래에는 압축기의 선정시에는 모든 온도에 대응할 수 있도록, 압축기의 최대 능력으로 설정하여 냉각 능력에 대응할 수 있도록 했다. 즉, 기존의 사용시 순환 액 설정 온도에 관계없이 압축기를 최대 용량으로 작동하지 않을 수 없고, 각종 조정 밸브 등을 사용하여 어떻게 든 압축기가 안정적으로 운전할 수 있도록 조정했다.
이를 위해 기존에는 순환 액 설정 온도에 따라 냉각 능력이 필요 냉각 능력을 크게 웃도는 경우도 나오고 있으며, 즉, 순환 액을 원하는 냉각 온도를 크게 밑도는 온도로 냉각하고 버려, 그 결과 필요 이상의 냉각을 하게 되고, 이에 따라 필요 이상의 가열이 필요하게 되어 버려, 에너지를 낭비해 버리는 사태도 발생했다.
또한, 앞에서 기술한 바와 같이, 종래의 냉동 사이클에 사용되는 부품은 등속 압축기 및 기계식 팽창 밸브가 일반적이며 조정대가 별로 없기 때문에, 용량 조절 밸브, 증발 압력 조절 밸브, 응축 압력 조정 밸브 등의 각종 조정 밸브를 사용하여 냉각 능력의 조정 및 냉동 사이클에서 문제가 일어나지 않도록 상황에 따라 조정을 실시하고 있는 실정이다.
그리고 예를 들어 이원 냉동 사이클과 같은 다단 냉동 사이클에서도 단단 냉동 사이클의 경우와 마찬가지로, 일정 속 압축기 및 기계적 팽창 밸브에 각종 조절 밸브를 조합하여 냉각 능력의 조정 및 냉동 사이클에 문제가 발생하지 않도록 하고 있다.
그러나 예를 들어 이원 냉동 사이클과 같은 다단 냉동 사이클에 의해 순환 액을 냉각하는 냉각 대상의 온도는 영하 40℃ 이하이기 때문에, 냉각 대상의 온도 제어 범위를 넓게 하려면 각종 조정 밸브를 사용한 경우에도 전체 제어 온도 범위에 대응할 수 없었다. 이를 위해 종래에는, 예를 들면 설정 온도가 영하 40℃ 이상인 경우에는 고온 측 냉동 사이클만을 운전하여 순환 액의 냉각을 하고 한편, 설정 온도가 영하 40℃ 이하의 경우에는 이원 냉동 사이클을 이용하여 순환 액의 냉각을 실시하는 것처럼, 냉동 사이클을 전환하여 사용하는 등의 노력이 필요했다. 그러한 연구를 할 수 없는 경우에는 냉각 대상의 온도 제어 범위를 좁게 하고 대응할 필요가 있었다.
또한 다단 냉동 사이클에서 예를 들어, 이원 냉동 사이클의 경우 저온 측 냉동 사이클과 고온 측 냉동 사이클의 열적 균형, 즉 저온 측 냉동 사이클의 냉각 능력 및 압축기의 일 열을 충분히 응축 만 고온 측 냉동 사이클의 냉각 능력의 확보가 안되면 안정된 냉동 사이클의 운전은 하지 못하고, 온도 제어 범위가 넓은 경우에는 온도 제어 범위의 각 온도마다 저온 측 냉동 사이클과 고온 측 냉동 사이클 열적 균형을 각종 조정 밸브 등을 이용하여도 확보할 수 없는 경우는 냉각 대상의 온도 제어 범위를 좁게 하고 대응할 필요가 있었다.
따라서, 본 발명은 냉각 대상의 온도 제어 범위가 넓은 경우에도 전체 제어 온도 범위에 대응하여 냉각 대상을 설정 온도까지 냉각할 수 있는 다단 냉동 사이클을 이용한 온도 조절 장치 및 그것을 이용한 온도 조절 방법을 제공하는 것을 과제로 하고 있다.
본 발명의 다단 냉동 사이클을 이용한 온도 조절 장치 및 이를 이용한 온도 조절 방법은 각종 장비, 공정 등의 온도 제어를 필요로 하는 제어 대상으로 소정 온도로 제어한 순환 액을 순환시킴으로써 상기 제어 대상을 미리 설정한 설정 온도로 유지하는 다단 냉동 사이클을 이용한 온도 조절 장치로서,
상기 다단 냉동 사이클은
적어도 고온 측 냉동 사이클과 저온 측 냉동 사이클을 구비하고, 상기 고온 측 냉동 사이클과 저온 측 냉동 사이클은 각각
냉매를 순환시키는 순환 회로와, 상기 순환 회로의 개발에 배치하고,
기화 된 냉매를 압축하여 고압으로 하는 압축기와,
상기 압축기에 의해 고압으로 된 냉매를 열 교환하여 응축하는 응축기와, 상기 응축기에서 액화된 냉매를 저온으로 하는 팽창 밸브와,
상기 팽창 밸브에서 저온으로 된 냉매를 열교환에 의해 기화하는 증발기를 구비하고, 상기 고온 측 냉동 사이클의 증발기에 의해 저온 측 응축기에 공급된 냉매의 응축을 할 하고, 상기 압축기로 인버터 제어 가능한 압축기를 사용하고, 팽창 밸브로 전자 팽창 밸브를 사용하여 미리 순환 액 설정 온도를 여러 부분으로 나누어 하여야 하고, 각 지역에 따라 고온 측 냉동 사이클의 압축기의 운전 주파수 고온 측 냉동 사이클의 전자 팽창 밸브의 개도 저온 측 냉동 사이클의 압축기의 운전 주파수 및 저온 측 냉동 사이클의 전자 팽창 밸브의 개도를 파라미터 화하여 설정해두고 순환 액 설정 온도에 따라 고온 측 냉동 사이클의 압축기의 운전 주파수 고온 측 냉동 사이클의 전자 팽창 밸브의 개도 저온 측 냉동 사이클의 압축기의 운전 주파수 및 저온 측 냉동 사이클의 전자 팽창 밸브의 개도를 매개 변수에 따라 조정하는 것을 특징으로 하고 있다.
본 발명의 온도 조절 장치와 온도 조절 방법은 각 냉매를 순환시키는 순환 회로 순환 회로의 개발에 배치한 압축기와 압축기에 의해 고압으로 된 냉매를 열 교환하여 응축하는 응축 그릇과 응축기에서 액화된 냉매를 저온으로 하는 팽창 밸브와, 팽창 밸브에서 저온으로 된 냉매를 열교환에 의해 기화하는 증발기를 구비하는 고온 측 냉동 사이클과 저온 측 냉동 사이클을 구비하고 고온 측 냉동 사이클의 증발기에 의해 저온 측 응축기에 공급된 냉매의 응축을 할 다단 냉동 사이클을 이용한 것을 특징으로 하고 있다. 이를 위해 순환 액 설정 온도가 영하 40℃ 이하와 같은 낮은 온도의 경우에도 충분히 대응할 수 있다.
그리고, 본 발명의 온도 조절 장치는 압축기로 인버터 제어 가능한 압축기를 사용하고, 팽창 밸브로 전자 팽창 밸브를 사용하여 미리 순환 액 설정 온도를 여러 부분으로 나누어 하여야 하고, 각 지역에 따라 고온 측 냉동 사이클의 압축기의 운전 주파수 고온 측 냉동 사이클의 전자 팽창 밸브의 개도 저온 측 냉동 사이클의 압축기의 운전 주파수 및 저온 측 냉동 사이클의 전자 팽창 밸브의 개도를 파라미터화하여 설정해두고 순환 액 설정 온도에 따라 고온 측 냉동 사이클의 압축기의 운전 주파수 고온 측 냉동 사이클의 전자 팽창 밸브의 개도, 저온 측 냉동 사이클의 압축기의 운전 주파수, 및 저온 측 냉동 사이클의 전자 팽창 밸브의 개도를 매개 변수에 따라 조정하는 것으로 하고 있다. 이를 위해 냉각 대상의 온도 제어 범위를 넓게 하고 싶은 경우에도 전체 제어 온도 범위에 대응하는 것이 가능하다.
또한, 모든 온도에 대응할 수 있도록 컴프레서를 최대 용량으로 설정하여 냉각 능력이 최대가 되도록 할 필요도 없기 때문에, 에너지를 낭비해 버리는 사태도 피할 수 있다.
도 1은 본 발명의 온도 조절 장치의 실시 예의 구성을 설명하기 위한 블럭도이다.
도 2는 본 발명의 온도 조절 장치의 실시 예에 사용되는 냉동 사이클을 설명하기 위한 블럭도이다.
도 3은 본 발명의 온도 조절 장치의 실시 예에서 여러 부분으로 나누어 순환 액 설정 온도에 따라 압축기의 운전 주파수 전자 팽창 밸브의 개도의 매개 변수를 나타내는 도면이다.
도 4는 일반적인 냉동 사이클을 설명하기 위한 블럭도이다.
본 발명의 온도 조절 장치는 다단 냉동 사이클을 구비하고 있으며, 이 다단 냉동 사이클은, 예를 들면 이원 냉동 사이클의 경우는 고온 측 냉동 사이클과 저온 측 냉동 사이클을 구비하고 있다.
그리고 고온 측 냉동 사이클과 저온 측 냉동 사이클은 각각 냉매를 순환시키는 순환 회로를 가지고 있으며, 이 순환 회로의 개발은 압축기와 응축기와 팽창 밸브와 증발기가 위치한 압축기는 증발기에서 증발한 냉매를 압축하여 고압으로 하기 위해 사용되며, 응축기는 압축기에 의해 고압으로 된 냉매를 열 교환하여 응축하기 위해 사용되며, 팽창 밸브는 응축기에서 액화된 냉매를 저온으로 하기 위해 사용되며, 증발기는 팽창 밸브에서 저온으로 된 냉매를 열교환에 의해 기화하고 그 기화열에 의해 순환 액을 냉각하기 위해 사용된다. 또한, 본 발명의 온도 조절 장치의 다단 냉동 사이클은, 예를 들면 이원 냉동 사이클에서는 저온 측 응축기에 공급된 냉매의 응축은 고온 측 냉동 사이클의 증발기에 의해 실시하는 것으로 하고 있다.
또한 본 발명은 압축기로 인버터 제어 가능한 압축기를 사용하고, 팽창 밸브로 전자 팽창 밸브를 사용하고 있다.
또한, 본 발명에서는 미리 순환 액 설정 온도를 여러 부분으로 나누어 하여야 하고, 각 지역에 따라 고온 측 냉동 사이클의 압축기의 운전 주파수, 고온 측 냉동 사이클의 전자 팽창 밸브의 개도, 저온 측 냉동 사이클의 압축기의 운전 주파수 및 저온 측 냉동 사이클의 전자 팽창 밸브의 개도를 파라미터화하여 설정해 두는 것으로 하고 있다.
그리고 이러한 본 발명의 온도 조절 장치를 이용하여 온도 조절을 할 경우에는 순환 액 설정 온도에 따라 고온 측 냉동 사이클의 압축기의 운전 주파수, 고온 측 냉동 사이클의 전자 팽창 밸브의 개도, 저온 측 냉동 사이클의 압축기의 운전 주파수 및 저온 측 냉동 사이클의 전자 팽창 밸브를 미리 설정해 둔 매개 변수에 따라 조정하는 것으로 하고 있다.
또한 여기서 각 파라미터 설정 시 인터넷 등을 통해 장치를 원격 조작 가능하게 해 두어, 고온 측 냉동 사이클의 압축기의 운전 주파수, 고온 측 냉동 사이클의 전자 팽창 밸브 개도, 저온 측 냉동 사이클 압축기의 운전 주파수 및 저온 측 냉동 사이클의 전자 팽창 밸브의 개도 매개 변수를 원격 조작에 의해 설정 가능하면 좋고, 따라서 장비의 원격 관리도 가능하게 된다.
실시 예 1
본 발명의 온도 조절 장치의 실시 예를 도면을 참조하여 설명하면, 도 1은 본 실시 예의 온도 조절 장치를 설명하기 위한 블럭도이고, 도 1에서 1이 본 실시 예의 온도 조절 장치이다.
그리고, 본 실시 예의 온도 조절 장치 1은 각종 장비, 공정 등의 온도 제어를 필요로 하는 제어 대상으로 소정 온도로 제어한 순환 액을 순환시킴으로써 제어 대상을 미리 설정한 설정 온도에 유지하는 장치이며, 여기에서는 단일 단계의 냉동 사이클을 2 개 조합하여 구성된 이원 냉동 사이클을 구비 한 구성으로 하고 있다. 단, 제어하는 온도에 따라서는 삼원 냉동 사이클에서 구성할 수도 있다.
즉, 도 1에서 2가 이원 냉동 사이클이며, 본 실시 예에서 상기 이원 냉동 사이클 2는 앞에서 기술 한 바와 같이, 단일 단계의 냉동 사이클을 2 개 조합으로 구성되어 한쪽을 고온 측 냉동 사이클(21a)로 하고 다른 한쪽은 저온 측 냉동 사이클(21b)로 하고 있다.
여기서, 상기 고온 측 냉동 사이클 21a 및 저온 측 냉동 사이클 21b에 대해 설명하면, 도 2는 고온 측 냉동 사이클 21a 및 저온 측 냉동 사이클 21b의 구성을 설명하기 위한 블럭도이다. 또한, 본 실시 예에 있어서, 상기 고온 측 냉동 사이클 21a 및 저온 측 냉동 사이클 21b는 동일한 구성으로 하고 있기 때문에 다음에서는 단순히 냉동 사이클 21을 말한다.
본 실시 예의 온도 조절 장치에 사용되는 냉동 사이클 21은 일반적으로 사용되는 냉동 사이클과 마찬가지로, 냉매를 순환시키는 순환 회로 3을 가지고 있다. 그리고 이 순환로 3의 개발은 기화된 냉매를 압축하여 고압으로 하는 압축기 4, 압축기 4에 의해 고압으로 된 냉매를 열 교환하여 응축하는 응축기 (5), 응축기 5에서 액화된 냉매를 저온으로 하는 팽창 밸브 6, 팽창 밸브 6에서 저온으로 된 냉매를 열교환에 의해 기화시키는 증발기 7을 구비하고 있다.
그리고 아시다시피 증발기 7에 의해 기화한 저온 가스는 압축기 4에 의해 고압 가스하게 되고 이 고압 가스는 응축기 5에서 응축되어 고압의 액체가 된다. 또한 응축기 5에서 응축되어 고압의 액체 냉매는 팽창 밸브 6에 의해 저온의 액체로 된 후 증발기 7에서 기화되는 동시에 기화열에 의해 순환 액을 냉각한다. 그리고, 본 실시 예에 있어서, 상기 압축기 4는 인버터 제어 가능한 압축기를 사용하고 있으며, 또한, 상기 팽창 밸브 6은 전자 팽창 밸브로 하고 있다.
다음 그림에서 8은 냉각수 순환 회로이며, 이 냉각수 순환 회로 8은 압축기 4에서 고온 고압으로 된 냉매를 응축기 5에서 열교환에 의해 응축하기 위해 이용되고 있다.
또한 도 2에서 9는 순환액 순환로이며, 이 순환액 순환로 9는 반도체 식각 공정 등의 온도 제어를 할 제어 대상과, 상기 증발기 (7) 사이에서 순환 액을 순환시키면서 증발기 7에서 미리 설정된 온도로 냉각된 순환 액을 상기 제어 대상으로 공급하기 위해 이용되고 있다. 또한, 도 2에서 히터(18)를 이용하여 순환 액의 온도 제어 정밀도에 따라 설정 온도 이하로 냉각, 난방 등 설정 온도로 제어하는 등 상기 제어 대상으로 공급하는 경우도 있다.
그리고 냉동 사이클 21에서는 상기 냉각수 순환 회로(8)는 냉각탑 등으로 냉각된 냉각수를 응축기(5)에 공급하는 냉각수 공급로(801), 응축기(5)에서 냉매 사이에서 열교환을 실시 온도가 상승하면 냉각수를 다시 냉각탑 등으로 다시 냉각수 반환로(802)를 갖고 있으며, 쿨링 타워 등 및 응축기 사이를 순환하는 순환로로 하고 있다.
또한 냉동 사이클 21에서 순환액 순환 회로(9)는 증발기(7)에서 설정 온도까지 냉각된 순환 액을 제어 대상으로 공급하기 위한 순환 액 공급로 (901)과, 제어 대상에 두고 온도가 상승된 순환 액을 증발기(7)로 되돌리기 위한 순환액 복귀로(902) 및 펌프(17)를 가지고 있다.
그리고, 본 실시 예의 이원 냉동 사이클 2에서는 도 1과 같이 저온 측 냉동 사이클 21b의 응축기 5는 고온 측 냉동 사이클 21a의 증발기 7과 겸용하고 저온 측 냉동 사이클 21b에서 상기 냉각수 순환 회로 8은 고온 측 냉동 사이클 21a의 순환 액 순환 회로 9로 하고 있다.
즉, 저온 측 냉동 사이클 21b에서는 압축기 4에 의해 고압으로 된 냉매는 응축기 5 (고온 측 냉동 사이클 21a의 증발기 7)에서 고온 측 냉동 사이클 21a 순환 회로 3을 흘러온 냉매 이 기화할 때의 기화열에 의해 응축되어 고압의 액체가 된다.
따라서, 본 실시 예의 온도 조절 장치 (1) 고온 측 냉동 사이클 21a에서 냉각된 냉매에 의해 저온 측 냉동 사이클 21b의 응축기에서 냉매를 응축하기 위해 물과 공기에서 응축 단단 냉동 사이클과 달리, 응축 온도가 낮은 경우에도 충분히 대응할 수 있다.
또한, 도 2에서 11은 상기 증발기 7 앞쪽에서 열교환 기 7에 뜨거운 가스를 공급하기 위한 핫 가스 공급로이고, 12는 뜨거운 가스의 유량 등을 조절하기 위한 전자 팽창 밸브이다. 또한, 도 2에서 13은 압축기 4를 냉각하는 압축기 4에 냉매를 공급하기 위한 냉각 냉매 공급로이고, 14는 압축기 4에 공급 냉각 냉매의 유량 등을 조절하기 위한 전자 팽창 밸브이다. 또한, 15는 응축기 5에 흐르는 냉각수의 유량을 조정하기 위한 제수 밸브 16은 압력 센서이다.
다음은 이와 같이 구성된 본 실시 예의 온도 조절 장치의 작용을 설명하면, 본 실시 예의 온도 조절 장치 1에 의해 각종 장비, 공정 등의 온도 제어를 필요로 하는 제어 대상에 공급 순환 액의 온도를 조절하는 본 발명의 온도 조절 방법의 실시 예에 대하여 설명하면, 본 실시 예의 온도 조절 방식으로 설정될 수 있는 순환 액 설정 온도를 미리 여러 부분으로 나누어 둔다. 그리고 각 영역에 대해 순환 액의 온도를 설정 온도로 할 수 있는 바와 같이, 고온 측 냉동 사이클 21a에서, 압축기 4의 운전 주파수 및 전자 팽창 밸브 6,12,14의 개도를 설정하고, 더하여 저온 측 냉동 사이클 21b에서, 압축기 4의 운전 주파수와 전자 팽창 밸브 6,12,14의 개도를 파라미터화하여 설정 둔다.
도 3은 여러 부분으로 나누어 순환 액의 설정 온도와 각 영역에 대해 순환 액의 온도를 설정 온도로 할 수 있는 바와 같이, 고온 측 냉동 사이클 21a에서, 압축기 4의 운전 주파수 및 전자 팽창 밸브 6,12,14의 개도, 저온 측 냉동 사이클 21b에서, 압축기 4의 운전 주파수 및 전자 팽창 밸브 6,12,14의 개도를 파라미터화 한 상태를 나타내는 도면이며, HCMP는 고온 측 냉동 사이클 21a 압축기 4의 운전 주파수를, LCMP는 저온 측 냉동 사이클 21b 압축기 4의 운전 주파수를, HDEV는 고온 측 냉동 사이클 21a 전자 팽창 밸브 6,12,14의 개도를, LDEV는 저온 측 냉동 사이클 21b 전자 팽창 밸브 6,12,14의 개방도를 나타내고 있다.
그리고 순환 액의 온도가 설정된 후 고온 측 냉동 사이클 21a의 압축기 4의 운전 주파수와 전자 팽창 밸브 6,12,14의 개도, 저온 측 냉동 사이클 21b의 압축기 4의 운전 주파수 및 전자 팽창 밸브 6,12,14의 개도를 설정한 순환 액의 온도가 속한 지역에 따라 미리 파라미터화된 설정 값으로 자동으로 설정한다.
그러면 일정 속 압축기 인하여 순환 액 설정 온도에 관계없이 압축기 4를 최대 용량으로 작동하고 각종 조정 밸브 등을 이용하여 온도 제어를 실시하고 기존의 방법과는 달리 간단한 부품 구성으로 보다 효율적으로 순환 액의 온도를 설정 온도로 냉각할 수 있다.
즉, 냉각 대상을 설정 온도까지 낮추기 위하여 냉매의 증발 온도를 제어할 필요가 있지만, 본 실시 예에서는 전자 팽창 밸브를 사용하고 있기 때문에, 냉매의 증발 온도를 의도 한 온도에 컨트롤하는 것이 가능하다.
또한 필요한 냉각 능력을 확보하기 위해 압축기의 운전 주파수를 제어하여 냉매 순환량을 조정할 필요가 있지만, 본 실시 예에서는 인버터 제어 가능한 압축기를 사용하고 있기 때문에, 등속 압축기를 사용하여 압축기를 최대 용량으로 작동하고 각종 조정 밸브 등을 사용하여 순환 액의 냉각을 실시하고 있던 종래의 장치와 달리, 냉각 능력에 필요한 냉매 순환량을 확보할 수 있도록 압축기 운전 주파수를 제어할 수 있기 때문에 필요 이상의 순환 액의 냉각을 방지함으로써 에너지 절약을 달성하는 것이 가능하다.
그리고 예를 들어 이원 냉동 사이클의 경우는 특히 저온 측 냉동 사이클의 응축기 및 고온 측 냉동 사이클의 증발기를 겸용하고 저온 측 냉동 사이클의 응축을 고온 측 냉동 사이클에 실행하기 위하여 응축 온도에 맞는 고온 측 냉동 사이클의 증발 온도 컨트롤과 응축 능력에 맞는 고온 측 냉동 사이클의 냉매 순환량의 컨트롤이 필요하지만, 이 점, 본 실시 예에서는 전자 팽창 밸브와 인버터 압축기를 사용하고 있기 때문에, 냉각 대상의 설정 온도에 따른 조건에서 냉동 사이클을 운전함으로써 다양한 조정 밸브를 사용하지 않고 응축 능력에 맞는 고온 측 냉동 사이클의 증발 온도 컨트롤과 응축 능력에 맞는 고온 측 냉동 사이클의 냉매 순환량 제어가 가능하기 때문에 저온 측 냉동 사이클과 고온 측 냉동 사이클의 열적 균형이 확보되어 안정된 냉동 사이클의 운전이 가능해진다.
또한 이 때, 본 실시 예에서 냉동 사이클 21는 증발기 7 앞쪽에서 증발기 7에 뜨거운 가스를 공급하기 위한 핫 가스 공급로 (11) 핫 가스의 유량 등을 조절하기 위한 전자 팽창 밸브 12를 가지고 있기 때문에, 압축기 4의 운전 주파수의 조정만으로는 냉각 능력을 원하는 냉각 능력으로 조정할 수 없는 경우 등의 경우 전자 팽창 밸브 (12)를 이용하여 증발기 7에 유입되는 뜨거운 가스 유량을 제어하여 냉각 능력을 원하는 냉각 능력으로 조정하는 것이 가능하며, 또한 순환 액 설정 온도에 따라 압축기를 안정적으로 운전할 수 있는 온도 이상으로 압축기의 온도가 상승할 수 있으며, 그러한 경우에도 전자 팽창 밸브 (14)를 이용하여 압축기를 안정적으로 운전할 수 있는 온도로 유지할 수 있다.
이와 같이, 본 실시 예의 온도 조절 방법으로는 예를 들어 고온 측 냉동 사이클과 저온 측 냉동 사이클 이루어진 이원 냉동 사이클을 이용하여 고온 측 냉동 사이클의 증발기에 의해 저온 측 응축기에 공급된 냉매의 응축을 위한 순환 액 설정 온도가 영하 40℃ 이하와 같은 낮은 온도의 경우에도 충분히 대응할 수 있으며, 순환액 온도에 따라서는 이원 냉동 사이클 뿐만 아니라, 삼원 냉동 사이클로 칭하는 이른바 다단 냉동 사이클에 하는 것으로 대응이 가능해진다.
또한, 본 실시 예의 온도 조절 장치는 압축기로 인버터 제어 가능한 압축기를 사용하고 있으며, 압축기의 운전 주파수를 제어함으로써 냉각에 필요한 냉매 순환량을 확보하는 것이 가능하다. 또한, 팽창 밸브로 전자 팽창 밸브를 사용하고 있기 때문에, 냉매의 증발 온도를 의도한 온도로 제어하고 압축기를 필요에 따라 안정적으로 운전하는 일을 할 수 온도에 조정할 수 가능하다.
또한, 본 실시 예의 온도 조절 방법은 미리 순환 액 설정 온도를 여러 부분으로 나누어 하여야 하고, 각 지역에 따라 고온 측 냉동 사이클의 압축기의 운전 주파수, 고온 측 냉동 사이클 전자 팽창 밸브의 개도, 저온 측 냉동 사이클의 압축기의 운전 주파수 및 저온 측 냉동 사이클의 전자 팽창 밸브의 개도를 파라미터화하여 설정해두고 순환 액 설정 온도에 따라 고온 측 냉동 사이클의 압축기의 운전 주파수, 고온 측 냉동 사이클의 전자 팽창 밸브의 개도, 저온 측 냉동 사이클의 압축기의 운전 주파수 및 저온 측 냉동 사이클의 전자 팽창 밸브의 개도를 장치가 매개 변수에 따라 자동으로 조절하는 것으로 하고 있기 때문에 필요 이상의 순환 액의 냉각을 방지함으로써 에너지 절약을 달성하는 것도 가능하다.
또한, 앞에서 기술 한 바와 같이, 본 실시 예의 온도 조절 방법은 순환 액 설정 온도에 따라 분할하여 여러 지역에 따라 고온 측 냉동 사이클의 압축기의 운전 주파수, 고온 측 냉동 사이클의 전자 팽창 밸브의 개도, 저온 측 냉동 사이클의 압축기의 운전 주파수 및 저온 측 냉동 사이클의 전자 팽창 밸브의 개도를 파라미터화하여 설정두기로 하고 있지만 이 각종 파라미터의 설정시에는 장치를 직접 조작하는 방법 외에 인터넷 등을 통해 장치를 원격 조작 가능하게 해 두고, 상기 각종 파라미터의 설정을 원격 조작에 의해 실시하는 것을 가능하게 하여도 좋다. 그러면 매개 변수의 초기 설정 외에, 장치의 운전 환경의 변화에 따라 다양한 파라미터를 수정해야 할 경우 원격에 의한 유지 보수가 가능해진다.
본 발명은, 예를 들면 이원 냉동 사이클과 삼원 냉동 사이클과 같은 다단 냉동 사이클을 이용한 온도 조절 장치 및 이를 이용한 온도 조절 방법에 있어서, 냉각 대상의 온도 제어 범위가 넓은 경우에도 전체 제어 온도 범위에 대응하여 냉각 대상을 효율적으로 설정 온도로 제어하는 것이 가능하기 때문에, 예를 들어 이원 냉동 사이클과 삼원 냉동 사이클과 같은 다단 냉동 사이클을 이용한 온도 조절 장치 전반에 적용 가능하다.

Claims (3)

  1. 각종 장비, 공정 등의 온도 제어를 필요로 하는 제어 대상에 소정 온도로 제어한 순환액을 순환시킴으로써, 상기 제어 대상을 미리 설정한 설정 온도로 유지하기 위해 사용하는 다단 냉동 사이클을 이용한 온도 조절 장치로서,
    상기 다단 냉동 사이클 (2)는
    적어도 고온 측 냉동 사이클 (21a)과 저온 측 냉동 사이클 (21b)를 구비하고,
    고온 측 냉동 사이클 (21a)과 저온 측 냉동 사이클 (21b)은 각각
    냉매를 순환시키는 순환 회로(3)와,
    상기 순환 회로(3)의 도상에 배치한, 기화한 냉매를 압축하여 고압으로 하는 압축기(4)와,
    상기 압축기(4)에 의해 고압으로 된 냉매를 열교환하여 응축하는 응축기(5)와,
    상기 응축기(5)에서 액화된 냉매를 저온으로 하는 팽창 밸브(6)와,
    상기 팽창 밸브(6)에서 저온으로 된 냉매를 열교환에 의해 기화하는 증발기(7)를 구비하고,
    상기 고온 측 냉동 사이클 (21a)의 증발기(7)와 저온 측 냉동 사이클 (21b)의 응축기(5)를 겸용하여 저온 측 냉동 사이클 (21b)에서 냉매의 응축을 고온 측 냉동 사이클 ( 21a)의 냉매에 의해 실시하는 것으로,
    상기 압축기(4)로 인버터 제어 가능한 압축기를 사용하고, 상기 팽창 밸브로 전자 팽창 밸브를 사용하며
    미리 순환액 설정 온도를 여러 부분으로 나누는 것과 동시에, 각 지역에 따라 고온 측 냉동 사이클 (21a)의 압축기 (4)의 운전 주파수 고온 측 냉동 사이클 (21a)의 전자 팽창 밸브 (6)의 개도, 저온 측 냉동 사이클 (21b)의 압축기 (4)의 운전 주파수, 저온 측 냉동 사이클 (21b)의 전자 팽창 밸브 (6)의 개도를 파라미터화하여 설정해두고 ,
    순환 액 설정 온도에 따라 고온 측 냉동 사이클 (21a)의 압축기 (4)의 운전 주파수, 고온 측 냉동 사이클 (21a)의 전자 팽창 밸브 (6)의 개도, 저온 측 냉동 사이클 (21b) 압축기 (4)의 운전 주파수, 저온 측 냉동 사이클 (21b)의 전자 팽창 밸브 (6)의 개도를 매개 변수에 따라 자동으로 조절하는 것을 특징으로 하는 다단 냉동 사이클을 이용한 온도 조절 장치.
  2. 제 1항에 따른 다단 냉동 사이클을 이용한 온도 조절 장치를 이용한 온도 조절 방법으로서,
    미리 순환 액 설정 온도를 여러 부분으로 나누는 것과 동시에, 각 지역에 따라 고온 측 냉동 사이클 (21a)의 압축기 (4)의 운전 주파수, 고온 측 냉동 사이클 (21a)의 전자 팽창 밸브의 개도, 저온 측 냉동 사이클 (21b)의 압축기 (4)의 운전 주파수 및 저온 측 냉동 사이클 (21b)의 전자 팽창 밸브의 개도를 파라미터화하여 설정해두고,
    순환액 설정 온도에 따라 고온 측 냉동 사이클 (21a)의 압축기 (4)의 운전 주파수, 고온 측 냉동 사이클 (21a)의 전자 팽창 밸브의 개도, 저온 측 냉동 사이클 (21b)의 압축기(4) 운전 주파수, 저온 측 냉동 사이클 (21b)의 전자 팽창 밸브의 개도를 매개 변수에 따라 자동으로 조절하는 것을 특징으로 하는 다단 냉동 사이클을 이용한 온도 조절 방법.
  3. 제2항에 있어서
    상기 고온 측 냉동 사이클 (21a)의 압축기 (4)의 운전 주파수, 고온 측 냉동 사이클 (21a)의 전자 팽창 밸브의 개도, 저온 측 냉동 사이클 (21b)의 압축기 (4)의 운전 주파수 저온 측 냉동 사이클 (21b)의 전자 팽창 밸브의 개도 매개 변수를 원격 조작으로 설정 가능하게 한 것을 특징으로 하는 다단 냉동 사이클을 이용한 온도 조절 방법.
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