WO2024166225A1 - 冷凍サイクル装置 - Google Patents

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WO2024166225A1
WO2024166225A1 PCT/JP2023/004069 JP2023004069W WO2024166225A1 WO 2024166225 A1 WO2024166225 A1 WO 2024166225A1 JP 2023004069 W JP2023004069 W JP 2023004069W WO 2024166225 A1 WO2024166225 A1 WO 2024166225A1
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WO
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refrigerant
temperature
refrigeration cycle
low
radiator
Prior art date
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PCT/JP2023/004069
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English (en)
French (fr)
Inventor
洋 向山
弘男 佐藤
Original Assignee
株式会社アドテックス
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B1/00—Compression machines, plants or systems with non-reversible cycle
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F25—REFRIGERATION OR COOLING; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS; MANUFACTURE OR STORAGE OF ICE; LIQUEFACTION SOLIDIFICATION OF GASES
    • F25B—REFRIGERATION MACHINES, PLANTS OR SYSTEMS; COMBINED HEATING AND REFRIGERATION SYSTEMS; HEAT PUMP SYSTEMS
    • F25B43/00—Arrangements for separating or purifying gases or liquids; Arrangements for vaporising the residuum of liquid refrigerant, e.g. by heat

Definitions

  • the present invention relates to a refrigeration cycle device that uses a vapor compression refrigeration cycle to perform cooling or heating, and in particular to a refrigeration cycle device that uses a refrigerant whose main component is carbon dioxide.
  • Patent Document 1 discloses a refrigeration cycle device that is used in low-temperature showcases and the like, and uses carbon dioxide as a refrigerant.
  • the refrigeration cycle device disclosed in the document is a so-called split cycle (two-stage compression, one-stage expansion, intermediate cooling cycle) device that includes a main circuit including a two-stage compression compressor, a radiator, an expansion valve, and an evaporator, and further includes a sub-circuit including a flow divider, a sub-pressure reduction device, and an intermediate heat exchanger.
  • the refrigerant cooled by the radiator is split into two refrigerant streams by a splitter, one of which flows through the main circuit and the other through the secondary circuit.
  • the refrigerant flowing through the secondary circuit is depressurized by the secondary pressure reducing device, exchanges heat with the refrigerant flowing through the main circuit in the intermediate heat exchanger, and is drawn into the high-stage compressor.
  • the refrigerant flowing through the main circuit is cooled by the refrigerant flowing through the secondary circuit in the intermediate heat exchanger, is depressurized by the expansion valve, evaporates in the evaporator, and is drawn into the low-stage compressor.
  • a temperature adjustment device has been known as a device for performing such temperature control, which has a circulation path through which a heat medium circulates, and uses the heat medium circulating through the circulation path to cool or heat a control target that requires temperature adjustment.
  • This type of temperature adjustment device is equipped with a chiller or the like of a vapor compression refrigeration cycle that cools the circulating heat medium, and a heater or the like that heats the cooled heat medium.
  • Patent Document 2 discloses a hybrid chiller with area-specific parameter control used to control the temperature of various devices and processes, such as semiconductor manufacturing equipment.
  • the hybrid chiller with area-specific parameter control disclosed in the document has a refrigeration cycle device equipped with a compressor, condenser, expansion valve and heat exchanger, and a circulating fluid circulation circuit that circulates the circulating fluid to be supplied to the controlled object.
  • the circulating fluid cooled to a refrigerant by the heat exchanger of the refrigeration cycle device, is heated by a heater to a preset liquid temperature and supplied to the controlled object.
  • the triple point temperature of carbon dioxide is -56.6°C
  • the triple point pressure is 0.52 MPa. If the evaporation pressure of the refrigeration cycle device is reduced to below the triple point pressure, the solidified carbon dioxide (dry ice) cannot be liquefied and will stick to the inside of the evaporator's refrigerant piping, etc., and will not flow. In other words, under ultra-low temperature cooling conditions, the expansion valve, evaporator, accumulator, refrigerant piping, etc. will become clogged due to the adhesion of dry ice, making it impossible for the compressor to suck up the refrigerant, and the circulation of the refrigerant cannot be maintained.
  • the refrigeration cycle devices of the conventional technology had some areas that needed improvement in order to shorten the time required for temperature adjustment to improve the efficiency of the production process in semiconductor device manufacturing, etc., and to reduce the amount of energy consumed for temperature adjustment to save energy.
  • the temperature of the controlled object of manufacturing equipment may be changed in response to each process.
  • the set temperature may need to be changed to 130°C.
  • a temperature control device using a refrigeration cycle device of the prior art in order to change the set temperature of the controlled object and increase the temperature, it was necessary to heat the circulating liquid for a long period of time using a heater such as an electric heater.
  • the process of heating the circulating liquid using a heater or the like to increase the temperature of the controlled object is continued until the temperature of the controlled object reaches a stable set temperature.
  • the time it takes to heat the circulating liquid using a heater or the like to increase the temperature of the controlled object represents a waiting time during which processing processes, measurement processes, etc. cannot be carried out in the manufacture of semiconductor devices, etc.
  • the temperature adjustment device of the prior art is configured to cool the circulating fluid in an evaporator of a refrigeration cycle device, and then heat the cooled circulating fluid to a predetermined temperature using a heater or other heating device.
  • the present invention was made to solve the above problems.
  • the purpose of the present invention is to provide a refrigeration cycle device that realizes ultra-low temperature cooling using a refrigerant whose main component is carbon dioxide, which has a low ozone depletion potential (ODP) and global warming potential (GWP), and has excellent environmental performance and safety.
  • ODP ozone depletion potential
  • GWP global warming potential
  • Another object of the present invention is to provide a refrigeration cycle device that can improve productivity in semiconductor device manufacturing, etc. by shortening the time required for temperature adjustment when changing the set temperature of the temperature adjustment device, etc.
  • Another object of the present invention is to provide a refrigeration cycle device that can reduce energy consumption in semiconductor device manufacturing and other processes, thereby achieving energy savings.
  • the refrigeration cycle device of the present invention is a vapor compression type refrigeration cycle device, comprising a refrigerant circuit in which a compression means, a radiator, a throttling means, and an evaporator are connected in sequence and a refrigerant circulates, the refrigerant used is a mixed refrigerant containing carbon dioxide as a main component and at least one of dimethyl ether (DME, C 2 H 6 O) and difluoromethane (R32, CH 2 F 2 ), and the refrigeration cycle is operated by setting the pressure of the refrigerant at the inlet of the evaporator to be equal to or lower than the triple point pressure of carbon dioxide.
  • DME dimethyl ether
  • R32 difluoromethane
  • the refrigeration cycle device of the present invention is a vapor compression type refrigeration cycle device, which is equipped with a refrigerant circuit in which a compression means, a radiator, a throttling means, and an evaporator are connected in sequence and in which a refrigerant circulates.
  • a mixed refrigerant containing carbon dioxide as the main component and at least one of dimethyl ether and difluoromethane is used as the refrigerant, and the refrigeration cycle is operated by setting the pressure of the refrigerant at the inlet of the evaporator to the triple point pressure of carbon dioxide or less.
  • the refrigerant is a mixed refrigerant containing carbon dioxide as the main component and at least one of dimethyl ether and difluoromethane. Therefore, the ozone depletion potential and global warming potential of the refrigerant are extremely small, and toxicity and flammability can be reduced to an unproblematic level.
  • the triple point pressure of the mixed refrigerant is lower than the triple point pressure of carbon dioxide, even if the refrigerant pressure at the inlet of the evaporator is set to be equal to or lower than the triple point pressure of carbon dioxide, poor circulation due to solidification of the refrigerant does not occur. Therefore, the evaporation temperature of the refrigerant can be made lower than the triple point temperature of carbon dioxide, i.e., minus 56.6°C, and high-performance ultra-low temperature cooling can be achieved.
  • the refrigeration cycle device of the present invention also includes a high-temperature side refrigerant circuit in which a high-temperature side compression means, a high-temperature side radiator, a high-temperature side throttling means, and a cascade heat exchanger are connected in sequence and in which a high-temperature side refrigerant circulates, and the cascade heat exchanger may be provided in the radiator or in the refrigerant circuit downstream of the radiator so as to perform heat exchange between the refrigerant and the high-temperature side refrigerant.
  • a highly efficient binary refrigeration cycle can be operated using an environmentally friendly refrigerant to perform ultra-low temperature cooling.
  • the compression means includes a low-stage compressor and a high-stage compressor that further compresses the refrigerant compressed by the low-stage compressor
  • the throttling means includes a high-stage expansion valve and a low-stage expansion valve that further reduces the pressure of the refrigerant reduced by the high-stage expansion valve
  • the refrigerant circuit between the high-stage expansion valve and the low-stage expansion valve is provided with a receiver tank that separates the refrigerant into a gas phase refrigerant and a liquid phase refrigerant, and the gas phase refrigerant separated in the receiver tank may be drawn into the high-stage compressor via a bypass path that bypasses the low-stage expansion valve, the evaporator, and the low-stage compressor and leads downstream of the low-stage compressor.
  • the gas phase refrigerant separated in the intermediate pressure receiver tank contains a large amount of carbon dioxide, which has a higher boiling temperature than mixed components such as dimethyl ether.
  • the gas-phase refrigerant with a high mass fraction of carbon dioxide is then decompressed by the low-stage expansion valve and sucked into the high-stage compressor without being sent to the evaporator.
  • the low-pressure mixed refrigerant flowing through the evaporator has a low mass fraction of carbon dioxide and a low triple point temperature. This prevents the solidified refrigerant from sticking, realizing high-performance ultra-low temperature cooling operation without clogging of pipes, etc.
  • the refrigeration cycle device of the present invention may also include a control device that controls the rotation speed of at least one of the low-stage compressor and the high-stage compressor, and a liquid level sensor that detects the liquid level of the liquid-phase refrigerant in the receiver tank, and the control device may control the rotation speed of at least one of the low-stage compressor and the high-stage compressor based on the liquid level of the liquid-phase refrigerant in the receiver tank detected by the liquid level sensor.
  • the refrigeration cycle device of the present invention may also have a liquid-gas heat exchanger that exchanges heat between the refrigerant after it has dissipated heat in the radiator and the refrigerant after it has absorbed heat in the evaporator.
  • a liquid-gas heat exchanger that exchanges heat between the refrigerant after it has dissipated heat in the radiator and the refrigerant after it has absorbed heat in the evaporator.
  • the unevaporated liquid-phase refrigerant can be completely gasified, preventing the liquid-phase refrigerant from being sucked into the compressor.
  • the average evaporation temperature of the refrigerant in the evaporator can be lowered, allowing safe, high-performance cooling at ultra-low temperatures.
  • the amount of carbon dioxide enclosed in the refrigerant may be 75 to 97 mass% of the total amount enclosed.
  • the ozone depletion potential and global warming potential of the refrigerant can be reduced, and toxicity and flammability can be reduced. Therefore, it is possible to perform ultra-low temperature cooling that is environmentally friendly and safe.
  • the refrigeration cycle device of the present invention is connected to a circulating fluid circuit in which a circulating fluid that adjusts the temperature of a controlled object circulates, and the circulating fluid circuit has a low-temperature path that can be opened and closed freely, in which the circulating fluid flows through the evaporator so as to be able to exchange heat with the refrigerant, and a high-temperature path that can be opened and closed freely, in which the circulating fluid flows through the radiator so as to be able to exchange heat with the refrigerant, and the high-temperature path may be provided with a high-temperature tank that stores the circulating fluid that has been heated by the radiator to the refrigerant.
  • the refrigeration cycle device can perform highly efficient temperature adjustment by supplying circulating fluid that has been cooled or heated by the refrigerant to a controlled object such as a semiconductor manufacturing device.
  • the low-temperature path of the circulating fluid circuit is opened so that the circulating fluid flows through the low-temperature path.
  • the circulating fluid then flows through the low-temperature path and is cooled using the latent heat of the refrigerant that evaporates in the evaporator of the refrigeration cycle device.
  • the circulating fluid that has been cooled in the refrigeration cycle device is then heated to a predetermined temperature by a heater in the circulating fluid circuit and supplied to the controlled object at an appropriate temperature so that the controlled object reaches the set temperature.
  • the high temperature path of the circulating fluid circuit is opened so that the circulating fluid flows through the high temperature path.
  • the circulating fluid heated by the radiator of the refrigeration cycle device is then heated to a predetermined temperature by the heater in the circulating fluid circuit, and is supplied to the controlled object at an appropriate temperature so that the controlled object reaches an accurate set temperature.
  • the circulating fluid can be heated by utilizing the heat dissipated by the radiator of the refrigeration cycle device, thereby making it possible to reduce the energy consumed by the heater in the circulating fluid circuit and perform highly efficient temperature adjustment.
  • the refrigeration cycle device of the present invention can utilize both the cold and hot heat generated in the vapor compression refrigeration cycle to perform highly efficient temperature adjustment with minimal exhaust heat loss.
  • the high-temperature path is provided with a high-temperature tank that stores the circulating fluid that has been heated by the radiator to the refrigerant.
  • FIG. 1 is a diagram showing a refrigeration cycle device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a graph showing the relationship between the mass fraction of carbon dioxide in a refrigerant according to an embodiment of the present invention and the triple point pressure and triple point temperature.
  • FIG. 3 is a graph showing the relationship between the mass fraction of carbon dioxide in the refrigerant according to the embodiment of the present invention and the triple point pressure, triple point temperature, evaporation pressure, and evaporator outlet temperature.
  • FIG. 4 is a diagram showing a refrigeration cycle device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing a refrigeration cycle device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a diagram showing a refrigeration cycle device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a diagram showing a refrigeration cycle device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a diagram showing a refrigeration cycle device according to another embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a graph showing the temperature and quality (dryness fraction) of the refrigerant in the evaporator of a refrigeration cycle device according to another embodiment of the present invention, and the subcooling of the refrigerant in a liquid-gas heat exchanger.
  • FIG. 9 is a diagram showing a temperature adjustment device using a refrigeration cycle device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a diagram showing a control system of a temperature adjustment device using a refrigeration cycle device according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a diagram showing the schematic configuration of a refrigeration cycle device 1 according to an embodiment of the present invention.
  • the refrigeration cycle device 1 is a device that performs cooling or heating by utilizing a vapor compression refrigeration cycle. More specifically, the refrigeration cycle device 1 is an example of a device that operates a single-stage compression, single-stage expansion refrigeration cycle.
  • the refrigeration cycle device 1 includes a refrigerant circuit 10 formed by sequentially connecting a compressor 11, a radiator 12, an expansion valve 14, and an evaporator 15 via refrigerant piping.
  • the refrigerant circuit 10 is a closed circuit through which the refrigerant circulates to perform the operation of a vapor compression refrigeration cycle.
  • the compressor 11 is a compression means that compresses the refrigerant and sends it to the radiator 12.
  • various types of compression devices such as rotary type, scroll type, reciprocating type, screw type, and others can be used.
  • the rotary compressor 11 is suitable for constructing a compact refrigeration cycle device 1 with a small cooling capacity.
  • the compressor 11 may also be of a two-stage compression type. Using a two-stage compression type as the compressor 11 is suitable for compressing a mixed refrigerant whose main component is carbon dioxide, which has a higher pressure after compression than other refrigerants.
  • the radiator 12 is a heat exchanger that cools the refrigerant that has been compressed by the compressor 11 and has become high pressure and high temperature.
  • the heat transferred from the refrigerant through heat exchange in the radiator 12 may be released to the outside, or may be transferred to and used by another heat medium that requires heating.
  • the radiator 12 may be an air-cooled condenser or gas cooler that releases the heat of the refrigerant to the outside.
  • the radiator 12 may be provided with a blower fan 16 that blows air for heat exchange with the refrigerant.
  • the radiator 12 may be a fin-and-tube type heat exchanger (not shown). That is, the radiator 12 has multiple tubes such as copper tubes through which the refrigerant flows, and multiple aluminum fins arranged in parallel, and the tubes are inserted into holes formed in the fins.
  • the radiator 12 may be a water-cooled heat exchanger.
  • the radiator 12 may be a plate type, a shell-and-tube type, a double-tube type, or any other type of heat exchanger.
  • a plate type heat exchanger is preferable because it has high heat exchange efficiency and allows the radiator 12 to be made compact.
  • the radiator 12 may be a heat exchanger that exchanges heat with the circulating fluid in the circulating fluid circuit 20 (see FIG. 9). This allows the exhaust heat from the refrigerant in the radiator 12 to be effectively used to heat a controlled object 46 (see FIG. 9), such as a semiconductor manufacturing device.
  • the expansion valve 14 is a throttling means that reduces the pressure of the high-pressure refrigerant that has passed through the radiator 12 and become cold.
  • the expansion valve 14 also has the function of adjusting the flow of the refrigerant.
  • an electronic expansion valve, a thermostatic expansion valve, a capillary tube, or other types of throttling means can be used as the expansion valve 14. By using an electronic expansion valve as the expansion valve 14, the cooling and heating by the refrigeration cycle device 1 can be controlled with high performance.
  • the evaporator 15 is a heat exchanger in which a low-pressure liquid refrigerant evaporates and cools a cooling target such as a circulating liquid using the latent heat of evaporation.
  • a plate type, double-tube type, tube contact type, shell-and-tube type, or other various types of heat exchanger can be used.
  • plate-type heat exchangers are preferred because they have high heat exchange efficiency and allow the evaporator 15 to be made compact.
  • double-tube and tube-contact types are excellent in that they are easy to manufacture and process, and suitable pressure resistance can be easily obtained.
  • the refrigerant piping downstream of the evaporator 15 is connected to the compressor 11 via an accumulator 57 (see FIG. 4).
  • the refrigerant circuit 10 of the refrigeration cycle device 1 is formed, in which the compressor 11, the radiator 12, the expansion valve 14, and the evaporator 15 are connected in sequence.
  • a refrigerant temperature sensor 18 is provided in the refrigerant circuit 10, for example downstream of the compressor 11, to measure the temperature of the refrigerant extruded from the compressor 11.
  • Multiple refrigerant temperature sensors 18 may be provided to measure the refrigerant temperature at the inlet, outlet, and other locations of the evaporator 15.
  • a pressure sensor 19 that measures the pressure of the refrigerant is provided at the inlet of the evaporator 15 of the refrigerant circuit 10, for example.
  • the pressure sensor 19 may be provided downstream of the evaporator 15, downstream of the compressor 11, or at multiple other locations in the refrigerant circuit 10.
  • the refrigeration cycle device 1 is equipped with a control device 43 that controls each component device.
  • the control device 43 is a control means equipped with a microprocessor, and controls the operation of the refrigeration cycle of the refrigeration cycle device 1 by executing predetermined calculations.
  • sensors such as a refrigerant temperature sensor 18 that measures the temperature of the refrigerant, a pressure sensor 19 that measures the pressure of the refrigerant, and the like are connected to the input of the control device 43 .
  • the output of the control device 43 is connected to the compressor 11, the expansion valve 14, the blower fan 16, etc.
  • the control device 43 is also provided with an input device 44 for inputting the set temperatures of the objects to be cooled or heated and other operating information, and a display device 45 for displaying temperature information of each part and other control information. Note that other sensors, information input devices, display devices, controlled objects, recording devices, etc. (not shown) may also be connected to the control device 43.
  • the control device 43 performs a predetermined calculation based on the refrigerant temperature measured by the refrigerant temperature sensor 18, the refrigerant pressure measured by the pressure sensor 19, and other input information, and controls the compressor 11, the expansion valve 14, etc. This allows the refrigeration cycle device 1 to perform high-performance ultra-low temperature cooling.
  • the refrigerant used in the refrigeration cycle device 1 is a mixed refrigerant containing carbon dioxide as a main component and at least one of dimethyl ether and difluoromethane.
  • the pressure of the refrigerant at the inlet of the evaporator 15 is set to be equal to or lower than the triple point pressure P1 of carbon dioxide (see FIG. 2), thereby performing the operation of the vapor compression refrigeration cycle.
  • Figure 2 is a graph showing the relationship between the mass fraction of carbon dioxide in a mixed refrigerant of carbon dioxide and dimethyl ether, as an example of a refrigerant according to an embodiment of the present invention, and the triple point pressure P2 and triple point temperature T2.
  • Figure 2 also shows the triple point pressure P1 and triple point temperature T1 of carbon dioxide, i.e., the triple point pressure P1 and triple point temperature T1 when carbon dioxide is 100% by mass, as dashed horizontal lines.
  • Figure 3 is a graph showing the relationship between the mass fraction of carbon dioxide in a mixed refrigerant of carbon dioxide and dimethyl ether, and the triple point pressure P2, triple point temperature T2, evaporation pressure P3, and evaporator outlet temperature T3.
  • the triple point temperature T2 of a mixed refrigerant with a mass fraction of carbon dioxide of 91 mass%, i.e., a mixed refrigerant in which 9 mass% of dimethyl ether is added to carbon dioxide is minus 75°C.
  • the triple point temperature T2 of a mixed refrigerant made by mixing carbon dioxide and dimethyl ether in a 91:9 ratio is minus 75°C, which is lower than the triple point temperature T1 of carbon dioxide, which is minus 56.6°C.
  • the cooling effect can be utilized down to a refrigerant temperature of minus 75°C without causing poor circulation due to adhesion of solidified carbon dioxide.
  • the amount of carbon dioxide contained in the refrigerant is 75 to 97% by mass relative to the total amount of refrigerant contained.
  • the mixing ratio of carbon dioxide and dimethyl ether is preferably 75:25 to 97:3. This mixing ratio reduces the ozone depletion potential and global warming potential of the refrigerant, and reduces toxicity and flammability. This allows the refrigeration cycle device 1 to perform high-performance cooling operation at ultra-low temperatures that is environmentally friendly and safe.
  • carbon dioxide the main component of the refrigerant
  • ozone depletion potential of 0 and a global warming potential of 1 is non-toxic and non-flammable.
  • Dimethyl ether has a low ozone depletion potential and global warming potential, and is toxic and flammable, but a refrigerant mixed with carbon dioxide has an extremely low ozone depletion potential and global warming potential, is only slightly toxic and flammable, and is not a safety issue.
  • Difluoromethane is a hydrofluorocarbon refrigerant with an ozone depletion potential of 0, a low global warming potential (675), non-toxicity, and low flammability.
  • a mixed refrigerant of carbon dioxide and difluoromethane is also an environmentally friendly and safe refrigerant with a low triple point temperature.
  • the refrigeration cycle device 1 can perform safe, high-performance cooling at ultra-low temperatures by using a mixed refrigerant whose main component is 75 to 97 mass% carbon dioxide and whose mixed component is at least one of dimethyl ether and difluoromethane.
  • FIG. 4 is a diagram showing a refrigeration cycle device 101 according to another embodiment of the present invention.
  • the refrigeration cycle device 101 is, for example, a device that operates a single-stage two-stage compression, one-stage expansion refrigeration cycle.
  • the various configurations described below can also be adopted in the refrigeration cycle device 1 that operates the single-stage compression, one-stage expansion refrigeration cycle already described.
  • a dryer 56 that adsorbs moisture in the refrigerant may be provided upstream of the suction port of the compressor 11. This can prevent the moisture in the refrigerant from freezing, causing clogging of the refrigerant piping, etc., and damage to the compressor 11, etc.
  • an accumulator 57 capable of storing unevaporated liquid-phase refrigerant may be provided upstream of the intake port of the compressor 11. This prevents liquid-phase refrigerant that has not been evaporated in the evaporator 15 from being sucked into the compressor 11, which would otherwise damage the compressor 11.
  • the compressor 11 may be a two-stage compression compressor equipped with a first-stage compression mechanism 50 and a second-stage compression mechanism 51 that further compresses the refrigerant compressed by the first-stage compression mechanism 50.
  • the refrigeration cycle device 101 may also be provided with an economizer 55 (split heat exchanger) that reduces the pressure of the divided high-pressure refrigerant to an intermediate pressure and exchanges heat with the high-pressure mainstream refrigerant.
  • the refrigerant circuit 10 downstream of the radiator 12 is provided with a division point 52 that divides the high-pressure refrigerant into a mainstream refrigerant and a sidestream refrigerant.
  • the division point 52 and the intermediate pressure section of the two-stage compression compressor are connected by a sidestream piping 53 through which the sidestream refrigerant flows.
  • the sidestream piping 53 is provided with a sidestream expansion valve 54 that reduces the pressure of the sidestream refrigerant to an intermediate pressure, and an economizer 55 that exchanges heat between the sidestream refrigerant reduced in pressure by the sidestream expansion valve 54 and the mainstream refrigerant.
  • the intermediate pressure by-flow refrigerant that has undergone heat exchange in the economizer 55 is, for example, passed through the intermediate pressure of a two-stage compression compressor, that is, between the first stage compression mechanism 50 and the second stage compression mechanism 51. This reduces the specific enthalpy of the refrigerant flowing into the evaporator 15 in the refrigeration cycle device 101 that uses a refrigerant whose main component is carbon dioxide, enabling high-performance cooling operation in the ultra-low temperature range.
  • an oil separator (not shown) may be provided in the high-pressure refrigerant piping downstream of the compressor 11.
  • the oil separated by the oil separator is returned upstream of the compressor 11, for example, upstream of the accumulator 57, via an oil return piping (not shown) having a throttling means such as a capillary tube (not shown).
  • a throttling means such as a capillary tube (not shown).
  • the refrigerant circuit 10 may also be provided with a gas injection pipe (not shown) that connects a high-pressure refrigerant pipe downstream of the compressor 11 with a low-pressure refrigerant pipe upstream of the compressor 11.
  • the gas injection pipe may be provided with a throttle means such as an injection expansion valve (not shown) that opens and closes the pipe to control the flow of the refrigerant.
  • the gas injection pipe reduces the pressure of the high-temperature refrigerant compressed by the compressor 11 and flows it to the intake port of the compressor 11. This makes it possible to control the capacity of the refrigeration cycle according to the cooling load, and also evaporates the liquid-phase refrigerant that did not evaporate in the evaporator 15, preventing the compressor 11 from sucking in the liquid-phase refrigerant.
  • FIG. 5 is a diagram showing a refrigeration cycle device 201 according to another embodiment of the present invention.
  • the refrigeration cycle device 201 is a device that operates a binary refrigeration cycle.
  • the refrigeration cycle device 201 includes a refrigerant circuit 10 as a low-temperature side refrigerant circuit, and a high-temperature side refrigerant circuit 60.
  • the refrigerant circuit 10 constituting the low-temperature side refrigerant circuit may have a configuration substantially similar to that of the refrigeration cycle devices 1, 101, etc., already described. That is, the refrigerant circuit 10 is connected to a compressor 11, a radiator 12, an expansion valve 14, and an evaporator 15 as basic components. Furthermore, the refrigerant circuit 10 is provided with a cascade heat exchanger 65 downstream of the radiator 12, in which the refrigerant flowing through the refrigerant circuit 10 exchanges heat with the high-temperature side refrigerant flowing through the high-temperature side refrigerant circuit 60, i.e., the binary side refrigerant.
  • the radiator 12 may be provided so as to exchange heat with the circulating fluid that adjusts the temperature of the controlled object 46 (see FIG. 9). In other words, the refrigerant flowing through the radiator 12 heats the circulating fluid.
  • the radiator 12 may also be provided inside a high-temperature tank 39 (see FIG. 9) that stores the high-temperature circulating fluid. Details will be described later.
  • the radiator 12 may be used as a cascade heat exchanger 65 that radiates heat to the high-temperature refrigerant of the high-temperature refrigerant circuit 60.
  • the high-temperature side refrigerant circuit 60 is a circuit in which a high-temperature side compressor 61 as a high-temperature side compression means, a high-temperature side radiator 62, a high-temperature side expansion valve 64 as a high-temperature side throttling means, and a cascade heat exchanger 65 are connected in sequence, and through which the high-temperature side refrigerant circulates.
  • the high-temperature side compressor 61 is a compression means that compresses the high-temperature side refrigerant and sends it to the high-temperature side radiator 62.
  • various types of compression devices such as rotary type, scroll type, reciprocating type, screw type, and others can be used.
  • the high-temperature side compressor 61 may also be a two-stage compression type.
  • the high-temperature side radiator 62 is a heat exchanger that cools the high-temperature side refrigerant that has been compressed by the high-temperature side compressor 61 and has become high-pressure and high-temperature.
  • the heat transferred from the high-temperature side refrigerant through heat exchange in the high-temperature side radiator 62 may be released to the outside, or may be transferred to and used by another heat medium that requires heating.
  • the high-temperature side radiator 63 may be an air-cooled condenser or gas cooler that radiates heat from the high-temperature side refrigerant to the outside.
  • the high-temperature side radiator 63 may be provided with a high-temperature side blower fan 66 that sends air for heat exchange with the high-temperature side refrigerant.
  • the high-temperature side radiator 62 may be a fin-and-tube type heat exchanger (not shown). That is, the radiator 12 has multiple tubes such as copper tubes through which the high-temperature side refrigerant flows, and multiple aluminum fins arranged in parallel, and the tubes are inserted into holes formed in the fins.
  • the high-temperature side radiator 62 may be a water-cooled heat exchanger.
  • the high-temperature side radiator 62 may be a plate type, a shell-and-tube type, a double-tube type, or any other type of heat exchanger.
  • the high-temperature side radiator 62 may be provided with a heat exchanger that exchanges heat with the circulating fluid in the circulating fluid circuit 20 (see FIG. 9). This allows the exhaust heat from the high-temperature side refrigerant in the high-temperature side radiator 63 to be effectively used to heat the controlled object 46, such as a semiconductor manufacturing device.
  • the high-temperature side expansion valve 64 is a throttling means that reduces the pressure of the high-pressure high-temperature side refrigerant that has been cooled by passing through the high-temperature side radiator 62.
  • the high-temperature side expansion valve 64 also has the function of adjusting the flow of the refrigerant.
  • an electronic expansion valve, a thermostatic expansion valve, a capillary tube, or other types of throttling means can be used as the high-temperature side expansion valve 64. By using an electronic expansion valve as the high-temperature side expansion valve 64, the cooling and heating by the refrigeration cycle device 201 can be controlled with high performance.
  • the cascade heat exchanger 65 is a heat exchanger in which the liquid phase of the high-temperature refrigerant evaporates when the pressure becomes low, and the refrigerant in the low-temperature refrigerant circuit, i.e., the refrigerant circuit 10, is cooled by the latent heat of evaporation.
  • the cascade heat exchanger 65 a plate type, double-tube type, tube contact type, or other various types of heat exchanger can be used.
  • Plate-type heat exchangers are particularly preferred because they have high heat exchange efficiency and allow the cascade heat exchanger 65 to be made compact.
  • double-tube and tube-contact types are excellent in that they are easy to manufacture and can easily provide suitable pressure resistance.
  • the refrigerant filled in the refrigerant circuit 10, which is the low-temperature side refrigerant circuit, is a mixed refrigerant equivalent to that in the refrigeration cycle device 1 described above. That is, the refrigerant in the refrigerant circuit 10 is a refrigerant in which carbon dioxide as the main component is mixed with at least one of dimethyl ether and difluoromethane.
  • the high-temperature refrigerant sealed in the high-temperature refrigerant circuit 60 may be carbon dioxide, a hydrofluorocarbon refrigerant such as R404A, or a hydrofluoroolefin refrigerant such as R448A. From the perspective of green transformation (GX), carbon dioxide is most preferable as the high-temperature refrigerant.
  • GX green transformation
  • the refrigeration cycle device 201 operates as a binary refrigeration cycle, with a low-temperature side refrigeration cycle using a refrigerant made of a mixture of carbon dioxide and at least one of dimethyl ether and difluoromethane as the primary side, and a high-temperature side refrigeration cycle using a high-temperature side refrigerant as the secondary side.
  • the low-temperature side refrigeration cycle i.e., the single-side refrigeration cycle, that operates in the refrigerant circuit 10 operates with the refrigerant pressure at the inlet of the evaporator 15 being equal to or lower than the triple point pressure P1 of carbon dioxide (see FIG. 2). This allows the refrigeration cycle device 201 to efficiently perform cooling to ultra-low temperatures.
  • the refrigeration cycle device 201, the refrigeration cycle device 301 (see FIG. 6), and the refrigeration cycle device 401 (see FIG. 7) described below may be provided with a heat exchanger equivalent to the economizer 55 of the refrigeration cycle device 101 in the high-temperature side refrigerant circuit 60 constituting the two-stage refrigeration cycle.
  • the high-temperature side refrigerant circuit 60 may be configured to operate as a split cycle, i.e., a two-stage compression, one-stage expansion intermediate cooling cycle.
  • FIG. 6 is a diagram showing a refrigeration cycle device 301 according to another embodiment of the present invention.
  • the refrigeration cycle device 301 is a dual cascade refrigeration cycle device that employs two-stage compression and two-stage expansion on the cascade side.
  • the refrigeration cycle device 301 has, as a compression means, a low-stage compressor 70 that compresses the low-pressure refrigerant evaporated in the evaporator 15 to an intermediate pressure, and a high-stage compressor 71 that further compresses the intermediate-pressure refrigerant compressed by the low-stage compressor 70.
  • the refrigeration cycle device 301 also has, as a throttling means, a high-stage expansion valve 72 that reduces the pressure of the high-pressure refrigerant that has dissipated heat in the cascade heat exchanger 65 to an intermediate pressure, and a low-stage expansion valve 73 that further reduces the pressure of the intermediate-pressure refrigerant reduced by the high-stage expansion valve 72.
  • the refrigerant circuit 10 between the high-stage expansion valve 72 and the low-stage expansion valve 73 is provided with a receiver tank 74 that separates the intermediate-pressure refrigerant into gas-phase refrigerant and liquid-phase refrigerant.
  • a bypass path 75 is connected to the receiver tank 74. The bypass path 75 bypasses the low-stage expansion valve 73, the evaporator 15, and the low-stage compressor 70, and connects the receiver tank 74 to a junction 77 of the intermediate-pressure refrigerant circuit 10 between the low-stage compressor 70 and the high-stage compressor 71.
  • the gas-phase refrigerant separated in the receiver tank 74 flows from the receiver tank 74 via the bypass path 75, bypassing the low-stage expansion valve 73, the evaporator 15, and the low-stage compressor 70, to the junction 77 downstream of the low-stage compressor 70, and is sucked into the high-stage compressor 71.
  • the liquid-phase refrigerant separated in the receiver tank 74 is depressurized by the low-stage expansion valve 73 and sent to the evaporator 15, where it evaporates, is sucked into the low-stage compressor 70 and compressed to an intermediate pressure, and then merges with the gas-phase refrigerant flowing through the bypass path 75 at the junction 77 and is sucked into the high-stage compressor 71.
  • This two-stage compression, two-stage expansion, intermediate gas-liquid separation refrigeration cycle allows for high-performance cooling operation without clogging of the evaporator 15, etc. due to freezing of the refrigerant, even when cooling at ultra-low temperatures.
  • the gas phase refrigerant separated in the intermediate pressure receiver tank 74 contains a large amount of carbon dioxide, which has a higher boiling temperature than the mixed components such as dimethyl ether.
  • the gas phase refrigerant with a large mass fraction of carbon dioxide is then depressurized by the low stage expansion valve 73 and sucked into the high stage compressor 71 without being sent to the evaporator 15.
  • the low pressure mixed refrigerant flowing through the evaporator 15 has a small mass fraction of carbon dioxide and a low triple point temperature T2 (see Figure 2). This prevents the solidified refrigerant from sticking, realizing high performance ultra-low temperature cooling operation without clogging of pipes, etc.
  • the bypass path 75 is provided with a check valve 76 that allows the refrigerant to flow only from the receiver tank 74 to the junction 77. This prevents the intermediate-pressure refrigerant compressed by the low-stage compressor 70 from being returned to the receiver tank 74 via the bypass path 75.
  • the receiver tank 74 is also provided with a liquid level sensor 78 that detects the level or amount of the liquid refrigerant in the receiver tank 74.
  • the liquid level sensor 78 is connected to the control device 43 (see FIG. 1).
  • various level sensors or level switches such as electrical resistance type, magnetic type, temperature type, float type, optical type, electrostatic capacitance type, ultrasonic type, etc. may be used.
  • the receiver tank 74 may be provided with liquid level sensors 78 that detect the liquid refrigerant at multiple locations above and below.
  • the control device 43 controls the rotation speed of at least one of the low-stage compressor 70 and the high-stage compressor 71 based on the level of the liquid-phase refrigerant in the receiver tank 74 detected by the liquid level sensor 78. Specifically, when the amount of liquid-phase refrigerant in the receiver tank 74 is greater than a predetermined value, for example when the liquid-phase refrigerant is detected by the top liquid level sensor 78, the control device 43 controls to lower the rotation speed of the high-stage compressor 71 or to increase the rotation speed of the low-stage compressor 70, or to perform both controls.
  • the control device 43 controls to increase the rotation speed of the high-stage compressor 71 or decrease the rotation speed of the low-stage compressor 70, or both.
  • an intermediate radiator 79 may be provided downstream of the low-stage compressor 70.
  • the intermediate radiator 79 may be provided with an intermediate blower fan 80 that sends air for heat exchange with the refrigerant.
  • the intermediate radiator 79 is a heat exchanger that exchanges heat between the refrigerant compressed to an intermediate pressure by the low-stage compressor 70 and at a high temperature, and, for example, outside air or a circulating liquid, to lower the temperature of the refrigerant.
  • the refrigeration cycle device 301 may be provided with an injection pipe (not shown) connecting the receiver tank 74 and the low-stage compressor 70.
  • the injection pipe may have, for example, a gas injection path (not shown) connected to the upper part of the receiver tank 74, and a liquid injection path (not shown) connected to the lower part of the receiver tank 74.
  • the gas injection path and the liquid injection path of the injection pipe are each provided with a throttling means such as an electromagnetic valve (not shown) that opens and closes the pipe to control the flow of the refrigerant.
  • the gas phase refrigerant or liquid phase refrigerant separated in the receiver tank 74 can be sent to the low-stage compressor 70. This allows the low-stage compressor 70 to be cooled according to the operating conditions, and prevents damage to the low-stage compressor 70 due to overheating.
  • FIG. 7 is a diagram showing a refrigeration cycle device 401 according to another embodiment of the present invention.
  • the refrigeration cycle device 401 is a two-stage refrigeration cycle device that employs a liquid-gas heat exchanger 81 in the first stage.
  • the liquid-to-gas heat exchanger 81 is a heat exchanger that exchanges heat between the refrigerant that has dissipated heat in the radiator 12 or the cascade heat exchanger 65 and the refrigerant that has absorbed heat in the evaporator 15.
  • a plate type, a shell-and-tube type, a double-tube type, or any other type of heat exchanger can be used.
  • Figure 8 is a graph showing the temperature glide of the refrigerant in the evaporator 15 of the refrigeration cycle device 401 and the subcooling of the high-pressure refrigerant in the liquid-gas heat exchanger 81.
  • the horizontal axis represents the quality (dryness) of the refrigerant and the vertical axis represents the temperature, showing the evaporation temperature T4 of the refrigerant in the evaporator 15 and the temperature T5 of the circulating liquid, as well as the evaporation temperature T6 of the low-pressure refrigerant and the temperature T7 of the high-pressure refrigerant in the liquid-gas heat exchanger 81.
  • the arrows in Figure 8 indicate the flow direction of the refrigerant or circulating liquid.
  • the evaporation temperature T6 of the refrigerant rises significantly. Therefore, in a configuration in which the refrigerant flowing out of the evaporator 15 is sucked in and compressed by the compressor 11 without being cooled by the liquid-gas heat exchanger 81, it is difficult to cool the circulating liquid, etc. to a low temperature. In other words, near the evaporation completion region where the evaporation temperature T6 (T4) of the refrigerant rises sharply, it is not possible to cool the circulating liquid, etc. with the high-temperature refrigerant to lower its temperature T5.
  • the refrigeration cycle device 401 is provided with a liquid-gas heat exchanger 81, so that the latent heat of evaporation of the liquid-phase refrigerant that did not evaporate in the evaporator 15 can be used to further cool the high-pressure refrigerant after heat dissipation in the radiator 12 or cascade heat exchanger 65.
  • the latent heat of evaporation that was unused in the evaporator 15 can be used to perform supercooling to lower the temperature T7 of the high-pressure refrigerant, and the cold energy can be reused for cooling in the evaporator 15.
  • the unevaporated liquid-phase refrigerant can be completely gasified, preventing the liquid-phase refrigerant from being sucked into the compressor 11.
  • the average evaporation temperature of the refrigerant in the evaporator 15, i.e., the average value of the evaporation temperature T4 can be lowered, allowing safe, high-performance cooling to ultra-low temperatures.
  • FIG. 9 is a diagram showing a temperature adjustment device 2 using refrigeration cycle devices 1, 101, 201, 301, 401, etc.
  • FIG. 10 is a diagram showing the control system of the temperature adjustment device 2.
  • the temperature adjustment device 2 is a device used to adjust the controlled object 46, such as various manufacturing devices such as semiconductor manufacturing devices, or various measuring devices used in the manufacturing process of semiconductor devices, to a predetermined temperature according to the process.
  • the temperature adjustment device 2 is equipped with a circulating fluid circuit 20 that circulates the circulating fluid that has been cooled or heated as a refrigerant in the refrigeration cycle device 1 refrigeration circuit 10 to be sent to the controlled object 46, thereby adjusting the temperature of the controlled object 46.
  • the circulating fluid circulating through the circulating fluid circuit 20 contains, for example, water.
  • the circulating fluid is cooled or heated by the refrigerant flowing through the refrigerant circuit 10, heated to a suitable temperature by the heater 26 of the circulating fluid circuit 20, and supplied to a controlled object 46 such as a semiconductor manufacturing device.
  • a controlled object 46 such as a semiconductor manufacturing device.
  • the controlled object 46 is cooled or heated by the circulating fluid adjusted to a suitable temperature, and is controlled to a suitable temperature suited to each manufacturing process, measurement process, etc.
  • the radiator 12 of the refrigeration cycle device 1 is provided, for example, inside a high-temperature tank 39 in which the circulating liquid is stored, and has multiple tubes through which the refrigerant flows (not shown).
  • the tubes are, for example, steel pipes.
  • the tubes of the radiator 12 have an inlet at the top and an outlet at the bottom so that the refrigerant flows from top to bottom, and are wound, for example, in a generally spiral shape and provided inside the high-temperature tank 39. With this configuration, the refrigerant flowing through the radiator 12 can efficiently heat the circulating liquid in the high-temperature tank 39.
  • the circulating fluid in the high-temperature tank 39 can be heated by the refrigerant flowing through the radiator 12.
  • the circulating fluid stored in the high-temperature tank 39 can be heated to a high temperature by the radiator 12 without the need to provide a circulation pump or the like to flow the circulating fluid through the high-temperature path 38 of the circulating fluid circuit 20 in order to heat the circulating fluid by the radiator 12.
  • the refrigeration cycle device 1 when the refrigeration cycle device 1 is operating to cool the circulating liquid using the latent heat of evaporation of the evaporator 15, the circulating liquid in the high-temperature tank 39 can be heated to a high temperature by effectively using the exhaust heat from the radiator 12 without circulating the circulating liquid through the high-temperature path 38.
  • the radiator 12 may be provided outside the high-temperature tank 39 as long as the refrigerant is capable of exchanging heat with the circulating liquid.
  • a cascade heat exchanger 65 (see FIG. 5) may be provided that cools the refrigerant after the circulating liquid is heated by the radiator 12 in a two-side refrigeration cycle.
  • a second radiator 13 and a second blower fan 17 may be provided downstream of the radiator 12.
  • the cascade heat exchanger 65 or the second radiator 13 is provided downstream of the radiator 12, so that the refrigerant whose temperature has been reduced by heating the circulating liquid in the radiator 12 can be further cooled to a lower temperature.
  • the high-temperature refrigerant that has passed through the radiator 12 can be cooled by heat dissipation in the cascade heat exchanger 65 or the second radiator 13. This allows the cooling capacity of the refrigeration cycle device, i.e., the ability to cool the circulating fluid by utilizing the latent heat of evaporation of the refrigerant in the evaporator 15, to be exerted even when the high-temperature tank 39 is filled with high-temperature circulating fluid.
  • the refrigerant used in the refrigeration cycle device 1 is a mixed refrigerant whose main component is carbon dioxide.
  • the refrigerant can efficiently heat the circulating liquid to a high temperature by using the supercritical pressure of the carbon dioxide.
  • the circulating liquid can be heated by the radiator 12 of the refrigeration cycle device 1 to a high temperature range that was not possible with conventional condensers such as chillers that use hydrofluorocarbon refrigerants, hydrofluoroolefin refrigerants, or mixed refrigerants of these.
  • the refrigeration cycle device 1 can raise the temperature of the circulating fluid to a high temperature in a short time, even when the set temperature is changed to a high temperature of 130°C due to a change in the processing process, etc. Therefore, the refrigeration cycle device 1 can reduce the time loss caused by temperature adjustment and improve the productivity of semiconductor devices, etc. In addition, since the amount of heat generated by the heater 26 of the circulating fluid circuit 20 can be reduced, the amount of energy consumed by the heater 26 can be reduced, and energy savings can be achieved in the manufacturing process of semiconductor devices, etc.
  • the circulating fluid circuit 20 constitutes a closed circuit through which the circulating fluid that cools and heats the controlled object 46 circulates.
  • the circulating fluid circuit 20 has a plurality of circuit modules 21 that are connected to the controlled object 46 and circulate the circulating fluid, a low-temperature path 31 to which the circuit modules 21 are connected and through which the circulating fluid flows through the evaporator 15 so as to be able to exchange heat with the refrigerant, and a high-temperature path 38 to which the circuit modules 21 are connected and through which the circulating fluid flows through the radiator 12 so as to be able to exchange heat with the refrigerant.
  • the circuit module 21 is a device that supplies circulating fluid to the controlled object 46 to adjust the temperature of the controlled object 46.
  • a basic circulation path 22 is formed, which is a basic closed circuit that circulates the circulating fluid.
  • the circuit module 21 is formed with the basic circulation path 22, which is a closed circuit that connects a feed path 23 that supplies circulating fluid to the controlled object 46, such as a semiconductor manufacturing device, and a return path 24 that returns the circulating fluid that has cooled or heated the controlled object 46.
  • each circuit module 21 is provided with a circulation pump 25 that sends the circulating fluid to the control object 46, a heater 26 that heats the circulating fluid supplied to the control object 46 to adjust the temperature, and a temperature sensor 27 that measures the temperature of the circulating fluid heated by the heater 26.
  • the heater 26 is a resistance heating type electric heater, for example a sheath heater in which a metal pipe covers a nichrome wire as a heating element.
  • the heater 26 may also be an induction heating type heating means, for example an induction coil connected to an induction heating power source (not shown).
  • the temperature sensor 27 is provided in the feed path 23 downstream of the heater 26, and measures the temperature of the circulating fluid heated by the heater 26.
  • the circulation pump 25, heater 26, and temperature sensor 27 are connected to the control device 43.
  • the control device 43 controls the circulation pump 25 and heater 26 so that the temperature of the circulating fluid measured by the temperature sensor 27 becomes a predetermined temperature. This controls the temperature of the controlled object 46 to become the set temperature.
  • each circuit module 21 is provided with an electromagnetic valve 28 that opens and closes the feed path 23.
  • the electromagnetic valve 28 can be closed to stop the flow of the circulating fluid.
  • the low-temperature path 31 is a path for cooling the circulating fluid by the refrigeration cycle device 1.
  • the inlet side of the low-temperature path 31 is connected to the return path 24 side of the circuit module 21, and the outlet side is connected to the feed path 23 side of the circuit module 21, so as to form a bypass flow path for the circulating fluid in the basic circulation path 22.
  • the circulating fluid circulating through the basic circulation path 22 of the circuit module 21 can flow into the low-temperature path 31 at the branch point that serves as the inlet of the low-temperature path 31, and can also flow into the feed path 23 without flowing into the low-temperature path 31.
  • a mixing valve 30 is provided at the confluence of the outlet of the low-temperature path 31 and the basic circulation path 22.
  • the mixing valve 30 is a valve that mixes the circulating fluid that has passed through the low-temperature path 31 with the circulating fluid that is supplied to the control target 46 via the feed path 23 of the circuit module 21.
  • the low-temperature path 31 can be opened and closed freely and the flow rate can be adjusted freely by the mixing valve 30.
  • the mixing valve 30 By adjusting the mixing valve 30, the circulating liquid returning from the control object 46 can be mixed with the circulating liquid cooled by the evaporation of the refrigerant in the evaporator 15 of the refrigeration cycle device 1 to operate at a suitable temperature.
  • the low-temperature path 31 is also provided with a low-temperature tank 32 for storing the circulating liquid, a low-temperature pump 33 for sending the circulating liquid, and a low-temperature circulation path 34 for returning the circulating liquid to the inlet side of the low-temperature path 31 without sending it to the control object 46.
  • a low-temperature tank 32 is provided on the inlet side of the low-temperature path 31, a low-temperature pump 33 is provided downstream of the low-temperature tank 32, and an evaporator 15 is provided downstream of the low-temperature pump 33.
  • the low-temperature circulation path 34 may be provided to connect a system branch pipe 36 provided downstream of the evaporator 15 of the low-temperature path 31 to the low-temperature tank 32 provided on the inlet side of the low-temperature path 31.
  • the low-temperature tank 32 is provided with a low-temperature sensor 37 that measures the temperature of the circulating fluid in the low-temperature tank 32.
  • the low-temperature pump 33 and the low-temperature sensor 37 are connected to a control device 43.
  • the control device 43 may use the temperature information of the circulating fluid measured by the low-temperature sensor 37 for calculations to control the operation of the circulating pump 25 and the low-temperature pump 33, and the adjustment of the opening of the mixing valve 30, etc.
  • the low-temperature path 31 is provided with a low-temperature tank 32, a low-temperature pump 33 that sends circulating liquid, and a low-temperature circulation path 34 that returns the circulating liquid from the outlet side to the inlet side of the low-temperature path 31. Therefore, even when the circulating liquid of the low-temperature path 31 is not being used as the circulating liquid supplied to the controlled object 46, the circulating liquid of the low-temperature path 31 can be circulated and cooled by the refrigerant flowing through the evaporator 15.
  • the circulating fluid cooled by the refrigerant is then stored in the low-temperature tank 32, and the stored low-temperature circulating fluid can be supplied to the circulating fluid circuit 20 as needed.
  • the low-temperature circulating fluid stored in the cold/warm tank can be supplied to the circulating fluid circuit 20.
  • the low-temperature path 31 is provided with the low-temperature tank 32, the low-temperature pump 33, and the low-temperature circulation path 34. Therefore, even if the circulating liquid in the low-temperature path 31 is not being supplied to the control object 46, the refrigeration cycle device 1 can be operated to heat the circulating liquid in the high-temperature path 38 with the refrigerant in the radiator 12.
  • the high-temperature path 38 is a path for heating the circulating fluid by the refrigeration cycle device 1.
  • the inlet side of the high-temperature path 38 is connected to the return path 24 side of the circuit module 21, and the outlet side is connected to the feed path 23 side of the circuit module 21, so as to form a bypass flow path for the circulating fluid in the basic circulation path 22.
  • a three-way valve 29 is provided in the basic circulation path 22 of the circulating fluid circuit 20 upstream of the branch point to the low-temperature path 31.
  • the three-way valve 29 is a valve that switches whether or not the circulating fluid returning from the control target 46 is sent to the high-temperature path 38.
  • the high-temperature path 38 can be freely opened and closed by the three-way valve 29.
  • the inlet of the high-temperature path 38 is connected to the three-way valve 29.
  • the outlet of the high-temperature path 38 is connected downstream of the three-way valve 29 of the basic circulation path 22 and upstream of the branch point to the low-temperature path 31.
  • the high-temperature path 38 is provided with a high-temperature tank 39 that stores circulating fluid heated to a high temperature, and a high-temperature sensor 42 that measures the temperature of the circulating fluid in the high-temperature tank 39. Inside the high-temperature tank 39, the radiator 12 of the refrigeration cycle device 1 is provided so that the circulating fluid can be heated by the refrigerant.
  • the high-temperature tank 39 has a circulating fluid inlet formed at the bottom and a circulating fluid outlet formed at the top. This allows the high-temperature circulating fluid stored in the high-temperature tank 39 to be efficiently supplied to the control object 46.
  • the low-temperature circulating fluid returning from the controlled object 46 flows into the high-temperature path 38 via the three-way valve 29, and flows into the high-temperature tank 39 from an inlet formed at the bottom of the high-temperature tank 39.
  • the high-temperature circulating fluid stored in the high-temperature tank 39 is then sent to the basic circulation path 22 from an outlet formed at the top of the high-temperature tank 39, and is supplied to the controlled object 46.
  • the temperature adjustment device 2 is equipped with a high-temperature tank 39, and can send high-temperature circulating fluid stored in the high-temperature tank 39 to the basic circulation path 22. Therefore, for example, when changing the set temperature of the control object 46 due to a change in the processing process or the like, and significantly increasing the temperature of the circulating fluid, a highly efficient temperature change is possible.
  • the high-temperature circulating fluid stored in the high-temperature tank 39 is supplied to the circulating fluid circuit 20, and the temperature of the circulating fluid circulating through the circulating fluid circuit 20 can be rapidly raised to a predetermined temperature in a short period of time. Therefore, the refrigeration cycle device 1 can significantly shorten the time required to change the set temperature, reducing the time loss associated with changing the temperature before starting a processing process, measurement process, etc.
  • the control device 43 may use temperature information of the circulating fluid in the high-temperature tank 39 measured by the high-temperature sensor 42 in the calculation to control the opening and closing of the three-way valve 29. This makes it possible to control the flow of the high-temperature path 38 according to the amount of high-temperature circulating fluid stored in the high-temperature tank 39. Therefore, when there is a shortage of high-temperature circulating fluid stored in the high-temperature tank 39, it is possible to prevent low-temperature circulating fluid from being sent to the basic circulation path 22, which would cause a time loss in changing the temperature.
  • the low-temperature path 31 and the high-temperature path 38 are provided with system integration flow pipes 35, 40 and system branch pipes 36, 41 that connect the multiple circuit modules 21.
  • the low-temperature path 31 is provided with a system integration flow pipe 35 on the inlet side and a system branch pipe 36 on the outlet side.
  • the high-temperature path 38 is provided with a system integration flow pipe 40 on the inlet side and a system branch pipe 41 on the outlet side.
  • circuit modules 21, for example, two to eight or more circuit modules 21, to be connected to the low-temperature path 31 and the high-temperature path 38 via the system integration flow pipes 35, 40 and the system branch pipes 36, 41.
  • Each of the multiple circuit modules 21 has a circulation pump 25 and a heater 26, and can circulate the circulating fluid to a different control object 46. This allows a single refrigeration cycle device 1 to be used to efficiently cool and heat multiple control objects 46, such as processing locations and measurement locations, and adjust each control object 46 to an appropriate temperature.

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Abstract

オゾン層破壊係数及び地球温暖化係数が小さい二酸化炭素を主成分とする冷媒を用いて超低温の冷却が可能な冷凍サイクル装置を提供する。　蒸気圧縮式の冷凍サイクル装置であって、圧縮手段（１１）、放熱器（１２）、絞り手段（１４）及び蒸発器（１５）が順次接続され冷媒が循環する冷媒回路（１０）を具備し、冷媒として、二酸化炭素を主成分としてジメチルエーテル及びジフルオロメタンの少なくとも一方を含む混合冷媒が用いられ、蒸発器（１５）の入口における冷媒の圧力を二酸化炭素の三重点圧力以下として冷凍サイクルの動作が行われる。これにより、環境性能に優れた二酸化炭素を含む冷媒を利用して、制御対象の設定温度をマイナス４０℃以下とする超低温の冷却を、冷媒の固体化による循環不良を起こすことなく安全に行うことができる。

Description

冷凍サイクル装置
　本発明は、蒸気圧縮式冷凍サイクルを利用して冷却または加熱を行う冷凍サイクル装置に関し、特に、二酸化炭素を主成分とする冷媒を使用する冷凍サイクル装置に関する。
　従来、冷媒として二酸化炭素（Ｒ７４４、ＣＯ２）を利用する蒸気圧縮式の冷凍サイクル装置が知られている。
　例えば特許文献１には、低温ショーケース等に採用される冷凍サイクル装置であって、冷媒として二酸化炭素を使用した冷凍サイクル装置が開示されている。同文献に開示された冷凍サイクル装置は、二段圧縮の圧縮装置、放熱器、膨張弁及び蒸発器を含む主回路を備えると共に、分流器、副減圧装置及び中間熱交換器を含む副回路を更に備える、いわゆるスプリットサイクル（二段圧縮一段膨張中間冷却サイクル）の装置である。
　スプリットサイクル冷凍装置では、放熱器で冷却された冷媒が分流器で２つの冷媒流に分かれ、分流された一方の冷媒は、主回路、他方の冷媒は、副回路を流れる。副回路を流れる冷媒は、副減圧装置で減圧された後、中間熱交換器で主回路を流れる冷媒と熱交換し、高段側圧縮機に吸引される。他方、主回路を流れる冷媒は、中間熱交換器で副回路を流れる冷媒に冷却された後、膨張弁で減圧され、蒸発器にて蒸発し、低段側圧縮機に吸引される。これにより、臨界圧力の低い二酸化炭素冷媒において、高圧側の圧力を低くして高低圧力差を抑えつつ、蒸発器に流入する冷媒の比エンタルピを小さくして冷凍能力を確保し、成績係数の低下を防止することができる。
　また、一般に半導体装置の製造等では、製造装置によるワークの加工箇所、計測箇所等の温度が各製造プロセスに応じた所定の温度になるよう製造装置等の温度を制御する必要がある。従来、このような温度制御を行う装置として、熱媒体が循環する循環経路を有し、その循環経路を循環する熱媒体によって、温度調整が必要な制御対象を冷却または加熱する温度調整装置が知られている。この種の温度調整装置は、循環する熱媒体を冷却する蒸気圧縮式冷凍サイクルのチラー等と、冷却された熱媒体を加熱する加熱器等と、を備えている。
　例えば特許文献２には、半導体製造装置等の各種装置、プロセス等の温度を制御するために用いられるエリア別パラメータ制御方式ハイブリッドチラーが開示されている。同文献に開示されたエリア別パラメータ制御方式ハイブリッドチラーは、コンプレッサー、凝縮器、膨張弁及び熱交換器を具備した冷凍サイクル装置と、制御対象に供給する循環液を循環させる循環液循環回路と、を有する。冷凍サイクル装置の熱交換器で冷媒に冷却された循環液は、予め設定された液温になるようヒータで加熱されて制御対象に供給される。
特開２０１０－２７６２３８号公報 特開２０１５－５９７２６号公報
　しかしながら、上記した従来技術の冷凍サイクル装置では、例えば、制御対象にマイナス４０℃以下の超低温の冷却が求められる用途において、オゾン層破壊、地球温暖化等の環境負荷が小さい高効率な冷却を実現するために改善すべき点があった。
　例えば、二酸化炭素を冷媒として用いる冷凍サイクル装置では、特許文献１に開示された従来技術のように、例えばスプリットサイクル等を採用することにより、スーパーショーケース等の冷凍分野における冷却運転が実現した。しかしながら、従来技術の冷凍サイクル装置では、更に温度が低い超低温の冷却への利用が難しいという問題点があった。
　具体的には、二酸化炭素の三重点温度は、マイナス５６．６℃、三重点圧力は、０．５２ＭＰａである。冷凍サイクル装置の蒸発圧力を三重点圧力以下にすると、固体化した二酸化炭素（ドライアイス）は、液化できず蒸発器の冷媒配管等の内部に固着して流れなくなる。即ち、超低温の冷却条件では、膨張弁、蒸発器、アキュームレータ及び冷媒配管等にドライアイスの固着による目詰まりが発生し、圧縮機で冷媒を吸い上げることができなくなり、冷媒の循環が維持できない。
　また、半導体装置製造の加工プロセス、計測プロセス等においては、精度及び生産効率を高めるために、制御対象の温度をマイナス４０からマイナス８０℃以下、または更に低温化することが求められている。しかしながら、従来技術の冷凍サイクル装置では、環境に優しい自然冷媒を使用して、要求される超低温の冷却を行うことができなかった。
　また、従来技術の冷凍サイクル装置は、温度調整に要する時間を短縮して半導体装置製造等における生産プロセスの効率化を図ると共に、温度調整のためのエネルギー消費量を減らして省エネルギー化を図るために改善すべき点があった。
　具体的には、半導体装置製造等においては、各プロセスに対応して製造装置等の制御対象の温度を変更する場合がある。例えば、制御対象の設定温度をマイナス４０℃として温度制御していた工程から、設定温度を１３０℃に変更しなければならない場合もある。このような場合、従来技術の冷凍サイクル装置では、制御対象の温度を所定の設定温度に変更するために長時間を要する。このように制御対象の温度を変更するための時間は、製造工程におけるタイムロスとなる。
　即ち、従来技術の冷凍サイクル装置を用いた温度調整装置では、制御対象の設定温度を変更して温度を上昇させるために、電熱ヒータ等の加熱器で循環液を長時間加熱する必要があった。加熱器等で循環液を加熱して制御対象の温度を上昇させる工程は、制御対象の温度が安定した設定温度になるまで行われる。加熱器等で循環液を加熱して制御対象の温度を上昇させる時間は、半導体装置の製造等において加工プロセス、計測プロセス等を行うことができない待ち時間となっていた。
　また、従来技術の温度調整装置は、循環液を冷凍サイクル装置の蒸発器で冷却した後、冷却された循環液をヒータ等の加熱器によって所定の温度まで加熱する構成である。そのため、循環液を加熱するために消費されるエネルギー、即ち加熱器等で消費される電力量等、が大きくなってしまうという問題点があった。
　本発明は、上記のような課題を解決するためになされた。本発明の目的は、オゾン層破壊係数（ＯＤＰ）及び地球温暖化係数（ＧＷＰ）が小さい二酸化炭素を主成分とする冷媒を用いた超低温の冷却を実現し、環境性能及び安全性に優れた冷凍サイクル装置を提供することにある。
　また、本発明の他の目的は、温度調整装置の設定温度の変更時等において温度調整に要する時間を短縮して半導体装置製造等における生産性を向上させることができる冷凍サイクル装置を提供することにある。
　また、本発明の他の目的は、半導体装置製造等におけるエネルギー消費量を減らして省エネルギー化を図ることができる冷凍サイクル装置を提供することにある。
　本発明の冷凍サイクル装置は、蒸気圧縮式の冷凍サイクル装置であって、圧縮手段、放熱器、絞り手段及び蒸発器が順次接続され冷媒が循環する冷媒回路を具備し、前記冷媒として、二酸化炭素を主成分としてジメチルエーテル（ＤＭＥ、Ｃ２Ｈ６Ｏ）及びジフルオロメタン（Ｒ３２、ＣＨ２Ｆ２）の少なくとも一方を含む混合冷媒が用いられ、前記蒸発器の入口における前記冷媒の圧力を二酸化炭素の三重点圧力以下として冷凍サイクルの動作が行われることを特徴とする。
　本発明の冷凍サイクル装置によれば、蒸気圧縮式の冷凍サイクル装置であって、圧縮手段、放熱器、絞り手段及び蒸発器が順次接続され冷媒が循環する冷媒回路を具備し、前記冷媒として、二酸化炭素を主成分としてジメチルエーテル及びジフルオロメタンの少なくとも一方を含む混合冷媒が用いられ、前記蒸発器の入口における前記冷媒の圧力を二酸化炭素の三重点圧力以下として冷凍サイクルの動作が行われる。これにより、制御対象の設定温度をマイナス４０℃以下の超低温とする冷却が求められる場合であっても、冷媒の固体化による循環不良を起こすことなく高性能な冷却を行うことができる。よって、環境性能に優れた二酸化炭素を含む冷媒を利用して、超低温の冷却を行うことができる。具体的には、冷媒は、二酸化炭素を主成分としてジメチルエーテル及びジフルオロメタンの少なくとも一方を含む混合冷媒である。そのため、冷媒のオゾン層破壊係数及び地球温暖化係数は極めて小さく、毒性及び燃性も問題のないレベルにできる。そして、混合された冷媒の三重点圧力は、二酸化炭素の三重点圧力よりも低くなるので、蒸発器の入口における冷媒の圧力を二酸化炭素の三重点圧力以下としても、冷媒の固体化による循環不良を起こすことがない。よって、冷媒の蒸発温度を二酸化炭素の三重点温度、即ちマイナス５６．６℃、よりも低くすることができ、高性能な超低温の冷却を行うことができる。
　また、本発明の冷凍サイクル装置は、高温側圧縮手段、高温側放熱器、高温側絞り手段及びカスケード熱交換器が順次接続され高温側冷媒が循環する高温側冷媒回路を具備し、前記カスケード熱交換器は、前記冷媒と前記高温側冷媒との間で熱交換を行うよう前記放熱器または前記放熱器の下流の前記冷媒回路に設けられても良い。このような構成により、環境に優しい冷媒を用いて高効率な二元冷凍サイクルを動作させて超低温の冷却を行うことができる。
　また、本発明の冷凍サイクル装置は、前記圧縮手段は、低段圧縮機と、前記低段圧縮機で圧縮された前記冷媒を更に圧縮する高段圧縮機と、を有し、前記絞り手段は、高段膨張弁と、前記高段膨張弁で減圧された前記冷媒を更に減圧する低段膨張弁と、を有し、前記高段膨張弁と前記低段膨張弁の間の前記冷媒回路には、前記冷媒を気相冷媒と液相冷媒に分離するレシーバタンクが設けられており、前記レシーバタンクで分離された前記気相冷媒は、前記レシーバタンクから前記低段膨張弁、前記蒸発器及び前記低段圧縮機をバイパスして前記低段圧縮機の下流につながるバイパス経路を経由して前記高段圧縮機に吸引されても良い。このような二段圧縮二段膨張中間気液分流式の冷凍サイクルによって、超低温の冷却であっても、冷媒の凍結による蒸発器等の目詰まりが発生しない高性能な冷却運転を行うことができる。具体的には、中間圧力のレシーバタンクで分離された気相冷媒は、ジメチルエーテル等の混合成分よりも沸騰温度が高い二酸化炭素を多く含む。そして、その二酸化炭素の質量分率が大きい気相冷媒は、低段膨張弁で減圧され蒸発器に送られることなく高段圧縮機に吸い込まれる。そのため、蒸発器を流れる低圧の混合冷媒は、二酸化炭素の質量分率が小さくなり、三重点温度も低くなる。よって、固体化された冷媒の固着が抑制され、配管等の目詰まりがない高性能な超低温の冷却運転が実現する。
　また、本発明の冷凍サイクル装置は、前記低段圧縮機及び前記高段圧縮機の少なくとも一方の回転速度を制御する制御装置と、前記レシーバタンク内の前記液相冷媒の液位を検出する液位センサと、を具備し、前記制御装置は、前記液位センサで検出した前記レシーバタンク内の前記液相冷媒の液位に基づいて前記低段圧縮機及び前記高段圧縮機の少なくとも一方の回転速度を制御しても良い。このような構成により、レシーバタンクからバイパス経路を経由して高段圧縮機に送られる気相冷媒の量を好適に制御することができる。即ち、レシーバタンクで発生する気相冷媒が低段膨張弁で減圧され蒸発器に流れ込むことや、レシーバタンクで発生する液相冷媒がバイパス経路を流れて高段圧縮機に吸引されることを防止することができる。よって、安全で高性能な超低温の冷却運転を行うことができる。
　また、本発明の冷凍サイクル装置には、前記放熱器で放熱した後の前記冷媒と前記蒸発器で吸熱した後の前記冷媒との間で熱交換を行う液ガス熱交換器を有しても良い。このような構成により、蒸発器で蒸発しなかった液相冷媒の蒸発潜熱を利用して、放熱器で放熱した高圧の冷媒を更に冷却し、その冷熱を蒸発器における冷却に再利用することができる。これにより、蒸発器における温度グライドが大きい混合冷媒を利用しても、未蒸発の液相冷媒を完全にガス化して、液相冷媒が圧縮機に吸引されることを防止できる。また、蒸発器における冷媒の平均蒸発温度を低くすることができ、安全で高性能な超低温の冷却を行うことができる。
　また、本発明の冷凍サイクル装置では、前記冷媒は、全封入量に対する二酸化炭素の封入量が７５から９７質量％であっても良い。二酸化炭素をこのような質量分率で混合冷媒に含ませることにより、冷媒のオゾン層破壊係数及び地球温暖化係数を小さくし、毒性及び燃性を低くすることができる。よって、環境性、安全性に優れた超低温の冷却を行うことができる。
　また、本発明の冷凍サイクル装置は、制御対象の温度を調整する循環液が循環する循環液回路に接続され、前記循環液回路は、前記循環液が前記冷媒と熱交換可能に前記蒸発器を流れる開閉自在な低温経路と、前記循環液が前記冷媒と熱交換可能に前記放熱器を流れる開閉自在な高温経路と、を有し、前記高温経路には、前記放熱器で前記冷媒に加熱された前記循環液を貯留する高温タンクが設けられても良い。このような構成により、冷凍サイクル装置は、半導体製造装置等の制御対象に対して、冷媒で冷却または加熱された循環液を供給して高効率な温度調整を行うことができる。
　具体的には、制御対象の冷却が必要な場合には、循環液が低温経路を流れるように循環液回路の低温経路が開かれる。そうすると、循環液は、低温経路を流れ、冷凍サイクル装置の蒸発器で蒸発する冷媒の潜熱を利用して冷却される。そして、冷凍サイクル装置で冷却された循環液は、循環液回路の加熱器によって所定の温度に加熱され、制御対象が設定温度になるよう好適な温度で制御対象に供給される。
　また、制御対象から戻る循環液の温度が低く、循環液を大きく温度上昇させる必要がある場合には、循環液が高温経路を流れるよう循環液回路の高温経路が開かれる。これにより冷凍サイクル装置は、放熱器を流れる冷媒の放熱を利用して循環液を加熱することができる。そして、冷凍サイクル装置の放熱器で加熱された循環液は、循環液回路の加熱器によって所定の温度に加熱され、制御対象が正確な設定温度になるよう好適な温度で制御対象に供給される。このように、冷凍サイクル装置の放熱器による放熱を利用して循環液を加熱することができるので、循環液回路の加熱器で消費されるエネルギーを少なく抑えて、高効率な温度調整を行うことができる。
　このように、本発明の冷凍サイクル装置は、蒸気圧縮式冷凍サイクルで発生する冷熱及び温熱の双方を利用して、排熱損失の少ない高効率な温度調整を行うことができる。
　また、前記高温経路には、前記放熱器で前記冷媒に加熱された前記循環液を貯留する高温タンクが設けられている。これにより、例えば、加工工程等の変更により制御対象の設定温度を変更して循環液の温度を大幅に上昇させる場合、高温タンクに貯留された高温の循環液を循環液回路に供給し、循環液回路を循環する循環液の温度を短時間で急速に所定の温度まで上昇させることができる。よって、設定温度の変更に要する時間を大幅に短縮して、加工工程、計測工程等を開始するまでの温度変更に伴うタイムロスを減らし、半導体装置等の生産性を向上させることができる。
図１は、本発明の実施形態に係る冷凍サイクル装置を示す図である。 図２は、本発明の実施形態に係る冷媒の二酸化炭素の質量分率と、三重点圧力及び三重点温度と、の関係を示すグラフである。 図３は、本発明の実施形態に係る冷媒の二酸化炭素の質量分率と、三重点圧力、三重点温度、蒸発圧力及び蒸発器出口温度と、の関係を示すグラフである。 図４は、本発明の他の実施形態に係る冷凍サイクル装置を示す図である。 図５は、本発明の他の実施形態に係る冷凍サイクル装置を示す図である。 図６は、本発明の他の実施形態に係る冷凍サイクル装置を示す図である。 図７は、本発明の他の実施形態に係る冷凍サイクル装置を示す図である。 図８は、本発明の他の実施形態に係る冷凍サイクル装置の蒸発器における冷媒の温度とクオリティ（乾き度）、及び液ガス熱交換器における冷媒の過冷却を示すグラフである。 図９は、本発明の実施形態に係る冷凍サイクル装置を用いた温度調整装置を示す図である。 図１０は、本発明の実施形態に係る冷凍サイクル装置を用いた温度調整装置の制御系統を示す図である。
　以下、図面を適宜参照しながら本発明の実施形態に係る冷凍サイクル装置を詳細に説明する。なお、図示された態様は本発明を限定するものではなく、あくまでも本発明の実施形態の一例を示したものである。
　図１は、本発明の実施形態に係る冷凍サイクル装置１の概略構成を示す図である。図１を参照して、冷凍サイクル装置１は、蒸気圧縮式冷凍サイクルを利用して冷却または加熱を行う装置である。詳しくは、冷凍サイクル装置１は、単元一段圧縮一段膨張の冷凍サイクルを動作させる装置の例である。
　具体的には、冷凍サイクル装置１は、圧縮機１１、放熱器１２、膨張弁１４、及び蒸発器１５が冷媒配管を介して順次接続され形成された冷媒回路１０を具備する。冷媒回路１０は、冷媒が循環して蒸気圧縮式冷凍サイクルの動作が行われる閉回路である。
　圧縮機１１は、冷媒を圧縮して放熱器１２に送る圧縮手段である。圧縮機１１としては、ロータリー式、スクロール式、レシプロ式、スクリュー式その他各種形式の圧縮装置を採用することができる。
　特にロータリー式の圧縮機１１は、冷却能力の小さいコンパクトな冷凍サイクル装置１を構成する際に好適である。また、圧縮機１１は、二段圧縮式でも良い。圧縮機１１として二段圧縮式を採用することは、他の冷媒よりも圧縮後の圧力が高くなる二酸化炭素を主成分とする混合冷媒の圧縮に適している。
　放熱器１２は、圧縮機１１で圧縮され高圧高温になった冷媒を冷却する熱交換器である。放熱器１２で熱交換をすることによって冷媒から伝達される熱は、外部に放出されても良いし、加熱を必要とする他の熱媒体に伝達され利用されても良い。
　例えば、放熱器１２は、冷媒の熱を外部に放出する空冷式の凝縮器またはガスクーラであっても良い。放熱器１２には、冷媒と熱交換する空気を送る送風ファン１６が設けられても良い。
　放熱器１２は、図示を省略するが、フィンアンドチューブ式の熱交換器でも良い。即ち、放熱器１２は、冷媒が流れる複数の銅管等のチューブと、それぞれ平行に設けられた複数のアルミニウム製のフィンと、を有し、チューブは、フィンに形成された孔に挿入されている。
　なお、放熱器１２は、水冷式の熱交換器であっても良い。また、放熱器１２としては、プレート式、シェルアンドチューブ式、二重管式その他各種形式の熱交換器を採用することができる。特にプレート式の熱交換器は、熱交換効率が高く放熱器１２をコンパクトにできるので好ましい。
　また、詳細は後述するが、放熱器１２は、循環液回路２０（図９参照）の循環液と熱交換する熱交換器であっても良い。これにより、放熱器１２における冷媒からの排熱を、半導体製造装置等の制御対象４６（図９参照）の加熱に有効に利用できる。
　膨張弁１４は、放熱器１２を通過して低温になった高圧の冷媒を減圧する絞り手段である。また、膨張弁１４は、冷媒の流れを調整する機能を有する。膨張弁１４としては、電子膨張弁、温度自動膨張弁、キャピラリーチューブその他各種形式の絞り手段を採用することができる。膨張弁１４として電子膨張弁を採用することにより、冷凍サイクル装置１による冷却及び加熱を高性能に制御することができる。
　蒸発器１５は、低圧の液状冷媒が蒸発し、その蒸発潜熱によって循環液等の冷却対象を冷却する熱交換器である。蒸発器１５としては、プレート式、二重管式、チューブ接触式、シェルアンドチューブ式その他各種形式の熱交換器を採用することができる。
　特にプレート式の熱交換器は、熱交換効率が高く蒸発器１５をコンパクトにできるので好ましい。また、二重管式及びチューブ接触式は、製造加工が容易で、好適な耐圧強度が容易に得られる点で優れている。
　蒸発器１５の下流の冷媒配管は、アキュームレータ５７等（図４参照）を介して圧縮機１１に接続されている。以上の構成により、圧縮機１１、放熱器１２、膨張弁１４及び蒸発器１５が順次接続された冷凍サイクル装置１の冷媒回路１０が形成されている。
　また、冷媒回路１０の例えば圧縮機１１の下流には、圧縮機１１から突出された冷媒の温度を計測する冷媒温度センサ１８が設けられている。冷媒温度センサ１８は、蒸発器１５の入口、出口等その他の箇所の冷媒温度を計測するよう複数設けられても良い。
　冷媒回路１０の例えば蒸発器１５の入口には、冷媒の圧力を計測する圧力センサ１９が設けられている。圧力センサ１９は、蒸発器１５の下流、圧縮機１１の下流、その他冷媒回路１０の複数箇所に設けられても良い。
　冷凍サイクル装置１は、各構成機器を制御する制御装置４３を備えている。制御装置４３は、マイクロプロセッサを備えた制御手段であり、所定の演算を実行して冷凍サイクル装置１の冷凍サイクルの動作を制御する。
　具体的には、制御装置４３の入力には、冷媒の温度を計測する冷媒温度センサ１８、冷媒の圧力を計測する圧力センサ１９等のセンサ類が接続されている。
　制御装置４３の出力には、圧縮機１１、膨張弁１４及び送風ファン１６等が接続されている。
　また、制御装置４３には、冷却対象や加熱対象の設定温度その他の運転情報を入力する入力装置４４、各部の温度情報その他の制御情報を表示する表示装置４５が設けられている。なお、制御装置４３には、その他の図示しないセンサ類、情報入力機器、表示装置、制御対象機器、記録装置等が接続されても良い。
　制御装置４３は、冷媒温度センサ１８で計測された冷媒の温度、圧力センサ１９で計測された冷媒の圧力及びその他の入力情報に基づき所定の演算を実行し、圧縮機１１及び膨張弁１４等を制御する。これにより冷凍サイクル装置１は、高性能な超低温の冷却を行うことができる。
　冷凍サイクル装置１で使用される冷媒は、二酸化炭素を主成分としてジメチルエーテル及びジフルオロメタンの少なくとも一方を含む混合冷媒である。
　そして、冷凍サイクル装置１では、蒸発器１５の入口における冷媒の圧力を二酸化炭素の三重点圧力Ｐ１（図２参照）以下として蒸気圧縮式冷凍サイクルの動作が行われる。
　図２は、本発明の実施形態に係る冷媒の一例として、二酸化炭素とジメチルエーテルの混合冷媒における二酸化炭素の質量分率と、三重点圧力Ｐ２及び三重点温度Ｔ２と、の関係を示すグラフである。なお、図２には、比較のために二酸化炭素の三重点圧力Ｐ１及び三重点温度Ｔ１、即ち二酸化炭素が１００質量％の三重点圧力Ｐ１及び三重点温度Ｔ１、を一点鎖線の横線で示している。
　図３は、二酸化炭素とジメチルエーテルの混合冷媒における二酸化炭素の質量分率と、三重点圧力Ｐ２、三重点温度Ｔ２、蒸発圧力Ｐ３及び蒸発器出口温度Ｔ３と、の関係を示すグラフである。
　図２及び図３を参照して、例えば、二酸化炭素の質量分率が９１質量％の混合冷媒、即ち二酸化炭素に９質量％のジメチルエーテルを添加した混合冷媒、の三重点温度Ｔ２は、マイナス７５℃である。
　つまり、二酸化炭素とジメチルエーテルを９１：９の混合比で混合した混合冷媒の三重点温度Ｔ２は、二酸化炭素の三重点温度Ｔ１であるマイナス５６．６℃よりも低いマイナス７５℃となる。
　このような混合冷媒を用いて、冷凍サイクルにおける冷媒の蒸発圧力Ｐ３を、例えば、０．１９０１から０．５１８ＭＰａに制御すれば、固体化した二酸化炭素の固着による循環不良を起こすことなく、冷媒温度マイナス７５℃までの冷却効果を利用することができる。
　なお、冷媒は、全封入量に対する二酸化炭素の封入量が７５から９７質量％であることが望ましい。即ち、二酸化炭素とジメチルエーテルの混合比は、７５：２５から９７：３が好ましい。このような混合比により、冷媒のオゾン層破壊係数及び地球温暖化係数を小さくし、毒性及び燃性を低くすることができる。これにより冷凍サイクル装置１は、環境性、安全性に優れた高性能な超低温の冷却運転を行うことができる。
　つまり、冷媒の主成分である二酸化炭素は、オゾン層破壊係数が０、地球温暖化係数が１であり、毒性が無く、不燃性である。ジメチルエーテルは、オゾン層破壊係数、地球温暖化係数が小さく、毒性、燃性があるが、二酸化炭素に混合した冷媒は、オゾン層破壊係数及び地球温暖化係数が極めて低く、毒性及び燃性も僅かであり安全性についても問題ない。
　また、ジフルオロメタンは、ハイドロフルオロカーボン系冷媒であり、オゾン層破壊係数が０であり、地球温暖化係数が低く（６７５）、毒性が無く、微燃性である。二酸化炭素とジフルオロメタンの混合冷媒も、環境性及び安全性に優れた、三重点温度の低い冷媒となる。
　このように、冷凍サイクル装置１は、主成分を７５から９７質量％の二酸化炭素とし、混合成分としてジメチルエーテル及びジフルオロメタンの少なくとも一方を含む混合冷媒を使用することにより、安全且つ高性能に超低温の冷却を行うことができる。
　次に、図４ないし図８を参照して、冷凍サイクル装置１の構成を基本として構成部品や冷媒経路を追加、変更した実施形態の例について詳細に説明する。なお、既に説明した実施形態と同一若しくは同様の作用、効果を奏する構成要素については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
　図４は、本発明の他の実施形態に係る冷凍サイクル装置１０１を示す図である。冷凍サイクル装置１０１は、例えば、単元二段圧縮一段膨張の冷凍サイクルを動作させる装置である。以下に説明する各種構成は、既に説明した単元一段圧縮一段膨張の冷凍サイクルを動作させる冷凍サイクル装置１に採用することもできる。
　図４を参照して、圧縮機１１の吸込口の上流には、冷媒中の水分を吸着するドライヤ５６が設けられても良い。これにより、冷媒中の水分が氷結することによる冷媒配管等の詰まりや圧縮機１１等の破損を防止することができる。
　また、圧縮機１１の吸込口の上流には、未蒸発の液相冷媒を貯留可能なアキュームレータ５７が設けられても良い。これにより、蒸発器１５で蒸発できなかった液相冷媒が圧縮機１１に吸い込まれて圧縮機１１が損傷することを防止することができる。
　また、圧縮機１１は、１段目圧縮機構５０と、１段目圧縮機構５０で圧縮された冷媒を更に圧縮する２段目圧縮機構５１と、を備えた二段圧縮式コンプレッサであっても良い。これにより、二酸化炭素を主成分とする冷媒を用いた冷凍サイクル装置１０１において、超低温の冷却が可能な低圧の蒸発圧力から高圧力まで高性能な冷媒圧縮を行うことができる。
　また、冷凍サイクル装置１０１には、分流された高圧の冷媒を中間圧力に減圧して高圧の主流冷媒と熱交換を行うエコノマイザ５５（スプリット熱交換器）が設けられても良い。詳しくは、放熱器１２の下流の冷媒回路１０には、高圧の冷媒を主流冷媒と副流冷媒に分流する分流点５２が設けられている。分流点５２と二段圧縮式コンプレッサの中間圧力部とは副流冷媒が流れる副流配管５３によって接続されている。副流配管５３には、副流冷媒を中間圧力に減圧する副流膨張弁５４と、副流膨張弁５４で減圧された副流冷媒と主流冷媒との間で熱交換を行うエコノマイザ５５が設けられている。
　エコノマイザ５５で熱交換を行った中間圧力の副流冷媒は、例えば、二段圧縮式コンプレッサの中間圧力、即ち１段目圧縮機構５０と２段目圧縮機構５１の間に流される。これにより、二酸化炭素を主成分とする冷媒を用いた冷凍サイクル装置１０１において、蒸発器１５に流入する冷媒の比エンタルピを小さくして、超低温の温度域で高性能な冷却運転を行うことができる。
　また、圧縮機１１の下流の高圧冷媒配管には、図示しないオイルセパレータが設けられても良い。オイルセパレータで分離されたオイルは、図示しないキャピラリーチューブ等の絞り手段を有する図示しないオイル戻し配管を介して、圧縮機１１の上流の、例えば、アキュームレータ５７の上流に戻される。このような構成により、適切なオイル量で圧縮機１１を保護して冷媒圧縮の信頼性を高めることができる。
　また、冷媒回路１０には、圧縮機１１の下流の高圧冷媒配管と、圧縮機１１の上流の低圧冷媒配管と、をつなぐ図示しないガスインジェクション配管が設けられても良い。ガスインジェクション配管には、配管を開閉して冷媒の流れを制御する図示しないインジェクション膨張弁等の絞り手段が設けられても良い。
　ガスインジェクション配管は、圧縮機１１で圧縮された高温の冷媒を減圧して圧縮機１１の吸込口に流す。これにより、冷却負荷に応じて冷凍サイクルの能力を制御することができると共に、蒸発器１５で蒸発しなかった液相冷媒を蒸発させ、圧縮機１１が液相冷媒を吸引することを防止することができる。
　図５は、本発明の他の実施形態に係る冷凍サイクル装置２０１を示す図である。図５に示すように、冷凍サイクル装置２０１は、二元冷凍サイクルを動作させる装置である。具体的には、冷凍サイクル装置２０１は、低温側冷媒回路としての冷媒回路１０と、高温側冷媒回路６０と、を備えている。
　低温側冷媒回路を構成する冷媒回路１０は、既に説明した冷凍サイクル装置１、１０１等と略同様の構成で良い。即ち、冷媒回路１０には、基本構成要素として、圧縮機１１、放熱器１２、膨張弁１４及び蒸発器１５が接続されている。そして更に、冷媒回路１０には、放熱器１２の下流に、冷媒回路１０を流れる冷媒が高温側冷媒回路６０を流れる高温側冷媒、即ち二元側冷媒、と熱交換するカスケード熱交換器６５が設けられている。
　なお、放熱器１２は、制御対象４６（図９参照）の温度を調整する循環液と熱交換するように設けられても良い。即ち、放熱器１２を流れる冷媒は、循環液を加熱する。また、放熱器１２は、高温になった循環液を貯留する高温タンク３９（図９参照）の内部に設けられても良い。詳細については後述する。
　また、冷凍サイクル装置２０１が冷却用途のみに利用され、循環液等を加熱する放熱器１２が不要である場合には、放熱器１２は、高温側冷媒回路６０の高温側冷媒に対して放熱するカスケード熱交換器６５として利用されても良い。
　高温側冷媒回路６０は、高温側圧縮手段としての高温側圧縮機６１、高温側放熱器６２、高温側絞り手段としての高温側膨張弁６４及びカスケード熱交換器６５が順次接続され、高温側冷媒が循環する回路である。
　高温側圧縮機６１は、高温側冷媒を圧縮して高温側放熱器６２に送る圧縮手段である。高温側圧縮機６１としては、ロータリー式、スクロール式、レシプロ式、スクリュー式その他各種形式の圧縮装置を採用することができる。また、高温側圧縮機６１は、二段圧縮式でも良い。
　高温側放熱器６２は、高温側圧縮機６１で圧縮され高圧高温になった高温側冷媒を冷却する熱交換器である。高温側放熱器６２で熱交換をすることによって高温側冷媒から伝達される熱は、外部に放出されても良いし、加熱を必要とする他の熱媒体に伝達され利用されても良い。
　例えば、高温側放熱器６３は、高温側冷媒の熱を外部に放出する空冷式の凝縮器またはガスクーラであっても良い。高温側放熱器６３には、高温側冷媒と熱交換する空気を送る高温側送風ファン６６が設けられても良い。
　また、高温側放熱器６２は、図示を省略するが、フィンアンドチューブ式の熱交換器でも良い。即ち、放熱器１２は、高温側冷媒が流れる複数の銅管等のチューブと、それぞれ平行に設けられた複数のアルミニウム製のフィンと、を有し、チューブは、フィンに形成された孔に挿入されている。
　なお、高温側放熱器６２は、水冷式の熱交換器であっても良い。また、高温側放熱器６２としては、プレート式、シェルアンドチューブ式、二重管式その他各種形式の熱交換器を採用することができる。
　また、詳細は後述するが、高温側放熱器６２には、循環液回路２０（図９参照）の循環液と熱交換する熱交換器が設けられても良い。これにより、高温側放熱器６３における高温側冷媒からの排熱を、半導体製造装置等の制御対象４６の加熱に有効に利用できる。
　高温側膨張弁６４は、高温側放熱器６２を通過して低温になった高圧の高温側冷媒を減圧する絞り手段である。また、高温側膨張弁６４は、冷媒の流れを調整する機能を有する。高温側膨張弁６４としては、電子膨張弁、温度自動膨張弁、キャピラリーチューブその他各種形式の絞り手段を採用することができる。高温側膨張弁６４として電子膨張弁を採用することにより、冷凍サイクル装置２０１による冷却及び加熱を高性能に制御することができる。
　カスケード熱交換器６５は、低圧になって高温側冷媒の液相が蒸発し、その蒸発潜熱によって低温側冷媒回路、即ち冷媒回路１０、の冷媒を冷却する熱交換器である。カスケード熱交換器６５としては、プレート式、二重管式、チューブ接触式その他各種形式の熱交換器を採用することができる。
　特にプレート式の熱交換器は、熱交換効率が高くカスケード熱交換器６５をコンパクトにできるので好ましい。また、二重管式及びチューブ接触式は、製造加工が容易で、好適な耐圧強度が容易に得られる点で優れている。
　低温側冷媒回路である冷媒回路１０に封入される冷媒は、前述の冷凍サイクル装置１と同等の混合冷媒である。即ち、冷媒回路１０の冷媒は、主成分としての二酸化炭素に、ジメチルエーテル及びジフルオロメタンの少なくとも一方を混合した冷媒である。
　高温側冷媒回路６０に封入される高温側冷媒は、二酸化炭素、ハイドロフルオロカーボン系の冷媒、例えばＲ４０４Ａ、または、ハイドロフルオロオレフィン系の冷媒、例えばＲ４４８Ａ等でも良い。グリーントランスフォーメーション（ＧＸ）の観点から高温側冷媒として二酸化炭素が最も好ましい。
　そして、冷凍サイクル装置２０１では、二酸化炭素にジメチルエーテル及びジフルオロメタンの少なくとも一方を混合した冷媒による低温側冷凍サイクルを一元側とし、高温側冷媒による高温側冷凍サイクルを二元側とする、二元冷凍サイクルの動作が行われる。
　冷媒回路１０で動作する低温側冷凍サイクル、即ち一元側冷凍サイクルは、蒸発器１５入口における冷媒圧力が二酸化炭素の三重点圧力Ｐ１（図２参照）以下で動作が行われる。これにより、冷凍サイクル装置２０１は、超低温の冷却を効率良く行うことができる。
　なお、図示を省略するが、冷凍サイクル装置２０１、後述する冷凍サイクル装置３０１（図６参照）及び冷凍サイクル装置４０１（図７参照）は、二元側冷凍サイクルを構成する高温側冷媒回路６０に、冷凍サイクル装置１０１のエコノマイザ５５に相当する熱交換器が設けられても良い。即ち、高温側冷媒回路６０は、スプリットサイクル、即ち二段圧縮一段膨張中間冷却サイクル、が動作するよう構成されても良い。
　図６は、本発明の他の実施形態に係る冷凍サイクル装置３０１を示す図である。図６を参照して、冷凍サイクル装置３０１は、一元側に二段圧縮二段膨張を採用した二元冷凍サイクルの装置である。
　具体的には、冷凍サイクル装置３０１は、圧縮手段として、蒸発器１５で蒸発した低圧の冷媒を中間圧力に圧縮する低段圧縮機７０と、低段圧縮機７０で圧縮された中間圧力の冷媒を更に圧縮する高段圧縮機７１と、を有する。
　また、冷凍サイクル装置３０１は、絞り手段として、カスケード熱交換器６５で放熱した高圧の冷媒を中間圧力に減圧する高段膨張弁７２と、高段膨張弁７２で減圧された中間圧力の冷媒を更に減圧する低段膨張弁７３と、を有する。
　高段膨張弁７２と低段膨張弁７３の間の冷媒回路１０には、中間圧力の冷媒を気相冷媒と液相冷媒に分離するレシーバタンク７４が設けられている。レシーバタンク７４には、バイパス経路７５が接続されている。バイパス経路７５は、低段膨張弁７３、蒸発器１５及び低段圧縮機７０をバイパスして、レシーバタンク７４を、低段圧縮機７０と高段圧縮機７１の間の中間圧力の冷媒回路１０の合流点７７に接続する。
　このような構成により、レシーバタンク７４で分離された気相冷媒は、レシーバタンク７４からバイパス経路７５を経由して、低段膨張弁７３、蒸発器１５及び低段圧縮機７０をバイパスし、低段圧縮機７０の下流の合流点７７に流れ、高段圧縮機７１に吸引される。
　そして、レシーバタンク７４で分離された液相冷媒は、低段膨張弁７３で減圧されて蒸発器１５に送られ、蒸発器１５で蒸発し、低段圧縮機７０に吸引され中間圧力まで圧縮され、合流点７７でバイパス経路７５を流れてきた気相冷媒と合流して高段圧縮機７１に吸引される。
　このような二段圧縮二段膨張中間気液分流式の冷凍サイクルによって、超低温の冷却であっても、冷媒の凍結による蒸発器１５等の目詰まりが発生しない高性能な冷却運転を行うことができる。
　具体的には、中間圧力のレシーバタンク７４で分離された気相冷媒は、ジメチルエーテル等の混合成分よりも沸騰温度が高い二酸化炭素を多く含む。そして、その二酸化炭素の質量分率が大きい気相冷媒は、低段膨張弁７３で減圧され蒸発器１５に送られることなく高段圧縮機７１に吸い込まれる。そのため、蒸発器１５を流れる低圧の混合冷媒は、二酸化炭素の質量分率が小さくなり、三重点温度Ｔ２（図２参照）も低くなる。よって、固体化された冷媒の固着が抑制され、配管等の目詰まりがない高性能な超低温の冷却運転が実現する。
　なお、バイパス経路７５には、冷媒をレシーバタンク７４から合流点７７方向にのみ流通可能とする逆止弁７６が設けられている。これにより、低段圧縮機７０で圧縮された中間圧力の冷媒がバイパス経路７５を経由してレシーバタンク７４に戻されることはない。
　また、レシーバタンク７４には、レシーバタンク７４内の液相冷媒の液位若しくは液量を検出する液位センサ７８が設けられている。液位センサ７８は制御装置４３（図１参照）に接続されている。液位センサ７８としては、電気抵抗式、磁気式、温度式、フロート式、光学式、静電容量式、超音波式等、各種レベルセンサ若しくはレベルスイッチ等を採用し得る。例えば、レシーバタンク７４には、上下複数箇所に液相冷媒を検出する液位センサ７８が設けられても良い。
　制御装置４３は、液位センサ７８で検出したレシーバタンク７４内の液相冷媒の液位に基づいて低段圧縮機７０及び高段圧縮機７１の少なくとも一方の回転速度を制御する。具体的には、レシーバタンク７４内の液相冷媒の量が所定の値より多い場合、例えば、最上位の液位センサ７８で液相冷媒が検出されたとき、制御装置４３は、高段圧縮機７１の回転速度を下げる制御若しくは低段圧縮機７０の回転速度を上げる制御またはその両方の制御を行う。
　他方、レシーバタンク７４内の液相冷媒の量が所定の値より少ない場合、例えば、最下位の液位センサ７８で液相冷媒が検出されない場合、制御装置４３は、高段圧縮機７１の回転速度を上げる制御若しくは低段圧縮機７０の回転速度を下げる制御またはその両方の制御を行う。
　これにより、レシーバタンク７４からバイパス経路７５を経由して高段圧縮機７１に送られる気相冷媒の量を好適に制御することができる。即ち、レシーバタンク７４で発生する気相冷媒が低段膨張弁７３で減圧され蒸発器１５に流れ込むことや、レシーバタンク７４で発生する液相冷媒がバイパス経路７５を流れて高段圧縮機７１に吸引されることを防止することができる。よって、安全で高性能な超低温の冷却運転を行うことができる。
　また、低段圧縮機７０の下流には、中間放熱器７９が設けられても良い。中間放熱器７９には、冷媒と熱交換する空気を送る中間送風ファン８０が設けられても良い。中間放熱器７９は、低段圧縮機７０で中間圧力まで圧縮され高温になった冷媒と、例えば外気若しくは循環液等との間で熱交換を行い、冷媒の温度を下げる熱交換器である。中間放熱器７９が設けられることにより、高段圧縮機７１で高圧力に圧縮される冷媒の温度を中間圧力段階で下げて、過熱による圧縮機１１の損傷を防止することができ、安全な高圧力の圧縮が行われる。
　なお、冷凍サイクル装置３０１では、バイパス経路７５の他に、レシーバタンク７４と低段圧縮機７０とをつなぐ図示しないインジェクション配管が設けられても良い。インジェクション配管は、例えば、レシーバタンク７４の上部に接続される図示しないガスインジェクション経路と、レシーバタンク７４の下部に接続される図示しない液インジェクション経路と、を有しても良い。また、インジェクション配管のガスインジェクション経路及び液インジェクション経路には、それぞれ配管を開閉して冷媒の流れを制御する図示しない電磁弁等の絞り手段が設けられる。
　このようなインジェクション配管が設けられることにより、レシーバタンク７４で分離された気相冷媒若しくは液相冷媒を低段圧縮機７０に送ることができる。これにより、運転状況に応じて低段圧縮機７０を冷却することができ、過熱による低段圧縮機７０の損傷等を防止することができる。
　図７は、本発明の他の実施形態に係る冷凍サイクル装置４０１を示す図である。図７を参照して、冷凍サイクル装置４０１は、一元目に液ガス熱交換器８１を採用した二元冷凍サイクルの装置である。
　液ガス熱交換器８１は、放熱器１２若しくはカスケード熱交換器６５で放熱した後の冷媒と、蒸発器１５で吸熱した後の冷媒と、の間で熱交換を行う熱交換器である。液ガス熱交換器８１としては、プレート式、シェルアンドチューブ式、二重管式その他各種形式の熱交換器を採用することができる。
　図８は、冷凍サイクル装置４０１の蒸発器１５における冷媒の温度グライドと液ガス熱交換器８１における高圧冷媒の過冷却を示すグラフである。図８では、横軸を冷媒のクオリティ（乾き度）、縦軸を温度とし、蒸発器１５における冷媒の蒸発温度Ｔ４及び循環液の温度Ｔ５、並びに液ガス熱交換器８１における低圧冷媒の蒸発温度Ｔ６及び高圧冷媒の温度Ｔ７を示している。なお、図８において矢印は、冷媒または循環液の流れ方向を示している。
　図７及び図８を参照して、冷媒のクオリティが上昇する蒸発完了領域近傍、詳しくは、クオリティ約０．９から１．０の領域では、冷媒の蒸発温度Ｔ６が大きく上昇する。そのため、蒸発器１５から流出した冷媒を液ガス熱交換器８１による冷却なしに圧縮機１１で吸引して圧縮する構成では、冷却対象の循環液等を低温度に冷却することが難しい。即ち、冷媒の蒸発温度Ｔ６（Ｔ４）が急激に高くなる蒸発完了領域近傍においては、高温になった冷媒で循環液等を冷却してその温度Ｔ５を下げることができない。
　また、冷却対象の循環液を冷却してその温度Ｔ５を下げるために冷凍サイクルを動作させると、蒸発器１５からは、蒸発できなかった液相冷媒が流出し、その液相冷媒が圧縮機１１に吸い込まれることとなる。そのため、未蒸発の液相冷媒の吸引によって圧縮機１１が破損する恐れがある。
　冷凍サイクル装置４０１では、液ガス熱交換器８１が設けられているので、蒸発器１５で蒸発しなかった液相冷媒の蒸発潜熱を利用して、放熱器１２若しくはカスケード熱交換器６５で放熱した後の高圧の冷媒を更に冷却することができる。つまり、蒸発器１５で未利用だった蒸発潜熱を利用して高圧冷媒の温度Ｔ７を下げる過冷却を行い、その冷熱を蒸発器１５における冷却に再利用することができる。
　これにより、蒸発器１５における温度グライドが大きい混合冷媒を利用しても、未蒸発の液相冷媒を完全にガス化して、液相冷媒が圧縮機１１に吸引されることを防止できる。また、蒸発器１５における冷媒の平均蒸発温度、即ち蒸発温度Ｔ４の平均値、を低くすることができ、安全で高性能な超低温の冷却を行うことができる。
　次に、図９及び図１０を参照して、本発明の実施形態に係る冷凍サイクル装置１、１０１、２０１、３０１、４０１等を用いた温度調整装置２について詳細に説明する。なお、既に説明した実施形態と同一若しくは同様の作用、効果を奏する構成要素については、同一の符号を付し、その説明を省略する。
　図９は、冷凍サイクル装置１、１０１、２０１、３０１、４０１等を用いた温度調整装置２を示す図である。図１０は、温度調整装置２の制御系統を示す図である。温度調整装置２は、半導体製造装置等の各種製造装置、または半導体装置の製造プロセス等で使用される各種計測装置等、の制御対象４６を、プロセスに応じた所定の温度に調整するために用いられる装置である。
　温度調整装置２は、冷凍サイクル装置１の冷媒回路１０で冷媒に冷却または加熱された循環液を制御対象４６に送るよう循環させて制御対象４６の温度を調整する循環液回路２０を備えている。
　循環液回路２０を循環する循環液は、例えば、水を含む。循環液は、冷媒回路１０を流れる冷媒によって冷却または加熱され、循環液回路２０の加熱器２６によって好適な温度に加熱されて半導体製造装置等の制御対象４６に供給される。これにより、制御対象４６は、好適な温度に調整された循環液によって冷却または加熱され、各製造プロセス、計測プロセス等に適合する好適な温度になるよう制御される。
　冷凍サイクル装置１の放熱器１２は、例えば、循環液が貯留される高温タンク３９の内部に設けられ、図示を省略するが、冷媒が流れる複数のチューブを有する。チューブは、例えば鋼管等である。
　具体的には、放熱器１２のチューブは、冷媒が上から下に流れるよう、入口が上方で出口が下方にあり、例えば略螺旋状の形態に巻かれ、高温タンク３９の内部に設けられている。このような構成により、放熱器１２を流れる冷媒は、高温タンク３９内の循環液を効率良く加熱することができる。
　例えば、高温タンク３９内の循環液が制御対象４６に供給されていない場合、即ち、高温タンク３９が設けられた循環液回路２０の高温経路３８に循環液が流れていない場合であっても、放熱器１２を流れる冷媒で高温タンク３９内の循環液を加熱することができる。
　つまり、このような構成によれば、放熱器１２で循環液を加熱するために、循環液回路２０の高温経路３８に循環液を流す循環ポンプ等を設けることなく、高温タンク３９に貯留されている循環液を放熱器１２で高温に加熱することができる。
　よって、冷凍サイクル装置１が蒸発器１５の蒸発潜熱を利用して循環液を冷却する運転を行っているとき、高温経路３８に循環液を循環させることなく、放熱器１２からの排熱を有効に利用して高温タンク３９内の循環液を高温に加熱することができる。
　なお、放熱器１２は、冷媒が循環液と熱交換できる構成であれば、高温タンク３９の外部に設けられても良い。
　前述のとおり、放熱器１２の下流には、放熱器１２で循環液を加熱した後の冷媒を二元側冷凍サイクルで冷却するカスケード熱交換器６５（図５参照）が設けられても良い。また、放熱器１２の下流には、放熱器１２で循環液を加熱した後の冷媒の熱を外部に放出する第２の放熱器１３及び第２の送風ファン１７が設けられても良い。
　カスケード熱交換器６５若しくは第２の放熱器１３は、放熱器１２の下流に設けられているので、放熱器１２で循環液を加熱して温度が低下した冷媒を更に低温に冷却することができる。
　また、高温タンク３９内の循環液が高温になり、放熱器１２を流れる冷媒で循環液を加熱する必要がない場合においても、放熱器１２を通過した高温の冷媒を、カスケード熱交換器６５若しくは第２の放熱器１３における放熱によって低温にすることができる。これにより、高温タンク３９内が高温の循環液で満たされた状態においても、冷凍サイクル装置の冷却能力、即ち蒸発器１５における冷媒の蒸発潜熱を利用して循環液を冷却する能力、が発揮される。
　前述のとおり、冷凍サイクル装置１で使用される冷媒は、二酸化炭素を主成分とする混合冷媒である。そして、冷媒は、放熱器１２において、二酸化炭素の超臨界圧力で循環液を効率良く高温度に加熱することができる。
　具体的には、ハイドロフルオロカーボン系冷媒、ハイドロフルオロオレフィン系冷媒またはこれらの混合冷媒を利用した従来技術のチラー等の凝縮器では不可能であった高温域まで、冷凍サイクル装置１の放熱器１２で循環液を加熱することができる。
　例えば、冷凍サイクル装置１は、加工工程等の変更のために設定温度を１３０℃の高温に変更する場合等においても、循環液の温度を短時間で高温度に上昇させることができる。よって、冷凍サイクル装置１は、温度調整で生ずるタイムロスを減らし、半導体装置等の生産性を向上させることができる。また、循環液回路２０の加熱器２６による加熱量を少なくできるので、加熱器２６によるエネルギー消費量を削減し、半導体装置の製造プロセス等の省エネルギー化を図ることができる。
　次に、循環液回路２０について詳細に説明する。循環液回路２０は、制御対象４６を冷却、加熱する循環液が循環する閉回路を構成する。具体的には、循環液回路２０は、制御対象４６に接続され循環液を循環させる複数の回路モジュール２１と、回路モジュール２１が接続され循環液が冷媒と熱交換可能に蒸発器１５を流れる低温経路３１と、回路モジュール２１が接続され循環液が冷媒と熱交換可能に放熱器１２を流れる高温経路３８と、を有する。
　回路モジュール２１は、制御対象４６に循環液を供給して制御対象４６の温度を調整する装置である。それぞれの回路モジュール２１には、循環液を循環させる基本的な閉回路となる基本循環経路２２が形成されている。詳しくは、回路モジュール２１には、半導体製造装置等の制御対象４６に循環液を供給する送り経路２３と、制御対象４６を冷却、加熱した循環液が戻される戻り経路２４と、が接続された閉回路である基本循環経路２２が形成されている。
　それぞれの回路モジュール２１の送り経路２３には、循環液を制御対象４６に送る循環ポンプ２５と、制御対象４６に供給される循環液を加熱して温度を調整する加熱器２６と、加熱器２６で加熱された循環液の温度を計測する温度センサ２７と、が設けられている。
　加熱器２６は、抵抗加熱式の電熱ヒータ等であり、例えば、発熱体としてのニクロム線を金属パイプで覆ったシーズヒータである。また、加熱器２６は、誘導加熱式の加熱手段であっても良く、例えば、図示しない誘導加熱電源に接続された誘導コイル等であっても良い。
　温度センサ２７は、加熱器２６の下流の送り経路２３に設けられ、加熱器２６で加熱された循環液の温度を計測する。循環ポンプ２５、加熱器２６及び温度センサ２７は、制御装置４３に接続されている。制御装置４３は、温度センサ２７で計測された循環液の温度が所定の温度になるよう循環ポンプ２５及び加熱器２６を制御する。これにより制御対象４６の温度が設定温度になるよう制御される。
　また、各回路モジュール２１の基本循環経路２２には、送り経路２３を開閉する電磁弁２８が設けられている。これにより、その回路モジュール２１に接続された制御対象４６について温度制御が不要である場合には、電磁弁２８を閉じて循環液の流れを止めることができる。
　低温経路３１は、冷凍サイクル装置１によって循環液を冷却するための経路である。低温経路３１は、基本循環経路２２に循環液のバイパス流路を形成するよう、入口側が回路モジュール２１の戻り経路２４側に接続され、出口側が回路モジュール２１の送り経路２３側に接続されている。
　即ち、回路モジュール２１の基本循環経路２２を循環する循環液は、低温経路３１の入口となる分岐点において、低温経路３１に流入可能であると共に、低温経路３１に流入せず送り経路２３側に流れることも可能である。
　低温経路３１の出口と、基本循環経路２２と、の合流点には、混合弁３０が設けられている。混合弁３０は、回路モジュール２１の送り経路２３を経由して制御対象４６に供給される循環液に対して、低温経路３１を通過した循環液を混合する弁である。即ち、低温経路３１は、混合弁３０によって開閉自在且つ流量調整自在である。
　混合弁３０の調整により、制御対象４６から戻ってきた循環液に、冷凍サイクル装置１の蒸発器１５で冷媒の蒸発によって冷却された循環液を混合して好適な温度とする運転を行うことができる。
　また、混合弁３０の調整により、蒸発器１５で冷却された循環液を制御対象４６に供給しない運転を行うことも可能である。即ち、制御対象４６から戻ってきた循環液のみ、または、放熱器１２で加熱された循環液のみ、を送り経路２３に送り、加熱器２６で加熱して制御対象４６に供給して循環させる温度調整運転を行うこともできる。
　また、低温経路３１には、循環液を貯留する低温タンク３２と、循環液を送る低温ポンプ３３と、循環液を制御対象４６に送らずに低温経路３１の入口側に戻す低温循環経路３４と、が設けられている。
　具体的には、例えば、低温経路３１の入口側に低温タンク３２が設けられ、低温タンク３２の下流に低温ポンプ３３が設けられ、低温ポンプ３３の下流に蒸発器１５が設けられている。そして、低温循環経路３４は、低温経路３１の蒸発器１５の下流に設けられた系統分岐管３６と、低温経路３１の入口側に設けられた低温タンク３２と、を接続するよう設けられても良い。
　低温タンク３２には、低温タンク３２内の循環液の温度を計測する低温センサ３７が設けられている。低温ポンプ３３及び低温センサ３７は、制御装置４３に接続されている。制御装置４３は、低温センサ３７で計測された循環液の温度情報を演算に利用して、循環ポンプ２５及び低温ポンプ３３の運転並びに混合弁３０の開度調整等を制御しても良い。
　上述の如く低温経路３１には、低温タンク３２と、循環液を送る低温ポンプ３３と、循環液を低温経路３１の出口側から入口側に戻す低温循環経路３４と、が設けられている。そのため、低温経路３１の循環液を制御対象４６に供給する循環液として利用していない場合であっても、低温経路３１の循環液を循環させて、蒸発器１５を流れる冷媒で冷却することができる。
　そして、冷媒に冷却された循環液を低温タンク３２に貯留し、貯留された低温の循環液を必要に応じて循環液回路２０に供給することができる。例えば、加工工程等の変更により制御対象４６の設定温度を変更して循環液の温度を大幅に低下させる場合、冷温タンクに貯留された低温の循環液を循環液回路２０に供給することができる。
　これにより、循環液回路２０を循環する循環液の温度を短時間で急速に所定の温度まで低下させることができる。よって、設定温度の変更に要する時間を大幅に短縮して、加工工程、計測工程等を開始するまでの温度変更に伴うタイムロスを減らすことができる。
　また、前述のとおり、低温経路３１には、低温タンク３２、低温ポンプ３３及び低温循環経路３４が設けられている。よって、低温経路３１の循環液を制御対象４６に供給していない場合であっても、冷凍サイクル装置１を運転して、放熱器１２の冷媒で高温経路３８の循環液を加熱することができる。
　高温経路３８は、冷凍サイクル装置１によって循環液を加熱するための経路である。高温経路３８は、基本循環経路２２に循環液のバイパス流路を形成するよう、入口側が回路モジュール２１の戻り経路２４側に接続され、出口側が回路モジュール２１の送り経路２３側に接続されている。
　具体的には、循環液回路２０の基本循環経路２２には、低温経路３１への分岐点よりも上流に三方弁２９が設けられている。三方弁２９は、制御対象４６から戻る循環液を高温経路３８に送るか否かを切り替える弁である。即ち、高温経路３８は、三方弁２９によって開閉自在である。
　詳しくは、高温経路３８の入口は、三方弁２９に接続されている。高温経路３８の出口は、基本循環経路２２の三方弁２９よりも下流であって低温経路３１への分岐点よりも上流に接続されている。
　このような構成により、三方弁２９を切り替えることにより、冷凍サイクル装置１の放熱器１２で加熱された循環液を制御対象４６に供給する運転と、供給しない運転と、を切り替えて実行することができる。
　高温経路３８には、高温に加熱された循環液を貯留する高温タンク３９と、高温タンク３９内の循環液の温度を計測する高温センサ４２と、が設けられている。そして、高温タンク３９の内部には、冷凍サイクル装置１の放熱器１２が、冷媒によって循環液を加熱することができるように設けられている。
　高温タンク３９は、循環液の入口が下部に形成され、循環液の出口が上部に形成されている。これにより、高温タンク３９内に貯留された高温の循環液を効率良く制御対象４６に供給することができる。
　即ち、制御対象４６から戻る低温の循環液は、三方弁２９を介して高温経路３８に流入し、高温タンク３９の下部に形成された入口から高温タンク３９の内部に流れ込む。そして、高温タンク３９に貯留されていた高温の循環液は、高温タンク３９の上部に形成された出口から基本循環経路２２に送られ、制御対象４６に供給される。
　このように温度調整装置２は、高温タンク３９を備え、高温タンク３９に貯留された高温の循環液を基本循環経路２２に送ることができる。よって、例えば、加工工程等の変更により制御対象４６の設定温度を変更して循環液の温度を大幅に上昇させる場合に高効率な温度変更が可能となる。
　即ち、高温タンク３９に貯留された高温の循環液を循環液回路２０に供給し、循環液回路２０を循環する循環液の温度を短時間で急速に所定の温度まで上昇させることができる。よって、冷凍サイクル装置１は、設定温度の変更に要する時間を大幅に短縮して、加工工程、計測工程等を開始するまでの温度変更に伴うタイムロスを減らすことができる。
　なお、制御装置４３は、三方弁２９の開閉制御を行う演算に、高温センサ４２で計測された高温タンク３９内の循環液の温度情報を利用しても良い。これにより、高温タンク３９に貯留されている高温の循環液の量に応じて、高温経路３８の流れを制御することができる。よって、高温タンク３９に貯留された高温の循環液が不足している場合、温度の低い循環液が基本循環経路２２に送られて温度変更にタイムロスが生ずることを抑制することができる。
　また、低温経路３１及び高温経路３８には、複数の回路モジュール２１を接続する系統合流管３５、４０及び系統分岐管３６、４１が設けられている。具体的には、低温経路３１には、入口側に系統合流管３５、出口側に系統分岐管３６が設けられている。高温経路３８には、入口側に系統合流管４０、出口側に系統分岐管４１が設けられている。
　これにより、系統合流管３５、４０及び系統分岐管３６、４１を介して、複数の回路モジュール２１、例えば、２から８個またはそれ以上の回路モジュール２１を、低温経路３１及び高温経路３８に接続することができる。
　複数の回路モジュール２１は、それぞれが循環ポンプ２５及び加熱器２６を有し、それぞれ別の制御対象４６に循環液を循環させることができる。これにより、１つの冷凍サイクル装置１を利用して、複数の加工箇所、計測箇所等の制御対象４６を高効率に冷却、加熱して、それぞれの制御対象４６を好適な温度に調整することができる。
　なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で、種々の変更実施が可能である。
１、１０１、２０１、３０１、４０１ 冷凍サイクル装置
２     温度調整装置
１０   冷媒回路
１１   圧縮機
１２   放熱器
１３   第２の放熱器
１４   膨張弁
１５   蒸発器
１６   送風ファン
１７   第２の送風ファン
１８   冷媒温度センサ
１９   圧力センサ
２０   循環液回路
２１   回路モジュール
２２   基本循環経路
２３   送り経路
２４   戻り経路
２５   循環ポンプ
２６   加熱器
２７   温度センサ
２８   電磁弁
２９   三方弁
３０   混合弁
３１   低温経路
３２   低温タンク
３３   低温ポンプ
３４   低温循環経路
３５   系統合流管
３６   系統分岐管
３７   低温センサ
３８   高温経路
３９   高温タンク
４０   系統合流管
４１   系統分岐管
４２   高温センサ
４３   制御装置
４４   入力装置
４５   表示装置
４６   制御対象
５０   １段目圧縮機構
５１   ２段目圧縮機構
５２   分流点
５３   副流配管
５４   副流減圧弁
５５   エコノマイザ
５６   ドライヤ
５７   アキュームレータ
６０   高温側冷媒回路
６１   高温側圧縮機
６２   高温側放熱器
６４   高温側膨張弁
６５   カスケード熱交換器
６６   高温側送風ファン
７０   低段圧縮機
７１   高段圧縮機
７２   高段膨張弁
７３   低段膨張弁
７４   レシーバタンク
７５   バイパス経路
７６   逆止弁
７７   合流点
７８   液位センサ
７９   中間放熱器
８０   中間送風ファン
８１   液ガス熱交換器
Ｔ１～Ｔ７    温度
Ｐ１～Ｐ３    圧力

Claims (7)

  1. 　蒸気圧縮式の冷凍サイクル装置であって、
    　圧縮手段、放熱器、絞り手段及び蒸発器が順次接続され冷媒が循環する冷媒回路を具備し、
    　前記冷媒として、二酸化炭素を主成分としてジメチルエーテル及びジフルオロメタンの少なくとも一方を含む混合冷媒が用いられ、
    　前記蒸発器の入口における前記冷媒の圧力を二酸化炭素の三重点圧力以下として冷凍サイクルの動作が行われることを特徴とする冷凍サイクル装置。
  2. 　高温側圧縮手段、高温側放熱器、高温側絞り手段及びカスケード熱交換器が順次接続され高温側冷媒が循環する高温側冷媒回路を具備し、
    　前記カスケード熱交換器は、前記冷媒と前記高温側冷媒との間で熱交換を行うよう前記放熱器または前記放熱器の下流の前記冷媒回路に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の冷凍サイクル装置。
  3. 　前記圧縮手段は、低段圧縮機と、前記低段圧縮機で圧縮された前記冷媒を更に圧縮する高段圧縮機と、を有し、
    　前記絞り手段は、高段膨張弁と、前記高段膨張弁で減圧された前記冷媒を更に減圧する低段膨張弁と、を有し、
    　前記高段膨張弁と前記低段膨張弁の間の前記冷媒回路には、前記冷媒を気相冷媒と液相冷媒に分離するレシーバタンクが設けられており、
    　前記レシーバタンクで分離された前記気相冷媒は、前記レシーバタンクから前記低段膨張弁、前記蒸発器及び前記低段圧縮機をバイパスして前記低段圧縮機の下流につながるバイパス経路を経由して前記高段圧縮機に吸引されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
  4. 　前記低段圧縮機及び前記高段圧縮機の少なくとも一方の回転速度を制御する制御装置と、
    　前記レシーバタンク内の前記液相冷媒の液位を検出する液位センサと、を具備し、
    　前記制御装置は、前記液位センサで検出した前記レシーバタンク内の前記液相冷媒の液位に基づいて前記低段圧縮機及び前記高段圧縮機の少なくとも一方の回転速度を制御することを特徴とする請求項３に記載の冷凍サイクル装置。
  5. 　前記放熱器で放熱した後の前記冷媒と前記蒸発器で吸熱した後の前記冷媒との間で熱交換を行う液ガス熱交換器を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
  6. 　前記冷媒は、全封入量に対する二酸化炭素の封入量が７５から９７質量％であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
  7. 　制御対象の温度を調整する循環液が循環する循環液回路に接続され、
    　前記循環液回路は、前記循環液が前記冷媒と熱交換可能に前記蒸発器を流れる開閉自在な低温経路と、前記循環液が前記冷媒と熱交換可能に前記放熱器を流れる開閉自在な高温経路と、を有し、
    　前記高温経路には、前記放熱器で前記冷媒に加熱された前記循環液を貯留する高温タンクが設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の冷凍サイクル装置。
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