(57)【要約】【課題】冷却対象における負荷の変動に迅速に対応して冷媒を高精度に温度制御できる冷凍装置を提供する。【解決手段】プレート形蒸発器２９を有する冷凍回路２１と、タンク３３とこのタンク３３からプレート形蒸発器２９へブラインを送る第１の配管Ｐ１とプレート形蒸発器２９から冷却対象へブラインを送る第２の配管Ｐ２と冷却対象からタンク３３へブラインを送る第３の配管Ｐ３と第２の配管Ｐ２内を流れるブラインが乱流となる位置ｐよりも下流側に配設された下流側温度センサＴ１とを有する冷媒回路３１と、下流側温度センサＴ１により測定される下流側温度Ｔａに基づいて冷凍回路２１および冷媒回路３１を制御してブラインの温度を調節する制御手段６１と、を備えている。【選択図】図１
2010117087.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機（２３）と、凝縮器（２５）と、減圧機構（２７）と、プレート形蒸発器（２９）とを有する冷凍回路（２１）と、
冷媒を収容するタンク本体（４１）と前記タンク本体（４１）内の前記冷媒の温度を調節するヒーター（４５）と前記タンク本体（４１）から前記冷媒を送液するポンプ（４７）とを含むタンク（３３）と、前記タンク（３３）から前記プレート形蒸発器（２９）へ前記冷媒を送る第１の配管（Ｐ１）と、前記プレート形蒸発器（２９）から冷却対象へ前記冷媒を送る第２の配管（Ｐ２）と、前記冷却対象から前記タンク（３３）へ前記冷媒を送る第３の配管（Ｐ３）と、前記第２の配管（Ｐ２）内を流れる前記冷媒が乱流となる位置（ｐ）よりも下流側の前記第２の配管（Ｐ２）に配設され、前記冷媒の温度を測定する下流側温度センサ（Ｔ１）と、を有し、前記タンク（３３）、前記プレート形蒸発器（２９）および前記冷却対象の順に前記冷媒が循環する冷媒回路（３１）と、
前記下流側温度センサ（Ｔ１）により測定される下流側温度（Ｔａ）に基づいて前記冷凍回路（２１）および前記冷媒回路（３１）のうち少なくとも前記冷凍回路（２１）を制御して前記冷媒の温度を調節する制御手段（６１）と、を備えた冷凍装置。
【請求項２】
前記冷媒が乱流となる位置（ｐ）は、前記第２の配管（Ｐ２）の上流側端部から下式（１）に基づいて算出される距離ｘだけ下流側の位置である、請求項１に記載の冷凍装置。
【数１】
2010117087.tif 000011
【請求項３】
前記冷媒回路（３１）は、前記第１の配管（Ｐ１）または前記第３の配管（Ｐ３）に配設されて前記プレート形蒸発器（２９）よりも上流側の前記冷媒の温度を測定する上流側温度センサ（Ｔ２）をさらに有し、
前記制御手段（６１）は、前記下流側温度（Ｔａ）および前記上流側温度センサ（Ｔ２）により測定される上流側温度（Ｔｂ）に基づいて前記冷凍回路（２１）および前記冷媒回路（３１）のうち少なくとも前記冷凍回路（２１）を制御する、請求項１または２に記載の冷凍装置。
【請求項４】
前記制御手段（６１）は、
前記冷凍回路（２１）の前記制御を所定時間毎に行い、
前回の制御時に測定された前記上流側温度（Ｔｂ）を基準温度（Ｔｂｓ）とし、
前記基準温度（Ｔｂｓ）と今回の制御時に測定される前記上流側温度（Ｔｂ）との差である温度変化量（ｄＴｂ）に基づいて前回の制御時からの負荷熱量の変化量（ｄＬＷ）を算出し、
前記負荷熱量の変化量（ｄＬＷ）に基づいて前記負荷熱量の変化に対応するための前記膨張弁（２７）の開度の第１操作量（ｄＥｖ１）を算出し、
前記下流側温度（Ｔａ）に基づいてフィードバック制御により前記膨張弁（２７）の開度の第２操作量（ｄＥｖ２）を算出し、
前記第１操作量（ｄＥｖ１）と前記第２操作量（ｄＥｖ２）を足して前記膨張弁（２７）の開度操作量（ｄＥｖ）を算出し、
前記膨張弁（２７）の開度（Ｅｖ）に前記開度操作量（ｄＥｖ）を加え、
前記今回の制御時に測定された前記上流側温度（Ｔｂ）を前記基準温度（Ｔｂｓ）として保存する、請求項３に記載の冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば半導体製造装置などの冷却対象に恒温の冷媒を供給して冷却対象の温度を調節する冷凍装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、冷却対象の温度を調節するための冷凍装置が知られている。この冷凍装置は、一次冷媒が相変化しながら循環する冷凍サイクルからなる冷凍回路と、二次冷媒（ブライン）が循環する冷媒回路とを備えている。
【０００３】
冷凍回路は、圧縮機と凝縮器と膨張弁と蒸発器とを有し、これらがこの順に配管で接続されている。冷媒回路は、ブラインを蒸発器から冷却対象へ送る供給側通路と、ブラインを冷却対象から蒸発器へ送る戻り側通路とを有している。
【０００４】
冷凍回路における蒸発器としては、種々のタイプの蒸発器が用いられている。例えばプレート形蒸発器は、同程度の能力を有する他のタイプの蒸発器と比較して小型化することができるという利点がある。プレート形蒸発器は、複数のプレートを有しており、各プレートにおいて冷凍回路の冷媒と冷媒回路のブラインとの間で熱交換が行われ、ブラインが冷却されて温度調節される。
【０００５】
ところが、プレート形蒸発器の各プレートにおいて冷却されるブラインの温度にはばらつきが生じることがある。したがって、各プレートを通過して冷却されたブラインが１本の配管に集約されて蒸発器から排出されるときには、その配管内のブラインに温度むらや温度ノイズが生じることがある。このため、プレート形蒸発器から排出されたブラインが冷却対象に送られる手前、すなわちプレート形蒸発器よりも下流側で冷却対象よりも上流側に位置する供給側通路にタンクを配置して、このタンクにブラインを一旦貯留することにより、ブラインの温度むらを解消している。
【０００６】
このタンクは、ブラインを貯留するタンク本体と、タンク本体内のブラインの温度を調節するヒーターと、タンク本体内のブラインをタンク本体の外部に送り出してブラインを冷媒回路内で循環させるポンプと、タンク本体から送り出されるブラインの温度を測定する温度センサとを備えている。この温度センサによりブラインの温度が測定され、その温度データに基づいて膨張弁、ヒーターなどが制御されることによって、ブラインの温度が調節される（例えば特許文献１）。
【特許文献１】特開平１０−２２０９４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、近年、冷凍装置は、冷却対象における負荷の変動に迅速に対応して高精度な温度制御をすることが求められており、特に、半導体業界ではその要求レベルが高い。
【０００８】
しかしながら、上記したような従来の冷凍装置の構成では、負荷の変動に対する応答性は必ずしも高いとは言えない。すなわち、タンク本体には多量のブラインが貯留されているので、蒸発器で温度調節されてタンク本体に供給されたブラインがタンク本体から排出されるまでにはある程度の時間（滞留時間）が必要になる。したがって、温度センサが測定するブラインの温度は、蒸発器で温度調節されてから前記滞留時間が経過した後のブラインの温度を測定していることになる。その結果、蒸発器でブラインが温度調節される時点と、この温度調節されたブラインの温度を実際に測定する時点とでは大きなタイムラグが生じることになる。このようなタイムラグが生じると、負荷の変動に迅速に対応して高精度な温度制御をすることができない。
【０００９】
そこで、本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、冷却対象における負荷の変動に迅速に対応して冷媒を高精度に温度制御できる冷凍装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の冷凍装置は、圧縮機（２３）と、凝縮器（２５）と、減圧機構（２７）と、プレート形蒸発器（２９）とを有する冷凍回路（２１）と、冷媒を収容するタンク本体（４１）と前記タンク本体（４１）内の前記冷媒の温度を調節するヒーター（４５）と前記タンク本体（４１）から前記冷媒を送液するポンプ（４７）とを含むタンク（３３）と、前記タンク（３３）から前記プレート形蒸発器（２９）へ前記冷媒を送る第１の配管（Ｐ１）と、前記プレート形蒸発器（２９）から冷却対象へ前記冷媒を送る第２の配管（Ｐ２）と、前記冷却対象から前記タンク（３３）へ前記冷媒を送る第３の配管（Ｐ３）と、前記第２の配管（Ｐ２）内を流れる前記冷媒が乱流となる位置（ｐ）よりも下流側の前記第２の配管（Ｐ２）に配設され、前記冷媒の温度を測定する下流側温度センサ（Ｔ１）と、を有し、前記タンク（３３）、前記プレート形蒸発器（２９）および前記冷却対象の順に前記冷媒が循環する冷媒回路（３１）と、前記下流側温度センサ（Ｔ１）により測定される下流側温度（Ｔａ）に基づいて前記冷凍回路（２１）および前記冷媒回路（３１）のうち少なくとも前記冷凍回路（２１）を制御して前記冷媒の温度を調節する制御手段（６１）と、を備えている。
【００１１】
この構成では、タンク（３３）は、蒸発器（２９）の上流側に配置されており、蒸発器（２９）により冷却されて温度調節された冷媒は、タンク（３３）を経由することなく冷却対象に送られる。
【００１２】
また、この構成では、プレート形蒸発器（２９）から冷却対象へ冷媒を送る第２の配管（Ｐ２）に、冷媒の温度を測定する下流側温度センサ（Ｔ１）が配設されており、この下流側温度センサ（Ｔ１）により測定される温度（下流側温度（Ｔａ））に基づいて冷凍回路（２１）を制御して冷媒の温度が調節される。下流側温度センサ（Ｔ１）により測定される下流側温度（Ｔａ）は、プレート形蒸発器（２９）により温度調節された後、第２の配管（Ｐ２）を流れる冷媒の温度であり、従来のようにタンク（３３）で一旦貯留されて前記滞留時間を経過した冷媒の温度ではない。したがって、プレート形蒸発器（２９）で冷媒が温度調節される時点と、この温度調節された冷媒の温度を実際に測定する時点との間のタイムラグを小さくすることができる。これにより、下流側温度センサ（Ｔ１）により測定された冷媒の下流側温度（Ｔａ）をプレート形蒸発器（２９）での冷媒の温度調節に迅速に反映させることができる。
【００１３】
さらに、この構成では、前記下流側温度センサ（Ｔ１）は、第２の配管（Ｐ２）内を流れる冷媒が乱流となる位置（ｐ）よりも下流側の位置に配設されている。このような位置（ｐ）に温度センサを配設することにより、下流側温度センサ（Ｔ１）により測定される温度データが安定するので、安定的な冷媒の温度制御を行うことができる。すなわち、プレート形蒸発器（２９）を用いることにより第２の配管（Ｐ２）内に生じる冷媒の温度むらは、各プレートを通過した各冷媒が１本の配管に集約されて蒸発器（２９）から排出される時点では十分に混合されておらず、各冷媒が温度差を維持したまま層流の状態で流れていることに起因していると考えられる。したがって、下流側温度センサ（Ｔ１）を上記位置（ｐ）よりも下流側に配設することにより、温度むらが解消された冷媒の温度を測定できるので、下流側温度の測定データが安定する。
【００１４】
上記の各構成を兼ね備えていることにより、負荷の変動に迅速に対応して冷媒を高精度に温度制御することが可能になる。
【００１５】
前記冷媒が乱流となる位置（ｐ）は、前記第２の配管（Ｐ２）の上流側端部から下式（１）に基づいて算出される距離ｘだけ下流側の位置であるのが好ましい。
【００１６】
【数２】
2010117087.tif 000003
【００１７】
この構成では、第２の配管（Ｐ２）中の冷媒が乱流となる位置（ｐ）を上記式（１）に基づいて算出している。これにより、冷媒が乱流となる位置（ｐ）を容易に決定することができるので、冷凍装置の設計に要する時間を削減することができる。
【００１８】
前記冷媒回路（３１）は、前記第１の配管（Ｐ１）または前記第３の配管（Ｐ３）に配設されて前記プレート形蒸発器（２９）よりも上流側の前記冷媒の温度を測定する上流側温度センサ（Ｔ２）をさらに有し、前記制御手段（６１）は、前記下流側温度（Ｔａ）および前記上流側温度センサ（Ｔ２）により測定される上流側温度（Ｔｂ）に基づいて前記冷凍回路（２１）および前記冷媒回路（３１）のうち少なくとも前記冷凍回路（２１）を制御するのが好ましい。
【００１９】
この構成では、前記下流側温度センサ（Ｔ１）に加え、さらに前記上流側温度センサ（Ｔ２）を有し、これらにより測定される下流側温度（Ｔａ）および上流側温度（Ｔｂ）に基づいて冷凍回路（２１）が制御されるので、より高精度な温度調節が可能になる。
【００２０】
具体的には、前記制御手段（６１）は、前記冷凍回路（２１）の前記制御を所定時間毎に行い、前回の制御時に測定された前記上流側温度（Ｔｂ）を基準温度（Ｔｂｓ）とし、前記基準温度（Ｔｂｓ）と今回の制御時に測定される前記上流側温度（Ｔｂ）との差である温度変化量（ｄＴｂ）に基づいて前回の制御時からの負荷熱量の変化量（ｄＬＷ）を算出し、前記負荷熱量の変化量（ｄＬＷ）に基づいて前記負荷熱量の変化に対応するための前記膨張弁（２７）の開度の第１操作量（ｄＥｖ１）を算出し、前記下流側温度（Ｔａ）に基づいてフィードバック制御により前記膨張弁（２７）の開度の第２操作量（ｄＥｖ２）を算出し、前記第１操作量（ｄＥｖ１）と前記第２操作量（ｄＥｖ２）を足して前記膨張弁（２７）の開度操作量（ｄＥｖ）を算出し、前記膨張弁（２７）の開度（Ｅｖ）に前記開度操作量（ｄＥｖ）を加え、前記今回の制御時に測定された前記上流側温度（Ｔｂ）を前記基準温度（Ｔｂｓ）として保存するのが好ましい。
【００２１】
一般に、プレート形蒸発器内の冷媒の流れは膨張弁などの減圧機構の微妙な開度変化にも敏感に反応して影響を受ける。したがって、膨張弁の開度が変わると各プレートでの熱交換量が変化して各プレートを通過した後の蒸発器出口における冷媒の温度が変化する。冷凍装置のシステムとしては、蒸発器の出口の冷媒の温度をトータルで制御するだけであり、各プレートを通過する冷媒の温度までは制御できない。このため、温度制御を安定させるためには膨張弁の開度変更は最低限にとどめるのがよい。
【００２２】
この構成では、下流側温度（Ｔａ）に基づくフィードバック制御による膨張弁（２７）の開度調節だけでなく、上流側温度センサ（Ｔ２）により測定される上流側温度（Ｔｂ）に基づいて負荷変動を考慮した膨張弁（２７）の開度調節も行うので、負荷の変動を事前にとらえて膨張弁（２７）の余分な開度操作を抑えることができる。これにより、膨張弁（２７）の開度変更を低減することができるので、蒸発器（２９）を通過する冷媒の温度変動を低減することができる。その結果、負荷の変動に対するより適切な応答ができるので、より高精度な温度調節ができる。
【発明の効果】
【００２３】
以上説明したように、本発明によれば、蒸発器としてプレート形蒸発器が用いられ、タンクがプレート形蒸発器よりも上流側に配置され、第２の配管内を流れる冷媒が乱流となる位置よりも下流側の第２の配管に配設された下流側温度センサを備え、下流側温度センサにより測定される下流側温度に基づいて少なくとも冷凍回路を制御して冷媒の温度を調節する制御手段を備えているので、下流側温度センサにより測定された冷媒の温度データをプレート形蒸発器での温度調節に迅速に反映させることができるとともに、下流側温度センサにより測定される温度データを安定させることができる。これにより、負荷の変動に迅速に対応して冷媒を高精度に温度制御することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
＜第１の実施形態＞
以下、本発明の第１の実施形態にかかる冷凍装置について図面を参照して詳細に説明する。図１に示すように、本実施形態にかかる冷凍装置１１は、一次冷媒が循環する冷凍サイクルからなる冷凍回路２１と、二次冷媒としての冷媒液（ブライン）が循環する冷媒回路３１と、これらの冷凍回路２１および冷媒回路３１を制御してブラインの温度を調節する制御部（制御手段）６１とを備えている。
【００２５】
この冷凍装置１１は、温度調節されたブラインを冷却対象３７に供給し、この冷却対象３７とブラインとの間で熱交換して冷却対象３７の温度調節を行うためのものである。本実施形態では、冷却対象３７が半導体製造装置である場合を例に挙げて説明する。
【００２６】
冷凍回路２１は、圧縮機２３と凝縮器２５と膨張弁（減圧機構）２７と蒸発器２９とを有し、これらがこの順に配管により接続されている。一次冷媒は、この冷凍回路２１内において相変化しながら循環する。
【００２７】
蒸発器２９は、プレート形蒸発器であり、冷凍回路２１を循環する一次冷媒が流れる流路と冷媒回路３１を循環するブラインが流れる流路とが区画されたプレートを複数備えている。この蒸発器２９は、一次冷媒とブラインとの間で熱交換する熱交換器である。
【００２８】
冷媒回路３１は、タンク３３と、一次冷媒このタンク３３からプレート形蒸発器２９へブラインを送る第１の配管Ｐ１と、プレート形蒸発器２９から冷却対象３７へブラインを送る第２の配管Ｐ２と、冷却対象３７からタンク３３にブラインを送る第３の配管Ｐ３とを備えている。
【００２９】
タンク３３は、略直方体の形状を有してブラインが貯留されたタンク本体４１と、このタンク本体４１内にブラインを供給する供給配管４３と、タンク本体４１内のブラインの温度を調節するヒーター４５と、タンク本体４１内のブラインを吸い込み、このブラインをタンク本体４１の外部に送り出してプレート形蒸発器２９に送液するポンプ４７とを備えている。
【００３０】
図１に示すように、第２の配管Ｐ２には、プレート形蒸発器２９において温度調節されたブラインの温度を測定する下流側温度センサＴ１が配設されている。制御部６１は、下流側温度センサＴ１により測定される下流側温度Ｔａに基づいて冷凍回路２１および冷媒回路３１を制御する。
【００３１】
下流側温度センサＴ１は、第２の配管Ｐ２内を流れるブラインが乱流となる位置ｐよりも下流側に配設されている。冷媒回路３１の配管の長さを短くするほど冷媒回路３１を流れるブラインの量を少なくできるので、下流側温度センサＴ１は、位置ｐよりも下流側で、かつ、位置ｐに近い方が好ましい。
【００３２】
ブラインが乱流となる位置ｐは、下記の式（１）に基づいて算出されて決定されたものである。すなわち、この位置ｐは、第２の配管Ｐ２の上流側端部から下式（１）に基づいて算出される距離ｘだけ下流側の位置である。
【００３３】
【数３】
2010117087.tif 000004
【００３４】
上記式（１）は、次のようにして導き出される。まず、プレート形蒸発器２９を出た直後の流速Ｕは下式（２）となる。
【００３５】
【数４】
2010117087.tif 000005
【００３６】
第２の配管Ｐ２でのレイノルズ数Ｒｅは、流速Ｕ、ブラインの動粘度ｖおよび配管径Ｄを使って下式（３）のように表される。
【００３７】
【数５】
2010117087.tif 000006
【００３８】
第２の配管Ｐ２内を流れるブラインのほぼ全体が乱流となる位置ｐは、第２の配管Ｐ２内の助走区間を算出することで求められる。Ｌａｔｚｋｏの式によれば、助走区間ｘは下式（４）で表される。
【００３９】
【数６】
2010117087.tif 000007
【００４０】
図２に模式的に示すように、プレート形蒸発器２９から第２の配管Ｐ２に排出された直後のブライン（図２の左側）は、各プレートを通過して温度差を有する各ブラインが集約された直後であるため、第２の配管Ｐ２内において各ブラインが温度差を有したまま層流の状態で流れる領域が多くを占めている（図２中の２本の破線Ｂで挟まれた領域）。その後、ブラインが第２の配管Ｐ２内を下流側（図２の右側）に向かって流れるにつれて、乱流の領域の占める割合が次第に増加していく。
【００４１】
プレート形蒸発器２９と第２の配管Ｐ２との接続部分（図２中の第２の配管Ｐ２の左端）では、第２の配管Ｐ２の径方向の大半が層流の領域であり、第２の配管Ｐ２の内壁面近傍の領域が乱流となっている。ブラインが第２の配管Ｐ２内を下流側に向かって流れるにつれて、層流と乱流の境界Ｂが第２の配管Ｐ２の中心寄りに移動して乱流の領域が増加する。ブラインのほぼ全体が乱流となる位置ｐは、ブラインがさらに下流側に進み、第２の配管Ｐ２の内壁面から境界Ｂまでの距離δが第２の配管Ｐ２の半径とほぼ一致するところである。
【００４２】
次に、本実施形態にかかる冷凍装置１１の運転動作について説明する。冷凍回路２１において圧縮機２３を運転すると、圧縮されたガス状の一次冷媒が圧縮機２３から吐出される。この一次冷媒は、配管を通って凝縮器２５に導入される。凝縮器２５では、導入された一次冷媒が冷却水に放熱して凝縮する。凝縮した一次冷媒は、凝縮器２５から排出される。排出された一次冷媒は、膨張弁２７で減圧された後に、プレート形蒸発器２９に導入される。
【００４３】
プレート形蒸発器２９は、上述したように冷媒回路３１のブラインの温度調節を行う。この蒸発器２９内において一次冷媒がブラインから熱を奪って蒸気になり、ブラインが冷却される。蒸発器２９でガス状になった一次冷媒は、再び圧縮機２３に送られて圧縮される。
【００４４】
一方、冷媒回路３１においてポンプ４７を駆動すると、タンク３１内で温度調節されたブラインがタンク３１から吐出されて第１の配管Ｐ１を通じてプレート形蒸発器２９に送られる。このプレート形蒸発器２９においてブラインの温度が所定の設定温度に調節される。その後、プレート形蒸発器２９を通過したブラインは、第２の配管Ｐ２を通じて冷却対象３７に送られる。
【００４５】
第２の配管Ｐ２の前記位置ｐよりも下流側に配設された下流側温度センサＴ１は、プレート形蒸発器２９において温度調節されたブラインの下流側温度Ｔａを測定する。制御部６１は、この下流側温度Ｔａに基づいて冷凍回路２１の膨張弁２７を制御し、必要に応じて冷媒回路３１のヒーター４５などを制御してブラインの温度を設定温度に調節する。具体的には、例えば下流側温度Ｔａと設定温度を比較し、これらを一致させるように訂正動作を行うフィードバック制御によりブラインの温度を調節する。フィードバック制御としては、例えばＰＩＤ制御などが挙げられる。
【００４６】
冷却対象３７に送られたブラインは、冷却対象３７を冷却して温度調節する。本実施形態では、冷却対象３７は半導体製造装置であり、例えば−３０℃〜１００℃程度の幅広い温度域で冷却対象３７を温度調節することが要求される。また、半導体製造装置においては、負荷が短い周期で変動しても設定温度からの誤差が例えば±１℃を超えてしまうと製造工程に不具合が生じるという場合もあるので、それ以上の温度調節精度が要求されることもある。このように冷却対象３７が半導体製造装置の場合には、空調などの場合と違って高い精度の温度調節が要求されるので、本実施形態のように負荷の変動に迅速に対応してブラインを高精度に温度制御することは重要である。
【００４７】
冷却対象３７を通過したブラインは、第３の配管Ｐ３を通じて再びタンク３３に送られる。ブラインは、供給配管４３を通じてタンク本体４１に供給される。タンク本体４１内に供給されたブラインは、必要に応じてヒーター４５により加熱されて温度調節され、ポンプ４７によりタンク本体４１から吐出されて第１の配管Ｐ１を通じてプレート形蒸発器２９に送られる。
【００４８】
＜第２の実施形態＞
図３は、本発明の第２の実施形態にかかる冷凍装置１１を示す構成図である。本実施形態の冷凍装置１１は、第１の配管Ｐ１に上流側温度センサＴ２を備えている点で第１の実施形態と相違している。なお、第１の実施形態と同じ構成要素には同じ符号を付し、その詳細な説明を省略する。
【００４９】
上流側温度センサＴ２は、第１の配管Ｐ１に設けられており、プレート形蒸発器２９よりも上流側のブラインの温度を測定する。
【００５０】
制御部６１は、下流側温度センサＴ１により測定される下流側温度Ｔａおよび上流側温度センサＴ２により測定される上流側温度Ｔｂに基づいて、例えば図４に示すフローチャートの流れに沿って冷凍回路２１および冷媒回路３１を制御する。
【００５１】
図４は、本実施形態の具体的な制御の流れを示すフローチャートである。本実施形態では、制御部６１は、冷凍回路２１および冷媒回路３１の制御を所定時間毎に行う。したがって、まず、ステップ１（図４中に「Ｓ１」と図示。ステップ２以降も同様。）において、制御部６１は、前回の制御時から所定時間が経過（処理インターバルが経過）しているか否かを判断する。
【００５２】
ステップ１の判別結果が「ＮＯ」の場合、すなわち前回の制御時から所定時間経過していないときには、制御部６１は、スタートに戻って再びステップ１の判別を行う。ステップ１の判別結果が「ＹＥＳ」の場合、制御部６１はステップ２に進む。
【００５３】
ステップ２において、制御部６１は、下流側温度センサＴ１により測定された下流側温度Ｔａおよび上流側温度センサＴ２により測定された上流側温度Ｔｂを読み込む。
【００５４】
ステップ３において、制御部６１は、基準温度Ｔｂｓと今回の制御時に測定された上流側温度Ｔｂとの差である温度変化量ｄＴｂに基づいて、前回の制御時からの負荷熱量の変化量ｄＬＷを算出する。基準温度Ｔｂｓは、前回の制御時に読み込まれた上流側温度Ｔｂの値が設定されている。負荷熱量の変化量ｄＬＷ［Ｊ］は、下式（５）に基づいて算出される。
【００５５】
【数７】
2010117087.tif 000008
【００５６】
ステップ４において、制御部６１は、負荷熱量の変化量ｄＬＷに基づいて負荷熱量の変化に対応するための膨張弁の開度の第１操作量ｄＥｖ１を算出する。
【００５７】
具体的には、冷凍装置１１の冷凍能力Ｒは、圧縮機の特性、膨張弁の開度、蒸発器の能力などから事前に求められるものであり、例えば下式（６）の関数ｆで表される。冷凍能力Ｒを有する本システムが、ステップ３で算出した負荷熱量の変化量ｄＬＷに対応するには、膨張弁２７の開度ＥｖをｄＥｖ１だけ変化させればよいと仮定すると下記（７）が成り立つ。この下式（７）から、制御部６１は膨張弁の第１操作量ｄＥｖ１を逆算する。
【００５８】
【数８】
2010117087.tif 000009
【００５９】
ステップ５において、制御部６１は、下流側温度Ｔａに基づいてＰＩＤ制御により膨張弁の開度の第２操作量ｄＥｖ２［％］を算出する。ＰＩＤ制御による制御量の演算処理は、下式（８）の関数ＰＩＤで表される。
【００６０】
【数９】
2010117087.tif 000010
【００６１】
ステップ６において、制御部６１は、第１操作量ｄＥｖ１と第２操作量ｄＥｖ２を足して膨張弁の開度操作量ｄＥｖ［％］を算出する。
【００６２】
ステップ７において、制御部６１は、膨張弁の開度ＥｖをＥｖ＋ｄＥｖに変更する。
【００６３】
最後に、ステップ８において、制御部６１は、今回の制御時に測定された上流側温度Ｔｂを基準温度Ｔｂｓとして保存してスタートに戻る。なお、下流側温度Ｔａの保存は、必要に応じて関数ＰＩＤの中で行われている。
【００６４】
以上のステップ１〜８に沿って冷凍装置１１を制御することによって、上流側温度Ｔｂに基づいて負荷変動を考慮した膨張弁２７の開度調節を行うので、負荷の変動を事前にとらえて膨張弁２７の余分な開度操作を抑えることができる。冷却対象３７において、負荷の変動がなければ（負荷が一定であれば）、下流側温度Ｔａに基づくＰＩＤ制御のみでプレート形蒸発器２９の出口のブライン温度は安定する。
【００６５】
以上説明したように、第１の実施形態にかかる冷凍装置１１は、冷凍回路２１と、冷媒回路３１と、下流側温度センサＴ１により測定される下流側温度Ｔａに基づいて冷凍回路２１および冷媒回路３１を制御してブラインの温度を調節する制御部６１と、を備えているので、冷却対象３７における負荷の変動に迅速に対応してブラインを高精度に温度制御することができる。
【００６６】
また、第１の実施形態では、第２の配管Ｐ２内においてブラインが乱流となる位置ｐを上記式（１）に基づいて算出しているので、ブラインが乱流となる位置ｐを容易に決定することができるので、冷凍装置１１の設計に要する時間を削減することができる。
【００６７】
第２の実施形態では、冷媒回路３１は、第１の配管Ｐ１に配設されてプレート形蒸発器２９よりも上流側のブラインの温度を測定する上流側温度センサＴ２をさらに有し、制御部６１は、下流側温度Ｔａおよび上流側温度Ｔｂに基づいて冷凍回路２１および冷媒回路３１を制御しているので、より高精度な温度調節が可能になる。
【００６８】
具体的には、第２の実施形態では、制御部６１は、冷凍回路２１および冷媒回路３１の制御を所定時間毎に行い、前回の制御時に測定された上流側温度Ｔｂを基準温度Ｔｂｓとし、基準温度Ｔｂｓと今回の制御時に測定される上流側温度Ｔｂとの差である温度変化量ｄＴｂに基づいて前回の制御時からの負荷熱量の変化量ｄＬＷを算出し、負荷熱量の変化量ｄＬＷに基づいて負荷熱量の変化に対応するための膨張弁２７の開度の第１操作量ｄＥｖ１を算出する。
【００６９】
一方で、制御部６１は、下流側温度Ｔａに基づいてＰＩＤ制御により膨張弁２７の開度の第２操作量ｄＥｖ２を算出し、第１操作量ｄＥｖ１と第２操作量ｄＥｖ２を足して膨張弁２７の開度操作量ｄＥｖを算出する。ついで、制御部６１は、膨張弁２７の開度Ｅｖに開度操作量ｄＥｖを加え、今回の制御時に測定された上流側温度Ｔｂを基準温度Ｔｂｓとして保存する。
【００７０】
この構成では、下流側温度Ｔａに基づくＰＩＤ制御による膨張弁２７の開度調節だけでなく、上流側温度Ｔｂに基づいて負荷変動を考慮した膨張弁２７の開度調節も行うので、負荷の変動を事前にとらえて膨張弁２７の余分な開度操作を抑えることができる。これにより、膨張弁２７の開度変更を低減することができるので、プレート形蒸発器２９を通過するブラインの温度変動を低減することができる。その結果、負荷の変動に対するより適切な応答ができるので、より高精度な温度調節ができる。
【００７１】
＜他の実施形態＞
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限られるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で種々変更、改良等が可能である。例えば、上記実施形態では、上流側温度センサＴ２をタンク３３と蒸発器２９をつなぐ第１の配管Ｐ１に設けた場合を例に挙げて説明したが、上流側温度センサＴ２は、第３の配管Ｐ３に設けてもよい。この場合には、冷却対象３７から戻ってきたブラインがタンク３３に貯留される前にブラインの温度を測定するので、冷却対象３７における負荷の変動をより迅速にとらえることができる。
【００７２】
また、上記実施形態では、下流側温度Ｔａおよび上流側温度Ｔｂに基づいて膨張弁２７の開度Ｅｖを制御する場合を例に挙げて説明したが、膨張弁２７の開度Ｅｖの制御に加え、下流側温度Ｔａおよび上流側温度Ｔｂに基づいて圧縮機２３の回転数、ヒーター４５などを制御することも可能である。
【００７３】
上記実施形態では、下流側温度Ｔａに基づくフィードバック制御として、比例制御（Ｐ）、積分制御（Ｉ）および微分制御（Ｄ）を併用したＰＩＤ制御を用いた場合を例に挙げて説明したが、フィードバック制御としては例えば比例制御と積分制御を併用したＰＩ制御、比例制御と微分制御を併用したＰＤ制御などの他のフィードバック制御を用いてもよい。
【００７４】
上記実施形態では、冷却対象が半導体製造装置である場合を例に挙げて説明したが、冷却対象は半導体製造装置に限定されるものではなく、本発明の冷凍装置は種々の冷却対象の温度調節に適用可能である。
【００７５】
また、上記実施形態では、冷凍回路が基本的な構成からなる場合を例に挙げて説明したが、本発明における冷凍回路は上記実施形態に限定されるものではない。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【図１】本発明の第１の実施形態にかかる冷凍装置を示す構成図である。
【図２】図１の冷凍装置における第２の配管内の冷媒の流れを示す模式図である。
【図３】本発明の第２の実施形態にかかる冷凍装置を示す構成図である。
【図４】第２の実施形態にかかる冷凍装置の制御の流れを示すフローチャートである。
【符号の説明】
【００７７】
１１  冷凍装置
２１  冷凍回路
２３  圧縮機
２５  凝縮器
２７  膨張弁
２９  蒸発器
３１  冷媒回路
３３  タンク
４１  タンク本体
４３  供給配管
４５  ヒーター
４７  ポンプ
【図１】
2010117087.tif 000012
【図２】
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【図３】
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【図４】
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