(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却用の冷媒が循環する冷凍サイクルと、前記冷凍サイクルに備えられる第１の蒸発器を共用して加熱用の液冷媒が循環する第１の冷媒サイクルと、前記冷凍サイクルの所定箇所で配管によりバイパス接続されたバイパス流路を通して前記第１の蒸発器とは別体の第２の蒸発器内を前記冷媒が循環すると共に、別系統で加熱用の液冷媒が循環する第２の冷媒サイクルと、前記第１の冷媒サイクルと前記第２の冷媒サイクルとにそれぞれ介在接続されて保温対象となる各種顧客装置をワークとして、使用者向けに所定の温度範囲での選択的な温度設定に供されると共に、前記冷凍サイクルに備えられる電動式圧縮機の回転数、並びに当該第１の冷媒サイクルと当該第２の冷媒サイクルとを循環する前記液冷媒に対する加熱用の加熱装置における加熱温度を、使用者により設定された設定温度と当該第１の冷媒サイクル及び当該第２の冷媒サイクルの当該ワーク側寄り箇所に設けられた第１の温度センサによりそれぞれ検出されたワーク温度との温度差に応じて制御する制御装置と、を備えたチラー装置において、
前記第１の冷媒サイクルと前記第２の冷媒サイクルとは、前記第１の蒸発器と前記第２の蒸発器との冷媒吐出側で前記加熱装置に対する液冷媒流入の手前側にそれぞれ設けられて液冷媒温度を検出する第２の温度センサと、前記第１の蒸発器と前記第２の蒸発器との冷媒吸入側で前記ワークに対する液冷媒流出側にそれぞれ設けられて液冷媒温度を検出する第４の温度センサと、を有し、
前記冷凍サイクルは、前記電動式圧縮機の冷媒吸入側であって、前記第１の蒸発器の冷媒吐出側に設けられて冷媒温度を検出するための第３の温度センサと、前記電動式圧縮機の冷媒吸入側の前記第３の温度センサ近傍に設けられて冷媒圧力を検出する圧力センサと、前記第１の蒸発器の冷媒吸入側に介在接続された流量調整用の第１の冷媒供給用電子膨張弁と、を有し、
前記バイパス流路は、前記第２の冷媒サイクルにおける前記第２の蒸発器の冷媒吐出側から前記冷凍サイクルにおける前記第１の蒸発器の冷媒吐出側と前記電動式圧縮機の冷媒吸入側との間の箇所に繋がる第１の流路と、前記第１の流路の途中箇所から流量調整用の高圧冷媒用電子膨張弁を介在させて前記冷凍サイクルに備えられる凝縮器の冷媒吸入側と前記電動式圧縮機の冷媒吐出側との間の箇所に繋がる第２の流路と、前記第１の流路から延在して流量調整用のインジェクション用電子膨張弁を介在させて前記冷凍サイクルにおける前記凝縮器の冷媒吐出側と前記第１の蒸発器の冷媒吸入側との間における前記第１の冷媒供給用電子膨張弁の冷媒流入手前側の箇所に繋がる第３の流路と、前記冷凍サイクルにおける前記第１の冷媒供給用電子膨張弁の冷媒流入手前側の前記第３の流路よりも前記第１の蒸発器の冷媒吸入側寄り箇所と前記第２の冷媒サイクルにおける前記第２の蒸発器の冷媒吸入側とに流量調整用の第２の冷媒供給用電子膨張弁を介在接続させて繋がる第４の流路と、を有して形成され、
前記制御装置は、前記第１の温度センサでそれぞれ検出された前記ワーク温度について比例、積分、微分を含むＰＩＤ演算した結果に基づいて生成した制御信号により前記第１の冷媒サイクルと前記第２の冷媒サイクルとにおける前記加熱装置でのそれぞれの加熱量を制御し、前記第２の温度センサでそれぞれ検出された前記液冷媒温度について比例、積分、微分を含むＰＩＤ演算した結果に基づいて生成したパルス信号により前記第１の冷媒供給用電子膨張弁と前記第２の冷媒供給用電子膨張弁とでの開閉をそれぞれ制御して前記冷凍サイクルと前記バイパス流路とにおける冷媒流量を制御し、前記圧力センサで検出された前記冷媒圧力について比例、積分、微分を含むＰＩＤ演算した結果と前記第３の温度センサで検出された前記冷媒温度について比例、積分、微分を含むＰＩＤ演算した結果とに基づいて生成したパルス信号により前記高圧冷媒用電子膨張弁の開度を一定に維持して当該バイパス流路における前記第２の流路から前記第１の流路の一部を経由して当該冷凍サイクルの前記電動式圧縮機の冷媒吸入側へ循環する高圧冷媒バイパス操作流量が目標とする所定値に収束されるように、前記インジェクション用電子膨張弁での開度を可変設定して当該バイパス流路及び当該冷凍サイクルの全体での冷媒流量を制御すると共に、当該電動式圧縮機を駆動するために生成した駆動制御信号をインバータへ出力して当該電動式圧縮機での運転周波数を所定の範囲内で当該冷媒温度に応じて可変制御することを特徴とするチラー装置。
【請求項２】
請求項１記載のチラー装置において、
前記制御装置は、前記第１の冷媒サイクルと前記第２の冷媒サイクルとにおける前記第１の温度センサと前記第４の温度センサとによりそれぞれ検出された前記液冷媒温度の差値に基づいて前記ワーク側の熱負荷量を個別に算出した結果を前記圧力センサで検出された前記冷媒圧力に基づいて前記ＰＩＤ演算した結果及び前記第３の温度センサで検出された前記冷媒温度に基づいて前記ＰＩＤ演算した結果へそれぞれ反映させて冷却制御を補正するフィードフォワード制御を行うことを特徴とするチラー装置。
【請求項３】
請求項２記載のチラー装置において、
前記制御装置は、前記インジェクション用電子膨張弁での開度について、前記熱負荷量を算出した結果に応じて熱負荷がある場合には熱負荷が無い場合よりも開度を大きくすることを特徴とするチラー装置。
【請求項４】
請求項２又は３記載のチラー装置において、
前記制御装置は、前記第１の冷媒サイクルと前記第２の冷媒サイクルとにおける前記加熱装置での加熱による前記ワークへの昇温動作中よりも前記冷凍サイクルの前記電動式圧縮機を駆動させての前記第１の蒸発器での熱交換による当該ワークへの降温動作中における前記インジェクション用電子膨張弁での開度を大きくすることを特徴とするチラー装置。
【請求項５】
請求項１記載のチラー装置において、
前記第１の温度センサ及び前記第２の温度センサは、白金抵抗帯体を用いたＰｔセンサであり、前記第３の温度センサ及び前記第４の温度センサは、熱電対を用いた熱電対センサであることを特徴とするチラー装置。
【請求項６】
請求項１〜５の何れか１項記載のチラー装置における前記第１の冷媒サイクルに接続される前記ワークを半導体エッチング装置における下部電極に対する保温用とすると共に、前記第２の冷媒サイクルに接続される前記ワークを当該半導体エッチング装置における上部電極に対する保温用としたことを特徴とするチラー装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、保温対象となる各種顧客装置をワークとして、使用者が所定の温度範囲（例えば−１０℃〜１００℃）で選択的に温度設定して保温するためのチラー装置に係り、詳しくは設定温度とワーク温度との温度差に応じて冷却用の冷凍サイクルに備えられる電動式圧縮機の回転数と加熱用の冷媒サイクルに備えられる加熱装置の加熱温度とを制御装置で制御する機能を持つチラー装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種のチラー装置には、本出願人により提案されたシングルタイプとして、設定温度がワーク温度に近い温度差（例えば５℃〜１０℃）の少ない保温設定時において、特に冷凍サイクルでの蒸発器の冷媒吸入側と冷媒吐出側との冷媒温度差が殆ど無い状態にあって、冷媒を蒸発器に流す必要がないにも拘らず電動式圧縮機が動作し続ける構造及び機能を改善した「チラー装置」（特許文献１参照）が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許５７２１８７５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上述した特許文献１に係るチラー装置は、冷凍サイクルに電動式圧縮機を適用しており、冷媒に高効率なフロンガス（Ｒ４１０Ａ等）を用いるとそれ以前の製品よりも格段に冷凍機能が向上し、冷媒サイクルの液冷媒（実用上ではブラインと呼ばれる熱媒体を循環させるため、冷媒サイクルはブライン供給回路と呼ばれても良い）を蒸発器で冷却して有効に熱交換することができ、基本機能として熱負荷に応じた電動式圧縮機の回転制御を行うと共に、冷却・加熱を２段構えにした顧客装置（ワーク）に対する高精度な保温制御を実現している。
【０００５】
しかしながら、特許文献１に係るチラー装置の場合、基本構造上ではシングルタイプと呼ばれる１系統の冷凍サイクルと１系統の冷媒サイクルとで１台の蒸発器を共有し、冷媒サイクル側で顧客装置となる１つのワークを保温できる仕様となっているため、顧客装置が例えば半導体エッチング装置である場合のように異なる保温範囲条件を同時に要求されるような使用目的には対応し難いという問題がある。
【０００６】
そこで、冷媒サイクル側を多段にして複数系統とし、各系統でそれぞれワークを別個に接続できるような構造の適用が想定されるものの、実際には蒸発器を含めた冷媒サイクルを単純に多段構成にしようとしても配管によるバイパス流路を使用しての冷媒の引き回しや流量制御が複雑になってしまう上、増設された蒸発器で液冷媒を冷却する分に相当する冷凍サイクルにおける冷却性能が損われると共に、電動圧縮機の回転制御にも熱負荷増加分の負担が増大するため、簡易に改造することは困難となっている。それ故、廉価な構成で冷却性能を損わずに圧縮機に過負荷を掛けず、異なる保温範囲条件の顧客装置を同時に高精度に保温制御できる機能を持つチラー装置の製品化が望まれているものの、現状では具現化されていない。
【０００７】
本発明は、このような問題点を解決すべくなされたもので、その技術的課題は、廉価な構成で冷却性能が損われずに圧縮機に過負荷を掛けず、異なる保温範囲条件のワークを同時に高精度に保温制御できる機能を持つチラー装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記技術的課題を達成するため、本発明の一形態は、冷却用の冷媒が循環する冷凍サイクルと、冷凍サイクルに備えられる第１の蒸発器を共用して加熱用の液冷媒が循環する第１の冷媒サイクルと、冷凍サイクルの所定箇所で配管によりバイパス接続されたバイパス流路を通して第１の蒸発器とは別体の第２の蒸発器内を冷媒が循環すると共に、別系統で加熱用の液冷媒が循環する第２の冷媒サイクルと、第１の冷媒サイクルと第２の冷媒サイクルとにそれぞれ介在接続されて保温対象となる各種顧客装置をワークとして、使用者向けに所定の温度範囲での選択的な温度設定に供されると共に、冷凍サイクルに備えられる電動式圧縮機の回転数、並びに当該第１の冷媒サイクルと当該第２の冷媒サイクルとを循環する液冷媒に対する加熱用の加熱装置における加熱温度を、使用者により設定された設定温度と当該第１の冷媒サイクル及び当該第２の冷媒サイクルの当該ワーク側寄り箇所に設けられた第１の温度センサによりそれぞれ検出されたワーク温度との温度差に応じて制御する制御装置と、を備えたチラー装置において、第１の冷媒サイクルと第２の冷媒サイクルとは、第１の蒸発器と第２の蒸発器との冷媒吐出側で加熱装置に対する液冷媒流入の手前側にそれぞれ設けられて液冷媒温度を検出する第２の温度センサと、第１の蒸発器と第２の蒸発器との冷媒吸入側でワークに対する液冷媒流出側にそれぞれ設けられて液冷媒温度を検出する第４の温度センサと、を有し、冷凍サイクルは、電動式圧縮機の冷媒吸入側であって、第１の蒸発器の冷媒吐出側に設けられて冷媒温度を検出するための第３の温度センサと、電動式圧縮機の冷媒吸入側の第３の温度センサ近傍に設けられて冷媒圧力を検出する圧力センサと、第１の蒸発器の冷媒吸入側に介在接続された流量調整用の第１の冷媒供給用電子膨張弁と、を有し、バイパス流路は、第２の冷媒サイクルにおける第２の蒸発器の冷媒吐出側から冷凍サイクルにおける第１の蒸発器の冷媒吐出側と電動式圧縮機の冷媒吸入側との間の箇所に繋がる第１の流路と、第１の流路の途中箇所から流量調整用の高圧冷媒用電子膨張弁を介在させて冷凍サイクルに備えられる凝縮器の冷媒吸入側と電動式圧縮機の冷媒吐出側との間の箇所に繋がる第２の流路と、第１の流路から延在して流量調整用のインジェクション用電子膨張弁を介在させて冷凍サイクルにおける凝縮器の冷媒吐出側と第１の蒸発器の冷媒吸入側との間における第１の冷媒供給用電子膨張弁の冷媒流入手前側の箇所に繋がる第３の流路と、冷凍サイクルにおける第１の冷媒供給用電子膨張弁の冷媒流入手前側の第３の流路よりも第１の蒸発器の冷媒吸入側寄り箇所と第２の冷媒サイクルにおける第２の蒸発器の冷媒吸入側とに流量調整用の第２の冷媒供給用電子膨張弁を介在接続させて繋がる第４の流路と、を有して形成され、制御装置は、第１の温度センサでそれぞれ検出されたワーク温度について比例、積分、微分を含むＰＩＤ演算した結果に基づいて生成した制御信号により第１の冷媒サイクルと第２の冷媒サイクルとにおける加熱装置でのそれぞれの加熱量を制御し、第２の温度センサでそれぞれ検出された液冷媒温度について比例、積分、微分を含むＰＩＤ演算した結果に基づいて生成したパルス信号により第１の冷媒供給用電子膨張弁と第２の冷媒供給用電子膨張弁とでの開閉をそれぞれ制御して冷凍サイクルとバイパス流路とにおける冷媒流量を制御し、圧力センサで検出された冷媒圧力について比例、積分、微分を含むＰＩＤ演算した結果と第３の温度センサで検出された冷媒温度について比例、積分、微分を含むＰＩＤ演算した結果とに基づいて生成したパルス信号により高圧冷媒用電子膨張弁の開度を一定に維持して当該バイパス流路における第２の流路から第１の流路の一部を経由して当該冷凍サイクルの電動式圧縮機の冷媒吸入側へ循環する高圧冷媒バイパス操作流量が目標とする所定値に収束されるように、インジェクション用電子膨張弁での開度を可変設定して当該バイパス流路及び当該冷凍サイクルの全体での冷媒流量を制御すると共に、当該電動式圧縮機を駆動するために生成した駆動制御信号をインバータへ出力して当該電動式圧縮機での運転周波数を所定の範囲内で当該冷媒温度に応じて可変制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明のチラー装置によれば、上記構成により、廉価な構成で冷却性能を損わずに圧縮機に過負荷を掛けず、異なる保温範囲条件のワークを同時に高精度に保温制御できる機能が得られるようになる。上記した以外の課題、構成及び効果は、以下の実施の形態の説明により明らかにされる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施例に係るチラー装置の基本構成を冷媒サイクルでのワークへの接続及び冷凍サイクルでの凝縮器へ冷却を行うための冷却回路を含めて示した全体的な概略図である。
【図２】図１に示すチラー装置に備えられるバイパス流路を中心にした冷媒の流れを説明するために示した要部の概略図である。
【図３】図１に示すチラー装置に備えられる制御装置によるバイパス流路における第２の流路及び第１の流路の一部を流れて冷凍サイクルの電動式圧縮機の冷媒吸入側へ循環する高圧冷媒バイパス操作流量に応じた電動式圧縮機での運転周波数の可変制御を説明するために示した経過時間に対する高圧冷媒バイパス操作流量−圧縮機運転周波数特性を対比して示した模式図である。
【図４】図１に示すチラー装置における冷却性能を説明するために示すモリエル線図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明のチラー装置について、実施例を挙げ、図面を参照して詳細に説明する。
【実施例】
【００１２】
図１は、本発明の実施例に係るチラー装置の基本構成を冷媒サイクル２００−１、２００−２でのワークＷ１、Ｗ２への接続及び冷凍サイクル１００での凝縮器１０３へ冷却を行うための冷却回路３００を含めて示した全体的な概略図である。
【００１３】
図１を参照すれば、このチラー装置は、基本構成上において、冷却用の冷媒（Ｒ４１０等）が循環する冷凍サイクル１００と、冷凍サイクル１００に備えられる第１の蒸発器（熱交換器）１０１−１を共用して加熱用の液冷媒が循環する第１の冷媒サイクル２００−１と、冷凍サイクル１００の所定箇所で配管によりバイパス接続されたバイパス流路を通して第１の蒸発器１０１−１とは別体の第２の蒸発器（熱交換器）１０１−２内を冷媒が循環すると共に、別系統で加熱用の液冷媒が循環する第２の冷媒サイクル２００−２と、第１の冷媒サイクル２００−１と第２の冷媒サイクル２００−２とにそれぞれ介在接続されて保温対象となる各種顧客装置をワークＷ１、Ｗ２として、使用者向けに所定の温度範囲での選択的な温度設定（ワークＷ１は−１０℃〜＋１００℃、ワークＷ２は＋３０℃〜＋１００℃である場合を例示できる）に供されると共に、冷凍サイクル１００に備えられる電動式圧縮機１０２の回転数、並びに第１の冷媒サイクル２００−１と第２の冷媒サイクル２００−２とを循環する液冷媒に対する加熱用の加熱装置（ヒータ）２０２−１、２０２−２における加熱温度を、使用者により設定された設定温度と第１の冷媒サイクル２００−１及び第２の冷媒サイクル２００−２のワークＷ１、Ｗ２側寄り箇所にそれぞれ設けられた第１の温度センサＴ１−１、Ｔ１−２により検出されたワーク温度との温度差に応じて制御するＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ）機能を持つ機器制御ユニットとして構成される制御装置と、を備えて構成される。
【００１４】
ここでのワークＷ１、Ｗ２は、顧客装置を半導体エッチング装置とした場合のように異なる保温範囲条件を同時に要求される使用目的に対応させることを想定しており、ワークＷ１の保温用の設定温度範囲−１０℃〜＋１００℃は下部電極に適用させ、ワークＷ２の保温用の設定温度範囲＋３０℃〜＋１００℃は上部電極に適用させることができる。これらのワークＷ１、Ｗ２のワーク温度を検出するための第１の温度センサＴ１−１、Ｔ１−２は、冷媒サイクル２００−１、２００−２に備えられる冷媒タンク２０１−１、２０１−２から液冷媒を吸引するポンプ２０３−１、２０３−２の冷媒吐出側であって、ワークＷ１、Ｗ２寄りの冷媒流入側に設けられて液冷媒温度を検出して機器制御ユニット（ＣＰＵ）に送出するようになっているが、その他に蒸発器１０１−１、１０１−２の冷媒吸入側であって、ワークＷ１、Ｗ２寄りの液冷媒流出側に設けられた第４の温度センサＴ４−１、Ｔ４−２からの液冷媒温度を機器制御ユニット（ＣＰＵ）に入力し、双方の検出結果を併用してワーク温度を検出するようにしても良い。因みに、第１の温度センサＴ１−１、Ｔ１−２については、高い検出精度が要求されるため、抵抗値を１００オームから０オームに可変できる白金抵抗帯体を用いたＰｔセンサを用いることが好ましい。これに対し、第４の温度センサＴ４−１、Ｔ４−２は、第１の温度センサＴ１−１、Ｔ１−２程度には検出精度が要求されないため、製造コストを考慮して一般的な熱電対を用いた熱電対センサを用いることが好ましい。
【００１５】
このうち、冷凍サイクル１００は、冷媒のガスを電動式圧縮機１０２により圧縮して高圧ガスとして吐出側の凝縮器１０３へ送り、凝縮器１０３では高圧ガスを凝縮して減圧機構の略図する膨張弁を経由して減圧させてから蒸発器１０１−１へ送り、蒸発器１０１−１では減圧された低圧ガスを蒸発させて電動式圧縮機１０２の吸入側に吸い込ませることで再び圧縮を繰り返す回路構成の一次温度調整回路となっている。また、ここでは凝縮器１０３に対して配管を折り返すように接続し、入口側の管に設けられた略図するバルブを経由して冷却水を取り込んで凝縮器１０３内を冷却してから出口側の管に設けられた制水弁（ＷＰＲ）を経由して外方へ戻す構造の冷却回路３００が配備されている。尚、ここで説明した冷却回路３００による凝縮器１０３に対する冷却機能は、冷却ファンを用いて冷風で冷却する構成としても良い。
【００１６】
冷媒サイクル２００−１は、冷凍サイクル１００の蒸発器１０１−１を共有して液冷媒を冷媒タンク２０１−１で回収して蓄えると共に、冷媒タンク２０１−１に装着された加熱装置（ヒータ）２０１−１で液冷媒を適宜加熱するか、或いは加熱させずに冷媒タンク２０１−１からポンプ２０３−１により吸引した液冷媒をワークＷ１を介在させて蒸発器１０１−１に戻す回路構成の１系統の二次温度調整回路となっている。また、ポンプ２０３−１における液冷媒の流出側の配管には流量検出センサＦが設けられ、この流量検出センサＦで検出された液冷媒の流量は機器制御ユニット（ＣＰＵ）に入力され、機器制御ユニット（ＣＰＵ）が付設されるインバータＩＮＶを駆動してポンプ２０３−１における液冷媒の吸引量を制御するようになっている。これにより、冷媒タンク２０１−１内では、液冷媒がロジック（ＬＧ）によりほほ一定量に保たれることになる。
【００１７】
冷媒サイクル２００−２についても同様な構成であり、冷凍サイクル１００の所定箇所で配管によりバイパス接続された後文で詳述するバイパス流路を通して蒸発器１０１−２内を冷媒が循環する他、液冷媒を冷媒タンク２０１−２で回収して蓄えると共に、冷媒タンク２０１−２に装着された加熱装置（ヒータ）２０１−２で液冷媒を適宜加熱するか、或いは加熱させずに冷媒タンク２０１−２からポンプ２０３−２により吸引した液冷媒をワークＷ２を介在させて蒸発器１０１−２に戻す回路構成の別系統の二次温度調整回路となっている。ここでもポンプ２０３−２における液冷媒の流出側の配管には流量検出センサＦが設けられ、この流量検出センサＦで検出された液冷媒の流量は機器制御ユニット（ＣＰＵ）に入力され、機器制御ユニット（ＣＰＵ）が付設されるインバータＩＮＶを駆動してポンプ２０３−２における液冷媒の吸引量を制御し、冷媒タンク２０１−２内では液冷媒がロジック（ＬＧ）によりほほ一定量に保たれる。その他、細部構造を略図するが、実用上では蒸発器１０１−１、１０１−２の液冷媒吐出側の管と冷媒タンク２０１−１、２０１−２に接続された管とに略図するバルブを設けて共通の配管に接続した上、排液処理用のドレンに繋げて排液する構造を採用したり、或いはワークＷ１、Ｗ２における液冷媒の流入側の配管と流出側の配管とに略図するバルブを設けてワークＷ１、Ｗ２を冷媒サイクル２００−１、２００−２の局部に配管接続するときの液冷媒漏れを防止する構造を採用することが好ましい。
【００１８】
更に、冷媒サイクル２００−１、２００−２は、蒸発器１０１−１、１０１−２の液冷媒吐出側で加熱装置２０２−１、２０２−２に対する液冷媒流入の手前側にそれぞれ設けられて液冷媒温度を検出する第２の温度センサＴ２−１、Ｔ２−２を有する。加えて、冷凍サイクル１００は、電動式圧縮機１０２の冷媒吸入側であって、蒸発器１０１−１の冷媒吐出側に設けられて冷媒温度を検出するための第３の温度センサＴ３と、電動式圧縮機１０２の冷媒吸入側の第３の温度センサＴ３近傍に設けられて冷媒圧力を検出する圧力センサＰと、蒸発器１０１−１の冷媒吸入側に介在接続された流量調整用の第１の冷媒供給用電子膨張弁ＥＶ１−１と、を有する。因みに、ここでの第２の温度センサＴ２−１、Ｔ２−２についても、高い検出精度が要求されるために白金抵抗帯体を用いたＰｔセンサとすることが好ましい。また、第３の温度センサＴ３については、第４の温度センサＴ４−１、Ｔ４−２と同様に熱電対を用いた熱電対センサとすることが好ましい。
【００１９】
以上の機能構成は、周知技術を適用して具現できるものであるが、以下は実施例に係る特徴を説明する。その構造上の特徴は、上述したバイパス流路であり、具体的に云えば、第２の冷媒サイクル２００−２における蒸発器１０１−２の冷媒吐出側から冷凍サイクル１００における蒸発器１０１−１の冷媒吐出側と電動式圧縮機１０２の冷媒吸入側との間の箇所に繋がる第１の流路と、第１の流路の途中箇所から流量調整用の高圧冷媒用電子膨張弁ＥＶ２を介在させて冷凍サイクル１００に備えられる凝縮器１０３の冷媒吸入側と電動式圧縮機１０２の冷媒吐出側との間の箇所に繋がる第２の流路と、第１の流路から延在して流量調整用のインジェクション用電子膨張弁ＥＶ３を介在させて冷凍サイクル１００における凝縮器１０３の冷媒吐出側と蒸発器１０１−１の冷媒吸入側との間における冷媒供給用電子膨張弁ＥＶ１−１の冷媒流入手前側の箇所に繋がる第３の流路と、冷凍サイクル１００における冷媒供給用電子膨張弁ＥＶ１−１の冷媒流入手前側の第３の流路よりも蒸発器１０１−１の冷媒吸入側寄り箇所と第２の冷媒サイクル２００−２における蒸発器１０１−２の冷媒吸入側とに流量調整用の第２の冷媒供給用電子膨張弁ＥＶ１−２を介在接続させて繋がる第４の流路と、を有して形成される。因みに、これらの冷媒供給用電子膨張弁ＥＶ１−１、ＥＶ１−２、高圧冷媒用電子膨張弁ＥＶ２、及びインジェクション用電子膨張弁ＥＶ３については、何れも特許文献１で開示されているステッピングモータを備えた同じ構造の電子膨張弁を適用させることが好ましい。
【００２０】
また、こうしたバイパス流路構造を前提とする制御上の特徴は、上述した機器制御ユニット（ＣＰＵ）の処理機能が担うものである。具体的に云えば、第１の温度センサＴ１−１、Ｔ１−２でそれぞれ検出されたワーク温度について比例、積分、微分を含むＰＩＤ演算した結果に基づいて生成した制御信号により冷媒サイクル２００−１、２００−２における加熱装置２０２−１、２０２−２でのそれぞれの加熱量を制御し、第２の温度センサＴ２−１、Ｔ２−２でそれぞれ検出された液冷媒温度について比例、積分、微分を含むＰＩＤ演算した結果に基づいて生成したパルス信号により冷媒供給用電子膨張弁ＥＶ１−１、ＥＶ１−２での開閉をそれぞれ制御して冷凍サイクル１００とバイパス流路とにおける冷媒流量を制御し、圧力センサＰで検出された冷媒圧力について比例、積分、微分を含むＰＩＤ演算した結果と第３の温度センサＴ３で検出された冷媒温度について比例、積分、微分を含むＰＩＤ演算した結果とに基づいて生成したパルス信号により高圧冷媒用電子膨張弁ＥＶ２の開度を一定（例えば全開１００％に対して２０％にする場合を例示できる）に維持してバイパス流路における第２の流路から第１の流路の一部を経由して冷凍サイクル１００の電動式圧縮機１０２の冷媒吸入側へ循環する高圧冷媒バイパス操作流量が目標とする所定値に収束されるように、インジェクション用電子膨張弁ＥＶ３での開度を可変設定してバイパス流路及び冷凍サイクル１００の全体での冷媒流量を制御すると共に、電動式圧縮機１０２を駆動するために生成した駆動制御信号をインバータＩＮＶへ出力して電動式圧縮機１０２での運転周波数を所定の範囲内で第３の温度センサＴ３で検出された冷媒温度に応じて可変制御する。
【００２１】
その他、機器制御ユニット（ＣＰＵ）は、冷媒サイクル２００−１、２００−２における第１の温度センサＴ１−１、Ｔ１−２と第４の温度センサＴ４−１、Ｔ４−２とによりそれぞれ検出された液冷媒温度の差値に基づいてワークＷ１、Ｗ２側の熱負荷量を個別に算出した結果を圧力センサＰで検出された冷媒圧力に基づいてＰＩＤ演算した結果及び第３の温度センサＴ３で検出された冷媒温度に基づいてＰＩＤ演算した結果へそれぞれ反映させて冷却制御を補正するフィードフォワード制御を行う。具体的に云えば、機器制御ユニット（ＣＰＵ）は、インジェクション用電子膨張弁ＥＶ３での開度について、熱負荷量を算出した結果に応じて熱負荷がある場合には熱負荷が無い場合よりも開度を大きくする他、冷媒サイクル２００−１、２００−２における加熱装置２０２−１、２０２−２での加熱によるワークＷ１、Ｗ２への昇温動作中よりも冷凍サイクル１００の電動式圧縮機１０２を駆動させての蒸発器１０１−１、１０１−２での熱交換によるワークＷ１、Ｗ２への降温動作中におけるインジェクション用電子膨張弁ＥＶ３での開度を大きくする。
【００２２】
図２は、実施例に係るチラー装置に備えられるバイパス流路を中心にした冷媒の流れを説明するために示した要部の概略図である。
【００２３】
図２を参照すれば、本実施例に係るチラー装置において、上述したバイパス流路の構造を対象とした機器制御ユニット（ＣＰＵ）による各種制御を実行すれば、冷凍サイクル１００の電動式圧縮機１０２により高圧に圧縮された冷媒ガス（ホットガスと呼ばれる）がバイパス流路の第２の流路における開度を一定（２０％）に維持した高圧冷媒用電子膨張弁ＥＶ２を通って第１の流路の一部を経由して冷凍サイクル１００の電動式圧縮機１０２の冷媒吸入側へ循環する様子を示している。また、このときに図２中の点線枠内に示されるようにインジェクション用電子膨張弁ＥＶ３での開度が可変設定されて凝縮器１０３からの冷媒ガスが第３の流路を経由して電動式圧縮機１０２の冷媒吸入側へ流れることになるが、その開度の設定は電動式圧縮機１０２の性能に依存して行われる。例えば電動式圧縮機１０２の基本性能として、１２０℃以下で吐出圧力を行い、吸入圧力が−２４℃で０．２３ＭＰａ以上である使用範囲を想定し、冷媒サイクル２００−１のワークＷ１への液冷媒供給の目標値が０℃以下で高圧冷媒用電子膨張弁ＥＶ２における電動式圧縮機１０２に対する吸込圧力の目標値が−２０℃で０．３ＭＰａ、インジェクション用電子膨張弁ＥＶ３における電動式圧縮機１０２に対する吸込温度の目標値が−１５℃、冷媒サイクル２００−１のワークＷ１への液冷媒供給の目標値が０℃超過で高圧冷媒用電子膨張弁ＥＶ２における電動式圧縮機１０２に対する吸込圧力の目標値が−１０℃で０．４７ＭＰａ、インジェクション用電子膨張弁ＥＶ３における電動式圧縮機１０２に対する吸込温度の目標値が−５℃である制御条件を仮定する。
【００２４】
こうした制御条件下でチラー装置が運転中で冷媒サイクル２００−１のワークＷ１への液冷媒供給の目標値が−１０℃に設定され、熱負荷が無ければ高圧冷媒用電子膨張弁ＥＶ２における電動式圧縮機１０２に対する吸込圧力が０．３０ＭＰａ、高圧冷媒用電子膨張弁ＥＶ２の開度２０％、インジェクション用電子膨張弁ＥＶ３における電動式圧縮機１０２に対する吸込温度が−１５℃、インジェクション用電子膨張弁ＥＶ３の開度が２０％となる場合を例示できる。また、チラー装置が運転中で冷媒サイクル２００−１のワークＷ１への液冷媒供給の目標値が−１０℃に設定され、熱負荷が有れば高圧冷媒用電子膨張弁ＥＶ２における電動式圧縮機１０２に対する吸込圧力が０．３０ＭＰａ、高圧冷媒用電子膨張弁ＥＶ２の開度２０％、インジェクション用電子膨張弁ＥＶ３における電動式圧縮機１０２に対する吸込温度が−１５℃、インジェクション用電子膨張弁ＥＶ３の開度が５０％となる場合を例示できる。更に、チラー装置が運転中で冷媒サイクル２００−１のワークＷ１への液冷媒供給の目標値が０℃以上に設定され、熱負荷が無ければ高圧冷媒用電子膨張弁ＥＶ２における電動式圧縮機１０２に対する吸込圧力が０．４７ＭＰａ、高圧冷媒用電子膨張弁ＥＶ２の開度２０％、インジェクション用電子膨張弁ＥＶ３における電動式圧縮機１０２に対する吸込温度が−５℃、インジェクション用電子膨張弁ＥＶ３の開度が２０％となる場合を例示できる。加えて、チラー装置が運転中で冷媒サイクル２００−１のワークＷ１への液冷媒供給の目標値が０℃以上に設定され、熱負荷が無ければ高圧冷媒用電子膨張弁ＥＶ２における電動式圧縮機１０２に対する吸込圧力が０．４７ＭＰａ、高圧冷媒用電子膨張弁ＥＶ２の開度２０％、インジェクション用電子膨張弁ＥＶ３における電動式圧縮機１０２に対する吸込温度が−５℃、インジェクション用電子膨張弁ＥＶ３の開度が５０％となる場合を例示できる。その他、チラー装置が冷媒サイクル２００−１における加熱装置２０２−１での加熱によるワークＷ１への昇温動作中で液冷媒供給の目標値が−１０℃から＋１００℃に設定されると、高圧冷媒用電子膨張弁ＥＶ２における電動式圧縮機１０２に対する吸込圧力が０．４７ＭＰａ、高圧冷媒用電子膨張弁ＥＶ２の開度２０％、インジェクション用電子膨張弁ＥＶ３における電動式圧縮機１０２に対する吸込温度が−５℃、インジェクション用電子膨張弁ＥＶ３の開度が２０％となる場合を例示できる。これに対し、逆にチラー装置が冷凍サイクル１００の電動式圧縮機１０２を駆動させての蒸発器１０１−１での熱交換によるワークＷ１への降温動作中で液冷媒供給の目標値が＋１００℃から−１０℃に設定されると、高圧冷媒用電子膨張弁ＥＶ２における電動式圧縮機１０２に対する吸込圧力が０．４７ＭＰａ、高圧冷媒用電子膨張弁ＥＶ２の開度２０％、インジェクション用電子膨張弁ＥＶ３における電動式圧縮機１０２に対する吸込温度が−１５℃、インジェクション用電子膨張弁ＥＶ３の開度が５０％となる場合を例示できる。
【００２５】
要するに、高圧冷媒用電子膨張弁ＥＶ２の役割は、電動式圧縮機１０２に対する吸込圧力が０．３ＭＰａとなるように、電動式圧縮機１０２により高圧に圧縮された冷媒ガスを電動式圧縮機１０２の冷媒吸入側へ合流させて圧力を上昇させることにある。高圧冷媒バイパス操作流量が多ければ電動式圧縮機１０２がその分、無駄に働くことになるため、必要最小限の冷却能力となるように高圧冷媒用電子膨張弁ＥＶ２の開度が２０％となるように電動式圧縮機１０２での運転周波数を可変制御し、どのような運転条件下でも最適な省エネルギー運転を実施できるようにする。インジェクション用電子膨張弁ＥＶ３の役割は、電動式圧縮機１０２に対する吸込温度が常に一定となるように、電動式圧縮機１０２により高圧に圧縮された冷媒ガスを電動式圧縮機１０２の冷媒吸入側へ合流させて温度を上昇させることにある。但し、電動式圧縮機１０２に対する吸込圧力や吸込温度は使用環境条件によって変わるため、それに応じて目標値が変更されることになる。例えば電動式圧縮機１０２に対する吸込温度の目標値は＋５℃位まで変更される場合を例示できる。
【００２６】
また、図２中に示される冷凍サイクル１００における蒸発器１０１−１の冷媒吸入側の冷媒供給用電子膨張弁ＥＶ１−１の役割は、凝縮器１０３から蒸発器１０１−１へ流す冷媒の流量を調節し、蒸発器１０１−１での熱交換により冷媒サイクル２００−１を循環する液冷媒を適度に冷却させることにある。更に、冷凍サイクル１００におけるバイパス流路の第４の流路中に介在接続された冷媒供給用電子膨張弁ＥＶ１−２の役割も同様であり、凝縮器１０３から蒸発器１０１−２へ流す冷媒の流量を調節し、蒸発器１０１−２での熱交換により冷媒サイクル２００−２を循環する液冷媒を適度に冷却させることにある。何れの冷媒供給用電子膨張弁ＥＶ１−１、ＥＶ−２についても、流量調整によって蒸発器１０１−１、１０１−２における熱交換で冷媒サイクル２００−１、２００−２の液冷媒を２℃程度冷却することができる。特に、第４の流路中の冷媒供給用電子膨張弁ＥＶ１−２については、冷凍サイクル１００における蒸発器１０１−１での熱交換機能には関与せず、上述したバイパス流路の構成を前提とした機器制御ユニット（ＣＰＵ）で第２の流路中の高圧冷媒用電子膨張弁ＥＶ２の開度を一定にしての第３の流路中のインジェクション用電子膨張弁ＥＶ３の開度を可変設定にする冷凍サイクル１００及びバイパス流路における冷媒の流量制御が実施されることにより、蒸発器１０１−２における冷却機能を意図的に低下させてデュアル構成の冷媒サイクル２００−１、２００−２で異なる保温範囲条件のワークＷ１、Ｗ２を同時に高精度に保温制御できる機能を達成するための補助的な枠割を担っている。
【００２７】
図３は、実施例に係るチラー装置に備えられる制御装置としての機器制御ユニット（ＣＰＵ）によるバイパス流路における第２の流路及び第１の流路の一部を流れて冷凍サイクル１００の電動式圧縮機１０２の冷媒吸入側へ循環する高圧冷媒バイパス操作流量に応じた電動式圧縮機１０２での運転周波数の可変制御を説明するために示した経過時間に対する高圧冷媒バイパス操作流量−圧縮機運転周波数特性を対比して示した模式図である。
【００２８】
図３を参照すれば、ここでは機器制御ユニット（ＣＰＵ）によりバイパス流路における第２の流路及び第１の流路の一部を流れて冷凍サイクル１００の電動式圧縮機１０２の冷媒吸入側へ循環する高圧冷媒バイパス操作流量について、特性上の一例として実線で示される測定値を目標値の２０％と比較して目標値２０％に収束されるように、第３の温度センサＴ３からの冷媒温度、並びに圧力センサＰからの冷媒圧力をＰＩＤ演算した結果に基づいて生成した駆動制御信号をインバータＩＮＶへ出力し、電動式圧縮機１０２での運転周波数を流量０％〜１００％に対応する７Ｈｚ〜１４０Ｈｚの周波数範囲内で冷媒温度に応じて可変制御することを示しており、このときに第２の流路中の高圧冷媒用電子膨張弁ＥＶ２の開度を２０％に維持して第３の流路中のインジェクション用電子膨張弁ＥＶ３の開度を可変設定する。ここでは高圧冷媒バイパス操作流量の測定値と目標値との差値について、移動平均を行って変化量を緩やかにする処理を行うことになるが、例示した目標値２０％や駆動制御信号の周波数範囲７Ｈｚ〜１４０Ｈｚは使用条件に応じて可変させることが可能である。
【００２９】
実施例に係るチラー装置によれば、ワークＷ１が接続される冷媒サイクル２００−１の蒸発器１０１−１を共用する冷凍サイクル１００に接続された第１の流路〜第４の流路によるバイパス流路を通してワークＷ２が接続される冷媒サイクル２００−２の蒸発器１０１−２へ第４の流路中に介在接続された冷媒供給用電子膨張弁ＥＶ１−２の開度を制御して冷却低下された冷媒を流す際、機器制御ユニット（ＣＰＵ）が冷媒サイクル２００−１、２００−２における第１の温度センサＴ１−１、Ｔ１−２で検出された液冷媒温度をＰＩＤ演算した結果に基づいて生成した制御信号により加熱装置２０２−１、２０２−２での加熱量を制御すると共に、第２の温度センサＴ１−１、Ｔ１−２で検出された液冷媒温度をＰＩＤ演算した結果に基づいて生成したパルス信号により冷凍サイクル１００の蒸発器１０１−１の冷媒吸入側の冷媒供給用電子膨張弁ＥＶ１−１の開度、並びに第４の流路中に介在接続された冷媒供給用電子膨張弁ＥＶ１−２の開度を制御し、更に冷凍サイクル１００における圧力センサＰでの冷媒圧力、第３の温度センサＴ３での冷媒温度をＰＩＤ演算した結果に基づいて生成したパルス信号により第２の流路の高圧冷媒用電子膨張弁ＥＶ２の開度を一定にしてそこから第１の流路の一部を経由して電動式圧縮機１０２へ循環する高圧冷媒バイパス操作流量が目標値に収束されるように、第３の流路のインジェクション用電子膨張弁ＥＶ３での開度を可変設定し、駆動制御信号を出力して圧縮機１０２での運転周波数を所定の範囲内で冷媒温度に応じて可変制御するため、廉価な構成で冷却性能が損われずに電動式圧縮機１０２に過負荷を掛けず、異なる保温範囲条件のワークＷ１、Ｗ２を同時に高精度に保温制御することができる。この結果、例えば第１の冷媒サイクル２００−１に接続されるワークＷ１を半導体エッチング装置における下部電極に対する保温用とすると共に、第２の冷媒サイクル２００−２に接続されるワークＷ２を半導体エッチング装置における上部電極に対する保温用として適用すれば、ターゲットへの半導体エッチングを温度ムラなく高精度に行うことができるようになる。
【００３０】
図４は、実施例に係るチラー装置における冷却性能を説明するために示すモリエル線図である。但し、実施例に係るチラー装置における冷凍サイクル１００及びバイパス流路を循環させる冷媒には、高効率なフロンガス（Ｒ４１０Ａ）を用いた場合を想定している。
【００３１】
図４を参照すれば、実施例に係るチラー装置は、圧力ｐ[ＭＰａ]と比エンタルピーｈ[ｋＪ／ｋｇ]との関係で示されるモリエル線図上の冷凍サイクルにおいて、点Ａから点Ｂの間は電動式圧縮機１０２での冷媒の状態変化を示し、点Ｂから点Ｃの間は凝縮器１０３での冷媒の状態変化を示し、点Ｃから点Ｄの間は膨張弁での冷媒の状態変化を示し、点Ｄから点Ａは蒸発器１０１−１での冷媒の状態変化を示しており、点Ｂに係る圧縮直後の比エンタルピーｈはｈ３＝４７０ｋＪ／ｋｇとなり、点Ａに係る熱交換直後の比エンタルピーｈはｈ２＝４２０ｋＪ／ｋｇとなり、点Ｃ乃至点Ｄに係る凝縮後の膨張での比エンタルピーｈはｈ１＝２５５ｋＪ／ｋｇとなることが判った。
【００３２】
上記結果に基づいて冷却性能を解析すると、冷凍効果を示すｈ２−ｈ１が４２０−２５５＝１６５ｋＪ／ｋｇであり、冷却側循環流量が１７４ｋｇ／時間であれば、これらの値を乗算して秒当りに除算する計算結果で与えられ、冷却性能は１６５×１７４／３６００＝８ｋＷとなることが判った。また、加熱性能を解析すると、高圧な圧縮冷媒ガスを示すｈ３−ｈ２が４７０−４２０＝５０ｋＪ／ｋｇであり、バイパス循環流量が５０ｋｇ／時間であれば、これらの値を乗算して秒当りに除算する計算結果で与えられ、加熱性能は５０×５０／３６００＝０．７ｋＷとなることが判った。因みに、特許文献１に係るチラー装置では電動式圧縮機により高圧に圧縮された冷媒ガスが蒸発器の冷媒吸入側へ戻されるバイパス流路を持つため、上述した加熱性能分の加熱量が差し引かれる格好となり、冷却性能が８−０．７＝７．３ｋＷとなる。これに対し、実施例に係るチラー装置では、蒸発器１０１−１の冷媒吐出側へ戻されるバイパス流路を持つため、８ｋＷの冷却能力での使用が可能となる。即ち、実施例に係るチラー装置では、冷凍サイクル１００における電動式圧縮機１０２により高圧に圧縮された冷媒ガスが蒸発器１０１−１に流れ込むことがないため、冷凍効果を１００％使用することができ、余分に冷媒を流す必要がなくなることにより、実施例に係るチラー装置は特許文献１に係るチラー装置と比べれば、結果として約１０％〜１５％の省エネルギー効果が具現される。
【００３３】
尚、実施例に係るチラー装置では、機器制御ユニット（ＣＰＵ）が冷凍サイクル１００内に設けられた第３の温度センサＴ３の冷媒温度、並びに圧力センサＰで検出された冷媒圧力をＰＩＤ演算した結果に基づいて生成した駆動制御信号をインバータＩＮＶへ出力して電動式圧縮機１０２の運転周波数を所定の範囲内で第３の温度センサＴ３で検出された冷媒温度に応じて可変制御する機能を説明したが、駆動制御信号を生成するためのＰＩＤ演算については特許文献１で説明されているように使用者による設定温度と第１の温度センサＴ１−１、Ｔ１−２で検出されたワーク温度との温度差の少ない保温設定時に冷媒サイクル２００−１、２００−２内に設けられた第２の温度センサＴ２−１、Ｔ２−２で検出された液冷媒温度を対象にして駆動制御信号を生成し、電動式圧縮機１０２の運転周波数を所定の範囲内で第１の温度センサＴ１−１、Ｔ１−２で検出されたワーク温度に応じて可変制御する機能を持たせることも可能であるので、本発明のチラー装置は実施例で説明した形態に限定されない。但し、本発明のチラー装置は、上述したように２系統の冷媒サイクル２００−１、２００−２を持たせ、冷凍サイクル１００の冷却性能を損わずにバイパス流路を活用して冷媒流量を制御することで冷却性能を向上させると共に、省エネルギー化を図ることを技術的要旨としているため、実施例で説明したように自サイクル内となる冷凍サイクル１００内の第３の温度センサＴ３の冷媒温度、並びに圧力センサＰで検出された冷媒圧力をＰＩＤ演算して駆動制御信号を生成する方が追従性や適確さの点で有利であると云える。
【符号の説明】
【００３４】
１００  冷凍サイクル
１０１−１、１０１−２  蒸発器（熱交換器）
１０２  電動式圧縮機
１０３  凝縮器
２００−１、２００−２  冷媒サイクル
２０１−１、２０１−２  冷媒タンク
２０２−１、２０２−２  加熱装置（ヒータ）
２０３−１、２０３−２  ポンプ
３００  冷却回路
ＥＶ１−１、ＥＶ１−２  冷媒供給用電子膨張弁
ＥＶ２  高圧冷媒用電子膨張弁
ＥＶ３  インジェクション用電子膨張弁
Ｆ  流量検出センサ
Ｐ  圧力センサ
Ｔ１−１、Ｔ１−２  第１の温度センサ
Ｔ２−１、Ｔ２−２  第２の温度センサ
Ｔ３  第３の温度センサ
Ｔ４‐１、Ｔ４−２  第４の温度センサ
Ｗ１、Ｗ２  ワーク
【要約】
【課題】廉価な構成で冷却性能を損わずに圧縮機に過負荷を掛けず、異なる保温範囲条件のワークを同時に高精度に保温制御できる機能を持つチラー装置を提供する。
【解決手段】この装置では、ワークＷ１が接続される冷媒サイクル２００−１の蒸発器１０１−１を共用する冷凍サイクル１００に接続された第１の流路〜第４の流路によるバイパス流路を通してワークＷ２が接続される冷媒サイクル２００−２の蒸発器１０１−２へ冷却低下された冷媒を流す際、ＣＰＵがサイクル１００のセンサＰでの冷媒圧力、センサＴ３での冷媒温度をＰＩＤ演算した結果に基づいて生成したパルス信号により第２の流路の弁ＥＶ２の開度を一定にしてそこから第１の流路の一部を経由して電動式圧縮機１０２へ循環する冷媒流量が目標値に収束されるように、第３の流路の弁ＥＶ３での開度を可変設定し、駆動制御信号を出力して圧縮機１０２での運転周波数を所定の範囲内で可変制御する。
【選択図】図１【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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