(57)【要約】  プロセスツールの温度を調節するためのシステムおよび方法は、プロセスツールとの直接的な熱交換関係に提供された冷媒の蒸発性の特性を利用する。与圧された冷媒は凝縮された液体の状態と気体の状態の両者として提供される。凝縮させた液体は膨張させられて蒸気を含む混合物とされ、その圧力によって決められる目標温度に達するように、気体状の冷媒が添加される。従って、気体圧力調節によって、温度修正を非常に急速に行うことができる。プロセスツールと操作パラメータは、通常、戻される冷媒がコンプレッサーおよび他の装置に適合するように処理および調節されることを必要として、熱の要求および変化にかかわらず、循環を連続的に行うことができる。
2008501927.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
蒸発可能な流体を用いて熱負荷の温度を制御する方法であって；
蒸発可能な流体を気体から高温高圧の気体状態へ圧縮する工程；
高圧の気体の少なくとも一部を加圧された液体の状態へ凝縮させる工程；
より低い温度及び圧力にて、加圧された流体の少なくとも一部を飽和蒸気へ膨張させる工程；
高温高圧の気体と膨張した飽和蒸気とを選択された割合にて混合して、選択された圧力での飽和した蒸気ミストを提供する工程；
前記混合流を熱負荷を通して流れさせ、その温度を制御する工程；
前記混合流の圧力を調節することによって、熱負荷の温度を調節する工程；並びに
熱負荷からの流れを再加圧に好適な気体へ戻す工程
を含んでなる方法。
【請求項２】
混合物中の高温気体の割合を変えることによって、混合流圧力を変える工程を含んでなる請求項１に記載の方法。
【請求項３】
圧力の変化が蒸発もしくは凝縮の潜熱による熱エネルギーの移動を含む主モード範囲に、飽和蒸気ミストが維持される請求項２記載の方法。
【請求項４】
流れが専ら高温気体である高温範囲を提供する工程を含んでなる請求項３に記載の方法。
【請求項５】
熱負荷へ送る前に、高温気体を更に加熱する工程を含んでなる請求項４に記載の方法。
【請求項６】
膨張流と可変高温気体流との間の圧力降下が、混合前と実質的に等しい請求項１記載の方法。
【請求項７】
加圧された蒸発可能な流体において選択された最小値よりも低い圧力レベルに応じて、熱負荷からのアウトプット流を加熱する工程を更に含んでなる請求項２記載の方法。
【請求項８】
熱負荷から戻された流体を加圧して循環させる工程、及び流体のインプット温度を再加熱前に選択された最大値より低く維持する工程を更に含んでなる請求項２記載の方法。
【請求項９】
凝縮された流体をリターン・ラインの中に注入することによって、再加熱のために戻される流体の過熱防止を行う工程を更に含んでなる請求項８記載の方法。
【請求項１０】
加圧された高温高圧の気体の圧力レベルを検知する工程、及び圧力が選択された限度を下回ると、熱負荷からのリターン・フローを加熱して、利用できる出力を向上させる工程を更に含んでなる請求項２に記載の方法。
【請求項１１】
熱負荷から戻される流体と、加圧された液体状態に凝縮された流体との間で熱エネルギーを交換する工程を更に含んでなる請求項２に記載の方法。
【請求項１２】
制御された熱負荷の温度を検知し、及び目標温度に従って高圧気体流れの割合を調節する工程を更に含んでなる請求項３に記載の方法。
【請求項１３】
直ちに膨張させるために必要でない場合、凝縮の後で、加圧された液体の一部を保存する工程を含んでなる請求項２に記載の方法。
【請求項１４】
第１の流れおよび第２の流れの選択的な急停止によって、熱負荷における温度レベルどうしの間での急速な遷移を可能とする更なる工程を含む請求項２記載の方法。
【請求項１５】
内部を流体が流れるプロセス装置の温度を制御する方法であって、
液化と蒸発の遷移温度がプロセス装置の所望の操作温度の範囲に好適である流体を選択する工程；
流体を高温、高圧気体へ圧縮する工程；
加圧した気体の第１の流れを冷却して、飽和された流体を提供する工程；
加圧した気体の第２の可変的流れを混合ゾーンへ送る工程；
混合ゾーンの前で第１の流れ状態を液体／蒸気状態へ制御的に膨張させる工程；
選択された割合の高温気体と液体／蒸気流とを選択的に混合して、制御された温度レベルにて飽和した流体混合物を提供する工程；
プロセス装置の中を通して飽和された流体混合物を移送して、直接的熱交換を行う工程；
飽和した流体混合物の圧力を調節して、プロセス装置の温度を変化させる工程；ならびに
流体を再加圧のために循環させて上記サイクルを繰り返す工程
を含んでなる方法。
【請求項１６】
流体が蒸発可能な冷媒であり、プロセス装置が可変的熱負荷を示す請求項１５に記載の方法。
【請求項１７】
再加圧のために気体インプットを戻す工程が、所定のレベルを越えるインプット温度に対応してリターン・フローの過熱を防止する工程、ならびに加圧レベルを選択された範囲よりも低く低下させることに対応させてリターン・フローを過熱させる工程を含んでなる請求項１５に記載の方法。
【請求項１８】
凝縮させた加圧した流体と、プロセス装置から戻される膨張させられた液体／蒸気混合物との間で熱エネルギーを交換する工程を含んでなる請求項１７記載の方法であって、リターン・フローの加熱には、プロセス装置から出た直後に、リターン・フローの加圧のレベルを検知することおよび加熱することを含む方法。
【請求項１９】
プロセス装置の温度を検知する工程；第２の流の割合を調節することによって、混合流の温度を調節する工程；およびリターン・フローを、液体を含まず、再圧縮のために選択された圧力および温度範囲内にあるように処理する工程を更に含んでなる請求項１５記載の方法。
【請求項２０】
流体を用いてプロセス装置の温度を制御する方法であって、
液体／蒸気状態を有する冷媒を、温度および圧力に応じて約１２０℃および約４００ｐｓｉの範囲の高圧気相状態へ圧縮する工程；
気体状態の流れの一部を、ほぼ周囲温度にて高圧の液体状態へ凝縮させる工程；
凝縮させた冷媒流の一部を選択した温度で液体／蒸気混合物へ膨張させる工程；
選択された割合の高圧の気体流と膨張した流れとを混合して、混合物中で選択された公称温度および圧力を達成する工程；
冷媒の流れをプロセスツールとの熱交換関係に直接送る工程；
液体／蒸気混合物を維持しながら、高温の気体流の割合を調節することによって、プロセスツールの温度を調節する工程；ならびに
冷媒の温度および圧力を選択された範囲で調節して、リサイクルおよび再圧縮に好適な気体状態の冷媒へ戻す工程
を含んでなる方法。
【請求項２１】
プロセスツールは可変式熱負荷を提供しており、およびその中を通る冷媒の流れが基本モードにおいて、プロセス装置で−５０℃〜＋１４０℃の範囲に制御することができる請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
約２５０℃まで操作する加熱モードを更に含んでなり、飽和した流体を維持せず、圧縮した高温気体の高い割合を用い、および最終的な目標温度に到達するように気体に熱を加える工程を含む請求項２０に記載の方法。
【請求項２３】
冷媒が所定の圧力−エンタルピー状態にある場合に液化し、実質的に同じ圧力で、液化した状態の冷媒流と気体状態の冷媒流とを混合する工程を含む請求項２０に記載の方法。
【請求項２４】
蒸発可能な流体と、温度が制御されるべき可変式熱負荷のプロセス装置との間で熱エネルギーを交換する方法であって、
流体を加圧された高温の気体の状態に転化させる工程；
所定の圧力にある圧力で、加圧された気体の第１の部分を液体に凝縮させる工程；
ほぼ所定の圧力に加圧された気体の残部を、別の経路へ転じさせる工程；
加圧した液体を選択された圧力の飽和流体へ膨張させて、第１の圧力およびエンタルピーレベルへ到達させる工程；
加圧された気体の選択された割合を抜き出して、調節された圧力およびエンタルピーレベルを提供する工程；
膨張させた飽和した流体と、前記気体の抜き出した部分とを混合して、目標圧力およびエンタルピーの流体を提供する工程；
目標圧力およびエンタルピーの混合した流体を、熱交換関係のプロセス装置を通過させて、そこでの熱負荷に応じて凝縮させるかまたは蒸発させる工程；
混合した流体の圧力を調整することによって、プロセス装置温度レベルを新たなレベルに調節する工程；
圧力および温度を所定の範囲内で回復させながら、混合した流体を移動させる工程；ならびに
混合した流体を加圧された高温状態へ再度転化させる工程
を含んでなる方法。
【請求項２５】
膨張させた飽和した流体に補償圧力降下を導入して、混合物した２つの流れの円滑な制御を、それらの相対的割合にかかわらず、形成する工程；および再加圧の圧力が設定最小値よりも低い場合には、リターン・フローを加熱することによって、再加圧する前に、その圧力および温度を回復させる工程を更に含んでなる請求項２４記載の方法。
【請求項２６】
前記圧力および温度を回復させる工程は、インプット温度が最大値よりも高い場合には、再加圧する前に、混合物の過熱防止を行うことを含んでなり、ならびに、インプット圧力が最大値よりも高い場合には、インプット圧力を降下させる工程を更に含んでなる請求項２５記載の方法。
【請求項２７】
プロセス装置温度を制御する工程は、蒸発可能な流体として、ミスト化された小滴相の中で冷媒を使用することを含んでなる請求項２４に記載の方法。
【請求項２８】
冷媒を高温の蒸気状態へ圧縮する工程；
前記冷媒の第１の流れを液体へ凝縮させる工程；
前記凝縮させた液体からミスト化された蒸気形態の第１の流れを形成する工程；
前記第１の流れと高温蒸気の第２の流れとを混合物する工程；ならびに
混合した流れを熱交換関係で制御装置へ導く工程
を含んでなる、熱的に接触している制御された装置の温度を制御するために、直接の熱交換媒体として冷媒を使用する方法。
【請求項２９】
冷媒を最初にその沸点より高い圧力へ圧縮し、その後、形成された圧力にて沸点より低い温度へ熱を除去することによって凝縮させ、ならびに連続する流れの温度は、流体粒状物と周囲気体との間での凝縮または蒸発によって内部エネルギーの大部分が交換されるように、相溶性の気体中に含まれる流体粒状物として混合物を維持しながら、混合物の圧力を変化させることによって変化させることができる請求項２８記載の方法。
【請求項３０】
冷媒は周囲圧力において約４５℃の沸点を有しており、冷媒は約４００ｐｓｉまで圧縮され、ならびに混合物は周囲圧力において約−５０℃〜＋１４０℃の温度範囲で気体／液体形態に保たれる請求項２９記載の方法。
【請求項３１】
冷媒を加熱または冷却し得る熱負荷との熱交換関係にて直接的に用いられる冷媒の圧力およびエンタルピーを修正する方法であって、
高温の気体および周囲温度の液体としての冷媒を実質的に同様に加圧する工程；
所定の割合の気体と液体から膨張してミスト化した蒸気とを混合して、目標温度および圧力を有する混合物を提供する工程；
熱交換関係にある混合物を熱負荷へ送る工程；および
再び加圧する前に、混合物において圧力およびエンタルピーの変化を内部で補償する工程
を含んでなる方法。
【請求項３２】
熱エネルギー交換に適応するプロセス装置の温度を制御するためのシステムであって、
冷媒流体のための加圧回路であって、コンプレッサーおよびコンデンサを直列に有しており、コンデンサのまわりでコンプレッサーからのバイパス経路を有する加圧回路；
プロセス装置を通る加圧回路からの冷媒流体を流れさせる交番制御ループであって、熱い気体の流れの割合を調節するプロポーショニング・バルブを有し、バイパス経路の中にある第１の制御ループと、冷媒をその蒸気へ膨張させることによって流体圧力を変化させる膨張バルブを有するコンデンサからの第２の制御ループとを有する交番制御ループ、および
前記制御ループからプロセス装置へ直接的な熱交換関係で混合されたアウトプットを供給するコントローラに対応する混合回路
を有してなるシステム。
【請求項３３】
冷媒をプロセス装置から加圧回路へインプット気体として循環して戻す調整回路を有し、冷媒が飽和した流体として供給される請求項３２に記載のシステム。
【請求項３４】
コンデンサのための可変式冷媒供給部、コンプレッサー・アウトプットに対応する圧力センサ；およびコンデンサに供給される冷媒流れを変えるためのコンプレッサー・アウトプット圧力に対応する制御部を更に有する請求項３３に記載のシステム。
【請求項３５】
コンデンサ・アウトプットへおよびプロセス装置へ連絡する補助冷却器を有しており、戻される流体と流出する流体との間で熱エネルギーを交換する請求項３３に記載のシステム。
【請求項３６】
コンプレッサーへ戻される流体の経路に、該コンプレッサーのアウトプット圧力に対応して、戻される流体を好適なレベルへ加熱するヒータを有する請求項３３に記載のシステム。
【請求項３７】
コンデンサ・アウトプットとリターン・フローインプットとの間で、補助冷却器まわりのループに連絡する過熱防止バルブを有しており、コンプレッサーインプット温度が選択された範囲を越える場合に、ヒータおよび過熱防止バルブがプロセス装置のために電極問うな圧力エネルギーを提供するように、コンプレッサーインプット温度に対応して該過熱防止バルブが開いて、冷たい流体を供給する請求項３６記載のシステム。
【請求項３８】
第２の制御ループがプロセス装置からアウトプット圧力へ外部的に均等化された熱膨張バルブを有しており、混合回路が熱膨張バルブと第１および第２の制御ループとの間に、圧力差補償バルブを有している請求項３３に記載のシステム。
【請求項３９】
冷媒流体が５０７Ｒ冷媒であって、プロセスツールからコンプレッサーまでのリターン・フロー経路が、コンプレッサーからのアウトプット圧力に対応するヒータ回路を含むアキュムレータを有している請求項３３に記載のシステム。
【請求項４０】
プロポーショナル・バルブおよび熱膨張バルブを有しており、プロセスツールの温度に対応して、システムのフロー制御を制御するように連絡するコントローラを更に有する請求項３３に記載のシステム。
【請求項４１】
コントローラに対応する独立した電磁弁であって、第１および第２の制御ループ内に該ループの操作の迅速な制御のためにそれぞれ配される電磁弁を更に有する請求項４０に記載のシステム。
【請求項４２】
所定の範囲内の温度で蒸発可能である冷媒を使用して、該所定の範囲内の選択された温度で変化し得る熱負荷を有する熱負荷システムを維持する熱制御装置であって、
気体の形態の冷媒を受容するコンプレッサーであって、高温の加圧された冷媒を生じさせるコンプレッサー；
加圧された気体を受容して、冷媒を加圧された液体へ冷却するコンデンサシステム；
第１の経路において加圧された流体を受容し、冷媒を液体／蒸気混合物へ膨張させる冷媒膨張デバイス；
第２の経路において加圧された気体を受容し、変化し得る流量を提供する、制御可能なプロポーショナル・バルブ・デバイス；
第１の経路および第２の経路の流れを受容する混合回路であって、選択された温度にて液体／蒸気混合物の飽和した流体の流れを提供する混合回路；ならびに
混合した飽和された流体の流れを前記熱負荷システムに供給し、その後前記流れをコンプレッサーへ供給する流れループ
を有する熱制御装置。
【請求項４３】
熱負荷システムの温度に対応するコントローラであって、第２の経路の圧力を調節するプロポーショナル・バルブデバイスに連絡して、熱負荷システムの変化し得る熱負荷と冷媒との間の熱交換によって、所定の範囲内の目標温度に熱負荷システムを維持するコントローラを有する請求項４２に記載の熱制御装置。
【請求項４４】
コンプレッサーへのループのリサイクル部に設けられる処理装置であって、冷媒の圧力と温度に対応して、選択された温度および圧力範囲内で気体としてコンプレッサーへ戻されるインプット冷媒を提供する処理装置を更に有する請求項４３に記載の熱制御装置。
【請求項４５】
処理回路が、熱負荷システムからのリターン・フロー経路に配されるヒータデバイスであって、コンプレッサー・アウトプットの圧力に対応するヒータデバイスを有する請求項４４に記載の熱制御装置。
【請求項４６】
膨張デバイスと混合回路との間の第１の経路に差圧バルブを更に有しており、第２の経路のプロポーショナル・バルブにかかる圧力降下を実質的に均等化する請求項４２に記載の熱制御装置。
【請求項４７】
差圧バルブが、第１の経路における固定された圧力降下を形成するスプリング付きの逆止めバルブを有しており、膨張デバイスの非直線性特性の混合を円滑に制御する請求項４２に記載の熱制御装置。
【請求項４８】
第１の経路を閉じ、第２の経路を開いて、熱負荷システムの操作温度の範囲を増大させるコントローラを更に有してなる請求項４２に記載の熱制御装置。
【請求項４９】
混合回路と熱負荷システムとの間に、コントローラに対応するヒータ手段であって、第２の経路からの加圧された気体のエンタルピーを増大させるヒータ手段を有する請求項４８に記載の熱制御装置。
【請求項５０】
前記ヒータ手段と混合回路との間に配される向流熱交換器であって、混合回路からの流れと熱負荷システムからのリターン・フローとの間で熱エネルギーを交換する向流熱交換器を更に有する請求項４０に記載の熱制御装置。
【請求項５１】
冷却流体のソース、コンデンサに接触する熱交換器、コンプレッサーのアウトプットに対応する圧力変換器、およびコンプレッサー・アウトプット圧力に対応するバルブ制御部を含む圧力調節回路であって、コンプレッサーからのアウトプット圧力を安定させるように、熱交換器を通る流体の流れを制御する圧力調節回路を更に有する請求項４２に記載の熱制御装置。
【請求項５２】
熱負荷装置からのリターン・フローとコンデンサからの凝縮物の流出する流れとの間で向流熱交換を行う補助冷却器；補助冷却器への凝縮されたインプットと補助冷却器へ戻るインプットとを短絡させる部分に設けられ、コンプレッサーへの入力圧力に対応する過熱防止バルブ；コンプレッサーのアウトプットとコンプレッサーのインプットとを短絡させる熱い気体のバイパスバルブ；および熱負荷装置からコンプレッサーへのリターン・ラインにおける圧力に対応して、コンプレッサー装置へのインプット圧力のレベルを制限するクローズ・オン・ライズ・バルブを更に有する請求項４９に記載の熱制御装置。
【請求項５３】
第１の経路と第２の経路がそれぞれ回路に、膨張バルブおよびプロポーショナル・バルブと共に、フロー経路の急速な開口および閉鎖を提供する電磁弁を有する請求項４２に記載の熱制御装置。
【請求項５４】
前記システムが、第１の経路および第２の経路の流れを組み合わせて、液化ゾーンが存在するような所定の範囲の圧力およびエンタルピー値を提供する熱制御装置であって、該液化ゾーンの外側および内側の両方で、圧力およびエンタルピー値のシフトが生じるように、冷媒の圧力およびエンタルピーを調節する熱制御部を更に有する請求項４２記載の熱制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（先の出願の参照）
この発明は、ケネス・ダブリュー・コワンズ（Kenneth W. Cowans）、グレン・ズビラガ（Glenn Zubillaga）及びウィリアム・ダブリュー・コワンズ（William W. Cowans）を発明者として、「Transfer Direct Heat Exchanger System」という発明の名称で、２００４年６月２日付けで出願された仮特許出願（Provisional Patent Application）第６０／５７６７０５号に基づく優先権を主張する。
【０００２】
（発明の背景）
温度制御装置（ＴＣＵｓ（Thermal control units)）、例えば、加熱及び冷却するシステムは、選択された及び可変温度にて、プロセスツールまたはその他のデバイスを構築し、及び維持するために広範に使用されている。現代の熱制御装置または温度制御装置の典型的な例は、資本集約度の高い半導体製造設備において観察される。高コストのフロアスペースを可能な限り保つために、温度制御装置には厳しい空間的要求が課せられている。高収益な性能が得られるべきであるならば、必要とされる大規模な資本設備コストは操作におけるダウンタイム（downtime）を許容しないので、信頼性が確保される必要がある。目標温度は異なる製造工程について変更することができるが、その特定の工程が完了するまでは厳密に保持される必要がある。多くの工業的な及び共通の家庭の冷蔵システムでは、選択されたレベルへ温度を降下させ、その後、それ程精密でない温度範囲内にその温度を維持することを目的とする。従って、これらの商業用のシステムにおいて、信頼性よく、長期間の操作が達成される場合であっても、性能は非常に高度技術の（又はいわゆるハイテクな（highly technical)）生産機械の要求に応えるには達していない。
【０００３】
最も近代的な温度制御装置では、温度制御装置（ＴＣＵ）から装置を通して循環され、閉じたサイクル内に再び戻される中間の熱移動流体を用いることによって、ツールまたはプロセスの実際の温度制御が行われている。熱移動流体は、その流体の最小の操作圧力で、その沸点より低い所望される操作範囲にて安定であるものが選ばれる。また、熱移動流体は、その操作範囲内で好適な粘度特性及び流動特性を有することが必要とされる。温度制御装置自体は、今日において、生態学的に許容されるタイプの冷媒（refrigerant）を用いて、選択された温度を維持するために必要とされる何らかの冷却（冷凍および／または冷蔵）を提供している。温度制御装置は、常套の液相／気相サイクルを通して、冷媒を循環させることができる。そのようなサイクルにおいて、冷媒は最初に、高い圧力レベルで熱い気体に圧縮され、その後圧縮された液体に凝縮される。気体は、コンデンサ内に通されて、冷却流体に密接に熱的接触されることによって液体に変えられるが、冷却流体は、周りを包囲する流体によって冷却される液体であってもよいし、または周囲の空気によって直接的に冷却されるものであってもよい。液体冷媒は、その後、バルブを通して選択された圧力レベルへ膨張させられることによって、その温度が下げられる。この膨張のために液体の一部が蒸発することによって冷媒が冷却され、それによって液体はより低い飽和圧力で平衡になる。この膨張性の冷却の後で、冷媒は前記熱移動流体による熱交換関係（heat exchange relation）へ送られて前記熱移動流体を冷却し、装置を目標温度レベルに維持する。その後、冷媒は、気相にて加圧段階へ戻される。循環される熱移動流体の温度を必要に応じて上げることが必要とされるならば、通常、熱移動流体に熱源を供給する必要がある。これは多くの場合、循環する流体との熱交換関係に配置され、及び必要に応じて電力が提供される電気ヒータである。
【０００４】
そのような温度制御装置は、過去においても現在においても、種々の変更がなされて非常に広範に用いられており、従来技術において改良がなされてコストの低減が図られており、そして大量適用のための信頼性の向上が図られている。大量に製造される冷却装置では、例えば、数万時間の操作や、メンテナンスについて比較的低コストであることが期待されている。しかしながら、そのような冷却システムは、広い温度範囲にわたって操作することはほとんどできないし、より低いコストバージョンのものは冷媒の内容物についての直接的な熱交換媒体として空気流を用いることも少なくない。
【０００５】
対照的に、工業的用途のための近代的温度制御装置は、正確に、例えば選択された温度レベルでは±１℃以内で動作する必要があり、広い範囲（例えば、特定の装置については−４０℃〜＋６０℃の範囲）内で種々のレベルへシフトする必要がある。そのような用途のための典型的な熱移動流体（thermal transfer liquid）には、エチレン・グリコールと水（最もしばしば脱イオンされた形態のもの）の混合物、または商標「Ｇａｌｄｅｎ」もしくは「Ｆｌｕｏｒｉｎｅｒｔ」として販売されているパーフッ素化（ｐｅｒｆｌｕｏｒｉｎａｔｅｄ）された流体が含まれる。これらの流体及びその他のものは、これらの信頼性が高く、可変式の温度システムにおいて広い用途が見出されている。しかしながら、これらの流体、特にパーフッ素化された流体は、高い熱移動効率を有しておらず、温度制御装置に何らかの設計的要求を課する。例えば、熱交換器（heat exchangers(ＨＥＸｓ))を通して熱移動流体を循環させるためのポンプ装置及び制御ツールもしくはその他の装置のために、エネルギー及びスペースが必要とされる。これらのエネルギー損失ファクターとともに、熱を移動させるために必要とされる温度差のために熱交換にはエネルギー損失を伴っており、制御された装置と温度制御装置とを連絡する導管においてもエネルギー損失を伴う。冷却されるべきデバイスを直接的に取り囲むスペースは貴重であるため、エネルギー損失を導入しないだけでなく、プロセスツールの温度を安定させるために必要とされる時間を増大させないような、実質的な長さの導管が必要とされ得る。一般に、温度制御装置の体積が大きくなれば、制御すべきデバイスから温度制御装置をより遠くに離して配置することが必要となる。流路と共に流体の質量は、それらが導入し得る損失を補償するためにエネルギー及び時間を必要とする。制御されるデバイスの温度についてのどのような変化でも、前記導管の中に入れられている熱移動流体とともに、制御されるデバイス及び温度制御装置を接続する導管に影響を及ぼす必要がある。これは、熱移動流体が導管壁と密接に熱的に接触しているためである。従って、制御されるデバイスの近くで導管端部から出る流体は、導管壁の温度と実質的に等しい温度で前記デバイスに到達し、制御されるデバイスが温度において同様の変化を受け得る前に、これら導管壁の温度は変更される必要がある。
【０００６】
改善されたシステム及びその結果についての需要が継続して存在しており、それらの損失を最小とする温度制御装置が必要とされている。可能であるならば、システムは、コンパクトであり、低い資本コストであり、期待されるよりも信頼できる特性及び長い寿命を維持するか又は向上させるべきである。
【０００７】
従来において、直接的な冷却システムは、独立した熱移動流体を伴わない冷媒を使用することができたという程度で、冷却サイクルの間に課される相転移（phase changes）はサイクルの外側での物理的な距離で冷媒を直接的に使用することを妨げると考えられてきた。従来の冷媒は、本質的に、エネルギー貯蔵及び転化についての相転移に依存しているので、圧縮装置及びその他の部品を信頼性よく及び安定的に操作するために、冷却システムの種々のポイントにて、液相と蒸気相とは適切な状態であるか又は混合物であることが必要とされる。可飽和流体（saturable fluid)、例えば冷媒を、変化しうる熱負荷（thermal load）による熱交換に直接的に用いることには、手に余る問題が存在する。
【０００８】
この出願は、非常に速い温度変化応答を行うことができる効率の高いシステムにおいて、液体及び蒸気の冷媒混合物の高い熱移動効率を直接的に使用するシステムを、最初に教示するものである。この発明は、導管及び熱交換器（ＨＥＸｓ）における実質的なエネルギー損失と共に、制御されるデバイスの温度レベルを修正するための実質的な時間的遅れを排除し、並びに、目標温度を種々のレベルでシフトさせる際の実質的な時間的遅れの必要性を排除することができる。
【０００９】
（発明の概要）
この発明の方法及びシステムは、高い熱効率及び速い速度での応答性を有し、広い温度の範囲にわたる冷却源もしくは加熱源として、可変相冷媒（variable phase refrigerant）を直接的に使用する。冷媒は、その温度制御範囲の主要な部分において、液体及び蒸気の飽和された混合物として維持され、可変式の熱負荷（variable heat load）として作動する制御装置と直接的に接触する。制御装置の温度は、飽和された流体混合物の圧力を変化させることによって非常に迅速に制御することができる。導管、熱交換器および流体質量におけるエネルギー損失は最小化されて、これらの要素の温度変化によって冷却されたデバイスの温度応答における遅延が実質的に排除される。
【００１０】
本発明のシステム及び方法は、特定の態様において、循環する冷媒を高温、高圧の状態に圧縮するが、凝縮した液体／蒸気ミストの独立した流れと共に、熱い気体流の釣り合った制御を提供する。液体／蒸気ミストは、凝縮された冷媒の膨張した流れを最初に有しているが、制御されたデバイスについて選択された設定ポイントに従って、コントローラによって決定された、釣り合った熱い気体流と混合される。そのために、２つの流れは混合回路に入れられ、その中で、飽和された流体は目標温度及び圧力にされて、膨張された流れに圧力降下がもたらされ、膨張バルブデバイスにおける固有の流れ非直線性（flow nonlinearities）が補償される。飽和された流体それ自体は、制御されたプロセスまたは装置を直接的に通して移送される。制御されたプロセスまたは装置の温度が検知されて、コントローラに送られる。コントローラは、単に圧力変化によって、制御されるシステムの温度を変えることができる。冷却または加熱作用をもたらす媒体の温度をこのように変更することによって、圧力変化に続いてほぼ直ちに、制御されるデバイスに温度のそのような変化を利用可能にすることができる。このことによって、制御されるデバイスと対比して、独立した熱移動流体を使用することによってもたらされる温度変化及び多くの熱エネルギーの損失が排除される。
【００１１】
この出願に開示する発明は、制御されるデバイスに適用された出力の変化の効果を相殺し、従って制御されるデバイスの温度が変化しないように保つように、制御されるデバイスに十分に急速に冷却または加熱作用を適用することができる。
【００１２】
最終的に直接的な熱移動のために完全に連続的なサイクルを通して冷媒を動かすことについて、冷媒の相が最後まで安定していることを確保するために、多くの斬新な手段が用いられる。例えば、圧縮工程において、インプット温度と圧力のバランスは、コンプレッサーインプット温度に対応する過熱防止バルブ（desuperheater valve）を用いることによってコンプレッサーにおいて維持されており、必要な場合には、電気ヒータ及び熱交換システムを有する流通ループ（feed-through loop）が組み込まれて、コンプレッサーにおける入力流れを適切な範囲に上げることが確保される。このバランスによって、コンプレッサー入力に戻された冷媒が液体を含まないこと、及び選択された圧力範囲にあることも確保される。さらに、コンプレッサーへの入力圧力は、制御されたプロセスからのリターン・フロー経路におけるクローズ・オン・ライズ・バルブ（close-on-rise valve）によって制限される。
【００１３】
凝縮された冷媒の流れのための経路は、外部の安定化された常套の冷却サーモスタット膨張バルブ((thermostatic expansion valve）ＴＸＶ)を有しているが、混合回路への熱い気体バイパス流経路はプロポーショナル（または割合）バルブ（proportional or proportioning valve）を有している。プロポーショナル・バルブはコントローラシステムからの制御信号に対応して、流れの割合が、供給する混合物について所望の温度及び圧力を達成するように指示する。
【００１４】
このシステムは、温度範囲の上端にて熱い気体のみを用いることによって、混合範囲の外側で加熱することもできる。熱い加圧された気体のみを用いることによって達成することができる、高い制御温度が必要な場合には、プロポーショナル・バルブをより十分に開き、及び、熱膨張バルブは、逆止めバルブのスプリングにかかる負荷の所定の圧力を緩和することによって、スプリング付きの逆止めバルブの作用によって閉じられる。別法として、冷媒を外部で加熱されて、更にいっそう温度を上げることもできる。この後者の場合には、加熱範囲を更に上方に拡大させるために、向流熱交換器を効率的な方法で使用することもできる。
【００１５】
システムは、混合された流体及び熱い気体モードにおいてだけでなく、加圧された周囲の冷媒の熱膨張のみを用いる冷却モードにおいても、温度範囲の全域で装置の制御を可能にするように配置されている。
添付図面に関連して、以下の説明を参照することによって、この発明についてよりよく理解することができる。
【００１６】
基本的に約−５０℃〜約＋１４０℃の範囲で操作するための温度制御装置（ＴＣＵ）１１０の構成図を、例示の目的で図１に示している。冷媒及びある程度の負荷に応じて、これ以外の温度範囲を用いることもできるが、この態様例では例えば冷媒Ｒ５０７を用いることが想定されている。温度制御装置１１０はコンパクトな装置とすることができ、適度な寸法、向上した経済性および迅速な応答性と同様に、低価格であることを特徴としている。温度レベルは、関連するデバイスを連絡するラインの長さとは無関係に、種々の目標レベルで、安定的に保たれるようになっている。この態様例における温度制御装置１１０は、ツール１１２、例えば半導体製造のためのクラスターツールの温度を制御することが意図されている。そのようなツールは熱の制御流体を通すために内部の通路を有している。温度制御装置には、種々の製造工程の間に、サイクルを操作するためのツールの種々の目標温度を設定することが意図されている。
【００１７】
このシステムは、コントローラ１１４、例えば比例型、積分型、差分型（ＰＩＤ（proportional, integral, differential)）コントローラであって、多数の異なるタイプのコマンドを受け取ることに適している、Ａｎｔｏｎｉｏｕ及びＣｈｒｉｓｔｏｆｆｅｒｓｏｎの米国特許第６，７８３，０８０号に記載されているようなコントローラを有しており、ユーザーフレンドリーなセットアップシステムを有している。温度制御装置１１０では、コンプレッサー１５８を使用する。コンプレッサー１５８は、高い信頼性であって低価格の商業用の冷却コンプレッサーであってよく、出力ライン１０２にて、約１２０℃で約４００ｐｓｉまたはそれ以上の熱い気体冷媒の加圧されたアウトプットを提供する。ツール１１２の温度はツール１１２に設けられた変換器１１８によって検知されて、測定信号はコントローラ１１４へ戻される。この温度信号は、コントローラ１１４において種々の目的に使用される。例えば、コンプレッサー・アウトプット１５８から熱い気体を直接的に供給する制御可能なプロポーショナル・バルブ１４４の開口度と、コンデンサ１５６中で熱いコンプレッサー・アウトプットを液化させた後での飽和された流体の流れの両者を制御して、制御されるデバイス１１２に所望される温度で液体と気体との混合物を提供することができる。
【００１８】
これらの目的のために、コンプレッサ１５８からの熱い気体流は２つのフロー経路に分岐される。その１つは、施設水源（facility water source）１５４によって液体冷却される熱交換器（ＨＥＸ）１０４を有する常套のコンデンサ１５６を含むコンプレッサ制御システム１２０に入る。空気の冷却されるコンデンサも同様に使用することができるが、ここでは例示のために液体冷却が選ばれている。コンプレッサ１５８のアウトプット圧力に対応して制御される水バルブ１０６、またはコントローラ１１４に対応して制御可能なバイパスバルブ１０５のいずれかを通して、水はコンデンサ１５６内の熱交換器（ＨＥＸ）１０４へ供給される。最大の冷却成果が必要である時はいつでも、バイパスバルブ１０５が作動される。バルブ１０５を開くことによって、可能な最も冷たい水をコンデンサ１５６に供給することが確保される。このことによってできるだけ低い凝縮温度が確保され、それによってシステムに最大の冷却アウトプットがもたらされる。アウトプット圧力は変換器（またはトランスデューサ）によって測定される。変換器は、冷媒流れコントローラバルブ１０６中に設けられており、コンプレッサーヘッド圧力調整器と称される商業的に入手可能な装置である。これは、慣例的に、冷却水の供給が冷た過ぎたり、または、何らかの重要な理由のためにあまりにも多過ぎることが起こり得る用途において用いられる冷却システムに、常套的に適用されている。１つの典型的な用途は、経済性または効率性の理由から、冷却水の供給を制限するそのような冷媒流れコントローラを使うものであり得る。この発明において、コントローラ１０６は上述の目的のために使われているが、コントローラ１０６は主として、大部分の操作モードについてコンプレッサー１５８のアウトプットを高い圧力レベルに維持するように動作している。この高い圧力は、熱の優勢なソース（熱源）として利用できるように、コンプレッサーに必要とされている。
【００１９】
冷媒流れコントローラ１０６を使用することの補助的な利点は、この発明のシステムが冷却水を非常に有効に利用することができるということである。その水は、一般に、冷却塔またはその他のアプローチによって冷却された源から、半導体製造プラントに供給される。そのような冷却源を動作させるために必要とされる出力（またはエネルギー）は、製造装置によって使われる出力全体の重要な部分である。源１５４からコンデンサ熱交換器１０４への冷却水の供給は、コンプレッサー・アウトプット圧力を実質的に一定に維持するように、コンプレッサー１５８アウトプット圧力に応じて逆に変えることもできる。コンプレッサー制御システム１２０は、向流補助冷却器１３０との間で相互作用を有している。そのような補助冷却器を使用する場合、前記相互作用には、そのような補助冷却器の流出経路の中に、過熱防止バルブ１３４からのアウトプットを注入して、過熱防止バルブ１３４のアウトプットをツール１１２から戻される冷媒気体と混合して、それによってその流出するリターン・フローを前記補助冷却器１３０の中で冷却することが含まれる。（用途に応じて場合により用いられる）組込まれている補助冷却器の中へ入る反対流れは、以下に記載するように、膨張及び制御回路へ向かわされる。補助冷却器１３０を通してツールの温度を制御する流入流れは、過熱防止バルブ１３４を通り補助冷却器の流入側へのリターン・フローへ完了する。この配置及びその目的は、ウィリアム・ダブリュー・コワンズによる米国特許第６，４４６，４４６号の教示に従っている。
【００２０】
コンプレッサー・アウトプットとコンプレッサー・インプットとの間には、熱い気体バイパスバルブ（ＨＧＢＶ（hot gas bypass valve))１６４が配置されている。ＨＧＢＶは、インプット圧力がプリセットレベルを下回る場合に、コンプレッサー・アウトプットからそのインプットへの直接的な流れを許容する。ＨＧＢＶは、標準的な商業用の冷却制御コンポーネントである。コンプレッサー１５８へのインプットにおける圧力が、所定のレベルを下回ることは許容されない。そのレベルは、コンプレッサーの構成によって決定される。このことは、冷却コンプレッサーは、冷媒に混合されて運ばれるオイルによって潤滑化されているためである。ある低圧では、オイルのキャリオーバーは、コンプレッサー機械を潤滑化することに不適当である。また、冷却コンプレッサーは、経験に基づいて損傷を生じることのないような圧縮比に制限される。このことは、気体が圧縮される時に、気体が断熱的昇温（adiabatic heating）を受けることによって生じる。約１２０℃を越える排出気体温度では、冷却コンプレッサーは故障を生じ得る。ＨＧＢＶ１６４はこの問題を緩和する。
【００２１】
上述したメカニズムは、商業用の冷却装置におけるコンプレッサー管理へのいくつかの標準的なアプローチを含んでいるが、システムの操作について説明しているセクションに示すように、この出願の発明に特有のアプローチをも含んでいる。
【００２２】
補助冷却器１３０からの液体ライン１３２内の流体は、熱い気体ライン１５９中の独立した熱い気体流と並行しており、両者は混合回路１４０へ案内される。ライン１５９中の熱い気体流はプロポーショナル・バルブ１４４を通る。そのバルブ１４４は、混合回路１４０中に提供された熱い気体流において、選択された程度での圧力降下を確実に行うように、コントローラ１１４の信号によって制御される。バルブ１４４は質量流（またはガス流量）を変化させ、それによって最終的に圧力が変化させられる。蒸気／液体ライン１３２から混合回路１４０へ提供された独立したインプットは、熱膨張バルブ（ＴＸＶ（thermal expansion valve)）１５７によって制御される。これは、熱膨張型の通常の冷却バルブとして動作する。熱膨張バルブ１５７は、ダイヤフラム操作されるバルブである。そのダイヤフラムの一方の側は、低圧冷却回路における好適なポイントでの冷媒圧力に維持され、他方の側は実質的に同じ圧力ポイントでの温度の飽和圧力にある。回路において後方の部分（又はポイント）に配置されている検知バルブ（bulb）１２４は冷媒気体によって満たされており、従って、この飽和圧力を供給するために検知バルブ１２４が設けられている部分（ポイント）に対応する飽和圧力で存在している。図１に示す温度制御装置回路において、導管１４９は検知バルブ１２４に近い位置でアウトプットライン１６１と連絡しており、従って、その圧力を検知バルブ１２４に近い低い圧力レベルにおける圧力に等しくしている。このことは、外部的均等化（external equalization）とも称する。
【００２３】
プロポーショナル・バルブ１４４が完全に閉じられている場合、図１に示す温度制御装置回路は通常の蒸気サイクル冷却システムとして作動することになる。この通常の運転において、熱膨張バルブは、システムが達成し得る最大の冷却を生じるように冷却アウトプットを調整する。ダイヤフラムで調整される熱膨張バルブ１５７の動作によって、純粋な蒸気へと完全に沸騰させることができる最高程度に膨張させた液体−蒸気混合物を供給するような方法で、ラインの中を通る高圧冷媒液体の流れが調節して絞られる。しかしながら、基本的な動作モードでは、バルブ１４４が完全に閉められない場合には、熱膨張バルブ１５７はバルブ１４４からの熱い気体と組み合わせるためにミスト化された液体蒸気の選択された割合を供給する。上述したように、熱膨張バルブ１５７はツール１１２から戻りラインにより導管１４９を経て連絡する圧力によって外部的均等化が行われる。熱膨張バルブ１５７アウトプットは、デルタＰバルブ（delta P valve）１５５を通って流れる。デルタＰバルブ１５５はスプリング付きの逆止め弁を有しており、熱膨張バルブ１５７アウトプットと混合ティ（mixing Tee）１６５との間で流体の圧力降下（デルタｐ）を形成する。コンプレッサー１５９のすべてのアウトプットがプロポーショナル・バルブ１４４を通る流れにのみ転化される場合、デルタＰバルブ１５５にかかる総圧は、熱い気体ライン内の完全に開かれているプロポーショナル・バルブ１４４における圧力降下よりも大きい。このことによって、１００％の熱い気体から１００％の膨張した液体へ流れ混合物の円滑な制御が確立され、熱膨張バルブの非直線的特性、及び、開いた状態からどれ程離れていても、プロポーショナル・バルブ１４４を通る圧力降下が常に存在するということが克服される。熱い気体流が全開位置である場合には、逆止め弁は熱膨張バルブを閉鎖する。従って、熱膨張バルブ１５７及びデルタＰバルブ１５５からのアウトプットは飽和された流体であって、その温度は、デルタＰバルブ１５５のアウトプットでの圧力によって本質的に決定される。圧力は、プロポーショナル・バルブ１４４のセッティングを変更することによって迅速に変化させることができ、従ってその変化によって、気体流量、従って圧力も変化させられる。従って、温度はツール温度に対応する温度センサ１１８によって測定され及びコントローラ１１４に信号が伝達されるので、ツール１１２の温度をほとんど即座に調節して修正することができる。
【００２４】
システムは、ツール１１２からの戻りラインに、コンプレッサー１５８の圧力インプットに形成される過剰な圧力に対する安全措置として動作する「クローズ・オン・ライズ（ＣＯＲ(Close on Rise)）」バルブ１５０（例えば、通常は開いており、値が上昇すると閉じるバルブ）を有している。これは商業的に入手可能な冷却コンポーネントであって、この目的のために従来から使われている。この発明では、必要な発明において、それは同じ目的にかなうものであるが、以下に説明するように、温度制御装置にヒート・ポンプとして動作させることもできる。
【００２５】
プロポーショニング・バルブ１４４につながる熱い気体ライン１５９の中に、迅速な応答速度を有する電磁弁１２１が示されている。いくつかのシステムにおいては、熱い気体の流れを即座に遮断して、プロポーショニング・バルブ１４４を閉じる過程で生じ得る遅延を伴うことなく冷却を達成することが望ましいので、迅速な応答時間を有するバルブ１２１が含まれている。温度制御装置システムには、同様に即座に加熱させる必要がある負荷を制御するためのいくつかの要求がある。これらに適応するために、電磁弁１２２を用いてプロポーショナル・バルブ１４４の操作を短絡させることもできる。加熱を適用することが突然に必要とされるこれらのシステムの操作において支援するために、熱膨張バルブ１５７を通る流れを実質的に瞬時に閉じる目的で、熱膨張バルブ１５７へのライン内にもう１つの電磁弁１０９を設けることもできる。瞬時の冷却を必要とするシステムのために、もう１つの電磁弁１１１を設けて、熱膨張バルブ１５７の操作を短絡させることもできる。
【００２６】
図１にはレシーバ１０８が示されている。これは冷媒のための比較的小さいリザーバであって、加熱のプロセスを迅速に進行させる間に、冷却ポテンシャルを蓄える要求のあるいくつかのシステムにおいて必要とされる。レシーバは、コンデンサ１５６の液体アウトプットを受け入れ、熱膨張バルブの使用によってそのような液体の量が過剰に生成される場合には、凝縮させた液体を蓄えるデバイスである。
【００２７】
混合回路１４０において、プロポーショナル・バルブ１４４と熱膨張バルブ１５７のアウトプットの下流側において、冷媒の２つのストリームは混合ティ１６５で合流する。そのような混合が行われた後、アウトプット流れは供給ライン１１３を通って、ツール１１２を冷却又は加熱する。ツール１１２を出た後、蒸気及び液体の混合物はリターン・ライン１６０を通って温度制御装置へ戻される。
【００２８】
温度制御装置において行われる戻る冷媒の第１の処理または調整（conditioning）は、電気的加熱である。これはヒータ１１７によって行われる。図１では、ヒータ１１７は加熱されたアキュムレータ１１６内で液体に浸漬されるように示されている：これは本発明の１つの態様例である。別の態様例を図２に示しており、ヒータは熱交換器２１６の中に設けられており、熱交換器２１６を通る冷媒との間で良好な熱交換を行う関係で配置されている。加熱されるアキュムレータ１１６と熱交換器２１６との違いは、アキュムレータはかなりの量の液体貯蔵のための容量を有しており、熱交換器は熱伝達機能を実施するために必要な量の冷媒のための容量のみを有していることである。
【００２９】
冷媒は、アキュムレータ１１６（図１）または熱交換器２１６（図２）のいずれかを通過すると、リターン・ライン１６１へ送られる。リターン・ライン１６１には、センサバルブ１２４及び均等化ライン１４９が取り付けられている。リターン・ライン１６１はそこから補助冷却器１３０の戻り経路に連絡している。補助冷却器１３０から出た冷媒は吸込みライン１６２へ送られ、冷媒は吸込みライン１６２を通って、コンプレッサー１５８の吸い込みインプット１６３へ戻される。
【００３０】
（システムの操作）
直感に反する（counter-intuitive）冷却サイクルを図３のフローチャートにおいて逐次示しているが、この冷却サイクルは、温度が制御されるシステムとの間の熱交換関係において、飽和された流体（ミスト化された液体及び蒸気）の遷移相（transitional phase）を維持することに焦点が当てられている。適切な内部の操作とともに飽和された相を用いることは、従来は克服されていなかった相転移及び安定性の障壁を克服する一方で、温度制御のために冷媒流体及びサイクルを直接的に使用することができる。選択された圧力にて液体の小滴と蒸気ミストとの平衡を形成することによって、温度は前もって決定される。更に、純粋な液相または純粋な気相の両者に存在する厳密な熱伝導作用ではなく、蒸発及び液化の動力学によって熱を表面に移動させる能力が向上するので、熱エネルギー交換のための容量は、純粋な液相または純粋な気相についてのものよりも実質的に大きいものとなる。
【００３１】
純粋な気相にある流体による温度変化および純粋な液相の温度変化はいずれも、熱エネルギー伝導のみに依存する。中間の領域において、これらの純粋な単相状態どうしの間には、混合された液体／蒸気が存在している。蒸気を液体小滴に移動させること及び液体小滴から移動させることは、圧力または温度に厳密に依存するように観察することができ、圧力が低い程、蒸発温度は低下する。しかしながら、平衡状態温度から、蒸気のすべてが液化するまで冷却源に熱を供給したり、実質的に一定の温度で蒸発にて熱を取ると、全量を蒸発させたり又は凝縮させたりすることになる。このことは、液体／蒸気混合物を一定温度シンク（temperature sink）または熱源（source）として使用し得ることを意味しており、反対に、圧力を変えることによって液体／蒸気混合物を含む熱交換関係における装置の温度を変えることができるということを意味する。圧力の変化は流体を通して音速にて、例えば毎秒数百メートルの速度で伝達されるという事実により、このバリエーション（または変化）が極めて迅速であり得るということは重要である。
【００３２】
図１を参照すると、重要なミックスゾーンは、混合システム１４０内の要素を有して構成されており、プロポーショナル・バルブ１４４からの熱い気体アウトプット、及び熱膨張バルブ１５７からの液体及び蒸気のアウトプットを含んでおり、いずれもコンプレッサー１５８からアウトプットライン１０２から分岐している。例えば、４００ｐｓｉのアウトプット圧力を用いると、冷却したコンデンサ１５６から熱膨張バルブ１５７まで、液化したアウトプットは実質的に同様の圧力であることになる。熱膨張バルブ１５７で膨張させた後、コントローラ１１４によって命令するように、熱膨張バルブ１５７はミスト化された液体の流れを提供する。これは、周囲の液体蒸気の雰囲気の中での小滴の分散として、慣習通りに観察することができる。このミスト化された液体の熱交換特性は、W.H. in the book "Heat Transmission", Third Edition, McGraw-Hill Book Company,New York,１９５４年，ｐ．３３５＆４０２という書籍にて、ＭｃＡｄａｍｓによって発表された方程式に基づいている。熱膨張バルブ１５７からの液体及び蒸気の全体の混合物内の温度を、プロポーショナル・バルブ１４４からの熱い気体と平衡化させることが必要であることによって、ミスト化された液体と、混合ヘッド１６５に入るコントローラ決定された熱い気体流との組み合わせは、生じた小滴の寸法の制御された量のために、結果として減少を生じる。従って、バルブ１４４からの熱い気体と、熱膨張バルブ１５７からの液体／蒸気とを混合するこのプロセスは、アウトプット圧力及び制御された温度の冷媒を、制御されたツール１１２へのインプットに供給することができる。混合回路１４０は、さらにデルタｐバルブ１５５を有している。デルタｐバルブ１５５は、前記プロポーショナル・バルブ１４４が大きく開いているときに、プロポーショナル・バルブ１４４の中の固有の圧力の降下を実質的に越えない圧力降下を導入する。さらに、ミックスヘッド１６５及びデルタｐバルブ１５５は、バルブ１４４が大きく開いているときに、液体／蒸気ライン１３２への混合物の逆流を防止する。
【００３３】
図４において、４０１から、４０２、４０３、４０４を通り４０５を経て、４０１へ戻る伝統的な熱力学的サイクルの操作として、（補助冷却器を有する）典型的な冷却回路を示している。この方法で、回路におけるエンタルピーに対する圧力をプロットすることによって、図１のコンプレッサー１５８が、圧力を上昇させ及びエンタルピーをより高く押し上げ、４０１から４０２へのラインに、２つの要素の大きさを増加させるスロープを生じさせることを理解することができる。定圧ライン４０２−４０３によって示されるように、圧力を維持しながら、圧縮された気体を凝縮させると、エンタルピーが低下する。このシフトは、ＰＨチャート上に示された液体ドーム（liquid dome）を通して冷媒を動かし、圧力を維持しながら、冷媒の液化を生じさせる。冷媒の沸点（蒸発点）は、４００ｐｓｉで約４５℃である。伝統的な冷却サイクルにおいて、点４０４−４０５から示されるように、エンタルピーを変化させることなく冷媒を膨張させると、圧力は選択されたレベルへ低下する。膨張した冷媒は、液体／蒸気混合物として出てくるが、ライン４０５−４０１からの液体ドーム遷移部を通って移動し、熱交換領域を通って案内される。気体は、点４０１の後で再び圧縮されて、サイクルが繰り返される。
【００３４】
この発明は、基本的な冷却サイクルを改良して、より多くの柔軟性を有する近代的な温度制御装置の目的を達成するものである。図４に示す冷媒（タイプＲ５０７）のモリエ線図（Mollier diagram）（液体ドームの近くでのエンタルピー対温度の表示）は、−２０℃で液体及び蒸気の流れを提供する冷媒の操作を示しており、この温度は一例として選ばれている。この発明は、装置の急速な制御下で、流体を加熱又は冷却する可能性についての変形例を提供する。冷却サイクルは、コンプレッサーインプット１６３（図１）に取られた点４０１から示される。気体は、約１２０℃の温度で３０ＫＰａ（約４００ｐｓｉｇ）である点４０２へ圧縮される。コンデンサ１５６へ入る気体は、約６０℃の温度で点４０３まで冷却及び液化される。この液体は補助冷却器１３０を通される。この要素において、液体は、ライン１６１のツール１１２から戻る冷媒との間で熱を交換することによって、冷却される。このように補助冷却器１３０内で冷却された液体の冷媒は、熱膨張バルブ１５７を通して点４０４まで膨張させられる。この実施例では、この点において冷媒は、約−２０℃の温度にあって、約５０％の気体および約５０％の液体から構成されている。この冷媒は、プロポーショナル・バルブ１４４を通って膨張させられた熱い気体であって、図４において点４０２から点４０６への点線経路によって示されている。８５℃の気体からの熱を点４０５の液体／蒸気と混合して加えると、点４０７における全混合物が生じる。この制御された混合物は、約７０％の気体及び約３０％の液体である。熱い気体の添加は点４０５にて５０％液体の差分を沸騰させ、加えられた熱い気体は−２０℃へ冷却される。与えられた例では、ツール１１２を冷却して混合物が液体を沸騰させ、点４０８へ周辺の環境から熱を得るときに更に加熱する。この気体は、それから補助冷却器１３０に入り、４０３から４０４へ冷却される向流の液体冷媒から熱を吸収することによって、周囲温度付近へ暖められ、そして、圧力が降下し、及び点４０１までエンタルピーが増加し、サイクルが繰り返される。
【００３５】
その結果、図４の検討によって推論することができるように、維持される圧力に応じて、液体／蒸気混合物がツール１１２の温度を安定化させる操作の範囲が存在する。ツールが流体へ熱を捨て、センサ１１８によってツール１１２で決定されるように、与えられた温度Ｔ（一例として、図４において−２０℃として示す）を維持することになっている場合、流量を変化させるようにバルブ１４４の開きを制御することによって、供給ライン１１３内で蒸気／液体の流れにおいて圧力が調整される。これによって、蒸気及び液体が制御された飽和温度で釣り合うように、対応してライン１１３内で温度を変更し、ツールの温度が一定に保たれる。極端な加熱の場合には、プロポーショナル・バルブ１４４を完全に開くことによって、熱膨張バルブ１５７からの流れを完全に止めることができる。この場合に、ツール１１２を通る全体の流れは、点４０６における気体の流れから導かれる（図４を参照のこと）。この気体は約８０℃の温度にあり、従ってツール１１２を急速に加熱することができる。
【００３６】
ツール１１２アウトプットにおける圧力バルブ（pressure bulb）１２４からの外部的均等化フィードバック経路によって、システムは更に安定化される。熱膨張バルブ（thermal expansion valves）についてよく知られているように、圧力ライン１４９から熱膨張バルブ１５７へ圧力リターンを伝達することによって、ツール１１２内又はライン内で圧力損失によるオフセットが存在しないことを確保することが支援される。
【００３７】
この発明を用いることによって、液体ドームによって制限される限界の外側の高い温度の熱を提供することができる。図５はこのモードでの本発明の操作を示しており、その場合に、熱エネルギーの制御の際に、液化ゾーンの内側及び外側の両方でシステムが操作される。操作は、混合回路１４０のアウトプットにヒータを付加することに基づいている。図７は、この機能を含むように使用される、図１中に示した基本システムへの別の態様例を示している。混合回路１４０の下流側のツール１１２への供給ライン１１３に電気ヒータ７０２が、供給ライン１１３に対して良好な熱的接触で配置されている。ライン１１３には向流熱交換器（counter current HEX）７０１も配置されており、リターンライン１６０を更にさえぎるようにツール１１２から出る流れを受け入れる。向流熱交換器を使用して、ツールに最も近い熱交換器７０１の側におけるライン１１３の温度を、熱交換器７０１の反対側へのライン１６０の温度から隔離することによって、よりいっそう高い温度を達成することができる。この特徴によって、２６０℃またはそれ以上の場合さえある高い温度の冷媒気体を、ツール１１２へ供給することができる。
【００３８】
図５は、例えば図７のような補助システムが取り付けられた温度制御装置の熱力学的性能を示している。冷媒気体は、点５０７でコンプレッサーに入る。冷媒は、その気体が熱交換器７０１に入る点５０１にて、約３０ＫＰａに圧縮される。向流熱交換器７０１において、流出気体が点５０８から点５０５へ冷却される際に、インプット気体は流出気体から熱を吸収して点５０２へ加熱される。気体がヒータ７０２からライン１１３を通ってツール１１２へ通過する際に、気体温度に無視し得る程度の損失があると仮定して、電気ヒータ７０２は、点５０２から、ツール１１２へ気体が入る温度である点５０３へ、インプット気体を加熱する。気体は、ツール１１２を加熱する点５０４から点５０８への過程で冷却される。点５０８で気体は熱交換器７０１に入り、熱交換器７０１の反対側のインプット気体を加熱しながら、点５０５へ冷却される。その後、気体はＣＯＲバルブ１５０を通過し、コンプレッサー１５８インプットに適当な点５０６へ圧力が降下する。気体は、コンプレッサーの良好な操作のために熱過ぎる場合を除いて、そのサイクルを再スタートして、再び圧縮される用意ができている。しかし、図１のシステムでは、熱い気体は、コンプレッサー１５８インプットでのセンサ１２６に対応して開く過熱防止バルブ１３４のアウトプットと混合される。この作用によって、補助冷却器１３０のリターン側に、凝縮された冷媒の一部を加える。コンデンサ１５６からの凝縮された液体の一部（図５の点５１１にある）を、戻される熱い気体と混合することによって（点５１０へ圧力が下げられる）、点５０７で圧縮するのに好適な温度のインプット気体が提供される。従って、このシステムは、圧縮及び凝縮の後で、圧力及びエンタルピーのパラメータ内で区切られる熱力学的液体ドームの外側の熱い気体モードで、動作することができる。
【００３９】
ＣＯＲバルブ１５０の操作は、特定の環境でのより低い温度にて開始することができる。１０℃を著しく越える温度にて温度制御装置を操作する場合、常套のコンプレッサーにおいて良好な圧縮を行うには、冷媒中で液体と気体とが平衡となる圧力は高すぎることになる。図１及び５を参照すると、ＣＯＲバルブ１５０は、（ツールを−２０℃で冷媒によって冷却した図４に示された場合と同様の方法で）図６に示すように、温度制御装置が負荷を４０℃で冷却することが要求される場合に、コンプレッサー１５８を保護する。図６は、点６０１から点６０２へ圧縮される気体を示している。この気体の一部は、その後、同じ圧力で点６０３へ凝縮され、熱膨張バルブバルブ１５７を通して点６０４へ膨張させる。圧縮させた気体の残部は、プロポーショナル・バルブ１４４を通過させて点６０５へ送る。２つのストリームを混合回路１４０で混合させ、中間の圧力及びエンタルピーの点６０７で出させる。この混合物中の液体は、ツール１１２へ供給されるが、ツール１１２を冷却する際に蒸発して、点６０８に至る。この点の気体はＣＯＲバルブ１５０内で自動的に処理されて、点６０１でコンプレッサー１５８に入るために適当なより低い圧力へ膨張する。その後、サイクルが繰り返される。
【００４０】
温度制御装置は、所望の点において熱を供給する際に、ヒートポンプとして機能することができる。このことは、図１とともに考慮されるべきである図８において示されている。ここで示される操作は、約４０℃の温度にて最大の加熱作用に近い加熱を提供することである。点８０１から点８０２へ圧縮された後、コンプレッサー１５８からの熱い気体の大部分はプロポーショナル・バルブ１４４を通過して、点８０５へ圧力が下げられる。コントローラ１１４は、凝縮されているが高い圧力の点８０３における液体であって、熱膨張バルブ１５７を通して点８０９へ膨張させられている液体の所定量と、点８０５の気体とを混合して、点８１０における混合物を提供する。この混合物はツール１１２を通過して、液体を点８０４へ凝縮させる際に、ツール１１２に熱を供給する。点８０４における混合物が、ＣＯＲバルブ１５０を通過すべきであって、およびコンプレッサー１５８での圧縮のためのインプットである場合は、点８０４において非常に多量の液体が混合物の中に存在するため、コンプレッサーエネルギーは液体を蒸発させる際に失われ、およびコンプレッサー１５８のアウトプット圧力は低すぎることになるであろう。図１に示す圧力スイッチ１６８は、この現象を検知し、スイッチ１６８によって検知された圧力がしきい値よりも低い場合にはいつでも、ヒータ１１７を動作させる。この動作は、点８１１において液体／蒸気混合物を加熱し、混合物を液体領域の外側の点８０８へ加熱する。そこで混合物はＣＯＲバルブ１５０へ入って、点８０１へ膨張するが、点８０１ではすべてが気体で存在しており、再圧縮することができる。
【００４１】
しかしながら、その他に多くの要素が、特にエネルギー効率および安全で信頼性のある操作の向上に関する要素が存在する。コンプレッサー１５８へのインプットにおいて、ツール１１２からのリターン・ラインは補助冷却器１３０を通過して、コンデンサ１５６からの凝縮された流体との間で熱エネルギーを交換し、液体ライン１３２中の流体を更に冷却することによって熱エネルギーの損失を最小化するように作動する。コンプレッサー１５８インプットでの流量が十分であること、および損失する可能性のある最小値を越えていることを確保するため、コンプレッサー１５８のアウトプットからのループはＨＧＢＶバルブ１６４を通して供給される。ＨＧＢＶバルブ１６４はコンプレッサーへのインプットが所定の圧力を下回らないことを確保する。コンプレッサーインプットにおける検知バルブ１２６を有する過熱防止バルブ１３４は、コンプレッサー１５８へのインプットが適切な操作のために十分に冷たいことを保証する。レシーバを使用する場合、過熱防止バルブ１３４のアウトプットは最初にレシーバ１０８中の液体を通過し、リターン・ラインへおよび補助冷却器１３０の中へ戻され、コンプレッサー１５８へ送られる。
【００４２】
コンデンサ１５６では、独立した制御が行われる。コンプレッサー１５８アウトプットを圧力センサ１１８によって検知し、信号がコントローラ１１４へ返されると、その結果として、施設水源１５４に変動が生じて、液体ライン１３２の中の冷媒の流れを実質的に一定に維持するように、コンデンサ１５６が熱交換器１０４によって十分に冷却されることが確保される。
【００４３】
従って、このシステムは、冷媒を、可変的負荷条件下で直接的に使用するが、ツール１１２に接触する際には、制御され、ミスト化された液体／気相に維持される、高い効率の熱交換システムを提供する。このような制御は、基本モードにおいて、特定の目標温度にて、ツール１１２の加熱要求又は冷却要求によって決定される選択された圧力にて、冷媒の膨張した液体と熱い気体との割合を制御するコントローラ１１４によって維持されている。ツール自体の中で更に熱交換が起こり得るが、システムおよび方法はサイクル全体にわたって冷媒を安定化させるか又は制御する。液体のライン１３２中に流れがない熱い気体モードでは、プロポーショナル・バルブ１４４を開いて、目標温度（Ｒ５０７の場合には、約１５０℃又はそれ以上の温度）を維持するために必要とされるように、ツールでの流量および温度を生じさせる。最も低い温度範囲で冷媒を使用するためには液体ライン１３２のみを使用する必要があり、熱膨張バルブ１５７は、ツール１１２への冷却アウトプットを約−４０℃へ降下させるように制御される。
【００４４】
上述したように、その他の冷媒を使用したりすることもできるし、図に示したものよりも高い値又は低い値の異なる混合モードサイクルにて操作するようにシステムの構成を変更することもできる。
【００４５】
いくつかの流れおよび変形例を開示しているが、この発明は、これらの開示した例に限定されるものではなく、特許請求の範囲の記載に記載する態様例および方法のすべてを含むと理解されたい。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】図１は、この発明の温度制御装置の構成図である。
【図２】図２は、この発明のもう１つの温度制御装置の構成図であって、システムに電気的に熱を導入する異なる方法を用いている。
【図３】図３は、この発明の方法を実施するための工程のフローチャートである。
【図４】図４は、この発明の方法及びシステムにおいて、エネルギーを移動させる間でのエンタルピーに対する圧力の変動について示すグラフ図であって、−２０℃にて効果的であるサイクルを示す図である。
【図５】図５は、この発明の方法及びシステムにおいて、エネルギーを移動させる間でのエンタルピーに対する圧力の変動について示すグラフ図であって、１２０℃を越える温度にて効果的である加熱サイクルを示す図である。
【図６】図６は、この発明の方法及びシステムにおいて、エネルギーを移動させる間でのエンタルピーに対する圧力の変動について示すグラフ図であって、＋４０℃にて効果的であるサイクルを示す図である。
【図７】図７は、例えば図１に示すようなシステムにおいて、向流熱交換器及び補助的電気ヒーターを用いて、１２０℃を越える温度に温度制御装置のアウトプットを加熱することに用いる、システムの特徴の詳細を示す構成図である。
【図８】図８は、この発明の方法及びシステムにおいてエネルギーを移動させる間でのエンタルピーに対する圧力の変動について示すグラフ図であって、装置のヒートポンプ機能を用いて＋４０℃にて効果的であるサイクルを示す図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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