(57)【要約】【課題】蒸発器における冷凍能力を高精度に制御することである。【解決手段】冷媒が循環して冷凍サイクルを行う冷媒回路（30）と、該冷媒回路（30）の凝縮器（33）へ冷却水を供給する冷却水回路（40）と、冷媒回路（30）の蒸発器（20）で冷却した空気を利用側に供給する利用側系統（10）とを備えている。冷凍サイクルにおける高圧圧力Ｐが設定圧力Ｐｓに収束するように冷却水回路（40）の電動弁（41）を制御するコントローラ（50）を備えている。このコントローラ（50）は、冷凍サイクルにおける高圧圧力Ｐを目標収束速度Ｖｓに基づいて設定圧力Ｐｓに収束させる制御部（52）と、該制御部（52）の目標収束速度Ｖｓを高圧圧力Ｐと設定圧力Ｐｓとの偏差ｄＰに応じて変更する変更部（51）とを備えている。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
圧縮機（32）と凝縮器（33）と膨張機構（34）と蒸発器（20）とが接続され、冷媒が循環して蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う冷媒回路（30）と、
冷却水が流れ、該冷却水が上記凝縮器（33）で冷媒と熱交換して冷熱を供給する冷却系統（40）と、
上記蒸発器（20）で冷媒と熱交換して冷却された熱媒体を利用側に供給する利用側系統（10）とを備えた冷凍装置であって、
上記冷却系統（40）は、凝縮器（33）への冷却水の供給量を調節する流量調整弁（41）を備える一方、
上記蒸気圧縮式冷凍サイクルにおける高圧圧力Ｐが設定圧力Ｐｓに収束するように上記流量調整弁（41）を制御する制御手段（50）を備え、
該制御手段（50）は、上記高圧圧力Ｐを目標収束速度Ｖｓに基づいて設定圧力Ｐｓに収束させる制御部（52）と、該制御部（52）の目標収束速度Ｖｓを高圧圧力Ｐと設定圧力Ｐｓとの偏差ｄＰに応じて変更する変更部（51）とを備えている
ことを特徴とする冷凍装置。
【請求項２】
請求項１において、
上記目標収束速度Ｖｓは、Ｖｓ＝定数ｋ×偏差ｄＰn（定数ｎ≧１）で定められる
ことを特徴とする冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍装置に関し、特に、被冷却物への高精度な温度制御対策に係るものである。
【背景技術】
【０００２】
従来より、利用側との間で循環する空気やブラインなどの熱媒体を冷却する冷凍装置が、いわゆるチリングユニットとして知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
具体的に、上記冷凍装置は、圧縮機、凝縮器、膨張弁および蒸発器が順次接続されてなる冷媒回路を備えている。この冷媒回路では、冷媒が循環して冷凍サイクルが行われる。そして、この冷媒回路の蒸発器と利用側である工作機械との間でブラインを循環させ、蒸発器でブラインを冷媒と熱交換させて所定温度に冷却し、そのブラインを工作機械へ供給している。
【０００４】
また、上記冷凍装置の凝縮器には、冷却水が循環する冷却水回路が接続されている。この冷却水回路は、冷却水が凝縮器で冷媒と熱交換して冷媒を凝縮させる。そして、この冷却水回路には、開度を制御することによって冷却水の流量調整を行う電動弁が設けられている。この冷凍装置では、電動弁を制御して凝縮器への冷却水の供給量を調整し、該凝縮器における熱交換量を調節している。
【特許文献１】特開２００２−１１５９２０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上述した従来の冷凍装置において、電動弁の制御を単純に行うと、工作機械へ供給するブラインの温度制御を高精度に行うことができないという問題があった。つまり、電動弁の開度を目標開度に一気に調整すると、凝縮器への冷却水の供給量が変動し、凝縮器の圧力が急激に変動する。つまり、冷凍サイクルにおける高圧側の圧力が急激に変動することになる。これにより、冷媒脈動が発生し、膨張弁の冷媒循環量が変動することになる。したがって、蒸発器の能力が不安定となり、ブラインの冷却温度を高精度に制御できないという問題が生じる。
【０００６】
本発明は、斯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、冷却水の供給量を調整して冷凍サイクルにおける高圧圧力を制御する冷凍装置において、その高圧圧力を急激に変動させないように冷却水の供給量を制御し、蒸発器における冷凍能力を高精度に制御することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
具体的に、第１の発明は、圧縮機（32）と凝縮器（33）と膨張機構（34）と蒸発器（20）とが接続され、冷媒が循環して蒸気圧縮式冷凍サイクルを行う冷媒回路（30）と、冷却水が流れ、該冷却水が上記凝縮器（33）で冷媒と熱交換して冷熱を供給する冷却系統（40）と、上記蒸発器（20）で冷媒と熱交換して冷却された熱媒体を利用側に供給する利用側系統（10）とを備えた冷凍装置を前提としている。そして、上記冷却系統（40）は、凝縮器（33）への冷却水の供給量を調節する流量調整弁（41）を備えている。一方、この冷凍装置は、蒸気圧縮式冷凍サイクルにおける高圧圧力Ｐが設定圧力Ｐｓに収束するように上記流量調整弁（41）を制御する制御手段（50）を備えている。この制御手段（50）は、上記高圧圧力Ｐを目標収束速度Ｖｓに基づいて設定圧力Ｐｓに収束させる制御部（52）と、該制御部（52）の目標収束速度Ｖｓを高圧圧力Ｐと設定圧力Ｐｓとの偏差ｄＰに応じて変更する変更部（51）とを備えている。
【０００８】
上記の発明では、凝縮器（33）で冷却水から冷熱を吸熱した冷媒が、蒸発器（20）にて利用側系統（10）の熱媒体（例えば、ブラインや空気）を冷却する。この利用側系統（10）では、冷却された熱媒体を利用側（例えば、半導体製造装置など）へ供給する。
【０００９】
ここで、外乱等により冷凍サイクルにおける高圧圧力Ｐ（凝縮器（33）の圧力）が変動した場合、制御手段（50）によって冷却系統（40）の流量調整弁（41）を制御することにより、高圧圧力Ｐが設定圧力Ｐｓに収束する。その際、高圧圧力Ｐは、設定圧力Ｐｓとの偏差ｄＰに対応した目標収束速度Ｖｓに基づいて速度を変化させながら収束する。したがって、上記目標収束速度Ｖｓを高圧圧力Ｐが急激に変動しない速度に設定すれば、冷凍サイクルにおける高低圧差の急激な変動が抑制され、冷媒回路（30）における冷媒脈動が生じなくなる。これにより、膨張機構（34）および蒸発器（20）における冷媒循環量の急激な変動が抑制され、蒸発器（20）の能力が安定する。
【００１０】
さらに、本発明では、高圧圧力Ｐが設定圧力Ｐｓに収束して安定するまでの収束時間を考慮して目標収束速度Ｖｓを設定すれば、蒸発器（20）の能力を安定させつつ、制御時間をも調節できる。
【００１１】
また、第２の発明は、上記第１の発明において、上記目標収束速度Ｖｓは、Ｖｓ＝定数ｋ×偏差ｄＰn（定数ｎ≧１）で定められる。
【００１２】
上記の発明では、例えば定数ｎ＝１の場合、図２に示すように、Ｖｓ＝定数ｋ×偏差ｄＰとなり、偏差ｄＰが小さくなるに従って目標収束速度Ｖｓが比例的に小さくなるように設定される。つまり、偏差ｄＰが大きいときは、高圧圧力Ｐが大きく収束し、偏差ｄＰが小さいときは、高圧圧力Ｐが小さく収束する。これにより、いわゆる高圧圧力Ｐのオーバーシュートおよびアンダーシュートが確実に防止される。
【発明の効果】
【００１３】
したがって、第１の発明によれば、蒸気圧縮式冷凍サイクルにおける高圧圧力Ｐが設定圧力Ｐｓに収束するように上記流量調整弁（41）を制御する制御手段（50）を備え、該制御手段（50）に、高圧圧力Ｐを目標収束速度Ｖｓに基づいて設定圧力Ｐｓに収束させる制御部（52）と、該制御部（52）の目標収束速度Ｖｓを高圧圧力Ｐと設定圧力Ｐｓとの偏差ｄＰに応じて変更する変更部（51）とを設けるようにしたので、目標収束速度Ｖｓを高圧圧力Ｐが急激に変動しない範囲で設定することにより、冷媒回路（30）における高低圧差の急激な変動を抑制でき、蒸発器（20）における冷媒循環量の急激変動を抑制できる。したがって、蒸発器（20）の能力を安定させることができるので、利用側へ供給する空気やブラインなどの熱媒体の温度を高精度に制御することができる。
【００１４】
また、上記の発明によれば、高圧圧力Ｐが設定圧力Ｐｓに収束して安定するまでの収束時間を考慮して目標収束速度Ｖｓを設定すれば、蒸発器（20）の能力を安定させつつ、制御時間をも調節できる。
【００１５】
また、第２の発明によれば、目標収束速度ＶｓをＶｓ＝定数ｋ×偏差ｄＰn（定数ｎ≧１）で定め、偏差ｄＰが大きいときは、高圧圧力Ｐが大きく収束し、偏差ｄＰが小さいときは、高圧圧力Ｐが小さく収束するように目標収束速度Ｖｓを設定するようにしたので、いわゆる高圧圧力Ｐのオーバーシュートおよびアンダーシュートを確実に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
【００１７】
《発明の実施形態１》
本実施形態に係る空気調和装置は、本発明の冷凍装置を構成しており、温調された被処理空気を温度制御対象である半導体製造装置に供給し、この半導体製造装置の温度を一定に保持するためのものである。図１に示すように、上記空気調和装置（1）は、利用側系統（10）と冷媒回路（30）と冷却系統である冷却水回路（40）とを備えている。
【００１８】
上記利用側系統（10）は、横長のケーシング（10a）内に熱媒体である被処理空気が流通する空気通路（11）を備えている。このケーシング（10a）には、被処理空気が空気通路（11）に導入される流入口（12）と、空気通路（11）の被処理空気が温度制御対象に供給される流出口（13）とが形成されている。
【００１９】
上記空気通路（11）には、概ね上流側より順に、蒸発器（20）、ファン（21）、ヒータ（22）およびフィルタ（23）が配設されている。
【００２０】
上記蒸発器（20）は、冷媒回路（30）に接続され、流入口（12）より導入された被処理空気が冷媒回路（30）の冷媒と熱交換して冷却される冷却器として機能するものである。そして、この蒸発器（20）は、例えばフィンコイル型熱交換器により構成されている。
【００２１】
上記ファン（21）は、流入口（12）より空気通路（11）に被処理空気を吸引し、この被処理空気を流出口（13）より温度制御対象に供給するものである。
【００２２】
上記ヒータ（22）は、蒸発器（20）で冷却された被処理空気を加熱して温調するためのものである。このヒータ（22）は、空気通路（11）の流通断面に亘って配置形成されている。
【００２３】
上記フィルタ（23）は、ヒータ（22）で温調された被処理空気中の塵埃を捕集するためのものである。このフィルタ（23）は、例えば、ＵＬＰＡフィルタ（ultra low penetration airfilter）などで構成され、被処理空気中の微細な粉塵までも捕集可能となっている。
【００２４】
また、上記ヒータ（22）とフィルタ（23）との間には第１空気温度センサ（2a）が、上記フィルタ（23）の下流側には第２空気温度センサ（2b）がそれぞれ配置されている。上記第１空気温度センサ（2a）は、ヒータ（22）によって温調された被処理空気の温度を検出し、上記第２空気温度センサ（2b）は、フィルタ（23）通過後の被処理空気の温度を検出する。そして、これら空気温度センサ（2a,2b）の検出温度に基づいてヒータ（22）の能力が調整される。なお、上記空気温度センサ（2a,2b）は、例えば白金（Ｐｔ）材料からなる測温抵抗体で構成されている。
【００２５】
上記冷媒回路（30）は、上記蒸発器（20）、アキュムレータ（31）、圧縮機（32）、凝縮器（33）および膨張機構である膨張弁（34）が順に配管接続されて閉回路に形成され、冷媒が充填されている。この冷媒回路（30）は、充填された冷媒が循環して蒸気圧縮式の冷凍サイクルを行うように構成されている。
【００２６】
上記圧縮機（32）は、例えば、全密閉型の高圧ドーム型スクロール圧縮機で構成されている。この圧縮機（32）は、電動機がインバータ制御されて容量が段階的又は連続的に可変となる可変容量圧縮機である。
【００２７】
上記凝縮器（33）は、いわゆるプレート式熱交換器により構成されている。この凝縮器（33）には、圧縮機（32）で圧縮された高温高圧の冷媒が流れる冷媒通路（33a）と、冷却水が流れる冷却水通路（33b）とが形成されている。そして、この凝縮器（33）は、冷媒通路（33a）の冷媒が冷却水通路（33b）の冷却水と熱交換して凝縮するように構成されている。
【００２８】
上記冷媒回路（30）には、ガス冷媒導入管（36）が設けられている。このガス冷媒導入管（36）の一端は、圧縮機（32）の吐出配管に接続され、他端は、圧縮機（32）の吸入側であるアキュムレータ（31）の上流側配管に接続されている。そして、上記ガス冷媒導入管（36）には、上述の膨張弁により構成された導入弁（35）が設けられている。
【００２９】
また、上記冷媒回路（30）は、アキュムレータ（31）の上流側に設けられた圧縮機（32）の吸入温度センサ（3a）および吸入圧力センサ（3b）と、圧縮機（32）の吐出配管に設けられた圧縮機（32）の吐出温度センサ（3c）および吐出圧力センサ（3d）とを備えている。この吐出圧力センサ（3d）の検出圧力は、凝縮器（33）の圧力を表している。
【００３０】
上記冷却水回路（40）は、凝縮器（33）の冷却水通路（33b）に接続されている。この冷却水回路（40）では、冷却塔（図示せず）より送られた冷却媒体である冷却水が冷却水通路（33b）へ流れて冷媒と熱交換し、再び冷却塔へ戻る循環を繰り返す。この冷却水回路（40）は、凝縮器（33）における冷却水の循環量を調整する流量調整弁としての電動弁（41）を備えている。この電動弁（41）は、冷却水通路（33b）よりも下流側に設けられている。この電動弁（41）は、例えば凝縮器（33）における冷却水の循環量が不足している場合において開度を大きくし、循環量が過剰な場合において開度を小さくする。また、上記冷却水通路（33b）の上流側には、冷却水の温度を検出する水温センサ（4a）が設けられている。
【００３１】
上記空気調和装置（1）は、コントローラ（50）を備えている。このコントローラ（50）には、制御部（52）と変更部（51）とが設けられている。このコントローラ（50）は、蒸気圧縮式冷凍サイクルにおける高圧圧力Ｐが設定圧力Ｐｓに収束するように電動弁（41）を開度制御する制御手段を構成している。上記高圧圧力Ｐは、吐出圧力センサ（3d）の検出圧力であり、設定圧力Ｐｓは、圧力Ｐの予め設定された目標圧力である。
【００３２】
上記制御部（52）は、高圧圧力Ｐを目標収束速度Ｖｓに基づいて設定圧力Ｐｓに収束させるように構成されている。上記変更部（51）は、上記制御部（52）の目標収束速度Ｖｓを高圧圧力Ｐと設定圧力Ｐｓとの偏差ｄＰに応じて変更するように構成されている。つまり、上記目標収束速度Ｖｓは、偏差ｄＰごとに予め入力設定されている。具体的に、この目標収束速度Ｖｓは、Ｖｓ＝定数ｋ×偏差ｄＰnで定められ、定数ｎ＝１に設定されている。つまり、Ｖｓ＝定数ｋ×偏差ｄＰとなり、図２に示すように、偏差ｄＰが小さくなるに従って目標収束速度Ｖｓも比例的に小さくなるように設定される。そして、この目標収束速度Ｖｓは、高圧圧力Ｐが急激に変動しない範囲で設定されている。また、この目標収束速度Ｖｓは、高圧圧力Ｐが設定圧力Ｐｓに収束して安定するまでの収束時間が極端に遅くならない範囲で設定されている（例えば、図中に示す破線を参照）。つまり、この目標収束速度Ｖｓの設定により、収束時間を調節できる。例えば、収束時間を短くしたい場合は、高圧圧力Ｐが急激な変動を起こさない程度に図中の目標収束速度Ｖｓ線の傾きを大きくする方向に設定すればよく、また収束時間をゆっくりさせたい場合は、図中の目標収束速度Ｖｓ線の傾きを小さくする方向に設定すればよい。
【００３３】
以上により、高圧圧力Ｐは、図３に示すように、急激に変動することなく、割と緩やかな収束状態を示す。ここで、例えば、ある偏差ｄＰ時に、高圧圧力Ｐの実際の変化速度がその偏差ｄＰに対応する目標収束速度Ｖｓよりも極端に小さくなった場合（図中のａ方向）には、高圧圧力Ｐの変化速度を増大させるように電動弁（41）の開度制御を行う。これにより、高圧圧力Ｐのオーバーシュートを抑制できる。また、逆に、高圧圧力Ｐの実際の変化速度がその偏差ｄＰに対応する目標収束速度Ｖｓよりも大きくなった場合（図中のｃ方向）には、高圧圧力Ｐの変化速度を低下させるように電動弁（41）の開度制御を行う。これにより、高圧圧力Ｐのアンダーシュートを抑制できる。また、高圧圧力Ｐの実際の変化速度がその偏差ｄＰに対応する目標収束速度Ｖｓよりも少し小さくなった場合（図中のｂ方向）には、高圧圧力Ｐの変化速度を少し増大させるように電動弁（41）の開度制御を行う。これにより、予め設定した収束時間を確保することができる。なお、高圧圧力Ｐを設定圧力Ｐｓより低い状態から収束させる場合（図中の下側の破線におけるｄ，ｅおよびｆ方向）においても、同様に電動弁（41）の開度制御を行うことにより、高圧圧力Ｐのオーバーシュート等を抑制することができる。
【００３４】
−運転動作−
次に、本実施形態に係る空気調和装置（1）の運転動作について説明する。
【００３５】
この空気調和装置（1）の運転時には、ファン（21）が起動し、被処理空気がケーシング（10a）の流入口（12）より空気通路（11）へ吸引される。一方、上記冷媒回路（30）では、圧縮機（32）が起動し、冷媒が冷媒回路（30）内を循環して蒸気圧縮式冷凍サイクルが行われる。
【００３６】
具体的に、上記冷媒回路（30）では、圧縮機（32）から吐出されたガス冷媒が凝縮器（33）で冷却水と熱交換して凝縮し、膨張弁（34）で減圧された後、蒸発器（20）で空気通路（11）の被処理空気と熱交換して蒸発し、再び圧縮機（32）に戻る。この蒸発器（20）を流通する被処理空気は、冷媒により吸熱されて所定温度に冷却される。この蒸発器（20）を通過した被処理空気は、ヒータ（22）で所定温度に温調される。そして、この被処理空気は、フィルタ（23）によって塵埃が捕集された後、流出口より温度制御対象に供給される。
【００３７】
上記凝縮器（33）へ供給される冷却水は、冷却水回路（40）の電動弁（41）により流量調整されている。つまり、凝縮器（33）における熱交換量が所定量となるように冷却水の供給量が調整されている。ここで、凝縮器（33）における熱交換量が外乱等により変動し、吐出圧力センサ（3d）の検出圧力Ｐが変動した場合、コントローラ（50）が検出圧力Ｐを設定圧力Ｐｓに収束させるように電動弁（41）を開度制御する。その際、検出圧力Ｐは、図３に示すように、急激に変動することなく、緩やかに設定圧力Ｐｓに確実に収束する。これにより、冷媒回路（30）における高低圧差が急激に変動することはないので、冷媒脈動を抑制できる。したがって、上記膨張弁（34）および蒸発器（20）における冷媒循環量の急激な変動を抑制できるので、蒸発器（20）の能力を確実に安定させることができる。この結果、利用側へ供給する被処理空気の温度を高精度に制御することができる。
【００３８】
また、上記検出圧力Ｐが収束する途中において、オーバーシュートおよびアンダーシュートが生じないように検出圧力Ｐの収束速度が調節されるので、一層高精度な制御が可能となる。また、この検出圧力Ｐの収束速度が制御されているので、検出圧力Ｐが設定圧力Ｐｓに収束するまでの収束時間を予め設定した時間通りにすることができる。
【００３９】
−実施形態の効果−
以上のように、本実施形態１によれば、コントローラ（50）に高圧圧力Ｐを目標収束速度Ｖｓに基づいて設定圧力Ｐｓに収束させる制御部（52）と、該制御部（52）の目標収束速度Ｖｓを高圧圧力Ｐと設定圧力Ｐｓとの偏差ｄＰに応じて変更する変更部（51）とを設けるようにしたので、目標収束速度Ｖｓを高圧圧力Ｐが急激に変動しない範囲で設定することにより、冷媒回路（30）における高低圧差の急激な変動を抑制でき、蒸発器（20）における冷媒循環量の急激変動を抑制することができる。したがって、上記蒸発器（20）の能力を安定させることができるので、利用側へ供給する空気の温度を高精度に制御することができる。
【００４０】
また、上記高圧圧力Ｐがオーバーシュートおよびアンダーシュートが生じないように、また高圧圧力Ｐの予め設定した収束時間を守るように収束させることができるので、一層高精度な制御が可能となる。
【００４１】
《その他の実施形態》
上記実施形態では、利用側へ供給する熱媒体を空気とする空気調和装置について説明したが、本発明は、熱媒体をブラインや純水としたいわゆるチリングユニットなどに適用してもよい。
【００４２】
また、上記実施形態では、目標収束速度Ｖｓの設定式における定数ｎの値を１としたが、１より大きい値としてもよい。その場合、圧力の偏差ｄＰが小さいときと大きいときとの目標収束速度Ｖｓの速度差がさらに大きくなる。つまり、偏差ｄＰが著しく大きいときは、高圧圧力Ｐが一層早い速度で収束する。これにより、例えば、高圧圧力Ｐが設定圧力Ｐｓより大幅にずれる傾向にある装置において、収束時間を早くすることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
以上説明したように、本発明は、半導体製造装置などの被冷却物に対して高精度な温度制御が必要な冷凍装置として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】実施形態に係る空気調和装置の全体を示す概略構成図である。
【図２】偏差と目標収束速度との関係を示す特性図である。
【図３】検出圧力の時間の経過に伴う推移を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４５】
1          空気調和装置（冷凍装置）
10         利用側系統
20         蒸発器
32         圧縮機
33         凝縮器
34         膨張弁（膨張機構）
40         冷却水回路（冷却系統）
50         コントローラ（制御手段）
51         設定部
52         制御部
【図１】
2005321136.tif 000003
【図２】
2005321136.tif 000004
【図３】
2005321136.tif 000005