(57)【要約】［解決手段］  温調システムは、第１冷凍機ユニット（１０）と、第２冷凍機ユニット（４０）と、第１冷凍機ユニット（１０）によって冷却される第１の流体を通流させる第１流体通流装置（２０）と、第２冷凍機ユニット（４０）によって冷却される第２の流体を通流させる第２流体通流装置（６０）と、第１の流体又は第２の流体を流出させるバルブユニット（８０）と、を備える。第１冷凍機ユニット（１０）は、中温側冷凍機において中温側第１膨張弁（２０３）及び中温側第２膨張弁（２２３）を有し、中温側第２膨張弁（２２３）に対応する中温側第２蒸発器（２２４）と低温側冷凍機の低温側凝縮器（３０２）とでカスケードコンデンサを構成する。そして、第１の流体は、中温側第１膨張弁（２０３）に対応する中温側第１蒸発器（２０４）によって冷却された後、低温側冷凍機の低温側蒸発器（３０４）によって冷却される。
2020095464.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１冷凍機ユニットと、
第２冷凍機ユニットと、
前記第１冷凍機ユニットによって冷却される第１の流体を通流させる第１流体通流装置と、
前記第２冷凍機ユニットによって冷却される第２の流体を通流させる第２流体通流装置と、
前記第１流体通流装置から前記第１の流体を受け入れるとともに、前記第２流体通流装置から前記第２の流体を受け入れ、前記第１の流体及び前記第２の流体のいずれを選択的に流出させるバルブユニットと、
を備え、
前記第１冷凍機ユニットは、
高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側膨張弁及び高温側蒸発器が、この順に高温側冷媒を循環させるように接続された高温側冷凍回路を有する高温側冷凍機と、
中温側圧縮機、中温側凝縮器、中温側第１膨張弁及び中温側第１蒸発器が、この順に中温側冷媒を循環させるように接続された中温側冷凍回路を有するとともに、前記中温側冷凍回路における前記中温側凝縮器の下流側で且つ前記中温側第１膨張弁の上流側の部分から分岐し、前記中温側第１蒸発器の下流側で且つ前記中温側圧縮機の上流側の部分に接続され、前記中温側冷凍回路から分岐する前記中温側冷媒を通流させる分岐流路、前記分岐流路に設けられた中温側第２膨張弁、及び前記分岐流路において前記中温側第２膨張弁よりも下流側に設けられた中温側第２蒸発器を含むカスケード用バイパス回路を有する中温側冷凍機と、
低温側圧縮機、低温側凝縮器、低温側膨張弁及び低温側蒸発器が、この順に低温側冷媒を循環させるように接続された低温側冷凍回路を有する低温側冷凍機と、を備え、
前記高温側冷凍機の前記高温側蒸発器と前記中温側冷凍機の前記中温側凝縮器とが、前記高温側冷媒と前記中温側冷媒との熱交換を可能とする第１カスケードコンデンサを構成し、
前記中温側冷凍機の前記中温側第２蒸発器と前記低温側冷凍機の前記低温側凝縮器とが、前記中温側冷媒と前記低温側冷媒との熱交換を可能とする第２カスケードコンデンサを構成し、
前記第１冷凍機ユニットは、前記第１の流体を冷却する際、前記中温側第１膨張弁及び前記中温側第２膨張弁の両方を開状態として、前記第１の流体を、前記中温側冷凍機の前記中温側第１蒸発器によって冷却した後、前記低温側冷凍機の前記低温側蒸発器によって冷却するようになっており、
前記第２冷凍機ユニットは、第２側圧縮機、第２側凝縮器、第２側膨張弁及び第２側蒸発器が、この順に第２側冷媒を循環させるように接続された第２側冷凍回路を有し、前記第２側蒸発器によって前記第２の流体を冷却するようになっており、
前記低温側冷媒の沸点は、前記第２側冷媒の沸点よりも低い、温調システム。
【請求項２】
冷却水を通流させる冷却水通流装置をさらに備え、
前記冷却水通流装置は、共通配管から分岐する第１冷却管と第２冷却管とを有し、
前記高温側凝縮器は、前記第１冷却管から流出する前記冷却水により前記高温側冷媒を冷却し、
前記第２側凝縮器は、前記第２冷却管から流出する前記冷却水により前記第２側冷媒を冷却する、請求項１に記載の温調システム。
【請求項３】
第３冷凍機ユニットと、
前記第３冷凍機ユニットによって冷却される第３の流体を通流させる第３流体通流装置と、をさらに備え、
前記第３冷凍機ユニットは、第３側圧縮機、第３側凝縮器、第３側膨張弁及び第３側蒸発器が、この順に第３側冷媒を循環させるように接続された第３側冷凍回路を有し、前記第３側蒸発器によって前記第３の流体を冷却するようになっており、
前記冷却水通流装置は、前記共通配管から分岐する第３冷却管をさらに有し、
前記第３側凝縮器は、前記第３冷却管から流出する前記冷却水により前記第３側冷媒を冷却する、請求項２に記載の温調システム。
【請求項４】
前記バルブユニットは、
第１流入口に流入する前記第１の流体を通流させて第１流出口から流出させる第１供給流路と、
開状態及び閉状態の切り替えにより、前記第１供給流路における前記第１の流体の通流及び遮断を切り替える第１供給側電磁切替弁と、
前記第１供給流路の前記第１供給側電磁切替弁よりも上流側の部分から分岐し、前記第１供給流路から流入する前記第１の流体を通流させる第１分岐流路と、
開状態及び閉状態の切り替えにより、前記第１分岐流路における前記第１の流体の通流及び遮断を切り替える第１分岐側電磁切替弁と、
第２流入口に流入する前記第２の流体を通流させて第２流出口から流出させる第２供給流路と、
開状態及び閉状態の切り替えにより、前記第２供給流路における前記第２の流体の通流及び遮断を切り替える第２供給側電磁切替弁と、
前記第２供給流路の前記第２供給側電磁切替弁よりも上流側の部分から分岐し、前記第２供給流路から流入する前記第２の流体を通流させる第２分岐流路と、
開状態及び閉状態の切り替えにより、前記第２分岐流路における前記第２の流体の通流及び遮断を切り替える第２分岐側電磁切替弁と、
前記第１流出口から流出して所定領域を経由した後に戻る前記第１の流体又は前記第２流出口から流出して前記所定領域を経由した後に戻る前記第２の流体を受け入れる受け入れ流路と、
前記受け入れ流路から二股に分岐する第１循環流路及び第２循環流路と、
前記第１循環流路の開状態及び閉状態を切り替える第１循環側電磁切替弁と、
前記第２循環流路の開状態及び閉状態を切り替える第２循環側電磁切替弁と、
を有する、請求項１に記載の温調システム。
【請求項５】
前記中温側冷媒と、前記低温側冷媒とが同じ冷媒である、請求項１に記載の温調システム。
【請求項６】
前記中温側冷凍機は、前記中温側冷凍回路における前記中温側凝縮器の下流側で且つ前記中温側第１膨張弁の上流側の部分から分岐し、前記カスケード用バイパス回路における前記中温側第２蒸発器の下流側の部分に接続され、前記中温側冷凍回路から分岐する前記中温側冷媒を通流させる冷却用流路と、前記冷却用流路に設けられた中温側第３膨張弁と、を有するカスケード冷却用回路をさらに有している、請求項１又は５に記載の温調システム。
【請求項７】
前記低温側冷凍回路における前記低温側凝縮器の下流側で且つ前記低温側膨張弁の上流側の部分と、前記低温側冷凍回路における前記低温側蒸発器の下流側で且つ前記低温側圧縮機の上流側の部分とが、各前記部分を通過する前記低温側冷媒の熱交換を可能とする内部熱交換器を構成する、請求項５に記載の温調システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は、ヒートポンプ式の冷凍装置によって流体を冷却し、冷却された流体によって温度制御対象を温度制御する温調システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
ＪＰ２０１４−９７１５６は三元冷凍装置を開示する。【０００３】
三元冷凍装置は、それぞれ圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器を有する高温側冷凍機、中温側冷凍機及び低温側冷凍機を備えており、高温側冷凍機は高温側冷媒を循環させ、中温側冷凍機は中温側冷媒を循環させ、低温側冷凍機は低温側冷媒を循環させる。このような三元冷凍装置では、高温側冷媒と中温側冷媒とを熱交換させる高中側カスケードコンデンサが高温側冷凍機の蒸発器及び中温側冷凍機の凝縮器によって構成され、中温側冷媒と低温側冷媒とを熱交換させる中低側カスケードコンデンサが中温側冷凍機の蒸発器及び低温側冷凍機の凝縮器によって構成される。そして、低温側冷凍機の蒸発器によって、温度制御対象を極めて低温まで温度制御することができる。【０００４】
また、上述のような三元冷凍装置の低温側冷凍機の蒸発器によってブライン等の流体を冷却し、冷却された流体によって温度制御対象を温度制御する温調システムが従来から知られている。このような温調システムは、半導体製造装置の温度制御に用いられる場合がある。半導体製造装置用の温調システムは、近年の半導体の微細化に伴い、温度制御精度の一層の向上を強く求められる傾向にある。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
三元冷凍装置は、温度制御対象を目標冷却温度まで安定的に冷却するために、各冷凍機において高性能な圧縮機が必要となる場合がある。特に低温側冷凍機の圧縮機に関しては、高性能であることに加え、極めて低温の低温側冷媒に対する耐久性能（耐冷性能）を確保するための特殊構造が必要な場合も生じ得る。そのため、装置全体のサイズが過度に大型化したり、圧縮機が入手困難となることによる製造コストの増加や工期遅延が生じたりする場合がある。【０００６】
一方で、三元冷凍装置によって冷却された流体により温度制御を行う温調システムは、温度制御対象を、極めて低温の温度（−７０℃）と、これよりもある程度高い温度（例えば、−２０℃〜２０℃）とに繰り返し且つ迅速に温度制御するような運転パターンの実施を求められる場合がある。この場合、三元冷凍装置における冷温側冷凍機の蒸発器の冷凍能力の調整やヒータによる流体の加熱等を行うことで、対応することもできる。しかしながら、迅速性に欠ける。【０００７】
本発明は上記実情を考慮してなされたものであり、極めて低温までの冷却を容易に且つ安定的に実現でき、さらには極めて低温の温度域を含む温度制御範囲内での温度差の大きい温度制御の切換を迅速に実施することができる温調システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一実施の形態にかかる温調システムは、
第１冷凍機ユニットと、
第２冷凍機ユニットと、
前記第１冷凍機ユニットによって冷却される第１の流体を通流させる第１流体通流装置と、
前記第２冷凍機ユニットによって冷却される第２の流体を通流させる第２流体通流装置と、
前記第１流体通流装置から前記第１の流体を受け入れるとともに、前記第２流体通流装置から前記第２の流体を受け入れ、前記第１の流体及び前記第２の流体のいずれを選択的に流出させるバルブユニットと、
を備え、
前記第１冷凍機ユニットは、
高温側圧縮機、高温側凝縮器、高温側膨張弁及び高温側蒸発器が、この順に高温側冷媒を循環させるように接続された高温側冷凍回路を有する高温側冷凍機と、
中温側圧縮機、中温側凝縮器、中温側第１膨張弁及び中温側第１蒸発器が、この順に中温側冷媒を循環させるように接続された中温側冷凍回路を有するとともに、前記中温側冷凍回路における前記中温側凝縮器の下流側で且つ前記中温側第１膨張弁の上流側の部分から分岐し、前記中温側第１蒸発器の下流側で且つ前記中温側圧縮機の上流側の部分に接続され、前記中温側冷凍回路から分岐する前記中温側冷媒を通流させる分岐流路、前記分岐流路に設けられた中温側第２膨張弁、及び前記分岐流路において前記中温側第２膨張弁よりも下流側に設けられた中温側第２蒸発器を含むカスケード用バイパス回路を有する中温側冷凍機と、
低温側圧縮機、低温側凝縮器、低温側膨張弁及び低温側蒸発器が、この順に低温側冷媒を循環させるように接続された低温側冷凍回路を有する低温側冷凍機と、を備え、
前記高温側冷凍機の前記高温側蒸発器と前記中温側冷凍機の前記中温側凝縮器とが、前記高温側冷媒と前記中温側冷媒との熱交換を可能とする第１カスケードコンデンサを構成し、
前記中温側冷凍機の前記中温側第２蒸発器と前記低温側冷凍機の前記低温側凝縮器とが、前記中温側冷媒と前記低温側冷媒との熱交換を可能とする第２カスケードコンデンサを構成し、
前記第１冷凍機ユニットは、前記第１の流体を冷却する際、前記中温側第１膨張弁及び前記中温側第２膨張弁の両方を開状態として、前記第１の流体を、前記中温側冷凍機の前記中温側第１蒸発器によって冷却した後、前記低温側冷凍機の前記低温側蒸発器によって冷却するようになっており、
前記第２冷凍機ユニットは、第２側圧縮機、第２側凝縮器、第２側膨張弁及び第２側蒸発器が、この順に第２側冷媒を循環させるように接続された第２側冷凍回路を有し、前記第２側蒸発器によって前記第２の流体を冷却するようになっており、
前記低温側冷媒の沸点は、前記第２側冷媒の沸点よりも低い、温調システム。【０００９】
上記温調システムでは、第１流体通流装置が通流させる第１の流体が、中温側冷凍機の中温側第１蒸発器によって冷却（プレクール）された後、中温側第１蒸発器よりも大きい冷凍能力を出力し得る低温側冷凍機の低温側蒸発器によって冷却される。これにより、第１冷凍機ユニットは、温度制御対象物（第１の流体）に対する目標の所望温度までの冷却を実現する際に、低温側冷凍機において高性能な圧縮機を採用した単純な三元冷凍装置よりも、容易に製作され得るため、具体的には特に低温側冷凍機の低温側圧縮機を簡素化できるため、極めて低温の温度域に設定される所望温度までの温度制御対象の冷却を容易に且つ安定的に実現できる。
また、第１冷凍機ユニットとは別の第２冷凍機ユニットにより、第２の流体を第１の流体よりも低い温度に温度制御する。そして、それぞれ異なる温度に温度制御される第１の流体と第２の流体とをバルブユニットにより選択的に切り替えて流出させることで、極めて低温の温度域を含む温度制御範囲内での温度差の大きい温度制御の切換を迅速に実施できる。
したがって、極めて低温までの冷却を容易に且つ安定的に実現でき、さらには極めて低温の温度域を含む温度制御範囲内での温度差の大きい温度制御の切換を迅速に実施することができる。【００１０】
本発明の一実施の形態にかかる温調システムは、冷却水を通流させる冷却水通流装置をさらに備え、前記冷却水通流装置は、共通配管から分岐する第１冷却管と第２冷却管とを有し、前記高温側凝縮器は、前記第１冷却管から流出する前記冷却水により前記高温側冷媒を冷却し、前記第２側凝縮器は、前記第２冷却管から流出する前記冷却水により前記第２側冷媒を冷却してもよい。【００１１】
この構成では、高温側凝縮器及び第２側凝縮器に対する冷却系統を共通化することで、温調システムの複雑化及び高コスト化を抑制できる。【００１２】
本発明の一実施の形態にかかる温調システムは、第３冷凍機ユニットと、前記第３冷凍機ユニットによって冷却される第３の流体を通流させる第３流体通流装置と、をさらに備え、前記第３冷凍機ユニットは、第３側圧縮機、第３側凝縮器、第３側膨張弁及び第３側蒸発器が、この順に第３側冷媒を循環させるように接続された第３側冷凍回路を有し、前記第３側蒸発器によって前記第３の流体を冷却するようになっており、前記冷却水通流装置は、前記共通配管から分岐する第３冷却管をさらに有し、前記第３側凝縮器は、前記第３冷却管から流出する前記冷却水により前記第３側冷媒を冷却してもよい。【００１３】
この構成では、第３流体通流装置によって、温度制御パターンのバリエーションを増加させることができる一方で、高温側凝縮器、第２側凝縮器及び第３側凝縮器に対する冷却系統を共通化することで、第３流体通流装置の設置による温調システムの複雑化及び高コスト化を可及的に抑制できる。【００１４】
前記バルブユニットは、
第１流入口に流入する前記第１の流体を通流させて第１流出口から流出させる第１供給流路と、
開状態及び閉状態の切り替えにより、前記第１供給流路における前記第１の流体の通流及び遮断を切り替える第１供給側電磁切替弁と、
前記第１供給流路の前記第１供給側電磁切替弁よりも上流側の部分から分岐し、前記第１供給流路から流入する前記第１の流体を通流させる第１分岐流路と、
開状態及び閉状態の切り替えにより、前記第１分岐流路における前記第１の流体の通流及び遮断を切り替える第１分岐側電磁切替弁と、
第２流入口に流入する前記第２の流体を通流させて第２流出口から流出させる第２供給流路と、
開状態及び閉状態の切り替えにより、前記第２供給流路における前記第２の流体の通流及び遮断を切り替える第２供給側電磁切替弁と、
前記第２供給流路の前記第２供給側電磁切替弁よりも上流側の部分から分岐し、前記第２供給流路から流入する前記第２の流体を通流させる第２分岐流路と、
開状態及び閉状態の切り替えにより、前記第２分岐流路における前記第２の流体の通流及び遮断を切り替える第２分岐側電磁切替弁と、
前記第１流出口から流出して所定領域を経由した後に戻る前記第１の流体又は前記第２流出口から流出して前記所定領域を経由した後に戻る前記第２の流体を受け入れる受け入れ流路と、
前記受け入れ流路から二股に分岐する第１循環流路及び第２循環流路と、
前記第１循環流路の開状態及び閉状態を切り替える第１循環側電磁切替弁と、
前記第２循環流路の開状態及び閉状態を切り替える第２循環側電磁切替弁と、
を有してもよい。【００１５】
この構成では、第１の流体を流出させる状態から第２の流体を流出させる状態、又はその逆を切り替える際、流体の流れの切り替えのための弁が電磁切替弁であるため、電流の供給及び遮断により、第１の流体の供給と第２の流体の供給とが迅速に切り替わる。また、流体の流れの切り替えのための弁が電磁切替弁であるため、比例式電磁弁よりも弁座の口径を大きくすることができ、大流量の液体を適正に開閉できる。また、比例式電磁弁を用いた場合よりも、液体の漏れも抑制することができる。これにより、異なる温度の流体（第１の流体及び第２の流体）を迅速に切り換えて供給できるとともに、供給する流体の温度変動を抑制できる。【００１６】
本発明の一実施の形態にかかる温調システムにおいては、前記中温側冷媒と、前記低温側冷媒とが同じ冷媒であってもよい。【００１７】
本発明では、中温側冷媒が供給された中温側第１蒸発器と、低温側冷媒が供給された低温側蒸発器とで、第１の流体を異なる温度に温度制御することを目的としていないため、中温側冷媒と低温側冷媒とを同じ冷媒にすることができ、これにより、第１の流体を極めて低温まで迅速に冷却できる。一方で、始動時においては、第１の流体が例えば常温であると中温側冷媒及び低温側冷媒の過熱度が過剰に大きくなり、運転に支障が生じ得るが、この問題は、第２冷凍機ユニットによって冷却された第２の流体で温度制御対象を冷却しておき、冷却された温度制御対象に第１の流体を通過させて冷却することで、解消され得る。【００１８】
前記中温側冷凍機は、前記中温側冷凍回路における前記中温側凝縮器の下流側で且つ前記中温側第１膨張弁の上流側の部分から分岐し、前記カスケード用バイパス回路における前記中温側第２蒸発器の下流側の部分に接続され、前記中温側冷凍回路から分岐する前記中温側冷媒を通流させる冷却用流路と、前記冷却用流路に設けられた中温側第３膨張弁と、を有するカスケード冷却用回路をさらに有してもよい。【００１９】
この構成では、カスケード冷却用回路が、中温側第２蒸発器から流出した中温側冷媒に、中温側第３膨張弁で膨張させた低温且つ低圧の中温側冷媒を混入させて、中温側第２蒸発器から流出する中温側冷媒の温度を調節することで、中温側第１蒸発器から流出する中温側冷媒の温度と、中温側第２蒸発器から流出する中温側冷媒の温度とを同等にすることができる。本実施の形態では、中温側第１蒸発器と、中温側第２蒸発器とが互いに異なる流体（第１の流体と低温側冷媒）を冷却するため、中温側第１蒸発器から流出する中温側冷媒の温度と、中温側第２蒸発器から流出する中温側冷媒の温度とが異なる状況が生じ得る。このような状況が生じた際に、中温側第１蒸発器から流出する中温側冷媒の温度と、中温側第２蒸発器から流出する中温側冷媒の温度とを同等にすることで、温度差のある中温側冷媒が混ざり合うことで生じ得る中温側冷凍機に対する負担を軽減できるため、中温側冷凍機の損傷を抑制できる。【００２０】
本発明の一実施の形態にかかる温調システムにおいては、前記低温側冷凍回路における前記低温側凝縮器の下流側で且つ前記低温側膨張弁の上流側の部分と、前記低温側冷凍回路における前記低温側蒸発器の下流側で且つ前記低温側圧縮機の上流側の部分とが、各前記部分を通過する前記低温側冷媒の熱交換を可能とする内部熱交換器を構成してもよい。【００２１】
この構成では、始動時に生じ得る低温側冷媒の過熱度の増大を内部熱交換器によって低減できる。
【発明の効果】
【００２２】
本発明にかかる温調システムによれば、極めて低温までの冷却を容易に且つ安定的に実現でき、さらには極めて低温の温度域を含む温度制御範囲内での温度差の大きい温度制御の切換を迅速に実施することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】一実施の形態にかかる温調システムの概略図である。
【図２】図１の温調システムを構成する中温側冷凍機及び低温側冷凍機の拡大図である。
【図３】図１の温調システムを構成する低温側冷凍機の拡大図である。
【図４】図１の温調システムを構成するバルブユニットの概略図である。
【図５】図１の温調システムの動作を説明する図である。
【図６】図１の温調システムの動作を説明する図である。
【図７】図４のバルブユニットに設けられる弁として用いられ得るパイロットキック式電磁弁の断面図である。
【図８】バルブユニットの変形例を示す概略図である。
【図９】図８に示す変形例にかかるバルブユニットを備える温調システムの動作を説明する図である。
【図１０】図８に示す変形例にかかるバルブユニットを備える温調システムの動作を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
以下に、添付の図面を参照して、本発明の一実施の形態を詳細に説明する。
【００２５】
図１は、本発明の一実施の形態にかかる温調システム１の概略図である。本実施の形態に係る温調システム１は、第１冷凍機ユニット１０と、第２冷凍機ユニット４０と、第３冷凍機ユニット５０と、第１冷凍機ユニット１０によって冷却される第１の流体を通流させる第１流体通流装置２０と、第２冷凍機ユニット４０によって冷却される第２の流体を通流させる第２流体通流装置６０と、第３冷凍機ユニット５０によって冷却される第３の流体を通流させる第３流体通流装置７０と、バルブユニット８０と、制御装置９０と、を備えている。
【００２６】
温調システム１は、第１流体通流装置２０が通流させる第１の流体を第１冷凍機ユニット１０によって冷却し、冷却された第１の流体を第１流体通流装置２０からバルブユニット８０に供給する。また、温調システム１は、第２流体通流装置６０が通流させる第２の流体を第２冷凍機ユニット４０によって冷却し、冷却された第２の流体を第２流体通流装置６０からバルブユニット８０に供給する。ここで、バルブユニット８０は、第１流体通流装置２０から第１の流体を受け入れるとともに、第２流体通流装置６０から第２の流体を受け入れ、第１の流体及び第２の流体のいずれを選択的に流出させるようになっている。
【００２７】
バルブユニット８０から流出する第１の流体又は第２の流体は、温度制御対象Ｔａに供給され、温度制御対象Ｔａの一部を温度制御した後に、バルブユニット８０を介して第１流体通流装置２０又は第２流体通流装置６０に戻る。また、温調システム１は、第３冷凍機ユニット５０によって第３流体通流装置７０が通流させる第３の流体を冷却し、冷却された第３の流体を温度制御対象Ｔａに供給し、温度制御対象Ｔａの他の一部を温度制御する。その後、第３の流体は、第３流体通流装置７０に戻る。
【００２８】
本実施の形態にかかる温調システム１では、第１流体通流装置２０が通流させる第１の流体が、２０℃から−７０℃、好ましく−８０℃までの範囲で温度制御され、第２流体通流装置６０が通流させる第２の流体が、８０℃から−１０℃までの範囲で温度制御され、第３流体通流装置７０が通流させる第３の流体が、１５０℃〜１０℃までの範囲で温度制御される。ただし、温調システム１の冷凍能力や流体を冷却な温度は特に限られるものではない。
【００２９】
また、制御装置９０は、各冷凍機ユニット（１０、４０、５０）、各流体通流装置（２０、６０、７０）及びバルブユニット８０に電気的に接続されており、これら各装置の動作を制御するものである。制御装置９０は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等を含むコンピュータであってもよく、記憶されたコンピュータプログラムに従い各冷凍機ユニット（１０、４０、５０）、各流体通流装置（２０、６０、７０）及びバルブユニット８０の動作を制御してもよい。以下、温調システム１を構成する各部について詳述する。
【００３０】
＜第１冷凍機ユニット＞
第１冷凍機ユニット１０は三元式冷凍装置であり、それぞれヒートポンプ式の冷凍機として構成される高温側冷凍機１００と、中温側冷凍機２００と、低温側冷凍機３００と、を備えている。
【００３１】
高温側冷凍機１００と中温側冷凍機２００との間には第１カスケードコンデンサＣＣ１が構成され、中温側冷凍機２００と低温側冷凍機３００との間には第２カスケードコンデンサＣＣ２が構成される。これにより、第１冷凍機ユニット１０は、高温側冷凍機１００が循環させる高温側冷媒によって中温側冷凍機２００が循環させる中温側冷媒を冷却可能であり、冷却された中温側冷媒によって低温側冷凍機３００が循環させる低温側冷媒を冷却可能である。
【００３２】
（高温側冷凍機）
高温側冷凍機１００は、高温側圧縮機１０１、高温側凝縮器１０２、高温側膨張弁１０３及び高温側蒸発器１０４が、この順に高温側冷媒を循環させるように配管部材（パイプ）によって接続された高温側冷凍回路１１０と、高温側ホットガス回路１２０と、冷却用バイパス回路１３０と、を有している。
【００３３】
高温側冷凍回路１１０では、高温側圧縮機１０１が、高温側蒸発器１０４から流出した基本的には気体の状態の高温側冷媒を圧縮して、昇温及び昇圧させた状態で高温側凝縮器１０２に供給する。高温側凝縮器１０２は、高温側圧縮機１０１で圧縮された高温側冷媒を冷却水によって冷却すると共に凝縮し、所定の温度の高圧の液体の状態にして、高温側膨張弁１０３に供給する。
【００３４】
本実施の形態では、温調システム１が冷却水通流装置２をさらに備えており、冷却水通流装置２が、共通配管２Ａから分岐する第１冷却管２Ｂ、第２冷却管２Ｃ及び第３冷却管２Ｄを有する。このうちの第１冷却管２Ｂが高温側凝縮器１０２に接続され、高温側凝縮器１０２は、第１冷却管２Ｂから流出する冷却水により高温側冷媒を冷却する。冷却水通流装置２が通流させる冷却水は、水でもよいし、その他の冷媒が用いられてもよい。また、後述するが、第２冷却管２Ｃは第２冷凍機ユニット４０の第２側凝縮器４２に接続され、第３冷却管２Ｄは第３冷凍機ユニット５０の第３側凝縮器５２に接続されている。
【００３５】
高温側膨張弁１０３は、高温側凝縮器１０２から供給された高温側冷媒を膨張させることにより減圧させて、膨張前に対して降温及び降圧させた気液混合又は液体の状態の高温側冷媒を高温側蒸発器１０４に供給する。高温側蒸発器１０４は、中温側冷凍機２００の後述する中温側凝縮器２０２と共に第１カスケードコンデンサＣＣ１を構成し、供給された高温側冷媒を、中温側冷凍機２００が循環させる中温側冷媒と熱交換させて中温側冷媒を冷却する。中温側冷媒と熱交換した高温側冷媒は昇温して理想的には気体の状態となり、高温側蒸発器１０４から流出して再び高温側圧縮機１０１で圧縮される。
【００３６】
高温側ホットガス回路１２０は、高温側冷凍回路１１０における高温側圧縮機１０１の下流側で且つ高温側凝縮器１０２の上流側の部分から分岐して、高温側膨張弁１０３の下流側で且つ高温側蒸発器１０４の上流側の部分に接続されるホットガス流路１２１と、ホットガス流路１２１に設けられた流量調節弁１２２と、を有している。
【００３７】
高温側ホットガス回路１２０は、流量調節弁１２２の開閉及び開度調節に応じて、高温側圧縮機１０１から流出した高温側冷媒を高温側膨張弁１０３が膨張させた高温側冷媒に混合させることで、高温側蒸発器１０４の冷凍能力を調節する。すなわち、高温側ホットガス回路１２０は、高温側蒸発器１０４の容量制御のために設けられている。高温側冷凍機１００では、高温側ホットガス回路１２０を設けることで高温側蒸発器１０４の冷凍能力を迅速に調節することが可能となっている。
【００３８】
冷却用バイパス回路１３０は、高温側冷凍回路１１０における高温側凝縮器１０２の下流側で且つ高温側膨張弁１０３の上流側の部分から分岐して、高温側圧縮機１０１に接続される冷却用流路１３１と、冷却用流路１３１に設けられた冷却用膨張弁１３２と、を有している。冷却用バイパス回路１３０は、高温側凝縮器１０２から流出した高温側冷媒を膨張させ、膨張前に対して降温させた高温側冷媒により、高温側圧縮機１０１を冷却することができる。
【００３９】
以上のような高温側冷凍機１００で用いられる高温側冷媒は特に限られるものではないが、温度制御対象に対する目標冷却温度に応じて適宜決められる。本実施の形態では、第１流体通流装置２０が通流させる第１の流体を−７０℃以下、好ましく−８０℃以下まで冷却し、冷却された第１の流体によって温度制御対象を冷却するために、高温側冷媒としてＲ４１０Ａが用いられるが、高温側冷媒の種類は特に限られるものではない。高温側冷媒としては、Ｒ３２、Ｒ１２５、Ｒ１３４ａ、Ｒ４０７Ｃ、ＨＦＯ系、ＣＯ２、アンモニア等が用いられてもよい。また、高温側冷媒は混合冷媒でもよい。また、Ｒ４１０Ａ、Ｒ３２、Ｒ１２５、Ｒ１３４ａ、Ｒ４０７Ｃ、混合冷媒等において、オイルキャリアとして、ｎ−ペンタンが添加された冷媒が用いられてもよい。ｎ−ペンタンが添加された場合には、高温側圧縮機１０１の潤滑のためのオイルを冷媒とともに好適に循環させることができ、高温側圧縮機１０１を安定的に運転させることができる。また、オイルキャリアとして、プロパンが添加されてもよい。
【００４０】
（中温側冷凍機）
中温側冷凍機２００は、中温側圧縮機２０１、中温側凝縮器２０２、中温側第１膨張弁２０３及び中温側第１蒸発器２０４が、この順に中温側冷媒を循環させるように配管部材（パイプ）により接続された中温側冷凍回路２１０と、カスケード用バイパス回路２２０と、中温側ホットガス回路２３０と、カスケード冷却用回路２４０と、を有している。
【００４１】
中温側冷凍回路２１０では、中温側圧縮機２０１が、中温側第１蒸発器２０４から流出した基本的には気体の状態の中温側冷媒を圧縮して、昇温及び昇圧させた状態で中温側凝縮器２０２に供給する。中温側凝縮器２０２は、上述したように高温側冷凍機１００の高温側蒸発器１０４と共に第１カスケードコンデンサＣＣ１を構成しており、供給された中温側冷媒を、第１カスケードコンデンサＣＣ１において高温側冷媒によって冷却すると共に凝縮し、所定の温度の高圧の液体の状態にして、中温側第１膨張弁２０３に供給する。
【００４２】
中温側第１膨張弁２０３は、中温側凝縮器２０２から供給された中温側冷媒を膨張させることにより減圧させて、膨張前に対して降温及び降圧させた気液混合又は液体の状態の中温側冷媒を中温側第１蒸発器２０４に供給する。中温側第１蒸発器２０４は、供給された中温側冷媒を、第１流体通流装置２０が通流させる第１の流体と熱交換させて当該流体を冷却する。第１流体通流装置２０が通流させる第１の流体と熱交換した中温側冷媒は昇温して理想的には気体の状態となり、中温側第１蒸発器２０４から流出して再び中温側圧縮機２０１で圧縮される。
【００４３】
カスケード用バイパス回路２２０は、中温側冷凍回路２１０における中温側凝縮器２０２の下流側で且つ中温側第１膨張弁２０３の上流側の部分から分岐し、中温側第１蒸発器２０４の下流側で且つ中温側圧縮機２０１の上流側の部分に接続され、中温側冷凍回路２１０から分岐する中温側冷媒を通流させる分岐流路２２１と、分岐流路２２１に設けられた中温側第２膨張弁２２３と、分岐流路２２１において中温側第２膨張弁２２３よりも下流側に設けられた中温側第２蒸発器２２４と、を有している。
【００４４】
中温側第２膨張弁２２３は、中温側冷凍回路２１０から分岐した中温側冷媒を膨張させることにより減圧させて、膨張前に対して降温及び降圧させた気液混合又は液体の状態の中温側冷媒を中温側第２蒸発器２２４に供給する。中温側第２蒸発器２２４は、低温側冷凍機３００の後述する低温側凝縮器３０２と共に第２カスケードコンデンサＣＣ２を構成しており、供給された中温側冷媒を、低温側冷凍機３００が循環させる低温側冷媒と熱交換させて低温側冷媒を冷却する。低温側冷媒と熱交換した中温側冷媒は昇温して理想的には気体の状態となり、第２カスケードコンデンサＣＣ２から流出する。そして、第２カスケードコンデンサＣＣ２（中温側第２蒸発器２２４）から流出した中温側冷媒は、中温側第１蒸発器２０４から流出した中温側冷媒と合流し、中温側圧縮機２０１に流入する。
【００４５】
中温側ホットガス回路２３０は、中温側冷凍回路２１０における中温側圧縮機２０１の下流側で且つ中温側凝縮器２０２の上流側の部分から分岐して、カスケード用バイパス回路２２０における中温側第２膨張弁２２３の下流側で且つ中温側第２蒸発器２２４の上流側の部分に接続されるホットガス流路２３１と、ホットガス流路２３１に設けられた流量調節弁２３２と、を有している。
【００４６】
中温側ホットガス回路２３０は、流量調節弁２３２の開閉及び開度調節に応じて、中温側圧縮機２０１から流出した中温側冷媒を中温側第２膨張弁２２３が膨張させた中温側冷媒に混合させることで、第２カスケードコンデンサＣＣ２（中温側第２蒸発器２２４）の冷凍能力を調節する。すなわち、中温側ホットガス回路２３０は、第２カスケードコンデンサＣＣ２の容量制御のために設けられている。中温側冷凍機２００では、中温側ホットガス回路２３０を設けることで第２カスケードコンデンサＣＣ２の冷凍能力を迅速に調節することが可能となっている。
また、中温側ホットガス回路２３０は、中温側圧縮機２０１に吸入される冷媒の圧力を一定に維持する機能も有している。本実施の形態では、中温側第１蒸発器２０４と、中温側第２蒸発器２２４とが互いに異なる流体（第１の流体と低温側冷媒）を冷却するため、中温側第１蒸発器２０４から流出する中温側冷媒の圧力と、中温側第２蒸発器２２４から流出する中温側冷媒の圧力とが異なる状況が生じ得る。このような状況が生じた際に、本実施の形態では、中温側ホットガス回路２３０が、中温側第２膨張弁２２３の下流側で中温側第２蒸発器２２４の上流側の部分を流れる中温側冷媒に高温且つ高圧の中温側冷媒を混入させて、中温側第２蒸発器２２４から流出する中温側冷媒の圧力を調節することができる。これにより、中温側第１蒸発器２０４から流出する中温側冷媒の圧力と、中温側第２蒸発器２２４から流出する中温側冷媒の圧力とを同等にすることが可能となる。これらが同等の圧力になった場合には、中温側圧縮機２０１の上流側で中温側冷媒の状態が乱れることが抑制されるため、温度制御の精度低下が抑制される。
【００４７】
また、カスケード冷却用回路２４０は、中温側冷凍回路２１０における中温側凝縮器２０２の下流側で且つ中温側第１膨張弁２０３の上流側の部分から分岐し、カスケード用バイパス回路２２０における中温側第２蒸発器２２４の下流側の部分に接続され、中温側冷凍回路２１０から分岐する中温側冷媒を通流させる冷却用流路２４１と、冷却用流路２４１に設けられた中温側第３膨張弁２４３と、を有している。
【００４８】
カスケード冷却用回路２４０は、第２カスケードコンデンサＣＣ２を構成する中温側第２蒸発器２２４から流出した中温側冷媒の温度が中温側第１蒸発器２０４から流出した中温側冷媒の温度よりも高い場合に、第２カスケードコンデンサＣＣ２を構成する中温側第２蒸発器２２４から流出した中温側冷媒の温度を下げる機能を有する。本実施の形態では、中温側第１蒸発器２０４と、中温側第２蒸発器２２４とが互いに異なる流体（第１の流体と低温側冷媒）を冷却するため、中温側第１蒸発器２０４から流出する中温側冷媒の温度と、中温側第２蒸発器２２４から流出する中温側冷媒の温度とが異なる状況が生じ得る。このような状況が生じた際に、本実施の形態では、カスケード冷却用回路２４０が、中温側第２蒸発器２２４から流出した中温側冷媒に、中温側第３膨張弁２４３で膨張させた低温且つ低圧の中温側冷媒を混入させて、中温側第２蒸発器２２４から流出する中温側冷媒の温度を調節することができる。これにより、中温側第１蒸発器２０４から流出する中温側冷媒の温度と、中温側第２蒸発器２２４から流出する中温側冷媒の温度とを同等にすることが可能となる。これらが同等の温度になった場合には、温度差の大きい中温側冷媒が混ざり合うことで生じ得る中温側冷凍機２００に対する負担が軽減されることで、中温側冷凍機２００の損傷が抑制される。
【００４９】
以上のような中温側冷凍機２００で用いられる中温側冷媒は特に限られるものではないが、高温側冷媒の場合と同様に、温度制御対象に対する目標冷却温度に応じて適宜決められる。本実施の形態では、第１流体通流装置２０が通流させる第１の流体を−７０℃以下、好ましく−８０℃以下まで冷却するために、中温側冷媒としてＲ２３が用いられるが、中温側冷媒の種類は特に限られるものではない。
【００５０】
（低温側冷凍機）
低温側冷凍機３００は、低温側圧縮機３０１、低温側凝縮器３０２、低温側膨張弁３０３及び低温側蒸発器３０４が、この順に低温側冷媒を循環させるように配管部材（パイプ）により接続された低温側冷凍回路３１０と、低温側ホットガス回路３２０と、を有している。
【００５１】
低温側冷凍回路３１０では、低温側圧縮機３０１が、低温側蒸発器３０４から流出した基本的には気体の状態の低温側冷媒を圧縮して、昇温及び昇圧させた状態で低温側凝縮器３０２に供給する。低温側凝縮器３０２は、上述したように中温側冷凍機２００の中温側第２蒸発器２２４と共に第２カスケードコンデンサＣＣ２を構成しており、供給された低温側冷媒を、第２カスケードコンデンサＣＣ２において中温側冷媒によって冷却すると共に凝縮し、所定の温度の高圧の液体の状態にして、低温側膨張弁３０３に供給する。
【００５２】
低温側膨張弁３０３は、低温側凝縮器３０２から供給された低温側冷媒を膨張させることにより減圧させて、膨張前に対して降温及び降圧させた気液混合又は液体の状態の低温側冷媒を低温側蒸発器３０４に供給する。低温側蒸発器３０４は、供給された低温側冷媒を、第１流体通流装置２０が通流させる第１の流体と熱交換させて当該流体を冷却する。第１流体通流装置２０が通流させる第１の流体と熱交換した低温側冷媒は昇温して理想的には気体の状態となり、低温側蒸発器３０４から流出して再び低温側圧縮機３０１で圧縮される。
【００５３】
低温側ホットガス回路３２０は、低温側冷凍回路３１０における低温側圧縮機３０１の下流側で且つ低温側凝縮器３０２の上流側の部分から分岐して、低温側膨張弁３０３の下流側で且つ低温側蒸発器３０４の上流側の部分に接続されるホットガス流路３２１と、ホットガス流路３２１に設けられた流量調節弁３２２と、を有している。
【００５４】
低温側ホットガス回路３２０は、流量調節弁３２２の開閉及び開度調節に応じて、低温側圧縮機３０１から流出した低温側冷媒を低温側膨張弁３０３が膨張させた低温側冷媒に混合させることで、低温側蒸発器３０４の冷凍能力を調節する。すなわち、低温側ホットガス回路３２０は、低温側蒸発器３０４の容量制御のために設けられている。低温側冷凍機３００では、低温側ホットガス回路３２０を設けることで低温側蒸発器３０４の冷凍能力を迅速に調節することが可能となっている。
【００５５】
また、低温側冷凍機３００では、低温側冷凍回路３１０における低温側凝縮器３０２の下流側で且つ低温側膨張弁３０３の上流側の第１部分３１１と、低温側冷凍回路３１０における低温側蒸発器３０４の下流側で且つ低温側圧縮機３０１の上流側の第２部分３１２とが、各部分３１１，３１２を通過する低温側冷媒同士の熱交換を可能とする内部熱交換器ＩＥを構成している。
【００５６】
内部熱交換器ＩＥにおいては、低温側凝縮器３０２から流出し、低温側膨張弁３０３に流入する前の低温側冷媒と、低温側蒸発器３０４から流出し、低温側圧縮機３０１に流入する前の低温側冷媒とが互いに熱交換する。これにより、低温側凝縮器３０２から流出した低温側冷媒を低温側膨張弁３０３に流入する前に冷却することができ、低温側蒸発器３０４から流出した低温側冷媒を低温側圧縮機３０１に流入する前に加熱することができる。その結果、低温側蒸発器３０４の冷凍能力を簡易的に高くすることができ、且つ低温側圧縮機３０１の耐久性能（耐冷性能）の確保に対する負担を軽減できる。
【００５７】
以上のような低温側冷凍機３００で用いられる低温側冷媒は特に限られるものではないが、高温側冷媒及び中温側冷媒の場合と同様に、温度制御対象に対する目標冷却温度に応じて適宜決められる。本実施の形態では、第１流体通流装置２０が通流させる第１の流体を−７０℃以下、好ましく−８０℃以下まで冷却するために、低温側冷媒としてＲ２３が用いられるが、低温側冷媒の種類は特に限られるものではない。
【００５８】
ここで、本実施の形態における中温側冷凍機２００及び低温側冷凍機３００は共に、Ｒ２３を用いるが、中温側冷凍機２００及び低温側冷凍機３００では互いに異なる冷媒が用いられてもよい。また、極めて低温の冷却を実現する場合、中温側冷凍機２００及び低温側冷凍機３００の少なくともいずれかにおいて、Ｒ２３に代えて、Ｒ１１３２ａが用いられてもよい。Ｒ１１３２ａは、その沸点が約−８３℃以下であり、−７０℃以下まで降温可能であるため、極めて低温の冷却を行う際に好適に用いられ得る。しかも、Ｒ１１３２ａの地球温暖化係数（ＧＷＰ）は極めて低いため、環境に優しいに装置を構成することができる。
【００５９】
また、中温側冷凍機２００及び低温側冷凍機３００の少なくともいずれかにおいて、Ｒ２３とその他の冷媒とを含む混合冷媒や、Ｒ１１３２ａとその他の冷媒とを含む混合冷媒が用いられてもよい。
例えば、中温側冷凍機２００及び低温側冷凍機３００の少なくともいずれかにおいては、Ｒ１１３２ａと、ＣＯ２（Ｒ７４４）とを混合させた混合冷媒が用いられてもよい。この場合、極めて低温の冷却と地球温暖化係数の抑制を実現しつつ、取り扱いも容易になり得る。
また、中温側冷凍機２００及び低温側冷凍機３００の少なくともいずれかにおいて、Ｒ１１３２ａと、Ｒ７４４と、Ｒ２３とを混合させた混合冷媒が用いられてもよい。
【００６０】
また、中温側冷凍機２００及び低温側冷凍機３００の少なくともいずれかにおいては、例えば、Ｒ２３、Ｒ１１３２ａ、又はこれらの少なくともいずれかを含む混合冷媒に、ｎ−ペンタンが添加された冷媒が用いられてもよい。ｎ−ペンタンはオイルキャリアとして機能するため、添加された場合には、圧縮機２０１，３０１の潤滑のためのオイルを冷媒とともに好適に循環させることができ、圧縮機２０１，３０１を安定的に運転させることができる。また、オイルキャリアとして、プロパンが添加されてもよい。
【００６１】
また、以上に説明した第１冷凍機ユニット１０は、上述したように、中温側第１蒸発器２０４に供給された中温側冷媒により、第１流体通流装置２０が通流させる第１の流体と熱交換させて当該流体を冷却するとともに、低温側蒸発器３０４に供給された低温側冷媒により、第１流体通流装置２０が通流させる第１の流体と熱交換させて当該流体を冷却する。この際、第１冷凍機ユニット１０は、中温側第１膨張弁２０３及び中温側第２膨張弁２２３の両方を開状態として、第１の流体を、中温側冷凍機２００の中温側第１蒸発器２０４によって冷却した後、低温側冷凍機３００の低温側蒸発器３０４によって冷却するようになっている。このときの中温側第１膨張弁２０３及び中温側第２膨張弁２２３の開度は、中温側第１蒸発器２０４で出力される冷凍能力が、少なくとも２ｋＷ以上となり、低温側蒸発器３０４で出力される冷凍能力が、少なくとも２ｋＷ以上、本例では１１ｋＷ以上となるように設定される。
【００６２】
＜第２冷凍機ユニット＞
第２冷凍機ユニット４０は、第２側圧縮機４１、第２側凝縮器４２、第２側膨張弁４３及び第２側蒸発器４４が、この順に第２側冷媒を循環させるように接続された第２側冷凍回路４５を有し、第２流体通流装置６０が通流させる第２の流体を第２側蒸発器４４によって冷却するようになっている。
【００６３】
第２側冷凍回路４５では、第２側圧縮機４１が、第２側蒸発器４４から流出した基本的には気体の状態の第２側冷媒を圧縮して、昇温及び昇圧させた状態で第２側凝縮器４２に供給する。第２側凝縮器４２は、第２側圧縮機４１で圧縮された第２側冷媒を冷却水によって冷却すると共に凝縮し、所定の温度の高圧の液体の状態にして、第２側膨張弁４３に供給する。ここで、第２側凝縮器４２は冷却水通流装置２の第２冷却管２Ｃと接続しており、第２冷却管２Ｃから流出する冷却水により第２側冷媒を冷却する。
【００６４】
第２側膨張弁４３は、第２側凝縮器４２から供給された第２側冷媒を膨張させることにより減圧させて、膨張前に対して降温及び降圧させた気液混合又は液体の状態の第２側冷媒を第２側蒸発器４４に供給する。第２側蒸発器４４は、供給された第２側冷媒を、第２流体通流装置６０が通流させる第２の流体と熱交換させて当該流体を冷却する。第２流体通流装置６０が通流させる第２の流体と熱交換した第２側冷媒は昇温して理想的には気体の状態となり、第２側蒸発器４４から流出して再び第２側圧縮機４１で圧縮される。
【００６５】
以上のような第２冷凍機ユニット４０における第２側冷凍回路４５で用いられる第２側冷媒は特に限られるものではないが、沸点が、第１冷凍機ユニット１０の低温側冷凍機３００で使用する低温側冷媒の沸点よりも高いものの中から選択される。また、第２側冷媒の選択の際には、温度制御対象に対する目標冷却温度も考慮する。本実施の形態では、第２流体通流装置６０が通流させる第２の流体を−１０℃まで冷却することを想定しているため、第２側冷媒としてＲ４１０Ａが用いられるが、第２側冷媒の種類は特に限られるものではない。なお、Ｒ４１０Ａの沸点は、約−５２℃であり、Ｒ２３の沸点は、約−８２℃である。
【００６６】
＜第３冷凍機ユニット＞
第３冷凍機ユニット５０は、第３側圧縮機５１、第３側凝縮器５２、第３側膨張弁５３及び第３側蒸発器５４が、この順に第３側冷媒を循環させるように接続された第３側冷凍回路５５を有し、第３流体通流装置７０が通流させる第３の流体を第３側蒸発器５４によって冷却するようになっている。
【００６７】
第３側冷凍回路５５では、第３側圧縮機５１が、第３側蒸発器５４から流出した基本的には気体の状態の第３側冷媒を圧縮して、昇温及び昇圧させた状態で第３側凝縮器５２に供給する。第３側凝縮器５２は、第３側圧縮機５１で圧縮された第３側冷媒を冷却水によって冷却すると共に凝縮し、所定の温度の高圧の液体の状態にして、第３側膨張弁５３に供給する。ここで、第３側凝縮器５２は冷却水通流装置２の第３冷却管２Ｄと接続しており、第３冷却管２Ｄから流出する冷却水により第３側冷媒を冷却する。
【００６８】
第３側膨張弁５３は、第３側凝縮器５２から供給された第３側冷媒を膨張させることにより減圧させて、膨張前に対して降温及び降圧させた気液混合又は液体の状態の第３側冷媒を第３側蒸発器５４に供給する。第３側蒸発器５４は、供給された第３側冷媒を、第３流体通流装置７０が通流させる第３の流体と熱交換させて当該流体を冷却する。第３流体通流装置７０が通流させる第３の流体と熱交換した第３側冷媒は昇温して理想的には気体の状態となり、第３側蒸発器５４から流出して再び第３側圧縮機５１で圧縮される。
【００６９】
以上のような第３冷凍機ユニット５０における第３側冷凍回路５５で用いられる第３側冷媒は特に限られるものではなく、温度制御対象に対する目標冷却温度に応じて適宜決められる。本実施の形態では、第３側冷媒としてＲ４１０Ａが用いられるが、第３側冷媒の種類は特に限られるものではない。
【００７０】
＜第１流体通流装置＞
次に第１流体通流装置２０は、第１の流体が通流する第１側流体流路２１と、第１側流体流路２１で第１の流体を通流させるための駆動力を付与する第１側ポンプ２２と、を有している。本実施の形態における第１側流体流路２１は、上流口２１Ｕと下流口２１Ｄとの間の中間部分を、中温側冷凍機２００の中温側第１蒸発器２０４に接続するとともに低温側冷凍機３００の低温側蒸発器３０４に接続し、さらには上流口２１Ｕと下流口２１Ｄとをバルブユニット８０に接続している。
【００７１】
第１側ポンプ２２から流出した第１の流体は、中温側第１蒸発器２０４において中温側冷媒によって冷却された後、低温側蒸発器３０４において低温側冷媒によって冷却される。その後、第１の流体はバルブユニット８０に流入する。バルブユニット８０は、受け入れた第１の流体を温度制御対象Ｔａ側に供給した後に第１側流体流路２１に戻す状態と、第１の流体を温度制御対象Ｔａ側に供給せずに第１側流体流路２１に戻す状態とを切り替えるようになっている。第１流体通流装置２０が通流させる第１の流体は特に限られるものではないが、本実施の形態では、超低温用のブラインが用いられる。
【００７２】
＜第２流体通流装置＞
第２流体通流装置６０は、第２の流体が通流する第２側流体流路６１と、第２側流体流路６１で第２の流体を通流させるための駆動力を付与する第２側ポンプ６２と、を有している。本実施の形態における第２側流体流路６１は、上流口６１Ｕと下流口６１Ｄとの間の中間部分を第２冷凍機ユニット４０の第２側蒸発器４４に接続するとともに、上流口６１Ｕと下流口６１Ｄをバルブユニット８０に接続している。
【００７３】
第２側ポンプ６２から流出した第２の流体は、第２側蒸発器４４において第２側冷媒によって冷却された後、バルブユニット８０に流入する。バルブユニット８０は、受け入れた第２の流体を温度制御対象Ｔａ側に供給した後に第２側流体流路６１に戻す状態と、第２の流体を温度制御対象Ｔａ側に供給せずに第２側流体流路６１に戻す状態とを切り替えるようになっている。第２流体通流装置６０が通流させる第２の流体は特に限られるものではないが、本実施の形態では、第１流体通流装置２０が通流させる第１の流体と同一の超低温用のブラインが用いられる。ただし、第１の流体として用いられるブラインに混入されても支障がないのであれば、第２の流体として用いられるブラインは、第１の流体を構成するブラインと異なっていてもよい。
【００７４】
＜第３流体通流装置＞
第３流体通流装置７０は、第３の流体が通流する第３側流体流路７１と、第３側流体流路７１で第３の流体を通流させるための駆動力を付与する第３側ポンプ７２と、を有している。本実施の形態における第３側流体流路７１は、その中間部分で第３冷凍機ユニット５０の第３側蒸発器５４に接続され、下流側端部で温度制御対象Ｔａに接続されるとともに上流側端部で温度制御対象Ｔａに接続されている。
【００７５】
第３側ポンプ７２から流出した第３の流体は、第３側蒸発器５４において第３側冷媒によって冷却された後、温度制御対象Ｔａに流入し、その後、第３側流体流路７１に戻る。第３流体通流装置７０が通流させる第３の流体は特に限られるものではないが、本実施の形態では、超低温用ではなく、１５０℃〜１０℃までの範囲で支障無く流動するブラインが用いられる。
【００７６】
＜バルブユニット＞
次に図４を参照しつつバルブユニット８０について説明する。図４には、第１流体通流装置２０及び第２流体通流装置６０も概略的に示されている。
【００７７】
バルブユニット８０は、第１流体通流装置２０の第１側流体流路２１の上流口２１Ｕ及び下流口２１Ｄに流体的に接続されるとともに、第２流体通流装置６０の第２側流体流路６１の上流口６１Ｕ及び下流口６１Ｄに流体的に接続されており、第１側流体流路２１の下流口２１Ｄから第１の流体を供給され、第２側流体流路６１の下流口６１Ｄから第２の流体を供給される。そして、バルブユニット８０は、第１の流体を温度制御対象Ｔａに流出させた後に上流口２１Ｕに戻し且つ第２の流体を温度制御対象Ｔａに流出させずに上流口６１Ｕに戻す状態と、第１の流体を温度制御対象Ｔａに流出させずに上流口２１Ｕに戻し且つ第２の流体を温度制御対象Ｔａに流出させた後に上流口６１Ｕに戻す状態とを切り替えるように構成されている。
【００７８】
バルブユニット８０と温度制御対象Ｔａとは、供給側中継流路９０１及びリターン側中継流路９０２を介してバルブユニット８０に流体的に接続されており、バルブユニット８０が第１の流体又は第２の流体を温度制御対象Ｔａに供給する場合、温度制御対象Ｔａを通過した第１の流体又は第２の流体は、リターン側中継流路９０２を介してバルブユニット８０に戻る。一方、第１の流体又は第２の流体を温度制御対象Ｔａに供給しない場合、第１の流体又は第２の流体は、バルブユニット８０内で方向転換されて第１側流体流路２１又は第２側流体流路６１に戻る。
【００７９】
バルブユニット８０は、第１供給流路８３１と、第１供給側電磁切替弁８４１と、第１分岐流路８５１と、第１分岐側電磁切替弁８６１と、第２供給流路８３２と、第２供給側電磁切替弁８４２と、第２分岐流路８５２と、第２分岐側電磁切替弁８６２と、受け入れ流路８７０と、第１循環流路８７１と、第２循環流路８７２と、第１循環側電磁切替弁８８１と、第２循環側電磁切替弁８８２と、を備えている。なお、本明細書において用いる「切替弁」と言う用語は、切替二方弁のことを意味する。
【００８０】
第１供給流路８３１は、第１流入口８３１Ａと第１流出口８３１Ｂとを有し、第１流入口８３１Ａに流入する第１の流体を通流させて第１流出口８３１Ｂから流出させるように構成されている。本実施の形態では、第１流入口８３１Ａに第１側流体流路２１の下流口２１Ｄが直接的に接続されている。したがって、第１流入口８３１Ａは、第１側流体流路２１が接続される前の状態では外部に開口するようになっている。
【００８１】
第１供給側電磁切替弁８４１は、第１供給流路８３１に設けられ、開状態及び閉状態の切り替えにより、第１供給流路８３１における第１の流体の通流及び遮断を切り替えるように構成されている。第１供給側電磁切替弁８４１はソレノイドを有し、ソレノイドに対する電流の印加による励磁及び非励磁を切り替えることで、開状態及び閉状態の切り替えを行うようになっている。
【００８２】
また、第１供給流路８３１には、第１供給側電磁切替弁８４１よりも下流側に配置される第１逆止弁８９１が設けられる。第１逆止弁８９１は、第１流出口８３１Ｂから第１供給側電磁切替弁８４１に向けた第１の流体の通流を抑制するようになっている。
【００８３】
第１分岐流路８５１は、第１供給流路８３１の第１供給側電磁切替弁８４１よりも上流側の部分から分岐し、第１供給流路８３１から流入する第１の流体を通流させように構成されている。
【００８４】
第１分岐側電磁切替弁８６１は、第１分岐流路８５１に設けられ、開状態及び閉状態の切り替えにより、第１分岐流路８５１における第１の流体の通流及び遮断を切り替えるように構成されている。第１分岐側電磁切替弁８６１はソレノイドを有し、ソレノイドに対する電流の印加による励磁及び非励磁を切り替えることで、開状態及び閉状態の切り替えを行うようになっている。
【００８５】
第２供給流路８３２は、第２流入口８３２Ａと第２流出口８３２Ｂとを有し、第２流入口８３２Ａに流入する第２の流体を通流させて第２流出口８３２Ｂから流出させるように構成されている。本実施の形態では、第２流入口８３２Ａに第２側流体流路６１の下流口６１Ｄが直接的に接続されている。したがって、第２流入口８３２Ａは、第２側流体流路６１が接続される前の状態では外部に開口するようになっている。
【００８６】
第２供給側電磁切替弁８４２は、第２供給流路８３２に設けられ、開状態及び閉状態の切り替えにより、第２供給流路８３２における第２の流体の通流及び遮断を切り替えるように構成されている。第２供給側電磁切替弁８４２はソレノイドを有し、ソレノイドに対する電流の印加による励磁及び非励磁を切り替えることで、開状態及び閉状態の切り替えを行うようになっている。
【００８７】
また、第２供給流路８３２には、第２供給側電磁切替弁８４２よりも下流側に配置される第２逆止弁８９２が設けられる。第２逆止弁８９２は、第２流出口８３２Ｂから第２供給側電磁切替弁８４２に向けた第２の流体の通流を抑制するようになっている。
【００８８】
ここで、本実施の形態におけるバルブユニット８０は、第１供給流路８３１の第１流出口８３１Ｂ及び第２供給流路８３２の第２流出口８３２Ｂと接続する接続口８９６Ａと、供給側中継流路９０１に直接的に接続される端口８９６Ｂとを有する供給側共通流路８９６をさらに備えている。
【００８９】
供給側共通流路８９６の端口８９６Ｂは、供給側中継流路９０１が接続される前の状態では外部に開口するようになっている。本実施の形態では、供給側共通流路８９６が設けられることで、第１側流体流路２１からの第１の流体又は第２側流体流路６１からの第２の流体が、共通の出口となる供給側共通流路８９６の端口８９６Ｂから供給側中継流路９０１に供給されることになる。
【００９０】
第２分岐流路８５２は、第２供給流路８３２の第２供給側電磁切替弁８４２よりも上流側の部分から分岐し、第２供給流路８３２から流入する第２の流体を通流させように構成されている。
【００９１】
第２分岐側電磁切替弁８６２は、第２分岐流路８５２に設けられ、開状態及び閉状態の切り替えにより、第２分岐流路８５２における第２の流体の通流及び遮断を切り替えるように構成されている。第２分岐側電磁切替弁８６２はソレノイドを有し、ソレノイドに対する電流の印加による励磁及び非励磁を切り替えることで、開状態及び閉状態の切り替えを行うようになっている。
【００９２】
受け入れ流路８７０は、第１流出口８３１Ｂから流出して温度制御対象Ｔａを経由した後にバルブユニット８０側に戻る第１の流体又は第２流出口８３２Ｂから流出して温度制御対象Ｔａを経由した後にバルブユニット８０側に戻る第２の流体を、リターン側中継流路９０２を介して受け入れるように構成されている。受け入れ流路８７０の上流口はリターン側中継流路９０２に直接的に接続されており、リターン側中継流路９０２が接続される前の状態では外部に開口するようになっている。
【００９３】
受け入れ流路８７０の下流口からは第１循環流路８７１と第２循環流路８７２が二股に分岐し、第１循環流路８７１と第２循環流路８７２は、受け入れ流路８７０の下流口から流出する流体を通流させることが可能となっている。
【００９４】
第１循環側電磁切替弁８８１は第１循環流路８７１に設けられ、第１循環流路８７１の開状態及び閉状態を切り替えるように構成されている。第１循環側電磁切替弁８８１はソレノイドを有し、ソレノイドに対する電流の印加による励磁及び非励磁を切り替えることで、開状態及び閉状態の切り替えを行うようになっている。
【００９５】
第２循環側電磁切替弁８８２は第２循環流路８７２に設けられ、第２循環流路８７２の開状態及び閉状態を切り替えるように構成されている。第２循環側電磁切替弁８８２はソレノイドを有し、ソレノイドに対する電流の印加による励磁及び非励磁を切り替えることで、開状態及び閉状態の切り替えを行うようになっている。
【００９６】
ここで、本実施の形態におけるバルブユニット８０は、第１分岐流路８５１の下流口及び第１循環流路８７１の下流口と接続する接続口８９７Ａと、第１側流体流路２１の上流口２１Ｕに直接的に接続される端口８９７Ｂとを有する第１排出側共通流路８９７をさらに備えている。また、バルブユニット８０は、第２分岐流路８５２の下流口及び第２循環流路８７２の下流口と接続する接続口８９８Ａと、第２側流体流路６１の上流口６１Ｕに直接的に接続される端口８９８Ｂとを有する第２排出側共通流路８９８をさらに備えている。
【００９７】
第１排出側共通流路８９７の端口８９７Ｂは、第１側流体流路２１が接続される前の状態では外部に開口するようになっており、第２排出側共通流路８９８の端口８９８Ｂは、第２側流体流路６１が接続される前の状態では外部に開口するようになっている。
【００９８】
また、上述のようなバルブユニット８０において、第１供給側電磁切替弁８４１、第２供給側電磁切替弁８４２、第１分岐側電磁切替弁８６１、第２分岐側電磁切替弁８６２、第１循環側電磁切替弁８８１及び第２循環側電磁切替弁８８２はそれぞれ、同じサイズで且つ同じ構造のパイロット式電磁切替弁、より詳しくはパイロットキック式電磁切替弁で構成されている。
【００９９】
図７は、バルブユニット８０における上記各弁として用いられ得るパイロットキック式電磁切替弁の断面図である。図７に示すパイロットキック式電磁切替弁は、流入ポート１００１、流出ポート１００２、及びこれらの間に形成される弁座１００３を有する弁ボディ１０００４と、弁座１００３に離接可能に配置される弁体１００５と、弁体１００５を弁座１００３から離接させるソレノイド駆動部１０１０と、を備えている。
【０１００】
ソレノイド駆動部１０１０は、軸状の可動鉄心１０１１と、可動鉄心１０１１と同軸上に並ぶ軸状の固定鉄心１０１２と、可動鉄心１０１１及び固定鉄心１０１２の周囲に配置されるコイル１０１３と、可動鉄心１０１１と固定鉄心１０１２との間に設けられ、可動鉄心１０１１に対して弁座１００３側に向けた弾性力を付与する第１スプリング１０１４と、可動鉄心１０１１と弁体１００５とを連結し、弁座１００３に接した状態の弁体１００５に対して可動鉄心１０１１側に向けた弾性力を付与する第２スプリング１０１５と、を備える。弁体１００５には開口１００５Ａが形成されており、コイル１０１３が非励磁状態のとき、可動鉄心１０１１は、第１スプリング１０１４の弾性力によって開口１００５Ａをその先端で閉じている。コイル１０１３に電流が供給されて励磁状態となったときは、可動鉄心１０１１が固定鉄心１０１２側に移動し、開口１００５Ａが開かれる。
【０１０１】
このようなパイロットキック式電磁切替弁では、閉状態から開状態に移行する際に、コイル１０１３に電流が供給されて励磁状態となる。この際、まず、開口１００５Ａから流体が下流側に流れる。その後、下流側に流体が流れるに従い、弁体１００５が弁座１００３から離れて、流体が弁座１００３から下流側に流れる。パイロットキック式電磁切替弁は、段階的な開動作によって弁座１００３の口径（流路面積）を大きく確保できるため、例えば２０Ｌ／ｍｉｎ以上などの大流量の流体の切り替えに適している。
【０１０２】
なお、大流量時に流速を低下させることなく下流側に流すことが可能であれば、第１供給側電磁切替弁８４１、第２供給側電磁切替弁８４２、第１分岐側電磁切替弁８６１、第２分岐側電磁切替弁８６２、第１循環側電磁切替弁８８１及び第２循環側電磁切替弁８８２は直動式の電磁切替弁で構成されてもよい。流量が大きくない場合には、コスト面を考慮すると、直動式の電磁切替弁が用いられることが好ましい。また、パイロットキック式ではないパイロット式電磁弁が採用されてもよい。
【０１０３】
また、本実施の形態では、第１供給側電磁切替弁８４１、第２供給側電磁切替弁８４２、第１分岐側電磁切替弁８６１、第２分岐側電磁切替弁８６２、第１循環側電磁切替弁８８１及び第２循環側電磁切替弁８８２がパイロットキック式電磁切替弁である。しかしながら、例えば第１供給側電磁切替弁８４１及び第２供給側電磁切替弁８４２がパイロットキック式電磁切替弁であり、その他は、直動式の電磁切替弁であってもよい。
【０１０４】
また、本実施の形態では、第１の流体が−７０℃以下に温度制御されるため、各電磁弁の材質は低温に充分に耐え得るものを使用することが望ましい。具体的には、弁ボディや、弁体は、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）で形成することが好ましい。弁ボディはブラスで形成してもよい。また、可動鉄心、固定鉄心、スプリング等はステンレス鋼から形成してもよい。
【０１０５】
＜動作＞
次に、温調システム１の動作の一例を説明する。
【０１０６】
温調システム１を動作させる際には、まず、制御装置９０の指令により、第１冷凍機ユニット１０における高温側冷凍機１００の高温側圧縮機１０１、中温側冷凍機２００の中温側圧縮機２０１、低温側冷凍機３００の低温側圧縮機３０１が駆動され、第２冷凍機ユニット４０における第２側圧縮機４１が駆動され、第３冷凍機ユニット５０における第３側圧縮機５１が駆動される。また、制御装置９０の指令により、第１流体通流装置２０の第１側ポンプ２２、第２流体通流装置６０の第２側ポンプ６２及び第３流体通流装置７０の第３側ポンプ７２が駆動される。
【０１０７】
これにより、高温側冷凍機１００において高温側冷媒が循環し、中温側冷凍機２００において中温側冷媒が循環し、低温側冷凍機３００において低温側冷媒が循環する。第２冷凍機ユニット４０において第２側冷媒が循環し、第３冷凍機ユニット５０において第３側冷媒が循環する。また、第１流体通流装置２０において第１の液体が通流し、第２流体通流装置６０において第２の流体が通流し、第３流体通流装置７０において第３の流体が通流する。
【０１０８】
制御装置９０は、冷却の動作の際、高温側冷凍機１００における高温側膨張弁１０３、流量調節弁１２２及び冷却用膨張弁１３２、中温側冷凍機２００における中温側第１膨張弁２０３、中温側第２膨張弁２２３、流量調節弁２３２及び中温側第３膨張弁２４３、低温側冷凍機３００における低温側膨張弁３０３及び流量調節弁３２２の開度を適宜調節することができる。同様に、第２側膨張弁４３や第３側膨張弁５３の開度も調節され得る。なお、上記各弁は、本実施の形態において、外部信号に基づいて開度を調節可能な電子膨張弁である。
【０１０９】
第１冷凍機ユニット１０では、高温側冷凍機１００において、高温側圧縮機１０１が圧縮させた高温側冷媒が高温側凝縮器１０２で凝縮されて、高温側膨張弁１０３に供給される。高温側膨張弁１０３は、高温側凝縮器１０２が凝縮した高温側冷媒を膨張させて降温し、高温側蒸発器１０４に供給する。高温側蒸発器１０４は、上述したように中温側冷凍機２００の中温側凝縮器２０２と共に第１カスケードコンデンサＣＣ１を構成しており、供給された高温側冷媒を、中温側冷凍機２００が循環させる中温側冷媒と熱交換させて中温側冷媒を冷却する。
【０１１０】
中温側冷凍機２００では、中温側圧縮機２０１が圧縮させた中温側冷媒が第１カスケードコンデンサＣＣ１において凝縮されて、図２に示される分岐点ＢＰにおいて分岐して、矢印に示すように、中温側第１膨張弁２０３と、中温側第２膨張弁２２３とに送られる。第１の流体を極めて低温まで冷却する際には、中温側第１膨張弁２０３と中温側第２膨張弁２２３とがともに開かれる。中温側第１膨張弁２０３は、第１カスケードコンデンサＣＣ１が凝縮した中温側冷媒を膨張させて降温し、中温側第１蒸発器２０４に供給する。一方、中温側第２膨張弁２２３は、第１カスケードコンデンサＣＣ１が凝縮した中温側冷媒を膨張させて降温し、中温側第２蒸発器２２４に供給する。
【０１１１】
そして、中温側第１蒸発器２０４は、中温側冷媒によって、第１流体通流装置２０が通流させる第１の流体を冷却する。中温側第２蒸発器２２４は、上述したように低温側冷凍機３００の低温側凝縮器３０２と共に第２カスケードコンデンサＣＣ２を構成しており、供給された中温側冷媒を、低温側冷凍機３００が循環させる低温側冷媒と熱交換させて低温側冷媒を冷却する。
【０１１２】
低温側冷凍機３００では、低温側圧縮機３０１が圧縮させた低温側冷媒が第２カスケードコンデンサＣＣ２において凝縮されて、図３に示されるように内部熱交換器ＩＥを経て低温側膨張弁３０３に送られる。低温側膨張弁３０３は、内部熱交換器ＩＥを通過した低温側冷媒を膨張させて降温し、低温側蒸発器３０４に供給する。そして、低温側蒸発器３０４は、低温側冷媒によって、第１流体通流装置２０が通流させる第１の流体を冷却する。そして、中温側第１蒸発器２０４によって冷却された後、低温側蒸発器３０４によって冷却された第１の流体は、バルブユニット８０に流入する。
【０１１３】
また、内部熱交換器ＩＥにおいては、低温側凝縮器３０２から流出し、低温側膨張弁３０３に流入する前の低温側冷媒と、低温側蒸発器３０４から流出し、低温側圧縮機３０１に流入する前の低温側冷媒とが互いに熱交換する。これにより、低温側凝縮器３０２から流出した低温側冷媒に過冷却度が付与され得る。
【０１１４】
第２冷凍機ユニット４０では、第２側冷凍回路４５において、第２側圧縮機４１が圧縮させた第２側冷媒が第２側凝縮器４２で凝縮されて、第２側膨張弁４３に供給される。第２側膨張弁４３は、第２側凝縮器４２が凝縮した第２側冷媒を膨張させて降温し、第２側蒸発器４４に供給する。第２側蒸発器４４は、供給された第２側冷媒によって、第２流体通流装置６０が通流させる第２の流体を冷却する。そして、第２側蒸発器４４によって冷却された第２の流体は、バルブユニット８０に流入する。
【０１１５】
また、第３冷凍機ユニット５０では、第３側冷凍回路５５において、第３側圧縮機５１が圧縮させた第３側冷媒が第３側凝縮器５２で凝縮されて、第３側膨張弁５３に供給される。第３側膨張弁５３は、第３側凝縮器５２が凝縮した第３側冷媒を膨張させて降温し、第３側蒸発器５４に供給する。第３側蒸発器５４は、供給された第３側冷媒によって、第３流体通流装置７０が通流させる第３の流体を冷却する。そして、第３側蒸発器５４によって冷却された第３の流体は、温度制御対象Ｔａに流入し、温度制御対象Ｔａを温度制御した後、第３流体通流装置７０に戻る。
【０１１６】
一方で、バルブユニット８０に流入する第１の流体及び第２の流体は選択的に温度制御対象Ｔａに供給される。バルブユニット８０に含まれる各弁の開閉は、制御装置９０からの制御信号によって制御される。
【０１１７】
温度制御対象Ｔａに第１の流体を供給する際には、第１供給側電磁切替弁８４１及び第１循環側電磁切替弁８８１が開状態となるとともに、第１分岐側電磁切替弁８６１が閉状態となる。また第２供給側電磁切替弁８４２及び第２循環側電磁切替弁８８２が閉状態となるとともに、第２分岐側電磁切替弁８６２が開状態となる。
【０１１８】
この際、図５に示すように、第１側流体流路２１から流出する第１の流体は、第１供給流路８３１を介して温度制御対象Ｔａに流れる。そして、温度制御対象Ｔａから流出した第１の流体は、リターン側中継流路９０２を介して受け入れ流路８７０に流れる。その後、第１の流体は、第１循環流路８７１及び第１排出側共通流路８９７を介して第１側流体流路２１に戻る。また、第２側流体流路６１から流出する第２の流体は、第２側流体流路６１と、第２供給流路８３２の一部と、第２分岐流路８５２と、第２排出側共通流路８９８とで構成される閉回路で循環する。
【０１１９】
また、温度制御対象Ｔａに第２の流体を供給する際には、第２供給側電磁切替弁８４２及び第２循環側電磁切替弁８８２が開状態となるとともに、第２分岐側電磁切替弁８６２が閉状態となる。また、第１供給側電磁切替弁８４１及び第１循環側電磁切替弁８８１が閉状態となるとともに、第１分岐側電磁切替弁８６１が開状態となる。
【０１２０】
この際、図６に示すように、第２側流体流路６１から流出する第２の流体は、第２供給流路８３２を介して温度制御対象Ｔａに流れる。そして、温度制御対象Ｔａから流出した第２の流体は、リターン側中継流路９０２を介して受け入れ流路８７０に流れる。その後、第２の流体は、第２循環流路８７２及び第２排出側共通流路８９８を介して第２側流体流路６１に戻る。また、第１側流体流路２１から流出する第１の流体は、第１側流体流路２１と、第１供給流路８３１の一部と、第１分岐流路８５１と、第１排出側共通流路８９７とで構成される閉回路で循環する。
【０１２１】
以上に説明した温調システム１では、第１流体通流装置２０が通流させる第１の流体が、中温側冷凍機２００の中温側第１蒸発器２０４によって冷却（プレクール）された後、中温側第１蒸発器２０４よりも大きい冷凍能力を出力し得る低温側冷凍機３００の低温側蒸発器３０４によって冷却される。これにより、温調システム１は、温度制御対象に対する目標の所望温度までの冷却を実現する際に、低温側冷凍機３００において高性能な圧縮機を採用した単純な三元冷凍装置よりも容易に製作され得るため、具体的には特に低温側冷凍機３００の低温側圧縮機３０１を簡素化できるため、極めて低温の温度域に設定される所望温度までの温度制御対象の冷却を容易に且つ安定的に実現できる。
【０１２２】
また、第１冷凍機ユニット１０とは別の第２冷凍機ユニット４０により、第２の流体を第１の流体よりも低い温度に温度制御する。そして、それぞれ異なる温度に温度制御される第１の流体と第２の流体とをバルブユニット８０により選択的に切り替えて流出させることで、極めて低温の温度域を含む温度制御範囲内での温度差の大きい温度制御の切換を迅速に実施できる。
したがって、極めて低温までの冷却を容易に且つ安定的に実現でき、さらには極めて低温の温度域を含む温度制御範囲内での温度差の大きい温度制御の切換を迅速に実施することができる。
【０１２３】
また、内部熱交換器ＩＥにおいては、低温側凝縮器３０２から流出し、低温側膨張弁３０３に流入する前の低温側冷媒と、低温側蒸発器３０４から流出し、低温側圧縮機３０１に流入する前の低温側冷媒とが互いに熱交換する。これにより、低温側凝縮器３０２から流出した低温側冷媒を低温側膨張弁３０３に流入する前に冷却することができ、低温側蒸発器３０４から流出した低温側冷媒を低温側圧縮機３０１に流入する前に加熱することができる。その結果、低温側蒸発器３０４の冷凍能力を簡易的に高くすることができ、且つ低温側圧縮機３０１の耐久性能（耐冷性能）の確保に対する負担を軽減できる。そのため、低温側圧縮機３０１の能力を過剰に高めなくても所望の冷却を実現し易くなるため、製作容易性を向上させることができる。
【０１２４】
また、始動時においては、低温側蒸発器３０４から流出した低温側冷媒の過熱度が増加し得る問題があるが、内部熱交換器ＩＥによって低温側冷媒の過熱度を低減できる。また、本実施の形態では、始動時において、まず、第２冷凍機ユニット４０によって冷却された第２の流体で温度制御対象Ｔａが冷却され、続いて、第１流体通流装置２０が運転される。そして、冷却された温度制御対象Ｔａに第１の流体を通過させることで、第１の流体が冷却される。続いて、第１冷凍機ユニット１０が運転され、ある程度冷却された第１の流体を中温側第１蒸発器２０４及び低温側蒸発器３０４が冷却することで、過熱度の問題が解消され得る。
【０１２５】
また、バルブユニット８０においては、温度制御対象Ｔａに第１の流体を供給する状態から温度制御対象Ｔａに第２の流体を供給する状態、又はその逆を切り替える際、流体の流れを切り替えるための弁が電磁切替弁（８４１，８４２，８６１，８６２，８８１，８８２）であるため、電流の供給及び遮断により、第１の流体の供給と第２の流体の供給とが迅速に切り替わる。また、流体の流れを切り替えるための弁が電磁切替弁であるため、比例式電磁弁よりも弁座の口径を大きくすることができ、大流量の液体を適正に開閉できる。また、比例式電磁弁を用いた場合よりも、液体の漏れも抑制することができる。したがって、異なる温度の流体（第１の流体及び第２の流体）を迅速に切り換えて供給できるとともに、供給する流体の温度変動を抑制できる。つまり、第１の流体によって第２の流体の温度が変動すること、又は、第２の流体によって第１の温度が変動することを抑制できる。
【０１２６】
また、本実施の形態では、第１の流体を第１流出口８３１Ｂから流出させる際に、第１供給側電磁切替弁８４１及び第１循環側電磁切替弁８８１が開状態となるとともに、第１分岐側電磁切替弁８６１が閉状態となる。また第２供給側電磁切替弁８４２及び第２循環側電磁切替弁８８２が閉状態となるとともに、第２分岐側電磁切替弁８６２が開状態となる。一方で、第２の流体を第２流出口８３２Ｂから流出させる際には、第２供給側電磁切替弁８４２及び第２循環側電磁切替弁８８２が開状態となるとともに、第２分岐側電磁切替弁８６２が閉状態となる。また、第１供給側電磁切替弁８４１及び第１循環側電磁切替弁８８１が閉状態となるとともに、第１分岐側電磁切替弁８６１が開状態となる。
【０１２７】
上述のように第１の流体を第１流出口８３１Ｂから流出させる際の各電磁切替弁の状態と、第２の流体を第２流出口８３２Ｂから流出させる際の各電磁切替弁の状態とは、本実施の形態において、各弁に対する制御信号を反転させることで切り替えることが可能となる。そのため、異なる温度の流体を極めて迅速に且つ容易に切り換えて供給できるようになる。
【０１２８】
また、第１供給流路８３１には、第１供給側電磁切替弁８４１よりも下流側に配置される第１逆止弁８９１が設けられ、第２供給流路８３２には、第２供給側電磁切替弁８４２よりも下流側に配置される第２逆止弁８９２が設けられている。これにより、第１の流体を第１流出口８３１Ｂから流出させる際に、第１の流体が第２側流体流路６１側に流れることが抑制され、第２の流体を第２流出口８３２Ｂから流出させる際に、第２の流体が第１側流体流路２１側に流れることが抑制される。これにより、第１の流体又は第２の流体の不所望な漏れ及び温度変動が抑制されることで、効率的な流体供給が可能となる。
【０１２９】
なお、本発明は上述の実施の形態に限られるものではなく、上述の実施の形態においては種々の変更を加えることができる。
【０１３０】
＜バルブユニットの変形例＞
以下、バルブユニット８０の変形例について説明する。変形例における構成部分のうち上述の実施の形態と同様のものは、同一の符号を付して説明を省略する場合がある。
【０１３１】
図８に示す変形例にかかるバルブユニット８０’は、第１供給流路８３１と、第２供給流路８３２と、供給側流路切替三方弁９３１と、第１分岐流路８５１と、第１分岐側電磁切替弁８６１と、第２分岐流路８５２と、第２分岐側電磁切替弁８６２と、循環側流路切替三方弁９３２と、第１循環流路８７１と、第２循環流路８７２と、を備える。
【０１３２】
第１供給流路８３１は、第１流入口８３１Ａと第１流出口８３１Ｂとを有し、第１流入口８３１Ａに流入する第１の流体を通流させて第１流出口８３１Ｂから流出させるように構成されている。
【０１３３】
第２供給流路８３２は、第２流入口８３２Ａと第２流出口８３２Ｂとを有し、第２流入口８３２Ａに流入する第２の流体を通流させて第２流出口８３２Ｂから流出させるように構成されている。
【０１３４】
供給側流路切替三方弁９３１は、第１流出口８３１Ｂと接続して第１の流体を受け入れる第１流体流入ポート９３１Ａと、第２流出口８３２Ｂと接続して第２の流体を受け入れる第２流体流入ポート９３１Ｂと、供給側流出ポート９３１Ｃとを有し、第１流体流入ポート９３１Ａと供給側流出ポート９３１Ｃとの流体的接続及び第２流体流入ポート９３１Ｂと供給側流出ポート９３１Ｃとの流体的接続を切り替えるように構成されている。
【０１３５】
第１分岐流路８５１は、第１供給流路８３１から分岐し、第１供給流路８３１から流入する第１の流体を通流させる。第１分岐側電磁切替弁８６１は第１分岐流路８５１に設けられ、開状態及び閉状態の切り替えにより、第１分岐流路８５１における第１の流体の通流及び遮断を切り替えるように構成されている。
【０１３６】
第２分岐流路８５２は、第２供給流路８３２から分岐し、第２供給流路８３２から流入する第２の流体を通流させる。第２分岐側電磁切替弁８６２は第２分岐流路８５２に設けられ、開状態及び閉状態の切り替えにより、第２分岐流路８５２における第２の流体の通流及び遮断を切り替えるように構成されている。
【０１３７】
循環側流路切替三方弁９３２は、供給側流出ポート９３１Ｃから流出して温度制御対象Ｔａを経由した後にバルブユニット８０’側に戻る第１の流体又は第２の流体を受け入れる循環側流入ポート９３２Ａと、第１流出ポート９３２Ｂと、第２流出ポート９３２Ｃとを有し、循環側流入ポート９３２Ａと第１流出ポート９３２Ｂとの流体的接続及び循環側流入ポート９３２Ａと第２流出ポート９３２Ｃとの流体的接続を切り替えるように構成されている。
【０１３８】
循環側流入ポート９３２Ａは受け入れ流路８７０に接続される。第１循環流路８７１は、第１流出ポート９３２Ｂに接続され、第２循環流路８７２は、第２流出ポート９３２Ｃに接続される。ここで、本実施の形態におけるバルブユニット８０’も、第１分岐流路８５１の下流口及び第１循環流路８７１の下流口と接続する接続口８９７Ａと、第１側流体流路２１に直接的に接続される端口８９７Ｂとを有する第１排出側共通流路８９７をさらに備えている。また、バルブユニット８０’は、第２分岐流路８５２の下流口及び第２循環流路８７２の下流口と接続する接続口８９８Ａと、第２側流体流路６１に直接的に接続される端口８９８Ｂとを有する第２排出側共通流路８９８をさらに備えている。
【０１３９】
バルブユニット８０’の動作について図９及び図１０を参照しつつ説明する。以下の説明においては、上述の実施の形態と同様に、バルブユニット８０’における各弁が制御装置９０の制御に応じて動作している。図９及び図１０において、太線で示された部分は流体が流れる箇所を示している。
【０１４０】
第１の流体を供給側流出ポート９３１Ｃから流出させる際に、供給側流路切替三方弁９３１が、第１流体流入ポート９３１Ａと供給側流出ポート９３１Ｃとを流体的に接続し、第２流体流入ポート９３１Ｂと供給側流出ポート９３１Ｃとを流体的に遮断する。また、循環側流路切替三方弁９３２は、循環側流入ポート９３２Ａと第１流出ポート９３２Ｂとを流体的に接続し、循環側流入ポート９３２Ａと第２流出ポート９３２Ｃとを流体的に遮断する。また、第１分岐側電磁切替弁８６１が閉状態となり、第２分岐側電磁切替弁８６２は開状態となる。
【０１４１】
この際、図９に示すように、第１の流体は、第１側流体流路２１から第１供給流路８３１及び供給側流出ポート９３１Ｃを介して温度制御対象Ｔａに流れる。そして、温度制御対象Ｔａから流出した第１の流体は、リターン側中継流路９０２を介して受け入れ流路８７０に流れる。その後、第１の流体は、第１流出ポート９３２Ｂ、第１循環流路８７１及び第１排出側共通流路８９７を介して第１側流体流路２１に戻る。また、第２側流体流路６１から流出する第２の流体は、第２側流体流路６１と、第２供給流路８３２の一部と、第２分岐流路８５２と、第２排出側共通流路８９８とで構成される閉回路で循環する。
【０１４２】
また、第２の流体を供給側流出ポート９３１Ｃから流出させる際には、供給側流路切替三方弁９３１が、第１流体流入ポート９３１Ａと供給側流出ポート９３１Ｃとを流体的に遮断し、第２流体流入ポート９３１Ｂと供給側流出ポート９３１Ｃとを流体的に接続する。また、循環側流路切替三方弁９３２は、循環側流入ポート９３２Ａと第１流出ポート９３２Ｂとを流体的に遮断し、循環側流入ポート９３２Ａと第２流出ポート９３２Ｃとを流体的に接続する。また、第１分岐側電磁切替弁８６１が開状態となり、第２分岐側電磁切替弁８６２は閉状態となる、
【０１４３】
この際、図１０に示すように、第２側流体流路６１から流出する第２の流体は、第２側流体流路６１から第２供給流路８３２及び供給側流出ポート９３１Ｃを介して温度制御対象Ｔａに流れる。そして、温度制御対象Ｔａから流出した第２の流体は、リターン側中継流路９０２を介して受け入れ流路８７０に流れる。その後、第２の流体は、第２流出ポート９３２Ｃ、第２循環流路８７２及び第２排出側共通流路８９８を介して第２側流体流路６１に戻る。また、第１側流体流路２１から流出する第１の流体は、第１側流体流路２１と、第１供給流路８３１の一部と、第１分岐流路８５１と、第１排出側共通流路８９７とで構成される閉回路で循環する。
【０１４４】
以上の変形例にかかるバルブユニット８０’では、上述の実施の形態のバルブユニット８０よりも使用する弁の個数を減らすことが可能となるため、組み立て作業やコスト面で有利となる。
【符号の説明】
【０１４５】
１…温調システム、２…冷却水通流装置、２Ａ…共通配管、２Ｂ…第１冷却管、２Ｃ…第２冷却管、２Ｄ…第３冷却管、１０…第１冷凍機ユニット、２０…第１流体通流装置、２１…第１側流体流路、２１Ｕ…上流口、２１Ｄ…下流口、２２…第１側ポンプ、１００…高温側冷凍機、１０１…高温側圧縮機、１０２…高温側凝縮器、１０３…高温側膨張弁、１０４…高温側蒸発器、１１０…高温側冷凍回路、１２０…高温側ホットガス回路、１２１…ホットガス流路、１２２…流量調節弁、１３０…冷却用バイパス回路、１３１…冷却用流路、１３２…冷却用膨張弁、２００…中温側冷凍機、２０１…中温側圧縮機、２０２…中温側凝縮器、２０３…中温側第１膨張弁、２０４…中温側第１蒸発器、２１０…中温側冷凍回路、２２０…カスケード用バイパス回路、２２１…分岐流路、２２３…中温側第２膨張弁、２２４…中温側第２蒸発器、２３０…中温側ホットガス回路、２３１…ホットガス流路、２３２…流量調節弁、２４０…カスケード冷却用回路、２４１…冷却用流路、２４３…中温側第３膨張弁、３００…低温側冷凍機、３０１…低温側圧縮機、３０２…低温側凝縮器、３０３…低温側膨張弁、３０４…低温側蒸発器、３１０…低温側冷凍回路、３１１…第１部分、３１２…第２部分、３２０…低温側ホットガス回路、３２１…ホットガス流路、３２２…流量調節弁、４０…第２冷凍機ユニット、４１…第２側圧縮機、４２…第２側凝縮器、４３…第２側膨張弁、４４…第２側蒸発器、４５…第２側冷凍回路、５０…第３冷凍機ユニット、５１…第３側圧縮機、５２…第３側凝縮器、５３…第３側膨張弁、５４…第３側蒸発器、５５…第３側冷凍回路、６０…第２流体通流装置、６１…第２側流体流路、６１Ｕ…上流口、６１Ｄ…下流口、６２…第２側ポンプ、７０…第３流体通流装置、７１…第３側流体流路、７２…第３側ポンプ、８０…バルブユニット、８３１…第１供給流路、８３１Ａ…第１流入口、８３１Ｂ…第１流出口、８３２…第２供給流路、８３２Ａ…第２流入口、８３２Ｂ…第２流出口、８４１…第１供給側電磁切替弁、８４２…第２供給側電磁切替弁、８５１…第１分岐流路、８５２…第２分岐流路、８６１…第１分岐側電磁切替弁、８６２…第２分岐側電磁切替弁、８７０…受け入れ流路、８７１…第１循環流路、８７２…第２循環流路、８８１…第１循環側電磁切替弁、８８２…第２循環側電磁切替弁、８９１…第１逆止弁、８９２…第２逆止弁、８９６…供給側共通流路、８９６Ａ…接続口、８９６Ｂ…端口、８９７…第１排出側共通流路、８９７Ａ…接続口、８９７Ｂ…端口、８９８…第２排出側共通流路、８９８Ａ…接続口、８９８Ｂ…端口、９０１…供給側中継流路、９０２…リターン側中継流路、９０…制御装置、ＣＣ１…第１カスケードコンデンサ、ＣＣ２…第２カスケードコンデンサ、ＩＥ…内部熱交換器、Ｔａ…温度制御対象
【図１】
2020095464.tif 000003
【図２】
2020095464.tif 000004
【図３】
2020095464.tif 000005
【図４】
2020095464.tif 000006
【図５】
2020095464.tif 000007
【図６】
2020095464.tif 000008
【図７】
2020095464.tif 000009
【図８】
2020095464.tif 000010
【図９】
2020095464.tif 000011
【図１０】
2020095464.tif 000012
【国際調査報告】
2020095464.tif 000013
2020095464.tif 000014
2020095464.tif 000015
2020095464.tif 000016