JP2018194240A - 冷凍装置及び温度制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の温度制御対象物又は空間を、装置サイズを抑制しつつ効率的に冷却することができる冷凍装置を提供する。
【解決手段】冷凍装置１０は、第１冷凍回路２０と、過冷却回路３０と、第２冷凍回路４０と、を備える。過冷却回路３０は、第１冷凍回路２０における凝縮器２２の下流側で且つ第１膨張弁２３の上流側に位置する部分および圧縮機２１を連通させる過冷却用バイパス流路３１と、過冷却用制御弁３２と、過冷却用制御弁３２の下流側に設けられ、過冷却用バイパス流路３１との接続位置よりも下流側の部分を通流する冷媒を冷却する過冷却用熱交換器３３と、を有する。第２冷凍回路４０は、過冷却用バイパス流路３１との接続位置よりも上流側の部分から分岐する分岐流路４１と、分岐流路４１に設けられた第２膨張弁４２と、第２膨張弁４２の下流側に設けられ、第２膨張弁４２から流出した冷媒を蒸発させるための第２蒸発器４３と、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、複数の温度制御対象物又は空間を効率的に冷却可能な冷凍装置及びそれを備える温度制御装置に関する。

圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器を有する冷凍装置と、ブライン等の液体を循環させる液体循環装置と、を備え、冷凍装置の蒸発器によって液体循環装置の液体を冷却する温度制御装置が従来から知られている（例えば、特許文献１参照）。このような温度制御装置では、通常、液体循環装置に液体を加熱するためのヒータが設けられる。これにより、液体の冷却及び加熱が可能となり、液体の温度を所望の温度に精度良く制御することができる。

特開２００６−３８３２３号公報

上述した温度制御装置では、温度制御された液体を複数の温度制御対象物に供給することが望まれる場合があり、この際、複数の冷凍装置に対して複数の液体循環装置を設ける構成を採用してもよい。しかしながら、この構成では、装置サイズが大型となり、エネルギー消費量も増加する。

とりわけ複数の温度制御対象物のうちの一部が要求する温度制御範囲が他のものと異なる際に、冷凍装置及び液体循環装置の各組み合わせにおいて、同じ冷凍装置及び液体循環装置を使用して温度制御装置を構成した場合には、過剰に高性能となることで、エネルギー消費量及び製造コストが不所望に増加する状況が生じ得る。一方で、冷凍装置及び液体循環装置の各組み合わせにおいて、要求される温度制御範囲に応じて異なる冷凍装置及び液体循環装置を使用して温度制御装置を構成した場合であっても、装置サイズが大型化する問題を十分に解消できず、また取り扱う部品の点数が増加するため、組立作業の負担が増加するという問題も生じ得る。

本発明は、このような実情を考慮してなされたものであって、複数の温度制御対象物又は空間を、装置サイズを抑制しつつ効率的に冷却することができる冷凍装置及びそれを備える温度制御装置を提供することを目的とする。

本発明の冷凍装置は、
圧縮機、凝縮器、第１膨張弁及び第１蒸発器が、この順に冷媒を循環させるように接続された第１冷凍回路と、
前記第１冷凍回路における前記凝縮器の下流側で且つ前記第１膨張弁の上流側に位置する部分および前記第１冷凍回路における前記圧縮機又は前記圧縮機の上流側で且つ前記第１蒸発器の下流側に位置する部分を、前記冷媒が通流可能となるように連通させる過冷却用バイパス流路と、前記過冷却用バイパス流路を通流する前記冷媒の流量を制御する過冷却用制御弁と、前記過冷却用バイパス流路における前記過冷却用制御弁の下流側に設けられ、前記過冷却用制御弁の下流側へ通流した前記冷媒を、前記第１冷凍回路における前記凝縮器の下流側で且つ前記第１膨張弁の上流側に位置する部分であって前記過冷却用バイパス流路との接続位置よりも下流側の部分を通流する前記冷媒と熱交換させる過冷却用熱交換器と、を有する過冷却回路と、
前記第１冷凍回路における前記凝縮器の下流側で且つ前記第１膨張弁の上流側の部分であって前記過冷却用バイパス流路との接続位置よりも上流側の部分および前記第１冷凍回路における前記第１蒸発器の下流側で且つ前記圧縮機の上流側の部分を、前記冷媒が通流可能となるように連通させる分岐流路と、前記分岐流路に設けられ、受け入れた前記冷媒を膨張させて流出させる第２膨張弁と、前記分岐流路における前記第２膨張弁の下流側に設けられ、前記第２膨張弁から流出した前記冷媒を蒸発させるための第２蒸発器と、を有する第２冷凍回路と、を備える、ことを特徴とする。

本発明の冷凍装置では、第１膨張弁及び第１蒸発器と第２膨張弁及び第２蒸発器とが、それぞれの上流側において共通の圧縮機及び凝縮器に接続される。そして圧縮機から吐出され凝縮器から流出する冷媒を、第１膨張弁を介して第１蒸発器に通流させるとともに、第２膨張弁を介して第２蒸発器に通流させることができ、各蒸発器で異なる温度制御対象物又は空間を冷却することが可能となる。これにより、複数の温度制御対象物又は空間を、装置サイズを抑制しつつ効率的に冷却することができる。とりわけ複数の温度制御対象物又は空間のうちの一部が要求する温度制御範囲が他のものと異なる際に、広い温度制御範囲を要求する温度制御対象物又は空間を過冷却用熱交換器によって過冷却された冷媒が通流する第１蒸発器で冷却し、他の温度制御対象物又は空間を第２蒸発器で冷却することで、特に効果的に冷凍装置の装置サイズを抑制しつつエネルギー消費量を抑制することができる。

本発明の冷凍装置は、前記第１冷凍回路における前記凝縮器の下流側で且つ前記第１膨張弁の上流側の部分であって前記過冷却用熱交換器によって前記冷媒が熱交換される位置よりも下流側の部分および前記分岐流路における前記第２蒸発器の下流側または前記第１冷凍回路における前記第１蒸発器の下流側で且つ前記圧縮機の上流側の部分を、前記冷媒が通流可能となるように連通させるインジェクション流路と、前記インジェクション流路を通流する前記冷媒の流量を調節可能なインジェクション弁と、を有するインジェクション回路をさらに備えていてもよい。

この構成では、インジェクション回路を通してバイパスされる凝縮された冷媒を、第１蒸発器の下流側に流出した冷媒と混合させることが可能であるため、圧縮機に流入する冷媒の温度や圧力を所望の状態に容易に制御することができる。これにより、圧縮機の動作を安定させて温度制御の安定性を向上させることができる。

また本発明の冷凍装置は、前記第１冷凍回路における前記圧縮機の下流側で且つ前記凝縮器よりも上流側の部分および前記第１冷凍回路における前記第１蒸発器の下流側で且つ前記圧縮機よりも上流側の部分を、前記冷媒が通流可能となるように連通させるリターン流路と、前記リターン流路を通流する前記冷媒の流量を調節可能なリターン調節弁と、を有するリターン回路をさらに備えていてもよい。

この構成では、圧縮機の上流の冷媒が不所望に低温又は低圧の際に、リターン回路を介して圧縮機から吐出された高温且つ高圧の冷媒を圧縮機の上流側に戻すことによって、圧縮機の上流の冷媒を望ましい状態に調節して圧縮機に流入させることができる。

前記リターン調節弁は、前記第１冷凍回路における前記圧縮機の下流側で且つ前記凝縮器の上流側の部分を通流する前記冷媒の圧力と、前記第１冷凍回路における前記第１蒸発器の下流側で且つ前記圧縮機の上流側の部分であって前記分岐流路の接続位置よりも下流側の部分を通流する前記冷媒の圧力との圧力差に応じて、その開度を調節するように構成されていてもよい。

この構成では、圧縮機の上流の冷媒が不所望に低温又は低圧である際に、構成を複雑化することなく、圧縮機の上流の冷媒を望ましい状態に調節して圧縮機に流入させることができる。

また本発明の冷凍装置は、前記凝縮器に接続され、前記凝縮器を通流する前記冷媒を凝縮させるための熱媒体を前記凝縮器内に供給するとともに前記凝縮器から流出した前記熱媒体を通流させる第１冷却流路と、前記第１冷却流路における前記凝縮器に対して上流側に位置する部分および下流側に位置する部分を前記熱媒体が通流可能となるように連通させる第２冷却流路と、前記第２冷却流路に設けられた冷却用熱交換器と、を有する熱媒体通流装置をさらに備えていてもよい。

この構成では、第１冷凍回路を通流する冷媒を凝縮するための熱媒体を冷却用熱交換器側に通流させることで、冷却用熱交換器による温度制御が可能となり、装置の大型化を抑制しつつ、温度制御可能な温度制御対象物又は空間をさらに増やすことができる。

また本発明の温度制御装置は、前記の冷凍装置と、前記第１冷凍回路における前記第１蒸発器に接続され、前記第１蒸発器を通流する前記冷媒によって冷却される第１の液体を前記第１蒸発器内に供給するとともに前記第１蒸発器から流出した前記第１の液体を通流させる第１液体通流路を有する第１液体通流装置と、前記第２冷凍回路における前記第２蒸発器に接続され、前記第２蒸発器を通流する前記冷媒によって冷却される第２の液体を前記第２蒸発器内に供給するとともに前記第２蒸発器から流出した前記第２の液体を通流させる第２液体通流路を有する第２液体通流装置と、を備える、ことを特徴とする。

この構成では、互いに異なる第１の液体及び第２の液体を、装置サイズを抑制しつつ効率的に冷却することができる。

本発明の温度制御装置において、前記第１液体通流装置は、前記冷媒によって冷却された前記第１の液体を加熱する第１ヒータを有し、前記第２液体通流装置は、前記冷媒によって冷却された前記第２の液体を加熱する第２ヒータを有していてもよい。

この構成では、冷却された第１の液体又は第２の液体を加熱することで、各液体を所望の温度に精度良く制御することが可能となる。

本発明によれば、複数の温度制御対象物又は空間を、装置サイズを抑制しつつ効率的に冷却することができる。

本発明の一実施の形態に係る温度制御装置の概略構成を示す図である。 図１に示す温度制御装置における冷凍装置のモリエル線図の一例を示す図である。 図２のモリエル線図上に示された複数の冷媒の状態を示す点が冷凍装置上に便宜的に図示された冷凍装置の拡大図である。 図１に示す温度制御装置をプラズマエッチング装置に接続することにより構成された半導体製造システムの概略図である。

以下、本発明の一実施の形態について説明する。

＜温度制御装置の概略構成＞
図１は、本発明の一実施の形態に係る温度制御装置１の概略構成を示す図である。図１に示すように、本実施の形態に係る温度制御装置１は、冷凍装置１０と、第１液体通流装置１０１と、第２液体通流装置１０２と、第３液体通流装置１０３と、を備えている。温度制御装置１は、第１液体通流装置１０１を通流する第１の液体、第２液体通流装置１０２を通流する第２の液体及び第３液体通流装置１０３を通流する第３の液体を冷凍装置１０によって各別に冷却し、これにより各液体によって互いに異なる温度制御対象物又は空間を温度制御することが可能となっている。本実施の形態では、第１〜第３の液体としてブラインを用いることを想定しているが、その他の液体が使用されてもよい。

（冷凍装置）
まず、冷凍装置１０について詳述する。冷凍装置１０は、第１冷凍回路２０と、過冷却回路３０と、第２冷凍回路４０と、熱媒体通流装置５０と、インジェクション回路６０と、リターン回路７０と、を備えている。

第１冷凍回路２０は、圧縮機２１、凝縮器２２、第１膨張弁２３及び第１蒸発器２４が、この順に冷媒を循環させるように配管によって接続されることで構成されている。第１冷凍回路２０では、圧縮機２１によって圧縮された冷媒が、凝縮器２２に流入し、凝縮器２２に流入した冷媒は、本実施の形態では上述の熱媒体通流装置５０が通流させる熱媒体によって凝縮される。その後、冷媒は、第１膨張弁２３によって減圧されて低温となり、第１蒸発器２４に流入する。第１蒸発器２４に流入した冷媒は、熱交換を行った後に、圧縮機２１に流入し、その後、圧縮機２１によって再度圧縮される。本実施の形態における第１冷凍回路２０は、第１蒸発器２４を通流する冷媒を、第１液体通流装置１０１を通流する第１の液体と熱交換させることで、第１の液体を冷却するように構成されている。

過冷却回路３０は、過冷却用バイパス流路３１と、過冷却用制御弁３２と、過冷却用熱交換器３３と、を有している。過冷却用バイパス流路３１は、第１冷凍回路２０における凝縮器２２の下流側で且つ第１膨張弁２３の上流側に位置する部分および第１冷凍回路２０における圧縮機２１を、冷媒が通流可能となるように連通（接続）させている。なお本実施の形態では、過冷却用バイパス流路３１の一対の端部のうちの一方の端部が凝縮器２２の下流側で且つ第１膨張弁２３の上流側に位置する配管部分に接続され、他方の端部が圧縮機２１に接続されるが、他方の端部は、圧縮機２１の上流側で且つ第１蒸発器２４の下流側に位置する部分に接続されてもよい。

過冷却用制御弁３２は、過冷却用バイパス流路３１を通流する冷媒の流量を制御するものである。また過冷却用熱交換器３３は、過冷却用バイパス流路３１における過冷却用制御弁３２の下流側に設けられ、過冷却用制御弁３２の下流側へ通流した冷媒を、第１冷凍回路２０における凝縮器２２の下流側で且つ第１膨張弁２３の上流側に位置する部分であって過冷却用バイパス流路３１との接続位置よりも下流側の部分を通流する冷媒と熱交換させるものである。過冷却用熱交換器３３では、過冷却用制御弁３２を開くことで、凝縮器２２の下流側を通流する凝縮された冷媒を、過冷却用バイパス流路３１における過冷却用制御弁３２の下流側で膨張させて低温とすることで、凝縮器２２から過冷却用熱交換器３３を介して第１膨張弁２３側へ通流する冷媒に対して過冷却度を付与できるようになっている。一方、過冷却用バイパス流路３１を通流した冷媒は、圧縮機２１に流入する。この際、過冷却用バイパス流路３１からの冷媒は、第１蒸発器２４側からの冷媒を圧縮させる圧縮機２１による圧縮工程の途中で、圧縮機２１に流入し、第１蒸発器２４側からの冷媒とともに圧縮されることになる。

第２冷凍回路４０は、分岐流路４１と、第２膨張弁４２と、第２蒸発器４３と、を有している。分岐流路４１は、第１冷凍回路２０における凝縮器２２の下流側で且つ第１膨張弁２３の上流側の部分であって過冷却用バイパス流路３１との接続位置よりも上流側の部分および第１冷凍回路２０における第１蒸発器２４の下流側で且つ圧縮機２１の上流側の部分を、冷媒が通流可能となるように連通（接続）させている。第２膨張弁４２は、分岐流路４１に設けられ、受け入れた冷媒を膨張させて流出させるものである。第２蒸発器４３は、分岐流路４１における第２膨張弁４２の下流側に設けられ、第２膨張弁４２から流出した冷媒を蒸発させるためのものである。第２冷凍回路４０は、第２蒸発器４３を通流する冷媒を、第２液体通流装置１０２を通流する第２の液体と熱交換させることで、第２の液体を冷却するように構成されている。

熱媒体通流装置５０は、凝縮器２２に接続され、凝縮器２２を通流する冷媒を凝縮させるための熱媒体を凝縮器２２内に供給するとともに凝縮器２２から流出した熱媒体を通流させる第１冷却流路５１と、第１冷却流路５１における凝縮器２２に対して上流側に位置する部分および下流側に位置する部分を熱媒体が通流可能となるように連通（接続）させる第２冷却流路５２と、第２冷却流路５２に設けられた冷却用熱交換器５３と、を有している。

第１冷却流路５１は、凝縮器２２を通過するように凝縮器２２に接続されており、図示省略したポンプによって吐出された熱媒体を通流させるようになっている。熱媒体は、凝縮器２２を通過する冷媒を冷却する冷却水であり、本実施の形態では熱媒体として水が用いられるが、その他の冷却水が用いられてもよい。また第１冷却流路５１には、凝縮器２２内を通流する熱媒体の流量を調節するための弁が凝縮器２２の上流側及び下流側のそれぞれに設けられている。なお、本実施の形態では、ポンプによって吐出される水を第１冷却流路５１が通流させて凝縮器２２の通過後に排出する構成が採用されるが、第１冷却流路５１は、冷凍サイクルを行う冷凍機の一部であってもよい。

熱媒体通流装置５０における第２冷却流路５２は、第１冷却流路５１から分岐させた熱媒体を、冷却用熱交換器５３を介して第１冷却流路５１に戻すために設けられている。また冷却用熱交換器５３は、熱媒体によって温度制御対象物又は空間を冷却可能であり、本実施の形態では、通流させる熱媒体を、第３液体通流装置１０３を通流する第３の液体と熱交換させることで、第３の液体を冷却するように構成されている。

インジェクション回路６０は、第１冷凍回路２０における凝縮器２２の下流側で且つ第１膨張弁２３の上流側の部分であって過冷却用熱交換器３３によって冷媒が熱交換される位置よりも下流側の部分および分岐流路４１における第２蒸発器４３の下流側の部分を、冷媒が通流可能となるように連通（接続）させるインジェクション流路６１と、インジェクション流路６１を通流する冷媒の流量を調節可能なインジェクション弁６２と、を有している。

インジェクション回路６０では、インジェクション弁６２の開度を調節することにより、凝縮器２２の下流側で過冷却用熱交換器３３によって冷却された冷媒を圧縮機２１の上流側にバイパスすることができる。これにより、第１蒸発器２４から流出した冷媒の温度又は圧力を下げることが可能となっている。なお本実施の形態では、インジェクション回路６０の一対の端部のうちの一方の端部が凝縮器２２の下流側で且つ第１膨張弁２３の上流側の部分であって過冷却用熱交換器３３によって冷媒が熱交換される位置よりも下流側の配管部分に接続され、他方の端部が分岐流路４１に接続されるが、他方の端部は、第１冷凍回路２０における第１蒸発器２４の下流側で且つ圧縮機２１の上流側の部分に接続されてもよい。

またリターン回路７０は、第１冷凍回路２０における圧縮機２１の下流側で且つ凝縮器２２よりも上流側の部分および第１蒸発器２４の下流側で且つ圧縮機２１よりも上流側の部分を、冷媒が通流可能となるように連通（接続）させるリターン流路７１と、リターン流路７１を通流する冷媒の流量を調節可能なリターン調節弁７２と、を有している。

本実施の形態では、リターン調節弁７２が、第１冷凍回路２０における圧縮機２１の下流側で且つ凝縮器２２の上流側の部分を通流する冷媒の圧力と、第１冷凍回路２０における第１蒸発器２４の下流側で且つ圧縮機２１の上流側の部分であって分岐流路４１の接続位置よりも下流側の部分を通流する冷媒の圧力との圧力差に応じて、その開度を調節するように構成されている。より詳しくは、リターン調節弁７２は、圧縮機２１の上流側と下流側との圧力差が大きい程、その開度を大きくする。これにより、圧縮機２１の上流側の圧力を所望の値に自動的に調節することが可能となっている。

また図１に示すように、冷凍装置１０には複数の温度センサ及び複数の制御装置が設けられている。例えば第１冷凍回路２０における圧縮機２１の上流側には、圧縮機上流温度センサ８１が設けられている。圧縮機上流温度センサ８１は、第１冷凍回路２０における圧縮機２１の上流側で且つ第１蒸発器２４の下流側の部分であって、分岐流路４１の接続位置の下流側で且つリターン流路７１の接続位置の下流側の部分を通流する冷媒の温度を検出する。圧縮機上流温度センサ８１は、インジェクション制御装置９１に電気的に接続され、インジェクション制御装置９１は、インジェクション弁６２に電気的に接続されている。本実施の形態におけるインジェクション制御装置９１は、圧縮機上流温度センサ８１が検出する温度が所望の値になるようにインジェクション弁６２の開度を制御可能となっている。

また第１冷凍回路２０における過冷却用熱交換器３３の下流側には、過冷却下流温度センサ８２が設けられている。過冷却下流温度センサ８２は、第１冷凍回路２０における過冷却用熱交換器３３によって冷媒が熱交換される位置よりも下流側であって第１膨張弁２３の上流側の部分を通流する冷媒の温度を検出する。過冷却下流温度センサ８２は、過冷却制御装置９２に電気的に接続され、過冷却制御装置９２は、過冷却用制御弁３２に電気的に接続されている。本実施の形態における過冷却制御装置９２は、過冷却下流温度センサ８２が検出する温度が所望の値になるように過冷却用制御弁３２の開度を制御可能となっている。

また第１膨張弁２３には、第１膨張弁制御装置９３が電気的に接続され、第１膨張弁制御装置９３は、第１液体通流装置１０１に設けられた冷却側第１温度センサ１１１に電気的に接続され、第１の液体の温度に応じて第１膨張弁２３の開度を制御可能となっている。また第２膨張弁４２には、第２膨張弁制御装置９４が電気的に接続され、第２膨張弁制御装置９４は、第２液体通流装置１０２に設けられた冷却側第２温度センサ１２１に電気的に接続され、第２の液体の温度に応じて第２膨張弁４２の開度を制御可能となっている。

（液体通流装置）
次に、第１〜第３液体通流装置１０１〜１０３について説明する。

まず、第１液体通流装置１０１は、第１冷凍回路２０における第１蒸発器２４に接続され、第１蒸発器２４を通流する冷媒によって冷却される第１の液体を第１蒸発器２４内に供給するとともに第１蒸発器２４から流出した第１の液体を通流させる第１液体通流路１０１Ａを有している。第１液体通流路１０１Ａは、第１蒸発器２４から流出した第１の液体を受け入れて通流させる下流部１０１Ｄと、第１蒸発器２４内に第１の液体を供給する上流部１０１Ｕと、を有しており、このうちの下流部１０１Ｄの側に、上述した冷却側第１温度センサ１１１と、第１ヒータ１１２と、第１ポンプ１１３と、加熱側第１温度センサ１１４と、が設けられている。

下流部１０１Ｄの第１蒸発器２４側とは反対側の端部には、第１の液体を吐出する吐出部１１５が設けられ、吐出部１１５には、第１の液体を通流させるための配管を接続することが可能となっている。一方、上流部１０１Ｕの第１蒸発器２４側とは反対側の端部には、第１の液体を受け入れ可能な受け入れ部１１６が設けられ、受け入れ部１１６には、第１の液体を通流させるための配管を接続することが可能となっている。

また冷却側第１温度センサ１１１は、第１蒸発器２４から流出した直後の第１の液体の温度を検出するようになっており、上述したように第１膨張弁制御装置９３に電気的に接続されている。第１ヒータ１１２は、下流部１０１Ｄにおける冷却側第１温度センサ１１１の下流側に配置され、第１蒸発器２４側から流入する第１の液体を加熱して流出させるようになっている。第１ポンプ１１３は、下流部１０１Ｄにおける第１ヒータ１１２の下流側に配置され、下流部１０１Ｄ内の第１の液体を第１蒸発器２４側から吐出部１１５側へ通流させるために駆動する。また加熱側第１温度センサ１１４は、下流部１０１Ｄにおける第１ポンプ１１３の下流側に設けられる。ここで、加熱側第１温度センサ１１４及び第１ヒータ１１２は、第１加熱量制御装置１１７に電気的に接続され、本実施の形態における第１加熱量制御装置１１７は、加熱側第１温度センサ１１４が検出する温度が所望の値となるように、第１ヒータ１１２の加熱量を制御することが可能となっている。

以上のような本実施の形態における第１液体通流装置１０１では、例えば図１に示すように、吐出部１１５と受け入れ部１１６との間に二点鎖線で示す配管Ｘ１を設け、配管Ｘ１の途中で第１の液体により温度制御対象物Ｘ２の熱を吸熱するか又は温度制御対象物Ｘ２に熱を放熱することで、温度制御対象物Ｘ２を温度制御することができる。具体的に本実施の形態では、第１の液体によって温度制御対象物Ｘ２の熱を吸熱することで、温度制御対象物Ｘ２を冷却することができる。

次に第２液体通流装置１０２は、第２冷凍回路４０における第２蒸発器４３に接続され、第２蒸発器４３を通流する冷媒によって冷却される第２の液体を第２蒸発器４３内に供給するとともに第２蒸発器４３から流出した第２の液体を通流させる第２液体通流路１０２Ａを有している。第２液体通流路１０２Ａは、第２蒸発器４３から流出した第２の液体を受け入れて通流させる下流部１０２Ｄと、第２蒸発器４３内に第２の液体を供給する上流部１０２Ｕと、を有しており、このうちの下流部１０２Ｄの側に、上述した冷却側第２温度センサ１２１と、第２ヒータ１２２と、第２ポンプ１２３と、加熱側第２温度センサ１２４と、が設けられている。

そして下流部１０２Ｄの第２蒸発器４３側とは反対側の端部には、第２の液体を吐出する吐出部１２５が設けられ、吐出部１２５には、第２の液体を通流させるための配管を接続することが可能となっている。一方、上流部１０２Ｕの第２蒸発器４３側とは反対側の端部には、第２の液体を受け入れ可能な受け入れ部１２６が設けられ、受け入れ部１２６には、第２の液体を通流させるための配管を接続することが可能となっている。

また冷却側第２温度センサ１２１は、第２蒸発器４３から流出した直後の第２の液体の温度を検出するようになっており、上述したように第２膨張弁制御装置９４に電気的に接続されている。第２ヒータ１２２は、下流部１０２Ｄにおける冷却側第２温度センサ１２１の下流側に配置され、第２蒸発器４３側から流入する第２の液体を加熱して流出させるようになっている。第２ポンプ１２３は、下流部１０２Ｄにおける第２ヒータ１２２の下流側に配置され、下流部１０２Ｄ内の第２の液体を第２蒸発器４３側から吐出部１２５側へ通流させるために駆動する。また加熱側第２温度センサ１２４は、下流部１０２Ｄにおける第２ポンプ１２３の下流側に設けられる。ここで、加熱側第２温度センサ１２４及び第２ヒータ１２２は、第２加熱量制御装置１２７に電気的に接続され、本実施の形態における第２加熱量制御装置１２７は、加熱側第２温度センサ１２４が検出する温度が所望の値となるように、第２ヒータ１２２の加熱量を制御することが可能となっている。

以上のような本実施の形態における第２液体通流装置１０２では、例えば図１に示すように、吐出部１２５と受け入れ部１２６との間に二点鎖線で示す配管Ｙ１を設け、配管Ｙ１の途中で第２の液体により温度制御対象物Ｙ２の熱を吸熱するか又は温度制御対象物Ｙ２に熱を放熱することで、温度制御対象物Ｙ２を温度制御することができる。具体的に本実施の形態では、第２の液体によって温度制御対象物Ｙ２の熱を吸熱することで、温度制御対象物Ｙ２を冷却することができる。

また第３液体通流装置１０３は、熱媒体通流装置５０における冷却用熱交換器５３に接続され、冷却用熱交換器５３を通流する熱媒体によって冷却される第３の液体を冷却用熱交換器５３内に供給するとともに冷却用熱交換器５３から流出した第３の液体を通流させる第３液体通流路１０３Ａを有している。第３液体通流路１０３Ａは、冷却用熱交換器５３から流出した第３の液体を受け入れて通流させる下流部１０３Ｄと、冷却用熱交換器５３内に第３の液体を供給する上流部１０３Ｕと、を有しており、このうちの下流部１０３Ｄの側に、第３ヒータ１３２と、第３ポンプ１３３と、加熱側第３温度センサ１３４と、が設けられている。

そして下流部１０３Ｄの冷却用熱交換器５３側とは反対側の端部には、第３の液体を吐出する吐出部１３５が設けられ、吐出部１３５には、第３の液体を通流させるための配管を接続することが可能となっている。一方、上流部１０３Ｕの冷却用熱交換器５３側とは反対側の端部には、第３の液体を受け入れ可能な受け入れ部１３６が設けられ、受け入れ部１３６には、第３の液体を通流させるための配管を接続することが可能となっている。

また第３ヒータ１３２は、冷却用熱交換器５３側から流入する第３の液体を加熱して流出させるようになっており、第３ポンプ１３３は、下流部１０３Ｄにおける第３ヒータ１３２の下流側に配置され、下流部１０３Ｄ内の第３の液体を冷却用熱交換器５３側から吐出部１３５側へ通流させるために駆動する。また加熱側第３温度センサ１３４は、下流部１０３Ｄにおける第３ポンプ１３３の下流側に設けられる。ここで、加熱側第３温度センサ１３４及び第３ヒータ１３２は、第３加熱量制御装置１３７に電気的に接続され、本実施の形態における第３加熱量制御装置１３７は、加熱側第３温度センサ１３４が検出する温度が所望の値となるように、第３ヒータ１３２の加熱量を制御することが可能となっている。

以上のような本実施の形態における第３液体通流装置１０３では、例えば図１に示すように、吐出部１３５と受け入れ部１３６との間に二点鎖線で示す配管Ｚ１を設け、配管Ｚ１の途中で第３の液体により温度制御対象物Ｚ２の熱を吸熱するか又は温度制御対象物Ｚ２に熱を放熱することで、温度制御対象物Ｚ２を温度制御することができる。具体的に本実施の形態では、第３の液体によって温度制御対象物Ｚ２の熱を吸熱することで、温度制御対象物Ｚ２を冷却することができる。

（温度制御装置の動作）
次に、温度制御装置１の動作の一例について説明する。本例では、まず、第１の液体による温度制御対象物Ｘ２の冷却、第２の液体による温度制御対象物Ｙ２の冷却及び第３の液体による温度制御対象物Ｚ２の冷却が可能となるように、第１〜第３液体通流装置１０１〜１０３のそれぞれに、対応する配管Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１を接続する。その後、圧縮機２１、熱媒体通流装置５０及び第１，第２，第３ポンプ１１３，１２３，１３３が駆動される。

圧縮機２１が駆動されると、冷凍装置１０の第１冷凍回路２０では、圧縮機２１によって圧縮された冷媒が、凝縮器２２に流入し、熱媒体通流装置５０の熱媒体によって凝縮される。その後、冷媒は、過冷却用熱交換器３３を通過する。この際、本実施の形態では、過冷却用制御弁３２が常時開いており、凝縮器２２の下流側を通流する凝縮された冷媒の一部が、過冷却用バイパス流路３１へ通流し過冷却用制御弁３２の下流側で膨張されて低温となることで、凝縮器２２から過冷却用熱交換器３３を介して第１膨張弁２３側へ通流する冷媒に対して過冷却度が付与される。過冷却用制御弁３２によって膨張された冷媒は、吸熱した状態で圧縮機２１へ流入する。そして第１膨張弁２３を通過した冷媒は、減圧されて低温となり、第１蒸発器２４に流入する。

第１蒸発器２４に流入した冷媒は、第１液体通流装置１０１を通流する第１の液体と熱交換して第１の液体を冷却する。ここで、第１液体通流装置１０１は、第１蒸発器２４に流入した冷媒によって冷却された第１の液体を、第１ヒータ１１２によって加熱することで、第１の液体を所望の値に調節する。そして、このように所望の値に調節された第１の液体によって、温度制御対象物Ｘ２が温度制御される。また第１の液体と熱交換した冷媒は、圧縮機２１側へ通流して、再度、圧縮機２１によって圧縮されることになる。

第２冷凍回路４０においては、過冷却用熱交換器３３の上流側で分岐流路４１へ分岐した冷媒が、第２膨張弁４２によって減圧されて低温となり、第２蒸発器４３に流入する。そして第２蒸発器４３に流入した冷媒は、第２液体通流装置１０２を通流する第２の液体と熱交換して第２の液体を冷却する。ここで、第２液体通流装置１０２は、第２蒸発器４３に流入した冷媒によって冷却された第２の液体を、第２ヒータ１２２によって加熱することで、第２の液体を所望の値に調節する。そして、このように所望の値に調節された第２の液体によって、温度制御対象物Ｙ２が温度制御される。また第２の液体と熱交換した冷媒は、インジェクション流路６１からの冷媒を混合されて又は混合されずに、第１冷凍回路２０における第１蒸発器２４の下流側へ通流して、再度、圧縮機２１によって圧縮されることになる。

また熱媒体通流装置５０においては、第２冷却流路５２へ通流した熱媒体が、冷却用熱交換器５３を通流して、その後、第１冷却流路５１における凝縮器２２の下流側に戻る。冷却用熱交換器５３に流入した冷媒は、第３液体通流装置１０３を通流する第３の液体と熱交換して第３の液体を冷却する。ここで、第３液体通流装置１０３は、冷却用熱交換器５３に流入した冷媒によって冷却された第３の液体を、第３ヒータ１３２によって加熱することで、第３の液体を所望の値に調節する。そして、このように所望の値に調節された第３の液体によって、温度制御対象物Ｚ２が温度制御される。

本実施の形態では、第１蒸発器２４から流出した冷媒と第２蒸発器４３から流出した冷媒とが混合して、圧縮機２１側へ流入することになり、この場合、混合された冷媒の温度又は圧力が変動し易くなる。このような変動を抑制するために、本実施の形態では、インジェクション回路６０とリターン回路７０とが設けられている。具体的には、インジェクション回路６０は、圧縮機２１の上流側の冷媒の温度又は圧力が所望の値よりも大きい場合に、過冷却用熱交換器３３を通過した低温且つ低圧の冷媒をインジェクション流路６１から圧縮機２１の上流側へ供給する。またリターン回路７０は、圧縮機２１の上流側の冷媒の温度又は圧力が所望の値よりも小さい場合に、高温且つ高圧の冷媒をリターン流路７１から圧縮機２１の上流側へ供給する。これにより、本実施の形態では、圧縮機２１に不所望な状態の冷媒が流入することを抑制できることで、温度制御が不安定となることを抑制することが可能となっている。

ここで、図２はインジェクション回路６０とリターン回路７０とが動作する際の第１冷凍回路２０のモリエル線図を示し、図３は、図２のモリエル線図上に示された複数の冷媒の状態を示す点が冷凍装置１０上に便宜的に図示された冷凍装置１０、特に第１冷凍回路２０の拡大図である。図２及び図３に示される第１冷凍回路２０における冷凍サイクルでは、圧縮機２１に吸入された冷媒は、点Ａから点Ｂへの移行に示されるように、圧縮される。圧縮機２１によって吐出された冷媒は、凝縮器２２によって凝縮されることで冷却されて、点Ｂから点Ｃへの移行に示されるように、その比エンタルピーが低減する。

次いで凝縮器２２によって凝縮された冷媒の一部は、過冷却用熱交換器３３において、過冷却度を付与されて、点Ｃから点Ｃ’への移行に示されるように、その比エンタルピーが低減する。この際、過冷却用熱交換器３３において過冷却度を付与する過冷却用バイパス流路３１を通流する冷媒は、過冷却用制御弁３２によって膨張され、点Ｃから点Ｅへの移行に示されるように、例えば中圧程度に減圧され、この状態で過冷却用熱交換器３３において過冷却度を付与している。その後、過冷却度を付与した冷媒は、比エンタルピーを増加させた状態で、点Ｅから、点Ａ−点Ｂ間の移行において圧縮されている冷媒と混合されて、点Ｂに至る。

次いで上述のように過冷却用熱交換器３３において過冷却度を付与された冷媒は、点Ｃ’から点Ｄへの移行に示されるように、第１膨張弁２３によって減圧されて低温となる。その後、第１膨張弁２３から吐出された冷媒は、第１蒸発器２４において、第１の液体と熱交換し、この例では、点Ｄから点Ａ’への移行に示されるように、吸熱して、その比エンタルピーが増加する。

この際、点Ａ’に示すように冷媒に過度に過熱度が付与されている場合に、インジェクション回路６０が、点Ｃ’から点Ｄ’への移行に示されるように、過冷却用熱交換器３３を通過した冷媒を、低温且つ低圧の冷媒として、過度に過熱度が付与され冷媒と混合させることで、点Ａ’から点Ａ’’への移行に示されるように、冷媒の過熱度を低減させることができる。そして、この際、本例では、点Ａ’’に示すように冷媒の比エンタルピーが過度に低減されており、冷媒の温度又は圧力が不所望に低下しているが、この場合においては、点Ｂから点Ｂ’への移行に示されるように、リターン回路７０によって圧縮機２１の下流側の高温且つ高圧の冷媒を過度に温度又は圧力が低下した冷媒と混合させることで、冷媒が、点Ａ’’から点Ａへの移行に示されるように望ましい状態となり得る。このようにして圧縮機２１に不所望な状態の冷媒が流入することを抑制できることで、温度制御が不安定となることを抑制することができる。

以上に説明した本実施の形態では、第１膨張弁２３及び第１蒸発器２４と第２膨張弁４２及び第２蒸発器４３とが、それぞれの上流側において共通の圧縮機２１及び凝縮器２２に接続される。そして圧縮機２１から吐出され凝縮器２２から流出する冷媒を、第１膨張弁２３を介して第１蒸発器２４に通流させるとともに、第２膨張弁４２を介して第２蒸発器４３に通流させることができ、各蒸発器で異なる温度制御対象物又は空間を冷却することが可能となる。これにより、複数の温度制御対象物又は空間を、装置サイズを抑制しつつ効率的に冷却することができる。とりわけ複数の温度制御対象物又は空間のうちの一部が要求する温度制御範囲が他のものと異なる際に、広い温度制御範囲を要求する温度制御対象物又は空間を過冷却用熱交換器３３によって過冷却された冷媒が通流する第１蒸発器２４で冷却し、他の温度制御対象物又は空間を第２蒸発器４３で冷却することで、特に効果的に冷凍装置の装置サイズを抑制しつつエネルギー消費量を抑制することができる。

また冷凍装置１０は、インジェクション回路６０を通してバイパスされる凝縮された冷媒を、第１蒸発器２４の下流側に流出した冷媒と混合させることが可能であるため、圧縮機２１に流入する冷媒の温度や圧力を所望の状態に容易に制御することができる。これにより、圧縮機２１の動作を安定させて温度制御の安定性を向上させることができる。さらに、冷凍装置１０は、圧縮機２１の上流の冷媒が不所望に低温又は低圧の際に、リターン回路７０を介して圧縮機２１から吐出された高温且つ高圧の冷媒を圧縮機２１の上流側に戻すことによって、圧縮機２１の上流の冷媒を望ましい状態に調節して圧縮機２１に流入させることができる。これによっても、圧縮機２１の動作を安定させて温度制御の安定性を向上させることができる。

また本実施の形態におけるリターン調節弁７２は、第１冷凍回路２０における圧縮機２１の下流側で且つ凝縮器２２の上流側の部分を通流する冷媒の圧力と、第１冷凍回路２０における第１蒸発器２４の下流側で且つ圧縮機２１の上流側の部分であって分岐流路４１の接続位置よりも下流側の部分を通流する冷媒の圧力との圧力差に応じて、その開度を調節するように構成されている。これにより、圧縮機２１の上流の冷媒が不所望に低温又は低圧である際に、構成を複雑化することなく、圧縮機２１の上流の冷媒を望ましい状態に調節して圧縮機に流入させることができる。

また冷凍装置１０は、凝縮器２２を通流する冷媒を凝縮させるための熱媒体を凝縮器２２内に供給するとともに凝縮器２２から流出した熱媒体を通流させる第１冷却流路５１と、第１冷却流路５１における凝縮器２２に対して上流側に位置する部分および下流側に位置する部分を熱媒体が通流可能となるように連通させる第２冷却流路５２と、第２冷却流路５２に設けられた冷却用熱交換器５３と、を有する熱媒体通流装置５０をさらに備えている。これにより、第１冷凍回路２０を通流する冷媒を凝縮するための熱媒体を冷却用熱交換器５３側に通流させることで、冷却用熱交換器５３による温度制御が可能となり、装置の大型化を抑制しつつ、温度制御可能な温度制御対象物又は空間をさらに増やすことができる。

（温度制御装置の適用例）
図４は、本実施の形態に係る温度制御装置１をプラズマエッチング装置２００に接続することにより構成された半導体製造システムの概略図である。プラズマエッチング装置２００は、下部電極２０１と、上部電極２０２と、下部電極２０１及び上部電極２０２を収容する容器２０３と、を備えている。エッチングを行う場合、下部電極２０１、上部電極２０２、容器２０３の順で温度が高温となる。このようなプラズマエッチング装置２００に対して、本実施の形態にかかる温度制御装置１は、第１液体通流装置１０１を下部電極２０１に接続し、第２液体通流装置１０２を上部電極２０２に接続し、第３液体通流装置１０３を容器２０３に接続する。これにより、本実施の形態にかかる温度制御装置１によってプラズマエッチング装置２００を効率的に冷却することができる。

なお、本実施の形態では、温度制御装置１が、冷凍装置１０と、第１〜第３液体通流装置１０１〜１０３と、を備えるが、液体循環装置を設けずに、冷凍装置１０を空気調和装置として用いてもよい。

１…温度制御装置
１０…冷凍装置
２０…第１冷凍回路
２１…圧縮機
２２…凝縮器
２３…第１膨張弁
２４…第１蒸発器
３０…過冷却回路
３１…過冷却用バイパス流路
３２…過冷却用制御弁
３３…過冷却用熱交換器
４０…第２冷凍回路
４１…分岐流路
４２…第２膨張弁
４３…第２蒸発器
５０…熱媒体通流装置
５１…第１冷却流路
５２…第２冷却流路
５３…冷却用熱交換器
６０…インジェクション回路
６１…インジェクション流路
６２…インジェクション弁
７０…リターン回路
７１…リターン流路
７２…リターン調節弁
１０１…第１液体通流装置
１０１Ａ…第１液体通流路
１１２…第１ヒータ
１０２…第２液体通流装置
１０２Ａ…第２液体通流路
１２２…第２ヒータ
Ｘ１，Ｙ１，Ｚ１…配管
Ｘ２，Ｙ２，Ｚ２…温度制御対象物
２００…プラズマエッチング装置
２０１…下部電極
２０２…上部電極
２０３…容器

Claims (7)

1. 圧縮機、凝縮器、第１膨張弁及び第１蒸発器が、この順に冷媒を循環させるように接続された第１冷凍回路と、
   前記第１冷凍回路における前記凝縮器の下流側で且つ前記第１膨張弁の上流側に位置する部分および前記第１冷凍回路における前記圧縮機又は前記圧縮機の上流側で且つ前記第１蒸発器の下流側に位置する部分を、前記冷媒が通流可能となるように連通させる過冷却用バイパス流路と、前記過冷却用バイパス流路を通流する前記冷媒の流量を制御する過冷却用制御弁と、前記過冷却用バイパス流路における前記過冷却用制御弁の下流側に設けられ、前記過冷却用制御弁の下流側へ通流した前記冷媒を、前記第１冷凍回路における前記凝縮器の下流側で且つ前記第１膨張弁の上流側に位置する部分であって前記過冷却用バイパス流路との接続位置よりも下流側の部分を通流する前記冷媒と熱交換させる過冷却用熱交換器と、を有する過冷却回路と、
   前記第１冷凍回路における前記凝縮器の下流側で且つ前記第１膨張弁の上流側の部分であって前記過冷却用バイパス流路との接続位置よりも上流側の部分および前記第１冷凍回路における前記第１蒸発器の下流側で且つ前記圧縮機の上流側の部分を、前記冷媒が通流可能となるように連通させる分岐流路と、前記分岐流路に設けられ、受け入れた前記冷媒を膨張させて流出させる第２膨張弁と、前記分岐流路における前記第２膨張弁の下流側に設けられ、前記第２膨張弁から流出した前記冷媒を蒸発させるための第２蒸発器と、を有する第２冷凍回路と、
   を備える、ことを特徴とする冷凍装置。
2. 前記第１冷凍回路における前記凝縮器の下流側で且つ前記第１膨張弁の上流側の部分であって前記過冷却用熱交換器によって前記冷媒が熱交換される位置よりも下流側の部分および前記分岐流路における前記第２蒸発器の下流側または前記第１冷凍回路における前記第１蒸発器の下流側で且つ前記圧縮機の上流側の部分を、前記冷媒が通流可能となるように連通させるインジェクション流路と、前記インジェクション流路を通流する前記冷媒の流量を調節可能なインジェクション弁と、を有するインジェクション回路をさらに備える、ことを特徴とする請求項１に記載の冷凍装置。
3. 前記第１冷凍回路における前記圧縮機の下流側で且つ前記凝縮器よりも上流側の部分および前記第１冷凍回路における前記第１蒸発器の下流側で且つ前記圧縮機よりも上流側の部分を、前記冷媒が通流可能となるように連通させるリターン流路と、前記リターン流路を通流する前記冷媒の流量を調節可能なリターン調節弁と、を有するリターン回路をさらに備える、ことを請求項１又は２に記載の冷凍装置。
4. 前記リターン調節弁は、前記第１冷凍回路における前記圧縮機の下流側で且つ前記凝縮器の上流側の部分を通流する前記冷媒の圧力と、前記第１冷凍回路における前記第１蒸発器の下流側で且つ前記圧縮機の上流側の部分であって前記分岐流路の接続位置よりも下流側の部分を通流する前記冷媒の圧力との圧力差に応じて、その開度を調節するように構成されている、ことを特徴とする請求項３に記載の冷凍装置。
5. 前記凝縮器に接続され、前記凝縮器を通流する前記冷媒を凝縮させるための熱媒体を前記凝縮器内に供給するとともに前記凝縮器から流出した前記熱媒体を通流させる第１冷却流路と、前記第１冷却流路における前記凝縮器に対して上流側に位置する部分および下流側に位置する部分を前記熱媒体が通流可能となるように連通させる第２冷却流路と、前記第２冷却流路に設けられた冷却用熱交換器と、を有する熱媒体通流装置をさらに備える、ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の冷凍装置。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の冷凍装置と、
   前記第１冷凍回路における前記第１蒸発器に接続され、前記第１蒸発器を通流する前記冷媒によって冷却される第１の液体を前記第１蒸発器内に供給するとともに前記第１蒸発器から流出した前記第１の液体を通流させる第１液体通流路を有する第１液体通流装置と、
   前記第２冷凍回路における前記第２蒸発器に接続され、前記第２蒸発器を通流する前記冷媒によって冷却される第２の液体を前記第２蒸発器内に供給するとともに前記第２蒸発器から流出した前記第２の液体を通流させる第２液体通流路を有する第２液体通流装置と、を備える、ことを特徴とする温度制御装置。
7. 前記第１液体通流装置は、前記冷媒によって冷却された前記第１の液体を加熱する第１ヒータを有し、
   前記第２液体通流装置は、前記冷媒によって冷却された前記第２の液体を加熱する第２ヒータを有する、ことを特徴とする請求項６に記載の温度制御装置。

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