JPH07332778A - 二段圧縮冷凍装置の温度制御方法およびその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 半導体環境試験装置等の恒温装置に使用する
一元冷凍装置で、二段圧縮機の高段吐出ガスの廃熱で余
剰冷凍能力を相殺し、省エネルギー化する。 【構成】 コンデンサー２に連結した二段圧縮機１の高
段吐出管６の分岐管７に二方流量制御弁８を介して高段
吐出ガスを加熱流体とするヒーター５を蒸発器３の被冷
却流体３６出口に、分岐管の分岐部とコンデンサー入口
間にヒーターの液出口１０からの凝縮液を膨張弁１３を
介して冷却液体入口１２より供給する熱交換器３７を、
その冷却ガス出口３８と高段吸入管１６を連結する配管
３９を、２５℃〜−６０℃の任意温度に設定できる温度
コントローラー３０と結線した温度センサー３１をヒー
ターの蒸発器よりの被冷却流体出口にそれぞれ設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は２５℃〜−６０℃の常温
から超低温に及ぶ被冷却流体（空気）温度を必要とし、
しかも、この温度範囲の設定温度に対して±０．２℃の
精度を維持する必要がある半導体環境試験装置等の恒温
装置に使用する一元冷凍装置における廃熱を利用して温
度制御を可能とした二段圧縮冷凍装置の温度制御方法お
よびその装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の恒温装置には、液体窒素
と電熱ヒーターを組み合わせたものがある。

【０００３】また、この他に周知の二元冷凍装置または
一元冷凍装置により冷却した被冷却流体を電熱ヒーター
を用いて再加熱することは一般に行われている。

【０００４】この内、二元冷凍装置については、蒸発器
からの被冷却流体の温度を二元冷凍装置の廃熱を利用し
て制御する二元冷凍装置の温度制御方法およびその装置
には、本発明と同一出願人の発明に係る特願平５−１２
１５８９号が存在する。

【０００５】また、一元冷凍装置については、図２に示
すように電熱ヒーター５ｂ出口の被冷却流体３６の温度
を温度センサー３１により感知し、電熱ヒーター５ｂと
信号線３４で結線し、常温から超低温に及ぶ温度範囲に
温度設定が可能な温度コントローラー３０を前記温度セ
ンサー３１に信号線３２で結線し、所望の被冷却空気温
度を得る等の技術がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の液体窒素と電熱
ヒーターを組み合わせたものでは、液体窒素の沸点（−
１９５．８℃）が低いため、液体窒素を蒸発させなが
ら、適宜温度に試験試料を冷却している。

【０００７】すなわち、この適宜温度を得るために、液
体窒素量を制御して恒温装置内に噴射して蒸発させ、例
えば−３℃，−４５℃，−５５℃等の一定温度に保持し
て半導体環境試験を行っている。

【０００８】そのために、液体窒素の消費が大量とな
り、常に必要な量だけの液体窒素を準備しておく必要が
あり、高価に付き、試験中に液体窒素の注ぎ足しを行う
ため、注ぎ足しに手間がかかり、連続運転ができないと
いう欠点があった。

【０００９】その上、窒素ガスの漏洩や超低温の液体窒
素の取扱い上において危険性があり、その漏洩により作
業環境の悪化を招くという欠点があった。

【００１０】また、恒温装置に従来より周知の二元冷凍
装置または一元冷凍装置を適用したものでは、作業性の
面から冷却降下時に、被冷却空気を約３０分間で常温よ
り超低温に至る温度範囲の一定温度に冷却急降下させる
冷凍能力を具備する必要がある。

【００１１】そのためには、最低設定温度の冷凍負荷に
対して約３倍の冷凍能力を有する冷凍圧縮機が必要とな
り、その設備費が高価に付く上に、省エネルギー化でき
ないという欠点があった。

【００１２】それに、この種の恒温装置は冷凍負荷が比
較的小さく、小規模で、二元冷凍装置または一元冷凍装
置の圧縮機には容量制御機構を有するものはなく、前記
温度範囲の設定温度が高い場合ほど恒温装置の冷凍負荷
が小さく、逆に各冷凍装置の圧縮機の冷凍能力は大きく
なる。

【００１３】つまり、冷凍能力が冷凍負荷より大きいこ
とにより、余剰冷凍能力が生じ、設定温度におけるその
温度の維持が困難になるので、この余剰冷凍能力を電熱
ヒーターにより加熱して相殺し、設定温度を維持するた
め、省エネルギー化できないという欠点があった。

【００１４】そこで、本発明の出願人は以前に前記特願
平５−１２１５８９号で、二元冷凍装置の被冷却流体の
温度を二元冷凍装置の廃熱を利用して制御する二元冷凍
装置の温度制御方法およびその装置を発明したが、今回
新規に廃熱を利用した一元冷凍装置における二段圧縮冷
凍装置の温度制御方法およびその装置を発明したもので
ある。

【００１５】本発明は半導体環境試験装置等の恒温装置
に使用する一元冷凍装置において、二段圧縮機の高段吐
出ガスが保有している凝縮熱量を利用して前記余剰冷凍
能力を相殺し、省エネルギー化を可能とする二段圧縮冷
凍装置の温度制御方法およびその装置を提供することを
目的とする。

【００１６】

【課題を解決するための手段】前記目的を達成するする
ために、二段圧縮機の高段吐出管にコンデンサーの入口
を連結し、コンデンサーの出口にエコノマイザーの入口
を連結し、エコノマイザーの出口に膨張弁を介して蒸発
器の入口を連結し、蒸発器の出口に二段圧縮機の低段吸
入管を連結し、コンデンサーの出口よりの分岐管に膨張
弁を介してエコノマイザー内の伝熱管入口と連結し、そ
の伝熱管出口を二段圧縮機の低段吐出管と高段吸入管の
連結管と連結してなる二段圧縮冷凍サイクルにおいて、
コンデンサーの入口と連結した二段圧縮機の高段吐出管
を分岐した分岐管を設ける。

【００１７】そしてその分岐管に二方流量制御弁を介し
てその伝熱管に二段圧縮機の高段吐出管よりの高温の高
段吐出ガスを加熱流体として通過させるヒーターを、蒸
発器の被冷却流体出口に設ける。

【００１８】また、前記分岐管の分岐部とコンデンサー
入口との間の高段吐出管に、前記ヒーターの液出口より
の高段吐出ガスを蒸発器の被冷却流体で冷却した凝縮液
を膨張弁を介して冷却液体入口より導入する熱交換器を
設ける。

【００１９】さらに、熱交換器の冷却ガス出口に高段吐
出管内の高温の高段吐出ガスと熱交換してガス化した冷
媒を二段圧縮機の高段吸入管に導入する配管を設ける。

【００２０】そして前記蒸発器からの被冷却流体のヒー
ター出口に２５℃〜−６０℃の常温から超低温までの任
意温度に設定可能な温度コントローラーと結線した温度
センサーを設け、その温度コントローラーと前記二方流
量制御弁を結線する信号線を設ける。

【００２１】そうすることにより温度コントローラーで
設定した温度に合せて二方流量制御弁を開閉させ、被冷
却流体の温度を制御させるようにし、二段圧縮機の高段
吐出管よりの高温の高段吐出ガスの凝縮熱を蒸発器から
の被冷却流体に与え、被冷却流体の温度を制御するよう
にした。

【００２２】

【作用】二段圧縮機１の高段吐出管６にコンデンサー２
の入口を連結し、コンデンサー２の出口にエコノマイザ
ー４の入口を連結し、エコノマイザー４の出口に膨張弁
２１を介して蒸発器３の入口管２２を連結し、蒸発器３
の出口管２３に配管２３ａを介して二段圧縮機１の低段
吸入管２４を連結し、コンデンサー２の出口よりの分岐
管１８に膨張弁１３を介してエコノマイザー４内の伝熱
管４ａ入口を連結し、その伝熱管４ａ出口を二段圧縮機
１の低段吐出管２５と高段吸入管１６の連結管１９と連
結してなる一元冷凍装置における二段圧縮冷凍サイクル
において、コンデンサー２の入口と連結した二段圧縮機
１の高段吐出管６を分岐した分岐管７を設け、その分岐
管７に二方流量制御弁８を介してその伝熱管５ａに二段
圧縮機１の高段吐出管６よりの高温の高段吐出ガスを加
熱流体として通過させるヒーター５を、蒸発器３の被冷
却流体３６出口に設ける。

【００２３】そして前記分岐管７の分岐部とコンデンサ
ー２入口との間の高段吐出管６に、高段吐出ガスを蒸発
器３の被冷却流体３６で冷却した前記ヒーター５の液出
口１０よりの凝縮液を冷却液体入口１２より膨張弁１３
を介して導入する熱交換器３７を設け、熱交換器３７の
冷却ガス出口にその高段吐出管６内の高温の高段吐出ガ
スと熱交換してガス化した冷媒を二段圧縮機１の高段吸
入管１６に導入する配管３９を設ける。

【００２４】また、前記蒸発器３よりの被冷却流体３６
のヒーター５出口に２５℃〜−６０℃の常温から超低温
までの任意温度に設定可能な温度コントローラー３０と
結線した温度センサー３１を設ける。

【００２５】そしてその温度コントローラー３０と前記
二方流量制御弁８を結線する信号線３３を設け、蒸発器
３を経てヒーター５の出口に至った被冷却流体３６の温
度を温度センサー３１で検出し、温度コントローラー３
０で設定した温度に合せて二方流量制御弁８を開閉さ
せ、被冷却流体３６の温度を制御させるようにしたか
ら、この温度センサー３１で検出した温度が温度コント
ローラー３０での前記設定温度まで冷却降下すると、温
度コントローラー３０から設定信号が発せられる。

【００２６】この信号により二方流量制御弁８を制御
し、二段圧縮機１の高段吐出管６の分岐管７よりヒータ
ー５の伝熱管５ａに流入する加熱流体としての高段吐出
ガス量を調節する。

【００２７】また、ヒーター５では被冷却流体３６と伝
熱管５ａに流入する前記高段吐出ガスとが熱交換し、被
冷却流体３６は加熱されて余剰冷凍能力を相殺し、温度
コントローラー３０の設定温度を維持することができ
る。

【００２８】一方、被冷却流体３６と熱交換した加熱流
体としての高段吐出ガスは冷却されて液化し、ヒーター
５の液出口１０から配管１１を経て膨張弁１３で膨張し
て減圧される。

【００２９】そして前記分岐管７の分岐部とコンデンサ
ー２入口との間の高段吐出管６に設けた熱交換器３７の
冷却液体入口１２から流入し、コンデンサー２に流入す
る前の高段吐出ガスと熱交換して気化し、冷却ガス出口
３８より二段圧縮機１の高段吸入管１６に配管３９を介
して戻る。

【００３０】すなわち、二段圧縮機１の高段吐出ガスの
一部は、高段吐出ガス管６の分岐管７より二方流量制御
弁８を経てヒーター５に流入するので、コンデンサー２
へ流入する高段吐出ガス量が減少する。

【００３１】それと共に熱交換器３７で、ヒーター５に
おいて液化した冷媒によってコンデンサー２へ流入する
前の高段吐出ガスをさらに冷却するので、コンデンサー
２内へ供給する冷却水入口２６より冷却水出口２７への
冷却水量を減少させることができる。

【００３２】この冷却水量の節減は冷却水出口２７に付
設した制水弁２８と、その制水弁２８とコンデンサー２
との間に設けた感圧管２９で構成し、コンデンサー２内
の冷媒圧力で制水弁２８を自動開閉制御して行う。

【００３３】

【実施例】以下に本発明の実施の一例を示した添付図面
に基づいて詳細に説明する。

【００３４】図１は本発明の二段圧縮冷凍装置のもの
で、図２は従来の二段圧縮冷凍装置のものである。

【００３５】図１および図２に示す符号１は周知の二段
圧縮機で、蒸発器３の伝熱管３ａの出口管２３を配管２
３ａにより二段圧縮機１の低段吸入管２４と連結し、そ
の低段吐出管２５と高段吸入管１６とを連結管１９で連
結し、高段吐出管６をコンデンサー２の入口と連結した
ものである。

【００３６】そしてコンデンサー２の出口液管１７にエ
コノマイザー４の入口を連結し、エコノマイザー４の出
口よりの液管２０に膨張弁２１を介して蒸発器３の伝熱
管３ａの入口管２２を連結したものである。

【００３７】一方、コンデンサー２内の冷却水用伝熱管
２ａに冷却水入口２６より冷却水を供給し、冷却水出口
２７に設けた、コンデンサー２内の冷媒圧力を感圧管２
９で感知して自動開閉制御する制水弁２８によりその流
量を調節する。

【００３８】また、エコノマイザー４の入口から出口へ
の冷媒液の流れと向流としたエコノマイザー４内の伝熱
管４ａの出口管と、二段圧縮機１の低段吐出管２５と高
段吸入管１６との連結管１９とを配管１５で連結する。

【００３９】そしてコンデンサー２の出口液管１７から
の分岐液管１８に膨張弁１３を介してエコノマイザー４
内の伝熱管４ａの入口管とを配管１４で連結する。

【００４０】前記二段圧縮機１の高段吐出管６からの分
岐管７を、電動による二方流量制御弁８を介して蒸発器
３の被冷却流体３６の出口に設けたヒーター５の伝熱管
５ａのガス入口９と連結する。

【００４１】また、前記二段圧縮機１の高段吐出管６
の、分岐管７の分岐部とコンデンサー２との間に連結し
た高段吐出ガスを被冷却流体とする熱交換器３７の冷却
液体入口１２と、ヒーター５の伝熱管５ａの液出口１０
とを配管１１に前記同様の膨張弁１３を介して連結す
る。

【００４２】そしてヒーター５の伝熱管５ａの液出口１
０よりの冷媒液を膨張弁１３を経て減圧して冷却液体入
口１２より導き、熱交換器３７で高段吐出ガスと熱交換
し、気化した冷媒ガスを熱交換器３７の冷却ガス出口３
８から二段圧縮機１の低段吐出管２５と高段吸入管１６
との連結管１９に導入する配管３９を設ける。

【００４３】さらに、送風機３５を設備したヒーター５
の被冷却流体３６の出口に温度センサー３１を設け、そ
の温度センサー３１に２５℃〜−６０℃の常温から超低
温に及ぶ温度範囲の任意温度に設定が可能な温度コント
ローラー３０を信号線３２で結線する。

【００４４】そして温度コントローラー３０と二方流量
制御弁８のパルスモーター操作部とを信号線３３で結線
し、ヒーター５の被冷却流体出口温度が温度コントロー
ラー３０での設定温度になるように二方流量制御弁８を
開閉し、ヒーター５の伝熱管５ａを流れる二段圧縮機１
の高段吐出管６よりの加熱流体としての高段吐出ガスの
量を制御する。

【００４５】

【発明の効果】本発明は以上のような構成を有するか
ら、ヒーター５の被冷却流体出口の温度が温度コントロ
ーラー３０の設定温度に達すると、ヒーター５の伝熱管
５ａを流れる二段圧縮機１の高段吐出管６よりの加熱流
体としての高段吐出ガスの量を減少するように二方流量
制御弁８を閉方向に調節することができる。

【００４６】それによって高段吐出ガスの全量はコンデ
ンサー２に流入せず、一部は二方流量制御弁８を経て加
熱流体としてヒーター５に流入するから、高段吐出ガス
の凝縮熱（廃熱）を利用して蒸発器３の余剰冷凍能力を
相殺することができ、従来のように電熱ヒーター５ｂを
設ける必要がなく、大幅な省エネルギー化が可能とな
る。

【００４７】また、温度コントローラー３０で被冷却流
体３６の温度を一定に保持している間は、高段吐出ガス
の一部は加熱流体としてヒーター５で被冷却流体３６と
熱交換し、液化され、分岐管７の分岐部とコンデンサー
２間の高段吐出管６に設けた熱交換器３７に膨張弁１３
を介して供給され、コンデンサー２へ流入する前の高段
吐出ガスを冷却・液化するから、コンデンサー２内の冷
却水用伝熱管２ａに冷却水入口２６より供給される冷却
水量を皆無に近い状態にまで節減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の二段圧縮冷凍装置の冷媒および冷却水
の系統図である。

【図２】従来の二段圧縮冷凍装置の冷媒および冷却水の
系統図である。

【符号の説明】

１ 二段圧縮機 ２ コンデンサー ２ａ 冷却水用伝熱管 ３ 蒸発器 ３ａ 伝熱管 ４ エコノマイザー ４ａ 伝熱管 ５ ヒーター ５ａ 伝熱管 ５ｂ 電熱ヒーター ６ 高段吐出管 ７ 分岐管 ８ 二方流量制御弁 ９ ガス入口 １０ 液出口 １１ 配管 １２ 冷却液体入口 １３ 膨張弁 １４，１５ 配管 １６ 高段吸入管 １７ 出口液管 １８ 分岐液管 １９ 連結管 ２０ 出口液管 ２１ 膨張弁 ２２ 入口管 ２３ 出口管 ２３ａ 配管 ２４ 低段吸入管 ２５ 低段吐出管 ２６ 冷却水入口 ２７ 冷却水出口 ２８ 制水弁 ２９ 感圧管 ３０ 温度コントローラー ３１ 温度センサー ３２，３３，３４ 信号線 ３５ 送風機 ３６ 被冷却流体 ３７ 熱交換器 ３８ 冷却ガス出口 ３９ 配管

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 一元冷凍装置における二段圧縮冷凍サイ
   クルにおいて、二段圧縮機の高段吐出管よりの高温の高
   段吐出ガスの凝縮熱を蒸発器からの被冷却流体に与え、
   被冷却流体の温度を制御させるようにしたことを特徴と
   する二段圧縮冷凍装置の温度制御方法。
2. 【請求項２】 二段圧縮機の高段吐出管にコンデンサー
   の入口を連結し、コンデンサーの出口にエコノマイザー
   の入口を連結し、エコノマイザーの出口に膨張弁を介し
   て蒸発器の入口を連結し、蒸発器の出口に二段圧縮機の
   低段吸入管を連結し、コンデンサーの出口よりの分岐管
   に膨張弁を介してエコノマイザー内の伝熱管入口を連結
   し、その伝熱管出口を二段圧縮機の低段吐出管と高段吸
   入管の連結管と連結してなる一元冷凍装置における二段
   圧縮冷凍サイクルにおいて、コンデンサーの入口と連結
   した二段圧縮機の高段吐出管を分岐した分岐管を設け、
   その分岐管に二方流量制御弁を介してその伝熱管に二段
   圧縮機の高段吐出管よりの高温の高段吐出ガスを加熱流
   体として通過させるヒーターを、蒸発器の被冷却流体出
   口に設け、前記分岐管の分岐部とコンデンサー入口との
   間の高段吐出管に、前記ヒーターの液出口よりの高段吐
   出ガスを蒸発器の被冷却流体で冷却した凝縮液を冷却液
   体入口より膨張弁を介して導入する熱交換器を設け、熱
   交換器の冷却ガス出口にその高段吐出管内の高温の高段
   吐出ガスと熱交換してガス化した冷媒を二段圧縮機の高
   段吸入管に導入する配管を設け、前記蒸発器からの被冷
   却流体のヒーター出口に２５℃〜−６０℃の常温から超
   低温までの任意温度に設定可能な温度コントローラーと
   結線した温度センサーを設け、その温度コントローラー
   と前記二方流量制御弁を結線する信号線を設け、温度コ
   ントローラーで設定した温度に合せて二方流量制御弁を
   開閉させ、被冷却流体の温度を制御させるようにしたこ
   とを特徴とする二段圧縮冷凍装置の温度制御装置。