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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公開特許公報(A)
(11)【公開番号】P2024154289
(43)【公開日】2024-10-30
(54)【発明の名称】冷却システム
(51)【国際特許分類】
F28D 15/02 20060101AFI20241023BHJP
F25B 1/00 20060101ALI20241023BHJP
F25B 39/02 20060101ALI20241023BHJP
F28D 15/06 20060101ALI20241023BHJP
H01L 23/427 20060101ALI20241023BHJP
C09K 5/04 20060101ALI20241023BHJP
【ＦＩ】
F28D15/02 E
F25B1/00 396Z
F25B39/02 U
F28D15/02 104A
F28D15/06 D
H01L23/46 A
C09K5/04 F
【審査請求】未請求
【請求項の数】10
【出願形態】ＯＬ
(21)【出願番号】P 2023068041
(22)【出願日】2023-04-18
(71)【出願人】
【識別番号】594185097
【氏名又は名称】伸和コントロールズ株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100120031
【弁理士】
【氏名又は名称】宮嶋 学
(74)【代理人】
【識別番号】100127465
【弁理士】
【氏名又は名称】堀田 幸裕
(74)【代理人】
【識別番号】100164688
【弁理士】
【氏名又は名称】金川 良樹
(72)【発明者】
【氏名】笹渕 朝禎
(72)【発明者】
【氏名】苅谷 知行
【テーマコード（参考）】
5F136
【Ｆターム（参考）】
5F136CC34
5F136CC37
5F136CC40
(57)【要約】
【課題】従来の冷凍方式では使用されることがなかった物質を熱サイクルの冷媒として使用できるようになる又は熱サイクルの冷媒として使用できる物質の範囲を拡大させることができる冷却システムの提供。
【解決手段】一実施の形態に係る冷却システムは、冷媒を通流させる冷媒流路１１と、冷媒流路１１に設けられ冷媒の通流を制御する制御弁１４とを含む冷媒通流装置１０と、冷媒流路１１の下流端１１Ｄに接続して冷媒流路１１から気体を吸引する導入口２０Ａと、冷媒流路１１の上流端１１Ｕに接続し、導入口２０Ａから吸引した気体を冷媒流路１１の上流端１１Ｕから冷媒流路１１に流入させる流出口２０Ｂとを含む減圧装置２０と、を備える。冷媒通流装置１０は、減圧装置２０から流入する気体に含まれる冷媒を通流させる。そして、冷媒通流装置１０は、冷媒流路１１における制御弁１４の下流側に、冷媒により温度制御対象を冷却する温度制御部１６を備える。
【選択図】図１
【解決手段】一実施の形態に係る冷却システムは、冷媒を通流させる冷媒流路１１と、冷媒流路１１に設けられ冷媒の通流を制御する制御弁１４とを含む冷媒通流装置１０と、冷媒流路１１の下流端１１Ｄに接続して冷媒流路１１から気体を吸引する導入口２０Ａと、冷媒流路１１の上流端１１Ｕに接続し、導入口２０Ａから吸引した気体を冷媒流路１１の上流端１１Ｕから冷媒流路１１に流入させる流出口２０Ｂとを含む減圧装置２０と、を備える。冷媒通流装置１０は、減圧装置２０から流入する気体に含まれる冷媒を通流させる。そして、冷媒通流装置１０は、冷媒流路１１における制御弁１４の下流側に、冷媒により温度制御対象を冷却する温度制御部１６を備える。
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
冷媒を通流させる冷媒流路と、前記冷媒流路に設けられ前記冷媒の通流を制御する制御弁とを含む冷媒通流装置と、
前記冷媒流路の下流端に接続して前記冷媒流路から気体を吸引する導入口と、前記冷媒流路の上流端に接続し、前記導入口から吸引した前記気体を前記冷媒流路の上流端から前記冷媒流路に流入させる流出口とを含む減圧装置と、を備え、
前記冷媒流路は、前記減圧装置から流入する前記気体に含まれる前記冷媒を通流させ、
前記冷媒通流装置は、前記冷媒流路における前記制御弁の下流側に、前記冷媒により温度制御対象を冷却する温度制御部を備える、冷却システム。
前記冷媒流路の下流端に接続して前記冷媒流路から気体を吸引する導入口と、前記冷媒流路の上流端に接続し、前記導入口から吸引した前記気体を前記冷媒流路の上流端から前記冷媒流路に流入させる流出口とを含む減圧装置と、を備え、
前記冷媒流路は、前記減圧装置から流入する前記気体に含まれる前記冷媒を通流させ、
前記冷媒通流装置は、前記冷媒流路における前記制御弁の下流側に、前記冷媒により温度制御対象を冷却する温度制御部を備える、冷却システム。
【請求項2】
前記冷媒通流装置は、前記冷媒流路における前記温度制御部の下流側に、前記温度制御部を通過した前記冷媒のうちの気相の部分が液相の部分よりも下流側に流動するように前記気相の部分と前記液相の部分とを分離する気液分離器を備える、請求項１に記載の冷却システム。
【請求項3】
前記冷媒通流装置は、前記冷媒流路における前記制御弁の上流側に、前記減圧装置から前記冷媒流路に流入した前記気体から液相となった前記冷媒を貯留するリザーバタンクを備え、
前記制御弁は、前記リザーバタンクから流入する液相の前記冷媒の通流を制御する、請求項１に記載の冷却システム。
前記制御弁は、前記リザーバタンクから流入する液相の前記冷媒の通流を制御する、請求項１に記載の冷却システム。
【請求項4】
前記リザーバタンクは、前記減圧装置から流入した前記気体を冷却し、前記気体から前記冷媒を液化させる冷却器を有する、請求項３に記載の冷却システム。
【請求項5】
前記冷媒通流装置は、前記冷媒流路における前記制御弁と前記温度制御部との間に、二層流分離器を備え、
前記二層流分離器は、前記制御弁からの前記冷媒を流入させる入口と、前記入口よりも下方に設けられ、前記入口から流入した前記冷媒を流出させる出口とを含む、請求項１に記載の冷却システム。
前記二層流分離器は、前記制御弁からの前記冷媒を流入させる入口と、前記入口よりも下方に設けられ、前記入口から流入した前記冷媒を流出させる出口とを含む、請求項１に記載の冷却システム。
【請求項6】
前記冷媒流路における前記制御弁と前記温度制御部との間の部分と、前記冷媒流路における前記温度制御部の下流側の部分とが、それぞれを通流する前記冷媒同士を互いに熱交換可能とする内部熱交換器を構成する、請求項１に記載の冷却システム。
【請求項7】
前記減圧装置の動作及び前記制御弁の絞り状態により、前記冷媒流路における前記制御弁の下流側の部分の内部の圧力が、前記冷媒流路における前記制御弁の上流側の部分の内部の圧力よりも低くなる状態を形成する、請求項１に記載の冷却システム。
【請求項8】
前記冷媒は、大気圧下での沸点が３０℃以上となる物質である、請求項１に記載の冷却システム。
【請求項9】
前記冷媒は、ＧＷＰが１０以下である、請求項８に記載の冷却システム。
【請求項10】
前記冷媒は、ＨＦＯ－１３３６ｍｚｚ－Ｚである、請求項９に記載の冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明の実施の形態は、減圧による冷媒の温度降下を利用する冷却システムに関する。
【背景技術】
【0002】
蒸気圧縮式の冷凍装置は、多くの分野で広く利用されている。
【0003】
蒸気圧縮式の冷凍装置では、圧縮機で冷媒が圧縮され、圧縮機から流出する冷媒が凝縮器で冷却される。凝縮器から流出する冷媒は膨張弁で膨張され、膨張弁から流出する冷媒は、蒸発器で温度制御対象と熱交換を行う。冷媒は、蒸発器で温度制御対象の熱を吸収することで冷却を行う。蒸発器から流出する冷媒は圧縮機に循環し、その後、凝縮器で熱を放出する。
【0004】
蒸気圧縮式の冷凍装置で使用される冷媒は、通常、フッ素系冷媒である。フッ素系冷媒は、温室効果ガスであり、燃性を有する場合もあるが、高効率の運転を実現できる等の種々のメリットを有する。
【0005】
一方で、フッ素系冷媒が環境に与える影響（温室効果）を考慮し、従前より、地球温暖化係数（ＧＷＰ）を低く抑えることのできる蒸気圧縮式用のフッ素系冷媒の開発が進められている。そして、非常にＧＷＰの低い蒸気圧縮式用のＨＦＯ系冷媒が既に実用化されている。具体的には、例えばＧＷＰが１０以下のＨＦＯ系冷媒が実用化されている。しかしながら、この冷媒は、燃性や毒性について安全性が十分に確保されているとは必ずしも言えない状況である。そのため、低ＧＷＰ且つ安全性を確保できる蒸気圧縮式用の冷媒の開発は、現在も盛んに行われている。
【0006】
また、蒸気圧縮式の冷凍装置で用いられる圧縮機は、長期にわたり運転を行う。そのため、回転部分等の駆動部分を潤滑油で潤滑する必要がある。ただし、潤滑油は、冷媒側への流出の問題がある。そして、この潤滑油の流出により、圧縮機における油切れが生じることがあり、圧縮機の運転の安定性が損なわれることがある。また、蒸発器に潤滑油が滞留することにより、蒸発器の冷却効率が損なわれることがある。そのため、蒸気圧縮式の冷凍装置は、圧縮機を使用する点でも種々改善の余地を有している。
【0007】
一方で、圧縮機を使用しない冷却装置としては、例えば特許文献１～３に開示されるような沸騰冷却装置が知られている。
【0008】
沸騰冷却装置は、液体を温度制御対象と熱交換させる際に、液体を気化させることで、潜熱による吸熱により効率的に温度制御対象を冷却できる。そして、通常、液体又はこれが気化した気体を循環させるためのポンプが必要になるが、ポンプは、潤滑油が不要か又は必要であっても少量で済む。また、ポンプのエネルギー消費量は比較的小さい。したがって、沸騰冷却装置は、環境性能に優れた装置と言える。
【0009】
ただし、沸騰冷却装置では、一般に例えば０℃を大きく下回る温度帯での冷却はできず、冷却温度及び温度制御対象が非常に制約される。そのため、沸騰冷却装置により、低温又は超低温の温度帯で高い冷凍能力を確保することは困難である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0010】
【特許文献1】特開２０１１－１４２２９８号公報
【特許文献2】国際公開２０１７／１１９１１３号
【特許文献3】特開２０２１－１６２１９５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0011】
近年、上述したようにＨＦＯ系冷媒等の環境負荷の小さい冷媒の開発が進められる一方で、環境負荷の小さい不凍液の開発も進められている。そして、ＧＷＰが低く且つ不燃性の、不凍液として使用され得るＨＦＯ系溶剤が実用化された。このような溶剤は、大気圧下での沸点が例えば７０℃以上であるため、蒸気圧縮式の冷凍装置には適合しない。しかしながら、このようなＨＦＯ系溶剤を用いて熱サイクルを実現できれば、現在強く求められている低環境負荷、高い安全性及び高い冷凍能力を確保し得る冷却システムを実現できる可能性がある。
【0012】
そこで、本件発明者は、例えば上述したようなＨＦＯ系溶剤を熱サイクルの冷媒として使用可能とすることができる新規の冷却システムの実現のために鋭意研究を行った。より一般化して言うと、蒸気圧縮式の冷凍装置で使用可能であった冷媒の範囲とは異なる範囲の物質を、熱サイクルで使用可能な冷媒にシフトさせることができる新規の冷却システムの実現のために鋭意研究を行った。そして、減圧により冷媒の温度を降下させて冷媒で温度制御対象を冷却させた後、大気圧下で冷媒が吸収した熱を放出する構造により、上記冷却システムを実現し得ることを知見し、本発明を創案するに至った。
【0013】
すなわち、本発明の課題は、従来の冷凍方式では使用されることがなかった物質を熱サイクルの冷媒として使用できるようになる、又は、熱サイクルの冷媒として使用できる物質の範囲を拡大させることができる冷却システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0014】
本発明の一実施の形態は、以下の態様「１」～「１０」に関連する。
【0015】
［１］ 冷媒を通流させる冷媒流路と、前記冷媒流路に設けられ前記冷媒の通流を制御する制御弁とを含む冷媒通流装置と、
前記冷媒流路の下流端に接続して前記冷媒流路から気体を吸引する導入口と、前記冷媒流路の上流端に接続し、前記導入口から吸引した前記気体を前記冷媒流路の上流端から前記冷媒流路に流入させる流出口とを含む減圧装置と、を備え、
前記冷媒流路は、前記減圧装置から流入する前記気体に含まれる前記冷媒を通流させ、
前記冷媒通流装置は、前記冷媒流路における前記制御弁の下流側に、前記冷媒により温度制御対象を冷却する温度制御部を備える、冷却システム。
前記冷媒流路の下流端に接続して前記冷媒流路から気体を吸引する導入口と、前記冷媒流路の上流端に接続し、前記導入口から吸引した前記気体を前記冷媒流路の上流端から前記冷媒流路に流入させる流出口とを含む減圧装置と、を備え、
前記冷媒流路は、前記減圧装置から流入する前記気体に含まれる前記冷媒を通流させ、
前記冷媒通流装置は、前記冷媒流路における前記制御弁の下流側に、前記冷媒により温度制御対象を冷却する温度制御部を備える、冷却システム。
【0016】
［２］ 前記冷媒通流装置は、前記冷媒流路における前記温度制御部の下流側に、前記温度制御部を通過した前記冷媒のうちの気相の部分が液相の部分よりも下流側に流動するように前記気相の部分と前記液相の部分とを分離する気液分離器を備える、［１］に記載の冷却システム。
【0017】
［３］ 前記冷媒通流装置は、前記冷媒流路における前記制御弁の上流側に、前記減圧装置から前記冷媒流路に流入した前記気体から液相となった前記冷媒を貯留するリザーバタンクを備え、
前記制御弁は、前記リザーバタンクから流入する液相の前記冷媒の通流を制御する、［１］又は［２］に記載の冷却システム。
前記制御弁は、前記リザーバタンクから流入する液相の前記冷媒の通流を制御する、［１］又は［２］に記載の冷却システム。
【0018】
［４］ 前記リザーバタンクは、前記減圧装置から流入した前記気体を冷却し、前記気体から前記冷媒を液化させる冷却器を有する、［３］に記載の冷却システム。
【0019】
［５］ 前記冷媒通流装置は、前記冷媒流路における前記制御弁と前記温度制御部との間に、二層流分離器を備え、
前記二層流分離器は、前記制御弁からの前記冷媒を流入させる入口と、前記入口よりも下方に設けられ、前記入口から流入した前記冷媒を流出させる出口とを含む、［１］乃至［４］のいずれかに記載の冷却システム。
前記二層流分離器は、前記制御弁からの前記冷媒を流入させる入口と、前記入口よりも下方に設けられ、前記入口から流入した前記冷媒を流出させる出口とを含む、［１］乃至［４］のいずれかに記載の冷却システム。
【0020】
［６］ 前記冷媒流路における前記制御弁と前記温度制御部との間の部分と、前記冷媒流路における前記温度制御部の下流側の部分とが、それぞれを通流する前記冷媒同士を互いに熱交換可能とする内部熱交換器を構成する、［１］乃至［５］のいずれかに記載の冷却システム。
【0021】
［７］ 前記減圧装置の動作及び前記制御弁の絞り状態により、前記冷媒流路における前記制御弁の下流側の部分の内部の圧力が、前記冷媒流路における前記制御弁の上流側の部分の内部の圧力よりも低くなる状態を形成する、［１］乃至［６］のいずれかに記載の冷却システム。
【0022】
［８］ 前記冷媒は、大気圧下での沸点が３０℃以上となる物質である、［１］乃至［７］のいずれかに記載の冷却システム。
【0023】
［９］ 前記冷媒は、ＧＷＰが１０以下である、［１］乃至［８］のいずれかに記載の冷却システム。
【0024】
［１０］ 前記冷媒は、ＨＦＯ－１３３６ｍｚｚ－Ｚである、［１］乃至［９］のいずれかに記載の冷却システム。
【発明の効果】
【0025】
本発明によれば、従来の冷凍方式では使用されることがなかった物質を熱サイクルの冷媒として使用できるようになる、又は、熱サイクルの冷媒として使用できる物質の範囲を拡大させることができる。
【図面の簡単な説明】
【0026】
【発明を実施するための形態】
【0027】
以下、一実施の形態を説明する。
【0028】
図１は、一実施の形態に係る冷却システムＳの概略図である。まず、冷却システムＳの構成について説明する。
【0029】
（冷却システムの構成）
図１に示すように、冷却システムＳは、冷媒通流装置１０と、減圧装置２０と、コントローラ３０と、を備えている。
図１に示すように、冷却システムＳは、冷媒通流装置１０と、減圧装置２０と、コントローラ３０と、を備えている。
【0030】
冷媒通流装置１０は、冷媒を通流させる冷媒流路１１を有する。冷媒流路１１は、上流端１１Ｕと、下流端１１Ｄとを含む。減圧装置２０は、冷媒流路１１の下流端１１Ｄに接続して冷媒流路１１から気体を吸引する導入口２０Ａと、冷媒流路１１の上流端１１Ｕに接続し、導入口２０Ａから吸引した気体を上流端１１Ｕから冷媒流路１１に流入させる流出口２０Ｂと、を含む。
【0031】
冷媒通流装置１０は、冷媒流路１１に設けられるリザーバタンク１２、ドライヤ１３、制御弁１４、二層流分離器１５、温度制御部１６、気液分離器１７、及びバタフライバルブ１８を上流側から下流側に向けてこの順で有する。すなわち、冷媒流路１１は、リザーバタンク１２、ドライヤ１３、制御弁１４、二層流分離器１５、温度制御部１６、気液分離器１７、及びバタフライバルブ１８をこの順で配管部材により接続することで構成されている。
【0032】
冷却システムＳの運転時においては、冷媒流路１１における制御弁１４は、その開度を絞られた状態に制御される。この状態で、減圧装置２０は、冷媒流路１１の下流端１１Ｄから、冷媒流路１１内に存在する気体又は冷媒流路１１内で気化した気体を吸引する。これにより、減圧装置２０は、冷媒流路１１における制御弁１４よりも下流側の部分の内部の圧力を減圧する又は減圧状態に維持する。
【0033】
上述のように、減圧装置２０が冷媒流路１１から気体を吸引することにより、冷媒流路１１における制御弁１４よりも下流側の部分の内部の圧力は、大気圧よりも小さい圧力に減圧される。一方で、冷媒流路１１における制御弁１４よりも上流側の部分の内部の圧力は、冷媒流路１１における制御弁１４よりも下流側の部分の内部の圧力よりも大きい圧力であって、例えば大気圧に設定される。
【0034】
減圧装置２０が冷媒流路１１の下流端１１Ｄから吸引した気体は、冷媒流路１１の上流端１１Ｕから冷媒流路１１の内部に流入する。冷媒通流装置１０は、減圧装置２０から流入する気体に含まれる冷媒を冷媒流路１１において通流させる。そして、冷媒通流装置１０は、冷媒が冷媒流路１１における制御弁１４に至る前までに冷媒を極力液化させる。そして、液化された冷媒は、冷媒流路１１における制御弁１４よりも下流側の部分に流入する際に減圧され、降温する。これにより、冷媒流路１１において制御弁１４よりも下流側に配置された温度制御部１６は、低温の冷媒を通流させることができる。そして、温度制御部１６において冷媒と温度制御対象とが熱交換することで、冷媒により温度制御対象を冷却できる。
【0035】
温度制御部１６において温度制御対象と熱交換する冷媒は、温度制御対象の熱を吸収することで、蒸発し得る。この場合、冷媒は、気化潜熱により温度制御対象を効率的に冷却できる。そして、上記蒸発した冷媒は気体の状態であり、減圧装置２０によって吸引される。ここで、減圧装置２０によって吸引された気相の冷媒は温度制御対象からの熱を吸収している。この冷媒に吸収された熱は、本実施の形態では冷媒流路１１における主にリザーバタンク１２において外部に放出される。これにより、温度制御対象を連続的に冷却できる。
【0036】
冷却システムＳが循環させる冷媒は特に限定されないが、例えば大気圧下で且つ標準的な環境温度（例えば２５℃）で液状となる物質であって、この状態から例えば０．１気圧の環境で膨張された場合に－５℃以下になる物質であり、望ましくは０．０１気圧の環境で膨張された場合に－３０℃以下になる物質である。このような物質を冷媒として用いた場合には、低温域までの冷却が可能となる。なお、本明細書において大気圧とは、１気圧であって、言い換えると０．１ＭＰａ（Ａｂｓ）を意味する。
【0037】
以下、冷却システムＳを構成する冷媒通流装置１０及び減圧装置２０について詳述する。
【0038】
冷媒通流装置１０におけるリザーバタンク１２は、減圧装置２０から冷媒流路１１に流入した気体から液相となった冷媒を貯留する。上述したように、冷媒流路１１における制御弁１４よりも上流側の部分の内部の圧力は、冷媒流路１１における制御弁１４よりも下流側の部分の内部の圧力よりも大きい。そのため、減圧装置２０から冷媒流路１１に流入した気体は昇圧される状態となり、昇温する。このとき、気体に含まれる冷媒も気相の状態から昇圧され、昇温し、そして液化しようとする。
【0039】
減圧装置２０から流入した気体に含まれる冷媒は、リザーバタンク１２に至るまでに少なくとも一部で液相となり得る。リザーバタンク１２は、このように自然に液相となった冷媒を貯留できる。ただし、減圧装置２０から流入する気相の冷媒の全てをリザーバタンク１２に至るまでに液化することは、困難な場合がある。そこで、本実施の形態におけるリザーバタンク１２は、気相の冷媒を冷却し、液化させる冷却器１２Ａを有する。冷却器１２Ａは、リザーバタンク１２内に設けられ、減圧装置２０からリザーバタンク１２に流入する主に気体を冷却する。これにより、減圧装置２０から流入した気体における冷媒の大部分を、リザーバタンク１２において液化し、液相の冷媒を貯留できる。なお、冷却器１２Ａは、リザーバタンク１２の外に設けられてもよく、例えば冷媒流路１１におけるリザーバタンク１２の上流側の部分を冷却する構成でもよい。
【0040】
リザーバタンク１２は、その上部に気体の入口１２ｉを有し、その底部に液相の冷媒を下流側に流出させる排出口１２ｅを有する。詳しくは、リザーバタンク１２は、開口を有する容器本体１２Ｂと、開口を開閉する蓋１２Ｃとを備え、容器本体１２Ｂの上部に入口１２ｉが設けられ、容器本体１２Ｂの底部に排出口１２ｅが設けられる。ただし、入口１２ｉ及び排出口１２ｅの位置は特に限られるものではない。またリザーバタンク１２では、蓋１２Ｃを開放させることで、例えばリザーバタンク１２の圧力上昇を回避でき、減圧装置２０の消費電力を抑えることができる。また、蓋１２Ｃを開放させることで冷媒の充填又は補給を行うことが可能となる。
【0041】
ドライヤ１３は、リザーバタンク１２からの液相の冷媒に含まれる水分や異物を吸着する。ドライヤ１３は、例えばキャニスタ（容器部）に多孔質材を収容することにより構成されてもよい。この場合、多孔質材は、モレキュラーシーブ、活性アルミナ又はこれらの混合物等でもよい。
【0042】
制御弁１４は、ドライヤ１３から流入する冷媒の通流を制御する。制御弁１４は、詳しくはドライヤ１３から流入する主に液相の冷媒の通流を制御する。制御弁１４は、冷却システムＳの運転時において、減圧装置２０の吸引動作の開始とともに、その開度を絞られて冷媒の通流を制限することで、冷媒流路１１における制御弁１４の下流側の部分の内部を所望の減圧状態に制御する。また、制御弁１４は、制御弁１４から下流側に流出する冷媒の流量を調節することで、例えば温度制御部１６を通流する冷媒の温度又は冷却能力を調節できる。
【0043】
また、上述したように冷媒流路１１における制御弁１４よりも上流側の部分の内部の圧力は、冷媒流路１１における制御弁１４よりも下流側の部分の内部の圧力よりも大きい。そのため、制御弁１４を通過する冷媒は、冷媒流路１１における制御弁１４よりも下流側の部分に流入する際に減圧され、降温する。言い換えると、制御弁１４を通過する冷媒は、冷媒流路１１における制御弁１４よりも下流側の部分に流入する際に膨張され、降温する。したがって、制御弁１４は、液相の冷媒を膨張させる、冷凍回路における膨張弁のような機能も有している。
【0044】
制御弁１４から流出する冷媒は、膨張によって一部が気化され得る。したがって、制御弁１４から流出する冷媒は、気液混相の状態で下流側に流れる場合がある。ただし、制御弁１４から流出する冷媒は、液相のまま下流に流れる場合もある。いずれの場合でも、冷媒は、減圧（膨張）されるため、その温度は低下する。制御弁１４の形式は特に限られないが、本実施の形態では電動の比例制御弁である。制御弁１４はコントローラ３０に電気的に接続される。制御弁１４は、コントローラ３０により制御される。
【0045】
二層流分離器１５は、制御弁１４からの冷媒を流入させる入口１５Ａと、入口１５Ａよりも下方に設けられ、入口１５Ａから流入した冷媒を流出させる出口１５Ｂとを含む。冷媒流路１１における制御弁１４の下流側の部分では、基本的に、下流側の領域に位置する冷媒の温度が、上流側の領域に位置する冷媒よりも温度が低くなる。そして、制御弁１４から流出した直後の冷媒の温度は、通常、その下流側の領域に既に存在する冷媒の温度よりも高い。また、制御弁１４から流出した直後の冷媒は、急激に下流側に引き込まれるように流動する。そこで、二層流分離器１５は、制御弁１４から流出する冷媒のうちの温度の高い相が、急激に下流側へ流出することを抑制するために設けられている。
【0046】
すなわち、二層流分離器１５では、出口１５Ｂよりも上方に入口１５Ａが設けられることで、冷媒のうちの温度の高い相が出口１５Ｂに向かって直進的に流動し難くなる。また、冷媒のうちの温度の高い相は、これよりも温度の低い相よりも相対的に上方に流動しようとするため、出口１５Ｂに向かって直進的に流動し難くなる。二層流分離器１５は、以上のように二層流分離器１５に流入した冷媒のうちの温度の高い相が、出口１５Ｂに向かって直進的に流動する状況を抑制することで、温度の高い相が急激に下流側へ流出することを抑制する。
【0047】
詳しくは、二層流分離器１５は、入口１５Ａと制御弁１４とを接続する配管部材の流路断面積よりも大きい流路断面積を形成するように内部空間を規定する容器本体１５Ｃを有する。容器本体１５Ｃの側壁の上部（側壁の上下方向中央よりも上側の部分）に入口１５Ａが設けられ、容器本体１５Ｃの底壁に出口１５Ｂが設けられる。そして、本実施の形態では、入口１５Ａと出口１５Ｂとが水平方向に重ならない。そして、入口１５Ａと出口１５Ｂとが上下方向で比較的大きく離れる。このような構成である場合、制御弁１４から流出する冷媒のうちの温度の高い相は、出口１５Ｂに到達し難くなる。ただし、入口１５Ａ及び出口１５Ｂの形成位置は特に限られない。なお、入口１５Ａと出口１５Ｂとが水平方向に重ならない状態とは、水平方向に入口１５Ａを出口１５Ｂ側に投影させたときに、両者が全く重ならないことを意味する。ただし、入口１５Ａ及び出口１５Ｂの形成位置はこの態様に限られるものではない。
【0048】
図１においては、二層流分離器１５の内部が色分けされるように記載されている。これは、濃い色で表現された冷媒の部分（図中、上側の部分）が、これよりも薄い色で表現された冷媒の部分（図中、下側の部分）よりも温度が低いことを示している。
【0049】
温度制御部１６は、二層流分離器１５から流出した冷媒を通流させ、この冷媒により図示しない温度制御対象を冷却する。温度制御部１６は、例えば蛇行形状や、渦巻形状や、湾曲形状に形成されてもよい。温度制御部１６の構成は特に限られず、温度制御部１６は、例えばフィンチューブ式の熱交換器等により構成されてもよいし、プレート状の伝熱体を含んでもよい。
【0050】
気液分離器１７は、温度制御部１６を通過した冷媒を流入させて、冷媒を気相の部分と液相の部分とに分離する。気液分離器１７は、詳しくは、温度制御部１６を通過した冷媒のうちの気相の部分が液相の部分よりも下流側に流動するように、気相の部分と液相の部分とを分離する。温度制御部１６が冷媒を温度制御対象と熱交換させた場合、冷媒の一部は蒸発して気化し得る。そのため、温度制御部１６から気液分離器１７に向かう冷媒には、気相の部分と液相の部分とが含まれ得る。気液分離器１７は、温度制御部１６を通過した冷媒のうちの気相の冷媒と、液相の冷媒とを気液分離し、気相の冷媒を上側に流動させるように機能する。
【0051】
気液分離器１７は、温度制御部１６からの冷媒を流入させる入口１７Ａと、入口１７Ａよりも上方に設けられ、入口１７Ａから流入した冷媒を流出させるための出口１７Ｂと、を含む。詳しくは、気液分離器１７は、入口１７Ａと温度制御部１６とを接続する配管部材の流路断面積よりも大きい流路断面積を形成するように内部空間を規定する容器本体１７Ｃを有する。容器本体１７Ｃの底壁に入口１７Ａが設けられ、容器本体１７Ｃの頂壁に出口１７Ｂが設けられる。入口１７Ａと出口１７Ｂとの位置は特に限られないが、入口１７Ａと出口１７Ｂとが上下方向に大きく離れることが好ましい。この場合、気相は液相よりも上方に流動しようとするため、気液分離器１７において下流側に流動した冷媒における上記気相の部分が、出口１７Ｂから下流側に排出され易くなる。また、液相の冷媒が減圧装置２０に吸引される状況が抑制される。
【0052】
気液分離器１７の内部において濃い色で表現された部分は、液相の部分を示し、その上方は気相の部分を示す。気液分離器１７では、常時、上部に気相が形成されるように液相の冷媒を導入させることが好ましい。気液分離器１７で液相の冷媒と気相の部分とを並存させる環境は、減圧装置２０、制御弁１４等の動作を制御することにより、形成できる。気液分離器１７は、内部の圧力を減圧された際にその形状を維持できる構造に構成され、いわゆる真空断熱容器で構成されてもよい。減圧時の気液分離器１７の形状の維持は、減圧される内部の圧力にもよるが、例えば０．１気圧まで減圧される場合には、気液分離器１７の外殻部分は、厚さの大きい硬質の金属等から形成されることが好ましい。ただし、気液分離器１７の具体的な構造は、減圧を予定する程度に応じて適宜決定されればよく、特に限定されない。
【0053】
また、本実施の形態では気液分離器１７とリザーバタンク１２とが、上下方向で同一又は概ね同一の位置に配置される。これにより、本実施の形態では、運転停止の状態において、気液分離器１７内の液相の冷媒の液面高さとリザーバタンク１２内の液相の冷媒の液面高さが同じになるように冷媒が流動する。このような状態を形成しておくことで、次回の運転をスムーズに開始できる。
【0054】
バタフライバルブ１８は、減圧装置２０による冷媒流路１１内の気体の吸い込み量を制御する弁である。バタフライバルブ１８は、例えば電動のモータにより開度を制御する構成でもよい。バタフライバルブ１８は、コントローラ３０に電気的に接続される。バタフライバルブ１８は、コントローラ３０により制御される。
【0055】
また本実施の形態では、冷媒流路１１における制御弁１４と温度制御部１６との間の部分と、冷媒流路１１における温度制御部１６の下流側の部分とが、それぞれを通流する冷媒同士を互いに熱交換可能とする内部熱交換器１９を構成する。冷媒流路１１における制御弁１４と温度制御部１６との間の部分は、詳しくは、冷媒流路１１における制御弁１４の下流側且つ二層流分離器１５の下流側であって、温度制御部１６の上流側の部分である。冷媒流路１１における温度制御部１６の下流側の部分は、詳しくは、本実施の形態では冷媒流路１１における温度制御部１６と気液分離器１７との間の部分である。このような内部熱交換器１９が構成されることにより、冷媒流路１１における制御弁１４と温度制御部１６との間の部分を通流する冷媒は、冷却され得る。冷媒流路１１における温度制御部１６と気液分離器１７との間の部分を通流する冷媒は、加熱され得る。
【0056】
また、冷媒通流装置１０は、第１温度センサ１０１、第２温度センサ１０２、第３温度センサ１０３、第１圧力センサ１０４、第２圧力センサ１０５、第１液面センサ１０６、及び第２液面センサ１０７を備えている。
【0057】
第１温度センサ１０１は、温度制御部１６を通流する冷媒の温度を検出する。第２温度センサ１０２は、冷媒流路１１における二層流分離器１５と温度制御部１６との間の部分を通流する冷媒の温度を検出する。第３温度センサ１０３は、冷媒流路１１における温度制御部１６と気液分離器１７との間の部分（内部熱交換器１９よりも上流側の部分）を通流する冷媒の温度を検出する。第１圧力センサ１０４は、冷媒流路１１における二層流分離器１５と温度制御部１６との間の部分を通流する冷媒の圧力を検出する。第２圧力センサ１０５は、冷媒流路１１における温度制御部１６と気液分離器１７との間の部分（内部熱交換器１９よりも上流側の部分）を通流する冷媒の圧力を検出する。
【0058】
第１液面センサ１０６は、リザーバタンク１２に貯留された液相の冷媒の高さを検出する。第２液面センサ１０７は、気液分離器１７に貯留された液相の冷媒の高さを検出する。第１液面センサ１０６及び第２液面センサ１０７は、例えばレーザ変位計等の光学式のセンサで構成されてもよく、この場合、液面の上方から液面に光を照射するとともに、反射光を受光して、液面の高さを演算する。ただし、第１液面センサ１０６及び第２液面センサ１０７は、フロート式のセンサで構成されてもよい。
【0059】
各センサ（１０１～１０７）は、コントローラ３０に電気的に接続され、各センサの検出結果は、コントローラ３０に送られる。
【0060】
減圧装置２０は、冷媒流路１１から気体を吸引する気体吸引ポンプ２２を有する。気体吸引ポンプ２２は、冷媒流路１１の下流端１１Ｄに接続される導入口２０Ａを通して冷媒流路１１から気体を吸引し、冷媒流路１１の上流端１１Ｕに接続される流出口２０Ｂを通して、導入口２０Ａから吸引した気体を冷媒流路１１に流入させる。導入口２０Ａ及び流出口２０Ｂは、気体吸引ポンプ２２に形成されてもよいし、気体吸引ポンプ２２に接続される配管部分に形成されてもよい。
【0061】
気体吸引ポンプ２２の形式は特に限られないが、潤滑油が吸引経路側に流出しない又はほとんど流出しないドライ真空ポンプであることが好ましい。ドライ真空ポンプは、ダイアフラム型ドライ真空ポンプ、揺動ピストン型ドライ真空ポンプ、回転翼型ドライ真空ポンプ、スクロール型ドライ真空ポンプ等でもよく、以上に例示した方式とは異なるものでもよい。ただし、気体吸引ポンプ２２は湿式の真空ポンプでもよい。
【0062】
本実施の形態における気体吸引ポンプ２２はドライ真空ポンプである。そして、気体吸引ポンプ２２は、例えば交流モータ、ブラシレス直流モータ等、インバータにより制御されるモータを含む。そして、気体吸引ポンプ２２は、モータの回転数を調節することにより、気体の吸引量を調節し、冷媒流路１１における制御弁１４よりも下流側の部分の内部の圧力を調節可能となっている。
【0063】
気体吸引ポンプ２２は、コントローラ３０に電気的に接続され、コントローラ３０によって制御される。本実施の形態では、気体吸引ポンプ２２が、インバータ４０を介してコントローラ３０に電気的に接続される。上記モータの回転数の調節は、詳しくはモータに供給される交流電流の周波数を、コントローラ３０がインバータ４０により調節することで行われる。
【0064】
コントローラ３０は、上述の各センサ（１０１～１０７）に電気的に接続されるとともに、制御弁１４、バタフライバルブ１８、及び気体吸引ポンプ２２に電気的に接続されている。コントローラ３０は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ等を有するコンピュータで構成されてもよい。この場合、コントローラ３０は、ＲＯＭに格納されたプログラムに従い、各種処理を行う。なお、コントローラ３０は、その他のプロセッサや電気回路（例えばＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｌｌｅｙ）等）で構成されてもよい。
【0065】
（コントローラの機能構成）
図２は、コントローラ３０の機能構成を示すブロック図である。図２に示すように、コントローラ３０は、センサ情報取得部３１と、回転数調節部３２と、弁開度調節部３３と、を有する。なお、コントローラ３０は、例えば一つのコンピュータで構成されてもよいし、複数のコンピュータで構成されてもよい。複数のコンピュータで構成される場合、上記複数の機能部は、複数のコンピュータに振り分けられてもよい。
図２は、コントローラ３０の機能構成を示すブロック図である。図２に示すように、コントローラ３０は、センサ情報取得部３１と、回転数調節部３２と、弁開度調節部３３と、を有する。なお、コントローラ３０は、例えば一つのコンピュータで構成されてもよいし、複数のコンピュータで構成されてもよい。複数のコンピュータで構成される場合、上記複数の機能部は、複数のコンピュータに振り分けられてもよい。
【0066】
センサ情報取得部３１は、上述した第１温度センサ１０１、第２温度センサ１０２、第３温度センサ１０３、第１圧力センサ１０４、第２圧力センサ１０５、第１液面センサ１０６、及び第２液面センサ１０７からそれぞれの検出結果を取得する部分である。センサ情報取得部３１は、取得した検出結果に関する情報の一つ又は複数を、回転数調節部３２及び弁開度調節部３３に提供する。
【0067】
回転数調節部３２は、気体吸引ポンプ２２に電気的に接続され、気体吸引ポンプ２２の動作を制御する部分である。詳しくは、回転数調節部３２は、気体吸引ポンプ２２におけるモータにインバータ４０を介して接続する。そして、回転数調節部３２は、インバータ４０からモータに供給する交流電流の周波数を調節することで、減圧装置２０が冷媒流路１１から吸引する気体の流量を調節する。
【0068】
回転数調節部３２には、例えば図示しない入力装置により、温度制御部１６における又は温度制御部１６に流入する前の冷媒の目標温度が入力されて保持され、回転数調節部３２は、例えば第１温度センサ１０１又は第２温度センサ１０２が検出する温度が目標温度に一致するように気体吸引ポンプ２２のモータの回転数を調節する。すなわち、気体吸引ポンプ２２は、第１温度センサ１０１又は第２温度センサ１０２からの検出結果である冷媒の温度と、目標温度との差分に応じて制御されてもよい。
【0069】
なお、以上に説明した制御例では、冷媒の温度が目標温度に一致するように減圧装置２０の気体吸引ポンプ２２が制御されるが、これに代えて、冷媒流路１１における冷媒の圧力が目標値に一致するように、モータの回転数が調節されてもよい。
【0070】
弁開度調節部３３は、制御弁１４及びバタフライバルブ１８に電気的に接続され、制御弁１４及びバタフライバルブ１８の動作を制御する部分である。弁開度調節部３３は、制御弁１４の開度を調節することで、冷媒流路１１を通流する冷媒の流量を調節する。また弁開度調節部３３は、バタフライバルブ１８の開度を調節することで、減圧装置２０が吸引する気体の吸込み量を調節する。
【0071】
弁開度調節部３３には、例えば図示しない入力装置により、温度制御部１６における又は温度制御部１６に流入する前の冷媒の目標温度が入力されて保持され、例えば第１温度センサ１０１又は第２温度センサ１０２が検出する温度が目標温度に一致するように制御弁１４の開度又はバタフライバルブ１８の開度を調節する。このような制御弁１４の開度又はバタフライバルブ１８の制御は、冷媒の温度が目標温度に一致するように気体吸引ポンプ２２が制御され、気体吸引ポンプ２２の運転状態を一定に維持した後に行われてもよい。
【0072】
（冷媒の構成）
次に、冷却システムＳで循環させる冷媒について説明する。上述したように、本実施の形態では、冷媒として、例えば大気圧下で且つ標準的な環境温度（例えば２５℃）で液状となる物質であって、この状態から例えば０．１気圧の環境で膨張された場合に－５℃以下になる物質であり、望ましくは０．０１気圧の環境で膨張された場合に－３０℃以下になる物質である。また、冷媒は、地球温暖化係数（ＧＷＰ）が１０以下の低環境負荷の冷媒であることが望ましい。大気圧下での沸点が３０℃以上の物質である場合、当該物質は、大気圧下で且つ標準的な環境温度（例えば２５℃）で液状となる。なお、使用する冷媒の大気圧下での沸点は、５０℃以上でもよいし、６０℃以上でもよいし、７０℃以上でもよい。
次に、冷却システムＳで循環させる冷媒について説明する。上述したように、本実施の形態では、冷媒として、例えば大気圧下で且つ標準的な環境温度（例えば２５℃）で液状となる物質であって、この状態から例えば０．１気圧の環境で膨張された場合に－５℃以下になる物質であり、望ましくは０．０１気圧の環境で膨張された場合に－３０℃以下になる物質である。また、冷媒は、地球温暖化係数（ＧＷＰ）が１０以下の低環境負荷の冷媒であることが望ましい。大気圧下での沸点が３０℃以上の物質である場合、当該物質は、大気圧下で且つ標準的な環境温度（例えば２５℃）で液状となる。なお、使用する冷媒の大気圧下での沸点は、５０℃以上でもよいし、６０℃以上でもよいし、７０℃以上でもよい。
【0073】
具体的に本実施の形態では、冷媒として、ＧＷＰが２で不燃性の、ＨＦＯ－１３３６ｍｚｚ－Ｚが好適に用いられ得る。より具体的には、冷媒は、三井・ケマーズフロロプロダクツ株式会社製のＯｐｔｅｏｎＳＦ３３（ＴＭ）でもよい。
【0074】
図３は、ＨＦＯ－１３３６ｍｚｚ－Ｚのｐ－ｈ線図である。ＨＦＯ－１３３６ｍｚｚ－Ｚは、大気圧近傍の約０．１００ＭＰａで、温度が常温に近い約３３℃である状態（Ｓｔ１）から、０．０１４９ＭＰａまで減圧されることで、約－１０℃まで降温する（Ｓｔ２）。また、０．００１ＭＰａまで減圧されることで、約－５０℃以下まで降温する。そして、約－１０℃まで降温した状態Ｓｔ２から、ある程度吸熱すると、蒸発し（Ｓｔ３）、この状態Ｓｔ３から、大気圧近傍の約０．１００ＭＰａまで膨張されると、気相のまま常温よりも高い約５０℃まで昇温する（Ｓｔ４）。そして、状態Ｓｔ４から常温で冷却されることで、気液混相に凝縮しつつ、約３３℃でまで冷却される。
【0075】
このようなＨＦＯ－１３３６ｍｚｚ－Ｚは、例えばリザーバタンク１２における冷却器１２Ａで冷却されて上記の状態Ｓｔ１に移行し、その後、制御弁１４から流出することで減圧されて、例えば状態Ｓｔ２に移行できる。そして、ＨＦＯ－１３３６ｍｚｚ－Ｚは、温度制御部１６で温度制御対象と熱交換することで、状態Ｓｔ２から状態Ｓｔ３まで移行でき、その後、気液分離器１７から減圧装置２０の外部に流出することで、状態Ｓｔ３から状態Ｓｔ４に移行できる。したがって、ＨＦＯ－１３３６ｍｚｚ－Ｚは、冷却システムＳで好適に用いられ得る。
【0076】
冷却システムＳで使用可能な冷媒は、他にも種々存在し、例えば水、エタノールでもよい。
【0077】
（動作）
以下、冷却システムＳの動作の一例について説明する。
以下、冷却システムＳの動作の一例について説明する。
【0078】
まず、冷却システムＳにおいては、所望の流量の冷媒が、冷媒流路１１におけるリザーバタンク１２から気液分離器１７にかけて貯留される。そして、例えば温度制御部１６を通流する冷媒の目標温度が入力され、保持される。そして、減圧装置２０が駆動され、冷媒流路１１における制御弁１４の下流側の部分の内部の圧力が減圧装置２０によって大気圧よりも小さい圧力に減圧される。この際、制御弁１４は閉鎖されてもよいし、小さい開度に絞られてもよい。そして、減圧装置２０は、第１温度センサ１０１が検出する温度が目標温度に一致するまで、気体吸引ポンプ２２のモータの回転数を調節される。
【0079】
第１温度センサ１０１が検出する温度が目標温度に一致した後は、気体吸引ポンプ２２のモータの回転数、制御弁１４の開度及びバタフライバルブ１８の開度のうちの少なくともいずれかが、目標温度の維持のために制御される。以上により、起動運転が完了する。第１温度センサ１０１が検出する温度が目標温度に一致するように気体吸引ポンプ２２のモータの回転数が調節された後の状態では、冷媒流路１１における制御弁１４よりも下流側の部分の内部の圧力が減圧装置２０によって大気圧よりも小さい圧力に減圧され、冷媒流路１１における制御弁１４よりも上流側の部分の圧力は、下流側の部分の内部の圧力よりも大きい圧力であって、例えば大気圧になるように設定される。ただし、冷媒流路１１における制御弁１４よりも上流側の部分の圧力は、厳密に大気圧でなくてもよく、大気圧よりやや低い圧力でもよい。
【0080】
その後は、温度制御部１６により温度制御対象を冷却する状態に移行される。冷媒は、温度制御部１６で熱交換を行った後、気相の部分を減圧装置２０によって吸引されて冷媒流路１１の上流端１１Ｕから冷媒流路１１内に再度流入し、制御弁１４に至るまでに冷却された後、制御弁１４を通って温度制御部１６に再度流入する。これにより、温度制御対象が、冷媒によって継続的に冷却される。
【0081】
すなわち、図３を使って冷却システムＳにおける運転状態を説明すると、温度制御対象の熱を温度制御部１６で吸収した冷媒は、冷媒流路１１の下流端１１Ｄから減圧装置２０を介して冷媒流路１１の上流端１１Ｕに流入し、制御弁１４に至るまでに、冷却器１２Ａ等により冷却されて図３の状態Ｓｔ４から状態Ｓｔ１に移行する。その後、冷媒は、制御弁１４から流出することにより、冷媒流路１１における制御弁１４の下流側の部分で減圧されて、状態Ｓｔ２に移行する。そして、冷媒は、温度制御部１６で温度制御対象と熱交換することで、状態Ｓｔ２から状態Ｓｔ３まで移行する。その後、冷媒は、減圧装置２０から冷媒流路１１における制御弁１４の上流側の部分に流入することで、状態Ｓｔ３から状態Ｓｔ４に移行する。そして、冷媒は、制御弁１４に至るまでに冷却され、状態Ｓｔ４から状態Ｓｔ１に移行する。これにより、温度制御対象が、冷媒によって継続的に冷却される。
【0082】
以上に説明した第１の実施の形態に係る冷却システムＳは、冷媒を通流させる冷媒流路１１と、冷媒流路１１に設けられ冷媒の通流を制御する制御弁１４とを含む冷媒通流装置１０と、冷媒流路１１の下流端１１Ｄに接続して冷媒流路１１から気体を吸引する導入口２０Ａと、冷媒流路１１の上流端１１Ｕに接続し、導入口２０Ａから吸引した気体を冷媒流路１１の上流端１１Ｕから冷媒流路１１に流入させる流出口２０Ｂとを含む減圧装置２０と、を備える。冷媒流路１１は、減圧装置２０から流入する気体に含まれる冷媒を通流させる。そして、冷媒通流装置１０は、冷媒流路１１における制御弁１４の下流側に、冷媒により温度制御対象を冷却する温度制御部１６を備える。
【0083】
このような冷却システムＳによれば、従来の冷凍方式では使用されることがなかった物質を熱サイクルの冷媒として使用できるようになる、又は、熱サイクルの冷媒として使用できる物質の範囲を拡大させることができる。
【0084】
すなわち、上述したように本実施の形態では、一例であるが、冷媒として、例えば大気圧下で且つ標準的な環境温度（例えば２５℃）で液状となる物質であって、この状態から例えば０．１気圧の環境で膨張された場合に－５℃以下になる物質を用いることができる。これに対して、上記の物質を、これまで普及してきた蒸気圧縮式の冷凍サイクルで使用すると、例えば圧縮機が液を圧縮することになるため、圧縮機が適正に機能せず、蒸発器において物質が蒸発しない。したがって、蒸気圧縮式の冷凍サイクルでは、上記の冷媒は適合しない。これに対して、冷却システムＳは、圧縮を利用せず、上記の冷媒を冷媒流路１１における制御弁１４の下流側の部分内で減圧させることで温度制御対象を冷却することが可能となり、温度制御対象の熱を冷媒流路１１における制御弁１４の上流側の部分から放出でき、熱サイクルを実現できる。したがって、本実施の形態によれば、従来の冷凍方式では使用されることがなかった物質を熱サイクルの冷媒として使用できるようになる、又は、熱サイクルの冷媒として使用できる物質の範囲を拡大させることができる。
【0085】
そして、冷却システムＳは、上述したように、例えばＧＷＰが２で不燃性のＨＦＯ－１３３６ｍｚｚ－Ｚ等を冷媒として使用できるようにする。これにより、蒸気圧縮式の冷凍サイクルでは、現状実現できていない低ＧＷＰ且つ安全性を確保した冷却動作を実現できる。このような低ＧＷＰで、環境負荷が小さく、且つ安全性を確保した冷却システムＳは、他の冷却方式を含めて知られていない。よって、このような冷却システムＳの実現は、地球環境保護に大きく貢献する可能性を有している。また、冷却システムＳでは圧縮機が用いられないため、潤滑油が冷媒側へ流出する状況が抑制され、この点でも有益である。
【0086】
また、冷却システムＳは、冷媒流路１１における温度制御部１６の下流側に、温度制御部１６を通過した冷媒のうちの気相の部分が液相の部分よりも下流側に流動するように気相の部分と液相の部分とを分離する気液分離器１７を備える。この構成では、冷媒流路１１における下流端１１Ｄから液相の冷媒が減圧装置２０に吸引される状況が抑制される。これにより、減圧装置２０を安定した状態で運転させることができ、冷却システムＳの運転の安定性を向上できる。
【0087】
また、冷媒通流装置１０は、冷媒流路１１における制御弁１４の上流側に、減圧装置２０から冷媒流路１１に流入した気体から液相となった冷媒を貯留するリザーバタンク１２を備える。そして、制御弁１４は、リザーバタンク１２から流入する液相の冷媒の通流を制御する。この構成では、減圧装置２０から冷媒流路１１に流入した冷媒において比較的温度が高くなる気相の冷媒が冷媒流路１１における制御弁１４の下流側に流れることが抑制される。これにより、温度制御部１６において望ましい冷却を行うことができる。
【0088】
また、冷媒通流装置１０は、冷媒流路１１における制御弁１４と温度制御部１６との間に、二層流分離器１５を備え、二層流分離器１５は、制御弁１４からの冷媒を流入させる入口１５Ａと、入口１５Ａよりも下方に設けられ、入口１５Ａから流入した冷媒を流出させる出口１５Ｂとを含む。この構成では、二層流分離器１５に流入した冷媒のうちの温度の高い相が急激に下流側へ流出することが抑制される。これにより、温度制御部１６において望ましい冷却を行うことができる。
【0089】
また、本実施の形態では冷媒流路１１における制御弁１４と温度制御部１６との間の部分と、冷媒流路１１における温度制御部１６の下流側の部分とが、それぞれを通流する冷媒同士を互いに熱交換可能とする内部熱交換器１９を構成する。この構成では、冷媒流路１１における制御弁１４と温度制御部１６との間の部分を通流する冷媒は、冷却され得る。冷媒流路１１における温度制御部１６と気液分離器１７との間の部分を通流する冷媒は、加熱され得る。これにより、温度制御部１６に流入する冷媒はより降温され、気液分離器１７に流入する冷媒は気化し易くなる。そのため、冷却システムＳを望ましい状態で運転させることができる。
【0090】
＜適用例＞
以下、上述の実施の形態に係る冷却システムＳの適用例について図４乃至図７を参照しつつ説明する。以下に説明する適用例における冷却システムＳは、特に説明しない限り上述の実施の形態と同様の構成要素を備える。
以下、上述の実施の形態に係る冷却システムＳの適用例について図４乃至図７を参照しつつ説明する。以下に説明する適用例における冷却システムＳは、特に説明しない限り上述の実施の形態と同様の構成要素を備える。
【0091】
（適用例１）
図４は、冷却システムＳを備えるプラズマエッチング装置２００の概略図である。プラズマエッチング装置２００は、静電チャック２０１を備える。静電チャック２０１は、板状のベースプレート２０２を備え、ベースプレート２０２の表面にウェハＷを吸着して保持する。そして、ベースプレート２０２の内部を冷却システムＳの温度制御部１６が通過するように、ベースプレート２０２と温度制御部１６とが接続されている。温度制御部１６はベースプレート２０２から熱を吸収することで、ベースプレート２０２及びウェハＷを冷却できる。この例では、冷却システムＳの第１温度センサ１０１がベースプレート２０２の温度を検出するように構成されている。また、ベースプレート２０２にはヒータ２０３も内蔵されている。プラズマエッチング装置２００では、ウェハＷを冷却することが可能であるとともに加熱することが可能となっている。また、図４における冷却システムＳでは、冷媒流路１１におけるリザーバタンク１２の上流側の部分を冷却するファン１２０が設けられる。これにより、減圧装置２０から冷媒流路１１に流入した冷媒の液化が促進される。このようなファン１２０は、上述の実施の形態及び以下の適用例における冷却システムＳにおいても適用され得る。
図４は、冷却システムＳを備えるプラズマエッチング装置２００の概略図である。プラズマエッチング装置２００は、静電チャック２０１を備える。静電チャック２０１は、板状のベースプレート２０２を備え、ベースプレート２０２の表面にウェハＷを吸着して保持する。そして、ベースプレート２０２の内部を冷却システムＳの温度制御部１６が通過するように、ベースプレート２０２と温度制御部１６とが接続されている。温度制御部１６はベースプレート２０２から熱を吸収することで、ベースプレート２０２及びウェハＷを冷却できる。この例では、冷却システムＳの第１温度センサ１０１がベースプレート２０２の温度を検出するように構成されている。また、ベースプレート２０２にはヒータ２０３も内蔵されている。プラズマエッチング装置２００では、ウェハＷを冷却することが可能であるとともに加熱することが可能となっている。また、図４における冷却システムＳでは、冷媒流路１１におけるリザーバタンク１２の上流側の部分を冷却するファン１２０が設けられる。これにより、減圧装置２０から冷媒流路１１に流入した冷媒の液化が促進される。このようなファン１２０は、上述の実施の形態及び以下の適用例における冷却システムＳにおいても適用され得る。
【0092】
（適用例２）
図５は、冷却システムＳを備える調理機器２１０の概略図である。調理機器２１０は、いわゆるコールドプレートであり、冷却システムＳの温度制御部１６により冷却される調理プレート２１１を備える。温度制御部１６は、調理プレート２１１の内部を通過する状態で調理プレート２１１に接続されている。また、この例では、冷却システムＳの第１温度センサ１０１が調理プレート２１１の温度を検出するように構成されている。
図５は、冷却システムＳを備える調理機器２１０の概略図である。調理機器２１０は、いわゆるコールドプレートであり、冷却システムＳの温度制御部１６により冷却される調理プレート２１１を備える。温度制御部１６は、調理プレート２１１の内部を通過する状態で調理プレート２１１に接続されている。また、この例では、冷却システムＳの第１温度センサ１０１が調理プレート２１１の温度を検出するように構成されている。
【0093】
（適用例３）
図６は、冷却システムＳを備える成形装置２２０の概略図である。成形装置２２０は、冷却システムＳの温度制御部１６により冷却される金型２２１を備える。温度制御部１６は、金型２２１の内部を通過する状態で金型２２１に接続されている。また、この例では、冷却システムＳの第１温度センサ１０１が金型２２１の温度を検出するように構成されている。
図６は、冷却システムＳを備える成形装置２２０の概略図である。成形装置２２０は、冷却システムＳの温度制御部１６により冷却される金型２２１を備える。温度制御部１６は、金型２２１の内部を通過する状態で金型２２１に接続されている。また、この例では、冷却システムＳの第１温度センサ１０１が金型２２１の温度を検出するように構成されている。
【0094】
（適用例４）
図７は、冷却システムＳを備える冷凍冷蔵倉庫２３０の概略図である。冷凍冷蔵倉庫２３０は、倉庫本体２３１と、倉庫本体２３１に接続されたダクト２３２とを備える。ダクト２３２は、両端部を倉庫本体２３１に接続し、一方の端部で倉庫本体２３１から気体を引き込み、引き込んだ気体を他方の端部から倉庫本体２３１に流入させる。ダクト２３２には、ファン２３３が配置されるとともに、冷却システムＳの温度制御部１６が配置される。ファン２３３が回転することにより、倉庫本体２３１から気体が引き込まれ、この気体が温度制御部１６により冷却される。これにより、冷却された気体がダクト２３２から倉庫本体２３１内に流入する。なお、図７に示す例では、温度制御部１６の温度を検出する第１温度センサ１０１が設けられていないが、第１温度センサ１０１は設けられてもよい。
図７は、冷却システムＳを備える冷凍冷蔵倉庫２３０の概略図である。冷凍冷蔵倉庫２３０は、倉庫本体２３１と、倉庫本体２３１に接続されたダクト２３２とを備える。ダクト２３２は、両端部を倉庫本体２３１に接続し、一方の端部で倉庫本体２３１から気体を引き込み、引き込んだ気体を他方の端部から倉庫本体２３１に流入させる。ダクト２３２には、ファン２３３が配置されるとともに、冷却システムＳの温度制御部１６が配置される。ファン２３３が回転することにより、倉庫本体２３１から気体が引き込まれ、この気体が温度制御部１６により冷却される。これにより、冷却された気体がダクト２３２から倉庫本体２３１内に流入する。なお、図７に示す例では、温度制御部１６の温度を検出する第１温度センサ１０１が設けられていないが、第１温度センサ１０１は設けられてもよい。
【0095】
以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明は以上に説明した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はさらなる種々の変更を加えることができる。また、冷却システムＳは、上述で例示した適用例以外にも種々の用途で用いられ得る。
【0096】
以下、変形例に係る冷却システムＳｖについて図８を参照しつつ説明する。この冷却システムＳｖでは、温度制御部１６と気液分離器１７とが一体化されており、温度制御部１６が上述の実施の形態のように制御弁１４と二層流分離器１５との間に設けられていない。気液分離器１７は、その内部における液相の冷媒で温度制御対象を冷却するように構成されている。温度制御対象は、図８の例では、熱媒体配管部材２４０において通流する熱媒体である。熱媒体配管部材２４０は、気液分離器１７の内部を通過するように気液分離器１７に接続されている。
【0097】
また冷却システムＳｖは、上述の実施の形態と同様のドライヤ１３、制御弁１４、二層流分離器１５、温度制御部１６、気液分離器１７、バタフライバルブ１８、及び内部熱交換器１９を備える。これら各部分は、上述の実施の形態と同様のものである。また、冷却システムＳｖでは、気液分離器１７の内部における液相の冷媒で温度制御対象を冷却するが、気相の冷媒で冷却をしてもよい。また、冷却システムＳｖは、気液分離器１７の外面で冷却を行う構成でもよい。
【符号の説明】
【0098】
Ｓ…冷却システム
１０…冷媒通流装置
１１…冷媒流路
１１Ｕ…上流端
１１Ｄ…下流端
１２…リザーバタンク
１２Ａ…冷却器
１４…制御弁
１５…二層流分離器
１６…温度制御部
１７…気液分離器
１８…バタフライバルブ
１９…内部熱交換器
２０…減圧装置
２０Ａ…導入口
２０Ｂ…流出口
３０…コントローラ
１０…冷媒通流装置
１１…冷媒流路
１１Ｕ…上流端
１１Ｄ…下流端
１２…リザーバタンク
１２Ａ…冷却器
１４…制御弁
１５…二層流分離器
１６…温度制御部
１７…気液分離器
１８…バタフライバルブ
１９…内部熱交換器
２０…減圧装置
２０Ａ…導入口
２０Ｂ…流出口
３０…コントローラ
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】