特許 7557171 流体温調システム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-18

(45)【発行日】2024-09-27

(54)【発明の名称】流体温調システム

(51)【国際特許分類】

   F25B 7/00 20060101AFI20240919BHJP

【ＦＩ】

F25B7/00 E

【請求項の数】 9

(21)【出願番号】P 2022577823

(86)(22)【出願日】2021-01-26

(86)【国際出願番号】 JP2021002565

(87)【国際公開番号】W WO2022162723

(87)【国際公開日】2022-08-04

【審査請求日】2024-01-12

(73)【特許権者】

【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】100164688

【弁理士】

【氏名又は名称】金川 良樹

(72)【発明者】

【氏名】山脇 正勝

(72)【発明者】

【氏名】上田 禎一郎

【審査官】森山 拓哉

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０２０／０９５３８１（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１７／１４１７２２（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開平０３－２６３５５６（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｆ２５Ｂ ７／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項4】

前記起動時における前記低温側冷凍機の運転時間が第３の運転時間を越えた後、前記起 動後の前記流体の冷却が行われ、前記中温側第１蒸発器での前記中温側冷媒の蒸発温度は、前記起動時のときよりも低い温度に変更される、請求項１に記載の流体温調システム。

【請求項6】

前記起動時において、（０）前記流体通流装置のポンプが駆動され、前記流体通流装置 内で前記流体が通流され、その後、前記（１）～（３）の動作が行われる、請求項１に記 載の流体温調システム。

【請求項9】

前記低温側冷媒は、Ｒ５０８Ａを含み、前記低温側膨張弁によって膨張されることにより、－７０℃以下まで降温される、請求項１に記載の流体温調システム。

【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する流体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。また、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。

【0004】

このような三元冷凍装置は、低温側冷凍機の蒸発器によって極めて低温の温度域まで気体や液体を冷却し、冷却した気体や液体によって温度制御対象を極めて低温の温度域まで冷却することができる。温度制御対象は空間であってもよいし、特定の物体であってもよい。

【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】

本発明は上記実情を考慮してなされたものであり、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流体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】

【0007】

一実施の形態にかかる流体温調システムは、
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、
流体を通流させる流体通流装置と、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する。
そして、当該流体温調システムは、前記流体通流装置が通流させる流体を、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。

【0008】

上記流体温調システムでは、流体通流装置が通流させる流体が、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、上記流体温調システムは、温度制御対象物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ことで、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。

【0009】

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。

【0010】

この構成では、低温側凝縮器から流出し、低温側膨張弁に流入する前の低温側冷媒と、低温側蒸発器から流出し、低温側圧縮機に流入する前の低温側冷媒とが、内部熱交換器において互いに熱交換する。これにより、低温側凝縮器から流出した低温側冷媒を低温側膨張弁に流入する前に冷却することができ、低温側蒸発器から流出した低温側冷媒を低温側圧縮機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。

【0011】

前記低温側冷媒は、Ｒ２３であり、前記低温側膨張弁によって膨張されることにより、－７０℃以下まで降温されてもよい。

【0012】

前記低温側冷媒は、Ｒ１１３２ａ又はＲ５０８Ａであり、前記低温側膨張弁によって膨張されることにより、－７０℃以下まで降温されてもよい。

【0013】

前記低温側冷媒は、Ｒ１１３２ａ又はＲ５０８Ａを含み、前記低温側膨張弁によって膨張されることにより、－７０℃以下まで降温されてもよい。

【0014】

前記中温側冷媒と、前記低温側冷媒は、同じ冷媒でもよい。

【0015】

また、前記中温側圧縮機によって圧縮される前記中温側冷媒は、前記第１カスケードコンデンサで凝縮されて、前記中温側第１膨張弁及び前記中温側第２膨張弁に送られるように分岐されてもよい。そして、前記中温側第１膨張弁は前記中温側冷媒を膨張させ、前記中温側第２膨張弁は前記中温側冷媒を膨張させ、同時に、前記低温側膨張弁が、前記低温側冷媒を膨張させてその温度を低下させてもよい。そして、これにより、前記流体通流装置が通流させる流体を、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してもよい。

【0016】

また、流体温調システムの起動時において、以下（１）～（３）の動作がなされてもよい。
（１）一定の所定回転数で前記高温側圧縮機が駆動するように前記高温側冷凍機が運転され、
（２）次いで、前記高温側冷凍機の運転時間が第１の運転時間を越えた後、一定の所定回転数で前記中温側圧縮機が駆動するように前記中温側冷凍機が運転され、前記中温側第１膨張弁及び前記中温側第２膨張弁がともに開状態とされ、
（３）次いで、前記中温側冷凍機の運転時間が第２の運転時間を越えた後、一定の所定回転数で前記低温側圧縮機が駆動するように前記低温側冷凍機が運転される。

【0017】

この場合、前記低温側冷凍機の運転時間が第３の運転時間を越えた後、前記流体の温度に応じて、前記高温側圧縮機の回転数、前記中温側圧縮機の回転数及び前記低温側圧縮機の回転数のうちの少なくともいずれかを変化させてもよい。

【0018】

また、前記起動時において、前記中温側第１蒸発器での前記中温側冷媒の蒸発温度は、前記低温側蒸発器での前記低温側冷媒の蒸発温度よりも高い温度に設定されてもよい。

【0019】

また、前記低温側冷凍機の運転時間が第３の運転時間を越えた後、前記流体の温度に応じて、前記高温側圧縮機の回転数、前記中温側圧縮機の回転数及び前記低温側圧縮機の回転数のうちの少なくともいずれかを変化させもよい。そして、前記中温側第１蒸発器での前記中温側冷媒の蒸発温度は、前記起動時のときよりも低い温度に変更されてもよい。

【0020】

また、一実施の形態にかかる冷凍装置は、
第１圧縮機、第１凝縮器、第１膨張弁及び第１蒸発器が、この順に第１冷媒を循環させるように接続された第１冷凍回路を有するとともに、前記第１冷凍回路における前記第１凝縮器の下流側で且つ前記第１膨張弁の上流側の部分から分岐し、前記第１蒸発器の下流側で且つ前記第１圧縮機の上流側の部分に接続され、前記第１冷凍回路から分岐する前記第１冷媒を通流させる分岐流路、前記分岐流路に設けられたカスケード用膨張弁、及び前記分岐流路において前記カスケード用膨張弁よりも下流側に設けられたカスケード用蒸発器を含むカスケード用バイパス回路を有する第１冷凍機と、
第２圧縮機、第２凝縮器、第２膨張弁及び第２蒸発器が、この順に第２冷媒を循環させるように接続された第２冷凍回路を有する第２冷凍機と、を備え、
前記第１冷凍機の前記カスケード用蒸発器と前記第２冷凍機の前記第２凝縮器とが、前記第１冷媒と前記第２冷媒との熱交換を可能とするカスケードコンデンサを構成する。
当該冷凍装置は、温度制御対象を、前記第１冷凍機の前記第１蒸発器によって冷却した後、前記第２冷凍機の前記第２蒸発器によって冷却してもよい。

【0021】

また、一実施の形態にかかる冷凍装置は、
圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器が、この順に冷媒を循環させるように接続された冷凍回路を備え、
前記冷凍回路における前記凝縮器の下流側で且つ前記膨張弁の上流側の部分と、前記冷凍回路における前記蒸発器の下流側で且つ前記圧縮機の上流側の部分とが、各前記部分を通過する前記冷媒の熱交換を可能とする内部熱交換器を構成する。

【発明の効果】

【0022】

本発明によれば、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。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【図1】一実施の形態にかかる流体温調システムの概略図である。

【図2】図１の流体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の流体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の流体温調システムの起動時の動作を示す図である。

【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流体温調システム１の概略図である。本実施の形態に係る流体温調システム１は、多元式冷凍装置１０と、流体を通流させる流体通流装置２０と、制御装置３０と、を備えている。流体温調システム１は、多元式冷凍装置１０によって流体通流装置２０が通流させる流体を冷却する。本実施の形態では、多元式冷凍装置１０によって流体通流装置２０が通流させる液体を冷却するが、流体通流装置２０は気体を通流させてもよく、多元式冷凍装置１０は気体を冷却してもよい。

【0026】

制御装置３０は、多元式冷凍装置１０及び流体通流装置２０に電気的に接続されており、多元式冷凍装置１０及び流体通流装置２０の動作を制御する。制御装置３０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多元式冷凍装置１０及び流体通流装置２０の動作を制御してもよい。

【0027】

本実施の形態にかかる流体温調システム１は、流体通流装置２０が通流させる流体を－７０℃以下、好ましく－８０℃以下まで冷却するように構成されるが、流体温調システム１の冷凍能力や冷却可能温度は特に限られるものではない。

【0028】

＜多元式冷凍装置＞
多元式冷凍装置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。

【0029】

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、多元式冷凍装置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。

【0030】

（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。

【0031】

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。

【0032】

本実施の形態の形態では、高温側凝縮器１０２に冷却水供給管４０が接続され、冷却水供給管４０から供給される冷却水によって高温側冷媒が冷却される。高温側冷媒を冷却するための冷却水としては、水が用いられてよいし、その他の冷媒が用いられてもよい。また、高温側凝縮器１０２は空冷式の凝縮器として構成されてもよい。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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、流体通流装置２０が通流させる流体を－７０℃以下、好ましく－８０℃以下まで冷却し、冷却された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、ＣＯ_２、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。

【0038】

（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、を有している。

【0039】

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。

【0040】

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、流体通流装置２０が通流させる流体と熱交換させて当該流体を冷却する。流体通流装置２０が通流させる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。

【0041】

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。

【0042】

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から流出して、中温側第１蒸発器２０４から流出した中温側冷媒と合流する。

【0043】

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。

【0044】

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。

【0045】

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、流体通流装置２０が通流させる流体を－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。

【0046】

（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。

【0047】

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。

【0048】

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、流体通流装置２０が通流させる流体と熱交換させて当該流体を冷却する。流体通流装置２０が通流させる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。

【0049】

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。

【0050】

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。

【0051】

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。

【0052】

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。

【0053】

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、流体通流装置２０が通流させる流体を－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。

【0054】

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、超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、その沸点が大気圧下で約－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。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に代えて、Ｒ５０８Ａが用いられてもよい。

【0055】

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、ＣＯ_２（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。

【0056】

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。

【0057】

＜流体通流装置＞
続いて流体通流装置２０について説明する。本実施の形態における流体通流装置２０は、流体が通流する流体流路２１と、流体流路で流体を通流させるための駆動力を付与するポンプ２２と、を有している。本実施の形態における流体流路２１は、中温側冷凍機２００の中温側第１蒸発器２０４に接続され、低温側冷凍機３００の低温側蒸発器３０４に接続され、さらには温度制御対象５０に接続されている。

【0058】

ポンプ２２から流出した流体は、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、流体は、温度制御対象５０に供給され、ポンプ２２に戻る。本実施の形態では、ポンプ２２から流出した流体が温度制御対象５０を通過した後にポンプ２２に戻るが、流体通流装置２０はこのような構成に限られるものではない。例えば流体通流装置２０は、ポンプ２２から流出した流体を温調して温度制御対象５０に供給し、その後、排出するようになっていてもよい。

【0059】

流体通流装置２０が通流させる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。

【0060】

温度制御対象５０は種々のものが想定されるが、例えば半導体製造装置のステージであってもよいし、半導体が実装された基板を載せるための部材であってもよい。また、流体通流装置２０が気体を通流させる場合には、温度制御対象５０は空間であってもよい。

【0061】

＜動作＞
次に、流体温調システム１の動作の一例を説明する。

【0062】

流体温調システム１を動作させる際には、まず、制御装置３０の指令により、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、及び流体通流装置２０のポンプ２２が駆動される。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し、流体通流装置２０において液体が通流する。

【0063】

制御装置３０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及び流量調節弁２３２、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。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。

【0064】

高温側冷凍機１００では、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。

【0065】

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。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。

【0066】

そして、中温側第１蒸発器２０４は、中温側冷媒によって、流体通流装置２０が通流させる流体を冷却する。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。

【0067】

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、流体通流装置２０が通流させる流体を冷却する。

【0068】

すなわち、本実施の形態では、中温側圧縮機２０１によって圧縮される中温側冷媒は、中温側第１凝縮器２０２（第１カスケードコンデンサＣＣ１）で凝縮されて、中温側第１膨張弁２０３及び中温側第２膨張弁２２３に送られるように分岐される。そして、中温側第１膨張弁２０３は中温側冷媒を膨張させ、中温側第２膨張弁２２３は中温側冷媒を膨張させ、同時に、低温側膨張弁３０３が、低温側冷媒を膨張させてその温度を低下させる。これにより、流体通流装置２０が通流させる流体を、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。

【0069】

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。

【0070】

以下では、流体温調システム１の起動時の動作について説明する。

【0071】

図４を参照し、本実施の形態では、流体温調システム１は、起動時に以下の動作（０）～（３）を順に行う。

【0072】

（０）まず、ポンプ２２が駆動され、流体通流装置２０内で流体が通流する。
（１）次いで、ポンプ２２の運転時間が所定時間を越えた後、一定の所定回転数で高温側圧縮機１０１が駆動するように高温側冷凍機１００が運転される。
（２）次いで、高温側冷凍機１００の運転時間が第１の運転時間を越えた後、一定の所定回転数で中温側圧縮機２０１が駆動するように中温側冷凍機２００が運転される。この際、中温側第１膨張弁２０３及び中温側第２膨張弁２２３がともに開状態とされる。
（３）次いで、中温側冷凍機２００の運転時間が第２の運転時間を越えた後、一定の所定回転数で低温側圧縮機３０１が駆動するように低温側冷凍機３００が運転される。

【0073】

起動時における高温側冷凍機１００の運転（１）では、高温側膨張弁１０３が所定の開度で開かれ、流量調節弁１２２は閉じられる。

【0074】

起動時における中温側冷凍機２００の運転（２）では、中温側第１膨張弁２０３及び中温側第２膨張弁２２３がともに、所定の開度で開状態とされる。一方で、流量調節弁２３２は閉じられる。

【0075】

起動時における低温側冷凍機３００の運転（３）では、低温側膨張弁３０３が所定の開度で開かれ、流量調節弁３２２は閉じられる。

【0076】

また、本実施の形態では、中温側冷媒と、低温側冷媒とが同じ冷媒である。しかし、上記起動時において、中温側第１蒸発器２０４及び中温側第２蒸発器２２４での中温側冷媒の蒸発温度は、低温側蒸発器３０４での低温側冷媒の蒸発温度よりも高い温度に設定される。

【0077】

中温側第１蒸発器２０４での中温側冷媒の蒸発温度は、中温側第１膨張弁２０３の開度を調整することにより変更可能である。中温側第２蒸発器２２４での中温側冷媒の蒸発温度は、中温側第２膨張弁２２３の開度を調整することにより変更可能である。低温側蒸発器３０４での低温側冷媒の蒸発温度は、低温側膨張弁３０３の開度を調整することにより変更可能である。

【0078】

そして、起動時における低温側冷凍機３００の運転（３）において、低温側冷凍機３００の運転時間が第３の運転時間を越えた後、流体温調システム１は、流体通流装置２０で通流する流体の温度に応じて、高温側圧縮機１０１の回転数、中温側圧縮機２０１の回転数及び低温側圧縮機３０１の回転数のうちの少なくともいずれかを変化させる。
詳しくは、高温側圧縮機１０１の回転数、中温側圧縮機２０１の回転数及び低温側圧縮機３０１の回転数は、ポンプ２２から吐出される流体の温度と目標温度との差分に応じて変更される。目標温度は、制御装置３０に記録されている。

【0079】

すなわち、低温側冷凍機３００の運転時間が第３の運転時間を越えた後においては、圧縮機の自動制御（自動運転）が開始される。本実施の形態では、この自動制御が開始されると、中温側第１蒸発器２０４での中温側冷媒の蒸発温度が、起動時のときよりも低い温度に変更される。また、自動制御運転中においては、流量調節弁１２２、流量調節弁２３２及び流量調節弁３２２も制御される。そして、起動後においては、流体温調システム１は、流体通流装置２０が通流させる流体を、中温側第１蒸発器２０４によって冷却した後、低温側蒸発器３０４によって冷却する。

【0080】

以上に説明した流体温調システム１では、流体通流装置２０が通流させる流体が、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、流体温調システム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ことで、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。

【0081】

起動時においては、高温側冷凍機１００、中温側冷凍機２００および低温側冷凍機３００が段階的にこの順番で運転を開始する。そして、起動時において、中温側第１蒸発器２０４及び中温側第２蒸発器２２４での中温側冷媒の蒸発温度は、低温側蒸発器３０４での低温側冷媒の蒸発温度よりも高い温度に設定される。これにより、例えば常温のブラインを冷却する場合に、中温側圧縮機２０１及び低温側圧縮機３０１が過負荷状態になることを回避でき、安全に且つ効率的に、所望温度まで温度制御対象を冷却できる。

【0082】

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。

【0083】

なお、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、二元式の冷凍装置として構成された場合でも有用である。すなわち、中温側冷凍機２００を第１冷凍機として備えるとともに、低温側冷凍機３００を第２冷凍機として備える以下のような二元式の冷凍装置も有用である。

【0084】

第１圧縮機、第１凝縮器、第１膨張弁及び第１蒸発器が、この順に第１冷媒を循環させるように接続された第１冷凍回路を有するとともに、前記第１冷凍回路における前記第１凝縮器の下流側で且つ前記第１膨張弁の上流側の部分から分岐し、前記第１蒸発器の下流側で且つ前記第１圧縮機の上流側の部分に接続され、前記第１冷凍回路から分岐する前記第１冷媒を通流させる分岐流路、前記分岐流路に設けられたカスケード用膨張弁、及び前記分岐流路において前記カスケード用膨張弁よりも下流側に設けられたカスケード用蒸発器を含むカスケード用バイパス回路を有する第１冷凍機と、
第２圧縮機、第２凝縮器、第２膨張弁及び第２蒸発器が、この順に第２冷媒を循環させるように接続された第２冷凍回路を有する第２冷凍機と、を備え、
前記第１冷凍機の前記カスケード用蒸発器と前記第２冷凍機の前記第２凝縮器とが、前記第１冷媒と前記第２冷媒との熱交換を可能とするカスケードコンデンサを構成する、冷凍装置。
この際、温度制御対象を、前記第１冷凍機の前記第１蒸発器によって冷却した後、前記第２冷凍機の前記第２蒸発器によって冷却することが良い。

【0085】

また、本実施の形態における低温側冷凍機３００は、以下のような単元式の冷凍装置として構成された場合でも有用である。

【0086】

圧縮機、凝縮器、膨張弁及び蒸発器が、この順に冷媒を循環させるように接続された冷凍回路を備え、
前記冷凍回路における前記凝縮器の下流側で且つ前記膨張弁の上流側の部分と、前記冷凍回路における前記蒸発器の下流側で且つ前記圧縮機の上流側の部分とが、各前記部分を通過する前記冷媒の熱交換を可能とする内部熱交換器を構成する、冷凍装置。

【0087】

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。

【符号の説明】

【0088】

１…流体温調システム、１０…多元式冷凍装置、２０…流体通流装置、２１…流体流路、２２…ポンプ、３０…制御装置、４０…冷却水供給管、５０…温度制御対象、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、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、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、ＩＥ…内部熱交換器

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】