JP2025005169A - 冷却機構 - Google Patents

Abstract

【課題】液圧縮を防止可能な冷却機構を提供する。
【解決手段】冷却機構２の制御手段４は、第一の温度センサー３８または第二の温度センサー４０の値が設定温度になるように、かつ、ＣＯ_２冷媒が臨界温度３１．１℃および臨界圧力７．３８ＭＰａで特定される臨界点を囲繞する設定圧力値と設定温度とで規定される経路にしたがうように、可変膨張弁３２の開度と圧縮機６の回転数とを制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、加工装置で使用する加工寄与液を冷却する冷却機構に関する。

ＩＣ、ＬＳＩなどの複数のデバイスが分割予定ラインによって区画され表面に形成されたウエーハは、裏面が研削装置によって研削され所定の厚みに形成された後、ダイシング装置、レーザー加工装置によって個々のデバイスチップに分割され、分割された各デバイスチップは携帯電話、パソコンなどの電気機器に利用される。

ウエーハに加工を施している際に、研削装置またはダイシング装置を構成する加工具が装着されたスピンドルユニットが発熱して熱膨張すると、高精度な研削または切削ができなくなる。そのため、温度制御装置によって、スピンドルユニットの温度を一定するための制御が行われている（たとえば、特許文献１参照）。

特開２０１７－４０３９６号公報

上記特許文献１に記載されている温度制御装置は、ＣＯ_２を冷媒として使用するタイプの装置であり、高い冷却効率を得ることができる。しかし、加工装置で使用する加工寄与液（切削水などの使い捨て加工水を含む）の水温を低く設定すると、圧縮機の吸入冷媒が完全に気化せず、液圧縮を生じる可能性があり、圧縮機の寿命を縮めてしまうおそれがある。

本発明の課題は、液圧縮を防止可能な冷却機構を提供することである。

本発明によれば、上記課題を解決する以下の冷却機構が提供される。すなわち、
「加工装置で使用する加工寄与液を冷却する冷却機構であって、
制御手段と、
ＣＯ_２冷媒を圧縮する圧縮機と、
該圧縮機が圧縮した圧縮熱を帯びたＣＯ_２冷媒を冷却する水冷式ガスクーラと、
冷却されたＣＯ_２冷媒が送り込まれる内部熱交換器と、
該内部熱交換器から送り出されたＣＯ_２冷媒を気化させ気化熱を生成し加工装置で使用する加工寄与液を冷却する蒸発器と、
該圧縮機と該水冷式ガスクーラとを連結する第一の経路と、
該水冷式ガスクーラと該蒸発器とを連結する第二の経路と、
該蒸発器と該圧縮機とを連結する第三の経路と、
該水冷式ガスクーラに工業用水を導入し制水弁を備えた第四の経路と、
該第一の経路に連結する第一の連結部と該第二の経路に連結する第二の連結部とによって連結され可変バイパス弁を備えたバイパス経路と、を含み、
該内部熱交換器は、該蒸発器から送り出されたＣＯ_２冷媒が該水冷式ガスクーラから送り出されたＣＯ_２冷媒から熱を奪うように該第二の経路と該第三の経路とに跨り配設され、
該第二の経路には、冷却したＣＯ_２冷媒の流量を調整する可変膨張弁が該内部熱交換器と該第二の連結部との間に配設され、
該可変膨張弁と該圧縮機との間の該第二の経路と該第三の経路とのいずれかにＣＯ_２冷媒の圧力を計測する第一の圧力センサーが配設され、
該圧縮機と該可変膨張弁との間の該第一の経路と該第二の経路とのいずれかに該圧縮機によって圧縮されたＣＯ_２冷媒の圧力を計測する第二の圧力センサーが配設され、
加工装置で使用する加工寄与液が該蒸発器から流出する温度を計測する第一の温度センサーと、
該蒸発器に流入する加工寄与液の温度を計測する第二の温度センサーと、
該水冷式ガスクーラに流入する工業用水の温度を計測する第三の温度センサーと、
該圧縮機から送り出されるＣＯ_２冷媒の温度を計測する第四の温度センサーと、
該水冷式ガスクーラから送り出されるＣＯ_２冷媒の温度を計測する第五の温度センサーと、
該内部熱交換器から送り出されるＣＯ_２冷媒の温度を計測する必要に応じて配設される第六の温度センサーと、
該可変膨張弁から送り出されるＣＯ_２冷媒の温度と同じ温度になる該蒸発器から送り出されるＣＯ_２冷媒の温度を計測する必要に応じて配設される第七の温度センサーと、
該圧縮機に送り込まれるＣＯ_２冷媒の温度を計測する第八の温度センサーと、が配設され、
該制御手段は、該第一の圧力センサーが検出すべき第一の圧力値と、該第二の圧力センサーが検出すべき第二の圧力値と、該第一の温度センサーが検出すべき第一の温度または該第二の温度センサーが検出すべき第二の温度と、該第四の温度センサーが検出すべき第四の温度と、該第五の温度センサーが検出すべき第五の温度と、該第八の温度センサーが検出すべき第八の温度と、を少なくとも設定する設定部を備え、
該第一の温度センサーまたは該第二の温度センサーの値が該設定された温度になるように、ＣＯ_２冷媒が臨界温度３１．１℃および臨界圧力７．３８ＭＰａで特定される臨界点を囲繞する該設定された圧力値と温度とで規定される経路にしたがって該可変膨張弁の開度と該圧縮機の回転数とを制御する冷却機構」が提供される。

好ましくは、該制御手段は、加工装置で使用する加工寄与液の冷却量を減少させる場合、該可変膨張弁の開度を小さくして該蒸発器を流れるＣＯ_２冷媒の流量を減少させ、それに伴って該圧縮機が下限値に達しないように該バイパス経路の該可変バイパス弁の開度を大きくして該蒸発器に流れるＣＯ_２冷媒の流量を増大させる。

該制御手段は、加工装置で使用する加工寄与液の冷却量を増大させる場合、該可変膨張弁の開度を大きくするとともに該圧縮機の回転数を増大させて該蒸発器を流れるＣＯ_２冷媒の流量を増大させ、それに伴って該蒸発器から送り出されるＣＯ_２冷媒に残存する液状ＣＯ_２を該内部熱交換器において気化させ該圧縮機の負担を軽減するのが望ましい。

該制御手段は、該第三の温度センサーによって検出される工業用水の温度に基づいて該制水弁の開度を調整して該水冷式ガスクーラに導入する工業用水の流量を調整し、ＣＯ_２冷媒の冷却を制御するのが好適である。

該制御手段は、該可変膨張弁の開度を小さくすることで該第二の圧力センサーの値を大きくし、該可変膨張弁の開度を大きくすることで該第二の圧力センサーの値を小さくして該設定された圧力値に調整し冷却効率（冷却能力／圧縮仕事）を制御するのがよい。

該圧縮機の出口をＡ点、
該水冷式ガスクーラの出口をＢ点、
該内部熱交換器における該第二の経路の出口をＣ点、
該可変膨張弁の出口をＤ点、
該蒸発器の出口をＥ点、
該内部熱交換器における該第三の経路の出口をＦ点、
該Ａ点における温度をＴＡ、圧力をＰＡ、エンタルピーをＥＡ、
該Ｂ点における温度をＴＢ、圧力をＰＢ、エンタルピーをＥＢ、
該Ｃ点における温度をＴＣ、圧力をＰＣ、エンタルピーをＥＣ、
該Ｄ点における温度をＴＤ、圧力をＰＤ、エンタルピーをＥＤ、
該Ｅ点における温度をＴＥ、圧力をＰＥ、エンタルピーをＥＥ、
該Ｆ点における温度をＴＦ、圧力をＰＦ、エンタルピーをＥＦ、とした場合、
該Ｆ点から該圧縮機に送り込まれたＣＯ_２冷媒は該圧縮機によって圧縮されて臨界点を超える該Ａ点に至り、温度はＴＦからＴＡに、圧力はＰＦからＰＡに、エンタルピーはＥＦからＥＡにそれぞれ変化し、
該Ａ点から該水冷式ガスクーラに送り込まれたＣＯ_２冷媒は該水冷式ガスクーラによって冷却されて該Ｂ点に至り、温度はＴＡからＴＢに変化し、圧力は変化せず（ＰＡ＝ＰＢ）、エンタルピーはＥＡからＥＢに変化し、ＴＡとＴＢとの温度差およびＥＡとＥＢとのエンタルピー差は、該水冷式ガスクーラによって外部に捨てられ、圧力ＰＢおよび温度ＴＢは臨界点を超えておりＣＯ_２冷媒の液化は生じなく、
該Ｂ点から該内部熱交換器に送り込まれたＣＯ_２冷媒は該蒸発器から送り込まれるＣＯ_２冷媒によって熱が奪われて該Ｃ点に至り、温度はＴＢからＴＣに変化し、圧力は変化せず（ＰＢ＝ＰＣ）、エンタルピーはＥＢからＥＣに変化し、温度ＴＣは臨界点を下回りＣＯ_２冷媒の一部は液化し、
該Ｃ点から該可変膨張弁に送り込まれたＣＯ_２冷媒は該可変膨張弁によって減圧されて該Ｄ点に至り、温度はＴＣからＴＤに変化し、圧力はＰＣからＰＤに変化し、エンタルピーは変化せず（ＥＣ＝ＥＤ）、ＣＯ_２冷媒は気体と液体とが混在した状態となり、
該Ｄ点から該蒸発器に送り込まれたＣＯ_２冷媒は該蒸発器によって加工寄与液からエネルギーを奪い取り該Ｅ点に至り、温度および圧力は変化せず（ＴＤ＝ＴＥ、ＰＤ＝ＰＥ）、エンタルピーはＥＤからＥＥに変化し、該Ｅ点は臨界点を通る飽和蒸気線に差しかかりＣＯ_２冷媒は気体となり、
該Ｅ点から該内部熱交換器に送り込まれたＣＯ_２冷媒は該Ｂ点から該内部熱交換器に送り込まれたＣＯ_２冷媒から熱を奪い液体が残存していても気体となって該Ｆ点に至り、温度はＴＥからＴＦに変化し、圧力は変化せず（ＰＥ＝ＰＦ）、エンタルピーはＥＥからＥＦに変化し、該Ａ点に至り、ＥＢとＥＣの差の絶対値およびＥＥとＥＦとの差の絶対値は等しく、
該制御手段は、
冷却効率（冷却能力／圧縮仕事）＝（ＥＤ－ＥＥ）／（ＥＦ－ＥＡ）が最大となるように温度、圧力、エンタルピーを制御することができる。

該Ａ点における温度ＴＡは該第四の温度センサーによって検出し、
該Ｂ点における温度ＴＢは該第五の温度センサーによって検出し、
該Ｃ点における温度ＴＣは該第六の温度センサーによって検出し、
該Ｄ点における温度ＴＤは該第七の温度センサーによって検出し、
該Ｅ点における温度ＴＥは該第七の温度センサーによって検出し、
該Ｆ点における温度ＴＦは該第八の温度センサーによって検出し、
該Ａ点における圧力ＰＡは該第二の圧力センサーによって検出し、
該Ｂ点における圧力ＰＢは該第二の圧力センサーによって検出し、
該Ｃ点における圧力ＰＣは該第二の圧力センサーによって検出し、
該Ｄ点における圧力ＰＤは該第一の圧力センサーによって検出し、
該Ｅ点における圧力ＰＥは該第一の圧力センサーによって検出し、
該Ｆ点における圧力ＰＦは該第一の圧力センサーによって検出し、
該Ａ点におけるエンタルピーＥＡはｐ－ｈ線図に基づいて検出し、
該Ｂ点におけるエンタルピーＥＢはｐ－ｈ線図に基づいて検出し、
該Ｃ点におけるエンタルピーＥＣはｐ－ｈ線図に基づいて検出し、
該Ｄ点におけるエンタルピーＥＤはｐ－ｈ線図に基づいて検出し、
該Ｅ点におけるエンタルピーＥＥはＥＦ－（ＥＢ－ＥＣ）で算出し、
該Ｆ点におけるエンタルピーＥＦはｐ－ｈ線図に基づいて検出し、
該制御手段は、
冷却効率（冷却能力／圧縮仕事）＝（ＥＤ－ＥＥ）／（ＥＦ－ＥＡ）
の式によって冷却効率を算出する際、
ＥＣ＝ＥＤとＥＥ＝ＥＦ－（ＥＢ－ＥＣ）とに基づいて、
ＥＤ－ＥＥ＝ＥＣ－｛ＥＦ－（ＥＢ－ＥＣ）｝＝ＥＢ－ＥＦを求め、
エンタルピーＥＢとエンタルピーＥＦとの差（ＥＢ－ＥＦ）を増大させることにより、冷却能力および冷却効率を向上させるのが好都合である。

該第六の温度センサーおよび該第七の温度センサーを省略してもよい。

本発明の冷却機構は、
制御手段と、
ＣＯ_２冷媒を圧縮する圧縮機と、
該圧縮機が圧縮した圧縮熱を帯びたＣＯ_２冷媒を冷却する水冷式ガスクーラと、
冷却されたＣＯ_２冷媒が送り込まれる内部熱交換器と、
該内部熱交換器から送り出されたＣＯ_２冷媒を気化させ気化熱を生成し加工装置で使用する加工寄与液を冷却する蒸発器と、
該圧縮機と該水冷式ガスクーラとを連結する第一の経路と、
該水冷式ガスクーラと該蒸発器とを連結する第二の経路と、
該蒸発器と該圧縮機とを連結する第三の経路と、
該水冷式ガスクーラに工業用水を導入し制水弁を備えた第四の経路と、
該第一の経路に連結する第一の連結部と該第二の経路に連結する第二の連結部とによって連結され可変バイパス弁を備えたバイパス経路と、を含み、
該内部熱交換器は、該蒸発器から送り出されたＣＯ_２冷媒が該水冷式ガスクーラから送り出されたＣＯ_２冷媒から熱を奪うように該第二の経路と該第三の経路とに跨り配設され、
該第二の経路には、冷却したＣＯ_２冷媒の流量を調整する可変膨張弁が該内部熱交換器と該第二の連結部との間に配設され、
該可変膨張弁と該圧縮機との間の該第二の経路と該第三の経路とのいずれかにＣＯ_２冷媒の圧力を計測する第一の圧力センサーが配設され、
該圧縮機と該可変膨張弁との間の該第一の経路と該第二の経路とのいずれかに該圧縮機によって圧縮されたＣＯ_２冷媒の圧力を計測する第二の圧力センサーが配設され、
加工装置で使用する加工寄与液が該蒸発器から流出する温度を計測する第一の温度センサーと、
該蒸発器に流入する加工寄与液の温度を計測する第二の温度センサーと、
該水冷式ガスクーラに流入する工業用水の温度を計測する第三の温度センサーと、
該圧縮機から送り出されるＣＯ_２冷媒の温度を計測する第四の温度センサーと、
該水冷式ガスクーラから送り出されるＣＯ_２冷媒の温度を計測する第五の温度センサーと、
該内部熱交換器から送り出されるＣＯ_２冷媒の温度を計測する必要に応じて配設される第六の温度センサーと、
該可変膨張弁から送り出されるＣＯ_２冷媒の温度と同じ温度になる該蒸発器から送り出されるＣＯ_２冷媒の温度を計測する必要に応じて配設される第七の温度センサーと、
該圧縮機に送り込まれるＣＯ_２冷媒の温度を計測する第八の温度センサーと、が配設され、
該制御手段は、該第一の圧力センサーが検出すべき第一の圧力値と、該第二の圧力センサーが検出すべき第二の圧力値と、該第一の温度センサーが検出すべき第一の温度または該第二の温度センサーが検出すべき第二の温度と、該第四の温度センサーが検出すべき第四の温度と、該第五の温度センサーが検出すべき第五の温度と、該第八の温度センサーが検出すべき第八の温度と、を少なくとも設定する設定部を備え、
該第一の温度センサーまたは該第二の温度センサーの値が該設定された温度になるように、ＣＯ_２冷媒が臨界温度３１．１℃および臨界圧力７．３８ＭＰａで特定される臨界点を囲繞する該設定された圧力値と温度とで規定される経路にしたがって該可変膨張弁の開度と該圧縮機の回転数とを制御するので、液圧縮を防止することができる。

本発明に係る冷却機構の回路図。 ＣＯ_２のｐ－ｈ線図。 図１に示す冷却機構の配置の一例を示す模式図。 作動再開時の圧縮機の速度の一例を示すグラフ。

以下、本発明に係る冷却機構の好適実施形態について、図面を参照しつつ説明する。

（冷却機構２）
図１には、加工装置で使用する加工寄与液をＣＯ_２冷媒によって冷却するための冷却機構２が示されている。冷却機構２は、制御手段４と、圧縮機６と、水冷式ガスクーラ８と、内部熱交換器１０と、蒸発器１２とを含む。

（制御手段４）
制御手段４は、プロセッサおよびメモリを有するコンピュータから構成されている。本実施形態の制御手段４は、設定部４ａと、制御部４ｂとを備える。設定部４ａは、オペレータによって入力された指示（たとえば、加工装置で使用する加工寄与液の温度）に基づいて、ＣＯ_２冷媒の圧力・温度を設定する。制御部４ｂは、実際の加工寄与液の温度が設定温度（オペレータによって入力された温度）となるように、可変膨張弁３２の開度や圧縮機６の回転数などを制御する。制御部４ｂによる制御内容については、後で詳しく説明する。

（圧縮機６）
圧縮機６は、冷却機構２を循環するＣＯ_２冷媒を圧縮する。図１に示すとおり、圧縮機６を駆動するモータ６ａには、インバータ６ｂが設けられている。インバータ６ｂは、モータ６ａに供給される電力の周波数を所定範囲（たとえば、２０Ｈｚ～１２０Ｈｚ）で変更する。これによって、モータ６ａの回転数が変更されるとともに、圧縮機６の回転数が許容回転数の範囲（下限値と上限値との間）で変更される。なお、インバータ６ｂは、制御手段４に電気的に接続されており、制御手段４の制御部４ｂによって制御される。

（水冷式ガスクーラ８）
水冷式ガスクーラ８は、圧縮機６が圧縮した圧縮熱を帯びたＣＯ_２冷媒を冷却する。図１に示すように、水冷式ガスクーラ８には、ＣＯ_２冷媒を冷却するための工業用水が導入される。図３に示すとおり、水冷式ガスクーラ８の内部には、ＣＯ_２冷媒が流れる冷媒通路８ａと、工業用水が流れる水路８ｂとが形成されている。そして、水冷式ガスクーラ８においては、冷媒通路８ａ内のＣＯ_２冷媒と、水路８ｂ内の工業用水との間で熱交換をさせることにより、工業用水によってＣＯ_２冷媒を冷却する。

（内部熱交換器１０）
内部熱交換器１０には、水冷式ガスクーラ８によって冷却されたＣＯ_２冷媒が送り込まれる。図３に示すとおり、内部熱交換器１０には、水冷式ガスクーラ８によって冷却されたＣＯ_２冷媒が通る第一の通路１０ａと、蒸発器１２において加工寄与液を冷却した後のＣＯ_２冷媒が通る第二の通路１０ｂとが形成されている。そして、内部熱交換器１０においては、第一の通路１０ａ内のＣＯ_２冷媒と、第二の通路１０ｂ内のＣＯ_２冷媒との間で熱交換が行われる。これによって、蒸発器１２から送り出された第二の通路１０ｂ内のＣＯ_２冷媒が、水冷式ガスクーラ８から送り出された第一の通路１０ａ内のＣＯ_２冷媒から熱を奪うようになっている。これにより、液体が残るＣＯ_２冷媒が全部気体となる（詳細は後述する）。

（蒸発器１２）
蒸発器１２は、内部熱交換器１０から送り出されたＣＯ_２冷媒を気化させて気化熱を生成し、生成した気化熱によって、加工装置で使用する加工寄与液を冷却する。図３に示すとおり、蒸発器１２の内部には、ＣＯ_２冷媒が流れる冷媒通路１２ａと、加工寄与液が流れる加工寄与液通路１２ｂとが設けられている。そして、蒸発器１２においては、冷媒通路１２ａ内のＣＯ_２冷媒と、加工寄与液通路１２ｂ内の加工寄与液との間で熱交換をさせることにより、ＣＯ_２冷媒の気化熱によって加工寄与液を冷却する。

（第一～第四の経路１４、１６、１８、２２、バイパス経路３０）
図１を参照して説明を続けると、冷却機構２は、さらに、圧縮機６と水冷式ガスクーラ８とを連結する第一の経路１４と、水冷式ガスクーラ８と蒸発器１２とを連結する第二の経路１６と、蒸発器１２と圧縮機６とを連結する第三の経路１８と、水冷式ガスクーラ８に工業用水を導入し制水弁２０を備えた第四の経路２２と、第一の経路１４に連結する第一の連結部２４と第二の経路１６に連結する第二の連結部２６とによって連結され、可変バイパス弁２８を備えたバイパス経路３０とを含む。第二の経路１６には、冷却したＣＯ_２冷媒の流量を調整する可変膨張弁３２が、内部熱交換器１０と第二の連結部２６との間に配設されている。また、第二の経路１６と第三の経路１８とに跨って内部熱交換器１０が配設されている。

（制水弁２０、可変バイパス弁２８、可変膨張弁３２）
図１に示すように、制水弁２０、可変バイパス弁２８および可変膨張弁３２のそれぞれには、開度を調整するためのモータ２０ａ、２８ａ、３２ａが設けられている。モータ２０ａ、２８ａ、３２ａは、いずれも制御手段４に電気的に接続されている。そして、制水弁２０、可変バイパス弁２８および可変膨張弁３２のそれぞれの開度は、制御手段４の制御部４ｂからの指示に基づき、モータ２０ａ、２８ａ、３２ａによって調整される。

冷却機構２のＣＯ_２冷媒は、第一～第三の経路１４、１６、１８を順に通り、圧縮機６、水冷式ガスクーラ８、内部熱交換器１０、蒸発器１２、内部熱交換器１０の順に循環する。すなわち、本実施形態では、圧縮機６から送り出されたＣＯ_２冷媒が、再び圧縮機６に戻るまでの間に、内部熱交換器１０を原則として２回通過する。具体的には、水冷式ガスクーラ８を出たＣＯ_２冷媒が内部熱交換器１０を通り、次いで、蒸発器１２を通過した後、再び内部熱交換器１０を通るようになっている。

ただし、可変バイパス弁２８が開いた場合には、圧縮機６によって圧縮されたＣＯ_２冷媒の一部が、水冷式ガスクーラ８および内部熱交換器１０を通らずに、バイパス経路３０を通って蒸発器１２へと送られる。

（圧力センサー）
冷却機構２には、ＣＯ_２冷媒の圧力を計測するセンサーとして、第一・第二の圧力センサー３４、３６が配設されている。第一・第二の圧力センサー３４、３６で計測された値は、制御手段４に送られる。

（第一の圧力センサー３４）
第一の圧力センサー３４は、可変膨張弁３２によって膨張されたＣＯ_２冷媒の圧力を計測する。第一の圧力センサー３４は、可変膨張弁３２と圧縮機６との間の、第二の経路１６と第三の経路１８とのいずれかに配設され得る。本実施形態では、第三の経路１８において、内部熱交換器１０と圧縮機６との間に第一の圧力センサー３４が配設されている。

（第二の圧力センサー３６）
第二の圧力センサー３６は、圧縮機６によって圧縮されたＣＯ_２冷媒の圧力を計測する。第二の圧力センサー３６は、圧縮機６と可変膨張弁３２との間の、第一の経路１４と第二の経路１６とのいずれかに配設され得る。本実施形態では、第一の経路１４において、圧縮機６と水冷式ガスクーラ８との間に第二の圧力センサー３６が配設されている。

（温度センサー）
冷却機構２には、加工寄与液と、工業用水と、ＣＯ_２冷媒とのそれぞれの温度を計測するための複数の温度センサーが配設されている。各温度センサーで計測された値は、いずれも制御手段４に送られる。

（加工寄与液の温度を計測するセンサー）
加工寄与液の温度を計測するためのセンサーとして、第一・第二の温度センサー３８、４０が配設されている。第一の温度センサー３８は、蒸発器１２から流出する加工寄与液の温度を計測する。一方、第二の温度センサー４０は、蒸発器１２に流入する加工寄与液の温度を計測する。

（工業用水の温度を計測するセンサー）
工業用水の温度を計測するためのセンサーとして、第三の温度センサー４２が配設されている。第三の温度センサー４２は、水冷式ガスクーラ８に流入する工業用水の温度を計測する。

（ＣＯ_２冷媒の温度を計測するセンサー）
ＣＯ_２冷媒の温度を計測するセンサーとして、第四～第八の温度センサー４４、４６、４８、５０、５２が配設されている。第四の温度センサー４４は、圧縮機６から送り出されるＣＯ_２冷媒の温度を計測する。第五の温度センサー４６は、水冷式ガスクーラ８から送り出されるＣＯ_２冷媒の温度を計測する。第六の温度センサー４８は、内部熱交換器１０から送り出されるＣＯ_２冷媒（可変膨張弁３２を介して蒸発器１２に送られるＣＯ_２冷媒）の温度を計測する。第七の温度センサー５０は、蒸発器１２から送り出されるＣＯ_２冷媒の温度（可変膨張弁３２から送り出されるＣＯ_２冷媒の温度と同じ温度）を計測する。そして、第八の温度センサー５２は、圧縮機６に送り込まれるＣＯ_２冷媒の温度を計測する。なお、第六・第七の温度センサー４８、５０は、省略可能であり、配設されていなくてもよい。

（加工寄与液）
冷却機構２によって冷却される加工寄与液は、たとえば、半導体ウエーハを切削するダイシング装置（図示していない。）で使用される。ダイシング装置は、半導体ウエーハを切削するための切削手段を備えている。図１には、切削手段のスピンドルを回転可能に収容するスピンドルハウジング５４の分解斜視図が示されており、スピンドルハウジング５４は、管路５６によって蒸発器１２に連結されている。そして、管路５６を介して、スピンドルハウジング５４と蒸発器１２との間を加工寄与液が循環するようになっている。

ただし、冷却機構２によって冷却される加工寄与液が使用される加工装置は、ダイシング装置に限定されず、半導体ウエーハを研削して薄化するための研削装置など様々な加工装置が対象となり得る。なお、加工寄与液には、加工装置で循環する循環液のほか、切削水のように加工水として使用され捨てられる流体も含まれる。

（冷却機構２の作動）
ここからは、上述した冷却機構２の作動について説明する。はじめに、基本的な冷却機構２の作動を説明し、次に、冷却機構２の冷却能力・冷却効率を高める作動を説明し、そして、加工寄与液の冷却量を増減させる場合の作動について説明する。

（基本的な作動）
まず、冷却機構２においては、オペレータによって制御手段４に作動指示が入力されると、入力された作動指示に応じて、制御手段４の設定部４ａが、各センサーで検出すべき値（設定値）を設定する。具体的には、加工寄与液の設定温度と、ＣＯ_２冷媒の設定圧力・設定温度を設定部４ａが設定する。加工寄与液の設定温度は、オペレータによって入力された温度である。ＣＯ_２冷媒の設定圧力・設定温度は、加工寄与液の設定温度に基づいて、制御手段４によって決定される。

（加工寄与液の設定温度：第一・第二の温度）
まず、設定部４ａは、加工寄与液の設定温度として、第一の温度センサー３８が検出すべき第一の温度または第二の温度センサー４０が検出すべき第二の温度を設定する。第一の温度は、蒸発器１２から流出する加工寄与液の設定温度である。一方、第二の温度は、蒸発器１２に流入する加工寄与液の設定温度である。なお、たとえば、第一の温度は２３℃、第二の温度は２５℃に設定され得る。

（ＣＯ_２冷媒の設定圧力：第一・第二の圧力値）
また、設定部４ａは、ＣＯ_２冷媒の設定圧力として、第一の圧力センサー３４が検出すべき第一の圧力値と、第二の圧力センサー３６が検出すべき第二の圧力値と、を設定する。第一の圧力値は、可変膨張弁３２によって膨張されたＣＯ_２冷媒の設定圧力である。第一の圧力値は、たとえば４ＭＰａ（絶対圧）程度でよい。一方、第二の圧力値は、圧縮機６によって圧縮されたＣＯ_２冷媒の設定圧力である。第二の圧力値は、圧縮後のＣＯ_２冷媒の圧力であるから、圧縮前のＣＯ_２冷媒の設定圧力（第一の圧力値）よりも大きい値に設定される。具体的には、第二の圧力値は１０ＭＰａ（絶対圧）程度でよい。

（ＣＯ_２冷媒の設定温度：第四・第五・第八の温度）
さらに、設定部４ａは、ＣＯ_２冷媒の設定温度として、第四の温度センサー４４が検出すべき第四の温度と、第五の温度センサー４６が検出すべき第五の温度と、第八の温度センサー５２が検出すべき第八の温度と、を設定する。第四の温度は、圧縮機６から送り出されるＣＯ_２冷媒の設定温度である。第四の温度は、たとえば１００℃である。第五の温度は、水冷式ガスクーラ８から送り出されるＣＯ_２冷媒の設定温度である。第五の温度は、たとえば３１℃に設定され得る。第八の温度は、圧縮機６に送り込まれるＣＯ_２冷媒の設定温度である。第八の温度は、たとえば２０℃程度でよい。

なお、第五の温度については、水冷式ガスクーラ８に流入する工業用水の温度（第三の温度センサー４２の計測値）に応じて設定してもよい。たとえば、水冷式ガスクーラ８に流入する工業用水の温度よりも５℃高い温度を第五の温度とすることができる。具体的には、工業用水の温度が２５℃であれば、第五の温度は３０℃となる。工業用水の温度よりも何度高い温度を第五の温度にするかについては、水冷式ガスクーラ８の熱交換面積（熱交換率）に応じて適宜決定することができる。

（ＣＯ_２冷媒の設定温度：第六・第七の温度）
必要に応じ、設定部４ａは、ＣＯ_２冷媒の設定温度として、第六の温度センサー４８が検出すべき第六の温度と、第七の温度センサー５０が検出すべき第七の温度と、を設定することができる。第六の温度は、内部熱交換器１０から送り出されるＣＯ_２冷媒（可変膨張弁３２を介して蒸発器１２に送られるＣＯ_２冷媒）の設定温度である。第六の温度は２２℃に設定され得る。第七の温度は、蒸発器１２から送り出されるＣＯ_２冷媒の設定温度である。第七の温度は、たとえば５℃程度でよい。

このように設定部４ａは、第一の圧力センサー３４が検出すべき第一の圧力値と、第二の圧力センサー３６が検出すべき第二の圧力値と、第一の温度センサー３８が検出すべき第一の温度または第二の温度センサー４０が検出すべき第二の温度と、第四の温度センサー４４が検出すべき第四の温度と、第五の温度センサー４６が検出すべき第五の温度と、第八の温度センサー５２が検出すべき第八の温度と、を少なくとも設定する。さらに、設定部４ａは、第六の温度センサー４８が検出すべき第六の温度と、第七の温度センサー５０が検出すべき第七の温度とを設定してもよい。

（制御部４ｂによる制御）
設定部４ａによって、加工寄与液の設定温度、ＣＯ_２冷媒の設定圧力・設定温度が設定されたら、制御部４ｂは、第一の温度センサー３８または第二の温度センサー４０の値が設定された温度（第一の温度または第二の温度）になるように、ＣＯ_２冷媒が臨界点を囲繞する設定された圧力値（第一・第二の圧力値）と温度（第四～第八の温度）とで規定される経路にしたがって可変膨張弁３２の開度と圧縮機６の回転数とを制御する。

（可変膨張弁３２の開度）
可変膨張弁３２の開度を制御することにより、ＣＯ_２冷媒の圧力および加工寄与液の温度を調整することができる。可変膨張弁３２の開度が大きくなると、可変膨張弁３２を通過するＣＯ_２冷媒の流量が増加するので、第二の圧力センサー３６の値が小さくなる。また、可変膨張弁３２の開度が大きくなると、蒸発器１２におけるＣＯ_２冷媒の流量が増大するため、第一・第二の温度センサー３８、４０の値（加工寄与液の温度）が下がる。一方、可変膨張弁３２の開度が小さくなると、第二の圧力センサー３６の値が大きくなるとともに、第一・第二の温度センサー３８、４０の値が上がる。

（圧縮機６の回転数）
また、圧縮機６の回転数を制御することにより、ＣＯ_２冷媒の圧力を調整することができる。圧縮機６の回転数が高まると、圧縮機６に吸引されるＣＯ_２冷媒の量が多くなるため、第一の圧力センサー３４の値が下がる。反対に、圧縮機６の回転数が低くなると、第一の圧力センサー３４の値が上がる。

（臨界点）
また、上記の臨界点とは、一般に、物質が超臨界状態になる温度と圧力で特定される点である。本実施形態における臨界点は、冷媒のＣＯ_２が超臨界状態になる臨界温度３１．１℃および臨界圧力７．３８ＭＰａで特定される点である。図２において、ＣＯ_２の臨界点を符号Ｐで示している。図２は、ＣＯ_２のｐ－ｈ線図（モリエル線図）であり、縦軸が圧力、横軸がエンタルピーを示す。

（臨界点を囲繞する経路）
臨界点を囲繞する経路（ＣＯ_２冷媒が臨界点を囲繞する設定された圧力値と温度とで規定される経路）とは、たとえば、図２におけるＡ点、Ｂ点、Ｃ点、Ｄ点、Ｅ点、Ｆ点を通る経路Ｒである。図２におけるＡ点～Ｆ点は、図１に示すＡ点～Ｆ点のそれぞれにおける温度および圧力に基づいてプロットした点である。

本実施形態では、図１に示すように、圧縮機６の出口をＡ点、水冷式ガスクーラ８の出口をＢ点、内部熱交換器１０における第二の経路１６の出口をＣ点、可変膨張弁３２の出口をＤ点、蒸発器１２の出口をＥ点、内部熱交換器１０における第三の経路１８の出口をＦ点としている。

Ａ～Ｆ点の圧力・温度の具体的な数値は、たとえば、図２に示すとおりである。すなわち、Ａ点、Ｂ点、Ｃ点の圧力は、たとえば１０ＭＰａであり、Ｄ点、Ｅ点、Ｆ点の圧力は、たとえば４ＭＰａである。また、Ａ点～Ｆ点の温度の具体例については、Ａ点の温度が１００℃程度、Ｂ点の温度が３１℃程度、Ｃ点の温度が２２℃程度、Ｄ点およびＥ点の温度が５℃程度、Ｆ点の温度が２０℃程度である。

ここからはＡ点～Ｆ点のそれぞれにおける温度、圧力・エンタルピーを下記のように符号を用いて説明する。すなわち、
Ａ点における温度をＴＡ、圧力をＰＡ、エンタルピーをＥＡ、
Ｂ点における温度をＴＢ、圧力をＰＢ、エンタルピーをＥＢ、
Ｃ点における温度をＴＣ、圧力をＰＣ、エンタルピーをＥＣ、
Ｄ点における温度をＴＤ、圧力をＰＤ、エンタルピーをＥＤ、
Ｅ点における温度をＴＥ、圧力をＰＥ、エンタルピーをＥＥ、
Ｆ点における温度をＴＦ、圧力をＰＦ、エンタルピーをＥＦ、
として説明する。

（ＣＯ_２冷媒の流れ：Ｆ点→Ａ点）
上記のとおりの制御が開始されると、まず、Ｆ点から圧縮機６に送り込まれたＣＯ_２冷媒が圧縮機６によって圧縮されて臨界点を超えるＡ点に至る。この際、ＣＯ_２冷媒の温度はＴＦからＴＡに変化（上昇）し、ＣＯ_２冷媒の圧力はＰＦからＰＡに変化（上昇）し、ＣＯ_２冷媒のエンタルピーはＥＦからＥＡに変化（上昇）する。

（Ａ点→Ｂ点）
次いで、Ａ点から水冷式ガスクーラ８に送り込まれたＣＯ_２冷媒は、水冷式ガスクーラ８によって冷却されてＢ点に至る。この際、ＣＯ_２冷媒の温度はＴＡからＴＢに変化（低下）し、ＣＯ_２冷媒の圧力は変化せず（ＰＡ＝ＰＢ）、ＣＯ_２冷媒のエンタルピーはＥＡからＥＢに変化（低下）する。ＴＡとＴＢとの温度差およびＥＡとＥＢとのエンタルピー差は、ＣＯ_２冷媒の熱が工業用水に奪われるので、水冷式ガスクーラ８によって外部に捨てられる。また、ＣＯ_２冷媒の圧力ＰＢおよび温度ＴＢは臨界点を超えているため、Ｂ点においては、ＣＯ_２冷媒の液化は生じない。

（Ｂ点→Ｃ点）
次いで、Ｂ点から内部熱交換器１０に送り込まれたＣＯ_２冷媒は、蒸発器１２から送り込まれるＣＯ_２冷媒によって熱が奪われてＣ点に至る。この際、ＣＯ_２冷媒の温度はＴＢからＴＣに変化（低下）し、ＣＯ_２冷媒の圧力は変化せず（ＰＢ＝ＰＣ）、ＣＯ_２冷媒のエンタルピーはＥＢからＥＣに変化（低下）する。また、ＣＯ_２冷媒の温度ＴＣが臨界点を下回るため、Ｃ点においてＣＯ_２冷媒の一部が液化する。

（Ｃ点→Ｄ点）
次いで、Ｃ点から可変膨張弁３２に送り込まれたＣＯ_２冷媒は、可変膨張弁３２によって減圧されてＤ点に至る。この際、ＣＯ_２冷媒の温度はＴＣからＴＤに変化（低下）し、ＣＯ_２冷媒の圧力はＰＣからＰＤに変化（低下）し、ＣＯ_２冷媒のエンタルピーは変化しない（ＥＣ＝ＥＤ）。また、Ｄ点におけるＣＯ_２冷媒は、気体と液体とが混在した状態である。

（Ｄ点→Ｅ点）
次いで、Ｄ点から蒸発器１２に送り込まれたＣＯ_２冷媒は、蒸発器１２によって加工寄与液からエネルギーを奪い取りＥ点に至る。この際、加工寄与液から奪った熱が液状のＣＯ_２冷媒の気化に使われるため、ＣＯ_２冷媒の温度は変化しない（ＴＤ＝ＴＥ）。また、ＣＯ_２冷媒の圧力も変化しない（ＰＤ＝ＰＥ）。ただし、ＣＯ_２冷媒のエンタルピーは、ＥＤからＥＥに変化（上昇）する。Ｅ点は臨界点を通る飽和蒸気線に差しかかり、ＣＯ_２冷媒の多くが気体となる。

（Ｅ点→Ｆ点）
次いで、Ｅ点から内部熱交換器１０に送り込まれたＣＯ_２冷媒は、Ｂ点から内部熱交換器１０に送り込まれたＣＯ_２冷媒から熱を奪う。このため、Ｅ点においてＣＯ_２冷媒中に液体が残存していても、内部熱交換器１０においてＣＯ_２冷媒中の液体が気体となる。すなわち、飽和蒸気線の外にあるＦ点に到達したＣＯ_２冷媒は、すべて気体となる。したがって、Ｆ点から圧縮機６に流入するＣＯ_２冷媒は気体のみとなる。そして、圧縮機６の負荷を軽減できる。ＣＯ_２冷媒がＥ点からＦ点に至る際は、ＣＯ_２冷媒の温度はＴＥからＴＦに変化（上昇）し、ＣＯ_２冷媒の圧力は変化せず（ＰＥ＝ＰＦ）、ＣＯ_２冷媒のエンタルピーはＥＥからＥＦに変化（上昇）する。

このように冷却機構２においては、第一の温度センサー３８または第二の温度センサー４０の値が設定された温度（第一の温度または第二の温度）になるように、ＣＯ_２冷媒が臨界点Ｐを囲繞する設定された圧力値（第一・第二の圧力値）と温度（第四～第八の温度）とで規定される経路Ｒにしたがって可変膨張弁３２の開度と圧縮機６の回転数とを制御部４ｂが制御する。これによって、Ｆ点から圧縮機６に流入するＣＯ_２冷媒が気体のみとなるため、液圧縮が生じることがない。

（冷却能力）
次に、冷却機構２の冷却能力について説明する。冷却能力とは、蒸発器１２においてＣＯ_２冷媒が加工寄与液を冷却する能力である。したがって、蒸発器１２前後のエンタルピーを用いて、下記式１のように冷却能力を表すことができる。
冷却能力＝ＥＤ－ＥＥ・・・式１
ＥＤは、蒸発器１２を通過する前のＤ点におけるＣＯ_２冷媒のエンタルピーである。また、ＥＥは、蒸発器１２を通過した後のＥ点におけるＣＯ_２冷媒のエンタルピーである。

しかし、Ｅ点におけるＣＯ_２冷媒のエンタルピーＥＥは、Ｅ点の温度・圧力を検出しても導き出すことができない。Ｅ点におけるＣＯ_２冷媒は、気液が混在した状態である。Ｄ点からＥ点へのＣＯ_２冷媒の状態変化は、温度・圧力が一定の下で起こる。このため、Ｅ点の温度・圧力は、Ｄ点の温度・圧力と同じ値が検出される。したがって、Ｅ点におけるＣＯ_２冷媒のエンタルピーは、Ｅ点の温度・圧力を検出しても導き出すことができない。なお、Ｅ点における温度ＴＥは第七の温度センサー５０によって検出し、Ｅ点における圧力ＰＥは第一の圧力センサー３４によって検出することができる。

他方、Ａ点～Ｄ点、Ｆ点におけるＣＯ_２冷媒のエンタルピーＥＡ～ＥＤ、ＥＦは、各点の温度・圧力を検出し、検出した各点の温度・圧力を用いて、ｐ－ｈ線図に基づき求めることができる。

Ａ点～Ｄ点、Ｆ点におけるＣＯ_２冷媒の温度は、下記のセンサーによって検出可能である。すなわち、Ａ点における温度ＴＡは第四の温度センサー４４によって検出し、Ｂ点における温度ＴＢは第五の温度センサー４６によって検出し、Ｃ点における温度ＴＣは第六の温度センサー４８によって検出し、Ｄ点における温度ＴＤは第七の温度センサー５０によって検出し、Ｆ点における温度ＴＦは第八の温度センサー５２によって検出できる。

また、Ａ点～Ｄ点、Ｆ点におけるＣＯ_２冷媒の圧力は、下記のセンサーによって検出可能である。すなわち、Ａ点における圧力ＰＡは第二の圧力センサー３６によって検出し、Ｂ点における圧力ＰＢは第二の圧力センサー３６によって検出し、Ｃ点における圧力ＰＣは第二の圧力センサー３６によって検出し、Ｄ点における圧力ＰＤは第一の圧力センサー３４によって検出し、Ｆ点における圧力ＰＦは第一の圧力センサー３４によって検出できる。

そして、Ａ点～Ｄ点、Ｆ点におけるエンタルピーは、ｐ－ｈ線図に基づき求めることができる。すなわち、Ａ点におけるエンタルピーＥＡは、Ａ点の温度・圧力を用いてｐ－ｈ線図に基づいて検出し、Ｂ点におけるエンタルピーＥＢは、Ｂ点の温度・圧力を用いてｐ－ｈ線図に基づいて検出し、Ｃ点におけるエンタルピーＥＣは、Ｃ点の温度・圧力を用いてｐ－ｈ線図に基づいて検出し、Ｄ点におけるエンタルピーＥＤは、Ｄ点の温度・圧力を用いてｐ－ｈ線図に基づいて検出し、Ｆ点におけるエンタルピーＥＦは、Ｆ点の温度・圧力を用いてｐ－ｈ線図に基づいて検出することができる。

そこで、ｐ－ｈ線図に基づいて求めることが可能なエンタルピーを用いて、上記冷却能力を表すことについて説明する。

まず、上記式１は、Ｆ点のエンタルピーＥＦを用いると、下記式２のように変形することができる。
冷却能力＝ＥＤ－ＥＥ
＝（ＥＦ－ＥＥ）－（ＥＦ－ＥＤ）・・・式２

次に、内部熱交換器１０において行われる熱交換から、下記式３が導かれる。
｜ＥＢ－ＥＣ｜＝｜ＥＥ－ＥＦ｜・・・式３
上記のとおり、Ｅ点から内部熱交換器１０に送り込まれたＣＯ_２冷媒は、Ｂ点から内部熱交換器１０に送り込まれたＣＯ_２冷媒から熱を奪う。Ｅ点からＦ点に向かうＣＯ_２冷媒が奪う熱に係るエンタルピーは、｜ＥＥ－ＥＦ｜と表すことができる。また、Ｂ点からＣ点に向かうＣＯ_２冷媒が奪われた熱に係るエンタルピーは、｜ＥＢ－ＥＣ｜と表すことができる。そして、これらのエンタルピーは等しいから上記式３が導かれる。すなわち、ＥＢとＥＣの差の絶対値、およびＥＥとＥＦとの差の絶対値は等しい。

また、上記のとおり、Ｃ点のエンタルピーＥＣとＤ点のエンタルピーＥＤは等しい。
ＥＣ＝ＥＤ・・・式４

そして、冷却能力は、式２～式４から、ｐ－ｈ線図に基づいて求めることが可能なエンタルピーＥＢ、ＥＦを用いて、式５のように表すことができる。
冷却能力＝（ＥＦ－ＥＥ）－（ＥＦ－ＥＤ）
＝（ＥＢ－ＥＣ）－（ＥＦ－ＥＣ）
＝ＥＢ－ＥＦ・・・式５

上記式５から、エンタルピーＥＢとエンタルピーＥＦとの差（ＥＢ－ＥＦ）が大きくなると、冷却能力が向上することが理解され得る。したがって、本実施形態の制御手段４は、エンタルピーＥＢとエンタルピーＥＦとの差（ＥＢ－ＥＦ）を増大させることにより、冷却能力を向上させる。すなわち、制御手段４は、可変膨張弁３２の開度を小さくすることで第二の圧力センサー３６の値を大きくし、あるいは、可変膨張弁３２の開度を大きくすることで第二の圧力センサー３６の値を小さくして、設定された圧力値（第一・第二の圧力値）にＣＯ_２冷媒の圧力を調整し、冷却能力を向上させる制御を行う。

なお、Ｅ点におけるエンタルピーＥＥは、式３を変形した式６から算出可能である。
ＥＥ＝ＥＦ－（ＥＢ－ＥＣ）・・・式６

（冷却効率）
次に、冷却機構２の冷却効率について説明する。冷却効率とは、冷却能力を圧縮仕事（圧縮機６で行われる仕事）で除したものである。すなわち、冷却効率＝（冷却能力／圧縮仕事）である。圧縮仕事は、Ｆ点のエンタルピーＥＦ（圧縮前のエンタルピー）と、Ａ点のエンタルピーＥＡ（圧縮後のエンタルピー）とを用いて、式７のように表すことができる。
圧縮仕事＝ＥＦ－ＥＡ・・・式７
したがって、上記式１および式７から冷却効率は、式８のように表すことができる。
冷却効率（冷却能力／圧縮仕事）＝（ＥＤ－ＥＥ）／（ＥＦ－ＥＡ）・・・式８
そして、制御手段４は、式８から導かれる冷却効率が最大となるように、ＣＯ_２冷媒の温度、圧力、エンタルピーを制御するようになっているのが好適である。

また、本実施形態の制御手段４は、冷却効率を算出する際、上記式４（ＥＣ＝ＥＤ）と、上記式６｛ＥＥ＝ＥＦ－（ＥＢ－ＥＣ）｝とに基づいて、冷却能力（式５）を求める。つまり、
冷却能力＝ＥＤ－ＥＥ
＝ＥＣ－｛ＥＦ－（ＥＢ－ＥＣ）｝
＝ＥＢ－ＥＦ・・・式５
を求める。

式５を式８に代入すると、冷却効率は式９のようになる。
冷却効率（冷却能力／圧縮仕事）＝（ＥＤ－ＥＥ）／（ＥＦ－ＥＡ）
＝（ＥＢ－ＥＦ）／（ＥＦ－ＥＡ）・・・式９

式９から、エンタルピーＥＢとエンタルピーＥＦとの差（ＥＢ－ＥＦ）が大きくなると、冷却能力および冷却効率が向上することが理解され得る。したがって、本実施形態の制御手段４は、エンタルピーＥＢとエンタルピーＥＦとの差（ＥＢ－ＥＦ）を増大させることにより、冷却能力および冷却効率を向上させる。すなわち、制御手段４は、可変膨張弁３２の開度を小さくすることで第二の圧力センサー３６の値を大きくし、あるいは可変膨張弁３２の開度を大きくすることで第二の圧力センサー３６の値を小さくして、設定された圧力値（第一・第二の圧力値）にＣＯ_２冷媒の圧力を調整し、冷却効率（冷却能力／圧縮仕事）を制御する。

また、式５および式９によれば、第六・第七の温度センサー４８、５０は省略可能である。式５および式９から、冷却能力・冷却効率を求めるには、Ａ点・Ｂ点・Ｆ点のエンタルピーＥＡ、ＥＢ、ＥＦの値が必要となる。エンタルピーＥＡ、ＥＢ、ＥＦをｐ－ｈ線図に基づいて検出するには、Ａ点・Ｂ点・Ｆ点の温度ＴＡ、ＴＢ、ＴＦおよび圧力ＰＡ、ＰＢ、ＰＢの値が必要である。これらの値は、第四・第五・第八の温度センサー４４、４６、５２および第一・第二の圧力センサー３４、３６が配設されていれば、計測可能である。したがって、式５および式９によれば、第六・第七の温度センサー４８、５０が配設されていなくてもよい。

次に、加工装置で使用される加工寄与液の冷却量を増減させる場合（すなわち、加工寄与液の設定温度を変更する場合）の作動について説明する。

（加工寄与液の冷却量を減少させる場合）
まず、加工装置で使用される加工寄与液の冷却量を減少させる場合（加工寄与液の設定温度を上げる場合）から説明する。この場合、制御手段４の制御部４ｂは、可変膨張弁３２の開度を小さくする。これによって、蒸発器１２におけるＣＯ_２冷媒の流量が減少するため、加工寄与液の冷却量を減少させることができる。この結果、第一の温度センサー３８または第二の温度センサー４０の値が上がる。

その反面、蒸発器１２におけるＣＯ_２冷媒の流量を減少させると、第一の圧力センサー３４で計測される値が低下するとともに、第二の圧力センサー３６で計測される値が上昇する。その結果、第一の圧力センサー３４の値が第一の圧力値を下回るとともに、第二の圧力センサー３６の値が第二の圧力値を上回ってしまうことがある。

そこで、制御部４ｂにおいては、第一の圧力センサー３４の値を第一の圧力値まで上昇させるとともに、第二の圧力センサー３６の値を第二の圧力値まで低下させるため、加工寄与液の設定温度の上げ幅に応じて、圧縮機６の回転数を適宜低下させる。

この場合において、圧縮機６の回転数が許容回転数の下限値まで達しているにもかかわらず、第一の圧力センサー３４の値が第一の圧力値まで上昇せず、第二の圧力センサー３６の値が第二の圧力値まで低下しないときがある。このようなときには、制御部４ｂは更に、通常は閉じている可変バイパス弁２８を閉から開に作動し開度を大きくして、蒸発器１２におけるＣＯ_２冷媒の流量を増やす。これによって、圧縮機６の回転数を、許容回転数の下限値よりも低い回転数に下げることなく、第一の圧力センサー３４の値を第一の圧力値まで上昇させるともに、第二の圧力センサー３６の値を第二の圧力値まで低下させることができる。

したがって、冷却機構２においては、加工寄与液の設定温度を上げても、圧縮機６の吸入圧力と吐出圧力が大きく変動することがないので、最大冷却効率および最大冷却能力を得ることができる。

このように制御部４ｂは、加工寄与液の冷却量を減少させる場合、可変膨張弁３２の開度を小さくして蒸発器１２を流れるＣＯ_２冷媒の流量を減少させ、それに伴って圧縮機６の回転数が下限値に達しないようにバイパス経路３０の可変バイパス弁２８の開度を大きくして蒸発器１２に流れるＣＯ_２冷媒の流量を増大させるようになっている。

（加工寄与液の冷却量を増大させる場合）
上記とは反対に、冷却機構２において、加工装置で使用される加工寄与液の冷却量を増大させる場合（加工寄与液の設定温度を下げる場合）、制御手段４の制御部４ｂは、可変膨張弁３２の開度を大きくする。これによって、蒸発器１２におけるＣＯ_２冷媒の流量が増大するので、加工寄与液の必要冷却量を増大させることができる。この結果、第一の温度センサー３８または第二の温度センサー４０の値が下がる。

けれども、蒸発器１２におけるＣＯ_２冷媒の流量が増大すると、第一の圧力センサー３４で計測される値が上昇するとともに、第二の圧力センサー３６で計測される値が低下する。その結果、第一の圧力センサー３４の値が第一の圧力値を上回るとともに、第二の圧力センサー３６の値が第二の圧力値を下回ってしまることがある。

そこで、制御部４ｂにおいては、加工寄与液の設定温度の下げ幅に応じて、圧縮機６の回転数を適宜増大させる。これによって、第一の圧力センサー３４の値を第一の圧力値まで低下させるともに、第二の圧力センサー３６の値を第二の圧力値まで上昇させることができる。

したがって、冷却機構２においては、加工寄与液の設定温度を下げても、圧縮機６の吸入圧力と吐出圧力が大きく変動することがないので、最大冷却効率および最大冷却能力を得ることができる。

ところで、加工寄与液の設定温度が低い場合には、蒸発器１２内におけるＣＯ_２冷媒の気化量が少なくなるため、液状のＣＯ_２冷媒が圧縮機６に吸い込まれるおそれがある。しかし、本実施形態の冷却機構２では、蒸発器１２から出たＣＯ_２冷媒と、水冷式ガスクーラ８から出たＣＯ_２冷媒とが内部熱交換器１０において熱交換を行なうことになる。この熱交換においては、蒸発器１２から出たＣＯ_２冷媒が、水冷式ガスクーラ８から出たＣＯ_２冷媒から熱を奪うことになる。このため、蒸発器１２から出たＣＯ_２冷媒中に液体が残存していても、内部熱交換器１０においてＣＯ_２冷媒中の液体が気体となる。

このように制御部４ｂは、加工寄与液の冷却量を増大させる場合、可変膨張弁３２の開度を大きくするとともに圧縮機６の回転数を増大させて蒸発器１２を流れるＣＯ_２冷媒の流量を増大させ、それに伴って蒸発器１２から送り出されるＣＯ_２冷媒に残存する液状ＣＯ_２を内部熱交換器１０において気化させ圧縮機６の負担を軽減するようになっている。

（制水弁２０の開度調整）
また、制御手段４の制御部４ｂは、第三の温度センサー４２によって検出される工業用水の温度に基づいて、制水弁２０の開度を調整して水冷式ガスクーラ８に導入する工業用水の流量を調整し、ＣＯ_２冷媒の冷却を制御するようになっているのが好ましい。

制水弁２０の開度が大きくなると、水冷式ガスクーラ８に流れ込む工業用水の量が増え、水冷式ガスクーラ８におけるＣＯ_２冷媒の冷却が促進される。一方、制水弁２０の開度が小さくなると、水冷式ガスクーラ８に流れ込む工業用水の量が減り、水冷式ガスクーラ８におけるＣＯ_２冷媒の冷却が抑制される。

このため、制御部４ｂは、工業用水の温度に基づき、制水弁２０の開度を調整して、水冷式ガスクーラ８におけるＣＯ_２冷媒の冷却を制御することにより、水冷式ガスクーラ８から送り出されるＣＯ_２冷媒の温度を設定温度（第五の温度）に調整することができる。

以上のとおりであり、冷却機構２においては、圧縮機６に流入するＣＯ_２冷媒が気体のみとなるため、液圧縮が生じることがない。さらに、本実施形態の冷却機構２は、冷却効率を式９によって求めるので、冷却効率を向上させるためのＣＯ_２冷媒の圧力値を運転状況に合わせて設定することができる。
冷却効率＝（ＥＢ－ＥＦ）／（ＥＦ－ＥＡ）・・・式９

なお、圧縮機６、水冷式ガスクーラ８、内部熱交換器１０および蒸発器１２の配置については、図３に示すように、圧縮機６、内部熱交換器１０および蒸発器１２よりも上方に、水冷式ガスクーラ８を設置するのが好ましい。

ＣＯ_２冷媒は、超臨界状態に達すると、圧縮機６内の潤滑油がＣＯ_２冷媒に溶解して圧縮機６から流出しやすくなる傾向がある。超臨界状態のＣＯ_２冷媒に溶解した圧縮機６内の潤滑油が、水冷式ガスクーラ８や内部熱交換器１０などに滞留し、圧縮機６に戻ってこないと、圧縮機６に異常摩耗が生じるおそれがある。

そこで、図３に示すように、水冷式ガスクーラ８を圧縮機６などの上方に設置することにより、冷却機構２全体の設置面積を抑えつつ、水冷式ガスクーラ８および内部熱交換器１０における超臨界状態のＣＯ_２冷媒の流れ方向を、重力方向（つまり、上から下）にすることができる。したがって、超臨界状態のＣＯ_２冷媒に溶解した圧縮機６内の潤滑油が、水冷式ガスクーラ８や内部熱交換器１０などに滞留するのを抑制し、潤滑油を圧縮機６に戻すことができる。この結果、圧縮機６に異常摩耗が生じるのを防止することができる。

可変膨張弁３２によって膨張されたＣＯ_２冷媒は、蒸発器１２および内部熱交換器１０において、流れ方向が反重力方向（下から上）となるが、圧縮機６、内部熱交換器１０および蒸発器１２のそれぞれの下端位置を同じ高さにすることにより、蒸発器１２出口から圧縮機６までの高低差をできるだけ小さくして、潤滑油が圧縮機６に戻りやすくするのが好適である。

また、圧縮機６の停止した後、圧縮機６の作動を再開する際は、可変膨張弁３２および可変バイパス弁２８を所定の開度に維持しつつ、図４に示すように、中間速度での運転と最低速度での運転とを所定時間ずつ何度か繰り返すのがよい。これによって、圧縮機６の停止時に内部熱交換器１０および蒸発器１２に滞留した潤滑油を圧縮機６に効率的に戻すことができる。

２：冷却機構
４：制御手段
４ａ：設定部
４ｂ：制御部
６：圧縮機
８：水冷式ガスクーラ
１０：内部熱交換器
１２：蒸発器
１４：第一の経路
１６：第二の経路
１８：第三の経路
２０：制水弁
２２：第四の経路
２４：第一の連結部
２６：第二の連結部
２８：可変バイパス弁
３０：バイパス経路
３２：可変膨張弁
３４：第一の圧力センサー
３６：第二の圧力センサー
３８：第一の温度センサー
４０：第二の温度センサー
４２：第三の温度センサー
４４：第四の温度センサー
４６：第五の温度センサー
４８：第六の温度センサー
５０：第七の温度センサー
５２：第八の温度センサー

Claims (8)

1. 加工装置で使用する加工寄与液を冷却する冷却機構であって、
   制御手段と、
   ＣＯ_２冷媒を圧縮する圧縮機と、
   該圧縮機が圧縮した圧縮熱を帯びたＣＯ_２冷媒を冷却する水冷式ガスクーラと、
   冷却されたＣＯ_２冷媒が送り込まれる内部熱交換器と、
   該内部熱交換器から送り出されたＣＯ_２冷媒を気化させ気化熱を生成し加工装置で使用する加工寄与液を冷却する蒸発器と、
   該圧縮機と該水冷式ガスクーラとを連結する第一の経路と、
   該水冷式ガスクーラと該蒸発器とを連結する第二の経路と、
   該蒸発器と該圧縮機とを連結する第三の経路と、
   該水冷式ガスクーラに工業用水を導入し制水弁を備えた第四の経路と、
   該第一の経路に連結する第一の連結部と該第二の経路に連結する第二の連結部とによって連結され可変バイパス弁を備えたバイパス経路と、を含み、
   該内部熱交換器は、該蒸発器から送り出されたＣＯ_２冷媒が該水冷式ガスクーラから送り出されたＣＯ_２冷媒から熱を奪うように該第二の経路と該第三の経路とに跨り配設され、
   該第二の経路には、冷却したＣＯ_２冷媒の流量を調整する可変膨張弁が該内部熱交換器と該第二の連結部との間に配設され、
   該可変膨張弁と該圧縮機との間の該第二の経路と該第三の経路とのいずれかにＣＯ_２冷媒の圧力を計測する第一の圧力センサーが配設され、
   該圧縮機と該可変膨張弁との間の該第一の経路と該第二の経路とのいずれかに該圧縮機によって圧縮されたＣＯ_２冷媒の圧力を計測する第二の圧力センサーが配設され、
   加工装置で使用する加工寄与液が該蒸発器から流出する温度を計測する第一の温度センサーと、
   該蒸発器に流入する加工寄与液の温度を計測する第二の温度センサーと、
   該水冷式ガスクーラに流入する工業用水の温度を計測する第三の温度センサーと、
   該圧縮機から送り出されるＣＯ_２冷媒の温度を計測する第四の温度センサーと、
   該水冷式ガスクーラから送り出されるＣＯ_２冷媒の温度を計測する第五の温度センサーと、
   該内部熱交換器から送り出されるＣＯ_２冷媒の温度を計測する必要に応じて配設される第六の温度センサーと、
   該可変膨張弁から送り出されるＣＯ_２冷媒の温度と同じ温度になる該蒸発器から送り出されるＣＯ_２冷媒の温度を計測する必要に応じて配設される第七の温度センサーと、
   該圧縮機に送り込まれるＣＯ_２冷媒の温度を計測する第八の温度センサーと、が配設され、
   該制御手段は、該第一の圧力センサーが検出すべき第一の圧力値と、該第二の圧力センサーが検出すべき第二の圧力値と、該第一の温度センサーが検出すべき第一の温度または該第二の温度センサーが検出すべき第二の温度と、該第四の温度センサーが検出すべき第四の温度と、該第五の温度センサーが検出すべき第五の温度と、該第八の温度センサーが検出すべき第八の温度と、を少なくとも設定する設定部を備え、
   該第一の温度センサーまたは該第二の温度センサーの値が該設定された温度になるように、ＣＯ_２冷媒が臨界温度３１．１℃および臨界圧力７．３８ＭＰａで特定される臨界点を囲繞する該設定された圧力値と温度とで規定される経路にしたがって該可変膨張弁の開度と該圧縮機の回転数とを制御する冷却機構。
2. 該制御手段は、加工装置で使用する加工寄与液の冷却量を減少させる場合、該可変膨張弁の開度を小さくして該蒸発器を流れるＣＯ_２冷媒の流量を減少させ、それに伴って該圧縮機が下限値に達しないように該バイパス経路の該可変バイパス弁の開度を大きくして該蒸発器に流れるＣＯ_２冷媒の流量を増大させる請求項１記載の冷却機構。
3. 該制御手段は、加工装置で使用する加工寄与液の冷却量を増大させる場合、該可変膨張弁の開度を大きくするとともに該圧縮機の回転数を増大させて該蒸発器を流れるＣＯ_２冷媒の流量を増大させ、それに伴って該蒸発器から送り出されるＣＯ_２冷媒に残存する液状ＣＯ_２を該内部熱交換器において気化させ該圧縮機の負担を軽減する請求項１記載の冷却機構。
4. 該制御手段は、該第三の温度センサーによって検出される工業用水の温度に基づいて該制水弁の開度を調整して該水冷式ガスクーラに導入する工業用水の流量を調整し、ＣＯ_２冷媒の冷却を制御する請求項１記載の冷却機構。
5. 該制御手段は、該可変膨張弁の開度を小さくすることで該第二の圧力センサーの値を大きくし、該可変膨張弁の開度を大きくすることで該第二の圧力センサーの値を小さくして該設定された圧力値に調整し冷却効率（冷却能力／圧縮仕事）を制御する請求項１記載の冷却機構。
6. 該圧縮機の出口をＡ点、
   該水冷式ガスクーラの出口をＢ点、
   該内部熱交換器における該第二の経路の出口をＣ点、
   該可変膨張弁の出口をＤ点、
   該蒸発器の出口をＥ点、
   該内部熱交換器における該第三の経路の出口をＦ点、
   該Ａ点における温度をＴＡ、圧力をＰＡ、エンタルピーをＥＡ、
   該Ｂ点における温度をＴＢ、圧力をＰＢ、エンタルピーをＥＢ、
   該Ｃ点における温度をＴＣ、圧力をＰＣ、エンタルピーをＥＣ、
   該Ｄ点における温度をＴＤ、圧力をＰＤ、エンタルピーをＥＤ、
   該Ｅ点における温度をＴＥ、圧力をＰＥ、エンタルピーをＥＥ、
   該Ｆ点における温度をＴＦ、圧力をＰＦ、エンタルピーをＥＦ、とした場合、
   該Ｆ点から該圧縮機に送り込まれたＣＯ_２冷媒は該圧縮機によって圧縮されて臨界点を超える該Ａ点に至り、温度はＴＦからＴＡに、圧力はＰＦからＰＡに、エンタルピーはＥＦからＥＡにそれぞれ変化し、
   該Ａ点から該水冷式ガスクーラに送り込まれたＣＯ_２冷媒は該水冷式ガスクーラによって冷却されて該Ｂ点に至り、温度はＴＡからＴＢに変化し、圧力は変化せず（ＰＡ＝ＰＢ）、エンタルピーはＥＡからＥＢに変化し、ＴＡとＴＢとの温度差およびＥＡとＥＢとのエンタルピー差は、該水冷式ガスクーラによって外部に捨てられ、圧力ＰＢおよび温度ＴＢは臨界点を超えておりＣＯ_２冷媒の液化は生じなく、
   該Ｂ点から該内部熱交換器に送り込まれたＣＯ_２冷媒は該蒸発器から送り込まれるＣＯ_２冷媒によって熱が奪われて該Ｃ点に至り、温度はＴＢからＴＣに変化し、圧力は変化せず（ＰＢ＝ＰＣ）、エンタルピーはＥＢからＥＣに変化し、温度ＴＣは臨界点を下回りＣＯ_２冷媒の一部は液化し、
   該Ｃ点から該可変膨張弁に送り込まれたＣＯ_２冷媒は該可変膨張弁によって減圧されて該Ｄ点に至り、温度はＴＣからＴＤに変化し、圧力はＰＣからＰＤに変化し、エンタルピーは変化せず（ＥＣ＝ＥＤ）、ＣＯ_２冷媒は気体と液体とが混在した状態となり、
   該Ｄ点から該蒸発器に送り込まれたＣＯ_２冷媒は該蒸発器によって加工寄与液からエネルギーを奪い取り該Ｅ点に至り、温度および圧力は変化せず（ＴＤ＝ＴＥ、ＰＤ＝ＰＥ）、エンタルピーはＥＤからＥＥに変化し、該Ｅ点は臨界点を通る飽和蒸気線に差しかかりＣＯ_２冷媒は気体となり、
   該Ｅ点から該内部熱交換器に送り込まれたＣＯ_２冷媒は該Ｂ点から該内部熱交換器に送り込まれたＣＯ_２冷媒から熱を奪い液体が残存していても気体となって該Ｆ点に至り、温度はＴＥからＴＦに変化し、圧力は変化せず（ＰＥ＝ＰＦ）、エンタルピーはＥＥからＥＦに変化し、該Ａ点に至り、ＥＢとＥＣの差の絶対値およびＥＥとＥＦとの差の絶対値は等しく、
   該制御手段は、
   冷却効率（冷却能力／圧縮仕事）＝（ＥＤ－ＥＥ）／（ＥＦ－ＥＡ）が最大となるように温度、圧力、エンタルピーを制御する請求項１から５までのいずれかに記載の冷却機構。
7. 該Ａ点における温度ＴＡは該第四の温度センサーによって検出し、
   該Ｂ点における温度ＴＢは該第五の温度センサーによって検出し、
   該Ｃ点における温度ＴＣは該第六の温度センサーによって検出し、
   該Ｄ点における温度ＴＤは該第七の温度センサーによって検出し、
   該Ｅ点における温度ＴＥは該第七の温度センサーによって検出し、
   該Ｆ点における温度ＴＦは該第八の温度センサーによって検出し、
   該Ａ点における圧力ＰＡは該第二の圧力センサーによって検出し、
   該Ｂ点における圧力ＰＢは該第二の圧力センサーによって検出し、
   該Ｃ点における圧力ＰＣは該第二の圧力センサーによって検出し、
   該Ｄ点における圧力ＰＤは該第一の圧力センサーによって検出し、
   該Ｅ点における圧力ＰＥは該第一の圧力センサーによって検出し、
   該Ｆ点における圧力ＰＦは該第一の圧力センサーによって検出し、
   該Ａ点におけるエンタルピーＥＡはｐ－ｈ線図に基づいて検出し、
   該Ｂ点におけるエンタルピーＥＢはｐ－ｈ線図に基づいて検出し、
   該Ｃ点におけるエンタルピーＥＣはｐ－ｈ線図に基づいて検出し、
   該Ｄ点におけるエンタルピーＥＤはｐ－ｈ線図に基づいて検出し、
   該Ｅ点におけるエンタルピーＥＥはＥＦ－（ＥＢ－ＥＣ）で算出し、
   該Ｆ点におけるエンタルピーＥＦはｐ－ｈ線図に基づいて検出し、
   該制御手段は、
   冷却効率（冷却能力／圧縮仕事）＝（ＥＤ－ＥＥ）／（ＥＦ－ＥＡ）
   の式によって冷却効率を算出する際、
   ＥＣ＝ＥＤとＥＥ＝ＥＦ－（ＥＢ－ＥＣ）とに基づいて、
   ＥＤ－ＥＥ＝ＥＣ－｛ＥＦ－（ＥＢ－ＥＣ）｝＝ＥＢ－ＥＦを求め、
   エンタルピーＥＢとエンタルピーＥＦとの差（ＥＢ－ＥＦ）を増大させることにより、冷却能力および冷却効率を向上させる請求項６記載の冷却機構。
8. 該第六の温度センサーおよび該第七の温度センサーを省略する請求項１記載の冷却機構。

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