(57)【要約】【課題】冷却対象部材を均一に冷却することのできる冷却装置を提供する。【解決手段】真空処理装置１の真空室６の上部には、シャワープレート２が設けられ、シャワープレート２の近傍の上壁７内部には、冷媒通路３が設けられている。チラーユニット１０の冷凍回路１８には、コンデンサ１２と膨張弁１４との間に、２つの経路１８ｂ，１８ｃに分岐する分岐点１８ａが設けられている。一方の経路１８ｂは膨張弁１４に連通し、他方の経路１８ｃは真空処理装置１の冷媒通路３の一端と連通している。経路１８ｃの合流点１８ａ及び冷媒通路３間には、レシーバー４１と、開閉弁２１と、エゼクタ２４とが設けられている。また、膨張弁１４及び蒸発器１５の間の合流点１８ｄと冷媒通路３の他端とが、経路１８ｅによって連通されている。経路１８ｅには、第１のアキュムレータ２２と定圧弁２３とが設けられている。【選択図】図１
2006284093.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷却対象部材と熱交換する冷媒が流通する冷媒通路と、
前記冷媒通路と連通し、前記冷媒通路に前記冷媒を供給する冷却手段と
を備え、
前記冷却手段は、
コンプレッサ、コンデンサ、減圧手段及び蒸発器を有し、前記冷媒が循環する冷凍回路と、
一端が前記冷凍回路の前記コンデンサ及び前記減圧手段間に接続され、他端が前記冷媒通路の入口に接続される冷媒供給経路と、
前記冷媒供給経路に設けられ、前記冷媒のボイド率を制御するボイド率制御手段と、
一端が前記冷媒通路の出口に接続され、他端が前記冷凍回路に接続される冷媒戻し経路と
を備え、
前記ボイド率制御手段によって、前記冷媒は、前記冷媒の気体成分中に前記冷媒の液滴が分散された状態になることを特徴とする冷却装置。
【請求項２】
前記ボイド率制御手段は、エゼクタであることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【請求項３】
前記ボイド率制御手段は、噴射ノズルであることを特徴とする請求項１に記載の冷却装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、冷却装置に係り、特に、半導体製造装置等に用いられる冷却装置のように、厳しい温度管理が要求される冷却装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の冷却装置、例えば、半導体製造装置に用いられる従来のチラーユニットでは、一般に、冷凍回路を循環するフロン等の１次冷媒によって、水等の２次冷媒を冷却し、この２次冷媒を用いて冷却を行っている。この場合、冷却対象部材が冷凍回路によって直接冷却されず、２次冷媒を介して間接的に冷凍回路が冷却対象部材を冷却している。このため、冷却効率が悪くなっていた。
【０００３】
この問題点を解決するために、冷凍回路を循環するフロン等の冷媒のみによって、冷却対象部材を直接冷却するチラーユニットが、特許文献１に開示されている。このチラーユニットでは、冷凍回路の圧縮機によって圧縮された冷媒をコンデンサによって凝縮し、凝縮された冷媒は、冷媒の流量を調整する調整弁を介して、真空処理装置のサセプタ内に設けられた冷媒通路に流される。そして、サセプタ上に載置された被処理体を冷却する。つまり、冷媒通路自体が所謂冷凍回路の蒸発器としての機能を果たすこととなる。被処理体を冷却した冷媒は、圧縮機に戻り、再び冷凍回路中を循環することとなる。
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１７４０１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、冷媒の流量を制御して気液２相流の冷媒で冷却対象部材を冷却しても、冷媒の熱伝達率が高すぎるため、冷媒通路の入口側で冷えすぎてしまう問題があり、冷却対象部材の冷却が不均一になってしまうととともに所望の温度に制御できないという問題点があった。
【０００６】
この発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、冷却対象部材を均一かつ、所望の温度に冷却することのできる冷却装置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】
この発明に係る冷却装置は、冷却対象部材と熱交換する冷媒が流通する冷媒通路と、冷媒通路と連通し、冷媒通路に冷媒を供給する冷却手段とを備え、冷却手段は、コンプレッサ、コンデンサ、減圧手段及び蒸発器を有し、冷媒が循環する冷凍回路と、一端が冷凍回路のコンデンサ及び減圧手段間に接続され、他端が冷媒通路の入口に接続される冷媒供給経路と、冷媒供給経路に設けられ、冷媒のボイド率を制御するボイド率制御手段と、一端が冷媒通路の出口に接続され、他端が前記減圧手段の下流側で前記減圧手段と前記コンプレッサとの間に接続される冷媒戻し経路とを備え、ボイド率制御手段によって、冷媒は、冷媒の気体成分中に冷媒の液滴が分散された状態になることを特徴とする。冷媒の気体成分中に冷媒の液滴が分散すると、冷媒の熱伝達率が低下して、冷媒通路の入口側で冷却対象部材が冷えすぎることがなく、冷却対象部材を均一かつ、所望の温度に冷却することができる。
ボイド率制御手段は、エゼクタでもよい。
ボイド率制御手段は、噴射ノズルでもよい。
【発明の効果】
【０００８】
この発明によれば、ボイド率制御手段によって、冷媒は、冷媒の気体成分中に冷媒の液滴が分散されることにより、熱伝達率が低下し、冷媒通路の入口で冷却対象部材が冷えすぎることがなく、冷却対象部材を均一かつ所望の温度に冷却することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下、この発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。
実施の形態１．
この実施の形態１に係る冷却装置を、図１に基づいて説明する。この実施の形態１において、チラーユニット１０及び冷媒通路３が、冷却装置を構成する。
真空処理装置１は、内部に真空室６を備えている。真空室６には、被処理体５を載置するサセプタ４が設けられている。真空室６の上部には、サセプタ４と対向するように、冷却対象部材であるシャワープレート２が設けられている。シャワープレート２の近傍の上壁７内部には、冷媒通路３が設けられている。また、上壁７内部には、温度センサ８が設けられており、シャワープレート２近傍の上壁７の温度を検出するようになっている。
【００１０】
チラーユニット１０は、ダイヤフラム式のコンプレッサ１１、コンデンサ１２、減圧手段である膨張弁１４、及び蒸発器１５からなり、冷媒であるフロンＲ１３４ａ（以下フロンとする）が循環する冷凍回路１８を備えている。冷凍回路１８には、冷却水が流通する冷却水経路１６が設けられている。蒸発器１５及びコンデンサ１２において、この冷却水と冷凍回路１８内を循環するフロンとが熱交換を行う。冷却水経路１６には、蒸発器１５とコンデンサ１２との間に、弁１７が設けられている。冷凍回路１８中のコンデンサ１２と膨張弁１４との間の分岐点１８ａにおいて、冷凍回路１８が２つの経路１８ｂ，１８ｃに分岐している。一方の経路１８ｂは減圧手段としての膨張弁１４に連通して冷凍回路１８の一部を構成し、他方の経路１８ｃは冷媒通路３の入口３ａと連通している。ここで、経路１８ｃは、冷媒供給経路を構成する。経路１８ｃには、レシーバー４１が設けられている。レシーバー４１は、気液２相流でフロンＲ１３４ａを貯留するタンク部４１ａと、タンク部４１ａ内の気相部に連通する気相管４１ｂと、タンク部４１ａ内の液相部に連通する液相管４１ｃとから構成されている。気相管４１ａは、一端を分岐点１８ａとする経路１８ｃ１の他端に設けられている。一方、液相管４１ｃは、一端が冷媒通路３の入口３ａに接続された経路１８ｃ２の他端に設けられている。経路１８ｃ２は、経路１８ｃ２を連通及び遮断する開閉弁２１が設けられている。開閉弁２１は温度センサ８と共に、制御装置９に電気的に接続されている。制御装置９には、温度センサ８の検出値についての上限値及び下限値が設定されている。
また、経路１８ｃ２の開閉弁２１及び冷媒通路３間には、冷媒中の気体成分の割合であるボイド率を制御するエゼクタ２４が設けられている。ここで、エゼクタ２４は、ボイド率制御手段を構成する。さらに、膨張弁１４及び蒸発器１５の間の合流点１８ｄと冷媒通路３の出口３ｂとが、経路１８ｅによって連通されている。ここで、経路１８ｅは、冷媒戻し経路を構成する。経路１８ｅには、液体のフロンを溜める第１のアキュムレータ２２と、冷媒通路３内の圧力を調節するための定圧弁２３とが設けられている。また、一端が経路１８ｅの定圧弁２３及び合流点１８ｄ間に接続すると共に他端がエゼクタ２３に接続する経路１８ｆが設けられている。
【００１１】
次に、この実施の形態１に係る冷却装置の動作を図１に基づいて説明する。
真空処理装置１の真空室６内において被処理体５の処理を行うために、真空処理装置１を起動すると、コンプレッサ１１が起動すると共に冷却水経路１６に冷却水が流通して、チラーユニット１０の冷凍回路１８の運転が開始される。蒸発器１５において、フロンと冷却水とが熱交換することにより、気液２相流のフロンが蒸発して気体となり、コンプレッサ１１に吸入される。フロンは、コンプレッサ１１によって圧縮され、高温高圧の気体の状態で吐出される。コンプレッサ１１から吐出された気体のフロンは、コンデンサ１２において、蒸発器１５で冷却された冷却水と熱交換することによって、冷却凝縮されて液体の状態となる。その後、分岐点１８ａにおいて、液体のフロンは経路１８ｂと経路１８ｃとに分岐して、それぞれの経路に流通する。後述するように、経路１８ｃに流通したフロンは、開閉弁２１の開閉動作によって、冷媒通路３に供給される。なお、経路１８ｃに流通したフロンは、開閉弁２１が開状態にあるときに、エゼクタ２３によって減圧されて霧状となって冷媒通路３に供給される。一方、経路１８ｂを流通するフロンは、膨張弁１４によって減圧されて気液２相流となり、後述する経路１８ｅを流通したフロンと合流点１８ｄにおいて合流する。その後、気液２相流のフロンが蒸発器１５に流入することで、前述したように冷却水経路１６の冷却水と熱交換を行い、冷却水を冷却する。そして再びコンプレッサ１１にフロンが帰還することで冷凍回路１８を循環する。
【００１２】
真空処理装置１の真空室６内において被処理体５の処理が行われ、温度センサ８の検出値が上限値以上になると、制御装置９は開閉弁２１を開く。すると、冷凍回路１８のコンデンサ１２及び膨張弁１４間を流通するフロンが、分岐点１８ａから経路１８ｃ１を流通するようになる。経路１８ｃ１を流通するフロンは、レシーバー４１の気相管４１ｂから、タンク部４１ａ内の気相部に放出される。ここで、コンデンサ１２及び膨張弁１４間を流通するフロンは、通常は液体であるが、コンデンサ１２におけるフロンの冷却凝縮が不完全である等の理由により、一部が気化したフロンや空気等の気体成分を混入している。このような気体成分を含む液体のフロンがタンク部４１ａに放出されると、液体のフロンとその他の気体成分とに分離される。タンク部４１ａ内のフロンは、気体成分を含まない液体のフロンとして、液相管４１ｃを介して１８ｃ２を流通し、エゼクタ２４のノズル内に流入する。
【００１３】
また、後述するように、冷媒通路３を流通した気液２相流のフロンは、第１のアキュムレータ２２において液体成分と気体成分とに分離されて、気体のフロンが定圧弁２３を通過する。定圧弁２３を通過した気体のフロンの一部が、経路１８ｆを介してエゼクタ２４のノズル内に流入する。経路１８ｃ２を介してエゼクタ２４のノズル内に流入した液体のフロンと、経路１８ｆを介してエゼクタ２４のノズル内に流入した気体のフロンとは、エゼクタ２４の混合部で混合されて速度が増加される。この混合により、フロンのボイド率は上昇する。この後、フロンはディフューザーで減速されると共に昇圧される。この際、フロンの液体成分は、小さな液滴に分散される。これにより、エゼクタ２４から流出されたフロンは、気体成分と液体成分と均一に混合した状態となり、冷媒通路３内を流通する。
【００１４】
フロンが冷媒通路３内を流通する際、シャワープレート２と熱交換を行うことによって、シャワープレート２が冷却される。フロンの液体成分は、小さな液滴に分散されるので、フロンの熱伝達率が低下する。冷媒通路３の入口３ａでシャワープレート２が冷えすぎることがなく、シャワープレート２を均一かつ、所望の温度に冷却制御することができる。また、冷媒通路３内を流通するフロンは、気体成分と液体成分とが均一に混合した状態なので、シャワープレート２とは均一な熱交換をし、これにより、シャワープレート２が均一に冷却される。
冷媒通路３から流出したフロンは経路１８ｅを流通し、第１のアキュムレータ２２で液体成分が分離され、フロンとして定圧弁２３を通過する。既に述べたように、定圧弁２３を通過した気体のフロンの一部が経路１８ｆを介してエゼクタ２４内に流入し、残りが合流点１８ｄにおいて冷凍回路１８内を循環するフロンと合流して、冷凍回路１８に戻る。
【００１５】
冷媒通路３内を流通するフロンとシャワープレート２とが熱交換を行うことによってシャワープレート２が冷却されると、温度センサ８の検出値が下限値以下となる。すると、制御装置９は開閉弁２１を閉じて、フロンが冷媒通路３内を流通しないようにする。被処理体５の処理が継続されると、再びシャワープレート２の温度が上昇するため、温度センサ８の検出値が上昇する。温度センサ８の検出値が上限値以上となったら、制御装置９が開閉弁２１を再び開くことによって、上記動作を繰り返す。
【００１６】
このように、エゼクタ２４により、フロンは、気体成分中に均一に液滴が分散され、フロンの熱伝達率が低下する。従って、冷媒通路３の入口３ａにてシャワープレート２が従来のように冷えすぎるということがなくなり、シャワープレート２を均一かつ、所望の温度に冷却制御することができる。また、気体成分と液体成分とが均一に混合した状態となる。気体成分及び液体成分が均一に混合したフロンとシャワープレート２とは、均一に熱交換するので、シャワープレート２を均一に冷却することができる。
【００１７】
実施の形態２．
次に、この発明の実施の形態２に係る冷却装置を、図２に基づいて説明する。尚、以下の実施の形態において、図１の参照符号と同一の符号は、同一又は同様な構成要素であるので、その詳細な説明は省略する。
この実施の形態２に係る冷却装置は、実施の形態１に対して、ボイド率制御手段として噴射ノズルを使用したものである。
この実施の形態２において、チラーユニット３０及び冷媒通路３が、冷却装置を構成する。チラーユニット３０には、経路１８ｃ２の開閉弁２１及び冷媒通路３間に、液体のフロンを霧状に噴射する噴射ノズル（インジェクター）２５が設けられている。該噴射ノズル２５の噴射口の開度は可変であり、開度を変更することによりボイド率を制御することができる。その他の構成は、実施の形態１における経路１８ｆがないこと以外、実施の形態１と同じである。
【００１８】
実施の形態１と同様の動作によって、制御装置９が開閉弁２１を開くと、レシーバー４１のタンク部４１ａから経路１８ｃ２を介して、液体のフロンが噴射ノズル２５に流入する。噴射ノズル２５に流入した液体のフロンは、霧状に噴霧されて小さな液滴となる。小さな液滴となったフロンの一部は気化して気体状のフロンになるので、フロンのボイド率が上昇する。また、小さな液滴となったフロンは、気体のフロン中に分散されるので、フロンの熱伝達率が低下して、冷媒通路３の入口３ａでシャワープレート２が冷えすぎることがなくなり、シャワープレート２を均一かつ、所望の温度に冷却制御することができる。また、フロンは、気体成分及び液体成分が均一に混合した状態になる。このような状態で、フロンが冷媒通路３内を流通すると、シャワープレート２と均一に熱交換を行うので、シャワープレート２が均一に冷却される。
冷媒通路３から流出したフロンは経路１８ｅを流通し、第１のアキュムレータ２２で液体成分が分離され、気体のフロンが定圧弁２３を通過した後、合流点１８ｄにおいて冷凍回路１８内を循環するフロンと合流して、冷凍回路１８に戻る。
その他の動作については実施の形態１と同じである。
【００１９】
このように、噴射ノズル２５によって、フロンのボイド率が上昇して、フロンの熱伝達率が低下して、冷媒通路３の入口３ａでシャワープレート２が冷えすぎることがなくなり、シャワープレート２を均一かつ、所望の温度に冷却制御することができる。また、気体成分及び液体成分が均一に混合した状態になるので、冷媒通路３をフロンが流通するとき、これにより、シャワープレート２を均一に冷却することができる。
【００２０】
また、噴射ノズル２５の噴射口の開度は可変であることにより、噴霧される液滴の粒径や粒径分布を制御することができるので、フロンのボイド率を制御することができる。従って、フロンとの熱交換効率が異なる様々な冷却対象部材に対して、均一に冷却することができる。
【００２１】
実施の形態３．
次に、この発明の実施の形態３に係る冷却装置を、図３に基づいて説明する。この実施の形態３に係る冷却装置は、実施の形態１に対して、経路１８ｅと冷凍回路１８との合流点１８ｄを、蒸発器１５とコンプレッサ１１との間に位置するようにしたものである。
この実施の形態３において、チラーユニット５０及び冷媒通路３が、冷却装置を構成する。チラーユニット５０において、経路１８ｅと冷凍回路１８との合流点１８ｄは、蒸発器１５とコンプレッサ１１との間に位置している。また、チラーユニット５０には、合流点１８ｄとコンプレッサ１１との間に、フロンの液体を溜める第２のアキュムレータ２４が設けられている。その他の構成については、実施の形態１と同じである。
【００２２】
実施の形態１と同様の動作によって、シャワープレート２を冷却したフロンは、気体成分中に小さな液滴を均一に分布させた状態で、経路１８ｅを流通する。通常、第１のアキュムレータ２２において、ほぼ全ての液滴が捕捉されて、気体状のフロンが定圧弁２３を通過し、合流点１８ｄへ向かって流通する。第１のアキュムレータ２２における液滴の捕捉が不完全な場合には、合流点１８ｄにおいて、冷凍回路１８を循環するフロンと合流した後、液滴を含むフロンがコンプレッサ１１に吸入されてしまう。これにより、コンプレッサ１１が故障するおそれがある。しかしながら、第２のアキュムレータ２４において、さらに液滴が捕捉されるので、コンプレッサ１１に液体のフロンが帰還することはない。これにより、コンプレッサ１１を保護することができる。
その他の動作については実施の形態１と同じであるため、実施の形態１と同じ効果を得ることができる。
【００２３】
実施の形態３では、実施の形態１に対して、経路１８ｅと冷凍回路１８との合流点１８ｄを、蒸発器１５とコンプレッサ１１との間に位置するようにしたが、これに限定するものではない。実施の形態２に係る冷却装置３０に対して、合流点１８ｄを同様の位置にしてもよい。
【００２４】
実施の形態１〜３では、冷媒としてフロンを使用したが、これに限定するものではない。プロパンやイソブタン等の炭化水素を使用してもよい。また、これらの他に、混合冷媒を使用することもできる。混合冷媒としては、例えば、混合冷媒４０７Ｃを使用してもよい。
【００２５】
実施の形態１〜３では、半導体製造装置に使用される冷却装置として説明を行ったが、これに限定するものではない。あらゆる冷却対象部材を冷却する冷却装置として使用することができる。特に、厳しい温度管理が要求される冷却装置として使用することができる。
【００２６】
実施の形態１〜３では、コンプレッサ１１にダイヤフラム式のコンプレッサを使用したが、これに限定するものではない。例えば、半導体製造装置に使用される冷却装置に用いる場合は、冷媒にオイルが混入しないオイルフリータイプであるダイヤフラム式のコンプレッサが好ましく、その他の冷却対象部材を冷却する冷却装置の場合は、オイルフリータイプのコンプレッサに限定されず、周知のピストン式やスクロール式のコンプレッサを用いても良い。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】この発明の実施の形態１に係る冷却装置の構成図である。
【図２】実施の形態２に係る冷却装置の構成図である。
【図３】実施の形態３に係る冷却装置の構成図である。
【符号の説明】
【００２８】
２  シャワープレート（冷却対象部材）、３  冷媒通路、１１  コンプレッサ、１２  コンデンサ、１４  膨張弁（減圧手段）、１５  蒸発器、１８  冷凍回路、１８ｃ，１８ｃ１，１８ｃ２  経路（冷媒供給経路）、１８ｅ  経路（冷媒戻し経路）、１０，３０，５０  チラーユニット（冷却手段）、２４  エゼクタ（ボイド率制御手段）、２５  噴射ノズル（ボイド率制御手段）。
【図１】
2006284093.tif 000003
【図２】
2006284093.tif 000004
【図３】
2006284093.tif 000005