(57)【要約】【課題】互いに異なる少なくとも２の温度域それぞれの冷媒を、同時に供給可能な冷凍装置１０を実現する。【解決手段】冷凍装置１０は、圧縮機２０、凝縮器２１，２２、複数段の気液分離器２４，３０，３６，４２、複数段のカスケード熱交換器２５，３１，３７，４３、膨張器８０、第１の冷却器５２、及び、第１の冷却器５２に対し並列に配置されると共に、前記複数段の気液分離器のうちの、少なくとも１の気液分離器で分離されかつ減圧された冷媒を蒸発させる第２の冷却器５３、を有し、これらの各機器が冷媒配管により互いに接続された冷媒回路１を備えている。【選択図】図３
2008185256.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
沸点が互いに異なる複数種類の冷媒を混合した混合冷媒を圧縮する圧縮機、
前記圧縮機で圧縮された混合冷媒のうち、相対的に高沸点の冷媒を冷却して液化する凝縮器、
前記凝縮器で液化された混合冷媒を、相対的に高沸点の冷媒から低沸点の冷媒へと順次、液冷媒とガス冷媒とに分離する複数段の気液分離器、
前記各気液分離器で分離された１次側のガス冷媒を、該各気液分離器で分離されかつ減圧された２次側の液冷媒との間で熱交換させて冷却する複数段のカスケード熱交換器、
前記複数段のうちの最終段のカスケード熱交換器の１次側から流出した、相対的に低沸点の冷媒を減圧する膨張器、
前記膨張器で減圧された冷媒を蒸発させる第１の冷却器、及び、
前記第１の冷却器に対し並列に配置されると共に、前記複数段の気液分離器のうちの、少なくとも１の気液分離器で分離されかつ減圧された液冷媒を蒸発させる第２の冷却器、を有し、
これらの各機器が冷媒配管により互いに接続された冷媒回路を備えている冷凍装置。
【請求項２】
請求項１に記載の冷凍装置において、
前記第２の冷却器は、前記複数段の気液分離器のうちの最終段よりも上段側における、少なくとも１の気液分離器に接続されている冷凍装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の冷凍装置において、
前記第２の冷却器は、前記複数段の気液分離器のうちの、複数の気液分離器それぞれに対して接続されている冷凍装置。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷凍装置において、
前記冷媒回路は、
前記複数段の気液分離器それぞれで分離された液冷媒を減圧して、前記カスケード熱交換器の２次側にそれぞれ供給する複数の減圧器と、
前記第２の冷却器と気液分離器との間に介設されかつ、当該気液分離器で分離された液冷媒を減圧する第２の膨張器と、をさらに有している冷凍装置。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷凍装置において、
前記第１及び第２の冷却器はそれぞれ、前記冷媒回路と、前記圧縮機からの高温冷媒を供給するデフロスト回路と、に対して選択的に接続可能にされている冷凍装置。
【請求項６】
請求項５に記載の冷凍装置において、
前記第１及び第２の冷却器は、前記デフロスト回路に対して互いに独立して接続可能にされている冷凍装置。
【請求項７】
請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷凍装置において、
前記冷媒回路は、前記第１及び第２の冷却器それぞれへの冷媒の供給量を調整する流量調整弁をさらに有している冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、例えば特許文献１に開示されているように、沸点温度の異なる複数種類の冷媒からなる混合冷媒を、相対的に沸点温度の高い冷媒から沸点温度の低い冷媒へと順次凝縮させていき、最も低い蒸発温度の冷媒を最終的に冷却器において蒸発させて所望の超低温を得るようにしたいわゆる混合冷媒方式の超低温冷凍装置が知られている。
【０００３】
具体的にこの超低温冷凍装置では、圧縮機と、凝縮器と、複数段の気液分離器及びカスケード熱交換器と、膨張器と、冷却コイル（冷却器）とを備えた冷媒回路を混合冷媒が流通するようになっている。そして、凝縮器で主として高沸点の冷媒を凝縮した後、第１段目の気液分離器で液冷媒とガス冷媒とに分離し、第１段目のカスケード熱交換器の１次側において、ガス冷媒と前記分離された後に減圧された液冷媒とを熱交換させて冷却する。また、第２段目以後のカスケード熱交換器においても同様に熱交換を行い、最終段のカスケード熱交換器の１次側から流出した液冷媒を膨張器で減圧させかつ、前記冷却コイルにおいて低沸点冷媒を蒸発させることで、超低温レベルの寒冷を供給する。
【０００４】
この種の超低温冷凍装置の冷却器は、ウェハー等の製造に用いる真空成膜装置の、例えば真空チャンバ内に設置され、真空チャンバ内の気体を捕捉して真空レベルを短時間で上げるために使用されている。
【特許文献１】特開２００５−２０７６３７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで、例えば、前述した真空成膜装置において冷却が必要となる箇所は、真空チャンバ内だけでなく、真空ポンプとしての油拡散ポンプにおけるコールドトラップ等も冷却が必要な箇所である。このため従来の真空成膜装置においては、前述した真空チャンバ内の冷却コイルのための超低温冷凍装置とは別に、油拡散ポンプにおけるコールドトラップ用の冷却装置を備えることが一般的である。
【０００６】
しかしながらこうすると、真空成膜装置全体の設置面積が増大すると共に、そのイニシャルコストやランニングコストが増大してしまうという不都合がある。
【０００７】
本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、互いに異なる少なくとも２の箇所それぞれに、同時に冷媒を供給可能な冷凍装置を実現することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の一側面によると、冷凍装置は、沸点が互いに異なる複数種類の冷媒を混合した混合冷媒を圧縮する圧縮機、前記圧縮機で圧縮された混合冷媒のうち、相対的に高沸点の冷媒を冷却して液化する凝縮器、前記凝縮器で液化された混合冷媒を、相対的に高沸点の冷媒から低沸点の冷媒へと順次、液冷媒とガス冷媒とに分離する複数段の気液分離器、前記各気液分離器で分離された１次側のガス冷媒を、該各気液分離器で分離されかつ減圧された２次側の液冷媒との間で熱交換させて冷却する複数段のカスケード熱交換器、前記複数段のうちの最終段のカスケード熱交換器の１次側から流出した、相対的に低沸点の冷媒を減圧する膨張器、前記膨張器で減圧された冷媒を蒸発させる第１の冷却器、及び、前記第１の冷却器に対し並列に配置されると共に、前記複数段の気液分離器のうちの、少なくとも１の気液分離器で分離されかつ減圧された液冷媒を蒸発させる第２の冷却器、を有し、これらの各機器が冷媒配管により互いに接続された冷媒回路を備えている。
【０００９】
この構成によると、第１の冷却器は、相対的に高沸点の冷媒から低沸点の冷媒の順に凝縮する複数段のカスケード熱交換における最終段のカスケード熱交換器から流出した冷媒を蒸発させる。これに対し、第２の冷却器は、複数段の気液分離器のうちの少なくとも１の気液分離器で分離されかつ減圧された冷媒を蒸発させる。
【００１０】
このため、第１及び第２の冷却器を、冷却が必要な箇所それぞれに配置することによって、１つの冷凍装置において互いに異なる２つ箇所それぞれに、同時に冷媒を供給することが実現する。
【００１１】
前記第２の冷却器は、前記複数段の気液分離器のうちの最終段よりも上段側における、少なくとも１の気液分離器に接続されている、としてもよい。
【００１２】
こうすることで、第１の冷却器は、複数段のカスケード熱交換器における最終段のカスケード熱交換器から流出した冷媒を蒸発させるため、本冷凍装置の最大冷凍能力に対応する冷熱を供給することになる。
【００１３】
これに対し、第２の冷却器は、最終段よりも上段側における少なくとも１の気液分離器で分離されかつ減圧された冷媒、つまり、少なくとも最も低沸点の冷媒ではない冷媒を蒸発させるため、前記第１の冷却器よりも高い温度域の冷熱を供給することになる。こうして、１つの冷凍装置において、互いに異なる２つの温度域の冷熱を、同時に供給することが実現する。
【００１４】
前記第２の冷却器は、前記複数段の気液分離器のうちの、複数の気液分離器それぞれに対して接続されている、としてもよい。
【００１５】
こうすることで、例えば１つの気液分離器からの冷媒供給だけでは第２の冷却器に要求される冷却能力を達成することができないとしても、複数の気液分離器からの冷媒それぞれを第２の冷却器に供給するように構成することで、その第２の冷却器に要求される冷却能力を達成することが可能になる。
【００１６】
ここで、複数段のカスケード熱交換器を有する冷凍装置は、一般的に、前記複数段の気液分離器それぞれで分離された液冷媒を減圧して、カスケード熱交換器の２次側にそれぞれ供給する複数の減圧器を有している。そのため、前記第２の冷却器は、前記減圧器の下流側に接続して、当該減圧器によって減圧された液冷媒が供給されるようにしてもよい。但しこの場合、減圧器の減圧能力は、冷凍装置の冷凍サイクルにおいて要求される減圧能力に合わせる必要があるため、第２の冷却器の冷却能力は、その減圧器の減圧能力に制限されることになる。
【００１７】
これに対し、前記冷媒回路は、前記複数の減圧器とは別に、前記第２の冷却器と気液分離器との間に介設されかつ、当該気液分離器で分離された液冷媒を減圧する第２の膨張器をさらに有している、としてもよい。
【００１８】
こうすることで、その第２の膨張器の減圧能力を調整することによって、第２の冷却器の冷凍能力を適宜設定することが可能になる。
【００１９】
前記第１及び第２の冷却器はそれぞれ、前記冷媒回路と、前記圧縮機からの高温冷媒を供給するデフロスト回路と、に対して選択的に接続可能にされている、としてもよい。
【００２０】
こうすることで、第１及び第２の冷却器それぞれについてデフロストを実行することが可能になる。
【００２１】
この場合、前記第１及び第２の冷却器は、前記デフロスト回路に対して互いに独立して接続可能にされている、としてもよい。
【００２２】
こうすることで、第１及び第２の冷却器それぞれに対するデフロストの実行タイミングが互いに異なる場合でも、第１及び第２の冷却器それぞれに対し個別にデフロストを実行することが可能になる。その結果、第１の冷却器の冷却対象と、第２の冷却器の冷却対象とが互いに独立しており、それらのデフロストの実行タイミングを異ならせる必要があるときでも適用可能になり、本冷凍装置の適用範囲が拡大する。
【００２３】
前記冷媒回路は、前記第１及び第２の冷却器それぞれへの冷媒の供給量を調整する流量調整弁をさらに有している、としてもよい。
【００２４】
こうすることで、冷凍装置の運転時に第１及び第２の冷却器それぞれへの冷媒の供給量を調整することにより、第１の冷却器の負荷及び第２の冷却器の負荷それぞれに対応することが可能になる。
【発明の効果】
【００２５】
以上説明したように、本発明によると、第１の冷却器は、最終段のカスケード熱交換器の１次側から流出した低沸点の冷媒を蒸発させる一方、第２の冷却器は、複数段の気液分離器のうちの少なくとも１の気液分離器で分離されかつ減圧された冷媒を蒸発させるため、１つの冷凍装置で、互いに異なる２箇所に同時に冷媒を供給することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。尚、以下の好ましい実施形態の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明、その適用物或いはその用途を制限することを意図するものではない。
【００２７】
（実施形態１）
図１は本発明の実施形態に係る真空成膜装置Ａのレイアウトの一例を示し、１２０は内部が真空状態に保たれてウェハー（図示せず）が成膜される真空チャンバで、この真空チャンバ１２０には、開閉扉１２３により開閉される搬入出口（図示せず）が開口されており、開閉扉１２３を開いた状態で、成膜しようとするウェハーを真空チャンバ１２０内に搬入し或いは成膜後のウェハーを真空チャンバ１２０内から搬出する。真空チャンバ１２０には連通路１２２を介して真空ポンプ１２１が接続され、連通路１２２と真空チャンバ１２０との接続部には、開閉により両者を連通状態又は連通遮断状態に切り換えるゲートバルブ１２４が配設されており、開閉扉１２３を閉じかつゲートバルブ１２４を開いた状態で真空ポンプ１２１の作動により真空チャンバ１２０内を真空引きするようになっている。
【００２８】
前記真空成膜装置Ａには超低温冷凍装置１０が設けられており、この超低温冷凍装置１０の後述するクライオコイル（第１の冷却器）５２により、真空ポンプ１２１の真空引きの状態で真空チャンバ１２０内の冷却対象としての気体及び水分を直接に超低温レベルまで冷却することにより、その気体等を捕捉して真空チャンバ１２０内の真空レベルを短時間で上げるようになっている。
【００２９】
一方、図２は真空成膜装置Ａのレイアウトの他の例を示し、冷凍装置１０のクライオコイル５２は真空チャンバ１２０内ではなくて連通路１２２の途中に配設されており、真空ポンプ１２１による真空引きの状態で超低温冷凍装置１０により連通路１２２内の気体や水分、つまり間接的に真空チャンバ１２０内の気体や水分を冷却して捕捉することで、真空チャンバ１２０内の真空レベルを高めるようにしている。その他の構造は図１に示す真
空成膜装置Ａと同じである。
【００３０】
ここで、前記真空成膜装置Ａにおける真空ポンプ１２１としては、本実施形態では油拡散ポンプが採用されており、その油拡散ポンプにはコールドトラップ１２５が取り付けられている。そして、本実施形態に係る前記超低温冷凍装置１０は、後述するように、前記クライオコイル５２とは別に、第２の冷却器５３を備えており、前記コールドトラップ１２５にはその第２の冷却器５３からの冷熱が供給されるように構成されている。ここで、第２の冷却器５３によって供給する冷熱の温度帯は、クライオコイル５２によって供給する冷熱の温度帯に比べて高く設定されている。
【００３１】
前記超低温冷凍装置１０は、冷媒として沸点温度が互いに異なる５種類乃至７種類の冷媒を混合してなる非共沸混合冷媒を用いて−１００℃以下の超低温レベルの寒冷を発生させるものである。
【００３２】
図３は超低温冷凍装置１０の全体構成を示し、１は前記混合冷媒が封入された閉サイクルの冷媒回路で、この冷媒回路１は以下に説明する各種の機器を冷媒配管で接続してなる。２０はガス冷媒を圧縮する圧縮機で、この圧縮機２０の吐出部には第１の油分離器１５が接続されている。この第１の油分離器１５は、圧縮機２０から吐出されたガス冷媒中に混入されている圧縮機用潤滑油をガス冷媒から分離するものであり、この分離された潤滑油は油戻し管１８を経て圧縮機２０の吸込側に戻される。前記第１の油分離器１５の冷媒吐出部には、圧縮機２０からの吐出ガス冷媒を冷却水通路１１の冷却水との熱交換により冷却して凝縮する水冷コンデンサ２１が接続されている。水冷コンデンサ２１の吐出部には、冷媒中の水分及びコンタミネーションを除去するドライヤ１７を介して補助コンデンサ２２の１次側が接続されており、この補助コンデンサ２２において、水冷コンデンサ２１からのガス冷媒を圧縮機２０に吸入される低温度の２次側の還流冷媒と熱交換して冷却し凝縮する。この実施形態では、水冷コンデンサ２１と補助コンデンサ２２とで凝縮器を構成しており、これら両コンデンサ２１，２２により、混合冷媒のうち、沸点温度が最高温度のガス冷媒を、主に凝縮させて液化するようになっている。尚、ここでは、水冷コンデンサ２１を用いた水冷システムを示したが、これに代え、空冷コンデンサを用いたシステムに構成してもよい。
【００３３】
前記補助コンデンサ２２における１次側の吐出部には第１気液分離器２４が接続され、この第１気液分離器２４で、前記補助コンデンサ２２からの気液混合の冷媒を液冷媒とガス冷媒とに分離する。この第１気液分離器２４のガス冷媒吐出部にはカスケードタイプの第１熱交換器２５の１次側が、また液冷媒吐出部には、第１キャピラリチューブ（減圧器）２６を介して同じ第１熱交換器２５の２次側がそれぞれ接続されており、第１気液分離器２４で分離された液冷媒を第１キャピラリチューブ２６で減圧させた後に第１熱交換器２５の２次側に供給して蒸発させ、この蒸発により１次側のガス冷媒を冷却して、混合冷媒のうち、沸点温度が２番目に高い温度のガス冷媒を、主に凝縮させて液化するようになっている。
【００３４】
さらに、前記第１熱交換器２５における１次側の吐出部には第２気液分離器３０が接続されており、この第２気液分離器３０において、第１熱交換器２５からの気液混合の冷媒を液冷媒とガス冷媒とに分離する。この第２気液分離器３０のガス冷媒吐出部にはカスケードタイプの第２熱交換器３１の１次側が、また液冷媒吐出部には、第２キャピラリチューブ（減圧器）３２を介して同じ第２熱交換器３１の２次側がそれぞれ接続されており、第２気液分離器３０で分離された液冷媒を第２キャピラリチューブ３２で減圧させた後に第２熱交換器３１の２次側に供給して蒸発させ、この蒸発により１次側のガス冷媒を冷却して、混合冷媒のうち、沸点温度が３番目に高い温度のガス冷媒を、主に凝縮させて液化するようにしている。
【００３５】
さらに、前記接続構造と同様にして、前記第２熱交換器３１における１次側の吐出部には、第３気液分離器３６、第３熱交換器３７及び第３キャピラリチューブ（減圧器）３８が、また当該第３熱交換器３７における１次側の吐出部には、第４気液分離器４２、第４熱交換器４３及び第４キャピラリチューブ（減圧器）４４がそれぞれ接続されており（これらの接続構造は前記第１気液分離器２４、第１熱交換器２５及び第１キャピラリチューブ２６の接続構造と同じであるので、その詳細な説明は省略する）、第３気液分離器３６で分離された液冷媒を第３キャピラリチューブ３８で減圧させた後に第３熱交換器３７の２次側に供給して蒸発させ、その蒸発により１次側のガス冷媒を冷却して、混合冷媒のうち、沸点温度が４番目に高い温度のガス冷媒を、主に凝縮させて液化するとともに、第４気液分離器４２で分離された液冷媒を第４キャピラリチューブ４４で減圧させた後に第４熱交換器４３の２次側に供給して蒸発させ、この蒸発により１次側のガス冷媒を熱交換により冷却して、混合冷媒のうち、沸点温度が４番目に高い温度のガス冷媒を、主に凝縮させて液化するようにしている。
【００３６】
そして、前記第４熱交換器４３における１次側の吐出部には、熱交換器からなる過冷却器（サブクーラ）４７の１次側が接続され、この過冷却器４７の１次側の吐出部に接続されている冷媒回路は、その途中で冷媒供給回路２ａと冷媒戻し回路２ｂとに分岐されている。
【００３７】
前記冷媒戻し回路２ｂの途中には第５キャピラリチューブ４８が介設されていると共に、その下流端は同じ過冷却器４７の２次側に接続されている。この過冷却器４７の２次側は冷媒回路を介して前記第４熱交換器４３の２次側に接続されており、第４熱交換器４３から吐出された冷媒を、過冷却器４７の１次側に通過させた後、その一部を冷媒戻し回路２ｂの第５キャピラリチューブ４８で減圧させ、その液冷媒を過冷却器４７の２次側に供給して蒸発させ、その蒸発熱により１次側のガス冷媒を冷却するようにしている。
【００３８】
一方、前記冷媒供給回路２ａには、膨張器（キャピラリチューブ）８０が直列に接続されていると共に、その膨張器８０よりも下流側は、主冷却器を構成するクライオコイル５２が直列に接続されている。このクライオコイル５２の下流端は、前記第４熱交換器４３の２次側と過冷却器４７の２次側との間の冷媒回路に接続されている。これにより、過冷却器４７の１次側から吐出された冷媒の残部を膨張器８０で減圧させた後でクライオコイル５２に供給して蒸発させ、その蒸発熱により真空チャンバ１２０内の、冷却対象としての気体や水分を−１００℃以下の温度の超低温レベルに冷却し、その気体や水分を捕捉して真空レベルを高めるようにしている。
【００３９】
そして、本実施形態に係る超低温冷凍装置１０の特徴の１つとして、冷媒回路１には、前記クライオコイル５２に並列に第２の冷却器５３が配設されており、この第２の冷却器５３は、第２の冷媒供給回路２ｃを介して、第３気液分離器３６の液冷媒吐出部に接続されている。また、第２の冷却器５３の下流端は、前記クライオコイル５２と同様に、前記第４熱交換器４３の２次側と過冷却器４７の２次側との間の冷媒回路に接続されている。
【００４０】
第２の冷媒供給回路２ｃには、第２の膨張器（キャピラリチューブ）８１が介設されており、これにより、第３気液分離器３６からの液冷媒を第２の膨張器８１で減圧させた後に第２の冷却器５３に供給して蒸発させることによって、前述したように、油拡散ポンプのコールドトラップ１２５に低温冷媒を供給するようにしている。
【００４１】
前記過冷却器４７の２次側（及びクライオコイル５２、第２の冷却器５３）と、第４熱交換器４３、第３熱交換器３７、第２熱交換器３１、第１熱交換器２５及び補助コンデンサ２２の各２次側とは記載順に直列に冷媒配管により接続され、補助コンデンサ２２の２次側は圧縮機２０の吸込側に接続されており、混合冷媒において蒸発によってガス化した各冷媒を圧縮機２０に吸入させるようにしている。
【００４２】
尚、前記コンデンサ２１，２２、熱交換器２５，３１，３７，４３及び過冷却器４７は、二重管構造のもの、プレート構造のもの、シェルアンドチューブ構造のもののいずれを用いてもよい。また、キャピラリチューブ２６，３２，３８，４４の代わりに他の減圧手段、例えば膨張弁等を用いることもできる。
【００４３】
図３において、符号６０は圧縮機２０から吐出された高温のガス冷媒（ホットガス）をそのままクライオコイル５２及び／又は第２の冷却器５３に供給するデフロスト回路である。デフロスト回路６０の上流端は、第１の油分離器１５及び水冷コンデンサ２１の間の冷媒回路に接続されている一方、その下流端は分岐されており、分岐した下流端の一方は冷媒供給回路２ａに接続され、他方は、第２の冷媒供給回路２ｃに接続されている。
【００４４】
尚、符号６１はデフロスト回路６０の下流側分岐よりも下流側位置においてクライオコイル５２側に配置された電磁開閉弁（流量調整弁）、符号６２は、冷媒供給回路２ａにおいて前記デフロスト回路６０の接続位置よりも上流側（膨張器８０側）に配置された電磁開閉弁（流量調整弁）、符号６３は、第２の冷媒供給回路２ｃにおいてデフロスト回路６０の接続位置よりも上流側（第２の膨張器８１側）に配置された電磁開閉弁（流量調整弁）、符号６４は、デフロスト回路６０の下流側分岐よりも下流側位置において第２の冷却器５３側に配置された電磁開閉弁（流量調整弁）である。
【００４５】
また、デフロスト回路６０における電磁開閉弁６１よりも上流側位置、冷媒供給回路２ａにおける膨張器８０よりも上流側位置、クライオコイル５２の出口側と第４熱交換器４３の２次側との間の冷媒回路、第２の冷媒供給回路２ｃにおける第２の膨張器８１よりも上流側位置には、それぞれ第１乃至第４の手動開閉弁７１，７２，７３，７４が配設されている。これら第１乃至第４の手動開閉弁７１，７２，７３，７４は、クライオコイル５２及び第２の冷却器５３の交換やメンテナンス時に各々閉弁することで回路内に残存する混合冷媒が外部に漏れ出さないようにするものである。
【００４６】
さらに、前記デフロスト回路６０の上流端と手動開閉弁７１との間には、圧縮機用潤滑油をガス冷媒から分離する第２の油分離器１６が配設されている。この第２の油分離器１６で分離された潤滑油は、前記第１の油分離器１５と同様に油戻し管１８を経て圧縮機２０の吸込側に戻される。
【００４７】
尚、符号６５はバッファタンクで、超低温冷凍装置１０の運転開始時に凝縮が不十分なガス冷媒により圧縮機２０の吐出圧の異常上昇を防ぐためのものである。
【００４８】
また、クライオコイル５２の出口側と第４熱交換器４３の２次側との間の冷媒配管には、超低温冷凍装置１０の冷媒回路１内に混合冷媒を供給するための冷媒供給管路７０が接続されている。また、この冷媒供給管路７０は、冷媒回路１内から混合冷媒を排出するための排出管路を兼ねている。そして、冷媒供給管路７０には、冷媒の供給又は排出時に開く供給開閉弁７５が設けられている。
【００４９】
次に、前記構成の超低温冷凍装置１０の動作について説明する。真空成膜装置Ａの真空チャンバ１２０内でウェハーを成膜するときには、超低温冷凍装置１０が運転されて、真空チャンバ１２０内部（又は連通路１２２内部）の気体等が−１００℃以下の超低温レベルまで冷却されて捕捉され、真空チャンバ１２０内が真空状態にされる。すなわち、この超低温冷凍装置１０の運転時、電磁開閉弁６１，６４の閉弁によりデフロスト回路６０が閉じられかつ電磁開閉弁６２の開弁により冷媒供給回路２ａが開かれると共に、電磁開閉弁６３の開弁により第２の冷媒供給回路２ｃが開かれる。
【００５０】
このことで、圧縮機２０から吐出された混合冷媒は水冷コンデンサ２１により冷却された後に補助コンデンサ２２で圧縮機２０へ戻る２次側の冷媒により冷却され、混合冷媒のうち、沸点温度が最高温度のガス冷媒が、主に凝縮されて液化する。この冷媒は第１気液分離器２４においてガス冷媒と液冷媒とに分離され、液冷媒は第１キャピラリチューブ２６で減圧された後に第１熱交換器２５の２次側で蒸発し、この蒸発熱により第１気液分離器２４からのガス冷媒が冷却され、混合冷媒のうち、沸点温度が２番目に高い温度のガス冷媒が、主に凝縮されて液化する。以後、同様にして、第２乃至第４熱交換器３１，３７，４３でそれぞれ混合冷媒のうちの沸点温度が高い温度から順にガス冷媒が凝縮されて液化し、この第４熱交換器４３では、沸点温度が最も低いガス冷媒が、主に凝縮されて液化する。
【００５１】
前記第４熱交換器４３の１次側から吐出された冷媒は気液混合状態となり、この気液混合の冷媒は、過冷却器４７の１次側を通過した後に冷媒供給回路２ａと冷媒戻し回路２ｂとに分離される。そして、冷媒戻し回路２ｂに流れた冷媒は第５キャピラリチューブ４８で減圧された後に過冷却器４７の２次側に供給されて蒸発し、この蒸発熱により前記第４熱交換器４３から過冷却器４７の１次側に供給された気液混合状態の冷媒がさらに冷却される。
【００５２】
また、過冷却器４７の１次側から吐出された後に冷媒供給回路２ａに流れる気液混合状態の冷媒の残部は膨張器８０によって減圧され、その減圧後にクライオコイル５２において蒸発して真空チャンバ１２０内の気体や水分に寒冷を付与する。この−１００℃以下の温度の寒冷により真空チャンバ１２０内の気体や水分が捕捉されて真空チャンバ１２０内の真空レベルが上昇する。
【００５３】
一方、第３気液分離器３６からの液冷媒の一部は、第２の冷媒供給回路２ｃに流れて、第２の膨張器８１によって減圧され、その減圧後に第２の冷却器５３において蒸発する。これによって、前記真空ポンプ１２１（油拡散ポンプ）のコールドトラップ１２５に冷熱が供給される。
【００５４】
ここで前述したように、真空チャンバ１２０内のクライオコイル５２に要求される温度域と、コールドトラップ１２５に要求される温度域とは互いに相違するが、クライオコイル５２は、過冷却器４７の１次側から吐出された冷媒を蒸発させるため、本超低温冷凍装置１０の最大冷凍能力に対応する冷熱を供給することになる一方で、第２の冷却器５３は、第３気液分離器３６で分離されかつ減圧された冷媒、つまり、少なくとも最も低沸点の冷媒ではない冷媒を蒸発させるため、前記クライオコイル５２よりも高い温度域の冷熱を供給することになる。こうして、１つの冷凍装置１０において、互いに異なる２つの温度域の冷熱を、同時に供給することが実現する。
【００５５】
また、真空成膜装置Ａの運転中は、クライオコイル５２及び第２の冷却器５３の負荷に応じて、電磁開閉弁６２，６３の開度調整を行い、それによって、クライオコイル５２及び第２の冷却器５３に供給される冷媒量を調整することが好ましい。
【００５６】
これに対し、成膜装置Ａの真空チャンバ１２０でウェハーの成膜を行わない状態の、クライオコイル５２のデフロスト運転時には、電磁開閉弁６１の開弁によりデフロスト回路６０が開かれかつ電磁開閉弁６２の閉弁により冷媒供給回路２ａが閉じ、このことで、圧縮機２０から吐出された高温のガス冷媒がデフロスト回路６０を経てクライオコイル５２に供給されて、クライオコイル５２のデフロストが実行される。このときに電磁開閉弁６４を閉じておくことによって、第２の冷却器５３側に高温のホットガスが供給されることはなく、クライオコイル５２のデフロストのみを単独で実行することが可能である。またこのときに、電磁開閉弁６３を開いておくことによって、第２の冷却器５３に低温の冷媒を供給してコールドトラップ１２５への冷熱の供給を継続させることも可能である。
【００５７】
逆に、第２の冷却器５３のデフロストのみを行う場合には、電磁開閉弁６１を閉じかつ、電磁開閉弁６４を開く（電磁開閉弁６３は閉じる）ことによって、高温のガス冷媒がデフロスト回路６０を経て第２の冷却器５３のみに供給され、それによって、第２の冷却器５３のデフロストが実行される。
【００５８】
また、クライオコイル５２と第２の冷却器５３とのデフロストを同時に行う場合は、電磁開閉弁６１及び６４をそれぞれ開くことによって、高温のガス冷媒がクライオコイル５２と第２の冷却器５３との双方に供給され、それぞれのデフロストが実行される。このときに必要に応じて電磁開閉弁６１及び６４それぞれの開度調整を行って、クライオコイル５２へのガス冷媒の供給量と、第２の冷却器５３へのガス冷媒の供給量とを調整してもよい。
【００５９】
次に、このデフロスト運転の後に、再度真空チャンバ１２０内を真空状態にするときには、前記と同様にして、電磁開閉弁６１及び６４の閉弁によりデフロスト回路６０が閉じられかつ電磁開閉弁６２の開弁により冷媒供給回路２ａが開かれ、過冷却器４７の１次側から出た低沸点冷媒が膨張器８０により減圧されてクライオコイル５２内で蒸発し真空チャンバ１２０内を常温から超低温レベルに迅速に冷却する。また、電磁開閉弁６３の開弁により第２の冷媒供給回路２ｃが開かれ、第３気液分離器の液冷媒吐出側からの冷媒が第２の膨張器８１により減圧されて第２の冷却器５３内で蒸発し、真空ポンプ１２１のコールドトラップ１２５に所定温度の冷熱が供給される。
【００６０】
このように、本超低温冷凍装置では、１つの冷凍装置において、互いに異なる２つの温度域の冷媒を、異なる２箇所に同時に供給することが実現すると共に、そのクライオコイル５２及び第２の冷却器５３に対するデフロストを、互いに独立して実行することが実現する。
【００６１】
尚、前記実施形態では、第２の冷却器５３を第３気液分離器３６に接続し、その第３気液分離器３６からの液冷媒が供給されるように構成しているが、この第２の冷却器５３を接続する気液分離器は、第３気液分離器３６に限るものではない。第２の冷却器５３は、要求される冷却能力に応じて、接続する気液分離器を適宜変更すればよい。例えば、第２の冷却器５３に要求される冷却能力が、前記実施形態における第２の冷却器５３の冷却能力よりも低い冷却能力でもよい場合には、前記第２の冷却器５３を、相対的に高沸点の冷媒が分離される、例えば第２気液分離器３０の液冷媒吐出側や第１気液分離器２４の液冷媒吐出側に接続するようにしてもよい。また、第２の冷却器５３に要求される冷却能力が、前記実施形態における第２の冷却器５３の冷却能力よりも高い冷却能力である場合には、前記第２の冷却器５３を、相対的に低沸点の冷媒が分離される、例えば第４気液分離器４２の液冷媒吐出側に接続するようにしてもよい。
【００６２】
（実施形態２）
図４は、実施形態２に係る超低温冷凍装置１０の全体構成を示し、図３に示す超低温冷凍装置１０と同じ構成については、同じ符号を付してその説明を適宜省略する。
【００６３】
図４に示す超低温冷凍装置１０においては、第２の冷却器５３が、第３気液分離器３６の液冷媒吐出側と、第２気液分離器３０の液冷媒吐出側との双方に接続されている。つまり、超低温冷凍装置１０の冷媒回路１は、第３の冷媒供給回路２ｄを備えており、この第３の冷媒供給回路２ｄの上流端は、第２気液分離器３０の液冷媒吐出部に接続され、その下流端は、第２の冷媒供給回路２ｃにおけるデフロスト回路６０の接続部よりも上流側に接続されている。
【００６４】
第３の冷媒供給回路２ｄには、手動開閉弁７６、第３の膨張器（キャピラリチューブ）８２、電磁開閉弁（流量調整弁）６５が、上流側から下流側に向かってその記載順に介設されており、これにより、第２気液分離器３０からの液冷媒は、第３の膨張器８２で減圧された後に、第３気液分離器３６からの液冷媒と合流して、第２の冷却器５３に供給されるようになっている。
【００６５】
この構成の超低温冷凍装置１０によると、第２の冷却器５３には、第２及び第３気液分離器３０，３６それぞれからの冷媒が供給される。このため、例えば図３に示す超低温冷凍装置１０のように、第３気液分離器３６からの液冷媒だけでは、第２の冷却器５３に要求される冷凍能力を達成することができないときでも、第２及び第３気液分離器３０，３６それぞれからの冷媒が供給されることで、より高い冷凍能力を達成することが可能になる。また、必要に応じて、電磁開閉弁６３及び６５の開度調整を行うことにより、第２の冷却器５３に対して、第３気液分離器３６からの液冷媒のみを供給する、第２気液分離器３０からの液冷媒のみを供給する、又は、第２及び第３気液分離器３０，３６の双方からの液冷媒を供給する、ことを適宜切り替えることができ、第２の冷却器５３によって供給される冷熱量の調整範囲を広げることが可能になる。
【００６６】
尚、図４においては、第２の冷却器５３を、第２及び第３気液分離器３０，３６に接続しているが、第２の冷却器５３を接続する気液分離器の組み合わせはこれに限るものではない。また、第２の冷却器５３を、３つ以上の気液分離器に接続してもよい。
【００６７】
（実施形態３）
図５は実施形態３に係る超低温冷凍装置１０の全体構成を示し、図３に示す超低温冷凍装置１０と同じ構成については、同じ符号を付してその説明を適宜省略する。
【００６８】
図５に示す超低温冷凍装置１０においては、第２の冷却器５３と第３気液分離器３６とが、第２の冷媒供給回路２ｃによって互いに接続されているが、その第２の冷媒供給回路２ｃの上流端は、第３キャピラリチューブ３８の下流側に接続されている。これに伴い、図３に示す冷媒回路１と比較して、第２の冷媒供給回路２ｃにおける第２の膨張器８１が省略されている。
【００６９】
この構成の超低温冷凍装置１０によると、第３気液分離器３６からの液冷媒は、第３キャピラリチューブ３８において減圧され、その後に第２の冷却器５３に供給されて、そこで蒸発される。つまり、この構成では、冷媒回路１における第３キャピラリチューブ３８を、第３気液分離器３６で分離された液冷媒を減圧して第３熱交換器３７の２次側に供給する減圧器として利用すると共に、第３気液分離器３６で分離された液冷媒を減圧して第２の冷却器５３に供給する膨張器としても利用している。
【００７０】
この場合においても、１つの冷凍装置において、互いに異なる２つの温度域の冷媒を、異なる２箇所に同時に供給することが実現する。
【００７１】
但し、この構成では、第３キャピラリチューブ３８の減圧能力は、冷媒回路１において要求される減圧能力に制限される。このため、第３キャピラリチューブ３８の減圧能力を第２の冷却器５３の冷凍能力を達成する上で要求される減圧能力にすることができない場合がある。そうした場合は、図３に示す超低温冷凍装置１０のように、第３キャピラリチューブ３８とは別に、第２の膨張器８１を備えるようにすればよい。
【００７２】
尚、第２の冷却器５３を接続する気液分離器は、第３気液分離器３６に限られない点は、前述したとおりである。また、実施形態２の如く、第２の冷却器５３を、複数の気液分離器に接続してもよい。
【００７３】
さらに、実施形態２と実施形態３とを組み合わせて、第２の冷却器５３を複数の気液分離器に接続する構成において、その内の一方は、キャピラリチューブの下流側に接続する構成を採用するのに対し、他方は、気液分離器の液冷媒分離側に接続する構成を採用してもよい。
【００７４】
尚、本実施形態では、前記クライオコイル５２を真空チャンバ１２０内に配置して、そのクライオコイル５２により真空チャンバ１２０内の気体等を直接冷却するようにしているが、例えば図示は省略するが、クライオコイル５２に代えてブラインクーラを設け、このブラインクーラを真空チャンバ１２０内に位置する吸熱部とブライン回路により接続し、このブラインクーラにおいてブライン回路内のブラインを超低温レベルに冷却して、そのブラインにより真空チャンバ１２０内の吸熱部に同温度レベルの寒冷を付与するようにしてもよい。
【００７５】
また、本発明が適用可能な冷凍装置は、前記構成に限るものではない。例えば、本実施形態では、第１乃至第４熱交換器２５，３１，３７，４３においてクライオコイル５２に向かう冷媒を１次側に、またクライオコイル５２から圧縮機２０に還流する冷媒を２次側に導入する構成としたが、これとは逆にクライオコイル５２に向かう冷媒を２次側に、またクライオコイル５２から圧縮機２０に還流する冷媒を１次側に導入する構成としてもよいのは勿論である。また、これらを個別に組み合わせた構成としてもよい。
【００７６】
また、本実施形態では気液分離を４段階行うシステムを示したが、これに代え、気液分離を３段階以下又は５段階以上行うシステムにも本発明の適用が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
以上説明したように、本発明は、１つの冷凍装置によって、互いに異なる２箇所それぞれに、同時に冷媒を提供することができ、有用である。
【図面の簡単な説明】
【００７８】
【図１】本発明の実施形態に係る真空成膜装置の概略説明図である。
【図２】他の真空成膜装置の概略説明図である。
【図３】実施形態１に係る超低温冷凍装置の全体構成を示す冷媒系統図である。
【図４】実施形態２に係る超低温冷凍装置の全体構成を示す冷媒系統図である。
【図５】実施形態３に係る超低温冷凍装置の全体構成を示す冷媒系統図である。
【符号の説明】
【００７９】
１    冷媒回路
１０    超低温冷凍装置
１２０  真空チャンバ
２０    圧縮機
２１    水冷コンデンサ（凝縮器）
２２    補助コンデンサ（凝縮器）
２４    第１気液分離器
２５    第１熱交換器
２６    キャピラリチューブ（減圧器）
３０    第２気液分離器
３１    第２熱交換器
３２    キャピラリチューブ（減圧器）
３６    第３気液分離器
３７    第３熱交換器
３８    キャピラリチューブ（減圧器）
４２    第４気液分離器
４３    第４熱交換器
４４    キャピラリチューブ（減圧器）
５２    クライオコイル（第１の冷却器）
５３  第２の冷却器
６０  デフロスト回路
６２  電磁開閉弁（流量調整弁）
６３  電磁開閉弁（流量調整弁）
６５  電磁開閉弁（流量調整弁）
８０  膨張器
８１  第２の膨張器
８２  第３の膨張器
Ａ  真空成膜装置（真空装置）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2008185256.tif 000006
【図５】
2008185256.tif 000007