(57)【要約】【課題】圧縮機２０、凝縮器２１，２２、第１の気液分離器２５，３１，３７，４３、膨張器８０ａ，８１ａ、及び冷却器５２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て閉サイクルを構成する冷媒回路１を備えている冷凍装置１０において、圧縮機２０に液冷媒が流入することを確実に防止する。【解決手段】冷却器５２と圧縮機２０との間に第２の気液分離器４５を介設し、その第２の気液分離器４５において気液混合の冷媒を液冷媒とガス冷媒とに分離すると共に、分離したガス冷媒を圧縮機２０に戻す。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒を圧縮する圧縮機、
前記圧縮機で圧縮された冷媒を冷却して液化する凝縮器、
前記凝縮器で冷却された後の冷媒を、液冷媒とガス冷媒とに分離する第１の気液分離器、
前記分離された液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冷却器、及び、
前記冷却器と前記圧縮機との間に配置されて、気液混合の冷媒を液冷媒とガス冷媒とに分離すると共に、分離したガス冷媒を前記圧縮機に戻す第２の気液分離器、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て閉サイクルを構成する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、
前記冷媒は、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であり、
前記第１の気液分離器は、前記凝縮器で冷却された後の混合冷媒を、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を含み、
前記冷媒回路は、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をさらに有し、
前記膨張器は、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し、
前記各熱交換器の２次側は、前記圧縮機に接続されており、
前記第２の気液分離器のガス冷媒吐出部は、前記複数段のカスケード熱交換器のうちのいずれか１の熱交換器の２次側に接続されている冷凍装置。
【請求項３】
請求項２に記載の冷凍装置において、
前記冷却器は、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４】
請求項３に記載の冷凍装置において、
前記第２の気液分離器は、前記冷却器と前記複数段のうちの最終段のカスケード熱交換器との間に配置され、
前記冷媒回路は、前記第２の気液分離器からの液冷媒を、前記複数段の第１の気液分離器のうちのいずれか１の気液分離器に戻す戻し回路をさらに有している冷凍装置。
【請求項５】
請求項４に記載の冷凍装置において、
前記戻し回路は、前記複数段の第１の気液分離器のうちの最終段の気液分離器に接続されている冷凍装置。
【請求項６】
請求項４又は５に記載の冷凍装置において、
前記戻し回路には、前記第１の気液分離器側から第２の気液分離器側への冷媒の逆流を防止する逆止弁が配設されている冷凍装置。
【請求項７】
請求項４〜６のいずれか１項に記載の冷凍装置において、
前記戻し回路には、前記第２の気液分離器側から第１の気液分離器側へと液冷媒を圧送するブースタが配設されている冷凍装置。
【請求項８】
請求項４〜７のいずれか１項に記載の冷凍装置において、
前記戻し回路には、流量調整弁が配設されている冷凍装置。
【請求項９】
請求項８に記載の冷凍装置において、
前記流量調整弁は、前記第２の気液分離器が接続された第１の気液分離器の液量、及び、前記複数段のカスケード熱交換器における各熱交換器の温度、の少なくとも一方に応じて、その開度が調整される冷凍装置。
【請求項１０】
請求項４〜９のいずれか１項に記載の冷凍装置において、
前記第２の気液分離器の内部圧力と、当該第２の気液分離器が接続された第１の気液分離器の内部圧力との圧力差を計測する手段をさらに備え、
前記冷却器のデフロスト実行時に、前記の計測結果に応じて、前記圧縮機から冷媒回路側への冷媒の供給とその供給停止とが切り替えられる冷凍装置。
【請求項１１】
請求項４〜９のいずれか１項に記載の冷凍装置において、
前記第２の気液分離器が接続された第１の気液分離器の液量を計測する手段をさらに備え、
前記冷却器のデフロスト実行時に、前記の計測結果に応じて、前記圧縮機から冷媒回路側への冷媒の供給とその供給停止とが切り替えられる冷凍装置。
【請求項１２】
請求項１０又は１１に記載の冷凍装置において、
前記冷媒回路は、前記圧縮機から当該冷媒回路側に供給される冷媒量を調整する流量調整弁をさらに有し、
前記デフロスト回路は、前記圧縮機から当該デフロスト回路側に供給される冷媒量を調整する流量調整弁を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。さらに、前記超低温冷凍装置では、この冷却コイルで冷却作用を行った冷媒を最終段のカスケード熱交換器の２次側に戻し、各段のカスケード熱交換器の２次側を経由させながら圧縮機に帰還させるようにしている。
【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、例えば前記の超低温冷凍装置において、冷却コイルにかかる熱負荷が、その超低温冷凍装置の冷凍能力に比べて小さすぎるときには、冷却コイル内で液冷媒が全て蒸発せずに、その冷却コイルから多量の液冷媒が、カスケード熱交換器の２次側に戻ることになる。その場合、カスケード熱交換器における各段の熱交換器においても液冷媒が蒸発しきれず、その結果、圧縮機に液冷媒がそのまま流入してしまう虞がある。
【０００６】
特に冷却コイルに圧縮機からの高温冷媒を供給するデフロスト時は、冷却コイル内に残留している液冷媒が、高温冷媒によって圧送されるため、冷却コイルから多量の液冷媒が排出されてカスケード熱交換器の２次側に流入することになり、前述した、圧縮機に液冷媒が流入してしまうという不都合が生じる可能性が高くなる。
【０００７】
また、冷凍装置においては、冷凍能力を高くしつつ装置全体を小型化したいという要求がある。その要求を満足させるために、例えば冷却コイルを大型化して冷凍能力を高める一方で、カスケード熱交換器を小型化して装置全体を小型化した場合には、冷却コイル内に存在する液冷媒の量が相対的に増えるため、冷却コイルにかかる熱負荷が冷凍装置の冷凍能力に比べて小さすぎるときやデフロスト時に、比較的多量の液冷媒が冷却コイルから排出される一方で、カスケード熱交換器の小型化に伴う処理能力の低下により、その多量の液冷媒が蒸発しきれなくなり、前述した不都合が生じる可能性がより一層高まることが予想される。
【０００８】
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、圧縮機に液冷媒が流入することを確実に防止することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の一側面によると、冷凍装置は、冷媒を圧縮する圧縮機、前記圧縮機で圧縮された冷媒を冷却して液化する凝縮器、前記凝縮器で冷却された後の冷媒を、液冷媒とガス冷媒とに分離する第１の気液分離器、前記分離された液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冷却器、及び、前記冷却器と前記圧縮機との間に配置されて、気液混合の冷媒を液冷媒とガス冷媒とに分離すると共に、分離したガス冷媒を前記圧縮機に戻す第２の気液分離器、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て閉サイクルを構成する冷媒回路を備えている。
【００１０】
この構成によると、冷却器と圧縮機との間に第２の気液分離器が介設され、この第２の気液分離器によって、気液混合の冷媒が液冷媒とガス冷媒とに分離される。そうして、その内のガス冷媒が圧縮機に戻されるため、圧縮機に液冷媒が流入することが確実に防止される。
【００１１】
ここで、前記冷媒は、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であり、前記第１の気液分離器は、前記凝縮器で冷却された後の混合冷媒を、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を含み、前記冷媒回路は、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をさらに有し、前記膨張器は、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し、前記各熱交換器の２次側は、前記圧縮機に接続されており、前記第２の気液分離器のガス冷媒吐出部は、前記複数段のカスケード熱交換器のうちのいずれか１の熱交換器の２次側に接続されている、としてもよい。
【００１２】
すなわち、冷凍装置としては、非共沸混合冷媒を用いた冷凍装置としてもよい。この場合、前述したように、冷却器と圧縮機との間に第２の気液分離器が介設されることによって、圧縮機に液冷媒が流入することが確実に防止される。また、仮に第２の気液分離器の液量が増えることによって、その第２の気液分離器から、複数段のカスケード熱交換器のうちのいずれか１の熱交換器の２次側に、多少の液冷媒が流入したとしても、その複数段のカスケード熱交換器を順に通過する間に液冷媒は気化するため、圧縮機に液冷媒が流入することは確実に防止される。
【００１３】
前記冷却器は、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。
【００１４】
前述したように、冷却器に対して高温冷媒を供給するデフロストの実行時には、その冷却器内に残留する液冷媒が多量に排出されるため、圧縮機に液冷媒が流入する可能性が高くなるが、その冷却器と圧縮機との間に第２の気液分離器を介設していることで、デフロスト時であっても、圧縮機への液冷媒の流入は確実に防止される。
【００１５】
前記第２の気液分離器は、前記冷却器と前記複数段のうちの最終段のカスケード熱交換器との間に配置され、前記冷媒回路は、前記第２の気液分離器からの液冷媒を、前記複数段の第１の気液分離器のうちのいずれか１の気液分離器に戻す戻し回路をさらに有している、としてもよい。
【００１６】
冷却器から排出された冷媒は低温であるため、その低温の液冷媒を冷凍サイクルの途中である第１の気液分離器に戻すことによって、冷凍サイクルの効率が向上する。
【００１７】
この場合に、前記戻し回路は、前記複数段の第１の気液分離器のうちの最終段の気液分離器に接続されている、ことが好ましい。
【００１８】
複数段の第１の気液分離器のうちの最終段の気液分離器は最も温度が低い気液分離器であるが、冷却器から排出された低温の液冷媒を、その最も温度が低い気液分離器に戻すことによって、冷凍サイクルの効率のさらなる向上が図られる。
【００１９】
前記戻し回路には、前記第１の気液分離器側から第２の気液分離器側への冷媒の逆流を防止する逆止弁が配設されている、としてもよい。つまり、第１の気液分離器と第２の気液分離器とを比較したときに、冷凍装置の通常運転時は、第１の気液分離器側が高圧側で、第２の気液分離器が低圧側であることから、第１の気液分離器と第２の気液分離器とを戻し回路によって互いに接続した場合、第１の気液分離器側から第２の気液分離器側へと冷媒が逆流する虞がある。そこで、戻し回路には、前記第１の気液分離器側から第２の気液分離器側への冷媒の逆流を防止する逆止弁を介設することが望ましい。
【００２０】
前記戻し回路には、前記第２の気液分離器側から第１の気液分離器側へと液冷媒を圧送するブースタが配設されている、としてもよい。
【００２１】
つまり、前述したように冷凍装置の通常運転時は、第１の気液分離器側が高圧側で、第２の気液分離器が低圧側であることから、そのままでは、第２の気液分離器から第１の気液分離器へ冷媒を送ることはできない。但し、例えばデフロストの実行時には、冷却器（第２の気液分離器側）に高温冷媒を圧送する際の圧力を利用して、第２の気液分離器から第１の気液分離器へと液冷媒を送るようにすることができる。
【００２２】
これに対し、戻し回路にブースタを介設した場合は、そのブースタによって、第２の気液分離器から第１の気液分離器へ液冷媒を送ることが、デフロストの実行時に限らず任意に可能になる。
【００２３】
前記戻し回路には、流量調整弁が配設されている、としてもよい。ここで、前記流量調整弁は、前記第２の気液分離器が接続された第１の気液分離器の液量、及び、前記複数段のカスケード熱交換器における各熱交換器の温度、の少なくとも一方に応じて、その開度が調整される、ことが好ましい。
【００２４】
例えば第１の気液分離器に、液冷媒が十分に存在している場合には、第１の気液分離器に液冷媒を供給する必要がないため、流量調整弁を閉じる又はその開度を小さくすることによって、第２の気液分離器から第１の気液分離器への液冷媒の供給量をなくす又は少なくすることが望ましい。
【００２５】
一方、複数段のカスケード熱交換器においては、その各熱交換器での熱交換を行う必要があるため、各熱交換器の温度に応じて、例えば温度が比較的高いときには、第２の気液分離器からカスケード熱交換器側へ、低温の冷媒を供給する必要がある。その場合も、流量調整弁を閉じる又はその開度を小さくすることによって、第２の気液分離器から第１の気液分離器への液冷媒の供給量をなくす又は少なくする一方で、第２の気液分離器からカスケード熱交換器側への冷媒の供給量を相対的に増やすことが望ましい。
【００２６】
前記第２の気液分離器の内部圧力と、当該第２の気液分離器が接続された第１の気液分離器の内部圧力との圧力差を計測する手段をさらに備え、前記冷却器のデフロスト実行時に、前記の計測結果に応じて、前記圧縮機から冷媒回路側への冷媒の供給とその供給停止とが切り替えられる、としてもよい。
【００２７】
また、前記第２の気液分離器が接続された第１の気液分離器の液量を計測する手段をさらに備え、前記冷却器のデフロスト実行時に、前記の計測結果に応じて、前記圧縮機から冷媒回路側への冷媒の供給とその供給停止とが切り替えられる、としてもよい。
【００２８】
混合冷媒を用いた冷凍装置であって、冷却器に対して高温冷媒を供給することによりデフロストを実行する冷凍装置においては、デフロスト後の次の通常運転に備えて、デフロストの実行時にも冷媒回路側で冷媒を循環させ、それによって、少なくとも最終段の気液分離器に液冷媒が存在している状態にすることが従来から行われている。
【００２９】
ところが、前述のように、第２の気液分離器から第１の気液分離器側に液冷媒が供給されるのであれば、デフロストの実行時に冷媒回路側で冷媒を循環させる必要はない。
【００３０】
そこで、第２の気液分離器の内部圧力と第１の気液分離器の内部圧力との圧力差を計測するか、又は、その第１の気液分離器の液量を計測するかして、第１の気液分離器に十分な量の液冷媒が存在しているときには、圧縮機から冷媒回路側への冷媒の供給を停止し、デフロスト回路側のみに冷媒を供給する。そうすることによって、デフロスト時には、第２の気液分離器にかかる圧力が高まり、第２の気液分離器側から第１の気液分離器側へと効率的に液冷媒が供給される。
【００３１】
ここで、前記冷媒回路は、前記圧縮機から当該冷媒回路側に供給される冷媒量を調整する流量調整弁をさらに有し、前記デフロスト回路は、前記圧縮機からデフロスト回路側に供給される冷媒量を調整する流量調整弁を有している、としてもよい。こうすることで、これらの流量調整弁の開度を適宜調整することによって、前述した圧縮機から冷媒回路側への冷媒の供給停止等を含む、デフロスト実行時における冷媒の分配供給制御が実行し得る。
【発明の効果】
【００３２】
以上説明したように、本発明によると、冷却器と圧縮機との間に第２の気液分離器を配置し、この第２の気液分離器によって分離したガス冷媒を圧縮機に戻すため、圧縮機に液冷媒が流入することを確実に防止することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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（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。
【００３６】
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。
【００３７】
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。
【００３８】
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。
【００３９】
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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。
【００４２】
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、その途中で主冷媒回路２ａと副冷媒回路２ｂとに分岐されている。
【００４３】
前記副冷媒回路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、その一部を副冷媒回路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。
【００４４】
一方、前記主冷媒回路２ａは、その途中において第１及び第２の分岐回路８０，８１に分岐されている。
【００４５】
前記第１の分岐回路８０には、第１の分岐キャピラリチューブ８０ａが直列に接続されている。また、第２の分岐回路８１には、電磁開閉弁８１ｂと第２の分岐キャピラリチューブ８１ａとがそれぞれ上流側から直列に接続されている。第１及び第２の分岐キャピラリチューブ８０ａ，８１ａは、本実施形態では、互いに異なる減圧能力を有するキャピラリチューブとしている。しかしながら、第１及び第２の分岐キャピラリチューブ８０ａ，８１ａは、互いに同じ減圧能力を有するキャピラリチューブを用いてもよい。
【００４６】
前記第１及び第２の両分岐回路８０，８１の下流端合流部よりも下流側の主冷媒回路２ａに、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、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第１の分岐キャピラリチューブ８０ａ、又は第１及び第２の分岐キャピラリチューブ８０ａ，８１ａ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。
【００４７】
前記過冷却器４７の２次側（及びクライオコイル５２）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。
【００４８】
ここで、本超低温冷凍装置１０の特徴の１つとして、前記クライオコイル５２と、第４熱交換器４３との間に、第５気液分離器（第２の気液分離器）４５が介設されており、この第５気液分離器４５のガス冷媒吐出部が前記第４熱交換器４３の２次側に接続されている一方、液冷媒吐出部は、戻し回路９０を介して、第４気液分離器４２に接続されている。
【００４９】
前記戻し回路９０には、第５気液分離器４５側から第４気液分離器４２に向かって順に、逆止弁９１、ブースタ９２、及び流量調整弁９３が介設されている。逆止弁９１は、第４気液分離器４２から第５気液分離器４５への冷媒の逆流を防止するための弁であり、ブースタ９２は、例えばポンプからなり、第５気液分離器４５から第４気液分離器４２へ冷媒を圧送するためのものであり、流量調整弁９３は、第５気液分離器４５から第４気液分離器４２への液冷媒の流量を調整するための弁である。
【００５０】
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。
【００５１】
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に供給するデフロスト回路であり、その上流端は、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、第１及び第２の分岐回路８０，８１の合流部とクライオコイル５２との間の主冷媒回路２ａに接続されている。
【００５２】
尚、符号６１は、冷媒回路１とデフロスト回路６０との分岐よりも下流側におけるデフロスト回路６０側に配置された電磁開閉弁（流量調整弁）、符号６２は、第１及び第２の分岐回路８０，８１の合流部とクライオコイル５２との間の主冷媒回路２ａにおいて前記デフロスト回路６０の下流端との接続位置よりも上流側（第１及び第２の分岐回路８０，８１側）に配置された電磁開閉弁、符号６３は、冷媒回路１とデフロスト回路６０との分岐よりも下流側における冷媒回路１側に配置された電磁開閉弁（流量調整弁）である。
【００５３】
また、前記電磁開閉弁６１の上流側には、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。
【００５４】
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。また、デフロスト回路６０における第２の油分離器１６よりも下流側と、第１及び第２の分岐回路８０，８１の合流部とクライオコイル５２との間の電磁開閉弁６２近傍と、クライオコイル５２の出口側と第５気液分離器４５との間の冷媒回路とに、それぞれ第１乃至第３の手動開閉弁７１，７２，７３が配設されている。これら第１乃至第３の手動開閉弁７１，７２，７３は、クライオコイル５２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。
【００５５】
さらに、クライオコイル５２の出口側と第５気液分離器４５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。
【００５６】
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（通常運転）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及び６３の開弁により、冷媒回路１及び主冷媒回路２ａが開かれる。さらに、電磁開閉弁８１ｂの開弁により第２の分岐回路８１が開かれる。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。
【００５７】
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主冷媒回路２ａと副冷媒回路２ｂとに分離される。そして、副冷媒回路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。
【００５８】
また、過冷却器４７の１次側から吐出された後に主冷媒回路２ａに流れる気液混合状態の冷媒の残部は、電磁開閉弁８１ｂの開弁により第１及び第２の分岐キャピラリチューブ８０ａ，８１ａにそれぞれ分岐して減圧され、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。
【００５９】
そのとき、電磁開閉弁８１ｂの開弁により冷媒を第１及び第２の分岐回路８０，８１に分岐させてそれぞれ第１及び第２の分岐キャピラリチューブ８０ａ，８１ａで減圧させることで、冷媒の流通量を増やすことができる。冷媒の流通量の増減により、冷却対象を超低温レベルに冷却するための冷却能力の確保を図りつつ、超低温レベルに到達するまでの冷却時間の短縮化を図ることができる。ひいては真空チャンバ１２０における成膜処理の工程時間の短縮化及び高効率化を図ることができる。
【００６０】
そして、超低温冷凍装置１０に設けられた図示しない温度検出器又は圧力検出器で検出された検出値が予め設定した設定温度（例えば−１００℃以下）又は設定圧力に達したときに、電磁開閉弁８１ｂを閉弁して、冷媒を第１の分岐キャピラリチューブ８０ａにのみ流通させる。
【００６１】
クライオコイル５２から排出された冷媒は、第５気液分離器４５においてガス冷媒と液冷媒とに分離される。このうち、ガス冷媒は第４熱交換器４３の２次側に戻る一方、液冷媒は戻し回路９０を介して第４気液分離器４２に入る。超低温冷凍装置１０の通常運転時には、第４気液分離器４２側が高圧側、第５気液分離器４５側が低圧側であることから、ブースタ９２を駆動させ、それによって、第５気液分離器４５から第４気液分離器４２に液冷媒を圧送する。
【００６２】
ここで、超低温冷凍装置１０に設けられた第４気液分離器４２の液量計測器（図示省略）により、第４気液分離器４２に所定量以上の液冷媒が存在している場合には、戻し回路９０の流量調整弁９３を閉じる又はその開度を絞る。このことによって、第５気液分離器４５から第４気液分離器４２への液冷媒の供給を制限する。つまり、第４気液分離器４２に十分な量の液冷媒が存在しているときには、その第４気液分離器４２に液冷媒をさらに供給する必要がないため、第５気液分離器４５から第４気液分離器４２への液冷媒の供給を制限する。
【００６３】
また、超低温冷凍装置１０に設けられた第１乃至第４熱交換器２５，３１，３７，４３の温度を計測する温度計測器（図示省略）により、各熱交換器の温度状態を計測し、少なくとも１の熱交換器の温度が所定温度よりも高い場合には、戻し回路９０の流量調整弁９３を閉じる又はその開度を絞り、第５気液分離器４５から第４気液分離器４２への液冷媒の供給を制限する。つまり、第１乃至第４熱交換器２５，３１，３７，４３の温度が所定温度よりも高いときには、冷媒回路１における冷凍サイクルが成立しなくなる虞があるため、第５気液分離器４５から第４気液分離器４２への液冷媒の供給を制限し、それによって、第１乃至第４熱交換器の２次側にクライオコイル５２からの冷媒を供給するようにする。
【００６４】
尚、第５気液分離器４５から第４気液分離器４２への液冷媒の供給を制限した場合は、前記第５気液分離器４５は、液冷媒を一時的に貯留するバッファタンクと同一視することができる。この場合、第５気液分離器４５が満液状態になったときには、気液混合の冷媒が第４熱交換器の２次側に供給されるが、その内の液冷媒は、第４乃至第１熱交換器４３，３７，３１，２５を順に通過する間に気化し、圧縮機２０に液冷媒が流入することはない。
【００６５】
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の閉弁により主冷媒回路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に供給される。このときに、クライオコイル５２内を流れる高温のガス冷媒は、そこに滞留する低温冷媒を圧送してその出口側から排出させる。これによって、第５気液分離器４５には、気液混合の冷媒が流入し、そこで、ガス冷媒と液冷媒とに分離される。前述したように、ガス冷媒は第５気液分離器４５のガス冷媒吐出部から第４熱交換器の２次側に供給され、液冷媒は第５気液分離器４５の液冷媒吐出部から第４気液分離器に供給される。この場合は、デフロストによる高圧の冷媒がクライオコイル５２に供給されることによって、第５気液分離器４５側から第４気液分離器４２側に液冷媒が圧送されるため、ブースタ９２を駆動させる必要はない。
【００６６】
またこのデフロスト運転時には、電磁開閉弁６３が開かれ、このことで圧縮機２０からの冷媒は冷媒回路１側にも流れる。この場合、電磁開閉弁６２が閉弁されていることから、クライオコイル５２には低温の冷媒が供給されず、よって、過冷却器４７の１次側から吐出された冷媒は、副冷媒回路２ｂを経て過冷却器４７の２次側に戻ることになる。つまり、冷媒回路１においては、クライオコイル５２をバイパスして冷媒が循環することになる。
【００６７】
また、デフロスト運転時には、電磁開閉弁６１及び６３それぞれの開度調整が行われる。このことによって、冷媒回路１側及びデフロスト回路６０側への冷媒の供給量が調整される。そうして、超低温冷凍装置１０に設けられた、第４気液分離器４２の内部圧力と第５気液分離器４５の内部圧力との圧力差を計測する計測器の計測結果、又は、第４気液分離器４２の液量を計測する計測器の計測結果に基づいて、第４気液分離器４２に所定量以上の液冷媒が存在しているときには、冷媒回路１において冷媒を循環させる必要がないため、電磁開閉弁６３を閉じ、それによってデフロスト回路６０側のみに、圧縮機２０からの冷媒を供給する。こうすることで、第５気液分離器４５側の圧力が高まり、第５気液分離器４５側から第４気液分離器４２側への液冷媒の圧送効率が高まる。
【００６８】
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（及び電磁開閉弁６３）の開弁により主冷媒回路２ａが開かれ、過冷却器４７の１次側から出た低沸点冷媒が第１及び第２の分岐キャピラリチューブ８０ａ，８１ａ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。この再運転時には、第４気液分離器４２内に低温の液冷媒が予め存在している状態にあるため、クライオコイル５２の温度が迅速に低下する。その結果、真空チャンバ１２０内の真空レベルを短時間で高めることができる。
【００６９】
このように、前記の超低温冷凍装置１０では、クライオコイル５２と圧縮機２０との間に気液分離器（第５気液分離器４５）を介設し、その第５気液分離器４５のガス冷媒吐出部を、第４熱交換器の２次側に接続しているから、圧縮機２０に液冷媒が流入することを確実に防止することができる。従って、例えばクライオコイル５２を大型化して冷凍能力を高める一方で、熱交換器２５，３１，３７，４３をそれぞれ小型化して冷凍装置の全体を小型化することが実現し得る。
【００７０】
また、クライオコイル５２から排出されて第５気液分離器４５内に貯留している低温の液冷媒を第４気液分離器４２に戻す、換言すれば、冷媒回路１における冷凍サイクルの途中に戻すことによって、その冷凍サイクルの効率が向上する。
【００７１】
尚、本実施形態では、第５気液分離器４５のガス冷媒吐出部を第４熱交換器４３の２次側に接続しているが、第５気液分離器４５のガス冷媒吐出部の接続位置はこれに限らず、圧縮機２０の流入側であれば、任意に設定することができる。
【００７２】
また、その第５気液分離器４５は、クライオコイル５２と圧縮機２０との間であれば、その介設位置に制限はない。
【００７３】
さらに、第５気液分離器４５の液冷媒吐出部は、戻し回路９０によって第４気液分離器４２に接続されているが、戻し回路９０の接続位置はこれに限らず、第１乃至第３気液分離器２４，３０，３６の内のいずれかに任意に接続することが可能である。但し、第５気液分離器４５内の液冷媒は、クライオコイル５２から排出された比較的低温の冷媒であるため、その温度に近い冷媒が存在する気液分離器、つまり、下段側の気液分離器に接続することが、冷凍サイクルの効率の点で好ましい。
【００７４】
また、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。さらに、混合冷媒を用いた冷凍装置に限るものではない。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
以上説明したように、本発明は、冷却器と圧縮機との間に気液分離器を介設し、それによって圧縮機への液冷媒の流入を確実に防止することができるため、各種の冷凍装置として有用である。
【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】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
３０    第２気液分離器
３１    第２熱交換器
３６    第３気液分離器
３７    第３熱交換器
４２    第４気液分離器
４３    第４熱交換器
４５    第５気液分離器（第２の気液分離器）
５２    クライオコイル（冷却器）
６０  デフロスト回路
６１  電磁開閉弁（流量調整弁）
６３  電磁開閉弁（流量調整弁）
８０ａ  第１の分岐キャピラリチューブ（膨張器）
８１ａ  第２の分岐キャピラリチューブ（膨張器）
９０  戻し回路
９１  逆止弁
９２  ブースタ
９３  流量調整弁
Ａ  真空成膜装置（真空装置）
【図１】
2008185257.tif 000003
【図２】
2008185257.tif 000004
【図３】
2008185257.tif 000005