(57)【要約】      （修正有）【課題】混合冷媒を用いた冷凍装置においては、冷却コイルの表面積を増大させるべく、冷却コイルを構成する伝熱管の外径を大きくしたり、伝熱管の長さを長くしたりすると、冷却コイル内の流路容積が増大することになって、混合冷媒の量を増やすだけでなく、混合冷媒における各冷媒の混合割合を変更しなければならないという不都合が生じる。こうした不都合は、例えば冷媒回路に所定の組成の混合冷媒を所定量だけ予め封入して製品化している場合には、より顕著になる。冷媒量を増やすことなく、冷却効率の向上を図る。【解決手段】冷却器５２は、冷媒回路に接続されると共に、その内部に冷媒流路９３が形成された伝熱管９を備える。伝熱管９は、その冷媒流路９３の断面形状が環状に形成されている。【選択図】図４
2008185258.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
冷媒が循環する冷媒回路からの低温冷媒により冷却対象を冷却する冷却器であって、
前記冷媒回路に接続されると共に、その内部に冷媒流路が形成されてその外部の前記冷却対象を冷却する伝熱管を備え、
前記伝熱管は、その冷媒流路の断面形状が環状に形成されている冷却器。
【請求項２】
請求項１に記載の冷却器において、
前記冷媒回路は、
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、及び、
前記減圧された冷媒を蒸発させる前記伝熱管、
を冷媒配管により互いに接続して冷凍サイクルを構成している冷却器。
【請求項３】
請求項２に記載の冷却器において、
前記伝熱管は、その上流端が、前記圧縮機からの高温冷媒を供給するデフロスト回路に対して選択的に接続されている冷却器。
【請求項４】
請求項２に記載の冷却器において、
前記伝熱管は、外管と、該外管に対し略同軸に配置された内管とを有する二重管により構成され、
前記外管は、前記冷媒回路に接続され、
前記内管は、その上流端が前記圧縮機からの高温冷媒を供給するデフロスト回路に接続されている冷却器。
【請求項５】
請求項４に記載の冷却器において、
前記外管はさらに、その上流端が前記デフロスト回路に対して選択的に接続されている冷却器。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷却器において、
前記伝熱管は、真空装置内に配設されるクライオコイルである冷却器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷凍装置の冷却器に関する。
【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、こうした冷凍装置における冷却器の冷却効率を向上しようとしたときに、それを実現する一つの方策として、冷却コイルの表面積を増大させることが考えられる。
【０００６】
しかしながら、例えば冷却コイルの表面積を増大させるべく、例えば冷却コイルを構成する伝熱管の外径を大きくしたり、伝熱管の長さを長くしたりすると、冷却コイル内の流路容積が増大することになって、その分、冷媒の量を増大させなければならないという不都合がある。
【０００７】
特に、前述の混合冷媒を用いた冷凍装置においては、単にその混合冷媒の量を増やしただけでは冷凍サイクルのバランスが崩れて、所望の冷却能力が得られなくなる。つまり、前述の超低温冷凍装置では、相対的に高沸点の冷媒は前段側の気液分離器で分離され、冷却コイルに供給される冷媒の組成は、相対的に低沸点の冷媒が支配的になるが、その冷却コイル内の流路容積を増大させることで、そこに存在する低沸点の冷媒の量が増えると、冷凍サイクル全体として低沸点の冷媒量が不足することになるため、冷凍サイクルのバランスが崩れるのである。
【０００８】
従って、混合冷媒を用いた冷凍装置においては、混合冷媒の量を増やすだけでなく、混合冷媒における各冷媒の混合割合を変更しなければならないという不都合が生じる。こうした不都合は、例えば冷媒回路に所定の組成の混合冷媒を所定量だけ予め封入して製品化している場合には、より顕著になる。
【０００９】
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、冷媒量を増やすことなく、冷却効率の向上を図ることにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の一側面によると、冷却器は、冷媒が循環する冷媒回路からの低温冷媒により冷却対象を冷却する。
【００１１】
この冷却器は、前記冷媒回路に接続されると共に、その内部に冷媒流路が形成されてその外部の前記冷却対象を冷却する伝熱管を備え、前記伝熱管は、その冷媒流路の断面形状が環状に形成されている。
【００１２】
この構成によると、冷却器の伝熱管の断面形状を環状に構成することによって、例えば冷媒流路の断面形状を円形状とした伝熱管と比較したときに、それらの流路容積が互いに同じであっても、その外径は、断面環状の伝熱管の方が、前記断面円形状の伝熱管よりも大きくなり、それに伴いその外表面積は拡大する。従って、流路容積が同じであることから冷媒量を不変としつつも、外表面積が拡大することで、冷却器の冷却効率は向上する。
【００１３】
前記冷媒回路は、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、及び、前記減圧された冷媒を蒸発させる前記伝熱管、を冷媒配管により互いに接続して冷凍サイクルを構成している、としてもよい。
【００１４】
すなわち、前記冷却器は、非共沸混合冷媒を用いた冷媒回路（冷凍装置）において、低温冷媒が直接供給される冷却器としてもよい。この場合、前述したように、冷媒量を増大させる必要がないため、混合冷媒における各冷媒の混合割合を変更する必要がなく、特に有効である。
【００１５】
前記伝熱管は、その上流端が、前記圧縮機からの高温冷媒を供給するデフロスト回路に対して選択的に接続されている、としてもよい。
【００１６】
こうすることで、デフロスト時には、伝熱管における冷媒流路に、低温冷媒に換わって高温冷媒が供給される。このことで伝熱管内に滞留する低温冷媒が圧送されて伝熱管から排出されるため、デフロスト時間の短縮が図られる。
【００１７】
これとは異なり、前記伝熱管は、外管と、該外管に対し略同軸に配置された内管とを有する二重管により構成され、前記外管は、前記冷媒回路に接続され、前記内管は、その上流端が前記圧縮機からの高温冷媒を供給するデフロスト回路に接続されている、としてもよい。
【００１８】
こうすることで、低温冷媒の流路は外管と内管との間の環状に形成される一方で、高温冷媒の流路は内管内の円形状に形成されることで、デフロスト時においては高温冷媒の圧力損失が低下する。また、内管内は高温冷媒の専用流路であって低温冷媒が滞留していないため、デフロストの開始後、外管と内管との間に滞留する低温冷媒の昇温が早期に開始され、その結果、デフロスト時間の短縮が図られる。
【００１９】
この構成において前記外管はさらに、その上流端が前記デフロスト回路に対して選択的に接続されている、とすることが好ましい。
【００２０】
こうすることで、デフロスト時には、二重管における外管と内管とのそれぞれに高温冷媒が流れることで、前述したように、低温冷媒の圧送効果と、低温冷媒の昇温効果と、が組み合わされてデフロスト時間がさらに短縮する。
【００２１】
前記伝熱管は、真空装置内に配設されるクライオコイルである、としてもよい。前述したように、本伝熱管（冷却器）は冷却効率が高いため、クライオコイルとして特に有効である。
【発明の効果】
【００２２】
以上説明したように、本発明によると、冷却器の伝熱管における、冷媒流路の断面形状を環状に構成することによって、その流路容積を、例えば冷媒流路の断面形状が円形状の伝熱管内の流路容積と同じにしたときに、外径はその断面円形状の伝熱管よりも大きくなり、それに伴いその外表面積を拡大させることができる。その結果、流路容積が同じであることから冷媒量を不変としつつも、外表面積が拡大することで、冷却器の冷却効率を向上させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
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。
【００２４】
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の真空チャンバ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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
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。
【００３６】
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、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。
【００３７】
ここで、本超低温冷凍装置における特徴の１つとしての、前記クライオコイル５２の構造について、図４を参照しながら説明する。このクライオコイル５２は、相対的に大径の外管９１と相対的に小径の内管９２とを互いに同軸に配置した二重管からなる伝熱管９を、螺旋状に巻回して構成されている。尚、図４は理解容易のために、クライオコイル５２を模式的に示している。この構成によって、本クライオコイル５２は、外管９１と内管９２との間の断面環状の第１流路９３と、内管９２内の断面円形状の第２流路９４との２つの流路を有している。
【００３８】
前記内管９２の上流端（図４における左側の端部）は、外管９１の途中位置においてその外管９１の外部に突出している一方、内管９２の下流端（図４における右側の端部）は、外管９１の内部に配設されており、これによって、内管９２の入口は、外管９１の入口とは別にされている一方で、内管９２の出口と外管９１の出口とは同じにされている。そうして、クライオコイル５２における外管９１の上流端が、前記主冷媒回路２ａに接続されている。
【００３９】
前記過冷却器４７の２次側（及びクライオコイル５２における外管９１の下流端）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。
【００４０】
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。
【００４１】
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。ここで、前記デフロスト回路６０の下流側は分岐されており、その分岐デフロスト回路６３の下流端は、前記クライオコイル５２の内管９２に接続されている（図４参照）。従って、前記クライオコイル５２における第１流路９３は、冷媒回路１からの低温冷媒とデフロスト回路６０からの高温冷媒とが選択的に流れる流路とされる一方で、第２流路９４は分岐デフロスト回路６３からの高温冷媒のみが流れる流路とされている。
【００４２】
尚、符号６１はデフロスト回路６０の途中に配置された電磁開閉弁、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６４は、分岐デフロスト回路６３の途中に配置された電磁開閉弁（流量調整弁）である。
【００４３】
また、前記デフロスト回路６０の上流端と電磁開閉弁６１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。
【００４４】
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の電磁開閉弁６１近傍と、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４熱交換器４３の２次側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。
【００４５】
さらに、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。
【００４６】
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の開弁により主冷媒回路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。
【００４７】
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。
【００４８】
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。
【００４９】
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って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。
【００５０】
また、前記クライオコイル５２は、前述したように、低温冷媒の流路である第１流路９３が環状に形成されていることから、例えば流路の断面形状を円形状としたクライオコイルと比較したときに、それらの流路容積が互いに同じであっても、その外径（伝熱管９の外径）は、断面環状のクライオコイルの方が、前記断面円形状のクライオコイルよりも大きくなり、それに伴いその外表面積は拡大する。従って、流路容積が同じであることから冷媒量を不変とし、それによって混合冷媒における各冷媒の混合割合を不変としつつも、外表面積が拡大することで、クライオコイル５２の冷却効率を向上させることができる。
【００５１】
また、冷却効率を向上させる上で、例えばクライオコイル（伝熱管）の長さを長くすることによってその外表面積を拡大させることも考えられるが、この場合、クライオコイルの流路抵抗が高くなる。ここで、本冷媒回路１における各気液分離器２４，３０，３６，４２から、キャピラリチューブ２６，３２，３８，４４を経て熱交換器２５，３１，３７，４３に至る流路はそれぞれ、クライオコイル５２と並列に配置された冷媒流路とみなすことができる。このため、クライオコイル５２の流路抵抗が高くなった場合は、それらのクライオコイル５２と並列に配置された冷媒流路における冷媒の流量が相対的に増え、クライオコイル５２における冷媒の流量が相対的に低下し、その結果、冷却能力が低下する虞がある。しかしながら、前記の構成では、第１流路９３を環状に形成していて、クライオコイル５２の長さを長くする必要がないため、そうした不都合は生じない。
【００５２】
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。
【００５３】
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。そうして、クライオコイル５２での気体等の捕捉が解除される。このときに、電磁開閉弁６４による流量調整によって、クライオコイル５２の第１流路９３と第２流路９４とのそれぞれに対して、高温のガス冷媒が供給されることになる。これによって、デフロスト時の圧力損失は低減する。また、第１流路９３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と共に、第２流路９４を流れるガス冷媒によって低温冷媒の昇温、ひいてはクライオコイル５２の昇温が早期に開始されることになる。その結果、デフロスト時間の短縮が図られる。尚、第１及び第２流路９３，９４を流れるガス冷媒は共に、第４熱交換器４３の２次側に流入することになる。
【００５４】
尚、図示は省略するが、前記クライオコイル５２の温度を検出する検出器の検出値が予め設定した設定温度に到達したとき（クライオコイル５２内の低温冷媒が無くなったとき）には、前記電磁開閉弁６４の開度調整制御を行って、第１及び第２流路９３，９４を流れるガス冷媒の流量調整を行ってもよい。例えば第１流路９３のガス流量を増やすようにすれば、デフロスト時間の短縮を図ることができる。
【００５５】
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。
【００５６】
尚、本実施形態では、クライオコイル５２を二重管により構成して、その内管９２内をデフロスト用の高温のガス冷媒の流路（つまり、第２流路９４）としているが、例えば図５に示すように、第２流路は省略してもよい。この場合、分岐デフロスト回路６３は省略される。尚、図５では伝熱管９５の中心部分を中実にしているが、これを中空（但し、その両端は封止する）にしてもよい。
【００５７】
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。この場合においては、前記吸熱部に本発明を適用することができる。つまり、吸熱部における伝熱管を、そのブライン流路の断面形状が環状となるようにしてもよい。
【００５８】
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。
【００５９】
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。
【００６０】
さらに、本発明の冷却器は、前記真空成膜装置Ａに配設されるクライオコイル５２に限るものではなく、各種の冷凍装置における冷却器として広く適用することが可能である。
【産業上の利用可能性】
【００６１】
以上説明したように、本発明は、冷媒量を増やすことなく冷却効率を高めることができるため、各種の冷媒回路に接続される冷却器として有用である。
【図面の簡単な説明】
【００６２】
【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。
【図４】クライオコイルの構造を示す模式図である。
【図５】クライオコイルの他の構造を示す模式図である。
【符号の説明】
【００６３】
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
５２    クライオコイル（冷却器）
６０  デフロスト回路
６３  分岐デフロスト回路
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）
９，９５  伝熱管
９１  外管
９２  内管
９３  第１流路（冷媒流路）
９４  第２流路
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】
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【図５】
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