(57)【要約】【課題】本発明は冷却水による熱回収効率を高めることを課題とする。【解決手段】二重管式冷却システム３０では、複数の管路が反応室１２の周囲を囲むように並列に配置された内側冷却経路３２と、複数の管路が内側冷却経路３２の外周を囲むように並列に配置された外側冷却経路３４と、内側冷却経路３２と外側冷却経路３４との間を連通する複数の連通路３６と、から構成された二重冷却水管路３８を有する。二重冷却水管路３８は、冷却水を並列に配置された複数の管路に供給して石英ベルジャ２０及びＳｉウエハ１８を全周から冷却する構成であるので、冷却水よる熱回収効率を高める。また、内側冷却経路３２と外側冷却経路３４との間には、断熱材４０が介在しており、内側冷却経路３２を流れる冷却水の温度が上昇しても断熱材４０によって熱が遮断される。【選択図】        図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
発熱体を収納する収納室と、該収納室を囲むように形成された冷却経路とを有し、該冷却経路に冷却水を供給して前記発熱体を冷却するように構成された冷却システムにおいて、
前記冷却経路は、
複数の管路が前記収納室の周囲を囲むように並列に配置された第１の経路と、
複数の管路が前記第１の経路の外周を囲むように並列に配置された第２の経路と、
前記第１の経路と前記第２の経路との間を連通する複数の連通路と、
からなることを特徴する冷却システム。
【請求項２】
前記冷却水供給部は、前記冷却水を乱流となる流速で前記第１の経路及び前記第２の経路に供給することを特徴する請求項１記載の冷却システム。
【請求項３】
前記冷却水供給部は、前記冷却水をレイノルズ数が１０００以上となる流速で前記第１の経路及び前記第２の経路に供給することを特徴する請求項１記載の冷却システム。
【請求項４】
前記冷却水供給部を前記第１の経路または前記第２の経路の何れか一方に連通し、
前記冷却水排出部を前記第１の経路または前記第２の経路の何れか他方に連通したことを特徴する請求項１記載の冷却システム。
【請求項５】
前記収納室と前記第１の経路との間に熱を吸収する熱吸収体を設けたことを特徴する請求項１記載の冷却システム。
【請求項６】
前記収納室に熱伝導性の高いガスを充填するガス充填ユニットを備えたことを特徴する請求項１記載の冷却システム。
【請求項７】
前記第１の経路と前記第２の経路との間に断熱材を介在させたことを特徴する請求項１記載の冷却システム。
【請求項８】
前記第１の経路は、
前記複数の管路の流出側端部を連通する流出側共通管路を備えたことを特徴する請求項１記載の冷却システム。
【請求項９】
前記第２の経路は、
前記複数の管路の流入側端部を連通する流入側共通管路を備えたことを特徴する請求項１記載の冷却システム。
【請求項１０】
前記冷却水排出部は、前記流出側共通管路から流出された冷却水を熱交換器に供給することを特徴する請求項８記載の冷却システム。
【請求項１１】
前記冷却水供給部は、前記冷却水を乱流となる流速で前記流入側共通管路に供給することを特徴する請求項９記載の冷却システム。
【請求項１２】
前記複数の管路は、所定の間隔で前記収納室に対向するように平行に配置されたことを特徴する請求項１記載の冷却システム。
【請求項１３】
前記複数の連通路は、前記複数の管路の夫々の端部から分岐するように並列に配置されたことを特徴する請求項１記載の冷却システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は冷却システムに係り、特に高温に加熱された発熱体を冷却水の供給により冷却する際の冷却効率を高めるよう構成された冷却システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
高温の発熱体を冷却水により冷却する冷却システムとしては、例えば、半導体製造装置に用いられた冷却装置がある。この半導体製造装置では、石英ガラスに囲まれた反応室（収納室）を減圧すると共に反応室に反応ガスを供給し、ヒータによって加熱された高温環境下（約８００°Ｃ）で反応室に収納されたＳｉ（シリコン）ウエハの表面に薄膜を形成する。そのため、半導体製造装置においては、薄膜形成されたＳｉウエハが高温に加熱されているので、Ｓｉウエハを冷却した後、反応室から取り出す。
【０００３】
図１は従来の冷却システムが取り付けられた半導体製造装置の概略構成を示す縦断面図である。
図１に示されるように、従来の冷却システム１０は、後述するように１本の銅管を曲げ加工した冷却水管路１１（図１中、破線で示す）を有する。冷却水管路１１は、上部がリング状に形成された上側保持部１３ａに保持され、下部がリング状に形成された下側保持部１３ｂに保持されている。
【０００４】
また、冷却システム１０においては、発熱体となるＳｉウエハ１８に近接する冷却水管路１１の内側に肉厚１ｍｍのアルミニウム製の円筒部材１９ａを設け、円筒部材１９ａの外周に外径３／８インチの銅管からなる冷却水管路１１で取り巻き、さらに冷却水管路１１の周辺を肉厚１ｍｍアルミニウム板からなる円筒部材１９ｂで囲むように構成されている。
【０００５】
この冷却システム１０が取り付けられた半導体製造装置１４は、バッチ処理方式の縦型炉を用いた構成であり、昇降可能に設けられたステージ１６の石英ボード１６ａに複数枚のＳｉウエハ１８を所定の間隔で積層させた状態で薄膜を形成させるものである。
【０００６】
また、半導体製造装置１４は、ステージ１６が上昇することで複数枚のＳｉウエハ１８が石英ベルジャ２０で囲まれた反応室１２に挿入され、反応室１２の周囲に設けられた複数の棒状ヒータ２２によって反応室１２を加熱する。反応室１２においては、減圧されると共に高温に加熱されてＳｉウエハ１８の表面に薄膜を形成する。
【０００７】
また、石英ベルジャ２０の周囲は、断熱材２４によって囲まれており、反応室１２の熱が周囲に放射されないように構成されている。そして、断熱材２４の外周には、冷却システム１０の冷却水管路１１が設けられている。
【０００８】
また、冷却水管路１１は、石英ベルジャ２０が搭載された昇降ベース２６に支持されており、石英ベルジャ２０と共にエレベータ機構（図示せず）により昇降する。
【０００９】
この冷却システム１０では、反応室１２での薄膜形成処理が終了すると、ステージ１６が降下すると共に、石英ベルジャ２０及び冷却水管路１１が搭載された昇降ベース２６が降下して石英ベルジャ２０及びＳｉウエハ１８を周囲から冷却する。
【００１０】
冷却システム１０では、冷却水管路１１に室温と同一温度（約２３°Ｃ）の水を供給して、高温（約８００°Ｃ）に加熱されたＳｉウエハ１８の温度を下げると共に、周囲（クリーンルーム内）への放熱を低減する。
【００１１】
また、冷却水管路１１を通過して外部に排出される冷却水は、反応室１２の熱を吸収して温度が約２７．５°Ｃに上昇して外部に排出される。そして、冷却水管路１１から排出された冷却水は、外部に設置された熱交換器（図示せず）によって約２３°Ｃまで冷却されて再び冷却水管路１１に戻される。
【００１２】
ここで、従来の冷却システム１０が適用された冷却設備の一例について図２を参照して説明する。
【００１３】
図２に示されるように、従来の冷却設備２８では、１次側の冷却経路に大型の冷凍機Ｒを有する構成である。この冷凍機Ｒは、工場内のあらゆる発熱部からの熱負荷を、水を媒体として回収して冷却する設備である。例えば、冷凍機Ｒが電気をエネルギーとするターボ冷凍機の場合、冷凍機Ｒは１０°Ｃの冷水を５°Ｃの冷水に冷却する能力を有する。
【００１４】
冷凍機Ｒによって回収された熱は、冷却水に伝達され、この冷却水を送水ポンプＰ１及び送水ラインＬ１により冷却棟ＣＴに供給することで屋外へ放出される。また、冷凍機Ｒで作られた５°Ｃの冷水は、１次側の冷水槽ＣＷＴに貯留される。そして、冷水槽ＣＷＴの冷却水は、送水ポンプＰ３及び送水ラインＬ３を介して熱交換器ＨＥＸの１次側へ供給される。
【００１５】
この熱交換器ＨＥＸの２次側は、上記冷却水管路１１及びその他の発熱部に冷却水を供給する冷却水供給ライン２９に連通されている。従って、冷却水管路１１等を介して回収された熱は、熱交換器ＨＥＸを介して１次側の冷却水へ伝達される。
【００１６】
冷水槽ＣＷＴから供給された５°Ｃの冷水は、熱交換器ＨＥＸにおいて１０°Ｃに温度上昇した水となり、冷水槽ＣＷＴに戻され、送水ポンプＰ２及び送水ラインＬ２を介して冷凍機Ｒに戻されて５°Ｃの冷水に冷却される。また、上記冷却水管路１１に供給される２次側の冷却水は、熱交換器ＨＥＸにより２３°Ｃの水に冷却され、送水ポンプＰ４及び送水ラインＬ４により上記半導体製造装置１４の冷却システム１０やその他の発熱体へ供給される。
【００１７】
冷却システム１０において、発熱体であるＳｉウエハ１８から熱回収し、高温（例えば、２７．５°Ｃ）となった冷却水は、２次側のバッファ槽Ｂｕに貯留され、さらに送水ポンプＰ４及び送水ラインＬ４によりバッファ槽Ｂｕから熱交換器ＨＥＸの２次側に供給されて２３°Ｃの冷却水となる。
【００１８】
このように従来の冷却設備２８では、冷凍機Ｒや送水ポンプＰ１〜Ｐ４等のエネルギーを必要とする設備機器が多数設置され、且つ、冷却水の送水経路も多数必要であるので、設備の初期コストと運転コストが膨大となっていた。
【００１９】
図３は従来の冷却システム１０に用いられた冷却水経路１１を示す展開図である。
図３に示されるように、従来の冷却システム１０の冷却水管路１１は、１本の銅管を曲げ加工したものであり、複数の直管１１ａと、隣合う直管１１ａの端部を連通する曲げ部１１ｂとが交互に形成されている。この冷却水管路１１は、冷却水管路１１の一端が冷却水の流入口１１ｃであり、冷却水管路１１の他端が冷却水の流出口１１ｄである。そのため、流入口１１ｃから供給された冷却水は、複数の直管１１ａ及び曲げ部１１ｂを通過した後、流出口１１ｄから外部に排出される。
【００２０】
図４は冷却水管路１１の取付状態を示す斜視図である。
図４に示されるように、冷却水管路１１は、上記のように展開された状態から石英ベルジャ２０の外周を囲むように環状に形成される。従って、この冷却システム１０では、冷却水が発熱体の周辺を上方、下方、上方と流れて周囲を周回することで冷却するように構成されている。
【００２１】
このように冷却水を循環させるように構成された従来の冷却システム１０では、半導体製造装置１４から発生した膨大な熱を処理するために大量の冷却水を供給する必要があった。さらに、その際の冷却水導入温度と排出温度の温度差は、例えば、４．５°Ｃ程度であった。
【００２２】
上記のように構成された従来の冷却システム１０は、冷却水管路１１が冷却水の導入部から排出部まで１本の銅管で構成されるため、冷却水への配管抵抗が大きくなり、送水ポンプへの負荷が大きくなる。さらに、冷却システム１０内での温度分布のばらつきが大きく、発熱体（被冷却体）であるＳｉウエハ１８への熱影響にばらつきが生じるおそれがあった。
【００２３】
そのため、従来の冷却システム１０では、冷却水を搬送する送水ポンプを駆動するための動力として膨大なエネルギーを消費し、さらに排出された冷却水は、熱交換器に設けられた冷却設備の負荷としてのみ働いていた。このため、従来の冷却システム１０においては、冷却設備が肥大化し、エネルギー消費量の増加を招くという問題があった。
【００２４】
このような問題を解決するため、本出願人は、先に冷却管路が内側冷却経路と外側冷却経路とが同心円状に配置された２重管式冷却システムと呼ばれる冷却システムを提案した（例えば、特許文献１参照）。
【００２５】
【特許文献１】
ＰＣＴ国際公開番号  ＷＯ／０１／０３１６８  Ａ１（ＦＩＧ．６参照）
【００２６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような２重管式冷却システムにおいては、冷却水を外側冷却経路に供給し、外側冷却経路を通過した冷却水を内側冷却経路に供給することで冷却効率（熱回収効率）を高める構成としたが、冷却水の送水速度と熱伝導率との関係及び送水速度と冷却効率との関係についての検討が不十分であったので、十分な冷却効率を得られないおそれがあった。
【００２７】
また、わが国では、地球温暖化の抑制を促進するために温室効果ガス（ＣＯ２）の排出量の削減が求められており、各産業におけるエネルギー消費量の削減をどのように進めるかが模索されている。
【００２８】
そして、半導体製造設備の産業分野においては、半導体製造装置が設置されるクリーンルーム内における熱回収効率を高めることで温室効果ガス（ＣＯ２）の排出量の削減に貢献できるものと考えられている。
【００２９】
そのため、クリーンルームで消費されるエネルギー（電力）をシミュレーションしたところ、クリーンルーム内の温度を一定に保つように温度調節を行う空調設備よりも半導体製造装置で消費される電力が大きく、その中でもＳｉウエハを加熱した後の熱を除去するための冷却水の冷却及び冷却水の循環に要するエネルギー消費量が大きいことが分かった。
【００３０】
すなわち、冷却水を循環させる冷却システムでは、電気エネルギーの消費を抑制して温室効果ガス（ＣＯ２）の排出量の削減に貢献するために、冷却水による熱回収効率を高めることが重要である。
【００３１】
そこで、本発明は上記課題を解決した冷却システムを提供することを目的とする。
【００３２】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記課題を解決するため、以下のような特徴を有する。
上記請求項１記載の発明は、ヒータにより加熱される発熱体を収納する収納室と、収納室を囲むように形成された冷却経路とを有し、冷却経路に冷却水を供給して発熱体を冷却するように構成された冷却システムにおいて、冷却経路は、複数の管路が収納室の周囲を囲むように並列に配置された第１の経路と、複数の管路が第１の経路の外周を囲むように並列に配置された第２の経路と、第１の経路と前記第２の経路との間を連通する複数の連通路と、からなるものであり、冷却水を並列に配置された複数の管路に供給して冷却水による熱回収効率を高めることが可能になる。
【００３３】
請求項２記載の発明は、冷却水を乱流となる流速で第１の経路及び第２の経路に供給するものであり、第１の経路及び第２の経路の管内温度分布を均一にして冷却水による熱回収効率を高めることが可能になる。
【００３４】
請求項３記載の発明は、冷却水をレイノルズ数が１０００以上となる流速で第１の経路及び第２の経路に供給するものであり、冷却水が乱流状態で第１の経路及び第２の経路に送水され、第１の経路及び第２の経路の管内温度分布を均一にして冷却水による熱回収効率を高めることが可能になる。
【００３５】
請求項４記載の発明は、冷却水供給部を第１の経路または第２の経路の何れか一方に連通し、冷却水排出部を第１の経路または第２の経路の何れか他方に連通したものであり、第１の経路及び第２の経路の管内温度分布を均一にして冷却水による熱回収効率を高めることが可能になる。
【００３６】
請求項５記載の発明は、収納室と第１の経路との間に熱を吸収する熱吸収体を設けたものであり、収納室で発生した熱を熱吸収体で吸収し、熱吸収体の周囲を冷却することにより熱回収効率を高めることが可能になる。
【００３７】
請求項６記載の発明は、収納室に熱伝導性の高いガスを充填するガス充填ユニットを備えたものであり、収納室で発生した熱を熱伝導性の高いガスを介して回収し、熱回収効率を高めることが可能になる。
【００３８】
請求項７記載の発明は、第１の経路と第２の経路との間に断熱材を介在させたものであり、第１の経路と第２の経路との間の熱伝導を抑制すると共に、収納室からの熱が周囲に伝導することを防止する。
【００３９】
請求項８記載の発明は、第１の経路が複数の管路の流出側端部を連通する流出側共通管路を備えたものであり、複数の管路を通過した冷却水を同時に排出して熱回収効率を高めることが可能になる。
【００４０】
請求項９記載の発明は、第２の経路が複数の管路の流入側端部を連通する流入側共通管路を備えたものであり、複数の管路に同時に冷却水を供給して熱回収効率を高めることが可能になる。
【００４１】
請求項１０記載の発明は、流出側共通管路から流出された冷却水を熱交換器に供給するものであり、第１の経路及び第２の経路を通過して温度上昇した冷却水を熱交換器で冷却して第１の経路及び第２の経路に供給することにより熱回収効率を高めることが可能になる。
【００４２】
請求項１１記載の発明は、冷却水を乱流となる流速で流入側共通管路に供給するものであり、第１の経路及び第２の経路の管内温度分布を均一にして冷却水による熱回収効率を高めることが可能になる。
【００４３】
請求項１２記載の発明は、複数の管路が所定の間隔で収納室に対向するように平行に配置されたものであり、収納室の全周を均等に冷却して熱回収効率を高めることが可能になる。
【００４４】
請求項１３記載の発明は、複数の連通路が複数の管路の夫々の端部から分岐するように並列に配置されたものであり、複数の連通路を介して第１の経路からの冷却水を第２の経路の複数の管路へ供給することにより、収納室の全周を均等に冷却して熱回収効率を高めることが可能になる。
【００４５】
【発明の実施の形態】
以下、図面と共に本発明の一実施例について説明する。
図５は本発明になる冷却システムの一実施例を示す縦断面図である。
【００４６】
図５に示されるように、本発明の二重管式冷却システム３０では、複数の管路が反応室１２の周囲を囲むように並列に配置された内側冷却経路（第１の経路）３２と、複数の管路が内側冷却経路３２の外周を囲むように並列に配置された外側冷却経路（第２の経路）３４と、内側冷却経路３２と外側冷却経路３４との間を連通する複数の連通路３６（図５中破線で示す）と、から構成された二重冷却水管路３８を有する。
【００４７】
二重管式冷却システム３０は、発熱体であるＳｉウエハ１８に近接する位置にアルミニウム製の円筒部材１９ａが設けられ、内側冷却経路３２が円筒部材１９ａの円周方向外側に設けられ、断熱材４０を介して外側冷却経路３４が設けられている。
【００４８】
二重冷却水管路３８は、後述するように、冷却水を並列に配置された複数の管路に供給して石英ベルジャ２０及びＳｉウエハ１８を全周から冷却する構成であるので、冷却水よる熱回収効率を高めることが可能になる。
【００４９】
内側冷却経路３２及び外側冷却経路３４は、上部がリング状に形成された上側保持部１３ａに保持され、下部がリング状に形成された下側保持部１３ｂに保持されている。
【００５０】
また、内側冷却経路３２と外側冷却経路３４との間には、断熱材４０が介在している。外側冷却経路３４に供給される冷却水は、クリーンルームの温度が変化しないようにクリーンルームの室温と同一温度に冷却されて供給されるため、内側冷却経路３２を流れる冷却水の温度が上昇しても断熱材４０によって熱が遮断される。そのため、内側冷却経路３２の熱は、断熱材４０によって遮断され、外側冷却経路３４に伝導しないようになっている。
【００５１】
ここで、図６を参照して本発明の二重管式冷却システム３０が適用された冷却設備の一例について説明する。
【００５２】
図６に示す冷却設備４２では、上記二重管式冷却システム３０に供給される冷却水供給温度をクリーンルームの室温と同じ２３°Ｃに制御しており、この冷却水が送水ポンプＰ４及び送水ラインＬ４を介して二重管式冷却システム３０の二重冷却水管路３８へ供給され、半導体製造装置１４の発熱部から熱回収を行なう。
【００５３】
このとき、二重冷却水管路３８を用いた二重管式冷却システム３０では、冷却水の排出温度が５０°Ｃ以上、温度差として３０°Ｃ以上となるように冷却水量を制御する。二重冷却水管路３８に供給される冷却水の流量は、例えば、従来の冷却システム１０の場合の５４０００（Ｌ／ｈｒ）に対して８１００（Ｌ／ｈｒ）に減少することが分かった。このことにより、送水ポンプＰ４に必要とされる軸動力は、従来の１／６程度に削減することが可能となる。
【００５４】
さらに、二重冷却水管路３８から排出された水は、熱交換器ＨＥＸにより５０°Ｃ以上から２３°Ｃに冷却される。その際には、熱交換器ＨＥＸでは、従来のような冷水による冷却ではなく、加熱源を必要とする外気処理装置（例えば、冷却棟ＣＴ等）の再熱部分または予熱部分（図示せず）、他の生産装置の加温部分（図示せず）にて熱放出することにより、冷却水を２３°Ｃに戻す。
【００５５】
この方法を取ることにより、従来必要とされていた大型の冷凍機Ｒ、及び５°Ｃ系の送水ポンプＰ２，Ｐ３及び送水ラインＬ２，Ｌ３は不要となり、設備機器点数の削減ならびに送水ラインの簡素化が実現でき、冷却設備における初期コストおよび運転コストの大幅な削減が可能となり、エネルギー生産性の向上が実現される。
【００５６】
また、冷却設備４２で消費されるエネルギーは、５．５ＫＷで済み、従来の冷却設備２８で消費されるエネルギーが３０ＫＷに対して約１／６に削減することが可能になる。
【００５７】
これにより、二重管式冷却システム３０では、半導体製造装置１４が設置されるクリーンルーム内における熱回収効率を高めることが可能になり、ひいては温室効果ガス（ＣＯ２）の排出量の削減にも貢献できる。
【００５８】
ここで、二重冷却水管路３８の構成について説明する。
図７は二重管式冷却システム３０に用いられた二重冷却水経路３８を示す展開図である。
図７に示されるように、二重管式冷却システム３０の二重冷却水管路３８は、内側冷却経路３２と外側冷却経路３４とに分割されており、内側冷却経路３２と外側冷却経路３４との間が複数の連通管３６によって連通されている。
【００５９】
外側冷却経路３４は、上下方向に延在するように配置された複数の直管３４ａと、複数の直管３４ａの上端が連通されるように円周方向に延在形成された流入側共通管路３４ｂとから構成されている。流入側共通管路３４ｂは、一端が冷却水供給口であり、他端側が複数の直管３４ａと並列に接続されている。
【００６０】
複数の直管３４ａは、夫々一定の間隔Ｂ毎に平行に配置されている。流入側共通管路３４ｂを介して複数の直管３４ａに供給された冷却水は、後述するように乱流で流れるように所定の流速以上の流速で上方から下方へ流れる。
【００６１】
複数の直管３４ａの下端は、二股状に分岐した２本の連通管３６に連通されている。連通管３６は、側面からみるとＵ字状に湾曲されるため、管内抵抗が増大するが、２本の連通管３６に分岐することにより、冷却水の圧力損失を軽減する。
【００６２】
内側冷却経路３２は、上下方向に延在するように配置された複数の直管３２ａと、複数の直管３２ａの上端が連通されるように円周方向に延在形成された流出側共通管路３２ｂとから構成されている。流出側共通管路３２ｂは、一端が冷却水排出口であり、他端側が複数の直管３２ａと並列に接続されている。
【００６３】
また、内側冷却経路３２の複数の直管３２ａの下端は、夫々２本の連通管３６に連通される。尚、本実施例では、内側冷却経路３２及び外側冷却経路３４に、例えば、外径１０ｍｍ、内径８ｍｍのアルミニウム製配管が用いられる。
【００６４】
図８は二重冷却水管路３８の取付状態を示す斜視図である。
図８に示されるように、冷却水管路３６は、上記のように内側冷却経路３２と外側冷却経路３４とが展開された状態から内側冷却経路３２が内層を形成し、外側冷却経路３４が外層を形成するように互いに対向させ、連通管３６を湾曲させる。さらに、内側冷却経路３２及び外側冷却経路３４は、石英ベルジャ２０の外周を囲むように環状に形成される。
【００６５】
従って、本発明の二重管式冷却システム３０では、先ず、空気層での対流現象をなくし、システム外への熱漏洩を低減するために、二重冷却水管路３８をシステム上方端部においても熱回収が可能となる。
【００６６】
さらに、二重管式冷却システム３０では、二重冷却水管路３８の内側冷却経路３２と外側冷却経路３４との間に断熱材４０を設け、二重管式冷却システム３０の内面の温度を上昇させ、熱回収効率を向上させるとともに、二重管式冷却システム３０の外表面からの熱放出を低減させることが可能になる。
【００６７】
ここで、上記のように構成された二重管式冷却システム３０の熱回収効率について説明する。
【００６８】
この二重管式冷却システム３０における冷却水の流れは、導入水、排出水に関わらず、必ず室温相当の冷却水を二重冷却水管路３８に流れるようにする。これは二重管式冷却システム３０から、クリーンルーム雰囲気への熱放出を低減するためである。
【００６９】
前述した従来の冷却システム１０では、膨大な熱を処理するための大量の冷却水が冷却水管路１１に供給されていた。さらに、その際の冷却水導入温度と排出温度の温度差は、例えば、４．５°Ｃと極めて小さいものであった。
【００７０】
そのため、冷却水を搬送するための送水ポンプで消費される動力として膨大な電気エネルギーを消費し、さらに排出された冷却水は、冷凍機Ｒなどの冷却設備の負荷としてのみ働いていた。
【００７１】
このため冷却設備は肥大化し、エネルギー消費量の増加をもたらした。
このため本研究では、システムの改善に加えて、その運用方法についても検討を進める。次式で示されるように、熱負荷量が等しい場合、冷却水と、導入温度と排出温度の温度差の問には反比例の関係が成り立つ。
【００７２】
ｑ＝Ｖρｗ・ｃｗ・（Ｔｏ−Ｔｉ）
＝Ｖρｗ・ｃｗ・△Ｔ      …（１）
ここで、ｑ：冷却熱量（Ｋｃａｌ／ｍｉｎ）、Ｖ：冷却水流量（Ｌ／ｍｉｎ）、ρｏ：冷却水密度（ｋｇ／Ｌ）、ｃｗ：冷却水の比熱（Ｋｃａｌ／ｋｇ°Ｃ）、Ｔｏ：冷却水排出温度（°Ｃ）、Ｔｉ：冷却水導入温度（°Ｃ）である。
【００７３】
上記（１）式より、冷却水量を低減することにより、温度差を大きくすることが可能であることが分かる。
【００７４】
本実施例では、二重冷却水管路３８から排出される排水の温度を高温にすることにより、温度的にポテンシャルの高い水を設備側へ戻すように構成されている。この排出された温水は、加熱エネルギーとして工場内の他の場所にて再利用する。これにより、冷却水の送水動力の削減と、冷凍機設備への負荷削減、並びに冷却設備の縮小が可能になる。  ここで、図９及び図１０を参照して二重冷却水管路３８の円周方向の温度分布について説明する。
【００７５】
図９は二重管式冷却システム３０を上方からみた横断面図である。図１０は二重冷却水管路３８の円周方向の温度分布を示すグラフである。尚、図１０に示す実験結果は、炉内温度を８００°Ｃ、冷却水の流量を５Ｌ／ｍｉｎとした条件下で行なったものである。
【００７６】
二重冷却水管路３８の内側冷却経路３２及び外側冷却経路３４は、複数の直管３２ａ，３４ａが等ピッチ間隔で並列に設けられているので、図９に示されるように、円周方向において、全周に亘り冷却水を均等に供給する。
【００７７】
そのため、図１０に示されるように、二重冷却水管路３８の冷却水導入部を０°とした円周方向の温度分布には、全周に亘り大きな温度変化はなく、どの角度でもおよそ３６０°Ｃから３７０°Ｃの範囲内での分布に留まっていることが分かる。
【００７８】
ここで、図１１及び図１２を参照して従来の冷却システムの円周方向の温度分布について説明する。
【００７９】
図１１は従来の冷却システム１０を上方からみた横断面図である。図１２は従来の冷却水管路１１の円周方向の温度分布を示すグラフである。尚、図１２に示す実験結果は、本実施例の場合と同様に炉内温度を８００°Ｃ、冷却水の流量を５Ｌ／ｍｉｎとした条件下で行なったものである。
【００８０】
図１１及び図１２に示されるように、従来の冷却システム１０では、冷却水導入部を０（基点）とした際、時計回りに角度１８０°付近で温度低下（およそ２２５°Ｃから１７５°Ｃへ低下）することが分かる。さらに、時計回りに角度１８０°付近から３６０°付近にかけて、温度上昇（およそ１７５°Ｃから２５０°Ｃへ上昇）することが分かる。
【００８１】
この実験結果から従来の冷却システム１０の円周方向の最大温度部と最小温度部での温度差は、およそ７５°Ｃにもなる。この実験結果の温度分布は、冷却システム１０の構造および冷却水の導入方法に影響を受けている。つまり、冷却水が冷却システム１０の導入され排出されるまでの温度上昇が、このような円周方向への温度分布のばらつきを発生させたものと考えられる。
【００８２】
これは、発熱体であるＳｉウエハ１８に対して均一な冷却を行なっていないことに相当する。ひいては、薄膜形成後のＳｉウエハ１８ヘの温度分布のばらつきによる温度影響も懸念される。
【００８３】
これに対し、本発明の二重管式冷却システム３０では、上記従来のものと比較して、円周方向での温度分布のばらつきが小さくＳｉウエハ１８を全周で均等に冷却することが可能である。このように二重管式冷却システム３０による温度分布が良好である理由としては、Ｓｉウエハ１８の円周に対し複数の並列管路からパラレルに冷却水を供給する点と、内側冷却経路３２と外側冷却経路３４との間に介在された断熱材４０の影響によるものと考える。
【００８４】
すなわち、二重管式冷却システム３０では、Ｓｉウエハ１８を全周で均一な冷却が行なわれ、ひいては、薄膜形成後のＳｉウエハ１８ヘの温度影響も均一である。よって、二重管式冷却システム３０によれば、クリーンルーム内の温度を一定に保つように温度調節を行う空調設備の負荷が軽減され、ひいては温室効果ガス（ＣＯ２）の排出量の削減にも貢献できる。
【００８５】
ここで、図１３及び図１４を参照して二重冷却水管路３８の半径方向の温度分布について説明する。
【００８６】
図１３はヒータ外周に設けられた断熱材からの距離と温度との関係を示すグラフである。図１４は二重管式冷却システム３０の半径方向の構成を簡略化して示す図である。尚、図１３に示す実験結果は、炉内温度を８００°Ｃに設定し、冷却水の流量を０．５〜７Ｌ／ｍｉｎとした場合の、二重管式冷却システム３０の半径方向温度変化を示す。また、図１４では、横軸がヒータ外周部の断熱材２４の内面を０（基点）とした半径方向への距離を示す。
【００８７】
図１３及び図１４に示されるように、冷却水の流量の違いに関わらず、ヒータ２２に近接する断熱材２４の内表面温度は、約９２０°Ｃに達し、断熱材２４の外表面温度は、約４００°Ｃに低下する。また、二重管式冷却システム３０の内表面温度は、約３６０°Ｃになり、二重管式冷却システム３０の外表面温度は、約６０°Ｃに低下する。
【００８８】
ここで、図１５及び図１６を参照して従来の冷却システム１０の半径方向の温度分布（温度勾配）について説明する。
【００８９】
図１５は従来システムのヒータ外周に設けられた断熱材からの距離と温度との関係を示すグラフである。図１６は従来の冷却システム１０の半径方向の構成を簡略化して示す図である。尚、図１５では炉内温度を８００°Ｃに設定し、冷却水の流量をＯ．５〜７Ｌ／ｍｉｎとした場合の、従来の冷却システムの半径方向温度変化を示す。また、図１５では、横軸がヒータ外周部に対向する断熱材２４の内面を０（基点）とした半径方向への距離を示す。
【００９０】
図１５及び図１６に示されるように、冷却水の流量の違いに関わらず、断熱材２４の内表面温度は、約９００°Ｃに達し、断熱材２４の外表面温度は、４２０°Ｃに低下する。また、冷却システム１０の内表面温度は、約２４０°Ｃになり、冷却システム１０の外表面温度は、約８０°Ｃに低下する。
【００９１】
図１３に示す本発明の実験結果と図１５に示す従来システムの実験結果とを比較すると、先ず、冷却システム外表面温度が従来の８０°Ｃに対して本発明が６０°Ｃであるので、２０°Ｃの温度低下が可能となり、冷却システム外表面からクリーンルームへの熱放出が低減できることを確認できた。
【００９２】
さらに、システム内面温度は、従来の２４０°Ｃから本発明のように３６０°Ｃへ高温化させることにより、炉内からの熱放出のほとんどを二重管式冷却システム３０の内表面で受け、冷却水の循環により熱回収することが可能となり、後述する熱回収効率を向上することが可能となった。
【００９３】
ここで、従来の冷却システム１０の熱回収効率が２０％〜３０％と極めて低い原因は、断熱材２４の外表面温度（約４２０°Ｃ）から冷却システム１０の内表面温度（約２４０°Ｃ）への急激な温度低下により効率よく冷却システム側へ熱伝導していないことが考えられる。
【００９４】
さらに、従来の冷却システム１０の外表面温度は、約８０°Ｃであることから、冷却システム１０の内表面で受けた熱を効率よく冷却水へ伝達せずに冷却システム１０の外表面から空気層５０を介してクリーンルームへ放出しているため、熱回収効率が２０％〜３０％であると考えられる。
【００９５】
図１７は、断熱材２４と冷却システムとの間に介在する空気層５０について半径方向への温度分布の実験結果を示すグラフである。尚、図１７では、横軸が断熱材２４の外表面を０（基点）とした半径方向への距離を表す。
【００９６】
図１７に示されるように、空気層５０は、断熱材２４の外表面から５ｍｍの位置を境界として高温層と低温層の２層によって構成されていることが分かった。この温度分布の結果から、この空気層５０では熱対流現象が生じていることが推察される。
【００９７】
また、断熱材２４の表面では、空気層５０に放出された熱が、直接冷却システム１０に伝達することなく、一旦熱対流に従い上方へ移動し、冷却システム上部の低温部分にて冷却される。この際の熱は、冷却システム１０の外部へ放出され、冷却された空気が冷却システム１０の表面に沿って下降する現象が発生しているものと思われる。
【００９８】
そのため、空気層５０を介した冷却システム１０の内面温度は２４０°Ｃ（図１５参照）となり、これにより熱回収効率が２０〜３０％に留まることとなったと推察される。
【００９９】
ここで、図１８乃至図２０を参照して本発明の二重管式冷却システム３０の熱回収効率について説明する。また、図２１に従来の冷却システム１０の熱回収率の冷却水流量との関係を示す。
【０１００】
図１８は二重管式冷却システム３０の冷却水量、および炉内設定温度に対する冷却効率を示すグラフである。尚、図１８において、ヒータ２２ヘ投入された電気エネルギーに対する回収熱量の比を冷却効率として表す。
【０１０１】
図２１に示すように、従来の冷却システム１０の熱回収効率は、約２０％程度である。これに対して、二重管式冷却システム３０では、図１８に示すように、冷却水の流量が約２〜７Ｌ／ｍｉｎの領域で７０〜７５％の高い熱回収効率を持つことが確認された。
【０１０２】
つまり、二重管式冷却システム３０に変更することにより、熱回収効率は従来の約３倍程度に向上させることが可能となる。
【０１０３】
図１９に示されるように、このとき、二重管式冷却システム３０に供給される冷却水の流量に拘らず、炉体にて消費される電気エネルギーを増加させることはなかった。このことは、従来の冷却システム１０で回収できずに空気層５０を介して系外へ放出されていた熱、もしくは他の冷却システムで補助的に回収されていた熱を一つの二重管式冷却システム３０にて回収することが可能となった。
【０１０４】
しかも、二重管式冷却システム３０によれば、冷却水の流量を２Ｌ／ｍｉｎまで減少させても熱回収効率を約７０％の保つことができるので、熱回収効率を高めた状態のまま冷却水の流量を削減することが可能である。これは、二重管式冷却システム３０の内側の空気層５０における熱対流を抑制したからであると考えられる。
【０１０５】
しかし、図１８に示されるように、冷却水の流量が２Ｌ／ｍｉｎ以下の領域において、急激な冷却効率の低下が生じることも確認された。この現象は、従来の冷却システム１０で冷却水の流量が１Ｌ／ｍｉｎ以下の領域においても生じる兆候を図２１のグラフからも確認できる。
【０１０６】
この低流量域での熱回収効率の低下については、レイノルズ数Ｒｅにて説明することができる。レイノルズ数は、式（２）のように流体密度ρ（ｋｇｍ３）、流体流速ｖ（ｍ／ｓｅｃ）、流路の管径ｄ（ｍ）、流体の粘度μ（Ｐａ・ｓｅｃ）で表されるか、もしくは式（３）のように流体流速ｖ（ｍ／ｓｅｃ）、流路の管径ｄ（ｍ）、流体の動粘度ｖ（ｍ２／ｓｅｃ）で表される無次元数である。
【０１０７】
Ｒｅ＝ρｖｄ／μ      （２）
＝ｖｄ／ｖ        （３）
このレイノルズ数の大きさによって、流体（本実施例では、冷却水）が乱流であるか層流であるかを見極めることが可能である。流体が乱流から層流への遷移が生じるレイノルズ数を臨界レイノルズ数といい、レイノルズ数が臨界値を下回る際は、流体は層流となり、逆に上回る際は、乱流となる。流体が水平方向への流れが生じる場合の値は約２０００であることが知られている。
【０１０８】
このとき、流体が熱に晒される場合、その熱伝導率は流体が乱流であるか、層流であるかによって大きく異なる。つまり、二重管式冷却システム３０の熱伝導率は、レイノルズ数に支配される。例えば、水平方向への流れの場合、Ｒｅ＝２０００以上つまり乱流では熱伝導率が大きくなり、Ｒｅ＝２０００以下つまり層流では熱伝導率が小さくなる。
【０１０９】
また、この乱流から層流への遷移は、流体の流れが上昇流か下降流かによって異なってくる。上昇流の場合、冷却水そのものの流れと、熱対流による上昇流により、臨界レイノルズ数は小さくなる傾向を示す。また、下降流の場合は、その逆の現象が生じる。
【０１１０】
そして、従来の冷却システム１０においては、冷却水の流れが上昇流と下降流とが交互に行われるため、冷却水管路１１（図３参照）を流れる冷却水によるレイノルズ数の変化は相互に打ち消され、水平流の場合と同様に臨界レイノルズ数が２０００付近に存在する。
【０１１１】
これに対し、本発明の二重冷却水管路３８の場合、主に熱回収する部位は冷却水が内側冷却経路３２の複数の直管３２ａを流れる上昇流域であるため、臨界レイノルズ数は小さくなる傾向を示し、Ｒｅ＝１０００付近となる。この臨界レイノルズ数に相当する冷却水の流量が、従来方式で１Ｌ／ｍｉｎであり、本発明の二重管式冷却システム３０では、２Ｌ／ｍｉｎである。
【０１１２】
以上の理由により、本発明の二重管式冷却システム３０は、冷却水の流量を２Ｌ／ｍｉｎに削減しながらも、従来システムの３倍の熱回収効率を確保することが可能である。
【０１１３】
また、二重管式冷却システム３０での低流量運用時には、冷却水のレイノルズ数が、上昇流の場合Ｒｅ＝１０００以上となるような冷却水管路１１の配管経路と、送水ポンプＰ４による流量制御を行なう必要がある。
【０１１４】
ここで、二重管式冷却システム３０に用いられた冷却水管路１１の内径、および流体流速の最適化について説明する。
【０１１５】
先ず、前提条件として、二重管式冷却システム３０において、排出水の温度が８０°Ｃ以上となり、熱回収効率が４〜７Ｌ／ｍｉｎ時と同様な７０％となることとし、冷却水の最小流量を決定する。また、炉内温度を８００°Ｃに保つ際に、ヒータ２２にて消費された電力は６ｋＷ（図１９参照）であったことから、回収されるべき熱量ｑは、その７０％に相当する４．２ｋＷである。
【０１１６】
また、２５°Ｃの冷却水を二重管式冷却システム３０に供給し、８０°Ｃ以上の冷却水を二重管式冷却システム３０から排出させた場合、冷却水の温度差Δｔは、５５°Ｃ以上である。その際の冷却水の流量は、前述したように約１Ｌ／ｍｉｎと算出される。
【０１１７】
これが、本実施例で熱回収効率７０％以上を維持するための最小流量となる。そこで、１．０Ｌ／ｍｉｎの冷却水を供給する際に二重管式冷却システム３０の配管径は、次のように求めることができる。
【０１１８】
尚、二重管式冷却システム３０の配管径の算出方法としては、前述の（３）式を用い、レイノルズ数がＲｅ＝１０００以上（乱流）とすることを条件にして配管径ｄを求める。冷却水が乱流で流れることにより、層流状態よりも二重冷却水管路３８の配管内面から冷却水への熱伝導が効率良く行われる。
【０１１９】
その結果、配管径（内径）は、７．１ｍｍ以下となる。その際の冷却水流速が０．０５ｍ／ｓｅｃ以上となるようにすることで、冷却水のさらなる低流量化、および高熱回収が可能になる。
【０１２０】
ここで、上記のように最小流量、配管径（内径）を求める計算例を例示する。
【０１２１】
本実施例の冷却システム３０に１．０Ｌ／ｍｉｎの冷却水を供給し、７０％以上の熱回収効率を得るための流路配管径の算出する場合、以下のような計算式を用いて求まる。
【０１２２】
Ｒｅ＝ｖｄ／ｖ≧１０００                  …（４）
ｖ＝Ｑ／Ｓ／６０
＝Ｑ／｛（ｄ／２）２π×８｝／６０        …（５）
Ｒｅ＝［Ｑ／｛（ｄ／２）２πｘ８｝／６０］ｄ／ｖ
≧１０００                            …（６）
Ｑ＝１．０（Ｌ／ｍｉｎ）                    …（７）
ν＝３．６５ｘｌＯ−７（ｍ２／ｓｅｃ）        …（８）
上式において、Ｒｅはレイノルズ数、ｖは冷却水の流速（ｍ／ｓｅｃ）、Ｑは流量（Ｌ／ｍｉｎ）、Ｓは流路断面積（ｍ２）、νは冷却水の動粘度（ｍ２／ｓｅｃ）である。
【０１２３】
上式の演算結果より冷却水の流量をＱ＝１．０（Ｌ／ｍｉｎ）にして熱回収効率７０％以上を確保するためには、配管径（内径）はｄ≧７．１（ｍｍ）、最小流速はｖ≧Ｏ．０５（ｍ／ｓｅｃ）となる。
【０１２４】
図２２は二重管式冷却システム３０の冷却水流量に対する冷却熱量、電力及び冷却水温度差の変化を示すグラフである。図２３は従来の冷却システム１０の冷却水流量に対する冷却熱量、電力及び冷却水温度差の変化を示すグラフである。
【０１２５】
図２２に示されるように、二重管式冷却システム３０では、冷却水流量に拘らず、電力はほぼ６ＫＷで一定している。また、冷却水流量が１．０（Ｌ／ｍｉｎ）に減少すると、冷却水温度差ΔＴが最大値である約４０°Ｃまで上昇して熱回収効率が高まることが分かる。
【０１２６】
これに対し、従来の冷却システム１０では、図２３に示されるように、本実施例と同様に冷却水流量に拘らず、電力はほぼ６ＫＷで一定している。また、従来の冷却システム１０では、冷却水流量を１．０（Ｌ／ｍｉｎ）に制御しても、冷却水温度差ΔＴが約１５°Ｃ程度にしかならず、本実施例のものよりも熱回収効率が低いことが分かる。
【０１２７】
ここで、変形例について説明する。
図２４は冷却システムの変形例１の概略構成を示す図である。
図２４に示されるように、変形例１では、二重管式冷却システム３０の内側に熱吸収率の高いブラックボード（熱吸収体）５２が設けられている。ブラックボード５２は、円筒形状に形成されており、ヒータ２２によって加熱された複数のＳｉウエハ１８の外周を囲むように設けられている。
【０１２８】
ブラックボード５２は、熱吸収効率を高めるため、表面が黒色処理されている。そして、複数のＳｉウエハ１８を載置したステージ１６がヒータ２２の下方に降下すると共に、昇降ベース２６が降下することにより、二重管式冷却システム３０及びブラックボード５２は、複数のＳｉウエハ１８の外周に対向する位置に降下する。
【０１２９】
この降下状態では、複数のＳｉウエハ１８の熱が空気層５４を介してブラックボード５２の内面に輻射してブラックボード５２の表面温度が上昇する。ブラックボード５２の熱は、二重管式冷却システム３０の内側冷却経路３２を流れる冷却水に伝導されて回収される。
【０１３０】
このように、熱吸収効率の高いブラックボード５２を発熱体であるＳｉウエハ１８の周囲に配置することで、二重管式冷却システム３０における熱回収効率をより高めることができる。
【０１３１】
図２５は冷却システムの変形例２の概略構成を示す図である。
図２５に示されるように、変形例２では、二重管式冷却システム３０の内側に熱吸収率の高いブラックボード５２を設け、ヘリウム供給装置５６から供給されたヘリウム（Ｈｅ）をブラックボード５２の内部空間に充填してヘリウム層５８を形成する。そのため、複数のＳｉウエハ１８は、ブラックボード５２の内部空間にヘリウムが充填された雰囲気中に収納された状態で二重管式冷却システム３０によって冷却される。
【０１３２】
ヘリウムは、空気などの気体よりも熱伝導率が良いので、Ｓｉウエハ１８から放射された熱を効率良くブラックボード５２の内面に伝達することが可能である。そのため、変形例２では、ヘリウム層５８とブラックボード５２が二重管式冷却システム３０の内側に形成されるため、上記変形例１の場合よりも熱伝導率が向上しており、二重管式冷却システム３０における熱回収効率をより高めることができる。
【０１３３】
図２６は従来の方式及び上記変形例１、２の冷却によるＳｉウエハ１８の温度変化を示すグラフである。尚、図２６において、グラフＩはＳｉウエハ１８を鏡面ステンレスとスチール製の筐体内で自然に冷却した場合のグラフである。グラフＩＩは従来の強制対流方式の冷却システムでＳｉウエハ１８を冷却した場合のグラフである。グラフＩＩＩは変形例１の冷却システムでＳｉウエハ１８を冷却した場合のグラフである。グラフＩＶは変形例２の冷却システムでＳｉウエハ１８を冷却した場合のグラフである。
【０１３４】
上記グラフＩ〜ＩＶを比較すると、８００°Ｃに加熱されたＳｉウエハ１８の温度は、従来方式のグラフＩでは５０分間経過しても約１８０°Ｃまでしか下がらず、従来方式のグラフＩＩでは５０分間経過しても約７０°Ｃまでしか下がらないことが分かる。
【０１３５】
これに対し、変形例１のグラフＩＩＩでは４０分間経過すると、Ｓｉウエハ１８の温度は約４０°Ｃまで下がり、変形例２のグラフＩＩでは２０分間経過すると、約５０°Ｃまで下がることが分かる。
【０１３６】
従って、この実験結果から、変形例１，２の場合、上記従来方式のものよりも短い時間でＳｉウエハ１８の温度を８００°Ｃから５０°Ｃに冷却することが可能になる。
【０１３７】
図２７は変形例３のシステム系統図である。
図２７に示されるように、変形例３の冷却設備６０では、上記二重管式冷却システム３０に供給される冷却水供給温度をクリーンルームの室温と同じ２３°Ｃに制御しており、この冷却水が送水ポンプＰ４及び送水ラインＬ４を介して二重管式冷却システム３０の二重冷却水管路３８へ供給され、半導体製造装置１４の発熱部から熱回収を行なう。
【０１３８】
このとき、冷却設備６０では、二重管式冷却システム３０の二重冷却水管路３８に供給される冷却水の排出温度が６０°Ｃ、供給温度との温度差が３７°Ｃとなるように冷却水の流量を制御する。この冷却設備６０の場合、二重冷却水管路３８に供給される冷却水の流量は、例えば、従来の冷却システム１０の場合の５４０００（Ｌ／ｈｒ）に対して４２６０（Ｌ／ｈｒ）に減少することが分かった。このことにより、送水ポンプＰ４に必要とされる軸動力は、上記実施例のものよりもさらに削減することが可能となる。
【０１３９】
さらに、二重冷却水管路３８から排出された水は、熱交換器ＨＥＸにより６０°Ｃから２３°Ｃに冷却される。その際には、熱交換器ＨＥＸでは、従来のような冷水による冷却ではなく、加熱源を必要とする外気処理装置（例えば、冷却棟ＣＴ等）の再熱部分または予熱部分（図示せず）、他の生産装置の加温部分（図示せず）にて熱放出することにより、冷却水を２３°Ｃに戻す。
【０１４０】
この方法を取ることにより、従来の冷却設備２８で必要とされていた大型の冷凍機Ｒや冷水槽ＣＷＴ、及び５°Ｃ系の送水ポンプＰ２，Ｐ３及び送水ラインＬ２，Ｌ３は不要となる。従って、冷却設備６０では、上記実施例の冷却設備４２よりも設備機器点数の削減ならびに送水ラインの簡素化が実現でき、冷却設備における初期コストおよび運転コストの大幅な削減が可能となり、エネルギー生産性の向上が実現される。
【０１４１】
また、冷却設備６０で消費されるエネルギーは、５．５ＫＷで済み、従来の冷却設備２８で消費されるエネルギーが３０ＫＷに対して約１／６に削減することが可能になる。
【０１４２】
尚、上記実施例では、本発明の冷却システムを半導体製造装置１４の発熱を冷却する冷却システムに適用した構成を一例として挙げたが、これに限らず、他の製造装置などの発熱部分を冷却するのにも適用できるのは勿論である。
【０１４３】
【発明の効果】
上述の如く、請求項１記載の発明によれば、ヒータにより加熱される発熱体を収納する収納室と、収納室を囲むように形成された冷却経路とを有し、冷却経路に冷却水を供給して発熱体を冷却するように構成された冷却システムにおいて、冷却経路は、複数の管路が収納室の周囲を囲むように並列に配置された第１の経路と、複数の管路が第１の経路の外周を囲むように並列に配置された第２の経路と、第１の経路と前記第２の経路との間を連通する複数の連通路と、からなるため、冷却水を並列に配置された複数の管路に供給して冷却水による熱回収効率を高めることができる。さらに、熱回収効率を高めることにより、温室効果ガス（ＣＯ２）の排出量の削減にも貢献できる。
【０１４４】
請求項２記載の発明によれば、冷却水を乱流となる流速で第１の経路及び第２の経路に供給するため、第１の経路及び第２の経路の管内温度分布を均一にして冷却水による熱回収効率を高めることができる。
【０１４５】
請求項３記載の発明によれば、冷却水をレイノルズ数が１０００以上となる流速で第１の経路及び第２の経路に供給するため、冷却水が乱流状態で第１の経路及び第２の経路に送水され、第１の経路及び第２の経路の管内温度分布を均一にして冷却水による熱回収効率を高めることができる。
【０１４６】
請求項４記載の発明によれば、冷却水供給部を第１の経路または第２の経路の何れか一方に連通し、冷却水排出部を第１の経路または第２の経路の何れか他方に連通したため、第１の経路及び第２の経路の管内温度分布を均一にして冷却水による熱回収効率を高めることができる。
【０１４７】
請求項５記載の発明によれば、収納室と第１の経路との間に熱を吸収する熱吸収体を設けたため、収納室で発生した熱を熱吸収体で吸収し、熱吸収体の周囲を冷却することにより熱回収効率を高めることができる。
【０１４８】
請求項６記載の発明によれば、収納室に熱伝導性の高いガスを充填するガス充填ユニットを備えたため、収納室で発生した熱を熱伝導性の高いガスを介して回収し、熱回収効率を高めることができる。
【０１４９】
請求項７記載の発明によれば、第１の経路と第２の経路との間に断熱材を介在させたため、第１の経路と第２の経路との間の熱伝導を抑制すると共に、収納室からの熱が周囲に伝導することを防止することができる。
【０１５０】
請求項８記載の発明によれば、第１の経路が複数の管路の流出側端部を連通する流出側共通管路を備えたため、複数の管路を通過した冷却水を同時に排出して熱回収効率を高めることができる。
【０１５１】
請求項９記載の発明によれば、第２の経路が複数の管路の流入側端部を連通する流入側共通管路を備えたため、複数の管路に同時に冷却水を供給して熱回収効率を高めることができる。
【０１５２】
請求項１０記載の発明によれば、流出側共通管路から流出された冷却水を熱交換器に供給するため、第１の経路及び第２の経路を通過して温度上昇した冷却水を熱交換器で冷却して第１の経路及び第２の経路に供給することにより熱回収効率を高めることができる。
【０１５３】
請求項１１記載の発明によれば、冷却水を乱流となる流速で流入側共通管路に供給するため、第１の経路及び第２の経路の管内温度分布を均一にして冷却水よる熱回収効率を高めることができる。
【０１５４】
請求項１２記載の発明によれば、複数の管路が所定の間隔で収納室に対向するように平行に配置されたため、収納室の全周を均等に冷却して熱回収効率を高めることができる。
【０１５５】
請求項１３記載の発明によれば、複数の連通路が複数の管路の夫々の端部から分岐するように並列に配置されたため、複数の連通路を介して第１の経路からの冷却水を第２の経路の複数の管路へ供給することにより、収納室の全周を均等に冷却して熱回収効率を高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来の冷却システムが取り付けられた半導体製造装置の概略構成を示す縦断面図である。
【図２】従来の冷却システム１０が適用された冷却設備の一例を示す系統図である。
【図３】従来の冷却システム１０に用いられた冷却水経路１１を示す展開図である。
【図４】冷却水管路１１の取付状態を示す斜視図である。
【図５】本発明になる冷却システムの一実施例を示す縦断面図である。
【図６】本発明の二重管式冷却システム３０が適用された冷却設備の一例を示す系統図である。
【図７】二重管式冷却システム３０に用いられた二重冷却水経路３８を示す展開図である。
【図８】二重冷却水管路３８の取付状態を示す斜視図である。
【図９】二重管式冷却システム３０を上方からみた横断面図である。
【図１０】二重冷却水管路３８の円周方向の温度分布を示すグラフである。
【図１１】従来の冷却システム１０を上方からみた横断面図である。
【図１２】従来の冷却水管路１１の円周方向の温度分布を示すグラフである。
【図１３】ヒータ外周に設けられた断熱材からの距離と温度との関係を示すグラフである。
【図１４】二重管式冷却システム３０の半径方向の構成を簡略化して示す図である。
【図１５】従来システムのヒータ外周に設けられた断熱材からの距離と温度との関係を示すグラフである。
【図１６】従来の冷却システム１０の半径方向の構成を簡略化して示す図である。
【図１７】断熱材２４と冷却システムとの間に介在する空気層５０について半径方向への温度分布の実験結果を示すグラフである。
【図１８】二重管式冷却システム３０の冷却水量、および炉内設定温度に対する冷却効率を示すグラフである。
【図１９】二重管式冷却システム３０を用いた場合のヒータ温度と電力との関係を示すグラフである。
【図２０】冷却水の流量とレイノルズ数との関係を示すグラフである。
【図２１】従来の冷却システム１０の熱回収率の冷却水流量との関係を示すグラフである。
【図２２】二重管式冷却システム３０の冷却水流量に対する冷却熱量、電力及び冷却水温度差の変化を示すグラフである。
【図２３】従来の冷却システム１０の冷却水流量に対する冷却熱量、電力及び冷却水温度差の変化を示すグラフである。
【図２４】冷却システムの変形例１の概略構成を示す図である。
【図２５】冷却システムの変形例２の概略構成を示す図である。
【図２６】従来の方式及び上記変形例１、２の冷却によるＳｉウエハ１８の温度変化を示すグラフである。
【図２７】変形例３のシステム系統図である。
【符号の説明】
１２  反応室
１４  半導体製造装置
１６  ステージ
１８  Ｓｉウエハ
２０  石英ベルジャ
２２  棒状ヒータ
２４  断熱材
２６  昇降ベース
３０  二重管式冷却システム
３２  内側冷却経路
３４  外側冷却経路
３６  連通路
３８  二重冷却水管路
４０  断熱材
４２，６０  冷却設備
５０，５４  空気層
５２  ブラックボード
５６  ヘリウム供給装置
５８  ヘリウム層
【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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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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