(57)【要約】【課題】  超低温冷凍装置において、減圧器の回路構成に改良を加えることにより、冷却能力を損なうことなく冷却器を短時間で超低温レベルにする【解決手段】  過冷却器４７の１次側の吐出部に接続された主冷媒回路２ａの途中に、互いに並列に接続された第１及び第２の分岐回路８０，８１を形成し、この両分岐回路８０，８１の合流部よりも下流側の主冷媒回路２ａにクライオコイル５２を直列に接続する。そして、上記第１の分岐回路８０に第１の分岐キャピラリチューブ８０ａを直列に接続し、第２の分岐回路８１に電磁開閉弁８１ｂと第２の分岐キャピラリチューブ８１ａとをそれぞれ上流側から直列に接続する。【選択図】  図３
2005207662.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と、
上記圧縮機から吐出された上記混合冷媒のうち高沸点の冷媒を冷却して液化する凝縮器と、
上記凝縮器で液化された混合冷媒を高沸点冷媒から低沸点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と、
上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且つ減圧された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と、
上記複数段のうちの最終段のカスケード熱交換器の１次側から流出した低沸点冷媒を減圧する減圧手段と、
上記減圧手段で減圧された低沸点冷媒を蒸発させて冷却対象を超低温レベルに冷却する冷却器とが冷媒回路によって接続された超低温冷凍装置において、
上記最終段のカスケード熱交換器の１次側から上記冷却器へ冷媒を供給する冷媒回路は、互いに並列に接続された複数の分岐回路からなり、
上記減圧手段は、上記複数の分岐回路の各々に直列に接続された複数の分岐減圧手段からなり、
上記複数の分岐回路のうちの少なくとも１つに冷媒が流通されるように切り換える切換手段が設けられていることを特徴とする超低温冷凍装置。
【請求項２】
請求項１に記載された超低温冷凍装置において、
上記切換手段は、上記複数の分岐回路のうちの少なくとも１つに設けられた開閉弁であることを特徴とする超低温冷凍装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載された超低温冷凍装置において、
上記複数の分岐減圧手段は、それぞれ異なる減圧能力を有していることを特徴とする超低温冷凍装置。
【請求項４】
請求項１乃至３のうち何れか１項に記載された超低温冷凍装置において、
上記分岐減圧手段は、キャピラリチューブであることを特徴とする超低温冷凍装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超低温レベルの寒冷を発生させる超低温冷凍装置に関し、特に冷却器に至る冷媒を減圧させるための減圧手段の回路構成に関するものである。
【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、沸点温度の異なる数種類の冷媒からなる混合冷媒を、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。この種の超低温冷凍装置は、例えば、ウェハー等の製造に用いる真空成膜装置の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上げるために使用されている。
【０００３】
このような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、減圧器と、冷却器（蒸発器）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、ガス冷媒と上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減圧器で減圧させて冷却器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、この冷却器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。
【特許文献１】特開平６−３４７１１２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、上記超低温冷凍装置においては、冷却器を短時間で常温から超低温レベルに冷却することが要求され、例えば真空成膜装置の稼働率を向上させることができて好ましい。ここで、上記減圧器としてキャピラリチューブを用いる場合、キャピラリチューブの全長を短くして流路抵抗を小さくすると、冷却器を短時間で低温レベルに冷却でき、上記要求を満たす。しかしその反面、所定の冷却温度まで冷却するための冷却能力を確保することが難しかった。
【０００５】
これに対し、キャピラリチューブの全長を長くして流路抵抗を大きくすると、低沸点冷媒の蒸発温度に相当する蒸発圧力まで冷媒が減圧されて冷却対象を超低温レベルに冷却することはできるが、冷媒の抵抗損失が大きくなり短時間で急速に冷却することが困難になる。
【０００６】
このように、従来の減圧器の回路構成では、冷却器を短時間で超低温レベルに冷却することが困難であった。
【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、超低温冷凍装置において、減圧器の回路構成に改良を加えることにより、冷却能力を損なうことなく冷却器を短時間で超低温レベルに冷却できるようにすることにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は、上記目的に対して、冷却器に至る冷媒回路を互いに並列に接続した複数の分岐回路としてその各々に分岐減圧手段を接続し、冷媒をそれら複数の分岐減圧手段に選択的に流通させるようにした。
【０００９】
すなわち、請求項１の発明は、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と、
上記圧縮機から吐出された上記混合冷媒のうち高沸点の冷媒を冷却して液化する凝縮器と、
上記凝縮器で液化された混合冷媒を高沸点冷媒から低沸点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と、
上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且つ減圧された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と、
上記複数段のうちの最終段のカスケード熱交換器の１次側から流出した低沸点冷媒を減圧する減圧手段と、
上記減圧手段で減圧された低沸点冷媒を蒸発させて冷却対象を超低温レベルに冷却する冷却器とが冷媒回路によって接続された超低温冷凍装置において、
上記最終段のカスケード熱交換器の１次側から上記冷却器へ冷媒を供給する冷媒回路は、互いに並列に接続された複数の分岐回路からなり、
上記減圧手段は、上記複数の分岐回路の各々に直列に接続された複数の分岐減圧手段からなり、
上記複数の分岐回路のうちの少なくとも１つに冷媒が流通されるように切り換える切換手段が設けられていることを特徴とする。
【００１０】
従って、本発明によれば、互いに並列に接続された複数の分岐回路の各々に分岐減圧手段が接続され、上記複数の分岐回路のうちの少なくとも１つに冷媒が流通されるように切り換える切換手段が設けられているから、この切換手段の切り換えにより冷媒を複数の分岐回路に分岐させて流通量を増やすことができる。よって、冷媒の流路抵抗の増大により冷却対象を所定の冷却温度まで冷却するための冷却能力を確保しつつ、その冷却温度に到達するまでの冷却時間を短縮することができる。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１に記載された超低温冷凍装置において、
上記切換手段は、上記複数の分岐回路のうちの少なくとも１つに設けられた開閉弁であることを特徴とする。
【００１２】
従って、本発明によれば、開閉弁を選択的に開弁することにより、複数の分岐回路に分岐する冷媒の流通量を調整することができる。これにより、冷却器における冷却温度及び冷却時間を任意に調整することができる。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項１又は２に記載された超低温冷凍装置において、
上記複数の分岐減圧手段は、それぞれ異なる減圧能力を有していることを特徴とする。
【００１４】
従って、本発明によれば、複数の分岐減圧手段がそれぞれ異なる減圧能力を有しているから、複数の分岐減圧手段がそれぞれ同じ減圧能力を有している場合に比べて、冷却器における冷却温度及び冷却時間の調整幅を大きくすることができる。
【００１５】
請求項４の発明は、請求項１乃至３のうち何れか１項に記載された超低温冷凍装置において、
上記分岐減圧手段は、キャピラリチューブであることを特徴とする。
【００１６】
従って、本発明によれば、分岐減圧手段としてキャピラリチューブを用いることで、超低温領域においても確実に低沸点冷媒の減圧を行うことができる。これにより、例えば減圧手段として膨張弁等を用いた場合に比べて信頼性が高く、装置を安定稼動させる上で有利となる。また、キャピラリチューブは膨張弁に比べると低価格であるため、設備費を大幅に削減することが可能となる。
【発明の効果】
【００１７】
以上のように、請求項１に係る発明によれば、超低温冷凍装置の最終段のカスケード熱交換器の１次側から冷媒を冷却器に供給するための冷媒回路を複数に分岐させ、その各分岐回路に減圧手段を接続して、切換手段の切り換えにより冷媒を複数の分岐回路に分岐させて流通量を増やすことができ、冷却対象を所定の冷却温度まで冷却するための冷却能力の確保を図りつつ、その冷却温度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。
【００１８】
請求項２に係る発明によれば、分岐回路の少なくとも１つに設けられた開閉弁により、冷却器における冷却温度及び冷却時間を任意に調整することができる。
【００１９】
請求項３に係る発明によれば、冷却器における冷却温度及び冷却時間の調整幅をさらに大きくすることができる。
【００２０】
請求項４に係る発明によれば、超低温領域においても確実に減圧作業を行うことができ、装置を安定稼動をする上で有利となり信頼性の向上につながるとともに、設備費を大幅に削減することが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。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全くない。
【００２２】
＜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。
【００２３】
上記真空成膜装置Ａには本発明の冷凍システムを構成する超低温冷凍装置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内の真空レベルを上げるようになっている。
【００２４】
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。
【００２５】
上記超低温冷凍装置１０は、冷媒として沸点温度が互いに異なる５種類又は６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。
【００２６】
図３は超低温冷凍装置１０の全体構成を示し、１は上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。上記第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凝縮させて液化するようになっている。
【００２７】
上記補助コンデンサ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、上記補助コンデンサ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、減圧手段としての第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凝縮させて液化するようになっている。
【００２８】
さらに、上記第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、減圧手段としての第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凝縮させて液化するようにしている。
【００２９】
さらに、上記接続構造と同様にして、上記第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上記第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最も低い温度のガス冷媒を凝縮させて液化するようにしている。
【００３０】
そして、上記第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、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。
【００３１】
上記副冷媒回路２ｂの途中には第５キャピラリチューブ４８が接続されている。また、副冷媒回路２ｂの下流端は同じ過冷却器４７の２次側に接続され、この過冷却器４７の２次側は冷媒回路を介して上記第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。
【００３２】
次に、本発明の特徴部分について説明する。上記主冷媒回路２ａの途中は、互いに並列に接続された第１及び第２の分岐回路８０，８１に分岐され、この両分岐回路８０，８１の下流端合流部よりも下流側の主冷媒回路２ａにはクライオコイル５２が直列に接続されている。
【００３３】
上記第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。ここで、上記電磁開閉弁８１ｂは、第２の分岐回路８１に冷媒が供給されるように切り換える切換手段を構成している。また、第１及び第２の分岐キャピラリチューブ８０ａ，８１ａには、互いに異なる減圧能力を有したキャピラリーチューブが用いられている。
【００３４】
上記クライオコイル５２は主冷却器を構成するもので、図１又は図２に示すように、上記真空チャンバ１２０内の冷却対象としての気体や水分を冷却する。主冷媒回路２ａの下流端は、上記第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おり、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内の気体や水分（冷却対象）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。
【００３５】
また、上記過冷却器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回路により接続され、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。
【００３６】
なお、上記クライオコイル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、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。
【００３７】
また、上記コンデンサ２１，２２、熱交換器２５，３１，３７，４３及び過冷却器４７は、２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。
【００３８】
また、図３において、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、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との間の主冷媒回路２ａとを接続している。６１はデフロスト回路６０の途中に接続された電磁開閉弁、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において上記デフロスト回路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）に接続された電磁開閉弁である。
【００３９】
また、上記デフロスト回路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、上記第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。
【００４０】
そして、図１に示す真空成膜装置Ａの真空チャンバ１２０を真空状態にしてウェハーに成膜する通常運転時には、電磁開閉弁６１の閉弁によりデフロスト回路６０を閉じかつ電磁開閉弁６２の開弁により主冷媒回路２ａを開くことで、クライオコイル５２で低沸点冷媒を蒸発させ、真空チャンバ１２０内の気体や水分を冷却して捕捉する一方、開閉扉１２３を開いて真空チャンバ１２０でウェハーに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を開きかつ電磁開閉弁６２の閉弁により主冷媒回路２ａを閉じることで、圧縮機２０から吐出された高温のガス冷媒（ホットガス）をそのままデフロスト回路６０を経てクライオコイル５２に供給して、クライオコイル５２での気体等の捕捉を戻すようにしている。
【００４１】
なお、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。
【００４２】
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。
【００４３】
以上のように構成された実施形態においては、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凝縮されて液化する。
【００４４】
上記第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、この蒸発熱により上記第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。
【００４５】
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。
【００４６】
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あらかじ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。
【００４７】
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。よって、冷媒の流路抵抗の増大により、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。延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。
【００４８】
さらに、減圧手段として第１及び第２の分岐キャピラリチューブ８０ａ，８１ａを用いることで、超低温領域においても確実に冷媒の減圧を行うことができ、減圧手段として膨張弁等を用いた場合に比べて信頼性が高く、装置を安定稼動させる上で有利となる。また、キャピラリチューブは膨張弁に比べると低価格であるため、設備費を大幅に削減することが可能となる。
【００４９】
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に供給されて、クライオコイル５２での気体等の捕捉が解除される。
【００５０】
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、上記と同様にして、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。
【００５１】
なお、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。
【００５２】
また、第１及び第２の分岐キャピラリチューブ８０ａ，８１ａには、互いに異なる減圧能力を有するキャピラリチューブを用いたが、同じ減圧能力のものを用いても構わない。
【００５３】
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。
【００５４】
また、本実施形態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。
【００５５】
＜実施形態２＞
図４は、本発明の実施形態２に係る超低温冷凍装置１０の冷媒回路である。上記実施形態１との違いは、過冷却器４７の１次側からクライオコイル５２の入口側までの間に接続されるキャピラリチューブの回路構成のみであるため、以下、実施形態１と同じ部分については同じ符号を付し、相違点についてのみ説明する。
【００５６】
すなわち、この実施形態では、主冷媒回路２ａの途中に、互いに並列に接続された第１乃至第４の分岐回路８０，８１，８２，８３が形成され、この第１乃至第４の分岐回路８０，８１，８２，８３の合流部よりも下流側の主冷媒回路２ａにはクライオコイル５２が直列に接続されている。
【００５７】
さらに、上記第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には第１の電磁開閉弁８１ｂと第２の分岐キャピラリチューブ８１ａとが、また第３の分岐回路８２には第２の電磁開閉弁８２ｂと第２の分岐キャピラリチューブ８２ａとが、さらに第４の分岐回路８３には第３の電磁開閉弁８３ｂと第４の分岐キャピラリチューブ８３ａとがそれぞれ上流側から直列に接続されている。ここで、第１乃至第４の分岐キャピラリチューブ８０ａ，８１ａ，８２ａ，８３ａには、互いに異なる減圧能力を有したキャピラリチューブが用いられている。その他の構成は実施形態１と同じである。
【００５８】
この実施形態においては、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の超低温冷凍装置１０の運転時には、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、第１の分岐キャピラリチューブ８０ａで減圧される一方、短時間で冷却対象を冷却できるように第１乃至第３の電磁開閉弁８１ｂ，８２ｂ，８３ｂを選択的に開弁することにより、第２乃至第４の分岐キャピラリチューブ８１ａ，８２ａ，８３ａに選択的に分岐して減圧され、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】
そして、図示しない温度検出器又は圧力検出器の検出値があらかじ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、例えば第１乃至第３の電磁開閉弁８１ｂ，８２ｂ，８３ｂ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。
【００６０】
従って、本実施形態に係る発明によれば、第１乃至第３の電磁開閉弁８１ｂ，８２ｂ，８３ｂを選択的に開弁することにより、冷媒を第２乃至第４の分岐キャピラリチューブ８１ａ，８２ａ，８３ａに選択的に分岐させることができ、真空チャンバ１２０内での冷却温度及びその冷却温度に到達する冷却時間を任意に調整することができる。
【００６１】
なお、本実施形態では、主冷媒回路２ａを第１乃至第４の分岐回路８０，８１，８２，８３の４つに分岐した回路構成であるが、これに限定されず、例えば３つに分岐したものや、さらに５つ以上に分岐した回路構成であっても構わない。この点は、以下の実施形態４についても同様である。
【００６２】
＜実施形態３＞
図５は、本発明の実施形態３に係る超低温冷凍装置１０の冷媒回路である。上記実施形態１との違いは、過冷却器４７からクライオコイル５２までの間に接続されるキャピラリチューブの回路構成のみであるため、以下、実施形態１と同じ部分については同じ符号を付し、相違点についてのみ説明する。
【００６３】
すなわち、主冷媒回路２ａの途中には、互いに並列に接続された第１及び第２の分岐回路８５，８６が形成され、この両分岐回路８５，８６の合流部よりも下流側の主冷媒回路２ａにはクライオコイル５２が直列に接続されている。
【００６４】
上記第１の分岐回路８５には第１の分岐キャピラリチューブ８５ａと第１の電磁開閉弁８５ｂとが、また、第２の分岐回路８６には第２の分岐キャピラリチューブ８６ａと第２の電磁開閉弁８６ｂとがそれぞれ上流側から直列に接続されている。ここで、第１及び第２の分岐キャピラリチューブ８５ａ，８６ａには、互いに異なる減圧能力を有するキャピラリチューブが用いられている。また、第１及び第２の電磁開閉弁８５ｂ，８６ｂとを同時に閉弁することでデフロスト時に主冷媒回路２ａが閉じられるため、図３に示す電磁開閉弁６２は冷媒回路１上から取り除かれている。その他の構成は実施形態１と同じである。
【００６５】
この実施形態においては、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の超低温冷凍装置１０の運転時には、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、第１及び第２の電磁開閉弁８５ｂ，８６ｂの開弁により第１及び第２の分岐キャピラリチューブ８５ａ，８６ａに分岐して減圧され、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。
【００６６】
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あらかじ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、第１又は第２の電磁開閉弁８５ｂ，８６ｂを閉弁して、冷媒を第１又は第２の分岐キャピラリチューブ８５ａ，８６ａのどちらか一方にのみ流通させる。
【００６７】
従って、本実施形態に係る発明によれば、第１及び第２の電磁開閉弁８５ｂ，８６ｂを選択的に開弁することにより、冷媒を第１及び第２の分岐キャピラリチューブ８５ａ，８６ａに選択的に分岐させることができ、真空チャンバ１２０内での冷却温度及びその冷却温度に到達する冷却時間を任意に調整することができる。
【００６８】
なお、第１及び第２の電磁開閉弁８５ｂ，８６ｂを同時に開弁せずに、どちらか一方電磁開閉弁８５ｂ，８６ｂのみを開弁させてもよい。
【００６９】
＜実施形態４＞
図６は、本発明の実施形態４に係る超低温冷凍装置１０の冷媒回路である。上記実施形態３との違いは、過冷却器４７からクライオコイル５２までの間に接続されるキャピラリチューブの回路構成のみであるため、以下、実施形態３と同じ部分については同じ符号を付し、相違点についてのみ説明する。
【００７０】
すなわち、この実施形態では、主冷媒回路２ａの途中に、互いに並列に接続された第１乃至第４の分岐回路８５，８６，８７，８８が形成され、この第１乃至第４の分岐回路８５，８６，８７，８８の合流部よりも下流側の主冷媒回路２ａにはクライオコイル５２が直列に接続されている。
【００７１】
さらに、上記第１の分岐回路８５には第１の分岐キャピラリチューブ８５ａと第１の電磁開閉弁８５ｂとが、第２の分岐回路８６には第２の分岐キャピラリチューブ８６ａと第２の電磁開閉弁８６ｂとが、第３の分岐回路８７には第２の分岐キャピラリチューブ８７ａと第３の電磁開閉弁８７ｂとが、さらに第４の分岐回路８８には第４の分岐キャピラリチューブ８８ａと第４の電磁開閉弁８８ｂとがそれぞれ上流側から直列に接続されている。ここで、第１乃至第４の分岐キャピラリチューブ８５ａ，８６ａ，８７ａ，８８ａには、互いに異なる減圧能力を有するキャピラリチューブが用いられている。その他の構成は実施形態１と同じである。
【００７２】
この実施形態においては、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の超低温冷凍装置１０の運転時には、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、短時間で冷却対象を冷却できるように第１乃至第３の電磁開閉弁８５ｂ，８６ｂ，８７ｂ，８８ｂを選択的に開弁することにより、第１乃至第４の分岐キャピラリチューブ８５ａ，８６ａ，８７ａ，８８ａに選択的に分岐して減圧され、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。
【００７３】
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の検出値があらかじ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、第１乃至第４の電磁開閉弁８５ｂ，８６ｂ，８７ｂ，８８ｂを適宜閉弁して、冷媒を第１乃至第４の分岐キャピラリチューブ８５ａ，８６ａ，８７ａ，８８ａに選択的に流通させる。
【００７４】
従って、本実施形態に係る発明によれば、第１乃至第４の電磁開閉弁８５ｂ，８６ｂ，８７ｂ，８８ｂを選択的に開弁することにより、冷媒を第１乃至第４の分岐キャピラリチューブ８５ａ，８６ａ，８７ａ，８８ａに選択的に分岐させることができ、真空チャンバ１２０内での冷却温度及びその冷却温度に到達する冷却時間を任意に調整することができる。
【産業上の利用可能性】
【００７５】
以上説明したように、本発明は、超低温冷凍装置に対し、互いに並列に接続した複数の分岐減圧手段を設け、冷媒を複数の分岐減圧手段に分岐させることで冷媒の流通量を増やすことができ、冷却対象を所定の冷却温度まで冷却するための冷却能力を確保しつつ、その冷却温度に到達するまでの冷却時間を短縮することができるという実用性の高い効果が得られることから、きわめて有用で産業上の利用可能性は高い。
【図面の簡単な説明】
【００７６】
【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】真空成膜装置の他の概略説明図である。
【図３】本発明の実施形態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】本発明の実施形態２を示す図３相当図である。
【図５】本発明の実施形態３を示す図３相当図である。
【図６】本発明の実施形態４を示す図３相当図である。
【符号の説明】
【００７７】
１０    超低温冷凍装置
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）
８０    第１の分岐回路
８０ａ  第１の分岐キャピラリチューブ
８１    第２の分岐回路
８１ａ  第２の分岐キャピラリチューブ
８１ｂ  電磁開閉弁
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2005207662.tif 000006
【図５】
2005207662.tif 000007
【図６】
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