(57)【要約】【課題】  デフロスト回路を設けた超低温冷凍装置において、その冷却効率を損なうことなく、潤滑油の除去を確実に行って冷却器に潤滑油が供給されないようにする。【解決手段】  圧縮機２０の吐出部に第１の油分離器１５を接続し、この第１の油分離器１５とクライオコイル５２の入口側とをデフロスト回路６０で接続し、このデフロスト回路６０に、上記第１の油分離器１５で除去しきれなかった潤滑油をガス冷媒から分離する第２の油分離器１６を接続する。【選択図】  図３
2005207637.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、
上記圧縮機の吐出側から上記凝縮器に至る上記混合冷媒から、混入された潤滑油を除去する第１の油分離器と、
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から流出し且つ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、
上記冷却器のデフロスト時に、上記圧縮機から吐出された上記混合冷媒を冷却器に供給するデフロスト回路とを備え、
上記デフロスト回路に、上記混合冷媒から潤滑油を除去する第２の油分離器が配設さ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、
上記デフロスト回路には、デフロスト時に開く開閉弁が設けられており、
上記第２の油分離器は、上記デフロスト回路の上流端から上記開閉弁までの間に配設されてい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、
上記第２の油分離器は、上記デフロスト回路の上流端までの距離が該デフロスト回路の下流端までの距離よりも短くなる位置に配設されてい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ための超低温冷凍装置に関し、特にそのデフロスト回路による圧縮機用潤滑油の凝固を抑制するための対策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、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。
【０００４】
そして、上記超低温冷凍装置では、圧縮機内での摺接部等の焼付を防止するために混合冷媒中に潤滑油が混入されているので、上記圧縮機の吐出側から凝縮器までの間に油分離器を設けて、この油分離器により混合冷媒から潤滑油を除去するようにしている。このことで、潤滑油が冷却器に供給されて凝固してしまい、冷却効率が低下するのを防止している。
【特許文献１】特開平２−６７８５５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、上記真空成膜装置では、冷却器により冷却対象の気体を捕捉するようになっているので、成膜を行わないときには冷凍装置の通常運転を停止し、冷却器での気体の捕捉を解除する必要がある。そのため、上記超低温冷凍装置に対し、圧縮機の吐出側と冷却器とをデフロスト回路で接続し、圧縮機の吐出ガスを冷却器に供給することにより冷却器の除霜を行うようになっている。しかしながら、その場合、デフロスト運転の開始時に上記油分離器で除去しきれなかった潤滑油があると、それがデフロスト回路を流通して、未だ超低温レベルにある冷却器に供給されてしまい、冷却器において潤滑油が凝固してしまうという問題が生ずる。
【０００６】
そこで、この問題を解消するため、圧縮機の吐出側から凝縮器までの間に複数の油分離器を直列に配設することが考えられるが、この方法では、混合冷媒の流れの抵抗による圧力損失が発生してしまい、冷却効率が低下するという別の問題が生じることとなる。
【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、上記のようにデフロスト回路を設けた超低温冷凍装置において、その回路の構成に改良を加えることにより、冷却効率を損なうことなく潤滑油の除去を確実に行って、冷却器に潤滑油が供給されない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、デフロスト時に使用する油分離器を、圧縮機の吐出側から凝縮器までの間ではなくデフロスト回路に設けて、デフロスト回路に流入する混合冷媒から潤滑油を除去するようにした。
【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、
上記圧縮機の吐出側から上記凝縮器に至る上記混合冷媒から、混入された潤滑油を除去する第１の油分離器と、
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から流出し且つ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、
上記冷却器のデフロスト時に、上記圧縮機から吐出された上記混合冷媒を冷却器に供給するデフロスト回路とを備え、
上記デフロスト回路に、上記混合冷媒から潤滑油を除去する第２の油分離器が配設されていることを特徴とする。
【００１０】
従って、本発明によれば、デフロスト回路に、混合冷媒から潤滑油を除去する第２の油分離器が配設されているから、デフロスト時に上記混合冷媒中の潤滑油がデフロスト回路から冷却器に供給されて該冷却器内で凝固するのを抑制することができる。
【００１１】
また、複数の油分離器を圧縮機の吐出側から凝縮器までの間に直列に配設する場合のような圧力損失の増加を抑えることができる。これにより、混合冷媒を良好に循環させつつ、上述のような冷却効率の低下を抑制する効果が得られる。
【００１２】
さらに、デフロスト回路に第２の油分離器を配設することで、デフロスト回路を設けない冷凍装置との間で部品の共通化を図ることができ、設備コストを低減する上で有利となる。また、交換等のメンテナンス作業も容易に行うことができる。
【００１３】
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、
上記デフロスト回路には、デフロスト時に開く開閉弁が設けられており、
上記第２の油分離器は、上記デフロスト回路の上流端から上記開閉弁までの間に配設されていることを特徴とする。
【００１４】
従って、本発明によれば、第２の油分離器は、デフロスト回路の上流端から開閉弁までの間に配設されているから、上記開閉弁を閉弁することにより、圧縮機の吸込側と第２の油分離器との間に前者の方が後者よりも高い圧力差が発生するのを抑制することができる。すなわち、第２の油分離器と圧縮機との間は、分離した潤滑油を圧縮機の吸込側に戻すように接続されており、圧縮機の吸込側と第２の油分離器との間に前者の方が後者よりも高い圧力差が発生すると、圧縮機から第２の油分離器に向かって潤滑油が逆流するおそれがあるが、第２の油分離器よりも下流側に配設された開閉弁を閉弁しておけば、上記の如き圧力差の発生を抑制して潤滑油の逆流を防止することができ、潤滑油をスムーズに還流させることができる。
【００１５】
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、
上記第２の油分離器は、上記デフロスト回路の上流端までの距離が該デフロスト回路の下流端までの距離よりも短くなる位置に配設されていることを特徴とする。
【００１６】
従って、本発明によれば、第２の油分離器は、デフロスト回路の上流端までの距離が該デフロスト回路の下流端までの距離よりも短くなる位置に配設されているから、温度が高くて粘性が低い状態の潤滑油を分離することができ、より確実に潤滑油の除去を行うことができる。
【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、超低温冷凍装置のデフロスト回路に、混合冷媒から潤滑油を除去する油分離器が配設されているから、デフロスト時に上記混合冷媒中の潤滑油がデフロスト回路から冷却器に供給されて該冷却器内で凝固するのを抑制できるとともに、複数の油分離器を圧縮機から凝縮器までの間に直列に配設する場合のような圧力損失の増加を抑えることができ、よって、混合冷媒の循環を良好に確保しつつ冷却効率の向上を図ることができる。
【００１８】
請求項２に係る発明によれば、デフロスト回路の上流端と開閉弁との間に油分離器を配置したことにより、上記開閉弁の閉弁によって圧縮機の吸込側と油分離器との間に前者の方が後者よりも高い圧力差が発生するのを抑制することができ、圧縮機の吸込側から油分離器に向かって潤滑油が逆流するのを防止して、潤滑油の圧縮機へのスムーズな還流を図ることができる。
【００１９】
請求項３に係る発明によれば、油分離器をデフロスト回路の上流側に配置したことにより、温度が高くて粘性が低い状態の潤滑油を回収することができ、より確実に潤滑油の除去を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
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。
【００２１】
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。
【００２２】
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（空気やガス）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、その気体等を捕捉させて真空チャンバ１２０内の真空レベルを上げるようになっている。
【００２３】
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させることで、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。
【００２４】
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。
【００２５】
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。
【００２６】
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。
【００２７】
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。
【００２８】
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。
【００２９】
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配管は、途中で主冷媒配管２ａと副冷媒配管２ｂとに分岐されている。
【００３０】
上記副冷媒配管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、副冷媒配管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次側は冷媒配管を介して上記第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、その一部を副冷媒配管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。
【００３１】
一方、上記主冷媒配管２ａの途中には、第６キャピラリチューブ５３とクライオコイル５２とがそれぞれ上流側から直列に接続されている。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（空気やガス）や水分を冷却する。主冷媒配管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次側との間の冷媒配管に接続されており、過冷却器４７の１次側から吐出された冷媒の残部を主冷媒配管２ａの第６キャピラリチューブ５３で減圧させた後にクライオコイル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させて真空レベルを高めるようにしている。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【００３５】
次に、本発明の特徴であるデフロスト回路の回路構成について説明する。図３に示すように、デフロスト回路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に供給するためのものであり、第１の油分離器１５及び水冷コンデンサ２１の間の冷媒配管と、第６キャピラリチューブ５３とクライオコイル５２の間の冷媒配管とを接続している。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６キャピラリチューブ５３とクライオコイル５２との間の冷媒配管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６キャピラリチューブ５３側）に接続された電磁開閉弁である。
【００３６】
そして、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。ここで、第２の油分離器１６は、温度が高くて粘性が低い状態の潤滑油を分離してより確実に潤滑油の除去を行うことができるように、デフロスト回路６０の上流端までの距離がデフロスト回路６０の下流端までの距離よりも短くなる位置（デフロスト回路６０の上側半部）に配設されている。
【００３７】
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配管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させる一方、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配管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。
【００３８】
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６キャピラリチューブ５３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次側との間の冷媒配管とに、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配管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。
【００３９】
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。
【００４０】
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配管２ａ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。
【００４１】
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配管２ａと副冷媒配管２ｂとに分離される。そして、副冷媒配管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。
【００４２】
また、過冷却器４７の１次側から吐出された後に主冷媒配管２ａに流れる気液混合状態の冷媒の残部は第６キャピラリチューブ５３で減圧され、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内の気体や水分に例えば−１００℃以下の寒冷を付与する。この−１００℃以下の温度の寒冷により真空チャンバ１２０内の気体や水分を捕捉して真空チャンバ１２０内の真空レベルが上昇する。
【００４３】
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配管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。
【００４４】
そのとき、上記デフロスト回路６０に、混合冷媒から潤滑油を除去する第２の油分離器１６が配設されているから、デフロスト時に圧縮機２０から吐出された混合冷媒中の潤滑油を、第１の油分離器１５で除去しきれなくても、それをさらに第２の油分離器１６で除去することができ、潤滑油がデフロスト回路６０からクライオコイル５２に供給されるのを抑制することができる。これにより、特にデフロスト運転の開始時に未だ超低温レベルにあるクライオコイル５２内で潤滑油が冷却されて凝固するのを抑制して、混合冷媒の良好な循環を確保することができる。延いては真空チャンバ１２０内の排気時間や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。
【００４５】
また、上記第２の油分離器１６は、デフロスト回路６０の上流端までの距離がデフロスト回路６０の下流端までの距離よりも短くなる位置に配設されていることで、温度が高くて粘性が低い状態の潤滑油を分離する上で有利となり、より確実に潤滑油の除去を行うことができる。
【００４６】
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配管２ａが開かれ、過冷却器４７の１次側から出た低沸点冷媒がクライオコイル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。
【００４７】
電磁開閉弁６１の閉弁により、第２の油分離器１６で分離された潤滑油が圧縮機２０の吸込側に回収される。ここで、デフロスト回路６０の上流端と電磁開閉弁６１との間に上記第２の油分離器１６が配置されているので、圧縮機２０の吸込側と第２の油分離器１６との間に前者の方が後者よりも高い圧力差が発生するのを抑制することができる。このことで、圧縮機２０の吸込側から第２の油分離器１６に向かって潤滑油が逆流するのを防止して、潤滑油の圧縮機２０へのスムーズな還流を図ることができる。
【００４８】
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。
【００４９】
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。
【００５０】
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。
【産業上の利用可能性】
【００５１】
以上説明したように、本発明は、デフロスト回路を設けた超低温冷凍装置に対し、デフロスト時に混合冷媒中の潤滑油がデフロスト回路から冷却器に供給されて冷却器内で凝固することを抑制でき、さらに混合冷媒の流れの抵抗による圧力損失の増加を抑えることができるため、混合冷媒の循環を良好に確保しつつ冷却効率の向上を図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】
【００５２】
【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】
【００５３】
１０    超低温冷凍装置
１５    第１の油分離器
１６    第２の油分離器
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
【図１】
2005207637.tif 000003
【図２】
2005207637.tif 000004
【図３】
2005207637.tif 000005