(57)【要約】【課題】  冷媒の低沸点化に伴うバッファータンクの大容量化を実現でき、且つバッファータンク内のガス冷媒を効率的に循環することのできる超低温冷凍装置を提供する。【解決手段】  第１及び第２のバッファータンク６５，６６を連通回路６８によって互いに接続し、冷媒流入管６７によって、第１のバッファータンク６５と、第１気液分離器２４のガス冷媒吐出部及び第１熱交換器２５の１次側の間の冷媒配管とを接続し、冷媒戻し管６９によって、第２のバッファータンク６６と圧縮機２０の吸込側の冷媒配管とを接続する。【選択図】  図３
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【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が冷媒回路により接続され、
上記冷媒回路に、上記圧縮機の吐出圧力の異常上昇を抑制する複数のバッファータンクが接続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、
上記複数のバッファータンクは、少なくとも１つの第１のバッファータンクと、該第１のバッファータンクよりも下側に位置する少なくとも１つの第２のバッファータンクとからなり、
上記第１及び第２のバッファータンクは、上記ガス冷媒を該第１及び第２のバッファータンク間に流通させる連通回路によって互いに接続され、
上記第２のバッファータンクに上記圧縮機の吐出側及び吸込側の冷媒回路が接続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に記載された超低温冷凍装置において、
上記複数のバッファータンクは、少なくとも１つの第１のバッファータンクと、少なくとも１つの第２のバッファータンクとからなり、
上記第１及び第２のバッファータンクは、上記ガス冷媒を該第１及び第２のバッファータンク間に流通させる連通回路によって互いに接続され、
上記第１のバッファータンクが上記圧縮機の吐出側の冷媒回路に接続され、
上記連通回路が途中で上記圧縮機の吸込側の冷媒回路に接続され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に記載された超低温冷凍装置において、
上記複数のバッファータンクは、少なくとも１つの第１のバッファータンクと、少なくとも１つの第２のバッファータンクとからなり、
上記第１及び第２のバッファータンクは、上記ガス冷媒を該第１及び第２のバッファータンク間に流通させる連通回路によって互いに接続され、
上記第１のバッファータンクが上記圧縮機の吐出側の冷媒回路に接続され、
上記第２のバッファータンクが上記圧縮機の吸込側の冷媒回路に接続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、超低温冷凍装置に関し、特にそのバッファータンクの構成に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
一般に、沸点の異なる二種類以上の冷媒を使用する混合冷媒方式の、この種の超低温冷凍装置では、装置の運転開始時等において、低沸点成分の冷媒が十分に凝縮しないために、吐出圧力が上昇して装置の耐圧を越える場合がある。
【０００３】
このため、別途バッファータンクを設け、このバッファータンクと冷媒回路とを、冷媒回路内の圧力が所定圧力（例えば設計耐圧）より高くなったときに作動する安全弁を備えたバイパス配管によって接続して、高圧の冷媒をバッファータンク内に一時的に逃がすことにより、吐出圧力を下げて運転できるようにしている。
【０００４】
さらに、バッファータンクと圧縮機の吸入側とを戻し管によって接続することで、バッファータンク内の冷媒を循環するようにしている（例えば、特許文献１参照）。
【特許文献１】特開平６−１５９８３１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、近年、冷凍装置の冷却能力を上げるために、運転中及び停止中においても気相状態を保つ低沸点冷媒を使用することが多くなっており、このためバッファータンクの容量不足が問題となっている。
【０００６】
このようなバッファータンクの容量不足を解消するためには、容積の大きいバッファータンクを用いればよい。しかし、タンク容積を単純に大きくしただけでは、タンクの設置スペースを確保するのが難しい。また、沸点の異なる冷媒はそれぞれ比重が異なるため、戻し管の接続位置によっては完全に循環することが困難な冷媒成分もあり、このため装置内の各部分での混合冷媒の成分比率が冷媒封入当初に比べて変動し、冷却性能が低下するおそれがある。
【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、超低温冷凍装置の構成に改良を加えることにより、冷媒の低沸点化に伴うバッファータンクの大容量化を実現でき、且つバッファータンク内のガス冷媒を効率的に循環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、バッファータンクを複数設けて、それらバッファータンク同士を配管接続することでガス冷媒がタンク内をスムーズに循環するようにし、またタンク内でのガス冷媒の滞留を抑制してガス冷媒を効率的に循環できるようにした。
【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が冷媒回路により接続され、
上記冷媒回路に、上記圧縮機の吐出圧力の異常上昇を抑制する複数のバッファータンクが接続されていることを特徴とする。
【００１０】
従って、本発明によれば、冷媒回路に複数のバッファータンクが接続されているから、タンクの容量不足を解消するために大容量のタンクを一つだけ接続する場合に比べて、工場内等で設置スペースを確保しやすくなる。さらに、複数のバッファータンクによりタンク容量を増加させたから、圧縮機の吐出圧力の異常上昇を抑制することができ装置を安定稼動させる上で有利となる。
【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、
上記複数のバッファータンクは、少なくとも１つの第１のバッファータンクと、該第１のバッファータンクよりも下側に位置する少なくとも１つの第２のバッファータンクとからなり、
上記第１及び第２のバッファータンクは、上記ガス冷媒を該第１及び第２のバッファータンク間に流通させる連通回路によって互いに接続され、
上記第２のバッファータンクに上記圧縮機の吐出側及び吸込側の冷媒回路が接続されていることを特徴とする。
【００１２】
従って、本発明によれば、第１及び第２のバッファータンクが連通回路によって互いに接続されているから、両タンク間で冷媒が流通される。これにより、タンク内でのガス冷媒の滞留を抑制して比重の異なる冷媒成分を完全に循環することができ、装置内の混合冷媒の成分比率が冷媒封入当初に比べ変動して冷却性能が低下することを防止できる。
【００１３】
請求項３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、
上記複数のバッファータンクは、少なくとも１つの第１のバッファータンクと、少なくとも１つの第２のバッファータンクとからなり、
上記第１及び第２のバッファータンクは、上記ガス冷媒を該第１及び第２のバッファータンク間に流通させる連通回路によって互いに接続され、
上記第１のバッファータンクが上記圧縮機の吐出側の冷媒回路に接続され、
上記連通回路が途中で上記圧縮機の吸込側の冷媒回路に接続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１及び第２のバッファータンクが連通回路によって互いに接続されているから、両タンク間で冷媒が流通される。これにより、タンク内でのガス冷媒の滞留を抑制して比重の異なる冷媒成分を完全に循環することができ、装置内の混合冷媒の成分比率が冷媒封入当初に比べ変動して冷却性能が低下することを防止できる。
【００１５】
さらに、上記連通回路が途中で圧縮機の吸込側の冷媒回路に接続されているから、冷媒回路からバッファータンクに流入して圧縮機の吸込側に戻るガス冷媒がタンク内をスムーズに循環する。これにより、タンク内でのガス冷媒の滞留をより確実に抑制することができる。
【００１６】
請求項４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、
上記複数のバッファータンクは、少なくとも１つの第１のバッファータンクと、少なくとも１つの第２のバッファータンクとからなり、
上記第１及び第２のバッファータンクは、上記ガス冷媒を該第１及び第２のバッファータンク間に流通させる連通回路によって互いに接続され、
上記第１のバッファータンクが上記圧縮機の吐出側の冷媒回路に接続され、
上記第２のバッファータンクが上記圧縮機の吸込側の冷媒回路に接続されていることを特徴とする。
【００１７】
従って、本発明によれば、第１及び第２のバッファータンクが連通回路によって互いに接続されているから、両タンク間で冷媒が流通される。これにより、タンク内でのガス冷媒の滞留を抑制して比重の異なる冷媒成分を完全に循環することができ、装置内の混合冷媒の成分比率が冷媒封入当初に比べ変動して冷却性能が低下することを防止できる。
【００１８】
さらに、上述のような回路構成にすることにより、タンク内でのガス冷媒の滞留をより確実に抑制することができる。
【発明の効果】
【００１９】
以上のように、請求項１に係る発明によれば、冷媒回路に複数のバッファータンクが接続されているから、設置スペースの確保を図りながら、バッファータンクの大容量化により圧縮機の吐出圧力の異常上昇を抑制して装置を安定稼動させる上で有利となる。
【００２０】
請求項２に係る発明によれば、第１及び第２のバッファータンクが連通回路によって互いに接続されているから、両タンク間で冷媒が流通され、タンク内でのガス冷媒の滞留を抑制でき、装置内の混合冷媒の成分比率の変動による冷却性能の低下を防止できる。
【００２１】
請求項３に係る発明によれば、連通回路の途中が圧縮機の吸込側の冷媒回路に接続されているから、冷媒回路からバッファータンクに流入して圧縮機の吸込側に戻る冷媒がタンク内をスムーズに循環して、タンク内でのガス冷媒の滞留をより確実に抑制することができる。
【００２２】
請求項４に係る発明によれば、ガス冷媒が圧縮機の吐出側からバッファータンクに流入し、さらに圧縮機の吸込側に戻るような回路構成であるから、タンク内でのガス冷媒の滞留をより確実に抑制することができる。
【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。
【００２４】
＜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。
【００２５】
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。
【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内の水分、つまり間接的に真空チャンバ１２０内の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】
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。
【００２８】
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の吐出部にはガス冷媒の吐出圧力を検出する圧力センサ８１が接続され、続いて第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、冷媒中の水分や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。
【００２９】
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。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
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。
【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】
次に、本発明の特徴であるバッファータンクの回路構成について説明する。図３に示すように、６５は第１のバッファータンク、６６は第１のバッファータンク６５の下側に位置する第２のバッファータンクであり、これら第１及び第２のバッファータンク６５，６６は、超低温冷凍装置１０の運転開始時に凝縮が不十分な高圧のガス冷媒を一時的に逃がすことにより圧縮機２０の吐出圧力の異常上昇を抑制するためのものである。
【００３９】
上記第１及び第２のバッファータンク６５，６６は、ガス冷媒を両タンク６５，６６間に流通させるための連通回路６８によって互いに接続されている。そして、第２のバッファータンク６６と、第１気液分離器２４のガス冷媒吐出部及び第１熱交換器２５の１次側の間の冷媒配管とが冷媒流入管６７によって接続されている。この冷媒流入管６７の途中には、第１及び第２のバッファータンク６５，６６へのガス冷媒の流入を制御する電磁開閉弁８２が接続されている。また、上記冷媒流入管６７の途中は、第１及び第２のバッファータンク６５，６６内のガス冷媒を圧縮機２０の吸込側の冷媒配管に戻す冷媒戻し管６９に接続されている。
【００４０】
また、第１のバッファータンク６５の下側に可溶栓８０が接続されている。この可溶栓８０は、火災等の熱により自ら溶融して第１のバッファータンク６５内を開放してタンク内圧を低下させるものである。
【００４１】
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の間の冷媒配管と、第６キャピラリチューブ５３及びクライオコイル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。
【００４２】
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。
【００４３】
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。
【００４４】
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。
【００４５】
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。
【００４６】
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。
【００４７】
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。
【００４８】
上述の如き超低温冷凍装置１０の運転開始時に、凝縮が不十分なガス冷媒によって圧縮機２０の吐出圧力の異常上昇が発生したことが圧力センサ８１により検出されると、電磁開閉弁８２が開弁され、上記第１気液分離器２４で分離されたガス冷媒の一部が冷媒流入管６７を通って第２のバッファータンク６６に流入される。また、ガス冷媒の流入量が多い場合には連通回路６８を通って第１のバッファータンク６５にも流入される。そして、上記吐出圧力の異常上昇が解消されたことが圧力センサ８１により検出されると、電磁開閉弁８２が閉弁され、第１及び第２のバッファータンク６５，６６から冷媒戻し管６９を通って圧縮機２０の吸込側の冷媒配管にガス冷媒が戻される。
【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。
【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。
【００５１】
従って、上述したように冷媒回路１に第１及び第２のバッファータンク６５，６６が接続されているから、タンクの容量不足を解消するために大容量のタンクを一つだけ接続する場合に比べてタンクの設置スペースを確保しやすくなる。
【００５２】
さらに、第１及び第２のバッファータンク６５，６６が連通回路６８によって互いに接続されているから、両タンク６５，６６間でガス冷媒が流通して第１及び第２のバッファータンク６５，６６内でのガス冷媒の滞留が抑制され、比重の異なる冷媒成分を完全に循環することができ、冷凍装置１０内の混合冷媒の成分比率の変動による冷却性能の低下を防止できる。
【００５３】
なお、冷媒流入管６７及び冷媒戻し管６９のそれぞれに電磁開閉弁を接続して、圧縮機２０の吐出圧力の異常上昇に応じて電磁開閉弁を開閉させ、第１及び第２のバッファータンク６５，６６に流入させるガス冷媒又は第１及び第２のバッファータンク６５，６６から冷媒回路１に戻すガス冷媒の量を制御するようにしても構わない。これは、以下の実施形態についても同様である。
【００５４】
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。
【００５５】
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。
【００５６】
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。
【００５７】
＜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、第１及び第２のバッファータンク６５，６６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（実施形態３も同様とする）。
【００５８】
第１及び第２のバッファータンク６５，６６は、ガス冷媒を両タンク６５，６６間に流通させるための連通回路６８によって互いに接続されている。そして、第１のバッファータンク６５と、第１気液分離器２４のガス冷媒吐出部及び第１熱交換器２５の１次側の間の冷媒配管とが冷媒流入管６７によって接続されている。また、上記連通回路６８の途中は、第１及び第２のバッファータンク６５，６６内のガス冷媒を圧縮機２０の吸込側の冷媒配管に戻す冷媒戻し管６９に接続されている。また、可溶栓８０は第１のバッファータンク６５に接続されている。
【００５９】
この実施形態の場合、上記超低温冷凍装置１０の運転開始時に、凝縮が不十分なガス冷媒によって圧縮機２０の吐出圧力の異常上昇が発生したことが圧力センサ８１により検出されると、電磁開閉弁８２が開弁され、上記第１気液分離器２４で分離されたガス冷媒の一部が冷媒流入管６７を通って第１のバッファータンク６５に流入する。そして、このガス冷媒が連通回路６８を通ってその一部が第２のバッファータンク６６に流入し、残りが冷媒戻し管６９を通って圧縮機２０の吸込側の冷媒配管に戻される。また、上記吐出圧力の異常上昇が解消されたことが圧力センサ８１により検出されると、電磁開閉弁８２が閉弁され、第１及び第２のバッファータンク６５，６６内のガス冷媒が冷媒戻し管６９を通って圧縮機２０の吸込側の冷媒配管に戻される。
【００６０】
このように、上記連通回路６８の途中が圧縮機２０の吸込側の冷媒回路１に接続されているから、冷媒回路１から第１のバッファータンク６５に流入し圧縮機２０の吸込側に戻るガス冷媒が第１及び第２のバッファータンク６５，６６内をスムーズに流通する。このことで、第１及び第２のバッファータンク６５，６６内でのガス冷媒の滞留を抑制して比重の異なる冷媒成分を完全に循環することができ、冷凍装置１０内の混合冷媒の成分比率の変動による冷却性能の低下を防止できる。
【００６１】
なお、この実施形態における第１及び第２のバッファータンク６５，６６の位置関係は、上記実施形態１のように第１のバッファータンク６５の下側に第２のバッファータンク６６を配置したものに限定されず、例えば上下を入れ替えて配置したり、横方向に並べて配置しても構わない。この点は、以下の実施形態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又は２との違いは、第１及び第２のバッファータンク６５，６６の回路構成のみである。
【００６３】
第１及び第２のバッファータンク６５，６６は、ガス冷媒を両タンク６５，６６間に流通させるための連通回路６８によって互いに接続されている。そして、第１のバッファータンク６５と、第１気液分離器２４のガス冷媒吐出部及び第１熱交換器２５の１次側の間の冷媒配管とが冷媒流入管６７によって接続されている。また、第２のバッファータンク６６と圧縮機２０の吸込側の冷媒配管とが冷媒戻し管６９によって接続されている。また、第１のバッファータンク６５に可溶栓８０が接続されている。
【００６４】
この実施形態の場合、上記超低温冷凍装置１０の運転開始時に、凝縮が不十分なガス冷媒によって圧縮機２０の吐出圧力の異常上昇が発生したことが圧力センサ８１により検出されると、電磁開閉弁８２が開弁され、上記第１気液分離器２４で分離されたガス冷媒の一部が冷媒流入管６７を通って第１のバッファータンク６５に流入する。そして、このガス冷媒が連通回路６８を通って第２のバッファータンク６６に流入し、冷媒戻し管６９を通って圧縮機２０の吸込側の冷媒配管に戻される。また、上記吐出圧力の異常上昇が解消されたことが圧力センサ８１により検出されると、電磁開閉弁８２が閉弁され、第１及び第２のバッファータンク６５，６６内のガス冷媒が冷媒戻し管６９を通って圧縮機２０の吸込側の冷媒配管に戻される。
【００６５】
このように、上記ガス冷媒が、冷媒流入管６７から第１のバッファータンク６５に流入し、連通回路６８を通って第２のバッファータンク６６に流通し、冷媒戻し管６９を通って圧縮機２０の吸込側の冷媒配管に戻るようになっているから、両タンク６５，６６間でガス冷媒がスムーズに流通する。これにより、第１及び第２のバッファータンク６５，６６内でのガス冷媒の滞留を抑制して比重の異なる冷媒成分を完全に循環することができ、冷凍装置１０内の混合冷媒の成分比率の変動による冷却性能の低下を防止できる。
【産業上の利用可能性】
【００６６】
以上説明したように、本発明は、超低温冷凍装置に対し、バッファータンクを複数設けるとともに、タンク同士を連通回路で接続することによりタンク内のガス冷媒をスムーズに循環させてタンク内でのガス冷媒の滞留を抑制し、冷媒の成分比率を良好に保つ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】
【００６７】
【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。
【符号の説明】
【００６８】
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）
６５    第１のバッファータンク
６６    第２のバッファータンク
６８    連通回路
【図１】
2005207660.tif 000003
【図２】
2005207660.tif 000004
【図３】
2005207660.tif 000005
【図４】
2005207660.tif 000006
【図５】
2005207660.tif 000007