(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
閉ループの超低温再循環ガス冷却装置を用いて、対象物または流体の温度を約＋５０℃から約＋３５０℃の範囲の温度から約−３０℃から約−１５０℃の範囲の温度まで低下させる方法であって、
一次冷却装置と二次ガス冷却装置とを有する閉ループ冷却装置と流体結合する外部熱交換器と熱交換関係にある対象物または流体を約＋５０℃から約＋３５０℃の範囲の温度にし、
ａ．前記一次冷却装置は、流体結合された、圧縮機と、凝縮器と、少なくとも１つの熱交換器と、少なくとも１つの流量計測装置とを有しており、前記流量計測装置には、前記一次冷却装置を流れる高圧冷媒が流れて膨張し、
ｂ．前記二次ガス冷却装置は、流体結合された、圧縮機と、後部冷却器と、前記外部熱交換器の戻り流路から冷媒を受ける伝熱式熱交換器とを有し、前記伝熱式熱交換器は、前記外部熱交換器からの戻り管路から受け取る冷媒の過度の低温または高温から、前記二次ガス冷却装置の前記圧縮機を保護し、
ｃ．前記一次冷却装置と前記二次ガス冷却装置とは、前記二次ガス冷却装置から前記一次冷却装置の前記少なくとも１つの熱交換器の二次入口までの出口管路によって間接的に結合されており、
ｄ．前記一次冷却装置の前記少なくとも１つの熱交換器からの二次出口管路が、前記外部熱交換器と流体結合しており、
前記二次ガス冷却装置を作動して、冷却すべき前記対象物または流体の温度を低下させ、
前記一次冷却装置を作動して、冷却すべき前記対象物または流体の温度を低下させ、
前記対象物または流体の温度を約−３０℃から約−１５０℃の範囲の温度まで冷却させる方法。
【請求項２】
二次ガス冷却装置を作動して、冷却すべき対象物または流体の温度を低下させ、一次冷却装置を作動して、冷却すべき対象物または流体の温度を低下させることによって、対象物または流体の温度を約＋５０℃から約＋３５０℃の範囲の温度から約−３０℃から約−１５０℃の範囲の温度まで低下させることが可能な閉ループの超低温再循環ガス冷却装置であって、前記超低温再循環ガス冷却装置が、
流体結合された、圧縮機と、凝縮器と、少なくとも１つの熱交換器と、前記一次冷却装置を流れる高圧冷媒が流れて膨張する少なくとも１つの流量計測装置とを有する前記一次冷却装置と、
流体結合された、圧縮機と、後部冷却器と、冷却すべき対象物または流体と熱交換関係にある外部熱交換器の戻り流路から冷媒を受ける伝熱式熱交換器とを有する前記二次ガス冷却装置と、を有し、前記伝熱式熱交換器は、前記外部熱交換器の戻り管路から受け取る冷媒の過度の低温または高温から前記二次ガス冷却装置の前記圧縮機を保護し、
前記一次冷却装置と前記二次ガス冷却装置とは、前記二次ガス冷却装置から前記一次冷却装置の前記少なくとも１つの熱交換器の二次入口までの出口管路によって間接的に結合されており、
前記一次冷却装置の前記少なくとも１つの熱交換器からの二次出口管路が、前記外部熱交換器と流体結合している、閉ループの超低温再循環ガス冷却装置。
【請求項３】
冷却すべき前記対象物または流体は、半導体チャックまたは半導体チャックを通って流れる流体である、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記二次ガス冷却装置の前記圧縮機を過度の低温または高温から保護する前記伝熱式熱交換器が、前記後部冷却器の下流の高圧ガスが前記圧縮機に入る前の低圧ガスと熱を交換するガス−ガス伝熱式熱交換器である、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記後部冷却器から出てくるガス流れと前記外部熱交換器から戻ってくるガスとの間で熱を交換するガス−ガス熱交換器を用いている、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記閉ループ冷却装置は、前記外部熱交換器と前記二次ガス冷却装置の前記圧縮機の入口との間に設置された液体冷却式の熱交換器をさらに有している、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記液体冷却式の熱交換器は水冷式の熱交換器である、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記閉ループ冷却装置は、低温ガスを戻す戻り管路に設置された加熱器をさらに有している、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
各々の前記圧縮機は、往復圧縮機、回転圧縮機、ねじ圧縮機、またはスクロール圧縮機からなる群から選択されている、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
少なくとも１つの前記圧縮機はスクロール圧縮機である、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記閉ループ冷却装置は、失われた冷却ガスを、二次冷却ループ内が圧力不足であるときに補給する電磁弁をさらに有している、請求項１に記載の方法。
【請求項１２】
前記閉ループ冷却装置は、前記伝熱式熱交換器の高圧出口に配置された弁を有し、制御回路を用いて前記弁が、前記伝熱式熱交換器の高圧出口から出るガスが室温を越えるときはいつでも、前記伝熱式熱交換器の高圧出口からの流れを、前記外部熱交換器と流体結合にある前記一次冷却装置の前記少なくとも１つの熱交換器からの二次出口管路に直接向けて、前記一次冷却装置の冷却プロセスを迂回するか、あるいはガスが前記一次冷却装置の冷却プロセスに直接供給されるか、を選択する、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記一次冷却装置の冷媒は、不燃性で、塩素を含まず、毒性を有さない混合冷媒混合物を含んでいる、請求項１に記載の方法。
【請求項１４】
前記閉ループ冷却装置は、失われた冷却ガスを、二次冷却ループ内が圧力不足であるときに補給する制御装置をさらに有している、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
冷却する前記対象物または流体の温度を周囲温度から＋５０℃の範囲の温度に低下させるために前記二次ガス冷却装置を作動させることと、
冷却する前記対象物または流体の温度が＋５０℃よりも低い温度に達したときに、冷却する前記対象物または流体の物体の温度を約−３０℃から約−１５０℃の範囲の温度に低下させるために、前記一次冷却装置を作動させることとをさらに有する、請求項１に記載の方法。
【請求項１６】
冷却すべき前記対象物または流体は、半導体チャックまたは半導体チャックを通って流れる流体である、請求項２に記載の装置。
【請求項１７】
前記二次ガス冷却装置の前記圧縮機を過度の低温または高温から保護する前記伝熱式熱交換器が、
前記後部冷却器の下流の高圧ガスが前記圧縮機に入る前の低圧ガスと熱を交換するガス−ガス伝熱式熱交換器である、請求項２に記載の装置。
【請求項１８】
前記後部冷却器から出てくるガス流れと前記外部熱交換器から戻ってくるガスとの間で熱を交換するガス−ガス熱交換器をさらに有している、請求項２に記載の装置。
【請求項１９】
前記外部熱交換器と前記二次ガス冷却装置の前記圧縮機の入口との間に設置された液体冷却式の熱交換器をさらに有している、請求項２に記載の装置。
【請求項２０】
前記液体冷却式の熱交換器は水冷式の熱交換器である、請求項１９に記載の装置。
【請求項２１】
低温ガスを戻す戻り管路に設置された加熱器をさらに有している、請求項２に記載の装置。
【請求項２２】
各々の前記圧縮機は、往復圧縮機、回転圧縮機、ねじ圧縮機、またはスクロール圧縮機からなる群から選択されている、請求項２に記載の装置。
【請求項２３】
少なくとも１つの前記圧縮機はスクロール圧縮機である、請求項２２に記載の装置。
【請求項２４】
失われた冷却ガスを、二次冷却ループ内が圧力不足であるときに補給する電磁弁をさらに有している、請求項２に記載の装置。
【請求項２５】
失われた冷却ガスを、二次冷却ループ内が圧力不足であるときに補給する制御装置をさらに有している、請求項２に記載の装置。
【請求項２６】
さらに、前記伝熱式熱交換器の高圧出口に配置された弁を有し、制御回路を用いて前記弁が、前記伝熱式熱交換器の高圧出口から出るガスが室温を越えるときはいつでも、前記伝熱式熱交換器の高圧出口からの流れを、前記外部熱交換器と流体結合にある前記一次冷却装置の前記少なくとも１つの熱交換器からの二次出口管路に直接向けて、前記一次冷却装置の冷却プロセスを迂回するか、あるいはガスが前記一次冷却装置の冷却プロセスに直接供給されるか、を選択する、請求項２に記載の装置。
【請求項２７】
前記一次冷却装置の冷媒は、不燃性で、塩素を含まず、毒性を有さない混合冷媒混合物を含んでいる、請求項２に記載の装置。
【請求項２８】
前記外部熱交換器から前記二次ガス冷却装置に戻る冷媒は、装置の動作温度および圧力では凝縮しないガスを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項２９】
前記二次ガス冷却装置の戻る冷媒は、ヘリウムまたは窒素を含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記外部熱交換器から前記二次ガス冷却装置に戻る冷媒は、装置の動作温度および圧力では凝縮しないガスを含む、請求項２に記載の装置。
【請求項３１】
前記二次ガス冷却装置に戻る冷媒は、ヘリウムまたは窒素を含む、請求項３０に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、閉ループの熱交換器に含まれる複数の要素の超低温から高温までの範囲の温度における熱負荷を減らす装置および方法に関し、特に、半導体ウェハの製造に用いられるそのような装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
関連出願の相互参照
本出願は、２００１年２月２３日に出願された米国仮出願第６０／２７１，１４０号および２００１年６月１日に出願された米国仮出願第６０／２１４，５６２号の出願日の利益を主張するものである。
【０００３】
冷却装置は、信頼できる密封された冷却装置が１９００年代の初めに開発されて以来、存在している。このとき以来、冷却技術を向上させることが住宅環境と産業環境の両方で有用であることが証明されている。特に、「超低温」冷却装置は、現在、生体臨床医学の用途、極低温電子工学、コーティング工程、および半導体の製造と試験の用途において不可欠な産業機能を果たしている。
【０００４】
これらの用途の多くにおいて、半導体ウェハホルダや他の装置（以下、場合によっては、外部熱負荷熱交換器と呼ぶ）などのシステム要素を、特定の処理工程に応じて加熱工程と冷却工程との両方を循環させる必要がある。通常の工程の間、装置を超低温に冷却して維持する必要がある。
【０００５】
始動時、すなわち真空でなくなっているか、または何らかの理由で処理が中断されたときには、高熱を供給する必要がある。クリーンルーム環境内の半導体ウェハチャックなどの外部熱負荷熱交換器の場合、蓄積した不純物を燃焼させることによって外部熱負荷熱交換器を清掃するためにベークアウトプロセスが必要である。ベークアウトプロセスは、真空チャンバをメンテナンスのために開放するときのように、真空チャンバを大気にさらした後に、水蒸気およびその他の汚染物質を除去するために真空チャンバ内のすべての表面を加熱するプロセスである。ベークアウトプロセスを行う従来の技術は、システム要素の表面を加熱器によって長時間にわたって＋２００℃よりも高い温度に加熱することを含んでいる。
【０００６】
これらの用途では、温度調節システムは、ベークアウトプロセスに対処できると共に、通常の工程を開始または再開する前にシステム要素を周囲温度またはそれに近い温度に冷却しなければならないシステムのベークアウト後冷却の条件にも対処できなければならない。したがって、システムはベークアウトサイクルを行うと共に、外部熱負荷熱交換器をベークアウト温度から周囲温度に近い温度まで冷却する、通常の冷却サイクルとは異なるベーク後冷却サイクルも行う必要がある。その後、通常の冷却サイクルによって、システム要素は−５０℃から−１５０℃の間の標準の低温動作温度の範囲に冷却される。
【０００７】
本出願では、「加熱」は対象物または流体からの熱の付加を指し、「冷却」は室温よりも低い温度での対象物または流体（気体または液体）からの熱の除去を指し、「超低温」は−５０℃から−１５０℃の間の温度範囲を指す。
【０００８】
本出願では、熱交換器は、熱をある媒体から他の媒体に伝達する装置を意味する。
【０００９】
本出願で説明するすべての熱交換器は間接熱交換器であり、すなわち、媒体が物理的に接触することはない。
【００１０】
外部熱負荷熱交換器は、熱が対象物または流体から除去されて冷却媒体に伝達される熱インタフェースを指す。
【００１１】
従来技術のガスシステムは、一体型のシステムではなく、同じシステム内で加熱と冷却の両方を行うことは考慮されていない。さらに、超低温の冷却されたガスをこのような用途に供給するのに用いられる従来技術の冷却装置は、開ループの構成である。
【００１２】
米国特許第３，７６８，２７３号に開示されたＭｉｓｓｉｍｅｒ式自動冷却カスケード、Ｋｌｉｍｅｎｋｏ式単相分離器システム、または米国特許第５，４４１，６５８号に開示されているような単一膨張装置などの様々な冷却サイクルを利用して、冷却ガスを超低温にすることができる。開ループのガス冷却機の他の例には、ＰＧＣ−１５０やＰＧＣ−１００のような、（以前はカリフォルニア州サンラファエル、現在はカリフォルニア州ペタルマに所在している）ＩＧＣ Ｐｏｌｙｃｏｌｄ Ｓｙｓｔｅｍｓによって製造されている製品がある。このような装置は、通常、加圧された窒素ガスの流れを、特定のモデルおよび流量に応じて、冷却されたガスの流量が０ｓｃｆｍから１５ｓｃｆｍの範囲であれば、室温から−９０℃〜−１３０℃の間に冷却するのに用いられる。
【００１３】
現在の開ループの装置では、低圧から中間圧までの周囲温度のガスが、冷却されたガスが外部熱負荷熱交換器または冷却すべき他の表面に必要な冷却をもたらす開ループにおいて超低温に冷却される。外部熱負荷熱交換器を冷却した後、そのガスは排出される。この冷却プロセスは、新鮮で清浄で乾燥したガスが連続的に供給されるかぎり、数日から数か月の長期間にわたって定常状態で動作できるという利点を有する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
しかし、このようなシステムには多数の欠点がある。
【００１５】
開ループの冷却装置では、冷媒ガスは、外部熱負荷熱交換器が冷却された後に、ただ単に周囲環境中に排出される。したがって、適切なガス圧および流量を維持するには、冷媒ガスを連続的に補充することのできるガス供給源を冷却装置内に設けなければならない。ガスを連続的に供給する必要があることは、ユーザにとってコスト面の大きな負担であり、開ループの構成であるために費用効果が低く、かつ従来技術のガス冷却装置の重大な欠点である。
【００１６】
開ループの冷却装置では、冷媒ガスが、外部熱負荷熱交換器が冷却された後に周囲環境中にただ単に排出されるので、通常は半導体製造クリーンルーム内に位置する排気口上で凝縮および霜の蓄積が起こる傾向がある。
【００１７】
したがって、従来技術の開ループの冷却装置の他の欠点は、半導体製造プロセスのクリーンルーム環境内に、悪影響を及ぼす凝縮および霜が存在することである。同様に、ベークアウト処理では、高温ガスをただ単に周囲環境中に排出することは、半導体製造プロセスおよび環境に悪影響を与えるおそれがある。
【００１８】
最後に、冷却すべき複数の外部熱負荷熱交換器を有する大規模な製造プロセスの場合、複数の外部熱負荷熱交換器を冷却するには非常に多くのガス流量が必要である。開ループのガス冷却装置は、ガス供給源に、消費したガスを連続的に補充する必要があるので、冷却すべき全ての外部熱負荷熱交換器への適切なガス圧力および流量を維持するには、このような大量のガスを供給できるガス供給源が必要である。
【００１９】
したがって、従来技術の開ループの冷却装置の他の欠点は、複数の外部熱負荷熱交換器を冷却するのに必要な大量のガスを供給できるガス供給源を備えている必要があることである。
【００２０】
最近では、閉ループ方式に基づいた冷却装置が出現してきている。たとえば、「工業用ガスの多重循環路極低温液化（Multiple Circuit Cryogenic Liquefaction Of Industrial Gas）」という名称の米国特許第６，１０５，３８８号、「工業用ガスの単一循環路極低温液化（Single Circuit Cryogenic Liquefaction Of Industrial Gas）」という名称の米国特許第６，０４１，６２１号、および「低温ガスを生成する方法（Method For Generating A Cold Gas）」という名称の米国特許第６，３０１，９２３号には、冷却装置によって冷却される閉ループのガス流れを生成する様々な方法が記載されている。
【００２１】
半導体製造プロセスでは、冷却は、半導体ウェハを処理する際に用いられるチャックや他の任意のそのような装置などの、２５０℃から３００℃の範囲の初期温度から冷却される対象物の温度を低下させるために必要である。閉ループの冷却装置を利用して高温の半導体の対象物を冷却する際には、このようなプロセスでは、最初は温度が非常に高い対象物が冷めるのにつれて閉ループシステムに戻る高温のガスに対処する必要があるため、余分の熱負荷によってプロセスに大きな制約が課される。
【００２２】
米国特許第６，１０５，３８８号、米国特許第６，０４１，６２１号、および米国特許第６，３０１，９２３号に記載されたシステムは周囲温度のガス供給源から工業用ガスを生成することに関するので、これらのシステムは基本的な冷却機能に関するものであり、そのような機能にしか対処しない。このようなシステムは、マルチサイクルの統合された温度調節を行わず、高温の外部熱負荷熱交換器から戻ってくる熱交換媒体を扱うことができない。
【００２３】
従来の閉ループの冷却プロセスは、高温の戻りガスを取り扱うことの問題を認識しておらず、また解決してもいない。したがって、従来技術に記載された構成要素の装置は、前述のプロセスの必要に応じて機能することができない。
【００２４】
連続的な運転を目的とした工業プロセスは、ガスを失わせるわずかな漏れが発生したときでもシステムが長期間にわたって連続的に動作できるように、漏れが生じる可能性に対処していなければならない。
【００２５】
したがって、当分野では、当初は高温の対象物を冷却することができ、大量の冷却流体を供給することを必要とせず、消費した冷却剤流体を大気中に排出せず、必要に応じて少量の熱交換媒体を補給することができる冷却プロセスが必要である。
【００２６】
したがって、本発明の目的は、閉ループのガス冷却装置を提供し、それによって、冷却されたガスを再循環し、半導体ウェハを処理する際に用いられるチャックやそのような任意の装置などの、顧客が設置した外部熱負荷熱交換器に供給される冷却された総流量のガスを絶えず補給することを不要にする手段を提供することである。
【００２７】
本発明の他の目的は、閉ループシステム内の冷却媒体として液体ではなく気体を使用することである。
【００２８】
本発明のさらに他の目的は、長い年月の間に霜を蓄積させる可能性のある排気口を無くすことである。
【００２９】
本発明のさらに他の目的は、ベークアウトプロセス中に、クリーンルームなどの製造環境中に排出される高温のガスを無くすことである。
【００３０】
本発明のさらに他の目的は、一次ループの冷却装置に悪影響を与えずに高温の外部熱負荷熱交換器から戻るベークアウト後の高温ガスを取り扱うことである。
【００３１】
本発明のさらに他の目的は、顧客が設置した複数の外部熱負荷熱交換器を利用する、大規模な開ループのプロセス内において十分なガス圧および流量を維持するための大容量の供給管路を不要にすることである。
【００３２】
本発明のさらに他の目的は、漏れによってシステム内で失われたガスを補給するために循環ガスを自動的に補給し、二次ループガスの吸引・排出側の所望の動作圧を維持し、ガス温度の変動によるガスの収縮および膨張を可能にし、連続的な動作を可能にすることである。
【課題を解決するための手段】
【００３３】
本出願には、関連する対象物または流体の温度が調節されたときにガス流に熱が加えられるかまたはガス流から熱が除去される、閉ループのガス流を利用した一体型のシステムによる冷却が記載されている。
【００３４】
本発明は、半導体製造または同様のプロセスの熱の条件を管理する統合プロセス、およびそのような統合プロセスを実施する装置を含んでいる。
【００３５】
この統合プロセスは、１）真空環境に存在する外部熱負荷熱交換器が、熱交換器内の不純物を除去するために高温に加熱され、２）熱交換器が、そのような不純物を除去した後に周囲温度または周囲温度に近い温度に冷却され、３）熱交換器の温度が−５０℃から−１５０℃の範囲の温度に低下させられる、３サイクルの温度調節工程を有している。
【００３６】
この統合プロセスを実施する装置は、閉ループのガス二次冷却ループと組み合わされた閉ループの混合冷媒一次冷却装置を含む、２つの圧縮機を備えた超低温再循環冷却装置を有している。二次冷却ループで用いられるガスは、ヘリウムや窒素のような、−１００℃よりも低い露点を有する任意の乾性ガスである。
【００３７】
図１は、本発明による、２つの圧縮機を備えた超低温再循環冷却装置の概略図である。
【００３８】
一次冷却装置の冷却プロセスは、相分離器が間に挿入された一連の熱交換器を含んでいる。図１は、１つの相分離器を示しているが、２つ以上の相分離器がある方が好ましい。
【００３９】
供給流路では、冷却プロセスの供給入口内に流れ込んだ冷媒が第１の熱交換器に供給され、その後、第１の熱交換器の出口から相分離器の供給入口に供給される。流体は引き続き他の熱交換器を通って流れ、その後、これらの熱交換器から冷媒供給管路に供給される。
【００４０】
冷媒供給管路を通って冷却プロセスの供給流路から出た冷媒は高圧の冷媒であり、流量計測装置を通って膨張する。流量計測装置の出口から出た冷媒は、低圧で、通常は−５０℃から−１５０℃の間の低温の冷媒である。流量計測装置は、一連の熱交換器のうちの最初の熱交換器の戻り入口に直接結合されることによって、冷却プロセスの戻り流路に戻るループを閉じている。相分離器によって除去された液体のごく少量が、他の流量計測装置によって低圧に膨張させられ、次に、１つの熱交換器の戻り側から流れてくる低圧の冷媒と混合させられる。その後、冷媒は、最後の熱交換器の戻り出口から、冷却プロセスの戻り出口を経て圧縮機の吸引管路に供給される。
【００４１】
より複雑な自動冷却カスケードシステムでは、ＭｉｓｓｉｍｅｒおよびＦｏｒｒｅｓｔによって述べられているように、追加の分離段を冷却プロセスに使用することができる。
【００４２】
冷却プロセスは、冷却プロセスを通る二次流路に冷媒を供給する入口も含んでいる。冷媒はこの入口から一連の熱交換器のうちの最初の熱交換器の二次流入口に供給される。冷媒は一連の熱交換器のうちの最後の熱交換器の二次流出口からガス供給管路に供給される。
【００４３】
この入口と蒸発器の供給管路は、一次冷却装置と二次冷却ループとの間の機能的な結合を可能にする。
【００４４】
一次冷却装置の全ての構成要素は機械的および／または液圧的に結合されている。
【００４５】
一次冷却装置は超低温冷却装置であり、その基本動作は熱を除去して移すことであり、当該技術分野で公知である。一次冷却装置は、圧縮機、凝縮器、フィルタ乾燥器、および高圧から低圧までの内部冷媒流路を有する冷却プロセスを有している。
【００４６】
供給側を流れる冷媒は、一連の熱交換器を通過するにつれて累進的に冷却される。このように累進的に冷却されることにより、流量計測装置を経て冷却プロセスの戻り側に直接供給される、高圧で、通常は−５０℃から−１５０℃の間の超低温の冷媒が生成される。熱交換器の供給側から戻り側への熱伝達および冷却プロセス内での熱伝達によって、戻り側を流れる冷媒は、一連の熱交換器による作用を経て累進的に加熱され、最終的に、吸引管路を経て圧縮機に供給される低圧の冷媒ガスが生成される。
【００４７】
好ましい態様では、一次冷却装置は、不燃性で、塩素を含まず、毒性を有さない混合冷媒混合物を使用する。
【００４８】
二次冷却ループは、ガス圧縮機、好ましくは、ヘリウムや窒素のような、露点が−１００℃よりも低い任意の乾性ガスと共に用いるのに適したガス圧縮機を含んでいる。圧縮機は、好都合なことに、市販の往復圧縮機でも、回転圧縮機でも、ねじ圧縮機でも、スクロール圧縮機でもよい。
【００４９】
圧縮機からの排出ガス流は後部冷却器に結合している。ガス流は後部冷却器の出口から、排出ガス流から油を分離し、圧縮機の吸引側に油を戻す従来の油分離器に供給される。油が除去されただけ少ない油分離器からの質量流量が、吸着装置に供給される。
【００５０】
吸着装置は、好都合なことに、チャコール吸着装置またはモレキュラーシーブであってもよい。吸着装置は、排出ガス流内に残っている僅かな油を全て取り除く。吸着装置は、伝熱式熱交換器の供給入口に結合している。伝熱式熱交換器の供給出口は、従来型の水冷式熱交換器の入口に結合している。
【００５１】
伝熱式熱交換器から出たガス流の温度を調節する加熱器は、オプションで、伝熱式熱交換器の供給出口と熱交換器の入口との間の管路に挿入される。
【００５２】
熱交換器の出口は、一次冷却装置の冷却プロセス内の二次流路に入口を介して結合している。
【００５３】
オプションの熱交換器およびオプションの直列式の電熱器を含まないシステムでは、伝熱式熱交換器は、一次冷却装置の冷却プロセス内の二次流路に入口を介して結合している。一次冷却装置からの蒸発器の供給管路は、顧客が設置した外部熱負荷熱交換器の入口に結合している。
【００５４】
ガス流は、顧客が設置した外部熱負荷熱交換器の出口から戻り管路を経て伝熱式熱交換器の戻り入口に供給される。ガス流は、その後、伝熱式熱交換器の戻り出口から吸引管路を経て圧縮機の吸引側に供給される。ガス流は、伝熱式熱交換器の戻り出口から圧力調節器まで流れる際に、圧縮機に入るガス流の温度を調節するのに用いられるオプションの直列式の電熱器に触れる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００５５】
図１は、本発明による、２つの圧縮機を備えた超低温再循環ガス冷却装置１００の概略図である。冷却装置１００は、二次冷却ループ１１２で用いられるガスが、例えば、ヘリウムや窒素のような−１００℃の露点を有する任意の乾性ガスである、閉ループのガス二次冷却ループ１１２と組み合わされた、閉ループの混合冷媒一次冷却装置１１０を含んでいる。このガスは、動作中の温度および圧力では凝縮しない。
【００５６】
一次冷却装置１００は、低圧の冷媒ガスを取り込み、このガスを、凝縮によって熱を排する一次冷却装置１００の一部である従来型の凝縮器１１６に供給される高圧で高温のガスに圧縮する、従来型の冷却圧縮機１１４を含んでいる。高温のガスが凝縮器１１６を通過すると、このガスは、凝縮器を通過するかまたは凝縮器の上を通る空気または水によって冷却される。高温の気体冷媒が冷却されるにつれて、凝縮器のコイル内に液体冷媒の液滴が形成される。最終的に、ガスが凝縮器１１６の出口に到達したときには、ガスは部分的に凝縮しており、すなわち、液体および蒸気の冷媒が存在する。凝縮器１１６を正しく機能させるには、凝縮器１１６を通過するかまたは凝縮器１１６の上を通る空気または水は、一次冷却装置１１０の動作流体よりも低温でなければならない。凝縮器１１６は、その後、酸を発生させる可能性のある、水などの装置の汚染物質を吸着し、物理的なろ過を行うフィルタ乾燥器１１８にガスを供給する。フィルタ乾燥器１１８を通った冷媒は、次に、冷却プロセス１２２の供給入口１２２に供給される。
【００５７】
冷却プロセス１２２の戻り出口１２４は、吸引管路１２６を介して圧縮器１１４の吸引側に結合することによってループを閉じている。さらに、加熱による冷媒ガスの蒸発および膨張によって体積が増大した冷媒を受け入れるタンクとして機能する従来型の膨張タンク１２８が、吸引管路１２６に結合されていてもよい。たとえば、一次冷却装置１１０がオフであるとき、冷媒蒸気は膨張タンク１２８に入る。
【００５８】
図１は、典型的な冷却プロセス１２２を示している。冷却プロセス１２２は、単一冷媒システム、混合冷媒システム、通常の冷却プロセス、カスケード冷却プロセスの個々の段、自動冷却カスケードサイクル、Ｋｌｉｍｅｎｋｏサイクルのような任意の冷却装置または冷却プロセスである。この本明細書における説明の目的で、冷却プロセス１２２は、Ｋｌｉｍｅｎｋｏも述べている自動冷却カスケードサイクルを簡略化したプロセスである。しかしながら、あるいは、冷却プロセス１２２は、Ｐｏｌｙｃｏｌｄシステム（すなわち、自動冷却カスケードプロセス）、単一膨張装置を有するＡＰＤ極低温装置（すなわち、相分離を有さない単一段の極低温冷却器，米国特許第５，４４１，６５８号）、Ｍｉｓｓｉｍｅｒ式サイクル（すなわち、自動冷却カスケード，Ｍｉｓｓｉｍｅｒの米国特許第３，７６８，２７３号）、またはＫｌｉｍｅｎｋｏ式サイクル（すなわち、単相分離器システム）であってもよい。さらに、冷却プロセス１２２は、Ｆｏｒｒｅｓｔの米国特許第４，５９７，３６７号明細書やＭｉｓｓｉｍｅｒの米国特許第４，５３５，５９７号明細書に記載されているような、これらのプロセスの変形例であってもよく、あるいは、０個の相分離段、１つの相分離段、または２つ以上の相分離段を有する極低温の冷却プロセスであってもよい。低温冷却および超低温冷却についてのさらなる記載が、American Society of Heating, Refrigeration, and Air Conditioning Engineeringによって作成された「１９８８年ＡＳＨＲＡＥ冷却ハンドブック（1988 ASHRAE Refrigeration Handbook）の第３９章にある。使用される相分離器の数に加えて、熱交換器の数および内部のスロットル装置の数を、様々な構成において特定の用途の必要に応じて増減させることができる。
【００５９】
一次冷却装置１１０の冷却プロセス１２２は、熱交換器１３０、相分離器１３２、熱交換器１３４、および熱交換器１３６を含んでいる。熱交換器１３０、熱交換器１３４、および熱交換器１３６は、この分野において、ある物体の熱を他の物体に伝達することが広く知られた装置である。相分離器１３２は、この分野において、冷媒の液相と蒸気相とを分離することが広く知られた装置である。図１は１つの相分離器を示しているが、通常は２つ以上の相分離器があるであろう。
【００６０】
供給流路では、冷却プロセス１２２の供給入口１２０内に流れ込んだ冷媒は、熱交換器１３０の供給入口に供給される。冷媒は、その後、熱交換器１３０の供給出口から相分離器１３２の供給入口に供給される。冷媒は、その後、相分離器１３２の供給出口から熱交換器１３４の供給入口に供給される。冷媒は、その後、熱交換器１３４の供給入口から熱交換器１３６の供給入口に供給される。冷媒は、その後、熱交換器１３６の供給出口から冷媒供給管路１３７に供給される。冷媒供給管路１３７を経て冷却プロセス１２２の供給流路から出てくる冷媒は、高圧の冷媒であり、流量計測装置１３８を通って膨張する。流量計測装置１３８の出口から出てくる冷媒は、低圧で、通常は−５０℃から１５０℃の間の低温の冷媒である。流量計測装置１３８は、熱交換器１３６の戻り入口に直接結合することによって、冷却プロセス１２２の戻り流路に戻るループを閉じている。冷媒は、その後、熱交換器１３６の戻り出口から熱交換器１３４の戻り入口に供給される。相分離器１３２によって除去されたごく少量の液体は、他の流量計測装置１３９によって低圧に膨張させられる。流量計測装置１３８および１３９は、毛細管、オリフィス、フィードバックを有する定比弁、または流量を調節する任意の規制要素などの流量計測装置である。冷媒は、流量計測装置１３９から流れ、次に、熱交換器１３６の戻り側から熱交換器１３４の戻り入口へ流れる低圧の冷媒と混合する。混合された流れは熱交換器１３４の戻り入口に供給される。冷媒は、その後、熱交換器１３４の戻り出口から、熱交換器１３０の戻り入口に供給される。冷媒は、その後、熱交換器１３０の戻り出口から、冷却プロセス１２２の戻り出口１２４を介して圧縮機の吸引管路１２６に供給される。より複雑な自動冷却カスケードシステムでは、ＭｉｓｓｉｍｅｒとＦｏｒｒｅｓｔが述べているように、さらなる分離段を冷却プロセス１２２に使用することができる。
【００６１】
最後に、冷却プロセス１２２は、冷却プロセス１２２内を通る二次流路に冷媒を供給する入口１４０を含んでいる。冷媒は入口１４０から熱交換器１３０の二次流路入口に供給される。冷媒は、その後、熱交換器１３０の二次流路出口から熱交換器１３４の二次流路入口に供給される。冷媒は、その後、熱交換器１３４の二次流路出口から熱交換器１３６の二次流路入口に供給される。冷媒は、その後、熱交換器１３６の二次流路出口から蒸発器の供給管路１４２に供給される。入口１４０と蒸発器の供給管路１４２は、一次冷却装置１１０と、以下に詳しく説明する二次冷却ループ１１２とを機能的に結合している。
【００６２】
一次冷却装置１１０のすべての構成要素は、機械的および／または液圧的に結合されている。
【００６３】
一次冷却装置１１０は超低温冷却装置であり、その基本動作が熱を除去して移すことであることは、当該技術分野で広く知られている。図１を参照して、一次冷却装置１１０の動作について以下に概略的に説明する。高温の高圧ガスは、圧縮機１１４から出て凝縮器１１６を通過し、凝縮器１１６内で、凝縮器１１６を通過するかまたはその上を通る空気または水によって冷却される。ガスが凝縮器１１６の出口に到達したときには、ガスは部分的に凝縮しており、液体と蒸気の冷媒の混合物になっている。凝縮器１１６から出た液体と蒸気の冷媒は、フィルタ乾燥器１１８を通って流れ、次に、高圧から低圧までの内部の冷媒流路を有する冷却プロセス１２２の供給側に供給される。供給側を流れる冷媒は、まず熱交換器１３０、次に熱交換器１３４、最後に熱交換器１３６を通過するにつれて累進的に冷却される。このように累進的に冷却されることにより、流量計測装置１３８を経て冷却プロセス１２２の戻り側に直接供給される、低圧で、通常は−５０℃から−１５０℃の間の超低温の冷媒が生成される。冷却プロセス１２２内の熱交換器１３０，１３４，および１３６の供給側から戻り側への熱伝達によって、その戻り側に流れる冷媒は、まず熱交換器１３６、次に熱交換器１３４、最後に熱交換器１３０による作用を経て累進的に加熱される。最終的に、低圧の冷媒ガスは吸引管路１２６を経て圧縮機１１４に供給される。
【００６４】
好ましい実施形態では、一次冷却装置１１０は、混合冷媒システム、自動冷却カスケードサイクル、Ｋｌｅｍｅｎｋｏサイクル、または単一膨張装置システムのような、様々な構成の超低温絞りサイクル冷却装置またはプロセスと共に使用するのに適した、不燃性で、塩素を含まず、毒性を有さない混合冷媒混合物を使用する。不燃性で、塩素を含まず、毒性を有さない混合冷媒混合物は、２００１年６月１日に出願された米国仮出願第６０／２１４，５６２号に記載されている。
【００６５】
引き続き図１を参照すると、二次冷却ループ１１２は、低圧のガスを取り込み、このガスを圧縮して高圧で高温のガスにするガス圧縮機１４４を含んでいる。圧縮機１４４は、ヘリウムや窒素のような、露点が−１００℃よりも低い任意の乾性ガスと共に使用するのに適した圧縮機であることが好ましい。圧縮機１４４は、好都合なことに、市販の往復圧縮機でも、回転圧縮機でも、ねじ圧縮機でも、たとえばＷｅｔｈｅｒｓｔｏｎｅ等の米国特許第６，０１７，２０５号に記載されているようなＣｏｐｅｌａｎｄ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって製造されたスクロール圧縮機でもよい。これらの圧縮機は油で潤滑されており、ガス流から油を除去することはこの構成の不可欠な特徴である。
【００６６】
圧縮機１４４からの排出ガス流は、圧縮機１４４から出てくる圧縮されたガスから圧縮熱を除去する従来型の空冷式または水冷式の熱交換器である後部冷却器１４６に供給される。ガス流は、後部冷却器１４６の出口から、排出ガス流から油を分離して圧縮機１４４の吸引側に油を戻す従来型の油分離器１４８に供給される。油が除去された油分離器１４８からの質量流量が、吸着装置１５０に供給される。
【００６７】
吸着装置１５０は、好都合なことに、チャコール吸着装置であっても、もともとはヘリウム用に構成されたものだが、この用途では窒素でも良好に動作することが判明したモレキュラーシーブであってもよい。吸着装置１５０は、排出ガス流中に残留している微量の油を除去するので、吸着装置１５０から出てくるガス流は非常に清浄である。具体的には、排出ガス流中の油濃度レベルは、たとえば１．０〜１０．０ｐｐｍ以下である最小許容値になる。
【００６８】
清浄なガス流は、吸着装置１５０から出て、その後、ある物体の熱を他の物体質に伝達する、当該分野で広く知られた熱交換器である伝熱式熱交換器１５２の供給入口に供給される。ガス流は、オプションで、伝熱式熱交換器１５２の供給出口から従来型の水冷式熱交換器１５６の入口に供給される。
【００６９】
ガス流が伝熱式熱交換器１５２の供給出口から熱交換器１５６の入口に流れる際、ガス流は、オプションで、伝熱式熱交換器１５２から出てくるガス流の温度を調節する加熱器１５４に触れる。オプションの加熱器１５４は、Ｏｍｅｇａ Ｃｏｍｐａｎｙによって製造されているような従来型の直列式の電熱器である。次に、ガス流は、熱交換器１５６の出口から入口１４０を経て一次冷却装置１１０の冷却プロセス１２２内の二次流路に供給される。
【００７０】
オプションの熱交換器１５６およびオプションの直列式の電熱器１５４を含まないシステムでは、ガスは、伝熱式熱交換器１５２から出て、次に、入口１４０を経て、一次冷却装置１１０の冷却プロセス１２２内の二次流路に供給される。一次冷却装置１１０からの蒸発器の供給管路１４２は、顧客が設置した外部熱負荷熱交換器１５８の入口に結合している。
【００７１】
顧客が設置した外部熱負荷熱交換器１５８は、ウェハチャックのような、外部熱負荷熱交換器または冷却すべき任意の表面である。外部熱負荷熱交換器は、熱が対象物または流体から除去されて冷却媒体に伝達される熱インタフェースを指す。場合によっては、冷却される対象物は金属部材である。この金属部材の熱源は、プラズマ付着プロセスまたはその他の物理的な蒸着プロセスでも、金属部材の上を流れる流体でも、電熱でも、金属部材の初期温度であってもよい。実際は、これらの様々な熱源は任意の組合せで存在していてもよい。さらに、冷却される対象物を金属で作る必要はない。唯一の要件は、この部材によって、通常は加圧されている閉ループのガスを安全に閉じ込め、適切な流路と、必要な速度での熱伝達を実現するのに十分な、冷却中の対象物との熱インタフェースが形成されることである。
【００７２】
ガスは、顧客が設置した外部熱負荷熱交換器１５８の出口から、戻り管路１６０を経て、伝熱式熱交換器１５２の戻り入口に供給される。顧客が設置した外部熱負荷熱交換器１５８に結合している冷媒供給管路および戻り管路は、真空保温ジャケット付きの管路のような断熱管路である。ガスは、その後、伝熱式熱交換器１５２の戻り出口から吸引管路１６４を経て圧縮機１４４の吸引側に供給される。その後、伝熱式熱交換器１５２と圧縮機１４４との間の吸引管路１６４に直列に配置された吸引アキュムレータタンク１６２が、ガスをオプションの従来型の圧力調節器１６８に供給する。ガス流は、伝熱式熱交換器１５２の戻り出口から圧力調節器１６８まで流れる際に、圧縮機１４４に入るガス流の温度を調節するのに用いられるオプションの直列式の電熱器１６６に触れる。
【００７３】
吸引アキュムレータタンク１６２は、ガス密度の変動によるあらゆる圧力変動を減衰させ、それによって圧縮機１４４の吸引側の圧力変動を最小限に抑える従来型の吸引アキュムレータである。オプションの加熱器１６６は、Ｏｍｅｇａ Ｃｏｍｐａｎｙによって製造されているような従来型の直列式の電熱器である。
【００７４】
出口が吸引管路１６４に結合している電磁弁１７０は、二次冷却ループ１１２を満たす充填口として機能する。電磁弁１７０の入口はガス供給源（不図示）に結合している。オプションの構成である電磁弁１７２の入口は、熱交換器１５６の出口と冷却プロセス１２２の入口１４０との間の流路に結合している。オプションの電磁弁１７２は、二次冷却ループ１１２用の排気口として機能する。電磁弁１７０とオプションの電磁弁１７２は、ＳｐｏｒｌａｎＶａｌｖｅ社の電磁弁のような、ソレノイドをオン／オフする従来型の電磁弁である。
【００７５】
従来型の圧力スイッチ（ＰＳ）１７４が伝熱式熱交換器１５２の供給出口に配置され、従来型の圧力スイッチ（ＰＳ）１７８が圧縮機１４４の入口に配置され、オプションの従来型の温度スイッチ（ＴＳ）１８０が加熱器１５４の下流側に配置され、オプションの従来型の温度スイッチ（ＴＳ）１８２が加熱器１６６の下流側に配置されている。
【００７６】
温度スイッチを除いて、二次冷却ループ１１２のすべての構成要素は機械的および／または液圧的に結合されている。
【００７７】
当業者には、制御／安全回路（不図示）が、圧力スイッチや温度スイッチのような、冷却装置１００内に配置された複数の制御装置を制御し、かつそれらの制御装置からフィードバックを受けることが理解されるであろう。圧力スイッチ（ＰＳ）１７４、圧力スイッチ（ＰＳ）１７８、温度スイッチ（ＴＳ）１８０、および温度スイッチ（ＴＳ）１８２はそのような装置の例である。しかしながら、図を単純にするために図１には示されていない他の多数のセンサが冷却装置１００内に配置されている。圧力スイッチ（ＰＳ）１７４および圧力スイッチ（ＰＳ）１７８を含む圧力スイッチは、通常は空気圧的に結合しており、一方、温度スイッチ（ＴＳ）１８０および温度スイッチ（ＴＳ）１８２を含む温度スイッチは、通常は、冷却装置１００内の流路に熱的に結合している。制御／安全回路からの制御は現実には電気によるものである。同様に、様々なセンサから制御／安全回路へのフィードバックも、現実には電気によるものである。
【００７８】
冷却装置の構成要素およびそれらの互いの関係について説明してきたが、次に、このシステムの動作について説明する。冷却装置１００は、以下の３つの動作モードを有することを特徴としている。
（１）通常冷却モード − 顧客が設置した外部熱負荷熱交換器１５８が、−８０℃から−１５０℃の間の温度に連続的に冷却される。
（２）ベークアウトモード − 顧客が設置した外部熱負荷熱交換器１５８が、加熱器（不図示）によって＋２００℃から＋３５０℃の間の温度に加熱される。
（３）ベーク後冷却モード − 顧客が設置した外部熱負荷熱交換器１５８が、ベークアウト温度から−８０℃から−１５０℃の間の通常冷却モードの温度まで徐々に冷却される。
【００７９】
通常冷却モード：図１を参照すると、二次冷却ループ１１２は、最初に、ガスを、圧力調節器１６８を通した後に出口から圧縮機１４４の吸引側に供給する電磁弁１７０にガスを供給するガス供給源（不図示）によって充填される。圧力スイッチ（ＰＳ）１７８は、圧力調節器１６８の上流側のガス圧を検知して電磁弁１７０を制御する。圧力が圧力スイッチ（ＰＳ）１７８の設定値に達すると、電磁弁１７０は閉じる。圧力調節器１６８は、圧縮機１４４の吸引側のある所望の圧力を確実に維持する。
【００８０】
ガスは、圧力の限界が顧客が設置した外部熱負荷熱交換器１５８の結合管路によって決まる、通常は１００ｐｓｉから４００ｐｓｉの範囲の排出圧力まで、圧縮機１４４によって圧縮される。構成面で検討すべき主要な点は、圧縮機１４４の圧縮比を送り出されているガスに対して適切に一致させて、圧縮機１４４内の排出温度が過度になるのを防ぐことである。
【００８１】
高圧のガス流は、圧縮機１４４から後部冷却器１４６に流れ、後部冷却器１４６はその後に圧縮機１４４から出てくる圧縮されたガスから圧縮熱を除去し、それによって、ガス流を通常は２５℃から４０℃の間の温度に冷却する。さらに、圧縮熱は、後部冷却器１４６を通って循環する油流によって除去することも可能である。
【００８２】
ガス流は、次に、ガス流中に残留しているあらゆる微量の油を除去する油分離器１４９および吸着装置１５０を通って流れ、吸着装置１５０から出てくるガス流が非常に清浄になる。ガス流は、次に、顧客が設置した外部熱負荷熱交換器１５８から戻ってくる低温のガスによってガス流をさらに冷却する伝熱式熱交換器１５２に入る。その結果、伝熱式熱交換器１５２の供給出口から出てくるガス流は、通常は−３０℃から＋３０℃の間である。伝熱式熱交換器１５２の下流側に設置されたオプションの加熱器１５４によって、オプションの熱交換器１５６に入るガスの温度が、熱交換器１５６の片側で循環する水を凍結させない程度に十分に確実に温かくなる。
【００８３】
ガス流は、次に、一次冷却装置１００の冷却プロセス１２２内に流れ込み、そこで最初に熱交換器１３０、次に熱交換器１３４、最後に熱交換器１３６の二次流路を経て超低温に累進的に冷却され、それによって、−８０℃から−１５０℃の間の温度に冷却されている蒸発器の供給管路１４２を経て冷却プロセス１２２から出る。
【００８４】
この低温のガスは、次に、顧客が設置した外部熱負荷熱交換器１５８に入り、表面温度が一様になるように、所定の流れパターンを経て、顧客が設置した外部熱負荷熱交換器１５８内を流れ始める。低温のガスが、顧客が設置した外部熱負荷熱交換器１５８を通り、その後、−３０℃から−１４０℃の間の温度の顧客が設置した外部熱負荷熱交換器１５８から出る際に、顧客が設置した外部熱負荷熱交換器１５８内の流れ作用によって、熱が低温のガスに伝達される。
【００８５】
ガスは、次に、伝熱式熱交換器１５２の戻り側に入り、それによって、上述したように供給側を冷却する。これに反して、伝熱式熱交換器１５２の戻り側を流れるこのガスは、伝熱式熱交換器１５２の供給側を流れる高圧のガスから排された熱を取り込むことによって加熱される。その結果、伝熱式熱交換器１５２から出て、その後、吸引アキュムレータタンク１６２および吸引管路１６４を経て圧縮機１４４の吸引側に供給されるガスは、−４０℃から＋５０℃の間の温度になる。
【００８６】
吸引管路１６４内を流れるガスは、温度スイッチ（ＴＳ）１８２の制御を受けている加熱器１６６によって、圧縮機１４４の入力要件を満たす温度までさらに加熱される。圧縮機１４４の吸引側の圧力は、通常は２ｐｓｉから１００ｐｓｉの間であり、この圧力が０ｐｓｉよりも低くならないことが重要である。したがって、二次冷却ループ１１２は閉ループのように動作し、それによって全体積の冷媒ガスを再循環させる。
【００８７】
ベークアウトモード：一次冷却装置１１０と二次冷却ループ１１２は、それぞれ、圧縮機１１４と圧縮機１４４を停止することによってオフにされる。その結果、ベークアウトモード中はガス流が発生しない。顧客が設置した外部熱負荷熱交換器１５８は、ベークアウトモード中、加熱器（不図示）によって＋５０℃から＋３５０℃の間の温度に加熱される。
【００８８】
ベーク後冷却モード：ベークアウトプロセスの完了時には、顧客が設置した外部熱負荷熱交換器１５８を、熱衝撃を生じさせずにできるだけ早く、＋３５０℃までの高温から、−８０℃から−１５０℃の間の熱交換器１５８の標準低温に戻さなくてはならない。この冷却期間を最適化するために、冷媒ガスが、二次冷却ループ１１２の圧縮機１４４を作動させることによって、顧客が設置した外部熱負荷熱交換器１５８から送り出される。最初は、一次冷却装置１１０の圧縮機１１４はオフのままであり、したがって、顧客が設置した外部熱負荷熱交換器１５８は、一次冷却装置１１０によって生じる超低温に突然さらされても熱衝撃を受けることがない。その時、二次冷却ループ１１２によって顧客が設置した外部熱負荷熱交換器１５８に供給されるガスは、＋３０℃から＋３００℃の間の温度に過ぎない。最初は、顧客が設置した外部熱負荷熱交換器１５８から出るガスの温度は３５０℃と非常に高いが、時間の経過と共に、この温度は二次冷却ループ１１２内を流れるガスの冷却作用によって徐々に低下していく。
【００８９】
より詳しくは、顧客が設置した外部熱負荷熱交換器１５８から戻る高温のガスは、この高温のガスから排された熱が周囲温度で熱交換器１５２に入る逆の流れのガスに取り込まれるので、伝熱式熱交換器１５２内で冷却される。その結果、伝熱式熱交換器１５２から出る高圧のガスの温度は１００℃よりも高くなることがあり、このため、このガス流をさらに冷却する必要がある。したがって、ベーク後冷却モード中は、オプションの加熱器１５４を停止し、オプションの熱交換器１５６を作動させる。
【００９０】
顧客が設置した外部熱負荷熱交換器１５８が周囲温度と＋５０℃との間の温度までひとたび冷却させられると、一次冷却装置１１０が圧縮機１１４を作動させることによってオンにされ、それによって、顧客が設置した外部熱負荷熱交換器１５８に入るガスが−８０℃から−１５０℃の間の標準動作温度まで冷却される。
【００９１】
ベーク後冷却モード中は、伝熱式熱交換器１５２の２つのガス流の温度差を調節することが必要になる場合がある。各流れのガス流量が各流れ間の温度差に変化をもたらすので、伝熱式熱交換器１５２内の２つの流れの各々におけるガス流量を異ならせることによって温度差を調節することができる。しかしながら、閉ループシステムでは、これらの２つの流量は本来的に等しい。したがって、伝熱式熱交換器１５２の２つのガス流れの温度差を調節する手段を実現するために、本発明によって、２つの流れの間の流量を不均衡にする手段が設けられている。伝熱式熱交換器１５２の各流れの流量は、高圧の流れが電磁弁１７２を経て熱交換器１５６から出た後に、この流れの一部を排出することによって変えることができる。このように、ガスは、高圧の流れから排出され、したがって、二次冷却ループ１１２に戻ることがなく、それによって、ループの供給側と戻り側との間に流れの不均衡を生じさせる。通常、このプロセスは１週間に一度行われ、数分間継続する。排出によって失われるガスは、開ループのシステムと比べてわずかである。
【００９２】
圧縮機１４４の吸引入口での総体積流量を一定に維持するために、排出された量のガスを補給しなければならない。これは、圧力調節器１６８の上流側のガス圧がその設定値よりも低くなったことを検知し、その後に電磁弁１７０を開き、二次冷却ループ１１２に新鮮なガスを導入する圧力スイッチ（ＰＳ）１７８によって行われる。ベーク後冷却モード中に流れの一部を排出するように融通を利かせることによって、圧縮機１１４の吸引入口に入るガスの最高温度を限界内にとどめることができる。
【００９３】
３つの動作モードのいずれでも、二次冷却ループ１１２内の吸引管路１６４のガス圧が連続的に測定され、ガス漏れが起きた場合は、二次冷却ループ１１２にガスが自動的に補充される。二次冷却ループ内の圧力が不完全であることが圧力スイッチ（ＰＳ）１７８によってひとたび検知されると、電磁弁１７０が自動的に開き、ガスが補給される。圧力が圧力スイッチ（ＰＳ）１７８の設定値に達すると、電磁弁１７０は自動的に閉じる。
【００９４】
一般に、圧力スイッチ（ＰＳ）１７４、圧力スイッチ（ＰＳ）１７８、温度スイッチ（ＴＳ）１８０、および温度スイッチ（ＴＳ）１８２は、３つの異なるモードの間、冷却装置１００を作動させるのに必要な制御手段である。圧力スイッチ（ＰＳ）１７８は圧縮機１４４の吸引口の上流側のガス圧を検知する。圧力スイッチ（ＰＳ）１７４は、吸着装置１５０の後段の、圧縮機１４４の下流側の高圧の流れを検知する。圧力が、圧力スイッチ（ＰＳ）１７８で圧縮機１４４の吸引口の上流側の低圧側について設定されている値よりも低くなると、圧縮機１４４が停止しないように、電磁弁１７０が開き、供給源からのガスが圧縮機１４４の吸引側に導入される。これにより、再循環ガスループ内の圧力が設定値よりも低くなったり、真空になったりすることがなくなる。ガスループの排出側の圧力スイッチ（ＰＳ）１７４は、圧力が、圧力スイッチ（ＰＳ）１７４で設定されている値を超えたときに、圧縮機１４４が停止しないようにする。圧力スイッチ（ＰＳ）１７４はまた、顧客が設置した外部熱負荷熱交換器１５８の結合管路の限界を超えないようにする。同様に、温度スイッチ（ＴＳ）１８０および温度スイッチ（ＴＳ）１８２は、前述したように、伝熱式熱交換器１５２の２つのガス流の温度を正確に調節する。
【００９５】
本発明による第１の実施形態では、オプションの熱交換器１５４，１５６，および１６６は使用されない。この実施形態では、伝熱式熱交換器１５２は、ガス圧縮機１４４が、その構成上の限界を超えるガスを受け入れないように保護する手段を構成する。
【００９６】
冷却モードでは、熱交換器１５２は、低温の戻りガスを通常は−４０℃から＋２０℃の間である温度に加熱する。この範囲の高温限界は、主に、熱交換器１５２のサイズ、熱交換器１５２に対する熱負荷、および後部冷却器１４６から排される熱を受け入れる媒体の温度によって決まる、後部冷却器１４６から出てくるガスの温度によって決定される。吸着装置１５０から出た高圧のガスは、顧客が設置した外部熱負荷熱交換器１５８から戻る低温で低圧のガスによって熱交換器１５２内で冷却される。熱交換器１５２から出た高圧のガスを冷却することによって、冷却プロセス１２２に対する熱負荷が小さくなる。
【００９７】
ベークアウト後モードでは、熱交換器１５２は、顧客が設置した外部熱負荷熱交換器１５８から戻る高温のガスを、通常は＋５０℃から＋２５℃の間である温度に冷却する。この範囲の低温限界は、主に、熱交換器１５２のサイズ、熱交換器１５２に対する熱負荷、および後部冷却器１４６から排される熱を受け入れる媒体の温度によって決まる、後部冷却器１４６から出てくるガスの温度によって決定される。
【００９８】
熱交換器１５２の好ましいサイズは、熱交換器１５２が完全には作用しないようなサイズである。すなわち、熱交換器１５２は、熱交換器１５２に入った高温のガスが、高圧のガス流によって部分的にのみ冷却され、熱交換器１５２に入る高圧のガスの温度に完全に達することのないように、いくらか小型になっている。通常は、高温のガスの低圧の流れの出口での温度は、高圧のガス流れの入口温度よりも５度から３０度高い。このように、顧客が設置した外部熱負荷熱交換器１５８から戻る熱のいくらかは、ガス圧縮機１４４に移され、最終的に後部冷却器１４６に移され、そこから環境中に排出されてシステムから除去され得る。さらに、顧客が設置した外部熱負荷熱交換器１５８から戻る低圧のガスから熱を吸収した高圧のガス流は、高圧のガス流からいくらかの熱を除去する手段を構成する冷却プロセス１２２を通って流れる。
【００９９】
この実施形態では、一次冷却装置１１０は、ベークアウト後プロセスの間オフにされ、ガス流から熱を吸収する質量として機能する。顧客が設置した外部熱負荷熱交換器１５８から除去される正味の熱によって熱交換器１５８の温度が低下し、それによって、熱交換器１５２に入る低圧のガスの温度が低下し、したがって、熱交換器１５２から出る高圧のガスの温度が低下する。熱交換器１５２から出る高圧のガスの温度が、通常はほぼ室温である許容レベルにひとたび達すると、冷却プロセス１２２を作動させることができる。システムの仕様に応じて、このしきい値の温度を、冷却プロセス１２２の冷却能力に応じてより高くしてもよい。
【０１００】
本発明による第２の実施形態では、熱交換器１５２の高圧出口に、三方弁または２つの二方弁（不図示）が追加されている。この弁は、高圧のガス流の流量を調節し、高圧のガスを冷却プロセス１２２に直接供給するか、それとも高圧のガスを冷却プロセス１２２を避けて迂回させるかを選択するように働く。高圧のガスが冷却プロセスを迂回するように選択された場合、高圧のガスは冷却プロセス１２２と顧客が設置した外部熱負荷熱交換器１５８との間のガス供給管路１４２に結合することが可能である。この実施形態では、熱交換器１５２から出た高圧のガスは、高圧のガスが所定の温度、たとえば周囲温度よりも高い温度で熱交換器１５２から出るときはいつでも冷却プロセス１２２を迂回する。
【０１０１】
本発明による第３の実施形態では、熱交換器１５４，１５６，および１６４は、ガス圧縮機１４４に入るガスおよび冷却プロセス１２２が構成上の限界内になるようにするのに用いられる。
【０１０２】
冷却モードでは、熱交換器１５２は、吸着装置１５０から熱交換器１５２に入る高圧のガス流を冷却することによって、顧客が設置した外部熱負荷熱交換器１５８から戻る低温のガスを加熱する。熱交換器１５２から出た低圧のガスは、必要に応じて、電熱器１６６によって、ガス圧縮機１４４への必要な入口温度を実現するように加熱される。熱交換器１５２によって冷却された高圧のガスは、電熱器１５４によって加熱され、さらに熱交換器１５６によって調節される。しかしながら、通常の動作の下では、顕著な熱伝達は起こらない。熱交換器１５６は、水、水とグリコールとの混合物、または同様の熱伝達媒体などの媒体と熱を交換する。
【０１０３】
ベークアウト後モードでは、顧客が設置した外部熱負荷熱交換器１５８から戻る高温のガスは熱交換器１５２によって冷却される。熱交換器１５２から出たガスを加熱する必要がないので、加熱器１６６は作動させない。高圧のガスは熱交換器１５２によって加熱される。高圧のガスを加熱する必要がないので、電熱器１５４は作動させない。熱が、熱交換器１５６によって高圧のガスから除去される。
【０１０４】
熱交換器１５６から出た高圧のガスの一部は、弁１７２によって大気に排出される。このことは、顧客が設置した外部熱負荷熱交換器１５８へのガスの流量を減らし、したがって、低圧で高温の戻りガスよりも室温の高圧のガスの方が流量が多いので、顧客が設置した外部熱負荷熱交換器１５８から戻る低圧のガスを冷却する熱交換器１５２の能力を向上させる作用を生じさせる。このことは、熱交換器１５２の有効性を向上させる作用を生じさせる。この実施形態では、第１の実施形態とは異なり、熱交換器１５２の有効性が高いことが好ましい。減少した戻りガスの流量は、電磁弁１７０から入る新しいガスによって補われる。この室温のガスの混合によって、熱交換器１５２から戻るガスがさらに冷却される。
【０１０５】
本発明による第４の実施形態では、加熱器１５４と熱交換器１５２および１５６は使用されず、加熱器１６６は熱交換器１６６に置き換えられている。熱交換器１６６は、水、水とグリコールとの混合物、または室温に近い同様の熱伝達媒体と熱を交換する。熱交換器１６６は、顧客が設置した外部熱負荷熱交換器１５８から戻る低圧のガスの温度を調節する。
【０１０６】
熱交換器１６６から出る低圧のガスの温度はほぼ室温である。低圧のガスの温度は、この熱交換器１６６に入る前の様々な冷却流体の凝固点よりも低いかまたは標準沸点よりも高くてもよいので、熱交換器１６６は、冷却流体が凍結または沸騰しないことを確実にする最小流量で動作するように構成されている。流体の流量を検知するために流量スイッチを用いることが好ましい。
【０１０７】
冷却流体の流量が許容限界よりも少なくなった場合には、流量スイッチはガス圧縮機１４４をオフにして凍結状態または沸騰状態になることを防止する。あるいは、温度センサを流量センサの代わりに用いることができる。
【０１０８】
本発明による第５の実施形態では、冷却装置１００からの全ての顕著なガスの損失が検知され、新しいガスが補充される。ガス圧縮機１４４の吸引圧力が所定のレベルよりも低くなった場合、圧力スイッチ１７８のスイッチ位置が変化する。圧力スイッチ１７８は、圧力スイッチ１７８によって検知される吸引圧力が所定のレベルに達し、圧力スイッチ１７８のスイッチ位置を変化させて弁１７０を閉じるまで、新しいガスを冷却装置１００内に導入することを可能にするために開く弁１７０を作動させるために用いることができる。
【０１０９】
他の構成では、圧力スイッチ１７８は、コントローラによって検知され、弁１７０を制御するリレーを作動させるのに用いられる信号を生成する圧力変換器などの圧力センサに置き換えられる。あるいは、弁１７０は顧客によって現場で設置されてもよい。この場合、製造されたユニットは、動作中に新しいガスを追加することのできる結合ポイントを有しているに過ぎない。同様に、圧力スイッチ１７８も現場で追加される。
【０１１０】
この実施形態の他の特徴は、二次冷却ループ１１２内に適切なガスを確実に充填するために、二次冷却ループ１１２に追加のガスを追加することを可能にすることである。窒素などのガスの代表的な供給圧力は、通常は８０ｐｓｉ以下である。ガスは、二次ガス圧縮機１４４をオフに切り替えた状態で、二次冷却ループ１１２内に充填される。二次冷却ループ１１２に充填できる最大圧力は、代表的な設備の供給圧力の８０ｐｓｉである。
【０１１１】
ガス圧縮機１４４がオンに切り替えられると、吸引圧力が圧力スイッチ１７８で設定されている値よりも低くなり、次に、圧力スイッチ１７８が電磁弁１７０を作動させ、ガスをガス圧縮機１４４の吸引側に引き込むことを可能にする。二次冷却ループに正しい量のガスが引き込まれると、圧力スイッチ１７８は電磁弁１７０を停止させ、二次冷却ループへのガス供給が遮断される。したがって、この自動補給機能は、追加のガスを二次冷却ループ１１２内に引き込むことを促進し、最適な量のガスを二次冷却ループ１１２内に導入することを可能にする。
【０１１２】
ガス圧縮機１４４がオフに切り替えられると、静的つり合い圧力を、通常は設備で用いることができる供給圧力の８０ｐｓｉよりも高くすることができる。自動補給機能がない場合、二次冷却ループ１１２を適切な圧力レベルまで充填するために高圧のガスボンベを備えている必要があり、したがって、設備内に高圧のガスボンベを持ち運ぶ不便さが無くなる。
【０１１３】
本発明による第６の実施形態では、二次冷却ループ１１２は、ガス圧縮機１４４の代わりに他のタイプの圧縮機を含んでいてもよい。より詳しくは、二次冷却ループ１１２は、ガス圧縮機１４４の代わりに、一次冷却装置１１０の圧縮機１１４のような冷却圧縮機を含んでいてもよい。二次冷却ループ１１２は、ガス圧縮機１４４の代わりに無給油の圧縮機を含んでいてもよい。
【０１１４】
本発明による第７の実施形態では、二次冷却ループ１１２の伝熱式熱交換器１５２を、熱交換器１５６と同一の２つの水冷式熱交換器に置き換えてもよい。この場合、第１の水冷式熱交換器は、伝熱式熱交換器１５２の代わりに、吸着装置１５０の下流側の高圧ガスの供給管路に挿入される。同様に、第２の水冷式熱交換器は、伝熱式熱交換器１５２の代わりに、吸引アキュムレータタンク１６２の上流側の戻り管路１６０に挿入される。この場合、２つの水冷式熱交換器の水温は、動作モードに応じて凍結または沸騰が防止されるような温度である。さらに、到達したガス温度は、水温に近い温度に維持される。
【図面の簡単な説明】
【０１１５】
【図１】混合冷媒冷却装置を閉ループのガス二次冷却ループと組み合わせて用いる、本発明による、２つの圧縮機を備えた超低温再循環ガス冷却装置の概略図である。
【図１】
0004487233.tif 000002