(57)【要約】  冷却システムにおいては、コンプレッサ（１）、熱源（２）、熱交換器（３）、およびバッファタンク（４）が、この順番で、閉回路を構成するように、配管（５）によって接続されている。閉回路においては、冷媒としての窒素が外気に触れずに循環する。冷媒は、空気以外の気体冷媒であり、かつ、閉回路を循環するときに液化することなく、熱源(２)から熱を吸収し、その熱を熱交換器（３）において外部へ放出するものでありさえすればよい。
2007040033.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気以外の気体冷媒を液化しない程度に圧縮して送り出すコンプレッサ（１）と、
前記コンプレッサ（１）から送り出されてきた気体冷媒が通過するときに、前記気体冷媒によって冷却される熱源（２）と、
前記熱源（２）から熱を吸収した後の前記気体冷媒が外部へ熱を放出する熱交換器（３）と、
前記熱交換器（３）において熱を外部へ放出した後の前記気体冷媒を一時的に貯留するバッファタンク（４）と、
前記コンプレッサ（１）、前記熱源（２）、前記熱交換器（３）、および前記バッファタンク（４）をこの順番で連結する閉回路を構成し、該閉回路において前記気体冷媒を循環させるための配管（５）とを備えた、冷却システム。
【請求項２】
前記コンプレッサ（１）と前記熱源（２）との間に前記気体冷媒を一時的に貯留する他のバッファタンク（２００）をさらに備えた、請求項１に記載の冷却システム。
【請求項３】
前記バッファタンク（４）の容量は、前記気体冷媒が前記閉回路を１回循環するために要する時間内に前記コンプレッサ（１）が吐出する前記気体冷媒の量以上である、請求項１に記載の冷却システム。
【請求項４】
前記気体冷媒を外部から補充し得るように前記バッファタンク（４）に接続された補充用配管（８ａ）と、
前記気体冷媒を外部へ排出し得るように前記バッファタンク（４）に接続された排出用配管（８ｂ）とをさらに備えた、請求項１に記載の冷却システム。
【請求項５】
前記コンプレッサ（１）は、前記熱源（２）を目標とする温度まで冷却するために必要な前記気体冷媒の循環量よりも大きな量の前記気体冷媒を吐出する能力を有する、請求項１に記載の冷却システム。
【請求項６】
前記気体冷媒が、窒素、酸素、二酸化炭素または不活性ガスを含む、請求項１に記載の冷却システム。
【請求項７】
前記配管（５）は、前記熱源（２）においては冷却管として機能し、
前記冷却管の表面積が熱源１ｍ3あたり２０ｃｍ2以上かつ７５０ｃｍ2以下である、請求項１に記載の冷却システム。
【請求項８】
前記熱交換器（３）における気体の圧力損失が前記閉回路全体における気体の圧力損失の１／１０以下である、請求項１に記載の冷却システム。
【請求項９】
前記閉回路とは別に、前記コンプレッサ（１）が起動された後、前記気体が前記閉回路内を１回循環するまでの間に前記コンプレッサ（１）が吐出する量の前記気体冷媒を前記コンプレッサ（１）に供給し得る冷媒供給経路（２００，２１０，８ａ）をさらに備えた、請求項１に記載の冷却システム。
【請求項１０】
前記バッファタンク（４）内の前記気体冷媒の圧力が前記コンプレッサ（１）の吸い込み圧力のほぼ上限値の圧力である場合に、前記バッファタンク（４）内の前記気体冷媒を自動的に排気する排気弁（８０ｂ）と、
前記バッファタンク（４）内の前記気体冷媒の圧力が前記コンプレッサ（１）の吸い込み圧力のほぼ下限値の圧力である場合に、前記バッファタンク（４）内へ前記気体冷媒を自動的に吸気する吸気弁（８０ａ）とをさらに備えた、請求項１に記載の冷却システム。
【請求項１１】
空気以外の気体冷媒を液化しない程度に圧縮して送り出すコンプレッサ（１）と、
プラズマ処理用の気体を用いて所定の処理を行なうときに熱を発する装置であって、前記コンプレッサ（１）から送り出されてきた気体冷媒が通過するときに、前記気体冷媒によって冷却されるプラズマ処理装置（２）と、
前記プラズマ処理装置（２）から熱を吸収した後の前記気体冷媒が外部へ熱を放出する熱交換器（３）と、
前記熱交換器（３）において熱を外部へ放出した後の前記気体冷媒を一時的に貯留するバッファタンク（４）と、
前記コンプレッサ（１）、前記熱源（２）、前記熱交換器（３）、および前記バッファタンク（４）をこの順番で連結する閉回路を構成し、該閉回路において前記気体冷媒を循環させるための配管（５）とを備え、
前記気体冷媒は、前記プラズマ処理用の気体とは反応しない１または２以上の気体からなる、プラズマ処理システム。
【請求項１２】
請求項１に記載の冷却システムの運転方法であって、
前記コンプレッサ（１）が起動されたときに、前記バッファタンク（４）内の気体冷媒の圧力が低下した分だけ、前記バッファタンク（４）内へ前記気体冷媒を吸引するステップと、
前記閉回路において前記気体冷媒が１回循環するために必要な時間以上の時間が経過した後、前記バッファタンク（４）内の前記気体の圧力を前記コンプレッサ（１）が損傷しない程度の値に維持するステップとを備えた、冷却システムの運転方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷媒によって熱源を冷却する冷却システム、その運転方法およびその冷却システムが用いられたプラズマ処理システム
に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、ヒートポンプが用いられている。ヒートポンプとは、冷却または加熱を行なうシステムである。ヒートポンプにおいては、気化熱が利用されている。気化熱とは、冷媒が液体から気体に変化するときに、冷媒が周囲から吸収する熱である。また、ヒートポンプにおいては、凝縮熱も利用されている。凝縮熱とは、冷媒が気体から液体へ変化するときに、冷媒が周囲へ放出する熱である。なお、ヒートポンプにおいては、前述の気化熱および凝縮熱を利用するためにコンプレッサおよび熱交換器等が利用されている。【０００３】
より具体的には、前述のヒートポンプは、内燃機関または冷蔵庫等に用いられている。これらにおいては、通常、閉回路からなる冷却システムが内蔵されている。冷却システムにおいては、フロンガス等の液体冷媒が断熱膨張によって気化する。それにより、吸熱作用が生じる。また、コンプレッサは、気化した冷媒を断熱状態で圧縮する。それにより、気化した冷媒は凝縮して液体冷媒に戻る。このような熱交換サイクルが繰り返される。前述のような熱交換サイクルによれば、大きな熱量の交換を効率的に行なうことができる。【０００４】
一方、大型プラントにおける炉、槽、および煙突などの表面積は非常に大きい。この大きな表面を有する大型プラントの冷却においては、その表面に沿って蛇行するように設けられた冷媒配管内を流れる冷媒の気化熱が用いられる。この場合、冷媒配管の入口に近い位置においては、気化熱による急激な冷却が行なわれるが、冷媒配管の出口に近い位置においては、既に液体冷媒が気化しているため、気化熱による冷却が行なわれない。そのため、大型プラント等は、前述のような液体と気体との相変化を伴う熱交換サイクルを用いて冷却されると、その表面温度の分布に極端なばらつきが生じてしまう。したがって、特定の大型プラント設備を冷却するためのヒートポンプの冷媒としては、比熱が小さい窒素または不活性ガスのアルゴンなど気体が用いられている。
【特許文献１】特開平１−１９３５６１号公報
【特許文献２】特開２００３−３２９３５５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上記のような気体が冷媒として使用される従来の気化熱および凝縮熱を利用するヒートポンプは、次のようないくつかの問題点を有している。【０００６】
まず、ヒートポンプの閉回路において気体が熱源を冷却するための冷媒として用いられる場合を考える。この場合には、気化熱および凝縮熱を利用して冷却が行なわれると、冷却管の入口から出口まで間において、気体がすべて液体に変化してしまうことがある。この場合には、冷却管の位置によって冷媒の吸熱能力が大きく異なってしなう。そのため、冷却管内の温度分布に大きなむらが生じてしまう。したがって、熱源を均一に冷却することができない。【０００７】
次に、気体が、閉回路を循環するのではなく、開回路を流れた後、順次排出される方式によって、熱源を冷却する場合を考える。一般に、気体は水のような液体に比べて極めて比熱が小さい。そのため、前述の場合には、開回路の形態によっては、大量の気体を排出することが必要になる。したがって、気体の消費量が極めて大きくなる。その結果、ヒートポンプのランニングコストが大幅に増加してしまう。なお、この気体を他の用途のために再利用すること可能であるが、気体の再利用のための設備は大規模であるため、コスト面での不利益が大きい。【０００８】
次に、通常の冷却水を冷媒として用いて熱源を冷却する場合を考える。この場合には、水の比熱が大きいため、大型の熱源の表面温度の分布のばらつきが大きくなる。したがって、このような冷媒として水を用いる冷却システムは、熱源を均一に冷却する冷却システムとしては適さない。また、熱源が真空雰囲気内に設置されている場合および周辺雰囲気に水と反応し易い物質が存在する場合には、冷却管から水が漏れると、真空槽が大気圧以上に加圧されるために生じる水蒸気爆発および漏洩した水と周辺雰囲気との反応による冷却システムの周辺部の破損などが発生するおそれがある。【０００９】
また、金型保温器のように、加圧水を用いて温度制御する場合を考える。この場合、１６０℃以上の温度の熱源を冷却することは原理的に不可能である。また、上記と同様に、水蒸気爆発および冷却システムの周辺部の破損などのおそれがある。【００１０】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、その目的は、大型の熱源を均一に冷却することができる冷却システム、その運転方法およびその冷却システムが用いられたプラズマ処理システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の冷却システムは、空気以外の気体冷媒を液化しない程度に圧縮して送り出すコンプレッサと、コンプレッサから送り出されてきた気体冷媒が通過するときに、気体冷媒によって冷却される熱源とを備えている。また、そのシステムは、熱源から熱を吸収した後の気体冷媒が外部へ熱を放出する熱交換器と、熱交換器において熱を外部へ放出した後の気体冷媒を一時的に貯留するバッファタンクと、コンプレッサ、熱源、熱交換器、およびバッファタンクをこの順番で連結し閉回路を構成し、気体冷媒を循環させるための配管とを備えている。【００１２】
上記の構成によれば、比熱が小さな気体冷媒を用いて熱源を冷却するため、大きな表面を有する熱源を冷却する場合に、比熱が大きな液体冷媒を用いて熱源を冷却する冷却システムまたは冷媒の相変化によって熱源を冷却する冷却システムに比較して、熱源の表面の温度分布のむらが生じる度合いを低減することできる。また、冷媒として気体が用いられると、気体と他の物質とが反応することに起因する不具合が生じるおそれがある。しかしながら、上記の構成によれば、気体冷媒は閉回路内を循環するため、前述の不具合が生じるおそれがない。【００１３】
また、冷却システムがコンプレッサと熱源との間に気体冷媒を一時的に貯留する他のバッファタンクをさらに備えていれば、熱源に供給される気体の流量が安定する。【００１４】
また、前述のバッファタンクの容量が、気体冷媒が閉回路を１回循環するために要する時間内にコンプレッサが吐出する気体冷媒の量以上であれば、コンプレッサが吐出する気体冷媒がなくってしまうおそれが低減される。【００１５】
また、冷却システムは、気体冷媒を外部から補充し得るようにバッファタンクに接続された補充用配管と、気体冷媒を外部へ排出し得るようにバッファタンクに接続された排出用配管とをさらに備えていることが望ましい。【００１６】
上記の構成によれば、バッファタンク内の気体冷媒の量が少な過ぎる場合には、補充用配管を介して、外部からバッファタンクへ気体冷媒を補充することができ、バッファタンク内の気体冷媒の量が多過ぎる場合には、排出用配管を介して、バッファタンクから外部へ気体冷媒を排出することができる。【００１７】
また、コンプレッサが、熱源を目標とする温度まで冷却するために必要な気体冷媒の循環量よりも大きな量の気体冷媒を吐出する能力を有していれば、熱源への気体冷媒の供給が不足するという事態が生じない。【００１８】
また、気体冷媒が、窒素、酸素、二酸化炭素または不活性ガスを含んでいることが望ましい。これらの気体冷媒は、他の物質と反応するおそれが低いため、気体冷媒が閉回路の外部に漏れた場合に、気体冷媒が周囲環境へ悪影響を与えるおそれが低い。【００１９】
また、配管は、熱源においては冷却管として機能し、冷却管の表面積が熱源１ｍ3あたり２０ｃｍ2以上かつ７５０ｃｍ2以下であれば、十分な熱交換を行なうことができる。【００２０】
また、熱交換器における気体冷媒の圧力損失が閉回路全体における気体冷媒の圧力損失の１／１０以下であれば、熱交換器が熱源の冷却のために必要な気体冷媒の流れを阻害することはない。【００２１】
また、本発明の冷却システムが、閉回路とは別に、コンプレッサが起動された後、気体冷媒が閉回路内を１回循環するまでの間にコンプレッサが吐出する量の気体冷媒をコンプレッサに供給し得る冷媒供給経路をさらに備えていれば、コンプレッサの起動直後の運転が安定する。【００２２】
また、本発明の冷却システムは、バッファタンク内の気体冷媒の圧力がコンプレッサの吸い込み圧力のほぼ上限値の圧力である場合に、バッファタンク内の気体冷媒を自動的に排気する排気弁と、バッファタンク内の気体冷媒の圧力がコンプレッサの吸い込み圧力のほぼ下限値の圧力である場合に、バッファタンク内へ気体冷媒を自動的に吸気する吸気弁とをさらに備えていることが望ましい。これによれば、バッファタンクの安全性およびコンプレッサの適正な運転状態を自動的に確保することができる。【００２３】
本発明のプラズマ処理システムは、空気以外の気体冷媒を液化しない程度に圧縮して送り出すコンプレッサと、プラズマ処理用の気体を用いて所定の処理を行なうときに熱を発する装置であって、コンプレッサから送り出されてきた気体冷媒が通過するときに、気体冷媒によって冷却されるプラズマ処理装置とを備えている。また、そのシステムは、プラズマ処理装置から熱を吸収した後の前記気体冷媒が外部へ熱を放出する熱交換器と、熱交換器において熱を外部へ放出した後の前記気体冷媒を一時的に貯留するバッファタンクとを備えている。さらに、そのシステムは、コンプレッサ、熱源、熱交換器、およびバッファタンクをこの順番で連結する閉回路を構成し、その閉回路において気体冷媒を循環させるための配管を備えている。また、気体冷媒は、プラズマ処理用の気体とは反応しない１または２以上の気体からなっている。【００２４】
本発明の冷却システムの運転方法は、前述の冷却システムの運転方法であって、コンプレッサが起動されたときに、バッファタンク内の気体冷媒の圧力が低下した分だけ、バッファタンク内へ気体冷媒を吸引するステップと、閉回路において気体冷媒が１回循環するために必要な時間以上の時間が経過した後、バッファタンク内の気体冷媒の圧力をコンプレッサが損傷しない程度の値に維持するステップとを備えている。これによれば、コンプレッサに気体冷媒が供給されない状態が発生しないため、コンプレッサが損傷することが防止される。
【発明の効果】
【００２５】
本発明によれば、冷媒として比熱が小さい気体が用いられるため、熱源の温度表面のばらつきが生じ難い。また、閉回路内を気体冷媒が循環するため、ランニングコストの増加を抑制することができる。また、気体の種類は任意に選択され得るものであるため、熱源の周囲の雰囲気に応じて、危険性が低い気体を使用すれば、安全に熱源を冷却することができる。さらに、本発明の冷却システムは、気体と液体との相変化を利用するものではないため、比較的簡単に冷却能力を調整することができる。【００２６】
この発明の上記および他の目的、特徴、局面および利点は、添付の図面と関連して理解されるこの発明に関する次の詳細な説明から明らかとなるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】実施の形態の冷却システムの構成を示す図である。
【図２】実施の形態の冷却システムに用いられるコンプレッサを示す図である。
【図３】実施の形態の他の例の冷却システムの構成を示す図である。
【図４】実施の形態の冷却システムに用いられる熱源を示す図である。
【図５】実施の形態の冷却システムに用いられる熱交換器を示す図である。
【図６】実施の形態の冷却システムに用いられるバッファタンクを示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
１  コンプレッサ、２  熱源（大型ヒータ）、３  熱交換器、４  バッファタンク。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
図面を参照しながら、本発明の実施の形態の冷却システムを説明する。
実施の形態の冷却システムは、表面の温度分布を均一に維持しながら冷却することが必要な熱源、たとえば、大型ヒータの冷却のために用いられる。また、実施の形態においては、冷却される熱源は、酸素と反応し易い雰囲気中に設置されているものとする。そのため、この冷却システムの冷媒としては、窒素またはアルゴン等が考えられる。しかしながら、冷媒は、熱源の周囲の雰囲気に応じて適宜選択されるものであり、気体であれば、前述の冷媒に限定されるものではない。また、本実施の形態の冷却システムにおいて用いられる各機器は一例であって、本発明の冷却システムに用いられる各機器は、以下説明されるものに限定されない。【００３０】
図１を用いて、実施の形態の冷却システム１００の全体構成を説明する。
本実施の形態の冷却システム１００は、図１に示すように、バッファタンク４内に貯留されている冷媒を吸い込み、その冷媒を圧縮して送り出すコンプレッサ１を備えている。コンプレッサ１が送り出す冷媒としては、価格および熱伝導率を考慮して、窒素が用いられている。窒素は、熱源２を通過するときに、熱源２から熱を奪い、熱源２を冷却する。熱源２から熱を奪った窒素は、熱交換器３へ至る。熱交換器３において、窒素は、外部へ熱を放出する。それにより、窒素の温度は低下する。その後、窒素は、バッファタンク４に至り、一時的に貯留される。【００３１】
また、本実施の形態においては、コンプレッサ１、熱源２、熱交換器３、およびバッファタンク４が、この順番で、窒素が流れる配管５によって接続されて、窒素が外気に触れずに循環する閉回路が構成されている。なお、閉回路内を循環する冷媒は、空気以外の気体であって、閉回路を循環するときに、液化することなく、熱源から熱を吸収し、その熱を外部へ放出する気体でれば、いかなる気体であってもよい。【００３２】
前述のような本実施の形態の冷却システムによれば、比熱が小さな窒素を用いて表面積が大きな熱源２を冷却するため、比熱が大きな液体を用いる場合、または、冷媒の相変化によって熱源を冷却する場合に比較して、熱源２の表面の温度分布のむらが生じる度合いを低減することできる。また、窒素と反応する雰囲気中で窒素が用いられると、窒素と他の物質とが反応することに起因する不具合が生じるおそれがあるが、本実施の形態においては、窒素は閉回路内を循環するため、前述の不具合が生じるおそれがない。【００３３】
たとえば、コンプレッサ１においては、図２に示すように、モータ（図示せず）等によって回転する回転体１ｃの回転がクランク等によってピストン１ａに伝達される。それにより、シリンダ１ｅ内では、ピストン１ａが往復運動する。また、図１において矢印で示すように、配管５を流れる窒素が、吸込口１ｆからシリンダ１ｅ内へ吸い込まれる。シリンダ１ｅ内では、窒素がピストン１ａによって圧縮される。その結果、圧力が高まった窒素によって板バネ弁１ｄが開放される。それにより、図２において矢印で示すように、シリンダ１ｅ内の窒素が吐出口１ｇから配管５へ吐き出される。コンプレッサ１が吐き出す窒素は、気体である。つまり、コンプレッサ１は、気体の窒素を液化させない程度に圧縮して吐き出す。【００３４】
また、コンプレッサ１は、熱源２を目標とする温度まで冷却するために必要な気体の循環量よりも大きな量の気体を吐出する能力を有している。したがって、熱源２への窒素の供給が不足するという事態が生じない。【００３５】
また、本実施の形態の冷却システムは、閉回路とは別に、コンプレッサ１が起動された後、窒素が閉回路内を１回循環する間にコンプレッサ１が吐出する量の窒素をコンプレッサ１に供給するための他の窒素供給経路を備えている。具体的には、他の窒素供給経路は、図１に示すように、バッファタンク４に接続されている窒素補充用配管８ａである。したがって、コンプレッサ１の起動直後においては、窒素補充制御バルブ８０ａが開かれて、バッファタンク４内に窒素が窒素タンク２００から供給され、コンプレッサ１に順次窒素が送り込まれる。そのため、コンプレッサ１の起動直後の運転が安定する。なお、図１に示される閉回路内において１ｍ3／ｍｉｎの速度で窒素が１回循環するための時間は６秒である。【００３６】
本実施の形態においては、熱源２としての大型ヒータから、約５０Ｋｃａｌ／ｃｍ2／ｈの熱量を均一に取り除く必要があるものとする。そのため、大型ヒータと冷媒である窒素との温度差(Δt)が１５０℃であるとすると、１ｍ3／ｍｉｎの速度で窒素を閉回路内において常時循環させる必要がある。したがって、コンプレッサ１としては１ｍ3／ｍｉｎ以上の吐出量で窒素を循環させることができるものが選択される。ただし、コンプレッサ１の吐出量は、配管５全体の圧力損失も考慮して決定される必要がある。したがって、コンプレッサ１の窒素の吐出量は、少なくとも窒素の必要循環量の１．２倍以上であることが好ましいが、その値は、１．５倍以上であればより好ましい。これによれば、配管５の曲部および配管５に設けられたバルブ等に起因する圧力損失分も考慮して、十分な窒素の循環流量を確保することができる。【００３７】
なお、負荷変動に応じたコンプレッサ１の稼働率の変動を緩和するために、図３に示すように、コンプレッサ１と熱源２との間に気体が一時的に溜まりかつ高圧に耐え得る他のバッファタンク６が設けられていてもよい。これによれば、熱源２に供給される気体の流量が安定する。ただし、バッファタンク６は、必要に応じて設けられるものであり、本発明に必須の構成ではない。【００３８】
また、熱源２は、その表面積が大きなものであるため、図４に示すように、窒素が循環する配管５が蛇行するように設けられている。コンプレッサ１から熱源２内の蛇行する配管５へ入口２ａを介して窒素が送り込まれる。また、熱源２内を通過した窒素は、出口２ｂを介して、配管５へ送り出される。本実施の形態の冷却システム１００によれば、冷媒として比熱が小さな窒素が用いられているため、熱源２の入口２ａ付近の窒素の熱交換能力と熱源２の出口２ｂ付近の窒素の熱交換能力とにほとんど差はない。したがって、熱源２の表面の温度分布にむらが生じない。【００３９】
また、熱交換器３には、図５に示すように、配管５が蛇行するように設けられている。熱源２を通過した窒素は、入口３ａを介して、熱交換器３内を蛇行する配管５へ送り込まれ、蛇行する配管５内を流れる間に、熱を外部へ放出する。熱交換器３内において、窒素の熱は、入口配管７ａから出口配管７ｂへ向かって流れる冷却水に伝達される。また、熱交換器３内を流れる窒素は、出口３ｂを介して、配管５へ排出される。【００４０】
また、冷却水は、図１に示すように、冷却水タンク３００に貯留されており、冷却水ポンプ３１０によって、冷却水タンク３００と熱交換器３との間を循環している。したがって、熱交換器３を通過した窒素は、温度が低下しており、再び、熱源２を通過するときに、熱源２から熱を奪うことができる程度の温度になっている。なお、冷却水ポンプ３１０の制御は、制御装置３０によって行なわれている。また、冷却水タンク３００においては、冷却ファンが設けられており、大気と冷却水との間で熱交換が行なわれている。【００４１】
また、熱交換器３における窒素の圧力損失が閉回路全体における窒素の圧力損失の１／１０以下である。したがって、熱交換器３が熱源２の冷却のために必要な窒素の流れを阻害することはない。【００４２】
また、熱源２内の冷却管としての配管５の表面積は、熱源１ｍ3あたり２０ｃｍ2以上かつ７５０ｃｍ2以下である。したがって、熱源２は、十分な熱交換能力を有している。【００４３】
一般に、熱交換器３は、配管５における窒素の放熱量を除いた量の熱交換を行なう必要がある。ただし、本実施の形態においては、配管５の放熱量が無視され得る場合にも、熱交換器３は、約５０Ｋｃａｌ／ｃｍ2／ｈ以上の熱交換を行なうことができる必要がある。また、多量の窒素ガスが熱交換器３内の配管５を流れる必要があるため、配管５の圧力損失を低減することも必要である。さらに、熱交換をスムーズに行なう必要がある。そのため、配管５は、熱伝導率の大きな銅またはアルミニウム等の材料によって構成されていることが望ましい。これによって、熱交換器３のサイズを小さくすることができる。【００４４】
また、図６に示すように、バッファタンク４にも配管５が接続され、熱交換器３で熱交換を終えた窒素が、入口４ａを介して、バッファタンク４へ導入され、バッファタンク４内で貯留される。その後、コンプレッサ１のピストン１ａの往復運動によって、シリンダ１ｅ内の空間が負圧になるごとに、バッファタンク４からコンプレッサ１へ窒素が吸い込まれる。また、バッファタンク４内の窒素は、出口４ｂを介して、配管５へ送り出される。【００４５】
また、前述のバッファタンク４の容量が、窒素が閉回路を１回循環するために要する時間内にコンプレッサ１が吐出する窒素の量以上である。より具体的には、バッファタンク４の容量は１００Ｌ以上である。また、このバッファタンク４の容量は、閉回路の安定性に大きく影響するため、その安全率は高いことが望ましい。具体的には、バッファタンク４の安全率は、２以上であることが好ましい。なお、安全率が２とは、必要容量１００Ｌに対して２００Ｌの容量が確保されることを意味する。前述の構成によれば、コンプレッサ１が吐出する窒素がバッファタンク４内になくなることがない。そのため、コンプレッサ１に供給される窒素がないにもかかわらず、コンプレッサ１が駆動し続ける状態が発生しない。そのため、コンプレッサ１が損傷するおそれが低減されている。【００４６】
また、バッファタンク４が、図６に示すように、窒素を外部から補充するための窒素補充用配管８ａおよび気体を外部へ排出するための窒素排出用配管８ｂに接続されている。また、窒素補充用配管８ａおよび窒素排出用配管８ｂは、図１に示すように、窒素タンク２００に接続されている。窒素補充用配管８ａには、窒素補充用ポンプ２１０が設けられている。窒素排出用配管８ｂには、窒素排出用ポンプ２２０が設けられている。【００４７】
また、窒素補充用配管８ａおよび窒素排出用配管８ｂには、それぞれ、窒素補充制御バルブ８０ａおよび窒素排出制御バルブ８０ｂが設けられている。窒素補充制御バルブ８０ａ、窒素排出制御バルブ８０ｂ、窒素補充用ポンプ２１０、および窒素排出用ポンプ２２０は、それぞれ、制御装置３０によって制御される。制御装置３０は、バッファタンク４内に設けられた圧力センサ２０の測定値を特定可能な信号を受信し、その信号に基づいて、窒素補充制御バルブ８０ａ、窒素排出制御バルブ８０ｂ、窒素補充用ポンプ２１０、および窒素排出用ポンプ２２０を制御する。なお、制御装置３０は、コンプレッサ１の制御も行なっている。【００４８】
本実施の形態の冷却システムの運転時には、制御装置３０は、コンプレッサ１を起動した直後においては、コンプレッサ１の起動に起因してバッファタンク４内の気体の圧力が低下した分だけ、バッファタンク４内へ窒素を供給するために、窒素補充制御バルブ８０ａを開くとともに、窒素補充用ポンプ２１０を駆動する。また、制御装置３０は、閉回路において窒素が１回循環するために必要な時間以上の時間が経過した後、バッファタンク４内の気体の圧力が、コンプレッサ１が損傷しない程度の値、たとえば、正圧０．５気圧以下に設定されるように、窒素補充制御バルブ８０ａおよび窒素排出制御バルブ８０ｂの開閉、ならびに、窒素補充用ポンプ２１０および窒素排出用ポンプ２２０の駆動状態を制御する。【００４９】
つまり、バッファタンク４内の窒素の量が少な過ぎる場合には、制御装置３０は、窒素補充制御バルブ８０ａを開き、かつ、窒素補充用ポンプ２１０を駆動して、窒素補充用配管８ａを介して、窒素タンク２００からバッファタンク４へ窒素を補充する。また、バッファタンク４内の窒素の量が多過ぎる場合には、制御装置３０は、窒素排出制御バルブ８０ｂを開き、かつ、窒素排出用ポンプ２２０を駆動して、窒素排出用配管８ｂを介して、バッファタンク４から窒素タンク２００へ窒素を排出する。したがって、コンプレッサ１に窒素が供給されない状態が発生しないため、コンプレッサ１が損傷することが防止される。【００５０】
また、制御装置３０は、圧力センサ２０から受ける信号よって、バッファタンク４内の窒素の圧力がコンプレッサ１の吸い込み圧力のほぼ上限値の圧力であることを検出した場合に、窒素補充制御バルブ８０ａを閉じかつ窒素排出制御バルブ８０ｂを開くとともに、窒素排出用ポンプ２２０を駆動して、バッファタンク４内の窒素を自動的に排出することができる。また、制御装置３０は、圧力センサ２０から受ける信号によって、バッファタンク４内の窒素の圧力がコンプレッサ１の吸い込み圧力のほぼ下限値の圧力であることを検出した場合に、窒素排出制御バルブ８０ｂを閉じかつ窒素補充制御バルブ８０ａを開くとともに、窒素補充用ポンプ２１０を駆動して、バッファタンク４内へ窒素を自動的に吸気することができる。なお、前述の上限値および下限値とは、コンプレッサ１の種類ごとに決まる値であって、それらの値によって規定される範囲内の量の窒素がバッファタンク４内へ供給されていれば、コンプレッサ１およびバッファタンク４が損傷しない。したがって、上記の構成によれば、バッファタンク４の安全性およびコンプレッサ１の適正な運転状態を自動的に確保することができる。【００５１】
なお、本実施の形態においては、冷媒として、窒素が用いられているが、窒素の代わりに、酸素、二酸化炭素または不活性ガス（たとえば、アルゴン）が用いられてもよい。これらの気体は、他の物質と反応するおそれが低いため、気体が閉回路の外部に漏れた場合に、周囲環境へ悪影響を与えるおそれが低い。【００５２】
特に、温度が高い真空雰囲気中に設置された熱源を液体冷媒を用いて冷却すると、液体が沸騰して爆発するおそれ、たとえば、水蒸気爆発が発生するおそれがある。そのため、この場合においては、冷却システムにおいて液体冷媒を使用することはできない。また、たとえば、プラズマＣＶＤ（Chemical  Vapor  Deposition）装置のように、反応性が高いかまたは毒性が強い気体がわずかに含まれた真空雰囲気を形成する装置がある。このようなプラズマ処理装置は、所定の気体を用いて所望の処理を行なう過程で、熱を発する。このようなプラズマ処理装置が熱源２として組み込まれている冷却システムが使用される場合には、冷却効率を考慮することとともに、プラズマ処理装置内において使用されている気体とは反応しない気体冷媒を使用することが望ましい。これによれば、プラズマ処理装置内においてプラズマ処理のために使用されている気体がプラズマ処理装置から漏れ出すとともに、冷却システムの配管５から気体冷媒が漏れ出しても、それらの気体同士が反応（たとえば、化学反応）して、不具合が発生することはない。したがって、前述の冷却システムが用いられたプラズマ処理システムの安全性が向上する。なお、気体冷媒は、１種類の気体からなっているものであっても、複数種類の気体からなっているものであってもよい。【００５３】
上述の実施の形態の冷却システム１００によれば、大型の熱源２を冷却する場合において、大規模な構造を採用することなく、高い温度の熱源２を冷却することが可能であり、安全性が確保され、かつ、周辺部を損傷させずに、熱源を均一に冷却することができる。【００５４】
次に、実施の形態の冷却システムの運転方法を説明する。
まず、制御装置３０は、コンプレッサ１を始動した後、図１に示すバッファタンク４とコンプレッサ１との間に設けられたバルブ１０を開く。このとき、コンプレッサ１が負圧状態で動作することを防止するために窒素が窒素補充用配管８ａからバッファタンク４へ供給される。特に、窒素が循環して冷却システム１００が定常状態になるまでの間（６秒以内）においては、コンプレッサ１は負圧状態で動作し易いため、バッファタンク４へ窒素の供給することが必要である。【００５５】
この後、窒素が閉回路の配管５を循環すると、バッファタンク４内の圧力が安定し、コンプレッサ１は、負荷が生じない程度の正圧状態で動作する。また、コンプレッサ１のシリンダ１ｅ内の空間が過度に正圧になった場合には、窒素排出制御バルブ８０ｂを開いて、バッファタンク４内の窒素が排出される。これによって、コンプレッサ１を安定して動作させることができる。【００５６】
上記本実施の形態の冷却システムによれば、冷媒としての窒素が循環して使用され、冷媒を新たに供給する必要がない。そのため、ランニングコストはコンプレッサ１の消費電力のコストのみであるため、窒素を順次排出する冷却システムに比較して、大幅なコストダウンを図ることができる。【００５７】
この発明を詳細に説明し示してきたが、これは例示のためのみであって、限定ととってはならず、発明の範囲は添付の請求の範囲によってのみ限定されることが明らかに理解されるであろう。
【図１】
2007040033.tif 000003
【図２】
2007040033.tif 000004
【図３】
2007040033.tif 000005
【図４】
2007040033.tif 000006
【図５】
2007040033.tif 000007
【図６】
2007040033.tif 000008
【手続補正書】
【提出日】平成20年3月7日(2008.3.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気以外の気体冷媒を液化しない程度に圧縮して送り出すコンプレッサ（１）と、
前記コンプレッサ（１）から送り出されてきた前記気体冷媒が通過するときに、前記気体冷媒によって冷却され、酸素と反応し易い雰囲気中に設置されているヒータ（２）と、
前記ヒータ（２）から熱を吸収した後の前記気体冷媒が外部へ熱を放出する熱交換器（３）と、
前記熱交換器（３）において熱を外部へ放出した後の前記気体冷媒を一時的に貯留するバッファタンク（４）と、
前記コンプレッサ（１）、前記ヒータ（２）、前記熱交換器（３）、および前記バッファタンク（４）をこの順番で連結する閉回路を構成し、該閉回路において前記気体冷媒を循環させるための配管（５）とを備えた、冷却システム。
【請求項２】
前記コンプレッサ（１）と前記ヒータ（２）との間に前記気体冷媒を一時的に貯留する他のバッファタンク（２００）をさらに備えた、請求項１に記載の冷却システム。
【請求項３】
前記バッファタンク（４）の容量は、前記気体冷媒が前記閉回路を１回循環するために要する時間内に前記コンプレッサ（１）が吐出する前記気体冷媒の量以上である、請求項１に記載の冷却システム。
【請求項４】
前記気体冷媒を外部から補充し得るように前記バッファタンク（４）に接続された補充用配管（８ａ）と、
前記気体冷媒を外部へ排出し得るように前記バッファタンク（４）に接続された排出用配管（８ｂ）とをさらに備えた、請求項１に記載の冷却システム。
【請求項５】
前記コンプレッサ（１）は、前記ヒータ（２）を目標とする温度まで冷却するために必要な前記気体冷媒の循環量よりも大きな量の前記気体冷媒を吐出する能力を有する、請求項１に記載の冷却システム。
【請求項６】
前記気体冷媒が、窒素、二酸化炭素または不活性ガスである、請求項１に記載の冷却システム。
【請求項７】
前記配管（５）は、前記ヒータ（２）においては冷却管として機能し、
前記冷却管の表面積がヒータ１ｍ3あたり２０ｃｍ2以上かつ７５０ｃｍ2以下である、請求項１に記載の冷却システム。
【請求項８】
前記熱交換器（３）における前記気体冷媒の圧力損失が前記閉回路全体における前記気体冷媒の圧力損失の１／１０以下である、請求項１に記載の冷却システム。
【請求項９】
前記閉回路とは別に、前記コンプレッサ（１）が起動された後、前記気体冷媒が前記閉回路内を１回循環するまでの間に前記コンプレッサ（１）が吐出する量の前記気体冷媒を前記コンプレッサ（１）に供給し得る冷媒供給経路（２００，２１０，８ａ）をさらに備えた、請求項１に記載の冷却システム。
【請求項１０】
前記バッファタンク（４）内の前記気体冷媒の圧力が前記コンプレッサ（１）の吸い込み圧力のほぼ上限値の圧力である場合に、前記バッファタンク（４）内の前記気体冷媒を自動的に排気する排気弁（８０ｂ）と、
前記バッファタンク（４）内の前記気体冷媒の圧力が前記コンプレッサ（１）の吸い込み圧力のほぼ下限値の圧力である場合に、前記バッファタンク（４）内へ前記気体冷媒を自動的に吸気する吸気弁（８０ａ）とをさらに備えた、請求項１に記載の冷却システム。
【請求項１１】
空気以外の気体冷媒を液化しない程度に圧縮して送り出すコンプレッサ（１）と、
プラズマ処理用の気体を用いて所定の処理を行なうときに熱を発する装置（２）であって、前記コンプレッサ（１）から送り出されてきた前記気体冷媒が通過するときに、前記気体冷媒によって冷却されるプラズマ処理装置（２）と、
前記プラズマ処理装置（２）から熱を吸収した後の前記気体冷媒が外部へ熱を放出する熱交換器（３）と、
前記熱交換器（３）において熱を外部へ放出した後の前記気体冷媒を一時的に貯留するバッファタンク（４）と、
前記コンプレッサ（１）、前記熱を発する装置（２）、前記熱交換器（３）、および前記バッファタンク（４）をこの順番で連結する閉回路を構成し、該閉回路において前記気体冷媒を循環させるための配管（５）とを備え、
前記気体冷媒は、前記プラズマ処理用の気体とは反応しない１または２以上の気体からなる、プラズマ処理システム。
【請求項１２】
請求項１に記載の冷却システムの運転方法であって、
前記コンプレッサ（１）が起動されたときに、前記バッファタンク（４）内の前記気体冷媒の圧力が低下した分だけ、前記バッファタンク（４）内へ前記気体冷媒を吸引するステップと、
前記閉回路において前記気体冷媒が１回循環するために必要な時間以上の時間が経過した後、前記バッファタンク（４）内の前記気体冷媒の圧力を前記コンプレッサ（１）が損傷しない程度の値に維持するステップとを備えた、冷却システムの運転方法。
【国際調査報告】
2007040033.tif 000009
2007040033.tif 000010
2007040033.tif 000011
2007040033.tif 000012